Nghiên cứu tổng hợp dẫn xuất n (3 metoxybenzyliđen) chitosan và nghiên cứu hấp phụ ion kim loại nặng

Khoá luận tốt nghiệp

ĐHSP Hà Nội 2

LỜI CẢM ƠN

Trước hết tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Thị
Đông – Viện Hóa Học – Viện Khoa Học và công nghệ Việt Nam đã tận tình
hướng dẫn và truyền đạt cho tôi các phương pháp nghiên cứu khoa học và
những kinh nghiệm học thuật quý báu trong quá trình thực hiện luận văn.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô, các anh chị tại Viện
Hóa Học – Viện Khoa Học và công nghệ Việt Nam đã tận tình giảng dạy, chỉ
bảo và dìu dắt tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Đồng thời tôi xin cảm ơn thầy giáo Lê Cao Khải, cùng toàn thể các
thầy cô giáo trong khoa Hóa Học Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2, đã tạo
điều kiện cho tôi được tiếp thu những kiến thức chuyên môn về hóa học hữu
cơ và công nghệ môi trường.

Sinh viên

Nguyễn Đại Ngọc

Nguyễn Đại Ngọc

K33- Khoa Hoá Học


Khoá luận tốt nghiệp

ĐHSP Hà Nội 2
MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ
DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ
BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG KHÓA LUẬN
MỞ ĐẦU...............................................................................................................................1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN............................................................................................ 3

I. Giới thiệu chung......................................................................................3
I.1. Cấu trúc tinh thể ..............................................................................4
I.2. Tính tan ...........................................................................................4
I.3. Khối lượng phân tử ..........................................................................5
I.4. Phương pháp điều chế chitin/chitosan ..............................................7
I.4.1. Tách chitin từ vỏ phế thải thuỷ hải sản . ......................................7
I.4.2. Điều chế chitosan . ......................................................................9
I.4.3. Độ axetyl hoá- Xác định độ axetyl/deaxetyl hoá .......................10
I.5. Tính chất hoá học ..........................................................................11
I.5.1. Phản ứng ở nhóm - OH .............................................................12
I.5.2. Phản ứng ở nhóm axetamit........................................................12
I.5.3. Phản ứng ở nhóm – NH2............................................................13
I.5.4. Phản ứng giảm mạch chitosan ...................................................14
I.5.5. Một số sản phẩm biến tính chitin/chitosan.................................15
I.5.5.1. Sản phẩm biến tính tại nhóm – NH2 .....................................15
I.5.5.2. Sản phẩm biến tính tại nhóm - OH.......................................21
II. Ứng dụng của chitin/chitosan và dẫn xuất . ........................................22
II.1.Ứng dụng trong xử lý nước thải...........................................................23
II.1.1. Hấp phụ ion kim loại nặng . .....................................................23

Nguyễn Đại Ngọc

K33- Khoa Hoá Học


Khoá luận tốt nghiệp

ĐHSP Hà Nội 2

II.1.2. Hấp phụ thuốc nhuộm hoạt tính. ..............................................24
II.2. Ứng dụng trong y dược ......................................................................25
II.3. Ứng dụng trong nông nghiệp ..............................................................25
II.3.1. Chất kích thích sinh trưởng . .................................................25
II.3.2. Chất bảo quản nông sản ........................................................26
CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM ................................................................................... 27

II.1. Nguyên liệu, hóa chất, dụng cụ và thiết bị nghiên cứu...................27
II.1.1. Nguyên liệu, hóa chất............................................................27
II.1.2. Dụng cụ, thiết bị nghiên cứu..................................................27
II.2. Thực nghiệm.....................................................................................28
II.2.1. Điều chế chitin/chitosan...........................................................28
II.2.1.1. Điều chế chitin ...................................................................28
II.2.1.2. Điều chế chitosan ...............................................................29
II.2.1.3. Xác định độ axetyl hóa/đeaxetyl hóa ..................................30
II.2.1.4. Xác định khối lượng phân tử trung bình số của chitosan ....30
II.2.2. Điều chế các dẫn xuất N-(3-metoxybenzyliđen)chitosan..........31
II.2.2.1. Chuẩn bị các dung dịch : ...................................................31
II.2.2.2. Khảo sát phản ứng với điều kiện thí nghiệm khác nhau. .....32
II.2.2.3.Khả năng hấp thụ nước của dẫn xuất N-(3metoxybenzyliđen)chitosan .....................................................................33

II.2.3. Khảo sát khả năng hấp phụ ion kim loại của chitosan và dẫn
xuất N-(3-metoxybenzyliđen)chitosan.....................................................33
II.2.4. Giải hấp phụ, tái hấp phụ - Quy trình hấp phụ - giải hấp phụ. ..34
II.2.4.1. Giải hấp phụ .......................................................................34
II.2.4.2. Tái hấp phụ ion kim loại – chu trình hấp phụ - giải hấp phụ34
CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................................. 35

III.1. Điều chế chitin/chitosan ...................................................................35
III.1.1. Điều chế chitin ...............................................................................35
III.1.2. Điều chế chitosan từ chitin theo phương pháp kiềm đặc kết hợp
nhiệt độ cao. ............................................................................................36
III.1.2.1. Phổ hồng ngoại . ...............................................................36

Nguyễn Đại Ngọc

K33- Khoa Hoá Học


Khoá luận tốt nghiệp

ĐHSP Hà Nội 2

III.1.2.2. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân..............................................37
III.1.2.3. Phổ X-Ray ........................................................................38
III.1.2.4. Khối lượng phân tử ...........................................................39
III.1.3. Điều chế chitosan có DA thấp ........................................................40
III.1.3.1. Phổ hồng ngoại .................................................................40
III.1.3.2. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân..............................................41
III.1.3.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X ......................................................42
III.1.3.4. Khối lượng phân tử ...........................................................43

III.2. Tổng hợp các dẫn xuất N-(3-metoxybenzyliđen)chitosan. .............44
III.2.1. Phản ứng tổng hợp các dẫn xuất N-(3-metoxybenzyliđen)
chitosan ...........................................................................................44
III.2.2. Khảo sát phản ứng bằng phổ hồng ngoại (FT-TR) ...............46
III.2.3. Khảo sát bằng TGA.............................................................47
III.2.4. Khảo sát bằng giản đồ nhiễu xạ tia X.................................47
III.2.5. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp dẫn
xuất N-(3-metoxybenzyliđen)chitosan...........................................................48
III.2.5.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ alđehyt/amin...................................48
III.2.5.2. Ảnh hưởng của khối lượng phân tử chitosan đến hiệu suất
phản ứng..........................................................................................................49
III.2.5.3. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất phản ứng............50
III.2.5.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất phản ưng............51
III.2.5.5. Khảo sát khả năng hấp thụ nước của dẫn xuất N-(3metoxybenzyiđen)chitosan..............................................................................51
III.3. Khảo sát khả năng hấp phụ và giải hấp phụ ion kim loại của chitosan
và dẫn xuất N-(3-metoxybenzyliđen)chitosan...................................................52
III.3. 1. Khảo sát khả năng hấp phụ ion kim loại nặng của chitosan và dẫn
xuất N-(3-metoxybenzyliđen)chitosan.....................................................53
III.3.1.1. Ảnh hưởng của thời gian...................................................53
III.3.1.2. Ảnh hưởng của pH ..........................................................534
III.3.1.3. Ảnh hưởng của khối lượng chất hấp phụ đến khả năng hấp
phụ ion kim loại (tính theo % lượng ion kim loại hấp phụ)......................54
III.3.2. Nghiên cứu khả năng giải hấp phụ ion kim loại nặng của chitosan
và dẫn xuất N-(3-metoxybenzyliđen)chitosan..........................................55
III.3.3. Nghiên cứu khả năng tái hấp phụ ion kim loại của dẫn xuất N-(3metoxybenzyliđen)chitosan. ....................................................................56

Nguyễn Đại Ngọc

K33- Khoa Hoá Học

Khoá luận tốt nghiệp

ĐHSP Hà Nội 2

KẾT LUẬN CHUNG………………………………………………………………57
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 58

Nguyễn Đại Ngọc

K33- Khoa Hoá Học


Khoá luận tốt nghiệp

ĐHSP Hà Nội 2
DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 3.1: Phổ hồng ngoại của β-chitin......................................................... 35
Hình 3.2: Phổ hồng ngoại của  –chitosan................................................... 37
Hình 3.3: Phổ 1  -NMR của β-chitosan ....................................................... 38
Hình 3.4: Giản đồ nhiễu xạ tia X của chitosan............................................. 39
Hình 3.5: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa /C và nồng độ chitosan ....... 40
Hình 3.6: Phổ FT-IR của -chitosan theo phương pháp phá kết tinh ........... 40
Hình 3.7: Phổ 1H-NMR của  –chitosan deaxetyl hoá hoàn toàn ................. 41
Hình 3.8: Phổ 13C-NMR của  –chitosan deaxetyl hoá hoàn toàn................ 42
Hình 3.9: Giản đồ nhiễu xạ tia X của chitosan điều chế theo
phương pháp phá kết tinh.............................................................. 43
Hình 3.10: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa /C và C.............................. 44
Hình 3.11: Phổ hồng ngoại của N-(3-metoxybenzyliđen)chitosan…………46

Hình 3.12: Giản đồ phân tích nhiệt của chitosan (a) và N-(3metoxybenzyliđen) chitosan (b).................................................... 47
Hình 3.13: Giản đồ nhiễu xạ tia X của chitosan và 3MBCh ........................ 48
Hình 3.14: Ảnh hưởng của tỷ lệ nhóm aldehyt/amin đến hiệu suất phản ứng
tổng hợp 3MBCh .......................................................................... 49
Hình 3.15: Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất phản ứng tổng
hợp các dẫn xuất của chitosan....................................................... 50
Hình 3.16: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất phản ứng tổng hợp các dẫn
xuất của chitosan. ......................................................................... 51
Hình 3.17: Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ ion bạc của
chitosan và dẫn xuất ..................................................................... 53
Hình 3.18: Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ ion kim loại bạc ....... 54
Hình 3.19: Ảnh hưởng của khối lượng polyme đến % hấp phụ ion kim loại
bạc . .............................................................................................. 55
Hình 3.20: Khả năng tái hấp phụ ion kim loại bạc lên dẫn xuất 3MBCh...... 56

Nguyễn Đại Ngọc

K33- Khoa Hoá Học


Khoá luận tốt nghiệp

ĐHSP Hà Nội 2
DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Thành phần chính của một số nguyên liệu chứa chitin................. 29
Bảng 3.1 : Hàm lượng β-chitin trong mai mực ống...................................... 35
Bảng 3.2: Độ chuyển dịch hoá học của proton (1H) của chitosan ................. 38
Bảng 3.3: Kết quả đo áp suất thẩm thấu của chitosan tại các nồng độ khác
nhau ........................................................................................... 39

Bảng 3.4: Độ chuyển dịch hóa học của proton (1H) của chitosan ................. 41
Bảng 3.5: Độ dịch chuyển hóa học cacbon (13C) của Chitosan..................... 42
Bảng 3.6: Kết quả đo áp suất thẩm thấu của chitosan DA0........................ 43
Bảng 3.7: Ảnh hưởng của khối lượng phân tử chitosan đến hiệu suất tổng hợp
dẫn xuất 3MBCh…………………………………………………………….50
Bảng 3.8: Kết quả nghiên cứu giải hấp phụ ion bạc ra khỏi dẫn xuất N-(3metoxylbenzyliđen)chitosan bằng dung dịch HCl 0,1 N............. 55

Nguyễn Đại Ngọc

K33- Khoa Hoá Học


Khoá luận tốt nghiệp

ĐHSP Hà Nội 2
DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ

Sơ đồ 1.1: Cấu tạo của Xenlulozo, Chitin, Chitosan....................................... 3
Sơ đồ 1.2: Điều chế chitosan.......................................................................... 9
Sơ đồ 1.3: Quá trình sản xuất chitin / chitosan truyền thống ........................ 10
Sơ đồ 1.4: Công thức cấu tạo của chitin / chitosan ....................................... 11
Sơ đồ 1.5: Phản ứng deaxetyl hóa chitin ...................................................... 13
Sơ đồ 1.6: Quá trình thuỷ phân chitosan bằng HCl ...................................... 15
Sơ đồ 1.7: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất N-ankyl chitosan ............................ 16
Sơ đồ 1.8: Phản ứng ankyl hóa-khử của chitosan......................................... 16
Sơ đồ 1.9: Phản ứng ankyl hóa-khử của chitosan......................................... 16
Sơ đồ 1.10: Phản ứng điều chế chitosan liên kết ngang với glutaranđehyt.... 17
Sơ đồ 1.11: Phản ứng tổng hợp N,N,N-trimetyl chitosan ............................. 17
Sơ đồ 1.12: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất N-cacboxyankyl chitosan ............. 18
Sơ đồ 1.13: Quá trình tổng hợp dẫn xuất N-cacboxyankyl chitosan. ............ 18

Sơ đồ 1.14: Cacboxy hóa chitosan trong môi trường axit levulinic .............. 19
Sơ đồ1.15: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất N-cacboxyankyl chitosan đi từ
chitosan có độ đeaxetyl hoá cao với axit monocloankanoic.......................... 19
Sơ đồ 1.16: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất N-cacboxyankyl chitosan đi từ
chitosan và hợp chất có gốc hiđrocacbon không no chứa liên kết đôi trong
môi trường axit............................................................................................. 20
Sơ đồ 1.17: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất O- axyl chitosan. .......................... 21
Sơ đồ 1.18: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất O-cacboxyankyl chitosan. ............ 22
Sơ đồ 1.19: Phản ứng deaxetyl hoá glycol-chitin. ........................................ 22
Sơ đồ 3.1: Phản ứng đeaxetyl hóa chitin ...................................................... 36

Nguyễn Đại Ngọc

K33- Khoa Hoá Học


Khoá luận tốt nghiệp

ĐHSP Hà Nội 2

BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG KHÓA LUẬN

3MBCh:

N-(3-metoxybenzyliđen)chitosan

Ac:

CH3CO

CTS:

Chitosan

DDA:

Độ đề axetyh hóa

DA:

Độ axetyl hóa

DMAc:

N,N’-đimetyl axetamit

DP:

Độ polymer hóa trung bình

GlcN:

D-glucosamin

GlcNAc:

N-axetyl-D-glucosamin

IR:

Hồng ngoại

LAB:

Lactic axit bacterial



Khối lượng phân tử trung bình

Me:

CH3

NMR:

Nuclear

Magnetic

Resonance

-

Cộng

hưởng

từ

hạt nhân
NMP:

N-metyl-2-pyroliđon

Nguyễn Đại Ngọc

K33- Khoa Hoá Học


Khoá luận tốt nghiệp

ĐHSP Hà Nội 2

MỞ ĐẦU
Chitin

[poly--(1-4)-2-axetamiđo-2-đeoxy-D-glucopyranozơ]-một

polysacarit với hàm lượng đứng hàng thứ hai trong tự nhiên sau xenlulozơ - là
thành phần chính của vỏ các loài động vật giáp xác như: vỏ tôm, mai cua, mai
mực... Chitin và nhiều dẫn xuất của nó có các tính chất quý báu như: kháng
khuẩn, kháng nấm, chống viêm, kháng virut, tính hoà hợp sinh học cao... và
có khả năng tự phân huỷ sinh học nên đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều
lĩnh vực như y học, dược học, bảo quản thực phẩm, mỹ phẩm v.v.. Ngoài ra,
chitin và một số dẫn xuất của nó còn có khả năng hấp phụ tốt các ion kim
loại, đặc biệt là các ion kim loại nặng. Vì vậy, hướng nghiên cứu này đanđược
quan tâm đặc biệt trong những năm gần đây.
Nước ta có bờ biển dài, sản lượng thuỷ, hải sản thu được hàng năm khá
lớn và đa dạng về chủng loại. Hiện nay, phế thải từ các nhà máy chế biến

thuỷ, hải sản mới chỉ được tận dụng chủ yếu làm thức ăn gia súc và một phần
được dùng để điều chế chitin và chitosan.
Bảo vệ môi trường đã, đang và sẽ vẫn là vấn đề được quan tâm có tính
toàn cầu, đặc biệt là ở các nước đang phát triển như Việt Nam. Lượng chất
thải từ các nhà máy, xí nghiệp và dân sinh đang ngày càng làm cho môi
trường sống của con người bị ô nhiễm nghiêm trọng và phá vỡ cân bằng sinh
thái. Vào năm 1995, khoảng 20% số dân của trái đất đã không đủ nước sạch
để phục vụ sinh hoạt và gần 50% dân số không được sống trong môi trường
vệ sinh đảm bảo. Theo dự báo của Liên hợp quốc, đến năm 2025 sẽ có
khoảng 2/3 dân số trên thế giới bị ảnh hưởng bởi nạn thiếu nước sạch [51].
Để góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn phế thải thuỷ, hải sản ở
trong nước và góp sức vào công cuộc bảo vệ môi trường, mục tiêu nghiên cứu
của luận văn là:

Nguyễn Đại Ngọc

1

K33- Khoa Hoá Học


Khoá luận tốt nghiệp
-

ĐHSP Hà Nội 2

Tách -chitin từ mai mực ống vùng biển Hải phòng và điều chế -

chitosan
-

Tổng hợp dẫn xuất N-(3-metoxybenzyliđen)chitosan. Nghiên cứu

ảnh hưởng của tỷ lệ mol, khối lượng phân tử của -chitosan, nhiệt độ, thời
gian

phản

ứng

đến

hiệu

suất

tổng

hợp

các

dẫn

xuất

N-(3-

metoxybenzyliđen)chitosan;
-

Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion Ag+, chu trình giải hấp phụ-tái

hấp phụ của chitosan và dẫn xuất N-(3-metoxybenzyliđen)chitosan.

Nguyễn Đại Ngọc

2

K33- Khoa Hoá Học


Khoá luận tốt nghiệp

ĐHSP Hà Nội 2
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

I. Giới thiệu chung [1,2,4,24,34]
Trong số các polysaccarit thì xenlulozo và chitin là nguồn tài nguyên
sinh học tự nhiên phong phú nhất. Xenlulozo được tổng hợp từ thực vật còn
chitin được tổng hợp chủ yếu từ động vật bậc thấp. Chitin có cấu trúc tương
tự như xenlulozo, tên gọi " chitin " xuất phát từ tiếng Hilap " chiton " nghĩa là
vỏ của các loài giáp xác như tôm, cua, mai mực...
Chitin được đánh giá là loại vật liệu có tiềm năng lớn nhưng cho đến
nay việc ứng dụng chitin vẫn chưa rộng rãi như xenlulozo. Chitin là một
polyme sinh học với nhiều tính chất quý báu như khả năng phân huỷ sinh học
và đặc biệt là có hoạt tính sinh học nên nó không chỉ là nguồn tài nguyên sẵn
có mà nó còn là một loại vật liệu chức năng mới.

Xenlulozo

Chitin

Chitosan

Sơ đồ 1.1: Cấu tạo của Xenlulozo, Chitin, Chitosan

Nguyễn Đại Ngọc

3

K33- Khoa Hoá Học


Khoá luận tốt nghiệp

ĐHSP Hà Nội 2

Trong thực tế chitin và chitosan cùng tồn tại trong một phân tử polyme
vì vậy khái niệm chitin, chitosan chỉ là tương đối. Khi polyme có tỷ lệ mắt
xích β(1→4)-D-glucozamin lớn hơn 50% (DDA>50) thì được gọi là chitosan
và ngược lại là chitin
I.1. Cấu trúc tinh thể [1,2,4,71].
Chitin là một loại polisaccarit mạch thẳng với khối lượng phân tử lớn
đựơc tạo thành bởi mắt xích N-axetyl-D-glucozamin theo liên kết (14)
glucozit như kiểu liên kết các mắt xích D-glucozo ở xenlulozo. Bằng phương
pháp nhiễu xạ tia X đã phát hiện chitin có 3 kiểu đa hình là: ,,-chitin được
mô tả theo hình sau:

Chitin

Chitin

Chitin

- -chitin: có cấu trúc tinh thể mạng ghép đôi song song (một mạng
lên một mạng xuống liền nhau ), α-chitin thường được tách từ vỏ cua.
- -chitin: các mạch ghép trong tinh thể theo cách ghép song song cùng
chiều, -chitin chủ yếu có trong mai mực nang sừng.
- -chitin: có mạch ghép trong tinh thể theo 2 cách cứ 2 mạch song
song lại có 1 mạch đối song, -chitin được tách từ sợi kén của bọ cánh cứng,
dạ dày của mực ống, là loại có trữ lượng ít nhất.
I.2. Tính tan [34,62].
Vì có liên kết hiđro chặt chẽ giữa các phân tử nên chitin thể hiện ái lực
hạn chế với phần lớn các dung môi. Chitin thường (  -chitin) không tan và
hầu như không trương trong dung môi thông dụng mà chỉ tan trong một số
dung môi đặc biệt, ví dụ: N,N-đimetylaxetamit (DMAC) có chứa 5-10% LiCl.
Nguyễn Đại Ngọc

4

K33- Khoa Hoá Học


Khoá luận tốt nghiệp

ĐHSP Hà Nội 2

Chitosan là một polyamin không tan trong nước cũng như dung môi
hữu cơ nhưng tan trong môi trường axit loãng. Độ tan của chitosan phụ thuộc

vào loại axit và nồng độ axit trong dung dịch. Khi xử lý chitin/chitosan trong
môi trường axit mạnh với nồng độ lớn thường xảy ra phản ứng depolyme hoá
(cắt mạch) làm giảm khối lượng phân tử polyme.
I.3. Khối lượng phân tử [34]
Khối lượng phân tử của chitin/chitosan là thông số quan trọng nhưng
khó có thể xác định được chính xác do tính tan kém của chúng và sự đa dạng
về kiểu phân bố các nhóm axetyl cũng như mức độ axetyl hoá.
Khối lượng phân tử của chitin tự nhiên, càng khó xác định vì nó tồn tại
ở dạng liên kết chặt chẽ với protein, muối khoáng cũng như hầu hết các chất
màu. Hơn nữa độ dài mạch chính của chitin/chitosan có thể giảm trong quá
trình xử lý với axit và kiềm. Khối lượng phân tử chitin sau khi tách khỏi
protein cũng như các chất khác được tính toán theo các phương pháp đo độ
nhớt, tán xạ ánh sáng, sắc ký thẩm thấu gel ( GPC- gel Permeation
Chomatography ) hoặc sắc ký loại trừ theo độ lớn phân tử ( SEC- Site
Exlusion Chomatography ) trong dung môi DMAc/LiCl. Tán xạ ánh sáng là
phương pháp xác định trực tiếp khối lượng phân tử. Kết hợp các phương pháp
SEC, tán xạ ánh sáng và đo độ nhớt thì có thể xác định được chính xác khối
lượng phân tử trung bình và độ phân bố của khối lượng phân tử. Từ các số
liệu thu được từ phương pháp PC đã khẳng định các mẫu chitin tách từ mai
cua, vỏ tôm và mai mực ống có độ polyme hoá ( degree of polymeizaion-DP )
nằm trong khoảng 2000-4000. Chitosan tan được trong dung dịch axit loãng
và khối lượng phân tử có thể xác định theo phương pháp sắc ký lỏng cao áp
ghép nối với cột loại trừ theo độ lớn phân tử ( SE - HPLC - size exlusion high
performance liquidchromatography).GPC - HPLC, GPC, phương pháp đo độ
nhớt...cũng có thể chuyển hoá chitosan thành chitin qua phản ứng N-axetyl
hoá và khối lượng phân tử được tính theo phương pháp GPC trong hệ dung

Nguyễn Đại Ngọc

5

K33- Khoa Hoá Học


Khoá luận tốt nghiệp

ĐHSP Hà Nội 2

môi DMAc/LiCl. Trong đó phương pháp đơn giản nhất để xác định khối
lượng phân tử polime là xác định theo phương pháp gián tiếp qua phép đo độ
nhớt. Phép đo độ nhớt không phải là phương pháp tuyệt đối để xác định khối
lượng phân tử mà chỉ là phương pháp tương đối dựa trên cơ sỏ độ nhớt của
dung dịch polyme tăng tỉ lệ với số lượng các phân tử thêm vào.
Phương pháp đo áp suất thẩm thấu là phương pháp dựa trên định luật
Vant-Hoff. Theo định luật này, sự phụ thuộc giữa áp suất thẩm thấu P, thể
tích V và nhiệt độ tuyệt đối T và số gam phân tử của vật chất trong dung dịch
pha loãng được biểu diễn bằng phương trình trùng với dạng phương trình của
dạng khí lí tưởng:
PV=nRT = (g/M)RT
 P = (g/V)(RT)/M
 M = (RTC)/P
Trong đó:

g:

khối lượng của chất hòa tan (g)

M:

khối lượng phân tử của chất (g/mol)

C:

nồng độ của dung dịch

R:

Hằng số

T:

Nhiệt độ tuyệt đối

Khối lượng phân tử trung bình của chitosan được xác định như sau: Pha
dung dịch chitosan có các nồng độ lần lượt 0,025; 0,05; 0,1; 0,2; 0,4 (g/100
ml) trong dung môi axetic axit 1% ở nhiệt độ 35oC. Lập bảng giá trị sự phụ
thuộc của áp suất thẩm thấu () vào nồng độ (C), xây dựng đường biểu diễn
sự phụ thuộc của /C vào C để tìm giá trị ngoại suy của /C khi C0. Thay
vào phương trình {2.5} để tính toán được khối lượng phân tử trung bình số.

Nguyễn Đại Ngọc

6

K33- Khoa Hoá Học


Khoá luận tốt nghiệp

ĐHSP Hà Nội 2

848 x (T + 273)

Mn =

{2.5}
(/C) x Tỷ trọng của dung môi
C0

Trong đó:
: áp suất thẩm thấu
Mn: Khối lượng phân tử trung bình số
848: hằng số
T: nhiệt độ đo
C: nồng độ chitosan
/C (C0): giá trị ngoại suy của /C khi C0
I.4. Phương pháp điều chế chitin/chitosan [10,30].
Chitin có ở nhiều loài khác nhau, từ các loài nấm đến các động vật bậc
thấp. Vỏ của các loài động vật chân đốt là nguồn nguyên liệu chính để điều
chế chitin, trong thành phần của vỏ các loài động vật này có chứa 20 - 50 %
chitin tính theo khối lượng khô. Vỏ tôm, mai cua là nguồn nguyên liệu phế
thải từ công nghiệp chế biến thuỷ sản, hải sản được sử dụng để sản xuất chitin
thương mại. Các nguồn nguyên liệu khác để sản xuất chitin là: mai mực, sâu
bọ, tảo, nấm... Thành tế bào một số loại nấm chứa cả chitin cũng như chitosan
và được coi là nguồn chitosan tự nhiên. Chitosan được điều chế bằng cách
thực hiện phản ứng deaxetyl hoá chitin trong môi trường kiềm.
I.4.1. Tách chitin từ vỏ phế thải thuỷ hải sản [1,30,31].
Nguyên tắc chung để điều chế chitin là loại bỏ muối khoáng (chủ yếu là
canxicacbonat), protein và các chất màu ra khỏi phế liệu thuỷ, hải sản. Hai
phương pháp chủ yếu được áp dụng để tách chitin/chitosan là phương pháp

Nguyễn Đại Ngọc

7

K33- Khoa Hoá Học


Khoá luận tốt nghiệp

ĐHSP Hà Nội 2

hoá học và phương pháp lên men vi sinh vật.
Theo phương pháp hoá học : Quá trình điều chế chitin được thực hiện
theo các bước : tách khoáng, tách protein và khử màu. Muối khoáng thường
được tách ra bằng cách xử lý nguyên liệu với dung dịch axit HCl, protein bị
thuỷ phân trong môi trường kiềm, chất màu được loại bỏ bằng dung môi hoặc
tác nhân oxi hoá. Trong quá trình xử lý, một số nhóm axetamit trong các
mạch đại phân tử chitin bị thay thế bởi nhóm amino do phản ứng deaxetyl
hoá, vì vậy chitin sau khi xử lý có độ deaxetyl hoá trung bình 0,1.
Điều chế chitin theo phương pháp hoá học có một số mặt hạn chế như
phải sử dụng một lượng lớn kiềm, axit, nước rửa do đó chi phí lớn và gây ô
nhiễm môi trường. Việc sử dụng axit và kiềm nóng dẫn đến việc cắt giảm
mạch chitin tạo ra nhiều sản phẩm khác nhau.
Theo phương pháp xử lý vi sinh vật: Protein được tách khỏi vỏ các
loài giáp xác bằng cách xử lý với ezim hay vi sinh vật theo nguyên tắc: vi
khuẩn sinh ra axit lactic (LAB : lactic acid bacterial) tự có trong phủ tạng của
vỏ phế thải (vỏ tôm, cua, mai mực...) với một lượng rất nhỏ cùng với nguồn
LAB thuần chủng được bổ sung có tác dụng bảo quản và thuỷ phân phế thải.
Hỗn hợp lên men bao gồm: vỏ phế thải, LAB, dung dịch glucozo. Trong quá
trình lên men, LAB sản sinh ra axit lactic làm giảm pH của môi trường, tạo

điều kiện cho quá trình thuỷ phân protein, thuỷ phân khoáng tạo thành các
lactat canxi, magiê...là các muối tan được trong nước. Bằng phương pháp ly
tâm, phần dung dịch lỏng chứa protein và các muối khoáng hoà tan được loại
bỏ thu được phần chitin không hoà tan. Để có chitin sạch, có thể xử lý tiếp
bằng dung dịch axit và kiềm loãng.
Phương pháp điều chế chitin bằng phương pháp lên men vi sinh vật có
một số ưu điểm như chi phí thấp, cấu trúc sản phẩm không bị thay đổi nhiều
và đặc biệt là ít gây ô nhiễm môi trường.

Nguyễn Đại Ngọc

8

K33- Khoa Hoá Học


Khoá luận tốt nghiệp

ĐHSP Hà Nội 2

β-chitin được sản xuất chủ yếu từ mai mực ống theo cách đơn giản hơn
vì thành phần của mai mực ống chủ yếu là chitin, hàm lượng protein và muối
khoáng thường rất thấp. Hơn nữa, do sự sắp xếp các mạch đại phân tử trong
β- chitin khác hẳn với α-chitin nên α-chitin có các liên kết hyđro chặt chẽ hơn,
vì vậy khi xử lý mai mực ống với axit và kiềm thường ở điều kiện êm dịu hơn
nhiều so với xử lý vỏ tôm để thu được β- chitin.
I.4.2. Điều chế chitosan [31].
Chitosan là sản phẩm deaxetyl hoá của chitin. Chitosan thương mại có
nhiều loại với độ deaxetyl hoá khác nhau nhưng thường được điều chế bằng
cách deaxetyl hoá chitin trong môi trường kiềm nồng độ 40- 50 % ở

100-1300C trong 24 giờ. Phản ứng deaxetyl hoá xảy ra như sau :
OH

OH

O
HO

dd

HO

O
NHCOCH3

OH

O

NaOH, t0

O
O

NH2

n

HO
x

O
NHCOCH3

y

Sơ đồ 1.2: Điều chế chitosan
Chitosan thu được theo phương pháp này có DDA lên tới 90%. Để thu
được chitosan có độ deaxetyl hoá cao hơn phải tiến hành phản ứng lặp đi lặp
lại nhiều lần. Phản ứng deaxetyl hoá β-chitin diễn ra dễ dàng hơn nhiều so với
α-chitin: Từ các mẫu α-chitin, β-chitin có DDA tương đương nhau tiến hành
phản ứng deaxetyl hoá trong NaOH 30% ở 1000C với thời gian như nhau (2
giờ) thu được β-chitosan với DDA  70% trong khi đó đối với α-chitin giá trị
đó là 20%. Tuy nhiên khi sử dụng dung dịch kiềm đặc thì bên cạnh phản ứng
deaxetyl hoá còn xảy ra phản ứng thuỷ phân mạch chitin/chitosan làm giảm
đáng kể khối lượng phân tử của chitin/chitosan.
Ta có thể mô tả quá trình điều chế chitosan từ vỏ mai mực ống qua sơ
đồ 1.3 :

Nguyễn Đại Ngọc

9

K33- Khoa Hoá Học


Khoá luận tốt nghiệp

ĐHSP Hà Nội 2

Sơ đồ 1.3: Quá trình sản xuất chitin / chitosan truyền thống
I.4.3.

Độ

axetyl

hoá-

Xác

định

độ

axetyl/deaxetyl

hoá

[7,9,13,20,24,28,40,50,58,68,76].
Độ axetyl hoá nhưng trong tự nhiên chitin vẫn tồn tại một số nhóm
amino tự do. Hơn nữa, phản ứng deaxetyl hoá chitin còn xảy ra trong quá
trình tách loại protein bằng kiềm. Vì vậy, các mẫu chitin trên thực tế có DDA
khác nhau (khoảng 5 - 15 %) phụ thuộc vào nguồn gốc và cách điều chế
chúng. Để thu được chitin có cấu trúc thuần nhất (chỉ gồm các mắt xích
GlcNAc) thì phải tiến hành N- axetyl hoá chọn lọc các nhóm amino tự do.
Khi chitin bị deaxetyl hoá đáng kể thì trở nên tan trong dung dịch axit axetic
loãng và được gọi là chitosan.

Nguyễn Đại Ngọc

10

K33- Khoa Hoá Học


Khoá luận tốt nghiệp

ĐHSP Hà Nội 2

OH

OH
O

HO

O
O

NH2

HO

O
NHCOCH3

DDA

DA

Trong đó, DDA = 100 - DA. Đối với chitin thì DA > DDA, đối với
chitosan thì DA < DDA. Khi DA = DDA thì có chitin tan trong nước.
Tính chất của chitin cũng như chitosan phụ thuộc rất nhiều vào độ
deaxetyl hoá ( DDA ) - một thông số quan trọng nhất để chỉ ra là chitin hay
chitosan. Vì vậy, việc tìm ra phương pháp xác định DDA (hay DA)một cách
chính xác và đơn giản là vấn đề rất quan trọng và cần thiết. Có rất nhiều
phương pháp đã đựơc áp dụng để xác định DDA của chitin/chitosan như:
phân tích nguyên tố, các phương pháp phổ như phổ hồng ngoại (IR), phổ tử
ngoại (UV), phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NRM): 1H-NRM,
15

13

C-NRM , và

N-NRM ở trạng thái rắn, phép đo lưỡng sắc cầu, phổ khối, chuẩn độ điện

thế, chuẩn độ nitrat (phương pháp chuẩn độ sử dụng bạc nitrat), chuẩn độ với
axit picric, chuẩn độ độ dẫn, sắc ký lỏng cao áp, sắc ký khí- lỏng, sắc ký thẩm
thấu gel, nhiệt phân - sắc ký khí, sắc ký khí.
Trong các phương pháp xác định DA đã được áp dụng thì phổ IR là
phương pháp thuận tiện đặc biệt trong trường hợp mẫu ở trạng thái rắn, không
hoà tan trong các dung môi. Đối với chitosan (tan trong môi trường axit
loãng) thì phổ 1 -NRM là phương pháp nhanh, chính xác và có độ nhạy cao,
đo trong dung môi D2O, CD3COOD/D2O hoặc DCl /D2O.
I.5. Tính chất hoá học [1,2,6]
Công thức tổng quát của chitin là :  C8135 n

Sơ đồ 1.4: Công thức cấu tạo của chitin/chitosan

Nguyễn Đại Ngọc

11

K33- Khoa Hoá Học


Khoá luận tốt nghiệp

ĐHSP Hà Nội 2

Ta thấy trong mỗi mắt xích của chitin/chitosan vừa có nhóm chức
(-OH) vừa có nhóm chức amin (- NHCOCH3/NH2) nên có ba trung tâm phản
ứng chính, vì vậy nó vừa có tính chất của ancol lại vừa có tính chất của amin.
I.5.1. Phản ứng ở nhóm - OH
Cũng giống như ancol đa chức tính axit của nhóm hyđroxyl khá mạnh.
Chitin phản ứng với Na, NaOH tạo thành hợp chất có cấu trúc ancolat được
gọi là chitin kiềm.
[C6H7O3NHCOCH2(OH)2]n+2nNaOH[C6H7O3NHCOCH2(ONa)2]n+2n H2O
Chitin kiềm là sản phẩm trung gian khi sản xuất ete như ankyl chitin.
[C6H7O3NHCOCH2(ONa)2]n kí hiệu là [Chit(ONa)2]n
[Chit(ONa)2]n + 2n RX  [Chit(OR)2]n + 2 NaX
Sợi ankyl chitin được tạo ra bằng cách xử lý ankyl chitin trong dung
dịch axit formic và axit axetic rồi cho kéo sợi qua một ống có đường kính nhỏ
cỡ mm.
+ Phản ứng với axit, anhiđric axetic hay HCl thu được sản phẩm ở dạng
este.
[Chit(OH)2]n + 2n HCl  [Chit(OCl)2]n + 2n  2
+ Phản ứng với ankyl sunfat trong ankyl halogenua thu được các este.
+ Phản ứng với các hợp chất vinyl tạo este

Trong mỗi mắt xích của chitin có 2 nhóm - OH ở C3 và C6, đều có khả
năng tham gia phản ứng. Do cấu trúc phân tử, nhóm -OH bậc 2 ở C3 bị án
ngữ không gian nên phản ứng kém hơn nhóm -OH bậc 1 ở C6.
I.5.2. Phản ứng ở nhóm axetamit
Chitin có khả năng tham gia phản ứng thể hiện tính chất của amin bậc 2
như phản ứng đeaxetyl hoá tạo thành chitosan.

Nguyễn Đại Ngọc

12

K33- Khoa Hoá Học


Khoá luận tốt nghiệp

ĐHSP Hà Nội 2
OH

OH
O
HO

dd NaOH, t0
O

NHCOCH3

O
HO

O
NH2

n

Chitin

m

Chitosan

M =  203n

M = 161n

Sơ đồ 1.5: Phản ứng deaxetyl hóa chitin
Phản ứng trên thường được thực hiện với NaOH 40% ở 120oC trong
1  3h. Hiệu suất deaxetyl hoá chỉ đạt 70%. Điều này có nghĩa là sản phẩm
phản ứng là chuỗi polime vẫn có cả mắt xích N-axetyl-D-glucoamin đan xen
với β (1 → 4) glucozamin.
Để đánh giá mức độ deaxetyl hoá của chitin người ta đưa ra khái niệm
độ deaxetyl hoá (DDA) được tính theo công thức sau
DDA =

203 100   
.100%
203.(100  42  )

Với A là tổng số % mắt xích N-axetyl-D-glucozamin.

Muốn thu được chitosan deaxetyl hoá hoàn toàn DDA=0, phải rửa sạch
mẫu rồi xử lý kiềm lặp lại nhiều lần. Phương pháp mới của tác giả chỉ dùng
dung dịch NaOH 5% và NaBH4 ( 0,1g chitosan ) là chất bảo vệ. Phản ứng
thực hiện trong 3h đạt hiệu suất  100%. Phương pháp này có nhiều ưu điểm
tạo ra chitosan có DA thấp  1%, hiệu suất cao, giảm tiêu tốn hoá chất, giảm ô
nhiễm môi trường.
I.5.3. Phản ứng ở nhóm -NH2
Phản ứng xảy ra ở nhóm amin -NH2 và nhóm amit -NHCOCH3 hai
nhóm này

gắn ở vị trí C2(hay ở vị trí N). Tại đây nhóm -NH2 của

chitin/chitosan có đôi điện tử không phân chia do đó về mặt hoá học, chúng
có khả năng phản ứng cao với các tác nhân ái electron để tạo ra các dẫn xuất

Nguyễn Đại Ngọc

13

K33- Khoa Hoá Học


Khoá luận tốt nghiệp

ĐHSP Hà Nội 2

tương ứng.
Phản ứng gắn với các nhóm -OH tại

C3 (hoặc C6 ) hay gắn

polietylen glycol vào nhóm -NH2 thu được các dẫn xuất có cấu trúc hoá học
cồng kềnh nhằm cản trở không gian, làm giảm các liên kết cầu hiđro giữa các
mạch và trong mạch phân tử của chitin/chitosan như lúc ban đầu, để tạo ra các
dẫn xuất tan trong nước.
I.5.4. Phản ứng giảm mạch chitosan.
Do quá trình chuyển hoá trong động thực vật chủ yếu xảy ra trong môi
trường nước nên chitosan với khả năng tan kém trong nước đã làm hạn chế
phần nào hiệu quả và phạm vi ứng dụng. Vì vậy, để tăng khả năng ứng dụng
của chitosan chúng ta phải cải thiện khả năng tan trong nước của chitosan.
Hiện nay, trên thế giới, các nhà khoa học đã nghiên cứu và tìm ra rất
nhiều phương pháp để cải thiện khả năng tan trong nước của chitosan, trong
đó phương pháp depolyme hoá được coi là phương pháp đơn giản và hiệu quả
nhất.
Quá trình depolyme hoá là quá trình phá huỷ các liên kết glycozit trong
mạch đại phân tử dưới các tác nhân cắt mạch như: enzim, hoá chất chiếu
xạ...Các tác nhân cắt mạch phá huỷ liên kết glycozit, chuyển hoá chitosan
thành oligome có khả năng tan trong nước cao hơn so với chitosan đại phân
tử.
Có nhiều phương pháp cắt mạch chitosan như: cắt mạch bằng enzim,
cắt mạch bằng chiếu xạ, cắt mạch bằng phản ứng hoá học...Trong đó cắt mạch
bằng phản ứng hoá học là phương pháp đơn giản và được sử dụng rộng rãi
nhất.
Cắt mạch bằng phản ứng hoá học: Liên kết glycozit của chitosan
tương đối bền trong môi trường kiềm nhưng lại dễ dàng bị phá huỷ trong môi
trưòng axit. Hỗn hợp oligome nhận được sau khi thuỷ phân từng phần,

Nguyễn Đại Ngọc

14

K33- Khoa Hoá Học


Khoá luận tốt nghiệp

ĐHSP Hà Nội 2

chitosan được tách bằng sắc ký cột. Sử dụng phương pháp sắc ký SEC để tách
chitooligome có DP < 15.
Các loại axit vô cơ đã được sử dụng như: axit clohidric ( HCl), axit
sunfuric ( H2SO4), axit photphoric ( H3PO4), axit nitric ( HNO3 )...trong đó
axit clohidric ( HCl ) được sử dụng nhiều hơn cả do giá thành rẻ, khi trung
hoà bằng NaOH sản phẩm phụ là NaCl không độc, dễ tách.

Sơ đồ 1.6: Quá trình thuỷ phân chitosan bằng HCl
Chitosan được hoà tan trong axit HCl loãng (

0,5 %) với nồng độ

polime 1  1,5% khuấy ở 65  1000C trong 3 giờ sau đó để nguội đến nhiệt
độ thường. Dùng NaOH để trung hoà (đến pH = 8 ). Tiến hành lọc, phần kết
tủa được rửa nhiều lần bằng etanol, sau đó làm khô bằng axeton. Phần nước
trong được tách muối bằng MeOH, sau đó cô đặc lại và kết tủa trong etanol để
thu sản phẩm tan trong nước. Các nghiên cứu cho thấy độ polyme hoá của DP
phụ thuộc vào nồng độ axit HCl. Khi dùng axit HCl đặc nóng thì thu được sản
phẩm có DP 2  5, khi dùng axit HCl loãng thu được sản phẩm có DP ~30.
I.5.5. Một số sản phẩm biến tính chitin/chitosan
I.5.5.1. Sản phẩm biến tính tại nhóm – NH2
I.5.5.1.1. Dẫn xuất N- ankyl chitosan [12,34].

Các dẫn xuất N-ankyl chitosan được tổng hợp từ phản ứng ankyl hoá
khử chitosan với tác nhân phản ứng có nhóm -CHO theo hai giai đoạn: giai
đoạn hình thành bazo Schiff (chứa các liên kết imin và ketimin) và giai đoạn
khử liên kết imin, ketimin thành liên kết đơn.

Nguyễn Đại Ngọc

15

K33- Khoa Hoá Học


Khoá luận tốt nghiệp

ĐHSP Hà Nội 2

OH

OH

OH
O

HO

RCHO

O
NH2

O
HO

NaCNBH3

O
N=CHR

x

O
HO

O
NHCH2R

x

x

Sơ đồ 1.7: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất N-ankyl chitosan
Phản ứng loại này được tiến hành trong hỗn hợp dung dịch nước của
axit axetic với metanol và dễ dàng đạt đến DS = 1.
Theo phương pháp trên, nhiều dẫn xuất với các ứng dụng khác nhau đã
được một số tác giả tổng hợp. Tiến hành phản ứng ankyl hoá - khử chitosan
với salixylandehit hoặc phtalandehit nhận được các dẫn xuất có khả năng tạo
phức với ion kim loại tốt hơn chitosan. Một số dẫn xuất khác như: N-(2piriđinmetyl)-, N-(2-thienylmetyl)- và N-[3-(metylthio)propyl]- chitosan được
điều chế theo phương pháp ankyl hoá - khử cũng có khả năng hấp phụ chọn
lọc các ion kim loại quý như: vàng, paladi và platin. Một số phản ứng ankyl
hoá - khử chitosan xảy ra như sau:

CHO

OH
O
NH2

OH
NaCNBH3

O

OH
O

HO

OH
O

HO
N

n

O
O

HO
NH

n

OH

n

OH

Sơ đồ 1.8: Phản ứng ankyl hóa-khử của chitosan
OH

OH
O

RCHO
O

HO
NH2

OH
O

n

N

O

NaBH4

O

HO

O

HO
NH

n

CHR

NHCH2R=

n

CH2R
NHCH2
NHCH2

N
S

NH(CH2)3 SCH3

Sơ đồ 1.9: Phản ứng ankyl hóa-khử của chitosan

Nguyễn Đại Ngọc

16

K33- Khoa Hoá Học