Nghiên cứu tổng hợp dẫn xuất N - (4 - METOXIBENZILIĐEN) và khả năng hấp phụ thuốc nhuộm hoạt tính màu xanh RB19 của nó

Khóa luận tốt nghiệp

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

LỜI CẢM ƠN
Trước hết tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS.Trần Thị Ý
Nhi – 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.
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 để tôi có thể hoàn thành bài luận văn.
Sinh viên
Lê Thị Minh
Phượng

Lê Thị Minh
Phượng

K34 - Khoa Hóa
Học


Khóa luận tốt nghiệp

Lê Thị Minh
Phượng

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

K34 - Khoa Hóa
Học


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
DANH MỤC HÌNH
DANH MỤC BẢNG
DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ
BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG KHÓA LUẬN
MỞ ĐẦU..........................................................................................................1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN........................................................................10
1.1. Giới thiệu chung...................................................................................10
1.1.1. Cấu trúc tinh thể............................................................................11
1.1.2. Tính tan..........................................................................................11
1.1.3. Khối lượng phân tử........................................................................12
1.1.4. Phương pháp điều chế chitin/chitosan...........................................14
1.1.5. Tính chất hoá học..........................................................................18
1.1.6. Một số sản phẩm biến tính chitin/chitosan....................................21
1.2. Ứng dụng của chitin/chitosan và dẫn xuất............................................29
1.2.1. Ứng dụng trong y dược.................................................................29
1.2.2. Ứng dụng trong nông nghiệp.........................................................29
1.2.3. Ứng dụng trong xử lí môi trường..................................................30
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM...................................................................40
2.1. Nguyên liệu, hóa chất, dụng cụ và thiết bị nghiên cứu.........................40
2.1.1. Nguyên liệu, hóa chất....................................................................40
2.1.2. Dụng cụ, thiết bị nghiên cứu..........................................................40
2.2. Thực nghiệm.........................................................................................41
2.2.1. Điều chế chitin/chitosan.................................................................41
2.2.2. Điều chế dẫn xuất N-(4-metoxybenzyliđen) chitosan...................44

2.2.3. Khả năng hấp phụ thuốc nhuộm hoạt tính của chitosan và dẫn xuất
................................................................................................................. 45
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.............................................. 47
3.1. Điều chế chitin/chitosan...............................................................................47
3.1.1. Điều chế chitin.........................................................................................47
3.1.2. Điều chế chitosan từ chitin theo phương pháp kiềm đặc kết hợp nhiệt độ
cao

48

3.1.3. Điều chế chitosan có DA thấp................................................................. 52
3.2. Tổng hợp dẫn xuất N-(4-metoxy benzyliđen) chitosan............................... 56
3.2.1. Phản ứng tổng hợp dẫn xuất N-(4-metoxy benzyliđen) chitosan . 56
3.2.2. Khảo sát phản ứng bằng phổ hồng ngoại (FT- TR).................................58
3.2.3. Khảo sát bằng phổ X-Ray........................................................................59
3.2.4. Khảo sát sản phẩm phản ứng bằng TGA.................................................60
3.2.5. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp các dẫn xuất .... 61
3.2.5.2. Ảnh hưởng của khối lượng phân tử chitosan đến hiệu suất phản ứng....61
3.2.5.3. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất phản ứng....................62
3.2.5.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất phản ứng.....................................63
3.3. Khảo sát khả năng hấp phụ thuốc nhuộm hoạt tính của chitosan và dẫn xuất
64
3.3.1. Ảnh hưởng của pH.................................................................................. 64
3.3.2. Ảnh hưởng của nồng độ RB19................................................................64
3.3.3. Ảnh hưởng của thời gian......................................................................... 65
KẾT LUẬN CHUNG.................................................................................... 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................ 67

DANH MỤC HÌNH
Hình 3.1: Phổ hồng ngoại của β-chitin...........................................................47
Hình 3.2: Phổ hồng ngoại của
Hình 3.3: Phổ

1

–chitosan.....................................................49

-NMR của β-chitosan.........................................................50

Hình 3.4: Giản đồ nhiễu xạ tia X của chitosan...............................................50
Hình 3.5: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa

/C và nồng độ chitosan.........51

Hình 3.6: Phổ FT-IR của -chitosan theo phương pháp phá kết tinh.............52
Hình 3.7: Phổ 1H-NMR của
13

Hình 3.8: Phổ C-NMR của

–chitosan deaxetyl hoá hoàn toàn..................53
–chitosan deaxetyl hoá hoàn toàn..................54

Hình 3.9: Giản đồ nhiễu xạ tia X của chitosan điều chế theo
phương pháp phá kết tinh................................................................55
Hình 3.10: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa

/C và C...............................56

Hình 3.11: Phổ hồng ngoại của N-(4-metoxybenzyliđen)chitosan.................58
Hình 3.12: Giản đồ nhiễu xạ tia X của chitosan và dẫn xuất N(4metoxybenzyliđen)chitosan.............................................................59
Hình 3.13: Giản đồ phân tích nhiệt của chitosan (mẫu 1) và 4MBCh (mẫu 2).
......................................................................................................... 60
Hình 3.14 : Ảnh hưởng của tỷ lệ nhóm alđehyt/amin đến hiệu suất phản ứng
tổng hợp 4MBCh.............................................................................61
Hình 3.15: Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất phản ứng tổng
hợp các dẫn xuất của chitosan.........................................................62
Hình 3.16: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất phản ứng tổng hợp hợp dẫn
xuất N-(4-metoxybenzyliđen)chitosan.............................................63
Hình 3.17: Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ thuốc nhuộm hoạt tính
RB19 adsorption..............................................................................64
Hình 3.18: Ảnh hưởng của nồng độ thuốc nhuộm..........................................65
Hình 3.19: Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ thuốc nhuộm hoạt
tính RB19........................................................................................65



DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Thành phần chính của một số nguyên liệu chứa chitin.................42
Bảng 3.1 : Hàm lượng β-chitin trong mai mực ống......................................47
1

Bảng 3.2: Độ chuyển dịch hoá học của proton ( H) của chitosan.................49
Bảng 3.3: Kết quả đo áp suất thẩm thấu của chitosan tại các nồng độ khác
nhau.................................................................................................51
1

Bảng 3.4: Độ chuyển dịch hóa học của proton ( H) của chitosan.................53
13

Bảng 3.5: Độ dịch chuyển hóa học cacbon ( C) của Chitosan....................54
Bảng 3.6: Kết quả đo áp suất thẩm thấu của chitosan DA 0........................55
Bảng 3.7: Ảnh hưởng của khối lượng phân tử chitosan đến hiệu suất tổng
hợp dẫn xuất N-(4-metoxybenzyliđen)chitosan..............................62



DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ
Sơ đồ 1.1: Cấu tạo của Xenlulozo, Chitin, Chitosan.......................................10
Sơ đồ 1.2: Điều chế chitosan...........................................................................16
Sơ đồ 1.3: Quá trình sản xuất chitin / chitosan truyền thống..........................17
Sơ đồ 1.4: Công thức cấu tạo của chitin/chitosan...........................................19
Sơ đồ 1.5: Phản ứng deaxetyl hóa chitin.........................................................20
Sơ đồ 1.6: Quá trình thuỷ phân chitosan bằng HCl.........................................21
Sơ đồ 1.7: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất N-ankyl chitosan..............................22
Sơ đồ 1.8: Phản ứng ankyl hóa-khử của chitosan...........................................22
Sơ đồ 1.9: Phản ứng ankyl hóa-khử của chitosan...........................................23
Sơ đồ 1.10: Phản ứng điều chế chitosan liên kết ngang với glutaranđehyt.....23
Sơ đồ 1.11: Phản ứng tổng hợp N,N,N-trimetyl chitosan...............................24
Sơ đồ 1.12: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất N-cacboxyankyl chitosan...............24
Sơ đồ 1.13: Quá trình tổng hợp dẫn xuất N-cacboxyankyl chitosan...............24
Sơ đồ 1.14: Cacboxy hóa chitosan trong môi trường axit levulinic................25
Sơ đồ1.15: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất N-cacboxyankyl chitosan đi từ
chitosan có độ đeaxetyl hoá cao với axit monocloankanoic..........26
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..............................................................26
Sơ đồ 1.17: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất O- axyl chitosan.............................27
Sơ đồ 1.18: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất O-cacboxyankyl chitosan...............28
Sơ đồ 1.19: Phản ứng deaxetyl hoá glycol-chitin............................................28
Sơ đồ 3.1: Phản ứng đeaxetyl hóa chitin.........................................................48



BẢNG CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT TRONG KHÓA LUẬN
4MBCh:

N-(4-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 D-

GlcN:

glucosamin

’

GlcNAc: N-axetyl-D-glucosamin
IR:

Hồng ngoại

LAB:

Lactic axit bacterial

n

Khối lượng phân tử trung bình

Me:

CH3

NMR:

Nuclear Magnetic Resonance - Cộng hưởng từ hạt nhân

NMP:

N-metyl-2-pyroliđon



MỞ ĐẦU
Chitin

[poly-β-(1→4)-2-axetamiđo-2-đeoxy-D-glucopyranozơ],

một

polysacarit với hàm lượng đứng hàng thứ hai trong tự nhiên sau xenlulozo, là
thành phần chính của vỏ các loài động vật giáp xác như: vỏ tôm, mai cua, mai
mực... Chitosan là dẫn xuất của chitin thu được trong quá trình deaxetyl hóa.
Chitin/chitosan có các tính chất đặc biệt như: kháng khuẩn, kháng nấm, chống
viêm, kháng virut, không độc, có tính hòa hợp sinh học và phân hủy sinh học...
nên chúng được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực như: y học, dược phẩm, nông
nghiệp, mỹ phẩm, công nghệ môi trường... [1,2].
Dệt nhuộm nước ta là ngành công nghiệp có mạng lưới sản xuất rộng
lớn với nhiều mặt hàng, nhiều chủng loại và có những bước phát triển mạnh
mẽ trong những năm gần đây. Tuy nhiên, hàng năm ngành dệt nhuộm sử
dụng hàng triệu tấn thuốc nhuộm để nhuộm vải và tạo ra lượng lớn nước thải
chứa nhiều chất độc hại, màu của thuốc nhuộm còn làm mất vẻ mỹ quan
của môi trường nước. Hơn thế nữa, trong môi trường kỵ khí, một số loại

thuốc nhuộm sẽ bị khử tạo thành những vòng amin thơm, đây là những loại
chất độc gây ra ung thư và biến dị cho người và động vật. Các phương pháp
xử lý nước thải dệt nhuộm được áp dụng phổ biến là phương pháp hóa học
(trung hòa, oxy hóa khử bằng clo hoặc ozon), phương pháp sinh học,
phương pháp hóa lý, công nghệ màng điện hóa, hấp phụ... Trong số các vật
liệu sử dụng để để loại bỏ chất màu như: than hoạt tính, đất sét, tro bay,
polysacarit… thì chitin/chitosan và dẫn xuất của nó được cho là vật liệu có
khả năng hấp phụ thuốc nhuộm tốt và có thể tái sử dụng. Vì vậy, trước sự
phát triển mạnh mẽ của ngành dệt nhuộm và yêu cầu khắt khe về xử lý
nước thải tránh gây ô nhiễm môi trường trong



những năm gần đây, việc tìm ra công nghệ xử lý nước thải dệt nhuộm đạt hiệu
quả cao, giá thành rẻ, ít sử dụng hóa chất, có tính sinh thái, thân thiện với môi
trường đã trở thành vấn đề cấp thiết.
Nước ta có bờ biển dài hơn 3000km, với nguồn nguyên liệu thủy, hải sản
dồi dào, việc phát triển nghiên cứu về chitin/chitosan cũng như dẫn xuất của nó
nhằm mở rộng hơn nữa khả năng ứng dụng của loại vật liệu sinh học này đang
là mối quan tâm của khoa học Việt Nam. Để góp phần nâng cao hiệu quả sử
dụng nguồn phế thải thủy, hải sản ở trong nước và góp phần vào công cuộc bảo
vệ môi trường, mục tiêu của luận văn đặt ra là:
-Tách

-chitin từ mai mực ống vùng biển Hải Phòng và điều chế

-

chitosan
-Tổng hợp dẫn xuất N-(4-metoxybenzyliđen)chitosan. Khảo sát các yếu tố ảnh

hưởng

đến

hiệu

suất

tổng

hợp

các

dẫn

xuất

N-(4-

metoxybenzyliđen)chitosan: tỷ lệ mol alđehyt/amin, nhiệt độ, thời gian phản
ứng, khối lượng phân tử của -chitosan.
-Nghiên cứu khả năng hấp thụ thuốc nhuộm hoạt tính màu xanh RB19 của dẫn
xuất N-(4-metoxybenzyliđen)chitosan.



CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu chung [1,3,24,34]
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



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
1.1.1. Cấu trúc tinh thể [1,3,71]
Chitin là một loại polisaccarit mạch thẳng với khối lượng phân tử lớn
được 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),

-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.
1.1.2. 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-đimêtylaxetamit (DMAC) có chứa 5-10% LiCl.
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.
1.1.3. 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 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 sở 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)
o

trong dung môi axetic axit 1% ở nhiệt độ 35 C. 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.
848 x (T + 273)
Mn =

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