一種新型含咪唑基殼聚糖衍生物的合成方法和吸附性能研究

李小雙

(青島科技大學(xué)化工學(xué)院，山東青島 266042)

在本文的研究中，我們發(fā)現(xiàn)了一種新的合成N-4(5)-甲基咪唑殼聚糖的方法，并用各種交聯(lián)劑評(píng)估其對(duì)重金屬離子的吸附效率。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所用殼聚糖脫乙酰度為84%，相對(duì)分子質(zhì)為250kDa，灰度0.19%。脫乙酰度由1H NMR核磁共振測(cè)定。相對(duì)分子質(zhì)量通過(guò)黏度法測(cè)定。實(shí)驗(yàn)所用試劑均為分析純。紅外光譜分析儀:NEXUS 670型；元素分析儀:EA1110CHNO-S型；核磁共振分析儀:DRX500型。

1.2 模板轉(zhuǎn)化

反應(yīng)A:將0.193g甲基-2-乙酰胺-2-脫氧-α,β-D-吡喃葡萄糖苷與0.15g 4-甲基-5-羥甲基咪唑鹽酸鹽、0.212g Na2CO3加入到2 mL蒸餾水中，90℃下反應(yīng)48h。所得殘留物用無(wú)水乙醇萃取。將萃取物蒸干并通過(guò)1H NMR分析。

反應(yīng) B:將 0.235g甲基-2-氨基-2-脫氧-α,β-D-吡喃葡萄糖苷與0.15g 4-甲基-5-羥甲基咪唑鹽酸鹽、0.212g Na2CO3加入到2 mL蒸餾水中，其余與A過(guò)程相同。

1.3 N-4（5）-甲基咪唑殼聚糖（IMC）的合成

反應(yīng) C: 將 0.33g β-（1,4）-2-乙酰氨基-2-脫氧-D-葡萄糖 (即甲殼素)、0.26g 4,5-羥甲基咪唑或0.30g 4-甲基-5-羥甲基咪唑鹽酸鹽、0.424g Na2CO3加入到2 mL蒸餾水中，90℃下反應(yīng)84h。所得殘留物用3mL蒸餾水稀釋?zhuān)⒓尤?.36mL 34%稀鹽酸。向所得溶液中加入100mL丙酮。取沉淀物，用熱乙醇洗滌并真空烘干至恒重，得到0.37g IMC。

1.4 吸附劑的合成

A.取2.1g取代度為0.23的IMC和2.7g NaOH，加入100mL蒸餾水中，不斷攪拌并加入表氯醇。50℃恒溫反應(yīng)2h。反應(yīng)完后濾出沉淀。用蒸餾水沖洗沉淀直至沖洗的水中不再含有氯離子。將沉淀在50℃下干燥至恒重。

B.在40mL蒸餾水中，加入2.1g取代度為0.23的IMC，不斷攪拌并加入3.6mL體積分?jǐn)?shù)為50%的乙二醇縮水甘油醚。60℃恒溫反應(yīng)3h。反應(yīng)完后濾出沉淀。用蒸餾水沖洗并在50℃下干燥至恒重。

C.在40mL蒸餾水中，加入2.1g取代度為0.23的IMC，不斷攪拌并加入5.1g體積分?jǐn)?shù)為50%的二乙二醇縮水甘油醚。其余與上一過(guò)程相同。

IMC吸附性能由吸附劑重量 (g)與液相體積（mL）的比值表示。吸附劑與被吸附液相接觸18h后，通過(guò)原子吸收光譜測(cè)定法測(cè)定溶液中的金屬濃度。吸附能力由金屬濃度的變化量計(jì)算。

2 結(jié)果與討論

已知的合成IMC的方法是殼聚糖與氯甲基咪唑直接反應(yīng)[1]。此方法進(jìn)行殼聚糖功能化的弊端在于需從相應(yīng)的醇中初步合成上述試劑，而且此修飾過(guò)程重現(xiàn)性低，多次試驗(yàn)無(wú)法確定一定得到所需產(chǎn)物。而在更早的文獻(xiàn)中曾經(jīng)提到過(guò)，可以在氨基醇的參與下，用一個(gè)仲氨基直接替代4(5)-羥甲基咪唑上的羥基[2]。此反應(yīng)在一定條件下可以重現(xiàn)。我們計(jì)劃將殼聚糖與4(5)-羥甲基咪唑直接反應(yīng)，以避過(guò)從相應(yīng)醇中合成4(5)-氯甲基殼聚糖的過(guò)程，改進(jìn)IMC合成工藝。

首先，我們預(yù)計(jì)了在這一過(guò)程中殼聚糖單體的反應(yīng)活性，最終采用甲基-2-氨基-2-脫氧-α,β-D-吡喃葡萄糖苷作為反應(yīng)模板（見(jiàn)反應(yīng)A、B）。

產(chǎn)物甲基-2-(4-甲基-5-甲基咪唑)氨基-2-脫氧-α,β-D-吡喃葡萄糖苷呈現(xiàn)被取代后吡喃葡糖糖環(huán)的H原子峰（δ=4.75），而不是未取代的吡喃葡萄糖環(huán)H原子峰（δ=4.58）。由此可知，在此反應(yīng)中，甲基-2-氨基-2-脫氧-α,β-D-吡喃葡萄糖苷具有很高的活性。為確定N-乙酰化氨基是否參加反應(yīng)，我們將4-甲基-5-羥甲基咪唑與甲基-2-乙酰胺-2-脫氧-α,β-D-吡喃葡萄糖苷反應(yīng)。根據(jù)1H NMR數(shù)據(jù)，4-甲基-5-羥甲基咪唑上的羥基沒(méi)有被乙酰胺取代。在此條件下，N-乙酰葡糖胺在經(jīng)過(guò)脫乙酰作用后，最終形成產(chǎn)物（反應(yīng)A、B）。眾所周知，對(duì)催化水解反應(yīng)來(lái)說(shuō)，有咪唑衍生物存在的條件下，溫和條件對(duì)脫乙酰作用更為有利。

在前面的研究中我們已經(jīng)證明殼聚糖可以通過(guò)親核加成和親核取代來(lái)進(jìn)行化學(xué)修飾。在這里我們使用了與聚合物凝膠技術(shù)相似的轉(zhuǎn)換來(lái)使殼聚糖與4(5)-羥甲基咪唑或4-甲基-5-羥甲基咪唑反應(yīng)（反應(yīng)C）。

產(chǎn)物的紅外光譜顯示在1499 cm-1有一條新吸收帶，此為咪唑衍生物特征峰。從產(chǎn)物中除去殼聚糖的吸收峰后可以發(fā)現(xiàn)，掩藏在1651cm-1（NHCOMe吸收峰）吸收峰中，在1669 cm-1處存在另外一條吸收峰。產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)通過(guò)1H NMR光譜確定。在此之前，我們發(fā)現(xiàn)氫原子信號(hào)的化學(xué)位移隨著氨基上的氫原子被取代基取代而變化。在當(dāng)前的工作中，我們利用了這一點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)殼聚糖的活性遠(yuǎn)低于低分子量甲基-2-氨基-2-脫氧-α,β-D-吡喃葡萄糖苷（表1）。最終獲得的取代度最高到0.3，而增大4(5)-羥甲基咪唑的用量并不能大幅度提高取代度。此反應(yīng)過(guò)程主要取決于凝膠濃度，反應(yīng)最終得到的轉(zhuǎn)化率很低，不能說(shuō)明4(5)-羥甲基咪唑和4-甲基-5-羥甲基咪唑之間在濃度效應(yīng)和反應(yīng)活性方面存在性能或程度上存在差異。

我們用超聲波對(duì)反應(yīng)進(jìn)行了處理，結(jié)果證明超聲波對(duì)反應(yīng)結(jié)果無(wú)影響。無(wú)機(jī)堿濃度改變后，殼聚糖的活性也沒(méi)有太大改變（見(jiàn)表1）。我們注意到，在有機(jī)堿存在時(shí)，產(chǎn)物的取代度比較低。

表1 殼聚糖與4(5)-羥甲基咪唑或4-甲基-5-羥甲基咪唑反應(yīng)的反應(yīng)條件和產(chǎn)物

我們將不同的交聯(lián)劑分別加入取代度為0.23的N-(4(5)-甲基咪唑)殼聚糖中，獲得了不同的IMC樣本，并研究了這些樣本在吸附貴金屬或過(guò)渡金屬方面的性能。低取代度的IMC對(duì)金(III)、鉑(IV)、鈀(II)離子的吸附能力遠(yuǎn)低于含2-吡啶乙基殼聚糖衍生物（其取代度為0.83）的吸附能力。不過(guò)，他們對(duì)貴金屬離子的吸附能力明顯高于未經(jīng)處理的殼聚糖（見(jiàn)表2、3）。在0.1～1.0mol/L HCl中，對(duì)貴金屬離子的極限吸附能力按順序?yàn)锳u III＞Pd II＞Pt IV，這是大多數(shù)已知含氮吸附劑的特點(diǎn)。而吸附性能隨溶液中氯離子濃度增加而下降，這一特點(diǎn)與貴金屬離子的陰離子交換（含氮吸附劑，如殼聚糖等）吸附機(jī)制相符合。

需注意的是IMC衍生物的吸附能力隨著交聯(lián)劑的不同而變化。以表氯醇為交聯(lián)劑的IMC衍生物，在0.1mol/L HCl中對(duì)貴金屬離子有最高的極限吸附能力；而其在1mol/L NH4NO3中（pH=5.5）對(duì)過(guò)渡金屬離子的極限吸附能力同樣是最高的。元素分析數(shù)據(jù)顯示，此衍生物的交聯(lián)度只有5%，是最低的，同時(shí)也意味著，它的結(jié)構(gòu)最靈活。與此相符的是其溶脹度為250%，比其它所有衍生物都高。以乙二醇二環(huán)氧甘油醚和二乙二醇二環(huán)氧甘油醚為交聯(lián)劑的IMC衍生物，其交聯(lián)度分別為25%和20%，溶脹度分別為167%和148%。很明顯，與這些縮水甘油醚交聯(lián)后的材料過(guò)于剛性，不能使金屬離子自由擴(kuò)散并被吸附。由此可見(jiàn)，并非所有的官能團(tuán)都是合適的交聯(lián)劑，有些官能團(tuán)甚至?xí)刮侥芰档汀?/p>

增大鹽酸濃度明顯改變了IMC衍生物吸附金(III)離子的模式。以表氯醇為交聯(lián)劑的吸附劑對(duì)溶液中氯離子的濃度變化尤為敏感：當(dāng)氯離子濃度增加時(shí)，其吸附能力和對(duì)金(III)離子的親和力均急劇下降。當(dāng)溶液中HCl的濃度從0.1mol/L升高到1mol/L時(shí)，親和力的下降與高親和力到低親和力的吸附等溫線(xiàn)變化相符。需要指出的是，在1mol/L HCl中，以表氯醇為交聯(lián)劑的IMC對(duì)鉑離子和鈀離子的吸附能力降低最多（見(jiàn)表2）。

眾所周知，離子交換材料合成物的吸附能力和選擇性主要取決于其交聯(lián)度[4]。在我們的實(shí)驗(yàn)中，溶液中氯化物濃度由低到高的不同導(dǎo)致了吸附劑對(duì)貴金屬離子吸附類(lèi)型的改變，這種改變很可能是由于金屬離子在溶液和聚合物之間不均勻分布引起的。因此，在強(qiáng)溶脹聚合物中，氯離子濃度越高，其選擇性和吸附能力越低。顯然，盡管縮水甘油醚交聯(lián)的剛性基質(zhì)的吸附能力很低，但是他們能更好的反應(yīng)酸性高濃度氯化物溶液中貴金屬的濃度。我們注意到吸附作用大小實(shí)際上并不依賴(lài)于所用縮水甘油醚中乙氧基片段的長(zhǎng)度。

交聯(lián)的形式同樣影響著對(duì)過(guò)渡金屬離子的吸附：吸附能力隨IMC交聯(lián)度的升高而降低（見(jiàn)表3）。值得注意的是，與IMC吸附貴金屬離子的含氯代物陰離子交換吸附作用機(jī)制相反，IMC通過(guò)其氨基或咪唑基與過(guò)渡金屬離子形成復(fù)合物，從而達(dá)到吸收效果。因?yàn)镮M與N配體去質(zhì)子化形式絡(luò)合更有效，所以在pH 3～8時(shí)為萃取過(guò)度金屬的最適范圍。由于在pH小于2時(shí)，過(guò)渡金屬的吸附作用可以忽略不計(jì)，故而此時(shí)可以將貴金屬離子從多元溶液中完全萃取出來(lái)。

表2 取代度為0.23的IMC對(duì)貴金屬離子的吸附作用（吸收能力/mmol·g-1）

最后，我們將IMC衍生物的吸附性能與吡啶乙基殼聚糖的吸附性能作比較，有很多重要發(fā)現(xiàn)：首先，低取代度的IMC（DS=0.23）對(duì)Ag I和 Cu II離子的吸附能力同高取代度的吡啶乙基殼聚糖（DS=0.83）基本形同，IMC對(duì)Ag I離子的吸附能力稍高于含咪唑基吸附劑29。其次，與吡啶基殼聚糖相反，在天然高分子材料中，IMC對(duì)Co II和Ni II離子的吸附能力相對(duì)較高（見(jiàn)表3）。盡管IMC不能從過(guò)渡金屬離子混合物中有選擇性的提取這些離子，但是IMC的優(yōu)勢(shì)在于其對(duì)特定離子足夠強(qiáng)的吸附能力，而非其對(duì)金屬離子萃取的選擇性。

表3 取代度為0.23的IMC對(duì)過(guò)渡金屬離子的吸附作用（pH=5.6，1M NH4NO3，吸收能力/mmol·g-1）

［1］Jude K.M;Wright S.K;Tu C e.g.Crystal structure of F65A/Y131C -methylimidazole carbonic anhydrase V reveals architectural features ofan engineered proton shuttle [J].Biochemistry,2002,41(8):2485-2491.

［2］Hay MP.;Denny WA.;Wilson WR.Design,synthesis and evaluation of imidazolylmethyl carbamate prodrugs of alkylating agents[J].TETRAHEDRON,2000,56(4):645-657.