一种利用天然甲壳素的新型生物离子液体平台文档格式.docx

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尽管甲壳素的年产量很大，但是甲壳素难溶于一般的有机溶剂使之只能用于很小的领域。

到目前为止，对于这一天然资源应用最多的是它的部分或全部脱乙酰产物-壳聚糖。

近来，报道称离子液体可以溶解生物聚合物，并且作为一种绿色溶剂代替了在合成和处理工业中常用的易挥发溶剂。

2002年Swatloski等首次用离子液体作为溶剂来溶解多聚糖，他发现离子液体可以用作纤维素的无衍生化溶剂，其中一种离子液体氯化1-丁基-3-甲基咪唑对纤维素的溶解度最高，在微波辅助加热的条件下可以溶解25wt%的纤维素。

对纤维素的成功溶解使人们开始研究离子液体对其他生物聚合物的溶解并开发新的离子液体。

Wu等发现室温离子液体氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑可以很快溶解未经活化的纤维素。

AmimCl是由不饱和烷烃代替饱和烷烃接到咪唑阳离子上，与BmimCl相比具有低熔点（17℃）低粘度，BmimCl在低于65℃时仍为固体。

Fukaya等报道了一些含自由卤素离子的1，3-二烷基咪唑的羧酸盐可以溶解一系列多糖包括纤维素和淀粉。

这些含有羧酸阴离子的离子液体有比较低的年度和相对高的极性，这样就能在温和条件下溶解聚合物。

对离子液体中溶解纤维素的研究是比较多的，但是甲壳素在离子液体中溶解的文献还不多见。

Xie等用BmimCl来溶解甲壳素，在110℃下搅拌5h最多可以溶解10wt%的聚合物。

尽管如此，并没有给出关于分子结构的详细信息。

我们曾经尝试用BmimCl来溶解不同分子量和高乙酰度甲壳素，但是并没有真正溶解。

我们认识到由于来源不同甲壳素具有多样性，有不同的分子量和乙酰度，显然这就需要做更多的工作来开发一种好的离子液体溶剂来溶解甲壳素。

现阶段研究的主要目标就是以离子液体中溶解甲壳素类的多糖为基础建立一个生物离子液体平台。

在这篇文章中我们对甲壳素的溶解和再生使用了一种新的离子液体溶剂，1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐，BminAc。

使用一系列不同来源和不同分子量的甲壳素。

用到的分析手段有偏光显微镜（POM）,傅里叶红外变换（FTIR），广角X-射线衍射（WAXD）,热重分析（TGA）和扫描电镜（SEM）,以此来证明生物聚合物的溶解，以及溶解和再生过程中的结构变化。

2.实验

2.1原料

1-甲基咪唑和n-氯丁烷从WakoCoLtd购买，前者加KOH蒸馏处理后加入4A分子筛保存。

实验中用到的天然甲壳素包含从蟹壳制得的一种α-甲壳素和两种从乌贼提取的低分子量（η=15CP）和高分子量（η=278CP）β-甲壳素。

三种甲壳素都由KoyoChem.CoLtd提供。

壳聚糖MV=97000,DAC=5%从DainichiseikaChem.DCo.Ltd购买。

所有甲壳素和壳聚糖都未经过提纯，而是干燥后直接应用。

2.2合成BmimAc

含羧酸根阴离子的离子液体制备过程如下：

首先根据文献的方法制备BmimCl，根据文献的方法，BmimCl的水溶液通过阴离子交换柱制备BminOH。

然后BminOH的水溶液用相同物质的量的醋酸中和。

然后减压旋蒸除水，所得粘稠液体用无水乙醚充分洗涤最后干燥至恒重即制得纯净的BmimAc离子液体（收率=92%）。

产品的结构纯度用1HNMR进行表征，分析结果如下：

BmimCl:

δH（CDCl3）=10.58（s,1H,N-CH=N）,7.82and7.64（s,2H,N-CH=CH–N）,4.36（t,2H,N-CH2）,4.14（s,3H,N-CH3）,1.92（m,2H,N-CH2CH2）,1.38（m,2H,N-CH2CH2CH2）,0.96（t,3H,N-CH2CH2CH2CH3）.

BmimAc:

δH（D2O）=8.53（s,1H,N-CH=N）,7.28and7.23（s,2H,N-CH=CH–N）,3.99（t,2H,N-CH2）,3.69（s,3H,N-CH3）,1.68（s,3H,COCH3）,1.64（m,2H,N-CH2CH2）,1.10（m,2H,N-CH2CH2CH2）,0.71（t,3H,N-CH2CH2CH2CH3）.

2.3甲壳素在离子液中的溶解过程

甲壳素每次按1.0wt%的量加入离子液体中，然后混合物在氮气保护下油浴加热到一定温度搅拌15-20min，取出少量的分散混合物，在偏光显微镜下观察是否溶解，如果聚合物没有完全溶解，间隔5℃升温搅拌直到全部溶解。

2.4甲壳素从离子液中再生

以制备再生甲壳素样品R-CT2为例，首先把一定量的甲壳素加入装有4.0gBmimAc的烧瓶中加热到100℃搅拌直到制得透明溶液，溶液倒入深度为1mm的塑料模型中冷却到室温（25℃）。

在离子液中形成凝胶，用甲醇做凝结剂多次洗涤以除掉离子液体。

所得的半透明再生凝胶在60℃下干燥以制得纯净的甲壳素薄膜编号为R-CT2。

其它三种从BmimAc再生的甲壳素样品（R-CT3,R-CT4,R-CT6）用同样的方法制得，只是用了不同的凝结剂（水或甲醇）和干燥方法（烘箱干燥或真空干燥）。

制备过程的详细条件列于表1，旋蒸除掉凝结剂中的水或甲醇来回收离子液体，回收离子液体的纯度通过1HNMR.

两种再生甲壳素样品，R-CT1,R-CT5是从BmimCl中用同样的方法回收制得的：

首先天然α-甲壳素或β-甲壳素分散在20.0gBmimCl中，在110℃下搅拌2h，都能制得半透明粘稠液体。

在粘稠液中直接加入甲醇是聚合物沉淀。

沉淀用甲醇彻底干燥，最后在60℃下真空干燥制得粉末样品（见表1）

2.5分析

用偏光显微镜观测多糖的溶解过程，用KBr压片测天然甲壳素和再生甲壳素的红外光谱

3.结果与讨论

天然甲壳素比纤维素存在更多的分子内和分子间氢键，因为在甲壳素的每个结构重复单元中存在乙酰基。

因为甲壳素是作为很多甲壳纲动物的骨骼，比来源于植物的纤维素有更大的分子量。

因此甲壳素比纤维素更难溶。

之前对离子液溶解纤维素的研究表明溶解过程是破坏了多糖中的羟基氢质子与特殊阴离子如Cl-形成的氢键。

尽管如此我们的初步实验表明能够溶解纤维素的绿色溶剂离子液体对甲壳素的溶解不能达到令人满意的效果（表2）。

在高温加热下观察，AminCl不能溶解甲壳素，BminCl只能少量溶解甲壳素。

偏光显微镜观测显示，把1%的N-α-甲壳素分散到BminCl离子液中存在没有溶解的晶体区域。

分散溶液用漏斗过滤可以滤除不溶的聚合物，用甲醇凝结剂只能从离子液体回收很少的一部分（小于5%）。

升高加热温度至130℃，延长搅拌时间至5h，用偏光显微镜观测仍不能完全溶解，得到5%的半透明粘稠溶液。

因此，我们认为BminCl只能溶解不含结晶区域的天然甲壳素，不能溶解含有紧密晶体区域的甲壳素。

这样，我们认识的要破坏甲壳素中复杂的氢键网络尤其是N-乙酰基形成的氢键，就要设计比氯离子协调性更强的阴离子。

据报道含有羧酸阴离子的离子液体有很强的结合氢键的能力，是潜在的生物聚合物溶剂。

按照这样的标准，我们制备了1-丁基-3-甲基咪唑的甲酸盐离子液体，但是发现甲酸盐离子液体也不能溶解壳聚糖。

因此我们认为比氯离子有强氢键结合能力的羧酸阴离子对于破坏甲壳素中的氢键来说还是很弱。

我们特别关注那些含有羧酸阴离子且相对稳定易得的离子液体。

醋酸阴离子是醋酸的共轭基团，因为醋酸的酸性比甲酸弱，所以认为醋酸阴离子是比甲酸阴离子能力强的氢键接收体。

我们制备了1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐，发现这种离子液在溶解不同来源的甲壳素时比含氯离子的离子液能力强（见表2）。

在所有几组实验中都能完全溶解多糖制得均相的溶液。

升高加热温度在85℃以上时不同来源和不同分子量的甲壳素都能溶解在BminAc，根据不同的来源和分子量可以升高至110℃以制得透明粘稠的溶液。

BminAc对甲壳素能否溶解与甲壳素的结晶形式关系不大而与甲壳素的分子量有很大关系。

BminAc溶解低分子量的甲壳素（N-β-甲壳素-L）是溶解度可达6%以上，而溶解高分子量的甲壳素（N-β-甲壳素-H）只能溶解3%。

实验结果表明BminAc离子液体可以作为天然甲壳素的现在溶剂。

因为两种含氯离子的离子液体能够溶解壳聚糖但不能溶解甲壳素，我们认为主要涉及对甲壳素重复结构单元中N-乙酰基溶解。

根据Blackwell等提到的α-甲壳素和β-甲壳素的晶体结构，胺基参与形成甲壳素分子内和分子间氢键形成复杂的网络（–NH…O=C和-OH…O=C）使它的三维空间结构更稳定。

溶解过程就是用极性离子液体尤其是它的阴离子部分来破坏氢键。

醋酸阴离子是典型的配体有很强的协调能力，常用来稳定钯催化剂。

醋酸阴离子是弱酸的共轭基团，核磁研究表明含有醋酸阴离子的离子液体与来源于强酸的阴离子相比有很强的氢键结合能力。

因此认为离子液中的醋酸阴离子与甲壳素中的氢键相互作用，剥夺胺基或羟基的氢质子与胺基形成更强的相互作用。

破坏了氢键网络就破坏了甲壳素紧密的结晶区域，这样就溶解了多糖。

3.2再生甲壳素材料的结构表征

因为BminAc可以和水或醇互溶，而甲壳素不溶于水或醇因此甲壳素可以从水或醇中再生。

用傅里叶红外变换和广角X射线衍射来观察溶解和凝结过程中分子间的相互作用以及结构的改变。

图3给出了天然和再生甲壳素的红外表征，在红外谱图中可以观察到两个吸收峰分别在3263cm-1（a）和3109cm-1（b）。

其中峰a是N-H伸缩被分子间氢键C

（2）NH…O=C（7）束缚形成的，峰b是O-H被分子间氢键C（6）OH…H-O-C（6’）束缚所形成的峰[13,18]。

另外，在1660cm-1（c）的分裂峰是天然甲壳素中酰胺，而在1629cm-1是C=O伸缩振动的吸收峰，C=O的伸缩振动被氢键分为两部分，与相邻甲壳素的N-H形成氢键，与自身链内的-OH形成氢键。

BminCl中再生的甲壳素的红外光谱在这两个吸收峰出没有明显的变化，说明氢键网络没有明显的减弱，相比之下，BminAc溶剂中再生的甲壳素与天然甲壳素的红外图比较发生了较明显的变化，在这两种再生α-甲壳素的红外图中可以看出，峰a和b减弱，峰a不明显，峰b向短波移动了10cm-1。

此外，酰胺Ⅰ带的吸收峰由分裂的峰变为1652cm-1处单一的峰。

这一结果表明在用BminAc溶剂溶解甲壳素的过程中氢键网络被破坏，但是在用凝结剂再生的过程中氢键网络不能再生。

β-甲壳素（3-7,3-8）的红外图表明，具有平行结构的分子由于氢键强度比具有反平行结构的α-甲壳素弱，在红外图中出现特有的吸收峰。

a,b向低波数移动，在1660cm-1出现C=O伸缩振动的吸收峰。

天然β-甲壳素与再生甲壳素之间没有明显的变化，这样很难从红外图中看出在溶解和再生过程中氢键强度的变化。

用广角X射线衍射表征从BminCl和BminAc中再生的甲壳素，以及天然甲壳素的结构（图4）。

从BminCl中再生的甲壳素（4b）衍射图中有一系列宽的衍射峰，与原来甲壳素（4a）的衍射图相似。

从BminC