Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC
-------------------------

NGUYỄN THỊ DOAN

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TỔNG HỢP DẪN XUẤT
N-(BENZYLIĐEN) CHITOSAN VÀ THĂM DÒ KHẢ NĂNG
HẤP THỤ THUỐC NHUỘM HOẠT TÍNH CỦA NÓ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa Công nghệ - Môi trường

Người hướng dẫn khoa học:

TS. Trần Thị Ý Nhi

HÀ NỘI, 2015

Nguyễn Thị Doan

K36B – Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bài khóa luận tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu
của cá nhân, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu thực tiễn dưới sự hướng dẫn
khoa học của TS. Trần Thị Ý Nhi.
Các số liệu và những kết quả trong khóa luận là trung thực, do chính cá
nhân tôi tiến hành thí nghiệm.
Một lần nữa, tôi xin khẳng định về sự trung thực của lời cam kết trên.
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Doan

Nguyễn Thị Doan

K36B – Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .....................................................................................................
DANH MỤC HÌNH ............................................................................................
DANH MỤC BẢNG ...........................................................................................
DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ .................................................................................
MỞ ĐẦU...............................................................................................................1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ............................................................................ 4
1.1. Giới thiệu chung [1, 2, 3, 14, 20]............................................................. 4
1.1.1. Cấu trúc hóa học [1, 2, 3, 38] ........................................................... 5


3.1.2. Điều chế chitosan từ chitin theo phương pháp kiềm đặc kết hợp nhiệt
độ cao....................................................................................................... 36
3.1.3. Điều chế chitosan có DA thấp ......................................................... 40
3.2. Tổng hợp dẫn xuất N-(Benzyliđen) chitosan .......................................... 44
3.2.1. Phản ứng tổng hợp dẫn xuất N-(Benzyliđen) chitosan .................... 44
3.2.2. Khảo sát phản ứng bằng phổ hồng ngoại (FT- TR)......................... 45
3.2.3. Khảo sát bằng phổ X-Ray ............................................................... 46
3.2.4. Khảo sát sản phẩm phản ứng bằng TGA ......................................... 47
3.2.5. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp dẫn xuất N(Benzyliđen)chitosan ................................................................................ 48
3.2.5.2. Ảnh hưởng của khối lượng phân tử chitosan đến hiệu suất phản
ứng ........................................................................................................... 49
3.2.5.3. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất phản ứng ......... 49
3.2.5.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất phản ứng .......................... 50
3.2.5.5. Khảo sát khả năng hấp thụ nước của dẫn xuất N- (Benzyliđen)
chitosan. ................................................................................................... 51
3.3. Khảo sát khả năng hấp phụ thuốc nhuộm hoạt tính của dẫn xuất N(Benzyliđen)chitosan. ................................................................................... 52
3.3.1. Ảnh hưởng của pH .......................................................................... 52
3.3.2. Ảnh hưởng của nồng độ RB19 ........................................................ 53
3.3.3. Ảnh hưởng của thời gian................................................................. 54
KẾT LUẬN CHUNG ..................................................................................... 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................. 56

Nguyễn Thị Doan

K36B – Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp




Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Hình 3.18: Ảnh hưởng của nồng độ thuốc nhuộm ........................................... 53
Điều kiện hấp phụ: 24 giờ, pH: 5,9 ................................................................... 53
Hình 3.19: Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ thuốc nhuộm hoạt
tính RB19 ......................................................................................................... 54

Nguyễn Thị Doan

K36B – Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Tổn thất thuốc nhuộm khi nhuộm các loại xơ sợi…..……………….21
Bảng 2.1: Thành phần chính của một số nguyên liệu chứa chitin. ..................... 30
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 ...................... 37
Bảng 3.3: Kết quả đo áp suất thẩm thấu của chitosan tại các nồng độ khác nhau39
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 tỷ lệ nhóm alđehyt/amin đến hiệu suất phản ứng tổng

Sơ đồ 3.1: Phản ứng đeaxetyl hóa chitin............................................................ 36

Nguyễn Thị Doan

K36B – Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

BẢNG CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT TRONG KHÓA LUẬN
BCh:

N-(Benzyliđen)chitosan

Ac:

CH3CO

CTS:

Chitosan

DDA:

Độ đề axetyh hóa

DA:



NMR:

Nuclear Magnetic Resonance - Cộng hưởng từ hạt nhân

NMP:

N-metyl-2-pyroliđon

RB19:

Thuốc nhuộm họat tính màu xanh – Reactive Blu 19

Nguyễn Thị Doan

K36B – Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Nguyễn Thị Doan

Trường ĐHSP Hà Nội 2

K36B – Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2


1

K36B – Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

bằng những phương pháp này hoàn toàn có thể tái sử dụng trong sản xuất,
nhưng việc ứng dụng lại gặp rất nhiều khó khăn và giá thành rất cao. Với
phương pháp hấp phụ đã sử dụng than hoạt tính, đất sét, tro bay…để loại bỏ chất
màu, nhưng khả năng hấp phụ của nó không lớn. Trong số vật liệu hấp phụ có
nguồn gốc thiên nhiên thì chitin/chitosan và dẫn xuất của nó được cho là vật liệu
có khả năng hấp phụ thuốc nhuộm tốt hơn 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.
Xuất phát từ lí do trên, tôi đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu khả năng tổng
hợp dẫn xuất N-(Benzyliđen)chitosan và thăm dò khả năng hấp phụ thuốc
nhuộm hoạt tính của nó” nhằm mục đích nâng cao hiệu quả sử dụng phế thải
thủy sản, hạn chế ô nhiễm và bảo vệ môi trường.

-

Nghiên cứu khả năng hấp thụ thuốc nhuộm hoạt tính màu xanh RB19

của dẫn xuất N-(benzyliđen)chitosan: Khảo sát các yếu tố pH, nồng độ RB19,
thời gian ảnh hưởng đến hiệu suất hấp thụ thuốc nhuộm hoạt tính màu xanh
RB19.

Nguyễn Thị Doan

3

K36B – Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu chung [1, 2, 3, 14, 20]
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


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 [20]
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

Nguyễn Thị Doan

5

K36B – Hóa học



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.
Nguyễn Thị Doan

6

K36B – Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

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)

T: nhiệt độ đo
C: nồng độ chitosan
Nguyễn Thị Doan

7

K36B – Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

/C (C0): giá trị ngoại suy của /C khi C0
1.1.4. Phương pháp điều chế chitin/chitosan [7,17].
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.
1.1.4.1. Tách chitin từ vỏ phế thải thuỷ hải sản [1,17,18].
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 hoá
học và phương pháp lên men vi sinh vật.
Theo phương pháp hoá học: Quá trình điều chế chitin được thực hiện

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.
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 βchitin khác hẳn với -chitin nên -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.
1.1.4.2. Điều chế chitosan [18].
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


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

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 chitin: Từ các mẫu -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 :

Sơ đồ 1.3: Quá trình sản xuất chitin /chitosan truyền thống
1.1.4.3. Độ axetyl hóa- Xác định độ axetyl/đeaxxetyl hóa [5, 6, 7, 11, 14, 16]
Độ axetyl hoá là hàm lượng nhóm (-NHCOCH3) còn độ deaxetyl hoá là
hàm lượng nhóm (-NH2) trong chitin và chitosan. Mắt xích cơ sở của chitin là
N-axetyl-D-glucosamin (GlcNAc). Mặc dù hầu hết các nhóm amino gắn với C2

Nguyễn Thị Doan

10

K36B – Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp


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): 1 -NRM, 13 C -NRM, và

15  -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.

Nguyễn Thị Doan

11

K36B – Hóa học

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.

Nguyễn Thị Doan

12

K36B – Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

1.1.5.2. 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.
OH

OH
O
HO

dd NaOH, t0
O

NHCOCH3

O
HO

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.
1.1.5.3. 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 tương ứng.
Nguyễn Thị Doan

13

K36B – Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

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.
1.1.5.4. 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