Khóa
Khóa luận
luận tốt
tốt nghiệp
nghiệp

Trường ĐHSP
Nội 22
Trường
ĐHSP Hà
Hà Nội

Lời cảm ơn
Trước hết em xin 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 em các phương pháp nghiên cứu khoa học và những
kinh nghiệm học thật quý báu trong quá trình thực hiện bài luận văn.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới 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 em trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Đồng thời em 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 em được tiếp thu những kiến thức chuyên môn về hóa học hữu
cơ và công nghệ môi trường.
Sinh viên
Nguyễn Thị Thoảng

Nguyễn Thị Thoảng

1



CH3

SEC

Sắc kí loại trừ theo độ lớn phân tử

LAB

Lactic axit bacterial

Ac

CH3CO

NMP

N-metyl pirrolidone

DMAc

N,N-dimetylaxetamit

DCA

Dicloaxetic

TCA

Tricloaxetic


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2
DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang
Hình 3.1. Phổ hồng ngoại của chitin

29

Hình 3.2. Phổ hồng ngoại của chitosan

32

Hình 3.3: Phổ 1H-NMR của

–chitosan

32

Hình 3.4: Phổ 13C-NMR của

–chitosan

32

Hình 3.5: Phổ1H- 13C-HSQC- NMR của

–chitosan

DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 3.1: Độ chuyển dịch hóa học của proton của Chitosan

30

Bảng 3.2: Độ chuyển dịch hóa học của cacbon của Chitosan

30

Nguyễn Thị Thoảng

3

K34A – Khoa Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2
DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ
Trang

Sơ đồ 1.1: Công thức cấu tạo của xenlulozo, chitin, chitosan

4

Sơ đồ 1.2: Công thức cấu tạo của chitin/chitosan

6

chitosan
Sơ đồ 1.10: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất N-cacboxyankyl

16

chitosan trong môi trường ethanol/kiềm
Sơ đồ 1.11: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất N-axyl chitosan

17

Sơ đồ 1.12: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất O-axyl chitosan

17

Sơ đồ 1.13: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất O-cacboxyankyl chitin-

18

chitosan
Sơ đồ 1.14: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất O-ankyl chitosan

19

Sơ đồ 3.1: Phản ứng điều chế chitosan từ chitin

28

Sơ đồ 3.2: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất N-cacboxyetyl chitosan

33

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN

3

1.1. Giới thiệu chung

3

1.2. Cấu trúc và tính chất của chitin-chitosan

4

1.2.1. Cấu trúc chitin-chitosan

4

1.2.2. Tính chất của chitin- chitosan

5

1.2.2.1. Tính chất vật lý

5

1.2.2.2. Tính chất hóa học

6

1.2.3. Phương pháp điều chế chitin-chitosan


1.2.5.4. Dẫn xuất O-axyl chitosan

17

1.2.5.5. Dẫn xuất O-cacboxyankyl chitin-chitosan

17

1.2.5.6. Dẫn xuất O-ankyl chitosan

18

Nguyễn Thị Thoảng

5

K34A – Khoa Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

1.2.6. Ứng dụng của chitin-chitosan và dẫn xuất trong xử lý môi

19

trường
1.2.6.1. Hấp phụ ion kim loại nặng


25

2.2.2. Tổng hợp và khảo sát tính chất dẫn xuất tan trong nước N-

26

cacboxyetyl chitosan (N-CEC)
2.2.3. Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion kim loại nặng của N-

26

cacboxyetyl chitosan
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

28

3.1. Điều chế chitosan từ chitin

28

3.1.1. Phương pháp điều chế chitosan

28

3.1.2. Phổ hồng ngoại của chitin/chitosan

28

3.1.3. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân của chitosan



3.2.4. Xác định độ thế của dẫn xuất N-cacboxyetyl chitosan theo

37

phổ 1H-NMR
3.3. Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion kim loại nặng Hg (II) của

39

N-CEC
3.3.1. Ảnh hưởng của nồng độ đến quá trình hấp phụ

39

3.3.2. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ

40

3.3.3. Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ

42

KẾT LUẬN

44

TÀI LIỆU THAM KHẢO

45

ứng dụng chủ yếu như chất làm lành vết thương, giúp tái tạo mô xương, chất
mang thuốc, chất bảo quản thực phẩm, chất hấp phụ ion kim loại nặng trong
xử lý nước… vv.
Trong số các dẫn xuất được tạo ra từ phản ứng biến tính chitinchitosan, N-cacboxyetyl chitosan [35] là dẫn xuất dễ tổng hợp, tan trong nước
và có nhiều ứng dụng rộng rãi đặc biệt là khả năng hấp phụ ion kim loại nặng
trong nước nhằm góp phần bảo vệ môi trường. Xuất phát từ thực tế trên, tôi
chọn đề tài:

Nguyễn Thị Thoảng

8

K34A – Khoa Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

“ Tổng hợp dẫn xuất N-cacboxyetyl chitosan ứng dụng để hấp phụ ion
kim loại nặng trong môi trường nước”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Tổng hợp dẫn xuất N-cacboxyetyl chitosan từ chitosan và axit
acrylic.
- Khảo sát cấu trúc và tính chất đặc trưng cơ bản của dẫn xuất Ncacboxyetyl chitosan.
- Nghiên cứu thăm dò khả năng hấp phụ ion kim loại nặng của dẫn
xuất N-cacboxyetyl chitosan và điều kiện ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ.

Nguyễn Thị Thoảng


kháng khuẩn cao, kích thích sinh trưởng cây trồng, chất bảo quản nông sản,
có khả năng tự phân hủy sinh học cao, không gây dị ứng không gây độc hại
cho người và gia súc, có khả năng tạo phức với một số kim loại chuyển tiếp
như: Hg, Cd, Cu, Fe…Chính vì vậy, ngày nay chitin-chitosan và các dẫn xuất
đã được ứng dụng rộng rãi và có hiệu quả trong nhiều các lĩnh vực khác nhau

Nguyễn Thị Thoảng

10

K34A – Khoa Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

như: y dược, công nghệ thực phẩm, mĩ phẩm, nông nghiệp, công nghệ môi
trường…[68].
1.2. Cấu trúc và tính chất của chitin-chitosan
1.2.1. Cấu trúc chitin-chitosan
Chitin là một polysaccarit có cấu trúc mạch thẳng, mạch chitin tương tự
như mạch polyme của xenlulozo chỉ thay nhóm (-OH) ở C2 của mỗi mắt xích
xenlulozo bằng nhóm –NHCOCH3. Cấu trúc mạch chitin là một chuỗi các
mắt xích N-axetyl-D-glucosamin được liên kết với nhau bằng các liên kết
β(1→4) glicosit. Cấu trúc mạch của chitin, chitosan và xenlulozo được trình
bày ở sơ đồ 1.1.
6

HO


OH

OH

OH

OH

O

O

O

O
HO

OH
HO
O

OH

OH

O
O
OH



OH

NHCOCH3
O
O

O

HO
O
NHCOCH3

OH

OH

Chitin
OH
O
HO

OH

NH2
HO
O

NH2


O
O
OH

Chitosan
Sơ đồ 1.1: Công thức cấu tạo của xenlulozo, chitin, chitosan
Bằng phương pháp nhiễu xạ tia X người ta đã xác định được chitin tồn
tại trong tự nhiên với 3 dạng: α-chitin, β-chitin, γ-chitin. Ba dạng này được
phân biệt nhờ vào sự sắp xếp các mạch trong tinh thể [35].

Nguyễn Thị Thoảng

11

K34A – Khoa Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Chitin

Chitin

Chitin

* α-chitin: Có cấu trúc tinh thể theo kiểu mạng ghép đối song (1 mạng
lên, 1 mạng xuống liền nhau), α-chitin thường được tách từ vỏ tôm, cua.
* β- chitin: Các mạch ghép song song cùng chiều, β- chitin chủ yếu có

Trường ĐHSP Hà Nội 2

và các dung môi thông thường khác mà chỉ tan trong dung môi phân cực
mạnh có chứa LiCl như N,N-dimetylaxetamit (DMAc) chứa 5-10% LiCl và
N-metyl pirrolidone (NMP), hỗn hợp DMAc và NMP có chứa 5-8% LiCl
thường được sử dụng khi gia công màng chitin. Kifune và cộng sự đã tìm ra
hệ dung môi hòa tan chitin là tricloaxetic (TCA) và clohidrocacbon như:
clometan; điclometan; 1,1,2-tricloetan [6]. S.Tokura và các cộng sự đã sử
dụng hệ dung môi axit fomic (FA)- dicloaxetic (DCA), diclopropylete làm hệ
dung môi hòa tan chitin [64].
Chitosan là một polyamin không tan trong nước cũng như hầu hết các
dung môi hữu cơ nhưng tan được trong môi trường axit loãng. Độ tan của
chitosan phụ thuộc vào loại axit và nồng độ của dung dịch axit sử dụng [30].
Khi xử lí chitin-chitosan trong môi trường axit mạnh với nồng độ lớn thường
xảy ra phản ứng depolyme hóa (cắt mạch) làm giảm khối lượng phân tử
polyme.
1.2.2.2. Tính chất hóa học
Công thức tổng quát của chitin-chitosan có dạng (C8H11NO5)n có cấu
tạo như sau:
OH

OH
O

HO

O
O

NHCOCH3

chitin phản ứng được với Na, NaOH tạo thành hợp chất có cấu trúc ancolat
gọi là chitin kiềm:
[C6H7O3NHCOCH3(OH)2]n + 2nNaOH → [C6H7O3NHCOCH3(ONa)2]n+2n
H2O
Chitin kiềm là sản phẩm trung gian để sản xuất các chitin ete như ankyl
chitin
[chit(ONa)2]n + 2n RX → [chit(OR2)]n + 2n NaX
Sợi ankyl chitin được tạo ra bằng cách xử lý ankyl chitin trong dung
dịch axit focmic và axit axetic rồi cho kéo sợi qua một đường kính nhỏ cỡ
mm.
Phản ứng với axit, anhydric axetic tạo ra sản phẩm ở dạng este.
[Chit(OH)2]n + 2n HCl

[Chit(OCl)2]n + 2n H2O

Ngoài ra, chitin còn phản ứng với ankyl sunfat trong ankyl halogenua,
các hợp chất vinyl tạo este.
b) Phản ứng ở nhóm axetamit
Chitin có khả năng tham gia phản ứng thể hiện tính chất của amin bậc 2
như phản ứng deaxetyl hóa tạo thành chitosan.
OH

OH
O
HO

dd NaOH, t0
O

NHCOCH3

khoảng 70%. Điều này có nghĩa sản phẩm phản ứng là chuỗi polyme chứa
đồng thời các mắt xích N-axetyl-D-glucosamin đan xen với Dglucosamin[18].
c) Phản ứng ở nhóm amino (-NH2)
Nguyên tử nitơ của nhóm -NH2 ở vị trí C2 trên mạch chitin- chitosan
vẫn còn một cặp e tự do chưa tham gia vào liên kết, do đó về mặt hóa học,
chúng có khả năng phản ứng cao với các tác nhân electronphin để tạo ra các
dẫn xuất tương ứng.
Nhóm -NH2 có thể tham gia vào các phản ứng như: Ankyl hóa khử với
các tác nhân chứa nhóm cacbonyl như andehit, anhydric axit. Phản ứng ankyl
hóa trực tiếp với các tác nhân chứa nhóm halogen, phản ứng Michael với các
tác nhân chứa liên kết đôi…
Phản ứng biến tính vào nhóm -NH2 thường được áp dụng để tạo ra các
sản phẩm biến tính tan trong nước [37].
d) Phản ứng cắt mạch polyme
Ngoài các phản ứng ở các nhóm chức hoạt động, chitin-chitosan còn có
tính chất chung của các polyme là có thể tham gia phản ứng cắt mạch phân tử
tạo thành các phân tử có mạch ngắn hơn, thường được gọi là các oligome.
Mạch chitin-chitosan có thể bị thủy phân trong môi trường axit làm đứt
liên kết β-glucozit tạo thành các oligosaccarit, disaccarit hoặc phân hủy đến
cùng tạo ra các monome.
Phản ứng xảy ra như sau [10, 12, 30]:

Nguyễn Thị Thoảng

15

K34A – Khoa Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp


NHCOCH3

m

+
x

HO

O
NH2

y

x
khoáng chất đã hòa tan được tách khỏi phần chitin không hòa tan, phần còn
lại là chitin thô. Để có chitin sạch có thể xử lý tiếp bằng một lượng nhỏ axit
và kiềm nhưng chỉ cần ở nồng độ thấp hơn nhiều: HCl 1M, NaOH 1-2M [2].
So với phương pháp hóa học thì phương pháp này có nhiều ưu điểm
hơn: ít gây ô nhiễm, tiết kiệm năng lượng và lượng nước rửa nên chi phí thấp,
cấu trúc sản phẩm không bị thay đổi nhiều do điều kiện xử lý êm dịu hơn và
đặc biệt ít gây ô nhiễm môi trường.
1.2.3.2. Điều chế chitosan
Chitosan là sản phẩm deaxetyl hóa của chitin. Chitosan thương mại có
nhiều loại với độ deaxetyl hóa khác nhau thường được điều chế bằng cách
deaxetyl hóa chitin trong môi trường kiềm nồng độ 40-50% ở 100-130oC
trong 24h. Phản ứng deaxetyl hóa xảy ra như sau:
OH

OH

O
HO

dd

O

HO

O
NHCOCH3

OH


Trường ĐHSP Hà Nội 2

lại nhiều lần [31]. Phản ứng deaxetyl hóa β-chitin diễn ra dễ dàng hơn nhiều
so với α-chitin: Từ các mẫu β-chitin và α-chitin có DDA tương đương nhau
(≈10%) tiến hành phản ứng deaxetyl hóa trong NaOH 30% ở 100 oC với thời
gian 2h thu được β-chitosan với DDA≈70% trong khi đó đối với α-chitin giá
trị đó là ≈20% [31].
1.2.4. Độ axetyl hóa – độ đề axetyl hóa
Độ axetyl hóa (DA – Degree of Acetylation) là hàm lượng nhóm (NHCOCH3) còn độ deaxetyl hóa (DDA-Degree of deacetylation) là hàm
lượng nhóm (-NH2) trong chitin và chitosan. Trong đó, DDA=100-DA, đối
với chitin thì DA>DDA, đối với chitosan thì DA
IAc
3

IAc
IH 1 IH 2 IH '1
3

x100%

Trong đó: I cường độ của các pic
H1’ là nguyên tử H ở nhóm GlcNAc
H1 là nguyên tử H ở nhóm GlcN
H2 là nguyên tử H thứ hai của mắt xích GlcN
Ac là pic của 3 nguyên tử h tương đương trong nhóm CH3
* Xác định độ deaxetyl hóa (DDA) theo phương pháp chuẩn độ điện
thế

Nguyễn Thị Thoảng

19

K34A – Khoa Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Cho 0,5g chitosan (cân chính xác) hòa tan trong 0,1M HCl. Dung dịch
được chuẩn với 0,1M NaOH, độ deaxetyl hóa được xác định như sau

perkin elmer 2400-II, độ deaxetyl hóa theo phân tích nguyên tố được xác định
bởi phương trình

C
5,14
N
DDA [1
] 100%
1,72

Nguyễn Thị Thoảng

20

K34A – Khoa Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Trong đó C/N là tỉ lệ cacbon với nitơ
1.2.5. Một số sản phẩm biến tính chitin-chitosan
Các hướng biến tính chitin-chitosan để tạo ra các sản phẩm khác nhau
dựa vào khả năng phản ứng của các nhóm chức –OH và –NH2 có trong phân
tử chitin-chitosan [23, 33].
1.2.5.1. Dẫn xuất N-ankyl chitosan
Các dẫn xuất N-ankyl chitosan được tạo ra chủ yếu từ phản ứng ankyl
hóa khử của chitosan với tác nhân phản ứng có nhóm -CHO theo hai giai
đoạn: giai đoạn hình thành bazơ Schiff (chứa các liên kết imin và ketimin) và

NHCH2R

x

x

Sơ đồ 1.6: Quá trình 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 [30].
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 hóa – khử chitosan
với salixylandehyt hoặc phtalandehyt nhận được các dẫn xuất có khả năng
tạo phức với ion kim loại tốt hơn chitosan.
Ngoài ra, có thể tổng hợp dẫn xuất N-ankyl chitosan bằng phản ứng
giữa chitosan và halogenua hoặc các dẫn xuất halogen.
Dẫn xuất tan trong nước N,N,N-trimetyl chitosan đã được tổng hợp từ
phản ứng của chitosan với CH3I với sự có mặt của NaI và N-metyl-2pyrolidon/NaOH. Phản ứng xảy ra như sau [13]:

Nguyễn Thị Thoảng

21

K34A – Khoa Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

OH


HO

O
NH2

O

RCO(CH2)nCOOH
NaCNBH3

HO

O
NHCHR(CH2)nCOOH

m

m

Sơ đồ 1.8: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất N-cacboxyankyl chitosan
Theo phương pháp trên một số dẫn xuất đã được tổng hợp như dẫn xuất
N-cacboxymetyl chitosan, N-cacboxybutyl chitosan.
Trong quá trình tổng hợp dẫn xuất N-cacboxymetyl chitosan, ban đầu
chitosan phản ứng với axit glyoxylic trong môi trường axit tạo thành dạng
bazơ Schiff, sau đó dưới tác dụng của tác nhân NaCNBH3 sẽ chuyển thành
dẫn xuất N-cacboxymetyl chitosan [43, 50].
OH

H


K34A – Khoa Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Các dẫn xuất N-cacboxybutyl chitosan và 5-metylpyrolidion chitosan
tan tốt trong nước và là những vật liệu có hoạt tính sinh học cao.
Các dẫn xuất N-cacboxyankyl chitosan cũng có thể được tổng hợp từ
phản ứng chitosan có độ deaxetyl hóa cao với axit monocloankanoic. Phản
ứng được thực hiện trong môi trường ethanol/kiềm:
OH

OH
O

HO

O
NH2

O

ClCH2(CH2)nCOOH
HO

O
NHCH2(CH2)nCOOH



Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

OH

OH

OH
O

O
HO

HO

O

O
NHAc

NH2

Ac2O
MeOH

O
HO


O

O
NHAc

x

y

ROX
Piridin
(X=R, hal)

O
HO

O
NHOR

n

Sơ đồ 1.12: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất O-axyl chitosan
Có thể thực hiện phản ứng axetyl hóa theo phương pháp trên. Kết quả
nghiên cứu cho thấy, phản ứng axetyl hóa có thể xảy ra hoàn toàn mà không
có phản ứng phụ khi xử lý β-chitin ở dạng huyền phù với Ac2O trong pyridin
dưới tác dụng của xúc tác 4-đimetyl aminopyridin (DMAP)[32].
Axetyl hóa dần dần chitosan ở dung dịch đồng thể trong axit
axetic/metanol hoặc axit axetic [30] nhận được sản phẩm tan được trong nước
với tính tan lớn nhất ở DA≈0,5. Tuy nhiên, ngoài dẫn xuất thế vào nhóm -OH


O
NHCOCH3
n

n
Chitin

O-carboxyankyl chitin

Sơ đồ 1.13: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất O-cacboxyankyl chitin-chitosan
Dẫn xuất O-cacboxymetyl chitin/chitosan (O-CMC) đã được tổng hợp
theo phương pháp trên [29].
OCH2COOH
O
HO

O
NHCOCH3
n

O-carboxymethyl chitin

Phản ứng tổng hợp O-CM-chitin xảy ra ở điều kiện dị thể, với sự có
mặt của NaOH. O-CM-chitin đã được nghiên cứu rất kỹ về phương pháp
tổng hợp, khảo sát tính chất hóa lý, nghiên cứu miễn dịch học, nghiên cứu khả
năng bị thủy phân bằng lysozym và CM-chitin đã được Bộ Y tế Nhật Bản cho
phép sử dụng trong lĩnh vực chăm sóc da [39, 54, 59].
1.2.5.6. Dẫn xuất O-ankyl chitosan
2-Hydroxyetyl-chitin (glycol-chitin) là một trong các dẫn xuất O-ankyl