文|墨子翟
編輯|墨子翟
前言
殼聚糖是一種由葡萄糖胺和N-乙醯葡萄糖胺組成的生物聚合物，它具有豐富的來源，並可通過熱化學去乙醯化來分離。
在這個實驗中，我們將介紹殼聚糖的發現、組成和製備過程，以及殼聚糖作為一種可再生材料在吸附劑領域的獨特應用。
不僅如此，我們華友探討殼聚糖的製備過程和其在吸附劑材料中的獨特優勢，通過深入了解殼聚糖的特性和應用，從而可以更好地利用這一豐富可再生材料，為可持續發展做出貢獻。
實驗準備
殼聚糖的發現可以追溯到1859年羅日通過將殼聚糖在濃縮的氫氧化鉀中煮沸，並且所得產品在酸中顯示出溶解性行為。
事實上，天然的殼聚糖是製備殼聚糖的前體，殼聚糖是由葡萄糖胺和N-乙醯葡萄糖胺組成的線性生物聚合物，可以通過殼聚糖的熱化學去乙醯化來分離得到，具體過程如下圖。
我們對殼聚糖等生物聚合物的研究已經進行了一段時間，因為它是一種豐富且可再生的材料，而且殼聚糖可以被改性以產生具有可調節物理化學性質的獨特吸附劑材料。
實驗過程
下圖向我們展示了幾種合成殼聚糖珠系統的照片，從中可以看出，每一組都是沒有交聯和兩種交聯珠，用戊二醛交聯的珠子最終呈暗棕色，根據使用的戊二醛的相對比例存在細微變化。
從圖中我們可以看出，隨著戊二醛含量的增加，產品的顏色也越來越深，而其他反應條件保持不變，其中環氧氯丙烷交聯的珠子最終呈幾乎透明的黃色。
在此期間，通過調整GA和EP的重量含量，我們製備了交聯的殼聚糖珠，EP的環氧環可以通過去質子化的殼聚糖羥基進行親核取代反應，形成醚鍵。
一般來說，金屬離子配位的效應將破壞鄰近聚合物單元之間的氫鍵作用，從而為吸附物提供有利的結合位點，不同殼聚糖珠材料的鈣離子浸漬體系的結構目前還不清楚。
然而，結果表明圖中所示的鈣離子浸漬殼聚糖珠的橋接模型和垂掛模型的作用。
在這一過程中，假設所有交聯劑與殼聚糖的單體單位按照可用胺基團的摩爾含量根據脫乙醯度和羥基團的可利用性反應，並根據可用的胺基團的摩爾含量計算產量。
這樣一來，為了計算與戊二醛交聯的材料的產量，假設所有的戊二醛都與殼聚糖發生交聯，可以通過醛縮合反應或胺催化醛縮合加成反應來進行實驗。
由於這兩種反應都導致每當一個當量的戊二醛被交聯時失去兩個水分子，因此，我們使用以下公式來計算產物的摩爾質量。
為了計算與環氧氯丙烷交聯的材料的產率百分比，我們先假設所有的交聯劑都通過環氧基上的環開啟反應與殼聚糖交聯，完全反應會導致每個發生交聯的環氧氯丙烷分子失去一個HCl分子。
在這之後，我們再使用下面的計算產物的摩爾質量(MChi-EP)。
在這裡，殼聚糖的分子量(MChi)範圍在50,000-190,000 g/mol之間，使用平均值120,000 g/mol作為參考。
需要注意的是，未反應的戊二醛(MGlu)和環氧氯丙烷(MEP)的分子量分別為100.1012和92.52 g/mol，由於添加了多種類型的交聯劑，總分子量乘以添加的交聯劑分子數(n)用於單個殼聚糖。
所以說，殘留的溶劑(Mres)可以通過TGA測定，但被認為是可以忽略的。
在這一過程中，交聯的珠材料的產物收率(%)列在了下表中，根據表中所列，一個等當量的GA與兩個殼聚糖單體發生交聯，並損失兩個水分子（pH在5-7之間），而兩個殼聚糖單體與EP發生交聯，則在鹼性pH條件下損失HCl。
在之前的實驗中，元素分析（EA）是一種常用的技術，通過燃燒分析確定碳、氫和氮（C、H和N）組成的相對含量。
正因如此，在含有未反應的起始材料、殘留溶劑和水分等雜質的材料中，這個技術的結果可以提供定量結果，它的準確性因反應物種的化學組成而異。
如果說殼聚糖和交聯劑的相對CHN含量變化較大，那麼產物的CHN結果可能對產物的組成提供更深入的了解，當能夠對比理論組成和實驗值時，EA是非常有用的。
在這期間，為了計算理論估計，我們還需要知道聚合反應的產物重量以及對反應機理的理解。
在實驗過程中，我們已經提出了幾種涉及殼聚糖/GA和殼聚糖/EP（兩組分）聚合反應的反應機理，而基於交聯反應完全進行的假設，我們還計算了理論的CHN分析結果，不同體系的元素分析結果列在了下表中。
但是需要注意的是，CHN結果不能對功能團的類型提供明確的支持，根據不同類型的交聯劑，殼聚糖珠的可變組成進一步支持了交聯過程。
與TGA結果不同，CHN分析結果可以通過熱重曲線結果的集成線強度進行容易的定性交聯劑含量測量。
根據CHN結果，隨著形成更多的GA和EP交聯，元素C的含量（%）將增加，此外，EP交聯劑沒有貢獻N，然而，隨著與GA的交聯水平的增加，N的含量減少。
這樣一來，在未交聯殼聚糖珠（NCL）中，重量百分比C從40.9%增加到GA 2.5和EP 5珠體系的51.4%和43.3%。
如前所述，我們已進行了殼聚糖珠的元素組成的理論計算，以進一步解釋CHN微量分析結果，而基於殘留水含量（約3-4%）進行的理論估計與實驗值相比，有合理的一致性，CHN值之間存在相對較小的變化；3.26%、0.0%和0.96%。
上圖為殼聚糖珠的傅里葉紅外（FTIR）光譜示例，從中我們可以看出，每個珠體材料的顯著帶位於3400-3500 cm-1區域，對應於-OH和-NH2的伸展。
在這個過程中，接近2900 cm-1的IR帶對應於脂肪烴的C-H伸展，而在1635 cm-1處的帶對應於-NH2，但1380 cm-1處的帶對應於-CHOH的對稱彎曲振動44,57，1100 cm-1附近的IR帶歸因於C-O-H基團的C-O伸展。
所以說，由於殼聚糖中約20-25％含有乙醯基團，位於1710 cm-1以上的相應羰基特徵可能被分配為有機交聯劑的一端交聯GA與GA之間的羧基特徵。
從圖中可以看出，1660 cm-1處的振動帶表示乙醯基的羰基特徵，1640 cm-1處的特徵與亞胺基重疊，並支持殼聚糖與GA發生交聯。
下圖展示了鈣摻雜的殼聚糖珠的FTIR光譜。
從圖中可以看出，Ca2+與殼聚糖的配位得到了支持，C=O帶在大約1150 cm-1處產生增強，氨基團的N-H彎曲光譜在摻雜樣品中從1591 cm-1到1560 cm-1發生了光譜偏移，進一步支持了Ca2+絡合物的形成。
從實驗得到的數據中我們可以發現，交聯珠的分解溫度在200°C至250°C之間，而未添加交聯劑的殼聚糖珠在較高的溫度範圍（250°C至350°C）分解，425°C和475°C處的熱事件分別對應於GA和EP的交聯劑單元的分解。
這種方法的可靠性取決於殼聚糖和相應交聯劑單元的熱分解事件是否清晰可辨。
摻雜樣品的熱重分析結果如上圖所示，摻雜樣品的熱事件出現在較低的溫度，與未摻雜樣品相比，這種熱穩定性的降低與摻雜的影響有關，因為它可能通過改變熱容引起熱穩定性的降低。
可以說，結構的變化通過減弱相鄰殼聚糖聚合單元之間的分子間氫鍵，影響熱容，交聯殼聚糖的更高熱穩定性與Ca2+絡合物的存在相對應，根據觀察到的降解過程的活化能和溫度效應。
正因如此，摻雜Ca2+的珠體在200-300°C範圍內顯示了另一個熱事件，在下圖中所示，表明鈣可能與殼聚糖的多個配位位點結合。
從圖中我們可以看到，在300-500°C的範圍內的熱事件歸因於戊二醛和環氧氯丙烷的交聯效應，因為這些共聚物具有較高的熱穩定性，這在之前的報道中有所提及。
但需要注意的是，由於溶解後結構性質的改變，對珠體材料的表徵存在一定的局限性，這種影響可以通過殼聚糖溶解時鈣離子的脫附來理解。
然而，更大的問題是殼聚糖材料在溶劑中的溶解度有限，存在有限的選擇，如尿素/NaOH或離子液體。
在這之後，我們採用CP-MAS NMR方法獲取了樣品的固態NMR譜，如下圖所示。
在圖中，交聯材料的譜線與殼聚糖粉末和未交聯殼聚糖相比表現出更大的線寬增寬，這種增寬是由於交聯後多糖的鏈動力學減小，在之前一項關於交聯EP和GA聚合物的研究中有報道。
一般來說，觀察到的不同聚合物和摻雜鈣聚合物中每個化學位移的譜線都具有類似的模式，這表明鈣的摻入水平較低，然而，引入鈣到殼聚糖結構中，譜線加寬的程度更大。
需要注意的是，加寬可以發生在固體中，這是由於強的自旋-自旋耦合和短的T2弛豫時間，使得共振在較大的頻譜寬度範圍內分散，從而降低了解析度和峰振幅。
在這個過程中，我們將鈣與殼聚糖鍵合導致結構更加剛性，因此需要更強的自旋-自旋耦合。
在這之後，我們將殼聚糖單元的C1位點歸屬於105.3 ppm，C4位點為83.6 ppm，C3-5位點為57.6 ppm，C6位點為60.8 ppm，C2位點為57.7 ppm。
不過令人沒想到的是，與乙醯基群對應的羰基碳（C7）在173.0 ppm處不可觀察，可能是由於使用的殼聚糖脫乙醯化程度高，或者選擇的脈衝參數和延遲時間沒有優化以觀察到羰基特徵。
儘管如此，出現在23.9 ppm處的CH3譜表明殼聚糖中存在乙醯基，化學位移在60.8處的強度增加表明與EP的成功交聯，之後通過149 ppm處的C=N共振來驗證殼聚糖和戊二醛之間的C=N鍵的形成。
在實驗中，當[R-NH2]等於[R-NH3+]時，方程將簡化為Ka=[H3O+]，因此pKa=pH，這允許使用電位滴定法確定殼聚糖中質子化胺基團的pKa。
需要注意的是，殼聚糖的電位滴定結果包括兩個拐點，第一個拐點對應於HCl與NaOH滴定中的當量點，第二個拐點對應於殼聚糖胺基團（R-NH2）與NaOH的滴定。
通過這個方法估算的pH值為6.2，與商業殼聚糖的pKa值的獨立估算結果一致。
實驗結果
在實驗過程中，由於吸附劑之間的結構和化學差異，所以每種染料的吸附行為具有可變性。
一般來說，每種染料的親水-親油（HLB）性質取決於大小、分子量以及分子間和分子內氫鍵的存在等因素，染料的吸附發生通過匹配染料分子和孔徑尺寸或者通過吸附劑-吸附物的HLB性質。
所以說，我們可以利用靜電相互作用和「匹配水親和力」定律，理解電荷狀態對染料分子吸附的影響，因此，分析每種染料在每種吸附劑上的吸附數據有助於更好地理解殼聚糖珠體材料的結構和表面化學性質。
我們要注意，PNP是在pH 8.5下帶一個電荷的離子染料，其中酚基可能用作PNPP物種芳香基團的代用染料探針，所以通過分析各種吸附物種的物化屬性（例如磷酸鹽vs. PHP，PNP vs. PNPP vs. 磷酸鹽），我們可以詳細了解殼聚糖珠體的物化結構。
參考文獻
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【2】《無機和配位化合物的紅外和拉曼光譜，在配位、有機金屬和生物無機化學中的應用》。
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