文|墨子翟
编辑|墨子翟
前言
壳聚糖是一种由葡萄糖胺和N-乙酰葡萄糖胺组成的生物聚合物，它具有丰富的来源，并可通过热化学去乙酰化来分离。
在这个实验中，我们将介绍壳聚糖的发现、组成和制备过程，以及壳聚糖作为一种可再生材料在吸附剂领域的独特应用。
不仅如此，我们华友探讨壳聚糖的制备过程和其在吸附剂材料中的独特优势，通过深入了解壳聚糖的特性和应用，从而可以更好地利用这一丰富可再生材料，为可持续发展做出贡献。
实验准备
壳聚糖的发现可以追溯到1859年罗日通过将壳聚糖在浓缩的氢氧化钾中煮沸，并且所得产品在酸中显示出溶解性行为。
事实上，天然的壳聚糖是制备壳聚糖的前体，壳聚糖是由葡萄糖胺和N-乙酰葡萄糖胺组成的线性生物聚合物，可以通过壳聚糖的热化学去乙酰化来分离得到，具体过程如下图。
我们对壳聚糖等生物聚合物的研究已经进行了一段时间，因为它是一种丰富且可再生的材料，而且壳聚糖可以被改性以产生具有可调节物理化学性质的独特吸附剂材料。
实验过程
下图向我们展示了几种合成壳聚糖珠系统的照片，从中可以看出，每一组都是没有交联和两种交联珠，用戊二醛交联的珠子最终呈暗棕色，根据使用的戊二醛的相对比例存在细微变化。
从图中我们可以看出，随着戊二醛含量的增加，产品的颜色也越来越深，而其他反应条件保持不变，其中环氧氯丙烷交联的珠子最终呈几乎透明的黄色。
在此期间，通过调整GA和EP的重量含量，我们制备了交联的壳聚糖珠，EP的环氧环可以通过去质子化的壳聚糖羟基进行亲核取代反应，形成醚键。
一般来说，金属离子配位的效应将破坏邻近聚合物单元之间的氢键作用，从而为吸附物提供有利的结合位点，不同壳聚糖珠材料的钙离子浸渍体系的结构目前还不清楚。
然而，结果表明图中所示的钙离子浸渍壳聚糖珠的桥接模型和垂挂模型的作用。
在这一过程中，假设所有交联剂与壳聚糖的单体单位按照可用胺基团的摩尔含量根据脱乙酰度和羟基团的可利用性反应，并根据可用的胺基团的摩尔含量计算产量。
这样一来，为了计算与戊二醛交联的材料的产量，假设所有的戊二醛都与壳聚糖发生交联，可以通过醛缩合反应或胺催化醛缩合加成反应来进行实验。
由于这两种反应都导致每当一个当量的戊二醛被交联时失去两个水分子，因此，我们使用以下公式来计算产物的摩尔质量。
为了计算与环氧氯丙烷交联的材料的产率百分比，我们先假设所有的交联剂都通过环氧基上的环开启反应与壳聚糖交联，完全反应会导致每个发生交联的环氧氯丙烷分子失去一个HCl分子。
在这之后，我们再使用下面的计算产物的摩尔质量(MChi-EP)。
在这里，壳聚糖的分子量(MChi)范围在50,000-190,000 g/mol之间，使用平均值120,000 g/mol作为参考。
需要注意的是，未反应的戊二醛(MGlu)和环氧氯丙烷(MEP)的分子量分别为100.1012和92.52 g/mol，由于添加了多种类型的交联剂，总分子量乘以添加的交联剂分子数(n)用于单个壳聚糖。
所以说，残留的溶剂(Mres)可以通过TGA测定，但被认为是可以忽略的。
在这一过程中，交联的珠材料的产物收率(%)列在了下表中，根据表中所列，一个等当量的GA与两个壳聚糖单体发生交联，并损失两个水分子（pH在5-7之间），而两个壳聚糖单体与EP发生交联，则在碱性pH条件下损失HCl。
在之前的实验中，元素分析（EA）是一种常用的技术，通过燃烧分析确定碳、氢和氮（C、H和N）组成的相对含量。
正因如此，在含有未反应的起始材料、残留溶剂和水分等杂质的材料中，这个技术的结果可以提供定量结果，它的准确性因反应物种的化学组成而异。
如果说壳聚糖和交联剂的相对CHN含量变化较大，那么产物的CHN结果可能对产物的组成提供更深入的了解，当能够对比理论组成和实验值时，EA是非常有用的。
在这期间，为了计算理论估计，我们还需要知道聚合反应的产物重量以及对反应机理的理解。
在实验过程中，我们已经提出了几种涉及壳聚糖/GA和壳聚糖/EP（两组分）聚合反应的反应机理，而基于交联反应完全进行的假设，我们还计算了理论的CHN分析结果，不同体系的元素分析结果列在了下表中。
但是需要注意的是，CHN结果不能对功能团的类型提供明确的支持，根据不同类型的交联剂，壳聚糖珠的可变组成进一步支持了交联过程。
与TGA结果不同，CHN分析结果可以通过热重曲线结果的集成线强度进行容易的定性交联剂含量测量。
根据CHN结果，随着形成更多的GA和EP交联，元素C的含量（%）将增加，此外，EP交联剂没有贡献N，然而，随着与GA的交联水平的增加，N的含量减少。
这样一来，在未交联壳聚糖珠（NCL）中，重量百分比C从40.9%增加到GA 2.5和EP 5珠体系的51.4%和43.3%。
如前所述，我们已进行了壳聚糖珠的元素组成的理论计算，以进一步解释CHN微量分析结果，而基于残留水含量（约3-4%）进行的理论估计与实验值相比，有合理的一致性，CHN值之间存在相对较小的变化；3.26%、0.0%和0.96%。
上图为壳聚糖珠的傅里叶红外（FTIR）光谱示例，从中我们可以看出，每个珠体材料的显著带位于3400-3500 cm-1区域，对应于-OH和-NH2的伸展。
在这个过程中，接近2900 cm-1的IR带对应于脂肪烃的C-H伸展，而在1635 cm-1处的带对应于-NH2，但1380 cm-1处的带对应于-CHOH的对称弯曲振动44,57，1100 cm-1附近的IR带归因于C-O-H基团的C-O伸展。
所以说，由于壳聚糖中约20-25％含有乙酰基团，位于1710 cm-1以上的相应羰基特征可能被分配为有机交联剂的一端交联GA与GA之间的羧基特征。
从图中可以看出，1660 cm-1处的振动带表示乙酰基的羰基特征，1640 cm-1处的特征与亚胺基重叠，并支持壳聚糖与GA发生交联。
下图展示了钙掺杂的壳聚糖珠的FTIR光谱。
从图中可以看出，Ca2+与壳聚糖的配位得到了支持，C=O带在大约1150 cm-1处产生增强，氨基团的N-H弯曲光谱在掺杂样品中从1591 cm-1到1560 cm-1发生了光谱偏移，进一步支持了Ca2+络合物的形成。
从实验得到的数据中我们可以发现，交联珠的分解温度在200°C至250°C之间，而未添加交联剂的壳聚糖珠在较高的温度范围（250°C至350°C）分解，425°C和475°C处的热事件分别对应于GA和EP的交联剂单元的分解。
这种方法的可靠性取决于壳聚糖和相应交联剂单元的热分解事件是否清晰可辨。
掺杂样品的热重分析结果如上图所示，掺杂样品的热事件出现在较低的温度，与未掺杂样品相比，这种热稳定性的降低与掺杂的影响有关，因为它可能通过改变热容引起热稳定性的降低。
可以说，结构的变化通过减弱相邻壳聚糖聚合单元之间的分子间氢键，影响热容，交联壳聚糖的更高热稳定性与Ca2+络合物的存在相对应，根据观察到的降解过程的活化能和温度效应。
正因如此，掺杂Ca2+的珠体在200-300°C范围内显示了另一个热事件，在下图中所示，表明钙可能与壳聚糖的多个配位位点结合。
从图中我们可以看到，在300-500°C的范围内的热事件归因于戊二醛和环氧氯丙烷的交联效应，因为这些共聚物具有较高的热稳定性，这在之前的报道中有所提及。
但需要注意的是，由于溶解后结构性质的改变，对珠体材料的表征存在一定的局限性，这种影响可以通过壳聚糖溶解时钙离子的脱附来理解。
然而，更大的问题是壳聚糖材料在溶剂中的溶解度有限，存在有限的选择，如尿素/NaOH或离子液体。
在这之后，我们采用CP-MAS NMR方法获取了样品的固态NMR谱，如下图所示。
在图中，交联材料的谱线与壳聚糖粉末和未交联壳聚糖相比表现出更大的线宽增宽，这种增宽是由于交联后多糖的链动力学减小，在之前一项关于交联EP和GA聚合物的研究中有报道。
一般来说，观察到的不同聚合物和掺杂钙聚合物中每个化学位移的谱线都具有类似的模式，这表明钙的掺入水平较低，然而，引入钙到壳聚糖结构中，谱线加宽的程度更大。
需要注意的是，加宽可以发生在固体中，这是由于强的自旋-自旋耦合和短的T2弛豫时间，使得共振在较大的频谱宽度范围内分散，从而降低了分辨率和峰振幅。
在这个过程中，我们将钙与壳聚糖键合导致结构更加刚性，因此需要更强的自旋-自旋耦合。
在这之后，我们将壳聚糖单元的C1位点归属于105.3 ppm，C4位点为83.6 ppm，C3-5位点为57.6 ppm，C6位点为60.8 ppm，C2位点为57.7 ppm。
不过令人没想到的是，与乙酰基群对应的羰基碳（C7）在173.0 ppm处不可观察，可能是由于使用的壳聚糖脱乙酰化程度高，或者选择的脉冲参数和延迟时间没有优化以观察到羰基特征。
尽管如此，出现在23.9 ppm处的CH3谱表明壳聚糖中存在乙酰基，化学位移在60.8处的强度增加表明与EP的成功交联，之后通过149 ppm处的C=N共振来验证壳聚糖和戊二醛之间的C=N键的形成。
在实验中，当[R-NH2]等于[R-NH3+]时，方程将简化为Ka=[H3O+]，因此pKa=pH，这允许使用电位滴定法确定壳聚糖中质子化胺基团的pKa。
需要注意的是，壳聚糖的电位滴定结果包括两个拐点，第一个拐点对应于HCl与NaOH滴定中的当量点，第二个拐点对应于壳聚糖胺基团（R-NH2）与NaOH的滴定。
通过这个方法估算的pH值为6.2，与商业壳聚糖的pKa值的独立估算结果一致。
实验结果
在实验过程中，由于吸附剂之间的结构和化学差异，所以每种染料的吸附行为具有可变性。
一般来说，每种染料的亲水-亲油（HLB）性质取决于大小、分子量以及分子间和分子内氢键的存在等因素，染料的吸附发生通过匹配染料分子和孔径尺寸或者通过吸附剂-吸附物的HLB性质。
所以说，我们可以利用静电相互作用和“匹配水亲和力”定律，理解电荷状态对染料分子吸附的影响，因此，分析每种染料在每种吸附剂上的吸附数据有助于更好地理解壳聚糖珠体材料的结构和表面化学性质。
我们要注意，PNP是在pH 8.5下带一个电荷的离子染料，其中酚基可能用作PNPP物种芳香基团的代用染料探针，所以通过分析各种吸附物种的物化属性（例如磷酸盐vs. PHP，PNP vs. PNPP vs. 磷酸盐），我们可以详细了解壳聚糖珠体的物化结构。
参考文献
【1】《磷酸盐吸附壳聚糖珠的制备及其对重金属离子的吸附行为》。
【2】《无机和配位化合物的红外和拉曼光谱，在配位、有机金属和生物无机化学中的应用》。
【3】《制备壳聚糖模板化钙磷酸盐珠以高效去除水溶液中的重金属离子》。
【4】《合成和表征铁（III）掺杂磷酸盐吸附壳聚糖珠及其在氟化物，六价铬和硝酸盐去除中的性能》。
【5】《壳聚糖/Fe3O4/海藻酸盐微球的合成和表征用于磷酸盐去除》。
