微波辅助酸功能化离子液体催化降解纤维素、壳聚糖的研究

论文摘要

对纤维素最有效的利用,是将其降解转化得到纤维二糖、葡萄糖、5-羟甲基糠醛等一系列产品。壳聚糖是一种环境友好的生物大分子,但是其相对分子质量大,限制了其应用,将其降解得到的壳寡糖有许多优异的性能,在医药、饲料、食品、生物、农业等众多领域具有重要的应用价值。目前对纤维素和壳聚糖的降解方法有多种,可分为：化学法、物理法和生物法。离子液体是一种室温熔融盐,具有优良的物理化学性质,对纤维素、壳聚糖等生物大分子有很好的溶解能力,可以代替挥发性有机溶剂。通过调节组成离子液体的阴阳离子,可以得到具有B酸酸性的酸功能化离子液体,这种酸功能化离子液体同时具有固体酸及液体酸的优点。本论文研究中,首先合成了1-丁基-3甲基咪唑氯盐（BmimCl）、1-烯丙基-3甲基咪唑氯盐（AmimCl）和1-氢-3-甲基咪唑氯盐（HmimCl）三种室温离子液体,及1-甲基3-（3-磺酸基丙基）咪唑硫酸氢盐（[PSmim][HSO4]）、1-甲基3-（3-磺酸基丙基）咪唑对甲基苯磺酸盐（[PSmim][TSA]）、1-甲基3-（3-磺酸基丙基）咪唑甲磺酸盐（[PSmim][CH3SO3]）、N-（3-磺酸基丙基）吡啶硫酸氢盐（[PSPy][HSO4]）、N-（3-磺酸基丙基）吡啶对甲基苯磺酸盐（[PSPy][TSA]）、N-（3-磺酸基丙基）吡啶磷酸二氢盐（[PSPy][H2PO4]）、3-磺酸基丙基三乙铵硫酸氢盐（[PSTEA][HSO4]）、和3-磺酸基丙基三乙铵对甲基苯磺酸盐（[PSTEA][TSA]）八种酸功能化离子液体,并运用核磁对所合成的离子液体的组成和结构进行表征分析。对酸功能化离子液体进行乙腈探针红外表征,结果表明实验中合成的酸功能化离子液体具有B酸酸性。以室温离子液体BmimCl为纤维素的溶剂,添加二甲基亚砜作为共溶剂以降低体系粘度,采用咪唑型酸功能化离子液体为催化剂,用微波加热对纤维素进行降解。应用二硝基水杨酸法进行总还原糖分析,用Hammett指示剂紫外可见光谱法比较了不同酸功能化离子液体酸性。同时还分别考察了二甲基亚砜添量、催化剂用量和水含量对纤维素降解的影响。结果表明,酸功能化离子液体的酸性大小和其催化效果一致,在微波640W下添加0.05g催化剂反应60s,纤维素降解效果最佳。采用混合型离子液体（AmimCl/HmimCl）为溶剂,选取二甲基亚砜为共溶剂,用吡啶型酸功能化离子液体为催化剂,用微波对壳聚糖进行降解,应用Imoto法进行总还原糖分析,用Hammett指示剂紫外可见光谱法比较了不同酸功能化离子液体酸性。对降解前后的壳聚糖进行红外、紫外、核磁、XRD表征,并测定了降解前后壳聚糖粘均分子量的变化,通过正交实验确定了降解壳聚糖的最佳条件,并分别考察了微波功率、微波时间对壳聚糖降解的影响。实验结果表明：降解前后壳聚糖的结构保持不变；吡啶型酸功能化离子液体的催化效果与其酸性大小的顺序一致；正交实验表明最佳降解条件为：5g混合型离子液体溶解0.15g壳聚糖,用4g二甲基亚砜为共溶剂,添加1.5g[PSPy][HSO4],在微波640W下反应120s,总还原糖的产率达到92%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 文献综述
• 1.1 纤维素降解研究概况
• 1.1.1 纤维素结构及应用
• 1.1.2 纤维素的溶解
• 1.1.3 纤维素降解方法
• 1.2 壳聚糖降解研究概况
• 1.2.1 壳聚糖来源及用途
• 1.2.2 壳聚糖结构
• 1.2.3 壳聚糖溶解性能
• 1.2.4 壳聚糖降解方法
• 1.3 酸功能化离子液体
• 1.3.1 离子液体
• 1.3.2 离子液体分类
• 1.4 微波加热技术
• 1.4.1 微波加热特点
• 1.4.2 微波加热技术应用于碳水化合物的降解
• 1.5 选题依据及研究内容
• 1.5.1 选题依据
• 1.5.2 研究内容
• 第二章 离子液体合成
• 2.1 引言
• 2.2 实验试剂与仪器
• 2.2.1 实验试剂
• 2.2.2 实验仪器
• 2.3. 离子液体合成
• 2.3.1 室温离子液体合成
• 2.3.2 酸功能化离子液体合成
• 2.4 离子液体的表征
• 2.4.1 测试仪器及条件
• 2.4.2 室温离子液体的表征数据
• 2.4.3 酸功能化离子液体的表征数据
• 2.4.4 酸功能化离子液体酸性表征
• 2.5 小结
• 第三章 微波辅助酸功能化离子液体催化降解纤维素
• 3.1 引言
• 3.2 实验试剂与仪器
• 3.2.1 实验试剂
• 3.2.2 实验仪器
• 3.3 实验部分
• 3.3.1 微波降解纤维素
• 3.3.2 总还原糖分析
• 3.3.3 酸功能化离子液体的酸性比较
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 还原糖分析
• 3.4.2 离子液体及共溶剂的选择
• 3.4.3 不同催化剂对降解的影响
• 3.4.4 催化剂用量对降解的影响
• 3.4.5 水含量对降解的影响
• 3.5 小结
• 第四章 微波辅助酸功能化离子液体催化降解壳聚糖
• 4.1 引言
• 4.2 实验药品与仪器
• 4.2.1 实验药品
• 4.2.2 实验仪器
• 4.3 实验部分
• 4.3.1 微波降解壳聚糖
• 4.3.2 总还原糖分析
• 4.3.3 酸功能化离子液体的酸性比较
• 4.3.4 壳聚糖分子量测定
• 4.3.5 降解前后壳聚糖的结构表征
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 总还原糖分析
• 4.4.2 溶剂及共溶剂的选择
• 4.4.3 酸功能化离子液体的影响
• 4.4.4 降解前后壳聚糖结构变化
• 4.4.5 正交实验
• 4.4.6 微波功率对壳聚糖降解的影响
• 4.4.7 反应时间对壳聚糖粘均分子量的影响
• 4.5 小结
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 致谢