氢键吸附树脂体系的建立及其应用

论文摘要

在天然产物化学中,天然产物的提取分离扮演着重要的角色,它不仅是天然产物及其衍生物化学发展的基础,同时它制约着天然产物的应用。而大孔吸附树脂以其高吸附容量,简单的工艺流程,吸引了许多研究者的关注。商品化大孔吸附树脂以苯乙烯等单体为骨架,其吸附作用以强疏水性为主,选择性较低,在工业应用上以天然产物的粗提取为主,无法进行更精细的分离提纯。为了使树脂能在更广泛的范围应用,必须对传统树脂进行改进,引入更多的吸附作用,同时在更大程度上优化其解吸条件。本论文从天然产物提取分离的需求出发,合成了以氢键吸附为主的几个系列吸附树脂,系统性的研究了以氢键作用为主的弱吸附作用应用于不同层次的天然产物分离纯化的过程。主要内容包括以下四个部分：第一部分：通过两种方法在疏水骨架的树脂上引入极性的酯基链段,通过对其红外的表征,验证了极性基团成功引入。然后,以汉防己生物碱为模型对两系列树脂及商品化树脂进行了静态吸附试验,其中DM和NDM系列树脂的吸附量均随极性单体的加入不断提高,但当其疏水骨架疏水性降低到一定程度时吸附量随之减小,这证明了疏水-偶极协同作用的存在,而NDM系列树脂因为极性链段相对集中大大增强了其偶极作用,所以其吸附量比DM系列树脂有明显增加。随后,在总碱的纯化过程中上述疏水-偶极协同作用再次得到验证,经NDM-20树脂纯化后,汉防己总生物碱的浓度达到93.2%。并通过精细调控pH和解吸附条件,根据汉防己甲素乙素PKa的差异设计了在不同pH下的分离试验,从而得到在pH=5.75时,其分离效果最好,因为这时处于分子态的汉防己甲素和离子态的乙素的比例最大,使得其在树脂上的保留能力出现明显的差别。最终得到汉防己甲素的纯度为93%以上。第二部分：在第一部分研究疏水-偶极协同作用的基础上,以疏水-协同作用为对照,研究了疏水-氢键的协同作用。合成了DE、DV两系列树脂,并以甜菊糖总苷的提取为实例,在静态吸附下计算了其等量吸附焓,发现疏水-氢键协同的DV系列树脂吸附焓明显高于疏水-偶极协同的DE系列树脂,证明在疏水作用相同时,疏水-氢键协同作用比疏水-偶极协同作用力强,增加其吸附作用。动态吸附中DV-20表现出了更高的吸附量更好的解吸附能力,与商品化树脂相比较,其吸附量增加了近一倍,而纯化后甜菊糖总苷纯度较商品化树脂有所提高。疏水-氢键协同树脂适合具有形成氢键能力的天然产物从动植物原料中大规模提取,由于疏水作用的存在,无法消除疏水作用广谱的吸附,所以不适合对单一组分的分离。第三部分：为了进行单一组分的分离我们需要摆脱疏水作用的限制,突出氢键吸附选择性吸附的优点,我们合成了以单一氢键吸附为主的树脂。为得到具有氢键吸附能力的聚乙烯醇链段我们选择了醋酸乙烯酯为聚合单体,选用与其结构相近的三烯丙基异氰脲酸酯（TAIC）为交联剂进行悬浮聚合,聚合完成后进行水解得到具有聚乙烯醇链段的VT系列树脂。通过红外表征发现醋酸乙烯酯树脂成功合成,并成功水解得到聚乙烯醇链段。以去除茶多酚提取物中的咖啡因为例,静态吸附表明：茶多酚上的酚羟基可与聚乙烯醇链段形成较强的氢键吸附作用,而咖啡因不能形成,与商品化树脂对照发现在咖啡因与树脂之间的吸附作用力为疏水吸附,而茶多酚既可以和树脂以疏水作用结合,也可以以氢键作用结合。因此,为了特异性的吸附茶多酚而去除咖啡因,应尽量降低树脂的疏水作用,同时增加其氢键作用。吸附热力学试验进一步说明VT树脂与茶多酚之间的氢键作用。我们利用动态吸附试验研究了VT-80树脂的动态吸附曲线,确定了其最佳上柱容量,并在此基础上做了梯度解吸。据此我们建立了基于VT-80树脂用来去除茶多酚提取物中的咖啡因的生产工艺。最后,我们检测了不同比例的茶多酚提取物中咖啡因的去除试验,并检测了树脂的再生性能和重复使用性能。最终产物中茶多酚的回收率大于92%,而其中咖啡因则被完全去除。第四部分：为了进行更为精细的分离,水体系下,由于水分子对氢键的干扰氢键作用不能完全发挥,对形成氢键能力相近的物质单一氢键吸附不能满足其分离的要求,因此需要在非水体系下进行多氢键协同吸附。为此我们选择了较为亲水的骨架,为了便于合成不同链长的功能基链,我们以丙烯酸酯系交联剂与甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）聚合,通过调节交联剂的比例,选了合适的交联度,并在此基础上通过调控致孔剂的比例和用量,得到环氧含量最大的GT-3-4树脂作为树脂前体。首先以不同的功能基团对环氧开环,发现胺基作为受体能与羟基形成较强的氢键作用。通过不同长度柔性多胺链对树脂进行功能基化,得到GTN系列树脂,通过静态吸附试验发现在柔性链增长时树脂接枝链和甜菊糖总苷糖环间可形成多氢键协同吸附作用,形成氢键的个数与接枝链长和糖环个数有关。同时,研究了各种不同链长的低级醇溶剂对树脂氢键作用的影响,发现随着溶剂醇链长的增加,树脂与甜菊苷（SS苷）之间的氢键吸附焓绝对值越来越大,而在水溶液中其吸附焓为正值,说明水是树脂与SS苷之间氢键良好的破坏剂。在对甜菊糖总苷溶液动态分离实验中,选用了不同溶剂的上柱液研究溶剂对其分离性能有明显影响,通过不同比例的水作为氢键的破坏剂可特异解吸SS苷和RA苷（莱鲍迪苷A）,但水对氢键的破坏过于强烈使得分离不容易控制,于是选用破坏能力稍弱的甲醇作为其破坏溶剂,进行解吸附,最终得到SS苷纯度为92.3%,RA苷纯度为91.4%,收率为73.2%。综合以上,疏水-偶极、疏水-氢键协同树脂适合对天然产物的大规模提取,但由于疏水作用的存在树脂对单体分离的难度较大,为了进行天然产物单体分离,我们设计了以氢键吸附作用为主的VT系列树脂,并用它成功的去除了茶多酚提取物中的咖啡因,但水溶液中由于水分子干扰势必影响氢键的发挥,同时对氢键形成能力相近但氢键个数不同物质的分离,单一氢键吸附很难发挥作用,为此我们在非水体系下,合成并研究了柔性多胺链的接枝树脂对甜菊糖总苷中SS苷与RA苷的分离,证明了多氢键协同吸附的存在,并在此体系下优化其分离工艺,最终得到较纯的RA苷。三种不同类型的树脂适用于不同层次的天然产物的分离提取。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 前言
• 第一节 天然产物提取分离研究现状
• 1.1.1 天然产物提取方法
• 1.1.2 天然产物提取物产业发展概况
• 第二节 吸附树脂简介
• 1.2.1 吸附树脂的发展简史
• 1.2.2 吸附树脂的合成
• 1.2.3 吸附树脂的应用
• 1.2.4 大孔吸附树脂的结构设计
• 第三节 氢键吸附树脂简介
• 1.3.1 常见的氢键吸附树脂
• 1.3.2 影响氢键吸附的因素
• 1.3.3 氢键吸附机理的确定
• 第四节 本课题的研究目的及内容
• 第二章 疏水-偶极协同树脂的合成及应用
• 第一节 前言
• 2.1.1 汉防己简介
• 2.1.2 DVB树脂的悬挂双键
• 第二节 疏水型-偶极树脂的合成
• 2.2.1 仪器与试剂
• 2.2.2 DM、NDM系列树脂的合成
• 第三节 疏水型-偶极树脂吸附机理研究
• 2.3.1 树脂的静态吸附研究
• 2.3.2 树脂的动态吸附研究
• 第四节 结果与讨论
• 2.4.1 DM、NDM系列树脂的参数及表征
• 2.4.2 静态吸附结果分析
• 2.4.3 动态吸附解吸结果分析
• 2.4.4 汉防己甲素乙素分离结果分析
• 第五节 本章小结
• 第三章 疏水-氢键协同树脂的合成及应用
• 第一节 前言
• 3.1.1 甜菊糖总苷简介
• 第二节 DE、DV系列树脂的合成
• 3.2.1 仪器与试剂
• 3.2.2 共聚法合成DE系列树脂
• 3.2.3 悬挂双键接枝DV系列树脂
• 第三节 树脂的静态吸附研究
• 第四节 树脂的动态吸附研究
• 第五节 结果与讨论
• 3.5.1 DE、DV系列树脂的参数及表征
• 3.5.2 静态吸附结果分析
• 3.5.3 动态吸附结果分析
• 第六节 本章小结
• 第四章 亲水型氢键树脂的合成及应用
• 第一节 前言
• 4.1.1 茶多酚简介
• 第二节 亲水型氢键树脂（VT系列树脂）的合成与表征
• 4.2.1 仪器与试剂
• 4.2.2 VT系列树脂（TAIC-co-VA）的合成
• 4.2.3 VT系列树脂（TAIC-co-VA）的表征及其物理参数
• 4.2.4 VT系列树脂在去除茶多酚提取物中咖啡因的应用
• 第三节 结果与讨论
• 4.3.1 树脂的结构参数
• 4.3.2 树脂骨架结构对其对茶多酚和咖啡因吸附容量的影响
• 4.3.3 树脂的吸附热力学实验结果
• 4.3.4 动态吸附实验结果及工艺优化
• 4.3.5 吸附工艺对不同提取物重复性检测
• 第四节 本章小结
• 第五章 非水体系多氢键协同树脂的合成及应用
• 第一节 前言
• 第二节 多氢键协同作用树脂合成与表征
• 5.2.1 仪器与试剂
• 5.2.2 树脂前体的合成与表征
• 5.2.3 不同种类不同含量功能基团树脂的合成
• 5.2.4 各系列树脂物理参数的测定
• 第三节 静态吸附试验
• 5.3.1 甜菊糖总苷中各苷的HPLC检测条件
• 5.3.2 静态吸附量的测定
• 5.3.3 静态吸附热力学试验
• 第四节 动态吸附解吸试验
• 第五节 结果与讨论
• 5.5.1 树脂前体的选择
• 5.5.2 不同种类功能基团氢键吸附能力的比较
• 5.5.3 不同溶剂中氢键吸附热力学比较
• 5.5.4 动态吸附解吸试验
• 第六节 本章小结
• 第六章 全文结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历在 学期间发表的学术论文与研究成果