超聲條件下二異氰酸酯橋聯改性β-環糊精

周玉青，黃 娟，韓萍芳，呂效平

（1南京工業大學化學化工學院，江蘇 南京 210009；2上海寶鋼化工有限公司，江蘇 南京 210039）

研究開發

超聲條件下二異氰酸酯橋聯改性β-環糊精

周玉青1，2，黃 娟1，韓萍芳1，呂效平1

（1南京工業大學化學化工學院，江蘇 南京 210009；2上海寶鋼化工有限公司，江蘇 南京 210039）

二異氰酸酯在超聲條件下對β-環糊精（β-CD）進行改性，制得改性環糊精的交聯聚合物。用正交試驗法，以交聯聚合物產率為評價指標，篩選二異氰酸酯改性環糊精主要影響因素和最佳合成工藝條件：n(異氰酸酯)∶n(β-CD) 的摩爾比約為1∶9；二異氰酸酯選用六亞甲基而異氰酸酯（HDI），超聲聲強0.1 W/cm2，反應溫度60℃，反應時間7 h。用紅外光譜（IR）、掃描電鏡（SEM）、熱重分析（TG）等檢測方法對交聯產物進行表征。結果表明：改性后的β-CD保留了其原有的空腔結構，環糊精與二異氰酸酯反應生成了氨基甲酸酯基鍵，交聯后的聚合物形成了具有網絡的形貌；超聲條件下合成環糊精聚合物可以降低反應溫度、縮短反應時間，交聯聚合物形成了微球狀表面和多孔的空腔結構。

β-環糊精；六亞甲基二異氰酸酯；改性；超聲波

環糊精是由 D-吡喃型葡萄糖單元通過α-（1→4）-糖苷鍵連接而成的一類環狀低聚糖，其中最常見的是聚合度分別含為6、7和8個1,4-糖苷鍵單元的α-、β-、γ-環糊精（CD）[1]，由于其理化性質的差異，目前研究最多的是β-環糊精。環糊精的分子結構呈錐狀的圓筒形，親水性的羥基分布在分子的外部邊緣，C—H鍵和C—O—C鍵覆蓋在分子內部[2]，這種結構使環糊精具有外部親水、內部疏水的特性。利用其外部羥基的疏水特性以及羥基間形成的氫鍵和范德華等作用，環糊精可與許多無機和有機化合物形成包合物[3]，這一特性被廣泛用于醫藥[4]、化工分析[5]、環境保護尤其是廢水處理[6]等領域。環糊精的分子物性參數見表1[1]。

表1 3種環糊精的結構參數

β-環糊精在水中溶解度為 1.64%，它與其它物質產生包合物后，水溶性更低，容易從溶液中結晶析出[7]，或單純依靠氫鍵或范德華力的作用，包合物容易分離出來，使其在污水處理領域的應用受到極大限制。為修補環糊精的這一結構缺陷，擴大其應用范圍，需要對其進行修飾改性。化學修飾法是在保持環糊精骨架基本不變的情況下，利用其分子中的羥基與其它基團進行醚化、酯化、氧化和交聯等化學反應，獲得交聯聚合物。使用最多的是羥丙基[8]，也有使用淀粉[9-10]、殼聚糖[11]和六亞甲基二異氰酸酯（HDI）[12]等，經過改性后其在污水處理方面比直接使用具有更好的效果。

超聲化學是利用超聲能量加速和控制化學反應，提高反應產率和引發新的化學反應的一門邊緣學科[13-15]。超聲化學主要源于聲空化——液體中空腔的形成、振蕩、生長收縮及崩潰以及引發的物理和化學變化。液體聲空化過程是集中聲場能量并迅速釋放的過程，空化泡崩潰時，在極短時間和空化泡的極小空間內，產生5000 K以上的高溫和大約5.05×108Pa的高壓，溫度變化率高達1010K/s，并伴生強烈的沖擊波和時速高達400 km的微射流，這就為在一般條件下難以實現或不能實現的化學反應提供了一種新的非常特殊的物理環境，開啟了新的化學反應通道[16-17]。超聲空化作用時間短，釋放出高能量，在高溫條件下，有利于反應物種的裂解和自由基的形成，從而形成了更為活潑的反應物種，有利于二次反應的進行，提高了化學反應的速率。同時，氣泡崩潰時產生的高壓一方面有利于高壓氣相中的反應，另一方面由于高壓存在導致的沖擊波和微射流現象，在固、液體系中起到了很好的沖擊作用，特別是導致分子間強烈的相互碰撞和聚集。超聲利用其獨特的作用，不僅能大幅度地促進化學反應速率，而且能有效地改變化學反應歷程，提高目的產物的選擇性[18-19]。本文作者利用超聲的特性來促進環糊精交聯反應的發生，以達到制備環糊精聚合物的目的。

本文作者還研究了用異氰酸酯對β-環糊精進行改性的合成條件和產物的結構表征。通過引入異氰酸酯交聯劑和β-CD發生交聯反應，制得β-CD-二異氰酸酯交聯聚合物，用正交實驗對最佳的制備條件進行篩選，用傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）、掃描電鏡（SEM）、熱重（TG）、元素分析方法對制備的聚合物進行表征。

1 實驗部分

1.1 試劑

N,N-二甲基甲酰胺（DMF），分析純，國藥集團化學試劑有限公司，使用前經減壓蒸餾處理；2,4-甲苯二異氰酸酯（TDI），分析純，上海化學試劑有限公司，使用前用沸石分子篩脫水干燥；混合甲苯二異氰酸酯（混合 TDI）；六亞甲基二異氰酸酯（HDI），Adamas Reagent Co. Ltd.；二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）、六亞甲基二異氰酸酯（HDI），優級純，NEW JERSEY，美國；β-CD，分析純，國藥集團化學試劑有限公司，使用前進行重結晶純化；三氯甲烷，分析純，上海中試化工總公司；二丁基二月桂酸錫（BTL），化學純，上海試劑四廠；三亞乙烯二胺，分析純，國藥集團化學試劑有限公司，使用前進行真空干燥脫水。

1.2 儀器

水浴鍋；真空泵；超聲波發生器；球磨機，采用南京大學儀器廠生產的QM-3SP型；紅外光譜儀FTIR NEXUS670，美國Nicolet公司；元素分析儀VarioM ICRO，德國 Elementar 公司；化學吸附儀CHEMEBET-3000，美國QUANTACHROME公司；掃描電鏡S-3400N II，日本日立公司；差熱/熱重分析儀 STA 449C/6/F；全自動 X射線衍射儀 D8 Advance型，德國Bruker公司。

1.3 β-CD-二異氰酸酯交聯聚合物的制備

將適量蒸餾過的β-CD、催化劑、DMF溶劑加入250 m L三口燒瓶中，將燒瓶和加熱器放入超聲發生器中并通N2保護，加熱到適當溫度時，向燒瓶中加入一定比例的二異氰酸酯，加熱到反應溫度后繼續超聲。由于超聲在反應過程中放出一定的熱量，超聲1 h后停止，20 m in后繼續開啟超聲，超聲使用到交聯反應結束。反應結束后加入終止劑，然后用大量的水進行洗滌，洗滌后放入真空干燥箱中干燥至恒重，用球磨機磨細后備用。以一個—NCO與環糊精反應為例，反應過程見圖1。

2 結果與討論

2.1 正交試驗設計和數據處理

選取反應物環糊精與異氰酸酯的摩爾比（A）、二異氰酸酯種類（B）、超聲聲強（C）、反應溫度（D）和反應時間（E）5個因素對合成率的影響，采用L16（45）正交試驗表，以合成產率（Y）為評價指標。試驗結果見表2。

由極差的大小可知，5個因素對合成產物收率的影響不一，影響順序為：原料摩爾比 ＞ 異氰酸酯種類 ＞ 超聲聲強＞ 反應溫度＞ 超聲時間。根據不同水平下平均指標差異可知合成反應的最優工藝組合是：A3B2C1D2E2。按此組合實驗，產物收率 92.7%，確定合成實驗的最佳工藝條件為：環糊精與異氰酸酯的摩爾比為1∶9，異氰酸酯選用HDI，超聲聲強為0.1，反應溫度60 ℃，反應物時間7 h。

2.2 合成聚合物的紅外譜圖分析

圖1 β-環糊精和二異氰酸酯的反應過程圖

表2 正交試驗表

β-CD（1）、β-CD-HDI（2）I和HDI（3）的紅外光譜（IR）見圖 2。譜圖中β-CD和β-CD-HDI在3400～3500 cm－1處出現—OH鍵的伸縮振動吸收峰，說明β-CD的多羥基官能團在合成前后均存在，而β-CD-HDI的羥基峰比β-CD的羥基峰顯著減弱。β-CD-HDI的IR圖在1500～1600 cm－1處出現 N—H的特征吸收峰，且在 1700 cm－1左右出現羧酸鹽—C＝O的特征吸收峰，原HDI在2200～2300cm－1處的—NCO 基峰消失，表明—NCO 官能團與羥基完全反應生成氨基甲酸酯基，證明β-CD和 HDI通過合成反應生成交聯產物。

續表

2.3 β-CD-TDI交聯聚合物的熱重分析

圖3是β-CD（a）和β-CD-HDI（b）的熱重分析曲線圖。

圖3（a）顯示β-CD的熱分解溫度在320 ℃左右，交聯改性后的聚合物熱分解溫度在 340 ℃左右，即改性使β-CD的熱分解溫度提高了約20 ℃。改性后的β-CD因為生成的氨基甲酸酯鍵將β-CD和 HDI交聯在一起，增大了其分子量，增強了鍵與鍵之間的牢固性，提高了聚合物的熱穩定性。

2.4 β-CD交聯聚合物的SEM和XRD分析

圖4是β-CD(a)和β-CD-HDI[(b)～(f)]的SEM圖。通過 SEM可以看到交聯聚合物的表面形貌。各個交聯聚合物物的表面形貌如圖4所示。

圖2 β-CD（1）、β-CD-HDI（2）、HDI（3）的紅外譜圖

圖3 β-CD（a）與β-CD-HDI（b）交聯產物的TG圖

圖4 β-CD（a）、β-CD-HDI（b）和超聲合成β-CD-HDI[(c)～(f)]交聯產物的SEM圖

圖4(a)顯示，β-CD為層狀結構，具有熒光性。圖 4(b)是β-CD與 HDI沒有超聲條件下形成的β-CD-HDI交聯聚合物，其表面呈明顯的層狀，可看到三維立體網絡結構，沒有熒光性，也就是原β-CD分子的熒光性消失，說明了β-CD分子和HDI分子發生交聯反應后，改變了原來分子的結構模式，環糊精被很好的改性。圖 4(c)～圖 4(f)是在超聲條件下合成的交聯產物，圖4(c)圖可以看出超聲存在情況下合成的交聯聚合物表面光滑、致密，網絡線縱橫交錯；圖4(d) 圖展示了交聯聚合物的內部具有空腔結構，保留了環糊精原有的空腔結構，這種空腔增加了對客體和有機分子的包合，拓寬了聚合物在藥物和廢水處理領域的應用范圍和效果；圖4(e)和圖 4(f)圖則說明了在聚合物表面形成的微凸，控制反應條件可以得到其球狀的外形結構。

圖5是β-CD和β-CD-HDI的XRD圖。

圖5顯示，在2θ在10°～15°和20°～25°處β-CD有較強的特征衍射峰，而β-CD-HDI的2θ在10°～25°沒有明顯衍射峰，β-CD原有的衍射峰消失，說明交聯后的聚合物為無定形聚集態。因為β-CD中的羥基和HDI中的羰基反應生成氨基甲酸酯基，導致原有氫鍵和范德華力作用減弱，結晶能力降低。

2.5 交聯聚合物的比表面積

表3是β-CD在超聲前后交聯聚合物的比表面積數據。由表3中數據可知，交聯改性后的環糊精比表面積增加，超聲后的比表面積達到1.965 m2/g，比沒有超聲的比表面積大，因超聲在合成過程中起到了均質作用。

3 結 論

圖5 β-CD和β-CD-HDI的XRD圖

（1）制備交聯β-CD交聯聚合物的最佳工藝條件：異氰酸酯與β-CD的摩爾比約為1∶9；二異氰酸酯選用六亞甲基二異氰酸酯（HDI），超聲聲強50 V，反應溫度60 ℃，反應時間7 h。合成反應過程對比沒有添加超聲輻照條件溫度降低了 10 ℃，反應時間縮短了2 h，形成了微球狀和多孔的孔道結構聚合物。

（2）用紅外光譜（IR）、掃描電鏡（SEM）、熱重分析（TG）等檢測方法對交聯產物進行表征的結果表明：改性后的β-CD保留了其原有的空腔結構，與二異氰酸酯反應生成了氨基甲酸酯基鍵，交聯后的聚合物形成了縱橫交錯的立體網絡結構和較大的比表面積。這種結構具有較高的穩定性和吸附性，可在有機廢水處理方面有廣闊的前景。

表3 β-CD和β-CD-HDI的比表面積分析

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Cross-linking ofβ-cyclodextrin polymers w ith hexamethylene diisocyanate under ultrasonic irradiation

ZHOU Yuqing1，2，HUANG Juan1，HAN Pingfang1，Lü Xiaoping1
（1College of Chem istry and Chem ical Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing 210009，Jiangsu，China；2Shanghai Baosteel Chem ical Lim ited Company，Nanjing 210039，Jiangsu，China）

Crosslinkedβ-cyclodextrin（β-CyD）polymers w ith diisocyanate was prepared under ultrasonic irradiation. The key parameters and optimum synthesis conditions were optimized by orthogonal experiment and evaluated w ith yield ratio. The ratio ofβ-CyD∶diisocyanate was 1∶9（mol/mol），hexamethylene diisocyanate（HDI）was chosen as crosslinking agent，the ratio of dibutyltin dilaurate∶triethylene diam ine was 1∶1.5（w t/w t），reaction temperature was 60 ℃，reaction time was 7 h. FTIR，SEM and TGA were used for the characterization of crosslinked polymers. The results suggested thatβ-CyD polymers retained cavity structure，crosslinked interactions ofβ-CyD and diisocyanate formed carbamate groups and the network surface features. Reaction temperature was lowered and reaction time was shortened under ultrasonic irradiation. The crosslinked polymers had micro-sphere surface topography and multi-hole cavity structure.

β-cyclodextrins；hexamethylene diisocyanate；modified；ultrasonic

O 633

A

1000–6613（2011）09–1900–06

2011-03-15；修改稿日期：2011-03-30。

南京工業大學與上海寶鋼化工有限公司合作開發項目（K10SHAM 280）。

周玉青（1973—）女，博士研究生，主要研究方向化工新產品開發和有機廢水治理。E-mail yq_zhou1973@126.com。聯系人：呂效平，教授。E-mail xplu@njut.edu.cn。