高水溶性β-環糊精衍生物對萘胺的包合與洗脫作用

楊成建,李 超,陳興都,張 璐,鄭 直,周 晨,蔣 欣(.西安建筑科技大學環境與市政工程學院,陜西 西安 70055；.哈爾濱工業大學市政環境工程學院,黑龍江 哈爾濱 50090)

高水溶性β-環糊精衍生物對萘胺的包合與洗脫作用

楊成建1*,李 超2,陳興都1,張 璐1,鄭 直1,周 晨1,蔣 欣1(1.西安建筑科技大學環境與市政工程學院,陜西 西安 710055；2.哈爾濱工業大學市政環境工程學院,黑龍江 哈爾濱 150090)

合成了谷氨酸-β—環糊精(GluCD)、甘氨酸-β—環糊精(GlyCD)、乙醇胺-β—環糊精(ChoCD)等3種高水溶性β-環糊精(β—CD)氨基衍生物,并研究了其對溶液中萘胺的包合作用及在低濃度下對土壤中萘胺的洗脫作用.研究結果表明:3種 β—CD氨基衍生物對萘胺的包合能力大于β—CD,大小順序為:GluCD＞ChoCD＞GlyCD＞β-CD, GluCD的包合常數為270.7L/moL,是β-CD的4.5倍.在低濃度下,3種β-CD氨基衍生物對土壤中的萘胺依然表現出較高的洗脫能力,在濃度為1.0g/L的條件下,GlyCD、ChoCD和GluCD對土壤中萘胺的洗脫率分別高達88%、94%和98%,3種β-CD氨基衍生物對土壤中萘胺的洗脫能力與包合能力成正比;此外,在低濃度下,環糊精在土壤上的吸附也是影響有機物洗脫過程的重要因素之一.

β-環糊精氨基衍生物；萘胺；包合；洗脫

近年來,由于β-環糊精(β-CD )易于獲得、價格低廉,同時,與表面活性劑相比,具有無毒、無污染、易降解,無吸附等優點而得到重視,并成為土壤污染修復研究的熱點[1-11].但是 β-CD的疏水區域及催化活性有限,使其在應用上受到一定限制[1],為了克服這一缺點,研究人員嘗試用某些基團對 β-CD進行修飾,得到水溶性更大、應用更廣的 β-CD衍生物,比如,羧甲基-β-CD(CMCD)和羥丙基-β-CD (HPCD)[2-6]、甲基-β-CD(MCD)和羥乙基-β-CD(HECD)等[7-9].雖然部分較高水溶性β-CD衍生物已獲得,也取得了較好的洗脫、催化降解效果,但是有人認為[10-11]在今后的若干年內,有關β-CD的化學修飾(比如制成水溶性更強的環糊精衍生物)、包合(增溶去除有毒難溶難降解有機物)以及與其他環境友好材料(比如殼聚糖)的接枝仍是環境治理領域感興趣的話題,β-CD必將更多地應用于土壤污染修復領域.就 β-CD衍生物與客分子的包合作用而言,有研究發現[12-13],客分子的幾何形狀與 β-CD衍生物疏水空腔的匹配程度及客分子的疏水性是決定β-CD衍生物能否與客分子形成穩定包合物的主要因素,Wang等[12]認為,這也與 β-CD衍生物的空間位阻效應有關;而Tabushi等[14]研究發現,包合度決定于 β-CD衍生物疏水空腔內部的水分子的“無序化”程度及客分子親水部分與β-CD衍生物外緣羥基的接觸度.因此,β-CD衍生物與客分子的包合機理還沒有形成統一的認識.目前,β-CD衍生物對土壤中有機物的洗脫作用得到了大量研究[2-5],與表面活性劑相比,其洗脫能力得到了普遍認可[4],但在這些研究中,所用β-CD衍生物的濃度往往比較高(均在 10g/L以上),針對低濃度(如1g/L以下)的研究至今少見報道,而這些研究對于 β-CD衍生物洗脫技術在有機污染土壤修復中的應用具有實際意義(如降低成本).此外,土壤對β-CD衍生物的吸附是否存在?吸附強度是多少?對有機物洗脫會產生什么影響?這些問題也有待進一步深入研究.

為此,本文合成了3種高水溶性的β-CD氨基衍生物,并研究它們對多環芳烴萘胺的包合作用及低濃度下對萘胺的洗脫作用,以期尋找土壤污染化學修復新技術,并進一步拓寬 β-CD及其衍生物的應用范圍.

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

β-CD,純度為 98%,購自上海麥克林生物化學有限公司;萘胺,分析純,購自天津永晟精細化工有限公司,使用前進一步純化;甲醇、乙醇、氫氧化鈉、氫氧化鉀、谷氨酸鈉、2-氮基乙酸、乙醇胺、環氧氯丙烷、硫酸、草酸、中性氧化鋁和石英砂均為分析純,購自天津市福晨化學試劑廠.土壤采集于西安市浐河菜園基地,土壤類型為塿土,將采集的表層土壤自然風干后,研磨過0.6mm孔徑篩,土壤pH為5.4,有機質含量為2.5%.

1.2 β-CD氨基衍生物的合成[15]

在具塞三角瓶中加入8.1g β-CD,70mL蒸餾水,4.8g NaOH,攪拌至β-CD全溶解,水浴加熱至50℃,加入16.9g谷氨酸鈉(或7.5g 2-氮基乙酸或6.1g 乙醇胺),在2h內滴加10.2g環氧氯丙烷,于60℃反應 1h.反應完畢,冷卻至室溫,用 10%的草酸調 pH=5～6,放置過夜,將草酸鈉晶體過濾,加入 150mL無水乙醇,用中性氧化鋁柱分離,用60%(體積比)的乙醇作洗脫劑,將濾液中的乙醇蒸出,再濃縮至30mL以下,加人足量的無水甲醇,放置過夜,得到白色沉淀,過濾,真空干燥,得到谷氨酸-β—CD(GluCD)或甘氨酸-β—CD(GlyCD)或乙醇氨-β—CD(ChoCD)的白色固體.

1.3 β-CD氨基衍生物合成的紅外光譜(FTIR)分析

用溴化鉀壓片法在傅里葉變換紅外光譜儀(IRPrestige-21,日本島津)上測定,波數范圍4000～400cm-1,分辨率 4cm-1,以溴化鉀做空白扣除背景值.

1.4 β-CD氨基衍生物對萘胺的包合實驗

在濃度為 10mg/L的萘胺溶液中,加入一系列濃度的 β—CD氨基衍生物溶液,保持溶液中濃度分別為0、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2、2.2g/L,于 305nm處測定吸光值,根據不同 β—CD氨基衍生物濃度下萘胺溶液吸光值的變化,計算β—CD氨基衍生物對萘胺的包合常數.

1.5 β-CD氨基衍生物對土壤中萘胺的洗脫實

驗

在淋洗柱(300×40mm)底部放少許脫脂棉,加入0.5cm厚的石英砂,將80g土樣加入柱中,輕輕敲打玻璃柱,使土壤在柱中分散均勻、密實,然后在土樣上面再加0.5cm厚的石英砂,土壤與石英砂之間分別用一層濾紙隔開.先用 0.01mol/L的CaCl2溶液過柱,至飽和,使頂層石英砂上保持一薄層CaCl2液面.加入200mg/L的萘胺5mL (萘胺的總量為 1mg),靜置一段時間,使萘胺吸附在土樣上后,用不同濃度的β—CD氨基衍生物溶液(0、0.4、1.0g/L,共200mL)淋洗土壤柱,以具塞刻度管收集洗脫液,每10mL為1個組分.測定時,分別吸取lmL洗脫液于10mL刻度管中,以l:l甲醇/水溶液定容,在紫外分光光度計上于305nm波長處測定萘胺的吸光值,并根據標準曲線計算萘胺的濃度.同時,每組實驗平行 3 次,以不加萘胺的空白土壤柱洗脫液為參比,扣除土壤溶解性有機物對萘胺測定的干擾.

1.6 β-CD在土壤上的等溫吸附實驗

采用振蕩平衡法,在50mL 磨口具塞三角瓶中分別加入1.0g土壤,20mL一系列濃度的β-CD和5mL 200mg/L的NaN3微生物抑制劑溶液,塞緊瓶塞;在25±1℃和150r/min條件下,振蕩12h,吸附液倒入 20mL離心管中,3000r/min離心20min,移取5mL上清液于25mL比色管中,定容,加KI- I2顯色劑,用分光光度計于430nm處,測定β-CD濃度,并計算其在土壤上的吸附量.

1.7 分析方法

β-CD的測定:基于β-CD會引起KI-I2混合液中I3ˉ、I2吸收光譜增加的原理[16],可采用KI-I2分光光度法測定樣品中 β-CD的濃度.將樣品移入 25mL 比色管,定容到刻度,加入 0.5mL的KI-I2顯色劑(準確稱取1g I2和2g KI,加重蒸水溶解,定容至 100mL,避光低溫保存,使用前將顯色劑稀釋4倍),搖勻,靜置30min;波長430nm處,1cm比色皿,以試劑空白作參比測定吸光值,根據標準曲線即可求出樣品中β-CD濃度.

萘胺的測定:用紫外分光光度法測定,測定前用1:1甲醇溶液稀釋,目的是破β-CD及其氨基衍生物與萘胺形成的包合物,保持萘胺的光譜不發生明顯變化,測定波長為305nm.

2 結果與討論

2.1 β-CD氨基衍生物的合成及FTIR光譜分析

圖1 β-CD氨基衍生物的合成過程Fig.1 The synthetic process of three amino acids derived from β-cyclodextrins

圖2 β-CD氨基衍生物的FTIR光譜Fig.2 The Fourier transform infrared (FTIR) spectra of amino acids derived from β-cyclodextrins

3種 β-CD氨基衍生物的合成過程如圖 1所示,首先,含氨基的化合物在堿性條件下與環氧氯丙烷反應,形成 1-氨基-2-羥基-3-氯丙烷,然后進一步形成 3-氨基-1,2-環氧丙烷,3-氨基-1,2-環氧丙烷再與β-CD反應形成β-CD氨基衍生物.

比較β-CD和ChoCD、GluCD、GlyCD的FTIR光譜圖可知(見圖2),在ChoCD、GluCD、GlyCD圖譜中,1400～1500cm-1處由N—H彎曲振動和 C—N伸縮振動引起的組合吸收峰逐漸增強,證明了 3種 β-環糊精氨基衍生物中 NH及NH2基團的存在,此外,在ChoCD及GlyCD圖譜中,900cm-1處新增了 N—H變形吸收峰.在GluCD及GlyCD圖譜中,1500～1700cm-1處出現了羰基(—C=O)伸縮振動峰,同時,在GlyCD圖譜的1360cm-1處及GluCD圖譜的1617cm-1處新增了羧基(COO—)峰,這些證明了GluCD及GlyCD中存在羧基.

2.2 β-CD氨基衍生物對萘胺的包合特性

包合平衡系數K是決定β—CD及其衍生物(CD)與客分子(G)包合性質的一個重要參數[17].通過 K值的測定能對包合平衡作出定量的描述,K值的大小反映了CD與G結合力的強弱.CD與G在水溶液中的包合是一個平衡過程,符合質量作用定律,若采用紫外一可見分光光度法,當形成1:1的包合物時(CD與G的量濃度比),G吸光值的變化與G起始濃度(mol/L)、CD起始濃度(mol/L)之間存在如下關系曲線[17-18]:

式中:AΔ為加入CD后G吸光值的變化;εΔ為G與 CD形成包合物前后的摩爾消光系數之差,L/moL;為 CD的起始濃度,mol/L;為 G的起始濃度,mol/L;以作圖即可求出K值.β—CD和3種β—CD氨基衍生物與萘胺包合物的關系曲線如圖 3所示,由線性回歸方程可以得β-CD、GlyCD、ChoCD及GluCD的包合常數分別為60.66、97.29、137.8及270.7L/moL, 3種β-CD氨基衍生物對萘胺的包合能力大于β-CD,其中GluCD包合能力最強,約為β-CD的4.5倍.有研究表明[14,19-20]:CD與客分子形成包合物的驅動力是具有高能量的水分子從CD疏水空腔中的移出,CD疏水空腔的水分子間因無法像在溶液中那樣彼此間形成氫鍵而具有較高的焓值,這些高能量的水分子能被極性比它小的合適的客分子所取代;被包合時,客分子通常位于 CD疏水空腔的特定位置以使其疏水部分與 CD的疏水空腔達到最大限度的接觸,而其親水部分則盡可能的留在包合物的外層以確保與溶劑及 CD親水外緣羥基的最大接觸角.因此,β-CD氨基衍生物對萘胺的包合大于β-CD很有可能是因為 β-CD親水外緣極性氨基的引入使得疏水空腔內部的水分子更加的“無序化”[14],使之具有更高的能量,易移出,易被萘胺分子取代;或者 β-CD親水外緣極性氨基的引入提高了萘胺分子親水部分與 CD親水外緣羥基的接觸角,提高了包合物的穩定性.基于上述分析,正是因為GluCD分子的親水外緣不但有2個氨基,而且還有4個強極性的羧基,使得親水外緣的親水性急劇增加,使得GluCD對萘胺的包合能力最強.

圖3 β-CD氨基衍生物對萘胺的特征包合曲線Fig.3 Inclusion characteristic curves of naphthylamine with amino acids derived from β-cyclodextrins

2.3 低濃度β-CD氨基衍生物對萘胺的洗脫作用

采用低濃度的CD溶液(0、0.4、1.0g/L)為淋洗液,用土壤柱淋洗法對土壤中的萘胺進行洗脫,以洗脫液中萘胺的濃度對洗脫液累積體積作圖.由圖4可知,洗脫過程中,洗脫液中萘胺的濃度迅速增加,達到一個峰值后,又迅速減少到一定值,再緩慢減少,直至達到一個穩定值,這與孔德洋

[2]、鐘寧[3]及 Zeng[4]等的研究結果是一致的,他們認為 CD對有機物的洗脫過程是一個非平衡解吸(即速控解吸)過程,在洗脫液中有機物濃度急劇增加,達到最大值以后,開始迅速下降,但要再達到一個穩定值需要較長的時間,也就是洗脫的滯留拖尾現象;同時,在有機物濃度急劇增加的階段,高濃度洗脫液中有機物濃度增加的速度要大于低濃度洗脫液,而在達到穩定的階段,低濃度洗脫液的滯留拖尾現象比高濃度洗脫液嚴重,但是在本研究中這種現象并不明顯,在急劇增加的階段,4種CD洗脫液中的萘胺濃度交替上升,而在達到穩定的階段,4種CD洗脫液中的萘胺濃度幾乎在同一時段達到穩定,即洗脫液累積體積在 280mL左右,這可能與洗脫液濃度過低有關(本研究中CD濃度為0.4、1.0g/L,其他研究中CD濃度為 10、20g/L[3-4]或 10、20、40g/L[2]).其實,在鐘寧等[3]和 Zeng等[4]的研究中也有類似的實驗現象(CD濃度為0.2、0.5、1.0g/L),只是沒有進一步深入分析.

實際上,CD對有機物洗脫過程中還需考慮另外一個因素,即CD在土壤上的吸附,這也是很多研究容易忽視的[2-5].采用振蕩平衡法,得到了β-CD在土壤上吸附等溫線,如圖5所示,土壤對β-CD 存在一定的吸附能力,當平衡濃度為4.5mg/L的時候,開始達到吸附平衡,吸附量約為61mg/g,研究表明[21-22],當吸附質在吸附劑上單層吸附時,等溫吸附曲線呈 Langmuir型,當雙層吸附時,等溫吸附曲線呈S型或LS型,β-CD在土壤上的吸附屬于雙層吸附,等溫吸附曲線呈 LS型,其原因有待進一步研究.正由于土壤對CD的這種吸附行為,當 CD洗脫液濃度高時(20.0g/L左右),土壤對CD的吸附量在洗脫液中所占的比例非常低,CD對土壤中有機物的洗脫呈現與其他研究一樣的現象,相反,當CD洗脫液濃度低時(1g/L左右,減少20倍),土壤對CD的吸附量在洗脫液中所占的比例非常高,土壤對 CD、萘胺及CD與萘胺包合物的吸附,使得 CD對土壤中萘胺的洗脫呈現本研究得出的實驗現象,弱化了洗脫液濃度變化對萘胺產生的影響.盡管如此,洗脫液的低濃度并不影響 β-CD氨基衍生物對萘胺的最終洗脫率,由圖 4可知,達到洗脫平衡時, β-CD、GlyCD、ChoCD及GluCD濃度為0.4g/L和1.0g/L時對土壤中萘胺的洗脫率分別為68%和82%、80%和88%、82%和94%及86%和98%,與β-CD氨基衍生物對萘胺的包合能力成正比,且隨著洗脫液濃度的增加而增加;同時,這也說明新合成的 β-CD氨基衍生物在低濃度下對土壤中萘胺表現出較大的洗脫能力,只是在對污染土壤進行洗脫修復時,需要較長的洗脫時間及更多的洗脫液.

圖5 β-CD在土壤上的吸附等溫線Fig.5 Isotherms of β-CD on soil

3 結論

3.1 合成的3種高水溶性β-CD氨基衍生物對萘胺的包合及洗脫能力均大于 β-CD,大小順序均為:GluCD＞ChoCD＞GlyCD＞β-CD,在濃度為1.0g/L的條件下,GlyCD、ChoCD和GluCD對土壤中萘胺的洗脫率分別高達88%、94%和98%.

3.2 β-CD氨基衍生物對萘胺的包合能力大于β-CD,可能是β-CD親水外緣極性基團的引入使得疏水空腔內部的水分子具有更高的能量,易移出,易被萘胺分子取代,或者提高了包合物的穩定性;同時,在低濃度下,CD在土壤上的吸附是影響有機物洗脫過程的重要因素之一,但低濃度并不影響 CD對萘胺的最終洗脫效率,只是需要較長的洗脫時間及更多的洗脫液.

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Effects of highly water-soluble β-cyclodextrins derivative on the inclusion and elution of naphthylamine.

YANG Cheng-jian1*, LI Chao2, CHEN Xing-du1, ZHANG Lu1, ZHENG Zhi1, ZHOU Chen1, JIANG Xin1
(1.College of Environmental and Municipal Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China；2.School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China). China Environmental Science, 2017,37(1)：245～251

Three highly water-soluble amino acids derived from β-cyclodextrins (β-CD), i.e., glutamic acid-β-cyclodextrin (GluCD), glycine-β-cyclodextrin (GlyCD) and cholamine-β-cyclodextrin (ChoCD), were synthesized and were examined for their capacity for inclusion of naphthylamine in aqueous solution and elution removal of naphthylamine in soil at low concentration. The results showed that GluCD, GlyCD and ChoCD had higher inclusion capacity than β-CD, and the inclusion capacity decreased as follow: GluCD＞ChoCD＞GlyCD＞β-CD. GluCD had the highest inclusion constant 270.7L/moL, which was 4.5times higher than that of β-CD. Amino acids derived from β-CD demonstrated a high elution efficiency for naphthylamine in soil even at low concentrations (1.0g/L), and elution efficiency of GluCD, ChoCD and GlyCD were achived as 88%、94% and 98%, respectively, which was proportionate to their inclusion capacity for naphthylamine in aqueous solution. Moreover, the adsorption of cyclodextrin on soil was also a key factor affecting the elution process.

amino acids derived from β-CD；naphthylamine；inclusion；elution

X53

A

1000-6923(2017)01-0245-07

楊成建(1978-),男,湖南益陽人,高級工程師,碩士,主要從事土壤污染化學修復.發表論文30余篇.

2016-04-12

陜西省教育廳專項科研計劃項目(15JK1439)

* 責任作者, 高級工程師, yangchengjian09@163.com