一种细菌纤维素的选择性氧化方法 技术领域 本发明涉及一种细菌纤维素的选择性氧化方法， 特别是涉及一种一步氧化细菌纤 维素葡萄糖酐环上 C6 位伯羟基为羧酸的方法， 具体地说是一种采用硝酰基 / 酶共氧化剂体 系在酸性条件下对细菌纤维素葡萄糖酐环上 C6 位伯羟基进行一步氧化为羧酸的细菌纤维 素选择性氧化方法。
背景技术
细菌纤维素 (Bacterial cellulose， 简称 BC) 是由部分细菌产生的一类纤维素， 为了区别于植物产生的纤维素， 也称微生物纤维素。细菌纤维素是一种性能优良的生物学 新材料， 近年来被人们广泛研究。细菌纤维素虽然组成和一般纤维素相似， 但是其物理， 化 学性质独特。如 ： 纳米级超细网状结构 ； 弹性模量、 拉伸强度和湿强度很高， 机械性能好于 常规纤维素 ； 亲水性好， 由于内部充满 “孔道” ， 具有很好的透气， 透水， 保水能力 ； 具有很好 的生物相容性， 不仅适应性好而且生物可降解 ； 细菌纤维素的物理化学性能可以通过采用 不同的菌种或者培养方法来合成制得， 具有很好的可控性 ； 合成细菌纤维素的原料来源丰 富， 价格便宜， 这也降低了细菌纤维素的成本。
细菌纤维素和纤维素一样是由 D- 吡喃葡萄糖酐以 β-1， 4- 苷键连结而成。在其 大分子链中每个葡萄糖基环上有 3 个活泼的羟基， 分别为 C2、 C3 位上的仲羟基和 C6 位上的 伯羟基。 。一般来说， 纤维素各种不同形式的氧化反应多发生在这 3 个羟基上， 可生成醛基、 酮基和羧基。纤维素作为多羟基化合物， 很容易被氧化剂所氧化。不同的羟基可发生不同 的氧化反应， 主要有以下几种可能的氧化方式 ：
1. 葡萄糖酐环中 C6 位的伯羟基氧化成醛基， 可以继续氧化成羧基 ；
2. 葡萄糖酐环中 C2 位和 C3 位上的仲羟基被氧化成醛基， 可以继续氧化成羧基 ；
3. 葡萄糖酐环中 C2 位和 C3 位上的仲羟基在环不破裂的情况下氧化成一个酮基或 二个酮基 ；
4. 纤维素大分子链末端环节中的还原性基团被氧化成羧基 ；
5. 葡萄糖酐环中 C1 和 C2 连接破裂， 并在 C1 上形成碳酸酯基团和在 C2 上形成醛 基， 可以继续可氧化成为羧基 ；
6. 在纤维素大分子环节间的 “氧桥” 被氧化形成过氧化物， 从而导致大分子链断 裂。 细菌纤维素由于其结构特点， 所以氧化过程较为复杂， 在氧化反应进行的同时会有细菌 纤维素大分子链的断裂， 使细菌纤维素的分子量下降， 造成强度损失。 细菌纤维素的氧化方 式和降解程度受多种因素的影响， 如： 氧化剂的选择、 氧化反应的温度压力以及被氧化物的 用量等， 这些条件决定了氧化产物中醛基、 羧基的比例， 新生功能基团以及其所处的位置。 这些都对细菌纤维素葡萄糖苷键的稳定性有很大影响。 细菌纤维素的葡萄糖酐环中三个羟 基的性质不同， 另外， 细菌纤维素的结晶， 氧化过程中副反应的发生等因素也对细菌纤维素 合理控制纤维素的氧化 的氧化反应产生一定影响。 因此， 在细菌纤维素的氧化反应过程中， 程度与降解程度很重要。选择性氧化可使细菌纤维素单元上 C6 位伯羟基转化为羧酸， 改变纤维素的结构， 并赋予细菌纤维素许多新的功能， 大大拓展了细菌纤维素的应用领域。细菌纤维素的选择 性氧化是制备各种新产品和中间体的很好途径。细菌纤维素选择性氧化的产物可用作荧 光、 储能、 螯合剂及生物医用等功能高分子材料。发明内容
本发明的目的是提供一种细菌纤维素的选择性氧化方法， 特别是提供一种一步氧 化细菌纤维素葡萄糖酐环上 C6 位伯羟基为羧酸的方法， 具体地说是一种采用硝酰基 / 酶共 氧化剂体系在酸性条件下对细菌纤维素葡萄糖酐环上 C6 位伯羟基进行一步氧化为羧酸的 细菌纤维素选择性氧化方法。本发明不同于常规的纤维素氧化方法在于 ：
首先， 天然纤维素以及合成纤维素纤维尺寸较大， 比表面积较大， 参加反应的活性 点少， 而且由于结构复杂， 组成不一， C6 位上伯羟基不能完全被氧化， 产物纯度低， 而且反应 时间长。采用细菌纤维素作为原材料， 利用其超细纳米级网状结构， 比表面积大的优势， 使 氧化反应可以顺利进行。不仅如此 C6 位上的伯羟基可以伯羟基可以完全被氧化， 反应时间 短， 产品纯度高。 其次， 利用硝酰基 / 酶共氧化体系来选择性地将细菌纤维素的伯羟基一步氧化为 相应的羧酸。即当伯醇和仲醇同时存在时， 只选择性地氧化伯羟基， 而对仲羟基毫无作用。 硝酰基 / 酶共氧化体系对伯羟基具有良好的选择性， 反应条件比较缓和， 反应过程相对简 单。
本发明的一种细菌纤维素的选择性氧化方法， 包括如下步骤 ：
(1) 再将细菌纤维素冷冻干燥 24 ～ 48 小时 ； 冷冻干燥通常是将细菌纤维素置于 冷冻干燥机中处理， 冷冻干燥前可以先将细菌纤维素置于冰箱内冷冻 3 ～ 12 小时 ；
(2) 干燥后的细菌纤维素浸渍在含 0.01 ～ 1mol/L 硝酰基化合物和 0.01 ～ 10mol/ L 酶的水溶液中， 所述细菌纤维素在所述水溶液中的质量 - 体积浓度为 2 ～ 20g/L， 并用 1 ～ 10mol/L 的 HCl 或 HNO3 溶液调整上述水溶液 pH 值为 2 ～ 6 ；
(3) 在 1 ～ 10 小时内逐步滴加 1 ～ 10mol/L 的氧化剂溶液使反应， 滴加量以体积 计为所述水溶液体积的十分之一 ； 反应温度 20 ～ 100℃； 所述反应在磁力搅拌情况下进行， 转速一般在 50 ～ 500r/min。
(4)) 将经上步处理的细菌纤维素取出， 用蒸馏水洗 3 ～ 5 次， 再用乙醇洗 3 ～ 5 次， 直到其 pH 值为 6 ～ 7， 即得到选择性氧化的细菌纤维素 ；
其中， 所述的硝酰基化合物指的是缺少 a- 氢原子的有机硝酰基化合物 ；
所述的酶指的是过氧化物酶或是多元酚氧化酶 ；
所述的氧化剂溶液指的是次氯酸溶液、 次氯酸盐溶液、 亚氯酸溶液、 亚铝酸盐溶液 和过氧化氢溶液中的一种。
作为优选的技术方案 ：
如上所述的一种细菌纤维素的选择性氧化方法， 所述的缺少 a- 氢原子的硝酰基 化合物为 2， 2， 5， 5- 四甲基哌啶 -N- 氧基 (PROXYL)、 4- 甲基 -TEMPO、 4- 羟基 -TEMPO、 4- 乙 酰胺基 -TEMPO、 4- 乙酸基 -TEMPO 或 4- 甲磺酸基 -TEMPO。
如上所述的一种细菌纤维素的选择性氧化方法， 所述的过氧化物酶为辣根过氧化
物酶、 豆壳过氧化物酶、 髓过氧化物酶、 乳过氧化物酶或鬼伞过氧化物酶。过氧化物酶可以 来自任何源， 包括植物、 细菌、 丝状和其他真菌和酵母， 这些过氧化物需要过氧化氢作为电 子受体。
如上所述的一种细菌纤维素的选择性氧化方法， 所述的多元酚氧化酶为酪氨酸 ( 单酚单氧化酶 )、 儿茶酚氧化酶 ( 双酚氧化酶 ) 或漆酶。多元酚氧化酶可以从真菌、 植物 或动物中获得， 需要氧作为电子受体。
如上所述的一种细菌纤维素的选择性氧化方法， 所述的细菌纤维素为木醋杆菌、 产醋杆菌、 醋化杆菌、 巴氏醋杆菌、 葡萄糖杆菌、 农杆菌、 根瘤菌、 八叠球菌、 洋葱假单胞菌、 椰毒假单胞菌或空肠弯曲菌中的一种产生的细菌纤维素。
有益效果
(1) 选择性氧化 C6 位上伯羟基为羧酸， 为后续的改性反应做好准备。保留 C2、 C3 位上仲羟基的活性， 留作他用。 此方法是对纤维素葡糖糖酐环上三个羟基进行选择性氧化， 达到了控制反应的目的， 可以根据不同需要进行不同的氧化反应。拓宽了纤维素氧化的途 径。
(2) 氧化过程一步完成。 传统的氧化方法只能一步氧化伯羟基为醛基， 而且效率不 高， 使用本发明的方法可以使伯羟基全部转化为羧酸， 提高了氧化效率。 具体实施方式
下面结合具体实施方式， 进一步阐述本发明。 应理解， 这些实施例仅用于说明本发 明而不用于限制本发明的范围。 此外应理解， 在阅读了本发明讲授的内容之后， 本领域技术 人员可以对本发明作各种改动或修改， 这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限 定的范围。
实施例 1
(1) 将由木醋杆菌产生的细菌纤维素置于冷冻干燥机， 冷冻干燥 24 小时 ；
(2) 冷冻干燥后的细菌纤维素浸渍在含 0.01mol/L 2， 2， 5， 5- 四甲基哌啶 -N- 氧基 和 0.01mol/L 辣根过氧化物酶的水溶液中， 所述细菌纤维素在所述水溶液中的质量 - 体积 浓度为 2g/L， 并用 1mol/L 的 HNO3 溶液调整上述水溶液 pH 值为 2 ；
(3) 在 1 小时内逐步滴加 1mol/L 的次氯酸溶液使反应， 滴加量以体积计为所述水 溶液体积的十分之一， 反应温度 100℃ ；
(4) 将经上步处理的细菌纤维素取出， 直到其 pH 值为 7， 用蒸馏水洗 5 次， 再用乙 醇洗 5 次， 即得到选择性氧化的细菌纤维素 ；
实施例 2
(1) 将由产醋杆菌产生的细菌纤维素置于冷冻干燥机， 冷冻干燥 24 小时 ；
(2) 冷冻干燥后的细菌纤维素浸渍在含 0.1mol/L 4- 甲基 -TEMPO 和 0.1mol/L 豆 壳过氧化物酶的水溶液中， 所述细菌纤维素在所述水溶液中的质量 - 体积浓度为 5g/L， 并 用 5mol/L 的 HCl 溶液调整上述水溶液 pH 值为 3 ；
(3) 在 2 小时内逐步滴加 2mol/L 的次氯酸盐溶液使反应， 滴加量以体积计为所述 水溶液体积的十分之一， 反应温度 20℃ ；
(4) 将经上步处理的细菌纤维素取出， 用蒸馏水洗 3 次， 再用乙醇洗 3 次， 直到其pH 值为 6， 即得到选择性氧化的细菌纤维素 ；
实施例 3
(1) 将由醋化杆菌产生的细菌纤维素置于冷冻干燥机， 冷冻干燥 24 小时 ；
(2) 冷冻干燥后的细菌纤维素浸渍在含 0.51mol/L 4- 羟基 -TEMPO 和 0.5mol/L 髓 过氧化物酶的水溶液中， 所述细菌纤维素在所述水溶液中的质量 - 体积浓度为 10g/L， 并用 5mol/L 的 HNO3 溶液调整上述水溶液 pH 值为 4， 反应温度 90℃ ；
(3) 在 3 小时内逐步滴加 5mol/L 的亚氯酸溶液使反应， 滴加量以体积计为所述水 溶液体积的十分之一 ；
(4) 将经上步处理的细菌纤维素取出， 用蒸馏水洗 5 次， 再用乙醇洗 3 次， 直到其 pH 值为 6， 即得到选择性氧化的细菌纤维素 ；
实施例 4
(1) 将由巴氏醋杆菌产生的细菌纤维素置于冷冻干燥机， 冷冻干燥 24 小时 ；
(2) 冷冻干燥后的细菌纤维素浸渍在含 0.2mol/L 4- 乙酰胺基 -TEMPO 和 0.2mol/ L 乳过氧化物酶的水溶液中， 所述细菌纤维素在所述水溶液中的质量 - 体积浓度为 6g/L， 并 用 6mol/L 的 HCl 溶液调整上述水溶液 pH 值为 6 ； (3) 在 6 小时内逐步滴加 6mol/L 的亚铝酸盐溶液使反应， 滴加量以体积计为所述 水溶液体积的十分之一， 反应温度 80℃ ；
(4) 将经上步处理的细菌纤维素取出， 用蒸馏水洗 3 次， 再用乙醇洗 3 次， 直到其 pH 值为 6， 即得到选择性氧化的细菌纤维素。
实施例 5
(1) 将由葡萄糖杆菌产生的细菌纤维素置于冷冻干燥机， 冷冻干燥 24 小时 ；
(2) 冷冻干燥后的细菌纤维素浸渍在含 0.05mol/L 4- 乙酸基 -TEMPO 和 0.05mol/ L 鬼伞过氧化物酶的水溶液中， 所述细菌纤维素在所述水溶液中的质量 - 体积浓度为 5g/L， 并用 5mol/L 的 HNO3 溶液调整上述水溶液 pH 值为 6。
(3) 在 5 小时内逐步滴加 5mol/L 的过氧化氢溶液使反应， 滴加量以体积计为所述 水溶液体积的十分之一， 反应温度 30℃ ；
(4) 将经上步处理的细菌纤维素取出， 用蒸馏水洗 5 次， 再用乙醇洗 5 次， 直到其 pH 值为 7， 即得到选择性氧化的细菌纤维素。
实施例 6
(1) 将由农杆菌产生的细菌纤维素置于冷冻干燥机， 冷冻干燥 24 小时 ；
(2) 冷冻干燥后的细菌纤维素浸渍在含 1mol/L 4- 甲磺酸基 -TEMPO 和 10mol/L 酪 氨酸 ( 单酚单氧化酶 ) 的水溶液中， 所述细菌纤维素在所述水溶液中的质量 - 体积浓度为 20g/L， 并用 10mol/L 的 HCl 溶液调整上述水溶液 pH 值为 6 ；
(3) 在 10 小时内逐步滴加 10mol/L 的次氯酸溶液使反应， 滴加量以体积计为所述 水溶液体积的十分之一， 反应温度 40℃ ；
(4) 将经上步处理的细菌纤维素取出， 用蒸馏水洗 4 次， 再用乙醇洗 4 次， 直到其 pH 值为 6， 即得到选择性氧化的细菌纤维素。
实施例 7
(1) 将由根瘤菌产生的细菌纤维素置于冷冻干燥机， 冷冻干燥 24 小时 ；
(2) 冷冻干燥后的细菌纤维素浸渍在含 0.75mol/L 2， 2， 5， 5- 四甲基哌啶 -N- 氧基 和 7.5mol/L 儿茶酚氧化酶 ( 双酚氧化酶 ) 的水溶液中， 所述细菌纤维素在所述水溶液中的 质量 - 体积浓度为 15g/L， 并用 7.5mol/L 的 HCl 溶液调整上述水溶液 pH 值为 4 ；
(3) 在 8 小时内逐步滴加 8mol/L 的次氯酸盐溶液使反应， 滴加量以体积计为所述 水溶液体积的十分之一， 反应温度 50℃ ；
(4) 将经上步处理的细菌纤维素取出， 用蒸馏水洗 3 次， 再用乙醇洗 4 次， 直到其 pH 值为 7， 即得到选择性氧化的细菌纤维素。
实施例 8
(1) 将由八叠球菌产生的细菌纤维素置于冷冻干燥机， 冷冻干燥 24 小时 ；
(2) 冷冻干燥后的细菌纤维素浸渍在含 0.5mol/L 4- 乙酸基 -TEMPO 和 6mol/L 漆 酶的水溶液中， 所述细菌纤维素在所述水溶液中的质量 - 体积浓度为 15g/L， 并用 5mol/L 的 HNO3 溶液调整上述水溶液 pH 值为 6 ；
(3) 在 10 小时内逐步滴加 5mol/L 的亚氯酸溶液使反应， 滴加量以体积计为所述水 溶液体积的十分之一， 反应温度 60℃ ；
(4) 将经上步处理的细菌纤维素取出， 用蒸馏水洗 5 次， 再用乙醇洗 4 次， 直到其 pH 值为 6， 即得到选择性氧化的细菌纤维素。 实施例 9
(1) 将由洋葱假单胞菌产生的细菌纤维素置于冷冻干燥机， 冷冻干燥 24 小时 ；
(2) 冷冻干燥后的细菌纤维素浸渍在含 1mol/L 4- 甲磺酸基 -TEMPO 和 10mol/L 酪 氨酸 ( 单酚单氧化酶 ) 的水溶液中， 所述细菌纤维素在所述水溶液中的质量 - 体积浓度为 20g/L， 并用 10mol/L 的 HCl 溶液调整上述水溶液 pH 值为 6 ；
(3) 在 10 小时内逐步滴加 10mol/L 的次氯酸溶液使反应， 滴加量以体积计为所述 水溶液体积的十分之一， 反应温度 40℃ ；
(4) 将经上步处理的细菌纤维素取出， 用蒸馏水洗 5 次， 再用乙醇洗 5 次， 直到其 pH 值为 6， 即得到选择性氧化的细菌纤维素。
实施例 10
(1) 将由椰毒假单胞菌产生的细菌纤维素置于冷冻干燥机， 冷冻干燥 24 小时 ；
(2) 冷冻干燥后的细菌纤维素浸渍在含 0.75mol/L 2， 2， 5， 5- 四甲基哌啶 -N- 氧基 和 7.5mol/L 儿茶酚氧化酶 ( 双酚氧化酶 ) 的水溶液中， 所述细菌纤维素在所述水溶液中的 质量 - 体积浓度为 15g/L， 并用 7.5mol/L 的 HCl 溶液调整上述水溶液 pH 值为 4 ；
(3) 在 8 小时内逐步滴加 8mol/L 的次氯酸盐溶液使反应， 滴加量以体积计为所述 水溶液体积的十分之一， 反应温度 50℃ ；
(4) 将经上步处理的细菌纤维素取出， 用蒸馏水洗 5 次， 再用乙醇洗 3 次， 直到其 pH 值为 7， 即得到选择性氧化的细菌纤维素。
实施例 11
(1) 将由空肠弯曲菌产生的细菌纤维素置于冷冻干燥机， 冷冻干燥 24 小时 ；
(2) 冷冻干燥后的细菌纤维素浸渍在含 0.5mol/L 4- 乙酸基 -TEMPO 和 6mol/L 漆 酶的水溶液中， 所述细菌纤维素在所述水溶液中的质量 - 体积浓度为 15g/L， 并用 5mol/L 的 HNO3 溶液调整上述水溶液 pH 值为 6 ；
(3) 在 10 小时内逐步滴加 5mol/L 的亚氯酸溶液使反应， 滴加量以体积计为所述水 溶液体积的十分之一， 反应温度 60℃ ；
(4) 将经上步处理的细菌纤维素取出， 用蒸馏水洗 3 次， 再用乙醇洗 3 次， 直到其 pH 值为 6， 即得到选择性氧化的细菌纤维素。8