纤维素衍生物酸性水解的动力学研究

母炳男，陈睿文，杨一奇*

纤维素衍生物酸性水解的动力学研究

母炳男，陈睿文，杨一奇*

（1. 东华大学 生态纺织教育部重点实验室，上海 210620；2. 东华大学 化学化工与生物工程学院，上海 210620）

研究了取代基对纤维素水解动力学的影响，纤维素酸性水解速率的大小直接决定纤维素材料的可用性以及纤维素转化成糖的效率，纤维素衍生物由于其特有的化学非均相性，水解动力学很少有人研究。本文量化了取代基效应、pH、温度对纤维素衍生物水解速率的影响；活性红120取代的纤维素二糖酸性水解反应速率为5.0×10-3h-1，是未取代双糖速率的190倍，反应活化能较未取代的低10 kJ/mol，并且发现被取代的纤维素二糖对质子更加敏感；最终基于反应的非均相性，建立了一个包含多种因素的水解动力学模型。这个模型对今后研究取代基催化纤维素水解的机理提供了帮助。

纤维素衍生物；取代基效应；动力学模型；聚合度；取代度

纤维素衍生物在纺织工业、造纸工业及其他行业中得到了广泛的应用[1-4]，典型产品有醋酸纤维素、羧甲基纤维素以及活性染料染过色的棉织物。这些衍生物中的纤维素糖苷键在酸性环境下易于水解[5-6]，酸性降解经常导致产品机械性能的下降，这严重影响了纤维素衍生物的使用寿命和使用性能。

尽管之前的研究对纤维素的酸性水解过程进行了细致探讨[7-8]，但纤维素衍生物的酸性水解动力学研究很少有人问津。故本文主要是量化取代基效应对纤维素水解过程中的影响。

如图1所示，纤维素衍生物的酸性水解反应包含两种类型糖苷键的断裂：被取代基取代的纤维素二糖糖苷键的断裂和未被取代的纤维素二糖糖苷键的断裂。实验观察到的衍生物的水解反应速率是上述两者的叠加。

一般情况下，纤维素水解的动力学模型建立在其聚合度的变化上，并且其速率常数可以通过经典的公式（1/DPt－1/DP0＝kt）获得。但是利用该方法只能得到衍生化纤维素的水解表观速率常数。而该纤维素水解表观速率常数会随着其取代度的变化而变化。被取代的纤维素二糖的水解速率常数不可由上述方法直接得到。因此，有必要建立一个新的动力学模型来确定被衍生化的纤维素二糖糖苷键断裂的速率常数。而且，为了量化研究取代基效应对于纤维素水解的影响，必须要得到被取代的纤维素二糖的水解速率。

纤维素水解的取代基效应还会受诸如取代基的化学性质、取代度、反应氢离子浓度、结晶度等因素的强烈影响。之前的研究都分别研究过这些因素。比如Borsa等[9]研究了不同羧甲基基团取代度对于纤维素水解的影响，Holladay等[10]表明了纤维素水解速率与其结晶度的关系。虽然每个因素都被研究讨论过，但没有一个综合了这些因素的总模型来系统地说明取代基对于纤维素水解的影响。

本文建立了取代基效应影响纤维素水解的综合模型。以活性染料作为纤维素的取代基进行研究。以活性染料为研究对象是基于杨一奇等[11]的研究发现：当棉纤维上染活性染料以后，在酸性环境下，织物的强力和分子量较未染色的有显著的下降，即“活性脆损”现象。反应速率常数模型分别根据取代和未取代纤维素水解机理而得到。最终，建立一个包括温度、氢离子浓度、结晶度等因素的纤维素衍生物水解模型。

本文的结果基于化学平行反应来研究纤维素衍生物的水解反应，得到的动力学数据可以为今后研究取代基加速纤维素水解的机理提供有效的数据支撑。

1 实验

1.1 材料

纤维素纱线（45S，新乡市北方纤维有限公司）；盐酸，邻苯二甲酸氢钾，活性红120，N,N-二甲基乙酰胺，氯化锂，氯化钠，碳酸钠，均为分析纯。

1.2 纤维素的染料改性

取一定量的纱线，分别按照纤维素质量比的1%、3%、12%、24%量投入染料，升温至65℃，加入80 g/L的NaCl，保温30 min，之后升温至95℃，加入20 g/L的Na2CO3，保温1 h。然后一次进行冷水洗，热水洗，皂洗，热水洗，冷水洗以去除浮色。

1.3 酸水解

取3 g的染色和未染色的纤维素纱线，投入盐酸和邻苯二甲酸氢钾的缓冲溶液中，分别在70、80、90、100℃等不同温度下，不同（pH 2.5、3.0、3.5）pH下水解0.5～170 h，之后将纤维素纱线取出，水洗，干燥，最后置于22℃，65%湿度的恒温恒湿室中保持24 h。将上层清液转移到50 mL 容量瓶中，沉淀用蒸馏水润洗一次，再于4 000 r/min下离心30 min，将第二次离心的上清液收集在第一次的容量瓶中，用蒸馏水定容至刻度，混匀，待测HPLC。

1.4 表征方法

1.4.1 染料固色率测定

70%浓硫酸剥色测定染料固色率：取0.1～0.2 g 已知含量的染料溶于70%的浓硫酸，测定其吸光度，之后溶液分别稀释2、4、8倍，每个稀释倍数下测定其吸光度，作标准曲线。

同样，上染的纤维素样品取0.1～1 g，这主要根据染料的上染量以及深度决定，溶于70% 的硫酸中，搅拌。待0.5～2 h溶解彻底后，稀释到一定倍数，测定吸光度。根据之前的标准曲线，计算染料固色率[12]。

1.4.2 纱线强力测定

根据ASTM D2256-02（Standard Test Method for Tensile Properties of Yarns by the Single-Strand Method）方法，纤维素纱线用H5K-S（Housefield公司）强力测试仪测试。测试之前试样在21±1℃和 65%±2%相对湿度下放置24 h。标准测试条件为加载速率是250 mm/min，夹距长度为250 mm。测试样品取平均值和方差。测试结果用标准Anova方法判断显著性。

1.4.3 纤维素分子量测定

凝胶渗透色谱（GPC）测定：取适量的纤维素样品分别经过纯水（1 h）、甲醇（3×0.5 h）、N,N-二甲基乙酰胺（3×0.5 h）离子交换。之后放置于N,N-二甲基乙酰胺溶液中在140℃下搅拌30 min，控温至100℃，加入8%（w/V）的无水氯化锂，100℃保持5 min，降至50℃，搅拌3天，直至样品完全溶解。溶解的样品稀释十倍后过0.22 μm的PTFE滤膜。

GPC使用Malvern公司TDA 270 refractive index detector，分离使用Malvern I-MBHMW+I-OLIGO+ I-Guard柱，柱温60℃。检测器温度为40℃，流动相为0.5%（w/V）LiCl/DMAc，流速1 mL/min。进样量为100 μL。

1.4.4 X-射线衍射测定纤维素结晶度

X-射线衍射分析在日本Rigaku 公司的D/max- 2550 PC 型X射线衍射仪上进行，采用铜靶Cu Kα（γ＝0.154 06 nm），功率为16 kW（40 kV×40 mA），采用NaI晶体闪烁计数器测量X射线的强度，扫描范围为5°～60°，扫描速度4（°）/min，步长0.02°。

结晶度的计算基于计算结晶区和无定形区衍射峰的高度，通过公式（1）计算。

CI为结晶指数，hcr指22.5°峰的高度，ham指在18.5°时峰的高度。

1.4.5 扫描电镜观测纱线水解微观形态

SEM使用日本日立TM-1000台式扫描电镜，观察纤维素水解后的图像，判定其水解程度。

1.4.6 HPLC测定可溶性还原糖

日本岛津公司CTO-20A，检测器RID-10A折光检测器。进样量25 μL，流动相0.01 M硫酸，流速0.6 mL/min，柱温65℃，分离柱为Aminex HPX-87H column。

1.5 纤维素衍生物水解参数的确定

1.5.1 不同取代度对于纤维素水解的影响

Calvini等[13]通过对纤维素的酸性水解研究认为纤维素链中不同形态的结构单元有着不同的水解速率。基于这一思路，纤维素衍生物的水解反应也可以看成被取代纤维素二糖和未被取代纤维素二糖的速率叠加，故得出方程，如（2）、（3）所示。

式中，DPt为水解反应时间t后的纤维素聚合度，DP0为最初的纤维素聚合度，nsub为被取代的纤维素二糖在无定形区内的比例，ksub指被取代纤维素二糖的反应速率（h-1）。nunsub指未被取代的纤维素二糖在无定形区内的比例kunsub指未被取代纤维素二糖的反应速率（h-1），kapparent指纤维素衍生物水解反应的表观速率（h-1），t为反应时间（h）。

2 结果与讨论

2.1 取代基对纤维素水解的影响

2.1.1 染料的固色率

根据剥色法测得的活性染料固色率分别是0.15%、0.28%、0.56%、0.97%（mol/mol）。

2.1.2 纱线的强力与分子量的关系

根据同一纤维素样品强力和分子量的测试结果，得出了如图2所示的关系，表明纤维素的分子量与强力之间呈正相关关系。随着水解时间的进行，纤维的强力与分子量都会出现下降。

图2 纤维素强力与分子量的关系

图3 染料修饰前后纤维素的X-射线衍射图

2.1.3 改性和未经改性纤维素的结晶结构

通过XRD测试发现，染料改性纤维素以及染料上染，纤维素的晶型都没有改变。如图3所示，纤维素的结晶区在染色前后依旧是规整的结构。基于晶面002以及scherre equation，每个晶面层的距离是7.3 nm，且染色前后晶面三维结构没有变化。通过计算，染色前后纤维素的结晶指数为0.79。根据这个结果，可以在后面部分算出在纤维素无定形区染料上染的程度。

2.1.4 扫描电镜

图4分别水解改性和未改性的纤维素样品12 h，然后将水解后的纤维素样品用扫描电镜观测。

图4 染料改性/未改性纤维素SEM照片

由图4可见，未经改性的纤维素样品水解12 h后，虽然其分子量和机械强力都出现了下降，但是微观角度上看与水解前的样品形态区别不大。而经过染料改性的纤维素样品水解12 h后，不但分子量和机械强力较同样水解时间的对照样品有剧烈的下降，并且从微观形态上看较之水解之前也有很大的区别。如图4d所示，纤维素纤维已被水解出大大小小无数的小孔，已很难找出一根无孔完整的纤维了。

2.1.5 分子量的表征

图5为纤维素水解后样品GPC结果。对比水解10 h后的未改性纤维素和活性红120改性纤维素，图中结果清晰地显示了未改性纤维素样品峰的顶点位于较低的流出体积处，活性红120改性纤维素峰的顶点位于较高的流出体积处，这说明活性红120改性纤维素水解后分子量下降更为剧烈。

图5 水解10 h后未改性及改性纤维素的GPC谱图

2.2 被取代纤维素二糖水解速率的确定

图6为未取代纤维素和活性红120取代的纤维素（1/DPt-1/DP0）随时间变化的图。反应速率可根据1/DPt－1/DP0×kt 由斜率求得。对未取代的纤维素来说，水解反应可以分为两个过程：前96 h，（1/DPt－1/DP0）随时间有线性关系（R2＝0.979），反应速率为2.6×10-5h-1，96 h后，反应进入leveling-off阶段，这一阶段的（1/DPt-1/DP0）值保持恒定。对于被活性红120取代的纤维素衍生物来说，水解反应有三个阶段：前6 h和6～48 h的反应速率分别是2.3×10-4h-1（R2＝0.978）和 2.6×10-5h-1（R2＝0.989），48 h后，反应进入了leveling-off阶段。上述反应过程有三个特点：1）第一阶段的反应速率是第二阶段的8.8倍，2）第二阶段的反应速率和未取代纤维素的第一阶段反应速率相同，3）纤维素衍生物更快的进入leveling-off阶段。

根据公式（3），由实验测得衍生物第一阶段的反应速率常数（kapparent）、第二阶段的反应速率常数（kunsub），取代度（nsub），可以求得被取代的纤维素二糖的反应速率常数。如图7所示，根据斜率可以求得活性红120取代的纤维素二糖的反应速率为5.0×10-3h-1（R2＝0.992）。该拟合值线有很高的相关系数，故本方法得出的结果是可信的。

图6 不同取代度对纤维素水解动力学影响

图7 根据公式求得的被取代纤维素二糖的水解反应速率

2.3 纤维素衍生物活化能的确定

建立计算被取代纤维素二糖反应速率的方法后，可以继续其取代基效应。本节讨论不同温度对反应速率的影响及被取代/未取代纤维素二糖活化能的比较。

图8表示反应速率常数k的阿伦尼乌斯函数。由图8可以看出，ln（k）值与温度的倒数呈线性关系。由图8可得，未经改性的纤维素酸性条件下水解的活化能为Ea＝132 kJ/mol。 而被取代的纤维素二糖的活化能为122 kJ/mol。通过计算活化能，可知取代基显著降低了糖苷键水解的活化能。

图8 基于阿伦尼乌斯方程的ln(k) versus 1/T

图9 不同质子摩尔浓度对于纤维素衍生物水解反应的影响

2.4 不同pH下染料对纤维素水解速率的影响

质子摩尔浓度是影响纤维素水解的关键因素。质子摩尔浓度越大，催化纤维素水解的效果越显著。如图9，随着pH的降低，质子浓度的上升，纤维素衍生物的反应速率常数都会显著上升。并且ksub和kunsub都与质子浓度呈线性关系。如图9所示，随着氢离子浓度的提高，被取代和未取代纤维素二糖的反应速率的增长率不同（斜率分别为3.47、0.0172），说明取代基取代的纤维素二糖对质子的敏感度增高，质子化能力大为提高。

Zou等[14]之前研究了不同质子浓度对纤维素水解的影响，如公式（4）所示。

由图9可以看出，被取代的纤维素二糖在水解过程中a值要远远大于未取代的纤维素二糖。

2.5 总模型

综合讨论因素，可以得出一个包含取代基团，取代基团数量、温度、pH等因素的速率反应模型，如式（5）所示。

式中，A0为指前因子，a1、a2分别为被取代和未被取代的纤维素二糖质子化效应系数。

若纤维素二糖的取代基团是活性红120，根据实验数据和上述反应模型，将不同温度、不同取代基取代度的取代/未取代纤维素二糖活化能（1aE、2aE）、表观速率（kapparent）以及质子浓度（[H+]）数据代入上述模型中，可以得出如表1所示结果，说明该模型可以很好的描述取代基对纤维素水解反应的影响。

表1 纤维素衍生物动力学模型参数表

该模型考虑了纤维素衍生物的化学非均相性特点，可以兼顾纤维素及其衍生物的酸性水解动力学研究。需要指出的是，该模型适用于单取代基团纤维素酸性水解动力学的研究，如六位碳原子取代的染料分子。该模型的思路也适用于天然高分子二元化学非均相水解动力学的研究。

3 结论

除了常规因素诸如pH、温度的影响，纤维素衍生物的酸性水解还是一个化学的非均相反应。它的水解速率很大程度地受取代基种类以及取代基取代度的影响。本文使用活性染料对化学非均相性进行了研究，最终建立了一个简化的考虑了多种因素的水解动力学模型。该模型可以对取代基活性和反应速率之间的关系进行研究，对今后解释取代基加速水解的机理提供有用的数据支持，而且该模型也可应用于其他的天然高分子的水解研究当中。

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Kinetic Study of Acid Hydrolysis of Substituted Cellulose

MU Bing-nan, CHEN Rui-wen, YANG Yi-qi*
（1. Key Laboratory of Science and Technology of Eco-Textiles, Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620, China; 2. College of Chemistry, Chemical Engineering and Biotechnology, Donghua University, Shanghai 201620, China）

The substituent effect on the kinetics of cellulose hydrolysis was investigated in the present paper. The value of hydrolysis rate determined not only the durability of cellulosic materials but also the conversion efficiency from cellulose to glucose. Few studied the kinetic of cellulose derivatives due to their chemical heterogeneity. The effects of substitution, pH, temperature and degree of crystallinity were quantified. The reaction rate of substituted cellobiose by reactive red 120 was 5.0×10-3h-1, which was 190 folded faster than that of unsubstituted. The activation energy of substituted cellobiose was 10 kJ/mol lower than that of unsubstituted one. And the substituted cellobiose was more sensitive to proton. Base on the chemical heterogeneity, a model integrating several factors was developed. This model could provide assistance when studying the mechanism why substituent accelerated the hydrolysis rate.

cellulose derivatives; substituent effect; kinetic model; degree of polymerization; degree of substitution

TS195.5

A

1004-8405(2015)02-0019-08

2015-03-26

母炳男（1988～），男，硕士研究生；研究方向：非传统生物高分子和纤维的开发及利用。

* 通讯作者：杨一奇（1956～），教授；研究方向：生物质材料。yyang2@unlnote.unl.edu