质子型氨基酸离子液体催化酯化纤维素及其增溶/抗菌活化作用机制研究

Amino acid esterification is expected to achieve solubilization/antibacterial activation effect for cellulose. However, poor reaction activity of cellulose and self-condensation reaction of amino acid hinder the esterification. This project intends to use the protonated amino acid ionic liquids ([AA]X) as the raw material. The esterification of cellulose can be catalyzed by making use of the acidity and ability of destroying hydrogen bonds of [AA]X. The effect of [AA]X structure and the kinetic factors on the reaction rate will be explored systematically. Meanwhile, the reaction process will be investigated by online measuring technique, resulting in amino acid esterified cellulose with different substituents and substitution degree. Then, the phase diagram method will be used to study the solubilization effect of amino acid esterification for cellulose. Besides, the solubilization mechanism will be investigated using NMR, laser light scattering system technology and TEM. Furthermore, the regenerated amino acid esterified cellulose material will be obtained by coagulating its solution. The structure-activity relationship of the antibacterial property for amino acid esterified cellulose will be explored along with its antibacterial mechanism. Based on this project, the esterification reaction mechanism will be clarified and amino acid esterified cellulose can be synthesized through a green, efficient and controllable method. Also, mechanism of solubility and antibacterial activity effect caused by esterification will be revealed. This project will establish a new method for functionalization of cellulose, providing theoretical and technical support for its high-value utilization.

氨基酸酯化改性纤维素可望达到助溶/抗菌活化双重功效，而纤维素反应性能低且氨基酸易发生自身缩合导致反应困难。本项目拟使用质子型氨基酸离子液体（[AA]X）为反应原料，利用其酸性和破坏氢键的能力催化酯化纤维素，系统研究[AA]X结构和反应动力学条件对酯化反应速率的影响规律，结合原位测试技术分析反应过程，合成不同结构的氨基酸酯化纤维素；然后，通过相图法研究氨基酸酯化改性对纤维素的增溶规律，并使用核磁、激光光散射以及电镜技术分析其增溶机制；进而，通过溶液凝聚态转变制得再生材料，探究氨基酸酯化纤维素抗菌活性的构效关系及其作用机理。通过本项目的开展，阐明[AA]X催化酯化纤维素的反应机制，实现氨基酸酯化纤维素的绿色、高效及可控制备；揭示氨基酸酯化纤维素的结构变化对其溶解性和抗菌活性的影响规律，明确作用机制，从而建立纤维素功能化改性的新方法，为纤维素的高值化利用提供理论和技术支持。

纤维素是地球上最丰富的可再生资源，难以溶解或熔融加工并缺乏功能性成为制约其发展的瓶颈。化学改性是扩大纤维素应用的重要途径。本项目使用质子型氨基酸离子液体（[AA]X）为反应原料，利用其酸性和破坏氢键的能力催化酯化纤维素，通过一步酯化反应成功合成得到不同结构的氨基酸酯化纤维素。通过红外光谱和元素分析法系统研究了反应动力学条件对酯化反应的影响规律，实现了氨基酸酯化纤维素的可控制备。使用热重-质谱联用等原位测试技术证明了[AA]X相对于一般氨基酸原料具有明显增加的酯化反应速率。X-射线衍射、热重测试等表明酯化反应对纤维素原料的结晶结构和热稳定性影响较小。项目研究氨基酸酯化改性对纤维素的增溶效果，结果表明氨基酸酯化改性纤维素可以较好的溶解于NaOH水溶液中，并使用流变仪研究了取代度和溶液浓度对溶液粘度的影响和溶液动态黏弹行为。在此工作基础之上，项目利用氨基酸具有带电官能团、亲疏水官能团以及可以络合金属纳米粒子等特点，开展了氨基酸介导抗菌改性纤维素方法研究，结果表明，一方面[AA]X直接酯化改性纤维素得到的产物对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均有抗菌效果，杀菌率高于71%；另一方面，通过在纤维素织物表面进行氨基酸酯化改性，项目证明该途径可以较好的帮助分散和稳定负载的典型抗菌剂Ag NPs，其中Ag NPs的粒径在40 nm左右，改性得到的抗菌织物经150次洗涤后杀菌率仍然可以高于98%。本项目为纤维素改性提供了新方法和相关理论数据，有助于纤维素的高值化利用，具有一定的研究价值和社会意义。