摘 要

壳聚糖是世界上产量第二的天然多糖，若能提高其利用率，则可以为解决能源稀缺问题提供一个新思路。

本文中[Etmim]Cl-Urea二元体系被设计用于溶解壳聚糖。测定[Etmim]Cl和[Etmim]Cl-Urea的电导率，并利用核磁共振波谱仪研究[Etmim]Cl和尿素（Urea）之间的相互作用，发现[Etmim] Cl-Urea中原子（H5，H7，C6和C9）有明显的化学位移变化（Δd），表明有氢键在[Etmim] Cl和尿素之间形成。采用密度泛函理论实行分子模拟，讨论[Etmim] Cl,尿素和壳聚糖(Chitosan)之间的相互作用，探索壳聚糖在[Emim] Ac-Urea中的溶解可能性，发现[Etmim] Cl-Urea-壳二糖中形成了四种氢键（C-H / O，O-H / O, N-H / O，N-H / N）和6个氢键。实验结果为开发壳聚糖溶解的新型溶剂体系提供了指导。

关键词：离子液体 尿素 壳聚糖 分子模拟 密度泛函理论

Study on the Synergistic Mechanism of Chitosan in Ionic Liquid-urea Binary System

Abstract

Chitosan is the second-best natural polysaccharide in the world. If it can increase its utilization rate, it can provide a new idea for solving the problem of energy scarcity.

The [Etmim]Cl-Urea binary system was designed to dissolve chitosan. The conductivity of [Etmim]Cl and [Etmim]Cl-Urea was measured, and the interaction between [Etmim]Cl and Urea was studied using a nuclear magnetic resonance spectrometer to find the atoms in [Etmim] Cl-Urea (H5, H7, C6 and C9) have obvious chemical shift changes (Δd), indicating the presence of hydrogen bonds between [Etmim] Cl and urea.Molecular simulations were performed using density functional theory (DFT) to discuss the interaction between [Etmim] Cl, urea and chitosan, and to explore the dissolution potential of chitosan in [Emim] Ac-Urea. Four kinds of hydrogen bonds (such as CH / O, OH / O, NH / O, NH / N) and six hydrogen bonds are formed in [Etmim] Cl-Urea-chitosan. The experimental results provide guidance for the development of a new solvent system for the dissolution of chitosan.

Key words: Ionic liquid; Urea; Chitosan; Molecular simulation; DFT

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 文献综述 5

1.1选题背景 5

1.2离子液体 5

1.2.1ILs的性质 5

1.2.2 ILs溶解天然高分子 6

1.3尿素（Urea） 8

1.3.1尿素概述 8

1.3.2尿素对壳聚糖的作用 8

1.4壳聚糖(Chitosan) 9

1.4.1壳聚糖概述 9

1.4.2壳聚糖的溶解 9

1.5.分子模拟（Molecular simulation） 11

1.5.1分子模拟简介 11

1.5.2分子模拟的应用 11

1.6本论文思路 11

第二章 实验部分 13

2.1 实验药品及仪器 13

2.1.1实验药品 13

2.1.2实验仪器 13

2.2[Etmim]Cl-Urea二元体系 14

2.2.1制备[Etmim]Cl 14

2.2.1 制备[Etmim]Cl-Urea二元体系 14

2.3离子液体-尿素二元体系分析 15

2.3.1核磁共振氢谱 15

2.2.1 核磁共振碳谱 15

2.2.3 测定电导率 15

2.4分子模拟 15

2.4.1[Etmim]Cl、尿素、壳聚糖结构优化 15

2.4.2优化[Etmim]Cl -Urea组合构型 17

2.4.3优化[Etmim]Cl -Urea -壳二糖构型 17

第三章 结果与讨论 18

3.1二元体系分析 18

3.1.1 核磁共振氢谱分析 18

3.1.2核磁碳谱分析 19

3.3.4电导率分析 21

3.2 分子模拟结果 22

3.2.1 [Emim] Cl-Urea二元体系 22

3.2.2[Emim] Cl-Urea -壳二糖体系 23

第四章结论和展望 26

4.1 结论 26

4.2 展望 26

参考文献 27

致谢 30

第一章 文献综述

1.1选题背景

壳聚糖是一种广泛存在于自然界中的高分子材料，由于其优异的可再生、生物特异性，在支架材料制备、药物载体、食品保鲜等领域得到广泛运用。然而由于壳聚糖中存在大量的分子间和分子内作用力，普通的无机溶剂如水溶液难以溶解壳聚糖，阻碍了人们对其的进一步研究和加工应用。多年来经国内外学者研究发现，相较于普通的有机溶剂和无机溶剂，离子液体（Ionic liquids，ILs）在溶解难溶天然高分子上具备独特优势，它不仅能通过破坏分子间及分子内作用力提高天然高分子溶解度，而且能实现高分子材料的溶解后再生。ILs还具备对环境友好、稳定性高等优良性能，因此在化学合成、新型材料制备、工业气体处理等领域受到广泛关注和应用。尿素（Urea,简称脲）作为一种常见的小分子有机物，不仅可用于生产肥料，还可作为可逆变性剂，破坏一些大分子的氢键、离子键、范德华力及疏水键等分子间作用力，在不破坏大分子主链结构的前提下增强大分子的溶解性。

近年研究发现，以离子液体溶解壳聚糖仅破坏壳聚糖分子间氢键，壳聚糖主链和壳聚糖分子内氢键未被破坏，使得离子液体溶解壳聚糖的效率不高，添加加尿素可通过破坏氢键阻止壳聚糖生成凝胶，增大壳聚糖在离子液体中的溶解度。

1.2离子液体

1.2.1ILs的性质

ILs也叫做低温熔融盐,是主要由有机阳离子和无机或有机阴离子构成的有机化合物^[1]。ILs种类较多，通常根据构成ILs的阳离子种类不同分为四大类：咪唑类，吡咯类，季铵盐类，季磷盐类。相较于普通的无机和有机溶剂，ILs具备许多优良性质 ^[2]：

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