Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор
1.1. Твердофазные химические реакции 7
1.2. Полисахариды
1.2.1. Структура и свойства целлюлозы 16
1.2.2. Структура и свойства хитина и хитозана
1.3. Синтез производных целлюлозы и хитина 28
1.4. Смеси на основе целлюлозы и хитозана 48
Глава 2. Экспериментальная часть
2.1. Основные характеристики исходных веществ 60
2.2. Основные приборы, использованные в работе 60
2.3. Проведение реакций в твердой фазе в условиях сдвиговых деформаций 61
2.4. Определение степени полимеризации целлюлозы 62
2.5. Определение степени замещения гидроксильных групп щелочной целлюлозы (у)
2.6. Определение степени ацетилирования целлюлозы 63
2.7. Карбоксиметилирование целлюлозы 63
2.8. Получение хитозана 64
2.9. Фракционирование хитозана 65
2.10. Определение формы и размера частиц 65
2.11. Рентгеноструктурный анализ 66
2.12. Определение степени дезацетилирования хитозана 67
2.12.1. Определение содержания NH2-rpynn методом потенциометрического титрования з
2.12.2. Определение содержания NH2-rpynn дезаминированием по Ван-Слайку 68
2.13. Определение молекулярной массы хитозана 68
2.14. ИК-спектроскопия 69
2.15. Получение карбоксиметилхитозана 69
2.16. Получение целлюлозно-хитозановых смесей 70
2.17. Получение смесей хитин-хитозан- целлюлоза-гидроксид натрия-диглицидиловый эфир этиленоксида 70
2.18. Приготовление целюлозно-хитозановых пленок 70
Глава 3. Получение производных целлюлозы
3.1. Получение щелочной целлюлозы 72
3.2. Образование карбоксиметилцеллюлозы из смеси твердых компонентов в условиях пластического течения под давлением 80
3.3. Ацетилирование целлюлозы в условиях пластического течения при высоком давлении 87
Глава 4. Твердофазное получение хитозана из хитина и исследование его структуры и свойств
4.1. Дезацетилирование хитина в условиях совместного
воздействия давления и сдвиговых деформаций 91
4.2. Сравнительное исследование образцов хитозана, полученных твердофазным и суспензионным методами Я7
4.3. Влияние условий получения на структурные характеристики хитозана 102
Глава 5. Получение карбоксиметиловых эфиров хитина и хитозана в условиях пластического течения
Глава 6. Исследование взаимодействия хитозана с карбоксилсодержащими соединениями
6.1. Взаимодействие хитозана с твердыми органическими кислотами 128
6.2. Взаимодействие хитозана с ангидридами дикарбоновых кислот 138
Глава 7. Получение смесей из целлюлозы, хитозана и хитина в условиях сдвиговых деформаций
7.1. Структурное и химическое исследование целлюлозно-хитозановых смесей, образованных в условиях сдвиговых деформаций 150
7.2. Структура и свойства целлюлозно-хитозановых смесей, полученных под действием сдвиговых деформаций в присутствии сшивающих агентов 161
7.3. Модификация композиций хитин-хитозан-целлюлоза . сшивающими агентами 173
7.4. Получение и свойства целлюлозно-хитозановых пленок 177
Заключение ґ94
Литература
- Структура и свойства хитина и хитозана
- Карбоксиметилирование целлюлозы
- Ацетилирование целлюлозы в условиях пластического течения при высоком давлении
- Сравнительное исследование образцов хитозана, полученных твердофазным и суспензионным методами
Структура и свойства хитина и хитозана
Полисахариды - природные высокомолекулярные соединения, элементарные звенья линейных или разветвленных макромолекул которых представляют собой остатки моносахаридов одного (гомополисахариды) или различных (гетерополисахариды) типов. Элементарные звенья макромолекул полисахаридов связаны между собой гликозидными (ацетальными) связями, образующимися в результате взаимодействия альдегидной группы одного элементарного звена с гидроксильной группой другого звена.
В зависимости от источника выделения полисахариды разделяются на три основные группы: фитополисахариды (полисахариды растений), зоополисахариды (полисахариды животных) и полисахариды микроорганизмов.
Ежегодный прирост целлюлозы составляет 1010-10UT. Целлюлоза является главной составляющей клеточных стенок высших растений, ее содержание в волокнах хлопковых семян - 95-98%, в лубяных волокнах - 60-80%, в тканях древесины - 40-55% [27]. Практически все способы многостадийных химических обработках растительного сырья, в результате которых его нецеллюлозные компоненты переходят в водорастворимое состояние и затем экстрагируются. Технология и степень очистки определяются назначением продукта. Название полученной таким образом целлюлозы зависит обычно от вида исходного сырья (древесная, хлопковая), метода выделения из древесины (сульфитная, сульфатная), а также от ее дальнейшего назначения (вискозная, ацетатная). Целлюлоза находит широкое применение в производстве бумаги и картона, в текстильной промышленности, а также при получении различных производных [28].
Хитин занимает второе после целлюлозы место по распространенности в растительном и животном мире. Являясь основным компонентом наружного скелета ракообразных и насекомых, хитин находится в нем в виде комплекса с белком. Хитин входит также в состав клеточной стенки грибов, выполняя в них ту же функцию, которую выполняет целлюлоза в тканях высших растений.
Основным сырьем для получения хитина являются панцири ракообразных (крабов, креветок, раков). Хитин, выделенный из разных источников, отличается по таким показателям как степень кристалличности, молекулярная масса и т.д. [29].
Необходимость более полного использования ресурсов Мирового океана, естественное воспроизводство хитина в котором составляет 2-3 млрд. т/год, послужило причиной резко возросшего интереса к хитину й его главному производному - хитозану. Основными странами производителями хитина в настоящее время являются Япония, Норвегия, Италия, Франция, Польша, Малайзия и Таиланд [29].
Выделение хитина из панцирей ракообразных заключается в отмывке его от белков разбавленными растворами едкого натрия (депротеинизация) и деминерализации соляной кислотой. В результате обработки хитина концентрированными растворами щелочи (дезацетилирование) образуется хитозан [30, 31].
Хитозан, будучи известным уже более ста лет, лишь в последние два десятилетия стал объектом пристального внимания со стороны химиков, биологов, медиков и технологов, хотя громадный перечень полезных свойств хитозана, являющихся прямым следствием наличия в его макромолекуле большего числа функциональных групп по сравнению с целлюлозой, известен уже достаточно давно. Тем не менее, еще в 70-ых годах интерес к хитозану практически не проявлялся. Причина такой ситуации заключается в том, что во-первых, хитозан представляет собой объект, крайне сложный для проведения его дальнейшей химической модификации, а во-вторых, - технологические процессы получения хитозана требуют специальной оптимизации в каждом отдельном случае использования образцов, полученных из различных сырьевых источников. Химическая и технологическая сложность переработки хитозана неоднократно приводила к неудачам при попытках налаживания его масштабного производства и создания соответствующих промышленных процессов.
Карбоксиметилирование целлюлозы
В [103] синтезированы водорастворимые соли хитозана с гликолевой и олигоэфирсульфокислотой и показано, что полученные из них пленки обладают достаточно высокой механической прочностью.
Среди хорошо изученных производных хитозана практический интерес представляют его карбаматы. Как известно, карбаматы широко используются в сельском хозяйстве, благодаря своей инсектицидной и фунгицидной активностям. Ценность карбаматов хитозана обусловлена наличием в ней биоразлагаемой матрицы. Получение метил- и этилкарбаматов хитозана было изучено в [104], причем в качестве алкилирующего агента использовались не соответствующие ангидриды, а метил- и этилхлорформиаты. Степень замещения полученных таким образом продуктов достигала значений вплоть до 63-68%.
Одними из наиболее распространенных производных хитина являются ацилхитины. Ацилирование хитина происходит в результате взаимодействия гидроксильных групп хитина с ангидридами и хлорангидридами карбоновых кислот. Реакцию проводят в метансульфокислоте, являющейся не только растворителем, но и катализатором взаимодействия [105-108]. Ацилирование значительно7 изменяет растворимость хитина, при этом установлена зависимость растворимости ацилхитина от длины присоединяемого радикала. Ацилхитины с короткими алкильными цепочками растворимы только в полярных растворителях, таких как муравьиная, дихлоруксусная и метансульфоновая кислоты. Ацилхитины с длинными алкильными цепочками растворимы в менее полярных растворителях, таких как бензол, тетрагидрофуран и этилацетат. Улучшенная растворимость этих производных в органических растворителях открывает широкие возможности для их применения. Например, дибутирилхитин используется при изготовлении поверхностных покрытий на стекле, поскольку образует пленки, обладающие повышенной смачиваемостью, по сравнению с силиконизированными стеклами. [108], а также для изготовления материалов, контактирующих с кровью [109].
Аналогичным образом получают и ацильные производные хитозана, однако в этом случае присоединение заместителей происходит по аминогруппе [ПО]. N-карбоксиацилхитозан образуется при реакции с ангидридами дикарбоновых кислот путем добавления их к водному раствору солей хитозана [111]. Основным недостатком такого способа является протекание процесса в гетерогенных условиях, поскольку добавление щелочи для нейтрализации образующихся в ходе реакции гидроксильных групп вызывает осаждение хитозана из раствора. При этом реакция ацилирования резко замедляется, и скорость побочной реакции гидролиза ангидрида дикарбоновой кислоты значительно превышает скорость основной реакции, что затрудняет количественное проведение реакции ацилирования. Для повышения степени ацилирования и однородности каробоксилпроизводных хитозна предложен метод проведения процесса в две стадии. На первой стадии ацилирование проводится ангидридами дикарбоновых кислот в органических растворителях, смешиваемых с водой; при этом образуются полиамфолиты почти со стехиометричесим соотношением кислотных и основных групп, используемые как амфотерные шшшооиелжыс сжшд. На второй стидам происходит добавление ангидрида в гомогенных условиях в щелочной среде (в буфере) [112, 113].
Широкое применение в медицине, сельском хозяйстве, пищевой и косметической промышленности хитозан находит в виде его солей с некоторыми органическими кислотами [114-117]. Изучение свойств пленок, полученных из растворов уксуснокислых и янтарнокислых солей хитозана, показало, что в отличие от пленок из чистого хитозана, такие пленки проявляют высокоэластические свойства. Этот эффект объясняется, по-видимому, пластифицирующим действием низкомолекулярных противоионов, которые, ослабляя внутри- и межмолекулярное взаимодействие в аморфных областях макромолекул, тем самым, повышают подвижность различных элементов надмолекулярной структуры [118].
Необходимо отметить, что проведение синтеза в среде органических растворителей не позволяет добиться практически полного удаления полярных органических молекул из макрообъемов хитозана, в то время как прямой синтез солей хитозана в твердом состоянии позволяет решить эту проблему.
Продукты взаимодействия хитозана с высшими жирными кислотами, сочетающие свойства полимерных веществ (пленко-, волокнообразующие, загущающие и т.д.) и ПАВ, могут представлять интерес как амфифильные материалы для приготовления твердых и гидрогелевых мембран с широким спектром селективности. Модификация хитозана жирными кислотами с различной длиной алкильной цепочки приводит к снижению его гидрофильности и влагопроницаемости [119]. Полностью ацилированные производные хитозана, в частности, содержащие длинноцепочечные жирные растворителях. Модификация хитозана стеариновой кислотой и другими поверхностно активными веществами повышает поверхностную активность и эмульгирующую способность, являющуюся важным свойством хитозана и его производных, используемых в качестве структурообразующих и стабилизирующих добавок в пищевые и косметические композиции, содержащие масла и жиры [120-124]. N-алкилхитозан получают реакцией хитозана с альдегидами и кетонами и гидрированием получаемого N-алкилиденхитозана, N карбоксиалкилхитозан - реакцией хитозана с альдегидо- и кетокислотами с последующим гидрированием N карбоксиалкилиденхитозана. Модифицированный таким образом хитозан используют для создания селективных мембран для разделения водно-спиртовых смесей. Свойства мембран зависят от длины алкильного радикала и степени замещения N-алкильных групп [125, 126].
Ацетилирование целлюлозы в условиях пластического течения при высоком давлении
В отличие от процессов получения щелочной целлюлозы и карбоксиметилцеллюлозы под действием сдвиговых деформаций, где все компоненты реакционной смеси являются твердыми веществами, образование в этих условиях ацетатов целлюлозы интересно с точки зрения возможности осуществления взаимодействия между целлюлозой и уксусной кислотой, не протекающим в обычных условиях.
Обычно, как уже упоминалось в литературном обзоре, ацетилирование целлюлозы проводят, используя в качестве ацетилирующего агента уксусный ангидрид, а в качестве катализатора серную кислоту (в количестве до 14%) при 35-40 и модуле ванны 7-8 в течение 4-6 ч.
Известно, что ацетаты целлюлозы высокой степени замещения не могут быть получены действием на целлюлозу уксусной кислоты [35] . Основным фактором, препятствующим этерификации гидроксильных групп целлюлозы уксусной кислотой, является сильное межмолекулярное взаимодействие за счет образования водородных связей. Более полного ацетилирования целлюлозы уксусной кислотой можно достигнуть в тех случаях, когда взаимодействие между гидроксильными группами сильно ослаблено (например,, ацетилирование в растворе или ацетилирование низкозамещенных эфиров целлюлозы).
В [253] установлено, что ледяная уксусная кислота проникает лишь в неупорядочные аморфные области целлюлозы, не ацетилируя, а только активируя ее. Эффективность активации целлюлозы уксусной кислотой зависит от присутствия в системе воды, которая, с одной стороны, разрушает ассоциаты карбоновых кислот, тем самым, повышая их проникающую способность, а с другой - способствует расстекловыванию целлюлозы.
Проведение процесса в условиях совместного воздействия высокого давления и сдвиговых деформаций приводит к разрушению кристаллической структуры и, тем самым, облегчает взаимодействие целлюлозы с уксусной кислотой.
Кроме того, неоднократно показано, что при пластическом течении под давлениями порядка 1-5 ГПа происходят существенные изменения реакционных свойств органических соединений, в том числе кислот [254, 255]. Так, в [255] было установлено, что в органических кислотах (фумаровой и малеиновой) протекают реакции присоединения карбоксильной группы к двойной связи с образованием сложных эфиров. Наличие такого взаимодействия свидетельствует о высокой подвижности кислотного протона в условиях пластического течения, т.е. о повышении реакционной способности уксусной кислоты. Учитывая этот факт, а также увеличение подвижности атома водорода гидроксильной группы целлюлозы, можно было ожидать повышения реакционной способности системы целлюлоза-уксусная кислота в условиях пластического течения.
Ацетилирование в условиях пластического течения проводили несколькими ацетилирующими реагентами: 66%-ной уксусной кислотой, ледяной уксусной кислотой и уксусным ангидридом. Кусочки целлюлозы смачивали ацетилирующим агентом, а затем подвергали обработке при давлении 1 ГПа и комнатной температуре на аппаратуре типа наковален Бриджмена. Параллельно целлюлозу обрабатывали ацетилирующим агентом в течение 4 ч в обычных условиях. Реагенты брали в соотношениях 1 моль целлюлозы к 3 и 1.5 молям уксусной кислоты или уксусного ангидрида,- поскольку при обработке под высоким давлением смеси целлюлоза - уксусный ангидрид при соотношении Г.З происходит вытекание уксусного ангидрида из-под наковален.
Процесс ацетилирования проводили как без катализатора, так и с использованием в качестве катализатора серной кислоты в количестве 9 и 14% от веса целлюлозы.
На рис. 3.3.1 приведена зависимость степени замещения гидроксильных групп от концентрации H2SO4 в смеси при ацетилировании целлюлозы различными ацетилирующими агентами в нормальных условиях и в условиях совместного воздействия высокого давления и сдвиговых деформаций.
Видно, что при проведении ацетилирования уксусной кислотой в нормальных условиях образуются ацетаты целлюлозы с низкой степенью замещения. При обработке целлюлозы уксусным ангидридом образуются ацетаты с более высокими значениями степени замещения гидроксильных групп.
При осуществлении процесса в условиях пластического течения под давлением наблюдается возрастание значений степени замещения при использовании всех ацетилирующих агентов. Как видно из приведенных на рисунке данных, при ацетилировании целлюлозы ледяной уксусной кислотой в присутствии в качестве катализатора H2SO4 (14%) образуются ацетаты со степенью замещения, равной единице.
Сравнительное исследование образцов хитозана, полученных твердофазным и суспензионным методами
Фракционный состав, т.е. физическая и химическая неоднородность хитозана, является важной характеристикой, определяющей токсичность и, возможно, биологическую активность полимерных лекарственных препаратов. Особенно важно знание этой характеристики для препаратов хитозана и его производных, получаемых в твердофазных условиях, априори предполагающих повышенную неоднородность продуктов.
Фракционирование хитозана проводили методом дробного осаждения. При этом предполагалось, что осаждение фракций добавлением органического осадителя позволит выделить фракции, различающиеся главным образом по ММ, а осаждение полимера путем изменения рН раствора позволит разделить продукт на фракции с различной СД. Последнее предположение основывалось на том, что фракции с меньшей степенью дезацетилирования и, соответственно, меньшей плотностью зарядов на макроионах должны характеризоваться и меньшей растворимостью при данной величине рН. В табл. 4.2.2. и 4.2.3. приведены характеристики полученных фракций образцов 1-3, а на рис. 4.2.1 - кривые ММР этих образцов. Как видно из данных, приведенных в табл. 4.2.2., различие в значениях СД выделенных фракций образцов 1 и 2 невелико и соизмеримо с погрешностью определения СД, поэтому можно считать, что проведенное фракционирование позволило выделить фракции, различающиеся по ММ, и, следовательно, оценить ММР образцов 1 и 2. Принципиальное суспензионным способом, характеризуется бимодальным ММР, а образец 2, полученный твердофазным дезацетилированием унимодальным распределением (рис. 4.2.1). По-видимому, механодеструкция полимеров в условиях совместного давления и сдвиговых деформаций при переходе полимера в состояние пластического течения носит менее избирательный характер, что приводит к получению низкомолекулярного продукта с более узким ММР.
Соотношение объемов осадителя и раствора. В табл. 4.2.3. приведены характеристики фракций образца 3, выделенные путем изменения рН раствора хитозана. Данные таблицы свидетельствуют о том, что выделенные в результате изменения рН раствора фракции хитозана существенно не различаются по величине ММ, однако наблюдается отчетливо выраженная тенденция увеличения СД фракции, осажденной при более высоких значениях рН. В то же время различия СД выделенных фракций не превышают 20%.
Таким образом, хотя исходные компоненты являются твердыми веществами, реакция дезацетилирования хитина в твердой фазе позволяет получать относительно однородные в химическом отношении продукты. Следует, однако, отметить, что данные табл. 4.2.3 характеризуют химическую однородность растворимой фракции образца 3. В целом же образцы хитозана, полученные твердофазным экструзионным способом, характеризуются большим содержанием нерастворимой фракции с низкой СД. При получении образцов медицинского назначения стадия отделения нерастворимой фракции является, видимо, необходимой.
На рис. 4.2.2 представлены результаты исследования зависимости степени ионизации аминогрупп и вязкости солянокислых растворов образцов 1 и 2 от величины рН. Зависимости степени ионизации а от рН раствора (кривые 1 и 2) имеют абсолютно идентичный характер для обоих образцов. Из рассмотрения кривых изменения вязкости (кривые 3 и 4j видно, что выпадение полимера в осадок в указанных образцах также происходит при одном и том же значении рН: при концентрации хитозана 0.05% и ионной силе - 0.1 моль/л этот показатель равен 6.1 ± 0.2, что соответствует величине а = 0.5. Вязкость растворов образца 2 значительно ниже, чем растворов образца 1, однако характер зависимости [т] от рН у обоих образцов одинаков: в интервале рН 1-6 при изменении а от 1 до 0.5 падение вязкости растворов не превышает 10%, что обусловлено, очевидно, относительно высокой жесткостью макромолекул этого полиэлектролита. [251, 262].
Закономерно, что образцы хитозана, полученные традиционным и твердофазным способами, существенно различаются по степени дисперсности частиц. Из данных, приведенных нарис. 4.2.3., видно, что промышленный образец хитозана характеризуется наличием более крупных (130-500 мкм) и асимметричных частиц, тогда как у экструзионного образца ХЗ-3 частицы более однородные и мелкие (10-130 мкм) по размеру и круглые по форме.
