Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 8
1.1 Хитин и его производные хитозан 8
1.1.1 Распространение хитина, его роль в живых организмах 8
1.1.2 Связь хитина в клеточной стенке организмов с полисахаридами, пигментами и белками 9
1.1.3 Биологические функции хитина (хитозана) 10
1.2 Строение биополимеров 12
1.2.1 Строение хитина 12
1.2.2 Строение хитозана 16
1.3 Способы получения биополимеров 17
1.3.1 Выделение хитина химической обработкой 18
1.3.2 Ферментативный гидролиз 20
1.3.3 Электрохимический способ 21
1.3.4 Получение хитозана 23
1.4 Медицинские аспекты применения хитозана и его производных 26
1.4.1 Хитозан - носитель лекарственных форм 27
1.5 Механическая активация высокомолекулярных соединений 29
1.5.1 Влияние механической активации на хитин, хитозан 39
1.6 Пироксикам 42
1.6.1 Структура и свойства фармацевтического препарата 42
1.6.2 Пироксикам — молекула "гость" 45
1.7 Карбоксиметилирование биополимеров 46
1.7.1 Основные сведения о реакции карбоксиметилирования 46
1.7.2 Поведение хитина, хитозана в реакции карбоксиметилирования 49
1.7.3 Возможности применения карбоксиметилированных биополимеров 52
2. Экспериментальная часть 55
2.1 Выделение хитина и получение его дезацетилированного производного - хитозана 55
2.2 Определение характеристик хитозана 55
2.2.1 Потенциометр и чес кий метод определения степени дезацетилирования хитозана 55
2.2.2 Определение характеристической вязкости 56
2.2.3 Расчет средневесовой молекулярной массы 57
2.3 Методика механохимического модифицирования биополимеров в планетарно - центробежной и в вибрационно-шаровой мельницах 58
2.4 Изучение свойств исходных и механоактивированных образцов биополимеров 58
2.4.1 Рентгенофазовый анализ 59
2.4.2 Измерение удельной поверхности по методике БЭТ 59
2.4.3 Спектрофотометрический анализ 61
2.4.4. Методика термомеханического анализа 62
2.5 Методика карбоксиметилирования хитина и хитозана механохимическим способом 64
2.6 Анализ карбоксиметилированных продуктов 65
2.6.1 Кондуктометрическое определение содержания карбоксиметильных групп 65
2.6.2 Определение характеристической вязкости 66
2.6.3 Расчет средневесовой молекулярной массы 67
2.6.4 Съемка ИК-спектров образцов 67
2.6.5 Обработка результатов экспериментов 67
3. Обсуждение результатов 70
3.1 Структурные и физико-химические свойства хитина и хитозана, подвергнутых механохимическому модифицированию 70
3.2 Механохимическое модифицирование хитозана в присутствии пироксикама 84
3.2.1 Влияние механообработки на физико-химические свойства пироксикама 84
3.2.2 Механохимическое модифицирование хитозана в присутствии пироксикама 87
3.2.3 Молекулярно-топологическая структура супрамолекулярного комплекса хитозана с пироксикамом 97
3.3 Структура и свойства хитина и хитозана, модифицированных в присутствии монохлорацетата натрия и гидроксида натрия 99
3.4 Применения карбоксиметилированного хитозана в качестве индуктора болезнеустойчивости яровой пшеницы 112
Заключение 116
- Строение биополимеров
- Медицинские аспекты применения хитозана и его производных
- Карбоксиметилирование биополимеров
- Методика карбоксиметилирования хитина и хитозана механохимическим способом
Введение к работе
В развитии химии высокомолекулярных соединений весомый вклад вносят работы по изучению фазовой структуры конкретных высокомолекулярных композиций, полученных в тех или иных условиях. Установление топологической структуры и фазового состояния полимерных соединений, от которых зависит их реакционная способность при дальнейшем химическом модифицировании, становится актуальной задачей.
Одной из теоретических и экспериментальных проблем химической науки о высокомолекулярных соединениях является целенаправленное регулирование их строения и модификация функций физическими и химическими методами.
Очень актуальным в настоящее время является поиск методов модифицирования природных полимеров с целью расширения возможностей их использования в фармацевтической, пищевой, косметической отрасли промышленности, в сельском хозяйстве.
Природные полимеры - хитин и его дезацетилированное производное - хитозан, представляют особый интерес вследствие того, что они очень близки по структуре к муко поли сахар идам клеточных оболочек и внеклеточного вещества различных органов человека, доступности и воспроизводимости.
Ведущую роль в мире в части исследований по хитиновой проблеме и производству продукции занимает Япония. Именно в Японии с 1972 года впервые в мире начато производство хитина (хитозана), которое к настоящему времени достигло 2000 тонн в год.
В настоящее время повышается интерес к применению веществ, образующих супрамолекулярные комплексы с лекарственными веществами в качестве молекул "гостя". Исследование возможности использования хитозана в качестве носителя для лекарственных форм
-6-является актуальной задачей с точки зрения создания препаратов с повышенной скоростью высвобождения активного вещества.
В большинстве случаев, при приготовлении лекарственных форм носитель подвергают механообработке в виде измельчения или диспергирования, в результате чего происходят его структурные и химические превращения, безусловно, влияющие на свойства лекарственной формы, но практически этому не уделяется должного внимания. В связи с этим, актуальность исследования влияния механохимического модифицирования на структуру хитина и хитозана при образовании лекарственных форм, в частности с пироксикамом, относящегося к нестероидным противовоспалительным препаратам, очевидна. Недостатком пироксикама является его плохая растворимость в воде и, следовательно, пониженная биологическая доступность. Лимитирующей стадией процесса поглощения мало растворимых лекарств является скорость их растворения, таким образом, разработка способов ее повышения является актуальной задачей.
Интересным аспектом является изучение влияния на скорость высвобождения лекарственного вещества носителя, переведенного в водорастворимую форму. С этой точки зрения, актуальным является модифицирование хитина и хитозана при твердофазном получении их карбоксиметиловых эфиров. Растворимость этих производных в воде, а так же сохранение свойств, характерных для исходных биополимеров, обуславливает перспективность их получения и исследования.
При исследовании физико-химических свойств и структуры продуктов модифицирования биополимеров в условиях ударного воздействия твердых тел, в работе мы использовали метод термомеханической спектроскопии, который позволяет изучать молекулярно - топологическое строение полимеров любого состава, дает информацию о молекулярно - массовом распределении, о температурах
фазовых переходов, а также рентгенофазовый анализ, методы химического исследования и ИК-спектроскопии.
Целью данной работы является изучение структурных и химических превращений хитина и хитозана при образовании супрамолекулярного комплекса с пироксикамом и в реакции карбоксиметилирования в условиях механических напряжений ударного воздействия твердых тел.
Механизмы, происходящие в твердой фазе, вызывают интерес как с точки зрения изменения характерных для тех же процессов в жидкой фазе направленности и селективности, так и возможности протекания реакций модифицирования биополимеров с большими скоростями, что позволяет получать с хорошим выходом продукты нетипичные для аналогичных жидкофазных процессов.
В работе предложена модель механохимического модифицирования хитозана в присутствии пироксикама с образованием супрамолекулярного комплекса, характеризующегося повышенной скоростью растворения фармацевтического препарата. Супрамолекулярный комплекс, с хитозаном в качестве носителя, найдет применение в медицине, как пример получения препаратов с пониженным побочным эффектом лекарственного вещества за счет включения его в матрицу носителя. Карбоксиметиловые эфиры хитина и хитозана, помимо фармацевтики, найдут широкое применение и в других областях промышленности, в частности, в сельском хозяйстве.
Работа выполнена при поддержке совместного гранта Американского фонда гражданских исследований и развития и Минобрнауки РФ в рамках проекта «Научно-образовательный центр «Молекулярный дизайн и экологически безопасные технологии»».
Строение биополимеров
Однако практически нельзя получить продукт, содержащий в молекуле только остатки D-глюкозамина, и в хитозане обычно присутствует некоторое количество ацетамидных групп, число которых зависит от условий дезацетилирования хитина. 1.2.1 Строение хитина Широкое распространение хитина представляет своеобразную загадку природы, так как он обнаруживается в таких филогенетически далеко отстоящих группах организмов, как грибы, водоросли, безпозвоночные. Хитин можно рассматривать как целлюлозу, в которой гидроксильные группы у второго углеродного атома заменены ацетиламидными остатками. Хитин обладает упорядоченной стереорегулярной структурой [1]. В природе встречаются три типа хитинов: а-, (3-, и у- хитины, отличающиеся пространственным расположением цепей молекул и присутствием связанных молекул воды (рис. 1.1). Более открытый тип цепей имеет р-хитин, что сказывается на более интенсивном воздействии на его структуру химических реагентов. В концентрированной кислой среде (3- и у- хитины переходят в а- форму, а- Форма хитина наиболее широко распространена в природе и является более стабильной. Строение хитина, хитозана подобно фибриллярным «слоям», сложенным из «пачек» молекул, связанных водородными связями через амидные группы. Рисунок 1.1- Кристаллическая структура а-хитина а- и (3- Формы хитинов различаются тем, что «пачки» цепей в (3-хитине параллельны, а в а-хитине антипараллельны. «Пачки» цепей у-формы расположены по три, две из которых параллельны и одна антипараллельна [1]. а-Хитин - наиболее компактная, кристаллическая полимерная форма хитина. Наличие межслоевого расстояния в структуре, порядка 7—12 А позволяет использовать данные полисахариды в качестве биосовместимых, нетоксичных носителей для различных лекарственных веществ (ЛВ), с получением систем с контролируемым высвобождением лекарственного компонента. Фибриллярные макромолекулы очень гибки. Их молекулярная конфигурация изменяется под действием температуры. Фибриллярные макромолекулы в растительных и животных тканях соединены в пучки, образуя нить. Длинные и тонкие молекулы в пучках имеют многочисленные точки соприкосновения. В этих местах фибриллы молекулы соединяются между собой различными типами водородных связей [1]. Большое число таких связей делает фибриллы молекулы прочно связанными друг с другом, менее растворимыми, по сравнению, например, с глобулярными структурами.
Для ИК-спектра хитина характерно присутствие полос при 3265s, 3105m, 1635m, 1620w, 1550т,953ти393тсм"1[1,П]. В отличие от целлюлозы, хитин слабо набухает в растворах щелочей, не растворяется в растворителях, применяемых для целлюлозы, но растворяется в концентрированных минеральных кислотах и растворе тиоционата лития [1]. Хотя хитин напоминает целлюлозу, он обладает меньшей реакционной способностью во всех химических реакциях, что связанно с особенностями его надмолекулярной структуры. Цепи макромолекул хитина включены в сильные водородные связи, как по амидным и карбамидным группам, так и по оксигруппам. Muzzarelli R. А. А [11] указывает на отсутствие в структуре хитина свободных групп: гидроксильных, амидных, карбонильных, не включенных в водородную связь. При этом он полагает, что гидроксильная группа при шестом углеродном атоме, имея свободное вращение, может быть связана внутримолекулярной водородной связью с кислородом мостика и атомом азота в соседней глюкозаминной единице. Структура хитина была предложена Dweltz [12, 13] для образцов, выделенных из омаров. Его исследования показали, что структура биополимера имеет орторомбическую ячейку с пространственной группой симметрии P2i22i с параметрами решетки: а = 4,69 A; b = 19,13 А; с = 10,43 А. Также он доказал, что элементарная ячейка состоит из двух полисахар иди ых цепей, расположенных в противоположных направлениях и четырех асимметричных N—ацетил глюкозами новых единиц. Цепи располагаются на расстоянии 4,69 А перпендикулярно плоскости сахарного кольца и соединены водородными связями, образованными амидной и карбонильной группами. В плоскости амидная группа находится в транс- кон формации, перпендикулярно фибриллярной оси. Гидроксиметильные части цепи также связаны водородными связями. Постулируя аналогию между целлюлозой и хитином, в работах [12, 13] доказали, что пространственная формула хитина состоит из пиранозных колец связанных 1-4 типом связи. Ими была выдвинута концепция хитобиозной единицы аналогично целлобиозной единицы в целлюлозе. Хитобиозная единица, представленная ими, состоит из двух смежных пиранозных колец подобных вдоль цепи, но не идентичных кристаллографически. Элементарная ячейка состоит из четырех хитобиозных единиц. Строение и физико-химические свойства наиболее хорошо изучены у хитина ракообразных, в частности, крабов. После стандартных методов очистки кислотами и щелочами хитин крабов представляет собой твердое вещество белого или кремового цвета. При исследовании хитина, полученного из других природных источников, установили, что некоторые свойства этого биополимера варьируют в зависимости от систематического положения организма [14-17].
Хитины, полученные из различных природных источников, отличаются и по степени кристалличности. Так, хитин грибов имеет более низкую степень кристалличности, чем хитин ракообразных [1, 3, 12]. Как уже отмечалось, хитин является менее реакционно-способным, чем целлюлоза, при его химической модификации, что связано с его надмолекулярной структурой, наличие более сильных водородных связей и меньшей активной поверхности, что следует из определения количества незамерзающей воды и измерения теплот набухания хитина и целлюлозы [2, 15-17]. В отличие от целлюлозы, в хитине имеется только две гидроксильные группы, которые могут участвовать в химических превращениях и образовывать дизамещенные производные биополимера. Однако, вследствие их малой реакционной способности, обычно полное замещение не достигается. Примерами модификаций хитина является образование простых и сложных эфиров. Под действием концентрированных минеральных кислот хитин подвергается полному или частичному гидролизу. При полном кислотном гидролизе биополимера образуется глюкозамин и эквимолекулярное количество уксусной кислоты. 1.2.2 Строение хитозана Рентгенографические исследования хитозана показывают, что он имеет ту же кристаллическую решетку, что и хитин, но меньшую упорядоченность макромолекул [1, 11, 18—20]. Хитозан имеет достаточно сложную морфологическую структуру и в твердом состоянии содержит как аморфную, так и кристаллические фазы. Аморфная составляющая имеет три температурных перехода: температура плавления первого = 23 С; температура плавления второго = 55 С; температура плавления третьего = 105 С [21]. В свете представлений Кабанова и Бакеева о доменной модели надмолекулярного строения полимеров, температурные переходы были отнесены к возникновению подвижности в разных областях аморфных участков полимерных цепей: первый переход относится к междоменным областям; второй к доменной низкой плотности и третий к расстекловыванию доменов высокой плотности [21, 22]. Хитозан, макромолекулы которого имеют в аморфных областях высокую плотность водородных связей при нагревании, вплоть до температуры разложения, не достигает высокоэластического состояния. Однако при набухании в кислотах или при пластификации его низкомолекулярными соединениями, способными разрывать водородные связи (вода) можно получать хитозан в высокоэластическом состоянии, что связано с разрывом водородных связей и переходом некоторой части макромолекул хитозана, включенных в домены, в низкоорганизованные структурные области.
Медицинские аспекты применения хитозана и его производных
Несмотря на значительные успехи современной медицины в области лечения инфекционных и паразитарных заболеваний, проблема детоксикации и иммунокоррекции организма остается по-прежнему острой. Использование современных средств является в основном этиологической терапией, направленной на причинный фактор болезни, но не затрагивающей всех ее патогенетических звеньев [5, 6, 47-50]. Поиск новых веществ для энтеральной сорбции, обладающих селективной поглощающей активностью, является важным направлением в совершенствовании эффективных методов детоксикации. 1.4Л Хитозаи — носитель лекарственных форм Свойства хитозана, такие как биологическая активность, нетоксичность, биосовместимость и биоусваиваемость привлекают большое внимание фармацевтические и биомедицинские области. ЬСатионный характер, присутствие реакционное пособных функциональных групп дают возможность использования хитозана в контролируемо-высвобождаемых технологиях [33, 34, 37, 50]. Известно, что хитозаны со степенью дезацетилирования 65-99 % и средневесовои молекулярной массой: 30 — 170-Ю5, прочно связываются с эпителием, что повышает апикальную проницаемость мембраны [47, 49]. Однако, несмотря на преимущества хитозана, ряд вопросов остаются нерешенными. Например, остается открытым вопрос влияния потребления хитозана на функции гормональной и ферментной систем организма и ряд других [47]. С этой точки зрения, в настоящее время проводятся комплексные исследования препаратов, содержащих хитозан. Оральный путь особенно популярный и практичный путь доставки терапевтического агента. Однако он не всегда является самым подходящим для некоторых активных соединений, в частности нестероидных противовоспалительных лекарств, вызывающих воспаление слизистой желудка или плохо адсорбируемых [34, 50, 51]. Контролируемо-испускающие технологии появились в практике с 1980 года. Основаны на регулировании скорости испускания лекарства и его администрирования в организме пациента. За последние несколько лет, хитозан был широко оценен как потенциальное связующее вещество для лекарств назначаемых орально [37, 50-54]. Так как таблетки все еще рассматриваются как альтернативная дозирующая форма, ранние исследования привели к использованию хитозана в качестве таблетирующего агента.
Кауашила и др [55] изучали действие хитозана в приготовленных таблетках, содержащих аспирин. Показано, что присутствие биополимера улучшает непрерывное высвобождение аспирина по сравнению с таблетками, основанными на обычном разбавителе. Язвенный индекс был интересной особенностью, измеряемой для подтверждения предположения, что хитозан уменьшает наиболее распространенные побочные эффекты аспирина, раздражения желудка. На производных хитозана (глютомат хитозана) также изучалась их способность увеличивать доставку кишечных пептидных лекарств, открывая эпителиальные плотные места через которые транспортировались пептидные фармацевтические препараты [53]. Измерением трансепителиальных электрических сопротивлений было показано увеличение проницаемости эпителиальной клетки монослоя в vitro в присутствии глютомата хитозана. Что доказывало прямое взаимодействие катионного полимера с отрицательно заряженной мембранной стенкой. В работе [56] проводилось исследование хитозанового матрикса связанного парами формальдегида с рифампицином. Наблюдали увеличение скорости растворения и растворимости фармацевтического препарата с хитозаном в качестве носителя. Причем в первые несколько часов растворимость была максимальна, а затем понижалась до определенной равновесной концентрации. При этом время воздействия паров альдегида влияло на свойства высвобождения лекарства из хитозанового матрикса. Также в литературе описывается приготовление оральных хнтозановых микросфер, используя суспензионную или эмульсионную процедуру. Такие препараты, как диклофенак натрия, фуроцемид, индометацин, нифедипин использовались в качестве лекарственных веществ (ЛВ), основанных на хитозановых микросферах [57]. Исследование полученных смесей показало, что высвобождение ЛВ описывается в основном псевдо-первым порядком, скорость испускания ЛВ несколько медленнее происходит в желудочной среде, чем в кишечной. В работе [33] исследовали различные параметры хитозана, значимые при испускании ЛВ. Среди изученных параметров (время взаимодействия, молекулярная масса (Mr) биополимера, его концентрация, рН раствора), Mr биополимера и его содержание были наиболее значимыми при испускании фармацевтического препарата, в частности, бычьей сыворотки альбумина. В дальнейшем было предположено, что хитозановые мембраны могут быть представлены как защита продукта от деструкции и деградации в желудочной жидкости. Дубинской A.M. и соавторами было исследовано влияние полимера на скорость растворения глизиофульвина (ГФ) при совместном механическом диспергировании [54]. Показано, что механическое диспергирование в присутствии хитозана приводит к более резкому повышению скорости растворения, чем диспергирование чистого ГФ.
При увеличении количества полимера в смеси и продолжительности диспергирования скорость растворения ГФ возрастает. 1.5 Механическая активация высокомолекулярных соединений Первые систематические исследования в области трибохимии высокомолекулярных соединений были проведены в 1920-х годах, когда было обнаружено, что механическая активация полимеров приводит к уменьшению молекулярной массы и деструкции макромолекул [58]. Способность молекул к разрыву под влиянием сравнительно небольших механических сил присуща только высокомолекулярным соединениям и связана как с размерами, так и с линейным строением полимеров. Первоначально большинство работ по механохимии проводилось с допущением, что полимеры — это достаточно однородные тела с равномерным распределением механических напряжений. Однако, ввиду представлений о надмолекулярной структуре, существующей почти во всех полимерных телах, влияние механических напряжений на макромолекулы полимеров было переосмыслено [58 - 60]. Более определенные данные относительно химических превращений макромолекул в процессах механической переработки были получены позже Штаудингером [59], который в качестве объектов исследования использовал каучук, полистирол, хлопок, нитроцеллюлозу и еловую древесину, а в качестве механического воздействия - измельчение в шаровых мельницах. Им было впервые показано, что в результате механического воздействия на макромолекулы вязкость их растворов уменьшается, что он объяснял разрывом главных валентных связей. Работы Штаудингера были развиты теоретически и экспериментально Гессом [60, 61] в применении к вибрационному измельчению целлюлозы. В настоящее время хорошо известно, что кроме химических явлений, электрическая активность механического воздействия на полимеры может сопровождаться целым рядом физических явлений: люминесценцией [62— 69], электронной эмиссией [70-79], появлением окраски [80], изменением ИК-спектров [81-86] и т.д. Многообразие механохимических явлений позволяет классифицировать их по отдельным признакам [70, - 72]. Механохимические процессы можно различать по источнику инициирующих их сил, природе исходных объектов, механизму инициирования. Внешнее механическое воздействие является одним из наиболее интересных и эффективных приемов увеличения подвижности в твердых телах, приводящее к неупругим деформациям и пластическому течению [71, 83-86]. Пластическая деформация - есть формоизменение твердого тела, то есть процесс переноса массы в нем, перемещения его частиц под воздействием внешнего силового поля.
Карбоксиметилирование биополимеров
карбоксиметилирования является одним из широко используемых способов получения несимметричных простых эфиров при взаимодействии алкоксидов с алкилгалогенидами. Реакции О-алкилирования и этерификации могут быть осуществлены различными способами. Химическая реакция О-алкилирования древесины галогеналкилами (реакция Вильямсона) протекает по схеме [131-133]: nR-OH + nR Cl + nNaOH nR-O-R + nNaCl + nH20, где R-целлюлозный, лигнинный или гемицеллюлозный компонент; R -метил- этил- карбоксиметил-, бензил- и др. Для веществ с более высокой кислотностью, чем алифатические спирты, примером которых можно назвать хитин и его производное хитозан, в качестве основания используют гидроксиды щелочных металлов [133]. В настоящее время особенно хорошо изучено получение натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы (Na-КМЦ), которое впервые было осуществлено Янсоном в 1918 году [134]. Для синтеза Na-КМЦ (или целлюлозогликолевой кислоты) и ее гомологов он предложил обрабатывать алкал ицеллюлозу в водно-щелочной среде монохлоруксусной кислотой (МХУК) или,соответственно, другими а-галогензамещенными кислотами. По мере замещения водорода в гидроксильных группах целлюлозы на -CH2COONa группу, образующийся простой эфир целлюлозы приобретает такие свойства, как растворимость в воде и способность образовывать вязкие растворы. Первые синтезы натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы в России были проведены еще в 30-е годы [135]. Получение продуктов высоко - и равномерно замещенных с заданными свойствами зависят от условий проведения синтеза [132—134]: соотношения исходных, взаимодействующих веществ; порядка добавления веществ в реакционную массу; температуры мерсеризации и непосредственно карбоксиметилирования; общей продолжительности синтеза и продолжительности отдельных стадий; природы и объема используемого растворителя; вида используемого сырья; наличием и интенсивностью протекания побочных реакций. Для практических целей оптимальные условия, как правило, подбираются с целью сведения к минимуму протекания побочных реакций. Существуют различные способы получения карбоксиметилированных продуктов (периодические, полунепрерывные, непрерывные), которые, в зависимости от условий синтеза, подразделяют на гетерогенные (твердофазные) и суспензионные (жидкофазные).
При этом наличие жидкой фазы при суспензионном способе карбоксиметилирования обеспечивает протекание наряду с основной реакцией и побочной реакции гидролиза: монохлорацетата натрия и гидроксида натрия с образованием гликолята натрия и хлорида натрия. CICH2COONa + NaOH HOCH2COONa + NaCI Одновременное протекание этих двух реакций лимитирует степень замещения, лимитирует тот факт, что натрий-КМЦ — полиэлектролит. Вследствие накопления заряда, действующий агент не может подойти к цепи из-за отталкивания одноименных зарядов карбоксиметилированных продуктов. Причем скорость гидролиза возрастает с повышением температурьт, количества водного раствора щелочи в реакционной массе [131-135]. Для получения карбоксиметилированной целлюлозы предложены как суспензионные [136—] так и твердофазные методы [142-145]. Однако, большую распространенность получили суспензионные методы благодаря высокому коэффициенту использования алкилирующего реагента и возможности получения более однородных продуктов. Петропавловский Г.А. с соавторами [138] разработали метод получения низкозамещенных однородных препаратов КМЦ (у—2-5-24), имеющие высокую степень полимеризации, которые растворимы в 4-6 % растворе NaOH при замораживании. Влияние условий синтеза на скорость карбоксиметилирования хлопкового линтера и древесной массы было изучено в [139]. Установлено, что оптимальными условиями являются: продолжительность синтеза 1,25 ч при 160 С и при соотношении реагентов МХУК: древесная масса -4:1 (масса в %). Степень замещения (СЗ) и кинетика реакции карбоксиметилирования в среде этанола, ацетона и их смеси изучались в [146], было показано, что стапень замещения продуктов, полученных в смесях растворителей выше, чем полученных в чистых этаноле и ацетоне. Выделено 2 этапа реакции — соответствующий изменениям менее организованных областей с большей скоростью реакции и изменениям более организованных областей с меньшей скоростью реакции. Растворимость селективно замещенных в С2 и С3 положениях карбоксиметиловых эфиров целлюлозы изучалась в [147]. Авторами было показано, что наименьшим значением степени замещения водорастворимой 2,3-О-КМЦ является СЗ = 0,3. В настоящее время продукты карбоксиметилирования находят широкое применение в промышленности, а сам процесс карбоксиметилирования интенсивно изучается. Примером являются работы [148—152] в которых карб оке им етил ирование рассматривается как метод утилизации отходов сельскохозяйственной переработки (жома сахарного тростника, рисовой соломы, джута, отходов хлопка, деревообработки и т.д.). 1.7.2 Поведение хитина, хитозана в реакции карбоксиметилирования Одним из способов алкилирования хитина и хитозана является получение гидрофильных карбоксиметиловых эфиров биополимеров. В патентной литературе предложены способы получения водорастворимых солей карбоксиметилированных биополимеров, обработкой щелочного хитина или хитозана монохлоруксусной или а-хлорпропионовой кислотами [11, 42, 50].
При неизбирательном взаимодействии монохлоруксусной кислоты или ее натриевой соли с макромолекулой биополимера происходит электрофильное замещение атомов водорода у гидроксильных групп мономерного звена хитина, гидроксильных и, частично, аминной групп мономерного звена хитозана. Изучение кинетики карбоксиметилирования хитина, растворенного в щелочи, проведено в работе [153]. Показано, что при повышении концентрации гидроксида натрия до 15-20 % и температуры до 20-30 С скорость реакции резко возрастает. При этом, повышение температуры реакции способствовало выпадению осадка из щелочного раствора, что было объяснено отщеплением ацетильной группы и образованием хитозана. Полученные образцы натриевой соли карбоксиметилиро ванно го хитина (Na-KMX) подвергли кислотному гидролизу. Хроматографический анализ продуктов гидролиза показал, что замещение в основном протекает по шестому углеродному атому кольца. При комнатной температуре реакция протекает наиболее полно и достигается степень замещения 0,8-1,0. Повышение температуры реакции до 40-60С ускоряет гидролиз монохлоруксусной кислоты, что уменьшает количество алкилирующего реагента на основную реакцию. В работе [И] описан новый способ получения КМХ, предлагающий предварительную активацию хитина диметилсульфоксидом. Таким путем был синтезирован карбоксиметилхитин со степенью замещения 0,99, хорошо растворимый в воде. Водные растворы Na-KMX обладали полиэлектролитными свойствами, то есть при разбавлении их растворов наблюдалось повышение приведенной вязкости. Авторами предложены условия получения КМХ, при которых щелочной хитин обрабатывается монохлоруксусной кислотой (3 моля) при комнатной температуре в течение 20 часов [154]. При этом не происходит гидролиза ацетильной группы у аминного азота. Показано, что гигроскопичность КМХ при 100% относительной влажности больше соответствующей карбоксиметилцеллюлозы. Для получения избирательно N-карбоксиметилированого хитозана разработан способ, заключающийся в обработке хитозана на первой стадии гликолевой кислотой с получением оснований Шиффа (N-карбоксиметилиденхитозан), с последующим восстановлением его раствором цианборгидрида натрия до N-карбоксиметшгхитозана [155, 156]. Образцы представляли собой белые порошки, растворимые в воде. Было показано, что после обработки N-карбоксиметилиденхитозана раствором цианборгидрида натрия, вязкость его растворов значительно увеличивается.
Методика карбоксиметилирования хитина и хитозана механохимическим способом
В данном способе карбоксиметилирования хитина и хитозана, включающим обработку исходного биополимера едким натром и натриевой солью монохлоруксусной кислоты, указанные компоненты смешивали в твердой фазе и подвергали интенсивному механическому воздействию в мельницах планетарно-центробежного и вибрационно-шарового типа, в течение 5-20 мин при комнатной температуре, с мольным соотношением компонентов: 1:1:1. В качестве исходного биополимера был использован как хитин, так и хитозан. Режимы синтеза были установлены экспериментально. При времени воздействия на смесь механических импульсов менее 5 минут, реакция протекала с малым выходом конечного продукта, при времени воздействия более 20 минут, показатели свойств получаемых карбоксиметиловых эфиров были мало отличимы. Мольное соотношение компонентов: 1:1:1 также наиболее подходящее для получения эфиров с высокой степенью замещения функциональных групп. Данный способ направлен на разработку метода карбоксиметилирования природных полисахаридов, не требующего предварительной активации водными растворами щелочей, синтез проводили без использования растворителей, так как реакция проводилась в твердой фазе. Карбоксиметилирование осуществлялось следующим образом: навески воздушно-сухих хлопьев (влажность 5-7 %) хитина или хитозана (2.0 г), твердого гидроксида натрия марки х.ч. (1,1 г или 0,54 г) и твердого монохлорацетата натрия марки х.ч. (2,8 г или 1,9 г) смешивали и помещали в барабан механоактиватора, включали его в рабочий режим на 5-20 минут при 20 С без добавления воды. Синтез проводили в твердой фазе, в двух видах мельниц: планетарно - центробежной ПЦМ с силой воздействия на шар 20 g и водяным охлаждением барабанов; в вибрационно-шаровой SPEX 8000, с силой воздействия на шар 8 g. В результате синтеза были получены водорастворимые карбокс иметилиро ванные продукты. Растворимость в воде: 22,3 - 91,2 %, характеристическая вязкость: 0,67-0,03 мл/г.
Полученные продукты отмывали от не прореагировавших реагентов (NaOH и CICH2COONa) подкисленным раствором этанола (рН — 5) и чистым этанолом до отрицательной реакции на хлоридионы и нейтральной среды по фенолфталеину. Карбоксиметилированные эфиры исследовали кондуктометрически, на содержание карбоксиметильных групп, методом ИК-спектроскопии. 2.6. Анализ карбоксиметилированных продуктов 2.6.1. Кондуктометрическое определение содержания карбоксиметильпых групп в образце Определение содержания карбокс иметильных групп проводили методом кондуктометрического титрования [169]. Навеску 0,3-0,4 г образца средней или высокой степени замещения или 1,0 г образца с низкой степенью замещения взвешивали в бюксе и сушили в течение 1 ч при 100-105 С. Охлаждали в эксикаторе и взвешивали с точностью до 0,001 г. Помещали содержимое бюкса в колбу на 250 мл. Бюкс взвешивали для получения точной массы навески. Добавляли в колбу 15 мл 70 % этанола и оставляли на 10 мин. Приливали 200 см3 кипяченой дистиллированной воды и 3 мл 0,5 н раствора гидроксида натрия. Образец встряхивали до растворения или до тех пор, пока он не диспергируется. Переносили раствор в ячейку и титровали 0,4 н раствором соляной кислоты, приливая порции по 0,3 мл. По полученным значениям строили кривую титрования. Экстраполируя 3 линейных участка кривой, получали пересечением две точки и определяли объемы раствора СОЛЯНОЙ КИСЛОТЫ V; и V2 , соответствующие этим точкам. Определения проводили на кондуктометре АНИОН-410. Содержание карбоксиметильных групп (КМГ) рассчитывали по формуле: КМГ = (Уг-УЛ- ип-59 g где Vt - точка, в которой заканчивается титрование добавленной к раствору щелочи и начинается титрование КМГ; V2 - точка, в которой заканчивается титрование КМГ и начинает титроваться избыток щелочи; NHCI- нормальность кислоты, моль/л; 59 — грамм-эквивалент карбоксиметильной группы; g — навеска образца, г. Абсолютная суммарная погрешность результатов измерения содержания карбоксиметильных групп составила ± 0,6 % при доверительной вероятности Р = 0,96. 2.6.2. Определение характеристической вязкости (frjj) Навески образцов помещали в конические колбы (100 мл), заливали 50 мл 0,2 М раствора хлорида натрия [162]. Далее определение характеристической вязкости проводили аналогично определению данного параметра у исходных образцов биополимеров (см. методику 2.2.2). Измерения проводили с растворами продуктов концентраций: 0,05 г/мл, 0,1 г/мл и 0,3 г/мл. Абсолютная суммарная погрешность результатов определения характеристической вязкости составила + 0,6 % при доверительной вероятности Р = 0,95. 2.6.3. Расчет средневесовой молекулярной массы (Mw) Расчет средневесовой молекулярной массы карбоксиметилированных продуктов проводили по схеме рассмотренной ранее (см методику 2.2.3.) [162]. 2.6.4 Съемка ИК-спектров образцов ИК-спектры изучаемых образцов регистрировались на спектрометре Vector 22 в диапазоне частот 4000—400 см с программным обеспечением OPUS 3.0. Для съемки спектров прессовались таблетки, содержащие 1 мг анализируемого образца и 150 мг бромида калия.
Так как длительность измельчения образца сильно влияет на интенсивности полос поглощения спектров [170], таблетки готовили в одинаковых условиях. Образец размалывался в шаровой мельнице с 10 мг КВг в течение 30 сек, далее к смеси добавляли - 80 мг бромида калия и измельчали в течение еще 30 сек. После прибавления оставшегося бромида калия смесь измельчали еще 1 минуту. Из полученного порошка прессовали таблетку, которую затем взвешивали для установления точного содержания в ней образца. Для каждого образца готовилось 3 таблетки, с которых регистрировались ИК-спектры. 2.6.5 Обработка результатов экспериментов Точностью результата анализа называют его воспроизводимость. Правильностью результата анализа называют его близость к истинной величине. Любое измерение имеет свою определенную погрешность, связанную с ограниченной точностью приборов, нестабильностью в их работе и особенностями метода. Ошибку может вызвать и неправильный отбор средней пробы исследуемого вещества и т.д. Ошибки подразделяют на три группы - систематические, случайные и грубые (промахи). Систематические ошибки вызывают однотипные отклонения от истинного значения. Они являются следствием неправильности в показаниях приборов, неточности методики измерений и односторонности внешних воздействий. Случайные ошибки определяются случайными причинами, помехами и зависят от несовершенства приборов и органов чувств наблюдателя. Отличием случайных ошибок от систематических является то, что с увеличением числа измерений можно уменьшить их величину. Эта особенность связана с тем, что значения случайных ошибок с одинаковой степенью вероятности могут быть как положительными, так и отрицательными [170, 171]. Грубые ошибки - промахи, зависят от неверных отчетов и недостаточной тщательности в работе. Величины, полученные с грубыми ошибками, отбрасывают. Мы предполагаем, что систематические ошибки нами исключены и, поэтому, даем оценку только случайных ошибок. Среднее отклонение. Истинное значение величины оценивали по арифметическому среднему из измеряемых значений. Усреднялись отклонения всех измеряемых значений, в результате чего получали величину среднего отклонения D, часто называемого средней ошибкой. Среднее отклонение является мерой разброса множества данных. Таким образом, при наличии N измеряемых значений X имеем:
