Содержание к диссертации
Введение
2. Карбоксиалкилированные хитозаны: получение и свойства 6
2.1. Основные методы карбоксиалкилирования хитозана 6
2.1.1. Карбоксиалкилирование в реакциях нуклеофильного замещения 7
2.1.2. Восстановительное карбоксиалкилирование 21
2.2. 1-Карбоксиэтилхитозаи: получение и свойства 25
2.3. 2-Карбоксиэтилхитозаи: получение и свойства 28
2.3.1. Карбоксютилирование реакциями нуклеофильного замещения 28
2.3.2. Карбоксютилирование реакциями нуклеофильного присоединения 30
2.3.3. Свойства 2-карбоксютилхитозана 36
3. Обсуждение результатов 40
3.1. N-2-карбоксиэтилирование с использованием реакций замещения 40
3.1.1. N-2-Карбоксизтилирование в кислых условиях 40
3.1.2. N-2- Карбоксизтилирование в присутствии неорганического основания 44
3.1.3. N-2-Карбоксизтилирование в присутствии органического основания 51
3.1.4. N-2-Карбоксютилирование с использованием ультразвукового воздействия 52
3.1.5. N-2-Карбоксизтилирование методом «синтез в геле» 55
3.2. N-2-Карбоксиэтилирование с использованием реакций присоединения 58
3.2.1. N-2-Карбоксизтилирование пропиолактоном 58
3.2.2. Восстановительное N-2- карбоксизтилирование 59
3.2.3. N-2- Карбоксизтилирование акриловой кислотой и ее солями 61
3.2.4. N-2-Карбоксиэтилирование В-акрилоилоксипропионовой кислотой 71
3.3. Молекулярная структура 74
3.4. Комплексующие и сорбционные свойства 86
3.4.1. Комплексообразование№(2-карбоксизтил)хитозана 86
3.4.2. Строение координационной сферы медного комплекса №-(2-карбоксизтил)хитозапа 92
3.4.3. Сорбционные материалы на основе №(2-карбоксиэтил)хитозана 100
3.5. Биоактивные свойства .108
3.5.1. Энзиматическая деструктируемость ії-(2-карбоксизтил)хитозана 109
3.5.2. Антигенотоксичная активность 1У-(2-карбоксютил)хитозана 111
3.5.3. Активность №(2-карбоксиэтил)хитозана по отношению к вирусу табачной мозаики 112
3.5.4. Активность №(2-карбоксиэтил)хитозана по отношению к патогенному грибу пшеницы - Septoria nodorum 114
3.5.5. Стоматологические материалы на базе М-(2-карбоксиэтил)хитозана 115
4. Экспериментальная часть 122
4.1 Использованные методы и оборудование 122
4.2. Характеристики использованных реагентов 123
4.3. Синтез исходных и вспомогательных реагентов 123
4.3. N-2-карбоксиэтилирование с использованием реакций замещения 128
4.4. N-2-карбоксиэтилирование с использованием реакций присоединения 131
4.5. Синтез сорбентов 134
4.6. Аналитические методики 134
4.7. Исследование биоактивных свойств 1У -(2-карбоксиэтил)хитозана 136
5. Выводы 139
Список литературы 140
- Карбоксиалкилирование в реакциях нуклеофильного замещения
- Молекулярная структура
- Стоматологические материалы на базе М-(2-карбоксиэтил)хитозана
- Синтез исходных и вспомогательных реагентов
Введение к работе
Актуальность работы Хитозан — полисахарид, строение которого практически идентично строению целлюлозы, однако вместо гидроксильной группы у второго атома углерода пиранозного цикла он содержит аминогруппу В отличие от целлюлозы и своего природного предшественника хитина, из которого его получают путем дезацетилирования, хитозан обладает существенно лучшей реакционной способностью Первичная аминогруппа - более сильный нуклеофил, чем гидроксильная, ее наличие обеспечивает полимеру способность растворяться в водных растворах кислот, поэтому в отличие от целлюлозы и хитина некоторые химические реакции с хитозаном можно проводить в гомогенных водных или водно-метанольных средах Сорбенты на основе хитозана используются для поглощения ионов большинства металлов Благодаря высокой биологической активности хитозана его использование в биологии и медицине привело к настоящему "хитозановому буму" В настоящее время существуют методы промышленного производства хитозана, он является вполне доступным и достаточно дешевым полимером, что создает прекрасные предпосылки для разработки новых видов сорбентов, биосовместимых и биобезопасных материалов на его основе
Одним из магистральных направлений модифицирования хитозана является карбоксиалкилирование Образующиеся в результате такой модификации производные аминокислот являются более сильными комплексообразователями, чем исходный хитозан Ковалентное модифицирование хитозана остатками карбоновых кислот придает молекуле амфолитный характер, обеспечивает растворимость субстратов в широком интервале рН, повышает адгезионные свойства полимера к различным поверхностям, в особенности, к поверхностям биологического происхождения, что позволяет использовать карбоксиалкилхитозаны в качестве компонентов клеев для медицинских целей Благодаря биологической активности карбоксиалкильных производных хитозана можно рассчитывать на их применение в различных областях жизнедеятельности человека
Широко известны карбоксиметильные производные хитозана, которые обладают антибактериальной, антифунгийной активностью, используются для ускорения восстановления живых тканей, в системах доставки лекарств
Карбоксиэтильные производные хитозана описаны в ограниченном количестве работ, наличие остатка р-аланина в совокупности с целлюлозоподобной матрицей открывает широкие перспективы для высокоселективного комилексообразования с
ионами переходных металлов I Хорошо известная биологическая активность производных р-аланина в сочетании с хитозановой основой позволяет рассчитывать на биологические аспекты применения указанных производных Таким образом, задача разработки методов синтеза и исследования свойств карбоксиэтилхитозанов является актуальной, поскольку их применение потенциально шире и перспективнее по сравнению с исходным хитозаном
Цель работы. Разработка методов синтеза 1Ч-(2-карбоксиэтил)хитозана на основе комплексного изучения1 активности хитозана в реакциях замещения и присоединения по Михаэлю, исследование биоактивных свойств продукта и его адсорбционной способности к ионам металлов для формирования на его основе материалов, имеющих полезное прикладное значение
Научная новизна.
Впервые систематически изучено 2-карбоксиэтилирование хитозана с использованием реакций замещения и присоединения по Михаэлю, выявлены оптимальные реагенты и условия для проведения реакции в растворе
Разработан принципиально новый подход осуществления полимераналогичных превращений хитозана (2-М-карбоксиэтилирования) на основе проведения реакций в геле, сформированном из доступных исходных реагентов
Определены закономерности формирования различной надмолекулярной структуры (сшитой или линейной) в зависимости от используемого реагента и условий проведения реакции
Обнаружены антимутагенные и фунгифильные свойства N-(2-карбоксиэтил)хитозана Предварительные исследования показали способность субстрата к ферментативному биоразрушению
Установлены строение координационной сферы медных комплексов модельных N-2-карбоксиэтилированных алканоламинов и комплексующие свойства №(2-карбоксиэтил)хитозана, предложено строение преимущественно образующихся комплексов последнего в растворе и конденсированной фазе
Показана высокая селективность сорбции М-(2-карбоксиэтил)хитозанов по отношению к ионам меди (II) в смеси ионов ряда Ирвинга-Уильямса в области низких концентраций
Практическая ценность. Предложен ранее не известный экспериментально удобный и технологичный метод получения полимера - М-(2-карбоксиэтил)хитозана -с использованием практически доступных реагентов методом «синтез в геле»,
который может быть внедрен в промышленное производство На основе продукта со сшитой структурой получен сорбционный материал, для которого установлены высокая емкость сорбции и селективность по отношению к ионам меди (II) при низкой концентрации соответствующего металла в растворе Это делает данный полимер перспективным для использования как в гидрометаллургических производствах, так и при очистке сточных вод от ионов тяжелых металлов Для водорастворимого в широкой области рН полимерного продукта с линейной структурой выявлены полезные биоактивные свойства, предварительные исследования показали биобезопасность полученного полимера Предложено формировать на его основе клеевые композиции для стоматологических целей, обладающие хорошей адгезией и защитными функциями по отношению к материалам съемных зубных протезов
Апробация и публикация работы. Основные результаты диссертации
доложены на Международной конференции «The carbohydrate workshop» (Германия,
Постов, 2003), XVI Уральской конференции по спектроскопии (Новоуральск, 2003),
VII Международной конференции «Современные перспективы в исследовании хитина
и хитозана» (Санкт-Петербург - Репино, 2003), VII научной школе-конференции по
органической химии (Екатеринбург, 2004), Международной конференции «Internation
Symposium on Advances m Synthetic, Combinatorial and Medicinal Chemistry» (Москва,
2004), 7-м Международном семинаре «Scientific Advances in Chemistry Heterocycles,
Catalysis and Polymers as Driving Force» (Екатеринбург, 2004), 6-й Международной
конференции Европейского хитинового общества (Польша, Познань, 2004), IV
Баховской конференции по радиационной химии (Москва, 2005), 7-м Азиатско-
тихоокеанском симпозиуме по хитину и хитозану (Корея, Бузан, 2006), 8-й
Международной конференции «Современные перспективы в исследовании хитина и
хитозана» (Казань, 2006), Международной научно-технической конференции
«Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья» (Екатеринбург,
2006), Международном симпозиуме по молекулярной архитектуре полимеров «От
структуры к функциональному контролю» (Венгрия, Будапешт, 2006), IV
Национальной кристаллохимической конференции (Черноголовка, 2006), 10-й
Международной конференции по хитину и хитозану (Франция, Монпелье, 2006),
Международной конференции «Теоретические аспекты использования сорбционных и
хроматографических процессов в металлургии и химической технологии»
(Екатеринбурі, 2006) По материалам работы опубликованы 1 монография, 9 статей в
российских и международных журналах, 4 статьи в сборниках, 1 патент и 13 тезисов
докладов !
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, пяти глав (обсуждение результатов), экспериментальной части, выводов и списка цитируемой литературы, содержащего 165 наименований Диссертация изложена на 153 страницах, содержит 31 рисунок и 40 таблиц
Карбоксиалкилирование в реакциях нуклеофильного замещения
Сущность метода карбоксиалкилирования в щелочной среде состоит во взаимодействии хитина или хитозана с го-галогенкарбоновой кислотой путем нуклеофильного замещения при высоких значениях рН:
Отличия в методах осуществления данной реакции состоят как в способах предподготовки хитозана, так и в условиях процесса карбоксиалкилирования (мольное соотношение, концентрация реагентов, температура, давление и другие специфические условия). Как следствие полученные продукты имеют различную степень замещения и распределение заместителей внутри структурного звена и вдоль цепи полимера. Отдельное рассмотрение закономерностей карбоксиалкилирования хитина и хитозана возможно не всегда, т.к. хитозан может иметь различную степень дезацетилирования и нельзя провести четкую грань между тем, где кончается хитин и начинается хитозан.
Поскольку природный хитин является высоко кристаллическим полимером, его реакционная способность, а также и хитозана, как его производного, зависит от способа выделения и обработки исходного материала. Поэтому особое значение имеет предварительная подготовка полимера, позволяющая значительно увеличить его реакционную способность путем разрыхления надмолекулярной упаковки и увеличения доступности функциональных групп. Все такие приемы по природе воздействия можно разделить на два класса: химические и физические.
Из химических методов наиболее распространенным является выдерживание хитозана в растворе гидроксида натрия в течение 3-12 ч [6-Ю]. При этом оказывается, что решающее значение имеет концентрация щелочи, которая сильно влияет на степень замещения [9-Ю] - оптимальная концентрация 50%. Теоретически эффект воздействия водного раствора щелочи можно трактовать как пластифицирующий эффект воды, катализируемый анионами гидроксила, поскольку они имеют меньший размер, чем молекулы воды, легче проникают внутрь кристаллических структур, то есть в конечном итоге осуществляют как меж-, так и внутри доменную пластификацию. Сольватация полярных групп приводит к разрушению водородных связей и к уменьшению межмолекулярного взаимодействия. Определенное влияние оказывает и температура [8], хотя обычно она соответствует комнатной. Использование отрицательных температур [11] связано с необходимостью предотвратить омыление ацетамидных групп. Возможно, при замораживании трехкомпонентной системы хитин - гидроксид натрия - вода и осуществляется фазовый переход с разрушением надмолекулярной структуры, но для таких рассуждений в литературе отсутствуют какие-либо термодинамические данные.
Было также предложено активировать хитин предварительным растворением в концентрированной соляной кислоте с последующим высаживанием [12]. Как это сказывается на процессе модификации, авторы указанной работы не отмечает, но полученный продукт имеет достаточную растворимость в воде при рН 7 для использования соответствующего производного при проверке хитиназной активности. Рассмотрено также предварительное выдерживание хитина в ДМСО [13], что приводит по сравнению с предыдущими методами к меньшему времени реакции. Не менее эффективным является проведение процесса набухания в водно-изопропанолыюй смеси [14-17]. Использование смеси двух растворителей обеспечивает максимальный выход продукта, при этом оптимальное соотношение находится в пределах вода:изопропанол= 1:1-1:4 [18]. Сравнение эффективности растворителей показывает, что для активации изопропанолом необходимо 2.5, а ДМСО - 24 часа [19]. Такой эффект, по-видимому, обусловлен тем, что если растворители рассматривать как пластификаторы, то, учитывая лучшую совместимость молекул хитина и хитозана с молекулами средней полярности, действительно, из всех использованных растворителей наиболее подходит изопропанол. Незначительный эффект ДМСО обусловлен его и высркрй полярностью, и апротонным характером, что менее способствует совместимости молекул полимера и растворителя. Особое место в рамках этих методов занимает методика Токуры, предложенная в 1982 году [20], и заключающаяся в замораживании смеси хитина и водного раствора щелочи в присутствии додецилсульфата натрия. Уникальность этой методики заключается в том, что процесс активации практически не сопровождается изменением химического строения исходного вещества - дезацетилированием: содержание аминогрупп после обработки не превышает 6% [11]. В этом случае решающие влияние, несомненно, имеет использование соответствующего поверхностно-активного вещества.
Среди физических воздействий традиционным является повышение температуры, благоприятствующее набуханию и последующей модификации хитозана [21]. В отличие от хитина замораживание обычно не требуется. В работе [22] предложен способ активации хитина гидроксидом натрия с одновременным воздействием сдвигового напряжения, давления и температуры. Китайские исследователи использовали для активации микроволновое излучение [23]. Последовательность обработки при этом следующая: сначала хитозан диспергируют в 35% растворе NaOH, затем добавляют 30% Н2О2, обрабатывают микроволновым излучением (100-300 Вт), затем снова добавляют 30% раствор NaOH и повторяют облучение и охлаждение еще 3 раза. Преимущество данного метода, указанное автором, состоит в быстроте процесса и отсутствии необходимости использования органических растворителей. Однако известно, что гидропероксид-ион Н02 - более сильный нуклеофил, чем гидроксид-ион ОН-, поэтому вопрос о том, что на самом деле является активатором в предложенной схеме подготовки, до конца не ясен.
Авторы цитированных работ утверждают, что выбор способа предварительной подготовки существенно влияет на последующее протекание реакции. Тем не менее в некоторых случаях исследователи обходятся без предварительной обработки, при этом получают высокие степени замещения [1, 24-27]. Данное обстоятельство характеризует неоднозначность необходимости использования предварительной подготовки, которая очень сильно зависит от характера и происхождения исследуемых образцов хитина или хитозана.
Так как отсутствуют специальные систематические исследования, посвященные выяснению влияния процесса предварительной обработки на конечный результат, выводы обязательного характера представляются преждевременными. Однако следует отметить, что наиболее популярна методика Токуры, то есть предварительное набухание в растворе щелочи.
Следующими важными чертами данного метода являются концентрационные, температурные параметры, мольное соотношение между оеагентами. Так как реакция протекает в гетерогенных условиях [28], факторы, которые реально влияют на результат процесса, - это концентрация раствора гидроксида натрия, мольный избыток хлоруксусной кислоты и температура проведения карбоксиметилирвоания. Влияние концентрации гидроксида натрия ожидаемо: с увеличением концентрации щелочи повышается степень замещения. Однако эта зависимость не имеет резко экстремального характера, при невысоких колебаниях относительно оптимальной концентрации 50% [10] влияние этих изменений практически нивелируется [11, 29-30]. По-видимому, следует рассматривать две стороны процесса: скорость и степень набухания полимера и концентрацию основания как катализатора процесса. Поскольку степень замещения очень сильно зависит от качества используемого образца, несомненно, что наибольший вклад вносит первая сторона. Даже в рамках одного исследования зачастую получаются протеворечивые результаты [11, 28, 31-32], не говоря уже о сравнении данных различных авторов [33, 34]. Хотя предварительное набухание полимера следует признать необходимым, нужны дополнительные исследования количественного характера. Одинаковая степень набухания перед проведением полимераналогичного превращения позволила бы более объективно сравнивать данные по влиянию на степень модификации других параметров процесса.
Исходя из общих закономерностей повышение температуры увеличивает скорость реакции, то же относиться и к данному процессу. Кроме того, с увеличение температуры происходит перестройка надмолекулярной структуры, что значительно изменяет степень ассоциации и форму макромолекул, а, следовательно, облегчает диффузию реагента к потенциально реакционно-способным функциональным группам. Однако побочные реакции гидролиза алкилирующего агента способны уменьшить степень модификации. Соответствующие исследования проведены в работах [27, 35], где показано, что оптимальной температурой является температура 70-80С.
Молекулярная структура
Состав полученных продуктов оценивали на основе данных элементного анализа. Химическое строение Ы-(2-карбоксиэтил)хитозана было исследовано методом н ЯМР спектроскопии. С помощью оптимизированной методики съемки спектров при 70С удалось получить разрешенный спектр, провести отнесение сигналов и вычислить степень замещения. Сравнение степени замещения, рассчитанной на основе данных элементного анализа и данных ПМР, показывает, что она соответствует одному значению в рамках ошибки определения. Типичный спектр Ы-(2-карбоксиэтил)хитозана приведен на рис. 3.6., отнесения сигналов, проведенные на основе литературных данных и спектров модельных соединений на основе метиламиноглюкозида, - в табл. 3.19.
Таким образом, полученный нами 2-карбоксиэтилхитозан имеет селективное N-замещение и представляет из себя статистический сополимер (3-D-2-aMHno-2-дезоксиглюкопиранозы, Р-0-2-ацетамидо-2-дезоксиглюкопиранозы, p-D-2-(2-карбоксиэтил)амино-2-дезоксиглгокопиранозы и Р-0-2-(2,2-дикарбоксиэтил)амино-2-дезоксиглюкопиранозы, которые соединяются между собой р-(1—+4) гликозидными связями
Статистический характер полимера следует из того, что реакции получения N-(2-карбоксизтил)хитозана были проведены в гомогенных условиях, при которых распределение заместителей вдоль цепи полимера характеризуется статистикой Бернулли [52].
Все использованные нами реагенты для модифицирования хитозана дают возможность получить полимер с одинаковым химически строением, что подтверждается Н ЯМР спектрами в каждом случае. Однако в зависимости от используемого реагента и от условий реакции получаются продукты с различной надмолекулярной структурой, которая является также важным показателем характеристики строения любого полимера.
При 2-карбоксиэтилировании хитозана любым из использованных реагентов в растворе (концентрация хитозана 0.5-2%) получается продукт линейного строения, что обуславливает его способность растворяться в воде непосредственно после проведения реакции. Пример С ЯМ? спектра такого продукта и отнесения сигналов приведены на рис. 3.7.
Если использовать акриловую кислоту в условиях «синтез в геле», то в результате реакции первоначально получается не растворимый в воде продукт. Дальнейшая же его обработка раствором щелочи и высаживание дает продукт, обладающий прекрасной растворимостью в воде.
Т.е. наряду с уже упоминавшимися побочными процессами протекает образование небольшого количества мостиковых связей амидного характера, чему способствует низкое содержание воды
Вследствие этого сырой продукт не растворим в воде, но способен к сильному набуханию. Для разрушения образовавшихся сшивок макромолекул при выделении продукта необходима обработка щелочью. Амидные связи, как известно, могут быть также разрушены с использованием гидразина, при этом также удаляется избыток акриловой кислоты. После экстракции 2-карбоксиэтилхитозана гидразингидратом в аппарате Сокслета продукт в воде не растворяется - вероятно, образуются новые сшивки по концевым альдегидным группам. Сырой продукт можно растворить при нагревании в соляной кислоте. Однако при этом, как известно, возможен гидролиз гликозидных связей, т.е. уменьшение молекулярного веса.
Для подтверждения образования амидных связей был снят ИК-спектр диффузного отражения КЭХ (DS=1.0), необработанного щелочью (рис. 3.8.). На фоне интенсивной полосы поглощения амидной связи остаточных ацетильных групп (1655 см") - DA=0.16 нельзя зафиксировать наличие новой амидной связи. Но при вычитании из данного спектра спектр Ы-(2-карбоксиэтил)хитозана (DS=1.0), полученного в растворе и не содержащего амидных групп, в полученном разностном спектре фиксируется полоса поглощения, соответствующая новой амидной связи при 1652 см"1 (рис. 3.8.).
Использование 13С ЯМ? спектроскопии подтвердило данное заключение. На рис. 3.9.а приведен фрагмент соответствующего спектра карбоксиэтилхитозапа, полученного в геле. Сигнал при 183 м.д. соответствует карбонилу карбоксильной группы, при 176 м.д. - карбонилу в ацетамидной группы и при 163 м.д. -карбонилу в амидной группе, осуществляющей межмолекулярные сшивки. При нагревании данного продукта со щелочью грубо оцененное соотношение между сигналами при 183 и 163 м.д. изменяется от исходного 0.6:1 к значению 0.9:1 (рис. 3.9.6), что подтверждает правильность интерпретации 13С ЯМР спектра и наличие в продукте дополнительных амидных групп, осуществляющих сшизку макромолекул.
Используя данные гель-проникающей хроматографии можно количественно оценить, как изменяется молекулярная масса при разрушении межмолекулярных амидных сшивок. На рис. 3.10 приведена хроматограмма, результаты расчета которой показывают (см. табл. 3.20.), что полимер с молекулярной массой 324 кДа, обработанный в соответствующих условиях щелочыо, дает полимерные фрагменты с молекулярными массами 55 и 161 кДа.
Проведение 2-карбоксиэтилирования хитозана реакцией замещения с использованием 3-иодпропионовой кислоты в разбавленном растворе и в геле приводит к получению продуктов с одинаковым молекулярным строением. Реакция также приводит к N-селективному замещению [86], поскольку протекает в условиях, близких к нейтральным. Это же обстоятельство в отличие от использования для модифицирования хитозана акриловой кислоты обуславливает одинаковую надмолекулярную структуру - полимеры в обоих случаях остаются линейными. Для подтверждения этого факта на рис. 3.9(B) приведен фрагмент 13С ЯМР спектра КЭХ, полученного обработкой 3-иодпропионовой кислотой в условиях «синтез в геле». Как видно из спектра и данных табл. 3.20., в этом случае отсутствуют сигналы в области 163-169 м.д., соответствующие углероду в амидной группе межмолекулярных сшивок. Также такого рода сигнал отсутствует в соответствующем спектре карбоксиэтилхитозана, полученного в растворе [86]. Дополнительно следует обратить внимание на данные гель-проникающей хроматографии, которые также демонстрируют, что не образуется сшитых межмолекулярных агрегатов с большой молекулярной массой.
Как видно из сравнения молекулярной массы полимера до и после реакции (см. табл. 3.20.), при процессах 2-карбоксиэтилирования наблюдается еще один побочный процесс - гидролиз гликозидных связей, который сказывается на уменьшении степени полимеризации макромолекулы. В литературном обзоре на основании расчета степени полимеризации уже было отмечено (см. 2.3.2.), что даже в разбавленных растворах имеет место деструкция полимерной цепи, поскольку реакция протекает в кислой среде. Как следует из данных табл. 3.20, проведение реакции в геле также сопровождается гидролизом гликозидных связей, однако образование межмолекулярных амидных сшивок в некоторой степени компенсирует понижение степени полимеризации. В случае использования 3-иодпропионата лития в геле значение молекулярной массы продукта является достаточно низким, что также свидетельствует о значительном гидролизе гликозидных связей в процессе реакции, чему способствует, по-видимому, образующийся иодид лития.
Для характеристики строения Ы-(2-карбоксиэтил)хитозана в твердой фазе нами использована ЯМР спектроскопия широких линий. На рис. 3.11 приведен ]Н ЯМР спектр КЭХ со степенью замещения 1.0 в виде литиевой соли и разложение спектра на компоненты, соответствующие линиям от одно-, двух- и трёхспиновых протонных группировок. Отнесение этих компонент соответствующим протонным группировкам, входящим в состав изученных образцов, представлено в табл. 3.21.
Стоматологические материалы на базе М-(2-карбоксиэтил)хитозана
Основным материалом для базисов съемных протезов в зубопротезировании являются акриловые полимеры. Изготавливают протезы из самотвердеющих композиций, содержащих в своем составе порошок (полимер и инициатор полимеризации) и жидкость (мономер, обычно метилакрилат или метилметакрилат). Сам полимер является безвредным материалом, в то время как остаточный мономер, всегда присутствующий в изделии, может оказывать на человека вредное воздействие. Так, метилметакрилат, часто используемый в качестве исходного мономера в зубопротезировании, представляет собой весьма опасный токсикант. Предельно-допустимые концентрации его в воде составляют 0.01 мг/л [148] в водных вытяжках из используемых в медицине пластмасс - 0.25 мг/л [149]. Попадая из базисов зубных протезов в полость рта, мономеры могут вызывать различные аллергические заболевания. Поэтому поиск эффективных способов обработки стоматологических пластмасс, позволяющих уменьшить миграцию мономеров в полость рта, является весьма актуальным.
Как ранее мы показали (см. 3.2.), хитозан взаимодействует с производными акриловой кислоты, образуя Ы-(2-карбокэтилированные) продукты. Также реагируют и эфиры акриловой кислоты [92-93, 98]. Поэтому представляется целесообразным использование хитозановых композиций для изготовления своеобразных защитных «смазок» для съемных зубных протезов, которые одновременно проявляют свойства адгезивов.
В работе [150] показано, что смеси прополис (препарат «Тенториум») - гель глицерата титана (препарат «Тизоль») обладают адгезивными свойствами, сравнимыми по клеящей способности с большинством известных адгезивных средств. В настоящей работе мы использовали смеси хитозан (или КЭХ) - «тизоль» для той же цели. «Тизоль» в данном случае необходим в качестве сшивающего (гелирующего адгезива) агента, в этом случае клеящие свойства композиции сравнимы с клеящими свойствами смесей «Тенториум» - «Тизоль». Хитозан реагирует с акрилатами по схеме
Для исследования поглощения акрилатов хитозановым гелем (или гелем 2-карбоксиэтилхитозана) использовали УФ-спектроскопию (относительно исходного необрабатываемого раствора). Первоначально относительное изменение концентрации метилакрилата было проведено по методике [151]. Однако оказалось, что при хранении поглощение раствора метилакрилата самопроизвольно изменяется (вероятно, ввиду частичной полимеризации). Для корректировки этих изменений раствор после поглощения гелем сравнивался с раствором, не содержащим геля, но хранившимся то же время.
Данные по сорбции гелем хитозана метилметакрилата в описанных условиях представлены на рис. 3.28. Как видно из представленных данных, хитозан поглощает метилакрилат по ранее приведенной схеме. Исследование поглощения метилакрилата «тизолем» в аналогичных условиях представлено на рис. 3.29.а. Как видно из полученных данных, «тизоль» взаимодействует с метилакрилатом (вероятно путем переэтерификации), но гораздо хуже, чем с хитозаном.
Исследование сорбции метилакрилата смесью гель хитозана - «тизоль» представлено на рис. 3.29.6. Как видно из представленных данных, в этом случае взаимодействие сложнее, включает оба описанных выше механизма (присоединение и переэтерификация), но суммарное действие компонентов к улучшению поглощения метилакрилата не приводит, более того, ослабляет действие хитозана.
Исследование сорбции метилакрилата гелем КЭХ (степень замещения 0.2) представлено нарис. З.ЗО
Как видно из представленных данных, использование N-(2-карбоксиэтил)хитозана также эффективно, как и хитозана. Поглощение метилакрилата смесью гелей на основе КЭХ (DS=0.2) - «тизоль» представлено на рис. 3.30.6. В этом случае поглощение эффективнее, чем для смеси «тизоль» -хитозан. Аналогично для последней смеси было исследовано поглощение метилметакрилата. Было показано, что он поглощается медленней метилакрилата (это вызвано дополнительными пространственными затруднениями у атома углерода, подвергающегося атаке). Полученные данные представлены в табл. 3.37. В целом следует заключить, что использование глицериновых гелей хитозана или КЭХ (с низкой степенью замещения) обеспечивает высокую скорость поглощения метилакрилата и метилметакрилата из водных растворов. Данное свойство открывает широкие перспективы использования этих гелей в составе адгезивов для съемных зубных протезов, предохраняющих пациентов от токсического действия остаточного количества мономера выделяющегося из материала протеза. Дополнительным преимуществом КЭХ является ранее установленная биодеструктируемость.
Далее нами была изучена адгезионная прочность исследуемых композиций. Ранее для оценки клеящей способности нами использовалась данные по равномерному отрыву полоски бараньей кишки от поверхности базисного пластика. Такой метод, несомненно, наиболее близок к реальности, но качество бараньих кишок весьма различно, а это не позволяет его применять как всеобщий и стандартный. Использование непосредственного отрыва съемного зубного протеза от неба пациента тем более не поддается стандартизации, т.к. размер челюсти у всех разный. В работе [152] был предложен метод отрыва диска из базисного пластика от ложа из того же пластика. Этим методом было исследовано большинство современных адгезивов для съемных зубных протезов. В настоящей работе мы опирались именно на эту методику.
Полученные данные представлены на рис. 3.31. Как можно видеть из рисунка, хитозан и 2-карбоксиэтилхитозан в качестве составляющих композиции обуславливают разную адгезионную прочность 1152.94 и 1647.06 Н/м2, соответственно. Причиной такой разницы является наличие карбоксильных групп в молекуле Ы-(2-карбоксиэтил)хитозана, которые осуществляют большее взаимодействие с поверхностью благодаря более сильным водородным связям, чем аминогруппы и гидроксильные группы хитозана. В подтверждение данных рассуждений следует привести результаты работы [153], в которой показано, что адгезия между гидрогелем хитозан : карбоксиметилхитин и кожным покровом свиньи сильно зависит от соотношения между полиионными макромолекулами. Более концентрированные гидрогели показывают большую адгезию, которая достигает значения 4 кПа при 5% мольном содержании карбоксильных групп в смеси.
Большее значение адгезионной прочности композиции, содержащей КЭХ, по отношению к композиции, содержащей хитозан, сохраняется.
Таким образом, клеевая композиция на основе Ы-(2-карбоксиэтил)хитозана имеет значительное новое преимущество, т.к. данный полимер имеет свойства, предохраняющее ротовую полость от токсического действия остаточного количества мономера, выделяющегося из материала протеза, и обладает высокой адгезионной прочностью. Добавление «тизоля» в качестве сшивающего агента излишне, т.к. химические реакции между ним и КЭХ уменьшают сорбционные и адгезионные характеристики композиции, хотя при этом, по клеящим свойствам полученная композиция все равно превосходит соответствующую композицию на хитозане.
В заключение относительно биоактивных свойств К-(2-карбоксиэтил)хитозана следует заметить, что к настоящему времени следует ожидать бурного роста соответствующих исследований, поскольку разработаны экспериментально удобные, дешевые и быстрые методы получения полимера. По сравнению со своим гомологом карбоксиметилхитозаном для КЭХ биоактивные свойства еще менее изучены, но, тем не менее, имеющиеся немногочисленные литературные и представленные в работе данные показывают, что хитозан при модифицировании остатками пропионовой кислоты приобретает новые свойства по отношению к живым организмам, не теряя исходной активности. С учетом полиинвариантного и статистического характера биологических исследование следует заключить, что дальнейшее детальное изучение обнаруженных биоактивных свойств N-(2-карбоксиэтил)хитозана позволит непосредственно использовать его в качестве самостоятельного или вспомогательного медицинского средства.
Синтез исходных и вспомогательных реагентов
При перемешивании и кипячении с обратным холодильником к суспензии 300 г цинка в 123 мл бензола порциями добавляли раствор 67 мл этилового эфира бромуксусной кислоты и 120 мл этилортоформиата в 225 мл бензола. Смесь выдерживали 45 мин в тех же условиях и добавляли еще 75 г цинка и выдерживали еще 6 ч. После чего реакционную смесь охлаждали, жидкость декантировали в 600 мл диэтилового эфира и 300 г молотого льда, реакционную колбу ополаскивали 2 раза по 100 мл эфира. Полученную водно-эфирную смесь подкисляли уксусной кислотой до перехода солей в водный раствор. Эфирный слой отделяли, промывали 450 мл холодной воды, затем 450 мл 5% раствора гидрокарбоната натрия и сушили сульфатом натрия. Эфир испаряли на ротационном испарителе, остаток перегоняли в вакууме. Выход 14 г (12 %). ТКИП=76-87С /10 мм рт. ст.), n20D=1.4165 (лит. [32] 102-105С/20 ммрт. ст. и 1.4155 соответственно).
Р-Хлорпропионовая кислота [159]. Смесь 34 мл (0.5 моль) акриловой кислоты и 90 мл 34% (1 моль) соляной кислоты оставляли на 48 ч, затем отгоняли воду и избыток соляной кислоты, остаток перегоняли в вакууме. Выход 43.2 г (81%).Та1=38С (лит. 37-41С [161]).
Р-Йодпропионовая кислота [160]. Смесь 26.6 г (0.245 моль) хлорпропионовой кислоты и 34.5 г (0.25 моль) безводного иодида натрия в 250 мл сухого ацетона кипятили с обратным холодильником 48 часов. Ацетон отгоняли на водяной бане, остаток перекристаллизовывали из воды. ТГ1Л= 79С (лит. 80С [161]), выход 42.6 г (87%).
р-Акрилоилоксипропионовая кислота. Смесь 13.6 мл (0.2 моль) акриловой кислоты и 3.62 г (4.5 ммоль Н+) смолы КУ-2 нагревали 6 ч при 110С. Смолу отфильтровывали, раствор перегоняли в вакууме. Выход 1.79 г (6%). Ткип= 129-131С/ 5 мм. рт. ст., п=1.453 (лит. 110С/2 мм. рт. ст., п=1.4522 [165]).
Смесь 13.6 мл (0.2 моль) акриловой кислоты и 0.14 мл 98% H2SO4 (2.8 ммоль Н+) нагревали 6 ч при 140С в запаянной ампуле. Полученную смесь перегоняли в вакууме. Выход 9.94 г (69%). Ткип= 129-133С/ 5 мм. рт. ст., п=1.453.
Бис(1Ч-(2-Гидроксиэтил)-р-аланинато)медь(11). В запаянной ампуле выдерживали 4.1 мл (0.060 моль) акриловой кислоты, 56.3 мл воды и 10.8 мл (0.18 моль) моноэтаноламина при 140С в течение 1 ч. Затем отгоняли воду и моноэтаноламин в вакууме на водяной бане. Остаток перекристаллизовали из метанола. Выход 6.8 г. (94%). Тпл= 146С (лит. 146-147С [110]).
Смесь 4.1 мл (0.060 моль) акриловой кислоты, 56.3 мл воды и 10.8 мл (0.18 моль) моноэтаноламина кипятили с обратным холодильником в течение 8 ч. Затем отгоняли воду и моноэтаноламин в вакууме на водяной бане. Остаток кристаллизовали из метанола. Выход 5.8 г. (80%). Тпл= 147С. Для формулы С5Н„Ж з вычислено, %: С 45.13, Н 8.27, N 10.52; найдено, %: С 44.92, Н 8.62, N 10.43. Спектр Н ЯМР, D20: 3.84 (т, 5.20, 2Н НОСЯ2), 3.26 (т, 6.69, 2Н ШСЯ2СН2СООН), 3.20 (т, 5.20, 2Н НОСН2СЯ2Ш), 2.58 (т, 6.69, 2Н ШСН2СЯ2СООН).
Смесь 4.7 г (0.035 моль) К-(2-Гидроксиэтил)-Р-аланина, 9 г (0.041 моль) CuC03 Cu(OH)2 и 20 мл воды перемешивали в течение 48 ч при комнатной температуре, затем раствор фильтровали, промывали 3 раза по 5 мл воды. Кристаллы получали при медленном испарении воды из фильтрата ітри температуре 25С. Для формулы CioH22N206Cu вычислено, %: С 36.60, Н 6.10, N 8.53, Си 19.50; найдено, %: С 36.53, Н 6.38, N 8.55, Си 19.14.
1Ч-(2-Гидроксиэтил)-иминодипропионатомедь(И). К 12.3 мл этанола добавляли 5.94 мл (0.099 моль) моноэтаноламина и 24.4 мл (0.18 моль) этилакрилата. Полученную смесь оставляли на 48 ч при комнатной температуре. Затем добавляли 9 г (0.23 моль) гидроксида натрия и 15 мл этанола и смесь кипятили с обратным холодильником 5 ч. К реакционной массе добавляли 21 мл 34% соляной кислоты, хлористый натрий отфильтровывали, спирт отгоняли, остаток перекристаллизовали из этанола. Выход 7.94 г (33%). 7 =154-156 . Для формулы C8H,6N05C1 вычислено, %: С 39.77, Н 6.62, N 5.79; найдено, %: С 39.73, Н 6.20, N 5.16. Спектр Н ЯМР, D20: 3.95 (т, 5.12, 2Н НОСЯ2), 3.56 (т, 6.51, 4Н Ы(СЯ2СН2СООН)2), 3.41 (т, 5.12, 2Н НОСН2СЯ2Ы), 2.94 (т, 6.51, 4Н Ы(СН2СЯ2СООН)2).
Смесь 8.45 г (0.035 моль) хлоргидрата М-(2-Гидроксиэтил)-иминодипропионовой кислоты, 9 г (0.041моль) CuC03 Cu(OH)2 и 20 мл воды перемешивали в течение 48 ч при комнатной температуре. Затем раствор фильтровали, промывали 3 раза по 5 мл воды. Кристаллы получали при медленном испарении воды из фильтрата при температуре 25С. Для формулы C8Hi3N05Cu вычислено, %: С 35.97, Н 4.87, N 5.24, Си 23.96; найдено, %: С 35.53, Н 4.61, N 5.05, Си 23.25.
Бис(]Ч-(3-Пропилокси)-Р-аланинато)димедь(ІІ).
Смесь 4.1 мл (0.060 моль) акриловой кислоты, 13.78 мл 3-пропаноламина (0.18 моль) и 56 мл воды кипятили с обратным холодильником 8 ч. Затем воду и избыток 3-пропаноламина отгоняли в вакууме. Остаток кристаллизовали из смеси этанол/ ацетонитрил. Выход 2.2 г (25 %) ТПл=:139-1410С. Для формулы C6H13N03 вычислено, %: С 49.00, Н 8.84, N 9.51; найдено %: С 48.82, Н 9.04, N 9.55. Спектр Н ЯМР, D20: 3.71 (т, 6.04, 2Н НОСЯ2), 3.22 (т, 6.68,2Н ШСЯ2СН2СООН), 3.16 (т, 7.32, 2Н НОСН2СН2СЯ2Ш), 2.56 (т, 6.68, 2Н NHCH2C#2COOH), 1.92 (п, 7.32, 6.04 2Н НОСН2СЯ2СН2Ш).
Смесь 1.03 г (7 ммоль) Ы-(3-гидроксипропил)-Р-аланина, 1.8 г (8.2 ммоль) (СиОН)2С03 и 4 мл воды перемешивали при комнатной температуре 48 ч. Затем раствор фильтровали, промывали 3 раза по 5 мл воды. Кристаллы получали при медленном испарении воды из фильтрата при температуре 25С. Для формулы Ci2H26N206Cu2 вычислено, %: С 34.14, Н 6.16, N 6.63, Си 30.32; найдено, %: С 34.17, Н 5.68, N7.03, Си 29.90.
Бис -(бис(гидроксиметил)метил)-Р-аланинато)медь(П).
В 3 мл воды растворяли 2.72 г (0.02 моль) оксалата серинола и добавляли в 3 мл воды 1.11 г (0.01 моль) безводного хлорида кальция. Осадок отфильтровывали, к фильтрату добавляли 1.37 мл (0.02 моль) акриловой кислоты и 1.12 г (0.02 моль) гидроксида калия. Смесь кипятили с обратным холодильником 12 ч, затем воду отгоняли в вакууме. К остатку добавляли 20 мл этанола, отфильтровывали осадок, раствор упаривали до 7 мл и оставляли при -20С для кристаллизации. Выход 1.1 г (34%) 1 =121-123 С. Для формулы C6H,3N04 вычислено, %: С 44.19, Н 7.97, N 8.59; найдено %: С 44.38, Н 7.71, N 8.35. Спектр Н NMR, D20: 3.84 (м, 4Н НОСЯ2), 3.32 (т, 2Н ШСЯ2СН2С00Н), 3.39 (м, 1Н Н0СН2СЯ(СН20Н)Ш), 2.60 (т, 2Н ШСН2СЯ2С00Н).
Смесь 1.63 г (0.01 моль) Ы-(бис(гидроксиметил)метил)-Р-аланина, 2.58 г (0.017 моль) (СиОН)2С03 и 15 мл воды перемешивали при комнатной температуре 48 ч. Затем раствор фильтровали, промывали 3 раза по 5 мл воды. Кристаллы получали при медленном испарении воды из фильтрата при температуре 25С. Для формулы C,2H24N208Cu»H20 вычислено, %: С 35.48, Н 6.40, N 6.89, Си 15.75; найдено, %: С 35.41, Н 6.85, N 6.68, Си 15.12.
гЧ-(Трис(гидроксиметил)-метил)-р-аланинатомедь(П). 3,17 г (0,02 моль) хлоргидрата трис(гидроксиметил)аминометана растворяли в 9.38 мл воды, добавляли 1.67 г (0.03 моль) КОН и 2.73 мл (0.04 моль) акриловой кислоты в 9.38 мл воды. Раствор кипятили с обратным холодильником 12 ч. К полученной смеси добавляли 2.76 мл 34% соляной кислоты (0.03 моль), раствор упаривали в вакууме до половины объема и добавляли 300 мл ацетона. К нерастворившемуся остатку добавляли 50 мл метанола, отфильтровывали КС1, фильтрат подвергали кристаллизации. Выход хлоргидрата гомотрицина 3.61 г (78%). Тт= 164-166С. Для формулы C7H16N05C1 вычислено, %: С 36.62, Н 6.97, N 6.10, С1 15.46; найдено, % С 36.76, Н 6.77, N 5.77, С1 15.22. ИК-спектр v, (см-1): 3330, 3268 (ОН), 2770 (NH2+), 1712 (СО), 1585 (С=0). Спектр НЯМР (8, м. д.): 3.79 с. (ОСН2), 3.32 т. (NCH2), 2.62т(СН2СО).
Смесь 1.0 г (4.35 ммоль) хлоргидрата Ы-(карбоксиэтил) трис(гидроксиметил)аминометана, 1.1 г (4.97 ммоль) CuC03»Cu(OH)2 и 20 мл воды перемешивали в течение 48 ч при комнатной температуре. Раствор фильтровали, осадок промывали водой (5 мл х 3), из соединенных фильтратов при стоянии выпадали кристаллы. Кристаллы устойчивы на воздухе в течение нескольких минут, для дальнейших исследований их хранили в запаянной ампуле. Массовое соотношение Н20/Си определяли с помощью термогравиметрии. Для свежеполученного комплекса это соотношение составляет 0.773, для комплекса, хранившегося на воздухе, - 0.28. Комплекс, хранившийся на воздухе, теряет часть кристаллизационной воды и соответствует формуле [Cu(OCH2C(CH2OH)2NHCH2CH2COO)]4»4H20; вычисленное соотношение Н20/Си -0.283. Для формулы C28H52N4O20Cu4«4H2O вычислено, %: С 30.56, Н 5.81, N 5.09, Си 23.26; найдено, % С 30.53, Н 5.54, N 4.82, Си 23.34.
Комплекс, сохраненный в запаянной ампуле, соответствует формуле [Cu(OCH2C(CH2OH)2NHCH2CH2COO)]4 l 1.25Н20; вычисленное массовое соотношение Н20/Си - 0.79. Для формулы C28H52N4O20Cu4»l 1.25Н20 вычислено, %: Н20 16.56, Си 20.93; найдено, % Н20 16.25, Си 21.01. ИК-спектр v, (см-1): 3210 (ОН), 2892 (NH), 1600 (С=0), 785, 585,444 (О-Си).
