Научная статья на тему 'Кооперативные взаимодействия в системе лигносульфонат-хитозан'

Кооперативные взаимодействия в системе лигносульфонат-хитозан Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

CC BY
396
93
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Химия растительного сырья
Scopus
ВАК
AGRIS
CAS
RSCI
Область наук
Ключевые слова
ЛИГНОСУЛЬФОНАТЫ / ХИТОЗАН / УФ-СПЕКТРОСКОПИЯ / ИК-СПЕКТРОСКОПИЯ / КОМПЛЕКС / ВИСКОЗИМЕТРИЯ / ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ / КООПЕРАТИВНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ / СУЛЬФОГРУППЫ / АМИНОГРУППЫ

Аннотация научной статьи по химическим наукам, автор научной работы — Паламарчук И. А., Макаревич Н. А., Бровко О. С., Бойцова Т. А., Афанасьев Н. И.

Изучены взаимодействия полимеров природного происхождения: лигносульфонатов водорастворимых производных лигнина и хитозана, полученного при дезацетилировании полисахарида хитина. Показано, что реакции комплексообразования протекают по механизму электростатического взаимодействия между сульфогруппами лигносульфонатов и аминогруппами полиоснования и имеют кооперативный характер.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим наукам , автор научной работы — Паламарчук И. А., Макаревич Н. А., Бровко О. С., Бойцова Т. А., Афанасьев Н. И.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

THE COOPERATIVE INTERACTION IN THE SYSTEM OF LIGNOSULFONATE CHITOSAN

The interaction of lignosulfonates water-soluble derivatives of natural polymer lignin and chitosan obtained deacetylation of polysaccharides of chitin has been studied. The reactions were shown to proceed following the mechanism of electrostatic interaction between sulfo-groups of lignosulfonates and amino-groups of polybase. These reactions have the cooperative character.

Текст научной работы на тему «Кооперативные взаимодействия в системе лигносульфонат-хитозан»

УДК 541. 182-183:661.185

КООПЕРАТИВНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В СИСТЕМЕ ЛИГНОСУЛЬФОНАТ-ХИТОЗАН

© И.А. Паламарчук , Н.А. Макаревич, О.С. Бровко, Т.А. Бойцова, Н.И. Афанасьев

Институт экологических проблем Севера УрО РАН, наб. Северной Двины, 23, Архангельск, 163000 (Россия) E-mail: [email protected]

Изучены взаимодействия полимеров природного происхождения: лигносульфонатов - водорастворимых производных лигнина и хитозана, полученного при дезацетилировании полисахарида хитина. Показано, что реакции комплексо-образования протекают по механизму электростатического взаимодействия между сульфогруппами лигносульфонатов и аминогруппами полиоснования и имеют кооперативный характер.

Ключевые слова: лигносульфонаты; хитозан; УФ-спектроскопия; ИК-спектроскопия; комплекс; вискозиметрия; поверхностное натяжение; кооперативные взаимодействия; сульфогруппы; аминогруппы.

Введение

В настоящее время отмечается растущий интерес к проблеме комплексного использования лигнинов и хитина - природных компонентов растительного и животного происхождения с целью получения широкого ассортимента ценных для народного хозяйства продуктов [1, 2]. К водорастворимым производным лигнина относят лигносульфонаты - побочные продукты варки целлюлозы сульфитным способом [1]. Лигносульфонаты - анионоактивный многофункциональный полимер - содержат метоксильные, фенольные и спиртовые гидроксильные, карбонильные, карбоксильные и сульфогруппы в натриевой форме, при действии на которые растворами кислот №-форма легко переходит в Н-форму (лигносульфоновую кислоту - ЛСН) [3]. К производным хитина (второго по распространенности в природе после целлюлозы полисахарида) относят катионоактивный аминополисахарид: 2-амино-2-дезокси-р-Э-глюкан-хитозан (ХТ) [2], который в ионизированной (протонированной) форме достаточно легко растворяется в воде. Эти полимерные соединения являются противоположно заряженными полиэлектролитами.

Известно, что в результате реакции между противоположно заряженными полиэлектролитами в водных растворах образуются полиэлектролитные нерастворимые стехиометричные и растворимые нестехиометричные комплексы [4, 5]. Макромолекулы полиэлектролитов в таких комплексах удерживаются кооперативной системой преимущественно ионных и водородных связей, а также силами дисперсионных взаимодействий, возникающих между отдельными звеньями макромолекул. В случае эквимолярного соотношения ионогенных групп исходных компонентов при доведении степени превращения, т.е. степени завершенности интерполимерной реакции, до значения, близкого к единице, в системе образуются стехиометричные полиэлектролитные комплексы (ПЭК). Эти комплексы всегда нерастворимы, но ограниченно набухают в воде.

Стехиометричные полиэлектролитные комплексы применяют: при получении диализных, обратноосмотических, нанофильтрационных, ультрафильтрационных, электродиализных, первапорационных и газоразделительных мембран; в качестве препаратов для медицинских целей; в виде сорбентов и ионообменных мембран при извлечении ионов тяжелых металлов из сточных вод; для утилизации растворенных в воде полиэлектролитов и др. [2, 4, 5].

В настоящей работе изучена реакция взаимодействия водных растворов сильной лигносульфоновой кислоты со слабым полимерным основанием - хитозаном с целью получения ПЭК. Интерес к исследованиям такого рода в значительной степени обусловлен доступностью реагентов: лигносульфонатов и дезацетили-рованой формы хитина - хитозана [1, 2].

* Автор, с которым следует вести переписку.

Экспериментальная часть

Объекты исследования: хитозан в протонированной форме (водорастворим), ТУ 9289-002-11418234-99, ВНИТИБП «Биопрогресс» (Москва); технические лигносульфонаты (ОАО «Котласский ЦБК» - ЛС-N), ТУ 2455-028-00279580-2004, очищены от низкомолекулярных примесей методом ультрафильтрации с использованием полупроницаемой полисульфонамидной мембраны ПСУ-70; лигносульфоновая кислота, получе-ная путем перевода образца ЛС-№ в Н+ форму на колонке с катионитом КУ-2-8 (табл. 1).

Реакционные смеси готовили смешением с помощью магнитной мешалки в течение 5 минут водных растворов ЛСН и хитозана концентрацией 2,5 г/л в различных массовых соотношениях. При этом образуются осадки - комплексы темно-коричневого цвета. Осадки отфильтровали на фильтре «синяя лента», а для фильтратов определяли оптическую плотность на КФК-3. Далее, используя концентрационную зависимость D = f (С лсн ), рассчитывали содержание ЛСН в комплексах. Поскольку в УФ-диапазоне при 280 нм (полоса поглощения, характерная для лигнинов [1]) спектры поглощения ЛСН и ХТ перекрывают друг друга, была выбрана длина волны в видимой области спектра - 470 нм, при которой хитозан практически не поглощает. Поэтому при определении содержания ЛСН в растворе использовали калибровочный график зависимости оптической плотности БЛСН при X = 470 нм от концентрации ЛСН. Зависимость Олсн = f (С) аппроксимирована уравнением прямой с высоким коэффициентом корреляции 0,999:

Плсн = 0,245 • С . (1)

Методы исследования. Вязкость растворов полимеров и поликомплексов определяли с помощью вискозиметра Оствальда с диаметром капилляра 0,34 или 0,56 мм при 25±0,1 °С. Измерения проводились так, чтобы время истечения растворителя составляло не менее 100 с. Время истечения определяли не менее 5 раз, разница в отсчетах при этом не превышала 0,2.. .0,3 с.

Потенциометрические измерения проводили на рН-метре 211 производства Hanna instruments с комбинированным стеклянным электродом HI 1131B в качестве измерительного.

Количественное определение элементного состава образцов проводили методом «сухого» сожжения с последующим хроматографическим разделением продуктов пиролиза в колонке, заполненной порапаком Q, и фиксацией элементов детектором по теплопроводности на С, Н, N-анализаторе фирмы «Hewlett Packard», модель 185. За окончательный результат принимали среднее арифметическое трех параллельных определений, при этом расхождение между параллельными определениями не превышало ±10 % (отн.) при доверительной вероятности 95%.

Поверхностное натяжение растворов полимеров и поликомплексов определяли методом тензиометрии (метод Вильгельми по отрыву пластинки от границы раздела фаз) при температуре 25,0±0,1 °С. Показатель точности измерения поверхностного натяжения для растворов составлял ± 0,2-10-3 Дж/м2

Таблица 1. Характеристика объектов исследования

Объект исследования ММ, а. е. м. Степень дезацетилирования Влажность, %

Хитозан 30000* 0,87 10,64

ЛС-Na 24000** - 7,54

ЛСН 24200** - 7,85

*Определена расчетным методом с использованием гидродинамического инварианта Цветкова - Кленина, диффузии и вязкости (МПп).

“Определена на ультрацентрифуге МОМ 3180 методом неустановившегося равновесия [6]. При доверительной вероятности 95 %, относительная погрешность определения молекулярной массы составляла 5 %.

Обсуждение результатов

Зависимость массовой доли ЛСН в комплексе от массовой доли ХТ в реакционной смеси Ъ приведена на рисунке 1. Массовая доля ЛСН рассчитана по уравнению:

С - С

Массовая доля ЛСН = —-------, (2)

Со

где Со - исходная концентрация ЛСН в реакционной смеси, г/л; С - концентрация ЛСН в фильтрате г/л, определенная по уравнению (1).

Представленная на рисунке 1 зависимость позволяет предположить, что в системе ЛСН - ХТ при Ъ<0,1 происходит образование водорастворимого комплекса нестехиометрического состава и кривая имеет перегиб при Ъ = 0,1. При этом система остается гомогенной. Далее, при добавлении ХТ к реакционной смеси наряду с водорастворимыми комплексами начинают образовываться нерастворимые стехиометричные комплексы, которые выпадают в осадок при Ъ ~ 0,25.

Образование водорастворимых и водонерастворимых комплексов доказано методом ИК-спектроскопии. ИК-спектры осадков-комплексов, а также сухие остатки от упаривания фильтратов имеют сдвиги характеристических полос, подтверждающие, что реакция комплексообразования происходит за счет электростатического взаимодействия между сульфогруппами, фенольными гидроксильными группами макромолекул ЛСН и аминогруппами хитозана.

В ИК-спектрах исходных продуктов присутствуют основные полосы обоих реагентов - ЛСН: 640, 11901210 см-1 (8О3-группы); 1020, 3380 см-1 (ОН-группы, последняя в виде широкой полосы, по-видимому, вовлеченная в водородную связь); 1450, 1505 и 1595 см-1 (замещенное ароматическое кольцо лигнина) и ХТ -1580-1650 см-1 (]МН2-группы) [7].

В продуктах взаимодействия (комплекс-осадок, сухой остаток от упаривания фильтрата - водорастворимый комплекс) по сравнению с исходными реагентами заметно снижается интенсивность полос сульфо- и гидроксильных групп при 640, 1190-1210 и 1020 см-1, а также полос бензольного (фенольного) колец при 1505, 1595 см-1 (рис. 2). Выявлено также некоторое смещение полос 1190-1210 см-1 в высокочастотную область. Все это свидетельствует о том, что спектры осадков и сухих остатков от упаривания фильтратов очень близки и представляют собой водорастворимые и водонерастворимые комплексы с координацией между сульфогруппами, фенольными гидроксильными группами макромолекул ЛСН и аминогруппами ХТ. Возможна также координация и по карбонильным группам ЛСН.

Рис. 1. Зависимость массовой доли ЛСН в комплексе от массовой доли ХТ в реакционной смеси Ъ

Рис. 2. ИК-спектры ЛСН (1); ХТ (2); осадка-комплекса (3); сухого остатка от упаривания фильтрата (4)

V. см

На рисунке 3 показана зависимость удельной вязкости в гетерогенных системах ЛСН - ХТ (осадок -комплекс и фильтрат) от массовой доли азотсодержащего полиэлектролита. На графике имеется перегиб при Ъ ~ 0,25, что совпадает с ранее полученными данными (рис. 1). Можно предположить, что 8-образный характер зависимости пуд = f ^) связан с конформационными особенностями макромолекул полиэлектролитов, вызывающими стерические затруднения в реакции комплексообразования ХТ с ЛСН. Начиная с некоторого значения Ъ, комплексообразование в системе ЛСН - ХТ сопровождается снижением ее вязкости. Это указывает на компактизацию цепей ЛСН вследствие снижения заряда и появления гидрофобных взаимодействий в системе ЛСН - ХТ. Снижение вязкости при Ъ>0,4 обусловлено формированием осадка нерастворимого комплекса и расслоением образовавшихся фаз. Вид экспериментальной кривой 1 существенно отличается от расчетной зависимости 2, что обусловлено образованием в системе полиэлектролитных комплексов. Последняя представляет собой аддитивную зависимость удельных вязкостей растворов индивидуальных полимеров с учетом соотношения компонентов в системе. Аддитивные значения удельной вязкости системы щад рассчитывали по формуле:

Лад = Z ' ПХТ + (1 Z) ' ПЛСН , (3)

где и Плен - удельные вязкости ХТ и ЛСН при концентрации 2,5 г/л; Ъ - массовая доля ХТ в реакционной смеси.

Полиэлектролиты содержат наряду с ионогенными функциональными группами незаряженные полимерные цепи. Чередование микрообластей с полярными и неполярными взаимодействиями приводит к появлению регулярных неоднородностей в растворах полиэлектролитов, что обуславливает их поверхностную активность [8]. На рисунке 4 (а) представлены изотермы поверхностного натяжения водных растворов исходных полиэлектролитов. Показано, что поверхностная активность хитозана в водных растворах в пять раз меньше, чем для лигносульфоновой кислоты (табл. 2).

Комплексообразование в системе ЛСН - ХТ влияет на ее поверхностную активность. Поверхностное натяжение гетерогенной системы ЛСН - ХТ, полученное экспериментально и рассчитанное теоретически по уравнению, аналогичному уравнению (3), существенно отличаются, что также подтверждает факт комплек-сообразования в системе.

Смешение растворов ЛСН и ХТ, как и следовало ожидать, для реакций слабых полиоснований с полимерными анионами сопровождалось повышением рН при титровании гетерогенной системы гидроксидом натрия и снижением рН при титровании соляной кислотой. На рисунке 5 представлены кривые потенциометрического титрования эквимольных (в расчете на сульфо- и аминогруппы) смесей полиэлектролитов и исходных ЛСН и хитозана №ОН и НС1.

Рис. 3. Зависимость удельной вязкости гетерогенной системы ЛСН - ХТ от массовой доли ХТ в реакционной смеси: 1 - экспериментально полученная кривая; 2 - аддитивная расчетная зависимость

Таблица 2. Поверхностная активность изучаемых полиэлектролитов

Полиэлектролит Молекулярная масса, а. е. м. Поверхностная активность 0-10'3, Дж-м/кмоль Уравнения касательной G = Г (С)

Лигносульфоновая кислота 24200 25,0 О = -25,0 • C + 72,5

Я2=0,968

Хитозан 30000 5,2 О = -5,154 • С + 72,5

Я2=0,988

а)

б)

С -10 , моль / л

Рис. 4. Зависимость поверхностного натяжения водных растворов ЛСН и ХТ от концентрации (а) и гетерогенной системы ЛСН-ХТ от массовой доли ХТ в реакционной смеси (б): 1 - экспериментально полученная кривая; 2 - аддитивная зависимость

(7-10, Дж / м

ст • 10 , Дж / м

г

рн

Рис. 5. Кривые

потенциометрического титрования: 1 - ЛСН; 2 - ХТ; эквимольной смеси ЛСН - ХТ:

3 - 0,1 н №ОН, 3' - 0,1 н НС1

V титранта, мл

Видно, что кривая потенциометрического титрования реакционной смеси ЛСН - ХТ №ОН лежит выше кривой титрования лигносульфоновой кислоты, а кривая титрования НС1 - ниже кривой титрования исходного полиамина. Это свидетельствует о том, что реакция между макромолекулами ЛСН и ХТ происходит по механизму электростатического взаимодействия между сульфогруппами ЛСН и аминогруппами полиоснования и может быть представлена следующий схемой:

Возможна также координация по фенольным гидроксильным и карбонильным группам ЛСН и аминогруппам ХТ.

Особый интерес представляло изучение состава образующихся комплексов (ф). Методом потенциометрического титрования растворов полимеров при различных концентрациях были определены точки эквивалентности и рассчитаны условные г-эквиваленты ЛСН и хитозана Доля доступных сульфогрупп, способных образовывать солевые связи с аминогруппами хитозана, (фр) рассчитана исходя из соотношения условных г-эквивалентов ЛСН и хитозана. Величину фэ получили по отношению содержания серы к содержанию азота в комплексах-осадках (табл. 3).

При получении стехиометричных ПЭК (нерастворимых осадков) дозирование исходных компонентов ЛСН и ХТ проводили из расчета эквимолярного соотношения ионогенных (сульфо- и амино-) групп. Теоретический расчет грамм-атомного отношения серы и азота (8 : N для поликомплекса эквимольного состава дает значение 0,27, что хорошо согласуется с результатами эксперимента.

Таблица 3. Расчет состава комплекса ЛСН-ХТ

Объект Условный г-эквивалент N % Б*, % Фр фэ

ЛСН 635,8 0,29 9,0 - -

Хитозан 171,85 6,46 - - -

Осадок-комплекса ЛСН-ХТ - 1,45 5,16 0,27 0,28

^Определение проведено на решгенофлуоресцентым методом

Со-С

Рис. 6. Зависимость массовой доли ЛСН в ком-рН „

плексе от рН реакционной смеси

Дополнительным подтверждением кооперативного характера взаимодействия ЛСН со слабым полимерным основанием в реакциях образования полиэлектролитных комплексов служит зависимость относительной концентрации ЛСН в комплексе от рН реакционной смеси, приведенная на рисунке 6. Реакция комплексообразования протекает в кислой среде при рН<4,5. Это свидетельствует о том, что необходимым условием образования ПЭК между ЛСН и ХТ по типу кулоновского взаимодействия является ионизация аминогрупп хитозана. Однако для образования устойчивого ПЭК в кислой среде необходимы дополнительные стабилизирующие силы, в роли которых выступают водородные связи и силы Ван-дер-Ваальса, что также подтверждает кооперативный характер межмолекулярных взаимодействий в системе лигносульфоновая кислота - хитозан.

В заключение отметим, что проведенные исследования реакции взаимодействия водных растворов хитозана и лигносульфоновой кислоты показали возможность получения не только ограниченно набухающих комплексов-осадков, зарекомендовавших себя в качестве сорбентов тяжелых металлов [9], но и пленочных материалов с хорошими физико-механическими характеристиками и перспективой на их разнообразное практическое применение.

Выводы

На примере реакции комплекообразования ЛСН и ХТ в водных средах показано, что взаимодействие полиэлектролита анионного типа с положительно заряженным полиамином имеет электростатическую природу. В результате реакции комплексообразования образуются водорастворимые и водонерастворимые, стехиомет-ричные и нестехиометричные поликомплексы. Физико-химическими методами (УФ-спектроскопия, потен-циометрия, вискозиметрия и тензиометрия) показано, что реакция образования полиэлектролитного комплекса в системе ЛСН - ХТ имеют кооперативный характер и сильно зависят от рН реакционной смеси.

Список литературы

1. Сарканен К.В. Лигнины (структура, свойства и реакции). М., 1975. 632 с.

2. Хитин и хитозан. Получение, свойства и применение / под редакцией К.Г. Скрябина, Г.А. Вихорева, В.П. Варламова. М., 2002. 365 с.

3. Закис Г.Ф. Функциональный анализ лигнинов и их производных. Рига, 1987. 228 с.

4. Зезин А.Б., Рогачева В.Б. Успехи химии и физики полимеров. М., 1973. 360 с.

5. Кабанов В. А. Полиэлектролитные комплексы в растворе и в конденсированной фазе // Успехи химии. 2005. Т. 74. №1. С. 5-23.

6. Соколов О.М. Определение молекулярных масс лигнинов на ультрацентрифуге и методом гель-фильтрации. Л., 1978. 76 с.

7. Накамото К. Инфракрасные спектры неорганических и координационных соединений. М., 1966. 411 с.

8. Семчиков Ю.Д. Высокомолекулярные соединения. М., 2005. 368 с.

9. Дойницына С.В., Паламарчук И.А., Бровко О.С., Бойцова Т.А. Использование модифицированных лигносульфона-тов в качестве сорбентов тяжелых металлов // Экологические проблемы Севера: мат. молодежной науч. конф. Архангельск, 2007. С. 117-119.

Поступило в редакцию 28 февраля 2008 г.

После переработки 20 мая 2008 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.