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: lignin@arh.ru
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.