Оценка химического взаимодействия гидрохлорида хитозана с аскорбиновой кислотой методами ики ЯМР-спектроскопии Текст научной статьи по специальности «Химические науки»



Список литературы

1. Пат. 2058190 РФ, Б0Ш3/745, Б0Ш7/04, Б0П23/745, Б01Л01:62. Способ получения катализатора для сжигания топлива / Сазонов В. А., Прокудина Н. А., Кирчанов А. А., Исмагилов З. Р., Дремин Н. В.; № 94016424/04; заявл. 04.05.1994; опубл. 20.04.1996.

УДК 547.459+547.475.2

О. Н. Малинкина, А. А. Провозина, А. Б. Шиповская

Саратовский государственный университет E-mail: [email protected]

Методами ИК- и ЯМР-спектроскопии проведены оценки химического взаимодействия гидрохлорида хитозана с аскорбиновой кислотой в водном растворе и конденсированном состоянии. Высказано предположение об образовании пространственно сближенного комплекса гидрохлорид хитозана-аскорбиновая кислота посредством взаимодействия между аминогруппами макромолекул полимера и гидроксигруппами молекул кислоты.

Ключевые слова: гидрохлорид хитозана, аскорбиновая кислота, взаимодействие, ИК- и ЯМР-спектроскопия.

Evaluation of the Chemical Interaction between Chitosan Hydrochloride and Ascorbic Acid by IR and NMR Spectroscopy

O. N. Malinkina, A. A. Provozina, A. B. Shipovskaya

The chemical interaction between chitosan hydrochloride and ascorbic acid in aqueous solution and the condensed state by IR and NMR spectroscopy has been performed. The formation of spatially close complex chitosan hydrochloride-ascorbic acid by reaction between the amino groups of the polymer macromolecules and hydroxyl groups of acid molecules has been suggested. Key words: chitosan hydrochloride, ascorbic acid, interaction, IR and NMR spectroscopy.

Получение водорастворимых производных хитозана расширяет спектр применения этого природного аминополисахарида в биомедицинских областях. Растворимость хитозана в воде зависит от ряда факторов, в числе которых молекулярная масса и степень деацетилирования (СД) полимера, степень протонирования аминогрупп в макромолекуле [1, 2]. Одним из экономически обоснованных способов получения растворимых в воде производных хитозана является его взаи-

2. Пат. 2323769 РФ, Б01Б53/00 Способ очистки газовых выбросов и устройство для его осуществления / Зо-лотушкин А. А., Сержантов В. Г.; № 2006128522/15; заявл. 04.08.2006; опубл. 10.05.2008.

3. Пат. 2379596 РФ, Е24Н6/00. Теплогенератор / Попов П. Н., Кузьмина Р. И.; № 2009102305/06; заявл. 27.01.2009; опубл. 20.01.2010.

модействие с органическими кислотами различной природы [3,4]. Например, взаимодействием с биологически активной аскорбиновой кислотой в водной среде могут быть получены водорастворимые соли - аскорбаты хитозана.

Известно, что аскорбиновая кислота играет важную роль в метаболизме, выступая как акцептор, так и донор протонов в ферментативных системах, благодаря подвижности атомов водорода в енольных гидроксилах при С-3 (рКа = 4.2) и С-2 (рКа = 11.6). Производные аскорбиновой кислоты и некоторых природных аминокислот также показывают широкий спектр биологической активности [5]. Авторы предполагают образование аскорбат аниона за счёт наиболее кислого атома водорода у С-3. Однако аскорбаты, полученные в этой работе в среде абсолютного метанола, негигроскопичны и малорастворимы в воде.

В работе [6] сообщается об образовании комплекса высокомолекулярного хитозана и аскорбиновой кислоты в среде изопропилового спирта и атмосфере азота посредством протонирования аминогруппы наиболее кислым гидроксилом у С-3 (рис. 1, а).

Однако в работе [7] предположили, что в водной среде взаимодействие хитозана (СД = = 58 мольн.%) и аскорбиновой кислоты идет по реакции Шиффа с образованием иминной связи >С=К- (см. рис. 1, б). В статье [8] описаны термопластичные производные хитозана, полученные из водных растворов уксусной кислоты, в ИК-спектре которых обнаруживаются полосы поглощения амидной связи —ЫН-СО-(см. рис. 1, в). Наряду с вышеперечисленными

ОЦЕНКА ХИМИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГИДРОХЛОРИДА ХИТОЗАНА С АСКОРБИНОВОЙ КИСЛОТОЙ МЕТОДАМИ ИК- И ЯМР-СПЕКТРОСКОПИИ

© Малинкина О. Н., Провозина А. А., Шиповская А. Б., 2014

О. Н. Малинкина и др. Оценка химического взаимодействия гидрохлорида хитозана

ОН /

сн2

о

о

НО' Н3М ©

©

О он но 7=4

7ЛЛ0

но-7

ом

он

Рис. 1. Варианты взаимодействия звена хитозана (остатка ,0-глюкозамина) и аскорбиновой кислоты посредством образования ионной (а) и ковалентных иминной (б), амидной (в), эфирной связей (г) [4-6]

вариантами не исключено и раскрытие лакто-на в присутствие амина и взаимодействие как по -КЫ2, так и по - ОН группам с образованием вторичного амида (см. рис. 1, в) и сложного эфира (см. рис. 1, г) соответственно.

Таким образом, литературный поиск не даёт однозначного вывода о характере взаимодействия хитозана с кетокислотами - либо происходит образование комплекса с переносом заряда, либо конденсация с образованием имина, амида или сложного эфира.

В связи с этим вызывает интерес получение водорастворимой соли хитозана с аскорбиновой кислотой и оценка химического взаимодействия компонентов методами ИК- и ЯМР-спектроскопии.

Объекты и методы исследования

Объектами исследования служили водные растворы гидрохлорида хитозана (ХТЗЫС1) со средневязкостной молекулярной массой 38 кДа, СД = 79 мольн.% производства ЗАО «Биопрогресс» (г. Щелково) и аскорбиновой кислоты производства ЗАО «База №1 химре-активов» (г. Москва) аналитической степени чистоты.

Инфракрасная спектроскопия

Спектры регистрировали на ИК-спектро-метре №соЫ 6700 РТ-1Я (США) с разрешением в 4 см-1, используя усреднение из 32 сканов в диапазоне 4000^500 см-1 методом НПВО.

ИК-спектры записывали для аскорбиновой кислоты в кристаллическом состоянии, водного раствора аскорбиновой кислоты концентрации СДК=9.0%, порошка ХТЗЫС1, раствора ХТЗЫС1 в аскорбиновой кислоте (^хтзыс1 =

= 15.0 мас.%, СДК=9.0%), а также порошка полимерной соли, выделенной из эквимолярного раствора ХТЗЫС1 в аскорбиновой кислоте.

Отнесение колебательных полос поглощения к функциональным группам выполнено с привлечением корреляционных таблиц [9].

Ядерно-магнитный резонанс

Спектры ЯМР 1Ы растворов снимали на спектрофотометре УЛЯ1ЛК-400 (США), используя усреднение из 32 сканов при времени релаксации 1 с в диапазоне частот 5.4^2.0 ррт.

Анализировали растворы аскорбиновой кислоты, ХТЗЫС1 и их смеси (соотношение компонентов 3:2) в дейтерированной воде при температуре 40°С.

Результаты и их обсуждение

ИК-спектроскопия

На рис. 2 приведены ИК-спектры порошка и водного раствора аскорбиновой кислоты, порошка гидрохлорида хитозана и его водного раствора в аскорбиновой кислоте.

В ИК-спектре аскорбиновой кислоты в кристаллической форме область поглощения от 3500 до 2500 см-1 относится к характеристическим валентным колебаниям связанных ОЫ-групп и наложениям сигналов валентных колебаний связей С-Ы (рис. 2, кривая 1). Причем пики при 3475 и 3323 см-1 соответствуют спиртовым ОЫ-группам, участвующим в образовании водородной связи при С-5 и С-6. Пики при 2997, 2715 см-1, 2646 см-1 относятся к валентным колебаниям связанной ОЫ-группы в оксикислоте, которые представлены енольными гидроксилами при С-2 и С-3. Область волновых чисел 1800-1500 см-1 обусловлена колебаниями

4000 3000 2000 1000 _

V, см 1

Рис. 2. Фурье ИК-спектры: порошка аскорбиновой кислоты (1), водного раствора аскорбиновой кислоты (за вычетом ИК-спектра воды) СДК = 9.0% (2), порошка гидрохлорида хитозана (3), водного раствора ХТЗНС1 ¿хТЗ-на = 15.0 мас.% в аскорбиновой кислоте СДК = 9.0% (за вычетом ИК-спектра водного раствора аскорбиновой кислоты СДК = 9.0%) (4) и порошка, выделенного из эквимолярного раствора ХТЗНС1 в аскорбиновой кислоте (5)

двойных связей. Так, наблюдаются пики при 1759 и 1659 см-1, относящиеся к валентным колебаниям связей >С=0 в сопряжённых системах с >С=С< в а, в непредельных у-лактонах (енольная форма аскорбиновой кислоты). Полосы поглощения при 1309, 1271, 1246, 1194, 1128, 1028 и 937 см-1 можно отнести к составным симметричным и асимметричным валентным колебаниям связи —С—0—С— фуранового кольца.

В ИК-спектре водного раствора аскорбиновой кислоты Сдк=9.0%, по сравнению с ИК-спектром порошка, наблюдается появление новой полосы поглощения при 1830 см-1 (см. рис. 2, кривая 2). Данная полоса поглощения указывает на образование в растворе циклического ненасыщенного ангидрида дегидроаскорбиновой кислоты (кетонной формы).

Таким образом, сравнительный анализ ИК-спектров аскорбиновой кислоты в кристаллическом и растворённом состоянии показывает, что в растворе также не исключено присутствие этой кислоты в кетонной форме.

В ИК-спектре порошка гидрохлорида хитозана (рис. 2, кривая 3) широкую полосу поглощения с тах при 3224 см-1 можно отнести к валентным и деформационным колебаниям - ОН и -КН

групп, участвующих в образовании внутри- и межмолекулярных связей. Валентные асимметричные колебания углеводородного скелета выявляются при 2875 см-1. Деформационные колебания ассоциированной аминогруппы КН^ соответствуют частоте 1600 см-1. Валентные колебания связи > С=О, обусловленные взаимодействием с VсN (полоса амид I), проявляются при 1248 и 1506 см-1. Частоты 1379 см-1 и 1059 см-1 соответствуют voн и 5он.

В ИК-спектре водного раствора ХТЗНС1 (СХтзна = 150 мас.%) в аскорбиновой кислоте (Сдк = 9.0%) наблюдается широкая полоса в области двойных связей с двумя максимумами при 1718 и 1578 см-1 (см. рис. 2, кривая 4), которые можно отнести к валентным колебаниям >С=0 и >С=К- соответственно. Причём полоса поглощения при 1578 см-1, как и при 1539 см-1, может быть отнесена также и к деформационным колебаниям —ЫН группы в ассоциированных вторичных аминах. Полосы при 1417, 1385 и 1325 см-1 могут быть отнесены к симметричным и асимметричным деформационным колебаниям ассоциированной группы Симметричные

и асимметричные деформационные колебания связи С-О в кольце наблюдаются при 1153, 1092 и 1028 см-1.

1

2

3

4

5

О. Н. Малинкина и др. Оценка химического взаимодействия гидрохлорида хитозана

На рис. 2 представлен также ИК-спектр порошка, выделенного из эквимолярного раствора ХТЗНС1 в аскорбиновой кислоте (кривая 5). Данный спектр представляет собой сумму спектров исходных соединений, за исключением полосы при 1670 см-1 ^с=к), которая в совокупности с полосой при 3400 см-1 (у^) может указывать на присутствие в составе иминной связи >С=КН.

Таким образом, вследствие возможности неоднозначного отнесения полос поглощения к

определенным типам связи явных однозначных доказательств в пользу образования комплекса или иминной связи между гидрохлоридом хитозана и аскорбиновой кислоты ИК-спектроскопия не даёт.

ЯМР-спектроскопия

На рис. 3 приведены ЯМР 1Н-спектры дейтерированных растворов аскорбиновой кислоты, гидрохлорида хитозана и смеси ХТЗНС1 с аскорбиновой кислоты (соотношение компонентов 3:2).

ю *

р-н г I

О о

if! tri

е№

шв

--Т

M lu,

—I-1-1-1-1-1-1-1-1-1-

5Л 4.8 4A 4A 42 4J0 3S ЗА ЗА 32 6, ppm

I vi

A\

—I-1-1-1-1—

5 JO 4J8 4A 4.4 42

4J0

3J8 ЗА ЗА 32 Ь, ppm

а

б

SÊSSbs UM

kuj ^

.mг f:

—I—

5Л

—I—

42

<ч

VP

X

4.8

4A

4 A

4JD

3S

ЗА

ЗА 32 Й, ЦНП

в

Рис. 3. ЯМР ^-спектры растворов в Б^О: аскорбиновой кислоты (а), гидрохлорида хитозана (б), смеси гидрохлорида хитозана и аскорбиновой кислоты в соотношении

компонентов 3:2 (в)

Видно, что ЯМР 1Н-спектр дейтерированно-го раствора гидрохлорида хитозана в аскорбиновой кислоте (см. рис. 3, в) в целом представляет собой сумму спектров исходных соединений (см. рис. 3, а, б). Однако для смеси, по сравнению с исходными веществами, наблюдается небольшой химический сдвиг, что может являться основанием для предположения образования комплекса.

Проведённые исследования не исключают образование как комплекса с переносом заряда гидрохлорид хитозана - аскорбиновая кислота в результате ионного взаимодействия, так и иминной связи посредством ковалентного взаимодействия.

Для установления пространственной сближенности между протонами гидрохлорида хитозана и аскорбиновой кислоты был проведен двумерный гомоядерный эксперимент 2D [1Н, 1Н] ROESY (рис. 4), основанный на ядерном эффекте Оверхаузера.

На 1Н импульсной последовательности наблюдается диполь-дипольная кросс-релаксация при 3.67/4.89 ppm и 3.83/4.89 ppm для протонов в аминогруппе гидрохлорида хитозана (3.67 и 3.83 ppm) и протона в гидроксильной группе молекулы аскорбиновой кислоты (4.89 ppm), которые близки в пространстве друг к другу, даже если они не соединены.

Рис. 4. 2D [1Н, 1Н] ROESY-спектр раствора смеси гидрохлорида хитозана с аскорбиновой

кислотой (3:2) в D2O

Таким образом, проведенные исследования дают основание предполагать образование в водной среде пространственно сближенного комплекса между макромолекулами гидрохлорида хитозана и молекулами аскорбиновой кислоты.

Авторы выражают благодарность Д. Н. Панкратову за помощь в расшифровке спектров, Д. Д. Дниськову и Д. Н. Грибову за регистрацию ЯМР- и ИК-спектров соответственно.

Результаты работы получены в рамках выполнения государственного задания Минобр-науки Ро^ии (№ 4.1212.2014/К).

Список литературы

1. Шиповская А. Б., Фомина В. И., Киреев М. Н., Казакова Е. С., Касьян И. А. Биологическая активность олигомеров хитозана // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Химия. Биология. Экология. 2008. Т. 8, вып. 2. С. 46-49.

2. Шиповская А. Б., Фомина В. И., Солонина Н. А., Юсупова К. А. Получение водорастворимых производных хитозана модификацией полимера в парах

одноосновных кислот // Журн. прикладной химии. 2012. Т. 85, вып. 1. С. 126-133.

3. Singh J., Dutta P. K. Preparation, circular dichroism induced helical conformation and optical property of chitosan acid salt complexes for biomedical applications // Intern. J. Biol. Macromol. 2009. № 45. Р. 384-392.

4. Li Q., Song B., Yang Z., Fan H. Electrolytic conductivity behaviors and solution conformations of chitosan in different acid solutions // Carbohyd. Polym. 2006. № 63. P. 272-282.

5. Dikusar E. A., Kozlov N. G., Mel'nichuk L. A. Salts of L-ascorbic acid with certain substituted amines and tri-phenylphosphine // Chem. Nat. Compd. 2004. Vol. 40, № 4. P. 406-407.

6. TianX. L., Tian D. F., Wang Z. Y., Mo F. K. Synthesis and Evaluation of Chitosan-Vitamin C complex // Indian. J. Pharm. Sci. 2009. № 71 (4). P. 371-376.

7. Muzzarelli R. A. A., Tanfani F., Emanuelli M. Chelating Derivatives of Chitosan Obtained by Reaction with Ascorbic Acid // Carbohyd. Polym. 1984. № 4. P. 137-151.

8. Matet M., Heuzey M-C., Pollet E., Ajji A., Averous L. Innovative thermoplastic chitosan obtained by thermo-mechanical mixing with polyol plasticizers // Carbohyd. Polym. 2013. № 95. P. 241-251.

9. Тарасевич Б.Н. ИК-спектры основных классов органических соединений. М. : Изд-во Моск. ун-та, 2012.