Синтез и свойства алкилированных производных хитозана, содержащих ненасыщенные заместители различного строения Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 541.64:547.995.1

Хавпачев М.А., Акопова Т.А., Киреев В.В.

СИНТЕЗ И СВОЙСТВА АЛКИЛИРОВАННЫХ ПРОИЗВОДНЫХ ХИТОЗАНА, СОДЕРЖАЩИХ НЕНАСЫЩЕННЫЕ ЗАМЕСТИТЕЛИ РАЗЛИЧНОГО СТРОЕНИЯ

Хавпачев Мухамед Аликович, магистрант 2 года кафедры химической технологии пластмасс; Киреев Вячеслав Васильевич, д.х.н., профессор, и.о. заведующего кафедрой химической технологии пластмасс; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия, 125047, Миусская пл., 9.

Акопова Татьяна Анатольевна, д.х.н., ведущий научный сотрудник лаборатории твердофазных химических реакций ИСПМ РАН им. Н.С. Ениколопова, e-mail: tatiana akopova@mail.ru. Институт синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова РАН, Москва, Россия 117393, Москва, ул. Профсоюзная, 70

Для получения непредельных производных хитозана предложен метод воздействия на полимеры давления и сдвиговых напряжений. Метод позволяет полностью отказаться от использования растворителей, не требует расплавления реакционных смесей и является удобным и эффективным способом целенаправленного химического модифицирования неплавких и малорастворимых полисахаридов. Показано, что механическая активация твердых реакционных смесей в выбранных условиях твердофазного синтеза позволяет существенно снизить расход реагентов, продолжительность и температуру процесса и приводит к образованию непредельных производных хитозана с более высоким выходом по сравнению с аналогичным процессом в среде органического растворителя.

Ключевые слова: хитозан, твердофазный синтез, давление и сдвиговые деформации, механическая активация, непредельные производные хитозана, тканевая инженерия.

SYNTHESIS AND PROPERTIES OF ALKYLATED CHITOSAN DERIVATIVES CONTAINING UNSATURATED SUBSTITUENTS OF DIFFERENT STRUCTURE

Khavpachev M.A., Akopova T.A.*, Kireev V.V.

D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia *Enikolopov Institute of synthetic materials RAS, Moscow, Russia

In this paper, simultaneous action of pressure and shear deformation onto polymers to obtain the unsaturated derivatives of chitosan is proposed. The method eliminates the use of solvents and does not require melt of reactive mixtures and, thus, is a convenient and effective way of targeted chemical modification of infusible and low soluble polysaccharides. The conducted investigations have shown that mechanical activation of the solid reagents at the chosen conditions of solid-state synthesis allows to cut significantly their consumption, duration and temperature of the process and leads to formation of unsaturated derivatives of chitosan with higher yield of the products as compared with similar process in the organic solvent medium.

Keywords: chitosan, solid-state synthesis, pressure and shear deformation, mechanical activation, unsaturated derivatives of chitosan, tissue engineering.

Преимущества твердофазного метода синтеза для химического модифицирования полисахаридов очевидны. Отсутствие растворителей и разбавителей для реакционных систем предполагает возможность разработки экологически чистых безрастворных технологий. Механическая активация реагентов позволяет избежать необходимости их расплавления и отказаться от использования катализаторов и инициаторов процессов, что также повышает экологическую чистоту метода и является важным фактором при создании безопасных материалов биомедицинского назначения

Ранее нами [1] представлены результаты изучения закономерностей твердофазного способа получения аллилзамещенных производных хитозана (АХ). Механизмы протекающих реакций, структуру и состав полученных производных исследовали методами ИК- и ЯМР-спектроскопии [2,3].

Целью настоящей работы являлось твердофазное модифицирование структуры хитозана фрагментами

аллилзамещенного производного

олигоэтиленгликоля, а также исследование влияние строения и длины ненасыщенного фрагмента на деформационно-прочностные характеристики

полученных пленочных образцов. Процесс осуществляли реакционной экструзией твердых смесей хитозана с аллилглицидиловым эфиром октаэтиленгликоля (АГЭ) при различных соотношениях компонентов в двухшнековом экструдере (Ве^оП ZE-40, Германия) при температуре - 5 °С. Экструдер оснащен одно-направленно вращающимися силовыми элементами шнеков, которые обеспечивают сжатие и сдвиг материала в тонком слое. Рабочие элементы наборных шнеков (кулачки), изображенные на рисунке 1, обеспечивают деформирование и сжатие (до 500 МПа). Химическое взаимодействие компонентов в состоянии вынужденного пластического течения в этих условиях приводит к образованию продуктов с высоким выходом.

Рис. 1. Рабочие элементы шнеков экструдера Berstorff ZE-40, обеспечивающие сжатие и деформирование материала

В работе использовали хитозан, полученный нами методом твердофазного синтеза путем щелочного деацетилирования хитина панцирей краба («ВОСТОК-БОР», Россия) [4]. Содержание остаточных ацетамидных (хитиновых) звеньев в образце исходного хитозана составляло 15% (определено потенциометрическим титрованием солянокислого раствора хитозана), средневязкостная молекулярная масса - 80 кДа (определена при помощи метода капиллярной вискозиметрии).

На одно звено хитозана брали 0,1 (Х-АГЭ-1), 0,2 (Х-АГЭ-2), 0,3 (Х-АГЭ-3) моль АГЭ, наносили расчетное количество жидкого реагента на твердый полимер методом распыления и проводили обработку реакционных смесей в экструдере в течение 10 мин. Очистку полученного сополимера с целью полного удаления непрореагировавшего мономера осуществляли диализом против дистиллированной воды в течение 1 недели. Очищенные продукты сушили лиофильно, затем отделяли нерастворимые в кислых водных средах ОН -О

фракции центрифугированием 5% - ных растворов продуктов в 4%-ной СН3СООН. Готовили образцы в виде пленок методом полива уксуснокислых растворов на пластиковую подложку для оценки деформационно-прочностных характеристик.

Реакция взаимодействия хитозана с АГЭ в выбранных условиях твердофазного синтеза протекает в соответствии с механизмом бимолекулярного нуклеофильного замещения, сопровождается раскрытием оксиранового цикла в молекуле олигомера и приводит к образованию сополимера следующего строения (рис.2).

Количество вошедших в структуру хитозана ненасыщенных фрагментов оценивали по стандартной методике определения бромного числа по методу Кноппа [5].

Степень замещения рассчитывали по уравнению: Вг-число (%) = 15984х/(167+41х), где 15984 - молекулярная масса молекулы Вг2, умноженная на 100;

167 - молекулярная масса мономерного звена аллилхитозана со степенью ацетилирования 15%; 41 - молекулярная масса аллильной группы; х - степень замещения (в долях единицы). При умножении на 100 получают степень замещения на 100 глюкозаминных звеньев [6]. Результаты определений сведены в таблицы 1 и 2.

СН2— CliCHjO [ CHJCHJO-JjCHJCH-

но

он о

но

NH;

NH

Таблица 1. Результаты определения степени замещения функциональных групп хитозана аллильными фрагментами методом обратного броматометрического титрования_

№/код Бромное Суммарная Содержание

образца число, % степень аллильных

замещения заместителей

на 100 по данным

звеньев ЯМР анализа

полимера (мол. %) [1]

АХ-1 3.3 6 5

АХ-2 12.7 23 21

АХ-3 26 47 50

Таблица 2. Результаты определения степени замещения

№/код Бромное Суммарная степень

образца число, % замещения на 100 зв.

Х-АГЭ-1 3.2 10

Х-АГЭ-2 6.7 16

Х-АГЭ-3 15 24

Результаты определения количества вошедших в структуру хитозана аллильных заместителей, основанная на определении массы брома, присоединяющегося к 100 г полимера, показали хорошую сходимость с данными спектрального анализа. Так, исходя из данных таблицы 1, видно,

СН2-СНСН2 0 [ CHiCHiO-fcCHiCN-Cli,

a I он

Рис. 2. Схема реакции взаимодействия хитозана с АГЭ

что суммарная СЗ по данным титрования растворов АХ-1,2,3 составили 6, 23, и 47 (по данным ЯМР анализа - 5, 21, 50), а для образцов сополимера (таблица 2) 10, 16 и 24 соответственно.

Пленки готовили из 2%-ных формовочных растворов образцов в 2%-ной уксусной кислоте. Растворы полимеров фильтровали через мембрану с размером пор 0,45 мкм, расчетное количество для образования пленки толщиной 100 мкм выливали на пластиковую чашку Петри и сушили при комнатной температуре в беспылевом шкафу. Для удаления избытка кислоты пленки выдерживали в вакуумном эксикаторе над КОН в течение недели.

Механические испытания проводили на универсальной разрывной машине AG-E (Shimadzu, Japan) при скорости 1 мм/мин.

Результаты испытаний сведены в таблицу 3. Перед проведением испытаний пленки исходного хитозана и АХ выдерживали в эксикаторе при постоянной влажности 81% над насыщенным раствором (NH4)2SO4 в течение недели. Пленки из образцов хитозана, содержащих фрагменты аллилзамещенного производного

олигоэтиленгликоля, выдерживали при постоянной влажности 66% над насыщенным раствором NaNO2.

Таблица 3. Физико-механические характеристики пленок ненасыщенных производных хитозана

№/код Содержание ненасыщ. До УФ облучения После УФ облучения

образца заместителей (мол.%) ст/МПа Е/МПа 8 (%) ст/МПа Е/МПа 8 (%)

1 (исходный хитозан) 0 37±2 1800±200 18±3 39±3 1900±200 18±3

2 АХ-1 5 37±2 1800±200 26±3 41±3 1900±100 21±3

3 АХ-2 21 38±2 2100±200 25±3 38±2 1800±200 19±3

4 АХ-3 50 33±2 1900±200 23±3 33±2 1400±200 17±3

5 Х-АГЭ-1 10 37±2 1900±200 34±5 30±2 1400±200 11±1

6 Х-АГЭ-2 16 45±2 1900±200 39±3 36±2 1700±200 15±1

7 Х-АГЭ-3 24 50±2 1900±200 47±5 в шейке 35(тах) 2000±200 10±1

Как видно из данных таблицы, все исследованные пленки обладают хорошей механической прочностью. Дополнительные липофильные взаимодействия в образцах АХ не вносят весомого вклада в разрывную прочность. В то же время, наличие аллильных фрагментов в структуре хитозана приводит к росту относительного удлинения по сравнению с исходным образцом. Включение в структуру хитозана ненасыщенных привитых фрагментов олигомера приводит к росту прочности при разрыве с 37 до 50 МПа относительно пленок немодифицированного хитозана и существенно большему увеличению относительного удлинения, чем показали образцы АХ. После обработки пленок под действием УФ излучения наблюдается существенное снижение их пластичности по сравнению с необлученными пленками. Однако, механические характеристики пленочных материалов остаются удовлетворительными после УФ обработки, что важно для сохранения структуры материалов в среде для культивирования клеток. Таким образом, синтезированные непредельные производные хитозана пригодны для формирования гидрогелей с использованием лазерных подходов, а полученные на их основе материалы перспективны для использования в качестве матриц-носителей клеток в тканевой инженерии.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ: проект №15-02-06233-а

Список литературы

1. Акопова Т.А., Истомин А.В., Хавпачев М.А., Демина Т.С., Свидченко Е.А., Черкаев Г.В., Сурин Н.М., Зеленецкий А.Н.. Синтез, структура и оптические свойства аллилзамещенных производных хитозана // Изв. УНЦ РАН. - 2016. - №3(1). - С. 5-8.

2. Хавпачев М.А., Акопова Т.А. Киреев В.В. Модифицирование структуры хитозана аллильными заместителями: твердофазный синтез, исследование структуры и свойств // Успехи в химии и химической технологии.- Т. ХХХ.- №10 (179). М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2016. - С. 100-102.

3. Хавпачев М.А. Синтез непредельных производных хитозана для разработки фоточувствительных композиций на основе биополимеров // Гагаринские чтения: сб. трудов XLII Международн. молодежн. конф.,(Москва, 12-15 апреля 2016 г.). - М.: МАИ, 2016. - Т. 3. -С. 494-495.

4. Акопова Т.А., Роговина С.З., Вихорева Г.А., Зеленецкий С.Н., Гальбрайх Л.С., Ениколопов Н.С. Образование хитозана из хитина в условиях сдвиговых деформаций // Высокомолек. Соед. Б. - 1991.- Т. 32.- №10. -С. 735-737.

5. Лосев И. П., Федотова О. Я., Практикум по химии высокополимерных соединений. М.. : Госхимиздат, 1962. - 84 с.

6. Нудьга Л.А., Петрова В.А., Денисов В.М., Петропавловский Г.А. Аллилирование хитозана // Журн. прикл. химии. - 1991. - Т. 64. - С. 229-232.