CC BY
212
Химия растительного сырья. 2007. №3. С. 55-61.
УДК 541.64
СУЛЬФАТИРОВАННЫЕ И КАРБОКСИМЕТИЛИРОВАННЫЕ ПРОИЗВОДНЫЕ МИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
© М.А. Торлопов , В.А. Демин
Институт химии Коми научного центра Уральского отделения РАН, ул. Первомайская, 48, Сыктывкар (Россия) E-mail: [email protected]
Описаны методы получения и свойства карбоксиметилцеллюлозы, сульфата целлюлозы, сульфата карбоксиметил-целлюлозы высоких степеней замещения на основе хлопковой микрокристаллической целлюлозы.
Введение
Растительные полисахариды, содержащие карбоксильные и сульфатные группы, обладают высокой специфической биологической активностью и широко распространены в природе [1, 2]. Аналоги этих соединений, которые могут быть получены модификацией доступных полисахаридов (особенно целлюлозы), перспективны как антикоагулянты крови [3, 4], сорбенты токсичных металлов [5], иммуномодуляторы, антивирусные препараты [6]. Для использования модифицированной целлюлозы в этих целях необходимо придать ей водорастворимость.
Среди структурных модификаций целлюлозы все большее значение приобретает микрокристаллическая целлюлоза (МКЦ). МКЦ обладает структурой и свойствами, отличающими ее от традиционных волокнистых или порошковых целлюлоз [7], что делает перспективной ее дальнейшую химическую модификацию с целью получения анионных производных, таких как карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ), сульфат целлюлозы (СЦ), сульфат КМЦ (СКМЦ). Интерес вызывают также методы получения этих производных с высокими степенями замещения.
Экспериментальная часть
Аналитические методы
Степень замещения в препаратах КМЦ (СЗСоон) определяли методом обратного потенциометрического титрования избытка №ОН:
162 • т
СЗ
4500 - 58•m
где т - содержание карбоксильных групп (масс. %).
Содержание серы в сульфатированных образцах МКЦ определяли гравиметрическим методом [8] после десульфатирования образцов в 1 н растворе соляной кислоты (3 ч, 50 °С). Степень замещения в препаратах СЦ-№+ (СЗэ) находили по уравнению
сз, = 162 ■“*
* 3200 -as -103
где ms - содержание серы (масс. %).
Автор, с которым следует вести переписку.
ИК-спектры пропускания получены на ИК-Фурье спектрометре MIR-8000 (ORIEL) в таблетках KBr.
Рентгенофазовый анализ проведен на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3 (начальный угол 5,00 град., шаг измерения 0,05 град., конечный угол 40,00 град.).
Приведенная вязкость растворов определена с помощью вискозиметра Оствальда с диаметром капилляра
0,56 мм при температуре 30 °С.
Реактивы и материалы
Для синтеза препаратов КМЦ, СЦ, СКМЦ использована хлопковая МКЦ производства АО «Полиэкс» (Бийск) с СПф = 230 (определение в кадоксене [9]). Минеральные соединения удаляли обработкой 1 н соляной кислотой, а затем водой до нейтральной реакции и обезвоживали ацетоном.
Реактивы: хлорсульфоновая кислота (CISO3H) ч.д.а., монохлоруксусная кислота (ClCH2COOH) ч.д.а., шо-пропанол ч.д.а., аминосульфоновая кислота (NH2SO3H) ч.д.а, серная кислота х.ч., NaOH ч.д.а. ДМФА и пиридин осушали над BaO и перегоняли.
Получение производных целлюлозы
Карбоксиметилцеллюлозу (КМЦ) получали по модифицированному методу [10] (рис. 1).
Воздушно-сухую МКЦ (10 г, 61,73 ммоль) активировали 20 см3 в 40%-ного раствора NaOH. Суспензию перемешивали и оставляли на 10 мин при комнатной температуре. Затем прибавляли 20 см3 изо-пропанола и термостатировали смесь 30 мин при 55 °С. После этого вносили раствор монохлоруксусной кислоты (навеску растворяли в 20 см3 изо-пропанола). Продолжительность реакции: 3 ч при 55 °С, 2 ч при 80 °С. Продукт отфильтровывали на стеклянном фильтре, промывали водным этанолом. Полученную КМЦ-№+ очищали в аппарате Сокслета (экстракция 60%-ным этанолом до нейтральной реакции промывных вод и отрицательной реакции на ионы Cl ). В форму свободной кислоты (КМЦ-Ы+) натриевую соль КМЦ переводили обработкой 10%-ным раствором соляной кислоты с последующей отмывкой продукта деионизированной водой. КМЦ сушили в вакууме при 60 °С.
Рис. 1. Получение карбоксиметилцеллюлозы
Сульфат целлюлозы (СЦ) получали тремя методами: сульфатированием целлюлозы серной кислотой по методу, предложенному авторами [11]; взаимодействием МКЦ с аминосульфоновой кислотой по методу [12]; вазаимодействием МКЦ с хлорсульфоновой кислотой в пиридине, а также использовали метод [8] с некоторыми изменениями (рис. 2).
Образец МКЦ (1 г, 6,17 ммоль), предварительно высушенный до постоянной массы при 103 °С, суспендировали в пиридине при 0 °С. При охлаждении и интенсивном перемешивании в реакционную смесь вносили хлорсульфоновую кислоту (3 моль на ангидроглюкозную единицу). Смесь термостатировали в течение 1 ч при 90 °С, затем реакцию продолжали в течение 2 ч при 80 °С. Продукт отфильтровывали на стеклянном фильтре, промывали 20 см3 ацетона, растворяли в 50 см3 4%-ного №ОИ. Образовавшуюся натриевую соль сульфата целлюлозы (СЦ-№) осаждали 150 см3 этанола, промывали водно-этанольной смесью от неорганических солей и сушили в вакууме при 60 °С.
OH
,OCH2COONa
O
ClCH2COOH
NaOH
O
целлобиозное звено целлюлозы
R = H, CH2COONa
карбоксиметилцеллюлоза
OH
OSO3Na
1. CISO3H - пиридин
2. NaOH
O
O
целлобиозное звено целлюлозы
R = H, SO3H
сульфат целлюлозы
Рис. 2. Получение сульфата целлюлозы
Сульфат КМЦ (СКМЦ) получали двумя методами.
Образец КМЦ-И+ (1,0 г) (высушенный под вакуумом при 60 °С) суспендировали в пиридине при 0 °С. К суспензии при охлаждении и интенсивном перемешивании по каплям прибавляли соответствующий объем хлорсульфоновой кислоты. Затем температуру повышали до 80 °С, реакцию вели 3 ч. Набухший продукт реакции отделяли от реакционной смеси, промывали 20 см3 ацетона, растворяли в 50 см3 4%-ного №ОИ. Образовавшуюся натриевую соль сульфата КМЦ (СКМЦ-Ыа+) осаждали 150 см3 этанола, промывали водно-этанольной смесью от неорганических солей и сушили в вакууме.
Высушенный до постоянной массы образец КМЦ-№+ (1,0 г) суспендировали в 10 см3 ДМФА. При интенсивном перемешивании и охлаждении к смеси по каплям добавляли хлорсульфоновую кислоту (0,5 моль на карбоксильную группу полимера) и термостатировали 0,5 ч при 60 °С. Затем колбу с сильно набухшим полимером охлаждали до 0 °С, добавляли по каплям вторую порцию хлорсульфоновой кислоты (2 моль на мономерное звено) и термостатировали от 3 до 5 ч. Для выделения полимера к охлажденной реакционной смеси прибавляли 20 см3 ацетона. Осадок отфильтровывали, обрабатывали водным раствором гидроксида натрия. Из полученного раствора этанолом осаждали СКМЦ-№+, полимер отделяли, промывали водно-этанольной смесью для очистки от неорганических солей и сушили в вакууме при 60 °С (рис. 3).
карбоксиметилцеллюлоза ^ н С^СООМа.вО^а сульфат карбоксиметилцеллюлозы
Рис. 3. Получение сульфата КМЦ
Обсуждение результатов
При получении МКЦ происходит разрушение аморфных областей природного полисахарида. Благодаря плотной упаковке кристаллические участки целлюлозного волокна менее доступны для деструктирующего агента [13]. Обработка целлюлозы кислотными деструктирующими агентами сопровождается снижением СП полимера и изменением содержания кристаллической части. Использованный в работе образец хлопковой МКЦ обладает высокой степенью упорядоченности, о чем свидетельствует рентгенограмма препарата (рис. 4а), на которой присутствует выраженный максимум распределения в области 2© = 22, характерный для целлюлоз [13]. Индексы кристалличности (1кр), рассчитанные по ИК-спектрограммам (соотношения интенсивностей полос поглощения в области 2915/1340 см-1), и рентгенофазового анализа (метод Сегала) имеют значения 0,86 и 0,80 соответственно. Дальнейшие химические воздействия приводят к разрушению упорядоченных областей материала (рис. 46).
I-----1----I----1-----I----1-----1----1----1-----1----1 50°
10 15 20 25 30 35 5
Рис. 4. Рентгенограммы: а - МКЦ, б - СЦ-№+
(С38 =1,28)
Карбоксиметилирование МКЦ в различных условиях приводит к однородному порошкообразному продукту, растворимому в воде при СЗСооИ > 0,4. Свойства карбоксиметилированных препаратов МКЦ представлены в таблице 1. Наиболее высокие степени замещения при однократной обработке МКЦ достигнуты для образцов КМЦ 5-7 в системе изо-пропанол / вода при температуре проведения реакции 55 °С (табл. 1). Двукратная обработка МКЦ в тех же условиях привела к препаратам, содержащим в среднем по одному остатку гликолевой кислоты на мономерное звено.
ИК-спектрограмма КМЦ-И+: 1736 см-1 (СООН). В спектрах натриевой соли этой поликислоты полоса поглощения находится в области 1602 см-1 (СОО№) (рис. 5Б).
Сульфатирование МКЦ серной кислотой в присутствии н-пропанола и применение аминосульфоновой кислоты приводят к продуктам с низкой степенью этерификации, только частично растворимым в воде (СЦ
1, 2, табл. 2). При использовании в качестве этерифицирующего агента серной кислоты наблюдаются низкие выходы целевого продукта и высокая деструкция целлюлозного материала. Высоких С38 удалось достичь, применив сульфатирующую систему С1803И-пиридин (с образованием промежуточного комплекса 803-пиридин [8]). При температурах реакции 80-90 °С получили препараты СЦ с высокой степенью замещения (СЦ 6-9 табл. 2). Дальнейшее увеличение температуры реакции наряду с ростом С38 приводило к падению "Лпр для растворов СЦ-№+, что свидетельствует о процессах деструкции полимера (СЦ 8, 9 табл. 2). В первый период реакции целлюлоза медленно набухает, а затем сжимается, образуя аморфный окрашенный продукт. Очищенная №+-соль сульфата МКЦ представляет собой порошок белого цвета. ИК-спектр СЦ-№+: 1256 см-1(802), 810 см-1 (80) (рис. 5В).
При сульфатировании КМЦ-И+ в системе С1803И-пиридин (3 ч при 80-90 °С) (СКМЦ 1-4, табл. 3) синтезированы производные различной степени замещения. Отмечено значительное влияние на С38 содержания карбоксильных групп в КМЦ.
Низкое содержание карбоксильных групп в структуре КМЦ не препятствует сульфатированию препаратов в описываемых условиях (СКМЦ 1-3, табл. 3). С ростом СЗС00И введение сульфатных групп в структуру КМЦ затрудняется. В этих условиях не удалось ввести сульфатные группы в структуру КМЦ с СЗС00И =
0,97. Известно, что карбоксильные группы в составе целлюлозы образуют дополнительные водородные связи, «сшивающие» полимер. Кроме того, предварительное высушивание КМЦ-И+ приводит к его сжатию т.е. снижению доступности реакционных центров при сульфатировании. При сульфатировании образцов КМЦ сравнительно высокой степени замещения значительная часть наиболее доступных для сульфатирующего агента первичных спиртовых групп элементарного звена целлюлозы замещена остатками гликолевой кислоты, что также является препятствием для синтеза однородных, высоко замещенных по сульфатным группам препаратов СКМЦ.
ИК-спектр СКМЦ-№+: 1626 см-1 (иГО0-), 1240 см-1^), 814 см-1 (^0) (рис. 5Г).
Процедура активации КМЦ в реакции сульфатирования обсуждается в работе [14], в которой предложена процедура обработки КМЦ-№+ иара-толуолсульфоновой кислотой.
В данной работе предварительная активация КМЦ-Ыаосуществлялась путем предварительной обработки полимера С1803И в ДМФА (0,5 моль С1803И на карбоксильную группу, 1 ч, 60 °С). При этом полимер набухал, частично растворяясь в реакционной среде, что приводило к облегчению доступа к реакционным центрам. Предварительная активация КМЦ (образцы, полученные методом 2, таблица 3) позволяет добиться высоких С38, снизить продолжительность и температуру реакции. В то же время падение приведенной вязкости для образцов СКМЦ, синтезированных по способу 2 при повышенных температурах реакции, свидетельствует о процессах деструкции полимера.
Таблица 1. Условия и результаты карбоксиметилирования МКЦ
Образец Реакционная среда Мольные соот-ношениияа Температура, °С СЗсоон ЛпР, 6 см3/г (вода)
КМЦ 1 вода 5 <4 2 80 0,156
кмц 2 этанолол/вода 1,5 : 2 80 0,3
кмц 3 этанолол/вода 2,5 : 3 80 0,124
кмц 4 изопропанол/вода 0,32 : 0,7 80 0,125
кмц 5 изопропанол/вода 0,6 : 1,5 55 0,26
кмц 6 изопропанол/вода 2 : 2 55 0,45 206,8
кмц 7 изопропанол/вода 1,2 : 3 55 0,49 217,0
кмц 8 в изопропанол/вода 1,2 : 3 55 0,97 394,5
а - С1СИ2С00И : Ыа0И на ангидроглюкозную единицу, моль/моль; - Для 1%-го раствора полимера в воде;в - двух-
кратная обработка.
Рис. 5. ИК-Фурье спектры образцов: А - МКЦ; Б - КМЦ (частичное замещение №+); В - №+-СЦ;
Г - №+-СКМЦ
Таблица 2. Условия и результаты сульфатирования МКЦ
Образец Сульфатирующий агент Растворитель Мольное соотношение3 Темпе- ратура, °С Время, реакции, ч сз8 Лпр,6 см3/г в воде Лпр,6 см3/г в водн. 1% ЫаС1
СЦ 1 и2бо4 - 5 0 2 0,08 - -
СЦ 2 ЫИ2В03И ДМФА 3 80 3 0,11 - -
СЦ 3 Б03/(Е1)3К ДМФА 3 50 3 0,17 - -
СЦ 4 Б03/ДМФА ДМФА 3 50 3 0,24 - -
СЦ 5 Б03/Руг Пиридин 3 50 3 0,21 -
СЦ 6 Б03/Руг Пиридин 2 80 3 0,34 176,7 -
СЦ 8 в Б03/Руг Пиридин 3 * 3 0,74 238,4 80,9
СЦ 9 г Б03/Руг Пиридин 3 * 3 1,27 217,2 45,3
СЦ 10 г Б03/Руг Пиридин 3 * 3 1,28 203,5 46,8
а - ангидроглюкозная единица : сульфатирующий агент, моль/моль; 80 °С; г - 30 мин, 100 °С, 1 ч, 90 °С, 1,5 ч, 80 °С.
- концентрация полимера 1%; в - 1 ч, 90 °С, 2 ч
Таблица 3. Условия и результаты сульфатирования КМЦ (2 моль С1803И на мономерное звено)
Образец СЗсоон Способ получения Температура, °С Время реакции, ч Растворитель С38 а 3 / Лпр, СМ /г в воде а 3 / Лпр. , СМ /г водн. 1% ЫаС1
СКМЦ 1 0,124 1 60 3 пиридин 0,07
скмц 2 0,124 1 80 3 пиридин 0,34 213,4 34,9
скмц 3 0,124 1 90 3 пиридин 2,50 221,4 54,6
скмц 4б 0,49 1 90 3 пиридин 0,04
скмц 5 0,49 2 30 5 ДМФА 0,3 325,7 65,2
скмц 6 0,49 2 50 3 ДМФА 0,77 119,9 73,0
скмц 7 0,49 2 60 3 ДМФА 0,91 74,5 56,1
скмц 8 0,97 2 30 5 ДМФА 0,18 327,0 172,6
скмц 9 0,97 2 50 3 ДМФА 0,37 206,1 84,2
а - концентрация полимера в растворе 1%; ь - 1 ч, 90 °С, 2 ч, 80 °С
Молекулярные массы водорастворимых образцов КМЦ, СЦ, СКМЦ оценивали методом гель-проникающей хроматографии. Результаты измерений и рассчитанная по степени замещения средняя молекулярная масса элементарного звена производных представлены в таблице 4.
Из приведенных данных следует, что при сульфатировании КМЦ происходит деструкция полимера. Сульфатирование КМЦ при температуре 50 °С (СКМЦ 6, табл. 4) сопровождается как усилением процессов деструкции, так и повышением полидисперсности продукта.
Натриевые соли анионных производных целлюлозы соответствующих степеней замещения растворимы в воде и дают вязкие растворы. Для некоторых образцов СЦ отмечено образование коллоидных систем, вследствие чего их растворы непрозрачны. Для сульфатов МКЦ, синтезированных в системе С1803И-пиридин (СЗэ до 1,0), наблюдается опалесценция, возрастающая для образцов с меньшей СЗэ. Подобный эффект может быть объяснен неравномерным распределением гидрофильных заместителей в волокнах, составляющих микрокристаллы, вследствие их различной доступности. Выдвинуто предположение, что кристалличная структура исходной МКЦ способствует возникновению гелеобразной жидкости. Ввиду неравномерного фракционного состава препаратов в процессе этерификации МКЦ внутренние высоко кристаллические области реагируют медленнее, чем остальные.
В растворе находится небольшое количество немолекулярно-диспергированной СЦ-№+, т.е. агрегатов макромолекул, связанных друг с другом так же, как в кристаллических участках МКЦ. Эти кристаллиты действуют как центры, захватывая относительно небольшое количество молекулярно-растворенной СЦ-№+ и образуя с помощью электростатических или Ван-дер-ваальсовых сил трехмерную решетку. Высоко замещенные СЦ-№+ анионных производных целлюлозы высоких степеней замещения дают прозрачные растворы, что обусловлено полным разрушением кристаллитов и более равномерным размещением гидрофильных групп.
Реологические свойства растворов полученных препаратов КМЦ, СЦ, СКМЦ типичны для растворов полиэлектролитов. Для них характерно отклонение от линейной зависимости ^ с - у (с), обусловленное полиэлек-
тролитной природой данных эфиров целлюлозы. Растворы полимеров обладают выраженным эффектом поли-электролитного набухания в области низких концентраций. С увеличением числа ионизируемых групп эффекты полиэлектролитного набухания проявляются в большей степени (рис. 6А, Б, В). При введении постороннего низкомолекулярного электролита у производных с высокой степенью замещения наблюдается незначительное снижение этого эффекта (рис. 6Г). В отличие от КМЦ-№+ препараты СКМЦ-№+ растворимы в растворах №С1 благодаря комбинации анионных групп. В то же время наличие в составе данного соединения карбоксильной группы определяет зависимость вязкости раствора от pH. Так, известно, что КМЦ в форме свободной поликислоты практически нерастворима в воде [15]. При низких значениях pH происходит замещение катионов №+ карбок-симетильной группы на ионы Н+, что приводит к ухудшению взаимодействия в системе полимер-растворитель и соответствующему снижению вязкости раствора (рис. 7). В области pH > 8 падение вязкости раствора СКМЦ, по-видимому, объясняется экранирующим действием ионов №+.
Таблица 4. Молекулярные массы анионных производных целлюлозы3
Образец Основная фракция, % Средняя молекулярная масса фракции, кДа Средняя молекулярная масса элементарного звена, Мсрб
КМЦ 8 98,09 260 244,08
СЦ 8 78,50 200 237,60
СКМЦ 6 55,31 180 270,65
СКМЦ 8 98,27 250 255,96
а - измерения проведены методом гель-проникающей хроматографии на хроматографе БЫша^и (колонка с наполнителем из сшитого декстрана, калиброванная сульфатированными декстранами. Элюент - 0,15 М раствор ЫаС1); 6 - для расчетов использованы результаты определения СЗ СООН и СЗ Б указанными в работе методами.
С, г/см310
С, г/см310
Рис. 6. Концентрационная зависимость приведенной вязкости (л/с) сульфатированных производных МКЦ: А - СЦ 10; Б - СКМЦ 2; В - СКМЦ 8 (в воде); Г - в растворе №С1 (С =1%)
С. г/см31 0
а г/см310
Рис. 7. Зависимость приведенной вязкости СКМЦ от pH раствора
pH
Таким образом, использование МКЦ для синтеза анионных производных позволяет получать препараты с различными степенями замещения. Высокоупорядоченная структура МКЦ влияет как на активность целлюлозы в реакциях этерификации, так и на физико-химические характеристики продуктов этерификации.
Выводы
1. Наиболее высокие степени замещения для СЦ достигаются в системе С1803Н-пиридин при 80-90 °С.
2. При сульфатировании КМЦ-Н+ в этой системе наблюдается падение C3S с возрастанием содержания карбоксильных групп в препаратах КМЦ.
3. Сульфатированные препараты СКМЦ с высокими степенями замещения могут быть получены при активации в сульфатирующей системе ClSOjH-ДМФА.
4. Для водных растворов образцов СЦ со степенью замещения до 1,0 отмечено образование коллоидных растворов.
Список литературы
1. Fukuda C., Kollmar O. Anionic polysaccharides a class of substances with hepatoprotective and antiadhesive properties in rat liver preservation // Transpl. Int. 2002. V. 15. P. 17-23.
2. Усов А.И. Проблемы и достижения в структурном анализе сульфатированных полисахаридов красных водорослей // Химия растительного сырья. 2001. №2. С. 7-20.
Chaidedgumjorn A., Toyoda Н., Woo E. Effect of (1,3) and (1,4)-linkages of fully sulfated polysaccharides on their anticoagulant activity // Carbohydrate Research. 2002. V. 337. P. 925-933.
Groth T., Wagenknecht W. Anticoagulant potential of regioselective derivatized cellulose // Biomaterials. 2001. V. 22. P. 2719-2729.
Hamdy A. Biosorption of Heavy Metals by Marine Algae // Current Microbiology. 2000. V. 41. P. 232-238.
Matsuda M., Shigeta S., Okutani K. Antiviral Activities of Marine Pseudomonas Polysaccharides and Their Oversulfated Derivatives // Mar. Biotechnol. 1999. V. 1. P. 68-73.
Ardizzone S., Dioguardi S., Mussini T. Microcrystalline cellulose powders: structure, surface features and water sorption capability // Cellulose. 1999. V. 6. P. 57-69.
Malhner C., Lechner M.D., Nordmeier E. Synthesis and characterisation of dextran and pullulan Sulphate // Carbohydrate Research. 2001. V. 331. P. 203-208.
Болотникова Л.С., Данилов C.H., Самсонова Т.П. Метод определения вязкости и степени полимеризации целлюлозы // ЖПХ. 1966. №1. С. 176-180.
Barba C., Montan D., Rinaudo M. Synthesis and characterization of carboxymethylcelluloses (CMC) from non-wood fibers I. Accessibility of cellulose fibers and CMC synthesis // Cellulose. 2002. V. 9. P. 319-326.
Петропавловский Г.А., Крунчак M.M. Сернокислые эфиры целлюлозы (сульфатцеллюлоза) // ЖПХ. 1967. Т. 38. №10. C. 2209-2220.
Richter A., Wagenknecht W. Synthesis of amylose acetates and amylose sulfates with high structural uniformity // Carbohydrate Research. 2003. V. 338. P. 1397-1401.
Целлюлоза и ее производные / Под ред. Н. Байклза, Л. Сегала; Пер. с англ. под ред. 3.A. Роговина. М., 1974. Т. 2. Vogt S., Heinze T. Preparation of carboxymethylcellulose sulfate of high degree of substitution // Carbohydrate Research. 1995. V. 266. P. 315-320.
Петропавловский Г.И. Гидрофильные частично замещенные эфиры целлюлозы и их модификация путем химического сшивания. Л., 1988. 298 c.
3.
5.
6.
7.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
Поступило в редакцию 3 июля 2007 г.
