CC BY
6ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия А, 2004, том 46, № 3, с. 421^25
УДК 541.64:547.995.12
ТВЕРДОФАЗНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ХИТОЗАНА С КАРБОКСИЛСОДЕРЖАЩИМИ ПОРФИРИНАМИ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ И СДВИГОВЫХ ДЕФОРМАЦИЙ1
© 2004 г. С. 3. Роговина*, А. Б. Соловьева*, Н. А. Аксенова*, А. А. Жаров**
*Институт химической физики им. H.H. Семенова Российской академии наук 119991 Москва, ул. Косыгина, 4
**Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского Российской академии наук
119991 Москва, Ленинский пр., 47
Поступила в редакцию 01.09.2003 г.
Принята в печать 05.11.2003 г.
Показано, что в условиях совместного воздействия высокого давления и сдвиговых деформаций на наковальнях Бриджмена протекает твердофазная реакция ацилирования хитозана по аминогруппам карбоксилсодержащими порфириновыми соединениями - дейтеропорфирином и его монокар-боранилпроизводным с образованием соответствующих ацилпроизводных хитозана с порфириновыми фрагментами. Наибольшая степень конверсии (13%) достигается при давлении 3 ГПа и угле сдвига 240°. При введении в молекулу дейтеропорфирина карборанильного заместителя степень конверсии реакции ацилирования хитозана возрастает до 22%.
ВВЕДЕНИЕ
Природный полисахарид хитозан благодаря наличию целого ряда уникальных свойств (бакте-рицидность, биосовместимость, отсутствие токсичности, биодеградируемость, высокая сорбци-онная способность) и практически неисчерпаемым природным запасам вызывает к себе все возрастающий интерес многочисленных исследователей, работающих в различных областях, среди которых особо следует отметить медицину, пищевую промышленность, парфюмерию, сельское хозяйство [1,2].
В медицине хитозан широко применяется в виде пленок и гелей с иммобилизованными на них различными биологически активными (ферменты, белки) или лекарственными веществами (гормоны, антибиотики). Именно в таком виде эти материалы используются, в частности, при лечении ран [3-5]. Иммобилизация порфириновых соединений на хитозане является перспективным, но пока еще мало изученным способом модификации данного полисахарида.
1 Работа выполнена при финансовой поддержке Международного научно-технического центра (проект 1592).
E-mail: [email protected] (Аксенова Надежда Анатольевна).
Порфирины и их аналоги являются активными и биологически совместимыми фотосенсибилизаторами [6,7]. Для создания удобных в использовании препаратов для фотодинамической терапии опухолей и различных бактерицидных средств порфириновые фотосенсибилизаторы (ПФ) иммобилизуют на полимерных носителях [8]. Интерес к разработке препаратов на основе карборанилсодержащих порфириновых соединений вызван помимо указанных причин также и возможностью их использования в борнейтронозахватной терапии рака, поскольку порфирины в силу своей способности к накоплению в опухолевых тканях содействуют увеличению содержания в них бора [9].
Обычно иммобилизацию ПФ на различных полимерных носителях осуществляют за счет химического взаимодействия полимера, имеющего функциональные группы (сульфо-, амино-, карбоксильные, гидроксильные), с порфиринами, содержащими в цикле реакционноспособные заместители [8]. Отсутствие общего растворителя для хитозана и порфиринов (хитозан растворим в кислых водных средах, а большинство порфиринов -в органических растворителях) обусловливает целесообразность проведения между ними твердо-
422
РОГОВИНА и др.
фазной реакции в отсутствие растворителей в условиях совместного воздействия высокого давления и сдвиговых деформаций. В этих условиях помимо разрушения кристаллической структуры под действием прилагаемых сдвиговых напряжений происходит также и разрушение образованных сильнополярными функциональными группами хитозана внутри- и межмолекулярных водородных связей, что приводит к повышению его реакционной способности в реакциях химической модификации. Исследованию взаимодействия хитозана с различными веществами в твердой фазе в условиях совместного воздействия высокого давления и сдвиговых деформаций посвящен цикл работ, например [10-13]. В частности, показано [13], что в таких условиях хитозан взаимодействует с твердыми органическими кислотами с образованием соответствующих производных. Данная работа посвящена изучению возможности модификации хитозана карбоксилсодержащи-ми порфиринами в условиях совместного воздействия на них высокого давления и сдвиговых деформаций.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В работе использовали дейтеропорфирин (ДП), синтезированный в Филиале Института химических реактивов (Ереван), и впервые полученное по методике [14] монокарборанилпроиз-водное дейтеропорфирина (КПДП), обладающее следующими характеристиками: Rf = 0.45 (хлоро-форм:метанол в соотношении 15:1); электронный спектр (хлороформ-метанол, Хтах, нм (е х 10"3)): 394.4 (64.8), 496.6 (6.29), 530.2 (3.77), 565 (2.99), 618.4 (1.67); ИК-спектр (таблетки с КВг), v, см-1: 3250 (NH), 3020 (СН карборана), 2990 (СН порфи-рина), 2588 (ВН), 1745 (СО сложного эфира), 1700 (СО кислоты), 1650 (СН=СН2); ПМР-спектр смеси изомеров положений порфирина 6 (7) (CDC13 + + 1%СН3ОН, 5, м.д.): 10.82 (с, 2 Н, мезо-Н); 10.31 (с, 2 Н, мезо-Н); 10.27 (с, 2 Н, мезо-Н); 9.33 (с, 2 Н, рН); 9.30 (с, 2 Н, (JH); 4.30 (с, 4 Н, ОСН,); 3.76 (с, 12 Н, СНз); 3.70 (с, 12 Н, СН,); 3.55 (м, 16 Н, ObCHjCO); 2.95 (м, 16 Н, CH^CHjCO); 3.7 (уш.с, 4 Н, NH порфирина); масс-спектр, m¡z = 667.4 [М+]. Хитозан из панцирей крабов со степенью дезаце-тилирования 0.90 и М = 4.5 х 105 был получен во Всероссийском Научно-исследовательском институте рыбного хозяйства и океанографии (Москва).
Твердофазную модификацию хитозана порфиринами осуществляли в смесителе Брабендера (использовали ДП) и на наковальнях Бриджмена (использовали ДП и КПДП) при комнатной температуре.
Для проведения механохимической реакции в смесителе Брабендера (частота вращения ведущего ротора-мешалки п = 90 об/мин) к 100 мольным частям хитозана добавляли 1 мольную часть ДП и предварительно перемешивали в агатовой ступке.
При подготовке реагентов к взаимодействию на наковальнях Бриджмена порфириновые соединения и хитозан в мольном соотношении 1:5 смешивали в ступке или шаровой мельнице. В случае использования ДП давление сдавливающих плоскостей р меняли в интервале 1—4 ГПа, угол поворота наковален а варьировали от 60° до 360°. При взаимодействии хитозана с КПДП давление сдавливающих плоскостей р составляло 3 ГПа, угол поворота наковален а = 180°.
Реакционную массу, выгруженную из смесителя или снятую с наковален по окончании процесса, промывали смесью хлороформ:метанол в соотношении 9:1 до исчезновения полос поглощения порфиринов в электронных спектрах растворов (в области 390-650 нм). После отделения непрореагировавших порфиринов реакционную массу растворяли в 50 %-ном водном растворе уксусной кислоты при интенсивном перемешивании и фильтровали. Порфиринсодержащие хитозано-вые пленки получали отливанием из отфильтрованных 1-5 %-ных растворов модифицированного полимера на полиэтиленовой или полиамидной подложках. Содержание ПФ определяли по оптической плотности полос поглощения порфиринов в области 390-650 нм электронных спектров пленок и уксуснокислых растворов полимера.
В качестве величины, характеризующей степень конверсии твердофазной реакции, рассчитывали параметр <р, соответствующий степени ацилирования хитозана карбоксилсодержащими порфиринами
<р = m,<72/m2<7i,
ТВЕРДОФАЗНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ХИТОЗАНА
423
где - ММ звена хитозана, т2 - ММ порфирина, q1 - исходная навеска хитозана, q2 - содержание ПФ в продукте твердофазной реакции хитозана с порфирином.
Наличие химических связей между аминогруппами хитозана и карбоксильными группами пор-фиринов подтверждали путем анализа ИК-спект-ров продуктов твердофазных реакций. ИК-спект-ры порфиринсодержащих хитозановых пленок и таблеток КВг, содержащих мелкодисперсные исследуемые образцы, регистрировали на спектрометрах "Specord IR-VIS", "Perkin-Elmer 257" и Фурье спектрометре "Brucker Vector 22", электронные спектры - на спектрофотометрах "Specord UV-VIS" и "Hitachi EPS 35", спектры ПМР - на спектрометре "Bruker АМХ 400", масс-спектры -на масс-спектрометре MALDITOF "Vision 2000".
Р-СН2-СН2
СН2 I
сн2
I
COOR
Действительно, как и в работе [13], в ИК-спек-трах продуктов взаимодействия хитозана с ДП и КГТДП заметно увеличивается относительная интенсивность полос Амид I (1651 см-1) и Амид II (1550 см-1), что указывает на образование соответствующих амидных связей. Кроме того, в спектрах продуктов исчезают полосы, соответствующие валентным колебаниям С=0 (1742 см-1) сложноэфирной группировки КПДП и валент-
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Ранее было показано [13], что присоединение твердых органических кислот к хитозану под действием сдвиговых деформаций в твердой фазе может осуществляться за счет солевых и ковалент-ных связей, образующихся в результате взаимодействия аминогрупп хитозана с карбоксильными группами карбоновых кислот. В частности, увеличение относительной интенсивности полос Амид I (1650-1660 см"1) и Амид II (1550 см"1) в ИК-спектрах модифицированного хитозана свидетельствует о наличии амидных связей в продукте реакции.
Можно предположить, что взаимодействие хитозана с использованными в работе карбоксилсо-держащими порфиринами протекает согласно схеме
ным колебаниям С=0 (1723 см-1) карбоксильных групп ДП. Также в спектрах продуктов взаимодействия хитозана с КПДП наблюдается полоса, соответствующая валентным колебаниям В-Н карборановых фрагментов (2590 см-1). Следует отметить, что КПДП растворим только в органических средах, тогда как продукт, образующийся в результате твердофазного взаимодействия КПДП с хитозаном, становится растворимым в кислых водных средах, что также указывает на образование химической связи между полимером и порфирином.
На рис. 1 представлена зависимость величины ф от угла поворота наковален а для реакций между хитозаном и ДП на наковальнях Бриджме-на при различных давлениях р.
Видно, что при р < 3 ГПа величина <р слабо зависит от угла сдвига наковален (кривые /, 2) и не
-СООН
NH2
NHCOCHI
COOR I
сн2
I
сн2
I
P-CH2-CH2-COO
COOR
CH2OH CH2OH
сн2 сн2
Р-СН2—СН2—СО—NH
NHCOCH4
424
РОГОВИНА и др.
Ф
а0
Рис. 1. Зависимость степени конверсии (р реакции твердофазного взаимодействия хитозана и ДП от угла сдвига ос на наковальнях Бриджмена при давлениях р = I (1), 2 (2), 3 (5, 4) и 4 ГПа (5, 6). Кривые 1, 2, 4, 6 соответствуют реакции с участием предварительно смешанных в агатовой ступке реагентов; кривые 3, 5 — с участием предварительно смешанных в лабораторной шаровой вибрационной мельнице реагентов.
превышает значения 0.04. При р = 3 ГПа наблюдается экстремальная зависимость ф от а (кривые 3,4) (наибольшее значение <р достигает 0.13), что может быть связано с деструкцией порфири-на, происходящей при а > 240°. Этот вывод подтверждается также уменьшением выхода продукта при р = 4 ГПа уже при малых углах сдвига (кривые 5, 6). Расчеты показали, что деструкция ДП при р = 4 ГПа и а < 180° не превышает 4% от общего количества введенного в реакцию порфири-на, в то время как при р = 4 ГПа и а = 360° деструкция составляет уже 52%.
Предварительное диспергирование реагентов повышает эффективность твердофазной реакции, осуществляемой на наковальнях Бриджмена. Так, величина <р для реакции, проводимой при р = 3 и 4 ГПа с участием реагентов, предварительно смешанных в лабораторной шаровой вибрационной мельнице, на 50% выше, чем с участием образцов, полученных предварительным смешением в агатовой ступке. Необходимо отметить, что механохимическое взаимодействие ДП с хитоза-ном происходит уже на стадии перемешивания в лабораторной шаровой мельнице, хотя значение (р при этом не превышает 0.007.
В случае механохимической реакции между ДП и хитозаном, проводимой в смесителе Бра-бендера, степень конверсии крайне мала (0.003), т.е. для исследованной реакции данный тип оборудования является малоэффективным.
Введение в молекулу ДП электроноакцептор-ного карборанового заместителя, повышающего кислотность карбоксильной группы [15], приводит к увеличению степени конверсии <р реакции ацилирования хитозана порфирином. Так, степень конверсии твердофазной реакции хитозана с КПДП (предварительно перемешанных в лабораторной шаровой вибрационной мельнице) на наковальнях Бриджмена при р = 3 ГПа и а = 180°, составляет 0.22 (по сравнению с <р = 0.1 реакции хитозана с ДП при тех же условиях). Этот факт может быть связан с увеличением степени конверсии реакций образования производных карбо-новых кислот (солей, сложных эфиров и амидов) при повышении кислотности карбоксильной группы [16].
Таким образом, проведенные исследования подтвердили возможность иммобилизации кар-боксилсодержащих порфиринов на хитозане, что еще раз указывает на универсальный характер твердофазного метода модификации полисахаридов в условиях сдвиговых деформаций. Невысокие значения степеней конверсии могут быть обусловлены относительно слабой кислотностью карбоксильных групп порфиринов, связанной с влиянием системы сопряженных связей порфири-нового цикла.
Авторы выражают благодарность за помощь в получении карборанилпорфиринов В.Н. Лузги-ной и В.А. Ольшевской.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Быков В.П. // Матер. V конф. "Новые перспективы в исследовании хитина и хитозана". М.: Изд-во ВНИРО, 1999. С. 15.
2. Muzarelli R.AA. Chitin. Oxford: Pergamon Press, 1977.
3. Ueno H., Yamada H., Tanaka /., Kaba N.. Matsuura M„ Okumura M., Kadosawa T., Fujinaga T. // Biomaterials. 1999. V. 20. P. 1407.
4. Loke W.K., Lau S.K., Yong L.L., Khor E., Sum C.K. // J. Biomed. Mater. Res. 2000. V. 53. № 1. P. 8.
5. Ueno H.. Mori T., Fujinaga T. // Adv. Drug Deliv. Rev. 2001. V. 52. №2. P. 105.
ТВЕРДОФАЗНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ХИТОЗАНА
425
6. Миронов А.Ф. // Успехи химии порфиринов. СПб.: Изд-во НИИ химии СПбГУ, 1997. Т. 1. С. 357.
7. Bonnet R„ Evans R., Galla А. // Proc. Soc. Photo-Opt. Instrum. Eng. 1977. V. 3191. P. 79.
8. Соловьева А.Б., Тимашев С.Ф. // Успехи химии. 2003. № 11. С. 1081.
9. Kahl S.В., Коо M.-S. // J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1990. V. 24. P. 1769.
10. Акопова T.A., Роговина C.3., Горбачева И.Н., Ви-хорева Г.А., Зеленецкий С.Н. // Высокомолек. соед. А. 1996. Т. 38. № 2. С. 263.
11. Акопова Т.А., Роговина С.З., Вихорева Г.А., Зеленецкий С.Н. // Высокомолек. соед. Б. 1995. Т. 37. № 10. С. 1797.
12. Роговина С.З., Акопова Т.А., Вихорева Г.А., Горбачева И.Н., Зеленецкий С.Н. // Высокомолек. соед. Б. 1998. Т. 40. № 8. С. 1389.
13. Роговина С.З., Вихорева Г.А., Акопова Т.А., Горбачева И.Н., Зеленецкий А.Н. // Высокомолек. соед. А. 1997. Т. 39. № 6. С. 941.
14. Захаркин Л.И., Ольшевская В.А., Панфилова С.Ю., Лузгина В.Н., Евстигнеева Р.П. // Изв. РАН. Сер. хим. 1999. № 12. С. 2337.
15. Калинин В.Н. // Дис. ... канд. хим. наук. М.: ИНЭОС АН СССР, 1976.
16. Моррисон Р., Бойд Р. // Органическая химия. М.: Мир, 1974.
Solid-Phase Interaction of Chitosan with Carboxyl-Containing Porphyrins at High Pressure and Shear Deformations
S. Z. Rogovina*, A. B. Solov'eva*, N. A. Aksenova*, and A. A. Zharov**
*Semenov Institute of Chemical Physics, Russian Academy of Sciences,
ul. Kosygina 4, Moscow, 119991 Russia **Zelinskii Institute of Organic Chemistry, Russian Academy of Sciences, Leninskii pr. 47, Moscow, 119991 Russia
Abstract—The solid-phase reaction of the acylation of amino groups in chitosan by carboxyl-containing porphyrin compounds (deuteroporphyrin and its monocarboranyl derivative) with the formation of the corresponding acy 1 derivatives of chitosan containing porphyrin fragments is shown to take place under joint action of high pressure and shear deformations on Bridgman anvils. The maximum conversion (13%) is achieved at a pressure of 3 GPa and a shear angle of 240°. The introduction of a carboranyl substituent into the deuteroporphyrin molecule increases the degree of conversion in chitosan acylation to 22%.
