CC BY
5
УДК 541.61.614
Костандян Е.С., Сатаева А.Р., Цырульников С.А., Шпорта Е.Ю., Дятлов В.А.
ВЛИЯНИЕ рН СРЕДЫ НА ПРОДУКТЫ ГОМОГЕННОГО ПЕРИОДАТНОГО ОКИСЛЕНИЯ КАРБОКСИМЕТИЛЦЕЛЛЮЛОЗЫ
Костандян Ева Самвеловна - магистрант 1-го года обучения кафедры химической технологии пластических масс; evvkosti12@gmail.com.
Сатаева Анжелина Ринатовна - студент 4-го года обучения кафедры химической технологии пластических масс; anzhesata@mail.ru.
Дятлов Валерий Александрович - доктор химических наук, профессор кафедры химической технологии пластических масс; dyatlov.va@mail.ru.
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
Цырульников Сергей Александрович - кандидат химических наук, научный сотрудник; Шпорта Елена Юрьевна - кандидат химических наук, научный сотрудник; НИЦЭМ им. Н.Ф.Гамалеи, Россия, Москва, 123098, ул. Гамалеи, 18.
В статье рассмотрено влияние рН среды на молекулярную массу диалъдегидкарбоксиметилцеллюлозы, полученной периодатным окислением карбоксиметилцеллюлозы.
Ключевые слова: полисахариды, периодатное окисление карбоксиметилцеллюлозы, диалъдегидкарбоксиметилцеллюлоза, буферные растворы, гель-проникающая хроматография.
THE EFFECT OF pH ON THE PRODUCTS OF CARBOXYMETHYLCELLULOSE HOMOGENEOUS PERIODATE OXIDATION
Kostandyan E.S.1, Sataeva A.R.1, Dyatlov V.A.1, Tsyrulnikov S.A.2, Shporta E.Y.2
1 D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
2 The Gamaleya National Center of Epidemiology and Microbiology, Moscow, Russian Federation
The article discusses the influence of the pH on the dialdehydecarboxymethylcellulose molecular weight during periodate oxidation by viscosimetry and size exclusion chromatography.
Key words: polysaccharides, periodate oxidation of carboxymethylcellulose, dialdehydecarboxymethylcellulose, buffer solutions, size exclusion chromatography.
Введение
При создании новых высоковязких трансдермальных терапевтических систем и легко удаляемых адгезивов большой интерес представляет карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ). Основным ее недостатком, затрудняющими широкое применение, является отсутствие в структуре макромолекулы сайтов, удобных для химического связывания физиологически активных веществ. Наиболее эффективным способом их создания является
периодатное окисление полисахаридов (реакция Малапрада) [1], что показано на схеме 1.
Окислению подвергаются углерод-углеродные связи между двумя вицинальными гидроксильными группами ангидроглюкозных звеньев с образованием диальдегидкарбоксиметилцеллюлозы (ДАКМЦ) [2]. Одновременно с основным процессом протекает гидролитическое расщепление окисленных звеньев с соответствующим снижением молекулярной массы полимера (схема 1).
нсоон +
^он
где R -
//
-СН J—с—он ,
\\
-С-СИ .ОН
Схема 1. Схема окисления карбоксиметилцеллюлозы с последующим гидролитическим расщеплением по
окисленным звеньям
Экспериментальная часть
В настоящей работе методом гель-проникающей хроматографии (ГПХ) с двойным детектированием изучено влияния рН среды на мольное содержание окисленных звеньев и молекулярно-массовые характеристики продуктов исчерпывающего окисления КМЦ перйодной кислотой. Хроматографирование проводили на колонке, заполненной гелевым сорбентом на основе гидроксиэтилметакрилата (Ultrahydrogel) с линейной калибровкой по декстрану без аппроксимации полиномой третьей степени. Маркерный раствор для определения рабочего объема колонки Уо и Уполн состоял из смеси 2 мг глюкозы и 2 мг голубого декстрана Т2000 в 1 мл воды (рис.1).
водородных связей низших органических кислот как с ДАКМЦ, так и друг с другом.
800.00: ~ 700.00: 600.00: 500.00: > 400 .00: 300.00: 200.00: 100.00:
25.00 Minutes
Рис. 1. Маркерная гель-хроматограмма
Все исследованные образцы
диальдегидкарбоксицеллюлозы имеют похожий общий вид кривых молекулярно-массового распределения (рис. 2). Исследования, проведенные методом двойного детектирования с использованием RI и диодно-матричного UV-Vis детекторов, показали, что фракции однородны и имеют близкий состав по удельному содержанию хромофорных карбонильных групп в цепи. Все пробы содержат две полярные низкомолекулярные примеси (рис.2), взаимодействующие с материалом колонки и имеющие объем элюции больше Уполн (19 мл). На основании предыдущих исследований, мы можем утверждать, что это пики примесей муравьиной и гликолевой кислот. Это соответствует общей схеме окисления с последующим гидролизом и образованием гликолевой и муравьиной кислот в процессе реакции (схема 1). Это трудноотделимые от полимера примеси. Даже длительный диализ с использованием самых разнообразных диализных мембран не позволил полностью удалить их из образца. Это может быть связано с образованием
ТТЛ—| I ■ ■ | I I I | 1 I I—| I I ■ f I —I | ■■ I | I I ■ | I I I | I
26.00 гв.оо 30.00 3200 54.00 36.00 3600 40.00 42.00 44.00 Ikute
Рис. 2. Гель-хроматограмма образцов ДАКМЦ
Обнаружено, что в ходе реакции происходит существенное снижение молекулярной массы КМЦ, при этом, несмотря на различные механизмы окисления и гидролиза в кислых и щелочных условиях, протекание реакции привело к образованию близких по молекулярной массе и полидисперсности продуктов (Таблица 1). На гель-хроматограммах в условиях детектирования концентрационным RI детектором наблюдается эффективное разделение обоих образцов ДАКМЦ на три фракции.
При гель-проникающей хроматографии загрязненных образцов кислоты способны связываться с гидроксилированным
полиметакрилатным гелем с образованием трудноразрушаемых водородных связей. Это приводит к увеличению времени удерживания и объема элюции выше значения Упот колонки. Для этих соединений не удалось найти элюент, позволяющий реализовать условия разделения по гидродинамическим объемам молекул и полностью блокировать сорбционные взаимодействия. Трехмодальная гель-хроматограмма ДАКМЦ также может являться результатом появления в полимере фракций с разным удельным содержанием карбоксильных групп в условиях неполного подавления комплексообразования за счет образования водородных связей с материалом геля колонки.
Математическая обработка с использованием аппроксимации пиков Гауссовыми кривыми в программе ACDLabs позволяет определить пиковую молекулярную массу каждой из них (Таблица 2).
Таблица 1. Результаты расчета значений молекулярных масс и полидисперсности образцов ДАКМЦ
Образец Mn Mw Mp Полидисперсность Условия хроматографирования
КМЦ 7МБ- боратный буфер рН=8,7 4330 6540 8230 1,51 Фосфатный буферный раствор, КаОИ
КМЦ 7МБ- ацетатный буфер рН=3,7 4320 6570 8250 1,52 Фосфатный буферный раствор, КаОИ
КМЦ 7МБ- боратный буфер рН=8,7 4610 7010 8560 1,52 Фосфатный буферный раствор, Ка2СОэ
КМЦ 7МБ- ацетатный буфер рН=3,7 4480 6910 8450 1,54 Фосфатный буферный раствор, №2СОз
00
5.00
10.00
15.00
20.00
00
00
Таблица 2. Пиковые молекулярные массы образцов ДАКМЦ, полученных в разных условиях
Образец Mp Mp Mp Условия хроматографирования
КМЦ 7МБ- боратный буфер рН=8,7 8,2 4,8 2,4 Фосфатный буферный раствор, №ОН
КМЦ 7МБ- ацетатный буфер рН=3,7 8,2 4,6 2,4 Фосфатный буферный раствор, №ОН
КМЦ 7МБ- боратный буфер рН=8,7 8,6 4,9 2,4 Фосфатный буферный раствор, Ка2СОэ
КМЦ 7МБ- ацетатный буфер рН=3,7 8,4 4,9 2,3 Фосфатный буферный раствор, Ка2СОэ
Следует заметить, что в результате исследований, проведенных ранее, было показано, что исходная КМЦ является весьма неоднородным полимером со статистическим распределением заместителей и представляет собой сложную смесь полисахаридов, отличающихся по строению основной полимерной цепи. Компания производитель специфицирует содержание карбоксиметильных заместителей в пределах 70 на каждые 100 ангидроглюкозных звеньев целлюлозы. В свою очередь, заместители распределены между тремя основными сайтами, находящимися у углеродов 2, 3 и 6 ангидроглюкозных звеньев в соотношении 40:20:40 на 100 замещенных звеньев соответственно. Так как в реакциях окисления могут принимать участие только звенья, не содержащие заместители в положениях 2 и 3, то предельное содержание диальдегидных фрагментов в цепи может составлять не более 60 звеньев на каждую сотню ангидроглюкозных единиц. Однако,
экспериментально определенное значение их содержания во фракции с молекулярной массой 8 кДа составляет 72 звена на каждые 100 АГЕ. Вероятнее всего, это связано с тем, что в результате окисления и последующего гидролитического расщепления происходит обогащение
низкомолекулярных фракций полимера
фрагментами, не содержащими карбоксиметильных групп и способными к взаимодействию с окислителем. С этим же связано появление в образце фракций, отличающихся по молекулярной массе и плотности анионного заряда в макромолекулах.
Заключение
Таким образом, неоднородность химической структуры исходной карбоксиметилцеллюлозы играет определяющую роль в результатах исчерпывающего окисления полимера с последующим гидролизом. Независимо от рН среды в результате реакции образуются практически идентичный набор продуктов.
Список литературы
1. Dyatlov V. A. et al. Study of the chemical structure of dialdehyde carboxymethyl cellulose produced by periodate oxidation under different conditions //International Polymer Science and Technology. - 2015. - Т. 42. - №. 4. - С. 19-26.
2. Гумникова В.И. Синтез диальдегиддекстрана и диальдегидкарбоксиметилцеллюлозы и их химические превращения: дис...канд.х.н.: 02.00.06 -РХТУ, Москва, 2014. - 137 с.
