Влияние степени протонирования хитозана на некоторые его свойства Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 541.64:536.7

ВЛИЯНИЕ СТЕПЕНИ ПРОТОНИРОВАНИЯ ХИТОЗАНА НА НЕКОТОРЫЕ ЕГО СВОЙСТВА

© Л. Г. Кузина, А. С. Мурзагильдина, В. В. Чернова, Е. И. Кулиш*

Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, 450074 г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32.

E-mail: alenakulish@ rambler. гы

Обнаружена корреляция между степенью протонирования хитозана в растворе уксусной и соляной кислот и конформационным состоянием макромолекул полимера, а также его способностью к ферментативному разложению.

Ключевые слова: конформация макромолекул, протонирование, ферментативная деструкция, хитозан.

Полисахарид хитозан, представляющий собой частично дезацетилированное производное полимера природного происхождения хитина (рис. 1), в последнее время привлекает внимание большого числа исследователей.

CH2OH

N

H

OH

CH2OH

N

H

OH

C=O

I

CH3

Рис. 1. Строение мономерного звена хитозана.

Причина этого - комплекс превосходных свойств хитозана, среди которых совместимость с тканями живых организмов, биодеградируемость, высокая сорбционная емкость и т.д. [1, 2]. Одним из неоспоримых достоинств хитозана по сравнению с его ближайшими аналогами - хитином и целлюлозой, является то, что он легко растворяется в кислых водных средах, образуя вязкие растворы, которые затем перерабатываются в пленки и находят разнообразное применение. При растворении аминогруппы хитозана протонируются, в результате чего соотношение компонентов в бинарном растворителе кислота-вода, определяет не только степень протонирования полимера, но и конформационное состояние макромолекулы в растворе. Конформация макромолекулы, в свою очередь, может сказаться на вязкостных характеристиках хитозана и некоторых его свойствах. Целью данной работы стал поиск корреляции между степенью протонирования хитозана в бинарных растворителях - соляная кислота-вода и уксусная кислота-вода, его вязкостными характеристиками и реакционной способностью в процессе ферментативной деструкции.

Экспериментальная часть

В качестве объектов исследования использован образец хитозана (ХТЗ) производства ЗАО

«Биопрогресс» (Россия), полученный щелочным дезацетилированием крабового хитина (степень деацетилирования ~80%), с Мп=80000. Растворителями служили растворы уксусной и соляной кислот Концентрация ХТЗ в растворе варьировалась от 0.0025 до 0.125 мономоль/л. Величину рН растворов контролировали с помощью pH - метра АНИОН 4100. Определение степени протонирования ХТЗ в растворе а проводили согласно методике, описанной в работе [3]. Значение характеристической вязкости, по величине которой судили о конформационном состоянии хитозана, определяли в растворе уксусной кислоты соответствующей концентрации. Реакционную способность хитозана в процессе ферментативной деструкции в растворе уксусной кислоты оценивали по величине эффективной константы скорости ферментативной деструкции аналогично подходу, развитом в [4]. Константу скорости

определяли из уравнения

1

1

kэф • t

2МП '

М n(t) Mn( 0 ) 2^0

где M n(t) и M n(0) - исходная и текущая среднечисловая молекулярные массы ХТЗ, М0 -молекулярная масса звена хитозана. Для расчета среднечисловой молекулярной массы пользовались

М п

уравнением: Мn = -----—у— > где

М„ -

М = ■ ,

" [Г (2 + а]

средневязкостная молекулярная масса, Г - гамма функция, а - экспонента в уравнении Марка-Куна-Хаувинка. Средневязкостную молекулярную массу рассчитывали по величине характеристической вязкости ХТЗ, определенной в растворе ацетатного буфера с рН=4.5 [5], используя уравнение Марка-Куна-Хаувинка с К=1.38*10-4 и а=0.85.

В качестве ферментного препарата была использована гиалуронидаза (ГУП «Иммунопрепарат», Уфа). Соотношение хитозан: фермент в растворе составляло 95:5. Раствор ферментного препарата вносили в 2% раствор ХТЗ непосредственно перед началом изучения процесса ферментативной деструкции.

Обсуждение результатов Хорошо известно, что в растворе сильной кислоты, например, соляной, количество свободных

H

H

O

H

H

2

Y

X

* автор, ответственный за переписку

ионов водорода тем больше, чем больше концентрация соляной кислоты в растворе. Соответственно, растворение ХТЗ в этом случае сопровождается интенсивным понижением рН раствора, поскольку степень протонирования его макромолекул увеличивается монотонно по мере увеличения количества свободных ионов водорода. В нашем случае, максимально возможного для ХТЗ значения (с учетом степени деацетилирования его звеньев) степень протонирования достигает при мольном отношении соляная кислота/ХТЗ, равным 0.8 (рис. 1).

0,002 0,004 0,006

Концентрация кислоты в растворе, моль/л

Рис. 2. Зависимость степени протонирования хитозана концентрации 0.0025 (1), (2) 0.005и 0.0075 (3) моль/л от концентрации соляной кислоты в растворе.

В случае использования в качестве растворителя растворов слабой кислоты, например уксусной, ситуация несколько иная. Степень диссоциации уксусной кислоты как слабого электролита уменьшается с увеличением ее концентрации в растворе, но общее количество вещества при этом увеличивается. Очевидно по этой причине, зависимость степени протонирования ХТЗ в растворе уксусной кислоты носит сложный, экстремальный характер (рис. 3). Обращает на себя внимание три момента. Во-первых, степень протонирования ХТЗ в растворе уксусной кислоты имеет меньшие значения, нежели при растворении в соляной кислоте. Во-вторых, меняется мольное отношение кисло-та/ХТЗ, при котором достигается максимальная степень протонирования, данное отношение становится равным 7. В-третьих, с увеличением концентрации ХТЗ в растворе, степень его протонирования уменьшается, вероятно вследствие уменьшения доступности звеньев ХТЗ при переходе к более концентрированным растворам. Общий характер зависимости и мольное соотношение между кислотой и ХТЗ при этом сохраняется.

Более того, именно при данном мольном соотношении компонентов наблюдается наибольшее значение эффективной константы скорости ферментативной деструкции ХТЗ (рис. 3).

0,2 1,о

Концентрация кислоты в растворе, моль/л

Рис. 3. Зависимость степени протонирования хитозана концентрации 0.0075 (1), (2) 0.075и 0.125 (3) моль/л от концентрации уксусной кислоты в растворе.

1,0 1,5 2,0

Концентрация уксусной кислоты в растворе, моль/л

Рис. 4. Зависимость эффективной константы деструкции хитозана концентрацией 0.125 моль/л от концентрации уксусной кислоты, используемой в качестве растворителя под действием фермента гиалуронидазы.

Полученные данные перекликаются с данными работы [6, 7] по изучению деструкции ХТЗ под действием окислительно-восстановительной системы. Авторы [6] работы обнаружили экстремальную зависимость между молекулярной массой образовавшегося в процессе деструкции олигохитозана и концентрацией уксусной и соляной кислоты в составе растворителя (рис. 5). При этом, мольное соотношение кислота:ХТЗ, при котором наблюдается экстремум на кривой зависимости «молекулярная масса олигохитозана» - состав бинарного растворителя составляет 5.3 в случае использования уксусной и 0.8 в случае использования соляной кислоты, что практически совпадает с полученными нами данными. При этих же соотношениях компонентов (5.3 и 0.8) наблюдаются и максимумы на кривых зависимостей относительной и динамической вязкостей от содержания кислоты. Более того, именно при таком соотношении компонентов исчезает аномалия вязкости, т.е. растворы ХТЗ начинают вести себя как нью-

тоновские жидкости. Учитывая тот факт, что в процессах термической [8, 9], термоокислительной [10, 11] и ферментативной [12] деструкции полимеров неоднократно обнаруживалось проявление надмолекулярных и конформационных эффектов очевидно, что наблюдаемые закономерности тоже можно трактовать именно с позиций проявления макромолеку-лярных эффектов.

0,2 0,4 0,6 0,8

Концентрация кислоты в растворе, моль/л

Рис. 5. Зависимость молекулярной массы деградированного хитозана от состава растворителя: водные растворы соляной (1) и уксусной кислоты (2). Содержание хитозана в растворе 0.006 моль/л [7].

Так, известно, что нативный ХТЗ имеет высокоупорядоченную структуру, жесткость и стабильность которой поддерживается системой водородных связей [13]. При низкой степени протонирования непротонированные аминогруппы могут оставаться связанными водородной связью, поддерживающими жесткость и исходную спиральную конформацию макромолекул ХТЗ. Однако, при достижении некоторой «критической» степени протонирования может произойти конформационный переход спираль-клубок, обусловленный кооперативным разрушением водородных связей. О том, что макромолекулы ХТЗ находятся в спиральной конформации при мольном отношении уксусная кислота:ХТЗ меньше чем 5.3, и в конформации клубка при мольном отношении уксусная кислота:ХТЗ больше чем 5.3, авторы работы [7] судят на основании значения определенных ими значений констант а в уравнении Марка-Куна-Хаувинка [п]~Ма, которые составили 1.5 и 0.83, соответственно. Таким образом, в области перехода, по мнению авторов, реализуется состояние вытянутых неассоциированных макромолекул с наибольшей доступностью гликозидных связей. Именно при максимально возможной доступности гликозидных связей для воздействия деструкти-рующих реагентов, как в случае работ [6, 7] или ферментных препаратов как в нашем случае, и реа-

лизуется максимально возможная при данных условиях скорость и степень деструкции ХТЗ.

С нашей точки зрения, возможно и несколько иная интерпретация полученных результатов. Экстремальная зависимость степени протонирования ХТЗ в растворе уксусной кислоты обуславливает экстремальную зависимость размера макромолеку-лярного клубка в растворе. Соответственно, при небольших концентрациях уксусной кислоты (малой степени протонирования) ХТЗ находится в конформации клубка. При увеличении степени протонирования ХТЗ, клубок начинает разворачиваться и при мольном соотношении уксусная кислота: ХТЗ равным, в нашем случае 7, соответствующий максимально возможному значению степени протонирования ХТЗ, достигает максимально развернутого состояния. В этих случаях и реализуется наибольшая скорость и степень деструкции ХТЗ. Таким образом, если допустить, что в разбавленных растворах уксусной кислоты, исходная высокоупорядоченная структура ХТЗ все-таки разрушается, то полученные данные можно описать не с позиции перехода спираль-клубок, а напротив, с позиции перехода клубок-спираль. В растворе соляной кислоты степень протонирования ХТЗ в растворе изменяется не экстремально, а монотонно, постепенно достигая максимально возможного значения при мольном соотношении соляная кислота: ХТЗ равным 0.8. Поэтому на кривой зависимости молекулярной массы деградированного ХТЗ от состава растворителя для растворов ХТЗ в соляной кислоте (рис. 5 кривая 1) экстремальной зависимости не наблюдается. Повышенные значения константы а в уравнении Марка-Куна-Хаувинка, определенные для растворов ХТЗ в разбавленной уксусной кислоте, с нашей точки зрения, можно отнести за счет повышенной склонности ХТЗ не только к меж-, но и внутримолекулярной агрегации, что неоднократно отмечалось, например в работах [14, 15].

Таким образом, изучение растворов ХТЗ методом потенциометрии позволяет сделать вывод о том, что при мольном соотношении уксусная кисло-та:ХТЗ равном 5-7 и соляная кислота:вода равном

0.8 достигается максимально возможная для данного образца ХТЗ степень протонирования. В результате при изменении состава бинарного растворителя и увеличения степени протонирования происходит реализацией такого конформационного состояния, при котором доступность гликозидной связи ХТЗ для взаимодействия с ферментом гиалуронидазой становится максимально возможной. Именно этот факт может стать причиной экстремально зависимости степени и скорости ферментативной деструкции ХТЗ от соотношения кислота-ХТЗ.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ 11-03-97016-р_поволжье_а.

ЛИТЕРАТУРА

1. Muzzarelli R.A. Chitin. Oxford: Pergamon Press, 1977. 309 p.

2. Хитин и хитозан: Получение, свойства и применение / Под ред. К. Г. Скрябина, Г. А. Вихоревой, В. П. Варламова. М.: Наука, 2002. 365 с.

3. Rinaudo M., Pavlov G., Desbrieres J. Influence of acetic acid concentration on the solubilization of chitosan // Polymer. 1999. V. 40. P. 7029-7032.

4. Рогожин С. В., Г амзазаде А. И., Членова М. А., Леонова Е. Ю., Скляр А. М., Дотдаев С. Х. Частичный кислотный гидролиз хитозана // Высокомолекулярные соединения. 1988. Т. ХХХ(А). №3. С. 610-616.

5. Рафиков С. Р., Будтов В. П., Монаков Ю. Б. Введение в физи-ко-химию растворов полимеров. М.: Наука, 1978. 320 c.

6. Федосеева Е. Н., Семчиков Ю. Д., Смирнова Л. А. Деструкция хитозана в растворах под действием окислительновосстановительной системы // Высокомолекулярные соединения. Сер. Б. 2006. Т. 48. №10. С. 1930-1935.

7. Федосеева Е. Н., Смирнова Л. А., Федосеев Б. Ф. Вязкостные свойства хитозана и его реакционная способность // Вестник Нижегородского университета. 2008. №4. С. 59-64.

8. Колесов С. В., Кулиш Е. И., Минскер К. С. Роль надмолекулярной структуры в процессе деструкции поливинилхлорида в растворе // Высокомолекулярные соединения. 1994. Сер. Б. Т. 36. №8. С. 1383-1384.

9. Кулиш Е. И., Колесов С. В., Минскер К. С., Заиков Г. Е. Влияние структурно-физического состояния поливинилхло-

рида в растворе на его термический распад // Высокомолекулярные соединения. 1998. Сер. А. Т. 4. №»8. С. 1309-1313.

10. Кулиш Е. И., Герчиков А. Я., Чирко К. С., Колесов С. В., Заиков Г. Е. Особенности окисления полибутадиена в растворе // Высокомолекулярные соединения. 2004. Сер. Б. Т. 46. №2. С. 349-353.

11. Эмануэль Н. М., Бучаченко А. Л. Химическая физика старения и стабилизации полимеров. М.: Наука, 1982. 360 с.

12. Кулиш Е. И., Володина В. П., Фаткуллина Р. Р., Колесов С. В., Заиков Г. Е. Макромолекулярные эффекты при ферментативной деструкции хитозана в растворе // Высокомолекулярные соединения. 2008. Серия Б. Т.50. №7. С. 1277-1280.

13. Горбачева И. Н., Овчинников Ю. К., Гальбрайх Л. С., Трофимов Н. А., Мажоров В. В. Рентгенографическое изучение структуры хитозана // Высокомолекулярные соединения. 1988. Т. 30 А. №12. С. 2512-2515.

14. Вихорева Г. А., Роговина С. З., Пчелко О. М., Гальбрайх Л. С. Фазовое состояние и реологические свойства системы хитозан-уксусная кислота-вода // Высокомолекулярные соединения. 2001. Серия Б. Т.43. №6. С. 1079-1084.

15. Скляр А. М., Гамзазаде А. И., Роговина Л. З., Титкова Л. Р., Павлова С.-С. А., Рогожин С. С., Слонимский Г. А. Исследование реологических свойств разбавленных и умеренно концентрированных растворов хитозана // Высокомолекулярные соединения. 1981. Серия А. Т.23. №6. С. 1396-1403.

Поступила в редакцию 15.0S.2012 г.