ПОЛУЧЕНИЕ ХИТОЗАНА И ЕГО ПРОИЗВОДНЫХ НА ОСНОВЕ APIS MELLIFERA

АННОТАЦИЯ

В последнее время практическое применение природных полисахаридов неуклонно растет, к которым относится простейшее производное хитина – хитозан. Лекарственные препараты полученные на основе хитозана нашли применение в таких областях как, средства доставки лекарств, средства обработки раневых покрытий и шовных материалов для медицины, ветеринарии, косметологии, лечебном питании, производстве БАДов и т.д. [1]. Целью настоящей работы является получение хитина из Apis mellifera, получение хитозана из хитина, синтез основания Шиффа хитозана с салициловым альдегидом, полученные его комплекса с ионами Ag, исследование состава и индивидуальность полученных продуктов с помощью методов ИК-спектроскопии и СЭМ анализа.

ABSTRACT

Recently, the practical use of natural polysaccharides has been steadily growing, including the simplest chitin derivative, chitosan. Medicines obtained on the basis of chitosan have found application in such areas as drug delivery devices, means for treating wound dressings and suture materials for medicine, veterinary medicine, cosmetology, medical nutrition, production of dietary supplements, etc.[1]. The aim of this work is to obtain chitin from Apis mellifera, obtain chitosan from chitin, synthesize the Schiff base of chitosan with salicylic aldehyde, obtained its complex with Ag ions, study the composition and individuality of the obtained products using IR spectroscopy and SEM analysis.

Ключевые слово: Apis mellifera, хитин, хитозан, Основание Шиффа, салициловый альдегид, ИК-спектр, СЕМ (сканирующий электронный микроскоп).

Keywords: Apis mellifera, chitin, chitosan, Schiff base, Salicylic aldehyde, IR spectrum, CEM (Scanner Electronic Microscope).

Хитозан (-(14)-2-амино-дезокси-D-глюкопираноза) является продуктом гидролиза природного аминополисахарида — хитина. Хитин широко встречается в клеточных стенках моллюсков, чешуе рыб, растениях или грибах. Хитозан широко используется в биомедицине, фармацевтике, пищевой промышленности, сельском хозяйстве, охране окружающей среды и многих других областях благодаря своей биомеханической, биоразлагаемой, высокой биологической активности и физико-химическим свойствам против бактерий а также грибов. При деацетилировании хитозана сохраняются реактивные аминогруппы в углероде-2 (C-2) и гидроксильные группы в ацилированной (GLcNAc) и деацетилированной (GLcN) частях C-3 и C-6. В свою очередь эти реакционноспособные функциональные группы легко химически модифицируются для изменения механических, физических и химических свойств хитозана [2]. Первичные аминогруппы в полимерной цепи могут взаимодействовать с альдегидами и кетонами образую основания Шиффа (–RC = N–) [3]. Полученные основания Шиффа хитозана проявляли более высокую антибактериальную, противовоспалительную и противовирусную активность [4]. Основания Шиффа координируются с ионами металлов за счет увеличения адсорбционных комплексообразующих свойств биополимера. Реакции образования основания Шиффа между альдегидной группой и аминогруппами повышают стабильность биополимера. При этом также было обнаружено, что каталитическая активность металлокомплексов, полученных на основе оснований Шиффа, намного выше [5]. Было обнаружено, что комплексы Co (II) и Pd (II) оснований Шиффа хитозана обладали высокой каталитической эффективностью при аэробном окислении циклогексана без восстановителей или растворителей. Кроме того, селективность этих типов катализаторов намного выше, а их комплексы очень эффективны при окислении линейных алканов и циклических алканов большого объема [6]. Учитывая широкий спектр применения и высокую биологическую активность этих соединений.

Обсуждение полученных результатов

ИК-спектральные исследования

Ниже приведены ИК-спектры веществ, полученные в ходе этого исследования (хитин, хитозан, основание Шиффа хитозана с салициловым альдегидом, и его металлокомплекс ионами Ag) и их анализ:

Рисунок 1. ИК-спектр хитина, полученного из Apis mellifera

В ИК-спектре хитина, полученного из Apis mellifera, наблюдаются следующие характерные сигналы поглощения, см^-1: в области 3433 за счет валентных колебаний межмолекулярных и внутримолекулярных связанных ОН-групп, 3260,2–3102,3 за счет валентных колебаний N-H связи. Сигнал тройного поглощения в области 3000–2800 принадлежит метиленовой группе пиранозного кольца. Область 1700-800 - «область отпечатка пальца» характерна для мономера хитина. 1653–1620,61 - амидная связь I, 1553,15 - амидная связь II. Сигналы поглощения в области 900–1100 принадлежат гликозидной связи между эфирными связями и пиранозными кольцами, а изменения сигналов, происходящие в этих областьях, указывают на уменьшение длины полимерной цепи и молекулярной массы [7,8]. Схематическое уравнение реакции деацетилирования хитина можно представит следующим образом:

хитин                                                                         хитозан

Рисунок 2.Схема реакции деацетилирования хитина

Рисунок 3. ИК-спектр хитозана полученного из хитина

При исследовании ИК-спектра хитозана полученного при деацетилировании хитина были обнаружены следующие характерные сигналы поглощения, см^-1: в области 3353–3291, обусловлены валентными колебаниями первичных аминогрупп и -ОН-групп, присоединенных к пиранозному кольцу, сигнал в области 2918-2872 за счет валентных колебаний пиранозного кольца и присоединенного к нему –CH₂OH, вызванного валентными колебаниями метиленовых групп. Сигналы поглощения в области 1649-1588.3 обусловлены валентными колебаниями амидных I и амидных связей II, уменьшение сигнала поглощения в этом области указывает на процесс деацетилирования. Изменения интенсивности сигналов поглощения в диапазоне 900-1100 указывали на уменьшение длины и молекулярной массы полимерной цепи при деацетилировании [7].

Рисунок 4. ИК-спектр основания Шиффа хитозана с салициловым альдегидом

При исследовании ИК-спектра синтезированного основания Шиффа хитозана с салициловым альдегидом, уменьшение и сдвиг интенсивности сигналов поглощения в областях 3000–3601 см^-1 свидетельствовал образовании основания Шиффа за счет свободных аминогрупп. Валентные колебания групп ОН, образующих внутримолекулярную водородную связь проявлялись в области 3447,9 см^-1, сигнал поглощения в областях 2876,7 и 1627,5 см^-1, обусловлены симметричными колебаниями связи С = О в СН и амидах (амидная связь I) в метиленовой группе. В ИК-спектре также присутствуют следующие характерные сигналы поглощения, см^-1: 1460,3 и 893,25 — деформационные колебания группы ОН; 1151.2 деформационные колебания связи C-H у CH₃; 1051,3 связи C-O-C, 1274,6 колебания связей C = C ароматического кольца. Интенсивный сигнал поглощения в области 1627,5 указывает на образование азометиновой связи C = N синтезированного основания Шиффа [9,10,11].

Рисунок 5. ИК-спектр комплекса Ag и основания Шиффа хитозана с салициловым альдегидом

Из приведенного выше спектра (рис.5.) видно, что образующаяся азометиновая связь сдвигается и при этом уменьшается интенсивность сигнала поглощения в области 1629 см^-1, также уменьшается интенсивность сигналов поглощения в области отпечатка пальца которые указывает на образование комплекса Ag с основанием Шиффа. В связи с этим примерную структуру полученного комплекса Ag с основанием Шиффа можно изобразит следующим образом:

Рисунок 6. Строение комплекса ионов Ag и основания Шиффа хитозана с салициловым альдегидом

Рисунок 7. СЭМ-изображение комплекса ионов Ag основанием Шиффа хитозана с салициловым альдегидом

Как видна из полученных СЭМ-изображение (рис.7.), в составе  полученного металлокомплекса ионов Ag и основания Шиффа хитозана с салициловым альдегидом присутствует ионы металла, при этом массовая доля ионов Ag равна 10,4%. Полученные данные полностью соответствует теоретическим расчетам.

Экспериментальная часть

Полученные соединения были охарактеризованы с помощью ИК-спектроскопии (Perkin Elmer Spectrum IR, версия 4000-650 см^-1) и сканирующим электронным микроскопом (EVO MA10 ZEISS).

Извлечение хитина и хитозана

10 г высушенного и измельченного Apis mellifera взвешивали, для удаления примесей нагревали, промывали и сушили в дистиллированной воде при 70-80ºC в течении 1 ч. Полученное вещество (8 г) добавляли к 80 мл водного раствора 0,1 н. HCl, нагревали при 70-80ºC в течении 1 ч, фильтровали, для удаления ионов металлов промывали до нейтральной среды и сушили (7 г). Деминерализованное вещество добавляли к 70 мл водного раствора 0,1 н. NaOH, нагревали при 70-80ºC в течение 1 ч, фильтровали, для удаления белка промывали до нейтральной среды и сушили. На следующем этапе к неочищенному продукту (1,2 г) прибавляя 30% раствор H₂O₂ объемом 20 мл удерживали в течение суток, фильтровали и несколько раз промывали водой. В результате получили беловатые хитиновые пластинки с выходом 10%. Для получения хитозана определенной молекулярной массой, хитин (1,0 г) нагревали с 10 мл 40% водного раствора NaOH в течение 7 часов при 70-80ºC. При этом получили хитозан (рисунок 2) с выходом 6%. 

Синтез оснований Шиффа хитозана

0,1 г хитозана растворяли в 10 мл метанола и перемешивали при комнатной температуре в течение 30 мин. Затем к смеси добавляли 2 мл салицилового альдегида. Смесь перемешивали и нагревали при 60°C в течение 24 часов. После охлаждения осадок промывали горячим этанолом и диэтиловым эфиром до образования бесцветного фильтрата и сушили при 60°C в вакууме в течение 24 часов. Получен желтый порошок (0,115 гр).

Синтез комплекса ионов Ag основанием Шиффа хитозана с салициловым альдегидом

0,1 г основания Шиффа хитозана с салициловым альдегидом растворяли в 10 мл метанола и смесь непрерывно перемешивали при комнатной температуре до полной диффузии, затем добавили 0,2 г Ag(OAc)₂. После перемешивания при 35ºC в течение 6 часов смесь конденсировали выпариванием в вакууме. Осадок фильтровали и трижды промывали диэтиловым эфиром. Нано-хитозановый комплекс серебра на основе основания Шиффа получали в виде черного порошка (0,11 г). На рисунке-6 показана примерная структура полученного комплекса.

Заключение

Таким образом, можно прийти к следующим заключениям: получен биополимер хитин из Apis mellifera выходом 10%; из хитина с помощью соответствующих химических процессов получен хитозан выходом 6%; синтезирован основание Шиффа хитозана с салициловым альдегидом; получен металлокомплекс ионов Ag основанием Шиффа хитозана с салициловым альдегидом; состав и индивидуальность полученных продуктов исследована методами ИК-спектроскопии и СЭМ-анализа.

Список литературы:

1. Хитозан (2013) / Под ред. Скрябина К.Г., Михайлова С.Н., Варламова В.П. М.: Изд. Центр «Биоинженерия» РАН, 593 с.
2. Ti Feng Jiao, Juan Zhou, JingXin Zhou, LiHua Gao, YuanYuan Xing, and XuHui Li // Synthesis and Characterization of Chitosan-based Schiff Base Compounds with Aromatic Substituent Groups // Iranian Polymer Journal 20 (2), 2011, 123-136.
3. T. Noushad, P. Alikutty, H. Basila, V.K. Rajan, K. Muraleedharan, V.M. Abdul Mujeeb, A comparative study on the druggability of Schiff bases and dithiocarbamate derivatives of chitosan, Polym. Bull. 73 (2016) 2165-2177.
4. M. S. Mohy Eldin1, 2, A. I. Hashem3, A. M. Omer1, T. M. Tamer // Preparation, characterization and antimicrobial evaluation of novel cinnamyl chitosan Schiff base // International Journal of Advanced Research (2015), Volume 3, Issue 3, 741-755.
5. S. Sashikala and S. Syed Shafi // Synthesis and characterization of chitosan Schiff base derivatives // Der Pharmacia Lettre, 2014, 6 (2):90-97.
6. Tong JH, Li Z, Xia CG, Highly efficient catalysts of chitosan-Schiff base Co(II) and Pd(II) complexes for aerobic oxidation of cyclohexane in the absence of reductants and solvents, J Mol Catal A Chem, 231, 197-203, 2005.
7. Н.Г. Габрук, И.И. Олейникова, А.В. Метелев, А.В. Давиденко, Хуинь Тхи Тхуи Чанг // Ик спектроскопия в изучении состава композитов, полученных из растительного и животного сырья // научные ведомости |Серия Естественные науки. 2011. № 15 (110). Выпуск 16
8. Khabibullaeva N., Khaitbaev A. // Synthesis Of Schiff Bases From Glucosamine On The Basis Of Apis Mellifera // The American Journal of Applied Sciences (ISSN – 2689-0992).
9. S. Sashikala and S. Syed Shafi // Synthesis and characterization of chitosan Schiff base derivatives // Der Pharmacia Lettre, 2014, 6 (2):90-97.
10. J.E. Santos, E.R. Dockal, É.T.G. Cavalheiro, Synthesis and characterization of Schiff bases from chitosan and salicylaldehyde derivatives, Carbohydr. Polym. 60 (2005) 277-282.
11. Khabibullaeva N.F., Makhkamova N.O., Khaitbaev A.Kh. // Extraction method of aminopolysacharides from apis mellifera // Cutting-edge science – 2020. Volume 10.