ИССЛЕДОВАНИЕ КИСЛОТНОГО ГИДРОЛИЗА КАРБОКСИМЕТИЛЦЕЛЛЮЛОЗЫ

АННОТАЦИЯ

В статье приведены результаты исследования кислотного гидролиза карбоксиметилцеллюлозы в органической среде. Изучена влияние условий реакции на молекулярные параметры карбоксиметилцеллюлозы и установлены макромолекулярные характеристики гидролизованных образцов.

ABSTRACT

The article presents the results of a study of acid hydrolysis of carboxymethylcellulose in an organic medium. The influence of the reaction conditions on the molecular parameters of carboxymethylcellulose was studied and the macromolecular characteristics of the hydrolyzed samples were established.

Ключевые слова: карбоксиметилцеллюлоза, гидролиз, молекулярная масса, макромолекулярные характеристики, степень полимеризации, вязкость.

Keywords: carboxymethyl cellulose, hydrolysis, molecular weight, macromolecular characteristics, degree of polymerization, viscosity.

В настоящее время проводятся интенсивные исследования по созданию лекарственных препаратов с применением молекулярного дизайна на основе взаимодействия низкомолекулярных лекарственных веществ с полимерами. При этом особое внимание уделяется изучению молекулярных характеристик полимера (молекулярной массы (ММ), молекулярно-массового распределения (ММР) и др.), так как биологические свойства макромолекулы, их физико-химические свойства, во многом зависят от этих характеристик [1,2].

В связи с этим, целю настоящего исследования являлось изучение реакции кислотного гидролиза карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) и установление молекулярных характеристик гидролизованных образцов.

КМЦ является простым эфиром целлюлозы, ее получают путем карбоксиметилирования активированной целлюлозы в промышленных условиях. Свойства КМЦ зависят от ее молекулярных параметров (ММ, СЗ, ММР и т.д.). КМЦ в кислой форме (Н-КМЦ) не растворима в воде, тогда как в солевой форме (Na-КМЦ) хорошо растворима в воде.

Na-КМЦ имеет следующую химическую формулу:

Для получения низкомолекулярных образцов проведен кислотный гидролиз двух марок промышленной Na-КМЦ:

1) Na-КМЦ с степенью полимеризации 530 и степенью замещения (по -СН₂СООNa группам) 85±3;

2) Na-КМЦ СП 470 и СЗ=70±3.

ГидролизNa-КМЦ проводили гетерогенно в среде этилового спирта с соляной кислотой. Установлено, что при гидролизе КМЦ протекают две параллельные реакции: уменьшение ММ КМЦ за счет гидролиза макромолекулы и переход с солевой формы -СООNa в кислотную форму -СООН за счет нейтрализации (схема 1.).

n>>m

Схема 1. Кислотный гидролизNа-КМЦ

Протекание выше указанных реакций доказано ИК-спектроскопическим и вискозиметрическим методами. В ИК-спектрах (рис.1.) Nа-КМЦ наблюдали поглощение при 1570 см^-1, относящееся к карбоксилатным группам. В процессе гидролиза под действием кислоты Nа-КМЦ переходит в Н-КМЦ, в связи с чем, в ИК-спектре вместо поглощения при 1570 см^-1, наблюдаем интенсивное поглощение при 1710 см^-1. Кроме того наблюдаются изменения в поглощениях при частотах 3310 см^-1, 1020 см^-1 и 1060 см^-1, относящиеся к ОН- и СО- группам карбоксила.

Рисунок 1. ИК-спектры: 1-Na-КМЦ, 2-Н-КМЦ, снятые в таблетке с КВr

Изменение ММ в результате кислотного гидролиза Nа-КМЦ изучали путем измерения вязкости ее растворов разной концентрации при 20±0,1°С, пользуясь методом вискозиметрии, на вискозиметре с диаметром капилляра 0,62 мм. Время истечения растворителя составляло не менее 100 сек, что исключало необходимость учета поправок на кинетическую энергию [3].

Время истечения в каждом случае определяли не менее 5 раз, разница результатов не превышала 0,2–0,3 с. Приведенную вязкость η_уд/C определяли по формуле:

  [η] =                                                                                 (1)

где t_u – время истечения раствора КМЦ, t₀ – время истечения растворителя, C – концентрация раствора КМЦ.

Характеристическую вязкость [η] определяли экстраполяцией к состоянию бесконечного разбавления (рис.2.):

Рисунок 2. Зависимость характеристической вязкости от концентрации раствора Nа-КМЦ

Расчет средневязкостной молекулярной массы проводили по уравнению Марка–Куна–Хаувинка [4]:

[η] = КМ^α                                                                                   (2),

где [η] – характеристическая вязкость в см³/г, К – постоянная, зависящая от температуры, природы полимера и растворителя, α – постоянная, связанная с конформацией макромолекулы в растворе. Для Na-КМЦ в растворителе 1,5 NNaOH K = 6,6 × 10^-4 мл/г, α = 0.91.

Гидролиз Nа-КМЦ является реакцией первого порядка:

                                                                (3),

где, M – средневязкостная молекулярная масса полимера в момент времени t, M∞ – предельная молекулярная масса, k – константа скорости превращения.

В макромолекуле КМЦ содержится множество реакционных центров – гликозидных связей. Гидролиз различных макромолекул протекает независимо друг от друга. Поэтому скорость превращения макромолекулы полимера пропорциональна “концентрации” реакционных центров в молекуле полимера, которая связана с молекулярной массой полимера. Исходя из этого можно записать уравнение в следующем виде:

                                                                (4)

где: M – средневязкостная молекулярная масса КМЦ в момент времени t, а M₁ – молекулярная масса мономерного звена КМЦ.

После интегрирования зависимость молекулярной массы КМЦ от времени реакции τ можно описать уравнением:

                                                          (5)

где M₀ – молекулярная масса исходной КМЦ.

Для определения константы скорости можно написать уравнение (6) в виде:

                                                                   (6)

Величина M₀, найденная на основании экспериментальных данных по вязкости исходной КМЦ с помощью уравнений (2) и (3), составляет 1,22 × 10⁵ г/моль.

С целью выявления влияния параметров реакции на кислотный гидроли зNa-КМЦ, изучены кинетика гидролиза, а также влияние температуры, концентрации реагентов и продолжительность гидролиза.

Кинетические кривые кислотного гидролиза Na-КМЦ с СП=450, γ=0,7 и СП=530 γ=0,85 представлены на рис.3.

Результаты исследований показали, что при определенном времени гидролиза, степень конверсии была выше для образцов Na-КМЦ с наибольшим СЗ, что вероятно связано с более аморфизированной структурой этих образов Na-КМЦ.

Рисунок 3. Кинетические кривые кислотного гидролиза КМЦ

1) СП=450, γ=70; 2) СП=530 γ=85

Для проверки кинетических кривых кислотного гидролиза образцов Na-КМЦ было использовано типохимическое уравнение Аврами-Колмогорова-Ерофеева (АКЕ) [5-7]:

ln (1 - α) = - Ktn                                                                 (7)

где:   α – степень конверсии; К–коэффициент, зависящий от константы скорости;t – время;n – кинетический параметр, который характеризует кинетический механизм процесса, а именно: если n=1, то это процесс первого порядка, если n=0,5, то это чисто диффузионный процесс, а если n находится в диапазоне 0,5 до 1, то это промежуточный случай, когда скорость процесса в той или иной степени осложнена диффузией.

В результате обработки кинетических кривых для образцов Na-КМЦ были рассчитаны параметры уравнения АКЕ. Из расчетов следует (рис.4.), что для образцов Na-КМЦ с высокой степенью кристалличности (с низкой СЗ) кинетический параметр n составляет 0,5, что свидетельствует о диффузионном кинетическом механизме кислотного гидролиза. С уменьшением степени кристалличности (с увеличением СЗ) и увеличением степени аморфности Na-КМЦ, значение параметра n возрастает, что указывает на переход процесса в промежуточную область 0,5<n<1, в которой скорость кислотного гидролиза зависит как от кинетических, так и от диффузионных факторов. При этом с увеличением степени аморфности Na-КМЦ вклад диффузии снижается.

Рисунок 4. Зависимость кинетического параметра от степени аморфности КМЦ 1) γ=70; 2) γ=85

Изучена кинетика гидролиза Na-КМЦ от продолжительности реакции и соотношения реагентов (КМЦ: НСI). Результаты приведены на рис.5.

Рисунок 5. Кинетика гидролиза Na-КМЦ при 80± 2 ⁰С

Соотношение Na-КМЦ:НСl: 1). 1:1,5; 2). 1:3,5; 3). 1:5; 4). 1:10

Из рис.5. видно, что гидролиз в первые 20 мин идет с довольно большой скоростью, что связано с деструкцией аморфных участков Na-КМЦ, далее деструкция идет незначительно. Причем установлено, что с увеличением концентрации кислоты скорость реакции заметно возрастает.

Молекулярные характеристики полученных образцов КМЦ также изучали методом гельпроникающей хроматографии.

В табл.1. представлены молекулярные характеристики полученных образцов КМЦ кислотным гидролизом, определенные методами вискозиметрии и гельпроникающей хроматографии (Mw). 

Таблица 1.

Молекулярно-массовые характеристики образцов КМЦ, полученных кислотным гидролизом

[η]*-определены в 1,5 N растворе NaОН.

Как видно из табл.1, при гидролизе КМЦ, СЗ по карбоксиметильным группам почти не изменяется и равна 85±3, т.е. гидролизующий агент НСl не оказывает действие на простую эфирную связь.

В результате получены образцы КМЦ, имеющие ММ от 73,0±1,5 до 12,0±0,5 кДа и молекулярно-массовое распределение со значением (M_w/M_n) равным от 1,138 ± 0,15 до 1,025 ± 0,23.

Эти результаты показывают, что путем кислотного гидролиза КМЦ, возможно получение низкомолекулярных образцов КМЦ с узким ММР.

Экспериментальная часть

ИК-спектры. Спектры снимали на приборах «Bruker Vektor-33», в диапазоне длин волн 500-4000 см^-1 в таблетках с КВr.

Характеристическую вязкость определяли вискозиметром Уббелоде, при температуре 20±0,2⁰С [8].

СЗ по карбоксиметильным группам определяли по методу осаждения медной соли КМЦ путем добавления в кислой среде к суспензии КМЦ раствора сернокислой меди [9].

Кислотный гидролиз. Гидролиз Nа-КМЦ проводили раствором HCl в среде этанола. В трехгорлую колбу объемом 1000 мл, снабженную механической мешалкой и обратным холодильником, помещали 700 мл этанола, при постоянном перемешивании вводили 30 г Nа-КМЦ, затем колбу погружали в термостат, имеющий температуру 80±2⁰С, после чего медленно по каплям добавляли расчетное количество концентрированного раствора HCl. По окончании реакции образцы промывали дистиллированной водой и высушивали под вакуумом в присутствии Р₂О₅. 

Во время гидролиза идет нейтрализация Nа-КМЦ в Н-КМЦ. Поэтому, после реакции гидролиза проведена реакция нейтрализации Н-КМЦ едким натром (1:1 моль соотношение) в этаноле. В стакан объемом 500 мл помещали 5 г Н-КМЦ, затем добавляли 250 мл этанола. После чего, при постоянном перемешивании, добавляли расчетное количество раствора NаОН. Перемешивание продолжали до нейтральной среды; после реакции продукт отфильтровывали и промывали 75% этанолом, затем сушили на воздухе.

Заключение

Согласно результатам проведенных исследований можно сделать заключение, что путем кислотного гидролиза Nа-КМЦ в органической среде можно получить низкомолекулярный Nа-КМЦ. Путем изменения условие реакции можно регулировать Nа-КМЦ с заданными макромолекулярными характеристиками, которых в дальнейшим можно использовать как носитель при синтезе полимерных препаратов.

Список литературы:

1. Мусаев У.Н. Состояние и перспективы синтеза и применения физиологически активных полимеров // Физиологически активные полимерные вещества. Сб. науч. труд. -№502. –Т.: «ТашГУ», 1976. –С. 6-33.
2. Платэ Н.А., Васильев А.Е. Основные принципы создания лекарственных полимеров и макромолекулярных терапевтических систем // Хим. фарм. ж. 1980, № 5. –С.16-19.
3. Рафиков С.Р., Будтов В.П., Монаков Ю.Б. Введение в физико-химию растворов полимеров.  -М.: Наука, 1998. –С. 192.
4. Цветков В.Н., Эскин В.Е., Френкель С.Я. Структура макромолекул в растворах.  -М.: Наука, 1994. –С. 712.
5. Baumgrtel M., Willenbacher N. The relaxation of concentrated polymer solutions// Rheol. Acta. 1996. V. 35. P. 168.
6. Avrami M. Kinetics of phase transformation – time relations for random distribution of nuclei // J. Chem. Phys. -1990 -Vol. 8. -р. 212-224
7. Gorbachev V.M. To the problem of applying the equation of Kolmogorov, Erofeev, Kazeev, Avrami and Mampel to the kinetics of non-isothermal transformations // J. Thermal Analysis Calorimetry. -2000. -Vol. 20. -№2. -P. 483-485.
8. Болотникова Л.С., Данилов С.Н., Самсонова Т.И. Метод определения вязкости и степени полимеризации целлюлозы // Журнал прикладной химии. 1966. Т. 39. №1. С. 179–180.
9. ГОСТ 5.588-70. Карбоксиметилцеллюлоза// -М.: 1970. –С. 46.