ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТИ ПЕРИОДАТНОГО ОКИСЛЕНИЯ КАРБОКСИМЕТИЛЦЕЛЛЮЛОЗЫ И ПОЛИГАЛАКТУРОНОВОЙ КИСЛОТЫ

АННОТАЦИЯ

В статье приведены результаты исследования периодатного окисления карбоксиметилцеллюлозы и полигалактуроновой кислоты. Изучено влияние молекулярной массы и условий реакции на периодатное окисление карбоксиметилцеллюлозы и полигалактуроновой кислоты, установлены структурные и макромолекулярные характеристики окисленных образцов.

ABSTRACT

The article presents the results of a study of periodate oxidation of carboxymethylcellulose and polygalacturonic acid. The effect of molecular weight and reaction conditions on the periodate oxidation of carboxymethylcellulose and polygalacturonic acid was studied, and the structural and macromolecular characteristics of the oxidized samples were established.

Ключевые слова: карбоксиметилцеллюлоза, полигалактуроновая кислота, гидролиз, периодатное окисление, молекулярная масса, макромолекулярные характеристики.

Keywords: carboxymethylcellulose, polygalacturonic acid, hydrolysis, periodic oxidation, molecular weight, macromolecular characteristics.

Введение

Современным направлением в химии полисахаридов для получения продуктов с новыми заранее заданными свойствами является ее модификация, позволяющая устранять недостатки, присущие природным полисахаридам. Изменение макромолекулярных характеристик и введение реакционно-активных функциональных групп в макромолекулы путем химической модификации полисахаридов позволяют изменить их физико-химические свойства.

Карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) является одним из реакционно-активных производных целлюлозы и ее свойства во многом зависят от молекулярных параметров (ММ, СЗ, ММР и т.д.). КМЦ в кислой форме (Н-КМЦ) не растворяется в воде, тогда как в солевой форме (Na-КМЦ) хорошо растворима в воде [8].

Na-КМЦ имеет следующую химическую формулу:

Пектиновые вещества являются производными полисахаридов, и представляют собой полимергомологический ряд частично метоксилированной галактуроновой кислоты, связанной посредством α-(1→4) гликозидных связей. Деэтерификация метоксильных групп, путем гидролиза, дает возможность получить полигалактуроновую кислоту (ПГК) [6].

С целью получения реакционно-активных диальдегид производных КМЦ и ПГК с регулируемыми молекулярными параметрами, и функциональными группами исследована реакция периодатного окисления КМЦ и ПГК.

Экспериментальная часть

УФ-спектры. Спектры снимали на спектрофотометре «UV 1280» производства фирмы «Shimadzu» (Япония), в кварцевых кюветах толщиной 1 см, в области 200 – 500 нм в водных растворах.

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

Получение карбоксиметилцеллюлозы с регулируемыми молекулярными параметрами. Реакцию проводили в присутствии соляной кислоты в среде изопропилового спирта, при мольном соотношении 1:3 (Na-КМЦ:НСI). В трехгорлую колбу объемом 1000 мл, снабженную механической мешалкой и обратным холодильником помещали 700 мл изопропилового спирта, при постоянном перемешивании вводили 10 г Nа-КМЦ, затем колбу погружали в термостат, имеющий температуру 88–90 ⁰С, после чего вводилось расчетное количество концентрированной соляной кислоты.

Путем регулирования продолжительности реакции гидролиза получены образцы КМЦ, различающиеся по СП. После реакции гидролиза образцы промывались дистиллированной водой. Продукт реакции высушивали в вакууме в присутствии Р₂О_5.  Во время гидролиза идет нейтрализация Nа-КМЦ в Н-КМЦ. Поэтому после реакции гидролиза проведена реакция нейтрализации Н-КМЦ едким натрием (1:1 моль соотношение) в этаноле. В колбу емкостью 250 мл, снабженную магнитной мешалкой, помещали 1 г Н-КМЦ, затем добавляли 150 мл этанола. После чего, при комнатной температуре и при постоянном перемешивании вводилось расчетное количество раствора NаОН. Реакция проводилась до нейтральной рН среды, после ее завершения продукт отфильтровали и промывали 70 % этанолом, затем сушили на воздухе. Все образцы переведены в Nа-КМЦ форму вышеуказанным способом.

Получение полигалактуроновой кислоты методами деметоксилирования пектина. При действии щелочи на пектин идет реакция деметоксилирования и частичная деградация макромолекул пектина. С целью получения полигалактуроновой кислоты с различными молекулярными параметрами проведена реакция деметоксилирования пектина при различных продолжительностях реакций. Для этого 5 г цитрусового пектина растворяли в 50 мл дистиллированной воды и к полученному раствору добавляли 3 % -ный раствор NaOH в соотношении 1:1 (мольн.)=пектин:NaOH. ПГК выделяли из реакционной смеси осаждением изопропиловым спиртом. После чего осадок ПГК промывался изопропиловым спиртом и высушивался под вакуумом при 20 ˚С.

Синтез диальдегид производных карбоксиметилцеллюлозы и полигалактуроновой кислоты. Для получения реакционно-активных диальдегид производных КМЦ и ПГК проводили реакцию периодатного окисления следующим образом: в трехгорлую колбу емкостью 500 мл, снабженную механической мешалкой, термометром и обратным холодильником, вливали 150 мл ацетатного буферного раствора с рН=4,3 и при перемешивании приливали 100 мл 3 % раствора полимера. К забуференному раствору полимера при 25 ⁰С приливали соответствующее количество 0,2 N раствора NaJO₄ при мольном соотношении компонентов КМЦ:NaJO₄=1:1,5 (ПГК:NaJO₄=1:1,5). Реакцию проводили в течение 2,5 часов. Продукты реакции осаждали ацетоном. Осадок промывали 75 %-ным этанолом до отрицательной реакций ионов JO₄^- и JO₃^-. Продукт реакции сушили в темноте под вакуумом над Р₂О₅.

Спектрофотометрический метод. Степень окисления полисахаридов определены по методике представленной в [3], основанной на определении оптический плотности раствора периодата при λ=222,5 нм.

Йодометрический метод. Этот метод основан на способности йода в щелочной среде окислять альдегидные группы в молекуле полисахарида до карбоксильных групп. Определение проводили по методике [7]. Степень окисления вычисляли по следующей формуле: 

С = (а-в) ·0,013·10·100 / g·(100-ω)

где: а - количество 0,013 н раствора Na2S2O3, пошедшего на холостой опыт;

в - количество 0,013 н раствора Na2S2O3, пошедшего на пробу;

g – навеска диальдегида, в г ;

ω – влажность диальдегида, в %.

Результаты и обсуждение

В связи с тем, что биологическая функция макромолекулы, их физико-химические свойства, во многом зависит от молекулярных характеристик полимера (ММ, ММР, СЗ и др.), проведены исследования по получению КМЦ и ПГК с различными молекулярными параметрами.

Промышленно производимые марки Na-КМЦ неоднородны по СЗ и ММР, что препятствует их применению в медицинской практике. С целью получения КМЦ с заранее заданными молекулярными параметрами (ММ, с узкими ММР и СЗ) проведена реакция гидролитического расщепления промышленной КМЦ, имеющей ММ=121900 и СЗ=85±2.

Гидролитическое расщепление КМЦ проведено гетерогенно в среде органического растворителя, в присутствии соляной кислоты. Исследована зависимость степени полимеризации КМЦ от продолжительности реакции гидролиза, при температуре 88-90 ⁰С и при модуле системы 1:70. Результаты исследование представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Зависимость СП КМЦ от продолжительности гидролиза

*СП=[h]/К, К=6,6 10^-4

**[h]=8/С (h_отн^1/8-1).

Как видно из таблицы 1, с увеличением продолжительности гидролиза значения характеристической вязкости уменьшаются от 0,26 до 0,04 л/г, следовательно, уменьшается СП и ММ.

Проведенные исследования показали, что, изменяя соотношения КМЦ:НСl и продолжительность реакции, можно регулировать СП КМЦ.

Путём реакции гидролитического расщепления получены образцы КМЦ с молекулярными массами 12190, 36800, 54280, 72680 дальтон. Следует отметить, что при гидролитическом расщеплении степень замещения (СЗ) по карбоксиметильным группам почти не изменяется и СЗ равна 85±2.

ПГК получали воздействием раствора щелочи на цитрусовый пектин. При этом вместе с реакцией деметоксилирование идёт частичная деструкция макромолекулы. Кинетика деструкции зависит от концентрации щелочи, температуры и других факторов. В таблице 2 приведены условия реакции и характеристики полученных образцов.

Таблица 2.

Зависимость ММ ПГК от продолжительности деметоксилирования

В отличие от Na-КМЦ (сополимер), Na-ПГК представляет собой гомополимер галактуроновой кислоты, имеющий в каждом звене на 6 углеродном атоме –СООNa группу, и макромолекула состоит из соединенных посредством α-1-4-глюкозидных связей.

Исследования водных растворов модифицированных форм Na-КМЦ и Na-ПГК показали, что они в отличие от исходных полимеров хорошо растворимы в воде, образуют истинные растворы.

В химии полисахаридов имеется много способов введения реакционно-активных функциональных групп, в частности, для введения альдегидных групп в молекулу полисахарида, широко используется реакция периодатного окисления. При периодатном окислении разрывается связь между С₂-С₃ глюкопиранозного кольца, и образуются диальдегидные группы.

В литературе имеется ряд исследований по введению альдегидных групп в макромолекулы полисахаридов реакцией периодатного окисления [2; 4].

С целью получения диальдегид производных КМЦ и ПГК проведена реакция периодатного окисления. Реакцию проводили гомогенно в водном растворе NaJО₄. Продукты реакции осаждали ацетоном. Глубину реакции определяли по расходу окислителя (спектрофотометрическим методом) и по изменению содержания альдегидных групп (йодометрическим методом).

Реакцию периодатного окисления можно представить следующей схемой:

А. Окисление КМЦ:

Б. Окисление ПГК:

Из литературных источников известно [5], что при периодатном окислении целлюлозы, в глюкопиранзном цикле, образуются звенья диальдегида, которые могут находиться в разных конфигурациях. Первичная гидроксильная группа, находящаяся на 6 углеродном атоме, присоединяется к альдегидной группе с образованием термодинамически устойчивых 5- и 6-членных внутримолекулярных циклических полуацеталей или альдегидных групп, которые могут легко присоединять молекулу воды, превращаясь в гемм-диол.

При периодатном окислении КМЦ число структурных форм диальдегидов увеличивается, и появляются новые структурные формы: 6-О-замещенные диальдегиды (а) и их гидратированные структуры (б):

Изучена зависимость степени окисления модифицированной КМЦ от продолжительности реакции, ММ и соотношения реагентов при периодатном окислении КМЦ.

Таблица 3.

Зависимость степени окисления КМЦ от продолжительности реакции и ММ при периодатном окислении

где: степень окисления (в моль%) определена: 1-йодометрическим методом;

2-спектрофотометрическим методом;

Как видно из таблицы 3, с увеличением времени реакции увеличивается степень окисления, во всех образцах она почти одинакова, что указывает на то, что ММ почти не влияют на степень окисления КМЦ. Увеличение времени реакции более 2,5 часов приводит к некоторому уменьшению степени окисления (содержание альдегидных групп). Такой ход реакции, объясняется тем, что наряду с основной реакцией протекает побочная – окисление образующихся альдегидных групп до карбоксильных.

Таблица 4.

Зависимость степени окисления ПГК от продолжительности реакции и ММ при периодатном окислении

где: степень окисления (в моль%) определена: 1-йодометрическим методом;

2-спектрофотометрическим методом;

Как видно из таблицы 4, у ПГК подобно КМЦ с увеличением времени реакции до 2,5 часа увеличивается содержание альдегидных групп, далее уменьшается [1]. Но в течение этого периода содержание альдегидных групп у ДАПГК выше, чем ДАКМЦ. Это можно объяснить тем, что в некоторых элементарных звеньях КМЦ вторичные гидроксильные группы замещены карбоксиметильными группами, и в этих элементарных звеньях окисление не происходит. В случае полигалактуроновой кислоты 2 и 3 гидроксильные группы свободны и могут реагировать на периодаты с образованием диальдегид производных.

Заключение

Таким образом, в результате проведенных исследований получены образцы ДАКМЦ, содержащие от 10 до 45 моль % альдегидных групп и ДАПГК, содержащие от 15 до 50 моль % альдегидных групп и имеющие различную ММ. Полученные альдегид производные КМЦ и ПГК хорошо растворимы в воде, и в гомогенной среде они проявляют характерные реакции на альдегидную группу.

Список литературы:

1. Hassan Amer, Tiina Nypelö, Irina Sulaeva, Markus Bacher, Ute Henniges, Antje Potthast, and Thomas Rosenau // Synthesis and Characterization of Periodate-Oxidized Polysaccharides: Dialdehyde Xylan (DAX) // Biomacromolecules. – 2016.–Vol. 17 (9). – P. 2972-2980. DOI: 10.1021/acs.biomac.6b00777
2. Jing He, Laixin Dai, Qiuhong Deng, Lianwei Li. Uncovering the Polydisperse Characteristics of Modification Inhomogeneity for Starch during Oxidation by Sodium Periodate // Macromolecules 2021. Vol. 54 (22). P. 10537–10546.
3. Jonas Simon, Otgontuul Tsetsgee, Nohman Arshad Iqbal, Janak Sapkota, Matti Ristolainen, Thomas Rosenau, Antje Potthast. A fast method to measure the degree of oxidation of dialdehyde celluloses using multivariate calibration and infrared spectroscopy // Carbohydrate Polymers. – Vol. 278. 2022. –  P. 118–187.
4. Seid Reza Falsafi, Fuat Topuz, Hadis Rostamabadi. Dialdehyde carbohydrates – Advanced functional materials for biomedical applications // Carbohydrate Polymers. – 2023. – Vol. 321. – P. 121–276. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2023.121276
5. Simon, J., Fliri, L., Drexler, F., Bacher, M., Sapkota, J., Ristolainen, M., Hummel, M., Potthast, A., & Rosenau, T. Debugging periodate oxidation of cellulose: Why following the common protocol of quenching excess periodate with glycol is a bad idea // Carbohydrate Polymers. – 2023 – Vol. 310. –https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2023.120691.
6. Xiao Hua, Hui Yang, Ping Din, Kunrui Chi, Ruijin Yang, Rheological properties of deesterified pectin with different methoxylation degree // Food Bioscience. – Vol. 23. – 2018. – P. 91 – 99.
7. Получение альдегидов крахмала и целлюлозы: метод. указания / сост. О. И. Тужиков, Е. Б. Чернышова. – Волгоград: ВолгГТУ, 2017. – 16 с.
8. Эргашева Д.М., Шомуротов Ш.А. Исследование кислотного гидролиза карбоксиметилцеллюлозы // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. 2022. 2(92). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/12994 (дата обращения: 29.08.2023).