ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТРУКТУРЫ КАРБОКСИМЕТИЛХИТОЗАНА, ПОЛУЧЕННОГО ИЗ ХИТОЗАНА ПЧЕЛИНОГО ПОДМОРА Аpis mellifera, ПУТЕМ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И РЕЗУЛЬТАТОВ ЕГО ЯМР-СПЕКТРОСКОПИИ

АННОТАЦИЯ

В данной научной работе представлены оптимальные результаты синтеза карбоксиметилхитозана из хитозана пчелиного подмора. Образование О-карбоксиметилхитозана из хитозана в указанных условиях выявлено путем его анализа методом ЯМР-спектроскопии. ЯМР-спектроскопия — спектроскопический метод исследования химических объектов, использующий явление ядерного магнитного резонанса. ЯМР выявляет информацию о молекулярном строении химических веществ. Обеспечивает более полную информацию, позволяя изучать динамические процессы в образце — определять константы скорости химических реакций, величину энергетических барьеров внутримолекулярного вращения. Полученные результаты теоретически обоснованы с помощью компьютерного моделирования.

ABSTRACT

This scientific work presents the optimal results of the synthesis of carboxymethyl chitosan from dead bee chitosan. The formation of O-carboxymethyl chitosan from chitosan under these conditions was revealed by analyzing it by NMR spectroscopy. NMR spectroscopy is a spectroscopic method for studying chemical objects using the phenomenon of nuclear magnetic resonance. NMR reveals information about the molecular structure of chemicals. Provides more complete information, allowing you to study dynamic processes in a sample - determine the rate constants of chemical reactions, the value of energy barriers to intramolecular rotation. NMR spectroscopy results of obtained O-carboxymethylchitosan were analyzed.

Ключевые слова: Хитин, хитозан, подмор пчел, карбоксиметилхитозан (КМХЗ), гидрофил, алкилирования, модификация, ЯМР-спектроскопия.

Keywords: Chitin, chitosan, bees, carboxymethyl chitosan, hidrofill, alkylation, modification, NMR spectroscopy.

В настоящее время в мире в области химии и химической технологии представляют большой интерес природные полимеры хитин, хитозан (ХЗ) и его производные, которые получают химической, физической или ферментативной модификацией хитозана. Карбоксиметилхитозан (КМХЗ) представляет собой карбоксиметилированное производное полимера хитозана, который обладает более высокой биосовместимостью и растворимостью в воде, чем хитозан, и лучшим антимикробным действием[1-3].

В качестве функциональных материалов хитин и хитозан обладают уникальным набором характеристик: биосовместимость, биоразлагаемость до безвредных продуктов, нетоксичность [4-6].

Цель исследования Синтез О-карбоксиметилхитозана из хитозана подмора пчел Apis Мellifera, изучение и анализ физико-химических свойств полученного карбоксиметилхитозана.

Материалы и методы

Химическое получение О-КМХЗ базировался на использовании хитозана с молекулярной массой 162 кДа, где степень деацетилирования хитозана равнялась 85% (1-таблица). Используемый хитин для деацитилирования получен из медоносного подмора пчёл. Для синтезирования КМХЗ из хитозана использована монохлоруксусная кислота (СlСН₂СООН) производства Mumbai-400086, India Customer Care № 022-6116 9797, бидистилированная вода (18 МОМ × см^–1), изопропиловый спирт (С₃Н₇ОН), гидроксид натрия (NaOH), уксусную кислоту (CH₃COOH), этанол (C₂H₅OH). Все промежуточные вещества, появляющиеся при химической реакции включенные в конечном продукте, дополнительной очистке не подвергались.

Таблица 1.

Некоторые физико-химические параметры хитозана, полученного из пчелиного подмора

Методы исследования

ЯМР-спектроскопию проводили на импульсном ЯМР-релаксометре Bruker. Параметры ЯМР измерялись на рабочей частоте 20 МГц и температуре 298 К с фазовым детектором. Длительность импульса составляла 4 p/2 4 мкс. Время простоя приемника составляет 3,5 мкс. Измерения коротких времен Т2 проводились с затуханием свободной индукции (EI) после одиночного импульса длиной 900 мкс. В случае больших значений Т2 использовалась последовательность импульсов серии Карра-Перселла.

Кванто-химическая иследования. Для определения пространственной и электронной структуры О-карбоксиметилхитозана были проведены квантово-химические расчеты в программе Hyper Chem 8.0

Результаты и их обсуждение

Впервые синтезирован О-карбоксиметилхитозан из хитозана Apis Мellifera и определены его оптимальные условия его получения, кинетические параметры реакции карбоксиметилирования пчелиного подмора О-карбоксиметилхитозана определена концентрация гидроксида натрия которое составляет 30%, необходимая температура, для проведения реакции 65⁰С, время продолжительности процесса реакции образования  полимера занимает 3 часа, соотношение хитозан монохлоруксусной кислоты 1:1, а соотношение ХЗ:ИПС алкилирующего агента 1:50[7].

Определен  уменьшение количества азота в полимере после процесса карбоксиметилирования, так как массовая доля азота в КМХЗ составляет  4,75%,  а в хитозане составляет 8,31%, а уровень обмена образцов до 80-96% определен методом кондуктометрического титрования, молекулярная масса определена методом вискозиметрии и составила M_ƞ ≈ 46700 [8].

Был получен и проанализирован спектр ЯМР образца Apis Mellifera XЗ и O-карбоксиметилхитозана (рис. 1). На рисунке в спектре XЗ ¹H ЯМР протоны, принадлежащие 1,2,3,4,5,6 атомам углерода ацетамидного кольца, идентифицируются как дополнительные сигналы при 1,89-1,91 м.ч. 3,01 м.ч. пик принадлежит протонам группы NH₂. Протоны ОН-групп, присоединенные к 3-му и 6-му атомам углерода кольца, составляют 3,58-3,75 м.ч. проявляется как дублирующий сигнал. 

А                                                        Б

Рисунок 1. Спектр ЯМР ¹Н хитозана Apis Mellifera (А) и О-карбоксиметилхитозана (Б)

В спектре ЯМР ¹H O-KМXЗ протоны, принадлежащие 2,3,6-углеродам ацетамидного кольца, равны 3,09; Он определяется в случае суммирования сигналов на 3,24 и 3,41 м.ч. 6- Два протона, соединенные с атомом С, имеют длину 2,73 м.ч. перешел в низшую сферу. Метиленовые протоны, принадлежащие к карбоксильной группе в O-KMXЗ, имеют длину 2,52 м.ч. наблюдаемый. Протоны группы NH₂ 3,9 м.ч. записано в протоны атомов углерода 1 и 4 в глюкозидных связях полимерной цепи составляют 3,52-3,54 м.ч. определяется в 1,5 м.ч. триплетный пик в связях -OH принадлежит протонам[9-10].

В спектре ЯМР ¹H O-KМXЗ видно, что введение карбоксиметильной группы рассеивает протоны ацетамидного кольца. Протоны, принадлежащие 1,4-углеродам, идентифицируются при 1,5 м.ч. 2- протон, связанный с атомом С при 2,52 м.ч., 3- протон, связанный с атомом С при 2,73 м.ч., 5- протон, связанный с атомом С при 3,09 м.ч., 7,6- протоны С, связанные с атомом, регистрируются при 3,24-3,41 м.ч. Протоны группы NH₂ составляют 3,52 м.ч в результате действия карбоксиметильной группы. Протоны группы ОН, связанные с 3-С, переместились на 3,57 м.ч. Протоны, принадлежащие к карбоксильной группе в O-KMXЗ, составляют 3,59 м.ч. записывается.

Для изучения взаимодействия химических групп в хитозане и его производном О-КМХЗ, мы исследовали их электронную структуру квантово-химическими методами. С целью изучения влияния карбоксиметильной группы на электростатический потенциал молекулы, на ее донорно-акцепторные свойства (потенциал ионизации) были рассчитаны молекулярные орбитали хитозана и структурные модели О-КМХЗ на компьютере. 

А                                                                               Б

Рисунок 2. Молекулярная модель O-КМХЗ(A) и заряд атома (Б) О-КМХЗ Apis Mellifera

Как видно из рис.2. на основе компьютерного моделирования изучено пространственное и электронное строение О-карбоксиметилхитозана и вычеслены полуэмпирическими методами их заряды атома. В табл.5.  приведены рассчитанные данные значений энергии высших занятых ЕВЗМО, низших свободных ЕНСМО молекулярных орбиталей, теплоты образования и энергетические характеристики, рассчитанные методами АМ1, CNDO, MNDO структуры О-КМХЗ Na[11].

Выводы

Изучали особенностей реакции карбоксиметилирования хитозана Apis Mеllifera и выявление кинетических параметров, а также оптимальных условий при получении О-замещенного карбоксиметилхитозана. Таким образом, наиболее оптимальными условиями синтеза О-карбоксиметилхитозана из хитозана пчелиного подмора являются 65°С, время 3 часа и соотношение исходных веществ 1:1. Представленные данные ЯМР-спектроскопии также указывают на образование O-KMXZ. И метод компьютерного моделирования подтверждает образование O-KMXZ в указанных условиях.

Список литературы:

1. В.П. Варламов, А.В. Ильина, Б.Ц. Шагдарова, А.П. Луньков, И.С. Мысякина Хитин/хитозан и его производные: фундаментальные и прикладные аспекты // Успехи биологической химии, T. 60, 2020, C. 317–368.
2. Anitha A., Maya S., Deepa N.et al. “Efficient water soluble O-carboxymethyl chitosan nanocarrier for the delivery of curcumin to cancer cells,” Carbohydrate Polymers, vol. 83, no. 2, 2011. Р.452–461
3. T. Sun, B. Zhan, W. Zhang, D. Qin, G. Xia, H. Zhang, M. Peng, S.A. Li, Y. Zhang, Y. Gao, W.H. Lee, Carboxymethyl chitosan nanoparticles loaded with bioactive peptide OH-CATH30 benefit nonscar wound healing, Int. J. Nanomed. 13 (2018) Р. 5771–5786, https://doi.org/10.2147/IJN.S156206.
4. An N.T., Thien D.T., Dong N.T., Dung P.L. Watersoluble N-carboxymethylchitosan derivatives: preparation, characteristics and its application //Carbohydrate Polymers, vol. 75, no. 3, 2009. Р.489–497.
5. Акопова Т.А. и др. Получение карбоксиметиловых эфиров хитина и хитозана в условиях пластического течения // Высокомолекулярные соединения. Серия Б. Том 37. № 10. 1995.С. 1797-1801
6. Сливкин Д. А., Лапенко В. Л., Сафонова О. А., Суслина С. Н., Беленова А. С. Хитозан для фармации и медицины // Вестник ВГУ. 2011. -№ 2. 14c
7. Курбанова Ф.Н., Ихтиярова Г.А., Джумаева М.К. Способ получения и физико-химические свойства карбоксиметил эфиров хитозана из подмора пчел. universum: технические науки. 3(96) март.Москва-2022. Часть 5. С.18-23
8. Feruza Kurbanova,  Mahfuza Djumaeva, Gulbahor Khudoynazarova Preparation of Apis mellifera carboxymethylchitosan and determination of its  molecular weight and degree of acetylation.  Web of Conferences 460, 10029 (2023). tps://doi.org/10.1051/e3sconf/202346010029
9. Курбонова Ф.Н., Севинчова Д.Н., Самандарова М.О. Морфологические и биохимические изменения в процессе заживление ожоговых ран мазями на основе карбоксиметилхитозана Аpis Мellifera // ҚарДУ хабарлари-№63. 2023 Б. 48-52.
10. Саттарова Д.М., Саттаров Т.А, Кодирханов М.Р.., Рашидова С.Ш. Перспективы формования нановолокон О-карбоксиметилхитозана Bombyx mory для медицинского предназначения // Научный вестник Нам ГУ, 2020.  №10. - C.102-108.
11. Qurbonova F.N., Ixtiyarova G.A. Мolecular structure and charge of an atom O-carboxymethylchitosan Apis Mellifera. "Аctualproblems of the chemistry of naturalcompounds » scientific conference of young scientis ts. Acad. S.Yu.Yunusov Institute of the Chemistry of Plant Substances, Tashkent- March 17, 2022. Р. 190.