СИНТЕЗ ДИАЛЬДЕГИД АЛЬГИНАТА НАТРИЯ

АННОТАЦИЯ

В данной работе представлены данные об альгинате натрия: метод экстракции, окисление иодной кислотой и определение степени окисления титрованием гидрохлоридом гидроксиламина, а также изучена зависимость выхода продукта от различных условий. Альгинат натрия был получен с высоким выходом, методом ультразвуковой экстракции. В качестве окислителя использовали растворы периодата натрия с концентрацией 0,2, 0,4, 0,6, 0,8 и 1,0 М. Степени окисления полученных диальдегид алгинат натрия составляют 50,96; 51,88; 52,56; 53,91 и 56,84% соответственно. Методами ИК- и РФА (рентгенофазового анализа) исследованы индивидуальность и характеристика полученных веществ. Степень кристаллизации составляет: для альгината натрия - 26,4%; а для полученных образцов диальдегид альгината натрия - 50,6; 51,8; 63,3; 63,4 и 63,7% соответственно.

ABSTRACT

In this scientific work, sodium alginate: extraction method, oxidation in the presence of periodic acid, and calculation of the degree of oxidation by titration with hydroxylamine hydrochloride, as well as the oxidation process and its dependence on different conditions. Sodium alginate was extracted in high yield by ultrasonic extraction. Sodium periodate solutions with concentrations of 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, and 1.0 M were oxidants. Oxidation levels of oxidized substances are 50.96; 51.88; 52.56; 53.91 and 56.84%. IR and X-ray diffraction methods analyzed the obtained substances. Degree of crystallinity: sodium alginate - 26.4%; sodium alginate dialdehyde samples - 50.6; 51.8; 63.3; 63.4 and 63.7%.

Ключевые слова: альгинат натрия (АН), диальдегид альгината натрия (ДAН), степень окисления, степень кристаллизации.

Keywords: sodium alginate (SA), dialdehyde sodium alginate (DSA), degree of oxidation, degree of crystallinity.

Введение

Полисахариды принадлежат к наиболее распространенному классу биомакромолекул на Земле и, как известно оказывают широкий спектр биологических эффектов, включая антиоксидантное, противораковое, антибиотическое, антикоагулянтное и биоактивное действие на клетки млекопитающих. Одним из ярких его представителей является альгинат натрия, пространственная структура которого состоит из (1-4)-связанных β-D-маннуроновой кислоты (М) и α-L-гулуроновой кислоты (G). Обе молекулы встречаются в пиранозной конформации, гомогенных (ММ или ГГ) и гетерогенных (МГ или ГМ) блоках [1]. Благодаря своим функциональным группам, таким как гидроксильные и карбоксильные группы, альгинат натрия может быть химически модифицирован, что позволяет прикреплять его к поверхностям или модифицировать другими молекулами [2]. При окислении альгината натрия периодатом натрия (NaIO₄) образуются альдегидные группы, который образуется в результате разрыва связей С-С между вицинальными гидроксильными группами, при этом образуя диальдегид-альгинат натрия. Эти группы -CHO могут быть использованы для создания тканевых клеев, модифицирующих аминогруппы, присутствующие на поверхности ткани, или образующих основания Шиффа в результате взаимодействия других полисахаридов и белков с аминокислотами для приготовления гидрогелей [3-5]. Кроме того, учитывая, что альгинат служит противоядием при отравлении тяжелыми металлами, доказано, что он является эффективным вспомогательным средством при пищевых отравлениях. Альгинаты являются природными хелатирующими агентами и широко используются в качестве адсорбентов тяжелых металлов для защиты окружающей среды, поскольку являются биоадсорбентами тяжелых металлов в сточных водах [6-8].

Применение альгината натрия в вышеупомянутых широких областях зависит от количества альдегидных групп в молекуле и степени окисления. Например, в результате степени окисления альгината, превышающей 10%, он теряет способность образовывать гидрогель. Именно поэтому альгинаты с низким уровнем окисления используются при производстве гидрогелей, применяемых в медицине. Окисление периодатом (обычно NaIO₄) разрывает углерод-углеродные связи C2-C3 в молекуле альгината с образованием двух -CHO групп [9]. Образующиеся диальдегид альгинаты находятся в равновесии с внутримолекулярным полуацетальным состоянием в растворе (рис. 1).

Рисунок 1. Реакция окисления альгината натрия

В данной работе приводится окисление альгината натрия окислителем (NaIO₄) и определение степени окисления методом титрования гидрохлоридом гидроксиламина [11]. При этом установлена ​​зависимость концентрации окислителя, времени и температуры реакции от оптимизации реакции окисления альгината натрия. Все полученные вещества были проанализированы с использованием физических методов исследования: таких как инфракрасной спектрометрии (ИК) и рентгенофазового анализа (РФА).

Материалы и методология исследования

Для проведения данной работы были использованы следующие реагенты: альгинат натрия (АН) (≥96%), периодат натрия (≥99,8%; Sigma Aldrich), гидроксиламина гидрохлорид (≥99%; Sigma Aldrich), этиленгликоль, хлорид натрия, серная кислота, хлороформ, метанол, карбонат натрия, гипохлорид натрия, спирт и ацетон.

Инфракрасная спектроскопия (ИК). ИК-спектр был получен при волновых числах 400 - 4000 см^-1 с разрешением 4 см^-1 с использованием INVENIO S (Bruker, Германия), оснащенного алмазной ячейкой НПВО. Вещества, взятые для анализа, находились в сухом аморфном состоянии.

Рентгенофазовый анализа (РФА). Анализ РФА был выполнен с помощью прибора модели Mini Flex XRD-600 (Rigaku, Япония). Альгинат натрия дал 2θ = 13.6˚ пики высокой интенсивности 2θ = 27.5˚ и уровень кристалличности: 26.4%

В качестве источника альгината натрия были выбран Charophyceae (водоросль, распространенных в водоемах Узбекистана). Для извлечения его из растения Charophyceae использовался метод ультразвуковой экстракции. Получение альгината натрия включает химические методы, такие как, депигментация, деминерализация и экстракция.

При проведении работы был подобран и разработан оптимальные условия для образования диальдегид альгината натрия.  Для этого реакцию окисления альгината натрия проводили в присутствии 0,2 М раствора периодата натрия. Реакцию проводили в течение 24 часов. В качестве ингибитора для остановки реакции окисления использовали 1 мл этиленгликоля. Добавляли 100 мл этанола для отделения окисленного альгината натрия от среды раствора и полученный осадок отфильтровывали.

Полученный диальдегид альгинат натрия количественно вводили в реакцию с NH₂OH для определения степени его окисления и определяли титрованием до исходного значения pH раствором NaOH. Для изучения и сравнения кристалличности первоначального и полученного продукта использовался метод рентгенофазового анализа.

Результаты и обсуждение

Синтез и определение степени окисления диальдегид альгината натрия (ДАН). Реакции окисления альгината натрия проводили в водно-спиртовом растворе (3:1). Для этого 2.0 г альгината натрия растворяли в 80 мл водно-спиртовом растворе, затем добавляли 20 мл 0.2 М раствора периодата натрия. Через определенное время (24 ч) к реакционной смеси добавляли 1 мл этиленгликоля и перемешивали 30 мин. Полученный деальдегид альгинат натрия (ДАН) осаждали добавлением 1 г NaCl и 300 мл этанола и отделяли фильтрованием. После этого его растворяли в 10 мл деионизированной воде, помещали в диализный мешок и диализовали в 1000 мл деионизированной воды в течение 24 часов. Через определенное время ДАН переосаждали добавлением  0.5 г NaCl и 100 мл спирта. ДАН сушили при 40°С. Полученное вещество составило 1.54 г.

В результате реакции выделяли ДАН и сравнивали с ИК-спектрами альгината натрия (рис.2).

Рисунок 2. ИК-спектр: – диальдегид альгината натрия (ДАН) и – альгинат натрия (АН)

Полученные результаты показывают, что новый пик при 1739 см^-1 образовался в результате валентных колебаний, характерных для карбонильной (C=O) группы альдегидной группы. Также пики при 1601 см^-1 и 1631 см^-1 принадлежат карбонильной (C=O) группе карбоксильной (СОО^-) группы обоих соединений. Сигналы в области 3246 см^-1 (для АН) сместились в 3396 см^-1 (для ДНА) за счет валентных колебаний ОН групп.

При получении ДНА из АН, изучали зависимость степени окисления и выхода продукта реакции от температуры, времени реакции и концентрации периодата натрия. Растворы периодата натрия использовали в концентрациях: 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 и 1.0 М. По мере увеличения концентрации периодата натрия получали ДАН с более высокой степенью окисления, при этом выход образования ДАН также значительно увеличивался (табл. 1).

Таблица 1.

 Степень окисления альгината натрия

Рисунок 3. Зависимость степени окисления диальдегида альгината натрия от времени

Степень окисления ДАН изучали в зависимости от времени (от 2 ч. до 48 ч.) и в результате эксперимента установили, что оптимальное время реакции окисления составляет 24 часа. Течение реакции, зависимость выхода продукта и степени окисления также можно увидеть в приведенных результатах ИК-спектроскопии (рис.3).

РФА анализ был проведен с целью изучения фазового состава, степени кристалличности и степени окисления всех полученных веществ в зависимости от степени кристаллизации.

Рисунок 4. РФА анализ альгината натрия:

а – рентгенограмма альгината натрия, выделенного из растения Charophceae; б- рентгенограмма альгината натрия, представленная в литературе

Результат РФА анализа показывает, что альгинат натрия имеет высокую интенсивность при 2θ = 13.6° и пик средней интенсивности при 2θ = 27.5°. Степень кристалличности альгината натрия, выделенного из водорослей Charophyceae, составила 26.4%, причем альгинат натрия оказался полукристаллическим (рис.4). По сравнению со значениями, приведенными в литературе, доказано, что рентгенограмма альгината натрия, выделенного из растения Charophyceae, является пригодной [12]. Обычно альгинат натрия показывает пик высокой интенсивности в диапазоне 2θ = 10°-20° и пик низкой интенсивности в диапазоне 2θ = 20°-30° согласно данным рентгеноструктурного анализа. Естественно, что между этими уровнями существует разница, поскольку свойства альгината натрия различаются в зависимости от источника.

Рисунок 5. Результат РФА анализа полученных образцов ДНA

По анализу упомянутых выше рентгенограмм мы видим, что интенсивность пика, образующегося при 2θ = 31.68°, у всех полученных веществ (SDA1; SDA2; SDA3; SDA4 va SDA5 ) увеличивается. Пик низкой интенсивности в области 2θ = 43.92°  принадлежащий альгинату натрия, был сдвинут к 2θ = 45.38°  градусов и имел умеренную интенсивность (рис.5). Также увеличение количества новых пиков в областях 56.36° и 109.94° свидетельствует о том, что образец SDA5 имеет более высокий индекс кристалличности, чем образцы SDA1. И SDA1 < SDA2 < SDA3; В последовательности SDA4 и SDA5 альгинат натрия обратно пропорционален аморфному свойству, то есть представляет собой возрастающую степень кристалличности.

Заключение

С целью получения новых производных альгината натрия был изучен процесс его окисления. В качестве окислителя использовали 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 и 1.0 М растворы периодата натрия. С целью изучения оптимальных условий была рассмотрена зависимость течения реакции от температуры, времени и концентрации периодата натрия. При этом было установлено, что 24 часа в 1,0 М перйодате натрия при температуре 40°С являются благоприятным условием для окисления альгината натрия. С целью изучения степени окисления диальдегид альгината натрия (ДАН), использовали гидрохлорид гидроксиламина. Полученные данные показали что степени окисления равны: SDA1-50.96, SDA2-51.88, SDA3-52.56, SDA4-53.91 и SDA5-56.84% соответственно.

Список литературы:

1. Wasikiewicz J.M., Yoshii F., Nagasawa N., Wach R.A., Mitomo H. Degradation of chitosan and sodium alginate by gamma radiation, sonochemical and ultraviolet methods. Radiat. Phys. Chem.  2005. 73. -PP. 287-295. doi: 10.1016/j.radphyschem.2004.09.021. 
2. Gomez C.G., Rinaudo M., Villar M.A. Oxidation of sodium alginate and characterization of the oxidized derivatives. Carbohydr. Polym. 2007. 67. -PP. 296-304. doi: 10.1016/j.carbpol.2006.05.025. 
3. Muhammad M, Christian W, Julio R, Gloria G and Thomas G. Synthesis and Characterization of Oxidized Polysaccharides for In Situ Forming Hydrogels. Biomolecules. 2020. 10(8). -PP. 1185. doi: 10.3390/biom10081185
4. Pop-Georgievski O, Zimmermann R, Kotelnikov I, Proks V, Romeis D and other. Impact of bioactive peptide motifs on molecular structure, charging, and nonfouling properties of poly (ethylene oxide) brushes. Langmuir 2018. 34. -PP.  6010-6020.
5. Trujillo S, Gonzalez C, Rico P, Reid A, Windmill  J, Dalby M. Salmeron-Sanchez M. Engineered 3D hydrogels with full-length fibronectin that sequester and present growth factors. Biomaterials 2020. 252. -PP.120104.
6. Wen Q, Mithieux S.M. Weiss, A.S. Elastin biomaterials in dermal repair. Trends Biotechnol. 2020. 38. -PP.  280-291.
7. Xu M, Pradhan S, Agostinacchio F, Pal R, Greco G, Mazzolai B, Pugno N, Motta A, Yadavalli V. Easy scalable, robust, micropatterned silk fibroin cell substrates. Adv. Mater. Interfaces 2019. 6. -PP.  1801822.
8. Köwitsch A, Zhu G, Groth T. Medical application of glycosaminoglycans: A review. J. Tissue Eng. Regen. Med. 2018. 12. -PP.  23-41.
9. Morra M. Engineering of biomaterials surfaces by hyaluronan. Biomacromolecules 2005. 6. 1205-1223.
10. Samsook H, Muncheul L, Byung K. Cross linking Reactions of Oxidized Cellulose Fiber. I. reactions between dialdehyde cellulose and multifunctional amines on lyocell fabric. Journal of Applied Polymer Science.  2010. 117(2). -PP.  682 – 690 doi: 10.1002/app.30895
11. Wu1 Y, Liu Y, Nai-an SH, Zi-qi G, Wen-hao F, Hai-yue Y, Yosry M, and Xiu-mei M . A soft tissue adhesive based on aldehyde-sodium alginate and amino-carboxymethyl chitosan preparation through the Schiff reaction. Frontiers of Materials Science. 2017. 11. 3. –PP. 215-222.  doi:10.1007/s11706-017-0392-x 
12. Helmiyati and M Aprilliza . Characterization and properties of sodium alginate from brown algae used as an ecofriendly superabsorbent. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2019. doi:10.1088/1757-899X/188/1/012019