Способ получения водорастворимых производных хитозана

0писан способ получения водорастворимых производных хитозана, включающий обработку хитозана кислой средой до его набухания, причем в качестве кислой среды используют паровую среду вода - кислота, а обработку хитозана ведут парами водного раствора одноосновной кислоты, выбранной из группы, включающей соляную кислоту, муравьиную кислоту и уксусную кислоту. Способ позволяет упростить технологию водорастворимых производных хитозана. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к химической технологии, в частности к способам получения водорастворимых форм хитозана (ХТЗ), и может быть использовано в научно-исследовательской практике, медицине, биологии, косметической и пищевой промышленности, сельском хозяйстве, а также при решении ряда проблем экологии: эффективной очистки питьевых и промышленных вод.

Известно, что ХТЗ - природный полисахарид, обладает комплексом полезных физико-химических и биологических свойств. Этот уникальный полимер с неограниченной воспроизводимой сырьевой базой нетоксичен, биосовместим, проявляет высокую комплексообразующую и сорбционную активность к ионам металлов и органическим молекулам и считается перспективным материалом для получения пленок и волокон с ценными свойствами [Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана: Материалы седьмой международ, конф. М.: ВНИРО. 2003. 452 с.].

Из практики известно, что исходный ХТЗ, полученный из панциря ракообразных химическим и ферментативным способами, растворим в водных растворах одноосновных неорганических и органических кислот. Установлено, что его молекулярная масса достаточно высокая и достигает величины до 1000 кDa. Растворимость ХТЗ в воде зависит от степени деацетилирования (СД) и . Низкомолекулярные с высокой СД≥70 мольн.% образцы хорошо растворяются в воде. Поэтому водорастворимые формы ХТЗ получают, проводя деструкцию и/или химические превращения исходного ХТЗ [Хитин и хитозан: получение, свойства, применение. М.: Наука. 2002. 368 с.].

Известно, что водорастворимые производные ХТЗ образуются при N- и O-ацилировании [Loubaki E., Sicsic S., Le Goffic F. //Eur. polym. j. 1989. V.25. №6. P.379-384], кватернизации азота с последующим переводом четвертичного полиоснования в солевую форму [Нудьга Л.А., Плиско Е.А., Данилов С.Н. //ЖОХ. 1973. Т.43. №12. С.2756-2760], графт полимеризации [Chung J-E.,] Chung B-O., Chung B-K. //Kongop Hwahak. 1994. V.5. №3. Р.524-536], синтезе разветвленных полисахаридов на основе ХТЗ [Yalpani М., Hall L.D. //Macromolec. 1984. V.17. №3. Р.272-281].

Помимо этих процессов для растворения ХТЗ в воде создаются водорастворимые композиции на его основе [Патент РФ №2144768, МПК А 01 N 43/16, А 01 N 63/00; Патент РФ №2127056, МПК А 01 N 63/00], а также на основе ХТЗ, модифицированного (мет)акрилатами [Мочалова А.Е., Извозчикова В.А., Смирнова Л.А., Семчиков Ю.Д. Синтез и свойства водорастворимых композиций на основе хитозана модифицированного (мет)акрилатами. Тез. докл. 3^ей Всероссйск. Каргинской конф. М.: МГУ. 2004. T.1. С.111].

Кроме того, известно, что хорошо растворяются в воде соли ХТЗ с одноосновньми неорганическими и монокарбоновьми кислотами [Muzarelli R.A.A. //Chitin. Oxford: Pergamon Press. 1977 г.]. Хотя в литературе имеются лишь единичные данные о зависимости их растворимости в воде от способа выделения образцов из водного раствора: упариванием воды или высаживанием органическим осадителем с последующей сушкой в вакууме при комнатной температуре до постоянной массы. Обнаружено, что высаженный уксуснокислый ХТЗ в воде не растворяется [Васнев В.А., Тарасов А.И., Маркова Г.Д. //Высокомолек. соед. 2003. Т.45Б. №10. С.1791-1792].

Таким образом, до настоящего времени проблемой остается нерастворимость высокомолекулярного ХТЗ в воде. Это обстоятельство ограничивает расширение области его применения и затрудняет переработку.

Известны способы деструкции ХТЗ ферментативным комплексом с хитинолитической активностью микробиологического происхождения. Продуцентами ферментативных комплексов являются микроорганизмы Streptomyces kurssanovii [патент РФ №2073016. МПК С 08 В 37/08], Trichoderma reesei [Ильина А.В., Ткачева Ю.В., Варламов В.П. //Прикл. биохим. и микробиол. 2002. Т.38. №2. С.132-135], Serratia marcescens, Bacillus subtilis [Ильина А.В., Варламов В.П., Мелентьев А.П. //Прикл. биохим. и микробиол. 2001. Т.37. №2, с.160-163]. Получаемый по данной технологии низкомолекулярный водорастворимый ХТЗ используют в медицине в качестве противовирусного и противоопухолевого препарата и как носитель биологически активных соединений.

Недостатком способа является трудоемкость, многостадийность процесса, необходимость соблюдения температурного режима и использования разных буферных систем и органических реагентов. Кроме того, полученный продукт малоэффективен при очистке воды.

Известен способ получения водорастворимой натриевой соли сукцината ХТЗ, включающий следующие операции: растворение ХТЗ в 1%-ном водном растворе уксусной кислоты; выделение ХТЗ из раствора в результате обработки щелочным агентом до рН среды 6,9-7,5; получение мелкодисперсной суспензии ХТЗ; активацию ХТЗ в водной суспензии сдвиговым воздействием кавитационных или механических полей; взаимодействие активированного ХТЗ с порошкообразным янтарным ангидридом с размером частиц не более 100 мкм; нейтрализацию смеси раствором щелочи; выделение целевого продукта методом распылительной или сублимационной сушки [Патент РФ №2144040, МПК С 08 В 37/08, А 61 К 31/722].

Основным недостатком данного способа является многостадийность, необходимость активирования ХТЗ, что удлиняет и усложняет технологический процесс.

Известен способ получения водорастворимых форм ХТЗ, включающий приготовление гомогенного раствора ХТЗ, его выделения путем обработки щелочньм агентом до рН=6,9-7,5, аморфизацию полимера в виде его водной суспензии в кавитационных или механических полях со сдвиговым воздействием, взаимодействие суспензии с неорганическими, органическими кислотами или их ангидридами и выделение целевого продукта из растворов в деминерализованной воде методом распылительной или сублимационной сушки. При этом используют ХТЗ полифракционного состава по СД при фиксированном мольном отношении аминогрупп всех фракций ХТЗ и кислоты или ангидрида органической кислоты [Патент РФ №2215749, МПК С 08 В 37/08, А 61 К 31/722, А 23 L 1/056].

Недостатком способа является трудоемкость, многостадийность, использование агрессивных сред, необходимость строгого контроля за режимами растворения, осаждения, фильтрации и деструкции.

Наиболее близким к предлагаемому является способ получения водорастворимых производных ХТЗ, включающий набухание узкодисперсной (по размерам частиц) фракции ХТЗ в высокополярном растворителе в кислой среде; обработку, в случае необходимости, химическим реагентом (солеобразующим, деструктирующим или ацилирующим) в гетерогенных средах и последующее выделение производных ХТЗ [Патент РФ №2099351, МПК С 08 В 37/08].

Недостатком данного способа является сложность процесса, многостадийность, а также использование, кроме кислот, и других химических веществ.

Задача предлагаемого решения заключается в упрощении технологии получения водорастворимых производных ХТЗ.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения водорастворимых производных ХТЗ, включающем обработку ХТЗ кислой средой до его набухания, согласно предлагаемому решению обработку ХТЗ ведут парами раствора одноосновной кислоты.

В качестве одноосновной кислоты может быть использована соляная (HCl) или муравьиная (HCOOH) или уксусная (СН₃СООН), при этом обработка ведется до степени поглощения паров ХТЗ не менее 80±5 мас.%, 120±5 мас.%, 180±5 мас.% соответственно.

Способ осуществляется следующим образом. Навеска порошка (гранул) ХТЗ выдерживается в парах раствора одноосновной кислоты в герметически закрытом сосуде, заполненном на 1/25 часть раствором кислоты фиксированной концентрации (С_к). Количество поглощенных полимером паров определяли весовым методом, взвешивая навеску до и после набухания в парах вода - соляная (уксусная или муравьиная) кислота на аналитических весах (точность взвешивания составляла ±0,0001 г). Процесс набухания характеризовали степенью поглощения паров α=(m-m₀)/m₀·100%, где m и m₀ - массы сухой и набухшей навески ХТЗ. При расчете а учитывали влажность (10-11%) исходного ХТЗ. В парах воды и в парах уксусной кислоты (96%) и в парах 5%-ного раствора соляной кислоты полимер ограниченно набухает и величина α достигает равновесного значения. В парах муравьиной, соляной кислот и водных растворов уксусной кислоты, муравьиной кислоты и соляной (кроме 5%-ного раствора) величина α не достигает равновесного значения даже и через 30 суток обработки хитозана.

Минимальное значение степени поглощения паров вода-кислота (α), обеспечивающее растворимость полимера в воде, для каждой кислоты разной концентрации С_к>0 до 38% для HCl, до 100% для НСООН, до 96% для СН₃СООН также определено экспериментально, выбрано из диапазона α от 59 мас.% до 110 мас.% для паров вода - HCl, до 550 мас.% для паров вода - НСООН, до 510 мас.% для паров вода - СН₃СООН и составляет для раствора соляной кислоты 80 мас.%, для раствора муравьиной кислоты 120 мас.% и для раствора уксусной кислоты - 180 мас.%.

При выборе температуры набухания из диапазона 4-98°С наилучший результат получен при температуре 20±5°С.

Ниже приведены примеры, иллюстрирующие настоящее изобретение. Условия модификации хитозана и характеристика его водных растворов представлены в таблице.

Пример 1. Навеску 0,15 г ХТЗ с кDa и СД=83 мольн.% выдерживают в парах воды при t=19°С в течение 240 часов. Набухший ХТЗ не растворим в воде.

Пример 2. Навеску 0,15 г ХТЗ с кDа и СД=83 мольн.% выдерживают в парах 4% уксусной кислоты при t=18°С в течение 173 часов. Набухший ХТЗ полностью растворим в воде.

Пример 3. Аналогично примеру 2, ХТЗ выдерживают в парах 20% уксусной кислоты при t=20°С в течение 142,3 часа.

Пример 4. Аналогично примеру 2, ХТЗ выдерживают в парах 96% уксусной кислоты при t=22°С в течение 148,5 часов.

Пример 5. Аналогично примеру 2, навеску 0,1 г ХТЗ выдерживают в парах 4% муравьиной кислоты при t=25°С в течение 144 часов.

Пример 6. Аналогично примеру 5, ХТЗ выдерживают в парах 10% муравьиной кислоты при t=21°С в течение 24 часов.

Пример 7. Аналогично примеру 5, ХТЗ выдерживают в парах 100% муравьиной кислоты при t=20°С в течение 24 часов.

Пример 8. Аналогично примеру 2, ХТЗ выдерживают в парах 5% соляной кислоты при t=20°С в течение 315,5 часов.

Пример 9. Аналогично примеру 2, ХТЗ выдерживают в парах 20% соляной кислоты при t=18°С в течение 292,5 часов.

Пример 10. Аналогично примеру 2, ХТЗ выдерживают в парах 38% соляной кислоты при t=20°С в течение 160 часов.

Из таблицы следует, что модифицированный парами полимер (с разной степенью набухания), по-видимому, представляет собой полимер в солевой форме и растворяется в воде. Полноту растворения полимера контролировали визуально, методами сухого остатка и фототурбидиметрии.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получить водорастворимые формы ХТЗ, прост в исполнении, экологически чист, поскольку ведется в закрытой системе, и экономически целесообразен, поскольку для модификации ХТЗ используется только один реагент - одноосновная кислота.

1. Способ получения водорастворимых производных хитозана, включающий обработку хитозана кислой средой до его набухания, отличающийся тем, что в качестве кислой среды используют паровую среду вода - кислота, а обработку хитозана ведут парами водного раствора одноосновной кислоты, выбранной из группы, включающей соляную кислоту, муравьиную кислоту и уксусную кислоту.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве одноосновной кислоты выбирают соляную кислоту, а обработку ведут до степени поглощения паров хитозаном не менее (80±5) мас.%.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве одноосновной кислоты выбирают муравьиную кислоту, а обработку ведут до степени поглощения паров хитозаном не менее (120±5) мас.%.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве одноосновной кислоты выбирают уксусную кислоту, а обработку ведут до степени поглощения паров хитозаном не менее (180±5) мас.%.