Способ модификации хитозана

Изобретение относится к области химии полимеров. Способ модификации хитозана предусматривает синтез содержащего оксирановые фрагменты сополимера в присутствии азобисизобутиронитрила и прививки сополимера к хитозану. Прививку сополимера осуществляют выдерживанием хитозана в виде хитозановых пленок или губчатого материала, предварительно полученных в растворах уксусной кислоты, при 20 °С в течение 30 минут в 1,5-7,5 масс.% растворе предварительно полученного сополимера глицидилметакрилата и выбранного из ряда гексилметакрилат, н-децилметакрилат, лаурилметакрилат, тетрадецилметакрилат, стеарилметакриалат производного метакрилата в метилэтилкетоне, взятых в мольном соотношении мономеров, равном 2,33:1. После осуществляют термостатирование модифицированного хитозана при 140 °С в течение 1 часа и отмывку от непрореагировавшего сополимера экстракцией в аппарате Сокслета с использованием метилэтилкетона в качестве экстрагента в течение 4 часов. Изобретение направлено на повышение гидрофобности материалов на основе хитозана при сохранении их биодеградируемости и биосовместимости. 3 ил., 2 табл., 5 пр.

 

Изобретение относится к области химии полимеров, в частности к модификации природного полимера хитозана и может найти применение в областях медицины, косметики, пищевой промышленности, биотехнологии, очистки сточных вод.

Известен способ эмульсионной безэмульгаторной привитой сополимеризации хитозана с н-бутилакрилатом по свободно-радикальному механизму [Chitosan-graft-poly(n-butyl acrylate) copolymer: Synthesis and characterization of a natural/synthetic hybrid material / P. Anbinder, C. Macchi, J. Amalvy, A. Somoza // Carbohydrate polymers. - 2016. - Vol. 145. – Р. 86-94]. Привитая сополимеризация осуществлялась в 1 % водном растворе уксусной кислоты с использованием персульфата калия в качестве инициатора при температуре 60 °С в течение 24 часов.

К недостаткам данного способа можно отнести проведение процесса в кислой среде, ингибирующей действие инициатора, полученные сополимеры могут терять растворимость в результате высокой степени прививки по аминогруппам, что затрудняет дальнейшую переработку сополимера в изделия, невозможность определения физико-химических характеристик привитого блока.

Известен способ получения привитого сополимера хитозана и полиметилметакрилата в две стадии [Synthesis and characterization of chitosan-g-glycidyl methacrylate with methyl methacrylate / E.A. Elizalde-Pena, N. Flores-Ramirez, G. Luna-Barcenas, S.R. Vasquez-Garcia, G. Arambula-Villa, B. Garcia-Gaitan, J.G. Rutiaga-Quinones, J. Gonzalez-Hernandez // European Polymer Journal. – 2007. - Vol.43. – Is. 9. – P. 3963–3969]. На первой стадии проводится функционализация хитозана глицидилметакрилатом в 0,4М водном растворе уксусной кислоты с добавлением 0,05М раствора KOH для поддержания pH реакционной смеси 3,8. Продолжительность процесса составляет 2 часа при 60 °С. На второй стадии проводится сополимеризация метилметакрилата с продуктом, полученным на первой стадии. В качестве растворителя используется смесь 0,4М уксусной кислоты и тетрагидрофурана в соотношении 7:3, инициатором выступает азобисизобутиронитрил при 70 °С в течение 3 часов.

К недостаткам данного способа можно отнести протекание на первой стадии побочной реакции полимеризации глицидилметакрилата, необходимость контроля рН-среды, низкий выход целевого продукта, невозможность определения физико-химических характеристик, привитых к основной цепи хитозана фрагментов полиметиметакрилата.

Известен способ сополимеризации хитозана с синтетическими полимерами (мономерами) (Патент RU №2292354, МПК С08В37/06, С08F251/02, 27.01.2007), содержащими функциональные группы, способные реагировать с функциональными группами хитозана под действием сдвиговых деформаций в твердой фазе в результате реакционной экструзии при температурах от 20 – 200 °С в течение 5-20 минут.

Недостатком данного способа является необходимость использования технически сложного оборудования – экструдера или механического реактора шнекового типа.

Известен способ гетерогенной привитой сополимеризации акриловой кислоты и хитозана, представляющего собой предварительно сформованный пористый материал [A pH-sensitive porous chitosan membrane prepared via surface grafting copolymerization in supercritical carbon dioxide / LQ. Cao, XH. Wang, G. Wang, JD. Wang // Polymer International. – 2015. – Vol. 64. – Is. 3. – P. 383-388]. Привитую сополимеризацию осуществляют в среде сверхкритического диоксида углерода в присутствии пероксида бензоила в качестве инициатора при температуре реакции 80 °С и давлении 18 МПа в течение 8 часов.

Недостатками данного способа являются отсутствие возможности охарактеризовать физико-химические параметры привитых полиакриловых блоков, энергозатратность процесса, обусловленная необходимостью поддержания требуемых условий сополимеризации, при этом процесс должен осуществляться с использованием специфического оборудования – реактора, способного выдерживать высокое давление.

Наиболее близким является способ получения гибридных полимерных материалов на основе хитозана и синтетических полимеров, содержащих оксирановые фрагменты (Патент US6517933, МПК B32B7/02, C08H5/04, 2003г.). Способ заключается в образовании на хитозане привитого полимерного покрытия в присутствии азобисизобутиронитрила, при температуре 5 – 250 °С, при массовых соотношениях хитозан : полимер равных 95-5 : 5-95.

Недостатком данного способа является необходимость подбора подходящих для обоих блоков растворителей при использовании гидрофобных нерастворимых в уксусной кислоте синтетических полимеров для обеспечения гомогенности реакции. Потеря растворимости полученных сополимеров при охлаждении смесей делает невозможным растворное формование изделий из полученного модифицированного хитозана. При этом отсутствуют данные, свидетельствующие о ковалентном взаимодействии хитозановых макромолекул и синтетических блоков.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа гетерофазного получения привитых сополимеров хитозана, исключающего негативное влияние прививки на способность хитозана к формованию изделий из растворов, обусловленное потерей растворимости.

Техническим результатом является повышение гидрофобности материалов на основе хитозана при сохранении их биодеградируемости и биосовместимости.

Технический результат достигается при реализации способа модификации хитозана, заключающемся в синтезе содержащего оксирановые фрагменты сополимера в присутствии азобисизобутиронитрила и прививки сополимера к хитозану, при этом прививку сополимера осуществляют выдерживанием хитозана в виде хитозановых пленок или губчатого материала, предварительного полученных в растворах уксусной кислоты, при 20 °С в течение 30 минут в 1,5-7,5 масс.% растворе предварительно полученного сополимера глицидилметакрилата и выбранного из ряда гексилметакрилат, н-децилметакрилат, лаурилметакрилат, тетрадецилметакрилат, стеарилметакриалат производного метакрилата в метилэтилкетоне, взятых в мольном соотношении мономеров равном 2,33 : 1, с последующим термостатированием модифицированного хитозана при 140 °С в течение 1 часа и отмывкой от непрореагировавшего сополимера экстракцией в аппарате Сокслета с использованием метилэтилкетона в качестве экстрагента в течение 4 часов.

Сущность изобретения заключается в модификации хитозана посредством прививки к нему полученного сополимера. Прививка осуществляется за счет образования химических связей между соответствующими функциональными группами сополимера и хитозана: в результате взаимодействия оксирановых циклов в структуре глицидилметакрилатных звеньев модифицирующего сополимера с гидроксильными и аминными группами хитозана. Способ осуществляется гетерофазно и включает обработку хитозана 1,5-7,5 % (масс.) раствором сополимера в метилэтилкетоне в течение 30 минут с последующей термообработкой при 140 °С.

Для синтеза сополимера в качестве одного из мономеров используют глицидилметакрилат, а в качестве второго мономера используют алкильное производное метакрилата, выбранное из ряда гексилметакрилат, н-децилметакрилат, лаурилметакрилат, тетрадецилметакрилат, стеарилметакриалат, в мольном соотношении первого и второго мономера равном 2,33 : 1.

К преимуществам заявленного способа модификации хитозана относятся возможность прививки к цепи хитозана полимеров, взаимодействие которых с хитозаном в растворе затруднено отсутствием растворителей, смешивающихся с водным раствором уксусной кислоты в широком интервале концентраций (т.е. возможность гетерофазного проведения модификации). Технологическое оформление процесса не требует использования сложной аппаратурной базы.

Прививка на поверхность хитозановых пленок сополимеров глицидилметакрилата и алкилметакрилатов (мольное соотношение сомономеров 2,33 : 1) с использованием 1,5-7,5 % (масс.) модифицирующих растворов позволяет придать гидрофобность, характеризующуюся углами смачивания до 100 град. В случае аэрогелей (губчатых материалов) обработка сополимерами глицидилметакрилата и алкилметакрилатов позволяет достичь супергидрофобного состояния с контактным углом ~154 град.

Значения углов смачивания модифицированных хитозановых пленок и аэрогелей приведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1
Модификатор	Угол смачивания, °
	Концентрация модифицирующего раствора сополимера, % масс.
1,5	3	4,5	6	7,5
Хитозановая пленка без модификатора	93
сополимер 1	93				95
сополимер 2			97	97
сополимер 3	98	100
сополимер 4				97	97
сополимер 5		100	100

Таблица 2
Модификатор	Угол смачивания, °
	Концентрация модифицирующего раствора сополимера, % масс.
1,5	3	4,5	6	7,5
Хитозановый аэрогель без модификатора	123, капля быстро впитывается
сополимер 1	143	143		143
сополимер 2			150	150
сополимер 3	144	152			154
сополимер 4				149	149
сополимер 5		152			150

На фиг. 1 показана схема прививки сополимера к хитозановому пленочному или губчатому материалу (аэрогелю).

На фиг. 2 показаны изображения со сканирующего электронного микроскопа (с увеличением х165) сколов аэрогелей до (1) и после (2) модификации, на примере 3 % (масс.) раствора сополимера 3 в метилэтилкетоне. Полученные хитозановые аэрогели обладают высокой пористостью, размеры пор составляют 100-200 мкм. Стенки пор представляют собой пленочные образования с толщиной 600-700 нм.

На фиг. 3 показаны ИК-спектры образцов до (1) и после (2) модификации, на примере 3 % (масс.) раствора сополимера 3 в метилэтилкетоне после экстракции по наличию пика 1728 см^-1, соответствующего валентным колебаниям карбонильной группы в сложных эфирах, подтверждающие образование привитого сополимера хитозана.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Получение хитозановых пленок.

Для получения хитозановых пленок готовят раствор хитозана в уксусной кислоте следующим образом: 2 г хитозана помещают в стакан вместимостью 200 мл, добавляют 96 г воды и перемешивают в течение 30 минут, после чего по каплям вводят 2 г уксусной кислоты, перемешивание продолжают 3 часа, после чего раствор фильтруют под вакуумом через фильтр Шотта для отделения нерастворившихся частиц. По 10 г раствора хитозана помещают в полистирольные чашки Петри диаметром 10 см и сушат до постоянной массы при 40 °С. Полученные пленки восстанавливают из водорастворимой формы в кислоторастворимую форму выдерживанием в водно-спиртовом растворе аммиака (13 % (масс.) раствор аммиака в смеси воды и метилового спирта = 1:1 об.ч.) в течение 30 минут с последующей многократной промывкой дистиллированной водой до нейтральной среды и сушкой до постоянной массы при 40 °С.

Пример 2. Получение губчатых хитозановых материалов (аэрогелей).

Аналогично примеру 1 готовили 1% (масс.) раствор хитозана в 1% (масс.) водной уксусной кислоте, после чего добавляли 3 % (масс.) водный раствор глутарового альдегида (мольное соотношение глутарового альдегида:хитозана составляло 1:1). Перемешивали реакционную массу в течение 30 минут на магнитной мешалке. Полученный гель дегазировали в ультразвуковой ванне в течение 10 минут, помещали по 75 г раствора хитозана в полистирольные чашки Петри диаметром 10 см и оставляли на 72 часа при комнатной температуре. Далее гидрогель подвергали 12-ти часовой заморозке при –30 °С с последующей разморозкой в течение 6-ти часов при 25 °С. Гель переводили из солевой формы в основную водно-спиртовым раствором аммиака (13 % (масс.) раствор аммиака в смеси воды и метилового спирта = 1:1 об.ч.) в течение 24 часов. Дальнейшую отмывку до нейтральной среды производили дистиллированной водой. Восстановленные гидрогели замораживали при –30 °С, а затем сушили при –82±2 °С под вакуумом в лиофильной сушилке.

Пример 3. Синтез сополимеров.

Для синтеза сополимера глицидилметакрилата и алкильного производного метакрилата, выбранного из ряда гексилметакрилат, н-децилметакрилат, лаурилметакрилат, тетрадецилметакрилат, стеарилметакриалат, в мольном соотношении мономеров 2,33 : 1 в колбу объемом 20 мл помещают инициатор азобисизобутиронитрил (0,0084 г; 0,05 ммоль), первый мономер - глицидилметакрилат (1,4927 г, 10,5 ммоль), выбранный из заявленного ряда второй мономер (4,5 ммоль). Метилэтилкетон добавляется таким образом, чтобы при общей концентрации сомономеров в смеси 1,5 моль/л общий объем смеси составлял 10 мл. Смесь барботируют инертным газом (осушенный азот или аргон) в течение 20 минут для удаления воздуха и перемешивания компонентов, после чего термостатируют при 70 °С в течение 24 часов. Полимер высаживают в ледяной метанол (-20 °С), отделяют декантацией и сушат при пониженном давлении 24 часа.

В соответствии с примером 3 были получены следующие сополимеры:

сополимер 1 – сополимер глицидилметакрилата и гексилметакрилата;

сополимер 2 – сополимер глицидилметакрилата и н-децилметакрилата;

сополимер 3 – сополимер глицидилметакрилата и лаурилметакрилата;

сополимер 4 – сополимер глицидилметакрилата и тетрадецилметакрилата;

сополимер 5 – сополимер глицидилметакрилата и стеарилметакриалата.

Пример 4. Приготовление растворов сополимеров.

Для приготовления 1,5% (масс.) раствора полученного сополимера в метилэтилкетоне навеску сополимера массой 0,3 г растворяют в 19,7 г метилэтилкетона.

Для приготовления 3% (масс.) раствора полученного сополимера в метилэтилкетоне навеску сополимера массой 0,6 г растворяют в 19,4 г метилэтилкетона.

Для приготовления 4,5% (масс.) раствора полученного сополимера в метилэтилкетоне навеску сополимера массой 0,9 г растворяют в 19,1 г метилэтилкетона.

Для приготовления 6% (масс.) раствора полученного сополимера в метилэтилкетоне навеску сополимера массой 1,2 г растворяют в 18,8 г метилэтилкетона.

Для приготовления 7,5% (масс.) раствора полученного сополимера в метилэтилкетоне навеску сополимера массой 1,5 г растворяют в 18,5 г метилэтилкетона.

Пример 5. Модификация хитозана.

Хитозан в виде пленки или губчатого материала погружают в раствор предварительно полученного сополимера глицидилметакрилата и выбранного из ряда алкильного производного метакрилата в метилэтилкетоне, выдерживают при 20 °С в растворе в течение 30 минут, извлекают из раствора и термостатируют при 140 °С в течение 1 часа. После термостатирования образец отмывают от непрореагировавшего сополимера экстракцией в аппарате Сокслета с использованием метилэтилкетона в качестве экстрагента в течение 4 часов.

Таким образом, способ модификации хитозана, заключающийся в синтезе содержащего оксирановые фрагменты сополимера в присутствии азобисизобутиронитрила и прививки сополимера к хитозану выдерживанием хитозана при 20 °С в течение 30 минут в 1,5-7,5% (масс.) растворе предварительно полученного сополимера глицидилметакрилата и выбранного из ряда гексилметакрилат, н-децилметакрилат, лаурилметакрилат, тетрадецилметакрилат, стеарилметакриалат производного метакрилата в метилэтилкетоне, взятых в мольном соотношении мономеров равном 2,33 : 1, с последующим термостатированием модифицированного хитозана при 140 °С в течение 1 часа, обеспечивает повышение гидрофобности материалов на основе хитозана при сохранении их биодеградируемости и биосовместимости.

Способ модификации хитозана, заключающийся в синтезе содержащего оксирановые фрагменты сополимера в присутствии азобисизобутиронитрила и прививки сополимера к хитозану, отличающийся тем, что прививку сополимера осуществляют выдерживанием хитозана в виде хитозановых пленок или губчатого материала, предварительного полученных в растворах уксусной кислоты, при 20 °С в течение 30 минут в 1,5-7,5 масс.% растворе предварительно полученного сополимера глицидилметакрилата и выбранного из ряда гексилметакрилат, н-децилметакрилат, лаурилметакрилат, тетрадецилметакрилат, стеарилметакриалат производного метакрилата в метилэтилкетоне, взятых в мольном соотношении мономеров равном 2,33 : 1, с последующим термостатированием модифицированного хитозана при 140°С в течение 1 часа и отмывкой от непрореагировавшего сополимера экстракцией в аппарате Сокслета с использованием метилэтилкетона в качестве экстрагента в течение 4 часов.