Способ сульфатирования арабиногалактана древесины лиственницы сульфаминовой кислотой

Изобретение относится к химической переработке древесины лиственницы и касается сульфатирования арабиногалактана. Водорастворимые соли сульфатов арабиногалактана используются как антикоагулянты крови вместо гепарина. Сульфат арабиногалактана получают сульфатированием арабиногалактана в расплаве смеси сульфаминовой кислоты и мочевины. В расплав смеси сульфаминовой кислоты и мочевины при температуре 110-125°С вносят арабиногалактан и выдерживают при перемешивании в течение 0,5 ч. Полученную реакционную массу охлаждают, нейтрализуют 5%-ным водным раствором гидроксида натрия и фильтруют. Полученный фильтрат очищают диализом. Сокращается продолжительность, повышается экологическая безопасность процесса сульфатирования. 1 табл.

 

Изобретение относится к химической переработке древесины лиственницы и касается сульфатирования арабиногалактана. Водорастворимые соли сульфатов полисахаридов обладают антикоагулянтными свойствами и используются взамен гепарина, извлекаемого из отходов переработки свиней и крупного рогатого скота. Гепарин, полученный из отходов животноводства, может содержать опасные для человека микроорганизмы [Tiwari A. Polysaccharides: Development, properties and applications. New York: Nova Science Publishers, 2010. 552 p.; Капуцкий Ф.Н., Соловьева Л.В., Торгашов В.И., Зубец О.В., Ивашкевич О.А. Химическая модификация ксиланов для их применения в фармации // Сб. ст.«Свиридовские чтения». Минск: БГУ, 2014. Вып.10. С. 277-287.].

Известен способ получения сульфатированного производного арабиногалактана [Kamitakahara Н., Mikawa Y., Hori М, Tsujihata S., Minato К., Nakatsubo F. Syntheses, characterization, and biological activities of sulfated polysaccharides // 10th Int. Symp.on Wood Pulp Chem. Yokohama, Japan. 1999. Vol. 2. P. 238-241]. Арабиногалактана сульфатируют комплексом SO₃-пиридин в присутствии диметилформамида при температуре 20°С в течение нескольких дней. Затем реакционную смесь нейтрализуют 2N гидроксидом натрия, очищают полученный продукт гельпроникающей хроматографией или диализом в течение нескольких дней.

К недостаткам способа следует отнести длительность процесса сульфатирования, а также трудоемкость и продолжительность процесса очистки целевого продукта.

Известен способ получения сульфата арабиногалактана [CN 01054420, опубл. 17.10.2007], заключающийся в сульфатировании арабиногалактана комплексом SO₃-пиридин, который получают из хлорсульфоновой кислоты, в присутствии диметилформамида при температуре 65°С, 85°С, 95°С в течение 0,5-1,5 часов.

К недостаткам этого способа следует отнести сложность приготовления сульфатирующего комплекса 80з-пиридин, который получают из агрессивной хлорсульфоновой кислоты и пиридина, и малая степень сульфатирования целевого продукта.

Известен способ получения сульфатированного производного арабиногалактана как в кислотной, так и в солевой формах [Chemical Abstracts 1968, vol. 69, №11, 44182q]. В качестве сульфатирующих смесей используются комплексы SO₃-пиридин или SO₃-триэтиламин. При этом сульфатирование арабиногалактана комплексом SO₃-пиридин происходит в течение 3 часов при 70°С, а комплексом SO₃-триэтиламин - в течение 3 часов при 50-55°С, затем 2 часа при 20°С.

Основные недостатки - это длительность процесса сульфатирования, использование очень токсичных комплексов: SO₃-пиридин и SO₃-триэтиламина. Также при использовании указанных сульфатирующих смесей возможно загрязнение конечного продукта пиридином, что требует дополнительной очистки сульфата арабиногалактана.

Описан способ получения сульфатированных производных арабиногалактана, в котором арабиногалактан, выделенный из древесины лиственницы сибирской, предварительно подвергают механохимической обработке при соотношении массы арабиногалактана к объему пиридина, равном 1:10, в течение 10 мин, а сульфатирование осуществляют сульфатирующим комплексом серного ангидрида и пиридина. Комплекс готовят, добавляя хлорсульфоновую кислоту к пиридину при температуре 0-10°С. Сульфатирование осуществляют в течение 40-60 минут при интенсивном перемешивании и температуре 50-55°С. Далее декантируют растворитель, а полученный вязкий продукт промывают несколько раз этанолом, затем переводят его в соль щелочного металла путем нейтрализации 6%-ным водным раствором гидроксида натрия (рН=7-8). Натриевую соль сульфатированного арабиногалактана выделяют из раствора высаживанием этанолом. Выпавший осадок - натриевую соль сульфатированного арабиногалактана - отфильтровывают, промывают на фильтре этанолом, высушивают в вакууме. В результате получают водорастворимый продукт, содержащий 8,5-12,0% мае. серы и 96-98% натриевой соли сульфатированного производного арабиногалактана [RU 2466143, опубл. 10.11.2012].

Способ технологически сложен, так как требует стадии предварительной механоактивации арабиногалактана. Кроме того, приготовление сульфатируюшего комплекса - серного ангидрида и пиридина (SO₃-C₅H₅N) - длительно и трудоемко. Так, добавление хлорсульфоновой кислоты к пиридину требует охлаждения для поддерживания необходимого температурного режима реакции. К недостаткам этого способа относится использование токсичного пиридина и агрессивной хлорсульфоновой кислоты.

Известен способ получения сульфатированных производных арабиногалактана, в котором сульфатирование арабиногалактана, выделенного из лиственницы сибирской, осуществляется путем его взаимодействия с сульфатирующей смесью в присутствии свежеперегнанного диметилсульфоксида (ДМСО) в течение 30 минут при температуре 20°С с дальнейшей его нейтрализацией, упариванием, высаживанием в этиловый спирт и очисткой диализом в течение 6 суток. Сульфатирующая смесь представляет собой комплекс SO₃-диметилформамид, полученный путем перегонки газообразного триоксида серы (SO₃) из олеума в свежеперегнанный диметилформамид. Содержание SO₃ в ДМФА составляет не менее 18%. Количественный анализ полученных этим способом препаратов показал, что в зависимости от формы (кислотной или солевой) сульфатированного производного арабиногалактана степень замещения макромолекулы биополимера в пересчете на количественное содержание серы составляет 8,1-12,65% [RU 2319707, опубл. 20.03.2008].

Способ технологически сложен. Так, операция получения серного ангидрида путем перегонки из олеума весьма трудоемка и требует большой осторожности при выполнении, т.к. олеум и серный ангидрид - крайне едкие и опасные вещества. Кроме того, серный ангидрид в процессе перегонки может превращаться в твердый полимер. Реакция образования комплекса серного ангидрида и диметилформамида экзотермична. В связи с этим получение комплекса необходимо проводить при перемешивании, интенсивном охлаждении, медленном добавлении серного ангидрида и использовании обратного холодильника.

Наиболее близким по технологической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ сульфатирования арабиногалактана, выделяемого из древесины лиственницы, сульфаминовой кислотой в диметилсульфоксиде [RU 2546965, опубл. 10.04.2015]. Арабиногалактан растворяют при температуре 75°С в диметилсульфоксиде при соотношении массы арабиногалактана и диметилсульфоксида равном 1:3. Затем, к полученному раствору при перемешивании добавляют мочевину и сульфаминовую кислоту при соотношении количества арабиногалактана и комплекса, который образуется из мочевины и сульфаминовой кислоты, равном 1:12÷20,0 (г:ммоль), сульфатирование проводят при непрерывном перемешивании и температуре 75-85°С течение 2,0-3,0 часов с последующей нейтрализацией реакционной смеси водным раствором аммиака, выделением продукта высаживанием в этиловый спирт и очисткой его диализом. Сульфатированные производные арабиногалактана получают в виде аммониевых солей.

К недостаткам данного способа следует отнести: во-первых, многосатадийность всего процесса сульфатирования, включающего нейтрализацию реакционной массы аммиаком, высаживание продукта этиловым спиртом, во-вторых, использование токсичных аммиака и диметилсульфоксида.

Задача изобретения - сокращение продолжительности, повышение экологической безопасности процесса сульфатирования за счет исключения из него токсичных реагентов - аммиака и диметилсульфоксида.

Технический результат изобретения - сокращение продолжительности, повышение экологической безопасности процесса сульфатирования за счет исключения токсичных реагентов.

Технический результат изобретения заключается в сульфатировании арабиногалактана древесины лиственницы в расплаве смеси сульфаминовой кислоты и мочевины при температуре 110-125°С в течение 0,5 ч., а выделение целевого продукта осуществляют нейтрализацией реакционной массы 5%-ным водным раствором гидроксида натрия с последующей очисткой диализом.

Сопоставительный анализ предлагаемого изобретения с прототипом показывает, что его отличительными признаками являются:

- отсутствие растворителя;

- сульфатирование арабиногалактана проводят в расплаве смеси сульфаминовой кислоты и мочевины;

- условия сульфатирования: температура 110-125°С, оптимальная продолжительность 0,5 ч.

Ранее сульфатирование арабиногалактана в расплаве смеси сульфаминовой кислоты с мочевиной не проводилось.

Для сульфатирования использовали арабиногалактан выделенный из древесины лиственницы сибирской по методике приведенной в патенте [RU 2629770, опубл. 04.09.2017]

Способ осуществляют следующим образом.

В расплав смеси сульфаминовой кислоты с мочевиной, нагретой до температуры 110-125°С, загружают арабиногалактан и перемешивают в течение 0,5 ч. Полученную массу охлаждают, нейтрализуют 5%-ным водным раствором гидроксида натрия и очищают диализом. Полученный после диализа раствор концентрируют под вакуумом до полного удаления воды.

Способ сульфатирования арабиногалактана подтверждается конкретными примерами.

Пример 1. В грушевидную колбу объемом 50 мл, снабженную мешалкой, загружают 2,91 г сульфаминовой кислоты и 1,80 г мочевины и нагревают при температуре 110°С до расплавления смеси, затем включают мешалку, добавляют 1,60 г арабиногалактана, выделенного из древесины лиственницы и перемешивают в течение 0,5 ч. Реакционную массу охлаждают до комнатной температуры и растворяют при нагревании в 40-50 мл 5%-ного водного раствора гидроксида натрия до прекращения выделения аммиака. Полученный раствор натриевой соли сульфата арабиногалактана очищают диализом. Водный раствор сульфата арабиногалактана после диализа концентрируют под вакуумом до полного удаления воды. Выход натриевой соли сульфата арабиногалактана составил 3,05 г.

Примеры 2-4. Аналогично примеру 1, отличия в температуре сульфатирования.

Данные о выходе и содержании серы образцов арабиногалактана, сульфатированного в расплаве сульфаминовой кислоты с мочевиной, в зависимости от температуры реакции приведены в таблице.

Как видно из данных приведенных в таблице, максимальный выход натриевой соли сульфата арабиногалактана и высокое содержание в нем серы достигаются при температуре 115-120°С.

Способ сульфатирования арабиногалактана древесины лиственницы, заключающийся в том, что сульфатирование проводят в расплаве смеси сульфаминовой кислоты с мочевиной при температуре 115-120°С в течение 0,5 ч, а выделение целевого продукта осуществляют нейтрализацией реакционной массы 5%-ным водным раствором гидроксида натрия с последующей очисткой диализом.