Окислительная деструкция хитозана под действием диоксида хлора и пероксида водорода в присутствии солей металлов переменной валентности тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

На правах рукописи

Курамшина Альбина Расилевна

ОКИСЛИТЕЛЬНАЯ ДЕСТРУКЦИЯ ХИТОЗАНА ПОД ДЕЙСТВИЕМ ДИОКСИДА ХЛОРА И ПЕРОКСИДА ВОДОРОДА В ПРИСУТСТВИИ СОЛЕЙ МЕТАЛЛОВ ПЕРЕМЕННОЙ 1

оо^1

02.00.04 - Физь химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Уфа - 2007

003175966

Работа выполнена в Институте органической химии Уфимского научного центра Российской академии наук.

Научный руководитель кандидат химических наук

Муринов Константин Юрьевич

Официальные оппоненты

доктор химических наук, профессор

Борисов Иван Михайлович

кандидат химических наук, старший научный сотрудник Мударисова Роза Ханифовна

Ведущая организация Институт органической и физической

химии им А Е Арбузова Казанского научного центра РАН

Защита диссертации состоится 9 ноября 2007 года в 14® часов на заседании диссертационного совета Д 002 004 01 в Институте органической химии УНЦ РАН по адресу 450054, Башкортостан, Уфа, проспект Октября, 71, e-mail chemorg@anrb ru

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке УНЦ РАН.

Автореферат разослан 9 октября 2007 года.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор химических наук, профессор

Ф А Валеев

Общая характеристика работы

Актуальность темы Интерес к хитозану, его производным и возможностям их использования в различных областях медицины связан, прежде всего, с тем, что эти соединения обладают выраженной фармакологической активностью при отсутствии токсичности Использование хитозана в медицине основано на таких его свойствах, как способность к волокно- и плбнкообразованню, ионному обмену, комплексообразованию, но плохая растворимость хитозана в воде существенно ограничивает его применение Уменьшение молекулярной массы хитозана позволяет значительно увеличить растворимость в воде Кроме того, олигомеры хитозана обладают выраженной биологической активностью противовирусной, противогрибковой, иммуностимулирующей, антимикробной В связи с этим, изучение окислительной деструкции хитозана под действием различных реагентов, в том числе диоксида хлора и пероксида водорода в присутствии солей металлов переменной валентности, актуально

Работа выполнена в лаборатории окислительных процессов Института органической химии УНЦ РАН в соответствии с планом научно-исследовательских рЕ1бот ИОХ УНЦ РАН по теме «Реакционная способность молекул, содержащих активный кислород, в процессах окисления органических соединений природного и синтетического происхождения» (номер государственной регистрации 01 0 40 00 1411), комплексной программы Президиума РАН «Направленный синтез веществ с заданными свойствами и создание функциональных материалов на их основе» ГК №36, программы Президиума РАН (8-П) «Развитие методологии органического синтеза и создание соединений с ценными прикладными свойствами» проект «Разработка методов окислительной трансформации кислород и азотсодержащих функциональных групп, углеводов и нуклеиновых оснований», программы №7 ОХНМ РАН «Химия и физикохимия супрамоленулярных систем и атомных кластеров» проект «Направленный спите} и изучение физико-химических свойств супрамолекулярных систем, производных нуклеиновых оснований, тритерпеновых гликозидов, олигоеахаридов и дитерпеновых алкалоидов»

Цель работы Изучение закономерностей окислительной деструкции хитозана под действием диоксида хлора и пероксида водорода в присутствии солей металлов переменной валентности, комппексообразующих и сорбционных свойств полученных олигомеров

Научная новизна и практическая значимость Определены кинетические закономерности и продукты взаимодействия хитозана и глюкозамина с диоксидом хлора Рассчитаны активационные параметры реакции Окислением хитозана под действием диоксида хлора, пероксида водорода в присутствии солей металлов переменной валентности Ре(Н), Си(И), УО(Н), кислорода в присутствии нитратов кобальта (II), марганца (II) и

каталитических количеств 2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксипа получены олигомеры хитозана с высоким выходом.

Показано, что олигомеры хитозана образуют комплексы с лекарственными соединениями - ацетилсалициловой кислотой, лаппаконитином, 5-гидрокси-6-метилурацилом, глицирризиновой кислотой

Впервые методом обращенной газовой хроматографии дана сравнительная оценка адсорбционных свойств исходного хитозана, хитозана модифицированного окислением хлоритом натрия с добавлением каталитических количеств гипохлорита натрия и 2,2,5,5-тетраметил-4-фенил-3-имидазолин-З-оксид-1-оксила, комплексов хитозана с хлоридами меди и цинка Апробация работы Основные результаты работы доложены и обсуждены на VII International Workshop on magnetic resonance (Spectroscopy, Tomography and Ecology) (Rostov-on-Don, 2006) и Xth International Seminar on Inclusion Compounds (ISIC-10) (Kazan, 2005)

Публикации По теме диссертации опубликовано 4 статьи (в рекомендованных ВАК журналах) и тезисы 2 докладов в сборниках научных конференций

Структура и объем работы Работа изложена на 125 стр (содержит 8 таблиц и 60 рисунков) Диссертация состоит из введения, экспериментальной части, обсуждения результатов, выводов и списка литературы (146 ссылки)

Автор выражает глубокую признательность и благодарность доктору химических наук, профессору Кабальновой Наталье Нурулловне и доктору химических наук, профессору Муринову Юрию Ильичу за научные консультации, внимание и помощь, оказанные при выполнении работы

Основное содержание работы 1. Изучение 1«аимо действия диоксида хлора с хитоудном

Окисление хитозана (ММ = 150 кОа) диоксидом хлора проводили в водном растворе соляной кислоты при рН = 4,5. Продукты реакции научали методами ЯМР 1JC и ИК — спектроскопии при соотношении [ХЗ];[ClOi] = 1:2 ([X3] = 5.84-10'J моль/л).

В ИК - спектре окисленного образна (рис. 1) отмечены следующие изменения: значительное увеличение интенсивности полос поглощения в области 1740 см"1 - полоса поглощения карбонильной группы (С=0) и в области 1420 см"1 — полоса поглощения карбоксилат — ион?..

В спектре ЯМР IJC (рис.2) наблюдали появление сигнала карбонильной группы при 177 м.д. Кинематическая вязкость полученного образца хитозана близка к вязкости растворителя.

Рис.). ИК - спектр хитозана, окисленного диоксидом хлора при рН - 4.5, Т - 30 °С

Рис.2. Спектр ЯМР ПС хитозана, окисленного диоксидом хлора при рН=4.5,Т^:30°С

5, т.д.

На основании полученные данных можно предположить, что при взаимодействии хитозана с диоксидом хлора происходит окисление первичной спиртовой группы при С(6) атоме углерода и окислительная деструкция по 1,4-/в~гликозид.иой связи.

2000 '! в00 1600 1400 1200 1000 800

Кинетику реакции изучали спектр о фото метрически по расходованию диоксида хлора на максимуме длины поглощения (£360 = 1200 л-моль''1-см'1), в интервале температур 10 - 50 'С, при условии [СЮ:]0«[ХЗ](„ гд.з [С102]0 и [Х3]„ - начальные концентрации диоксида хлора и хитозана, соответственно. Кинетические кривые расходования диоксида хлора описываются уравнением первого порядка с коэффициентом корреляции (0.94 -г- 0.99):

(Г/Сю, у

а

= {1)

где А^),/—эффективная константа скорости реакции + к6,ш [ХЗ]).

На рисунке 3, в качестве примера, приведены кинетические кривые расходования диоксида .хлора в реакции с хитозаном при Т = 20 "С и их полудогари фшиесше анаморфозы.

Рис.З.

а) Кинетические кривые расходования диоксида хлора в реакции с хитозаном

120 160 (, мп к.

б) Полулогарифмические

анаморфозы кинетических кривых расходования диоксида хлора в реакции с- хитозаном; 1 - [Х3]0 = 0; 2 - [СЮг]0: [ХЗ], = 1:10; 3 - [С102]о: [Ж3],= 1:25; 4 - [СЮ2]с: [Х3]„ = 1:50; рН = 4,5; Щ = 20 с' С; [СЮ2](,= 5.8-10"4 моль/л

(, мин.

Из тангенсов угла наклона полулогарифмических анаморфоз рассчитаны эффективные константы скорости окисления хитозана (Кфф) при различных температурах Полученные значения приведены в таблице 1

Таблица 1

Эффективные константы скорости окисления хитозана к^фф 104, с"1 при различных температурах, [СЮ2]0 = 58 10'4 моль/л, рН = 4 5

т, °с

[хзро^ч мо 1ь/л \ 10 20 30 40 50

0 0 8 ± 0 1 0 9 ± 0 1 1 3 ±0 1 1 7 ± 0 1 2 6 ± 0 2

0 58 15 + 0 1 17 + 02 3 4 + 02 47 + 03 7 0 ± 0.5

1 45 2 3 ± 0 2 3.3 ±0 2 5 1+03 7 4 ± 0 5 9 9 ± 0.9

2 90 3 1+02 4 6 ± 0 3 7 8 ± 0 5 11 8±08 17 8 ± 1 3

Полученные значения констант скоростей кэфф линейно зависят от концентрации хитозана (рис 4), что свидетельствует о том, что порядок реакции по хитозану первый

[ХЗ] 102, моль/л

Рис 4 Зависимость

эффективной константы скорости реакции

окисления хитозана диоксидом хлора от концентрации хитозана, 1 - 10 °С, 2 - 20 °С, 3 -30 °С, 4-40 °С, 5-50 °С

Из зависимости бимолекулярной константы скорости реакции от температуры (табл 2, рис 5) рассчитаны активационные параметры процесса

Величина консганты скорости расходования диоксида хлора полученная из отсечения на оси ординат, хорошо согласуется со значением

g

констант, рассчитанных по расходованию диоксида хлора в отсутствие хитозана Таким образом, кинетическое уравнение реакции имеет следующий вид

Таблица 1

Зависимость Аррениуса для реакции диоксида хлора с хитозаном

т,°с 10 20 30 40 50

As™ Ю", моль л"1 с"' 7 8 ± 0 4 12 9 ± 0 5 21 6± 1 3 33 8 ± 2 1 50 5 ± 2 8

-3

-4

Рис 5 Зависимость Аррениуса для

реакции диоксида хлора с хитозаном

-5

3,0 3,2 3,4 3,6

1/Т-103, к-1

Ig к6ич = (4.5 ± 0.1) - (35.6 ± О.4)/0, в = 2.303/?ТкДж-моль"', г = 0.99

Для сравнения в аналогичных условиях изучено взаимодействие D-глюкозамина солянокислого с диоксидом хлора Спектр ЯМР ,3С исходного глюкозамина свидетельствует о том, что глюкозамин в растворе присутствует в виде смеси димера и мономера При окислении диоксидом хлора, наблюдается только изменение соотношения интенсивности сигналов мономера и димера для С(1) и С(4) атомов углерода

Из зависимости бимолекулярной константы скорости реакции глюкозамина с диоксидом хлора от температуры рассчитаны активационные параметры-

Ig к6им = (6.4 ± 1.2) - (49.0 ± 6.0)/û, в = 2.303ДГ кДж моль1, г = 0.97

Изучение реакции хитозана и глюкозами на с диоксидом хлора показывает, что в случае хитозана процесс являете* более сложным, протекает как окисление спиртовой группы при С (б) атоме углерода, так и окислительная деструкция полимера.

2. Окисление хитозана в гетерогенной среде кислородом воздуха в присутствии нитратов кобальта (II), марганца (II)

Окисление хитозана (ММ=300 кОа) кислородом воздуха в присутствии нитратов Со1*, LVtn1+, с добавлением 2 ДД6-тетраметшши периди и -1 -оксила (TEMPO) проводили в ледяной уксусной кислоте при комнатной температуре. Выход продукта составил 93%. Кинематическая вязкость полученного образца хитозана близка к вязкости растворителя.

На рисунке Ь приведен спектр ЯМР ,3С полученного образца.

В ИК'-спектре окисленного ХЗ (рис.7) наблюдали следующие изменения: значительное увеличение интенсивности полос поглощения при 1420 см"1 -карбоксилах-ион а и 1650 cm"l - карбонильной группы.

160 150 ' 90 80 " 70 ¿¡Г 30 ~20

5, м.д.

Рис.6. Спектр ЯМР ПС

хитозана окислемного в присутствии нитратов Со"", Мн! 1, с добавлением

TEMPO

Рис.7. ИК - спеетр хитозана окисленного в присутствии нитратов Сог+. Мпг", с добавлением TEMPO

1800 1600 1400 1200 1000

см1

3, Окислительная деструкция хитозана под действием пероксида водорода в присутствии солей металлов переменной валентности

Изучение окислительной деструкции хитозаиа под действием пероксида водорода в присутствии солей металлов переменной валентности (Се(504)2, Си804-5Н20, СиСЬ'2НгО, Ре50.,-7Н20, аиегилацетоната еа а ад ил а (II) (С;Н7Ог)2^'"0, сернокислого ванадила У0804) проводили в иско зиыетри ческим методом. При постоянном перемешивании к водному раствору хитозана (ММ = 300 кОа, [ХЗ] - 1.168 I О'2 моль/л) добавляли навеску соли металла (соотношение [Меп+]:[ХЗ] = 1:10-1:100), термоеггатровали при температуре 25 °С, затем добавляли нерок с ид водорода ([ХЗ]:[Н202] 1:10). Через каждые 30 мин. отбирали ал и квоту для определения кинематической вязкости.

Наибольшее влияние на изменение кинематической вязкости оказывают ацетилацетонат ванадила (II) (рис.8, кр.4) и сульфат железа (II) кр.5).

Кинематическая вязкость полученных образцов близка к вязкости растворителя. При мольном соотношении ХЗ:Н;02:Ме"' — 1:10:0.1, Т = 25 °С окислительная деструкция проходит за 1,5-2 май.

Спектры ЯМР "С хитозана, окисленного пероксидом водорода с добавлением каталитических количеств солей железа (II) и ванадила (П), не отличаются от спектров исходного хитозана, основным процессом реакции являете« окислительная деструкция полимера.

Т, мин.

Рис.8. Изменение кинематической вязкости растворов хитозана при окислительной деструкции под действием пероксида аодорода. с добавлением солей металлов переменной валентности, Т = 25 °С, [ХЗ] = 1.168-10""моль/л, 1 1:10; 2 (▼) - [ХЗ]:ГСе4']:[Н,0,] = IЛ.

[НаО,] = 1:0.1:10; 4 (&) - [ХЗ]:[(УОг^^НХЬ] = 1:0.1:10, 5 (•)- [ХЗ^е^ШЛ] - 1:0.1:10

В случае сульфата меди (И) (рис 8, кр 3) характер изменения вязкости раствора хилозана отличается от результатов полученных при использовании соли железа (И) и ванадила (II), что, вероятно, связано с комплексоооразующими свойствами меди (II) В присутствии сульфата церия (IV) окислительная деструкция незначительна, средняя молекулярная масса образца около 240 KDa (рис 8, кр.2) По-видимому, xapaicrep окислительной деструкции в значительной степени связан с генерацией гидроксильных радикалов в изучаемой системе Известно, что пероксид водорода в присутствии солей железа (II), ванадила (II) и меди (II) эффективно генерирует гидроксильные радикалы, а реакция пероксида водорода с сульфатом церия (IV) протекает без образования гидроксильных радикалов

Проведение реакции хитозана под действием пероксида водорода в присутствии солей металлов переменной валентности позволяет получить олигомеры хитозана с низкой молекулярной массой, значительно сокращая время реакции Эффективность окислительной деструкции хитозана связана, вероятно, с генерацией гидроксильных радикалов в этой системе

Аналогичные опыты проведены с использованием хлорита натрия в качестве окислителя Добавки солей металлов переменной валентности (Fe(II), Cu(II)) практически не оказывают влияния на деструкцию хитозана, среднемолекулярная масса образцов хитозана составила 180 кОа и 260 кОа, соответственно

4. Изучение комплсксообразования полученных олигомеров хитозана с ацетилсалициловой кислотой, лаппаконитином, глицирризиновой кислотой и 5-гидрокси-6-метилурацилом

Способность хизозана к комплексообразованию используется в медицине для пролонгирования действия лекарственных соединений Так как растворимость хитозана в воде незначительна, то для увеличения биодоступности лекарственных соединений желательно применять водорастворимые олигомеры хитозана

Для получения водорастворимых олигомеров хитозана проведена окислительная деструкция хитозана пероксидом водорода в слабокислом водном растворе (рН = 4 5, Т = 75 - 85 °С, [ХЗ] [Н202] = 1 10) Выход водорастворимых олигомеров хитозана - 75%, растворимых в смеси вода-ацетон - 20% Анализ полученных олигомеров методами ЯМР13С-, ИК-спектроскопии, вискозиметрии показал, что протекает процесс окислительной деструкции с сохранением основного звена

Способность к комплексообразованию полученных олигомеров хитозана изучали, используя в качестве фармаконов ацетилсалициловую кислоту, 5-гидрокси-6-метилурацил, глицирризиновую кислоту и лаппаконитин с целью снижения дозы и увеличения растворимости в воде лекарственных соединений

Комппексообразование оли'.омсров китозаиа растворимых в воде (ОХЗ-1) и в смеси вода-ацетон (0X3-2) с фармаконами изучали спектрофотсметрически методом изомоляриой серии в смеси Н:0 - СлН^ОН (1:1) на максимуме длины волны поглощения ацетилсалициловой кислоты, лаппакоиигина, глицирризиновой кислоты, 5 -гидрокси-б-метилурацила = 277 км, 232 нм, 251 нм, 279 нм, соответственно. Суммарная концентрация реагентов в изомоляриой серии МО"3 мокь/д.

Зависимость изменения молярного коэффициента поглощения ацетилсалициловой кислоты в изомолярной серии ацетилсалициловая кислота -олигомеры хитозана растворимые в воде (а) и в смеси вода-ацетон (6), приведена на рисунке 9.

а) Щ

1,0 О,1) «,« 0,2 0,1 И,О 1т0 0,9 0,8 0,2 8,1 0,0

[ОХЗ-ЦЮ3, моль/л 10X3-2)-ЛО3, моль/л

Рис.9. Зависимость изменения молярного коэффициента ¡поглощения ацетилсалициловой кислоты в изомолярной серии ацетилсалициловая кислота -олигомеры хитозана растворимые в воде (а) и в смеси вода-ацетон (б) (Т = 20СС, - 277 нм, &277= 1200 л-моль"1 'см-1)

Как видно из рисунка 9 олигомеры хитозана, как первой, так п второй фракции образуют комплексы с ацетилсалициловой кислотой, о чем свидетельствует изменение молярного коэффициента поглощения. Максимальное изменение наблюдается при мольных соотношениях (Ау.к,]: [ОХЗ-1, ОХЗ-2] - 1:40 в Ш раз для ОХЗ-1 (рис.9а) и в 2 раза (рис.95 ) для ОХЗ-2.

tía рисунке 10 приведена зависимость изменения молярного коэффициента поглощения глицирришновой кислоты л издмодярной серии глицирризииовая кислота - олигомеры хитозана растворимые в воле и в смеси вода-ацетон при Т " 20°С.

Увеличение молярного коэффициента поглощения глицирризиновой кислоты наблюдается при мольном соотношении [Гц,к,]:[ОХЗ-1] = 1:20 в 5 раз (рис. 10а), [Гц.к,]:[ОХЗ-2] = I :Ю0 в 2 раза (рис.106).

Известно, что глицирризииовая кислота образует комплексы включения типа «гость-хозяин», где в качестве «хозяина» выступает глицирризииовая кислота. В нашем случае, мы наблюдаем обратный эффект, где глицирризииовая кислота при компдексообразовании с олигомерами хитозана является ((гостем».

1,0 0,9 os cu 0,1 0,0 1,0 0,9 0,8 0,2 0,1 0,0

lOXMj.ie*, ымь/я 10X3-2J-it!-3,

Рис. 10. Зависимость изменения молярного коэффициента поглощения глкиирризиновой кислоты в шомолярной серии глицирртиновая кислота -олигомеры хнтозапа растворимые в воде (а) и в смеси вода-ацетон (б) (Т-20 0СДти = 251 нм, £гм= Ю125 л-моль'-см^

Молярный коэффициент поглощения л апп а ко нити на, как видно из рисунка 11, при мольном соотношении [ЛПК]:[О.ХЗ-1] = 1:40 увеличивается в 7.5 раз, дня ОХЗ'2 изменяется незначительно.

1,0 0,9 0,8 0,2 0,1 0,0

[ОХЗ-11-103, моль/л

Рис.11. Зависимость изменения молярного коэффициента поглощения лапп аконитин а в мзомолярной серии лагшакошгшн - сш иго меры .хитозана растаоримые в воде (Т = 20 °С, Хта1. = 252 км, 11192 л-моль"1-см"1)

Образование комплекса 5-гидрокси-б-метияур<щила с ОХЗ-1 наблюдали при соотношении [ОМУ]:{ОХЗ-1] = 1:40, молярный коэффициент поглощения возрастает в 3.5 раза (рис. 12). Дгщ фракции ОХЗ-2 молярный коэффициент поглощении практически не изменяется.

1,0 0.9 0,8 о,2 оц аи

[0X3-11-1(1?,

Рис.12, Зависимость изменение молярного коэффициента поглощения 5-гидрокси-6-метйдурацила в изомолярной серии 5-гидрокси-6-метилурацил -олигомеры хетозаиа растворимые в поде (Т = 20 °С; - 279 им, = 7664 л-моль"'-см'1)

Во всех случаях изменение молярного коэффициента поглощения лекарственных соединений при комплексообразовании с олигомерами хитозана растворимыми в воде больше, чем для олигомеров растворимых в смеси вода-ацетон

Вероятно, олигомеры хитозана за счет кооперативного эффекта (ван-дер-Ваальсовые взаимодействия, водородная связь, конформационные взаимодействия хитозана) образуют с указанными фармаконами комплексы включения, где в качестве «гостя» выступают фармаконы, а в качестве «хозяина» олигомеры хитозана Большее значение молярного коэффициента поглощения лекарственных соединений при комплексообразовании с олигомерами ОХЗ-1 по сравнению с 0X3-2, вероятно, связано с тем, что данные олигомеры, выступая в качестве хозяина, образуют в воде полости, соответствующие размеру изучаемых соединений

5. Изучение адсорбционных свойств хитозана и его производных

Методом обращенной газовой хроматографии изучены адсорбционные свойства исходного хитозана (ХЗ), его модифицированного аналога (ХЗ-1), полученного окислением хлоритом натрия в присутствии каталитических количеств гипохлорита натрия и нитроксильиого радикала, низкомолекулярных олигомеров хитозана и комплексов хитозана с металлами (Си2+, Zn2*) на примере адсорбции н-алканов (Сб - С9) и н-спиртов (С1 - С3) в интервале температур 41 - 97 °С

Олигомеры хитозана, растворимые в воде (ОХЗ-1), ведут себя по отношению к исследуемым веществам как непористый сорбент

Способность к дисперсионным взаимодействиям по отношению к н-алканам (С6Н,4 - С,Н2о) и н-спиртам (СН3ОН - С3Н7ОН) выше на модифицированном хитозане В исходном хитозане между смежными цепями осуществляется водородная связь атома азота ЫН2- группы с водородом ОН-группы при С(6) атоме углерода. На основании данных ИК- и ЯМР 13С -спектроскопии выявлено, что в результате окисления хитозана хлоритом натрия с добавлением каталитических количеств гипохлорита натрия и 2,2,5,5-тетраметил-4-фенил-3-имидазолин-3-оксид-1-оксила в его структуре происходят следующие изменения окисление хитозана по С(6) атому углерода с появлением карбонильной группы, образование ковалентной связи между атомом азота аминогруппы и углеродом карбоксильной группы хигозана В результате окисления свободная аминогруппа заменяется на 54% на амидную группу N-0=0, в структуре ХЗ-1 появляется дополнительный донорный атом кислорода, что отражается на увеличении адсорбции н-спиртов (табл 3).

Схематически структуры образцов хитозана можно представить следующим образом

б

уПрОН

но-

(ХЗ)

А

ХЬ:ОТ

"Г

о

]ЧН,

I—ОН I

он

(ХЗ-1)

Таблица 3

Дисперсионная (Двд0) и специфическая (ДОА8) составляющие энергии адсорбции н-спиртов

Параметры адсорбции н-спиртов 1,°С Метанол Этанол Пропанол

ХЗ ХЗ-1 ХЗ ХЗ-1 ХЗ ХЗ-1

41 -1 14 -1 86 -2 40 -3 12 -4 13 -4 84

58 -0 38 -0 40 -1 49 -1 64 -3 04 -3 18

72 -0 09 041 -1 01 -0 63 -2 28 -1 98

лсЛ 80 1 01 -1 24

кДж мочь"1 87 041 1 25 -0 34 001 -1 36 -0 72

90 1 46 -0 44

92 0 34 -0 09 0 42 -1 07

97 0 49 0 04 0 65 -058

41 -6 69 -8.65 -2 92 -5 76 -1 26 -4 32

58 -7.86 -9 66 -3 31 -6 95 -2 29 -5 52

72 -8 11 -10 20 -3 74 -7 66 -2 79 -6 33

ДОА5. 80 -10 40 -8 08 -6 85

кДж-моль"1 87 -8 99 -10 20 -3 50 -8 39 -1 88 -7 20

90 -10 30 -8 40 -7 36

92 -8 52 -2 39 -1 31

97 -8 01 -2 70 -1 04

Как видно из данных, приведенных в таблице, на обоих образцах хитозана с увеличением количества СН2-групп в молекуле спирта энергия специфического взаимодействия уменьшается (экранирование ОН-группы), соответственно, дисперсионная составляющая увеличивается Во всех случаях численные значения параметров адсорбции выше в случае ХЗ-1 Возможное объяснение заключается в том, что в результате реакции окисления и превращения аминогруппы в амидную образуется более упорядоченная надмолекулярная структура, что увеличивает его адсорбционную способность

по отношению к н-спиртам за счет образования более сильной водородной связи по сравнению с исходным хитоэаном.

Адсорбция н-алканов на комплексах хитозана с сульфатом меди и хлоридом и инка, полученными сорбционным методом, практически одинакова

0,1) 1,5 з,я Ш

Р, кПа

Рис, 13, Изотермы адсорбции гептана, 41 °С: 1 (о) - ХЗ; 2 (•) - Сц804*ХЗ; 3 (Ж) - СиС12-ХЗ; 4 (л) - 2пС1г.ХЗ

Изотермы адсорбции линейны для н-алкаиов на всех адсорбентах, что указывает на независимость величины удерживания от объема вводимой пробы адсорбата, а константа равновесия представляет константу равновесия Генри адео р б ат-адс ор бент.

Для Н-алканов суммарная энергия адсорбции представляет энергию дисперсионного взаимодействия (рис.14).

Рис,14, Зависимость свободной энергии адсорбции н-алкаиов от числа углеродных атомов (пример: адсорбция н-алканов на комплексе ХЗ с гпС(2; ! (•)- 41 °С;3 (д) - 72 °С; 4 (Т) - 80 °С; 5 (о) - 87 °с

Способность комплексов хитозана к дисперсионному взаимодействию несколько меньше по сравнению с исходным ХЗ, как следует из рассчитанных значений дисперсионной составляющей свободной энергии поверхности адсорбентов (рис.15). Определяющий вклад в дисперсионную составляющую вносит катион металла.

Линейность зависимости на рисунке 15 показывает, что в изученном температурном интервале структура поверхности всех комплексов хитозана не претерпевает изменений, а практически одинаковый угол наклона прямых указыйает на аналогичный характер изменения дисперсионных свойств.

Параметр (рис.15) отражает различие в свойствах поверхности химически сходных полимеров, а также изменения, происходящие на таких поверхностях под влиянием комплексообразования с солями металлов.

г 40

Й

.1 30

20

10

0 -!----1--!--

40 60 80 100

I, °С

Рис, 15. Температурное изменение дисперсионных свойств поверхности хитозана и его производных: 1 (о) - ХЗ; 2 (□) - Си504-Х3; 3 ( У ) - СиСЬ-ХЗ; 4 (V) - гпСЬ-ХЗ

На рисунке 16 приведены изменения энергии дисперсионного (рис, 16а) и специфического (рис-166) взаимодействий с ростом углеводородной части спирта. Как видно из рисунка, при постоянной температуре в ряду спиртов на всех образцах хитозана наблюдается рост дисперсионной составляющей свободной энергии адсорбции, как результат увеличения гидрофобного эффекта и уменьшения энергии водородной связи. При малой степени заполнения метанол удерживается сильнее этанола и прошшола на всех комплексах, вероятно, за счет того, что его молекулы, диффундируя в полости, благодаря небольшим размерам, могут сорбироваться на наиболее специфических центрах адсорбентов, недоступны остальным гомологам.

Для адсорбции н-пропанола на комплексе СиЙОгХЗ аномальный рост спецкфического связывания, возможно, объясняется влиянием анизотропии ван-дер-Ваальсовых радиусов алкильного фрагмента (поперечного и продольного радиусов) вблизи ОН-грутты на способности этих групп

вписываться в структуру комплекса. Подобная тенденция наблюдается и на комплексе хитозаНЙ с хлоридом цинка. Так как, несмотря на специфичность, величины удерживай и« невелики, то, возможно, взаимодействие осуществляется с участием слабоспецифичных ОН-групп углевода, группа недоступна вследствие комгшексообразования с катионами металлов.

а) б)

7 2 л

I '

* О с: 1

1

о 1

-4

-Я

о 1 2 3 4 о 1 2 з 4

П П

Рис.16. Завили мое гь энергии дисперсионного (а) и специфического (б) взаимодействия еггиртор; от числа атомов углерода, 41 °С: 1 - ХЗ; 2 -Си50^-Х3; 3 - СиСЬ'ХЗ; 4 - 2чС!г-ХЗ

Как видно из данных таблицы 4, на всех образцах хитозана с увеличением количества СРЬ-групп в молекуле спирта энергия специфического взаимодействия уменьшается (экранирование ОН-группы), соответственно, дисперсионная составляющая увеличивается.

Таблица 4

Вклад группы СИа (-Д<3с№, кДж-моль"1) в свободную энергию адсорбции и-аякалон на изученных образцах хитозана

т, °с 41 58 72 80 87 92 97

Хитозан -2.51 -2.15 -1.74 -1.37 -1.06 -0.88

ХЗОиБО! -2.14 -1.91 -1.55 -1.23 -1.10

ХЗ-СиСЩ -2.19 -1.89 -1.64 Г-1.73 -1.03

ХЗ-2пСЬ -1.97 -1.63 -132 -1.26 -1.26

Схематически структуру комплексов можно представить следующим образом:

Численные значения параметров специфической адсорбции ниже в случае исходного хитозана Возможное объяснение заключается в том, что в результате комплексообразования образуются более упорядоченные надмолекулярные структуры, увеличивающие адсорбционную способность комплексов по отношению к н-спиртам (табл 5), а небольшие величины адсорбции объясняются взаимодействием н-спиртов со слабоспецифичными ОН-группами, ЫН2-группа - недоступна Комплексообразование хитозана с солями металлов приводит к увеличению его гидрофильности

Таблица 5

Параметры адсорбции н-спиртов, 41 °С

Параметры адсорбции, 41 °С Адсорбент Метанол Этанол Пропанол

Хитозан -8 83 -5 32 -5 38

Авд, ХЗ СиБСХ -6 30 -1 12 -8,37

кДж моль'1 ХЗ СиС12 -5.11 -3 48 -4 31

ХЗ ЪлС\г -6 55 -2 30 -3 01

Хитозан -1 14 -2 40 -4 13

АОа°, ХЗ СивО« 0 57 -0,55 -2 10

кДж моль"1 ХЗ СиС12 1 42 027 -1 31

ХЗ ТпС\2 1 64 0 61 -0 82

Хитозан -6 69 -2 92 -1 26

АОД ХЗ СиБО« -6 87 -0 56 -6 27

кДж моль"1 ХЗ СиС12 -6 54 -3 75 -3 01

ХЗ ЪлС\2 -8 19 -2 91 -2 20

21

Выводы

1 Изучены кинетические закономерности и продукты взаимодействия хитозана с диоксидом хлора Найдено, что реакция протекает по уравнению первого порядка по каждому реагенту. Рассчитаны активационные параметры процесса \%кбим = (4.5 ± 0.1) - (35.6 ± О.4)/0, в -2.303ЯТ кДж-моль"', г = 0.99. В результате взаимодействия хитозана с диоксидом хлора происходит окисление первичной спиртовой группы при С(6) атоме углерода и окислительная деструкция по 1,4-^-гликозидной связи

2 Показано, что в присутствии солей металлов переменной валентности (УО)2\ Се4*, Ре1',Си2 ^ под действием пероксида водорода происходит разрыв 1,4-Д-пикозидной связи Эффективность окислительной деструкции хитозана зависит от способности системы генерировать гидроксильные радикалы

3 Остановлено, что при окислении хитозана кислородом воздуха в присутствии нитратов кобальта (II), марганца (II) и каталитических количеств 2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксила в ледяной уксусной кислоте протекает окислительная деструкция хитозана с выходом модифицированного образца 93%

4 Показано, что олигомеры хитозана образуют комплексы с ацетилсалициловой кислотой, глициррнзиновой кислотой, лаппаконитином, 5-гидрокси-6-метилурацилом

5 Впервые методом обращенной газовой хроматографии в области Генри изучены адсорбционные свойства исходного хитозана, хитозана модифицированного окислением хлоритом натрия в присутствии каталитических добавок гипохлорита натрия и 2,2,5,5-тетраметил-4-фенил-З-имидазолин-З-оксид-1-оксила, низкомолекулярных олигомеров хитозана растворимых в воде, комплексов хитозана с хлоридами меди и цинка, сульфатом меди на примере сорбции н-алканов (С6-С9) и н-спиртов (СгС3) Показано, что способность адсорбентов к дисперсионным взаимодействиям выше на модифицированном хитозане и меньше на комплексах хитозана с солями меди и цинка Значения параметров специфической адсорбции спиртов выше на комплексах хитозана с солями меди и цинка, те комплексообразование приводит к увеличению гидрофильности

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1 Муринов К Ю, Курамшина А Р, Хисамутдинов Р А., Кабальнова H H Окисление хитозана хлоритом и гипохлоритом натрия // Башк хим журн. -2003 -№1 -С 44-46

2 Муринов К Ю, Курамшина А Р., Андрияшина H M , Гарифуллина А Р, Кабальнова H H, Муринов Ю И Получение водорастворимых олигомеров хитозана и изучение их комплексообразующих свойств с некоторыми фармаконами И Башк хим журн —2006 — №1 —С 52-54

3 Колядина О А , Муринов К.Ю , Курамшина А Р , Кабальнова H H , Муринов Ю И Адсорбционные свойства комплексов хитозана с хлоридами меди и цинка и сульфатом меди //Журнал Физической химии -2006 -№12 -С 1-5

4 Муринов К Ю , Романко Т В , Курамшина А Р , Кабальнова H H , Муринов Ю И Окислительная деструкция хитозана под действием перекиси водорода // Журнал Прикладной химии - 2007 -Т80 -№1.-С 159-161

5 Murinov К Yu, Kuramshina A R , Kabal'nova N N, Munnov Yu I Complexation of chitosan's oligomers with aspirin // Abstracts of Xth International Seminaron Inclusion Compounds (ISIC-10) — Kazan — 2005 -

6 Муринов К Ю, Курамшина А.Р, Хисамутдинов Р А , Кабальнова Н Н , Муринов Ю И Изучение окислительной деструкции хитозана методами ИК и ЯМР спектроскопии // VII International Workshop on magnetic resonance (Spectroscopy, Tomography and Ecology), Book of Abstracts -Rostov-on-Don -2006 -P 179.

P63

Соискатель.

Курамшина A P

Курамшина Альбина Расилевна

ОКИСЛИТЕЛЬНАЯ ДЕСТРУКЦИЯ ХИТОЗАНА ПОД ДЕЙСТВИЕМ ДИОКСИДА ХЛОРА И ПЕРОКСИДА ВОДОРОДА В ПРИСУТСТВИИ СОЛЕЙ МЕТАЛЛОВ ПЕРЕМЕННОЙ ВАЛЕНТНОСТИ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Лицензия на издательскую деятельность ЛР № 021319 от 05 01 99 г

Подписано в печать 08 10 2007 г Бумага офсетная Формат 60x84/16 Гарнитура Times Отпечатано на ризографе Уел печ л 1,28 Уч-изд л 1 45 Тираж 130 экз Заказ 582

РеОакционно-изОательский центр Башкирского государственного университета 450074, РБ, г Уфа, ул Фрунзе, 32

Отпечатано на множительном участке Башкирского государственного университета 450074, РБ, г Уфа, ул Фрунзе, 32