Синтез и свойства водорастворимых производных хинина тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.06 ВАК РФ

у: /.

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕКСТИЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ

им. А. Н. Косыгина

На правах рукописи

УДК 541.64.12 : 547.458.99 : 615.273.53

Г

ВИХОРЕВА Галина Александровна

СИНТЕЗ И СВОЙСТВА ВОДОРАСТВОРИМЫХ ПРОИЗВОДНЫХ ХИТИНА

Специальность 02.00.06 Химия высокомолекулярных соединений

Диссертация на соискание уче^^ ^/епени доктора хим^ч^ских наук

99

а

У

II

I

и :

Р / - Научный консультант: профессор

II

У

и

доктор химических наук Гальбрайх Леонид Семенович

Москва -1998 г.

Содержание

Введение............................................................... 5

Глава 1. Синтез водорастворимых сульфатированных и карбоксиметилированных производных хитозана и хитина.

1.1. Литературные данные о строении хитина и хитозана и способах получения их сульфатированных и карбоксиметилированных производных............. 12

ч 1.2. Строение и структура исходных и активированных размолом хитина и

хитозана панцирей крабов и криля..................................... 29

v 1.3. Разработка усовершенствованного способа получения сульфатов хитозана. 1 1.3.1. Изменение структуры и реакционной способности хитозана при активации

органическими соединениями..................................... 42

1.3.2. Исследование возможности усовершенствования стадии выделения сульфата хитозана из реакционной массы............................ 57

1.3.3. Особенности сульфатирования высокозольного хитозана.............. 59

1.3.4. Закономерности сульфатирования хитозана пиросульфатом натрия и получение высокомолекулярного сульфата хитозана.................. 62

1.4. Разработка усовершенствованных способов получения карбоксиметилированных производных хитина и хитозана.

1.4.1. Исследование возможности получения карбоксиметилхитина (КМХТ) и карбоксиметилхитозана (KMX) в условиях твердофазного модифицирования полисахаридов............................................. 64

1.4.2. Усовершенствование суспензионных способов карбоксиметилирования хитина и хитозана путем оптимизации стадий их активации............ 66

Глава 2. Строение и свойства карбоксиметилированных производных хитина и хитозана.

„2.1. Кислотно-основные и вязкостные свойства карбоксиметилцеллюлозы и

хитозана как типичных полиэлектролитов............................... 73

2.2. Строение и физико-химические свойства KMX и КМХТ.

2.2.1. Химическое строение и фракционный состав карбоксиметилированных

производных хитина и хитозана.................................... 82

2.2.2. Растворимость и кислотно-основные характеристики функциональных групп карбоксиметилированных производных хитозана и хитина в водных средах.. 94

v 2.2.3. Вязкостные свойства разбавленных и концентрированных растворов

KMX, КМХТ и хитозана........................................ 106

2.3. Изучение процесса комплексообразования карбоксиметилированных

производных хитина и хитозана с ионами Си +2......................... 116

Глава 3. Строение, физико-химические свойства и биологическая активность сульфатов хитозана (СХ).

3.1. Гепарин и другие сульфополисахариды и их биологическая активность...... 122

3.2. Строение и некоторые физико-химические свойства сульфатов хитозана..... 131

3.3. Биологические свойства СХ

3.3.1. Антикоагулянтная активность СХ и его композиций с гепарином....... 141

3.3.2. Характеристика токсичности СХ, других видов его активности и возможных областей использования................................ 151

Глава 4. Модификация водорастворимых производных хитина поверхностно-активными веществами.

4.1. ПАВ-полиэлектролитные комплексы как продукты модификации полиэлектролитов................................................... 160

4.2. Закономерности образования, состав и строение ПАВ-ПЭК на основе водорастворимых производных хитина................................. 175

4.3. Поверхностная активность и стабилизирующая способность ПАВ-ПЭК на основе водорастворимых производных хитина........................... 191

Глава 5. Получение и свойства пленок на основе водорастворимых производных хитина.

5.1. Полимерные пленки. Получение, свойства и практическое применение...... 211

5.2. Получение и исследование свойств хитозановых и модифицированных

хитозановых пленок................................................ 230

5.3. Получение пленок из карбоксиметилированных производных хитозана и хитина и иммобилизация в них ферментов.............................. 257

5.4. Общая характеристика возможностей практического использования пленок на основе водорастворимых производных хитина.......................... 265

Выводы................................................................ 26В

\ Методическая часть..................................................... 270

Литература............................................................. 279

Приложения............................................................ 317

Список принятых сокращений

А - антибиотик

АДР - адреналин

АКА - антикоагулянтная активность

АТ-Ш - антитромбин

АЧТВ - активированное частичное тромбиновое время

БР - буферный раствор

ВСК - время свертывания крови

ГА - глутаровый альдегид

ДАБ - диметилдиоктадециламмоний бромид

ДСН - додецилсульфат натрия

ДЭО - диглицидиловый эфир олигоэтиленоксида

ИЭО - изоэлектрическая область , ИПС - изопропанол

ММ - молекулярная масса

ККА - критическая концентрация ассоциации

ККМ - критическая концентрация мицеллообразования

КМХ(-Н) - карбоксиметилхитозан в виде Ыа-соли (в виде поликислоты)

КМХ-ВС- карбоксиметилхитозан в виде внутренней соли

КМХТ(-Н)-карбоксиметилхитин в виде Ка-соли (в виде поликислоты)

КМЦ - карбоксиметилцеллюлоза в виде На- соли

ЬО 50 - полулетальная доза

ЛП-липаза- липопротеидлипаза , ОЭ - олигоэтиленоксид

ПА - полиамфолит

ПАВ - поверхностно-активное вещество

ПАВ-ПЭК-ПАВ-полиэлектролитный комплекс

ПАК - полиакриловая кислота

ПА-№ - полиакриловая кислота в виде Иа-соли

ПВП - поливинилпиридиний бромид

ПЭ - полиэлектролит , ПСН - пиросульфат натрия

ПЭК - полиэлектролитный комплекс СЗ - степень замещения

СК - степень кристалличности , СД - степень дезацетилирования СПГХ - ступенчатая пиролизная газовая хроматография СХ - сульфат хитозана СХТ - сульфат хитина СЦ - сульфат целлюлозы

Т - тромбин , УК - уксусная кислота

ТАБ- тетрадецилтриметиламмоний бромид

УВМ - углеродный волокнистый материал

ФС - фармакопейная статья

X - хитозан

ХТ - хитин

ЦАБ - цетилтриметиламмоний бромид ЦПХ - цетилтриметилпиридиний хлорид ЯМР - ядерная магнитная релаксация 13С (2Н)ЯМР - ядерный магнитный резонанс

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Расширение исследований и производства природных полимеров хитина и хитозана стимулируется ценными свойствами (биосовместимость, биоразрушаемость, низкая токсичность, пленко-, волокнообразующая способность, уникальные сорбционные свойства), позволяющими использовать их для различных целей, и наличием богатой сырьевой базы, поскольку естественное воспроизводство хитина в Мировом океане только ракообразными оценивается в 2-3 млрд тонн в год. Сырье для получения хитина и его производных - панцири гидробионтов, являющиеся побочным продуктом переработки морепродуктов в пищевую и кормовую продукцию, составляют до 40% их массы. Поэтому комплексное использование гидробионтов, предполагающее получение мяса, белковых гидролизатов и паст, протеолитических ферментов и других биологически активных веществ, а также минеральных солей и природного высокомолекулярного вещества - хитина, имеет большое народнохозяйственное значение не только как фактор повышения эффективности использования сырьевых ресурсов и удешевления продукции, но и как путь расширения ассортимента товаров народного потребления. При этом наиболее перспективными областями использования хитина и его производных являются здравоохранение, пищевая промышленность, сельское хозяйство, биотехнология, очистка газовоздушных и жидких сред.

Рыбная отрасль России располагает значительной базой панцирьсодержащего сырья, позволяющей организовать промышленное производство хитина и его производных. В последние годы заметно увеличилось число производителей хитина и его наиболее известного и изученного производного хитозана и расширился круг научных коллективов, проводящих исследования по созданию эффективных технологий получения и переработки этих полисахаридов.

Наличие аминогрупп придает хитозану многие ценные свойства - растворимость в кислых водных средах, способность к комплексообразованию, ионному обмену и т. д. Однако не меньший интерес для практического применения представляют и другие водорастворимые производные хитина полиэлектролитной природы, например, поликислота карбоксиметилхитин (КМХТ), который по строению, свойствам и способу получения аналогичен широко известной и производимой в крупных масштабах карбоксиметилцеллюлозе. С экономической точки зрения немаловажным является и то, что выход карбоксиметилхитина на единицу массы хитина в 1,5-2 раза превышает выход хитозана. В отличие от карбоксиметилцеллюлозы и хитозана,

карбоксиметилхитин является малоизученным производным, что, очевидно, сдерживает развитие его производства и практическое использование. Интересными и перспективными в практическом плане производными хитина и хитозана являются продукты их сульфатирования, обладающие выраженной биологической активностью. Следует, однако, отметить, что известные способы получения высокоактивных сульфатов хитозана (СХ) характеризуются сложностью и технологически малоприемлемы.

Таким образом, разработка эффективных способов получения, изучение свойств и определение наиболее рациональных областей практического применения карбоксиметилированных и сульфатированных производных хитина и хитозана является актуальной задачей, поскольку, с одной стороны, представляет весомый вклад в решение важной проблемы рационального использования природных ресурсов, а с другой, - позволяет расширить арсенал водорастворимых биоразрушаемых, биосовместимых и экологически чистых полимерных соединений природного происхождения. Следует отметить, что направленный синтез и выделение химических соединений с уникальными свойствами и биологически активных природных соединений и изучение зависимости структура-свойства определено как важнейшее приоритетное направление фундаментальных исследований в области химических наук и науки о материалах Президиумом РАН (перечень п. 3.2).

Целью работы являлась разработка научных основ получения и практического применения карбоксиметилированных и сульфатированных производных полисахаридов гидробионтов - хитина и хитозана, а также исследование ключевой проблемы химической науки о связи строения и свойств на примере водорастворимых производных хитина полиэлектролитной природы.

Научная новизна диссертационной работы состоит в развитии фундаментальных представлений о связи строения, структуры, реакционной способности и свойств производных полисахарида хитина, принадлежащих к важному классу биополимеров.

Обосновано использование реагентов кислотного типа, обеспечивающих меж- и внутрикристаллитное набухание высококристаллического полиоснования хитозана для повышения его реакционной способности при модификации.

Установлена экстремальная зависимость состава нерастворимых ПАВ-полиэлектролитных комплексов от состава реакционной смеси и устойчивость комплексов в виде мицеллоподобных ассоциатов лишь в определенном концентрационном интервале, а также фракционирование (диспропорционирование) растворимых комплексов по составу в объеме и на межфазной границе как одна их предпосылок синергического повышения их поверхностной активности.

Выявлено синергическое повышение адсорбционной активности ПАВ-поли-электролитых комплексов, и сделан вывод об их большей эффективности как полимерных поверхностно-активных веществах по сравнению с производными, содержащими ковалентноприсоединенные алкильные заместители.

Предложено математическое описание зависимости изменения стандартной свободной энергии адсорбции комплексов КМХТ с тетрадецилтриметиламмоний бромидом от состава, позволяющее прогнозировать их поверхностную и стабилизирующую способность.

Дана трактовка сорбционных и транспортных свойств пленок на основе хитозана как полимерных изделий с неравновесной криптогетерогенной структурой.

Построены фрагменты диаграммы фазовой совместимости двух водорастворимых производных хитина - полиоснования хитозана и поликислоты КМХТ в муравьинокислотных растворах, позволяющей определять условия приготовления формовочных растворов и пленок их ПЭК указанных полиэлектролитов.

Практическая значимость диссертационной работы.

Разработаны научные и технологические основы и усовершенствованные способы синтеза высокозамещенных карбоксиметилированных и сульфатированных производных хитина и хитозана, технологическая приемлемость которых подтверждена результатами успешных апробаций основных стадий процессов в опытно-промышленных условиях.

Совместно с Гематологическим научным центром создан лекарственный препарат антикоагулянтного действия, являющийся композицией сульфата хитозана и гепарина, проведены доклинические испытания его специфической активности и токсичности.

Разработаны способы гидрофобизации хитозана и карбоксиметилхитина поверхностно-активными веществами, обеспечивающие синергическое повышение их

поверхностной активности и стабилизирующей способности по отношению к пенам и эмульсиям.

Предложены способы модификации хитозановых пленок, позволяющие регулировать в широких пределах растворимость и степень их набухания в водных средах и использовать в качестве эффективных дренирующих

материалов, матриц для иммобилизации лекарственных препаратов и селективных мембран.

Впервые получены и исследованы пленки из карбоксиметилированных производных хитина и хитозана, в том числе содержащих протеолитические ферменты.

Подготовлена первичная нормативно-техническая документация (регламенты, технологические инструкции и технические условия, фармакопейная статья, акты и заключения об испытаниях) на сульфат хитозана и карбоксиметилхитин, необходимая для организации их внедрения.

На защиту выносятся:

- данные о строении и свойствах карбоксиметилированных и сульфатированных производных полисахаридов хитина и хитозана, ПАВ-полиэлектролитных комплексов и пленок на их основе;

- совокупность установленных закономерностей и сделанные обобщения, являющиеся вкладом в развитие приоритетного направления фундаментальных исследований, в перечне РАН обозначенного как направленный синтез и выделение химических соединений с уникальными свойствами и биологически активных природных соединений и изучение зависимости структура-свойства ;

- разработанные способы получения и модифицирования водорастворимых производных хитина, позволяющие рационально использовать природные ресурсы и расширить ассортимент экологически безопасных полимерных изделий медицинского, пищевого и технического назначения.

Личный вклад автора заключается в постановке целей и задач исследований, теоретическом и методическом обосновании путей их решения, непосредственном выполнении исследований, обобщении результатов, организации опытно-промышленной апробации разработанных способов и испытаний образцов в организациях медицинского профиля.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на III Съезде фармацевтов Литвы (Каунас, 1982), I - IV Всесоюзных научно-технических конференцияхпо производству и использованию хитина и хитозана из панциря криля и других ракообразных (Владивосток, 1983, Мурманск, 1987, Москва, 1992 и 1995), Республиканской конференции "Научные достижения химиков -народному хозяйству" (Вильнюс, 1984), Общемосковском семинаре по водорастворимым полимерам (Москва, 1984), Всесоюзных конференциях "Химия, технология и применение целлюлозы и ее производных" (Владимир, 1985, Суздаль, 1990), конференции "Актуальные вопросы разработки, изучения и производства лекарственных средств" (Каунас, 1985), III и IV Всесоюзных конференциях "Водорастворимые полимеры и их применение" (Иркутск, 1987 и 1991), II Всесоюзной конференции по фармакокинетике (Каунас, 1987), III Всесоюзной научно-технической конференции по пластификации полимеров (Владимир, 1988), XIV Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Ташкент, 1988), II Всесоюзной конференции "Полиэлектролитные комплексы" (Рига, 1989), Всесоюзной конференции "Проблемы использования целлюлозы и ее производных в медицинской и микробиологической промышленности" (Ташкент, 1989), VI Всесоюзной конференции "Физика и химия целлюлозы" (Минск, 1990), II Всесоюзной научно-технической конференции "Свойства и применение водорастворимых полимеров" (Ярославль, 1991), 6-th Europian Symposium in Carbohydrate Chemistry (Edinburg, 1991), IX Всесоюзном симпозиуме "Синтетические полимеры медицинского назначения" (Звенигород, 1991), Всесоюзном совещании "Биологически активные вещества гидробионтов - новые лекарственные, лечебно-профилактические и технические препараты" (Владивосток, 1991), I International Conference "Polysaccharide Enginering" (Trondheim, 1994), II и III Российских наци�