СПОСОБ СУЛЬФАТИРОВАНИЯ МИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
MICROCRYSTALLINE CELLULOSE SULPHATION METHOD

Изобретение относится к химической переработке древесины и касается сульфатирования микрокристаллической целлюлозы. Водорастворимые соли сульфатов микрокристаллической целлюлозы широко используются как антикоагулянты крови, сорбенты токсичных металлов, иммуномодуляторы и антивирусные препараты.
Известен способ получения растворимых солей щелочных металлов сульфата целлюлозы [US 5378828, опубл. 03.01.1995]. Целлюлозу предварительно замачивают в пиридине при комнатной температуре в течение, как минимум, 12 часов. Далее готовят сульфатирующий агент, вводя по каплям хлорсульфоновую кислоту в пиридин. Затем нагревают его до 50°С и добавляют пропитанную в пиридине целлюлозу. Смесь перемешивают при температуре 75°С в течение 4 часов. После декантирования пиридина смесь многократно промывают метанолом. Далее в полученный продукт добавляют насыщенный раствор бикарбоната натрия, перемешивают 1 час, снова добавляют метанол, осаждают натриевую соль сульфата целлюлозы, многократно промывают ее метанолом, водой, затем опять метанолом с последующей сушкой при 50°С.
Однако данный способ предназначен только для волокнистой целлюлозы. К недостаткам данного способа следует отнести также его сложность и продолжительность. Так, целлюлозу предварительно замачивают в пиридине в течение, как минимум, 12 часов. Процесс выделения целевого продукта - длительный и многостадийный из-за многократного промывания метанолом, который к тому же является токсичным. Недостатком способа является также большой расход метанола.
Известен способ сульфатирования хлопковой микрокристаллической целлюлозы (МКЦ) комплексом хлорсульфоновая кислота - пиридин [Торлопов М.А, Демин В.А. Сульфатированные и карбоксиметилированные производные микрокристаллической целлюлозы // Химия растительного сырья. 2007. №3. С.55-61]. Предварительно высушенную МКЦ суспендируют в пиридине при 0°С, при охлаждении и интенсивном перемешивании в смесь вносят хлорсульфоновую кислоту. Смесь термостатируют 1 час при 90°С, затем 2 часа при 80°С. Продукт отфильтровывают, промывают ацетоном, растворяют в 4%-ном гидроксиде натрия. Полученную натриевую соль сульфата целлюлозы осаждают этанолом, промывают водно-этанольной смесью и сушат в вакууме при 60°С.
Однако сульфатирование микрокристаллической целлюлозы проходит в гетерогенных условиях, что существенно затрудняет процесс сульфатирования. К недостаткам способа следует отнести и сложность выделения целевого продукта, а также использование в качестве растворителей ацетона и токсичного пиридина.
Наиболее близким по технологичной сущности и достигаемому результату является способ сульфатирования МКЦ комплексом хлорсульфоновая кислота/диметилформамид. Высушенную МКЦ суспендируют в безводном диметилформамиде (ДМФА) при комнатной температуре в течение 12 часов. Далее готовят сульфатирующий комплекс, медленно вводя хлорсульфоновую кислоту в диметилформамид в течение 30-45 минут при температуре 5-10°С с постоянным перемешиванием и охлаждением на ледяной бане. Сульфатирующий комплекс при интенсивном перемешивании медленно добавляют в пропитанную диметилформамидом целлюлозу с последующим сульфатированием в течение 3 часов при 30°С. Далее реакционную смесь выливают в трехкратный объем этанола, насыщенного безводным ацетатом натрия. Выпавший осадок отделяют от раствора центрифугированием, промывают безводным спиртом. Затем сырой продукт промывают в воде, нейтрализуют раствором гидроксида натрия концентрацией 0,5 моль/л и очищают диализом в течение 12 часов [Zhao Mei Wang, Lin Li, Bi Sheng Zheng, Nodirali Normakhamatov, Si Yuan Guo. Preparation and anticoagulation activity of sodium cellulose sulfate // International Journal of Biological Macromolecules. 2007. V.41. Issue 4. P.376-382].
К недостаткам данного способа следует отнести его мностадийность и продолжительность. Так, целлюлозу предварительно суспендируют в диметилформамиде в течение 12 часов. Отдельно готовят сульфатирующий комплекс, медленно (35-40 мин) приливая хлорсульфоновую кислоту в диметиформамид, непрерывно перемешивая и охлаждая смесь на ледяной бане. Процесс выделения продукта сульфатирования МКЦ также многостадиен и продолжителен. Сначала его отделяют от раствора центрифугированием, затем промывают спиртом. Далее осадок очищают растворением в воде, нейтрализуют раствором гидроксида натрия подвергают диализу в течение 12 часов.
Технический результат изобретения - упрощение и сокращение продолжительности процесса сульфатирования микрокристаллической целлюлозы.
Технический результат достигается тем, что в способе сульфатирования микрокристаллической целлюлозы хлорсульфоновой кислотой в органическом растворителе, согласно изобретению сульфатирование проводят в 1,4-диоксане при температуре 20-40°С в течение 3-4 часов, а сульфатированную микрокристаллическую целлюлозу выделяют разбавлением реакционной массы 3-кратным объемом 50%-ного водно-этанольного раствора содержащего 3% гидроксида натрия.
Способ осуществляют следующим образом.
Микрокристаллическую целлюлозу предварительно высушивают в сушильном шкафу при температуре 103-105°С до постоянной массы и перемешивают при комнатной температуре в диоксане в течение 3-4 часов. Далее при охлаждении и интенсивном перемешивании по каплям добавляют хлорсульфоновую кислоту и перемешивают при температуре 20-40°С в течение 3-4 часов. Затем реакционную массу разбавляют 3-кратным объемом 50%-ного водно-этанольного раствора, содержащего 3% гидроксида натрия. Выпавшую в осадок натриевую соль сульфатированной МКЦ отделяют фильтрованием, промывают на фильтре 96%-ным этанолом и сушат в вакууме.
Способ сульфатирования МКЦ подтверждается конкретными примерами.
Пример 1. В трехгорлую колбу объемом 100 мл, снабженную мешалкой, термометром и капельной воронкой, загружают 1 г МКЦ полученной из соломы пшеницы, заливают 30 мл 1,4-диоксана и перемешивают при комнатной температуре в течение 4-х часов. В смесь при охлаждении и интенсивном перемешивании по каплям вносят хлорсульфоновую кислоту и перемешивают при 20°С в течение 3-х часов. Затем реакционную смесь при перемешивании выливают в стакан, содержащий 100 мл 50%-ного водно-этанольного раствора, содержащего 3% гидроксида натрия. Образовавшуюся натриевую соль сульфата микрокристаллической целлюлозы отделяют фильтрованием, промывают на фильтре 96%-ным этанолом и сушат в вакууме. В результате получают продукт с молекулярной массой 19600 и содержанием серы 7,8% (см. табл.1).
Примеры 2-6. Сульфатирование МКЦ из соломы пшеницы проводят аналогично примеру 1, отличие в температуре и продолжительности процесса сульфатирования (табл.1).
Пример 7. В трехгорлую колбу объемом 100 мл, снабженную мешалкой, термометром и капельной воронкой, загружают 1 г МКЦ полученной из древесины осины, заливают 30 мл 1,4-диоксана и перемешивают при комнатной температуре в течение 4-х часов. В реакционную смесь при охлаждении и интенсивном перемешивании по каплям вносят хлорсульфоновую кислоту и перемешивают при 20°С в течение 3-х часов. Затем реакционную смесь при перемешивании выливают в стакан, содержащий 100 мл 50%-ного водно-этанольного раствора, содержащего 3% гидроксида натрия. Образовавшуюся натриевую соль сульфата микрокристаллической целлюлозы отделяют фильтрованием, промывают на фильтре 96%-ным этанолом и сушат в вакууме. В результате получают продукт с молекулярной массой 19000 и содержанием серы 8,0% (см. табл.2).
Примеры 8-12. Сульфатирование МКЦ из древесины осины проводят аналогично примеру 7, отличие в температуре и продолжительности процесса сульфатирования (табл.2).
Данные о содержании серы и молекулярная масса образцов сульфатированной МКЦ соломы пшеницы в зависимости от температуры и продолжительности реакции приведены в таблице 1.
Таблица 1
№ примера
Т реакции, °С
Продолжительность реакции, ч
Содержание S,%
Молекулярная масса
1
20
3
7,8
19600
2
30
3
8,6
16500
3
40
3
8,4
14200
4
20
4
9,3
19100
5
30
4
9,1
16100
6
40
4
8,3
13000
Разбавление реакционной массы водно-этанольным раствором, содержащим более 50% спирта, нежелательно, т.к. вместе с сульфатированной МКЦ в осадок выпадают и неорганические соли, от которых сульфатированную МКЦ можно очистить только диализом.
Предлагаемый способ позволяет существенно упростить и сократить продолжительность процесса сульфатирования микрокристаллической целлюлозы за счет исключения длительного процесса диализа. Кроме того, данный способ исключает использование токсичного пиридина.
Данные о содержании серы и молекулярная масса образцов сульфатированной МКЦ древесины осины в зависимости от температуры и продолжительности реакции приведены в таблице 2.
Таблица 2
№ примера
Т реакции, °С
Продолжительность реакции, ч
Содержание S,%
Молекулярная масса
7
20
3
8,0
18900
8
30
3
8,3
16800
9
40
3
8,1
14000
10
20
4
8,3
18600
11
30
4
8,7
15800
12
40
4
8,5
12700