Способ сульфатирования галактоглюкоманнана древесины сосны сульфаминовой кислотой
METHOD FOR SULFATION OF GALACTOGLUCOMANNAN IN PINE WOOD WITH SULFAMIC ACID

Изобретение относится к химической переработке древесины сосны и касается сульфатирования полисахаридов (гемицеллюлоз), а именно галактоглюкоманнана. Водорастворимые соли сульфатов гемицеллюлоз: ксилана, галактоглюкоманнана и д.р. обладают антикоагулянтными свойствами и могут применяться для профилактики и лечения тромбозов взамен получаемого из животного сырья гепарина, который может содержать опасные для человека микроорганизмы [Местечкина Н.М., Щербухин В.Д. Сульфаты полисахаридов и их антикоагулянтная активность (обзор) // Прикладная биохимия и микробиология. 2010. Т. 46, №3. С.291-298.].
Известен способ сульфатирования галактоглюкоманнана хлорсульфоновой кислотой в смеси формамида с пиридином [Martinichen-Herrero J.С, Carbonero E.R., Sassaki G.L., Gorin P.A.J., Iacomini M. Anticoagulant and antithrombotic activities of a chemically sulfated galactoglucomannan obtained from the lichen Cladonia ibitipocae // Int. J. Biol. Macromol. 2005. V. 35, N. 1-2. P. 97-102.]. Галактоглюкоманнан солюбилизируют в смеси формамида и пиридина, взятых в соотношении 1,5:1,0 при интенсивном перемешивании в течение 24 часов. Затем при охлаждении до 0°С по каплям в течение 1 часа прибавляют хлорсульфоновую кислоту и выдерживают при 40С в течение 12 часов. Реакционную смесь разбавляют ледяной водой и нейтрализуют 10% раствором гидрокарбоната натрия и очищают диализом. В результате получают натриевую соль сульфатированного галактоглюкоманнана.
К недостаткам данного способа следует отнести его многостадийность и продолжительность. Способ включает солюбилизацию галактоглюкоманнана в смеси формамида с пиридином в течение 24 часов, очистку диализом в течение 3 дней. К недостаткам способа следует отнести использование агрессивного сульфатирующего реагента - хлорсульфоновой кислоты и токсичных растворителей - формамида и пиридина.
+
Известен способ сульфатирования галактоманнанов комплексом серный ангидрид - пиридин в N,N-диметилформамиде [Местечкина Н.М., Егоров А.В., Щербухин В.Д. Синтез сульфатов галактоманнанов // Прикладная биохимия и микробиология. 2006. Т. 42, №3. С.368-373.]. Процесс сульфатирования галактоманнанов авторы условно подразделили на три этапа: 1. Получение тонкой суспензии и сольватация свободных гидроксильных групп полисахарида. 2. Реакция сульфатирования. 3. Выделение сульфата галактоманнана в виде натриевой соли. Первый этап. Навеску галактоманнана растворяют в воде и затем осаждают 96% этанолом с целью получения полисахарида в виде мелких хлопьев. Осадок отделяют центрифугированием, дважды промывают спиртом, снова диспергируют в спирт и перемешивают в течение 2-3 часов, после чего осадок полисахарида переносят в новую порцию спирта. Эту процедуру повторяют 3 раза. Затем полученный осадок полисахарида диспергируют в сухом N,N-диметилформамиде и поступают аналогично промывке спиртом. После заключительного центрифугирования осадок переносят в N,N-диметилформамид для сульфатирования. Второй этап. Перед началом сульфатирования в реакционную смесь вносят триэтиламин (ТЭА) для создания слабощелочной среды. Сульфатируют комплексом серный ангидрид - пиридин при 60°С в течение 4 часов. Навеску сульфатирующего реагента вносят тремя равными порциями с интервалом 1 час. Третий этап. После окончания реакции сульфатирования добавляют ТЭА, разбавляют реакционную смесь вдвое ледяной водой, перемешивают в течение 10 минут до полного растворения осадка и измеряют рН. При значении ниже 4,5 добавляют еще ТЭА и, после перемешивания в течение 10 минут вновь измеряют рН. Как правило, его значение находится в интервале 4,9-5,3. Затем для удаления из раствора низкомолекулярных соединений его диализируют против воды в течение суток. Далее раствор сульфатированного полисахарида вносят в колонку с ионообменником (смола Bio-Rad AG 50W×8, Н-форма) и элюируют водой. Собирают кислую фракцию, нейтрализуют 1М раствором ацетата натрия до рН 5,3-5,9 и осаждают 2 объемами 96% этанола. Осадок отделяют центрифугированием, промывают дважды 96% этанолом, затем ацетоном и высушивают в эксикаторе над хлоридом кальция.
К недостаткам данного метода следует отнести: многостадийность всего процесса сульфатирования, использование достаточно агрессивного сульфатирующего агента, а так же сложные и продолжительные процессы подготовки сырья, очистки и выделения конечного продукта. В работе не указан выход полученного продукта.
Наиболее близким по технологической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ сульфатирования галактоглюкоманнана, выделенного из древесины лиственницы сибирской Larix sibirica, сульфаминовой кислотой в присутствии мочевины в среде 1,4-диоксана [Kazachenko A.S., Malyar Y.N., Vasilyeva N.Y., Fetisova O.Y., Chudina A.I., Sudakova I.G., Antonov A.V., Borovkova V.S., Kuznetsova, S.A. Isolation and sulfation of galactoglucomannan from larch wood (Larix sibirica) // Wood Sci. Technol. 2021. V. 55, N. 4. P. 1091-1107.].
Сульфатирование галактоглюкоманнана проводят сульфаминовой кислотой в присутствии мочевины в 1,4-диоксане при температуре 70-90°С в течение 0,5-2,5 часов. По окончании заданного времени реакционную массу охлаждают, растворитель декантируют, твердый осадок растворяют в воде и нейтрализуют 20%-ным водным раствором аммиака. Полученный раствор очищают диализом против воды и концентрируют на ротационном испарителе до сухого состояния. Сульфатированные производные галактоглюкоманнана получают в виде аммонийных солей.
К недостаткам данного способа следует отнести: многостадийность всего процесса сульфатирования, включающего нейтрализацию реакционной массы 20%-ным водным раствором аммиака, а также использование токсичных реагентов аммиака и 1,4-диоксана.
Задача изобретения - упрощение способа сульфатирования галактоглюкоманнана за счет сокращения продолжительности, повышение экологической безопасности процесса за счет исключения из него токсичных реагентов - 20%-ного водного раствора аммиака и 1,4-диоксана.
Технический результат изобретения - сокращение продолжительности, повышение экологической безопасности процесса сульфатирования за счет исключения токсичного растворителя - 1,4-диоксана и 20%-ного водного раствора аммиака.
Технический результат изобретения достигается тем, что сульфатирование галактоглюкоманнана проводят в расплаве смеси сульфаминовой кислоты и мочевины при температуре 100-130°С в течение 20 минут, а сульфат ированный галактоглюкоманнан выделяют растворением реакционной массы в 5% водном растворе гидроксида натрия и очисткой его диализом.
Сопоставительный анализ предлагаемого изобретения с прототипом показывает, что его отличительными признаками являются:
- сульфатирование галактоглюкоманнана проводят в расплаве смеси сульфаминовой кислоты с мочевиной;
- условия сульфатирования: температура 100-130°С, продолжительность 20 минут.
- сульфат галактоглюкоманнана получают в виде стабильной натриевой соли.
Ранее сульфатирование галактоглюкоманнана в расплаве смеси сульфаминовой кислоты с мочевиной не проводилось.
Для сульфатирования использовали галактоглюкоманнан выделенный из древесины сосны после ее делигнификации по методике приведенной в работе [Kuznetsov B.N., Chesnokov N.V., Garyntseva N.V., Sudakova I.G., Pestunov A.V., D'yakovich L., Pinel K. Kinetic study and optimization of catalytic peroxide delignification of aspen wood // Kinet. Catal. 2018. V. 59, N.1. P. 48-57.] и последующего выделения галактоглюкоманнана экстракцией целлюлозного продукта 5%-ным водным раствором гидроксида натрия по методике, приведенной в работе [Sun J.X., Sun X.F., Sun R.C., Su Y.Q. Fractional extraction and structural characterization of sugarcane bagasse hemicelluloses // Carbohydr. Polym. 2004. V. 56, N. 2. P. 195-204].
Способ осуществляют следующим образом.
В расплав смеси сульфаминовой кислоты с мочевиной, нагретой до температуры 100-130°С, загружают галактоглюкоманнан и перемешивают в течение 20 минут. Полученную массу растворяют в 5%-ном водном растворе гидроксида натрия, фильтруют, затем фильтрат очищают диализом. Полученный после диализа раствор концентрируют под вакуумом до полного удаления воды. Сульфат галактоглюкоманнана получают в виде натриевой соли.
Способ сульфатирования галактоглюкоманнана подтверждается конкретными примерами.
Пример 1. В грушевидную колбу объемом 50 мл, снабженную мешалкой, загружают 2,4 г сульфаминовой кислоты и 1,5 г мочевины и нагревают при температуре 100°С до расплавления смеси, затем включают мешалку, добавляют 1,0 г галактоглюкоманнана, выделенного из древесины сосны, и перемешивают в течение 20 минут. Реакционную массу охлаждают до комнатной температуры, растворяют в 50-55 мл 5%-ного водного раствора гидроксида натрия при нагревании 60-70°С и перемешивании до прекращения выделения аммиака и фильтруют. Полученный раствор натриевой соли сульфата галактоглюкоманнана очищают диализом против воды в течение суток. Водный раствор сульфата галактоглюкоманнана после диализа концентрируют под вакуумом до полного удаления воды. Выход натриевой соли сульфата галактоглюкоманнана составил 1,45 г.
Примеры 2-7. Аналогично примеру 1, отличия в температуре сульфатирования.
Данные о выходе и содержании серы образцов галактоглюкоманнана, 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 галактоглюкоманнана и высокое содержание в нем серы достигаются при температуре сульфатирования 110-115°С.