Способ модификации хитозана
CHITOSAN MODIFICATION METHOD

Изобретение относится к области химии полимеров, в частности к модификации природного полимера хитозана и может найти применение в областях медицины, косметики, пищевой промышленности, биотехнологии, очистки сточных вод.
Известен способ эмульсионной безэмульгаторной привитой сополимеризации хитозана с н-бутилакрилатом по свободно-радикальному механизму [Chitosan-graft-poly(n-butyl acrylate) copolymer: Synthesis and characterization of a natural/synthetic hybrid material / P. Anbinder, C. Macchi, J. Amalvy, A. Somoza // Carbohydrate polymers. - 2016. - Vol. 145. – Р. 86-94]. Привитая сополимеризация осуществлялась в 1 % водном растворе уксусной кислоты с использованием персульфата калия в качестве инициатора при температуре 60°С в течение 24 часов.
К недостаткам данного способа можно отнести проведение процесса в кислой среде, ингибирующей действие инициатора, полученные сополимеры могут терять растворимость в результате высокой степени прививки по аминогруппам, что затрудняет дальнейшую переработку сополимера в изделия, невозможность определения физико-химических характеристик привитого блока.
Известен способ получения привитого сополимера хитозана и полиметилметакрилата в две стадии [Synthesis and characterization of chitosan-g-glycidyl methacrylate with methyl methacrylate / E.A. Elizalde-Pena, N. Flores-Ramirez, G. Luna-Barcenas, S.R. Vasquez-Garcia, G. Arambula-Villa, B. Garcia-Gaitan, J.G. Rutiaga-Quinones, J. Gonzalez-Hernandez // European Polymer Journal. – 2007. - Vol.43. – Is. 9. – P. 3963–3969]. На первой стадии проводится функционализация хитозана глицидилметакрилатом в 0,4М водном растворе уксусной кислоты с добавлением 0,05М раствора KOH для поддержания pH реакционной смеси 3,8. Продолжительность процесса составляет 2 часа при 60°С. На второй стадии проводится сополимеризация метилметакрилата с продуктом, полученным на первой стадии. В качестве растворителя используется смесь 0,4М уксусной кислоты и тетрагидрофурана в соотношении 7:3, инициатором выступает азобисизобутиронитрил при 70°С в течение 3 часов.
К недостаткам данного способа можно отнести протекание на первой стадии побочной реакции полимеризации глицидилметакрилата, необходимость контроля рН-среды, низкий выход целевого продукта, невозможность определения физико-химических характеристик, привитых к основной цепи хитозана фрагментов полиметиметакрилата.
Известен способ сополимеризации хитозана с синтетическими полимерами (мономерами) (Патент RU №2292354, МПК С08В37/06, С08F251/02, 27.01.2007), содержащими функциональные группы, способные реагировать с функциональными группами хитозана под действием сдвиговых деформаций в твердой фазе в результате реакционной экструзии при температурах от 20–200°С в течение 5-20 минут.
Недостатком данного способа является необходимость использования технически сложного оборудования – экструдера или механического реактора шнекового типа.
Известен способ гетерогенной привитой сополимеризации акриловой кислоты и хитозана, представляющего собой предварительно сформованный пористый материал [A pH-sensitive porous chitosan membrane prepared via surface grafting copolymerization in supercritical carbon dioxide / LQ. Cao,  XH. Wang, G. Wang, JD. Wang // Polymer International. – 2015. – Vol. 64. – Is. 3. – P. 383-388]. Привитую сополимеризацию осуществляют в среде сверхкритического диоксида углерода в присутствии пероксида бензоила в качестве инициатора при температуре реакции 80°С и давлении 18 МПа в течение 8 часов.
Недостатками данного способа являются отсутствие возможности охарактеризовать физико-химические параметры привитых полиакриловых блоков, энергозатратность процесса, обусловленная необходимостью поддержания требуемых условий сополимеризации, при этом процесс должен осуществляться с использованием специфического оборудования – реактора, способного выдерживать высокое давление.
Наиболее близким является способ получения гибридных полимерных материалов на основе хитозана и синтетических полимеров, содержащих оксирановые фрагменты (Патент US6517933, МПК B32B7/02, C08H5/04, 2003г.). Способ заключается в образовании на хитозане привитого полимерного покрытия в присутствии азобисизобутиронитрила, при температуре 5–250°С, при массовых соотношениях хитозан:полимер, равных 95-5:5-95.
Недостатком данного способа является необходимость подбора подходящих для обоих блоков растворителей при использовании гидрофобных нерастворимых в уксусной кислоте синтетических полимеров для обеспечения гомогенности реакции. Потеря растворимости полученных сополимеров при охлаждении смесей делает невозможным растворное формование изделий из полученного модифицированного хитозана. При этом отсутствуют данные, свидетельствующие о ковалентном взаимодействии хитозановых макромолекул и синтетических блоков.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа гетерофазного получения привитых сополимеров хитозана, исключающего негативное влияние прививки на способность хитозана к формованию изделий из растворов, обусловленное потерей растворимости.
Техническим результатом является повышение гидрофобности материалов на основе хитозана при сохранении их биодеградируемости и биосовместимости.
Технический результат достигается при реализации способа модификации хитозана, заключающемся в синтезе содержащего оксирановые фрагменты сополимера в присутствии азобисизобутиронитрила и прививки сополимера к хитозану, при этом прививку сополимера осуществляют выдерживанием хитозана при 20°С в течение 30 минут в 1,5-7,5 % (мас.) растворе предварительно полученного сополимера глицидилметакрилата и выбранного из ряда 2,2,2-трифторэтилметакрилат, 1,1,1,3,3,3-гексафторизопропилметакрилат, 2,2,3,3,4,4,4-гептафторбутилметакрилат производного метакрилата в метилэтилкетоне, взятых в мольном соотношении мономеров, равном 1:2, с последующим термостатированием модифицированного хитозана при 140°С в течение 1 часа.
Сущность изобретения заключается в модификации хитозана посредством прививки к нему полученного сополимера. Прививка осуществляется за счет образования химических связей между соответствующими функциональными группами сополимера и хитозана: в результате взаимодействия оксирановых циклов в структуре глицидилметакрилатных звеньев модифицирующего сополимера с гидроксильными и аминными группами хитозана. Способ осуществляется гетерофазно и включает обработку хитозана 1,5-7,5 % (мас.) раствором сополимера в метилэтилкетоне в течение 30 минут с последующей термообработкой при 140°С.
Для синтеза сополимера в качестве одного из мономеров используют глицидилметакрилат, а в качестве второго мономера используют полифторалкильное производное метакрилата, выбранное из ряда 2,2,2-трифторэтилметакрилат, 1,1,1,3,3,3-гексафторизопропилметакрилат, 2,2,3,3,4,4,4-гептафторбутилметакрилат, в мольном соотношении первого и второго мономера, равном 1:2.
К преимуществам заявленного способа модификации хитозана относятся возможность прививки к цепи хитозана полимеров, взаимодействие которых с хитозаном в растворе затруднено отсутствием растворителей, смешивающихся с водным раствором уксусной кислоты в широком интервале концентраций (т.е. возможность гетерофазного проведения модификации). Технологическое оформление процесса не требует использования сложной аппаратурной базы.
Прививка на поверхность хитозановых пленок сополимеров глицидилметакрилата и фторалкилметакрилатов (мольное соотношение сомономеров 1:2) с использованием 1,5-7,5 % (мас.) модифицирующих растворов позволяет придать гидрофобность, характеризующуюся углами смачивания до 102 град. В случае аэрогелей (губчатых материалов) обработка сополимерами глицидилметакрилата и алкилметакрилатов позволяет достичь супергидрофобного состояния с контактным углом ~155 град.
Значения углов смачивания модифицированных хитозановых пленок и аэрогелей приведены в таблицах 1 и 2.
Таблица 1
Модификатор
Угол смачивания, °
Концентрация модифицирующего раствора сополимера, % мас.
1,5
3
4,5
6
7,5
Хитозановая пленка без модификатора
93
сополимер 1
98
98
99
сополимер 2
102
102
102
сополимер 3
102
102
Таблица 2
Модификатор
Угол смачивания, °
Концентрация модифицирующего раствора сополимера, % мас.
1,5
3
4,5
6
7,5
Хитозановый аэрогель без модификатора
123, капля быстро впитывается
сополимер 1
152
152
сополимер 2
153
154
153
153
сополимер 3
155
155
На фиг. 1 показана схема прививки сополимера к хитозановому пленочному или губчатому материалу (аэрогелю).
На фиг. 2 показаны изображения со сканирующего электронного микроскопа (с увеличением х165) сколов аэрогелей до (1) и после (2) модификации, на примере 3 % (мас.) раствора сополимера 1 в метилэтилкетоне. Полученные хитозановые аэрогели обладают высокой пористостью, размеры пор составляют 100-200 мкм. Стенки пор представляют собой пленочные образования с толщиной 600-700 нм.
-1
На фиг. 3 показаны ИК-спектры образцов до (1) и после (2) модификации, на примере 3 % (мас.) раствора сополимера 1 в метилэтилкетоне после экстракции по наличию пика 1728 см, соответствующего валентным колебаниям карбонильной группы в сложных эфирах, подтверждающие образование привитого сополимера хитозана.
Изобретение иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1. Получение хитозановых пленок.
Для получения хитозановых пленок готовят раствор хитозана в уксусной кислоте следующим образом: 2 г хитозана помещают в стакан вместимостью 200 мл, добавляют 96 г воды и перемешивают в течение 30 минут, после чего по каплям вводят 2 г уксусной кислоты, перемешивание продолжают 3 часа, после чего раствор фильтруют под вакуумом через фильтр Шотта для отделения нерастворившихся частиц. По 10 г раствора хитозана помещают в полистирольные чашки Петри диаметром 10 см и сушат до постоянной массы при 40°С. Полученные пленки восстанавливают из водорастворимой формы в кислоторастворимую форму выдерживанием в водно-спиртовом растворе аммиака (13 % (мас.) раствор аммиака в смеси воды и метилового спирта = 1:1 об.ч.) в течение 30 минут с последующей многократной промывкой дистиллированной водой до нейтральной среды и сушкой до постоянной массы при 40°С.
Пример 2. Получение губчатых хитозановых материалов (аэрогелей).
Аналогично примеру 1 готовили 1% (мас.) раствор хитозана в 1% (мас.) водной уксусной кислоте, после чего добавляли 3 % (мас.) водный раствор глутарового альдегида (мольное соотношение глутарового альдегида:хитозана составляло 1:1). Перемешивали реакционную массу в течение 30 минут на магнитной мешалке. Полученный гель дегазировали в ультразвуковой ванне в течение 10 минут, помещали по 75 г раствора хитозана в полистирольные чашки Петри диаметром 10 см и оставляли на 72 часа при комнатной температуре. Далее гидрогель подвергали 12-часовой заморозке при –30°С с последующей разморозкой в течение 6-и часов при 25°С. Гель переводили из солевой формы в основную водно-спиртовым раствором аммиака (13 % (мас.) раствор аммиака в смеси воды и метилового спирта = 1:1 об.ч.) в течение 24 часов. Дальнейшую отмывку до нейтральной среды производили дистиллированной водой. Восстановленные гидрогели замораживали при –30°С, а затем сушили при –82±2°С под вакуумом в лиофильной сушилке.
Пример 3. Синтез сополимеров.
Для синтеза сополимера глицидилметакрилата и полифторалкильного производного метакрилата, выбранного из ряда 2,2,2-трифторэтилметакрилат, 1,1,1,3,3,3-гексафторизопропилметакрилат, 2,2,3,3,4,4,4-гептафторбутилметакрилат, в мольном соотношении мономеров 1:2 в колбу объемом 20 мл помещают инициатор азобисизобутиронитрил (0,0084 г; 0,05 ммоль), первый мономер - глицидилметакрилат (0,7108 г, 5,0 ммоль), выбранный из заявленного ряда второй мономер (10,0 ммоль). Метилэтилкетон добавляется таким образом, чтобы при общей концентрации сомономеров в смеси 1,5 моль/л общий объем смеси составлял 10 мл. Смесь барботируют инертным газом (осушенный азот или аргон) в течение 20 минут для удаления воздуха и перемешивания компонентов, после чего термостатируют при 70°С в течение 24 часов. Полимер высаживают в ледяной метанол (-20°С), отделяют декантацией и сушат при пониженном давлении 24 часа.
В соответствии с примером 3 были получены следующие сополимеры:
сополимер 1 – сополимер глицидилметакрилата и 2,2,2-трифторэтилметакрилата;
сополимер 2 – сополимер глицидилметакрилата и 1,1,1,3,3,3-гексафторизопропилметакрилата;
сополимер 3 – сополимер глицидилметакрилата и 2,2,3,3,4,4,4-гептафторбутилметакрилата.
Пример 4. Приготовление растворов сополимеров.
Для приготовления 1,5% (мас.) раствора полученного сополимера в метилэтилкетоне навеску сополимера массой 0,3 г растворяют в 19,7 г метилэтилкетона.
Для приготовления 3% (мас.) раствора полученного сополимера в метилэтилкетоне навеску сополимера массой 0,6 г растворяют в 19,4 г метилэтилкетона.
Для приготовления 4,5% (мас.) раствора полученного сополимера в метилэтилкетоне навеску сополимера массой 0,9 г растворяют в 19,1 г метилэтилкетона.
Для приготовления 6% (мас.) раствора полученного сополимера в метилэтилкетоне навеску сополимера массой 1,2 г растворяют в 18,8 г метилэтилкетона.
Для приготовления 7,5% (мас.) раствора полученного сополимера в метилэтилкетоне навеску сополимера массой 1,5 г растворяют в 18,5 г метилэтилкетона.
Пример 5. Модификация хитозана.
Хитозан в виде пленки или губчатого материала погружают в раствор предварительно полученного сополимера глицидилметакрилата и выбранного из ряда полифторалкильного производного метакрилата в метилэтилкетоне, выдерживают при 20°С в растворе в течение 30 минут, извлекают из раствора и термостатируют при 140°С в течение 1 часа. После термостатирования образец отмывают от непрореагировавшего сополимера экстракцией в аппарате Сокслета с использованием метилэтилкетона в качестве экстрагента в течение 4 часов.
Таким образом, способ модификации хитозана, заключающийся в синтезе содержащего оксирановые фрагменты сополимера в присутствии азобисизобутиронитрила и прививки сополимера к хитозану выдерживанием хитозана при 20°С в течение 30 минут в 1,5-7,5% (мас.) растворе предварительно полученного сополимера глицидилметакрилата и выбранного из ряда 2,2,2-трифторэтилметакрилат, 1,1,1,3,3,3-гексафторизопропилметакрилат, 2,2,3,3,4,4,4-гептафторбутилметакрилат производного метакрилата в метилэтилкетоне, взятых в мольном соотношении мономеров равном 1:2, с последующим термостатированием модифицированного хитозана при 140°С в течение 1 часа, обеспечивает повышение гидрофобности материалов на основе хитозана при сохранении их биодеградируемости и биосовместимости.