Изучение реакции дейтерообмена в полисахаридах методом релаксационной спектроскопии 1Н-ЯМР

СТРУКТУРА ВЕЩЕСТВА И ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

УДК 541.64

Т. В. Смотрина, В. А. Смотрин, О. В. Стоянов

ИЗУЧЕНИЕ РЕАКЦИИ ДЕЙТЕРООБМЕНА В ПОЛИСАХАРИДАХ МЕТОДОМ РЕЛАКСАЦИОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ 1Н-ЯМР

Ключевые слова: целлюлоза, хитозан, изотопный обмен, ЯМР, доступность функциональных групп.

Изучены процессы протонной магнитной релаксации в целлюлозе и хитозане в присутствии окиси дейтерия. Установлен характер изменения параметров ЯМР в ходе реакции дейтерообмена. Предложены соотношения для расчета доступности протонов функциональных групп целлюлозы и хитозана к изотопному обмену.

Keywords: cellulose, chitosan, isotope exchange, NMR, availability of functional groups.

Were studied the processes ofproton magnetic relaxation in cellulose and chitosan in the presence of deuterium oxide. The character of changes of the NMR parameters during the reaction of deuterium exchange was defined. The proposed formulas for calculating the availability of protons functional groups of cellulose and chitosan to isotopic exchange.

Введение

К природным полимерам относят соединения, которые образуются преимущественно как строительный материал для живых организмов в результате их жизнедеятельности, и которые впоследствии могут становиться независимыми от источника происхождения. Основную массу таких соединений представляют собой углеводы, являющиеся продуктом биосинтеза. К этим полимерам относятся полисахариды целлюлоза, крахмал, хитин со всем разнообразием их структурных вариаций и возможным набором их химических производных. Исследования этих полимеров в последние десятилетия значительно интенсифицировались, поскольку именно биополимеры углеводного происхождения, несмотря на достижения химической промышленности в области синтетических полимеров, во многом остаются незаменимым компонентом многих материалов и изделий бытового и технического назначений. Номенклатура получаемых на их основе соединений постоянно растет, синтезируются новые соединения и материалы, которые в будущем смогут заменить многие исчерпаемые ресурсы.

Одним из ключевых вопросов при разработке материалов на основе полисахаридов является оценка их структурных особенностей, релаксационных свойств и их изменения при модифицировании и эксплуатации. Большой информативностью в этом случае обладает метод ядерной магнитной релаксации с применением изотопной обменной реакции резонирующих ядер, поскольку позволяет получить информацию не только о микродинамике и меж- и внутримолекулярных взаимодействиях в исследуемой системе [1], но и определять количественное соотношение структурных элементов. Дейтерирование - замена 1Н на й - в практике ЯМР экспериментов используется достаточно широко с целью маскирования вкладов в

измеряемые параметры ядерной магнитнои релаксации от протонов, входящих в состав различных атомных группировок. Величины гиромагнитного отношения для ядер протия и дейтерия отличаются друг от друга более чем в 6 раз (у/2я равны 4257 и 654 Гц/Э соответственно), поэтому дейтерий не мешает наблюдению резонанса водорода [2]. При этом изотопный (дейтеро-) обмен, в отличие от других химических методов, не оказывает существенного влияния на структуру исследуемого биополимера [3]. В связи с вышесказанным цель работы состояла в установлении взаимосвязи параметров ядерной магнитной релаксации с глубиной протекания реакции изотопного обмена в полисахаридах.

Экспериментальная часть

В качестве объектов исследований использовали образцы микрокристаллической целлюлозы (МКЦ) (производство Sigma Aldrich Chemie Gmb H) и хитозан из панцирей крабов: степень дезацетилирования 0.8; молекулярная масса (3.1 - 3.5)-10 , (производство Sigma Aldrich Chemie Gmb H).

Насыщение предварительно высушенных при 105 оС образцов парами D2O осуществляли в эксикаторе над жидкой тяжелой водой (содержание окиси дейтерия 99.9 %) в течение различных промежутков времени при комнатной температуре (20 ± 1 оС). Содержание тяжелой воды в образце определяли весовым методом.

Для обеспечения полноты протекания изотопной обменной реакции образцы обрабатывали избытком тяжелой воды с многократной сменой порций D2O, после чего избыток воды удаляли, а образец высушивали при температуре 105 оС до постоянной массы.

Параметры ядерной магнитной релаксации измеряли на ЯМР-анализаторе «Спин Трэк» производства ООО «Резонансные системы» с частотой резонанса на ядрах изотопа водорода 1H 19

МГц. Методики обработки сигнала ССИ, представляющего собой суперпозицию

быстрорелаксирующей, отвечающей за релаксацию протонов полимерной матрицы, и

медленнорелаксирующей, отвечающий за релаксацию протонов воды, компонент приведены в [4].

Для изучения процессов спин-решеточной релаксации и измерения времени Т1 измеряли кривую восстановления продольной

намагниченности с использованием импульсной последовательности {90о - т - 90о}. Т2д протонной намагниченности воды при высокой скорости затухания поперечной намагниченности определяли непосредственно из сигнала спада свободной индукции, а при низкой - с использованием последовательности Карра-Парселла-Мейбума-Гила (КПМГ) - {90°х - (т-180°у- т-эхо)п }.

Для сравнительной оценки способности протонов полисахаридов к дейтерообмену мы воспользовались методом ИК-спектроскопии [3]. ИК-спектры измеряли на ИК Фурье спектрометре ЛЬРИЛ фирмы Вгикег в таблетках с КВг.

Обсуждение результатов

В полисахаридах в реакции изотопного обмена могут участвовать наиболее подвижные протоны гидроксо-, амино- и ацетамидных групп в аморфных областях. Структурные изменения в целлюлозе в результате дейтерообмена легко прослеживаются по полосам поглощения, обусловленным валентными колебаниями ОН-связей, которые проявляются в области 3600 - 3000 см-1. При превращении ОН-группы в Ой-группу частота валентных колебаний снижается в раз, что объясняется большей массой атома дейтерия. В результате этого, поглощение, обусловленное доступными продейтерированными группами, наблюдается в области 2700 - 2300 см-1. Полосы поглощения ОН- и ОБ-групп не перекрываются и их легко исследовать (рис. 1).

2,52,01,5-

I

1,00,50,0

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

Рис. 1 - ИК-спектры исходной (1) и дейтерированной (2) МКЦ

Согласно [3] отношение интенсивностей полос валентных колебаний гидроксильных групп после и до дейтерообмена соответствует степени

кристалличности (СК) целлюлозы, которая для МКЦ составляет 0,84, что соответствует обмену 16% протонов -ОН-групп. При расчете за стандартную полосу принималась полоса валентных колебаний СН-связи 3000-2750 см-1.

Для хитозана метод ИК-спектроскопии оказался менее информативным. В результате обменной реакции наблюдается лишь незначительное уменьшение интенсивности полос 3420 и 3300 см-1, соответствующих валентным колебаниям -ОН и -ЫИ-групп с ассоциированными водородными связями, что может свидетельствовать о перестройке системы водородных связей и преимущественном участии в дейтерообмене протонов аминогрупп хитозана. Наблюдаемое в области 1750 -1500 см-1 уменьшение интенсивности полос 1560 см-1 (сумма колебаний связей Ы-И и С-Ы в амидах (амид II)) и 1600 см-1 (плоские ассиметричные деформационные колебания вторичных аминогрупп) при сохранении интенсивности полосы 1650 см-1 (колебания связи С=О карбонильной группы в амидах кислот (амид I)) косвенно подтверждает это предположение. Появления новых полос поглощения, ответственных за валентные колебания Ой- и Ый-групп в области 2700 - 2300 см-1 зафиксировать не удалось.

Более успешно процесс дейтерообмена можно контролировать, наблюдая за изменениями параметров ЯМР, зависимости которых от количества поглощенной окиси дейтерия (а (й2О)) представлены на рис 2.

20

16

8 300

^ 200

о

0 200

3 150 Я

Е- 100

ООО о

200> 160 т

0 ое оэоо а

а

20 ^ 13

10 . е

0 .

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

а (020) г/г

Рис. 2 - Зависимости Ак (1), Т2к (2), Тл (3), Ад (4) и Т2д (5) от содержания окиси дейтерия в хитозане

Наблюдаемые с увеличением содержания й2О уменьшение амплитуды быстрорелаксирующей компоненты ССИ (4к), пропорциональной числу протонов в полисахариде, и рост значений времени ее спин-спиновой релаксации (Г2к), обусловленный увеличением межпротонных расстояний, свидетельствуют о протекании изотопной обменной реакции. Кроме того, обмен протия на дейтерий, сопровождающийся образованием подвижных молекул И2О и ИйО, легко регистрируется по появлению и возрастанию амплитуды медленнорелаксирующей компоненты ССИ (Ад) с временем релаксации Т2д.

В работе [5] показано, что преобладающий вклад в спин-решеточную релаксацию протонной

2

4

5

50

V. см

намагниченности увлажненных полисахаридов вносит увеличение подвижности фрагментов макромолекул под влиянием пластифицирующего действия воды. Минимум Т соответствует р-релаксационному переходу, связанному с локальными движениями боковых групп. Обнаружено, что при содержаниях 02О, соответствующих минимуму Т-|, Ад и Т2д начинают уменьшаться. Это объясняется эффектом так называемой «селективной дистилляции», при которой, из-за различий в упругостях паров, молекулы й20 способны вытеснить молекулы Н20 (или НйО) из объема полимерного образца, но только после размораживания сегментальной подвижности макромолекул.

Исходя из предположения о доступности для дейтерообмена лишь протонов

некристаллических областей, авторами [6] была предложена формула для расчета доступности функциональных групп целлюлозы:

БЦ - 3,333

Л

1 —

где А° и Ак - амплитуды короткой компоненты ССИ недейтерированного и продейтерированного образца соответственно.

Для определения доступности

функциональных групп хитозана для дейтерообмена мы исходили из следующих положений. Теоретически, каждое элементарное звено хитина содержит три, а хитозана - четыре атома водорода, потенциально способных обмениваться на атомы дейтерия. "Условное" звено хитозана со степенью дезацетилирования к содержит 3-(1-к)+4-к = 3+к атомов водорода, способных к дейтерообмену.

Учитывая, что в амплитуду ССИ недейтерированного хитозана вносят вклад 13-(1-к)+11к =13-2к протонов "условного" звена, получим

следующее соотношение для определения доступности функциональных групп хитозана для атомов дейтерия:

dx - 1 -А

Х 3 + к 1 А

В нашем случае степень дезацетилирования хитозана и его плёнок равна 0.8. Таким образом, формула (2) принимает вид:

dx - 3-11 -а Х 1 А'

Рассчитанные по уравнениям (1) и (3) степени доступности для целлюлозы и хитозана составляют соответственно 0.184 и 0.522, что соответствует количеству неупорядоченных областей в исследуемых объектах и, в случае целлюлозы, коррелирует с результатами ИК-спектроскопии.

Таким образом, метод ЯМР с применением методики изотопного обмена может успешно применяться для определения соотношения структурных элементов в полисахаридах.

Литература

1. В.Д. Федотов, Х. Шнайдер, Структура и динамика полимеров. Исследования методом ЯМР. Наука, Москва, 1992. 208 с.

2. И.Я. Слоним, А.Н. Любимов, Ядерный магнитный резонанс в полимерах. Химия, Москва, 1966. 340 с.

3. Дж. Манн, В кн. Целлюлоза и ее производные. Т.1. Мир, Москва, 1974. С. 91-119.

4. Т.В. Смотрина, Л.П. Кулакова, Физикохимия поверхности и защита материалов, 49, 4, 403-407 (2013).

5. Т.В. Смотрина, А.К. Смирнов, Т.В. Попова, Н.В. Щеглова, Журн. физ. Химии, 82, 6, 916-919 (2008).

6. М.Е. Гордеев, А.С. Масленников, М.Я. Иелович, Ю.Б. Грунин, 3, 27-30 (1991).

© Т. В. Смотрина, кандидат химических наук, доцент, кафедра физики, Поволжский государственный технологический университет, tatyana-smotrina@yandex.ru; В. А. Смотрин, аспирант, кафедра технологии пластических масс, Казанский национальный исследовательский технологический университет, slava-tt-smotrin@yandex.ru; О. В. Стоянов, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой "Технологии пластических масс", Казанский национальный исследовательский технологический университет, stoyanov@mi.ru.

© T. V. Smotrina, Candidate of chemical sciences, docent, Department of physics, Volga State Technological University, tatyana-smotrina@yandex.ru; V. A. Smotrin, graduate student, Department of technology of plastics, Kazan National Research Technological University, slava-tt-smotrin@yandex.ru; O. V. Stoyanov, doctor of technology, professor, Head of Department of technology of plastic materials, Kazan National Research Technological University, Kazan, Russian Federation; ov_stoyanov@mail.ru.