СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ 2,3-ДИГИДРОКСИПРОПИЛХИТОЗАНА
METHOD OF PRODUCING 2,3-DIHYDROXYPROPYL CHITOSAN

Изобретение относится к синтезу гидроксиалкильных производных полисахаридов, а именно, к способу получения 2,3-дигидроксипропилхитозана (ГПХ). Это соединение находит применение как компонент антибактериальных средств (Chemistry Letters. 2010. V.39. №9 P.935-937) и как сорбент для извлечения бора из водных растворов (Analytica Chimica Acta. 1998. V.371. №8. P.187-193).
Известен способ получения ГПХ путем взаимодействия 2% дисперсии хитозана в смеси метанол-диоксан с 3-хлор-1,2-пропандиолом в присутствии NaOH при температуре 60-70°C и перемешивании в течение 24 часов. Полученный продукт обладает степенью замещения 0,64 и показывает извлечение борсодержащих ионов 0,1 ммоль/г при pH=4 (Analytica Chimica Acta. 1998. V.371. №8. P.187-193).
Недостатками этого способа получения ГПХ являются необходимость использования основания NaOH, что в последующих операциях требует дополнительной очистки продукта, температура процесса до 70°C, время до 24 часов, необходимость использования органических растворителей (метанол, диоксан) в больших объемах и перемешивания реакционной массы, низкая степень замещения, не более 0,64. Выход продукта в расчете на единицу загружаемого объема составляет 4,3%.
Известен способ получения ГПХ путем взаимодействия 2,4% водной дисперсии хитозана с глицидолом при температуре 60°C и перемешивании в течение 15 часов. Полученный продукт обладает степенью замещения 2,85. Выход продукта в расчете на единицу загружаемого объема составляет 3,6% (Eur. Polym. J. 1989. V.25. №4. P.379-384) - прототип.
Недостатками способа являются использование сильно разбавленной дисперсии хитозана, что приводит к увеличению размеров используемых реакторов и другой техники и к большому расходу растворителей как для проведения реакции, так и для осаждения продукта, и к незначительному выходу продукта в расчете на единицу загружаемого объема.
Общими недостатками упомянутых выше способов являются использование 6-кратного мольного количества дигидроксипропилирующих реагентов по отношению к хитозану и осуществление реакции в сильно разбавленных дисперсиях хитозана и растворах реагентов (область концентраций дисперсий хитозана 2-2,4%). Данные обстоятельства обуславливают неэкономичное использование реагентов и растворителя, а также технологические неудобства, так как из-за больших объемов используемых веществ неэффективно эксплуатируется оборудование. Использование дисперсий хитозана обуславливает гетерогенное протекание реакций, что не обеспечивает полноту модифицирования полимера 2,3-дигидроксипропильными группами.
Поскольку сорбционные свойства ГПХ по отношению к борсодержащим ионам, а значит, и антимикробные свойства комплексов ГПХ и бора зависят от количества введенных 2,3-дигидроксипропильных групп, наиболее ценным следует считать целевой продукт - ГПХ с большей степенью замещения.
Задача, решаемая изобретением, - упрощение способа получения ГПХ, увеличение выхода продукта в расчете на единицу загружаемого объема и повышение его качества как сорбента за счет увеличения степени замещения атомов водорода в аминогруппе на 2,3-дигидроксипропильный радикал.
Поставленная задача решается путем взаимодействия хитозана с водным раствором глицидола в присутствии соляной кислоты при соотношении глицидол:хитозан:соляная кислота=(2-6):1:1 при комнатной температуре до образования геля, с последующим нагреванием при 55-65°C в течение 12-14 часов и обработкой охлажденной реакционной массы водой, высаживанием и горячей экстракции водорастворимыми спиртами или кетонами.
Использование концентрированного раствора хитозана-геля позволяет получить продукт со степенью замещения - от 1,21 до 3,00. Способ позволяет использовать хитозан с большой молекулярной массой, поскольку образующийся гель не требует перемешивания. Использование концентрированных растворов сокращает загружаемый объем, что повышает выход продукта в расчете на единицу загружаемого объема и тем самым позволяет более эффективно использовать оборудование.
Ниже 55°C степень замещения существенно снижается, а при температурах больше 65°C - заметно понижается молекулярная масса, из-за процессов деструкции полимерной цепи. Проведение модифицирования меньше 12 часов не эффективно, т.к. степень замещения низкая, а  больше 14 часов не приводит к заметному повышению степени присоединения. Данный способ одностадиен, протекает при более низкой температуре, за достаточно короткий промежуток времени, позволяет значительно снизить количество используемых органических растворителей как в процессе модифицирования, так и в процессе выделения продукта.
1
Процесс проводят при нагревании в реакторе, затем продукт экстрагируют горячими водорастворимыми спиртами или кетонами и сушат на воздухе. Состав полученного ГПХ характеризуют данными элементного анализа, наличие введенных 2,3-дигидроксипропильных групп ЯМР H спектроскопией раствора.
Предлагаемое решение иллюстрируется следующими синтетическими примерами.
Пример 1
Смесь 3,3 г (0,02 моль) хитозана, 1,8 мл (0,02 моль) 37% соляной кислоты в 10 мл воды выдерживают 10 мин до образования гелеобразной массы. Затем добавляют 5,3 мл (0,08 моль) глицидола, смесь нагревают при 60°C 13 ч и охлаждают. К полученной смеси добавляют 5 мл дистиллированной воды, после гомогенизации продукт осаждают ацетоном, подвергают горячей экстракции этанолом в течение 24 ч. Продукт сушат при 50°C до постоянного веса. Получают 6,7 г ГПХ.
8
13
5
0,16
6
11
4
0,84
3
7
2
1,21
0,2
Найдено, %: C 44,82; H 7,71; N 5,21; для формулы (CHNO)(CHON)(CHO)(HCl) вычислено, %: C 44,92; H 7,57; N 5,26.
1
1
2
3
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Спектр ЯМР H (DO/DCl), δ м.д.: 2.07 (CH), 3.40-4.29 (HOCHCH(OH)CH, CHOH, H-2,3,4,5,6), 4.67 (H-1 GlcNHAc), 4.94 (H-1 GlcNH), 5.08 (H-1 GlcNHCHCH(OH)CHOH), 5.21 (H-1 GlcN{CHCH(OH)CHOH)}). Степень замещения согласно данным ЯМР H -2.85.
Примеры 2 и 3
Методика последующих опытов соответствует примеру 1. Условия реакции и характеристики полученных продуктов представлены в таблице.
Таблица 1
Условия получения и характеристики ГПХ
№ примера
Хитозан, г
Глицидол, мл
H<sub>2</sub>O, мл
Мольное соотношение глицидол:хитозан
Температура, °C
Время, ч
Выход, г
Выход продукта в расчете на единицу загружаемого объема, %
Степень замещения
Прототип
0,5
1
20
1:6
60
15
0,92
3,6
2,85
1
3,3
5,3
10
1:4
60
13
6,7
32,8
2,85
2
3,3
6,6
10
1:5
55
12
6,9
34,5
2,95
3
3,3
8
10
1:6
60
12
6,6
30,9
3,00