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°C и добавляют пропитанную в пиридине целлюлозу. Смесь перемешивают при температуре 75°C 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°C.
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 [RU 2430729, опубл. 10.10.2011; 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°C, при охлаждении и интенсивном перемешивании в смесь вносят хлорсульфоновую кислоту. Смесь термостатируют 1 час при 90°C, затем 2 часа при 80°C. 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°C.
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.
Известен способ сульфатирования МКЦ комплексом хлорсульфоновая кислота/диметилформамид. Высушенную МКЦ суспендируют в безводном N,N-диметилформамиде (ДМФА) при комнатной температуре в течение 12 часов. Далее готовят сульфатирующий комплекс, медленно вводя хлорсульфоновую кислоту в N,N-диметилформамид в течение 30-45 минут при температуре 5-10°C с постоянным перемешиванием и охлаждением на ледяной бане. Сульфатирующий комплекс при интенсивном перемешивании медленно добавляют в пропитанную N,N-диметилформамидом целлюлозу с последующим сульфатированием в течение 3 часов при 30°C. 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 многостадийность и продолжительность. Так, целлюлозу предварительно суспендируют в диметилформамиде в течение 12 часов. Отдельно готовят сульфатирующий комплекс, медленно (35-40 мин) приливая хлорсульфоновую кислоту в диметилформамид, 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 и подвергают диализу в течение 12 часов.
Наиболее близким по технологической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ сульфатирования хлопковой целлюлозы (Xu Huang, Wei-Dong Zhang, Preparation of cellulose sulphate and evaluation of its properties. Journal of fiber bioengineering and informatics. Vol.3, №1., 2010, p.32-39.), заключающийся в сульфатировании целлюлозы сульфаминовой кислотой в присутствии мочевины в N,N-диметилформамиде. Сначала готовят гомогенную смесь. Смешивают 150 г сульфаминовой кислоты, 150 г мочевины в N,N-диметилформамиде при температуре 80°C, затем добавляют 15 г хлопковой целлюлозы. После перемешивания полученную смесь высушивают при комнатной температуре до полного удаления N,N-диметилформамида, затем спекают в течение 5 мин при температуре 150°C. Продукты реакции промывают водой и высушивают полученный продукт.
Недостатками данного способа являются:
- использование при сульфатировании операции спекания, при которой трудно контролировать температуру реакционной массы, что ведет к ее перегреву и, следовательно, к разложению целевого продукта;
- в известном способе используется растворитель N,N-диметилформамид, но только для пропитки и набухания целлюлозы, а затем растворитель удаляется длительным высушиванием при комнатной температуре;
- большой избыток сульфаминовой кислоты и мочевины;
В прототипе отсутствуют данные о степени замещения, содержании серы и выходе сульфатированной целлюлозы. Кроме того, не указано как осуществлялась промывка водой реакционной массы после спекания, измельчалась реакционная масса перед промывкой или нет. Известно, что целлюлоза в воде не растворима, а сульфатированная целлюлоза даже с низкой степенью замещения (при СЗ ≥ 0,3) хорошо растворима в воде. Поэтому в процессе промывки водой спекшейся реакционной массы в первую очередь будут вымываться неорганические продукты реакции сульфатирования и целевой продукт - сульфат целлюлозы.
Задача изобретения:
- упрощение способа за счет исключения операции спекания реакционной массы;
- повышение эффективности сульфатирования за счет обеспечения равномерного сульфатирования целлюлозы;
- расширение ассортимента сульфатирующих реагентов и жидких сред (растворителей) для синтеза сульфатов микрокристаллической целлюлозы.
Технический результат изобретения:
- повышение эффективности сульфатирования за счет кипячения реакционной массы в среде растворителя при интенсивном перемешивании;
- расширение ассортимента сульфатирующих реагентов и жидких сред (растворителей) для синтеза сульфатов микрокристаллической целлюлозы.
Технический результат достигается тем, что в способе сульфатирования микрокристаллической целлюлозы сульфаминовой кислотой в присутствии мочевины, согласно изобретению, сульфатирование проводят в N,N-диметилформамиде или диглиме при кипячении и интенсивном перемешивании в течение 1-4 часов, а сульфатированную микрокристаллическую целлюлозу выделяют нейтрализацией реакционной массы 75% водно-этанольным раствором, содержащим 3% гидроксида натрия, растворением полученного продукта в воде и очисткой его диализом.
Ранее сульфатирование МКЦ сульфаминовой кислотой в N,N-диметилформамиде и диглиме не проводилось.
В отличие от прототипа в предлагаемом изобретении сульфатирование МКЦ проводят не спеканием, а кипячением в среде N,N-диметилформамида или диглима. Использование растворителей и интенсивного перемешивания при проведении реакции сульфатирования при кипячении обеспечивает равномерный нагрев во всем реакционном объеме, что исключает местный перегрев и разложение реакционной массы.
Отличия от прототипа - в условиях процесса. Сульфатирование проводят в растворителях - N,N-диметилформамиде или диглиме при кипячении и интенсивном перемешивании в течение 1-4 часов.
Отличия от прототипа и в операциях выделения целевого продукта. В предлагаемом изобретении реакционную смесь охлаждают до 10-15°C, затем нейтрализуют 75%-ным водно-спиртовым раствором, содержащим 3% гидроксида натрия, а выпавший в осадок продукт отделяют фильтрованием, высушивают, растворяют в воде и очищают диализом.
Способ сульфатирования МКЦ подтверждается конкретными примерами.
Сульфатирование МКЦ в N,N-диметилформамиде
Примеры 1-4. В трехгорлую колбу объемом 100 мл, снабженную мешалкой, термометром и обратным холодильником, загружают 1,6 г МКЦ, 1,8 г мочевины и 3,5 г сульфаминовой кислоты, заливают 40 мл N,N-диметилформамида и кипятят при интенсивном перемешивании в течение 1 часа. Реакционную массу охлаждают до температуры 15-20°C и при перемешивании нейтрализуют 75%-ным водно-этанольным раствором, содержащим 3% гидроксида натрия. Образовавшуюся натриевую соль сульфата микрокристаллической целлюлозы отделяют фильтрованием, промывают на фильтре 96% этанолом и сушат в вакууме. Затем полученный продукт растворяют в 50-60 мл дистиллированной воды и фильтруют. Затем фильтрат очищают диализом. Водный раствор сульфата МКЦ после диализа концентрируют под вакуумом до полного удаления воды. Выход натриевой соли сульфата МКЦ составил 0,26 г.
Данные о выходе и содержании серы образцов МКЦ, сульфатированной в N,N-диметилформамиде в зависимости от продолжительности реакции приведены в таблице 1.
Сульфатирование МКЦ в диглиме
Примеры 5-9. В трехгорлую колбу объемом 100 мл, снабженную мешалкой, термометром и обратным холодильником, загружают 1,6 г МКЦ, 1,8 г мочевины и 3,5 г сульфаминовой кислоты, заливают 40 мл диглима и при интенсивном перемешивании кипятят в течение 1 часа. Реакционную массу охлаждают до температуры 15-20°C и при перемешивании нейтрализуют 75%-ным водно-этанольным раствором, содержащим 3% гидроксида натрия. Образовавшуюся натриевую соль сульфата микрокристаллической целлюлозы отделяют фильтрованием, промывают на фильтре 96% этанолом и сушат в вакууме. Затем полученный продукт растворяют в 50-60 мл дистиллированной воды и фильтруют. Затем фильтрат очищают диализом. Водный раствор сульфата МКЦ после диализа концентрируют под вакуумом до полного удаления воды. Выход натриевой соли сульфата МКЦ составил 0,98 г.
Данные о выходе и содержании серы образцов МКЦ, сульфатированной в диглиме, в зависимости от продолжительности реакции приведены в таблице 2.
Как видно из таблицы, выход сульфата МКЦ существенно возрастает при проведении реакции сульфатирования в диглиме.
Таким образом, расширен ассортимент сульфатирующих агентов для МКЦ. Впервые получены сульфаты МКЦ при сульфатировании в среде N,N-диметилформамида и диглима.