ВОДОРАСТВОРИМАЯ ЦЕЛЛЮЛОЗНАЯ КОМПОЗИЦИЯ И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ
WATER-SOLUBLE CELLULOSE COMPOSITION AND METHOD FOR OBTAINING THEREOF

Изобретение относится к новым биологически активным, водорастворимым целлюлозным композициям и способу их получения, предназначенным для фармацевтической промышленности.
Целлюлоза - один из важнейших природных полимеров. Целлюлоза и ее производные широко используются во многих отраслях промышленности. Сложившийся на протяжении длительного периода времени ассортимент производных целлюлозы не исчерпывает всех возможностей, которые принципиально заложены в строении этого полимера. Только за последние десятилетия появилась большая группа материалов, при получении которых были реализованы различные подходы: материалы медицинского назначения с пролонгированным эффектом действия лекарственных препаратов, волокна-биокатализаторы, содержащие иммобилизованные ферменты. Также следует отметить широкое развитие исследований по приданию биоцидных свойств именно целлюлозным волокнистым материалам.
В настоящее время описано большое число биоцидных производных целлюлозы и других волокнообразующих полимеров разного строения. Однако проявление биологически активных свойств многих соединений затруднено, так как они не растворимы в воде и органических растворителях.
В связи с этим расширение ряда производных целлюлозы, обладающих биологической активностью, а также получение водорастворимых биологически активных целлюлозных композиций в настоящее время является достаточно актуальной задачей.
Известен способ получения аминопроизводных целлюлозы по А.С. SU №203665, МПК С08В 12/06, заключающийся в непосредственной обработке диальдегидцеллюлозы водным раствором мочевины или формамида. Как описывают авторы патента, образцы диальдегидцеллюлозы с различным содержанием СНО заливают определенным количеством водного раствора мочевины или формамида и выдерживают при различной температуре заданное время. В промытом и высушенном продукте реакции определен аминный азот по Кьельдалю. Однако проявление биологически активных свойств данных соединений затруднено, так как они не растворимы в воде и органических растворителях.
Также известны карбоксиметилазометиновые производные целлюлозы по патенту РФ №2169736, МПК С08В 15/06 с общей формулой элементарного звена:
6
8-x
5-y
y
2
х
СНO-(NR)(СНСООН),
где х>0,13, y>0, х+y<3,
2
NH-R,
полученные взаимодействием оксицеллюлозы с содержанием окисленных групп не более 20% растворимых в воде или органических растворителях аминосоединений.
Основным недостатком изобретения по патенту является взаимодействие оксицеллюлозы с аминосоединением при температурном режиме 97-100°С, что приводит к повышенным энергетическим затратам, а также карбоксиметилирование путем обработки монохлоруксусной кислотой.
Наиболее близкой по технической сущности и получаемому эффекту выступает полимерная целлюлозная композиция и способ ее получения по патенту РФ №2432964. Как утверждают авторы патента, для получения полимерной композиции к водной суспензии набухших в воде целлюлозы или диальдегидцеллюлозы добавляют раствор метакрилатгуанидина и персульфата аммония при соотношении целлюлоза/диальдегидцеллюлоза:вода = 1:30 масс; концентрации метакрилатгуанидина в воде 1,0-3,5%; соотношении метакрилатгуанидин персульфат аммония = 1:0,001 масс, нагревают смесь до 60°C и проводят сополимеризацию в течение 5-20 часов. Полученный модифицированный продукт отделяют от маточного раствора и сушат. Недостатком изобретения по патенту является способность не растворяться в водной среде биологически активной целлюлозной композиции.
Задачей настоящего изобретения является расширение ряда производных целлюлозы, обладающих биологической активностью, а также получение водорастворимых биологически активных целлюлозных композиций, для которых действие модифицирующих целлюлозу биологически активных соединений будет иметь более ярковыраженный характер.
Задача решается путем предварительного окисления водного раствора целлюлозы периодатом натрия с получением диальдегидцеллюлозы хлопковой (ДАЦ), последующим получением композиционного материала обработкой ДАЦ 5-40% водными растворами мономерных солей с последующей их полимеризацией с использованием инициатора полимеризации при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
ДАЦ
100
Мономерная соль
100
Инициатор полимеризации
1
В качестве мономерной соли в композиционном материале используются водные растворы диаллилгуанидинацетата (ДАГА), или диаллилгуанидинтрифторацетата (ДАГТФА), или акрилатгуанидина (АГ), представленные в таблице 1.
Таблица 1
Мономерная соль
Структура
Акрилат гуанидина (АГ)
<img file="00000001.tif" he="28" wi="56" img-content="undefined" img-format="tif" />
N,N-диаллил-гуанидинацетат (ДАТА)
<img file="00000002.tif" he="25" wi="54" img-content="undefined" img-format="tif" />
N,N-диаллил-гуанидин-трифторацетат (ДАГТФА)
<img file="00000003.tif" he="28" wi="51" img-content="undefined" img-format="tif" />
В качестве инициатора полимеризации целесообразно использование персульфата аммония (ПСА).
Целлюлоза марки «ХЧ» подвергается окислению периодатом натрия с последующим получением ДАЦ. Установлено, что выход препарата нерастворимой фракции ДАЦ за 12-17 суток составляет 75-80%. Растворимая фракция ДАЦ после длительного и специфического выделения из раствора окислителя теряет основное преимущество над нерастворимой фракцией ДАЦ - способность растворяться в воде, целевым продуктом реакции периодатного окисления целлюлозы является нерастворимая фракция ДАЦ.
Сущность изобретения поясняется примерами.
Пример получения ДАЦ:
4
4
2
4
4
-
-
-
-
Пример получения ДАЦ высокой степени окисления из целлюлозы состоит в следующем. В склянку из темного стекла вместимостью 1,2 л с притертой пробкой помещают 10 г (0,06 моль) целлюлозы и заливают ее 1 л водного 0,1 н. раствора NaIO (pH≈4), приготовленного нейтрализацией навески HIO*HO раствором соответствующего количества NaOH с последующим доведением общего объема раствора до 1 л. Навеску целлюлозы в растворе окислителя тщательно взбалтывают и помещают в темное место, 1-2 раза в сутки взбалтывая ее содержимое и периодически отбирая пробы на анализ. Этот контроль поглощения иона 104 из раствора окислителя ведут параллельно объемным методом, описанным в работе «Some oxadiazole and triazole polymers» зарубежными авторами Abshire C.I. и Marvel C.S., и спектрофотометрически, путем сравнения оптической плотности разбавленных в 20 раз водой проб рабочего и контрольного опытов в УФ области спектра при длине волны 305 нм. Во избежание переокисления нерастворимой фракции ДАЦ принимается допущение, что ион IO  поглощается только ею. Температура реакции - 16-20°С. Реакцию окисления считают окончательной, когда количество поглощенного иона IO  из раствора окислителя по указанным методикам превышает 1 моль на 1 моль целлюлозы. По окончании реакции периодатного окисления нерастворимую фракцию ДАЦ отфильтровывают на полотняном фильтре от раствора продуктов реакции и последовательно промывают 1-1,2 л воды с добавлением раствора соляной кислоты до pH≈1 (контроль по йодкрахмальной бумаге), затем 1-1,2 л смеси ацетон/вода: 1/8-10 (контроль по реакции с раствором азотнокислого серебра) и в конце 75-100 мл ацетона. После последующего провяливания в темноте от ацетона полученный препарат ДАЦ анализируют на содержание СНО и СООН групп. Остаточную влажность определяли высушиванием навески препарата оксицеллюлозы при температуре 103-105°С до постоянного веса. [Сюткин В.Н., Николаев А.Г., Сажин С.А., Попов В.М., Заморянский А.А. Азотсодержащие производные диальдегидцеллюлозы. 1. Диальдегидцеллюлоза высокой степени окисления // Химия растительного сырья. - 1999. - №2. - 91-102.].
Пример получения композиционного материала
К 100 мас.ч ДАЦ, с максимальным содержанием альдегидных групп в элементарном звене не более 36%, при перемешивании добавляют 100 мас.ч. водного раствора ДАГА, или ДАГТФА, или АГ, и 1 мас.ч. инициатора полимеризации - персульфат аммония (ПСА), смесь которых нагревается до 40-60°C, затем проводят полимеризацию в течение 2 часов. Полученный продукт отделяют от маточного раствора высаживанием в ацетоне, затем отфильтровывают и сушат.
Результаты исследований настоящего изобретения, представленные на фиг. 1-5, полученных с использованием рентгенографического и спектроскопического анализа, а также сканы образцов сделанные с использованием растровой электронной микроскопии (РЭМ).
Так на фиг. 1 показаны дифрактограммы ДАЦ (1) и целлюлозы (2); фиг. 2 - ИК-спектр ДАЦ; фиг. 3 - ИК-спектр ДАЦ, модифицированной ДАГА; фиг. 4 - ИК-спектр ДАЦ, модифицированной ДАГТФА; фиг. 5 - дифрактограмма: 1 - ДАЦ модифицированной ДАГТФА; 2 - ДАЦ,модифицированной ДАГА; 3 - немодифицированная ДАЦ; фиг. 6 - микрофотография образца целлюлозы; фиг. 7 - микрофотография образца комплекса целлюлозы с ДАГТФА; фиг. 8 - микрофотографии гуанидинсодержащих композитов целлюлозы ДАЦ-АГ; фиг. 9 микрофотографии гуанидинсодержащих композитов целлюлозы ДАЦ-ДАГА; фиг. 10 - микрофотографии гуанидинсодержащих композитов целлюлозы ДАЦ-ДАГТФА.
Результаты исследований свидетельствуют о существовании структурных различий образцов целлюлозы и ее модифицированных форм. Как показано на фиг. 1, ДАЦ представляет собой полностью аморфизованный продукт, плотность полученных образцов также соответствует плотности аморфной целлюлозы. Фиг. 2-5 показывают, что при иммобилизации ДАТА и ДАГТФА в ДАЦ между компонентами образуются различные типы связей: за счет ван-дер-ваальсовых сил; внутри - и межмолекулярные координационные и водородные связи; С-С связи, образующиеся при радикальной полимеризации in situ иммобилизованных ДАТА и ДАГТФА, связи, образующиеся в ходе привитой радикальной сополимеризации ДАГА и ДАГТФА с ДАЦ, а также лабильные ковалентные альдиминовые C=N связи, образующиеся при взаимодействии альдегидных групп ДАЦ с аминогруппами гуанидинсодержащих диаллильных соединений.
Образцы, исследованные с использованием растровой электронной микроскопии, отображенные на фиг. 6-7, показали, что растворение целлюлозы происходит за счет образования комплекса сферообразного типа между компонентами раствора, в котором макромолекулы целлюлозы имеют конформацию клубка.
Как показано на фиг. 8-10, образцы ДАЦ, модифицированные ДАГА и ДАГТФА, представляют собой более неоднородную структуру: на микрофотографиях присутствуют различные надмолекулярные образования, свидетельствующие о том, что гуанидинсодержащий модификатор в основном расположен в поверхностных слоях композита. Локализация частиц ДАГА и ДАГТФА в поверхностных слоях композита повышает доступность биоцидных центров и объясняет более высокую относительную активность данных композитов.