Способ получения натриевой соли сукцината хитозана

 

Использование: в ветеринарии, медицине и косметике в качестве пленкообразователя, гидранта или эмульгатора. Описывается способ получения натриевой соли сукцината хитозана, включающий приготовление гомогенного раствора хитозана, его выделение путем обработки щелочным агентом, взаимодействие полученной суспензии хитозана с янтарным ангидридом, нейтрализацию смеси и выделение целевого продукта методом сушки, отличающийся тем, что обработку раствора хитозана проводят до получения рН среды 6,9 - 7,5, осуществляют аморфизацию хитозана в виде его водной суспензии в кавитационных или механических полях со сдвиговым воздействием, проводят взаимодействие с порошкообразным янтарным ангидридом с размером частиц не более 100 мкм, нейтрализацию смеси проводят водным щелочным раствором, а выделение целевого продукта проводят без применения органических растворителей методом распылительной или сублимационной сушки. Технический результат - повышение экологической чистоты и эффективности способа получения натриевой соли сукцината хитозана без использования органических растворителей. 2 табл.

Изобретение относится к области получения водорастворимых форм хитозана и касается синтеза натриевой соли сукцината хитозана, которая может быть использована в ветеринарии, медицине и косметике.

Известны способы получения ацилированных аминогрупп хитозана ангидридами дикарбоновых кислот [Авторское свидетельство N 508212, кл. C 08 B 37/08. Бюл. N 11. 25.03.76 г.; Патент РФ N 2100373, кл. C 08 B 37/08. Бюл. N 36. 27.12.97 г.].

Ближайшим известным решением аналогичной задачи является способ получения карбоксилсодержащих производных хитозана путем проведения реакции в гомогенных условиях в две стадии, отличающихся pH-средой [Авторское свидетельство N 802290, кл. C 08 B 37/08. Бюл. N 5 07.02.81]. В результате первой стадии образуется натриевая соль полиамфолита с 48 - 52% проацилированных свободных аминогрупп хитозана, после второй стадии происходит количественное ацилирование всех аминогрупп хитозана, что подтверждается кондуктометрическим титрованием. Существенно, что сам принцип проведения реакции в гомогенной среде потребует растворения ангидридов дикарбоновых кислот в органическом растворителе, кроме этого имеется необходимость применения органических растворителей при выделении натриевой соли полиамфолита или целевого продукта.

Известно, что полярные органические вещества могут прочно адсорбироваться на хитине, хитозане и их производных [Косарев А., Лазарева Е.В., Кривцов Г. Г. Изучение сорбции органических веществ на хитине, хитозане и некоторых химических производных данных биополимеров. Производство и применение хитина и хитозана. Тезисы докладов 4-ой Всероссийской конференции. М.: ВНИРО, 25.04.1995. С. 77; Chen R. Huei and Hwa Horng-Dar. Effect of chain flexibilities of chitosans on the physical and permeability properties of the ultrafiltration membranes prepared. 1^st International conference of the european chitin society. Abstracts book. Brest-France. September 11-13 1995. P. 38; Weltrowski M., Patry J., Bourget M. Reactive filter for textile dyes adsorption. 1^st International conference of the european chitin society. Abstracts book. Brest-France. September 11-13 1995. P. 39.], причем выявлен полиэкстремальный характер зависимости величины адсорбции от потенциала ионизации органической молекулы. Избирательная адсорбция на этих биополимерах обусловлена образованием более прочных связей между группами -OH, -NH₂ и -NHCOCH₃ макромолекул хитозана и органическими молекулами, чем их водородные связи с молекулами воды [Косарев А., Лазарева Е.В., Кривцов Г.Г. Изучение сорбции органических веществ на хитине, хитозане и некоторых химических производных данных биополимеров. Производство и применение хитина и хитозана. Тезисы докладов 4-ой Всероссийской конференции. М.: ВНИРО, 25.04.1995. С. 77; Арнетт Э.М. Количественное сравнение слабых органических оснований. Современные проблемы физической органической химии. Сборник обзоров. М.: Мир, 1967. С. 195] . Полное удаление полярных органических молекул из полимеров или олигомеров возможно лишь из их тонких пленок в высоком вакууме и при повышенных температурах [Мэнсон Дж., Сперлинг Л. Полимерные смеси и композиты. М. : Мир, 1979]. Поэтому удаление органических молекул из макрообъемов хитозана и его производных в вакууме и тем более при сушке на воздухе практически невозможно. Вследствие этого в натриевой соли сукцината хитозана, получаемого по методике [Авторское свидетельство N 802290, кл. C 08 B 37/08, Бюл. N 5 07.02.81] или [Быков В.П., Быкова В.М., Кривошеина Л.И., Алексеев С. М., Захарова Е.И., Голубева О.А. Разработка технологии получения водорастворимой формы хитозана. Производство и применение хитина и хитозана. Тезисы докладов 4-ой Всероссийской конференции. М.: ВНИРО, 25.04.1995. С. 26], когда все стадии проводят в органической среде, обнаруживается при анализе этих продуктов наличие органических растворителей.

Целью изобретения является устранение вышеобозначенных недостатков, повышение степени чистоты целевого продукта, экологической чистоты и эффективности способа его получения.

Указанная цель достигается путем получения натриевой соли сукцината хитозана при взаимодействии активированного хитозана при pH 6,9-7,5 с порошкообразным янтарным ангидридом с размером частиц не более 100 мкм и выделения целевого продукта из его водных растворов без применения органических растворителей.

Известно, что макромолекулы хитозана и его производных являются полужесткоцепными [Gilbert R.D., Patton P.A. Liquid crystal formation in cellulose and cellulos derivatives. Progress in Polymer Science. 1983. V. 9. P. 115 - 131]. Об этом свидетельствует показатель степени в уравнении Марка-Хаувинка-Сакурады, равный для хитозана - 0,85 [Gamzazade A.I., Shlimak V.M., Sklar A. M., Shtikova E.V., Pavlova S.A., Rogojin S.V. // Acta Polymerica 1985. V. 36. N 8. P. 420]. Полужесткость хитозана и его производных является следствием внутримолекулярных водородных связей и стерических влияний, затрудняющих возможность вращения вокруг гликозидных связей, соединяющих звенья в цепи. С увеличением концентрации эти полимеры могут образовывать жидкокристаллические растворы [Gilbert R.D., Patton P.A. Liquid crystal formation in cellulose and cellulos derivatives. Progress in Polymer Science. 1983. V. 9. P. 115 - 131; Revol J.F., Godbout L., Orts B., Marchessault R.H. Chitin crystallite suspensions in water: phase separation and chiral nematic ordering. 1^st International conference of the european chitin society. Abstracts book. Brest-France September 11-13 1995. P. 38.; Belamie E., Giraud-Guille M. , Domard A. Microscopic studies of chitosan in condensed phases. 1^st International conference of the european chitin society. Abstracts book. Brest-France. September 11-13 1995. P. 11]. Микроскопические исследования хитина [Revol J.F., Godbout L., Orts B., Marchessault R.H. Chitin crystallite suspensions in water: phase separation and chiral nematic ordering. 1^st International conference of the european chitin society. Abstracts book. Brest-France September 11-13 1995. P. 38] и хитозана [Belamie E., Giraud-Guille M. , Domard A. Microscopic studies of chitosan in condensed phases. 1^st International conference of the european chitin society. Abstracts book. Brest-France. September 11-13 1995. P. 11] в конденсированной фазе обнаружили наличие структур в форме сферолитов, названных "узором отпечатков пальцев" [Gilbert R. D., Patton P.A. Liquid crystal formation in cellulose and cellulos derivatives. Progress in Polymer Science. 1983. V. 9. P. 115 - 131] . Существенно, что надмолекулярная организация хитозана сохраняется и после процессов гидролиза, а с увеличением концентрации раствора макромолекулы упорядочиваются с образованием жидкокристаллического хирально-нематического состояния [Belamie E. , Giraud-Guille M., Domard A. Microscopic studies of chitosan in condensed phases. 1^st International conference of the european chitin society. Abstracts book. Brest-France. September 11-13 1995. P. 11]. Очевидно, что подобные процессы макромолекулярной организации происходят и в процессе высаживания хитозана.

Рентгеноструктурный анализ показал существенную зависимость степени кристалличности хитозана от способа его получения [Роговина С.З., Акопова Т. А., Зеленецкий С.Н. Изучение экструзионного размола хитозана. Производство и применение хитина и хитозана. Тезисы докладов 4-ой Всероссийской конференции. М. : ВНИРО, 25.04.1995. С. 27]. В отличие от суспензионного экструзионный хитозан [Акопова Т.А., Роговина С.З., Вихорева Г.А., Зеленецкий С.Н., Гольбрайх Л.С., Ениколопян Н.С. Высокомолек. соед. Б.-М. 1991. Т. 33. N 10. С. 735] имеет более низкую степень кристалличности [Роговина С.З., Акопова Т.А., Зеленецкий С.Н. Изучение экструзионного размола хитозана. Производство и применение хитина и хитозана. Тезисы докладов 4-ой Всероссийской конференции. М.: ВНИРО, 25.04.1995. С. 27; Акопова Т.А., Роговина С.З., Вихорева Г. А., Зеленецкий С.Н., Гольбрайх Л.С., Ениколопян Н.С. Высокомолекул. соед. Б. - М. 1991. Т. 33. N 10. С. 738]. Существенно, что отмывка от щелочи после высаживания приводит к увеличению степени кристалличности и, как следствие, к снижению его реакционной способности. Важно отметить, что при активации хитозана путем его сухого экструзионного размола кристаллическая структура практически полностью исчезает, при этом молекулярная масса снижается на 50% [Роговина С.З., Акопова Т.А., Зеленецкий С.Н. Изучение экструзионного размола хитозана. Производство и применение хитина и хитозана. Тезисы докладов 4-ой Всероссийской конференции. М.: ВНИРО, 25.04.1995. С. 27.].

Практически полная аморфизация хитозана происходит и при обработке его водных суспензий в кавитационных или механических полях со сдвиговой деформацией, особенно если такой обработке подвергается свежеприготовленная суспензия хитозана. Следует отметить, что суспензия хитозана, полученная в результате полной нейтрализации слабой кислоты (например, уксусной) в водном растворе хитозана имеет слабо щелочную реакцию (pH 8,5 - 9,0). При проведении же нейтрализации до pH 6,9 - 7,5 часть аминогрупп хитозана, выпавшего в осадок, находится в кватернизованной слабой кислотной форме, что должно способствовать снижению степени кристалличности полимера (таблица 1).

Обозначения в таблице: ММ - средневязкостная молекулярная масса хитозана, [HAc] - остаточная концентрация уксусной кислоты в хитозане, ККА - концентрация кватернизованных аминогрупп в хитозане.

^*При растворении хитозана использована соляная кислота [Вихорева Г.А., Роговина С.З., Акопова Т.А., Зеленецкий С.Н., Гольбрайх Л.С. Изучение фракционного состава хитозана, полученного твердофазным и суспензионным методами. Высокомолек. соед. С.Б. 1996. Т. 38. N 10. С. 1781].

Как видно из таблицы 1, снижение молекулярной массы хитозана вызывает резкое уменьшение выхода при его осаждении и одновременное увеличение концентрации кватернизованных аминогрупп в хитозане остаточным количеством уксусной кислоты. Таким образом, 80%-ный выход хитозана при его осаждении из подкисленных водных растворов нейтрализацией среды может быть достигнут при использовании полимеров с ММ 40 000.

Для проведения химической модификации использовали образцы хитозана со степенью дезацетилирования ацетамидных групп 74 - 82% и средневязкостной молекулярной массой 26000 - 650000. Степень дезацетилирования исходного хитозана и степень замещения аминогрупп на ацетамидные определяли методом потенциометрического титрования растворов соответственно хитозана и натриевой соли сукцината хитозана в 0,1 N водном растворе соляной кислоты 0,03 N водным раствором NaOH по известной методике [Вихорева Г.А., Роговина С.З., Акопова Т. А. , Зеленецкий С.Н., Гольбрайх Л.С. Изучение фракционного состава хитозана, полученного твердофазным и суспензионным методами. Высокомолек. соед. С.Б. 1996. Т. 38. N 10. С. 1781]. Средневязкостную молекулярную массу хитозана при 25^oC определяли по методике [Gamzazade A.I., Shlimak V.M., Sklar A. M. , Shtikova E.V., Pavlova S.A., Rogojin S.V. // Acta Polymerica. 1985. V. 36. N 8. P. 420].

Синтез сукцината хитозана проводили при эквимолекулярном соотношении янтарного ангидрида и NH₂-групп хитозана. Для дополнительной активации хитозана в виде свежеобразующейся мелкодисперсной суспензии использовали магнитную и пропеллерную мешалки (600 об/мин), гомогенизатор марки MPW 302 (Польша) и смеситель с высокооборотной (1400 об/мин) дисковой мешалкой специальной конструкции, позволяющие создавать кавитационные и механические поля со сдвиговым воздействием на рабочие объемы.

После гетерогенного взаимодействия активированного хитозана в виде его водной суспензии с порошкообразным янтарным ангидридом с размером частиц не более 100 мкм рабочую смесь выдерживают в течение 30 мин и нейтрализуют щелочным водным раствором до pH среды 8,5, что соответствует эквимолекулярному переводу H-формы сукцината хитозана в его натриевую соль.

Следует отметить, что в результате предлагаемого метода химической модификации хитозана в получаемом продукте содержится 5 - 7 мол.% динатриевой соли янтарной кислоты, наличие которой может рассматриваться как положительный аспект вследствие ее биологической активности [Лузбаев К.В., Кобзева В. К. Влияние алиментарного применения янтарной кислоты на некоторые показатели обмена веществ цыплят-бройлеров. Актуальные проблемы ветеринарии. Материалы международной конференции. Барнаул. 1995 г. С. 136]. Известно, что янтарная кислота в чистом виде используется как активный биостимулятор при упадке сил, потере работоспособности, умственной и физической усталости. Разработан и реализуется в аптечной сети препарат на основе янтарной кислоты по ТУ 2634-001-35492597-96.

Проведение всех стадий синтеза натриевой соли сукцината хитозана без использования органических растворителей и выделение целевого продукта методом сублимационной или распылительной сушки приводят к ряду отличительных достоинств получаемого продукта: отсутствуют примеси органической природы и продукты окисления, высокая степень дисперсности повышает растворимость, что расширяет области применения и непосредственного использования (при изготовлении мазей, крем-скрабов и других косметических изделий).

Испытания структурообразующих свойств показали, что эмульсии с содержанием натриевой соли сукцината хитозана до 0,7% и объема масляной фазы 18% при pH 4 0,1 в условиях микроэмульгирования на установке РКМ - 7 являются стабильными в течение предусмотренного ГОСТом 29188.3-91 срока хранения. Вязкостные характеристики эмульсии возрастают с увеличением концентрации натриевой соли сункцината хитозана и молекулярной массы исходного хитозана.

Указанные обстоятельства свидетельствуют о соответствии заявляемого технического решения критерию "новизна".

Предлагаемый способ получения натриевой соли сукцината хитозана полностью испытан в лабораторных и производственных условиях. В настоящее время производится в промышленных масштабах по заказу различных организаций для использования в косметике.

Сущность изобретения демонстрируется следующими примерами.

Пример 1. 750 г хитозана с характеристической вязкостью 6,9 (средневязкостная молекулярная масса равна 330 000 [Gamzazade A.I., Shlimak V.M., Sklar A.M., Shtikova E.V., Pavlova S.A., Rogojin S.V. // Acta Polymerica. 1985. V. 36. N 8. P. 420]) и степенью дезацетилирования 76,0% растворяют при перемешивании в течение 3 часов при 15^oC в 25 л 1%-ного водного раствора уксусной кислоты. Раствор фильтруют через капроновую сетку от нерастворимых примесей, содержание которых составляет 3 мас.%. К полученному раствору при перемешивании медленно добавляют около 6,5 кг 2,5 мас.% водного раствора NaOH и доводят pH среды до 7,1. Высадившийся хитозан фильтруют с помощью специального фильтра из бельтинг-ткани диагонального плетения, промывают дистиллированной водой и отжимают. В результате получают мелкодисперсную суспензию хитозана с содержанием сухого остатка 14,44 мас.%. Затем 693 г полученной суспензии разбавляют 1,8 л дистиллированной воды и перемешивают в течение 1,5 мин гомогенизатором марки MPW-302, после этого при работающем гомогенизаторе в течение 3 мин порционно добавляют эквимолярное количество янтарного ангидрида в виде порошка с размером частиц не более 100 мкм. Реакционную смесь выдерживают в течение 30 мин при 10-15^oC и нейтрализуют 2,5 мас.% водным раствором NaOH до pH 8,5, разбавляя до перемешиваемой консистенции. Целевой продукт выделяют лиофилизацией и получают 142 г в виде белого порошка без запаха. Характеристики целевого продукта приведены в таблице 2.

Пример 2. Высаживание хитозана проводят из его раствора, 3 мас.%, в водной уксусной кислоте, 1 мас.%, после предварительного отфильтровывания от нерастворимых примесей при нейтрализации среды водным NaOH, 2,5 мас.%, до pH 6,9 с выходом 96%. Дополнительную активацию хитозана в виде его водной суспензии осуществляют с помощью смесителя с высокооборотной дисковой мешалкой. Навеску янтарного ангидрида вносят порционно в течение 3 мин при температуре суспензии 13^oC. Другие стадии проводят аналогично примеру 1. Свойства целевого продукта приведены в таблице 2.

Пример 3. Высаживание хитозана из его раствора проводят при pH 7,2 с выходом 98%. Дополнительную активацию хитозана в водной суспензии 1,6 мас.% осуществляют в реакторе с пропеллерной мешалкой при 20^oC в течение 30 мин. Целевой продукт выделяют путем распылительной вакуумной сушки. Другие стадии аналогичны примеру 1. Свойства целевого продукта приведены в таблице 2.

Пример 4. Дополнительную активацию хитозана в водной суспензии 3,77 мас. % проводят на лабораторной магнитной мешалке при 16,5^oC в течение 30 мин. Целевой продукт выделяют путем распылительной вакуумной сушки. Другие стадии аналогичны примеру 1. Свойства целевого продукта приведены в таблице 2.

Пример 5. После переосаждения высокомолекулярного хитозана при pH среды 7,5 (выход 98%) и отмывки от низкомолекулярных продуктов хитозан в виде водной суспензии 3 мас.% обрабатывают перекисью водорода, 0,1 мас.%, при 85^oC в течение 32 мин. После фильтрации и трехкратной промывки низкомолекулярный хитозан активируют в виде водной суспензии, 4 мас.%, в реакторе с дисковой мешалкой. Другие стадии проводят аналогично примеру 1. Свойства целевого продукта приведены в таблице 2.

Пример 6. Хитозан с размером частиц не более 1 мм с характеристической вязкостью 12,2 (средневязкостная молекулярная масса равна 550000) и степенью дезацетилирования 74% в виде водной суспензии обрабатывают перекисью водорода, подвергают фильтрации, промывке и осуществляют взаимодействие с полуторакратным избытком янтарного ангидрида аналогично примеру 5. Свойства H-формы сукцината хитозана приведены в таблице 2.

В примере 6 отсутствие активации хитозана предлагаемым способом приводит к существенному снижению степени замещения аминогрупп. Несмотря на то, что в этом примере был взят полуторакратный избыток янтарного ангидрида по отношению к концентрации аминогрупп в исходном хитозане, концентрация сукцинамидных групп в полученном сукцинате хитозана равна 60 мол.%, что на 22 - 27% меньше концентрации этих групп в целевом продукте, полученном в примерах 1 - 5 (табл. 2). Это свидетельствует об ограниченной доступности функциональных аминогрупп хитозана в реакции с янтарным ангидридом в гетерогенных условиях.

Важно отметить, что концентрация сукцинамидных групп в сукцинате хитозана, полученного в примере 6, после хранения в течение 9 месяцев при комнатной температуре увеличилась до 66%. Это означает, что при хранении в сухом виде происходит частичное превращение кватернизованных форм аминогрупп хитозана в сукцинамидные. Так как янтарная кислота является двухосновной карбоновой кислотой, возможно образование кватернизованных форм одновременно с аминогруппами как одной, так и двух различных макромолекул хитозана, превращение которых в сукцинамидные группы будет приводить к образованию химической сшивки и частичной потере растворимости сукцината хитозана. Экспериментально обнаружено, что такой образец после хранения в течение 9 месяцев действительно становится не полностью растворимым в средах с pH 1,6 - 11,4. Обнаруженное явление важно для определения стабильных условий хранения H-формы сукцината хитозана.

При синтезе сукцината хитозана с молекулярной массой меньшей 40 000 во избежание потерь процесс деструкции проводят после переосаждения высокомолекулярного хитозана, когда возможна тщательная отмывка от низкомолекулярных органических продуктов. При необходимости существует возможность регулирования соотношением свободной и кватернизованной формы аминогрупп в натриевой соли сукцината хитозана путем изменения pH среды при нейтрализации H-формы сукцината хитозана разбавленными водными растворами питьевой соды или гидроокиси натрия. Кроме этого, предлагаемый способ позволяет получать целевой продукт с задаваемой концентрацией янтарной кислоты или динатриевой соли янтарной кислоты (5 - 10%) путем введения в реакцию янтарного ангидрида в количестве большем, чем требуется его при эквимолярном соотношении с аминогруппами хитозана.

По существу имеется возможность в едином технологическом цикле получать композит сукцината хитозана и янтарной кислоты различного соотношения как в виде H-формы, так и в виде натриевой соли с задаваемой степенью нейтрализации с высокой степенью чистоты и практически без потерь (выход при сублимационной сушке 98%).

Формула изобретения

Способ получения натриевой соли сукцината хитозана, включающий приготовление гомогенного раствора хитозана, его выделение путем обработки щелочным агентом, взаимодействие полученной суспензии хитозана с янтарным ангидридом, нейтрализацию смеси и выделение целевого продукта методом сушки, отличающийся тем, что обработку раствора хитозана проводят до получения рН среды 6,9 - 7,5, осуществляют аморфизацию хитозана в виде его водной суспензии в кавитационных или механических полях со сдвиговым воздействием, затем проводят взаимодействие с порошкообразным янтарным ангидридом с размером частиц не более 100 мкм, нейтрализацию смеси проводят водным щелочным раствором, а выделение целевого продукта проводят без применения органических растворителей методом распылительной или сублимационной сушки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2