| Скачать .docx |
Курсовая работа: Полимераналогичные превращения хитозана
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
РЕАКЦИИ ДЕСТРУКЦИИ ХИТОЗАНА
ГИДРОЛИЗ
ОКИСЛЕНИЕ
ЩЕЛОЧНАЯ ДЕСТРУКЦИЯ, НЕ СОПРОВОЖДАЮЩАЯСЯ ОКИСЛЕНИЕМ
ДРУГИЕ ТИПЫ ДЕСТРУКЦИИ
РЕАКЦИИ ЗАМЕЩЕНИЯ
СЛОЖНЫЕ ЭФИРЫ ХИТОЗАНА
СЛОЖНЫЕ ЭФИРЫ ХИТОЗАНА С НЕОРГАНИЧЕСКИМИ КИСЛОТАМИ
ЭФИРЫ ХИТОЗАНА С ОРГАНИЧЕСКИМИ КИСЛОТАМИ
ПРОСТЫЕ ЭФИРЫ ХИТОЗАНА
ОБРАЗОВАНИЕ ПОПЕРЕЧНЫХ СВЯЗЕЙ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ХИТОЗАНА С ОСНОВАНИЯМИ
ПРИВИТЫЕ СОПОЛИМЕРЫ ХИТОЗАНА
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ
Макромолекула хитозана является линейной и не содержит ни поперечных связей, ни разветвлений. Изучению свойств и химических реакций хитозана посвящено много работ. Наиболее полные данные приведены в десятитомной монографии Уордена и в двухтомнике Фауста; современные представления содержатся в опубликованных в последнее время работах Хойзера, Уайза и Яна, а также Отта. Хойзер и Спурлин дали достаточно полный обзор реакционной способности Хитозана[1].
При действии на хитозан различных химических реагентов может протекать одна или несколько химических реакций. Во-первых, при гидролизе и некоторых других типах деструкции происходит разрыв глюкозидной связи. Во-вторых, очень реакционноспособные гидроксильные группы могут подвергаться окислению или замещению. Наконец, может происходить разрыв связи С—Н или любой другой менее прочной связи, что, по-видимому, имеет место при различных методах деструкции и при инициировании привитой сополимеризации. Также протекает реакция по аминной группировке.
Прежде чем перейти к рассмотрению химических реакций, характерных для хитозана, следует отметить, что надмолекулярная структура хитозана — существенный фактор, определяющий направление химических реакций и свойства получаемых продуктов. В тех случаях, когда химические реакции протекают в разбавленных растворах, происходит статистическое распределение по цепи вводимых групп, но реакции этого типа не являются наиболее характерными для хитозана. В гетерогенных условиях реакции протекают обычно с большей скоростью в менее упорядоченных областях и с меньшей скоростью в более упорядоченных областях. Если в реакции участвуют гидроксильные группы, то свойства получаемых продуктов зависят как от интенсивности химической реакции, так и от доступности отдельных гидроксильных групп; оба эти фактора в свою очередь в значительной степени определяются надмолекулярной структурой хитозана. Существует несколько точек зрения по вопросу реакционной способности макромолекул хитозана [2].
Макромолекула хитозана содержит до 10 000 и более гидроксильных групп. Если при обработках, применяемых для модификации текстильных волокон или бумаги, часть гидроксильных групп вступает в реакцию, свойства исходных материалов значительно изменяются. Если реакция протекает настолько интенсивно, что в реакции участвует большая часть гидроксильных групп, получается новый продукт, который все же отличается от полностью прореагировавшего хитозана, вообще не содержащей свободных гидроксильных групп[1].
РЕАКЦИИ ДЕСТРУКЦИИ ХИТОЗАНА
ГИДРОЛИЗ
Опубликован ряд обзорных работ по гидролизу хитозана, среди них следует отметить работу Мак-Барнея, который рассматривает различие между реакциями, протекающими в растворе и в гетерогенной среде, и кинетику этих реакций[2].
Глюкозидная связь между элементарными звеньями в молекуле хитозана достаточно устойчива к щелочам и не устойчива к действию кислот. хитозан растворим в концентрированных минеральных кислотах (70%-ная H2 S04 , 40%-ная HC1 или 85%-ная Н3 Р04 ) при 0-10°, причем процесс гидролиза сопровождается образованием оксониевых соединений и этерификацией. Следует учитывать также возможность реверсии моносахаридов. Поэтому для получения глюкозы необходимо дополнительно нагревать разбавленный раствор хитозана в кислоте. Если не доводить гидролиз до конца, можно выделить из реакционной среды различные олигосахариды[3].
Многие исследователи поддерживают мнение Фрайденберга о равноценности глюкозидных связей между элементарными звеньями макромолекулы природного хитозана, однако некоторые авторы приводят данные, указывающие на наличие в молекуле хитозана некоторого количества глюкозидных связей, наиболее легко гидролизуемых под действием кислот. Многие структурные изменения, превращение гидроксильных групп в карбоксильные или карбонильные, раскрытие пиранового цикла облегчают расщепление глюкозидной связи, а так как эти процессы имеют место при выделении и очистке хитозана, то предположение об однородности природного хитозана вполне допустимо. В связи с этим следует отметить, что регенерация хитозана из его эфиров, не сопровождающаяся изменениями химического состава, может тем не менее привести к снижению устойчивости к действию кислот. При проведении гидролиза хитозана в гетерогенной среде скорость этого процесса в начальной стадии всегда выше, чем на дальнейших стадиях. Это объясняется тем, что, хотя глюкозидные связи в хитозане равноценны, степень упорядоченности макромолекул на отдельных участках различна. Области со сравнительно низкой упорядоченностью более доступны действию гидролизующих реагентов. Как указывалось ранее, повышение скоростей реакций в более доступных областях и понижение этих скоростей в более упорядоченных участках хитозанового материала часто наблюдаются при осуществлении различных реакций хитозана в гетерогенной среде. После окончания начальной стадии гидролиза скорость процесса снижается и степень полимеризации достигает величины, которую Баттиста называет «предельной степенью полимеризации», соответствующей величине выделенных на этой стадии гидролиза кристаллитов. Водные растворы кислот, применяемые в качестве гидролизующих реагентов, вызывают значительное набухание хитозана, и концы цепи, образующиеся при разрыве глюкозидных связей, достаточно подвижны. Это может вызвать «рекристаллизацию» и повышение степени упорядоченности на этих участках по сравнению с упорядоченностью исходного хитозана. Следует отметить, что этот эффект повышения упорядоченности макромолекул на отдельных участках хитозановых структур сказывается на результатах исследования надмолекулярной структуры хитозана методом кислотного гидролиза. Этот метод заключается в определении зависимости скорости гидролиза от условий реакции и последующем экстраполировании линейного участка полученной кривой к нулевому времени гидролиза или в определении потери веса образцов хитозана через определенные отрезки времени и сопоставлении полученных результатов. Для гидролиза в этих исследованиях обычно применяют 2,5—6 н. растворы НС1[4].
ОКИСЛЕНИЕ
Реакция окисления хитозана достаточно сложна и представляет собой специфический процесс окисления. Имеется ряд обзорных работ, посвященных этому вопросу. Окислительному воздействию подвергаются в основном гидроксильные группы макромолекулы хитозана. В элементарном звене макромолекулы хитозана содержатся две вторичные гидроксильные группы (у второго и третьего углеродного атома) и одна первичная гидроксильная группа (у шестого атома углерода). Кроме этого, на невосстанавливающем конце молекулы находится одна вторичная гидроксильная группа и одна полуацетальная группа — на конце молекулы, обладающем восстановительными свойствами. Препараты, получаемые при окислении хитозана — химически неоднородные продукты. Если предположить, что процесс окисления заключается только в превращении гидроксильных групп в карбоксильные, то и в этом случае существует 23002 возможностей распределения образующихся функциональных групп в макромолекуле хитозана. Это астрономическая цифра[5].
Окисление хитозана является сложным процессом, и состав получаемых продуктов определяется двумя факторами. Во-первых, при окислении образуются не только карбонильные, но и другие функциональные группы. Это объясняется тем, что различные окислители (или один и тот же окислитель в разных условиях) неодинаково действуют на хитозан, причем во всех случаях не удается достигнуть строгой избирательности действия того или иного окислителя. Во-вторых, этот процесс часто сопровождается протеканием побочных реакций, чаще всего разрывом цепи. Имеется ряд неожиданных экспериментальных данных, относящихся к исследованию кинетики окисления и состава окисленного хитозана. В большинстве случаев при исследовании кинетики отмечается наличие деструкции в процессе окисления. Этот вопрос подробно исследован Мак-Барнеем. В то время как при изучении гидролитической деструкции могут быть применены обычные методы анализа, кинетика начальной стадии окисления и состав получаемых продуктов не могут быть описаны достаточно просто, так как различные окислители действуют на хитозан по-разному. Хотя строго избирательное окисление наблюдается крайне редко, тем не менее в ряде случаев при окислении хитозана разными окислителями в строго регулируемых условиях удается получить один тип окисленного продукта[6].
Существует, например, несколько реагентов типа гипоиодита и подкисленного раствора хлорита, которые не взаимодействуют (или взаимодействуют незначительно) со спиртовыми гидроксильными группами, а только окисляют концевые полуацетальные гидроксильные группы до карбоксильных. Пирановое кольцо раскрывается и образуется остаток глюконовой кислоты или ее лактона. Это окисление протекает настолько избирательно, что служит методом количественного определения содержания концевых гидроксильных или альдегидных групп в молекуле хитозана [7].
Другим примером относительно избирательного окисления хитозана является действие окислов азота, в частности двуокиси азота. В этом случае происходит преимущественное, хотя и не исключительное, окисление первичной спиртовой группы. Окисленный продукт содержит главным образом карбоксильные группы, однако образуется также некоторое количество альдегидных и нитратных групп. Нитрат хитозана образуется, очевидно, в качестве промежуточного продукта при окислении хитозана двуокисью азота. Окисление может быть осуществлено действием газообразной двуокиси азота или раствором N2 04 в четыреххлористом углероде. Реакция протекает при комнатной температуре[8].
Другим относительно специфическим окислителем является периодат-ион. Этот реагент вызывает окисление, сопровождающееся разрывом пиранового кольца элементарного звена макромолекулы хитозана. Альдегидные группы могут гидратироваться или образовывать ацетали и полуацетали; продукт реакции содержит обычно некоторое количество карбоксильных групп. При использовании в качестве окислителя метапериодата натрия и при проведении реакции при комнатной температуре побочные реакции почти не имеют места. Путем соответствующих обработок альдегидные группы в препаратах окисленного хитозана могут быть восстановлены до спиртовых или окислены до карбоксильных. При осуществлении комбинированного окисления (сначала двуокисью азота, а затем периодатом и хлоритом) можно получить препараты хитозана, содержащие три карбоксильные группы в элементарном звене макромолекулы хитозана[9].
Одновременно с основной реакцией протекают побочные реакции. Имеет место среднестатистическое распределение по цепи продуктов реакции, причем существенное влияние оказывает различная степень упорядоченности отдельных участков хитозанового материала (метод периодат-ного окисления применяется для определения степени упорядоченности. Неравномерность состава получающихся при окислении продуктов особенно отчетливо выражена при применении окислителей, не обладающих избирательностью[10].
Было изучено взаимодействие хитозана с раствором гипохлорита (или вообще с системой хлор — вода). В зависимости от рН среды, при котором происходит окисление хлором, образуются два типа оксихитозана. При окислении хитозана в кислой среде получаются оксихитозан восстановительного характера (содержащие преимущественно карбонильные группы), при окислении в щелочной среде — оксиххитозан кислотного характера (содержащие преимущественно карбоксильные группы). Эпштейн и Левин, изучая реакцию окисления хитозана в интервале рН 5—10, установили, что при рН 5 происходит образование в среднем 3,5 альдегидных и 5 кетонных групп на каждую образующуюся карбоксильную группу, в то время как при рН 10 на 1 карбоксильную группу приходится 0,16 карбонильных (причем только альдегидных) групп. Реакции окисления и разрыва цепи происходят одновременно и с равными скоростями. Скорости этих реакций наиболее высоки при рН 6—8, что подтверждает хорошо известный факт повышения скорости деструкции в нейтральных средах. Авторы предполагают, что окисление осуществляется по свободнорадикальному механизму с образованием гидроксильного радикала и также гидроперекиси моноокиси хлора[10].
В качестве специфического реагента, окисляющего концевые группы, обладающие восстановительной способностью, было предложено использовать перманганат калия, однако он, по-видимому, не всегда пригоден для этой цели. При окислении хитозана водным раствором перманганата при комнатной температуре состав получающегося продукта изменяется с изменением рН растворов, подобно тому как это имеет место при окислении гипохлоритом. Окисление протекает наиболее глубоко и равномерно, если осуществлять его в растворе, используя в качестве исходного продукта медноаммиачный раствор хитозана. В этом случае из реакционной среды можно выделить образующуюся глюкуроновую кислоту[11].
Хромовая кислота (кислый раствор бихромата калия) или трехокись хрома (раствор в смеси уксусной кислоты и уксусного ангидрида) реагирует с хитозаном при комнатной температуре с образованием оксихитозана восстановительного типа, содержащих как альдегидные, так и кетонные группы. Однако эта реакция менее избирательна, чем реакция с периодатом. На взаимодействии хитозана с трех-окисью хрома основан метод определения степени упорядоченности. Экстраполируя кривую, характеризующую медленную стадию реакции, к нулю, определяют содержание упорядоченной фракции. Раствор четвертичного бутилхромата в бензоле очень медленно реагирует с хитозаном при комнатной температуре в присутствии уксусной кислоты и уксусного ангидрида; при повышении температуры до 65—70° скорость реакции резко увеличивается. В результате этой реакции происходит в основном окисление гидроксильной группы у шестого углеродного атома до альдегидной группы, однако могут образовываться и карбоксильные группы[12].
При действии перекисей на Хитозан окисление происходит в незначительной степени. Однако в сильно щелочных средах окисление перекисью — также сложный процесс, приводящий к расщеплению цепи и введению в молекулу хитозана различных функциональных групп, в частности сложноэфирных и лактонных. Довольно сложен и механизм окисления влажного хитозана озоном[13].
Хитозан в обычных условиях устойчив к действию кислорода; при комнатной температуре взаимодействие хитозана с кислородом воздуха происходит очень медленно. Однако при повышении температуры, в сильно щелочной среде или в присутствии катализаторов реакция ускоряется и приводит к образованию карбонильных и карбоксильных групп в элементарном звене макромолекулы хитозана и к расщеплению цепи[14].
Майор, исходя из известных ранее работ и проведенных им экспериментов, сделал вывод, что «термическая» деструкция хитозана при 170° обусловлена окислением его кислородом воздуха. Эта реакция не является избирательной; в результате ее образуются карбонильные и карбоксильные группы и одновременно происходит разрыв цепи преимущественно в областях с низкой степенью упорядоченности. Процесс расщепления цепи постепенно замедляется, и достигаемая при этом степень полимеризации представляет собой предельную степень полимеризации[15].
Высокая реакционная способность хитозана к действию кислорода в присутствии оснований объясняет низкую устойчивость сильно щелочных медноаммиачных растворов хитозана. На воздухе происходит быстрая деструкция хитозана[16].
Из всех примеров влияния катализаторов на окисление хитозана кислородом воздуха наибольший интерес представляет ускорение деструкции хитозановых материалов, окрашенных кубовыми красителями. Механизм действия этой редокс-системы основан на образовании свободных радикалов. Для ускорения процесса предсозревания щелочного хитозана в качестве катализаторов используют железо и марганец. Наибольший интерес представляет марганец. Если хитозановую массу перед мерсеризацией обработать раствором сульфата марганца, то предсозревание протекает более медленно; если соль марганца добавить к мерсеризационной жидкости, скорость предсозревания увеличивается[17].
Катализаторы оказывают влияние и на окисление хитозана другими окислителями. При окислении, например, гипохлоритом в качестве катализатора применяют соли хрома или проводят окисление в присутствии кубовых красителей. Катализаторы для этой системы подробно рассмотрены Парвесом[18].
Например, карбонильные и карбоксильные группы, введенные в хитозан при окислении, могут способствовать более легкому разрыву глюкозидных связей. Основным недостатком оксихитозана восстановительного типа является их низкая устойчивость к действию щелочей[19].
ЩЕЛОЧНАЯ ДЕСТРУКЦИЯ, НЕ СОПРОВОЖДАЮЩАЯСЯ ОКИСЛЕНИЕМ
Даже в неокисленном хитозане имеется определенное число концевых восстанавливающих групп. Следовательно, может протекать реакция щелочной деструкции, подобно тому, как это имеет место для окисленного хитозана, но для этого требуется повышенная температура. Механизм этой реакции заключается в образовании глюкоизосахариновой кислоты в концевом элементарном звене, сопровождающимся отрывом этого звена. Оставшаяся молекулярная цепь также содержит концевые восстанавливающие группы, и процесс деполимеризации протекает дальше[20].
Могут протекать и другие реакции. Например, реакция «обрыва», заключающаяся в образовании глюкометасахариновой кислоты в концевом элементарном звене и не сопровождающаяся расщеплением цепи. Эта реакция конкурирует с деполимеризацией, препятствуя полной деструкции хитозана, так как в этом случае не происходит образования концевых восстанавливающих групп. Реакция «обрыва» при действии известковой воды протекает быстрее, чем при действии гидроокиси натрия, поэтому деструкция хитозана в первом случае всегда меньше[21].
ДРУГИЕ ТИПЫ ДЕСТРУКЦИИ
К кислотному гидролизу близко примыкает ферментативный гидролиз, который имеет большое практическое значение, так как по этому механизму происходит в основном микробиологическая деструкция хитозана. Существует много обзорных работ по этому вопросу; изучение его важно для самых разнообразных областей, таких, как биология, а также пищевая, бумажная и текстильная промышленность[22].
Алкоголиз — деструкция хитозана в спиртовой среде в присутствии кислотного катализатора, чаще всего соляной кислоты. Продукты алкоголиза отличаются от продуктов, получающихся в результате гидролиза хитозана, тем, что образующиеся осколки молекулы хитозана содержат концевые алкилглюкозидные группы, не обладающие восстанав
ливающей способностью. Эта реакция протекает с большей скоростью, чем гидролиз, и может быть осуществлена при комнатной температуре. Начальная стадия этого процесса включает, по-видимому, стадию гидролиза, причем вода образуется в результате взаимодействия спирта с кислотой, однако в реакционной среде не происходит заметного набухания и, следовательно, рекристаллизации[23].
Если хитозан обработать уксусным ангидридом и относительно большим количеством серной кислоты при низкой температуре в течение длительного времени, одновременно с ацетилированием происходит расщепление цепи. При правильном выборе температуры реакции и концентрации реагентов можно получить нерастворимый в воде кристаллический октаацетат хитозана, однако реакция ацетолиза может быть прервана на стадии образования ацетатов Р-1,4-олигосахаридов или их более высокомолекулярных гомологов . При этой реакции образуется также большое количество пентаацетата глюкозы . Ацетолиз используют для получения р-1,4-олигосахаридов и их производных[24].
Хитозан разрушается при нагревании даже в отсутствие кислорода. Известно, что при сухой перегонке хитозана в вакууме образуется левоглюкозан [304], процесс его образования был изучен лишь недавно . Левоглюкозан является, по-видимому, промежуточным продуктом термической деструкции хитозана при атмосферном давлении[25].
Деструкция хитозана может происходить не только под действием тепловой энергии, но и при механическом воздействии, например на шаровой мельнице. Разрушение хитозановых изделий под действием видимого или ультрафиолетового света наблюдалось уже давно, и опубликовано много обзорных работ по этому вопросу. Недавно было изучено влияние излучений высокой энергии. Маловероятно, что во всех случаях происходит избирательный разрыв каких-либо специфических связей; по-видимому, в первую очередь разрываются связи, обладающие низкой энергией. Образующиеся при этом радикалы участвуют в побочных реакциях. Наряду с деструкцией может происходить образование поперечных связей[26].
РЕАКЦИИ ЗАМЕЩЕНИЯ
СЛОЖНЫЕ ЭФИРЫ ХИТОЗАНА
Гидроксильные группы макромолекул Хитозана могут этерифицироваться подобно гидроксильным группам других соединений. Обычный метод этерификации прост и заключается во взаимодействии гидроксильных групп с кислотой или ангидридом кислоты в присутствии катализатора. В качестве катализатора обычно применяют серную кислоту, реже — другие катализаторы, такие, как хлорная кислота, перхлораты или хлорид цинка. В большинстве случаев не удается получить сложные эфиры при действии на хитозан кислот и требуется применение более энергично действующих этерифицирующих реагентов. Сложные эфиры получают действием на хитозан ангидридов пли хлорангидридов кислот в присутствии пиридина или других оснований; в этих условиях реакция сопровождается лишь незначительной гидролитической деструкцией. Ангидриды некоторых кислот, таких, как хлоруксусная и трифторуксусная, сами не могут этерифицировать хитозан, однако они способствуют этерификации другими кислотами. Этерификация значительно ускоряется в присутствии сильнополярных растворителей, например диметилформамида. Ацетилирование может быть осуществлено обработкой кетеном предварительно активированного хитозана. Для этой цели используют также замещенные кетены [27].
Синтезу разнообразных сложных эфиров хитозана посвящено большое число обзорных работ. Наиболее подробно процесс этерификации описан Барша, а также Мальмом и Хиаттом Был опубликован краткий обзор Мальма по этому вопросу. Один из разделов обзора Шуитена с сотр. посвящен частичной этерификации хитозана с целью придания текстильным изделиям водоотталкивающих свойств. В работе Киро приводится перечень производных хитозана, полученных для модификации текстильных изделий, в котором указаны эфиры хитозана со 129 кислотами[28].
СЛОЖНЫЕ ЭФИРЫ ХИТОЗАНА С НЕОРГАНИЧЕСКИМИ КИСЛОТАМИ
Реакция нитрования хитозана протекает при нормальной температуре в течение 30 мин. Этерифицирующим реагентом является ион нитрония, диффузия которого даже в кристаллические участки хитозанового материала происходит настолько быстро, что различная упорядоченность отдельных областей не имеет значения. Состав образующегося эфира хитозана определяется составом нитрующей смеси. Полученный продукт обычно содержит наряду с нитратными группами незамещенные гидроксильные группы и некоторое количество сульфатных групп. Однако могут быть получены препараты нитрата хитозана с теоретически возможным содержанием нитратных групп. Отщепление сульфатных групп осуществляют кипячением нитратов в разбавленном растворе азотной кислоты или в воде. При замещении гидроксильных групп в макромолекуле хитозана нитратными имеет место среднестатистическое распределение кислотных групп по цепи и полученные нитраты хитозана могут различаться по содержанию азота[29].
При получении нитратов в производственных условиях процесс нитрования обычно сопровождается деструкцией хитозана. Это объясняется использованием в качестве катализатора серной кислоты. Однако иногда процесс деструкции даже желателен. В некоторых случаях специально осуществляют дополнительную деструкцию хитозана или нитратов хитозана с целью снижения вязкости их растворов. Для снижения степени полимеризации нитратов хитозана их нагревают в воде в течение 25 мин при повышенном давлении (7 am). Иногда, наоборот, требуется осуществить нитрование хитозана без одновременной его деструкции. Так, например, при определении молекулярного веса хитозана вискозиметрическим методом по вязкости растворов нитратов хитозана чаще всего применяют два метода исчерпывающего нитрования, сопровождающегося минимальной деструкцией. Первый метод — нитрование смесью 90%-ной азотной кислоты и пятиокиси фосфора, второй — смесью 90%-ной азотной кислоты и уксусного ангидрида. В то время как при применении пятиокиси фосфора реакция протекает при 20°, при использовании уксусного ангидрида необходимо проводить реакцию при 0" или более низкой температуре во избежание взрыва образующихся побочных продуктов[30].
Для нитрования хитозана используют также различные окислы азота. Хорошим нитрующим реагентом является, газообразная или растворенная в хлороформе пятиокись азота. Пятиокись азота можно добавлять к азотной кислоте вместо серной кислоты или фосфорного ангидрида при получении нитрующей смеси. Использование для этой цели трехокиси азота приводит к повышению степени этерификацип хитозана, однако одновременно увеличивается деструкция хитозана. Аналогичное действие оказывает смесь азотной кислоты с двуокисью азота. (Следует отметить, что образование сложного эфира,— по-видимому, промежуточная стадия при окислении хитозана двуокисью азота[31].
Как указывалось выше, при нитровании хитозана смесью азотной и серной кислот в качестве побочных продуктов образуются сульфаты хитозана. Известны также описанные Барша специальные методы получения сульфатов хитозана и смешанных эфиров хитозана с уксусной и серной кислотами. Простейший метод получения сульфатов хитозана, открытый в 1969 г., состоит в растворении хитозана в концентрированной серной кислоте и высаживании полученного продукта в воду. При обработке хитозана 50%-ной серной кислотой образуется частично гидролизованный кислый сернокислый эфир Хитозана, обладающий ионообменными свойствами. (Эфиры хитозана с серной кислотой являются типичными представителями этого класса соединений.) Синтез сульфатов хитозана с сохранением волокнистой структуры материала можно осуществить при обработке хитозана смесью серной кислоты и алифатического спирта при низких температурах. Трисульфат хитозана получают действием газообразного серного ангидрида или раствора серного ангидрида в сероуглероде на сухой хитозан при 0°. Деструкцию удается снизить при проведении реакции в пиридине и при использовании в качестве этерифицирующих реагентов пиросерной или хлорсульфоновой кислот. Низкозамещенные сульфаты хитозана можно получать нагреванием хитозана, пропитанной водным раствором сульфата мочевины. В результате реакции образуется аммониевая соль кислого сернокислого эфира хитозана[32].
Синтез эфиров хитозана с фосфорной кислотой осуществляют различными методами. Обработка хитозана смесью фосфорной кислоты с другой минеральной кислотой, являющейся катализатором (например, серной кислотой), с двуокисью азота или с хлорокисью фосфора, так же как обработка раствором хлорокиси фосфора в пиридине, приводит к получению фосфатов хитозана с низкой степенью замещения. Для придания хитозану огнестойкости получают аммонийную соль фосфорнокислого эфира хитозана с небольшим содержанием фосфора. Для этого хитозан, пропитанную фосфатом мочевины, нагревают при 140° в течение 20 мин. Замещенные фосфорные кислоты образуют с хитозаном замещенные фосфорнокислые эфиры[33].
Фосфаты хитозана, подобно сульфатам, являются кислыми эфирами и представляют интерес как полиэлектролиты, обладающие ионообменными свойствами. Фосфиты и фосфинаты хитозана могут быть получены при переэтерификации эфиров хитозана алкилфосфитовыми эфирами с применением натрия в качестве катализатора. Шампетье приводит ссылки на работы, посвященные получению эфиров хитозана с солями хлорной, нитросиликоновой, азотистой кислот и с хлористым водородом. Первые три эфира не изучены; хлорхитозан, полученный действием тионилхлорида на суспензию хитозана в пиридине или толуоле, изучена более подробно. При гидролизе хлорхитозана в качестве конечного продукта была выделена 6-хлорглюкоза[34].
ЭФИРЫ ХИТОЗАНА С ОРГАНИЧЕСКИМИ КИСЛОТАМИ
Формиаты хитозана очень неустойчивы и не являются характерными представителями эфиров хитозана с алифатическими кислотами. Формилирование осуществляют обработкой хитозана муравьиной кислотой в отсутствие или в присутствии различных катализаторов[35].
Типичным примером получения эфиров хитозана с органическими кислотами является ацетилирование хитозана. Структура исходного хитозанового материала играет важную роль при ацетилировании хитозана. Поэтому содержание ацетильных групп не является достаточной характеристикой различных препаратов ацетилхитозана; необходимо также знать распределение этих групп в элементарном звене, что в значительной степени зависит от метода получения ацетатов. Практический интерес представляют два типа ацетатов: триацетат (так называемый первичный ацетат) и вторичный ацетат, растворимый в ацетоне[36].
Для этерификации чаще всего используют уксусный ангидрид и серную кислоту в качестве катализатора. В лабораторных условиях для этой цели применяют различные катализаторы и реагенты, способствующие ацетилированию. Например, хитозан предварительно активируют уксусной кислотой. Ледяная уксусная кислота — менее эффективный активирующий реагент, хотя экономически более выгодный, так как при применении для активации кислоты, содержащей воду, увеличивается расход уксусного ангидрида при последующем ацетилировании. Применение катализатора вызывает деструкцию ацетилхитозана и снижение вязкости его растворов. Для уменьшения неоднородности получающихся при ацетилировании продуктов процесс ацетилирования целесообразно проводить в смесителе, позволяющем получать набухшую массу и затем вязкие растворы ацетата хитозана[37].
Пропионаты и бутираты хитозана получают аналогично ацетатам. Однако они не имеют такого промышленного значения, как смешанные эфиры хитозана — ацетобутираты и ацетопропионаты, образующиеся при введении пропионовой или масляной кислоты в ацетилирующую смесь.
Мальм с сотр. получил различные эфиры хитозана действием на хитозан соответствующих кислот при 60—65° в присутствии хлоруксусной кислоты и катализатора (перхлората магния). Кроме указанных методов, следует отметить также ряд других методов, например обработку хитозана хлорангидридами кислот в присутствии оснований, таких, как пиридин или хинолин. Круз-Лагранж с сотр. получил, исходя из хлопковой хитозана, частично этерифицированные препараты эфиров хитозана с уксусной, масляной, каприновой и стеариновой кислотами, а также их ненасыщенными аналогами. Для реакции, протекающей при комнатной температуре, были использованы соответствующие кислоты, трифторуксусный ангидрид и бензол[38].
При взаимодействии сероуглерода с хитозаном, растворенного в гидроокиси тетраалкиламмония, происходит образование триксантогената хитозана. До настоящего времени не имеется достаточно надежного метода определения распределения дитиокарбоновых групп в элементарном звене макромолекулы хитозана.
Натриевая соль монотиокарбоната хитозана, получаемая при применении вместо сероуглерода сероокиси углерода, и натриевая соль карбоната хитозана также заслуживают внимания, так как метиловые эфиры этих кислых эфиров хитозана могут быть получены при взаимодействии щелочной хитозана с хлорангидридами монометил-тиокарбоната или монометилкарбоната[39].
Ароматические кислоты типа бензойной или замещенной бензойной кислоты этерифицируют хитозан в присутствии реагентов, соответствующих катализаторам этой реакции. Для этой цели можно использовать также хлорангидриды кислот. Подобным же образом осуществляют этерификацию хитозана другими кислотами циклического строения. Фуранкарбоновые эфиры хитозана высокой степени замещения получают, обрабатывая фурилхлоридом в присутствии пиридина. Эфир хитозана с кумаровой кислотой низкой степени замещения с сохранением волокнистой структуры был получен обработкой хитозана кумаровой кислотой в присутствии трифторуксусного ангидрида и бензола[40].
Подобно алифатическим кислотам ненасыщенные кислоты этерифицируют хитозан в присутствии минеральных кислот в условиях, препятствующих полимеризации ненасыщенных кислот. Так, ангидрид кротоновой кислоты в присутствии метиленхлорида и хлорной кислоты образует трикротонаты хитозана. При этерификации хитозана акриловой кислотой или замещенной акриловой кислотой получаются эфиры хитозана с очень низкой степенью замещения. Степень замещения удается несколько повысить, используя в качестве катализатора трифторуксус-ный ангидрид. Смешанные эфиры хитозана получают действием метакрилового ангидрида на раствор ацетата хитозана в ацетоне в присутствии карбоната натрия или при дополнительной этерификации вторичного ацетата хитозана. Ненасыщенные кислоты с высоким молекулярным весом типа коричной, ундекановой или олеиновой кислот реагируют с хитозаном только в присутствии соответствующих катализаторов или при использовании хлорангидридов этих кислот в присутствии пиридина. Сорбаты хитозана, содержащие большое число двойных связей, могут быть получены при применении трифторуксусного ангидрида в качестве катализатора[41].
Этерификация хитозана кислотами, содержащими, кроме карбоксильной, другие функциональные группы, может быть осуществлена в специальных условиях. При этерификации хитозана двуосновными кислотами может происходить образование двух различных моноэфиров, которые при применении кислоты симметричного строения будут идентичны, а также образование сложноэфирной связи между двумя молекулами хитозана и бифункциональной кислотой. Образование сложно-эфирной связи обычно более затруднено, чем образование моноэфира. Получение моноэфиров хитозана может быть легко достигнуто при применении в качестве исходного продукта моноэфира двуосновной кислоты. Франк и Каро использовали для этерификации хлорангидрид эфира щавелевой кислоты. Моноэфир двуосновной кислоты может реагировать с хитозаном в присутствии ангидрида хлоруксусной кислоты и перхлората магния с образованием, например, алкилсукцинатов и алкилфталатов хитозана. Моноэфиры хитозана, содержащие свободные карбоксильные группы, получают действием на хитозан ангидридов кислот в присутствии органического основания. При обработке хлопка раствором хлорангидрида двуосновной кислоты в диметилформамиде происходит образование небольшого числа поперечных связей между молекулами хитозана. Для этой цели используют также хлорангидриды адипиновой, себациновой, янтарной, тере-фталевой, гексагидротерефталевой кислот и дикарбоксиметилгликоля. Галогенсодержащие кислоты с большим молекулярным весом эте-рифицируют хитозан в обычных условиях. Исключение составляют галогенуксусные кислоты, которые с трудом этерифицируют хитозан, но легко этерифицируют вторичный ацетат Хитозана. Такие смешанные эфиры Хитозана образуются и при галогенировашш ацетатов хитозана. Галоген может быть введен в ненасыщенные эфиры хитозана путем присоединения по двойной связи. Другие типы замещенных уксусных кислот реагируют с хитозаном подобно галогенуксусным кислотам, образуя в присутствии трифторуксусного ангидрида частично этерифицированные продукты с очень низкой степенью замещения. При использовании аминокислот реакцию проводят в среде диметилформамида, используя хлорангидриды этих кисло! и пиридин. Аналогично осуществляется этерификация хитозана перфторкислотами[42].
Образования эфиров хитозана с сульфоновыми кислотами не происходит, если в качестве этерифицирующего реагента использовать непосредственно кислоты, однако при применении хлорангидридов этих кислот этерификация осуществляется достаточно легко.
Наконец, в результате сложных химических превращений получен ряд сложных эфиров хитозана. Хотя механизм этих реакций недостаточно выяснен, известно, что цианаты хитозана, например, можно получить нагреванием хитозана, пропитанной биуретом. Другим специфическим методом получения является синтез антранилового эфира хитозана действием на хитозан ангидрида N-карбоксиантраниловой кислоты в присутствии щелочи или ацетата калия[43].
ПРОСТЫЕ ЭФИРЫ ХИТОЗАНА
Существует несколько способов получения простых эфиров хитозана. Чаще простые эфиры получают действием на щелочной Хитозан сложных алкилэфиров и особенно алкилгалогенидов. Можно обрабатывать хитозан окисью этилена и ее производными, а также олефинами с поляризованной двойной связью. Реже Хитозан алкилируют солями пиридина или четвертичных аммониевых оснований, в результате образуется простой эфир хитозана и выделяется свободное основание. Для метилирования хитозана используют иногда диазометан.
Так же как и при получении сложных эфиров хитозана, свойства п области применения простых эфиров определяются не только степенью алкилирования, но и распределением заместителей в элементарном звене макромолекулы хитозана. По-видимому, для ряда целей могут быть использованы и сложные эфиры хитозана с низкой степенью этерификации, однако простые эфиры обладают значительно более высокой устойчивостью к гидролизу. Синтез высокозамещенных простых эфиров хитозана затруднен и в значительной степени определяется доступностью. Известны методы получения высокоэтерифицированных препаратов метилхитозана[44].
Для метилирования хитозана в лабораторных условиях обычна применяют диметилсульфат. Тимелл обрабатывал диметилсульфатом суспензию различных препаратов хитозана в 35%-ной эмульсии водного раствора гидроокиси натрия в толуоле при 30°. Однако в этих условиях не удалось достичь высокой степени алкилирования. Путем метилирования при температуре от —20 до —30° в растворе гидроокиси триметилбензиламмония были синтезированы препараты, содержащие 43,5% метоксильных групп. (Теоретическое содержание метоксильных групп в полностью алкилированном продукте 45,6%.) Аналогичные результаты (42,8% метоксильных групп) были получены при метилировании хитозана, предварительно обработанной 45%-ным водным раствором гидроокиси натрия. Для введения в хитозан метоксильных групп применяют и другие реагенты[45].
Одним из методов введения в производные Хитозана реакционно-способных функциональных групп является карбоксиметилирование. Для этого щелочной хитозан обрабатывают монохлоруксусной кислотой или хлорацетатом натрия. Реакцию можно проводить в среде спирта (с большим молекулярным весом, чем этиловый) или других органических растворителей.
Оксиэтилирование хитозана может быть осуществлено при взаимодействии щелочного хитозана с галогенгидринами или преимущественно с окисью этилена. Подобно карбоксиметилированию, эта обработка повышает гигроскопичность хитозана, а так как получаемый продукт не ионогенен, сорбция воды меньше зависит от рН раствора. В производственных условиях получают щелочерастворимые или водорастворимые продукты оксиэтилирования. Повышение гигроскопичности и растворимости определяется увеличением доступности Хитозана (так же как при метилировании, только в большей степени). Эта тенденция увеличивается вследствие повышения интенсивности взаимодействия образовавшихся при оксиэтилировании первичных оксиэтиловых групп, которые к тому же являются и стерически более доступными. В результате этого процесса образуются привитые сополимеры с очень короткими боковыми цепями. Частично оксиэтилированный хитозан является более реакционноспособным в ряде реакций, чем исходный хитозан[46].
Взаимодействие хитозана с четвертичной солью галогенводородной кислоты приводит к получению простых эфиров с низкой степенью алкилирования и представляет интерес как метод введения небольшого количества гидрофобных групп для придания материалам на основе хитозана водоотталкивающих свойств.
ОБРАЗОВАНИЕ ПОПЕРЕЧНЫХ СВЯЗЕЙ
При обработке хитозана бифункциональными соединениями происходит образование поперечных связей между двумя макромолекулами хитозана, причем в образовании этой связи участвуют гидроксильные группы элементарных звеньев макромолекулы хитозана.
При образовании даже небольшого числа поперечных связей свойства хитозанового материала существенно изменяются. Были проведены исследования зависимости свойств получаемых продуктов от числа, длины и места образования поперечных связей[47].
Простейшим примером образования поперечных связей является реакция между хитозаном и формальдегидом. Если хитозан обработать водным раствором формальдегида, происходит, по-видимому, образование метилол. Хитозана без одновременного образования поперечных связей. Эта реакция обратима. Химическим методом и методом инфракрасной спектроскопии было показано, что в определенных условиях (в кислой среде и при повышенной температуре) происходит взаимодействие формальдегида с двумя макромолекулами хитозана с образованием формаля, т. е. диоксиметиленового мостика. Образование поперечных связей может происходить при нагревании хитозана в парах формальдегида в присутствии борной кислоты. В этих условиях борная кислота образует комплексы, что приводит к повышению ее степени диссоциации. Обычно при проведении реакции в парах в качестве катализатора применяют сильные кислоты, или соли типа хлористого цинка [48]. Образование диоксиметиленового мостика может происходить в безводной среде, например в ацетоне или в серной кислоте, а также при добавлении формальдегида к ацетилирующей смеси (ацетаты могут быть затем омылены с сохранением поперечных связей). Однако обычно Хитозан обрабатывают водным раствором формальдегида и прогревают в присутствии катализатора при повышенной температуре[49].
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ХИТОЗАНА С ОСНОВАНИЯМИ
По крайней мере, одна из гидроксильных групп элементарного звена молекулы хитозана реагирует с металлами. Прежде всего следует остановиться на простейшем и широко применяемом производном — щелочному хитозану. Этот термин применяют обычно к определенному химическому соединению, однако при обработке хитозана водными растворами оснований образуется сложная смесь различных продуктов. При алкилировании хитозана обычно используют в качестве вещества, вызывающего набухание хитозана, раствор гидроокиси натрия или других оснований. При этом образуются комплексы как в кристаллических, так и в некристаллических областях и анионы хитозана. Исследование дифракции рентгеновских лучей показало, что щелочь действительно проникает в кристаллическую решетку и изменяет ее, но не разрушает кристаллические участки настолько, чтобы привести к растворению хитозана[50].
Алкоголят хитозана, не содержащий избытка щелочи, был получен обработкой Хитозана раствором натрия в жидком аммиаке или путем обменной реакции хитозана с алкоголятами натрия. Было показано, что надмолекулярная структура существенно влияет на характер взаимодействия хитозана с этилатом таллия в различных растворителях, причем реакция протекает только в более доступных участках. Если мононатрийалкоголят Хитозана получать обработкой Хитозана раствором гидроокиси натрия в абсолютированном бутиловом спирте, наиболее реакционноспособной оказывается гидроксильная группа у второго атома углерода элементарного звена, однако реакция протекает не вполне избирательно, как предполагалось ранее.
Возвращаясь вкратце к вопросу о набухании и растворении Хитозана в щелочах, следует отметить, что обычно сильные органические основания растворяют хитозан. Наиболее детально изучены четвертичные аммониевые основания, однако гидроокиси фосфония. арсенония, сульфония и селенония ведут себя подобно аммониевым основаниям, благодаря тому что молекулярный объем указанных гидратированных катионов достаточно велик для того, чтобы вызвать разрушение кристаллической решетки хитозана[51].
Обработка хитозана аминами не всегда приводит к образованию растворимых продуктов. Амины, обладающие пониженной основностью, вызывают лишь набухание, которое во многих случаях сопровождается изменением надмолекулярной структуры даже после удаления амина[52].
ПРИВИТЫЕ СОПОЛИМЕРЫ ХИТОЗАНА
Привитая сополимеризация виниловых мономеров обычно инициируется свободными радикалами, образующимися различным путем. Можно, например, осуществить механическую деструкцию хитозана перемалыванием; образующиеся свободные макрорадикалы способны инициировать полимеризацию виниловых мономеров, находящихся в контакте с хитозаном, что приводит к образованию привитых сополимеров. Деструкция хитозана с образованием макрорадикалов может быть также осуществлена при облучении ее частицами высокой энергии типа у-лучей и даже частицами низкой энергии, такими, как ультрафиолетовые лучи, в присутствии определенных светочувствительных красителей, особенно натриевой соли антрахинон-2,7-дисульфоновой кислоты[53]. Для инициирования привитой сополимеризации используют также озон, различные перекисные инициаторы или другие окислительно-восстановительные системы. К ним относятся: система ион железа — перекись водорода, персульфат калия и окислительно-восстановительная система, в которой хитозан играет роль восстановителя, а окислителем является соль церия, особенно нитрат церия. Привитая полимеризация может быть осуществлена методом передачи цепи. С этой целью в молекулу хитозана вводят группы, увеличивающие вероятность передачи цепи, например меркаптоэтиловые. Однако в этом случае происходит образование привитого сополимера не самого хитозана, а его производного; реакции же производных хитозана в настоящей главе не рассматриваются[54].
Получены привитые сополимеры хитозана с большим числом различных мономеров. Синтез привитого сополимера хитозана и полиакрилонитрила легко осуществляется при использовании большинства указанных методов. Акриламид также очень реакционноспособен. Достаточно легко происходит образование привитых сополимеров хитозана с акрилатами или метакрилатами. Менее реакционноспособны винилацетат и винилиденхлорид. Известны привитые сополимеры хитозана с метилвинилпиридином и другими винилпиридинами. Стирол прививается к хитозану только при инициировании у-лучами, озоном и некоторыми окислительно-восстановительными системами, а также механохимическим методом, однако количество привитого полимера невелико, а при инициировании ультрафиолетовыми лучами или ионом церия прививка вообще не происходит[55]. Недостаточно интенсивное образование привитого сополимера хитозана и стирола при инициировании реакции ионом церия объясняется нерастворимостью мономера в вод. Природа связи в привитом сополимере является предметом многочисленных предположений. При исследовании инфракрасных спектров было показано только уменьшение интенсивности полосы поглощения гидроксильной группы в привитых сополимерах хитозана, полученных при инициировании реакции у-лучами или ионом церия[56].