Журнал прикладной химии. 2020. Т. 93. Вып. 11
ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ И МАТЕРИАЛЫ НА ИХ ОСНОВЕ
УДК 577.114:543.422.4
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА КАРБОКСИМЕТИЛХИТИНА
В СОЛЕВОЙ, КИСЛОЙ И СМЕШАННОЙ ФОРМЕ
© Л. Н. Широкова, В. А. Александрова, Г. Н. Бондаренко, Г. А. Шандрюк
Институт нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева РАН,
119991, г. Москва, Ленинский пр., д. 29
E-mail: shirokova@ips.ac.ru
Поступила в Редакцию 13 февраля 2020 г.
После доработки 2 августа 2020 г.
Принята к публикации 7 августа 2020 г.
Получены различные формы 6-О-карбоксиметилхитина: солевая, содержащая карбоксильную группу
в виде соли —COONa, кислая, содержащая карбоксильную группу в виде —COOН, и смешанная, со-
держащая в макромолекуле в равном соотношении звенья цепи в кислой и солевой форме. Состав и
строение синтезированных карбоксиметилхитинов и пленок на их основе подтверждали с использо-
ванием методов ИК-Фурье-спектроскопии, твердотельной 13C ЯМР-спектроскопии, термогравиме-
трического анализа, дифференциальной сканирующей калориметрии. Механические свойства пленок,
полученных из 6-О-карбоксиметилхитина в солевой и кислой форме, оценивали путем сравнения их
деформационных характеристик. Данные ИК-Фурье-спектроскопии подтверждают, что в 6-О-кар-
боксиметилхитине в кислой форме при межмолекулярном взаимодействии функциональных групп
полимера могут возникать водородные связи, а также ионные пары. С помощью твердотельной 13С
ЯМР-спектроскопии показано, что при синтезе 6-О-карбоксиметилхитина из хитина замещение на
группу —СН2СООNa происходит преимущественно по гидроксильной группе у атома С-6 глюкопира-
нозного цикла. Из сравнения представленных данных термогравиметрического анализа и дифференци-
альной сканирующей калориметрии следует, что количество воды, сорбируемой полимером, зависит
от формы, в которой находится 6-О-карбоксиметилхитин, наиболее гигроскопичной является солевая
форма 6-О-карбоксиметилхитина. Деформационные свойства пленок изучались на образцах 6-О-кар-
боксиметилхитина в солевой и кислой форме. Показатель модуля упругости 6-О-карбоксиметилхитина
в кислой форме существенно отличается от значения для 6-О-карбоксиметилхитина в солевой форме.
Возможно, такое различие обусловлено более высоким содержанием сорбированной полимером воды
в пленках, полученных из солевой формы 6-О-карбоксиметилхитина (20%), по сравнению с пленками
из кислой формы 6-О-карбоксиметилхитина (9%).
Ключевые слова: карбоксиметилхитин; пленки; ИК-Фурье-спектроскопия; термический анализ; ме-
ханические свойства; водородная связь
DOI: 10.31857/S0044461820110043
Хитин, или поли-β-2-ацетамидо-2-дезокси-D-глю-
полимера. Карбоксиметильное производное хитина
копираноза, является одним из наиболее распростра-
растворимо в воде в широком интервале рН и харак-
ненных полисахаридов, встречающихся в природе.
теризуется низкой токсичностью, биоразлагаемостью,
Хитин нерастворим в обычных растворителях. Это
сорбционной способностью, а также возможностью
ограничивает практическое использование этого
получать на его основе пленки, волокна и гидроге-
1553
1554
Широкова Л. Н. и др.
ли [1-3]. Благодаря такому уникальному сочетанию
различные формы 6-O-карбоксиметилхитина: соле-
свойств 6-O-карбоксиметилхитин нашел широкое
вая (КМХ-Na), содержащая карбоксильную группу в
применение в различных областях биологии и меди-
виде соли —COONa, кислая (КМХ-Н), содержащая
цины: системы контролируемой доставки лекарств,
карбоксильную группу в виде —COOН, и смешанная
биосенсоры, восстановление различных тканей и т. д.
(КМХ-50Н), содержащая в макромолекуле в равном
[4, 5].
соотношении звенья цепи в кислой и солевой форме
Для получения новых материалов на осно-
(см. схему).
ве 6-O-карбоксиметилхитина необходимо изучить
Цель работы — исследование структуры и свойств
поведение и свойства этого полиэлектролита при
этих форм 6-O-карбоксиметилхитина и пленок на их
различных рН среды. С этой целью были получены
основе.
Схема
Структурные формулы 6-О-карбоксиметилхитина в кислой форме КМХ-Н (а), солевой форме КМХ-Na (в)
и смешанной форме КМХ-50Н (б), n = m = 0.5
Структура и свойства карбоксиметилхитина в солевой, кислой и смешанной форме
1555
Экспериментальная часть
массой 80 000 и степенью карбоксиметилирования
1.0 получали из хитина в форме соли (КМХ-Na),
Хитин производился в ЗАО «Биопрогресс». Все
как описано в [6]. В качестве карбоксилирующего
другие химические вещества (гидроксид натрия, мо-
агента использовали монохлоруксусную кислоту
нохлоруксусная кислота, изопропанол) были анали-
CH2ClCOOH, которой обрабатывали предваритель-
тической чистоты и использовались без дальнейшей
но активированный хитин в присутствии избытка
очистки.
гидроксида натрия NaOH в водно-спиртовой среде
Водорастворимое производное хитина — 6-O-кар-
при повышенной температуре 72°С:
боксиметилхитин со среднемассовой молекулярной
Среднемассовую молекулярную массу карбок-
Образцы полимерных систем исследовали на ИК-
симетилированного хитина оценивали с помощью
Фурье-спектрофотометре IFS/66V (Bruker) пленочным
метода седиментации на аналитической ультрацен-
методом на чипе и по методике отражения с поверх-
трифуге MOM 3180 (MOM Hungarian Optical Works),
ности образца в диапазоне 4000-400 см-1 при 20°С.
оснащенной рефрактометрической оптической си-
Структурные исследования исходного хитина и
стемой Philpot-Svenson. Скорость вращения ротора
полученного карбоксиметилированного производ-
ультрацентрифуги 5000 об·мин-1.
ного хитина проводили с использованием метода
Для получения КМХ-Н использовали стеклянную
твердотельной 13C ЯМР-спектроскопии. Спектры
колонку, заполненную катионитным ионообменником
образцов предварительно измельченного до размера
КУ-2-8 (полная статическая обменная емкость не
~40-50 мкм на шаровой мельнице хитина и лиофиль-
менее 1.8 мг-экв·см-3, размер зерна 0.315-1.25 мм).
но высушенных КМХ-Na и КМХ-Н регистрировали
Требуемое количество полимера КМХ-Na (pH 7.5)
на ядрах углерода с кросс-поляризацией, используя
пропускали через ионообменную колонку со скоро-
универсальный ЯМР-спектрометр Varian Unity Inova
стью 20 капель/мин. Элюат собирали при рН 3.
AS 500 (Varian). Величина протонного импульса со-
Смешанную форму КМХ-50Н (рН 4.5) и солевую
ставляла 3.3 мкс, время накопления — 1 мс. Было
форму КМХ-Na (pH 8.5) получали из кислой формы
накоплено 2048 сканов с интервалами 2 с при скоро-
КМХ-Н, добавляя раствор 0.1 М NaOH в количестве,
сти вращения 15 кГц. Величина контактного времени
необходимом для превращения 50 и 100% —СООН-
составляла 2 мс.
групп в —СООNa-группы (количество раствора 0.1 М
Термогравиметрический анализ и дифференци-
NaOH определяли по данным титрования кислой
альную сканирующую калориметрию образцов про-
формы КМХ-Н) [7]. Потенциометрическое титрова-
водили на приборе TGA/DSC1 (Mettler Toledo Ltd)
ние карбоксиметилового эфира хитина проводили с
при скорости нагрева 10 град·мин-1 от 30 до 550°C
использованием рН-метра PHM 82 Standard pH-Meter
в атмосфере аргона, масса навески образца — 8 мкг.
(Radiometer).
Относительная погрешность измерения энтальпии
Состав и строение синтезированных КМХ-Na,
не более ± 3%.
КМХ-50Н и КМХ-Н подтверждали с использованием
Пленки из 6-O-карбоксиметилхитина были
методов ИК-Фурье-спектроскопии, твердотельной
сформованы методом полива из раствора поли-
13C ЯМР-спектроскопии, термогравиметрического
мера в воде на подложке из оргстекла толщиной
анализа (ТГА) и дифференциальной сканирующей
50 мкм. Испытания полимерных пленок проводи-
калориметрии (ДСК); механические свойства пленок,
ли на разрывной машине Instron 1121 (Instron Ltd).
полученных из КМХ-Na и КМХ-Н, оценивали путем
Испытывали образцы с длиной рабочей части 10 мм
сравнения их деформационных характеристик.
и шириной 3 мм. Образцы пленок деформировали
1556
Широкова Л. Н. и др.
до разрыва со скоростью 5 мм·мин-1. Определение
относятся: ацетамидная группа при С-2 и группа
поперечного сечения лопатки осуществляли с помо-
—СН2ОН при С-6 углеродных атомов глюкопираноз-
щью микрометра, толщина варьировалась в пределах
ного цикла. При синтезе 6-O-карбоксиметилхитина
0.040-0.045 мм. Механические характеристики опре-
происходит значительное разрушение межмолеку-
деляли усреднением измерений минимум для шести
лярных водородных связей в α-хитине, что приводит
образцов. Данные обрабатывали с помощью про-
к образованию водорастворимого полимера.
граммного обеспечения Series IX Automated Materials
В спектрах КМХ-Н, полученных как в пленке на
Testing System — Version 5.25 Instron Corporation ©
чипе из водного раствора (рис. 1, кривая 6), так и
1985-92. Регистрировалось постепенное изменение
по методике отражения с поверхности лиофильно
длины образца и возрастающее напряжение, рассчи-
высушенного образца (рис. 1, кривая 5), регистри-
танное по формуле
руются интенсивные полосы при 1733 и 1567 см-1,
относящиеся к связи С О в карбоксильной группе
ζ = Р/ε,
(1)
и в карбоксилат-ионе соответственно. Противоионом
где ζ — модуль упругости; Р — напряжение, вызы-
в карбоксилат-ионе может быть ион аммония или его
ваемое в образце действующей силой (равно силе,
замещенная форма. Подтверждением того, что катио-
деленной на площадь приложения силы); ε — упругая
ном в КМХ-Н может быть замещенный ион аммония,
деформация образца, вызванная напряжением (равна
является слабая широкая полоса 2534 см-1. Полоса
отношению изменения размера образца после дефор-
1652 см-1 относится к связи С О в амидной группе
мации к его первоначальному размеру).
КМХ-Н. Высокая интенсивность полосы в области
3430 см-1 в образце, полученном из раствора КМХ-Н,
связана с остатками воды. Остатки воды полностью
Обсуждение результатов
удалить из пленки на чипе не удается.
Хитин, используемый в данной работе, получен
из панцирей крабов и имеет α-структуру, которая
отличается высокой степенью кристалличности,
обусловленной системой регулярно чередующихся
водородных связей, образующихся между цепями
макромолекул при взаимодействии протоноакцеп-
торных и протонодонорных групп. К таким группам
Рис. 1. ИК-спектры пленок на чипе образцов из водных
растворов 6-О-карбоксиметилхитина в солевой (2), сме-
шанной (4) и кислой форме (6); спектры отражения с
поверхности порошка лиофильно высушенных образцов
Рис. 2. Твердотельные 13C ЯМР-спектры хитина (а),
6-О-карбоксиметилхитина в солевой (1), смешанной (3)
6-О-карбоксиметилхитина в солевой (б) и кислой (в)
и кислой форме (5).
форме.
Структура и свойства карбоксиметилхитина в солевой, кислой и смешанной форме
1557
В ИК-спектрах смешанной формы КМХ-50Н по-
Появление такого частично разрешенного дублета
лоса νCO карбоксильной группы сильно убывает
можно объяснить образованием особой конфигу-
по интенсивности, при этом появляется новая поло-
рации атомов С-3 и С-5 глюкопиранозного кольца,
са карбоксилат-аниона — 1600 см-1, противоионом
образующейся в результате формирования систе-
такого аниона является Na+ (рис. 1, кривые 4 и 3).
мы водородных связей и характерной для α-фор-
Отметим, что резко уменьшается по интенсивности,
мы хитина. Отметим, что для β-хитина характерен
но остается полоса 1563 см-1, отражающая появле-
один сигнал при δ ~75.2 м. д. В спектрах КМХ-Na
ние ионной пары с замещенным аммонийным кати-
(рис. 2, б) и КМХ-Н (рис. 2, в) наблюдаются сиг-
оном [8].
налы при δ 174.9 и 177.0 м. д., соответствующие
В ИК-спектрах солевой формы КМХ-Na слабый
С О-связи при ацетамидных (—NHCOCH3) и кар-
перегиб в области 1733 см-1 свидетельствует о сле-
боксиметильных группах (—СН2СООNa) соответ-
довых количествах кислых карбоксильных групп
ственно. Таким образом, с помощью метода твер-
(рис. 1, кривые 1 и 2). Появляется новая полоса кар-
дотельной 13С ЯМР-спектроскопии показано, что
боксилат-аниона 1600 см-1, противоионом такого ани-
в структуре 6-O-карбоксиметилхитина, синтезиро-
она является Na+. Полоса амидной группы 1652 см-1
ванного по методике [6], замещение на группу —
проявляется как плечо к полосе 1600 см-1. Полосы
СН2СООNa идет преимущественно по гидроксиль-
при 1567 и 2534 см-1 в спектре солевой формы
ной группе у атома С-6 глюкопиранозного кольца.
КМХ-Na отсутствуют.
Данные ИК-Фурье-спектроскопии позволяют
Данные ИК-Фурье-спектроскопии подтверждают,
предполагать, что в кислой форме КМХ-Н наблюда-
что в КМХ-Н могут образовываться водородные свя-
ется межмолекулярное взаимодействие с участием
зи, а также ионные пары.
функциональных групп различных цепей полимера.
Анализ структуры исходного хитина, изученной
Такое взаимодействие может приводить к изменению
методом твердотельной 13С ЯМР-спектроскопии,
свойств композитных материалов, получаемых на ос-
показал наличие двух легко различимых характери-
нове карбоксиметилированных производных хитина.
стических сдвоенных сигналов в области химических
Особенности строения производных хитина про-
сдвигов δ 73.7 и 76.1 м. д., отнесенных к атомам С-3
являются при исследовании их термической устойчи-
и С-5 соответственно (рис. 2, а).
вости, оценка которой имеет практическое значение.
Рис. 3. Термогравиметрический анализ (а) и дифференциальная сканирующая калориметрия (б) образцов лиофильно
высушенных образцов 6-О-карбоксиметилхитина в солевой (1), смешанной (2) и кислой (3) форме.
1558
Широкова Л. Н. и др.
Из анализа данных ТГА можно сделать вывод, что
Выводы
эффекты, возникающие при нагреве всех трех форм
Свойства трех форм 6-O-карбоксиметилхитина
КМХ-Na, КМХ-50Н и КМХ-Н, регистрируются в
(солевая форма КМХ-Na, смешанная форма
несколько этапов. Первый этап (до 160-180°C) свя-
КМХ-50Н, кислая форма КМХ-Н) обусловлены, оче-
зан с испарением связанной (сорбированной) воды,
видно, конформационными различиями цепей поли-
присутствующей в лиофильно высушенных образцах
электролита при различных значениях рН. В случае
трех форм 6-O-карбоксиметилхитина. На втором эта-
образования пленок такие различия обусловлены
пе при нагревании образцов выше 190-260°C реги-
особенностями протекания процессов структурооб-
стрировали экзотермический пик, который связан с
разования при удалении растворителя, а также разли-
разложением полимера (деацетилирование, декарбок-
чиями в фазовой структуре пленок. Подтверждением
силирование и др.). На третьем этапе потеря массы
этому служат данные метода ИК-спектроскопии, на
при температуре 335°С и выше связана с карбониза-
основании которого было показано, что образование
цией образцов в связи с расщеплением макромолекул
водородных связей в КМХ-Н протекает более интен-
полимера по гликозидным связям. Эти результаты
сивно, чем в КМХ-Na.
находятся в согласии с [9].
Проведенные исследования позволили выявить
Количество воды, сорбируемой полимером, за-
связь между структурой и составом 6-O-карбокси-
висит от формы, в которой находится 6-O-карбо-
метилхитина, синтезированным в различных формах,
ксиметилхитин. Так, КМХ-Н при комнатных усло-
и его свойствами. Такой анализ может являться науч-
виях сорбирует ~9% воды, КМХ-50Н — около 13%
ным обоснованием подходов к созданию новых мате-
воды, КМХ-Na — 20% (рис. 3). Таким образом, наи-
риалов с прогнозируемыми свойствами с использова-
более гигроскопичной является форма КМХ-Na, что
нием возобновляемых в природе источников сырья.
согласуется с данными других авторов [9].
Температура начала разложения для КМХ-Н
составляла 197°С, для КМХ-50Н — 221 и для
Финансирование работы
КМХ-Na — 262°С. Отметим, что для КМХ-Na при
Работа выполнена в рамках госзадания Института
термодеструкции получен наибольший коксовый
нефтехимического синтеза РАН.
остаток. Таким образом, наибольшей термической
стабильностью характеризуется форма КМХ-Na, наи-
Конфликт интересов
менее термически стабильна Н-форма. По-видимому,
наличие свободных карбоксильных групп в КМХ-Н
Авторы заявляют об отсутствии конфликта инте-
способствует протеканию таких реакций, как декар-
ресов, требующего раскрытия в данной статье.
боксилирование, образование ангидридных связей
и т. д., сопровождающих термические превращения
Информация об авторах
полимера.
Важной характеристикой полимерных материа-
Широкова Людмила Николаевна, к.х.н., н.с. ИНХС
лов является их механическая прочность, которую
обычно определяют в условиях одноосного растя-
Александрова Валентина Андреевна, к.х.н., в.н.с.
жения на разрывных машинах или динамометрах.
ИНХС РАН,
Деформационные свойства пленок изучали на об-
разцах КМХ-Na и КМХ-Н. Показатели, характери-
Бондаренко Галина Николаевна, д.х.н., проф., г.н.с.
зующие механические свойства пленок для иссле-
ИНХС РАН,
дованных форм КМХ-Na (модуль упругости 1.9 ГПа
и прочность 47 МПа) и КМХ-Н (модуль упругости
Шандрюк Георгий Александрович, с.н.с. ИНХС
2.4 ГПа и прочность 52 МПа), близки. В то же время
следует отметить, что показатель модуля упругости
КМХ-Н существенно отличается от значения для
КМХ-Na. Такое различие обусловлено, возможно,
Список литературы
более высоким содержанием сорбированной воды в
[1] Tokura S., Nishimura S., Sakairi N., Nishi N. Biological
образце КМХ-Na. Согласно данным ТГА, содержание
activities of biodegradable polysaccharide // Macromol.
воды в образце КМХ-Na более чем в 2 раза выше, чем
Symp. 1996. V. 101. N 1. P. 389-396.
в КМХ-Н.
Структура и свойства карбоксиметилхитина в солевой, кислой и смешанной форме
1559
[2]
Tokura S., Tamura H. O-carboxymethyl-chitin
[6]
Tokura S., Nishi N., Tsutsumi A., Somorin O. Studies
concentration in granulocytes during bone repair //
on chitin VIII. Some properties of water soluble chitin
Biomacromolecules. 2001. V. 2. N 2. P. 417-421. https://
derivatives // Polym. J. 1983. V. 15. N 6. P. 485-489.
[3]
Zhao L., Mitomo H., Nagasawa N., Yoshii F., Kume T.
[7]
Aleksandrova V. A., Shirokova L. N. Radiation-chemical
Radiation synthesis and characteristic of the hydrogels
reduction of silver ions in polyelectrolyte matrix-
based on carboxymethylated chitin derivatives //
carboxymethyl chitin // Polym. Sci. Ser. B. 2018. V. 60.
Carbohydr. Polym. 2003. V. 51. N 2. P. 169-175. http://
N 6. P. 727-734.
[4]
Tokura S., Miura Y., Johmen M., Nishi N.,
[8]
Pretsch E., Bühlmann F., Affolter C. Structure
Nishimura S. I. Induction of drug specific antibody and
determination of organic compounds: tables of spectral
the controlled release of drug by 6-O-carboxymethyl-
data. Heidelberg: Springer, 2000. P. 321-322.
chitin // J. Control. Release. 1994. V. 28. N 1-3. P. 235-
[9]
Kittur F. S., Harish Prashanth K. V., Udaya Sankar K.,
Tharanathan R. N. Characterization of chitin, chitosan
[5]
Tokura S., Baba S., Uraki Y., Miura Y., Nishi N.,
and their carboxymethyl derivatives by differential
Hasegawa O. Carboxymethyl-chitin as a drug carrier
scanning calorimetry // Carbohydr. Polym. 2002. V. 49.
of sustained release // Carbohydr. Polym. 1990. V. 13.
N 2. P.185-193.
N 3. P. 273-281.
