1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Высокомолекулярные соединения (серия Б)
  4. T. 62, № 3, 2020

Высокомолекулярные соединения (серия Б), 2020, T. 62, № 3, стр. 210-221

ГИДРОЛИЗ ГИДРОКСИПРОПИЛМЕТИЛЦЕЛЛЮЛОЗЫ ТРИФТОРМЕТАНСУЛЬФОНОВОЙ КИСЛОТОЙ И ПОСЛЕДУЮЩЕЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ МЕТОДОМ СПЕКТРОСКОПИИ ЯМР13С

С. Г. Кострюков a, *, П. С. Петров a, В. А. Калязин a, А. А. Буртасов a, М. К. Пряничникова a, А. А. Однополов a, Е. В. Крайнов a, В. С. Тезикова a

a Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва
430005 Саранск, ул. Большевистская, 68, Россия

* E-mail: kostryukov_sg@mail.ru

Поступила в редакцию 07.10.2019
После доработки 25.12.2019
Принята к публикации 14.01.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Исследован гидролиз трех образцов гидроксипропилметилцеллюлозы с различной степенью полимеризации водными растворами трифторметансульфоновой кислоты с концентрацией 1, 2, 3 и 4% при температуре 80, 90, 100 и 110°С в микроволновом реакторе. Полнота протекания гидролиза оценена спектроскопией ЯМР 13С по исчезновению сигнала ацетального атома углерода. Показано, что наибольшее влияние на скорость гидролиза оказывает концентрация кислоты, повышение температуры влияет не столь сильно, а продолжительность реакции еще меньше. Методом спектроскопии ЯМР 13С найдены параметры замещения по второму, третьему и шестому положению (DSC-2, DSC-3 и DSC-6), определено количество метильных (DSMe) и гидроксипропильных групп (DSHP), рассчитана суммарная степень замещения (DStotal).

ВВЕДЕНИЕ

Гидроксипропилметилцеллюлозу (HPMC) в настоящее время широко применяют в различных отраслях промышленности [1], в частности ее используют в фармацевтических композициях [2–5]. Так, гидроксипропилметилцеллюлоза входит в состав оболочек лекарственных форм. Ценятся такие качества, как растворимость, биосовместимость и биоразлагаемость. Полезными свойствами HPMC оказываются загустевание, поверхностная активность, пленкообразование и способность образовывать гели, плавящиеся при низкой температуре [6].

Производители HPMC, а также других эфиров целлюлозы, как правило, предлагают продукты, имеющие различные параметры замещения, свойства и чистоту. По этой причине основные потребители указанного продукта заинтересованы в создании высокопроизводительных методов определения структурных характеристик HPMC, среди которых выделяются степень замещения (DS) и молекулярное замещение (MS) [7]. Ниже показан фрагмент химического строения HPMC [8]:

В зависимости от параметров этерификации целлюлозы при ее обработке окисью пропилена и метилхлоридом в щелочной среде образуется гидроксипропилметилцеллюлоза с различным распределением заместителей в ангидроглюкозном звене. Представлена общая схема получения HPMC:

В настоящее время для определения параметров замещения в эфирах целлюлозы используют различные аналитические методы [7]. Наиболее часто для структурных параметров эфиров целлюлозы применяют хроматографические методы. Так, авторы работы [9] для анализа HPMC прибегли к пиролизно-газовой хроматографии с полностью автоматизированной процедурой термического гидролиза и метилирования биополимеров, однако результаты анализа имеют полуколичественный характер. В работе [10] три различных образца гидроксипропилметилцеллюлозы были исследованы методом газожидкостной хроматографии–масс-спектрометрии на предмет распределения метильных и гидроксипропильных фрагментов в полимерной цепи. Процедура анализа включала стадии перметилирования, гидролиза и ацетилирования, структурная информация о распределении заместителей в ангидроглюкозных звеньях была получена с помощью масс-спектромерии MALDI-TOF гидролизатов. Для анализа гидроксипропилметилцеллюлозы использовали также метод эксклюзионной хроматографии [11–13], который пригоден для нахождения средней молекулярной массы и молекулярно-массового распределения полимера.

В работах [14, 15] представлены параметры замещения в гидроксипропилметилцеллюлозе посредством ГЖХ–масс-спектрометрии анализа продуктов, полученных после химической обработки эфира целлюлозы, включающей дейтерометилирование, частичную деполимеризацию и восстановительное аминирование с п-аминобензойной кислотой. В результате, были определены общая степень замещения DStotal и степень замещения метильными радикалами DSMe, но распределение заместителей по различным положениям и молекулярное замещение не оценены.

Вместе с тем, для исследования строения эфиров целлюлозы можно с успехом применять спектроскопию ЯМР. Одно из первых исследований по использованию спектроскопии ЯМР 13С для анализа эфиров целлюлозы было проведено в 1977 г. и заключалось в исследовании продуктов частичного и полного кислотного или ферментативного гидролиза метил-, карбоксиметил- и гидроксиэтилцеллюлозы [16]. Показано, что при полном гидролизе эфиров целлюлозы получают наиболее разрешенные спектры ЯМР, на основании которых можно установить распределение заместителей по различным положениям глюкопиранозного цикла. В обзоре [17] обсуждены возможности и ограничения использования спектроскопии ЯМР 13С для исследования строения целлюлозы и ее производных. Авторы работы [18] изучали ди- и триалкилзамещенные производные целлюлозы методом спектроскопии ЯМР 13С в растворе; в работе [19] строение гидроксипропил- и карбоксиметилцеллюлозы было исследовано с помощью спектроскопии ЯМР 13С продуктов гидролиза по гликозидным связям; авторы работ [20–22] оценивали строение гидроксипропилметилцеллюлозы также по продуктам кислотного гидролиза под действием H2SO4, а в работе [23] – по продуктам ферментативного гидролиза гидроксиэтилцеллюлозы. Так, для нахождения параметров замещения в карбоксиметилцеллюлозе (КМЦ) была использована спектроскопия ЯМР 13С продуктов ее кислотного гидролиза [24]. Гидролиз проводили действием H2SO4 или HClO4: в начале образец КМЦ обрабатывали при комнатной температуре кислотами с концентрацией 70%, а затем после разбавления водой – при 120°С в течение 1 ч. С помощью колоночной хроматографии основные продукты гидролиза были выделены в индивидуальном состоянии и использованы в дальнейшем в качестве стандартов в спектроскопии ЯМР анализе реакционных смесей после гидролиза.

С развитием техники твердотельной спектроскопии ЯМР 13С, а именно метода кросс-поляризации под магическим углом (CP MAS), стали активно исследовать и полисахариды. Так, в работе [25] CP MAS спектроскопия ЯМР 13С была применена для определения параметров замещения в метилцеллюлозе. В работе [26] твердотельная спектроскопия ЯМР 13С была распространена и на другие эфиры целлюлозы. Показано [27], что CP MAS спектроскопия ЯМР 13С является полезным методом для анализа твердых форм лекарственных препаратов. В указанной работе методом твердотельной спектроскопии ЯМР 13С изучены наиболее распространенные фармацевтические вспомогательные вещества, используемые в твердых лекарственных формах, в частности лактоза, маннит, сахароза, сорбит, крахмал различного происхождения, микрокристаллическая целлюлоза, гипромеллоза, этилцеллюлоза, метилцеллюлоза, гидроксиэтилцеллюлоза, альгинат натрия. Показано, что CP MAS спектроскопия ЯМР 13С является удобным методом анализа для фармацевтических вспомогательных веществ, только получение более детальной структурной информации в работе [27] не приведено.

В целом, можно утверждать, что наиболее перспективными для анализа полисахаридов считаются методы, включающие предварительную химическую обработку, поскольку при этом возможно получение точной информации о распределении заместителей вдоль полимерной цепи. Кислотный гидролиз для этих целей наиболее приемлем, так как его можно назвать самым простым способом расщепления полисахаридов, однако применение концентрированных растворов кислот может привести к образованию побочных продуктов, например, производных фурфурола. Таким образом, поиск наиболее мягких условий гидролиза является актуальной задачей.

В продолжение исследований [22, 28], в настоящей работе для гидролиза эфиров целлюлозы использован водный раствор СF3SO3H. Трифторметансульфоновая кислота – очень сильная протонная кислота, поэтому ее можно применять в значительно меньшем количестве, чем серную кислоту.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Материалы и методы исследования

В качестве объектов изучения выбрали три образца гидроксипропилметилцеллюлозы, различающиеся вязкостью растворов. Перечень исследованных образцов HPMC и их общие характеристики по заявленным производителями данным представлены в табл. 1. Все образцы по внешнему виду являются мелкодисперсными порошками белого цвета.

Таблица 1.

Общая характеристика исследованных образов гидроксипропилметилцеллюлозы

Образец Вязкость по Хепплеру при 25°С (водный раствор 2%), мПа с Содержание групп, мас. % DS
МеО 2HO–PrO–
I (Headcel 75 HD-400) 0.4 × 103 19.0–24.0 4.0–12.0 1.4 ± 0.2
II (HPMC Asentol-75) 150.0 × 103 19.0–25.0 5.0–13.0 1.5 ± 0.2
III (HPMC Asentol-90) 180.0 × 103 20.0–26.0 6.0–14.0 1.7 ± 0.2

Спектры ЯМР 13С гидролизатов образцов гидроксипропилметилцеллюлозы (I–III) и модельных соединений регистрировали на спектрометре “JEOL JNM-ECX400” (9.39 Т, 100.5 MГц) для растворов в D2O–H2O (50–60 мг вещества в 0.7 мл смеси D2O–H2O в соотношении 9 : 1) на частоте 100.5 МГц с использованием стандартной импульсной последовательности с увеличением времени релаксации Т1 до 5 с без использования эффекта NOE при температуре 40°С. Данные условия регистрации спектров ЯМР выбрали на основании серии экспериментов с различной длительностью импульса, с целью получения одинаковой интенсивности сигналов разных типов атомов углерода стандартных образцов D-глюкозы, метил-β-D-глюкопиранозида и целлобиозы. В качестве реперных сигналов в спектрах использовали сигналы атома углерода в натриевой соли трифторметансульфоновой кислоты, химические сдвиги которого определяли по отношению к сигналам натриевой соли 4,4-диметил-4-силапентан-1-сульфоновой кислоты.

Спектры обрабатывали с помощью программы “ACD/NMR Processor Academic Edition”, Ver. 12.01 и программного пакета Delta 4.3.6.

Гидролиз эфиров целлюлозы

Гидролиз образцов гидроксипропилметилцеллюлозы (I–III) осуществляли по следующей методике. Растворяли 0.10 г эфира целлюлозы в 5 мл раствора трифторметансульфоновой кислоты с концентрацией от 1 до 4% и нагревали в микроволновом реакторе “Monowave-300” (“AntonPaar”) при температуре 80, 90, 100, 110°С в течение 60 или 90 мин. Затем реакционную смесь нейтрализовали NaHCO3 и упаривали в вакууме до полного высыхания. Полученный остаток растворяли в 1 мл D2O, центрифугировали и анализировали с помощью спектроскопии ЯМР 13С.

Контрольный опыт нагревания D-глюкозы в 4%-ном растворе трифторметансульфоновой кислоты при 110°С показал, что глюкоза в этих условиях не претерпевает никаких химических превращений.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

С целью минимизировать ошибку, обусловленную различием интенсивности сигналов атомов углерода различного типа, были определены поправочные коэффициенты на основе спектров ЯМР 13С стандартных образцов D-глюкозы, метил-β-D-глюкопиранозида и целлобиозы [29].

На основе анализа спектров ЯМР 13С продуктов гидролиза образцов HPMC, полученных при разной продолжительности реакций, температуре и концентрации кислоты, найдены оптимальные условия гидролиза. В качестве примера на рис. 1 представлены спектры ЯМР 13С гидролизатов HPMC-II.

Рис. 1.

Спектры ЯМР 13С продуктов кислотно-катализируемого гидролиза HPMC-II в D2O–H2O при разной концентрации CF3SO3H и продолжительности процесса: а – 3% CF3SO3H при 60 (1) и 90 мин (2); б – 4 (1), 3 (2), 2 (3) и 1% CF3SO3H (4) при 90 мин.

Видно, что с увеличением продолжительности гидролиза и концентрации кислоты происходит уменьшение и затем исчезновение сигнала в области ~102.6 м.д., который соответствует ацетальному атому С-1, и соответственно увеличивается интенсивность сигналов в области ~96 и 92 м.д., которые соответствуют β- и α-полуацетальным атомам С-1. Кроме того, наблюдается улучшение соотношения сигнал–шум, вызванное уменьшением вязкости растворов.

Таким образом, полноту протекания гидролиза можно оценить по наличию в спектрах сигнала ацетального атома углерода (~102 м.д.). Содержание моносахаридов в мольных процентах было определено по формуле:

(1)
$\begin{gathered} {\omega } = 100\% -- \\ - \left( {\frac{{{{I}_{{102.00--102.80}}}}}{{{{I}_{{95.68--96.15}}} + {{I}_{{92.06--92.30}}} + {{I}_{{102.00--102.80}}}}} \times 100\% } \right) \\ \end{gathered} $

Здесь и в последующих формулах параметр I обозначает интегральную интенсивность соответствующего спектрального диапазона.

В табл. 2 представлено содержание моносахаридов (ω, мол. %) в зависимости от продолжительности гидролиза, температуры реакции и концентрации трифторметансульфоновой кислоты.

Таблица 2.

Зависимость содержания моносахаридов от концентрации CF3SO3H, продолжительности гидролиза и температуры

Время, мин Т, °C Содержание моносахаридов (ω, мол. %) в образце
I II III
Концентрация CF3SO3H 1%
60 80 5 4 2
90 10 8 7
100 16 12 12
110 23 18 18
90 80 7 7 4
90 12 11 8
100 18 17 15
110 25 22 20
Концентрация CF3SO3H 2%
60 80 10 8 6
90 20 16 14
100 35 30 25
110 65 41 38
90 80 16 11 9
90 28 20 16
100 40 34 30
110 70 49 45
Концентрация CF3SO3H 3%
60 80 20 17 14
90 35 33 30
100 55 49 44
110 85 65 60
90 80 36 25 20
90 55 40 35
100 75 66 58
110 100 94 80
Концентрация CF3SO3H 4%
60 80 45 35 25
90 65 52 48
100 85 77 70
110 100 100 90
90 80 60 45 40
90 80 65 60
100 100 90 83
110 100 100 100

Как видно из табл. 2, повышение температуры реакции с 80 до 110°С при одинаковой продолжительности гидролиза (например, 90 мин для HPMC-III) и концентрации кислоты влечет увеличение содержания моносахаридов для 1-, 2-, 3- и 4%-ного раствора CF3SO3H на 16, 36, 60 и тоже 60% соответственно. Увеличение продолжительности реакции при прочих равных условиях (температура и концентрация) влияет несколько меньше. Так, при 100°С и 3% CF3SO3H для HPMC-II изменение времени реакции с 60 до 90 мин приводит к увеличению содержания моносахаридов только на 17%.

Таким образом, можно сделать вывод, что наибольшее влияние на полноту протекания гидролиза оказывает концентрация трифторметан-сульфоновой кислоты: при ее увеличении с 1 до 4% полимер полностью превращается при температуре реакции 100–110°С.

Сравнивая полученные результаты с выводами работ [22, 28], где для гидролиза применяли серную кислоту, становится очевидным, что использование CF3SO3H имеет целый ряд преимуществ: уменьшение концентрации кислоты, упрощение процедуры обработки реакционной смеси и сокращение времени гидролиза. Высокая каталитическая способность CF3SO3H обусловлена значительно бόльшей ее кислотностью (pKa = –14.7) [29] по сравнению с H2SO4 (pKa1 = –2.8; pKa2 = = 1.92). Наличие в спектре квадруплетного сигнала трифторметильной группы не мешает анализу, так как он находится в другой спектральной области.

Таким образом, найдены оптимальные условия для осуществления полного гидролиза HPMC, продуктами которого являются различным образом замещенные производные глюкозы, образовавшиеся в результате расщепления β-(1–4)-гликозидной связи. С учетом указанных производителями данных по общей степени замещения DS можно предположить, что в глюкопиранозном звене не может быть более двух заместителей одновременно, поэтому в реакционной смеси будут присутствовать в основном ди- и монозамещенные производные глюкозы. Причем конфигурация атома С-1 может соответствовать как α- так и β-формам. Представлены девять производных глюкозы (соединения 1–9), которые могут образоваться при расщеплении HPMC:

В табл. 3 приведены химические сдвиги атомов углерода ожидаемых продуктов (X, Y) гидролиза 1–9, рассчитанные с помощью программы “BIOPSEL” [30]. Алгоритм этой программы значительно превосходит используемые для ЯМР-исследований квантовомеханические подходы как по точности предсказания химических сдвигов ЯМР 13С углеводов в водных растворах, так и по быстродействию [31].

Таблица 3.

Рассчитанные значения сигналов атомов углерода на спектрах ЯМР 13С соединений 1–9

Соеди-нение С-1, м.д. С-2, м.д. С-3, м.д. С-4, м.д. С-5, м.д. С-6, м.д. X, м.д. Y, м.д.
α- β-
1 90.7 96.1 89.3 75.4 72.1 78.8 72.3 59.6 80.5; 68.0; 18.8
2 93.1 97.8 74.7 85.4 69.6 76.1 72.3 59.6 80.5; 68.0; 18.8
3 93.1 97.8 73.4 84.2 69.3 78.4 72.0 57.7 80.7; 67.7; 18.8
4 90.7 97.0 91.2 75.1 72.1 75.5 72.0 57.7 80.7; 67.7; 18.8
5 93.1 97.8 73.5 84.2 69.3 79.1 72.3 59.6 (С-6); – 
                57.7 (С-3)
6 91.1 97.1 91.2 75.1 72.1 78.8 72.3 59.6 (С-6); – 
                57.7 (С-2)
8 91.7 97.1 89.3 75.4 71.8 78.3 60.2 – 80.5; 68.0; 18.8
9 93.1 97.7 73.8 84.4 69.3 77.5 60.2 – 80.5; 68.0; 18.8

Примечание. X – метокси-группа (CH3O), Y – 2-гидроксипропокси-группа (СН3СH(OH)CH2O).

Спектры ЯМР 13С продуктов кислотно-катализируемого гидролиза исследованных образцов HPMC имеют достаточно сложный вид и содержат большое количество сигналов в области 65–100 м.д. (рис. 2).

Рис. 2.

Спектры ЯМР 13С продуктов кислотно-катализируемого гидролиза образцов I (1), II (2) и III (3) в D2O–H2O (3% CF3SO3H, 90 мин, 110°С).

Отнесение сигналов в спектрах ЯМР 13С произведено с использованием расчетных данных (табл. 3). Так, сигналы в области ~96 м.д. во всех спектрах соответствуют β-полуацетальным атомам углерода, тогда как сигналы α-полуацетальных углеродных атомов находятся в области ~92 м.д. Химические сдвиги атомов С-2 и С-3, имеющих замещенный гидроксил, значительно отличаются от аналогичных атомов с незамещенной гидрокси-группой. Химические сдвиги атомов С-4 и С-5 не сильно разнятся для типов производных и находятся в области 69–72 и 75–80 м.д. соответственно. Химический сдвиг атома С-6 достаточно сильно зависит как от присутствия заместителя при группе ОН, так и от его природы. Химический сдвиг углеродного атома метокси-группы лежит в области 57–59 м.д. Атомы углерода гидроксипропильного фрагмента значительно отличаются между собой: ~80 м.д. (СН–ОН), 68–69 м.д. (О–СН2) и ~18 м.д. (СН3).

На рис. 3а показаны фрагменты спектров ЯМР 13С гидролизатов образцов гидроксипропилметилцеллюлозы (I–III) в диапазоне химических сдвигов от 80 до 104 м.д. (CF3SO3H 4%, 110°С, 90 мин).

Рис. 3.

Фрагменты спектров ЯМР 13С гидролизатов образцов I (1), II (2) и III (3) в диапазоне 84–99 (а), 56–76 (б) и 9–25 м.д. (в).

Степень замещения гидроксила в положении С-2 (DSC-2) можно вычислить как отношение интегральной интенсивности сигнала С-2 при наличии замещенной гидроксильной группы (~89 м.д.) к суммарной интенсивности всех сигналов, принадлежащих полуацетальным атомам углерода:

(2)
${\text{D}}{{{\text{S}}}^{{{\text{C}}--2}}} = \frac{{{{I}_{{89.30--89.70}}}}}{{{{I}_{{95.68--96.15}}} + {{I}_{{92.06--92.30}}}}}$

Степень замещения гидроксила в положении С-3 (DSC-3) можно вычислить как отношение интегральной интенсивности сигнала С-3 при наличии замещенной гидроксильной группы (~84.8–85.5 м.д.) к суммарной интенсивности всех сигналов, принадлежащих полуацетальным атомам:

(3)
${\text{D}}{{{\text{S}}}^{{{\text{C}}--3}}} = \frac{{{{I}_{{84.80--85.50}}}}}{{{{I}_{{95.68--96.15}}} + {{I}_{{92.06--92.30}}}}}$

На рис. 3б представлены участки спектров ЯМР 13С гидролизатов образцов HPMC в диапазоне химических сдвигов от 56 до 76 м.д., которые содержат сигналы атомов углерода метоксильного и гидроксипропильного фрагментов и атомов С-6, С-5 с частичным вкладом атомов С-2 и С-3.

Степень замещения гидроксила при атоме С-6 (DSC-6) в HPMC можно установить, сравнивая интенсивность сигналов незамещенного и замещенного атома углерода C-6, химические сдвиги которых достаточно сильно отличаются. Сигналам незамещенных атомов С-6 принадлежит химический сдвиг 59.5–61.0 м.д., а сигналы замещенного атома С-6 имеют химический сдвиг 69–70 м.д., таким образом степень замещения DSC-6 вычисляется согласно формуле:

(4)
${\text{D}}{{{\text{S}}}^{{{\text{C}}--6}}} = \frac{{{{I}_{{68.80--70.26}}}}}{{{{I}_{{68.80--70.26}}} + {{I}_{{59.45--61.05}}}}}$

Общая степень замещения для всех образцов HPMC (DStotal) – это сумма степеней замещения гидроксильных групп по атомам С-2, С-3 и С-6:

(5)
${\text{D}}{{{\text{S}}}^{{total}}} = {\text{D}}{{{\text{S}}}^{{{\text{C}}--2}}} + {\text{D}}{{{\text{S}}}^{{{\text{C}}--3}}} + {\text{D}}{{{\text{S}}}^{{{\text{C}}--6}}}$

Общая степень замещения гидроксилов метильными радикалами (DSMe) представляет собой отношение суммарной интенсивности всех сигналов, принадлежащих метоксильным группам 57.5–59.2 м.д., к суммарной интенсивности полуацетальных атомов углерода:

(6)
${\text{D}}{{{\text{S}}}^{{{\text{Me}}}}} = ~\frac{{{{I}_{{57.6--59.0}}}}}{{{{I}_{{95.7--96.2}}} + {{I}_{{92.0--92.3}}}}}$

Однако следует учитывать возможность замещения гидроксила в гидроксипропильном фрагменте, которое может привести к образованию эфира целлюлозы:

Для установления количества метильных групп, введенных в гидроксипропильный фрагмент, необходимо рассчитать общее замещение гидроксипропильными фрагментами глюкопиранозного звена (DSHP), а затем по формуле (7) найти указанный параметр:

(7)
${\text{DS}}_{{{\text{HP}}}}^{{{\text{Me}}}} = {\text{D}}{{{\text{S}}}^{{{\text{Me}}}}}--({\text{D}}{{{\text{S}}}^{{total}}}--{\text{D}}{{{\text{S}}}^{{{\text{HP}}}}})$

Так как химические сдвиги атомов углерода метильных радикалов гидроксипропильных фрагментов сильно отличаются от других сигналов (внутренние 15.0–15.5 м.д. и внешние 18.0–18.5 м.д., отвечающие группам СН3; рис. 3в), то степень замещения глюкопиранозного звена гидроксипропильными звеньями (DSHP) проще определить по формуле (8) как отношение интенсивности внешних метильных радикалов к интенсивности всех полуацетальных атомов углерода:

(8)
${\text{DS}}_{1}^{{{\text{HP}}}} = \frac{{{{I}_{{18.0--18.5}}}}}{{{{I}_{{95.7--96.2}}} + {{I}_{{92.0--92.3}}}}}$

Другой вариант расчета DSHP – разность между суммарной степенью замещения DStotal и степенью замещения метильными радикалами DSMe:

(9)
${\text{DS}}_{2}^{{{\text{HP}}}} = {\text{D}}{{{\text{S}}}^{{total}}}--{\text{D}}{{{\text{S}}}^{{{\text{Me}}}}}$

Совпадение результатов, полученных по формулам (8) и (9) свидетельствует о корректности вычислений.

Тогда степень замещения метильными радикалами гидроксипропильного может быть вычислена, исходя из следующих соображений: если общая степень замещения метоксильными группами, вычисленная по формуле (5), будет больше, чем значение разности DStotal– DSHP, то имеет место дополнительное замещение в гидроксипропильном фрагменте на метильный радикал, которое можно количественно оценить по формуле:

(10)
${\text{DS}}_{{{\text{HP}}}}^{{{\text{Me}}}} = {\text{D}}{{{\text{S}}}^{{{\text{Me}}}}}--({\text{D}}{{{\text{S}}}^{{total}}}--{\text{D}}{{{\text{S}}}^{{{\text{HP}}}}})$

Молекулярное замещение MSHP можно определить, анализируя спектральную область 15–19 м.д., где присутствуют две группы сигналов, отвечающих внутренним (15.0–15.5 м.д.) и внешним (18.0–18.5 м.д.) группам CH3 гидроксипропильных фрагментов (рис. 3в). Таким образом, MSHP вычисляется по формуле (11) как отношение суммарной интенсивности метильных групп гидроксипропильных фрагментов к суммарной интенсивности полуацетальных атомов углерода:

(11)
${\text{MS}}_{1}^{{{\text{HP}}}} = \frac{{{{I}_{{15.0--15.5}}} + {{I}_{{18.0--18.5}}}}}{{{{I}_{{95.7--96.2}}} + {{I}_{{92.0--92.3}}}}}$

Кроме того, MSHP можно найти по формуле (12) как отношение суммарной интенсивности всех метиновых атомов углерода гидроксипропильных фрагментов (80–81 м.д.) к суммарной интенсивности полуацетальных атомов углерода:

(12)
${\text{MS}}_{2}^{{{\text{HP}}}} = \frac{{{{I}_{{80.0--81.0}}}}}{{{{I}_{{95.7--96.2}}} + {{I}_{{92.0--92.3}}}}}$

Совпадение результатов, полученных по формулам (11) и (12), свидетельствует о корректности вычислений.

С целью минимизации погрешности измерений интегральных интенсивностей для каждого образца HPMC (I–III) регистрировали спектры трех растворов близкой концентрации. Значения интегральных интенсивностей для сигналов в каждом спектре измеряли стандартным способом с использованием алгоритмов интегрирования изолированных и совмещенных сигналов, заложенных в программный пакет Delta 4.3.6. Результаты измерений обрабатывали стандартным методом математической статистики (табл. 4).

Таблица 4.

Результаты вычислений параметров замещения в гидроксипропилметилцеллюлозе (I–III)

Параметр замещения Значения параметров для образца
I II III
${\text{МS}}_{1}^{{{\text{HP}}}}$ 0.30 ± 0.01 0.35 ± 0.01 0.40 ± 0.01
${\text{МS}}_{2}^{{{\text{HP}}}}$ 0.29 ± 0.01 0.34 ± 0.01 0.38 ± 0.01
${\text{DS}}_{{{\text{HP}}}}^{{{\text{Me}}}}$ 0.01 ± 0.02 0.03 ± 0.02 0.01 ± 0.02
${\text{D}}{{{\text{S}}}^{{{\text{Me}}}}}$ 1.23 ± 0.01 1.33 ± 0.01 1.53 ± 0.01
${\text{DS}}_{1}^{{{\text{HP}}}}$ 0.15 ± 0.02 0.19 ± 0.01 0.25 ± 0.02
${\text{DS}}_{2}^{{{\text{HP}}}}$ 0.16 ± 0.02 0.20 ± 0.02 0.26 ± 0.02
${\text{D}}{{{\text{S}}}^{{total}}}$ 1.38 ± 0.01 1.50 ± 0.01 1.78 ± 0.01
${\text{D}}{{{\text{S}}}^{{{\text{C}}--6}}}$ 0.69 ± 0.01 0.71 ± 0.01 0.89 ± 0.01
${\text{D}}{{{\text{S}}}^{{{\text{C}}--3}}}$ 0.11 ± 0.02 0.13 ± 0.02 0.15 ± 0.02
${\text{D}}{{{\text{S}}}^{{{\text{C}}--2}}}$ 0.55 ± 0.01 0.65 ± 0.01 0.75 ± 0.01

Из данных табл. 4 видно, что степень замещения гидроксильных групп по различным положениям глюкопиранозного звена неодинаковая и увеличивается в ряду DSC-3 < DSC-2 < DSC-6, свидетельствуя об увеличении реакционной способности указанных групп в реакции целлюлозы с метилхлоридом и пропиленоксидом в аналогичной последовательности. Обнаружено отсутствие замещения групп ОН гидроксипропильных фрагментов, что связано более низкой реакционной способностью вторичного гидроксила. Полнота протекания гидролиза изменяется в ряду I > II > III, что находится в прямой зависимости от вязкости водных растворов данных эфиров (см. табл. 1). Этот результат можно объяснить тем, что в данном ряду происходит повышение степени полимеризации, о чем свидетельствует увеличение вязкости водных растворов HPMC. Таким образом, при исследовании процесса гидролиза можно составить качественную оценку степени полимеризации эфиров целлюлозы однотипного строения. Полученные значения степени замещения исследованных эфиров целлюлозы хорошо согласуются со значениями, указанными производителем. Значит, трифторметансульфоновая кислота является эффективным катализатором гидролиза HPMC, а по продуктам гидролиза с помощью спектроскопии ЯМР 13С можно собрать сведения о распределении заместителей по положениям С-2, С-3 и С-6 глюкопиранозного звена, степени замещения и степени полимеризации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследован гидролиз гидроксипропилметилцеллюлозы под действием CF3SO3H, найдены оптимальные концентрация, температура и время гидролиза, приводящие к полной конверсии полимера в мономер. Обнаружено, что на гидролиз HPMC оказывают влияние концентрация кислоты, температура и продолжительность реакции. Так, при проведении реакции в микроволновом реакторе с использованием 4%-ного раствора CF3SO3H при температуре 110°С и времени реакции 1 ч исследованные эфиры целлюлозы полностью гидролизуются. На примере трех различных образцов НРМС по продуктам гидролиза определены параметры замещения по второму, третьему и шестому положению ангидроглюкозного звена, определено общее количество метильных и гидроксипропильных групп, рассчитана суммарная степень замещения. Показано, что наиболее реакционноспособными положениями являются С-6 и С-2. Таким образом, учитывая важность распределения заместителей в полимерной цепи, общей степени замещения и степени полимеризации как наиболее значимых показателей для эфиров целлюлозы, в настоящей работе предложен универсальный и достаточно точный метод определения этих ключевых параметров.

Список литературы

  1. Кряжев В.Н., Широков В.А. // Химия растительного сырья. 2005. № 3. С. 7.

  2. Kaialy W., Al Shafiee M. // Adv. Coll. Int. Sci. 2016. V. 228. P. 71.

  3. Jedinger N., Khinast J., Roblegg E. // Eur. J. Pharm. Biopharm. 2014. V. 87. № 2. P. 217.

  4. Cole E.T., Cadé D., Benameur H. // Adv. Drug Deliv. Rev. 2008. V. 60. № 6. P. 747.

  5. Del Gaudio P., Russo P., Dorado R.R., Sansone F., Mencherini T., Gasparri F., Aquino R.P. // Carbohydr. Polym. 2017. V. 165. P. 22.

  6. Cespi M., Bonacucina G., Mencarelli G., Casettari L., Palmieri G.F. // Eur. J. Pharm. Biopharm. 2011. V. 79. № 2. P. 458.

  7. Mischnick P., Momcilovic D. // Adv. Carbohydr. Chem. Biochem. 2010. V. 64. P. 117.

  8. Wypych G. HPMC Hydroxypropyl Methylcellulose. Handbook of Polymers. Toronto: ChemTec Publ., 2016. P. 166.

  9. Kaal E., Koning S., Brudin S., Janssen H.-G. // J. Chromatogr. A. 2008. V. 1201. № 2. P. 169.

  10. Adden R., Müller R., Mischnick P. // Cellulose. 2006. V. 13. № 4. P. 459.

  11. Li Y., Shen H., Lyons J.W., Sammler R.L., Brackhagen M., Meunier D.M. // Carbohydr. Polym. 2016. V. 138. P. 290.

  12. Chen R. // Int. J. Polym. Anal. Characteriz. 2009. V. 14. № 7. P. 617.

  13. Deshmukh B., Harfmann R.G., Conklin J., Turowski M., Lync S. // Food Chem. 2007. V. 104. № 2. P. 852.

  14. Cuers J.A., Rinken M.B., Adden R.C., Mischnick P. // Anal. Bioanal. Chem. 2013. V. 405. № 28. P. 9021.

  15. Adden R., Niedner W., Müller R., Mischnick P. // Anal. Chem. 2006. V. 78. № 4. P. 1146.

  16. Parfondry A., Perlin A.S. // Carbohydr. Res. 1977. V. 57. P. 39.

  17. Nehls I., Wagenknecht W., Philipp B., Stscherbina D. // Progr. Polym. Sci. 1994. V. 19. № 1. P. 29.

  18. Sachinvala N.N.D., Winsor D.L., Niemczura W.P., Maskos K., Vigo T.L., Bertoniere N.R. // ACS Symp. Ser. 2002. V. 834. P. 306.

  19. Kunze J., Ebert A., Fink H.P. // Cell. Chem. Technol. 2000. V. 34. № 1–2. P. 21.

  20. Brogly M., Fahs A., Bistac S. // ARPN J. Eng. Appl. Sci. 2016. V. 11. № 11. P. 7188.

  21. Арасланкин С.В., Кострюков С.Г., Петров П.С. // Вестн. Пермского ун-та. Сер. Хим. 2018. Т. 8. № 1. С. 54.

  22. Арасланкин С.В., Калязин В.А., Кострюков С.Г., Петров П.С. // Химия растительного сырья. 2019. № 1. С. 51.

  23. Martínez-Richa A. // Carbohydr. Polym. 2012. V. 87. № 3. P. 2129.

  24. Saake B., Horner S., Puls J., Heinze T., Koch W. // Cellulose. 2001. V. 8. № 1. P. 59.

  25. Karrasch A., Jäger C., Saake B., Potthast A., Rosenau T. // Cellulose. 2009. № 16. P. 1159.

  26. Кострюков С.Г., Арасланкин С.В., Петров П.С. // Химия растительного сырья. 2017. № 4. С. 31.

  27. Pisklak M., Zielińska-Pisklak M., Szeleszczuk Ł., Wawer I. // J. Pharm. Biomed. Anal. 2016. V. 122. P. 81.

  28. Кострюков С.Г., Арасланкин С.В., Петров П.С., Калязин В.А., Аль-Рубайе А.А.И. // Изв. вуз. Сер. Хим. и хим. технол. 2019. Т. 62. № 8. С. 102.

  29. Trummal A., Lipping L., Kaljurand I., Koppel I.A., Leito I. // J. Phys. Chem. A. 2016. V. 120. № 20. P. 3663.

  30. https://toukach.ru/files/biopsel.zip

  31. Toukach F.V., Ananikov V.P. // Chem. Soc. Rev. 2013. V. 42. P. 8376.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Высокомолекулярные соединения (серия Б)

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал