Способ получения карбоксиэтилхитозана

Способ получения карбоксиэтилхитозана

Реферат

Изобретение относится к синтезу карбоксиалкильных производных полисахаридов, а именно к способу получения карбоксиэтилхитозана (КЭХ). Эти соединения находят широкое применение как компоненты косметических средств (кремы, шампуни, лосьоны, гели, пудры и т.д.), фармакологических продуктов (эмульгаторы, солюбилизаторы, пленкообразователи, гидротропы, инкапсуляторы) и как самостоятельные медицинские препараты.

Известны способы получения КЭХ путем взаимодействия хитозана с производными пропионовой кислоты. КЭХ получают при реакции хитозана с 3-бромпропионовой кислотой в водно-пиридиновом растворе (J. Cosmet. Sci. 1999, 50, 307-313) или с 3-галопропионовыми кислотами в присутствии бикарбоната натрия (Carbohydrate research 2003, 338, №3, 271-276).

КЭХ также получают путем присоединения к хитозану акриловой кислоты и ее производных в водно-метанольном растворе (Macromol. Chem. Phys. 2000, 201, 1701-1708). Известно присоединение к хитозану метилакрилата с последующим гидролизом сложноэфирной группы (Macromol Biosci. 2003, 3, 231-233).

Общими недостатками упомянутых выше способов являются использование 3-6 кратных мольных количеств карбоксиэтилирующих реагентов по отношению к хитозану и осуществление реакции в сильно разбавленных растворах этих реагентов (область концентраций 0,5 - 1,5%). Данные обстоятельства обуславливают неэкономичное использование реагентов и растворителя, а также технологические неудобства, так как из-за больших объемов используемых веществ неэффективно используется оборудование.

Наиболее близким к заявляемому является способ получения КЭХ путем нагревания при 75°С в течение 24 часов хитозана с акриловой кислотой в воде при концентрации акриловой кислоты 0,34-2,7% и соотношении акриловая кислота:хитозан = 1,3:1, с последующей обработкой реакционной смеси едким натром и выделением продукта осаждением (JP 2002308901).

Недостатком способа является использование сильно разбавленных растворов, что приводит к увеличению размеров используемых реакторов и другой техники и к большому расходу растворителей как для проведения реакции, так и для осаждения продукта, и незначительный выход продукта в расчете на единицу загружаемого объема. Кроме того, полученный продукт имеет недостаточную степень присоединения 0,63-0,70 (доля структурных звеньев карбоксиэтил-D-глюкозамина по отношению ко всем звеньям полимерной цепи). Однако, как известно, одной из задач химического модифицирования хитозана является увеличение гидрофильных свойств полимера. Поэтому при любом модифицировании гидрофильными группами, в частности карбоксиэтильными, следует стремиться к достижению большей степени замещения. Этот показатель сильно влияет на растворимость полимера в воде, на уникальные свойства влагоудержания, что важно при использовании продукта модифицирования в косметологии, фармакологии, медицине.

Задачей предлагаемого изобретения является создание экономичного способа получения КЭХ, позволяющего достигнуть большой степени присоединения акриловой кислоты к хитозану.

Поставленная задача решается способом получения КЭХ, заключающемся во взаимодействии хитозана с водным раствором акриловой кислоты при концентрации акриловой кислоты 10-20% и мольном соотношении акриловая кислота:хитозан = 1:1-2:1 при комнатной температуре до образования геля, последующем нагревании при 50-70°С в течение 12-24 часов, обработке охлажденной реакционной массы водным раствором гидроксида калия, высаживании ацетоном и последующей сушке продукта. Предлагаемый способ прост в осуществлении и реализуется смешением реагентов с последующим нагреванием.

Увеличение концентрации акриловой кислоты по сравнению с прототипом и предварительное выдерживание реакционной массы при комнатной температуре приводят к образованию геля, что позволяет получить продукт с большей степенью присоединения - от 0,7 до 1,1. Способ позволяет использовать хитозан с большой молекулярной массой, поскольку образующийся гель не требует перемешивания. При осуществлении реакции в растворах при использовании хитозанов с большой молекулярной массой образуются растворы с высокой вязкостью, что в значительной степени затрудняет перемешивание. Рекомендуемые условия реакции установлены опытным путем, а также определяются изложенными ниже представлениями о процессе. Ниже 50°С степень присоединения существенно снижается, а при температурах больше 70°С заметно понижается молекулярная масса благодаря процессам деструкции полимерной цепи. Проведение модифицирования меньше 12 часов не эффективно, т.к. степень присоединения низкая, а больше 24 часов - не проводит к повышению степени присоединения выше 1,1. Данный способ позволяет снижать расход растворителей как в процессе модифицирования, так и в процессе выделения продукта, сокращать загружаемый объем в 10-20 раз (в расчете на единицу массы продукта), следовательно, более эффективно использовать оборудование.

Предлагаемое технологическое решение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1

Смесь 3,3 г (0.02 моль) хитозана (степень ацетилирования 0,09, молекулярная масса 5·10⁵ г/моль), 2,7 мл (0.04 моль) акриловой кислоты в 11 мл воды (концентрация акриловой кислоты 20%) выдерживают при комнатной температуре до образования геля. Гель нагревают при температуре 70°С в течение 12 часов, охлаждают, добавляют 80 мл 2.8% водного гидроксида калия. Продукт высаживают ацетоном и сушат при 25°С в вакууме до постоянного веса, выход - 5,4 г, степень присоединения по аминогруппе согласно данным ПМР - 1.08.

Пример 2

Смесь 6,6 г (0.04 моль) хитозана (степень ацетилирования 0,16, молекулярная масса 2·10⁴ г/моль), 5,4 мл (0.08 моль) акриловой кислоты в 22 мл воды (концентрация акриловой кислоты 20%) выдерживают при комнатной температуре до образования геля. Гель нагревают при температуре 70°С в течение 12 часов, охлаждают, добавляют 160 мл 2,8% водного гидроксида калия. Продукт высаживают ацетоном и сушат при 25°С в вакууме до постоянного веса, выход - 9,8 г, степень присоединения согласно данным ПМР - 1.02.

Примеры 3-8

Методика последующих опытов соответствует примеру 1. В примерах 3-8 использовали хитозан со степенью ацетилирования 0,18 и молекулярной массой 7·10⁵ г/моль. Условия реакции и характеристики полученных продуктов представлены в таблице.

Таблица.
Условия реакции получения и характеристики КЭХ.
№	хитозан, г	акриловая к-та, мл	вода, мл	концентрация ак. к., %	соотношение ак. к-та: хитозан	температура, °С	время, ч	выход КЭХ, г	степень присоединения
3	3,3	2,7	11	20	2:1	50	24	4,8	0,89
4	3,3	1,4	12,3	10	1:1	60	24	4,2	0,67
5	4,9	4,1	16,5	20	2:1	60	24	6,9	0,81
6	3,3	2,7	11	20	2:1	70	18	5	1,0
7	3,3	2,7	11	20	2:1	70	12	4,8	0,9
8	7,9	3,4	29,5	10	1:1	70	12	10,6	0,69

Способ получения карбоксиэтилхитозана взаимодействием хитозана с водным раствором акриловой кислоты при мольном соотношении акриловая кислота: хитозан = 1:1-2:1 при нагревании, обработкой гидроксидом калия, высаживанием ацетоном и высушиванием продукта, отличающийся тем, что используют 10-20%-ный водный раствор акриловой кислоты, смесь исходных реагентов предварительно выдерживают при комнатной температуре до образования геля, нагревание ведут при 50-70°С в течение 12-24 ч.