Способ определения степени дезацетилирования хитозана

Способ определения степени дезацетилирования хитозана

Реферат

Изобретение относится к методам анализа биополимеров, конкретно, к способу определения степени дезацетилирования хитозана химическим (весовым) методом, предусматривающим использование в качестве весовой формы малорастворимого соединения хитозана.

Степень дезацетилирования (СДА) является одним из наиболее важных химических параметров, характеризующих хитозан, полученный в результате процесса дезацетилирования и характеризующий состав макромолекулярной цепи биополимеров - хитозана. Значения СДА влияют на такие свойства хитозана, как растворимость в водно-кислых средах, набухание в воде, способность к биодеградации, и определяют характер биологической активности хитозана. Перечисленные свойства хитозана обуславливают потенциальную возможность его применения в различных сферах человеческой деятельности (Рашидова С.Ш., Милушева Р.Ю., Воропаева Н.Л., Рубан И.Н. Хитозан различной степени дезацетилирования. Всероссийская конференция «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья». Материалы II Всероссийской конференции. 21-22 апреля 2005 г. / Под ред. Н.Г.Базарновой, В.И.Маркина. Барнаул: Изд-во Алт. Ун-та, 2005. Книга I. - 372).

Известно, что хитозан C₆O₄H₉NH₂ как основание, за счет наличия в его составе аминогруппы, способен протонироваться при взаимодействии с кислотами с образованием однозарядного катиона хитозания C₆O₄H₉NH₃ ⁺, образующего растворимые и нерастворимые в воде соли (Хитин и хитозан: получение, свойства и применение. / Под ред. К.Г.Скрябина, Г.А.Вихоревой, В.П.Варламова. - М.: Наука, 2002. 366 С.).

Растворимые соли хитозана получают взаимодействием хитозана с соответствующими кислотами, взятыми в стехиометрическом соотношении согласно следующему уравнению реакции:

где А - СН₃СОО^-, Cl^-, NO₃ ^- и другие.

Образовавшийся в результате взаимодействия исходных веществ раствор выпаривают досуха и получают в твердом остатке соль хитозана.

Нерастворимые соли, например сульфат хитозана, получают взаимодействием раствора, содержащего растворимую соль хитозана, с раствором, содержащим сульфат-анион, взятыми в стехиометрическом соотношении согласно следующему уравнению реакции:

где А - анион.

Выпавший осадок сульфата хитозана отфильтровывают, промывают водой и сушат.

Известные соли хитозана малопригодны для химического (весового) метода определения степени дезацетилирования хитозана, т.к. в определенной мере они все-таки водорастворимы. При отмывке их водой от избытка осадителя и побочных продуктов обменной реакции (2) имеет место частичное растворение с вымыванием солей хитозана и, соответственно, искажение результатов определения степени дезацетилирования (СДА) хитозана. Это вызывает необходимость разработки весового метода определения СДА хитозана, основанного на использовании малорастворимой соли хитозана, переведенной в устойчивую весовую форму.

Определение степени дезацетилирования хитозана может быть осуществлено различными методами.

Так, известны способы определения степени дезацетилирования хитозана, в которых рассчитывают соотношение амино- и ацето-групп хитозана по ИК-спектру твердого образца хитозана (Горяйнов А.Г., Горяйнов Г.И. К вопросу об использовании в качестве экспресс-метода при определении СД хитина инфракрасной Фурье-спектроскопии. // Тез. докл. девятой международной конференции «Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана». Ставрополь 2008. М.: ВНИРО. 2008. С.121-122).

Недостатком способа является невысокая точность определения (ошибка порядка 25-30%).

Описано использование методов кондуктометрического и потенциометрического титрования в процессах дезацетилирования хитина (пат. №2043995, опубл. 20.09.1995).

Известно также использование для определения степени дезацетилирования хитозана температурно-программированной десорбционной масс-спектрометрии (Бородавка Т.В., Кулик Т.В., Паляница Б.Б. Применение температурно-программированной десорбционной масс-спектрометрии для определения степени дезацетилирования хитозана. Ж-л Масс-спектрометрия. 2009 г. Т.6. №3, с.233-237).

Преимущества инструментальных методов анализа заключаются в быстроте и достаточно высокой точности определения СДА хитозана.

К недостаткам этих методов можно отнести необходимость использования приборной базы, не всегда доступной для малых и средних научно-производственных предприятий.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является химический (весовой) способ определения степени дезацетилирования хитозана с использованием в качестве весовой формы сульфата хитозания (Хитин и хитозан: получение, свойства и применение. / Под ред. К.Г.Скрябина, Г.А.Вихоревой, В.П.Варламова. - М.: Наука, 2002. 366 С.).

Способ осуществляют следующим образом. Точную навеску хитозана растворяют в кислоте (уксусная, соляная, азотная), в которой он образует хорошо растворимые соли. К полученному раствору хитозановой соли, содержащему хитозан с определяемой степенью дезацетилирования, прибавляют раствор, содержащий избыток сульфат-аниона по отношению к катиону хитозания по сравнению со стехиометрией реакции (2). Образовавшийся осадок сульфата хитозания отфильтровывают на предварительно взвешенном стеклянном пористом фильтре, промывают и сушат до постоянного веса. По привесу рассчитывают приведенную молекулярную массу мономерного звена хитозана, а из нее - степень дезацетилирования по формулам:

где

А - масса исходной навески хитозана,

В - масса осадка сульфата хитозания,

M.м. (H₂SO₄)- молекулярная масса серной кислоты,

ПМ.м. - приведенная молекулярная масса мономерного звена хитозана, степень дезацетилирования которого определяется,

XT - хитин,

ХЗ - хитозан.

Недостатком данного способа является сложность достижения точности определения степени дезацетилирования хитозана, обусловленная следующим.

При осуществлении способа определения СДА хитозана с использованием в качестве весовой формы сульфата хитозания требуется очень тщательная отмывка осадка малорастворимой соли хитозана от избытка осадителя (сульфат-анионов) и образовавшихся побочных продуктов обменной реакции. При недостаточной отмывке имеет место завышение молекулярной массы мономера хитозана и, соответственно, занижение степени его дезацетилирования. При использовании неограниченно большого объема промывной воды, из-за остаточной растворимости сульфата хитозания часть осадка теряется. Это приводит к занижению молекулярной массы мономера хитозана и к завышению степени дезацетилирования. Особенно этот недостаток присущ хитозану с невысокой степенью полимеризации, т.к. повышается растворимость сульфата хитозана.

Задачей изобретения является разработка способа определения степени дезацетилирования хитозана, устраняющего указанные недостатки наиболее близкого аналога, за счет использования в качестве весовой формы малорастворимой соли хитозана - хромата хитозания состава (C₆O₄H₉NH₃)₂CrO₄.

Данное соединение, его свойства и возможность использования в способе определения степени дезацетилирования хитозана в доступных заявителю источниках информации ранее описаны не были.

Хромат хитозания получают взаимодействием растворимых солей хитозания с хроматами металлов, взятыми в отношении 2 моля катиона хитозания на 1 моль хромат-аниона или с бихроматами металлов в отношении 4 моля катиона хитозания на 1 моль бихромат-аниона, с последующими отделением образовавшегося целевого продукта фильтрованием или центрифугированием в твердом виде, отмывкой от избытка исходных реагентов и побочных продуктов реакции и сушкой при температуре не выше 150°С.

В результате проведенных исследований взаимодействия хитозана с анионами CrO₄ ^2- и Cr₂O₇ ^2- установлено, что в обоих случаях с высоким выходом идет образование нерастворимого в воде хромата хитозания согласно следующим уравнениям реакций:

Свойство хромата хитозания при сгорании давать в твердом остатке оксид хрома, а также подтвержденный атомно-абсорбционным методом анализа раствора Cr₂O₃ в серной кислоте (на спектрофотометре АА-780) факт количественного перехода хромат-анионов в оксид хрома, позволяют использовать хромат хитозания в способе определения степени дезацетилирования хитозана химическим (весовым) методом.

Заявляемый способ определения степени дезацетилирования хитозана осуществляют следующим образом. В качестве весовой формы малорастворимого соединения хитозана используют хромат хитозания, при этом берут определенную навеску предварительно очищенного от посторонних примесей и доведенного до постоянного веса хромата хитозания, которую далее количественно переводят в устойчивую весовую форму термообработкой на воздухе при температуре 800-900°С с образованием оксида хрома Cr₂O₃, затем определяют массу образовавшегося оксида хрома, по значению которой рассчитывают содержание хромовой кислоты в исходной навеске хромата хитозания, а степень дезацетилирования хитозана рассчитывают по следующим формулам:

где

А - масса исходной навески сжигаемого хромата хитозания,

В - масса образовавшегося оксида хрома,

С - содержание хромовой кислоты в исходной навеске хромата хитозания,

D - содержание хитозана в навеске хромата хитозания,

М.м. - молекулярная масса соответствующего соединения (указано в скобках),

ПМ.м. - приведенная молекулярная масса мономерного звена хитозана, степень дезацетилирования которого определяется,

XT - хитин,

ХЗ - хитозан.

Предлагаемый способ определения степени дезацетилирования хитозана с использованием в качестве весовой формы нового химического соединения - хромата хитозания, обеспечивает повышение точности определения СДА и одновременно расширяет круг химических методов указанного назначения, что и является техническим результатом заявляемого изобретения.

Возможность осуществления изобретения подтверждается следующими примерами.

Пример 1. В качестве исходного хитозана используют продукт производства ООО «Биополимеры» (г.Партизанок Приморского края) по ТУ 9283-174-200472012-03 со степенью дезацетилирования 75,0%, имеющий следующий элементный состав, масс. %: С - 45,5; Н - 6,8; N - 8,1; О - 39,6. Это соответствует брутто-формуле C_6,5O_4,25H_9,5NH₂ и приведенной молекулярной массе мономерного звена хитозана 171,71 у.а.е.

0,15365 г (0,89 мг-моль) хитозана растворяют в 100 мл 0,2%-ного раствора уксусной кислоты, содержащего 0,2 г (3,33 мг-моль) СН₃СООН, что соответствует заметному избытку кислоты, в результате чего получают 0,20625 г (0,89 мг-моль) ацетата хитозания С_6,5O_4,25Н_9,5NH₃CH₃COO. Раствор ацетата хитозания фильтруют от механических примесей и добавляют к нему при перемешивании 50 мл раствора хромата натрия, содержащего 0,08505 г (0,52 мг-моль) Na₂CrO₄, что соответствует небольшому избытку хромата по сравнению со стехиометрией реакции (3). Образовавшийся осадок хромата хитозания (С_6,5O_4,25Н_9,5NH₃)₂CrO₄ выделяют из раствора фильтрованием, промывают водой до исчезновения в промывных водах ионов Na⁺ и сушат при температуре 105°С до постоянного веса. Часть подготовленного таким образом (С_6,5O_4,25Н_9,5NH₃)₂CrO₄ в количестве 0,24600 г сжигают в предварительно взвешенном фарфоровом тигле на воздухе при температуре 800°С. Получают 0,04055 г оксида хрома Cr₂O₃. Степень дезацетилирования, рассчитанная по уравнениям 7-10, составляет 75,5%. Абсолютная погрешность определения составляет 0,5%, относительная - 0,7%, что находится в пределах точности методов весового анализа.

Пример 2. 0,16535 г (0,96 мг-моль) хитозана растворят в 100 мл 0,2%-ного раствора уксусной кислоты и получают 0,22250 г (0,96 мг-моль) С_6,5O_4,25Н_9,5NH₃CH₃COO, как подробно описано в примере 1. К полученному раствору добавляют 50 мл раствора бихромата калия, содержащего 0,08875 г (0,30 мг-моль) K₂Cr₂O₇, что соответствует его небольшому избытку по сравнению со стехиометрией реакции (4) и проводят выделение образовавшегося (С_6,5O_4,25Н_9,5NH₃)₂CrO₄, как описано в примере 1. Часть подготовленного таким образом (С_6,5O_4,25Н_9,5NH₃)₂CrO₄ в количестве 0,28115 г сжигают в предварительно взвешенном фарфоровом тигле на воздухе при температуре 900°С. Получают 0,04625 г оксида хрома Cr₂O₃. Степень дезацетилирования, рассчитанная по уравнениям 7-10, составляет 74,3%. Абсолютная погрешность определения составляет 0,7%, относительная - 0,9%, что находится в пределах точности методов весового анализа.

Способ определения степени дезацетилирования хитозана с использованием в качестве весовой формы малорастворимого соединения хитозана, отличающийся тем, что в качестве малорастворимого соединения хитозана используют хромат хитозания, при этом берут определенную навеску предварительно очищенного от посторонних примесей и доведенного до постоянного веса хромата хитозания, которую количественно переводят в устойчивую весовую форму термообработкой на воздухе при температуре 800-900°С с образованием оксида хрома Cr₂O₃, затем определяют массу образовавшегося оксида хрома, по значению которой рассчитывают содержание хромовой кислоты в исходной навеске хромата хитозания, а степень дезацетилирования хитозана рассчитывают по следующим формулам:C=B·M.м.(H₂CrO₄):[0,5·M.м.(Cr₂O₃)]=B·118,02:[0,5·152,00]=1,55·B;D=A-С=A-1,55·B;ПМ.м.=[М.М(Н₂CrO₄)·D]:[2·C];СДА=100·[М.м(ХТ)-ПМ.м]:[М.м.(ХТ)-М.м.(ХЗ)]=100·[203,22-(ПМ.м.)]:(203,22-161,18)=[203,22-(ПМ.м.)]:0,4204,где А - масса исходной навески сжигаемого хромата хитозания,В - масса образовавшегося оксида хрома,С - содержание хромовой кислоты в исходной навеске хромата хитозания,D - содержание хитозана в навеске хромата хитозания,М.м. - молекулярная масса соответствующего соединения (указано в скобках),ПМ.м. - приведенная молекулярная масса мономерного звена хитозана, степень дезацетилирования которого определяется,XT - хитин,ХЗ - хитозан.