Модифицированный полисахарид

Модифицированный полисахарид

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области химии полисахаридов и касается модифицированных полисахаридов, способов их применения.

Полисахариды находят все большее применение не только в фармацевтической и биологической отраслях, но и в различных областях техники. При этом, поскольку они являются полимерами природного происхождения, то открываются широкие возможности их модификации для придания тех или иных свойств, необходимых в областях их применения.

Большой интерес в последнее время представляют собой цвиттер-ионы - молекула, которая, являясь в целом электронейтральной, в своей структуре имеет части, несущие как отрицательный, так и положительный заряды, локализованные на несоседних атомах, поскольку они обладают довольно высокой биологической активностью. Например, цвиттер-ионы образуют аминокислоты.

Сочетание полисахарида с цвиттер-ионной группировкой найдет широкое применение в качестве фармацевтических препаратов, суперсорбентов, высокоэффективных ионообменных мембран и в других областях техники. Согласно патенту RU 2396281 (опубл. 10.08.2010, МПК С08В 37/08) получен хитозансодержащий полисахарид N-2-(2-пиридил)этилхитозан, обладающий высокой сорбционной емкостью по ионам меди (II) с 1,38 ммоль/г до 1,74 ммоль/г. Однако данный продукт не способен образовать цвиттер-ион, что делает его применимым только в одной конкретно взятой области техники, например для сорбции ионов металлов платиновой группы.

Согласно патенту RU 2338753 (опубл. 20.11.2008, МПК С08В 37/00) получен модифицированный полисахарид Neisseria meningitidis серогруппы А, который сохраняет иммуногенность и способен к привитию функциональных групп различной природы, однако он не может образовывать цвиттер-ион и применим исключительно в фармацевтической промышленности. Данный продукт является наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению.

Задачей данного изобретения является создание нового вещества, обладающего более широким спектром применения за счет формирования цвиттер-иона, что позволяет расширить функциональные возможности заявляемого полисахарида.

Изобретение основывается на предположении, что формирование цвиттер-иона на основе полисахарида и привитой к нему функциональной группы, в том числе и полимерной группы, расширит функциональные возможности использования полисахаридов в различных областях промышленности, как то фармацевтической, биотехнологической, химической.

Базовыми полисахаридами могут являться широко известные в химии биополимеров хитин, хитозан, целлюлоза. Крахмал может быть любым из нескольких крахмалов, натуральным или превращенным. Крахмалы включают крахмалы, полученные из любого сырья: кукурузы, картофеля, пшеницы, тапиоки, риса, саго, сорго, восковой кукурузный, восковой картофельный, восковой рисовый, высокоамилозный кукурузный, окисленный крахмал (например, гипохлоритом натрия), дериватизированный крахмал (например, этерифицированный). Хитин включает в себя хитин, полученный из панциря ракообразных, хитин, полученный из клеточной стенки грибов. Хитозан включает в себя хитозан, полученный деацетилированием хитина, полученного из панциря ракообразных, хитозан, полученный деацетилированием хитина, полученного из клеточной стенки грибов и бактерий, а также модифицированный хитозан (например, тиокарбамолхитозан и другие), и может иметь степень деацетилирования от 1 до 100%. Целлюлоза включает в себя целлюлозу, полученную из любого сырья: мягкая древесина, твердая древесина, солома, бамбук, хлопок. Перечисленные полисахариды имеют степень полимеризации n, которая представляет собой величину натурального ряда от 2 до 480000 единиц. Под термином «степень полимеризации» подразумевается число мономерных звеньев в молекуле полисахарида. Базовый полисахарид, исключая целлюлозу, подвергается модификации в растворах кислот с pH 3-4 из ряда органических кислот - щавелевой, уксусной, лимонной, аскорбиновой, и неорганических кислот - соляной, фосфорной. Кислоты используются в качестве растворителей полисахаридов. При этом допускается, что в процессе растворения полисахаридов в кислотах может произойти небольшая деструкция полимера. Мольное соотношение кислота/полисахарид может быть выбрано из интервала 0,1-6,5. Целлюлоза подвергается модификации в растворах едкого натра или гидроксида калия, при этом pH последних составляет от 8,5 до 11,5.

Модификация базового полисахарида без образования цвиттер-иона осуществляется по известным в химии реакциям, например, описанным в журнале «Биоорганическая химия», 2008, т.34, №1, с.5-28, журнале «Наноматериалы функционального назначения», т.4, №5-6, 2009, патенте RU 2086234 (опубл. 10.08.1997, МПК А61К 9/70), а именно насыщенными и ненасыщенными углеводородными группами (С₁-С₂₀), циклоалкилами из ряда (С₃-С₁₂), гетероциклами с замещенным атомом азота, кислорода или мышьяка, бензилом, фенилом, арилом или другими соединениями из ароматического ряда, алкоксогруппой насыщенных и ненасыщенных (С₁-С₂₀), связанных через углерод, SH-группой, полипропиленовой группой с содержанием пропиленового звена от 2 до 20000 единиц, полиэтиленовой группой с содержанием этиленового звена от 2 до 20000 единиц, поливиниловой группой с содержанием виниловой группы от 2 до 20000 единиц, крахмалом с содержанием мономерного звена от 2 до 120000 единиц, целлюлозой с содержанием мономерного звена от 2 до 120000 единиц, хитином с содержанием мономерного звена от 1 до 480000 единиц, хитозаном с содержанием мономерного звена от 1 до 480000 единиц.

Реакция модификации полимерными группами, как то полипропиленовой группой с содержанием пропиленового звена от 2 до 20000 единиц, полиэтиленовой группой с содержанием этиленового звена от 2 до 20000 единиц, поливиниловой группой с содержанием виниловой группы от 2 до 20000 единиц, крахмалом с содержанием мономерного звена от 2 до 120000 единиц, целлюлозой с содержанием мономерного звена от 2 до 120000 единиц, хитином с содержанием мономерного звена от 1 до 480000 единиц, хитозаном с содержанием мономерного звена от 1 до 480000 единиц, может осуществляться направленным синтезом Эшвейлера-Кларка с добавлением в раствор полимера инициирующей смеси перекиси водорода и аскорбиновой кислоты в соотношении от 1:1 до 1:10. При этом получается модифицированный сахарид структурной формулы (1)

где:

- Y, Z представляют собой H, насыщенные и ненасыщенные углеводородные группы (С₁-С₂₀), циклоалкилы из ряда (С₃-С₁₂), гетероциклы с замещенным атомом азота, кислорода или мышьяка, бензил, фенил, арил или другие соединения из ароматического ряда, ОН, NH₂, алкоксогруппы насыщенных и ненасыщенных (C₁-С₂₀), связанные через углерод, SH, полипропиленовую группу с содержанием пропиленового звена от 2 до 20000 единиц, полиэтиленовую группу с содержанием этиленового звена от 2 до 20000 единиц, поливиниловую группу с содержанием виниловой группы от 2 до 20000 единиц, крахмал с содержанием мономерного звена от 2 до 120000 единиц, целлюлозу с содержанием мономерного звена от 2 до 120000 единиц, хитин с содержанием мономерного звена от 1 до 480000 единиц, хитозан с содержанием мономерного звена от 1 до 480000 единиц;

- X представляет собой НО-группу, H₂N-rpynny, HS-группу.

Последующая модификация полисахарида для образования цвиттер-иона осуществляется при следующих условиях. В раствор модифицированного полисахарида структурной формулы (1) вводится структурная группа вида (2), сформированная по известным в химии реакциям, описанным, например, в работе Физер Л., Физер М. //Органическая химия. Углубленный курс в 2 томах, /М.: Химия, 1966 г., при этом температура синтеза варьируется в пределах от 0 до плюс 95°С

где:

- R' и R" представляют собой Н, насыщенные и ненасыщенные углеводородные группы (C₁-C₂₀), циклоалкилы из ряда(С₃-С₁₂), гетероциклы с замещенным атомом азота, кислорода или мышьяка, бензил, фенил, арил или другие соединения из ароматического ряда, ОН, NH₂, алкоксогруппы насыщенных и ненасыщенных (C₁-С₂₀), связанные через углерод, SH, полипропиленовую группу с содержанием пропиленового звена от 2 до 20000 единиц, полиэтиленовую группу с содержанием этиленового звена от 2 до 20000 единиц, поливиниловую группу с содержанием виниловой группы от 2 до 20000 единиц, крахмал с содержанием мономерного звена от 2 до 120000 единиц, целлюлозу с содержанием мономерного звена от 2 до 120000 единиц, хитин с содержанием мономерного звена от 1 до 480000 единиц, хитозан с содержанием мономерного звена от 1 до 480000 единиц;

- D представляет собой остаток NH₂-группы, остаток SH-группы;

- R представляет собой остаток глицина, лейцина, тирозина, серина, глутаминовой кислоты, аспарагиновой кислоты, фенилаланина, аланина, лизина, аргинина, гистидина, цистеина, валина, пролина, гидроксипролина, триптофана, изолейцина, метионина, треонина или гидроксилизина, а также любую их комбинацию, насыщенные и ненасыщенные углеводородные группы (С₁-С₂₀), бензил, фенил, арил или другие соединения из ряда ароматических соединений, ОН, NH₂, алкоксогруппы насыщенных и ненасыщенных (С₁-С₂₀), связанные через углерод, SH, полипропиленовую группу с содержанием пропиленового звена от 2 до 20000 единиц, полиэтиленовую группу с содержанием этиленового звена от 2 до 20000 единиц, поливиниловую группу с содержанием виниловой группы от 2 до 20000 единиц, крахмал с содержанием мономерного звена от 2 до 120000 единиц, целлюлозу с содержанием мономерного звена от 2 до 120000 единиц, хитин с содержанием мономерного звена от 1 до 480000 единиц, хитозан с содержанием мономерного звена от 1 до 480000 единиц;

- М представляет собой О, Р, СН₂-группу.

После введения указанной выше структурной группы вида (2) раствор нейтрализуется для случая модификации в кислой среде раствором гидроксида натрия или калия концентрацией от 5 до 10% массовых, а в случае модификации в щелочной среде - раствором соляной кислоты концентрацией от 1 до 5% массовых. При этом образовавшийся продукт выпадает в виде твердой фазы и имеет бледно-желтый или белый цвет. Отделение продукта производится обычной фильтрацией.

Идентификация соединения проводится методами ИК-спектроскопии и рентгенофазовым анализом по характерным пикам для соединений аминогруппы через азот, а также характерных пиков смещения для соединения через углерод. При этом полученный модифицированный полисахарид имеет структурную формулу вида (3)

где:

- X представляет собой НО-группу, H₂N-группу, HS-группу;

- Y, Z, R' и R" представляют собой Н, насыщенные и ненасыщенные углеводородные группы (С₁-С₂₀), циклоалкилы из ряда (С₃-С₁₂), гетероциклы с замещенным атомом азота, кислорода или мышьяка, бензил, фенил, арил или другие соединения из ароматического ряда, ОН, NH₂, алкоксогруппы насыщенных и ненасыщенных (С_1-С₂₀), связанные через углерод, SH, полипропиленовую группу с содержанием пропиленового звена от 2 до 20000 единиц, полиэтиленовую группу с содержанием этиленового звена от 2 до 20000 единиц, поливиниловую группу с содержанием виниловой группы от 2 до 20000 единиц, крахмал с содержанием мономерного звена от 2 до 120000 единиц, целлюлозу с содержанием мономерного звена от 2 до 120000 единиц, хитин с содержанием мономерного звена от 1 до 480000 единиц, хитозан с содержанием мономерного звена от 1 до 480000 единиц;

- D представляет собой остаток NH₂-группы, остаток SH-группы;

- R представляет собой остаток глицина, лейцина, тирозина, серина, глутаминовой кислоты, аспарагиновой кислоты, фенилаланина, аланина, лизина, аргинина, гистидина, цистеина, валина, пролина, гидроксипролина, триптофана, изолейцина, метионина, треонина или гидроксилизина, а также любую их комбинацию, насыщенные и ненасыщенные углеводородные группы (С₁-С₂₀), бензил, фенил, арил или другие соединения из ряда ароматических соединений, OH, NH₂, алкоксогруппы насыщенных и ненасыщенных (С₁-С₂₀), связанные через углерод, SH, полипропиленовую группу с содержанием пропиленового звена от 2 до 20000 единиц, полиэтиленовую группу с содержанием этиленового звена от 2 до 20000 единиц, поливиниловую группу с содержанием виниловой группы от 2 до 20000 единиц, крахмал с содержанием мономерного звена от 2 до 120000 единиц, целлюлозу с содержанием мономерного звена от 2 до 120000 единиц, хитин с содержанием мономерного звена от 1 до 480000 единиц, хитозан с содержанием мономерного звена от 1 до 480000 единиц;

- М представляет собой О, Р, СН₂-группу;

- [-D⁺-(R'R")-R-M^-]-группа представляет собой линейную структуру, или циклическую структуру, или гетероциклическое мезоионное соединение типа сиднонов и мюнхонов, илидные соединения, амфолит;

- [-D⁺-(R'R")-R-M^-]-группы могут быть объединены в циклические структуры из ряда (С₅-С₁₂) и гетероциклические структуры из ряда (С₅-С₁₂) с замещенным атомом азота или кислорода;

- n - число натурального ряда, которое принимает значение от 2 до 480000 единиц;

- m - число натурального ряда, которое принимает значение от 1 до n.

Также вещество со структурной формулой (3) может модифицироваться дальше путем дополнительного ввода вышеуказанной сформированной структурной группы (2) в нейтрализованный раствор. Одновременно с вводом дополнительного количества группы (2) в раствор вводится 3% уксусная кислота, которая выполняет роль растворителя выпавшего осадка, до pH 4-5. Раствор с введенной дополнительно группой и уксусной кислотой подогревается до температуры (40-50)°С и интенсивно перемешивается. Синтез ведется в течение от 30 минут до 1,5 часов. Далее раствор охлаждается до температуры (5-15)°С и нейтрализуется для случая модификации в кислой среде раствором гидроксида натрия или калия концентрацией от 5 до 10% массовых, а в случае модификации в щелочной среде - раствором соляной кислоты концентрацией от 1 до 5% массовых. При этом образовавшийся продукт выпадает в виде твердой фазы и имеет бледно-желтый или белый цвет. Отделение продукта производится обычной фильтрацией.

Идентификация соединения проводится методами ИК-спектроскопии и рентгенофазовым анализом по характерным пикам для соединений аминогруппы через азот, а также характерных пиков смещения для соединения через углерод. При этом модифицированный полисахарид имеет структурную формулу (4)

Полученный полисахарид структурной формулы (4) может быть модифицирован далее вышеописанной группой структурного вида (2) путем дополнительного ввода сформированной группы в нейтрализованный раствор. Одновременно с вводом дополнительного количества группы в раствор вводится 3% уксусная кислота, которая выполняет роль растворителя выпавшего осадка, до pH 4-5. Раствор с введенной дополнительно группой и уксусной кислотой подогревается до температуры (40-50)°С и интенсивно перемешивается. Синтез ведется в течение от 30 минут до 1,5 часов. Далее раствор охлаждается до температуры (5-15)°С и нейтрализуется для случая модификации в кислой среде раствором гидроксида натрия или калия концентрацией от 5 до 10% массовых, а в случае модификации в щелочной среде - раствором соляной кислоты концентрацией от 1 до 5% массовых. При этом образовавшийся продукт выпадает в виде твердой фазы и имеет бледно-желтый или белый цвет. Отделение продукта производится обычной фильтрацией.

Идентификация соединения проводится методами ИК-спектроскопии и рентгенофазовым анализом по характерным пикам для соединений аминогруппы через азот, а также характерных пиков смещения для соединения через углерод. При этом модифицированный полисахарид имеет вид

Соединения могут иметь различные модификации в плане зеркальных изомеров.

Пример 1. Подтверждение структуры на примере соединения с замещенным X, когда X - NH₂-группа, Y - ОН-группа, Z - ОН-группа, D - остаток SH-группы, R - остаток глицина, R'- Н, R" - Н, М - О-группа, получено с помощью ИК-спектра. На ИК-спектре твердых образцов ярко выражена полоса поглощения (1610-1550) см^-1, доказывающая, что образован цвиттер-ион. Кроме того, имеются ярко выраженные полосы поглощения (3500-3100)см^-1, что доказывает наличие связи через NH₂-группу цвиттер-ионного образования; ярко выраженная полоса 3610 см^-1, что доказывает наличие свободных гидроксильных групп; ярко выраженные полосы для основного кольца в районах (1600-1300) см^-1, (1300-1100) см^-1; уширение полосы в районе (2800-1700) см^-1 вследствие присоединенного цвиттер-ионного образования.

Вещество может применяться в качестве сорбента для осушки газов, для поглощения серосодержащих соединений. При этом оно может работать как в твердой фазе, так и в растворе. Предварительные экспериментальные исследования данного вещества показали:

- высокую сорбционную емкость по серосодержащим соединениям (на примере этилмеркаптана) до 700 г/л раствора вещества и до 28 г/г твердой фазы сорбента;

- высокую сорбционную емкость по воде в паровой фазе - до 500 г/г сорбента;

- сорбционную емкость по урану - до 1500 г/г сорбента.

Пример 2

На ИК-спектре проверено соединение (6), когда X представляет собой остаток SH-группы (S-группа), Y - полиэтиленовую группу, Z - хитозановую группу, D - остаток SH-группы (S-группа), R - аминокислотный остаток аспарагина, R' - алкильную группу (-СН₂-СН₃), R" - Н, М - СН₂-группа. По результатам ИК-спектра ярко выражена линия (3700-2800) см^-1 с небольшим сдвигом и ярко выражены линии (1500-900) см^-1, что свидетельствует о наличии хитозановой составляющей с присоединенной к ней SH-группой, которая является, в свою очередь, составляющей Х- и D-радикала, полоса поглощения при 1070 см^-1 свидетельствует о скелетных колебаниях моносахаридного кольца, колебания в области 1600-1650 см^-1 свидетельствуют о наличии аспарагина, связанного с СН₂-группой, представляющей радикал М, полосы в области 2975-2950 см^-1 и 2940-2915 см^-1 свидетельствуют о наличии алкильной группы -СН₂-СН₃.

Вещество может применяться в качестве сорбента для осушки газов, для поглощения серосодержащих соединений. При этом оно может работать как в твердой фазе, так и в растворе. Предварительные экспериментальные исследования данного вещества показали:

- высокую сорбционную емкость по серосодержащим соединениям (на примере этилмеркаптана) до 430 г/л раствора вещества и до 18 г/г твердой фазы сорбента;

- высокую сорбционную емкость по воде в паровой фазе - до 300 г/г сорбента;

- сорбционную емкость по урану - до 500 г/г сорбента.

Пример 3

На ИК-спектре проверено соединение (7), когда X представляет собой SH-группу, Y - алкооксогруппу насыщенного углеводорода (-ОС₃Н₇), Z - хитозановую группу, D - остаток SH-группы, R - аминокислотный остаток аспарагина, R' - алкильную группу (-СН₂), R" - Н, М - СН₂-группу. По результатам ИК-спектра ярко выражена линия (3700-2800) см^-1 с небольшим сдвигом и ярко выражены линии (1500-900)см^-1, что свидетельствует о наличии хитозановой составляющей с присоединенной к ней SH-группой, которая является, в свою очередь, составляющей Х- и D-радикала, полоса поглощения при 1070 см^-1 свидетельствует о скелетных колебаниях моносахаридного кольца, колебания в области 1600-1650 см^-1 свидетельствуют о наличии аспарагина, связанного с СН₂-группой, представляющей радикал М, перекрывающая полоса в области 1075-1000 см^-1 свидетельствует о наличии алкоксогруппы первичного спирта, а именно ОС₃Н₇.

Вещество может применяться в качестве сорбента для осушки газов, для поглощения серосодержащих соединений. При этом оно может работать как в твердой фазе, так и в растворе. Предварительные экспериментальные исследования данного вещества показали:

- высокую сорбционную емкость по серосодержащим соединениям (на примере этилмеркаптана) до 500 г/л раствора вещества и до 24 г/г твердой фазы сорбента;

- высокую сорбционную емкость по воде в паровой фазе - до 500 г/г сорбента;

сорбционную емкость по урану - до 650 г/г сорбента.

1. Модифицированный полисахарид общей формулы: где:- X представляет собой НО-группу, H₂N-группу, HS-группу, остаток силановой группы или полисилановой группы;- Y, Z, R' и R" представляют собой Н, насыщенные и ненасыщенные углеводородные группы (С₁-С₂₀) циклоалкилы из ряда (С₃-С₁₂), гетероциклы с замещенным атомом азота, кислорода или мышьяка, бензил, фенил, арил или другие соединения из ароматического ряда, ОН, NH₂, алкоксогруппы насыщенных и ненасыщенных (С₁-С₂₀), связанные через углерод, SH, полипропиленовую группу с содержанием пропиленового звена от 2 до 20000 единиц, полиэтиленовую группу с содержанием этиленового звена от 2 до 20000 единиц, поливиниловую группу с содержанием виниловой группы от 2 до 20000 единиц, декстрин с содержанием мономерного звена от 2 до 100000 единиц, крахмал с содержанием мономерного звена от 2 до 120000 единиц, целлюлозу с содержанием мономерного звена от 2 до 120000 единиц, хитин с содержанием мономерного звена от 1 до 480000 единиц, хитозан с содержанием мономерного звена от 1 до 480000 единиц;- D представляет собой остаток NH₂-группы, остаток SH-группы;- R представляет собой остаток глицина, лейцина, тирозина, серина, глутаминовой кислоты, аспарагиновой кислоты, фенилаланина, аланина, лизина, аргинина, гистидина, цистеина, валина, пролина, гидроксипролина, триптофана, изолейцина, метионина, треонина или гидроксилизина, а также любую их комбинацию, насыщенные и ненасыщенные углеводородные группы (С₁-С₂₀), бензил, фенил, арил или другие соединения из ряда ароматических соединений, ОН, NH₂, алкоксогруппы насыщенных и ненасыщенных (С₁-С₂₀), связанные через углерод, SH, полипропиленовую группу с содержанием пропиленового звена от 2 до 20000 единиц, полиэтиленовую группу с содержанием этиленового звена от 2 до 20000 единиц, поливиниловую группу с содержанием виниловой группы от 2 до 20000 единиц, крахмал с содержанием мономерного звена от 2 до 120000 единиц, целлюлозу с содержанием мономерного звена от 2 до 120000 единиц, хитин с содержанием мономерного звена от 1 до 480000 единиц, хитозан с содержанием мономерного звена от 1 до 480000 единиц;- М представляет собой О, Р, СН₂-группу;- [-D⁺-(R'R")-R-M^-]-группа представляет собой линейную структуру, или циклическую структуру, или гетероциклическое мезоионное соединение типа сиднонов и мюнхонов, илидные соединения, амфолит;- [-D⁺-(R'R")-R-M^-]-группы могут быть объединены в циклические структуры из ряда (С₅-C₁₂) и гетероциклические структуры из ряда (C₅-C₁₂) с замещенным атомом азота или кислорода;- n - число натурального ряда, которое принимает значение от 2 до 480000 единиц;- m - число натурального ряда, которое принимает значение от 1 до n.

2. Модифицированный полисахарид по п.1, отличающийся тем, что формула имеет вид:

3. Модифицированный полисахарид по п.2, отличающийся тем, что группировка [-D⁺-(R'R")-R-M^-]m связана с основным звеном по месту присоединения Z.