У Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXVIII. 2014. №3

Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXVIII. 2014. №3
УДК 541.64:547.458.82
С.А. Мамаева*, И.С. Круппа, В.А. Дятлов, И.Ю. Кутергина, И.Р. Рустамов,
В.И. Гумникова
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
125047, Москва, Миусская пл., д. 9
* e-mail: s.mamaeva@bk.ru
ВЛИЯНИЕ ПЕРИОДАТНОГО ОКИСЛЕНИЯ НА МОЛЕКУЛЯРНО-МАССОВЫЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ
И
ФРАКЦИОННУЮ
НЕОДНОРОДНОСТЬ
ПОЛИСАХАРИДОВ
Методами вискозиметрии, гельпроникающей хроматографии, УФ спектроскопии и обратного
йодометрического титрования исследовано влияние периодатного окисления по реакции Малапрада на
молекулярную
массу
и
фракционную
неоднородность
диальдегиддекстранов
и
диальдегидкарбоксиметилцеллюлозы разной степени окисления. Использовано двойное детектирование УФ
диодной матрицей с переменной длиной волны и рефрактометром, соединенными последовательно.
Выявлено ингибирующие влияние карбоксильной группы на скорость окисления вицинальных гидроксилов
в полисахаридах. Обнаружено, что количество альдегидных групп в полимере определяется в основном от
соотношения метапериодат:полисахарид, в то время как молекулярная масса образующегося полимера падает
пропорционально времени реакции окисления.
Ключевые слова: диальдегидкарбоксиметилцеллюлоза (ДАКМЦ); диальдегиддекстран (ДАД); ГПХ;
полисахариды; носители лекарственных средств; периодатное окисление полисахаридов.
Полисахариды широко используются в
качестве
носителей
лекарств.
Однако,
большинство из них химически инертны и для
присоединения
физиологически
активных
веществ требуют дальнейшей химической
модификации. Простым и эффективным методом
является периодатное окисление по реакции
Малапрада, которое проводят с использованием
йодной кислоты либо ее солей.
Диальдегидполисахариды, полученные таким
способом
из
декстрана
и
карбоксиметилцеллюлозы
(КМЦ),
являются
перспективными носителями лекарственных
веществ в силу их биологической инертности,
гидрофильности и способности к деструкции в
организме. Чаще всего они используются для
присоединения веществ, имеющих в своей
структуре первичную аминогруппу, включая
белки и физиологически активные пептиды.
Однако в последнее время разработаны методы их
использования для присоединения природных
полифенолов и ароматических альдегидов.
Используют
два
способа
окисления:
гомофазное - водным раствором метапериодата
натрия и гетерофазное - пропусканием раствора
полисахарида через анионообменную смолу в IO4форме.
Гомофазное окисление позволяет легко
контролировать долю окисленных звеньев в
полимере (γок), изменяя соотношение реагентов.
Гетерофазный метод чаще применим в
заводских условиях, поскольку позволяет
избежать стадии очистки продукта от солей и
остаточных количеств периодата.
Одной из важных проблем получения
диальдегидполисахаридов
является
их
фракционная неоднородность. В ряде случаев в
результате окисления образуется полимер, в
котором количество окисленных звеньев в
макромолекулах зависит от их молекулярной
массы. После присоединения физиологически
активных веществ такие лекарства проявляют
нестабильную физиологическую активность, так
как разные фракции полимера содержат
неодинаковое
удельное
количество
лекарственного вещества [1].
Целью настоящего исследования было
обнаружение
причин
фракционной
неоднородности и поиск условия, позволяющий
получать диальдегидполисахариды, лишенных
этого недостатка.
В реакцию Малапрада вступают соединения,
имеющие вицинальные гидроксильные группы
при соседних углеродных атомах. На первой
стадии реакции образуется комплекс периодата с
гидроксильными группами, которые затем
диспропорционируют с образованием диальдегида
и иодата (схема 1). Декстран имеет два сайта,
способных к окислению (схема 2).
45
Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXVIII. 2014. №3
периодатом и существенно замедляет реакцию
(схема 3).
Полисахариды не содержат заместителей,
поглощающих в УФ области. В ГПХ они могут
быть
детектированы
с
использованием
неспецифического детектора по показателю
преломления
(РФ
детектор),
который
чувствителен ко всем типам полимеров, не
зависимо от наличия в их структуре хромофорных
групп. Появление в полимере карбонильных групп
при окислении меняет их УФ спектр и позволяет
использовать для их определения УФ детектор.
Таким образом, используя комбинацию сигналов с
неспецифического РФ детектора и УФ детектора,
чувствительного к только окисленным звеньям
полимера, можно изучать их распределение по
фракциям полимера с различной молекулярной
массой.
Периодатное окисление декстрана в водных
растворах
позволяет
получать
полностью
фракционно-однородный полимер. ГПХ, снятые с
использованием
масс-специфического
РФ
детектора и УФ детектора, настроенного на полосу
поглощения карбонильных групп окисленных
звеньв (около 220 нм), полностью совпадают, что
свидетельствует о равномерном распределении
окисленных звеньев по фракциям с разной
молекулярной массой [2].
В отличие от декстрана, КМЦ образует
высоковязкие растворы. Ее окисление приводит к
образованию
фракционно-неоднородного
продукта. Фракции высокой молекулярной массы
содержат значительно меньше окисленных
звеньев, это приводит к смещению максимума
кривой молекулярно-массового распределения,
снятую с помощью УФ детектора, в сторону
фракции низкой молекулярной массы (рис. 1).
Неоднородность связана с
затрудненной
диффузией периодат ионов внутрь набухших
клубков на начальной стадии реакции.
Схема 1. Окисление декстрана по реакции Малапрада
Реакция протекакет с разрывом связей С(2)С(3) и С(3)-С(4) с равной вероятностью, поэтому
на первой стадии при малых соотношениях
ангидроглюкозное звено:IO4происходит
образование равномольной смеси продуктов,
содержащих окисленные звенья А и В (схема 2).
При избытке в реакции метапериодата происходит
доокисление звеньев А и В до продукта С с
выделением муравьиной кислоты.
Схема 2. Периодатное окисление декстрана с
образованием диальдегиддекстрана
В отличие от декстрана, КМЦ имеет только
один сайт, способный вступать в реакцию
окисления. Это С-С связь между атомами С(2) и
С(3) с образованием только одного типа
окисленных звеньев(схема 3).
Схема 3. Окисление КМЦ по реакции Малапрада
Окисление декстрана протекает быстро и
заканчивается за 3 часа. КМЦ реагирует
существенно медленнее. Окисление 85% звеньев
(γ=85%) удается добиться при увеличении
времени реакции до 72 часов. Снижение скорости,
по сравнению с декстраном, связано с
инактивирующим
влиянием
кислотной
группировки, образующей водородную связь с
гидроксильной группой С(3) ангидроглюкозного
звена. Это препятствует образованию комплекса с
Рис.1. Фракционная неоднородность ДАКМЦ,
полученной на первой стадии реакции:
а). рефрактометрическое детектирование;
б). УФ детектирование
Низкозамещенная
КМЦ
со
степенью
карбоксиметилирования меньше 65% трудно
растворима в холодной воде, вследствие этого при
ее окислении образуется полимер с большей
46
Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXVIII. 2014. №3
фракционной неоднородностью. В процессе
дальнейшего окисления молекулярная масса
падает
и
фракционная
неоднородность
практически полностью нивелируется (рис.2).
Схема 4. Побочные реакции окисления
диальдегиддекстрана:
I – ДАД, II - Окисление избытком периодата на свету с
образованием дикислоты,
III - Диспропорционирование при выделении из
щелочного раствора
Рис. 2. Фракционная неоднородность ДАКМЦ,
полученной на последней стадии реакции:
а). рефрактометрическое детектирование
б). УФ детектирование
Большое влияние на состав образующего
продукта
оказывают
примеси
в
КМЦ,
образующиеся при ее карбоксиметелировании
монохлоруксусной кислотой в щелочной среде.
Эти вещества образуют ассоциаты с основным
полимером за счет образования водородных
связей и являются трудноотделимыми. При
изменении ионной силы раствора в процессе ГПХ
ассоциаты разрушаются и примеси становятся
заметны
в
виде
отдельных
пиков
в
низкомолекулярной области (рис. 3). В работе
была выделена низкомолекулярная фракция и
определен ее состав. Оказалось, что КМЦ
содержит три основных примеси: гликолевую
кислоту, ее димерный эфир гликолид и
муравьиную кислоту.
Незамещенные гликозидные кольца в
полимере
окисляются
быстрее
карбоксиметилированных.
Это
связано
с
отсутствием
инактивирующего
влияния
карбоксильных групп, поэтому низкозамещенная
КМЦ окисляется быстрее и процесс не
сопровождается
значительным
падением
молекулярной массы. При окислении всех видов
полимеров незамещенные кольца расходуются
первыми и их практически не остается в образцах
ДАКМЦ со степенью окисления больше 40%
(γок=40%).
Одновременно с окислением инициируется
побочная реакция гидролиза полисахарида по
окисленным звеньям, расположенным вдоль цепи
полимера случайным образом. Гидролиз по закону
случая не типичен для полисахаридов, приводит к
резкому падению молекулярной массы, при этом
полидисперсность
стремится
к
наиболее
вероятной n=2. Скорость гидролиза существенно
ниже скорости периодатного окисления, поэтому в
случае декстрана оно не сопровождается
существенным падением молекулярной массы, в
отличие от медленно окисляющейся КМЦ, для
которой характерно резкое падение молекулярной
массы. Звенья, замкнутые в полуацетальные
циклы, устойчивы в щелочной и нейтральной
среде, однако быстро гидролизуются при рН<4,5
[3].
Две побочные реакции сопровождают процесс
окисления: диспропорционирование диальдегида
с образованием оксикислоты и переокисление с
образованием дикислоты. Обе реакции приводят к
размыканию
полуацетального
цикла
и
последующему гидролизу неустойчивых структур
(схема 4).
Рис. 3. Трехмерная хроматограмма исходной КМЦ
Количественное содержание примесей и их
структуры подтверждены методами ЯМР 13С
(рис.4) и 1Н.
Рис.4. Спектр ЯМР 13С смеси побочных продуктов
реакции карбоксиметилирования и окисления
целлюлозы
47
Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXVIII. 2014. №3
Таким образом:
1.Периодатное окисление декстрана приводит к
образованию
фракционно
однородного
диальдегиддекстрана, содержащего звенья А, В и
С и не приводит к значимым изменениям
молекулярно- массовых характеристик полимера.
2. КМЦ медицинского назначения содержит
неотделимые примеси муравьиной и гликолевой
кислот, а также циклического димера гликолида.
При ее периодатном окислении с получением
полимера, содержащего небольшое количество
окисленных звеньев до 20% (γок=20%), образуется
фракционно неоднородный полимер сниженной
молекулярной массы, в котором большая часть
окисленных
звеньев
находится
в
низкомолекулярной
фракции.
Обнаружено
инактивирующее влияние карбоксильных групп
карбоксиметильных заместителей на скорость
периодатного окисления глюкозных колец
полисахаридов.
Мамаева Светлана Анатольевна студент кафедры химической технологии пластических масс
РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Круппа Инна Сергеевна аспирант кафедры химической технологии пластических масс
им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
РХТУ
Дятлов Валерий Александрович к.х.н., доцент кафедры химической технологии пластических масс
РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Кутергина Ирина Юрьевна к.х.н., младший научный сотрудник ИНХС им. А.В. Топчиева РАН, Россия,
Москва
Рустамов Искандер Рустамович аспирант кафедры химической технологии пластических масс
РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Гумникова В.И., Дятлов В.А., Гребенева Т.А., Круппа И.С., Киреев В.В., Бахмутов В.И./
Изучение химического строения диальдегиддекстранов, полученных периодатным окислением
в различных условиях // Пластические массы. 2013. № 6. С. 44-50.
2. Дятлов В.А.,Гумникова В.И., Гребенева Т.А., Круппа И.С., Рустамов И.Р., Малеев В.И../
Изучение
химического
строения
диальдегидкарбоксиметилцеллюлозы,
полученной
периодатным окислением в различных условиях // Пластические массы. 2013. № 8. С. 6-12.
3. Hongli Li, Bo Wu, Changdao Mu, Wei Lin // Concomitant degradation in periodate oxidation of
carboxymethyl cellulose. Carbohydrate Polymers 84, 2011. P.881-886.
Dyatlov Valeriy Aleksandrovich, Mamaevа Svetlana Anatolievna*, Kruppa Inna Sergeevna,
Rustamov Iskander Rustamovich, Gumnikova Valery Igorevna
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
* e-mail: s.mamaeva@bk.ru
INFLUENCE OF PERIODATE OXIDATION ON FRACTIONAL INHOMOGENIETY AND
MOLECULAR WEIGHT OF POLYSACHARIDES
Abstract
It have been studied by viscosimetry, GPC and UV-Vis spectroscopy the influence of periodate oxidation on
molecular mass and fraction inconsistency of dialdehyde polysaccharides of different oxidation degrees. The double
detection by diode matrix and RI detectors has been used in GPC analysis. The inhibiting influence of carboxyl group
on the rate of oxidation reaction is found. The content of aldehyde groups in the polymer is determined by ratio of
periodate:polysaccharide while it’s molecular mass decreases proportionally to the oxidation time.
Key words: dialdehyde carboxymethylcellulose; dialdehyde dekstran; GPC of polysaccharides; drug carriers;
periodate oxidation of polysaccharides.
48