Полученные образцы натриевой соли карбоксиметилальгиновой кислоты представляют собой белые аморфные порошки, растворимые в воде, водных растворах кислот, нераство-римые в спирте, ацетоне и большинстве других органических растворителей.

В ИК спектрах образцов КМАК полоса поглощения карбоксилат-иона по сравнению со спектрами альгиновой кислоты смещается от 1620-1625 см^-1 до 1607-1614 см^-1. При этом вели-чина смещения увеличивается с повышением числа карбоксиметильных групп в полимере, полоса поглощения карбоксилат-иона которых около 1600 см^-1. Изменяется также интенсив-ность полос поглощения в области 1115-1090 и 1034-1049 см^-1, что связано с образованием С-О-С связи [7].

Как оказалось, карбоксиметилирование альгиновой кислоты идет труднее, чем аубази-дана, декстрана, родэксмана, хитина и некоторых других полисахаридов.

Так, алкилирование по стандартной методике [5] декстрана, родэксмана, и хитина (с небольшими изменениями) позволяет получать образцы со степенями замещения от 0.9 до 1.2 [3, 8], в то время как С_км альгиновой кислоты около 0.3-0.4 моль на моль моносахаридного фрагмента. Для достижения более высоких степеней замещения нами была предпринята попытка использовать дробную загрузку реагентов, при которой рассчитанное количество хлоруксусной кислоты и щелочи загружали в два приема.

Однако при этом наблюдается слипание суспензии полисахарида, перемешивание реакционной массы значительно затрудняется, и эффективность алкилирования резко снижается.

Наиболее удобной оказалась двухэтапная схема карбоксиметилирования альгиновой кислоты, которую проводили, как описано выше. Для увеличения степени карбоксиметирования на втором этапе в ряде случаев использовали сухую щелочь или/и повышали темпе-ратуру. Использование твердого гидроксида натрия позволяет повысить концентрацию реаги-рующих веществ и снизить скорость гидролиза хлоруксусной кислоты.

Повышение температуры реакции с 55 до 70 ^oС позволило повысить число карбоксиме-тильных групп в молекуле альгиновой кислоты до 1.3 моль на моль моносахаридного фраг-мента (табл.1).

Для достижения большего числа карбоксиметильных групп в альгиновой кислоте, образцы КМАК со степенью замещения менее 1 повторно алкилировали с использованием двухэтапной схемы (2-х кратное карбоксиметилирование).

Табл.1. Результаты карбоксиметилирования альгиновой кислоты

Образцы Н-формы КМАК представляют собой аморфные порошки белого или кремового цвета. При С_км более 1 они растворяются в воде и частично в спирте, а со степенью карбоксиметилирования менее 1 - плохо в воде и не растворяются в спирте.

В ИК спектрах Н-формы КМАК обнаружены полосы поглощения в области 1736-1746 см^-1, которые можно отнести к н (C=O) карбоксильных групп альгиновой кислоты и карбокси-метильных групп [7].

Оказалось, что выход продукта сильно зависит от С_км исходных образцов и условий выделения Н-формы. При низкой степени замещения возможны большие потери на колонке в связи с малой растворимостью Н-формы в воде, а при высокой - с большой растворимостью в спирте.

Продукты реакции этерификации Н-формы КМАК представляют собой аморфные порошки от белого до светло-бежевого цвета. Растворимость их в воде и спирте сильно зависит от степени карбоксиметилирования и этерификации, а также от используемого в реакции этерификации спирта.

Наличие сложноэфирных групп в полисахаридных образцах подтверждали с помощью ИК спектроскопии после обработки их этилатом натрия для нейтрализации не вступивших в реакцию этерификации карбоксильных групп, которые препятствуют идентификации слож-ных эфиров. Полосы поглощения н (С=О) сложного эфира обнаружены в области 1738 см^-1 и карбоксилат-иона - около 1610 см^-1 [7].

Ранее было показано [9], что при нагревании альгиновой кислоты с этанолом образу-ются внутримолекулярные сложные эфиры - лактоны, а с этанолом карбоксильные группы альгиновой кислоты практически не реагируют, при этом степень лактонизации зависит от источника и условий выделения полисахарида. Нами был проведен холостой опыт для опре-деления реакционной способности карбоксильных групп альгиновой кислоты, используемой для карбоксиметилирования.

При анализе полученного продукта гидроксамовым методом сложноэфирных групп в полимере не обнаружено.

Это позволило предположить, что в реакциях карбоксиметилальгиновой кислоты со спиртами участвуют в основном карбоксиметильные группы. В то же время, при большой степени карбоксиметилирования конформация полимера может быть настолько изменена, что участие в реакции этерификации карбоксильных групп уроновых кислот может быть значи-тельным, поэтому полученные образцы характеризовали степенью этерификации карбокси-метильных групп, рассчитанную на общее число карбоксильных групп (С_э).

Для определения условий этерификации карбоксиметилальгиновой кислоты, позволяю-щих вводить в полимер заданное количество сложноэфирных групп, было исследовано влияние времени реакции на степень превращения карбоксильных групп в сложноэфирные.

Оказалось, что равновесие в реакции начинает устанавливаться лишь после 5 часов выдержки КМАК в кипящем этаноле (в случае карбоксиметилдекстрана (КМД) - через 1 час [10]), при этом равновесие устанавливается примерно при тех же значениях С_э, что и в КМД - 40-42%. Сульфатированная альгиновая кислота реагирует со спиртами примерно в 10 раз медленнее [11], чем КМАК (рисунок).

Рисунок. Влияние времени реакции на степень этерификации (этанол, 80 ^oС) карбоксиметилдекстрана [10] (1, С_км = 0.84), карбоксиметилальгиновой кислоты (2, С_км = 1.75), сульфатированной альгиновой кислоты [11] (3, С_с = 0.4)

Если же рассмотреть влияние времени реакции на число сложноэфирных групп в поли-мерах, то оказывается, что при установлении равновесия в КМАК (С_км = 1.75) на моносаха-ридный фрагмент приходится в 3 раза больше сложноэфирных групп, чем в КМД (С_км = 0.84).

Кроме того, исследования показали, что в первые 4 ч С_э КМАК в реакции с этанолом практически линейно зависит от времени реакции (С_э = 9.48t, n = 4, R² = 0.967, t - время в часах). Это позволяет, меняя время нагревания КМАК в кипящем спирте, вводить в полимер необходимое для дальнейшей химической модификации полимера количество сложноэфир-ных групп.

При исследовании влияния температуры реакции на выход целевого продукта оказалось, что зависимость степени этерификации от температуры значительно более сложная, чем от времени. При нагревании реакционной массы с 60 до 70 ^oС идет быстрое увеличение С_э с 4.0 до 27.3%; при температурах от 70 до 90 ^oС увеличение степени этерификации составляет всего 4-5% на каждые 10 ^oС; выше 90 ^oС вновь при повышении температуры значение С_э резко возрастает с 36.4 до 58.2% (табл.2).

Табл.2. Влияние температуры на степень этерификации карбокси-метилальгиновой кислоты (С_км = 1.75, 1-пропанол, 3 ч)

Такую зависимость С_э от температуры, вероятно, можно объяснить гетерогенностью реакции, а также изменением свойств полимера в процессе реакции.

При нагревании КМАК с 1-пропанолом в первую очередь реагируют карбоксильные группы, располо-женные на поверхности твердой фазы, поэтому на-блюдается быстрое увеличение значения С_э при повы-шении температуры с 60 до 70 ^oС. Эти же, в основном, карбоксильные группы образуют эфир и в интервале от 70 до 90 ^oС, поэтому значения С_э практически не меняются, а некоторое увеличение степени этерифи-кации происходит за счет взаимодействия спирта с карбоксильными группами, располо-женными внутри твердой фазы. Этот процесс идет значительно медленнее и ускоряется лишь при температурах выше 90 ^oС.

При этом полисахарид начинает частично растворяться в спирте и реакционная масса гомогенизируется, что устраняет пространственный фактор и при повышении температуры наблюдается быстрое увеличение значения С_э.

Твердые спирты, особенно биологически активные (стероидные спирты, инозит и другие) нельзя ацилировать по предложенной методике и необходимо использовать раство-рители. В связи с этим, на примере реакции КМАК с циклогексанолом в среде тетрахлор-метана нами было изучено влияние концентрации спирта в реакционной массе на выход целевого продукта (табл.3).

Табл.3. Влияние концентрации циклогексанола в тетрахлорметане при этерификации карбоксиметил-альгиновой кислоты (С_км = 1.75) на число сложноэфирных групп в полимере (80 ^oС, 3 ч)

Как и ожидалось, при повышении концентрации спирта идет увеличение числа сложноэфирных групп в полимере, причем практически прямопропорционально (y = 118.8x, R² = 0.99), однако при концентрации выше 0.005 моль/л скорость образования целевого продукта резко замедлилась, и в реакции установилось равно-весие.

На результаты реакции этерификации большое влияние оказывает также строение радикала спирта. При этерификации КМАК в одинаковых условиях на-ибольшая степень превращения карбоксильных групп достигается в реакциях с первичными спиртами.

Так, примерно одинаковые результаты были получены в случае этилового, пропилового и бутилового спиртов (С_э = 31-34%). Однако степень превращения карбоксильных групп при взаимодействии с 1-пентанолом оказалась значительно ниже (С_э = 18.2), что можно объяснить меньшей растворимостью образующихся эфиров в пентиловом спирте и пространственным фактором (табл.4). Согласно литературным данным [10] в реакциях с карбоксиметил-декстраном в одинаковых условиях пентиловый спирт в 1.54 раза менее активен, чем пропиловый спирт. В наших экспериментах в 1.72.

Табл.4. Результаты этерификации карбоксиметилальгиновой кислоты (С_км = 1.75) разными спиртами (80 ^oС, 3 ч)

^{1 -} раствор в четыреххлористом углероде

Почти в два раза хуже реагировали с КМАК вторичные циклические и ациклические спирты (С_э от 18 до 22%), при этом, этерификацию циклогексанола и холестерина проводили в тетрахлорметане.

Наконец, как и ожидалось, хуже всего реагировал с КМАК третичный бутиловый спирт - в 6-7 раз хуже первичных спиртов.

Заключение

1. Карбоксиметилирование альгиновой кислоты идет труднее, чем декстрана и некоторых других нейтральных полисахаридов, однако двухэтапное и двукратное карбоксиметилиро-вание позволяет получать образцы карбоксиметилальгиновой кислоты со С_км до 1.78.

2. Взаимодействие Н-формы карбоксиметилальгиновой кислоты со спиртом в условиях автокатализа идет в 5 раз медленнее, чем в случае карбоксиметилдекстрана, при этом степень превращения карбоксильных групп в сложноэфирные увеличивается (до 50%) с повышением времени и температуры реакции и зависит от строения радикала спирта.

3. Реакцию карбоксиметилальгиновой кислоты с твердыми спиртами можно проводить в инертных растворителях.

Литература