Исследование химического строения гидроксипропилметилцеллюлозы с использованием ЯМР 13С спектроскопии

Однополов Артём Алексеевич

Исследование химического строения гидроксипропилметилцеллюлозы с использованием ЯМР 13С спектроскопии

Гидроксипропилметилцеллюлоза (HРMC), степень замещения (DS), степень полимеризации, Молярное замещение (MS), глюкопиранозное звено, ангидридоглюкозное звено, кислотно-катализируемый гидролиз, распределение заместителей, интегральная интенсивность, серная кислота, фосфорная кислота, трифторметансульфоновая кислота, хлорная кислота.

Химия

Дипломы

Вуз: Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарева

ID: 5d9f436b7966e1055190813a

UUID: 2909dd10-cd9a-0137-f2ef-525400005860

Язык: Русский

Опубликовано: больше 4 лет назад

Просмотры: 80

Однополов Артём Алексеевич

Источник: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва"

Комментировать 0

Рецензировать 0

Скачать - 5,7 МБ

Поделиться работой

РЕФЕРАТ Выпускная квалификационная работа содержит 56 страниц теста, 13 рисунков, 6 таблиц и 43 библиографических источников. Ключевые слова: ГИДРОКСИПРОПИЛМЕТИЛЦЕЛЛЮЛОЗА (HРMC), СТЕПЕНЬ ЗАМЕЩЕНИЯ (DS), СТЕПЕНЬ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ, МОЛЯРНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ АНГИДРИДОГЛЮКОЗНОЕ ГИДРОЛИЗ, (MS), ЗВЕНО, РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТЬ, СЕРНАЯ ГЛЮКОПИРАНОЗНОЕ ЗВЕНО, КИСЛОТНО-КАТАЛИЗИРУЕМЫЙ ЗАМЕСТИТЕЛЕЙ, КИСЛОТА, ИНТЕГРАЛЬНАЯ ФОСФОРНАЯ КИСЛОТА, ТРИФТОРМЕТАНСУЛЬФОНОВАЯ КИСЛОТА, ХЛОРНАЯ КИСЛОТА. Цель работы: Разработка методов установления химической структуры смешанных эфиров целлюлозы на примере гидроксипропилметилцеллюлозы (HРMC) с помощью ЯМР 13 С спектроскопии продуктов их кислотного гидролиза под действием различных кислот. Полученные результаты: - исследован кислотно-катализируемый гидролиз различных образцов гидроксипропилметилцеллюлозы под действием серной, фосфорной, трифторметансульфоновой и хлорной кислот; - определены оптимальные условия гидролиза, приводящие к производным D-глюкозы; - проведен анализ распределения заместителей в ангидроглюкозном звене серии смешанных эфиров целлюлозы; - вычислены значения степени замещения во 2, 3 и 6 положении (DS C-2, DSC-3 и DSC-6), определено количество метоксильных (DSMe) и гидроксипропоксильных групп (DSHР), рассчитана суммарная степень замещения (DStotal), определена относительная реакционная способность гидроксилов глюкопиранозного звена. 3

- проведен сравнительный анализ полученных результатов с данными указанными производителем соответствующих эфиров целлюлозы. Область применения: высокомолекулярных Органическая соединений, химия спектроскопия. 4 химия, полисахаридов, химия ЯМР

СОДЕРЖАНИЕ С. ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………. 1 7 Обзор литературных данных. Методы определения химического строения производных целлюлозы ……………………………… 9 2 Обсуждение результатов ……………………………….………… 19 2.1 Объекты исследования …………………………………………… 19 2.2 Кислотный гидролиз эфиров целлюлозы …………………………. 22 2.2.1 Гидролиз гидроксипропилметилцеллюлозы с помощью серной кислоты ……………………………………………………………. 2.2.2 Гидролиз гидроксипропилметилцеллюлозы с помощью фосфорной кислоты ……………………………………………… 2.2.3 Гидролиз гидроксипропилметилцеллюлозы с 22 32 помощью трифторметансульфоновой кислоты ……………………………. 35 2.2.4 Гидролиз гидроксипропилметилцеллюлозы с помощью хлорной кислоты ……………………………………………………………. 38 2.2.5 Сравнение эффективности различных кислот для гидролиза гидроксипропилметилцеллюлозы …………………………………… 40 3 Экспериментальная часть ………………………………………….. 42 3.1 Приготовление 30 %-ного раствора серной кислоты ………….. 42 3.2 Приготовление 30 %-ного раствора фосфорной кислоты ……….. 43 3.3 Приготовление 3 %-ного раствора трифторметансульфоновой кислоты ……………………………………………………………… 43 3.4 Приготовление 5 %-ного раствора хлорной кислоты ………….. 43 3.5 Гидролиз гидроксипропилметилцеллюлозы при помощи раствора серной кислоты ……………………………………….. 3.6 Гидролиз гидроксипропилметилцеллюлозы при помощи раствора фосфорной кислоты …………………………………… 5 44 44

3.7 Гидролиз гидроксипропилметилцеллюлозы при помощи раствора трифторметансульфоновой кислоты ………………….. 3.8 Гидролиз гидроксипропилметилцеллюлозы при 45 помощи раствора хлорной кислоты …………………………………………. 46 ВЫВОДЫ …………………………………………………………… 47 Список использованных источников …………………………….. 50 Приложение А. Спектры ЯМР 13С ………………………………… 53 6

ВВЕДЕНИЕ Смешанные эфиры целлюлозы (ЭЦ) в настоящее время находят широкое применение в различных отраслях промышленности [1,2]. Одними из наиболее значимых и широко используемых представителей данной группы химических веществ является гидроксиэтилметилцеллюлоза (HEMC), гидроксипропилметилцеллюлоза (HPMC) и гидроксиэтилцеллюлоза (HEC), которые находят широкое применение в различных отраслях промышленности. Наибольшее значение эфиры целлюлозы находят в строительной индустрии, а именно: в составах строительных растворов [3], портландцементов [4] и сухих штукатурных смесей [5]. Кроме того, смешанные эфиры целлюлозы используются в технологиях нефтедобычи [6,7], в составе фармацевтических композиций [8,9]. Использование эфиров целлюлозы в составе водных дисперсных системах существенно повышает их вязкость, что улучшает стабильность и однородность получаемой консистенции [10]. Способность ЭЦ увеличивать вязкость водных дисперсных систем обусловлена наличием в определенных положениях глюкопиранозного цикла метильных, гидроксиэтильных и гидроксипропильных радикалов [11]. Этерификация гидроксильных в целлюлозе приводит к разрушению межмолекулярных водородных связей между целлюлозными цепями и придает способность эфиру целлюлозы растворяться в воде. Учитывая, что распределение заместителей, а также их количество в значительной степени влияют на свойства эфиров целлюлозы, определение параметров замещения является одной из важных задач в химии производ7

ных целлюлозы. В настоящее время для этих целей используются различные аналитические методы, описание которых представлено в обзоре [12]. В своем исследовании мы обратились к исследованию строения ЭЦ посредством ЯМР 13С спектроскопии продуктов еѐ кислотного гидролиза. 8

1 Обзор литературных данных. Методы определения химического строения производных целлюлозы В настоящее время проблеме определения химического строения производных целлюлозы посвящено большое количество работ. Основные методы и экспериментальные подходы для получения информации о количестве заместителей и их распределении по различным положениям глюкопиранозного звена представлены в обзоре [12]. Наиболее простым способом определения молекулярного замещения (MS) является метод Цейзеля, в котором эфир целлюлозы обрабатывают йодоводородной кислотой и анализируют количества образовавшихся алкилиодидов с помощью газожидкостной (ГЖХ) [13-15]. В общем виде схема реакции расщепления ЭЦ может быть представлена следующим образом: Образующийся алкилиодид поглощают раствором брома или ацетатом калия в ледяной уксусной кислоте определяя затем титриметрически количество KIO3 [13]. Для количественного определения йодистого алкила можно применять также пиридин, который образует соли четвертичного пиридиниевого основания. Образовавшаяся соль оттитровывается водным раствором нитрата серебра в присутствии ионов CrO42- [14]. Принципиально этот метод пригоден для определения степени замещения всех простых эфиров целлюлозы. Однако практически он находит применение только для простых эфиров целлюлозы и низших спиртов, при омы9

лении которых получаются алкилгалогениды со сравнительно высокой температурой плавления [15]. Современная модернизация метода Цейзеля включает в себя анализ продуктов реакции с помощью ЯМР спектрометрии, ГЖХ и ВЭЖХ. В работе [15] эфир целлюлозы обрабатывают йодистоводородной кислотой. Полученные таким образом йодистые алкилы собираются в холодной ловушке, содержащей 2,2,5-триметилгексан в качестве растворителя. Аликвота этого растворителя, содержащего йодистые алкилы впоследствии анализируется методом газовой хроматографии. Метилцеллюлоза, этилцеллюлоза, этилметилцеллюлоза и гидроксипропилметилцеллюлоза были проанализированы по этой процедуре. Метод обеспечивает одновременное определение смешанных алкильных заместителей в целлюлозе или родственных полисахаридах [16]. Ходжес с сотрудниками также использовали метод Цейзеля, однако они использовали адипиновую кислоту для каталитического расщепления йодистоводородной кислотой замещенных алкокси-групп до соответствующих алкилйодидов [15]. Полученные алкилйодиды экстрагируют ксилолом и с помощью ГЖХ определяют метокси, этоксил, гидроксиэтокси или гидроксипропокси замещение в смешанных или гомогенных эфирах целлюлозы. Определение молекулярного замещения возможно путем реакции соответствующего эфира целлюлозы с хлористым бензилом и анализом продуктов реакций с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) [16]. Обсуждаются некоторые благоприятные последствия предколоночной дериватизации для последующего разделения. Несмотря на простоту эксперимента, метод Цейзеля имеет недостатки, главный из которых низкая точность, обусловленная тем, что образующиеся алкилиодиды необходимо отгонять из реакционной смеси, и если в случае метил- или этилцеллюлозы образуются достаточно летучие и легко отгоняемые метил- и этилиодиды, то для HEMC и HPMC будут образовываться плохо летучие дииодиды: 1,2-дииодэтан и 1,2-дииодпропан. 10

В работе [16] описана процедура количественной характеристики распределения алкоксильных групп в метил- и этилцеллюлозах. ЭЦ гидролизуют, затем общий гидролизат обрабатывается бензоилхлоридом в растворе гидроксида натрия, после чего проводится разделение на компоненты с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии. При этом были получены восемь индивидуальных производных глюкозы, имеющие заместители в различных положениях. С помощью ВЭЖХ было проведено количественное определение, в результате которого получены данные о распределении заместителей в соответствии с их количеством и положением в ангидроглюкозном фрагменте полимера. С внедрением в практику химического анализа хромато-масс- спектрометрии исследователи стали активно использовать данный метод для анализа полисахаридов, в том числе эфиров целлюлозы. Для анализа ЭЦ широко используется матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация (МАЛДИ) – десорбционный метод «мягкой» ионизации, обусловленной воздействием импульсами лазерного излучения на матрицу с анализируемым веществом. Данные метод обычно используется в сочетании с времяпролетным масс-анализатором. Таким образом, верхний рубеж определяемых масс ограничивается пропускаемой способностью анализатора (около 1 MDa). Чувствительность метода: << 1 фемтомоль. В работе [17] были исследованы три образца гидроксипропилметилцеллюлозы, различающиеся между собой степенью замещения. Данные ЭЦ были проанализированы на предмет распределения метильных и гидроксипропильных заместителей в полимерных цепях. Анализ был выполнен после химической обработки эфира целлюлозы, включающей дейтерометилирование, частичную деполимеризацию и восстановительное аминирование с паминобензойной кислотой. Затем полученные образцы были разделены с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии и проанализированы с помощью масс-спектрометрии с ионизацией электронным спреем. 11

В работе [18] был проведен анализ распределения метильных и гидроксиэтильных заместителей в глюкопиранозных кольцах вдоль полимерной цепи. Метильные группы были определены методом ГЖХ / МС после прямого гидролиза, восстановления и ацетилирования. Количество гидроксиэтильных остатков было определено после перметилирования. Чтобы получить представление о распределении заместителей вдоль цепи целлюлозы, был разработан следующий метод, включающий стадии пердейтерометилирование; частичный кислотный гидролиз; восстановительное аминирование пропиламином; и перметилирование, с получением полностью O- и N-алкилированных олигосахаридов. Показано, количество метильных радикалов можно определить лазерной десорбционной ионизации в сочетании с времяпролетным масс-анализатором (MALDI-TOF-MS). На приведенном ниже рисунке представлена хроматограмма продуктов, полученных после обработки гидроксиэтилметилцеллюлозы. Рисунок 1 – Хроматограмма (ГЖХ) ацетатов О-метил-О-(2- гидроксиэтил)-D-глюкопиранозы, полученных из HEMC после гидролиза, восстановления и ацетилирования. В работе [19] несколько образцов гидроксиэтилметилцеллюлозы и гидроксиэтилцеллюлозы были проанализированы на предмет распределения за12

местителей в полимере. Для этого ЭЦ были проалкилированы метилиодиодом, подвергнуты частичному гидролизу, а затем проанализированы с помощью масс-спектрометрии с ионизацией ионов с электрораспылением (ESI-ITMS). Количественная оценка их масс-спектров была проведена после маркировки олигосахаридов с помощью о-аминобензойной кислоты. Рисунок 2 – Схема масс-спектрометрического анализа гидроксиэтилметилцеллюлозы В работе [20] проведено кинетическое исследование гидролиза некоторых смешанных эфиров целлюлозы под действием трифторуксусной кислоты. Процедуру гидролиза проводили в две стадии: первоначально был проведен частичный гидролиз, затем по полуацетальному гидроксилу была введена метка (м-аминобензойная кислота), затем проводилась процедура полного метилирования, а уже затем полного гидролиза. Конечные продукты гидролиза анализировались с помощью масс-спектрометрии. На приведѐнной ниже схеме представлена вся процедура анализа. 13

Рисунок 3 – Аналитические этапы определения констант скорости гидролиза смешанных эфиров целлюлозы. В работе [21] представлен подход для количественного анализа распределения заместителей в карбоксиметилцеллюлозе (CMC). Продукты полного гидролиза были выделены с помощью препаративной ВЭЖХ и охарактеризованы ЯМР 13С спектроскопией. Количественное определение карбоксиметильных групп было сделано с помощью анионообменной хроматографии и импульсного амперометрического обнаружения. Сравнение гидролиза CMC под действием серной и хлорной кислот показало большую эффективность последней. В работе [22] исследовалась связь молекулярного размера гидроксиэтилцеллюлозы (HEC) со скоростью и механизмом ферментативного гидролиза под действием целлюлаз. 14

В тоже время для исследования строения эфиров целлюлозы можно с успехом применять ЯМР спектроскопию. Одно из первых исследований по использованию ЯМР 13С спектроскопии для анализа эфиров целлюлозы было проведено в 1977 г. и заключалось в исследовании продуктов частичного и полного кислотного или ферментативного гидролиза метил-, карбоксиметили гидроксиэтилцеллюлозы [23]. В обзоре [24] обсуждаются возможности и ограничения использования ЯМР 13С спектроскопии для исследования строения целлюлозы и еѐ производных. В работе [25] ди- и триалкилзамещенные производные целлюлозы были изучены методом ЯМР 13 С спектроскопии в растворе. В работе [26] исследовалось строение гидроксипропил- и карбоксиметилцеллюлозы с помощью ЯМР 13С спектроскопии продуктов гидролиза по гликозидным связям. В работах [27, 28] на примере гидроксипропилметилцеллюлозы показана принципиальная возможность определения параметров замещения с помощью ЯМР 13С спектроскопии продуктов полного кислотного гидролиза. В целом, можно утверждать, что для анализа строения эфиров целлюлозы, в последнее время стала активно использоваться ЯМР 13С спектроскопия как самих полимеров, так и продуктов их гидролиза, особенно в тех случаях, когда при растворении эфира целлюлозы образуются высоковязкие растворы, для которых регистрация спектра ЯМР затруднена в силу значительного увеличения времени спин-решеточной релаксации и уменьшения резонансного сигнала. Использование твердотельной ЯМР 13С спектроскопии для определения параметров замещения в эфирах целлюлозы представлено на примере метилцеллюлозы [29], а также – гидроксиэтил-, гидроксиэтилметил- и гидроксипропилметилцеллюлозы [30]. В работе [31] показано, что твердотельная ЯМР спектроскопия является отличным и полезным методом анализа лекарственных форм. В этой работе были проанализированы наиболее распространенные фармацевтические вспомогательные вещества, такие как: безводная лактоза, моногидрат лакто15

зы, маннит, сахароза, сорбит, натриевая соль карбоксиметилкрахмала, микрокристаллическая целлюлоза, гипромеллоза (НРМС), этилцеллюлоза, метилцеллюлоза, гидроксиэтилцеллюлоза, сода, стеарат магния, лаурилсульфат натрия. Для данных веществ были получены 13C CP/MAS ЯМР-спектры, проведено отнесение сигналов, рассчитаны теоретические химические сдвиги. Полученные результаты дополняют данные по анализу наиболее распространенные фармацевтических наполнителей. На представленных ниже рисунках 3 и 4 показаны приведѐнные в работе [30] CP/MAS 13C ЯМР спектры. Рисунок 4 – CP/MAS 13 C ЯМР-спектры натриевой соли карбоксиме- тилкрахмала типа А (А), натриевой соли карбоксиметилкрахмала типа В (В), картофельного крахмала (С) и кукурузного крахмала (D). 16

Рисунок 5 – CP/MAS 13C ЯМР-спектры микрокристаллической целлюлозы (марка Avicel®PH-101) (A), гипромеллозы (B), этилцеллюлозы (C), гидроксиэтилцеллюлозы (D). Таким образом, как следует из литературных данных, которые представлены современными научными публикациями, разработка методов определения строения полисахаридов и их производных в настоящее время является актуальной задачей, поскольку некоторые производные полисахаридов, а именно, простые эфиры целлюлозы находят широкое применение. 17

2 ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ 2.1 Объекты исследования Определение строения эфиров целлюлозы, а именно, установление распределения заместителей по различным положениям ангидроглюкозного звена полисахарида не тривиальная задача. В настоящее время для этих целей, как видно из литературного обзора, используются различные методы и подходы. Целью настоящей работы явилось исследование строения смешанных эфиров целлюлозы (ЭЦ). В качестве объектов исследования была выбрана гидроксипропилметилцеллюлоза (HРMC). Данный ЭЦ находит широкое применение в фармацевтической, пищевой и строительной индустрии, в частности для придания водно-дисперсионным системам необходимых реологических, тиксопропных и водоудерживающих свойств. Для получения HРMC целлюлозу в начале обрабатывают гидроксидом натрия, затем оксидом пропилена и метилхлоридом [1]. В зависимости от условий реакции и количества реагентов в процессе производства получают ЭЦ с различным распределением заместителей в ангидроглюкозном звене. Наибольшее значение имеют водорастворимые продукты, содержащие 26-33 % (степень замещения DSMe 1,4-1,7) метоксильных и 4-12 % (степень замещения DSHP 0,10-0,28) гидроксипропильных групп. Общая схема получения HРMC представлена ниже. 18

В процессе производства гидроксипропилметилцеллюлозы, не смотря на тщательное соблюдение параметров технологического режима, наблюдается различное качество конечного продукта. Главной причиной этого является в первую очередь качество исходных материалов, в частности целлюлозы, источниками которой могут служить различные целлюлозосодержащие материалы [15]. Учитывая, что распределение заместителей, а также их количество в значительной степени влияют на свойства эфиров целлюлозы, определение параметров замещения является одной из важных задач в химии производных целлюлозы. Для описания параметров замещения в ангидроглюкозном звене целлюлозы используют такие показатели как степень замещения и молярное замещение. Степень замещения (DS) – это количество замещенных гидроксильных групп в молекуле глюкозы. Поскольку глюкопиранозное звено в целлюлозе имеет 3 гидроксильные группы в положениях С-2, С-3 и С-6, то при химической модификации максимальная степень замещения равна 3. Как правило, в эфирах целлюлозы, выпускаемых в промышленных масштабах, DS меньше 3, поскольку для придания водорастворимости целлюлозе достаточно провести частичное замещение, которое приводит к нарушению межмолекулярных водородных связей между полимерными цепочками. Молярное замещение – это отношение общего количества гидроксипропильных (в случае HРМC) групп к общему количеству молекул глюкозы. 19

Структурные фрагменты молекул целлюлозы и HРМC показаны ниже. В качестве объектов исследования были использованы три образца гидроксипропилметилцеллюлозы (HРМC) [20]. Перечень исследованных образцов и их общие характеристики представлены в таблице 2.1. Все образцы представляли собой мелкодисперсные полимерные порошки белого цвета, медленно растворяющиеся в воде с образованием высовязких растворов. Таблица 1 – Общая характеристика исследованных образов эфиров целлюлозы Обозначение HРMC I Вязкость по Хоплеру Марка (2 % р-р), мПа·с Headcel® 75HD400 DS 320 - 480 1,20 ± 0,20 HРMC II Asentol 75 140 000 - 160 000 1,30 ± 0,20 HРMC III Asentol 90 160 000 - 200 000 1,40 ± 0,20 В качестве метода исследования нами была использована ЯМР 13 С спектроскопия. Следует отметить, что получение качественных и высоко разрешѐнных спектров ЯМР 13 С в случае растворов ЭЦ невозможно вслед- ствие их высокой вязкости и соответственно большим временем спинрешеточной релаксации и низкой интенсивностью резонансного сигнала. Для примера на рисунке 6 представлен спектр частично деполимеризованного об20

разца I HРMC, полученного при гидролизе ЭЦ 1 % раствора с помощью трифторметансульфоновой кислоты при 70 оС. Рисунок 6 – Спектр ЯМР 13С образца частично деполимеризованного образца НРМС I. На данном спектре можно выделить следующие сигналы: квадруплетный сигнал 125,0, 121,8, 118,7 и 115,5 м.д. принадлежит трифторметильному радикалу СF3SO3H; 102,8 м.д. – ацетальному атому С-1 полисахарида; сигналы в диапазоне от 70 м.д. до 88 м.д. атомам углерода ангидроглюкозного звена, 66,7 м.д. – метиновому фрагменту гидроксипропильного радикала; 60,8 м.д. – атому С-6; 50,2 м.д. – атому углерода метоксильного заместителя; 18,0 м.д. – метильным радикалам гидроксипропильного фрагмента. С целью получения более качественных и лучше разрешенных спектров все образцы ЭЦ были нацело гидролизованы в условиях кислотного катализа. В качестве кислотного катализатора были использованы как наиболее доступные следующие кислоты: серная и фосфорная кислоты, и как наиболее сильные: трифторметансульфоновая и хлорная кислоты. 21

2.2 Кислотный гидролиз эфиров целлюлозы 2.2.1 Гидролиз гидроксипропилметилцеллюлозы с помощью серной кислоты Серная кислота используется для гидролиза, как самой целлюлозы, так и еѐ производных [32]. В своих исследованиях гидролиз образца I HPMC проводили с использованием 30%-ного раствора серной кислоты в дистиллированной воде. Процедура гидролиза подробная описана в экспериментальной части. На основе анализов спектров ЯМР 13С стандартных образцов D-глюкозы и метил-β-D-глюкопиранозида были вычислены поправочные коэффициенты для интенсивности сигналов различных типов углеродных атомов (таблица 2.2). Таблица 2 – Значения поправочных коэффициентов интенсивности (α) для атомов углерода пиранозного цикла СН2 и СН3 фрагментов Тип атома углерода Относительная интенсивность Коэффициент интенсивности (α) С-1 С-2 С-3 С-4 С-5 C-6 СН2 СН3 1,00 1,03 1,01 1,03 1,02 1,00 1,00 1,38 1,00 0,97 0,99 0,97 0,98 1,00 1,00 0,72 Продуктами кислотного гидролиза HPMC являются различным образом замещѐнные производные глюкозы, образовавшиеся в результате расщепления β(1-4)-гликозидной связи. С учетом литературных данных по общей степени замещения (DS), а также технических параметров, заявленных производителем, мы предположили, что одновременно в глюкопиранозном звене не 22

может быть более 2 заместителей одновременно, поэтому возможно образование в основном дизамещенных и монозамещенных производных глюкозы. При чем конфигурация атома С-1 может соответствовать как α- так и βформам. Ниже представлены производные глюкозы, которые могут образоваться при расщеплении HPMC. На рисунке 7 представлен ЯМР 13С спектр продуктов гидролиза НРМС образец I, полученных при использовании для гидролиза 30%-ной серной 69.91 кислоты. HPMC_13C.JDX 1.0 0.9 58.73 57.75 60.79 60.18 18.33 0.3 83.73 92.24 0.4 80.15 80.69 0.5 74.33 75.96 0.6 71.38 95.91 0.7 66.31 0.2 15.51 Normalized Intensity 89.52 0.8 0.1 0 120 112 104 96 88 80 72 64 56 Chemical Shift (ppm) 48 40 32 24 16 8 Рисунок 7 – Спектр ЯМР 13С продуктов кислотно-катализируемого гидролиза образца (I) НРМС в D2O/H2O. 23

Как видно из рисунка 7 спектр ЯМР 13 С продуктов полного кислотно- катализируемого гидролиза НРМС имеет достаточно сложный вид и содержат большое количество сигналов в области 65-100 м.д. О полноте гидролиза можно судить по отсутствии сигнала ацетальных атомов углерода С-1 в олиго- и полисахаридах, который должен иметь химический сдвиг в области 102-103 м.д. Для отнесения сигналов в спектрах ЯМР 13С продуктов гидролиза использовали данные работы [33] и расчѐт с помощью программы BIOPSEL [34]. В таблице 2.3 представлены рассчитанные химические сдвиги атомов углерода. Таблица 3 – Рассчитанные с помощью BIOPSEL 13С ЯМР спектры соединений (1) – (9) Соединение HPMC (1) HPMC (2) HPMC (3) HPMC (4) С-1, м.д. αβ- С-2, м.д. С-3, м.д. С-4, С-5, С-6, м.д. м.д. м.д. X, м.д. 89.7 95.1 90.3 75.4 72.1 78.8 72.3 59.6 92.1 96.8 74.7 85.4 69.6 76.1 72.3 59.6 92.1 96.8 73.4 84.2 69.3 78.4 72.0 57.7 89.7 96.0 92.2 75.1 72.1 75.5 72.0 57.7 HPMC (5) 92.1 96.8 73.5 84.2 90.1 96.1 92.2 75.1 90.7 96.1 90.3 75.4 71.8 78.3 60.2 – 92.1 96.7 73.8 84.4 69.3 77.5 60.2 – HPMC (6) HPMC (8) HPMC (9) 59.6 (при С-6); 69.3 79.1 72.3 57.7 (при С-3) 59.6 (при С-6); 72.1 78.8 72.3 57.7 (при С-2) 24 Y, м.д. 80.5; 68.0; 19.8 80.5; 68.0; 19.8 80.7; 67.7; 19.8 80.7; 67.7; 19.8 – – 80.5; 68.0; 19.8 80.5; 68.0; 19.8

Отнесение сигналов в спектрах ЯМР 13 С было произведено с использо- ванием расчѐтных данных (табл. 2.3). Так сигналы в области 96 м.д. во всех спектрах соответствуют β-полуацетальным атомом углерода, тогда как сигналы α-полуацетальных углеродных атомов находятся в области 92 м.д. Химические сдвиги атомов С-2 и С-3, имеющих замещенный гидроксил, значительного отличается от аналогичных атомов с незамещенной гидроксогруппой. Химические сдвиги атомов С-4 и С-5 не сильно отличаются от типа производных и находятся в области 69-72 м.д. (С-4) и 75-80 м.д. (С-5). Химический сдвиг атома С-6 достаточно сильно зависит как от присутствия заместителя по гидроксо-группе, так и от его типа. Химический сдвиг углеродного атома метокси-группы находится в области 57-59 м.д. Атомы углерода гидроксипропильного фрагмента имеют следующие сигналы: 78-80 м.д. (-ОСН2-), 67-68 м.д. (-СН(ОН)-) и 17-18 м.д. (СН3). На рисунке 8 показаны фрагменты спектров ЯМР 13 С гидролизатов об- разцов (I-III) HPMC в диапазоне химических сдвигов от 84 до 99 м.д. Рисунок 8 – Фрагменты спектров ЯМР 13С гидролизатов образцов HPMC (IIII) в диапазоне 84-99 м.д. 25

Степень замещения гидроксила в положении С-2 (DSC-2) можно вычислить как отношение интегральной интенсивности сигнала С-2 при наличии замещенной гидроксильной группы (~89 м.д.) к суммарной интенсивности всех сигналов, принадлежащих полуацетальным атомам углерода, согласно выражению (1): (1) Здесь и в дальнейшем параметр In-m во всех формулах обозначает интегральную интенсивность соответствующей спектральной области, в которой n – минимальное значение химического сдвига, m – максимальное значение химического сдвига. Степень замещения гидроксила в положении С-3 (DSC-3) можно вычислить как отношение интегральной интенсивности сигнала С-3 при наличии замещенной гидроксильной группы (~85,0-85,6 м.д.) к суммарной интенсивности всех сигналов, принадлежащих полуацетальным атомам углерода по выражению (2): (2) На рисунке 9 показаны участки спектров ЯМР 13 С гидролизатов образ- цов (I-III) HPMC в диапазоне химических сдвигов от 56 до 77 м.д., которые содержат сигналы атомов углерода метоксильного и гидроксипропильного фрагментов и атомов С-6, С-5 с частичным вкладом атомов С-2 и С-3. Степень замещения гидроксила при атоме С-6 (DSC-6) в НРМС можно вычислить, сравнивая интенсивность сигналов незамещенного и замещенного атома углерода C-6, химические сдвиги которых достаточно сильно отличаются. Сигналы незамещенных атомов С-6 имеют химический сдвиг 60,561,3 м.д., а сигналы замещенного атома С-6 – 71,0-72,5 м.д. Тогда степень замещения DSC-6 в HPMC можно вычислить по формуле 3: 26

(3) Рисунок 9 – Фрагменты спектров ЯМР 13С образцов гидролизатов HPMC (IIII) в диапазоне 56-76 м.д. Вычислять DSC-6 делением интенсивности сигнала замещенного атома углерода C-6 на суммарную интенсивность сигналов полуацетальных атомов С-1 нецелесообразно, так как атомы С-6 и атомы С-1 имеют различный отклик. Общая степень замещения для всех образцов HРМС (DStotal) есть сумма степеней замещения гидроксильных групп по атомам С-2, С-3 и С-6 (формула 4): DS total  DS C 2  DS C 3  DS C 6 (4) Общая степень замещения гидроксилов метильными радикалами DSMe в HPMC представляет собой отношение суммарной интенсивности всех сигна- 27

лов, принадлежащих метоксильным группам 57,5-59,0 м.д. к суммарной интенсивности полуацетальных атомов углерода (формула 5): (5) Однако, следует учитывать возможность замещения гидроксила в гидроксипропильном (HPMC) фрагменте, которое может привести к образованию эфиров целлюлозы следующего строения: С целью определения количества метильных групп введенных в гидроксипропильный , мы предлагаем рассчитать общее замещение гид- роксипропильными (HPMC) фрагментами исходя из других данных, а затем по разнице вычистить данный параметр. Общую степень замещения гидроксипропильными группами можно рассчитать по формуле 6, как отношение интенсивности внешних метильных радикалов (рисунок 10) к интенсивности всех полуацетальных атомов углерода: (6) Другой вариант расчета – разность между суммарной степенью замещения DStotal и степенью замещения метильными радикалами (формула 7): 28

(7) Тогда степень замещения метильными радикалами гидроксипропильного может быть вычислена исходя из следующих соображений: если общая степень замещения метоксильными группами формуле 6, будет больше, чем значение разности , вычисленная по , то имеет место дополнительное замещение в гидроксипропильном фрагменте на метильный радикал, которое можно количественно оценить по формуле 8: (8) Молекулярное замещения (MS) для HPMC можно определить, анализируя спектральную область 15-19 м.д., где присутствуют две группы сигналов, отвечающим внутренним (15,0-15,5 м.д.) и внешним (18,0-18,5 м.д.) метильным группам гидроксипропильных фрагментов (рисунок 4). 29

Рисунок 10 – Спектр ЯМР 13С НРМС (образцы I - III) в диапазоне химического сдвига от 12 до 24 м.д. Таким образом, MSHP вычисляется по формуле 9, как отношение суммарной интенсивности метильных групп гидроксипропильных фрагментов к суммарной интенсивности полуацетальных атомов углерода: (9) Кроме того, MSHP можно вычислить по формуле 10, как отношение суммарной интенсивности всех метиновых атомов углерода гидроксипропильных фрагментов (80-81 м.д.) к суммарной интенсивности полуацетальных атомов углерода: (10) При отсутствии дополнительной степени замещения степень за- мещения метильными радикалами в смешанных ЭЦ можно вычислить по формуле 11: (11) Для каждого образца регистрировали спектры трех растворов близкой концентрации. Значения интегральных интенсивностей для сигналов в каждом спектре измеряли автоматическим методом с использованием стандартных алгоритмов интегрирования изолированных и совмещенных сигналов, представленных в программном пакете Delta 4.3.6. Результаты измерений обрабатывали стандартным методом математической статистики (таблица 2.2.4). 30

II 0,78 0,79 0,80 0,79±0,025 1,21 1,22 1,20 1,21±0,025 0,09 0,08 0,07 0,08±0,025 0,62 0,62 0,63 0,62±0,014 0,29 0,27 0,27 0,28±0,029 0,75 0,75 0,76 0,75±0,014 1,66 1,64 1,66 1,65±0,03 0,66 0,64 0,66 0,65±0,03 III 0,67 0,66 0,69 0,67±0,038 1,26 1,25 1,27 1,26±0,025 0,14 0,12 0,13 0,13±0,025 0,63 0,63 0,65 0,64±0,030 0,29 0,29 0,28 0,29±0,014 0,72 0,73 0,72 0,72±0,014 1,64 1,65 1,65 1,65±0,018 0,64 0,65 0,65 0,65±0,018 I 31 x2 0,69±0,018 x1 0,68 DStotal 0,69 x3 0,70 x2 1,70±0,018 x1 1,70 DSC-6 1,71 x3 1,70 x2 0,73±0,014 x1 0,73 DSC-3 0,73 x3 0,72 x2 0,32±0,014 x1 0,32 DSC-2 0,32 x3 0,33 x2 0,65±0,014 x1 0,65 Me DS HP 0,66 x3 0,65 x2 0,14±0,038 x1 0,13 DSMe 0,16 x3 0,14 x2 1,29±0,025 x1 1,29 DSHP 1,28 x3 1,30 x2 0,65±0,025 1 0,64 x 0,65 0,66 HPMC Таблица 4 – Результаты вычислений параметров замещения эфиров целлюлозы (I-III) MS x3

Из данных, приведенных в таблице 4, следует, что реакционная способность гидроксильных групп в глюкопиранозном кольце в реакции целлюлозы с метилхлоридом и пропиленоксидом изменяется в ряду С-6 > С-2 > С-3, что объясняется действием пространственных факторов: первичный гидроксил стерически более доступен. Кроме того, во всех образцах имеет место незначительное замещение гидроксилов гидроксипропоксильных фрагментов на 12-20%. В целом полученные значения степени замещения исследованных эфиров целлюлозы хорошо согласуются со значениями, указанными производителем. Таким образом, можно утверждать, что ЯМР 13 С спектроскопия продуктов кислотно-катализируемого гидролиза метилгидроксиэтилцеллюлозы может быть использована для определения строения полимера, распределения заместителей по положениям С-2, С-3 и С-6 глюкопиранозного звена и степени замещения. 2.2.2 Гидролиз гидроксипропилметилцеллюлозы с помощью фосфорной кислоты Исследование гидролиза эфиров целлюлозы под действием фосфорной кислоты описано в ряде работ [35,36]. Преимуществом использования фосфорной кислоты вместо серной, является более низкая окисляющая способность. Так при использовании концентрированной серной кислоты наблюдается дегидратация получившихся производных глюкозы с образованием производных гидроксиметилфурфурола, о чем свидетельствуют сигналы альдегидного атома углерода в области 178-180 м.д. В своих исследованиях гидролиз образцов гидроксипропилметилцеллюлозы проводили с использованием 30%-ного раствора фосфорной кислоты в дистиллированной воде. Процедура гидролиза подробная описана в экспериментальной части. Для гидролиза использовали 1,00 г эфира целлюлозы и 50 32

мл 30%-ного раствора фосфорной кислоты, смесь нагревали при 95-100оС в колбе с обратным холодильником при перемешивании в течение 5 часов. После окончания реакции реакционную смесь разбавляли 100 мл дистиллированной воды, нейтрализовали гидроксидом кальция до нейтральной реакции среды, осадок фосфата кальция отфильтровывали на воронке Бюхнера и промывали на фильтре 100 мл горячей дистиллированной водой. Затем фильтрат упаривали в вакууме до объема 30-40 мл, выпавший осадок отфильтровывали, полученный фильтрат упаривали в вакууме досуха и анализировали ЯМР 13С спектроскопией. На ниже приведѐнном рисунке представлены ЯМР 13 С спектры полу- ченных продуктов частичного гидролиза HPMC (образцы I-III). Рисунок 11 – Спектры ЯМР 13С продуктов кислотно-катализируемого гидролиза образцов НРМС при помощи H3PO4 в D2O/H2O. О том, что эфиры целлюлозы гидролизовались не полностью свидетельствуют сигналы в области 102-103 м.д., принадлежащие ацетальным 33

атомам углерода поли- и олигосахаридов. По-видимому, фосфорная кислота менее эффективна для гидролиза, чем серная, так как является более слабой кислотой. Как видно из приведѐнного выше рисунка, во всех спектрах присутствуют кроме сигнала ~102,5 м.д. следующие группы сигналов: ~96 м.д. – полуацетальный атом С-1; ~90 м.д. – атом С-2 при наличии замещенной гидроксильной группы; ~85,0-85,6 м.д. – атом С-3 при наличии замещенной гидроксильной группы; 59,5-61,3 м.д. – незамещенный атом С-6, 71,0-72,0 м.д. – замещенный атом С-6; 57,5-59,2 м.д. – метокси-группы. Параметры замещения в глюкопиранозном звене эфиров целлюлозы (IIII) можно вычислить, используя подходы, описанные в предыдущем разделе. Результаты вычисления параметров замещения в исследованных образцах HPMC (I-III) приведены в таблице 5. Таблица 5 – Результаты вычислений параметров замещения эфиров целлюлозы (I-III) HPMC DSHP DSMe Me DS HP DSC-2 DSC-3 DSC-6 DStotal MS I 0,65 1,29 0,14 0,65 0,32 0,72 1,69 0,69 II 0,79 1,21 0,08 0,62 0,28 0,76 1,71 0,65 III 0,67 1,25 0,13 0,64 0,29 0,73 1,70 0,65 Если сравнить данные представленные в таблице 4 и 5, то видно, что параметры замещения, определенные двумя различными способами хорошо, согласуются между собой. В целом полученные значения степени замещения исследованных эфиров целлюлозы хорошо согласуются со значениями, указанными производителем. Таким образом, можно утверждать, что ЯМР 13 С спектроскопия продуктов частичного кислотно-катализируемого гидролиза 34

гидроксипропилметилцеллюлозы может быть использована для определения строения полимера, распределения заместителей по положениям С-2, С-3 и С-6 глюкопиранозного звена и степени замещения. 2.2.3 Гидролиз гидроксипропилметилцеллюлозы с помощью трифторметансульфоновой кислоты При гидролизе ЭЦ с помощью серной или фосфорной кислоты требуются достаточно концентрированные растворы кислот, не менее 30%. После окончания гидролиза встает задача нейтрализации и удаления кислоты. Если использовать более разбавленные растворы кислот, то процедуру обработки реакционной смеси можно значительно упростить. В этой связи мы обратились к исследованию гидролиза ЭЦ под действием трифторметансульфоновой кислоты, которая является более сильной кислотой, чем серная и тем более фосфорная. При изучении литературных источников, мы не обнаружили работ, в которых бы для гидролиза эфиров целлюлозы использовалась бы трифторметансульфоновая кислота. В качестве объектов исследования нами были выбраны все те три образца гидроксипропилметилцеллюлозы. Гидролиз образцов эфиров целлюлозы проводили по следующей методике: 0,10 г эфира целлюлозы и 10 мл раствора 3% раствора CF3SO3H нагревали при 110оС в микроволновом реакторе Monowave 300 (AntonPaar) в течение 2 ч. После окончания реакции реакционную смесь нейтрализовали гидрокарбонатом натрия и упаривали в вакууме досуха. Полученный остаток растворяли в 1 мл смеси D2O и H2O в соотношении 9:1, подвергали центрифугированию и полученный раствор использовали для получения ЯМР 13 С спектров. Таким образом, значительно упрощается процедура, как самого 35

гидролиза, так и обработки реакционной смеси. В частности, нет необходимости удаления CF3SO3H, так как квадруплетный сигнал трифторметильного радикала не мешает проведению анализа. В качестве реперных сигналов в спектрах использовали сигналы натриевой соли трифторметансульфоновой кислоты. Спектры обрабатывались с помощью программы ACD/NMR Processor Academic Edition, Ver. 12.01. На приведѐнном ниже рисунке представлены полученные спектры ЯМР 13 С продуктов гидролиза исследованных образцов гидроксипропилме- тилцеллюлозы с помощью CF3SO3H. Рисунок 12 – Спектры ЯМР 13С продуктов кислотно-катализируемого гидролиза образцов HРМC при помощи CF3SO3H в D2O/H2O. Квадруплетный сигнал 124,7 м.д., 121,4 м.д., 118,3м.д. и 115,1 м.д. принадлежит атому углерода трифторметильной группы и не перекрывается с остальными сигналами атомов углерода, принадлежажих глюкопиранозному кольцу и заместителям. Сигналы низкой интенсивности в области 102-103 36

м.д. соответствуют ацетальным атомам углерода олигосахаридов. Тот факт, что данные сигналы имеют низкую интенсивность, свидетельствует о том, что гидролиз произошел почти полностью. Сигналы в области 95-96 м.д. соответствуют β-полуацетальным атомам углерода, тогда как сигналы αполуацетальных углеродных атомов находятся в области 92 м.д. Химические сдвиги атомов С-2 и С-3, имеющих замещенный гидроксил, значительного отличается от аналогичных атомов с незамещенной гидроксо-группой. Химические сдвиги атомов С-4 и С-5 не сильно отличаются от типа производных и находятся в области 69-72 м.д. (С-4) и 75-80 м.д. (С-5). Химический сдвиг атома С-6 достаточно сильно зависит как от присутствия заместителя по гидроксо-группе, так и от его типа. Химический сдвиг углеродного атома метокси-группы находится в области 58-59 м.д. Атомы углерода гидроксипропильного фрагмента имеют следующие сигналы: 78-80 м.д. (-О-СН2-), 6768 м.д. (-СН(ОН)-) и 17-18 м.д (СН3). Параметры замещения гидроксипропилметилцеллюлозы вычисляли используя формулы приведенные в разделе 2.2.1. Результаты представлены в таблице 6. Таблица 6 – Результаты вычислений параметров замещения эфиров целлюлозы (I-III) HPMC DSHP DSMe Me DS HP DSC-2 DSC-3 DSC-6 DStotal MS I 0,66 1,28 0,13 0,64 0,31 0,71 1,69 0,68 II 0,78 1,20 0,07 0,63 0,27 0,76 1,71 0,66 III 0,67 1,24 0,12 0,62 0,28 0,74 1,70 0,65 Из полученных данных следует, что реакционная способность гидроксильных групп в глюкопиранозном кольце изменяется в ряду С-6 ≈ С-2 > С3, что объясняется действием пространственных факторов. Использование 3 37

% водного раствора трифторметансульфоновой кислоты по сравнению с раствором H2SO4 или H3PO4 позволяет проводить гидролиз в менее концентрированной кислоте, значительно упрощает процедуру обработки реакционной смеси и препятствует образованию побочных продуктов. Таким образом, нами предложен универсальный, удобный и достаточно точный способ определения химического строения смешанных эфиров целлюлозы путем ЯМР 13 С спектроскопии продуктов кислотно-катализируемого гидролиза с помо- щью разбавленного раствора CF3SO3H. 2.2.4 Гидролиз гидроксипропилметилцеллюлозы с помощью хлорной кислоты Хлорная кислота также была испытана, как катализатор гидролиза НРМС. Использование растворов HClO4 для гидролиза карбоксиметилцеллюлозы описано в работе [22]. В качестве объектов исследования нами были выбран образец I гидроксипропилметилцеллюлозы. Гидролиз эфира целлюлозы проводили по следующей методике: 0,30 г эфира целлюлозы и 20 мл раствора 5% раствора HClO4 нагревали при 90100оС при перемешивании в течение 3 ч. После окончания реакции реакционную смесь нейтрализовали гидроксидом калия, выпавший осадок KClO4 отфильтровывали, фильтрат упаривали в вакууме до объема 10 мл и повторно отфильтровывали осадок перхлората калия. Затем упаривали до суха. Полученный остаток растворяли в 1 мл смеси D2O и H2O в соотношении 9:1, 38

подвергали центрифугированию и полученный раствор использовали для получения ЯМР 13С спектров. Спектры обрабатывались с помощью программы ACD/NMR Processor Academic Edition, Ver. 12.01. На приведѐнном ниже рисунке представлены спектры ЯМР 13С продуктов гидролиза образца I гидроксипропилметилцеллюлозы, полученные с по- 70.02 мощью HClO4. HPMC_HCLO4_2019-03-19_13C (1).ESP 76.02 1.0 58.76 61.07 60.18 71.47 72.16 18.39 85.03 0.3 69.47 0.4 73.04 83.77 81.97 80.16 0.5 57.88 74.42 80.70 89.61 0.6 92.32 Normalized Intensity 0.7 95.94 0.8 96.12 0.9 15.60 0.2 0.1 0 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 Chemical Shift (ppm) 45 40 35 30 25 20 15 Рисунок 13 – Спектр ЯМР 13С продуктов кислотно-катализируемого гидролиза образца HРМC при помощи HClO4 в D2O/H2O. В целом, спектр ЯМР 13 С продуктов кислотно-катализируемого гидро- лиза образца HРМC полученного при помощи HClO4 ничем не отличается от 39

аналогичных спектров продуктов гидролиза, полученных при действии серной, фосфорной или трифторметансульфоновой кислоты. 2.2.5 Сравнение эффективности различных кислот для гидролиза гидроксипропилметилцеллюлозы Если сравнивать эффективность изученных кислот для катализа гидролиза гидроксипропилметилцеллюлозы, то можно сделать вывод о том, что эффективность связана с силой кислот и константой диссоциации. В приведенной ниже таблице представлены константы диссоциации кислот, условия гидролиза HPMC. Таблица 6 – Константы диссоциации использованных кислот и условия проведения гидролиза Кислота рКа Используе- Продолжитель- Наличие мая концен- ность реакции, олигосаха- H2SO4 pKa1 = − 2,8 трация ч ридов, % 30% 5 5-10 30% 5 80-90 2 5-10 3 5-10 pKa2 = 1,92 H3PO4 pKa1 = 2,12 pKa2 = 7,20 pKa3 = 12,32 CF3SO3H pKa = − 14.7 3% [43] HClO4 pKa = − 10 5% 40

Данные таблицы, свидетельствует о том, что гидролиз легче протекает в присутствии более сильной кислоты. Таким образом, можно рекомендовать использовать для гидролиза трифторметансульфоновую кислоту, поскольку еѐ не обязательно удалять из реакционной смеси и для проведения гидролиза требуется раствор меньшей концентрации. Однако, из-за высокой стоимости трифторметансульфоновой кислоты, еѐ использование будет ограничено. Можно использовать раствор хлорной кислоты, которая также является очень сильной, но более доступна. Таким образом, изученные кислоты можно расположить в следующий ряд по эффективности катализа гидролиза ЭЦ: H3PO4 < H2SO4 < HClO4 < CF3SO3H. 41

3 Экспериментальная часть. Спектры ЯМР 13 С гидролизатов образцов (I-IV) MHEC регистрировали на спектрометре JEOL JNM-ECX400 (9,39 Т, 100,5 MГц) для растворов в D2O/H2O (20-30 мг вещества в 0,7 мл смеси D2O и H2O в соотношении 9:1) на частоте 100,5 МГц с использованием стандартной импульсной последовательности с увеличением времени релаксации (Т1) до 5 с без использования эффекта NOE. Данные условия регистрации ЯМР спектров были выбраны на основании серии экспериментов с различными длительностями импульса, с целью получения одинаковой интенсивности сигналов различных типов атомов углерода стандартных образцов D-глюкозы и метил-β-D- глюкопиранозида. В качестве реперных сигналов в спектрах использовали сигналы натриевой соли 4,4-диметил-4-силапентан-1-сульфоновой кислоты. Для проведения реакций использовали микроволновой реактор Monowave 300 (AntonPaar). Спектры обрабатывались с помощью программы ACD/NMR Processor Academic Edition, Ver. 12.01. В качестве объектов исследования были выбраны три образца гидроксипропилметилцеллюлозы (НРМС) [22, 23]. Все образцы представляли собой мелкодисперсные полимерные порошки белого цвета. Использованные для гидролиза кислоты имели квалификацию ЧДА. 3.1 Приготовление 30 %-ного раствора серной кислоты В плоскодонную колбу на 250 мл наливали 100 мл дистиллированной воды, затем осторожно при перемешивании добавляли 50 мл 98% серной кислоты. Полученный раствор переливали в мерную колбу на 250 мл и дово42

дили до метки дистиллированной водой. Полученный раствор использовали для гидролиза эфиров целлюлозы. 3.2 Приготовление 30 %-ного раствора фосфорной кислоты В плоскодонную колбу на 250 мл наливали 100 мл дистиллированной воды, затем осторожно при перемешивании добавляли 90 мл 70% фосфорной кислоты. Полученный раствор переливали в мерную колбу на 250 мл и доводили до метки дистиллированной водой. Полученный раствор использовали для гидролиза эфиров целлюлозы. 3.3 Приготовление 3 %-ного раствора трифторметансульфоновой кислоты В мерную колбу на 100 мл наливали 1,8 мл трифторметансульфоновой кислоты и затем осторожно при перемешивании добавляли дистиллированную воду до метки. Полученный раствор использовали для гидролиза эфиров целлюлозы. 3.4 Приготовление 5 %-ного раствора хлорной кислоты В мерную колбу на 100 мл наливали 3,1 мл 70%-ной хлорной кислоты и затем осторожно при перемешивании добавляли дистиллированную воду 43

до метки. Полученный раствор использовали для гидролиза эфиров целлюлозы. 3.5 Гидролиз гидроксипропилметилцеллюлозы при помощи раствора серной кислоты Гидролиз образцов гидроксипропилметилцеллюлозы проводили в растворе 30%-ной серной кислоты по следующей методике: в 50 мл 30%-ной серной кислоты при перемешивании растворяли 1,00 г эфира целлюлозы. Затем полученный вязкий раствор помещали в круглодонную колбу на 100 мл, снабженную магнитной мешалкой и обратным холодильником. Реакционную смесь нагревали при 90-95оС при перемешивании в течение 5 часов. После окончания реакции реакционную смесь разбавляли 100 мл дистиллированной воды, нейтрализовали сухим гидроксидом бария до нейтральной реакции среды по универсальной индикаторной бумаги, осадок сульфата бария отфильтровывали на воронке Бюхнера и промывали на фильтре 100 мл горячей дистиллированной водой. Затем объединѐнный фильтрат упаривали в вакууме до объема 30-40 мл, выпавший осадок отфильтровывали на складчатом фильтре, полученный фильтрат упаривали в вакууме досуха и анализировали ЯМР 13С спектроскопией. 3.6 Гидролиз гидроксипропилметилцеллюлозы при помощи раствора фосфорной кислоты Гидролиз образцов гидроксипропилметилцеллюлозы проводили в растворе 30%-ной фосфорной кислоты по следующей методике: в 50 мл 30%44

ной фосфорной кислоты при перемешивании растворяли 1,00 г эфира целлюлозы. Затем полученный вязкий раствор помещали в круглодонную колбу на 100 мл, снабженную магнитной мешалкой и обратным холодильником. Реакционную смесь нагревали при 90-95оС при перемешивании в течение 5 часов. После окончания реакции реакционную смесь разбавляли 100 мл дистиллированной воды, нейтрализовали сухим гидроксидом кальция до нейтральной реакции среды по универсальной индикаторной бумаги, осадок фосфата кальция отфильтровывали на воронке Бюхнера и промывали на фильтре 100 мл горячей дистиллированной водой. Затем объединѐнный фильтрат упаривали в вакууме до объема 30-40 мл, выпавший осадок отфильтровывали на складчатом фильтре, полученный фильтрат упаривали в вакууме досуха и анализировали ЯМР 13С спектроскопией. 3.7 Гидролиз гидроксипропилметилцеллюлозы при помощи раствора трифторметансульфоновой кислоты Гидролиз образцов гидроксипропилметилцеллюлозы проводили в растворе 3%-ной трифторметансульфоновой кислоты по следующей методике: в 10 мл 3%-ной трифторметансульфоновой кислоты при перемешивании растворяли 0,10 г эфира целлюлозы. Затем полученный вязкий раствор помещали в пробирку на 20 мл для микроволнового реактора Monowave 300 (AntonPaar). Реакционную смесь нагревали в течение 2 часов, в соответствии с температурной программой – 10 мин при 60 оС и 110 мин при 110 оС. После окончания реакции реакционную смесь нейтрализовали гидрокарбонатом натрия до рН ~ 6-7 и упаривали в вакууме досуха. Остаток анализировали с помощью ЯМР 13С спектроскопии. 45

3.8 Гидролиз гидроксипропилметилцеллюлозы при помощи раствора хлорной кислоты Гидролиз образцов гидроксипропилметилцеллюлозы проводили в растворе 5%-ной хлорной кислоты по следующей методике: в 20 мл 5%-ной хлорной кислоты при перемешивании растворяли 0,40 г эфира целлюлозы. Затем полученный вязкий раствор помещали в круглодонную колбу на 100 мл, снабженную магнитной мешалкой и обратным холодильником. Реакционную смесь нагревали при 95-100оС при перемешивании в течение 3 часов. После окончания реакции реакционную смесь нейтрализовали 30%-ным раствором KOH до рН 7. Выпавший осадок перхлората калия отфильтровывали, фильтр упаривали на роторном испарители. Выпадающий в процессе упаривания осадок отфильтровали еще раз и затем фильтрат упаривали досуха. Остаток анализировали с помощью ЯМР 13С спектроскопии. 46

ВЫВОДЫ 1. Исследован кислотно-катализируемый гидролиз различных образцов гидроксипропилметилцеллюлозы под действием серной, фосфорной, трифторметансульфоновой и хлорной кислот. 2. Определены оптимальные условия полного гидролиза, приводящего к различным производным D-глюкозы и частичного гидролиза, приводящего к различным производным олиго- и полисахаридам. 3. Проведен анализ распределения заместителей в ангидроглюкозном звене, вычислены значения степени замещения по 2, 3 и 6 положению (DSC-2, DSC-3 и DSC-6), определено количество метоксильных (DSMe) и гидроксипропильных групп (DSHР), рассчитана суммарная степень замещения (DStotal). 4. Проведен сравнительный анализ эффективности использования серной, фосфорной, трифторметансульфоновой и хлорной кислот для гидролиза гидроксипропилметилцеллюлозы. 5. Эффективность кислот находится в ряду H3PO4 < H2SO4 < HClO4 < CF3SO3H. 47

Список использованных источников 1. Кряжев В.Н. Состояние производства эфиров целлюлозы / Кряжев В.Н., Широков В.А. // Химия растительного сырья. – 2005. № 3. – С. 7 – 12. 2. Василик П.Г. Обзор современных эфиров целлюлозы торговой марки Mecellose для плиточных клеев на цементной основе / Василик П.Г., Голубев И.В. // Сухие строительные смеси. – 2012. № 1. – С. 18 – 21. 3. Черных Т.Н. Влияние эфиров целлюлозы на свойства растворных смесей и растворов / Черных Т.Н., Трофимов Б.Я., Крамар Л.Я. // Строительные материалы – 2004. № 4. – С. 42 – 43. 4. Естемесов З.А. Влияние Тилозы на процессы гидратации цемента / Естемесов З.А., Васильченко Н.А., Султанбеков Т.К., Шаяхметов Г.З. // Строительные материалы – 2000. № 7. – С. 10 – 11. 5. Бауманн Р. Влияние эфиров целлюлозы на свойства цементных штукатурных смесей / Бауманн Р., Шарлеманн С., Ноебауер Й. // Alitinform: Цемент. Бетон. Сухие Смеси – 2010. № 4-5. – С. 80 – 88. 6. Wanfen P. A comprehensive review of polysaccharide biopolymers for enhanced oil recovery (EOR) from flask to field / P. Wanfen, S. Chao, B. Wei, Y. Yang, Y. Li // Journal of Industrial and Engineering Chemistry. – 2018. – Vol. 61. – P. 1-11. 7. Хисаметдинов М.Р. Применение эфиров целлюлозы в новых технологиях увеличения нефтеизвлечения ОАО «Татнефть» / М.Р. Хисаметдинов, А.В. Федоров, А.В. Михайлов, З.М. Ганеева, Е.В. Лифанова, С.В. Крюков // Нефть. Газ. Новации. – 2014. – № 4. – С. 31-34. 8. Jian-Hwa Guo G.W. Pharmaceutical applications of naturally occurring water-soluble polymers / G.W. Jian-Hwa Guo, W.W. Skinner, P.E. Harcum // Pharmaceutical Science & Technology Today. – 1998. – Vol. 1, Iss. 6. – P. 254261. 9. Трофимов С.В. Высокомолекулярные эфиры целлюлозы. Механизмы действия в матричных таблетках пролонгирующего действия. Зависимость 48

профиля высвобождения активной субстанции от молекулярной массы и гидрофильных свойств полимера / С.В. Трофимов // Фармация и фармакология. – 2015. – Т. 3. № 5. – С. 18-25. 10. Khayat K.H. Viscosity-enhancing admixtures for cement-based materials – An overview / Khayat K.H. // Cement and Concrete Composites. – 1998. – Vol. 20. – Iss. 2-3. – P. 171-188. 11. Balan A. A comparative rheological study of several colloidal systems based on cellulose derivatives / Balan A., Moise A., Grigoriu A. A // Cellulose Chemistry and Technology Cellulose. – 2010. – Vol. 44., № 7- 8. – Р. 231- 238. 12. Mischnick P. Chemical Structure Analysis of Starch and Cellulose Derivatives / Mischnick P., Momcilovic D. // Advances in Carbohydrate Chemistry and Biochemistry – 2010. – Vol. 64. – P. 117- 210. 13. Cobler J.G. Determination of alklyl cellulose ethers by gas chromatography / Cobler J.G., Samsel E.P., Beaver G.H. // Talanta. – 1962. – Vol. 9. № 6. – P. 473- 481. 14. Li H. A Novel Method for Determination of Ethoxyl Content in Ethyl Cellulose by Headspace Gas Chromatography / H. Li, X.-S. Chai, H.Zhan, M. Liu, S. Fu // Anal. Lett. – 2012. – Vol. 45, Iss. 9. – P. 1028-1035. 15 Cobler J.G. Determination of alklyl cellulose ethers by gas chromatography / J.G. Cobler, E.P. Samsel, G.H. Beaver // Talanta. – 1962. – Vol. 9. N 6. –P. 473–481. 16 Hodges K. Determination of alkoxyl substitution in cellulose ethers by Zeisel gas chromatography / K. Hodges, W. Kester, D. Wiederrich, J. Grover // Anal. Chem. – 1979. – Vol. 51. N 13. – P. 2172-2176. 17 Sachse K. Substitution in cellulose ethers part II. Determination of the distribution of alkoxyl substituents on the glucose units using high-performance liquid chromatography / K. Sachse, K. Metzner, T.Welsch // The Analyst. – 1983. – Vol. 108. N 1286. – P. 597-602. 18 Adden R. Analysis of the substituent distribution in the glucosyl units and along the polymer chain of hydroxypropylmethyl celluloses and statistical evalua49

tion / R. Adden, R.Müller, P. Mischnick // Cellulose. – 2006. – Vol. 13. N. 4. – P. 459-476. 19 Cuers J.A. Critical investigation of the substituent distribution in the polymer chains of hydroxypropyl methylcelluloses by (LC-)ESI-MS / J.A. Cuers, M.B. Rinken, R.C. Adden, P. Mischnick // Analytical and Bioanalytical Chemistry. – 2013. – Vol. 405. Iss. 28. – P. 9021-9032. 20 Mischnick P. A new method for the analysis of the substitution pattern of hydroxyethyl(methyl)-celluloses along the polysaccharide chain / P. Mischnick, I. Unterieser, K. Voiges, J. Cuers, M. Rinken, R. Adden // Macromolecular Chemistry and Physics. – 2013. – Vol. 214. Iss. 12. – P. 1363-1374. 21 Voiges K. Kinetic studies of acid-catalyzed hydrolysis of mixed cellulose ethers / K. Voiges, N. Lammerhardt, P. Mischnick // Cellulose. – 2017. –Vol. 24. – P. 627–639. 22 Saake B. A New Approach in the Analysis of the Substituent Distribution of Carboxymethyl Celluloses / B. Saake, S. Horner, J. Puls, T. Heinze, W. Koch // Cellulose. – March 2001. – Vol. 8, Issue 1. – P. 59-67. 23 Martínez-Richa A. Determination of molecular size of O-(2hydroxyethyl)cellulose (HEC) and its relationship to the mechanism of enzymatic hydrolysis by cellulases / A. Martínez-Richa // Carbohydrate Polymers. – 2012. – Vol. 87, Issue 3. – P. 2129-2136. 24 Parfondry A. 13C-n.m.r. spectroscopy of cellulose еthers / Parfondry A., Perlin A.S. // Carbohydrate Research. – 1977. – Vol. 57. – P. 39-49. 25 Nehls I. Characterization of cellulose and cellulose derivatives in solution by high resolution 13C-NMR spectroscopy / I. Nehls, W. Wagenknecht, B. Philipp, D. Stscherbina // Progress in Polymer Science. – 1994. – Vol. 19, Iss. 1. – P. 2978. 26 Sachinvala N.N.D. Synthesis, physical, and NMR characteristics of Diand Tri-Substituted cellulose ethers / N.N.D. Sachinvala, D.L. Winsor, W.P. Niemczura, K. Maskos, T.L. Vigo, N.R. Bertoniere // ACS Symposium Series. – 2002. – Vol. 834. – P. 306-324. 50

27 Kunze J. Characterization of cellulose and cellulose ethers by means of 13 C NMR spectroscopy / J. Kunze, A. Ebert, H.P. Fink // Cellulose Chemistry and Technology. – 2000. – Vol. 34, N 1-2. – P. 21-34. 28 Brogly M. Determination of the chemical structure of cellulosebased biopolymers / M. Brogly, A. Fahs, S. Bistac // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. – 2016. – Vol. 11. N 11. – P. 7188-7192. 29 Кострюков С.Г. Определение параметров замещения гидроксипропилметилцеллюлозы методом ЯМР 13 С спектроскопии / С.В. Арасланкин, С.Г. Кострюков, П.С. Петров // Вестник Пермского Университета. Серия: Химия. – 2018. – Т. 8. – № 1. – С. 54-67. 30 Karrasch A. Solid-state NMR studies of methyl celluloses. Part 2: Determination of degree of substitution and O-6 vs. O-2/O-3 substituent distribution in commercial methyl cellulose samples / A. Karrasch, C. Jäger, B. Saake, A. Potthast, T. Rosenau // Cellulose. – 2009. – № 16. – Р. 1159-1166. 31 Кострюков С.Г. Определение степени замещения (DS) и молекулярного замещения (MS) простых эфиров целлюлозы методом твердотельной ЯМР 13C спектроскопии / С.Г. Кострюков, С.В. Арасланкин, П.С. Петров //. Химия растительного сырья. – 2017. – № 4. – С. 31-40. 32 Pisklak D.M. ¹³C solid-state NMR analysis of the most common pharmaceutical excipients used in solid drug formulations, Part I: Chemical shifts assignment / D.M. Pisklak, M.A. Zielińska-Pisklak, Ł. Szeleszczuk, I. Wawer // J. Pharm. Biomed. Anal. – 2016. – Vol. 122. – P. 81-89. 33 Роговин З.А. Химия целлюлозы / Роговин З.А. // М.: Химия, 1972. 369 – 370 c. 34 Программа BIOPSEL [Электронный ресурс]: – Режим доступа: https://toukach.ru/files/biopsel.zip 35 Toukach F.V. Recent advances in computational predictions of NMR parameters for the structure elucidation of carbohydrates: methods and limitations / Toukach F.V., Ananikov V.P. // Chem. Soc. Rev. – 2013. – Vol. 42. – P. 8376 – 8415. 51

36 Juanhua Z. Effect of phosphoric acid pretreatment on enzymatic hydrolysis of microcrystalline cellulose / Z. Juanhua, Z. Beixiao, Z. Jingqiang, L. Lu, L. Shijie, O. Pingkai // Biotechnology Advances. – Vol. 28, Issue 5. – 2010. – P. 613619. 37 Laca A. Chapter 8 - Hydrolysis: From cellulose and hemicellulose to simple sugars / A. Laca, M. Díaz. // Editor(s): A. Basile, F. Dalena, Second and Third Generation of Feedstocks. – Elsevier, 2019. – P. 213-240, 38 Hiertberg T. Characterization of cellulose ethers by 13C NMR. Part 1. Studies of high molecular weight polymers in solution and in the solid state. / Hiertberg T., Zadorecki P. // Makromol. Chem. – 1986. № 181. – Р. 899 – 911. 39 Karrasch A. Solid-state NMR studies of methyl celluloses. Part 2: Determination of degree of substitution and O-6 vs. O-2/O-3 substituent distribution in commercial methyl cellulose samples / Karrasch A., Jäger C., Saake B., Potthast A., Rosenau T. // Cellulose – 2009. № 16. – Р. 1159 – 1166. 40 Martínez-Richa A. Determination of molecular size of O-(2hydroxyethyl)cellulose (HEC) and its relationship to the mechanism of enzymatic hydrolysis by cellulases / Martínez-Richa A. // Carbohydrate Polymers. – 2012. – Vol. 87. – Iss. 3. – Р. 2129 – 2136. 41 Эфиры целлюлозы [Электронный ресурс]: – Режим доступа: https://www.setylose.com 42 ACD/NMR Processor Academic Edition [Электронный ресурс]: – Режим доступа: http://www.acdlabs.com/resources/freeware/nmr_proc/. 43 Trummal A. Acidity of Strong Acids in Water and Dimethyl Sulfoxide / A. Trummal, L. Lipping, I. Kaljurand, I. A. Koppel, I. Leito // J. Phys. Chem. A. – 2016. – Vol. 120. – P. 3663-3669. 52

Приложение А (обязательное) Спектры ЯМР 13С 53

Рисунок А.1 – Спектр ЯМР 13С частично деполимеризованной HРМC (образец II, гидролиз 30 % H2SO4, 2 ч). 54

Рисунок А.2 – Спектр ЯМР 13С полностью деполимеризованной HРМC (образец I, гидролиз 30% H2SO4, 5 ч). 55

Рисунок А.3 – Спектр ЯМР 13С полностью деполимеризованной HРМC (образец I, гидролиз 30% H3PO4, 5 ч). 56

Рисунок А.4 – Спектр ЯМР 13С полностью деполимеризованной HРМC (образец I, гидролиз 3% СF3SO3H, 2 ч). 57

Рисунок А.5 – Спектр ЯМР 13С полностью деполимеризованной HРМC (образец I, гидролиз 5% HClO4, 3 ч). 58

Рецензии:

Авторизуйтесь, чтобы добавить рецензию

- у работы пока нет рецензий -

Отзывы:

Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв