Исследование строения эфиров целлюлозы методом ЯМР 13С спектроскопии по продуктам кислотно-катализируемого гидролиза

Аль-Рубайе Ангам Адил Исмаил

Исследование строения эфиров целлюлозы методом ЯМР 13С спектроскопии по продуктам кислотно-катализируемого гидролиза

Метилгидроксиэтилцеллюлоза (MHEC), степень замещения (DS), степень полимеризации, молярное замещение (MS), глюкопиранозное звено, ангидридоглюкозное звено, кислотнокатализируемый гидролиз, распределение заместителей, интегральная интенсивность, серная кислота, фосфорная кислота, трифторметансульфоновая кислота.

Химия

Дипломы

Вуз: Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарева

ID: 5d9f435f7966e10551908135

UUID: 218c90d0-cd9a-0137-f2ea-525400005860

Язык: Русский

Опубликовано: больше 4 лет назад

Просмотры: 24

Аль-Рубайе Ангам Адил Исмаил

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

Комментировать 0

Рецензировать 0

Скачать - 6,0 МБ

Поделиться работой

РЕФЕРАТ Выпускная квалификационная работа содержит 69 страниц теста, 14 рисунков, 7 таблиц и 43 библиографических источников. Ключевые слова: МЕТИЛГИДРОКСИЭТИЛЦЕЛЛЮЛОЗА (MHEC), СТЕПЕНЬ ЗАМЕЩЕНИЯ (DS), СТЕПЕНЬ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ, МОЛЯРНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ (MS), ГЛЮКОПИРАНОЗНОЕ ЗВЕНО, АНГИДРИДОГЛЮКОЗНОЕ ЗВЕНО, КИСЛОТНОКАТАЛИЗИРУЕМЫЙ ГИДРОЛИЗ, РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАМЕСТИТЕЛЕЙ, ИНТЕГРАЛЬНАЯ ИНТЕНСИВНОСТЬ, СЕРНАЯ КИСЛОТА, ФОСФОРНАЯ КИСЛОТА, ТРИФТОРМЕТАНСУЛЬФОНОВАЯ КИСЛОТА. Цель работы: Разработка методов установления химической структуры смешанных эфиров целлюлозы на примере метилгидроксиэтилцеллюлозы (MHEC) с помощью ЯМР 13С спектроскопии продуктов их кислотного гидролиза под действием различных кислот. Полученные результаты: - исследован кислотно-катализируемый гидролиз различных образцов MHEC под действием серной, фосфорной и трифторметансульфоновой 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 гидроксиэтоксильных групп (DSHE), рассчитана суммарная степень замещения (DStotal), определена относительная реакционная способность гидроксилов глюкопиранозного звена. - проведен сравнительный анализ полученных результатов с данными указанными производителем соответствующих эфиров целлюлозы. Область применения: Органическая химия, химия высокомолекулярных соединений, химия полисахаридов, ЯМР спектроскопия. 3

СОДЕРЖАНИЕ 1 2 2.1 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 4 ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ. Методы определения химического строения производных ……………………….… ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ………………………………..… Объекты исследования……………………………………………… Кислотный гидролиз эфиров целлюлозы………………………….. Гидролиз метилгидроксиэтилцеллюлозы с помощью серной кислоты……………………………………………………… Гидролиз метилгидроксиэтилцеллюлозы с помощью фосфорной кислоты………………………………………………… Гидролиз метилгидроксиэтилцеллюлозы с помощью трифторметансульфоновой кислоты……………………………… Сравнение эффективности различных кислот для гидролиза метилгидроксиэтилцеллюлозы…………………………..……….. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ …………………………….. Приготовление 30 %-ного раствора серной кислоты ……………. Приготовление 30 %-ного раствора фосфорной кислоты……….. Приготовление 3 %-ного раствора трифторметансульфоновой кислоты……………………………………………………………… Гидролиз метилгидроксиэтилцеллюлозы при помощи раствора серной кислоты……………………………………………………… Гидролиз метилгидроксиэтилцеллюлозы при помощи раствора фосфорной кислоты…………………………………………………. Гидролиз метилгидроксиэтилцеллюлозы при помощи раствора трифторметансульфоновой кислоты……………………………… ВЫВОДЫ ……………………………………………………………. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ………………. Приложение А 4 С. 4 5 14 14 18 18 31 36 41 43 43 44 44 44 45 46 47 48 53

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 метилгидроксиэтилцеллюлоза (MHEC), метилгидроксипропилцеллюлоза (MHPC) и гидроксиэтилцеллюлоза (HEC). 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 производных 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. 5

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 при6

менение только для простых эфиров целлюлозы и низших спиртов, при омылении 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 отгоняе7

мые метил- и этилиодиды, то для MHEC и MHPC будут образовываться плохо летучие дииодиды: 1,2-дииодэтан и 1,2-дииодпропан. 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 1MDa). 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 по8

мощью высокоэффективной жидкостной хроматографии и проанализированы с помощью масс-спектрометрии с ионизацией электронным спреем. 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 метилгидроксипропилцелююлозы. Рисунок 1 – Хроматограмма (ГЖХ) ацетатов О-метил-О-(2- гидроксиэтил)-D-глюкопиранозы, полученных из MHEC после гидролиза, восстановления и ацетилирования. 9

В работе [19] несколько образцов метилгидроксиэтилцеллюлозы и гидроксиэтилцеллюлозы были проанализированы на предмет распределения заместителей 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 метилгидроксиэтилцеллюлозы 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. 10

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. 11

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 метилгидроксипропилцеллюлозы 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-, метилгидроксиэтил- и метилгидроксипропилцеллюлозы [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 лакто12

зы, маннит, сахароза, сорбит, натриевая соль карбоксиметилкрахмала, микрокристаллическая целлюлоза, гипромеллоза, этилцеллюлоза, метилцеллюлоза, гидроксиэтилцеллюлоза, сода, стеарат магния, лаурилсульфат натрия. Для данных веществ были получены 13 C 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). 13

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. 14

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 метилгидроксиэтилцеллюлоза (MHEC). 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 MHEC целлюлозу в начале обрабатывают гидроксидом натрия, затем оксидом этилена и метилхлоридом [1]. В зависимости от условий реакции и количества реагентов в процессе производства получают ЭЦ с различным распределением заместителей в ангидроглюкозном звене. Схема получения MHEC представлена ниже. 15

В процесс производства метилгидроксиэтилцеллюлозы, 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 гидроксиэтильных (в случае MHEC) групп к общему количеству молекул глюкозы. Структурные фрагменты молекул целлюлозы и MHEC показаны ниже. В качестве объектов исследования были использованы четыре образца метилгидроксиэтилцеллюлозы (MHEC) [20]. Перечень исследованных образ16

цов и их общие характеристики представлены в таблице 1. Все образцы представляли собой мелкодисперсные полимерные порошки белого цвета, медленно растворяющиеся в воде с образованием высоковязких растворов. Таблица 1 – Общая характеристика исследованных образов ЭЦ Вязкость по Хоплеру Обозначение (2 % р-р), мПа·с DS MHEC I 200 1,20 ± 0,20 MHEC II 6000 1,30 ± 0,20 MHEC III 15000 1,40 ± 0,20 MHEC IV 30000 1,70 ± 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 образца MHEC. 17

Рисунок 6 – Спектр ЯМР 13 С частично деполимеризованного образца МНЕС I. Сигнал в области ~102 м.д. соответствует ацетальным атомам углерода полисахарида; сигналы в области ~82-83 м.д. – атомам углерода С-4 и С-2, С3, имеющим замещенный гидроксил; ~78-70 м.д. – атомам углерода глюкопиранозного кольца С-2, С-3, С-4, С-5 и некоторые С-6 и СН2-группы; ~60 м.д. – С-6 и СН2-группа, имеющая не замещенный гидроксил; ~58-59 м.д. – углерод метильной группы. С целью получения более качественных и лучше разрешенных спектров все образцы ЭЦ были 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 кислота. 18

2.2 Кислотный гидролиз эфиров целлюлозы 2.2.1 Гидролиз метилгидроксиэтилцеллюлозы с помощью серной кислоты Серная кислота используется для гидролиза как самой целлюлозы, так и еѐ производных [32]. В своих исследованиях гидролиз образцов метилгидроксиэтилцеллюлозы проводили с использованием 30%-ного раствора серной кислоты в дистиллированной воде. Процедура гидролиза подробная описана в экспериментальной части. На основе анализа спектров ЯМР 13 С продуктов гидролиза образца MHEC (III), полученных при различном времени реакции, найдена оптимальная продолжительность гидролиза. На рис. 2.2.1 представлены спектры ЯМР 13 С гидролизатов образца MHEC (III), полученные при продолжитель- ности реакции 1, 2 и 5 часов. На основе анализов спектров ЯМР 13 С стандартных образцов D- глюкозы, метил-β-D-глюкопиранозида и этил-β-D-глюкопиранозида были вычислены поправочные коэффициенты для интенсивности сигналов различных типов углеродных атомов (таблица 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 19

Продуктами кислотного гидролиза всех образцов МHEC 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 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 β-формам. Как видно из спектров, приведенных на рисунке 7, с увеличением продолжительности гидролиза происходит уменьшение и исчезновение сигнала в области ~102,5 м.д., который соответствует ацетальному атому С-1, и соответственно увеличивается интенсивность сигнала в области ~96 м.д., который соответствует полуацетальному атому С-1. Кроме того, улучшается разрешение спектра и отношение сигнал/шум. Таким образом, были найдены оптимальные условия для осуществления полного гидролиза MHEC под действием серной кислоты, продуктами которого являются различные замещѐнные производные глюкозы, образовавшиеся в результате расщепления β(1-4)гликозидной связи. Учитывая, заявленные производителем метилгидроксиэтилцеллюлозы параметры этерификации, мы образование в основном дизамещенных и монозамещенных производных глюкозы, строение которых показано на рисунке 2.2.2. При этом конфигурация атома С-1 может соответствовать α- и β-формам. На рисунке 8 представлены возможные производные глюкозы, которые могут образоваться в результате полного гидролиза MHEC. 20

Рисунок 7 – Спектры ЯМР 13С продуктов кислотно-катализируемого гидролиза образца (III) MHEC в D2O/H2O при различном времени реакции. 3

Рисунок 8 – Возможные продукты кислотно-катализируемого гидролиза MHEC. Для отнесения сигналов в спектрах ЯМР 13 С гидролизатов MHEC нами был проведен расчѐт химических сдвигов для атомов углерода с помощью программы BIOPSEL [33], специально разработанной для симулирования спектров ЯМР 13С углеводов. В работе [34] было показано, что этот алгоритм значительно превосходит используемые в ЯМР-исследованиях квантовомеханические подходы как по точности предсказания химических сдвигов 13 С углеводов в водных растворах, так и по быстродействию. Результаты расчетов химических сдвигов 13 C ожидаемых продуктов гидролиза MHEC (1) – (9) представлены в таблице 3. Полученные значения химических сдвигов хорошо согласуются с литературными данными [23]. Как видно из рисунка 8 спектры ЯМР 13С продуктов полного кислотнокатализируемого гидролиза исследованных образцов MHEC имеют достаточно сложный вид и содержат большое количество сигналов в области 65100 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. Однако даже визуальное сравнение спектров представленных на рисунке 6 (частичный гидролиз) и на рисунке 9 (полный гидролиз) показывает более высокое разрешение спектров полного гидролиза. 3

Таблица 3 – Рассчитанные 13С ЯМР спектры соединений (1) – (9) С-1, м.д. αβ- С-2, м.д. С-3, м.д. С-4, м.д. С-5, м.д. С-6, м.д. X, м.д. 1 90,5 96,3 90,0 75,4 72,1 78,8 72,3 59,6 2 93,0 96,8 73,8 85,4 69,6 78,1 72,3 59,6 3 93,0 96,8 73,5 84,0 69,3 78,4 71,8 57,7 4 90,5 96,0 92,2 75,1 72,1 76,5 71,8 57,7 5 92,1 96,8 73,5 84,2 69,3 79,1 72,3 6 90,1 96,1 92,2 75,1 72,1 78,8 72,3 7 92,8 96,5 8 90,5 96,3 9 92,8 96,5 72,2 90,0 73,8 72,6 75,4 85,4 71,8 71,8 69,3 75,5 78,3 77,5 71,8 60,2 60,2 4 Y, м.д. 71,0; 72,8 62,4; 72,8 70,6; 61,3 70,6; 61,3 59,6 (С-6); 57,7 (С-3) 59,6 (С-6); 57,7 (С-2) 70,6; 61,3 71,0; 62,8 72,8; 62,4

Рисунок 9 – Спектры ЯМР 13 С продуктов кислотно-катализируемого (Н2SO4) гидролиза образцов (I-IV) MHEC в D2O/H2O 3

Отнесение сигналов в спектрах ЯМР 13 С было произведено с использо- ванием расчѐтных данных (табл. 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 гидроксиэтильного фрагмента значительно отличаются между собой 60-62 м.д. (-СН2-ОН) и 69-71 м.д. (-О-СН2-). На рисунке 10 показаны фрагменты спектров ЯМР 13С гидролизатов образцов (I-IV) MHEC в диапазоне химических сдвигов от 84 до 99 м.д. 3

Рисунок 10 – Фрагменты спектров ЯМР 13С гидролизатов образцов MHEC (I-IV) в диапазоне 84-99 м.д. 3

Степень замещения гидроксила в положении С-2 (DSC-2) можно вычислить как отношение интегральной интенсивности сигнала С-2 при наличии замещенной гидроксильной группы (~89,7 м.д.) к суммарной интенсивности всех сигналов, принадлежащих полуацетальным атомам углерода, согласно выражению (1): DS C  2   I89,70 I 96,0296,20  I 92,3 (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): DS C 3   I84,585,0 I 96,0296,20  I 92,3 (2) На рисунке 11 показаны участки спектров ЯМР 13С гидролизатов образцов (I-IV) MHEC в диапазоне химических сдвигов от 56 до 76 м.д., которые содержат сигналы атомов углерода метоксильного и гидроксиэтоксильного фрагментов и атомов С-6, С-5 с частичным вкладом атомов С-2 и С-3. 3

Рисунок 11 – Фрагменты спектров ЯМР 13С образцов гидролизатов MHEC (I-IV) в диапазоне 56-76 м.д. 3

Степень замещения гидроксила при атоме С-6 (DSC-6) в MHEC 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 59,561,3 м.д., а сигналы замещенного атома С-6 – 71,0-72,0 м.д., таким образом степень замещения DSC-6 вычисляется согласно выражению (3): DS C 6  I 71,071,5 I 71,071,5  I 59,561,3 (3) Общая степень замещения для всех образцов MHEC (DStotal) есть сумма степеней замещения гидроксильных групп по атомам С-2, С-3 и С-6 (4): DS total  DS C 2  DS C 3  DS C 6 (4) Общая степень замещения гидроксилов метильными радикалами DSMe в MHEC представляет собой отношение суммарной интенсивности всех сигналов, принадлежащих метоксильным группам 57,5-59,2 м.д., к суммарной интенсивности полуацетальных атомов углерода (5): DS Me   I 57,559,2 I 96,0296,20  I92,3 (5) Однако, следует учитывать возможность замещения гидроксила в гидроксиэтильном фрагменте, которое может привести к образованию эфира целлюлозы, имеющим строение как показано на рисунке 12. И как показали рассчеты, действительно имеет место замещение данного гидроксила. Рисунок 12 – Фрагменты молекулы метилгидроксиэтилцеллюлозы 3

Для определения количества метильных групп введенных в гидроксиMe этильный фрагмент DS HE , предлагается рассчитать общее замещение гид- роксиэтильными фрагментами глюкопиранозного звена исходя из других данных, а затем по разнице вычислить указанный параметр. total Общую степень замещения гидроксиэтильными группами DS HE в MHEC можно рассчитать как отношение интенсивности всех атомов углерода в гидроксиэтоксильных фрагментах за исключением концевых (СН2ОН) (69-70,5 м.д.) к суммарной интенсивности незамещенных атомов С-6 и концевых атомов углерода гидроксиэтильных фрагментов (СН2ОН) (60-61 м.д.), включая замещенный атом С-6 (71-72 м.д.): DS HE  I 69,070,5  DS C 6 (6) I 71,072,0  I 60,0 61,0 Тогда степень замещения метильными радикалами гидроксиэтильного Me фрагмента DS HE может быть вычислена исходя из следующего условия: ес- ли общая степень замещения метоксильными группами DSMe, вычисленная по выражению (5), будет больше, чем значение разности total , DS total  DS HE то имеет место дополнительное замещение в гидроксиэтильном фрагменте на метильный радикал, которое можно количественно оценить по выражению (7): Me DSHE  DS Me  ( DS total  DS HE ) (7) 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 4). 4

x2 x3 I 0,46 0,45 0,44 II 0,68 0,69 0,60 III 0,57 0,56 0,59 IV 0,78 0,79 1,18 1,19 1,12 1,10 1,15 1,17 1,26 1,24 0,16 0,13 0,18 0,17 0,22 0,23 0,37 0,36 0,46 0,45 0,52 0,53 0,53 0,55 0,67 0,66 5 0,22 0,22 0,27 0,27 0,29 0,28 0,31 0,30 0,53 0,53 0,55 0,56 0,63 0,62 0,72 0,72 1,21 1,20 1,34 1,36 1,45 1,45 1,70 1,68 DSC-6 x1 x2 x3 1,69±0,03 1,45±0,018 1,35±0,03 1,20±0,018 1,20 x3 1,36 x2 1,44 x1 1,70 DSC-3 0,72±0,014 0,62±0,014 0,55±0,014 0,53±0,014 0,52 x3 0,55 x2 0,62 x1 0,73 DSC-2 0,31±0,014 0,29±0,014 0,28±0,029 0,22±0,014 0,23 x3 0,29 x2 0,29 x1 0,31 Me DS HE 0,66±0,014 0,54±0,030 0,52±0,014 0,45±0,014 0,45 x3 0,52 x2 0,53 x1 0,66 DSMe 0,37±0,025 0,23±0,025 0,28±0,025 0,14±0,038 0,14 x3 0,19 x2 0,24 x1 0,38 DSHE 1,25±0,025 1,16±0,025 1,11±0,025 1,19±0,025 1,19 1,11 1,16 1,25 MHEC 0,79±0,025 0,57±0,038 0,69±0,025 0,45±0,025 x1 0,80 Таблица 4 – Результаты вычислений параметров замещения эфиров целлюлозы (I-IV) DStotal DS [46] ~1,2 ~1,3 ~1,4 ~1,7

Из данных, приведенных в таблице 4, следует, что реакционная способность гидроксильных групп в глюкопиранозном кольце в реакции целлюлозы с метилхлоридом и этиленоксидом 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 частичное замещение гидроксилов гидроксиэтоксильных фрагментов на 3545%, что также связано более высокой реакционной способностью первичного гидроксила. В целом полученные значения степени замещения исследованных эфиров целлюлозы хорошо согласуются со значениями, указанными производителем. Таким образом, можно утверждать, что ЯМР 13 С спектро- скопия 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 метилгидроксиэтилцеллюлозы 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 метилгидроксиэтилцеллюлозы проводили с использованием 30%-ного раствора фосфорной кислоты в дистиллированной воде. Процедура гидролиза подробная описана в экспери-

ментальной части. Для гидролиза использовали 1,00 г эфира целлюлозы и 50 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 13 представлены ЯМР 13С спектры полученных продуктов частичного гидролиза эфиров целлюлозы (I-IV). Рисунок 13 – Спектры ЯМР 13С продуктов кислотно-катализируемого гидролиза образцов MHEC при помощи H3PO4 в D2O/H2O.

О том, что эфиры целлюлозы гидролизовались не полностью свидетельствуют сигналы в области 102-103 м.д., принадлежащие ацетальным атомам углерода поли- и олигосахаридов. По-видимому, фосфорная кислота менее эффективна для гидролиза, чем серная, так как является более слабой кислотой. Примечательно, что ЭЦ имеющую более высокую вязкость растворов, гидролизуются хуже. В спектре образца IV сигнал в области ~96 м.д. более слабый, чем в других образцах. Это связано с тем, что высокая вязкость обусловлена более высокой молекулярной массой ЭЦ, а полимер с большей степенью полимеризации гидролизуется хуже, чем аналогичный полимер с меньшей степенью полимеризации. 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 (IIV) можно вычислить используя подходы, описанные в предыдущем разделе. Степень замещения гидроксила в положении С-2 (DSC-2) можно вычислить как отношение интегральной интенсивности сигнала С-2 при наличии замещенной гидроксильной группы (~89,7 м.д.) к суммарной интенсивности всех сигналов, принадлежащих ацетальным и полуацетальным атомам углерода, согласно выражению (8): DS C  2  I 90 I102,5  I 96 (8) Здесь и в дальнейшем параметр In во всех формулах обозначает интегральную интенсивность соответствующей спектральной области, в которой n – 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 (9): DS C 3  I8585,6 (9) I102,5  I96 Степень замещения гидроксила при атоме С-6 (DSC-6) в MHEC 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 59,561,3 м.д., а сигналы замещенного атома С-6 – 71,0-72,0 м.д., таким образом, степень замещения DSC-6 вычисляется согласно выражению (10): DS C 6  I 71,071,5 I 71,071,5  I 59,561,3 (10) Общая степень замещения для всех образцов MHEC (DStotal) есть сумма степеней замещения гидроксильных групп по атомам С-2, С-3 и С-6, таким образом, общую степень замещения можно вычислить по выражению (11): DS total  DS C 2  DS C 3  DS C 6 (11) Общая степень замещения гидроксилов метильными радикалами DSMe в MHEC представляет собой отношение суммарной интенсивности всех сигналов, принадлежащих метоксильным группам 57,5-59,2 м.д., к суммарной интенсивности полуацетальных и ацетальных атомов углерода (выражение 12): DS Me  I 57,559,2 I102,5  I 96 (12) Однако, следует учитывать возможность замещения гидроксила в гидроксиэтильном фрагменте, которое может привести к образованию эфира целлюлозы, имеющим строение было как показано в предыдущем разделе на рисунке 12.

Для определения количества метильных групп введенных в гидроксиMe этильный фрагмент DS HE , мы предлагаем рассчитать общее замещение гид- роксиэтильными фрагментами глюкопиранозного звена исходя из других данных, а затем по разнице вычислить указанный параметр. total Общую степень замещения гидроксиэтильными группами DS HE в MHEC можно рассчитать как отношение интенсивности всех атомов углерода в гидроксиэтоксильных фрагментах за исключением концевых (СН2ОН) (69-70,5 м.д.) к суммарной интенсивности незамещенных атомов С-6 и концевых атомов углерода гидроксиэтильных фрагментов (СН2ОН) (60-61 м.д.), включая замещенный атом С-6 (71-72 м.д.) (выражение 13): DS HE  I 69,070,5  DS C 6 (13) I 71,072,0  I 60,0 61,0 Тогда степень замещения метильными радикалами гидроксиэтильного Me фрагмента DS HE может быть вычислена исходя из следующего условия: если общая степень замещения метоксильными группами DSMe, вычисленная по total total формуле (5), будет больше, чем значение разности DS  DSHE , то имеет место дополнительное замещение в гидроксиэтильном фрагменте на метильный радикал, которое можно количественно оценить по выражению 14: Me DSHE  DS Me  ( DS total  DS HE ) (14) Результаты вычисления параметров замещения в исследованных образцах (I-IV) метилгидроксиэтилцеллюлозы приведены в таблице 5. Таблица 5 – Результаты вычислений параметров замещения эфиров целлюлозы (I-IV) MHEC DSHE DSMe Me DS HE DSC-2 DSC-3 DSC-6 DStotal DS [46] I II III IV 0,45 0,59 0,17 0,79 0,98 1,0 1,16 1,25 0,10 0,08 0,13 0,36 0,49 0,52 0,54 0,67 0,15 0,18 0,19 0,31 0,54 0,56 0,63 0,73 1,18 1,31 1,40 1,68 ~1,2 ~1,3 ~1,4 ~1,7

Если сравнить данные представленные в таблице 3 и 4, то видно, что параметры замещения, определенные двумя различными способами хорошо, согласуются между собой. В целом, можно сделать следующие выводы: реакционная способность гидроксильных групп в глюкопиранозном кольце в реакции целлюлозы с метилхлоридом и этиленоксидом находиться в ряду С6 > С-2 > С-3, что объясняется действием пространственных факторов. Кроме того, во всех образцах имеет место частичное замещение гидроксилов гидроксиэтоксильных фрагментов на 35-45%, что также связано более высокой реакционной способностью первичного гидроксила. Легче подвергаются гидролизу эфиры с меньшими значения вязкости, что свидетельствует об их меньшей молекулярной массе. 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 метилгидроксиэтилцеллюлозы может быть использована для определения строения полимера, распределения заместителей по положениям С-2, С-3 и С-6 глюкопиранозного звена и степени замещения. 2.2.3 Гидролиз метилгидроксиэтилцеллюлозы с помощью трифторметансульфоновой кислоты При гидролизе ЭЦ с помощью серной или фосфорной кислоты, как правило, требуются достаточно концентрированные растворы кислот, примерно 30%. После окончания гидролиза встает задача нейтрализации и удаления кислоты. Если использовать более разбавленные растворы кислот, то процедуру обработке реакционной смеси можно значительно упростить. В этой связи мы обратились к исследованию гидролиза ЭЦ под действием три-

фторметансульфоновой 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 четыре образца метилгидроксиэтилцеллюлозы. 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 регистрировали ЯМР 13С спектры для полученного раствора. Таким образом, значительно упрощается процедура, как самого гидролиза, так и обработки реакционной смеси. В частности, нет необходимости удаления CF3SO3H, поскольку 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 [47]. На приведѐнном ниже рисунке 14 представлены полученные спектры ЯМР 13С продуктов гидролиза исследованных образцов метилгидроксиэтилцеллюлозы.

Рисунок 14 – Спектры ЯМР 13С продуктов кислотно-катализируемого гидролиза образцов MHEC при помощи CF3SO3H в D2O/H2O. Квадруплетный сигнал 124,8 м.д., 121,7 м.д., 118,5м.д. и 115,4 м.д. принадлежит атому углерода трифторметильной группы и не перекрывается с остальными сигналами атомов углерода, принадлежащих глюкопиранозному кольцу и заместителям. Сигналы низкой интенсивности в области 102-103 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 гидроксиэтильного фрагмента значительно отличаются между собой 60-62 м.д. (-СН2ОН) и 69-71 м.д. (-О-СН2-). 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, выражение 15: (15) 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 (~84 м.д.) к суммарной интенсивности всех сигналов, принадлежащих полуацетальным атомам углерода (выражение 16): (16) Степень замещения гидроксила при атоме С-6 (DSC-6) в эфирах целлюлозы 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 60,5-61,3 м.д., а сигналы замещенного атома С-6 – 71,0-72,5 м.д. Тогда степень замещения DSC-6 можно вычислить по выражению 17: (17)

Общая степень замещения для эфиров целлюлозы (DStotal) есть сумма степеней замещения гидроксильных групп по атомам С-2, С-3 и С-6 (выражение 18): (18) Результаты определения параметров замещения в исследованных эфирах целлюлозы приведены в таблице 6. Таблица 6 – Результаты вычислений параметров замещения эфиров целлюлозы (I-IV) DS MHEC DSHE DSMe Me DS HE DSC-2 DSC-3 DSC-6 DStotal I 0,44 0,97 0,09 0,48 0,16 0,56 1,20 ~1,2 II 0,59 1,0 0,08 0,51 0,18 0,56 1,30 ~1,3 III 0,17 1,16 0,13 0,54 0,19 0,63 1,40 ~1,4 IV 0,79 1,25 0,36 0,67 0,31 0,74 1,69 ~1,7 [46] 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 % 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 Сравнение эффективности различных кислот для гидролиза метилгидроксиэтилцеллюлозы Если сравнивать эффективность изученных кислот для катализа гидролиза метилгидроксиэтилцеллюлозы, 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 MНЕC. Таблица 7 – 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 30% 5 75-90 2 10 pKa2 = 1,92 H3PO4 pKa1 = 2,12 pKa2 = 7,20 pKa3 = 12,32 CF3SO3H pKa = − 14.7 3% [43] 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.

Таким образом, изученные кислоты можно расположить в следующий ряд по эффективности катализа гидролиза ЭЦ: H3PO4 < H2SO4 < CF3SO3H.

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. Спектры обрабатывались с помощью программы ACD/NMR Processor Academic Edition, Ver. 12.01. В качестве объектов исследования были выбраны четыре образца метилгидроксиэтилцеллюлозы (MHEC) [46]. Перечень исследованных образцов и их общие характеристики представлены в таблице 1. 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 дово-

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 Гидролиз метилгидроксиэтилцеллюлозы при помощи раствора серной кислоты Гидролиз образцов метилгидроксиэтилцеллюлозы 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. 3.5 Гидролиз метилгидроксиэтилцеллюлозы при помощи раствора фосфорной кислоты Гидролиз образцов метилгидроксиэтилцеллюлозы проводили в растворе 30%-ной фосфорной кислоты по следующей методике: в 50 мл 30%-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. 3.6 Гидролиз метилгидроксиэтилцеллюлозы при помощи раствора трифторметансульфоновой кислоты Гидролиз образцов метилгидроксиэтилцеллюлозы 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.

ВЫВОДЫ 1. Исследован кислотно-катализируемый гидролиз различных образцов MHEC под действием серной, фосфорной и трифторметансульфоновой 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 гидроксиэтоксильных групп (DSHE), рассчитана суммарная степень замещения (DStotal). 4. Разработан удобный способ гидролиза метилгидроксиэтилцеллюлозы с помощью 3%-ного раствора трифторметансульфоновой кислоты.

4 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ 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 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 evaluation / 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. 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. 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.

Приложение А (обязательное) Спектры ЯМР 13С

Рисунок А.1 – Спектр ЯМР 13С частично деполимеризованого образца I MHEC (гидролиз H2SO4, 1 ч).

Рисунок А.2 – Спектр ЯМР 13С частично деполимеризованого образца II MHEC (гидролиз H2SO4, 1 ч).

Рисунок А.3 – Спектр ЯМР 13С частично деполимеризованого образца III MHEC (гидролиз H2SO4, 1 ч).

Рисунок А.4 – Спектр ЯМР 13С частично деполимеризованого образца IV MHEC (гидролиз H2SO4, 1 ч).

Рисунок А.5 – Спектр ЯМР 13С полностью деполимеризованого образца I MHEC (гидролиз H2SO4, 5 ч).

Рисунок А.6 – Спектр ЯМР 13С полностью деполимеризованного образца II MHEC (гидролиз H2SO4, 5 ч).

Рисунок А.7 – Спектр ЯМР 13С полностью деполимеризованного образца III MHEC (гидролиз H2SO4, 5 ч).

Рисунок А.8 – Спектр ЯМР 13С полностью деполимеризованного образца IV MHEC (гидролиз H2SO4, 5 ч).

Рисунок А.9 – Спектр ЯМР 13С частичного деполимеризованного образца I MHEC (гидролиз H3PO4, 5 ч).

Рисунок А.10 – Спектр ЯМР 13С частичного деполимеризованного образца II MHEC (гидролиз H3PO4, 5 ч).

Рисунок А.11 – Спектр ЯМР 13С частичного деполимеризованного образца III MHEC (гидролиз H3PO4, 5 ч).

Рисунок А.12 – Спектр ЯМР 13С частичного деполимеризованного образца VI MHEC (гидролиз H3PO4, 5 ч).

Рисунок А.13 – Спектр ЯМР 13С полностью деполимеризованного образца I MHEC (гидролиз CF3SO3H, 2 ч).

Рисунок А.14 – Спектр ЯМР 13С полностью деполимеризованного образца II MHEC (гидролиз CF3SO3H, 2 ч).

Рисунок А.15 – Спектр ЯМР 13С полностью деполимеризованного образца III MHEC (гидролиз CF3SO3H, 2 ч).

Рисунок А.16 – Спектр ЯМР 13С полностью деполимеризованного образца VI MHEC (гидролиз CF3SO3H, 2 ч).

Рецензии:

Авторизуйтесь, чтобы добавить рецензию

- у работы пока нет рецензий -

Отзывы:

Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв