Полимерные композиты на основе диальдегилцеллюлозы и полигуанилинметакрилата
Оглавление
Введение
1. Литературный обзор
1.1 Биоцидные свойства гуанидинсодержащих соединений
12 Биологически активные полимеры
1.3 Строение целлюлозы
1.4 Окисление целлюлозы
1.5 Избирательное окисление вторичных спиртовых групп целлюлозы йодной кислотой
1.6 Синтез целлюлозных материалов, содержащих антимикробные вещества
1.7 Способы получения антимикробных целлюлозных волокнистых материалов
1.8 Области применения антимикробных целлюлозных волокнистых материалов
2. Обсуждение результатов
3. Экспкриментальная часть
3.1 Очистка исходных веществ. Свойства растворителей и реагентов
3.2 Синтез мономеров и полимеров
3.2.1 Синтез метакрилатгуанидина (МАГ)
Список используемой литературы
Введение
Одним из интенсивно развивающихся направлений химии высокомолекулярных соединений является синтез новых полимеров и химическая модификация известных природных и синтетических полимеров, осуществляемые с целью получения веществ, обладающих биологической активностью. Большой интерес, в частности, представляет использование для таких синтезов полисахаридов. В настоящее время на их основе получены как нерастворимые, так и растворимые в воде биологически активные полимеры. Для синтеза нерастворимых в воде полимеров в целом ряде случаев целесообразно использовать доступный и дешевый природный волокнообразующий полисахарид - целлюлозу. В общей проблеме химической модификации целлюлозы синтез биологически активных целлюлозных материалов является одним из наиболее интересных и перспективных направлений.
Известно, что биологически активные полимеры должны удовлетворять ряду требований:
1) быть биосовместимыми, не обладать высокой токсичностью, не подавлять иммунную систему;
2) иметь небольшую скорость выведения и выводиться из организма после выполнения своей функции;
Все это накладывает определенные требования к их структуре, молекулярной массе и молекулярно-массовому распределению.
Хорошо известно, что соединения, содержащие в своем составе гуани-диновую группу, обладают широким спектром бактерицидного действия и используются в качестве лечебных препаратов и фунгицидов, поэтому присутствие в элементарном звене полимеров гуанидиновой группы должно придавать им высокую биоцидную активность
В связи с вышесказанным, объектами наших исследований стали процессы синтеза новых биоцидных нанокомпозитов на основе диальдегидцел-люлозы и полигуанидинметакрилата.
Целью настоящей работы является создание нового биоцидного би-матричного нанокомпозита на основе производного целлюлозы и катионного полиэлектролита - полигуанидинметакрилата. Исходя из поставленной цели, перед нами стояли следующие задачи:
- отработать методику окисления целлюлозы до диальдегидцеллюлозы;
- отработать методику синтеза винилсодержащего мономера на основе ме-такриловой кислоты и гуанидина;
- разработать оптимальную методику взаимодействия диальдегидцеллюлозы с гуанидинметакрилатом;
- осуществить синтез биматричного нанокомпозита;
- исследовать биоцидные свойства синтезированного нанокомпозита
Методы исследований. Для достижения поставленных задач мы использовали работы отечественных и зарубежных ученых. С целью получения достоверных и обоснованных данных нами использовались современные методы исследований, такие, как элементный анализ, ИК-спектроскопия, рент-геноструктурный анализ и др.
Научная новизна. Синтез мономеров и нанокомпозитов, содержащих гуанидиновые группы, обладающих биоцидными свойствами, является перспективным и новым направлением в полимерной химии и медицине.
Дипломная работа состоит из введения, литературного обзора, обсуждения результатов, экспериментальной части, выводов, списка цитируемой литературы.
Во введении определен объект исследований, сформулированы цель работы и основные задачи исследования.
В литературном обзоре приведен аналитический обзор литературы как отечественной, так и зарубежной, охватывающий вопросы синтеза биологически активных полимеров, строения и окисления целлюлозы, синтеза целлюлозных материалов, содержащих антимикробные вещества, способов получения и областей применения антимикробных целлюлозных волокнистых материалов
В экспериментальной части представлены методики окисления целлюлозы, синтеза мономера - гуанидинметакрилата, получения продукта взаимодействия диальдегидцеллюлозы с гуанидинметакрилатом, тчъдаа тазьуэджйъ тшшизят та методы ^следования свойств полученных веществ.
В обсуждении результатов приведены результаты проведенных исследований, подведены итоги проделанной работы.
Объем и структура работы. Квалификационная работа изложена на 60 страницах, содержит 5 таблиц, 6 рисунков, библиографических ссылок.
Автор считает своим долгом выразить благодарность профессору кафедры органической химии Мусаеву Юрию Исрафиловичу, доценту кафедры высокомолекулярных соединений Хашировой Светлане Юрьевне, сотрудникам спектральной лаборатории кафедры неорганической и физической химии за помощь в выполнении квалификационной работы.
1. Литературный обзор
1.1 Биоцидные свойства гуанидинсодержащих соединений
Хорошо известно, что соединения, содержащие в своем составе гуано-диновую группу, обладают широким спектром бактерицидного действия и используются в качестве лечебных препаратов и фунгицидов, поэтому присутствие в элементарном звене полимеров гуанидиновой группы должно придавать им высокую биоцидную активность. Следует отметить, что существующие в настоящее время гуанидинсодержащие полимеры получены методом поликонденсации и имеют незначительные молекулярные массы (ММ).
Получение гуанидинсодержащих полимеров методом радикальной полимеризации позволит снизить энергетические затраты, упростить методику синтеза и получать полимеры с широким набором молекулярной массы и физико-химических свойств. Поэтому изучение возможности получения новых гуанидинсодержащих полиэлектролитов методом радикальной полимеризации весьма актуально [1 - 5].
Поскольку гуанидиновые производные значительно эффективнее четвертичных аммониевых соединений, а также не инактивируются белками и биоразлагаемы, они находят широкое применение в качестве физиологически активных веществ: лекарств, антисептиков, пестицидов [6, 7].
Гуанидиновые соединения широко распространены в природе. К ним относятся: аминокислота аргинин, фолиевая кислота, многочисленные белки и нуклеиновые кислоты. Гуанидиновая группировка служит началом многих лекарственных веществ (сульгин, исмелин, фарингосепт) и антибиотиков (стрептомицин, бластицидин, мильдомицин). Производные гуанидина, например, алматины и хордатины [8] представлены и среди специфических веществ, с помощью которых растения защищаются от атаки микроорганизмов.
Первые данные о биоцидных свойствах гуанидиновых производных и полимеров на их основе были опубликованы в патентной литературе [9-14].
В указанных патентах описывается применение подобных соединений в качестве инсектицидов и отмечается, что соответствующие соединения особенно активны против грибковых заболеваний на фруктовых деревьях. В патенте [14] описаны специфические гуанидированные полиамины для применения против патогенных микроорганизмов.
К наиболее сильным из известных гуанидиновых антисептиков относятся «хлоргексидин» (1,6-бис-4,4-хлорфеноксибигуанидогексин) [7], низкомолекулярный полигексаметиленбигуанидин - «вантоцил» [15, 16] и «космо-цил» [17].
Так, например, хлоргексидин используется в качестве дезинфицирующего средства в виде солей (гидрохлорида, ацетата, глюконата) и широко рекомендуется за рубежом в виде растворов, мазей, присыпок как эффективное дезинфицирующее средство в хирургии для борьбы с внутрибольничными инфекциями, лечения кожных заболеваний и бытовых целей. Однако, следует отметить, что хлоргексидин, вантоцил и космоцил получают по сложной 4-х стадийной технологической схеме, кроме того при их синтезе исходным сырьем служит хлорциан, поэтому технологический процесс дорог и опасен.
В нашей стране был разработан процесс производства полимерного гуанидинового антисептика - полигексаметиленгуанидингидрохлорида (ПГМГ) («метацид», «полисепт») [18, 10], исходя из гексаметилендиамина и гидрохлорида гуанидина:
В дальнейшем было предложено объединить в одном процессе синтез гуанидингидрохлорида и получение из него ПГМГ [20].
Так как три аминогруппы гуанидингидрохлорида имеют различную реакционную способность, то молекулярную массу и структуру «полисепта» удается регулировать, изменяя условия реакции и содержание гексаметилендиамина в исходной смеси [21]. Так, при сравнительно низких температурах для процесса поликонденсации (120-130°С) в реакцию с гексаметилендиами-ном вступают преимущественно две аминогруппы гуанидингидрохлорида, образуя хорошо растворимый линейный олигомер с ММ=1,7-12,5х10 . При увеличении количества гексаметилендиамина в реакционной смеси сверх одного моля на 1 моль гуанидингидрохлорида и повышении температуры до 180-20О°С в реакцию может вступать третья аминогруппа и образуется разветвленный полимер, который имеет ММ 20-43x103.
Различные соли ПГМГ (фосфат, глюконат, дегидроцет, сорбат, фторид, сульфат, нитрат, силикат, ацетат, стеарат, олеат, фумарат, сукцинат, адипи-нат, себацинат) были получены при действии различных кислот или их солей на основание или карбонат ПГМГ [22]. Среди указанных полимерных солей наибольшее практическое значение помимо «полисепта» имеют фосфат «фо-гуцид» и глюконат. По сравнению с «полисептом», фогуцид менее токсичен и коррозионноактивен.
Поликонденсационные полимеры: «полисепт» и «фогуцид» рекомендованы Минздравом в качестве дезинфицирующего средства в лечебных учреждениях и роддомах [23], а также в ветеринарии [24].
По данным, указанным в работе [25], растворы «полисепта» в концентрации 0,1-0,05% вызывают гибель грамположительных и грамотрицатель-ных микроорганизмов: коринебактерий дифтерии (с. Duphtheretiae), золотистого стафилококка (St.aureus), а также St.aibus и St. faekalis, брюшнотифозной палочки (S.typhi), шигелл Зонне и Флекснера (Shigella Sonnae, Flexneri), кишечной палочки (E.Coli), сальмонелл Бреслау и Гертнера (Salmonella th.murum), вульгарного протея (Proteus Vulgarus), синегнойной палочки (Ps.aeruginosa) в течение 5-25 минут.
Перспективным является применение гуанидин содержащих полимеров для лечения заболеваний вирусной этиологии. Разработанные и применяемые в настоящее время противовирусные препараты проявляют свое защитное действие путем инактивации вирусов во внешней среде, предохранения восприимчивых тканей и клеток от адсорбции на них вирусных частиц, преду преждения миграции нового поколения вирусных частиц из инфицированных клеток и нарушения синтеза вирусов в восприимчивых клетках. Интерес к применению синтетических полимеров для вирусологических целей возник после того, как была установлена возможность ингибировании действия ферментов, размножения бактерий и развития опухолей под влиянием некоторых биологических и синтетических полимеров. По данным института Вирусологии им. Д.И. Ивановского АМН, защитным противовирусным эффектом обладают полимеры, содержащие гуанидиновую группировку, в частности, «полисепт» и «фогуцид». В результате проведенных исследований было установлено, что эти вещества обладают сильным вирулицидным действием по отношению к вирусам герпеса простого, вируса СПИДА, вируса гепатита А, вируса тропической лихорадки: при 15-20 мин экспозиции 2% раствора препарата с вирусосодержащими жидкостями (при комнатной температуре) инфекционный титр вирусов снижается в 1000 и более раз.
Механизм защитного противовирусного действия синтетических полимеров, возможно, связан с блокадой ими поверхностных рецепторов клеток [26].
По сравнению с другими катионными полиэлектролитами использование гуанидинсодержащих биоцидных полимеров имеет еще одно положительное преимущество.
При использовании синтетических биоцидных полимеров следует учитывать их биодеградируемость в живом организме. В случае использования небиодеградируемых синтетических полимеров существенное значение имеет их молекулярная масса, поскольку полимеры с молекулярной массой выше 50000 не могут выводиться через почки, а накапливаются в почечных канальцах, вызывая выраженные токсические эффекты. В этом отношении биоцидный эффект гуанидиновых соединений физиологичен, и в живом организме имеются ферментные системы, способные вызывать деградацию этих соединений, предотвращая их кумуляцию [28].
1.2 Биологически активные полимеры
Известно, что биологически активные полимеры должны удовлетворять ряду требований:
1) хорошо растворяться в воде и солевых растворах;
2) быть биосовместимыми, не обладать высокой токсичностью, не подавлять иммунную систему;
3) иметь небольшую скорость выведения и выводиться из организма после выполнения своей функции;
Все это накладывает определенные требования к их структуре, молекулярной массе и молекулярно - массовому распределению (ММР).
Чаще всего синтетические биологически активные полимеры представляют собой гибрид синтетического полимера-носителя с биологически активным веществом, Биологическая активность таких гибридных систем определяется в основном свойствами присоединенного к полимеру-носителю вещества.
Одним из способов получения водорастворимых биологически активных полимеров является синтез гидрофильных мономеров на основе гидрофобных биологически активных веществ (БАВ) и ионогенных ненасыщенных карбоновых кислот (акриловой,