ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ЗАМЕЩЕНИЯ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ЗАМЕЩЕНИЯ СУЛЬФАТИРОВАННЫХ
ПОЛИСАХАРИДОВ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ АНАЛИЗА
Чуркина К.М., Нормахаматов Н.С., Тураев А.С.
Институт биоорганической химии Академии Наук Республики Узбекистан,
г. Ташкент, Узбекистан
normakhamatov@biochem.uz
Свойства сернокислых эфиров полисахаридов во многом зависят от степени
замещения (СЗ), которая является одной из основных структурных параметров
сернокислых эфиров полисахаридов. Для определения СЗ сульфатированных
полисахаридов (СПС) используют химические
(кислотно-основное титрование,
коллоидное титрование и т.д.) или инструментальные методы (ИК-, ЯМР, УФ
спектроскопии и т.д.) [1,2]. Определение СЗ методом анализа по Шонигеру является
сложным и трудоемким [3]. Некоторые инструментальные методы анализа (атомноабсорбционный, элементный и др. анализы), являются дорогостоящими [4]. В связи с
этим является важным создание методов для точного определения значений СЗ,
которые в дальнейшем могут использоваться в производстве сернокислых эфиров
полисахаридов.
Целью исследования - определение СЗ сульфатированных полисахаридов тремя
независимыми методами.
Материала и методы.
Для исследования были получены образца сернокислых эфиров целлюлозы (СЦ)
по методике [5,6]. Образцы имели СЗ от 0,5 до 3,0 и СП от 130 до 880 .
СЗ определяли по содержанию элементной серы с помощью элементарного
анализатора EA 1108 фирмы Карло Эрба (Италия). Используемый метод основан на
полном и мгновенном окислении образца «сгоранием в вспышке», которое превращает
все органические и неорганические вещества в продукты сгорания. Газы (N2, SO2, H2O
и CO2), полученные в результате сгорания, проходят через восстановительную колонку
и уносятся газом-носителем (гелием) в хроматографическую колонку, где они
разделяются и затем определяются детектором.
СЗ сульфатных групп в продуктах реакции определяли по следующей формуле:
СЗ 
14,625  S %
;
288,8  9,2  S %
(1.1)
где S% - процентное содержание элементной серы.
Каждый образец был подвергнут пятикратному анализу на содержание
элементной серы методом «наименьших квадратов» [7]. Предел ошибки определения
СЗ находится ±0,015 %.
ИК – спектры исследуемых образцов снимали на ИК-Фурье спектрометре
системы 2000 фирмы «Perkin Elmer» в диапазоне частот 400-4000 см–1 в таблетке с KBr.
Для съемки спектров по 10 мг изучаемых образцов размалывали в шаровой мельнице с
100 мг бромида калия в течение 1 мин, затем к смеси добавляли около 100 мг КBr и
снова измельчали в мельнице, после чего добавляли оставшийся бромид калия (всего
300 мг), перемалывали еще ~30 сек и прессовали таблетки.
В области валентных колебаний С—O—S-связей появляется четкий максимум
при 800 см–1, характеризующий колебания сульфатных групп. В области 1240 см–1
появляется интенсивная полоса поглощения валентных колебаний S=О связи
сульфатной группы [1,8]. Причем, наблюдается пропорциональное изменение
интенсивности этих полос с изменением СЗ сульфатированных полисахаридов.
Определение СЗ по кондуктометрическому титрованию.
Титрование проведено на приборе рН/mv/temp Meter P25 (Корея) при
температуре 20˚С. Измельченный образец СПС массой 0,6–0,7 г для средней и высокой
СЗ и 1,2 г для образцов с низкой СЗ помещали в бюкс и сушили в течение одного часа
при температуре 100–105°С в сушильном шкафу. После этого, бюкс помещали в
эксикатор для охлаждения. Высушенный и охлажденный продукт взвешивали в бюксе
с точностью до 0,0001 г. Навеску из бюкса переносили в колбу, где в дальнейшем будет
готовиться раствор, и взвешивали пустой бюкс. Точную массу навески определяли по
разности. В колбу, где находится навеска, добавляли 100 мл дистиллированной воды и
после полного растворения прибавляли 3 мл 0,5 N раствора хлорида бария. Колбу, с
полученным раствором, встряхивали до полного растворения образца от 25 мин до 5 ч.
Готовый раствор переносили в ячейку для титрования, колбу ополаскивали 50
мл дистиллированной воды (три раза) и полученный раствор выливали в ячейку для
титрования. Определяли сопротивление раствора и затем начинали титрование
раствора хлоридом бария (0,2 н.), добавляя порции по 0,04-0,05 мл. После добавления
каждой порции раствора измеряли сопротивление электропроводности и записывали
значения сопротивления раствора, при этом уделяя достаточное время для адекватного
смешивания. Когда к раствору будет добавлено 3,5 мл раствора хлорида бария,
продолжают титрование, добавляя кислоту по 0,3 мл до общего объема 5 мл. Метод
кондуктометрического титрования основан на различии электропроводности системы
до и после реакции СЦ с BaCl2.
На основании этих данных составлена зависимость электропроводности от
добавляемого количества BaCl2. Точка пересечения является эквивалентной точкой,
необходимой для титрования сульфатных групп. Экстраполировались две линейные
части кривой, чтобы получить одно пересечение конечной точки и определить
объемраствораV1 и V2 BaCl2, соответствующего этим точкам пересечения.
По полученным данным строили график, и содержание сульфатных групп
вычисляли по формуле:
СЗ 
14,625  (V2  V1 )  N
;
90  a  9,2  (V2  V1 )  N
где V1 – точка, в которой начинается титрование сульфатных групп и для
абсолютно чистых от низкомолекулярных сульфатов, она равна 0; V2 – точка, где
заканчивается титрование сульфатных групп и избыток хлорида бария вносит свой
вклад в значение электропроводности системы; N – нормальность используемого
раствора BaCl2; а – навеска образца.
Статистическая обработка данных эксперимента показала передел ошибки
0.0417 [7].
Определение СЗ полученных СЦ проводили тремя независимыми методами:
элементным анализом, ИК-спектроскопическим и кондуктометрическим титрованием.
Каждый образец был подвергнут пятикратному анализу на содержание
элементной серы, и методом «наименьших квадратов» [7] установлено, что предел
ошибки определения СЗ находится ±0,01-0,015 %.
В области 3700–3100 см–1 ИК-спектра целлюлозы проявляются валентные
колебания гидроксильных групп. Как было показано в работе [9], все гидроксильные
группы целлюлозы вовлечены в водородные связи. ИК-поглощение свободных
гидроксильных групп (~3650 см–1) наблюдается только при отсутствии агрегации в
газовой фазе или очень разбавленных растворах, а также в селективно-замещенных
производных целлюлозы. Так, с помощью метода подбора кривой, область валентных
колебаний ОН-групп была разложена на три полосы: свободные гидроксильные группы
у 2 и 6 атомов углерода и ОН-группы, вовлеченные в водородные связи, поглощают
около 3580, 3555 и 3485 см–1 соответственно. Установлено, что внутримолекулярные
водородные связи между гидроксильными группами в положениях С2, С6, равно как и в
С3, образуются даже в присутствии следовых количеств ОН-групп [10]. Определено,
что гидроксильные группы у третьего атома углерода не существуют в свободном
состоянии, образуя внутримолекулярные водородные связи с атомом кислорода
глюкопиранозного кольца:
Лянг и Марчессолт [11], исследуя область 3600–2800 см–1ИК-спектров
различных кристаллических форм нативных целлюлоз, отнесли полосы 3405, 3360,
3305 и 3350 см–1 к колебаниям ОН-групп, вовлеченных, соответственно, в
межмолекулярные и внутримолекулярные водородные связи.
При переходе от нативной к мерсеризованной целлюлозе в ИК-спектрах
происходит сдвиг некоторых полос [12]. Область валентных колебаний ОН-групп
непригодна для количественных определений из-за наложения мощного поглощения
адсорбированной воды, количество которой существенно повышается при размоле во
время приготовления образцов для съемки спектра. Однако данная область дает
ценную оценочную информацию о СЗ ОН-групп в модифицированной целлюлозе.
Рис.1. ИК-спектры целлюлозы и СЦ со СЗ 1,97.
В ИК-спектрах (Рис.1) целлюлозы после ее сульфатирования наблюдаются
значительные изменения во всем интервале исследуемых частот, происходит
уменьшение интенсивности и изменение частоты основного максимума полосы
поглощения валентных колебаний ОН-группы в области 3300–3700 см–1 и внутри- и
межмолекулярных водородных связей. Поглощение CH2- и CH- групп полимера
находятся в области 2900 см–1. Последняя располагается симметрично при 2900 см–1
для очищенных целлюлоз [13]. В области валентных колебаний С—O—S-связей
появляется четкий максимум при 800 см–1, характеризующий колебания сульфатных
групп. В области 1240 см–1 появляется интенсивная полоса поглощения валентных
колебаний S=О связи сульфатной группы [1,8]. Причем, наблюдается
пропорциональное изменение интенсивности этих полос с изменением СЗ СЦ.
На рис. 2 представлена калибровочная кривая зависимости оптической
плотности полосы поглощения при 800 см–1 и 1240 см–1 СЦ от изменения СЗ,
определенная по элементному анализу.
Рис. 2. Калибровочный график для определения содержания сульфатных групп,
связанных с OH-группами целлюлозы.
Как видно из рисунка, данная зависимость подчиняется закону Ламберта-Бера и
по ней при снятии идентичных ИК-спектров, как это указано в экспериментальной
части, возможно определение СЗ образцов СЦ. Ошибка эксперимента, найденная
статистической обработкой результатов определения СЗ, находится ±0,26 %.
Метод
кондуктометрического
титрования
основан
на
различии
электропроводности системы до и после реакции СЦ с BaCl2:
Электропроводность системы до окончания реакции СЦ с BaCl 2 изменяется
незначительно, а при избытке последнего происходит скачкообразное увеличение. На
основании этих данных составлена зависимость электропроводности от добавляемого
количества BaCl2. Точки пересечения участков кривой являются эквивалентными
(рис.3).
Рис. 3. Кривые линии из
титрованием различных образцов.
экстраполяции
точек
кондуктометрическим
В таблице 1 приведены результаты определения СЗ образцов СЦ, различными
методами анализа.
Таблица 1.
Результаты определения СЗ СЦ различными методами
Степень замещения
СП
по элементному
по ИК-спектроскопии
по кондуктометрии
анализу
(при D800-810)
388
2.665±0.012
2.625±0.046
2,551±0.045
350
1.197±0.011
1.961±0.023
1,253±0.046
820
1.856±0.015
1.836±0.042
1,932±0.039
465
1.806±0.012
1.782±0.045
1,724±0.045
436
1.530±0.014
1.545±0.018
1,582±0.037
394
1.166±0.013
1.160±0.043
1,211±0.039
694
0.934±0.015
0.911±0.027
1,010±0.058
616
0.766±0.014
0.779±0.031
0,750±0.018
208
0.377±0.009
0.374±0.016
0,040±0.074
Таким образом, использованы три независимых метода определения СЗ. Их
достоверность располагается следующим образом: метод элементного анализа,
кондуктометрическое титрование, ИК-спектроскопическое определение.
Литература
Казицына Л.А, Куплетская Н.Б. Применение УФ-, ИК- и ЯМР- спектроскопии в
органической химии. «Высшая школа», М. 1971, стр. 12.
2
D. Klemm, B. Philipp, T. Heinze, U. Heinze and W. Wagenknecht, Comprehensive
Cellulose Chemistry: Fundamentals and Analytical Methods, Wiley-VCH, Weinheim, 1998.
3
Ihor Lysyi, John E. Zarembo //Anal. Chem. 1958. Vol. 30, N 3. P.428
4
C. Vaca-Garcia, M.E. Borredon, A. Gaseta. Cellulose, 2001, Vol. 8, 3, pp. 225-231.
5
Wang, W.Z., Lin Li, Zheng, B.Sh., Normakhamatov, N.S., Guo, S.Yu. Int J. Biol.
Macromol., 2007, Oct, 41 (4), pp. 376-382
6
Normakhamatov N.S., Turaev A.S., Burkhanova N.Dj, Holzforschung, Vol. 63, pp. 40–46,
2009
7
А.К.Чарыков. Математическая обработка результатов химического анализа. «Химия»,
Л. 1984
8
Беллами Л. Новые данные по ИК-спектрам сложных молекул. «Мир», М., 1971. с. 208
9
Kondo T. The assignment of IR absorption bands due to free hydroxyl groups in cellulose //
Cellulose. 1997. №4. P. 281–292
10
Kondo T. Journal Polymer Science. B. Polym. Phys. 1997. Vol. 35. P. 717–723
11
Liang C.Y., Marchessault R.H. Journal of polymer science. 1959. Vol. 27. P. 385–395
12
Liang C.Y., Marchessault R.H. Journal of polymer science. 1960. Vol. 43. P. 71–84
13
Жбанков Р.Г. Инфракрасные спектры целлюлозы и ее производных. Минск, “Наука и
Техника”, 1964, 338 с.
1