Хитин и хитозан: строение, свойства, применение

ХИМИЯ ХИТИН И ХИТОЗАН: СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ Л. С. ГАЛЬБРАЙХ Московский государственный текстильный университет

ВВЕДЕНИЕ

CHITIN AND CHITOSAN: STRUCTURE, PROPERTIES, APPLICATION L. S. GALBRAIKH

The structure and the properties of chitin, which remains second (after cellulose) in a row of spreading polysaccharides in nature, and of the product of his desacetylating – chitosan have been examined. The perspectives of applications of biocompatible and biodestructionable materials on their base in medicine, textile and polygraphycal industry, as sorbents, etc. also have been showed.

© Гальбрайх Л.С., 2001

Рассмотрены строение, структура и свойства хитина, второго (после целлюлозы) по распространенности в природе полисахарида, и продукта его дезацетилирования – хитозана. Показана перспективность использования биосовместимых и биоразрушаемых материалов на их основе в медицине, текстильной и полиграфической промышленности, в качестве сорбентов.

www.issep.rssi.ru

Две трети поверхности нашей планеты покрывает вода – своеобразная колыбель всего живого на Земле. Зародившаяся в воде жизнь через много миллионов лет развилась до тех форм, которые мы наблюдаем сейчас. Однако Мировой океан представляет собой не только транспортную систему и гигантскую сокровищницу огромного разнообразия различных видов животных и растений, но и источник самого разнообразного сырья, источник практически неисчерпаемый при правильном подходе к эксплуатации. Хозяйственная деятельность человека в морях и океанах в настоящее время сосредоточена главным образом на добыче пищевых морепродуктов (рыба, моллюски, ракообразные, водоросли) и полезных ископаемых (в первую очередь нефти на океаническом и внутреннем шельфах). Однако необходимость рационального использования природного сырья определяет всевозрастающий интерес к комплексному использованию ресурсов океана. Одним из важных в практическом отношении компонентов морских растений и животных являются полисахариды – высокомолекулярные соединения, построенные из элементарных звеньев моносахаридов, соединенных между собой гликозидными (ацетальными) связями. Этот класс биополимеров относится к числу наиболее распространенных в природе органических соединений. Из полисахаридов, в частности, состоят клеточные стенки морских водорослей (содержание полисахаридов нередко составляет до 80% сухого веса этих растений). Возможность образования такими водорослевыми полисахаридами, как альгиновая кислота (основной компонент клеточной стенки бурых водорослей) и агар (смесь полисахаридов, выделяемая из красных водорослей), вязких концентрированных растворов и гелей (студней) является причиной их широкого применения в пищевой и текстильной промышленности, медицине и биотехнологии. Особого внимания заслуживают огромные количества отходов, образующихся при переработке океанических ракообразных (крабы, креветки, антарктический криль), одним из важных компонентов которых

ГА Л Ь Б РА Й Х Л . С . Х И Т И Н И Х И Т О З А Н : С Т Р О Е Н И Е , С В О Й С Т В А , П Р И М Е Н Е Н И Е

51

ХИМИЯ является хитин – второй (после целлюлозы) по распространенности в природе полисахарид, строение которого создает предпосылки для успешного применения его производных в самых разнообразных областях.

Хитин представляет собой линейный полисахарид, неразветвленные цепи которого состоят из элементарных звеньев 2-ацетамидо-2-дезокси-D-глюкозы, соединенных 1,4-β-гликозидной связью:

CH2OH O

СТРОЕНИЕ, СТРУКТУРА И НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА ХИТИНА И ХИТОЗАНА Если данные о строении и свойствах целлюлозы (наиболее важного представителя класса полисахаридов, являющегося основным структурным материалом растений) изложены в доступной литературе, то информации о хитине существенно меньше. В то же время именно хитин является основой скелетной системы, поддерживающей клеточную структуру тканей в панцирях ракообразных, кутикуле насекомых, клеточной стенке грибов и бактерий. Твердость хитиновых структур в организмах ракообразных и насекомых обусловлена образованием хитин-карбонатного комплекса в результате отложения хитина на карбонате кальция как своеобразной неорганической матрице. Однако твердое роговое вещество этих организмов представляет собой не чистый хитинкарбонат кальция, а более сложную структуру, в которой только поверхностный слой является более или менее чистым хитин-карбонатом кальция, в то время как внутренние слои содержат также белок. Поэтому для выделения хитина из основных видов сырья – панцирей ракообразных (крабов, омаров, криля), содержащих 20–25% хитина и около 70% карбоната кальция, проводят последовательные операции деминерализации и депротеинизации, включающие обработку измельченных панцирей растворами соляной кислоты и едкого натра с последующей промывкой водой, удалением красящих пигментов обработкой отбеливающими реагентами и липофильных веществ промывкой спиртом и эфиром. В настоящее время мировое производство хитина и его производных составляет около 3000 т в год. В то же время большие запасы хитинсодержащего сырья делают принципиально возможным существенное увеличение объемов производства этих полимеров. Повышенное внимание к вопросам рационального использования природных ресурсов, решению экологических проблем, в том числе путем расширения использования биодеградируемых (разрушаемых имеющимися в окружающей среде микроорганизмами) полимеров, к которым относится хитин, а также широкие возможности использования химических превращений хитина для получения разнообразных по строению и свойствам материалов делают этот полимер одним из самых интересных и перспективных видов сырья для различных областей применения.

52

HO

CH2OH O O

OH

CH2OH O O

OH

OH

(1)

H, OH

n

NHCCH3

NHCCH3

NHCCH3

O

O

O

Имеется, таким образом, аналогия между строением хитина и целлюлозы, однако в отличие от целлюлозы в качестве заместителя у второго углеродного атома1 элементарного звена имеется не гидроксильная, а ацетамидная группа. При этом макромолекулы нативного (природного) хитина обычно содержат небольшое количество звеньев со свободными первичными аминогруппами. Большая длина и ограниченная гибкость макромолекул являются предпосылками для образования биополимерами сложных надмолекулярных структур в тканях живых организмов. Для хитина основным элементом такой структуры являются фибриллы – высокоориентированные агрегаты макромолекул диаметром 25–50 нм, в свою очередь состоящие из микрофибрилл диаметром 2,5–2,8 нм. Такая структура обеспечивает выполнение важной биологической функции армирования (повышения механической прочности) содержащих хитин тканей. Благодаря регулярности строения полимерной цепи хитина формируется высокоупорядоченная структура, обладающая признаками, характерными для кристаллического фазового состояния полимеров. При этом кристаллические области структуры хитина могут существовать в трех кристаллографических (структурных) модификациях, отличающихся расположением молекулярных цепей в элементарной ячейке кристаллита (явление, известное под названием полиморфизма). Наиболее распространенная модификация (присущая в основном хитину членистоногих, а также некоторых грибов) – α-хитин. Плотная упаковка макромолекул, характерная для элементарной ячейки α-хитина (рис. 1), обеспечивается так называемым антипараллельным их расположением (противоположное направление атомов в расположенных рядом цепях). β-Хитин существует в виде относительно неустойчивых кристаллогидратов с параллельным расположением цепей в 1 Нумерация углеродных атомов в молекулах моносахаридов и элементарных звеньях макромолекул полисахаридов начинается от атома, несущего альдегидную группу.

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 1 , 2 0 0 1

ХИМИЯ O

O O

N 2 3

3'

N 2' 1'

4

O

O 1'

N

O

5

6

7'

4' 5' 6'

7

1

2'

4

6

O

3' 4'

3 5

5'

2

O

6'

N 1

7

O

O

Рис. 1. Взаимное расположение макромолекул в структурной модификации α-хитина. Цифрами 1–6 и 1'–6' отмечены атомы углерода пиранозных циклов, 7 и 7' – атомы углерода ацетильных групп, стрелка указывает направление большой оси кристаллита

элементарной ячейке. Наконец, в ячейке γ-хитина имеются две цепи, расположенные параллельно, и одна – антипараллельно по отношению к ним. При этом все три модификации могут существовать в одном организме, что указывает на различие в выполняемых ими биологических функциях. Специфика полимерного состояния хитина, как и других высокомолекулярных соединений, обусловливает невозможность существования этого полимера как однофазной системы (полная кристалличность). Однако содержание кристаллических областей в хитине достаточно велико и составляет в зависимости от происхождения и способа выделения 60–85%. При этом фиксация взаимного расположения макромолекул хитина обеспечивается системой внутри- и межмолекулярных водородных связей: ОН-группа у С(3) элементарного звена включена в водородную связь с атомом кислорода в цикле соседнего элементарного звена; ОНгруппа у С(6) может быть связана водородными связями как внутримолекулярно – с атомом кислорода гликозидной связи и (или) атомом азота ацетамидной группы, так и межмолекулярно – с ОН-группой у С(6) соседней макромолекулы. При этом последняя может образовывать водородные связи с молекулами кристаллизационной воды. Простейшее производное хитина – хитозан, аминополисахарид 2-амино-2-дезокси-β-D-глюкан, образующийся при дезацетилировании хитина:

CH2OH O HO

CH2OH O O

OH

CH2OH O O

OH

H, OH

OH n

NH2

NH2

(2)

NH2

Транс-расположение в элементарном звене макромолекулы хитина заместителей (ацетамидной и гидроксильной групп) у С(2) и С(3) обусловливает значительную гидролитическую устойчивость ацетамидных групп, в том числе и в условиях щелочного гидролиза. Поэтому отщепление ацетамидных групп удается осуществить лишь в сравнительно жестких условиях – при обработке 40–49%-ным водным раствором NaOН при температуре 110–140°С в течение 4–6 часов. Однако и в этих условиях степень дезацетилирования (доля отщепившихся ацетамидных групп в расчете на одно элементарное звено) не достигает единицы (то есть не обеспечивается количественное удаление этих групп), составляя обычно 0,8–0,9. Как и хитин, хитозан представляет собой аморфно-кристаллический полимер, для которого также характерно явление полиморфизма, причем количество структурных модификаций при переходе от хитина к хитозану увеличивается до 6. Сохранение при этом размеров элементарной ячейки кристаллита вдоль оси макромолекулы на уровне соответствующей характеристики для хитина (103 нм) свидетельствует о том, что конформация макромолекул при переходе от хитина к хитозану существенно не изменяется. В то же время в процессе дезацетилирования хитина заметно уменьшается общая упорядоченность структуры (степень кристалличности снижается до 40–50%). Снижение степени кристалличности может быть обусловлено как аморфизацией структуры вследствие внутрикристаллитного набухания при дезацетилировании, так и нарушением регулярности строения полимерной цепи в случае неполного отщепления N-ацетильных групп. Одним из важнейших свойств полимеров, определяющих во многих случаях возможность их переработки и применения, является их растворимость. Именно на использовании растворов ближайшего аналога хитина – целлюлозы основана технология получения волокон, пленок, лаков, загущающих и клеящих композиций. Оценка некоторых свойств растворов полимеров (осмотического давления, вязкости, рассеяния света) позволяет определить такие важные характеристики, как молекулярная масса и молекулярно-массовое распределение (соотношение количества макромолекул с различной молекулярной массой). Однако из-за сравнительно высокой жесткости полимерной цепи, значительной интенсивности межмолекулярного взаимодействия хитин растворяется в сравнительно ограниченном количестве растворителей – концентрированных минеральных кислотах (соляной, серной, азотной, фосфорной), безводной муравьиной кислоте, гексафторизопропаноле и гексафторацетоне, растворах хлорида лития в диметилацетамиде. В большинстве этих растворителей происходит деструкция полимера, что затрудняет

ГА Л Ь Б РА Й Х Л . С . Х И Т И Н И Х И Т О З А Н : С Т Р О Е Н И Е , С В О Й С Т В А , П Р И М Е Н Е Н И Е

53

ХИМИЯ определение истинного значения молекулярной массы и характера молекулярно-массового распределения. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что выделенный, в частности, из панцирей ракообразных хитин представляет собой высокомолекулярный полимер с молекулярной массой 2–2,5 млн Д (степень полимеризации1 10–14 тыс.). В отличие от хитина получаемый при его дезацетилировании хитозан растворяется даже в разбавленных органических кислотах, например в водном растворе уксусной кислоты. При этом для растворов хитозана, как и других полимеров, характерна существенная зависимость вязкости от концентрации (при увеличении концентрации раствора хитозана в 1–2%-ном растворе уксусной кислоты с 2 до 4% вязкость раствора увеличивается примерно в 30 раз). Появление в каждом элементарном звене макромолекулы свободной аминогруппы придает хитозану свойства полиэлектролита, одним из которых является характерный для растворов полиэлектролитов эффект полиэлектролитного набухания – аномального повышения вязкости разбавленных растворов (с концентрацией ниже 1 г/л) при уменьшении концентрации полимера. Этот эффект является следствием увеличения эффективного объема и асимметрии макромолекул в растворе в результате отталкивания одноименных зарядов, возникающих при протонировании аминогрупп:

CH2OH O …

O … + CH3COOH

OH NH2

(3)

CH2OH O …

OH

O … NH3+ −OOCCH3

Определение значений молекулярной массы хитозана (как по данным светорассеяния, так и вискозиметрии) дает в зависимости от источника и способа выделения величины 0,5–8 ⋅ 105 Д. Существенное различие молекулярных масс хитина и хитозана свидетельствует о протекании на стадии дезацетилирования заметной деструкции полимерной цепи. Химические превращения хитина и хитозана на протяжении более полувека вызывают большой интерес, в основе которого близость функционального со1

54

Среднее количество элементарных звеньев в макромолекуле.

става этих полисахаридов и целлюлозы (наличие в элементарном звене гидроксильных групп), а в случае хитозана также и аминогрупп и возможность получения производных, аналогичных синтезированным ранее соответствующим производным целлюлозы. Среди них разнообразные простые эфиры (метиловые, этиловые, карбоксиметиловые, гидроксиэтиловые) и сложные эфиры неорганических (нитраты, сульфаты, ксантогенаты) и органических (ацетаты) кислот. Наличие в молекуле хитозана свободных аминогрупп и возможность их защиты в условиях проведения реакции явились предпосылкой для синтеза избирательно замещенных производных, например по схеме (4):

CH2OH O …

CH2OH O RC6H4CHO

O…

OH (4.1)

…

NH2

R'Cl

(4.2)

CH2OR' O …

OH (4.3)

O…

OH

OH'

N CHC6H4R (4)

CH2OR' O O…

H+

N CHC6H4R

…

O…

OH (4.4)

NH2

Образование при взаимодействии аминогрупп хитозана (4.1) с альдегидом основания Шиффа (4.2), связь в котором устойчива в щелочной среде, обеспечивает возможность o-алкилирования, после проведения которого защитную группировку легко удаляют при действии кислоты. Продукт деструкции (4.4) не содержит, таким образом, алкильных групп у атома азота элементарного звена. Этот принцип предварительной защиты функциональных групп, которые не должны участвовать в реакции, был использован и для синтеза избирательно N-замещенных производных хитозана, в частности N-карбоксиметилхитозана. ПРИМЕНЕНИЕ ХИТИНА, ХИТОЗАНА И ИХ ПРОИЗВОДНЫХ Как уже указывалось, хитин и хитозан по своему строению близки к целлюлозе – одному из основных волокнообразующих природных полимеров. Естественно поэтому, что, как и целлюлоза, эти полимеры и их производные обладают волокно- и пленкообразующими свойствами. Благодаря биосовместимости с тканями человека, низкой токсичности, способности усиливать регенеративные процессы при заживлении ран, биодеградируемости такие материалы представляют особый интерес для медицины.

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 1 , 2 0 0 1

ХИМИЯ При лечении гнойных и ожоговых ран широкое применение приобрели ферменты, эффективность использования которых может быть повышена за счет их включения в структуру волокон и губок. Такие полимеры, как хитин, хитозан, карбоксиметилхитин, благодаря широкому набору функциональных групп обеспечивают возможность образования между полимером-носителем и ферментом связей различной прочности, что создает предпосылки для регулирования активности и стабильности фермента, скорости его диффузии в рану. В медицине для лечения и профилактики тромбозов используется природный антикоагулянт крови – гепарин, по химическому строению являющийся смешанным полисахаридом. Наиболее близкий его структурный аналог – сульфат хитозана также обладает антикоагулянтной активностью, возрастающей при увеличении степени сульфатирования. Возможность реализации синергического эффекта (усиления активности гепарина при введении добавок сульфата хитозана) делает это соединение перспективным для создания лекарственных препаратов антикоагулянтного и антисклеротического действия. N- и О-сульфатированные производные частично дезацетилированного карбоксиметилхитина не только препятствуют свертыванию крови благодаря селективной адсорбции антитромбина, но и резко уменьшают интенсивность деления раковых клеток. Еще одна возможность использования хитина, хитозана и их производных (карбоксиметилхитина, карбоксиметилхитозана, сукцинилхитозана) – создание биодеградируемых носителей фармацевтических препаратов (антибиотиков, антивирусных, противоопухолевых и антиаллергенных препаратов) в виде пленок (мембран). Применение таких пленок создает условия для выделения лекарственных средств, обеспечивая эффект пролонгирования их действия. Образование комплексов полимерными лигандами с различными металлами находит все более широкое применение в аналитической химии, хроматографии, биотехнологических процессах. Полимерные комплексообразователи, в том числе хитин, хитозан и их производные, например карбоксиметиловые эфиры, могут рассматриваться как реальная альтернатива традиционным методам очистки сточных вод промышленных предприятий от соединений металлов, используемых для нанесения защитных покрытий (никель, хром, цинк), а также от таких металлов, как ртуть и кадмий, способных аккумулироваться живыми организмами. Наличие электронодонорных амино- и гидроксильных групп, широкие возможности введения различных ионогенных групп кислотного и основного характера делают производные хитина и хитозана весьма перспективными для использования в хроматографии при

разделении и очистке биологически активных соединений (нуклеиновых кислот и продуктов их гидролиза, стероидов, аминокислот). В фотографических процессах, связанных с быстрым проявлением изображения, используют такие важные характеристики хитозана, как его пленкообразующие свойства, поведение в системах, содержащих желатин и комплексы серебра, обеспечивающее отсутствие поперечной (в слоях пленки) диффузии красителя, оптические характеристики полимера. Весьма перспективно использование хитозана в бумажной промышленности: благодаря большей прочности при водных обработках ионных связей, образующихся при нанесении хитозана на целлюлозное волокно при формировании бумаги, по сравнению с существующими в обычной бумаге водородными связями заметно возрастает прочность бумажного листа, особенно в мокром состоянии. При этом одновременно улучшаются и другие важные свойства (сопротивление продавливанию, излому, стабильность изображения). В последнее время все большее внимание уделяется исследованиям процессов образования, изучению свойств и возможностей практического применения особого класса продуктов химических превращений полимеров – интерполимерных комплексов. Эти соединения, образующиеся при взаимодействии макромолекул противоположно заряженных полиэлектролитов, характеризуются высокой гидрофильностью, что позволяет использовать их в качестве эффективных флокулянтов, структурообразователей, а в виде пленок в качестве полупроницаемых мембран и покрытий, в том числе в медицине. Использование в качестве компонента интерполимерного комплекса сравнительно жесткоцепного хитозана, способного благодаря наличию ионогенных групп к образованию межмолекулярных ион-ионных и иондипольных связей, обеспечивает возможность улучшения физико-механических свойств получаемых пленок. Одним из направлений успешного использования таких пленок могут быть первапорационные1 процессы разделения водно-органических смесей. Так, пленка на основе интерполимерного комплекса хитозан – полиакриловая кислота в процессе разделения методом первапорации водно-изопропанольной смеси не уступает по транспортным характеристикам пленкам из традиционных материалов (ацетат целлюлозы, поливиниловый спирт), заметно превосходя их по селективности. 1 Первапорация – от англ. permeation (проницаемость) и evaporation (испарение) – процесс испарения жидкости через мембрану, находящуюся на ее поверхности.

ГА Л Ь Б РА Й Х Л . С . Х И Т И Н И Х И Т О З А Н : С Т Р О Е Н И Е , С В О Й С Т В А , П Р И М Е Н Е Н И Е

55

ХИМИЯ ЗАКЛЮЧЕНИЕ Представленный материал можно рассматривать лишь как первичную информацию об особенностях структуры, свойствах и наиболее важных областях применения хитина, хитозана и их производных. Вне рамок рассмотрения остались пути повышения реакционной способности хитина и хитозана в различных химических реакциях, проблемы взаимосвязи между характером распределения заместителей и свойствами производных, возможности их применения в текстильной промышленности, при создании косметических средств. Однако уже сказанное позволяет сделать вывод о том, что эти материалы в ближайшем будущем могут занять заметное место в самых различных областях нашей жизни. ЛИТЕРАТУРА 1. Muzzarelli R.A.A. Chitin. Oxford: Pergamon Press, 1977. 2. Плиско Е.А., Нудьга Л.А., Данилов С.Н. // Успехи химии. 1977. Т. 46, вып. 8. С. 1470–1487.

56

3. Chitin and Chitosan: Sources, Chemistry, Biochemistry, Physical Properties and Application / Ed. T. Anthonsen. L.; N.Y.: Elsevier, 1990. 4. Вихорева Г.А., Горбачева И.Н., Гальбрайх Л.С. // Хим. волокна. 1994. № 5. С. 37–45. 5. Агеев Е.П., Котова С.Л., Скорикова Е.Е., Зезин А.Б. // Высокомолекуляр. соединения. Сер. А. 1996. Т. 38, № 2. С. 323–329. 6. Скорикова Е.Е., Калюжная Р.И., Вихорева Г.А. и др. // Высокомолекуляр. соединения. Сер. А. 1996. Т. 38, № 1. С. 61–65.

Рецензент статьи Ал. Ал. Берлин *** Леонид Семенович Гальбрайх, доктор химических наук, профессор, зав. кафедрой технологии химических волокон Московского государственного текстильного университета, заслуженный деятель науки РФ, лауреат премии правительства России. Область научных интересов – химические превращения целлюлозы и других полисахаридов, проблемы модифицирования природных и химических волокон. Автор четырех монографий и свыше 300 публикаций.

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 1 , 2 0 0 1