Избирательное окисление вторичных спиртовых групп йодной кислотой

1.5 Избирательное окисление вторичных спиртовых групп йодной кислотой

Метод одновременного окисления обеих вторичных спиртовых групп целлюлозы, также как и других полисахаридов и моносахаридов, до альдегидных групп разработан в 1935- 1938 г. Гудсоном и Джаксоном. Для этой цели была использована реакция окисления целлюлозы йодной кислотой. При действии йодной кислоты на многоатомные спирты, в частности на мо-но- и полисахариды, происходит одновременное окисление в альдегидные группы двух соседних спиртовых групп (гликолевая группировка) с одновременным разрывом углерод - углеродных связей между ними. Для целлю лозы процесс окисления протекает с разрывом пиранового кольца и образованием диальдегидцеллюлозы. При последующем окислении образуется ди-карбоксилцеллюлоза.

Первичные спиртовые группы при действии йодной кислоты не окисляются. Продукт окисления целлюлозы йодной кислотой представляет собой полиполуацеталь эритрозы и глиоксаля. Он назван Роговиным диальдегид-целлюлозой и может быть отнесен к оксицеллюлозам только условно, поскольку один из основных признаков целлюлозы (наличие пиранового цикла) у этих соединений отсутствует.

Окисление в молекуле целлюлозы даже очень небольшого числа глико-левых групп до диальдегидных резко понижает устойчивость гликозидных связей к действию щелочей и даже горячей воды.

Интенсивной деструкцией препаратов диальдегидцеллюлозы в щелочной среде объясняется крайне низкая вязкость медноаммиачных растворов диальдегидцеллюлозы. Сравнительное исследование скорости кислотного гидролиза целлюлозы и диальдегидцеллюлозы [35, 36] позволило сделать вывод о том, что образование диальдегидных групп также значительно уменьшает устойчивость гликозидных связей к гидролизу. Аналогичные данные были получены для низкомолекулярных модельных соединений.

Хид [37] при метилировании диальдегидцеллюлозы со степенью окисления (среднее количество окисленных гликолевых групп на элементарное звено) до 0,93 0,5 М эфирным раствором диазометана, содержащим 25 г/л воды, получил продукт с содержанием метоксильных групп до 18,6% (степень замещение около 1,0). Неокисленная целлюлоза, подвергнутая метилированию в аналогичных условиях, содержит не более 6 % СНЗО - групп. Продукт метилирования диальдегидцеллюлозы не растворяется в медноам-миачном растворе; медное число меньше 1.

При взаимодействии диальдегидцеллюлозы (содержание альдегидных групп 18%) с газообразной двуокисью азота в присутствии Р2О5 [37] происходит полное превращение спиртовых и полуацетальных гидроксильных групп, а также гидратированных альдегидных групп в нитратные группы (для продукта взаимодействия вычислено: N 13,61%; найдено: N 12,78%, СНО 0,73%):

Восстановление альдегидных групп в диальдегидцеллюлозе до гидроксильных впервые было осуществлено Меллером [20, 30] действием водных растворов боргидрида натрия. Реакция восстановления протекает по схеме:

Линдберг и Тиндер использовали восстановление диальдегидцеллюлозы боргидридом натрия как количественный метод определения карбонильных групп в продуктах окисления целлюлозы. Детальное исследование условий восстановления было осуществлено Хидом. Как было показано в работе, восстановление альдегидных групп в гидроксильные повышает устойчивость гликозидной связи к действию щелочных реагентов [32, 35].

При восстановлении боргидридом натрия диальдегидцеллюлозы с высокой степенью окисления и последующем гидролизе был получен эритрит.

1.6 Синтез целлюлозных материалов, содержащих антимикробные вещества

Методы синтеза производных целлюлозы и получения модифицированных волокнистых материалов, содержащих химически связанные антимикробные вещества, разрабатываются на протяжении последних двадцати лет. Однако до настоящего времени окончательно не решен один из важнейших вопросов, возникающих при разработке этой проблемы - вопрос о том, при каких типах химической связи между антимикробным веществом и макромолекулой целлюлозы проявляется антимикробная активность материала, как влияет строение указанных полимеров на их химические и антимикробные свойства. Систематическое исследование этой проблемы имеет существенное теоретическое и большое практическое значение, так как только научно обоснованный подход позволит создать высокоактивные антимикробные волокнистые материалы, антимикробные свойства которых будут сохраняться на протяжении всего периода применения изготовленных из них изделий даже при очень жестких условиях эксплуатации и многократных мокрых обработках.

Вопрос о влиянии строения производных целлюлозы, содержащих химически связанные антимикробные вещества, на антибактериальные свойства этих полимеров был изучен в цикле работ, обобщенных в [38, 39]. В этих работах были синтезированы производные целлюлозы (в виде волокнистых материалов), содержащие антимикробные вещества акридинового ряда, гало-генпроизводные фенола (ГПФ), галогены или ионы серебра, связанные с различными функциональными группами макромолекулы модифицированной целлюлозы разными типами химических связей (координационными, ионными, лабильными и стабильными ковалентными), и исследована их антимикробная активность в опытах in vitro (строение некоторых из указанных производных целлюлозы и данные об них антимикробной активности представлены в табл. 1- 3, стр. 31-33)[39].

Антибактериальная активность изучалась методом «инфицированного агара» (при этом определяли зоны задержки роста микроорганизмов вокруг образца ткани) и при капельном методе заражения образцов ткани микроорганизмами (при этом определяли степень снижения бактериальной обсеме-ненности образца ткани по сравнению с обычной не модифицированной целлюлозной тканью). На основании анализа результатов полученных в работах [38, 39], был сделан вывод, что антимикробной активностью обладают только те производные целлюлозы, в которых антимикробные вещества присоединены к полимеру ионной, лабильной ковалентной или координационной связью.

Полимеры с прочной ковалентной связью между производным целлюлозы и антимикробным веществом не обладают антибактериальной активностью. К таким материалам относятся простые эфиры целлюлозы, содержащие антимикробные вещества, присоединенные связью C-N, модифицированные целлюлозные материалы, в которых галогены присоединены к алифатическому или ароматическому остатку простого эфира целлюлозы связью С -галоген, а также соединения, полученные при взаимодействии 3 - хлор - 2-гидроксипропилового эфира целлюлозы с ГПФ (между антимикробным веществом и алкильным остатком производного целлюлозы образуется простая эфирная связь).

Проведенные исследования позволили обосновать и сформулировать представления о механизмах антимикробного действия волокнистых материалов содержащих химически связанные антимикробные вещества: антимикробная активность изученных волокнистых материалов, обусловлена тем, что антимикробное вещество, присоединенное химической связью к функциональной группе модифицированной целлюлозы, постепенно отщепляется от этой группы вследствие гидролиза связи, диффундирует из волокнистого материала и вступает во взаимодействие с микробной клеткой [38, 39].

В настоящее время описано получение большого числа производных целлюлозы и других волокнообразующих полимеров разного строения, содержащих различные антимикробные вещества, присоединенные ионной или координационной связью, которые обладали антимикробной активностью [37 - 44]. Совершенно очевидно, что в этом случае антимикробная активность полимерных материалов может быть обусловлена гидролизом связи функциональная группа полимера - антимикробное вещество.

Возможность синтеза производных целлюлозы (а также и других волокнистых материалов), обладающих антимикробными свойствами, путем присоединения антимикробного препарата к полимерам поляризованной, сравнительно легко гидролизующейся альдиминовой связью C=N была показана в ряде работ, где к модифицированной целлюлозе, содержащей альдегидные группы, присоединяли антимикробные вещества, в молекуле которых имелись гидразидные группы, ароматические или алифатические аминогруппы [41, 47 - 49]. В то же время в работе [50] показано, что диальдегидцеллюлоза, обработанная 5-нитрофурфурилиденгидразоном (между полимером и антимикробным веществом образуется связь C=N), не проявляла антимикробной активности (не давала зоны роста микроорганизмов при испытании по методу "инфицированного агара"), хотя обладала высокой устойчивостью к действию плесени. Авторы работы [50] объясняют этот неожиданный для них факт тем, что 5-нитрофурфурилиденгидразон нерастворим в воде.

По-видимому, выделившийся в результате гидролиза связи C=N 5-нитрофурфурилиденгидразон не диффундирует из волокнистого материала, и поэтому вокруг образца материала при определении антимикробной активности методом "инфицированного агара" нет зоны задержки роста микроорганизмов. В то же время присутствие на волокнистом материале антимикробного вещества защищает его от образования плесени.

В цикле исследований, обобщенных в работе [55], было показано, что антимикробными свойствами обладают подвергнутые бромированию, йодированию или роданированию сложные эфиры целлюлозы и непредельных алифатических кислот (метакриловой, сорбиновой, олеиновой), а также эфиры целлюлозы с фурановой и коричной кислотами. Антимикробная активность синтезированных сложных эфиров целлюлозы может быть обусловлена тем, что под влиянием атомов галогена или родановых группировок гидролитическая устойчивость сложноэфнршй связи снижается, и полимерный материал проявляет антимикробные свойства благодаря постепенному отщеплению остатков галогенированных или роданированных кислот.

Возможность придания целлюлозным волокнистым материалам антимикробных свойств при присоединении антимикробных веществ эфирной связью была подтверждена в последние годы в ряде pаботе. В работах [56-58] показано, что производные целлюлозы, синтезированные по схемам (2) и (3), (стр. 25) обладают антимикробными свойствами.

В настоящее время не выяснено окончательно, обладают ли антимикробной активностью производные целлюлозы, содержащие четвертичные аммониевые или фосфониевые группы, и для каких целей могут быть использованы такие материалы.

Известно, что растворимые в воде низкомолекулярные и полимерные четвертичные аммониевые соединения, осаждаясь снаружи на клеточную стенку микроорганизма, изменяют ее проницаемость, вызывая лизис клетки. Вероятно, что при контакте с указанным выше волокнистым материалом также происходит лизис микробных клеток.

Антимикробные свойства волокнистых материалов, содержащих химически присоединенные антимикробные вещества, как было показано выше, зависят от устойчивости к гидролизу связи полимер - антимикробное вещество. Однако в рассмотренных выше работах эта зависимость была исследована только качественно, и практически полностью отсутствуют количественные характеристики устойчивости к гидролизу связей между антимикробными веществами и функциональными группами модифицированной целлюлозы, а также данные о зависимости антибактериальных свойств волокнистых материалов от количества десорбирующихся с целлюлозных волокон антимикробных веществ.

Анализ приведенных выше литературных данных показывает, что в последние годы синтезировано большое число производных целлюлозы, содержащих разные антимикробные вещества, присоединенные различными типами химических связей. В настоящее время происходит процесс накопления экспериментальных данных о влиянии строения нерастворимых в воде производных целлюлозы, содержащих химически связанные антимикробные вещества, и характера связи между молекулой антимикробного вещества и макромолекулой полимера на антимикробные свойства волокнистого материала. Установлено, что антимикробная активность волокнистых материалов, содержащих антимикробные вещества, присоединенные ионной или координационной связью, обусловлена отделением антимикробного вещества от полимера вследствие гидролиза указанных связей, диффузией антимикробного вещества из полимерного материала и взаимодействием его с мик робной клеткой. Аналогичный механизм антимикробного действия может быть принят для производных целлюлозы, содержащих антимикробные вещества, присоединенные лабильной ковалентной связью (альдиминовой, аце-тальной, триацетальной, сложноэфирной).