Pobierz Synteza pochodnych kwasu asparaginowego i więcej Publikacje w PDF z Chimica tylko na Docsity!
JOANNA PAGACZ, JOLANTA POLACZEK∗
SYNTEZA POCHODNYCH KWASU ASPARAGINOWEGO
SYNTHESIS OF ASPARTIC ACID DERIVATIVES
S t r e s z c z e n i e
W artykule scharakteryzowano najbardziej znane kopolimery kwasu asparaginowego, jednego z najważniejszych związków biodegradowalnych. Na szczególną uwagę zasługuje opraco- wana w Katedrze Chemii i Technologii Tworzyw Sztucznych metoda otrzymywania PKA i jego pochodnych z zastosowaniem promieniowania mikrofalowego. Stanowi ona alterna- tywę dla obecnie stosowanych metod i dlatego badania nad jej rozwinięciem są w toku. Słowa kluczowe : kopolimery kwasu asparaginowego, materiały biodegradowalne, promie- niowanie mikrofalowe
A b s t r a c t
Aspartic acid has a great importance as biodegradable compound and this paper characterize its the most known copolymers. In the Department of Chemistry and Technology of Polymers, Cracow University of Technology a method of synthesis poly(aspartic acid) and its derivatives was developed. It is an alternative way in compare to conventional methods. Further studies in this area are in progress. Keywords : aspartic acid copolymers, biodegradable materials, microwave radiation
∗ (^) Mgr inż. Joanna Pagacz, dr inż. Jolanta Polaczek, Katedra Chemii i Technologii Tworzyw
Sztucznych, Wydział Inżynierii i Technologii Chemicznej, Politechnika Krakowska.
Oznaczenia
KA – kwas asparaginowy SAM – sól amonowa kwasu maleinowego PKA – poli(kwas asparaginowy) PSI – polisukcynimid ODA – oktadecyloamina DDA – dodecyloamina DMF – dimetyloformamid DMSO – dimetylosulfotlenek PHEA – poli(2-hydroksyetyloaspartamid) DDS – Drug Delivery System PAL – kopolimer kwas asparaginowy/kwas mlekowy PLAc – poli(kwas mlekowy)
1. Wstęp
Kwas asparaginowy (aminobursztynowy) (KA – rys. 1) jest naturalnym aminokwasem wchodzącym w skład wielu białek, głównie roślinnych.
C
CH 2 C
O
HO
O
OH
NH 2
Rys. 1. Struktura kwasu asparaginowego Fig. 1. Aspartic acid structure
Spełnia istotne funkcje w organizmie, biorąc udział w syntezie argininy, pirymidyn i puryn. Ponadto pobudza aktywność neuronów, ułatwia tworzenie engramów (śladów pamięciowych), ułatwia uczenie, zapamiętywanie oraz odtwarzanie informacji, wzmaga koncentrację, jak również poprawia samopoczucie. Ma właściwości anaboliczne, bowiem pobudza wydzielanie somatotropiny (hormonu wzrostu), insuliny oraz glukagonu. Stoso- wany jest do badań biochemicznych i klinicznych jako składnik pożywek w mikrobiologii oraz jako półprodukt w syntezie organicznej [1]. W wyniku polimeryzacji kwasu asparaginowego otrzymuje się, w zależności od metody syntezy oraz użytych surowców, rodzinę związków różniących się budową i ciężarem czą- steczkowym. Poli(kwas asparaginowy) (PKA) otrzymuje się na drodze polikondensacji pochodnych α-aminokwasów, termicznej polimeryzacji kwasu asparaginowego lub soli amonowej kwasu maleinowego – SAM (otrzymanej w reakcji bezwodnika maleinowego i wodorotlenku amonu) bądź też w wyniku biologicznej syntezy z użyciem cyjanobakterii. W Katedrze Chemii i Technologii Tworzyw Sztucznych Politechniki Krakowskiej opracowano innowacyjną metodę otrzymywania poli(kwasu asparaginowego), w której ogrzewanie jest prowadzone za pomocą promieniowania mikrofalowego [2].
- aromatyczne kwasy aminokarboksylowe, takie jak: kwas 4-aminobenzoesowy, 4-amino- fenyloacetonowy, 4-aminofenylobutylowy,
- glikol etylenowy, tlenek etylenu. Modyfikacja poli(kwasu asparaginowego) przebiega również na drodze reakcji z ami- nami alifatycznymi, takimi jak oktadecyloamina, dodecyloamina czy propyloamina. Zarówno proces kopolikondensacji, jak i modyfikacji prowadzone są w zakresie tem- peratur 170–260ºC i w czasie od 5 min do 2 h. Uzyskuje się w ten sposób pochodne KA o ciężarze cząsteczkowym w przedziale 600–100 000 z wydajnością sięgającą nawet 100% [6]. Pochodne kwasu asparaginowego znajdują zastosowanie w produkcji nawozów, środków zapobiegających powstawaniu kamienia kotłowego, detergentów, jako dodatki do kosmetyków (w pastach do zębów – ograniczają tworzenie się kamienia nazębnego), jako dodatki zapobiegające tworzeniu nalotów i osadów w procesie produkcji cukru, smary do pasów transportujących, środki zwiększające wchłanianie substancji odżywczych, do- datki przy wyrobie papieru, kleje, dyspergatory, inhibitory korozji [7, 8], jako materiały superabsorbujące [9]. Zastosowanie kopolimerów w medycynie można sprowadzić do trzech głównych zagadnień, takich jak systemy kontrolowanego uwalniania leków (ang. Drug Delivery System ), nośniki leków oraz membrany selektywne. 3. Najważniejsze pochodne kwasu asparaginowego
3.1. Poli(kwas asparaginowy) modyfikowany oktadecyloaminą
Oktadecyloamina (ODA) jest ciałem stałym o brudno-białym kolorze i charakterystycz- nym amoniakalnym zapachu. Nie rozpuszcza się w wodzie, ale jest rozpuszczalna w alko- holach, eterach, benzenie, a szczególnie w chloroformie. Jej temperatura wrzenia wynosi 346,8ºC, jest więc substancją o niskiej lotności. Wytwarzana jest w procesie katalitycznego uwodornienia nitrylu kwasu stearynowego. ODA stosowana jest jako środek antykorozyjny w systemach obiegu wody (dzięki właści- wościom błonotwórczym), jako produkt pośredni do produkcji izocyjanianu oktadecylu i środków powierzchniowo czynnych, jako środek przeciwzbrylający, czynnik flotacyjny, czynnik w przemyśle naftowym ograniczający zdzieralność powierzchni asfaltowych [10]. Bardzo istotne jest również jej zastosowanie w systemach kontrolowanego dostarczania leku oraz w produkcji nośników leków. Znane są następujące metody otrzymywania pochodnych KA z oktadecyloaminą:
- modyfikacja z udziałem ODA na łańcuchu polisukcynimidu (PSI) – KA poddaje się polimeryzacji do PSI, który zawiera grupy aminowe zdolne do reakcji z ODA. Otrzy- many związek poddaje się w końcowym etapie hydrolizie zasadowej. Uzyskuje się po- chodne o M (^) n ~17 000, z wydajnością w zakresie 85–95%. Strukturę pochodnej KA z ODA przedstawiono na rys. 4 [11],
- polimeryzacja „prekursorów” KA (takich, jak mono- lub diamonowe sole kwasów maleinowego, fumarowego i jabłkowego) z ODA na skutek: a) p o l i m e r y z a c j i c i e n k o w a r s t w o w e j , która polega na naniesieniu miesza- niny „prekursora” KA z ODA w postaci cienkiej warstwy na ogrzewaną po- wierzchnię, gdzie zachodzi proces polimeryzacji „prekursorów” KA i przyłączania
cząsteczek ODA do powstałych łańcuchów polimerowych; uzyskuje się w ten sposób związki o ciężarze cząsteczkowym wynoszącym M (^) n ~10 000, b) t e r m i c z n e j p o l i m e r y z a c j i w m a s i e – w metodzie tej ogrzewa się mie- szaninę ,,prekursora” KA i ODA w reaktorze; wymiana ciepła jest mniej efektywna niż w poprzedniej metodzie, dlatego też wymagane są dłuższe czasy reakcji; ciężary cząsteczkowe produktów zawarte są w przedziale M (^) n ~ 1000–60 000, c) m e t o d y ł ą c z o n e j – metoda cienkowarstwowa w połączeniu z syntezą „prekur- sora” KA in situ , w której ODA jest mieszana bezpośrednio z kwasem maleinowym bądź jego bezwodnikiem i z solą amonową (węglanem amonu), a następnie miesza- nina poddawana jest polimeryzacji metodą cienkowarstwową; w metodzie tej uzyskuje się niższe ciężary cząsteczkowe produktów.
NH ONa
O
O
O
O
NH
( CH 2 ) 15
CH (^3)
HN n (^) m
Rys. 4. Struktura poli(kwasu asparaginowego) modyfikowanego ODA
Fig. 4. Structure of poly(aspartic acid) modified with ODA
Wszystkie otrzymane w ten sposób związki są następnie poddawane hydrolizie zasado- wej. Metody powyższe są stosowane również w przypadku reakcji z innymi związkami [6].
- polimeryzacja w polu promieniowania mikrofalowego – metoda opracowana w Kate- drze, a polegająca na ogrzewaniu mieszaniny KA z ODA w reaktorze mikrofalowym, w zakresie temperatur 170–230ºC. Uzyskano skrócenie czasu reakcji ze 160 do 47 min. Wydajność procesu wahała się w zależności od parametrów procesu (temperatura, czas, moc promieniowania mikrofalowego) w granicach 48–68%. Otrzymany produkt cha- rakteryzował się brakiem rozpuszczalności w wodzie i metanolu oraz niską odpornością termiczną (do ok. 115ºC) [12].
3.2. Pochodna kwasu asparaginowego z dodecyloaminą
Dodecyloamina (DDA) występuje w postaci białego proszku o charakterystycznym za- pachu. Jest słabo rozpuszczalna w wodzie. Podobnie jak ODA jest stosowana jako środek powierzchniowo czynny oraz m.in. w procesie modyfikowania powierzchni montmorylo- nitu (proces tzw. międzywarstwowej powierzchniowej silylacji) [13]. Ma wysoką aktyw- ność i zdolność do pobudzania rozwoju szczepów bakterii. Na rysunku 5 przedstawiono schematyczną strukturę pochodnej KA z DDA.
n (^) m
Otrzymywany jest w wyniku polimeryzacji KA, a następnie otwarcia pierścienia cy- klicznego PSI za pomocą etanoloaminy. Proces prowadzony jest w środowisku rozpusz- czalnika (zazwyczaj w DMF), w temperaturze ok. 30ºC i w czasie 6 h. Produkt końcowy jest wytrącany z roztworu za pomocą mieszaniny etanol/eter etylowy (w stos. obj. 1:1). Otrzymuje się w ten sposób kopolimery o ciężarze cząsteczkowym wynoszącym Mn ~33 500 i z wydajnością w przedziale 80–90% [15]. PHEA jest poddawana dodatkowo modyfikacjom za pomocą związków, takich jak me- takrylan diglicydylu czy kwas dehydrocholowy, co prowadzi do otrzymania rozpuszczal- nych w wodzie i wrażliwych na światło związków. Są one w następnym etapie przekształ- cane w hydrożele (z użyciem np. N-N’-metylenobisakrylomidu) w wyniku wolnorodniko- wej polimeryzacji inicjowanej promieniowaniem UV lub promieniowaniem γ. Hydrożele te ulegają szybkiemu pęcznieniu oraz częściowej degradacji w czasie inkubacji w obecności enzymów hydrolitycznych [15, 16]. Ostatnio prowadzone są również badania nad szczepieniem na łańcuchu PHEA poligli- kolidu, który jest pierwszym syntetycznym polimerem degradowalnym, stosowanym do produkcji materiałów chirurgicznych. Grupy hydroksylowe w PHEA spełniają rolę makro- inicjatora w procesie kopolimeryzacji z glikolidem [17].
3.4. Kopolimery KA z ω-aminokwasami
Poli(aminokwasy), zaliczane do materiałów biodegradowalnych, są stosowane głównie w medycynie oraz do produkcji kosmetyków i tkanin, przy czym badania skupiły się przede wszystkim na poli(kwasie glutaminowym) i poli(kwasie asparaginowym). Japońscy naukowcy (Tomida i in.) [18] podjęli próby syntezy kopolimerów KA z ω - aminokwasami, takimi jak: kwas 4-aminobutanowy, 6-aminokapronowy i 11-aminoun- dekanowy. Proces prowadzono w mieszaninie mezytylen/sulfolan (w stos. wag. 2,3:1,0), w obecności kwasu ortofosforowego jako katalizatora, w atmosferze gazu obojętnego (azotu) i w czasie ok. 4,5 h. Spośród kopolimerów KA z aminokwasami na szczególną uwagę zasługuje kopolimer z kwasem 6-aminokapronowym (rys. 6). Polikondensacja prowadzona jest w roztworze mezytylen/sulfolan z dodatkiem katalizatora (85% H 3 PO 4 ), w temperaturze 180ºC, przez ok. 4,5 h i z wydajnością dochodzącą do 84% [19, 20]. Kopolimer ten wykazuje korzystne właściwości termiczne, a mianowicie topi się poni- żej temperatury rozkładu, co jest cechą charakterystyczną dla tworzyw termoplastycznych. Poza tym w zależności od zawartości ugrupowania sukcynimidowego wykazuje różną rozpuszczalność w metanolu: wraz ze wzrostem zawartości merów PSI zmniejszają się roz- puszczalność w metanolu oraz średni ciężar cząsteczkowy kopolimeru. W Katedrze kwas 6-aminokapronowy poddano kopolimeryzacji w polu promieniowania mikrofalowego, z użyciem soli amonowej kwasu maleinowego (SAM) i KA jako komono- merów. Uzyskany w ten sposób PSI poddawano w kolejnym etapie hydrolizie w środowi- sku zasadowym, a następnie kopolimeryzacji z kwasem 6-aminokapronowym. Reakcje prowadzono w roztworze węglanu propylenu, w obecności H (^) 3PO 4 jako katalizatora bądź bezkatalitycznie. Nie uzyskano poprawy wydajności procesu (w procesie bezkatalitycznym wyniosła ona 43% z zastosowaniem SAM, a z udziałem KA osiągnęła wartość 55%), jednak wyeliminowano katalizator oraz znacznie skrócono czas całego procesu (z 4,5 h do ok. 40 min) [12, 21]. Na rysunku 7 przedstawiono budowę kopolimeru kwasu asparagino- wego z kwasem 6-aminokapronowym.
y
C
O
CH (^2) CH N H
COONa x (^) n
( CH 2 ) 5
C
C
O
O
CH (^2)
CH (^) COONa
N N H
H
Rys. 7. Struktura kopolimeru KA/kwas 6-aminokapronowy Fig. 7. Structure of (aspartic acid/6-amincaproic acid) copolymer
3.5. Kopolimer KA/lizyna
Lizyna jest niepolarnym aminokwasem o charakterze zasadowym, jednym z najbardziej rozpowszechnionych w przyrodzie. Należy ją dostarczać z pożywieniem ze względu na to, że niemożliwa jest jej bezpośrednia synteza w organizmie człowieka. Stosowana jest jako dodatek do pasz, mąki i produktów mącznych, a występuje w postaci krystalicznego proszku, łatwo rozpuszczalnego w wodzie. Jest zawarta w białkach roślin i zwierząt oraz stanowi niezbędny składnik białek budulcowych, szczególnie w mięśniach i kościach. Po- nadto wchłania wapń, poprawia koncentrację umysłową, łagodzi objawy przeziębienia, grypy oraz opryszczki. Jej niedobór powoduje m.in. anemię i wypadanie włosów oraz ob- jawia się zmęczeniem i rozdrażnieniem. Kopolikondensacja KA z lizyną prowadzi do otrzymania biodegradowalnego, amfote- rycznego związku, którego strukturę przedstawiono na rys. 8. Znajduje on zastosowanie w produkcji absorbowalnych kompleksów poliektrolitycznych używanych w systemach DDS.
m
C CH 2 x O ONa
CHCH 2 CNH CHCNH ( CH 2 )^4 CHCNH
NH 2
C
O
O
O O
ONa n
Rys. 8. Wzór strukturalny kopolimeru kwasu asparaginowego z lizyną
Fig. 8. Structural formula of (aspartic acid/lysine) copolymer
Kopolimeryzację lizyny z KA prowadzi się na kilka sposobów:
- z użyciem KA – polikondensacja lizyny z L-KA, w obecności katalizatora (85% H (^) 3PO (^) 4), w 160ºC, przez ok. 3,5 h w warunkach obniżonego ciśnienia, a następnie hydroliza zasadowa; otrzymuje się produkty o ciężarze cząsteczkowym Mn = 15 000–46 000 z wy- dajnością zmieniającą się w przedziale 52–79% [22];
- z użyciem SAM – proces prowadzony w masie, w temperaturze ok. 250ºC, przez 1 h; charakteryzuje się bardzo wysoką wydajnością, sięgającą nawet 100%, otrzymane pro- dukty mają ciężary cząsteczkowe wynoszące Mn ~1928 [6];
x n
n
x m
y
Bierze udział w biosyntezie kwasu pantotenowego, a ponadto jest niezbędna w procesie wytwarzania energii. Wpływa również na gospodarkę hormonalną i reguluje metabolizm. Kopolimer waliny z KA otrzymuje się w wyniku polikondensacji L-KA z waliną w obecności 85% H 3 PO 4 , w temperaturze 160ºC, pod obniżonym ciśnieniem, w czasie 4 h. Wydajność procesu osiąga nawet 69%. Otrzymany produkt rozpuszcza się w DMF i DMSO [23]. Strukturę kopolimeru zaprezentowano na rys. 9.
3.7. Kopolimer KA/kwas l-glutaminowy
Kolejnym związkiem używanym do kopolimeryzacji z KA jest kwas glutaminowy, aminokwas o charakterze kwaśnym (rys. 10).
H 2 N CH
CH 2
COOH
COOH
H 2 C
Rys. 10. Struktura kwasu glutaminowego Fig. 10. Structure of glutamic acid
Kwas glutaminowy spełnia istotną rolę w przewodzeniu impulsów nerwowych, a po- nadto uczestniczy w przemianach azotowych. Ma postać rozpuszczalnej w wodzie krysta- licznej substancji stałej. Tworzy biodegradowalny polimer otrzymywany metodą syntezy mikrobiologicznej oraz chemicznej. Poli(γ-kwas glutaminowy) jest używany w systemach uwalniania leków (DDS) oraz jako substancja absorbująca w rolnictwie, farmacji i przemy- śle chemicznym. Badania nad syntezą kopolimerów szczepionych kwasu glutaminowego oraz kwasu asparaginowego prowadzone były już w latach 90. XX w. Stosowano wówczas jako surowce bezwodniki otrzymane w wyniku fosgenizacji α-aminokwasów (rys. 11) oraz aminy pierwszorzędowe [24].
C
O
THF 40 OC
NH CHR
HO - C - CHR - NH 2 + Cl 3 - C - O - C - Cl (^3)
O O
O
C
O O
Rys. 11. Synteza bezwodników poprzez fosgenację α-aminokwasów Fig. 11. Synthesis of anhydride by phosgenation of α-aminoacid
Obecnie otrzymuje się również kopolimery szczepione kwasu glutaminowego z kwa- sem asparaginowym, a syntezy prowadzone są bezpośrednio z L-KA i kwasu L-gluta- minowego, metodą polimeryzacji w masie, w obecności katalizatora. Uzyskuje się wydaj- ności sięgające 70%, przy czym udowodniono, że wydajność, czystość produktu oraz średni ciężar cząsteczkowy zwiększają się wraz ze wzrostem ilości katalizatora i zmniejsza-
niem stosunku molowego L-KA/L-kwas glutaminowy. Najlepsze wyniki uzyskano w czasie reakcji 2–4 h, w zakresie temperatur 180–200ºC ( Mw ~13 000) [25].
x
C N
O
O
C
N
H
C CH 2
COOH n
O
C
H
CH (^2)
Rys. 12. Struktura chemiczna kopolimeru (KA/γ-kwas glutaminowy)
Fig. 12. Structural formula of (aspartic acid/γ-glutamic acid) copolymer
3.8. Kopolimery KA z aromatycznymi kwasami aminokarboksylowymi
Do kolejnych pochodnych kwasu asparaginowego można zaliczyć kopolimery z aro- matycznymi kwasami aminokarboksylowymi (rys. 13), takimi jak: kwas 4-aminobenzo- esowy, 4-aminofenylooctowy, 4-aminometylobenzoesowy, 4-(4-aminofenylo)masłowy oraz 4-aminocynamonowy. Polimeryzacja prowadzona jest w mieszaninie mezyty- len/sulfolan, w obecności katalizatora – 85% H 3 PO 4 , w temperaturze ok. 189ºC, przez 4,5 h. Uzyskuje się produkty o średnim ciężarze cząsteczkowym Mw ~ 15 100, z wydajnością sięgającą 91%. Wprowadzenie do łańcucha kopolimeru ugrupowania aromatycznego ma na celu polep- szenie właściwości termicznych [26].
C
N
O
CH 2 C - N
H
x n
C
O
O y
Rys. 13. Struktura kopolimeru kwasu asparaginowego z kwasem 4-aminofenylooctowym Fig. 13. Structure of aspartic acid/4-aminophenylacetic acid copolymer
3.9. Kopolimer KA z glikolem etylenowym
Glikol etylenowy stosowany jest w płynach niezamarzających do chłodnic samochodo- wych, jako rozpuszczalnik, do produkcji żywic poliestrowych, włókien syntetycznych, plastyfikatorów oraz do produkcji materiałów wybuchowych. Poddany polimeryzacji two- rzy związek charakteryzujący się biozgodnością, niską toksycznością i antygenowością oraz dobrą rozpuszczalnością w wodzie i innych popularnych rozpuszczalnikach. Polime-
n x
y x n
korzystywane do przechowywania niegazowanej wody mineralnej. Butelki bazujące na tego typu materiale podczas eksploatacji wykazują wysoką stabilność, a w warunkach kontrolowanej degradacji rozkładają się w ciągu 75–80 dni. Polimery oparte na kwasie mlekowym są otrzymywane w wyniku bezpośredniej poli- kondensacji, polimeryzacji z otwarciem pierścienia (ang. ring opening polymerization ) oraz poprzez reakcję transestryfikacji. Kwas mlekowy może ulegać kondensacji z kwasem asparaginowym, kwasem glikolowym (bądź też z jego dimerem – glikolidem), kwasem 6-hydroksykapronowym, kwasem (D,L)-α-hydroksymasłowym, kwasem (D,L)-migdało- wym, kwasem izowalerianowym, 4-hydroksybenzoesowym, cytrynowym, ε-kaprolakto- nem, ε-kaprolaktamem [28]. Bezpośrednia polikondensacja kwasu mlekowego jest reakcją równowagową i z tego względu występuje trudność w oddzieleniu produktu ubocznego kondensacji. Ogranicza to otrzymywanie poli(kwasu mlekowego) o wysokich ciężarach cząsteczkowych z powodu zachodzenia reakcji odwrotnej, czyli hydrolizy wiązań estrowych. Prace badawcze na temat syntezy kopolimeru PAL, jednej z najbardziej znanych po- chodnych kwasu mlekowego, prowadzono już w latach 80. XX w. [29]. Strukturę PAL przedstawiono na poniższym rysunku.
HO
CH 3
O
N
CH H (^) CH 3
CH 3 OH
N OH
C
C CH O
O
O (^) O
O
O
C O
C
C
O
HC
n p
q
r
Rys. 15. Struktura kopolimeru PAL
Fig. 15. PAL copolymer structure
PAL jest termoplastycznym polimerem, rozpuszczalnym w wielu rozpuszczalnikach or- ganicznych, zwłaszcza węglowodorowych, natomiast nierozpuszczalnym w wodzie i meta- nolu [30, 31]. PAL używany jest w inżynierii biomateriałowej, a ponadto stosuje się go w celu modyfikowania właściwości PLAc (jako dodatek antystatyczny, dodatek zwiększa- jący stopień degradacji lub dodatek poprawiający stabilność termiczną PLA) [32]. Kopolimer PAL można otrzymywać na drodze:
- polikondensacji pochodnych KA z zablokowaną grupą β-karboksylową z laktydem, otrzymanych z kwasu L-asparaginowego i kwasu D,L-mlekowego – proces ten nie znalazł zastosowania na skalę przemysłową ze względu na trudności w przygotowaniu monomerów oraz nieodpowiednią reaktywność i strukturę otrzymanych produktów (rys. 16) [33],
- kopolimeryzacji w masie KA z laktydem, w zakresie temperatur 160–180ºC, pod obni- żonym ciśnieniem, w czasie od 5,5 do 26,5 h. Uzyskuje się kopolimery o ciężarach czą- steczkowych w zakresie Mw = 6100–24 800. Otrzymane produkty poddawane są na- stępnie hydrolizie zasadowej.
n^ p
q
r
C
CH (^3)
O
N
H CH 2 COOCH 2 C 6 H (^5)
m H n
H
O
O
O
C O
Rys. 16. Struktura PAL powstała w wyniku polimeryzacji L-KA z kwasem D,L-mlekowym Fig. 16. PAL structure copolymer made polymerization L-aspartic acid with D,L-lactic acid
W toku badań stwierdzono, że otrzymany PAL ma rozgałęzioną strukturę złożoną z segmentów pochodzących od PSI i poli(kwasu mlekowego) [30, 31]:
- polimeryzacji w warunkach promieniowania mikrofalowego – badania prowadzone były w Katedrze. Stosowane surowce to SAM i KA oraz kwas mlekowy. Uzyskano znaczne skrócenie czasu reakcji – do ok. 30 min. Wydajność procesu mieści się w zakresie 39–48% w przypadku użycia SAM oraz w zakresie 22–57% w procesie z KA, co jest uzależnione od warunków prowadzenia procesu. Synteza prowadzona była metodą rozpuszczalnikową (w roztworze węglanu propylenu) oraz metodą w masie, bezkatalitycznie i z użyciem 85% H (^) 3PO 4 i chlorku cynku (II) – ZnCl 2 w charakterze katalizatorów. Otrzymano produkty o zdefiniowanej strukturze, określonej za pomocą metod, takich jak spektroskopia FT-IR, 1 H NMR. Analizie poddano również właściwości termiczne (z zastosowaniem metod TG i DSC). Kopolimery wykazały odpowiednio stabilność termiczną: SAM/kwas mlekowy – do 260ºC, PAL – do ok. 240ºC [21, 34, 35].
3.11. Kopolimer KA/skrobia
Pochodną kwasu asparaginowego, która wzbudza szczególne zainteresowanie, jest ko- polimer z jednym z najbardziej rozpowszechnionych polisacharydów zapasowych – skro- bią. Występuje ona głównie w materiale roślinnym: w nasionach i owocach, jak również w korzeniach, kłączach i łodygach roślin. Szczególnie dużo skrobi zawierają ziarna zbóż i bulwy ziemniaków. Skrobia jest białą, bezpostaciową substancją stałą, bez zapachu i smaku, śliską w dotyku. Jest nierozpuszczalna w alkoholu i eterze. Składa się z co naj- mniej dwóch rodzajów polisacharydów: amylozy, łatwo rozpuszczalnej w wodzie, oraz amylopektyny. Ponadto skrobia zawiera niewielkie domieszki glikolipidów, fosforanów itp. W farmacji skrobia jest stosowana jako substancja pomocnicza w produkcji leków: w formie wypełniacza, lepiszcza, substancji rozsadzającej i poślizgowej w procesie wytwa- rzania tabletek. Ze względu na brak reaktywności skrobi przed syntezą jakichkolwiek jej pochodnych należy przeprowadzić aktywację poprzez reakcję z wodorotlenkiem sodu, która prowadzi do otrzymania tzw. kleiku skrobiowego (roztworu skrobi w NaOH). Badania nad otrzymywaniem kopolimerów skrobi rozpoczęto mniej więcej w 2003 r., używając w tym celu różnorodnych proteogenicznych aminokwasów. Jak wykazały bada- nia, w mieszaninach skrobi z: alaniną, kwasem asparaginowym i glutaminowym, glicyną, izoleucyną, treoniną i waliną otrzymywało się pochodne estrowe, natomiast blendy z: argininą, histydyną oraz z fenyloalaniną tworzyły głównie pochodne amidowe. Możliwa
n
m
4. Podsumowanie
W artykule zaprezentowano metody otrzymywania pochodnych kwasu asparaginowego, jednego z najważniejszych związków biodegradowalnych. Są to najczęściej kopolimeryza- cja w rozpuszczalniku (w cyklicznych węglanach, mieszaninach rozpuszczalników, np. w mieszaninie mezytylen/sulfolan) oraz polikondensacja w masie. Syntezy prowadzono bezkatalitycznie, a także w obecności katalizatora, którym był zazwyczaj 85% roztwór kwasu ortofosforowego. Używano różnorodnych monomerów, takich jak: sole kwasu ma- leinowego, fumarowego, jabłkowego oraz komonomery: aminokwasy, kwasy hydroksykar- boksylowe, aromatyczne kwasy aminokarboksylowe i in. Na szczególną uwagę zasługuje opracowana w Katedrze Chemii i Technologii Two- rzyw Sztucznych metoda z zastosowaniem promieniowania mikrofalowego. Ma ona wiele zalet, wśród których można wymienić wyeliminowanie z procesu katalizatora, znaczne skrócenie czasu długotrwałych reakcji kopolimeryzacji (dochodzących nawet do ok. 26 h). Ponadto technika mikrofalowa stwarza możliwość otrzymywania związków, które w wa- runkach konwencjonalnego ogrzewania są trudne do otrzymania. Kopolimery kwasu asparaginowego obok zdolności do biodegradacji mają także właściwości termoplastyczne, co znacznie rozszerza możliwość ich praktycznego zastoso- wania, szczególnie w dziedzinie inżynierii biomateriałowej.
L i t e r a t u r a
[1] http://luskiewnik.strefa.pl/psychostymulantia/p44.htm, odczyt z dnia 2.06.2008. [2] P o l a c z e k J., P i e l i c h o w s k i J., P i e l i c h o w s k i K., T y l e k E., D z i k i E., Polimery, 50 (11-12), 2005, 812. [3] F o x S.W., H a r a d a K., J. Am. Chem. Soc., 82 , 1960, 3745. [4] Patent USA 5,510,426, 1996. [5] Patent USA 5,478,919, 1995. [6] Patent USA Re. 36,234, 1999. [7] Patent USA 6,001,956, 1999. [8] Patent USA 6,197,897 B1, 2001. [9] Patent USA 6,903,181 B2, 2005. [10] http://www.omri.org/octadecylamine.pdf, odczyt z dnia 2.06.2008. [11] K a n g H.S., S h i n M.-S., K i m J.-D., Y a n g J.-W., Polym. Bull., 45 , 2000, 39. [12] B a c h u l s k a J., Synteza kopolimerów kwasu asparaginowego w warunkach pro- mieniowania mikrofalowego , praca magisterska, Politechnika Krakowska, Kraków
[13] K y e o n g - W o n P a r k , O h - Y u n K w o n, Bull. Korean Chem. Soc., 25 (7), 2004, 965. [14] N a k a t o T., T o m i d a M., S u w a M., M o r i s h i m a Y., K u s u n o A., K a k u c h i T., Polym. Bull., 44 , 2000, 385. [15] Y a n g S.R., J e o n g J.H., P a r k K., J o n g - D u k K., Coll. Polym. Sci., 281 , 2003,
[16] G i a m m o n a G., P i t a r r e s i G., F a b i o l a C r a p a r o E., C a v a l l a r o G., Buscemi S., Coll. Polym. Sci., 279 , 2001, 771. [17] P e n g T., S u J., L i n G., C h e n g S i - X u e, Z h u o R e n - X i, Coll. Polym. Sci., 284 , 2006, 834. [18] T o m i d a M., N a k a t o T., K a k u c h i M., Polymer, 37 (19), 1996, 4435. [19] N a k a t o T., O d a K, Y o s h i t a k e M., T o m i d a M., J. Macromol. Sci. Part A Pure Appl. Chem., 36 , 1999, 949. [20] K a k u c h i T., S h i b a t a M., M a t s u n a m i S., N a k a t o T., T o m i d a M., J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem., 35 , 1997, 285. [21] D z i k i E., Badania nad syntezą i modyfikcają poli(kwasu asparaginowego) , praca doktorska, Politechnika Krakowska, Kraków 2005. [22] J i a n g H.L., T a n g G.P., Z h u K.J., Macromol. Biosci., 1 , 2001, 266. [23] T a n g G., H e B., J. Appl. Polym. Sci., 102 , 2006, 46. [24] O o s t e r l i n g M.L.C.M., W i l l e m s E., S c h o u t e n A.J., Polymer, 36 , 1995,
[25] R u i Z., T i a n w e i T., J. Appl. Polym. Sci., 100 , 2006, 3626. [26] N a k a t o T., T o m i d a M., K u s u n o A., S h i b a t a M., K a k u c h i T., Polym. Bull., 40 , 1998, 647. [27] W o n C.-Y., C h u C.-C., L e e J.D., J.Polym. Sci., Part A: Polym. Chem., 36 , 1998,
[28] Patent USA 7,019,106 B2, 2006. [29] J a i n G.L., R a y A.R., Makromol. Chem., 182 , 1981, 2557. [30] Patent USA 6,372,880, 2002. [31] S h i n o d a H., A s s o u Y., S u e t s u g u A., T a n a k a K., Macromol. Biosci., 3 , 2003, 34. [32] S h i n o d a H., A s o u Y., K a s h i m a T., K a t o T., T s e n g Y., Y a g i T., Polym. Degrad. Stab., 80 , 2003, 241. [33] H u a n g Y.S., C i u F.Z., Curr. Appl. Phys., 5 , 2005, 546. [34] F i l e k U., Synteza kopolimeru kwas asparaginowy/kwas mlekowy w warunkach promieniowania mikrofalowego , praca magisterska, Politechnika Krakowska, Kraków
[35] P a g a c z J., Synteza kopolimerów poli(kwasu asparaginowego) w polu promienio- wania mikrofalowego , praca magisterska, Politechnika Krakowska, Kraków 2006. [36] K a p u ś n i a k J., S i e m i o n P., T o m a s i k P., Thermochim. Acta, 397 , 2003, 209. [37] Z a w a d z k a M., Modyfikacja chemiczna poli(kwasu asparaginowego) jako metoda otrzymywania nowych biomateriałów , praca magisterska, Politechnika Krakowska, Kraków 2005.
