Пектиновые вещества. Эфиры целлюлозы метил-, карбоксиметил- и натрийкарбоксиэтилцеллюлоза). Растительные камеди

Пекти́новые вещества́ (от греч. pektos — свернувшийся, замёрзший) — полисахариды, образованные остатками главным образом галактуроновой кислоты. Присутствуют во всех наземных растениях (особенно много в плодах) и в некоторых водорослях. Способствуют поддержанию в тканях тургор, повышают засухоустойчивость растений, устойчивость овощей и плодов при хранении. Используются в пищевой и фармацевтической промышленности как студнеобразующие вещества. Получают пектиновые вещества из яблочных выжимок, жома сахарной свёклы и т. п.

Эфиры целлюлозы, производные целлюлозы общей формулы [C₆H₇O₂(OH)_3-х(OR)_х]_n, где n - степень полимеризации; x - число групп ОН, замещенных в одном звене макромолекулы целлюлозы (степень замещения - СЗ); R - алкил, ацил или остаток минер, кислоты. Каждое звено макромолекулы содержит 3 группы ОН, которые способны вступать в реакции с образованием простых и сложных эфиров; в случае смешанных эфиры целлюлозы э. замещающие радикалы различны.

Наиболее распространены эфиры целлюлозы э.: простые - карбоксиметилцеллюлоза, метилцеллюлоза, этилцеллюлоза, а также метилгидроксипропилцеллюлоза, оксипропилцеллюлоза, цианэтилцеллюлоза; сложные - целлюлозы ацетаты, целлюлозы нитраты, а также ацетилфталилцеллюлоза, ацетопропионаты, ацетобутираты и сульфаты целлюлозы. Упомянутые эфиры целлюлозы э. производят во многие странах десятками и сотнями тысяч т в год.

Св-ва эфиров целлюлозы э. зависят главным образом от числа и, СЗ и типа заместителя R. Так, степень полимеризации (в среднем 150-500) значительно влияет преимущественно на прочностные и вязкостные свойства эфиры целлюлозы э., обеспечивая их пригодность для переработки. СЗ определяет их физических-механические и химический свойства. Средняя СЗ лежит в пределах 0-3; однако чаще СЗ рассчитывают не на одно, а на 100 элементарных звеньев макромолекул целлюлозы и обозначают (например, для триацетилцеллюлозы= 280-290). Регулируют СЗ изменением условий синтеза: концентрации алкилирующего или этерифицирующего агента, температуры, продолжительности и др.

Растворимость эфиры целлюлозы э. зависит от содержания и соотношения заместителей и свободный групп ОН. Например, ацетат целлюлозы, имеющий СЗ 0,5-0,8 и 1,5-1,8, раств. соответственно в воде и смеси ацетон - вода (7:3); ацетат целлюлозы со СЗ 2,2-2,6 растворим в ацетоне и метилцеллозольве, со СЗ > 2,6 - в метиленхлориде и смеси метиленхлорид - этанол (9:1). При увеличении длины цепи алкильного радикала гидрофобность эфиры целлюлозы э. повышается и они способны растворим в неполярных растворителях (например, бутил- и пропилцеллюлоза уже нерастворимы в воде и растворим в органических растворителях). Вообще растворимость эфиры целлюлозы э. в органических растворителях возрастает с повышением температуры и уменьшается с увеличением молекулярной массы.

С увеличением в заместителе числа атомов С для всех эфиры целлюлозы э. уменьшаются влагопоглощение, температуры размягчения и плавления. Сложные эфиры термически нестабильны и обладают низкой химический стойкостью к действию кислот и щелочей. Простые эфиры устойчивы в кислотах и щелочах и выдерживают нагревание до сравнительно высоких температур, не разлагаясь и не выделяя свободный кислот, вызывающих коррозию металлов. Сложные и некоторые простые эфиры целлюлозы э.- хорошие диэлектрики.

Для производства эфиры целлюлозы э. используют облагороженную хлопковую и древесную (сульфатную и сульфитную) целлюлозу. Выбор ее вида определяется областью применения того или иного эфира. Для повышения скорости и равномерности О-алкилирования и однородности эфиры целлюлозы э. независимо от способа их получения исходную целлюлозу обязательно предварительно активируют. В производстве простых эфиров целлюлозу обрабатывают раствором NaOH, в результате чего она набухает и приобретает повышенную реакционную способность (щелочная целлюлоза) вследствие облегчения диффузии компонентов этерифицирующей смеси внутрь материала. В производстве сложных эфиров целлюлозу обрабатывают уксусной или др. кислотой при повышенной температуре в парах либо растворами этих кислот. Обычно, чем выше температура активации, тем меньше ее продолжительность.

Простые эфиры целлюлозы э. получают в автоклавах при повышенной температуре взаимодействие щелочной целлюлозы с алкилхлоридами и (или) 3-и 4-членными гетероциклический соединение, напр, этилен- и пропиленоксидами, сультонами (пром. способы), диалкилсульфатами (лабораторная способ), непредельными соединение с двойными связями (например, акрилонитрил, акриламид). Так, О-алкилированием щелочной целлюлозы монохлоруксусной кислотой получают Na-соль карбоксиметилцеллюлозы, диэтиламиноэтилхлоридом -диэтиламиноэтилцеллюлозу, акрилонитрилом - цианэтилцеллюлозу, этилен- и пропиленоксидами - гидроксиэтил- и гидроксипропилцеллюлозы. Образование простых эфиров катализируется основаниями и всегда сопровождается побочными реакциями.

Сложные эфиры целлюлозы э. в промышлености получают:

1. Этерификацией целлюлозы кислородсодержащими не-органическое и карбоновыми (например, НСООН) кислотами. Этим способом получают нитраты, сульфаты и формиаты целлюлозы. Этерификация ее Н3РО4 в смеси с мочевиной дает фосфаты целлюлозы. Вследствие обратимости реакции применяют конц. кислоты и водоотнимающие добавки.

2. Действием на целлюлозу преимущественно ангидридов кислот в среде органическое растворителей или разбавителей в присутствии катализаторов (в основные минеральных кислот). Таким способом получают эфиры на основе карбоновых кислот жирного ряда С2 - С4 (например, ацетаты целлюлозы). Действием смесей ангидридов различные кислот или кислоты и ангидрида др. кислоты производят смешанные эфиры целлюлозы э. (например, ацетопропионаты и ацетобутираты целлюлозы).

Лабораторная способы получения сложных эфиров: действие на целлюлозу изоцианатов (Ц. э. карбаминовой кислоты - замещенные уретаны, карбанилаты целлюлозы); переэтерификация (бораты, фосфаты, стеарат целлюлозы). При синтезе эфиры целлюлозы э. в кислой среде побочные продукты почти не образуются.

Области применения сложных, а также простых и смешанных эфиры целлюлозы э. весьма разнообразны. Осн. направления использования: производство искусств. волокон (см. Ацетатные волокна, Вискозные волокна, Гидратцеллюлозные волокна, Медноаммиачные волокна); эфироцеллюлозных пластмасс (см. Этролы); различные пленок, полупроницаемых мембран (см. Пленки полимерные, Фотографические материалы); лакокрасочных материалов (см. Грунтовки, Лакокрасочные покрытия, Шпатлевки, Эфироцеллюлозные лаки). Ц. э. применяют также как загустители, пластификаторы и стабилизаторы глинистых растворов для буровых скважин, асбо- и гипсоцементных штукатурных смесей, обмазочных масс для сварных электродов, водоэмульсионных красок, красителей (при печати по тканям), зубных паст, парфюмерно-косметич. средств, водно-жировых фармацевтич. составов, пищевая продуктов (например, соков, муссов); связующие в литейных производствах; эмульгаторы при полимеризации; ресорбенты загрязнений в синтетич. моющих средствах; флотореагенты при обогащении различные руд; текстиль-но-вспомогат. вещества (например, аппретирующие и шлихтующие); компоненты клеевых композиций и др.

Растительные камеди — вещества, выделяющиеся в виде прозрачных густеющих масс при повреждении растений (при механическом их поранении или при патологических процессах, вызываемых бактериями или грибками). Из выделенной растением аморфной массы можно извлечь камеди действием щелочи с последующим осаждением кислотой. Это — гидрофильные вещества, в большинстве случаев хорошо растворимые в воде с образованием клейких растворов.

Камеди представляют собой нейтральные соли (кальциевые, магниевые, калиевые) высокомолекулярных кислот, состоящих из остатков гексоз, пентоз, метилпентоз и уроновых кислот. Из гексоз все камеди содержат D-галактозу (некоторые, кроме того, еще D-маннозу), из пентоз — L-арабинозу (некоторые, кроме того, ксилозу). Метилпентоза — рамноза, или фукоза, — содержится не во всех камедях. Уроновая кислота всех камедей, кроме камеди трагаканта, — это D-глюкуроновая кислота; камедь трагаканта содержит D-галактуроновую кислоту.

При нагревании камедей на водяной бане, иногда с разбавленными кислотами, т. е. в мягких условиях, происходит их «аутогидролиз», заключающийся в отщеплении молекул моносахаридов и олигосахаридов. Изучение строения камедей весьма осложнено трудностями получения их в чистом виде. Наиболее изучена аравийская камедь.

Аравийская камедь, или гуммиарабик (кальциевая соль арабовой кислоты), получается из сенегальской акации и имеет применение, в частности, в медицине. При полном кислотном гидролизе арабовой кислоты получаются L-арабиноза (34,4%), D-галактоза (29,5%), L-рамноза (14,2%) и альдобиуроновая кислота (28,3%), состоящая из галактозы и глюкуроновой кислоты. Важные данные о строении арабовой кислоты были получены при ее ступенчатом гидролизе.