СИНТЕЗ И СВОЙСТВА КОНЪЮГАТОВ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ С АКТИВНЫМИ КРАСИТЕЛЯМИ

  • Oleg V. Surov Институт химии растворов им. Г.А. Крестова РАН
  • Marina I. Voronova Институт химии растворов им. Г.А. Крестова РАН
  • Natalia V. Rubleva Институт химии растворов им. Г.А. Крестова РАН
  • Anatoly G. Zakharov Институт химии растворов им. Г.А. Крестова РАН
  • Andrei V. Afineevskii Ивановский государственный химико-технологический университет
Ключевые слова: нанокристаллическая целлюлоза, хлортриазиновые активные красители, поверхностная модификация

Аннотация

Разработаны методики синтеза конъюгатов нанокристаллической целлюлозы (НКЦ) с хлортриазиновыми активными красителями (АК): активным фиолетовым 4К (АФ-4К), активным ярко-красным 6С (АЯК-6С) и активным ярко-оранжевым КХ (АЯО-КХ). Полученные конъюгаты НКЦ-АК охарактеризованы с помощью комплекса современных методов: UV-Vis, ИК и твердотельной 13C ЯМР спектроскопии, термогравиметрического и элементного анализа, анализа размера и дзета-потенциала частиц, сканирующей электронной и поляризационной оптической микроскопии. ИК спектры пленок НКЦ-АК демонстрируют полосы поглощения, типичные для целлюлозы. Образование ковалентной связи целлюлоза-краситель подтверждено наличием характеристических полос поглощения образующейся сложноэфирной связи в области 1000-1300 см-1. На основании анализа твердотельных 13C ЯМР спектров сделан вывод, что степень кристалличности конъюгатов НКЦ-АК по сравнению с НКЦ не меняется, т.е. АК ковалентно связываются с поверхностью частиц НКЦ и не влияют на кристаллическую структуру НКЦ. На основании данных элементного анализа с использованием модели нанокристалла целлюлозы квадратного сечения оценено количество ковалентно связанного красителя на поверхности частиц НКЦ. Полученные результаты позволяют сделать вывод, что ковалентная фиксация АК происходит селективно на одном из торцов нанокристалла целлюлозы (так называемом восстанавливающем конце целлюлозной полимерной цепи). Успешная модификация поверхности НКЦ подтверждена с помощью UV-Vis спектроскопии. Обнаружено, что водные суспензии конъюгатов НКЦ-АК обладают индикаторными свойствами. Определены размеры и заряды частиц конъюгатов НКЦ-АК в разбавленных водных суспензиях; подтверждена высокая коллоидная стабильность водных суспензий НКЦ-АК. Показано, что коллоидные суспензии НКЦ-АК обладают жидкокристаллическими свойствами, что наглядно демонстрируется их радужной окраской в поляризованном свете при перемешивании. Пленки модифицированной красителем НКЦ также обладают свойствами двойного лучепреломления и проявляют радужную окраску в поляризованном свете. Морфология частиц НКЦ-АК изучена с помощью сканирующей электронной микроскопии. Изучена термическая устойчивость конъюгатов НКЦ-АК.

Литература

Moon R.J., Martini A., Nairn J., Simonsen J., Youngblood J. Cellulose nanomaterials review: structure, properties and nano-composites. Chem. Soc. Rev. 2011. V. 40. N 7. P. 3941-3994. DOI: 10.1039/C0CS00108B.

Giese M., Blusch L.K., Khan M.K., MacLachlan M.J. Func-tional Materials from Cellulose Derived Liquid Crystal Templates. Angew. Chem. Int. Ed. 2015. V. 54. N 10. P. 2888-2910. DOI: 10.1002/anie.201407141.

Zhu H., Wei Luo W., Ciesielski P.N., Fang Z., Zhu J.Y., Henriksson G., Himmel M.E., Hu L. Wood-Derived Mate-rials for Green Electronics, Biological Devices, and Energy Applications. Chem. Rev. 2016. V. 116. N 16. P. 9305–9374. DOI: 10.1021/acs.chemrev.6b00225.

Prusov A.N., Prusova S.M., Zakharov A.G., Ivanov V.K., Bazanov A.V. SnO2@MCC and SnO2@C Composites: Synthesis and Properties. Russ. J. Inorg. Chem. 2019. V. 64. N 4. P. 431-437. DOI: 10.1134/S003602361904017x.

Surov O.V., Voronova M.I., Zakharov A.G. Functional materials based on nanocrystalline cellulose. Russ. Chem. Rev. 2017. V. 86. N 10. P. 907–933. DOI: 10.1070/RCR4745.

Habibi Y. Key advances in the chemical modification of nanocelluloses. Chem. Soc. Rev. 2014. V. 43. P. 1519-1542. DOI: 10.1039/c3cs60204d.

Rubleva N.V., Lebedeva E.O., Afineevskii A.V., Voronova M.I., Surov O.V., Zakharov A.G. Production of cellulose nanocrystals by hydrolysis in mixture of hydrochloric and nitric acids. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2019. V. 62. N 12. P. 85-93. DOI: 10.6060/ivkkt.20196212.5984.

Eyley S., Thielemans W. Surface modification of cellulose nanocrystals. Nanoscale. 2014. V. 6. P. 7764-7779. DOI: 10.1039/c4nr01756k.

Chauhan P., Hadad C., Herreros López A., Silvestrini S., La Parola V., Frison E., Maggini M., Prato M., Carofiglio T. A nanocellulose–dye conjugate for multi-format optical pH-sensing. Chem. Commun. 2014. V. 50. P. 9493-9496. DOI: 10.1039/c4cc02983f.

Dong S., Roman M. Fluorescently Labeled Cellulose Nano-crystals for Bioimaging Applications. J. Am. Chem. Soc. 2007. V. 129. P. 13810-13811. DOI: 10.1021/ja076196l.

Huang J.-L., Li C.-J., Gray D.G. Cellulose Nanocrystals Incorporating Fluorescent Methylcoumarin Groups. ACS Sustainable Chem. Eng. 2013. V. 1. P. 1160-1164. DOI: 10.1021/sc400074e.

Junker Nielsen L., Eyley S., Thielemans W., Aylott J.W. Dual fluorescent labelling of cellulose nanocrystals for pH sensing. Chem. Commun. V. 2010. V. 46. P. 8929-8931. DOI: 10.1039/c0cc03470c.

Gorgieva S., Vogrinčič R., Kokol V. Polydispersity and assembling phenomena of native and reactive dye-labelled nanocellulose. Cellulose. 2015. V. 22. N 6. P. 3541-3558. DOI: 10.1007/s10570-015-0755-3.

Wang W., Fu S., Leu S.-Y., Dong C. A Nano-Ink for gel pens based on scalable CNC preparation. Cellulose. 2018. V. 25. N 11. P. 6465-6478. DOI: 10.1007/s10570-018-2036-4.

Wang W., Fu S. Strategy for Manufacturing a Deep-Red Ink Based on Nanocellulose and Reactive Red 120. ACS Sustainable Chem. Eng. 2019. V. 7. N 7. P. 7233-7240. DOI: 10.1021/acssuschemeng.9b00256.

Trache D., Hazwan Hussin M., Mohamad Haafiz M.K., Kumar Thakur V. Recent progress in cellulose nanocrystals: sources and production. Nanoscale. 2017. V. 9. P. 1763–1786. DOI: 10.1039/c6nr09494e.

Lin N., Dufresne A. Nanocellulose in biomedicine: Current status and future prospect. Eur. Polym. J. 2014. V. 59. P. 302–325. DOI: 10.1016/j.eurpolymj.2014.07.025.

Park S., Johnson D.K., Ishizawa C.I., Parilla P.A., Davis M.F. Measuring the crystallinity index of cellulose by solid state 13C nuclear magnetic resonance. Cellulose. 2009. V. 16. N 4. P. 641-647. DOI: 10.1007/s10570-009-9321-1.

Gaiolas C., Belgacem M.N., Silva L., Thielemans W., Costa A.P., Nunes M., Silva M.J.S. Green chemicals and process to graft cellulose fibers. J. Colloid Interf. Sci. 2009. V. 330. N 2. P. 298–302. DOI: 10.1016/j.jcis.2008.10.059.

Tang J., Song Y., Berry R.M., Tam K.C. Polyrhodanine coated cellulose nanocrystals as optical pH indicators. RSC Adv. 2014. V. 4. P. 60249–60252. DOI: 10.1039/c4ra09043h.

Lin N., Dufresne A. Surface chemistry, morphological anal-ysis and properties of cellulose nanocrystals with gradiented sulfation degrees. Nanoscale. 2014. V. 6. P. 5384–5393. DOI: 10.1039/c3nr06761k.

Опубликован
2021-01-29
Как цитировать
Surov, O. V., Voronova, M. I., Rubleva, N. V., Zakharov, A. G., & Afineevskii, A. V. (2021). СИНТЕЗ И СВОЙСТВА КОНЪЮГАТОВ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ С АКТИВНЫМИ КРАСИТЕЛЯМИ. ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. СЕРИЯ «ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ», 64(2), 10-18. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20216402.6207
Раздел
ХИМИЯ неорганич., органич., аналитич., физич., коллоидная, высокомол. соединений