авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 12 |

«Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук ...»

-- [ Страница 2 ] --

В работе [141] реакция конденсации фосфата гликолевого альдегида (Рис. 4, 1) была проведена в нейтральной среде с использованием гидроксидных минералов со слоистой структурой в качестве катализаторов. Известно, что такие минералы способны адсорбировать из водных растворов различные анионы, включая фосфаты. Фосфат гликолевого альдегида, адсорбированный из разбавленного слабощелочного раствора в межслойное пространство гидроксидного минерала, конденсируется в рацемическую смесь 2,4-дифосфатов эритрозы и треозы (Рис. 4, 4) и в 2,4,6-трифосфаты альдогексоз (Рис. 4, 5). В присутствии эквимолярных количеств 2-фосфата глицеринового альдегида в аналогичных условиях наблюдается образование 2,4,6-трифосфатов альдогексоз и небольшого количества 2,4-дифосфатов альдопентоз (Рис. 4, 3).

Способность борат-ионов стабилизировать сахара в щелочной среде [142] и повышать селективность образования сахаров в реакции Бутлерова замечена исследователями достаточно давно [143]. Недавно было выяснено, что увеличение селективности процесса происходит в результате стабилизации рибозы и ряда других моносахаридов за счет образования комплексов углеводов с неорганическим анионом [144, 145]. По представлениям авторов [144, 145], борат анион не препятствует конденсации ендиольной формы гликолевого альдегида (нуклеофил) с формальдегидом (электрофил) с образованием глицеринового альдегида (Рис. 5), который должен стабилизироваться борат-анионом. В силу того, что комплекс является анионным, ендиолизация глицеринового альдегида подавляется, за счет чего триоза не выступает в роли нуклеофила. Тем не менее глицериновый альдегид сохраняет электрофильные свойства и взаимодействует с ендиольной формой гликолевого альдегида с образованием пентоз. В присутствии бората альдопентозы образуют очень стабильные и слабореакционноспособные комплексы с борат-анионом (Рис. 5), что было показано на примере рибозы методом ЯМР спектроскопии [144, 145].

В ходе конденсации формальдегида в присутствии боратных минералов колеманита (CaB3O4(OH)3·H2O), улексита (NaCaB5O6(OH)6·5H2O) и кернита (Na2B4O6(OH)2·3H2O) реакционная смесь не приобретает желтую или коричневую окраску, характерную для реакций в присутствии гидроксида кальция, даже при полной конверсии формальдегида [144, 145]. В реакционной смеси зафиксировано накопление рибозы, что было подтверждено, во-первых, хроматографически и, во-вторых, путем восстановления рибозы до рибитола, содержание которого определяли при помощи белка риботол-дегидрогеназа.

Результаты работы [146] также представляют собой пример управления селективностью реакции Бутлерова за счет стабилизации образовавшихся сахаров в виде комплексов.

Стабилизация продуктов конденсации формальдегида, гликолевого и глицеринового альдегидов в присутствии катализатора Ca(OH)2 происходит в виде их силикатных комплексов, существующих в растворе при pH 9 и разрушающихся с образованием сахара и SiO2 после подкислении реакционной смеси (Схема 14).

Состав продуктов формозной реакции в присутствии силикатов значительно изменяется в зависимости от природы субстратов: при использовании гликолевого альдегида образуются эритроза и треоза;

в случае смеси формальдегида, гликолевого и глицеринового альдегидов – тетрозы, пентозы и гексозы;

при использовании глицеринового альдегида – гексозы.

Группе исследователей под Схема руководством Шигемасы [12, 97, 147-150] OH O удалось повысить селективность реакции Na SiO H Cl O 2 Бутлерова, проводя процесс в органических O Тетрозы CHO HO Si H O CH2OH растворителях либо применяя сложные OO Гликолевый альдегид органические катализаторы. O В работе [147] показано, что, проводя OH К о м п л екс с и л икат-а н и о н а формозную реакцию в сложном водно с двум я м олекула м и тетроз метанольном растворителе в присутствии катализаторов BaCl2 и КОН и варьируя соотношения CH3OH:H2O, можно изменить маршрут реакции. При содержании метанола более 85% процесс протекает с предпочтительным образованием разветвленной кетозы – 2,4-гидроксиметил-3-пентулозы. Уменьшение доли метанола ниже 75% смещает реакцию в сторону образования трех полиолов с суммарным выходом до 54%: 2,4-гидроксиметилпентитола, 3-гидроксиметилпентитола и 2 гидроксиметилглицерина. Предпочтительный синтез дигидроксиацетона и эритрулозы из формальдегида (концентрация формальдегида 1.1 М – для селективного синтеза дигидроксиацетона, 3.0 М – для селективного синтеза эритрулозы) в присутствии 2 о диметиламино-этанола и тиамин гидрохлорида в N,N-диметилформамиде при 100 Св инертной атмосфере описан в работе [12] (Схема 15).

Более глубокое протекание Схема реакции в смешанном растворителе вода R1 R R R диметилформамид (соотношение 1:8.1) в N N CH2O CH присутствии в качестве катализаторов S S 3 3 OH R R триэтиламина и тиамин гидрохлорида CH2OH приводит к селективному образованию 2 CO CH2O CH2OH С-гидроксиметил-3-пентулозы [148].

R R Позже было показано, что варьирование R R2 N CH2OH N CH2OH CH2O C O- соотношений вода / N,N C S 3 OH S 3 CH2OH R R диметилформамид или [витамин В1] / [формальдегид] позволяет направлять реакцию к предпочтительному образованию либо эритрулозы, либо 2,4-гидроксиметил-3-пентулозы [149]. Cелективный синтез 3-пентулозы из формальдегида в диметилсульфоксиде, катализируемый Pb2O(OH)2 и тиамин гидрохлоридом, с повышенным выходом описан в [150].

1.1.3. СИНТЕЗ УГЛЕВОДОВ ИЗ ФОРМАЛЬДЕГИДА ПОД ДЕЙСТВИЕМ УФ-ИЗЛУЧЕНИЯ Уже в начале XX века стало известно, что УФ-излучение влияет на протекание реакции образования сахаров из формальдегида. Бэйли в 1924 году при облучении 40% раствора формалина в присутствии CaCO3 наблюдал образование моносахаридов с выходом 8% [151].

Лишь по прошествии 50 лет были опубликованы новые результаты, посвященные фотоиндуцированному синтезу моносахаридов из формальдегида. В 1978 году авторами работы [152] при УФ-облучении формальдегида в матрице аргона при температуре 12 К было зафиксировано образование гликолевого альдегида. Интермедиат фотохимического распада формальдегида в газовой фазе – радикал CHО – в реакционной смеси зафиксирован не был.

Авторы предположили, что синтез гликолевого альедигида в матрице инертного газа протекает через образование изомера формальдегида – гидроксиметилена HCOH. Для подтверждения высказанного предположения был проведен эксперимент с использованием дейтерированного формальдегида CHDO. В ИК-спектрах продуктов реакции были идентифицированы полосы, относящиеся к O-H, но не к O-D колебаниям, следовательно, во время УФ-облучения происходила миграция атома H и образование CDOH (Схема 16).

Группой японских ученых было проведено исследование Схема воздействия УФ-излучения на водные растворы формальдегида в присутствии неорганических солей и оснований (CaCO3, Ca(OH)2, H O O Na2CO3, NaHCO3, NaOH, Mg(OH)2), которые могут выступать в hv C C качестве катализаторов синтеза моносахаридов [153]. Концентрации H D D формальдегида (12.3 М) и катализатора (0.62-1.12 М) в растворе были достаточно высоки. Облучение проводили 72 часа при температуре 30 °С. Основными продуктами оказались полиолы: пентаэритритол и 2-гидроксиметилглицерол. Авторы объяснили это тем, что в ходе реакции происходит каталитическое образование моносахаридов из гликолевого альдегида и формальдегида, а также наращивание углеродной цепи по радикальному механизму, аналогичному механизму синтеза гликолевого альдегида.

Полученные моносахариды восстанавливаются формальдегидом до полиолов в результате перекрестной реакции Канниццаро. Наиболее активным катализатором оказался Na2CO3 – выход моносахаридов при его использовании составил 8.7% в расчете на глюкозу. Наименьшую активность проявил NaOH – в его случае выход углеводов составил 2%. Согласно предложенному механизму [153], образование гликолевого альдегида происходит в две стадии.

Взаимодействие молекулы формальдегида, находящейся в n-* возбужденном состоянии, с его гидратированной формой метиленгликолем приводит к образованию двух радикалов, которые затем реагируют друг с другом, образуя гликолевый альдегид.

HCOH + H2O CH2(OH) hv HCHO HCHO* HCHO* + CH2(OH)2 CH2OH + CH(OH) CH2OH + CH(OH)2 CHCH2(OH)CHO + H2O Похожие результаты были получены авторами [154] при начальной концентрации формальдегида 0.1 М и использовании 0.05 М раствора K2CO3 в качестве катализатора. После УФ-облучения реакционная смесь содержала большое количество ацетальдегида (24% относительно количества израсходованного формальдегида). Основным продуктом реакции после каталитической стадии, проводившейся в темноте от одной до двух недель, был пентаэритрол с выходом 25% от начального содержания формальдегида.

Описано получение пентаэритрола и этиленгликоля из формальдегида в водном растворе в присутствии неорганических оснований под воздействием -излучения [155]. Высказывается предположение о радикальном механизме реакции, инициируемой гидроксильными радикалами, образующимися при радиолизе воды [155].

Принимая во внимание описанные в этом и предыдущих разделах результаты, можно предположить, что причиной инициирующего действия и УФ-, и -излучения является индуцированное излучением образование гликолевого альдегида из формальдегида, происходящее по свободно-радикальному механизму.

1.2. КИНЕТИКА И МЕХАНИЗМ РЕАКЦИИ БУТЛЕРОВА В ПРИСУТВИИ ГИДРОКСИДА КАЛЬЦИЯ Несмотря на успехи проведённых в прошлом веке интенсивных исследований реакции Бутлерова, её механизм остался не полностью выясненным. В настоящее время существует несколько гипотез относительно механизма образования углеводов из формальдегида в щелочной среде, но ни одна из предложенных версий не является общепризнанной.

Дискуссионными остаются вопросы о путях образования гликолевого альдегида в системе, механизме инициирования процесса и причинах автокаталитического характера реакции. До сих пор не выяснена структура каталитически активных интермедиатов реакции – комплексов углеводов и формальдегида с гидроксидами металлов. Поэтому требуется досконально исследовать механизм автокаталитической олигомеризации формальдегида в углеводы, природу активных интермедиатов, а также параметры побочных процессов, протекающих в формозной системе.

В данном разделе описаны полученные нами результаты исследований реакции синтеза углеводов из формальдегида в щелочной среде в присутствии гидроксидов щелочноземельных металлов. Эти исследования были нацелены на выяснение причины автокаталитического характера реакции Бутлерова, роли в этом процессе ионов щелочноземельных металлов и механизма реакции в целом.

1.2.1. РЕАКЦИЯ БУТЛЕРОВА В ПРОТОЧНЫХ УСЛОВИЯХ Для исследования кинетики сложных каталитических реакций часто используют проточные установки с реактором идеального смешения [156], поскольку в таких условиях существенно упрощается расчет кинетики изменения концентраций отдельных компонентов реакционной смеси. В проточном реакторе идеального смешения была исследована зависимость скорости реакции Бутлерова от температуры, влияние природы инициатора на ее стационарное состояние, а также зависимость степени конверсии формальдегида и состава продуктов процесса от времени контакта.

Интерес к подобному исследованию возник ещё и потому, что в работах [157, 158] была теоретически обоснована возможность кинетического контроля селективности автокаталитических реакций в проточных условиях. Совместный кинетико-термодинамический анализ автокаталитических систем в проточном реакторе идеального смешения показывает, что при постепенном понижении концентрации поступающего в реактор субстрата можно добиться «вымирания» наименее активных автокатализаторов. Аналогичное воздействие на автокаталитическую систему окажет и постепенное понижение времени контакта в проточной системе.

1.2.1.1. Температурная зависимость скорости реакции Бутлерова Зависимость скорости расходования формальдегида в проточном реакторе от температуры показана на Рис. 6. Скорость реакции была рассчитана согласно уравнению:

C OH o OH Co 2 2, W здесь Co и [OH ]o – начальные концентрации формальдегида и гидроксид-ионов, С и [OH-] – концентрации формальдегида и гидроксид-ионов в стационарном состоянии, – время контакта. Выражение в скобках учитывает расход формальдегида по реакции Канниццаро.

Стационарное состояние реакции в проточных 0, условиях оказалось достаточно чувствительным к 0, 0, небольшим изменениям одного из экспериментальных 0, - W, М*мин 0, параметров (температура, время контакта). Поэтому 0, температурная зависимость была исследована в 0, 0, достаточно узком температурном интервале.

0, Конверсия возрастает от 5 до 95% при повышении 32 34 36 38 40 42 о Температура, С о температуры всего на 8 градусов от 35 до 43 С. Рис. 6. Температурная зависимость скорости реакции Бутлерова в Хорошо известно, что для реакций с разветвленным стационарном состоянии. [CH2O]0 = 0. цепным механизмом незначительное изменение М, [Ca(OH)2]0 = 0.027 М. Время контакта 14.8 мин. Инициатор – ГА (2.1 мM).

одного из параметров может вызывать переход от неизмеримо медленной стационарной реакции к быстрому взрывному процессу и/или наоборот [159]. Полученная температурная зависимость скорости реакции Бутлерова характерна именно для цепного разветвленного процесса.

1.2.1.2. Влияние инициатора и времени контакта на стационарное состояние реакции Бутлерова 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,00 0, 0 50 100 150 200 0 100 200 300 400 500 (a) (б) Рис. 7. (а) Динамика изменения концентрации формальдегида в проточном реакторе идеального смешения после ввода инициаторов различной природы. Инициатор (2.1 мМ): - глюкоза, галактоза, рибоза, ликсоза, фруктоза;

- сорбоза;

- ДГА;

- ГЦА;

- ГА. [CH2O]0 = 0.14 М, [Ca(OH)2]0 = 0. М, 38.2 С. Время контакта 15.9 мин.

(б) Динамика изменения концентрации формальдегида в проточном реакторе при изменении времени контакта. [CH2O]0 = 0.10 М, [Ca(OH)2]0 = 0.027 М. Инициатор – ДГА (3 мM), 41.2 оС. Время контакта 1 – 16.3 мин, 2 – 12.3 мин, 3 – 10.3 мин, 4 – 9.2 мин, 5 – 8.8 мин. Стрелки соответствуют временам, в которых уменьшали время контакта.

В качестве инициаторов реакции Бутлерова были использованы следующие углеводы:

ГА и ГЦА, ДГА, рибоза, ликсоза, глюкоза, галактоза, манноза, фруктоза и сорбоза. В проточном реакторе (в оптимальных условиях: температура 38.2 оС, время контакта 15.9 мин) процесс конденсации формальдегида инициировали все низшие углеводы (С2 и С3), а из высших активной оказалась лишь сорбоза. Наблюдаемая высокая инициирующая активность сорбозы отмечалась ранее [117].

На Рис. 7а представлены кинетические зависимости концентрации формальдегида в проточном реакторе при использовании различных инициаторов. Стационарное состояние в реакторе устанавливается примерно за 3 часа. Для всех инициаторов был проанализирован состав продуктов реакции Бутлерова после установления стационарного состояния (Рис. 8а).

Оказалось, что независимо от природы инициатора глубина конверсии формальдегида, состав и соотношение концентраций продуктов в пределах погрешности аналитических методик всегда одинаковы. Таким образом, можно утверждать, что стационарное состояние является устойчивым и не зависит от природы инициирующего углевода.

(а) (б) Рис. 8. (а) Состав высших (С4-С6) углеводов в продуктах реакции Бутлерова в проточном реакторе идеального смешения в стационарном состоянии при использовании различных инициаторов.

Инициатор (2.1 мМ): 1 – сорбоза;

2 - ДГА;

3 – ГА. [СН2О]0 = 0.14 М, [Ca(OH)2]0 = 0.027, 38.2 С. Время контакта 15.9 мин.

(б) Зависимость состава продуктов реакции Бутлерова в стационарном состоянии от времени контакта.

[СН2О]0 = 0.14 М, [Ca(OH)2]0 = 0.027 М. Инициатор – ДГА (3 мM). t = 38.2 оС. Время контакта 1 – 16. мин, 2 – 12.3 мин, 3 – 10.3 мин, 4 – 9.2 мин.

Динамика изменения концентрации формальдегида и состава продуктов процесса в стационарном состоянии от времени контакта при последовательном уменьшении времени контакта в проточном реакторе в ходе одного непрерывного эксперимента приведены на Рис. 7б и 8б. Нам удалось зафиксировать пять стационарных состояний. Качественный состав продуктов, а также их соотношение не претерпели значительных изменений при уменьшении времени контакта. При еще более низких значениях времени контакта изменение концентрации формальдегида становится ниже предела детектируемости. В эксперименте, в котором последовательно понижалась концентрация раствора формальдегида, подаваемого в реактор, были зафиксированы стационарные состояния для начальных концентраций субстрата 0.28, 0.14, 0.07 и 0.035 М. Как и в эксперименте с уменьшением времени контакта, изменения качественного и количественного состава продуктов оказались в пределах ошибки аналитических методов.

Таким образом, осуществить кинетический контроль селективности реакции Бутлерова в проточных условиях нам не удалось. Возможно, нами не были найдены оптимальные условия проведения процесса, но более вероятно, что механизм синтеза углеводов из формальдегида не может быть описан простейшей автокаталитической схемой, для которой был проведен кинетико-термодинамический анализ [157, 158].

1.2.2. РЕАКЦИЯ БУТЛЕРОВА В СТАТИЧЕСКОМ РЕАКТОРЕ Сравнение влияния инициирующей активности высших моносахаридов на кинетику реакции Бутлерова проведено в 0. CH2O, M статическом реакторе, т.к. такое сравнение в проточном реакторе оказалось невозможным.

0. Начальные концентрации всех реагентов и температура проведения процесса соответствовали условиям экспериментов в 0. 0 50 100 время, мин проточном реакторе. Чтобы предотвратить Рис. 9. Кинетические зависимости концентрации окисление продуктов кислородом воздуха, формальдегида в статическом реакторе при реакцию проводили в атмосфере аргона. В добавлении инициаторов различной природы.

([CH2O]0 = 0.14 М, [Ca(OH)2]0 = 0.027 М, 38.2 оС, качестве инициаторов были использованы Ar. Инициатор (2.1 мМ): - без инициатора;

+ глюкоза;

- рибоза;

- фруктоза;

- сорбоза;

гликолевый альдегид, дигидроксиацетон, ДГА;

- ГА ).

сорбоза, фруктоза, рибоза и глюкоза, также был проведен эксперимент без добавления инициаторов. На Рис. 9 представлены кинетические зависимости концентрации формальдегида в статическом реакторе в присутствии различных инициаторов. В таких условиях реакцию Бутлерова инициировали все использованные углеводы.

В отсутствие инициатора не наблюдалось образования углеводов из формальдегида даже при достаточно продолжительных временах проведения реакции. По-видимому, расходование субстрата в этом случае обусловлено лишь протеканием реакции Канниццаро, о чем свидетельствовало понижение рН реакционной смеси, соответствующее стехиометрии реакции диспропорционирования. Данное наблюдение подтверждает результаты работ [130, 134] и свидетельствует о некорректности всех ранее высказанных гипотез о том, что инициирование реакции Бутлерова может происходить за счет конденсации двух молекул формальдегида с образованием гликолевого альдегида.

Кинетические кривые расходования формальдегида в присутствии моносахаридов имеют типичный для автокаталитических реакций вид и характеризуются различными индукционными периодами, в то время как скорость на участке быстрого расходования формальдегида примерно одинакова для всех инициаторов (см. рис. 8). В экспериментах, в которых в качестве инициатора использовали гликолевый альдегид или дигидроксиацетон, заметный индукционный период в кинетике расходования формальдегида отсутствовал. В ряду сорбоза, фруктоза, рибоза, глюкоза наблюдается рост продолжительности индукционного периода. Инициирующая активность углеводов растет с уменьшением числа атомов углерода в молекуле инициатора, а среди высших моносахаридов С5-С6 наиболее активными являются кетозы, что подтверждает литературные данные [117].

1.2.3. ЕНДИОЛЬНЫЕ ФОРМЫ УГЛЕВОДОВ Впервые А.М. Кузиным было высказано предположение о том, что каталитическая активность различных соединений в реакции Бутлерова связана с их способностью образовывать ендиолы [56, 79, 105-108]. В последующем были предприняты попытки выделения и исследования структуры комплексов гидроксида кальция с ендиольными формами углеводов [38, 126, 127, 129].

Мы провели дополнительные исследования закономерностей ендиолизации различных моносахаридов и роли ендиолов в реакции Бутлерова.

1.2.3.1. Кинетика образования ендиольных форм высших моносахаридов Кинетика ендиолизации моносахаридов, использованных в качестве инициаторов реакции Бутлерова, была исследована спектрофотометрически. На Рис. 10а приведена эволюция во времени УФ-спектра раствора 5 мМ глюкозы в присутствии эквимолярного количества гидроксида кальция.

В соответствии с литературными данными [71, 92] основная интенсивная полоса поглощения с максимумом при 300 нм отвечает ендиольной форме углевода. Для всех исследованных углеводов вид спектра оказался похожим, а положение максимума в присутствии эквимолярных количеств Са(ОН)2 варьировалось в пределах 2 нм.

Зависимость положения максимума полосы, соответствующей ендиольной форме углевода, от соотношения концентраций моносахарида и Са(ОН)2 представлена на Рис. 10б на примере сорбозы. При повышении содержания в смеси неорганического основания максимум поглощения сдвигается в область 340 нм, что свидетельствует об образовании комплекса ендиольной формы углевода с ионами кальция [92].

(а) (б) Рис. 10. (а) Временная эволюция УФ-спектра раствора глюкозы в присутствии гидроксида кальция.

Начальные концентрации углевода и гидроксида кальция 0.005 М, 38 оС, Ar. l 1 см.

(б) Вид УФ-спектров раствора сорбозы в зависимости от концентрации гидроксида кальция. 38 оС при концентрации сорбозы 0.005 М и 9 оС при концентрации 0.13 М. Ar. l 1 см.

Непродолжительный контакт щелочного раствора углевода с воздухом приводит к уменьшению интенсивности полосы при 300 нм и появлению полосы при 260 нм, соответствующей продуктам окисления моносахарида кислородом воздуха [92].

Оптическая плотность (300 нм) Оптическая плотность (300 нм) 4, 3, 1 1, 0, 0 0 200 0 200 время, мин время мин (а) (б) Рис. 11. (а) Изменение во времени оптической плотности при 300 нм в присутствии гидроксида кальция в растворах различных углеводов: - сорбоза;

- рибоза;

- фруктоза;

- глюкоза;

- манноза.

Начальные концентрации углеводов 0.005 М, [Ca(OH)2]0 = 0.005 М, 41 С, Ar, l = 1 см.

(б) Изменение во времени оптической плотности при 300 нм в растворе сорбозы в присутствии гидроксида кальция при различных температурах: – 60 С;

-45 оС;

- 41.5 С;

- 38С. Начальные концентрации сорбозы и гидроксида кальция 0.005 М, Ar, l = 1 см.

На Рис. 11а представлены временные зависимости оптической плотности при 300 нм для щелочных растворов высших моносахаридов в присутствии ионов кальция. Время достижения постоянного значения оптической плотности составило для глюкозы 6 ч 20 мин., для маннозы – 8 ч 30 мин, для рибозы – около 8 ч, для фруктозы – 5 ч, а для сорбозы – 7 ч. Наибольшая скорость роста оптической плотности наблюдается для сорбозы, а наименьшая - для глюкозы и маннозы.

Для сорбозы была изучена зависимость скорости образования ендиольных форм от температуры. На Рис. 11б приведена кинетическая зависимость оптической плотности (300 нм) при: 38.2, 41.5, 45.0 и 60.0 оС. Оказалось, что небольшое повышение температуры значительно влияет как на начальную скорость образования ендиольной группировки, так и на равновесное значение оптической плотности. Такая повышенная чувствительность процесса к температуре позволяет провести качественную аналогию с высокой температурной чувствительностью скорости реакции Бутлерова (см. разд. 1.2.1.1).

Методом ВЭЖХ был исследован состав 131 мин Оптическая реакционной смеси в ходе образования ендиольных плотность при 300нм через минут после форм моносахаридов. Оказалось, что к моменту 0. начала перехода углевода в ендиольную установления постоянной оптической плотности форму. l = 5 см 79 мин 71 мин 0. помимо исходного моносахарида в смеси всегда Период полупревращения 0. формальдгида в присутствуют гликолевый и глицериновый 43 мин статическом реакторе, мин альдегиды, дигидроксиацетон и до 6-ти высших углеводов. То есть переход моносахаридов С5-С6 в 0. ендиольную форму сопровождается их Сорбоза Фруктоза Рибоза Глюкоза ретроальдольным расщеплением с образованием Рис 12. Корреляция инициирующей активности моносахаридов С5-6 в реакции низших углеводов С2-С3. Последние, в свою очередь, Бутлерова и скорости их перехода в конденсируются друг с другом с образованием других ендиольную форму. ([СН2О]0 = 0.14 М, [Ca(OH)2]0 = 0.027 М, 38 о, Ar). Условия высших моносахаридов. Таким образом, наблюдаемая получения ендиольных форм: начальные нами максимальная оптическая плотность является концентрации углеводов 0.005 М, [Ca(OH)2]0 = 0.005 М, 41 оС. Ar.

совокупностью спектров поглощения ендиольных форм не только исходного моносахарида, но и других углеводов, образовавшихся в реакционной смеси.

Поэтому была проведена корреляция инициирующей активности углеводов для реакции Бутлерова в статическом реакторе со скоростью роста оптической плотности при 300 нм в щелочных растворах этих углеводов именно на начальном участке, когда в смеси присутствует лишь исходный моносахарид (Рис 12). Полученные результаты позволяют сделать предположение о прямой зависимости инициирующей активности углевода от его способности переходить в ендиольную форму.

1.2.3.2. Инициирующая активность ендиольных комплексов высших моносахаридов, выделенных в твердом виде Для подтверждения гипотезы о ключевой роли ендиольной формы углеводов при инициировании реакции Бутлерова нами были выделены в твердом виде ендиольные комплексы глюкозы, фруктозы, рибозы, сорбозы и дендрокетозы. Для получения комплексов была использована методика, описанная в [129], с незначительными изменениями,. В частности, при синтезе комплексов сорбозы, фруктозы и рибозы время реакции было сокращено вдвое. Авторы [129] выделили ендиольный комплекс, как они полагали, дигидроксиацетона с кальцием и обнаружили, что инициирующая активность комплекса гораздо ниже активности свободного дигидроксиацетона. Нами был повторен этот синтез.

Однако ВЭЖХ анализ показал, что в используемых условиях образуется ендиольный комплекс не дигидроксиацетона, а дендрокетозы (разветвленной кетогексозы), которая образуется из дигидроксиацетона за счет его альдольной конденсации в щелочной среде.

Табл. 1.Массовые доли углеводов и кальция в выделенных в твердом виде комплексах.

Ендиольный комплекс мас.% углевода мас.% Са 65 (79)* Глюкоза 14.8 (80) Фруктоза 39 (48) 21.1 (115) Рибоза 40 (51) 21.0 (99) Сорбоза 22 (26) Сорбоза 14.8 (80) Дендрокетоза 31 (37) Дендрокетоза 59 (72) 22.2 (122) * В скобках приведена доля (в%) от теоретически ожидаемого содержания в предположении, что отношение остатка углевода к кальцию в комплексе СnН2n-2On:Ca = 1:1.

Полученные ендиольные комплексы кальция с глюкозой, фруктозой, рибозой, сорбозой и дендрокетозой были проанализированы на содержание углеводов и кальция: точную навеску комплекса растворяли в кислоте и полученные растворы анализировали (Табл. 1). Существенно, что в составе комплексов кальция с глюкозой, фруктозой, рибозой и дендрокетозой не были обнаружены ни низшие, ни высшие углеводы, отличные от исходного моносахарида и соответствующих ему изомерных углеводов, образующихся по реакции ЛдБ–АвЭ. В составе же ендиольного комплекса кальция с сорбозой содержались исходный углевод, две изомерные ему альдозы - идоза и гулоза, а также значительное количество дендрокетозы. Присутствие дендрокетозы можно объяснить расщеплением сорбозы на глицериновый альдегид и дигидроксиацетон, который, в свою очередь, сконденсировался в дендрокетозу. Низших углеводов в составе комплекса не обнаружено.

Предполагая, что комплексы имеют в своём составе одну молекулу депротонированного моносахарида и один ион кальция (Ca(СnН2n-2On)) [118], теоретическое массовое содержание кальция в комплексе составляет 18.3% для гексоз и 21.3% для пентоз. В случае комплексов глюкозы, рибозы и сорбозы данное значение не превысило теоретического, в то время как ендиольные комплексы фруктозы и дендрокетозы содержали избыток ионов металла (см. Табл.

1). Низкое содержание углеводов в комплексах фруктозы, сорбозы и рибозы объясняется более низкой по сравнению с глюкозой устойчивостью этих углеводов к ретроальдольному расщеплению, диспропорционированию и окислению кислородом воздуха на стадии сушки. В комплексе наиболее устойчивого моносахарида – глюкозы – мольное соотношение содержания остатка углевода и кальция оказалось равным 1:1, что соответствует стехиометрии Ca(СnН2n-2On), предполагаемой для ендиольного комплекса углевода с катионом металла.

0,15 0, 0, 0, CH2 O, M CH2O, M 0, 0, 0, 0, 0 50 0 50 100 время, мин время, мин (а) (б) Рис. 13. Кинетические зависимости концентрации формальдегида от времени в статическом реакторе при инициировании реакции Бутлерова ендиольными комплексами углеводов и чистыми углеводами.

[CH2O]0 = 0.14 М, [Ca(OH)2]0 = 0.027 М, 38 оС, Ar. Инициатор (2.1 мМ): (а) - глюкоза;

- ендиольный комплекс глюкозы;

- фруктоза;

- ендиольный комплекс фруктозы;

(б) - рибоза;

- ендиольный комплекс рибозы;

- ендиольный комплекс дендрокетозы;

- сорбоза;

- ендиольный комплекс сорбозы.

Инициирующая активность полученных ендиольных комплексов была изучена в статическом реакторе. На Рис. 13 представлены кинетические зависимости концентрации формальдегида в случае использования в качестве инициаторов «чистых» углеводов и соответствующих твердых ендиольных комплексов. Комплексы показали более высокую инициирующую активность. Инициирующая активность полученного из сорбозы ендиольного комплекса, который содержит сорбозу и дендрокетозу (см. выше), выше активности комплекса чистой дендрокетозы. Поэтому можно предположить, что при использовании в качестве инициатора ендиольного комплекса сорбозы с примесью дендрокетозы инициирующее действие в основном оказывает именно комплекс сорбозы.

Более высокая инициирующая активность твердых ендиольных комплексов по сравнению с исходными углеводами подтверждает гипотезу о том, что именно данная форма углеводов является активной в инициировании реакции Бутлерова.

1.2.3.3. Исследование ендиольных комплексов методом 13С-ЯМР спектроскопии Для получения дополнительной информации о процессах, протекающих в водных растворах углеводов в присутствии гидроксида кальция, было проведено исследование растворенных комплексов глюкозы с катионами Са2+ методом С ЯМР спектроскопии.

Исследование проводилось только для комплекса глюкозы, поскольку этот моносахарид является наиболее устойчивым в щелочном растворе и в наименьшей степени подвергается реакциям диспропорционирования и ретроальдольного расщепления. Присутствие дополнительных линий продуктов деградации в 13С ЯМР спектрах, значительно усложняющее анализ экспериментальных данных, не позволило нам провести подобное исследование для фруктозы и сравнить процессы комплексообразования для альдоз и кетоз.

Табл. 2. Структуры циклических - и -форм глюкозы, ендиольного комплекса [38, 71] и соотнесение линий в 13С ЯМР спектре чистого раствора глюкозы.

Предполагаемая структура -пираноза -пираноза ендиольного комплекса [38, 71] 6 CH2OH CH2OH CH2OH 5 OH OH O O 4 4 4 O OH OH OH 1 HO OH OH OH 3 3 2 Ca O OH OH Форма C1 C2 C3 C4 C5 C -пираноза 92.7 72.2 73.5 70.3 72.2 61. -пираноза 96.5 74.8 76.5 70.3 76.8 61. Растворы для С ЯМР исследований готовили по той же методике, что и растворы гидроксида кальция с глюкозой, которые были использованы для выделения комплексов глюкозы с кальцием в твердом виде. Избыток гидроксида кальция был удален при помощи фильтрования в инертной атмосфере. Значение рН для всех растворов было одинаковым и равным 12.45. Отнесение химсдвигов линий в С ЯМР спектре чистого водного раствора глюкозы проводили с использованием литературных спектров [160] (см. Табл. 2). Структуры циклических - и -форм глюкозы и предполагаемая структура ендиольного комплекса также приведены в Табл. 2.

На Рис. 14 приведены спектры С ЯМР для чистого нейтрального раствора глюкозы и растворов глюкозы в щелочной среде в отсутствии катионов Са2+ и в присутствии различной концентрации катионов Са2+.

В водном растворе глюкоза существует в основном в виде двух циклических - и -пиранозных форм, линии которых четко различаются в C ЯМР спектрах чистого раствора моносахарида.

Спектры растворов глюкозы в щелочной среде имеют схожий вид.

Однако при переходе из нейтральной в щелочную среду и при последующем повышении концентрации катионов кальция некоторые линии заметно сдвигаются. В наибольшей степени сдвигаются в область слабого поля линии 96.5 и 92.7 м.д., соответствующие аномерным атомам 1 и 1. Незначительно изменяется положение линий 61.3 и 61.4 м.д., соответствующих атомам 6 и 6, а также линии 77.0 м.д., относящейся к атому 5. Все линии Рис. 14. 13С ЯМР спектры (1) раствора глюкозы (0.14 М), (2) раствор глюкозы в присутствии NaOH (рН = 12.45) и спектра глюкозы в присутствии растворов глюкозы в присутствии Са(ОН)2 различной Са(ОН)2 смещаются в область концентрации: (3) 0.042, (4) 0.084, (5) 0.17, (6) 0.33 М.

Условия приготовления щелочных растворов: 0.14 М слабого поля. Исключение глюкоза, 10 оС, Ar, время реакции 30 мин.

составляет линия, с химсдвигом 71.4 в спектре 6 (см. Рис. 14), которая может быть отнесена к пятому атому углерода -формы глюкозы.

Величина смещения одиннадцати линий (за исключением -С5, 72.2 м.д.) в спектре глюкозы в присутствии гидроксида кальция коррелирует с кислотностью протона гидроксильной группы каждого из атомов углерода. Наиболее кислые протоны находятся в составе гидроксильных групп атомов углерода 1 и 1, а наименее кислые – в гидроксильных группах у атомов 6 и 6. Таким образом, чем кислее протон гидроксильной группы атома углерода, тем больше величина смещения соответствующей ему в 13С ЯМР спектре линии при переходе из нейтральной в щелочную среду. Смещение линий при повышении концентрации Са(ОН)2, по-видимому, связано с присоединением катионов Са2+ к депротонированным гидроксильным группам углевода. У атома углерода 5 циклической формы глюкозы гидроксильная группа отсутствует, поэтому смещение соответствующего ему сигнала незначительно. Сигнал атома углерода 5, у которого тоже отсутствует гидроксильная группа, напротив, заметно сдвигается в область более сильного поля.

Объяснить отличие в поведении сигнала 5 атома углерода от сигналов других атомов можно, привлекая механизм ендиолизации углеводов, предложенный в работе [71]. Согласно этому механизму (см. Схема 2), на первой стадии реакции основание отрывает протон от наиболее кислого в циклической форме углевода атома кислорода О-1, что подтверждается значительным сдвигом сигнала 1 атома углерода в область слабого поля в С ЯМР спектре.

Затем заряд переносится с атома кислорода О-1 на О-5 с одновременным раскрытием полуацетального кольца, и именно О-5 отщепляет протон от О-2, что, в конце концов, приводит к образованию ендиола (см. разд. 1.1.1.2.2). По-видимому, за счет раскрытия полуацетального цикла сигнал атома углерода 5 и сдвигается в область сильного поля, а структура именно формы глюкозы стерически более выгодна для образования ендиольного комплекса, в пользу чего свидетельствует уменьшение её концентрации по сравнению с -формой в присутствии Са(ОН)2.

К сожалению, нам не удалось зафиксировать спектры чистого ендиольного комплекса глюкозы и подтвердить или опровергнуть его структуру, предлагаемую большинством исследователей (см. Табл. 2), хотя мы и получили косвенные доказательства механизма, предложенного в [71]. Полученные результаты свидетельствуют о том, что в водном растворе в присутствии Са(ОН)2 протекает быстрый обмен между ендиольным комплексом глюкозы и циклическими формами углевода.

1.2.4. КОНДЕНСАЦИЯ НИЗШИХ УГЛЕВОДОВ В ПРИСУТСТВИИ ГИДРОКСИДА КАЛЬЦИЯ В щелочной среде, в том числе и в присутствии гидроксида кальция, низшие углеводы также образуют ендиольные формы, причем с гораздо более высокими скоростями, чем высшие. Отрыв протона от атома углерода в -положении, предшествующий ендиолизации, происходит в этом случае достаточно легко и позволяет низшим углеводам вступать в реакции альдольной конденсации друг с другом. На Рис. 15 показаны все возможные продукты взаимодействия низших углеводов. Мы провели конденсацию низших С2-С3 углеводов в различных попарных сочетаниях в присутствии гидроксида кальция и идентифицировали продукты этих реакций.

Гликолевый альдегид Стандартные Эритроза Треоза С6-альдозы H O C 1) (см. рис. 2-(1,2-дигидроксиэтил)-тетроза H O C H O H O C H O C C CH OH H HO HO C HC OH HO CH OH ГА OH HC C C OH H O HC OH HC OH HС C C H H HC OH CH OH CH OH H OH CH OH 2 CH2OH H С OH СH2OH 3С-гидроксиметил 2-пентулоза 3-гексулоза Дигидроксиацетон 4С-гидроксиметил-2-пентулоза Эритрулоза (дендрокетоза) CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH C CH2OH H C OH CO C O ГА O C CH2O H CO H C OH CH2OH HC OH HO C C H C OH O CH OH H OH HC OH CH2OH HOH2C C OH CH2OH CH OH CO CH2OH CH2OH Фруктоза Сорбоза Тагатоза Псикоза CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH Глицериновый CO CO CO альдегид CO H O HC OH HO CH H C OH HO CH ДГА C HO CH HO CH H C OH H C OH HC OH HC OH HC OH HC OH HC OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH 2С-гидроксиметил-пентоза (дендроальдоза) ГЦА H O C HOH2C C OH H C OH HC OH CH2OH Стандартные С5-альдозы Гликолевый (см. рис. 1) альдегид Рибулоза Ксилулоза O H CH2OH CH2OH H O C CO CO C ГЦА ДГА H C OH HO C H H C OH CH OH H C OH HC OH HC OH H C OH CH2OH CH2OH CH2OH Рис. 15. Схема основных маршрутов взаимодействия низших углеводов.

Как было ранее продемонстрировано в работе [125], скорость конденсации низших углеводов друг с другом в присутствии гидроксида кальция достаточно велика. Действительно, проведенные нами эксперименты показали, что в присутствии 0.027 М гидроксида кальция конверсия 90% при самоконденсации, например, 5 мM гликолевого альдегида достигается менее чем за 1 мин. При увеличении времени реакции моносахариды, образовавшиеся из гликолевого альдегида, расщепляются, и исходный низший углевод вновь появляется в реакционной смеси. В остальных экспериментах скорости конденсации двух любых моносахаридов С2-С3 оказались такого же порядка.

На Рис. 16 приведены кинетические зависимости концентраций низших углеводов для ln[C] 2. конденсации гликолевого альдегида с 2. Концентрация, mM глицериновым альдегидом. В присутствии 1.5 - 0 20 40 60 80 время реакции, сек гидроксида кальция мы наблюдали изомеризацию 1. глицеринового альдегида в дигидроксиацетон, 0. происходящую с высокой скоростью, что было 0. 0 20 40 60 80 время реакции, сек отмечено ранее в [125]. Поэтому при обработке кинетических данных для экспериментов с Рис. 16. Кинетические зависимости уменьшения концентраций ГА и ГЦА в ходе участием дигидроксиацетона и глицеринового их перекрестной конденсации в присутствии гидроксида кальция. Условия реакции:

альдегида использовали суммарную концентрацию начальные концентрации углеводов 2.5 мM, этих углеводов. [Са(ОН)2]o = 0.027 M, 38.2 оС, Ar. ( – ГЦА и ДГА;

- ГА).

Кинетические зависимости концентраций низших углеводов для всех экспериментов спрямляются в полулогарифмических координатах, что свидетельствует о первом порядке реакции по концентрации субстрата (см. Рис. 16).

По-видимому, лимитирующей стадией реакции конденсации низших углеводов является их взаимодействие с катализатором, в результате которого образуется высокоактивный интермедиат, участвующий в образовании высших моносахаридов.

Конденсация гликолевого альдегида в присутствии 0.027 М Са(ОН)2 приводит к образованию двух тетроз – эритрозы и треозы - в примерно равных количествах с суммарной селективностью более 85%. Помимо этих углеводов зафиксированы небольшие количества маннозы, фруктозы, идозы, аллозы и двух неидентифицированных моносахаридов, предположительно, С6-альдозы и С6-кетозы. Последние два углевода, согласно ВЭЖХ анализу, входят в состав продуктов автокаталитической реакции Бутлерова как в статическом, так и в проточном реакторах, причем С6-кетоза является одним из основных продуктов (см. Рис. 8а).

При проведении реакции в присутствии 0.005 М Са(ОН)2 в дополнение к вышеперечисленным соединениям в продуктах реакции были идентифицированы сорбоза и тагатоза.

Согласно схеме, показанной на Рис. 15, среди С6-продуктов самоконденсации гликолевого альдегида должны преобладать альдозы. Однако в ходе реакции мы наблюдали образование кетоз (фруктоза, сорбоза, тагатоза и неизвестная гексулоза) в сравнимых с альдозами количествах. В исследованной системе возможны три пути образования кето моносахаридов. Во-первых, это изомеризация альдоз в щелочной среде. Во-вторых, образование эритрулозы, конденсация последней с гликолевым альдегидом с образованием 3 гексулозы, которая, в свою очередь, в присутствии Са(ОН)2 переходит в кетогексозы (см. Рис.

15). И, наконец, ретроальдольное расщепление гексоз на две триозы, конденсация которых привела бы к образованию кетогексоз. К сожалению, все три пути вызывают сомнения. Для реализации первых двух необходима изомеризация альдоз в кетозы, которая в присутствии избытка гидроксида кальция протекает значительно медленнее эпимеризации альдоз [4].

Кинетика образования эритрулозы из альдотетроз недостаточно хорошо изучена и, возможно, протекает в данной системе. В работе [111] данная реакция рассматривалась как одна из ключевых в формозной системе. Не в пользу третьего пути свидетельствует то, что заметные количества дигидроксиацетона в реакционной смеси были зафиксированы лишь через секунд реакции.

Основным продуктом самоконденсации дигидроксиацетона оказалась дендрокетоза (см.

Рис. 15). Помимо этого, С3-кетоза под действием основания в небольшой степени изомеризовалась в глицериновый альдегид. За счет конденсации двух триоз образовывались кетозы - тагатоза, сорбоза и фруктоза, которые, в свою очередь, изомеризовались с образованием следовых количеств соответствующих им по реакции ЛдБ-АвЭ альдогексоз. Уже на начальных стадиях реакции в смеси были идентифицированы небольшие количества гликолевого альдегида, альдотетроз и ксилулозы. По-видимому, ДГА и тетрозы образовались за счет ретроальдольного расщепления гексоз, а кето-пентоза - в ходе конденсации дигидроксиацетона с гликолевым альдегидом (см. Рис. 15).

Как было отмечено выше, глицериновый альдегид с достаточно высокой скоростью изомеризуется в дигидроксиацетон в присутствии гидроксида кальция. Поэтому качественный состав продуктов конденсации глицеринового альдегида с самим собой и глицеринового альдегида с дигидроксиацетоном, за исключением образования альдопентоз, был таким же, что и состав продуктов конденсации С3-кетозы. Следовые количества альдопентоз образуются при взаимодействии глицеринового и гликолевого альдегидов (см. Рис. 15). При конденсации глицеринового альдегида с дигидроксиацетоном выход дендрокетозы оказался ниже, а кетогексоз – выше, по сравнению с выходами этих продуктов, образующихся при самоконденсации дигидроксиацетона. В случае конденсации глицеринового альдегида в отсутствие С3-кетозы выход дендрокетозы понижается, а выход кетогексоз возрастает.

При взаимодействии гликолевого альдегида с триозами – глицериновым альдегидом и дигидроксиацетоном, помимо продуктов конденсации С2 и С3 углеводов с самими собой, описанных выше, наблюдалось образование значительного количества альдо- и кето-пентоз.

При взаимодействии гликолевого альдегида с дигидроксиацетоном в большей степени образовывались ксилулоза и рибулоза, а с глицериновым альдегидом – рибоза, ксилоза, ликсоза и арабиноза. Концентрации сорбозы и фруктозы, синтезированных из гликолевого и глицеринового альдегидов, оказались заметно выше концентраций этих кетоз, идентифицированных при конденсации С2-углевода с самим собой. Дендрокетоза была идентифицирована лишь в небольших количествах.

Существенно, что бльшая часть продуктов конденсации низших углеводов друг с другом была идентифицирована в составе продуктов автокаталитической реакции Бутлерова в статических и проточных условиях.

1.2.5. МЕХАНИЗМ ИНИЦИИРОВАНИЯ И ОБЩАЯ СХЕМА РЕАКЦИИ БУТЛЕРОВА Совокупность полученных данных об инициирующей активности различных углеводов, их способности образовывать ендиольные комплексы, а также о процессах, протекающих в растворах углеводов в присутствие гидроксида кальция, позволяет предложить механизмы инициирования реакции Бутлерова и образования моносахаридов из формальдегида в присутствии гидроксида кальция.

Механизм инициирования реакции показан на Рис. 17 на примере сорбозы (С6-кетозы) и её изомера по реакции ЛдБ-АвЭ гулозы (С6-альдозы) как инициаторов. На начальной стадии реакции при взаимодействии моносахарида-инициатора с гидроксидом кальция образуется его ендиольный комплекс с катионом металла. Выше обсуждалось, что ендиолизация моносахаридов в присутствии гидроксида кальция наиболее вероятно протекает по механизму, предложенному в [71], без перехода нейтрального моносахарида в линейную форму (см. разд.

1.1.1.2.2).

Для кетоз возможно образование двух изомерных комплексов с кальцием – с ендиольной группировкой между первым и вторым (С1-С2) и между вторым и третьим (С2-С3) атомами углерода. Для альдоз возможно образование только одного вида комплекса типа С1-С2 [38, 126, 130]. При этом, как показало проведенное нами моделирование пространственной структуры моносахаридов, для всех использованных нами в качестве инициаторов альдоз по стерическим причинам предпочтительно образование пятичленного ендиольного комплекса. В то же время для кетоз взаимное расположение гидроксильных групп способствует образованию шестичленного ендиольного комплекса с ионами кальция. В качестве примера на Рис. представлены пространственные структуры сорбозы и глюкозы и возможные пути образования ендиольных комплексов для этих углеводов.

Гулоза Ендиольный комплекс с O OH CH OH шестичленным циклом может OH HO H OH подвергаться ретроальдольному 2H O Ca OH 2 расщеплению [87, 88]. При этом O Ca Сорбоза комплекс С1-С2 С6-кетозы расщепляется O 2H O CH OH HO HO O с образованием гликолевого альдегида и OH Ca OH OH HOH C OH HO тетрозы, а С2-С3 комплекс – с OH CH OH Ca Ca образованием глицеринового альдегида и OH O 2H 2 2H HOH C O 2O дигидроксиацетона (см. Рис. 17). Все O Ca OH продукты деструкции исходной кетозы HO Ca O O OH (тетроза, дигидроксиацетон, HO HO CH2O H CH2O H глицериновый и гликолевый альдегиды) Ш естичленн ы й Ш естичленн ы й ендиол С 1-С ендиол С 2-С могут вступать в альдольную Ретроальдоль Ретроальдольное расщ епление расщ епление конденсацию с формальдегидом с Гликолев ы й альдегид образованием углеводов С3-С5. Так как Д игидроксиацетон O HOH C все высшие углеводы С5-6 могут OH O HO образовать устойчивые циклические O OH O полуацетали [161], наиболее вероятно, HO HO что с формальдегидом взаимодействуют CH OH CH OH Тетроза Глицеринов ы й альдегид именно низшие углеводы. Конденсация С2-С4-моносахаридов друг с другом Рис. 17. Механизм инициирования реакции Бутлерова.

приводит к образованию высших моносахаридов.

Для альдоз образование комплексов с пятичленным циклом может способствовать лишь стабилизации ендиольной формы и, следовательно, протеканию изомеризации в кетозу и эпимерную альдозу по реакции ЛдБ–АвЭ. Таким образом, альдозы при взаимодействии с гидроксидом кальция сначала изомеризуются в кетозы, которые затем расщепляются с образованием низших углеводов, вступающих в реакцию конденсации с формальдегидом.

Можно полагать, что именно в этом и заключается основная причина повышенной инициирующей активности кетоз по сравнению с альдозами. Гипотеза о связи автокаталитического поведения реакции Бутлерова и реакций ретроальдольного расщепления высших углеводов высказывалась и ранее [135-138, 162], но не имела четких экспериментальных доказательств.

H O H O Ca H HO H O HO H H O OH H H HO H HO H H + Ca(OH)2 OH H OH H - 2H2O +C H) 2 HO H a(O a(O O -2 H) + C 2H 2 H OH 2O HO OH HO H H H H H HO O H H O OH Ca O Ca H HO H H OH O OH OH H H HO HO H H H H H H HO HO (а) (б) Рис. 18. Возможные пути образования ендиольных комплексов с ионами кальция для глюкозы (а) и сорбозы (б).

Схема реакции Бутлерова, предлагаемая на основе полученных результатов, в общем виде может быть описана следующими тремя уравнениями:

(XI) Cn H 2n On Ca Cn H 2n O n Cn m H 2(n m) O n m Cm H 2m O m, Ca (OH) 2H 2 O 2H 2 O (XII) C m H 2m O m CH 2 O C m 1H 2m 2 O m 1, Ca (OH ) (XIII) C jH 2 jO j Ci H 2i Oi Ci jH 2(i j) Oi j, Ca (OH) где n = 4-6, m = 2-3;

i, j = 2-5 (i+j 8) Такая схема реакции соответствует разветвленному цепному механизму с вырожденным разветвлением (активные частицы – низшие углеводы С2-3 и формальдегид), но не классической схеме автокаталитической реакции A A P A. Когда реакция инициируется высшим моносахаридом CnH2nOn (n = 4-6), реакция (XI) является стадией инициирования, то есть образования низших углеводов Cn-mH2n-2mOn-m и CmH2mOm (m = 2-3). Если реакция инициируется низшим моносахаридом, то в первую очередь протекают стадии продолжения цепи (XII) и (XIII) – альдольная конденсация низших углеводов друг с другом и формальдегидом.

Вырожденное разветвление происходит на стадии (XI) – в результате расщепления продукта реакции образуются две новые активные частицы, вступающие в реакции продолжения цепи.

Предложенная схема объясняет важные наблюдения о независимости стационарного состояния реакции Бутлерова в проточных условиях от природы инициатора и сходстве состава продуктов рассматриваемой реакции и продуктов конденсации низших моносахаридов.

Таким образом, реакция Бутлерова не является автокаталитической. По определению?


автокатализ - это ускорение реакции, обусловленное накоплением конечного или промежуточного продукта, обладающего каталитическим действием в данной реакции [163]. В случае реакции Бутлерова процесс ускоряет накопление низших моносахаридов (гликолевого и глицеринового альдегидов и дигидроксиацетона), которые не являются катализаторами этого процесса. Обсуждаемая реакция представляет собой редкий пример каталитической реакции с разветвленным цепным механизмом с вырожденным разветвлением, в которой не принимают участия свободные радикалы. Однако, если понимать автокатализ в более широком смысле, как «самоускорение реакции, вызванное каким-либо изменением в системе из-за протекания химической реакции» (см. [163]), тогда реакцию Бутлерова действительно можно рассматривать как автокаталитическую.

1.2.6. ПЕРЕГРУППИРОВКИ МОНОСАХАРИДОВ В ПРИСУТСТВИИ ГИДРОКСИДА КАЛЬЦИЯ Перегруппировки углеводов в присутствии гидроксида кальция являются побочными процессами в реакции Бутлерова и могут вносить значительный вклад в распределение её продуктов. Поэтому необходимо было провести дополнительное исследование кинетических и термодинамических параметров реакций ЛдБ-АвЭ и эпимеризации альдоз в присутствии гидроксида кальция. Важным является и вопрос о кинетике окисления моносахаридов в щелочной среде молекулярным кислородом при проведении реакции в окислительной атмосфере.

1.2.6.1. Изомеризация глюкозы по реакции Лобри де Брюйна - Альберда Ван Экенштейна. Влияние молекулярного кислорода 1.2.6.1.1. Температурная зависимость констант равновесия изомеризации глюкозы по реакции ЛдБ-АвЭ в инертной и окислительной атмосфере Реакция ЛдБ-АвЭ была исследована на примере изомеризации глюкозы в водном растворе гидроксида кальция методом С ЯМР-спектроскопии. Изомеризацию проводили в о интервале температур от 20 до 90 С в атмосфере аргона, кислорода и на воздухе. Начальная концентрация глюкозы (1 М) значительно превышала содержание гидроксида кальция в реакционной смеси (0.024 М), создавая условия для протекания реакция ЛдБ-АвЭ, а не эпимеризация глюкозы в маннозу, катализируемjq катионами Са2+ [4].

Отнесение хим. сдвигов линий различных изомерных форм углеводов в С ЯМР спектрах водных растворов глюкозы, фруктозы и маннозы было проведено с использованием литературных спектров [160, 164]. В водных растворах глюкоза и манноза существуют в основном в виде полуацетальных шестичленных форм (- и -пираноз), каждой из которых соответствует по шесть линий в спектрах С ЯМР. Фруктоза может находиться в виде как пятичленных (- и -фураноз), так и шестичленных форм (- и -пираноз).

Для определения относительного содержания моносахаридов в реакционной смеси использовалась интегральная интенсивность пиков, соответствующих атомам углерода СН2 групп моносахаридов. Химические сдвиги пиков, соответствующие данным атомам, составляют (в м.д.): для глюкозы – 61.3 и 61.4;

фруктозы – 61.7 и 65.7 (-пираноза);

63.9 и 64. (-пираноза);

63.6 и 61.7 (-фураноза);

63.4 и 63.0 (-фураноза);

маннозы - 61.8 (слиты два пика с близкими хим. сдвигами). Поскольку в молекуле фруктозы присутствуют две СН2-группы, у а глюкозы и маннозы - только одна, при сравнении содержания различных форм моносахаридов суммарную интегральную интенсивность соответствующих пиков фруктозы делили на два. Для эквимолярной смеси глюкозы и фруктозы, полученной растворением чистых моносахаридов в воде, рассчитанное таким образом отношение интегральных интенсивностей пиков углеродных атомов СН2-групп оказалось приблизительно равным 1.05.

Используя описанный метод расчета, была исследована кинетика установления равновесия между глюкозой, фруктозой и маннозой. В ходе реакции интенсивности пиков глюкозы в С ЯМР спектрах уменьшаются, и появляются пики фруктозы и маннозы.

о Интенсивности пиков маннозы при температурах ниже 80 С оказались низкими и соответствующими её концентрации в растворе, не превышающей 1% от исходной концентрации глюкозы. Лишь при температурах 90 и 80 oC количество маннозы в смеси составляло 2-3% от исходной концентрации глюкозы. В дальнейшем ее содержание не учитывалось при расчете концентраций глюкозы и фруктозы. Предпочтительное образование фруктозы, а не маннозы в условиях избытка глюкозы по отношению к гидроксиду кальция в реакционной смеси подтверждает литературные данные [4]. Таким образом, мы действительно наблюдали перегруппировку глюкозы по реакции ЛдБ-АвЭ.

При проведении процесса на воздухе при комнатной температуре не удается зафиксировать кажущееся равновесие даже по истечении девяти суток (216 час). Экстраполируя кинетические кривые, мы оценили концентрации моносахаридов в этих условиях: 86% глюкозы, 14% фруктозы и 1% маннозы. Полученные значения кажущихся равновесных концентраций существенно отличаются от результатов работ [80, 165]: 70% глюкозы, 28.5% фруктозы и 1.5% маннозы, хотя реакция проводилась в идентичных условиях. Такое отличие можно объяснить тем, что в этих работах был использован поляриметрический метод определения количественного содержания моносахаридов, который может давать большие погрешности в измерении концентраций в результате образования комплексов моносахаридов с ионами кальция [126, 166]. Отличаются полученные нами кажущиеся равновесные концентрации и от наблюдавшихся в работах [72, 75], в которых концентрации моносахаридов, определенные методом ВЭЖХ, составили: 50.0% глюкозы, 33.5% фруктозы, 8.4% маннозы и 9.1% других сахаров. Однако в этих работах изомеризация глюкозы проводилась в растворе КОН в отсутствие кальция и в инертной атмосфере.

При увеличении температуры реакционной смеси времена установления кажущегося равновесия между глюкозой и фруктозой, как и следовало ожидать, значительно уменьшается.

Эти времена (см. Табл. 3) на воздухе и в кислороде при соответствующих температурах оказались примерно одинаковыми. Однако при проведении изомеризации в атмосфере аргона времена, необходимые для завершения реакции, значительно увеличились. Значительно различаются и концентрации моносахаридов по окончании реакции, получающиеся в результате изомеризации глюкозы в кислородсодержащей и инертной атмосферах. В кислородсодержащей атмосфере концентрации глюкозы оказались заметно выше.

Табл. 3. Времена установления кажущегося равновесия между глюкозой и фруктозой (), кажущиеся константы равновесия (Ки) изомеризации глюкозы во фруктозу, рассчитанные по интегральным интенсивностям пиков СН2-групп глюкозы и фруктозы, и концентрации моносахаридов по завершении реакции при различных условиях. (1 М D-глюкоза, 0.024 М Ca(OH)2. [Глю], М – концентрация глюкозы, [Фру], M – концентрация фруктозы).

Воздух Кислород Аргон t, С, ч [Глю], [Фру], [Глю], [Фру], [Глю], [Фру],, ч Kи Kи Kи М M М M М M - - - - - - 20 216 0.86 0.14 0. 50 48 0.76 0.24 0.31 0.78 0.22 0.29 71 0.62 0.38 0. 60 2.5 0.73 0.27 0.37 0.73 0.27 0.37 6 0.63 0.37 0. 70 1 0.70 0.30 0.43 0.68 0.32 0.48 2.5 0.64 0.36 0. 80 0.42 0.67 0.33 0.50 0.67 0.33 0.50 1 0.65 0.35 0. 90 0.25 0.63 0.38 0.60 0.66 0.34 0.53 0.75 0.65 0.35 0. Из полученных концентраций различных форм моносахаридов были рассчитаны кажущиеся константы равновесия Ки изомеризации глюкозы во фруктозу в исследованных условиях (см.

Табл. 3). На Рис. 19 приведены температурные зависимости полученных значений Ки в аррениусовских координатах.

Температурные зависимости кажущихся констант равновесия при изомеризации в кислороде и на воздухе очень близки. При проведении изомеризации в аргоне кажущаяся константа равновесия изомеризации с ростом температуры уменьшается. При высоких о температурах (80-90 С) кажущиеся константы равновесия для инертной и кислородсодержащей атмосфер оказались практически одинаковыми, в то время как при температуре 50 оС они различаются приблизительно в два раза.

Для выяснения причин столь сильных различий параметров изомеризации в присутствии и в отсутствие кислорода, мы изучили изомеризацию глюкозы при 60 и 80 оС более подробно.

Зарегистрирована динамика поглощения кислорода реакционной смесью при 60 C (Рис. 20), изучено изменение УФ-спектров поглощения (Рис. 21) и рН растворов (Рис. 21) в присутствии воздуха и в аргоне. Влияние рН весьма важно, поскольку, как показано в [72, 75], скорость реакции ЛдБ-АвЭ сильно зависит от рН, и при рН ниже 9 реакция вообще не идет.

-0. -0. -0. V0-Vt, мл -1. lnKи -1. -1. -1. -1. 0 50 100 150 время, мин -2. 0.0027 0.0029 0.0031 0.0033 0. 1/T Рис. 19. Температурная зависимость кажущихся Рис. 20. Поглощение кислорода водным раствором констант Ки в аррениусовских координатах при глюкозы при 60 С и атмосферном давлении () и изомеризации D-глюкозы в атмосфере Ar (), выделение кислорода при подкислении конечного кислорода () и на воздухе (). (1 М D-глюкоза, раствора до рН 7 (). (1 М D-глюкоза, 0.024 М 0.024 М Ca(OH)2). Ca(OH)2. Объем раствора 50 мл).

Поглощение кислорода реакционной смесью соответствует кинетике нулевого порядка по кислороду и прекращается примерно через 3 часа (Рис. 20). Индукционный период на начальном участке можно объяснить временем, необходимым для полного растворения глюкозы. При подкислении раствора, поглотившего 32 мл кислорода, соляной кислотой до рН выделяется 4.7 мл газа, т.е., по-видимому, образование первичного аддукта кислорода с моносахаридами является обратимым. Количество необратимо поглощенного кислорода (27. мл) составило примерно 1.1 ммоля, что соответствует ~2.2% от 50 ммолей глюкозы, присутствовавших в растворе. Существенно, что в спектрах С ЯМР для системы, в которой изомеризация глюкозы проводилась в присутствии кислорода, наблюдается сопоставимое количество продуктов окисления сахаров (см. Рис. 23). Действительно, в области хим. сдвигов 220-170 м.д. наблюдаются слабовыраженные пики, соответсвующие альдегидным и карбоксильным группам, интегральная интенсивность которых составляет около 2-3% интегральной интенсивности пиков глюкозы и фруктозы.


Авторы работ [89, 90] объясняют поглощение кислорода растворами моносахаридов окислением последних. При этом кислород атакует ту же ендиольную форму моносахаридов, которая является промежуточным состоянием в перегруппировке углеводов. На одну молекулу поглощенного кислорода, согласно механизму, предложенному авторами работ [89, 90], приходится две образующихся молекулы кислоты. Тогда в нашем случае, учитывая, что исходные растворы содержали 50 ммолей глюкозы, в результате окисления моносахарида должно образоваться примерно 2.2 ммоля кислот. Это вполне объясняет наблюдаемое уменьшение рН раствора больше, чем на три единицы от 10.7 до 7.5 (Рис. 22а).

2, 2, Оптическая плотность 2,0 1, Оптическая плотность 1,5 1, 1,0 0,5 0,5 0,0 0, 200 250 300 350 400 200 250 300 350 длина волны нм (а) (б) Рис. 21. Изменение УФ-спектров водных растворов глюкозы в ходе изомеризации при 60оС: (а) в атмосфере аргона (1 – 30 мин;

2 – 60 мин;

3 – 90 мин;

4 – 120 мин;

5 – 240 мин;

6 – 300 мин;

7 – 360 мин);

(б) в присутствии воздуха (1 – 30 мин;

2 – 60 мин;

3 – 90 мин;

4 – 120 мин;

5 – 150 мин;

– 180 мин;

7 – 210 мин).(1 М D-глюкоза, 0.024 М Ca(OH)2, l 0.1 см).

Динамика изменения рН растворов в инертной атмосфере и в кислороде заметно отличается (см. Рис. 22). В присутствии кислорода рН уменьшается гораздо быстрее, чем в инертной атмосфере, причем кинетическая кривая в этом случае имеет три участка. В начале реакции изменение рН происходит медленно, затем быстро, после чего рН достигает постоянного значения (Рис. 22а). Необходимо отметить, что переход от медленного участка к быстрому происходит одновременно с замедлением на кинетической кривой поглощения кислорода (см. Рис. 20). В инертной атмосфере рН растворов тоже уменьшается, но значительно медленнее (Рис. 22). В данном случае понижение рН связано, по-видимому, с протеканием реакций перегруппировок углеводов, в результате которых образуются сахариновые кислоты.

Если сравнить кинетические кривые изменения рН (Рис. 22) и времена достижения системой кажущегося равновесия (Рис. 20), то оказывается, что реакция изомеризации заканчивается примерно тогда, когда рН растворов падает ниже 9.

Изменение концентрации активной промежуточной ендиольной формы моносахаридов в ходе реакции можно проследить по УФ-спектрам поглощения растворов [71, 92]. Эволюция спектров поглощения рабочих растворов в ходе реакции изомеризации отличается для опытов в присутствии и в отсутствие кислорода (Рис. 21). В начале реакции в обоих случаях в спектрах появляется полоса поглощения при 290 нм, оптическая плотность которой повышается в ходе реакции. Однако в аргоне оптическая плотность этой полосы непрерывно возрастает, а к моменту достижения равновесия выходит на плато. В присутствии кислорода в начале реакции оптическая плотность данной полосы поглощения тоже возрастает, однако по истечении минут она падает, и появляется новая полоса при 270 нм. При этом максимум оптической плотности полосы при 290 нм совпадает с переходом от медленного участка кинетической кривой изменения рН к быстрому.

2, Опт ическ ая плотность (290 нм) 2, Опт ическа я плотность (290 нм) 1, 2, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0 25 50 75 100 0 100 200 300 рН рН 0 25 50 75 100 0 100 200 300 время, м ин время, мин (а) (б) Рис. 22. Изменение рН и оптической плотности водных растворов глюкозы при 290 нм в инертной атмосфере () и на воздухе () в ходе изомеризации при 60 (а) и 80 оС (б).

Наблюдаемые нами спектры имеют некоторые отличия от описанных в литературе [71, 92]. В кислородсодержащей атмосфере они имеют две интенсивные полосы при 270 и 290 нм и слабую полосу при 340 нм. Небольшая интенсивность последней полосы объясняется малой концентрацией кальция по сравнению с концентрацией глюкозы. В то же время вместо полосы при 310 нм, соответствующей ендиольному аниону глюкозы, мы наблюдаем полосу при 290 нм.

Поскольку авторы работ [71, 92] исследовали УФ-спектры в растворах с рН 12.5 и выше, а мы с рН 10.7 и ниже, можно предположить, что на положение полосы с максимумом при 310 нм оказывает влияние рН исследуемых растворов. Для проверки этого предположения были проведены специальные эксперименты по изучению влияния рН на положение полосы поглощения ендиольной формы глюкозы. Раствор глюкозы (0.5 М) в 0.5 М NaOH (рН 12.5) был выдержан в атмосфере аргона при комнатной температуре 18 часов. В спектре этого раствора в кювете 0.1 см была обнаружена единственная полоса с максимумом при 310 нм с оптической плотностью 1.18. При подкислении такого раствора соляной кислотой до рН 11.4 и 10. оптическая плотность полосы практически не меняется, но положение ее максимума смещается от 310 нм к 290 нм. Дальнейшее подкисление до рН 9.4 и 8.0 приводит только к небольшому уменьшению оптической плотности полосы при 290 нм. Таким образом, в сильно щелочной среде (рН 12.5) ендиольный анион действительно имеет полосу при 310 нм, в то время как в интервале значений рН от 11.4 до 8.0 полоса сдвигается к 290 нм, что, возможно, связано с его переходом из анионной в протонированную форму.

Различия в спектрах поглощения и динамике изменения рН водных растворов глюкозы в инертной и кислородсодержащей атмосферах проявляются гораздо о существеннее при 60 С, чем при более высокой температуре - 80 оС (см. Рис. 21 и Рис. 22). С другой стороны, концентрации глюкозы и фруктозы по окончании реакции в инертной и кислородсодержащей атмосферах при температурах 80 и 90 оС практически Рис. 23. 13С ЯМР спектр раствора, не различаются. Такое отсутствие различий можно содержащего 1 М D-глюкозы, 0.024 М объяснить следующим образом. Вклад в снижение рН Ca(OH)2 после завершения реакции при проведении процесса в атмосфере растворов в присутствии кислорода вносят как кислорода при 80 оС.

минимум две реакции. Во-первых, это реакция окисления сахаров кислородом воздуха с образованием кислот;

во-вторых, это перегруппировка углеводов с образованием сахариновых кислот. Поскольку первая реакция имеет нулевой порядок по давлению кислорода над раствором, можно полагать, что ее скорость в основном лимитируется растворением кислорода в воде. При высоких температурах растворимость кислорода в воде понижается и, следовательно, скорость этой реакции должна уменьшаться с повышением температуры. В то же время реакции перегруппировок моносахаридов происходят в водной фазе без участия газообразного кислорода, поэтому с повышением температуры их скорость увеличивается и становится выше скорости реакции окисления. В результате рН раствора при повышенной температуре успевает понизиться до критического значения быстрее, чем происходит заметное окисление моносахаридов кислородом.

Проведенные исследования показывают, что полученные в начале 20-го века данные о равновесных концентрациях моносахаридов, образующихся в результате перегруппировки ЛдБ АвЭ, требуют существенной коррекции с использованием современных прямых методов исследования. На соотношение концентраций изомерных моносахаридов по окончании реакции изомеризации в водных растворах существенно влияют не только температура, но и рН. Кроме того, следует учитывать, что наличие в растворе кислорода и, как следствие, образование даже незначительного количества продуктов окисления моносахаридов может привести к значительному и обычно неконтролируемому снижению рН раствора. В результате реакция изомеризации может сильно затормозиться, а затем установится кажущееся равновесие, не соответствующее реальным термодинамическим свойствам моносахаридов. Вследствие этого данные о константах изомеризации моносахаридов могут рассматриваться как корректные только, когда реакция осуществляется в отсутсвие кислорода и в условиях рН-статирования.

1.2.6.1.2. Изомеризация малых количеств глюкозы, маннозы и галактозы в щелочной среде в присутствии катионов кальция Для того чтобы избежать неконтролируемого понижения рН и остановки реакции, методом ВЭЖХ была исследована изомеризация глюкозы, маннозы и галактозы низкой концентрации (5 мМ) в присутствии избытка гидроксида кальция (0.027 М) в температурном интервале 30-60 оС. Для тех альдоз, для которых возможна эпимеризация, катализируемая ионами кальция, в таких условиях следует ожидать протекания именно этой реакции, а не перегруппировки ЛдБ-АвЭ.

Перегруппировка глюкозы и маннозы в таких условиях действительно протекала в основном по пути эпимеризации. Небольшие количества изомерной кетозы – фруктозы - были идентифицированы лишь при продолжительных временах проведения реакции и в экспериментах с повышенной температурой. В экспериментах с галактозой, несмотря на значительный избыток гидроксида кальция по сравнению с содержанием углевода в реакционной смеси, в ходе изомеризации этой альдозы наблюдалось образование талозы (эпимерной альдозы) и, в гораздо большей степени, тагатозы (изомерной кетозы) (см. рис 1), то есть происходила реакция ЛдБ-АвЭ. Аналогичные результаты были получены в работе [82] и объяснены тем, что конфигурация и взаимное расположение гидроксильных групп галактозы не способствуют образованию интермедиата эпимеризации альдоз – комплекса кальция с депротонированной циклической формой углевода.

Проведение реакций изомеризации глюкозы, маннозы и галактозы в присутствии значительного избытка гидроксида кальция при рН = 12.5 способствовало деградации исходных и образовавшихся углеводов в ходе побочных реакций, вклад которых становился более значительным при повышении температуры. Поэтому в ходе экспериментов суммарная концентрация моносахаридов заметно уменьшалась. При изомеризации галактозы помимо талозы в смеси накапливалась тагатоза, ретроальдольное расщепление которой протекает достаточно легко в присутствии значительного избытка гидроксида кальция и при повышенных температурах, что приводило к образованию низших углеводов. Естественно, конденсация последних приводила к образованию новых моносахаридов, отличных от галактозы и ее изомеров, по реакции ЛдБ-АвЭ.

Тем не менее, хотя в реакционной смеси и протекают побочные процессы, в большинстве случаев соотношение между моносахаридами становится постоянным, и устанавливается кажущееся равновесие. В Табл. 4 приведены времена установления равновесия, концентрации углеводов и рассчитанные значения кажущихся констант эпимеризации и изомеризации при различных температурах для глюкозы, маннозы и галактозы в присутствии избытка гидроксида кальция. Константы эпимеризации КЭ, рассчитанные как соотношение концентраций эпимерной и исходной альдоз, были получены для всех трех моносахаридов. Для галактозы дополнительно были рассчитаны константы изомеризации в тагатозу КИ, равные соотношению концентраций кетозы и исходной альдозы (см. Табл. 4).

Несмотря на то что в большинстве экспериментов удалось зафиксировать установление кажущегося равновесия между моносахаридами, температурная зависимость полученных кажущихся констант изомеризации не подчиняется закону Аррениуса. В случае эпимеризации глюкозы значение КЭ при температуре 60 оС оказалось ниже, чем при 40 и 50 оC, что, по видимому, связано с различием в скоростях диспропорционирования глюкозы и маннозы, которое в наибольшей степени проявляется при высокой температуре. В случае маннозы при температуре 30 оС полученное значение кажущейся константы изомеризации оказалось выше, чем при 40 и 50 оС, а время достижения равновесия в ходе эпимеризации составило 24 часа, хотя для глюкозы и галактозы оно не превышало 5 часов. Исходя из формальных законов термодинамики, соотношение углеводов в равновесии между глюкозой и маннозой, в независимости от того, какой углевод был использован в качестве исходного, должно быть одинаковым. Однако ни в одном из экспериментов эпимеризации глюкозы и маннозы не было получено одинакового конечного соотношения моносахаридов. Наиболее вероятно, причина этого заключается в значительном вкладе побочных процессов в изменения концентраций углеводов. Авторы [75] предположили, что наблюдаемый эффект может быть вызван стабилизацией некоторых моносахаридов, в частности маннозы, за счет образования водородных связей. В случае изомеризации галактозы весомый вклад в распределение моносахаридов вносили реакции ретроальдольного расщепления тагатозы и диспропорционирования галактозы и талозы.

Табл. 4. Времена установления кажущегося равновесия (, мин), концентрации углеводов в равновесии и рассчитанные кажущиеся константы эпимеризации (КЭ) и изомеризации (КИ). При изомеризации глюкозы и маннозы КЭ = [Эпимер]/[Исходный]. При изомеризации галактозы КЭ = [Тал]/[Гал], КИ = [Таг]/[Гал].

t, С, мин [Глю], мМ [Ман], мМ КЭ 30 300 3.06 0.54 0. Глюкоза 40 240 1.34 0.38 0. 50 120 1.04 0.43 0. 60 20 1.74 0.47 0. 30 1440 0.73 1.96 0. Манноза 40 300 0.66 2.60 0. 50 120 0.69 2.25 0. 60 40 0.50 1.25 0. t, С, мин [Гал], мМ [Тал], мМ [Таг], мМ КЭ КИ 30 300 2.17 0.07 0.99 0.03 0. Галактоза 40 180 1.54 0.11 0.85 0.07 0. 50 45 1.78 0.10 0.85 0.06 0. 60 20 1.38 0.13 0.62 0.09 0. 1.3. СИНТЕЗ РЕДКИХ САХАРОВ ИЗ ФОРМАЛЬДЕГИДА Анализ литературы показал, что задача получения редких моносахаридов является в настоящее время актуальной. Известны эффективные методы синтеза с использованием ферментативного катализа. Однако эти методы имеют такие недостатки и ограничения, как необходимость использования дорогостоящего сырья, низкая скорость ферментативных реакции, повышенные требования к стерильности растоврителей, реагентов и аппаратуры. В настоящее время разрабатываются биотехнологические методы синтеза редких сахаров из доступного сырья, однако часто они являются многостадийными, а поэтому трудоемкими.

Синтез моносахаридов из формальдегида является привлекательным из-за своей простоты, доступности сырья и катализаторов. Благодаря детальному исследованию механизма реакции Бутлерова, описанному в предыдущем разделе, стало ясно, что множество протекающих параллельно реакций альдольной конденсации, ретроальдольного расщепления и изомеризации, катализируемых гидроксил-ионами и катионами Са2+, делают общий процесс практически неконтролируемым. В результате реакции Бутлерова образуется более углеводов, и повышение селективности процесса в сильнощелочной среде едва ли представляется возможным.

Для повышения селективности необходимо, во-первых, замедлить реакции альдольной конденсации формальдегида с углеводами, приводящими к неконтролируемому росту цепи. Во вторых, полностью исключить реакции ретроальдольного расщепления, т.к. именно они, инициируя разветвленный цепной процесс, являются причиной неселективности реакции Бутлерова.

Перспективным для синтеза некоторых редких углеводов представляется осуществление не цепного, а стехиометрического процесса конденсации с низшими моносахаридами, которые, как следует из обзора литературы, могут быть получены из формальдегида в результате физического воздействия, например, УФ-излучения. Данная глава посвящена поиску оптимальных условий для такого двухстадийного процесса синтеза углеводов из формальдегида.

1.3.1. СЕЛЕКТИВНЫЙ СИНТЕЗ УГЛЕВОДОВ ИЗ ФОРМАЛЬДЕГИДА Ретроальдольное расщепление и альдольная конденсация протекают при щелочном катализе, поэтому наиболее действенным способом их замедления является снижение значения рН реакционной смеси вплоть до нейтрального, что также позволит замедлить процессы диспропорционирования субстратов и продуктов реакции. Выше было показано, что наиболее активными катализаторами ретроальдольного расщепления углеводов в щелочной среде являются растворенные катионы кальция. Следовательно, осуществление синтеза углеводов в нейтральной среде в отсутствие растворенных ионов кальция позволит исключить ретроальдольное расщепление синтезированных углеводов.

1.3.1.1. Конденсация формальдегида и низших углеводов в нейтральной и слабощелочной среде В разделе 1.1.2 описан ряд работ, в которых повышение селективности реакции Бутлерова было достигнуто с использованием гетерогенного катализа в средах с рН, близким к нейтральному. Первые результаты были получены в работе [115], в которой описана селективная олигомеризация формальдегида в рибулозу, катализируемая карбонатом кальция.

Известно также, что синтетический корунд при рН равном 7.4 [42] и карбонатоапатит [45] катализируют альдолизацию формальдегида, приводящую к неселективному образованию смеси углеводов. В работе [167] показана возможность образования гексоз за счет альдолизации глицеринового альдегида на железо-оксидном катализаторе.

1.3.1.1.1. Конденсация формальдегида с низшими углеводами в присутствии твердых катализаторов В качестве твердых катализаторов реакции конденсации формальдегида и низших углеводов нами использованы природные минералы апатит Ca5(OH, Cl, F)(PO4)3 и вивианит Fe3(PO4)2, синтетический гидроксоапатит Ca5(OH)(PO4)3, а также фосфат Ca3(PO4)2 и карбонат кальция CaCO3. В присутствии всех катализаторов значение pH реакционной среды было равным 7.3. Концентрация формальдегида составляла 0.1 М, низшего углевода – 5 мM, а твердого катализатора – 10 мг/мл. Более подробно методика экспериментов описана в приложении Б (раздел Б.3.1.1.4).

В большинстве экспериментов в качестве исходного углевода был использован дигидроксиацетон из-за его меньшей по сравнению с другими низшими углеводами стоимости.

Эксперименты с гликолевым и глицериновым альдегидами показали, что эти соединения в ходе реакции очень быстро переходят в С3-кетозу (Схема 17).

Схема Гликолевый Д игидроксиацетон альдегид CH OH CH OH +CH O 2 +CH O CH OH 2 В ысшие сахара CHOH C O CHO Медленно O H Медленно CHO CH Быстро Глицериновый альдегид Кинетические зависимости концентрации 1. дигидроксиацетона в присутствии различных ln[ДГА], [mM] 1. 0. гетерогенных катализаторов представлены на Рис. 0. [ДГА], mM 0. 24. Изменение концентрации формальдегида во всех -0. 0 100 200 время реакции, час опытах было незначительным и сравнимо с уменьшением концентрации низшего углевода.

Кинетические кривые для дигидроксиацетона во 0 50 100 150 200 250 время реакции, час всех случаях спрямляются в координатах реакции Рис. 24. Кинетические зависимости первого порядка (Рис. 24). Несмотря на то, что в концентрации ДГА в присутствии различных гетерогенных катализаторов и щелочной среде дигидроксиацетон является одним гомогенного фосфатного буфера. [CH2O]0 = из наиболее активных инициаторов реакции 0.1 M, [ДГА]0 = 5 мM, [Гетерогенный катализатор]0 = 10 мг/мл, 40 оС, Ar.

Бутлерова, ни в одном из обсуждаемых опытов мы Катализатор: – Ca3(PO4)2, CaCO3;

– гидроксоапатит;

- природный вивианит;

не наблюдали характерных для автокаталитических – природный апатит;

+ - 0.02 М реакций S-образных кинетических кривых фосфатный буфер.

расходования формальдегида. Следовательно, в исследуемой системе формальдегид взаимодействует с дигидроксиацетоном стехиометрически.

В ходе реакции в присутствии синтетического гидроксоапатита Ca5(OH)(PO4)3 через часов наблюдалось образование эритрулозы и 3-пентулозы (для идентификации продуктов были проведны аналитические исследования см. [168]) с селективностью 45-50% и 35-40%, соответственно. Если реакцию продолжать, то концентрация эритрулозы уменьшается, содержание 3-пентулозы остается постоянным, а концентрация разветвленной гексулозы (продукта конденсации 3-пентулозы с формальдегидом) повышается. Кроме того, наблюдалось понижение рН реакционной смеси, которое можно объяснить протеканием реакций диспропорционирования либо формальдегида, либо углеводов, включая 3-пентулозу, концентрация которой понижалась через 200 часов реакции. При повышении начальной концентрации дигидроксиацетона в 5 раз скорость его конденсации с формальдегидом в присутствии гидроксоапатита увеличивается примерно в 2.5 раза, при этом наблюдается повышение селективности процесса в сторону 3-пентулозы по сравнению с дендрокетозой.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 12 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.