Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор
Глава 2. Экспериментальная часть 45
2.1. Реактивы и материалы
2.2. Общие процедуры проведения экспериментов 46
2.3. Методики проведения реакции бутлерова
Глава 3. Кинетика и механизм реакции бутлерова в присутствии гидроксида кальция 56
Глава 4. Селективный синтез углеводов из формальдегида 102
Заключение 127
Выводы 129
Список литературы 131
- Общие процедуры проведения экспериментов
- Кинетика и механизм реакции бутлерова в присутствии гидроксида кальция
- Селективный синтез углеводов из формальдегида
Введение к работе
До середины. XX века химия углеводов представляла собой обособленную часть органической химии, что в основном связано со специфичностью свойств углеводов, нехарактерных для остальных органических соединений. В настоящее время различные углеводы, кроме того, что они представляют несомненную ценность в области производства продуктов питания, в биологии и медицине, широко используют в качестве исходных веществ для синтеза многих органических соединений, в особенности хиральных. Поиски углеводсодержащего природного сырья ведутся постоянно, однако весьма актуальной является проблема получения углеводов методами химического синтеза. Попытки создать способы химического получения углеводов предпринимались достаточно давно с использованием в качестве исходных соединений ацетилена, алкенов, циклитолов, диенов, аминокислот [1]. Однако в силу сложности, многостадийное процессов и незначительности выхода целевых продуктов, они не нашли практического применения. В настоящее время для синтеза моносахаридов используют ряд реакций изомеризации [2], выход в которых иногда не достигает и 10%.
Среди процессов синтеза углеводов большой интерес представляет открытая еще в середине XIX века реакция Бутлерова (или формозная реакция) - автокаталитический процесс олигомеризации формальдегида в моносахариды в водной щелочной среде. Доступность сырья, мягкие условия реакции и простота технологической реализации свидетельствуют о безусловной перспективности процесса для развития химического синтеза моносахаридов. Несомненный интерес представляет применение реакции Бутлерова и для очистки сточных вод от формальдегида. К сожалению, реакция Бутлерова является неселективной и приводит к образованию более десятка различных моносахаридов, что связано с ее автокаталитическим характером. Помимо этого в формозной системе в присутствии основных катализаторов протекает несколько нежелательных параллельных реакций, приводящих к образованию побочных продуктов, таких как, например, полиолы, сахариновые и другие органические кислоты.
Несмотря на то, что реакция Бутлерова известна уже более 150 лет, до сих пор многие вопросы, касающиеся механизма данной реакции, кинетики, состава продуктов и причины автокатализа остаются дискуссионными. В 70-80-х годах прошлого века реакция Бутлерова была предметом интенсивных исследований нескольких групп специалистов [3, 4], что в основном было связано с поиском путей получения искусственной пищи для продолжительных космических полетов и экспедиций на Марс. Были получены положительные результаты при использовании синтезированных из формальдегида
углеводов в качестве питательной среды для выращивания дрожжевой и микробной биомассы [4, 5]. В ходе проведенных исследований был найден ряд эффективных катализаторов синтеза углеводов из формальдегида, изучены некоторые особенности кинетики процесса и предложены несколько версий механизма. Однако до сих пор вопрос о возможности управления селективностью олигомеризации формальдегида в моносахариды является открытым.
Целью настоящей работы являлось изучение возможности управления селективностью синтеза углеводов из формальдегида в водных растворах.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Выяснение причин возникновения автокатализа в реакции Бутлерова.
Детальное исследование механизма реакции, а также термодинамических и кинетических параметров отдельных ее стадий.
Исследование причины и механизма инициирующего действия УФ-излучения на автокаталитический синтез углеводов из формальдегида.
Поиск катализаторов и условий синтеза углеводов из формальдегида, позволяющих достичь большей избирательности.
Работа изложена на 143 страницах, состоит из 4 глав и содержит 31 рисунок, 7 таблиц, 24 схемы и 182 библиографические ссылки. Первая глава диссертации представляет собой обзор литературы, в котором рассмотрены основные результаты исследований автокаталитического синтеза углеводов из формальдегида, в том числе, механизма этого процесса, химии параллельных реакций, протекающих в формозной системе, а также процессов, происходящих в водных растворах формальдегида под действием УФ-излучения. Приведены некоторые примеры селективного синтеза углеводов из формальдегида.
Во второй главе описаны экспериментальные и аналитические методики, использованные в настоящей диссертационной работе. В третьей и четвертой главах представлены основные результаты работы. Третья глава посвящена исследованию механизма инициирования и природы возникновения автокатализа в реакции Бутлерова, а также кинетических и термодинамических параметров конденсации, ендиолизации и перегруппировок моносахаридов, протекающих в формозной системе. В четвертой главе описан селективный синтез эритрулозы и 3-пентулозы из формальдегида и низших углеводов в присутствии гомогенных и гетерогенных катализаторов, а также получение низших углеводов в водных растворах формальдегида под действием УФ-излучения.
Основные результаты работы. Установлено, что в инициировании реакции Бутлерова ключевую роль играют процессы образования ендиольных форм
моносахаридов и их последующей деградации до низших углеводов С2-С3. Разработана детальная схема образования углеводов из формальдегида по разветвленному цепному механизму с вырожденным разветвлением цепи. Подробно исследована изомеризация глюкозы по реакции Лобри де Брюйна - Альберда ван Экенштейна, а также перегруппировки глюкозы, маннозы и галактозы в избытке гидроксида кальция. Установлено, что реакции перегруппировок моносахаридов вносят вклад в распределение продуктов реакции Бутлерова, и что изомеризация альдоз в кетозы играет важную роль на стадии инициирования автокаталитического синтеза углеводов из формальдегида. Показано, что реакцию альдольной конденсации формальдегида и низших углеводов в нейтральной водной среде эффективно катализируют гетерогенный гидроксоапатит и гомогенные фосфаты. Основными продуктами взаимодействия формальдегида и дигидроксиацетона в нейтральной среде являются эритрулоза (селективность 45-50%) и 3-пентулоза (селективность 35-40%»). Выяснено, что причина инициирующего действия УФ-облучения на реакцию Бутлерова заключается в димеризации формальдегида в гликолевый альдегид, который является наиболее активным инициатором данной реакции.
Практическая ценность. Разработан метод синтеза эритрулозы и 3-пентулозы из формальдегида и низших углеводов с повышенной селективностью в нейтральной водной среде в присутствии гомогенных фосфатов, который можно рекомендовать для препаративного синтеза этих дорогостоящих моносахаридов.
Основной материал диссертации изложен в 4 статьях в реферируемых журналах и 9 тезисах докладов.
Общие процедуры проведения экспериментов
Реакцию Бутлерова, конденсацию формальдегида с низшими углеводами, конденсацию низших углеводов друг с другом, получение ендиольных форм углеводов в растворе, синтез ендиольных комплексов для последующего выделения их в твердом виде и изомеризацию моносахаридов проводили в термостатируемом (Криостат KRIO-VT-01, Россия) трехгорлом статическом реакторе, снабженном термометром; трубкой для подачи газа и магнитной мешалкой (рис. За). Перед началом каждого эксперимента реактор продували аргоном (или кислородом при изучении изомеризации глюкозы), и в ходе реакции постоянно подавали газ в реактор с небольшой скоростью. Для предотвращения испарения воды из реакционной смеси сухой газ перед подачей в реактор пропускали через термостатируемый сатуратор, заполненный водой. Аликвоты для анализа, отобранные из реактора, охлаждали, центрифугировали (в случае проведения реакций с труднорастворимыми гетерогенными катализаторами) и подкисляли до рН = 0.7 (рН-метр/иономер АНИОН-4101, Россия).
В нижнюю часть термостатируемого проточного реактора, снабженного термометром и магнитной мешалкой, при помощи перистальтического насоса ISMATEC S3„viSM 834 (Швейцария) подавали-независимо по трем каналам р абтворы формальдегида, 0.082 М хлорида кальция и 0.18 М гидроксида натрия с одинаковыми объемными скоростями. Время контакта смеси в реакторе рассчитывали как отношение объема реактора к суммарной объемной скорости подачи растворов. Перед подачей в реактор растворы деаэрировали аргоном. Конструкция реактора исключала контакт реакционной смеси с атмосферой в ходе реакции. В момент заполнения реактора реакционной смесью в реактор через муфту для термометра вносили инициатор в кристаллическом виде в количестве 1.5 мольных % от начального содержания формальдегида в реакторе. Растворение твердой навески происходит достаточно быстро, что позволяет не учитывать это время в кинетике регистрируемых превращений.
Для исследования влияния инициатора на кинетику реакции в проточном реакторе подаваемая концентрация формальдегида в реакторе составляла 0.14 М, температура -38.2 С, а время контакта- 15.9 мин. При изучении температурной зависимости конверсии формальдегида в стационарном состоянии подаваемая концентрация формальдегида также составляла 0.14 М, а время контакта - 14.8 мин.
При исследовании влияния уменьшения подаваемой концентрации формальдегида (0.28, 0.14, 0.07, 0.035 М) на состав продуктов в стационарном состоянии время контакта составляло 16.3 мин, а температура 41.5 С. После достижения стационарного состояния - при концентрации подаваемого формальдегида 0.28 М его концентрацию уменьшали в два раза и дожидались следующего стационарного состояния. Операцию повторяли вплоть до концентрации подаваемого формальдегида 0.035 М.
Влияние времени контакта (16.3, 12.3, 10.3, 9.2, 8.8 мин) на состав продуктов реакции Бутлерова в стационарных условиях изучали при температуре 41.5 С и подаваемой концентрации формальдегида 0.1 М. После достижения стационарного состояния при времени контакта 16.3 мин суммарную скорость подачи растворов увеличивали до такой величины, чтобы время контакта составило 12.3 мин, и дожидались следующего стационарного состояния. Операцию повторяли для времен контакта 10.3, 9.2 и 8.8 мин.
В термостатируемый при 38 С реактор помещали 65 мл раствора Са(ОН)2, полученного смешением в воде 0.63 мл 3.0 М СаС12 и 3.9 мл 0.98 М NaOH. Раствор деаэрировали аргоном в течение 30 мин. После этого в раствор добавляли 4.5 мл 2.17 М формальдегида и инициатор в количестве, соответствующем 1.5 мольных % от начальной концентрации формальдегида в реакторе. Инициатор вводили либо в кристаллическом виде, либо в виде концентрированного водного раствора. Начальные концентрации формальдегида и гидроксида кальция составляли 0.14 и 0.027 М, соответственно.
При проведении реакции в присутствии Pb(OH)2, Ва(ОН)2, Sr(OH)2 и Mg(OH)2 для приготовления исходного раствора вместо раствора СаСЬ использовали растворы РЬ(Шз)2, ВаС12, SrCl2 и Mg(N03)2, соответственно.
Реакции в присутствии гетерогенных катализаторов проводили следующим образом: 100 мл 0.1 М раствора формальдегида помещали в статический реактор; навеску низшего углевода (гликолевый альдегид, глицериновый альдегид, дигидроксиацетон) растворяли в растворе формальдегида и добавляли 1 г гетерогенного катализатора (размер частиц 0.25 мм). В качестве гетерогенных катализаторов были использованы природные минералы апатит и вивианит, синтезированный гидроксоапатит, карбонат и фосфат кальция. Начальная концентрация низшего углевода для большинства экспериментов составляла 5 мМ, а катализатора - 10 мг/мл. Значение рН реакционной смеси поддерживали постоянным и равным 7.3. Эксперименты проводили при 40 и 60 С.
Для экспериментов с гомогенными катализаторами 0.1 М раствор формальдегида готовили в фосфатном (ТМагНРС + КН2РО4, рН = 7.3), пирофосфатном (Na4P207, рН = 7.3) или боратном (Na2B407, рН = 7.7) буфере, катализатор дополнительно не добавляли. Эксперименты проводили при 60 С для боратного и пирофосфатного буферов. В присутствии фосфатного буфера реакцию проводили при 40,60,70 и 80 С.
В статический реактор вносили 98 мл суспензии MgO (0.027 М), которую деаэрировали аргоном в течение 30 мин. Затем добавляли 1.36 мл 7,34 М раствора формальдегида и навеску исходного низшего углевода (гликолевый альдегид, глицериновый альдегид, дигидроксиацетон). Значение рН реакционной смеси составляло 10.3 и не изменялось в ходе проведения реакции. Начальная концентрация исходного низшего моносахарида составляла 5-Ю"3 М, формальдегида - 0.1 М. Эксперименты проводили при температурах 30,40, 50, 60, 70 С. Методика проведения экспериментов аналогична методике конденсации формальдегида с низшими углеводами в нейтральной среде, но вместо раствора формальдегида была использована вода. Конденсация 5 мМ гликолевого альдегида и 5 мМ глицеринового альдегида была исследована в присутствии 10 мг/мл природного апатита (t = 40 С, рН = 7.3), 0.5 М фосфатного буфера (t = 60 С, рН = 7.3) и 0.02 М боратного буфера (t = 60 С, рН = 7.7). Конденсацию низших углеводов проводили в присутствии 0.005 М Са(ОН)г, 0.027 М Са(ОН)2 и 0.027 М MgO. Растворы гидроксида кальция готовили смешением растворов NaOH и СаСЬ. Суспензию MgO готовили непосредственно из оксида магния. Щелочные растворы помещали в статический реактор и деаэрировали аргоном в течение 30 мин. В присутствии гидроксида кальция изучены все возможные попарные сочетания реакций конденсации низших углеводов друг с другом, а также конденсации каждого из низших моносахаридов с самим собой. В последнем случае в реактор добавляли такую навеску углевода, чтобы его концентрация составила 0.005 М; при изучении взаимодействия двух различных низших моносахаридов исходная концентрация каждого из них в реакторе составляла 0.0025 М. Температура реакционной смеси для экспериментов составляла 41 С в присутствии 0.005 М Са(ОН)2 и 38.2 С в присутствии 0.027 М Са(ОН)2. В присутствии 0.027 М MgO исследовали конденсацию 5 мМ гликолевого и 5 мМ глицеринового альдегидов при 60 С.
Кинетика и механизм реакции бутлерова в присутствии гидроксида кальция
В данной главе описаны 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.
Для исследования кинетики сложных каталитических реакций часто используют проточные установки с реактором идеального смещения [172], 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 в стационарном состоянии от времени контакта.
Интерес к подобному исследованию возник ещё и потому, что в работах [173, 174] 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. На приведенном на рис.4 графике представлена зависимость стационарных концентраций трех автокатализаторов от концентрации подаваемого в систему реагента в проточных условиях, рассчитанная для простейшей автокаталитической модели [173, 174]. При понижении концентрации подаваемого реагента до значения меньшего Rcr2 и Ra3 образование автокатализаторов Хг и Хз прекратится. Так как система является проточной, при последующем повышении концентрации R эти продукты уже не смогут образовываться, то есть селективность реакции может быть направлена в сторону образования автокатализатора Х\. Аналогичное воздействие на автокаталитическую систему окажет и постепенное понижение времени контакта в проточной системе.
В качестве инициаторов реакции Бутлерова были использованы следующие углеводы: гликолевый и глицериновый альдегиды, дигидроксиацетон, рибоза, ликсоза, глюкоза, галактоза, манноза, фруктоза и сорбоза. В проточном реакторе (в оптимальных условиях: температура 38.2. С, время контакта 15.9 мин) процесс конденсации формальдегида инициировали все низшие углеводы (Сг и Сз), а из высших активной оказалась лишь сорбоза. Наблюдаемая высокая инициирующая активность сорбозы отмечалась ранее [115].
На рис. 6а 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. 7а). 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 системы в ходе протекания реакции Бутлерова является устойчивым и не зависит от природы инициирующего углевода.
Была исследована зависимость степени конверсии формальдегида и состава продуктов процесса в стационарном состоянии от времени контакта. На рис. 66 приведена динамика изменения концентрации формальдегида при последовательном уменьшении времени контакта в проточном реакторе в ходе одного непрерывного эксперимента. Нам удалось зафиксировать пять стационарных состояний. Результаты анализа продуктов реакции в каждом из них представлены на рис. 76. Оказалось, что качественный состав продуктов, а также их соотношение не претерпели значительных изменений при уменьшении времени контакта. При еще более низких значениях времени контакта скорость реакции становится ниже предела детектируемости.
Кроме того, был проведен эксперимент, в котором в ходе одного непрерывного эксперимента 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. К сожалению, как и в эксперименте с уменьшением времени контакта, изменения качественного состава и соотношения продуктов оказались в пределах ошибки аналитических методов.
Селективный синтез углеводов из формальдегида
Благодаря детальному исследованию механизма реакции Бутлерова, 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 10 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 двухстадииного процесса синтеза углеводов из формальдегида.
Так как и ретроальдольное расщепление, и альдольная конденсация протекают при щелочном катализе, 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, проведение синтеза углеводов в нейтральной среде в отсутствие растворенных ионов кальция позволит полностью исключить ретроальдольное расщепление синтезированньк углеводов.
В разделе 1.2 описан ряд работ, в которых повышение селективности реакции Бутлерова было достигнуто с использованием гетерогенных катализаторов в средах с рН близким к нейтральному. Наиболее ранние вызывающие сомнение результаты были получены в работе [112], в которой описана селективная олигомеризация формальдегида в рибулозу, катализируемая карбонатом кальция. Известно также, что синтетический корунд при рН = 7.4 [35] и карбонатоапатит [43] катализируют альдолизацию формальдегида, приводящую к неселективному образованию смеси углеводов. В работе [182] показана возможность образования гексоз за счет альдолизации глицеринового альдегида на железо-оксидном катализаторе.
В качестве гетерогенных катализаторов реакции конденсации формальдегида и низших углеводов мы использовали природные минералы апатит Cas(OH, CI, F)(P04)3 и вивианит Рез(Р04)2, синтетический гидроксоапатит Са5(ОН)(Р04)з, а также фосфат Саз(РСч)2 и карбонат кальция СаСОз.
В большинстве экспериментов в качестве исходного углевода был использован дигидроксиацетон из-за его меньшей по сравнению с другими низшими углеводами цены. Эксперименты с гликолевым и глицериновым альдегидами показали, что эти соединения в ходе реакции очень быстро переходят в Сз-кетозу.
В выбранных условиях концентрация формальдегида составляла 0.1 М, низшего углевода - 5 мМ, а гетерогенного катализатора - 10 мг/мл. Несмотря на то, что значение рН реакционной смеси поддерживали равным 7.3, что значительно замедляет протекание реакций окисления углеводов кислородом воздуха, все эксперименты проводили в инертной аргоновой атмосфере.
Кинетические зависимости концентрации дигидроксиацетона в присутствии различных гетерогенных катализаторов представлены на рис. 23. Изменение концентрации формальдегида во всех опытах было незначительным и сравнимо с уменьшением концентрации низшего углевода. Кинетические кривые для дигидроксиацетона во всех случаях спрямляются в координатах реакции первого порядка (рис.23). Несмотря на то, что в щелочной среде дигидроксиацетон является одним из наиболее активных инициаторов реакции Бутлерова, ни в одном из обсуждаемых опытов мы не наблюдали характерных для автокаталитических реакций S-образных кинетических кривых расходования формальдегида. Следовательно, в исследуемой системе формальдегид взаимодействует с дигидроксиацетоном стехиометрически.
Интересно, что в ходе реакции растворимость гидроксоапатита, которую оценивали по концентрации ионов Са в реакционной смеси, несколько повышалась. Наиболее вероятно, это объясняется образованием комплексов синтезированных углеводов с катионами кальция. Однако протекания реакций ретроальдольного расщепления в этом случае не наблюдалось.
В присутствии Саз(РС"4)2 значение рН реакционной смеси составляло 6.6, поэтому раствор в начале реакции подщелочили 0.1 М NaOH до значения рН 7.3, которое в ходе реакции оставалось неизменным. Скорость реакции, катализируемой фосфатом кальция, бьша ниже скорости реакции, катализируемой гидроксоапатитом. Тем не менее, в ходе реакции наблюдали образование тех же продуктов. Можно полагать, что понижение скорости реакции связано с более низкой растворимостью Саз(Р04)г (1.2-10"3 %) по сравнению с гидроксоапатитом (1.6-10 3 %); растворимость оценивали по концентрации ионов Са в реакционной смеси. В присутствии СаСОз реакция протекала практически с той же скоростью и приводила к тем же продуктам, что и реакция с фосфатом кальция.
Добавление природного апатита Cas(OH, CI, F)(P04)3 к раствору формальдегида и дигидроксиацетона приводило к повышению значения рН до 8.4, поэтому реакционную смесь периодически подкисляли 0.1 М НС1 до рН = 7.3. Продукты реакции в присутствии природного апатита и гидроксоапатита оказались одинаковыми, но скорость реакции в случае природного минерала была заметно выше.
В присутствии природного вивианита Рез(Р04)г значение рН исходного раствора составило 6.3 и понижалось в ходе реакции, поэтому смесь периодически подщелачивали 0.1 М NaOH. В этих условиях через 90 часов концентрация дигидроксиацетона значительно понизилась - до 1.6 мМ. Однако в смеси были идентифицированы лишь следы 3-пентулозы, разветвленной гексулозы и эритрулозы. По-видимому, в данном случае дигидроксиацетон в основном расходовался за счет реакции диспропорционирования, а не конденсации с формальдегидом.
