Химические реакции в микрогетерогенных системах

Химические реакции в микрогетерогенных системах

2

Реферат

по биологии

на тему:

«Химические реакции в микрогетерогенных системах»

2009

Капли микроэмульсии как микрореакторы для химических реакций

Микроэмульсии, будучи микрогетерогенными смесями масла, воды и поверхностно-активных веществ, являются прекрасными растворителями как для неполярных органических соединений, так и для неорганических солей. Способность микроэмульсий солюбилизировать широкий спектр веществ в однофазной композиции нашла применение для многих технологических целей. Микроэмульсии являются непревзойденными системами для очистки твердых поверхностей, обычно загрязненных сложными смесями гидрофильных и гидрофобных компонентов.

Недавно стало понятно, что микроэмульсии являются перспективными системами для использования их в качестве реакционных сред для разнообразных химических реакций. В препаративной органической химии микроэмульсии можно использовать для преодоления проблем растворимости реагентов, а также для увеличения скорости реакции, что обсуждается далее. Микроэмульсии представляют интерес и для неорганической химии. Установлено, что микроэмульсии типа «вода в масле» удобны для приготовления тонких дисперсий металлов и неорганических солей.

Можно привести другой пример использования микроэмульсий для получения частиц -- это приготовление монодисперсных латексов с очень небольшим размером частиц. При полимеризации в микроэмульсиях «вода в масле» получены ультратонкие дисперсии полимеров с очень большой молекулярной массой. В биоорганическом синтезе микроэмульсии «вода в масле» можно использовать как для реакций конденсации, так и для реакций гидролиза. Большинство публикаций посвящено реакциям гидрофобных субстратов, катализируемым липазой. Фермент локализуется в микрорезервуарах воды, а реакция протекает на межфазной поверхности масло-вода.

Перечисленные выше четыре типа реакций в микроэмульсиях свидетельствуют о появлении новых перспективных технологий. Во всех случаях микроэмульсии в качестве реакционных сред обладают несомненным преимуществом по сравнению с традиционными системами, поскольку имеют большую внутреннюю межфазную поверхность. Ниже подробнее рассмотрены указанные четыре типа реакций.

В литературе, посвященной реакциям в микрогетерогенных средах, часто не делается четкого различия между микроэмульсиями и мицеллярными системами. Композиции с большим соотношением вода/масло иногда относят к мицеллярным системам, а с большим соотношением масло/вода -- к обращенным мицеллярным системам. Термин «микроэмульсия» используется для систем, содержащих значительные количества обоих компонентов. Все системы, содержащие масло, воду и ПАВ, называются микроэмульсиями, независимо от относительного содержания компонентов. Термин «мицеллярные системы» применяется лишь к системам, состоящим только из воды и ПАВ.

Поверхностно-активные вещества в реакциях мицеллярного катализа

Каталитический эффект в органических реакциях, вызываемый мицеллами, достаточно подробно исследован на примере щелочного каталитического гидролиза липофильных сложных эфиров. Такой тип ускорения реакций называют мицеллярным катализом. Аналогичные эффекты в микроэмульсиях можно назвать микроэмульсионным катализом.

Увеличение скорости реакции, обусловленное микроструктурой реакционной среды, может быть весьма значительным. Влияние мицеллообразования на скорость реакции связано, прежде всего, с разделением реагентов. Выход реагентов на межфазную поверхность мицелла-раствор или, напротив, уход с этой поверхности оказывает каталитическое или ингибирующее влияние на скорость реакции в зависимости от типа реакции и природы мицеллы. Для описания этих явлений чаще всего используется псевдофазная кинетическая модель, в которой предполагается, что мицеллы образуют отдельную, отличную от воды фазу. Распределение реагентов между мицеллярной псевдофазой и водой влияет на скорость реакции, которая является суммой скоростей реакции в каждой фазе. Описаны многочисленные примеры сильного увеличения скорости реакций между положительно заряженными поверхностно-активными компонентами и отрицательно заряженными водорастворимыми компонентами или наоборот. Подробно изучен мицеллярный катализ щелочного гидролиза длинноцепочечных эфиров бетаина. Эта реакция описана ниже.

Эфиры бетаина, которые включают остатки нормальных спиртов, содержащих в гидрофобной цепи от 10 до 14 атомов углерода, представляют значительный интерес, поскольку являются бактерицидами с регулируемым периодом полураспада. В этих соединениях катионный заряд, расположенный вблизи эфирной связи, сообщает частичный положительный заряд карбонильному атому углерода. Повышенная электрофильность этой группы делает такой эфир чрезвычайно чувствительным к щелочному гидролизу и устойчивым к кислот ному гидролизу. Реакция щелочного гидролиза показана на рис. 1.

На рис. 2 представлены зависимости констант скорости гидролиза серии сложных эфиров бетаина, остатки алифатических спиртов в которых содержат от 3 до 14 атомов углерода, от концентрации эфира. Гидролиз пропилового эфира не зависит от концентрации, а поверхностно-активные эфиры обнаруживают существенную зависимость от концентрации, что указывает на механизм мицеллярного катализа. Участки сильного возрастания констант скорости реакции определяются мицеллообразованием. При этом эфирные связи бетаинов и гидроксид-ионы концентрируются в небольшой псевдофазе, образующейся вокруг мицелл. Нисходящие ветви зависимостей связаны с вытеснением гидроксид-ионов в результате возрастания концентрации бромид-ионов, играющих роль противоионов.

Изучать влияние электролитов на мицеллярный катализ важно с практической точки зрения. На рис. 3 показано влияние добавок обычных солей на скорость гидролиза тетрадецилового эфира. Видно, что соли резко снижают скорость гидролиза. В присутствии бромида натрия константа скорости становится ниже, чем у пропилового эфира, не обладающего поверхностной активностью. Этот эффект объясняется в рамках псевдофазной модели, в которой распределение ионов между водной и мицеллярными фазами подчиняется механизму ионного обмена. Небольшие с высокой плотностью заряда гидроксид-ионы хуже конкурируют за мицеллярную фазу, чем более крупные ионы с меньшей плотностью заряда. Эти поляризующиеся ионы сильно взаимодействуют с поверхностью мицеллы. Как видно из рисунка, бромид-ионы очень эффективно вытесняют гидроксид-ионы из мицеллярной фазы. Таким образом, в присутствии бромида натрия локальная концентрация гидроксид-ионов вблизи сложноэфирной связи понижается, что приводит к замедлению гидролиза.

Рис. 1. Схема щелочного гидролиза эфиров бетаина

Рис. 2. Зависимость констант скорости гидролиза ?Набл от концентрации сложных эфиров бетаина с четырьмя различными спиртами. R -- алкильная группа алкилбетаинатов, показанных на рис. 1

Рис. 3. Влияние типа и концентрации неорганических солей на константу скорости гидролиза тетрадецилбетаината; штриховая линия -- зависимость константы скорости гидролиза пропилбета-ината от концентрации электролита

Каталитические мицеллярные эффекты также исчезают в присутствии противоположно заряженных гидрофобных поверхностно-активных веществ. Как видно из рис. 5, кислоты с гидрофобными радикалами средней длины ингибируют гидролиз, скорость которого становится равной скорости гидролиза пропилбетаината. Тетрадекановая кислота почти полностью останавливает гидролиз при концентрации ниже 5 мМ. Этот эффект объясняется образованием смешанных мицелл тетрадецилбетаината и тетрадеканоата. Выше некоторой концентрации тетрадеканоата заряд мицелл становится отрицательным, что приводит к отталкиванию между гидроксид-ионами и мицеллярной поверхностью.

Микроэмульсии как растворители для органического синтеза

Использование микроэмульсий в органическом синтезе оказалось чрезвычайно полезным, поскольку они способны солюбилизировать полярные и неполярные компоненты, а также пространственно разделять или концентрировать реагенты. Дальнейшее обсуждение использования микроэмульсий можно разделить на три направления: а) решение проблемы несовместимости реагентов, б) реакции, где достигается специфический каталитический эффект, в) регулирование ре-гиоселективности реакций.

Рис. 4. Мицеллярный катализ обусловлен высокими концентрациями реагентов на поверхности мицеллы. Гидроксид-ионы могут вытесняться не участвующими в реакции ионами, например бромид-ионами, тогда каталитический эффект исчезает

Рис. 5. Влияние гидрофобных поверхностно-активных кислот на константу скорости гидролиза тетрадецилбетаината; пунктирная линия -- гидролиз пропилбетаината

Решение проблемы несовместимости реагентов

В органическом синтезе одной из распространенных практических проблем является достижение эффективного контакта между неполярными органическими компонентами и неорганическими солями. Существует множество примеров важных реакций, в которых исследователи сталкиваются с этой проблемой: щелочной гидролиз сложных эфиров, окислительное расщепление олефинов перманганатом и периодатом, присоединение групп HSCb- к альдегидам и концевым алкеновым связям, получение алкилсульфонатов при взаимодействии алкилхлоридов с сульфитами или при присоединении гидросульфит-иона к б-олефиноксидам. Этот список можно продолжить. Для всех приведенных примеров характерна общая проблема совместимости реагентов, особенно если органический компонент представлен большими неполярными молекулами.

Сейчас уже разработаны различные пути решения проблемы плохого межфазного контакта, затрудняющего проведение реакций органического синтеза. Один из них -- использование растворителя или смеси растворителей, способных растворять как органическое соединение, так и неорганические соли. Для этой цели иногда пригодны полярные апротонные растворители, но большинство из них не подходят для крупномасштабных производств либо из-за токсичности, либо из-за трудности их удаления вакуумной перегонкой.

Альтернативный путь заключается в проведении реакций в системах с двумя несмешивающимися растворителями. При этом площадь межфазного контакта можно увеличивать путем перемешивания. При проведении реакций в двухфазных системах полезно использовать реагенты, обладающие свойствами межфазных переносчиков. Такими свойствами обладают четвертичные аммониевые соединения и краун-эфиры. Последние оказались также весьма эффективны для решения проблемы контакта разнородных фаз, однако их использование ограничено высокой стоимостью. Полиоксиэтиленовые соединения с открытыми цепями часто обнаруживают эффекты, аналогичные описанным для краун-эфи-ров, и могут представлять практический интерес как альтернативные реагенты, обеспечивающие межфазный перенос.

Микроэмульсии одинаково хорошо растворяют гидрофобные органические вещества и неорганические соли. Эти макроскопически гомогенные системы в микроскопическом масштабе представляют собой дисперсии и могут рассматриваться как промежуточные системы между однофазными растворами и истинно двухфазными системами. В связи с этим микроэмульсии являются альтернативой двухфазных систем с межфазными переносчиками. Сказанное можно показать на примере микроэмульсий, использующихся для детоксикации горчичного газа.

Горчичный газ -- широко известный представитель химического оружия. Несмотря на то, что в лабораторных условиях он подвержен быстрой гидролитической дезактивации, когда скорости измеряются при низких концентрациях субстрата, на практике его дезактивация происходит не столь легко. Из-за очень низкой растворимости в воде горчичный газ в течение многих месяцев остается на поверхности воды. Добавление каустической соды не приводит к заметному увеличению скорости его гидролитического распада. Микроэмульсии были исследованы в качестве сред для гидролиза и окисления «полугорчичного» газа -- вещества, моделирующего горчичный газ. Оказалось, что окисление гипохлоритом протекает чрезвычайно быстро как в микроэмульсиях «масло в воде», так и «вода в масле». В микроэмульсиях, основанных на ПАВ любого типа, полное окисление «полугорчичного газа» до сульфоксида происходило не более чем за 15 с. Эта реакция протекает за 20 мин в двухфазных системах в присутствии межфазных переносчиков.

Рис. 6. Превращение 2-хлорэтилсульфида: в 2-гидроксиэтил-сульфид в щелочной среде и в 2-хлорэтилсульфоксид под действием гипохлорита натрия

Микроэмульсии как реакционные среды можно использовать в качестве альтернативы катализа с фазовым переносом. При этом наилучших результатов добиваются при комбинации обоих подходов. Скорость реакции

резко повышается, если ее проводить в микроэмульсии с добавлением катализатора фазового переноса

Рис. 7. Скорость реакции раскрытия цикла липофильного эпоксида под действием гидросульфита. Реакция проведена в двухфазной системе и в микроэмульсиях без добавок и в присутствии межфазного переносчика

Для проведения реакций органического синтеза совсем не обязательно использовать однофазные микроэмульсии. Установлено, что для большинства реакций подходят системы Винзора I или Винзора III. В таких системах скорость переноса реагентов между микроэмульсионной фазой, в которой протекает реакция, и избытком масла или воды намного превышает скорость реакции. Это важно с практической точки зрения, поскольку облегчает составление микроэмульсионных композиций. Составление композиций для получения микроэмульсий типа Винзора I или Винзора III намного проще, чем для получения однофазной микроэмульсии с участием всех компонентов реакционной смеси.

Специфическое увеличение скорости реакции

Соответствующим подбором ПАВ можно добиться такого же увеличения скорости, как при мицеллярном катализе. Этот эффект называют микроэмульсионным катализом.

Влияние выбора ПАВ на выход реакции покажем на примере реакции между децил бромид ом и сульфитом натрия, в результате которой образуется поверхностно-активное вещество децилсульфонат:

Реакцию проводили в микроэмульсиях, образующихся при смешивании де-цилбромида, растворенного в декане, и водного раствора Na2SOs при использовании неионных ПАВ или их смесей с небольшими количествами ионного ПАВ.

Реакция протекает чрезвычайно медленно при смешении реагентов, растворенных в масляной и водной фазах в отсутствие ПАВ, весьма медленно в жидкокристаллической фазе и быстро в обеих микроэмульсионных системах. Из рис. 8 видно, что небольшие добавки к неионному ПАВ ионного ПАВ, сообщающего отрицательный заряд поверхности микроэмульсионных капелек, приводит к замедлению реакции. Этот результат вполне ожидаем, поскольку электростатические силы двойного электрического слоя затрудняют подход сульфит-иона к межфазной области.

Может показаться удивительным, что добавка одного катионного ПАВ уменьшает скорость реакции, в то время как введение другого катионного ПАВ приводит к заметному увеличению скорости реакции. Именно эти результаты позволяют понять, что решающее влияние на скорость реакции оказывает природа противоиона. Большой поляризующийся бромид-ион так сильно взаимодействует с адсорбционным слоем, что полностью исключает подход анионного реагента к межфазной области. Взаимодействие межфазного слоя ПАВ микроэмульсионных капель с ацетат-ионом гораздо слабее и не затрудняет диффузию сульфит-иона к межфазной области, где протекает реакция. Влияние электролита на кинетику реакции аналогично влиянию электролита на щелочной гидролиз поверхностно-активных сложных эфиров бетаина.

Рис. 8. Влияние добавок ионных ПАВ на скорость образования децилсульфоната из децилбромида и сульфита натрия в микроэмульсиях на основе НПАВ

Влияние на региоселективность

Наличие межфазной поверхности масло-вода в микроэмульсиях индуцирует ориентацию реагентов в ней, что в свою очередь оказывает влияние на региоселективность органических реакций. В реакциях с бифункциональными компонентами, локализованными на границе раздела фаз, функциональные группы, ориентированные в сторону воды, вступают в реакцию с водорастворимыми реагентами, а ориентированные в сторону масляной фазы -- с маслораст-воримыми. Региоселективность -- важный аспект органического синтеза, а использование межфазных границ масло-вода в качестве темплата для реакции является альтернативой другим подходам, используемым для осуществления региоселектиных реакций.

Рис. 9. Ориентация реагентов на межфазной границе микроэмульсии может индуцировать региоселективность. Водорастворимый реагент Y атакует молекулы соединения с двумя реакционноспо-собными группами со стороны водной фазы, в то время как маслорастворимый реагент X атакует реакционноспособные группы со стороны масляной фазы

Микроэмульсии как среды для ферментативных реакций

Потенциальные преимущества использования ферментов в средах с низким содержанием воды сводятся к следующему.

1) Повышенная растворимость неполярных реагентов.

2) Возможность сдвигать термодинамические равновесия в сторону конденсации.

3) Улучшение термостабильности ферментов, что позволяет проводить реакции при повышенных температурах.

На самом деле использование ферментов в средах с низким содержанием воды не столь уж противоречит природе. Многие ферменты, включая липазы, эстеразы, дегидрогеназы и оксидоредуктазы, часто функционируют в клетках в гидрофобном окружении. А использование ферментов в микроэмульсиях вообще нельзя считать искусственным подходом. В биологических системах многие ферменты работают на межфазных поверхностях между гидрофобными и гидрофильными доменами. Такие поверхности часто стабилизированы полярными липидами и другими природными дифильными веществами.

Ферментативный катализ в микроэмульсиях неоднократно использовался для проведения различных реакций, например для синтеза сложных эфиров, пептидов, ацеталей Сахаров, переэтерификации, реакций гидролиза а также для трансформации стероидов. В этих реакциях в качестве ферментов использованы липазы, фосфолипазы, щелочная фосфатаза, пирофосфатаза, трипсин, лизоцим, б-химотрипсин, пептидазы, глюкозидазы и оксидазы.

Наиболее широко используемый в микроэмульсиях класс ферментов -- это липазы различного происхождения, от микробиальных до животных. Ниже рассматриваются некоторые примеры реакций, катализируемых липазами, включающие синтез сложных эфиров и переэтерификацию. Сначала остановимся на некоторых общих аспектах ферментативного катализа в микроэмульсиях.

Активность ферментов в микроэмульсиях «вода в масле»

Роль воды, связанной с ферментами, в биокатализе до сих пор до конца не выяснена. Влияние воды на катализ определяется природой фермента. Например, некоторые липазы обладают высокой активностью и стабильностью в органических растворителях, содержащих следовые количества воды, в то время как другие липазы обнаруживают оптимальную активность лишь при достаточно большом соотношении вода/органический растворитель. Для большинства ферментов установлена колоколообразная зависимость активности от соотношения в реакционной смеси воды и поверхностно-активных веществ. Это молярное соотношение обычно обозначают как Wo. Типичный пример такой зависимости приведен на рис. 10.

Рис. 10. Зависимость начальной скорости липолиза в микроэмульсиях «вода в масле» от соотношения воды и ПАВ

Как правило, максимальная активность наблюдается при значении Wo, при котором размер капельки оказывается немного больше включенного в нее фермента. В таких системах фермент обладает повышенной активностью по сравнению с активностью в водном растворе.

Аномальную активность фермента пытались объяснять конформационными изменениями солюбилизированного фермента, что не согласуется с результатами недавно проведенных спектроскопических исследований. Солюбилизация фермента в обращенных мицеллах обычно не приводит к существенным конформационным изменениям, что подтверждено методами флуоресцентной и фосфоресцентной спектроскопии. Проблема достаточно сложная, поскольку, например, по данным метода кругового дихроизма межфазная поверхность оказывает различное влияние на конформацию ферментов, даже относящихся к одному и тому же классу.

Выбор растворителя

Органический растворитель, используемый для микроэмульсионной композиции, должен быть неполярным. По-видимому, гидрофобность растворителя является ключевым фактором, определяющим активность фермента. Установлена хорошая корреляция между гидрофобностью органического растворителя, выраженной через IgP, и активностью фермента. Как правило, стабильность фермента и его активность оказываются плохими в относительно гидрофильных растворителях, для которых IgP < 2; умеренную активность и стабильность ферменты проявляют в растворителях, если значения IgP лежат в интервале от 2 до 4; ферменты остаются стабильными и проявляют высокую активность в гидрофобных растворителях при IgP > 4. Замена одного растворителя на другой, слабо отличающийся по свойствам, например циклогексана на нонан, может привести к резкому увеличению стабильности фермента. Рациональное объяснение этой классификации растворителей заключается в том, что в случае очень гидрофобного растворителя достигается эффективное разделение доменов воды и масла. Такие растворители не влияют на слой воды вокруг фермента, способствуя сохранению его активности. Это ограничивает круг пригодных органических растворителей алифатическими углеводородами с семью или более атомами углерода. В то же время для практических задач низшие углеводороды более предпочтительны, поскольку по завершении реакции они легко удаляются из системы испарением. Как компромисс в большинстве случаев в качестве масляной фазы для ферментативных реакций в микроэмульсиях используют гептан, октан и нонан.

Структура капель микроэмульсий, содержащих белки

Большинство ферментативных реакций в микроэмульсиях проведено в системах типа «вода в масле», в которых фермент заключен в доменах воды. Систему можно представить следующей картиной: капельки воды диспергированы в масле, причем некоторые капельки содержат молекулу фермента, а другие остаются пустыми. В одной капле может находиться только одна молекула фермента, которая полностью окружена водой. Некоторые результаты свидетельствуют о том, что капельки микроэмульсии с включенным ферментом крупнее пустых.

Эта модель «водной оболочки» предполагает, что молекула фермента находится внутри капельки воды, и поэтому она пригодна только для описания гидрофильных белков, не имеющих протяженных гидрофобных участков. Однако многие ферметы, прежде всего липазы, поверхностно-активны и взаимодействуют с межфазными границами масло-вода, выходя из объема капельки воды. Например, для липаз гидрофобная поверхность необходима для раскрытия активного центра. Таким образом, слой воды между активным центром фермента и протяженным углеводородным доменом, по-видимому, отсутствует.

Синтез сложных эфиров, катализируемый липазами

Синтез сложных эфиров монофункциональных спиртов, катализируемый липазами, с хорошими выходами протекает в микроэмульсиях. Липазы различной природы обладают разной специфичностью по отношению к длине алкильной цепи кислоты и к типу спирта. Такая селективность определяется локализацией молекулы фермента на межфазной поверхности масло-вода. Следовательно, за селективность ответственны не только специфичность белка в водном растворе, но и его гидрофильно-липофильный характер. Это объясняет различия в регио-селективности биоорганических и органических реакций, протекающих в гомогенных и микрогетерогенных средах. Этерификация жирных кислот простыми сахарами в микроэмульсиях «вода в масле» протекает с очень низкими выходами, по-видимому, из-за плохого контакта между фазами. Однако моноэфиры Сахаров с высокими выходами можно получать при этерификации под действием липаз в средах, не содержащих воды.

Страницы: 1, 2