10856 (Химические реакции в микрогетерогенных системах), страница 2

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.

При широкомасштабном использовании биокатализа для производства гидрофобных сложных эфиров возникает ряд практических проблем. Удаление ПАВ из продукта реакции представляет значительные трудности, поскольку обычные методы очистки становятся ненадежными из-за эмульгирования и пенообразования, вызываемых поверхностно-активными веществами.

Интересным развитием применения микроэмульсий для синтеза оказалось использование в качестве реакционной среды гелей, основанных на микроэмульсиях. Их получают смешиванием обычных микроэмульсий типа «вода в масле» с водными растворами желатина при температурах выше температуры гелеобразования последнего. Затем смесь охлаждают в колонке и получают жесткий гель.

Спектроскопическими методами было установлено, что микроэмульсионная структура сохраняется в геле и его можно рассматривать как иммобилизованную микроэмульсию, содержащую фермент. Такой гель устойчив по отношению к углеводородным растворителям. При введении в верхнюю часть колонки с таким гелем углеводородного раствора кислоты и спирта, образующийся соответствующий сложный эфир можно выделить элюированием. Этот элегантный способ устраняет проблемы, связанные с выделением продукта и ПАВ из реакционной смеси.