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.
Скачать реферат