Кинетика щелочного гидролиза N-ацетилглюкозамина и D-глюкозамина Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

Новиков В.Ю. и др. Кинетика щелочного гидролиза.

УДК 544.4 : 542.93 : 547.459.5

Кинетика щелочного гидролиза N-ацетилглюкозамина и D-глюкозамина

12 2 В.Ю. Новиков , Е.Н. Чеботок , И.Н. Коновалова

1 Полярный научно-исследовательский институт морского рыбного хозяйства и океанографии им. Н.М. Книповича

2 Технологический факультет МГТУ, кафедра химии

Аннотация. В работе изучена кинетика щелочного гидролиза N-ацетилглюкозамина и D-глюкозамина в зависимости от температуры и концентрации реагентов. Предложена математическая модель процесса гидролиза, рассчитаны константа скорости и энергия активации реакций.

Abstract. The paper considers the kinetics of alkaline hydrolysis of N-acetylglucosamine and D-glucosamine depending on temperature and reagents' concentration. The mathematical model of hydrolysis has been proposed, velocity constants and the energy of reaction activation have been calculated.

1. Введение

Щелочной химический гидролиз хитина и хитозана является одним из основных методов деацетилирования этих природных полисахаридов с целью получения водорастворимых производных. Полное деацетилирование хитина и хитозана обычно не достигается при однократной обработке в концентрированной щелочи (Mima et al., 1983). Исследования щелочного гидролиза хитина показали, что в основном происходит расщепление ацетамидных связей. Деполимеризация макромолекул в щелочной среде протекает медленно и, по всей видимости, связана не со щелочным гидролизом, а с окислительной деструкцией гликозидных связей. Для уточнения механизма щелочного деацетилирования хитина и хитозана необходимо детальное исследование гидролиза молекул с различной молекулярной массой и мономеров - N-ацетилглюкозамина и D-глюкозамина. Практический и теоретический интерес представляет исследование механизмов процессов щелочного гидролиза этих моносахаридов в зависимости от условий гидролиза: температуры и концентрации щелочи.

Щелочной гидролиз хитина (ХТН) и хитозана (ХЗН) рассматривается в работах (Mima et al., 1983; Kurita, 2001; Нудьга и др., 1971; Kurita et al, 1977; Chang et al, 1997).

Анализ литературных данных показал, что до настоящего времени практически отсутствуют сведения по количественной оценке процесса химического гидролиза в рамках химической кинетики и оценке констант скоростей элементарных реакций. Ранее нами была сделана попытка построения математической модели щелочного деацетилирования хитина и хитозана (Новиков и др., 1990). Было установлено, что реакция деацетилирования хитина подчиняется кинетике первого порядка. В работе (Новиков, 2003) было показано, что скорость деацетилирования хитина и хитозана не зависит от начальной степени деацетилирования полисахарида.

В представленной работе изучен процесс щелочного гидролиза мономеров хитина и хитозана -АцГлА и ГлА для оценки констант скоростей этих реакций.

2. Объекты и методы анализа

В работе использовали D-глюкозамин (ООО "НТЦ Экобиотек-Мурманск") и N-ацетилглюкозамин (АцГлА), полученный ацетилированием D(+)-глюкозамина уксусным ангидридом по методике (Roseman et al, 1954):

CeHnNOs + (CH3CO)2O ^ C8H15NO6 + CH3COOH.

Гидролиз АцГлА проводили в водном растворе гидроксида натрия с концентрациями от 1 до 5 % при температуре 80°C (величина рН составляла 11-12). Полученные гидролизаты нейтрализовали водным раствором соляной кислоты с концентрацией сначала 1 моль/л и затем 0.1 моль/л до pH 7.0, фильтровали через пористый стеклянный фильтр с диаметром пор не более 10 мкм (ПОР 10) и определяли в них содержание АцГлА и ГлА (в моль/л).

Содержание АцГлА определяли спектрофотометрическим методом с ^№-диметилбензальдегидом по методике (Reissig et al., 1955).

Общее содержание АцГлА и ГлА оценивали спектрофотометрическим методом с гексацианоферратом калия (III) по методике (Imoto, Yagishita, 1971).

Содержание ГлА (моль/л) рассчитывали по разнице между общим количеством АцГлА+ГлА и количеством АцГлА.

3. Обсуждение результатов

На рис. 1 приведены кинетические кривые гидролиза АцГлА (кривые 1-3) и образования ГлА при гидролизе АцГлА (кривые 4-6) при 80^ и концентрации раствора NaOH 1 %, 3 % и 5 %. Процесс гидролиза АцГлА сопровождается образованием ГлА по реакции (1):

ОД^ + H2O

-> C6H11NO5 + CHзCOOH.

(1)

Одновременно с образованием ГлА происходит его разрушение, что наглядно подтверждается формой кинетических кривых образования ГлА (рис. 1, кривые 4-6). Из рис. 1 следует, что концентрация ГлА в реакционной смеси максимальна через 5-7 мин, далее несколько уменьшается и достигает постоянных значений через 10-15 мин после начала гидролиза. С увеличение концентрации NaOH выход ГлА уменьшается.

Известно, что в слабощелочной среде происходит енолизация моносахаридов, а в сильнощелочной - их разложение (осмоление) (Петров и др., 2002; Общая органическая химия, 1986). Поэтому можно предположить, что щелочной гидролиз ГлА сопровождается деацетилированием по реакции (1) и разложением образующегося продукта по реакции (2)

C6H11NO5

-> Р.

(2)

Для подтверждения полученных результатов был проведен гидролиз ГлА в тех же условиях: при концентрации №ОН 1-3 % и температуре 80°С.

Полученные кинетические кривые представлены на рис. 2.

Из данных, приведенных на рис. 2, следует, что при обработке щелочью глюкозамина его концентрация уменьшается и через 10-15 мин после начала гидролиза достигает постоянного значения. В исследованном диапазоне концентраций №ОН 1-3 % концентрация щелочи практически не влияет на скорость гидролиза ГлА.

Анализ кинетических кривых гидролиза АцГлА и ГлА (рис. 1 и 2) показал, что реакция гидролиза может быть описана кинетическими уравнениями первого порядка. Пользуясь выражением для описания реакции первого порядка (Семиохин и др., 1986)

к = 1/Г х 1п (Со/С),

были рассчитаны константы скорости реакций гидролиза АцГлА и ГлА.

Если предположить, что щелочной гидролиз АцГлА заключается в образовании ГлА и его разложении, то расчет констант скоростей гидролиза по уравнениям реакции (1) и (2) показывает, что константа скорости реакции к1 должна быть больше, чем это вытекает из предложенного механизма (ветви кривых 4-6 на рис. 1 должны после прохождения через максимум идти вниз, достигая нулевых значений).

0,04

0,03

1

0,02

I гидролиза,

Рис. 1. Кинетические кривые гидролиза АцГлА при

1 % (1), 3 % (2) и 5 % (3) №ОН и кинетические кривые образования ГлА при 1 % (4), 3 % (5) и 5 % (6) №ОН. Температура 353 К

0,01

5 10 !5 20

Время гидролиза, мин Рис. 2. Кинетические кривые гидролиза ГлА при 1 % (1), 3 % (2) и 5 % (3) №ОН. Температура 353 К

Новиков В.Ю. и др. Кинетика щелочного гидролиза...

Анализ полученных кинетических кривых позволил предположить, что щелочной гидролиз АцГлА и ГлА, кроме реакций (1) и (2), сопровождается реакциями их разложения с образованием конечных продуктов Р и 8, а также образованием из АцГлА, кроме ГлА, другого восстанавливающего моносахарида в (этот моносахарид также определяется используемой методикой вместе с ГлА) и его разложением.

Таким образом, в соответствии с предложенным механизмом, рассчитаны константы скоростей следующих элементарных реакций:

¿1

гидролиз АцГлА разложение ГлА

образование восстанавливающего моносахарида из АцГлА

разложение восстанавливающего моносахарида

разложение АцГлА

CgHjsNOe + H2O k 2

-> CsHnNOs + CH3COOH,

CH11NO5

CgHjsNOe k 4

-> P,

G,

G

QH15NO6

> R,

k5

-> S.

(1) (2)

(3)

(4)

(5)

Константы скоростей гидролиза АцГлА и ГлА при различной концентрации №ОИ, рассчитанные для элементарных реакции в соответствии с предложенным механизмом, приведены в табл. 1.

Таблица 1. Константы скорости гидролиза АцГлА и ГлА при разных концентрациях №ОИ

Константы скорости CNaOH

1 % 3 % 5 %

АцГлА k1+k3+k5, с-1 0.1331 0.1823 0.2561

ГлА k2, с-1 0.0960 0.1209 0.1395

Аналитическое описание предложенного механизма щелочного гидролиза было получено при решении системы дифференциальных уравнений с помощью программы Maple 7 (Waterloo Maple Inc.):

a(t) = Aoee'(k1 + k3 + k5 ]t, (6)

d(t) = (Mo / (k1+k3+k5-k2)}-e -k2t {1- e -(k1 + k3 + k5 - k2)t}, (7)

g(t) = (k3Ao / (k1+k3+k5-k4)}-e -k4t (1- e -(k1 + k3 + k5 - k4)t}, (8)

p(t) = k2 [{kA/ (k1+k3+k5-k2)}-{e"(k1 + k3 + k5 х1/ (k1+k3+k5) - \/k2e k2t}] + kA/ (k1+k3+k5), (9)

r(t) = k4 [{k3A0 / (k1+k3+k5-k4)}-{e"(k1 + k3+k5 х1/ (k1+k3+k5) - 1/k4e k4t}] + k3A0 / (k1+k3+k5), (10)

s(t) = {kA / (k1+k3+k5)}-{1- e "(k1 + k3 + k5)t}, (11)

где a(t), d(t), g(t), p(t), r(t), s(t) - текущие концентрации АцГлА, ГлА, восстанавливающего моносахарида G и конечных продуктов их разложения P, R и S, моль/л; A0 - начальная концентрация АцГлА, моль/л; k1, k2, k3, k4, k5 - константы скорости элементарных реакций (1), (2), (3), (4), (5) первого порядка, с-1. Результаты расчетов констант скоростей элементарных реакции приведены в табл. 2.

Таблица 2. Расчетные константы скоростей элементарных реакций щелочного гидролиза АцГлА

Константы скорости CNaOH

1 % 3 % 5 %

k1, с-1 0.0569 0.0621 0.0875

k2, с-1 0.096 0.1209 0.1395

k3, с-1 0.0304 0.0195 0.0359

k4, с-1 0.0049 0.0017 0.0091

k5, с-1 0.0458 0.1007 0.1327

Расчет кинетических кривых с использованием полученных констант скоростей реакций привел к удовлетворительному совпадению с экспериментальными результатами (рис. 3, 4 и 5), что подтверждает достоверность предложенного механизма щелочного гидролиза мономеров хитина и хитозана - АцГлА и ГлА.

Время гидролиза, мин Врекя падролиа. МИН Вк™ гвдропизв. мн

Рис. 3. Расчетные кинетические кривые и экспериментальные точки гидролиза АцГлА (1), кинетические кривые образования восстанавливающих сахаров ГлА +G (2) при 1 % (А), 3 % (Б) и 5 % (В), NaOH.

Температура 353 K

4. Выводы

1. На основании полученных кинетических зависимостей предложен механизм щелочного гидролиза АцГлА.

2. Рассчитаны константы скорости элементарных реакций щелочного гидролиза N-ацетилглюкозамина и глюкозамина.

Литература

Chang K.L.B., Tsai G., Lee J., Fu W.R. Heterogeneous N-deacetylation of chitin in alkaline solution.

Carbohydr. Res, v.303, N 3, p.327-332, 1997. Imoto T., Yagishita K. A simple activity measurement of lisozyme. Agr. Biol. Chem., v.35, N 7, p. 1154-1156, 1971.

Kurita K. Controlled functionalization of the polysaccharide chitin. Progr. Polym. Sci., v.26, N 9, p.1921-1971, 2001.

Kurita K., Sannan T., Iwakura Y. Studies on chitin, 4. Evidence for formation of block and random copolymers of N-acetyl-D-glucosamine and D-glucosamine by hetero- and homogeneous hydrolysis. Makromol. Chem, v.178, N 12, p.3197-3202, 1977. Mima S., Miya M., Iwamoto R., Yoshikawa S. Highly deacetylated chitosan and its properties. J. Appl. Polym.

Sci, v.28, N 6, p.1909-1917, 1983. Reissig J.L., Strominger J.L., Leloir L.F. A modified colorimetric method for the estimation of N-acetylamino

sugars. J. Biol. Chem, v.217, N 2, p. 959-966, 1955. Roseman S., Ludowieg J. N-Acetylation of the hexosamines. J. of the American Chem. Society, v.76, N 1, p.301-302, 1954.

Новиков В.Ю. Химический гидролиз хитина и хитозана. Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана: Матер. Седьмой Междунар. конф. (Санкт-Петербург - Репино 15-18 сент. 2003 г.), М, Изд-во ВНИРО, c.38-42, 2003. Новиков В.Ю., Орлова Т.А., Воронина И.Э. Кинетика реакции деацетилирования хитина и хитозана.

Изв. вузов. Пищевая технология, № 5, c.64-67, 1990. Нудьга Л.А., Плиско Е.А., Данилов С.Н. Получение хитозана и изучение его фракционного состава.

ЖОХ, т.41, № 11, c.2555-2559, 1971. Общая органическая химия. Под ред. Д. Бартона, У. Д. Оллиса. Том 11. Липиды, углеводы,

макромолекулы, биосинтез. М., Химия, 736 с., 1986. Петров А.А., Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия: Учебник для вузов. СПб., "Иван Федоров", 624 с., 2002.

Семиохин И.А., Страхов Б.В., Осипов А.И. Кинетика гомогенных химических реакций. М., Изд-во Моск. ун-та, 232 с., 1986.