CC BY
79
УДК 542.92+542.957.2+547.729.7
Т. Д. Хлебникова (д.х.н., проф.)1, И. В. Хамидуллина (асп.)2, М. А. Хусаинов (к.х.н., проф.)2, Т. В. Кирсанова (асп.), Е. А. Кантор (д.х.н., проф., зав. каф.)2
Синтез фурилзамещенных 1,3-диоксациклоалканов и их использование в качестве стимуляторов роста сульфатвосстанавливающих бактерий
Уфимский государственный нефтяной технический университет, 1 кафедра прикладной экологии, 2кафедра физики 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1; тел. (347) 2605861, 2420718; e-mail: [email protected]
T. D. Khlebnikova, I. V. Khamidullina, M. A. Khusainov, T. V. Kirsanova, E. A. Kantor
Synthesis of substances containing furyl substitute 1,3-dioxacycloalkanes and their using as growth promoters for sulfate-reducing bacteria
Ufa State Petroleum Technological University 1, Kosmonavtov Str, 450062, Ufa, Russia; ph. (347) 2605861, 420718; e-mail: [email protected]
Предложено использование 2-(фурил-2)-1,3-ди-оксациклоалканов, синтезированных по разработанной упрощенной методике взаимодействием фурфурола с диолами и полиолами, в качестве стимуляторов роста сульфатвосстанавливающих бактерий (СВБ), применяемых в процессе биохимической очистки сточных вод от сульфатов и тяжелых металлов. Установлено, что наибольшим стимулирующим действием на процесс биохимической сульфатредукции и генерацию сероводорода обладает 2-(фурил-2)-1,3-диоксолан — действующее вещество известного регулятора роста растений «Фуролан».
Ключевые слова: 2-(фурил-2)-1,3-диоксацик-лоалканы; стимуляторы роста; сульфатвосста-навливающие бактерии (СВБ); биохимическая очистка сточных вод; сульфаты; тяжелые металлы; биохимическая сульфатредукция; сероводород.
Обычные методы синтеза циклических ацеталей в присутствии катализаторов кислой природы 1 мало пригодны для получения фурилзамещенных 1,3-дигетероциклоалканов из-за своеобразия свойств соединений, содержащих фурановое ядро. В условиях повышенных температур, в присутствии кислотных катализаторов понижается селективность реакции конденсации, идут побочные процессы полимеризации и осмоления 2.
Согласно известной методике 3 (метод А), реакция ацетализации диолов и полиолов фурфуролом проводится в кипящем ароматичес-
Proposed using of 2-(furyl-2)-1,3-dioxacycloalka-nes, synthesized by the interaction between furfural and diols or polyols by the developed simplified method, as matters that promote growth sulfate-reducing bacteria (SRB), which are used in the process of biochemical sewage treating from sulphates and heavy metals. Established that the greatest stimulatory effect on the biochemical sulphate reduction and generation of hydrogen sulfide has 2-(furyl-2)-1,3-dioxolan — the active ingredient of known plant growth regulator «Furolan».
Key words: 2-(furyl-2)-1,3-dioxacycloalkanes; growth promoters; sulfate-reducing bacteria (SRB); biochemical sewage treating; sulphates; heavy metals biochemical sulphate reduction; hydrogen sulfide.
ком растворителе (бензол, толуол) с азеотроп-ной отгонкой образующейся воды в присутствии катионита КУ-2 в качестве катализатора.
Нами разработан удобный метод синтеза фурилзамещенных циклических ацеталей взаимодействием фурфурола с диолами и поли-олами (1а-е), особенностью которого является образование продукта конденсации в виде отдельной фазы (метод Б). Таким образом синтезированы 2-(фурил-2)-1,3-диоксациклоалканы (2а-е) за 0.25—0.5 ч с выходами 82—94 % при комнатной температуре в присутствии разбавленной серной кислоты 4'5 (табл. 1).
Дата поступления 18.12.11 190 Башкирский химический журнал. 2012. Том 19. Жо 1
п = 0 (1 а, 2 а); п = 1 (1 б-е, 2 б-е), Я1 = Н (1 а-в, 1 д-е, 2 а-в, 2 д-е,), Я1 = СН3 (1 г, 2 г); Я2 = Н (1 а-б, 1 д-е, 2 а-б, 2 д-е), СН3 (1 в-г, 2 в-г); Я3 = Н (1 б-г, 2 б-г), СН3 (1 д, 2 д), С2Н5 (1 е , 2 е) Я4 = Н (1 б-г, 2 б-г), СН3 (1 д, 2 д), СН2ОН (I е, 2 е)
Для определения оптимальных условий реакции на примере диоксана (2е), имеющего максимальное практическое применение среди синтезированных соединений в качестве регулятора роста растений, изучена зависимость выхода и изомерного состава от соотношения реагентов (рис. 1) и количества используемого катализатора (рис. 2).
Рис. 1. Зависимость выхода и изомерного состава 2-(фурил-21)-5-гидроксиметил-5-этил-1,3-диоксана (2 е) от соотношения реагентов
Рис. 2. Зависимость выхода 2-(фурил-21)-5-оксиме-тил-5-этил-1,3-диоксана (2 е) от количества используемого катализатора
Установлено, что оптимальное мольное соотношение фурфурола и 1,1,1-триметилолп-ропана 1е (этриола) близко к 1:1. Использование избытка альдегида не приводит к существенному увеличению выхода целевого продукта и одновременно сопровождается ухудшением селективности по транс-изомеру 5. Проводя реакцию в присутствии различных катализаторов кислой природы, мы пришли к выводу, что оптимальным катализатором в данном синтезе является 10%-ный раствор серной кислоты, взятый в массовом отношении к фурфуролу, равном 1:100. Худшие результаты получены при использовании раствора соляной кислоты, эфирата трехфтористого бора и катионообменной смолы КУ-2. Увеличение количества используемой серной кислоты или применение ее в реакции в виде более концентрированных растворов приводит к снижению выхода продукта, что связано с усилением процесса полимеризации фурфурола в кислой среде.
Подобранные таким образом соотношение реагентов и тип катализатора применены и в синтезе других 2-(фурил-2)-1,3-диоксацикло-алканов (2а-д) (табл. 1).
Одновременное присутствие в молекуле вещества фурильного и диоксациклоалканово-го фрагментов является залогом его высокой биологической активности 6. Два из синтезированных соединений являются действующими веществами (д.в.) известных регуляторов роста растений. «Фуролан» (2а) и «Краснодар-1» (2е). Синтезированный по новой технологии 5-этил-5-гидроксиметил-(2-фурил-2)-1,3-диок-сан (2е) является, кроме того, д.в. препарата «Фэтил» 7 — усовершенствованной формы препарата «Краснодар-1».
Известно, что многие регуляторы роста растений оказывают положительное влияние
Таблица 2
Конверсия сульфатов и генерация сероводорода в процессе культивирования СВБ
Условия и результаты синтеза 2-(фурил-2)-1,3-дигетеро-циклоалканов
№ п (*2 Условия Выход, %
0С Соотн. реаг-в ГО (% моль) т, мин
2 а 0 н н - - 20 1 :1 н2Э04(1) 30 82
2 б 1 н н н н 20 1 1 н2Э04(1) 15 84
2 в 1 н снз н н 20 1 1 н2Э04(1) 15 86
2 г 1 СНз снз н н 20 1 1 н2Э04(1) 30 91
2 д 1 н н ^3 20 1 1 н2Э04(1) 15 88
2 е 1 н н CH2OH C2H5 20 1 1 н2Э04(1) 20 94
2 е 1 н н CH2OH C2H5 20 1:1.5 н2Э04(1) 20 81
2 е 1 н н CH2OH C2H5 30 1 1 н2Э04(1) 20 79
2 е 1 н н CH2OH C2H5 10 1 1 н2Э04(1) 20 64
2 е 1 н н сн20н C2H5 20 1 1 н2Э04(3) 20 45
2 е 1 н н ^он C2H5 20 1 1 НС1 (1) 20 54
Время, сутки Концентрация сульфатов, мг/л / Концентрация сероводорода, мг/л
Контроль 1 а 2 б 2 в 2 г 2 д 2 е
0 3000/138 3000/133 3000/136 3000/143 3000/152 3000/138 3000/140
5 920/607 905/614 1180/505 1060/584 915/607 928/575 1115/600
10 390/665 258/707 480/726 338/798 412/791 315/802 422/781
15 388/672 112/799 388/784 180/825 295/808 156/815 308/787
20 348/775 98/833 375/782 178/823 268/799 152/819 257/792
25 338/765 88/826 337/776 175/819 253/783 149/820 248/780
30 338/766 15/824 337/772 38/816 238/780 36/817 216/780
35 338/763 15/824 337/772 38/816 238/780 36/817 216/780
на рост и развитие отдельных видов микроорганизмов. Исходя из этого, представляет интерес изучение возможности применения соединений 2а-е в качестве стимуляторов роста сульфатвосстанавливающих бактерий (СВБ), используемых для очистки промышленных сточных вод от сульфатов и тяжелых металлов. СВБ утилизируют сульфаты и органику, присутствующие в сточных водах и генерируют сероводород, осаждающий ионы тяжелых металлов в виде нерастворимых сульфидов 8.
О стимуляции роста СВБ можно судить по конверсии сульфатов, содержащихся в модельной сточной воде и росту концентрации И2Б (табл. 2). Установлено, что среди исследуемых соединений наибольшую стимулирующую активность проявил 2-(фурил-2)-1,3-ди-оксациклопентан (2а), являющийся действующим веществом регулятора роста растений «Фуролан», относящегося к V классу малоопасных соединений, не обладающего мутагенным, канцерогенным, эмбриотоксичным действием 6 и легко синтезируемого из доступных реагентов — этиленгликоля и фурфурола. Положительное влияние на рост и развитие СВБ
оказывают также соединения 2в и 2д, что позволяет рассматривать фурилзамещенные 1,3-диоксациклоалканы как потенциальные стимуляторы роста СВБ, интенсифицирующие процесс анаэробной биохимической очистки сточных вод.
Экспериментальная часть
Продукты синтезов анализировали на хроматографе ЛХМ-8 МД с детектором по теплопроводности, колонка 3000х3 мм, с неподвижной фазой БЕ-30 (5% на СЬгоша1оп N AW), газ-носитель — гелий, рабочая температура 80—220 оС. Спектры ЯМР1 (Н) записаны на спектрометре Тев1а ББ-467 (100 Мгц) при 24—26 оС. В качестве внутреннего стандарта использован ГМДС, в качестве растворителя -СС14. Исходные реагенты для синтеза 1,3-ди-оксациклоалканов (диолы и полиолы) использовались реактивной чистоты без специальной дополнительной очистки, при необходимости перегонялись при атмосферном давлении. Для использования в синтезах 2-(фурил-2)-1,3-дигете-роциклоалканов по разработанной методике 4
фурфурол подвергался азеотропной перегонке с водой.
Синтез 5-этил-5-гидроксиметил-2-(фурил-2)-1,3-диоксана (2е) проводился по известной ранее методике 3 (способ А) и по разработанной авторами методике 4 (способ Б).
Cпособ А. В трехгорлую круглодонную колбу, снабженную мешалкой, ловушкой Дина-Старка с обратным холодильником и подводом инертного газа помещали 96 г (1 моль) свеже-перегнанного фурфурола, 134 г (1 моль) расплавленного 1,1,1-триметилолпропана (этрио-ла) и 500 см3 абсолютизированного над натрием бензола. В холодную реакционную смесь добавляли катализатор КУ-2 в кислой форме в количестве 10% мол. от фурфурола. Реакционную смесь кипятили при перемешивании в течение 2—2.5 ч с азеотропной отгонкой реакционной воды. По окончании реакции, о чем судили по прекращению выделения воды, горячую смесь фильтровали, катализатор промывали небольшим количеством бензола. После отгонки бензола и охлаждения реакционная смесь формировалась в виде густой массы из которой легко кристаллизовался целевой продукт. Дополнительную очистку осуществляли перегонкой в вакууме в токе азота. Последующей перекристаллизацией из бензола с гептаном (1:3) получали белые игольчатые кристаллы диокса-на 2е. Выход 74% от теоретического.
Способ Б. В химический стакан помещали расплавленный 1,1,1-триметилолпропан (этри-ол) в количестве 134 г (1 моль) и приливали при перемешивании 96 г (1 моль) свежеперег-нанного азеотропной перегонкой с водой фурфурола. Смесь охлаждали на водяной бане до комнатной температуры, затем приливали 10 см3 10% раствора серной кислоты. Перемешивание продолжали еще 0.1—0.15 ч. В момент помутнения реакционной смеси, свидетельствующего о начале кристализации продукта, прибавляли 200 см3 воды. В этот момент наблюдалось интенсивное выпадение осадка. Полученный осадок нейтрализовали 10% водным раствором карбоната натрия до нейтральной или слабощелочной реакции, промывали 2—3 раза холодной водой (по 200—300 мл), фильтровали и сушили при комнатной температуре. Выход диоксана 2е составил 94% от теоретического. По аналогичной методике получен диоксан 2д. Жидкие продукты 2а-г синтезировали аналогично, с тем отличием, что после приливания к реакционной смеси воды соединения 2а-г выделялись в виде отдельной фазы, образуя нижний (органический) слой. После нейтрализации реакционной смеси ее
разделяли с помощью делительной воронки, водный слой экстрагировали эфиром, эфирные вытяжки и органический слой объединяли, сушили над безводным КОН, отгоняли эфир и выделяли диоксаны 2а-г вакуумной перегонкой.
Для синтезированных соединений 2а-е приведены выходы, достигнутые по разработанному методу Б в %, физико-химические константы, спектры ПМР (8 м.д.) (табл. 3) Присутствие фурильного заместителя в соединениях 2 а-е подтверждается наличием в спектрах ПМР двух мультиплетов: первый в интервале 6.1—6.3 м.д. с интегральной интенсивностью 2Н, принадлежащий протонам при С(3) и С(4) фурильного гетероцикла, второй — мультиплет протона при С(5) в области 7.25— 7.40 м.д. с интегральной интенсивностью 1Н.
Методика культивирования СВБ с целью генерации сероводорода. Согласно известной методике культивирования СВБ 8, эксперимент по изучению влияния органических стимуляторов на эффективность биохимической сульфатредукции и развитие СВБ проводили путем инкубирования микроорганизмов в пе-нициллиновых флаконах (объем 275 мл) в течение 35 дней.
В начале исследований в герметичные флаконы одинакового объема загружали активный консорциум СВБ, содержащий накопительную культуру СВБ (основные штаммы консорциума — Desulfomicrobium norve-gium, Desulfovibrio oxamicus, Desulfo-vibrio termitidis). Иловая загрузка составляла при этом 1/3 высоты флакона. Идентичную загрузку вносили во все флаконы (было проведено 2 параллельных опыта), заполняли их питательной средой одинакового состава, добавляя в каждый флакон определенный стимулятор роста (2а-е) в количестве 0.05% (на основе литературных данных, по аналогии с другими работами по изучению рострегулирующей активности 1,3-дигетероциклоалканов 6). В качестве контрольной пробы была взята проба без добавления стимулятора роста.
В качестве питательной среды использовалась модифицированная авторами 8 среда для селективного культивирования СВБ «DSM 63», следующего состава (г/л дистиллированной воды): KH2PO4 - 0.2; Na2SO4 - 3.0; NH4Cl - 0,3; KCl - 0.5; CaCl2-2H2O - 0.16; MgSO4-7H2O - 0.4; NaCl - 1.0; дрожжевой экстракт - 0.1. Отдельно стерилизовали и добавляли Na2S-9H2O (10% раствор в 1% растворе NaHCO3) - 1.0 мл/л; FeSO4 (10% раствор в 1% HCl) - 0.5 м/л, глицерин - 1 мл/л. Ве-
Выход, физико-химические и спектральные характеристики 2-(фурил-2)-1,3-диокса-циклоалканов (2 а-е)
№ Выход, % мас. Т кип, оС (мм.рт.ст) d420 „ 20 Пй Спектры ПМР (8) м.д.** и др. спектральные данные
2 a 82 115 (10) 1.0970 1.4819 3.6-4.0 м (4Н, 2СН2), 5.7c (1Н, OCHO)
2 б 84 105 (18) 1.2060 1.4870 1.0-1.5 м (1H, a-CH2), 1.65-2.25 м (1H, e-CH2), 3.60-4.20 м (4H, 2CH2O), 5.45 c (1H, OCHO); ИК-спектр (v, см-1): 3120, 2970, 2860, 1620, 1520, 1475, 1435, 1380, 1245, 1160, 1110, 1030, 960, 930, 890, 870, 805, 750
2 в 86 121 (10) 1.0812 1.4800 1.25 с (3H, e-CH3), 1.30 c (3H, a-CH3), 1.3-2.1 м (2H, CH3), 3.95 дд (2H, CH2O), 5,7 c (1H, OCHO)
2 г 91 126 (20) 1.1181 1.4830 1.20 д (3H, CH3), 1.4-2.0 м (2H, CH2), 3.80 дт(2^ CH2O), 4.0-4.25 м (1H, CH), 5,5 c (1H, OCHO)
2 д 88 20 * - - 0.70 c (3H, e-CHa), 1.18 c (3H, a-CHa), 3.55 дд (4H, 2 CH2), 5.40 с (1H, OCHO ИК-спектр (v, см-1): 3120, 2970, 2860, 1640, 1515, 1470, 1435, 1400, 1370, 1320, 1265, 1225, 1160, 1115, 1030, 980, 940, 920, 890, 820, 750.
2 е 94 85 * - - 0.8 т (3Н, CH3), 1.18 кв (2H, CH2), 2,2 c (1H, OH), 3,75 дд (4H, 2CH2), 3,85 c (2H, CH2OH), 5,45 c (1H, OCHO); ИК-спектр (v, cм-1):: 3620, 3492, 3120, 2910, 2860, 2330, 1600, 1450, 1405, 1360, 1300, 1195, 1150, 1090, 1000, 950, 920, 810, 750; Спектр ЯМР 13C (8, ppm): 6.83 C(9), 23.55 C(5), 37.07 C(8), 61,82 C(7), 72.36 C(4) и C(6), 96.25 C(2), 107.57 C(11), 110.24 C(12), 142.60 C(13), 150.64 C(10)
* — температура плавления, оС
** — присутствие фурильного заместителя подтверждается наличием в спектрах ПМР двух мульти-плетов: первый в интервале 6.1—6.3 м.д. с интегральной интенсивностью 2Н, принадлежащий протонам при С(3) и С(4) фурильного гетероцикла, второй — мультиплет протона при С(5) в области 7.25—7.40 м.д. с интегральной интенсивностью 1Н.
личину рН среды после внесения добавок доводили до 7.2—7.4 с помощью 10% раствора ЫаНСО3.
Среду и добавки к ней стерилизовали авто-клавированием при температуре 120 оС в течение 0.5 ч при избыточном давлении в 0.5 атм., растворенный кислород удаляли кипячением.
Мониторинг процесса сульфатредукции измерения рН, ОВП, концентраций сульфатов и сероводорода. Начальная концентрация сероводорода во всех флаконах превышала 100 мг/л в связи с остаточным количеством Н2Б в накопительной культуре и восстановлением среды при помощи раствора сульфида натрия.
Эксперимент проводили до тех пор, пока концентрация сульфатов не переставала уменьшаться, т.е. до прекращения генерации сероводорода (в конце эксперимента наблюдалось даже некоторое снижение концентрации Н2Б, из-за незначительных потерь при отборе проб для выполнения лабораторных замеров).
Литература
1. Рахманкулов Д. Л., Зорин В. В., Латыпова Ф. Н., Мусавиров Р. С. Методы синтеза 1,3-дигетероа-налогов циклоалканов.— Уфа: Реактив, 1998.— 241 с.
2. Пономарев А. А. Синтезы и реакции фурано-вых веществ.— Саратов: Изд. Саратов. Университета, 1960.— 234 с.
3. А.с. СССР № 235044. В. Г. Кульневич, З. И. Зе-ликман // Б.И.- 1969.- №5.- С.165.
4. Патент №2086550 РФ/ Кантор Е. А., Хлебникова Т. Д., Мельницкая Г. А. // Б.И.- 1997. №22.- С.117.
5. Мельницкая Г. А., Курамшин А. Х., Хлебникова Т. Д., Мельницкий И. А., Кантор Е. А. // Баш.хим.ж.- 1996.- Т.3, №5.- 6.- С.31.
6. Шакирова Ф. М., Хлебникова Т. Д. Регуляторы роста в адаптивной стратегии растениеводства.- Уфа: «Гилем», 2009.- 124 с.
7. Хлебникова Т. Д., Покало Е. И., Кантор Е. А. Фэтил - новый регулятор роста растений для приусадебных и фермерских хозяйств.- Уфа: Изд-во УГНТУ, 1999.- 78 с.
8. Смирнов Ю. Ю., Хлебникова И. В., Хлебникова Т. Д., Кирсанова Т. В. // Изв. вузов. Сер. хим.- 2009.- Т.52, №7.- С.115.
