Реферат: Химические реакции в микрогетерогенных системах
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 Na2 SOs 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.