Ферментативная этерификация органических кислот алифатическими спиртами

УДК 577.15

Е. В. Елизарова, М. Е. Зиновьева, В. С. Гамаюрова

ФЕРМЕНТАТИВНАЯ ЭТЕРИФИКАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ КИСЛОТ АЛИФАТИЧЕСКИМИ СПИРТАМИ

Показана возможность синтеза некоторых сложных эфиров липолити-ческим ферментным препоратом Ыоуогут 398. Рассмотрено влияние на синтез следующих параметров: соотношение реагентов (кислота : спирт), температура, время проведения процесса.

В последнее время все большее внимание уделяется биокаталитическим процессам в неводных средах. Осуществление биокаталитических процессов в неводных средах позволяет значительно расширить области применения биокатализатора. Применение биологических катализаторов в тонким органическом синтезе представляется весьма перспективным и во многих случаях имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с классическими методами синтетической химии. Это обусловлено, прежде всего, тем, что ферменты обладают уникальной специфичностью, то есть катализируемые ими реакции протекают, как правило, по единственному пути без побочных процессов. Более того, непревзойденная каталитическая активность ферментов обеспечивает проведение синтеза в мягких условиях. Следовательно, внедрение биокатализа в практику могло бы привести к экономии энергии и ресурсов и, кроме того, уменьшить ущерб, который наносит современная химическая технология окружающей среде [1,2].

Перспективной областью применения биокатализа в неводных средах является синтез душистых веществ. Одной из основных групп душистых веществ являются сложные эфиры [3,4]. Сложные эфиры весьма широко распространены в природе, они содержатся во всех эфирных маслах, обуславливая в значительной степени аромат многих цветов, запах плодов и ягод. Сложные эфиры, обладающие запахом, имеют широкое применение в различных отраслях промышленности: пищевой, косметической, парфюмерной [3,4]. Наиболее подходят для синтеза этих эфиров липолитические ферменты [5]. Вследствие того, что в водной среде синтетазные реакции липаз протекают очень медленно (т.к. имеется избыток одного из конечных продуктов - воды), то целесообразно использовать неводные среды [6].

Целью работы было изучение возможности синтеза в неводных средах с помощью липолитического ферментного препарата Моуогуш 398 некоторых сложных эфиров.

Результаты и их обсуждение

На первом этапе исследований изучался синтез следующих душистых веществ: де-цилацетат, этилбензоат, этилпропионат, бутиллаурат, бутилбензоат, этиллаурат. В качестве каталзатора использовался липолитический ферментный препарат Моуогуш 398; среды реакции - гексан. Данные представлены в таблице 1.

Показано, что препарат Моуогуш 398 осуществляет синтез всех изучаемых веществ в среде гексана в течении 24 часов при температуре 32°С. Наиболее высокий выход продукта наблюдался при синтезе этилпропионата, этиллаурата и бутиллаурата. Синтез других эфиров протекал гораздо медленнее, и выход продукта был невелик.

Таблица 1 - Сложные эфиры - душистые вещества, синтезированные в неводной среде с помощью липолитического препарата ^уогуш 398; температура реакции 32 °С, время реакции 24 часа

Название Запах Область применения Выход эфира, %

эфира

Децилацетат Г рушевый Пищевая промышленность: во фруктовых сиропах в качестве ароматизатора; парфюмерия: в цветочных букетах 25±2

Этилбензоат Приятный фруктовый Пищевая промышленность: во фруктовых сиропах в качестве ароматизатора; косметическая: в цветочных мылах 26±2

Этилпропио- Фруктовый Пищевая промышленность: во фрук- 73±2

нат товых сиропах в качестве ароматизатора

Бутилбензоат Напоминает запах амбры Парфюмерия: в цветочных букетах 12±2

Бутиллаурат 57±2

Этиллаурат Фруктово- цветочный В отдушках для мыла, синтетических моющих средств и др. товарах бытовой химии 83±2

Далее в работе было рассмотрено влияние на синтез следующих параметров: соотношение реагентов (кислота : спирт), температура, время проведения процесса.

Как известно, соотношение реагентов оказывает влияние на протекание любой химической реакции. Были рассмотрены следующие мольные соотношения реагентов (кислота : спирт): 1: 1; 1: 1,2; 1: 1,5; 1: 2; 1: 3; 1: 4; 1:5; 1:6; 1: 7. Выходы эфиров при оптимальных соотношениях реагентов представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Оптимальные соотношения реагентов и соответствующие им максимальные выходы эфиров

Эфир Оптимальное соотношение реагентов (кислота : спирт), моль/моль Максимальный выход эфира, %

Этилпропионат 1: 1,5 83±2

Этиллаурат 1:1 83±2

Бутиллаурат 1:2 68±2

Увеличение соотношений реагентов выше оптимальных приводило к снижению выхода продуктов. Очевидно, это связано с ингибированием фермента избытком субстрата - спиртом. На конечный выход целевого продукта процесса ферментации оказывает влияние также время протекания реакции. В результате проведенных экспериментов была определена зависимость выхода продукта от времени протекания реакции. Время, при котором достигался максимальный выход эфиров представлено в таблице 3.

Таблица 3 - Выход эфиров в зависимости от времени проведения реакции

Эфир Оптимальное время, ч Выход эфира, %

Этилпропионат 24 73±2

Этиллаурат 15 89±2

Бутиллаурат 8 87±2

Как видно из представленных данных увеличение молекулярной массы исходных реагентов приводит к уменьшению времени реакции, что, возможно, свидетельствует о более высокой специфичности ферментного препарата Моуогуш 398 к длинноцепочечным субстратам.

Известно, что фермент проявляет каталитическую активность в определенном диапазоне температур. Но в органических средах ферменты могут проявлять активность при экстремально высоких и низких температурах [2]. Был рассмотрен диапазон температур от -5 до 40 °С. Данные представлены на рисунке 1.

Рис. 1 - Зависимость выхода эфиров от температуры: 1 - бутиллаурат; 2 -этилпропионат; 3 - этиллаурат

Изучение влияния температуры на синтез эфиров показало, что при минусовой температуре реакции не идут, однако, незначительнее повышение температуры до 4-5°С резко ускоряет процесс. Так для этиллаурата при температуре 5°С выход составил 19%, а для этил-пропионата - 69%. Увеличение температуры выше оптимума не только не приводит к повышению выхода продукта, но даже уменьшает его. Вероятно, при повышении температуры увеличивается ингибирующее действие гексана на фермент.

Таким образом, проведенные исследования показывают возможность синтеза эфиров органических кислот и алифатических спиртов с помощью липолитического ферментного препарата Моуогуш 398. Подобраны параметры, которые позволяют получить душистые эфиры в мягких условиях с максимальным выходом целевых продуктов свыше 80%.

Экспериментальная часть

В исследованиях использовали: ферментативный препарат №эуогуш 398; пропионовую, бензойную, уксусную, салициловую, лауриновую кислоты (х.ч); дециловый, бутиловый, этиловый спирты (х.ч); гексан, (х.ч).

Выход продуктов определяли методом титрования. Титрование проводили 0,05 N раствором КаОН на основе 80% спирта с фенолфталеином до устойчивой розовой окраски.

Изучались следующие параметры процесса: соотношение реагентов (кислота : спирт), температурный режим, время реакции.

Погрешность результатов оценивалась с помощью методов статистической обработки экспериментальных данных при доверительной погрешности 0,95.

Литература

1. Мартинек К, Семенов А.Н. Катализ ферментами в органическом синтезе // Успехи химии. 1981. Вып. 8. С.1376-1402.

2. Халгаш Я. Биокатализаторы в органическом синтезе. М.: Мир, 1991. С. 83-84.

3. БратусИ.Н. Химия душистых веществ. М.: Агропромиздат, 1992. 240с.

4. Хейфиц Л.А. Душистые вещества и другие продукты для парфюмерии: Справ. Изд./ Л.А. Хейфиц, В.М. Дашунин. М.: Химия, 1994. 256с.

5. Биотехнология: Учеб. пособие для вузов. В8 кн. / Под ред. Н.С. Егорова, В.Д.Самуилова. Кн.8: Инженерная энзимология/ И.В. Березин, А.А. Клесов, В.К. Швядас и др. М.: Высш. шк., 1987.

143с.

6. ГрачеваИ.М. Технология ферментных препаратов. М.: Агропромиздат, 1987. 335 с.

© Е. В. Елизарова, М. Е. Зиновьева; В. С. Гамаюрова - д-р хим. наук, проф. зав. каф. пищевой биотехнологии КГТУ.