DER PRIMÄREN HYDROXYLGRUPPE VON Di·Ü·ISOPROPYLIDENHEXOSEN

UNTERSUCHUNG DER KATALYTISCHEN LUFTOXIDATION

DER PRIMÄREN HYDROXYLGRUPPE VON Di·Ü·ISOPROPYLIDENHEXOSEN

von

Z. CSÜRÖS,

J.

PETRO, E. FOGASSY und _.\, LENGYEL Lehrstuhl für Organische-chemische Technologie, Technische Universität

Budapest

(Eingegangen am 17. September 1973)

In unserer ersten Mitteilung [1] herichteten wir üher die Herstellung eines Palladium-Katalysators auf Knochenkohlenhasis, der für die Oxydation der primären Hydroxylgruppe von Kohlenhydraten mittels Luft zur Carhoxyl- gruppe geeignet ist. Diese Katalysatoren sind gegenüher den hisher hekannten hedeutend aktiver, ihre Lehensdauer ist größer, außerdem ergehen sie auch in 15-20%igen wäßrigen Lösungen gute Ausheuten.

Im Laufe unserer Arheit untersuchten wir die katalytische Luftoxydation der primären Hydroxylgruppen verschiedener Di-O-isopropylidenhexosen. Als Katalysator "\"lude Knochenkohlen-Palladium henutzt, das 20 Ge"\~ichtspro­

zente Palladium enthält und mit Polyvinylalkohol, durch Zugabe von NaBH₄ in Spurenmenge hergestellt wurde [1]. Als Modellverhindungen wurden 2,3,4,6-Di-O-isopropyliden-L-sorhose (DAS), 2,3,4,5-Di-O-isopropyliden-ß-D- fruktopyranose (DAF) und 1,2,3,4-Di-O-isopropyliden-x-D-galaktopyranose

(DAG) gewählt. Als Oxydationsprodukte wUl'den in jedem Falle die entspre- chenden Monocarhonsäure-Derivate erhalten.

Diese Verhindungen wurden auch nach anderen Methoden oxydiert hzw.

die erwähnten Carhonsäuren auch auf andere Weise hergestellt.

Charakteristisch ist, daß sich hei diesen Oxydationen keine Nehen- produkte hilden, die Produkte sich rein ahscheiden lassen, von den Ausgangs- stoffen ahhängig Aldon- oder Uronsäure-Derivatc gehildet werden.

Als Oxydationsmittel wurde zuerst in alkalischer Lösung Kaliumperman- ganat (KMnO 4) henutzt. REICHSTE IN und GRÜSSER [2] und andere [3,4, 5]

oxydierten DAS, OHLE und BEREND [6] DAG mit alkalischem KMnO 4 inner- halb von 24 Stunden hei 65 %iger Ausheute. Ähnlich oxydierten AKIYA und SAWAi\IUHA [7] innerhalb von 30 Stunden DAG mit 67%iger Ausheute. Als Oxydationsmittel für Di-O-isopropylidenhexosen kann man auch Hypochlorit oder Hypohromit in Gegenwart von Katalysatoren, im allgemeinen Metall- hydroxide - hauptsächlich Nickelhydroxide - anwenden [8].

Außer den ohigen erschienen auch Veröffentlichungen üher katalytische Luftoxydation.

5 Periodica Polytechnica eH. 18/2

168 Z. CSÜROS cl al.

HEYNS [9] oxydierte DAS in 4%iger wäßriger Lösung mit verschiedenen Katalysatoren. Er stellte fest, daß Platin, Palladium und Osmium gute Kataly- satoren sind. Von den verschiedenen Trägermaterialien ist die Knochenkohle das beste und ein alkalischer pH-Bereich ist günstig. Die von HEYNS erhaltene Ausbeute betrug 60%.

DAS [10] wlude mit einem 10%igen Platinkatalysator auf Knochen- kohlenbasis in einer Lösung von NaHC0₃ bei 50-60°C innerhalb von 20 Stunden mit 90%iger Ausbeute oxydiert. Nach einem anderen Verfahren [11]

'wurden mit einem Knochenkohlen-Palladium-Katalysator bei 90°C innerhalb von 18 Stunden ähnliche Ergebnisse erhalten.

Differentialmanometer

Fieaktionsgemisch Luft

Wassersäulenmanostat

Filtergewebe

~60mm.!

Abb. 1. Die für die Oxydationsversuche benutzte Apparatur

Lv' 10-3 mol/I/h 50

o

o

o o

40

30 20

10L-~ __ ~ __ ~ __ ~~ __ ~ __ ~~~ __ ~~ __ ~

o

^{200 400} 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 n/p Abb. 2. Wirkung der Durchmischung auf die Reaktionsgeschwindigkeit

KATAL YT ISCHE LGFTOXIDATIO.Y VO.Y DI·O·ISOPROPYLIDE.YHEXOSE.Y 169

Es ist ersichtlich, daß mit der katalytischen Luftoxydation gute Aus- beuten zu erzielen sind, jedoch nur bei verdünnten Lösungen und langen Reaktionszeiten. HEYNS und POUTTON [12] stellten fest, daß die primäre Hydroxylgruppe von Polyhydroxylverbindungen manchmal leichter oxydiert

"wird, als die sekundäre. Ausbeuten über 60% lassen sich jedoch nur bei voll- kommen geschützten Di-O-isopropylidenhexosen erreichen.

Bei unseren Versuchen wurde ein zylindrischer Reaktor mit kugelförmi- gern Boden, einem Durchmesser von 50 mm und einem Inhalt von 300 ml

100

% 90

80 70 60 50

o

40 30 20 10

Ka tal !j S ai 0 r gig DAS

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Abb. 3. Wirkung der Katalysatorkonzentration auf die Ausbeute (Ausgangskonzentration des Substrats ist konstant.). Reaktionszeiten: 1. I Std.; 2. 2 Std.; 3. 3 Std.; 4. 4 Std.

benutzt. Die Luft wurde durch ein Rohr von 5 mm innerem Durchmesser am Boden des Reaktors eingeleitet. Das Reaktionsgemisch wurde gerührt.

Die eingeleitete Luftmenge betrug 150 l;Reaktionsgemisch je Stunde. Die Reaktionsgesch windigkeiten der Substrate bei verschiedenen U mdrehungs- zahlen des Riihrers wurden gemessen. Nach den Versuchs ergebnissen ergaben sich in allen Fällen gleiche Zusammenhänge, die in Abb. 2 dargestellt sind.

Auf dieser Grundlage führten wir die Versuche im weiteren bei einer Rühr- geschwindigkeit von 1300 U/min durch. Der angewandte Apparattyp kann auch bei der industriellen Verwirklichung verwendet werden. Das Gerät wurde mit Rückflußkühler, Prohenstutzen und Thermometer versehen. Mit Hilfe eines Thermostats ·wurde mit einer Genauigkeit von 0,5

oe

geheizt. Die Luft

·wurde mit Hilfe einer Gummimemhranpumpe über ein Manometer und einen l\1anostaten hineingeleitet. Das Reaktionsgemisch-V olumen hetrug in jedem

5*

170 Z. CStJRÖS el al.

Falle 300 ml. Versieht man die Apparatur mit Eingabe- und Ableitungs- einrichtungen, dann ist sie auch für kontinuierliche Versuche geeignet. In einem solchen Fall wurde das Reaktionsgemisch durch einen Filterkopf mit Filtergewebe, um den Katalysator zurückzuhalten, abgeleitet.

Wir untersuchten auch den Einfluß des Verhältnisses Katalysator zu Substrat auf die Ausbeute (Abb. 3). Es wurde festgestellt, daß über einer

W 10-³ mol/I/h 200 150 100 50

o

5

o

10 15 20 25 30 35 Einwaage

Abb. 4. Wirkung der Katalysatorkonzentration auf die Reaktionsgeschwindigkeit (für ein konstantes Verhältnis: Katalysator zu Substrat)

W 10-3 mol/I/h 250 200 150 100

NaHC0₃

50L-~~~--~--~--~--~--~

o

20 40 60 80 100 120 140 g/I

Abb. 5. Wirkung der NaHCOa-Konzentration auf die Reaktionsgeschwindigkeit

gewissen Grenze die Ausbeute nicht weiter zunimmt. Bei einem konstanten Verhältnis von Katalysator zu Substrat erhält man jedoch ein Maximum (Abb. 4). Auf Grund der Ergebnisse läßt sich feststellen, daß die optimale Katalysatorkonzentration 20 g/l beträgt. Die weiteren Versuche wurden bei dieser Konzentration durchgeführt.

Es wurde untersucht, wie die Konzentration des als Säurebinder benutzten NaHC0₃ die Oxydation beeinflußt. Es läßt sich feststellen, daß die Reaktions- geschwindigkeit mit erhöhter Konzentration sinkt (Abb. 5, 6). Um vergleich- bare Ergebnisse zu erhalten, wurden die Versuche mit Lösungen gleicher NaHC0₃-Konzentration (50 gjl) durchgeführt. Das Endprodukt lag im Reak-

KATAL YTISCHE LU FTOXIDATI01Y VON DI-O-ISO-PROPYLIDENHEXOSEN 171 tionsgemisch in Form von Natriumsalz vor. Nach den ausgeführten Messungen wird durch die Konzentration des Endprodukts über einem gewissen Wert die Reaktionsgeschwindigkeit gleichfalls herabgesetzt (Abb. 7). Der Grund dafür kann die Diffusion bzw. die behinderte Wirkung der Desorption sein.

1../ 10-³ mofj!/h 150 100 50

o

20 40 60 80 gfl NaC!

Abb. 6. Wirkung des Salzes auf die Reaktionsgesch,~indigkeit

1../ 10-3 mol/I/h 200

150 100

50~---~----~­

o 5 10 g/!

Abb. 7. Wirkung der Endprodukt-Konzentration auf die Reaktionsgeschwindigkeit

Abb. 8. Die DAS-Oxydation bei verschiedenen Temperaturen in Abhängigkeit von der Reak- tionszeit. Reaktionstemperaturen: 1. 56 oe; 2. 76 oe; 3. 85 oe; 4. 93 oe; 5. 95 oe; 6. 98 oe

172 Z. CSÜRÖS cl al.

Die Versuche wurden in der beschriebenen Apparatur dmchgeführt. Es '\T1uden N aHC0_{3 ,} das Substrat, der Katalysator eingewogen und mit dest.

Wasser auf 300 ml aufgefüllt. Der Rührer wmde gestartet. Nach dem Inlösung- gehen wurde nochmals das Volumen kontrolliert, mit dem eingestellten Thermostaten begann die Heizung der Apparatur. Als die Temperatur den gewünschten Wert erreichte, wurde eine Probe genommen. Es wurde der Anfangstiter der Lösung festgelegt (Titration mit 0,05 n HCI, lVIischindikator aus Methylrot und Methylenblau), auf den die später entnommenen Proben bezogen wurdcn. Danach wurde die Luftcinleitung in Betrieb gesetzt und von diesem Zeitpunkt an die Reaktionszeit gemessen. Von Zeit zu Zeit wurden Prohen genommen und nach der obigen Methode titriert. Aus dem HCI-Ver- brauch wurde die hei der Oxydation entstandene Säuremenge ermittelt.

DAS ist ein vollkommen geschützter Ketozucker, an dessen erstem C-Atom eine freie Hydroxylgruppe vorhanden ist, wodl.lTch an diesem C-Atom durch Oxydation eine Carhoxylgruppe ausgebildet 'I-erden kann. DAS liegt In Pyranoseform vor.

Bei der Oxydation hildet sich mit fast quantitativer Ausbeute 2,3-4,6-Di-O- isopropylidengulonsäure. Bei der Oxydation fallen keine Nehenprodukte an.

Die wäßrige Lösung von DAS wurde bei verschiedenen Temperaturen oxydiert (Abh. 8). Auf der Grundlage dieser Ergehnisse wurde auch die Temperatur- ahhängigkeit der Oxydationsgeschwindigkeit dargestellt und eine Kurve mit einem Maximum um 87°C erhalten (Ahh. 9). Durch Darstellung der Arrhenius- schen Gleichung (Ahb. 10) (zwischen 65 -85°C) ergah sich eine scheinhare Aktivierungsenergie von 13,6 kcalMol. Die Oxydation wurde in der Nähe des Temperaturoptimums (hei 85°C) mit Lösungen verschiedcner Konzentration durchgeführt (Ahh. 11). Nach diesen Untersuchungen hat die Oxydations- geschwindigkeit in Ahhängigkeit von der Konzentration ein Maximum (Abh. 12).

Da die Oxydation von DAS auch von industrieller Bedeutung ist, heschäftigten wir uns auch mit der kontinuierlichen Oxydation. Es wurde mit dem gleichen Gerät gearheitet und die DAS-Lösung hei Messung mit dem

KATALYTISCHE LFFTOXID.·jTIO,y VON DI-O·ISOPROPYLIDE,\BEXOSEN

LV 10-³ mo////h 71,0

120

100

80 60 '-10 20

50 60 70 80 90 100

oe

173

Abb. 9. Die Oxydationsgeschwindigkeit von DAS in Abhängigkeit von der Temperatur

Differentialrnanometer eingebracht. Das Reaktionsgemisch wurde über ein Filter unmittelbar in der Höhe des Flüssigkeitsniveaus im Takt der Zugabe abgeleitet. Dic Ausbeute-Aufenthaltszeit-Kurven stimmen in jcdem Falle mit den in den gleichen Versuchen erhaltenen Ausbeutc-Aufenthaltszeit-Kurvcn überein (vgI. Abb. 13).

Wir untersuchten auch die Oxydation von DAF, eines anderen voll- kommen geschützten Zuckers. Diese Verbindung weicht im Aufbau von DAS

ah, da sie einen Pyranosering cnthält.

H

DAF wurde nach dem Bellsehen Verfahren [13] hergestellt. Bei der Oxydation bildet sich 2,3-4,5-Di-O-isopropyliden-2-keto-D-glukonsäure.

Bei der Oxydation entstehen keine Nebenprodukte, die Ausbeute beträgt 89,7%.

Die O:x-ydationsgeschwindigkeit ·wächst mit der Temperatur (Abb. 14), über 95

oe

oxydiert jedoch DAF nicht, wahrscheinlich infolge des Absinkens

174 Z. CSURÖS el al.

der Sauerstoffkonzentration im Reaktionsgemisch (Abh. 15). Die nach der Arrheniusschen Gleichung (Ahh. 16) zwischen 70-85

oe

herechnete, scheinbare Aktivierunsenergie ergah sich zu 5,5 kcaljJ\lol.

Die Oxydation 'wurde hei 85

oe

mit DAF-Lösungen verschiedener Konzentration durchgeführt (Ahh. 17). Mit erhöhter Konzentration wächst die Reaktionsgeschwindigkeit und streht gegen ein Maximum, danach nimmt sie ah (Ahh. 18).

IglN 1,2

1,0

0,9

0,8

a7~~--~--~--~~~·w~1

2.8 2,9 3,0 T

Abb. 10. Logarithmus der DAS-Oxidationsgeschwindigkeit als Funktion von l;T zwischen 65 -=85°C ~

1O-³mol/l 2

320

280

240

+

200

160 120

80

40

o

^{40 80 120 160 200 240} min.

Abb. 11. Die DAS-Oxidation in Lösungen verschiedener Konzentration als Funktion der Reaktionszeit. Allfangskonzentration: 1. 192,0· 10-Smoljl; 2. 384,0· lO-Smoljl;

3.576,0· 10-³moljl; 4. 768· lO-Smoljl

KATAL lTISCHE LUFTOXIDATION VO], DI-O-ISO-PROPY LIDENHEXOSEN 175 Die vollkommen geschützten Ketozucker DAS und DAF lassen sich nach unserem Verfahren oxydieren. Es ist anzunehmen, daß auch bei weiteren derartigen Verbindungen die Oxydation ähnlich verläuft. Danach prüften wir die Oxydation an geschützten Aldozuckern, bei denen das sechste C-Atom

W 10-³ moill/h 180 160 140 120 100 80

60 40 20

o

10-³ molll DAS 100 200 300 400 500 600 700 800

Abb. 12. Konzentrationsfunktion der DAS. Oxydationsgeschwindigkeit

Ausbeute 100 1O-3moljl %

300

200 50

100

1 2

o ^{40 80 120} 160 200 240 min.

A bb. 13. Die Ausbeute der DAS-Oxydation als Funktion der Reaktionszeit: 1. diskontinuier- lich; 2. kontinuierlich

176 Z. CSCRÖS cl ul.

10-³ mo/li 160 140 120

2

60 1.;0

20

o 40 80 ^{120 160 200} 2~0 min.

AM •. 14. Die Oxydation von D_-\.F bei verschiedenen Temperaturen in Abhängigkeit ,-on der Reaktionszeit. Reaktionstemperaturen: 1. 55; 2. 65; 3. 85; ,t, 95

oe

40 20

50 60 70 80 90 100

oe

Abb. 15. Die Oxydationsgeschwindigkeit von DAF in Abhängigkeit von der Temperatur

1,0 IgW+2

0,9

^aa

L---'~--'_---'----"'1O-3

~

f ¹

2,8 2,9

Abb. 16. Logarithmus der DAF-Oxydationsgesch,vindigkeit als Funktion von 1fT zwischen 70-75

oe

i{..ITAL):TISCHE Lf:FTOXIDATIOiY J"O,'; DI·O·ISO·PROPYLIDE.';HEXOSKV 177

1O-³molll

"

240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 1,0 20

0 40 80 120 160 200 min.

Abb. 17. Die:'DAF-Oxydation in Lösungen verschiedener Konzentration~ als Funktion der Reaktionszeit. Anfangskonzentration: 1. 19~.0 . 10-.³ mol/I; 2. 288,0 . 10-3.~38'1.0 . 10-³mol/1

W 10-³ mOI/I/h 120 100 80 60

10-³ molll DAr

~O~~ __ ~ __ ~~_

o

700 2CD 300 1;00

Abb. 18. Die Konzentrationsfunktion der DAF-Oxydationsgeschwindigkeit

zur Carboxylgruppe umgebildet wird. DAG "'Lude nach dem Verfahren von

BALLOU und FISCHER [14] hergestellt.

Ähnlich wie DAF bildet auch DAG einen Pyranosering heraus. Als Oxydationsprodukt entsteht 1,2 -3 ,4-D-O-isopropyliden-D-galaktouronsäure.

Auch hier fallen keine Nebenprodukte an, ähnlich wie im vorigen ist die Aus- beute gut (99%).

178 Z. CSÜRÖS cl al.

COOH

I

H I

Auf Grund der bei verschiedenen Temperaturen durchgeführten Oxyda- tionen (Abb. 19) wurde festgestellt, daß die Reaktionsgeschwindigkeit um

90

oe

ein Maximum hat (Abb. 19). Für das Temperaturintervall 70-85

oe

"wurde nach der Arrheniusschen Gleichung für die Aktivierungsenergie de1 Wert 16 kcal/Mol erhalten (Abb. 20, A.bb. 21). Die Oxydation mit DAG- Lösungen verschiedener Konzentration durchgeführt (Abb. 22) fanden

,,,ir

^auch

hier, daß die Konzentrationsabhängigkeit der Reaktionsgesch,vindigkeit über ein :NIaximum verläuft (Abb. 23).

7O-³mol!1

200 4

180 160 140 120 100 80 60 40 20

o

40 80 120 160 200 min.

Ahb. 19. Die DAG-Oxydation bei verschiedenen Temperaturen in Abhängigkeit von der Reak- tionszeit. Reaktionstemperaturen: 1. 65; 2. 75; 3. 85; 4. 95

oe

KATAL YTISCHE LUFTOXIDATION VON DI-O-ISO-PROPYLIDENHEXOSElV 179

Nach den Ergebnissen [15} läßt sich feststellen, daß mit den von uns hergestellten Katalysatoren und nach unserem Verfahren die Di-O-isopropy- liden-hexosen, die eine freie primäre Hydroxylgruppe enthalten, in wäßriger Lösung mit nahezu quantitativer Ausbeute zu den entsprechenden Mono-

l.V 10-³ mol/I/h 100

80 60 40 20

60 70 80 90 100'1:

Abb. 20. Die Oxydationsgeschwindigkeit des DAG in Abhängigkeit von der Temperatur

11 IgW+2

10

9 8 7 6

28 29 10-³

+

Abb. 21. Logarithmus der DAG Oxydationsgeschwindigkeit als Funktion von 1fT zwischen 70-85

oe

carbonsäurcn oxydiert werden können. Die Temperatur- und Konzentrations- funktionen der Oxydationsgeschwindigkeit ergeben in jedem Falle Kurven mit einern Maximum. Das Temperaturmaximum liegt über 85

oe,

das Konzentra- tionsmaximum über 300 mmol;1. Die nach der Arrheniusschen Gleichung berechnete, scheinbare Aktivierungsenergie der Oxydation ergibt Werte z, .. ischen 5,5-15 kcaljMol.

180

70-³ molll 220 200 180 160 140 120 100 80 60 1;0 20

o

Z. CSCRÖS et al.

2

1.;0 80 120 160 200 min.

Abb. 22. Die DAG-Oxydation in Lösungen verschiedener Konzentration als Funktion der Reaktionszeit. Aniangskonzentration: 1. 192,0 . 10-³ mol/I, 2. 288,0 . 10-³ moIlI, 3. 383,0 .

. 10-³ mol/l WWJmoljljh

740 120 100 80

10-³ molll DAG

60~--~--~--~~~

o

100 200 300 4CC

Abb. 23. Die Konzentrationsfunktion der DAG-Oxydationsgeschwindigkeit Zusammenfassung

Es wurde unter Anwendung der von den Yerfassern hergestellten Kn'ochenkohle-Pd- Katalysatoren die katalytische Luftoxydation der primären Hydroxylgrnppen verschiedener Di-O-isopropyliden-hexosen untersucht. Produkt der Oxydation war immer die entsprechende fiIonocarbonsäure, ohne Xebenprodukt. Die Oxydation erfolgte in wäßriger-alkalischer Lösung.

Die Ausbeute war im allgemeinen über 90°{" die Reaktionszeit betrug 2-5 Stunden. Das Substrat läßt sich auch in 20o~)iger wäßriger Lösung noch gut oxydieren. Die Oxydations- geschwindigkeit, dargestellt als Funktion der Temperatur und der Substratkonzcntration, gibt Kurven mit einem :\Iaximum.

KATAL'[TISCHE LUFTOXIDATIOS VOJY DI·O·ISOPROPYLIDE.YHEXOSES 181 Literatur

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