Кинетика переэтерификации бутилацетата бетулинолом Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

Химия растительного сырья. 2001. №1. С. 69-73.

УДК 630*867.7.002.6:661.731.9 КИНЕТИКА ПЕРЕЭТЕРИФИКАЦИИ БУТИЛАЦЕТАТА БЕТУЛИНОЛОМ

© А.Н. Трофимов', А.Н. Кислицын, В.А.Чупрова, Е.Н. Рябова, Г.А. Иоффе, Л.В. Косюкова

Государственное унитарное предприятие «Центральный научноисследовательский и проектный институт лесохимической промышленности», Московское шоссе, 85, ГСП-703, Нижний Новгород,

603603 (Россия) e-mail: tsnilkhi@ncom.ru

Кинетические уравнения первого порядка для расчета текущих концентраций бетулинола и диацетата бетулинола в реакционной смеси вполне удовлетворительно описывают процесс переэтерификации в закрытых ампулах, моделируют реакционный процесс синтеза диацетата и могут использоваться в расчетах процесса, а также при его проектировании.

Производные бетулинола интересны своими биологически активными свойствами [1-3]. Одним из таких производных является диацетат бетулинола.

Бетулинол - тритерпеновый диол - имеет в молекуле первичную и вторичную ОН-группы. Этерификация вторичной ОН-группы весьма затруднена.

Одним из способов получения диацетата может быть способ переэтерификации сложных эфиров, например, бутилацетата бетулинолом [4]. Процесс переэтерификации, совмещенный с удалением образующегося бутанола методом ректификации, можно вести при температуре в кубе ректификационной колонны 110-130°С. Именно в этом интервале температур и изучали кинетику реакции переэтерификации в закрытых ампулах. В качестве катализатора использовали n-толуолсульфокислоту (3-3,5 от массы бетулинола). Исходный бетулинол с температурой плавления 242°С содержал 97% основного вещества (метод ГХ). Использовали бутилацетат промышленного производства по ГОСТ 22300 - 76 марки «ч».

В ампулы объемом 25 мл помещали смесь, содержащую 7,09% бетулинола и 92,91% бутилацетата (по массе), что соответствовало мольному соотношению 1 : 25. Анализ реакционной смеси выполняли методом ГХ. Сначала анализировали низкомолекулярную часть (вода, бутанол, уксусная кислота) на хроматографе «Хром-5» с детектором по теплопроводности на колонке длиной 2 м с сепароном GBN, газ-носитель - водород. Температура колонки - 195°С. В качестве внутреннего стандарта использовали ацетон. Затем из реакционной смеси отмывали водой пара-толуолсульфокислоту до нейтральной реакции и сушили смесь над сернокислым натрием. Состав высокомолекулярной части (бетулинол, моноацетаты и диацетат) определяли методом ГЖХ после силилирования пробы на хроматографе «Хром-5» с пламенно-ионизационным детектором на колонке длиной 1,2 м с сорбентом 5% SE - 30 на хроматоне N -AW - DMCS. Температура колонки 250°С. В качестве внутреннего стандарта использовали холестерин.

* Автор, с которым следует вести переписку.

Кинетические кривые показаны на рисунке. Как видно из рисунка, реакция переэтерификации является примером двух последовательных реакций, когда в период, близкий к полному превращению исходного реагента (бетулинола), на кривой изменения концентрации промежуточного продукта (моноацетата) во времени наблюдается экстремум. За 1,5-2 ч степень превращения бетулинола в продукты реакции достигает более 87%, и далее концентрация бетулинола практически не меняется, а концентрация моноацетата убывает очень медленно, что говорит о наличии обратимых реакций. Очевидно, что первая стадия переэтерификации бутилацетата бетулинолом более быстрая. Нельзя исключить возможность гидролиза ацетатов за счет влаги, присутствующей в исходном бутилацетате (0,09%). Однако в реакционной смеси во всех опытах за время проведения реакции содержание уксусной кислоты было 1,8-2%., т.е. довольно стабильно в пределах ошибки ГХ. Поэтому при математическом моделировании мы учитывали лишь возможность обратимых реакций.

В избытке второго реагента (бутилацетата) реакцию образования моноацетатата можно представить как обратимую реакцию первого порядка с константами скорости прямой к! и обратной к2 реакций:

йх

— = кг(а - х) - к2(Ъ + х), (1)

йт

где х - количество прореагировавших молей бетулинола в единицу времени; а и Ь - начальные концентрации бетулинола и бутанола в реакционной смеси, моль/л; т - время, ч.

Обозначим концентрацию бетулинола в смеси при равновесии (т ^ ^) через хр. При химическом

йх „ , А

равновесии х = хр и — = 0, тогда имеем при Ь = 0

йт

к • а

х р = “Г” (2)

К1 + К 2

йх

йт

— = (К + к2) • (х^ - х). (3)

Отсюда снижение концентрации бетулинола за время т равно:

х = хр [1 - е-(к1 + к2) •т]. (4)

При т = 0 х = 0, а при т ^ ^ х ^ хр. Экстраполяцией зависимостей (а - х) = f (т) оценено хр = 6,89% для всего интервала температур.

Значение величины (к! + к2) в уравнении (4) определяли методом наименьших квадратов по экспериментальным величинам т и (а - х) из условия (хэксп - храсч)2 ^ 0. Затем по уравнению (2) рассчитывали к! и к2.

Уравнение (4) позволяет рассчитать текущую концентрацию бетулинола в реакционной смеси (а - х) за время т. Результаты расчета приведены в таблице 1 .

и

А

С

Рис. Изменение концентраций бетулинола (1), моноацетата бетулинола (2) и диацетата бетулинола (3) во времени в реакционной смеси при температуре 110°С (А), 120°С (Б) и 130°С (В).

Таблица 1. Экспериментальные и расчетные концентрации бетулинола в реакционной смеси

Температура, °С Данные Массовая доля бетулинола в реакционной смеси, %, за время, ч Кажущиеся константы скорости реакций, к1/к2, ч-1

0,25 0,5 0,75 1,0

110 Расч. 3,83 3,12 1,21 0,73 2,49 / 0,07

Эксп. 3,85 2,17 1,11 0,76

120 Расч. 3,30 1,59 0,83 0,48 3,15 / 0,09

Эксп. 3,12 1,82 0,67 0,48

130 Расч. 3,24 0,82 0,38 0,25 4,73 / 0,14

Эксп. 2,21 0,83 0,39 0,36

Средние квадратичные отклонения в расчете храсч составили 0,014 для температуры 110°С; 0,105 для температуры 120°С и 0,013 для 130°С.

Диацетат бетулинола образуется на второй стадии процесса в результате реакции переэтерификации бутилацетата моноацетатом бетулинола. Во времени концентрация диацетата монотонно растет с затухающей скоростью по мере снижения концентрации моноацетата. Реакцию образования диацетата в избытке бутилацетата можно также считать обратимой реакцией 1-го порядка с константой скорости, прямой к3 и обратной к4 реакций. Обозначив текущую концентрацию диацетата у и считая равной 0 концентрацию бутанола в исходной смеси, можно записать для скорости реакции образования диацетата:

Б

= к 3( х - у) - к 4 • у = К3 •х - у(к3 + к 4), (5)

йт

где х выражается уравнением (4).

Последнее уравнение, типа уравнения Лейбница, решается путем временного приравнивания нулю величины к3 х в уравнении (5). После преобразований и интегрирования получаем выражение для расчета текущей концентрации диацетата бетулинола:

к3 х , к3 х , ,

у = ____3 Р • [1 - е-(к3 + к4)т ]________3__Р_[е-(к3 +к4)т - е-(к1 +к2)т ] (6)

к3 + к 4 к1 + к 2

— и - ,

При т = 0, у = 0 при т ^ <

у=

к3 .хр к3 + к4

(7)

Значения величин к3 и к4 в уравнении (6) определяли по экспериментальным значениям у и т методом наименьших квадратов при условии (урасч - уэксп)2 ^ 0.

Рассчитанные по уравнению (6) концентрации диацетата бетулинола приведены в таблице 2.

Средние квадратичные отклонения в расчете урасч составили 0,1 для температуры 110°С; 0,12 для температуры 120°С и 0,15 для температуры 130°С. Кажущиеся константы скорости реакций (ч-1): к3 = 0,3 и к4 = 0,2 для температуры 110°С, к3 = 0,4 и к4 = 0,2 для температуры 120°С, к3 = 0,5 и к4 = 0,14 для температуры 130°С.

Как видно, выведенные уравнения вполне адекватно описывают процесс переэтерефикации в закрытых ампулах, несмотря на ряд принятых допущений и без учета возможных побочных реакций.

При этом следует отметить, что в процессе переэтерификации реакции по первичной и вторичной ОН-группам бетулинола идут в небольшой степени не только последовательно, но и параллельно. Однако соотношение концентраций соответствующих моноацетатов было около 50. Поэтому как параллельные эти реакции в расчетах не учитывались, тем более, что математическое моделирование таких осложненных процессов чрезвычайно сложное.

Таблица 2. Расчетные и экспериментальные концентрации диацетата бетулинола в реакционной смеси

Т емпература, °С Данные Массовая доля диацетата бетулинола в реакционной смеси, %, за время, ч

0,25 0,5 0,75 1,0 1,5 2,0 3,0 4,0 8,0

110 Расч. 0,13 0,41 0,75 1,1 1,73 2,25 2,99 3,44 -

Эксп. 0,2 0,48 0,74 1,07 1,55 2,13 2,88 3,62 -

120 Расч. 0,20 0,62 1,1 1,54 2,3 2,9 3,6 4,1 -

Эксп. 0,25 0,86 1,14 1,58 2,17 2,94 3,5 4,2 -

130 Расч. - 0,95 - 2,12 3,0 3,66 4,47 4,9 5,34

Эксп. 0,51 1,33 1,73 2,27 2,8 3,38 4,03 4,9 5,66

Полученные данные позволяют полагать, что реакция переэтерификации является интересным и эффективным средством синтеза диацетата бетулинола.

Выводы

1. Реакция переэтерификации бутилацетата бетулинолом проходит в две стадии. Обе стадии описываются уравнениями первого порядка. Лимитирующей является стадия переэтерификации бутилацетата моноацетатом бетулинола.

2. Реакция переэтерификации является эффективным средством получения диацетата бетулинола.

Список литературы

1. Василенко Ю.К., Семенченко В.Ф., Фролова Л.М., Коноплева Г.Е., Парфентьева Е.П., Скульте И.В.

Фармакологические свойства тритерпеноидов коры березы // Эксперим. и клинич. фармакол. 1993. Т. 56. №4. С. 53-55.

2. Kim Darrek S.H.L. Synthesis of betulinic acid derivatives with activity against human melanoma // Bioorg. Med. Chem. Lett. 1998. №8 (13). P. 1707-1712. Chem. Abstr. 1998 , Vol. 129. №18, 230862.

3. Sun I-Chen, Wang Hui-Kang. Anti-AIDS agents. 34. Synthesis and Structure-activity Relationship of betulin derivatives as anti-HIV agents // J. Med. Chem. 1998. 4648-4657. Chem. Abstr. 1999. Vol. 130. №3, 25202.

4. Патент РФ 2150473. Способ получения диацетата бетулинола / Кислицын А.Н., Трофимов А.Н., Патласов В.П., Чупрова В. А.

Поступиловредакцию 22 января 2001 г.