OXIDATIVE TRANSFORMATION OF NATURAL COMPOUNDS UNDER CONDITIONS OF INTER-PHASE CATALYSIS

Ученова Ю.В.¹, Бердникова П.В.², Хлебникова Т.Б.³, Пай З.П.⁴

¹ ORCID: 0000-0002-9126-8410, ² ORCID: 0000-0001-9275-4659,

³ ORCID: 0000-0002-3366-9128, Кандидат химических наук, ⁴ ORCID: 0000-0002-4622-5323, Доктор технических наук,

Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН

Работа выполнена при поддержке Российской Академии наук и Федерального Агентства Научных организаций (проект №0303-2016-0008)

ОКИСЛИТЕЛЬНАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ ПРИРОДНЫХ СОЕДИНЕНИЙ В УСЛОВИЯХ МЕЖФАЗНОГО КАТАЛИЗА

Аннотация

Проблема комплексной переработки возобновляемого сырья с использованием экологически безопасных и малоотходных технологий приобретает всю большую актуальность. Природные соединения являются удобными объектами для окислительной трансформации с получением ряда практически важных веществ. Использование бифункциональных катализаторов на основе пероксополоксометаллатов в сочетании с четвертичными аммонийными катионами – перспективное направление для осуществления реакции окисления пероксидом водорода непредельных соединений природного происхождения, таких как ненасыщенные жирные кислоты, терпены и кумарины.

Ключевые слова: катализ, ненасыщенные жирные кислоты, терпены, кумарины, окисление, пероксид водорода.

Uchenova Yu.V.¹, Berdnikova P.V.², Khlebnikova T.B.³, Pai Z.P.⁴

¹ORCID: 0000-0002-9126-8410, ²ORCID: 0000-0001-9275-4659,

³ORCID: 0000-0002-3366-9128, PhD in Chemistry, ⁴ORCID: 0000-0002-4622-5323, PhD in Chemistry,

Boreskov Institute of Catalysis of SB RAS

This work was supported by the Russian Academy of Sciences and the Federal Agency of Scientific Organizations (Project No. 033-2016-0008)

OXIDATIVE TRANSFORMATION OF NATURAL COMPOUNDS UNDER CONDITIONS OF INTER-PHASE CATALYSIS

Abstract

The problem of complex processing of renewable raw materials using environmentally safe and low-waste technologies is now becoming increasingly important. Natural compounds are convenient objects for oxidative transformation with the production of a number of practically important substances. The use of bi-functional catalysts based on peroxypolyxometallates in combination with quaternary ammonium cations is a promising direction for carrying out the reaction of hydrogen peroxide oxidation of desaturated compounds of natural origin such as desaturated fatty acids, terpenes and benzopyrones.

Keywords: catalysis, desaturated fatty acids, terpenes, benzopyrone, oxidation, hydrogen peroxide.

Лесопромышленный комплекс России насчитывает около 3 тыс. крупных и средних предприятий и базируется на лесосырьевой базе, составляющей около 1/4 мировых запасов лесных ресурсов. Древесина служит исходным сырьем для выработки более двадцати тысяч наименований продуктов и изделий.

В настоящее время переработка отходов целлюлозно-бумажных комбинатов (ЦБК) эффективна с точки зрения экологии, но убыточна по экономическим показателям. С другой стороны, побочные продукты ЦБК являются ценным сырьем для синтеза многих практически важных соединений. Природные соединения и их производные, сочетающие высокую биологическую активность и ценные свойства, находят широкое применение во многих отраслях промышленности и сельского хозяйства. Поэтому использование этих веществ из природных источников является привлекательной альтернативой традиционному нефтехимическому подходу.

В связи с этим разработка способов утилизации крупнотоннажных отходов лесоперерабатывающих предприятий является перспективным направлением в органическом синтезе. Это касается, в первую очередь, ненасыщенных жирных кислот, в достаточном количестве выделяемых из хвойных, ландшафтных и культивируемых растений, а также природных терпенов и кумаринов.

Ненасыщенные жирные кислоты ряда С₁₈ в больших количествах содержатся в маслах и жирах как растительного, так и животного происхождения. Выделяют их из натурального сырья различными методами химической переработки: прямым расщеплением масел и жиров, либо расщеплением предварительно гидрогенизированных масел. Талловое масло, являющееся побочным продуктом целлюлозно-бумажной промышленности, содержит около 60% смоляных и 35-40% жирных кислот, в последних на долю олеиновой кислоты приходится около 80 % (рис. 1) [1, C. 25]. Окисление ненасыщенных жирных кислот и их эфиров протекает с образованием эпоксидов или практически ценных алифатических карбоновых кислот, представляющих интерес в качестве индивидуальных продуктов, а также в качестве интермедиатов в синтезе биологически активных веществ. Область использования эпоксидов жирных кислот достаточно широка. Они являются стабилизаторами и пластификаторами поливинилхлорида и его сополимеров [2, P. 285], мономерами для получения эпоксидных смол, а также востребованы как предшественники синтеза медицинских препаратов.

Рис. 1 – Основные ненасыщенные жирные кислоты таллового масла

При комплексной переработке внешней части березовой коры можно извлечь еще одно представляющее интерес соединение – пентациклический терпеноид – бетулин, содержание которого достигает 30% в зависимости от вида березы. Бетулин имеет широкий спектр биологической активности, играющей огромную роль в фармацевтической, парфюмерно-косметической и медицинской химии, в то же время является доступным природным соединением, достаточно легко выделяемым из исходного сырья [3, C. 93]. Бетулин и его производные обладают противораковой, антисептической, противовоспалительной, антиоксидантной, гепатозащитной, иммуномоделирующей, антивирусной и антиканцерогенной активностью [4, С. 274], [5, С. 2232].

Другим востребованным соединением, выделяемым из возобновляемого сырья, является пеуцеданин - представитель класса природных кумаринов, содержание которого в корнях горичника (Peucedanum L.) достигает 4%. Производные пеуцеданина обладают антибактериальным, фотосенсибилизирующим, антикоагулянтным, фунгицидным, противовирусным и противораковым действием [6, С. 362].

В связи с востребованностью продуктов окислительных преобразований ненасыщенных жирных кислот, их производных, а также бетулина и пеуцеданина существует необходимость в изучении реакций их окисления.

Учитывая стремительное развитие межфазного катализа в последние десятилетия, идея прямого каталитического окисления непредельных углеводородов заслуживает особого внимания. Традиционные методы окисления с использованием органических гидропероксидов [7, С. 261], [8, С. 1094] имеют ряд серьезных недостатков, среди которых - многостадийность и сложность технологических схем, значительные расходы сырья; опасность в экологическом аспекте.

Одностадийное окисление органических субстратов раствором пероксида водорода с использованием каталитических систем на основе пероксополиоксометаллатов в комбинации с четвертичными аммониевыми катионами в двухфазных жидких системах является перспективным подходом получения эпокси-, гидрокси-, карбоксисоединений. Перспективность применения таких катализаторов для селективного окисления пероксидом водорода была показана в работах Ishii [9, С. 3587], Venturello [10, С. 5924], Noyori и Sato [11, С. 1977]. Проведение окислительных реакций в мягких условиях (при температурах не превышающих 100ºС и атмосферном давлении), использование экологически благоприятного окислителя – пероксида водорода, доступность сырья являются определяющими факторами выбора данного подхода. Ряд окислительных реакций с использованием раствора H₂O₂ в качестве окислителя можно отнести к процессам «зеленой химии».

Настоящая работа посвящена окислительным преобразованиям природных соединений, содержащих ненасыщенные связи, таких как жирные кислоты, терпены и кумарины, 35%-ным раствором пероксидом водорода с применением катализаторов на основе пероксокомплексов вольфрама состава Q₃{PO₄[WO(O₂)₂]₄}, где Q – четвертичный аммониевый катион (табл. 1). Синтез катализаторов осуществлялся по методике, описанной в [12, P. 341], структуру полученных комплексов подтверждали методами КР- и ИК-спектрометрии.

Таблица 1 – Синтезированные каталитические комплексы Q₃{PO₄[WO(O₂)₂]₄} с использованием в качестве предшественника гетерополикислоты состава H₃PW₁₂O₄₀×15.4H₂O

Эксперименты по окислению проводили в стеклянном термостатируемом реакторе объемом 15 мл, снабженном обратным холодильником, при атмосферном давлении.

Эпоксидирование ненасыщенных жирных кислот и их производных протекает по схеме, изображенной на рис. 2.

Рис. 2 – Схема эпоксидирования ненасыщенных жирных кислот и их метиловых эфиров

Тестирование каталитических систем (табл. 1) проводили на примере реакции окисления метилового эфира олеиновой кислоты при концентрации катализатора в реакционном растворе не превышающей 0.1% масс. Реакцию проводили без применения органических растворителей. Роль органической фазы выполнял субстрат. Этот факт делает процесс более экологичным - «зеленым» методам синтеза эпоксисоединений.

Из пяти испытанных катализаторов наибольшую каталитическую активность в реакциях эпоксидирования ненасыщенных жирных кислот и их метиловых эфиров 35%-ным водным раствором пероксида водорода проявляют каталитические системы 1 и 2 (табл. 1, рис. 3). Реакцию проводили в двухфазной жидкой системе в интервале температур от 20 до 90 °С без использования растворителя.

Рис. 3 – Зависимость концентрации эпоксида метилолеата (% мол) в реакционной смеси от времени при окислении метилового эфира олеиновой кислоты пероксидом водорода в присутствии различных каталитических комплексов

Примечание: условия реакции: температура – 60 °С, концентрация катализатора – 0.1% масс.

Согласно полученным данным, высокая селективность по эпоксиду (до 90%) при конверсии субстрата 95% достигается при температуре 60 °С в присутствии катализатора 1 (табл. 1) за 4 ч.

Окисление бетулина и пеуцеданина

В качестве катализаторов окисления бетулина и пеуцеданина использовали каталитические комплексы 1, 2, 3 (табл. 1). Было установлено, что высокая конверсия бетулина (близкая к 100%) в реакции эпоксидирования раствором пероксида водорода достигается за 6 часов при температуре 70 °С в присутствии катализатора 1 в двухфазной системе, где роль органической фазы выполняет трихлорэтилен. Надо отметить, что во всех случаях окисление бетулина протекает неселективно с образованием смеси неидентифицируемых продуктов окисления. Данная проблема, вероятно, связана со строением молекулы бетулина, имеющей на ряду с ненасыщенными С=С связями, ОН- группы, которые также подвержены окислению. Для решения возникшей проблемы решили поставить ацетатную защиту на гидроксильные группы и тем самым повысить селективность. Дальнейшие исследования реакции окисления проводили уже с диацетатом бетулина.

Установлено, что окисление диацетата бетулина (рис. 4), протекает с 90% селективностью по эпоксиду при 98% конверсии субстрата в присутствии катализатора 1, показавшего высокую активность в реакции окисления бетулина. Высокая конверсия по диацетату и селективность по эпоксиду диацетата бетулина достигается за 4 ч при температуре 60 °С при использовании хлороформа в качестве органической фазы.

Рис. 4 – Схема окисления диацетата бетулина

Для тестирования каталитических систем на разных субстратах использовали еще одно соединение – природный кумарин – пеуцеданин, производные которого также обладают биологической активностью. Окисление пеуцеданина (рис. 5) в условиях межфазного катализа с использованием катализатора 2 при температуре 80 °С протекает в течение 1 часа при 5-кратном избытке окислителя. Обнаружено, что образующийся эпоксид претерпевает перегруппировку в 2-гидроксиореозелон. Установлено, что при 100% конверсии субстрата достигается 95% селективности по кетоспирту.

Рис. 5 – Схема окисления пеуцеданина

Заключение.

Таким образом, проведенные исследования показали,  что в указанных условиях:

- наибольшую каталитическую активность для реакций окисления пероксидом водорода проявил каталитический комплекс состава [MeOctⁿ₃N]₃{PO₄[WO(O₂)₂]₄};

- при эпоксидировании метилового эфира олеиновой кислоты раствором пероксида водорода можно достигать высокой селективности по эпоксиду при 95% конверсии субстрата;

- эпоксидирование диацетата бетулина протекает с 90% селективностью по эпоксиду при 98% конверсии;

- при окислении пеуцеданина в условиях межфазного катализа образующийся эпоксид претерпевает перегруппировку с образованием 2-гидроксиореозелона.

В целом полученные результаты свидетельствуют о перспективности применения бифункциональных катализаторов на основе пероксокомплексов вольфрама в реакциях окисления природных соединений, содержащих связи С=С с получением биологически активных соединений.

Список литературы / References

1. Чернова И.К. Талловое масло – перспективный источник для получения индивидуальных жирных кислот / И.К. Чернова, Л.М. Соболева, Е.И. Филимонова, В.В. Соловьев, Б.Н. Бычков // Химическая промышленность. – 2001. -№ 7. – С. 25-29.
2. Rouane A. Effect of sunflower oil on the mechanical permanence and the thermal properties of poly (vinyl chloride) / A. Rouane, D. Zerroukid, M.T. Benaniba // Energy Procedia. – 2014. – Vol. 50. – P. 285–289. doi:10.1016/j.egypro.2014.06.035
3. Кузнецова С.А. Выделение бетулина из бересты березы и изучение его физико-химических и фармакологических свойств / С.А. Кузнецова, Г.П. Скворцова, Ю.Н. Маляр, Е.С. Скурыдина, О.Ф. Веселова // Химия растительного сырья. – 2013. – №2. – С. 93-100. doi:10.14258/jcprm.201302093
4. Laavola M. Betulin derivatives effectively suppress inflammation in Vitro and in Vivo / M. Laavola, R. Haavikko, M. Hämäläinen, T. Leppänen, R. Nieminen, S. Alakurtti, V.M. Moreira, J. Yli-Kauhaluoma, E. Moilanen // Journal of Natural Products. – 2016. – Vol. 79(2). – P. 274-280. doi:10.1021/acs.jnatprod.5b00709
5. Tsepaeva O.V. Design, synthesis, and cancer cell growth inhibitory activity of triphenylphosphonium derivatives of the triterpenoid botulin / O.V. Tsepaeva, A.V. Nemtarev, T.I. Abdullin, L.R. Grigor'eva, E.V. Kuznetsova, R.A. Akhmadishina, L.E. Ziganshina, H.H. Cong, V.F. Mironov // Journal of Natural Products. – 2017. – Vol. 80(8). – P. 2232-2239. doi:10.1021/acs.jnatprod.7b00105
6. Осадчий С.А. Исследования растительных кумаринов. Сообщение 1. Некоторые превращения пеуцеданина. / C.A. Осадчий, Э.Э. Шульц, М.М. Шакиров, Г.А. Толстиков // Известия Академии наук. Серия химическая. – 2006. – № 2. – С. 362-366.
7. Sobczak J.M. Molybdenum complex-catalysed epoxidation of unsaturated fatty acids by organic hydroperoxides / J.M. Sobczak, J.J. Ziolkowski // Applied Catalysys A. General. – 2003. – Vol. 248(1-2). – P. 261-268. doi:10.1016/S0926-860X(03)00165-0
8. Milchert E. Optimization of the epoxidation of rapeseed oil with peracetic acid / E. Milchert, A. Smagowicz, G. Lewandowski // Organic Process Research and Development. – 2010. Vol. 14(5). – P. 1094-1101. doi:10.1021/op900240p
9. Ishii Y. Hydrogen peroxide oxidation catalyzed by heteropoly acids combined with cetylpyridinium chloride: epoxidation of olefins and allylic alcohols, ketonization of alcohols and diols, and oxidative cleavage of 1,2-diols and olefins / Y. Ishii, K. Yamawaki, T. Ura, H. Yamada, T. Yoshida, M. Ogawa // Journal of Organic Chemistry. – 1988. – Vol. 53(15). –P. 3587-3593. doi:10.1021/jo00250a032
10. Venturello C. Selective oxidation of alcohols and aldehydes with hydrogen peroxide catalyzed by methyltrioctylammonium tetrakis(oxodiperoxotungsto)phosphate(3-) under two-phase conditions / C. Venturello, M. Gambaro // Journal of Organic Chemistry. – 1991. –Vol. 56(20). –P. 5924-5931. doi:10.1021/jo00020a040
11. Noyori R. Green oxidation with aqueous hydrogen peroxide / R. Noyori, M. Aoki, K. Sato // Chemical Communications. – 2003. –Vol. 16. – P. 1977-1986. doi:10.1039/B303160H
12. Kochubey D.I. Structure and properties of tungsten peroxopolyoxo complexes-promising catalysts for organics oxidation. II. Cation type influence on the tungsten peroxocomplex structure / Dmitry I. Kochubey, Polina V. Berdnikova, Zinaida P. Pai, Yuriy A. Chesalov, Vladislav V. Kanazhevskiy, Tatiana B. Khlebnikova // Journal of Molecular Catalysis A: Chemical. – 2013. – Vol. 366. – P. 341-346. doi:10.1016/j.molcata2012.10.013

Список литературы на английском языке / References in English

1. Chernova I.K. Tallovoe maslo – perspektivnyj istochnik dlja poluchenija individual'nyh zhirnyh kislot [Tall oil is a promising source for the production of individual fatty acids] / I.K. Chernova, L.M. Soboleva, E.I. Filimonova, V.V. Solov'ev, B.N. Bychkov // Himicheskaja promyshlennost' [Chemical industry]. – 2001. -№ 7. – P. 25-29. [in Russian]
2. Rouane A. Effect of sunflower oil on the mechanical permanence and the thermal properties of poly (vinyl chloride) / A. Rouane, D. Zerroukid, M.T. Benaniba // Energy Procedia. – 2014. – Vol. 50. – P. 285–289. doi:10.1016/j.egypro.2014.06.035
3. Kuznecova S.A. Vydelenie betulina iz beresty berezy i izuchenie ego fiziko-himicheskih i farmakologicheskih svojstv [Isolation of betulin from birch bark and study of its physicochemical and pharmacological properties] / S.A. Kuznecova, G.P. Skvorcova, Ju.N. Maljar, E.S. Skurydina, O.F. Veselova // Himija rastitel'nogo syr'ja [Chemistry of plant raw materials]. – 2013. – №2. – P. 93-100. [in Russian]
4. Laavola M. Betulin derivatives effectively suppress inflammation in Vitro and in Vivo / M. Laavola, R. Haavikko, M. Hämäläinen, T. Leppänen, R. Nieminen, S. Alakurtti, V.M. Moreira, J. Yli-Kauhaluoma, E. Moilanen // Journal of Natural Products. – 2016. – Vol. 79(2). – P. 274-280. doi:10.1021/acs.jnatprod.5b00709
5. Tsepaeva O.V. Design, synthesis, and cancer cell growth inhibitory activity of triphenylphosphonium derivatives of the triterpenoid botulin / O.V. Tsepaeva, A.V. Nemtarev, T.I. Abdullin, L.R. Grigor'eva, E.V. Kuznetsova, R.A. Akhmadishina, L.E. Ziganshina, H.H. Cong, V.F. Mironov // Journal of Natural Products. – 2017. – Vol. 80(8). – P. 2232-2239. doi:10.1021/acs.jnatprod.7b00105
6. Osadchij S.A. Issledovanija rastitel'nyh kumarinov. Soobshhenie 1. Nekotorye prevrashhenija peucedanina [Research of plant coumarins. Communication 1. Some transformations of pulecdanin]. / C.A. Osadchij, Je.Je. Shul'c, M.M. Shakirov, G.A. Tolstikov // Izvestija Akademii nauk. Serija himicheskaja [Russian Chemical Bulletin. Chemical series] – 2006. – № 2. –P. 362-366. [in Russian]
7. Sobczak J.M. Molybdenum complex-catalysed epoxidation of unsaturated fatty acids by organic hydroperoxides / J.M. Sobczak, J.J. Ziolkowski // Applied Catalysys A. General. – 2003. – Vol. 248(1-2). – P. 261-268. doi:10.1016/S0926-860X(03)00165-0
8. Milchert E. Optimization of the epoxidation of rapeseed oil with peracetic acid / E. Milchert, A. Smagowicz, G. Lewandowski // Organic Process Research and Development. – 2010. Vol. 14(5). – P. 1094-1101. doi:10.1021/op900240p
9. Ishii Y. Hydrogen peroxide oxidation catalyzed by heteropoly acids combined with cetylpyridinium chloride: epoxidation of olefins and allylic alcohols, ketonization of alcohols and diols, and oxidative cleavage of 1,2-diols and olefins / Y. Ishii, K. Yamawaki, T. Ura, H. Yamada, T. Yoshida, M. Ogawa // Journal of Organic Chemistry. – 1988. – Vol. 53(15). –P. 3587-3593. doi:10.1021/jo00250a032
10. Venturello C. Selective oxidation of alcohols and aldehydes with hydrogen peroxide catalyzed by methyltrioctylammonium tetrakis(oxodiperoxotungsto)phosphate(3-) under two-phase conditions / C. Venturello, M. Gambaro // Journal of Organic Chemistry. – 1991. –Vol. 56(20). –P. 5924-5931. doi:10.1021/jo00020a040
11. Noyori R. Green oxidation with aqueous hydrogen peroxide / R. Noyori, M. Aoki, K. Sato // Chemical Communications. – 2003. –Vol. 16. – P. 1977-1986. doi:10.1039/B303160H
12. Kochubey D.I. Structure and properties of tungsten peroxopolyoxo complexes-promising catalysts for organics oxidation. II. Cation type influence on the tungsten peroxocomplex structure / Dmitry I. Kochubey, Polina V. Berdnikova, Zinaida P. Pai, Yuriy A. Chesalov, Vladislav V. Kanazhevskiy, Tatiana B. Khlebnikova // Journal of Molecular Catalysis A: Chemical. – 2013. – Vol. 366. – P. 341-346. doi:10.1016/j.molcata2012.10.013