книги из ГПНТБ / Аймухамедова Г.Б. Пирролидонкарбоновая кислота (свойства, применение, способы ее получения и определения)
.pdfА К А Д Е М И Я Н А У К К И Р Г И З С К О Й С С Р
ИНСТИТУТ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Г. Б. А Й М У Х А М Е Д О В А , Е. П. Р У К А В И Ш Н И К О В А
ПИРРОЛ ИДОНКАРБОНОВАЯ КИСЛОТА
(СВОЙСТВА, П Р И М Е Н Е Н И Е , СПОСОБЫ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ)
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ИЛИМ»
Ф р у н з е 1 9 7 4
УДК 547.466.64
Вкниге представлены обобщенные данные о свойствах, применении, способах получения и определения L(—)-пирро- лидонкарбоновой кислоты—лактама глутаминовой кислоты.
Монография предназначается для химиков и технологов, ра ботающих в области получения физиологически активных ве ществ, а также химиков сахарной промышленности.
Печатается по постановлению Редакционно-издательского совета Академии наук Киргизской ССР
Ответственный редактор 3. Б. Бакасова
2—5-3 |
(6) Издательство «Илим», 1974 |
ВВ Е Д Е Н И Е
Аминокислоты — физиологически активные вещества, ис ходные компоненты синтеза белка в живом организме —
представляют большой теоретический и практический инте рес. Поэтому химии аминокислот, особенно исследованиям по разработке методов выделения и определения, придается очень большое значение.
Источником д л я получения многих аминокислот служит природное сырье как животного, так и растительного проис хождения и, в частности, сахарная свекла. •
Одним из важнейших азотсодержащих соединений, вхо дящих в состав свеклы и полупродуктов ее переработки, яв
ляется L-глутамин — амид |
глутаминовой кислоты. В процес |
||||
се сахарного |
производства |
он |
подвергается |
ряду |
химических |
превращений, |
в частности |
в |
L-пирролидонкарбоновую кис |
||
лоту. |
|
|
|
|
|
Быстро развивающееся |
в |
последнее время |
производство |
||
глутаминовой |
кислоты и ее производных на основе утилиза |
||||
ции отходов |
свеклосахарного и |
спиртового |
производств тре |
бует более глубокого знания свойств и поведения в техноло
гическом процессе п р е ж д е всего пирролидонкарбоновой |
кис |
|||||||
лоты и ее солей. Это особенно |
в а ж н о |
и потому, что глутами- |
||||||
новая |
кислота в рассматриваемых отходах |
находится в |
ос |
|||||
новном |
в |
виде |
пирролидонкарбоновой |
кислоты, которая |
со |
|||
держится |
т а к ж е |
во всех полупродуктах глутаминового произ |
||||||
водства. Поэтому для осуществления |
оптимальных |
условий |
||||||
технологических |
процессов и |
дальнейшей |
интенсификации |
|||||
глутаминового |
производства |
необходимо |
изучить |
свойства, |
поведение пирролидонкарбоновой кислоты и условия ее хими
ческих |
превращений . |
|
|
L ( — ) - п и р р о л и д о н к а р б о н о в а я |
кислота и ее |
производные |
|
имеют |
т а к ж е большое самостоятельное значение |
в медицине, |
|
химии |
и химической технологии. |
Особенно в а ж н ы м , на наш |
|
взгляд, |
является использование |
пирролидонкарбоновой кис |
лоты при производстве физиологически активных соединений. Так, известно применение этой кислоты д л я получения ее со-
3
единений с холином, |
бетаином и других, д л я разделения |
ра |
|
цемических |
смесей в производстве незаменимых аминокислот. |
||
Б л а г о д а |
р я своему |
полифункциоиальному характеру |
пир- |
ролидонкарбоновая кислота могла бы найти более широкое применение во многих областях химии и химической техноло гии. Однако литературных данных об этой кислоте очень ма
ло, |
а в отечественных каталогах химических |
реактивов |
она |
|||
не |
значится, следовательно, |
в С С С Р пирролидоновая кислота |
||||
не выпускается и производство ее не налажено . |
|
|
||||
|
В настоящей работе обобщены имеющиеся |
в литературе |
||||
сведения |
об этой кислоте, |
описаны |
разработанные |
нами |
||
способы |
промышленного |
получения |
оптически . активной |
|||
L( — ) - пирролидонкарбоновой |
кислоты |
и количественного |
раз |
дельного определения пирролидонкарбоновой и глутаминовой кислот в их смесях. П р е д л а г а е м ы е способы производства и контроля прошли полупроизводственную проверку в глутами-
новом |
цехе Карабалтинского спиртового завода Киргиз |
ской |
С С Р . |
Глава I
ФИ З И К О - Х И М И Ч Е С К ИЕ СВОЙСТВА
ПИ Р Р О Л И Д О Н К А Р Б О Н О В О И КИСЛОТЫ
ХАРАКТЕРИСТИКА ПИРРОЛИДОНКАРБОНОВОИ КИСЛОТЫ
Н,С СМ2
Пирролидонкарбоновая кислота
NH
или 5-оксо-пирролидин-2-карбоновая или пирролидон - (5) - карбоновая кислота (2), или пироглутаминовая кислота отно сится к оксо-карбоновым кислота с тремя кислородными атомами и с общей эмпирической формулой С п Н п - 3 0 з Ы , явля ется л а к т а м о м , может т а к ж е рассматриваться как ангидрид а-аминоглутаровой или глутаминовой кислоты или к а к про дукт циклизации глутамииа; имеет молекулярный вес 129.
Эта кислота существует в трех изомерных формах, две из
них — оптически активные, одна — неактивная . |
|
|
||||
D-изомер наименее изучен. Это |
п р а в о в р а щ а ю щ а я |
пирро- |
||||
лидон - (5) - карбоновая кислота-(2) |
является |
л а к т а м о м |
лево- |
|||
в р а щ а ю щ е й а-амииоглутаровой или D-глутаминовой кислоты. |
||||||
Температура плавления 182-3°; /а/д |
= + 10,7 [2, 3 ] . |
|
|
|||
L-форма |
— л е в о в р а щ а ю щ а я |
пирролидон - (5) - карбоновая |
||||
кислота [ 2 ] . Это л а к т а м |
п р а в о в р а щ а ю щ е й |
а - аминоглутаро |
||||
вой или L-глутаминовой |
кислоты. |
Температура |
плавления |
|||
158—160°, |
162—163°; /а/Д = —11,5—11,9 [ 1 — 4 ] . К а к |
известно, |
«теоретического значения» оптического вращения не сущест вует. Обычно принимается то его значение, которое учитывает большинство исследователей. Абсолютные значения отклоне ний могут составлять несколько процентов. Величина оптиче ского вращения в больше1;"! или меньшей степени зависит от
условий, при которых оно |
определяется. Однако до сих пор |
||
нет единой |
точки зрения |
относительно систематической |
стан |
дартизации |
экспериментальных условий, за исключением |
поч- |
5
ти повсеместного использования в качестве источника света излучения D-линий натрия. Поэтому трудно установить, яв ляется ли расхождение указанных значений вращения д л я пирролидонкарбоновой кислоты следствием особенностей эк
сперимента в |
к а ж д о м |
отдельном |
случае, или |
оно обусловлено |
|||||||||||
загрязнением |
изомера. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
L( — ) - пирролидонкарбоновая кислота легко растворима в |
|||||||||||||||
метаноле и этиловом спирте, очень |
трудно — в |
хлороформе, |
|||||||||||||
практически |
нерастворима |
в эфире |
|
и толуоле |
[ 2 ] . При |
дейст |
|||||||||
вии сильной кислоты или щелочи |
она подвергается |
гидроли |
|||||||||||||
зу до глутаминовой кислоты; это |
свойство широко |
использу |
|||||||||||||
ется при производстве последней |
[5,16—18]. |
|
|
|
|
|
|||||||||
Неактивная, |
рацемическая |
|
пирролидон - (5) - карбоиовая |
||||||||||||
кислота |
(2) является |
смесью л а к т а м о в |
D и |
L-глутаминовой |
|||||||||||
кислоты. Р а ц е м а т |
обычно |
получается |
синтетическим |
путем |
|||||||||||
или |
нагреванием |
глутаминовой |
|
кислоты в |
автоклаве |
|
при |
||||||||
200°С |
[ 6 — 7 ] . Эта |
форма, |
как и л е в о в р а щ а ю щ а я |
пирролидон- |
|||||||||||
карбоновая кислота, может быть |
исходным |
веществом |
для |
||||||||||||
промышленного получения L ( + ) = глутаминовой |
кислоты |
[ 6 ] . |
|||||||||||||
В связи с тем, что DL - форму пирролидонкарбоновой |
кислоты |
||||||||||||||
получить |
значительно |
проще, |
чем |
ее |
оптические |
изомеры, |
|||||||||
производных этой кислоты сравнительно много [2, 8, 96]. |
|
||||||||||||||
Пирролидонкарбоновые |
кислоты |
способны |
к изомериза |
ции. Так, при нагревании глутаминовой кислоты с пятикрат
ным количеством анилина в течение получаса в |
масляной ба |
не при температуре 205—210°, с последующим |
охлаждением |
и освобождением реакционной смеси от анилина путем экст
ракции |
эфиром, Е. А. Абдергальдену |
и Е. Ш в а б у удалось |
по |
|||||||
лучить |
продукт, который не |
д а в а л реакции |
на |
нингидрин, |
ые |
|||||
о б н а р у ж и в а л свою оксогруппу и проявлял непредельный |
ха |
|||||||||
рактер . Вещество оказалось |
изомером пирролидонкарбоно |
|||||||||
вой кислоты со следующей формулой: |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ОН* 4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0 - С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
NH |
|
|
и было |
названо ими оксипирролинкарбоновой кислотой. П о д |
|||||||||
действием |
водорода |
полученное |
соединение |
в |
соответствую |
|||||
щих условиях было переведено в |
оксипирролидинкарбоновую |
|||||||||
кислоту |
[28, |
29]. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Вопрос |
о |
присутствии в |
белках |
пирролидонкарбоновой |
||||||
кислоты |
и ее изомера |
— оксипирролинкарбоновой кислоты |
— |
до сих пор остается не выясненным. Однако возможно, что оба соединения меняются при гидролизе белка, так как они легко переходят в глутаминовую кислоту [28].
к ' |
Известные химические |
соединения |
|
пирролидонкарбоновой |
кислоты |
иИх краткая характеристика
Ка к и всякому соединению, имеющему карбоксильную группу, пирролидонкарбоновой кислоте свойственны реакции образования солей и сложных эфиров. Некоторые продукты этих реакций описаны ниже.
К а л ь ц и е в а я и б а р и е в а я с о л и |
л е в о в р а щ а ю щ е й |
|||||||
пирролидонкарбоновой |
кислоты, |
по данным |
Е. А. Абдергаль - |
|||||
дена, образуются |
при |
прокаливании |
сухой |
кальциевой или |
||||
бариевой |
соли |
п р а в о в р а щ а ю щ е й |
глутаминовой |
кислоты, а |
||||
т а к ж е при нагревании |
глутаминовой |
кислоты |
с избытком оки |
|||||
си кальция |
и |
воды при 145° [2]. |
|
|
|
|
||
М е д н а я |
с о л ь |
L-пирролидонкарбэновой |
кислоты — |
|||||
Cu(C5H60sN)2 |
— выделяется из |
разбавленных |
растворов |
спирта и э ф и р а в виде светло-голубых хлопьев. Сухая соль — зеленого цвета, легко растворима в воде.
С е р е б р я н а я |
с о л ь |
— A g C 5 H 6 0 3 N — кристаллизуется |
|||||
в виде игл или столбиков, |
|
которые |
при 200° темнеют, |
а при |
|||
290° разлагаются . |
Соль |
легко растворима в |
горячей |
воде, |
|||
труднее— в холодной и нерастворима в спирте. |
— кристал |
||||||
Ц и н к о в а я |
с о л ь |
— |
Zn ( С 5 Н 6 0 3 Н ) 2 - 2 Н 2 0 |
||||
лическое |
вещество, |
плавится |
с р а з л о ж е н и е м при 164°; [а] д = |
||||
—20,8° |
(5%-ный водный |
раствор) |
[2]. |
|
|
||
А м м о н и е в а я с о л ь |
пирролидонкарбоновой кислоты — |
Хорошо кристаллизующееся вещество с температурой плав
ления 160° и [ о ] д |
= — 2 5 ° |
[ 4 ] . |
|
М е т и л о в ы й |
э ф и р |
— C6H9O3N, — по данным Е. Фи |
|
шера, получают этерификацией п р а в о в р а щ а ю щ е й |
глутамино |
||
вой кислоты метиловым спиртом в присутствии |
хлористого |
водорода и дистилляцией продукта реакции при пониженном давлении. Точка кипения метилового э ф и р а при остаточном
давлении 12 мм — |
180°. Эфир очень |
легко растворим |
в воде |
||
и трудно — в петролейном |
эфире. |
|
|
|
|
Э т и л о в ы й |
э ф и р |
п и р р о л и д о н к а р б о н о в о й |
|||
к и с л о т ы — C7H11O3N — получают |
из |
диэтилового |
эфира |
||
правовращающей |
глутаминовой кислоты |
при нагревании до |
150—160°. Этот эфир кристаллизуется из смеси эфира и лиг
роина, плавится при температуре о к о л о |
49°, кипит |
при 176° |
и остаточном давлении 12 мм, очень легко |
растворим |
в воде, |
7
спирте, |
ацетоне |
и бензоле; |
трудно — в петролейном |
эфире. |
|||
По данным Е. Фишера, [ а ] д 1 6 |
= —2,5 |
(17%-ный водный |
раст |
||||
в о р ) , по |
данным |
Я. Каррера, |
[ а ] 1 4 д = — 2 , 7 |
(12%-ны)й водный |
|||
раствор) |
[ 2 ] . |
|
|
|
|
|
|
Пирролидонкарбоновая |
кислота, |
связанная пептидной |
|||||
связью с |
другими |
аминокислотами, |
была |
обнаружена |
в бу |
||
рых морских водорослях. Таковы |
Ь-пироглутамил-Ь глу- |
||||||
таминил L-глутамина со структурной формулой |
|
||||||
|
Н,С |
СН, |
|
C0NH2 |
C0NH;, |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
0-С |
|
|
( C « 2 ) 2 |
( с н 2 ) 2 |
|
|
|
|
|
|
NHCHC07M |
|
||
|
|
|
- СНСО - |
|
иэйзенин — Ь-пироглутамил-Ь-глутаминил L-аланина со
структурной формулой [8].
|
ш н |
2 |
|
|
|
|
( с н г ) 2 |
|
СН3 |
|
|
|
сн |
|
|
I |
|
|
C0NH — •СНСО |
NH |
— CHC02 h |
|
|
ПРЕВРАЩЕНИЯ ГЛУТАМИНОВОИ КИСЛОТЫ И ГЛУТАМИНА |
|||||
Глутаминовая |
кислота является |
весьма лабильным сое |
|||
динением, способным подвергаться |
циклизации как в |
кислой, |
|||
т а к и в щелочной |
средах. Д а н н ы е |
о |
превращениях |
глутами- |
|
новой кислоты и глутамина приводит |
А. И . Ж у ш м а н |
[18] . |
|||
Так, обратимая |
реакция |
|
|
|
|
COOK |
|
|
Н,С |
сн, |
|
I |
-Н2 Р |
|
|
|
|
СН2 |
+Н2 0 |
|
|
|
|
СН2 |
0-С |
СНСОС! |
|
||
|
|
||||
I |
|
|
|
NH |
|
H ? N — СН — СООН |
|
|
|
||
|
|
|
|
||
Глцтаминобая |
кислота |
|
/шалота |
|
|
|
|
|
|
•8
в нейтральной зоне р Н протекает в сторону образования пир- |
|||
ролидонкарбоновой |
кислоты очень медленно: за 2—3 ч при |
||
р Н |
6,2 и температуре |
100° циклицируется |
только до 1% кисло |
ты. |
Ускорение процесса происходит при |
повышении темпера |
туры и смещении рН раствора в сторону слабокислых и сла
бощелочных значений. При р Н 3 и температуре |
120° циклиза |
|||||||||||
ция |
глутаминовой кислоты |
заканчивается за 3 ч, при рН 4 и |
||||||||||
температуре |
100° — за |
5 |
ч, |
при |
120° — за |
6 ч, |
а |
при |
||||
150—160° — за 1,5 ч. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
П о мнению авторов |
|
английского патента № 790602, зна |
||||||||||
чительная циклизация |
наблюдается |
и в слабощелочной |
среде |
|||||||||
[102]. Что ж е касается |
|
реакции перехода глутамина |
в |
пирро- |
||||||||
лидонкарбоновую |
кислоту по схеме |
|
|
|
|
|
||||||
|
CfONHs |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
СН2 |
|
|
|
|
|
|
Н2С |
СН2 |
|
||
|
I |
|
|
|
-NH, |
|
|
|
|
|
|
|
|
с н г |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CHNH2 |
|
|
|
|
|
0 = С 1 ^ / | С Н С 0 0 Н |
|||||
|
I |
|
|
|
|
|
|
|
NH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
СООН |
|
|
|
|
|
Лирролцдонкарбопобая |
|||||
|
Гпутамин |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
кислота |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
то она проходит |
значительно |
быстрее и полнее, |
м р и нагрева |
|||||||||
нии |
раствора |
глутамина |
с рН 6—9 |
при температуре |
100° его |
|||||||
циклизация |
проходит |
на |
98—99%, а |
при р Н |
3,0—5,7 — на |
|||||||
81—91%. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В |
присутствии |
фосфата |
|
калия |
при р Н 6,5 и температуре |
|||||||
100° глутамин за 60—90 мин |
полностью |
превращается |
в пир- |
|||||||||
ролидонкарбоновую; глутаминовая |
ж е |
кислота |
не |
претерпе |
||||||||
вает |
никаких |
превращений |
[18]. |
|
|
|
|
|
||||
И. М. Л и т в а к |
и М. И. Б а р а б а н о в , |
изучая химические |
прев |
ращения глутаминовой кислоты при нагревании ее в кислых, нейтральных и щелочных средах, пришли к следующим выводам:
|
1) при "нагревании растворов |
глутаминовой кислоты |
прев |
||
ращение ее в пирролидонкарбоновую зависит от реакции |
сре |
||||
ды, |
температуры |
и длительности |
нагревания; |
|
|
|
2) конверсия глутаминовой кислоты в пирролидонкарбо |
||||
новую усиливается с повышением температуры |
и увеличени |
||||
ем |
длительности |
нагревания. В большей степени |
это явление |
9