NL8902428A - Polyglucuronzuur, werkwijze voor de bereiding daarvan en toepassing daarvan. - Google Patents

Description

Polyglucuronzuur, werkwijze voor de bereiding daarvan en toepassing daarvan.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor de bereiding van een glucuronzuureenheden bevattend polysaccharide door oxidatie van een glucose-eenheden bevattend polysaccharide.

Carboxylgroepen bevattende polysacchariden, zoals polyglucuronzuur, zijn waardevolle verbindingen, omdat zij dankzij hun insluitende en/of oplossende werking geschikt zijn als dragers voor uiteenlopende actieve stoffen, en verder als oploshulpmiddelen, stabilisatoren, bindmiddelen, zwelmiddelen. e.d. In dit opzicht zijn zij veelal superieur aan polysacchariden die geen carboxylgroepen bevatten, zoals amylose en cyclo-dextrinen, doordat zij beter in water oplosbaar zijn.

Carboxylgroepen kunnen in beginsel in polysacchariden worden ingevoerd door oxidatie van hydroxygroepen aan C2, C3 (of C4) . of Cg van de hexose-(glucose-)eenheden. De oxidatie aan C2 en C3 van een 1,4-ingebouwd polysaccharide gaat gepaard met verbreking van de koolstofketen van de monosaccharide-eenheden; deze oxidatie kan bijvoorbeeld geschieden met natriumhypochloriet of perjoodzuur. Bij de oxidatie van de C5~hydroxylgroep blijft de koolstofketen intakt: deze oxidatie kan bijvoorbeeld worden uitgevoerd met stikstofoxiden (NO2. salpeterzuur e.d.), maar ook met hypochloriet (zie M. Boruch. Starch/Starke _37, 9.1-98 (1985)). De oxidatie kan ook langs elektrochemische weg plaatsvinden.

Voor de complexerende of stabiliserende werking heeft handhaving van het koolstofskelet in het geoxideerde polysaccharide (zoals in polyglucuronzuur) vaak voordeel. Polyglucuronzuur is daarnaast een geschikte uitgangsstof voor op andere wijze moeilijker te bereiden monomere poly--hydroxyzuren.

De bekende oxidatiemethoden zijn echter geenszins selectief en leiden in het bijzonder in het geval van oxidatie van -glucanen (uit cR-glucose opgebouwde polysacchariden, zoals zetmeel) tot afbraak van het polysaccharideskelet.

Een werkwijze voor de bereiding van glucuronzuureenheden bevattende polysacchariden is beschreven door T.J. Painter et al., Carbohydrate Research 140, 61-68 (1985). Volgens d ie werkwijze wordt amylose geoxideerd met natriumnitriet, waarbij een produkt wordt gevormd dat. bij een opbrengst van 66%, ten hoogste 67 of 75% (afhankelijk van de berekeningswijze) aan glucuronzuureenheden bevat. Naast dit matige rendement heeft de werkwijze andere nadelen, zoals de vereiste aanwezigheid van fosforzuur waarvan de verwijdering achteraf problemen geeft, de aspecifieke oxidatie waarbij behalve de gewenste oxidatie van de primaire hydroxygroepen ook niet gewenste oxidatie van secundaire hydroxygroepen optreedt, welke laatste weer door een extra reductiestap met boorhydride ongedaan moet worden gemaakt, en verder een aanzienlijke ketenafbraak (depolyraerisatie), leidend tot een daling van het gemiddelde molecuulge-wicht van 2.30^ tot 1θ\ d.w.z. met een faktor 20.

Gevonden is nu een werkwijze voor het bereiden van polyglucuronzuur (glucuronan) en verwante polysacchariden, zonder de bovengenoemde nadelen, waarbij polysacchariden met een hoog gehalte aan glucuronzuureen-heden kunnen worden verkregen.

De gevonden werkwijze heeft als kenmerk, dat men het glucose~een-heden bevattende oligosaccharide of polysaccharide oxideert in aanwezigheid van een een polysaccharide complexerende stof.

Complexerende stoffen voor zetmeel en zetmeelfracties zijn op zichzelf bekend; zie J. Muetgeert, Adv. Carbohydr. Chem. _3_6, 299-333 (3 963): R.L. Whistler, N.J. Bemiller en E.F. Paschall, in Starch Chemistry and Technology, A. Young, 2e ed., Academic Press. Inc., Orlando, Florida, 3984, biz. 260-268: J. Rzejtli, Cyclo-dextrins and their inclusion complexes, Akademiai Kiado, Budapest (1982). In het algemeen betreft het organische verbindingen met lage polariteit en een relatief groot ruimtebeslag, of met matige polariteit.

Groepen verbindingen die met amylose complexeren zijn* - alifatische alcoholen - alifatische carbonzuren - alifatische sulfonzuren - esters - alifatische nitroverbindingen - bepaalde aromatische koolwaterstoffen - alicyclische koolwaterstoffen - verzadigde halogeenkoolwaterstoffen - sterk vertakte alifatische koolwaterstoffen.

Enkele groepen verbindingen die geen complexen geven zijn* - onverzadigde halogeenkoolwaterstoffen - enkele aromatische koolwaterstoffen - alifatische koolwaterstoffen, met uitzondering van de sterk vertakte.

Voorbeelden van stoffen die bijvoorbeeld goed met amylose complexeren zijn 3,3,2,2-tetrachloorethaan, hexachloorethaan, 3,2-dichloore-thaan, 3,3,3- en 3,3,2-trichloorethaan, tetrachloorkoolstof, chloroform.

benzeen, o-xyleen, 2,3-dimethylbutaan, nitropropaan, amylacetaat, fenol, butylalcohol, amylalcohol, isoamylalcohol, 1-hexanol, 2-octanol, cyclo-hexanol, boterzuur en hogere vetzuren, diisopropylketon, chinoline. Voorbeelden van stoffen die niet of slecht complexeren met amylose zijn: tetrachlooretheen, chloorbenzeen. tolueen, p-xyleen, p-dibroombenzeen, n-alkanen, n-alkylhalogeniden, minerale olie, zwavelkoolstof e.d.

Bij voorkeur is de complexerende stof een alkaanzuur of alkaansul-fonzuur met 3 tot 19 koolstofatomen in het alkylgedeelte, dat al of niet vertakt is, of een zout daarvan. Bijzondere voorkeur gaat uit naar weinig of niet vertakte C^-Cjg-alkaanzuren zoals boterzuur, heptaan-zuur (enantzuur), octaanzuur (caprylzuur), pelargonzuur, laurinezuur, myristinezuur en palmitinezuur en de zouten daarvan. Ook de overeenkomstige C4-C]g-alkanolen, zoals octanol en dodecanol, komen in aanmerking: deze worden zelf grotendeels tot de carbonzuren geoxideerd, maar dat heeft geen nadelig effect op de selectiviteit van de poly-saccharide-oxidat ie.

De te gebruiken hoeveelheid van de complexerende stof hangt af van de aard van het te oxideren polysaccharide en die van de complexerende stof zelf en van de oplosbaarheid daarvan. Het blijkt dat naarmate de stof een langere alkylgroep bevat minder van die stof nodig is. In het algemeen ligt de hoeveelheid tussen J en J00 gew.% en in het bijzonder tussen JO en 50 gew.% t.o.v. het polysaccharide.

Door de aanwezigheid van de complexerende stof tijdens de oxidatie van glucanen en soortgelijke polysacchariden blijken de 6-hydroxymethyl-groepen selectief te worden geoxideerd en blijkt er tijdens de oxidatie geen ongewenste ketonvorming of ringopening tot een dialdehyd of een dicarbonzuur in waarneembare mate op te treden. Tevens blijkt verrassenderwijs dat de glucosidebindingen intakt blijven en er geen noemenswaardige depolymerisatie optreedt.

De rol van de complexerende stof kan zijn een ring- of spiraal-structuur van het polysaccharide te bevorderen en/of zodanig te stabiliseren en oriënteren dat de 6-hydroxymethylgroepen goed toegankelijk voor het oxidatiemiddel zijn en in samenhang daarmee de 2-, 3- en/of 4-hy-droxygroepen slecht toegankelijk zijn. Deze structuur wordt ook tijdens de oxidatie gehandhaafd, waardoor de oxidatie tot de 6-0H groepen beperkt blijft. De grootte van de ringen of spiralen is onder meer afhankelijk van de aard van het polysaccharide en van de aard en de hoeveelheid van de complexvormer.

Polysacchariden die een ring- of spiraalstructuur bezitten of kunnen aannemen zijn bijvoorbeeld 1,4-o(-glucanen (polysacchariden die voor een belangrijk deel bestaan uit glucose-eenheden die aan de lof-positie en de 4-positie glycosidisch zijn verbonden) en l,3-/3-glucanen. Tot de eerstgenoemde groep behoren bijvoorbeeld zetmeel en fracties en derivaten daarvan, zoals amylose en amylopectine, dextrinen, welke een spiraalstructuur kunnen aannemen, en cyclodextrinen die een ringstruc-tuur hebben e.d. Zeer geschikt voor oxidatie volgens de werkwijze van de uitvinding zijn amylosedextrinen, in het bijzonder met een lengte van 15-50 glucose-eenheden, en o^-, β - en flr-, in het bijzonder /3-cyclo-dextrinen. Tot de tweede groep behoren bijvoorbeeld microbiële polysacchariden zoals curdlan en scleroglucan, welke 1,3-/3-glucanen onderling verschillen in de afwezigheid resp. aanwezigheid van een via 1-6 verbonden /3-glucose-zijgroep per drie glucose-eenheden in de keten.

Onder de aanduiding "polysacchariden" wordt hier elk suikerhoudend polymeer of oligomeer verstaan zonder bepaalde grenzen aan de polymeri-satiegraad. Derhalve vallen ook oligosacchariden onder dit begrip.

De oxidatie van de glucose-eenheden bevattende polysacchariden kan geschieden met de voor de oxidatie van polysacchariden bekende oxidatiemiddelen, zoals stikstofoxiden en salpeterzuur. Bijzonder voordelig is de werkwijze volgens de uitvinding in het geval van elektrochemische oxidatie met behulp van metaalelektroden.

Bij elektrochemische oxidatie blijken per geoxideerde anhydroglu-cose-eenheid minder dan 8, gewoonlijk ongeveer 6 elektronen te worden getransporteerd. In theorie komen er per geoxideerde glucose-eenheid 4 elektronen vrij, volgens onderstaande vergelijking: c6h10°5 + 40H_-> CgHgOó + 3H2O + 4e d.w.z. dat er per 162 mg glucan 386 Coulomb wordt verbruikt.

Het verschil blijkt voornamelijk te worden veroorzaakt door zuur-stofvorming, die op zichzelf voor de werkwijze onschadelijk is. en in geringe mate door nevenreacties die tot afbraak leiden. Bij dezelfde elektrochemische oxidatie, echter zonder de aanwezigheid van een com-plexerende stof, worden ten minste 12 elektronen per glucose-eenheid getransporteerd, hetgeen op een vergaande oxidatie in dat geval, tot bijvoorbeeld tricarboxylderivaten, mierezuur en/of kooldioxide wijst. De oxidatie tot mierezuur bijvoorbeeld geschiedt volgens de vergelijking: c6h10°5 + 120H~—* 6HC00H + 5H20 + 12e, waarbij derhalve 1158 C per 362 mg wordt verbruikt.

Door de stroomsterkte als functie van de tijd te meten en hieruit het ladingverbruik voor een gegeven hoeveelheid substraat af te leiden verkrijgt men inzicht in de aard van de verlopende reacties. Aanvullende informatie kan uit ^C-NMR-spectroscopie worden verkregen. Indien andere produkten ontstaan zal dit direkt in het spectrum zichtbaar worden.

Als elektrodematerialen komen de daarvoor bekende metalen in aanmerking, zoals nikkel, ijzer, koper en zilver. Nikkel en zilver zijn wegens hun stabiele oxidelagen als anodemateriaal bijzonder geschikt, waarbij nikkel wegens de lagere kostprijs de voorkeur heeft.

Elektrochemische oxidatie kan op voor de deskundige bekende wijze worden uitgevoerd, bijvoorbeeld bij een temperatuur van ongeveer 50°C, in aanwezigheid van loog (1 Μ KOH) en met een spanning van ongeveer 0,45-0.70, in het bijzonder ongeveer 0,55 V t.o.v. een standaard-calomelelektrode.

Het geoxideerde produkt kan op gebruikelijke wijze worden geïsoleerd. De complexerende stof kan door extractie met een apolair of laag-polair oplosmiddel, bijvoorbeeld een C5-Cg-koolwaterstof, van de polysacchariden worden gescheiden. Indien de complexerende stof een vaste stof is, zoals bij de vetzuren met meer dan J0 koolstofatomen het geval is, kan deze ook door filtreren worden verwijderd.

De uitvinding heeft tevens betrekking op de glucuronzuureenheden bevattende polysacchariden die met de hierboven beschreven werkwijze worden verkregen. 1,4-c<-Glucuronanen met een gehalte van meer dan 67% aan via 1,4-bindingen ingebouwde CK-glucuronzuureenheden zijn nieuw en vormen een bijzonder aspekt van de uitvinding. De uitvinding heeft als verder aspekt nieuwe glucuronanen die voor een belangrijk gedeelte bestaan uit via ] ,3-bindingen ingebouwde fS -glucuronzuureenheden, afgeleid van bijvoorbeeld curdlan of scleroglucan.

De bovengenoemde glucuronzuureenheden bevattende polysacchariden zijn bijzonder geschikt om te worden toegepast voor uiteenlopende doeleinden. zoals als drager voor geneesmiddelen en andere werkzame stoffen, oplosmiddelhulpmiddel voor laagpolaire of polymere stoffen in watermi-lieu. dragermateriaal voor scheidingsinrichtingen. eventueel voor scheiding van optische antipoden, stabilisator enz. De uitvinding heeft ook op deze toepassingen betrekking.

Voorbeelden

Elektrochemische cel, elektrodemateriaal en apparatuur

De oxidaties werden uitgevoerd in een cylindrische. dubbelwandige cel met een volume van 20 ml.

Als anode werd een roterende cylindrische Ni-elektrode (99,97%) met een oppervlak van ]2 cm2 gebruikt. Als tegenelektrode werd een Pt-draad gebruikt (spiraalgewijs om de anode). De referentie-elektrode was een verzadigde calomelektrode (SCE). Meting van de potentiaal (+0,5V vs SCE) vond plaats via een Luggin-capillair.

Stroom en spanning werden geleverd door een Wenking potentiostat. De stroomsterkte werd als functie van de tijd gemeten. Hiervan werd het ladingverbruik als functie van de stroomsterkte afgeleid (hetgeen het mogelijk maakt het totale ladingverbruik te schatten door extrapolatie naar 1=0).

Chemicaliën en condities /3-Cyclodextrine werd geleverd Sigma Chemicals. Araylosedextrinen zijn preparaten verkregen door hydrolyse van amylopectine (Waxy Mais) met behulp van bijv. isoamylose of pullulanase (zie de Nederlandse octrooien 160.615 en 165.500). Laurinezuur en caprylzuur werden van Fluka betrokken (purumkwaliteit). De oxidatie werd uitgevoerd in 1,5N KOH bij een temperatuur van 50-55°C. Het toerental van de anode bedroeg 1000 opm.

Werkwijze

Gedurende ca. 24 uur werd door de oplossing stroom geleid. De aanvankelijke stroomsterkte, ca. 300 mA, nam aanvankelijk nog enigszins toe maar begon na enkele uren exponentieel te dalen tot na één dag de waarde van de achtergrondstroom was bereikt. Na afkoelen werd de oplossing geneutraliseerd en indien nodig met een organisch oplosmiddel geëxtraheerd om de complexerende stof te verwijderen. Van het ingedampte materiaal werd een ^^C—NMR spectrum opgenomen. De spectra van het pro-dukt, opgelost in D2O, werden opgenomen met een Varian VXR-400 spectrometer (100 MHz).

Oxidatie van /3-cyclodextrinen

In tabel 1 zijn de resultaten samengevat van de oxidatie van cyclo-dextrine. Weergegeven worden beginstroomsterkte I0, eindstroomsterkte Ie, ladingverbruik Qv en totaal geschat netto ladingverbruik (Qe). De laatste grootheid verkrijgt men door extrapolatie van de I-C curve naar I = 0 en correctie voor de achtergrondstroom.

Tabel ]

Stroomsterkte en ladingverbruik bij de oxidatie van β -cyclodex-trine in af- en aanwezigheid van laurinezuur.

Voor- Cyclo- Lhurine- Qe

beeld dextrine zuur IQ I IQ gscorr. Q /Q

max e v t e t (mg) (mg) (mA) (mA) (mA) (C) (C) (C) 1) I 160 100 200 300 90 1080 620 386 1,61

Ia 160 - 500 2) ]00 1200 864 386 2,24 II 620 210 J 50 2) J 60 1600 1240 1477 0,84

Ha 660 - 180 2) 350 1050 niet te 1573 - bepalen III 5200 2000 230 300 20 2200018000 13000 1,38

Qv= ladingverbruik bij beëindiging van experiment

Qe= ladingverbruik geëxtrapoleerd en gecorrigeerd voor achtergrond-st room

Qt= theoretisch ladingverbruik bij gebruik van 4e per molecuul 1) “ bij 100% afbraak tot mierezuur is Qe/Q(.=3 2) = vrijwel geen stijging: Imax ^ IQ.

Oxidatie van amylosedextrinen.

In tabel 2 zijn de resultaten weergegeven van de oxidatie van amylosedextrinen in af- respectievelijk aanwezigheid van een laurinezuur als complexvormer.

Tabel 2

Stroomsterkte en ladingverbruik bij de oxidatie van amylose-dextrinen in af- en aanwezigheid van laurinezuur.

Voor- Amylose- Laurine-

beeld dextrinen zuur IQ I I Q Q Q, Q /Q

υ max e v e t e t (mg) (mg) (mA) (mA) (mA) (C) (C) (C) IV 755 150 310 320 100 1980 1720 1799 0,96 V 575 100 280 2) 100 1900 1600 1370 1,17

Va 575 - 520 2) 240 2700 4200 1370 3,07 VI 740 105 120 190 45 2618 2150 1763 1,22 VII 54002) 1800 290 300 100 13000 17000 12890 .1 ,33 VIII 52002) 1600 300 310 55 15800 16000 12390 1,29

Qv“ ladingverbruik bij beëindiging van experiment Qe- ladingverbruik geëxtrapoleerd en gecorrigeerd voor achtergrond-stroom

Qt= theoretisch ladingverbruik bij gebruik van 4e per molecuul 1) = bij 100% afbraak tot mierezuur is Qe/Qt = 3 2) * vrijwel geen stijging: Imax ** I0.

In figuur 1 is grafisch de stroomsterkte als functie van het ladingverbruik bij oxidatie van amylosedextrinen (100 mg) in afwezigheid van een complexerende stof weergegeven.

In figuur 2 is het zelfde verband in aanwezigheid van laurinezuur weergegeven.

Van de uitgangsstof en van het produkt van de oxidatie van amylose-dextrine werden ^C-NMR spectra opgenomen. De chemische verschuivingen (t.o.v. trimethylsilylpropaansulfonzuur-natriumzout als interne etandaard, 6 - -1,8 ppm) van de C-atomen in het uitgangsmateriaal en in het produkt zijn in tabel 3 samengevat.

Tabel 3 1 ^ · 1JC-NHR-spectroscopie van zetmeel en geoxideerde amylose-dextrinen.

glucose koolstofatoom verschuiving (ppm) nummer in zetmeel in oxidatieproduht 1 102,9 100,7 2 73,8 72,3 3 75,4 74,0 4 80,6 78,4 5 72,6 61,8 6 62,0 173,9

Uit deze spectra blijkt dat de enige verandering van betekenis aan koolstofatoom 6 heeft plaatsgevonden. Uit het werk van Nieuwenhuizen c.s. (Starch, 37_, 192 (1985)) volgt dat door oxidatie van de 2- en 3-hydroxygroepen tot een dicarbonzuur een stof wordt verkregen met een wezenlijk ander NMR-speetrum.

Uit de hierboven beschreven voorbeelden blijkt, ondanks dat de omstandigheden niet zijn geoptimaliseerd, dat bij de elektrochemische oxidatie van dextrinen in aanwezigheid van een complexvormer (laurinezuur) twee belangrijke verschillen optreden t.o.v. de oxidatie zonder complexvormer: a) de stroomsterkte is lager; dit kan worden verklaard door de lagere diffusiecoëfficient van het substraat, hetgeen bevestigt dat er sprake is van een complex; b) het ladingverbruik is lager, en wel ongeveer 4e/glucose-eenheid t.o.v. ongeveer 12e/glucose-eenheid, terwijl de pH minder sterk daalt; dit bevestigt dat er sprake is van bescherming van de overige functies van de glucose-eenheden en dat er weinig of geen mierezuur wordt gevormd.

Claims (11)

1. Werkwijze voor de bereiding van een glucuronzuureenheden bevattend polysaccharide door oxidatie van een glucose-eenheden bevattend polysaccharide, Bet het kenaerk, dat men het glucose-eenheden bevattend polysaccharide oxideert in aanwezigheid van een complexerende stof.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, aet het kenaerk, dat de com plexerende stof een C4~C20_alkaanzuur of een C3-Ci9~alkaan-sulfonzuur of een zout daarvan is.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, aet het kenaerk. dat de com plexerende stof een C4-Ci6-alkaanzuur of een zout daarvan is.

4. Werkwijze volgens een der conclusies 1-3, aet het kenmerk, dat men een polysaccharide oxideert dat een ringvormige of spiraalvormige structuur bezit of kan aannemen.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat men een polysaccharide, dat 1,4-tX of 1,3-/¾ gebonden glucose-eenheden bevat, oxideert.

6. Werkwijze volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat men cyclodextrinen, amylosedextrinen of amylose oxideert.

7. Werkwijze volgens een der conclusies 1-5, met het kenmerk, dat men het polysaccharide elektrochemisch oxideert.

8. Werkwijze volgens conclusie 7, met het kenaerk, dat men oxideert onder toepassing van een nikkelanode.

9. Glucuronzuureenheden bevattend polysaccharide, verkregen bij de werkwijze volgens een der conclusies 1-8.

10. Glucuronzuureenheden bevattend polysaccharide, met het kenaerk, dat het voor meer dan 67% uit <X-glucuronzuureenheden bestaat.

11. Toepassing van het glucuronzuureenheden bevattende polysaccharide volgens conclusie 9 of 10, voor de bereiding van dragers, stabilisatoren, oploshulpmiddelen en dergelijke,