A Butlerov-reakció (Formose-reakció) egy autokatalitikus reakció különféle cukrok szintézisére formaldehidből enyhén lúgos vizes oldatokban fémionok , például kalcium jelenlétében . Butlerov orosz kémikus végezte és írta le először 1861- ben [1] .
Butlerov felfedezte, hogy a formaldehid körülbelül 20 különböző szénhidrát keverékét képezi bázikus vizes oldatban. A reakciómechanizmust először Ronald Breslow javasolta. A formaldehid bázikus körülmények között kondenzációs reakcióval reagál két vegyértékű kation, például kalciumion jelenlétében, és glikolaldehidet képez. Ilyen körülmények között a glikolaldehid tovább reagál a glicerinaldehiddel, amely tovább izomerizálható dihidroxi -acetonná . Ezek az alkoholok továbbra is reagálva tetrózokat, pentózokat és hexózokat képeznek. A reakció autokatalitikus, mert az első lépésben képződő glikolaldehid egy kalciumionnal komplexet képez, amely katalizálja a formaldehidből a glikolaldehid képződését. Butlerov különféle cukrok racém keverékéről számolt be , de a királis vegyületek, például az L-aminosavak katalizálják a D-konfigurációjú szénhidrátok képződését.
1959-ben Ronald Breslow egy reakciómechanizmust javasolt, amely a következő lépésekből áll: [2]
A reakció két metanálmolekula kondenzációjával kezdődik , amelyek együtt glikolaldehidet képeznek (1). Ezután egy aldol-kondenzációs mechanizmusban reagál egy másik formaldehid molekulával, és gliceraldehidet képez (2). Az aldóz és a ketóz közötti izomerizáció során dihidroxi -aceton (3) keletkezik belőle, amely reakcióba léphet az (1)-gyel, így ribulóz (4) keletkezik, amely aztán ribózzá (5) izomerizálódik. A dihidroxi-aceton (3) reakcióba léphet formaldehiddel is, ami tetrulóz (6) képződését eredményezi, amelyet aldotetróz (7) követ. Az utolsó molekula elválasztható két molekulává (1) egy fordított aldolkondenzációs mechanizmusban.
A reakció tanulmányozását sok éven át hátráltatta a reakció szeszélyes természete - az oldatos lombikot több órán keresztül melegíteni kellett minden látható változás nélkül, amikor hirtelen, percek alatt az oldat megsárgult, majd megbarnult. és megvastagodott. És ha a kezdeti reagensek nagyon tiszták voltak, akkor a reakció egyáltalán nem ment végbe. A „szeszélyek” oka a reakció autokatalitikus jellege volt: először a formaldehid lassan két- és három szénatomos cukrokká alakul (glikoaldehid, gliceraldehid és dihidroxi-aceton), amelyek aztán katalizálják önmaguk és a nagyobb cukrok szintézisét. Ha egy kis mennyiségű glikoaldehidet vagy gliceraldehidet azonnal adunk a kezdeti keverékhez, a reakció szinte azonnal megindul. A gyorsítás másik módja az, hogy az oldatot ultraibolya fénnyel világítjuk meg, amelynek hatására az egyes formaldehidmolekulák glikoaldehiddé egyesülnek.
A 20. század hetvenes éveiben az USA és a Szovjetunió azt remélte, hogy a Butlerov-reakció segítségével mesterséges táplálékot szerezhet a hosszú bolygóközi utazásokhoz. A kapott keverék azonban a tápláló cukrokon kívül mindig tartalmazott mérgező vegyületeket.
Csaknem harminc év megszakítás után a G.K. után elnevezett Katalízis Intézet tudósai. A megújult érdeklődés oka, hogy R. B. egy új hipotézis részévé vált a korai földi élet eredetéről – annak a hipotézisnek, hogy a természetes szelekció még az evolúció kémiai szakaszában kezdődött , megelőzve az összetett szerves vegyületek képződését . ( Új az élet keletkezésének elméletében ) Ez a hipotézis lehetővé teszi az élet keletkezésének klasszikus elméletének számos alapvető problémáját megoldani Oparin-Haldane szerint, amely szerint a fehérjemolekulák spontán módon keletkeztek szerves "levesből".
Ez a reakció alkalmas arra, hogy megértsük az élet keletkezésének egy lehetséges abiotikus változatának útját. Ez megmagyarázza az egyszerű metántól az összetett cukrokig, például ribózig vezető út egy részét, amely az RNS eredetéhez vezet . A korai Föld körülményeit szimuláló egyik kísérletben pentózokat formálnak formaldehid , gliceraldehid és borátok keverékéből , mint például a kólemanit (Ca 2 B 6 O 11 5H 2 O) vagy a kernit (Na 2 B 4 O 7 ). A metánt, valamint a glikoaldehidet űrspektroszkópiával sikerült kimutatni az űrben, ami asztrobiológiai szempontból is érdekessé tette a reakciót.
A mesterséges kémia olyan módszerek összességeként jött létre, amelyekkel a mesterséges életpopulációk elemei közötti kémiai folyamatokat modellezik.
Az egyik legkényelmesebb ilyen tárgy a tanulmányozáshoz a Butlerov-reakció - a szénhidrátok autokatalitikus szintézise formaldehid vizes oldatából kalcium- vagy magnézium-hidroxidok jelenlétében:
x CH 2 O → C x H 2 x O x
A reakció eredményeként különböző szerkezetű szénhidrátok keveréke képződik. Ha az oldatban a formaldehid („ tápközeg ”) mennyisége korlátozott, egyfajta egyensúly jön létre a rendszerben a szénhidrátmolekulák növekedési és bomlási folyamatai között. Ugyanakkor, mint a biológiai rendszerekben, a legerősebbek maradnak fenn, vagyis egyfajta „ természetes szelekció ” megy végbe, és a legstabilabb (adott körülmények között) szénhidrátmolekulák halmozódnak fel a rendszerben.
A Butlerov-reakció az anyagcsere központi biomolekuláit, például glicerinaldehidet , pentózokat és hexózokat állítja elő egyszerű formaldehidből, egy szénből álló építőelemből. A pentózok az RNS alapjai , a genetikai információ hordozója az evolúció prebiotikus fázisában. Úgy tartják, hogy a Föld prebiológiai kémiájában lezajlott hasonló folyamatok vezettek élet kialakulásához a bolygón.
A Butlerov-reakció önmagában azonban nem magyarázhatja meg az RNS kezdeti biogenezisét , mivel az RNS részét képező ribóz 4 aszimmetrikus (optikailag aktív) szénatomot tartalmaz (azaz (2S,3R,4S,5R)-5-( hidroxi-metil)-oxolán-2,3,4-triol), ezért nem szintetizálható egyszerű aldolizációs reakcióval, amely racém elegyet eredményez, rendkívül specifikus katalizátor nélkül . A ribóz, amely az RNS gerincét képezi, a β-D-ribofuranóz. Ezen túlmenően, még ha lehetséges is a ribóz szintézise prebiotikus körülmények között, az RNS szintéziséhez nukleozidok szintézise , majd a megfelelő nukleotidok szintézise , és ezeknek a nukleotidoknak egy bizonyos sorrendben történő polimerizálása szükséges.
Az előre elkészített cukrok előre elkészített nitrogéntartalmú bázishoz való kapcsolásának termodinamikai és kinetikai megvalósíthatóságával , valamint a keverékből származó ribóz szelektív felhasználásának módszerével is foglalkozni kell.
A probléma az, hogy a hatékony reakcióhoz 1-2%-os formaldehid koncentráció szükséges, és mivel a formaldehid nagyon reaktív molekula, a természetben nehéz ilyen koncentrációt elérni. További probléma, hogy a Butlerov-reakció egy nem specifikus reakció, amely során nagy mennyiségű különféle szénhidrát, de nagyon kevés ribóz keletkezik, ami az élet szempontjából fontos, mivel a ribóz nagyon könnyen reagál formaldehiddel, és más szénhidrátokat képez. Egyes borát ásványok, mint például a bórax és a colemanite azonban megállnak. a ribóz szakasz Butlerovan-reakciója. A ribóz ugyanis ezekkel az ásványokkal gyűrűs szerkezetű borát-észtert képez, amely már nem lép reakcióba a formaldehiddel.
Névleges reakciók a szerves kémiában
| Az élet eredete | |
|---|---|
| Fogalmak | |
| Hipotézisek |
|
| Tanulmány | |