JOURNAL OF POLYMER SCIENCE VOL. XII, PAGES 55!3-564 (1954)

PART VII. Formation and Properties of Some Special Polymer Systems

Herstellung und Eigenschaften von Poly g alakturonsaureamiden

J. SOLMS und H. DEUEL, Agrikulturchmischs Imtitut der eidgenossischen technischen Hochschule, Zurich, Switzerland

EINLEITUNG

Die Polygalakturonsiiure (Pektinsaure) kann durch Reaktion an den Karboxylgruppen und sekund8ren Hydroxylgruppen zu zahlreichen Derivaten umgesetzt werden. Diese zeigen je nach Menge der Substi- tuenten kontinuierlich variierende Eigenschaften.' In der vorliegenden Arbeit wird die Amidierung von Polygalakturons2iuremethylester mit fliissigem Ammoniak bei Zimmertemperatur unter Druck durchgefiihrt, und es werden die Eigenschaften der erhaltenen Derivate verschiedenen Amidierungsgrades beschrieben.

Die Amide der monomeren Galakturonsaure und ihrer Methylderivate werden durch Behandlung der Methylester in alkoholischer Lijsung mit gasfiirmigem Ammoniak herge~tellt.~.~ Die sich bildende glykosidische Aminogruppe konnte mit verdiinnter Siure abgespalten werden.a Bei der Einwirkung von konzentriertem Ammoniak auf PolygalakturonsHure- methylester erfolgt vor allem eine Verseifung der Estergruppen und nur in geringem Umfange eine Amidierung.4 Eine wesentlich bessere Umsetzung I'a'sst sich durch Einwirkung von trockenem, gasf6rmigem Ammoniak auf trockenen, eventuell in Alkohol suspendierten Polygalakturodure- methylester bei gewtihnlichem oder erhijhtem Druck erzielen.6 Poly- galakturonsaurealkylamide kinnen durch Einwirkung von Alkylaminen auf Polygalakturonsauremethylester gewonnen werden.6 Mit Athylen- diamin erhilt man lijsliche Derivate mit Ampholyteigenschaften.7

EXPERIMENTELLES

Ausgangspraparate. Polygalakturonsauremethylester verschiedenen Veresterungsgrades wurden aus einem Pektin (1% Lijsung) durch partielle Verseifiing mit Natronlauge hergestellt. Die Verseifungsprodukte wurden in Alkohol ausgefdlt, mit Alkohol und Ather gewaschen und im Hoch- vakuum bei 50°C. getrocknet.

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560 J. SOLMS ITND H. DEUEI,

Amidierung. Je 20 g. Polygalakturonsauremethylester wurden im Autoklaven mit 100 ml. flussigem Ammoniak versetzt und 24 Std. in Nz bei 20 Atm. und 16°C. belassen. Anschliessend wurde rnit 3% Salzsaure- Alkohol, Alkohol und Ather ausgewaschen und im Hochvakuum getrock- net.

Die freien, unveresterten Karboxyl- gruppen wurden in Liisung oder in Suspension direkt titrimetrisch be- oostimmt. Die Estergruppen wurden durch Verseifung mit 0,l N Natron- lauge bei Zimmertemperatur ermittelt. Der Stickstoflgehalt wurde nach Kjeldahl bestimmt. Veresterungsgrad und Amidierungsgrad wurden nach folgenden Gleichungen berechnet :

Charakterisierung der Amide.

y.100 Veresterungsgrad in o/ -

O - X + y f w

w.100 Amidierungsgrad in yo = - - --

X + Y + W

x = freie, unveresterte Karboxylgruppen in Milliiq., y = mit Methanol veresterte Karboxylgruppen in Milliaq., w = Amidgruppen in Millilq.

0,2% Liisungen in 0,05 N Natronlauge wurden im Hoppler- Viskosimeter bei 20.0 "C. gemessen. Die Zahigkeitszahl Z bedeutet qap./c und c die Anzahl Milliaq. Uronsaure pro 100 ml. Losung.

Koagulationsversuche. Je 2 ml. 1% Losung der neutralisierten Amide wurden rnit 2 ml. Elektrolytlosung verschiedener Konzentration versetzt. Es wurde die minimale, zur Flockung notige Koagulatormenge (in Milligq. pro g. Substanz) berechnet.

Enzymatischer Abbau. Je 20 ml. O,Z% neutralisierte Losungen wur- den rnit 10 ml. einer Coleman-Pufferlosung von pH 4,O versetzt, auf 37°C. erwarmt und mit 10 ml. einer 1% Polygalakturonasel8sung (Enzympra- parat aus Schimmelpilzen der Firma Takamine, Laboratory Inc., Clifton, N. J., U. S. A.) versetzt. Nach 36 Stunden wurde die Reaktion durch Zugabe yon Natronlauge unterbrochen und die Zunahme an Aldehydendguppen nach der Hypojoditmethode bestimmt. Die Zunahme der Aldehydend- gruppen in MilGq. wird in % der Milliiiq. Gesamturonsaure ausgedriickt und als Aldehydprozent bezeichnet. In den Abbauliisungen wurde eine stijrende Flockung beobachtet.

Qlierversuche. Es wurden zuckerreiche Gele unter Zusatz von S h e und zuckerarme Gele unter Zusatz von Ca-Salzen hergestellt.

Viskositiit.

ERGEBNISSE

In Tabelle I sind Polygalakturonduremethylester und die daraus gewonnenen Amide charakterisiert. Innerhalb eines weiten Untersu- chungsbereiches (Veresterungsgrad 69,3-4,3%) werden die Estergruppen zum grijssten Teil in Amidgruppen urngesetzt. Dabei kann keine Zunahme an freien Karboxylgruppen festgestellt werden. Auffallend ist die starke Abnahme der Viskositat der ersten 4 Proben gegeniiber der Probe No. 5 ,

POLYGALAKTI JRONSAl lREA MTDE 561

die nur gering verestert ist und daher auch nur in geringem Umfang ami- diert worden ist. Die Amide zeigen mit zunehmendem Umsetzungsgrad eine starke Abnahme der Wasserlijs1ichkeit.-Polygalakturonsauren, die zu 70-100y0 amidiert sind, sind wasserunlijslich, zeigen aber starke Quellung in Ath ylendiamin.

TABELLE T YOLYGALAKTURONSSUREMETHYLESTER UND

IHRE AMIDIERUNGSPRODUKTE Charakterisierung der Polygalakturon- sauremelhvlaster

Mit Methanol

Unver- vere- esterte sterte

Kar- Ear- boxyl- boxyl-

gruppn 5uppen Vereate- (7) in (y2,jn run?- Vi;kp-

Probe milliaq./ milhaq./ gra in No. g. S. % z

1 1.40 3.25 69.8 0.62 2 1.63 2.93 64.2 0.53 3 2.37 2.06 46,5 0.67 4 3.23 1.05 24.5 0.66 5 3.30 0.15 4.1 0.84

Charakterisierung der PolygalakturonJLurea~i~e

Mit Methanol

Unver- vere- esterte sterte Kar- Kar- Siiure- boxyl- boxyl- amid- N-

gruppen gruppen gruppen Amidie- Gehalt (2) in ( y ) in (w) in runr: in Ge- Vkk&

mill?aq./ milliiq./ milliSq./ gra in wichts- tiit. g. B. B. % % z

1,251 0.10 3.10 69.6 4.34 0.21 1.42 0.23 2.86 63.5 4.00 0.41 2.14 0.23 1.89 44.4 2.65 0.18 2.82 0.20 0.91 24.3 1.36 0,28 3.09 0.10 0.08 2 . 4 0.11 0,82

Die Koagulationsempfindlichkeit der Amide gegeniiber Elektrolyten ist, verglichen mit derjenigen der Methylester,* ausserordentlich gross. Wah- rend der Ester mit steigendem Aquivalentgewicht eine Abnahme der Koa- gulationsemDfindlichkeit zeigt, verhalten sich die Amide eher umgekehrt (Tabelle 11).

TABELLE I1 ELEKTROLYTKOAGULATION VON POLYGALAKTURONSAUREAMIDEN

Angabe der minimal zur Flockung notwendigen Menge Elektrolyt in Milliaq. pro g. Substanz. - = keine Flockung

Na-Salz der F'olygalakturodure

100% Zu 70%

Elektrolyte

freie n i t

Na- thanol 69,pF 63,.5% 44$% 24.3% gruppen verestert auudiert amdert auudmrt anumert

-COO- Me- zu zu zu zu

Salzsaure.. - .. . . . . . . . . . . . . . . . 20 Trichloressigsiiure . . . . . . . . . . . . 10 - Pikrinsaure - - Kaliurnchlorid. - . . . . . . . . . . . . . . 200 Methylenblau. - . . . . . . . . . . . . . . 2 Kalziumchlorid. - .. . . . . . . . . . . . 2 Kopfersulfat. . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 ,2 Rleiazetat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 092 Mercurinitrat.. . . . . . . . . . . . . . . 0,4 0,4 Berizidinhydrochlorid. . . . . . . . . 0,04 - Phosphorwolframslure. . . . . . . . 0,44 0,44 Hutheniumrot. . . . . . . . . . . . . . . 6 6 Thoriumnitrat . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 Hexobitrat.. . . . . . . . . . . . . . . . 1.9 0,19

. . . . . . . . . . . . . . . . .

10 1 1

100 1 1 1 1 031 1 0.01 0,1 1 1

10 1 1

100 1 1 1 1 091 1 0,Ol 0 , l 1 1

10 1 5

100 5

10 1 1 1

0.01 091 1 1

-

10 1 5

100 5

10 1 1 1

0,Ol 0,1 1 1

-

552 J. SOLMS UND H. DEUEL

Tabelle I11 zeigt, dass Polygalakturonsaureamide durch Polygalak- turonase, die die glykosidischen Bindungen yon Polygalakturonshe zu spalten vermag, angegriffen wird. Die Messungen, durch Bestimmung der Aldehydendgruppenzunahme verfolgt, zeigen eine deutliche Abnahme des Enzymangriffes mit zunehmendem Amidierungsgrad.

TABELLE I11 ENZYMATISCEIER ABBAU VON POLYGALAKTURONSAUREAMIDEN DURCH POLY-

GALAKTURONASE

Amidiemngagrad Zunahme der aldehydemdgmppm in % in aldehydpromnt

69.6 4.5 63.5 8.9 4 . 4 14.1 2493 64.0 0 92.0

Mit den Polygalakturomiiurearniden konnten keine festen Gele herge- stellt werden. Hingegen zeigten alle Elparate eine deutliche Gelierten- denz, die im allgemeinen mit steigendem Amidgehalt zunahm.

DISKUSSION

Die Amide der Polygalakturonsiiure zeigen Eigenschaften, die von denjenigen anderer Derivate bedeutend abweichen und die auf ihre beson- dere Struktur zuriickgefiihrt werden mussen. Die Amidgruppen stellen kleine Seitengruppen dar; sie diirften daher die Form der Fadenmolekeln nur sehr wenig beeinflussen. GrSssere Seitengruppen wirken aus sterischen Griinden als innere Weichmacher, da sie eine gegenseitige AMliherung der Fadenmolekeln erschweren; ferner bewirken sie eine stkirkere Entknfuel- ung der Fadenmolekeln.' Die Amidgruppen besitzen eine ausgeprlgte Tendenz zur Bildung von Wasserstoffbriicken, die in regelmlssig gebauten Fadenmolekeln besonders zur Geltung k ~ m m t . ~ Es darf daher angenom- men werden, dass die Polygalakturonsaureamid-Fadenmolekeln ein ausge- pragtes inter- und intramolekulares Assoziationsvermijgen besitzen. Dieses erkllrt die geringe WasserlSslichkeit und die hohe Koagulations- empfindlichkeit der Amide. Interessanterweise sind die Athyl- und Propyl- amide (-CONHR)6 viel besser wasserlijslich als die Amide ( 4 O N H Z ) selbst. Die Alkylreste wirken als innere Weichmacher und verhindern die Ausbildung von Wasserstoffbriicken. Ganz analog ist Polygalakturon- euremethylester (-COOR) viel besser wasserhlich als Polygalakturon- sBure ( X O O H ) . Auch die geringe Viskositat der wlssrigen Liisungen der Amide, verglichen mit derjenigen der Ausgangsprodukte, muss wohl a d eine Ausbildung von H-Briicken, die eine enge Verkniuelung der Faden- molekeln bedingen, zuriickgefiihrt werden. Ein Abbau der Fadenmolekeln wahrend der Amidierung ist wegen der relativ milden Reaktionsbedin- gungen kaum anzunehmen. Auch zeigt Polygalakturonsaure, die unter

POLY GALAKTURONSBUREAMIDE 563

gleichen Bedingungen mit Ammoniak behandelt wurde, keine Viskositats- abnahme. Die enzymatische Hydrolyse der Fadenmolekeln nimmt mit zunehmendem Amidierungsgrad stark ab. Die Hemmung diirfte kaum sterisch, sondern vor allem durch die chemische Struktur der Seitengruppen bedingt sein. Es ist nicht ohne weiteres verstiindlich, dass die Amide keine festen Gele bilden. Die Fadenmolekeln besitzen ein starkes gegenseitiges Assoziationsvermijgen, und eine sterische Hinderung der Gelierung, wie an Azetyl- und Glykolderivaten beobachtet,*O ist nicht anzunehmen. Im- merhin zeigen die Derivate ein schwaches Geliervermijgen unabhlngig vom Elektrolytgehalt der Mischung und in einem weiten pH-Bereich. Die Ausbildung fester Gelnetze diirfte wohl durch den starken Knauelungs- zustand der Fadenmolekeln erschwert werden.

Wir danken Herrn A. Denzler fiir die Mitarbeit bei diesen Untersuchungen bestens.

Literaturverzeichnis

1. H. Deuel und J. Solms, Agr. Food Chem., im Druck. 2. S. Luckett und F. Smith, J. Chem. Soc., 1940,1506. 3. H. L. Frush und H. S. Isbell, J. Research Nutl. Bur. Standards, 41, 609 (1948). 4. G. H. Joseph, A. H. Kieser, und E. F. Bryant, Food Tachnol., 3,85 (1949). 5. E. F. Bryant, U. S. Pat. 2,480,710 (1950); W. A. Mitchell, Food Technol., 4 , 135

6. J. F. Carson, J. Am. Chem. Soc., 68,2723 (1946). 7. H. Deuel und H. Neukom, Nature, 159,882 (1947). 8. H. Deuel und J. Solms, Kolloid-Z., 124,65 (1951). 9. W. 0. Baker, in S. B. Twiss, Advancing Fronts in Chemistry, New York, 1945,

(1950).

,

S. 105; 'R. Hill und E. E. Walker. J. Polymer Sci., 3,609 (1948). 10. J. Solms und H. Deuel. Helv. Chirn. Ada, 34,2242 (1951).

Zusammenfassung

Polygalakturonduremethylester verschiedener Veresterungsgrade kinnen durch Behandlung mit fliissigem Ammoniak im Autoklaven bei 16°C. w&rend 24 Stunden anniihernd quantitativ in die entsprechenden Amide iibergefiihrt werden. Die h i d e sind in Wasser schwer lislich und ergeben Liisungen geringer Viskositiit. Sie kijnnen aus h e n mungen durch Elektrolyte leicht koaguliert werden. Derivate mit ehem Amidierungsgrad von iiber 70% sind wasserunliislich. Mit steigendem Amidierungs. grad kinnen eine Erhohung der Stabilitiit gegeniiber dem Enzym Polygalakturonane. sowie eine Zunahme der Geliertendenz festgestellt werden. Die Amide bilden keine festen Gele. Die Eigenschaften der Amide werden stark durch ihre Faigkeit zur Bil- dung inter- und intramolekularer WasserstofFbrucken beeinflusst.

Synopsis

When treated with liquid ammonia for 24 hours under pressure at 16 "C., methyl esters of polygalactmnic acid of varying degree of esterification form the corresponding amides. The latter dissolve in water with difficulty giving solutions of low viscosities. These solutions can easily be coagulated by electrolytes. Derivatives contaking more than 70% of amide groups are water insoluble. An increase in the content of amide groups causes, e.g., an increase in stability toward polygalacturonase and an increase in gelling tendency. The properties of the amides may be highly influenced by their ability to form inter- and intramolecular hy- drogen bridges.

The amides, however, yield but weak gels.

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RBsumi

Les esters mbthyliques de l’acide polygalacturonique rhgissent avec l’ammoniaque liquide et sont transform& en amides (20 atm., 16”C., e t 24 heurss). Ces derniers sont trb peu solubles dam l’eau et la vkcosit6 des solutions acqueuses est t r b basse. Lorsque le nombre des g r o u p amides dbpasse 70%. l’acide polygalacturonique est insoluble. Plus k nombre des groupes amides est Bevb, plus la stabilit6 des macromolecules contre I’attaque des polygalacturonases augmente, de meme le pouvoir g6lifiant. Celui-ci est extdmement bas. Les propri6ttb des amides sont t r b influenches par leur possi- bilit6 de former des ponts d’hydrog8ne inter- et intramol6cdaires.

Received January 30,1953