Research Collection

Doctoral Thesis

Ueber die Dekarboxylierung von Uronsäuren

Author(s): Zweifel, Georg

Publication Date: 1956

Permanent Link: https://doi.org/10.3929/ethz-a-000322116

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ETH Library

Prom. Nr. 2555

Über die Dekarboxylierung

von Uronsäuren

VON DER

EIDGENÖSSISCHEN TECHNISCHEN HOCHSCHULE

IN ZÜRICH

ZUR ERLANGUNG DER WÜRDE EINES

DOKTORS DER TECHNISCHEN WISSENSCHAFTEN

GENEHMIGTE

PROMOTIONSARBEIT

VORGELEGT VON

Georg Zweifel

Dipl. Ing.-Agr. ETH

von Kaltbrunn (Kt. St. Gallen)

Referent: Herr Prof. Dr. H. Deuel

Korreferent: Herr Prof. Dr. A. Frey-Wyssling

Zürich 1956

L. Speicb, Reproduktionsanstalt, Brandschenkestr. 47/49

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Meinen lieben Eltern und Geschwistern

Meiner lieben Frau

Meinem verehrten Lehrer,

Herrn Professor Dr. H. Deuel,

Vorsteher des Agrikulturchemischen Institutes der Eidgenössischen Tech¬

nischen Hochschule, Zürich, danke ich für seine wertvollen Anregungen und

die wissenschaftliche Förderung, die er mir bei der Ausführung dieser Ar¬

beit entgegengebracht hat.

Dem Kuratorium des Laur- Fonds danke ich für einen Beitrag an die Druck¬

kosten der Promotionsarbeit.

Inhaltsverzeichnis

Seite

1. Einleitung und Problemstellung 7

2. Saure Dekarboxylierung 8

21. Besprechung der Literatur 8

211. Allgemeines 8

212. Dekarboxylierung von N-und O-heterozyklischen 8

ungesättigten a- Karbonsäuren und einigen Laktonen

213. Dekarboxylierung ungesättigter Karbonsäuren 14

214. Dekarboxylierung von Ketosäuren 15

215. Dekarboxylierung von Uronsäuren und struktur- 16

verwandten Säuren

22. Experimenteller Teil 22

Ergebnisse der Dekarboxylierungsversuche 22

221. Dekarboxylierung von D-Glukuronsäure 22

222. Dekarboxylierung von Ascorbin-, a-Ketoglutar-, 23

2-Furancarbon- und Tetrahytlro-2-furancarbon-säure

223. Dekarboxylierung von D-Galakturonsäure in Gegen- 24

wart von a -Pyridon und Ionenaustauschern

23. Diskussion 25

3. Metallkatalytische Dekarboxylierung 30

31. Besprechung der Literatur 30

311. Allgemeines 30

31312. Dekarboxylierung von N- und O-heterozyklischen

ungesättigten a- Karbonsäuren

313. Dekarboxylierung ungesättigter Karbonsäuren 32

314. Dekarboxylierung von Ketosäuren 32

315. Dekarboxylierung von Uronsäuren und struktur- 38

verwandten Säuren

32. Experimenteller Teil 39

321. Ergebnisse der Dekarboxylierungsversuche 39

3211. Dekarboxylierung von D-Galakturonsäure 40

mit Schwermetallionen in Wasser

3212. Dekarboxylierung von D-Galakturonsäure 42

mit Schwermetallionen in Pyridin

3213. Dekarboxylierung von D-Galakturonsäure 48

mit Schwermetallionen in Pyridin-Wasser

5

3214. Dekarboxylierung von D-Galakturonsäure 49

mit Schwermetallionen in Dimethylformamid

3215. Dekarboxylierung von D-Galakturonsäure 49

mit Ni-Azetat in Dimethylformamid-Pyridin

3216. Dekarboxylierung von strukturverwandten 51

Säuren mit Nickelazetat

322. Isolierung der L-Arabinose 56

33. Diskussion 57

4. Materialien und Methoden 65

41. Materialien 65

42. Methoden 67

5. Zusammenfassung 70

6. Literaturverzeichnis 71

1. Einleitung und Problemstellung

Die Dekarboxylierungsreaktion ist in der analytischen und präparativen or¬

ganischen Chemie und bei enzymatischen Reaktionen in der Biochemie von

grosser Bedeutung. Sie ist deshalb in der Literatur unter verschiedenen Ge¬

sichtspunkten beschrieben worden.

Die Abspaltung von CO„ aus Karbonsäuren wird allgemein als ionische Re¬

aktion formuliert :

R - cf * r(_) + CO, + H(+) >R - H

Die Bereitschaft zur Dekarboxylierung hängt von der Konstitution der Kar¬

bonsäuren, dem verwendeten Katalysator, dem Lösungsmittel, dem pH-Wert

und der Temperatur ab.

Uronsäuren spalten nach Lef èvre und Tollens 'beim Erhitzen inwäss-

riger Salzsäure annähernd quantitativ CO„ ab; als Zersetzungsprodukte wer

den dabei praktisch nur optisch inaktive Verbindungen, wie Furfurol und Re-

duktinsäure, erhalten. Ueber den Mechanismus der CO,-Abspaltung und über

die Bildungsweise von Furfurol und Reduktinsäure gehen die Ansichten aus¬

einander.

Mit Schwermetallionen kann die Dekarboxylierung mancher Karbonsäurenun¬

ter milden Bedingungen durchgeführt werden. Diesbezügliche Untersuchungen

sind an Uronsäuren bisher nicht durchgeführt worden.

In der vorliegenden Arbeit soll die saure und die metallkatalytische Dekar¬

boxylierung von Hexuronsäuren, besonders von D-Galakturonsäure, studiert

werden. Vor allem werden metallkatalytische Dekarboxylierungen unter ver¬

schiedensten Bedingungen durchgeführt und dabei gebildete Abbauprodukte

gesucht. Zudem werden Reaktionsmechanismen für diese beiden Dekarboxy-

lierungsarten vorgeschlagen. Zur Stützung der hypothetischen Mechanismen

gilt es, die verschiedenen Anschauungen über Dekarboxylierungen zu sichten

und auch einige Messungen an Säuren, die mit Uronsäuren strukturverwandt

sind, auszuführen.

7

2. Saure Dekarboxyllerung

21. Besprechung der Literatur

211. Allgemeines

Die leichte Dekarboxylierbarkeit von Uronsäuren bei stark saurer Reaktion

und erhöhter Temperatur wird von verschiedenen Autoren in Zusammenhang

gebracht mit :

- der heterozyklischen Struktur,- der Dehydratation und Bildung ungesättigter Säuren,- der Umlagerung in Ketosäuren.

Zur Beleuchtung der Frage, inwieweit verschiedene Karbonsäuren zur CO„-

Abspaltung neigen, werden im folgenden Dekarboxyllerungsmechanlsmen von

heterozyklischen, ungesättigten und Ketosäuren besprochen.

212. Dekarboxyllerung von N-und O-heterozyklischen ungesättigten a -Kar¬

bonsäuren und einigen Laktonen

Die leichte Dekarboxylierbarkeit N-und O-heterozyklischer a -Karbonsäu¬

ren wird von verschiedenen Autoren auf Oniumbildung durch Protonenanla¬

gerung zurückgeführt * ' ' '. Diese Komplexbildung erfolgt sowohl in

neutralen Lösungsmitteln als auch in Mineralsäuren.

Nach Cantwell und Brown ' ' kann Oniumionbildung bei der a-Pico-

linsäure (2-Pyridincarbonsäure) in neutralen Lösungsmitteln entweder über

intramolekulare Wasserstoffblndung (1) oder über Zwitterionbildung (2) er¬

folgen.

Orrl-

1 219)

Doer 1ng und Pasternak ' nehmen anhand von Versuchen mit der a-

Pyridylessigsäure eher eine zyklische Struktur an. Der Zwitterionstruktur

8

gibt Hammik ' bei der Chinolin- und a -Picolinsäure den Vorzug.

Bei Verbindung 1 und 2 wird der vom Oniumion ausgehende — M- Effekt (Be¬

einflussung der Doppelbindungselektronen-Verteilung) das a - C -Atom stark

positivieren (3), wodurch die CO,-Abspaltung begünstigt wird.

1 'M

HC-*. *^s C-COO( '

I

(+)

H?\N/C-COOv'

I (+)H

Welche der beiden Formen bei Beginn der Dekarboxylieruiig tatsächlich vor¬

herrscht, geht aus kinetischen Messungen nicht hervor.

Interessanterweise kann die Zwischenverbindung 4 unter Bildung von Karbi-

nolen Aldehyde oder Ketone addieren. Diese Reaktion beschränkt sich nach

bisherigen Erfahrungen auf N-heterozyklische a -Karbonsäuren und dürfte

im Zusammenhang mit der Bildung eines dem Cyanidion ähnlichen Ions

(^N=C) stehen, das bekanntlich Karbonylverbindungen leicht addiert '.

Wird eine CH„- Gruppe in den Heteroring der Picolinsäure eingeführt, so

erfordert die Spaltung der C-COOH-Bindung eine höhere Aktivierungsener-

(gie. In Tabelle 1 sind die Aktivierungsenergien von Picolinsäure und einiger

ihrer Methylderivate zusammengestellt. Alle Messungen erfolgten in Hydro-

chinon- dimethylather.

9

Tabelle 1

Aktivierungsenergien zur Spaltung der C-COOH-Bindung der

Picolinsäure und ihrer Methylderivate10)

Säure Ekcal

Picolinsäure 31,1

3 - Methylpicolinsäure 32,1

4- 34,6

6- 35,0

5- 40,0

Je nach Stellung der Methylgruppe im Pyridinring wird der Stickstoff oder

das a -C-Atom beeinflusst. So induziert die CH,-Gruppe in Verbindung 5

und 6 infolge ihres +1-Effektes (Beeinflussung der Einfachbindungselektro-

nen-Verteilung) eine elektromere Verschiebung der Elektronen in Richtung

des Ringstickstoffs. Dadurch wird der auf das a -C-Atom wirkende _M-

Effekt verringert. Demzufolge erfordert die Spaltung der C-COOH -Bindung

bei 4-und 6-Methylpicolinsäure mehr Energie als bei Picolinsäure.

ecoo

Eine Methylgruppe in o-und p-Stellung zur Karboxylatgruppe (7 und 8) er¬

höht die Elektronendichte am a -C-Atom. In diesem Zustand wird der vom

Oniumion ausgehende elektronenanziehende Effekt ( -M-Effekt) geschwächt.

Zur Verschiebung des Elektronenpaars zwischen dem a-C-Atom und dem

Karboxy-C-Atom gegen den Ring ist ebenfalls eine grössere Aktivierungs -

énergie erforderlich als bei Picolinsäure.

10

""0~00e

IH

Bekanntlich Induziert eine CH„- Gruppe dem ortho C-Atom eine geringereil)

negative Ladung als dem para C-Atom ', Aehnlich lässt sich die geringere

Hemmung der CO,-Abspaltung durch eine CH,-Gruppe in o-Stellung (7) ge¬

genüber einer CHg-Gruppe in p-Stellung (8) interpretieren.

Dekarboxyliert man Picollnsäure in Mineralsäuren, so verläuft die C00-Ab-

Spaltung bedeutend langsamer als in neutralen Lösungsmitteln ,da die

OQ\

COOH-Gruppe mit Protonen vermutlich wie folgt reagiert '.

(+)C = O + HÖH

Durch diese Reaktion wird das Karboxylkohlenstoffatom positivlert und so¬

mit die CO, -Abspaltung erschwert. Trotzdem dekarboxylieren gewisse he -

terozyklische a- Karbonsäuren in saurer Lösung. Hier überwiegt der vom

Oniumion ausgehende fördernde den von der Karboxylgruppe ausgehenden

hemmenden Effekt. Aehnliche Beobachtungen wurden auch bei Thiazolkar-

bonsäuren gemacht .

Auch die Dekarboxylierbarkeit O- heterozyklischer Säuren hängt wahrschein¬

lich mit Oniumionbildung zusammen. Infolge der geringeren Basizität des

Sauerstoffs ist der elektronenanziehende Effekt des Oxoniumkomplexes we¬

niger wirksam als beim Oniumkomplex der Picolinsäure. Immerhin spaltet

Meconsäure (9), eine j"- Pyronkarbonsäure, in konzentrierter Salzsäure ein

Mol CO„ ab und bildet Komensäure (10). Die Karboxylgruppe in 6-Stellung

kann nur thermisch abgespalten werden. Es entsteht dabei Pyromeconsäure

{n)35,83,84)

11

HOOC—1^ ^.jL-COOH300°

-OH

10 11

Mac h id a ' ' fand, dass verschiedene Furankarbonsäuren beim Erhitzen

in 12-proz. Salzsäure dekarboxylieren (Tabelle 2).

Tabelle 2

Dekarboxylierung verschiedener 2-Furancarbonsäuren in

12-proz. HCl bei 135-140°

Säure % C02 der theor.

Ausbeute

2 - Furancarbonsäure 94

5- Methyl- 2-furancarbonsäure 102,6

5- (Hydroxymethyl) - 2-furan¬

carbonsäure 103,8

5-Aldehyd- 2-furancarbonsäure 8,9

2,5- Furandicarbonsäure 9,2

5 - Methyltetrahydro-2 -furan¬

carbonsäure 7,3

Wie aus Tabelle 2 hervorgeht, unterdrücken elektrophile Substituenten

(-CHO und -COOH) in 5-Stellung die COg-Abspaltung fast vollständig. Die

leichte Dekarboxylierbarkeit der 2- Furancarbonsäure (12) kann wie folgt er¬

klärt werden: Die vom Oxoniumkomplex ausgehende Elektronenverschiebung

überträgt sich auf die Doppelbindungen des Ringes, wodurch dem zur Kar¬

boxylgruppe a -ständigen C-Atom eine positive Ladung induziert wird (13).

In diesem Zwischenzustand wird die Bindungsénergie zwischen dem et -C-

Atom und der Karboxylgruppe verringert, wodurch es bei Energiezufuhr zur

Spaltung der C-COOH- Bindung kommen kann.

12

ÇLCOOH (I Jl—COOH0®

12 13

Zur Qxoniumkomplexbildung sind auch Laktone befähigt. Nach Johnson und46)

Hunt dekarboxyliert Paraconsäure (14) nach folgendem Schema:

HO-C=0 HO-C=0

Ri >CH"CHqHw

Ri ^CH-CH«

Rg ^O-C=0 « =

< w°~c=°14 15

H^O*-C=0

Ri ^*CH-CH,Nc/ I »

(3 a

Ri T ^CH-CH«

y ir/ <+)

yc=o

H"

R," ,.0=0 •—

JHO

16 17

Ri .CHsCH,,

^< 1R2 0-C=0

18

Aus der sauren Lösung lagert sich ein Proton an den Sauerstoff des Lakton¬

rings, wobei vorübergehend ein Oxoniumion (15) entsteht. Nach Aufspaltung

des Laktonrings entsteht als Uebergangszustand ein Karboniumlon (16). Die

CO,-Abspaltung erfolgt unter Bildung einer Doppelbindung zwischen dem (3 -

und dem 1 -C-Atom (17). Diese Form steht mit dem Lakton (18) im Gleich¬

gewicht.

Es ist möglich, dass auch die leichte Dekarboxylierung der Penicillin- und

13

DehydropeniciHinsäure (19 und 20) mit Oxoniumkomplexbildung zusammen -

23)

hängt, wobei ähnlich wie bei Paraconsäure ein Karboniumion entsteht '.

HC pH OCHg H3C H OH OCH3j:c-c-c=ch-c=o /C-Ç-C=CH-Ç=0

HgCTI O 1 HgC

' O 1

19 20

213. Dekarboxalierung ungesättigter Karbonsäuren

45)

Johnson und Heinz'fanden, dass substituierte Zimtsäuren (21) in

saurer Lösung dekarboxylieren. Als Uebergangszustand wird ein Karbonium¬

ion (22) angenommen.

C6H5-C=C-COOH . C6H5-C-Ç-C^H -

21 22

R-|Rql 11 2 / »

C6H5-C=C + C02 + É+>

H

Nach einem ähnlichen Mechanismus dekarboxylieren auch gewisse Itacon-

44)sauren .

Demgegenüber spaltet Aconitsäure (23) beim Erhitzen in Mineralsäuren kein

C02 ab3\HC-COOH

II

HOOC-CH2-C-COOH

23

Dagegen dekarboxyliert sie in einer konzentrierten Lösung von Kaliumazetat-

Essigsäure.

4)Arnold, Eimer und Do ds on fanden, dass a, ß-ungesättigte Säuren auch

ohne Protonendonatoren CCv abspalten. Die Dekarboxylierung erfolgt unter

Bildung eines zyklischen Uebergangszustandes (24).

14

R-CH2-CH=CH-COOHi=» R-CH=CH^CH2 ».R-CHj-CH^Hg*H -~,C=0 + CO,

24

214. Dekarboxylierung von Ketosäuren

Meist wird die Dekarboxylierung der Ketosäuren durch Mineralsäuren nicht

katalysiert. So ist z. B. Brenztraubensäure, eine a -Ketosäure, in 12-proz.58 59)

Salzsäure sehr stabil '. Dimethylazetessigsäure (25), eine ß -Ketosäure,

71)lässt sich dekarboxylieren. In wässrigen Pufferlösungen ist nach Pedersen

die Dekarboxylierungsgeschwindigkeit der Dimethylazetessigsäure pH-abhän¬

gig; es handelt sich aber nicht um eine gewöhnliche Säure-Katalyse. Liegt

die Molekel infolge des gewählten pH als Anion vor, verläuft die Dekarboxy¬

lierung über Zwitterionbildung (25).

/H0© 00 OH

•4 lCH3—C 6=0 CH3—C==;C + CO5

\' CH3' \h33/ \ 3

or CH3

25

Liegt die Molekel infolge der gewählten Bedingung undissoziert vor, bildet der

Wasserstoff der Karboxylgruppe mit der Ketogruppe einen Chelatring (26), was30)

eine Spaltung der C-C und der O-H-Bindung zur Folge hat '. Die undisso-71)

zierte Molekel dekarboxyliert bedeutend rascher als das Zwitterion '.

Westheimer und Jones'

geben der Chelatstruktur (23) den Vorzug,

da die Dekarboxylierungsgeschwindigkeit in Wasser und in 75-proz. Methanol

annähernd gleich ist. Bei Zwitterionbildung (25) wäre die Rekationsgeschwin-

digkeit von der Dielektrizitätskonstanten des Lösungsmittel abhängig.

CH, CH,

V/\ /

nC=ssbO

CH3C=»C

X\ I OH XH

CHj

H,C Ç' ^0=0 CH,C=»C +C02

0

26 «

215. Dekarboxylierung von Uronsäuren und strukturverwandten Säuren

Mann und Tollens0 zeigten 1896, dass Glukuronsäurelakton beim Kochen

531in 12-proz. Salzsäure CO, abspaltet. Lefevre und Tollens 'verwen¬

deten diese Reaktion zur quantitativen Bestimmung von Glukuronsäurelakton.

Der Dekarboxylierungsvorgang wurde von ihnen wie folgt formuliert :

HCl

C6H8°6

Glukuronsäure¬

lakton

100° C5H4G2 + C02 + 2H20

Furfurol

Während die theoretische Ausbeute an CO, von Lefevre und Tollens er¬

reicht wurde, blieb die Ausbeute an Furfurol hinter der erwarteten Menge

stark zurück.

Die Methode von Lefevre und Tollens wird zur quantitativen Bestim-

93) 54 62 105)

mung von Hexuronsäuren,Pektin- und Alginsäure ' ' ' verwendet.

81)An Spaltprodukten konnte neben Furfurol Reduktinsäure isoliert und aus

Glukuron- und Pektinsäure Xylose'

resp. Arabinose' '

nachgewiesen

werden. Ferner entsteht aus Uronsäuren ein unbekanntes Zersetzungsprodukt,

das mit Karbazol eine spezifische Farbreaktion zeigt und das bei Pentosen

nicht nachgewiesen werden kann17,18)

Verschiedentlich wurde die Kinetik der sauren Dekarboxylierung von Mono-

16 35 36 99)

und Polyuronsäuren untersucht. Sowohl in Salzsäure > > > >Wie inSchwe-

64)

feisäure 'verläuft die CO,-Abspaltung nach einer Reaktion erster Ordnung.

35)

Einige von Huber 'gemessenen Geschwindigkeitskonstanten sind in Tabel¬

le 3 zusammengestellt.

Tabelle 3

Geschwindigkeitskonstanten der Dekarboxylierung von Uron¬

säuren in 20,2-proz. HCl bei 110°

Säuren Geschwindigkeits -

konstante K (sec-1)

D -Galakturonsäure

Polygalakturonsäure

D-Mannuronsäure

Polymannuronsäure

D - Glukuronsäure

2.187.10"42,160.10"41,670.10"41.466.10"41,648.10"4

16

Da glykosidische Bindungen in 20,2-proz. HCl leicht hydrolisieren, bestehen nur

geringe Unterschiede in der Dekarboxylierungsgeschwindigkeit zwischen mono¬

meren und polymeren Hexuronsäuren. Die Mannuron- und die Glukuronsäure,

zwei epimere Säuren, spalten annähernd gleich leicht CO, ab und zwar bedeu¬

tend langsamer als Galakturonsäure. Daraus kann man schliessen, dass die

Anordnung der OH-Gruppen die Dekarboxylierungsgeschwindigkeit beelnflusst.

Ueber den Reaktionsverlauf der sauren Dekarboxylierung sind in den letzten

Jahren verschiedene Arbeiten veröffentlicht worden6'16, 35' 36' 42' 58' 59l,58,59) .35)

Machida ' und Huber deuten Resultate aus kinetischen Messungen

an Uron- und strukturverwandten Säuren (Tabelle 4) dahin, dass deren leichte

Dekarboxylierbarkeit mit dem Halbazetalring im Zusammenhang steht.

Tabelle 4

CO,-Ausbeute einiger Säuren bei der Dekarboxylierung in

12 bis 20-proz. Salzsäure bei 100-140°

Säure % CO, der theor.

Ausbeute

Literatur

1. Aldonsäuren

Galaktonsäure

Rhamnolakton

4,64,2

58

58

2. Zweibasische Zuckersäure

Schleimsäure 4,3 58

3. Heterozyklische, un¬

gesättigte Säuren

2-Furancarbonsäure

5 - Methyl - 2 - furancarbonsäure

94,9102,6

57

58

4. Heterozyklische, gesättigte Säuren

Galakturonsäure

XyluronsäureAraburonsäure

5 - MethyItetrahydro - 2 - furancarbonsäure

100

49,255,59,3

58

38,5838,5858,59

5. Aldehydsäure

Halbaldehyd der Adipinsäure 1,4 58

6. Ketosäuren

Brenztraubensäure

a- Ketoglutarsäure

2 - Ketogalaktonsäure5 - Ketoglukonsäure

0,9wenig

55,9100

58

58

74

17

Die beiden Autoren nehmen an, dass sich aus der sauren Lösung ein Proton

an den Ringsauarstoff anlagert, gleich wie bei Veresterungs- und Verseifungs -

reaktionen und Epoxydspaltungen.

Hf0 0

H,0H H,0H

31

Dadurch entsteht ein Oxoniumkomplex (27). Der —I-Effekt, Folge des Oxo-

niumkomplexes, bewirkt eine Verschiebung des Elektronenpaars zwischen dem

C-Atom 5 und der COOH- Gruppe (28). Bei Energiezufuhr kann dann die mo¬

nomolekular verlaufende CO?-Abspaltung stattfinden (A). Die entstehende

Pentose (29) konnte Huber in geringer Menge als Hydrazonderivat iso¬

lieren. Nach Huber lässt sich die schlechte Ausbeute an Pentosen dadurch

erklären, dass diese zu Furfurol (30) und Reduktinsäure (31) zersetzt werden.

Nach Befunden von R eich st ein und Oppenauer wird aber bei der

sauren Zersetzung von Uronsäuren Furfurol in bedeutend geringerer und Re¬

duktinsäure in bedeutend grösserer Ausbeute erhalten als bei der direkten

Zersetzung von Pentosen. Darnach kommt die Pentose als Reaktions stufe nach

der Dekarboxylierung kaum in Frage.

42)Im Gegensatz zu Machida und Hub er nimmt Isbell an, dass die

Uronsäuren in offener Form dekarboxylieren. Die Aldehydgruppe begünstigt

Wasserabspaltung in (3 -Stellung, wodurch eine ungesättigte Säure entsteht.

Die weitere Wasserabspaltung erfolgt durch Protonenanlagerung an die Sauer-

18

stoffatome jener Hydroxylgruppen, die sich in NachbarStellung zu einer Dop¬

pelbindung befinden, wie dies im folgenden Reaktionsmechanismus wiederge¬

geben ist. Diesem Reaktionsmechanismus liegen keine experimentellen Er¬

gebnisse zu Grunde.

H"6=C-H HCT-C-H

H^C-OH„C-OH

i W?. i

HO-C-H HOC-Hl » i

HO-C-H HO-C-HI I

H-C-OH H-C-OH1 i

H-0-C=0 HO-C=0

0=C-H 0=C-H „(.)

„(+)C-OH C=£>

•• CC-H (C-

HO-C-H C-H1 r1

H-C-OH HtC-OHI N

HO-C=0 HO-C=0

33

HO + H„0

35

H^U"

OiC-H HO-C-H

4

?=oC-HII

C-H

!C0,

2

Ç-H'. H-C-OH H-C-OH

HO,7C=0

34

Wie bei der Bildung von Furfurol aus Pentosen verschiedentlich gezeigt wur¬

de 20,39,110,111), ist (jjg Richte Wasserabspaltung eine Eigenschaft der

(5 - Hydroxykarbonylverbindungen, denn Erythrit bildet unter den gleichen

Reaktionsbedingungen kein Furan.

Durch weitere Wasserabspaltung entsteht nach Isbell eine (3 ,f -ungesät¬

tigte Säure (32,33,34), die sich unter CO,-Abgabe entweder in Furfurol (35)

19

oder in Reduktinsäure (36) umsetzt. Da Uronsäuren und Pentosen nach Isbell

nach dem gleichen Mechanismus zersetzt werden, nämlich von der Aldehyd¬

gruppe aus, kann die leichtere Zersetzbarkeit der Uronsäuren gegenüber13)

Pentosen, wie dies Conrad feststellte, nicht erklärt werden. Die ersten

Stufen dieses vorgeschlagenen Mechanismus sind fraglich. Andererseits geht

aus der Literatur hervor, dass ungesättigte Säuren zur CO„-Abspaltung neigen.

Nach A s o0' können Uronsäuren wie folgt dekarboxylieren :

Nach dem Schema A verläuft die Dekarboxylierung über eine Wasserabspal¬

tung von der Aldehydgruppe aus unter Bildung einer a -Hydroxy a, (5 -unge¬

sättigten Säure. Aso stützt sich dabei auf Arbeiten vonWolf r om, Schuetz

und Cavalier i '

,nach denen die OH -Gruppe in (3 -Stellung zur Kar-

boxylgruppe nach folgendem Mechanismus abgespalten wird.

IC=0I

H-C-OHI

H-C-OH1

H-C-OHI

H30,(+)

20

I

c=oI

C-OHII

H-CI

H-C-OH

C-OH/"\

H-C-OHI

H-C-OHI

H-C-OH

H

37

(+)

40

Dabei wird durch Säure-Katalyse die Polarisation der Aldehydgruppe erhöht

(37), wodurch es unter Bildung des Endiols (38) zur Eliminierung eines Pro¬

tons kommt. Diese Reaktion ist reversibel. Da die zur enolischen Hydroxyl¬

gruppe benachbarte OH-Gruppe erhöhten nukleophilen Charakter aufweist,

unterliegt diese am stärksten dem elektrophilen Angriff der HV"'0-Ionen. In¬

folge der Neigung des Elektronenpaars in der Endiolfunktion, ein Resonanz-

system konjugierter Doppelbindungen aufzurichten (40), kommt es zur Was¬

serabspaltung. Der irreversible und somit wesentliche Schritt von 38 zu 40

verläuft nach Wolf rom et al. über die intermediäre Verbindung (39), die

durch Ausstossung eines Protons und Verschiebung des Elektronenpaars ent¬

lang der Kohlenstoffkette stabilisiert ist.

Nach Schema B verläuft nach Aso die Dekarboxylierung über eine Wasser -

abspaltung von der Karboxylgruppe aus unter Bildung einer (3 - Ketosäure. Die

Dekarboxylierung nach diesem Schema kommt kaum in Frage, denn analog

müssten auch Aldonsäuren und Schleimsäure CO abspalten, was aber nicht2

zutrifft (Tabelle 4).

Threuronsäure (41 ),eine Aldehydo-Tetruronsäure, spaltet nach Ikawa und40)

Link ' unter dem aktivierenden Einfluss der Aldehydgruppe Wasser ab,

wobei eine (3 -Ketosäure entsteht (42), die sich unter CCv-Abgabe in Methyl-

glyoxal (43) umlagert.

H H H

c=o c=o c=oI 1 i

C-HOH„

C=0 C=0 + CO,

I * i » i ^

C'HOH CH„ CH„| i £ o

COOH COOH+ H 0

41 42 43

5-Keto-Aldonsäuren neigen leicht zu Wasser- und CO«-Abspaltung. So dehy-

dratisiert 5-Ketorhamnolakton (44) schon beim Kochen in Salzsäure-Methanol.

13)Die Dekarboxylierung erfolgt beim Erhitzen von Verbindung 45 in0,5-nHCl .

c=o CCS11

Yh-c-o

IC-H

0 H-Ç-OH CH„OH + HCl » I 0,5-n. HCl H_C| II w-<"-OH

- » H-Ç'

. , H-C'

i o i y- „

HQCO-C I HO-CI 3 h I,C=0 C 1 C-I I l

CH3 CH3 CH3

44 45

21

Ueber den Reaktionsverlauf der sauren Dekarboxylierung von 2-Keto-Aldon-

säuren (Tabelle 4) vermag das in der Literatur zugängliche Untersuchungs-59 74 112)

material wenig Aufschluss zu geben ' '

.Da 2 - Ketosäuren, wie a -Keto-

glutar- und Brenztraubensäure, in heissen Mineralsäuren sehr langsam CO„

abgeben, ist anzunehmen, dass die Dekarboxylierung nicht an der 2-Keto-Al-

donsäure, sondern an einer durch Umlagerung oder durch Dehydratisierung

entstandenen Zwischenverbindung erfolgt.

22. Experimenteller Teil

Ergebnisse der Dekarboxylierungsversuche

Für die nachfolgenden Dekarboxylierungsversuche wurden solche Verbindun¬

gen gewählt, die auf Grund ihrer Konstitution geeignet sind, Einblick in den

Verlauf der Dekarboxylierung von Hexuronsäuren zu geben.

Bei den nachstehenden Versuchen wird die Dekarboxylierungsgeschwinriigkeit

in Prozent der theoretischen Ausbeute angegeben. Geschwindigkeitskonstan¬

ten wurden nicht berechnet, da sich in manchen Fällen die Reaktionsordnung

nicht eindeutig ermitteln liess.

221. Dekarboxylierung von D-Glukuronsäure

HÖH

D-Glukuronsäure (46) dekarboxyliert beim Kochen in 12-Proz. Salzsäure an-

35)nähernd quantitativ '. Wird die Dekarboxylierung in 4-proz. Salzsäure durch¬

geführt, so beträgt die CO -Ausbeute bei 97° nach 420 Minuten ca. 23'X der

Theorie (Vgl. Tabelle 7).

22

222. Dekarboxylierung von Ascorbin-, a- Ketoglutar-,

2-Furancarbon- und Tetrahydro-2-furancarbonsäure

°1HO—C

HO—i0

10—c JIJ

H-C—'I

HO—C—H

ICHz0H

47

H-

H-

COOH

J-0I

-C H

I-C—H

ICOOH

48

C-OH

49

Während Ascorbinsäure (47) und 2-Furancarbonsäure (12) in 12-proz. Salz¬

säure leicht dekarboxylieren (Tabelle 5 und 6), spalten a- Ketoglutar - (48)

und Tetrahydro-2-furancarbonsäure (49) untar diesen Reaktionebadingungen

kaum CO« ab.

Tabelle 5

Dekarboxylierung von Ascorbinsäure

0,98 mMol Ascorbinsäure

40cm3 12-proz. HCl

100°

Zeit in

Minuten7cC02 dar theor.

Ausbeute

40

105

135

48

72

80

Kinetische Untersuchungen über die CC,-Abspaltung von Ascorbinsäure in

saurer Lösung wurden auch von Taylor, Fowler, McGee und Kenyon

angestellt.

99)

23

Tabelle 3

Dekarboxylierung von 2 - Furancarbonsäure

1,01 mMol 2 - Furancarbonsäure

40cm3 12-proz. HCl

100°

Zeit in

Minuten

% C02 der theor.

Ausbeute

75

120

165

26

40

50

223. Dekarboxylierung von D-Galakturonsäure in Gegenwart

von a- Pyridon und Ionenaustauschern

S wain und Brown '

vermuten, das s die in Gegenwart von a -Pyridon be¬

schleunigte Mutarotation der Tetramethylglukose u.a. mit einer Wasserstoff-

bindung am Halbazetalsauerstoff-Atom zusammenhängt. Analog könnte a-

Pyridon mit der Galakturonsäure eine Wasserstoffbindung eingehen (50), wo¬

durch die CO« -Abspaltung, entsprechend der sauren Dekarboxylierung von

Uronsäuren, beschleunigt würde.

HO/H

Nach längerem Erhitzen von molaren Mengen a -Pyridon und D-Galakturon¬

säure in wässriger Lösung bei 96° tritt aber keine messbare CO„ -Abspaltung

ein.

Kationenaustauscher in der Wasserstofform, wie das Polystyrolsulfonsäure-

harz Dowex 50 und saures, amorphes Alumosilikate, katalysieren die Dekar¬

boxylierung der Uronsäuren nicht.

24

Kationenaustauscher in der H-Form sind vielleicht deshalb unwirksam, weil

sie negativ geladen sind und demzufolge die Galakturonatanionen abstossen.

23. Diskussion

Eine Oniumionbildung fördert, wie aus der Literaturbesprechung hervorgeht,

die CO„ -Abspaltung von heterozyklischen a- Karbonsäuren, wenn der Heteroring

aromatischen Charakter aufweist. So dekarboxyliert die den Uronsäuren struk¬

turell nahestehende 2- Furancarbonsäure (12) in 12-proz. Salzsäure (Tabelle 6),

während die gesättigte Verbindung, Tetrahydro-2-furancarbonsäure (49), un¬

ter gleichen Reaktionsbedingungen sehr langsam CO„ abspaltet. Die Annahme

eines Oxoniumkomplexes bei Uronsäuren in Mineralsäuren ist berechtigt, ver¬

mag aber die leichte Dekarboxylierbarkeit dieser Säuren nicht zu erklären.

55)Besonders interessant ist in dieser Hinsicht, eine von Linker und Meyer

durch enzymatischen Abbau von Hyaluronsäure gewonnene ungesättigte Aldo-

bionsäure (51).

NHAZ

51

Diese Verbindung spaltet in verdünnter Salszäure leicht CO, ab '. Wird

die Doppelbindung der ungesättigten Glukuronsäurekomponente hydriert, wo¬

bei 4-Desoxyglukuronsäure (52) entsteht, so tritt keine saure Dekarboxylie-55)

rung mehr ein .

/C—OH

' Persönliche Mitteilung von Herrn Prof. Dr. K. Meyer,

Columbia Univ., New York.

Folglich kann Oxoniumionbildung nicht allein die Ursache der leichten De-

karboxylierbarkeit von Uronsäuren sein.

Weil nach verschiedenen Autoren Aldehydozucker in heissen Mineralsäuren

39 110 111) 42)Wasser abspalten ' '

,ist die Annahme von Isbell

,wonach die

CO„-Abspaltung nicht an der Uronsäure selbst, sondern an einer dehydrati-

sierten Zwischenverbindung erfolgt, berechtigt.

Wasserabspaltung kann bei Uronsäuren entweder an der offenen Aldehydo- oder

an der Zyklohalbazetalstruktur erfolgen. Bei der Aldehydo-Uronsäure kommt

eine Wasserabspaltung von der Karboxylgruppe aus kaum in Frage, da Schleim-

Zucker- und Aldonsäuren beim Kochen in Salzsäure ausserordentlich stabil

sind. Eine Wasserabspaltung von der Aldehydgruppe aus ist zwar möglich, er¬

klärt aber nicht die leichtere Zersetzbarkeit von Uronsäuren gegenüber Pen¬

tosen. Wie aus Tabelle 7 hervorgeht, werden Uronsäuren schon in verdünnten

25)Säuren zersetzt '. Die CO, "Abspaltung verläuft, wie aus Dekarboxylierungs -

versuchen hervorgeht, langsamer als die Zersetzungsreaktion. Pentosen un¬

ter gleichen Reaktionsbedingungen sind aber stabil„13)

Tabelle 7

Unzersetzte Uronsäuren in \ der Ausgangsmenge beim

Kochen in verdünnter Salzsäure

1-nHCl 0,1-n HCl

Stunden 5 13 20 48 5 13 20 48

Galakturonsäure

Mannuronsäure

Glukuronsäure

67

80

78

38

55

52

23

45

37

3

16

9

85

92

92

72

85

87

63

77

80

34

61

74

49)Kiseleva, Konkin und Rogovin haben die Dekarboxylierungs-und

Furfurolbildungsgeschwindigkeit von Uronsäuren resp. Pentosen untersucht.

Die Resultate sind in Tabelle 8 zusammengestellt.

26

Tabelle 8

Dekarboxylierungs- und Furfurolbildungsgeschwindig-

keit von Uronsäuren resp. Pentosen in 20,2-proz.

Salzsäure bei 100

Dekarboxylierungs -

geschw. K min"1Furfurolbildungs -

geschw. min"1

Monooxyzellulose

Pektinsäure

Xylose

Arabinose

26,7.10"334,8.10"3

138.10"3

52,1.10"3

Es ist möglich, dass Uronsäuren in Mineralsäuren teilweise in Keto-Uron¬

säuren umgelagert werden. Die CO„-Abspaltung könnte dann an einer 0 -Keto-

säure erfolgen, a -Ketosäuren sind, wie aus der Literatur hervorgeht, gegen¬

über Mineralsäuren ausserordentlich stabil und kommen demzufolge als Zwi¬

schenverbindungen bei der Dekarboxylierung kaum in Frage.

Den aufgeführten Tatsachen wird nachfolgender Reaktionsmechanismus für

D-Galakturonsäure am ehesten genügen:

Aus der sauren Lösung lagern sich Protonen an die freien Elektronenpaare

der Sauerstoffatome der Uronsäuren, wobei positiv geladene Oxoniumkom-

plexe entstehen. Oxoniumbildung am Ringsauerstoff, an der Karboxylgruppe

und an den Hydroxylgruppen haben zur Folge, dass die Bindung des Wasser¬

stoffatoms mit dem C-Atom 5 und der OH-Gruppe mit dem C-Atom 4 ge¬

schwächt wird (53). Der Wasserstoff dissoziert als Proton unter Aufrichtung

einer Doppelbindung ab, gleichzeitig erfolgt am C-Atom 4 eine Wasserabspal-

H0.

C—OH

.OHIH.OH

H® H,Q

27

tung, wobei eine a, (J -ungesättigte Säure entsteht (54). Diese Verbindung ent¬

spricht der Uronsäurekomponente derAldobionsäure (51) von Linker und

55)Meyer

Verbindung 55 kann analog der Zimtsäure (21) aus der sauren Lösung ein Pro¬

ton an die Doppelbindung anlagern (56). Dadurch entsteht in (3 -Stellung ein

Karboniumion (57). Die CO,-Abspaltung erfolgt unter Errichtung der Doppel¬

bindung zwischen dem a- und (3 -C-Atom (58) (Vgl. Kapitel 213).

C—OH C—0—H H C-É-O-^-H H

) °© H@J ° ^ù~°\ ) °

H^C \h,oh-Vh-^ \hph—»h—/®*"^ Nh,oh—». h_/^ Nh,oh

Xk0H h/ \oh h/1 \toh h/1 >v oh""

-H—<é >H

H OH H OH H OH H OH

55 56 57 58

Während die Wasserabspaltungsreaktion (53) die Anwesenheit einer konzen¬

trierten Säure erfordert, findet Karboniumionbüdung und somit auch die CO,-

Abspaltung leichter in verdünnter Säure statt. Konzentrierte Säure bewirkt

Oxoniumionbildung am Ringsauerstoff und an der Karboxylgruppe. Dadurch

wird dem C-Atom 5 eine partielle positive Ladung induziert, was sich in ei¬

ner geringeren Neigung zur Aufnahme eines Protons äussert.

Zur Dekarboxylierung der Verbindung (55) sollten demnach, ähnlich wie im

Falle der ungesättigten Aldobionsäure, verdünnte Säuren genügen. Diese An¬

nahme wird durch folgenden Versuch bekräftigt: Wird Galakturonsäure wäh¬

rend 45 Minuten bei 10 in 5 cm konz. Schwefelsäure stehen gelassen, die

leicht gelbliche Lösung unter Kühlen mit Natronlauge auf pH 5 eingestellt und

diese unter Rückfluss gekocht, so tritt Dekarboxylierung ein. Die CO,-Aus-

beute beträgt ca. 50% der Theorie0.

Die weitere Umlagerung in Furfurol und Reduktinsäure ist wiederum eine

Folge der dehydratisierenden Wirkung konzentrierter Mineralsäuren. Das

nachfolgende Reaktionsschema stellt den mutmasslichen Reaktionsverlauf dar

bei der Bildung von Furfurol und Reduktinsäure aus Uronsäuren und Furfurol

aus Pentosen.

28

Pentose Uronsaure

x al jCm

HO OH

-CHO

82 64

29

Bei Pentosen wird vermutlich die erste Molekel Wasser in ß -Stellung zur

Aldehydgruppe (59), bei Uronsäuren in (3 -Stellung zur Karboxylgruppe abge¬

spalten (60). Die resultierenden Verbindungen 59 und 31 können entweder direkt

ein weiteres Molekel Wasser abspalten, was zu Furfurol führt (32). Verbindung

60 kann aus der sauren Lösung ein Proton an die Doppelbindung anlagern (33).

Bei Verbindung 63 begünstigt die Aldehydgruppe die Abspaltung einer weiteren

Molekel Wasser (C-Atom 3), wobei Reduktinsäure (84) entsteht.

Dieser Reaktionsmechanismus stimmt überein mit den Befunden von Reich -

fil )stein undOppenauer ,

wonach bei der sauren Zersetzung von Uron¬

säuren Furfurol in geringerer und Reduktinsäure in grösserer Ausbeute er¬

halten wird als bei der direkten Zersetzung von Pentosen.

6)A so hat festgestellt, dass beim Erhitzen von Polyuroniden und Zuckern in

Säuren mit Ammonsalzen in geringen Mengen 3 - Hydroxypyridin entsteht. Für

Kondensationsreaktionen dieser Art könnten Zwischenverbindungen, wie sie

im oben aufgeführten Reaktionsverlauf dargestellt sind, in Frage kommen.

3. Metallkatalytische Dekar'boxylierung

31. Besprechung der Literatur

311. Allgemeines

Schwermetalle sind geeignete Katalysatoren für die Dekarboxylierung man¬

cher aromatischen, ungesättigten und heterozyklischen Karbonsäure. So spal-29) 79 80 92)

ten u.a. n -Pyron-6-carbonsäure ,Furancarbonsäuren ' '

,Benzoe-

15) 104)säure und Chlorzimtsäure in Gegenwart von Cu~, Zn-, Fe- und Sb-Pul¬

ver C09 ab. Lösungsmittel wie Chinolin und Pyridin fördern die Dekarboxylie -

rung, indem sie das Karboxylkohlenstoffatom negativieren (65) '.

-C^ + B: > ~°\XOH t O-H

B'

35

Ueber die Wechselwirkung zwischen Karbonsäuren und Schwermetallpulver

ist nur wenig bekannt; wahrscheinlich verhält sich das Schwermetall als spe¬

zifischer Akzeptor gegenüber den Doppelbindungselektronen des ungesättigten

30

oo\

Systems und erleichtert die Dekarboxylierung '. Die Wirkung von Schwer -

metallen als Katalysatoren bei organischen Reaktionen ist in letzter Zeit von

91)Schwab '

eingehend untersucht worden.

Schwermetallionen können mit Molekeln, die über Doppelbindungen oder nukleo -

phile Gruppen (-NH2, -COOH, ^COH, -CHO) verfügen, Komplexe eingehen,

wodurch diesen Molekeln eine positive Ladung induziert wird. Bei einer Kar¬

bonsäure kann dies eine Verschiebung der Elektronen von der Karboxylgruppe

zur positiv geladenen Stelle des Molekels bewirken, wodurch die CO,-Abspal¬

tung erleichtert wird.

Um einen Einblick in die Wirkungsweise von Schwermetallionen bei Dekarboxy-

lierungsreaktionen zu erhalten, werden, in Ermanglung von Beispielen aus der

Kohlenhydratchemie, CO„-Abspaltungsmechanismen einiger heterozyklischen,

ungesättigten und Ketosäuren besprochen.

312. Dekarboxylierung von N-und O-heterozyklischen

ungesättigten a- Karbonsäuren

31)Nach Gilmannund Lousinian spaltet 2-Furancarbonsäure beim Er¬

hitzen in tertiären Basen und in Anwesenheit von CuSO. CO„ ab, wobeiFuran

entsteht.

Beim Erhitzen von Karboxyporphobilinogen (66) in wässriger Pyridinlösung

mit Spuren von Cu"^1"Azetat wird nur die a -COOH-Gruppe abgespalten '.

R-| jj—ctycopH Cu^ R-ij ipc^-coo6^ p., jpca,-cooeHOOC-J^ JLCH2-NH2 Pyridin* e00CJ||_cH2 (^ JL^.^

H H Çu—NH, H

/\6736 +00, + Cu

Da Cu eine grosse Neigung zur Komplexbildung mit Elektronendonatorgrup-

pen aufweist, ist es denkbar, dass es mit der Säure ein Chelat von der Form 37

bildet. Dadurch wird der Ringstickstoff positiviert und dies erleichtert, ähn¬

lich wie der Oniumkomplex bei der Picolinsäure (Kapitel 212), die Dekarboxy¬

lierung.

31

313. Dekarboxylierung ungesättigter Karbonsäuren

In Gegenwart von Cu -Azetat in 2,4- Lutidin als Lösungsmittel spaltet )T-Ary-

liden- 2- methylglutaconsäure (68) selektiv die y - COOH- Gruppe ab '.

HOOC_

A ^ .

h

I H Cu-Azetat"

H, ,

H-Ç=C =g HV C^c==é_C0(^-) +

R CH 2,4-Lutidin R CHg2

38

Es ist möglich, dass bei der Dekarboxylierung der Verbindung 68 folgende

Zwischenverbindung auftritt (39) :

-o=c-o-n(-)

^ÏA HA-)

H R c=c-coa'

CH,

69J

Cu+-Chelate, analog der Form 69, wurden auch bei der Fumar-, Citracon-48)

und Mesaconsäure postuliert '.

Nach Corey dekarboxylieren ungesättigte Malonsäurederivate mit Cu~+-

Azetat in Pyridin sehr leicht. Di-propargylmalonsäure dekarboxyliert in Ge¬

genwart von Zinkverbindungen schon nach gelindem Erwärmen explosionsar-..

90)

tig '.

814. Dekarboxylierung von Ketosäuren

Wesentlichen Ansporn erhielt die metallkatalytische Dekarboxylierung der

Ketosäuren durch die Erkenntnis, dass die Dekarboxylierung biologisch wich-

51 56 69 94)tiger ß - Ketosäuren durch Metallenzyme erfolgt ' ' '

'.

Verschiedene Autoren fanden, dass (5 -Ketodikarbonsäuren, Oxalessigsäure

(70)50'94),Dimethyloxalessigsäure (vq)95'96'106), Oxalbernsteinsäure (71)56)und Azetondikarbonsäure (73) '

,in Gegenwart verschiedener Schwerme¬

tallionen CO„ abspalten. Bei diesen Dikarbonsäuren ist nur eine Karboxyl-

gruppe zur CO„-Abspaltung befähigt. Azetessigsäure (74), eine 0 -Ketomono-

karbonsäure, und a- Ketomonokarbonsäuren, wie a -Ketoglutarsäure und

Brenztraubensäure, dekarboxylieren unter gleichen Reaktionsbedingungen

nicht .

32

HOOC.CH2.CO.COOH HOOC . C(CHg)2 . CO-. COOH

71

HOOC.CH2.ÇH.CO.COOH HOOC.CH2.CO.CH2.COOHCOOH

72 73

HOOC.CH2.CO.CH3

74

94)

Nach Speck'verläuft die metallkatalytische Dekarboxylierung der Oxal-

essigsäure (70) mit Zn+t, Cu+-, Co++-, Fe++- und La+++-Salzen nach einer Re¬

aktion erster Ordnung. Dabei ist die Dekarboxylierungsgeschwindigkeit von

der H^+'-Ionenkonzentration abhängig; in sehr saurem (pHl) und sehr basi¬

schem Milieu (pH 13) ist Oxalessigsäure stabil.

75)Nach P r u e nimmt bei der Dekarboxylierung der Azetondikarbonsäure in

Azetatpuffer die katalytische Aktivität von Schwermetallionen in folgender

Reihenfolge ab : Cu+t Be*"^ Al++£ Ni+V Zn+t Co+J. La++£ Pb+t Mn+£- Cds£

Mg"1".51)

Nach Krebs '

spaltet Oxalessigsäure, die sowohl eine a- wie eine (3 -Keto-

säure darstellt, leichter CO„ ab als die Azetondikarbonsäure, einefi -Keto-

säure (Tabelle 9).

Tabelle 9

Dekarboxylierung der Oxalessigsäure und der Azeton-

dikarbonsäure mit Alg(SO.L

A12(S04)3 Konz.

t

: 3.10"3M

Ketosäure Konz. : 0,02 M

pH :4,4

Temp. : 20°

Zeit in

Minuten

OxalessigsäureH entwickeltes

co2

Azetondikarbonsäure

zu entwickeltes

co2

10

20

30

213

422

623

41

70

119

33

Auf Grund spektroskopischer Messungen führen Kronberg, Ochoa und52)

Mehler ' die katalytische Wirkung der Metallionen bei der Dekarboxylie-

rung der Oxalessig- und Oxalbernsteinsäure auf die Bildung eines (3 -Keto-

säure- Metallkomplexes zurück. Dabei findet die Komplexbildung vermutlich

in der Enolform der Ketosäure statt (75).

(">(/

°* ? H"2\C—C=C-R

75

Die Dekarboxylierungsreaktion durchläuft nach Kronberg et al. folgende

Stufen :

1. (3-Ketosäure ;.* Enol

2. Enol + Kation ,

*

Komplex

3. Komplex » a -Ketosäure + CO, + Kation

Da aber Azetesslgsäure (74) nicht dekarboxyliert, obsdhon sie nach Kron ¬

berg et al. mit Kationen wie Al+++ analog den (3 - Ketodikarbonsäuren Kom¬

plexe bildet, kann der oben aufgeführte Reaktionsverlauf nur bedingt richtig

sein. Nach Mar te 11 und Calvin ' können den von Kronberg et al.

postulierten Metallenolaten bei Azetesslgsäure und Oxalessigsäure folgende

Strukturen zugeordnet werden (76 und 77).

H

u0—C X—CH,

\)76 AI lOH2)n

Av -P

eb—c x—cT.^

eo—c c—cT_

\0© II I N)e

ö ö® ®ö 0

Al(0H2]n " Al(0H2)n34

Der starke Elektronenzug des Metallions erniedrigt die Aktivierungsenergie,

die zur Spaltung der Bindung zwischen der Karboxylgruppe und dem Rest der

Donatormolekel nötig ist. Dieser Effekt ist sowohl bei der Azetessigsäure

wie bei der Oxalessigsäure vorhanden. Der einzige Unterschied zwischen den

beideii Verbindungen ist der, dass die leicht dekarboxylierbare Oxalessigsäure

zudem eine a- Ketosäure ist. Chelatbildung zwischen der a - Ketogruppe und

der benachbarten Karboxylgruppe (78) könnte das verschiedene Verhalten bei

der Dekarboxylierung erklären. Chelate von der Art 76 und 77 sind nicht aus¬

geschlossen, sind aber für die Dekarboxylierung ungünstig, da sie durch Re¬

sonanz stabilisiert sind (je zwei Resonanzstrukturen). Es dürfte sich deshalb

bei dem von Kronberg et al. bei der Dekarboxylierung von Oxalessigsäure

nachgewiesenen Enol um das durch CO„ -Abspaltung gebildete Metallenolat

der Brenztraubensäure handeln (79).

@0

'

—CH, Ç C ^c— c cHj

®0 0/ I0V ,0

\ / X78 Men+ N/lé"* 79

72)Nach Pedersen hemmt Komplexbildung zwischen der Karboxylgruppe

und dem Metallion die Elektronenverschiebung von der Karboxylgruppe gegen

ein elektrophiles Zentrum in der Molekel. Es ist deshalb verständlich, dass

nur (3 -Ketodi- und Trikarbonsäuren leicht metallkatalytisch dekarboxylieren,

nicht aber (3 - und a -Ketomono- und a- Ketodikarbonsäuren.

96)Ste,inberger und Westheimer fanden, dass die Dekarboxylierung der

Dimethyloxalessigsäure (80), nicht aber des Monoesters )81), durch Schwer¬

metallionen katalysiert wird.

H02C. CO. C(CH3)2. COOH C2H5°2C 'CO • C(CH3>2*COOH80 81

Der Einfluss der Metallionen auf den Verlauf der Dekarboxylierungsreaktion

geht aus folgendem Mechanismus hervor :

35

3'2—C C~C(CH3)2NC00 0—C C=C(CH,)

VA

,6 \)H.

828

tf V + H®

XH2o' N0H2

+ 2H20

0=*c C CHtCH-jk

e/ \83

Folgende Tatsachen sprechen für diesen Reaktionsmechanismus :

1. Das Endprodukt, die a -Ketoisovaleriansäure (83), konnte isoliert und

identifiziert werden.

2. Eine enolische Zwischenverbindung wurde spektroskopisch nachgewiesen.

3. Der Monoester der Dimethyloxalessjgsäure dekarboxyliert mit Schwer¬

metallionen nicht. Folglich wird der die CO„-Abspaltung fördernde Kom¬

plex zwischen der Ketogruppe und der benachbarten Karboxylgruppe statt¬

finden.

4. Cu hat die Tendenz zu planaren Koordinationsverbindungen, es wird so¬

mit kaum mit dem Karbonylsauerstoff und den beiden Karboxylatgruppen

gleichzeitig koordiniert sein.

Zusammenfassend kann die katalytische Funktion des Metallions wie folgt um¬

schrieben werden: Während der Dekarboxylierung wird ein Elektronenpaar

von der freien Karboxylgruppe auf den Rest der Molekel übertragen. Sin Me¬

tallion vermag durch seine positive Ladung diese Uebertragung zu unterstüt¬

zen. Die katalytische Aktivität der Schwermetallionen nimmt in der Reihen¬

folge Cu+t Fe++^Ni++-Mn++^ab.

Koordinierende Agenzien, wie z.B. Citrat- und Azetationen, vermindern die

katalytische Aktivität des Cu . Diese negativen Ionen konkurrieren mit der

Dimethyloxalessigsäure um die Cu -Ionen und erniedrigen dadurch die Kon¬

zentration des Chelatkomplexes (82). Pyridin, auch ein Komplexbildner fürCu

36

hemmt anderseits die Dekarboxylierung nicht. Das unterschiedliche Verhalten

zwischen Citration und Pyridin liegt darin, dass das Citration ein besserer

Elektronendonator ist als Pyridin und folglich die positive Ladung des Cu++

mehr herabsetzt. In Gegenwart von Pyridin wird wahrscheinlich bei der De¬

karboxylierung folgender Komplex vorliegen (84).

0.

C C C(CH,L -C00"

/ \/ \

VCu**

/\Py Py1

84

Steinberger und Westheimer haben eingehend die pH- Abhängigkeit

der Metallkatalyse in Pufferlosungen untersucht und gefunden, dass die De-

karboxylierungsgeschwindigkeit bei pH 4,5 am grossten ist. Die \bnahme der

Dekarboxylierungsgeschwmdigkeit bei höheren pH-Werten interpretiert

Williams dadurch, dass z.B. im Falle der Oxalessigsaure neben dem

a -Ketosaurekomplex (85) auch ein Dikarbonsaurekomplex (80) vorliegen kann.

CCW i^\ch^—co„

, .

| 2\Me(++) |2 2>e(++)

HOOC-CHgC —O CO—'COg

85 80

Zur Begründung seiner Annahme untersuchte er die Stabihtttskonstanten bei

Bildung der Cu und Zn -Komplexe der Oxalessigsaure und verglich die

erhaltenen Resultate mit den Stabilitatskonstanten solcher Cu und Zn - Kom¬

plexe, die entsprechend ihrer Konstitution tatsachlich Komplexe der Form 85

und 83 eingehen. Als Modellsubstanzen diente fur Formel 85 Brenztrauben-

saure, fur Formel 83 eine Dikarbonsaure. Aus Tabelle 10 ist ersichtlich, dass

die Stabilitatskonstanten sowohl Cu -als der Zn -Komplexe der Dikarboxy-

lat-Anionen wesentlich hoher sind als die der Brenztraubens iure. Da nun die

von Pedersen gemessenen Stabilitatskonstanten der Cu++- und Zn -

Komplexe der Oxalessigsaure denen der Dikarbonsauren naher liegen, so

ist der von Williams formulierte Komplex wahrscheinlich.

37

Tabelle 10

Stabilitätskonstanten einiger Säuren

Ligand log pkx log pk2 l°g KCu l0S KZn Literatur

Malonsäure 2,85 5,70 4,80 3,68 70

Bernsteinsäure 4,19 5,48 3,33 2,70 70

Oxalessigsäure 2,30 3,88 4,00 - 72

Weinsäure 2,88 3,94 - 1,57 9

Glykollsäure 3,71 - - 1,92 9

Essigsäure 4,75 - - 1,57 70

Brenztrauben- 2,35 - 2,50 2,10 109

saure

Auf Grund dieser Tatsachen hat Williams für die metallkatalytische De-

karboxylierung der Oxalessigsäure folgenden Reaktionsmechanismus vorge¬

schlagen :

Niedriges pH :

HOOC • CH2CO -h(+)COOH +Me

T^+rHOOC CH,CO- ,, (++)

COO^_HM

(-),

'OOC CH2ÇO (++)

coo

Dekarboxylierung

Hohes pH :

(~taoC CH„CO

2coJ-Me^ ÇH2COO>Me(++)

cocoo'

keine

Reaktion

315. Dekarboxylierung von Uronsäuren und strukturverwandten Säuren

Voss und Pfirschke.28)

103)und Freudenberg, Gudjons und Dum'

pert""' stellten fest, dass Mono- und Polyuronsäuren in einer 20-molaren

Chlorzinklösung (pH 2,5-3) bei 155-160° innerhalb 3-5 Stunden annähernd

quantitativ CO„ abspalten. Es entsteht, wie aus eigenen Versuchen hervorgeht,

38

Furfurol. Der Einfluss des ZnCl, bei dieser Dekarboxylierungsmethode, die

überdies selten zur Bestimmung der Uronsäuren verwendet wird, ist nicht be¬

kannt. Wahrscheinlich wirkt die konzentrierte ZnCl," Lösung auf die Uronsäure

dehydratislerend, wobei eine ungesättigte Säure entsteht. Die CO„-Abspaltung73) 45)

könnte entweder thermisch oder durch Säure-Katalyse erfolgen .

Eine grosse Bedeutung in der präparativen Kohlenhydratchemie hat die oxy-

dative Dekarboxylierung von Aldonsäuren nach Ruf f '.Beim Erwärmen

der Aldonsäuren in Gegenwart von 11,0, und Fe++-Azetat spalten sie C0„ ab,

wobei Pentosen entstehen.

OH

Ç=°H O

' H2°2 HH-C-OH

I»(+++) Ç=o

H-Ç-OH—^

HHl.0H +C02c- I

i -ç-

Die Ausbeute an Pentosen ist oft gering, z.B. 17% bei D-Lyxose aus Ca-D-

Galaktonat und 50% bei D-Arabinose aus Ca-D-Glukonat.

32. Experimenteller Teil

321. Ergebnisse der Dekarboxyllerungsversuche

Für die nachfolgenden Dekarboxyllerungsversuche wurden hauptsächlich sol¬

che Metallionen gewählt, die Uronsäuren wenig oxydieren wie Al+++, Nl++,Zn

,Cd +, Pb+ und Mg . Grössere Konzentrationen von Salzen dieser

Ionen vermögen bei höherer Temperatur Hydroxyverbindungen zu dehydrati-

sieren; sie wurden deshalb in möglichst geringer Menge zugegeben.

Hauptsächlich wurde D-Galakturonsäure (87) metallkatalytisch dekarboxyliert,

da der Reaktionsverlauf der CO„-Abspaltung bei dieser Säure einfacher zu

deuten ist als bei Glukuronsäure (88), die zum grössten Teil als Lakton vor¬

liegt.

H,0H

0=-C-nT

•"Nr1'

\HÖH

OH

88

39

Zur qualitativen Identifizierung der Reaktionsprodukte wurden die Reaktions-

lösungen, wo nicht anders vermerkt, zur Entfernung der Metallionen durch

Schichten von Kationenaustauscher Dowex 50 in der H-Form perkoliert. Bei

Verwendung von Schwermetallsulfaten wurden die Perkolate mit feinpulveri¬

siertem Bariumkarbonat neutralisiert, und das entstandene Bariumsulfat

wurde abfiltriert. Die Filtrate sowie die Perkolate wurden am Vakuum bei

40° eingeengt. Die Sirups wurden auf Whatmanpapier Nr. 4 chromatographiert.

Als Elutionsmittel diente wassergesättigte Isobuttersäure. Die Chromatogram-

me wurden mit Anilinphtalatlösung entwickelt. Zur Ermittlung der einzelnen

Zuckerkomponenten wurden 1-proz. Vergleichszuckerlösungfen mitchromato-

graphiert.

3211. Dekarboxyllerung von D-Galakturonsänre mit Schwermetallionen in

Wasser

Wird D-Galakturonsäure mit einer molaren Menge A12(S04), erhitzt, so

findet geringe CO,-Abspaltung statt. Die Dekarboxylierungsgeschwindigkeit

ist, wie aus Fig. 1 hervorgeht, pH abhängig.

Die Abnahme der Dekarboxylierungsgeschwindigkeit bei pH über 4,1 ist auf

die Bildung von unlöslichem Aluminiumhydroxyd zurückzuführen. Dieses be¬

sitzt keine katalytische Wirkung.

Nickelsulfat besitzt geringere katalytische Aktivität als Aluminiumsulfat, ob-

schon die Bildung von unlöslichem Hydroxyd erst bei höherem pH eintritt. In

Tabelle 11 sind die CÖ„-Ausbeuten bei verschiedenem pH angeführt.

Figur 1

Dekarboxvlierung von D- Galakturonsäure mit AI,. (SO. k

bei verschiedenen pH in Wasser

1 Milliäq. D- Galakturonsäure

1 mMolAl2(S04)3-18H2040 cm3 H20

Reaktionsdauer 300 Minuten

96°

pH mit NaOH eingestellt

%C02derfheor. Ausbeute

50-

2,5 üT —r-

4.5 pH

Tabelle 11

Dekarboxylierung von D-Galakturonsäure mit NiSO, In Wasser

0,97 Milliäq. D-Galakturonsäure

0,99 mMol NiS04.7 H2040 cm3 H2096°

pH mit NaOH eingestellt

Zeit in

Minuten

% CO, der theor. Ausbeute

pH

75

135

195

300

4,6 6,2

2

5

8

15

7

12

18

26

41

Bei diesem Dekarboxylierungsversuch konnte papierchromatographisch

Arabinose nachgewiesen werden.

Zn-, Cd- und Mg-Sulfat beschleunigen die Dekarboxylierung der Galakturon¬

säure nicht merklich.

Da Bleisulfat in Wasser nur wenig löslich ist, wurden die Dekarboxylierungs -

versuche mit dem löslichen Bleiazetat durchgeführt (Tabelle 12).

Tabelle 12

Dekarboxylierung von D-Galakturonsäure mit Pb-Azetat in Wasser

1 Milliäq. D-Galakturonsäure

0,98 mMol Pb(C2H302)240 cm3 H2096°

pH 4,6

Zeit in

Minuten

% C02 der theor.

Ausbeute

15

45

120

12

40

53

Die CO,-Entwicklung ist nach ca. 120 Minuten beendet. Während der Reaktion

fällt ein ziegelroter Niederschlag aus. Die Bildung eines Niederschlages beim

Erhitzen von Galakturonsäure in Wasser mit basischem Bleiazetat wurde auch22)

von Ehrlich'

beobachtet, dagegen nicht die CO,-Entwicklung.

Zum Nachweis der Reaktionsprodukte wurde das Blei mit Schwefelwasserstoff

gefällt, der Niederschlag abfiltriert, das Filtrat im Vakuum bei 50° eingeengt

und chromatographiert. Papierchromatographische Untersuchungen zeigen,

dass neben Arabinose zahlreiche andere Verbindungen entstehen.

3212. Dekarboxylierung von D-Galakturonsäure mit Schwermetallionen

in Pyridin

Wird die Dekarboxylierung in Pyridin durchgeführt, verläuft die CO,"Abspal¬

tung, wie aus den nachstehenden Versuchen hervorgeht, bedeutend rascher als

in Wasser. Gegenüber Wasser als Lösungsmittel besitzt Pyridin aber den

42

Nachteil, Kohlenhydrate zu epimerisieren.

Pyridin allein vermag, wie aus Tabelle 13 ersichtlich ist, Galakturonsäure

nicht wesentlich zu dekarboxylieren.

Tabelle 13

Dekarboxylierung von D-Galakturonsäure in Pyridin

1,1 Milliäq. D-Galakturonsäure

340 cm Pyridin

100°

Zeit in

Minuten

% CO, der theor.

Ausbeute

120

240

4

7

Ni-Azetat inPyridin wird beim Erhitzen kaum dekarboxyliert; so beträgt die

aus 1 mMol Ni(C?Ho02), entwickelte CO„-Menge nach vierstündigem Erhit¬

zen bei 100 ungefähr 1 % der theoretischen Ausbeute. Da Pyridin allein die

Dekarboxylierung von Galakturonsäure und Azetat kaum katalysiert, wurde

bei den folgenden Versuchen die gemessene CO," Menge nicht korrigiert.

Von den geprüften Schwermetallen beschleunigt Ni-Azetat die Dekarboxylie-

runff von Galakturonsäure am stärksten (Tabelle 14).

43

Tabelle 14

Dekarboxylierung'von D-Galakturonsäure mit Ni-Azetat in Pyridin

1 Milliäq, D. Galakturonsäure

0,99 mMolNi(C2H302)240 cm Pyridin

100°

Zeit in

Minuten

% CO„ der theor.

Ausbeute

10 30

25 65

55 81

80 87

100 91

120 93

Das Pyridin wurde am Vakuum bei 50 abgedampft, der Sirup in Wasser

gelöst, die Lösung wie üblich aufgearbeitet und chromatographiert. Das

Chromatogramm zeigt vier Flecken: die Arabinose, die epimere Ribose

und wahrscheinlich Arabulose und Ribulose.

Figur 2 zeigt die Dekarboxylierungsgeschwindigkeit von D-Galakturonsäure

bei verschiedenen Temperaturen.

44

Figur 2

Dekarboxylierung von D- Galakturonsäure mit Ni-Azetat in Pyridin

1 Milliäq. D-Galakturonsäure

1 mMolNi(C3H302)240 cm Pyridin

Kurve 1 : 100°

2 : 90°

3 : 80°

% C02 der

theor. Ausbeut«

Jl

100-

50

i r

300 Zeit in Min.

Bei einer Reaktionstemperatur von 80 treten auf dem Chromatogramm die

epimeren Zucker weniger in Erscheinung als bei Versuchen, die bei 90 oder

100 durchgeführt wurden.

Figur 3 zeigt die Dekarboxylierungsgeschwindigkeit von Galakturonsäure in

Abhängigkeit der Ni- Ionenkonzentration.

45

Figur 3

Dekarboxylierung von D- Galakturonsäure mit verschiedenen Mengen

von Ni-Azetat in Pyridin

% C02 der

theor. Ausbeute

100-

50-

1 Milliäq. D-Galakturonsäure

340 cm Pyridin

100°

Kurve 1 : 2 mMol Ni(C2H302)22 : 1 mMol

3 : 0,5mMol

Zeit in Min.

Auch Zinkazetat beschleunigt, wie aus Tabelle 15 ersichtlich ist, die Dekar-

boxylierungsreaktion merklich.

46

Tabelle 15

Dekarboxylierung von D-Galakturonsäure mit Zn-Azetat in Pyridin

1 Milliäq. D-Galakturonsäure

1 mMol Zn(C2H302)2 .2 H20

40 cm Pyridin

100°

Zeit in

Minuten

°fc CO, der theor.

Ausbeute

30 24

60. 46

93 65

120 75

Cadmiumazetat katalysiert die Dekarboxylierung von Galakturonsäuren wenig.

Die CO,-Ausbeute beträgt nach 120 Minuten ca. 10% der theoretischen Aus¬

beute.

Zu Vergleichszwecken wurde auch das oxydierende Cü*"*-Azetat auf seine kata-

lytische Aktivität geprüft (Tabelle 16). Dabei fällt mit der Zeit Kupferoxydul

aus. Die Galakturonsäure ist also oxydiert worden.

Tabelle 16

.++Dekarboxylierung von D-Galakturonsäure mit Cu -Azetat in Pyridin

1 Milliäq. D-Galakturonsäure

0,9 mMol Cu(C2Hg02)240 cm Pyridin

100°

Zeit in % C02 der theor.

AusbeuteMinuten

20 20

50 50

70 68

90 80

120 90

47

Beim Erhitzen von Galakturonsäure mit Mn-Azetat in Pyridin bildete sich ein

voluminöser Niederschlag. Die CO„-Ausbeute betrug nach 120 Minuten ca. 62%

der Theorie.

1 mMol Salzsäure, die ähnliche elektrophile Eigenschaften wie Schwermetall¬

ionen aufweist, katalysiert die Dekarboxylierung von Galakturonsäure in Py¬

ridin nicht.

3213. Dekarboxylierung von D-Galakturonsäure mit Schwermetallionen in

Pyridin-Wasser

In Pyridin-Wasser ist, wie aus Tabelle 17 ersichtlich ist, die Dekarboxylie-

rungsgeschwindigkeit von Galakturonsäure mit Ni-Azetat bedeutend geringer als

in reinem Pyridin (Tabelle 14).

Tabelle 17

Dekarboxylierung von D-Galakturonsäure mit Ni-Azetat in Pyridin-Wasser

1 Milliäq. D-Galakturonsäure

1 mMol Ni(C2Hg02)2Reaktionsdauer: 150 Minuten

90°

Verhältnis Pyridin/Wasser % CO, der theor.

Ausbeute

340 cm Wasser wenig

10 cm3 Pyridin + 30 cm3 ii 45

20 cm3 '-+ 20 cm3 it 50

30 cm3 "+ 10 cm3 h 54

40 cm3 "+ 0,03 cm3 h 93

40 cm3 " 95

48

3214. Dekarboxylierung von D-Galakturonsäure mit SchwermetalHonen

in Dimethylformamid

Dimethylformamid löst in Gegensatz zu Pyridin grössere Mengen Galakturon¬

säure. Schwermetallsalze wie Ni- und Zn-Azetat fallen beim Erhitzen in die¬

sem Lösungsmittel aus. Mg-Azetat und Aluminiumsulfat sind in Dimethylfor¬

mamid auch in der Hitze löslich (Tabelle 18).

Tabelle 18

Dekarboxylierung von D-Galakturonsäure mit Mg-Azetat und AI-Sulfat

in Dimethylformamid

1 Milliäq. D-Galakturonsäure

1 mMol Me-Salz

Reaktionsdauer : 240 Minuten

80°

Salz % CO der theor.iAusbeute

Mg(C2H302)2A12(S04)3

40

81

Interessanterweise vermag Dimethylformamid allein die CO., -Abspaltung von

Galakturonsäure zu katalysieren; die CO?-Ausbeute nach 120 Minuten beträgt

ca. 25% der Theorie (Reaktionstemperatur 100 ).

3215. Dekarboxylierung von D-Galakturonsäure mit Ni-Azetat in Dimethyl¬

formamid - Pyridin

Verwendet man ein Gemisch von Dimethylformamid und Pyridin bei der

metallkatalytischen Dekarboxylierung, so zeichnet sich dieses durch gute

Lösungseigenschaften für Galakturonsäure und für Schwermetallazetate

aus. Tabelle 19 zeigt, dass bei Verwendung von gleichen Teilen Dimethyl¬

formamid und Pyridin die Dekarboxylierungsgeschwindigkeit von Galakturon¬

säure annähernd gleich ist, wie mit reinem Pyridin (Tabelle 14).

49

Tabelle 19

Dekarboxylierung von D-Galakturonsäure mit Ni-Azetat in

Dimethylformamid- Pyridin

1 Milliäq. D-Galakturonsäure

1,01 mMol Ni(C2H302)220 cm Dimethylformamid + 20 cm Pyridin

100°

Zeit in

Minuten

% CO„ der theor.

Ausbeute

8 36

20 62

30 70

50 80

90 91

Unter den Reaktionsprodukten konnte Arabinose nachgewiesen werden.

Wird dem Dimethylformamid nur wenig Pyridin zugegeben, so findet wie aus

Tabelle 20 hervorgeht, CO„-Abspaltung statt.

Die Reaktionsgeschwindigkeit ist aber geringer als im oben aufgeführten Ver¬

such.

Tabelle 20

Dekarboxylierung von D-Galakturonsäure mit Ni-Azetat

in Dimethylformamid mit wenig Pyridin

1,02 Milliäq. D-Galakturonsäure

1 mMol Ni(C2H302)239 cm Dimethylformamid + 1 cm Pyridin

100°

Zeit in

Minuten

% COg der theor.

Ausbeute

10

44

94

150

16

42

65

77

3216. Dekarboxvlierung von strukturverwandten Säuren mit Nickelazetat

Um einen Einblick in den Reaktionsverlauf der metallkatalytischen Dekar¬

boxvlierung von Galakturonsäure zu erhalten, wurden verschiedene Galakturon -

säurederivate und der Galakturonsäure strukturell nahestehende Säuren auf ihre

Dekarboxylierungsbereitschaft untersucht.

Strukturverwandte Säuren, wie Galaktonsäure (90) und Schleimsäure (89), spal¬

ten beim Erhitzen mit Ni-Azetat in Pyridin bei 100° kein CO, ab. Da Schleim¬

säure unter diesen Reaktionsbedingungen teilweise ausfällt, wurde die in Pyri¬

din besser lösliche Zuckersäure (91) untersucht. Auch diese neigt nicht zur

C02-Abgabe.

C-OH

H—C—OHH-C-OH

II HO—C—H

HO—Ç—H || HO—C-H-C-H

H—Ç—OH

,0H

-\j—u

CHjC

H-C—OH

IC-OH

r^oH

H--Ç —OH

H0-1

-C —H

|H —-C—OH

|H—-C—OH

C — OH

9190 89

Besonders interessant sind in dieser Hinsicht Derivate der Galakturonsäure,

bei denen einzelne funktionelle Gruppen blockiert sind.

51

Ist, wie beim a -Methylglykosid (92), die aldehydische OH-Gruppe (C-Atoml)

blockiert, so findet unter den oben erwähnten Reaktionsbedingungen keine De-

karboxylierung statt. Dieser Versuch wird bestätigt durch die Tatsache, dass

bei Digalakturonsaure nur derjenige Galakturonsäurebaustein zur CO„-Abspal¬

tung befähigt ist, bei dem die aldehydische Hydroxylgruppe frei ist. Die CO„-

Ausbeute beträgt, wie aus Tabelle 21 ersichtlich ist, ungefähr 45% der Theo¬

rie. Da Digalakturonsaure in Pyridin schwer löslich ist, wurde dem Pyridin

Dimethylformamid zugesetzt. Zum Vergleich wurde unter gleichen Bedingun¬

gen D-Galakturonsäure dekarboxyliert.

Tabelle 21

Dekarboxylierung von Digalakturonsaure und D-Galakturonsäure mit

Ni-Azetat in Pyridin-Dimethylformamid

1 Milliäq. Uronsäure

1 mMol Ni(C2H302)220 cm Pyridin + 20 cm Dimethylformamid

Reaktionsdauer : 240 Minuten

90°

Säure % C02 der theor.

Ausbeute

Digalakturon¬saure

Galakturonsäure

45

89

Meressanterweise bilden Uronsäuren, bei denen die aldehydische OH-Gruppe63)

blockiert ist, mit Pb-Azetat beim Erhitzen in Wasser keinen Niederschlag '.

Polygalakturonsäure fällt mit Ni-Azetat in wässriger Lösung aus; die CO,,-

Ausbeute ist sehr gering.

Das Reaktionsgemisch der dekarboxyHerten Digalakturonsaure wurde wie üb¬

lich aufgearbeitet. Papierchromatographisch konnte aeben einer sehr langsam

wandernden Komponente, vermutlich eine Aldobionsäure, auch Arabinose und

Galakturonsäure festgestellt werden. Obschon die Reaktion bei 90° durchge¬

führt wurde, ist eine Spaltung der glykosidischen Bindung eingetreten.

52

Im Gegensatz zum a- Methylgalakturonosid spaltet, wie aus Tabelle 22 her¬

vorgeht, 2-Methylgalakturonsäure (93) CO, ab.

Tabelle 22

Dekarboxylierung von 2-Methylgalakturonsäure mit Ni-Azetat in Pyridin

0,6 mMol 2-Methylgalakturonsäure

0,8 mMol Ni(C,H„0„)n n

40 cm Pyridin

100°

Zeit in

Minuten

% C02 der theor.

Ausbeute

30

60

16

25

Um einer möglichen Demethylierung der entstehenden 2 - Methylarabinose

vorzubeugen, wurde die Reaktion nach 60 Minuten unterbrochen. Zum quali¬

tativen Nachweis wurde das Pyridin am Vakuum bei 50° abgedampft und der

entstandene Sirup in Wasser gelöst. Die Lösung wurde zur Entionisierung mit

Kationenaustauscher (Dowex 50) und mit Anionenaustauscher (Amberlite IR4b)

geschüttelt. Die Ionenaustauscher wurden abfiltriert, und das Filtrat wurde

chromatographiert. Das entwickelte Chromatogramm weist keine Arabinose

auf; folglich kann man schliessen, dass während der Dekarboxylierungsreak-

tion die 2 - Methylgalakturonsäure nicht demethyliert wurde.

H,0H

H93

0CH3

2,3,4-Trimethylgalakturonsaure dekarboxyliert, wie aus Tabelle 23 hervorgeht,

bedeutend langsamer als Galakturonsäure (Tabelle 14).

53

Tabelle 23

Dekarboxylierung von 2.3.4-Trimethyl-D-Galakturon-

säure mit Ni-Azetat in Pyridin

0,5 mMol 2,3,4-Trimethyl-D-Galakturonsäure

0,7 mMolNi(C2H302)240 cm Pyridin

100°

Zeit in

Minuten

% CO« der theor.

Ausbeute

60

240

20

50

Die beiden Verbindungen, Galakturonsäure-methylester (94) und Glukuronsäure-

lakton(88), bei denen die Hydroxylfunktion der Karboxylgruppe durch Ester-

resp. Lakton- Bindung abgedeckt ist, dekarboxylieren, wie aus Figur 4 hervor¬

geht, im Vergleich zu D-Galakturonsäure bedeutend langsamer.

C—OCHj

Y'H

vOH

V1H

94OH

H,0H

Bei der Dekarboxylierung von Galakturonsäure-methylester konnte papierchro-

matographisch Arabinose nachgewiesen werden.

Ob bei der Dekarboxylierung von Glukuronsäurelakton Xylose entsteht, geht

aus papierchromatographischen Untersuchungen nicht eindeutig hervor.

Tetrahydro-2-furancarbonsäure (49) gibt beim Erhitzen in Pyridin mit Ni-

Azetat kein CO, ab.

Während Ascorbinsäure (47) und 2-Furancarbonsäure (12) in 12-proz. Salz¬

säure dekarboxylieren (Tabelle 5 und 6), spalten sie metallkatalytisch kein

C02 ab.

54

Figur 4

Dekarboxylierung von D- Glukuronsäurelakton.

Galakturonsaure-methylester und D-Galakturonsäure

mit Ni-Azetat in Pyridin

1 mMol Säure

1 mMol Ni-Azetat

340 cm Pyridin

100°

Kurve : 1 : D-Galakturonsäure

2 : Galakturon-methylester3 : Glukuronsäurelakton

% C02 der

theor. Ausbeute

100-

50-

Zeit in Min.

a - Ketoglutarsäure (48) ist in heisser Mineralsäure stabil, dekarboxyliert

aber in Dimethylformamid-Pyridin (1 : 1) mit Ni-Azetat (Tabelle 24). In

reinem Pyridin fällt a -Ketoglutarsäure aus.

55

Tabelle 24

Dekarboxylierung von n- Ketoglutarsäure mit Ni-Azetat

in Pyridin- Dimethylformamid

1 mMol a- Ketoglutarsäure

1 mMol Ni (C2Hg02)220 cm Pyridin + 20 cm Dimethylformamid

100°

Zeit in

Minuten

% CO, der theor.

Ausbeute

30 17

80 35

90 55

120 75

322. Isolierung der L-Arabinose

33 g D-Galakturonsäure und 2,5 g Ni-Azetat wurden in 300 cm Pyridin bei

80°C während 12 Std. erhitzt. Der abgekühlten Reaktionslösung wurde 200 cm

Wasser zugegeben. Zur Entfernung des Pyridins wurde das Reaktionsgemisch3

viermal mit je 150 cm Chloroform extrahiert. Die Wasserauszüge wurden

zur Entionisierung durch Schichten von Kationenaustauscher (Dowex 50) und

Anionenaustauscher (Amberlite 4 b) perkoliert. Das Perkolat wurde am Va¬

kuum bei 40 C zur Trockene eingedampft. Es blieb 1,2 g gelber Sirup zurück.

Papierchromatographisch konnte neben Arabinose und Ribose zwei weitere

Flecken nachgewiesen werden.

Die Arabinose wurde an einer Zellulosekolonne (4 x 60 cm, mit trockenem,

aschefreiem Zellulosepulver Whatman gestopft) abgetrennt. Dazu wurde die

Kolonne während 3 Tagen mit wassergesättigtem n- Butanol gewaschen. Vor

Gebrauch wurde der Butanol über festem Natriumhydroxj d destilliert, um

störende harzige Beimengungen zu entfernen. 1 g Zuckersirup wurde mit et¬

was Wasser auf die Zellulosekolonne gebracht. Das Wasser wurde im Warm-

luftstrom verdunstet, und der entstandene Sirup wurde mit trockenem Zellu¬

losepulver leicht überschichtet und mit einem Porzellansiebplättchen überdeckt.

56

Das Chromatogramm wurde mit wassergesättigtem n- Butanol entwickelt und

3automatisch in Fraktionen von 7 cm getrennt. Von jeder fünften Probe wur¬

den einige Tropfen mit einer Glaskapillare auf Filterpapier aufgetragen und

entwickelt. Die Fraktionen, in denen Arabinose nachgewiesen werden konnte,

wurden am Vakuum bei 50°C in Gegenwart von CaCO, konzentriert. Die kon¬

zentrierte Lösung wurde mit Aktivkohle erwärmt und filtriert. Das Filtrat

wurde am Vakuum bei 40 C eingedampft, wobei die Arabinose auskristalli¬

sierte. Nach zweimaligem Umkristallisieren aus warmem Methanol betrug

der Schmelzpunkt 159°C (Wert nach der Literatur 130° ).

33. Diskussion

Im Gegensatz zur sauren, verläuft die metallkatalytische Dekarboxylierung

von Galakturonsäure unter bedeutend milderen Reaktionsbedingungen; es

konnte keine Furfurolbildung beobachtet werden.

Wird Galakturonsäure in Wasser mit Al-, Ni- und Pb-Salzen erhitzt, findet

CO,-Abspaltung statt. Die Dekarboxylierungsgeschwindigkeit ist vom pH der

Reaktionslösung abhängig: In saurer Lösung verläuft die CO,-Abspaltung lang¬

sam infolge der geringen Tendenz zur Komplexbildung zwischen Metallionen

und den Elektronendonatorgruppen, im alkalischen Milieu bilden die nukleophi-

len OIT 'Ionen mit den Metallkationen unlösliche Hydroxyde, die keine kata-

lytische Wirkung besitzen.

Bei der Dekarboxylierung von Galakturonsäure in Gegenwart von Ni- und Pb-

Salzen entsteht u.a. Arabinose.

22)

Pb-Azetat -

von Ehrlich'zum kolorimetrischen Nachweis der Galakturon¬

säure verwendet - ist katalytisch besonders aktiv. Die CO,-Abspaltung ver¬

läuft jedoch nicht quantitativ (Tabelle 12), weil ein Pb-haltiger Niederschlag

ausfällt. Der ziegelrote Niederschlag ist nach Ehrlich das Pb-Salz der

Tagaturonsäure. Anhand der mannigfaltigen Reaktionsprodukte kann man

schliessen, dass neben der Dekarboxylierung verschiedene Umlagerungsreak-

tionen stattfinden.

rf

In Gegenwart von Komplexbildnern, wie Athylendiamintetraessigsäure, und

Kationenaustauscher spaltet Galakturonsäure in Wasser mit Metallsalzen

kein CO, ab. Aehnliche Beobachtungen sind auch bei der metallkatalytischen

Dekarboxylierung von Ketosäuren gemacht worden (Kapitel 314).

57

Wird die Dekarboxylierungsreaktion in Pyridin durchgeführt, verläuft die

CO,-Abspaltung bei Verwendung von Ni-Azetat rasch und nahezu quantitativ

(Figur 5).

Figur 5

Dekarboxylierung von D-Galakturonsäure in Pyridin

mit Ni-, Zn- und Cd-Azetat

1 Milliäq. Galakturonsäure

1 mMol Me-Azetat

340 cm Pyridin100°

% CO» der

theor.Autbeute

Die begünstigende Wirkung des Pyridins, das in Abwesenheit von Metallsalzen

Galakturonsäure nicht dekarboxyliert, beruht wohl vor allem auf der Bildung

von Karboxyl-Anionen. Diese besitzen eine grössere Neigung zur Abgabe ei¬

nes Elektronenpaares an das a -C-Atom als undissoziierte, neutrale Karboxyl-

gruppen.

58

Eine unangenehme Begleiterscheinung des Pyridins ist die Epimerisierung

von Galakturonsäure und Arabinose, was die Isolierung der Arabinose er¬

schwert.

Die katalytische Wirkung nimmt, wie aus Figur 5 ersichtlich ist, in der Rei¬

henfolge Ni > Zn *-Cd ab. Dies stimmt mit den Ergebnissen von Stein -

96) 75)berger und Westheimer ' und Prue über die metallkatalytische

Dekarboxylierung von Ketosäuren überein.

Cu -Azetat ist zwar ein guter Katalysator, hat aber den Nachteil, dass er

Galakturonsäure oxydiert. AI-, Pb- und Mg-Salze sind in Pyridin nur wenig

löslich.

Wird dem Pyridin zur Erhöhung der Löslichkeit von Galakturonsäure etwas

Wasser zugegeben, so verläuft die Dekarboxylierung langsamer, weil die ent¬

stehenden Off '-Ionen die Metallkationen unter Hydroxybildung inaktivieren.

Um ein Epimerisieren der Galakturonsäure und der Arabinose zu vermeiden,

wurde Dimethylformamid als Lösungsmittel geprüft. Interessanterweise löst

Dimethylformamid AI« (SO.)„ . Obwohl Galakturonsäure in diesem Lösungs¬

mittel und in Gegenwart von Aluminiumsulfat bei 80° dekarboxyliert, konnte

in der Reaktionslösung papierchromatographisch keine Arabinose nachgewie¬

sen werden.

Dioxan, Alkohol und Benzol eignen sich nicht als Lösungsmittel, da sie weder

Galakturonsäure noch Schwermetallsalze lösen. In Anilin dekarboxyliert Ga¬

lakturonsäure auch ohne Zugabe von Metallsalzen unter Bildung von Additions-

Verbindungen.

Als Grundlage für die nachfolgende Diskussion über den Reaktionsverlauf der

metallkatalytischen Dekarboxylierung von Galakturonsäure ist in Tabelle 25

die Dekarboxylierungsbereitschaft einiger Säuren zusammengestellt.

59

Tabelle 25

Dekarboxylierungsbereitschaft einiger Säuren mit

Ni-Azetat in Pyridin

+ = starke CO„-Abspaltung

-= praktisch keine CO„-Abspaltung

100°

Säure

D- Galakturonsäure +

a- Methyl - D - galakturonos id -

2- Methylgalakturonsäure +

2,3,4-Trimethylgalakturonsäure +

Galakturonsäuremethylester +

D- Galaktonsäure- Ï - lakton -

D- Glukuronsäurelakton +

Zuckersäure -

Tetrahydro- 2-furancarbonsäure -

Für die Annahme, dass die CO -Abspaltung bei der metallkatalytischen

Dekarboxylierung in der Zyklohalbazetal- Struktur (95) erfolgt, sprechen

folgende Tatsachen: Zucker- und Galaktonsäure, die in der offenen Form

vorliegen, sind nicht zur CO,-Abspaltung befähigt. Ferner ist bei der offe¬

nen Galakturonsäure (96) der Abstand zwischen dem C-Atom 1 und dem C-

Atom 6 viel zu gross, als dass von der Aldehydgruppe ein die Dekarboxylie¬

rung fördernder Effekt ausgehen könnte.

60

IH—C-OH

IHO—C—H

IHO—C-H

IOH 95 H—C—OH

IC-OH

^096

1st die aldehydische OH-Gruppe wie im Falle des a - Methylgalakturonosids

blockiert, so lässt sich diese Verbindung nicht mehr dekarboxylieren. Wer¬

den aber die OH-Gruppen der C-Atome 2 resp. 2,3,4 abgedeckt, so können

die Derivate 2 - Methylgalakturonsäure resp. 2,3,4-Trimethylgalakturonsäure

dekarboxyliert werden. Die CO„ -Abspaltung verläuft aber in diesen Fällen

langsamer als bei der unsubstituierten Galakturonsäure. Offenbar ist die al¬

dehydische OH-Gruppe an der Reaktion massgebend beteiligt. Eine Komplex¬

bildung zwischen dem Ringsauerstoffatom der Galakturonsäure (97) und dem

Metallion bewirkt allein keine CO„-Abspaltung, denn analog müsste auch Te-

trahydro-2-furancarbonsäure (98) dekarboxylieren, was aber nicht zutrifft.

cooh __LJL_C00H

98 97

Galakturonsäure-methylester, bei dem die OH-Gruppe der Karboxylgruppe

abgedeckt ist, sollte in Pyridin nicht dekarboxylieren. Dennoch spaltet diese

Verbindung CO„ ab, jedoch nicht quantitativ (Figur 3). Aehnlich verhält sich

Glukuronsäurelakton. Im Falle des Galakturonsäure-methylesters konnte in

der Reaktionslösung Arabinose nachgewiesen werden. Die Bildung vonArabinose

kann nur so erklärt werden, dass in der Reaktionslösung Spuren Wasser vorhan¬

den waren.

61

Den angeführten Tatsachen wird folgender Reaktionsverlauf am ehesten ge¬

nügen:

Wird die Galakturonsäure in Pyridin gelöst, können folgende Reaktionen statt¬

finden:

C—0® -f HNC6H5

H„H,0H + NC6H5

H.0H

/ 6- <H

C—0 HNCßHs0

HÖH

Von den beiden Verbindungen neigt das Karboxylanion (99) stärker zur CO,-

Abgabe als die Karboxylatpyridinium-Verbindung (100).

Das Karboxylanion induziert dem C -Atom 5 eine partielle negative Ladung

(101). Ein elektrophiles Teilchen E (z.B. ein Proton) kann, wenn sterische

Verhältnisse es erlauben, mit dem nukleophilen Zentrum in Wechselwirkung

treten, wodurch die Cg- COO -Bindung polarisiert wird (102).

/fi

j

H?//V °\is OH

y1H

101

OH

,0

u0.

c*6*.e

*i'°H + E— ICPH «.»""

H 0H

102

62

Geht das elektrophile Molekel E mit dem C-Atom 5 eine kovalente Bindung

ein, so wird das Elektronenpaar der Cg-COO- Bindung vollständig auf das

C-Atom 5 übertragen (103).

Bei Uronsäuren ist es möglich, dass der Wasserstoff einer Hydroxylgruppe

als Elektronenakzeptor von Cg wirken kann, vorausgesetzt:

- der Wasserstoff der Hydroxylgruppe genügend nahe am

nukleophilen Zentrum (Cg) liegt,- die Bindung zwischen dem H- und dem O-Atom der Hydroxyl¬

gruppe polarisiert ist, sodass der Wasserstoff mit dem C,- in

Wechselwirkung treten kann.

0") «-1

Me—rO

Bei der bevorzugten Konformation der a -D-Galakturonsäure liegt die alde¬

hydische OH-Gruppe in der Nähe des C-Atoms 5 (104)3W8)- Unter den

OH-Gruppen einer Zuckermolekel ist, wie Veresterungs -, Verätherungs-

und Verseifungsreaktionen zeigen, das aldehydische OH am stärksten polari¬

siert.

Tritt nun der Wasserstoff dieser OH-Gruppe mit dem partiell negativ gela¬

denen C-Atom 5 in Wechselwirkung, so wird das Sauerstoffatom negativiert.

In diesem Zustand vermag es ein Metallkation koordinativ zu binden.*)

*) Es ist möglich, dass nukleophile Nachbargruppen als weitere Haftstellen

für das Metallion dienen.

63

Dieser wesentliche Schritt hat zur Folge, dass sich der Wasserstoff vom

Sauerstoff loslöst und mit dem C-Atom 5 eine kovalente Bindung eingeht.

Gleichzeitig wird das Elektronenpaar der Cg-C00-Bindung auf das C-Atom 5

übertragen, wobei CO„-Abspaltung eintritt (105).

Der oben aufgeführte Reaktionsverlauf hat grosse Aehnlichkeit mit den von

97)

S wain 'beschriebenen "push-pull"-Mechanismen.

Die Ablösung des Metallkations vom Substrat kann wie folgt erklärt werden:

Das Sauerstoffatom (C<) ist nach der Ausstossung des Protons negativiert und

hat die Tendenz eine Doppelbindung aufzurichten, wobei der Zyklohalbazetal-

ring geöffnet wird (106). Das freiwerdende Metallion kann mit einem weiteren

Galakturonsäuremolekel Komplexbildung eingehen. Das Sauerstoffanion der

Verbindung (106) reagiert mit dem Pyridinumion unter Bildung von Aldehydo-*)

Arabinose (107). Diese steht mit der zyklischen Form im Gleichgewicht.''

Es wurde früher oft die Ansicht vertreten, dass die Pentosane oder Pflanzen durch

enzymatische Dekarboxylierung aus Polyuronsäuren entstehen. Diese Hypothese

stützte sich auf Beobachtungen, wonach in der Natur meist eng verwandte Zucker

miteinander vorkommen, soz.B. D-Galakturonsäure, D-Galaktose, L-Arabinose

33)

und D-Glukuronsäure, D-Glukose, D-Xylose. Hirst 'und Hirst und34)

Jones' sind der Ansicht, dass z.B. Polygalakturonsäure nicht direkt in

Araban übergehe, da Arabinose im Gegensatz zur Galaturonsaure in furanoider

Form im Makromolekel vorliegt. Zudem ist Araban im Gegensatz zum Pektin

stark verzweigt. Es ist deshalb wahrscheinlicher, dass monomere Galakturon-

säure durch enzymatische Dekarboxylierung in Arabinose übergeht. Diese An-

83 87)nähme wird gestützt durch die Ergebnisse von Salkowski und Neuberg '

/

wonach Glukuronsäure enzymatisch in D-Xylose übergeführt werden kann. Mit

Hilfe von markierter Glukuronsäure konnte gezeigt werden, dass bei der enzy-67)

matischen Dekarboxylierung dieser Säure das C-Atom o abgespalten wird '.

Mit Hilfe von Schwermetallionen als Katalysatorem kann die Synthese von Pen¬

tosen aus Hexuronsäuren auch rein chemisch durchgeführt werden, was zum

Studium der enzymatischen Dekarboxylierungsvorgänge in der Natur anregt.

*)

'Für anregende Diskussionen danke ich Herrn P.-D. Dr. A.Dreiding,Chem. Institut der Universität Zürich.

64

4.Materialien und Methoden

41. Materialien

Die verwendete D-Glukuronsäure, die D-Galakturonsäure und die Ascorbin-

säure wurden von der Firma Hoff mann - La Roche, Basel, die Tetra-

hydro-2-furancarbonsäure und das a -Pyridon wurden von der Firma Bios,

New York, bezogen. Die 2 - Furancarbonsäure wurde uns von der Firma Qua¬

ker Oats, Paris, in verdankenswerter Weise zur Verfügung gestellt.

Zuckersäure wurde durch Oxydation von D-Glukose mit konzentrierter Sal¬

petersäure hergestellt .

Digalakturonsäure wurde durch enzymatischen Abbau von Pektinsäure gewon-1,2)

*)nen

' ' '.

Herstellung von Galakturonsäurederivaten

Herstellung von a - Methyl-D-galakturonosid

10g am Hochvakuum getrocknete D-Galakturonsäure wurden während 8 Std.

3am Rückfluss mit 150 cm 1-proz. Salzsäure in Methanol abs. gekocht. Nach

der Neutralisation mit Silberkarbonat wurde das AgCl abfiltriert und am Va¬

kuum zu Sirup eingedickt. Durch Reiben der Glaswand mit einem Glasstab

kristallisierte die Substanz. Die gesammelten Kristalle wurden zweimal mit

Azeton-Methanol 1 : 1 umkristallisiert. Der Schmelzpunkt des so erhaltenen

Methylesters des a- Methyl-D-galakturonosids betrug 147°C (Wert nach der

Literatur 147°C )47).

2ga - Methyl- D-galakturonosido-methylester wurden bei Zimmertemperatur3

während 24 Std. in 200 cm Barytwasser (11g Ba(OH)2- 8H„0) stehen gelassen.

Die Lösung wurde mit CO„ gesättigt und das entstandene Bariumkarbonat ab¬

filtriert. Das Filtrat wurde vorsichtig mit verdünnter Schwefelsäure versetzt,

bis eben kein Niederschlag von Bariumsulfat entstand. Das BaSO. wurde ab-

filtriert und das Filtrat am Vakuum bei 40 C auf 15 cm eingeengt. Die Lösung3

wurde mit 75 cm Alkohol verrührt und durch Kieselglur filtriert. Das Filtrat

wurde am Vakuum auf 15 cm eingeengt. Nach längerem Stehenlassen beiO C

*) Herrn dipl. ing.chem. R.Derungs danke ich für die Ueberlassung der

Digalakturonsäure.

65

kam es zur Kristallisation. Die gesammelten Kristalle wurden mit Alkohol

gewaschen und am Vakuum über P2°5 getrocknet. Der Schmelzpunkt des er¬

haltenen a -Methyl-D-galakturonosids dihydrats betrug 112 (Wert nach der

Literatur 111-111,5°C 68).

Herstellung des a -Galakturonsäure- methylesters

20 g am Hochvakuum getrocknete D-Galakturonsäure wurden während 70 Std.

mit 700 cm 0,02-n HCl in Methanol abs. bei 0°C gerührt. Darauf wurde die

Lösung mit 1 - n KOH in Methanol neutralisiert, filtriert, und das Filtrat amq 3

Vakuum bei 35 C auf 300 cm eingeengt. Dieser Lösung wurden 400 cm Aether

zugegeben. Der entstandene Sirup kristallisierte bei 0°C. Die gesammelten

Kristalle wurden aus Dioxan-Methanol 2 : 1 umkristallisiert. Ausbeute : 8 g.

Der Schmelzpunkt des erhaltenen a -D-Galakturonsäure-methylesters betrug

134° C (Wert nach der Literatur 134-135°C) 43).

Herstellung der 2-Methylgalakturonsäure

20g am Hochvakuum getrocknete Galakturonsäure wurden wie oben beschrie¬

ben in den a -Methyl-D- galakturonosido- methylester übergeführt. Schmelz¬

punkt 148°C, Ausbeute 7 g.

5g a- Methyl-D-galakturonosido-methylester wurden während 12 Std. mit 200

3 3cm Azeton, der 5g wasserfreies CuSO. und 0,5cm H2S04 conc. enthielt, ge¬

schüttelt. Nach Neutralisation mit CuCOg wurde die Lösung am Vakuum bei

25°C eingeengt, wobei sie spontan auskristallisierte. Die gesammelten Kri¬

stalle wurden aus Azeton- Ligroin umkristallisiert und am Vakuum getrocknet.

Der Schmelzpunkt des so erhaltenen 3 : 4 -Azeton -

a - methyl- D- galakturonosido-

methylesters betrug 107° C (Wert nach der Literatur 107° C4 '

).

2g 3 : 4-Azeton-a - methyl-D-galakturonosido-methylester wurden zur

Methylierung dreimal nach P u r d i e mit je 20 g Methyljodid und 8 g Silberoxyd

bei 40° C methyliert. Die Ausbeute an methylierter Substanz betrug 1,8 g. Der

Sirup wurde in einem Claisenkolben am Hochvakuum bei einer Badtemperatur

von 122-125°C und 0,02 mm Hg destilliert. Der Brechungsindex des destillier¬

ten 3 :4-Azeton- 2- methylgalakturonosido- methylesters betrug n^0 1,4619

(Wert nach der Literatur n*7 1,4622 21^).

1,0g 3 :'4-Azeton-2-methyl-a -methylgalakturonosido-methylester wurden

66

mit 0,2-n H2S04 bei 100° während 48 Std. hydrolysiert '. Die Lösung wurde

abgekühlt und mit BaCO, neutralisiert und das entstandene BaSO. abfiltriert.

Das Filtrat wurde am Vakuum bei 40° C eingedampft. Die Ausbeute an Sirup

betrug 0,65 g.

Herstellung von 2.3.4-Trimethyl-D-galakturonsäure

*)

0,7 g 2,3,4-Trimethyl-a - methyl- D- galakturonosido- methylester ' wurden

mit 1 - n Salzsäure bei 96° C während 8 Std. hydrolisiert. Die abgekühlte Lösung

wurde mit Silberkarbonat neutralisiert und filtriert. Das Filtrat wurde am Va¬

kuum bei 40 (J eingedampft, wobei die 2,3,4-Trimethyl-D-galakturonsäure

kristallisierte. Schmelzpunkt 97° C (Wert nach der Literatur 96-98°C 100^).

42. Methoden

Die Bestimmung von CO, kann volumetrisch, gravimetrisch

' und titri-

62)metrisch erfolgen: Bei der verwendeten titrimetrischen CO,' Bestimmung

wird das CO, in einer bestimmten Menge Barytlauge aufgefangen und die rest¬

liche Lauge mit Säure zurücktitriert. Diese Methode ist für Serienversuche

sehr geeignet, erfordert aber eine geeignete Apparatur, um das CO, quantita¬

tiv zu erfassen.

Bei der von uns konstruierten Apparatur **) kann das bei der Dekarboxylierung

gebildete CO, zu verschiedenen Zeiten nach folgendem Prinzip quantitativ be¬

stimmt werden (Abb. 1). Das im Reaktionsgefäss (A) entwickelte CO, strömt im

Stickstoffström z.B. durch den rechten Ast der Apparatur in das Absorptions-

gefäss (G). Zur Zeit t werden die beiden Dreiweghahnen (B und B') in Stellung

1 resp. 2 gebracht, wodurch nun das Gasgemisch (CO, und N,) vom Reaktions¬

gefäss durch den linken Ast getrieben wird, gleichzeitig aber das restliche

CO, im Kühler und in den Waschflaschen (E, F) des rechten Astes durch den

in H eintretenden Stickstoff in das Absorptionsgefäss ausgetrieben wird.

' Herrn dipl. sc. nat. H. Altermatt danke ich für die Ueberlassung des

2,3,4-Trimethyl- a - methyl- D- galakturonosido- methylesters.

'*' Herrn dipl. ing. ägr. P. Dubach danke ich für die Mitarbeit.

67

Durchführung der Dekarboxylierung

Zur Befreiung von Luft-CO, wird unter Druck Stickstoff durch die Apparatur

gepresst, der vor dem Passieren der Apparatur durch 50-proz. Kalilauge ge¬

leitet wird. Die zu dekarboxylierende Substanz wird in das mit zwei Schlangen¬

kühlern (C ) und einem Thermometer (D) versehene Reaktionsgefäss (A) ge¬

bracht. Die Erwärmung erfolgt mit einem Oelthermostat. Die beim Aufheizen

bis zur Reaktionstemperatur entstehende geringe CO,-Menge wird nicht ge¬

sondert aufgefangen. Der durch die Apparatur während der gesamten Messung

strömende Stickstoff vertreibt das im Reaktionsgefäss entstehende CO,. Der

Gasstrom wird in salzsaurer Phloroglucinlösung ( E ) von Furfurol und in

10-proz. Silbernitratlösung( F ) von Salzsäure befreit. Das CO, wird im Ab-

sorptionsgefäss (G), das mit ca. 0,02-n Barytlauge beschickt ist, aufgefangen.

Die Absorptionsgefässe werden nach verschiedenen Zeiten ausgewechselt. Zur

Bestimmung des CO, wird die in den Reaktionsgefässen nicht verbrauchte

Barytlauge mit 0,1 -n HCl zurücktitriert. Zur Titration stand ein Präzision

pH-Messgerät der Polymetroh AG, Zürich, mit Glas-und Bezugselektrode

zur Verfügung.

Da Lösungsmittel wie Pyridin und Dimethylformamid geringe Mengen CO,

absorbieren, wurden diese vor jedem Dekarboxylierungsversuch bei der Re¬

aktionstemperatur mit CO- gesättigt.

68

-Apparatur

lierungs

Dekarboxy

to

en

5. Zusammenfassung

1. Einleitend wird anhand der Literatur die saure und metallkatalytische

Dekarboxylierung von Uronsäuren und ihr strukturell nahestehenden Karbon-

säuren besprochen.

2. Es werden Galakturonsäure und strukturverwandte Karbonsäuren sauer und

metallkatalytisch dekarboxyliert. Aus den Versuchen geht hervor :

Die Aktivität der Schwermetallionen ist abhängig vom Lösungsmittel; in

Wasser ist ihre katalytische Wirkung schlecht, in Pyridin gut.

Die katalytische Wirkung der Schwermetallionen in Pyridin nimmt in der

Reihenfolge ab: Ni > Zn++» Cd++ (Cu++ ist ungeeignet, da es Hexuron-

säuren oxydiert).

Galakturonsäure spaltet sowohl in 12-proz. Salzsäure wie in Pyridin mit

Ni-Azetat bei ca. 100 C annähernd quantitativ CO, ab. Glukuronsäure

spaltet in 12-proz. Salzsäure annähernd quantitativ CO, ab, in Pyridin mit

Ni-Azetat nur zu 50% der Theorie.

Bei der sauren Dekarboxylierung von Galakturonsäure entstehen u. a.

Furfurol und Reduktinsäure; bei der metallkatalytischen Dekarboxylierung

von Galakturonsäure in Pyridin mit Ni-, Pb- und Zn-Azetat entsteht u. a.

Arabinose. Diese wurde isoliert und identifiziert.

3. Es wird ein .möglicher Reaktionsverlauf der sauren Dekarboxylierung vor¬

geschlagen. Der erste Schritt ist eine durch die Karboxylgruppe begünstigte

Wasserabspaltung am C-Atom 4. Die daraus resultierende a, (5 -ungesättigte

Uronsäure spaltet unter Anlagerung eines Protons an die Doppelbindung CO,

ab. Die ungesättigte Pentose wird in konzentrierten Mineralsäuren entwe¬

der zu Fufurol oder Reduktinsäure dehydratisiert.

4. Es wird ein möglicher Reaktionsverlauf der metallkatalytischen Dekar¬

boxylierung vorgeschlagen. Gegenüber der sauren Dekarboxylierung wird

bei der metallkatalytischen Dekarboxylierung CO, direkt an der Galakturon¬

säure abgespalten. Das Proton wird von der glykosidischen OH-Gruppe ge¬

liefert. Es sind deshalb nur solche Galakturonsäurederivate zur CO„-Ab-

gabe befähigt, bei denen die glykosidische OH-Gruppe frei ist. Das Metall¬

ion kann sich mit dieser OH-Gruppe koordinieren und erleichtert dadurch

die Uebertragung des Wasserstoffs auf das partiell negativ geladene C -

Atom 5, wobei CO„-Abspaltung eintritt.

70

6. Literaturverzeichnis

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Lebenslauf

Ich, Georg Stephan Zweifel, von Kaltbrunn ( Kanton St. Gallen ), wurde am

2. Oktober 1926 in Rapperswil ( Kanton St. Gallen ) geboren. In Kempraten

bei Rapperswil besuchte ich 7 Jahre die Primär- und in St. Gallen und

Rapperswil 2 Jahre die Sekundärschule. Nach dem Schulaustritt war ich

2 Jahre in der Landwirtschaft tätig. In den Jahren 1944 bis 1946 besuch¬

te ich die Jahresschule der kantonalen landwirtschaftlichen Schule Château-

neuf-Sion ( Kanton Wallis ), anschliessend während 1V2 Jahren die Privat¬

schule Minerva in Zürich. Im Frühjahr 1948 bestand ich an der Eidgenös¬

sischen Technischen Hochschule die Aufnahmeprüfung und begann im Herbst

das Studium an der Abteilung für Landwirtschaft. Im Frühjahr 1952 erhielt

ich das Diplom als Ingenieur-Agronom. Seither arbeitete ich als Mitarbei¬

ter und seit September 1954 als Assistent am Agrikulturchemischen Insti¬

tut der Eidgenössischen Technischen Hochschule. Hier habe ich auch die

vorliegende Arbeit ausgeführt.

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