Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 13
1.1 Азо-хинонгидразонная таутомерия моноазосоединений 13
1.1.1. Влияние структурных факторов, природы и положения заместителей 15
1.1.2. Влияние растворителей 17
1.1.3. Влияние ПАВ 21
1.1.4. Влияние циклодекстринов 23
1.1.5. Влияние факторов среды: универсальные и специфические взаимодействия
1.2. Связь таутомерных и комплексообразующих свойств азосоединений 28
1.3. Определение азокрасителей в пищевых объектах 31
2. Экспериментальная часть 35
2.1. Реагенты 35
2.2. Аппаратура 38
2.3. Методика ТСХ 40
2.4. Методики расчета констант равновесий и обработки данных эксперимента
2.4.1. Расчет констант диссоциации реагентов 40
2.4.2. Расчет констант таутомерного равновесия 41
2.4.3. Обработка экспериментальных данных 42
3. Синтез, физико-химические и спектральные характеристики производных фенилазонафтола 44
3.1. Синтез производных фенилазонафтола 44
3.2. Термогравиметрическое изучение фенилазонафтолов 49
3.3. Тонкослойная хроматография 51
3.4. ИК-спектры 53
3.5 ЯМР-спектры 55
3.6. Масс-спектры 58
3.7. Кислотно-основные свойства фенилазонафтолов 58
3.7.1. Диссоциация ФАНС и ФАНК-2 в воде 59
3.7.2. Диссоциация ФАНС и ФАНК-2 в растворителях и растворах ДДС.. 63
4. Влияние на таутомерию природы органических растворителей 66
4.1. Протонодонорные растворители 66
4.2. Водно-органические среды
4.2.1. Спектры поглощения 1-(фенилазо)-2-нафтолов и 1-(фенилазо)-4-нафтолов 70
4.2.2. Спектры поглощения о-замещенных 1-(фенилазо)-4-нафтолов 73
4.3. Константы таутомеризации в водно-органических средах 83
4.3.1. Оценка влияния универсальных и специфических взаимодействий на таутомерию СФАНС 90
4.3.2. Таутомерия СФАНС в изодиэлектрических смесях
5. Влияние на таутомерию структурированности воды 99
6. Влияние мицелл ПАВ и циклодекстринов
6.1. Влияние мицелл неионных ПАВ 104
6.2. Влияние катионных ПАВ 109
6.3. Влияние мицелл анионных ПАВ и микроэмульсий на их основе 112
6.4. Расчет КТ ФАНС и СФАНС и оценка eэф их микроокружения в мицеллах НПАВ 114
6.5. Оценка межфазного распределения ФАНС и СФАНС в
системе вода-мицелла ПАВ по данным ТСХ 116
6.6. Влияние циклодекстринов 122
7. Фотометрическое определение фенилазонафтолов в пищевых объектах 127
7.1. Выбор оптимальных условий определения фенилазонафтолов с применением мицеллярной экстракции в смешанных мицеллах 127
7.2. Определение пищевых красителей в напитках 1 8. Выводы 138
9. Список литературы
- Влияние циклодекстринов
- Расчет констант таутомерного равновесия
- Кислотно-основные свойства фенилазонафтолов
- Оценка влияния универсальных и специфических взаимодействий на таутомерию СФАНС
Введение к работе
Актуальность работы. Согласно мировым оценкам, азосоединения
составляют около 70% всех выпускаемых в мире красителей, что обусловлено
легкостью их синтеза, большим разнообразием структур и цветовой гаммы,
яркостью и устойчивостью окраски. Синтетические азосоединения применяют
в настоящее время в текстильной, пищевой, полимерной промышленности,
биологии, медицине, спектроскопии, нелинейной оптике, цифровой
электронике и в аналитической химии в качестве красителей, пигментов,
лекарственных препаратов, молекулярных зондов, фотохромных веществ,
элементов хранения информации, аналитических реагентов селективного или
группового действия. В химическом анализе азосоединения широко
используют в качестве комплексообразующих реагентов практически во всех
методах анализа (титриметрическом, фотометрическом, люминесцентном,
атомно-абсорбционном, вольтамперометрическом), разделения и
концентрирования (экстракции, различных видах жидкостной хроматографии, капиллярном электрофорезе), химических сенсорах и тест-системах как в растворе, так и на твердой поверхности.
Одним из отличительных свойств аналитических реагентов ряда азосоединений, влияющих на их окраску и физико-химические свойства, является азо-хинонгидразонная таутомерия. Известно, что 92 процента азосоединений содержат таутомерные формы, а почти половина их является производными нафтолов. Постоянный интерес к таутомерии азосоединений в аналитической химии вызван разной окраской таутомеров, их разной реакционной способностью по отношению к ионам металлов, образованием различных аналитических таутомерных форм при определении фенолов, ароматических аминов или нитрит иона и зависимостью содержания этих форм в растворе от большого числа факторов. Анализ литературы показал, что у большинства азосоединений электронные спектры поглощения таутомеров сильно перекрываются, т.е. плохо разрешены, а таутомерное равновесие малоподвижно, что затрудняет получение необходимой реакционноспособной формы аналитического реагента. С другой стороны, сильная зависимость содержания таутомерной формы от многих факторов может привести к невоспроизводимости результатов определений с применением таких азосоединений. Оба эти типа поведения могут иметь как положительное, так и отрицательное значение и требуют выяснения факторов, влияющих на таутомерию моноазосоединений.
Известно, что соотношение концентраций таутомерных форм в растворе зависит от строения молекулы, природы ароматического кольца, природы и положения заместителей, концентрации самого вещества, а также ряда внешних факторов (рН, температура), среди которых основная роль, несомненно, принадлежит растворителю. Вклад в изменение таутомерного равновесия могут вносить такие характеристики растворителей как диэлектрическая проницаемость, полярность и энергия когезии, структура растворителя (в частности, воды), их донорно-акцепторные свойства. В связи с этим основным
приемом регулирования таутомерного равновесия является использование водно-органических и неводных сред.
Новым фактором, описанным всего в нескольких работах, является влияние на таутомерию азосоединений мицелл поверхностно-активных веществ (ПАВ) и циклодекстринов. Мицеллы ПАВ влияют также на таутомерию 1,3-дикетонов и других органических реагентов, т.е. это явление имеет универсальную природу. Систематические исследования таутомерии азосоединений в мицеллярных и других организованных средах отсутствуют, что не позволяет установить факторы, определяющие конечный аналитический эффект реакций с участием азосоединений.
Цель работы - выявление закономерностей влияния заместителей, органических растворителей, мицелл ПАВ и циклодекстринов на таутомерное равновесие фенилазонафтолов и разработка подхода к их концентрированию методом мицеллярной экстракции и фотометрическому определению в пищевых объектах.
. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- синтезировать и охарактеризовать методами элементного анализа,
термогравиметрии, тонкослойной хроматографии, УФ- ИК- и ЯМР-
спектроскопии ряд 1-(фенилазо)-4-нафтолов и 1-(фенилазо)-2-нафтолов,
содержащих сульфо-, карбокси-, альдегидную группы в о-положении к
гидроксигруппе нафталинового кольца и сульфогруппы в бензольном кольце;
- изучить влияние протонодонорных и протонакцепторных растворителей
на азо-хинонгидразонную таутомерию синтезированных соединений и
рассчитать константы таутомерного равновесия;
- оценить влияние диэлектрической проницаемости среды для условно-
универсальных взаимодействий и специфических взаимодействий для
изодиэлектрических смесей растворителей на таутомерию;
- оценить влияние на таутомерию структуры воды при изменении
температуры и замене обычной воды на тяжелую;
изучить влияние мицелл неионных, анионных и катионных ПАВ, а также циклодекстринов на таутомерное равновесие фенилазонафтолов;
применить константы таутомеризации в качестве зонда полярности микроокружения фенилазонафтолов в месте их локализации в мицеллах ПАВ;
разработать методики экстракционно-фотометрического определения пищевых сульфосодержащих фенилазонафтолов в различных напитках с применением мицеллярной экстракции смешанными мицеллами неионных и катионных ПАВ.
Научная новизна. Синтезированы и охарактеризованы методами элементного анализа, термогравиметрии, тонкослойной хроматографии и молекулярной (ИК-, УФ-, ЯМР-) спектроскопии 12 соединений, из которых 6 новых 1-(фенилазо)-4-нафтолов и 1-(фенилазо)-2-нафтолов, содержащих сульфо-, карбокси- и альдегидную группы в о-положении к гидроксигруппе нафталинового кольца. На примере протонодонорных и протонакцепторных органических растворителей изучено влияние диэлектрической проницаемости
среды и донорно-акцепторных взаимодействий (для изодиэлектрических смесей растворителей) на константы таутомерного равновесия синтезированных азосоединений. Установлено влияние на таутомерию усиления структурирования воды при понижении её температуры и переходе от обычной воды к тяжелой. Изучено влияние мицелл неионных, катионных и анионных ПАВ на таутомерию фенилазонафтолов и показано, что как и в случае органических растворителей, введение заместителей в оположение к гидроксигруппе 1-(фенилазо)-4-нафтола позволяет варьировать расстояние между максимумами спектров поглощения таутомеров и лабильность таутомерного равновесия. Установлено, что взаимодействие азосоединений с циклодекстринами с образованием супрамолекулярного комплекса «гость-хозяин» характерно для более гидрофобных представителей фенилазонафтолов, не содержащих сульфогруппы в бензольном кольце, т.е. протекает более избирательно, чем с мицеллами. Включение 1-фенилазо-4-нафтола в полость 0-ЦД приводит к смещению равновесия в сторону менее полярной азоформы, а включение бензольного кольца в полость ос-ЦД, наоборот, в сторону гидразо-формы. Высказано предположение, что причиной сильного влияния на таутомерию и А спектров таутомеров является образование внутримолекулярной водородной связи между ОН-группой нафтола и заместителем в о-положении к ней. С использованием констант таутомерного равновесия фенилазонафтолов проведена оценка полярности микроокружения молекул азосоединений в месте их локализации в мицеллах неионных ПАВ. Показано, что использование смешанных мицелл неионных и катионных ПАВ позволяет улучшить эффективность мицеллярной экстракции азосоединений из водных растворов и метрологические характеристики их определения.
Практическая значимость. Предложен подход к изменению лабильности таутомерного равновесия фенилазонафтолов и разницы максимумов поглощения (контрастности окраски) их таутомеров, основанный на введении кислотного заместителя в о-положение к гидроксигруппе нафталинового кольца 1-(фенилазо)-4-нафтола, позволяющий изменять концентрации таутомерных форм в растворителях, мицеллах ПАВ или циклодекстринах. Разработаны методики определения синтетических пищевых азокрасителей в напитках с применением мицеллярной экстракции неионными ПАВ и блокированием сульфогруппы катионным ПАВ в среде указанных смешанных мицелл.
На защиту автор выносит:
синтез, данные элементного анализа, термогравиметрического и спектроскопического изучения 1-(фенилазо)-4-нафтолов и 1-(фенилазо)-2-нафтолов;
результаты выяснения характера влияния среды, природы органических растворителей и заместителей в фенилазонафтолах на таутомерию и положение максимумов в спектрах поглощения таутомеров;
результаты исследования влияния структурированности воды на таутомерию фенилазонафтолов при изменении её температуры и замене обычной воды на тяжелую;
- результаты изучения влияния мицелл ПАВ и циклодекстринов на таутомерию
фенилазонафтолов и результаты оценки полярности микроокружения 1-
(фенилазо)-4-нафтолов в мицеллах неионных ПАВ;
- результаты фотометрического определения содержания фенилазонафтолов в
пищевых объектах с применением концентрирования методом мицеллярной
экстракции смешанными мицеллами неионных и катионных ПАВ.
Апробация работы. Основные результаты работы должны на IХ и Х Всероссийских конференциях молодых ученых «Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Саратов, 2013, 2015); Втором съезде аналитиков России (Москва, 2013), 3-й научной конференции с международным участием «Химия-2013. Физическая химия. Аналитическая химия. Нанохимия. Теория, эксперимент, практика, преподавание» (Москва, 2013), Киевской конференции “Analytical Chemistry. Modern Trends” (Киев, 2014), XIV конференции и третьем Всероссийском симпозиуме с международным участием “Физико-химические основы ионообменных и хроматографических процессов (ИОНИТЫ-2014) и Кинетика и динамика обменных процессов” (Воронеж, 2014), III Всероссийском симпозиуме (с международным участием) по поверхностно-активным веществам “ПАВ-2015” (Санкт-Петербург, 2015), European conference on analytical chemistry, Euroanalysis XVIII, (Bordeaux, France, 2015), II Всероссийской конференции с международным участием по аналитической спектроскопии (Краснодар, 2015).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 3 статьи в журналах списка ВАК, 4 в сборниках статей, 7 тезисов докладов.
Личный вклад соискателя в работы, выполненные в соавторстве и включенные в диссертацию, состоял в поиске и анализе данных литературы по теме диссертации, синтезе всех 12 реагентов, исследовании ряда их физико-химических свойств, исследовании влияния на спектры и таутомерию органических растворителей, мицелл ПАВ и циклодекстринов, температуры и изотопного состава воды, определении констант распределения в системе вода-мицелла методом ТСХ, разработке оптимальных условий определения пищевых красителей и анализе пищевых объектов, подготовке и обработке материала к написанию статей и докладов.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 198 страницах машинописного текста, содержит 92 рисунка и 31 таблиц. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов, списка использованной литературы и приложения, содержащего 30 рисунков, 9 таблиц, 2 схемы. Библиография включает 182 источника.
Данная работа является частью плановых госбюджетных исследований кафедры аналитической химии и химической экологии, а также выполнялась в соответствии с проектом РФФИ № 12-03-00450а.
Влияние циклодекстринов
Влияние природы и положения заместителей на таутомерию в молекулах азосоединений, содержащих ароматические кольца и гетероциклы, детально изучено и подробно рассмотрено в работах [20, 23, 46]. Показано, что их действие часто одновременно зависит и от полярности растворителя, поэтому разделить эти два фактора бывает иногда сложно. Кроме того, существует проблема взаимного влияния заместителей, которое не всегда аддитивно [46]. Одна из причин – делокализация эффекта заместителя из одного ароматического кольца в другое через азогруппу, а также индуктивный эффект.
Известно, что реагенты, имеющие, по крайней мере, одно нафталиновое ядро, представляют наибольший интерес в изучении таутомерного равновесия, поскольку их равновесие наиболее лабильно, хотя интерпретация экспериментальных данных не всегда является простой. Например, характерный признак таутомерии, связанный с присутствием в спектре поглощения изобестической точки при варьировании среды, наблюдается не всегда из-за особенностей электронной структуры этих соединений [20, 46]. Показано, что в молекуле 1-(фенилазо)-4-нафтола электронодонорные заместители в m- и n- положении в фенильном кольце увеличивают долю азо-формы, а электроноакцепторные сдвигают равновесие в сторону хинонгидразонной формы [22, 38, 46]. Влияние различных видов заместителей на таутомерию и спектры поглощения фенилазонафтолов подробно изучено в работах [22, 23, 42, 47].
В работе Антонова на примере 1-(фенилазо)-4-нафтола, 1-(фенилазо)-2-нафтола и 2-(фенилазо)-1-нафтола проведено систематическое исследование влияния структурной изомерии на таутомерное равновесие в этаноле и изооктане [48]. Показано, что константы таутомеризации КТ = Схг/Cазо в этаноле и изооктане этих изомеров равны 0.24, 0.72, 2.11 и 0.11, 0.49, 1.50, соответственно. Таким образом первый изомер в этаноле и особенно в малополярном изооктане находится преимущественно в азоформе. В растворах изомеров, содержащих 2-нафтол и особенно 1-нафтол, из-за образования внутримолекулярной водородной связи с азотом азогруппы концентрация хинонгидразонной формы значительно возрастает. В другой работе Антонова исследовано влияние природы заместителей в бензольном кольце в пара-положении к азогруппе 1-(фенилазо)-4-нафтола [49]. Показано, что в присутствии NO2-группы как в этаноле, так и при соотношении этанол-вода 1:1 в растворе присутствует только хинонгидразонная форма реагента. Если заместителя нет или присутствует атом хлора, то концентрация хинонгидразонной формы равна 43 и 35%, соответственно. При увеличени и концентрации воды до 50% содержание хинонгидразонной формы растет до 62 и 69%, соответственно, а константа таутомеризации 1-(фенилазо)-4-нафтола при концентрации воды 0, 20, 40, 60 и 80% растет в ряду: 0.240, 0.420, 0.587, 0.801, 1.341, соответственно.
Экспериментальное (кристаллография) и теоретическое (DFT) исследование 1-(фенилазо)-2-нафтолов с электроноакцепторным (р-Cl) и электронодонорным (p-N(CH3)2 заместителями позволило сделать вывод о том, что переход структур N-H…O « N…O-H протекает через переходное состояние типа N…H…O [50].
Хотя влияние растворителей на таутомерное равновесие достаточно индивидуально, все же можно выделить ряд основных закономерностей, позволяющих направленно воздействовать на его положение. Для этого удобно разбить все растворители на две группы: полярные и неполярные, а полярные в свою очередь – на сольватирующие и несольватирующие. Поскольку разнообразие и число азосоединений чрезвычайно велико, рассмотреть все случаи влияния среды на таутомерию не представляется возможным. Для бисазосоединений следует обратиться к работам [37, 41, 51], гетероциклических азосоединений - [36, 52], моноазосоединений бензольного и нафтольного рядов – указанным выше монографиям и обзорам. В данном разделе основное внимание будет уделено производным фенилазонафтолов, поскольку они используются в экспериментальной части работы.
Установлено, что в спектрах поглощения производных оксиазосоединений (1-фенилазо-4-нафтолы) имеется два максимума поглощения при 390-420 и 470-510 нм, обусловленные присутствием в растворе соответственно азоидной и хинонгидразонной форм [20, 48, 49]. При изменении полярности растворителя оптическая плотность в максимуме поглощения одной из форм увеличивается, а в максимуме поглощения другой формы уменьшается, причем в спектре может присутствовать изобестическая точка Считается, что увеличение полярности растворителя сдвигает равновесие п-оксизамещенных азосоединений в сторону более полярной хинонгидразонной формы [20, 38]. Авторы [53] на примере ДМФА, ДМСО, ацетонитрила и других растворителей показали, что влияние среды обусловлено дипольными моментами растворителей, а в [54] полагают, что кроме диполь-дипольных взаимодействий сильное влияние оказывают межмолекулярные водородные связи (ММВС). В [54] показали, что вода и дихлорметан стабилизируют гидразоформу, а метанол и изооктан – азоформу.
В случае о-замещенных фенилазонафтолов влияние растворителей на таутомерное равновесие значительно меньше, чем в случае п-оксиазосоединений [20, 55]. Это объясняется тем, что таутомерное равновесие о-замещенных азосоединений в значительной степени сдвинуто в сторону одной из форм, вследствие сильной внутримолекулярной водородной связи (ВМВС). Широкий ряд растворителей изучен в случае 1-фенилазо-2-нафтола [56]. В соответствии с найденными константами таутомеризации получена следующая последовательность i-октан (0.494) тетрахлорметан (0.560) этанол (0.724) дихлорметан (0.838) хлороформ (1.463) метанол (1.551) формамид (2.816). При переходе от этанола к 60%-ной водно-этанольной смеси константа таутомеризации увеличивается от 0.724 до 1.14.
В случае полярных несольватирущих растворителей, действующих на таутомерное равновесие только за счет полярных характеристик (дипольный момент), полученные данные ЯМР 13С дают следующий ряд увеличения содержания хинонгидразонной формы [46]: ССl4 CДCl3 C6L6NO2 В сольватирующих растворителях существенную роль, кроме полярности, оказывают специфические взаимодействия (образование водородных связей, донорно-акцепторные взаимодействия). Протонодонорные растворители за счет образования ММВС стабилизирует гидразоформу, а протоноакцепторные – азоидную. Влияние таких растворителей на о-, п-гидроксизамещенные реагенты может отличаться из-за конкурирующего влияния ВМВС [20, 23, 46].
Показано [22], что производные (1-(фенилазо)-4-нафтола, например тропеолин 000 и его аналоги с сульфогруппой в о-положении к нафтольному гидроксилу, существуют в воде преимущественно в гидразоформе. Другой их отличительной чертой является высокая лабильность таутомерного равновесия, позволяющая неограниченно изменять концентрацию каждого из таутомеров. Эти выводы получили подтверждение в нескольких последующих работах [23-25].
Расчет констант таутомерного равновесия
Для оценки чистоты синтезированных препаратов использовали пластинки ТСХ Silufol UV-254 размером 50 100 мм. Растворы реагентов объемом 1 мкл микрошприцем наносили на линию старта, находящ уюся на расстоянии 1.5 см от края. В хроматографическую камеру наливали 10-15 мл подвижной фазы, опускали подготовленную пластинку и проводили хроматографирование методом восходящей ТСХ, погружая нижнюю часть пластинки в элюент. Расстояние межд у пятнами было не менее 1 – 1.5 см, диаметр пятна был не более 5 мм. Перед экспериментом пластинки выдерживали в парах подвижной фазы и гигростата около 30 минут. Элюирование проводили в камерах с плотно прикрытой крышкой. По достижению фронтом растворителя линии финиша, пластинку вынимали и сушили в сушильном шкафу при температуре 70С в течение 10 мин. Хроматографические зоны наблюдали визуально и в УФ-свете на видеоденситометре «Сорбфил» версия 1.8 (ЗAO Sorbpolymer, Краснодар). Все синтезированные реагенты после очистки имели одну зону основного вещества.
Математические расчеты и обработку экспериментальных данных проводили с использованием стандартных компьютерных программ. Статистическую обработку экспериментальных результатов и обработку линейных зависимостей проводили методом регрессионного анализа (методом наименьших квадратов (МНК)) по соответствующим стандартным программам. Выпадающий результат оценивали с использованием Q-критерия.
Расчет констант диссоциации реагентов Константу диссоциации реагентов рассчитывали по формуле (2.1): где: Ax, - текущая оптическая плотность при соответствующей длине волны; А? и A?R - значения оптической плотности соответственно диссоциированной и недиссоциированной форм реагента при указанной длине волны; тт+п рН - показатель ионов водорода рН = - lg [И J; рК - показатель константы диссоциации рК = - lg К.
Сначала рассчитывали приблизительное значение рКдис. Зная приближенное значение рК, готовили не менее 6-8 растворов со значениями рН, приблизительно равномерно распределенными в интервале рК + 0,6, но не более рК + 1. Затем, определив оптические плотности этих растворов, рассчитывали точное значение рК по формуле 2.1.
Константы таутомерного равновесия Кт, вычисляли по формуле (2.2) из соотношения концентраций отдельных таутомерных форм: Km = Сх/г /С азо , (2.2) где С х/г и С „зо - концентрации хинонгидразонной и азоформы соответственно. Концентрации последних рассчитывали методом Берштейна [161] с использованием спектрофотометрических данных, полученных в результате сдвига таутомерного равновесия при изменении полярности среды. Метод Берштейна основан на следующих посылках. Поскольку смесь хинонгидразонного и азоидного таутомеров является закрытой двухкомпонентной системой для нее можно применить систему уравнений (2.3): A(lj)= j(lj) Сі { + 82(h) C2 t A(X2)= і(Л2) Сі { + 2( 2) C2 t SJi + C2 = Co. (2.3)
Совместное решение их приводит к уравнению прямой, связывающей оптические плотности растворов таутомеров при любых двух длинах волн. Если выбрать длины волн в областях индивидуального поглощения компонентов [бі(2,2)=0 и 82( .1) =0], то это уравнение принимает простой вид (2.4): А(кі) - 2( 2) -А(А2) Si(Ai) = Со Єі(Аі) 2( 2) ( (2.4)
Экстраполяцией зависимости А(к\) = f (Afa)) до пересечения с осями координат получают отрезки, соответствующие максимальной оптической плотности, вычисляемой по уравнениям (2.5 и 2.6):
При известной общей концентрации таутомеров С0 по этим формулам мы вычисляли молярные коэффициенты поглощения отдельных таутомерных форм, а по значениям оптических плотностей при к\ и І2 мольные доли таутомеров по формулам (2.7 и 2.8): Xi =А (ki)/Amax (Aj), /2 = А (к2)/Атах (А2)
Зная мольную долю таутомеров, рассчитывали константу таутомерного равновесия по формуле (2.9): Все получаемые результаты анализа, в конечном итоге, сводятся к установлению зависимости параметра у от параметра х. Обычно эта зависимость линейна, что выражается уравнением (2.10) вида: у = ах + Ь, (2.Ю) где а – тангенс угла наклона прямой (коэффициент чувствительности); b – отрезок, отсекаемый прямой на оси у (значение параметра у в отсутствии определяемого компонента). Коэффициенты а и b вычисляли методом регрессионного анализа по формулам (2.11, 2.12):
Сущность метода наименьших квадратов состоит в том, что математически вычисленная прямая у = ах + b равноудалена от всех экспериментально полученных точек. Видно, что основными заместителями в молекулах фенилазонафтолов являются гидроксигруппа нафтола в положении 2 или 4 по отношению в азогруппе (заместители Ri и R3), сульфогруппы в фенильном и нафтильном кольцах (заместители R и R2), карбоксигруппа (заместитель R2) и альдегидная группа (заместитель R2) в нафтильном кольце. Азосоединения синтезировали по методикам, составленным нами на основе анализа литературы [22, 24, 25, 163]. Схемы синтеза азосоединений с применением в качестве диазосоставляющей анилина и сульфаниловой кислоты различались, поэтому методики синтеза сульфосодержащих и несульфированных азосоединений приводятся отдельно.
Практически все исходные соединения, как видно из главы 2, имелись в наличии и при необходимости очищались по известным методикам. Единственным исходным соединением, которое мы синтезировали, это 1-гидроксинафтол-2-сульфокислота, синтез которой приводится ниже.
Анализ имеющихся данных [163-165] показал, что сульфировать a-нафтол можно двумя способами. Первый состоит в кратковременном (15-20 мин) нагревании a-нафтола с серной кислотой при температуре 60-70С. По второму способу синтез протекает при 45-55С в течение 1.5 часов. В обоих случаях, кроме орто-изомера, возможно образование как пара-изомера 1-нафтол-4-сульфокислоты, так и её 2,4-дисульфопроизводного. Предварительный синтез показал, что второй способ позволяет получить более чистый продукт. Методика синтеза сульфированного a-нафтола состояла в следующем.
К 5 г (0.035 моль) измельченного a-нафтола приливали 2.81 мл (0.052 моль) концентрированной серной кислоты, взятой в 1.5 кратном избытке, и 0.5 мл ледяной уксусной кислоты. Смесь нагревали до 48-53С и выдерживали примерно 1.0-1.5 часа при непрерывном перемешивании. В ходе сульфирования смесь загустевала, а в конце снова становилась менее вязкой. Образовавшуюся реакционную массу выливали на лед, разбавляли дистиллированной водой до 50 мл, нейтрализовали карбонатом калия до выпадения осадка калиевой соли и отделяли осмоленный и не прореагировавший a-нафтол. Оставшуюся в растворе калиевую соль 1-нафтол-2-сульфокислоты высаливали насыщенным раствором хлорида калия. Осадок отделяли на фильтре Шотта, промывали горячим этанолом, обрабатывали диэ тиловым эфиром и сушили на воздухе. Выход составил 2.5 г, что соответствует 27.5% от теоретического
Кислотно-основные свойства фенилазонафтолов
Анализ рисунков 25-28 показывает, что в водном растворе ФАНС находится преимущественно в гидразо- и частично в азоформе. Введение этанола, пропанола-2, ДМСО, ДМАА приводит практически к полному смещению равновесия в с торону азотаутомера для любого растворителя при его концентрации, превышающей 75 %, т.е. введение сульфогруппы в о-положение к ОН-группе сделало равновесие очень подвижным. Кроме того, видно, что увеличилась и разность между максимумами таутомеров. Для протоноакцепторных растворителей также наблюдается батохромное смещение максимума поглощения азотаутомера, связанное, по-видимому, с пересольватацией молекулы азосоединения, и уменьшению контрастности окраски таутомеров.
Во-первых, из рис. 29 видно, что как и в случае СФАН (см. рис. 18), не содержащего сульфогруппы в нафтольном кольце, в воде СФАНС находится только в гидразоформе. Во-вторых, как и в случае ФАНС, введение этанола смещает равновесие в сторону азотаутомера, однако остается некоторое количество гидразоформы (рис. 1 Приложение Ж). В-третьих, молярный коэффициент поглощения сульфированной в бензольном кольце азоформы уменьшается почти в 2 раза, а такого не наблюдалось для более гидрофобного ФАНС (рис. 25). Аналогичные изменения происходили при переходе от воды к метанолу (рис. 30).
Похожее влияние на таутомерию СФАНС оказывают и апротонные полярные растворители. Однако под влиянием ДМСО и ДМФА, как и в случае ФАНС, гидразоформа полностью переходит в азоформу (рис. 31 и рис.2 Приложение Ж), а при замене воды ацетоном, имеющим меньший дипольный момент, как и в случае спиртов, в растворе остается немного азоформы (рис. 3 Приложение Ж). Соотношение интенсивностей поглощения азо- и гидразоформ для протонных и апротонных растворителей примерно одинаковое.
Следующим этапом работы было исследование таутомерного равновесия фенилазонафтолов, у которых в о-положении к ОН-группе нафтола введена карбоксигруппа, т.е. ФАНК-2 и СФАНК-2 (рис. 32-33). Из-за возможности диссоциации карбоксигруппы спектры получали при контроле рН раствора. А 0,8 0,6 0,4 0,2 350 400
Вопреки ожиданиям о простом увеличении подвижности таутомерного равновесия, как при переходе от ФАН к ФАНС или СФАН СФАНС, спектры показали другое состояние реагентов с карбоксильной группой в воде и растворителях.
Спектры поглощения ФАНК-2, водно-этанольные среды. СR=810-5 М; СEtOH, об. %: 1 – 7,7; 2 – 28,4; 3– 48; 4–96; рН: 1 – 6,2; 2 – 6,1; 3–6,7; 4–5,5. Видно, что уже в воде ФАНК более, чем на 90% находится в азоформе. Добавление этанола сдвигает равновесие до конца в сторону азоформы, сольватация которой приводит к небольшому батохромному смещению максимума азоформы. Такое же поведение обнаружено в водно-изопропанольных смесях и смеси воды и ДМСО (рис. 4 и 5 Приложение Ж). Немного отличается поведение в смеси воды и ДМАА, в которой при увеличении растворителя наблюдается батохромный сдвиг максимума.
Поведение СФАНК-2, содержащего сульфогруппу в бензольном кольце, немного отличается от ФАНК-2. В зависимости от условий синтеза (в кислой или щелочной среде) исходный спектр СФАНК-2 имеет разный вид. Например, при синтезе в кислой среде (вероятно в этих условиях кислотные группы реагента находятся в недиссоциированном состоянии) спектр в воде имеет два максимума, соответствующие гидразо- и азоформам (рис. 33). При добавлении всего 50 % этанола весь реагент переходит в азоформу (рис. 34).
Результатом синтеза по обычной схеме является другой спектр в воде (рис. 35), который при добавлении этанола изменяется незначительно.
Можно предположить, что этот спектр принадлежит реагенту диссоциированному по карбокси-группе (рК = 3.45, табл. 8). Однако и в этом случае видно исчезновение небольшого батохромного плеча, принадлежащего, возможно, гидразоформе, содержавшейся в небольшой концентрации.
Крайне интересным казалось также сопоставить изменения в положении максимумов полос поглощения таутомеров в зависимости от двух факторов : влияния положения ОН-группы, природы и положения заместителей в молекулах, а также природы растворителя (таблицы 10, 11). Таблица 10. Максимумы поглощения азо- и гидразо-форм 1-(фенилазо)-4-нафтолов
Сравнение максимумов поглощения Судана (1-(фенилазо)-2-нафтол) и ФАН (1-(фенилазо)-4-нафтол) показывает, что наши результаты соответствуют данным обзора литературы, т.е. ФАН, не образующий внутримолекулярную Н-связь, имеет бльшую разницу (D) между максимумами азо- и гидразотаутомеров (75 нм против 63 нм в водно-этанольной смеси). Из таблицы 10 также видно, что введение сульфогруппы или карбоксигруппы в о-положение к ОН-группе ФАН приводит к увеличению величины D до 107 нм у ФАНС и 138 нм у СФАНК. Введение сульфогруппы обычно уменьшает D, например до 66 нм для СФАН и 88 нм для СФАНС. В случае производных (1-(фенилазо)-2-нафтола изменения в спектрах при введении заместителей не столь заметны. Замена протонодонорного растворителя на протонакцепторный не приводит к существенным изменениям в макс таутомеров.
Константы таутомеризации фенилазонафтолов вычисляли согласно алгоритму, описанному в разделе 2.4.2. Для этого при различных концентрациях органического растворителя строили зависимость А(1) = f (А(2)) и находили Аmax отдельных таутомерных форм. Уравнения линейных зависимостей, полученные с применением МНК, и значения Аmax отдельных таутомерных форм разных 1-(фенилазо)-4-нафтолов для изученных сред и разных реагентов представлены в таблицах 12-15. Используя рассчитанные значения Аmax и значения оптических плотностей азо- и хинонгидразонной форм в различных средах, вычислили мольные доли таутомерных форм и величину Кт. Результаты вычислений приведены в таблицах 16-20.
Оценка влияния универсальных и специфических взаимодействий на таутомерию СФАНС
В предыдущих разделах главы 6 показано, что солюбилизация азосоединений в менее полярной среде мицелл приводит к увеличению концентрации менее полярного комплексообразующего азотаутомера. Чем больше концентрация мицелл в растворе, тем большая часть реагента переходит в мицеллы и тем сильнее смещение таутомерного равновесия. Количественной характеристикой процесса распределения в системе вода-мицелла ПАВ является коэффициент распределения. Для его определения Д. Армстронгом [174], был предложен подход, основанный на использовании метода тонкослойной хроматографии (ТСХ), апробированный нами ранее на примере веществ других классов [175-177]. Его преимуществом является возможность одновременного определения двух коэффициентов распределения: вода - мицелла, вода - неподвижная фаза (НФ), а также энергии переноса из воды в мицеллу и энергии адсорбции сорбата на поверхности НФ, соответственно. В настоящей работе рассчитаны коэффициенты распределения в системе вода – мицелла ПАВ и вода – НФ для двух представителей фенилазонафтолов ФАНС и СФАНС, отличающихся сульфогруппой в фенильном кольце.
Ранее нами показано, что в водном растворе СФАНС присутствует практически только в виде хинонгидразонного таутомера, а содержание этого таутомера для ФАНС в воде более 90% [24, 178]. В присутствии мицелл неионных ПАВ, вследствие уменьшения полярности среды в микроокружении солюбилизированного азосоединения, таутомерное равновесие обоих реагентов смещается в сторону азоидного таутомера, молекула которого имеет меньший дипольный момент. Чем больше концентрация мицелл неионных ПАВ, тем больше содержание азоидного таутомера, а при концентрации неионных ПАВ выше критической концентрации мицеллообразования (ККМ) в 50 раз более 90% реагентов находится в азоформе. В значительно меньшей степени солюбилизация этих реагентов протекает в мицеллах ДДС, отрицательный заряд мицелл которого препятствует включению диссоциированных по сульфогруппе ионов азосоединений.
Для расчета коэффициентов распределения в системах вода - тритон Х-100 и вода - ДДС использовали уравнение вида [173-177]: где Vs - объем неподвижной фазы; Vm - объем подвижной фазы; Vm/Vs-“фазовое отношение”; v - парциальный удельный объем ПАВ (мл/г), для ДДС v = 0.862 мл/г [6], для Тритона Х-100 0.912 мл/г [179]; Ст - концентрация мицелл в подвижной фазе: Ст = С - ККМ, где С - концентрация ПАВ в ПФ, ККМ -критическая концентрация мицеллообразования, (г/мл); Ктм - коэффициент распределения между МПФ и водой; Кш - коэффициент распределения реагента между неподвижной фазой и водой.
Из отношения коэффициентов “а" и “Ь” можно получить зависимости (3) и (4), которые позволяют рассчитать коэффициент распределения реагентов между водой и мицеллярной фазой Ктм
Для расчета коэффициентов распределения реагентов в системе вода – мицелла ПАВ построены зависимости в координатах RF /(1 - RF) = f(Cm) для исследуемых реагентов от мицеллярной концентрации ДДС и Тритона Х-100 в подвижной фазе (рис. 64-5), которые являются линейными. На их основе рассчитаны величины Kmw и Ksw. Подвижности и исходные данные для построения зависимостей при хроматографировании на полиамиде представлены в таблице 1 (Приложение И), а рассчитанные значения коэффициентов распределения и энерг ий взаимодействия в системах вода – мицелла и вода – НФ в таблице 25.
Как видно из таблицы 1 (Приложение И) при использовании подвижной фазы на основе мицелл ДДС более гидрофобный ФАНС удерживается неподвижной фазой значительно сильнее, чем двухзарядный гидрофильный СФАНС. Это следует и из сравнения величин констант распределения и энергий взаимодействия в системе вода-ДДС-полиамид (табл. 25). В то же время при хроматографировании в МПФ на основе ТХ-100 сорбция обоих соединений на поверхности полиамида, модифицированного молекулами ПАВ, сравнима и преобладает над солюбилизацией в мицеллы.
Представлялось интересным сравнить подвижности ФАНС и СФАНС на более гидрофобной и более гидрофильной, чем полиамид поверхности ТСХ пластин RP-18 и «Сорбфил», соответственно (табл. 2, 3 Приложение И). Установлено, что на пластинах с RP-18 более гидрофобный ФАНС остается на линии старта, а на сорбфиле, наоборот, не хроматографируется гидрофильный СФАНС. Обе тенденции соответствуют закономерностям элюирования, свойственным для обращенной и прямой фазы, т.е. сорбция молекул ТХ-100 существенно не изменяет свойства НФ. Зависимости в координатах RF /(1 - RF) = f(Cm) для обоих реагентов от мицеллярной концентрации тритона Х-100 в подвижной фазе (рис. 66 и 67) также являются линейными, что позволило рассчитать константы распределения (табл. 26). Видно, что для СФАНС на RP-18 и ФАНС на сорбфиле, преобладает не сорбция на поверхности, а процесс распределения в мицеллы тритона Х-1 00. Сравнение с данными таблицы 25 показывает, что коэффициенты распределения реагентов в мицеллы тритона Х-100 имеют тот же порядок, однако почти в 2 раза больше, чем при использовании полиамида, что может быть связано с особенностью используемого метода их определения.
Как показано в обзоре литературы (раздел 1.1.4) образование комплексов включения («гость-хозяин») в системе азосоединение - ЦД ранее изучалось, однако влияние циклодекстринов на таутомерию азосоединений не рассматривалось. В связи с этим, нами изучено влияние на таутомерию четырех циклодекстринов (раздел 2.1.), которые могут образовывать комплексы включения с фенилазонафтолами. Высказано предположение, что наибольшие изменения в спектрах и таутомерном равновесии должны наблюдаться для более гидрофобных реагентов, которые лучше входят в гидрофобную полость молекулы циклодекстрина, причем в полость b-ЦД должно лучше входить нафталиновое кольцо, а в полость a-ЦД – бензольное кольцо. Кроме природных ЦД исследовались их более растворимые 2-гидроксипропил-производные.