Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 13
1.1. Общие сведения о молекулярных спектроскопических зондах 13
1.1.1. Абсорбционные зонды 15
1.1.2. Люминесцентные зонды 22
1.1.3. ЯМР- и ЭПР-спектроскопические зонды 25
1.2. Использование молекулярных зондов для интерпретации изменений химических реакций и таутомерных равновесий в организованных системах 29
1.3. О природе образования микроэмульсий 30
2. Экспериментальная часть 34
2.1. Реактивы 34
2.2. Приготовление микроэмульсий 40
2.3. Аппаратура и техника измерений 42
2.4. Расчёт констант химических и фотофизических процессов 43
3. Термодинамическая устойчивость микроэмульсий 46
3.1. Теоретический подход к расчёту детерминанта устойчивости микроэмульсий 46
3.2. Детерминант и коэффициенты устойчивости жидкостей 50
3.3. Строение и механический коэффициент устойчивости жидкостей 59
3.4. Термодинамическая устойчивость микроэмульсионного ряда ДДС/н-октан/н-пентанол/вода 70
4. Применение молекулярных спектральных зондов для интерпретации каталитического действия мицелл и микроэмульсий на кинетику реакций щелочного гидролиза и аминолиза
4.1. Смешанные мицеллярные системы ДДС — Brij-35 70
4.2. Обращенная мицеллярная система ДДС — спирт — вода 76
4.3. Микроэмульсии на основе ЦТАБ 80
4.3.1. Сольватохромный зонд Ет(30) 84
4.3.2. Индекс полярности Ij/Із пирена 87
4.3.3. Отношение 1ех/1т пирена в микроэмульсии 91
5. Таутомерные равновесия в мицеллах и микроэмульсиях 94
5.1. Таутомерные равновесия сульфопроизводных 4-(фенилазо)-1-нафтола в мицеллах и микроэмульсиях на основе ДДС
5.2. Таутомерное равновесие производного урацила в мицеллах ПАВ и микроэмульсиях
5.2.1. Таутомерное равновесие 5-гидрокси-6-метилурацила в растворах поверхностно-активных веществ
5.2.2. Таутомерное равновесие 5-гидрокси-6-метилурацила в микроэмульсии ДДС/н-октан/н-пентанол/вода
6. Практическое использование микроэмульсий 113
6.1. Определение флюмеквина 113
6.1.1. Взаимодействие флюмеквина с тербием в воде 115
6.1.2. Влияние второго лиганда на интенсивность флуоресценции хелата ТЬ с флюмеквином
6.1.3. Влияние природы и концентрации ПАВ на интенсивность флуоресценции хелата Tb3+ - Flu - Фен.
6.1.4. Выбор оптимальных условий сенсибилизированной флуоресценции в системе № -Flu-Фен-ДДС
6.1.5. Выбор оптимальных условий сенсибилизированной флуоресценции системы № -Flu-Фен в микроэмульсии состава 126 ДДС/н-октан/н-пентанол/вода
6.1.6. Определение флюмеквина в курином мясе 132
6.2. Определение окситетрациклина 135
6.2.1. Взаимодействие окситетрациклина с европием в воде и мицеллярных растворах ПАВ 135
6.2.2. Выбор оптимальных условий сенсибилизированной флуоресценции в системе Еи3+ - ОТС - Фен - ДДС
6.2.3. Выбор оптимальных условий сенсибилизированной флуоресценции в системе Ей - ОТС - Фен в микроэмульсии 5 состава ДДС/н-октан/н-пентанол/вода
Выводы 148
- Использование молекулярных зондов для интерпретации изменений химических реакций и таутомерных равновесий в организованных системах
- Аппаратура и техника измерений
- Микроэмульсии на основе ЦТАБ
- Определение окситетрациклина
Введение к работе
Актуальность темы
Наноразмерные организованные системы, представителем которых являются микроэмульсии, в последние полтора десятилетия активно исследуются как в теоретическом, так и практическом аспектах. Их основное преимущество перед мицеллами поверхностно-активных веществ (ПАВ) состоит в высокой солюбилизационной ёмкости, позволяющей растворять большие количества как гидрофобных, так и гидрофильных соединений, сверхнизком межфазном натяжении на границе раздела водной и углеводородной фаз, возможности в широком диапазоне регулировать вязкость раствора и полярность микроокружения солюбилизированных субстратов. Эти особенности лежат в основе использования микроэмульсий в аналитической химии, процессах экстракции, ферментативного катализа, полимеризации, синтеза наночастиц металлов, их оксидов и сульфидов, а также полимеров с узким распределением по размерам, увеличения нефтеотдачи пластов и т. д.
Несмотря на интенсивные исследования, многие вопросы теории микроэмульсий, в частности поведение их термодинамической устойчивости в широком диапазоне отношения вода - масло, связь кинетики и равновесия химических реакций со структурой микроэмульсий до конца не решены, а возможности использования в анализе до конца не раскрыты.
Цель работы состояла в развитии термодинамического и спектрального методов (на основе детерминанта устойчивости и молекулярного зонда) изучения особенностей структуры и химических реакций в микроэмульсиях, а также в применении микроэмульсий как реакционной среды при определении антибиотиков методом сенсибилизированной флуоресценции. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: Найти способ расчёта детерминанта устойчивости микроэмульсий и установить взаимосвязь между структурой жидкости и устойчивостью термодинамического равновесия системы по отношению к внешним воздействиям. Рассчитать устойчивость термодинамического равновесия в микроэмульсионном ряду и дать объяснение её изменению при переходе от одного структурного состояния к другому. - Оценить возможность применения молекулярных спектральных зондов для изучения структурных переходов, оценки микрополярности среды в смешанных мицеллах и микроэмульсиях при изменении соотношения вода/масло и использовании этих данных для интерпретации каталитического действия указанных наносистем в реакциях гидролиза, аминолиза и таутомерии Выявить возможность применения микроэмульсий для определения антибиотиков ряда тетрациклинов и фторхинолонов методом
сенсибилизированной флуоресценции. Связь диссертации с научными программами, темами
Диссертационная работа является частью госбюджетных исследований кафедры аналитической химии и химической экологии (per. № 01.960.005200), а также выполнялась в соответствии с проектами РФФИ 01-03-32649а, 02-03-33029а, 04-03-32946а, а также программой Федерального агентства по науке, проект № 45166. Научная новизна
Решена задача расчёта детерминанта устойчивости микроэмульсионных систем по данным прецизионной дилатометрии и калориметрии. Дана «структурная» интерпретация изменения термодинамической устойчивости микроэмульсий на основе ДДС при варьировании в ней отношения вода/масло.
Показано, что использование молекулярных спектральных зондов Ет(30) и пирена позволяет фиксировать изменение структуры и микрополярности микроэмульсий на основе анионных и катионных ПАВ и объяснить изменение каталитического действия микроэмульсий на кинетику реакций аминолиза и гидролиза фосфорсодержащих эфиров. Изучено влияние микроэмульсий на основе додецилсульфата натрия на таутомерное равновесие моноазосоединений, 5-гидрокси-6 метилурацила и рассчитаны константы таутомеризации указанных равновесий. Предложен флуориметрический метод определения флюмеквина и окситетрациклина в микроэмульсионной среде на основе додецилсульфата натрия. Практическая значимость Показана целесообразность комплексного использования нескольких молекулярных зондов для характеристики структурных переходов в микроэмульсиях, предложен новый молекулярный зонд для изучения микроэмульсий на основе ДДС. Разработана методика определения флюмеквина в модельной системе (мясо курицы — антибиотики), основанная на использовании сенсибилизированной флуоресценции тербия в присутствии фенантролина и его производных в мицеллах ДДС и микроэмульсии ДДС/н-октан/н пентанол/вода. На защиту автор выносит Способ решения задачи расчёта детерминанта устойчивости микроэмульсионных систем. Обоснование качественной взаимосвязи между структурой и механическим коэффициентом устойчивости внутри групп жидкостей со сходным молекулярным строением. Результаты изучения методом молекулярного спектрального зонда взаимосвязи между структурой, каталитическими свойствами микроэмульсий и реакциями гидролиза, аминолиза и таутомерии.
Подход к определению флюмеквина методом сенсибилизированной флуоресценции тербия в мицеллярных и микроэмульсионных средах на основе додецилсульфата натрия.
Личный вклад автора Экспериментальные данные, представленные в диссертационной работе, получены автором лично или при его личном участии. Постановка задач, обзор литературы, интепретация и обсуждение результатов диссертантом под руководством научных руководителей.
Апробация работы Основные результаты работы доложены на Всероссийской конференции «Актуальные проблемы аналитической химии» (Москва, 2002), III Черкесовских чтениях «Проблемы аналитической химии» (Саратов, 2002), XI Симпозиуме «Межмолекулярное взаимодействие и конформации молекул» (Саратов, 2002), IV Всероссийской конференции молодых ученых «Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Саратов, 2003), Международном форуме «Аналитика и аналитики» (Воронеж, 2003), XI Всероссийской конференции «Структура и динамика молекулярных систем» (Яльчик, 2004), Всероссийской конференции «Аналитика России» (Москва, 2004).
Публикации По теме диссертационной работы опубликовано 13 работ в виде 3 статей в журналах, 4 статей в сборниках и 6 тезисов докладов на Международных и Всероссийских конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работ изложена на 195 страницах, включая введение, 6 глав, выводы, список литературы (370 источников) и приложения. Работа содержит 69 рисунков и 23 таблицы.
Во введении сформулированы цель и задачи исследования, обоснована актуальность темы, изложены новизна и практическая значимость полученных результатов и основные положения, выносимые на защиту. В первой главе представлен анализ литературы по молекулярным спектральным зондам и их применению для интерпретации изменений химических реакций и таутомерных равновесий в организованных системах, обсуждается природа образования микроэмульсий. Во второй главе описаны используемые реактивы, методы и техника измерений, методики расчёта параметров, характеризующие свойства среды и протекающих в ней процессов. В третьей главе решается задача расчёта детерминанта устойчивости микроэмульсий; обсуждаются закономерности поведения детерминанта и коэффициентов устойчивости жидкофазных систем; анализируется зависимость термодинамической устойчивости микроэмульсии на основе ДДС от содержания воды. В четвёртой главе представлены результаты применения молекулярных зондов (Ет(30) и пирена) для оценки микрополярности и изменения структуры микроэмульсий. Данные по изучению микрополярности сопоставлены с результатами каталитического влияния этих микроэмульсий на кинетику реакций гидролиза и аминолиза эфиров фосфоновой и карбоновой кислот. В пятой главе рассматривается азо-хинонгидразонное и амид-имидольное таутомерные равновесия в мицеллах и микроэмульсиях. На примере азо хиногидразонного равновесия Тропеолина 000 показана возможность использования таутомерного равновесия для изучения структуры микроэмульсий. В шестой главе представлены примеры практического использования микроэмульсий: применение микроэмульсий на основе додецилсульфатата натрия для определения флюмеквина (антибиотик ряда фторхинолонов) и окситетрациклина (антибиотик ряда тетрациклинов по сенсибилизированной флуоресценции тербия и европия, соответственно.
Использование молекулярных зондов для интерпретации изменений химических реакций и таутомерных равновесий в организованных системах
Влияние мицелл [3], а затем и других видов организованных систем [2, 194, 195] на различные химические процессы известно давно и именно это свойство организованных растворов послужило мощным стимулом изучения структуры и свойств мицеллярных систем с помощью молекулярных зондов [13]. При интерпретации изменений в протекании реакций авторы обычно давали качественное объяснение, состоящее в констатации изменения полярности микроокружения компонентов реакции как основной причины изменения хода реакции. Лишь в небольшом числе работ делались попытки прямой связи влияния концентрации и природы ПАВ, добавок солей или # изменения структуры микроэмульсий на протекание химических процессов в растворах. Для этой цели наиболее удобным и простым способом интерпретации изменений является использование молекулярных зондов. Примерами таких работ являются использование флуоресцентных рН индикаторов для изучения причин мицеллярного ингибирования нейтрального гидролиза замещенных 1-бензоил-1,2,4-триазолов [27], кислотного гидролиза солей флавилия [29], динуклеотида никотин-аденин [196], основного гидролиза алкиларенсульфонатов [36], 5,5 -дитиобис(2- нитробензойной кислоты) [146], щелочного выцветания кристаллического фиолетового [83]. Практически все работы посвящены реакциям в мицеллах, для микроэмульсий такие исследования отсутствуют. Также всего несколько работ посвящено влиянию мицелл на таутомерию органических реагентов [39-42], в то время как влиянию мицеллярных систем на протолитические равновесия посвящено более сотни публикаций, в том числе упомянутых в настоящем обзоре литературы. Таким образом, обзор литературы позволил нам с одной стороны обобщить данные о применении молекулярных спектральных зондов для изучения мицеллярных систем, а с другой — выявить наиболее распространенные, информативные и удобные для использования в реакциях гидролиза в микроэмульсиях, которые предполагалось изучать. Кроме того, отсутствие данных о влиянии микроэмульсий на таутомерию привело к постановке такой задачи в диссертационной работе. 1.3. О природе образования микроэмульсий Солюбилизаторами в микроэмульсиях являются коллоидные ПАВ [197, 198].
Термодинамически разрешённая возможность самопроизвольного смешивания в МЭ нерастворимых друг в друге воды и углеводорода теоретически была предсказана П.А. Ребиндером и Е.Д. Щукиным [199, 200] при решении задачи о самопроизвольном диспергировании одной фазы в другую. Толчком к постановке и решению этой задачи послужили работы М. Фольмера [201, 202]. По мере развития модели термодинамически равновесной дисперсионной системы конкретизировались детали и особенности этого необычного явления [203-211]. История развития представлений о микроэмульсиях изложена в работах [212, 213]. Данные по энтальпии образования микроэмульсий АСМН позволяют установить природу их самоорганизации вне зависимости от выбора термодинамической модели. Под энтальпией образования МЭ понимается тепловой эффект смешения чистых компонентов, находящихся в их агрегатных состояниях. Прямое калориметрическое измерение энтальпий образования МЭ представляет непростую задачу. В работе [214] выполнен расчёт энтальпии образования микроэмульсий ДДС/н-октан/н-пентанол/вода по методу [215], основанному на определении тепловых эффектов растворения при бесконечном разведении смеси данного состава и её компонентов в подходящем растворителе. Исходными данными для расчёта были энтальпии растворения МЭ и их компонентов в 2-пропаноле. Микроэмульсии имели фиксированное содержание ДДС и н-пентанола, изменялось отношение вода/н-октан. Результаты расчёта [214] представлены на рисунке 1.1. Видно, что образование микроэмульсий сопровождается эндотермическим эффектом. Положительные значения Асм.Н обусловлены тем, что энергетические затраты, связанные с разрушением межмолекулярных связей исходных компонентов доминируют над энергией гетерокомплексного взаимодействия в микроэмульсиях. Поэтому можно сделать вывод, что термодинамическая устойчивость микроэмульсий вода/н-октан/ДДС/н-пентанол определяется энтропийным вкладом в изменение её свободной энергии. Это совпадает с широко распространённым мнением о решающем энтропийном факторе в процессе образования МЭ [199, 200, 212, 213]. В [216] представлены результаты аналогичного расчёта энтальпии образования другого микроэмульсионного ряда: тритон Х-100/о-ксилол/ вода. Этот микроэмульсионный ряд имел фиксированное содержание ТХ-100 и меняющееся отношение (вода/о-ксилол). Концентрационные зависимости энтальпии образования МЭ на основе ТХ-100 при 25С представлены на рис. 1.2. Видно, что образование микроэмульсий тритон Х-100/о-ксилол/вода сопровождается экзотермическим эффектом в отличие от эндотермического эффекта при образовании МЭ ДДС/н-октан/н-пентанол/вода. Изложенное позволяет заключить, что природа образования микроэмульсий может определяться как энтропийным так и энтальпийным вкладом в изменение свободной энергии. Следовательно, энтропийная природа образования микроэмульсий является распространённым, но не абсолютным явлением. В экспериментальной части работы использовали различные поверхностно-активные вещества, органические реагенты, органические растворители, неорганические соли, кислоты и щелочи. Все водные растворы готовили на бидистиллированной воде. Поверхностно-активные вещества В работе использовали ПАВ трех типов: Катионное — цетилтриметиламмония бромид (ЦТАБ) производство США (ДиаэМ), препарат дополнительно не очищали. Неионогенное — оксиэтилированный спирт Бридж-35 (фирма «Serva»), реагент для ион-парной хроматографии, содержал 99% основного вещества. Анионное — натрия додецилсульфат (ДДС) хроматографически чистый (НПО «Синтез ПАВ», г. Шебекино) с содержанием 98-99% основного вещества; дополнительной очистке не подвергался. Исходные растворы всех ПАВ готовили растворением точной навески в дистиллированной воде, рабочие концентрации (С 1x10" моль/л) получали разбавлением исходных. Органические реагенты Пирен («Fluka», марки purum) использовали без дополнительной очистки. Качество препарата контролировали по спектрам люминесценции. Исходные растворы готовили растворением точной навески пирена в органических растворителях в ультразвуковой ванне. Контроль растворения проводился по измерению оптической плотности растворов.
Аппаратура и техника измерений
При выполнении диссертационной работы использовали ряд спектроскопических методов: УФ- и видимую спектроскопию, люминесцентную спектроскопию в стационарном и импульсном вариантах. УФ- и видимая спектроскопия. Оптическую плотность растворов и . электронные спектры поглощения в видимой и ультрафиолетовой областях спектра измеряли на спектрофотометре СФ-46 и регистрирующем спектрофотометре «Hewlett-Packard». Использовали кварцевые кюветы с длиной оптического пути 1 см («Perkin-Elmer»). Все измерения оптической плотности проводили относительно раствора сравнения, содержащего все компоненты, кроме определяемого. Измерение люминесценции в стационарном режиме. Спектры флуоресценции регистрировали при помощи модернизированного люминесцентного спектрометра СДЛ-1 (ширина щели 0.4 нм) и нерегистрирующего флуориметра ФЛ-УХЛ-4.2, источник возбуждения — лампа КГМ-12-100-2 (ширина щели 7 нм). Использовали кварцевые кюветы с длиной оптического пути 1 см. Регистрацию сигнала проводили под углом 90С к возбуждающему свету. Возбуждение проводили излучением ксеноновой лампы с помощью светофильтров в диапазоне 310-340 нм При снятии спектров флуоресценции пирена (для дальнейшего определения отношения Iex/Im пирена) для устранения перепоглощения, возникающего при высоких концентрациях пирена, осуществлялось фронтальное облучение образца и регистрация свечения проводилась с передней поверхности кюветы. Измерения кислотности. Измерения рН проводили на рН-метрах-милливольтметрах типа «рН-121», «рН-673» со стеклянным индикаторным электродом и хлоридсеребрянным электродом сравнения. 2.4. Расчёт констант химических и фотофизических процессов Расчёт констант равновесия Кажущиеся константы ионизации реагентов определяли спектрофотометрически, применяя алгебраический метод [220] по формуле: pKK = pH + lg[HR]/[R-], где [HR] и [R ] — общие концентрации недиссоциированной и диссоциированной форм реагента, рН — значения рН исходных водных буферных систем. Использовали не менее 8 значений рН и две аналитические длины волны. рН растворов создавали ацетатно-аммиачными буферными растворами, приготовленными по методике [221] с размахом варьирования рН от 3 до 11 единиц. Значения рН контролировали с помощью рН-метра. Для создания постоянной ионной силы в исследуемых системах применяли хлорид натрия. Рассеяние света, вызванное наличием коллоидных мицеллярных и микроэмульсионных частиц, во всех случаях компенсировалось кюветой сравнения.
Статистическую обработку экспериментальных данных и обработку линейных зависимостей по методу наименьших квадратов проводили по известным методикам [222, 223]. Выпадающий результат оценивали с использованием Q-критерия. Константы кето-енольного равновесия рассчитывали спектрофотометрическим методом по формуле [220, 224]: # Кт= [Е] / [К], где Кт — кажущаяся константа таутомерии кето-енольного равновесия; [Е] и [К] — равновесные концентрации енольной и кетонной форм реагента, соответственно. Константы азо-хинонгидразонного равновесия определяли спектрофотометрически, применяя алгебраический метод [220] по формуле гидразо рКТ =-lg \Щ где рКт — кажущаяся константа таутомерии азо-хинонгидразонного равновесия; С о и СГИДрозо — равновесные концентрации азо- и хинонгидразонной форм реагента, соответственно. Расчёт параметров спектральных зондов На основе экспериментальных значений нами рассчитан эмпирический параметр Димрота-Райхардта по формуле [13]: Ет (ккал/моль) = hcNAxv, Щ) где v — волновое число в максимуме поглощения зонда Ет (30), h — постоянная Планка, с — скорость света, NA — число Авогадро Ет (ккал/моль) = 2,859-10 xv, Расчёт предела обнаружения антибиотика Для построения градуировочного графика и расчёта предела обнаружения (ПрО) антибиотика готовили серию микроэмульсионных растворов с различной концентрацией последнего. Предел обнаружения антибиотика был определен по известной методике [225, 226]. Для этого решалась следующая система уравнений: Si = axlmin + b -Imin oj, где Si — стандартное отклонение интенсивности сигнала, а и b — коэффициенты корреляции зависимости Si =/(1). Существует два метода решения данной системы: графический и математический. Нами выбран первый. Для этого мы строили две линейных зависимости, с соответствующими уравнениями прямых: Микроэмульсии — это термодинамически устойчивые системы [2]. Что происходит с устойчивостью термодинамического равновесия микроэмульсионной системы при варьировании отношения вода/масло? Ответ на этот вопрос можно получить из анализа детерминанта устойчивости микроэмульсионной системы. Термодинамическая модель микроэмульсии, предложенная Карцевым В.Н., Штыковым С.Н. и Штыковой Л.С. [227, 228], позволяет найти выражение для расчёта детерминанта устойчивости МЭ. Рассмотрим эту модель и основанный на ней теоретический подход к расчёту детерминанта устойчивости МЭ. Термодинамическое описание микроэмульсионных систем затруднено. Первое препятствие — флуктуации числа частиц в нанокаплях микроэмульсий. Характерный «диаметр» нанокапель МЭ варьируется от 10 нм до 200 нм [2, 198]. Оценка относительной флуктуации числа частиц в нанокаплях микроэмульсий диаметром в 10 нм по формуле Смолуховского
Микроэмульсии на основе ЦТАБ
Варьирование соотношения объемов воды и масла существенно изменяет структуру и свойства микроэмульсий, приводит к инверсии фаз, перестройке поверхности раздела [208]. При этом возможно образование обращенных, биконтинуальных и прямых микроэмульсий, в которых сохраняется макрооднородность и оптическая прозрачность системы, а также её высокая солюбилизирующая емкость в отношении как полярных, так и неполярных веществ. Уникальные солюбилизирующие свойства микроэмульсий, наряду с необычайно развитой поверхностью раздела фаз, 4) обеспечивают эффективный контакт между гидрофильными и гидрофобными реагентами, определяют успешное применение этих систем в качестве нанореакторов для разнообразных химических процессов. Кинетическое исследование С целью выявления влияния структуры реакционной среды на скорость расщепления сложноэфирных связей в лаборатории высокоорганизованных сред ИОФХ РАН (Казань) исследовано взаимодействие п-нитрофениловых эфиров карбоновых кислот с первичными алифатическими аминами в микроэмульсиях состоящих из воды, бромида цетилтриметиламмония, н-бутанола и н-гексана [283]. Изученные микроэмульсии содержали по 9.42% (вес) ПАВ и со-ПАВ (мольное отношение 1:5) и позволяли избежать разделения фаз при последовательном изменении в широких пределах соотношения других двух компонентов — воды и гексана. Для кинетических экспериментов использовали микроэмульсии с объемной долей воды (ф) 0.77, 0.30 и 0.14, что соответствует прямой, биконтинуальной и обращенной структурам, соответственно [292]. Варьировали длину цепи амина и карбоновой кислоты. Установлено, что в молекулярных водных растворах расщепление эфиров карбоновых кислот в присутствии первичных аминов протекает в основном по двум направлениям: аминолиз (основная реакция) и щелочной гидролиз (побочная реакция): RHR =CnH2n+1 Вклад щелочного гидролиза в расщепление сложноэфирных связей незначителен [293]. Кинетические данные, характеризующие взаимодействие п-нитрофенилацетата (3) и и-нитрофениллаурата (4) с первичными аминами в микроэмульсиях различных типов, представлены в табл. 4.1. Из полученных результатов видно, что при одинаковой концентрации аминов наблюдаемые константы скорости (kobs) мало зависят от их гидрофобности. В то же время структура микроэмульсий влияет на этот параметр: переход от обращенной микроэмульсии к прямой сопровождается увеличением kobs- На основании зависимостей kobs расщепления субстратов (3) и (4) от концентрации аминов по уравнению к2 = (kobs-коУСащ вычислены усредненные по объему константы скорости второго порядка (кг) для процесса аминолиза (табл. 4.2).
Малополярные длинноцепочечные амины практически не растворимы в воде и сконцентрированы в масляной фазе или в межфазном слое. Константы скорости второго порядка, определенные для неводной части микроэмульсий 2,,,=(1-9) кг], позволяют учесть влияние фактора концентрирования на скорость процесса и должны отражать изменение микроокружения в реакционной зоне (фактор среды). Полученные значения к2їф (табл. 4.2) оказались достаточно близкими для всех типов микроэмульсий. Это позволяет предположить, что независимо от структуры микроэмульсий реакция протекает в близких по микрополярности областях. Для предварительной оценки места локализации компонентов реакции были получены к2 аминолиза эфира (3) в неполярном гексане и малополярном бутаноле (см. примечание к табл. 4.2), которые существенно меньше, чем к2 (р в микроэмульсиях. Следовательно, в микроэмульсиях процесс протекает в достаточно полярном межфазном слое. Внутри слоя зона реакции, вероятно, может несколько смещаться ближе к масляной или водной фазе в зависимости от гидрофобности реагентов. Об этом, например, может свидетельствовать увеличение значений к2 ф для процесса аминолиза ацетата (3) при переходе от цетиламина к гексиламину (табл. 4.2). Исследование микрополярности Микрополярность поверхности раздела фаз в микроэмульсиях на основе цетилтриметиламмония бромида была охарактеризована нами с помощью сольватохромного зонда Ет(30) [283, 284], существующего в щелочных средах в виде цвиттер-иона и гидрофобного флуоресцентного зонда пирена. В случае пирена использовались два параметра: отношение пиков тонкой структуры Ij/Із спектра флуоресценции и отношение интенсивностей эмиссии эксимер/мономер. 4.3.1. Сольватохромный зонд Ет(30) Соотношение гидрофильных и липофильных свойств молекул Ет(30) обеспечивают его локализацию в межфазном слое [13, 57, 84]. При этом гидрокси-группа зонда, диссоциированная в щелочной среде, будет взаимодействовать электростатически с головными группами катионного ПАВ, а гидрофобная часть направлена в масляную фазу. Такая локализация и подобный тип ориентирования в изучаемых микроэмульсиях можно предположить и для длинноцепочечных аминов, обладающих выраженными амфифильными свойствами. Влияние содержания воды в системе на параметр Ej(30) показано на рис. 4.6, на котором можно выделить три участка. На начальном участке (ф 0.22) величина Ет не зависит от содержания воды в системе.
Далее, в узком интервале 0.22 ср 0.25, наблюдается область резкого увеличения Ет, которая совпадает с переходом от обращенной микроэмульсии к биконтинуальной, границы которого определены ранее рядом физических методов [292]. При ф 0.25 Ет(30) снова не зависит от объемной доли воды, так как используемый зонд, по-видимому, не чувствует последующих структурных перестроек в системе и не позволяет зафиксировать переход от биконтинуальной микроэмульсии к прямой. Область этого перехода (ф = 0.4- 0.5) установлена ранее методами визкозиметрии и спектроскопии ЯМР ]Н с импульсным градиентом магнитного поля, а также подтверждена методом химической кинетики [292]. Таким образом, мы имеем комплексный подход для изучения структурных свойств микроэмульсий. Сравнение значений параметра Ет(30) в гексане (31.0), н-бутаноле (50.2), воде (63.1) [10] и изучаемых нами системах (52.2.-53.2) свидетельствует, что зонд локализован в межфазном слое, содержащем бутанол, в который частично проникает вода. Иной характер зависимости параметра Ет(30) от доли воды в изучаемых микроэмульсиях наблюдается в присутствии н-дециламина (рис. 4.6), который, как оказалось, делает зонд более чувствительным к структурным изменениям. В этом случае на графике можно выделить области существования обращенных (ф 0.2), биконтинуалъных (0.5 ф 0.25) и прямых микроэмульсий (ф 0.6), что согласуется с данными [292]. Изменения значений Ет, зависящие от концентрации дециламина (рис. 4.6), отражают, вероятно, те перестройки, которые происходят в системе и приводят к смене микроокружения зонда. В присутствии дециламина наблюдается незначительное смещение границ фазовых переходов в сторону более высокого содержания воды. Такое смещение границ наблюдалось и ранее при кондуктометрических исследованиях и связывалось с изменением пористости и гибкости межфазного слоя при изменении в нем содержания со-ПАВ (бутанола) [294]. Сопоставление сольватохромного и кинетического экспериментов показало, что микроэмульсии с объемной долей воды 0.77, 0.30 и 0.14 в присутствии дециламина характеризуются практически одинаковыми значениями Ет(30) (рис. 4.7) и близкими величинами бимолекулярной ф\ константы скорости аминолиза в неводной фазе (табл. 4.2). Проведение реакции взаимодействия дециламина с п-нитрофенилацетатом в микроэмульсии с ф = 0.25, характеризующейся наибольшим значением Ет(30) (53.15), позволяет получить 1) равное 1.56 л/моль-с. Таким образом, влияние полярности микроокружения (фактор среды) отражается в значениях k2)V аминолиза исследуемых эфиров. В то же время эффективные константы скорости этого процесса определяет фактор концентрирования: при введении одного и того же количества амина в микроэмульсии различных типов величина kobS выше в тех наносистемах, где меньше объем неводной фазы (табл. 4.1).
Определение окситетрациклина
Взаимодействие окситетрациклина (ОТС) с европием в воде и мицеллярных растворах различных ПАВ изучено ранее в диссертации Былинкина [369]. Окситетрациклин обладает слабой собственной флуоресценцией, максимум которой находится при 560 нм (рис. 6.18). Показано, что интенсивность сенсибилизированной флуорес-ценции европия, связанного в комплекс с окситетрациклином, значительно больше собственной флуоресценции как европия, так и тетрациклина. Сигнал сенсибилизированной флуоресценции европия обусловлен внутримолекулярным переносом энергии с лиганда (ОТС) на ион европия, поскольку энергия триплетного уровня ОТС выше энергии электронного уровня 5D0 иона европия. В связи с этим, спектр флуоресценции хелата Eu -ОТС характеризуется полосой с максимумом при 615 нм, относящимся к 5D0-7F2 переходу в ионе европия [370]. Сенсибилизированная флуоресценция тербия с ОТС нами не обнаружена. Оптимальные условия флуоресценции хелата Еи3+-ОТС-Фен-ПАВ: сЕи3+ =8.0хЮ 5М, сФе„=Зх10-4М, сОТс=1х0"5М, СПАВ=1 10"2М, рН 7.0-8.5 [369]. Максимальная интенсивность сенсибилизированной флуоресценции хелата Ті Ей -ОТС наблюдается в довольно узком интервале рН 8.0 ± 0.2. Хотя интенсивность флуоресценции хелата выше собственной эмиссии окситетрациклина примерно в 5-6 раз, однако, она все же относительно невелика. Среди апробированных вторых лигандов (Фен, ТОФО) наилучший эффект получен при использовании Фен. В присутствии ТОФО аналитический сигнал в системе Ей - ОТС при рН 9.0 увеличился в 2.5 раза, -7 і однако образование смешаннолигандного хелата Ей -ОТС-ТОФО сопровождалось появлением осадка. Добавка другого лиганда — фенантролина увеличивала интенсивность флуоресценции в 3 — 4 раза, практически не изменяя рН образования хелата и не вызывая выпадения осадка. Показано также, что наибольшее усиление происходит в присутствии анионных ПАВ, в частности додецилсульфата и додецилбензолсульфоната натрия. Повышение интенсивности флуоресценции хелата именно в мицеллах анионных ПАВ позволяет предположить, что солюбилизация и изменение полярности микроокружения связаны с взаимодействием положительно заряженного хелата с отрицательно заряженной поверхностью мицелл АПАВ. Нами при сравнении влияния мицелл и микроэмульсий на хелат Ей -ОТС из ПАВ апробировался только додецилсульфат натрия, а из лигандов только Фен. Установлено, что оптимальная концентрация Еи3+ равна 2-10"4М, при больших концентрациях постепенно появляется опалесценция.
Для выбора оптимальной концентрации 1,10-фенантролина в пробирку вносили 1 мл ацетатно-аммиачного буферного раствора с рН 8.0, затем вносили 0.1 мл раствора соли европия концентрации 1-10"2М, 0.5 мл ДДС Оптимальная концентрация 1,10-фенантролина составляет 1-Ю"3М, т.е. в 10 раз превышает концентрацию европия. Для выбора оптимальной концентрации ДДС в пробирку вносили 1 мл буферного раствора с рН 8.0, затем последовательно добавляли 0.1 мл раствора соли европия концентрации 1-1(ГМ, 0.5 мл 1,10-фенантролина концентрации 1-10"2М, 0.5 мл ОТС концентрации 1-10"3М, ДДС в интервале концентраций 2-Ю"3 — 1-Ю"1 М, добавляли буферный раствор до общего объема 5 мл, тщательно перемешивали и измеряли интенсивность флуоресценции (рис. 6.22). Для построения градуировочного графика и определения ОТС с помощью Ц системы Ей - Фен - ДДС были использованы растворы окситетрациклина с концентрацией в диапазоне 1-Ю"7 - 1-Ю"4 М. При приготовлении серии растворов градуировочного графика в пробирку вносили 1 мл буферного раствора с рН 8.0, затем добавляли 0.1 мл раствора соли европия с концентрацией 1-10-2М, 0.5 мл 1,10-фенантролина с концентрацией 1-10"2М, 0.5 мл ДДС с концентрацией 1-Ю"1 М, ОТС и буферным раствором разбавляли до общего объема 5 мл, смесь тщательно перемешивали и измеряли интенсивность флуоресценции (рис. 6.23). В качестве реакционной среды была выбрана микроэмульсия состава ДДС/н-пентанол/н-октан/вода типа масло/вода. Выбор данного типа микроэмульсии обусловлен использованием растворимых в воде соли тербия, флюмеквина и фенантролина. Влияние кислотности среды. Исследовали одновременно влияние рН и природы буферного раствора на систему ОТС - Ей - Фен в микроэмульсии указанного состава (рис. 6.24). Как видно из рисунка при использовании ацетатно-аммиачных и боратных буферных растворов интенсивность системы ОТС - Еи3+- Фен в 3 раза выше по сравнению с универсальной буферной смесью. Значение оптимального рН комплексообразования в боратных буферных растворах около 8.0 ± 0.5; в универсальной буферной смеси оптимальный интервал довольно широк рН 7.4 — 11.4; максимум рН сдвинут в ацетатно-аммиачных буферных растворах нейтральную область и оптимальный интервал рН равен 6.5 — 8.0.
В дальнейших исследованиях применяли ацетатно-аммиачный буферный раствор. Следует отметить, что значение рН 8.0 в микроэмульсии не отличается от мицеллярных растворов ДДС. Выбор оптимальной концентрации компонентов системы Оптимальные концентрации компонентов системы были подобраны при изучении мицеллярных сред на основе ДДС и они фактически не изменились при использовании указанной микроэмульсии. На основании полученных данных установлено, что оптимальная концентрация Еи3+ — 2х10 4М; Фен —1x10"3 М. Выбор типа микроэмульсионных систем Для исследования был выбран ряд микроэмульсионных систем, содержащих ДДС, пентанол, октан, вода (табл. 2.1). Содержание ДДС и пентанола было фиксировано в соотношении 1:2, а содержание воды и октана варьировали. Микроэмульсии готовили весовым методом. На рис. 6.25 приведена зависимость интенсивности флуоресценции системы ЕіГ - ОТС - Фен в микроэмульсиях ДДС/ н-октан/н-пентанол/вода от массового процентного содержания воды в микроэмульсиях.фенантролин в интервале концентраций 2-Ю"4—2-Ю"3 М, добавляли буферный раствор до общего объема 5 мл, раствор тщательно перемешивали и измеряли интенсивность флуоресценции (рис. 6.21). На зависимости можно выделить три участка: области существования обращенных (ф 0.2), биконтинуалъных (0.5 ф 0.25) и прямых микроэмульсий (ф 0.6), что согласуется с данными зонда Ет(30) в присутствии децил амина и пирена (см. глава 4). Таким образом, система Еи3+ - ОТС - Фен также позволяет фиксировать структурные переходы микроэмульсии состава ДДС/н-пентанол/н-октан/вода. На основании экспериментальных данных можно сделать вывод, что оптимальный состав микроэмульсии ДДС — 7.77 масс.%; н-пентанол — 14.49 масс.%; н-октан — 54.52 масс.%; вода — 23.32 масс.% (30/70). На рис. 6.26. представлены спектры флуоресценции системы Ей - ОТС - Фен в воде, мицеллах и микроэмульсии на основе ДДС. В результате проделанной работы нами получены следующие результаты. 1. Флуориметрическим методом впервые изучено комплексообразование тербия с антибиотиком флюмеквином и вторыми лигандами в воде, мицеллах додецилсульфата натрия, микроэмульсии типа масло/вода на основе ДДС и предложены методики определения флюмеквина в указанных типах организованных сред, основанные на сенсибилизированной флуоресценции тербия, связанного в смешаннолигандный комплекс. Показано, что преимуществом определения методом сенсибилизированной флуоресценции в организованных средах является более высокая чувствительность определения флюмеквина, а преимуществом микроэмульсий — не только более высокая чувствительность, но и большая солюбилизирующая способность, позволяющая применять более эффективные гидрофобные вторые лиганды. 2. Уточнены оптимальные условия комплексообразования европия с антибиотиком окситететрациклином в мицеллярных растворах додецилсульфата натрия и предложена методика определения окситетрациклина.
