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 46 микроэмульсий 65
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 ДЦС — Brij-3 5 70
4.2. Обращенная мицеллярная система ДЦС — спирт — вода 76
4.3. Микроэмульсии на основе ЦТАБ 80
4.3.1. Сольватохромный зонд Ет(30) 84
4.3.2. Индекс полярности 1Х/13 пирена 87
4.3.3. Отношение Iex/Im 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 94
5.2. Таутомерное равновесие производного урацила в мицеллах ПАВ и микроэмульсиях 102
5.2.1. Таутомерное равновесие 5-гидрокси-6-метилурацила в растворах поверхностно-активных веществ 103
5.2.2. Таутомерное равновесие 5-гидрокси-6-метилурацила в микроэмульсии ДДС/н-октан/н-пентанол/вода 110
6. Практическое использование микроэмульсий 113
6.1. Определение флюмеквина 13 119
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. 121
6.1.4. Выбор оптимальных условий сенсибилизированной флуоресценции в системе ТЬ -Flu-Фен-ДДС
6.1.5. Выбор оптимальных условий сенсибилизированной флуоресценции системы ТЬ3+-Р1и-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 Ей34" - ОТС - Фен - ДДС
6.2.3. Выбор оптимальных условий сенсибилизированной флуоресценции в системе Ей - ОТС — Фен в микроэмульсии состава ДДС/н-октан/н-пентанол/вода
Выводы 148
- Использование молекулярных зондов для интерпретации изменений химических реакций и таутомерных равновесий в организованных системах
- Детерминант и коэффициенты устойчивости жидкостей
- Обращенная мицеллярная система ДЦС — спирт — вода
- Таутомерное равновесие производного урацила в мицеллах ПАВ и микроэмульсиях
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
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
4; задачи:
9 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 п ирена позволяет фиксировать изменение структуры и
10 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 моноазо соединений, 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 ДЦС.
Разработана методика определения флгамеквина в модельной системе (мясо
курицы — антибиотики), основанная на использовании
сенсибилизированной флуоресценции тербия в присутствии фенантролина и
его производных в мицеллах ДЦС и микроэмульсии ДЦС/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
12 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
пирєна) 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. 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 АСМН 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]. 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 додецилсулъфат (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. Этанол СгН5ОН, ректифицированный по ГОСТ 18300-72 очищали перегонкой. В этиловый спирт добавляли осушитель едкий натр (NaOH) из расчёта 80 г на 1 литр и перманганат калия (КМп04) в качестве окислителя. Через сутки этанол перегоняли, чистую фракцию отбирали при температуре 78.3С. Очистку растворителей проводили до исчезновения люминесценции в области 390-650 нм. н-Бутанол С4Н9ОН, ч.д.а. ГОСТ 6006-78 очищали перегонкой по методике [217]. Чистоту очищенного н-бутанола по отсутствию люминесценции. н-Пентанол С5НцОН (н-амиловый спирт), ч. очищали согласно [219] перегонкой над осушителями основного характера (СаО, ВаО и т.д.). Оксид бария предварительно прокаливали в муфельной печи при t = 600 - 700С в течении двух часов. Процесс очистки был модифицирован кипячением над ВаО с обратным холодильником в течение двух часов, далее смесь перегоняли. Чистоту очищенного н-пентанола контролировали по показателю преломления: п17 (неочищ.) = 1.4081; п17 (очищ.) = 1.4101; п20 (литер.) =1.4101 и отсутствию люминесценции. н-Гексан нормальный QH(4, ч.д.а. ТУ 2631-003-05807999-98 очищали согласно [217] н-Гептан нормальный эталонный С7Н16, ч.д.а. ГОСТ 5.395-70 очищали по методикам [217,218]. н-Октан нормальный CgHig, «ч» ТУ 6-09-3748-74 , массовая доля основного вещества не менее 98.3%, очищали согласно [217]. н-Октан смешивали с концентрированной серной кислотой (1/4 часть от объёма очищаемого октана). Смесь оставляли на сутки. Перегонку осуществляли на установке аналогичной для очистки н-пентанола. Чистую фракцию собирали при температуре 125,7С. Чистоту очищенного н-октана контролировали по показателю преломления: п37 (неочищ.) = 1.4094; п17 (очищ.) = 1.3974; п20 (литер.) = 1.3974 и отсутствию люминесценции.
Детерминант и коэффициенты устойчивости жидкостей
Термодинамической характеристикой устойчивости жидкофазной системы по отношению к внешним воздействиям является детерминант устойчивости. Его величина позволяет качественно и количественно охарактеризовать равновесные состояния системы [233]. Несмотря на это детерминант устойчивости чрезвычайно редко используется при исследовании жидкофазных систем [233, 235]. Причина — трудности экспериментального определения параметров входящих в уравнения (3.7) и (3.9). Так работы по экспериментальному определению Рт и Су жидкостей весьма немногочисленны даже для индивидуальных жидкостей [236, 237], не говоря уже о растворах и тем более о микроэмульсионных системах. В этой ситуации полезно отыскание общих закономерностей в поведении функции Dy и определяющих её коэффициентов устойчивости, т.к. расчёт коэффициентов устойчивости требует меньшего числа экспериментальных данных. К настоящему времени накоплен массив результатов экспериментального исследования плотности, изотермической сжимаемости и изохорной теплоёмкости некоторых индивидуальных жидкостей [238-250]. Содержание этого массива данных позволяет вычислить детерминант и коэффициенты устойчивости индивидуальных жидкостей, изучить зависимость их Dy и коэффициентов устойчивости от температуры и давления, проанализировать поведение этих функций для жидкостей с различным надмолекулярным строением. Всё это должно позволить найти общие закономерности в поведении детерминанта и коэффициентов устойчивости жидкостей. Решению указанной задачи посвящен данный параграф. Если известен механический коэффициент устойчивости и термический коэффициент устойчивости то по (3.7) детерминант устойчивости равен По уравнениям (3.10) - (3.12) с использованием данных работ [238, 240, 243, 235, 249] были рассчитаны политермы коэффициентов и детерминанта устойчивости слабо ассоциированных и ассоциированных жидкостей. Ассоциированные жидкости были представлены жидкофазными системами с цепочечной и пространственной ассоциацией молекул. Зависимости Ту = _ДТ), Му = ,ДТ) и Dy = ДТ) некоторых слабо ассоциированных (н-гептан, бензол), цепочечно ассоциированных (н-пропанол) и пространственно ассоциированных (глицерин, вода) жидкостей приведены на рис. 3.3 - 3.8. Из зависимостей Ту =ДТ), представленных на рис. 3.1, 3.2, видно, что термическая устойчивость жидкостей либо увеличивается с ростом температуры (бензол, н-гептан, глицерин, вода), либо остаётся практически неизменной (н-пропанол).
В противоположность этому механический коэффициент устойчивости жидкостей (рис. 3,3, 3.4) уменьшается с ростом температуры. Исключение составляет политерма механического коэффициента устойчивости воды: она первоначально возрастает, достигая максимального значения при (45 - 50)С, а затем убывает. Политермы детерминанта устойчивости (рис. 3.5, 3.6) всех жидкофазных систем повторяют общий вид зависимости от температуры их механического коэффициента устойчивости; даже вода не является исключением. Из сопоставления рис. 3.8 и 3.9 следует, что термический и механический коэффициенты устойчивости имеют разные зависимости от давления: Ту — монотонно убывающая, а Му — монотонно возрастающая функция. Кроме того, видно (рис. 3.9, 3.10), что характер зависимости Dy = ДР) определяет вид функциональной зависимости от давления механического коэффициента устойчивости (так же как общий вид функции Dy = ДТ) . определяет вид функции Му =ДТ)). На рис. 3.10 — 3.12 представлены зависимости коэффициентов и детерминанта устойчивости жидкостей гомологического ряда н-алканов от числа атомов углерода в молекуле - п. Для расчёта Ту=Дп), Му=Дп) и Dy = Дп) использовались данные работ [241, 246]. Видно (рис. 3.10 - 3.12), что термическая устойчивость убывает при переходе от низших к высшим членам гомологического ряда, а механическая устойчивость и детерминант устойчивости возрастают. То есть внутри гомологического ряда, также выполняется закономерность: общий вид зависимости детерминанта устойчивости определяет механический коэффициент устойчивости. Итак, анализ коэффициентов и детерминанта устойчивости индивидуальных жидкостей с различным надмолекулярным строением при различных температурах и давлении, а также в гомологическом ряду н-алканов позволяет сформулировать следующую закономерность: общий вид зависимости детерминанта устойчивости жидкостей определяет зависимость их механического коэффициента устойчивости. 3.3. Строение и механический коэффициент устойчивости жидкостей [252] В предыдущем параграфе решалась задача об отыскании общих закономерностей в поведении детерминанта и коэффициентов устойчивости жидкостей. Было показано, что общий вид функциональной зависимости Dy жидкостей определяет вид зависимости их механического коэффициента устойчивости (ЗЛО). Следовательно, об изменении термодинамической устойчивости системы можно судить по её механическому коэффициенту устойчивости. При изучении строения вещества методом термодинамической устойчивости важно знать закономерности взаимосвязи строение — детерминант устойчивости. С учётом итогов предыдущего параграфа эти закономерности будут подобны закономерностям взаимосвязи строение — механический коэффициент устойчивости. На физическом факультете СГУ выполнены измерения рт и р жидких н-алканов, н-спиртов, диаминов, диолов, аминоспиртов [253-258], что позволяет рассчитать их механические коэффициенты устойчивости. Основные представления о структуре указанных групп жидкостей со сходным молекулярным строением сформировались и освещены в литературе, которая будет указана ниже в контексте.
Таким образом, сложились объективные условия для нахождения закономерностей взаимосвязи между строением и термодинамической устойчивостью жидкостей. Эта задача решается в данном параграфе. Жидкие н-алканы и н-спирты Потенциал взаимодействия определяет все детали структуры жидкости и все её свойства [259]. Вопрос о природе ассоциатов в н-алканах является дискуссионным. Ряд авторов считает, что н-алканы — слабо ассоциированные жидкости за счёт С-Н...С связей, энергия которых 4 кДж/моль [260-262]. Энергия связи в таких ассоциатах со слабой Н-связью равна энергии связи в ван-дер-ваальсовых ассоциатах [263]. Многие авторы считают, что ассоциация в алканах идёт за счёт ван-дер-ваальсовых взаимодействий [264, 265]. Однако, все исследователи едины во мнении, что особенностью межмолекулярных взаимодействий в н-алканах является их однотипность и практическая равнозначность, а их число растёт пропорционально числу атомов углерода в углеводородной цепочке. В отличие от н-алканов межмолекулярные связи в н-спиртах не равнозначны. Можно выделить две группы связей: 1) с энергией (21 - 23) кДж/моль [260, 266] (водородные связи 0-Н...О)и 2) более слабые связи с энергией 4 кДж/моль [267] (связи, подобные связям в н-алканах). При малых значениях п основные особенности строения и свойств н-спиртов определяют Н-связи [260, 264, 268, 269]. При увеличении групп 0 в молекуле спирта, наряду с увеличением межмолекулярных взаимодействий по механизму, аналогичному для н-алканов, имеет место экранирование гидроксильной группы углеводородным радикалом, в результате чего свойства спиртов и н-алканов сближаются [253]. При равном числе атомов углерода в молекуле н-алкана и углеводородном радикале спирта энергия межмолекулярного взаимодействия в спирте больше, чем в алкане. Это следует из сопоставления справочных данных [270] по критическим температурам и теплотами испарения жидких н-алканов и н-спиртов. Большее по сравнению с алканами значение энергии межмолекулярных взаимодействий (ММВ) в спиртах объясняется наличием нейтральных Н-связей между молекулами этих жидкостей. Структурный анализ жидких н-алканов выполнен от гексана до гептадекана [264]. Итог структурного анализа: жидкие н-алканы обладают однотипным ближним порядком, соответствующим плотной упаковке молекул; среднее число ближайших соседей на расстоянии 5.6 А близко к шести; при переходе к высшим н-алканам степень упорядоченности молекул повышается.
Обращенная мицеллярная система ДЦС — спирт — вода
Каталитическая активность трёхкомпонентных систем, содержащих обращенные мицеллы ПАВ, в которых неполярным компонентом является спирт, а не углеводород, исследовано мало, в отличие от систем, содержащих прямые мицеллы. Установлено, что скорость щелочного гидролиза О-этил-О-п-нитрофенилэтилфосфоната (2) существенно изменяется при переходе от воды к обратно-мицеллярным организованным средам вода-спирт-ПАВ: Был выбран ряд обращенных мицеллярных систем состава додецилсульфат натрия (ДЦС), н-спирт, вода. В качестве спиртов использовали н-бутанол и н-гексанол. Указанные спирты имеют разную полярность среды, а также разную длину углеводородного радикала, что позволит регулировать полярность и межфазной поверхности раздела спирт-вода [280, 281]. Модель обращенной мицеллы представлена на рис. 4.3. В изучаемой системе можно выделить три микрообласти: водное ядро (образовано солюбилизированнои водой), поверхностный слой, состоящий их молекул ДДС и спирта, а также гидратированных молекул воды и объёмную масляную фазу. Из рис.4.4 видно, что с ростом концентрации ДДС и воды величина Ет(30) линейно увеличивается, т.е. полярность микроокружения зонда в обоих случаях растёт. Растворимость Ет(30) в воде очень мала (7.2-10"6 М), поэтому его гидрофобные молекулы могут локализоваться либо в зоне поверхности раздела мицеллы, либо в бутанольной дисперсионной среде. Сравнение значений параметра Ет(30) в н-бутаноле (50.2), воде (63.1) и в обращенных мицеллах ДДС (52.7-53.4) позволяет сделать предположение, что зонд локализован в зоне межфазной поверхности раздела мицеллы. Взаимодействие реагента Еу(30) с мицеллой ДДС, вероятно, осуществляется за счёт как электростатических (N4), так и гидрофобных сил. Увеличение полярности микроокружения с ростом концентрации ДДС и воды может быть связано с увеличением концентрации воды в области локализации зонда, т.к. при постоянном значении W и увеличении концентрации ПАВ одновременно увеличивается и процентное содержание воды вблизи поверхности раздела. Отметим, что чем больше величина W, тем влияние концентрации ДЦС сильнее, а общей концентрации воды слабее. Таким образом, одной из основных причин увеличения полярности среды в межфазном слое является гидратация ДЦС. Для сопоставления результатов, полученных для зонда Ет(30) с результатами гидролиза эфира фосфоновой кислоты важно, что последний также локализуется в зоне поверхности раздела обратной мицеллы. Это связано прежде всего с одинаковой природой полярной группы обоих веществ, в частности фенольного гидроксила. Из рис. 4.5 видны два эффекта.
Первый состоит в том, что использование в обращенных мицеллах более полярного спирта значительно снижает эффективность катализа. Сопоставление этих результатов с данными по изменению Ет(30) позволяет сделать предположение, что причиной уменьшения реакционной способности является повышение полярности микроокружения реагентов при замене н-гексанола на н-бутанол. Второй состоит в том, что при увеличении концентрации ДЦС и величины W, наблюдаемая константа скорости гидролиза субстрата в обращенных мицеллах также уменьшается. Таким образом: 1. с увеличением концентрации ДЦС и воды параметр Ет(30) увеличивается; константа скорости гидролиза субстрата уменьшается 2, с уменьшением длины углеводородного радикала спирта наблюдаемая константа скорости гидролиза при одной и той же концентрации ДЦС уменьшается, а параметр Ет(30) увеличивается. Это может быть связано с влиянием двух факторов: эффектом увеличения расстояния между компонентами реакции, поскольку размер обратных мицелл при участии н-бутанола больше, чем у н-гексанола, и увеличением полярности микроокружения субстрата. 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, +) 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): R и R — СпН2л+і 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 (k s) 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 k2 = (к0ь5-ко)/Сап, вычислены усредненные по объему константы скорости второго порядка (к2) 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 [k2i(p=(l-cp)xk2], позволяют учесть влияние фактора концентрирования на скорость процесса и должны отражать изменение микроокружения в реакционной зоне (фактор среды). Полученные значения к. (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,ф 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 гидрофоб ности 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 її/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].
Таутомерное равновесие производного урацила в мицеллах ПАВ и микроэмульсиях
Производные урацил а относятся к группе пиримидиновых оснований и представляют собой пример успешного направленного подхода к созданию противоопухолевых препаратов [309, 310]. 5-Гидрокси-6-метилурацил, _ синтезированный в Институте органической химии Уфимского научного центра РАН, относится к классу иммуномодуляторов [311]. Известно, что одной из важнейших проблем химии нуклеиновых оснований, является их таутомерное превращение в живых организмах, которое лежит в основе общепринятой теории спонтанного возникновения мутаций. Поэтому поиск корреляции между таутомерной формой гетероциклического основания и его ролью в процессе биосинтеза является актуальным. Ранее были изучены физико-химические свойства урацила [312] и некоторых его производных [313, 314], в частности таутомерия 5-гидрокси-6-метилурацила в водных растворах [224, 315]. Между тем, очевидно, что среда, Ш а, следовательно, свойства и физиологическое действие соединения в животных тканях отличаются от таковых в обычных водных растворах. В то же время наибольшее сходство с биологическими системами обеспечивает использование организованных мицеллярных сред. В этом случае состояние среды изменяется не во всём растворе, а только в микроокружении частицы реагента, т. е. локально [1]. В связи с этим нами была поставлена задача — изучить влияние природы ф ПАВ на характер таутомерного равновесия 5-гидрокси-6-метилурадила. Представлены результаты спектрофотометрического изучения кето-енольного таутомерного равновесия 5-гидрокси-6-метилурацила в мицеллах Бридж-35, ЦТАБ, ДДС и микроэмульсии состава ДДС/н-октан/н-пентанол/вода при фиксированном соотношении вода/масло. Исследования таутомерных равновесий проводили в растворах поверхностно-активных веществ различной природы: катионные — цетилтриметиламмония бромид (ЦТАБ), анионные — додецилсульфат натрия (ДДС), неионных — оксиэтилированный алифатический спирт Бридж-35. при выборе ПАВ одним из основных условий являлось отсутствие собственного поглощения в интервале 220-360 нм, т. к. в этой области спектра расположены полосы поглощения кето- и енольной форм реагента. Спектры поглощения 5-гидрокси-6-метилурацила в воде и растворах ПАВ приведены на рис. 5.8.-5.11. Известно, что при рН 7.2 урацил и его производные находятся в дикетоформе [317]. Соответствующая полоса поглощения уридина и 3-метилуридина имеет максимум при 262 нм. В случае 5-гидрокси-6-метилурацила этот максимум смещается до 278 нм, что связано с влиянием гидроксильной группы в положении 5 [224].
Анализ экспериментальных результатов позволяет сделать следующие заключения. - Солюбилизация 5-гидрокси-б-метилурацила на поверхности мицелл всех типов ПАВ происходи, вероятно, как за счёт гидрофобных, так и донорно- акцепторных взаимодействий. - Максимумы спектров поглощения реагента в мицеллах всех трёх типов ПАВ практически совпадают с максимумами его спектров в водных растворах (табл. 5.3). Это свидетельствует о том, что микроокружение частицы реагента в воде и солюбилизированного в мицеллах ПАВ практически одинаково. В течение часа интенсивность енольной формы в воде и мицеллярных растворах ПАВ значительно уменьшается (рис. 5.13). Меньше всего этот эффект проявляется в мицеллах Бридж-35. Поэтому все измерения проводили непосредственно после приготовления растворов в течение 2 мин. Влияние природы буферных растворов Для создания рН использовали ацетатно-аммиачные (табл. 5.5), боратные [318] буферные системы, а также гидроксид натрия. Рассчитанные значения констант таутомерии в воде и мицеллярном растворе на примере ДДС представлены в таблице 5.6. Видно, что природа буферного раствора и появление в растворе мицелл ДДС не влияет на их значения. Сопоставление с рис. 5.13 свидетельствует о локализации 5-гидрокси-6-метилурацила на обводнённой поверхности мицелл ДДС. Влияние ионной силы раствора изучали на примере водных растворов. Установлено, что при увеличении ионной силы раствора значение рКт уменьшается. Так при I 0.001, 0.01, 0.05, и 0.1 значения рКт равны 8.7 ±0.1, 8.6 ± 0.1, 8.6 ± 0,1 и 8.3 ± 0.2, соответственно, что согласуется с известными по теоретическими представлениями. Дальнейшие исследования мицеллярных и микроэмульсионных систем проводили при I = 0.05 М. Для изучения кето-енольного равновесия 5-гидрокси-б-метилурацила в микроэмульсиях были выбраны два типа систем: масло в воде (м/в) и вода в масле (в/м). В обоих случаях в спектре присутствуют две полосы поглощения, однако соотношение их интенсивности и общая интенсивность полос для различных микроэмульсий отличаются (рис. 5.14). Видно, что в обращенной микроэмульсии (в/м) произошло значительное понижение оптической плотности в сравнении с оптической плотностью в микроэмульсии типа м/в. Меньшее значение интенсивности полосы поглощения реагента в микроэмульсии типа в/м связано, вероятно, с особым состоянием воды в водном ядре такой микроэмульсии. Оптическая плотность в прямой микроэмульсии (м/в) меньше, чем в воде (рис. 5.8) и мицеллах ДЦС (рис. 5.11). Присутствие спирта в микроэмульсии, вероятно, способствует большему погружению субстрата вглубь мицеллы, по сравнению с ДЦС. Из таблицы видно, что в микроэмульсии и мицеллах нПАВ происходит небольшое увеличение величины рКт.
Данный факт связан с условиями солюбилизации урацила: при увеличении концентрации менее полярной таутомерной формы реагент погружается в оксиэтилированный слой Бридж-35, а в случае микроэмульсий находится в более гидрофобном окружении (благодаря присутствию спирта происходит гидрофобизация поверхности раздела; или происходит связывание реагента за счёт водородных связей с молекулами спирта). Выводы по главе 5 1. Для изучения структуры микроэмульсий предложен новый спектральный зонд, основанный на использовании рК таутомеризации Тропеолина 000. Тропеолин 000 мало пригоден для изучения таутомерного равновесия в мицеллах, но хорошо зарекомендовал себя в качестве зонда для изучения структуры микроэмульсий. 2. Показана сильная зависимость таутомерного равновесия моноазосоединений от природы организованных систем и природы реагента. 3. Впервые исследовано таутомерное равновесие 5-гидрокси-6-метилурацила в биоподобных системах (мицеллах и микроэмульсиях), изучено влияние природы ПАВ и микроэмульсий. В данной главе представлены примеры практического использования микроэмульсий: применение микроэмульсий на основе додецилсульфатата натрия для определения флюмеквина (антибиотик ряда фторхинолонов) и окситетрациклина (антибиотик ряда тетрациклинов) в биологических тканях по сенсибилизированной флуоресценции тербия и европия, соответственно. щ Флюмеквин относится к группе фторхинолонов. Наличие атома фтора в молекуле хинолона расширяет спектр антимикробной активности данного класса антибиотиков. В настоящее время флюмеквин используется в качестве лекарственного средства в ветеринарии [319, 320]. Флюмеквин входит также в состав кормовых добавок, использующихся в животноводстве, рыбном хозяйстве, птицеводстве для профилактики заболеваний. Длительное употребление флюмеквина даже в малых дозах вместе с пищевыми продуктами может вызвать у человека целый ряд негативных реакций: аллергию, приостановку развития костных тканей у детей, рак. В 2002 году приняты новые Европейские нормы содержания хинолонов в пищевых продуктах [321]. Согласно этим нормам максимально допустимое предельное содержание флюмеквина в мышцах рыбы 600 нг/кг [321], в % мышцах курицы 100 — 400 нг/кг [322]. В связи с этим флюмеквин определяют в мышцах курицы [320, 323, 324], рыбы [325—331], свинины [320, 331], коровьем молоке [332, 333], биологических жидкостях домашних животных [334-336] и рыб [337, 338], а также при изучении фармакокинетики флюмеквина. Основными методами определения фторхинолонов являются микробиологический и высокоэффективная жидкостная хроматография ; [339]. Микробиологический метод, основанный на подавлении активности Escherichia coli [340] прост, однако, весьма длителен в исполнении и обладает низкой чувствительностью (100-250 мкг/кг).
