Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Каталитическое восстановление ароматических нитросоединений 11
1.1. Реакция восстановления ароматических нитросоединений 11
1.2. Каталитическое восстановление ароматических нитросоединений
1.2.1. Катализаторы, содержащие переходные металлы 14
1.2.2. Гетерогенные катализаторы на стекловолокнистой тканной матрице 19
1.2.3. Гетерогенные катализаторы на металлополимерной матрице .20
1.2.4. Методы введения палладия в полимерную фазу 24
1.2.5. Кинетика и механизм каталитического восстановления ароматических нитросоединений 29
1.2.6. Влияние природы заместителя при каталитическом восстановлении ароматических нитросоединений
1.3. Нанореакторы для окислительно–восстановительных процессов 38
1.4. Наноконтейнеры для биологически активных соединений .41
1.5. Получение анестезина восстановлением этилового эфира п–нитробензойной кислоты 44
Глава 2. Характеристика объектов и методы исследования 49
2.1. Характеристика объектов исследования 49
2.2. Методики эксперимента 54
2.2.1. Методика гидрирования ароматических нитросоединений в нанореакторах на основе сульфированных сетчатых полимеров 54
2.2.2. Методика определения порядка реакции гидрирования 61
2.2.3. Методика определения динамической ионообменной емкости сульфокатионитов по анестезину 62
2.2.4.Методика иммобилизации анестезина в полимерных наноконтейнерах 63
2.2.5. Методика исследования кинетики десорбции анестезина 63
Глава 3. Гидрирование эфиров п–нитробензойной кислоты в нанореакторах на основе сульфированных сетчатых полимеров 66
3.1. Порядок реакции гидрирования этилового эфира п–нитробензойной кислоты по водороду .67
3.2. Кинетика гидрирования эфиров п–нитробензойной кислоты в нанореакторах на основе сульфированных сетчатых полимеров
3.3. Влияние диффузии на кинетику гидрирования 69
Глава 4. Нанореакторный синтез анестезина 75
Глава 5. Иммобилизация анестезина в наноконтейнеры на основе сульфированных сетчатых полимеров 79
Глава 6. Десорбция анестезина из полимерных наноконтейнеров 82
Заключение .87 Выводы .91 Список литературы
- Катализаторы, содержащие переходные металлы
- Кинетика и механизм каталитического восстановления ароматических нитросоединений
- Методика гидрирования ароматических нитросоединений в нанореакторах на основе сульфированных сетчатых полимеров
- Кинетика гидрирования эфиров п–нитробензойной кислоты в нанореакторах на основе сульфированных сетчатых полимеров
Введение к работе
Актуальность работы. В 1842 г. Н. Н. Зинин открыл реакцию восстановления ароматических нитропроизводных в ароматические амины действием сернистого аммония, синтезировав анилин, что стало основой современных наукоёмких технологий получения различных лекарственных препаратов, красителей, стабилизаторов полимеров, мономеров синтетических волокон.
При синтезе анестезирующих лекарственных препаратов соединений группы анестезина - новокаина - дикаина, являющиеся производными п-аминобензойной кислоты, ключевое место занимает стадия восстановления нитрогруппы до аминогруппы. В химико-фармацевтической промышленности получение прекурсоров и препаратов ряда анестезина - новокаина сопровождается многостадийной очисткой полупродуктов и конечных продуктов, снижением выхода препаратов, удовлетворяющих фармакопейным требованиям. Реакции жидкофазного гидрирования ароматических нитросоединений на гетерогенных катализаторах посвящено множество работ, вместе с тем продолжаются работы по оптимизации процесса. Перспективным является применение в качестве гетерогенных катализаторов металлополимеров и нанореакторов на основе сульфированных сетчатых полимеров.
Результаты фундаментальных исследований мирового уровня показали, что в реакторах малых размеров (нанореакторах) многократно ускоряются процессы теплопередачи и доставки реагирующих молекул друг к другу, что приводит к резкому повышению скорости и селективности химических превращений, к возможности создания высокопроизводительных и безотходных технологий. Молекула каликсарена, имеющая чашеобразную гидрофобную полость, окружённую гидрофильными группами, является типичным нанореактором. Показана возможность создания твердофазного нанореактора на основе сульфированного поликаликсрезорцинарена. Сульфированный сетчатый полимер на основе сг>-тетрафенилкалик[4]резорцинарена был получен
каталитической резольной конденсацией в Лаборатории супрамолекулярной химии полимеров Института углехимии и химического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук. Представляет интерес применение сульфированного поликаликсрезорцинарена в качестве нанореактора для синтеза биологически активных соединений. Вышеперечисленные обстоятельства определяют актуальность исследований, направленных на создание высокоэффективных каталитических систем на основе сульфированных сетчатых полимеров (сульфированного поликаликсрезорцинарена, сульфокатионита КУ-23 30/100), содержащих наночастицы палладия, стабилизированных полимерными матрицами, и использование их в реакциях гидрирования, что, в частности, ведет к совершенствованию технологии производства анестезирующих препаратов.
В настоящее время ведутся исследования по созданию полимерных
наноконтейнеров для иммобилизации лекарственных веществ с целью
обеспечения пролонгированного действия лекарственного препарата, которые
помогают реализовать заданную продолжительность высвобождения
лекарственной субстанции, консервацию и хранение лекарственных форм. В
качестве полимерных наноконтейнеров для лекарственных субстанций ряда
анестезина - новокаина (эфиров и-аминобензойной кислоты) могут быть
использованы сетчатые полимеры: катиониты и аниониты на полистирольных
матрицах типа Dowex-1, Dowex-50; бифункциональные
поликаликсрезорцинарены. В этой связи представляет интерес изучение десорбции анестезина из полимерных наноконтейнеров на основе сульфированных сетчатых полимеров.
В качестве объектов исследования в данной работе выбраны системы: - нанореакторы на основе сульфированных сетчатых полимеров (сульфированного поликаликсрезорцинарена, сульфокатионита КУ-23 30/100), содержащие наночастицы палладия и ароматические нитросоединения;
- наноконтейнеры на основе сульфированных сетчатых полимеров и
анестезин (субстанция, содержащая 99% этилового эфира и-аминобензойной
кислоты).
Целью работы является разработка физико-химических основ получения и иммобилизации анестезина в нанореакторах и наноконтейнерах на основе сульфированных сетчатых полимеров (сульфированного поликаликсрезорцин-арена, сульфокатионита КУ-23 30/100).
Для достижения цели работы необходимо решить следующие задачи:
- определить условия протекания, лимитирующую стадию и кинетические
характеристики реакции гидрирования эфиров и-нитробензойной кислоты в
нанореакторах на основе сульфированных сетчатых полимеров
(сульфированного поликаликсрезорцинарена, сульфокатионита КУ-23 30/100),
содержащих наночастицы палладия;
-выполнить нанореакторный синтез анестезина из этилового эфира и-нитробензойной кислоты;
- выполнить иммобилизацию анестезина в полимерных наноконтейнерах
на основе сульфированного поликаликсрезорцинарена и сульфокатионита КУ-
23 30/100 методом ионного обмена;
- исследовать кинетику десорбции иммобилизованного анестезина из
полимерных наноконтейнеров.
Научная новизна. Впервые проведено гидрирование ароматических нитросоединений в нанореакторах на основе сульфированных сетчатых полимеров, определены кинетические характеристики данного процесса. С помощью нанореакторного синтеза получен анестезин, соответствующий требованиям Международной фармакопеи [1].
Впервые выполнена иммобилизация анестезина в полимерные наноконтейнеры на основе сульфированных сетчатых полимеров. Получены данные по десорбции анестезина из наноконтейнеров, которые позволяют моделировать продолжительность высвобождения иммобилизованной лекарственной субстанции из наноконтейнера.
Достоверность экспериментальных результатов и выводов обеспечена использованием комплексного подхода при гидрировании ароматических нитросоединений, апробированных и широко используемых методик, статистической обработкой экспериментальных данных, с применением оборудования Центра коллективного пользования ФИЦ УУХ СО РАН.
Положения, выносимые на защиту:
физико-химические характеристики процесса гидрирования эфиров и-нитробензойной кислоты в нанореакторах на основе сульфированных сетчатых полимеров (сульфированного поликаликсрезорцинарена, сульфокатионита КУ-23 30/100), содержащих наночастицы палладия;
нанореакторный синтез анестезина из этилового эфира и-нитро-бензойной кислоты при давлении 1,013 хЮ5 Па и температуре 313 К, обеспечивающий содержание этилового эфира и-аминобензойной кислоты в продукте, соответствующее требованиям Международной фармакопеи;
ионообменный метод иммобилизации анестезина в полимерных наноконтейнерах: сульфированном поликаликсрезорцинарене и сульфокатионите КУ-23 30/100;
- кинетические характеристики десорбции иммобилизованного анестезина
из полимерных наноконтейнеров.
Практическая значимость. Гидрирование ароматических
нитросоединений в полимерных нанореакторах протекает с высокой селективностью, глубокой конверсией, обеспечивает стандартное качество целевых продуктов и представляет практический интерес для совершенствования технологий производства анестезирующих препаратов ряда анестезина - новокаина. Результаты исследования кинетики десорбции (высвобождения) анестезина в виде нейтральных молекул и катионов из полимерных наноконтейнеров позволяют моделировать фармакокинетику.
Личный вклад автора. Результаты, изложенные в диссертации, получены автором в совместной работе с сотрудниками Лаборатории супрамолекулярной химии полимеров ФИЦ УУХ СО РАН, участие которых отражено в публикациях
по теме диссертации. В совместных публикациях автору принадлежат результаты, сформулированные в положениях, выносимых на защиту.
Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы доложены на Конференции молодых ученых «Актуальные вопросы углехимии и химического материаловедения» (Кемерово, 2012 г.); XIII Всероссийской научно-практической конференции имени профессора Л.П. Кулёва студентов и молодых ученых с международным участием «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2012 г.); IV Всероссийской конференции «Актуальные вопросы углехимии и химического материаловедения» (Кемерово, 2015 г.).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы и ее результаты полностью отражены в 8 научных работах, из них 5 статей опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК и включенных в системы цитирования Scopus, Chemical Abstracts.
Научно-исследовательская работа по теме диссертации является частью исследований, проводимых в соответствии с научным направлением СО РАН «Современные проблемы химии материалов, включая наноматериалы» по бюджетной теме «Твердотельные нанореакторы на матрице сетчатых полимеров для совершенствования технологий синтеза биологически активных соединений» (№ гос. регистрации 01201055790).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, выводов, списка цитируемой литературы из 196 наименований. Работа изложена на 119 страницах и включает 30 рисунков, 9 таблиц.
Катализаторы, содержащие переходные металлы
Из рисунка 1.2 и таблицы 1.2 видно, что каталитическая активность палладийуглеродных материалов на матрице кемерита, имеющей наибольшую удельную поверхность углеродной подложки, несколько превышает каталитическую активность палладия на известном углеродном носителе сибуните [98]. Каталитическая активность палладия на карбонизате угля марки СС, содержащем значительное количество микропор, уменьшается в 5–6 раз [98]. Исследовано [99, 100] влияние природы матрицы и процентного содержания палладия на каталитическую активность палладиевых катализаторов, нанесенных на оксидные матрицы и наноалмаз, в реакции гидрирования нитробензола. Работы М. В. Клюева, В. Д. Копыловой, А. Д. Помогайло, М. Г. Абдуллаева [101–106] посвящены гидрированию нитросоединений, галоиднитросоединений, алкилированию и этерификации нитросоединений с использованием металлополимеров: палладия на анионитах АН–1, АВ–17, поливинилпиридине и Pd/C. В экспериментальных исследованиях [101, 102] рассмотрен синтез анестетиков ряда новокаин–дикаин гидрированием производных п– нитробензойной кислоты. Условия реакции: температура – 25–60С, растворитель – этанол, пропанол, толуол, давление – атмосферное [101].
Важную роль в исследованиях на молекулярном уровне в области гетерогенного катализа играет целенаправленный синтез активных центров посредством связывания комплексов металлов данного химического состава с поверхностью носителя [5].
Разработанные В. А. Лихолобовым с сотрудниками [107] катализаторы гидрирования Pd/C, готовят последовательным наращиванием слоя атомов палладия, связанных с определенными функциональными группами на поверхности носителя. Последовательность стадий приготовления таких катализаторов показана на рисунке 1.3 [5]. Этим способом могут быть получены нанесенные палладиевые катализаторы с контролируемыми размером частиц палладия и структурой. Рисунок 1.3. Схема приготовления катализаторов Pd/C путем последовательного наращивания атомов палладия в закрепленном комплексе [5]. Установлено [5], что частицы одинаковой структуры, но различного размера имеют разные активность и селективность.
Одними из наиболее доступных органических носителей являются ионообменные смолы [108, 109]. В качестве полимерной основы используются низкоосновные аниониты [110], полученные аминированием этилендиамином (АН–221), диэтилентриамином (АН–511) или полиэтиленполиамином (АН–541) хлорметилированного сополимера стирола и дивинилбензола (8 мол. %). Анионит, содержащий Pd(II), получали [110] в статических условиях при контакте протонированной формы анионита с раствором K2PdCl4 при 200С и соотношении анионит : раствор = 1:15. Содержание палладия в катализаторе составляло 1 масс. %. Каталитические свойства палладийсодержащих анионитов АН–221, АН–511 и АН–541 апробировали в реакции гидрирования нитробензола и гидрогенизационном аминироровании изобутаналя анилином при 50С и атмосферном давлении. Показано [103, 111], что активность изученных катализаторов увеличивается с ростом длины аминной функциональной группы носителя.
В настоящее время нашли широкое применение в каталитических процессах комплексы переходных металлов, закрепленных на поверхности органических или минеральных основ [111]. В работе [111] синтезированы комплексы металлов VIII группы с аниотами АН-1, АВ-17-8, АВ-18гс, АН-2фн, АН-31, ЭДЭ 10 п, Дауэкс 1-8, Вофатит ES и катионитом КБ-4. Размер частиц ионитов - 0,1—0,2 мм [111]. Синтез комплексов проводили следующим образом [111]: ионит, заливали водным раствором соли необходимого для синтеза металла (для анионитов: K2PdCl4, K2RhCl6, K2PtCl6, K3Fe(CN)6, КзСо(т3)бО,5Н20; для катионита: CoCl2, PdCl2, NiCl2, RhCh). Содержание металлов в комплексах определяли по убыли концентрации соответствующих ионов в растворе спектрофотометричеcким методом. Полученные комплексы с массовым содержанием металла 1% были испытаны на активность в модельных реакциях гидрирования нитробензола и гидрогенизационного аминирования изобутаналя нитробензолом [111]. Показано [111], что наиболее активными являются комплексы палладия. При проведении аминирования изобутаналя нитробензолом в присутствии КБ-4 с поверхности катионита смывался металл, что говорит о низкой стабильности, повторное использование также невозможно по причине падения активности почти до нуля уже при двукратном использовании [111]. Комплексы палладия с анионитами в ОЯ форме (АН-1, АВ-17-8) оказались более стабильными как при многократном использовании, так и при длительном использовании (после 18 часов непрерывной работы потери Pd составили всего 0,5%).
Кинетика и механизм каталитического восстановления ароматических нитросоединений
В реактор (1), нагретый до необходимой температуры, загружали 0,2 г нитросоединения (рисунок 2.2), точно взвешенную на аналитических весах навеску катализатора 0,1 г и 10 мл растворителя. Систему продували инертным газом (Аг), затем водородом. Установку после окончания продувки заполняли водородом. За начало реакции принимали начало перемешивания реакционной среды. Процесс гидрирования контролировали по поглощению водорода через каждые 4 минуты. Гидрирование заканчивали, когда объем водорода не изменялся в течение 30 минут.
Для предотвращения побочного процесса переэтерефикации гидрирование метилового, этилового и пропилового эфиров проводили в метиловом, этиловом и пропиловом спирте соответственно. Гидрирование нитробензола проводили в этиловом спирте, п –нитробензойной кислоты - в воде при 338 К.
Из экспериментальных данных о скорости расходования одного из компонентов от времени dci /dt, можно иметь представление о скорости протекания химической реакции в любой момент времени. Вместе с тем для расчета константы скорости реакции необходимо сохранить постоянство состава реакционной смеси, температуры и давления. Метод начальных скоростей [182] обеспечивает выполнение этих условий, т.к. при этом получаем lim(dCj/dt)c с тр . В этой связи для расчета каталитической активности мы использовали метод начальных скоростей.
Каталитическая активность катализатора ак на основе сульфированных сетчатых полимеров, содержащих наночастицы палладия, определялась как количество водорода, поглощенного реакционной средой в единицу времени: , (2.1) К At где Апн - количество молей поглощенного водорода, моль; At - время, мин. Количество молей поглощенного водорода рассчитывали по формуле: VH2 tin I (2.2) где VH - объем поглощенного водорода, мл; mPd - масса палладия в навеске сульфокатионита, г; Vfj - объем водорода при температуре Т, мл; Т - температура, К. Объем водорода при температуре Т считали по формуле: УІ = 2 н-у- т , (2.3) П9 где РЬ2 = Ратм. - Р 2о; (2.4) Рн о – давление насыщенных паров воды при температуре Т; VH2ny (760 мм.рт.ст., 298 К) = 24,12 л - объем моля водорода при нормальных условиях. Энергию активации Е процесса можно оценить из (dlncjd—) по Cfc; С\... экспериментальным данным о каталитической активности, определенной по методу начальных скоростей [182], при различных температурах. Если энергия активации Е в данном интервале температур и составов постоянна, то для ее расчета используют уравнение Вант-Гоффа [183]: t = In —, (2.5) где R - газовая постоянная, Дж/(мольК); TltT2 - температура, К; vltv2 - скорость реакции гидрирования при температурах 7\ и Т2 . Экспериментальные данные, испльзуемые для расчета каталитической активности и энергии активации по методу начальных скоростей, приведены на рисунках 2.3 – 2.9.
Зависимость поглощения водорода от времени при гидрировании этилового эфира п –нитробензойной кислоты на сульфокатионите КУ-23 30/100 при температурах: 1 - 308 К; 2 - 328 К.
Оценка погрешности определения каталитической активности 8ак, рассчитанной из кинетических данных, осуществлялась в соответствии с теорией случайных погрешностей для серий измерений с доверительной вероятностью 0,9 [184] .
Максимальные погрешности при оценки энергии активации по уравнению Вант-Гоффа найдены по формуле SE = +2 І І Ч Т2-Тг (2.6) где 8Е - абсолютная погрешность; єа]с - относительная погрешность определения каталитической активности. 2.2.2. Методика определения порядка реакции гидрирования Определение порядка реакции по водороду проводили на установке (рисунок 2.2) при температуре 333 К и давлении 1,013 105 Па. Для определения порядка реакции по водороду в термостатируемую реакционную колбу (1) помещали 0,1 г сульфированного поликаликсрезорцин-арена, содержащего палладий, и раствор этилового эфира п –нитробензойной кислоты в воде. Систему продували аргоном в течение 20 минут. Набирали определенный объем водорода в термостатируемую бюретку (3), а затем при помощи уравнительной склянки (4) вытесняли его в термостатируемую реакционную колбу. Потом набирали необходимый объем аргона в термостатируемую бюретку и вытесняли в реакционную колбу. Смесь газов перемешивали при помощи уравнительной склянки. Проводили реакцию гидрирования данной смесью, включив электромагнитную мешалку (2). Соотношение водорода и аргона варьировались. Регистрировали поглощение водорода через каждые 4 минуты.
Скорость реакции определяли, как отношение объема поглощенного водорода в единицу времени: vt2 vu V — , (2.6) At где Vt , Vt - объем поглощенного водорода при времени ti и t2, мл; At - время, мин. Давление водорода при 333 К вычисляли по формуле (2.4). В таблице 2.3. представлены рассчитанные из экспериментальных данных значения давления водорода при
Методика гидрирования ароматических нитросоединений в нанореакторах на основе сульфированных сетчатых полимеров
При гидрировании этилового эфира п–нитробензойной кислоты уравнение скорости реакции можно записать, как (3.2) v = к PJJ где к - константа скорости реакции; PJ\ - парциальное давление водорода, атм; п - порядок реакции по водороду. Приведение уравнения (3.2) к линейному виду даёт следующие (3.3) lnv = lnfc + nlnPi н2. выражение:
Для определения порядка реакции по водороду на рисунке 3.2 приведена зависимость скорости реакции от давления в логарифмических координатах; тангенс угла наклона равен порядку реакции n (экспериментальные данные, таблица 2.3 стр.62).
Зависимость скорости реакции гидрирования этилового эфира п –нитробензойной кислоты от давления водорода. Из рисунка 3.2 видно, что тангенс угла наклона равен 1, т.е. реакция гидрирования этилового эфира п–нитробензойной кислоты по водороду имеет первый порядок.
Как известно [187], гетерогенные реакции характеризуются как процессом химического превращения, происходящего в пределах реакционной зоны или на реакционной поверхности раздела, так и различными процессами переноса вещества. Общая скорость гетерогенного превращения зависит от скоростей двух процессов: химической реакции и диффузии. Следовательно, возможны реакции, протекающие согласно этим двум предельным случаям. С одной стороны, имеются процессы, скорость которых ограничена в основном скоростью химической реакции на поверхности раздела, с другой – существуют процессы, скорость которых лимитируется скоростью диффузии.
Известно (глава 1, стр. 13), что процесс гидрирования ароматических нитросоединений (3.1) проходит в три стадии: ArNO2 + H2 = ArNO + H2O (1.1) ArNO + H2 = ArNHOH (1.2) ArNHOH + H2 = ArNH2 + H2O (1.3) Предположим, что лимитирующей стадией процесса (3.1) является реакция (1.1). Тогда, вероятно, скорость превращения определяется замедленной диссоциацией адсорбированной молекулы водорода H2 - Н2адс - ЯаЭс + ЯаЭс , (3.4) или диффузией реагирующих компонентов для реализации их столкновения с катализатором в полимерной фазе.
Процессы (3.4) и диффузии будут характеризоваться различающимися энергиями активации. Для процесса (3.4) можно ожидать, что энергия активации должна быть сопоставима с энергией разрыва связи ИИ (432 кДж/моль [188]). Кинетические кривые гидрирования нитробензола, и–нитробензойной кислоты, метилового, этилового и пропилового эфиров и–нитробензойной кислоты в присутствии сетчатых полимеров (сульфированного поликаликсрезорцинарена, сульфокатионита КУ-23 30/100), содержащих нанодисперсный палладий, при 308 К и давлении 1,013 105 Па приведены на рисунке 3.3.
Характеристики процесса гидрирования ароматических нитросоединений на палладийсодержащих полимерах при 308 К и давлении 1,013105 Па, рассчитанные по методу начальных скоростей, приведены в таблице 3.1. 20000
Зависимость поглощения водорода от времени при гидрировании ароматических нитросоединений с участием сульфированных сетчатых полимеров, содержащих нанодисперсный палладий: 1 – п–нитробензойной кислоты, 2 – нитробензола, 3 – метилового, 4 – этилового, 5 – пропилового эфиров п–нитробензойной кислоты на сульфированном поликаликсрезорцинарене; 1 – п–нитробензойной кислоты, 2 – нитробензола, 4 – этилового эфира п–нитробензойной кислоты на сульфокатионите КУ–23 30/100. Таблица 3.1. Каталитическая активность и энергия активации процесса гидрирования ароматических нитросоединений с участием сульфированного поликаликсрезорцинарена и сульфокатионита КУ–23 30/100, содержащих нанодисперсный палладий Исходное соединение Каталитическая активность, ак х 103 мольЯУмин-rprf Энергия активации, кДж/моль ± 9 СУЛЬФИРОВАННЫЙ ПОЛИКАЛИКСРЕЗОРЦИНАРЕН ArN02 4,9 ± 0,4 CH3OOCArN02 3,7 ± 0,3 ± C2H5OOCArN02 7,0 ± 0,7 ± C3H7OOCArN02 8,1 ± 0,8 ± HOOCArN02 1,2 ± 0,1 ± ArN02 СУЛЬФОКАТИОНИТ КУ-23 30/100 10,7 ± 0, C2H5OOCArN02 11,2 ± 1,1 ± HOOCArN02 2,7 ± 0,4 ± Из кинетических характеристик (рисунок 3.3 и таблица 3.1) реакции (3.1) видно, что процесс гидрирования нитрогруппы в эфирах п–нитробензойной кислоты протекает с высокими скоростями в мягких условиях. При давлении газов, равном 1,013105 Па и температуре 308 К каталитическая активность сетчатых полимеров, содержащих нанодисперсный палладий, находится в интервале от 3,710-3 до 1110-3 моль Н2/минг палладия; расчетная энергия активации процесса гидрирования в ряду исследованных ароматических нитросоединений варьируется в интервале 24 – 45 кДж/моль (таблица 3.1). По нашим экспериментальным данным (рисунок 3.2) процессы гидрирования нитросоединений в присутствии полимерных нанокомпозитов, содержащих нанодисперсный палладий, имеют первый порядок по водороду. Палладий в процессе гидрирования по данным рентгеновской дифрактометрии (рисунок 2.1) остается в нулевой степени окисления. Каталитическая активность исследуемых нанокомпозитов сопоставима с каталитическими свойствами кристаллических частиц палладия, закрепленных на поверхности углерода, в реакции восстановления трифторметилнитробензола [107], проведенной в аналогичных условиях. Не обнаружено снижение каталитической активности нанокомпозитов и механических разрушений полимеров, содержащих Pd, после 5000 циклов гидрирования. Как видно из рисунка 3.3 и таблицы 3.1, каталитическая активность на сульфокатионите КУ–23 30/100 выше. Макропористая структура КУ–23 30/100 приводит к тому, что доставка реагентов (нитроароматических соединений и водорода) к катализатору протекает с большей скоростью, чем на сульфированном поликаликсрезорцинарене.
Формальная кинетика не позволяет различить реакции 1–го порядка и диффузии [189]. В подтверждение диффузионного механизма говорят следующие обстоятельства: маленькая энергия активации и относительно большая каталитическая активность на сульфокатионите КУ–23 30/100. Кинетическая кривая (рисунок 3.4) показывает наличие индукционного периода при гидрировании нитробензола в присутствии сульфированного поликаликс– резорцинарена, вероятно, необходимого для диффузионной доставки объекта гидрирования к катализатору.
Кинетика гидрирования эфиров п–нитробензойной кислоты в нанореакторах на основе сульфированных сетчатых полимеров
Для моделирования фармакокинетики процессов высвобождения лекарственных субстанций in vivo требуются данные по кинетике их десорбции из полимерных наноконтейнеров. В этой связи, в данной главе рассмотрена кинетика десорбции иммобилизованного анестезина из полимерных наноконтейнеров на основе сульфированных сетчатых полимеров (сульфированном поликаликсрезорцинарене и сульфокатионите КУ-23 30/100).
Кинетика ионного обмена с участием сильных электролитов и монофункциональных ионитов описана в классической работе Ф. Гельфериха [193]. Ранее в Лаборатории супрамолекулярной химии полимеров исследовали [116] кинетику ионного обмена на бифункциональных катионитах с участием сильных электролитов. Анестезин является слабым электролитом. Кислотная константа ионизации Ка его протонированного основания равна 10–268 моль/дм3 [16].
В данной работе изучена кинетика десорбции слабого электролита -анестезина из сильнокислотных катионитов: сульфированного поликаликсрезорцинарена и сульфокатионита КУ-23 30/100.
Процессы сорбции и десорбции протонированного анестезина с участием сульфокатионитов, протекающие по механизму ионного обмена можно описать уравнением 6.1: RSO +Н+ + С9HnО2NH+ = С9HnО2NH+ + RSO + Я+, (6.1) где черта означает принадлежность к полимерной фазе. Процессы сорбции и десорбции неионизированных молекул анестезина сульфокатионитом в Н– форме неионизированным элюентом описываются уравнением 6.2: RSO; +н++С9HUО2N = С9нпО2ж++RSO . (6.2) На монофункциональном ионите диффузионная кинетика ионного обмена в полимерной сферической частице радиуса г0, контактирующей с проточным постоянно обновляющимся раствором, описывается известной [146] зависимостью: F = l-4S \Qxp(-Dwn2x2t/r02} (6.3) 71 п = \ її где F - степень превращения, равная отношению количества катионов, обменявшихся ко времени t, к полной обменной емкости ионита; Dw - коэффициент взаимодиффузии обменивающихся катионов в полимере. Кинетика десорбции катионов протонированного основания, протекающая по механизму ионного обмена приведена на рисунке 6.1. F
Для диффузии из сферических гранул полимера в раствор ограниченного объема с хорошо перемешиваемым растворителем, первоначально свободным от растворенного вещества, предложено [194] уравнение: где qn – ненулевые корни уравнения tg qn объемы раствора и полимера, К – соотношение равновесных концентраций растворенного вещества в полимере и растворе. Кинетика десорбции неионизированных молекул слабого основания из сферических гранул полимера в раствор ограниченного объема с хорошо перемешиваемым растворителем приведена на рисунке 6.2. F 0,8
По полученным нами экспериментальным данным (глава 6 стр. 84-85, рисунок 6.1 и рисунок 6.2, [195]) с применением уравнений (6.3) и (6.4) рассчитаны коэффициенты диффузии анестезина в полимерной фазе [196]. Коэффициент взаимодиффузии катионов протонированного анестезина в сульфированном поликаликсрезорцинарене равен (0,65 ± 0,06) 10–13 м2/c; в сульфокатионите КУ – 23/100 – (1,21 ± 0,23) 10–12 м2/c [196].
Коэффициент диффузии неионизированных молекул анестезина находится в интервале (0,65 ± 0,15) 10–14 м2/c [196]. Исходя из полученных данных о кинетике десорбции анестезина из наноконтейнера соляной кислотой (рисунок 6.1) и водой (рисунок 6.2), время высвобождения анестезина при десорбции с использованием в качестве элюента соляной кислоты меньше, чем при десорбции с применением воды в качестве элюента. Полученные кинетические характеристики позволяют моделировать желаемую фармакокинетику, например, заданную продолжительность высвобождения иммобилизованной лекарственной субстанции из наноконтейнера. Времена полупревращения при десорбции анестезина из сульфированного поликаликсрезорцинарена при десорбции соляной кислотой (рисунок 6.1) и водой (рисунок 6.2) составляют 1 час и 3 часа соответственно. Для биологически активных веществ это имеет принципиальное значение. В частности, иммобилизованный в катионите анестезин в живом организме будет быстро продуцировать активный компонент только при попадании в желудок, в котором секретируется свободная соляная кислота.