Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 12
1.1. Основные физико-химические и комплексообразующие свойства биологически значимых неорганических анионов 12
1.1.1. Роль неорганических ионов в биохимических процессах 12
1.1.2. Лиотропные ряды ионов 14
1.1.3. Состояние неорганических ионов в водном растворе 17
1.1.4. Ион-ионная ассоциация в водном растворе 21
94- 94
1.1.5. Комплексообразование катионов Са и Mg с биологически значи мыми лигандами 26
1.2. Влияние неорганических солей на свойства ароматических карбоно-вых кислот 29
1.3. Эффекты неорганических солей в комплексообразовании цикло-декстринов
1.3.1. Краткое описание строения и свойств цикло декстринов 33
1.3.2. Комплексообразование циклодекстринов с ароматическими карбо-новыми кислотами в водном растворе 39
1.3.3. Взаимодействия циклодекстринов с неорганическими ионами в водном растворе 43
1.3.4. Влияние солей на константы равновесия процессов комплексообра-зования 46
1.3.5. Роль неорганических ионов в процессах образования комплексов включения циклодекстринов с различными гостями з
Глава 2. Экспериментальная часть 59
2.1. Н ЯМР спектроскопия 59
2.2. Спектрофотомерия 63
2.3. Определение стехиометрии образующихся комплексов 65
2.4. Калориметрия растворения 67
2.5. Метод изотерического насыщения 73
2.6. Расчет долевого распределения частиц ароматических карбоновых кислот в водном растворе 74
27. Характеристика используемых реактивов 77
Глава 3. Обсуждение результатов 79
3.1. Взаимодействия циклодекстринов с неорганическими солями 80
3.2. Взаимодействия неорганических катионов с ароматическими карбоновими кислотами 85
3.3. Эффекты анионов СГ, Br", Н2РО4" и SO42" в комплексообразовании циклодекстринов с кислотами 91
3.4. Влияние катионов К+, Na+, Mg2+ и Са2+ на комплексообразование циклодекстринов с ароматическими карбоновими кислотами 112
3.5. Одновременное влияние катионов и анионов на комплексообразование циклодекстринов с кислотами 122
Заключение 125
Список используемой литературы 1
- Роль неорганических ионов в биохимических процессах
- Комплексообразование катионов Са и Mg с биологически значи мыми лигандами
- Определение стехиометрии образующихся комплексов
- Эффекты анионов СГ, Br", Н2РО4" и SO42" в комплексообразовании циклодекстринов с кислотами
Введение к работе
Актуальность темы и степень ее разработанности. Микрокапсулирование лекарственных и биологически значимых соединений становится все более популярным в фармацевтике, косметологии и пищевой индустрии, поскольку позволяет решить многие прикладные задачи, такие как предохранение активного ингредиента от воздействия внешней среды и преждевременного метаболизма, постепенное высвобождение в нужных дозах в течение необходимого времени, повышение растворимости, биодоступности и активности.
Одним из направлений микрокапсулирования является создание циклодекстриновых комплексов. Циклодекстрины представляют собой природные макропиклические олигосаха-риды, состоящие из остатков глюкозы. Благодаря наличию внешней гидрофильной поверхности и внутренней гидрофобной полости пиклодекстрины способны образовывать водорастворимые комплексы включения типа «гость-хозяин» со многими органическими молекулами. В связи с этим, к настоящему времени накоплен достаточно богатый материал по ком-плексообразованию пиклодекстринов с различными органическими субстратами. В большинстве работ внимание исследователей направлено на определение структуры комплексов и их устойчивости в растворе, и лишь в незначительной части публикаций рассматриваются эффекты среды (природа и состав растворителя, рН) в комплексообразовании циклодекстри-нов.
Применение лекарственных препаратов и биологически активных веществ, капсули-рованных циклодекстринами, предполагает, что они в виде комплексов включения попадают в биологическую среду живого организма, основными компонентами которой, кроме воды, являются неорганические соли. Присутствие солей может привести к усложнению взаимодействий и, таким образом, значительно изменить представление о комплексообразовании, полученное для чисто водных растворов. Именно специфические солевые эффекты могут быть непредсказуемыми, и их выявление и детальное описание является необходимым.
Цель исследования состояла в установлении основных закономерностей влияния неорганических солей, составляющих основу биологических жидкостей и обеспечивающих функционирование живых систем, на комплексообразование пиклодекстринов с ароматическими карбоновыми кислотами, некоторые из которых являются витаминами и лекарственными препаратами.
Основные задачи исследования заключались в следующем: - провести термодинамическое и структурное описание комплексообразования а- и 0-пиклодекстринов с никотиновой, бензойной и аминобензойными кислотами в воде и в растворах биологически значимых неорганических солей (КС1, NaCl, СаСЬ, MgCb, КВг, KH2P04hK2S04);
выявить специфическое влияние катионов (К+, Na+, Са +, Mg ^) и анионов (СГ, Br", Н2РО4 SO4 ") на процессы комплексообразования, которое определяется способностью неорганических ионов вступать во взаимодействия с циклодекстринами и кислотами;
рассмотреть возможность образования тройных комплексов Т ТД/кис лота/ион;
проанализировать влияние природы и свойств неорганических ионов на термодинамические и структурные характеристики процессов образования комплексов а- и Р-циклодекстринов с ароматическими карбоновыми кислотами;
установить зависимость проявления эффектов неорганических солей от строения пикло-декстринов и кислот.
Научная новизна. В диссертационной работе с привлечением методов Н ЯМР и УФ-спектроскопии впервые исследовано влияние неорганических солей на комплексообразова-ние а- и Р-циклодекстринов с ароматическими карбоновыми кислотами. Показано, что при добавлении в раствор электролитов происходит изменение термодинамических параметров комплексообразования пиклодекстринов с кислотами, в то время, как структура комплексов остается неизменной. Установлено, что специфическое влияние Na , Са и Mg , проявляющееся в ослаблении комплексообразования пиклодекстринов с кислотами, обусловлено электростатическим притяжением катионов к карбоксильным группам кислот и последующим образованием ионных пар -COO".. .Catn+. По сравнению с Вг" и Н2Р04", эффекты СГ и S042" являются неспецифическими и определяются изменением ионной силы раствора. Бромид-ион способен образовывать с пиклодекстринами комплексы включения и конкурировать с молекулой кислоты за расположение внутри макропиклической полости. Анион Н2РО4 вступает в конкурирующие взаимодействия с кислотами, что приводит к ослаблению устойчивости комплексов пиклодекстринов с кислотами. Впервые обнаружен и охарактеризован тройной комплекс Р-циклодекстрин/НгРОд/бензойная кислота.
Выявлено, что влияние двухзарядных катионов, а также объемных и менее гидратиро-ванных неорганических анионов на комплексообразование пиклодекстринов с ароматическими карбоновыми кислотами является более существенным. Специфичность эффектов солей определяется природой электролита, строением и ионизационным состоянием молекул кислот и одинаково проявляется в комплексообразовании а- и Р-циклодекстринов.
Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты диссертационного исследования позволяют глубже понять роль неорганических солей в процессах комплексообразования пиклодекстринов с карбоновыми кислотами. На их основе показано, что при обсуждении термодинамических параметров комплексообразования пиклодекстринов с кислотами в растворе фонового электролита необходимо принимать во внимание не только изменение ионной силы раствора, но и возможные специфические взаимодействия неорганических ионов с органическими реагентами. Как правило, понижение устойчивости комплексов пиклодекстринов с кислотами, наблюдающееся при введении в раствор фонового электроли-
та, обусловлено протеканием конкурирующих взаимодействий пиклодекстрин-ион и кислота-ион. Напротив, повышение констант устойчивости комплексов связано с процессом образования тройного комплекса пиклодекстрин/ион/кислота. Полученные в работе данные представляют интерес для исследователей, работающих в области физической химии растворов и супрамолекулярных соединений.
Результаты, полученные в диссертационной работе, представляют не только научный, но и практический интерес. Данные о влиянии неорганических солей, составляющих основу внутренней среды живого организма, на комплексообразование пиклодекстринов с ароматическими карбоновыми кислотами могут быть использованы при разработке процессов мик-рокапсуляпии биологически активных веществ. Показано, что неорганические соли не влияют на стехиометрический состав и способ образования комплексов пиклодекстринов и ароматическими карбоновыми кислотами. Устойчивость комплексов включения понижается в присутствии большинства неорганических солей, причем влияние анионов Вг" и Н2Р04 и
двухзарядньгх катионов Са и Mg наиболее выражено. Установленные закономерности проявления солевых эффектов важны для фармацевтики и могут быть полезны при прогнозировании поведения получаемых комплексов включения в условиях, приближенных к физиологическим.
Методология и методы диссертационного исследования. Решение поставленных задач осуществлялось с привлечением Н ЯМР и УФ-спектроскопии, калориметрии растворения, метода изотермического насыщения. Сочетание нескольких экспериментальных методов позволило получить целостную информацию о комплексообразовании в рассматриваемых системах: установить способ образования комплексов и их стехиометрический состав, рассчитать и проанализировать термодинамические параметры комплексообразования. Компьютерное моделирование равновесий в растворах было выполнено с целью выбора наиболее оптимальных условий проведения эксперимента и корректного обсуждения полученных результатов.
В работе использовалось оборудование Центра коллективного пользования «Верхневолжский региональный центр физико-химических исследований» при ИХР РАН.
Положения, выносимые на защиту:
термодинамика и способ образования комплексов а- и Р-циклодекстринов с ароматическими карбоновыми кислотами в воде и в растворах неорганических солей;
селективность комплексообразования а- и Р-пиклодекстринов с неорганическими анионами в воде;
взаимодействия неорганических катионов с ароматическими карбоновыми кислотами в водном растворе;
влияние анионов на комплексообразование а- и Р-циклодекстринов с ароматическими карбоновыми кислотами;
эффекты катионов в процессах образования комплексов включения пиклодекстринов с рассматриваемыми кислотами;
термодинамика образования тройного комплекса циклодекстрин/кислота/ион;
взаимное влияние неорганических катионов и анионов на комплексообразование а- и 0-пиклодекстринов с никотиновой и жета-аминобензойными кислотами.
Достоверность полученных результатов и выводов обеспечивается
использованием современного оборудования и методов физико-химического анализа, а
также подтверждается воспроизводимостью экспериментальных данных.
Термодинамические параметры комплексообразования пиклодекстринов с ароматическими карбоновыми кислотами в воде, полученные в данной работе и имеющиеся в литературе, хорошо согласуются между собой. Результаты, выносимые на защиту, и выводы по работе не противоречат основным теоретическим положениям в области физической и супрамолекулярной химии.
Связь темы диссертации с плановыми исследованиями. Диссертационная работа была выполнена в лабораториях ИХР РАН «Химия гибридных наноматериалов и супрамолекулярных систем» (2012-2014 гг.) и «Физическая химия лекарственных соединений» (2015 г.) в соответствии с планом НИР «Научные и технологические основы получения функциональных материалов и нанокомпозитов» (№ гос. регистрации 01201260483, 2012-
Н.В.).
Работа поддерживалась грантами РФФИ №12-03-97516-р_центр_а (2012-2014 гг.) и Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.» (№8839, 2012-2013 гг.). Часть результатов была получена при сотрудничестве с Институтом физической химии ПАН (г.Варшава, Польша).
Апробация работы. Результаты диссертационной работы были представлены на следующих конференциях: Научная конференция-фестиваль студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодая наука в классическом университете» (Иваново, 2012 г.); IX Региональная студенческая научная конференция «Фундаментальные науки специалисту нового века» (Иваново, 2012 г.); VII, VIII и IX Всероссийских школах-конференциях молодых ученых «Теоретическая и прикладная химия жидкофазных систем» (Иваново, 2012, 2013, 2014 гг.); IX Всероссийская конференция «Химия и медицина» с молодежной научной школой по органической химии (Уфа, 2013 г.); XIX and XX International Conference on Chemical Thermodynamics in Russia (Москва, 2013 г.; Нижний Новгород, 2015 г.); 11 Mediterranean Conference on Calorimetry and Thermal Analysis (Греция, Афины, 2013 г.); Ill Международная конференция «Супрамолекулярные системы на поверхности раздела» (Туапсе, 2013 г.); XXVI Международная Чугаевская конференция по координационной химии (Казань, 2014 г.); Всероссийская молодежная конференция-школа с международным участием «Достижения и проблемы современной химии» (Санкт-Петербург, 2014 г.); XII
Всероссийская конференция с международным участием «Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах. От эффектов в растворах к новым материалам» (Иваново, 2015 г.).
Личный вклад автора заключается в изучении и анализе литературных источников, проведении экспериментальных исследований и расчете термодинамических и структурных характеристик исследуемых процессов. Постановка цели и задач исследования, написание публикаций и обсуждение результатов проводилось совместно с научным руководителем. Результаты исследования были представлены автором в докладах на конференциях различного уровня.
Автор выражает благодарность д.х.н. Альперу Г.А. и кх.н. Кумееву Р.С. за помощь в проведении ЯМР эксперимента.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы полностью отражены в 19 научных работах: 5 статьях в ведущих зарубежных рецензируемых научных журналах, включенных в Перечень рекомендованных ВАК Российской Федерации, и в тезисах 14 докладов на Всероссийских и Международных конференциях.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, глав литературного обзора, экспериментальной части и обсуждения результатов, выводов и списка использованной литературы (209 источников). Содержание работы изложено на 150 страницах печатного текста, включая 24 таблицы и 47 рисунков.
Роль неорганических ионов в биохимических процессах
Одним из основных условий жизнедеятельности клеток организма человека является неравномерное распределение ионов натрия и калия в клетке и вокруг нее. Оба эти катиона играют важнейшую роль в поддержании кислотно-щелочного баланса организма, нормального осмотического давления крови и регуляции водного обмена. Основное количество (около 50%) ионов Na+ содержится в костях и хрящах, 40% - во внеклеточных жидкостях и менее 10% - внутри клеток. Калий преимущественно (90%) находится внутри клеток в соединении с белками, углеводами и фосфором [4].
Кальций и магний являются основными внутриклеточными катионами [5]. Кальций - необходимый участник процесса мышечного сокращения, важнейший компонент свертывающей системы крови, входит в состав костей и хрящей, является стабилизатором клеточных мембран. Основное количество ионов магния содержится в костях, мышцах и печени, около 1% во внеклеточном пространстве. Магний - структурный элемент костной ткани, стабилизирует клеточные мембра-ны, уменьшая их текучесть и проницаемость. Катион Mg уменьшает возбудимость нервно-мышечной системы, сократительную способность миокарда и гладких мышц сосудов, оказывает депрессивное действие на психические функции [6]. Глава Главным анионом внеклеточной жидкости является СГ. В организме он находится преимущественно в ионизированном состоянии в форме солей натрия, калия, кальция, магния и др. Анионы хлора участвуют в создании и поддержании осмотического давления жидкостей организма, в синтезе соляной кислоты в желудке, а также являются активаторами ряда ферментов [4].
Ионы SO4 " и РО4 " в большом количестве содержатся во внутриклеточной жидкости, где концентрация их выше, чем во внеклеточной среде, в 40 раз. Фосфаты - необходимый компонент клеточных мембран, структурный компонент костей и зубов, играют ключевую роль в метаболических процессах. Сульфаты входят в состав многих биологически активных веществ, необходимы для обезвреживания токсических веществ в печени [7].
Бром относится к микроэлементам, содержание которых в клетке составляет до 0.001%. К настоящему времени многие аспекты биологической роли брома еще не выяснены. В организме человека бром участвует в регуляции деятельности щитовидной железы, так как является конкурентным ингибитором йода. Соединения брома участвуют в деятельности клеток иммунной системы. Анионы Вг" содержатся в крови, мозге, печени и почках [8].
Лиотропные ряды ионов Электролиты, добавленные в раствор, могут оказывать влияние на свойства растворителя (вязкость, поверхностное натяжение, растворяющую способность и др.), а также на скорость и термодинамические характеристики физико-химических процессов, протекающих в среде данного растворителя [9]. Это влияние называется лиотропным действием ионов, и оно обусловлено, главным образом, сольватацией (в случае водных систем - гидратацией) [10, 11]. По мере усиления или ослабления влияния на свойства растворителя ионы располагаются в лиотропные ряды (или ряды Гофмейстера), которые были установлены Ф. Гофмейстером при изучении высаливания альбумина натриевыми солями различных Глава кислот [12, 13]. Ф. Гофмейстер построил ряды ионов, обладающих одинаковым противоионом, на основе их способности высаливать протеины [14]: N(CH3)4+ Mi/ Cs+ Rb+ K+ Na+ Li+ Mg2+ Ca2+ S042" HPO42" OH" СГ Br" N03" СЮ4" CNS" PF6"
Существование лиотропных рядов объясняется различной гидратируемо-стью ионов. Последовательность ионов в этих рядах соответствует уменьшению энергии гидратации. Слабо гидратированные катионы располагаются слева, а сильно гидратированные - справа. Для анионов эта последовательность противоположна. Данное различие обусловлено разными по знаку зарядами ионов. При изменении состава растворителя, концентрации ионов водорода и температуры порядок расположения ионов в лиотропных рядах может меняться вплоть до полного обращения [15, 16].
Исследования, начатые Ф. Гофмейстером по изучению специфических эффектов солей более 120 лет назад, продолжаются и сейчас [14]. До настоящего времени последовательность, полученная Гофмейстером для ионов (или солей), остается не до конца понятой. При объяснении этой последовательности и предсказании солевых эффектов учитывается роль ион-ионных взаимодействий и взаимодействий ион-вода. Разъяснения одних ученых базируются на рассмотрении сил притяжения, других - на обсуждении геометрии взаимодействующих частиц. Кроме того, существуют исключения в расположении ионов, обусловленные свойствами изучаемой системы. Некоторые ионы можно расположить в иной последовательности. Например, ион гуанидиния слабо гидратирован, в соответствии с этим он должен располагаться в левой части лиотропного ряда. С другой стороны, этот ион сильный денатурат, и по этому признаку должен находиться в правой части ряда.
Для объяснения последовательности расположения ионов в лиотропных рядах К. Коллинсом была предложена концепция, согласно которой, ионы рассматриваются как сферы с зарядом, локализованном в центре [5, 17]. Небольшие ионы Глава 1 с высокой плотностью заряда сильно связываются с молекулами воды и называ-ются космотропами (Na , Са , фосфаты). Хаотропы - большие моновалентные ионы с низкой плотностью заряда, которые не связываются с молекулами воды (К+, СГ, Вг"). Различие между этими ионами обусловлено разной силой взаимодействий ион-Н20, которая сравнивается с взаимодействием Н20-Н20.
К. Коллинсом [5, 17] было высказано предположение, что небольшие сильно гидратированные ионы противоположного заряда испытывают сильное притяжение, образуя при этом ионные пары с разрушением сольватных оболочек. То же самое происходит при взаимодействии двух слабо гидратированных ионов противоположного заряда. Ионные пары легко образуются, так как сольватная оболочка разрушается из-за того, что молекулы воды слабо связаны с ионом. Взаимодействие сильно и слабо гидратированных ионов приводит к образованию сольваторазделенных ионных пар, которые менее устойчивы. Достоинство этой концепции состоит в том, что она объясняет изменение положения ионов в лио-тропном ряду в зависимости от свойств системы и окружения.
Как правило, специфические эффекты катионов менее выражены, чем специфические эффекты анионов. При одинаковой плотности заряда анионы сильнее гидратированы, чем катионы. Это обусловлено тем, что анионы взаимодействуют с атомами водорода молекулы воды, что способствует образованию водородных связей между молекулами Н20 внутри сольватной оболочки. Для катионов, которые взаимодействуют с атомом кислорода, образование водородных связей не наблюдается. Данное предположение верно, если рассматривать только взаимодействия ионов с водой. Однако, если существуют ион-ионные взаимодействия или взаимодействия ионов с заряженными боковыми группами растворенных веществ, то эффекты катионов могут быть более существенными [5, 14]. Следует отметить, что в современной литературе ряд экспериментов по эффектам солей в биологических и коллоидных системах объясняется с позиций приведенных выше работ.
Комплексообразование катионов Са и Mg с биологически значи мыми лигандами
В литературе встречаются немногочисленные публикации [96, 140, 146, 155, 156, 163-174], в которых рассматривается проявление солевых эффектов в комплексообразовании циклодекстринов. Рассмотрим их подробнее.
В работе [155] было изучено влияние сульфата и перхлората натрия на взаимодействие а-ЦД с 3-хлорпербензойной кислотой. Авторы приводят следующие значения констант устойчивости комплексов включения в воде и в солевых растворах: К(Н20)=412, K(Na2SO4)=540 и K(NaC104)=277 М"1. Анион СЮ4\ являясь хаотропом, проявляет всаливающий эффект и, тем самым, увеличивает количество несвязанной кислоты в растворе. Кроме того, анион СЮ4 способен ассоциировать с кислотой, и этот процесс способствует ослаблению связывания кислоты с ЦД. Дополнительный эффект обусловлен расположением перхлората внутри макроциклической полости и образованием комплексов с а-ЦД (табл. 1.7). Однако проникновение аниона СЮ4 не является глубоким, и он располагается вблизи первичных гидроксильных групп ЦД, что служит стерическим препятствием для включения молекулы кислоты. Напротив, ион S04 " относится к космотропам и проявляет эффект высаливания. В присутствии этого аниона кислота стремиться занять относительно гидрофобную полость ЦД, что приводит к возрастанию константы устойчивости комплекса а-ЦД с 3-хлорпербензойной кислотой в растворе Na2S04. Эти вклады отражаются на термодинамических параметрах процессов образования комплексов. Изменения энтальпии и энтропии комплексообразования становятся более отрицательными в присутствии NaC104, а на фоне Na2S04 эти величины, наоборот, менее отрицательны. Глава 1
Авторами [146] с привлечением калориметрии было исследовано влияние солей Na2S04, CH3COONa, NaCl, NaN03, Nal, NaSCN на комплексообразование p-ЦД и ГП-Р-ЦД с желчными кислотами. Более сильное взаимодействие ЦД с кислотами наблюдается в присутствии космотропных анионов (SO4 "), и наоборот, комплексы менее устойчивы в присутствии хаотропных анионов (SCN"). Для NaCl и CH3COONa эффект слабо выражен. Механизм влияния двух видов анионов различен. Космотропные соли упрочняют комплексообразование ЦД с желчными кислотами, которое происходит посредством гидрофобных взаимодействий. Для хаотропных анионов характерен противоположный эффект. В соответствии с этим, стабилизирующее действие сульфата по отношению к комплексам включения объясняется способностью этого аниона образовывать устойчивые ассоциаты с молекулами воды. В связи с этим, молекулы Н20 легче удаляются из сольватных оболочек ЦД и кислот, что облегчает комплексообразование. Дестабилизирующее действие анионов SCN" и Г объясняется их слабой сольватацией. Они стремятся расположиться в менее полярном окружении, т.е. включение в макроциклическую полость ЦД для них является благоприятным. В результате, эти анионы способны конкурировать с молекулой кислоты за расположение в полости Р-ЦД, что приводит к ослаблению связывания макроциклов с кислотами. Выявленное влияние солей совпадает с положением ионов в ряду Гофмейстера и хорошо согласуется с данными работы [155]. Комплексообразование Р-ЦД с гликодеоксихолатом (ОСДС) в воде характеризуется отрицательными изменениями энтальпии и энтропии. В присутствии хаотропных ионов энтальпия становится менее отрицательной, а в присутствии космотропных анионов АСН меняется незначительно. Энтропийный фактор возрастает в присутствии хаотропов и космотропов.
Похожие результаты были получены при исследовании влияния NaCl, NaBr и NaSCN на взаимодействия а-ЦД, Р-ЦД и у-ЦД с сефарозой [164]. Комплексообразование ЦД с октил- и фенил-сефарозами в растворе хлорида натрия характеризуется повышением констант устойчивости комплексов, в то время как в раство 53 pax NaSCN и NaBr наблюдается противоположный эффект. Обнаружено, что хао-тропные ионы SCN" и Вг" уменьшают коэффициент активности неполярных соединений и ослабляют гидрофобные взаимодействия. В отличие от солей NaSCN и NaBr, NaCl проявляет стабилизирующее действие, т.е. способствует проявлению гидрофобных взаимодействий. Хлорид натрия также оказывает влияние на гидратацию октил- и фенил-заместителей молекулы гостя, в результате чего происходит возрастание энтропийного фактора, что и приводит к повышению константы устойчивости. При этом энтальпийная составляющая энергии Гиббса мало изменяется. Эффект анионов Вг" и SCN" более сложный для объяснения, т.к. здесь необходимо учитывать ослабляющее действие этих ионов на гидратацию и способность Вг" и SCN" включаться в макроциклическую полость. Оба эти фактора приводят к понижению константы устойчивости комплексов включения.
При изучении комплексообразования гидроксипропил-Р-ЦД с 1-бутанолом на фоне хлорида натрия было обнаружено повышение констант устойчивости комплексов, при этом происходило повышение энтропии системы, а значения АСН незначительно убывали [165]. Наблюдаемое возрастание константы комплексообразования авторы объясняют энтропийным вкладом в энергию Гиббса. NaCl обладает хаотропными свойствами, т.е. разрушает структуру воды, и это означает, что молекулы Н20 в растворе хлорида натрия менее структурированы. Следовательно, переход молекул воды в менее структурированное состояние будет приводить к росту энтропии системы.
Влияние хлорида натрия на взаимодействие Р-ЦД с нейтральным и прото-нированным прокаином было исследовано методом потенциометрии [166]. Авторами выявлено, что NaCl не оказывает значительного влияния на комплексообра-зование с протонированным гостем. Солевой эффект проявляется только в случае с нейтральным прокаином, при этом с увеличением концентрации соли наблюдается возрастание констант устойчивости. Полученный результат объясняется влиянием ионной силы раствора и изменением коэффициентов активности. Согласно уравнению Сеченова, коэффициент активности нейтральной молекулы неэлектролита линейно зависит от концентрации соли или ионной силы.
Эффекты КСЮ4, KJ, КС1 и KF в комплексообразовании Р-ЦД с гемициани-новым красителем были изучены с привлечением УФ-спектроскопии [167]. Как видно, рассматриваемые соли имеют общий катион и разные анионы, которые отличаются по своему размеру. Обнаружено, что анионы СЮ4 и Г усиливают взаимодействие Р-ЦД с красителем, в то время как эффекты СГ и F" менее выражены.
Влияние солей СаС12, K2S04 и ZnCl2 на комплексообразование кетопрофена с ГП-Р-ЦД изучалось методом потенциометрии [168]. Было установлено, что в присутствии различных концентраций солей константы устойчивости комплексов менялись незначительно, т.е. солевые эффекты не были выявлены.
При изучении комплексообразования а-ЦД с нитрофенолом в растворах солей [96] было показано, что сульфат- и фосфат-ионы не влияют на равновесие комплексообразования, в то время как СЮ4 , NO3" и Г оказывают некоторый эффект.
Определение стехиометрии образующихся комплексов
Для определения стехиометрического состава образующихся комплексов использовался метод Остромысленского-Жоба, иначе называемый методом изо-молярных серий [178]. Метод предложил И.И. Остромысленский в 1910 г., позднее П. Жоб уточнил выводы Остромысленского.
Данный метод основан на определении отношения изомолярных концентраций реагирующих веществ, отвечающего максимальному выходу образующегося комплексного соединения AmBn. При исследовании взаимодействия двух веществ А и В часто изучают не непосредственно свойство двойной системы AmBn, а свойство серии растворов А и В в инертном растворителе, которые отличаются друг от друга отношением концентраций СА/СВ, но имеют постоянную суммарную молярную концентрацию. Кривая зависимости выхода комплекса от состава раствора характеризуется экстремальной точкой (максимум или минимум), которая отвечает максимально возможной концентрации комплекса, образующегося по реакции:
Глава Сущность метода заключается в том, что готовят растворы компонентов А и В одинаковой молярной концентрации. Полученные исходные растворы смешивают таким образом, чтобы соотношение объемов растворов компонентов изменялось, а общий объем раствора оставался неизменным (vA+VB=V = const). При этом суммарное число молей обоих компонентов в общем объеме смеси всегда остается постоянным (СА+СВ=С = const). Затем измеряют оптическую плотность (или какое-либо другое свойство системы) при постоянных значениях ионной силы и рН растворов.
Измерив оптическую плотность приготовленных растворов изомолярной серии, строят график зависимости изменения оптической плотности от соотношения концентраций или объемов компонентов изомолярной серии A = f(CB 1СА) или A = f[CB/(CA+CB)] и определяют положение максимума (минимума) поглощения на изомолярной кривой (рис 2.5). Максимальным светопоглощением обладает такой раствор, в котором содержание образующегося комплексного соединения является наибольшим. Поэтому объемное соотношение компонентов изомолярной серии, отвечающее максимуму поглощения, соответствует стехиометрическому соотношению реагирующих веществ.
Метод изомолярных серий не является универсальным и применим только при следующих условиях [179]: 1) каждое из реагирующих соединений находится в реакционной смеси только в одной форме (реагирующие соединения не должны участвовать ни в каких других процессах, например, ионной ассоциации и протонирования); 2) закон действующих масс выражен через концентрации; 3) в исследуемой системе образуется только один комплекс. Установленный состав соединения можно считать надежным в следующих случаях [178]: а) найденные стехиометрические соотношения почти точно удовлетворяют целочисленным коэффициентам; б) эти соотношения согласуются со свойствами ожидаемого соединения; в) последующее определения константы равновесия подтверждают образо вание предполагаемого продукта реакции.
В работе использовался ампульный калориметр с изотермической оболочкой. Калориметрическая установка состояла из следующих основных блоков: реакционного блока, системы термостатирования, цепей для изменения тока калибровочного нагревателя и времени калибровки, а также цепи регистрации температуры в реакционной ячейке.
На рис. 2.6 представлен реакционный блок калориметра. Реакционный сосуд 1, имеющий толщину стенки 0.2 мм и объем «17 см , был изготовлен из титана. Он крепится к крышке 2, также изготовленной из титана с помощью резьбового соединения 3. Герметичность соединения обеспечивается прокладкой 4, выполненной из силиконовой резины. На фторопластовую ось 5 навертывается титановая мешалка 6, которая одновременно служит ампуло держателем. Верхняя Глава 2
Нагреватель 12 калориметрического блока выполнен из константановой проволоки диаметром 0.15 мм, бифилярно намотанной на медный сердечник. Нагреватель покрыт тонким слоем тефлонового лака (для изоляции) и помещен в титановый чехол, заполненный сплавом Вуда. Для загрузки растворителя в реакционный сосуд служат два ввода 13 и 14, представляющие собой трубки-капилляры из нержавеющей стали. Реакционная ячейка помещается в изотермическую оболочку, выполненную в виде латунного стакана. Используемый нами калориметр характеризуется малым объемом ячейки, высокой чувствительностью и стабильностью поддержания температуры, эффективным перемешиванием.
При проведении эксперимента предварительно высушенный реакционный стакан заполнялся водой или водным раствором кислоты. Хлорид магния (или хлорид кальция) помещали в высушенные до постоянной массы стеклянные тонкостенные ампулы. Объем ампулы подбирался таким образом, чтобы после загрузки свободное пространство было минимальным. В удлиненную часть ампулы вставлялась пробка из силиконовой резины для предотвращения попадания внутрь ампулы воздуха при взвешивании и запаивании. Кроме того, это предотвращает попадание в удлиненную часть ампулы растворяемого вещества при ее разбивании. Взвешивание проводилось на весах типа ВЛР с точностью +5-10"5 г.
Собранный калориметр помещался в водный термостат и подключался к схемам. Система термостатировалась в течение 30- 40 минут до установления теплового равновесия, которое регистрировалось по базовой линии потенциометра КСП-4. Высокая степень термостатирования установки достигается использованием автоматической схемы регулирования на базе промышленного регулятора РП2-ИУЗ и эффективным перемешиванием. Датчиком (Rt) служит платиновый термометр сопротивления ТСП5071, который включен в одно из плеч моста Р-3009. Точность поддержания температуры была не ниже, чем (1-10") К в рабочем интервале температур.
Калибровка калориметра заключается в измерении количества теплоты, подаваемого в калориметрическую ячейку при пропускании тока через калибровочный нагреватель RH. Поэтому, при калибровке измеряется сила тока при условии жесткой стабилизации напряжения питания стабилизатором П-4105 и времени пропускания тока через нагреватель (частотомер Ф-5041, точность измерения времени 10" с).
Эффекты анионов СГ, Br", Н2РО4" и SO42" в комплексообразовании циклодекстринов с кислотами
Как было показано выше, в растворе бромида калия протекает две реакции комплексообразования (3.6) и (3.7), каждая из которых вносит определенный вклад в суммарное изменение энтальпии и энтропии (табл. 3.4). Несмотря на то, что оба эти процесса являются экзотермическими (табл. 1.6 и 1.8), общее АСН становится менее отрицательным. Вероятнее всего, в присутствии КВг возрастает положительный вклад от гидратации частиц (ЦД, кислота и Вг"), участвующих во взаимодействиях. Поэтому, АСН, полученное для комплексообразования в растворе КВг, менее экзотермично по сравнению с АСН для комплексообразования в воде. То же самое характерно и для энтропийного вклада. Повышение энтропии в присутствии КВг вызвано возрастанием беспорядка в системе за счет высвобождения большего числа молекул воды из сольватных оболочек ЦД, кислоты и бромид-ионов в объемный растворитель.
Проявление эффектов Вг" в комплексообразовании с кислотами не зависит от размера макроциклической полости. Сравнительный анализ констант устойчи 101 вости комплексов кислот с ЦД в 0.2М растворах КВг (табл. 3.2) свидетельствует о том, что величины К уменьшаются примерно одинаково для комплексов с а-ЦД и Р-ЦД. Это обусловлено тем, что существенной разницы между связыванием Вг" с а-ЦД и Р-ЦД нет, в обоих случаях образуются слабые по устойчивости комплексы за счет включения аниона в макроциклическую полость и расположения около узкого обода молекулы ЦД.
Напротив, строение кислот влияет на силу проявления эффекта Вг". Нами была выявлена следующая закономерность - наблюдаемое понижение констант устойчивости является более выраженным для комплексов ЦД с НК и мАБК и составляет 20%, в то время как эта величина не превышает 15% для комплексов ЦД с БК и пАБК (табл. 3.2). Данный результат можно объяснить разным ионизационным состоянием кислот. Как известно из литературы, НК и мАБК существуют в водном растворе преимущественно в форме цвиттер-ионов [65-76], а БК и пАБК - как недиссоциированные молекулы [63, 65-72]. Положительно и отрицательно заряженные группы в молекулах НК и мАБК могут быть центрами притяжения ионов электролитов, присутствующих в растворе. Как было показано ранее, катионы К+ проявляют слабое сродство к ионизированной карбоксильной группе БК и НК [49], а также и других карбоновых кислот [45-47]. Однако электростатическое притяжение неорганических анионов к группам -NH+ (НК) и -NH3+ (мАБК) не исключается. Для подтверждения высказанного предположения нами были проведены квантово-химические расчеты и дополнительные экспериментальные исследования.
С целью выявления возможности образования комплексов Вг" с НК и мАБК было проведено УФ-спектроскопическое исследование. УФ-спектры НК и мАБК были сняты в присутствии избыточных количеств КВг и КС1. При добавлении солей в УФ-спектрах кислот не наблюдалось смещения максимумов поглощения, а происходило лишь небольшое изменение оптической плотности растворов. Приведенные на рис. 3.13 зависимости оптической плотности растворов НК и мАБК от концентрации солей прямолинейны, что свидетельствует о слабых взаимодей-
Между неорганическим анионом и кислотой может происходить образование контактных ионных пар, существование которых достаточно сложно установить экспериментально. Нами была предпринята попытка выявления этого процесса с привлечением метода изотермического насыщения. С этой целью, растворимость НК и мАБК была определена в присутствии рассматриваемых солей при комнатной температуре. Обнаружено, что соли КС1, КВг, КН2Р04 и K2S04 вызы вают повышение растворимости НК и мАБК, т.е. проявляется эффект всаливания. Полученные результаты наглядно показаны на рис. 3.14. Мы полагаем, что эффект всаливания обусловлен способностью анионов образовывать ионные пары с цвиттер-ионами кислот.
Относительное изменение растворимости жета-аминобензойной (а) и никотиновой (б) кислот в 0.2М растворах солей (AS= - sa" waler іоо%, где Ssait и Swater - рас water творимость кислоты в растворе соли и в воде, соответственно) Как видно из представленных диаграмм (рис. 3.14), влияние солей на растворимость кислот проявляется в следующей последовательности:
В обоих случаях S04 " и Н2Р04" оказывают более существенное влияние на растворимость кислот. Сульфат, являясь двухзарядным ионом, имеет высокую плотность распределения заряда, поэтому, его притяжение к положительно заряженным группам кислот более сильное. Солюбилизирующее действие дигидро-фосфата, которое подробнее будет рассмотрено далее, может быть связано с его возможным участием в кислотно-основных равновесиях и образовании Н-связей с кислотами. Анионы СГ и Вг" проявляют менее выраженное солюбилизирующее действие по отношению к НК и мАБК. Вероятно, притяжение этих анионов к цвиттер-ионам НК и мАБК имеет место быть, но оно является слабым.
С привлечением метода интегральных уравнений статистической теории жидкостей в приближении 3D-RISM (three-Dimensional Reference Interaction Site Model) были рассчитаны потенциалы средней силы (ПСС) между бромидом и положительно заряженными группами цвиттер-ионов НК и мАБК. ПСС - энергетическая характеристика, представляющая собой отношение свободной энергии частицы в данном положении по отношению к энергии той же самой частицы, удаленной на бесконечное расстояние, и использующаяся для определения вероятности образования и устойчивости различного рода ассопиатов. ПСС приведены на рис. 3.15. Результаты данных расчетов показывают образование ионных пар (-NH3:Br )aq. Из значений ПСС, равных -1.51 и -1.28 ккал/моль для мАБК и НК, соответственно, следует, что формируемые с бромид-ионом пары слабые, т.к. полученные значения меньше величины ЗквТ - критерия, характеризующего устойчивость ассоциатов.