CC BY
84
Р. Ф. Бакеева, Т. С. Горбунова, Л. И. Сафиуллина,
О. Е. Вахитова, С. Ю. Гармонов, Л. М. Юсупова, В. Ф. Сопин
МОДИФИКАЦИЯ 5,7-ДИХЛОР-4,6-ДИНИТРОБЕНЗОФУРОКСАНА ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В КАЧЕСТВЕ АНАЛИТИЧЕСКОГО РЕАГЕНТА
И КОМПОНЕНТА БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ КОМПОЗИЦИЙ.
Ч.1 ИММОБИЛИЗАЦИЯ СМЕШАННЫМИ МИЦЕЛЛАМИ
Ключевые слова: 5,7-дихлор-4,6-динитробензофуроксан, додецилсульфат натрия, неоно-лы, смешанные мицеллы, тензиометрия. 4,6-dinitro-5,7-dichlorobenzofuroxane, sodium dodecyl
sulfate, neonols, mixed micelles, tensiometry
Тензиометрическим методом изучено влияние 5,7-дихлор-4,6-динитробензофуроксана (ДХДНБФО) на поверхностные и мицеллообразующие свойства систем на основе додецилсульфата натрия (ДСН), оксиэтилирован-ного нонилфенола АФ9.ю), ДСН + АФ9.ю в водных и водно-диметилсульфоксидных средах; показано влияние смешанных мицелл на физико-химические и аналитические свойства ДХДНБФО; предложена система на основе ПАВ для модифицикации ДХДНБФО с последующим применением в качестве аналитического реагента.
Using the tensiometry method we have studied the influence of 4,6-dinitro-5,7-dichlorobenzofuroxane (DNDChBFO) on the surface and micellar properties of the sodium dodecyl sulfate (SDS), oxiethylated alkylphenol (APh9-10) and SDS+ АPh9-10 in water and water + dimethylsufoxide media. It is shown that the mixed micelles influence in the binary media on the physicist-chemical and analytical characteristics DNDChBFO. We have proposed the system on the base of SUR for the ДХДНБФО modification for the using as analytical reagent.
Уникальные возможности ПАВ позволяют применять их в качестве модификаторов свойств аналитических реагентов [1]. Ранее была показана перспективность использования 5-хлор-4,6-динитробензофуроксана в качестве фотометрических реагентов для определения ароматических аминов [2]. Однако его неустойчивость в водных средах и при хранении является серьезным недостатком для практического применения. Другим перспективным реагентом является 5,7-дихлординитробензофуроксан, устойчивый к гидролизу даже при кипении, однако его полная нерастворимость в воде ограничивает область использования и исключает возможность анализа водорастворимых лекарственных препаратов и биологических жидкостей организма человека [3].
В настоящей работе приводятся результаты исследования возможности модификации 5,7 - дихлоро - 4,6 - динитробензофуроксана (ДХДНБФО) поверхностно активными веществами для применения в качестве аналитического реагента при определении ароматических аминов и компонента биологически активных композиций. Как известно ДХДНБФО в качестве основного компонента входит в состав лекарственных форм наружного применения («Димиксан», «Тримексан» и др.) с выраженным фунгицидным, антибактериальным и противопаразитарным действием [4,5].
Экспериментальная часть
В работе использовали катионное ПАВ цетилтриметиламмоний бромид 01бНзз(СИз)з N+ Br - (ЦТАБ) фирмы «Sigma». Молекулярная масса 364,46 г/моль. Образец содержит 99,5% основ-
ного вещества. Анионное ПАВ додецилсульфат натрия (ДСЩ молекулярная масса 288,38 г/моль, брутто-формула C12H25OSO3Na фирмы «KOCH-LIGHT LABORATORIES LTD», использовано после трехкратной перекристаллизации из этанола. Неионогенное ПАВ оксиэтилированный но-нилфенол АФ 9 _ 10 - Стандартный образец ОАО «Нижнекамскнефтехим». Молекулярная масса 661 г/моль. Имеет формулу:
5,7-Дихлор-4,6-динитробензофуроксан (ДХДНБФО) синтезирован по известной методике [6] и представляет собой кристаллы желтого цвета пластинчатой формы. Хорошо растворим в органических растворителях (ДМСО, ацетонитрил), но не растворяется в воде и гексане. Молекулярная масса 295 г/моль. Фенол, п-аминобензойная кислота имели квалификацию х.ч.
Для приготовления растворов использовали воду, очищенную на установке «Millipore compact laboratory high purity system». Электрическое сопротивление воды 18,2 МОм. В качестве растворителя использовали диметилсульфоксид (ДМСО) фирмы «Chemapol» х.ч. Использование ПАВ позволило перейти от ДМСО к водосодержащим смесям с содержанием ДМСО до 20 %.
Определение рН проводилось на рН-метре рН 150 М.
Определение поверхностного натяжения проводили на тензиометре Дю-Нуи, оснащенного платиновым кольцом. Термостатирование осуществлялось с помощью термостата «MLW» и тер-мостатируемой рубашки для измерительной ячейки (значение температуры поддерживались с отклонениями, не превышающими ± 0,02°С).
Для проведения тензиометрических измерений готовили серию растворов ПАВ таким образом, чтобы в числе этих растворов оказался раствор ожидаемой критической концентрации. Начальная концентрация растворов ПАВ составила: 2-10"1 моль/л для ДСН, 1-10"2 моль/л для ЦТАБ, 1-10"2 моль/л для АФд.10. Концентрации ПАВ в приготовленных растворах изменялись в диапазоне 1,00-10 -1 — 0,05-10 "4 моль/л.
Проводили по пять параллельных измерений с интервалами 15 минут для каждой концентрации ПАВ без прополаскивания кольца между измерениями. Каждый раз при изменении концентрации растворов промывали кольцо в этаноле, а затем в бидистиллированной воде.
Используя полученные результаты, строили график 0=f(lg C), на основании которого определили еще шесть точек вблизи ККМ. Готовили последовательным разбавлением шесть новых растворов ПАВ и проводили измерения поверхностного натяжения. Для учета влияния состава растворителя на поверхностно-активные свойства ПАВ были получены изотермы поверхностного натяжения в системе Н2О + ДМСО.
Результаты и их обсуждение
Реакция ароматических аминов с 5,7-Дихлор-4,6-динитробензофуроксаном (ДХДНБФО) количественно протекает в полярных растворителях, в частности в ДМСО. Использование ДМСО обусловлено тем, что, являясь хорошим растворителем, ДМСО может легко проникать через биологические барьеры и создавать депо лекарственных веществ в тканях [7]. Вместе с тем, высокое содержание органических растворителей в лекарственных формах вызывает негативное действие на организм, поскольку они в той или иной степени обладают токсическими свойствами. Реагент ДХДНБФО не растворим в во-
де. Для увеличения растворимости ДХДНБФО целесообразно использовать растворы ПАВ, поскольку образующиеся в них мицеллы могут солюбилизировать его. Определение порога мицеллообразования нами проводилось тензиометрическим методом с помощью значений критических концентраций мицеллообразования (ККМ) для ЦТАБ, ДСН и АФд.ю в водных и смешанных Н2О+ДМСО растворителях, которые приведены в таблице 1. Значения ККМ для мицелл ЦТАБ, ДСН и АФд -10 в воде соответствуют литературным данным [8]. Следует отметить, что ДМСО в системе ДМСО + Н2О уменьшает поверхностное натяжение монотонно (рис. 1), очевидно за счет, более легкой адсорбции органических молекул на поверхности жидкость-воздух, аналогично поведению этанола для раствора этанол-вода [9].
С _ (% об.)
ДМСО у '
Рис. 1 - Изменение поверхностного натяжения в растворе ДМСО + Н2О
Таблица 1 - Значения ККМ и поверхностного натяжения при ККМ для систем ПАВ+Н2О и ПАВ+Н2О+ДМСО
ПАВ Состав растворителя - 1д Сккм СККМ'103, моль/л а-103, Дж/м2
ЦТАБ Н2О 3,080 0,830±0,012 39,80
Н2О-ДМСО (80/20,%) 2,680 2,089±0,040 36,50
ДСН Н2О 2,150 7,0790±0,053 33,30
Н2О-ДМСО (80/20,%) 2,420 3,8020±0,039 35,65
АФ9-10 Н2О 4,000 0,1002±0,0030 32,19
Н2О-ДМСО (80/20,%) 3,940 0,1150±0,0054 32,40
Анализ табл. 1 свидетельствует о том, что изменение среды практически не влияет на мицеллообразование неионного ПАВ (АФд-ю). Оно приводит к увеличению ККМ для катионного ПАВ (ЦТАБ), очевидно за счет разрушения мицелл ЦТАБ. В системах на основе ДСН в присутствии ДМСО величина ККМ уменьшается и на изотерме поверхностного натяжения появляется «минимум» (рис. 2). Молекулы ДМСО, скорее всего солюбилизируются в мицеллах ДСН, за счет диполь-ионного взаимодействия. При вхождении моле-
кул органического вещества в сферическую мицеллу обычно наблюдается ее рост, который может завершиться разрывом сплошности, что подтверждается ростом СТ.
Нами изучено влияние реагента ДНДХБФО на мицеллообразование ДСН в системе ДСН + ДХДНБФО + ДМСО (20%) + Н20 (80%), которое показано на рис. 2 и в табл. 1.
Рис. 2 - Изотермы поверхностного натяжения растворов ДСН; ДСН+ДМСО (20%)+Н2О (80%); ДСН+ДМСО (20%)+Н2О (80%) + ДХДНБФО (1-10-4 моль/л), ДСН+ДМСО (20%)+Н2О (80%) + ДХДНБФО (5-10-4 моль/л); ДСН+ДМСО (20%)+Н2О (80%) + ДХДНБФО (1*10"3 моль/л)
Таблица 2 - Величины ККМ для систем ДСН + ДХДНБФО + Н2О (80%) +ДМСО (20%)
С ДХДНБФО, моль/л -1д Сккм 103 СККМ, моль/л 103 Оккм, Дж/м2
0 2,150 7,079 33,30
1,00-10-4 2,400 3,981 35,00
5,00-10-4 2,460 3,467 33,23
1,00-10-3 2,510 3,090 33,70
Введение ДХДНБФО приводит к снижению ККМ мицелл ДСН в системе ДХДНБФО + Н2О (80%) +ДМСО (20%), что косвенно указывает на его солюбилизацию.
5,7-дихлор-4,6-динитробензофуроксан оказывает слабое влияние на мицеллообразующие свойства АФ9-10 (табл.3). С увеличением концентрации ДХДНБФО величина ККМ несколько уменьшается.
Для снижения величины ККМ и увеличения солюбилизирующего действия ассоциа-тов мы использовали системы со смешанными мицеллами, состоящими из анионного и неионного ПАВ (ДСН и АФ9-10). Нами было проведено изучение влияния состава смешанных мицелл АФ9.10 + ДСН + Н2О на величину ККМ в широком интервале концентраций. Относительные содержания компонентов варьировались в пределах: апдв1/апдв2 = 0:1,00;
0,25: 0,75; 0,50:0,50; 0,75: 0,25; 1:0, где а - мольная доля компонента. На рис. 3 показана зависимость Сккм смешанных мицелл ДСН + АФ9.10 от мольной доли (а) компонентов в
растворе. В табл. 4 приведены значения ККМ и поверхностной энергии в зависимости от соотношения мольных долей анионного и неионного ПАВ.
Таблица 3 - Значения ККМ для систем ДФ9-10 + ДХДНБФО + ДМСО (20%) + Н2О (80%)
Сдхднбфо, моль/л -1д Сккм 104 СККМ, моль/л 103 Оккм, Дж/м2
- 3,94 1,15 33,40
1,00 -10-4 4,00 0,980 34,00
1,00 -10-3 4,02 0,950 33,60
1,00 -10-2 4,10 0,803 33,45
Рис. 3 - Зависимость Сккм смешанных мицелл ДФ9.10 + ДСН от мольной доли (а) компонентов в растворе
Таблица 4 - Зависимость ККМ от соотношения мольных долей анионного и неионного ПДВ в системе ДФ9 -10 + ДСН + Н2О
Соотношение а АФ9-10: а дсн 103 Сккм, моль/л 103 Оккм, Дж/м2 - д, (Дж*м)/моль
0:1 7,079 33,30 5,419
0,25: 0,75 0,089 38,00 374,719
0,50: 0,50 0,093 36,19 381,398
0,75: 0,25 0,079 35,20 463,544
1:0 0,100 32,71 389,500
Анализ табл.4 и рис.3 показывает, что наиболее предпочтительной для модификации аналитических реагентов можно считать систему, состоящую из смешанных мицелл ДСН и АФ9-10 при соотношении адф9-ю / аДСН = 0,75 / 0,25, поскольку в этом случае достигаются минимальные значения ККМ.
Нелинейный характер зависимости СККМ = f (аАФ9-10 / аДСН) свидетельствует о взаимодействии между мицеллами. Компоненты смесей, взаимодействуя друг с другом, оказывают влияние на характеристики свойств ПАВ. Нами рассчитаны параметры взаимодейст-
вия ПАВ (в), а также мицеллярные мольные доли (X) и мицеллярные активности (у), которые приведены в таблице 4.
Параметр взаимодействия в был получен экспериментально из значений ККМ аналогично [10,11].
Р = 1п(СККМсмесиа1 /СККМ1Х1)/(1 -Х1) , (1)
где Х1 - мольная доля ПАВ1 в смешанной мицелле; а1 - мольная доля ПАВ1 в бинарной смеси (в общем растворе смеси); СККМ 1 и СККМ 2 - ККМ индивидуальных ПАВ; СККМ(СмесИ) -ККМ смешанной системы.
Для определения Х1 использовали уравнение:
02 |п( ^ёё!(п1апё )а 1 )
1 ( N О
ПёёП° = 1, (2)
2 |п Сёё1(шапё )(1 а1 )
(1 - 01)21п
N££,2(1 - 01)
которое решали итеративно относительно Х1. Полученные значения Х1 (и соответственно Х2) представлены в таблице 5. Таким образом был оценен состав образующихся смешанных мицелл и подтвержден механизм появления синергетического эффекта (Хдф9-10 >
Хдсн). Подставляя вычисленные значения Х1 в уравнение (1), рассчитали величины в (параметры взаимодействия) и у (коэффициенты активности в смешанных мицеллах) для изученных систем (табл.5)
У = ехр[в(1- Х1)2 ]. (3)
Таблица 5 - Состав смешанных мицелл (X) и параметры взаимодействия (Р) для системы ДСН + АФ9.10
Соотношение а (ДСН) :а (АФ9.-10) Х (ДСН) Х (АФ9-10) У Р
0,25 : 0,75 0,205 0,795 0,0140 -6,761
0,50 : 0,50 0,265 0,735 0,0243 -6,884
0,75 : 0,25 0,350 0,650 0,0275 -8,501
Параметр взаимодействия в применяют для характеристики свойств ПАВ, для оценки силы взаимодействия поверхностно-активных веществ. Отрицательные значения в говорят о наличии сил притяжения (или снижении сил отталкивания) между молекулами ПАВ в смеси, о синергизме процесса мицеллообразования [12]. Полученные для всех систем отрицательные значения в подтверждают высказанное предположение, что в смешанных мицеллах молекулы НПАВ снижают электростатическое отталкивание между ионами АПАВ. Это приводит, в конечном счете, к синергизму, который проявляется в изменении / улучшении свойств смеси в сравнении со свойствами индивидуальных ПАВ, например, в снижении ККМ, повышении поверхностной активности (-д) и др.
Известно, что чем > |в|, тем в большей степени проявляется синергетический эффект [12]. В нашем случае наибольший синергетический эффект наблюдается для систем при аАФ9-10 : адСН = 0,75 : 0,25, что согласуется с данными по значениям ККМ и -д (табл. 4).
Интересно отметить, что ДХДНБФО отличается от своих предшественников большей устойчивостью к гидролитическим превращениям [3]. Иммобилизация его в матрице смешанных мицелл должна способствовать повышению гидролитической устойчивости,
поскольку неионные ПАВ слабо влияют на скорость гидролиза, а АПАВ ингибируют ее [12,13]. Реакция гидролиза является реакцией нуклеофильного замещения. Вследствие элекстростатических взаимодействий нуклеофильные реагенты не могут сорбироваться в мицеллах анионного ПАВ, поэтому находятся в объеме. ДХДНБФО солюбилизируются в мицелле. Разобщение реагентов ведет к снижению скорости гидролиза, поэтому можно ожидать повышения гидролитической устойчивости ДХДНБФО, солюбилизированного в мицеллах ДСН или смешанных мицеллах ДСН + АФд-ю.
Таким образом, система, содержащая смешанные мицеллы ДСН + АФд-ю при адод. 10 : адсн = 0,75 : 0,25 является весьма подходящей для модификации ДХДНБФО для последующего его использования в качестве аналитического реагента. Особенности солюбилизации ДХДНБФО будут рассмотрены в следующем сообщении.
Литература
1. Савин, С.Б. Поверхностно-активные вещества / С.Б. Саввин., Р.К. Чернова, С.Н. Штыков - М.: Наука, 1991. - 253 с.
2. Евгеньев, М.И. Спектрофотометрическое и хроматографическое определение п-аминофенола в парацетамоле. / М.И. Евгеньев [и др.] // Хим. - фарм. журн. - 2000. - Т.34. - №5. - С. 52 - 54.
3. Евгеньев, М.И. Избирательные проточно-инжекционные определения анилина и м-нитроанилина в смесях, содержащих изомерные нитроанилины и анилин / М.И. Евгеньев [и др.] // Журн. аналит. химии. - 1998. - Т.53. - №5. - С. 546 - 550.
4. Юсупова. Л.М. Биологическая активность хлорпроизводных нитробензофуроксана / Л.М. Юсупова [и др.] // Вопросы биологической, медицинской и фармацевтической химии. - 2005. - № 4. - С. 45 - 48.
5. Юсупова, Л.М. Фунгицидные и токсикологические свойства функционально замещенных нитро-бензофуроксанов / Л.М. Юсупова [и др.] // Хим.-фарм. журнал. - 2008. - Т. 42. - № 4. - С. 73 - 75.
6. Chatin A. P., Atkins К. Method for preparing explosive compounds Pat U.S. U754040, 28.06.88. Appl. 25.02.85
7. Машковский, М.Д. Лекарственные средства. Ч. II / М.Д. Машковский. - М.: Медицина, 1993. - 686 с.
8. Ланге, К.Р. Поверхностно-активные вещества: синтез, свойства, анализ, применение / К.Р.Ланге; под науч. ред. Л. П. Зайченко.- СПб.: Профессия, 2004. -240 с.
9. Шинода, Т. Коллоидные поверхностно-активные вещества. Физико-химические свойства / Т. Шинода [и др.] - М.: Мир - 1966.- 310 с.
10. Холмберг, К. Поверхностно-активные вещества и полимеры в водных растворах / К. Холмберг [et al.]; пер. с англ. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний. - 2007. - 528 с.
11. Gerber, S. Mixed Micelles Formed by SDS and a Bolaamphiphile with Carbohydrate Headgroups /Gerber S, Garamus V.M., Milkereit G., Vill V.// Langmuir. - 2005. - Vol. 21. - P. 6707-6711
12. Lindman, J. In “Surfactants and Polymers in Aqueous Solution” / J. Lindman H. Kronbery - Chiches-fer, New York, - 250 p.
13. Миттел, К. Мицеллообразование, солюбилизация и микроэмульсии / К. Миттел; пер. с англ. -М.: Мир. - 1980. - 597 с.
14. Бакеева Р.Ф. Мицеллярные и жидкокристаллические структуры в аналитической химии / Р.Ф. Бакеева - Казань: Новое знание.- 2000. - 108 с.
© Р. Ф. Бакеева - д-р хим. наук, проф. каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КГТУ, [email protected]; Т. С. Горбунова - канд. хим. наук, доц. той же кафедры; Л. И. Сафиуллина - студ. КГТУ; О. Е. Вахитова - инж. каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КГТУ; С. Ю. Гармонов - д-р хим. наук, проф. той же кафедры, [email protected]; Л. М. Юсупова - д-р хим. наук, проф. каф. химии и технологии органических соединений азота КГТУ; В. Ф. Сопин - д-р хим. наук, проф., зав. каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КГТУ.
