Химия УДК 541.183+542.61 Ф.Н. КАПУЦКИЙ, Г.Л. СТАРОБИНЕЦ, Т.Л. ЮРКШТОВИЧ, П.М. БЫЧКОВСКИЙ ВЛИЯНИЕ МИКРОРАССЛОЕНИЯ БИНАРНЫХ РАСТВОРОВ ВОДА ОРГАНИЧЕСКИЙ НЕЭЛЕКТРОЛИТ НА МОЛЕКУЛЯРНУЮ СОРБЦИЮ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ВЕЩЕСТВ МОНОКАРБОКСИЛЦЕЛЛЮЛОЗОЙ Mo leecular sorption of four aliphatic a-aminoacids and five drugs of anticancer action on monocarboxylcellu- Iose in H+ form from six binary systems water - nonelectrdyte (NE) at 293±1 K has been studied. It has been settled that at a mole fraction (N2) of the NE exceeding the critical concentration of microscopical demixture of the binary solution (N2X),3), the solvophobic effect is reversed and the sorption equilibrium moves to the side of the binary sdution. The nature of this phenomenon has been discussed. В работах [1-3] установлено, что молекулярная (вандервальсовская) сорб ция лекарственных веществ (ЛВ) органической природы монокарбоксилцеллю лозой (МКЦ) из ряда бинарных систем вода - органический неэлектролит (НЭ) сопровождается по мере возрастания концентрации НЭ сильным сдвигом сорб ционного равновесия в сторону бинарного раствора. В этих работах описаны методики эксперимента и расчеты параметров сорбционного процесса: кон станты сорбционного равновесия (К), коэффициента межфазного распределе ния (Kd) и константы предельной сорбционной емкости (K0), однако природа сдвига сорбционного равновесия в сторону бинарного раствора не была рас крыта. Цель настоящей работы - путем обобщения экспериментальных дан ных, полученных при изучении молекулярной сорбции большой группы ЛВ раз личной природы (девять объектов (табл. 1)) МКЦ из шести бинарных систем вода-НЭ в широком диапазоне изменения мольной доли (Щ НЭ, выяснить природу влияния микрорасслоения на сдвиг сорбционного равновесия. В на стоящей работе обобщены экспериментальные данные, полученные при ис пользовании в качестве сорбента МКЦ обменной емкости 3,5 мг-экв г ”1 в Н+-форме. На основе правила аддитивности свободная энергия сорбции может быть записана в виде: AGf = AGf(non) + AGf (сфб), (1) где AGf - свободная энергия переноса моля ЛВ из бинарного раствора в фазу набухшей МКЦ, AGfjnon) - свободная энергия взаимодействия полярных групп ЛВ с полярными группами МКЦ, AGfjcc^) - свободная энергия сольвофобных взаимодействий, обусловленных переносом гидрофобных радикалов из бинар ных растворов вода-НЭ в фазу набухшего сорбента. При сорбции из индиви дуальной воды (N2=Q) AGf (Сфб) становится равной A Gr (Гфб) - свободной энергии гидрофобных взаимодействий. Обзор экспериментальных данных начнем с рассмотрения изотерм сорбции алифатических а-аминокислот (от глицина до лейцина включительно) из би нарных растворов вода-этанол при 293 К [4]. Эти системы удобны тем, что по зволяют количественно оценить слагаемые уравнения (1) и наглядно иллюст рируют правило аддитивности AGf. Коэффициенты межфазного распределения This document has been edited with Infix PDF Editor - free for non-commercial use. To remove this notice, visit: www.iceni.com/unlock.htm
6
Embed
Химия - elib.bsu.byelib.bsu.by/bitstream/123456789/196777/1/3-8.pdfch3-ch(ch3)-ch2-ch(c00h)-nh2 Лейцин 131,2 Сольвофобное слагаемое свободной
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Химия
УДК 541.183+542.61
Ф.Н. КАПУЦКИЙ, Г.Л. СТАРОБИНЕЦ, Т.Л. ЮРКШТОВИЧ, П.М. БЫЧКОВСКИЙ
ВЛИЯНИЕ МИКРОРАССЛОЕНИЯ БИНАРНЫХ РАСТВОРОВ ВОДАОРГАНИЧЕСКИЙ НЕЭЛЕКТРОЛИТ НА МОЛЕКУЛЯРНУЮ СОРБЦИЮ
ЛЕКАРСТВЕННЫХ ВЕЩЕСТВ МОНОКАРБОКСИЛЦЕЛЛЮЛОЗОЙMoleecular sorption of four aliphatic a-aminoacids and five drugs of anticancer action on monocarboxylcellu-
Iose in H+ form from six binary systems water - nonelectrdyte (NE) at 293±1 K has been studied.It has been settled that at a mole fraction (N2) of the NE exceeding the critical concentration of microscopical
demixture of the binary solution (N2X),3), the solvophobic effect is reversed and the sorption equilibrium moves to the side of the binary sdution.
The nature of this phenomenon has been discussed.
В работах [1-3] установлено, что молекулярная (вандервальсовская) сорбция лекарственных веществ (ЛВ) органической природы монокарбоксилцеллюлозой (МКЦ) из ряда бинарных систем вода - органический неэлектролит (НЭ) сопровождается по мере возрастания концентрации НЭ сильным сдвигом сорбционного равновесия в сторону бинарного раствора. В этих работах описаны методики эксперимента и расчеты параметров сорбционного процесса: константы сорбционного равновесия (К), коэффициента межфазного распределения (Kd) и константы предельной сорбционной емкости (K0), однако природа сдвига сорбционного равновесия в сторону бинарного раствора не была раскрыта. Цель настоящей работы - путем обобщения экспериментальных данных, полученных при изучении молекулярной сорбции большой группы ЛВ различной природы (девять объектов (табл. 1)) МКЦ из шести бинарных систем вода-НЭ в широком диапазоне изменения мольной доли (Щ НЭ, выяснить природу влияния микрорасслоения на сдвиг сорбционного равновесия. В настоящей работе обобщены экспериментальные данные, полученные при использовании в качестве сорбента МКЦ обменной емкости 3,5 мг-экв г ”1 в Н+-форме.
На основе правила аддитивности свободная энергия сорбции может быть записана в виде:
AGf = AGf(non) + AGf (сфб), (1)где AGf - свободная энергия переноса моля ЛВ из бинарного раствора в фазу набухшей МКЦ, AGfjnon) - свободная энергия взаимодействия полярных групп ЛВ с полярными группами МКЦ, AGfjcc ) - свободная энергия сольвофобных взаимодействий, обусловленных переносом гидрофобных радикалов из бинарных растворов вода-НЭ в фазу набухшего сорбента. При сорбции из индивидуальной воды (N2=Q) AGf (Сфб) становится равной AGr (Гфб) - свободной энергии гидрофобных взаимодействий.
Обзор экспериментальных данных начнем с рассмотрения изотерм сорбции алифатических а-аминокислот (от глицина до лейцина включительно) из бинарных растворов вода-этанол при 293 К [4]. Эти системы удобны тем, что позволяют количественно оценить слагаемые уравнения (1) и наглядно иллюстрируют правило аддитивности AGf. Коэффициенты межфазного распределения
This document has been edited with Infix PDF Editor - free for non-commercial use.
To remove this notice, visit: www.iceni.com/unlock.htm
ЛВ рассчитывались по наклонам касательных к начальным участкам изотерм сорбции в координатах C - C , где C - концентрация AK в обеих фазах, выраженная в шкале моляльности, верхний индекс относится к концентрации AK в фазе сорбента. Свободную энергию сорбции рассчитывали по уравнению
Br CH CO NH СН, СН. N H -C O -C H 2-U H 2-B r П ом имин 330
V r " I - *А / К
< f V
Фотрин 431
NH2_^H 2 - ^ 0 0 H Глицин 75,1
CH3-C H (C O o H )-N H 2 Аланин иЗ,1
CH3-C H (C H 3)-C H (C O O H )-N H 2 Валин 117,1
CH3-C H (C H 3)-C H 2-C H (C 0 0 H )-N H 2 Лейцин 131,2
Сольвофобное слагаемое свободной энергии сорбции AK находили следующим образом. В работе [5] установлено равенство инкрементов атомов C и H в IgKd Это заключение подтверждается также многочисленными экспериментальными исследованиями по экстракции органических веществ [6], из которых следует соотношение
1CH3 = ^ 1CH2, ^т. е. Ic = /н- Этот результат был также подтвержден в работе [7]. Оказалось, что значения IgKd а-алифатических AK при их сорбции из водно-этанольных растворов МКЦ являются линейной функцией условных СНггрупп в боковом радикале каждой из кислот. В таком случае угловой коэффициент этой прямой равен инкременту условной СНг-группы боковых радикалов в IgKd, и величина сольвофобного слагаемого свободной энергии сорбции каждой из AK может быть рассчитана по уравнению
AGf(CtJ)6) = _2,3 RTiiIch2, Wгде л — число условных СНг-групп в боковом радикале АК.
Полярные слагаемые AG^c^) рассчитывались по разности AGt-AGt(&№)■ Дос товерность правила аддитивности подтверждается тем, что во всех случаях
4
This document has been edited with Infix PDF Editor - free for non-commercial use.
To remove this notice, visit: www.iceni.com/unlock.htm
рассчитанные таким образом величины AGf (nofl) AK в зависимости от состава бинарного раствора вода-этанол хорошо совпадают со значениями AGf глицина, у которого боковой радикал отсутствует и поэтому его значения AGf сорбции в зависимости от N2 равны величине AGnnon) остальных алифатических AK [8].
На рис. 1 изображены изотермы AG1-N2 изученных АК. Для понимания причины пересечения изотерм при значении Л^=0,3 и их взаимного расположения в зависимости от N2 в табл. 2 приведены значения /СНг и /пол в зависимости от N2.
Из сопоставления данных, приведенных на рис. 1 и в табл. 2, можно сделать следующие заключения.
Значения /пол положительны и возрастают по мере увеличения концентрации спирта в бинарном растворе. Это может быть объяснено тем, что в фазе набухшего МКЦ гидрофобные радикалы молекул спирта ориентируются в сторону гидрофобных участков матрицы МКЦ, что со
провождается ослаблением их экранирующего действия на силовые поля спиртовых ОН-групп, и полярность раствора фазы МКЦ (и величина /пол) возрастает с увеличением N2. Далее из табл. 2 видно, что значения /СНг положи
тельны до N2- 0,3, при котором величина /СНг равна нулю, а дальнейшее воз
растание N2 ведет к тому, что значения /СНг становятся отрицательными. От
сюда следует: при N2- 0,3 слагаемые AGf (сфб) всех кислот равны нулю, а значения AGf равны AGf глицина, т. е. все изотермы AGr-N2 пересекаются в точке, соответствующей N2- 0,3. Из табл. 2 следует, что до N2-0,3 сольвофобные эффекты численно равны 2,3 RTnI0H2, т. е. термодинамически выгодны и поэто
му изотермы AGf-N2 проходят тем ниже, чем больше масса бокового радикала, и располагаются в соответствии с правилом Траубе (выше всех проходит изотерма глицина и ниже всех - изотерма лейцина, у которого масса бокового радикала наибольшая). При значениях /Vfe>0,3 сольвофобный эффект становится термодинамически невыгодным (боковые радикалы выталкиваются из фазы МКЦ в бинарный раствор) и правило Траубе обращается. Таким образом, соотношение величин AGffnon) и AGnafs6) оказывает решающее влияние на форму изотермы AGf - N2.
-14A C 1, к Д ж -М О Л Ь '1Рис. 1. Изотермы ДGr-N2 при сорбции AK монокарбоксил целлюлозой из водно-этаноль-
Сдвиг сорбционного равновесия в сторону бинарного раствора, усиливающийся при Afe>0,3, может быть объяснен микрорасслоением, которое сопровождается образованием двух микрофаз: микрофазы кластеров молекул воды и неполярной микрофазы гидрофобных радикалов молекул НЭ [9-11]. Обе микрофазы взаимодействуют через ОН-осцилляторы молекул воды, расположенных на поверхности ее кластеров. Образование двух микроскопически различных областей бинарного раствора подтверждается, например, изучением интенсивности рентгеновской дифракции [11], которая показывает, что число контактов между молекулами воды и НЭ в бинарном растворе намного меньше числа контактов между молекулами только воды или только НЭ. Это явное доказательство реального существования микрорасслоения бинарного раствора. Из рис. 1 видно, что в концентрационной области Afe>0,3 изотермы AGt-Nz сдвинуты в сторону бинарного раствора тем сильнее, чем больше Afc и масса гидрофобного радикала молекулы АК. При высоких значениях Afe боковые радикалы "растворяются" в гидрофобной микрофазе бинарного раствора, объем которой возрастает с увеличением Afe, а полярные цвиттерионные группы взаимодействуют с полярной пограничной областью кластеров воды и гидрофобных кластеров НЭ. Эта пограничная область более доступна для полярных групп AK по сравнению с пространственно размытыми полярными центрами сорбента.
Небольшое "опоздание" наблюдаемого нами начала сдвига сорбционного равновесия в сторону бинарного раствора (Afe=0,3) по сравнению с экспериментально установленной [11] критической концентрацией микрорасслоения бинарных растворов вода-НЭ (Afe=O,2) может быть объяснено тем, что для преодоления сил взаимодействия сорбат-сорбент необходимо некоторое усиление обращенного солевого эффекта, которое достигается при несколько более высоком значении Afe.
N Имеются основания пред' ’ полагать, что сдвиг сорбционного равновесия в сторону бинарного раствора вода- НЭ, который начинается при Afe=O,3 и определяется микрорасслоением бинарного раствора, будет наблюдаться не только у АК, но и у тех ЛВ органической природы, AGf которых носит аддитивный характер в соответствии с уравнением (1). Приведем некоторые примеры, согласующиеся с этим соображением. Рассмотрим изотермы AGr-Afe спиробромина и про- спидина в ряду бинарных растворов вода-низшие спирты (рис. 2). Полярным центром обоих ЛВ являются
Рис. 2. Изотермы AGr N2 при сорбции спиробромина {1-5), проспидина (6), окситиаминбромида (7), фотрина (S) монокарбоксилцеллюлозой из бинар
четвертичные аммониевые катионы, и преобладающими полярными взаимодействиями сорбат-сорбент являются ион-дипольные взаимодействия. Гидрофобное окружение обоих катионов весьма близко по химической природе и массе. Из рис. 2 видно, что сдвиг изотерм AGf-N2 спиробромина, как и в случае АК, начинается при Afe=0,3 и наклоны этих изотерм в концентрационной области Afe>0.3 возрастают в ряду: метанол < этанол < изопропанол < третбутанол. Наклон изотермы в системе вода-метанол весьма мал, так как небольшая по объему гидрофобная микрофаза бинарного раствора вода-НЭ находится под сильным влиянием силовых полей ОН-групп метанола, следствием чего является небольшой сдвиг сольвофобных взаимодействий в сторону бинарного раствора. По мере возрастания массы углеводородного радикала спирта объем гидрофобной микрофазы бинарного раствора возрастает, воздействие на нее силовых полей ОН-групп спиртов уменьшается и усиливается обращенный сольвофобный эффект, выталкивающий молекулы спиробромина и проспиди- на из сорбционной фазы в гидрофобную микрофазу бинарного раствора.
Для сравнения на рис. 2 приведена изотерма AGf-N2 проспидина при его сорбции из системы вода-третбутанол. Видно, что она проходит близко к изотерме спиробромина этой же бинарной системы и эта близость носит общий характер при сорбции этих двух ЛВ из всех изученных бинарных систем: четыре системы вода-низшие спирты, вода-ацетон и вода-диоксан.
Изотерма AGr-Afe окситиамина при его сорбции из системы вода-этанол позволяет понять влияние химической природы гидрофобных групп катиона на сдвиг свободной энергии сорбции. У этого электролита в качестве катионного центра, как и в случае спиробромина и проспидина, выступает четвертичный азот, однако значение AGf окситиамина при Afe=O смещено в термодинамически невыгодную область на 3 кДжмоль“1 (см. рис. 2) по сравнению со спироброми- ном, что обусловлено, по-видимому, главным образом ослаблением иондипольных взаимодействий сорбат-сорбент, вызванным экранирующим действием бокового ароматического цикла на силовое поле четвертичного азота. Излом на изотерме AGr -Afe1 являющийся ответной реакцией на микрорасслоение бинарного раствора, также появляется при Afe=O,3, однако сдвиг сорбционного равновесия при значениях Afe>0,3 намного ниже, чем у спиробромина и проспидина. Это обусловлено главным образом недостаточной химической совместимостью гидрофобного окружения четвертичного азота окситиамина (циклическая структура, большое содержание полярных групп) с гидрофобной микрофазой бинарного раствора алифатической природы.
Сорбция фотрина из бинарных растворов вода-этанол характеризует эффект перехода от ион-дипольных взаимодействий сорбат-сорбент к более слабым диполь-дипольным взаимодействиям. Внешне изотерма AGf-Afe фотрина напоминает изотерму спиробромина, однако соответствующая ему величина AGf при Afe=O равна -12,5 кДжмоль“1 и сдвинута в положительную область приблизительно на 5 кДж моль“1 по сравнению со спиробромином. Сольвофобный эффект при сорбции фотрина обусловлен главным образом взаимодействием его этилениминных циклов с гидрофобной микрофазой бинарного раствора. Число боковых этиленовых групп в молекуле фотрина гораздо меньше, чем в молекуле спиробромина, а поэтому изотерма AGf-Afe фотрина проходит в концентрационной области, соответствующей значениям Afe>0,3, с гораздо меньшим наклоном к оси абсцисс по сравнению с изотермой спиробромина (см. рис. 2).
Своеобразен вид изотерм AGr-Afe продимина при его сорбции из изученных четырех бинарных систем вода-НЭ (рис. 3). При Afe=O соответствующая ему величина AGf равна приблизительно -7 кДж моль“1, однако с добавлением этанола к воде сорбционное равновесие продимина довольно сильно сдвигается в сторону МКЦ (т. е. изотерма AGr-Afe смещается в термодинамически выгодную
This document has been edited with Infix PDF Editor - free for non-commercial use.
To remove this notice, visit: www.iceni.com/unlock.htm
область). Мы полагаем, что это обусловлено протонизацией кислорода его ок- сигрупп и расположенных рядом третичных атомов азота ОН-группами спиртов, что сопровождается усилением диполь-дипольных взаимодействий сор- бат-сорбент. СродиюО кислорода к протону велико [12]. При значениях Л^>0,5, когда объем гидрофобной микрофазы бинарного раствора сильно возрастает и активность ОН-групп спирта подавлена за счет взаимодействия с ОН-группами кластеров воды, проявляется сольвофобное взаимодействие СН2-групп продимина с гидрофобной микрофазой бинарного раствора и сорбционное равновесие сдвигается в сторону бинарного раствора. В результате изотерма AGr -N2 проходит через минимум при Afe=0,5 (см. рис. 3). Отмеченное явление повторяется во всех изученных бинарных растворах вода-НЭ. При сорбции продимина из водно-ацетоновых pauiворов протонизация, по-видимому, протекает за счет кетоенольной формы ацетона. Допущение подтверждается тем, что в этой системе CflBnrAGf B сторону бинарного раотора наименьший (см. рис. 3).
Результаты работы могут быть обоб * 1 11щены следующим образом. В соответствии с уравнением (1) свободная энергия сорбции является суммой полярного и сольвофобного эффекта, направленного из бинарного раствора в фазу набухшей МКЦ. После перехода через критическую концентрацию микрорасслоения бинарного раствора (начиная с Л^>0,3) картина меняется: наиболее неполярной областью системы становится гидрофобная микрофаза бинарного раывора. Знак сольвофобного эффекта при этом обращается, следствием чего является уменьшение сорбции ЛВ МКЦ и возрастание его сродства к бинарному раствору, что является общим правилом. Только при сорбции продимина наблюдается некоторое отклонение: изотерма AG1-N2 проходит через минимум при N2- 0,5 и сдвиг сорбционного равновесия в
сторону бинарного раствора начинается при Afc>0,5. Это объяснено протонизацией полярных групп продимина ОН-группами этанола.
1. К а п у ц к и й Ф . Н . , Ю р к ш т о в и ч Т . Л . , С т а р о б и н е ц Г . Л . и д р . / / ЖФХ. 2000. Т. 74. № 2. С. 268.
2. О н и же . / / Весці АН Беларусі. Сер. хім. навук. 1997. № 2. С. 29.3 О н и ж е . / /Тамже. 1996. № 1. С. 52.4. С т а р о б и н е ц Г . Л . , К а п у ц к и й Ф . Н . , Ю р к ш т о в и ч Т . Л . , Б о р щ е н с к а я Т . И .
/ /ЖФХ. 1995. Т. 69. № 9. С. 1673. ,, , „ „ „ „ „ „5 G i l l S . I ., W a d s o \ .11 Proc. Natl. Acad. Sei. USA. 1979. Vd. 73. P. 2955.6 К о р е н м а ’ н И . M . Экстракция в анализе органических веществ. M , 1977. С. 967. С т а р о б и н е ц Г . Л ., Ka пу ц к и й Ф H ., Б о р щ е н с к а я Т. И ., Ю р к ш т о в и ч Т . Л . //
Becui АН Беларусі. Сер.хім. навук. 1990. №2. С. 38.8. Б ы ч к о в с к и й П . М . Закономерности сорбции некоторых биологически активных электро
литов монокарбоксилцеллюлозой из водных и бинарных водно-органических сред. Автореф. дис. ... канд. хим. наук: 02.00.04. Мн., 1998.
9 F r a n k s F. . A n n N . / / J. Acad. Sei. 1965. Vol. 125. № 2. P. 277.10 B o n n e r В. D. , C h o i J . S . / / J. Sdut. Chem. 1975. Vd. 4. P 457.11. K l o s e M. , N a b e r u k h i n J u . //Z. Phis. Chem. (DDR). 1986. Vol. 267. № 6. P. 1173.12. K e r t e s A S . , K i n g C . J .// Chem. Rev. 1986. Vd. 87. P 687.
Поступила в редакцию 14 04 2000.
Капуцкий Федор Николаевич - академик HAH Беларуси.Старобинец Григорий Лазаревич - доктор химических наук, профессор.Юркштович Татьяна Лукинична - кандидат химических наукБычковский Павел Михайлович — кандидат химических наук.
/
■ И
Рис. 3. Изотермы AGr Nz при сорбции продимина монокарбоксилцеллюлозой из бинар