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

AGf = -2 ,3 flT lgKd , (2)где Kd- коэффициент межфазного распределения АК.

T а б л и ц а 1

Ctdv.tv~:''« cbor“ vna Название Мол к.асса

[BrCH2-C H 2- C - __р - C - CH2-C H 2 Br) 2CI

о о

Спиробромин 566,9

CH2Ci • CH2Ci

H C -C H 2- N N* N' N -C H 2 -C H

он ■ он

2СГ H2O Проспидин 500,3

CH3^ , A ss / 0 Н я

I^ C 2H4O H B r- HBr

CH3

Окситиамин- бромид

Г идробромид427,2

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-

ных растворов:1 - лейцин: 2-валин 3 - аланин; 4- глицин

Т а б л и ц а 2

Зависимости /пол и /СНг аминокислот от мольной доли этанола

ЛЬ 0.00 0.10 0.20 0.27 0.40 0,54 0,60 0.73 0,801,80 2,07 2,21 2,28 2,37 2.37 2,44 2,48 2.48

Глицинch2 - - - - - - - - -

u 1,82 2,00 2,17 2,23 2,30 2,35 2,35 2,37 2,41Аланин

GH2 0,18 0,12 0,06 0,02 -0 ,0 7 -0 ,1 8 -0 ,1 9 -0 ,2 4 -0 ,3 0

U 1,66 1,87 2,06 2,19 2,39 2,48 2,48 2,42 2,48Валин

1CH20,18 0,12 0,06 0,02 -0 ,07 -0 ,1 8 -0 ,1 9 -0 ,2 4 -0 ,3 0

1,76 1,94 2,10 2,21 2,35 2,44 2,44 2,51 2,53Лейцин

CH2 0,18 0,12 0,06 0,02 -0 ,07 -0 ,1 8 -0 ,1 9 -0 ,2 4 -0 ,3 0

This document has been edited with Infix PDF Editor - free for non-commercial use.

To remove this notice, visit: www.iceni.com/unlock.htm

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

ных водно-органических сред:вода-метанол (f); вода-этанол (2, 7, 8): вода- изопропанол (3, б), вода-третбутанол (4) вода-

fl иоксан (5)

This document has been edited with Infix PDF Editor - free for non-commercial use.

To remove this notice, visit: www.iceni.com/unlock.htm

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

0.8 IV,

\ V OC

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

ных водно-органических сред:1 -вода-этанол; 2 -вода-изопропанол; 3-вода-третбу-

танол; 4 - вода-ацетон

8

This document has been edited with Infix PDF Editor - free for non-commercial use.

To remove this notice, visit: www.iceni.com/unlock.htm