Кинетика реакции 5,7-дихлор-4,6-динитробензофуроксана с новокаином в среде смешанных мицелл

СТРУКТУРА ВЕЩЕСТВА И ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

УДК 544.77.022.532:534-1:543.632.9

Р. Ф. Бакеева, О. Е. Вахитова, Л. М. Юсупова,

В. Ф. Сопин

КИНЕТИКА РЕАКЦИИ 5,7-ДИХЛОР-4,6-ДИНИТРОБЕНЗОФУРОКСАНА С НОВОКАИНОМ В СРЕДЕ СМЕШАННЫХ МИЦЕЛЛ

Ключевые слова: спектрофотометрия, 4,6-дихлор-5,7-динитробензофуроксан, ПАВ, неонол, кинетика,

додецилсульфат натрия.

Спектрофотометрическим методом исследована реакция взаимодействия 4,6-дихлор-5,7-динитробензофуроксана (ДХДНБФО) с новокаином в среде смешанных мицелл (АФд.ю+додецилсульфат натрия, ДСН+ДМСО+Н20). Показано, что при различных температурах и соотношениях реагентов наблюдается кинетический первый порядок образования промежуточного продукта. Скорость реакции практически не зависит от концентрации реагентов. Показано соблюдение Ареунисовской зависимости. Скорость реакции падает в три раза в среде смешанных мицелл. Сделано предположение об образовании промежуточного продукта -отрицательно заряженного комплекса.

Key words: spectrophotometric method, 4,6-dihloro-5,7-dinitrobenzophuroksan, mixed micelles, kinetics, sodium

dodecylsulphate.

We have used spectrophotometric method to investigate the interaction reaction 4,6-dihloro-5,7-dinitrobenzophuroksan (DClDNBPhO) with novokain in the environment of the mixed micelles (APhg.1o+ sodium dodecylsulphate, DSN+DMS0+H20). It is shown that at various temperatures and parities of reagents the kinetic first order offormation of an intermediate product is observed. The velocity of reaction practically doesn’t depend on concentration of reagents. Observance ofAreunisovsky dependence is shown.

The velocity of reaction falls three times in the environment of the mixed micelles. The assumption of formation of an intermediate product - negatively charged complex is made.

Интерес к производным бензофуроксанов вызван их суперэлектрофильными свойствами, что определяет их применение для получения практически значимых производных. Кроме того, возникают проблемы хранения этих соединений. То есть существуют задача варьирования реакционной способности. Для решения этой задачи перспективно использование мицеллярных сред, как однородных, так и смешанных. Производные бензофуроксанов весьма перспективны и как электрофильные агенты для реакций с аминами [1], поскольку в определенных средах реакции протекают количественно, с окрашиванием. Ранее нами показано, что использование в качестве среды протекания реакции смешанных мицелл на основе неонола и додецилсульфата натрия позволяет применять плохо растворимый 4,6-дихлор-5,7-динитробензофуроксан (ДХДНБФО) при высоком содержании воды при определении содержания п-аминофенола и новокаина в лекарственных формах [2,3,4].

Нам представлялось интересным определить кинетические закономерности протекания реакций бензофуроксанов с новокаином в мицеллярной псевдофазе.

Экспериментальная часть

В работе использовался 5,7 - Дихлор - 4,6 - динитробензофуроксан (ДХДНБФО), полученный по известной методике [5-7]. Он представляет собой кристаллы желтого цвета пластинчатой формы, хорошо растворимые в органических растворителях (ДМСО, ацетонитрил), плохо растворимый в воде и не растворимый в гексане. Молекулярная масса 295 г/моль. Структурная формула показана на схеме.

Cl

-

о

NO

t

h2n—

: - nh - CH2CH2N(C2Hj)2  на

J— (OCH2CH2)io OH

АФ,

9-10

ДХДНБФО

Новокаин

Новокаин ф-диэтиламиноэтилового эфира п-аминобензойной кислоты гидрохлорид), относится к классу первичных ароматических аминов и представляет собой порошок белого цвета, хорошо растворимый в воде и этиловом спирте. Молекулярная масса 272,78 г/моль. Додецилсульфат натрия (ДСН): брутто-формула C12H2SOsO3Na фирмы «KOCH-LIGHT LABORATORIES LTD». Молекулярная масса 288,38 г/моль; использован после трехкратной перекристаллизации из этанола. Содержание основного вещества 98%. Неионогенное ПАВ оксиэтилированный нонилфенол АФ 9 _ ю стандартный образец ОАО «Нижнекамскнефтехим». Молекулярная масса 661 г/моль.

Для приготовления растворов использовали воду, очищенную на установке «Millipore compact laboratory high purity system» . В этой установке сочетаются процедуры Reverse Osmosis (обратный осмос), Distillation (перегонка), Deionization (деионизация). После очистки этой системой в воде гарантировано отсутствие загрязнений всех классов. Электрическое сопротивление воды 18,2 Мом.

В работе использовали диметилсульфоксид (ДМСО) фирмы “Chemapol” (х.ч.).

Измерения оптической плотности проводили на спектрофотометре Agilent 8453 в спектральном диапазоне от 200 до 600 нм. Пределы допустимой абсолютной погрешности спектрофотометра в спектральном диапазоне от 400 до 750 нм составляет ± 0,5 нм, а в остальном спектральном диапазоне ± 1 нм. При измерении оптической плотности растворов были использованы кварцевые кюветы с толщиной поглощающего слоя 0,1; 0,5; 1,00 см. В качестве раствора сравнения при проведении спектрофотометрических измерений использовали раствор «холостого опыта».

Кинетику реакции взаимодействия новокаина с ДХДНБФО исследовали спектрофотометрическим методом по возрастанию оптической плотности промежуточного продукта реакции при 410 нм на приборе Agilent 8453 в термостатированных кюветах (I = 0,1см) с точностью ±

0,1°C. Реакции проводились при значительном избытке либо ДХДНБФО, либо новокаина (в псевдомономолекулярных условиях). Определение скорости реакции проводили

спектрофотометрическим методом по приращению интенсивности ПП промежуточного продукта реакции ДХДНБФО с новокаином.

Значение рН в системе АФд-ю + ДСН + ДМСО + ВОДА самопроизвольно удерживалось в интервале 4,75-4,85 и фиксировалось потенциометрически с помощью прибора рН-340.

Наблюдаемые константы скорости псевдопервого порядка (kobs, c-1) определяли методом регрессии по уравнению:

где и й, - значения оптической плотности при завершении реакции и в момент времени 1.

Определение порядка реакции проводили по начальным скоростям в соответствии с [6]. Определение энергии активации проводили из Аррениусовской зависимости по изменению константы и скорости реакции от температуры [8].

Реакции 4,6-дихлор-5,7-динитробензофуроксана, (ДХДНБФО) как установлено ранее [7] с ароматическими аминами (производными аминофенолов) в диметилформамиде, метаноле протекают с преимущественным образованием монозамещенного производного, хотя (ДХДНБФО) имеет два амбидентных электрофильных центра (атомы хлора в 4 и 6 положении). Относительно характера протекания реакций в водных мицеллярных средах данные в литературе отсутствуют.

Нами проведено исследование кинетики реакции ДХДНБФО с новокаином в системе АФд-ю + додецилсульфат натрия (ДСН) + ДМСО (20%) + вода (80%) при различных соотношениях реагентов.

Ig(Dœ - Dt ) = - 0,434kobst + const

Результаты и их обсуждение

Изменение растворителя с ДМСО (20%) + вода (80%) на АФд_ю + ДСН + ДМСО (20%) + вода (80%) практически не влияет на положение полосы поглощения новокаина и молярный коэффициент поглощения (табл.1).

На рис. 1 представлено изменение поверхностного натяжения с изменением суммарной концентрации ПАВ (АФд.-ю + ДСН) в присутствии новокаина. Критическая концентрация мицеллообразования (ККМ) в этом случае немного снижается. Это можно объяснить адсорбцией новокаина, которая, учитывая спектральные данные, вероятнее всего, происходит в поверхностном слое Штерна.

С„.моль/л

ПАВ’

Рис. 1 - Тензиометрическая кривая для системы АФд-ю + ДСН + ДМСО (20%) + вода (80%) + новокаин

Таблица 1 - Изменение оптической плотности полосы поглощения с концентрацией новокаина в бинарном (ДМСО (20%) + Н2О (80%)) и мицеллярном бинарном растворителе (АФ 9-1о( 0,75) + ДСН (0,25)+ ДМСО (20%) + Н2О (80%); 25 0С; 1 0,1см

Сновок., моль/л X, нм А без мицелл А в мицеллярном растворе Б, л/моль*см

1*10-5 295 1,6095*10-2 6,6283*10-2 Без мицелл: 16900, r 0,999

5*10-5 295 8,4478*10-2 0,10302

8*10-5 295 0,13168 0,14872

1*10-4 295 0,17069 0,16841 В мицеллярном растворе: 15670, r 0,999

2*10-4 295 0,33959 0,35770

5*10-4 295 0,86048 0,82158

1*10-3 295 1,6848 1,59620

При добавлении в систему ДМСО (20%) + вода (80%) + новокаин (1*10-4 моль/л) ДХДНБФО (2*10-4 моль/л) сначала происходит его растворение, а затем - реакция. О последней мы судим по увеличению интенсивности 1111 при 421 нм со временем. Это реакция первого порядка, причем kobs (4,2856*10-4, с-1 ) рассчитана по уравнению:

lg(D» - Dt ) = - 0,434kobst + const.

Я, пт Я, пт

б

а

Рис. 2 - (а): УФ-спектры исходного ДХДНБФО (1), промежуточного продукта (2) и конечного продукта реакции с новокаином (3); (б): изменение УФ-спектра со временем в порядке возрастания оптической плотности: в начале реакции, через 58 мин, 90 мин, 120 мин, 140 мин. в системе АФ9-10 + ДСН + ДМСО (20%) + вода (80%) + ДХДНБФО + Новокаин; СДХДНБФО:Сновокаин 2:1, СдхднБФО 2*10 моль/л, Сновокаин 1*10 моль/л; Спав, общ 1*10-4 моль/л, а АФ9-10 :а дсн = 0,75:0,25, рН=3,85, 1 25 0С

В среде смешанных мицелл интенсивность полосы поглощения

На рис. 2б представлено изменение оптической плотности 1111 при соотношении 2:1. Рост интенсивности 1111 при 420 см-1 скорее всего можно объяснить образованием комплекса, который имеет ароматическую природу и, следовательно, достаточно интенсивными УФ-1111. Во второй стадии новокаин, вероятно вследствие гидролиза и перегруппировки приобретает солевую структуру, становится термодинамически не устойчивым и разрушается.

Порядок реакции образования промежуточного продукта при Сдхднбфо: Сновокаин =2:1 и 1 = 15, 25, 35 и 45 0С, ПдХдНБФО=1, что определено нами при анализе зависимости ^(й«,-^) = ОД, где й«, й - оптические плотности продукта по окончании реакции и в момент времени 1. В координатах 1дй = ОД выполняется линейная зависимость (г=0,999), что соответствует первому порядку реакции. Отсутствие линейности в координатах й-1 = ОД свидетельствует о том, что реакция не второго порядка (рис.3).

Определение зависимости констант скорости реакций от температуры показало наличие Аррениусовской зависимости:

1дк = 1дА - Е/2,3КТ, где Еа=32,30 кДж/моль или 7,17 ккал/моль.

Шрядок реакции по ДХДНБФО при СдхднБФо:Сновокаин=1:2, пдхднбфо=1. Зависимость

5 1

1§(й«-й()=ОД - линейная г = 0,993, причем константа скорости первого порядка к.1 = 4,56-10- с- , а бимолекулярная константа скорости ^2=0,228 л/моль-с. Образование промежуточного продукта протекает медленнее, а разложение его - быстрее.

Интересно отметить, что в мицеллярной среде скорость реакции практически не зависит от концентрации реагентов. Кроме того, она снижается примерно в три раза по сравнению со скоростью в бинарном растворителе (20%ДМСО + 80%Н2О). Это позволяет предположить, что суперэлектрофильное соединение ДХДНБФО за счет взаимодействия с отрицательно заряженной сульфатной головной группой ДСН сорбируется на смешанных мицеллах. 1ри добавлении новокаина инициируется образование отрицательно заряженного

комплекса, что приводит к дестабилизации переходного состояния и снижению скорости реакции в мицеллярной псевдофазе.

t, min

Рис. 3 - Полулогарифмическая анаморфоза кинетических кривых образования продукта реакции новокаина с ДХДНБФО в системе АФ9-10 + ДСН + ДМСО (20%) + вода (80%) + ДХДНБФО + Новокаин; СдхднБФО:Сновокаин=2:1, Сдхднбфо = 2*10 4 моль/л, Сновокаин=1*10 4 моль/л; Спав, общ 1*10-4 моль/л, а АФ9-10 :а дсн = 0,75:0,25, рН= 3,85, г 25 0С

Изменение константы скорости первого порядка с температурой представлено в таблице 2.

Таблица 2 - Изменение константы скорости образования промежуточного продукта с изменением температуры и концентрации.

104Сдхднбфо, моль/л 10 С новокаина, моль/л Ч О О 10 kobst с

2 1 25 4,282

2 1 15 1,16

2 1 25 1,55

2 1 35 2,71

2 1 45 3,88

2 16 25 1,516

8 5 25 0,0999

8 1 25 1,15

Литература

1. Евгеньев, М.И. Спектрофотометрическое и хроматографическое определение пара-аминофенола в парацетамоле / Евгеньев М.И., С.Ю. Гармонов, Л.Ш.Шакирова, А.С. Брысаев // Хим. Фарм журнал.-2000. - Т. 34.- № 5.- C. 52-54.

2. Бакеева, Р.Ф. Модификация 5,7-дихлор-4,6-динитробензофуроксана для применения в качестве аналитического реагента и компонента биологически активных композиций. Ч.1 иммобилизация смешанными мицеллами /Р.Ф. Бакеева и др.//Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - № 5. - С. 48-54.

3. Бакеева, Р.Ф. Модификация 5,7-дихлор-4,6-динитробензофуроксана для применения в качестве аналитического реагента и компонента биологически активных композиций. 4.II Солюбилизация смешанными мицеллами / Р.Ф. Бакеева и др.// Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010.- № 5. - С.60-65.

4. Бакеева, Р.Ф. Использование наноструктурированных мицеллярных сред для модификации 5,7-дихлор-4,6-динитробензофуроксана при определении ароматических аминов / Р.Ф. Бакеева и др.// Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010.- № 10. - С.37-45.

5. Пат. 2194990 Российская Федерация / С.Ю. Гармонов, И.Ф. Фаляхов , А.С. Салахова, В.Ф. Сопин; заявл. 03.05.01; опубл. 20.12.02, Бюл. № 35.

6. Пат. 2255935 Российская Федерация / И.Ф. Фаляхов, Л.В. Спатлова, Т.В. Гарипов; заявл. 24.06.2003; опубл. 10.07.2005, Бюл. № 19.

7. United States Pharmacopoeia, 24th.-The United States Pharmacopoeial Convention Inc, Rockville MD, 2000. - 2570 p.

8. Денисов, Е. Т. Кинетика гомогенных химических реакций /Е. Т. Денисов. - М.: Высшая школа, 1973.

- 368 с.

© Р. Ф. Бакеева - д-р хим. наук, проф. каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КНИТУ, bakeeva@kstu.ru; О. Е. Вахитова - асп. той же кафедры; Л. М. Юсупова - д-р хим. наук, проф. каф. химии и технологии органических соединений азота КНИТУ; В. Ф. Сопин - д-р хим. наук, проф., зав. каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КНИТУ.