Хіміко-аналітичні властивості адуктів полівінілпіролідону з органічними реагентами

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. У зв'язку з широким використанням полівінілпіролідону (ПВПД) в медицині постає питання контролю його вмісту в медичних препаратах та біорідинах. Якщо для визначення ПВПД в лікарських препаратах, стічних водах методики кількісного визначення ПВПД є, то кількісні дані щодо визначення ПВПД в біооб'єктах відсутні. Вирішенню проблем, які пов'язані з визначенням ПВПД в біооб'єктах, лікарських препаратах сприяє розробка нових або вдосконалення відомих методів аналітичного контролю, з метою зробити їх відповідними необхідним вимогам.

Розробка методик визначення ПВПД за допомогою органічних реагентів є актуальною, тому що спектрофотометричні методи визначення широко використовуються у всіх галузях народного господарства.

Зв'язок роботи з науковими темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до держбюджетних тем Дніпропетровського національного університету Міністерства освіти та науки України №146-96 " Розвиток теорії інформаційного сигналу, розробка та вдосконалення на її основі методів аналізу об'єктів навколишнього середовища та харчових продуктів" (реєстраційний №0196U000273), №06-125-99 "Оптимізація аналітичного процесу інтенсифікацією пробопідготовки, підсиленням аналітичного сигналу фізичною дією та розробка на цій основі методів аналізу об'єктів навколишнього середовища та продуктів харчування", №02-139-00 "Наукове обґрунтування системи методів захисту дітей, ліквідаторів аварії ЧАЕС, на яких впливає дія екопатогенних факторів промислових регіонів Придніпров'я шляхом обстеження і контролю деяких антропогенних факторів" і координаційними планами Ради з аналітичної і екологічної хімії НАН України й Академії Вищої школи України.

Мета роботи. Розробка комплексу методик спектрофотометричного визначення полівінілпіролідону в медичних препаратах, біорідинах та стічних водах.

Для реалізації поставленої мети було доцільно:

дослідити взаємодію полівінілпіролідону з органічними реагентами в широкому інтервалі значень рН середовища;

дослідити залежність хіміко-аналітичних властивостей адуктів від концентрації та молекулярної маси полівінілпіролідону;

вивчити вплив органічних розчинників на взаємодію полівінілпіролідону з органічними реагентами;

розробити та апробувати нові методики визначення полівінілпіролідону в лікарських препаратах, біорідинах та стічних водах.

Об'єкт дослідження - нові адукти полівінілпіролідону з органічними реагентами.

Предмет дослідження - хіміко-аналітичні властивості адуктів полівінілпіролідону з органічними реагентами.

Методи дослідження. Наукові висновки та закономірності, одержані в роботі, ґрунтуються на використанні сучасних фізико-хімічних методів дослідження (УФ-, видима та ІЧ-спектроскопія, термічний аналіз, електрохімічні методи).

Наукова новизна. Вперше проведено систематичне дослідження взаємодії барвників трифенілметанового ряду та азобарвників з полівінілпіролідоном. Методами УФ-, видимої та ІЧ-спектроскопії, термічного аналізу встановлено утворення адуктів барвник - ПВПД. Досліджено вплив концентрації полімеру і його молекулярної маси на протолітичні і комплексоутворюючі властивості барвників.

Доведена залежність взаємодії барвник-ПВПД від значень рН розчинів: у кислих середовищах ПВПД виявляє властивості катіонних ПАР, у лужних - неіонних ПАР, що пояснюється протонуванням атома Оксисену піролідонового циклу при рН <7.

На основі описаних закономірностей встановлено вплив розчинників на взаємодію полівінілпіролідону з сульфофталеїновими барвниками.

Практичне значення отриманих результатів. З використанням адуктів полівінілпіролідону з бромфеноловим синім, брильянтовим жовтим, стильбазо, алізариновим жовтим запропоновано комплекс методик визначення ПВПД для контролю вмісту полімеру в медичних препаратах, біорідинах, стічних водах. Вперше розроблені: 1)кількісні методики визначення полівінілпіролідону в біорідинах (сечі, плазмі); 2) методика визначення середньої молекулярної маси в промислових зразках полімеру.

Методики визначення ПВПД в біорідинах та стічних водах впроваджено в навчальний процес медичного та хімічного факультетів Дніпропетровського національного університету.

1. Дані про апаратуру, матеріали і реактиви, що використовувалися при проведенні експериментів

УФ- і видимі спектри поглинання реєстрували на спектрофотометрах SPECORD M 40, СФ - 46; ІЧ-спектри реєстрували на приладах IR 75 і Фур'є-спектрометрі IFS "IMPACT - 400". Фотометричні визначення проводилися на фотоколориметрі КФК-2. Вимірювання ємності проводили на вимірювачі L і C високочастотному типу Е 7-9. Для вимірювання діелектричної проникності середовища використовували контактний первинний вимірювальний перетворювач ємнісного типу. Криві диференціального термічного аналізу (ДТА) реєстрували на дериватографі Q-1500 системи F. Paulik - J. Paulik - L. Erdeу. У роботі використовували реактиви кваліфікації чистоти не нижче ніж "ч.д.а."

2. Результати вивчення поведінки органічних реагентів (барвників трифенілметанового ряду й азобарвників) у присутності і відсутності ПВПД, отримані методом УФ- і видимої спектроскопії

Наявність змін в електронних спектрах, зникнення осадів у кислих розчинах деяких реагентів (АЖ, БЖ) підтверджує утворення адуктів.

ПВПД з барвниками утворює адукти як стехіометричного (число іонізованих груп барвника дорівнює числу приєднаних молекул ПВПД), так і нестехіометричного складу, що визначено методами насичення та ізомолярних серій.

Для сульфофталеїнових барвників склад адуктів для RH- і R2- форм реагентів, як правило, однаковий, тобто значення рН середовища слабко впливає на співвідношення компонентів в адукті. При збільшенні молекулярної маси ПВПД кількість реакційних центрів у молекулі полімеру зростає, що приводить до зв'язування 4-8 молекул барвника з однією молекулою полімеру.

Адукти утворюються, як правило, у більш кислих областях, ніж рК реагентів. Концентрація ПВПД значно впливає на величину DрН1/2 cульфофталеїнових барвників.

З ростом концентрації ПВПД значення DрН1/2 збільшується, максимум поглинання при цьому зміщується в довгохвильову область на 5-12нм. Порівняння кривих А(рН) утворення іонної форми R2- сульфофталеїнів і відповідних цій формі адуктів з ПВПД показало, що введення до молекули фенолового червоного СН3- замісників сприяє зменшенню DрН1/2, а Br - збільшенню DрН1/2. Така ж залежність спостерігається і з катіонними ПАР для даного ряду барвників, але з більшими значеннями DрН1/2.

При збільшенні молекулярної маси ПВПД спостерігається батохромний зсув максимуму поглинання для двічі іонізованих форм барвників. Для адуктів сульфофталеїнових барвників значення DрН1/2 у даному ряді збільшується, для ПВПД з Mr=3,6.105 досягає значень, характерних для катіонних ПАР.

Відмінність у зсуві рН1/2 для форми Н2R2- барвників ЕХЦ, ХАЗ, БПЧ, а також утворення адуктів складу 1:1 для всіх вивчених форм реагенту ЕХЦ і невідповідність числа приєднаних молекул ПВПД числу дисоційованих груп БПЧ свідчить про можливе утворення водневих зв'язків.

Для азобарвників збільшення концентрації ПВПД приводить до зсуву рН1/2 у кислу область і зсуву максимуму поглинання в довгохвильову область. Закономірного збільшення Кст у ряді Тр.0, Тр.000, Тр.00 (при збільшенні вуглеводневого ланцюга) не спостерігається, що підтверджує взаємодію барвника з полімером за рахунок не тільки гідрофобних, але й електростатичних сил взаємодії, а також можливість утворення водневих зв'язків.

3. Порівняльне вивчення адуктів азобарвників: Тр.0, Тр.000, Тр.00 з ПВПД методами ІЧ-спектроскопії і термічного аналізу, а також квантово-хімічний розрахунок можливості протонування атомів Оксигену й Нітрогену піролідонового циклу в кислих середовищах методом РМ 3 з урахуванням розчинника в наближенні COSMO

Дослідження зразків ПВПД, виділених в умовах різних значень рН середовища, методом ІЧ-спектроскопії підтвердило квантово-хімічний розрахунок: для кислого середовища відбувається переважно протонування атома Оксигену (монотонний зсув смуги 1670 см-1 (С=О) у низькочастотну область до 20 см-1 при зменшенні значення рН), і часткове протонування атома Нітрогену (поява слабкої смуги при 1020 см-1).

Про внесок електростатичних взаємодій у досліджуваних системах свідчить зсув валентних коливань SO3- груп барвників у низькочастотну область.

Зміни смуг деформаційних коливань СН- груп у молекулах барвника і СН2- і СН- груп ПВПД свідчать про гідрофобну взаємодію барвників з полімером.

Найбільш значні зміни спостерігаються в спектрах системи Тр.00-ПВПД, що пов'язано зі зменшенням кількості електронегативних груп у молекулі барвника і збільшенням ланцюга спряження. Смуги 1228 см-1 і 1172 см-1, що відносяться до СН2- коливань полімеру, і смуга 1138 см-1 у барвника, що зміщується в низькочастотну область до 1122 см-1, теж підтверджують зв'язування барвника з полімером за рахунок неполярних фрагментів взаємодіючих реагентів.

Для адукту ПВПД з барвником Тр.0 форми H2R основні зміни в ІЧ- спектрах пов'язані з утворенням водневого зв'язку між атомами кисню піролідонового циклу і гідроксильною групою барвника, про що свідчить зсув у низькочастотну область смуг 1670 см-1 (С=О) на 20 см-1 і 3480 см-1 (О-Н) на 30 см-1.

Дані термічного аналізу цих адуктів свідчать про їх більшу термічну стабільність у порівнянні з вихідними сполуками.

На основі зробленого аналізу змін в ІЧ-спектрах, квантово-хімічних розрахунків та термічного аналізу правомірно стверджувати, що взаємодія барвника з полімером залежить не тільки від будови сполук, але й від рН середовища при взаємодії.

4. Спектрофотометричне дослідження природи взаємодії ПВПД з сульфофталеїновими барвниками (КЧ, ФЧ, БТС, БФЧ, БКП, БФС) в органічних розчинниках: етанолі, ізопропанолі, н-бутанолі, ізобутанолі, ізоаміловому спирті, 1,2-дихлоретані, бензолі, толуолі, чотирихлористому вуглеці, а для БФС - і в метанолі, хлороформі, дихлорметані, нітрометані, ацетонітрилі, диметилформаміді, диметилсульфоксиді, формаміді

Встановлено, що при введені ПВПД до системи барвник - органічний розчинник характер спектру залежить від природи розчинника, концентрації й молекулярної маси ПВПД.

Додавання ПВПД до розчинів барвників у полярних розчинниках не викликає зсуву смуг поглинання, однак збільшує їх інтенсивність. Вплив молекулярної маси ПВПД на положення смуг у спектрах сульфофталеїнових барвників у етанолі наведено на рис. 6. Для КЧ і ФЧ в етанолі залежність А від lgMrПВПД прямолінійна. Наявність об'ємного замісника - брому (БФЧ, БКП) приводить до відхилення від прямолінійності даної залежності при високих значеннях МrПВПД. Кореляція А і lgMrПВПД взагалі відсутня для барвників БТС, БФС при заміні метильної групи чи Гідрогену на ще більш об'ємні замісники.

Вивчення систем БФС - ПВПД із різними молекулярними масами полімеру дозволило встановити вплив природи розчинника на процес взаємодії барвник-полімер. У розчинниках з низькою полярністю БФС знаходиться у формі лактону. Зі збільшенням діелектричної проникності розчинника відбувається зсув в бік утворення форми HR-. Подальше збільшення діелектричної проникності середовища приводить до зсуву рівноваги в бік утворення форми барвника R2 - зі смугою при 600 нм (характерна для розчинників зі значенням 17) з одночасним зменшенням інтенсивності смуги при 420 нм. Введення ПВПД у слабополярні розчинники призводить до зрушення рівноваги в бік утворення НR-, а потім R2- форм барвника.

Для визначення природи зміщення рівноваги в бік більш іонізованої форми було досліджено вплив діелектричної проникності на наявність форм барвника в системах розчинник-ПВПД і розчинник-БФС-ПВПД. При введенні ПВПД у систему БФС-хлороформ до концентрації ПВПД 2 г/л діелектрична проникність даної системи не змінюється (відповідає чистого розчинника). Однак спектрофотометрично підтверджено, що рівновага для БФС зміщується в бік HR- форми при додаванні ПВПД. Збільшення діелектричної проникності до 4,86 при подальшому збільшенні концентрації полімеру призводить до появи форми R2- (пік при 600 нм). Виникнення ж даної форми в системах разчинник-БФС спостерігається при = 10,37.

Додавання однакової маси ПВПД із різною Мr призводить до зміни на однакову величину. Різке збільшення оптичної густини зі збільшенням Мr полімеру при однаковій величині свідчить про вплив структури макромолекули в розчині на взаємодію з барвником.

Таким чином, при низьких концентраціях ПВПД взаємодіє з барвником, переводячи останній в НR- форму. Для систем, в яких концентрація ПВПД перевищує концентрацію барвника більше ніж у 10 разів, рівновага зміщується в бік утворення форми R2-. Таку зміну рівноваги не можна віднести тільки за рахунок зміни діелектричної проникності при введенні ПВПД, тому що додавання полімеру призводить до незначної зміни , у той же час поява смуг поглинання форм НR- і R2- барвника характерна для середовища з більшою діелектричною проникністю.

5. Аналітичне використання досліджених адуктів ПВПД з органічними реагентами

Розроблено комплекс спектрофотометричних методик визначення полівінілпіролідону в лікарських препаратах, біорідинах (сечі, плазмі крові), стічних водах, а також методика визначення середньої молекулярної маси полімеру в субстанції.

Розроблені методики визначення ПВПД у препаратах "Гемодез- Н", "Медіхронал-Дарниця", "Імудон" прості у виконанні, експресні, дають відтворювані результати. Відносне стандартне відхилення складає менше ніж 0,07.

Розроблена методика визначення ПВПД у сечі за допомогою алізаринового жовтого дозволяє визначати мікрограмові кількості ПВПД у сечі з відносним стандартним відхиленням, яке не перевищує 0,10.

Запропонована методика екстракції ПВПД з біооб'єктів (плазми крові), що дозволяє безпосередньо в екстракті визначати вміст полімеру спектрофотометричним методом. Вона основана на здатності ПВПД взаємодіяти з БФС у слабополярному розчиннику (хлороформі), де барвник знаходиться у формі лактону (безбарвна форма), що приводить до появи забарвлення, характерного для іонізованої форми реагенту. Ступінь вилучення ПВПД складає 98 %. Розроблена методика дозволяє кількісно визначати ПВПД у плазмі крові з відносним стандартним відхиленням 0,08.

Вивчення взаємодії ПВПД з сульфофталеїновими барвниками в органічних розчинниках дозволило розробити методику визначення середньої молекулярної маси ПВПД у субстанції. Встановлено, що для ПВПД різних молекулярних мас (8,0; 10,0; 12,0; 40,0; 360,0)103 спостерігається прямолінійна залежність А/m від lgMrПВПД у широкому діапазоні концентрацій полімеру.

Розроблена спектрофотометрична методика визначення середньої молекулярної маси проста у виконанні, дозволяє працювати з малими кількостями зразків ПВПД, експресна, відносне стандартне відхилення не перевищує 0,05.

Висновки

1. Методами УФ-, видимої і ІЧ- спектроскопії встановлено утворення адуктів полівінілпіролідону з трифенілметановими барвниками і азобарвниками. Утворення адуктів змінює рК дисоціації відповідної кислотної групи реагенту.

2. Встановлена залежність взаємодії барвник-ПВПД від значення рН середовища. Вплив ПВПД на хіміко-аналітичні властивості трифенілметанових барвників і азобарвників у кислих середовищах викликає ефекти, порівняні з дією катіонних ПАР як неполімерної, так і полімерної природи, тобто ПВПД виступає в ролі катіонної ПАР при рН < 7. Дія ПВПД у лужній області значень рН подібна до неіонних ПАР.

3. На основі даних ІЧ-спектроскопії встановлено групи, з участю яких проходить взаємодія. Взаємодія барвника з полімером залежить від значення рН середовища. У кислих середовищах взаємодія здійснюється за рахунок сульфогрупи барвника і позитивно зарядженого Нітрогену піролідонового циклу. У лужному середовищі йде взаємодія за рахунок гідрофобного зв'язування бензольних кілець барвника з метильними і метиленовими групами ПВПД. При збільшенні рН середовища сила гідрофобних взаємодій стає визначальною.

4. На взаємодію барвник-ПВПД в органічних розчинниках впливає: концентрація, молекулярна маса ПВПД і полярність розчинника. При низьких концентраціях ПВПД полімер взаємодіє з барвником, зміщуючи рівновагу в бік утворення HR- форми барвника. Для систем, у яких концентрація ПВПД перевищує концентрацію барвника більше ніж у 10 разів, рівновага зміщується в бік утворення форми R2-.

5. Розроблений комплекс методик визначення ПВПД для контролю вмісту полімеру в медичних препаратах, біорідинах (сечі, плазмі), стічних водах. Запропонована методика з використанням алізаринового жовтого дозволяє знизити межу визначення ПВПД на порядок у порівнянні з відомими в літературі.

6. Розроблена спектрофотометрична методика визначення середньої молекулярної маси ПВПД у промислових зразках.

полівінілпіролідон кислотний адукт молекулярний

Література

1. Чмиленко Ф.А., Бурмистров К.С., Чмиленко Т.С., Харун М.В. Влияние поливинилпирролидона на поведение сульфофталеиновых красителей в органических растворителях. // Вопросы хим. и хим. технологии. - 2000. - №1. - С.101-103.

2. Chmilenko F.A, Sapa Yu.S., Chmilenko T.S.,. Kharun M.V.The polyvinylpyrrolidone content control in drugs and bioliquids. // Вісник Харківського національного ун-ту. Сер. Медицина. Вип.1. - 2000. -№494. - С.22-24.

3. Чмиленко Ф.А., Харун М.В., Чмиленко Т.С., Микуленко О.В. Взаимодействие поливинилпирролидона с азокрасителями и их применение в анализе. // Вісник ДДУ. Сер. Хімія. - 2000. - №5. - С.78-82.

4. Чмиленко Ф.А., Харун М.В., Щетинкин В.С., Чмиленко Т.С., Микуленко О.В. Исследование взаимодействия поливинилпирролидона с азокрасителями методом ИК-спектроскопии. // Вопросы хим. и хим. тех. - 2001. - №2. - С.26-30.

5. Ф.А. Чмиленко, М.В. Харун, Т.С. Чмиленко. Спектрофотометрическое определение поливинилпирролидона в сточных водах. // Хим. и технология воды. - 2001. - №2. - С.167-171.

Размещено на Allbest.ru