Міжчастинкові взаємодії та розчинність речовин різної природи в гліколях та змішанних розчинниках на їх основі

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ імені В. Н. Каразіна

Міжчастинкові взаємодії та розчинність речовин різної природи в гліколях та змішаних розчинниках на їх основі

02.00.04 - фізична хімія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук

Ситнік оксана Юріївна

УДК 54-145:544.016:544.351.3-16:547.424

Харків - 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в НДІ хімії Харківського національного університету імені В.Н.Каразіна, Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат хімічних наук, старший науковий співробітник Краснопьорова Алла Петрівна,Харківський національний університет імені В.Н.Каразіна, завідувач відділу радіохімії і радіоекології НДІ хімії.

Офіційні опоненти: доктор хімічних наук, професор Яцимирський Віталій Костянтинович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, професор кафедри фізичної хімії;

доктор хімічних наук, професор В'юнИк Іван Миколайович, Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, професор кафедри неорганічної хімії.

Провідна установа: Інститут фізико-органічної хімії і вуглехімії імені Л.М. Литвиненка НАН України, відділ молекулярних комплексів, м. Донецьк.

Захист відбудеться “ 16 ” лютого 2007 р. о 15-00 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.14 Харківського національного університету імені В.Н.Каразіна (61077, м. Харків, пл. Свободи, 4, хімічний факультет, ауд. 7-80)

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету імені В.Н.Каразіна (61077, м.Харків, пл. Свободи, 4)

Автореферат розісланий “ 13 ” січня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Панченко В. Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

поліетиленгліколь сіль молекула оксиетильний

Актуальність теми. Унікальні властивості гліколів обумовлюють їх широке промислове, біотехнологічне та клінічне застосування. Гліколі мають високу розчиняючу здатність, можуть розчиняти речовини як гідрофільного, так і гідрофобного характеру. Тому їх часто використовують для приготування м'яких лікарських форм у фармації, при розробці ефективних екстрагентів для розділення компонентів ядерного палива і продуктів ядерного поділу практично по всьому ядерному паливному циклу, у складі сучасних твердотільних електрохімічних елементів, а також для інших технологічних завдань. Серед гліколів особливе місце займають оксиетильовані гліколі різних молекулярних мас, які є ациклічними аналогами краун-етерів та здатні ефективно координувати катіони металів.

У зв'язку з цим дослідження міжчастинкових взаємодій та розчинності різних сполук у гліколях та змішаних розчинниках на їх основі має велике значення як для розвитку теорії розчинів в цілому, так і для розвитку фармації, медицини, ядерної енергетики та хімічної промисловості України.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є аналіз впливу міжчастинкових взаємодій на розчинність речовин різної природи в чистих і змішаних розчинниках на основі поліетиленгліколів та 1,2-пропандіолу.

Для досягнення даної мети були поставлені такі задачі:

1. Дослідити різними методами (ІЧ_, ПМР_спектроскопія, кондуктометрія) вплив кількості оксиетильних груп у молекулі поліетиленгліколю і природи солей на характер взаємодії поліетиленгліколь_сіль лужного металу;

2. Дослідити вплив кількості оксиетильних груп у молекулі поліетиленгліколю і природи солей на розчинність солей лужних металів в поліетиленгліколях;

3. Вивчити різними фізико-хімічними методами (волюмометрія, діелькометрія, віскозиметрія) характер міжмолекулярних взаємодій в системі 1,2-пропандіол-поліетиленгліколь-400;

4. Дослідити вплив складу змішаного розчинника 1,2-пропандіол-поліетиленгліколь-400 і температури на розчинність нітрату, перхлорату цезію та нітрату міконазолу;

5. Вивчити характер міжмолекулярних взаємодій в подвійній системі 1,2-пропандіол-етанол та розчинність в ній перхлорату цезію;

6. Вивчити вплив складу змішаного розчинника 1,2-пропандіол-вода і температури на розчинність дифторанту.

Об'єкти дослідження:

етиленгліколь (ЕГ), діетиленгліколь (ДЕГ), триетиленгліколь (ТЕГ), тетраетиленгліколь (ТТЕГ), поліетиленгліколь-300 (ПЕГ-300), поліетиленгліколь-400 (ПЕГ-400), поліетиленгліколь-600 (ПЕГ-600), 1,2-пропандіол (1,2-ПД), змішані розчинники (1,2-пропандіол-поліетиленгліколь-400, 1,2-пропандіол-етанол, 1,2-пропандіол-вода);

хлориди натрію, калію, рубідію, цезію, перхлорати натрію, калію, рубідію, цезію, нітрат цезію, N-[4-(дифторметил)тіофеніл]-2-амінобензойна кислота (дифторант), 1-2,4-дихлор--(2,4-дихлорбензилокси)-фенетилімідазолу нітрат (нітрат міконазолу).

Предмет дослідження:

розчинність, термодинаміка процесу розчинення, сольватація, міжмолекулярні взаємодії в індивідуальних і змішаних розчинниках.

Методи дослідження:

ІЧ-, ЯМР-спектроскопія, кондуктометрія, дериватографія, денсиметрія, віскозиметрія, діелектрометрія, метод радіоактивних індикаторів, полум'яно-емісійна спектроскопія, УФ-спектроскопія.

Наукова новизна. Уперше одержані константи комплексоутворення ТТЕГ, ПЕГ-300, -400, -600 з катіонами лужних металів при 298.15К в ацетонітрилі, розчинність хлоридів лужних металів (Na, K, Rb, Cs) у гліколях ряду Н(ОСН2СН2)nОН в інтервалі температур 293К-328К, дані з фізико-хімічних властивостей (густини, в'язкості, діелектричної проникності, показника заломлення) системи 1,2-ПД-ПЕГ-400 в усьому діапазоні концентрацій та в інтервалі температур 288.15К-328.15К, розчинність CsClO4 і CsNO3, нітрату міконазолу в системі 1,2-ПД-ПЕГ-400, розчинність CsClO4 у системі 1,2-ПД-етанол, розчинність дифторанту у системі 1,2-ПД-вода в усьому діапазоні концентрацій змішаного розчинника і в інтервалі температур 288К-328К.

- Показано вплив кількості оксиетильних груп у молекулі поліетиленгліколю, конформаційного стану молекул гліколів, діелектричної проникності, характеру водневих зв'язків у досліджуваних гліколях на комплексоутворюючу, розчиняючу та сольватуючу здатність поліетиленгліколів відносно солей лужних металів.

- Встановлено, що поряд з утворенням змішаних асоціатів в сумішах 1,2-ПД-ПЕГ-400 відбувається руйнування просторової сітки водневих зв'язків 1,2-ПД.

- Показано, що максимум розчинності CsClO4 і CsNO3, нітрату міконазолу в системі 1,2-ПД-ПЕГ-400 в області 15-20 мольних % ПЕГ-400 у суміші та поведінка термодинамічних характеристик розчинення визначаються руйнуванням просторової сітки водневих зв'язків у змішаному розчиннику, конформаційними перетвореннями молекул ПЕГ-400 в середовищі 1,2-ПД.

- Встановлено, що збільшення розчинності CsClO4 зі збільшенням вмісту 1,2-ПД у змішаному розчиннику 1,2-ПД-етанол визначається кращою сольватацією катіона цезію і перхлорат-аніона 1,2-ПД порівняно з етанолом.

- Виявлено, що розчинність дифторанту та термодинамічні характеристики переносу дифторанту з води у змішаний розчинник 1,2-ПД-вода визначаються гідрофобною гідратацією дифторанту й утворенням змішаних асоціатів вода:1,2-ПД.

Практична значимість. Дані розчинностей різних сполук, фізико_хімічні властивості подвійних систем мають самостійне значення як довідкові дані.

Дані з розчинності солей цезію і хлоридів лужних металів, констант комплексоутворення катіон лужного металу-ПЕГ можуть бути використані при розробці ефективних екстрагентів для вилучення радіонуклідів із продуктів поділу й очищення радіоактивних відходів ядерної енергетики перед їх похованням.

На підставі даних фізико_хімічного аналізу системи 1,2-ПД-ПЕГ-400, розчинності лікарських речовин у системі 1,2-ПД-ПЕГ-400 і 1,2-ПД-вода розроблені високоефективні лікарські препарати вітчизняного виробництва (мазь “Міконазол-Дарниця” і крем “Дифторант”). Результати дисертаційної роботи були впроваджені на ЗАТ “Фармацевтична фірма “Дарниця” і НВЦ “Борщагівський хіміко_фармацевтичний завод”.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у відділі радіохімії і радіоекології Науково-дослідного інституту хімії Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна відповідно до плану науково-дослідної роботи “Фазові рівноваги тверда речовина-рідина в системах на основі поліетиленгліколів”, № державної реєстрації 0104U000658.

Особистий внесок здобувача полягає в методичному та експериментальному вирішенні наукової задачі дослідження, обробці, аналізі та інтерпретації отриманих результатів, написанні статей, обґрунтуванні та формулюванні висновків.

У наукових працях у співавторстві з Краснопьоровою А.П., Столпером Ю.М, Ляпуновим М.О., Безуглою О.П., Зінченко О.А., Юхно Г.Д., Кричевським А.О., Лебединцем В.О., Ситніком К.М., Єфімовим П.В., Корнєєвим С.В., Жолновачом А.М., Метелицею Г.С., Суровим Ю.М., Лебедєвой Л.Т. особисто автором виконано: огляд літератури за період 1990-2005 р., яка стосується проблем розчинності і властивостей систем, що містять гліколі; експериментальне дослідження розчинності і фізико-хімічних властивостей; обробка та обговорення результатів.

Апробація роботи. Основні теоретичні і практичні результати дисертаційного дослідження доповідались і обговорювались на: VII International Conference “The problems of solvation and complex formation in solutions” (Ivanovo, 1998); 19 Всероссийском Чугаевском совещании по химии комплексных соединений (Иваново, 1999); 5th International Conference on Nuclear and Radiochemistry (Pontresina, Switzerland, 2000); Першій Всеукраїнській конференції студентів та аспірантів “Сучасні проблеми хімії” (Київ, 2000); Всеукраїнській (з міжнародною участю) конференції з аналітичної хімії, присвяченої 100-річчю від дня народження професора М. П. Комаря (Харків, 2000); 9th International Conference “Separation of ionic solutes” (Modra-Harmonia, Slovakia, 2001); VIII Международной конференции “Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах” (Иваново, 2001); XX Международной Чугаевской конференции по координационной химии (Ростов-на-Дону, 2001); 3 Всероссийской конференции молодых ученых “Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии” (Саратов, 2001); 14th Radiochemical Conference (Marianske Lasne, Czech Republic, 2002); XIV международной конференции по химической термодинамике (Санкт-Петербург, 2002); 3-тій Міжнародній міждисциплінарній науково-практичній конференції “Сучасні проблеми науки та освіти” (Ужгород, 2002); Всеукраїнській науково-практичній конференції “Фармація XXI століття” (Харків, 2002); 10-th international symposium on solubility phenomena (Varna, Bulgaria, 2002); Международной конференции “Физико-химический анализ жидкофазных систем” (Саратов, 2003); 4-ій Міжнародній міждисциплінарній науково-практичній конференції “Сучасні проблеми науки та освіти” (Ялта, 2003); IX International Conference “The problems of solvation and complex formation in solutions” (Плес, 2004); 6th International Conference on Nuclear and Radiochemistry (Aachen, Germany, 2004), XV Международной конференции по химической термодинамике в России, (Москва, 2005), 4 Українському з'їзді з електрохімії (Алушта, 2005); Семінарі, присвяченому 90-річчю від дня народження Александрова В.В. (Харків, 2006).

Публікації результатів наукових досліджень. За результатами дисертації опубліковано 8 статей (7 у наукових фахових журналах) та 10 тез доповідей.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, списку літератури, додатка. Загальний обсяг дисертації - 198 стор. Робота проілюстрована 73 рисунками, 10 таблицями. Перелік використаних джерел літератури містить 259 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано вибір теми дисертації, показана її актуальність, сформульовані мета і задачі роботи, відображені новизна та практична цінність отриманих результатів. У першому розділі приведено літературний огляд властивостей ПЕГ і 1,2-ПД, а також проаналізовано сучасний стан проблеми розчинності. У другому розділі описані технічні і методичні аспекти проведених досліджень. Третій розділ присвячений дослідженню міжчастинкових взаємодій і розчинності хлоридів лужних металів у гліколях ряду H[ОСН2СН2]nОН. Відзначено, що висока розчиняюча та екстракційна здатність оксиетильованих гліколей обумовлена тим, що ПЕГ, які є ациклічними аналогами краун_етерів, утворюють стійкі комплекси з катіонами металів. Вивчення розчинності KCl, NaCl, RbCl і CsCl в гліколях показало, що розчинність досліджених солей зменшується із збільшенням молекулярної маси гліколю при усіх температурах, що можливо зв'язано зі зменшенням діелектричної проникності у цьому ж напрямку.

У той же час, як було з'ясовано раніше, розчинність CsClО4 і CsNO3 зростає з падінням .

Якісна різниця у поведінці солей Cs пов'язана, ймовірно, з різним характером сольватації аніонів розглянутих солей. Можливо, зменшення розчинності хлоридів лужних металів від ЕГ до ПЕГ-600 крім зменшення діелектричної проникності визначається погіршенням сольватації хлорид-аніона зі зростанням молекулярної маси гліколя. Це підтверджується даними ІЧ- і ПМР-спектроскопії розчинів хлоридів і перхлоратів натрію і цезію в ПЕГ.

Як видно із табл. 1, розчинення перхлоратів в гліколях призводить, переважно, до зсуву смуги валентних коливань ОН-групи в більш високочастотну область, а розчинення хлоридів - в низькочастотну, що свідчить про те, що вирішальне значення в процесах сольватації -іона має утворення водневого зв'язку з кінцевими гідроксильними групами ПЕГ, а взаємодія -іона з молекулами ПЕГ носить багато в чому електростатичний характер, що слабо проявляється в спектрах.

Таблиця 1. Хвильові числа ((ОН), см-1) валентних коливань ОН-групи та зсув смуги поглинання ОН_групи () в розчинах солей лужних металів (0.1 моль/л)

Крім того, виявлений у випадку хлоридів зсув сигналу протонів OH-груп в ПМР-спектрах переважно в область сильних магнітних полів свідчить про збільшення електронного екранування ядер гідрогену за рахунок утворення сильного водневого зв'язку -іон-гідроксильна група (рис. 4). Тому внесок взаємодії -аніону з гідроксильними групами ПЕГ в сольватацію хлоридів лужних металів гліколями має зменшуватися із збільшенням молярної маси ПЕГ за рахунок зменшення вмісту ОН-груп в одиниці об'єму розчинника, що відбивається на розчинності хлоридів лужних металів.

Залежності логарифма розчинності хлоридів лужних металів від радіуса катіона в ряду олігоетиленгліколів мають складний характер і характеризуються наявністю екстремумів. У зв'язку з цим, серед досліджених гліколів можна виділити дві групи. У першій групі (ЕГ, ДЕГ, ТЕГ) спостерігається мінімум розчинності в області 0.13 нм (К+). У цих випадках виявляється конкуренція двох факторів, що діють у протилежних напрямках: зменшення енергії кристалічної решітки і енергії сольватації зі збільшенням кристалографічного радіуса іонів.

У другій групі (ТТЕГ, ПЕГ-300, ПЕГ-400, ПЕГ-600) розчинність хлоридів лужних металів зростає зі збільшенням радіуса катіона і проходить через максимум в області 0.15 нм (Rb+). Очевидно, в цих розчинниках основний вплив на розчинність досліджуваних солей має сольватація катіонів оксиетильними групами ПЕГ.

Максимальне значення константи комплексоутворення ПЕГ з катіонами лужних металів в ацетонітрилі спостерігається у випадку K+.

Ймовірно, зменшення електростатичного потенціалу зі збільшенням радіуса катіона лужного металу, з одного боку, призводить до зниження стійкості комплексів, а зростання координаційного числа катіона, з іншого боку, сприяє кооперативності зв'язування макроциклічного ліганда з катіоном лужного металу. В результаті катіон калію найбільш ефективно взаємодіє з молекулами гліколів, а зменшення розчинності від NaCl до KCl за рахунок погіршення сольватації катіона, що має місце в ЕГ, ДЕГ і ТЕГ, у випадку ТТЕГ, ПЕГ-300, -400, -600 не спостерігається.

З політермічних даних про розчинність розраховані термодинамічні характеристики сольватації хлоридів лужних металів у досліджених гліколях.

Аналіз впливу кількості оксиетильних груп у гліколях на їх сольватуючу здатність показав (рис. 7, 8), що для хлоридів лужних металів характерне монотонне збільшення енергії Гіббса сольватації зі збільшенням молярної маси гліколю, яке пов'язане, ймовірно, зі зменшенням діелектричної проникності розчинника і сольватації хлорид-іона в тому ж напрямку.

Привертає увагу той факт, що ізотерми ентальпії й ентропії сольватації характеризуються екстремумами. Величина ентальпії сольватації сильно зменшується від ЕГ до ТЕГ, а починаючи з ТТЕГ збільшення кількості оксиетильних груп у молекулі призводить до зростання .

Слід зазначити, що термодинамічні характеристики сольватації є функцією цілого набору взаємокомпенсуючих параметрів: збільшення дипольного моменту молекули гліколю, зменшення енергії і кількості водневих зв'язків у чистих гліколях зі збільшенням їх молекулярної маси, погіршення сольватації -аніону зі збільшенням молекулярної маси гліколю, зменшення діелектричної проникності гліколів у тому ж напрямку, можливості конформаційних перетворень молекул гліколів, зміни сольватації катіона зі збільшенням молекулярної маси ПЕГ.

Оцінити вплив кількості оксиетильних груп у молекулі гліколю на сольватацію катіона можна аналізуючи поведінку констант комплексоутворення катіонів з ПЕГ в ацетонітрилі.

Константи стійкості комплексів катіонів лужних металів з ПЕГ при 298 К, які розраховані з кондуктометричних даних, зростають зі збільшенням молекулярної маси ліганду, що пов'язано, очевидно, зі збільшенням кількості донорних центрів у молекулі гліколю зі зростанням молекулярної маси. Таким чином, збільшення кількості оксиетильних груп зі збільшенням молекулярної маси досліджуваних гліколів має сприяти сольватації катіонів і зменшенню ентальпії сольватації хлоридів лужних металів відповідно.

Слід зазначити, що екстремальна поведінка ентальпії та ентропії сольватації характерна не тільки для хлоридів лужних металів в оксиетильованих гліколях, а і для солей цезію з іншими аніонами. Це свідчить про те, що така поведінка і не залежить від природи речовин, що розчиняються, а визначається характером міжмолекулярних взаємодій в оксиетильованих гліколях. Очевидно, поява етерного оксигену в молекулі гліколю сприяє зростанню міцності сольватів солей лужних металів до ТТЕГ за рахунок поліпшення сольватації катіона з двох причин: збільшення донорно-акцепторної взаємодії катіон-оксиетильні групи ПЕГ та іон-дипольної зі збільшенням дипольного моменту молекули гліколю з ростом молекулярної маси ПЕГ. Крім того, енергія міжмолекулярного водневого зв'язку в гліколях істотно зменшується з ростом кількості етерних груп. Ці фактори, очевидно, роблять основний внесок в сольватацію досліджених солей до ТТЕГ, сприяють підвищенню екзотермічності процесу сольватації, що і пояснює різке зменшення ентальпії й ентропії сольватації у цій області.

У той же час, відомо, що, починаючи з ТТЕГ, оксиетильний ланцюг поступово скручується у спіраль. Така конформація ліганду перешкоджає оптимальній взаємодії всіх його донорних центрів з катіоном металу і зменшує доступність активних центрів полімерного ланцюга до такої взаємодії з речовиною, що розчиняється. Крім того, утворення сольвату катіон-ПЕГ, ймовірно, супроводжується розгортанням спіралі, яке вимагає додаткових витрат енергії. Це, очевидно, і пояснює екстремальну поведінку термодинамічних характеристик сольватації солей лужних металів в оксиетильованих гліколях.

Четвертий розділ присвячений дослідженню міжчастинкових взаємодій і розчинності речовин різної природи в системах на основі 1,2-ПД.

Дослідження фізико-хімічних властивостей системи 1,2-ПД-ПЕГ-400 показало, що ізотерми густини, в'язкості та діелектричної проникності сумішей 1,2-ПД-ПЕГ-400 близькі до лінійних, а відхилення цих властивостей від адитивних значень малі, що характеризує систему 1,2-ПД-ПЕГ-400 як близьку до ідеальної чи систему, в якій реалізується широкий спектр взаємокомпенсуючих міжмолекулярних взаємодій.

Екстремальна поведінка коефіцієнтів об'ємного термічного розширення змішаних розчинів 1,2-ПД-ПЕГ-400 в області 10-15 мольн.%, негативні відхилення і від адитивних значень, різке падіння енергії активації за Арреніусом, середньої енергії взаємодії за Панченковим і ступеня асоціації сумішей 1,2-ПД-ПЕГ-400 при невеликих (до 20 мольн. %) добавках ПЕГ-400, а також той факт, що розраховані нами енергії взаємодії за Панченковим у змішаних асоціатах 1,2-ПД:ПЕГ-400 (18 кДж/моль) менші, ніж енергія зв'язку ПЕГ-400_ПЕГ-400 (37 кДж/моль), і значно менші, ніж енергія зв'язку 1,2-ПД_1,2-ПД (40 кДж/моль), свідчить про переважний ефект руйнування сітки водневих зв'язків 1,2-ПД при додаванні ПЕГ-400 і про те, що змішані асоціати 1,2-ПД_ПЕГ-400 менш енергетично вигідні, ніж асоціати 1,2-ПД_1,2-ПД і ПЕГ-400_ПЕГ-400.

Про це ж свідчить мінімум парціально_молярних об'ємів 1,2-ПД обумовлений, очевидно, зменшенням вільного об'єму молекул 1,2-ПД при руйнуванні просторової сітки водневого зв'язку в дослідженому розчині.

Максимум парціальних мольних об'ємів ПЕГ-400 в області 20-25 мольн. % ПЕГ-400 в суміші 1,2-ПД -- ПЕГ-400 є, очевидно, результатом утворення змішаних асоціатів 1,2-ПД -- ПЕГ-400 і збільшення власного об'єму молекули ПЕГ-400 порівнянно з чистим ПЕГ-400 за рахунок конформаційних перетворень ланцюга молекули оксиетильованого гліколю в середовищі 1,2-ПД. Можна припустити, що в 1,2-ПД, який має як гідрофільну, так і гідрофобну природу, оксиетильний ланцюг має зигзагоподібну структуру.

Розрахунок молекули ПЕГ з 9 оксиетильними ланками в ланцюзі у вакуумі показав, що об'єм зигзага більший за об'єм цієї молекули в конформації спіралі, що і є, очевидно, причиною максимуму ПЕГ-400 в області 20 мольн. % ПЕГ-400 в 1,2_ПД.

Крім того, негативні , негативні відхилення фактора Кірквуда від адитивних значень визначаються, імовірно, зменшенням ефективного дипольного моменту змішаних асоціатів в порівнянні з дипольними моментами вихідних компонентів. Слід зазначити, що кореляційний фактор Кірквуда для системи 1,2-ПД-ПЕГ-400 істотно відрізняється від одиниці, що характерно для систем, в яких міжмолекулярна взаємодія дуже сильна і взаємна орієнтація диполя і його оточення тісно пов'язані між собою.

Руйнування сітки водневих зв'язків 1,2-ПД при додаванні ПЕГ-400, а також той факт, що змішані асоціати 1,2-ПД-ПЕГ-400, які утворюються в системі, характеризуються меншою стійкістю, ніж самоасоціати 1,2-ПД та ПЕГ-400, є причиною максимумів розчинності CsNO3, CsClO4 і нітрату міконазолу, виявлених у системі 1,2-ПД-ПЕГ-400 в області 20 моль. % ПЕГ-400 в суміші, а також позитивних відхилень логарифма розчинності досліджених сполук від адитивних значень в цій області складу змішаного розчинника.

Крім того, діелектрична проникність не є основним чинником, що впливає на розчинність досліджених солей в суміші 1,2-ПД-ПЕГ-400, оскільки в усіх трьох випадках залежність логарифма розчинності від оберненої величини діелектричної проникності нелінійна, і незважаючи на те, що діелектрична проникність ПЕГ-400 набагато нижча діелектричної проникності 1,2-ПД, розчинність CsNO3 і СsClО4 в ПЕГ-400 при всіх вивчених температурах вища, ніж у 1,2-ПД.

Слід зазначити, що надлишкові фізико_хімічні величини системи 1,2-ПД-ПЕГ-400 малі, і можна припустити наявність більш істотного фактора, що сприяє розчиненню третього компонента в дослідженому розчиннику, а саме, розгортання спіралі ПЕГ в розчині 1,2-ПД, в якій всі елементи ланцюга однаково доступні молекулам як розчинника, так і речовини, що розчиняється.

Це відображається на поведінці термодинамічних характеристик розчинення досліджених сполук у суміші 1,2-ПД-ПЕГ-400. Як правило, ізотерми енергії Гіббса, ентальпії й ентропії розчинення досліджених речовин у системі 1,2-ПД-ПЕГ-400 екстремальні: залежність енергії Гіббса від складу змішаного розчинника проходить через мінімум, що відповідає максимуму розчинності усіх трьох сполук, а ізотерми ентальпії й ентропії характеризуються мінімумом і максимумом відповідно.

Дослідження системи 1,2-ПД-етанол показало, що система характеризується монотонними змінами фізико-хімічних властивостей зі зміною складу і незначними відхиленнями фізико-хімічних властивостей від адитивних значень. Це свідчить про поступовий перехід від ланцюгових і циклічних асоціатів, що є основними фрагментами структури етанолу, до просторових, лабільних сіткових структур, які утворені водневими зв'язками, в 1,2-ПД. Розчинність CsClO4 монотонно зростає зі збільшенням вмісту 1,2-ПД в суміші, в той час як досліджувані розчинники мають близькі значення діелектричних проникностей. Цей факт свідчить про значний внесок специфічних взаємодій розчинник-розчинена речовина в процес розчинення CsClО4 та про більшу схильність 1,2-ПД в порівнянні з етанолом до донорно-акцепторної взаємодії з катіоном електроліту за рахунок наявності в молекулі 1,2-ПД двох OH-груп, що підтверджується зменшенням енергії Гіббса і ентальпії розчинення CsClO4 від етанолу до 1,2-ПД.

Розчинність лікарської речовини дифторанту в системі 1,2-ПД-вода і термодинамічні характеристики переносу дифторанту із води в змішаний розчинник 1,2-ПД-вода визначаються гідрофобною гідратацією дифторанту, енергією утворення порожнини в розчиннику, сольватацією дифторанту за рахунок неспецифічних взаємодій гідрофобної речовини з 1,2-ПД, а також утворенням змішаних асоціатів вода:1,2-ПД.

ВИСНОВКИ

Проведено аналіз впливу міжчастинкових взаємодій на розчинність речовин різної природи в чистих і змішаних розчинниках на основі поліетиленгліколей і 1,2-ПД.

1. Методами ІЧ- і ПМР-спектроскопії, кондуктометрії досліджена взаємодія оксиетильованих гліколей з солями лужних металів. Показано, що збільшення молекулярної маси поліетиленгліколю призводить до посилення комплексоутворюючої здатності ПЕГ стосовно катіонів лужних металів за рахунок взаємодії атомів оксигенів етерних груп з катіонами. Роль гідроксильних груп у процесах сольватації солей зменшується зі збільшенням молекулярної маси ПЕГ.

2. Зменшення розчинності хлоридів лужних металів у гліколях зі збільшенням довжини ланцюга ПЕГ обумовлено зменшенням діелектричної проникності розчинника і погіршенням сольватації хлорид-аніона. Показано, що збільшення молекулярної маси гліколю змінює характер залежності розчинності хлоридів лужних металів від радіуса катіона: в той час як в етиленгліколі, діетиленгліколі, триетиленгліколі складна поведінка розчинності визначається зменшенням енергії кристалічної решітки та енергії сольватації зі збільшенням радіуса іона, в тетраетиленгліколі, поліетиленгліколі-300, -400 і -600 зростання розчинності зі збільшенням радіуса катіона визначається поліпшенням сольватації катіона за рахунок комплексоутворення катіонів з оксиетильними групами ПЕГ. Залежності стандартних ентальпій і ентропій сольватації стехіометричної суміші іонів хлоридів лужних металів в ПЕГ від кількості оксиетильних груп характеризуються наявністю мінімумів, обумовлених поступовим формуванням спіралі молекули ПЕГ зі збільшенням молекулярної маси гліколю і зменшенням доступності оксиетильних груп ПЕГ для донорно-акцепторної взаємодії з катіоном.

3. Система 1,2-пропандіол-поліетиленгліколь-400 характеризується невеликими відхиленнями фізико-хімічних властивостей від адитивних значень. Поряд з утворенням змішаних асоціатів у сумішах 1,2-пропандіол-поліетиленгліколь-400 відбувається руйнування просторової сітки водневих зв'язків 1,2-пропандіолу. Змішані асоціати 1,2-пропандіол-поліетиленгліколь-400 характеризуються меншою середньою енергією зв'язку, ніж самоасоціати 1,2-пропандіолу і поліетиленгліколю-400.

4. Діелектрична проникність не є основним чинником, що визначає розчинність нітрату, перхлорату цезію і нітрату міконазолу в системі 1,2-пропандіол-поліетиленгліколь-400. Виявлені максимуми розчинності нітрату, перхлорату цезію і нітрату міконазолу, позитивні відхилення логарифма розчинності цих сполук від адитивних значень, мінімуми стандартної ентальпії та ентропії розчинення нітрату і перхлорату цезію, різке падіння стандартної ентальпії та ентропії розчинення нітрату міконазолу в області 15-20 мольних % поліетиленгліколю-400 у змішаному розчиннику визначаються руйнуванням сітки водневих зв'язків у 1,2-пропандіолі при додаванні поліетиленгліколя-400, утворенням асоціатів 1,2-пропандіол:поліетиленгліколю-400, менш стійких, ніж самоасоціати і конформаційними перетвореннями молекули поліетиленгліколю-400 у середовищі 1,2-пропандіолу.

5. У системі 1,2-пропандіол-етанол відбувається поступовий перехід від асоціатів, характерних для чистого етанолу, до просторової сітки водневих зв'язків 1,2-пропандіолу. Велика схильність 1,2-пропандіолу порівнянно з етанолом до донорно-акцепторної взаємодії з катіоном цезію і сольватації перхлорат-аніона визначає збільшення розчинності перхлорату цезію зі збільшенням вмісту 1,2-пропандіолу в змішаному розчиннику, незважаючи на зменшення діелектричної проникності. Це підтверджується зменшенням ентальпії розчинення перхлорату цезію в цьому ж напрямку.

6. Діелектрична проникність не є основним чинником, що впливає на розчинність дифторанту в системі 1,2-пропандіол-вода. Дуже низька розчинність дифторанту у воді і сумішах 1,2-пропандіол-вода з великим вмістом води, а також негативні відхилення логарифма розчинності дифторанту від адитивних значень при низьких температурах обумовлені гідрофобною гідратацією дифторанту. Максимуми на ізотермах ентальпії та ентропії переносу в області 20 мольних % 1,2-пропандіолу в суміші визначаються утворенням змішаних асоціатів вода:1,2-пропандіол.

7. Виявлені закономірності використані для обґрунтування вибору оптимального складу змішаного розчинника при створенні лікарських засобів у вигляді мазі та крему, при розробці високоефективних лікарських препаратів вітчизняного виробництва.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ ОПУБЛІКОВАНО в РОБОТАХ

1. Красноперова А.П., Сытник О.Ю. Диэлектрические и объемные свойства растворов 1,2-пропиленгликоль-этанол // Вестник ХНУ. - 1999. - Химия, вып. 3(26), № 437. - С. 121 - 125. (Особистий внесок здобувача полягає у проведенні експериментальних досліджень густини та діелектричної проникності системи 1,2-пропандіол-етанол, їх обробки, узагальнення результатів та написанні статті.)

2. Красноперова А.П., Сытник О.Ю. Влияние межчастичных взаимодействий на растворимость перхлората цезия в растворах 1,2-пропиленгликоль-этанол // Вестник ХНУ. - 1999. - Химия, вып. 4(27), № 454. - С. 190 - 192. (Здобувачем виконані експериментальні дослідження розчинності перхлорату цезію в системі 1,2-пропандіол-етанол, їх обробка, узагальнення результатів та написана стаття.)

3. Столпер Ю.М., Ляпунов Н.А., Безуглая Е.П., Сытник О.Ю., Зинченко А.А. Разработка вагинальных суппозиториев антимикробного действия на новых гидрофильных основах // Фармаком. - 2001. - № 3. - С. 84 - 91. (Здобувач дослідив вплив складу системи 1,2-пропандіол-поліетиленгліколь-400 на розчинність нітрату міконазолу.)

4. Красноперова А.П., Сытник О.Ю., Юхно Г.Д., Безуглая Е.П., Ляпунов Н.А., Кричевский А.О. Некоторые закономерности растворения и сольватации миконазола в двойных и тройных смешанных растворителях на основе полиэтиленгликоля-400 // Журн. прикл. химии. - 2002. - Т.75, вып.12. - С. 1972 - 1975. (Здобувачем вивчена розчинність нітрату міконазолу в системі 1,2-пропандіол-поліетиленгліколь-400 при 298 К, проведена обробка та узагальнення результатів. Написання статті.)

5. Сытник О.Ю., Красноперова А.П., Ляпунов Н.А., Безуглая Е.П. Растворимость нитрата 1-[2,4-дихлор-b-(2,4-дихлорбензилокси)фенэтил]-имидазола в смесях 1,2-пропиленгликоль-ПЭГ-400 // Вестник ХНУ. - 2003. - Химия, вып. 10(33), № 596. - С. 166 - 170. (Здобувачем виконані політермічні дослідження розчинності нітрату міконазол , їх обробка, узагальнення результатів, написана стаття.)

6. Сытник О.Ю., Красноперова А.П., Лебединец В.А., Сытник К.М. Политермическое исследование растворимости N-[4-(дифторметилтио)фенил]-2-аминобензойной кислоты в системе вода-1,2-пропандиол // Журн. прикл. химии. - 2005. - Т.78, вып.5. - С.725-728. (Здобувачем виконані експериментальні дослідження розчинності дифторанту в системі 1,2-пропандіол-вода, обробка та обговорення результатів, написана стаття.)

7. Сытник О.Ю., Ефимов П. В., Красноперова А.П., Корнеев С.В., Жолновач А.М., Метелица А.С. Кондуктометрическое исследование процессов комплексообразования перхлората цезия с полиэтиленгликолями в ацетонитриле // Вестник ХНУ. - 2005. - Химия, вып. 12(35), № 648. - С. 342-345. (Здобувач брав участь в експериментальних дослідженнях, обробці, узагальненні результатів та написанні статті.)

8. Сытник О.Ю., Красноперова А.П., Суров Ю.Н., Юхно Г.Д., Лебедева Л.Т. Спектральные характеристики гликолей ряда Н[ОСН2СН2]nОН в присутствии солей щелочных металлов // Вестник ХНУ. - 2005. - Химия, вып. 13(36), № 669. - С. 56-60. (Особистий внесок здобувача полягає у проведенні аналізу даних ІЧ-, ЯМР-спектральних досліджень, написанні статті.)

9. Sytnik O.Yu., Yuchno G.D., Krasnopyorova A.P. Dielectric behaviour of polyethyleneglycole-400-1,2-propyleneglycole system in the temperature range from 298.15 K to 348.15 K // VII International Conference “The problems of solvation and complex formation in solutions”. - Ivanovo. - 1998. - Р.278. (Здобувачем вивчені діелектричні властивості системи 1,2-пропандіол-поліетиленгліколь-400 в широкому інтервалі температур.)

10. Krasnopyorova A.P., Yukhno G.D., Sytnik O. Yu., Lebedeva L.T., Daletskaya N.V. The study of low solubility of salts in various solvents by method of radioactive indicators (tracer method) // 5th international conference on nuclear and radiochemistry. - Pontresina. - 2000. _ P. 703-706. (Особистий внесок здобувача полягає у дослідженні розчинності нітрату цезію в змішаному розчиннику 1,2-пропандіол-поліетиленгліколь-400.)

11. Красноперова А.П., Сытник О.Ю. Исследование растворимости 1-[2, 4-дихлорбензилокси)фенэтил]-имидазола в смесях 1,2_пропиленгликоль-ПЭГ_400 // VIII Международная конференция “Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах”. - Иваново. - 2001. - С. 274. (Здобувачем вивчено вплив складу змішаного розчинника 1,2-пропандіол-поліетиленгліколь-400 на розчинність в ньому 1-[2, 4-дихлорбензилокси)фенетил]-імідазолу.)

12. Krasnopyorova A.P., Sytnik O.Yu. The study of solubility of Cs salts by method of radioactive indicators and X-ray fluorescent method // 14th Radiochemical Conference. - Marianske Lasne. - 2002. - С. 159. (Здобувачем використано метод радіоактивних індикаторів для вивчення розчинності нітрату цезію в подвійному змішаному розчиннику 1,2-пропандіол-поліетиленгліколь-400.)

13. Сытник О.Ю., Юхно Г.Д., Красноперова А.П. Термодинамика вязкого течения систем 1,2-пропиленгликоль-ПЭГ-400 и вода-(1,2-пропиленгликоль-ПЭГ-400) // XIV международная конференция по химической термодинамике. - Санкт-Петербург. - 2002. - С. 448. (Здобувачем вивчено в'язкість системи 1,2-пропандіол-поліетиленгліколь-400 в широкому інтервалі температур та розраховані термодинамічні характеристики процесу в'язкої течії.)

14. Krasnopyorova A.P., Sytnik O.Yu., Lebedeva L.T., Cherniy A.V. Phase equilibria in multi-component systems containing some salts of alkali metals // 10-th international symposium on solubility phenomena. - Varna. - 2002. -С. 119. (Здобувач дослідив розчинність перхлорату цезію в змішаному розчиннику 1,2-пропандіол--поліетиленгліколь-400.)

15. Sytnik O.Yu., Krasnopyorova A.P., Yuhno G.D. The solubility of drugs in binary and ternary glycol solvent mixtures // 10-th international symposium on solubility phenomena. - Varna. - 2002. - С. 120. (Особистий внесок здобувача полягає у виявленні впливу змішаного розчинника на розчинність лікарських препаратів у системах на основі гліколей.)

16. Красноперова А.П., Сытник О.Ю., Шеремет Е.Н. Растворимость хлорида натрия в ряду гликолей НОСН2(СН2ОСН2)nСН2ОН // Международная конференция физико-химический анализ жидкофазных систем. - Саратов. - 2003. _ С. 157. (Здобувачем досліджено вплив молярної маси та температури на розчинність хлориду натрію в оксиетильованих гліколях.)

17. Сытник О.Ю., Красноперова А.П., Лебедева Л.Т., Юхно Г.Д. Межчастичные взаимодействия и растворимость электролитов в смешанных растворителях на основе полиэтиленгликоля-400 и 1,2-пропиленгликоля // IX International Conference “The problems of solvation and complex formation in solutions”. - Плес. - 2004. - С. 84. (Здобувачем узагальнені дані фізико_хімічних досліджень та розчинності в системі 1,2-пропандіол-поліетиленгліколь-400.)

18. Красноперова А.П., Сытник О.Ю., Юхно Г.Д., Лебедева Л.Т. Термодинамика растворения и сольватации хлоридов щелочных металлов в гликолях ряда HOCH2(CH2OCH2)nCH2OH // XV Международная конференция по химической термодинамике в России. - Москва. - 2005. - С. 94. (Здобувач вивчив розчинність хлоридів лужних металів в поліетиленгліколях різних молекулярних мас у широкому інтервалі температур.)

Анотація

Ситнік О.Ю. “Міжчастинкові взаємодії та розчинність речовин різної природи в гліколях та змішанних розчинниках на їх основі”. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук за спеціальністю 02.00.04 - фізична хімія. Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Харків, 2006.

Дисертація присвячена дослідженню міжчастинкових взаємодій і розчинності низки речовин у системах на основі поліетиленгліколей і 1,2-пропандіолу та встановленню основних факторів, що впливають на розчинність у таких системах. Встановлено вплив кількості оксиетильних груп у молекулі поліетиленгліколю, конформаційного стану молекул гліколів, діелектричної проникності, характеру водневих зв'язків у досліджуваних гліколях на комплексоутворюючу, розчиняючу та сольватуючу здатність поліетиленгліколей відносно солей лужних металів. Схарактеризовано фактори, що визначають розчинність і термодинамічні характеристики розчинення нітрату, перхлорату цезію і 1-2,4-дихлор--(2,4-дихлорбензилокси)-фенетилімідазол нітрату в системі 1,2-пропандіол-поліетиленгліколь-400, перхлорату цезію в системі 1,2-пропандіол-етанол та N-[4-(дифторметил)тіофеніл]-2-амінобензойної кислоти в системі 1,2-пропандіол-вода.

Ключові слова: розчинність, термодинаміка процесу розчинення, сольватація, міжмолекулярні взаємодії, поліетиленгліколь, 1,2-пропандіол, солі лужних металів.

Аннотация

Сытник О.Ю. “Межчастичные взаимодействия и растворимость веществ различной природы в гликолях и смешанных растворителях на их основе.” - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук по специальности 02.00.04 - физическая химия. Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина, Харьков, 2006.

Диссертация посвящена исследованию межчастичных взаимодействий и растворимости ряда веществ в системах на основе полиетиленгликолей и 1,2-пропандиола и установлению основных факторов, влияющих на растворимость в таких системах. Впервые исследованы растворимость хлоридов щелочных металлов в гликолях ряда Н(ОСН2СН2)nОН, константы комплексообразования катионов щелочных металлов с оксиэтилированными гликолями в ацетонитриле. С привлечением данных ИК- и ПМР-спектроскопии показано, что растворимость солей щелочных металлов определяется рядом факторов: диэлектрической проницаемостью гликолей, процессами комплексообразования катионов с оксиэтильными группами, природой водородных связей в исследуемых гликолях и конформационными преобразованиями молекул ПЭГ, происходящих с изменением молярной массы гликоля. На основании комплексного физико-химического анализа системы 1,2-пропандиол-ПЭГ-400 методами денсиметрии, диэлькометрии и визкозиметрии показано, что наряду с процессами комплексообразования в смесях 1,2-пропандиол-ПЭГ-400 происходит разрушение пространственной сетки водородных связей 1,2-пропандиола. Смешанные ассоциаты 1,2-пропандиол-ПЭГ-400, образующиеся в системе, характеризуются меньшей устойчивостью, чем самоассоциаты 1,2-пропандиол и ПЭГ-400 и в суммарном эффекте взаимодействия ПЭГ-400 с 1,2-пропандиолом преобладает процесс разрушения жесткой пространственной сетки водородных связей 1,2-пропандиола. Кроме того, взаимодействие ПЭГ-400 с 1,2-пропандиолом приводит к конформационным преобразованиям молекул оксиэтилированного гликоля. С использованием результатов физико-химического анализа показано, что растворимость и термодинамические характеристики растворения нитрата, перхлората цезия и 1-2,4-дихлор--(2,4-дихлорбензилокси)-фенэтилимидазол нитрата в системе 1,2-пропандиол-ПЭГ-400 определяется рядом факторов: характером межмолекулярных взаимодействий в смешанном растворителе, конформационными преобразованиями молекул ПЭГ-400 в 1,2-пропандиоле, способностью ПЭГ-400 к донорно_акцепторному взаимодействию с катионом цезия, ион_дипольными и дисперсионными взаимодействиями смешанного растворителя с нитратом миконазола. Установлены и обсуждены факторы, влияющие на растворимость перхлората цезия и термодинамические характеристики растворения перхлората цезия в системе 1,2-пропандиол-этанол. Установлено, что растворимость N-[4-(дифторметил)тиофенил]-2-аминобензойной кислоты и термодинамические характеристики переноса N-[4-(дифторметил)тиофенил]-2-аминобензойной кислоты из воды в смешанный растворитель определяются гидрофобной гидратацией, энергией образования полости в растворителе, сольватацией за счет неспецифических взаимодействий растворенного вещества с 1,2-пропандиолом и образованием смешанных ассоциатов вода:1,2-пропандиол. Обнаруженные закономерности использованы для теоретического обоснования выбора оптимального состава смешанного растворителя при создании лекарственных средств в виде мазей и при разработке высокоэффективных лекарственных препаратов отечественного производства.

Ключевые слова: растворимость, термодинамика процесса растворения, сольватация, межмолекулярные взаимодействия, полиэтиленгликоль, 1,2-пропандиол, соли щелочных металлов.

Abstract

Sytnik O. Yu. “Interparticle interactions and solubility of substances of different nature in glycoles and mixed solvents based on them” - Manuscript.

The thesis for a candidate's degree in chemical science by speciality 02.00.04 physical chemistry. - V.N. Karasin National University, Kharkiv, 2006.

The thesis is devoted to the research of interparticle interactions and solubility of a number of substances in systems based on polyethyleneglycoles and 1,2-propandiol and determination of the main factors that influence such systems.

The influence of the number of oxyethyl groups in a PEG molecule, PEG chain conformation state, dielectric permeability, the character of hydrogen bonds in glycoles studied on complex formation, solubilizing and solvation PEG capacity to alkali metals salts was stated.

On the basis of physico-chemical analysis of 1,2-propandiol-PEG-400 system it was shown that destruction of spatial arrangement of hydrogen bonds in 1,2-propandiol and PEG-400 chain conformation changes took place along with association processes in 1,2-propandiol-PEG-400 mixtures. These phenomena cause maximum of nitrate, caesium perchlorate and 1-[2, 4-dichlor--(2, 4-dichlorbensiloxy)phenethil]imidasolum nitrat solubility in 1,2-propandiol-PEG-400 system.

Factors that influence caesium perchlorate solubility in 1,2-propandiol-ethanol and N-[4-(diftormethil)tiophenyl]-2-amino benzoic acid in 1,2-propandiol-water system are discussed.

Key words: solubility, thermodynamics of dissolution process, solvatation, intermolecular interactions, polyethyleneglycol, 1,2-propandiol, alkaline metals salts.

Размещено на Allbest.ur