Л Н Вилкова, Н А Водолазкая, Н О Мчедлов-Петросян - Влияние бета-циклодекстрина на диссоциацию - страница 1

Страницы:
1  2 

Вісник Харківського національного університету. 2005. № 669. Хімія. Вип.ІЗ(Зб)

УДК 54З.42.062+544.77+547.6ЗЗ.6

ВЛИЯНИЕ БЕТА-ЦИКЛОДЕКСТРИНА НА ДИССОЦИАЦИЮ

2,7-ДИХЛОРФЛУОРЕСЦЕИНА В ВОДНОМ РАСТВОРЕ © 2005 Л. Н. Вилкова, Н. А. Водолазкая, Н. О. Мчедлов-Петросян

Добавка /?-циклодекстрина (в-ЦД) изменяет положение протолитического равновесия 2,7-дихлорфлуоресцеина в водном растворе. Значения pKa0, P^al и pKa2, характеризующие ступенчатое равновесие H3R+ —* H2R "—~ HR- •"—* R2-, изменяются различным образом при введении 0.01 моль/л в-ЦД в водный раствор красителя с ионной силой 0.05 моль/л: значение

pKa0 снижается на 0.8 ед., значение pKai повышается на 0.5 ед., а значение pKa2 практически

не изменяется. Показано, что главной причиной такого характера изменений является преимущест­венное связывание нейтральной формы 2,7-дихлорфлуоресцеина гептаамилозной полостью, о чем свидетельствует резкий сдвиг таутомерного равновесия молекул H2R от окрашенного хиноида к бес­цветному лактону.

Как известно, введение супрамолекул в водные растворы может оказывать заметное влияние на положение химических равновесий [l-З]. Удобными объектами для исследования свойств организованных растворов являются различные индикаторные красители, спектральные и ки­слотно-основные свойства которых чувствительны к природе микроокружения.

Поскольку гидроксиксантеновые красители обладают ценными фотофизическими и фото­химическими свойствами и достаточно хорошо исследованы в воде, водно-органических сме­сях, мицеллярных растворах ПАВ, а также в прямых и обращенных микроэмульсиях [4-8], мы изучили влияние в -циклодекстрина (в-ЦД) на протолитические равновесия 2,7-дихлорфлуоресцеина в водном растворе.

Предварительные спектрофотометрические исследования показали, что ионизация этого ин­дикатора в водном растворе происходит, как и в случае флуоресцеина, в три ступени:

Ka0 (І)

Kal (2)

Ka2 (З) Нами использован препарат 2,7-дихлорфлуоресцеина фирмы Apolda, Германия без дополни­тельной очистки. Этот краситель ранее уже исследовался в нашей лаборатории [5-7]. Препарат в -ЦД (>99%) фирмы Fluka использовали без дополнительной очистки.

Для определения констант ионизации (в рассматриваемом случае приравненных к констан­там диссоциации) использовался спектрофотометрический метод [4-8]. Спектры измеряли на приборе СФ-46 в односантиметровых кюветах. Для варьирования значений pH применяли бо-ратные, фосфатные, ацетатные и бифталатные буферные растворы, а также разбавленные рас­творы HCl. При определении pKai и pKa2 ионная сила рабочих растворов поддерживалась

постоянной и равной 0.05 моль/л (буфер+NaCl), а значение pKa0 определяли при переменной ионной силе, создаваемой растворами НС1. Для измерения спектров поглощения катионной

формы красителя H3R + применяли концентрированные растворы HCl и 10 моль/л). Значе­ния pH определяли при 25 oC с помощью стеклянного электрода в цепи с переносом, градуиро­ванной по стандартным буферным растворам (1.68, 4.01, 6.86 и 9.18).

При исследовании равновесий в водном растворе в-ЦД рабочая концентрация красителя

была 6-10-5 моль/л. Для расчетов значений pKa использовались значения оптической плотно­сти в диапазоне длин волн Л =430-530 нм (21 значение Л), измеренные при 25 oC для 14 рас­

H3R + " " + H + ,

H2R HR- + H + , HR-  ^ R2- + H + ,

2—

творов с различными pH. Спектр дианиона R    измерен при pH = 10. Расчет значений pKa\ и

pKa2 проведен совокупно с коэффициентами молярного поглощения (є) моноаниона HR на основании измерений в области pH 2.0 -г- 8.0, с использованием, как и ранее [6, 8], програм­мы CLINP. Значение pKao определено изолированно, из измерений в области pH 0 1.0.

Спектр формы H2R окончательно уточнялся из измерений в области pH максимального вы­хода молекулярной формы, с использованием всех трех значений pKa [4, 6, 8]. Спектры моле­кулярной и ионных форм в водном растворе в -ЦД представлены на рис.1.

80 -70 -60 --!      50 -

г  40 -

1—   30 -

20 -10 -

0

420        440        460        480        500        520 540

X, нм

Рис. 1. Спектры поглощения молекулярной и анионных форм 2,7-дихлорфлуоресцеина в водном раство­ре в -циклодекстрина (0.01 моль/л) при ионной силе 0.05 моль/л (буфер+NaCl); спектр H3R+ измерен в

высококонцентрированных растворах HCl, без в-ЦД;   значения є () увеличены в 5 раз.

Значения параметров ионных равновесий 2,7-дихлорфлуоресцеина в воде и в растворах в -циклодекстрина представлены в таблице 1.

Таблица 1. Влияние 0.01 моль/л в -циклодекстрина на значения параметров ионных равновесий 2,7-дихлорфлуоресцеина в водном растворе при ионной силе 0.05 моль/л (25 oC)

Константа

0.01 моль/л в-ЦД

Без добавки в-ЦД [5, 9-11]

Разность

pKa0

-0.33 ± 0.12 *

0.44 ± 0.05

-0.77

pKa1

4.40 ± 0.05

3.91 ± 0.10

+0.49

pKa 2

4.91 ± 0.04

4.93 ± 0.06

-0.02

p^0,OH

0.62

0.92

-0.30

p%,COOH

3.45

3.43

0.02

pk2,OH

4.91

4.93

-0.02

*

ионная сила превышает 0.05 моль/л.

Значения pka0 , pk a1 и pk a2 , характеризующие ступенчатое равновесие, изменяются различным образом при введении 0.01 моль/л в-ЦД в водный раствор красителя. Значение pKa2 практически не изменяется. По-видимому, из этого можно сделать вывод о том, что если

связывание сопряженных форм R2- и HR- 2,7-дихлорфлуоресцеина полостью в-ЦД и имеет место, то происходит оно не с фрагментом, включающим диссоциирующую гидроксильную группу, а с кольцом, содержащим карбоксильную группу. Повышение значения pKa1 на 0.5

ед. и понижение pka0 на 0.8 ед. по сравнению с таковыми в воде свидетельствуют о преиму­щественном связывании и дополнительной стабилизации нейтральной формы 2,7-дихлорфлуоресцеина гептаамилозной полостью.

В таблице 2 приведены значения спектральных характеристик ионов и молекул 2,7-дихлорфлуоресцеина в воде и в водном растворе в -циклодекстрина.

Таблица 2. Значения спектральных характеристик ионов и молекул 2,7-дихлорфлуоресцеина в водном

растворе и в присутствии в -циклодекстрина

Ион (молекула)

Xmax,

нм (єтах10 3, л-моль 1-см 1)

 

В присутствии 0.01 моль/л

в-ЦД        В отсутствие в-ЦД [5,6, 9-11]

H3R+

450 (44.95)*

450 (44.95)

H2R

460 (3.00); 490 (2.98)

460 (8.96); 485 (8.70)

HR-

490 (26.75); 504 (27.02)

465-470 (24.1); 490 (28.3)

R2-

504 (72.62)

502 (75.02)

измерено в высококонцентрированных растворах HCl, без в -ЦД-

Изменения спектральных характеристик индикатора в присутствии 0.01 моль/л в-ЦД по сравнению с водой наблюдаются для форм R2-, HR- и H2R красителя. Это указывает на вероят­ное связывание этих форм полостью в-ЦД и согласуется с параметрами ионных равновесий 2,7-дихлорфлуоресцеина в изученной системе. В работе [1] при рассмотрении взаимодействия ионов R2- ряда гидроксиксантеновых красителей с а-, в- и у- циклодекстринами предлагаются два различных типа связывания этих индикаторов полостью супрамолекулы: 1) связывание ксантеновой части и 2) связывание фрагмента, содержащего карбоксильную группу.

Схема 1 описывает протолитические равновесия флуоресцеиновых красителей в растворах [4-11]. Обнаружено, что переход от воды к средам, содержащим супрамолекулы, приводит к

заметному гипохромному эффекту лишь для нейтральной формы H2R (табл.2), как и в случае

водно-органических смесей, мицеллярных растворов ПАВ и микроэмульсий [4-11]. Аналогич­ный эффект наблюдается для флуоресцеина в водных растворах в-ЦД [12]. Возможность су­ществования бесцветной лактонной структуры для молекулярной формы флуоресцеиновых красителей бесспорна [4, 6, 11], и речь идет, следовательно, о сдвиге положения таутомерного равновесия,

Судя по полученным спектральным характеристикам молекулярной и ионных форм 2,7-дихлорфлуоресцеина в растворах в-ЦД (рис.1), можно предположить существование катиона в растворе в виде структуры I, нейтральной формы - в виде равновесной смеси хиноида III и бесцветного лактона IV, причем характер спектра H2R не дает оснований предполагать наличие в растворах в -ЦД цвиттер-ионной частицы II, ввиду отсутствия дополнительного поглощения

в области Xmax(H3R+). В случае производных флуоресцеина, содержащих атомы галогенов в

положениях 2, 4, 5 и 7, существование цвиттер-иона маловероятно, так как кислотность групп ОН существенно усиливается. Спектр формы HR- близок по форме спектру H2R, следователь­но, для 2,7-дихлорфлуоресцеина в растворах в-ЦД, как и в воде [9-11], структура V преобла­дает над структурой VI.

VII

Схема 1. Протолитическое равновесие флуоресцеина (X=H) и 2,7-дихлорфлуоресцеина (X=Cl). kt = [IV] / [III]; kT = [II] / [III]; kT = kT / k{ = [IV] / [II]; kt% = [VI] / [V];

* * * *

k±,COOH =aH+ aII / aI; k0,OH =aH + aIII / aI; k1,Z =aH+ aV / aII; k1,COOH =aH+ aV / aIII;

* * *

k1,OH =aH+ aVI / aIII; k2,OH =aH+ aVII / aV; k2,COOH =aH + aVII / aVI.

Расчет долей таутомеров ) формы H2R 2,7-дихлорфлуоресцеина проводили по уравне­нию (4) [4, 6, 8-11]:

єОі^)= а (II)^(H3R + ) + а (Ш)-є(тГ), (4)

которое превращается в систему уравнений при использовании спектральных данных, полу­ченных на длинах волн 460 - 490 нм. Это уравнение справедливо, если приравнять значения є таутомеров II и III значениям є форм H3R+ (структура I) и HR- (структура V), соответственно. При этом а (^)=1(II)-а (III). Для растворов в-ЦД нами получено: а (III)=0.112 и

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

Л Н Вилкова, Н А Водолазкая, Н О Мчедлов-Петросян - Влияние бета-циклодекстрина на диссоциацию