Н О Мчедлов-Петросян, Н А Водолазкая, Д В Самойлов - Ионизация и таутомерия тиофлуоресцеина в водном растворе - страница 1

Страницы:
1  2 

Вестник Харьковского национального университета. 2000. №495. Химия. Вып.6(29)

УДК 547.633.6

ИОНИЗАЦИЯ И ТАУТОМЕРИЯ ТИОФЛУОРЕСЦЕИНА В ВОДНОМ РАСТВОРЕ

© 2000 Н.О.Мчедлов-Петросян, Н.А.Водолазкая, Д.В.Самойлов[1]

Значения pKa и характер таутомерии Тиофлуоресцеина в водном растворе показывают,

что замена гетероатома кислорода в молекуле Флуоресцеина на атом серы мало сказыва­ется на протолитических свойствах.

Продолжив систематическое исследование гидроксиксантеновых красителей [1—4], мы изучили протолитические равновесия Тиофлуоресцеина в водном растворе. В отличие от Флуоресцеина это соединение, насколько нам известно, в данном аспекте совершенно не исследовано, несмотря на его ценные оптические свойства [5,6]. Кроме того, интересно было выяснить, насколько замена гетероатома кислорода на серу повлияет на значения констант диссоциации и на характер таутомерии. Нами использован препарат Тиофлуо­ресцеина, синтезированный В.П.Мартыновой в лаборатории профессора А.В.Ельцова [5,6]. Чистота и индивидуальность препарата доказаны упомянутыми исследователями при по­мощи методов элементного анализа и ТСХ. Спектр ЯМР 1H (ДМСО-d6) измерен на при­боре Bruker AM-500 (500 МГц); 5, м. д: , 6.62 д (2Н, 2,7-H, JAB 8.6 Гц), 7.73 д (2Н, 1,8-H JAB 8.6 Гц), 6.94 с (2Н, 4,5-H), 7.50-7.97 м (4Н, C6H4COO). Систематическое название соединения в виде нейтрального лактона: 3',6'-дигидроксиспиро[изобензофуран-1(ЗЯ), 9'(9Я)-тиоксантен]-3-он, а в виде нейтрального хиноида: 2-(6-гидрокси-3-оксо-5Я-9-тиоксантенил)бензойная кислота.

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

H3R + 5=t h2R + H + , Ka0 (1) H2R 5=t HR_ + H +, Kal (2) HR_   5=t r2_ + h + ,    Ka2 (3)

Для определения констант ионизации (в рассматриваемом случае приравненных к кон­стантам диссоциации) использовался спектрофотометрический метод. Спектры измеряли на приборе СФ—46, в 1— и 5—сантиметровых кюветах. Для варьирования значений pH применяли фосфатные и ацетатные буферные растворы, а также разбавленные растворы HCl и NaOH. При этом ионная сила рабочих растворов поддерживалась постоянной и равной 0.05 моль/л добавками NaCl. Для измерения спектров поглощения катионной

формы красителя H3R + применяли растворы H2SO4 (2 и 3 моль/л). Значения pH опре­деляли при 25 oC с помощью стеклянного электрода в цепи с переносом, градуированной по стандартным буферным растворам.

При исследовании равновесий в водном растворе рабочая концентрация красителя бы­ла 2.2 10—5 моль/л. Для расчетов значений pKa использовались значения оптической плотности на 18 длинах волн (X = 460—540 нм), измеренные при 25 oC для 19 растворов

с различными значениями pH. Спектр дианиона R измерен при pH 12. Расчет значений pKai и pKa2 проведен на основании измерений в области pH 3.2—6.9 совокупно с коэф­

113фициентами молярного поглощения (є ) моноаниона HR [3,4] с использованием, как и ранее [2], программы CLINP. Значение pKao определено изолированно, из измерений в области pH 1.5—2.2. Значения показателей констант ионизации равны: pKao =2.07 ± 0.04;

pKal =4.63 ± 0.01; pKa 2 =6.34 ± 0.01. Спектр окончательно уточнялся из измерений в

области pH максимального выхода молекулярной формы, с использованием этих значе­ний pKa . Спектры ионных и молекулярной форм в воде представлены на рис.1.

Для оценки термодинамических значений pKa (Табл.1) коэффициенты активности ио­нов рассчитывали по второму при­ближению уравнения Дебая— Хюккеля, значение ионного пара­метра принято равным 5; коэффици­ент активности нейтральной формы

() положен равным единице. Аналогичное  исследование было

2 1.8 1.6 1.4 1.2

1

0.8 і 0.6 0.4 і 0.2

0

R2-

400

450

500

550

проведено при малом содержании этилового спирта (массовая доля HR- 3 %). В этом случае рабочая кон­центрация Тиофлуоресцеина была 2.0 10-5 моль/л, число рабочих рас­творов составляло 18, значения pKa1 и pKa2 находили из измере­ний в области pH 4.1-7.2, а pKa0 — при pH 1.6-2.6. Градуировка цепи с переносом проводилась и в этом тыы случае по водным стандартам; судя

по имеющимся данным, при столь малом содержании спирта суммарная поправка на жидкостный потенциал и эффект среды для протона пренебрежимо мала [7]. При 25 oC и ионной силе 0.05 моль/л найдено: pKa0 =2.05 ±0.05; pKa1 = =4.83 ±0.02; pKa2 =6.38 ±0.01. Термодинамические значения представлены в Таблице 1.

Рис.1. Спектры поглощения молекулярной и ион­ных форм Тиофлуоресцеина в водном растворе, приведенные к одной концентрации и длине кюве-

Таблица 1. Значения параметров протолитического равновесия Флуоресцеина и Тиофлуоресцеина в водном растворе (25 oC)

Константа

Флуоресцеин [1]

Тиофлуоресцеин

Тиофлуоресцеин, 3 % этанола

pKa 0

2.14

1.99

1.96

pKa1

4.45

4.71

4.92

pKa 2

6.80

6.59

6.64

Kt

6.04

8.4

5.0

kT

1.96

3.8

0.55

 

3.08

2.2

9.1

p^0,OH

3.10

3.11

2.78

p^±,COOH

2.80

2.53

3.04

pk1Z

3.79

4.17

3.84

pk1,COOH

3.49

3.58

4.10

Значения Хмакс , нм (ємакс 10 3, л моль 1 см 1) Тиофлуоресцеина в водном растворе равны: R2_: 511 (16.7), HR_ : 485 (6.0), 505 пл.(5.6), H2R: 438 (3.5), H3R +: 438 (10.8), а в 3%—ном водном этаноле R2_: 511 (17), HR_: 485 (5.8), 505 пл.(5.3), H2R: 438 (2.1), H3R + : 438 (10.7).

ж

Схема 1. Протолитические равновесия Тиофлуоресцеина. Кт =[г]/[в]; KT =[б]/[в]; KT = Kp/kT =[г]/[б]; Kpx =[е]/[д]; £+ШОН/aа ;

k0,OH =aHaв / aа ; k1,Z==^^д / a6 ; k1,COOH =aHaд / aв ; k2,OH =aHaж / ад .

При рассмотрении первых строк Таблицы 1 бросается в глаза довольно сильное сход­ство значений pKa Тиофлуоресцеина и Флуоресцеина, а анализ спектров поглощения

(рис.1) приводит к заключению, что и характер таутомерии этих двух красителей весьма сходен. Главное же различие заключается в том, что значения ємакс катиона и дианиона серосодержащего красителя существенно, примерно в 5 раз, ниже соответствующих зна­чений для его кислородного аналога. Поскольку соединения данного типа могут сущест­вовать в виде бесцветных лактонов и карбинолов, можно было бы предположить такие структуры и для ионов, по крайней мере для анионов. Для флуоресцеиновых красите­лей, в отличие от фталеиновых, лактонные структуры считались нехарактерными, однако недавно [4] нами было показано, что в случае некоторых нитропроизводных Флуоресцеи-на анионы—лактоны в растворах бесспорно существуют и иногда даже преобладают. С другой стороны, именно в этих случаях варьирование состава растворителя (переход от воды к водно—органическим и неводным растворам, а также к мицеллярным растворам коллоидных поверхностно—активных веществ) приводит к заметным смещениям положе­ния таутомерного равновесия анионов HR _ и R2_ [4]. В случае же Тиофлуоресцеина этого мы не наблюдали, и переход от воды к неводным средам приводит к заметному ги-

похромному эффекту лишь для нейтральной формы , для которой возможность су-

ществования бесцветной лактонной структуры бесспорна. Результаты исследования про-толитических равновесий Тиофлуоресцеина и серии его бром- и нитропроизводных в сме­шанных растворителях с большим содержанием неводного компонента составят предмет отдельной публикации [8], в которой также будут высказаны возможные предположения относительно причин низкой интенсивности поглощения ионных форм Тиофлуоресцеина. В настоящем же сообщении мы будем рассматривать схему превращений этого красителя, аналогичную обоснованной ранее для Флуоресцеина и его галогенпроизводных [1—3].

Предполагая существование катиона в растворе в виде структуры а , нейтральной формы в виде равновесной смеси цвиттер—иона б , хиноида в и бесцветного лактона г , моноаниона в виде смеси двух таутомеров (д и е) и дианиона в виде структуры ж,

и принимая, что диссоциация карбоксильной группы (COOH COO_) незначительно сказывается на длинноволновой полосе поглощения, можно заключить, что моноанион существует почти исключительно в виде структуры д , а доли таутомеров нейтральной формы соизмеримы, хотя лактон при этом и преобладает.

Согласно представлениям, уже оправдавшимся ранее для флуоресцеиновых красителей [1—3], можно при фиксированной длине волны приравнять значения є   таутомеров б и

в значениям є форм H3R +   (структура а) и HR_ (структура д ). Протонирование или

этерификация карбоксилатной группировки приводит к отчетливому батохромному сдвигу на несколько нанометров лишь в случае сравнительно узких полос поглощения красите­лей рассматриваемого типа, таких, например, как полоса дианиона R . Это имеет ме­сто, в частности, в случае Эозина и других 2,4,5,7—тетрагалогенпроизводых Флуоресцеи-на [1—3], а также для Тиоэозина и Тиоэритрозина [8]. В случае же Тиофлуоресцеина ни­каких признаков красного смещения по мере перехода от R к HR не наблюдается (рис.1), и с таутомером е в случае моноаниона HR _ можно не считаться.

На основании изложенного расчет долей таутомеров (а) формы проводится по

уравнению (4)

є(Н^) = а(б) є(Н^+) + а(в) e(HR_), (4)

превращающегося в систему уравнений при использовании спектральных данных, полу­ченных на различных длинах волн. При этом а(г) = 1 — а(б) а(в). Для водного раство­ра а(б) = 0.288, а(в) = 0.076, а(г) = 0.636. В 3%—ном водном этаноле: а(б) = 0.084, а(в) = 0.153, а(г) = 0.763. Отсюда легко рассчитать значения обозначенных на схемеконстант таутомерного равновесия и микроконстант ионизации ( k ). Связь этих парамет­ров с константами Ka выражается соотношениями:

pKa0 = pfyoH _ lg(1 т + KT) = p£+cooh _ lg 1 т + (kT)_1) , (5)

pKa1 = p^cOOH + lg1 т + KT ) = pk1z + lg(1 Т + (КТ)_1), (6)

pKa2 = pk2,OH . (7)

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

Н О Мчедлов-Петросян, Н А Водолазкая, Д В Самойлов - Ионизация и таутомерия тиофлуоресцеина в водном растворе