Український державний хіміко-технологічний університет

Блажеєвський Микола Євстахійович

УДК 543.42.062:623.459.44

Застосування пероксидних похідних карбонових кислот

у хімічному аналізі

02.00.02 – аналітична хімія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора хімічних наук

Дніпропетровськ – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі фізичної та колоїдної хімії Національного фармацевтичного університету Міністерства охорони здоров’я України, м. Харків.

Офіційні опоненти:

доктор хімічних наук, професор

ГРИЗОДУБ ОЛЕКСАНДР ІВАНОВИЧ

ДП „Науково-експертний фармакопейний центр”, м. Харків,

директор

доктор хімічних наук, професор

ЧМИЛЕНКО ФЕДІР ОЛЕКСАНДРОВИЧ

Дніпропетровський національний університет, м. Дніпропетровськ,

завідувач кафедри аналітичної хімії

доктор хімічних наук, старший науковий співробітник

ТРОХИМЧУК АНАТОЛІЙ КОСТЯНТИНОВИЧ

Київський національний університет ім. Тараса Шевченка, м. Київ,

провідний науковий співробітник кафедри неорганічної хімії

Провідна установа: ТНК „Інститут монокристалів” НАН України, м. Харків.

Захист відбудеться “10” листопада 2006 р. о 1300 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.078.01 в Українському державному хіміко-технологічному університеті (49005, м. Дніпропетровськ, просп. Гагаріна,8).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Українського державного хіміко-технологічного університету (49005, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна,8).

Автореферат розісланий “26 ” травня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Пініелле І.Д.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Хімія пероксидних сполук продовжує стрімко розвиватися. Дедалі ширше застосовуються органічні пероксиди в наукових дослідженнях і промисловій практиці. Особливу увагу привертають до себе пероксидні похідні карбонових кислот: висока реакційна здатність та різноманітність властивостей обумовили їх широке використання у хімічному аналізі. Пероксидна група -О–О- визначає особливості поводження органічних пероксидів і в першу чергу їх оксидаційну здатність.

Пероксикислотне окиснення використовують переважно для встановлення структури білків, алкалоїдів, у функціональному аналізі ненасичених сполук, в кінетичних методах для визначення металів, в синтетичній органічній хімії тощо. Домінуюче місце продовжує займати класичний напрямок, заснований на здійсненні процесу окиснення за посередництвом ароматичних кислот в середовищі органічних розчинників. Поряд з цим автором даної роботи в низці праць було показано, що для визначення деяких третинних аліфатичних амінів у водному середовищі з успіхом можуть бути використані відносно тривкі вищі аліфатичні дипероксикарбонові кислоти, які містять одразу два реакційноздатних пероксидних угрупувань. Однак започаткований метод здійснення пероксикислотного окиснення у водному середовищі не був поширений на інші нітрогеновмісні сполуки. Більше того, дотепер залишалася не з’ясованою можливість застосування аліфатичних пероксикарбонових кислот для кількісного визначення тіоалкоголів і тіоетерів. Не знайшла використання в практиці аналізу можлива їх диференціююча окиснююча здатність щодо різноманітних за природою нуклеофільних центрів в одній молекулі (наприклад, атому сульфуру та нітрогену) та нереалізована потенційна можливість зміни оксидаційних властивостей пероксикарбонових кислот в залежності від кислотності середовища їх водних розчинів.

Ще порівняно мало прикладів застосування у практиці хімічного аналізу реакцій пергідролізу (ацилюючих сполук з гідроген пероксидом в лужному середовищі), а також високочутливих хемілюмінесцентних реакцій, в яких як проміжні продукти утворюються реакційноздатні пероксидні похідні карбонових кислот тощо. Отже, можливості методу пероксикислотного окиснення в практиці хімічного аналізу сульфуро- та (або) нітрогеновмісних органічних сполук тощо за функціональними групами реалізовані в даний час недостатньо.

Очевидно, що здійснення системних досліджень стосовно встановлення механізмів і кінетичних особливостей перебігу пероксикислотного окиснення у водному середовищі, а відтак подальший пошук нових аналітичних реакцій та умов їх проведення, які можуть бути покладені в основу кількісних визначень, є актуальною проблемою, вирішення якої дозволить опрацювати новий метод хімічного аналізу – пероксикислотометрію.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась згідно з науково-дослідною тематикою кафедри фізичної, колоїдної та неорганічної хімії Національного фармацевтичного університету і є складовою частиною держбюджетних тем “Хімічний синтез, виділення та аналіз нових фармакологічно-активних речовин, встановлення зв’язку “структура – дія”, створення нових лікарських препаратів” (№ 198U007011) та „Дослідження нових високоефективних антибактеріальних засобів нового покоління на основі пероксисполук” (№ V010648).

Мета і задачі дослідження. Метою цієї роботи є застосування пероксидних похідних карбонових кислот у хімічному аналізі. Для досягнення цієї мети необхідно: –

розробити метод добування пероксидних похідних карбонових кислот високого ступеня чистоти;

? дослідити стійкість моно- та дипероксикарбонових кислот у розбавлених розчинах спиртів і воді;

? встановити кінетичні закономірності взаємодії пероксидних похідних карбонових кислот з сульфуро- та нітрогеновмісними органічними речовинами тощо у водному середовищі;

? вивчити вплив довжини карбонового ланцюга на оксидаційні властивості пероксикарбонових кислот;–

здійснити вибір найважливих реакцій пероксикислотного окиснення та пергідролізу органічних речовин, які можуть стати основою їх аналітичного визначення;–

дослідити можливості та переваги поєднання високочутливих та високовибіркових ензимних з окисно-відновними реакціями пероксикислотного окиснення у біохімічних методах аналізу; –

на підставі нових аналітичних рішень опрацювати способи та методики кількісного визначення речовин за допомогою пероксидних похідних карбонових кислот; –

вивчити аналітичні характеристики та можливість практичного використання розроблених методів; –

на підставі хемілюмінесцентної реакції окиснення люмінолу гідроген пероксидом у присутності пероксидази гемоглобіну крові розробити тест-систему на приховану кров.

Об’єкт дослідження – хіміко-аналітичні властивості пероксидних похідних карбонових кислот; нові аналітичні реакції пероксикислотного окиснення та пергідролізу, можливість практичного застосування їх у хімічному аналізі.

Предмет дослідження. Кінетичні закономірності та механізм реакцій пероксикислотного окиснення та пергідролізу у водному середовищі; нові реакції пероксидних похідних карбонових кислот з сульфуро- та (або) нітрогеновмісними органічними речовинами у водному середовищі; реакції ацилюючих сполук з гідроген пероксидом в лужному середовищі; кінетичні закономірності та умови їх перебігу; аналітичне визначення сульфуро- та /або нітрогено- та фосфоровмісних органічних речовин тощо у водному середовищі за реакціями пероксикислотного окиснення та пергідролізу; кінетичні методи аналізу на основі спряженої системи реакцій ензимного гідролізу ацетилхоліну та (або) пергідролізу, а також пероксикислотного окиснення субстратів; пероксидазна активність гемоглобіну в хемілюмінесцентній реакції окиснення люмінолу гідроген пероксидом та її застосування для виявлення прихованої крові при контролю якості передстерилізаційного очищення виробів медичного призначення.

Методи дослідження. У дисертаційній роботі використаний комплекс взаємодоповнюючих фізико-хімічних методів дослідження, зокрема, йодометрії, потенціометрії, полярографії, хемілюмо- та флуориметрії, хроматографії, УФ/ВИД та ІЧ-спектроскопії, термогравіметрії, хімічної кінетики тощо.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукова новизна роботи полягає у розширенні можливостей використання пероксидних похідних карбонових кислот у хімічному аналізі:

1. Розроблений уніфікований сульфатнокислотний метод добування моно-(С7-С12) та дипероксикарбонових (С4-С10) кислот із вмістом активного оксигену 98%. Запропонований новий метод ідентифікації пероксикарбонових кислот (ПК) за їх молярними масами, які визначають за результатами кількісних йодометричних визначень пероксидної та кислотної функціональних груп.

2. Вперше встановлені кінетичні закономірності та здійснена ідентифікація продуктів термолізу вищих аліфатичних моно- та дипероксикарбонових кислот в середовищі спиртів при 289 та 298 К. При видовженні карбонового ланцюга спиртів, а також при його розгалуженні швидкість розкладання ПК зменшується. Зроблений висновок про переважаючий гетеролітичний характер процесу та участь у ньому розчинника як реакційного партнера. Встановлено, що при видовженні карбонового ланцюга стійкість досліджуваних ди-ПК зростає. У ряду моноперокси-(С4-С5) та дипероксидикарбонових (С4-С10) кислот у водних фосфатних розчинах при рН 4,7 із видовженням ланцюга термоліз заповільнюється.

3. Виявлені та досліджені кількісні, швидкі та вибіркові окисно-відновні реакції пероксикарбонових кислот з сульфуровмісними сполуками (тіоалкоголями, гетероциклічними тіоетерами та дисульфуровими похідними), а також типовими неорганічними (солями йодиду, сульфіту, дисульфіту, тіосульфату тощо) та органічними (аскорбіновою кислотою тощо) відновниками, які покладено в основу принципово нових загальних оксидиметричних методів їх кількісного визначення. Встановлено, що кінетика та механізм реакцій окиснення сульфуровмісних сполук у водному середовищі підпорядковується загальним закономірностям специфічного кислотно-основного каталізу. Запропоновані умови та показані можливості застосування вищих моно- та дипероксикарбонових кислот як аналітичних реагентів для кількісного визначення тіоалкоголів і гетероциклічних тіоетерів у водному середовищі.

4. Показано, що оптимальне значення рН окиснення пероксикарбоновими кислотами третинного амінного нітрогену дорівнює півсумі показників констант кислотності пероксикислоти (для дипероксикислот рКНА0,5(рКа1+ рКа2)) та основності аміну відповідно і є загальною закономірністю. Дістав подальший розвиток опрацьований раніше автором метод здійснення N-оксидації третинних амінів для кількісного визначення сполук, які містять крім третинного нітрогену додатково вторинний – амідний. Встановлено, що окисненню в молекулі зазначених сполук піддається лише третинний амінний нітроген.

5. Встановлена симбатна залежність між величинами окисно-відновних потенціалів систем пероксикарбонова кислота/ карбонова кислота, вода та довжиною карбонового ланцюга пероксикислот та здійснений її теоретичний опис; електродний потенціал зростає пропорційно різниці величин pKa протонованих частинок пероксикарбонової та відповідно карбонової кислот.

6. Вперше досліджена кінетика реакцій ацилюючих сполук (з четвертинним нітрогеном у -положенні від естерного оксигену) з гідроген пероксидом, в яких утворюються пероксикарбонові кислоти. Одержані результати покладені в основу нового методу кінетичного визначення відомих субстратів ензимних реакцій – ацетилхоліну та дитиліну (суксаметонію дійодиду).

7. Вперше для оцінювання активності фермента холінестерази запропоновано використовувати систему двох послідовних реакцій: пергідролізу ацетилхоліну у поєднанні з високочутливою окисно-відновною реакцією окиснення ароматичного аміну або хемілюмінесцентного окиснення люмінолу. Цей спосіб покладений в основу запропонованого методу ензимно-кінетичного визначення різних за природою інгібіторів холінестераз, який виконують у спектрофотометричному та хемілюмінесцентному варіантах.

8. Вперше в практиці хімічного аналізу як індикаторна на фосфоровмісні пестициди похідні дитіофосфатної кислоти використана високочутлива хемілюмінесцентна реакція з 9-ціано-10-метилакридинію нітратом. Встановлені оптимальні умови генерації хемілюмінесценції в реакціях фозалону, фталофосу та малатіону з 9-ціано-10-метилакридинію нітратом та запропонована схема процесу виникнення емітера.

9. Вперше систематично досліджені кінетичні особливості реакцій каталітичного окиснення хемілюмінесцентного індикатора люмінолу гідроген пероксидом в присутності ацилюючих речовин – фосфоровмісних пестицидів (метафос, трихлорметафос, дихлофос, хлорофос), які були покладені в основу їх високочутливого кінетичного визначення у водних розчинах.

Практичне значення одержаних результатів. Застосування результатів дослідження впливу різних факторів на властивості компонентів аналітичної системи дозволяє розробити рекомендації стосовно вибору умов здійснення пероксикислотнометричного визначення сульфуро- та (або) нітрогеновмісних сполук тощо у водному розчині. Для вибору реагенту та оптимальних умов можуть бути використані попередньо встановлені залежності величин ОВП та констант швидкостей реакцій від рН середовища, які дозволяють кількісно прогнозувати оксидаційні властивості пероксидних похідних карбонових кислот, виходячи з кислотних властивостей (значень рКа) у водних розчинах.

Дані, отримані в результаті здійсненого дослідження, розширюють відомості про оксидаційні та електрофільні властивості пероксидних похідних карбонових кислот, а відтак сфери застосування методу пероксикислотного окиснення та його значення у функціональному хімічному аналізі органічних сполук. Одержані результати можуть бути основою для вивчення властивостей інших органічних пероксидів, прогнозування перебігу їх реакцій з нуклеофільними реагентами у водному середовищі. Опрацювання достатньо точних, швидких і простих у виконанні методів прямого титриметричного визначення ряду органічних речовин, які містять сульфогідрильну групу, здатну окиснюватися з утворенням відносно стійких продуктів реакції, робить пероксикислотне окиснення перспективним у хімічному аналізі. Опрацювання кінетичних методів у спектрофотометричному та хемілюмінесцентному варіантах, заснованих на використанні селективно генерованої аналітичної форми у вигляді пероксидного похідного, дозволяє суттєво підвищити чутливість та точність методів кількісного визначення аналітів. Запропоновані ензимно-кінетичні методи дозволяють уніфікувати визначення великого кола органічних сполук, здатних інгібувати гідроліз ацетилхоліну. Запропоновані в роботі йодометричні методики дозволяють уніфікувати визначення великого загалу органічних сполук, які містять певну нуклеофільну функціональну групу, здатну стехіометрично окиснюватися пероксикарбоновою кислотою. Застосування реакцій пергідролізу розширює можливості хемілюмінесцентного аналізу, а вивчення хемілюмінесцентної активності пероксидних похідних карбонових кислот дозволяє поповнити знання про цю групу окисників, які є перспективними реагентами та аналітичними формами.

Розроблені два способи виявлення прихованої крові для контролю якості передстерилізаційного очищення виробів медичного призначення та на об’єктах судово-медичної експертизи на основі селективно генерованої аналітичної форми хемілюмінесцентної реакції у вигляді пероксиду покладено в основу дії оригінальних препаратів „Гемотест-М” та „ Делатест”, які в даний час запроваджені у практику.

Отримані результати досліджень та методики визначення отруйних речовин впроваджено в навчальний процес Харківського інституту танкових військ НТУ „ХПІ”, Національного медичного університету ім. Данила Галицького та Національного фармацевтичного університету, що засвідчено актами.

Особистий внесок здобувача. Усі наукові та практичні результати, які викладені у дисертації, отримані автором самостійно, або ж за його участю як відповідального виконавця та координатора досліджень, здійснених за держбюджетними НДР. Він також був ініціатором і координатором тих досліджень, які були виконані за його власною ініціативою у творчій співдружності зі дослідниками з різних наукових установ і вищих навчальних закладів з використанням складного наукового обладнання та сучасних приладів, яких немає у НФаУ. Автору дисертації належить формулювання мети та завдань дослідження. Він здійснив усі хімічні та більшість фізико-хімічних випробувань; вивчив кінетику, стехіометрію взаємодії аналітів з пероксидними похідними карбоновими кислотами, здійснив ідентифікацію продуктів реакцій, опрацював усі запропоновані аналітичні методики аналізу, здійснив тлумачення та узагальнення отриманих результатів, а також написав і підготував до друку усі статті та тези доповідей за темою дисертації. Автор вдячний доценту Львівського національного університету ім. І. Я. Франка Т.Я.Врублевській за надану технічну допомогу при виконанні полярографічних досліджень.

Апробація результатів роботи. Основні наукові та практичні результати, які викладені у дисертації, були оприлюднені і обговорені на таких наукових конференціях і семінарах: Республиканской научно-практической конференции „Современные проблемы фармации” (Харків, 1993 р.), Республіканській науково-практичній конференції „Сучасні проблеми фармації” (Харків, 1994 р.), XVII Українській конференції з органічної хімії (Харків, 1995 р.), Науковій сесії Відділення хімії НАН України „Наукові основи розробки лікарських препаратів” (Харків, 1998 р.), Міжнародній конференції, присвяченій 75-річчя з дня народження ректора ХФІ, д.х.н., проф. Сала Д.П. „Теорія і практика створення лікарських препаратів” (Харків, 1998 р.), Науково-практичній конференції „Вчені України – вітчизняній фармації” (Харків, 2000 р.), Всеукраїнській науково-практичній конференції „Сучасні проблеми фармацевтичної науки і практики” (Харків, 2001 р.), Всеукраїнській науково-практичній конференції „Фармація XXI століття” (Харків, 2002 р.), ІІІ Українському з’їзді з електрохімії (Львів, 2002 р.), Науково-практичній конференції „М’які лікарські засоби в сучасній фармації і медицині” (Харків, 2002 р.), Першому Міжнародному симпозіумі „Методи хімічного аналізу” (Севастополь, 2002 р.), Международном форуме “Аналитика и аналитики” (Воронеж, 2003 р.), Міжнародній науково-практичній конференції „Наука і соціальні проблеми суспільства: медицина, фармація, біотехнологія” (Харків, 2003 р.), Третьому Західноукраїнському симпозіуму з адсорбції та хроматографії (Львів, 2003 р.), Всеукраїнській науково-практичній конференції „Сучасні технології органічного синтезу та медичної хімії” (Харків, 2003 р.), ІІІ Міжнародній науково-практичній конференції „Динаміка наукових досліджень’2004” (Дніпропетровськ, 2004 р.), Науково-практичній конференції з міжнародною участю „Створення, виробництво, стандартизація, фармакоекономіка лікарських засобів та біологічно-активних добавок” (Тернопіль, 2004 р.), International conference Analytical Chemistry and Chemical Analytic (AC & CA 05), devoted to 100 anniversary of Anatoly Babko / Book of abstracts: Kyiv. Ukraine (September 12-18, 2005). – P. 480.

Публікації. За темою дисертації опубліковані 43 праці та одержані 2 патенти України на винахід, у тому числі: 23 статті (20 – без співавторів у фахових наукових журналах) та 17 тезів доповідей на вітчизняних та міжнародних конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається з вступу, 7 розділів, висновків, списку використаних джерел та чотирьох додатків. Зміст досліджень викладений на 524 сторінках, включаючи текстовий матеріал на 297 стор., 93 рисунки (на 46 окремих сторінках) та 62 таблиці (на 31 окремій сторінці). Список використаних джерел, викладений на 51 стор. містить 542 бібліографічних найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, поставлена мета та завдання дослідження, показана наукова новизну і практична цінність роботи.

У першому розділі – літературному огляді „Синтез, властивості та застосування пероксидних похідних карбонових кислот у хімічному аналізі”, подані дані про хіміко-аналітичні властивості, методи добування та реакції пероксидних похідних карбонових кислот (ППКК), зокрема ПК та пероксидів ацилів. Описане застосування ППКК як аналітичних реагентів у хімічному аналізі, опис методик синтезу об’єктів досліджень – ППКК та їх фізико-хімічні характеристики; реактиви, апаратура, методи та умови здійснення експерименту наведені у другому розділі. Кінетику розкладення та окиснення сульфуро- та (або) нітрогеновмісних сполук, неорганічних відновників тощо вивчали методом йодометричного титрування, а також методом спектрофотометрії та полярографії за продуктами реакцій. Вимірювання об’єму титранта здійснювали мікробюреткою з точністю ±0,01 мл. Для титрування застосовували 0,005-0,02 моль/л розчин тіосульфату натрію. В роботі використовували спектрофотометри „Спекорд М40”, „Спекол-11”, СФ-26. Значення рН середовища контролювали йономіром И-130 за допомогою скляного електрода ЭСЛ-43-07. Полярограми знімали на осцилополярографі ПО модель 03 ЦЛА з триелектродною чарункою. Робочий електрод – ртутний крапаючий (РКЕ), електрод порівняння – насичений каломельний (НХКЕ). Хроматограми одержували за допомогою мікроколонкового рідинного хроматографа „Міліхром А-02”. Як детектор використовували УФ-спектрофотометр. Спектри ПМР синтезованих сполук записані на спектрометрі Varian Mercury-VX-200 в розчині ДМСО-D6, робоча частота 199,97 МГц, внутрішній стандарт – ТМС. Хроматограми в тонкому шарі сорбента (ТШХ) одержували на пластинах „Силуфол” та ”Мерк”. Спектри флуоресценції реєстрували на спектрофлуориметрі F4010 „Хітачі”. Аналізували лікарські препарати: пігулки, ліофілізований порошок для ін’єкцій, розчини для ін’єкцій, інсектициди та пестициди тощо вітчизняного та іноземного виробництва. Окисно-відновні потенціали (ОВП) вимірювали йономіром И-130 з точністю ±1 мВ стосовно насиченого хлоридносрібного електрода (НХСЕ). Індикаторні електроди – ЭО-021, ЭПВ-1. Інтенсивність хемілюмінесценції (Іхл) реєстрували на установці з чутливістю 0,43·107(фот)/4р/поділка з фотоелектронним помножувачем ФЭУ-84-А, вимірювачем малих струмів ИМТ-05 та швидкодіючим (постійна часу 0,1с) потенціометром-самописцем. Інтегральне світіння за довільний час від моменту змішування реагентів вимірювали на електронному інтеграторі И-02.

В третьому розділі „Синтез та фізико-хімічна характеристика моно-та дипероксикарбонових кислот” наведені результати синтезу пероксикарбонових кислот новоопрацьованим сульфатнокислотним способом, вивчення стійкості моно-(С8-С12) та дипероксидикарбонових (С4-С10) кислот у спиртах (СН3ОН, С2Н5ОН, С3Н7ОН, ізо-С3Н7ОН, С4Н9ОН, трет- С4Н9ОН, фосфатному буферному розчині при рН 4,7; їх окисно-відновних властивостей у водних розчинах.

Синтез ППКК. Виходячи з необхідності добування різних за природою достатньо чистих пероксикарбонових кислот, опрацьований простий за виконанням уніфікований сульфатнокислотний метод добування вищих моно-(С7-С12)пероксикарбонових та дипероксидикарбонових (С4-С10) кислот із вмістом активного оксигену 98% та виходами 92–97% від теоретичного. Запропоновані формули розрахунку та наведені результати здійснення ідентифікації пероксикарбонових кислот за їх молярними масами, які визначають на підставі даних, одержаних за допомогою йодометричних визначень пероксидної та кислотної функціональних груп з точністю ±1,5-2 од. г/моль (n=4-5). Монопероксибурштинову (МПБК, n=2) та монопероксиглутарову (МПГК, n=3) кислоти НО(ОС)(СН2)n(CO)OOН, а також пероксидибурштинову та пероксидиглутарову кислоти НО(СО)(СН2)n(CO)OO(CO)(CH2)n(CO)OH (n=2,3) одержували із відповідних ангідридів дикарбонових кислот з 10-35 % Н2О2 у воді.

Кінетика термічного розкладення вищих моно-та дипероксикарбонових кислот в розчинах спиртів та воді. У розбавлених ~0,2 мас.% розчинах моно-(С8-С12) та дипероксикарбонових (С4-С10) кислот в СН3ОН, С2Н5ОН, С3Н7ОН, ізо- С3Н7ОН, С4Н9ОН, трет-С4Н9ОН за даними рН-потенціо- та йодометричного титрування при 289 та 298 К розкладення відбувається головним чином гетеролітично за реакцією першого порядку з енергією активації Еа=7,2-113,5 кДж/моль (моно-ПК) і 15,8-159,2 кДж/моль (ди-ПК). Швидкість термолізу ПК має тенденцію до зменшення з видовженням їх карбонового ланцюга. При видовженні карбонового ланцюга спиртів, а також при його розгалуженні швидкість розкладення ПК загалом зменшується. Встановлено, що розчинник бере участь в процесі не тільки як середовище, але також як реакційний партнер. Як основні продукти розкладення пероксикислот ідентифіковані відповідні карбонові кислоти та оксиген. У випадку метанолових розчинів ПКлК (С8) має місце її декарбоксилювання. У процесі розкладення ПК із С 9 етанол піддається окисненню до ацетатної кислоти. При видовженні карбонового ланцюга стійкість досліджуваних ди-ПК зростає. У ряду моноперокси-(С4-С5) та дипероксидикарбонових (С4-С10) кислот у воді (рН 4,7) швидкість термолізу зменшується з видовженням карбонового ланцюга, kеф 107 , с-1: МПБК (9,5) > ДПБК (6,75) > МПГК (4,2) > ДПГК (2,75) > ДПАК (2,2) > ДПАзК (0,95) > ДПСК (0,7).

Електродний потенціал моно- та дипероксикарбонових кислот та його залежність від рН середовища. Встановлена симбатна залежність між величинами окисно-відновних потенціалів систем пероксикарбонова кислота/ карбонова кислота, вода та довжиною карбонового ланцюга пероксикислот та здійснений її теоретичний опис; електродний потенціал зростає пропорційно різниці величин pKa протонованих частинок пероксикарбонової та відповідно карбонової кислот.

Електродна реакція між окисненою та відновленою формами у розчинах пероксикарбонових кислот може бути зображена рівнянням: RCO3H + 2H + 2e = RCO2H + H2O, а рівняння електродного потенціалу за умов постійності відношення коефіцієнтів активності виглядає відповідно таким чином:

,

де та – константи дисоціації пероксикарбонової та карбонової кислоти відповідно; p і q – функції утворення Б’єрумму, вони дорівнюють:

= , = .

При рН=0 та /=1

.

У випадку дипероксидикарбонових кислот маємо:

HO3C-(CH2)n-CO3H + 4H+ + 4e = HO2C-(CH2)n-CO2H + 2H2O,

а рівняння електродного потенціалу виглядає відповідно наступним чином:

,

де p і q – функції утворення Б’єрумму, вони дорівнюють:

=, = .

За умови, що рН=0 та /=1

.

У четвертому розділі „Застосування пероксидних похідних карбонових кислот у хімічному аналізі. Пероксикарбонові кислоти як аналітичні реагенти” наведені результати кінетичного дослідження реакцій моно- та ди-ПК з нуклеофільними сульфур- та(або) нітрогеновмісними реагентами тощо у водних розчинах (натрію сульфіт, натрію дисульфіт, калію йодид, а також цистеїн, N-АЦЦ, глутатіон, унітіол, метіонін, цистин, аскорбінова кислота тощо). За результатами потенціометричного та йодометричного титрування встановлені стехіометричні коефіцієнти реакцій моно-ПК та ди-ПК з нуклеофілами. Це дозволило запропонувати такі схеми взаємодії:

2 С6Н8О6 + R(CO3H)2 = 2 С6Н6О6 + R(CO2H)2 + 2 Н2О

4 I – + R(CO3H)2 + 4 H+ = 2 I2 + R(CO2H)2 + 2 H2O

2 HSO3– + R(CO3H)2 = 2 SO42– + R(CO2H)2 + 2 H+

S2O32– + H2O + 2 R(CO3H)2 = SO42– + H2SO4+ 2 R(CO2H)2

4 Na2S2O3 + 4 HCl + R(CO3H)2 = 2 Na2S4O6 + R(CO2H)2+ H2O + 4 NaCl.

(у присутності йодид-йонів)

Швидкість та ступінь повноти S-окиснення тіоалкоголів визначається їх природою, кислотністю середовища та молярним співвідношенням компонентів: в кислому середовищі SH-група практично миттєво піддається оксидаційному сполученню з утворенням дисульфурових похідних, які в подальшому з надлишком пероксикислоти стехіометрично перетворюються у відповідні продукти приєднання двох атомів оксигену, а відтак в лужному середовищі – до відповідних дисульфонових похідних. Запропонована схема перетворень тіоловмісних сполук під дією дипероксикислот на прикладі цистеїну (рис. 1).

Рис. 1. Схема окиснення цистеїну дипероксидикарбоновою кислотою

Слід зазначити, що утворення дисульфурової сполуки – цистину, ймовірно, відбувається за реакцією конденсації утвореної на початковій стадії взаємодії цистеїнсульфенової кислоти з непрореагованим цистеїном. Про це, зокрема, свідчить стехіометрія реакції титрування цистеїну пербензойною та дипероксіадипіновою кислотами, де на 1 моль тіолу витрачається 1 моль еквівалента пероксикислоти. Унітіол спочатку утворює моносульфоксид дисульфуру, який в лужному середовищі перетворюється кількісно у відповідний дисульфоксид та (або) його тіолсульфонат, а глутатіон – одразу в кислому середовищі окиснюється у відповідний дисульфон.

Перебіг реакції з вищою аліфатичною пероксикислотою у помірно кислих розчинах забезпечує кількісне одержання із метіоніну відповідного

S-оксиду, а в лужних – сульфонового похідного. Ці реакції за даними кінетики у водних розчинах перебігають суворо стехіометрично.

Запропонований загальний оксидиметричний метод кількісного мікровизначення цистеїну, N-АЦЦ, глутатіону, унітіолу, метіоніну, а також сульфіту, дисульфіту, тіосульфату, йодиду та аскорбінової кислоти за реакціями окиснення їх ди-ПК у водному середовищі. Розроблені рекомендації стосовно вибору оптимальних умов та опрацьовано варіанти методик пероксикислотного мікровизначення відновників за методами залишків йодометрично та потенціометричного титрування. При визначенні 2-13 мг аналітів Sr0,01, сн = 0,05-0,1 мг.

Запропоновані умови та показана можливість здійснення диференційованого потенціометричного визначення аскорбінової кислоти та цистеїну або N-АЦЦ в бінарних сумішах, а також цистеїну в присутності йодиду у складних лікарських формах за однією аліквотою розчину проби.

При титруванні на 1 моль аскорбінової кислоти і N-АЦЦ витрачається 0,5 моль ди-ПК незалежно від її природи. Наведена схема окиснення цистеїну та N-АЦЦ. Детальне вивчення кінетики реакції показало, що в умовах незначного надлишку дипероксикислоти проти еквімолярної кількості АЦЦ при рН середовища 6,0–6,5 спостерігається глибше стехіометричне окиснення АЦЦ, – очевидно, з утворенням відповідного дисульфону: 1 моль АЦЦ витрачається 1,25 моль дипероксикислоти.

Природа утворюваних продуктів окиснення підтверджена даними вивчення стехіометрії реакцій, якісного аналізу, рН-потенціометрії, ТШХ, ВЕРХ та розподільчої хроматографії. При співвідношенні 6,25 мг цистеїну та 3,8 мг аскорбінової кислоти в очних краплях Sr±0,7 та 2,0 % відповідно. При аналізі грануляту АЦЦ-100 з аскорбіновою кислотою методом потенціометричного титрування для 0,6 мг аскорбінової кислоти та 5,0 мг АЦЦ Sr±1,5 та 0,5 % відповідно. Результати аналізу новоопрацьованим методом очних крапель „Віцеїн” з йодидом калію на вміст цистеїну свідчать, що Sr±0,5 %. Застосування ди-ПК як аналітичних реагентів на відновники у водному середовищі дозволяє одержувати достовірні результати, а також значно спростити та скоротити час виконання аналізу.

Вперше досліджена кінетика та механізм реакцій пероксикислотного окиснення гетероциклічних нітрогеновмісних тіоетерів – похідних фенотіазину та пеніцилінів у водному середовищі. На підставі результатів вивчення впливу рН на кінетику та природу продуктів реакцій встановлено, що взаємодія ди-ПК з тіоетерами відбувається кількісно і стехіометрично за рівнянням 2-го порядку з утворенням S-оксидів, а відтак сульфонових похідних у лужному середовищі. Друга стадія процесу окиснення, на якій утворюються сульфони – значно повільніша, полягає у нуклеофільному перенесенні оксигену за сульфуром S-оксиду тіоетеру і підпорядковується загальним закономірностям специфічного оснувного каталізу (рис. 2 ).

Рис. 2. Схема пероксикислотного окиснення тіоетерів

Окиснення нітрогену за досліджуваних умов не спостерігалося. Розроблені рекомендації стосовно вибору оптимальних умов та вперше опрацьовано варіанти методик пероксикислотного мікровизначення метіоніну, 10-алкілзаміщених похідних фенотіазину та пеніцилінів методами залишків йодометрично, прямого потенціометричного титрування (фенотіазини), а також запропоновані методики непрямого спектрофотометричного (фенотіазини), полярографічного (фенотіазини, пеніциліни) та кінетичного визначення (пеніциліни) їх за відповідними S-оксидами, одержаними в попередній стадії аналізу за допомогою ПК тощо.

Ідентифікацію та визначення кількості утворених продуктів здійснювали за даними УФ-та ІЧ-спектроскопії, флуоримерії, ТШХ та ВЕРХ, а також полярографічного аналізу з використанням зразків відповідних сульфоксидів і сульфонів досліджуваних фенотіазинів наперед одержаних зустрічним синтезом.

Результати вивчення кінетики і стехіометрії, а також природи основних продуктів взаємодії методами йодометричного титрування пероксикислоти, УФ-, ІЧ-спектроскопії, хроматографічного та осцилополярографічного аналізу засвідчують утворення на першій стадії реакції (ПК+пеніцилін) відповідного S-оксиду пеніциліну, який під дією ПК в присутності лугу піддається головним чином реакціям пергідролізу та подальшому окисненню з утворенням нового продукту із розімкнутим лактамним циклом і окисненим сульфуром до сульфонового угрупування (рис. 3).

S-оксид пеніциліну

Рис. 3. Схема реакцій S-окиснення та пергідролізу пеніцилінів, які покладено в основу аналітичних визначень

Методики репрезентованого методу пероксикислотометрії дозволяють визначати лікарські речовини – 10-алкілзаміщені похідні фенотіазіну – у готових лікарських формах із задовільною точністю (Sr 1,7%). Аскорбінова кислота, сульфіти, хлориди – не заважають аналізу. Одержані дані опрацьованих методик прямого окисно-відновного потенціометричного титрування та методу йодометрії добре узгоджуються із результатами офіцинальних методів, однак переважають останні за селективністю, а відтак – простотою і швидкістю виконання аналізу. Запропонований метод пероксикислотометрії є загальним і може бути поширений на інші фенотіазіни та пеніциліни. Визначення похідних фенотіазіну за S-оксидами більш чутливе, швидше та менш трудомістке у порівнянні до методик, які ґрунтуються на утворенні вільних радикалів фенотіазонію. Розроблені методики визначення пеніцилінів дозволяють визначати різні за природою пеніциліни у значно менших кількостях, ніж фармакопейним методом йодометрії, придатні для того ж інтервалу визначуваних концентрацій, що й в методі фотометрії продуктів гідролізу, але не вимагають при цьому довготривалого нагрівання реакційної суміші, простіші та швидші за методики хроматографічного аналізу. Комбінація методу непрямого йодометричного визначення сумарного вмісту пеніцилінів за витратою ПК із кінетичним методом визначення швидко реагуючого компонента суміші дозволяє здійснювати повний аналіз бінарної суміші ампіциліну та оксациліну при сумісній присутності в лікарському препараті Ампіокс”, е< 3%. Результати аналізу препаратів за опрацьованими та стандартними фармакопейними методиками добре сходяться. Вибрані оптимальні умови для здійснення ідентифікації S-оксиду дипразину та трифтазину в сумішах із нативними сполуками та сульфоновими похідними методом зворотно-фазової ВЕРХ.

Запропоновані методики препаративного одержання високого ступеня очищення (стандартних зразків) S-оксидів дипразину та трифтазину за допомогою дипероксидикарбонових кислот як окисників. Їх будова та ступінь очищення доведені методами ВЕРХ та ПМР.

Для реакцій N-окиснення третинних амінів ПК зроблене теоретичне узагальнення, яке полягає в тому, що оптимальне рН зазвичай дорівнює півсумі показників констант кислотності ПК та оснувності аміну: рН0,5(рКНА+рКв) (у випадку ди-ПК рКНА=0,5(рКа1+рКа2). Залежність ефективної константи швидкості окиснення третинних амінів від рН характеризується кривими з максимумом при рН 7—8,5, де аміни існують головним чином в оснувній формі, а ди-ПК – у вигляді моноаніону. Такий характер залежностей дає підставу стверджувати, що кінетика реакції N-окиснення нітрогеновмісних сполук з амінним атомом нітрогену у водному середовищі підпорядковується закономірностям механізму специфічного кислотно-основного каталізу. Під час N-оксидації дикислотних третинних амінів окисненню піддаються одразу обидва (ЕДТА) або лише один (1,10-фенантролін, o-Phen) нітроген в залежності від будови аміну. Встановлено, що в молекулах лідокаїну та тримекаїну окиснюється лише третинний амінний нітроген. Утворення N,N'-діоксидів ЕДТА та етилендіамінотетрафосфонової кислоти (ЕДТФ) в реакціях окиснення ЕДТА та ЕДТФ дипероксіадипіновою кислотою доведено методом препаративної хімії. Виходячи з гіпотези, що в елементарному акті взаємодії беруть участь молекулярні форми основи аміну та ди-ПК, складено кінетичне рівняння процесу окиснення, яке має вигляд: V= K•Am•ПК·[HO3C(CH2)4CO3H]•[o-Phen], де Am – мольна частка молекулярної форми 1,10-фенантроліну основи; ПК– мольна частка нейонізованої форми (Н2Аn) дипероксіадипінової кислоти. Лінійна залежність швидкості окиснення від добутку мольних часток вказаних вище форм компонентів взаємодії свідчить про адекватність запропонованого кінетичного рівняння експериментально спостережуваній кінетичній залежності. Особливістю досліджуваного процесу N-окиснення 1,10-фенантроліну ди-ПК є той факт, що окисненню піддається лише один нітроген.

У п’ятому розділі „Опрацювання методів кількісного визначення пероксикарбонових кислот в присутності гідроген пероксиду” наведено результати опрацювання методик кількісного визначення ПК в присутності гідроген пероксиду. Критично розглянуті основні сучасні методи кількісного визначення ПК в присутності надлишку гідроген пероксиду. Доведені важливість та необхідність здійснення зазначених досліджень. Замість канцерогенних реактивів – бензидину та о-толідину – для здійснення спектрофотометричного визначення ПК запропоновані нові реагенти – 3,3',5,5'-тетраметилбензидин (ТМБ) та п-анізидин. Наведені результати дослідження можливості спектрофотометричного і кінетичного визначення ПК в присутності Н2О2 за реакцією з ТМБ. Незалежно від природи ПК при окисненні ТМБ в інтервалі рН 4,7-10,5 утворюється продукт окиснення жовто-гарячого кольору мерихіноїдної будови (лмакс.=430 нм, lg ееф=4,0 за ДПК) (рис. 4).

Рис. 4. Схема взаємодії пероксикарбонових кислот з 3,3,5,5-тетраметилбензидином з утворенням біс-(2,5,7,10-тетра-6-аміно)-азобіфенілу

Під час використання в реакції як окисника 1М Н2О2 утворення продукту окиснення впродовж 30 хв не відбувалося. В інтервалі концентрацій ПК 2·10-6-5·10-5 М за перші 7–8 хв світловбирання розчинів пропорційне часу перебігу реакції. Використаний диференційний варіант кінетичного методу, тангенс нахилу характеризував швидкість реакції. Як варіант здійснення аналізу запропонований спосіб визначення ПК методом фіксованого часу. Максимальна швидкість окиснення спостерігається при рН 5,8–6,0. Практична відсутність впливу на швидкість реакції природи та концентрацій буферних сумішей, а також відповідність оптимуму рН значенням показників кислотності ПК та основності аміну свідчать, що кінетика процесу підпорядковується загальним закономірностям механізму специфічного кислотно-основного каталізу.

Проведення процесу окиснення ТМБ пероцтовою кислотою та ДПАК в умовах кислотності середовища, де спостерігається найбільша різниця між значеннями величин мольних часток реакційно здатних протонованих форм окисника призвело до їх диференціації за швидкостями: кут нахилу концентраційної залежності швидкості ДПАК у 2,8 рази перевищує такий для ПОК. На прикладі ПОК та ДПАК опрацьовані методики кінетичного визначення від (1-2)·10-6 М до 8·10-5М ПК в присутності 0,5 М Н2О2 та показана можливість застосування їх для аналізу модельних сумішей та комерційних дезінфекційних препаратів. Під час визначення 5·10-6-6·10-5 М ПК Sr 0,05 (д=-4…+1%).

Показано, що окиснення n-анізидину органічними ПК у водних розчинах відбувається за механізмом специфічного кислотно-основного каталізу. За даними УФ- та ІЧ-спектроскопії та термічного аналізу як основний продукт реакції ідентифіковано 4,4'-азоксіанізол (лмакс.=358 нм, lg ееф=4,0) (рис. 5). Опрацьовані два варіанти здійснення кінетичного визначення ПК в присутності 5 М Н2О2: кінетичний метод тангенсів та прямої спектрофотометрії продукту окиснення n-анізидину; сн визначення концентрацій ПК 5·10-7 М та 7·10-7 М відповідно (n=7; Р=0,95%). Sr 0,06. Результати аналізу дезінфекційних препаратів групи Стеридіал новоопрацьованими тетраметилбензидиновим та параанізидиновим методами добре узгоджуються між собою.

Рис. 5. Схема взаємодії пероксикарбонових кислот з n-анізидином

з утворенням 4,4-азоксіанізолу

Хемілюмінесцентне визначення пероцтової кислоти. ПОК набула важливого практичного значення в народному господарстві та медицині як окисник та дезінфекційний засіб. Характерною особливістю ПОК є відносно низька тривкість її розбавлених розчинів. Тому водні розчини ПОК забруднені Н2О2, що ускладнює їх аналіз загально прийнятими методами.

В основу відомого ХЛ-методу аналізу водних розчинів ПК покладена лінійна залежність між параметрами ХЛ, яка виникає в реакції окиснення ХЛ-індикатора люмінолу (Н2L), і концентрацією ПК у розчині. Подальше вивчення можливості застосування методу ХЛ для кінетичного визначення ПОК показало, що виконання аналізу в присутності великого надлишку Н2О2 (>5·10-3 М) є недоцільним, оскільки помітно знижує чутливість визначення. Для одержання достовірних результатів при збереженні належної чутливості визначення необхідно мати градуювальні криві, одержані за серією стандартних розчинів ПОК, які містять ті або інші відомі кількості ПОК і Н2О2. Однак такі стандартні розчини виготовити і, особливо, зберігати дуже важко, а тому вони недоступні. Обґрунтована доцільність виконання аналізу розчинів ПОК методом стандартних додатків стійкої до гідролізу ПК на фоні наявної кількості Н2О2 в досліджуваних зразках. Таке рішення є оптимальним для забезпечення належних умов одержання правдивих результатів аналізу для досягнення найвищої чутливості визначення схильних до гідролізу ПК в розбавлених розчинах з надлишком Н2О2. Як стандарт-додаток запропоновано використовувати ДПАК.

Опрацьованя методика ХЛ-визначення ПОК в дезінфекційних препаратах. Результати визначення ПОК (2,8·10-5 М) в препаратах групи Стеридіал („Імпульс”, Польща) ХЛ та незалежним кінетичним n-анізидиновим методом добре узгоджуються між собою. Для інтервалу концентрацій (0,2-5)·10-5 М ПОК в присутності (5-100)·10-5 М Н2О2 Sr0,09.

Полярографічне визначення пероксикарбонових кислот. З метою зменшення передхвилі відновлення ПК на РКЕ, а відтак покращення форми основної хвилі запропоноване полярографування розчинів ПК виконувати у присутності дворазового молярного надлишку Н2О2. Е1/2 ПК в присутності Н2О2 знаходиться в інтервалі від -0,03 до -0,15 В в залежності від концентрації та природи ПК. Опрацьована проста у виконанні методика полярографічного визначення ПК у водних розчинах в присутності Н2О2 при рН 4,5-9,2 на РКЕ, сн (1-2)·10-5 М, Sr0,05.

Показано, що переведення ПК у йодат можна здійснити за таким рівнянням: 5 RCO3H + I2 + H2O = 5 RCO2H + 2 HIO3. Утворення йодат-йонів доведено на підставі даних полярографічних досліджень. Сульфіт руйнує не тільки надлишок йоду, але й видаляє розчинений оксиген і слугує фоновим електролітом. Йодат дає 6-ти електронну хвилю відновлення при Е1/2=-1,18 В (НХКЕ): ІО3– + 6е- + 3 Н2О = І– + 6 ОН–.

Опрацьована проста у виконанні методика непрямого полярографічного визначення моно-та ди-ПК в основу якої покладений спосіб кількісного окиснення вільного йоду (етанольний розчин) за посередництвом визначуваних ПК до ІО3– з наступним полярографуванням розчину на РКЕ. Під час аналізу (2-7)·10-4 М розчинів ДПАК Sr0,04; сн 1·10-5 М (0,3 М КОН).

У шостому розділі „Застосування реакцій пергідролізу в хімічному аналізі. Органічні пероксиди як аналітичні форми” наведені результати дослідження реакцій ацилюючих сполук – ацетилсаліцилової кислоти, ацетилхоліну гідрохлориду, суксаметонію дийодиду та естерів фосфатної, фосфонатної, а також тіо- та дитіофосфатної кислот гідроген пероксидом (реакція пергідролізу), а відтак вивчення можливості їх застосування у хімічному аналізі. Взаємодія ацилюючих речовин з гідроген пероксидом неодмінно призводить до утворення відповідних пероксикарбонових кислот (рис. 6). У реакціях пергідролізу для визначення пероксикислот використані індикаторні реакції окиснення ними n-фенетидину або хемілюмінесцентного індикатора люмінолу, а аналіз виконують кінетичним методом у спектрофотометричному варіанті або хемілюмінометрично (ацетилхолін, ФОС).

Рис. 6. Схеми реакцій пергідролізу, які покладені в основу аналітичних визначень

Результати вивчення впливу послідовності змішування реагентів, а також часу попереднього витримування розчинів гідроген пероксиду з ацилюючими сполуками перед додаванням індикаторних речовин виявили кінетичні особливості взаємодії, а відтак дали підставу вважати реакцію пер- гідролізу лімітуючою стадією усього процесу. Максимальна швидкість окиснення n-фенетидину в системах аспірин-ПФ-Н2О2, Асh-Н2О2-ПФ та суксаметоній-ПФ-Н2О2 досягається при рН 8,2-8,4, де ПФ перебуває в оснувній формі, а ПК – на 50% в молекулярній реакційноздатній формі. На підставі з’ясованих кінетичних закономірностей перебігу двох спряжених реакцій: пергідролізу ацилюючої речовини та каталітичного окиснення хромогенового реагенту - n-фенетидину гідроген пероксидом (в присутності ПК) запропоновані нові методики кінетичного визначення ацетилсаліцилової кислоти, ацетилхоліну гідрохлориду, та