Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ЛІЦЕЙ
Наукова робота: Ацетилсаліцилова кислота, як синтон у модельній реакції детоксикації епоксидних сполук.
Виконала: учениця 11 хімічного класу
Пишняк Олександра
Научний керівник: доцент кафедри
органічної хімії Швед О.М.
Донецьк 2013
Вступ 3
1. ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД 4
1.1. Токсичність епоксидних сполук 4
1.2. Вміст епоксидних сполук у повітрі робочої зони 5
1.3. Детоксикація епоксидних сполук 6
1.4. Властивості досліджуваних речовин 7
1.4.1.Ацетилсаліцилова кислота 7
1.4.2. Епіхлоргідрин 7
1.5. Взаємодія -оксидів з О-кислотами в присутності каталізаторів основної природи 8
1.5.1. Утворення хлоргідринових ефірів бензойних кислот 8
Кислота 11
Анісова 11
Бензойна 11
4-Нітробензойна 11
1.6. Порівняння розриву епоксидного кільця під дією фермента та тетраалкіламмонійгаллагеніду. 13
2. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА 14
2.1. Очистка та синтез речовин 14
2.1.1. Синтез та очистка ацетилсаліциловоїкислоти 14
2.1.2. Синтез та очистка епіхлоргидрину 15
2.2. Методика кінетичних вимірів 15
2.3. Математична обробка результатів 16
3. РЕЗУЛЬТАТИ ТА ЇХ ОБГОВОРЕННЯ 17
ВИСНОВКИ 20
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ 21
Актуальність проблеми. Реакція карбонових кислот з епіхлоргідрином лежить в основі синтезу гліцидилкарбонових ефірів, які є перспективними мономерами для отримання полімерних композицій з різноманітними властивостями та широким спектром використання [1]:
де X=COCH3.
Реакція каталітичного ацидолізу 1-хлор-2,3-епоксіпропану (епіхлоргідрину – ЕХГ), крім практичного значення, використовується як модельна реакція для вивчення механізму нуклеофільного розкриття оксиранового циклу карбоновими кислотами. Не дивлячись на значну кількість робіт з дослідження реакції α-окисей з карбоновими кислотами, кінетичні закономірності цієї реакції вивчені недостатньо. Залишаються відкритими питання, що пов'язані з порядками реакції за вихідними реагентами, впливу природи кислоти на швидкість ацидолізу епіхлоргідрину.
Дана реакція є модельною реакцією детоксикації епоксидних сполук в біологічних системах, тому є актуальним питання можливості використання ацетилсаліцилової кислоти як синтона у детоксикації епоксидних сполук ферментами групи епоксидгідролази.
Мета роботи - вивчення кінетики реакції епіхлоргідрину з ацетилсаліциловою кислотою в присутності тетраетиламоній броміду для з’ясування ефективності детоксикації епоксидних сполук ацетилсаліциловою кислотою в біологічних системах.
Дослідження проводили в надлишку ЕХГ, що є одночасно і субстратом, і розчинником, при температурі 60С. Контроль за ходом процесу здійснювався рН-потенціометрично.
Робота складається з літературного огляду, експерементальної частини, висновків та списку літератури.
Епоксидні сполуки - речовини, що містять трьохчленне, рідше чотирьохчленне кільце з киснем. Застосовуються в органічному синтезі, для одержання багатоатомних спиртів , полімерів (особливо епоксидних смол), поверхнево-активних речовин та ін
Токсичність епоксидних сполук пов’язують з їх окислювальною здатністю, легкістю відщеплення ними вільних радикалів, а також окисленням ряду ферментів, що містять тіолову групу. Серед них є сполуки, як дуже високою так і порівняно невеликої токсичності. Вражають ЦНС, подразнюють шкіру і слизові оболонки очей, верхніх дихальних шляхів; легко і швидко проникають через неушкоджену шкіру. Пари і аерозолі можуть викликати набряк легенів; деякі володіють сенсибілізіруючою дією. В умовах виробництва небезпеку становлять інгаляційне надходження і потрапляння на шкіру.
При гострій інтоксикації симптоми нейротоксичної дії: скарги на раптову, сильну, пульсуючий головний біль, невпевненість при ходьбі, утруднення мови. Відзначається також подразнення слизових, коньюнктівіти, профузний нежить, катаральний десквамозний бронхіт, у важких випадках вогнищева пневмонія і набряк легенів.
Тривалий контакт з епоксидними сполуками призводить до функціональних змін нервової системи, органів дихання. При попаданні в очі – гострий катаральний і гнійний коньюнктивит, опік і помутніння рогівки. Різко подразнюють шкіру, добре проникають через одяг, взуття. При попаданні на шкіру після прихованого періоду розвивається бульозний дерматит.
Таблиця 1.1.- Токсичність епоксісполук
|
Найменування речовини |
ГДК, |
Характеристика |
|
Окис етилену |
1 |
п, 2 клас |
|
Епіхлоргідрин |
1 |
п, А "+", 2 клас |
|
1,2-Епоксіоктен-7 |
5 |
п, "+", 3 клас |
|
Окис пропілену |
2 |
п, "+", 2 клас |
|
1,2-Епокси-3-метилбутан |
3 |
п, "+", 3 клас |
|
2-Метил-2-бутоксид |
5 |
п, 3 клас |
|
1,2-Епоксіпропанол-3 |
5 |
п, 3 клас |
Скорочення і позначення: ГДК - гранично допустима концентрація в повітрі робочої зони (по ГН 2.2.5.686-98); п - пари; клас - клас небезпеки речовини відповідно до ГОСТ 12.1.007-76; А - речовини, здатні викликати алергічні захворювання; " + "- вимагається спеціальний захист шкіри та очей.
Встановлено, що в 80-90 % випадків у виникненні раку беруть участь хімічні фактории навколишнього середовища. При чому абсолютна більшість канцерогенів утворюється в організмі людини і тварин з проканцерогенов . Існує безліч хімічних сполук , які набувають мутагенну активність після біохімічних перетворень в середині організму. Такі хімічні сполуки отримали назву промутагенів, а процесс їх ферментативного перетворення в мутагени - метаболічної активації. Окиснені проканцерогени (епоксиди тощо) можуть піддаватися детоксикації епоксидгідралазой, глутатіонтрансферази і меншою мірою УДФ- глюкуроніл - і сульфотрансфераз . Незнешкоджені епоксиди проникають в ядро клітини і зв'язуються з ДНК. Відбувається хімічна мутація. ДНК може репарирувати з відновленням до вихідного стану або мутація збережується .
Для попередження мутацій ДНК важливо знайти спосіб знешкодження найбільшої кількості проконцерогенів (епоксидів), для цього потрібні додаткові речовини, які сприятимуть детоксикації. Змоделювати детоксикацію можна як органічну реакцію за допомогою синтонного підходу. Синтон — реальна або ідеалізована структурна одиниця молекулы, яка может бути введена у хімічний синтез відомими способами. Синтон не існує як конкретний реагент, це формальна частинка (іон, радикал або Карбен), кожному синтону може відповідати один або кілька реальних реагентів, і навпаки, один реагент може бути синтетичним еквівалентом для декількох синтонів.
В якості синтону в даній роботі запропонованна ацетилсаліцилова кислота. Ацетилсаліцилова кислота буде вступати у взаємодію з епоксидною сполукою з утворенням гліцидилкарбонових ефірів. В організмі людини каталізуватися дана реакція буде епоксидгідролазою.
Для відтворення цієї реакції у лабораторії використовувалися ЕХГ, ацетилсаліцилова кислота та каталізатор -тетраалкіламмонійбромід.
Ацетилсаліцилова кислота (аспірин) — безбарвні голчасті кристали монокліничної структури, у чистому вигляді без запаху. Одержують взаємодією оцтового ангідриду та саліцилової кислоти. Вживають як протизапальний, знеболюючий, жарознижуючий засіб.
Епіхлоргідрин— безкольорова прозора рідина з різким, неприємним запахом. Хімічно високо реактивна речовина.
Эпіхлоргідрин добре розчинюється у спиртах та кетонах, у простих і складних ефірах, в ароматичних вуглеводнях.
1.5. Взаємодія -окисей з О-кислотами в присутності каталізаторів основної природи
Асиметричні похідні етиленоксиду реагують зі сполуками, що містять рухливий протон, такими як карбонові кислоти, феноли, тіоли, спирти та ін., утворюючи при цьому два ізомерних продукти: продукт нормального приєднання та продукт аномального приєднання [3,4]:
Регіоселективність приєднання сполук, що мають рухливий водень до -окисей залежить від типу субстратів, каталізаторів та температури перебігу процесу, а також від типу розчинника та співвідношення реагентів [2, 5-9].
Некаталітична реакція карбонових кислот з асиметричними оксиранами протікає з низькою регіоселективністю, що спостерігається і у випадку кислотного каталізу [6, 8, 9]. Крім того, на утворення аномального продукту визначаючий вплив має кислотність реагуючої системи [10]. Присутність високополярного розчинника безпосередньо впливає на регіоселективність даного процесу, збільшуючи кислотний характер асиметричного оксирану [10].
В присутності сильних кислот (як Бренстеда, так і Льюїса), ймовірність утворення нормального та аномального ізомерів однакова. Так, для реакції між оцтовою кислотою та пропіленоксидом, яка протікає в присутності HClO4, BF3 та п-толуолсульфонової кислоти, обидва ізомери, як нормальний, так і аномальний, утворюються приблизно в рівних кількостях [5]. З іншого боку, в присутності каталізаторів основної природи успішно утворюється нормальний продукт; в реакціях, що каталізуються ацетатом натрію, кількість нормального продукту складає 74 мольних %. У випадку некаталітичного процесу ― 68,5 мольних %.
В реакції пропіленоксиду з карбоновими кислотами вміст аномального продукту помітно зростає зі збільшенням сили кислоти і тільки трохи з ростом температури [2, 5-9]. Схоже співвідношення спостерігається і для реакцій з ЕХГ [6].
На будову ХГЕ, що утворюється в реакції приєднання карбонових кислот до ЕХГ, впливає тип каталізатору [2]. Наприклад, для реакції ЕХГ з бутановою кислотою кількість аномального продукту змінюється від 15,1 % для каталізатора Na2HPO4 до 21,9 % для каталізатора NaOH. Високу селективність мають реакції, що каталізуються сильно основними іонообмінними смолами з протиіонами OH-, AcO- або Cl- [7]. Кількість аномального продукту не перевищувала кількох процентів.
Важливим фактором, що впливає на регіоселективність приєднання карбонових кислот до оксиранів є структура останнього. Дослідження продуктів приєднання показало, що для гліцидилбензоату, головним чином утворюється аномальний ізомер, який потім повільно ізомеризується у нормальний ізомер, приєднання до гліцидилфенілового ефіру дає головним чином нормальний продукт [10].
Спектр суміші нормального та аномального ізомерів хлоргідриновогоефіра бензойної кислоти наведений на рис. 1.1 [11]. Відносний вміст аномального ізомеру визначали за співвідношенням інтегральних інтенсивностей метиленових протонів та ароматичних протонів кислоти, кількість яких за ходом реакції залишається постійною. Точність визначення знаходиться в межах 5%.
Дослідження [6] впливу умов проведення реакції на утворення аномального ізомеру хлоргідринового ефіру на прикладі взаємодії ряду монокарбонових кислот з ЕХГ в середовищі останнього ( табл. 1.2.) показали, що для некаталітичної реакції спостерігається збільшення вмісту аномального ізомеру з підвищенням сили кислоти.
Рис. 1.1. ПМР-спектрхлоргідринового ефіру бензойной кислоти 25С, ЕХГ: а – феніл, б – мультіплетметинових протонів, в – дублет метиленових протонів
Таблиця 1.2. – Залежність кількості 1,3-хлоргідринового ефіру (“аномальний” продукт) від умов проведення реакції (Т = 80С, СЕХГ = 12,4 моль/л) [11].
Кислота |
С0і, моль/л |
Вміст ХГ, % |
|
|
без каталізатора |
з каталізатором (R4NX) |
||
Анісова |
0,401 |
8,8 |
17,8 |
Бензойна |
1,253 |
14,9 |
20,0 |
4-Нітробензойна |
0,247 |
20,9 |
25,3 |
|
3,5-Динітробензойна |
0,393 |
2,92 |
21,4 |
Згідно з механізмом, запропонованим для некаталітичної реакції [11], першою стадією є утворення комплексу кислоти з ЕХГ, який в залежності від полярності середовища, будови реагентів може існувати як в молекулярній , так і іонній формі:
(Б)
Для молекулярної форми комплексу (Б) перевага віддається нуклеофільній атаці карбонільного кисню на α-вуглецевий атом -оксиду внаслідок, ймовірно, стеричних факторів з утворенням циклічного перехідного стану, що призводить до утворення нормального продукту приєднання:
В іонізованій формі комплексу (Б) частковий додатній заряд на - та - вуглецевих атомах ЕХГ розподілений приблизно однаково внаслідок компенсації додатного резонансного і від’ємного індуктивного ефектів атому хлору. Тому, очевидно,нуклеофільна атака карбоксилат-аніону здійснюється як на -, так і на -вуглецеві атоми ЕХГ, призводячи до утворення як нормального, так і аномального ізомерів хлоргідринового ефіру.
При каталітичній реакції (R4NX) заміщених бензойних кислот з ЕХГ кількість отриманого нормального ізомеру, як видно із табл. 1.1, в незначній мірі залежить від сили кислоти.
Згідно з механізмом, запропонованим для каталітичної реакції бензойної кислоти з ЕХГ, R4NX реагує з кислотою, перетворюючись в карбоксилат ( В ) [4]:
(В)
Нуклеофільна атака [4] карбоксилата (В) у вигляді контактної іонної пари на молекулу ЕХГ, що незв’язана в комплекс з кислотою, може відбуватись як за α-, так і за β-вуглецевим атомом - оксиду, призводячи до утворення як нормального, так і аномального продуктів приєднання, так само як і у випадку некаталітичної реакції. Але на відміну від некаталітичної реакції в цьому випадку, ймовірно, відсутня стадія електрофільної співдії, і тому зміна сили кислоти не має суттєвого впливу на кількість аномального ізомеру, що утворюється. Збільшення сили кислоти призводе лише до зростання швидкості процесу внаслідок збільшення нуклеофільності карбоксилат-аніону в контактній іонній парі.
Під дією епоксидгідролази в організмі відбувається гідроліз епоксидної сполуки, в процесі якого відбувається розрив епоксидного кільця з утворенням двохатомного спирту.
Під дією тетраалкіламмонійгаллагенідів також відбувається розрив епоксидного кільця, але з утворенням гліцидилкарбонових ефірів.
R= Cl; OCOCH3
У круглодонній колбі на 100 мл змішують 3,8 г саліцилової кислоти, 3 млацилюючого агента та 3 краплі сульфатної кислоти. Колбу з’єднують зі зворотним холодильником і нагрівають на водяній бані протягом 1 години при 60 °С. Потім підвищують температуру до 90-95 °С і реакційну суміш при цій температурі витримують протягом 1 години. Під час нагрівання суміш періодично перемішують.
Після закінчення реакції суміш охолоджують до кімнатної температури й виливають у стакан на 100 мл, куди до того налито 10 мл холодної води. Кристали аспірину відфільтровують на воронці Бюхнера й для очищення перекристалізовують з органічного розчинника.
Вихід 3,7 г. Температура топлення 133-136 °С.
Для очищення отриману речовину переносять у колбу для кристалізації. Розчиняють її у мінімальній кількості киплячого хлороформу в колбі зі зворотнім холодильником. Злегка охолодивши розчин, додають активоване вугілля та кип’ятять розчин з активованим вугіллям протягом 5-7 хвилин. Гарячий розчин фільтрують через складчастий фільтр у чистий стакан. Вміст стакану охолоджують спочатку на повітрі, а потім у холодній воді. Відфільтровують на воронці Бюхнера кристали, що випали, промивши маточним розчином стакан. Отриману речовину висушують до сталої маси.
Технічний епіхлоргідрин кипить в інтервалі 112-118°С, має жовте забарвлення. Очищення проводять таким чином: технічний ЕХГ висушують над сульфатом натрію протягом двадцяти годин. Потім ЕХГ переганяють, відбираючи фракцію з Ткип=116,5-117°С (літ. 117°С). Вихід – 70%.
Необхідні речовини (розчини реагентів) готують за точною наважкою речовин. Точну концентрацію ацетилсаліцилової кислоти встановлюють методом кислотно-основного титрування.
В колбу з двома відростками в один із відростків вміщують 1 мл каталізатору в розчині ЕХГ, в другий – 2 мл розчину кислоти в ЕХГ. Колбу термостатують при необхідній температурі протягом 10 хв., після цього розчини швидко перемішують та колбу знов вміщують в термостат. Початковий момент перемішування розчинів приймають за вихідну точку відліку часу. Через необхідний проміжок часу реакцію припиняють шляхом додавання до реакційної суміші розчину ізопропанолу в воді (1:1) при швидкому змішуванні (метод розведення і охолодження). Суміш з колби кількісно переносять в комірку для титрування.
Кількість отриманого продукту визначають методом потенціометричного кислотно-основного титрування розчином лугу.
Визначивши кількість прореагувавшої речовини у різні проміжки часу після початку реакції можна визначити приблизну швидкість детоксикації епоксидів ацетилсаліциловою кислотою, слідчо визначити ефективність кислоти у даній реакції.
Поточну концентрацію ацетилсаліцилової кислоти обчислюють за формулою:
,
де V – кількість лугу, що витрачена на титрування проби, мл;
Сон – концентрація розчину лугу, моль/л.
Спостережувані константи швидкості реакції ацидолізу епіхлоргідрину були розраховані за рівняннями:
|
(1.3.1) |
|
|
(1.3.2) |
де k0 – константа швидкості реакції, розрахована за рівнянням (1.3.1), с-1;
k1 – константа швидкості реакції, розрахована за рівнянням(1.3.2), л/моль·с;
x – концентрація вільного кислотного гідроксилу, моль/л;
a – вихідна концентрація ацетилсаліцилової кислоти, моль/л;
(а – x) – поточна концентрація ацетилсаліцилової кислоти, моль/л;
b – вихідна концентрація ЕХГ, моль/л;
t – час перебігу реакції, с.
Таблиця 2.1 Кінетика реакції ацетилсаліцилової кислоти (a=0,333 моль/л) с ЕХГ (b=12 моль/л) в присутності ТЕАБ (m=0,005 моль/л) при 60 °С.
|
T,хв. |
t,с |
Вихід, % |
k0·106, с-1 |
k1·105, л/ моль·с |
|
30 |
1800 |
46,5 |
7,176 |
2,900 |
|
45 |
2700 |
57,4 |
5,895 |
2,631 |
|
60 |
3600 |
59,2 |
4,560 |
2,073 |
|
93 |
5580 |
71,2 |
3,539 |
1,856 |
|
120 |
7200 |
83,2 |
3,206 |
2,063 |
|
Середнє значення |
2,305 |
Першочерговим завданням для отримання кінетичних параметрів реакції ацидолізу ЕХГ ацетилсаліциловою кислотою в присутності тетраетиламоній броміду є встановлення порядків реакції за вихідними реагентами та кінетичного закону, що описує даний процес.
Для оцінки порядку реакції за кислотою проведені дослідження реакції ацидолізу ЕХГ в присутності тетраетиламоній броміду при температурі 60 °С. За отриманими даними побудовано графічну залежність конверсії епоксидних груп від часу (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Залежність виходу хлоргідринового ефіру (%) в реакції ацетилсаліцилової кислоти (а, моль/л) з ЕХГ (b, моль/л) в присутності тетраетиламоній броміду (m=0,005 моль/л) від часу (t, c) при 60ºС.
Залежність в координатах зміни концентрації ацетилсаліцилової кислоти від часу має криволінійний характер, тому для визначення порядку реакції побудовано графічну залежність ln (a – x) від t.
Рис. 2.2. Залежність натурального логарифму виходу хлоргідринового ефіру (%) в реакції ацетилсаліцилової кислоти (а, моль/л) з ЕХГ (b, моль/л) в присутності тетраетиламоній броміду (m=0,005 моль/л) від часу (t, c) при 60ºС.
Отримано прямолінійну залежність із задовільним коефіцієнтом кореляції, що свідчить на користь першого порядку реакції за ацетилсаліциловою кислотою.
За експериментальними даними розраховані спостережувані константи швидкості за рівнянням псевдопершого порядку (див. табл. 1.3.1). Аналіз даних показує, що константи швидкості є сталими у межах похибки експерименту, що також підтверджує перший порядок реакції за кислотним реагентом. З літературних даних відомо, що порядок реакції за епіхлоргідрином – перший, за каталізатором – перший. Таким чином, з урахуванням визначеного порядку за кислотним реагентом кінетичне рівняння реакції ЕХГ з ацетилсаліциловою кислотою має вигляд: