Освоение методики исследования кинетики реакции N-ацилирования α-аминокислот сложным эфиром в водно-органическом растворителе

(1.3.10)

 

В области средних концентраций воды и спирта в бинарном водно-органическом могут присутствовать оба переходных состояния, в различном соотношении, однако механизм реакции [S_N2], остается одинаковым и не зависит от состава растворителя в исследованной области составов.  Разделение зарядов в переходном состоянии порождает усиление сольватации и рост скорости реакции, что подтверждается данными по оценке энергии сольватации указанной реакции. В работе [39] отмечается, что энергия сольватации складывается из энергии специфической сольватации и энергии универсальной сольватации и изменение скорости реакции в растворе по сравнению со скоростью реакции в газовой фазе связано как со специфической сольватацией функциональных групп так и с универсальной (неспецифической) сольватацией реагентов и переходного состояния.

Приведенный обзор литературы показывает, что к настоящему времени получен большой материал по изучению кинетики ацилирования аминов хлорангидридами, ангидридами карбоновых кислот и сложными эфирами, по влиянию растворителя, реагентов, катализатора на скорость реакции. Имеется достаточное число работ по изучению кинетических закономерностей N-ацилирования a-аминокислот сложными эфирами в зависимости от строения реагентов и природы растворителя. Поэтому в нашей работе одной из основных задач было освоение методики исследования кинетики реакции N-ацилирования a-аминокислот сложными эфирами в водно-органических растворителях спектрофотометрическим методом, а также познакомиться с методами очистки реагентов, методиой приготовления рабочих растворов заданной концентрации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II. Экспериментальная часть

2.1. Очистка  реагентов и растворителей

Все используемые в работе реагенты и растворители подвергаются очистке.

Аминокислоты: (ч.д.а) перед приготовлением растворов сушатся в течение 1 часа при 373 К.  

Растворители: Органические растворители подвергаются очистке по отработанной методике [44]. Поскольку в работе используется водно-органический растворитель, то возможное незначительное количество воды (~0,1%) в органическом растворителе не оказывает существенного влияния на константу скорости реакции и находится в пределах погрешности значений констант скорости, определяемых спектрофотометрическим методом  [70].

Ацилирующий агент: 2,4-Динитрофениловый эфир бензойной кислоты (2,4-ДНФЭБК) был получен из 2,4-динитробензоилхлорида и фенола по следующей реакции:

     (2.1.1)                   

Очистку полученного  эфира проводят перекристаллизацией из бензола, степень чистоты идентифицируют по температуре плавления (Т_пл= 128ºС), которая соответствовала литературным данным [47, 73].

 

2.2. Спектрофотометрический метод определения констант скорости реакции N-ацилирования a-аминокислот сложными эфирами в водно-органических средах

Взаимодействие a-аминокислот со сложными эфирами карбоновых кислот представлено на примере глицина и наряду с реакциями N-ацилирования (2.2.1, 2.2.2)  (pH =8¸9) могут протекать реакции гидролиза сложного эфира (2.2.3, 2.2.4):

NH2CH2СOOH + С6Н5СOOR С6Н5CONHCH2СOOH  + ROH	(2.2.1)
NH2CH2СOO-  +  С6Н5СOOR С6Н5CONHCH2СOO- + RO-	(2.2.2.)
С6Н5СOOR + H2O      С6Н5СOOH +  ROH	(2.2.3.)
С6Н5СOOR + OH-  С6Н5СOO- +  ROH	(2.2.4.)
ROH + OH- RO- + H2O	(2.2.5.)

 

  где Ar – 2,4-NO₂-C₆H₃; k₀, k_-, k_H2O, k_OH- - константы скорости процессов (2.2.1 - 2.2.4) соответственно.

Кинетика N-ацилирования L-α-аланина изучалась при значительном избытке a-аминокислоты (в 10² - 10³ раз) по сравнению с концентрацией сложного эфира [39]. Скорость изменения концентрации сложного эфира (С_эф) описывается уравнениями (2.2.6., 2.2.7):

-                      (2.2.6)

                                                           (2.2.7)

где k₀, k_- - константы скорости ацилирования нейтральной и анионной форм 
a-аминокислоты соответственно, k_H2O, k_OH- - константы скорости гидролиза, k_Н – наблюдаемая константа скорости реакции, C_O, C_-, C_H2O, C_OH- - концентрации нейтральной, анионной форм L-глицина, воды и гидроксид-ионов соответственно.

Изучение кинетики N–ацилирования a-аминокислот сложными эфирами проводилось в условиях, когда C_O<<C_- [39]. Это позволяет считать, что k_OС₀<<k_-С_-. Согласно экспериментальным данным 4-нитрофениловый эфир 4-нитробезойной кислоты в воде не гидролизуются (в течение трех суток не наблюдалось появления желтой окраски раствора, обусловленной наличием 4-нитрофенолят-иона), в связи с этим членами k_OC_O и k_H2OC_H2O в уравнении (2.2.7) можно пренебречь. Следовательно:

                                                                                    (2.2.8)

Значение С_ОН- можно определить из следующих соотношений:

                                                                                      (2.2.9)

                                                                                        (2.2.10)

где , К_W – константа диссоциации воды, С_± - концентрация цвиттер-ионной формы a-аминокислоты, g - ионная сила раствора. Отсюда

                                                                                            (2.2.11)

 

Подставляя  в уравнение (2.2.8) уравнение (2.2.11), получаем выражение для константы скорости реакции первого порядка k_H N–ацилирования a-аминокислот сложными эфирами:

                                                                       (2.2.12)

Из уравнения (2.2.12) следует, что уменьшение скорости гидролиза по сравнению со скоростью N-ацилирования a-аминокислот можно достичь, увеличивая концентрацию цвиттер-ионной формы a-аминокислот по сравнению с анионной. Из (2.2.12) также видно, что если , то второе слагаемое, учитывающее гидролиз мало, и им можно пренебречь.

Следовательно:

                                                                                                 (2.2.13)

Тщательно проведенные  многочисленные кинетические исследования  [50,67] N-ацилирования α-аминокислот нитрофениловыми эфирами монозамещенных бензойных кислот в водно-органических средах показали, что при соотношении >4 скоростью гидролиза эфира можно пренебречь по сравнению со скоростью N-ацилирования α-аминокислоты. Поэтому для постановки кинетического эксперимента N-ацилирования α-аминокислоты сложным эфиром в водно-органических средах применяли соотношение цвиттерионной и анионной форм ¼.

 

 

 

 

2.3. Приготовление рабочих растворов

Приготовление растворов  проводили весовым методом.

1. Рассчитывают концентрацию  используемой в работе щелочи (NaOH) и α-аминокислоты (АК), соблюдая указанное выше (п.2.2) соотношение цвиттерионной и анионной форм:

                                                                                  (2.3.1)

 

Поскольку реакционноспособной  формой α-аминокислоты является анионная форма, а противоионами – ионы Na⁺, то раствор имеет ионную силу J=0.005¸0.02. Данная ионная сила в соответствии с теоретическими представлениями [59] не влияет на константы скорости изучаемой реакции.

                                   (2.3.2)

2. Точно взвешенную навеску a-аминокислоты, рассчитанную по формуле:

                                                        (2.3.3)                              

     количественно переносили в калиброванный пикнометр.

3. Добавляют рассчитанное для данного состава количество воды.

4. Рабочий раствор  доводят до метки органическим растворителем.

5. Раствор ацилирующего агента: 2,4-ДНФЭБК массой 0,01 г, взвешивают и растворяют в 3 мл ацетона.

 

 

 

 

2.4. Методика кинетических  измерений изучаемой реакции

Кинетика N-ацилирования α-аминокислот сложным эфиром в водно-органическом растворителе изучается спектрофотометрическим методом, по уменьшению показания пропускания светового потока через окрашенный раствор. В ходе реакции раствор окрашивался в желтый цвет по мере выделения нитрофенолят-иона. Уменьшение пропускания (Т), за счет увеличения концентрации нитрофенолят-иона, используется для расчета константы скорости реакции. Кинетические измерения проводят с помощью фотоэлектроколориметра КФК-2-УХЛ 4.2, снабженным термостатируемой кюветой и цифровым вольтметром  Щ-300 при  рабочей длине волны 400 нм.

Перед каждым кинетическим опытом готовят раствор аминокислоты в водно-органическом растворителе заданного состава. Рабочий раствор помещают в термостатируемую кювету и термостатируют в течение 15 минут. После этого к раствору добавляют 1 каплю раствора ацилирующего агента – сложного эфира (пипетка и бюкс с эфиром также термостатируется). Содержимое кюветы тщательно перемешивается. Момент вливания ацилирующего агента принимают за начало реакции.  В ходе кинетического эксперимента получают данные по пропусканию светового потока (Т) в зависимости от времени (τ) протекания реакции.

 2.5. Методика обработки кинетических измерений

Эффективные константы  скорости первого порядка рассчитывались методом Гуггенгейма [74] путем регрессионной обработки кинетических кривых по уравнению (2.5.1): 

                                                                         (2.5.1)

В уравнении (2.5.1)  T_i - пропускание раствора в момент времени t_i;

T_i+1 - пропускание   раствора в момент времени t_i+1= t_i+D, где D - постоянный интервал времени, кратный Dt; k-константа скорости первого порядка;

b₀-постоянный коэффициент.  Для расчета констант скоростей по уравнению (2.5.1) был использован метод линейной регрессии, поскольку это уравнение представляет собой прямую линию с угловым коэффициентом k.

 При расчетах  использовалась программа “Гуггенгейм-Кинетика”,  разработанная на кафедре физической  химии.  Данный алгоритм позволяет находить оптимальное значение D и соответствующую ему константу скорости, что улучшает точность расчета константы скорости. В алгоритме реализована возможность отсекания начального и конечного участков кинетической кривой, что позволяет выбрать для расчета оптимальную часть кривой (обычно это диапазон 0,2£a£0,8, где a - степень превращения).

Константы скорости реакции второго порядка рассчитывали по уравнению (2.2.13).

 

2.6. Расчет  активационных параметров

Для получения  активационных параметров реакции N-ацилирования  проводились измерения констант скоростей при 3 температурах.  Температурный диапазон, в пределах которого измерялись константы скорости, составлял 20°С. Расчет активационных параметров производился по уравнению Эйринга (2.6.1) для температурной зависимости константы скорости реакции, (при условии, что трансмиссионный коэффициент c = 1)

 

                              ,                                        (2.6.1)

приведенному  к линейному виду (2.6.2): 

                                                                    (2.6.2)

где R - газовая постоянная; k- константа скорости; k_Б- постоянная Больцмана; h- постоянная Планка.

   Значение  энергии активации реакции в  известном уравнении Аррениуса  связана с величиной энтальпии активации реакции  простым соотношением (2.6.3):

                                  (2.6.3)

Регрессионная обработки констант скоростей по уравнению (2.6.2) и расчет активационных  параметров производились по оригинальной программе, которая позволяет рассчитывать погрешности активационных параметров, проводить полный статистический анализ получаемой зависимости и получать интерполированные при любой температуре значения константы скорости с вычислением погрешностей или доверительных интервалов.

 

Выводы

1. Проведен сбор литературных данных по  исследованиям в данной области за последние годы;
2. Освоена методика исследования кинетики реакции N-ацилирования                    a-аминокислот сложными эфирами в водно-органических растворителях спектрофотометрическим методом.
3. Усвоены методы очистки реактивов, способ приготовления  концентрированного раствора щелочи бескарбонатным методом, рабочего раствора аминокислоты заданной концентрации в бинарном водно-органическом растворителе.