Azodaţiklių sintezė iš aromatinių aminų diazonio druskų

FARMACIJOS FAKULTETAS

ANALIZINĖS IR TOKSIKOLOGINĖS CHEMIJOS KATEDRA

GIEDRĖ VALIULYTĖ

Azodaţiklių sintezė iš aromatinių aminų diazonio druskų

Magistro baigiamasis darbas

Darbo vadovas Doc. dr. Palma Nenortienė

ANALIZINĖS IR TOKSIKOLOGINĖS CHEMIJOS KATEDRA

TVIRTINU:

Farmacijos fakulteto dekanas Vitalis Briedis Data

Azodaţiklių sintezė iš aromatinių aminų diazonio druskų

Magistro baigiamasis darbas

Darbo vadovas Palma Nenortienė Data

Recenzentas Darbą atliko

Magistrantė

Data Giedrė Valiulytė

Data

TURINYS

SANTRAUKA ... 4

SUMMARY ... 5

SANTRUMPOS ... 6

ĮVADAS ... 7

DARBO TIKLAS IR DARBO UŢDAVINIAI ... 8

1. LITERATŪROS APŢVALGA ... 9

1.1. Azojunginiai ... 9

1.1.1. Panaudojimas ... 9

1.1.2. Struktūra ... 11

1.1.3. Sintezė ... 11

1.2. Azodaţiklio molekulės savybės... 18

1.2.1. Spalva ... 18

1.2.2. pKa reikšmės ir spektrinės savybės ... 19

2. TYRIMO METODIKA ... 21

2.1. Tyrimo medţiagos ... 21

2.1.1. Reagentai ... 21

2.1.2. Įranga ... 21

2.2. Sintezės metodai ... 22

2.2.1. Diazonio drukos jungimasis su hidrolizės metu susidariusiu fenoliniu junginiu ... 23

2.2.2. Diazonio druskų jungimasis su naftoliais ... 26

2.3. Išeigų skaičiavimas ... 28

2.4. Gautų azodaţiklių pKa reikšmių, pH ribų, kuriose keičiasi jų spalva, ir spektrinių savybių nustatymas ... 28

3. REZULTATAI IR JŲ APTARIMAS ... 30

3.1. Sintezės metodai ... 30

3.1.1. Diazonio jono jungimasis su susidariusiu fenoliniu junginiu ... 30

3.1.2. Diazonio druskos jungimasis su naftoliu ... 33

3.2. Gautų junginių išeigos ir grynumas ... 35

3.3. pKa reikšmės ir pH ribos, kuriose keičiasi azodaţiklių spalva ... 36

3.4. Spektrinės savybės ... 39

4. IŠVADOS ... 42

5. PRAKTINĖS REKOMENDACIJOS ... 43

Azodaţiklių sintezė iš aromatinių aminų diazonio druskų

G. Valiulytės magistro baigiamasis darbas/ mokslinė vadovė doc. dr. P. Nenortienė;

Lietuvos sveikatos mokslų universiteto, Farmacijos fakulteto, Analizinės ir toksikologinės chemijos katedra. – Kaunas.

Raktiniai ţodţiai: azodaţikliai, pKa reikšmės, spektrinės savybės, indikatoriai.

Darbo tikslas: dviem metodais gauti azodaţiklius iš aromatinių aminų diazonio druskų, nustatyti jų pKa reikšmes, įvertinti spektrines savybes bei pritaikyti kaip indikatorius.

Darbo uţdaviniai: Gauti azodaţiklius iš metilanilinų ir 4-nitroanilino vykdant jų diazonio druskų hidrolizę arba jungiant su 1-naftoliu bei 2-naftoliu, apskaičiuoti gautų junginių išeigas, nustatyti jų pKa reikšmes, spektrines savybes, galimą kaip indikatorių pritaikymą.

Metodai: Tyrimui atlikti naudojami du azodaţiklių sintezės metodai. Apskaičiuotos abiem metodais gautų azodaţiklių procentinės išeigos. ESC įvertintas junginių grynumas. Gautų azodaţiklių pKa reikšmės bei pH ribos, kuriose keičiasi jų spalva, vertinamos atliekant potenciometrinį titravimą.

Vandeniniai azodaţiklių tirpalai vertinti spektrofotometriškai, matuojant tirpalų absorbcijos maksimumus ir optinius tankius.

Rezultatai: Azodaţikliai, atliekant aromatinių aminų diazonio druskų hidrolizę (hidrolizatas sudarytas iš 44 ml vandens ir 20 ml koncentruotos H2SO4), gaunami veikiant aminus koncentruota

HCl, kai hidrolizato temperatūra pakeliama iki 104-110 oC. Atliekant tradicinę azodaţiklių sintezę išeigos yra geros-labai geros (vidutinė išeiga yra 76,95 proc.), o vykdant diazonio druskų hidrolizę – vidutinės (junginiai gaunami su vidutine 41,44 proc. išeiga). Tradiciniu metodu gautų naftolinių azodaţiklių pKa reikšmės yra 8,8-11,0 ribose, o fenolinių, gautų atliekant eksperimentinę sintezę, -

7,5-8,0. Spektrofotometrinis tyrimas parodė, kad 4-(4-nitrofenilazo)-1-naftoliui, 1-(4-nitrofenilazo)-2-naftoliui, 1-(2-metilfenilazo)-2-naftoliui, 4-(4-metilfenilazo)-1-naftoliui, 4-metil-2-(4-metilfenilazo)fenoliui po spalvos pasikeitimo būdingas batochrominis poslinkis (vidutinis absorbcijos maksimumas prieš spalvos pasikeitimą yra 379 nm, po spalvos pasikeitimo – 472 nm).

Išvados: Aromatinių aminų diazonio druskų hidrolizė nėra universalus metodas azodaţikliams gauti. Azodaţikliai 2-metil-4-(2-metilfenilazo)fenolis, 4-(4-nitrofenilazo)-1-naftolis bei 1-(4-nitrofenilazo)-2-naftolis gali būti pritaikyti kaip pH indikatoriai.

Synthesis of azo dyes from aromatic amines diazonium salts

G. Valiulytė master thesis/ Term paper supervisor doc. dr. P. Nenortienė;

Lithuanian University of Health Sciences, Faculty of Pharmacy, Department of Analytical and Toxicology Chemistry. – Kaunas.

Key words: azo dyes, pKa values, spectral features, indicators.

Aim of the work: synthesis of azo dyes from aromatic amines diazonium salts by two methods, determination of their pKa values, spectral features and applicability as indicators of

produced azo dyes.

Main objectives: to obtain azo dyes from methylanilines and 4-nitroaniline by hydrolysis of their diazonium salts or by binding with 1-naphtol and 2-naphtol, to calculate yields of obtained compounds, to determine their pKa values, spectral features and their possible application as indicators.

Methods: Two methods of azo dyes synthesis are used to perform the assay. Percentage yields of synthesized compounds, obtained by both methods, are calculated. Purity of compounds is evaluated by HPLC. pKa values and range of pH where the colour changes of received compounds are

evaluated by potentiometric titration. Aqueous solutions of azo dyes are assessed by measuring absorption peaks and optical densities with a spectrophotometer.

Results: it is necessary to synthesise aromatic amines diazonium salts with conc. HCl and to perform hydrolysis in 104-110 oC temperature when hydrolysate consist of 44 ml water and 20 ml conc. H2SO4 in order to obtain azo dyes by experimental method. Yields of traditional method are

good-very good (average yield is 76,95 proc.), yields of experimental method are moderate (average yield is 41,44 proc.). pKa values of naphtolic azo dyes which are obtained by traditional method are

8,8-11,0 and phenolic azo dyes – 7,5-8,0. Spectrophotometric studies showed that 4-(4-nitrophenylazo)-1-naphtol, 1-(4-nitrophenylazo)-2-naphtol, 1-(2-methylphenylazo)-2-naphtol, 4-(4-methylphenylazo)-1-naphtol, 4-methyl-2-(4-methylphenylazo)phenol are characterized by batochromic shifts (average batochromic shift before changing of color is 379 nm, after changing of color – 472 nm).

Conclusions: hydrolysis of aromatic amines diazonium salts is not universal method to obtain azo dyes. 2-methyl-4-(2-methylphenylazo)phenol, 4-(4-nitrophenylazo)-1-naphtol and 1-(4-nitrophenylazo)-2-naphtol could be used as pH indicators.

SANTRUMPOS

E - energija

Ka – rūgšties disociacijos konstanta

nm - nanometrai

pKa – medţiagos rūgštingumo rodiklis

rpm – apsisukimai per minutę SSR – silicio dioksido sieros rūgštis

UV-VIS – ultravioletinė ir regimoji spinduliuotė λmax – absorbcijos maksimumas

ɛmax – molinis absorbcijos koeficientas

ĮVADAS

Temos aktualumas. Visame pasaulyje kasmet pagaminama virš milijono tonų daţų, iš kurių beveik 50 proc. sudaro azodaţai, priklausantys azojunginių grupei (2008-2009) [8]. Pastarieji gali būti naudojami ne tik kaip daţai tekstilės, maisto, kosmetikos pramonėse, tačiau ir kitur: medicinoje, instrumentinėje analizėje, įvairiose fizikos srityse [9, 39, 8, 23, 2]. Platų panaudojimą lemia išskirtinė šių junginių struktūra, nuo kurios priklauso jų savybės: spalva ir spalvos pokytis, keičiantis terpės pH, bei dėl to kintančios spektrinės savybės.

Besiplečianti chemijos pramonė ir didėjantys ţmonių poreikiai skatina sintetinti naujus azojunginius, ieškoti jų praktiškai pritaikomų savybių, tobulinti jau susintetintų azojunginių savybes. Pastaruoju metu ypač didelis dėmesys skiriamas gamtos apsaugai, siekiama sintezei pritaikyti ekologiškesnius reagentus ar naudoti maţesnius jų kiekius. Kuriami novatyvesni metodai, kurie leistų sintezę atlikti pigiai, greitai, didele išeiga.

Tyrimo problema ir naujumas. Nėra sukurta tokio metodo, kurio metu būtų galima gauti azojunginius-daţiklius nenaudojant besijungiančio reagento - tai leistų sumaţinti sintezės kaštus dėl maţesnio sunaudojamo pradinių reagentų kiekio ir gauti praktiškai pritaikomus juginius tose laboratorijose, kurios neturi galimybių įsigyti brangių reagentų.

Teorinė ir praktinė reikšmė. Terpės pH nustatymas ir kontrolė yra svarbūs ţingsniai chemijoje, biochemijoje, farmacijoje, kuriant vaistų pristatymo į organizmą sistemas bei kitose srityse. Daţniausiai pH nustatymas remiasi vizualiniu vertinimu pagal pH indikatorius [22]. Azodaţikliai gali būti pritaikomi pH nustatymui ir naudojami kaip pH indikatoriai.

Temos ryšys su tyrimo metodika ir rezultatais. Buvo pasirinktas toks ekperimentas, kurio metu būtų išbandyti du azodaţiklių sintezės metodai: vienas naujas, niekur neaprašytas, suteikiantis galimybę junginius gauti maţesniais kaštais dėl maţesnio sunaudojamo pradinių reagentų kiekio, ir kitas - tradicinis. Tyrimo metu įvertinti abiejų metodų privalumai bei trūkumai, ištirtos gautų junginių savybės, įvertintas jų kaip pH indikatorių praktiškas pritaikymas.

Šio eksperimento objektas – azojunginiai-daţikliai, turintys spalvą, kuri keičiasi kintant terpės pH, bei gauti vykdant diazonio druskų hidrolizę arba jungiant jas su naftoliais.

Darbo tikslas: dviem metodais gauti azodaţiklius iš aromatinių aminų diazonio druskų, nustatyti jų pKa reikšmes, įvertinti spektrines savybes bei pritaikyti kaip indikatorius.

DARBO TIKLAS IR DARBO UŢDAVINIAI

Tyrimo kryptis: azojunginių sintezė, išeigų skaičiavimas ir savybių tyrimas potenciometrinio titravimo bei spektrofotometrijos pagalba.

Tyrimo problema: nėra sukurta tokio metodo, kurio metu būtų galima gauti azodaţiklius aukštoje temperatūroje ir nenaudojant besijungiančio reagento, taip sumaţinti sintezės kaštus ir gauti praktiškai pritaikomus junginius tose laboratorijose, kurios neturi galimybių įsigyti brangių reagentų.

Tyrimo objektas: azojunginiai-daţikliai, kurie turi spalvą, pasiţymi daţančiomis savybėmis ir gali keisti savo spalvą kintant terpės pH bei yra gauti vykdant diazonio druskų hidrolizę arba jungiant jas su naftoliais.

Darbo tikslas: dviem metodais gauti azodaţiklius iš aromatinių aminų diazonio druskų, nustatyti jų pKa reikšmes, įvertinti spektrines savybes bei pritaikyti kaip indikatorius.

Darbo uţdaviniai:

1. Atlikti literatūros apţvalgą apie azojunginių pritaikymą, savybes, sintezės metodus, palyginti įvairių sintezių metodų išeigas.

2. Gauti azodaţiklius iš metilanilinų ir 4-nitroanilino vykdant jų diazonio druskų hidrolizę. 3. Gauti azodaţiklius jungiant metilanilinų ir 4-nitrofenolio diazonio druskas su 1-naftoliu bei

2-naftoliu.

4. Apskaičiuoti gautų junginių išeigas, palyginti abiejų sintezės metodų rezultatus. 5. Nustatyti gautų azodaţiklių pKa reikšmes bei spektrines savybes.

6. Įvertinti gautų azodaţiklių kaip pH indikatorių pritaikomumą.

Mokslinio tyrimo eiga: sintetinami azodaţikliai, vykdant jų diazonio druskų hidrolizę įvairiose temperatūrose. Vėliau sintetinami azodaţikliai tradiciniu metodu – diazonio druskas jungiant su šarminiais naftolių tirpalais. Apskaičiuojamos ir palyginamos abiem metodais gautų junginių išeigos. Nustatomos jų pKa reikšmės, pH ribos, kuriose keičiasi spalva, spektrinės savybės,

įvertinamos indikatorinės savybės. Atliekama duomenų analizė.

Tyrimo instrumentai: eksperimento metu vykstančios reakcijos, junginių struktūrinės formulės ir laboratorijoje surinktas įrenginys yra nupiešti naudojantis ACD/ChemSketch programa, naudojantis Microsoft Office Excel 2007 m. programa sudarytos rezultatus apibendrinančios

1.

LITERATŪROS APŢVALGA

1.1. Azojunginiai

1.1.1.

Panaudojimas

Azojunginiai yra spalvoti junginiai, todėl plačiai naudojami kaip daţai ir pigmentai. Jie naudojami farmacijos bei chemijos pramonėse kolorimetrinei junginių analizei atlikti, kaip indikatoriai, radikalinių reakcijų iniciatoriai. Jie taip pat svarbūs kaip fotochrominės medţiagos, naudojami histologijoje preparatų daţymui. Azojunginiai yra reikšmingi elementai nelinijinėje optikoje, fotografijoje [9, 15]. Be to jie reikalingi odoms rauginti, popieriui gaminti, maisto, kosmetikos pramonėse [8]. Azodaţikliai sudaro kovalentines jungtis su pluošto -OH, -NH ir -SH grupėmis, todėl naudojami audiniams daţyti [13]. Jie priskiriami dispersiniams daţams, tai reiškia, kad yra maţai tirpūs vandenyje ir tinkami daţyti hidrofobiniams pluoštams ir audiniams [18]. Azodaţikliai yra susidomėjimo objektas dėl jų chromoforinės prigimties ir bidentatinių savybių, kurias lemia orto padėtyje esančios fenolio hidroksilo grupės. Šios savybės leidţia juos panaudoti metalų kompleksų susidarymo tyrimuose bei spektroskopiškai matuojant katijonų koncentraciją [3].

Azojunginiai gali būti naudojami tolimesnei junginių, pasiţyminčių antibakteriniu ir pesticidiniu poveikiu, sintezei. Farmaciniuose preparatuose, azojungtis buvo naudojama siekiant apsaugoti vaistus nuo nepageidaujamų reakcijų, o azodaţiklių sulfanilamido grupę turintys antibakteriniai vaistai buvo pirmieji efektyvūs chemoterapiniai preparatai, vartoti sistemiškai gydyti ţmonių bakterinėms infekcijoms [37]. Jie buvo suskirstyti į tris klases: antibakteriniai anilino sulfamidai; provaistai, iš kurių susidaro aktyvūs sulfamidai; neanilino sulfamidai. Taip pat kai kurie šiuo metu daţnai vartojami vaistai yra azojunginių sulfamidai ar sulfanilamidai: diuretikas furozemidas, diuretikas chlortalidonas, cukriniam diabetui skirtas gydyti vaistas tolbutamidas. Yra keletas sulfamidų bei sulfamido-trimetoprimo derinių, kurie vartojami oportunistinėms infekcijoms gydyti ţmonėms, sergantiems AIDS [1].

Azojunginiai taip pat ţinomi dėl jų struktūros buvimo antineoplastinių, antidiabetinių, antiseptinių, antibakterinių vaistų molekulėse. Jie yra įtraukti į įvairias biologines reakcijas, tokias kaip DNR, RNR ir baltymų sintezės inhibavimas, karcinogenezė ir azoto fiksacija. Evans mėlis ir Kongo raudonasis yra tiriami kaip ŢIV viruso inhibitoriai. Manoma, kad jų poveikis pasireiškia dėl azodaţiklių jungimosi tiek prie viruso proteazės, tiek prie atvirkštinės transkriptazės [2]. Evans mėlis taip pat naudojamas kraujagyslių pralaidumui matuoti, kadangi jis stipriai susijungia su plazmos baltymais albuminais. Naudojant grauţikų ir jūrų kiaulyčių modelius galima diagnozuoti ţmonių ligas, kadangi esant patologijai, paţeidimui ar uţdegimui, padidėja kraujagyslių endotelinių ląstelių pralaidumas ir organuose, kuriuose pralaidumas padidėjęs, stebimas mėlynas nudaţymas (dėl Evans

mėlio). Kraujagyslių pralaidumo padidėjimo lygis apskaičiuojamas pagal daţiklio kiekį, prasiskverbusį į organą [29, 25]. Evans mėlis taip pat naudojamas sentineliniam limfmazgiui rasti, sergantiems melanoma ar ankstyvu krūties vėţiu. Šiam tikslui taip pat gali būti panaudotas naftolio mėlynasis-juodasis ar chrizofeninas. Jie visi turi vieną ar kelias sulfogrupes (-SO3H) ir dėl to geba

jungtis su plazmos baltymais [35]. Kitas medicinos srityje histologijoje plačiai naudojamas daţas yra Kongo raudonasis, kurio pagalba daţniausiai aptinkamas amiloido baltymas, kadangi daţas gali jungtis su baltymų fibrilėmis. Tyrimai atskleidė, kad Kongo raudonasis taip pat geba dalyvauti baltymo išsilankstymo ir agregacijos procesuose, stabilizuoti baltymo monomerus ar dalinai išsilanksčiusius tarpinius junginius bei sumaţinti sąlyginai toksiškesnių baltymo oligomerų koncentraciją. Dėl šios prieţasties Kongo raudonasis turėtų teigiamai veikti neurodegeneracinių ligų, tokių kaip Alzheimerio, Parkinsono, Hantingtono, eigą. Todėl yra kuriami ir tiriami Kongo raudonojo struktūrą turintys junginiai. Be to būdami nedidelės molekulinės masės ir sugebėdami praeiti pro hematoencefalinį barjerą, šie junginiai galėtų būti naudojami in vivo nustatyti ir apskaičiuoti smegenų amiloido kiekį. Taigi jie būtų pritaikomi tiek neurodegeneracinių ligų stebėsenai, tiek gydymui [14].

Azojunginiai kelia didelį susidomėjimą dėl įvairių biologinių savybių, tokių kaip antibakterinis ir pesticidinis aktyvumas. Kai kuriems iš jų būdingos antiseptinės ir antiprotozoinės savybės, taip pat jie skatina ţaizdų gijimą. Pavyzdţiui, katijoniniai daţai, lyginant juos su anijoniniais, yra aktyvesni rūgštinėje terpėje ir labiau linkę veikti Gram teigiamas bakterijas. Yra ištirtos azojunginių, savo struktūroje turinčių acetilsalicilo rūgšties, timolio, aldimino, m-krezolio liekanas, medicininės savybės [31].

K.M. Rathod ir N.S. Thakre 2012 metais aprašė diazojungnių iš m-krezolio sintezę ir ištyrė jų biologines savybes. Išgryninus gautus junginius, buvo tiriamas jų antimikrobinis aktyvumas prieš keturis ţmogaus patogenus: Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Salmonella typhi ir

Pseudomonas aeruginosa. Junginių antimikrobinis aktyvumas vertintas pagal inhibicijos zoną (mm).

Visi junginiai buvo aktyvūs prieš E. coli. Tik vienas junginys iš aštuonių nepasiţymėjo aktyvumu prieš

S. typhi, vienas – prieš P. aeruginosa ir du – prieš S. aureus. [31]. Dėl tokių priešmikrobinių savybių,

šie junginiai turėtų būti toliau analizuojami, tobulinama jų sintezė, ieškoma pritaikymo.

2013 m. susintetinti azo-kumarino junginiai ir ištirtas jų antibakterinis aktyvumas. Paaiškėjo, kad kai kurie iš jų pasiţymi puikiu antibakteriniu aktyvumu prieš E. coli, S. aureus ir S. typhi [23]. Be to pastaraisiais metais azojunginiai plačiai tiriami dėl jų unikalaus panaudojimo kuriant migdomuosius vaistus, ieškant vėţio markerių. 2013 m. susintetinti azojunginiai 4-aminohipurinės rūgšties diazonio druską sujungus su N,N-dimetilanilinu, 1-naftoliu ir 2-naftoliu. Visi jie pasiţymėjo stipriu tirozinazę inhibuojančiu poveikiu, o didţiausiu aktyvumu pasiţymėjo junginiai su 1-naftolio ir 2-naftolio. Tirozinazės inhibitoriai yra naudojami gydant odos ligas, susijusias su melanino hiperpigmentacija, vartojami depigmentacijai ir balinimui atlikti po nudegimų saulėje [16].

Taigi azojunginių pritaikymas yra iš tiesų labai platus. Pritaikomumas daţniausiai priklauso nuo to, kokie pradiniai junginiai naudojami azojunginio sintezei, kokiomis savybėmis jie pasiţymi bei kokia yra gauto junginio struktūra.

1.1.2.

Struktūra

Azojunginiai – tai tokie junginiai, kurie turi azogrupę –N=N-, sujungtą su alifatinio arba aromatinio junginio sp2 hibridizacijos C atomu [10]. Monoazojunginiai turi tik vieną azogrupę, diazo- ir triazojunginiai turi atitinkamai dvi ir tris azogrupes [1]. Yra junginių, savo struktūroje turinčių ir daugiau nei tris azogrupes. Monoazodaţikliai yra svarbiausi ir daţniausiai sutinkami [18]. Azogrupės daţniausiai yra susijungusios su benzeno arba naftaleno ţiedais, tačiau jos taip pat gali būti prisijungę prie aromatinių heterociklų ar enolinių alifatinių grupių. Nuo šių struktūrų, pakaitų juose prigimties, azogrupių skaičiaus priklauso daţiklio spalva, skirtingi atpalviai, jų sodrumas. Daţiklio molekulės aromatinės grupės yra vadinamos chromoforais, o nukleofilai – auksochromais. Pati daţiklio molekulė daţnai vadinama chromogenu [1].

1 pav. Azodažiklių molekulės išsidėstymas erdvėje [18]

Azodaţiklių molekulė egzistuoja trans formoje. Dvigubos jungties kampas molekulėje yra 120o. A grupė daţniausiai turi elektronų akceptorinius pakaitus, o E grupė – elektronų donorinius, daţniausiai hidroksilo ir amino grupes (1 pav.). Jei daţiklio molekulėje yra tik aromatinės grupės, kaip benzenas ar naftalenas, jie vadinami karbocikliniais daţikliais; jei turi vieną ar daugiau heterociklinių grupių, vadinami heterocikliniais daţikliais. Karbocikliniai daţikliai gali būti geltonos, raudonos, mėlynos, ţalios ir juodos spalvos. Apskritai azodaţiklių struktūrinė įvairovė yra labai didelė [18]. Dėl to įmanoma sukurti skirtingų spalvų ir atspalvių daţiklius, taip pat sujungiant įvairiomis biologinėmis savybėmis pasiţyminčius junginius, sukurti naujas, pavyzdţiui, aktyvesnes, atsparesnes aplinkos pokyčiams, molekules.

1.1.3.

Sintezė

Azodaţiklių sintezė pradedama atliekant pirminio amino diazotinimą ir vėliau jį sujungiant su vienu ar daugiau nukleofilų (jungimosi; azoderinimo reakcija). Amino, hidroksilo ir aktyvi metileno

grupės daţniausiai naudojamos jungimosi reakcijų metu [23]. Diazojunginys (diazonio druska) susiformuoja iš amino, kai jis atiduoda protonus, veikiamas natrio nitritu stipriai rūgščioje terpėje bei esant ţemai temperatūrai (0-5 o

C). Gauta diazonio druska yra silpnas elektrofilas. Azoderinimas taip pat vykdomas ţemoje 0-5 o

C temperatūroje, dalyvaujant nukleofilams (fenoliams arba aminams), kurių reaktyvumas didėja priklausomai nuo elektronų donorinių grupių buvimo struktūroje [9, 10, 37].

Diazotinimas. Pirminio amino diazotinimas vyksta jį veikiant nitrito rūgštimi. Pastaroji

susidaro natrio nitritą veikiant stipria rūgštimi, pavyzdţiui, druskos ar sieros. Susidaro diazonio druskos (2 pav.), kurios naudojamos halogenidų (Sandmeyer, Schiemann reakcijos) ir azojunginių sintezei [11].

Tradiciškai azodaţiklių sintezei naudojami paprasti aromatiniai aminai kaip anilinas bei jo derivatai, pavyzdţiui, 4-nitroanilinas, ir kiti įvairūs jo struktūros pagrindą turintys aminai. Atlikti sintezę, naudojant tokius junginius yra paprasčiau, reakcijų vykimo mechanizmai yra gerai išaiškinti, tačiau norint gauti naujomis, kitokiomis savybėmis pasiţyminčius azodaţiklius, sintezė atliekama naudojant ir sudėtingesnius junginius. Vyksta intensyvios tokių aminų bei naujų, našesnių sintezės metodų paieškos.

Anilino elektronų donorinės grupės, tokios kaip metilo ar metoksi, ypač esančios meta padėtyje, skatina jungimąsi. Polinkis jungtis didėja tokia seka: anilinas < o-toluidinas < m-toluidinas <

m-anizidinas < krezidinas < 1-amino-2,5-dimetoksibenzenas [18].

2 pav. Diazonio druskos susidarymo schema [11]

Diazotinimo reakcijos mechanizmas. Esant stipriai rūgštinei terpei, nitrito rūgštis HONO

disocijuoja ir susidaro nitrozilkatijonas ON+. Jis reaguoja su amino grupės azoto atomu, susidaro N-nitrozoamino jonas, šis netenka protonų ir virsta diazohidroksidu. Diazotinimui naudojamas rūgšties perteklius, tam kad iš karto susidarytų diazonio druska (3 pav).

3 pav. Diazotinimo reakcijos mechanizmo schema [11]

Gautos diazonio druskos yra universalūs junginiai organinėje chemijoje. Tačiau jų pritaikymą riboja menkas terminis atsparumas. Paprastai šios druskos sintezuojamos esant ne aukštesnei nei 10 o

C temperatūrai ir, siekiant išvengti jų suirimo, laikomos 0 o_{C temperatūroje [38].}

Mokslininkai bando diazonio druskas gauti ir kitokiais, novatyvesniais, metodais, pavyzdţiui, Tundo P. su kolegomis (2007) pasiūlė diazonio druskas gaminti CO2/H2O tirpiklių sistemoje. Tokiu

atveju gaunama silpnai rūgštinė (pH apie 3) terpė ir susiformuoja kitokia nei įprastai diazonio druska R-N+ N*HCO3- , junginiai gaunami didesne išeiga, taip pat nereikia pašalinti tirpiklio, o tik išgarinti

CO2 dujas [25]. Be to pastaruoju metu susidomėta joniniais skysčiais kaip terpe organinėms reakcijoms

vykti. Pirmą kartą diazojunginių sintezei joniniai skysčiai buvo panaudoti 2008 metais. Reakcijos buvo vykdytos kambario temperatūroje (25 o_{C) mezilazidus (metasulfonilazidus) lašinant į atitinkamą}

CH-rūgštį joniniame skystyje. Junginiai gauti su gera ir labai gera išeiga (50-99 proc.) [30].

Azoderinimo reakcija. Gavus diazonio druską, toliau vykdoma azoderinimo reakcija (4 pav.)

- rūgštinis diazonio druskos tirpalas daţniausiai supilamas į besijungiančio reagento (nukleofilo) tirpalą. Kadangi vykstant azoderinimo reakcijai išsiskiria papildomas kiekis rūgšties, optimali pH palaikoma pridedant bazės, pavyzdţiui, šarminių metalų hidroksidų, natrio karbonato, natrio hidrokarbonato, amoniako, kalcio karbonato, magnio oksido. Natrio acetatas, formiatas ar fosfatas taip pat gali būti dedami tam, kad veikdami kaip buferiai stiprias rūgštis paverstų silpnomis [18, 11]. Jungimasis paprastai vyksta į para padėtį, nebent ji yra uţimta. Tokiu atveju diazonio druska jungiasi į

orto padėtį [11]. Nukleofilais pagal tradicinę sintezę daţniausiai naudojami alfa ir beta naftoliai arba

kiti aromatiniai aminai. Tačiau mokslininkai kuria naujus sintezės metodus, kurių metu galėtų būti panaudoti kitokie nukleofilai ir gauti azodaţikliai pasiţymėtų naujomis, geresnėmis, lengviau pritaikomomis savybėmis.

4 pav. Azoderinimo reakcijos schema [11]

Azoderinimo reakcijos mechanizmas. Azoderinimo reakcijos mechanizmas (5 pav.)

pavaizduotas diazonio druskai jungiantis su naftoliu. Analogiškas reakcijos mechanizmas yra nukleofilu naudojant fenolį. Reakcijai vykti reikalinga silpnai šarminė terpė (šiuo atveju naudojamas NaOH), kurioje susidaro aktyvesni negu fenolis ar naftolis fenoliato ir naftoliato jonai.

Kaip ir buvo minėta, azodaţiklius galima gauti sujungiant labai įvarios struktūros junginius tarpusavyje. Kiekvienu atveju, priklausomai nuo besijungiančių junginių savybių, struktūros ypatybių, siekiamų rezultatų, gali būti naudojami skirtingi reagentai bei jų kiekiai, tačiau pagrindinis sintezės principas yra toks kaip aprašyta aukščiau (2 pav. ir 4 pav.). Vis dėl to dėl didėjančio poreikio gauti naujesnių junginių, reikalinga kurti ir naujus sintezės metodus, ieškoti tokių, kurie būtų atliekami greitai, pigiai, darytų maţiau ţalos aplinkai bei būtų pakankamai našūs. Todėl toliau yra pateikiami mokslininkų sukurtų naujų sintezės metodų aprašymai, bandoma įvairiais aspektais juos palyginti su tradiciniu sintezės metodu, įvertinti gautų azodaţiklių išeigas.

5 pav. Azoderinimo reakcijos mechanizmo schema [11]

Įvairūs azodaţiklių sintezės pavydţiai, jų išeigos vertinimas

Velasco M.I. su kolegomis (2011) pateikė keletą naujesnių azodaţiklių sintezė metodų ir palygino juos su klasikine sinteze. Visos reakcijos buvo vykdytos naudojant šiuos reagentus: aniliną, 1-naftilaminą, 4-nitroaniliną, 4-metilaniliną, 4-amino-3-hidroksinaftaleno sulfato rūgštį, 1,2-fenilendiaminą, alfa ir beta naftolį.

1. Klasikinės azojunginių sintezės pavyzdys. Aminas (3 mmol) ištirpinamas 60 ml vandens su koncentruota HCl (3 ml). Šis tirpalas atšaldomas ir, palaikant 0-5 oC temperatūrą bei nuolat maišant, į jį lašinamas šaltas natrio nitrito (14,5 mmol) vandeninis tirpalas. Pasibaigus reakcijai, į mišinį

pridedamas šaltas vandeninis naftolio (1 mmol) tirpalas natrio hidrokside (5 ml; 0,2 M). Gautas azojunginys filtruojamas vakuumo pagalba ir išdţiovinamas ore.

2. Sintezė, naudojant geleţies nitratą. Ši sintezė atliekama 0,4 mmol geleţies nitrato (Fe(NO3)3*9H2O) ir 2 mmol amino ištirpinus 6 ml acetonitrilo. Ši tirpalas atšaldomas iki 0-5 oC ir į jį

per 30 minučių sulašinamas HCl tirpalas (4,6 ml rūgšties 5 ml acetonitrilo). Po 10 minučių į šį tirpalą pridedama 1 mmol naftolio ir 5 mmol natrio hidroksido acetonitrile/vandenyje (3 ml/2 ml).

3. Sintezė, naudojant azoto rūgšties tirpalą. 2 mmol amino ištirpinami 5 ml acetonitrilo. Šis tirpalas atšaldomas iki 0-5 o

C ir į jį per 30 minučių sulašinama 6,2 ml HCl sumaišytos su 5 ml acetonitrilo. Po to maišinat į mišinį supilama 2,5 mmol koncentruotos HNO3. Po 2 minučių į šį tirpalą

pridedama 1 mmol naftolio ir 4,5 mmol natrio hidroksido acetonitrile/vandenyje (5 ml/1 ml).

4. Sintezė, naudojant dujų fazės HCl ir azoto rūgšties tirpalą. 2 mmol amino ištirpinami 5 ml acetonitrilo kambario temperatūroje ir į tirpalą sulašinami 2 mmol koncentruotos HNO3. Į šį

mišinį tuo pačiu metu leidţiamos HCl dujos ir naftolio (1 mmol) bei natrio hidroksido (4,5 mmol) tirpalas acetonitrile/vandenyje (5 ml/1 ml).

Visų 2-4 aukščiau aprašytų sintezės būdų metu gauti spalvotų junginių mišiniai buvo maišomi dar 24 valandas ir tada filtruoti vakuumo pagalba. Įprastos sintezės išeigos siekė 11-39 proc. (vidutinė – 26,7 proc.); sintezės, naudojant geleţies nitratą - 18-47 proc. (vidutinė – 30,3 proc.); sintezės, naudojant azoto rūgštį - 30-60 proc., tačiau kai kurių junginių gauti tik pėdsakai, todėl objektyviai vertinti vidutinės išeigos negalima; sintezės, naudojant dujų fazės HCl ir azoto rūgštį - 27-60 proc., vieno junginio taip pat rasti tik pėdsakai. Pasiūlyti naujesni sintezės metodai yra ekologiškesni nei tradicinis sintezės metodas, nes naudojamas maţesnis amino/naftolio molinis santykis (2:1, o tradiciniu metodu 3:1) bei sunaudojama maţiau kitų ţaliavų, pavyzdţiui, tradiciniam metodui reikalingi 14,5 mmol NaNO2, o kitais metodais sunaudota 0,4 mmol geleţies nitrato, 2,5 mmol arba

2 mmol HNO3 rūgšties tirpalo kaip nitrinimo reagentų.

Pastebėta, kad substratais naudojant aniliną geresnės išeigos gaunamos tradicinės sintezės metu, pavyzdţiui, jungiant aniliną su beta naftoliu, gatavų produktų išeigos yra sekančios: 39 proc., 35 proc., pėdsakai, pėdsakai, o jungiant aniliną su alfa naftoliu: 27 proc., 18 proc., pėdsakai, 20 proc. Tuo tarpu diazotinimo reagentu naudojant 4-nitroaniliną, situacija labai pasikeičia – išeigos su beta naftoliu: 26 proc., 47 proc., 53 proc., 60 proc., o su alfa naftoliu: 31 proc., 20 proc., 60 proc., 60 proc. [37]. Tačiau reikia atkreipti dėmesį ir į tai, kad naujiems sintezės metodams atlikti reikalingi sunkiau gaunami reagentai (pavyzdţiui, reikia gauti dujinę HCl rūgštį), be to sintezės trunka daug ilgiau – daugiau nei 24 valandas. Daug kur pabrėţiama, kad tradicinis sintezės metodas teršia gamtą, nes jam atlikti reikalingos koncentruotos rūgštys ir šarmai. Kaip matome ir šiems naujesniems sintezės metodams atlikti reikalinga koncentruota HCl (2 ir 3 metodams reikalingi netgi didesni kiekiai negu tradiciniam: 4,6 ml, 6,2 ml ir 3 ml atitinkamai) ir natrio šarmas, o 3 ir 4 metodui reikalinga dar viena

papildoma koncentruota mineralinė HNO3 rūgštis bei visiems jiems (2, 3 ir 4) naudojamas dar vienas

papildomas tirpiklis – acetonitrilas. Tradicinis sintezės metodas gali būti lengviau pritaikomas paprastose, maţai reagentų turinčiose laboratorijose. Tačiau būtina paminėti, jog 4 metodas turi didelį pranašumą lyginant su kitais, kadangi jam atlikti nereikalingas specialus temperatūrinis reţimas, sintezė atliekama kambario temperatūroje.

Toliau pateikta daugiau tradicinės sintezės aprašymų. Daţniausiai aptariami tokie, kuriuos atliekant kuo panašesni į aniliną aromatiniai aminai yra jungiami su fenolinę grupę turinčiais junginiais.

Pavyzdţiui, mokslininkai iš Indijos pateikia tokį azodaţiklių sintezės eigos aprašymą: aromatiniai aminai (anilinas, 4-metoksianilinas, 4chloranilinas, 4-bromanilinas, 4-hidroksianilinas, 2-karboksianilinas, 4-nitroanilinas) ištirpinami 2,5 ml koncentruotos HCl, mišinys atšaldomas iki 0-5 oC temperatūros ir į jį lašinamas šaltas NaNO2 tirpalas (2,5 ml; 4N). Gauta diazonio druska

lašinant ir maišant per 10-20 minučių supilama į šaltą šarminį (natrio hidroksido) 4-hidroksikumarino tirpalą, palaikant 5-10 o_{C temperatūrą. Junginiai gauti su atitinkamomis išeigomis: 75 proc., 65 proc.,}

80 proc., 75 proc., 85 proc., 45 proc., 85 proc. [23].

2013 metais H.Y. Navid su kolegomis atliko azodaţiklių sintezę 4-fluorsulfanilaniliną ir 2-nitro-4-fluoraniliną jungiant su 2-naftoliu. Jie pateikia tokį sintezės aprašymą: 4-fluorsulfanilanilino (10 mol) diazotinimas vykdomas 3,4 ml HCl rūgšties, 35 ml vandens ir NaNO2 (10 mmol) tirpale

0-5 oC temperatūroje. Maišoma 5 valandas ir pridedama sotaus natrio acetato tirpalo, tam kad palaikyti pH apie 5-6. 2-nitro-4-fluoranilinas (0,02 mol) diazotinamas taip: tirpinamas acto ir propiono rūgščių (4:1, 50 ml) mišinyje, po to supilamas į natrio nitrito (0,02 mol) ir sieros rūgšties (30 ml) tirpalą, palaikant 5-10 oC temperatūrą. Mišinys maišomas apie 3 valandas. Abi diazonio druskos supilamos į 2-naftolio (10 mmol) tirpalą. Jungimosi reakcija pasibaigia po 4-5 valandų. Daţikliai gauti atitinkamomis išeigomis: 65 proc., 62 proc. [26]. Tuo tarpu 2008 metais atlikus tradicinę azodaţiklių sintezę 2-nitroaniliną jungiant su 2-naftoliu azojunginys gautas su 90 proc. išeiga, o 4-metoksianiliną su 2-naftoliu – 80 proc. išeiga [7].

Jei palygintume šiuos tris aukščiau aprašytus tradicinius metodus, pastebėtume, jog paskutiniu metodu gautas 2-hidroksi-1-(2-nitrofenilazo)naftalenas davė didţiausią išeigą. Taip pat 2-chloranilinas, 4-hidroksianilinas, 4-nitroanilinas aktyviai ir didele išeiga jungiasi su 4-hidroksikumarinu. Daţikliai iš 4-fluorsulfanilanilino ir 2-nitro-4-fluoranilino gaunami su šiek tiek didesne nei vidutine išeiga, tačiau sintezė trunka ilgai – apie 7-10 valandų. Reikėtų atkreipti dėmesį, kad šios sintezės metu sunaudojamas vienodas molinis santykis amino, natrio nitrito ir šarmo, nors Velasco I.M. su kolegomis teigė, jog jų metodus (3 ir 4) galima priskirti ekologiškiems dėl pastarųjų reagentų santykio 2:2,5(2):1. Pastarąjį teiginį galima paneigti, atsiţvelgiant ir į tai, kad šių metodų (3, 4 bei Navid H.Y. ir kt. pasiūlyto) išeigos yra labai panašios.

Dabbagh HA su kolegomis (2007) siūlo tobulinti tradicinį sintezės metodą ir naudoti katalizatorius, pavyzdţiui, bentonitą, koaliną, K10, ir taip išvengti mineralinių rūgščių ir šarmų naudojimo.

Sintezė, naudojant katalizatorius bentonitą, koaliną ir K10. 2 mmol/ 1 mmol amino absorbuojama ant 5g/3g katalizatoriaus ir atšaldoma iki 0-5 o

C. 4 mmol/ 2 mmol NaNO2 ištirpinami

15 ml vandens ir sulašinami per 1 valandą į prieš tai gautą mišinį. Į gautą diazonio druskos-katalizatoriaus mišinį įdedama 5 mmol/ 1 mmol fenolinio junginio ir dar maišoma 1 val/ 3-4 val. Azodaţikliai gaunami 35-60 proc. išeiga [10].

Nors naudojant šį sintezės metodą, nereikalingos mineralinės rūgštys ir šarmai, tačiau bentonitas ir koalinas prieš tai turi būti aktyvuojami HCl rūgštimi, o pati sintezė trunka pakankamai ilgai – iki 5 valandų. Amino ir fenolinio junginio santykis įvairuoja nuo 2:5 iki 1:1 (santykis priklauso nuo to, koks aminas ir besijungiantis reagentas naudojami). Jei lygintume šį santykį su tradiciniu sintezės metodu, jis išlieka panašus. Naudojami NaNO2 kiekiai taip pat panašūs. Šio sintezės metodo

išeiga vidutinė; panaši, o kartais ir didesnė yra pasiekiama ir atliekant tradicinę sintezę.

Alternatyvių sintezės metodų ieškoma ne tik katalizatorių pagalba. Gausėja publikacijų apie azodaţiklių sintezę, naudojant mikrobangų spinduliuotę. Be to, siekiant išvengti mineralinių šarmų ir rūgščių naudojimo, ieškoma kitokių tirpiklių reakcijos terpei: naudojami joniniai skysčiai (tetrafluorboratas, trietilamoniako tetrafluorboratas), acetonitrilas, 1,2-dichlorbenzenas, dichlormetanas, trietilaminas, bevandenė terpė [17, 15, 24]. Vis daţniau kalbama ir apie junginių sintezę, kuriai nereikalingas joks tirpiklis [27]. Prieš tai aprašytą sintezės metodą su bentonitu, koalinu ir K10 taip pat būtų galima priskirti šiai kategorijai, nes jos metu sunaudojama tik 15 ml vandens NaNO2 ištirpinti. O štai 2009 metais buvo atlikta azodaţiklių sintezė naudojant silicio

dioksido sieros rūgštį (SSR) be jokio tirpiklio.

Sintezė, naudojant SSR. Aromatinis aminas (2 mmol), SSR (1,35 g) ir natrio nitritas (4 mmol) yra trinami grūstuvėjė kol susidaro homogeninis mišinys. Tuomet įpilami keli lašai vandens ir mišinys trinamas 10-20 minučių kol nustoja skirtis dujos. Pridedama 2 mmol jungiamojo reagento (fenolinio junginio) ir maišoma dar apie 10 minučių. Visas sintezės procesas trunka 20-30 minučių, reakcijos vykdomos kambario temperatūroje. Junginiai gauti su 77-86 proc. išeiga, o besijungiančiu reagentu naudojant fenolį – 55-60 proc. Siekiant padidinti išeigą galima naudoti natrio fenoksidą –

išeiga padidėja 26-80 proc. Be to gautos arilo diazonio silicio dioksido sulfato druskos (ArN2+-OSO3-SiO2) yra stabilios kambario temperatūroje [38]. Lyginant su įprasta sinteze šis būdas

paprastesnis, nes nereikia palaikyti 5-10 oC laipsnių temperatūros, nenaudojama jokia mineralinė rūgštis ar šarmas, todėl tai ekologiškenis metodas, gaunamos kambario temperatūroje stabilios diazonio druskos, sintezė saugi, o produktai gaunami su didele išeiga. Lyginant amino/natrio nitrito/

jungiamojo reagento santykį (1:2:1), jis panašus į tradiciniu metodu naudojamą. Dar vienas šio metodo privalumas – trumpa sintezės trukmė.

2013 metais pasiūlytas kitas azodaţiklių sintezės metodas terpėje be tirpiklio parinkus tradicinius reagentus aniliną ir 1-naftolį. Sintezė, naudojant perjodato rūgštį ir nano silicio dioksido daleles. Anilinas (1 mmol, 0,093 g), nano SiO2/HIO4 (0,05 g) ir natrio nitritas (2 mmol, 0,138 g)

trinami grūstuvėje apie 10 minučių iki homogeninio mišinio. Įpilama keli lašai vandens ir dar trinama apie 10 minučių, kol nustoja skirtis dujos. 1-naftolis (1 mmol, 0,144 g) pridedamas į gautą diazonio druską ir vėl maišoma 10 minučių. Azodaţiklis gautas 78 proc. išeiga. Reakcija atlikta nenaudojant tirpiklio ir esant kambario temperatūrai. Visos sintezės trukmė iki 30 minučių. Analogiškos reakcijos atliktos su p-nitroanilinu, p-chlornitroanilinu, o-chloranilinu, o-nitroanilinu, p-metoksianilinu,

p-bromanilinu, jie gauti atitinkamomis išeigomis: 89 proc., 81 proc., 82 proc., 80 proc., 78 proc.,

75 proc. Šių reakcijų metu kaip tarpiniai junginiai gaunamos kambario temperatūroje stabilios diazonio druskos R-N+=NIO4- [5].

Kaip matyti iš pateikto pavyzdţio nė vienas azodaţiklis negautas maţesne nei 75 proc. išeiga (išeiga didelė). Sintezė trumpa, atliekama kambario temperatūroje, gaunamos stabilios kambario temperatūroje diazonio druskos, pagrindinių reagentų santykis 1:2:1. Dėl tokių ypatybių metodus, kurie atliekami terpėje be tirpiklio, būtų galima priskirti vieniems efektyviausių ir perpektyviausių.

Taigi kiekvienu atveju sintezės eiga, naudojami reagentai skiriasi priklausomai nuo siekiamų rezultatų: naujų biologiškai aktyvių, medicinoje, analizėje, pramonėje ar kitur pritaikomų junginių sukūrimas; junginių gavimas didele-labai didele išeiga; ekologiškas sintezės metodas; trumpas sintezės atlikimo laikas; galimybė nesilaikyti 0-5 o_{C temperatūrinio reţimo; stabilių kambario temperatūroje}

diazonio druskų - tarpinių produktų sukūrimas; kuo maţesnis sintezės eigoje gautų pašalinių produktų kiekis; kuo maţesnis sunaudotų rūgščių bei šarmų kiekis; naujų pagalbinių reagentų naudojimas bei pritaikymas sintezėje ir kita.

1.2. Azodaţiklio molekulės savybės

1.2.1.

Spalva

Molekulės, savo struktūroje turinčios konjuguotas dvigubas jungtis arba tos, kurioms būdingos specifinės delokalizuotų elektronų sistemos, absorbuoja regimąją šviesą ir turi spalvą. Atomų grupės, suteikiančios junginiui spalvą, vadinamos chromoforais. Chromoforai yra suskirstyti į dvi grupes: chromogenus (spalvą sukuriančios grupės) ir auksochromus (spalvą stiprinančios grupės). Azogrupė -N=N-, chinoidinė grupė priskiriamos chromogenams, o –OH, -NH2, -OR – auksochromams

Kaip jau buvo minėta, viena iš pagrindinių praktiškai pritaikomų azodaţiklių savybių – jų spalva, kuri atsiranda dėl struktūroje esančios –N=N- grupės. Be to azodaţikliai priklausomai nuo terpės pH, gali keisti savo spalvą [1]. Rūgštiniais-baziniais indikatoriais vadinami tokie junginiai, kurie naudojami nustatyti terpės rūgštingumui ar šarmingumui [6]. Taigi azodaţikliai gali būti priskiriami prie tokių junginių. Jų spalvos pasikeitimą lemia elektronų delokalizacija. Spalva taip pat priklauso nuo daţiklio struktūros, pavyzdţiui, heterocikliniams azodaţikliams būdingos stipresnės daţomosios savybės ir ryškesni atspalviai lyginant su anilino pagrindu gautais diazojunginiais [28].

Indikatorių ir azodaţiklių spalvos pasikeitimą galima pavaizduoti paprasta schema (6 pav.). Jei indikatorių įsivaizduosime kaip silpną rūgštį (HIn), pusiausvyros taške indikatorius sudarys tokius jonus:

HIn

(aq)

+

H

2

O

H

3

O

+(aq)

+

In

-(aq) 6 pav. Indikatoriaus jonai pusiausvyros taške [6]

HIn turi būdingą spalvą A, o In-

turi būdingą spalvą B. HIn yra rūgštinė molekulės forma, o In- - sujungtos bazės forma. Daugelis daţų ir pigmentų, turinčių donorinius-akceptorinius chromogenus, pasiţymi šiomis savybėmis ir dėl to gali būti naudojami kaip rūgštiniai-baziniai indikatoriai [6].

Paprasčiausias tokios elektronų delokalizacijos azodaţiklių struktūroje, kintant terpės pH ir dėl to pasikeičiant junginio spalvai, pavyzdys gali būti pavaizduotas pasitelkiant plačiai naudojamo indikatoriaus metiloranţo molekulę (7 pav.). Būdamas azoformos metiloranţas yra geltonos spalvos, o pH maţėjant azoforma keičiasi į chinoidinę ir daţas įgauna raudoną spalvą.

7 pav. Metiloranžo struktūros ir spalvos pokyčiai kintant terpės pH [21]

1.2.2.

pK

a

reikšmės ir spektrinės savybės

Kiek protonizuotų ir neprotonizuotų formų konkrečioje pH turi rūgštinėmis savybėmis pasiţyminti molekulė parodo jos Ka reikšmė – rūgšties disociacijos konstanta [20]. Ka daţnai gali būti

išreiškiama ir pKa (1 formulė). N N N(CH₃)₂ O₃S - H+ OH -N N N(CH3)2 O₃S -H .. azoforma chinoidinė forma 

pK

a

= -log

10

K

a

1 formulė. Ryšys tarp pKa ir Ka

Rūgštis yra tuo stipresnė, kuo didesnė Ka arba maţesnė pKa. pKa reikšmė yra labai svarbi

junginio charakteristika, fizikocheminė savybė [32], kuri leidţia suprasti chemines reakcijas tarp junginių, jų farmakologinius taikinius. Taip pat ji itin reikšminga, atliekant įvairias analitines procedūras: rūgštinį-bazinį titravimą, kompleksų formavimąsi, jonų transportą. Be to pKa lemia

junginio reaktyvumą, spektrines savybes (spalvą) [13], toksiškumą, chromatogramos sulaikymo laiką [33]. Vaisto pKa reikšmė leidţia nuspėti, kur jis bus absorbuotas, kaip veiks, ar kaupsis audiniuose, ar

bus lengvai pašalinamas su šlapimu. Baltymo pKa reikšmė lemia jo funkciją ir struktūrą [4]. Ši reikšmė

taip pat atspindi cheminės sistemos pusiausvyrinę būseną. Priklausomai nuo tirpiklio sąveikos dydţio su asocijuotomis bei disocijuotomis formomis, pusiausvyra gali pasislinkti arba į rūgštinę, arba į sujungtos bazės pusę [20].

Hendersono-Haselbacho lygtis parodo ryšį tarp pH ir pKa (2 formulė) kur [A-] – disocijuotos

rūgšties koncentracija; [HA] – nedisocijuotos rūgšties koncentracija [32].

pH = pKa + log([A

-

]/[HA])

2 formulė. Hendersono-Haselbacho lygtis [32]

Azodaţiklių pKa reikšmės gali būti paaiškintos pagal jų struktūrinę formulę, elektronų

akceptorinių ir donorinių grupių buvimą. Pavyzdţiui, junginiams, turintiems dvi fenolines -OH grupes, būdingos dvi jonizacijos konstantos reikšmės [33]. Du rūgštinius-bazinius pusiausvyros taškus galima pavaizduoti paprasta schema (8 pav.), kurioje H2In reikėtų suprasti kaip neutralų azodaţiklių derivatą,

HIn- - deprotonizuotą H2In formą, monoanijoną, o In2- - deprotonizuotą HIn- formą, dianijoną [3].

H

2

In

+

H

2

O

HIn

-

+

H

3

O

+

HIn

-

+

H

2

O

In

2-+

H

3

O

+

8 pav. Du rūgštinius-bazinius pusiausvyros taškus turintis azodažiklis [3]

Tiriamos ne tik azodaţiklių pKa reikšmės, bet ir spektrinės savybės. Koreliacija tarp spalvos ir

struktūros yra labai svarbus aspektas kuriant ir pritaikant daţiklį pramonėje. Todėl daţiklio absorbcijos maksimumas (λmax), molinis absorbcijos koeficientas (ɛmax) ir absorbcijos profilis yra svarbūs kriterijai.

Įtakos šių rodiklių reikšmėms gali turėti junginių struktūra, elektronų donorinių ir elektronų akceptorinių grupių buvimas, terpės pH, tirpiklis (salvatochromizmas) [26].

Taigi azodaţikliai yra plačiai paplitę ir įvairiose srityse pritaikomi junginiai, kurie turi jiems būdingą išskirtinę struktūrą. Dėl šios struktūros ypatybių jie yra spalvoti junginiai ir gali keisti spalvą priklausomai nuo terpės pH. Tiriant azodaţiklių molekulių savybes, didelis dėmesys skiriamos jų pKa

2.

TYRIMO METODIKA

2.1. Tyrimo medţiagos

2.1.1.

Reagentai

1. Koncentruota druskos rūgštis 37 proc. - Sigma-Aldrich, Vokietija. 2. Koncentruota sieros rūgštis 95-97 proc. - Sigma-Aldrich, Vokietija. 3. Natrio šarmas – Sigma-Aldrich, Vokietija.

4. 4-metilanilinas (grynumas ≥99,7 proc.) – Sigma-Aldrich, Vokietija. 5. 2-metilanilinas (grynumas ≥ 99 proc.) – Sigma-Aldrich, Vokietija. 6. 3-metilanilinas – Lachema, Čekija.

7. 4-nitroanilinas (grynumas ≥ 99,5 proc.) – Sigma-Aldrich, Vokietija. 8. 1-naftolis (grynumas ≥ 99 proc.) – AppliChem, Vokietija.

9. 2-naftolis (grynumas ≥ 99 proc.) – AppliChem, Vokietija. 10. Natrio acetatas – Sigma-Aldrich, Vokietija.

11. Natrio nitritas – AppliChem, Vokietija.

12. Natrio hidroksido fiksanalis 0,1mol/l (0,1N) – Avsista, Lietuva. 13. Geleţies trichloridas – Sigma-Aldrich, Vokietija.

14. Etanolis – Sigma-Aldrich, Vokietija. 15. Kalio jodido krakmolo popierėlis.

16. Acetonitrilas - Sigma – Aldrich, Vokietija 17. Trifluoracto rūgštis - Sigma – Aldrich, Vokietija Visos medţiagos naudotos be tolimesnio gryninimo.

2.1.2.

Įranga

1. Elektroninės svarstyklės – Kern EG 2200-2NM, Lietuva.

2. Magnetinė maišyklė su termostatine vandens/aliejaus vonele – Heidolph MR Hei-Standart, Vokietija.

3. Nešiojamas pHmetras – Knick Portamess, Vokietija. 4. Spektrofotometras – Unicam Helios α, Jungtinė Karalystė.

5. Surinktas įrenginys: 1- 200 ml apvaliadugnė kolba, 2-grįţtamasis šaldytuvas, 3-lašinamasis piltuvas, 4-gyvsidabrio termometras (9 pav.)

6. Waters Alliance 2695 chromatografas, C18 kolonėlė, fotodiodų matricos detektorius Waters 996.

1 2

3 4

9 pav. Laboratorijoje surinktas įrenginys sintezei vykdyti

Eksperimento metu vykstančios reakcijos, junginių struktūrinės formulės ir laboratorijoje surinktas įrenginys yra nupiešti naudojantis ACD/ChemSketch programa, naudojantis Microsoft Office Excel 2007 m. programa sudarytos diagramos ir atlikta statistinė duomenų analizė.

Sintezė vykdyta Lietuvos sveikatos mokslų universiteto Analizinės ir toksikologinės chemijos katedros neorganinės chemijos laboratorijoje.

2.2. Sintezės metodai

Tyrimas organizuojamas pradiniais reagentais pasirenkant paprasčiausius anilino darinius metilanilinus ir 4-nitroaniliną. Metilanilinai turi elektronų donorines metilo grupes orto, meta arba

para padėtyje, 4-nitroanilinas turi elektronų akceptorinę nitrogrupę. Kaip ţinoma, elektronų donorinės

grupės, esančios anilino struktūroje, skatina vykti jungimosi reakciją [18], nors kita vertus, maţėja tokių diazonio druskų stabilumas lyginant jas su diazonio druskomis, struktūroje turinčiomis elektronų akceptorines grupes [38]. Be to antros eilės pakaitus struktūroje turintys diazonio jonai yra aktyvesni. Reikia paminėti ir tai, jog po sintezės gauto azodaţiklio spalva, jos sodrumas, spektrinės savybės, pKa

reikšmė taip pat labai priklauso nuo struktūroje esančių elektronų donorinių ir akceptorinių grupių. Todėl sintezės vykdymui pasirinkti ir vieną, ir kitą grupę turintys junginiai, taip pat naudojami du

sintezės metodai, tam kad būtų galima palyginti gautų azodaţiklių savybes bei kiekvienu atveju pasirinkti tinkamiausią sintezės būdą.

Tyrimo objektas – azodaţikliai, gauti vykdant diazonio druskų hidrolizę arba jungiant jas su naftoliais.

Tyrimo tikslas – pritaikyti eksperimentinį sintezės metodą kaip tinkamą azodaţikliams gauti, įvertinti, kokie junginiai yra tinkamiausi atliekant šią sintezę bei palyginti abu metodus pagal sunaudojamus ţaliavų kiekius, gautų galutinių produktų išeigas, sintezės atlikimo trukmę, taip pat įvertinti abiejų sintezių metu gautų azodaţiklių galimą kaip indikatorių pritaikomumą, nustatyti jų pKa

reikšmes, spalvos pokyčius priklausomai nuo terpės pH, spektrines savybes.

2.2.1. Diazonio drukos jungimasis su hidrolizės metu susidariusiu fenoliniu

junginiu

Eksperimentas vykdomas remiantis p-hidroksibenzaldehido sintezės metodika. Vienas iš svarbiausių šio junginio sintezės metodų yra p-aminobenzaldehido diazojunginių sintezė ir hidrolizė, tačiau daţniausiai reakcijos našumas yra nedidelis. Taip yra todėl, kad reakcijos metu susidaręs fenolis jungiasi su neatskilusiu diazojunginiu - vyksta pagrindinė šalutinė reakcija (10 pav.) [40].

Sintezės tikslas – pritaikyti vykstančią šalutinę reakciją azodaţikliams gauti. Sintezė vykdoma pradinėmis ţaliavomis naudojant 2-metilaniliną, 3-metilaniliną, 4-metilaniliną, 4-nitroaniliną bei pagalbinius reagentus: konc. HCl rūgštį, konc. H2SO4 rūgštį, NaNO2. Visa sintezė atliekama traukos

spintoje, reakcijos vykdomos po tris kartus.

a) NH₂ O NaNO2, H +_{, 0-5} 0_C N+ N O H2O OH O + N2 OH O + OH O N N O b) N+ N O

10 pav. a) p-aminobenzaldehido diazotinimas ir hidrolizė

b) fenolinio junginio jungimasis su neatskylančiu diazonio jonu

1. Diazonio druskos tirpalo paruošimas. Diazotinimui naudojamas švieţiai paruoštas vandeninis 24 proc. natrio nitrito tirpalas (5,15 g NaNO2 tirpinama 18 ml vandens) atšaldytas iki

0-5 oC temperatūros. Reakcijos pabaiga nustatoma pagal kalio jodido krakmolo popierėlį. Ţaliavų molinis santykis H2O : H2SO4 : NaNO2 : 2-/3-/4-metilanilinas/4-nitroanilinas = 2,26 : 0,15: 0,074 :

0,067. Diazonio druskos gaminamos, naudojant dvi rūgštis: konc. H2SO4 arba konc. HCl. Diazonio

druską gaminant su konc. druskos rūgštimi, jos imamas toks kiekis, kuris atitiktų sieros rūgšties procentinę koncentraciją. Kadangi druskos rūgštis yra daug silpnesnė uţ sieros, ji vandeniu neskiedţiama. Paruoštas diazonio druskos tirpalas laikomas šaldytuve.

Metilanilinų diazonio druskų sintezė, naudojant 96 proc. sieros rūgštį. 7,130 g

2-metilanilino/3-metilanilino/4-metilanilino ištirpinama 41 ml vandens ir 27 ml 96 proc. H2SO4 tirpale.

Metilanilinai ţemoje temperatūroje kristalizuojasi, todėl reakcija su vandeniniu NaNO2 tirpalu

vykdoma lėtai jį lašinant ir nuolat maišant. Reakcijos trukmė – 60 min. Susidariusi 4-metilanilino diazonio sulfato druska yra tirpi ir gelsvos spalvos. 2-metilanilino ir 3-metilanilino diazonio sulfato druskos yra netirpios ir tamsesnės, rudai geltonos spalvos, košės konsistencijos.

Metilanilinų diazonio druskų sintezė, naudojant 37 proc. druskos rūgštį. 75 ml 37 proc. HCl

supilama į stiklinėlę ir kaitinama vandens vonioje iki 45 o_{C temperatūros. 7,130 g}

2-metilanilino/3-metilanilino/4-metilanilino maišant ištirpinama karštoje konc. HCl. Metilanilinai ištirpsta per 5-10 minučių. Gautas tirpalas šaldomas ledo vonioje iki 0-5 o_{C temperatūros. Metilanilinai}

HCl aplinkoje ţemoje temperatūroje kristalizuojasi, todėl reakcija su vandeniniu NaNO2 tirpalu

vykdoma jį lėtai lašinant į metilanilino druskos rūgšties tirpalą. Reakcija vykdoma nuolat maišant, jos trukmė – 60 min. Abi metilanilinų diazonio chlorido druskos yra netirpios vandenyje. Tirpesnė 4-metilanilino diazonio chlorido druska. Jos tirpalas yra skaidrus, gelsvos spalvos, tačiau jame matomos baltos smulkios nuosėdos. 2- ir 3-metilanilinų diazonio chloridų druskos yra rudai gelsvos spalvos, košės konsistencijos. Tačiau jos skystesnės nei pastarųjų metilanilinų diazonio sulfato druskos.

4-nitroanilino diazonio druskos sintezė, naudojant 96 proc. sieros rūgštį. 9,380 g

4-nitroanilino ištirpinama mišinyje, sudarytame iš 41 ml vandens ir 27 ml 96 proc. H2SO4. Šiame

mišinyje 0-5 o_{C temperatūroje 4-nitroanilinas nesikristalizuoja, todėl vandeninis NaNO}

2 tirpalas į jį

sulašinamas nuolat maišant per 30 minučių. Gauta 4-nitroanilino diazonio sulfato druska yra tirpi, skaidri, šviesiai geltonos spalvos.

4-nitroanilino diazonio druskos sintezė, naudojant 37 proc. druskos rūgštį. 9,380 g 4-nitroanilino ištirpinama 75 ml pakaitintoje iki 40 oC temperatūros 37 proc. HCl. Tirpalas atšaldomas iki 0-5 oC temperatūros, 4-nitroanilinas nesikristalizuoja. Vandeninis NaNO2 tirpalas sulašinamas į

4-nitroanilino druskos rūgšties tirpalą per 30 minučių nuolat maišant. Gauta 4-nitroanilino diazonio chlorido druska yra tirpi, skaidri, šviesiai geltonos spalvos.

Šio sintezės etapo metu vykstančios reakcijos yra pavaizduotos 11 pav. NH₂ CH₃ N+ N CH₃ NH₂ CH₃ CH₃ N+ N NH₂ CH₃ CH₃ N+ N NH₂ N+ O- O N+ N N+ O- O H₂SO₄ (HCl); H₂O; 0-5 o_{C; NaNO} 2 H2SO4 (HCl); H2O; 0-5 o C; NaNO2 H₂SO₄ (HCl); H₂O; 0-5 o_{C; NaNO} 2 H₂SO₄ (HCl); H₂O; 0-5 o_{C; NaNO} 2 SO₄2- (Cl-) SO4 2- (Cl-) SO₄2- _(Cl-₎ SO4 2-(Cl-)

2-metilanilino sulfato (chlorido) diazonio druska

3-metilanilino sulfato (chlorido) diazonio druska

4-metilanilino sulfato (chlorido) diazonio druska

4-nitroanilino sulfato (chlorido) diazonio druska

2-metilanilinas

3-metilanilinas

4-metilanilinas

4-nitroanilinas

11 pav. 2-metilanilino, 4-metilanilino, 4-nitroanilino diazonio sulfato (chlorido) druskų sintezė

2. Jungimosi reakcijos vykdymas – gautų diazonio druskų hidrolizė. Ji atliekama naudojantis laboratorijoje surinktu įrenginiu (9 pav.), kuris įmerkiamas į glicerolio vonią, turinčią skaitmeninį temperatūros reguliatorių ir magnetinę maišyklę. Apvaliadugnėje kolboje paruošiamas hidrolizatas, susidedantis iš vandens ir 96 proc. sulfato rūgšties. Jų santykis eksperimento eigoje keičiamas – ieškoma optimalaus. Sieros rūgštis šiuo atveju naudojama kaip katalizatorius hidrolizės reakcijai vykti. Druskos rūgštis kaip katalizatorius nenaudojama, nes dėl jos poveikio yra didesnė tikimybė susidaryti chlorintiems fenolio junginiams. Hidrolizatas kaitinamas iki atitinkamos temperatūros (kiekvienos druskos hidrolizė atliekama prie 57 o

C, 78-86 oC, 104-110 oC, 125-130 oC ir 130-137 oC temperatūros) ir maišant 500 rpm greičiu lašinamas diazonio druskos tirpalas. Kadangi diazonio druska yra nepatvari aukštoje temperatūroje, į lašinamąjį piltuvą ji supilama ne visa iš karto, o nedidelėmis dalimis – po 5-10 ml. Iš lašinamojo piltuvo lėtai, pastoviu greičiu diazonio druska lašinama į hidrolizatą. Reakcijos trukmė – 60 minučių. Iš karto po hidrolizės įvertinama reakcijos mišinio spalva, konsistencija, skaidrumas. Atliekamos reakcijos su 1 proc. FeCl3 ir 1N NaOH tirpalais.

FeCl3 yra specifinis reagentas fenolio grupei nustatyti, pagal jį galima spręsti, ar reakcijos metu

azodaţikliui, kadangi keičiantis pH azodaţiklis dėl elektronų persigrupavimo pakeičia savo spalvą. Vėliau tirpalas atvėsinamas iki kambario temperatūros, susidaręs azodaţiklis filtruojamas čiurkšlinio vakuuminio siurblio pagalba per Biuchnerio piltuvą, kelis kartus praplaunamas šaltu vandeniu ir dţiovinamas traukos spintoje kambario temperatūroje iki pastovios masės.

Šio sintezės etapo metu vyksta 12 pav. pavaizduotos reakcijos.

2.2.2. Diazonio druskų jungimasis su naftoliais

Sintezės tikslas – atlikti tradicinę azodaţiklių sintezę.

Eksperimento eigoje atsisakyta tolimesnę sintezę vykdyti naudojant 3-metilaniliną dėl per didelio jo uţterštumo, taigi pradinėmis ţaliavomis naudojamas 2-metilanilinas, 4-metilanilinas, 4-nitroanilinas, 1-naftolis ir 2-naftolis bei pagalbiniai reagentai: konc. HCl rūgštis, NaOH, NaNO2.

Sintezės eiga susideda iš dviejų etapų:

1. Diazonio druskos paruošimas. Diazotinimui naudojamas švieţiai paruoštas vandeninis 15 proc. natrio nitrito tirpalas (1,04 g NaNO2 ištirpinama 7 ml vandens) atšaldytas iki 0-5 oC

temperatūros. Remiantis apţvelgta literatūra, sukurtais sintezės metodais, diazonio druskų sintezei naudojama 0,014 mol 2-metilanilino/4-metilanilino/4-nitroanilino ir 0,015 mol NaNO2 bei 10 proc.

druskos rūgšties tirpalas. Sieros rūgštis diazonio druskų sintezei nenaudojama, kadangi tradicinė sintezė naudojant šią rūgštį yra atliekama retai. Reakcijos pabaiga nustatoma pagal kalio jodido krakmolo popierėlį. Paruošti diazonio druskų tirpalai laikomi šaldytuve.

Metilanilinų diazonio chloridų sintezė. 1,500 g metilanilino ištirpinama 20 ml pašildytos iki

45 oC temperatūros 10 proc. HCl. Atšaldţius iki 0-5 oC temperatūros, NaNO2 tirpalas pamaţu ir

maišant sulašinamas į metilanilino druskos rūgšties tirpalą. Reakcija vykdoma 30 minučių. Gautos diazonio druskos yra tirpios, skaidrios, gelsvos spalvos.

4-nitroanilino diazonio chlorido sintezė. 2,100 g 4-nitroanilino ištirpinama 20 ml iki 40 oC pašildytos 10 proc. HCl. Tirpalas atšaldomas iki 0-5 o_{C temperatūros ir į jį pamaţu, nuolat maišant}

lašinamas 15 proc. vandeninis NaNO2 tirpalas. Reakcijos trukmė – 30 minučių. Gautas diazonio

druskos tirpalas yra skaidrus, geltonos spalvos.

Šio sintezės etapo metu vykstančios reakcijos yra analogiškos kaip ir 11 pav. pavaizduotos. 2. Diazonio chlorido druskos jungimasis su šarminiu 1- ir 2-naftolio tirpalu. Sintezei naudojama 0,014 mol naftolio ir 10 proc. natrio šarmo tirpalas.

Eiga: 2,020 g naftolio ištirpinama šildant 25 ml 10 proc. natrio šarmo tirpalo. Naftolis ištirpsta per 7-10 minučių ir tirpalas praskiedţiamas 30 ml vandens. Tada atšaldomas ledo vonioje iki 0-5 oC temperatūros. Prieš supilant diazonio chlorido druską į naftolio tirpalą, į diazonio druskos reakcijos

mišinį įpilami 2 g natrio acetato, ištirpinto 8 ml vandens. Natrio acetatas reikalingas stiprią rūgštį paversti silpna (13 pav.) Po to maišant diazotinimo tirpalas pilamas į anksčiau paruoštą šarminį naftolio tirpalą. Tirpalas pilamas neskubant, per 10-15 minučių. Susidaręs daţiklis filtruojamas per Biuchnerio piltuvą vakuumo pagalba, kelis kartus perplaunamas vandeniu ir dţiovinamas traukos spintoje.

CH3COONa + HCl CH3COOH + NaCl

13 pav. Natrio acetatas stiprią HCl rūgštį paverčia silpna CH3COOH

Šio sintezės etapo metu vykstančios reakcijos pavaizduotos 14 pav.

N+ N CH3_to_{, H} 2O; H2SO4 OH CH3 N+ N CH3 O H C H3 N N C H3 N+ N CH₃ OH CH3 OH CH3 N N CH₃ N+ N CH3 to, H2O; H2SO4 N+ N CH3 OH CH3 OH C H₃ N N CH₃ N+ N CH3 to, H2O; H2SO4 N+ N N+ O- O OH N+ O- O OH N+ O -O N N N+ O -O N+ N N+ O- O to, H2O; H2SO4

2-metilanilino diazonio jonas 2-metilfenolis _{2-metil-4-(2-metilfenilazo)fenolis}

3-metil-2-(3-metilfenilazo)fenolis

3-metilanilino diazonio jonas 3-metilfenolis

4-metilanilino diazonio jonas 4-metilfenolis

4-metil-2-(4-metilfenilazo)fenolis

4-nitroanilino diazonio jonas 4-nitrofenolis

4-nitro-2-(4-nitrofenilazo)fenolis

12 pav. 2-metilanilino, 3-metilanilino, 4-metilanilino, 4-nitroanilino diazonio druskų hidrolizė ir jungimasis su susidariusiu fenoliniu junginiu

Gauti junginiai kristalinami iš 50 proc. etanolio.

Abiem metodais gautų junginių grynumas Tiriamas Waters Alliance 2695 chromatografu, naudojant C 18 kolonėlę (250 mm x 4,6 mm x 5 µm), fotodiodų matricos detektorių Waters 996. Analizės metu palaikoma 25 ºC temperatūra. Injekcijos tūris - 10 μl, eliuentų tėkmės greitis - 1ml/min.

Mobili fazė sudaryta iš acetonitrilo (A) ir 0,1 proc. trifruoactorūgšties (B). Naudojamas gradientinis eliuavimas: 0 min – 45 proc. A ir 55 proc. B, 15 min – 10 proc. A ir 90 proc. B, 20 min – 20 proc. A ir 80 proc. B, 30 min – 45 proc. A ir 55 proc. B. Analizės laikas 32 min.

2.3. Išeigų skaičiavimas

1 metodo, eksperimentinio, kai diazonio druskos jungiamos su hidrolizės metu susidariusiu fenoliniu junginiu, teorinės išeigos skaičiuotos pagal sintezei paimto 2-metilanilino/4-metilanilino/4-nitroanilino kiekį, o 2 metodo, tradicinio, kurio metu diazonio druskos jungiamos su naftoliais, teorinės išeigos skaičiuotos pagal sintezei paimtą pradinį 1-naftolio arba 2-naftolio kiekį (3 formulė). Atliekama statistinė analizė ir įvertinamos vidutinės išeigos bei standartiniai nuokrypiai.

η = (praktinė išeiga/ teorinė išeiga) x 100%

3 formulė. Išeigos apskaičiavimo formulė

2.4. Gautų azodaţiklių pK

a

reikšmių, pH ribų, kuriose keičiasi jų spalva, ir

spektrinių savybių nustatymas

Junginių disociacijos konstantos gali būti nustatomos įvairiais metodais: potenciometrija, konduktometrija, voltametrija, kalorimetrija, BMR spektroskopija, kapiliarine elektroforeze, efektyviaja skysčių chromatografija, UV-VIS spektrometrija, fluorimetrija, poliarimetrija. Potenciometrija ir spektrometrija yra pirmojo pasirinkimo metodai, nes jie lengvai atliekami, nereikia sudėtingos įrangos [38, 32].

Ruošiami abiem sintezės metodais gautų spalvotų azojunginių tirpalai, kurių kiekio ir koncentracijos uţtektų tirti spektrofotometro pagalba.

Azodaţikliai tiriami kaip silpnos rūgštys, atliekamas jų potenciometrinis titravimas ir pagal titravimo kreives vertinamos pKa reikšmės. Spektrofotometru nustatinėjamas kiekvieno gauto junginio

bangos ilgis, prie kurio absorbcijos maksimumas didţiausias (λmax). Lyginamuoju tirpalu naudojamas

vanduo. Tada kiekvienas tirpalas titruojamas 0,1 N NaOH tirpalu iki pH, kurioje pasikeičia jų spalva, ir išmatuojami tie patys duomenys. Gauti rezultatai palyginami.

N N O H CH3 CH3 N+ N O H

+

2-metilanilino diazonio jonas

2-naftolis 1-(2-metilfenilazo)-2-naftolis CH₃ N+ N

+

O H CH3 N N OH 1-naftolis 4-(2-metilfenilazo)-1-naftolis C H3 N + N

+

O H C H3 N N O H 4-metilanilino diazonio jonas

1-(4-metilfenilazo)-2-naftolis C H3 N + N

₊

OH C H3 N N OH 4-(2-metilfenilazo)-1-naftolis N+ O -O N+ N

₊

O H N+ O -O N N O H 4-nitroanilino diazonio jonas

1-(4-nitrofenilazo)-2-naftolis N+ O -O N+ N

+

OH N+ O -O N N OH 4-(4-nitrofenilazo)-1-naftolis 1-naftolis 2-naftolis 2-metilanilino diazonio jonas

2-naftolis

4-metilanilino diazonio jonas

4-nitroanilino diazonio jonas 1-naftolis

14 pav. 2-metilanilino, 4-metilanilino ir 4-nitroanilino diazonio jonų jungimasis su 1- ir 2-naftoliais .

3.

REZULTATAI IR JŲ APTARIMAS

3.1.

Sintezės metodai

3.1.1.

Diazonio jono jungimasis su susidariusiu fenoliniu junginiu

Šiam sintezės metodui labai svarbi optimali temperatūra, kuri priklauso nuo sintezės metu naudojamo rūgšties ir vandens kiekių santykio – rūgšties koncentracijos. Atsiţvelgiant į tai, kad H2SO4

virimo temperatūra labai priklauso nuo jos koncentracijos [34], siekiant pakelti hidrolizato temperatūrą, keičiamas konc. H2SO4 ir vandens santykis. Pirminis hidrolizatas yra sudarytas iš 44 ml

vandens ir 20 ml konc. H2SO4. Jo temperatūrą eksperimento metu pavyko pakelti iki 118 oC. Tačiau

pradėjus lašinti šaltą diazonio druską, taip pat tokiu būdu hidrolizatą skiedţiant, temperatūra nukrenta iki 104-110 oC. Siekiant atlikti reakciją aukštesnėje temperatūroje, nuspręsta naudoti didesnį kiekį konc. H2SO4 ir maţesnį kiekį vandens. Hidrolizato, sudaryto iš 32 ml vandens ir 32 ml konc. H2SO4,

temperatūra pakeliama iki 142 o_{C, o lašinant diazonio druskos tirpalą nukrenta ir palaikoma}

125-130 oC temperatūra. Kai hidrolizatu naudojamas mišinys iš 25 ml vandens ir 39 ml konc. H2SO4,

temperatūra pakeliama iki 155 o_{C, o pradėjus lašinti diazonio druskos tirpalą, ji nukrenta iki}

130-137 oC. Daugiau didinti H2SO4 santykį yra netikslinga, nes lieka per maţai laisvo vandens

hidrolizės reakcijai vykti.

Netirpių diazonio druskų dozavimas į hidrolizatą yra sudėtingas ir nepastovus. Jos uţkemša lašinamojo piltuvo kanalėlį, todėl į hidrolizatą supilamos per piltuvėlį. Tai neleidţia tiksliai ir pastoviu greičiu lašinti diazonio druską. Lengviausia dozuoti yra šias diazonio druskas: 4-metilanilino sulfato, 4-metilanilino chlorido, 4-nitroanilino sulfato, 4-nitroanilino chlorido.

Hidrolizės metu skiriasi N2 dujos, reakcijos mišinys putoja. Reikia stebėti, kad dujos

nesiskirtų pernelyg intensyviai ir reakcijos mišinys neišsilietų iš trikaklės apvaliadugnės kolbos. Sintezės apibendrinimas pateiktas 1 lentelėje:

Temperatūros kitimai: 57 o

C; 78-86 oC; 104-110 oC; 125-130 oC, 130-137 oC.

Hidrolizatų kitimai: 44 ml vandens ir 20 ml konc. H2SO4; 32 ml vandens ir 32 ml konc.

H2SO4.

Diazonio druskų sintezei naudotos koncentruotos mineralinės rūgštys: 75 ml konc. HCl; 41 ml vandens ir 27 ml konc. H2SO4.

1 lentelė. Diazonio drukos jungimosi su hidrolizės metu susidariusiu fenoliniu junginiu sintezės

apibendrinimas

Reakcijos temperatūra, o

C Hidrolizato sudėtis, ml H2O/ ml konc. H2SO4

Diazonio druskos gamybai naudotos konc. rūgšties ir vandens santykis, ml

rūgšties/ ml H2O

57 44/20 75 HCl 78-86 44/20 27 H2SO4/ 41 78-86 44/20 75 HCl 104-110 44/20 27 H2SO4/ 41 104-110 44/20 75 HCl 125-130 32/32 27 H2SO4/ 41 125-130 32/32 75 HCl 130-137 25/39 27 H2SO4/ 41 130-137 25/39 75 HCl

2 lentelė apibendrina rezultatus 57 oC temperatūroje, diazonio druskos sintezei naudojant tiek konc. H2SO4, tiek konc. HCl. Iš lentelės matyti, kad esant tokioms sąlygoms nesusidaro nei fenolinis

junginys, nei azodaţiklis.

2 lentelė. Rezultatai 57 oC temperatūroje su konc. H2SO4 ir HCl

Pradinis junginys

Vizualinis vertinimas Reakcija su FeCl3 Reakcija su 1N NaOH

2-metilanilinas gelsvos spalvos, skaidrus skystis neigiama neigiama 3-metilanilinas geltonos-šviesiai rudos spalvos,

skaidrus skystis neigiama neigiama

4-metilanilinas gelsvos spalvos, skaidrus skystis neigiama neigiama 4-nitroanilinas geltonos spalvos, skaidrus skystis neigiama neigiama

Toliau sintezė vykdoma aukštesnėje, 78-86 o_{C temperatūroje. Su FeCl}

3 ir NaOH reakcijos yra

neigiamos – nei fenoliniai, nei azojunginiai nesusidaro.

3 lentelė. Rezultatai 78-86 oC temperatūroje su konc. H2SO4 ir konc. HCl

Pradinis junginys

Vizualinis vertinimas Reakcija su FeCl3 Reakcija su 1N NaOH

2-metilanilinas raudonai oranţinės spalvos, skaidrus skystis

neigiama neigiama

3-metilanilinas geltonai rudos spalvos, skaidrus

skystis neigiama neigiama

4-metilanilinas blyškiai gelsvos spalvos, skaidrus skystis

neigiama neigiama