CC BY
240
Том 153, кн. 3
Естественные науки
2011
УДК 554.354'353.3
КИСЛОТНО-ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА 1-ГИДРОКСИЭТИЛИДЕНДИФОСФОНОВОЙ КИСЛОТЫ (ОЭДФК) В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ
Д.Р. Мусин, А.В. Рубанов, Ф.В. Девятов Аннотация
Найдены константы образования и распределения различных форм H(L, H3L-, H2L2-, HL , L , H6L2 , H5L2 , H4L2 , H3L2 , H2L2 в растворе 1-гидроксиэтилидендифосфо-новой кислоты (H4L) при различных кислотности среды и концентрации ОЭДФК. Рассмотрены процессы самоассоциации и комплексообразования с катионами щелочи-титранта.
Ключевые слова: бисфосфонаты, ассоциативные равновесия, кислотно-основные свойства.
Введение
1-Гидроксиэтилидендифосфоновая (этидроновая) кислота (ОЭДФК) относится к классу бисфосфонатов и находит свое применение в медицине в виде ка-лиево-натривой соли (ксидифон) и двунатривой соли (этидронат). Она используется для предупреждения чрезмерного выхода кальция из костей, патологической кальцификации мягких тканей, кристаллообразования, роста и агрегации кристаллов оксалата кальция и фосфата кальция в моче. Кроме того, ОЭДФК широко применяется в промышленности в качестве ингибитора отложения Са-СО3 и Са804 в системах холодного и горячего водоснабжения для ингибитора коррозии сталей, стабилизатора перекиси водорода и фиксатора окраски при крашении тканей и т. д.
Использование в медицине предусматривает детальное знание физико-химических свойств ОЭДФК. Это касается прежде всего ее кислотно-основных и ком-плексообразующих свойств. Вместе с тем, как следует из литературных источников, эти сведения до сих пор противоречивы и недостаточны, что определяет актуальность настоящей работы.
Известно, что ОЭДФК является четырехосновной кислотой и имеет наряду с чисто кислотными центрами Р-О-Н гидроксокислотную группу С-О-Н (рис. 1).
Данные по константам депротонирования довольно противоречивы (табл. 1).
Рис. 1. Молекула ОЭДФК
Табл. 1
Кислотно-основные свойства ОЭДФК (Т = 25 °С, I = 0.1 моль/л)
рК, Источники
[1] [2] Фон: (СНз^СГ [3] Фон: №N03 [4] Фон: (СНэ^СГ [5]* Фон: КС1 [6] Фон: КС1 [7]
рк, - - - 1.73 ± 0.06 1.21 ± 0.02 1.7
рК2 2.47 2.8 2.82 2.78 ± 0.02 2.34 ± 0.01 2.47 2.31
рКз 7.28 7.01 7.05 7.03 ± 0.02 6.44 ± 0.00 7.28 6.99
рК4 10.29 11.1 9.98 11.19 ± 0.02 10.08 ± 0.00 10.29 10.99
рК5 - - - - - 11.13
* При I = 1 моль/л
Имеются сообщения об отщеплении при титровании пятого иона водорода ОЭДФК при рН 11-12 [8-10]. Однако прецизионное калориметрическое исследование показало, что его отрыв от гидроксигруппы ОЭДФК не наблюдается по крайней мере до рН 13 [1]. Пятая ступень диссоциации не была обнаружена и в работах [5, 7].
1. Экспериментальная часть
1.1. Постановка задачи. Как следует из табл. 1, вопрос о кислотно-основных свойствах ОЭДФК требует своего разрешения. Данные по константам про-тонирования довольно сильно расходятся между собой, несмотря на то что большая часть из них получена при одинаковой ионной силе, равной 0.1 моль/л, а концентрация титруемого вещества находилась в пределах 0.001-0.010 моль/л. Как показывает опыт по различным протонсодержащим лигандам, а также ли-гандам в цвиттер-ионной форме, доля накопления ассоциативных форм при этих концентрациях, как правило, не превышает 10%, поэтому разброс значений констант может быть вызван и связыванием катионов щелочи-титранта с образующимися анионами. Таким образом, вопрос о константах депротониза-ции этидроновой кислоты (ОЭДФК), несмотря на фармацевтическое использование и необходимость исследования ее влияния на кальциевый обмен (в частности, изучения комплексообразования с ионами кальция), остается открытым.
С учетом отмеченных особенностей проведено титрование ОЭДФК в широком интервале концентраций (5-10-3 2-10-1 моль/л) с приблизительно 3-кратным разбавлением в ходе титрования. Подобный эксперимент предполагает математически значимую возможность выявить как процессы самоассоциации, так и связывание образующихся анионных форм с катионом калия, поставляемого в реакционную среду в ходе титрования раствором гидроксида калия.
Поскольку при таком варьировании концентраций для корректного сведения всех данных воедино требуется создание ионной силы порядка 5 моль/л и выше, что неминуемо приведет к дополнительным ион-ионным взаимодействиям, при обработке данных использовали программу СРЕ88Р [10] третьего поколения, позволяющую рассчитывать ионную силу и коэффициенты активности каждой формы в каждой точке титрования. Поскольку в ходе математического моделирования использовали активности форм, полученные константы можно считать термодинамическими.
4.0-1 3.53.02.52.01.51.00.5
0.0-1-.-1-.-1-.-1-.-1-.-1-.-1
0 2 4 6 8 10 12
Рис. 2. Зависимость функции Бьеррума от рН (условия титрования см. в табл. 2) Теоретические кривые соответствуют данным табл. 3
Табл. 2
Условия титрования 1-гидроксиэтилидендифосфоновой кислоты (Кнач = 25 мл, T = 25 ± ± 0.2 °C)
№ Титруемая концентрация С (Н4Ь), моль/л Максимально достигаемая I, моль/л моль/л Разбавление в ходе титрования
1 0.005034 0.022 0.009871 в 2 раза
2 0.009994 0.080 0.01471 в 2.7 раза
3 0.04015 0.32 0.04974 в 3.5 раза
4 0.1992 1.60 0.2533 в 3.2 раза
1.2. Методика эксперимента. Активность ионов водорода определяли на потенциометре «Эксперт-001» с точностью 0.005 ед. рН. рН-метр калибровали по стандартизованным водным буферным растворам.
Титрование вели в среде аргона. Концентрацию полученного раствора ОЭДФК определяли рН-метрическим титрованием бескарбонатным раствором КОН, концентрация которого в свою очередь определяли титрованием раствором фиксанала (0.1 н раствор НС1) в присутствии кислотно-основного индикатора фенолфталеина.
Обработку экспериментальных данных проводили по программе СРЕ88Р (Complex formation Parameters of ЕдшНЬйа in Solutions with Solid Phases) [11].
2. Результаты и их обсуждения
Было проведено рН-метрическое титрование (рис. 2) при условиях, указанных в табл. 2. Были получены по три параллельных серии для каждой из 4 концентраций ОЭДФК, всего - около 1200 экспериментальных точек.
Математическое моделирование с использованием матрицы, включающей «классические» и «димерные» формы, а также калиевые комплексы дало возможность дополнительно улучшить описание системы; ^"-критерий Фишера
П
—□— (1) exp -■- (1) theor —А— (2) exp -а- (2) theor —О— (з) exp —♦— (з) theor —>— (4) exp (4) theor
pH
Табл. 3
Кислотно-основные свойства и калиевые комплексы этидроновой кислоты в водных растворах
№ H4L H+ К+ Форма PHmax накопл N lg K*
l h k
1 1 0 0 H4L ~ 1 0 0
2 1 1 0 H3L- 2.3 1 -1.65 ± 0.01
3 1 2 0 H2L2- 5.2 2 -4.67 ± 0.02
4 1 3 0 HL3- 9.2 3 -12.20 ± 0.03
5 1 4 0 L4- > 12 4 -23.70 ± 0.03
6 2 2 0 H3L-H3L- 1.8 1 -2.90 ± 0.03
7 2 3 0 H3L-H2L2- 2.6 1.5 -5.54 ± 0.04
8 2 4 0 h2l2-h2l2- 4.8 2 -9.23 ± 0.06
9 2 5 0 h2l2-hl3- 6.8 2.5 -16.77 ± 0.31
10 2 6 0 HL3-HL3- 8.9 3 -24.79 ± 0.42
11 1 3 1 КИЬ2- 8.9 3 -11.23 ± 0.44
12 1 4 -20.89 ± 0.11
Приведены константы равновесий вида: lH4L + kK+ ^^ KkH^Li + hH+.
(для вероятности Р = 0.02) уменьшился от 1.16 для «классической» модели до 0.72 при Лфактор = 0.0169. Итоговые данные по стехиометрии и константам образования соответствующих форм приведены в табл. 3.
Полученные итоговые данные (табл. 3) позволили рассчитать доли накопления различных форм ОЭДФК и ее калиевых комплексов в зависимости от кислотности среды при различных концентрационных условиях (см. рис. 3, а—г). Как видно из рис. 3, а, б, при концентрациях ОЭДФК до 0.01 моль/л включительно образование «димерных» форм и калиевых комплексов можно не принимать во внимание, поскольку их накопление не превышает 5%. Однако с ростом концентрации ОЭДФК их доли становятся значимыми, а при концентрации ОЭДФК ~ 0.2 моль/л (рис. 3, г) - соизмеримыми с долями накопления «классических» форм.
Можно сравнить литературные данные по константам ступенчатой диссоциации ОЭДФК с значениями, полученными в широком диапазоне концентраций с учетом ассоциативных равновесий и образования калиевых комплексов (см. табл. 1).
Очевидно, что наилучшее согласование значений и литературных констант наблюдается для данных, полученных для тетраметиламмоний-хлоридного фона [2, 4], когда исключено взаимодействие катиона фонового электролита с анионными формами ОЭДФК. Существенные различия, особенно при образовании тетрааниона L4- (pK4), присущи значениям, полученным на фоне NaNO3 [3] и KCl [6]. Максимальное различие в значениях рК наблюдается для данных, полученных при ионной силе 1 моль/л (KCl) [6]. Это, по-видимому, обусловлено как влиянием собственно ионной силы на константы диссоциации через коэффициенты активности, так и неучетом образования калиевых комплексов.
Заметим, что устойчивость (lg ß^) калиевых комплексов составляет 0.97 для КHL2 и 2.81 для К^2 и близка к таковым с три- и тетраанионами ЭДТА [12].
Рис. 3, а. Доли накопления при С Ь = 0.00504 моль/л и С кон = 0.00987 моль/л
-□- H4L ж Н^-А Н2-2-е Н-3-О L4-
-*- H3L- * Н3--
о Н3-- * Н2-2-Ф н2-2- * Н2-2-* ■ Н2-2- * Н-3-® Н-3- * Н-3-я Н-3- * -4-+- КН-2--ж- К-3-
рН
I
12
Рис. 3, б. Доли накопления при С^ Ь = 0.009994 моль/л и С0КОН = 0.01471 моль/л
Полученные данные по рН максимального накопления различных форм (табл. 3) дают весьма полезную информацию. Так, максимум накопления мономерных анионов приходится на большие значения рН, чем для соответствующих димеров: Н3Ь - 2.3, а для (Н3Ь • Н3Ь } - 1.8; Н2Ь2 - 5.2, а для (Н2Ь2- • Н2Ь2-} - 4.8; НЬ3- - 9.2, а для (НЬ3- • НЬ3-} - 8.9. Различие в рН максимального накопления для моно- и дианионов уменьшается по мере депрото-низации. Это свидетельствует о том, что диссоциация иона водорода энергетически благоприятнее в случае образования дианиона, чем при образовании моноаниона, что связано со стабилизацией димерных анионов межчастичными водородными связями. К аналогичному выводу можно прийти и путем анализа
1.0-
0.8
0.6-
0.4-
0.2
0.0
Рис. 3, в. Доли накопления при С^ ь = 0.04015 моль/л и С0КОн = 0.04974 моль/л
Рис. 3, г. Доли накопления при С^ ь = 0.1992 моль/л и С0КОН = 0.2533 моль/л
соответствующих ступенчатых констант диссоциации для моно- и дианионов. Следует заметить, что эффекты самосопряжения известны и для других объектов, например, для монокарбоновых кислот [13] и ортофосфорной кислоты [14].
Таким образом, с учетом полученных характеристик кислотно-основных равновесий в водных растворах этидроновой кислоты можно отметить, что необходимо проводить исследования при различных концентрациях кислоты, а при обработке данных иметь ввиду как возможность образования ассоциатов, обладающих собственными кислотно-основными свойствами, так и образование комплексов анионами ОЭДФК с катионами, поставляемыми щелочным титрантом.
Выводы
Установлено, что в водных растворах ОЭДФК кроме традиционных форм H3L_, H2L2_, HL3_, L4_ образуются гомоконьюгаты {H3L_ • H3L_}, {H3L_ • H2L2_},
2__2__2__3__3__3_
{H2L • H2L }, {H2L • HL }, {HL • HL }, обладающие собственными кислотно-основными свойствами и выступающие как самостоятельные кислоты.
Показано, что по мере титрования ОЭДФК гидроксидом калия и увеличения концентрации ионов калия в растворе образуются комплексы KHL и K2L .
Установлено, что депротонизация энергетически благоприятнее в случае образования дианиона, чем при образовании моноаниона, что связано со стабилизацией димерных анионов межчастичными водородными связями.
Summary
D.R. Musin, A.V. Rubanov, F.V. Devyatov. Acid-Base Properties of the Aqueous 1-Hydro-xyethylidenediphosphonic Acid (HEDPA).
Data on the formation constants and the distribution of various forms of 1-hydroxyethy-lidenediphosphonic acid (H4L, H3L-, H2L2-, HL3-, L4-, H6L22-, H5L23-, H4L24-, H3L25-, H2L26-) in a solution with different pH and concentration of HEDPA were found. The processes of self-association and complexation with the cations of alkali titrant (KOH) were considered. Key words: bisphosphonates, self-association equilibria, acid-base properties.
Литература
1. Марьина Т.Б. Термохимическое исследование оксиэтилидендифосфоновой кислоты и ее комплексов с Na+, Mg2+, Ca2+ в водном растворе: Дис. ... канд. хим. наук. -Иваново, 1983. - 169 с.
2. Martell A.E., Smith R.M. Critical Stability Constants. Vols. 1-5. - N. Y.; London: Plenum Press, 1974. - V. 1. - 469 p.; 1982. - V. 5. - 604 p.
3. Loginova L.P., Levin I.V., Matveeva A.G., Pisareva S.A., Nifant'ev E.E. Acid-base and complexation properties of gem-diphosphonic and gem-diphosphinic acids in aqueous solutions and micellar media of surfactants // Russ. Chem. Bull. - 2004. - V. 53, No 9. -Р. 2000-2007.
4. Fonong T., Burton D.J., Pietrzyk D.J. Determination of Formation Constants of Calcium Complexes of Difluorornethylenediphosphonic Acid and Related Diphosphonates // Anal. Chem. - 1983. - V. 55, No 7. - P. 1090-1094.
5. Mioduski T. Protonation constants of 1-hydroxyethylidene-1,1-diphosphonic acid, diethyle-netriamino-N,N,N',N",N"-penta-acetic trans-1,2-diamino-cyclo-hexane-N,N,N',N'-tetra-ace-tic acid // Talanta. - 1980. - V. 27, No 3. - P. 299-303.
6. Кабачник М.И., Ластовский Р.П., Медведь Т.Я. О комплексообразующих свойствах оксиэтилидендифосфоновой кислоты в водных растворах // Докл. АН СССР. -1967. - Т. 177, № 3. - С. 582-585.
7. Wada H., Fernando Q. Interaction of methanehydroxyphosphonic acid and ethane-1-hydroxy-1,1-diphosphonic acid with alkali and alkaline earth metal ions // Anal. Chem. -1972. - V. 44. - P. 1640-1643.
8. Дятлова Н.М., Ластовский Р.П., Темкина В.Я. Ассортимент органических комплек-сонов для обеспечения научных исследований в области координационной химии. -М.: НИИТЭХИМ, 1961. - 48 с. (Обзор. инф. Сер. Реактивы и особо чистые вещества).
9. Кабачник М.И., Медведь Т.Я., Дятлова Н.М., Рудомино М.В. Фосфорорганические комплексоны // Усп. химии. - 1974. - Т. 43, Вып. 9. - С. 1554-1574.
10. Медынцев В.В. Комплексообразующие свойства фосфоновых кислот: Дис. ... канд. хим. наук. - М., 1968. - 140 с.
11. Сальников Ю.И., Глебов А.Н., Девятов Ф.В. Полиядерные комплексы в растворах. -Казань: Изд-во Казан. ун-та, 1989. - 288 с.
12. Боос Г.А., Сальников Ю.И., ГибадуллинаХ.В. Комплексообразование меди(11) с эти-лендиаминтетрауксусной кислотой в среде водного ацетонитрила // Журн. коорд. химии. - 1996. - Т. 22, № 1. - С. 67-70.
13. Martin D.L., Rossotti F.J.C. The Hydrogen-bonding of Monocarboxylates in Aqueous Solution // Proc. Chem. Soc. - 1959. - No 2. - P. 60.
14. Childs C. W. Equilibria in Dilute Aqueous Solutions of Orthophosphates // J. Phys. Chem. -1969. - V. 73, No 9. - P. 2956-2960.
Поступила в редакцию 24.03.11
Мусин Делюс Рафкатович - студент Химического института им. А.М. Бутлерова Казанского (Приволжского) федерального университета.
E-mail: Delyus-Musin@bk.ru
Рубанов Алексей Владимирович - старший лаборант кафедры неорганической химии Химического института им. А.М. Бутлерова Казанского (Приволжского) федерального университета.
E-mail: arubanov@rambler.ru
Девятов Федор Владимирович - доктор химических наук, профессор кафедры неорганической химии Химического института им. А.М. Бутлерова Казанского (Приволжского) федерального университета.
E-mail: fedor.devyatov@ksu.ru
