CC BY
88
УДК 519.2:547.5
Т. С. Соломинова (к.биол.н., с.н.с., зав. лаб.)1, Ю. Е. Сапожников (к.физ.-мат.н., с.н.с., зав. лаб.)2, А. М. Колбин (к.х.н., с.н.с., директор), В. М. Кузнецов (к.х.н., с.н.с., зав. лаб.)3,
Р. М. Ахметшина (вед. спец.)
Прогнозирование коэффициентов распределения химических соединений в системе органический растворитель—вода
Научно-исследовательский технологический институт гербицидов и регуляторов роста растений АН РБ, 1 лаборатория компьютерных технологий исследования и информационного обеспечения, 2лаборатория физико-химических методов анализа, 3лаборатория технологии препаративных форм и биологических испытаний 450029, г. Уфа, ул. Ульяновых, 65; тел./ факс (347) 2427557, e-mail: tsolomin@mail.ru
T. S. Solominova, Yu. E. Sapozhnikov, A. M. Kolbin, V. M. Kuznetzov, R. M. Akhmetshina
Prediction of chemical compound partition coefficients on organic
solvent-water system
Scientific-Research Technological Institute of Herbicides and Plant Growth Regulators of Academy of Sciences of Republic Bashkortostan 65, Uljanovykh Str, 450029, Ufa, Russia; ph./fax (347) 2427557, e-mail: tsolomin@mail.ru
Изучены корреляции между коэффицирнтами распределения замещенных фенолов в различных системах органическая фаза — вода и расчетными физико-химическими характеристиками распределяемых веществ и растворителей, на основе которых разработаны уравнения для расчета коэффициентов распределения химических соединений в системе растворитель-вода.
Ключевые слова: коэффициент распределения; физико-химические свойства; расчетные характеристики; статистические методы.
Коэффициент распределения веществ между двумя несмешивающимися жидкостями является важной характеристикой, широко используемой в химии и химической технологии. При невозможности экспериментального определения коэффициентов распределения, их значения можно приблизительно вычислить, используя эмпирические и полуэмпирические корреляционные уравнения типа ^ Р1 = а • 1§Р2 + Ь пересчета коэффициентов корреляции с одного распределяемого соединения на другое или при переходе от одного растворителя на другой, например 1-4. Эти уравнения получены, как правило, при рассмотрении распределяемых веществ одного гомологического ряда и растворителей, близких по структуре и физико-химическим свойствам. В последние годы для разработки уравнений расчета коэффициентов распределения применяются более сложные математические мето-
Дата поступления 23.12.09
Correlations between partition coefficients on different organic solvent—water systems and calculated physico-chemical properties of distributed substances and solvents were studied for series of substituted phenols. The equations for calculation of the partition coefficients in solvent-water system were developed.
Key words: calculated descriptors; partition coefficient; physic-chemical properties; statistical methods.
ды, связывающие данный показатель с экспериментальными и расчетными параметрами распределяемых веществ и растворителей, в частности, многофакторный регрессионный анализ 5, нейронные сети 4. Предпринимаются попытки создания универсальной модели расчета коэффициента распределения веществ в любых системах органический растворитель—вода 6.
Для выбора путей создания математической модели оценки коэффициента распределения химических соединений в различных системах органическая фаза—вода изучены зависимости между данным показателем и расчетными физико-химическими характеристиками распределяемых веществ и растворителей. Исследования выполнены на основе группы, которая включает 17 замещенных фенолов (преимущественно орто-, мета-, пара-, алкил-и галогенпроизводные), для которых известны экспериментально определенные константы
распределения P0 в системах о-ксилол—вода Po(xyl/w), бутилацетат-вода Po(butac/w), этил-бензол—вода P0(etb/w) и циклогексан—вода P0(ch/w)2 (табл. 1). Проведено три серии экспериментов с различным числом распределяемых соединений в группах, разным числом изучаемых систем растворитель—вода, разным представлением зависимой переменной, различным набором и представлением расчетных характеристик распределяемых соединений и растворителей. В результате экспериментов на данной группе соединений проанализировано более 100 уравнений (простая и множественная регрессия, полиномиальная регрессия и др.), связывающих показатели распределения фенолов с использованными расчетными характеристиками. Необходимые параметры соединений (табл. 2) рассчитаны для неионизи-рованных форм молекул с использованием программ HyperChem 6.01 7, ChemDraw Pro 7.
Парахор и параметр растворимости рассчитаны по аддитивным схемам на основе групповых составляющих 8' 9. При анализе полученных уравнений за удовлетворительный коэффициент корреляции между рассматриваемыми параметрами принято значение r не менее 0.95 в соответствии с 10.
В первой серии рассмотрены две системы: октанол—вода и о-ксилол—вода. Зависимая переменная представлена в виде а) отношения констант распределения фенолов в первой и второй системах P0(o/w)/ P0(xyl/w)i б) разности логарифмов констант распределения log P0(o/w)—log P0(xyl/w); в) отношения логарифмов констант распределения log P0(o/w)/ log P0(xyl/w). Распределяемое соединение описывалось комплексом расчетных параметров (объем молекулы, дипольный момент, поляризуемость, энергия Гиббса, константа Генри, парахор, параметр растворимости).
№ пп Распределяемые соединения log Po(soi/w) при растворителе
о-ксилол бутилацетат этилбензол циклогексан
1 Фенол 0.27 1.69 0.09 -0.66
2 о-Крезол 1.09 2.24 1.01 0.18
3 2-Этилфенол 1.42 2.79 1.34 0.65
4 4-Этилфенол 1.27 2.45 1.2 0.33
5 4-н-Пропилфенол 1.89 2.85 1.81 0.99
6 4-н-Бутилфенол 2.39 - 2.26 1.48
7 2-Изопропил-5-метилфенол 2.54 3.11 2.51 1.75
8 о-Метоксифенол 1.20 - 1.16 0.48
9 2-Фторфенол 0.49 1.91 0.33 -0.32
10 2-Хлорфенол 1.35 2.24 1.31 0.86
11 3- Хлорфенол 1.07 2.68 0.94 0.08
12 4-Хлорфенол 1.05 2.51 0.95 0.08
13 2-Иодфенол 1.86 2.78 1.77 1.26
14 2-Бромфенол 1.58 2.46 1.56 1.16
15 3-Метокси-4-окси-бензальдегид 0.52 1.45 0.48 -0.70
16 м-Метоксифенол 0.28 1.83 0.23 -0.30
17 1-Нафтол 1.76 2.53 1.72 0.58
Таблица 2
Параметры соединений, использованные для получения уравнений
У Xi
P0(o/w) / P0(xyl/w) log Pc>(o/w) - log Pc>(xyi/w) log P0(o/w) / log P0(xyi/w) log P0(o/w) / log P0(butac/w) V (объем молекулы), Pch (парахор), у (дипольный момент), а (поляризуемость), G (энергия Гиббса), Кг (константа Генри), ^(параметр растворимости)
log P0(sol/w) Vs, Pchs, Ms, as, Gs, Krs, 6s, log Po/wc
log Pq(soi/w) log Po/wph, log Po/ws
Таблица 1
Логарифмы констант распределения замещенных фенола
« 2
между органическим растворителем и водой 2
В процессе работы выявлена нецелесообразность использования для получения уравнений собственно коэффициентов распределения — коэффициент корреляции не превышает 0.560 для всех типов изученных зависимостей. Поэтому в дальнейшем в качестве зависимой переменной использованы только логарифмы коэффициента распределения.
Проведенный корреляционный анализ показал, что значимая связь экспериментально определенных логарифмов констант распределения на уровне P < 0.05 наблюдается для системы октанол-вода с тремя расчетными параметрами: парахором (r = 0.62), поляризуемостью (r = 0.65) и энергией Гиббса (r = 0.66), несколько ниже достоверность связи с объемом молекулы (r = 0.40), дипольным моментом (r = —0.27), параметром растворимости (r = —0.21). Для системы ксилол-вода значима зависимость с энергией Гиббса (r = 0.51). Значимость коэффициентов корреляции с другими параметрами находится на уровне P = 0.3 или ниже.
Анализ полученных в первой серии уравнений выявил слабые зависимости показателей распределения с расчетными параметрами независимо от числа соединений в анализируемой группе (коэффициент множественной корреляции г = 0.790—0.866). Попытка создания уравнений для другой системы, а именно, бу-тилацетат—вода, не была успешной (г не более 0.70).
Во второй серии экспериментов изучены зависимости между экспериментально определенными коэффициентами распределения этих же фенолов в системах о-ксилол—вода и бутил-ацетат—вода и перечисленными выше расчетными параметрами. При этом каждый параметр был представлен в виде отношения расчетного параметра распределяемого фенола к расчетному параметру соответствующего растворителя. Дополнительная характеристика — расчетное значение log Po/w распределяемого соединения в системе октанол—вода. Получены статистически значимые уравнения (Р < 0.05), связывающие логарифм коэффициента распределения в изученных системах растворитель-вода с расчетными физико-химическими параметрами. Коэффициент множественной корреляции составляет 0.908—0.962 в зависимости от анализируемой группы. Наиболее значимое уравнение приведено ниже:
y = 1.39 + 0.98 • log Po/w -- 0.59 • Krs + 0.03 • (log Pow)2 + 0.04 • Krs2 (1)
(n = 28, r = 0.962, r2 = 0.93, 5 = 0.23, F = 70.7, p ~0)
В третьей серии рассмотрены четыре системы: о-ксилол-вода, бутилацетат-вода, этил-бензол-вода и циклогексан-вода. Изучена зависимость между логарифмами экспериментально определенных констант распределения фенолов в этих системах и расчетными log Po/w фенолов и соответствующих растворителей в системе октанол-вода.
В результате расчетов получены уравнения для различных групп фенолов, которые обеспечивают вполне удовлетворительную корреляцию экспериментальных значений log P0(soi/w) в разных системах органический растворитель - вода с расчетными log Po/w соединений и растворителей в системе окта-нол-вода (уравнения 2-5, r = 0.954-0.985).
y = 6.74 - 0.10 • xi - 6.69 • *2 +
+ 0.21 • x? + 1.51 • x22 (2)
(n = 66, r = 0.954, r2 = 0.91, 5 = 0.29, F = 153.7, p~0)
y = 3.86 + 2.07 • x1 - 6.72 • x2 -
- 0.18 • x12 + 1.52 • x22 (3)
(n = 55, r = 0.971, r2 = 0.94, 5 = 0.22, F = 201.4, p~0)
где x1 и X'2 - расчетные значения логарифмов коэффициентов распределения фенолов и растворителей в системе октанол/вода (log Po/wph и log Po/ws).
Следующие уравнения получены для групп, сформированных с учетом положения заместителя в ароматическом кольце (уравнения 4, 5, рис.).
y = 5.43 + 1.48 • х1 -- 7.71 • х2 - 0.06 • х12 + 1.75 • х22 (4)
(n = 27, r = 0.985, r2 = 0.97, 5 = 0.18, F = 173.4, p ~0) (мета-, пара-алкил- и галогенпроизводные, фенол, нафтол)
Рис. Рассчитанные по уравнению 4 и экспериментальные значения логарифмов коэффициентов распределения для 27 систем (фенолы—органический растворитель—вода)
Таблица 3
Сравнение экспериментальных и расчетных коэффициентов распределения фенолов в системе органический растворитель-вода
№ Расп ределяемый Экспер. 1од Рбо^' рассчитанные по уравнениям
пп фенол-органический растворитель* 1од Ро(бо1л«) ' 2 3 4 5
1 2,5-Диметилфенол-к 1.39 1.56 1.63 1.56 1.67
2 2,5-Диметилфенол-б 2.52 2.63 2.73 2.75 2.75
3 2,5-Диметилфенол-э 1.32 1.50 1.57 1.49 1.60
4 2,5-Диметилфенол-ц 0.56 0.71 0.79 0.57 0.87
5 2,4-Дихлорфенол-к 1.95 1.67 1.74 1.70 1.73
6 2,4-Дихлорфенол-э 1.81 1.61 1.68 1.60 1.67
7 2,4-Дихлорфенол-ц 1.38 0.82 0.90 0.70 0.96
8 2,4-Дибромфенол-к 2.15 2.34 2.28 2.29 1.80
9 2,4-Дибромфенол-ц 1.64 1.49 1.44 1.30 1.03
10 2- Метил-3-этилфенол-ц 0.97 1.16 1.20 1.0 1.06
11 2,3,5- Триметилфенол-ц 0.97 1.24 1.26 1.09 1.05
* к — о-ксилол, б — бутилацетат, э — этилбензол, ц — циклогексан
y = 0.21 + 4.98 • Xi -- 6.33 • х2 - 0.79 • х12 + 1.42 • х22 (5)
(n = 32, r = 0.976, r2 = 0.95, 5 = 0.21, F = 134.5, p~0) (орто-алкил- и галогенпроизводные, фенол, нафтол)
Для тестирования полученных уравнений 2-5 были рассчитаны значения log P0(soi/w) для пяти фенолов в системах о-ксилол-вода, бутилацетат-вода, этилбензол-вода и цикло-гексан-вода (табл. 3). Эти трехкомпонентные системы не участвовали при формировании моделей. Анализ полученных данных показал, что в большинстве случаев наблюдаются сопоставимые значения экспериментальных и расчетных коэффициентов распределения (системы 1-6, 8-11). Значительные отклонения от экспериментальных данных получены только для одной системы, которая включает 2,4-дихлорфенол, циклогексан и воду.
Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о перспективности применения расчетных характеристик соединений для ориентировочной оценки коэффициентов распределения. Проведенное исследование позволило получить на их основе уравнения для расчета коэффициентов распределения фенолов между водой и органическими растворите-
лями, принадлежащими к разным классам соединений (о-ксилол, бутилацетат, этилбензол, циклогексан). При этом для описания распределяемых веществ и растворителей использованы доступные характеристики - расчетные значения логарифмов коэффициентов распределения соединений в системе октанол-вода.
Литература
1. Железняк А. С., Иоффе И. И. Методы расчета многофазных жидкостных реакторов.- Л.: Химия, 1974.- 320 с.
2. Коренман Я. И. Экстракция фенолов.- Горький: Волго-Вятское изд-во, 1973.- 215 с.
3. Коренман И. М. Экстракция в анализе органических веществ.- М.: Химия, 1977.- 200 с.
4. Суханов П. Т. Экстракция нафтолов - новые решения и применение в анализе. Автореф. ... докт. хим. наук.- Саратов, 2007.- 51 с.
5. Yamagami Ch., Hamasaki А., Kumagai Yu., Moritoki T., Tanahashi T.// Chem. & Pharmac. Bull.- 2005.- V. 53, № 4.- Р. 398.
6. Torrens F., Sanchez-Marin J., Nebot-Gil I. // J. Chromatogr.- 1998.- V. 827, № 2.- P. 345.
7. www.hyper.com;www.cambridgesoft.com
8. Бретшнайдер С. Свойства газов и жидкостей.-Л.: Химия, 1966.- 536 с.
9. Ван Кревелен Д. В. Свойства и химическое строение полимеров.- М.: Химия, 1976.- 416 с.
10. Жданов Ю. А., Минкин В. И. Корреляционный анализ в органической химии.- Ростов: Изд-во Ростовского университета, 1966.- 467 с.
