ВЛИЯНИЕ СОСТАВА РАСТВОРИТЕЛЯ ДИМЕТИЛСУЛЬФОКСИД- ВОДА НА КИНЕТИКУ N-АЦИЛИРОВАНИЯ α-АМИНОКИСЛОТ СЛОЖНЫМИ ЭФИРАМИ БЕНЗОЙНОЙ КИСЛОТЫ Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 547.466:951

Л.В. Курицын, Н.В. Калинина, Ю.С. Дорофеева

ВЛИЯНИЕ СОСТАВА РАСТВОРИТЕЛЯ ДИМЕТИЛСУЛЬФОКСИД- ВОДА НА КИНЕТИКУ N-АЦИЛИРОВАНИЯ a-АМИНОКИСЛОТ СЛОЖНЫМИ ЭФИРАМИ БЕНЗОЙНОЙ КИСЛОТЫ

(Ивановский государственный университет) Е-mail: kalinina_nv52@ mail.ru

Исследовано влияние состава бинарного растворителя вода-диметилсульфоксид на реакционную способность a-аминокислот при взаимодействии с нитрозамещенными фениловыми эфирами бензойной кислоты. С помощью математической модели обоснован сложный характер зависимости констант скорости изученных реакций от состава растворителя. Показано, что реакционная способность a-аминокислот в ацилировании определяется селективной сольватацией функциональных групп реагентов и переходного состояния.

Ключевые слова: бинарный растворитель, a-аминокислоты, нитрозамещенные фениловые эфиры бензойной кислоты, константа скорости

Ацильные производные аминокислот обладают высокой физиологической и поверхностной активностью, благодаря чему входят в состав множества лекарств, парфюмерно-косметических средств, ингибиторов коррозии, флотагентов, текстильно-вспомогательных веществ. При этом аци-лированные аминокислоты легко ассимилируются природной средой, не являясь экотоксикантами [1]. В промышленности для их получения часто используют реакции аминокислот с фениловыми эфирами карбоновых кислот, активированными одной или несколькими нитрогруппами. Как правило, синтез проводят в водно-органической среде [1]. Для оптимизации технологических процессов необходимы данные по реакционной способности аминокислот в ацилировании. В настоящее время таких сведений в литературе недостаточно [2-7].

В данной работе изучена кинетика взаимодействия замещенных фениловых эфиров бензойной кислоты с а-аминокислотами в водных растворах диметилсульфоксида (ДМСО). Объектами исследования являлись реакции глицина ^1у), L-a-аланина ^-А1а), DL-валина (DL-Val), L-серина ^^ег), DL-треонина (DL-Thr), DL-лейци-на (DL-Leu), DL-триптофана (DL-Trp) и L-аспа-рагина ^^п) с 2,4-,2,5- и 2,6-динитрофенило-выми эфирами бензойной кислоты (2,4-,2,5- и 2,6-ДНФЭБК, соответственно), а также реакция 2,4,6-тринитрофенилового эфира бензойной кислоты (2,4,6-ТНФЭБК) с глицил-глицином ^1у^1у). Результаты исследования представлены в таблице и на рис. 1. Методики кинетических измерений и уравнения для расчета констант скорости реакций «--аминокислот с эфирами приведены в работах [4-6]. Условия проведения кинетического эксперимента выбирали таким образом, чтобы единст-

венной реакционноспособной формой а-амино-кислоты в растворе была анионная, поэтому константа скорости ацилирования определялась как константа скорости реакции анионов аминокислоты

Данные таблицы и рис. 1 свидетельствуют о сложном характере влияния состава растворителя вода-ДМСО на константы скорости изученных реакций. Аналогичный характер указанных зависимостей установлен и при ^ацилировании а-аминокислот сложными эфирами в системах вода-^^диметилформамид (ДМФА) и вода-К^-диметилацетамид (ДМАА) [6, 7].

Известно, что ДМСО и амидные растворители относятся к системам с сильным межмолекулярным взаимодействием компонентов, приводящим к образованию молекулярных комплексов [2]. Объяснить вид зависимостей констант скорости от мольной доли органического компонента в бинарной смеси можно, исходя из общепринятого допущения о том, что влияние растворителя на скорость ацилирования обусловлено специфической сольватацией функциональных групп, участвующих в реакции. Именно селективная сольватация функциональных групп реагентов с образованием молекулярных комплексов определяет их реакционную способность в ацилировании.

В бинарной системе вода-ДМСО возможно образование ряда комплексов различного состава между аминокислотой и компонентами растворителя, в частности, комплексов А, В, С, D, показанных на рис.2. Аналогичные комплексы могут присутствовать и в смесях воды с ДМФА и ДМАА. В растворе между комплексами А, В, С и D существует равновесие:

Pb

А + Si « B + H2O

Pc

А + 2Si « C + H2O

Рв

А + 281 « В + Н2О

где 81 - молекула органического растворителя, рв, Рс и р0 - константы равновесия реакций образования комплексов В, С и Б.

k _, л/(моль с)

10 -

5 -

0

0

0,1

0,4

0,5

0,2 0,3 Хь м.д.

Рис. 1. Зависимости констант скорости реакций анионов a-аминокислот с 2,4-динитрофениловым эфиром бензойной кислоты в растворителе вода-ДМСО. 298 К. Х1 - мольная доля ДМСО

Fig. 1. Dependences of rate constants of reactions of anions of a-aminoacids with 2,4- dinitrophenyl ester of the benzoic acid in water-DMSO solvent. 298 К. Х1 -molar fraction of DMSO

ODCC|H|l

i. hi

1Л)

t л;

J

I

. A...

IB I

.СИз

y CHs

~OOCC(HJH N;

L

..K

H" H СИ,

(С)

сн,

енз

OOCC(R)H ft H

о—s;

\

-CHj

Рис.2. Возможные комплексы a-аминокислот с водой и

ДМСО. R - радикал аминокислоты Fig.2. Possible complexes of a-aminoacids with water and DMSO. R - radical of amino acid

Таблица

Значения k ( л/молыс) реакций a-аминокислот с 2,4, 2,5-, 2,6-динитрофениловыми эфирами бензойной кислоты (I,II,III, соответственно) в растворителе вода - ДМСО, 298 К; Х1 - мольная доля ДМСО Table. Values of k(l/moles) of reactions of a-aminoacids with the 2,4-, 2,5-, 2,6-dinitrophenyl esters of benzoic acid (I,II,III respectively) in water-DMSO solvent, 298 К; Х1 -molar fraction of the DMSO

a-Амино-кислота k_, л/(моль-с)

I II III

20 мас.% ДМСО, Х1=0,054

L-Ser 0,543±0,007 0,354±0,012 0,437±0,004

L-Ala 2,44±0,05 0,631±0,015 0,987±0,126

30 мас.% ДМСО, Х1=0,091

L-Ser 0,883±0,007 0,410±0,003 0,550±0,004

L-Ala 2,32±0,04 0,716±0,008 0,932±0,01

DL-Leu 1,79±0,07 0,72±0,01 0,65±0,01

DL-Trp 3,6±0,2 0,97±0,01 1,45±0,02

L-Asn 1,1±0,1 0,43±0,01 0,82±0,01

Gly-Gly1 7,2±0,3

40 мас.% ДМСО, Х1=0,13

L-Ser 1,78±0,01 0,504±0,001 0,579±0,003

L-Ala 3,09±0,03 1,17±0,01 1,28±0,01

DL-Leu 1,89±0,04 0,84±0,01 0,78±0,01

DL-Trp 5,13±0,05 1,33±0,05 2,42±0,04

L-Asn 1,79±0,06 0,46±0,01 0,67±0,01

Gly-Gly1 6,8±0,1

50 мас.% ДМСО, Х1=0,19

L-Ser 1,64±0,03 0,685±0,007 0,732±0,004

L-Ala 4,51±0,05 1,67±0,02 1,22±0,01

DL-Leu 2,19±0,06 2,23±0,02 0,69±0,01

DL-Trp 4,8±0,02 2,76±0,05 1,26±0,02

L-Asn 4,53±0,05 0,72±0,03 3,87±0,05

Gly 4,27±0,05 4,21±0,07 3,34±0,08

DL-Val 2,77±0,06 1,05±0,01 0,90±0,01

DL-Thr 1,95±0,03 0,42±0,03 0,73±0,01

Gly-Gly1 11,5±0,2

60 мас.% ДМСО, Х1=0,26

L-Ser 2,00±0,04 1,21±0,02 1,08±0,02

L-Ala 8,77±0,21 2,99±0,07 2,08±0,04

DL-Leu 3,07±0,05 0,78±0,02 0,79±0,01

DL-Trp 6,8±0,2 3,35±0,08 1,69±0,03

L-Asn 2,91±0,03 1,17±0,07 1,41±0,03

Gly-Gly1 12,6±0,08

70 мас.% ДМСО, Х1=0,35

L-Ser 10,8±0,3 2,19±0,04 1,94±0,03

L-Ala 11,7±0,2 4,76±0,06 2,56±0,04

DL-Leu 6,9±0,4 1,8±0,03 1,25±0,02

DL-Trp 8,1±0,9 2,28±0,03 1,94±0,03

L-Asn 5,13±0,03 1,05±0,03 4,12±0,03

Gly-Gly1 20,2±0,08

80 мас.% ДМСО, Х1=0,49

L-Asn 6,87±0,07 3,87±0,02 2,36±0,07

бензойной кислоты.

1Acylating agent - 2,4,6,-trinitrophenyl ester of the benzoic acid

Скорость реакции К-ацилирования а-ами-нокислот равна сумме скоростей К-ацилирования комплексов А, В, С и D:

асэ

-— = кАсАс э + квсвс э + Кссссэ+К0с0с э ;(1)

ат

- — = (КАаА + Квав + Ксас + Квав)са°сэ = к са"сэ,(2) ат

где КА, КВ, КС и Кр - константы скорости N ацилирования комплексов А, В, С и D, аА, аВ, аС и ав - доли указанных комплексов от общей концентрации а-аминокислоты в растворе са0; Сэ -начальная концентрация эфира; к_ - константа скорости К-ацилирования анионной формы а-аминокислоты (л/моль-с).

Согласно приведенной выше схеме специфической сольватации с учетом материального баланса системы, величина к определяется уравнением:

к = КАХ22 + Кв в вхх1 + Кс в сХ2Х,2 + Кр вВХ? ,(3)

- Х22 + в вХ 2 Х1 + в сХ1Х12 + в рХ1 '

где Х\ и Х2 - мольные доли органического компонента и воды в растворителе, соответственно.

Уравнение (3) удовлетворяет граничным условиям:

1. Х2 = 1, Х1 = 0. Растворитель: вода, к_=КА КА - константа скорости К-ацилирования а-аминокислот в воде.

2. Х2 = 0, Х = 1. Растворитель-ДМСО, к =Кр. Кр - константа скорости К-ацилирования а-аминокислоты в ДМСО.

Возникает вопрос: способно ли уравнение (3) объяснить появление на кривой зависимости кот Х1 нескольких экстремальных значений к-. Дифференцируя к_ (уравнение 3) по Хь получим выражение:

ак_ = с0 + с1Х1 + с2Х12 + с3Х13 + с4Х14 аХ, ~

1 + Ь1Х1 + Ь2Х12 + ь3х1

(4)

где со = Ъ(КА - Кв); С1 = 2Ь2(Ка - Кс), с2 = = ЪА(Кв - Кс) + Ъз (Ка - Кр), с3 = ЪЪфз (Кв - Кр),

с4 = ъ2Ъъ (Кс - Кр), Ъ =Ь в-1, Ъ = 1+ьс + Ьр,

Ъ3 = - Ь с

Условием экстремальных значений зависимости к- от Х[ является:

ак

аХ,

= 0, с0 + с1 Х1 + с2 Х12 + с3 Х13 + с4 Х14 = 0

(Х1 - Хэ7)(Х1 - Хэ11)(Х1 - Хэ111)(Х1 - Хэ1¥) = 0(8) Имеем четыре корня уравнения (8), Хэ, Хэ7 , ХЭШ, ХЭ1У, соответствующие экстремальным значениям функции к_=ДХ). Физический смысл имеют значения ХЭ в пределах от 0 до 1. Отрица-Кафедра физической химии

тельные или мнимые корни физического смысла не имеют, и их не следует обсуждать.

Таким образом, с использованием уравнения (4) можно объяснить сложный экстремальный характер кривых к_=ДХ), обнаруженный нами в кинетических экспериментах (рис. 1).

По нашему мнению, экстремальные значения к-=^(Х1) нельзя объяснить ни с точки зрения только природы растворителя, ни характером изменения его структуры при изменении состава.

Можно полагать, что влияние растворителя на кинетику ацилирования связано, в первую очередь, со специфической сольватацией функциональных групп реагентов, участвующих в реакции, и специфической сольватацией переходного состояния. Именно такой подход позволяет объяснить имеющиеся экспериментальные данные с позиции существования молекулярных комплексов с различной реакционной способностью. Концентрации этих комплексов определяются термодинамикой комплексообразования в соответствии с природой и составом данного растворителя.

Различия в реакционной способности комплексов а-аминокислот с компонентами бинарных растворителей могут объяснить отсутствие линейной корреляции между ^/(к_) изученных реакций в водных растворах ДМСО, ДМФА и ДМАА и значениями рКа а-аминокислот в воде [8, 9]. Следует отметить, что в растворителе вода-пропан-2-ол данная зависимость наблюдалась для всех указанных реакций [5-7]. Аналогичная зависимость имеет место и в других реакциях К-ацилирования а-аминокислот [3].

Таким образом, при К-ацилировании а-аминокислот сложными эфирами в растворителе вода-ДМСО, а также в смесях воды с амидными растворителями, значения рКа протонированной аминогруппы а-аминокислот в воде не могут служить индексами их реакционной способности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Михалкин А.П. // Успехи химии. 1995. Т. 64. № 3. С. 275-292.

2. Литвиненко Л.М., Савелова В.А., Дридж Л.П. // Укр. хим. журн. 1976. Т. 42. № 9. С. 950-955.

3. Курицын Л.В. и др. Кинетика реакций ацильного переноса / Под ред. Л. В. Курицына. Иваново: Изд-во Иван. гос. ун-та, 2006. 260 с.

4. Курицын Л.В., Лебедухо А. Ю., Садовников А. И. // ЖОХ. 2003. Т. 73. Вып. 4. С. 600-602.

5. Курицын Л. В., Лебедухо А. Ю. // ЖОХ. 2004. Т. 74. Вып. 2. С. 249-252

6. Курицын Л.В. и др.// Вестник ИвГУ. 2007. С. 27-33.

7. Курицын Л.В. и др.// Вестник ИвГУ. 2007. С. 33-38.