Upload
others
View
0
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
LIETUVOS SVEIKATOS MOKSLŲ UNIVERSITETAS
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
KAUNAS, 2014
LIETUVOS SVEIKATOS MOKSLŲ UNIVERSITETAS FARMACIJOS FAKULTETAS
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
KAUNAS, 2014
3
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
6. LITERATŪROS SĄRAŠAS .......................................................................................................... 44
SANTRAUKA
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.
SUMMARY
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.
6
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
η - išeiga
7
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.
8
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
diagramos ir atlikta statistinė duomenų analizė.
9
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
10
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].
11
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
12
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 oC). Gauta diazonio druska yra silpnas elektrofilas. Azoderinimas taip
pat vykdomas ţemoje 0-5 oC 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).
13
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 oC
temperatūrai ir, siekiant išvengti jų suirimo, laikomos 0 oC 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 oC) 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.
14
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
15
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 oC 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
16
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 oC 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.
17
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 oC. 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/
18
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 oC 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
[21].
19
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) + H2O H3O+ (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. pKa 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
20
pKa = -log10 Ka
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 In
2- - deprotonizuotą HIn
- formą, dianijoną [3].
H2In + H2O HIn- + H3O
+
HIn- + H2O In
2- + H3O
+
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
reikšmių ir spektrinių savybių nustatymui.
21
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.)
22
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
23
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 0C
N+
N
O
H2O
OH
O
+ N2
OH
O
+
OH
O
NN
O
b)
N+
N
O
10 pav. a) p-aminobenzaldehido diazotinimas ir hidrolizė
b) fenolinio junginio jungimasis su neatskylančiu diazonio jonu
Eksperimentas susideda iš dviejų stadijų:
24
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 oC 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 oC 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 oC temperatūroje 4-nitroanilinas nesikristalizuoja, todėl vandeninis NaNO2 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.
25
Šio sintezės etapo metu vykstančios reakcijos yra pavaizduotos 11 pav.
NH2
CH3
N+
N
CH3
NH2
CH3CH3
N+
N
NH2
CH3 CH3
N+
N
NH2
N+
O-
O
N+
N
N+
O-
O
H2SO
4 (HCl); H
2O; 0-5 oC; NaNO
2
H2SO
4 (HCl); H
2O; 0-5 oC; NaNO
2
H2SO
4 (HCl); H
2O; 0-5 oC; NaNO
2
H2SO
4 (HCl); H
2O; 0-5 oC; NaNO
2
SO4
2- (Cl-)
SO4
2- (Cl-)
SO4
2- (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 oC, 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
susidarė fenolinis junginys – stebima, ar nevyksta nepageidaujama reakcija. NaOH skirtas identifikuoti
26
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 oC 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
27
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, H2O; H2SO4
OH
CH3
N+
N
CH3
OH
CH3
N
N
CH3
N+
N
CH3
OH
CH3
OH
CH3
N
N
CH3
N+
N
CH3
to, H2O; H2SO4
N+
N
CH3
OH
CH3
OH
CH3
N
N CH3
N+
N
CH3to, H2O; H2SO4
N+
N
N+
O-
O
OH
N+
O-
O
OH
N+
O-
O
N
N N+
O-
O
N+
N
N+
O-
Oto, H2O; H2SO4
2-metilanilino diazonio jonas 2-metilfenolis2-metil-4-(2-metilfenilazo)fenolis
3-metil-2-(3-metilfenilazo)fenolis
3-metilanilino diazonio jonas 3-metilfenolis
4-metilanilino diazonio jonas4-metilfenolis
4-metil-2-(4-metilfenilazo)fenolis
4-nitroanilino diazonio jonas4-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.
28
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 pKa 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.
29
N
N
OH
CH3
CH3
N+
N
OH
+
2-metilanilino diazonio jonas
2-naftolis
1-(2-metilfenilazo)-2-naftolis
CH3
N+
N+
OHCH3
N
N
OH
1-naftolis
4-(2-metilfenilazo)-1-naftolis
CH3 N+
N +
OH
CH3 N
N
OH
4-metilanilino diazonio jonas
1-(4-metilfenilazo)-2-naftolis
CH3 N+
N +
OHCH3
N
N
OH
4-(2-metilfenilazo)-1-
naftolis
N+
O-
O
N+
N +
OH
N+
O-
O
N
N
OH
4-nitroanilino diazonio jonas
1-(4-nitrofenilazo)-2-naftolis
N+
O-
O
N+
N +
OH
N+
O-
O
NN
OH
4-(4-nitrofenilazo)-1-naftolis
1-naftolis
2-naftolis
2-metilanilino diazonio jonas
2-naftolis
4-metilanilino diazonio jonas
4-nitroanilino diazonio jonas1-naftolis
14 pav. 2-metilanilino, 4-metilanilino ir 4-nitroanilino diazonio jonų jungimasis su 1- ir 2-naftoliais
.
30
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 oC, 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 oC, 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 oC; 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, oC Hidrolizato sudėtis,
ml H2O/ ml konc. H2SO4
Diazonio druskos gamybai naudotos
konc. rūgšties ir vandens santykis, ml
rūgšties/ ml H2O
57 44/20 27 H2SO4/ 41
31
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 oC temperatūroje. Su FeCl3 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
4-nitroanilinas geltonos spalvos, skaidrus skystis neigiama neigiama
32
Dėl neigiamų rezultatų temperatūrą bandoma pakelti dar aukščiau – iki 104-110 oC. Rezultatai
gauti diazonio druskos sintezei naudojant konc. H2SO4 yra pavaizduoti 4 lentelėje. Reakcijos su FeCl3
yra neigiamos (nesusidaro fenolinis junginys), tuo tarpu su NaOH visiško spalvos pokyčio nėra tik
sintezę atlikus su 3-metilanilinu, tačiau reakcijos mišinį iš pradinių ţaliavų 2-metilanilino bei
4-metilanilino paveikus NaOH jų spalvos pasikeičia, nors ir nereikšmingai. Kai pradiniu junginiu
naudojamas 4-nitroanilinas, spalva keičiasi iš oranţinės į geltoną. Taigi galima manyti, kad iš trijų
paskutinių junginių susidaro nedidelis kiekis azodaţiklių.
4 lentelė. Rezultatai 104-110 oC temperatūroje su konc. H2SO4
Pradinis
junginys
Vizualinis vertinimas Reakcija
su FeCl3
Reakcija su 1N NaOH
2-metilanilinas gelsvai oranţinės spalvos,
skaidrus skystis
neigiama spalva ryškesnė. Pokytis
nereikšmingas.
3-metilanilinas gelsvos spalvos, skaidrus
skystis neigiama neigiama
4-metilanilinas gelsvos spalvos, skaidrus
skystis
neigiama spalva ryškesnė. Pokytis
nereikšmingas.
4-nitroanilinas oranţinės spalvos, skaidrus
skystis
neigiama spalva keičiasi į geltoną,vėliau į
rudai geltoną. Pokytis reikšmingas.
5 lentelėje apibendrinti rezultatai, gauti diazonio druskos sintezei naudojant konc. HCl ir esant
104-110 oC temperatūrai. Su FeCl3 rezultatai neigiami – fenolinis junginys nesusidaro. Tačiau beveik
visai atvejais (iškyrus, kai pradinis junginys 3-metilanilinas) pastebimas reikšmingas spalvos pokytis,
reakcijos mišinį paveikus NaOH - susidaro azodaţikliai. Jei palygintume rezultatus su gautais tokioje
pačioje temperatūroje, tačiau diazonio druskos sintezei naudojant sieros rūgštį, pastebėtume, kad
reikšmingas spalvos pokytis buvo nustatytas tik vienu atveju – pradine ţaliava naudojant 4-nitroaniliną
(4 lentelė).
5 lentelė. Rezultatai 104-110 oC temperatūroje su konc. HCl
Pradinis junginys Vizualinis vertinimas Reakcija
su FeCl3
Reakcija su 1N NaOH
2-metilanilinas oranţinės spalvos, skaidrus
skystis
neigiama spalva keičiasi į violetinę.
Pokytis reikšmingas.
3-metilanilinas gelsvos spalvos, skaidrus
skystis neigiama neigiama
4-metilanilinas gelsvos spalvos, skaidrus neigiama spalva keičiasi į tamsiai geltoną.
33
skystis Pokytis reikšmingas.
4-nitroanilinas oranţinės spalvos, skaidrus
tirpalas
neigiama spalva keičiasi į geltoną,vėliau į
rudai geltoną. Pokytis
reikšmingas.
Siekiant įsitikinti, kad 104-110 oC temperatūra ir diazonio druskos sintezei naudojama konc.
HCl yra optimalios sąlygos susidaryti azodaţikliams, sintezė tęsiama keliant reakcijos temperatūrą iki
125-130 oC, o vėliau iki 130-137
oC. Reakcijos su FeCl3 ir NaOH, esant šioms temperatūroms, su
abejomis diazonio druskos sintezei naudotomis rūgštimis yra neigiamos (6 lentelė), todėl daromos
išvados, kad optimali temperatūra azojunginiams gauti šiuo metodu yra 104-110 oC, o tinkamiausia
rūgštis diazojunginių sintezėje yra konc. HCl.
6 lentelė. Rezultatai 120-130 oC ir 130-137
oC temperatūroje
Pradinė ţaliava Temperatūra, oC
Vizualinis
vertinimas Reakcija su FeCl3
Reakcija su 1 N
NaOH
3-metilanilinas 125-130
tamsiai rudos
spalvos, skaidrus
skystis
neigiama neigiama
130-137
2-metilanilinas 125-130
130-137
4-metilanilinas 125-130
130-137
4-nitroanilinas 125-130
130-137
3.1.2. Diazonio druskos jungimasis su naftoliu
Kadangi jokie teigiami rezultatai 1-ojo sintezės metodo metu negauti su 3-metilanilinu, jis
nenaudojamas ir atliekant 2-ąjį sintezės metodą. Tuo tarpu iš 2-metilanilino, 4-metilanilino ir
4-nitroanilino jungiant juos su 1-naftoliu ir 2-naftoliu gauti spalvoti azodaţikliai, kurių spalva kinta jų
vandeninį tirpalą veikiant NaOH. Atliktas visų jų vizualinis vertinimas - gauti azodaţikliai nuo gelsvos
iki raudonos spalvos (7 lentelė).
34
7 lentelė. Azodažiklių, gautų diazonio druską jungiant su naftoliu, vizualinis vertinimas
Aromatinis
aminas diazonio
druskai gauti
Reagentas, su kuriuo
jungiasi gauta
diazonio druska
Azojunginys Vizualinis vertinimas
2-metilanilinas 1-naftolis 4-(2-metilfenilazo)-1-naftolis Gelsvos spalvos
amorfiniai milteliai
2-metilanilinas 2-naftolis 1-(2-metilfenilazo)-2-naftolis Oranţinės spalvos
amorfiniai milteliai
4-metilanilinas 1-naftolis 4-(4-metilfenilazo)-1-naftolis Raudonos spalvos
amorfiniai milteliai
4-metilanilinas 2-naftolis 1-(4-metilfenilazo)-2-naftolis Oranţinės spalvos
amorfiniai milteliai
4-nitroanilinas 1-naftolis 4-(4-nitrofenilazo)-1-naftolis Oranţinės spalvos
amorfiniai milteliai
4-nitroanilinas 2-naftolis 1-(4-nitrofenilazo)-2-naftolis Geltonos spalvos
amorfiniai milteliai
Vienas iš naujo metodo trūkumų – maţesnė azodaţiklių struktūrinės įvairovės sukūrimo
galimybė, kadangi diazonio druska gali jungtis tik su sintezės eigoje iš jos susidariusiu fenoliu. Be to,
kaip ţinoma, fenoliai su diazonio jonais jungiasi ne taip aktyviai kaip naftoliai. Tačiau ši sintezė turi
gana didelį privalumą – jos metu sunaudojamas maţesnis kiekis pradinių reagentų. Šiame darbe pirmą
kartą aprašytas ir pritaikytas azodaţiklių iš 2- ir 4-metilanilinų bei 4-nitrofenolio sintezės metodas,
kuriam nereikėtų papildomai naudoti besijungiančiojo komponento: kito amino, fenolio ar naftolio.
Taip pat sintezei nereikalingas šarmas ar buferis; tiek diazonio druskos sintezei, tiek hidrolizei
naudojama rūgštis, todėl jį būtų galima laikyti ekologiškesniu nei tradicinis. Kita vertas, jo metu
sunaudojamas gana didelis kiekis didelės koncentracijos mineralinių rūgščių.
Jungimosi reakcija, vykdant diazonio druskų hidrolizę, vyksta aukštoje 104-110 oC
temperatūroje, daugiau panašių metodų pavyzdţių, kai sintezę įmanoma atlikti tokiojo aukštoje
temperatūroje, moksliniuose straipsniuose rasta nebuvo. Aprašomi tik tokie atvejai, kai azoderinimo
reakcija vykdoma prie 0-5 oC arba kambario temperatūroje. Tuo tarpu diazonio druskos sintezė
nesiskiria nuo tradicinės, nebent tuo, kad naudojami šiek tiek didesnės koncentracijos natrio nitrito ir
mineralinių rūgščių tirpalai.
35
3.2. Gautų junginių išeigos ir grynumas
Abiejų metodų metu gautų azojunginių išeigos pateiktos 8 lentelėje. Visi junginiai gauti su
vidutine-labai gera išeiga (29,5-88,2 proc).
1-ojo metodo išeigos lyginant jį su 2-uoju visais atvejais yra maţesnės, o vidutinė metodo
išeiga yra 41,4 proc. Kaip ir 2-ojo metodo atveju didţiausia išeiga gaunama pradine ţaliava naudojant
4-nitroaniliną. Iš 4-nitroanilino diazonio sulfato druskos susidaręs azodaţiklis gautas su 45,2 proc.
išeiga, o iš 4-nitroanilino chlorido druskos – 48,9 proc. Panašia, nors ir šiek tiek maţesne, išeiga kaip ir
pastaruoju atveju gautas azodaţiklis iš 2-metilanilino diazonio chlorido druskos (vidutinė 42,1 proc.).
Pačia maţiausia išeiga gautas junginys iš 4-metilanilino diazonio chlorido druskos – 29,5 proc.
2-ojo metodo vidutinė išeiga yra 77 proc. Visais atvejais didesnė išeiga gaunama aromatiniam
aminui jungiantis su 2-naftoliu nei su 1-naftoliu. Didţiausia išeiga gaunama pradine ţaliava naudojant
4-nitroaniliną (išeigos labai geros – 88,2-80,3 proc.). Taip pat šiek tiek didesnė išeiga gaunama pradine
ţaliava naudojant 4-metilaniliną (vidutinė – 73,8 proc.) nei 2-metilaniliną (vidutinė – 72,8 proc.),
tačiau šis skirtumas nėra reikšmingas.
Visi junginiai gauti 84,95-99,02 proc. grynumu (8 lentelė).
8 lentelė. Abiem metodais gautų junginių išeigos ir grynumas
Gautas junginys Procentinė išeiga,
proc.
Grynumas,
proc.
4-(2-metilfenilazo)-1-naftolis 72,3 ± 2,7 93,84
1-(2-metilfenilazo)-2-naftolis 73,3 ± 3,0 97,88
4-(4-metilfenilazo)-1-naftolis 72,2 ± 2,0 96,76
1-(4-metilfenilazo)-2-naftolis 75,4 ± 2,1 98,54
4-(4-nitrofenilazo)-1-naftolis 80,3 ± 2,9 99,02
1-(4-nitrofenilazo)-2-naftolis 88,2 ± 3,1 98,33
4-nitro-2-(4-nitrofenilazo)fenolis (su konc. HCl) 48,9 ± 3,5 86,57
4-nitro-2-(4-nitrofenilazo)fenolis (su konc. H2SO4) 45,2 ± 2,6 84,95
2-metil-4-(2-metilfenilazo)fenolis (su konc. HCl) 42,1 ± 3,3 89,72
4-metil-2-(4-metilfenilazo)fenolis (su konc. HCl) 29,5 ± 4,0 85,49
Tradicinis sintezės metodas lyginant jį su eksperimentiniu duoda didesnę išeigą, sintezę
atliekant su anilino dariniais 4-nitroanilinu ir 2-, 4-metilanilinais. Iš teorijos yra ţinoma, kad antros
eilės pakaitai (šiuo atveju –NO2) aromatinio amino benzeno ţiede didina diazonio jono aktyvumą, kai
pirmos eilės pakaitai (šiuo atveju –CH3) aktyvumą maţina. Tuo galima paaiškinti tai, kad pradiniu
reagentu naudojant 4-nitroaniliną, azojunginiai abiem sintezės metodais gaunami didesne išeiga
36
lyginant su metilanilinais. Be to diazonio druskos, turinčios elektronų akceptorines grupes, yra
stabilesnės uţ druskas, turinčias elektronų donorines grupes, nes pastarosios suformuoja nestabilius
arilo katijonus [38].
Atliktų naftolinių ir fenolinių azodaţiklių sintezių su įvairiais anilino derivatais rezultatai
skelbia, kad naftoliniai azodaţikliai gaunami didesne išeiga (vidutiniškai – 82 proc.) nei fenoliniai
(vidutiniškai – 31 proc.) [2, 38]. Šio eksperimento metu visi naftoliniai daţikliai, atlikus tradicinį
sintezės metodą, taip pat gauti didesne išeiga nei fenoliniai.
Šiuo atveju atliktos tradicinės sintezės išeigos ir sintezės trukmė yra prilyginami parametrai
aukčiau aprašytiems tradicinės sintezės metodams. Tuo tarpu lyginant eksperimentinio metodo metu
gautų junginių išeigas su teorijoje pateiktais, daugeliu atvejų jų išeigos panašios ar šiek tiek maţesnės.
Panašia išeiga gaunami azodaţikliai, naudojant geleţies nitratą (20-47 proc.), azoto rūgšties tirpalą
(53-60 proc.), dujinės būsenos HCl ir azoto rūgšties tirpalą (60 proc.) [37], katalizatorius bentonitą,
koaliną ar K10 (35-60 proc.) [10], silicio dioksido sieros rūgštį (55-60 proc.) [38]. Eksperimentinio
sintezės metodo trukmė – apie 1,5-2 valandos. Lyginant su tradicine sinteze, atlikta šiuo tyrimu su
analogiškais junginiais, ji yra ilgesnė, tačiau ne itin reikšmingai. Moksliniuose straipsniuose yra
aprašyti sintezės metodai, trunkantys netgi ilgiau nei 24 [37] ar 4-5 [26] valandas ir panašūs laikai.
3.3. pKa reikšmės ir pH ribos, kuriose keičiasi azodaţiklių spalva
pKa reikšmės ir pH ribos, kuriose keičiasi junginio spalva, nustatytos 104-110 oC
temperatūroje iš diazonio sulfato druskos gauto 4-nitro-2-(4-nitrofenilazo)fenolio, 104-110 oC
temperatūroje iš diazonio chlorido druskų gautų 2-metil-4-(2-metilfenilazo)fenolio,
4-metil-2-(4-metilfenilazo)fenolio bei 4-nitro-2-(4-nitrofenilazo)fenolio, taip pat tradicinio sintezės
metodo metu gautų 4-(2-metilfenilazo)-1-naftolio, 1-(2-metilfenilazo)-2-naftolio,
4-(4-metilfenilazo)-1-naftolio, 1-(4-metilfenilazo)-2-naftolio, 4-(4-nitrofenilazo)-1-naftolio ir
1-4-nitrofenilazo)-2-naftolio paruošus jų tirpalus. pKa reikšmės, pH ribos, kuriose keičiasi junginių
spalva, ir spektrinės savybės nustatinėjamos tris kartus. Kiekvieną kartą gauti atsikartojantys rezultatai.
pKa reikšmės yra nustatytos naudojantis titravimo kreivėmis. Nurodytos fenolinių azodaţiklių
titravimo kveivės (16 pav. ir 17 pav.), kadangi jie gauti nauju eksperimentiniu metodu ir tų naftolinių
azodaţiklių (18 pav.), kurių spalvos pokytis yra praktiškai reikšmingas.
Gautų azodaţiklių pKa reikšmės vyrauja nuo 7,5 iki 11,0. Tradiciniu metodu gautų naftolinių
azodaţiklių pKa reikšmės yra 8,8-11,0, o fenolinių, gautų atliekant diazonio drukos hidrolizę, - 7,5-8,0
(9 lentelė). Kaip matyti iš gautų rezultatų naftolinių azodaţiklių pKa reikšmės yra didesnės nei
37
fenolinių; tai reiškia, kad naftoliniai daţikliai pasiţymi silpnesnėmis rūgštinėmis savybėmis nei
fenoliniai.
Literatūroje gausu paaiškinimų apie azodaţiklių struktūros įtaką jų pKa reikšmėms.
Pavyzdţiui, elektronų akceptorinės grupės, tokios kaip –NO2 ir –SO2NH2, esančios azodaţiklių
sudėtyje, daţniausiai didina pastarųjų rūgštingumą, o tuo tarpu elektronų donorinės grupės,
pavyzdţiui, -CH3, rūgštingumą maţina. –OH ir –OCH3 grupės meta padėtyje gali pasiţymėti elektronų
akceptorinėmis savybėmis ir stiprinti rūgštines savybes, o būdamos para padėtyje jos pasiţymi
elektronų donorinėmis ir rūgštingumą maţinančiomis savybėmis [33]. 1-naftolio junginių su
4-metilanilinu ir 2-metilanilinu pKa reikšmės yra vienodos (11,0), o 2-naftolio atitinkamų junginių pKa
reikšmės yra beveik vienodos (atitinkamai 10,0 ir 10,9). 4-nitroanilino junginių tiek su 1-naftoliu, tiek
su 2-naftoliu pKa reikšmės taip pat ţenkliai nesiskiria (atitinkamai 9,1 ir 8,8). Visais atvejais maţesnė
pKa reikšmė gaunama, kai aromatinis aminas jungiamas su 2-naftoliu.
16 pav. 4-metil-2-(4-metilfenilazo)fenolio ir 2-metil-4-(2-metilfenilazo)fenolio, gautų iš aromatinių
aminų chlorido diazonio druskų, titravimo kreivės1
1 Titravimo kreivėse a ir b raidėmis yra paţymėtas 0,1 N NaOH kiekis, atitinkantis pusę bangos ilgis, o
raidėmis a1 ir b2 atitinkamai ţymimas 0,1 N NaOH/2 kiekis, pagal kurį pH ašyje nustatoma junginio
pKa reikšmė.
38
17 pav. 4-nitro-2-(4-nitrofenilazo)fenolio, gauto iš aromatinio amino chlorido ir sulfato diazonio
druskų, titravimo kreivė1
18 pav. 1-(4-nitrofenilazo)-2-naftolio ir 4-(4-nitrofenilazo)-1-naftolio titravimo kreivės1
Fenolinių azodaţiklių pKa reikšmės didėja tokia seka: kai aromatinis aminas yra
4-nitrofenolis, 2-metilanilinas, 4-metilanilinas. Taigi stipriausiomis rūgštinėmis savybėmis pasiţymi
4-nitro-2-(4-nitrofenilazo)fenolis. Savo struktūroje jis turi dvi nitrogrupes, tačiau reikšmingai šių
azodaţiklių pKa reikšmės nesiskiria. Tiek naftolinių, tiek fenolinių daţiklių, turinčių nitrogrupę, pKa
reikšmės yra maţiausios.
Tradicinės sintezės metu gauti 4-(4-nitrofenilazo)-1-naftolis ir 1-(4-nitrofenilazo)-2-naftolis
bei eksperimentinio metodo metu gautas 2-metil-4-(2-metilfenilazo)fenolis galėtų būti naudojami kaip
indikatoriai, kadangi jų spalvos pokyčiai yra labiausiai pastebimi. Be to indikatorių pKa reikšmė turi
39
būti lygi maţdaug ± 1 pH, kurioje jie keičia spalvą. Pavyzdţiui, metiloranţo pKa reikšmė yra lygi 3,7,
o spalvą jis keičia esant 3,1-4,4 pH intervalui [19]. Gauti junginiai atitinka šiuos reikalavimus. Jų
spalvos, kiečiantis pH, kinta atitinkamai: oranţinė-mėlyna, geltona-violetinė, oranţinė-violetinė
(9 lentelė). Be to juos gana paprasta pagaminti, todėl jie galėtų būti panaudoti kaip paprasti indikatoriai
maţai reagentų turinčiose laboratorijose. Deja, tik vienas azodaţiklis, susidaręs vykdant 2-metilanilino
diazonio chlorido druskos hidrolizę, iš trijų, gautų eksperimentiniu metodu, tikrai gali būti pritaikytas
šiam tikslui – kitų šiuo metodu gautų azodaţiklių spalvų pokyčiai nėra tokie ryškūs. Tačiau tokių
junginių paieškas galima plėsti ir sintezę pritaikyti sudėtingesnių azojunginių gavimui. Galima teigti,
jog tradicinė sintezė yra tinkamesnė gauti azodaţikliams, kurie galėtų būti pritaikomi kaip indikatoriai,
iš 4-nitroanilino, o naujasis metodas, kai atliekama aromatinio amino diazonio druskos hidrolizė – iš
2-metilanilino.
9 lentelė. Gautų azodažiklių pKa reikšmės, pH ribos ir spalvos pokytis
Gautas junginys pKa
reikšmė pH ribos Spalvos pokytis
4-(4-metilfenilazo)-1-naftolis 11,0 10,5-11-6 Oranţinė - raudona
1-(4-metilfenilazo)-2-naftolis 10,0 9,4-10,6 Oranţinė - raudona
4-(2-metilfenilazo)-1-naftolis 11,0 10,5-11,8 Oranţinė - raudona
1-(2-metilfenilazo)-2-naftolis 10,9 8,5-9,2 Oranţinė - raudona
4-(4-nitrofenilazo)-1-naftolis 9,1 8,4-9,9 Oranţinė - mėlyna
1-(4-nitrofenilazo)-2-naftolis 8,8 8,5-9,2 Geltona - violetinė
4-nitro-2-(4-nitrofenilazo)fenolis (su konc. HCl) 7,5 7,1-8,5 Oranţinė - geltona
4-nitro-2-(4-nitrofenilazo)fenolis (su konc. H2SO4) 7,5 7,1-8,5 Oranţinė - geltona
4-metil-2-(4-metilfenilazo)fenolis (su konc. HCl) 8,0 6,6-8,8 Gelsva – tamsiai
geltona
2-metil-4-(2-metilfenilazo)fenolis (su konc. HCl) 7,7 6,8-8,3 Oranţinė - violetinė
3.4. Spektrinės savybės
Spektrinės savybės tirtos tų pačių daţiklių, kurių pKa reikšmių ir pH spalvos pokyčio ribų
buvo ieškoma.
Penkiems iš devynių abiejų eksperimento metodų metu gautų daţiklių būdingas
batochrominis poslinkis. Jų absorbcijos maksimumas prieš spalvos pasikeitimą yra 324-551 nm
(vidutinis 379 nm), o po spalvos pasikeitimo – 353-573 nm (vidutinis 472 nm). Taigi vidutiniškai
absorbcijos maksimumas pasikeičia 93 nm. 4-(4-nitrofenilazo)-1-naftolio absorbcijos maksimumas
40
pasikeičia nuo 415 nm iki 573 nm, taigi iš viso per 158 nm; 1-(4-nitrofenilazo)-2-naftolio šis skirtumas
yra 128 nm; 1-(2-metilfenilazo)-2-naftolio – 29 nm; 4-(4-metilfenilazo)-1-naftolio – 116 nm ir
4-metil-2-(4-metilfenilazo)fenolio – 33 nm. Didţiausias poslinkis būdingas
4-(4-nitrofenilazo)-1-naftoliui, kuris gautas, 4-nitroanilinui jungiantis su 1-naftoliu, o maţiausias –
1-(2-metilfenilazo)-2-naftoliui, gautam 2-metilanilinui jungiantis su 2-naftoliu. Junginių spektrinės
savybės labai priklauso nuo to, ar aromatinis aminas jungiasi su 1-naftoliu, ar su 2-naftoliu.
4-nitroanilinui jungiantis su 1-naftoliu batochrominis poslinkis yra didesnis nei 4-nitroanilinui
jungiantis su 2-naftoliu. 2-metilanilino junginiui su 2-naftoliu batochrominis poslinkis būdingas, tačiau
jis nepastebėtas pastarajam jungiantis su 1-naftoliu, tuo tarpu 4-metilanilino atveju yra atvirkščiai. Tik
vienam daţui (4-metil-2-(4-metilfenilazo)fenoliui), gautam vykdant 4-metilanilino chlorido diazonio
druskos hidrolizę (eksperimentinis metodas), būdingas batochrominis poslinkis (19 pav. ir 20 pav.).
Atliekant literatūros apţvalgą pastebėta, kad daugumos azodaţiklių absorbcijos maksimumai
yra prie 340-600 nm ilgio bangos [13, 12]. Gautų azodaţiklių absorbcijos maksimumai atitinka
daţniausiai pasitaikančius atvejus.
Moksliniuose straipsniuose pateikti pavyzdţiai rodo, kad nitro- ar sulfo-, kaip elektronų
akceptorinių, grupių buvimas struktūroje daţnai sukelia absorbcijos maksimumo batochrominį poslinkį
[26, 12]. Taip pat yra pastebėta, kad daugumai naftolinių daţiklių, lyginant juos su fenoliniais,
absorbcijos maksimumas yra būdingas prie ilgesnių bangų [2]. Šiuos du teiginius puikiai atspindi
eksperimento metu gauti 4-(4-nitrofenilazo)-1-naftolis ir 1-(4-nitrofenilazo)-2-naftolis, kadangi jie
struktūroje turi nitrogrupes ir yra naftoliniai daţai, o jų batochrominis poslinkis yra didţiausiais iš visų
eksperimento metu gutų azodaţiklių. Tačiau nitrogrupę turinčiam fenoliniam azodaţikliui
4-nitro-2-(4-nitrofenilazo)fenoliui, batochromintis poslinkis nėra būdingas.
Keturiems iš devynių abiejų eksperimento metu gautų azodaţiklių batochrominis poslinkis
nebūdingas; jų absorbcijos maksimumas nekinta.
41
19 pav. Fenolinių azodažiklių absorbcijos maksimumai prieš ir po spalvos pasikeitimo2
20 pav. Naftolinių azodažiklių absorbcijos maksimumai prieš ir po spalvos pasikeitimo3
2 A - 2-metil-4-(2-metilfenilazo)fenolis (su konc. HCl), B – 4-nitro-2-(4-nitrofenilazo)fenolis (su konc.
HCl), C – 4-nitro-2-(4-nitrofenilazo)fenolis (su konc. H2SO4), D – 4-metil-2-(4-metilfenilazo)fenolis
(su konc. HCl)
3 E – 4-(4-nitrofenilazo)-1-naftolis, F – 1-(4-nitrofenilazo)-2-naftolis, G – 4-(2-metilfenilazo)-1-
naftolis, H – 1-(2-metilfenilazo)-2-naftolis, I – 4-(4-metilfenilazo)-1-naftolis, J – 1-(4metilfenilazo)-2-
naftolis.
389
383 383380
389
383 383
413
A B C D
Absorbcijos maksimumai λmax , nm
prieš spalvos pasikeitimą po spalvos pasikeitimo
415 392
494
324
383
551573520
494
353
499551
E F G H I J
Absorbcijos maksimumai λmax, nm
prieš spalvos pasikeitimą po spalvos pasikeitimo
42
4. IŠVADOS
1. Azojunginiai yra plačiai paplitę ir įvairiose srityse pritaikomi junginiai. Pritaikomumas
daţniausiai priklauso nuo to, kokie pradiniai junginiai naudojami jų sintezei bei kokiomis savybėmis
jie pasiţymi. Visiems azojunginiams būdinga išskirtinė struktūra, dėl kurios ypatybių jie yra spalvoti
junginiai ir gali keisti spalvą priklausomai nuo aplinkos pH. Yra sukurta nemaţai azojunginių sintezės
metodų, daugumai jų būdinga, jog junginiai gaunami gera-labai gera išeiga.
2. Azodaţikliai, atliekant aromatinių aminų diazonio druskų hidrolizę, gaunami diazonio
druskas gaminant su konc. HCl, kai hidrolizatas sudarytas iš 44 ml vandens ir 20 ml konc. H2SO4, o jo
temperatūra pakeliama iki 104-110 oC. Šiam sintezės metodui nereikalingi papildomi reagentai -
pakanka aromatinio amino, konc. rūgščių ir natrio nitrito. Tačiau šis metodas nėra universalus ir turi
ribotą daţiklių struktūrinės įvairovės sukūrimo galimybę.
3. Atliekant tradicinę azodaţiklių sintezę, pagaminta aromatinio amino diazonio druska
jungiama su šarminiu naftolio tirpalu. Visa sintezė atliekama esant 0-5 oC temperatūrai. Šiam metodui
atlikti be aromatinio amino, konc. rūgščių ir natrio nitrito yra reikalingi ir kiti reagentai: šarmas bei
buferis. Tačiau šiuo būdu galima gauti struktūriškai įvairius junginius.
4. Atliekant tradicinę azodaţiklių sintezę išeigos yra geros-labai geros (vidutinė išeiga yra
76,9 proc.), o vykdant diazonio druskų hidrolizę – vidutinės (junginiai gaunami su vidutine 41,4 proc.
išeiga).
5. Eksperimentiniu metodu gautų fenolinių azodaţiklių pKa reikšmės yra 7,5-8,0,
tradiciniu metodu gautų naftolinių azodaţiklių - 8,8-11,0. 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 būdingas batochrominis poslinkis (vidutinis absorbcijos
maksimumas prieš spalvos pasikeitimą yra 379 nm, po spalvos pasikeitimo – 472 nm).
6. 4-(4-nitrofenilazo)-1-naftolis, 1-(4-nitrofenilazo)-2-naftolis ir 2-metil-4-(2-metilfenilazo
)fenolis gali būti pritaikyti kaip indikatoriai. Jų spalvos, keičiantis pH, kinta atitinkamai: oranţinė-
mėlyna, geltona-violetinė, oranţinė-violetinė.
43
5. PRAKTINĖS REKOMENDACIJOS
1. Eksperimentinis sintezės metodas, kurio metu vykdoma aromatinio amino diazonio
druskos hidrolizė ir susidaręs fenolis jungiasi su neatskylančiu diazoniu, yra vienintelis ţinomas
azodaţiklių sintezės metodas, kuriam nereikalingas besijungiantis komponentas (kitas aminas, fenolis
ar naftolis) bei šarmas ar buferis. Dėl to šį sintezės metodą galima rinktis, kai siekiama azodaţiklius
gauti ekologiškesniu nei tradicinės sintezės būdu bei esant tam tikrų reagentų trūkumui.
2. Indikatoriams būdingomis savybėmis pasiţyminčius azodaţiklius galima gauti
tradicinės sintezės metu iš 4-nitroanilino, jungiant jį su 1- arba 2-naftoliu, arba vykdant 2-metilanilino
diazonio chlorido druskos hidrolizę 104-110 oC temperatūroje.
44
6. LITERATŪROS SĄRAŠAS
1. Abd-Alredha L, Al-Rubaie R, Mhessn R J. Synthesis and Characterization of Azo Dye Para
Red and New Derivates. E-Journal of Chemistry. 2012; 9(1):465-70.
2. Ajani O O, Akinremi O E, Ajani A O, Edobor-Osoh A, Anake W U. Synthesis and
Spectroscopic Study of Naphtolis and Phenolic Azo Dyes. Physical Review & Research International.
2013; 3(1):28-41.
3. Alizadeh K, Rezaei B, Maddah B. Spectrophotometric determination of aqueous acidity
constants of three azo dyeas. Cent Eur J Chem. 2010; 8(2):392-5.
4. Alonso M, Chapela S P, Christaldo M L, Nievas I, Gamondi H I B O, Stella C A.
Determination of the pKa value of Phenolphtphalein by Means of Absorbance Measurements. Creative
Education. 2010; 1:130-3.
5. Bamoniri A, Pourali A R, Nazifi S M R. Facile Synthesis of 1-naphtol Azo Dyes With Nano
SiO2/HJO4 Under Solvent-Free Conditions. Bull Chem Soc Ethiop. 2013; 27(3):439-45.
6. Bulut V N, Duran C, Gundogdu A, Soylak M, Yildirim N, Tufekci M. A Trialoze Derivates as
New Acid-Base Indicator. Bull Chem Soc Ethiop. 2012; 24(3):457-60.
7. Chakraborty A, Saha P K, Datta C. Synthesis and Application of Azo-Naphtol Dyes on Wool,
Silk and Nylon Fabrics. 7th
International Conference. 2010.
8. Chen X, Li F, Asumana C, Yu G. Extraction of soluble dyes from aqueous solutions with
quaternary ammonium-based ionic liquids. Separation and Purification Technology. 2013; 106:105–9.
9. Chermahini A N, Doukheh M, Hassan H Z, Bostanian M. Application of modified clays in
diazotization and azo coupling reactions in water. Journal of Industrial and Engineering Chemistry.
2012; 18:826–33.
10. Dabbagh H A, Teimouri A, Chermahidini N A. Green and efficient diazotization and diazo
coumpling reaction on clays. Dyes and Pigments. 2007; 73:239-44.
11. Diazotisation. Azo Coupling. Prieiga per internetą: <www.organic-chemistry.org>.
12. Dixit B C, Patel H , Dixit R B, Desai D J. Synthesis, characterization and dyeing assessment of
novel acid azo dyes and mordent acid azo dyes based on 2-hydroxy-4-mrthoxybenzophenone on wool
and silk fabrics. J Serb Chem Soc. 2010; 75(5):605-14.
13. Ebead Y H. Spectrophotometric investigations and computational calculations of prototropic
tautomerism and acidebase properties of some new azo dyes. Dyes and Pigments. 2011; 92:705-13.
14. Frid Petrea, Anisimov S V, Popovic N. Congo red and protein aggregation in
neurodegenerative diseases. Brain Research Reviews. 2007; 53(1):135-60.
15. Garel L, Saint-Jalmes L. One-pot fluoro-de-diazoniation of anilines in organic medium.
Tetrahedron Letters. 2006; 47:5705-8.
45
16. Hamidian H. Synthesis of Novel Compounds as New Potent Tyrosinase. BioMed Research
International. 2013; 1-7.
17. Hanusek J, Macha´cek V, Lyčka A. Reaction of 2-naphtol with substituted benzenediazonium
salts in [bmim][BF4]. Dyes and Pigments. 2007; 73:326-31.
18. Hunger K, editor. Industrial Dyes: Chemistry, Properties, Applications [online]. Germany:
WILEY-VCH Verlag GmbH & Co; 2003.
19. IB chemistry syllabus and notes. Indicators. Prieiga per internetą: <
http://ibchem.com/IB/ibnotes/full/aab_htm/18.6.htm>.
20. Islamoglu F, Çolak E, Bal E. Determination of pKa Values of Some New Triazole Derivates
Using Different Methods. Rev Chim. 2013; 64(1):31-7.
21. Juster N J. Color and Chemical Constitution. Journal of Chemical Education. 1962;
39(11):596-601.
22. Kumar A, Pandey R, Gupta R K, Pandey D S. Fluorescent azophenol-quinazoline dyad as
multichannel reversible pH indicator in aqueous media: an innovative concept on diazo based dyads.
Tetrahedron Letters. 2013; 54:6164-7.
23. Kumar P S, Ghosh G, Rout S K, Paul D. synthesis and antimicrobial evaluation of some novel
4-hydroxy coumarin derivatives bearing azo moiety. RASÂYAN J Chem. 2013; 6(2):147-52.
24. Mastrorilli P, Nobile C F, Taccardi N. Chloride based ionic liquids as promoting agents for
Meerwein reaction in solventless conditions. Tetrahedron Letters. 2006; 47:4759-62.
25. Moitra J, Sammani S, Garcia J. Re-evaluation of Evans Blue dye as a marker of albumin
clearance in murine models of acute lung injury. Translational Research. 2007; 150(4):253-65.
26. Navid H Y. Gharanjig K, Arami M. Synthesis, characterization, and textile application of novel
disperse dyes. Progress in Color, Colorants and Coatings. 2013.
27. Noroozi-Pesyan N, Khalafy J, Malekpoor Z. Can be Azo Dyes Obtained by Grinding under
Solvent-free Conditions? Journal of the Chinese Chemical Society. 2009; 56:1018-27.
28. O'llah E, Rufchahi M. Synthesis of 6-chloro and 6-fluoro-4hydroxyl-2-quinolone and their azo
disperse dyes. Chinese Chemical Letters. 2010; 21:542-6.
29. Radu M, Chernoff J. An in vivo assay to test blood vessel permeability. J Vis Exp. 2013; 73.
30. Ramachary D B, Narayana V V, Ramakumar K. Direct ionic liquid promoted organocatalyzed
diazo-transfer reactions: diversity-oriented synthesis of diazo-compounds. Tetrahedron Letters. 2008;
49:2704-9.
31. Rathod K M, Thakre N S. Synthesis and Antimicrobial Activity of Azo Compounds Containing
m-Cresol Moiety. Chem Sci Trans. 2013; 2(1):25-8.
32. Reijenga J, van Hoof van Loon A, Teunissen B. Development of Methods for Determination of
pKa Values. Analitical Chemistry Insights. 2013; 8:53-71.
46
33. Shamsipur M, Maddah B, Hemmateenejad B, Rouhani S, Haghbeen K, Alizadeh K.
Multiwavelength spectrophotometric determination of acidity constants of some azo dyes.
Spectrochimica Acta Part A. 2008; 70:1-6.
34. Sulphuric Acid Concentration. Prieiga per internetą: <
http://www.jacobs.com/uploadedfiles/Products/Chemetics/Sulfuric%20Acid%20Concentration.pdf>.
35. Tsopelas C, Sutton R. Why Certain Dyes Are Useful for Localizing the Sentinel Lymph Node.
J Nucl Med. 2002; 43(10):1377-82.
36. Tundo P, Loris A, Selva Maurizio. Formation and reaction of diazonium salts in a CO2/H2O
system. Green Chem. 2007; 9:777-9.
37. Velasco M I, Kinen C O, de Ross R H, Rossi L I. A green alternative to synthetize azo
compounds. Dyes and Pigments. 2011; 90:259-64.
38. Zarei A, Hajipour A R, Khazdooz L, Mirjalili B F, Chermahini A N. Rapid and efficient
diazotization and diazo coupling reactions on silica sulfuric acid under solvent-free conditions. Dyes
and Pigments. 2009; 81:240-4.
39. Zhao R, Tan C, Xie Y, Gao C, Liu H, Jiang Y. One step synthesis of azo compounds from
nitroaromatics and anilines. Tetrahedron Letters. 2011; 52:3805–9.
40. Qiaoling Z, Youzhi L, Guangming L, Junping L. Preparation of p-Hydroxybenzaldehide by
Hydrolysis of Diazonium Salts Using Rotating Packed Bed. Chin J Chem Eng. 2011; 19(1):140-144.