3,3'-замещенные трифенилметановые красители в качестве кислотно-основных индикаторов

 

Изобретение относится к аналитической химии, конкретно, к 3,3¹-замещенным трифенилметановым красителям, которые могут быть использованы в титриметрическом анализе в качестве кислотно-основных индикаторов. Новые 3,3'-замещенные трифенилметановые красители представлены формулой I, где R₁ - остаток 6-аминопенициллановой кислоты или антраниловой кислоты, R₂ - хлор или водород, в качестве кислотно-основных индикаторов с рТ вблизи рН 7. Технический эффект заключается в получении новых индикаторов с улучшенными свойствами, с рТ вблизи рН 7 и возможности использования их при определении содержания слабых кислот и оснований и их солей с минимальной ошибкой титрования. 1 табл.

(I)

Изобретение относится к аналитической химии, конкретно к 3,3'-замещенным трифенилметановым красителям, проявляющим свойства индикаторов, которые могут быть использованы в титриметрическом анализе в варианте кислотно-основного.

Наиболее близким по структуре к предложенным соединениям являются фталексон S, бромфталексон S' и др., которые используются в качестве индикаторов. Получают их по реакции Манниха (Черкесов А.И. Сб. Фталексоны. -Саратов: Саратов. пед. ин-т, 1970; Бусев А.И. Синтез новых органических реагентов для неорганического анализа. -М.: МГУ, 1972).

Недостатками известных фталексонов являются высокая гигроскопичность, высокая себестоимость, большое значение по абсолютной величине pH 7 - pT, где pT - показатель титрования индикатора, который равен pT = -lgK, где K - константа диссоциации индикатора.

Близким по структуре к предложенным соединениям является фенолфталеин-кислотно-основной индикатор, традиционно применяемый в титриметрическом методе анализа.

Недостатками фенолфталеина являются высокие значения pT и интервала перехода окраски. Являясь одноцветным индикатором, он удобен в алкалиметрии, но не в ацидиметрии. Титрование слабых органических кислот, оснований и их солей в присутствии фенолфталеина вносит в результат индикаторную ошибку титрования.

Технический эффект заключается в изыскании новых веществ с улучшенными свойствами, обладающих малым значением возможности использования их при определении содержания слабых кислот и оснований и их солей с минимальной ошибкой титрования.

Сущность изобретения заключается в получении новой химической структуры 3,3'-замещенных трифенилметановых красителей, которая выражается общей формулой (I), где R₁ - остаток 6-аминопенициллановой кислоты или остаток антраниловой кислоты; R₂ - хлор или водород. Указанные соединения общей формулы (I) получают конденсацией хлорфенолового красного (хлорфенолсульфофталеина) или фенолового красного (фенолсульфофталеина) с избытком формальдегида и аминами- антраниловой кислотой или 6-аминопенициллановой кислотой в уксуснокислой среде при температуре не выше 40^oC.

Так, 3,3'-бис-{(2-карбокси-3,3-диметил-7-оксо-4-тиа-1-азабицикло [3,2,0] гептил)-6-аминометил} -фенолсульфофталеин (P₁) получают взаимодействием фенолового красного с избытком 6-аминопенициллановой кислоты в присутствии формальдегида при 38 ± 2^oC. Выделение готового продукта осуществляют ацетоном.

3,3'-бис-(2-карбоксифениламинометил)-5,5-дихлорфенолсульфофталеин (P₂) синтезируют взаимодействием хлорфенолового красного с антраниловой кислотой в присутствии формальдегида при 38 ± 2^oC. Выделение готового продукта осуществляют ацетоном.

Пример. Получение P₁. В трехгорлую колбу емкостью 300 мл, снабженную механической мешалкой, обратным холодильником, капельной воронкой, помещают 13 г 6-аминопенициллановой кислоты (0,06 моль), 15 мл 40% раствора гидроксида натрия и после перемешивания добавляют 50 мл ледяной уксусной кислоты.

К мутному раствору 6-аминопенициллановокислого натрия прибавляют 7,0 г фенолового красного (0,02 моль). Некоторое время смесь перемешивают при комнатной температуре до растворения фенолового красного и прибавляют 6 мл 40% раствора формалина. Смесь нагревают в термостате при температуре 38 ± 2^oC в течение двух недель.

Реакцию считают законченной, если изобутиловые экстракты не окрашиваются в желтый цвет, что показывает отсутствие исходного фенолового красного.

После окончания реакции конденсации черную реакционную массу фильтруют через плотный бумажный фильтр в 500 мл сухого ацетона. P₁ выпадает в виде ярких оранжевых хлопьев. Осадок фильтруют через фильтр-тигель Шота N 4, промывают сухим ацетоном, сушат в вакуум-эксикаторе при комнатной температуре. Очистку проводят растворением препарата в минимальном количестве ледяной уксусной кислоты и высаживанием сухим ацетоном. Очистку проводят два раза. Выход 80%. Полученное вещество является натриевой солью P₁, представляет собой оранжевый порошок, хорошо растворимый в воде. Результаты элементного анализа: найдено, %: N 6,51; вычислено, %: N 6,73.

Пример 2. Получение P₂. В колбу, снабженную обратным холодильником, капельной воронкой и механической мешалкой, помещают 8,2 г (0,06 моля) антраниловой кислоты, 15 мл 40% раствора гидроксида натрия и после перемешивания 50 мл ледяной уксусной кислоты. К полученному раствору прибавляют 8,5 г (0,02 моля) хлорфенолового красного. Некоторое время смесь перемешивают при комнатной температуре до растворения реактива и прибавляют 6 мл 40% раствора формалина (0,06 моля), ~12 г гидроксида натрия (установлено экспериментально).

Смесь нагревают при температуре 38 ± 2^oC в течение недели. Темную реакционную массу фильтруют через неплотный бумажный фильтр в 500 мл сухого ацетона, конечный продукт выпадает в виде хлопьев. Осадок фильтруют через стеклянный фильтр-тигель N 4, промывают на фильтре несколько раз ацетоном, сушат в вакуум-эксикаторе при комнатной температуре.

Очистку проводят растворением препарата в минимальном количестве ледяной уксусной кислоты, фильтрованием и осаждением ацетоном, сушкой осадка в вакуум-эксикаторе. Двукратной перекристаллизации достаточно для получения чистого препарата; выход 68%. Полученное вещество является натриевой солью P₂, представляет собой красный порошок, хорошо растворимый в воде. Результаты элементного анализа, %: C 57,00; H 3,38; N 3,50; вычислено, %: C 56,53; H 3,36; N 3,77.

В источнике Черкесов А.И. Сб. Фталексоны. - Саратов: Саратов. пед. ин-т, 1970 описаны синтезы фталексонов, проведенные при температуре 58, 60-70, 90-100^oC, но при этом получаются семифталексоны (2).

Если же синтез вести при температуре не выше 40^oC, как в предлагаемом решении 38 ± 2^oC, то образуется нормальный фталексон структуры (1). Следовательно, P₁ и P₂ имеют структуру (1), что подтверждают заявляемые исследования.

Ввиду сложности молекул красителей ИК-спектры могут дать лишь приближенную качественную характеристику наличия некоторых связей и групп в молекуле. Полосы поглощения 3700-3000 см^-1, 1300-1100 см^-1 вызваны участием связей =N-H и , соответственно, в скелетных колебаниях атомов в молекуле. Появление этих полос поглощения подтверждает присоединение 6- аминопеницилланового и о-карбоксибензоламинометиленного остатков к молекулам трифенилметановых красителей.

Исследуемые красители представляют собой слабые многоосновные кислоты. Отщепление протонов от молекул фталексонов сопровождается изменением спектров светопоглощения. Для изучения форм состояния реагентов было исследовано светопоглощение их водных растворов в ультрафиолетовой и видимой области спектра в широком интервале кислотности от 30 н. раствора H₂SO₄ до 10 н. раствора NaOH.

Большое сходство положения спектральных линий фталексонов указывает на одинаковую природу сопряженной системы. В процессе протонизации объектом атаки протона является кислород хиноидного кольца, азот аминных групп. В видимой части спектра растворов протонированных форм реагентов наблюдается батохромный сдвиг полосы поглощения относительно молекулярной формы.

В видимой области характер светопоглощения фталексонов вступает в определенную зависимость от величины pH. При переходе от кислых к щелочным средам в ближнем ультрафиолете наблюдается понижение интенсивности светопоглощения (гипохромный эффект) в максимуме спектральной кривой фталексона, доходящее до минимума при pH 14. Одновременно в области длин волн 500-600 нм происходит увеличение интенсивности светопоглощения (гиперхромный эффект) в максимуме спектральной кривой, доходящее до предельного значения при pH 14.

Ионные формы фталексонов, т.е. несущие заряд (независимо положительный ли в сильнокислой среде или отрицательный в щелочной), обнаруживают батохромный сдвиг самой интенсивной длинноволновой полосы светопоглощения относительно молекулярной формы. Это объясняется полной делокализацией электронов сопряженной системы молекулы фталексона в сильнокислой и щелочной среде и отсутствием таковой в молекулярной форме.

Наличие отрицательного заряда на одном конце сопряженной системы и несвязанной пары электронов хиноида на другом ее конце обуславливает наиболее полную делокализацию π-электронов в щелочной области. Этим можно объяснить тот факт, что максимум спектра поглощения фталексона в щелочной среде расположен в области более длинных волн, чем максимум спектра поглощения его в сильнокислой среде.

Спектры аниона и молекулы, молекулы и протонированной формы фталексонов перекрываются и проходят через изобестические точки, где коэффициенты светопоглощения обеих форм равны соответственно.

Как известно, спектры светопоглощения интерпретируются с помощью электронных переходов, которые происходят между энергетическими уровнями. Сложный контур полос светопоглощения фталексонов свидетельствует о том, что они включают несколько электронных переходов. Отличие в положении максимумов спектра соответствует разностям энергии электронных уровней возбужденного состояния молекулы.

Фталексоны, содержащие фенильные группы, сопряженные с другими хромофорами, можно отнести к классу ароматических соединений. Для простейшего представителя этого класса - незамещенного бензола - характерны три максимума в спектре светопоглощения: два из них обладают высокой интенсивностью поглощения, интенсивность светопоглощения третьего максимума невелика (Штерн Э. , Тимонс К. Электронная абсорбционная спектроскопия в органической химии. - М.: Мир, 1974).

Молекула фталексона сходна с молекулой трифенилметана скелетом атомов, но у фталексона фенильные кольца группируются вокруг центрального атома углерода, а не метиленовой группы, как у трифенилметана, что обуславливает наличие у фталексона сопряжения между двумя фенильными кольцами. Присутствие карбонильного и гидроксильного заместителей в п-положении к центральному углеродному атому еще более удлиняет сопряженную систему. У бифенила в сопряжении находится цепочка из восьми атомов, у фталексона - из двенадцати.

Наличие в молекуле фталексона длинной цепи сопряжения двойных связей, оканчивающейся хромофорами (=O, -OH) ("усы" 6-аминопеницилланового и о-карбоксибензоламинометиленного остатков не входят в сопряжение и не оказывают существенного влияния на спектр поглощения реагента), способствует увеличению оптической плотности и смещению максимумов спектра поглощения в сторону больших длин волн по сравнению с максимумами в спектре бензола.

Максимумы полос поглощения фталексонов сдвинуты в длинноволновую область и имеют более высокую интенсивность светопоглощения по сравнению с бензольными, что объясняется, вероятно, сопряжением двух хромофоров (бензольных ядер), а также наличием p---> π-сопряжения за счет неподеленных электронных пар карбонильного кислорода фенильного кольца. p---> π-Сопряжение может быть подавлено путем связывания неподеленной электронной пары и исключения ее из p---> π-взаимодействия. Например, при подкислении интенсивность полос падает, при подщелачивании - возрастает, что подтверждает участие электронных пар в соответствующих переходах. Сопряжение способствует понижению интенсивности светопоглощения вследствие увеличения поперечного сечения электронной системы (Свердлова О.В. Электронные спектры в органической химии. -М. : Мир, 1974).

В щелочной среде сопряженная система фталексона имеет структуру, близкую к транс-конфигурации (условно) (A). В слабо кислых и нейтральных средах транс- конфигурация относительно кратной связи центрального углеродного атома заменяется цис-конфигурацией (B) вследствие появления водородного мостика между атомом водорода бетаиновой группы и хиноидным кислородом (молекула ассиметрична). Расстояние k между конечными хромофорами цепи сопряжения уменьшается. Появление цис-конфигурации обуславливает: 1) понижение интенсивности характеристической (высокоинтенсивной) полосы с λ_макс= 500-600 нм, 2) гипсохромный сдвиг и увеличение интенсивности коротковолновой цис-полосы с λ_макс светопоглощения молекулярной формы фталексона.

Пространственные препятствия, возникающие в молекулах P₁ и P₂ вследствие замены в известных фталексонах -CH₂-N(CH₂COOH)₂ и -CH₂-NH(CH₂COOH) групп на остатки 6-аминопенициллановой и антраниловой кислот оказывают влияние на спектры поглощения. Заместители, непосредственно не входящие в сопряжение, отталкиваясь друг от друга, по-видимому, раздвигают фенильные кольца, уменьшая электронную плотность в цепи сопряжения, облегчая электронные переходы.

Структура сопряженной системы P₁ и P₂ в щелочной среде поддерживается близкой к транс-конфигурации, по-видимому, с большей величиной k, чем у известных фталексонов. Введение электроотрицательного заместителя (Cl) в о-положение к гидроксильной и карбонильной группам фенильных колец сопряженной системы батохромно и гиперхромно сдвигает длинноволновую спектральную полосу светопоглощения P₂ по сравнению с фталексонами, не содержащими Cl-заменителей.

Для изучения равновесий между различными ионными формами фталексонов была исследована устойчивость окраски растворов реагентов от времени и кислотности среды. Установлено, что при высоких концентрациях кислоты (>30 в раствор H₂SO₄) оптическая плотность резко возрастает, по-видимому, вследствие осмоления реагента; в сильнощелочной среде (>10 в раствор NaOH) окраска ослабляется, что объясняется образованием карбинольной формы (Индикаторы. T. 1. Под ред. Э.Бишопа. -М.: Мир, 1976) трифенилметанового красителя. В интервале pH от 1 до 14 окраска устойчива во времени (оптическая плотность не менялась в течение часа).

Для проверки обратимости процесса перехода одной формы реагента в другую свежеприготовленный 1•10^-5 М раствор реагента в 1 М растворе H₂SO₄ медленно нейтрализовали 1 М раствором NaOH. Спектр полученного раствора совпадал со спектром раствора фталексона при pH 7. Об обратном процессе перехода одной формы реагента в другую свидетельствуют одинаковые величины молярных коэффициентов светопоглощения при pH 7.

P₁ и P₂ резко меняют окраску в водных растворах при добавлении небольших количеств кислоты или щелочи в зависимости от pH среды. Окраска молекулярной (желтая) и ионной (красная) форм контрастно отличается друг от друга. Это дает возможность применять реагенты в титриметрическом анализе в варианте кислотно- основного в качестве индикаторов при добавлении двух-трех капель 0,1% раствора на каждые 10 мл анализируемого раствора.

Процесс ионизации молекул фталексонов заключается в последовательном отрыве протонов водорода. В зависимости от [H⁺] будет преобладать та или иная форма органического реагента при одновременном наличии других форм, но с меньшей концентрацией. Зная константы такого равновесия, можно сделать вывод о формах реагентов при соответствующих pH.

В растворах P₁ и P₂ установлено существование ряда окрашенных форм. Ступенчатые константы ионизации фталексонов рассчитывали спектрофотометрически и потенциометрически.

Протонизация красителей происходит в сильнокислой среде, поэтому константы протонизации были определены с использованием функции кислотности Гаммета. Величины кажущихся констант (они же оказались истинными, так как экстраполяция констант, рассчитанных в растворах с μ = 0,6; 0,3; 0,1 на раствор с μ = 0, не изменила их значения) ионизации фталексонов рассчитывали методами Хона, Ирвинга, Эдвардса (Альберт А.,Сержент Е. Константы ионизации кислот и оснований. -М. -Л.: Химия, 1964). Для расчета близких по значению констант привлекали специальный метод Анно и Саде (Anno T., Sado A. Bull. Chem. Soc. Japan, 29, 1956, с. 620 - 625).

Интервал перехода окраски индикаторов P₁ и P₂ определяли потенциометрически методом прямого и обратного кислотно-основного титрования с фиксированием величины pH раствора в момент заметного изменения окраски. Средние значения pH₁/2 инд, найденные спектрофотометрически и визуальным титрованием, совпадают. Основные характеристики реагентов приведены в таблице.

P₁ и P₂ меняют окраску как кислотно-основные индикаторы вблизи pH 7. Таких индикаторов сравнительно мало. Например, широко известный лакмус. Но его кислотная и щелочная формы хотя и различаются контрастно по цвету, но интенсивность окраски настолько мала, что его практически для титрования не используют.

При определении кислотности и щелочности, например, пищевого сырья и продуктов, содержащих слабые органические кислоты и основания и их соли, используют фенолфталеин (pT 9) или метиловый оранжевый (pT 4). Но с ними анализируемый раствор перетитровывают, добавляя некоторый избыток титранта. Использование же P₁ или P₂ поможет более точно осуществить процесс титрования визуально, особенно, когда концентрация компонентов мала (меньше 10^-1 M).

Известно, что pT кислотно-основного индикатора, отвечающий точке конца титрования, как правило, не совпадает с pH раствора в точке эквивалентности. Это вызывает индикаторную ошибку титрования. Вследствие несовпадения pT выбранного индикатора и pH титруемого раствора в точке эквивалентности раствор обычно либо несколько перетитровывают, либо недотитровывают. Если титруют сильные кислоты и основания, то ошибка, вызываемая избытком H⁺-ионов, называется водородной ошибкой. Она возникает, если значение pT меньше, чем pH в точке эквивалентности. Если pT больше, чем pH в точке эквивалентности, то ошибка называется гидроксильной, OH^-- ошибкой. Если титруют слабые кислоты и основания, когда кислота и основание присутствуют практически в неионизированной форме, то рассчитывают кислотную ошибку или HAn-ошибку и основную ошибку или MeOH-ошибку.

Рассчитываем ошибки кислотно-основного титрования с применением в качестве индикатора P₁ и P₂ в сравнении с известными метиловым, оранжевым и фенолфталеином.

Пример 1. Титруем 100 мл 0,01 н. раствора CH₃COOH 0,01 н. раствором NaOH: CH₃COOH + NaOH = CH₃COONa + H₂O.

Решение. В точке эквивалентности образуется соль CH₃COONa, pH которой рассчитывают по формуле: а) титруют с P₁. Так как в точке эквивалентности pH 8,17, а pT для P₁ равен 6,92, то раствор будет содержать избыток CH₃COOH. Возникает HAn-ошибка:
HAn-ошибка = 10^4,76-6,92 = 0,0068,
б) титруют с P₂. Так как в точке эквивалентности pH 8,17, а pT для P₂ равен 7,16, то раствор содержит избыток кислоты:
HAn-ошибка = 10^4,76-7,16 = 0,004,
в) титруют с метиловым оранжевым. Так как титрование с метиловым оранжевым заканчивают при pH 4, то по окончании титрования в растворе будет присутствовать неоттитрированная CH₃COOH
HAn-ошибка = 10^4,76-4 = 10^0,76 =5,7,
г) титруют с фенофталеином. Так как титрование с фенолфталеином заканчивают при pH 8, а pH в точке эквивалентности равен 8,17, то часть CH₃COOH окажется неоттитрованной:
HAn-ошибка = 10^4,76-8 = 10^-3,24 = 10^-4•10^0,76 = 0,00057.

Пример 2. Титруем 100 мл 0,01 н. раствора NH₄OH 0,01 н. раствором HCl: NH₄OH + HCl = NH₄Cl + H₂O.

Решение. В точке эквивалентности образуется соль NH₄Cl,

а) титруют с P₁
MeOH-ошибка = 10^{4,76+ 6,92 -14} = 0,0048,
б) титруют с P₂
MeOH-ошибка = 10^{4,76 +7,16 -14} = 0,0083,
в) титруют с метиловым оранжевым
,
г) титруют с фенолфталеином
MeOH-ошибка = 10^4,76+8-14 = 0,057.

Наименьшие ошибки при титровании наблюдаются с применением индикаторов P₁ и P₂.

Формула изобретения

3,3'-замещенные трифенилметановые красители общей формулы

где R₁ - остаток 6-аминопенициллановой кислоты или антраниловой кислоты;
R₂ - хлор или водород,
в качестве кислотно-основных индикаторов с рТ вблизи рН7.

РИСУНКИ

Рисунок 1