Неводное титрование

Существование ионных пар  наряду с существованием нейтральных  молекул доказано кондуктометрическими, спектральными, рентгенографическими, ЯМР, тензиметрическими и другими методами.

ДОНОРНОЕ ЧИСЛО

При растворении вещества в том или ином растворителе выделяется или поглощается энергия. Калориметрические  измерения взаимодействия в дихлорэтане  ряда кислород- и некоторых азотсодержащих растворителей с пентахлоридом сурьмы дают представления о силе этого типа взаимодействия. Для количественной характеристики донорно-акцепторных растворителей, к которым относятся диполярные апротонные растворители, Гутманн использует так называемое донорное число -- безразмерную величину, численно равную энтальпии АН, взятой с обратным знаком, химической реакции взаимодействия в дихлорэтане кислород- и азотсодержащих растворителей с SbCl5 в качестве стандартного акцептора.

Донорные числа DN можно определить экспериментально. Они позволяют предсказать донорно-акцепторное взаимодействие, увеличение или уменьшение растворимости электролитов, образование несольватированных комплексных анионов, найти зависимость между донорным числом и сольватацией и т. д. Таким образом, они в какой-то степени отражают характер донорно-акцепторного взаимодействия электролита с растворителем. Но, разумеется, DN играют второстепенную роль по сравнению с другими параметрами неводных растворителей.

КОНСТАНТА АВТОПРОТОЛИЗА  РАСТВОРИТЕЛЯ

Многие растворители, применяемые в фармацевтической химии неводных растворов, подвергаются подобно воде автопротолизу.

Одни из молекул растворителя реагируют как кислоты, другие как  основания.

Катионы, образующиеся в  процессе самодиссоциации растворителей, ведут себя по отношению к сильным основаниям как кислоты, анионы по отношению к сильным кислотам -- как основания. Равновесие, устанавливающееся в процессе самодиссоциации растворителя, характеризуется константой автопротолиза Ks.

Кислотно-основное равновесие автопротолиза зависит от природы растворителя и его склонности к образованию водородных связей, от донорно-акцепторного характера, сольватирующей способности и т. д.

Показатель константы  автопротолиза, рК = --lgKs, служит мерой протяженности шкалы кислотности данного растворителя (для воды -- 14, для этанола -- 18,75, для диметилформамида -- 27,0, для ацетонитрила -- 33,3 и т. д.), представляющей собой предельный диапазон значений рН данного растворителя) от рН = 0 до РН, численно достигающего значения pКs.

С увеличением кислотности  одного и того же типа растворителя закономерно уменьшается его  рKs.

Растворители, отличающиеся наивысшими значениями pКs, как правило, не содержат атомов водорода, способных к диссоциации. По характеру непосредственного участия в процессах кислотно-основного взаимодействия они относятся к группе диполярных апротонных растворителей, характеризующихся ярко выраженным дифференцирующим действием в отношении солей, кислот и оснований.

Для определения констант автопротолиза применяют кондуктометрический и потенциометрический методы или их сочетание со спектрофотометрическим методом.

В литературе встречается  много работ, посвященных влиянию  сорастворителей на константу автопротолиза других растворителей.

Опыт показывает, что  добавление сорастворителей, рКs которых незначительно отличается от рКs разбавляемого растворителя, практически не изменяет константу автопротолиза среды. При большой разнице в значениях рКs смешиваемых растворителей константа автопротолиза изменяется.

В каждом отдельном случае константа автопротолиза смеси растворителей выражается уравнением, в состав которого входят соответствующие концентрации или активности ионов, определяемые из четырех взаимосвязанных уравнений протолиза данных растворителей

В общем случае для  смеси двух растворителей возможны пять различных ситуаций.

1. Кислотно-основные  свойства одного из растворителей  превалируют над таковыми сорастворителя. Это наблюдается при смешивании диполярных апротонных растворителей с протолити- ческими (например, метилэтилкетон + вода). В этом случае константа автопротолиза определяется ионным произведением протолитического растворителя.

2. Кислотно-основные  свойства двух растворителей  одинаковы. Это наблюдается при  смешивании растворителей одного  и того же класса химических  соединений (например, этанола с  пропанолом).

3. Смешаны основный растворитель с более кислым (например, метанол с этилендиамином).

4. Кислотные свойства  двух растворителей близки, а  основные свойства заметно различаются,  как это наблюдается при смешивании, например, трет-бутанола с ацетоном.

5. Основные свойства  растворителей близки, а кислотные  сильно различаются, как это  наблюдается при смешивании диметилсульфоксида с водой.

ПРЕИМУЩЕСТВА СМЕШАННЫХ  РАСТВОРИТЕЛЕЙ.

Смешанные растворители очень часто имеют ряд преимуществ  перед индивидуальными растворителями.

1. Одним из важнейших  преимуществ смешанных растворителей  является более высокая растворяющая  способность в отношении веществ,  плохо или совсем нерастворимых  в индивидуальных растворителях.

Вейбель отмечает, что растворимость веществ в различных растворителях зависит от полярности молекул растворителя и растворенного вещества. Полярные молекулы обычно более растворимы в полярных растворителях, чем в неполярных (какими являются эфир или углеводороды). Неполярные молекулы, как правило, лучше растворяются в неполярных растворителях. Растворимость в этаноле занимает промежуточное значение между растворимостью в эфире и воде.

Очень важно учитывать, что добавление нескольких процентов  воды к спирту или к некоторым  другим растворителям сильно изменяет растворимость многих веществ в  них. Необходимо помнить, в частности, что растворимость веществ в  абсолютном этаноле резко отличается от растворимости в 96%-ном спирте.

2. Сорастворители очень часто препятствуют образованию осадков или эмульсий, образующихся в процессе взаимодействия реагирующих веществ в гомогенных системах.

3. Подбором соответствующих  смесей растворителей можно изменять  в желаемую сторону нивелирующе-дифференцирующие свойства среды, в которой проводится дифференцирующее титрование смесей электролитов, и снижать вязкость растворителя, отличающегося высокими дифференцирующими свойствами, но непригодного для титрования из-за высокой его вязкости.

4. Добавки дешевых,  чаще всего инертных растворителей  к дорогостоящим растворителям,  отличающимся высокими дифференцирующими  свойствами, снижают расходы на  реагенты, улучшают эффективность  их использования, повышают точность  эксперимента, предотвращают протекание  побочных реакций.

1.3 Классификация и  некоторые свойства неводных  растворов

Деление растворов на водные и неводные вызвано в основном тем, что вода является наиболее часто  встречающимся в природе растворителем, способным растворять многие неорганические и органические вещества, и давно  применяется в практике и науке, в том числе и в фармацевтической химии. С развитием науки и  появлением новых методов химического  анализа наряду с водными растворами в практику фармацевтических исследований постепенно вошли неводные растворы, где растворителем в принципе может быть любое вещество, кроме  воды. Прежнее представление об особой, исключительной роли воды как растворителя постепенно сменилось пониманием того, что вода лишь один из многих полезных для фармацевтических целей растворителей, каждый из которых имеет свои достоинства  и недостатки, свою область применимости и неповторимые особенности.

 

Свойства неводных растворов  одного и того же вещества, очевидно, определяются природой и поведением неводных растворителей. Поэтому классификация  неводных растворов обычно базируется на характеристиках неводных растворителей. Жидкие неводные растворители можно  подразделить на:

 

o диэлектрики,

 

o полупроводники,

 

o ионные (проводники),

 

o электронные проводники.

 

Электропроводность  диэлектриков не превышает 10-8 Ом-1*м-1, у  полупроводников она лежит в  интервале от 1 до 10-8 Ом-1*м-1, у проводников  электропроводность обычно больше 1 Ом-1*м-1. Эта классификация, как и другие, разумеется, не лишена недостатков. Так, между диэлектриками, электронными и ионными проводниками нельзя провести четкой границы и известны неводные растворители и неводные растворы с промежуточными свойствами.

 

Электронные твердые  и жидкие проводники представляют собой, как правило, металлы и их сплавы. Мы их рассматривать не будем. Ограничимся  описанием тех из применяемых  в фармацевтической химии неводных растворов, которые можно приготовить  на основе либо ионных проводников, либо диэлектриков. Учитывая задачи фармацевтической химии и сложившиеся в этой области знания традиции, будем различать  растворы, полученные на основе:

 

o Кислых неводных растворителей,

 

o Основных неводных растворителей,

 

o Амфипротных неводных растворителей,

 

o апротонных растворителей, которые будем подразделять на полярные и неполярные.

 

Для решения задач  химического анализа, в частности, имеют значение следующие свойства неводных растворителей:

 

1. Иная, чем в воде  растворимость исходных реагентов  и продуктов химических реакций.  Например, в безводной серной  кислоте сульфат меди, образующийся  в ходе реакции, выпадает в  осадок. В водном растворе этого  не происходит, так как сульфат  меди в воде растворяется хорошо.

 

2. Другая чем в водных  растворах сила кислот и оснований.  Например, в водных растворах  НNО3 -- сильная кислота, СН3СООН -- слабая кислота, Н2S -- очень слабая кислота. В жидком аммиаке сила этих кислот различается несущественно.

 

3. Возможность протекания  таких реакций, которые не идут  в водной среде. Например, растворы  пентахлорида сурьмы в этилацетате проводят ток, так как при взаимодействии SbCl5 и СН3СООС2Н5 образуются ионы.

 

Многие реакции, медленно протекающие в водных средах или  не протекающие совсем, в тысячи раз ускоряются в некоторых неводных растворителях. В то же время выявлены многие общие реакции, характерные  как для водных, так и неводных растворов.

 

Например, известная  реакция окисления сероводорода иодом Н2S + I2 <> 2НI + S

 

протекает в водном растворе слева направо; в газопаровой  фазе в отсутствие растворителя идет в обратном направлении, в неводных растворителях, например в ССl4 и (С2Н5)2О, она не идет совсем.

 

Указанные особенности  неводных растворов позволили разработать  и внедрить в практику множество  новых методов химического анализа. В частности, выявилась возможность  дифференцированно титровать в  неводных средах многокомпонентные  системы, которые невозможно оттитровать  в водных растворах.

1.4 Общие сведения  о неводных растворителях

Круг проблем химии  неводных растворителей весьма обширен, а число таких растворителей  очень велико.

К неводным растворителям  относятся все растворители, кроме  воды

а) жидкие углеводороды и их галоген- и нитропроизводные, спирты, гликоли, простые и сложные эфиры, кетоны, безводные фтористоводородная, серная, жидкие карбоновые кислоты, их ангидриды и амиды, пиридин, нитрилы, цианистый водород, сероуглерод, сульфолан, пропиленкарбонат, метилцеллозольв, тетра-гидрофуран, трибутилфосфат и т. п.

б) сжиженные газы -- аммиак, диоксид серы, сероводород, нит- розилхлорид, тетраоксид азота и в принципе жидкий гелий, аргон, водород и др.

в) расплавленные соли и солевые смеси, преимущественно  галогениды, нитраты, сульфаты, карбонаты  металлов; расплавленные оксиды -- триоксид и пентаоксид фосфора и др.; легкоплавкие металлы -- натрий, калий, ртуть, сплав Вуда и др.

К наиболее многочисленной группе жидких неводных растворителей, широко применяемых в фармацевтической химии, относятся бензол, хлороформ, метанол, этанол, изопропанол, трет-бутанол, этилен- и пропиленгликоли и их эфиры, трибутилфосфат, ацетон и метилэтилкетон, муравьиная и уксусная кислоты, уксусный ангидрид, этилендиамин, пиридин, формамид, N,N-диметилформамид, N-метилпирролидон-2, гексаметилфосфортриамид, пропиленкарбонат, нитрометан, ацетонитрил и пропионитрил, диметилсульфоксид, хлорсульфоновая, фторсульфоновая, трихлор(фтор)уксусная кислоты, а также их смеси.

Многие неводные растворители, так же как и воду, очень трудно (а порой практически невозможно) получить в абсолютно чистом виде вследствие их чрезвычайно высокой  способности растворять самые разнообразные  органические и неорганические вещества. Поэтому даже растворители квалификации хч содержат незначительные количества примесей (побочные продукты синтеза растворителя, воду, кислоты, основания, диоксид углерода, кислород и др.). Однако умеренное содержание некоторых посторонних примесей во многих случаях не оказывает пагубного влияния на процесс анализа в неводных средах.

1.5 Классификация неводных  растворителей

Единой общепринятой классификации неводных растворителей  не существует. Обычно их классифицируют в зависимости от их природы, химических и физических свойств, назначения и  т. д.

В фармацевтической химии  наибольшее значение имеет классификация, основанная на признаках влияния  растворителя на свойства растворенного  вещества.

Разные авторы подходят к классификации растворителей  с различных позиций. Так, Денеш делит все растворители на 5 групп:

o апротонные инертные,

o дифференцирующие,

o кислотные,

o основные,

o смешанные растворители.

 

Однако такого рода классификация  не может быть оправдана. Она построена  не по единому признаку и не выявляет существенного различия между растворителями в зависимости от их протонно-донорно-акцепторных  свойств и влияния на относительную  силу растворенных в них электролитов. В этом отношении более предпочтительна  классификация Кольтгофа, хотя и она не лишена некоторых недостатков.

 

Глава американской школы  химиков-аналитиков Кольтгоф делит растворители на основе их кислотно-основных свойств на два класса: амфипротные (НБ) и апротонные (Б).