Индексы Ковача и нормальные температуры кипения алкилбифенилов
Индексы ковача и нормальные температуры кипения АЛКИЛБИФЕНИЛОВ
Корректность интерпретации результатов физико-химических исследований во многом зависит от наличия сведений о физико-химических свойствах рассматриваемых веществ. В плане экспрессного получения значительных массивов взаимосогласованных данных, несущих информацию о межмолекулярных взаимодействиях, немногие методы могут составить конкуренцию хроматографии.
В данной работе представлены результаты газохроматографических исследований, полученные нами для алкилбифенилов с использованием неподвижных фаз SE-30, OV-101 и ПЭГ-40М.
Анализ полученных нами и литературных [1] индексов Ковача АБФ сопровождается рис.1-3, где для различных гомологических групп представлена зависимость I>ov-101(ПЭГ-40М)>-100n (при 468 К) от числа атомов углерода (n) в молекуле, а также рис.4-8, иллюстрирующими изменение значений индексов Ковача при переходе от бифенила к моно-АБФ и далее - к ди-АБФ с различной ориентацией алкильных заместителей в ароматических ядрах. При анализе хроматографических данных речь идет, в первую очередь, о различии в энергиях взаимодействия с неподвижной фазой (НФ) алкилбифенилов (АБФ) и соответствующих н-алканов, поскольку во всех случаях последние использованы в качестве стандартного ряда.
Основным методом синтеза АБФ являлось алкилирование бифенила и его производных соответствующими олефинами на кислотных катализаторах. 2-, 4-АБФ и 4,4’-диАБФ синтезировали алкилированием бифенила в присутствии серной кислоты. 3-АБФ, 3,3’-, 3,5- и 3,4’-диАБФ были получены трансалкилированием между бифенилом и соответствующим алкилбензолом в присутствии апротонных кислот. После предварительной обработки алкилатов раствором бикарбоната натрия для удаления остатков кислоты из них выделялись индивидуальные изомеры многократной четкой ректификацией под вакуумом (P>ост>=0,6 кПа). Содержание основного изомера составляло не менее 75% масс. В качестве примесей в каждом случае присутствовали лишь сопутствующие изомеры. 4-АБФ и 4,4’-диАБФ имели концентрацию не ниже 99% масс.
Метилбифенилы были получены в результате изомеризации 4,4’-диметилбифенила и 2-метилбифенила в присутствии хлористого алюминия. 4,4’-диметилбифенил был получен из п-толуидина в результате следующих реакций: образование п-йодтолуола через реакцию диазотирования и взаимодействие соответствующей соли диазония с KI; конденсация п-йодтолуола в 4,4’-диметилбифенил по Ульману.
2-метилбифенил был получен из о-толуидина и анилина в результате реакции Гомберга-Бахмана.
4,4’-диметилбифенил и 2-метилбифенил имели концентрацию не ниже 98% масс.
Изомеризация смеси 4,4’-диметилбифенила и 2-метилбифенила производилась при температуре 81,4оС в реакторе с рубашкой, постоянную температуру обеспечивал кипящий в рубашке теплоноситель, в качестве которого был взят циклогексан.
Идентификация составляющих изомеризата выполнялась хроматографически, с ипользованием синтезированных по Гомбергу-Бахману смесей диметилбифенилов. Были получены смеси следующих составов: 2,2’-, 2,3’- и 2,4’-диметилбифенилы из толуола и о-толуидина; 2,3’-, 3,3’- и 3,4’-диметилбифенилы из толуола и м-толуидина; 2,3- и 3,4-диметилбифенилы из о-ксилола и анилина; 2,4- и 3,5-диметилбифенилы из м-ксилола и анилина; 2,6-диметилбифенил из п-ксилола и анилина.
Совокупность информации, приведенной на рис.1-3, показывает, что среди рассмотренных соединений наибольший энергетический выигрыш от взаимодействия с НФ имеет бифенил. При 468 К он эквивалентен (в шкале н-алканов) 217 единицам индекса Ковача в случае неполярной силиконовой неподвижной фазы OV-101 и 850 единицам - при взаимодействии БФ с полярной фазой ПЭГ-40М. Тенденция изменения I>ПЭГ-40М >с изменением температуры (см. табл.) свидетельствует о значимом положительном энтальпийном вкладе в энергию взаимодействия БФ с ПЭГ- увеличение температуры от 453 до 483 К приводит к увеличению индекса Ковача с 829 до 864.
Для изомерных моно-алкилбифенилов с одним и тем же типом замещения в молекуле бифенила энергетический выигрыш от взаимодействия с НФ снижается по мере перемещения БФ в глубь алифатической цепи алкильного заместителя.
Каждое из семейств гомологов представлено веерообразным набором зависимостей I>ov-101(ПЭГ-40М)>-100n от числа атомов углерода (n) в молекуле (с веером, раскрывающимся при увеличении n). Наибольший энергетический выигрыш в каждой гомологической группе имеет первый ее член, для которого алкильный заместитель относительно симметричен. Различие в значениях сорбционных характеристик первых членов гомологических групп и их изомеров минимально, по мере увеличения n до определенного предела оно возрастает, а далее - практически не меняется.
Сказанное является аргументом в пользу того, что широко используемые в аддитивных методах прогнозирования свойств веществ приемы введения постоянного инкремента для характеристики гомологической разности или единого парциального вклада для структурного фрагмента определенного типа следует применять с осторожностью, особенно при распространении значений, полученных для первых членов гомологического ряда, на весь ряд.
Энергия взаимодействия моно-алкилбифенилов с НФ существенным образом связана с положением алкильного заместителя в ароматическом ядре. Сведения, приведенные на рис.1-3, показывают, что наименьшие препятствия межмолекулярным взаимодействиям создают алкилбифенилы с пара-ориентированными алкильными заместителями.
Для 4-АБФ с линейными заместителями значение I>ov-101 >снижается всего на 10 единиц при переходе от БФ к пропилбифенилу, сохраняясь далее постоянным вплоть до децилбифенила. Таким образом, для данной гомологической группы увеличение размеров алкильного заместителя от С>3> и выше энергетически эквивалентно идентичному увеличению длины цепи н-алканов.
В случае ПЭГ -40М переход от БФ к н-октилбифенилу сопровождается монотонным снижением индекса Ковача от 850 до 785 при 468 К, дальнейшее увеличение размеров заместителя оказывается практически незначимым. Знак энтальпийной составляющей энергии сорбции АБФ сохраняется тем же, что и у БФ.
Уровень и тенденция изменения значений индексов Ковача вторичных 4- АБФ существенным образом зависят от положения арильного заместителя в алифатической цепи (рис.1). Для всех изомерных групп индексы Ковача уменьшаются в ряду:
н-АБФ>метилалкил-БФ(МАБФ)> этилалкил-БФ(ЭАБФ)> пропилалкил-БФ(ПАБФ> бутилалкил-БФ(БАБФ),
причем наибольшее изменение свойственно первому переходу в случае обеих из рассмотренных неподвижных фаз. Положение арильного заместителя в алифатической цепи отражается и на “скорости” затухания влияния числа атомов углерода в заместителе на сорбционные свойства 4-АБФ. Во всех изомерных группах нелинейность в изменении сорбционных характеристик сохраняется вплоть до децилбифенилов, при этом энергия взаимодействия АБФ с неподвижной фазой снижается эквивалентно 100 (185) единицам I>ov-101 >(I>ПЭГ-40М>) для МАБФ, 140 (255) - для ЭАБФ, 160 (280) - для ПАБФ и 170 (300) - БАБФ.
Третичные 4-АБФ представлены всего одним соединением - 4-третбутил-бифенилом (4-ТББФ), которое имеет I>ov-101 >на 10 единиц более низкий по сравнению с изомерным 4-метилпропил-БФ(4-МПБФ), в то время как их I>ПЭГ-40М> взаимно практически равны (см. табл.).
Общая тенденция в изменении индексов Ковача 3-АБФ аналогична таковой для 4-АБФ при более низком уровне значений I>ov-101 >(I>ПЭГ-40М>) 3-АБФ по сравнению с изомерными им 4-АБФ той же гомологической группы. Однако снижение энергии взаимодействия 3-пропилгексил (ПГс)- и 3-бутилгексил (БГс)-БФ с неполярной НФ исчерпывает весь резерв, созданный незамещенным бифенилом - величина I>ov-101>-100n для этих веществ становится отрицательной (рис.2). Индекс Ковача 3-ТББФ также имеет более низкое значение, чем 3- МПБФ, причем это свойственно обеим НФ (см. табл.).
Группа 2-АБФ характеризуется столь низкими значениями энергий взаимодействия с НФ, что уже первичные АБФ с числом углеродных атомов в заместителе 10 практически исчерпывают весь резерв, созданный бифенилом при взаимодействии его с OV-101 (рис.3). В случае вторичных АБФ это происходит, начиная с бутил-БФ. Важно отметить и то, что во всем диапазоне рассмотренных n сохраняется нелинейность изменения и закономерное снижение значений I>ov-101>-100n (I>ПЭГ-40М>-100n). То есть, увеличение размеров алкильного заместителя в любой из гомологических групп 2-АБФ не эквивалентно аналогичному увеличению числа атомов углерода в н-алканах. Это свидетельствует о значимом влиянии весьма удаленных фрагментов в алкильных заместителях на межмолекулярные взаимодействия 2-АБФ как с неполярными, так и с полярными НФ.
Анализ изменения индексов Ковача с увеличением степени насыщения ароматических ядер алкильными заместителями - при переходе от БФ к моно-АБФ и от последних к ди-АБФ - иллюстрируется рис.4-8. Более полная информация по данному вопросу содержится в таблице.
Совокупный экспериментальный материал позволяет заключить, что указанные соотношения наиболее просты для АБФ с малыми размерами алкильного заместителя. В группе метилбифенилов (МБФ) переход от бифенила к моно- МБФ и от последних к ди-МБФ близок к аддитивному для 4,4’-, 3,3’-, 3,4’-, 2,4’-, 3,5-, 2,4- и 2,5-ди-МБФ при взаимодействии их как с неполярной, так и полярной неподвижными фазами (рис.4).
Присутствие двух метильных заместителей в соседних положениях ароматического ядра увеличивает - по сравнению с аддитивным - значение индекса Ковача, а значит и энергии межмолекулярного взаимодействия ди-МБФ с НФ различной полярности. Для индексов Ковача 2,3- и 3,4-ди-МБФ отклонение от аддитивной величины составляет 25-39 единиц. Природа этого явления, вероятно, идентична “ксилольному эффекту”, проявляющемуся в хроматографических характеристиках [1] и энергетических свойствах [2] метилзамещенных ароматических соединений, и сопряженному со значимым вкладом в давление насыщенного пара веществ полярной составляющей 1,2-диметилбензолов и подобных структур.
Присутствие метильного и фенильного заместителей в соседних положениях ароматического ядра снижает индекс Ковача более чем на 100 единиц. Введение второго метильного заместителя в орто-положение молекулы бифенила сопровождается положительным отклонением индекса Ковача от аддитивного значения. Это, по всей вероятности, является следствием того, что двугранный угол между ароматическими ядрами раскрывается более интенсивно при введении первого метильного заместителя в орто-положение молекулы бифенила, нежели при переходе от 2-МБФ к 2,6-ди-МБФ или 2,2’-ди-МБФ. Обращает на себя внимание большее значение индекса Ковача 2,6-ди-МБФ по сравнению с 2,2’-ди-МБФ. Аналогичный эффект отмечали Киселев и др. [3] в условиях адсорбционной хроматографии метилбифенилов на графитированной саже при 513 К. По их оценкам внутренняя энергия адсорбции 2,6-ди-МБФ составляет - 67 кДж/моль, а 2,2’-ди-МБФ - 60 кДж/моль. Причина тому может быть двоякой - это частичное перекрытие поверхностей метильных групп в молекуле 2,2’-ди-МБФ, что уменьшает суммарную поверхность межмолекулярного взаимодействия, и большее раскрытие указанного двугранного угла в 2,2’-ди-МБФ по сравнению с 2,6-ди-МБФ, что также создает проблемы межмолекулярному взаимодействию. Вполне вероятно, что оба эффекта оказываются значимыми в условиях ГЖХ.
Увеличение размеров и разветвленности алкильных заместителей приводит к сокращению размеров группы изомеров, подчиняющихся аддитивному изменению индексов Ковача при переходе от БФ к моно- и ди-АБФ. В случае этилбифенилов (ЭБФ) к аддитивному приближению близки 3,3’-, 3,4’- и 4,4’-ди-ЭБФ (рис.5). Индекс Ковача 3,5-ди-ЭБФ на 14 и 36 единиц ниже аддитивного значения для неполярной и полярной НФ соответственно. То есть присутствие двух этильных заместителей в одном ароматическом ядре снижает энергию межмолекулярного взаимодействия ЭБФ.
Для изопропилбифенилов (ИПБФ) аддитивное приближение применимо только к индексам Ковача 3,4’- и 4,4’-ди-ИПБФ на неполярной НФ и 3,3’-ИПБФ на полярной НФ (рис.6). Снижение энергии межмолекулярного взаимодействия с участием 3,5-ди-ИПБФ эквивалентно 50-60 единицам индекса Ковача.
Увеличение размеров вторичного алкильного заместителя приводит к неаддитивности изменения индексов Ковача во всех структурных группах. При этом меняется и направленность эффектов. Так, в случае вторичных бутилбифенилов (МПБФ) индекс Ковача 3,5-ди-МПБФ снижается против аддитивного на 70 и 100 единиц для неполярной и полярной НФ соответственно, 3,3’-ди-МПБФ - на 20-18 единиц, а 3,4’- и 4,4’-ди-МПБФ увеличиваются на 5-9 и 16-11 единиц (таблица).
Увеличение разветвленности алкильного заместителя снижает энергию межмолекулярного взаимодействия структур с мета-ориентацией заместителей. Для третбутилбифенилов (ТББФ) этот эффект достигает максимума в случае 3,5-ди-ТББФ и эквивалентен 84-136 единицам индекса Ковача (рис.8). Для 3,3’-ди-ТББФ понижающий эффект составляет 20-40 единиц. 4,4’-ди-ТББФ при взаимодействии с неполярной НФ имеет даже некоторый энергетический выигрыш, эквивалентный 13 единицам индекса Ковача. Аналогичное поведение свойственно и другим 4,4’-ди-АБФ (таблица).
Результаты приведенного анализа могут служить опорой при формировании оптимальных подходов к прогнозированию свойств алкилбифенилов, зависящих от межмолекулярных взаимодействий, а также аргументами “за” или предостережением “против” перенесения выявленных в термодинамических исследованиях закономерностей из одной системы в другую.
Литература
1. Вигдергауз М,С., Семенченко Л.В., Езрец В.А., Богословский Ю.Н. Качественный газохроматографический анализ. М.: Наука, 1978, с.220.
2. Дашевский В.Г. Конформационный анализ органических молекул.-М.: Химия, 1982, с.111-171.
3. Киселев А.В., Пошкус Д.П., Яшин Я.И. Молекулярные основы адсорбционной хроматографии.-М.: Химия, 1986.-С.139, 156.