Получение и свойства аминиевых солей (1-гидроксиэтилиден)дифосфоновой кислоты

Органические амины различного строения широко представлены [1] в перечне фармацевтических препаратов. Переведение их в водорастворимое состояние достигается посредством реакций с протонными кислотами. Соли аминов широко используется в фармацевтической промышленности. N-Карбоксиметил-трис(гидроксиметил)аминометан (трицин) (HOCH2)3C-NH2+-CH2-COO-) известен [2] как буфер в биохимических исследованиях и комплексобразователь для многих катионов металлов, а также как эффективная ловушка [3] гидроксильных радикалов. Его аналог - N-карбоксиэтил-трис(гидроксиметил)аминометан (гомотрицин) (HOCH2)3C-NH2+-CH2CH2-COO-) используется [4] для связывания ионов TcO42- c целью последующего введения в живой организм в качестве радиоактивной метки. Аминиевые производные триэтаноламина и 2-метилфеноксиуксусной кислоты [HN(CH2CH2OH)3] +[CH3-C6H4-CH2COO]- «крезацин» и «трекре-зан» [5, 6] применяются в медицине и сельском хозяйстве. Известно несколько примеров приложений солей аминов в синтезе. Так, на основе 1-(3-аминопропил)силатрана и арил(гетарил)окси(сульфанил)уксусных кислот получены [7] ионные жидкости состава [N(CH2CH2O)3SiCH2CH2CH2NH3]+[RCOO]-. Ряд ионных жидкостей синтезирован из триэтаноламина и карбоновых кислот [8–10], из хлористоводородного диэтаноламина и хлоридов желе-за(Ш) и кобальта(И) [11]. Предложен [12] новый путь образования 1-хлорсилатрана N(CH2CH2O)3SiCl    через    взаимодействие    хлористоводородного    триэтаноламина

[HN(CH2CH2OH)3]+Cl- с тетрахлор-, винил- и фенилтрихлорсиланами. 1-Фторсилатран N(CH2CH2O)3SiF получен [13] из фтористоводородного триэтаноламина [HN(CH2CH2OH)3]+F- и тетраэтоксисилана Si(OEt)4. Фторхромат триэтиламиния предложен [14] в качестве мягкого, ста- бильного и дешевого окислителя на основе шестивалентного хрома. Синтезированы и изучены кристаллическая и молекулярная структура хлорида 1-(3-аминийпропил)силатрана [15] [N(CH2CH2O)3SiCH2CH2CH2NH3]+Cl–, сульфата трис(гидроксиметил)аминийметана [16] [(HOCH2)3C-NH3]2+[SO4]2–, моногидрата сульфита N-(гидроксиэтил)этилендиаминия [17] [HOCH2CH2NH2+CH2CH2NH3+][SO3]2–, трис(2-гидроксиэтил)аминиевой соли янтарной кислоты [18] 2[HN(CH2CH2OH)3]+[O(О)С-CH2CH2-C(O)O]2–.

Методы получения и свойства аминопроизводных простых протонных кислот хорошо изучены. В настоящей работе сделано обобщение полученных нами недавно результатов о способах получения и свойствах солей аминов (1-гидроксиэтилиден)дифосфоновой кислоты. Необходимость такого рода исследований была вызвана работами по нахождению способов увеличения растворимости в водной среде координационных соединений марганца, железа и кобальта, предназначенных к использованию в качестве микроудобрений.

Реакции (1-гидроксиэтилиден)дифосфоновой кислоты с аминами

Моноэтаноламин (МЭА), трис (гидроксиметил)аминометан (ТГМА) и морфолин (МФ) оказались удобными реагентами, резко увеличивающими растворимость малорастворимых комплек-сонатов металлов. Пара -аминобензойная кислота (ПАБК) показала меньшую эффективность (схема 1).

OH

H 2 N

МЭА

OH

HO

C

^H 2 ^N

OH

ТГМА

H

N

O

ПАБК

МФ

Схема 1. Водорастворимые органические амины – промоторы растворимости комплексов

В синтезах координационных соединений использовалась четырехосновная промышленно доступная [19] (1-гидроксиэтилиден)дифосфоновая кислота (ОЭДФ, H 4 L):

O

CH3

O

HO P

C

P OH

HO

OH OH

ОЭДФ (H 4 L)

Органический амин присоединяется к комплексонату металла прежде всего за счет образования координационной связи между положительно заряженным атомом азота и анионом фосфоновой кислоты -Р(О)О^-…..+NH 3 CH 2 -. Находящиеся на противоположном конце молекулы гидрофильные группы –СОН способствуют переведению мало растворимого комплекса в водную фазу. Плохая растворимость координационных соединений, как известно [19], обусловлена прежде всего их полимерным строением. Увеличение растворимости может быть вызвано также сокращением молекулярной массы за счет разбиения молекул полимера промотором растворимости.

Органическая химия

Реакция с моноэтаноламином

В реакции ОЭДФ с МЭА выделено [20] кристаллическое соединение (рис. 1), которое по данным элементного анализа и РСА представляет собой тройную C(CH 3 )(OH)[P(O)O^– NH 3 ⁺CH 2 CH 2 OH] 3 [P(O)(OH)] (но не четверную) аминную соль.

0(41

Рис. 1. Структура трис (моноэтаноламиниевой) соли 1-(гидроксиэтилиден)дифосфоновой кислоты

Полученный результат представляется вполне логичным. Известные данные по константам диссоциации (рК а (1) = 1,70; рК а (2) = 2,47) позволяют отнести (1-гидроксиэтилиден)дифосфо-новую кислоту в целом к сильным кислотам [19]. Однако это справедливо только для двух первых стадий диссоциации. Постепенное ослабление кислотности на последних стадиях (рК а (3) = 7,28; рК а (4) = 10,29) является общеизвестной закономерностью для многоосновных кислот и служит причиной отсутствия координации четвертой молекулы моноэтаноламина с молекулой (1-гидроксиэтилиден)дифосфоновой кислоты.

На примере тетрагидрата трис (оксиэтилидендифосфоната) дижелеза(III) Fe 2 (H 2 L) 3 ∙4H 2 O была выполнена [20] проверка на возможность присоединения максимального количества молекул амина в безводной среде. В этом соединении присутствуют 6 свободных кислотных групп –Р(О)ОН, которые в принципе могут образовать 6 фрагментов аминной соли –P(O)O^–H 3 N⁺CH 2 CH 2 OH. Кроме того, МЭА, как более сильный нейтральный лиганд, может заместить 4 молекулы воды в координационном соединении железа. Таким образом, следовало ожидать, что максимальное количество его молекул, которое может присоединить одна молекула комплекса железа, составляет 10. Испытания показали, что при взаимодействии суспензии Fe 2 (H 2 L) 3 ∙4H 2 O с большим избытком МЭА (молярное соотношение 1:87) получается производное железа, содержащее 9 молекул амина Fe₂(H₂L)₃∙9H₂NCH₂CH₂OH. Недостающая до 10 одна молекула по-видимому отсутствует у одной из имеющихся шести групп –Р(О)ОН. Таким образом, органический амин может присоединиться (схема 2) и к катиону металла, и к оставшейся свободной группе кислоты –Р(О)ОН.

OCH

O   Fe2+ O P C   P OH + 2 H2NCH2CH2OH ►

HO  OHOH

OCH

_2+                   3

O   Fe²⁺  O P   C   P O H 3 NCH 2 CH 2 OH

HO OH OH

HOCH 2 CH 2 NH 2

Схема 2. Присоединение амина к комплексу железа

Реакция с трис(гидроксиметил)аминометаном

Характерной особенностью производных ОЭДФ и ТГМА является образование стекловидных и смолообразных продуктов. Взаимодействие этих реагентов [20] при молярном соотноше- нии 1:4 и 1:3 в различных органических растворителях (метиловом, этиловом спиртах, ацетоне, толуоле, диметилсульфоксиде) приводит к быстрому образованию белой суспензии соли ОЭДФ с ТГМА, которая уже в условиях реакции начинает превращаться в бесцветную вязкую смолу, оседающую на дно колбы. После отделения растворителя и нагревания до 70–80 °С вязкую смолообразную консистенцию сохраняет только продукт, выделенный из высококипящего ДМСО. В других растворителях получаются застывшие прочные твердые расплавы, с трудом отдирающиеся от стекла и размягчающиеся при нагревании до 100–120 °С. Нагревание в вакууме до 200 °С вызывает их плавление и вспучивание, однако отложения твердых или жидких продуктов на холодных стенках реактора не происходит. Это свидетельствует об отсутствии при данной температуре термической диссоциации соли до исходных соединений. После охлаждения получаются прозрачные стекловидные массы, которые разбиваются до мелких стекол и растираются в фарфоровой ступке до белых порошков. По данным элементного анализа их состав H4L^4NH2C(CH2OH)3 соответствует 4 молекулам основания на 1 молекулу четырехосновной кислоты. Присоединение 4 молекул первичного амина происходит при соотношении исходных реагентов как 1 : 4, так и 1 : 3 при проведении реакции в любом из вышеперечисленных растворителей. Растворимость H4LANH2C(CH2OH)3 в метаноле составляет 1,8 г в 100 мл.

Обращает на себя внимание существенное отличие в поведении продуктов реакции ОЭДФ с МЭА и ТГМА. Соль с МЭА легко кристаллизуется, в то время как взаимодействие с ТГМА приводит к образованию смол, превращающихся при нагревании в аморфные стекла. Причина этого может заключаться в образовании сильных межмолекулярных водородных связей между фрагментами Р=О^5- и ⁵⁺Н-О-С, за счет чего соединение фактически представляет собой координационный полимер. В молекуле NH₂C(CH₂OH)₃ три электроотрицательные гидроксильные группы (-ОН, а I = 0,25) [21] связаны с одним и тем же атомом углерода, в связи с чем их кислотные свойства взаимно усиливаются и существенно превосходят таковые для молекулы H₂NCH₂CH₂OH (-СН₂ОН, а I = 0,05). Присоединение к молекуле кислоты вызывает появление положительного заряда на атоме азота и дальнейшее возрастание кислотных свойств ТГМА. В молекуле МЭА атом азота отделен от гидроксильных групп дополнительным метиленовым мостиком, вследствие чего появляющийся на нем заряд компенсируется в большей степени. Полимерное строение и наличие сильных водородных связей в соединении H₄L^4NH₂C(CH₂OH)₃ приводят к его очень малой растворимости в органических средах и хорошей растворимости в воде.

Реакция с п-аминобензойной кислотой

Так же, как и МЭА, молекула п -аминобензойной кислоты NH₂C₆H₄C(O)OH (ПАБК) содержит аминную группу. Однако вместо гидроксильного радикала в пара-положении бензольного кольца располагается не гидроксильная, а карбоксильная группа, способная к образованию с металлами более прочных карбоксилатов. ПАБК относится к слабым кислотам (рК а = 4,85), в то время как ОЭДФ - к сильным (рК а (1) = 1,7; рК а (2) = 2,47). Взаимодействие ОэДф с ПАБК [22] приводит к образованию бис (4-карбоксифениламиний)( 1 -гидроксиэтилиден)дифосфоната C(CH 3 )(OH)[P(O)(OH)O^-NH 3 ⁺C 6 H 4 C(O)OH] 2 (рис. 2).

Рис. 2. Общий вид структуры бис (4-карбоксифениламиний)(1-гидроксиэтилиден)дифосфоната