Определение термодинамических свойств водных растворов диметилсульфоксида калориметрическим и денсиметрическим методами

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ06
1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР08
1.1 Растворители, применяемые в фармацевтической химии08
1.1.1 Систематизация растворителей для изготовления жидких лекарственных форм. Общая характеристика жидких ЛФ08
1.1.2 Растворимость. Процессы, происходящие при растворении веществ010
1.1.3 Сольватация и комплексообразование012
1.1.4 Влияние процессов, ограничивающих термодинамическую устойчивость веществ в растворе, на реализацию направленного синтеза и стабильность лекарственных средств014
1.1.5 Классификация неводных дисперсионных сред. Протонные и апротонные     растворители015
1.2 Диметилсульфоксид как растворитель в фармацевтической промышленности 018
1.2.1 Физико-химические свойства и строение диметилсульфоксида (ДМСО)018
1.2.2 Получение и очистка ДМСО024
1.2.3 Физико-химические свойства системы ДМСО-вода025
1.2.4 Растворы солей в ДМСО029
1.2.5 Фармакологическое действие ДМСО и его применение в различных областях промышленности030
1.2.5.1 Применение ДМСО в медицине и его действие на организм030
1.2.5.2 Области практического применения ДМСО033
1.2.6 Безопасность и токсическое действие ДМСО034
2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ036
2.1 Объекты и методы исследования036
2.2 Исходные реактивы и приготовление растворов036
2.3 Физико-химические методы измерения теплоемкости и плотности037
2.3.1 Калориметрический метод измерения теплоемкости растворов037
2.3.1.1 Конструкция калориметрической ячейки037
2.3.1.2 Измерительные схемы038
2.3.1.3 Методика проведения и расчета калориметрического опыта040
2.3.2 Пикнометрический метод измерения плотности042
2.4 Обсуждение полученных результатов045
ЗАКЛЮЧЕНИЕ057
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ058
ПРИЛОЖЕНИЕ061
      
      ВВЕДЕНИЕ
      
      Исследование растворов в фармацевтической химии в настоящее время представляет чрезвычайно большой интерес в связи с тем, что они являются самой многочисленной группой среди жидких лекарственных форм и исполняют роль наиболее распространенных сред для проведения синтеза различных лекарственных веществ.  
      Все чаще и чаще в практической деятельности используются растворы на основе неводных растворителей. Важность изучения неводных растворов обусловлена рядом уникальных и специфических свойств, в этих  жидких средах открывается возможность синтеза, очистки, выделения лекарственных веществ, которые не могут быть получены в водной среде. 
      За счет быстрого развития химии неводных растворов данные растворители применяют как средство управления такими химическими процессами, как: молекулярной ассоциацией; реакционной способностью; подавлением гидролиза; кислотно-основными взаимодействиями; ионизацией и диссоциацией; получением безводных соединений [1].
      Благодаря использованию неводных сред в области фармацевтического синтеза, стало возможно получение различных полиморфных модификаций веществ, управление их однородностью, морфологией, дисперсностью, получение необычных комплексов, ультрадисперсных веществ и др.
      Растворители могут применяться и как стабилизаторы лекарственных препаратов. Для этого часто используют малополярные жидкости. На их основе создают смешанные растворы (вода + растворитель), в которых практически полностью подавлен гидролиз активных субстанций или вспомогательных веществ, что является необходимым при хранении лекарственных средств. 
      На основе неводных растворителей получают ЛС с пролонгированным действием, которое основано на замедленном всасывании и поступлении активных веществ в кровь и в другие биологические жидкости. При помощи таких лекарственных препаратов время содержания активного вещества в крови увеличивается от нескольких часов до нескольких недель и более.
      Очень важным становится выбор для данного ЛВ подходящего растворителя, при неблагоприятных обстоятельствах может наблюдаться физико-химическая несовместимость компонентов в лекарственных препаратах и уменьшение их стабильности. В связи с этим необходимо выявлять процессы, которые могут ограничивать термодинамическую устойчивость веществ в растворе (сольватацию, комплексообразование, гидролиз, ОВР и др.). Растворитель можно рассматривать как средство управления химическим процессом для ЛВ [1].
      В современной фармацевтической промышленности широко применяют важный биполярный апротонный растворитель диметилсульфоксид в связи с его уникальными физико-химическими свойствами.  
      ДМСО используется широко и как универсальный растворитель для многих лекарственных веществ, так и в качестве самого лекарственного препарата. Этим объясняется значительное число публикаций, посвященных исследованию растворов на его основе. Несмотря на интенсивное изучение диметилсульфоксида, физико-химические свойства его водных растворов продолжают активно исследоваться. В то же время при создании лекарственных препаратов, в основе которых ДМСО выступает как вспомогательное вещество, особенно важен научно обоснованный выбор состава растворителя, который должен базироваться на результатах физико-химического анализа. 
      Данные по плотности и теплоемкости позволяют выявить энергетические и структурные преобразования межмолекулярных взаимодействий, характер их изменения в зависимости от различных параметров, что в свою очередь определяет условия оптимального проведения процессов в жидкой фазе, в том числе и для нужд фармацевтической промышленности.
      Данная работа посвящена исследованию теплоёмкости и плотности водных растворов диметилсульфоксида при 298,15 К. Цель исследования: определение термодинамических свойств водных растворов диметилсульфоксида калориметрическим и денсиметрическим методами; оценка неспецифических и специфических межмолекулярных взаимодействий между молекулами ДМСО и воды.
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      

      1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
      
      1.1 Растворители, применяемые в фармацевтической химии
      
      1.1.1 Систематизация растворителей для изготовления жидких лекарственных форм. Общая характеристика жидких ЛФ
      
      В настоящее время в аптечной практике лекарственные формы с жидкой дисперсионной средой составляют приблизительно 60 % всех прописей, которые принимает аптека и изготавливает по ним лекарственные препараты. Это не удивительно, ведь жидкие лекарственные формы обладают множеством преимуществ по сравнению, например, с твердыми ЛФ (порошками, сборами, таблетками, капсулами и т.д.). 
      Такое широкое распространение жидких ЛФ можно понять, если рассмотреть их плюсы, главными из которых являются следующие: 
      - большое удобство применения;
      - портативность отдельных видов упаковок;
      - верность дозирования;
      - увеличение фармакологического эффекта лекарственных веществ;
      - улучшение органолептических свойств препаратов (вкус, запах, цвет);
      - обеспечение многообразных путей введения (наружно, внутренне, инъекционно, ингаляционно и др.);
      - уменьшение раздражающего влияния некоторых твердых ЛФ (например, порошков);
      - регулирование биодоступности, скорости высвобождения и всасывания;
      - способность оказывать местное и общее действие на организм.
      Но нельзя забывать, что у жидких лекарственных форм имеется также ряд недостатков, которые необходимо учитывать:
      - возможное нарушение целостности стеклянной упаковки;
      - низкие сроки годности (интенсивное подвержение микробной контаминации);
      - жидкая ЛФ чаще всего является недозированной ЛФ;
      - жесткая проверка доз веществ списков А и Б (ядовитых и сильнодействующих);
      - необходимость отсутствия механических включений;
      - необходимость стерилизации препаратов, вводимых по типу инъекции, в различные полости тела и для новорожденных [2].
      Жидкие лекарственные формы можно охарактеризовать как гетерогенные системы, представляющие собой дисперсные системы, в которых роль дисперсной фазы выполняют действующие лекарственные вещества, равномерно распределенные в жидкой дисперсионной среде (в различных жидких средах). При формировании растворов наиболее полно достигается равномерное распределение лекарственных веществ с образованием истинных растворов как низкомолекулярных, так и высокомолекулярных веществ, у которых в качестве дисперсной фазы выступают ионы, молекулы, макромолекулы и макроионы, а также с образованием коллоидных растворов (дисперсную фазу представляют мицеллы) [1].  
       В виде дисперсионных сред и сорастворителей могут играть вещества как водного характера, так и неводного [2]. Рассмотрим классификацию дисперсионных сред, используемых для изготовления жидких лекарственных форм (таблица 1.1).
      
Таблица 1.1 – Классификация дисперсионных сред (растворителей)
      
Классификация
Примеры
По происхождению (природные, полусинтетические, синтетические)
- Вода очищенная, вода для инъекций, этанол, глицерин, масла жирные (подсолнечное, оливковое, касторовое и др.);
- ДМСО, ПЭО, ПЭГ, эсилон-4, эсилон-5 и др. 
По размеру молекул (НМВ, олигомеры и ВМВ)
- Вода очищенная, вода для инъекций, этанол, глицерин;
- ПЭО, ПЭГ и др.
По степени гидрофильности (гидрофильные, дифильные, липофильные)
- Вода очищенная, вода для инъекций, глицерин;
- этанол, ДМСО;
- жирные масла, эсилон-5, эфир медицинский и др.
По назначению (дисперсионные среды, растворители, экстрагенты)
Все вышеперечисленное;
в качестве экстрагента обычно применяют воду очищенную, этанол, водно-этанольные растворы.
      Несмотря на огромное количество различных дисперсионных сред, универсальных в настоящее время не существует. Оптимальный растворитель должен отвечать, по возможности, тем требованиям, которые предъявляют к ним: 
 содержание примесей;
 окраска;
 токсичность;
 pH среды;
 биологическая безвредность и др. 
      Особые требования предъявляют к средам, которые применяются для изготовления инъекционных растворов: стерильность, отсутствие механических включений и апирогенность (отсутствие повышения температуры тела).  
      В аптечной практике наиболее широко распространены для создания лекарственных препаратов такие растворители, как вода очищенная, вода для инъекций, этанол, эфир медицинский, глицерин, димексид, масла жирные и масло вазелиновое [1].
      
      
      1.1.2 Растворимость. Процессы, происходящие при растворении веществ
      
      Согласно Государственной фармакопее, растворимость – способность вещества растворяться в различных растворителях. 
      Процесс растворения является сложным физико-химическим явлением. При этом происходит не только механический распад растворяемого вещества, но и взаимодействие молекул растворителя с данным веществом. Продуктами такого взаимодействия являются сольваты или, в частном случае, гидраты, имеющие природу комплексных соединений [2].
       Вода, кроме того, что является самой распространенной дисперсионной средой для создания жидких ЛФ, к тому же проявляет самую высокую биологическую индифферентность по отношению к организму человека. Но нельзя забывать, что вода обладает сильной химической реакционной способностью, что может приводить к протеканию побочных вторичных процессов в растворе: комплексообразованию, ОВР, гидролизу, образованию коллоидных систем и др. 
      Таким образом, для обеспечения необходимых условий растворения какого-либо вещества, необходимо учитывать тот факт, что растворитель может обратиться в активный реагент, участвуя в химических превращениях и изменяя состав компонентов раствора, что, безусловно, имеет негативные последствия по обеспечению стабильности лекарственного средства в растворе [1].  
      О том, что произошло физико-химическое взаимодействие растворителя с растворяемым веществом, можно понять по нескольким существенным признакам: 
 увеличению или уменьшению объема раствора при растворении вещества;
 выделению или поглощению тепла в процессе растворения. Если тепло выделяется, значит, энергия сольватации превосходит энергию разрушения кристаллической решетки. Большинство кристаллов растворяется с поглощением тепла, что говорит о том, что энергия кристаллической решетки выше энергии сольватации;
 возрастанию энтропии системы, что обусловлено значительным ростом числа ее микросостояний.
      Концентрация растворяемого вещества в растворе может быть в пределах от нуля до некоторого максимума. Под растворимостью компонента понимают его концентрацию в насыщенном растворе, т.е.  растворе, который находится в равновесии с растворяемым веществом. В соответствии с принципом Ле Шателье, данную устойчивость способны подавить все факторы, влияющие на растворимость, которая характеризует равновесие между двумя фазами [2].
      Теория растворов должна объяснять все процессы, происходящие при растворении веществ. Существует две теории образования растворов, которые сложились еще исторически: физическая и химическая. 
      Первый подход предполагает отсутствие взаимодействия между частицами растворенного вещества и растворителя, при этом происходит только увеличение энтропии системы, и не наблюдаются тепловые и объемные эффекты.  Второй подход, основоположником которого стал Д.И. Менделеев, утверждает, что образование растворов сопровождается тепловыми эффектами и изменением объема, что происходит в результате образования смеси неустойчивых химических соединений переменного состава. Отсюда следует, что свойства растворяемого вещества резко изменятся, при этом происходит изменение свойств и самого растворителя. Совокупность данных двух подходов и использует современная теория термодинамики растворов.   
      В образовавшемся растворе частицы способны взаимодействовать по трем типам взаимодействия:
 Ван-дер-Ваальсового (во всех случаях); 
 ион-дипольного (в растворах электролитов в полярных растворителях); 
 специфических взаимодействий (образование водородных и донорно-акцепторных связей). 
      Структура раствора при его образовании будет тем сложнее, чем сильнее взаимодействие частиц и больше концентрация. Только для идеальных растворов, к которым можно отнести газовые растворы, растворы неполярных жидкостей и предельно разбавленные растворы, разработана количественная теория. Свойства бесконечно разбавленных растворов не зависят от природы растворенного вещества, а зависят только от его концентрации.
      Процесс растворения протекает самопроизвольно, на что указывают отрицательные значения энергии Гиббса. Но в ряде случаев для повышения эффективности растворения многих веществ, особенно медленно и трудно растворимых, прибегают к определенным технологическим приемам: 
      - измельчению вещества и перемешиванию растворителя;
      - нагреванию растворителя, приводящему к усилению колебаний молекул в кристаллической решетке, уменьшению вязкости среды и др. [2];
      - переводу вещества в растворимые производные;
      - применению солюбилизации при помощи ПАВ;
      - созданию комбинированных растворителей и др. [1].
      Правило гомеопатического направления в фармации «Similia similibus solventur» («подобное растворяется в подобном») является актуальным на все времена, оно показывает зависимость растворимости от химической природы раствора. Можно сделать вывод, что большая взаимная растворимость будет наблюдаться для тех веществ, которые имеют одинаковый характер связи или близкую природу функциональных групп [1, 2]. 
      
      
      1.1.3 Сольватация и комплексообразование
      
      При растворении электролита, а также любого другого вещества, в растворе наблюдается процесс сольватации. При этом образуется раствор определенного состава. Сольватация – сложный процесс, представляющий собой различные энергетические и структурные изменения в системе растворитель-вещество. Процесс сольватации определяет три типа взаимодействия в растворах [3]:
 ион-растворитель;
 растворитель-растворитель;
 ион-ион.
      Сольваты образуются за счет межмолекулярных сил, таких как: координационных связей, ван-дер-ваальсовых сил, водородных связей и сил электростатического притяжения. Сольваты не являются прочными соединениями, при увеличении температуры они свободно разрушаются [2].
      В результате взаимодействия иона с растворителем образуется сольватированный ион. При наличии у молекул растворителя неподеленных электронных пар, возможно появление донорно-акцепторного взаимодействия с катионами металлов, у которых имеются незаполненные молекулярные орбитали. Таким образом, в растворе возможно образование таких соединений, как сольватокомплексов. Многие исследователи сделали заключение, что процесс сольватации подобен процессу комплексообразования.
      Координационная сфера сольватов представляет собой I сольватную оболочку. Но сами сольваты также находятся в сольватированном состоянии, поэтому помимо I сольватной оболочки, существуют II, III, IV… 
      Процесс сольватации приводит к значительному возрастанию энтальпии системы. Как предполагают ученые, наиболее значительный вклад в энтальпию сольватации вносит ион-дипольное взаимодействие иона металла с растворителем. И чем больше ион предрасположен к процессу комплексообразования, тем энтальпия процесса будет существенней. 
      Анионы склонны к образованию связей с растворителем, имеющим протон, по типу водородных, также вносящих большой вклад в энтальпию сольватации. В неводных растворителях такой вклад низок. Объясняют это тем, что анионы имеют значительно большие размеры, чем катионы, в связи с чем, и возникают пространственные затруднения. Отдельные растворители, особенно апротонные, сольватируют преимущественно катионы, а анионы остаются свободными. В таких растворителях ускоряются реакции с участием анионов. К апротонным диполярным растворителям можно отнести, например, диметилсульфоксид, ДМСО.
      Растворители по способности к комплексообразованию подразделяют на:
 координирующие;
 некоординирующие. 
      К первым относят растворители, в которых хорошо растворяются соли металлов (спирты, ацетон, ацетонитрил, ДМФА, пиридин и др.) Ко вторым – растворители, плохо растворяющие соли и не обладающие свойствами лигандов (углеводороды, хлороформ, четыреххлористый углерод и др.) [3]. 
      
      
      1.1.4 Влияние процессов, ограничивающих термодинамическую устойчивость веществ в растворе, на реализацию направленного синтеза и стабильность лекарственных средств
      
      При образовании оптимальных условий, обеспечивающих растворимость веществ в синтезе или при изготовлении лекарственных форм, нужно учесть вероятность протекания реакций, в которых растворитель может участвовать как реагент.
      Самопроизвольными процессами, сопровождающими растворению, являются такие как: комплексообразование; сольватация; окислительно-восстановительные реакции; гидролиз; коллоидообразование [1].
      Эти второстепенные процессы могут изменить химический состав компонентов раствора, что может вызвать негативные результаты как для реализации направленного синтеза вещества, так и для обеспечения устойчивости лекарственного средства. Из этого следует, что в каждом определенном случае нужно обнаруживать процессы, ограничивающие термодинамическую устойчивость веществ в растворе.
      В фармацевтической практике воду употребляют как один из самых физиологически индифферентных растворителей, тем не менее следует отметить ее высокую химическую реакционную способность: с участием воды осуществляются практически все типы указанных выше вторичных процессов в растворе [1].
      Используя физико-химические свойства твёрдых веществ можно значительно увеличить результативность их растворения:
 выбирать аморфную или самую растворимую полиморфную модификацию;
 добавлять специально подобранный окислитель или восстановитель для перехода вещества в более растворимые соединения;
 включать соответствующие лиганды;
 использовать в небольших количествах ПАВ для солюбилизации;
 создавать смешанную среду. 
      Порошки, предназначенные для растворения при изготовлении лекарственной формы, не раздробляют, а для ускорения их растворения применяют нагретые растворители, если они не летучие и не разлагаются при нагревании.
      Следовательно, если соблюдать общие принципы повышения растворимости твердых веществ, то это позволит в некоторой степени предвидеть выбор оптимальной среды для синтеза лекарственного препарата. С этой точки зрения растворитель можно рассматривать как средство управления химическим процессом, причем не менее эффективное, чем нагревание, электрический ток и др. [1].
      1.1.5 Классификация неводных дисперсионных сред. Протонные и апротонные растворители
      
      В настоящее время не существует какой-либо определенной систематизации растворителей, каждая классификация будет подразумевать какой-либо один характерный признак, например физические свойства растворителей, поэтому следует понимать, что каждая из предложенных классификаций будет условной. 
      Если рассматривать физическую систематизацию растворителей, то в нее будут включены различные физические параметры, представленные на рис.1.1 [3].
      
      
      Рис.1.1 – Физическая классификация растворителей
      
      
      Одним из главных определяющих физических параметров является диэлектрическая проницаемость, которая показывает, во сколько раз напряженность поля с данным веществом ниже, чем в вакууме. 
      По значениям диэлектрической проницаемости можно судить, к какой группе относится данный растворитель: имеющий сродство к полярным веществам (если ? больше 10) или к неполярным (если ? меньше 10). В таблице 1.2 приведены некоторые дисперсионные среды с различной диэлектрической проницаемостью [1; 2]. 

Таблица 1.2 – Значения диэлектрической проницаемости некоторых неводных растворителей
      
Растворитель
Диэлектрическая проницаемость, ?
Парафин
2,2
Масло оливковое
3,0
Эфир медицинский
4,22
Продолжение таблицы 1.2
Хлороформ
4,79
Аммиак жидкий
17,0
Этанол
25,7
Димексид
46,6
Глицерин
56,2
      
      Но наиболее важна классификация, основанная на химических свойствах растворителей. Она подразделяется на несколько групп.
      1. Органические (этанол, глицерин, эфир медицинский и др.) и неорганические растворители (аммиак жидкий, серная кислота и др.).
      2. Классы химических соединений (кислоты: плавиковая, серная, уксусная и т.д.). 
      3. Способность к образованию водородных связей:
- растворители, образующие 3-х мерную сеть водородных связей (двухатомные спирты и др.);
- растворители, образующие 2-х мерную сеть водородных связей (одноатомные спирты и др.);
- растворители, образующие водородные связи благодаря наличию ЭО атомов N2, O2, F (альдегиды, эфиры и др.);
- растворители, имеющие в своем составе атомы водорода и не имеющие акцепторы протона (хлороформ и др.);
- растворители, не способные образовывать водородные связи (углеводороды и др.).
      4. Кислотные и основные свойства. В этом случае дисперсионные среды подразделяются на протонные и апротонные. Рассмотрим подробнее.
      Протонные растворители – это такие растворители, которые способны отдавать или принимать протоны по отношению к данному веществу. В первом случае растворители являются протон-донорными, а во втором – протон-акцепторными [3].
       К протонным растворителям относят воду, спирты, карбоновые кислоты (муравьиную, уксусную) и др. Данные растворители обладают высокой диэлектрической проницаемостью [4]. 
      Протонные растворители являются амфипротонными, т.е. способными проявлять как донорные свойства при образовании водородной связи, так и акцепторные свойства вследствие наличия у атомов кислорода неподеленных электронов. Такие вещества одинаково действенно взаимодействуют и с катионами, и с анионами с формированием вокруг них сольватных оболочек. 
      В частном случае апротонные растворители разделяют на аполярные и диполярные. К аполярным относят углеводороды, сероуглерод и др. Они имеют низкую диэлектрическую проницаемость и не обладают донорно-акцепторными свойствами.
      К диполярным апротонным растворителям относят димексид, амиды кислот, кетоны, сульфоксиды с высокой диэлектрической проницаемостью и не обладающие донорно-акцепторными свойствами [4].
      Широко известным диполярным апротонным растворителем является  диметилсульфоксид (димексид, ДМСО). Такой растворитель способен сильно связывать растворенное вещество. Электронная плотность ДМСО локализована на атомах кислорода, способных энергично присоединять  протоны и эффективно связывать катионы. Анионы сольватируются слабо. Таким образом, если в ДМСО поместить какую-либо соль, то в результате диссоциации и сольватации в растворе окажутся сильно сольватированные катионы и слабо сольватированные анионы [5].
      Помимо диметилсульфоксида к апротонным диполярным растворителям причисляют диметилформамид, ацетонитрил, ацетон, N-метилпирролидон и некоторые другие.
      Неводные растворители играют важную роль в получении неорганических соединений с заданными свойствами.  В последнее время на основе неводных и смешанных сред достигнуты высокие результаты:
 получены различные модификации веществ с многообразием кристаллических структур;
 проведено регулирование размеров взвешенных частиц;
 проведено регулирование однородности;
 получены коллоидные системы с размером частиц до 100 нм (ультрадисперсные);
 получены особые комплексные соединения и др. [1].
      Все достижения, несомненно, очень важны при проведении синтеза различных веществ, особенно лекарственных, при получении новых лекарственных препаратов, а также модификации существующих.
      Среди множества различных растворителей, применяемых на практике, мы остановимся на одном из них, который наиболее широко применяется в различных областях промышленности, а также имеющий огромный интерес в связи ряда его положительных свойств. Таким растворителем стал диметилсульфоксид. 
      1.2 Диметилсульфоксид как растворитель в фармацевтической промышленности

      1.2.1 Физико-химические свойства и строение диметилсульфоксида (ДМСО)
      
      Диметилсульфоксид (димексид, ДМСО) – органическое соединение, первый представитель ряда сульфоксидов, имеет структурную формулу, представленную на рис.1.2. 
      
       
      Рис.1.2 – Строение молекулы ДМСО
      
      
      Димексид представляет собой диполярный апротонный растворитель, обладающий малой вязкостью (почти в 50 раз меньше вязкости глицерина). Диэлектрическая проницаемость ДМСО является высокой и составляет 48,9. 
      ДМСО – очень гигроскопичная жидкость (поглощает до 70 % воды) без цвета, со специфическим неприятным характерным запахом и вкусом. Данное вещество легко переохлаждается [2].
      При температуре, превышающей 150 оС, начинает разлагаться с образованием диметилсульфида и диметилсульфона:
      
      2(CH3)2SO ? (CH3)2S + (CH3)2SO2

      В присутствии хлорангидрида карбоновой кислоты реакция может протекать со взрывом.   Широко используется как реагент в органической химии (способен окислять множество различных соединений, также применяется для получения новых веществ). Но чаще всего димексид используется в качестве растворителя в реакциях нуклеофильного замещения. Вследствие высокой температуры кипения (189 оС) ДМСО очень медленно испаряется при проведении реакций синтеза веществ, поэтому он достаточно удобен для применения  его в качестве растворителя [6]. 
      Многие вещества (в том числе и неорганические) растворяются в димексиде без нагревания при комнатной температуре (например, иод, ментол, кислота салициловая и др.). ДМСО хорошо сольватирует катионы и активирует анионы [7]. 
      Диметилсульфоксид имеет сродство как к полярным, так и к диполярным и неполярным веществам, с легкостью смешивается со многими жидкостями, в частности, с водой, этиловым спиртом, летучими неполярными растворителями (эфиром, хлороформом), но не смешивается с маслами жирными и минеральными.
      В фармакологии ДМСО является прекрасным активатором всасывания, усиливает проникновение лекарственных веществ через клеточные мембраны, а также в условиях пониженных температур защищает клетки от разрушения (криопротектор). 
      Димексид, помимо использования его в качестве растворителя в синтезе многих веществ, является и фармакологическим компонентом,  может быть солюбилизатором и сорастворителем. Из группы диполярных апротонных растворителей ДМСО менее токсичен по сравнению с другими ее представителями [2].  
      В таблице 1.3  представлены физические свойства ДМСО и некоторых других растворителей при 298,15 К [4; 6].

Таблица 1.3  – Физические свойства растворителей при 298,15 К

Физическое свойство
ДМСО
ДМФА
МП
Молекулярная масса, г/моль
78,13
73,09
99,13
Температура плавления, К
291,55
212,15
257,15
Температура кипения, К
462,15
425,65
477,15
Температура вспышки, К
368
331
364
Плотность, г?см-3
1,0958
0,9445
1,0279
Вязкость, Н· с?м-2 ·103
1,960
0,796
1,666
Теплоёмкость, Дж?моль-1·К-1
155,9
151,8
162
Показатель преломления, 
1,4770
1,4269
1,4680
Диэлектрическая проницаемость
46,6
36,7
32,0
Дипольный момент молекулы, Кл· м ·1029
1,32
1,29
1,36
Молекулярная поляризуемость, см3/молек. ·1024
7,99
7,88
10,62
Растворимость в воде, %
хорошая
хорошая
хорошая
      Диметилсульфоксид, как представитель сульфоксидов, имеет пирамидальное строение с атомом серы в вершине:
      
      
      
      Будет логичным сделать вывод, что у некоторых представителей сульфоксидов при наличии разных радикалов R и RI  имеется возможным наличие оптических изомеров – двух соединений, относящихся друг к другу как предмет к своему зеркальному изображению.
      Между серой и кислородом существует двойная связь, обычно ее описывают с помощью трех переходных структур, у которых структура II преобладает:
      
      
      
      При образовании данной двойной связи происходит перекрывание заполненных p-орбиталей атома кислорода со свободными d-орбиталями атома серы [8]. 
      Димексид является сильнополярной молекулой, у которой наблюдается образование диполя с локализацией отрицательного полюса на атоме кислорода. Дипольный момент образуется в связи смещения электронной плотности, избыток которой приходится на кислород:
      
      
      
      Жидкий диметилсульфоксид обладает упорядоченной структурой, которая разрушается при температуре около 60  оС.  В этом отношении ДМСО напоминает воду, т.к. он имеет некие агрегаты, подобные цепочечному строению, образованные благодаря наличию донорно-акцепторного взаимодействия:
      
      
      ДМСО, как описывалось выше, является растворителем, который способен принимать протоны при взаимодействии с такими веществами, которые способны поставлять протоны. Например, при образовании смеси ДМСО-вода выделяется большое количество тепла и увеличивается плотность раствора. Это связано с тем, что первоначальная цепочечная структура ДМСО разрушается и образуется новая за счет водородных связей и ориентационных взаимодействий с молекулой H2O: 
      
      
      
      Взаимодействия в диметилсульфоксиде, которые являются неспецифическими, могут происходить через атомы: кислорода и азота, кислорода и водорода, серы и водорода, серы и кислорода. Т.е. они происходят только через центры недостатка или избытка электронной плотности. 
      ДМСО, как диполярный апротонный растворитель легко растворяет неорганические соли из-за наличия отрицательно заряженного атома кислорода, который эффективно способен стабилизировать катион, т.е. его сольватировать. Анионы сольватируются плохо, т.к. положительный полюс диполя пространственно затруднен. В диметилсульфоксиде соли находятся в сильнодиссоциируемом состоянии. Реакции в таком растворителе протекают очень быстро вследствие того, что анионы становятся «истинными» нуклеофильными реагентами  [8]. 
      Диполярные апротонные растворители способны взаимодействовать с анионами только по типу образования ионных пар, т.е. в результате ион-дипольного взаимодействия [9]. 
      Димексид обладает основными свойствами, но слабыми, что подтверждается тем, что ДМСО может взаимодействовать с сильными кислотами. В результате такого взаимодействия будут образовываться соли, имеющие следующие структуры:
      
      
      
      Реакция взаимодействия ДМСО с большим количеством галогенводородных кислот приведет к выделению свободных галогенов и диметилсульфида, поэтому данное взаимодействие следует проводить с осторожностью.
      Димексид является очень слабой CH-кислотой [7]. При смешении данного растворителя с сильными основаниями будет также протекать химическая реакция по следующему уравнению:
      
      CH3SOCH3 + B- ? CH3SOCH2- + HB
      
      Образующийся метилсульфинилкарбанион способен принимать активное участие в органическом синтезе [3]. Карбанион является мощным нуклеофилом.
      Например, при действии на димексид гидрида натрия будет образовываться данный карбанион [10]:
      
      
      
      В связи с тем, что сера в ДМСО обладает нуклеофильными свойствами, она способна реагировать с электрофилами, например, с иодметаном с образованием иодида триметилсульфоксония [11]:
      
      (CH3)2SO + CH3I ? [(CH3)3SO]I
      
      Связь между серой и кислородом является семиполярной (полярной донорно-акцепторной), поэтому формулу соли можно записать следующим образом:
      
      
      Данное соединение способно реагировать с гидридом натрия с образованием необычного продукта, подобного сульфону, но с заменой атома кислорода на группу CH2 [12]:
      
      
      
      Полярные протонные растворители, например, вода, спирты, способствуют лучшему протеканию реакций нуклеофильного замещения по механизму SN1, стабилизируя молекулу субстрата. Полярные апротонные растворители (димексид) ускоряют протекание реакции нуклеофильного замещения по механизму SN2, стабилизируя переходное состояние [13]:
      
      R-X + Y- ? [Y???R???X]- ? R-Y + X-
      
      Диметилсульфоксид эффективно используется в качестве окислителя, например [10]:
      
      
      
      Кроме всего вышеперечисленного, ДМСО может выступать в роли лиганда в химии координационных соединений. Например, известен комплекс [RuCl2(DMSO)4], в котором  три лиганда ДМСО связаны с рутением через серу, а четвертый лиганд связывается кислородом [11] (рис.1.3).
      
      
      Рис.1.3 – Дихлортетракис(диметилсульфоксид)рутений (II)
      Таким образом, диметилсульфоксид является не только прекрасным растворителем органических и неорганических веществ, но и активным реагентом для получения большого числа различных соединений.
      
      
      1.2.2 Получение и очистка ДМСО
      
      Впервые диметилсульфоксид был получен в 1866 году. Синтез провел русский химик А.М. Зайцев. Он использовал в качестве окислителя азотную кислоту. В настоящее время для этой цели активно используется 30 % пероксид водорода [3].
      В общем случае ДМСО можно получить из сульфидов, которые окисляются очень легко. Образующиеся сульфоксиды могут окислиться дальше с образованием сульфонов [14]:

      
      
      Но кроме использования 30 % пероксида водорода в ледяной уксусной кислоте применяют некоторые другие окислит.......................