Экспериментальная схема (коротко, пошагово)
- Подготовка растворов:
- Буфер с контролируемым pH; поддерживать ионич. силу постоянной (добавить NaCl), например $I=$ const.
- Концентрация субстрата: приготовить набор начальных концентраций, варьировать по фактору $\sim 5-10$ (например $[A{]}_0=$ $10^{-5}$, $5\cdot 10^{-5}$, $10^{-4}\mathrm{M}$ — подбирать по аналитике и скорости).
- Температурный режим:
- Измерения при нескольких температурах, минимум $4-6$ точек, диапазон примерный $5-45{}^{\circ }\mathrm{C}$ (или иной разумный для стабильности соединения).
- Использовать термостат/водяную баню/термошкаф с точностью $\pm 0.1{}^{\circ }\mathrm{C}$.
- Запуск и отбор проб:
- Запуск реакции однородным разведением/изменением pH; фиксировать время $t=0$.
- Отбирать пробы с интервалами, соответствующими предполагаемому полураспаду (интенсивнее сначала). Количество точек по времени $>6$ на кривой распада.
- При необходимости останавливаться (quench) пробой — быстрый охлад, изменение pH или добавление органического растворителя/ингибитора; протокол записи.
- Аналитика:
- Основной метод — HPLC с внешней или внутренней калибровкой; альтернативы: LC-MS (при необходимости селективности), UV/Vis при известном ε и отсутствии пересечений.
- Калибровочная кривая и контрольные образцы; хранить пробы и стандарты одинаково.
- Реплики и контроль:
- Технических повторов минимум $n=3$ для каждой точки/температуры.
- Контроль стабильности растворителя, световой/микробной деградации, катализа буфером (проверка в разных буферах/без буфера).
Модель и обработка данных (определение порядка и $k$)
- Общая кинетическая модель:
- Если реакция описывается законом: $-\frac{d[A]}{dt}=k[A{]}^n$.
- Интегрированные выражения для проверки порядка:
- Нулевой порядок: $[A]=[A{]}_0-kt$.
- Первый порядок: $\ln [A]=\ln [A{]}_0-kt$.
- Второй порядок (одинаковые реагенты): $\frac{1}{[A]}=\frac{1}{[A{]}_0}+kt$.
- Практические методы определения порядка:
- Построить линейные графики по интегрированным формам и выбрать ту, где аппроксимация линейна (наилучший $R^2$ и равномерные остатки).
- Либо использовать логарифмический метод скорости: $\log \left(-\frac{d[A]}{dt}\right)=\log k+n\log [A]$ (требует оценки мгновенной скорости или малых интервалов).
- Наилучший метод — нелинейная регрессия по исходным данным $[A](t)$ под параметрами $k,n$ (меньше искажений от численного дифференцирования).
- Псевдо-первый порядок:
- Если один реагент (например вода или буфер) в сильном избытке, использовать приближение псевдо-1-го порядка: $-\frac{d[A]}{dt}=k_{\text{obs}}[A]$, где $k_{\text{obs}}=k[\text{B}{]}^m$.
- Определять зависимость $k_{\text{obs}}$ от концентраций каталитических ионов/вещества.
- Расчёт константы и проверка:
- Из наклона линейного графика по соответствующей форме получить $k$ (наклон или $-$наклон зависит от формулы).
- Для первого порядка: $k=-$наклон графика $\ln [A]$ vs $t$. Полураспад: $t_{1/2}=\frac{\ln 2}{k}$.
- Температурная зависимость:
- Использовать уравнение Аррениуса: $k=A\exp \left(-\frac{E_a}{RT}\right)$. Линеаризация: $\ln k=\ln A-\frac{E_a}{RT}$. По наклону графика $\ln k$ vs $1/T$ найти $E_a$ (наклон $=-E_a/R$) и $\ln A$.
- При желании использовать уравнение Эйринга для оценки $\Delta H^{‡}$ и $\Delta S^{‡}$: $\ln \left(\frac{k}{T}\right)=\ln \left(\frac{k_B}{h}\right)+\frac{\Delta S^{‡}}{R}-\frac{\Delta H^{‡}}{RT}$.
- Статистика и верификация:
- Оценить погрешности параметров (стандартные ошибки из регрессии, доверительные интервалы).
- Анализ остатков для проверки соответствия модели; при несоответствии рассмотреть механизм более высокого порядка или многокомпонентный механизм (параллельные/последовательные реакции).
- Возможные дополнительные проверки:
- Проверить влияние pH (построить $k_{\text{obs}}$ vs pH); если зависимость линейна по $[{\mathrm{H}}^{+}]$ или $[{\mathrm{OH}}^{-}]$, это укажет на кислото- или щелоче-катализ.
- Проверить влияние ионичной силы и буфера (катализ буфером).
Ключевые рекомендации коротко
- Подбирать интервалы отбора проб согласно скорости реакции (не менее $6$–$8$ точек на кинетической кривой).
- Выполнять $\ge 3$ повтора для оценки разброса.
- Анализировать данные нелинейной регрессией по $[A](t)$ и дополнительно проверять линейными графиками интегрированных форм.
- Для температурной зависимости использовать минимум $4$ температурные точки для корректного определения $E_a$.
Если нужно, могу дать пример плана с конкретными числовыми параметрами (концентрации, времена отбора проб, настройки HPLC) для вашего конкретного соединения — пришлите ожидаемую скорость (полураспад при одной температуре) или структуру/солюбилити.