Текст
Instrumental Methods of Organic Functional Group Analysis
EDITED BY
SIDNEY SIGGIA
CHEMISTRY DEPARTMENT UNIVERSITY OF MASSACHUSETTS, AMHERST, MASSACHUSETTS
Wiley-Interscience
a Division of John Wiley & Sons, Inc. New York • London • Sydney • Toronto 1972
Инструментальные методы анализа функциональных групп органических соединений
Под редакцией С. Сиггиа
Перевод с английского каяд. физ.-мат. наук С. А. ОРЛОВСКОГО
Под редакцией доктора хим. наук, профессора В. Г. БЕРЕЗКИНА
ИЗДАТЕЛЬСТВО ;<МИР» МОСКВА 1974
УДК 643.8
Книга представляет собой практическое руководство по проведению анализа функциональных групп органических соединений. Она написана рядом выдающихся специалистов под общей редакцией известного ученого в области органического синтеза Сиднея Сиггиа. В книге дано наиболее полное описание самых распространенных методов определения функциональных групп органических соединений (абсорбционного спектрального, газовой хроматографии, ядерного магнитного резонанса, электроаналитических методов).
Книга предназначена для широкого круга специалистов — химиков-органиков и аналитиков, работающих в научно-исследовательских институтах и на промышленных предприятиях. Может быть рекомендована также преподавателям и студентам химических и химико-технологических вузов.
Редакция литературы по химии
20506-082
И 041(01)-74
82-74
© Перевод на русский язык, «Мир», 1974
Предисловие
Одной из важнейших методических задач в аналитической химии является идентификация вещества, присутствующего в анализируемой пробе в чистом виде или в смеси, и его количественное определение. В аналитической химии органических соединений для решения этих задач широко применяются методы функционального анализа, цель которого — количественное и качественное определение содержания различных функциональных групп в анализируемой пробе или в отдельных компонентах пробы.
В функциональном анализе органических соединений предполагается обычно, что молекулу органического соединения можно рассматривать как сумму практически независимых функциональных групп, и, следовательно, принимается, что физические и химические свойства соединения определяются свойствами этих функциональных групп. Однако при проведении идентификации сложных молекул, несомненно, следует учитывать взаимное влияние функциональных групп, которое может вызвать «неожиданное» изменение свойств этих групп, а также отклонение наблюдаемых свойств от теоретически ожидаемых по обычно постулируемой аддитивной схеме.
Методы функционального анализа имеют важное самостоятельное значение особенно в промышленности при анализе различных производственных смесей и в научных изысканиях при исследовании вновь синтезированных соединений. Проведение функционального анализа — важная и часто необходимая стадия при определении качественного составу сложных смесей.
В последние десятилетия в методах функционального анализа органических соединений произошли важные изменения, связанные с широким развитием и внедрением в эту важную область инструментальных методов. В результате методы функционального анализа стали, во-первых, более надежными, поскольку повысилась их специфичность и информативность, и, во-вторых, более экспрессными, так как существенно уменьшились продолжительность и трудоемкость их проведения. Подобные тенденции характерны вообще для аналитической химии органических соединений.
Развитие какой-либо области науки обычно можно охарактеризовать количеством и тематикой публикуемых материалов в динамике. Так, анализ публикаций в журналах (Журнал аналитической
6
Предисловие
химии, Analytical Chemistry, Zeitschrift fiir analytische Chemie, Заводская лаборатория, Analyst) за десятилетие (1962—1972 гг.) показывает, что в этот период наибольшее внимание уделялось развитию хроматографических методов, и в первую очередь —газохроматографических (34 и 23 в 1962 г. и соответственно 46 и 35 в 1972 г.). Примерно такое же количество публикаций, как и по газохроматографическим методам, было посвящено всем спектральным методам; публикаций по электрохимическим методам было приблизительно в два раза меньше. Число работ по классическим (объемные и весовые) методам явно сократилось.
В предлагаемой вниманию читателей книге «Инструментальные методы анализа функциональных групп органических соединений», написанной группой ведущих специалистов под редакцией известного ученого в области аналитической химии профессора С. Сиггиа, рассмотрено применение для указанных целей следующих современных методов: абсорбционной спектрофотометрии (автор Дж. Г. Ханна), газовой хроматографии (авторы М. Бероза и М. Н. Инской), электрохимии (автор А. Ф. Крайвис), радиохимии (автор Д. Кэмпбелл), ядерного магнитного резонанса (автор Г. Агахигиан). Глава, посвященная методам автоматического анализа в жидкой фазе, написана Р. А. Хофштадером и У. К. Роббинсом. Все эти методы представляют практический интерес и взаимно дополняют друг друга при проведении функционального анализа органических соединений. Вполне оправдано и «функциональное» построение книги: описание методик сгруппировано не по методам, а по отдельным функциональным группам.
Достоинство книги заключается несомненно в ее практическом характере. При изложении методов анализа по отдельным группам после краткого теоретического введения основное внимание уделяется детальному изложению методики проведения анализа, что особенно важно в связи с тем, что описание многих методик анализа разбросано по многочисленным периодическим изданиям, часто труднодоступным для читателя.
К сожалению, в книге недостаточно отражены работы советских исследователей в области функционального анализа. Поэтому в приложении 3 мы дали список работ советских авторов в рассматриваемых областях.
3. Березкин
Предисловие к американскому изданию
Книга задумана как дополнение к моему предыдущему труду «Quantitative Organic Analysis via Functional Groups», в котором описаны методы анализа в жидкой фазе («мокрые» методы). Эта книга охватывает в основном инструментальные методы анализа. Впрочем разделение на методы анализа в жидкой фазе и «инструментальные» методы весьма условно, так как бюретки и весы — тоже инструменты и, следовательно, все методы анализа инструментальные. Проще можно сказать, что в этой книге рассматривается круг вопросов, не затронутых в предыдущей.
Обе монографии основаны на химических реакциях функциональных групп. Два следующих положения составляет основу теоретических рассуждений: 1) реакции функциональных групп имеют высокую избирательность, что необходимо для проведения надежного анализа; 2) очень часто функциональную группу нельзя определить непосредственно — перед анализом ее надо превратить в другую форму, удобную для анализа. Используемые при этом реакции открывают возможность измерения продуктов и (или) реагентов, вступивших в реакцию.
Книга разделена на главы в соответствии с рассматриваемыми функциональными группами. Это было сделано, исходя из тех соображений, что читатель будет заинтересован в том, чтобы определить какую-то одну группу (или несколько групп), и что для этого все методы анализа определенной группы или групп должны быть собраны в одном месте. Такое расположение материала возможно и не совсем удачно, так как существуют специалисты по измерительной технике, а не по специфическим группам. Поэтому расположение материала по функциональным группам было произведено после соответствующих консультаций с этими специалистами.
В книге рассмотрены более общие методы анализа на различные группы; специфические методы приведены только для широко распространенных индивидуальных соединений. Часто встречающиеся методы описаны достаточно подробно и в этих случаях книгой можно пользоваться как методическим руководством с аналитическими прописями. Однако читателю иногда придется обращаться и к оригинальным работам, содержащим подробное описание тонкостей работы с оборудованием.
8 Предисловие к американскому изданию
Первая монография предполагает использование только обычного лабораторного оборудования, вторая — включает описание некоторых специальных приборов.
Глава 19 по автоматическим методам анализа в жидкой фазе включена по тем соображениям, что при проведении анализа по функциональным группам необходимо учитывать многие технические детали. Их обсуждение вполне оправдано, так как для полной автоматизации анализа необходимо использование специальных приборов.
Предполагается, что читатель умеет пользоваться необходимыми инструментами, поскольку невозможно привести методику работы на каждом из перечисленных в книге приборов. В приложении 1 к книге, однако, даны описания некоторых газохроматографических приборов, применяемых при функциональном групповом анализе (но не при анализе на определенную группу), и библиография по необходимому оборудованию.
С. Сиггиа
Гидроксильные группы
I. АБСОРБЦИОННЫЕ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Дж. Г. Ханна
А. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СПИРТОВ И ФЕНОЛОВ
МЕТОДОМ ИНФРАКРАСНОЙ СПЕКТРОФОТОМЕТРИИ
Для гидроксильных групп характерно сильное поглощение в инфракрасной области, однако при попытках разработать общие количественные методы определения этих групп по результатам прямых спектрофотометрических измерений в этой области спектра возникают определенные трудности. Эти трудности обусловлены тем, что гидроксильные группы могут образовывать между собой и с другими полярными группами водородные связи, влияющие па интенсивности полос поглощения. В отдельных случаях хорошие результаты дают методы, в которых степень ассоциации в системе контролируется путем выбора специальных условий. Выбранные условия обеспечивают либо полную ассоциацию, либо полную диссоциацию, либо определенное соотношение между ассоциированной и пеассоциировапной частями анализируемой и стандартной систем. Степень межмолекулярной ассоциации зависит от концентрации: сильное разбавление образца неполярными растворителями способствует диссоциации, а разбавление его полярными растворителями, например пиридином, вызывает практически полную ассоциацию. С другой стороны, неполярные растворители не влияют на степень внутримолекулярной ассоциации.
Работы, в которых описаны некоторые типичные определения спиртов и фенолов с помощью инфракрасной спектрофотометрии, приведены в табл. 1.1.
Б ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФЕНОЛОВ МЕТОДОМ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ СПЕКТРОФОТОМЕТРИИ
Гидроксильная группа не поглощает в ультрафиолетовой обла-сти? однако молекулы фенолов можно определять методом ультра
10
Глава 1
фиолетовой (УФ) спектрофотометрии. Выполнение для фенолов закона Бера показано на рис. 1.1, для которого использованы данные из работы [1].
Таблица 1.1
Некоторые типичные примеры непосредственного определения спиртов и фенолов методом ИК-спектрофотометрии
Оксисоединение Растворитель Длина волны, мкм Литература
Алифатические первичные Четыреххлористый угле- 1,4 1
спирты род или тетрахлормети-
лен
Алифатические первичные Хлороформ 1,4 2
спирты с псразветвлешюй
цепью
Спирты Четыреххлористый угле- 2,719-2,761 3
род
Метанол 9,84 4
Этанол Четыреххлористый угле- 11,37 5
род
Полигликоли Хинолин 3,05 6
Полипронпленглнколи Жидкость 2,84 7
Простые и сложные поли- Хлороформ — четыреххло- 2,6-3,2 8
эфиры ристый углерод
Окисленные эфиры жир- Четыреххлористый угле- 2,76 9
ных кислот род
Алкидные смолы Дихлорметан 2,85 10
Эпоксидные смолы Пиридин 3,08 11
Гидроксильная группа в Пиррол 1,445 12
ацетате целлюлозы
Фенолы Четыреххлористый угле- 2,7-2,84 13
род
Стероиды Пиридин 3,05 14
1. Crisler R. О., Burrill А. Л1., Anal. Clicm., 31, 2055 (1959).
2. Shauenstein Е., Puclmer Н., Monatshefte, 93, 253 (1962).
3. Sator E. L., Hughes R. H., Anal. Chem., 30, 51’3 (1958).
4. Oha T., Esei Shikensho Hokoku, 76, 53 (1958).
5. Bronan F. A., Broadlick D. E., Hamilton J. E., J. Pharm. Sci., 51, 242 (1962).
6. Hendrickson J. Q., Anal. Chem., 36, 126 (1964).
7. Burns E. A., Muraca R. F., Anal. Chem., 31, 397 (1959).
8. Hilton C. L., Anal. Chem., 31, 1610 (1959).
9. Ahlers N. H. E., McTaggert N. G., Analyst, 79, 70 (1954).
10. Murphy J. F., Appl. Spectry., 16, 139 (1962).
11. Adams M. R., Anal. Chem., 36, 1688 (1964).
12. Mitchell J. A., Bockman C. D., Jr., Lee A. V., Anal. Chem., 29, 499 (1957).
13. Goddu R. F., Anal. Chem., 30, 2009 (1958).
14. Kabasakalian P.f Townley E. R., Yudis M. D., Anal. Chem., 31, 375 (1959).
Гидроксильные группы
11
В. ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГИДРОКСИЛЬНОЙ ГРУППЫ
С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ ПРОВЕДЕНИЕМ ХИМИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЙ
1. Эфиры бензойной кислоты и первичных и вторичных спиртов
3,5- Динитробензоилхлорид и активные атомы водорода первичных и вторичных спиртов быстро реагируют в пиридине с образованием эфиров бензойной кислоты. Джонсон и Критчфилд [2]
Концентрация, г/л • 10^
Рис. 1.1. Выполнение закона Бера для фенолов в УФ-области спектра [1].
выделяли образующиеся динитропроизводные путем экстракции; после обработки их ацетоном в присутствии сильной щелочи проводился спектрофотометрический анализ полученных интенсивно окрашенных хиноидных ионов. По результатам этого анализа определялось содержание первичных и вторичных спиртов в анализируемой пробе.
Метод Джонсона и Критчфилда [2]
Реагенты. Раствор 3,5-динитробензоилхлорида. На горячей водяной бане растворяют 1 г химически чистого 3,5-динитробензоилхлорида в 10 мл пиридина, очищенного перегонкой. Раствор готовят непосредственно перед использованием.
Проведение анализа. Приготавливают раствор образца в пиридине (очищенном перегонкой) с концентрацией гидроксильной группы 2—50 мкг/мл. Переносят 2 мл этого раствора в мерный цилиндр емкостью 100 мл со стеклянной пробкой и добавляют 1 мл раствора 3,5-динитробензоилхлорида. Для приготовления холостого
12
Глава 1
раствора в другой такой же цилиндр переносят 1 мл раствора 3,5-динитробензоилхлорида и 2 мл пиридина. Раствор образца и холостой раствор выдерживают в течение 15 мин при комнатной температуре и затем добавляют к ним по 25 мл 2 н. соляной кислоты. После этого в каждый цилиндр пипеткой добавляют по 20 мл н-гексана, закрывают их пробками и энергично встряхивают в течение 30 с. После разделения фаз из каждого цилиндра отбирают пипеткой по 2 мл верхней фазы и переносят в отдельные мерные цилиндры на 25 мл. При этом следят за тем, чтобы в пипетке не образовывалось осадка. В каждый цилиндр добавляют по 10 мл ацетона и по 0,3 мл 2 н. водного раствора едкого натра, встряхивают и оставляют на 3—5 мин. После этого измеряют поглощение анализируемого раствора при 525 нм, используя в качестве нулевого раствора холостой раствор. Если окрашенный анализируемый раствор оказывается замутненным, то перед измерением поглощения в него добавляют щепотку кристаллического хлорида натрия и перемешивают.
Построение калибровочного графика. Используя абсолютный этанол в качестве стандартного образца, проводят ряд определений, на основании которых получают график зависимости поглощения от концентрации гидроксильной группы (мкг/мл). Закон Бера выполняется для концентрации гидроксила вплоть до 100 мкг/мл.
Пиридин, являющийся прекрасным растворителем для спиртов, поглощает выделяющийся при реакции хлористый водород, в результате чего реакция идет до конца. Благодаря последнему свойству пиридина для всех первичных и вторичных спиртов от Ci до С2о при комнатной температуре реакция завершается всего лишь за 15 мин.
Таблица 1.2
Минимальные концентрации спиртов для определений методом с 3,5-динитробензоилхлоридом [2]
Спирт Минимальная концентрация, Ю-4 % а
Метанол Этанол Пропанол-2 Бутанол Бутанол-2 Пентанол-1 Гексанол Этилгексанол-2 5-Этилгептанол-2 Эйкозанол-2 (смесь изомеров) 2,8 4,1 5,3 6,5 6,5 7,7 8,9 11,4 12,6 26,1
а
Величина пробы 1 г, поглощение 0,01.
Гидроксильные группы
13
Данные, полученные Джонсоном и Критчфилдом {2J, приведены в табл. 1.2 и 1.3.
Таблица 1.3
Результаты определения спиртов в известных смесях методом с 3,5-динитробензоилхлоридом [2]
Смесь Содержание спирта, вес. %
действительное полученное в анализе выход
Гексанол в метилизобутилкетоне 0,189 0,177 98,6
Бутанол в бутиловом эфире 0,144 0,144 100,0
Этанол в диэтилбутирале 0,200 0,200 100,0
Этанол в пентандионе 50,00 47,00 94,0
Этанол в уксусном альдегиде 0,405 0,413 102,0
Этанол в винилэтиловом эфире 0,033 0,034 103,0
Этанол в этилакрилате 0,098 0,096 98,2
Пропанол-2 в изопропиловом эфире 0,824 0,800 97,0
Метанол в ацетоне 0,041 0,040 97,5
Этанол в бутиламине 48,00 49,90 104,0
Этанол в воде 0,600 0,600 100,0
средняя величина выхода 99,5
среднее отклонение ±2,2
Соединения, содержащие две оксигруппы, например этиленгликоль, диэтиленгликоль, 2,2-диметилбутандиол-1,3 и 2,2-диме-тилпропандиол-1,3, нельзя определять этим методом. Этиленгликоль и диэтиленгликоль не дают окраски, а с остальными соединениями этого типа реакция идет лишь на 50%. В отличие от этиленгликоля реакция с его монометиловым эфиром, метилцел-лозольвом, проходит количественно и его можно определить этим методом.
Фенол и нафтол-1 взаимодействуют количественно, однако при их определении встречаются трудности, связанные с неустойчивостью окраски. Гидрохинон не дает реакции, но его монометиловый эфир реагирует количественно.
Определению гидроксилсодержащих соединений этим методом мешают вода, а также первичные и вторичные амины, поскольку 3,5-динитробензоилхлорид преимущественно вступает в реакцию с этими веществами, а не со спиртами. Однако продукты этих реакций, как правило, нерастворимы в гексане и их мешающее действие обычно удается устранить добавлением в раствор достаточного избытка реагента.
Скоггинс [3] вместо получения и спектрофотометрического анализа окрашенных продуктов реакции, как это требуется в методе Джонсона и Критчфилда [2], осуществил непосредственное
14
Глава 1
измерение поглощения в УФ-области алкиловых эфиров нитробен-зойной кислоты. В качестве реагента для этерификации первичных и вторичных спиртов Скоггинс использовал п-нитробензоилхлорид. После отделения образовавшихся эфиров от избытка реагента он измерял их поглощение при 253 нм.
Метод Скоггинса [3]
Реагент. Растворяют 1 г n-нитробензоилхлорида в 25 мл пиридина, очищенного перегонкой. Ежедневно следует приготавливать свежий раствор.
Проведение анализа. Переносят 1 мл жидкой пробы углеводорода в делительную воронку емкостью 125 мл (с краном из тефлона) и добавляют в нее 2 мл пиридина (очищенного перегонкой). Затем в воронку добавляют 1 мл раствора n-нитробензоилхлорида и встряхивают, чтобы перемешать содержимое. Оставляют смесь на 30 мин, после этого добавляют в воронку 25 мл циклогексана, тщательно перемешивают смесь и затем промывают ее 10 мл 2 М едкого кали. После промывания смеси дают постоять и после разделения фаз нижнюю фазу отбрасывают. Циклогексановую фазу промывают двумя порциями по 10 мл 2 М раствора соляной кислоты и затем двумя порциями (по 10 мл) щелочи. Окончательно смесь промывают 10 мл 2 М раствора соляной кислоты. После разделения фаз измеряют поглощение циклогексановой фазы при 253 нм в кювете с I = 1 см, используя в качестве нулевого раствора холостой раствор. Концентрацию спирта в пробе определяют по предварительно полученному калибровочному графику.
Таблица 1.4
Результаты анализа смесей этанола и циклогексана методом с и-нитробензоилхлоридом [3]
Содержание этанола, 10 4 %
действительное
полученное в анализе (среднее из нескольких определений)а
Стандартное отклонение
34,0
78,0
131,8
196,2
206,1
212,2
25,2
37,0 (6)
75,9 (7)
127,0 (6)
194,1 (6)
206,1 (6)
212,4 (6)
25,9 (3)
4,7
2,1
5,3
7,4
8,1
4,2
2,0
Цифра в скобках указывает число определений.
Гидроксильные группы
15
Таблица 1.5
Результаты определений смесей высших спиртов методом с п-нитробензоилхлоридом [3]
Спирт Содержание спирта, 10 4 % Стандартное отклонение Выход спирта, %
действительное полученное в анализе а
Бутанол-1 131,7 123,6 3,5 94
З-Метилбутанол-1 58,8 61,7 2,9 105
Г ексанол-1 156,1 165,1 4,5 106
Циклогексанол 114,5 115,5 7,1 101
Бутанол-2 97,4 95,0 1,4 98
Пропанол-4 66,2 68,0 3,2 103
Гептанол-1 155,4 160,8 Н,4 103
Октанол-1 128,6 129,6 4,5 101
Додеканол 155,5 164,4 3,1 106
а Среднее по четырем определениям.
Калибровочный график. Описанным выше способом обрабатывают аликвотные порции смесей циклогексана и спирта объемом 1 мл, содержащих от 25 до 300 мкг спирта на 1 мл раствора. Затем проводят спектрофотометрический анализ полученных растворов и, используя полученные данные, строят график зависимости поглощения от содержания спирта (в микрограммах) в образце. Закон Бера выполняется в этом случае для концентраций спирта вплоть до 300 мкг на 25 мл раствора.
Результаты такого анализа смесей этанола и циклогексана приведены в табл. 1.4. В области концентраций 25ХЮ"4 — 200 X X 10-4% средний выход этанола составлял 100,4%. В табл. 1.5 приведены результаты анализа этим методом высших спиртов. Исходные смеси для анализа приготавливали из спиртов, имеющихся в продаже, без их предварительной очистки. Для определения содержания спиртов в этих смесях использовали калибровочный график для этанола, и поэтому ошибки определения возрастали по мере увеличения весового отношения определяемый спирт/этанол.
2. Окисление вторичных спиртов до кетонов
Критчфилд и Хатчинсон [4] осуществляли селективное окисление вторичных спиртов до кетонов бихроматом калия и затем определяли количество образовавшегося кетона спектрофотометрическим методом с 2,4-динитрофенилгидразином. Поскольку избыточные бихромат-ионы окисляют 2,4-динитрофенилгидразин и метанол,
16
Глава 1
который используют в качестве растворителя, эти ионы необходимо предварительно восстанавливать. В качестве восстановителя удобно использовать 50%-ную фосфорноватистую кислоту, которая не действует на кетоны. Однако если требуется получить окрашенный продукт, то прежде чем проводить реакцию восстановленной смеси с 2,4-динитрофенилгидразином, ее необходимо нейтрализовать.
Метод Критчфилда и Хатчинсона [4]
Реагенты. Кислый ~ 0,3 н. раствор бихромата калия. Растворяют 15 г химически чистого бихромата калия в 500 мл дистиллированной воды. Затем к раствору при охлаждении медленно добавляют 360 мл концентрированной серной кислоты, разбавляют его до 1 л дистиллированной водой и перемешивают.
Фосфорноватистая кислота, 50%-ный раствор.
Метанол без примеси карбонилсодержащих соединений. Нагревают с обратным холодильником в течение 4 ч примерно 12 л метанола, содержащего 50 г 2,4-динитрофенилгидразина и 15 мл концентрированной соляной кислоты, и затем собирают дистиллят до тех пор, пока температура перегонных паров не увеличится до 64,8 °C.
Стабилизирующий водный раствор пиридина (80:20 по объему).
2,4- Динитрофенилгидразин (реагент). Готовят взвесь 0,05 г химически чистого кристаллического 2,4-динитрофенилгидразина в 25 мл приготовленного заранее метанола без примеси карбонилсодержащих соединений. В эту взвесь добавляют 2 мл концентрированной соляной кислоты и перемешивают до растворения частиц взвеси. Полученный раствор разбавляют до 50 мл метанолом без примеси карбонилсодержащих соединений.
Оптимальное время окисления чистых спиртов. В каждую из восьми колб емкостью 250 мл вводят пипеткой по 15,0 мл бихромата калия (реагент). Четыре колбы оставляют для холостых определений. В каждую из остальных четырех колб добавляют по 2,0—3,0 мэкв окисляемого спирта или аликвотную часть его раствора; в последнем случае необходимо добавить такое же количество растворителя в колбы для холостых определений. Оставляют по паре колб (колбу с образцом и колбу для холостого определения) соответственно на 30, 60, 90 и 120 мин. По истечении каждого из этих интервалов времени в каждую из соответствующей пары колб добавляют по 100 мл дистиллированной воды и 10 мл 15%-ного раствора иодида калия и сразу же титруют каждый из полученных растворов стандартным 0,1 н. раствором тиосульфата натрия до появления зеленовато-желтой окраски. Затем в колбы добавляют по несколько миллилитров 1%-ного раствора крахмала и продолжают титрование до исчезновения окраски, обусловлен
Гидроксильные группы
17
ной взаимодействием иодид-иона с крахмалом. За оптимальное время окисления принимают тот из указанных выше интервалов времени, по истечении которого прекращается расход бихромата в растворе.
Калибровочный график. В мерную колбу емкостью 100 мл наливают 50 мл дистиллированной воды [или ацетонитрила (см. табл. 1.6.)]. Затем в колбу переносят образец в количестве, в
Таблица 1.6
Условия реакций для определений вторичных спиртов [4]
Спирт Количество (максимальное) вторичного спирта в пробе, мг Продолжительность окисления, мин
Бутанол-2 2,92 69—120 а
Гептанол-3 6,16 6 5—60
Гептанол-4 5,36 6 5—75
Гександиол-2,5 1,47 30—60
Гексанол-2 3,63 5—60
Пропанол-2 1,96 5—60 а
Изопропаноламин 2,17 120—210 а’ 3
Октанол-2 4,06 6 10—60
Октанол-4 5,47 б 30—100
Пентанол-3 6,66 5—60
а При комнатной температуре.
Разбавляют ацетонитрилом или используют 1 воритечь с тем, чтобы обеспечить растворение па ст в
прохождение реакции с 2,4-динитро^енилгидразином.
ацетонитрил как сораст-гадии окисления.
Дают постоять в течение 17 ч с тем, чтобы обеспечить количественное
100 раз превышающем максимальное его количество, приведенное в табл. 1.6, подходящим растворителем доводят объем содержимого колбы до метки и перемешивают. Аликвотные части полученного разбавленного раствора объемом 5,0, 10,0, 15,0 и 20,0 мл переносят в отдельные мерные колбы объемом 100 мл и растворителем доводят объем содержимого каждой из этих колб до метки. Калибровочный график строят по данным, полученным в результате анализов по приведенной ниже схеме, причем в качестве образцов в этих анализах используют аликвотные части полученных стандартных растворов объемом 5 мл.
Проведение анализа. В три мерные колбы объемом 50 мл переносят по 15,0 мл бихромата калия (реагента). Одну из этих колб с реагентом оставляют для проведения холостого определения. В каждую из остальных двух колб переносят образец в достаточном количестве, в котором, однако, вторичного спирта содержится не более, чем указано в табл. 1.6. Если оптимальней .размер ! ллТТАа * '
I к и. ч !
18
Глава 1
пробы настолько мал, что его затруднительно точно взвесить, то образец разбавляют водой или ацетонитрилом, очищенным перегонкой. Общее количество спирта в образце не должно превышать 3,8 мэкв, что устанавливают описанным выше волюмометрическим методом. Если пробу взвесили без разбавления и она нерастворима в реагенте, то для ее растворения в колбу добавляют достаточное количество ацетонитрила, очищенного перегонкой. Такое же количество ацетонитрила добавляют и в колбу для холостого определения. После этого все три колбы выдерживают при О °C (если только в табл. 1.6 не указана другая температура) до тех пор, пока не произойдет полное окисление содержащихся в них спиртов. Оптимальные времена окисления вторичных спиртов приведены в табл. 1.6; для первичных спиртов эти времена можно определить описанным выше волюмометрическим методом.
После этого все три колбы погружают в баню со льдом и пипеткой добавляют в каждую из них по 1,0 мл фосфорноватистой кислоты, одновременно взбалтывая ее содержимое. Затем колбы вынимают из бани со льдом и на 15 мин погружают в водяную баню с комнатной температурой. После этого содержимое каждой колбы разбавляют до метки метанолом без примеси карбонилсодержащих соединений и перемешивают. Аликвотные части каждого из полученных разбавленных растворов объемом 3 мл переносят в отдельные мерные колбы емкостью 50 мл. Затем эти колбы погружают в баню со льдом и в каждую из них добавляют пипеткой по 3 мл 4 н. раствора едкого кали. Вынимают колбы из охлаждающей бани и выжидают до тех пор, пока их содержимое не прогреется до комнатной температуры. После этого в каждую колбу добавляют пипеткой по 3,0 мл реагента 2,4-динитрофенил-гидразина, перемешивают ее содержимое и выдерживают в течение 30 мин при комнатной температуре (если в табл. 1.6 не оговорено других условий). Затем в каждую колбу добавляют пипеткой по 15 мл стабилизирующего раствора пиридина, 3,0 мл свежеприготовленного 10%-ного раствора едкого кали в метаноле и перемешивают. После выдерживания в течение 5 мин при комнатной температуре полученные растворы фильтруют через бумажный фильтр ватман № 40. Фильтраты собирают в отдельные мерные цилиндры емкостью 25 мл со стеклянными пробками и оставляют на 10 мин. Пробы полученных растворов помещают в кюветы с 1 = 1 см и измеряют их поглощение относительно поглощения холостого раствора при 480 нм. По результатам измерения с помощью калибровочного графика определяют концентрацию вторичного спирта.
Оптимальное время окисления, выбираемое для определения вторичных спиртов в присутствии первичных спиртов, зависит от времени, требующегося для окисления спиртов обоих типов до кислот. Как правило, в пробе не должно расходоваться более 85% уведенного в нее количества бихромат-иона.
Гидроксильные группы
19
Обычно для определения каждого вторичного спирта требуется отдельный калибровочный график. Как правило, наиболее чувствительную цветную реакцию дают кетоны, содержащие метильную группу, связанную с карбонильной группой; такой же эффект отмечали и для соответствующих спиртов. Наиболее чувствительную цветную реакцию давал гександиол-2,5, в соответствующем кетоне которого каждая из карбонильных групп связана с метильной группой.
Описанный метод неприменим для определения двухатомных спиртов, в которых гидроксильные группы разделены более чем четырьмя атомами углерода. Неприменим он и для определения циклических вторичных спиртов, а также алифатических спиртов с сильно разветвленными углеводородными радикалами, которые окисляются до кислот, а не до кетонов. Определению мешают большинство кетонов и вообще любые соединения, окисляющиеся до карбонилсодержащих соединений.
3. Галогенирование спиртов
Для определения третичных спиртов Скоггинс и Миллер (5] использовали метод, основанный на реакции третичных спиртов с иодистоводородной кислотой, приводящей к образованию третичных иодистых алкилов и воды
R' R'
I I
R—С—ОН + HI ч=± R—C—I + Н2О (1)
R" R"
Для того чтобы обеспечить завершение этой реакции, третичный иодистый алкил по мере его образования удаляют из реакционной смеси циклогексаном. Затем измеряют поглощение полученного органического иодида в УФ-области спектра.
В работе [5] сообщалось, что анализ контрольных образцов 2-метилпропанола-2, имеющих концентрации от 50-10-4% до 2000 X 10-4%, требует 15 мин, причем средний выход продукта составляет 100,1%. При хранении третичных иодистых алкилов их поглощение в УФ-области спектра не меняется в течение нескольких дней.
Если в иодистоводородной кислоте имеется свободный иод, то наличие в анализируемой смеси пропанона или других соединений, содержащих группу СН3СО или образующих ее в результате окисления, приведет к получению завышенных результатов. Присутствие олефинов в высоких концентрациях затрудняет анализ, но от них можно избавиться путем предварительного гидрирования пробы над платиновым катализатором при комнатной температуре и атмосферном давлении. Проведению анализа мешают и ароматические соединения, поглощающие в УФ-области.
20
Глава 1
Метод Скоггинса и Миллера [5J
Проведение анализа. Некоторое количество анализируемой смеси углеводородов, в котором содержится не более 0,08 мМ третичного спирта, переносят в сосуд емкостью 40 мл с плотно завинчивающейся пробкой и полиэтиленовой прокладкой. Затем пробу в сосуде разбавляют циклогексаном до 25 мл (если образец находится в водном растворе, то в сосуд переносят 100—200 мг этого раствора и добавляют в него 25 мл циклогексана), добавляют 3 мл иодистоводородной кислоты и взбалтывают его содержимое в течение 3 мин. При этом можно пользоваться 50—55%-ной иодистоводородной кислотой, имеющейся в продаже, или 72 %-ной кислотой без примесей свободного иода. После взбалтывания реакционную смесь переносят в делительную воронку, тщательно перемешивают, дают отстояться и водную фазу отбрасывают. К оставшейся фазе добавляют 10 мл 1 М раствора едкого натра, три капли перекиси водорода и взбалтывают смесь до тех пор, пока не исчезнет «иодная» окраска. Небольшую порцию полученного раствора переносят в кювету с I = 1 см и измеряют ее поглощение относительно поглощения холостого раствора. Длину волны света меняют при этом от 300 до 240 нм. По полученной величине поглощения с помощью предварительно построенного калибровоч-
Таблица 1.7
Результаты анализа смесей третичный спирт — циклогексан а [5]
Спирт Содержание спирта, ю-4 % Стандартное откло- нение Длина волны в, нм Молярный коэффициент погашения, г л-моль“1 .см""1
действительное полученное в анализе
2-Метил пропанол-2 489,2 457,1 25,1 (4) 269 591
2-Метилбутанол-2 д 424,6 380,9 23,8 (5) 267 602
2-Метилбутин-2-ол-2 е 561,6 560,0 .... (2) . . .
2-Метилпентанол-2 571,2 560,7 19,7 (5) 268 613
З-Этилпентанол-З 195,5 212,2 1,5 (4) 266 689 -
2,4-Диметилгексанол-4 459,1 460,3 4,6 (5) 267 636
4-Метилгептанол-4 671,2 653,7 7,8 (3) 269 618
4-Метилоктапол-4 740,4 763,8 8,1 (3) 269 654
4-Метилнопапол-4 214,6 188,4 7,4 (5) 267 585
а В качестве стандарта в анализах использовали 2,4-диметилгексанол-4.
б Цифры в скобках показывают число определений.
в Длина волны Для максимума поглощения соответствующего алкилиодида.
г Молярный коэффициент погашения соответствующего алкилиодида.
д Подвергнут перегонке непосредственно перед приготовлением стандартных раст воров.
е Подвергнут гидрированию перед анализом.
Гидроксильные группы
21
ного графика определяют концентрацию третичного спирта в пробе.
Данные для построения калибровочного графика получают следующим образом. Приготавливают набор стандартных растворов, разбавляя порции от 0 до 0,1 мМ используемого для калибровки третичного спирта до 25 мл циклогексаном, и проводят анализ полученных растворов, как описано выше. По полученным данным строят график зависимости поглощения от содержания третичного спирта.
Данные, полученные Скоггинсом и Миллером, приведены в табл. 1.7.
4. Определение спиртов после ацетилирования в форме гидроксамата железа(Ш)
Для определения следовых количеств спиртов можно сначала подвергнуть их ацетилированию, а затем использовать метод с гидроксаматом железа(III), применяющийся в определении эфиров (гл. 3, разд. I, В) [6]. При использовании такого метода образец, содержащий спирт, сначала ацетилируют до эфира уксусной кислоты. Ацетилирование осуществляют в мягких условиях в пиридине с кислотным катализатором в присутствии буфера при комнатной температуре. После ацетилирования избыток ангидрида гидролизуют минимальным количеством воды при комнатной температуре. Полученный ацетат с помощью гидроксиламина превращают в анион соответствующей гидроксамовой кислоты в основном растворе, затем этот раствор подкисляют и добавляют в него перхлорат железа(III) для образования пурпурного хелата железа(III) [7]. Ниже описан метод Гутникова и Схенка [6].
Метод Гутникова и Схенка [6]
Реагенты. Реагент для ацетилирования. В мерную колбу емкостью 50 мл переносят пипеткой 1 мл 72%-ной хлорной кислоты и погружают колбу в баню со льдом. Затем медленно по стенкам в колбу добавляют пипеткой 20 мл пиридина и доливают раствор до метки уксусным ангидридом. Уровень раствора до метки доводят при комнатной температуре. Свежий раствор готовят ежедневно.
Перхлорат гидроксиламина, 1,4 М раствор. Растворяют при нагревании 195 г перхлората натрия в 400 мл абсолютного метанола. Растворяют при нагревании и помешивании 105 г химически чистого хлоргидрата гидроксиламина в 550 мл абсолютного метанола. При постоянном помешивании медленно вливают первый из этих растворов во второй. После этого к полученному раствору добавляют 50 мл бензола и дают охладиться до комнатной температуры. Затем раствор вместе с образовавшимся осадком помещают на 1 ч в ледяную баню. После охлаждения отфильтровывают
22
Глава 1
хлорид натрия через пористый стеклянный фильтр и сливают фильтрат в полиэтиленовую бутыль для хранения.
Основной раствор перхлората железа(III). Растворяют 50 г безводного перхлората железа(III) в 400 мл абсолютного этанола, добавляют в полученный раствор 40 мл 72%-ной хлорной кислоты и этанолом доводят объем раствора точно до 500 мл.
Перхлорат железа(III) (реагент). Добавляют 100 мл основного раствора перхлората железа(III) к примерно 1,7 л абсолютного этанола. Затем медленно небольшими порциями при непрерывном охлаждении туда же добавляют 140 мл 72%-ной хлорной кислоты. Дают охладиться полученному раствору и абсолютным этанолом доводят его объем до 2 л.
Проведение анализа. Берут навеску образца в мерной колбе емкостью 10 мл или более с таким расчетом, чтобы после разбавления навески до метки ацетилирующим агентом содержание гидроксильной группы в растворе составляло 0,005—0,07 мМ/мл. После добавления ацетилирующего агента раствор оставляют на 5 мин или дольше в случае соединений с пространственно затрудненной для реакции структурой молекул. На этом этапе отношение объема образца к общему объему раствора не должно превышать 1 :20, или, иначе, содержание образца в 10 мл раствора не должно превышать 0,5 мл.
Отбирают пипеткой точно 1 мл этого раствора и переносят в мерную колбу емкостью 50 мл (для приготовления холостого раствора в другую колбу переносят 1 мл ацетилирующего агента), добавляют 0,5 мл гидролизующего агента (смесь пиридина с водой, 4:1) и оставляют на 10 мин при комнатной температуре. Добавляют в колбу пипеткой 3 мл 1,4 М раствора перхлората гидроксиламина (реагент) и 10 мл 2,5 М раствора едкого натра в метаноле. Спустя 20 мин в эту колбу добавляют 20—23 мл смеси перхлората железа с ацетоном, которую приготавливают для каждой пробы из 2,5 мл ацетона и 35 мл перхлората железа (реагент). После этого выжидают 5 мин и той же самой смесью перхлората железа и ацетона доводят до метки содержимое колбы и тщательно перемешивают его. Наконец, измеряют поглощение полученного раствора в кювете с I — 1 см при 524 нм относительно поглощения холостого раствора, приготовленного тем же способом, что и анализируемый раствор.
Берут навески образцов (не более чем по 2 мл каждая) с малыми концентрациями гидроксильной группы непосредственно в мерную колбу емкостью 50 мл. Добавляют в колбу 1 мл ацетилирующего агента (точно), оставляют смесь на 10 мин или дольше, затем добавляют в колбу 0,5 мл гидролизующего агента и т. д., как описано выше.
Такие вещества, как сахара, которые нерастворимы в ацетилирующем агенте, можно предварительно растворить в минималь
Гидроксильные группы
23
ном количестве воды, а затем уже обрабатывать ацетилирующим агентом, как описано выше.
С помощью описанного метода осуществляли определение спиртов в присутствии более чем стократного избытка амина или воды, а также в присутствии хлороформа или трибутилфосфата. Закон Бера выполняется при этом для концентраций от 1,0 до 14 X Ю~4 М (имеются в виду концентрации гидроксильной группы в конечном растворе, для которого измеряется поглощение). Описанный метод применим для определения первичных и вторичных спиртов, а также третичного бутилового спирта, соединений с несколькими гидроксильными группами, сахаров, меркаптанов и фенолов с пространственно незатрудненной структурой. Пространственно незатрудненные первичные и вторичные амины взаимодействуют с уксусным ангидридом преимущественно с образованием замещенных амидов, которые реагируют с щелочным раствором гидроксиламина (реагент) гораздо медленнее, чем эфиры. Для смесей, содержащих более 10 мэкв спирта, коррекции результатов обычно не требуется. Определению мешают альдегиды и кетоны, имеющие те же концентрации, что и спирты. Возможно, это обусловлено ацетилированием этих соединений в енольной форме.
5. Реакция спиртов с изоцианатами
Большинство гидроксильных соединений, включая пространственно затрудненные спирты и третичные спирты, быстро реагируют с фснилизоцианатом, образуя карбанилаты (N-фенилкарба-маты)
ROH + CgH5NCO —> CGH6NHCOOR (2)
Карбанилаты сильно поглощают в УФ-области спектра. На этом их свойстве основан метод определения общего содержания гидроксильных групп в эфирах целлюлозы, разработанный Мальмом и сотр. [8]. Избыток фенилизоцианата удаляют путем осаждения карбанилата; образовавшийся осадок растворяют в смеси хлористого метилена и метанола (90: 10 по весу) и по величине поглощения полученного раствора при 280 нм определяют концентрацию карбанилата. По этой концентрации вычисляют полную концентрацию гидроксильной группы.
Изоцианаты имеют интенсивную полосу поглощения в ПК-области спектра около 4,4 мкм, причем можно ожидать, что в этой области другие вещества лишь незначительно мешают определению. МакГинн и Спонберг [9] использовали уменьшение интенсивности полосы поглощения изоцианатной группы во времени для определения скоростей реакций арилдиизоцианатов с полиэфирами, в результате которых образуются полиуретаны.
Реакция гидроксильных групп с фенилизоцианатом лежит в основе дифференциального кинетического метода анализа дврц-
24
Глава 1
ных и тройных смесей спиртов, разработанного Вилльбурдзом и Критчфилдом [10]. В этом методе о завершении реакции судят по исчезновению полосы поглощения изоцианатных групп при 4,42 мкм.
Метод Вилльбурдза и Критчфилда [10]
Реагенты и оборудование. Диметилформамид. Его следует перегнать или высушить с помощью молекулярного сита типа 5А так, чтобы содержание воды в нем не превышало 0,01%, и хранить в закупоренной склянке.
Толуол. Отгоняют из смеси с октоатом олова(II) (катализатор) (берут 100 г катализатора на 3,78 л толуола). Содержание воды должно быть менее 0,005%. Хранить в закупоренной склянке.
Фенилизоцианат (реагент). Добавляют 10,0 мл (10,95 г) фенилизоцианата к 50 мл обезвоженного толуола, затем тем же толуолом доводят объем раствора до 100 мл и тщательно перемешивают. Хранят реагент в мерной колбе. При выпадении кристаллического осадка реагент выбрасывают.
Катализатор. Добавляют 0,404 г октоата олова (И) к 50 мл обезвоженного толуола, тем же толуолом доводят объем раствора до 100 мл и тщательно перемешивают. Ежедневно приготавливают свежий катализатор.
Инфракрасный спектрофотометр фирмы «Beckman», модель IR 5А, или аналогичный прибор с кюветами из фтористого кальция (/ = 0,10 мм).
Получение калибровочного графика. Приготавливают набор стандартных растворов фенилизоцианата в смеси безводного толуола с диметилформамидом (90: 10 по объему), концентрации которых покрывают интервал 1—50 мМ на 50 мл раствора. Измеряют поглощение этих растворов при 4,42 мкм и, используя полученные данные, строят график зависимости поглощения от концентрации изоцианата. Этот график должен иметь вид прямой линии.
Проведение анализа. Переносят пробу, содержащую 5 мМ гидроксильных групп, в мерную колбу емкостью 50 мл, в которой имеется немного толуола, и затем толуолом доводят объем раствора в колбе почти до 30 мл. После этого в колбу добавляют пипеткой 5 мл диметилформамида, 10 мл раствора катализатора и затем 5 мл (4,60 мМ) фенилизоцианата, замечая момент времени, когда был добавлен фенилизоцианат. Быстро разбавляют полученную смесь толуолом до метки и помещают колбу в баню с постоянной температурой (25°C). Затем через каждые 5 мин из колбы отбирают шприцем небольшие аликвотные части раствора (±1 мл), вводят их в кювету спектрофотометра и измеряют поглощение при 4,42 мкм. По результатам измерений с помощью калибровочного графика в ходе анализа непрерывно определяют концентрацию изоцианата,
Гидроксильные группы
25
Для определения содержания более активного спирта в соответствии с обычно используемым графическим методом [11] экстраполируют к нулю ветвь графика, характеризующую скорость реакции изоцианата с менее активным спиртом.
Описанный метод позволяет точно определять смеси первичных и вторичных спиртов, первичных и третичных спиртов, а
Таблица 1.8
Анализ двойных смесей первичных, вторичных и третичных спиртов
Компоненты смеси Содержание быстрореатирующего спирта, %
быстрореагирующие мсдлеппореа гирую щие полученное
спирты спир гы вычисленное в анализе
Пропанол-1 Пропапол-2 12,8 12,9
25,6 25,5
38,3 37,9
50,7 48,8 а
63,1 59,6 а
Бутанол-1 Бутанол-2 12,5 12,4
25,0 24,8
37,5 37,0
Пропанол-1 Бутанол-2 20,1 20,0
40,0 39,4
Бутанол-1 Пропапол-2 15,7 15,4
32,8 32,5
Пропанол-1 2-Метилпропанол-2 13,1 13,0
26,4 26,2
39,7 39,3
Бутанол-1 2-Метилпропанол-2 12,5 12,6
25,0 25,0
Пропанол-2 2-Метилпропанол-2 12,1 11,8
24,0 23,3
Бутанол-2 2-Метилпропанол-2 12,5 12,3
25,0 24,7
37,5 36,9
Пропанол-1 2-Этилгексанол 13,1 13,3
26,4 26,8
39,7 40,6
Бутанол-1 2-Этилгексанол-2 12,5 13,0
25,0 25,9
Количество первичного спирта слишком велико по сравнению с количеством вторичного. Это не позволяет получить кривую, соответствующую скорости реакции вторичного спирта, так как соответствующий участок кривой отвечает завершению реакции первичного спирта.
26
Глава 1
также вторичных и третичных спиртов. Как следует из последних двух строк табл. 1.8, этот метод применим и для определения смесей первичных спиртов, если содержание более активного спирта в такой смеси относительно невелико. Применим этот метод и для определения первичных гидроксильных групп в полипропи-ленгликолях.
Вода быстрее реагирует с фенилизоцианатом, чем с первичными спиртами, и для вычисления поправок можно исходить из того, что 1 моль воды поглощает 1 моль изоцианата. Определениям этим методом мешают первичные и вторичные амины, поскольку скорости их реакций с фенилизоцианатом сравнимы со скоростями реакций спиртов. Третичные амины не мешают анализу, так же как и карбонильные соединения, карбоновые кислоты и ацетали. Большинство ароматических гидроксильных соединений не взаимодействуют с фенилизоцианатом.
6. Реакция с трифенилхлорметаном
Первичные гидроксильные группы в эфирах целлюлозы определяли путем введения трифенилметильной группы и последующего измерения поглощения образующегося трифенилкарбинола в УФ-области спектра [8]; при этом реакция идет по уравнению
ROH + TrCl + C6HBN —► ROTr + C5H6N • HC1 (3)
где Tr обозначает тритил (трифенилметил).
Величина поглощения смеси продуктов этой реакции при 259 нм пропорциональна содержанию в ней тритила. Среднее поглощение ацетата целлюлозы в условиях, указанных в работе [8], равно 0,015; это значение служит поправкой при вычислении поглощения трифенилметилового эфира. По завершении реакции полученную смесь разбавляли пиридином для осаждения трифенилкарбинола. После этого готовили 0,1%-ный раствор осадка в смеси хлористого метилена с метанолом (90:10 по весу) и измеряли поглощение раствора при 259 нм.
Хендриксон [12] использовал реакцию с трифенилхлорметаном для определения первичных гидроксильных групп в полигликолях дифференциально-кинетическим методом. О завершении реакции он судил по исчезновению полосы поглощения гидроксильной группы в ПК-области спектра около 3,05 мкм.
Саундерс, Шварц и Стюарт сообщали [13], что после обработки тритилсодержащих соединений кислотой они приобретают ярко-желтую окраску и поглощают при 420 нм. Желтая окраска обусловлена образованием трифенил-катиона. Образцы, содержащие тритиловый эфир или N-тритиламиногруппу, растворимы в органических растворителях. Аликвотные части таких растворов переносят в пробирки и током азота тщательно удаляют из них растворитель.
Гидроксильные группы
27
Затем в пробирки добавляют по 10 мл концентрированной серной кислоты, чтобы смыть вещество со стенок пробирки, и тщательно перемешивают содержимое. О плотности окраски судят по величине поглощения при 420 нм относительно поглощения серной кислоты. Измерение поглощения можно проводить спустя любое время после добавления кислоты. Калибровочный график строят по данным для трифенилкарбинола; линейный участок этого графика простирается до значений содержания тритильной группы, примерно равных 35 мкг.
7. Определение с помощью инфракрасной спектрофотометрии ацетатной группы, образующейся при ацетилировании гидроксильных групп
Крамм, Ламонт и Мейер [14] использовали ИК-спектрофотомет-рию для определения содержания гидроксильных групп в окисленном полиэтилене. При этом они проводили спектральный анализ полимера, подвергнутого количественному ацетилированию уксусным ангидридом. Для определения содержания ацетильной группы измеряли поглощение при 8,03 мкм. Соответствующая полоса поглощения обусловлена валентными колебаниями связи С—О и типична для эфиров уксусной кислоты. Результат определения ацетильной группы принимали за содержание гидроксильной группы. Калибровочные данные для этого метода получали путем спектрофотометрического анализа полимеров в ИК-области; содержание гидроксильной группы в полимерах предварительно устанавливали путем их ацетилирования уксусным ангидридом, меченным изотопом 14С, и последующего радиохимического анализа.
8. Определение гидроксильных групп при соседних атомах углерода
Иодная кислота активно реагирует с гидроксильными группами при соседних атомах углерода, но не действует на соединения с одной гидроксильной группой или с гидроксильными группами, разделенными одним или более атомами углерода:
RCHOHCHOHR' + НЮ4 —> НЮ3 + RCHO + R'CHO + Н2О (4)
Первым обратил внимание на селективность окислительного действия иодной кислоты Малапрейд [15]. Дель Ногэ, Норрис и Митчелл [16] с помощью реакции (4) определяли 1,2-пропиленгли-коль в присутствии этиленгликоля. В использованном ими методе гликоли окисляют до альдегидов, затем уксусный альдегид, который получается только из 1,2-пропиленгликоля, превращают в йодоформ и анализируют спектрофотометрически.
28
Глава 1
Метод Дель Ногэ, Норриса и Митчелла [/6]
Проведение анализа. В мерной колбе приготавливают 250 мл нейтрального водного раствора 2—4 г анализируемой смеси. После перемешивания 5 мл этого раствора переносят в перегонную колбу емкостью 100 мл и добавляют 45 мл воды. Перегонную колбу необходимо снабдить эффективным холодильником. Непосредственно перед началом перегонки в колбу добавляют 0,5 г иодной кислоты. Перегонку ведут со скоростью 3—5 мл/мин до тех пор, пока в колбе не останется лишь около 1 мл раствора. Выпаривать содержимое колбы досуха не следует. Дистиллят собирают в мерную колбу емкостью 50 мл, погруженную в баню со льдом. Для уменьшения потерь конец выходной трубки холодильника следует вытянуть так, чтобы она входила внутрь колбы-сборника. По завершении перегонки дистиллят нагревают до комнатной температуры и доводят его объем до метки. Затем анализируют порции этого дистиллята, содержащие 0,1—0,5 мг уксусного альдегида, используя метод Дель Ногэ, Норриса и Митчелла [16], описанный в гл. 2. Результаты такого анализа, полученные самими авторами, приведены в табл. 1.9.
Таблица 1.9
Анализ проб, содержащих 1,2-пропиленгликоль [161
Состав пробы, вес. % Содержание уксусного альдегида, мг Выход уксусного альдегида, %
пропилен-гликоль этиленгликоль вычисленное полученное в анализе
95,3а 0,0 0,521 0,494 94,8
0,475 0,467 98,3
18,1 74,3 0,232 0,245 105,6
0,269 0,261 97,1
7,9 83,7 0,103 0,097 94,2
0,127 0,127 100,0
1,0 97,0 0,155 0,125 80,7
0,155 0,131 84,5
0,55 97,5 а 0,078 0,074 94,9
0,078 0,072 92,4
а Остальная часть пробы—вода и невицинальные гликоли (гидроксильные группы расположены и у смежных углеродных атомов).
Уксусный альдегид имеет относительно интенсивную полосу поглощения при 277 нм, а формальдегид, по-видимому, не поглощает в УФ-области спектра. Это наблюдение привело Бомеля [17] к созданию метода, в котором после окисления иодной кислотой
Гидроксильные группы
29
и последующей перегонки образующихся альдегидов используется спектрофотометрический анализ в УФ-области спектра. Основная трудность при анализе этим методом связана с выделением иода во время перегонки альдегидов. Иод и иодсодержащие кислоты, образуемые иодом и водой, сильно поглощают в УФ-области, тем самым мешая определению альдегидов. Бомель предположил, что иод появляется в результате реакций йодноватой кислоты с пропи-ленгликолем, протекающей с образованием иодистоводородной кислоты. Реагируя с йодноватой кислотой и иодной кислотой, эта кислота и дает иод. Он обнаружил, что в очень разбавленном растворе указанная реакция йодноватой кислоты замедляется и альдегиды удается перегнать в чистом виде.
Метод Бомеля [17]
холодильником переходной трубкой,
Оборудование. Спектрофотометр фирмы «Beckman» модели DU, с водородной газоразрядной лампой и кварцевыми кюветами (/ = 1 см).
Оборудование для перегонки. Круглодонная колба (1 л) соединена с охлаждаемым водой изогнутой под углом 75°. Алонж (105°) используется для соединения холодильника со стеклянной трубкой (250 X 4 мм), которая опущена в пробирку Несслера (50 мл) почти до дна.
Проведение анализа. Берут навеску (около 5 г) смеси гликолей и разбавляют ее водой до получения 250 мл раствора. Пипеткой переносят 50 мл этого раствора в круглодонную колбу емкостью 1 л. Добавляют в колбу 300 мл воды, 100 мл раствора иодной кислоты (45 г/л), бросают в нее не
Содержание 1,2-пропиленгликоля, %
Таблица 1.10
Анализ синтетических смесей, содержащих этиленгликоль, 1,2-пропиленгликоль и буру [17]
в пробе среднее значение, полученное в результате анализа а
3,08 3,08 (4)
9,95 10,04 (4)
14,70 14,75 (4)
19,40 19,37 (3)
а В скобках указано число определений.
сколько стеклянных шариков и сразу же соединяют ее с холодильником. Дистиллят собирают в пробирке Несслера, в которую предварительно наливают 10 мл воды. Сама пробирка во время перегонки должна быть наполовину погружена в баню со льдом. В пробирке Несслера нижний конец выходной трубки холодильника должен быть погружен в воду. Перегонку ведут до тех пор, пока жидкость в пробирке Несслера не заполнит весь ее объем. После этого выходную трубку холодильника несколько приподнимают над поверхностью собранного дистиллята и выжидают, пока
30
Г лава 1
уровень последнего не поднимется до отметки 50 мл. По завершении перегонки пробирку закрывают резиновой пробкой с термометром и выжидают до тех пор, пока дистиллят не прогреется до температуры кюветы спектрофотометра. Поглощение дистиллята измеряют при 277 нм. Калибровочный график строят по данным спектрофотометрического анализа проб с известным содержанием 1,2-пропиленгликоля.
В табл. 1.10 приведены результаты, полученные Бомелем при анализе смесей, содержащих этиленгликоль, пропиленгликоль и 2,5% буры.
Более общий метод определения нейтральных гликолей, с использованием окисления перйодатом, разработали Лейбман и Ортиц [18]. С некоторыми изменениями этот метод применим и к определению нескольких соединений с двумя гидроксильными группами.
Метод Лейбмана и Ортица [/8]
Проведение анализа. В пробирку центрифуги емкостью 15 мл со стеклянной пробкой переносят следующие вещества в указанной ниже последовательности: 2 мл водного раствора анализируемого образца, 1 мл 10 н. раствора серной кислоты и 1 мл 0,1 М раствора перйодата натрия. После добавления каждого вещества содержимое пробирки тщательно перемешивают. Полученный раствор выдерживают в открытой пробирке в течение определенного интервала времени при определенной температуре (реакция А, табл. 1.11). После этого, если температура, при которой выдерживали раствор, была выше комнатной, пробирку помещают на 5 мин в баню со льдом. Добавляют 0,5 мл 0,867 М раствора тиоацетамида, для приготовления которого растворяют 650 мг тиоацетамида
Таблица 1.11
Условия определения гликолей по методу Лейбмана и Ортица [18]
Г ликоль Температура реакции А а, °C Поглощение
цис-1,2-Диоксииндан 80 0,417+0,011
транс-1,2-Диоксииндан 80 0,416±0,014
цис-1,2-Диоксициклогексан Комнатная 0,705± 0,011
транс-1,2-Диоксициклогексан » 0,700+0,011
Фенилэтиленгликоль » 0,632 ±0,021
а В каждом случае реакцию А вели в течение 60 мин, а реакцию Б в течение 45 мин при комнатной температуре.
б Имеется в виду поглощение при 375 нм при анализе данным методом 100 мкМ гликоля. Во всех случаях максимум поглощения наблюдался при 375 нм.
Гидроксильные группы
31
в дистиллированной воде, и доводят объем раствора до 10 мл. Ежедневно готовят свежий раствор.
После этого содержимое пробирки выдерживают в течение 5— 10 мин при комнатной температуре, тщательно перемешивают смесь вибрационной мешалкой в течение 30 с и по окончании перемешивания добавляют 0,5 мл раствора 2,4-динитрофенилгидразина (100 мг 2,4-динитрофенилгидразина растворяют в 100 мл 2 н. соляной кислоты), перемешивают ее содержимое и, не закрывая, выдерживают определенное время при определенной температуре (реакция Б, табл. 1.11). Добавляют в пробирку 5 мл хлороформа, закрывают ее пробкой и несколько раз энергично встряхивают, причем после каждого встряхивания дают жидкости стечь на дно пробирки, затем ее приоткрывают и вновь закрывают пробкой. После этого содержимое пробирки центрифугируют с ускорением около 1000 g в течение 5 мин. В результате центрифугирования сера собирается обычно на поверхности раздела и в нижней части слоя хлороформа. Водную фазу, а также по возможности большую часть вещества, находящегося на поверхности раздела фаз, удаляют из пробирки с помощью капилляра, соединенного с откачиваемой колбой. В оставшуюся хлороформную фазу погружают конец пипетки (3 мл). Во время погружения пипетки в ней должно быть избыточное давление воздуха, чтобы в нее не попадала вода или вещества с поверхности раздела фаз. Наружную поверхность пипетки с пробой хлороформной фазы тщательно вытирают тканью, переносят пробу в кювету (/ = 1 см) и измеряют поглощение фазы при подходящей длине волны света.
Для приготовления холостого раствора берут 2 мл раствора, аналогичного раствору анализируемого образца, но не содержащего гликоля, и повторяют с ним всю описанную выше процедуру. Для получения калибровочных данных проводят анализ растворов с известными концентрациями гликолей.
Условия, необходимые для осуществления анализа этим методом, приведены в табл. 1.11.
Диксон и Липкин [19] показали, что расход перйодата на окисление гидроксильных групп при соседних атомах углерода можно измерять спектрофотометрически по полосе поглощения метапе-риодата с максимумом при 223 нм. Такой метод позволял успешно анализировать пробы рибофуранозидов размером 10~8=-10~6 моля.
Г. ФЕНОЛЫ
Для фенольных групп и в особенности для фенолят-иона характерны сильные электронодонорные свойства, благодаря которым простые фенольные соединения легко замещаются такими электроноакцепторными агентами, как нитрозогруппы и соли диазония. При этом заместители оказываются в пара- или орто-положении
32
Глава 1
Гидроксильные группы
33
по отношению к гидроксильной группе. Многие из таких замещенных фенолов имеют интенсивную окраску, благодаря чему реакцию замещения можно использовать для их анализа.
1. Образование азокрасителя
Реакция замещения солей диазония с образованием азокрасителя лежит в основе одного из наиболее широко применяемых методов определения следовых количеств фенолов
ArN S NCV
ArN ~ N
он ч* нсг (5)
Для образования соли диазония наиболее часто применяют два ароматических амина: сульфаниловую кислоту и п-нитроанилин. Если пара-положение фенола не занято, то сочетание происходит в этом положении; в противном случае сочетание может произойти в орто-положении, хотя и гораздо медленнее. Если же в феноле заняты оба эти положения, то сочетания обычно не происходит. Этому могут мешать ароматические амины, многие из которых могут замещаться нитрозогруппами из-за избытка в смеси азотистой кислоты. Как правило, продукты разложения соединений диазония окрашены; поэтому присутствие в реакционном растворе таких веществ, как соли металлов, ускоряющих разложение, может вызвать появление окраски и, следовательно, мешать определению.
ДеМейс [/б] использовал диазотированный n-нитроанилин для определения фенола в тканях животных. Поглощение он измерял при 500 нм в кюветах с I = 1 см. Закон Бера выполнялся при этом для содержания фенола вплоть до 50 мкг. Такеюки, Фурузава и Такаяма гх определяли фенол в метилметакрилате. Они обрабатывали водный раствор образца диазотированным п-нитроанилином, пиперидином и едким натром и измеряли поглощение полученного оранжевого раствора при 460 нм. С помощью диазотированного n-нитроанилина Смит и Кинг определяли фенолы, отгоняемые с водяным паром из конденсата сигаретного дыма. Поглощение водных растворов они измеряли при 490 нм. Позже они [2$ рекомендовали экстрагировать фенолы из подкисленного раствора четыреххлористым углеродом и измерять поглощение красителя при 365 нм. Руд и Скошилова £М] описали метод определения небольших количеств фенолов в углеводородах, также основанный на появлении окраски в результате обработки анализируемого раствора диазотированным n-нитроанилином. Анализируемый образец (100—200 г) экстрагировали тремя порциями 1%-ного раствора едкого натра по 10 мл каждая, объединяли экстракты и разбавляли общий раствор до 100 мл. 50 мл полученного раствора смешивали с 1 мл свежеприготовленного раствора соли диазония, который приготавливали, смешивая на холоду равные объемы 0,1 %-кого раствора хлоргидрата n-нитроанилина и
0,05%-ного раствора азотистокислого натрия. В работе [24] сообщается, что удовлетворительные результаты получались при содержании фенолов 0,001—0,01%.
Фокс и Гейдж [JJ6] для определения фенолов использовали диазотированную сульфаниловую кислоту. Ниже описывается их метод [25], несколько измененный Сиггиа [JXT
Метод Фокса и Гейджа [25] и Сиггиа [26]
Для диазотирования сульфаниловой кислоты к 5 ч. раствора сульфаниловой кислоты (7,6 г/л) добавляют 1 ч. раствора серной кислоты (1:3), а затем 5 ч раствора азотистокислого натрия (3,4 г/л). Свежий раствор диазотированной сульфаниловой кислоты следует приготавливать за 5 мин до его использования, причем для уменьшения разложения его следует держать на холоду.
Пробу растворяют в воде или в как можно более слабом растворе едкого натра, достаточном для растворения пробы. Если проба представляет собой сложную смесь, нерастворимую в воде, то ее растворяют в растворителе, не смешивающемся с водой, таком, как бензол, петролейный эфир или четыреххлористый углерод, а затем экстрагируют анализируемые вещества из полученного раствора водным раствором едкого натра. Для анализа используют водную фазу, содержащую фенолят.
К раствору пробы или ее водному экстракту добавляют 8%-ный раствор едкого натра из расчета 5 мл этого раствора на 100 мл раствора пробы. Стандартные и анализируемый растворы обрабатывают по одной и той же схеме. Для наилучшего проявления окраски в каждый из растворов добавляют достаточное количество диазотированной сульфаниловой кислоты. Для каждого образца определяют необходимые количества реагентов и оптимальную продолжительность реакции.
Для успешного протекания реакции сочетания результирующий раствор должен иметь щелочную реакцию. Окраску анализируемого и стандартных растворов сравнивают визуально или, что Лучше, с помощью спектрофотометра. Этот метод позволяет определять крезолы, фенолы и нафтолы с содержанием менее 10~4%.
2. Образование индофеноловых красителей
Гиббс разработал качественные и количественные методики определения фенолов с содержанием 5 мкг/мл и более. В этих методиках используется образование 2,6-дигалогениндофеноловых красителей с помощью 2,6-дихлор- и 2,6-дибром-М-хлорхинониминов:
2 Зак. 53
§4
Глава 1
Таблица
Длины волн (в нм), соответствующие максимуму поглощения в водном растворе и в «-бутаноловом экстракте
Соединение Водный раствор н-Бутаноловый экстракт
Фенол 610—630 670
о-Крезол 600 660
ж-Крезол 610-620 660—670
Нафтол-1 580—600 640
о-Хлорфенол 650—670 680—700
n-Хлорфенола 600—620 670
а Дает, по-видимому, тот же самый индофенол, что и фенол. Кривые поглощения почти идентичны.
Гиббс проводил реакцию в буферном растворе с pH 9,1—9,5. Для увеличения чувствительности метода Эттингер и Рукхофт рекомендовали экстрагировать краситель к-бутанолом. Как следует из данных табл. 1.& при экстракции красителя спиртом происходит смещение полосы поглощения. Для полного развития окраски требуется до 24 ч. Нафтол-1 и тимол быстро реагируют с реагентом Гиббса, а для реакции фенола и крезолов требуется от 6 до 24 ч. n-Крезол с реагентом Гиббса не взаимодействует.
Метод Эттингера и Рукхофта
Реагенты. Буферный раствор бората. Разбавляют водой 3,1 г борной кислоты, 3,5 г хлористого калия и 32 мл 1 н. раствора едкого натра до получения 1 л раствора. 5 мл раствора разбавляют до 100 мл, прцчем если pH полученного раствора не равно 9,4, то в исходный раствор добавляют едкий натр до тех пор, пока 5 мл этого раствора не дадут при разбавлении до 100 мл значение pH, равное 9,4.
Реагент Гиббса. Растворяют 0,2 г хлоримида 2,6-дибромхинона в 50 мл этанола. Если при этом образуется осадок, то его отфильтровывают. Реагент лучше использовать сразу после приготовления, однако на холоду он может сохранять свои свойства даже в течение недели. Разбавляют 4,5 мл этого раствора до 100 мл, причем разбавленный раствор следует использовать немедленно или по крайней мере в течение 30 мин с момента приготовления. Проведение анализа. К 500 мл анализируемого раствора добавляют 0,7 мл 10%-ной фосфорной кислоты, быстро перегоняют 400 мл полученного раствора, используя стеклянный перегонный аппарат, а затем медленнее перегоняют еще 50 мл раствора. Прерывают перегонку, добавляют к перегоняемому раствору 50 мл воды и вновь перегоняют еще 50 мл раствора. Если температура дистиллята превышает 20 °C, то его охлаждают. Последовательно отбирают аликвотные порции дистиллята, в каждой из которых
Гидроксильные группы
35
должно содержаться 5х 10~б—10~5% фенолсодержащего вещества. Если полное содержание этого вещества в дистилляте меньше 10-5%, то берут порцию объемом 300 мл. Если объем анализируемого дистиллята меньше 300 мл, то его разбавляют до получения этого объема. К отобранной порции дистиллята добавляют 15 мл буферного раствора бората, хорошо перемешивают раствор и добавляют в него 5 мл разбавленного реагента Гиббса. Вновь тщательно перемешивают раствор и оставляют его на 6—24 ч. После этого в него добавляют 75 мл н-бутанола и хорошо встряхивают. С помощью делительной воронки отделяют спиртовую фракцию и осветляют фильтрованием. Объем фильтрата доводят до 60 мл н-бутанолом. Измеряют поглощение полученного экстракта относительно поглощения холостого раствора при длине волны, которую выбирают на основании табл. 1.Ш.
Молер и Джекоб [2J9Q сравнили этот метод с методом, в котором применяется 4-аминоантипирин, и пришли к выводу, что последний обеспечивает более быстрый и более точный анализ. По мнению Божевольнова р0], реакция Гиббса более специфична, чем реакция с использованием диазотированной сульфаниловой кислоты, и определению фенола нафтол-1, нафтол-2, хинол, пирогаллол, пиридин и n-крезол не мешают. Фейгл, Энгер и Миттерманн [X] изучали возможности применения реакции Гиббса для качественного анализа. Они сообщали [5^, что все л/етп-замещенные фенолы реагируют с реагентом Гиббса, в то время как большинство орто-замещенных фенолов, содержащих группы С = О или N = O (например, о-нитрофенол, салициловая кислота, метиловый эфир салициловой кислоты и n-оксибепзальдсгид), с ним не реагируют. Однако сали-циламин и салицилапилид взаимодействуют с этим реагентом, поскольку орто-заместитель в них находится в форме имидо-тауто-мера, в котором нет групп С —О.
Гильболт, Крамер и Хекли [^СГ| предложили кинетический метод определения с использованием Х-(бензолсульфанил)хинонина (реакция 2), чтобы уменьшить продолжительность анализа, связанную с протеканием медленной реакции Гиббса:
о
о сн
2:
36
Глава 1
Метод Гильболта, Крамера и Хекла [32]
Проведение анализа. К 1 мл 0,0005 М раствора М-(бензолсульфо-нил)хинонина в метилцеллозольве, находящемуся в кювете с I = 1 см, добавляют 1 мл 1,5 н. гидроокиси аммония Настраивают спектрофотометр на рекомендуемую длину волны (табл. а »#) “
Таблица 2^^ Диапазон определяемых концентраций, минимально обнаружимые концентрации и длина волны AMaKc Для различных фенолов
Соединение Диапазон определяемых концентраций, мкг/мл /Минимально обнаружимая концентрация, мкг/мл \акс’ нм
Фенол 1—100 1,0 630
о-Хлорфенол 10—250 10,0 640
2,3-Диметилфенол 3—300 3,0 610
JK-Аминофенол 1—50 0,8 640
5-Аминонафтол-1 5—100 5,0 620
Нафтол-1 1—100 0,6 690
Нафтол-2 5—100 5,0 620
устанавливают измеритель поглощения на нуль. После этого в кювету добавляют 0,5 мл анализируемого раствора фенола (1— 100 мкг) и автоматически регистрируют зависимость поглощения от времени (в работе [52] использовался спектрофотометр фирмы «Beckman», модель D). 'содержание фенола в анализируемом растворе определяют с помощью калибровочного графика, полученного аналогичным образом для стандартного раствора фенола.
Описанным методом определяли фенол, о-хлорфенол, 2,3-диме-тилфенол, jw-аминофенол и нафтол-2. При анализе 5-аминонафто-ла-1 и нафтола-1 поглощение рекомендуется измерять спустя 3 мин после начала реакции и определять содержание фенола по калибровочным графикам зависимости поглощения от концентрации.
В табл. Д-4? приведены концентрации фенолов, которые можно определить этим методом при стандартном отклонении около ± 1,3%. В этой же таблице для различных фенолов приведены значения длин волн, соответствующих максимумам поглощения, и минимально обнаружимые концентрации.
3. Образование антипириновых красителей
Образование антипириновых красителей в результате конденсации 4-аминоантипирина с фенолами в присутствии щелочного окис-
Гидроксильные группы
37
лителя ЙЗ'] (реакция^) широко используется в колориметрических методах обнаружения следовых количеств феноловД29^34<=~40£
щелочной раствор
Эта реакция применима для определения фенольных соединений, в которых пара-положение не блокировано алкильными, арильными, бензоильными, карбонильными, нитро-, нитрозогруппами. Такие группы, как галоген, карбоксильная, сульфогруппа, гидроксильная и метоксильная, в обычно используемых условиях реакции удаляются из этого положения, и потому соответствующие пара-замещенные фенолы вступают в реакцию. Определению при этом мешают соединения, способные к проявлению кето-енольной таутомерии.
Было установлено, что оптимальная длина волны для измерения поглощения водных растворов окрашенных продуктов этой реакции равна 510 нм. Чувствительность метода значительно возрастает в результате концентрирования продуктов реакции путем их экстрагирования хлороформом для хлороформных растворов рекомендуется измерять поглощение при 460 нм. Водные растворы реакционных смесей красного цвета недостаточно устойчивы, и их спектрофотометрический анализ следует проводить не позже, чем в течение 30 мин с момента приготовления. С другой стороны, хлороформные экстракты можно оставлять даже на 3 ч.
В отличие от оранжевой или красной окраски красителей, получаемых из фенола и низших хлорфенолов, краситель, образуемый пентахлорфенолом, голубой [М Только голубой краситель, полу* чаемый из пентахлорфенола и 2,3,5,6-тетрахлорфенола, можно количественно экстрагировать бензолом; красный антипириновый краситель нерастворим в бензоле, а красители, образуемые низшими хлорфенолами, за исключением производного 2,3,5,6-тетрахлорфенола, не полностью растворимы в бензоле. Эти свойства красителей лежат в основе метода определения пентахлорфенола в воздухе, разработанного Бенсом [$8]; поглощение измеряют при 589 нм. Минимальное содержание пентахлорфенола, обнаружимое этим методом, составляет 0,15 мкг на 1 л воздуха. Антипириновые красители, получаемые из пирокатехина и, возможно, из резорцина, имеют настолько кислую реакцию, что не экстрагируются хлороформом из водной фазы. Это их свойство использовали Розенблатт, Демек и Эпштейн [£#] для определения малых количеств одноатомного фенола гваякола в присутствии двухатомного фенола пирокатехина.
38
Г шва 1
Одним из типичных методов определения фенола является метод Эттингера, Рукховта и Лиша [^J, в котором используется экстракция хлороформом.
Метод Эттингера, Рукховта и Лиша
Проведение анализа. В 300 мл анализируемого раствора добавляют концентрированную гидроокись аммония в таком количестве, чтобы значение pH конечной реакционной смеси оказалось в пределах 9,8—10,2. Полученный раствор хорошо перемешивают, добавляют 2 мл 3,0%-ного водного раствора аминопирипа и вновь перемешивают. Затем добавляют 20 мл 2,0%-ного водного раствора железистосинеродистого калия и через три минуты начинают экстракцию хлороформом. Для первой экстракции берут 25 мл хлороформа, а для двух последующих по 15 мл. Объединяют три экстракта, хлороформом доводят их объем до 50 мл и сравнивают поглощение полученного раствора и холостого раствора при 460 нм. Для калибровки используют пробы с известным содержанием фенола.
4. Реакция с азотистой кислотой
Стоутон [^Г| разработал метод определения, основанный на обработке фенола азотной и серной кислотами при температуре около 100 °C. При этом образуется нитрозофенол, который в избытке спиртового раствора гидроокиси аммония перегруппировывается с образованием ярко-окрашенной хиноидной соли. Окраску таких растворов и растворов, полученных в результате такой же обработки проб с известным содержанием фенолов, сравнивали визуально. Вестлауфер, Ван Натта и Кватльбаум [&\ модифицировали метод Стоутона для определения следовых количеств фенолов в углеводородных растворителях. Фенол сначала экстрагировали из раствора разбавленным раствором каустической соды.
Экстракцию применяли также Ликкен, Трезедер и Зан [4ЭД; однако для образования азотистой кислоты вместо азотной кислоты они использовали азотистокислый натрий и проводили реакцию при комнатной температуре.
Уравнения реакций имеют вид
h2so4 /
RC6H4OH + HONO —> RC6H3 + H2O \vo
/ОН RC6H3
NH4OH --------> в спирте
о 1 // RC6H3
NO J
+ Н
Гидроксильные группы
39
Для обнаружения малых концентраций фенола в водных растворах эти растворы слегка подкисляли, а затем эфиром экстрагировали из них фенольные соединения. После испарения эфира остаток растворяли в растворителе-реагенте. Продукт реакции окрашен в желто-зеленый цвет; его поглощение измеряли при 420 нм.
Метод Ликкена, Трезедера и Зана
Проведение анализа. В делительную воронку емкостью 125 мл переносят 10 мл 10%-ного раствора едкого кали и добавляют анализируемый раствор и октан в объемах, указанных в табл.
Табл1ща£.4&*
Рекомендованные объемы анализируемого раствора и растворителя
Содержание фенола. мг/100 мл Объем анализируемого раствора, мл Объем октана, мл
0—100 50±0,2 0
50—200 25±0,1 25
100—500 10±0,1 40
200—1000 5 ±0,05 45
Встряхивают смесь в течение 5 мин, дают ей отстояться и переносят нижний слой в мерную колбу емкостью 100 мл. Добавляют в делительную воронку еще 5 мл едкого кали и повторяют экстракцию. После второй экстракции в воронку добавляют 5 мл воды и проводят третью экстракцию. Все три экстракта объединяют в мерной колбе емкостью 100 мл.
В колбу с экстрактами медленно при охлаждении на бане со льдом добавляют ледяную уксусную кислоту так, чтобы объем содержимого колбы при комнатной температуре был равен точно 100 мл. После этого в отдельную мерную колбу емкостью 50 мл пипеткой переносят порцию экстракта объемом 1—5 мл с таким расчетом, чтобы в ней содержалось 0,05—0,5 мг фенола. Если объем этой порции окажется меньше 5 мл, то его доводят до 5 мл буферным раствором, приготовленным из 800 мл уксусной кислоты, 150 мл 10%-ного едкого кали и 50 мл воды. В колбу с порцией экстракта медицинской капельницей добавляют 5 капель концентрированной серной кислоты и 2 капли насыщенного раствора азотистокислого натрия. Раствор перемешивают и оставляют на 15— 30 мин (30—45 мин для фенола); после выдерживания в раствор медленно при охлаждении в бане со льдом добавляют спиртовой раствор гидроокиси аммония (450 мл безводного абсолютного этанола или изопропанола, 300 мл 14 н. раствора гидроокиси аммония и 250 мл воды) с таким расчетом, чтобы при комнатной
40
Глава 1
температуре полный объем содержимого колбы был равен точно 50 мл. Полученный раствор оставляют на 1 ч, а еще лучше на ночь и затем измеряют его поглощение при 420 нм. Данные для построения калибровочного графика получают, проводя весь анализ для проб с известным содержанием фенола.
В работе [43] сообщается, что описанный метод обеспечивает определение с точностью не ниже ±1%, причем систематическая ошибка составляет менее 2% величины действительной концентрации. Этому определению мешают анилин и ксилидин.
5. Обесцвечивание дифенилпикрилгидразила под действием фенолов
Дифенилпикрилгидразил рекомендуют [W] в качестве реагента для определения фенолов колориметрическим методом. Он представляет собой устойчивый свободный радикал с интенсивной фиолетовой окраской. Реагируя с фенолами, он обесцвечивается, и по ослаблению его фиолетовой окраски можно судить о количестве фенола в реакционной смеси. Хогг, Ломани и Рассел предложили следующие уравнения для соответствующей реакции:
Метод Папариелло и Яниша
Проведение анализа. В пробирку со стеклянной пробкой пипеткой переносят 4 мл анализируемого раствора, содержащего фенол (2 X Ю-2—2 X Ю~5 мМ/мл), 1 мл метанола, 1 мл ацетатного буферного раствора (1 н. водный раствор ацетата с pH 5,0) и 4 мл дифенилпикрилгидразила (2 X 10~4мМ на 1 мл метанола). В другой пробирке приготавливают холостой раствор из 5 мл метанола, 1 мл буферного раствора и 4 мл реагента. Содержимое обеих пробирок перемешивают и оставляют при комнатной температуре или
Гидроксильные группы
41
при температуре 60°C на время от 15 мин до 1 ч. (Время и температура реакции зависят от скорости реакции определяемого фенола.) После этого с помощью спектрофотометра с кюветами с I = 1 см при 515 нм измеряют поглощение растворов в обеих пробирках относительно поглощения метанола. Содержание фенола определяют затем с помощью калибровочного графика по значению разности поглощений анализируемого и холостого растворов.
Ароматические амины и меркаптаны реагируют с дифенил-пикрилгидразилом и поэтому мешают при определениях этим методом. Величины выходов окрашенных продуктов, полученные Па-париелло и Янишем при анализе фенола, нафтола-1, нафтола-2, 4-гексилрезорцина, эвгенола, гидрохинона и диэтилстильбэстрола, были равны 100%.
6. Галогенирование фенолов
Чтобы избежать трудностей, возникающих при определении фенолов с помощью ИК-спектрофотометрии, можно путем бромирования сместить максимум поглощения, обусловленного колебаниями связи О—Н, с длины волны 2,79 мкм на длину волны 2,84 мкм (Я- Этот сдвиг обусловлен образованием внутримолекулярной водородной связи между атомом водорода гидроксильной группы и атомом брома при соседнем атоме углерода. Поэтому для фенолов, в которых замещающий атом брома находится в орто-положении по отношению к гидроксильной группе, величина такого сдвига постоянна. В случае фенолов, уже имеющих заместители в положении 2 и в положении 6, или фенолов, в которых замещение бромом этих положений невозможно из-за пространственных затруднений, таких сдвигов не наблюдается. При 2,84 мкм в некоторой степени поглощают излучение и органические кислоты, поэтому эти кислоты лучше удалять из экстракта в четыреххлористом углероде, используя раствор бикарбоната натрия.
Метод Симарда и сотр.
В делительную воронку с анализируемым раствором добавляют растворы бромистого калия (12 г/л) и соляной кислоты (1:3) из расчета 100 г первого и 80 мл второго раствора на 1 л анализируемого раствора и встряхивают смесь в течение 5 мин. Затем в нее добавляют 10%-ный раствор тиосульфата натрия из расчета 30 мл этого раствора на 1 л анализируемого раствора и четыреххлористый углерод в количестве, указанном в табл.^|.4Й, и вновь встряхивают в течение 15 мин. После этого отбирают 25 мл фазы четыреххлористого углерода, переносят эту порцию в отдельную делительную воронку, добавляют 125 мл 2%-ного раствора бикарбоната натрия и затем энергично встряхивают смесь в течение 5 мин. Отбирают фазу четыреххлористого углерода, отфильтровывают на бумажном фильтре от взвешенной в ней воды и затем
42
Г лава 1
ТаблицаЧ
Количество четыреххлористого углерода, добавляемое к анализируемой пробе [ЭД
Величина пробы, л Добавляемое количество СС14, мл
20 60 100
Минимально обнаружимая концентрация, 10 4 %
1 0,01 0,03 0,05
2 0,005 0,015 0,025
3 0,003 0,01 0,02
спектрофотометрически (в диапазоне волн 2,6—2,9 мкм) определяют содержание фенолов.
Для определения фенолов спектрофотометр калибруют по стандартным пробам раствора 2, 4, 6-трибромфенола в четыреххлористом углероде при длине волны 2,84 мкм.
При иодировании л/-диоксифенола в присутствии о-диоксифе-нола в осадок выпадает продукт присоединения темного цвета, который растворяется в равном объеме ацетона, окрашивая его в зелено-голубой цвет. Интенсивность окраски зависит от того, какое из веществ (лг- или о-диоксифенол) присутствует в меньшем количестве. Оптимальным является диапазон концентраций 0—50 X ХЮ"4%. Из 25 фенолов, анализированных Виллардом и Вутеном лишь о- и л/-диоксифенолы давали описанную реакцию.
Метод Вилларда и Вутена
Буферный раствор. Раствор уксусной кислоты и уксуснокислого натрия, одномолярный по ацетат-иону. Для определения резорцина или пирокатехина pH этого раствора должно быть равно 5,7, а для определения флороглюцина — 6,0.
Проведение анализа на резорцин. К не более чем 15 мл нейтрального анализируемого раствора, содержащего не более 0,75 мг резорцина, добавляют 10 мл 0,05%-ного раствора пирокатехина и 15 мл 0,1 н. раствора иода. Спустя минуту избыток иода титруют 0,1 н. раствором тиосульфата и крахмалом. Полученный раствор переносят в мерную колбу емкостью 100 мл, добавляют 50 мл ацетона для растворения осадка и затем водой доводят объем раствора до метки. Измеряют поглощение полученною раствора при 725 нм. Содержание резорцина определяют по результату измерения с помощью калибровочного графика.
Проведение анализа на пирокатехин. Анализ ведут в той же последовательности, что и при определении резорцина, только вместо пирокатехина в анализируемый раствор добавляют 0?05%-ный
Гидроксильные группы
43
раствор резорцина. Несмотря на то что в обоих случаях получается один и тот же продукт, необходимы отдельные калибровочные графики.
Проведение анализа на флороглюцин. Анализ ведут в той же последовательности, что и при определении резорцина, но используют буферный раствор с pH 6,0. Как и прежде, требуется отдельный калибровочный график. Для того чтобы реакция завершилась в течение 1 мин, пирокатехин надо брать в количестве, по крайней мере в два раза превышающем теоретическое.
Описанным выше методом удалось определить резорцин с ошибкой менее 1% в присутствии в 50 раз большего количества каждого из следующих фенолов: о-крезола, ти-крезола, гг-крезола, фенола, о-фенилфенола, и-фенилфенола, о-трет-бутилфенола, n-трет-амилфенола, салицилового альдегида, /г-оксибензальдегида, лроксибензойной кислоты, и-оксибензойной кислоты, салициловой кислоты, п-аминофенола, ^-аминофенола, о-аминофенола, о-нитро-фенола и ^-нитрофенола. Определению описанным методом мешает гидрохинон, но лишь в случаях, когда он присутствует в большом избытке.
II. ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
М. Бероза, М. Н. Инской
Для соединений с гидроксильными группами характерны хроматографические пики с растянутыми задними фронтами, что затрудняет количественный анализ этих соединений с помощью газовой хроматографии (ГХ). Основная причина этого явления заключается в том, что невозможно полностью избежать адсорбции гидроксилсодержащих соединений на газохроматографическом носителе, которая часто бывает в значительной степени необратимой. Связанные с этим трудности обычно удается преодолеть (и сделать возможным количественный анализ), превратив спирт в подходящее производное (об образовании производных см. приложение). Большое разнообразие спиртов и содержащих их субстратов обусловило широкое использование большого числа производных, каждое из которых в соответствующих ему условиях позволяет осуществить анализ оптимальным образом.
В большинстве случаев для осуществления количественного анализа в качестве производных гидроксилсодержащих соединений используют простые и сложные эфиры. В образовании производных значительную роль играют пространственные факторы; так, например, для количественного образования производных третичных спиртов не всегда подходят методы, дающие удовлетворительные результаты при образовании производных первичных и вторичных спиртов.
44
Глава 1
А. ПРЕВРАЩЕНИЕ В СЛОЖНЫЕ ЭФИРЫ
Типичные реакции, используемые для превращения гидроксилсодержащих соединений в сложные эфиры, приведены в табл. 1.16.
Таблица 1.16
Некоторые типичные реакции, используемые для образования сложных эфиров, при газохроматографическом анализе соединений с гидроксильными группами
Эфиры Типичные реагенты Тины анализируемых соединений и литература
Эфир уксусной кислоты Уксусный ангидрид + + пиридин или кислотный катализатор Жаропонижающие препараты [I], спирты жирного ряда и другие оксисоединения [2], оксиальдегиды [3], фенолы [4], эфиры пантотеновой кислоты [5], стерины [6, 7], моносахариды и их альдитолы [8]
Эфир хлоруксусной кислоты Хлорангидрид хлоруксусной кислоты-рводн. NaOH Фенолы [9], стерины [10]
Эфир трифторуксусной кислоты Ангидрид трифторуксусной кислоты; ангидрид трифторуксусной кислоты + трифторацетат натрия Спирты, содержащиеся в пчелином воске [11], соединения с гидроксильными группами и фенолы [12], эфиры пантотеновой кислоты [5], сахара [13]
Эфир гептафтормасляной кислоты Ангидрид гептафтормасляной кислоты Стерины [14—19], витамины [20]
Эфир пентафторбензойной кислоты Пентафторбензоилхло-рид Спирты и фенолы [21]
Эфир гексадекафторнонановой кислоты 9-н-Гексадекафторно-наноилхлорид + пиридин Стерин [22]
Эфир бензойной кислоты Бензоилхлорид + водн. NaOH Глицерин [23]
Эфир 3,5-динитробен-зойной кислоты 3,5-Динитробензоил-хлорид Алифатические (Cj—С12) и несколько ароматических спиртов [24]
1. Hattori T.t Kawai S., Nishiumi M., Bunseki Kagaku, 14, 586 (1965).
2. Prevot A., Barbati C., Rev. Franc. Corps Gras, 15, 157 (1968).
3. Андронов Л. M., Нориков Ю. Д., Журн. анал. хим., 20, 1007 (1965).
4. Katague D. В., Anderson C. A., Jr., J. Agr. Food Chem., 14, 505 (1966).
5. Prosser A. R., Sheppard A. J., J. Pharm. Sci., 58, 718 (1969).
6. Lawrence D. Al., J. Chromatog., 36, 344 (1968).
Гидроксильные группы
45
7. Goldzieher J. IF, Matthijssen C, Gual C., Vela В. A, de la Pena A., Am. J. Obstet. Gynecol, 98, 759 (1967).
8. Sawardeker J. S, Sloneker J. H., Jeanes A., Anal. Chem, 37, 1602 (1965).
9. Chin W.-T., Cullen T. E., Stanovick R. P., J. Gas Chromatog, 6, 248 (1968).
10. Landowne R. A, Lipsky S. R., Anal. Chem, 35, 532 (1963).
11. Kleiman R., Earle F. R., Wolff I. A., J. Am. Oil Chemists’ Soc, 46, 505 (1969).
12. Wilk S, Gitlow S. E., Clarke D. D.t Abstracts of Papers, American Chemical Society, 2nd Middle Atlantic Regional Meeting, New York City, February 1967, p. 48.
13. Vilkas Al, Jan H.-I.t Boussac G., Bonnard Л1.-С, Tetrahedron Letters, 14, 1441 (1966).
14. Exley D., Biochem. J, 107, 285 (1968).
15. Sarda I. R., Pochi P. E., Strauss J. S, Wotiz H. H., Steroids, 12, 607 (1968).
16. Honda K., Kushinsky S., Mikrochim. Acta, 1969, 1182.
17. Munson A. K., Mueller J. R., Yannone M. E., Biochem. Med, 3, 187 (1969).
18. Nicolis G. L.y Gabrilove J. L., J. Clin. Endocrinol. Metab, 29, 1519 (1969). 19. Kumari G. L.t Collins W. P., Sommerville I. F., J. Chromatog, 41, 22 (1969). 20. Wilson P. W., Lawson D. E. M., Kodicek E., J. Chromatog, 39, 75 (1969). 21. Zlatkis A.. Pettit В. C, Chromatographia, 2, 484 (1969).
22. Kirschner M. A., Taylor J. P.t Anal. Biochem, 30, 346 (1969).
23. Decroix G. A. R., Gobert J. G., De Deurwaerder R., Anal. Biochem, 25, 523 (1968).
24. Gaietto W. G,, Kepner R. E., Webb A. D.t Anal. Chem, 38, 34 (1966).
Что касается реагентов, то ангидриды с кислотными или основными катализаторами или хлорангидриды с акцепторами кислоты превосходят ранее использовавшиеся карбоновые кислоты с катализатором, поскольку первые реагируют быстрее, полнее и не требуют сложного оборудования. Этерифицирующие агенты, как правило, реагируют с енолами и аминосоединениями, и поэтому в большинстве случаев при анализе спиртов и фенолов требуются специальные меры для предотвращения возможных искажений. Следует отметить, что присутствующие в анализируемой пробе енолы и амины могут и не мешать определению, как, например, в случае, когда времена удерживания производных этих соединений и целевого соединения различны.
Для увеличения летучести соединений с гидроксильными группами, а также для того, чтобы можно было использовать более чувствительные электронно-захватные детекторы, иногда применяют фторированные реагенты.
Б. ПРЕВРАЩЕНИЕ В ПРОСТЫЕ ЭФИРЫ
Типичные реагенты, применяемые для превращения гидроксилсодержащих соединений в простые эфиры, указаны в табл. 1.17.
Для образования метиловых эфиров фенолов, енолов, а также карбоновой, фосфорной и других кислот широко использовался диазометан, который, однако, не реагирует с нейтральными спиртами. Уравнение соответствующей реакции имеет следующий вид:
R—ОН + CH2N2 —> R—OCH3 4- N2
<46
Глава 1
Таблица 1.17
Некоторые типичные этерифицирующие агенты, применяемые для количественных определений соединений с гидроксильными группами методом ГХ
Тип эфира Типичные этерифицирующие агенты Типы определяемых соединений и лтература
Метиловый Диазометан Гидроокись тетраметилам-мония Гидроокись триметилани-лина Натрий + диметилсульфат Фенолы |1~-3], карбоновая и фосфорная кислоты [3] Фенолы [4] Фенолоалкалоиды [5] Одноатомные фенолы [6]
Этиловый и высший алкиловый Диазоэтан; диазоалкан + 4-BF3 Фенолы, карбоновая и фосфорная кислоты [3], фе-нолокислоты [7]
Триметилсилильный Г ексаметилдисилазан (ГМДС) 4- триметилхлор-силан (ТМХС) 4- пиридин бис-(Триметилсилил)ацет-амид (БСА) ГМДС + трифторуксусная кислота ГМДС 4- БСА 4- триметил-силилдиэтиламин бис-(Триметилси ли л)три-фторацетамид N-Триметилсилилимидазол Сахара и углеводы [8—12], гликоли [13], спирты жирного ряда [14], стерины [15] Флаванолы [16], лекарственные препараты [17], стерины 115, 18] От моно- до тетрасахаридов [19] Гексахлорбензол [20] Фенолы [21] Стерины [22, 23]
Галогенметилдиме-тилсилильный Хлор- и бромметилдиме-тилхлорсилан 4- диэтил-амин Фенолы, содержащиеся в пестицидах [24], стерины [25]
Пентафторбензильный Пентафторбензилбромид 4-4- К2СО3 Фенолы [26]
!2,4-Динитрофениль-ный 1 -Фтор-2,4-динитробензол Фенолы [27]
1. Yip G.t Howard S. F.t J. Assoc. Offic. Anal. Chemists, 51, 24 (1968).
2. Gutenmann W. H., Lisk D. J., J. Assoc. Offic. Agr. Chemists, 48, 1173 (1965).
3. Stanley C. W.f J. Agr. Food Chem., 14, 321 (1966).
4. Henkel H. G., J. Chromatog., 20, 596 (1965).
5. Brochmann-Hanssen E., Oke T. 0., J. Pharm. Sci., 58, 370 (1969).
6. Bhattacharyya 4. C., Bhattacharjee A., Guha О. K., Basu A. N., Anal. Chem., 40, 1873 (1968).
7. Wilcox M., Anal. Biochem., 32, 191 (1969).
8. Sweeley С. C., Bentley R.. Makita M., Wells W W., J. Am. Chem. Soc., 85, 2497 (1963).
9. Sweeley С. C., Walker B., Anal. Chem., 36, 1461 (1964).
10. Sloneker J. H., in «Biomedical Applications of Gas Chromatography», Vol. 2, H. A. Szymanski, ed., Plenum, New York, 1968, pp. 87—135.
11. Davison P. K., Young R., J. Chromatog., 41, 12 (1969).
12. Kimura M., Tohma M.t Okazawa Y., Mur$i N.t J. Chromatog., 41, 110 (1969).
Гидроксильные группы
47
13. Leibman К. С., Ortiz Е., J. Chromatog., 32, 757 (1968).
14. Prevot A., Barbati С., Rev. Franc. Corps Gras, 15, 157 (1958).
15. Chambaz E. M., Horning E. C., Anal. Biochem., 30, 7 (1969).
16. Pierce A. R., Graham H. N., Glassner S., Madlin H.t Gonzalez J. G.t Anal. Chem., 41, 298 (1969).
17. Fish F., Wilson W. D. C., J. Chromatog., 40, 164 (1969).
18. Gaidano G. P., Molino G., Perrotti L., Matta F.t Boccuzzi G.t Boll. Soc. Ital. Biol. Sper., 44, 1494 (1968).
19. Brobst К. M., Lott С. E., Jr., Cereal Chem., 43, 35 (1966).
20. Porcaro P. J., Shubiak P., Anal. Chem., 40, 1232 (1968).
21. Sprinkle T. J., Porter A. H., Greer M., Williams C. M.t Clin. Chim. Acta, 25, 409 (1969).
22. Horning M. G., Moss A. M., Horning E. C.t Biochim. Biophys. Acta, 148, 597 (1967).
23. Horning M. G., Moss A. M.t Boucher E. A., Horning E. C., Anal. Letters, 1, 311 (1968).
24. Bache C. A., St. John L. E., Jr.t Lisk D. J., Anal. Chem., 40, 1241 (1968).
25. Gower D. B., Thomas B. S., J. Chromatog., 36, 338 (1968).
26. Kawahara F. K., Anal. Chem., 40, 1009 (1968).
27. Cohen 1. C.t Norcup J.t Ruzicka J. H. A., Wheals В. B., J. Chromatog., 44, 251 (1969).
Диазометан удобно готовить (непосредственно перед его употреблением) путем щелочного гидролиза Ы-метил-П-нитрозо-п-толуол-сульфамида и перегонки. Описание соответствующей процедуры имеется в инструкции, разработанной фирмой, выпускающей толуолсульфамид (Aldrich Chemical Со., Milwaukee, Wis). Желтый раствор диазометана в эфире обычно добавляют в эфирный раствор анализируемого соединения; во время реакции выделяется газообразный азот. Если по окончании реакции цвет раствора остается желтым, то это означает наличие в нем избытка реагента, который удаляют, частично испаряя растворитель. Весь процесс ведут под вытяжкой, так как диазомстан ядовит и взрывоопасен. Стенли [48] описал удобный метод приготовления диазометана из Ы-метил-Ы'-нитро-Ы-нитрозогуанидина (выпускается фирмой «Aid-rich Chemical Со.»), в котором вместо перегонки используется экстракция. С помощью диазометана удается [49] успешно метилировать фенолы и пространственно затрудненные кислоты, когда другие методы не эффективны.
Метиловые эфиры получали также пиролизом тетраметилам-мониевых солей фенолов во входном устройстве газового хроматографа. Это экономит время и удобно в тех случаях, когда анализируемые соединения находятся в водных растворах и не теряются при испарении воды.
Пожалуй, наиболее успешным и практически удобным методом газохроматографического анализа соединений с гидроксильными группами является метод, основанный на образовании силильных эфиров, таких, как триметилсилильные [(CH3)3Si—] и трифторме-тилсилильные [(CF3)3Si—]. В литературе описано большое число методов силилирования; этим методам целиком посвящена по меньшей мере одна книга [50]. Общую картину применяемые
48
Глава 1
в настоящее время методов можно получить из работ, ссылки на которые приведены в табл. 1.17. По этим работам можно судить о типах и разнообразии соединений, для которых возможно образование производных, применяемых реагентах и соответствующих методиках. Во многих работах описаны также специальные способы обработки таких образцов, как сельскохозяйственные культуры, ткани или жидкости. Во многих из них используются внутренние стандарты, которые позволяют сделать анализ количественным и обеспечивают большую точность определений.
Ниже описывается один типичный и широко используемый метод. Другие методы силилирования обсуждаются ниже («Обсуждение результатов», пункт В).
В. ПРЕВРАЩЕНИЕ НЕЛЕТУЧИХ ОКСИСОЕДИНЕНИЙ (САХАРОВ
И ПОДОБНЫХ ИМ ВЕЩЕСТВ) В ЛЕТУЧИЕ ТРИМЕТИЛСИЛИЛЬНЫЕ ПРОИЗВОДНЫЕ
Метод Свили и сотр. [57]
В безводном пиридине, содержащем гексаметилдисилазан (ГМДС) и триметилхлорсилан (ТМХС), сахара образуют триметилсилильные производные. При комнатной температуре эта реакция завершается за несколько минут. Уравнение реакции имеет следующий вид:
тмхс
ROH + (CH3)3SiNHSi(CH3)3 ---> ROSi(CH2)3 + NH3
пиридин
Для газохроматографического анализа образующихся производных реакционную смесь вводят прямо в газовый хроматограф.
Оборудование. Газовый хроматограф с пламенно-ионизационным детектором и колонкой из нержавеющей стали длиной 1,8 м с внешним диаметром 6,5 мм. Насадка этой колонки состоит из носителя хромосорба W, импрегнированного 3% жидкой фазы SE-52 *. Размер зерен твердого носителя 80—100 меш; носитель промыт кислотой и силанизирован. (Этот носитель выпускается фирмой «Johns Manville Corp.») Можно использовать и хроматографы с детекторами других типов (например, с аргоновым ионизационным детектором) и с другими колонками (например, с насадкой: 10% жидкой фазы карбовакс 1540 или 15% жидкой фазы апиезон М на том же носителе).
Реагенты. Химически чистые гексаметилдисилазан и триметилхлорсилан (играющий роль катализатора). Пиридин должен быть безводным, и его следует хранить над таблетками едкого кали.
Проведение анализа. В склянку емкостью 3,5 мл с пластмассовой пробкой или другой подходящий сосуд переносят 10 мг образца,
* В приложении 2 приведены сведения о структуре основных зарубежных неподвижных жидких фаз, основываясь на которых можно обоснованно решать допрос о возможности замены зарубежной фазы отечественной, — Прим, ред.
Гидроксильные группы
49
1 мл безводного пиридина, 0,2 мл ГДМС и 0,1 мл ТМХС, смесь встряхивают в течение 30 с и затем оставляют при комнатной температуре на 5 мин или дольше. (При добавлении ТМХС раствор мутнеет из-за выпадения в осадок хлористого аммония. Необходимости удалять осадок нет, поскольку он не мешает последующему газохроматографическому анализу). Если образец не растворился, то склянку надо прогреть в течение 2—3 мин при температуре 75—85 °C. Если анализируемые вещества стабильны и не ожидается перегруппировок, то перед добавлением ГМДС и ТМХС образец можно растворить в теплом пиридине. Для анализа можно использовать и меньшее количество образца, при этом необходимо только соответственно уменьшить количества реагентов. В газовый хроматограф вводят 0,1—0,5 мкл реакционной смеси. В конце анализа определяют площади хроматографических пиков, соответствующих образовавшимся триметилсилильным (ТМС) эфирам, и сравнивают их с результатами аналогичного анализа стандартных проб.
Обсуждение результатов. Описанный выше метод, позволяющий легко и быстро выполнить анализ, оказался применимым для определения большого числа разнообразных соединений с несколькими гидроксильными группами (были изучены около 100 углеводов и родственных им веществ). Количество пиридина не имеет большого значения, и в количественном анализе добавлением этого растворителя можно обеспечить нужный объем реакционной смеси. Сообщалось, что в закрытых сосудах производные сахаров сохраняют свои свойства в течение по меньшей мере нескольких дней.
Данный метод особенно удобен для анализа многокомпонентных смесей. Для газохроматографического анализа пробы, в которой содержатся производные сахаров самой разной летучести (включая тетрозы), лучше использовать неполярные или слабополярные жидкие фазы (например, SE-52 и OV-17) и программировать температуру колонки; при использовании фазы SE-52 сахара от С4 до С7 дают приемлемые времена удерживания при температуре колонки, равной 140°С. Более полярные жидкие фазы (например, OV-210 и OV-225), хотя и не столь эффективные в разделении соединений, значительно различающихся по летучести, часто позволяют разделять соединения, которые не разделяются на неполярных фазах. Полярные фазы с активными атомами водорода обычно не годятся для газохроматографического анализа ТМС-производных, поскольку силилирующие агенты (а часто и их производные) могут вступать в реакцию с лабильными атомами водорода и изменять тем самым параметры колонки. Кроме того, производные спиртов могут разлагаться и нарушать количественный анализ. С точки зрения химической инертности, разделительной способности и стабильности при высоких температурах наиболее приемлемыми представляются силиконовые жидкие фазьц
50
Глава 1
особенно фазы типа OV (OV-1, OV-101, OV-17, OV-210 и OV-225). Наряду с обычным кондиционированием колонки перед каждым анализом рекомендуется вводить в нее несколько больших порций силилирующего агента. Перед нанесением жидкой фазы носитель следует силанизировать. Анализ соединений с низкой летучестью (большие времена удерживания) рекомендуется проводить на колонках с малым содержанием (3%) жидкой фазы. Для анализа ТМС-производных лучше всего использовать стеклянные колонки, однако применяют также и колонки из нержавеющей стали. В тех случаях, когда возможно разложение силильных соединений в горячем входном устройстве хроматографа, особенно рекомендуется использовать в этом устройстве стеклянные соединительные трубки. Дело в том, что разложение, очевидно, катализируется металлами, поскольку ТМС-производные обычно устойчивы при температурах до 300 °C.
Часто требуется несколько видоизменить процедуры силилиро-вания. Многие соединения не успевают полностью силилироваться за 5 мин (например, из-за пространственной затрудненности гидроксильной группы); в этих случаях приходится увеличивать продолжительность реакции. В таких случаях можно через определенные интервалы времени отбирать пробы реакционной смеси, вводить их в газовый хроматограф и отмечать пробу, для которой хроматографический пик целевого соединения максимален. Время, прошедшее с момента начала реакции до момента отбора отмеченной пробы, и принимается за необходимую продолжительность реакции. При анализе кетонов могут возникнуть трудности, связанные с тем, что кетоны частично взаимодействуют с реагентом с образованием ТМС-эфиров в енольной форме. Поэтому при анализе стероидов [53] предлагалось перед силилированием превращать их в метоксимные производные {52]. В реакциях силилирова-ния широко используют пиридин, поскольку он является прекрасным растворителем и действует как акцептор НС1 в реакциях с использованием хлорсиланов. Кроме пиридина используют и такие растворители, как диметилсульфоксид, диметилформамид, тетрагидрофуран и ацетонитрил. Иногда, особенно при анализе малых проб с малой концентрацией определяемых соединений, реакцию ведут без использования растворителя. Всегда желательно избегать присутствия влаги; в некоторых случаях это даже необходимо, так как многие ТМС-производные легко гидролизуются водой, причем происходящие в результате этого потери производных могут сделать невозможным количественный анализ и вызвать появление ложных хроматографических пиков.
Г алогендиметилсилильные производные применяют главным образом с целью использовать чувствительный электронно-захватный детектор. Сигнал детектора на галоген достаточно велик, и это позволяет определять нанограммные и даже меньшие количества производных.
Гидроксильные группы
51
Ниже перечислены эффективные силилирующие агенты, имеющиеся в продаже, приведены их формулы и предлагаются некоторые удобные сокращения их названий (в скобках).
Гексаметилдисилазан (ГМДС) (CH3)3SiNHSi(СН3)3 Триметилхлорсилан (ТМХС) (CH3)3SiCl
N,О-бис- (Триметилсилил) ацетамид (БСА) (СН3) 3SiOC (СН3) — =NSi(CH3)3
N,O-6wc- (Триметилсилил) трифторацетамид (БСТФА) (СН3) 3-SiOC(CF3)=NSi(CH3)3
Хлорметилдиметилхлорсилан (ХМДМХС) (СН2С1) (CH3)2SiCl {а также аналог с Вг)
1,3-бис- (Хлорметил)-1,1,3,3-тетраметилдисил азан [(СН2С1) -(CH3)2Si]2NH (а также аналог с Вг)
Триметилсилилимидазол (ТСИМ) (CH3)3SiNCH==NCH==CH I___________________________________________________J
Триметилсилилдиэтиламин (ТМСДЭА) (CH3)3SiN(С2Нб)2 Диметилхлорсилан (ДМХС) H(CH3)2SiCl
Тетраметилдисил азан (ТМДС) Н (CH3)2SiNHSi(CH3)2H
N,O-6wc-(Триметилсилил) ацетамид — очень активный донор ТМС. Он взаимодействует со спиртами с образованием ТМС-эфи-ров, причем часто эта реакция протекает количественно при комнатной температуре. Реагирует он также и с фенолами, производными мочевины, органическими кислотами, аминогруппами, ароматическими амидами и с некоторыми енольными группами [54]. Столь же активным ТМС-донором является реагент БСТФА, используемый в тех случаях, когда побочные продукты агента БСА мешают анализу; моно(триметилсилил)трифторацетамид и трифторацетамид имеют меньшие времена удерживания, чем соответствующие нефторированные производные БСА. И БСА, и БСТФА чувствительны к действию влаги, и ни то, ни другое соединение не требует кислотного катализатора. Еще один силилирующий агент, ТСИМ, реагирует с гидроксильными группами, образуя лишь ТМС-эфиры спиртов, фенолов, органических кислот, оксиаминов, стероидов, флаванолов, гликолей, нуклеотидов, оксикислот и барбитуратов. Последние два агента силилирования из приведенного списка используют для образования диметилсилильных эфиров, которые более летучи, чем соответствующие ТМС-эфиры. Однако атом водорода, связанный с кремнием, является активным, и вследствие этого данные агенты могут оказывать восстанавливающее действие или в некоторых условиях присоединяться по месту двойных связей.
Морроу и coip. [55] описали одну интересную конструкцию газохроматографического пламенно-фотометрического детектора, «специфического на кремний». Действие этого детектора основано па излучении в пламени кремнийсодержащих соединений при 251,6 нм. Для иллюстрации работы детектора авторы использовали ТМС-эфиры нормальных спиртов от Ci до С7 и трех
52
Глава 1
ароматических фенолов. Они показали, что с помощью такого детектора, используя ТМС-производные, можно оценивать число активных атомов водорода в гидроксилсодержащих соединениях.
Г. ДРУГИЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ
ПРОИЗВОДНЫХ
Другие способы получения производных представлены в табл. 1.18. Эти способы включают окисление соединений с гидроксильными группами до альдегидов и кетонов, бромирование фенолов, реакцию конденсации и стехиометрическое образование ацетилена из карбида кальция под действием метанола.
Таблица 1,18
Производные, используемые для количественных определений соединений с гидроксильными группами с помощью газовой хроматографии
Тип производного Реагент Определяемые соединения и литература
Альдегид Иодная кислота Алкильные а-глицериновые эфиры [1], миндальная кислота [2]
Кетон Хромовая кислота NaBiO3 в уксусной кислоте Продукты метилирования желчной кислоты [3] 17-Оксистероиды [4]
Хинон FeCl3 а-Токоферол [5]
Бромид Бром Фенолы, содержащиеся в карбаматах [6, 7]
Метилгалогенацетон-кетали Ацетилен (1) Галогенацетон; (2) диазометан Карбид кальция при температуре 300 °C Стероидные спирты С18, С19> C2i [&] Метанол в углеводах [9]
1. Gelman R. A., Gilbertson J. R., Anal. Biochem., 31, 463 (1969).
2. Nicholson 1. D.} Analyst, 94, 413 (1969).
3. Evrard E., Janssen G., J. Lipid Res., 9, 226 (1968).
4. Schulz E. P., Rev. Soc. Quim. Mex., 12(5), 214A (1968).
5. Bieri J. G., Poukka R. К. H., Prival E. L., J. Lipid Res., 11, 118 (1970).
6. Van Middelem С. H., Norwood T. L., Waites R. E., J. Gas Chromatog., 3, 310 (1965).
7. Gutentnann W. H., Lisk D. J., J. Agr. Food Chem., 13, 48 (1965).
8. Sarfaty G. A., Fates H, M., Anal. Chem., 42, 288 (1970).
9. Watanabe У., Isomura K., Bunseki Kagaku, 15, 1215 (1966).
Соединения, которые в результате их обработки иодноватистокис-лым натрием образуют йодоформ (например, соединения, содержащие СНзСНОН), можно с большой чувствительностью определять с помощью ГХ с электронно-захватным детектором [56].
Гидроксильные группы
53
Д. ОПРЕДЕЛЕНИЕ а-ОКСИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ И ДРУГИХ СОЕДИНЕНИЙ С ВИЦИНАЛЬНЫМИ АТОМАМИ КИСЛОРОДА
Для определения молочной кислоты можно ввести ее раствор вместе с большим избытком иодной кислоты прямо во входное устройство газового хроматографа, нагретое до 100 °C [57]. Уравнение реакции при этом имеет вид
СНзСНОНСООН + НЮ4 —> СНзСНО + СО2 + Н2О + НЮз
Было показано, что эта реакция является общей для а-оксикислот, причем при использовании газохроматографической колонки с насадкой жидкая фаза карбовакс 20М на огнеупорном кирпиче — высота хроматографического пика альдегида или кетона, образующегося в реакции с НЮ4 оказывается пропорциональной концентрации кислоты. Минимальное молярное отношение иодной кислоты к оксикислоте равно 4:1. Этот метод использовали для определения сх-метилмолочной, сх-метил-а-оксимасляной, сс-оксива-лериановой и миндальной кислот. При определении всех этих кислот, за исключением миндальной, температура входного устройства газового хроматографа была равна 200 °C (для миндальной кислоты 238 °C). Как правило, такой метод должен давать хорошие результаты для соединений:
ОН ОН 0 0 о он
II II II II I
R—CH—CH—R', R—С—С—R', R—С—CH—R'
а возможно, и для некоторых эпоксисоединений. Анализу оксикислоты мешают соединения, содержащие указанные группировки, если продукты их взаимодействия с реагентом идентичны продукту реакции анализируемой оксикислоты или имеют такое же время удерживания. Так, например, соединение, имеющее структуру
О о II II сн3—с—с—сн3
мешает анализу молочной кислоты; в результате взаимодействия этих соединений образуется уксусный альдегид.
Е. АНАЛИЗ СОЕДИНЕНИЙ С ГИДРОКСИЛЬНЫМИ ГРУППАМИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЫЧИТАНИЯ ЭТИХ СОЕДИНЕНИЙ
Спирты, особенно низшие, и одноатомные фенолы можно определять непосредственно с помощью ГХ. Особенно хорошие результаты таких определений получаются при использовании насадок типа поропак [59—61]. В одном из широко используемых методов (метод вычитания) соединения с определенными функциональными группами удаляют из потока газа-носителя путем введения в систему вещества, которое реагирует с этими группами. Типичная используемая для этой цели петля для вычитания показана на
54
Глава 1
Рис. 2.1. Петля для вычитания, или реакционная петля.
рис. 1.2. Такую петлю можно поместить в системе как до колонки, так и после нее. С помощью подобной петли с борной кислотой из смеси, вводимой в газовый хроматограф, в большинстве случаев полностью удается вычесть первичные и вторичные (но не третичные) спирты [62, 63]; другие соединения при этом не вычитаются. В результате реакции борной кислоты с большинством спиртов образуются низколетучие бораты, которые, хотя и удерживаются в петле, постепенно выходят из колонки в виде чрезвычайно широких полос. Было показано также, что в петле с борной кислотой не вычитаются некоторые аллильные вторичные спирты. Это объясняется, по-видимому, тем, что такие спирты дегидратируются до сопряженных диенов [64].
По хроматограммам, полученным с использованием вычитания и без него, можно судить о том, какие хроматографические пики обусловлены спиртами; по разности этих хроматограмм можно определить количество каждого компонента в смеси. В одной типичной установке для вычитания спиртов применялась петля диаметром око
ло 16 см, содержащая 1 вес. ч. порошка борной кислоты и 20 вес. ч. насадки с жидкой фазой карбовакс 20 М, используемой для хроматографического анализа спиртов. Ароматические соединения с гидроксильными группами (фенолы) не вычитаются петлей с борной кислотой, но, как правило, их хроматографические пики под действием такой петли расширяются и задерживаются, но обычно не более чем в два раза. Метод, подобный только что описанному, применяли Регнир и Хуанг [65]. Если поместить петлю для вычитания после газохроматографической колонки, то колонка не будет загрязняться реагентом вычитания или продуктами реакции вычитания, выходящими из петли.
В другом методе [66] одноатомные спирты в растворе обрабатывали трихлоруксусным эфиром изоциановой кислоты. Спирты при этом реагируют количественно, и их хроматографические пики на получаемой хроматограмме не появляются. Этим способом анализировали 15 спиртов. При этом наблюдались некоторая дегидратация третичных спиртов, изомеризация одного третичного эфира и перегруппировка одного эпоксисоединения. Трихлоруксусные эфиры изоциановой кислоты можно экстрагировать разбавленной щелочью и регенерировать спирты (за некоторыми исключениями) количественно путем перегонки с сильной щелочью.
Применяют также и метод, основанный на смещении хроматографических пиков производных со спиртовыми или фенольными группами по сравнению с первоначальным положением исходных соединений на хроматограмме. Для этого вслед за анализируемой пробой в хроматограф вводят реагент, образующий производное,
Гидроксильные группы
55
например ангидрид уксусной или пропионовой кислоты [67]. Первоначальный хроматографический пик соединения с гидроксильной группой исчезает, и появляется новый пик, обусловленный образовавшимся эфиром. Во многих случаях уксусная или пропионовая кислота полностью превращается в эфир, благодаря чему количественный анализ оказывается гораздо проще анализа с получением производных до введения пробы. Описанный метод дает особенно хорошие результаты при анализе высокомолекулярных оксисоединений, которые очень медленно или вовсе не перемещаются по колонке до тех пор, пока не прореагируют с образованием более летучих производных.
Ж. ПРИМЕНЕНИЕ РЕАКЦИЙ НА АКТИВНЫЕ АТОМЫ ВОДОРОДА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГИДРОКСИЛЬНЫХ ГРУПП
Существуют газохроматографические методы определения гидроксильных групп с помощью анализа на активные атомы водорода. По этому вопросу см. гл. 8, разд. II.
III. ЭЛЕКТРОАНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
А. Ф. Крайвис
А. КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКОЕ ТИТРОВАНИЕ
Существует несколько электрохимических методов определения гидроксильной группы.
Обычно в основе этих методов лежит кондуктометрическое титрование натриевой или литиевой солью метилсульфинил-карба-ниона «димсил-иона» [68—71]. Раствор димсилнатрия в диметилсульфоксиде (ДМСО) — очень сильное основание, реагирующее с чрезвычайно слабыми кислотами, включая спирты и слабые карбоновые кислоты. Вода, являясь оксисоединением, также реагирует с раствором димсилнатрия в ДМСО; во многих случаях воде и спирту соответствуют различные точки излома кривой титрования, по которым их можно отличить друг от друга.
В табл. 1.19 приведены результаты титрования различных алкилов, а также ароматических спиртов и гликолей. В этих анализах вторичные и третичные спирты можно отличить от воды. Вода является более кислым соединением, чем указанные в таблице спирты, и поэтому первый этап титрования обусловлен реакцией нейтрализации воды. Объем титрующего раствора, соответствующий участку кривой титрования между первой и второй точками излома, зависит от содержания спирта в титруемом растворе. Интересные результаты были получены при титровании гликолей. Первая гидроксильная группа оказалась более кислой, а вторая
Таблица 1.19
Результаты кондуктометрического титрования димсилнатрием с диметилсульфоксидом в качестве растворителя
Соединение Отношение количества реагента (в молях) к количеству пробы (в молях) а Приме-б чания
Вода 0,97 ±0,00 (2) А
Метанол 1,04 ±0,01 (2) А
трет-Бутанол 1,00±0,02 (4) А, Б, В
Деканол-1 1,04 А, Г
Ундеканол-6 1,02±0,02 (3) А, Б, В
Додеканол-1 1,02±0,01 (2) А, Б, В
Додеканол-2 0,93±0,04 (2) А, Б, В
Тетрадеканол-1 1,03±0,01 (2) А, Г
Тетрадеканол-2 1,02 ±0,00 (2) А, Г
Гексадеканол-2 0.91 ±0,01 (2) А, Г
Циклогексанол 1,12±0,07 (2) А, Б, В
Пропандиол-1,2 1,91 ±0,01 (2) Е, Ж
Пропандиол-1,3 2,01 ±0,03 (3) Е
Бензгидрол 0,99±0,02 (3) А, К
Т рифенилметанол 1,07 А
Гидрохинон 1,01 Б, К
Пирогаллол 0,94 Б, Ж
о,о'-Бифенол в 1,05 Б, Ж
2,17 3, М
8-Аминонафтол-2 0,91 ±0,00 (2) Б, К, Л
2-Аминоэтанол 1,08 А, К
2-трет-Бутиламиноэтанол 1,02 А, К
2-Этиламииоэтанол 1,04 А, К
1-Аминопропанол-2 1,Ю А, К
Нитрилотриэтанол-2,2',2" 3,02 Е
(2-Аминоэтиламино)этапол-2 1,09 А, К
2-Амипо-2-(оксиметил) пропандиол-1,3 2,13 Е
1,01 Б, Ж
а Приведены средняя величина и среднее отклонение. В скобках указано число определений, если оно превышает 1.
6 Замечания относятся к методу кондуктометрического титрования: А—метод I; Б —метод II; В —при титровании методом II показал менее кислую реакцию, чем вода; Г —при использовании метода II невозможно отличить от воды; Д— малорастворим; Е — все группы определялись методом I; Ж —первый протон кислоты обеспечивал более кислую реакцию, чем протон воды; 3 —все группы определялись методом II; И — при титровании методом II второй протон кислоты обеспечивал менее кислую реакцию, чем протон воды; К —давал более кислую реакцию, чем вода; Л —интенсивно окрашенный раствор; М — при титровании методом II второй протон кислоты обеспечивал более кислую реакцию, чем протон воды.
в Оба результата были получены в однрм и том же опыте?
Гидроксильные группы
57
гидроксильная группа — менее кислой, чем вода. Титрование проходило в следующей последовательности: первая гидроксильная группа — вода — вторая гидроксильная группа. Ароматические спирты в этих условиях являются более сильными кислотами, чем вода.
Метод Хиллера мл. [68]
Растворители и реагенты. Во всех опытах, описанных в работе [68], применялся спектрально чистый метилсульфоксид (диметилсульфоксид) фирмы «Matheson, Coleman and Bell», который хранился в бутылях емкостью 1 л над активированными молекулярными ситами типа 4А. Электропроводность растворителя при комнатной температуре (около 25°С) была равна 3,5 ± 0,2 X 10“7 Ом^-см"1. Содержание остаточной воды или, точнее, полное содержание кислотных примесей в растворителе, измеренное путем титрования димсилнатрием, составляло, как правило, примерно 2,2 мМ, или 4Х10~30/о, воды. Гидрид натрия применялся в виде 50%-ной дисперсии в минеральном масле (фирма «Metal Hydrides, Inc.»). Для стандартизации реагента (димсилнатрия) использовали нафтол-2 (химически чистый, фирмы «МСВ») и получили следующие результаты:
Вычислено для СюН8О: С, 83,3; Н, 5,59; О, 11,1.
Получено в результате измерений: С, 83,2; Н, 5,6; О, 11,1.
Использовали сухой азот. Газопроводные линии были изготовлены из меди и стекла. Соединения осуществляли по возможности более короткими отрезками трубок из материала тигон.
Приготовление стандартного раствора для титрования. Для приготовления реагента (димсилнатрий) 200 мл диметилсульфоксида добавляют к 0,6—1 г 50%-ной смеси NaH — минеральное масло, предварительно промытой двумя порциями петролейного эфира, по 10—15 мл каждая, для удаления минерального масла. Реакцию проводят в атмосфере азота при температуре 50—60 °C при постоянном перемешивании. Для завершения реакции, о котором судят по прекращению выделения газообразного водорода, требуется 3—4 ч. Готовый раствор реагента прозрачен и окрашен в бледно-зеленый цвет. Хранить реагент можно в колбе под слоем азота. В качестве дополнительной меры предосторожности раствор реагента в колбе можно покрыть слоем минерального масла толщиной около 1 см. При комнатной температуре реагент можно хранить по крайней мере в течение недели, и при этом он теряет лишь 1—3% активности. Приблизительно 50 порций реагента было приготовлено без каких-либо затруднений. (Внимание! Сообщалось о случаях разрыва сосудов в результате резкого повышения давления при добавлении NaH (3,27 молей) к диметилсульфоксиду (19,5 молей) и нагревании смеси до 50 °C при механическом перемешивании [72, 73]),
68
Г лава 1
Оборудование. Измерения электропроводности можно выполнять с помощью мостовой схемы, обеспечивающей точность ±1%. Подходит для этой цели и погружаемая ячейка, имеющая постоянную, равную 0,1.
Проведение титрования. К одному из горл реакционной колбы присоединяют на шлифе стеклянную трубку с резиновым колпачком на конце. Через этот колпачок шприцем емкостью 50 мл с иглой длиной около 16 см порцию реагента отбирают и переносят в резервуар (5 мл) аналитической бюретки. К бюретке припаяна стеклянная трубка, через которую в область над реагентом подают азот. Для титрования используют высокий химический стакан емкостью 180 мл, закрытый резиновой пробкой № 10. В пробке имеются отверстия для ввода газа (азот), тефлонового катетера (по которому подается реагент из бюретки), ячейки измерения электропроводности и отверстие для ввода растворителя и образца. Газообразный азот предварительно пропускают через 0,05 М раствор димсил-натрия в 80 мл ДМСО для удаления из него кислых примесей. Находящиеся в атмосфере вода, углекислый газ и кислород взаимодействуют с реагентом и, следовательно, мешают анализу. Все процедуры титрования выполняют при комнатной температуре (около 25 °C).
Кондуктометрическое титрование проводили двумя способами, в зависимости от того, можно ли было отличить при титровании примеси воды в растворителе от примесей воды в анализируемом образце. В методе I сначала проводили титрование остаточной (примесной) воды до кондуктометрически определяемой конечной точки, затем добавляли анализируемую пробу и вновь титровали. В методе II остаточную воду и образец определяли титрованием в одном опыте. Последний метод применим в том случае, когда определенный участок на графике кондуктометрического титрования соответствует реакции воды. В обоих методах титрования использовали аликвотные порции 50 мл раствора диметилсульфоксида; для получения удовлетворительных результатов с каждой аликвотной порцией растворителя приходилось титровать лишь одну пробу. Каждое титрование занимало около 15 мин Во всех измерениях электропроводности учитывалось изменение объема раствора во время титрования. Конечные точки титрования определяли как точки пересечения прямых линий, проведенных по результатам измерений электропроводности.
Б. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДВУХАТОМНЫХ СПИРТОВ ПОЛЯРОГРАФИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
Для анализа вицинальных двухатомных спиртов можно несколькими различными способами использовать реакцию Мала-прейда. Так, например, при окислении 1,2-гликолей иодной кислотой образуется формальдегид. Формальдегид можно перегнать из
Гидроксильные группы
59
реакционной смеси и анализировать полярографически [74, 75]. Можно также разложить арсенитом избыток иодной кислоты в реакционной смеси и определять формальдегид непосредственно [76].
Эти методы применимы к соединениям, содержащим 1,2-гликоль-ные структуры, образующие формальдегид. Однако если анализировать перйодат полярографически, то описанный метод можно использовать для анализа любого диола, полиола, сахара или аминоспирта [76]. Более того, используя различия в скоростях реакции перйодата с различными диолами, можно анализировать и некоторые смеси таких спиртов.
В описанном ниже методе концентрацию перйодата определяют путем измерения длины полярографической волны при потенциале около —0,4 В относительно электрода сравнения из сульфата ртути(I).
Экспериментальный метод (основанный на исследованиях Зумана и Крупинки [76])
Оборудование. Можно использовать любой (автоматический или неавтоматический) полярограф. Ячейка должна быть Н-образной [77] с электродом сравнения из сульфата ртути(I). Чтобы избежать фотолитических эффектов, реакционную колбу и ячейку следует покрыть глифталевой или черной краской. Для термостатирования реакционную колбу и ячейку с их содержимым помещают в баню с постоянной температурой (25 °C).
Растворы. Требуется раствор инертного электролита (фона) с большой буферной емкостью. Было установлено, что для этой цели подходит раствор, содержащий 0,1 М ацетата натрия и 0,1 М уксусной кислоты с pH 4,7.
Основной раствор перйодата представляет собой 0,005 М раствор метапериодата калия (химически чистого) в воде; необходимо определить титр этого раствора с помощью йодометрического титрования.
Основные растворы проб должны быть такими, чтобы молярность неизвестного вещества в них составляла примерно 0,005 М. Проведение анализа. Раствор пробы и холостой раствор следует анализировать одновременно. В каждую из двух покрытых краской колб, погруженных в баню с постоянной температурой, переносят по 160 мл буферного раствора. Затем обе колбы в течение 10 мин продувают азотом, добавляют в каждую по 6 мл основного раствора перйодата и вновь продувают в течение 5 мин. В одну из колб добавляют 0,5 мл основного раствора гликоля, замечают момент времени, когда было произведено это добавление, продувают колбу азотом и затем отклоняют струю азота так, чтобы раствор находился под его слоем. По завершении реакции порцию освобожденного от кислорода раствора реакционной смеси переносят
60
Глава 1
в полярографическую ячейку и регистрируют диффузионный ток при —0,4 В. (Продолжительность реакции может быть различной и доходит иногда до 24 ч, поэтому перед анализом длительность реакции следует установить, используя стандартные пробы.) Сразу же по окончании анализа пробы ту же процедуру повторяют с порцией раствора из колбы, в которой содержится только перйодат. После этого по полученным значениям диффузионных токов с помощью предварительно полученного калибровочного графика определяют концентрации перйодата до и после реакции. По уменьшению этой концентрации вычисляют концентрацию диола. Уравнение реакции может быть записано следующим образом:
О о
II II
R-CH-CH-Ri + НЮ4 —> R-CH + Ri-CH + НЮ3 + Н2О (1) I I ОН он
В. КУЛОНОМЕТРИЧЕСКОЕ ТИТРОВАНИЕ ФЕНОЛОВ
Прекрасным методом анализа фенолов является метод, основанный на титриметрическом бромировании ароматического кольца в соответствии с уравнением
Эта реакция протекает быстро и количественно, причем имеются несколько простых, но эффективных систем детектирования конечной точки титрования. Метод волюмометрического титрования стандартными растворами брома оставляет желать лучшего, не говоря уже о трудности приготовления стандартного раствора брома. Растворы брома настолько неустойчивы, что их приготовление и использование следует считать весьма нежелательным.
Один из путей в обход этого препятствия заключается в использовании стандартного раствора бромата, который в кислом растворе реагирует с бромидом с образованием брома:
Вго; + 5Вг“ + 6Н+ —> звг2 + зн2о (3)
Образование брома в этой реакции происходит мгновенно, и поэтому титрант здесь действует «как бром». Такой подход представляется многообещающим, особенно в комбинации с биамперометрическими системами определения конечной точки, которые кратко описаны ниже. Однако существуют два основных недостатка этого
Гидроксильные группы
61
метода: в качестве реакционной среды берется вода и необходимые высокие концентрации кислоты. Оба эти требования могут оказаться неприемлемыми в анализах некоторых органических веществ.
Еще один способ титрования бромом заключается в электролитической генерации брома. В этом методе удается избежать упомянутых выше трудностей. При пропускании электрического тока между двумя платиновыми электродами, погруженными в раствор бромида, бромид-ион легко окисляется до брома; этот процесс и лежит в основе кулонометрического титрования.
В кулонометрическом титровании бром генерируется in situ электролитически в процессе титрования пропускаемым через раствор постоянным электрическим током. При этом измеряется время, за которое будет достигнута конечная точка титрования. По известным силе тока i и времени титрования t можно вычислить заряд Q в кулонах, прошедший через раствор за время титрования:
Q = it (4)
Неизвестные концентрации можно вычислить, пользуясь законом Фарадея:
В Q
MB nF
где В — вес пробы, МВ — молекулярный вес, п— число электронов, участвующих в реакции, F— число Фарадея (96 487 Кл).
Преимущества кулонометрического титрования очевидны. Главное из них заключается в том, что отпадает необходимость в стандартном растворе: действительными реагентами являются электроны, которые реагируют непосредственно в реакционном сосуде. Отпадает необходимость в стандартных пробах, поскольку анализы опираются на абсолютный стандарт (число Фарадея) и калибровки часто не требуется. Поскольку раствор брома генерируется в процессе его использования, это позволяет применять нестабильные реагенты. И наконец, поскольку в кулонометрическом титровании электричество является реагентом, а измеряемой величиной— время, его гораздо легче автоматизировать, чем волюмо-метрическое титрование. Дальнейшее обсуждение этого вопроса см. в гл. 19, посвященной автоматическим методам анализа.
Бром можно генерировать в различных растворителях, водных и неводных, и при различных значениях pH. Ниже, в разделе «Экспериментальные методы», описываются несколько из таких растворителей, используя которые можно анализировать различные вещества.
Конечную точку титрования легче всего определить с помощью очень простой цепи для измерения тока. Если опустить в раствор две платиновые проволочки (электроды) и подсоединить их к батарейке для карманного фонаря, то наличие в растворе даже
62
Глава 1
в ничтожной концентрации свободного брома приводит к появлению заметного электрического тока в цепи. В процессе титрования до тех пор, пока не достигнута конечная точка, в растворе нет избытка брома и ток пренебрежимо мал; по достижении конечной точки в измерительной цепи начинает течь электрический ток. Сила тока линейно зависит от концентрации брома в растворе, поэтому для определения конечной точки титрования можно экстраполировать прямую, соответствующую увеличивающемуся току, до пересечения ее с горизонтальной прямой (рис. 1.3).
Рис. 1.3. Типичная кривая кулонометрического титрования.
Существует и схема более быстрого определения конечной точки титрования, в которой используются те же самые приборы. По этой схеме выбирается некоторое значение тока, соответствующее области после конечной точки. Пусть это значение равно 5 мкА. Этой точке соответствует избыток брома в растворе. Проведя титрование холостого раствора до выбранного значения тока, можно точно определить время титрования, соответствующее данному избытку брома. Это время вычитают из времени титрования неизвестного вещества (до выбранного значения тока) и получают истинное время титрования.
Кроме быстроты титрование до фиксированного значения тока имеет еще одно преимущество, которое связано с возможностью использовать простое устройство для выключения тока и счетчика времени при достижении конечной точки. Такое полуавтоматическое титрование можно осуществить в любой лаборатории.
Экспериментальный метод [7S]
Ячейка для титрования и электроды. Ячейка для титрования представляет собой химический стакан подходящего объема (50— 150 мл), в котором находятся раствор и электроды. Очень удобно пользоваться магнитной мешалкой.
Гидроксильные группы
63
Держатель электродов лучше всего располагать над стаканом. Держатель фирмы «Leeds and Northrup» представляет собой пластмассовый диск со стержнем для крепления диска к штативу. В ди
ске имеются отверстия различного размера для электродов различ-
ных типов и стеклянных трубок. К этому держателю можно приспособить электроды почти любого типа.
Схематически ячейка для титрования показана на рис. 1.4. Анод представляет собой спираль из платиновой проволоки намотанной на трубку (камеру), изолирующую его от катода. К нижнему концу этой стеклянной трубки припаяна очень тонкая пористая перегородка (дно). Катод помещается внутри этой трубки и представляет собой спираль из платиновой проволоки. Растворитель (без образца) может быть использован для заполнения описанной камеры.
В качестве детектирующих электродов можно использовать небольшие кусочки платиновой проволоки, впаянные в нижние концы стеклянных трубок. Недороги и очень хорошо работают в качестве таких электродов контакты для электрохимических ячеек. Внутренний объем трубки с платиновым электродом можно частично заполнить ртутью и погрузить в нее проволочки. В ре-
Рис. 1.4. Устройство, применяемое для кулонометрического бромирования.
1— платиновый катод; 2—стержень для крепления пластины с электродами к штативу; 3 — анод (платиновая спираль); 4 — стеклянная пробирка с пористым дном (изолирующая камера); 5 — пластина ддя крепления электродов; 6 — химический
стакан; 7 —платиновые детектирующие электроды; 8 — палочка магнитной мешалки; 9—магнитная мешалка; 10 — пористое дно изолирующей камеры.
зультате получится хороший контакт с платиновыми электродами. В некоторых случаях к платиновым электродам припаивают про-воднички, которые проходят вдоль трубок и выходят из их верх-
них концов.
Электрическая схема. Электрическая схема прибора приведена на рис. 1. 5. Цепь детектирования для определения конца титрования состоит из батареи, переменного сопротивления и микроамперметра (желательно, чтобы используемый амперметр имел шкалу на 10 мкА со средней нулевой точкой). Переменное сопротивление нужно установить так, чтобы разность потенциалов между детектирующими электродами составляла 0,2 В. Полная величина переменного сопротивления не имеет большого значения,
64
Глава 1
важно лишь, чтобы это сопротивление было достаточно большим и батарея не разряжалась слишком быстро.
Бромирующие растворы. Можно использовать несколько различных растворов. Из наиболее популярных растворов укажем три.
1) Уксуснокислый раствор. Он содержит 60% ледяной уксусной кислоты, 26% метанола и 14% 1 М водного раствора КВг.
+
Кулонометр —к аноду
——— к катоду
НГзТз|ТГП -
Датчик времени
Рис. 1.5. Схема электрической цепи, применяемой при кулонометрическом бромировании.
2) Водный раствор. Можно использовать раствор 0,3 М по НС1 и 0,1 М по КВг.
3) Метанольный раствор. Раствор 0,3 М по НС1 и 0,1 М по КВг в 85%-ном метаноле.
Если указанные растворители имеют слишком кислую реакцию, то pH растворов можно увеличить до 5—6. Титрование успешно проводили даже и при больших значениях pH.
Проведение анализа. В химический стакан (100 мл) помещают магнитную мешалку и переносят в него точную навеску образца, содержащую около 0,01 мМ фенола. Затем в стакан добавляют 50 мл выбранного бромирующего раствора и погружают в него электроды. Нужно следить за тем, чтобы уровень бромирующего
Гидроксильные группы
65
раствора в трубке катода был выше уровня анализируемого раствора в стакане. После этого включают мешалку и ведут титрование при значении генерирующего тока 20 мА. (Размер пробы и силу тока для каждого типа соединения следует выбирать так, чтобы продолжительность титрования составляла примерно 200 с.) Прекращают титрование, когда амперметр в цепи детектирования будет показывать ток, равный 5 мкА. После этого проводят холостое титрование и вычитают его продолжительность из продолжительности основного титрования. По полученному результату вычисляют содержание фенола в пробе*.
Вычисления
, Л/ (Z) (0 (94,11) (100)
содержание фенола, % = (94 487) (2п) (вес пробы)"
IV. МЕТОДЫ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА
Г. Агахигиан
А. ГИДРОКСИЛЬНЫЕ ГРУППЫ
Определение гидроксильной группы методом ядерного магнитного резонанса (ЯМР) можно осуществить, используя образование производных соединений, по изменению химического сдвига для гидроксильной группы, обусловленному разбавлением, или с помощью реакции обмена дейтерия. Выбор каждого из этих методов зависит от типа решаемой задачи. Так, например, более простые спирты можно определять непосредственно путем измерения их химических сдвигов и интегрирования спектра. Если появится сомнение в правильности результатов такого определения, то его можно устранить, используя реакцию дейтерообмена. Однако этого может не потребоваться, поскольку разбавление пробы вызывает изменение химического сдвига гидроксильной группы, который зависит от ее концентрации.
Чаще применяется метод с использованием производных. При этом различные спирты превращаются в их производные, для которых затем измеряют химические сдвиги и определяют концентрации.
По методу Манатта [79] спирты превращают в эфиры трифторуксусной кислоты и измеряют химические сдвиги для ядер 19F трифторметильной группы, определяя, являются ли исходные спирты первичными, вторичными или третичными. В спектрах трифторуксусных эфиров спиртов проявляется экранирующий
* Реакции различных замещенных фенолов с бромом могут характеризоваться различными стехиометрическими коэффициентами, поэтому значения этих коэффициентов следует определять до анализа.
3 Зак. 58
66
Глава 1
эффект, который для эфиров первичных спиртов меньше, чем для эфиров вторичных спиртов, а для эфиров вторичных спиртов меньше, чем для эфиров третичных спиртов. Таким образом, по отношению к трихлорфторметановому стандарту спектральные линии производных первичных спиртов оказываются в области низкого поля.
Заслуживает внимания и возможность получения количественных данных с помощью интегрирования спектра. Преимущество метода ЯМР состоит в том, что за превращением гидроксильной группы в эфирную можно следить по исчезновению линии гидроксильной группы протонного резонанса.
Превращение в эфир трифторуксусной кислоты осуществляют путем добавления избытка трифторуксусного ангидрида к спиртам или растворам спиртов (в инертном растворителе).
О О
II II
(CF3CO)2O + ROH —> CF3C—OR + CF3C—ОН
После завершения реакции ангидрид удаляют из реакционной смеси с помощью вакуума или путем экстракции разбавленным раствором бикарбоната натрия. О завершении реакции можно также судить по протонному резонансу на частоте 60 МГц.
Преимущества этого метода обусловлены большими различиями в химических сдвигах для ядер 19 F в различных производных. Этим методом определяли метанол, этанол, н-пропанол, бутанолы, пропаргиловый спирт, бензиловый спирт, пентанолы, циклопентанол, циклогексанол, циклогептанол, холестерин, ланостерин и смеси этих веществ. Можно применять этот метод и для определения аминов, фенолов и тиопроизводных. Однако то, что в этом методе используется резонанс на ядрах 19F, является его недостатком, поскольку большинство обычных спектрометров ЯМР рассчитано на регистрацию спектров протонного резонанса. Важной чертой данного метода, которую нельзя не отметить, является то, что атомы фтора в трифторметильной группе находятся в одинаковом окружении, благодаря чему сигнал резонанса на ядрах 19F усиливается в три раза.
Бабиак, Баррант и Виккерс [80] описали применение дихлоруксусного ангидрида в качестве реагента для получения производных. Соответствующие реакции протекают по уравнению
О
(СНС12СО)2О + ROH —СНС12С—OR + СНС12СООН
Способ приготовления производного во многом идентичен способу, который описал Манатт. Данный метод имеет то преимущество, что в нем используется резонанс на ядрах водорода. Авторы работы [80] продемонстрировали влияние растворителя на величину химического сдвига для протона дихлорметильной группы эфира.
Гидроксильные группы
67
Частота резонанса на этом протоне такова, что линии спектра, как правило, не перекрываются. Приведены результаты определения смесей бензилового спирта, 1,3-и 1,2-пропиленгликолей, метанола, этанола, изопропанола и т^ет-бутанола. И хотя в работе [80] нет количественных данных, видно, что получение производных является преимуществом этого метода по сравнению с другими методами. В этой же работе отмечено значительное влияние растворителя, что было установлено путем сравнения спектров, полученных в дейтерированном хлороформе и дейтерированном диметилсульфоксиде. В сообщении на Питтсбургской конференции по аналитической химии в 1970 г. (Бабиак и Агахигиан «Анализ методом ЯМР моно-, ди- и триэтаноламинов с использованием их производных») говорилось о том, что этот метод применим для определения этаноламинов.
Другой метод с использованием производных основан на реакции трихлоруксусного эфира изоциановой кислоты со спиртами с последующей регистрацией спектра резонанса на протонах, находящихся в a-положении по отношению к атому кислорода [81]. Уравнение соответствующей реакции имеет вид
О ОНО
II II I II
СС13С—NCO + ROH —> СС13С—N—С—OCH2R
Недостаток этого метода в том, что используемый изоцианат относительно труднодоступен. Третичные спирты таким методом определить невозможно, несмотря на то что можно регистрировать образование связи N—Н и исчезновение гидроксильной группы. Данный метод не является прямым и не столь широко применяется, как два предыдущих.
Совсем недавно было описано [82] определение спиртов с помощью гексафторацетона. Уравнение соответствующей реакции имеет вид
OR
(CF3)2C=O + ROH —> CF3-C-CF3 I ОН
Этот метод имеет то преимущество, что производные можно получать непосредственно в процессе анализа, а также то, что на активный атом водорода приходится 6 атомов фтора. В качестве растворителя используют химически чистый этилацетат, причем на 0,5 мл раствора требуется 1—5 мг образца. Раствор гексафторацетона приготавливают, пропуская газообразный фтор через этилацетат при температуре 0°С до получения 0,5 М раствора. Порцию этого раствора переносят в ампулу спектрометра ЯМР и добавляют в нее 5 мг образца. После этого регистрируют спектр реюианса на ядрах 19F, используя трифторуксусную кислоту в качестве внешнего стандарта.
3*
68
Глава 1
Данный метод применяли для определения метанола, этанола, н-пропанола, л-бутанола, 2-метилпропанола, пентанола-1, 2-мер-каптопропанола, 2-меркаптоэтанола, 2-метил-2-нитропропанола, 2-фенилэтанола, аллилового спирта, пропин-2-ола-1, бензилового спирта, гликолевой кислоты и трифторэтанола. Сообщалось также об определении вторичных и третичных спиртов и фенолов. Из гликолей с помощью данного метода анализировали этиленгликоль, простой метиловый эфир этиленгликоля, тетраоксифурфуриловый спирт, пропандиол-1,3, бутандиол-1,4, бутендиол-1,4, 2-метил-2-ни-тропропандиол-1,3, пропандиол-1,2 (различали первичные и вторичные гидроксильные группы), глицерин (различали первичные и вторичные гидроксильные группы) и этаноламины. То, что этот метод основан на резонансе на ядрах 19F, является его недостатком, поскольку соответствующий спектрометр труднодоступен.
Для определения полиоксиалкиленовых концевых групп Иигэм и сотр. [83] применили другой метод, в котором использовался тот же подход. Из результатов их исследований вытекает не только то, что таким методом можно получить отношения числа первичных групп к числу вторичных, но и то, что на величины химических сдвигов для ядер 19F оказывают влияние незначительные различия в структуре. Авторы изучали производные как уксусной, так и трифторуксусной кислоты, однако последние дали больше Информации. Были приготовлены и проанализированы бис- (трифторацетат) этандиола-1,2, пропандиола-1,2, диоксипропилена * и полиоксипропилена * с молекулярным весом 425 и 2000. Изучая спектры резонанса на ядрах I9F, авторы пришли к выводу о том, что все гидроксильные группы ППГ (425) и ППГ (2000) являются вторичными. Присутствие вторичных гидроксильных групп двух типов в этих соединениях указывает на возможность существования изомеров. Кроме полиоксипропиленов исследованию были подвергнуты сополимеры полиоксипропилена с полиоксиэтиленом и вычислены отношения первичных гидроксильных групп ко вторичным.
Эфиры диолов приготавливают, растворяя спирт (10% повесу) в 100 мл бензола. К полученному раствору по каплям добавляют перегнанную трифторуксусную кислоту. Затем раствор оставляют на 2 ч при комнатной температуре, добавляют 100 мл воды и перемешивают. Бензольную фазу промывают 5%-ным раствором карбоната натрия и водой, а затем высушивают над сульфатом натрия для удаления бензола. После определения степени прохождения реакции образец готов для анализа с помощью ЯМР на ядрах 19F.
К описанному выше имеет отношение сообщение Бабиака и Агахигиана на Питтсбургской конференции в марте 1970 г. В этом
* Их называют также дипропиленгликолем (ДПГ) и полипропиленгликолями (ППГ) соответственно.
Гидроксильные группы
69
сообщении сравнивают методы с использованием трифторацетат-ных и дихлорацетатных производных. Резонанс наблюдали при 60 и 100 МГц.
Саундерс и Вильямс [84] описали применение трис- (дипива-лоилметаната)европия для получения спектров первого порядка и вообще простых спектров. В их работе описаны интересные эффекты, возникающие при анализе бензилового спирта и «-гексанола. Этим же методОхМ можно анализировать и другие функциональные группы, такие, как кетоны, простые и сложные эфиры и амины. И хотя сам метод предназначен главным образом для структурных определений, его применимость для анализа функциональных групп очевидна. Производное европия связывается с функциональной группой, и его действие уменьшается по мере увеличения расстояния между протонами и функциональной группой.
Б. ФЕНОЛЫ
Были сообщения [85] о применении ЯМР для определения фенолов, а также компонентов фенольных смесей. Анализ фенолов является несколько более надежным, чем анализ спиртов, поскольку в диапазоне концентраций 0,05—1,0 М величины химических сдвигов, обусловленные фенольными гидроксилами, не зависят от концентрации и находятся в интервале 8—13 млн-1 относительно сдвига для тетраметилсилана (ТМС). Спектры регистрировались при частоте 60 МГц; в качестве растворителя использовался гексаметилфосфамид (ГМФА). Выбор этого растворителя связан с тем, что он обеспечивает наибольшее смещение линий фенольной гидроксильной группы в область низкого поля. На примере эквимолярных растворов фенола, 2-трет-бутилфенола, 2,6-ди-метилфенола, 2-метил-6-трет-бутилфенола и 2,6-ди-трет-бутилфенола в четыреххлористом углероде и ГМФА было показано, что водородные связи сильно влияют на величину химических сдвигов. Фосфамид необходимо обработать 250 мг борной кислоты, которую добавляют к 100 мл свежеперегнанного ГМФА для подавления ассоциации и для реакции с примесями. Спектры получали для проб, имеющих концентрации, равные 0,6 М.
Из монозамещенных фенолов анализировали 2-ацетилфенол, 4 аминофенол, 2-, 3- и 4-бромфенолы, 2-, 3- и 4-метоксифенолы, 2 , 3- и 4-фенокси- и фенилфенолы. Сообщалось также и об ана-.’ине ряда полизамещенных фенолов. Как правило, спектральные линии для opw-замещенных фенолов находятся в более низком поле, чем линии для мета- или ««ра-замещенных фенолов. Величины химических сдвигов, обусловленных фенольными гидрою сильными группами монозамещенных фенолов, находятся в интервале 9,3—10,3 млн-1, а для полиалкилфенолов — в интервале 8,9— 9,2 млн-1. Для мета-и /шра-замещенных производных зависимость
70
Глава 1
величины химического сдвига от величины константы Гамметта оказалась линейной. Также линейной была зависимость сдвига для ортс-замещснных фенолов от величины константы Тафта для различных заместителей. Анализу по описанному методу могут мешать альдегиды и такие примеси, как вода и кислые вещества, которые вступают в реакцию обмена с фенольной гидроксильной группой, изменяя тем самым величину химического сдвига.
Ранее аналогичное исследование провели Линдеман и Никсик [86]. Они ацетилировали гидроксильную группу хлорангидридом уксусной кислоты и регистрировали спектр, обусловленный метильным радикалом в ацетатной группе. Были получены интегральные спектры, однако наблюдалось некоторое наложение линий. Хотя число протонов в метильной группе в три раза больше, чем в гидроксильной, однако превращение в ацетат связано с ограничениями вследствие пространственных затруднений. Для фенольных соединений определили отношение орто/пара-изомеров. Исследовали о-, м- и n-крезолы, о-, м- и n-этилфенолы, а также о- и n-втор-бутилфенолы. Из других алкилфенолов исследовали гептил-, октил-, нонил-, децил-, Cis—С2о- и полипропиленфенолы.
Еще один метод с превращением в производное описал Лидер [87]. Этот метод имеет практическое значение, но в нем используется спектроскопия ЯМР на ядрах 19F. С его помощью определяли такие фенолы, как гидрохинон, резорцин, о- и ц-крезолы, 2-хлорфенол, 4-хлорфенол и 4-хлор-З-метилфенол. Значения химических сдвигов для этих фенолов находились в интервале 2,65— 2,73 млн 1 относительно аддукта гексафторацетона и воды.
Для определения положения функциональной группы Баллан-тин и Пиллингер [88] использовали влияние заместителей на величины химических сдвигов для протонов кольца. Диамагнитный и парамагнитный эффекты дают возможность анализировать неизвестные полизамещенные фенолы.
V. РАДИОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Д. Кэмпбелл
Почти все радиохимические методы определения алифатических гидроксильных групп основаны на этерификации этих групп мечеными ангидридами кислот и хлорангидридами. При определении микро- и полумикроколичеств соединений с гидроксильными группами, в особенности стероидов и стеринов, присутствующих в биологических жидкостях, большое значение имеют радиохимические методы с использованием двух радиоактивных изотопов. Для выделения производных в этих методах широко применяют хроматографию. Макроколичества многих соединений можно определять, комбинируя методы меченого реагента и изотопного разбавле
Гидроксильные группы
1\
ния. При определении фенолов хорошие результаты дают такие реагенты, как диазометан-14С и радиоактивные изотопы галогенов.
А. ПРЕВРАЩЕНИЕ В АЦЕТАТЫ
Как радиоактивный реагент (радиореагент) дли определения первичных и вторичных гидроксильных групп уксусный ангидрид имеет много преимуществ. В пиридине реакция ангидрида (в избытке) с этими группами протекает быстро и часто количественно при комнатной температуре; при повышенных температурах можно обеспечить по существу полную этерификацию. Избыток ангидрида можно удалить путем гидролиза и последующей экстракции водным раствором щелочи или с помощью хроматографического разделения. Полученное соединение можно метить как изотопом 14С, так и тритием, что особенно ценно при использовании метода с двумя изотопами. При этом для реагентов, меченных тритием и изотопом 14С, можно получить удельные активности более 2 Ки/мМ (кюри на миллимоль) и до 0,1 Ки/мМ соответственно, что обеспечивает высокую чувствительность метода. Помимо этого с помощью перегонки полученное соединение можно легко отделить от нелетучих примесей. Меченый уксусный ангидрид является ценным реагентом для определения стероидов и стеринов в микро- и макроколичествах, а также макроколичеств многих других соединений с гидроксильными группами.
Реагенты с относительно высокой удельной радиоактивностью широко используют в определениях стероидов и стеринов, содержащихся в экстрактах биологических жидкостей, путем ацетилирования гидроксильных групп этих соединений. Концентрации этих соединений в таких экстрактах очень низки, так что в пробе может содержаться менее 1 мкг анализируемого соединения. В анализируемых объектах присутствуют первичные, вторичные и третичные гидроксильные группы, а некоторые стероиды (например, гидрокортизон) могут содержать гидроксильные группы всех трех типов. Кроме ожидаемых трудностей из-за различий в реакционной способности, обусловленных этими тремя типами гидроксильных групп, анализ таких соединений затрудняют и значительные различия в скорости ацетилирования вторичных гидроксильных групп, которая зависит от положения такой группы в молекуле [89]. Поскольку в анализируемых образцах содержатся лишь микро- или полумикроколичества соединений с гидроксильными группами, для их определения лучше всего подходят методы с использованием двух радиоактивных изотопов. Один — сравнительный изотоп — служит для определения количества производного, выделенного с помощью хроматографии, а второй — индикаторный изотоп — позволяет установить выход определяемого соединения, степень превращения и чистоту продукта. Сравнительный изотоп всегда находится в ангидриде, которым обрабатывают
72
Глава 1
образец. Индикаторный изотоп может находиться как в определяемом соединении, так и в ацетильной части продукта реакции.
С точки зрения синтеза практически более полезным представляется метод, в котором индикаторный изотоп вводится в ангидрид. Однако при использовании подходящего способа метки радиоактивными можно сделать и определяемые стероид или сте-рин. Возможность определения степени превращения по реакции с помощью меченых веществ отмечалась в ранних работах, посвященных использованию радиоизотопных методов в анализе аминокислот [90, 91]. Стероиды и стерины трудно количественно экстрагировать из биологических жидкостей; добавление к этим жидкостям радиоактивных субстратов в качестве индикаторов дает удобный способ измерения выхода. Если радиоактивный субстрат добавить в жидкость перед экстракцией, то по относительной радиоактивности выделенного вещества можно точно оценить полные потери целевого соединения в ходе анализа, включая и потери, обусловленные неполным ацетилированием. В работе [92] описано использование в таких анализах стероидов, меченных тритием, имеющих высокую удельную радиоактивность. Приготавливали такие стероиды методом Вильсбаха. В настоящее время большое число стероидов, меченных изотопом 14С, имеется в продаже.
Лучше всего, чтобы меченый стероид или стерин, добавляемый в качестве индикатора в жидкость или высушенный экстракт, имел настолько высокую удельную радиоактивность, что добавляемое его количество было пренебрежимо мало в сравнении с количеством определяемого немеченого соединения в данной пробе. Если же удельная радиоактивность индикаторного соединения меньше этого уровня, то необходимо учитывать как количество добавляемого индикатора, так и его радиоактивность, с тем чтобы впоследствии вычесть эти величины для корректирования полученных результатов анализа. Важным преимуществом метода с использованием меченых индикаторов, особенно ввиду различной реакционной способности гидроксильных групп, отличающихся по положению в молекуле, является то, что образование производного не обязательно должно быть количественным. Степень превращения можно, однако, определить в отдельном опыте путем добавления известного количества меченого соединения известной радиоактивности к высушенному экстракту перед ацетилированием, если при этом не будут допущены потери веществ после добавления индикатора.
Если известно, что ацетилирование протекает количественно, то после обработки высушенного экстракта ангидридом, меченным сравнительным изотопом, к нему можно добавить соответствующий ацетат, приготовленный из ангидрида или субстрата, меченного индикаторным изотопом, чтобы с его помощью измерять выход и чистоту. В анализе стероидов, когда данный метод приме
Гидроксильные группы
73
няют в сочетании с хроматографией, он имеет то преимущество, что в нем нет необходимости точно знать вес добавленного меченого производного, достаточно лишь знать полную радиоактивность добавленных индикаторных изотопов. Более того, поскольку введение дополнительных активных групп при этом не имеет значения, соединение, применяемое в качестве индикатора, может иметь меньшую молярную удельную радиоактивность, чем та, которая требуется при использовании самого меченого субстрата. Возможные эффекты, возникающие при хроматографическом разделении [93] в связи с применением такого метода, можно оценить, используя смесь чистых меченых производных.
Хроматографическое отделение целевого радиоактивного производного от других компонентов реакционной смеси проводили как с добавлением нерадиоактивного производного (носителя), так и без него. При использовании носителя его количество следует выбирать с учетом возможностей применяемого способа выделения продукта реакции. Если метка индикаторным изотопом не используется, то все операции по удалению из обработанной пробы избытка реагента должны осуществляться количественно. Аликвотную часть конечного раствора подвергают хроматографическому разделению для получения ацетата и определяют его радиоактивность с помощью жидкостного сцинтилляционного счетчика. Для стандартизации этого метода можно провести количественное ацетилирование известной навески анализируемого субстрата тем же самым количеством ангидрида, после чего выделить и проанализировать определенную часть полученного продукта. Количество стероида или стерина М (в миллимолях) в анализируемой пробе жидкости или экстракта выражается формулой
л
0)
где А— полная радиоактивность выделенной порции производного (мкКи); Sa — удельная радиоактивность чистого ацетатного производного (мкКи/мМ); F — доля конечного раствора пробы, подвергнутая разделению.
В другом способе определяют удельную радиоактивность уксусного ангидрида в микрокюри на миллиэквивалент и по этой величине вычисляют количество М анализируемого соединения (в миллимолях) в пробе:
!де S — удельная радиоактивность ангидрида (мкКи/мэк); N — число активных гидроксильных групп в молекуле.
Второй способ необходим, когда нельзя полностью этерифици-ровать активные гидроксильные группы субстрата без значительного разложения. Если для оценки потерь, обусловленных
74
Глава 1
неколичественными экстракцией и ацетилированием или другими причинами, применяется метод с индикаторным изотопом, то из величин /VI, вычисленных по формулам (1) и (2), вычитают соответствующие поправки. Исключительное значение в таких анализах имеет метод с использованием жидкостных сцинтилляционных счетчиков, поскольку он позволяет без труда различить изотопы 14С и 3Н, используемые в качестве сравнительного и индикаторного изотопов.
Ввиду важности количественного превращения в производные был тщательно изучен процесс ацетилирования гидроксильных групп стероидов и стеринов с целью установить условия, благоприятствующие полной этерификации [89]. В результате выяснилось, что для осуществления количественного ацетилирования с образованием единственного продукта за 24 ч при комнатной температуре отношение объемов уксусного ангидрида и пиридина должно составлять 1:5. Концентрации стероидов при этом находились в интервале 0,6—100 мкг на 0,1 мл ацетилирующего агента. За исключением пространственно затрудненных третичных 17сс- и вторичных 110-гидроксильных групп, все гидроксильные группы, обычно присутствующие в стероидах и стеринах, ацетилировались при комнатной температуре; наблюдались, однако, значительные различия в реакционной способности гидроксильных групп. В порядке возрастания реакционной способности эти группы располагались следующим образом: 3-фенол, 21-ОН, 30-ОН, 60-ОН, 20а-ОН, 200-ОН, 16а-ОН, вторичная 170-ОН, вторичная 17а-ОН. Различия в скоростях реакций использовались для идентификации стероидов путем селективного ацетилирования [94, 95].
Вслед за ранними сообщениями об использовании меченого уксусного ангидрида в анализах на альдостерон [96—98] этот радиоактивный агент стали применять для определения гидроксильных групп стероидов и стеринов с помощью методов с единственным радиоактивным изотопом [99—104]. В большинстве своем это простые радиохимические методы. В работе [99] описано определение стигмастерина в смеси стеринов, содержащихся в сое, с использованием уксусного ангидрида, меченного изотопом 14С, в сочетании с прямым изотопным разбавлением. Меченый ацетат добавляют при этом к смеси стеринов, которую затем подвергают ацетилированию. Радиоактивным веществом, которое выделяют и радиоактивность которого измеряют, является стигмастеринтетра-бромапстат, получаемый путем обработки ацетата элементарным бромом. Изотопное разбавление меченым субстратом в качестве радиореагента применяли при определении диэтилстильбэстрола 1105].
Еще один метод определения гидроксильных групп в стероидах ( и в других соединениях), в котором используется лишь уксусный ангидрид, меченный изотопом 14С, получил название «анализ по отношению производных» [106]. В этом методе к пробе добавляют
Гидроксильные группы
75
известное количество какого-либо соединения с гидроксильными группами и затем обрабатывают ее ангидридом. Реакцию проводят в условиях, которые обеспечивают количественную этерификацию всех анализируемых соединений с гидроксильными группами, включая и добавленное соединение. После этого определенное количество полученной смеси производных подвергают газохромагографи-ческому разделению и подходящим методом измеряют радиоактивность каждого из разделенных производных. По результатам этих измерений и по измеренной величине удельной молярной радиоактивности ацетилированного внутреннего стандарта вычисляют содержание в пробе определяемых соединений. Если концентрации определяемых соединений в пробе чрезвычайно малы, то для улучшения разделения в смесь можно добавить некоторое количество соответствующего производного (носителя). Все производные должны полностью выходить из колонки. В качестве примера применения этого метода в работе [106] описано лишь определение тестостерона с использованием метилового эфира рицинолевой кислоты в качестве внутреннего стандарта.
Большая универсальность двухизотопного метода определения стероидов и стеринов путем ацетилирования обусловила его более широкое распространение, чем-метода с одним изотопом. Двухизо-топный метод широко применялся для определений альдостерона и других стероидов в биологических жидкостях [97, 107—-114]. При необходимости удалить меченые примеси часто используют химические превращения производных. Биохимические применения одно- и двухизотопного методов подробно обсуждаются в работах [92, 115].
Для ацетилирования веществ с первичными и вторичными гидроксильными группами применим метод с использованием уксусного-1-14С ангидрида в пиридине. Первоначально этот метод был предложен для определения макроколичеств ацетильных групп в продуктах реакций [116]. Устойчивые вещества этерифицировали нагреванием 1 мМ этого вещества в 1 мл безводного пиридина в присутствии 2мМ ангидрида на каждую ожидаемую гидроксильную группу. Нагревание вели в течение 4 ч при температуре 125 °C. Этерификацию соединений, разлагающихся в пиридине, можно проводить в присутствии ацетата натрия в качестве катализатора и без растворителя при температуре 125 °C. Условия реакции не должны быть более жесткими, чем это требуется для количественного ацетилирования. По возможности более мягкие условия необходимы для подавления эквимолярной конденсации уксусного ангидрида с пиридином [117]. Степень этой побочной реакции сильно зависит от времени и температуры и заметно уменьшается с увеличением содержания уксусной кислоты в растворе. За исключением случая, когда меченые ацетаты разделяются с помощью газовой хроматографии, присутствие продукта конденсации, который не полностью гидролизуется щелочью, ухудшает точность и чувывительность
76
Глава 1
метода. При обработке уксусным ангидридом в пиридине моно- и диглицериды медленно переэтерифицируются [118], что следует учитывать при анализе описанным методом проб, содержащих эфиры.
Пиридин и меченую СН3СООН удаляют путем экстракции эфирного раствора продуктов реакции сначала разбавленной соляной кислотой, а затем разбавленным NaOH. Если требуется определить полное содержание гидроксильных групп в пробе, то этот способ экстракции можно применять для очистки продукта ацетилирования с целью получить постоянное значение удельной радиоактивности; при этом не должно быть потерь меченых и немеченых компонентов первоначальной смеси. Механические потери допустимы, если они не изменяют относительного состава продукта ацетилирования. Необходимость выделения части полного продукта ацетилирования отличает данный метод определения полного содержания гидроксильных групп от метода определения числа ацетильных групп, в котором требуется очистка лишь одного производного. Содержание (£) ацетильной группы в полном продукте количественного ацетилирования пробы дается формулой
Ор
где Sn — удельная радиоактивность продукта ацетилирования (мкКи/г); Sp — удельная радиоактивность ангидрида (мкКи/мэкв).
Полное содержание (С) гидроксильной группы определяют по формуле
С =_____----- (4)
1 - 0,0420£ ’ W
которая справедлива лишь в случае, когда различия в составе пробы и продукта ее ацетилирования обусловлены только введением ацетильной группы (ср. уравнение (2), разд. Ill, гл. 14). При выполнении этого условия нет необходимости знать вес ацетилированной части пробы и не играют большой роли механические потери в процессе удаления избытка ангидрида. Данный метод особенно удобен при определении гидроксильных групп в полимерах с малым содержанием этих групп. Очистку продукта ацетилирования следует проводить очень осторожно, чтобы не улетучились низкомолекулярные производные. Удельную радиоактивность ангидрида определяют либо непосредственно [116], либо путем превращения его в подходящее производное, такое, как N-ацетил-м-толуидин [119] или ацетанилид. При измерении радиоактивности предпочитают жидкостные сцинтилляционные счетчики, однако можно использовать и газовые счетчики [116].
В работе [119] описан метод, в котором уксусный ангидрид, меченный изотопом 14С, применялся для ацетилирования гидроксильных групп окисленного полиэтилена. Ацетилированные полимеры использовались затем в качестве стандартов в ИК-спектрофото-метрическом анализе. Реакцию вели в смеси (200:15 по объему)
Гидроксильные группы
77
ксилола и пиридина, выбранную с учетом характеристик растворимости полиэтилена. Полное содержание гидроксильных групп в полиэтилене можно вычислить по формуле (4).
С помощью реагентов (СН3СО-1-14С)2О [120] и (СН3СО-3Н)2О [121], имеющих удельные радиоактивности, равные 0,1 мКи/мл и 5 мКи/мл соответственно, определяли (З-метокси-4-оксифенил) -оксиуксусную кислоту в сыворотке. При использовании реагента, меченного тритием (3Н), калибровочный график был прямолинейным в интервале количеств кислоты от 1 до 40 нг.
Преимущество уксусного ангидрида как радиореагента становится еще более очевидным, если учесть, что получающиеся препараты высокой удельной радиоактивности сравнительно легко очистить перегонкой под вакуумом. Примеси, появляющиеся при разрушении молекул ангидрида под действием |3-частиц, которые образуются в результате радиоактивного распада, состоят главным образом из нелетучих веществ. Для удаления таких примесей рекомендуется непосредственно перед использованием, а также через каждые 1—2 недели перегонять бензольный раствор ангидрида, меченного изотопом 3Н [122].
Б. ПРЕВРАЩЕНИЕ В ЭФИРЫ ЗАМЕЩЕННЫХ БЕНЗОЙНЫХ КИСЛОТ
Многие соединения с гидроксильными группами количественно этерифицируются при нагревании с обратным холодильником с хлорангидридами в пиридине, а другие — часто и в более мягких условиях. Избыток хлорангидрида можно удалить путем гидролиза с последующей экстракцией разбавленной щелочью или путем осаждения образовавшегося производного в воде после добавления этанола.
Для определения макроколичеств соединений с активными гидроксильными группами был предложен комбинированный метод [123], в котором используется меченый реагент — З-хлор-4-метокси-бензоил-36С1-хлорид в сочетании с прямым изотопным разбавлением. Реагент синтезируют в два этапа: сначала обрабатывают n-метоксибензойную кислоту элементарным изотопом 36С, а затем полученный продукт с помощью тионилхлорида превращают в хлорангидрид. Первым шагом в анализе является приготовление чистого меченого эфира определяемого соединения. Для этого 1 мэкв соединения, содержащего гидроксильные группы, растворяют в 3 мл пиридина и добавляют в раствор 0,8 г нерадиоактив-пого З-хлор-4-метоксибензоилхлорида. При анализе метанола берут 3 мэкв соединения и 1,2 г реагента. После кипячения с обратным холодильником в течение 20 мин раствор охлаждают и добавляют к нему 3 мл этанола. Затем в раствор быстро добавляют известную аликвотную часть раствора меченого производного в диоксане н сразу же осаждают продукт в холодной воде. Для очистки полученного соединения его перекристаллизовывают до тех пор, пока
78
Глава 1
его температура плавления не будет отличаться от температуры плавления чистого соединения менее чем на 0,1 °C; чистоту очищенного соединения определяют затем по понижению его температуры плавления относительно температуры плавления чистого соединения. Если производное имеется в достаточном количестве, то перекристаллизацию с целью очистки можно вести до получения постоянной удельной радиоактивности (или, точнее, до тех пор, пока удельная радиоактивность вещества в фильтрате не будет совпадать с удельной радиоактивностью собранной фракции [124]). Для кристаллизации желательно использовать несколько растворителей. Важная черта описанного метода та, что единственным радиоактивным веществом, добавляемым в пробу, является меченое производное самого определяемого соединения. Благодаря этому радиохимическая чистота соответствует в этом случае химической чистоте.
Первоначально при использовании радиоаналитических методов, основанных на методе изотопного разбавления, определенное количество чистого меченого производного добавляли к известному количеству чистого немеченого производного (сравнительного стандарта), примерно равного тому, которое образуется при анализе пробы. Удельные активности анализируемого и стандартного препаратов измеряли торцевым счетчиком Гейгера—Мюллера, однако более удобны и более чувствительны жидкостные сцинтилляционные счетчики. Вес производного W (г), получаемого при обработке анализируемой пробы, вычисляют по формуле
м-(7»7 + 7-')' <5>
где Wi — вес меченого производного, добавленного в пробу (г); W2 — вес меченого производного, добавленного к стандарту (г); Й73— вес чистого немеченого производного, принятого в качестве стандарта (г); 1/г — отношение удельных радиоактивностей производного, выделенного из анализируемой пробы, и производного, выделенного из стандарта. При использовании формулы (5) не требуется знать удельную радиоактивность добавляемого меченого производного.
При таком подходе лучше использовать торцевые счетчики Гейгера—Мюллера, чтобы иметь возможность выбрать удельную радиоактивность чистого меченого эфира, которая была бы близка к удельной радиоактивности производного, получаемого при обработке анализируемой пробы. В другом подходе определяют удельную радиоактивность меченого производного, добавляемого к пробе, и для вычислений пользуются обычной формулой
F = (6)
где So — удельная радиоактивность чистого меченого производного, добавленного к пробе (мкКи/г); Si — удельная радиоактивность
Гидроксильные группы
79
выделенного производного (мкКи/г). Этот подход особенно удобен при использовании жидкостных сцинтилляционных счетчиков, позволяющих вести измерения в очень широком диапазоне удельных радиоактивностей. Величины и W в формуле (6) выбирают так, чтобы выполнялось неравенство 0,1 < WJW < 0,2; оптимальное значение для отношения IFi/IF близко к 0,125 [125]. Если количество полученного производного недостаточно для очистки до получения постоянного значения удельной радиоактивности, то в значение W, вычисленное по формуле (5) или (6), вносят поправку с учетом химической чистоты, вычисленной по понижению температуры плавления. Как видно из данных, приведенных в табл. 1.20,
Таблица 1.20
Определение метанола и этиленгликоля радиохимическим методом с использованием
3-хлор-4-метоксибензоил-36С1-хлорида а
Определяемое соединение Вес пробы, мг Выход, мг Выход, %
Метанол 97,2 96,5 99,3
95,6 97,3 101,8
95,6 95,6 100,0
96,7 96,5 99,8
96,6 97,2 100,6
Этиленгликоль 39,8 39,3 98,5
39,0 38,3 98,2
40,6 40,4 99,5
39,2 38,7 98,7
а Взято из журнала «Anal. Chem.», 27, 390 (1955).
точность этого метода при определении химически чистого метанола и технического этиленгликоля, подвергнутого перегонке, очень высока. В этом определении использовали торцевой счетчик Гейгера—Мюллера, вычисления вели по формуле (5), а результаты корректировали по понижению температуры плавления.
В данном случае температура плавления диэфира этиленгликоля отличалась от температуры плавления чистого производного менее чем на 0,2 °C, однако очистка производного перекристаллизацией до такой степени чистоты в присутствии значительных количеств гомологов может оказаться затруднительной. Так, например, при анализе метанола в анализируемом продукте присутствовало до 2% этил-З-хлор-4-метоксибензоата, который образовался в результате разложения избытка реагента этанолом. После двукратной перекристаллизации из метанола и однократной — из петролейного эфира температура плавления продукта на 1 °C
80
Г лава 1
отличалась от температуры плавления чистого метилового эфира. При всей высокой точности этого метода необходимость корректировать получаемые результаты с учетом нерадиоактивных прим|^ сей (по понижению температуры плавления или путем очистки 'дв получения постоянного значения удельной радиоактивности), а также необходимость приготавливать чистое меченое производное каждого из определяемых соединений являются его недостатками.
Существует радиохимический метод определения соединений с гидроксильными группами, в котором не требуется ни вводить поправок на нерадиоактивные примеси, ни готовить чистое меченое производное для каждого из определяемых соединений [126, 127]. Этот метод основан на использовании/г-иодбензоил-1311-хлорида. Он имеет высокую чувствительность и поэтому в принципе применим к определению пробы любого веса. Однако в этом методе требуется, чтобы определяемые соединения этерифицировались количественно и, кроме того, чтобы образующиеся эфиры можно было выделять или разделять с помощью жидкостной хроматографии. После введения в колонку порции раствора эфира или смеси эфиров обычным образом ведут проявление подходящим растворителем. При этом от верхнего конца колонки к нижнему перемещают датчик сцинтилляционного счетчика, которым измеряют у-излуче-ние изотопа 1311 и определяют тем самым распределение радиоактивности вдоль колонки. В другую такую же колонку (колонку сравнения) вводят известное количество подходящего эфира, образованного тем же меченым реагентом, и тем же способом измеряют распределение радиоактивности вдоль нее. После этого определяют площади пиков на полученных радиохроматограммах. Содержание М (мМ) каждого соединения с гидроксильными группами в пробе вычисляют по формуле
где А — радиоактивность хроматографической зоны соответствующего эфира, мкКи); Sp — удельная радиоактивность реагента, мкКи/мМ; W— число активных гидроксильных групп в соединении; F — доля раствора пробы, введенная в колонку. Период полураспада изотопа 1311 равен 8 дням, поэтому сравнительную и основную радиохроматограммы нужно регистрировать почти одновременно. Важными преимуществами описанного метода являются то, что с его помощью можно определять отдельные соединения с гидроксильными группами в смеси таких соединений (если можно хроматографически разделить соответствующие производные) и то, что в процессе проявления хроматограмму можно регистрировать несколько раз. К недостаткам метода относится то, что для него требуется специальное оборудование и необходима гораздо более мощная радиационная защита, чем при использовании изотопов с р-излу-чением,
Гидроксильные группы
и
В. ПРЕВРАЩЕНИЕ В ЭФИРЫ БЕНЗОЛСУЛЬФОКИСЛОТ -
Для определения микро- и полумикроколичеств стероидов честве радиореагентов использовали n-иодбензолсульфохлорид (ПЙ* псилхлорид) и ангидрид n-иодбензолсульфокислоты (пипсан). При* меняемые при этом методы аналогичны методам с использованием уксусного ангидрида. В методах, в которых требуется количественное превращение в производные, каждый из реагентов можно метить изотопом 35S или одним из изотопов иода (1311, 1251). И ангидрид [128—130], и хлорангидрид [130—133] использовались для определения кортикостероидов и эстрогенов путем этерификации одной или большего числа их гидроксильных групп. Если в наличии имеется определяемое соединение, меченное изотопами 14С или 3Н, то, используя различный характер радиоактивности изотопов 14С и 1311 (или 1251), 3Н и 1311 (или 1251), 3Н и 35S, можно разработать методы, в которых превращение в производные не обязательно должно быть количественным. Метод количественного определения полумикроколичеств эстрадиола с использованием меченного тритием субстрата, пипсилхлорида, меченного изотопом 35S (радиореагент), и пипсильного производного, меченного изотопом 1311 (второй индикатор), — был описан в работе [134]. Однако меченые стероиды сравнительно редко применяют совместно с пипсил-хлоридом и пипсаном.
С точки зрения существующей методологии лучше всего ввести изотоп 35S в реагент для превращения определяемого стероида в производное и изотоп 1251 — для превращения в производное, используемое в качестве индикатора [133]. у-Излучение изотопа 1251 мягче, чем излучение изотопа 1311, и при его использовании мягче требования к радиационной защите и меньше разложение реагента и производных. Изотоп 1251 имеет больший период полураспада, и не надо так часто готовить свежие порции реагентов и индикаторных производных. Более того, используя газовый счетчик радиоактивности, изотоп 35S можно определять в присутствии изотопа 1251 при довольно слабых помехах, а с помощью счетчика с твердым сцинтиллятором изотоп 1251 можно определять в присутствии 35S с еще меньшими помехами [133]. Оба изотопа иода, а также изотоп 35S можно определять с помощью жидкостного сцинтилляционного счетчика [135].
Недавно для определения стероидов в качестве реагента было предложено использовать ангидрид и-толуолсульфокислоты (то-сан), меченный изотопом 35S и имеющий удельную радиоактивность, равную 150 мКи/мМ [136]. Это соединение гораздо более растворимо в пиридине, чем пипсан.
Методы с использованием изотопов 35S, 1311 и 1251 имеют высокую чувствительность, однако периоды полураспада этих изотопов относительно малы и приходится довольно часто готовить свежие порции реагентов и производных-индикаторов. Поэтому эти реагенты
82
Глава 1
реже применяют для определения соединений с гидроксильными группами, чем уксусный ангидрид, который можно метить изотопами с большим периодом полураспада. Однако эфиры сульфокислоты, образованные из алифатических соединений с гидроксильными группами, более устойчивы к гидролизу, чем производные карбоновых кислот, и в этом их преимущество.
Радиоизотопные методы желательно применять для определения концевых гидроксильных групп полиэфиров, полученных поликонденсацией дикарбоновой кислоты с диолами, поскольку концентрация этих групп в конечных продуктах часто очень мала. При введении избытка диола, когда есть уверенность в том, что концевые функциональные группы в основном гидроксильные, любой точный и чувствительный метод определения этих групп является в то же время и абсолютным методом определения среднечислового молекулярного веса данного полимера. Для количественного превращения в меченое производное полиэфир обрабатывали избытком n-толуолсульфохлорида, меченного изотопом 35S, в пиридине [138]. Концентрацию радиоактивной части продукта определяли по формуле (3) и по полученному значению вычисляли среднечисловой молекулярный вес анализируемого полимера.
Г. ПРЕВРАЩЕНИЕ В ЭФИРЫ ПОСЛЕ ДОБАВЛЕНИЯ МЕЧЕНОГО СОЕДИНЕНИЯ С ГИДРОКСИЛЬНЫМИ ГРУППАМИ
В работе [139] описано определение метанола и этанола в водных растворах с использованием модифицированного метода с радиореагентом и изотопным разбавлением, в котором радиореагентом является само определяемое соединение и не требуется количественного превращения в производное. В этом методе к анализируемой пробе добавляют определенные количества спиртов, меченных изотопом В * * * * * 14С, с известной удельной радиоактивностью и затем обрабатывают ее 3,5-динитробензоилхлоридом. Образующиеся эфиры выделяют с помощью жидкостной хроматографии в колонке. Вес каждого спирта в пробе находят по формуле (6), в которой вес выражен в грамм-молях, а удельные радиоактивности — в единицах радиоактивности на моль. При этом нет необходимости в избытке реагента, если достаточное количество производного образуется при добавлении менее 1 экв реагента. Если имеется метод разделения,
который позволит получить каждое из производных в чистом виде в количестве, достаточном для определения удельной радиоактивности, то в принципе все компоненты с гидроксильными группами
можно определить в анализе одной пробы. Описанный метод обла-
дает потенциально высокой чувствительностью, поскольку веса
разделенных 3,5-динитробензоатов можно определить с помощью
абсорбционной спектрофотометрии. Однако применение этого метода ограничено лишь соединениями, для которых можно получить ме-
ченые аналоги с достаточно высокой удельной радиоактивностью.
Гидроксильные группы
83
Д. ПРЕВРАЩЕНИЕ ФЕНОЛОВ В ЭФИРЫ
Некоторые из меченых реагентов, используемых для определения гидроксильных групп алифатических соединений, применимы и для определения фенолов, структура которых не имеет пространственных затруднений, препятствующих их этерификации. В
Таблица 1.21
Определение фенола и пирокатехина методом изотопного разбавления с использованием 3-хлор-4-метоксибензоил-36С1-хлорида я
Определяемое соединение Вес пробы, мг Выход, мг Выход, %
Фенол 103,8 103,5 99,7
103,5 103,5 100,0
103,8 103,9 100,1
100,8 101,8 101,0
101,2 6 101,9 100,7
103,2 6 103,3 100,1
103,5 6 104,0 100,5
104,6 в 105,3 100,7
104,6 г 104,7 100,1
104,4 г 103,7 99,3
104,0 д 98,1 94,3
Пирокатехин 64,9 64,0 98,6
63,5 63,2 99,5
64,3 63,9 99,4
65,3 64,4 98,6
а Взято из журнала «Anal. Chem.», 27, 390, 1955.
& К прозе добавлено по 5 мг о-, м- и я-крезола.
в К пробе добавлено 10 мг воды.
г К пробе добавлено 25 мг воды.
д К пробе добавлено 50 мг воды.
В табл. 1.21 приведены результаты определения макроколичеств фенола и пирокатехина (в форме эфира двухосновной кислоты) с использованием З-хлор-4-метоксибензоилхлорида, меченного изо-юпом 36С1, и прямого изотопного разбавления [123]. Важное преимущество этого метода то, что он позволяет вести определение в присутствии значительных количеств воды.
Фенольная группа эстрогенов легко реагирует с п-иодбензол-сульфохлоридом в 0,75%-ном растворе буры в 75%-ном ацетоне 1131]. При обработке холестерина n-иодбензоилхлоридом, меченным иютопом 1311, в мягких условиях был получен высокий выход л[)ира [126].
84
Глава 1
Е. ПРЕВРАЩЕНИЕ ФЕНОЛОВ В ГАЛОГЕНПРОИЗВОДНЫЕ
Фенолы, не замещенные в орто- и пара-положениях, легко реагируют с элементарным бромом с образованием бромпроизводных. Эту способность фенолов использовали для определения эстрогенов путем обработки пробы бромом (изотоп 82Вг) в безводной уксусной кислоте [140]. После добавления 2,4-дибромпроизводных эстрона, а также 17|3-эстрадиола и эстриола в качестве носителей производные выделяли с помощью жидкостной хроматографии в колонке и очищали до получения постоянного значения удельной радиоактивности. Чувствительность этого метода не ниже 1 нг, однако малый период полураспада изотопа 82Вг (35 ч) затрудняет его использование.
Путем обработки избытком 131IC1 в ледяной уксусной кислоте, как и при определении 3,5-дииодпроизводного, определили и салициловую кислоту. Метод с радиореагентом и обратным изотопным разбавлением (см. гл. 11), первоначально разработанный для определения 20—200 мг этого соединения [141], позже был усовершенствован и позволил определять до 1 мкг вещества [142].
Ж. ДРУГИЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФЕНОЛОВ
Фенольные группы являются достаточно кислыми, чтобы легко реагировать с диазометаном с образованием метиловых эфиров в условиях, сравнимых с теми, которые используют для превращения в производные карбоновых кислот (гл. 3). Диазометан, меченный изотопом 14С, обладает особым преимуществом, поскольку он находится в газообразной форме и его избыток легко удаляется из реакционной смеси. Диазометан-14С, полученный разложением М-метил-14С-М-нитрозо-п-толуолсульфамида под действием щелочи, использовали для превращения фенолглюкозида в метиловый эфир [143]. Его применяли также для определения фенольных гидроксильных групп на поверхности сажи [144].
Для количественной идентификации эстрадиола и эстрона путем метилирования фенольных групп этих соединений в качестве радиореагента использовали диметилсульфат, меченный изотопом 3Н [145]. Применение этого реагента для количественных определений в строго контролируемых условиях заслуживает дальнейшего изучения.
В основе метода определения кверцетина и рутина лежит образование комплекса с изотопом 60Со [146]. В этом методе анализируемые вещества наносят на хроматографическую бумагу, затем полученные пятна подвергают действию аммиака, обрабатывают раствором реагента, содержащим 60Co(NO3)2, и высушивают. Избыток кобальта удаляют методом восходящей хроматографии, а пятна образовавшихся комплексов кобальта (fy* = 0) вырезают и
* Rf — отношение скорости движения хроматографической зоны к скорости движения подвижной зоны (проявителя). — Прим. ред.
Список литературы
85
анализируют. При использовании препарата кобальта с удельной радиоактивностью 0,1 мкКи/г предел обнаружения фенольных соединений был равен 1 нМ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
АБСОРБЦИОННЫЕ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
1. Schmauch L. J., Grubb Н. М., Anal. Chem., 26, 308 (1954).
2. Johnson D. P., Critchfield F. E., Anal. Chem., 32, 865 (1960).
3. Scoggins M. W., Anal. Chem., 36, 1152 (1964).
4. Critchfield F. E., Hutchinson J. A., Anal. Chem., 32, 862 (1960).
5. Scoggins M. W., Miller J. W., Anal. Chem., 38, 612 (1966).
6. Gutnikov G., Schenk G. H., Anal. Chem., 34, 1317 (1962).
7. Reuther K. FL, Bayer E., Berichte, 89, 2541 (1956).
8. Malm C. J., Tanghe L. J., Laird В. C., Smith G. D., Anal. Chem., 26, 188 (1954).
9. McGinn С. E., Spaunburgh R. G., Dyestuffs, 42, 224 (1958).
10. Willeboordse F., Critchfield F. E., Anal. Chem., 36, 2270 (1964).
11. Siggia S., Hanna J. G., Anal. Chem., 33, 896 (1961).
12. Hendrickson J. G., Anal. Chem., 36, 127 (1964).
13. Saunders R. M., Schwarz H. P., Stewart J. C., Anal. Chem., 39, 550 (1967).
14. Kramm D. E., Lamonte J. N., Mayer J. D., Anal. Chem., 36, 2170 (1964).
15. Malaprade L., Compt. Rend., 186, 382 (1928).
16. Dal Nogare S., Norris T. O., Mitchell J., Jr., Anal. Chem., 23, 1473 (1951).
17. Baumel I. M., Anal. Chem., 26, 930 (1954).
18. Leibman К. C., Ortiz E., Anal. Chem., 40, 251 (1968).
19. Dixon J. S., Lipkin D., Anal. Chem., 26, 1092 (1954).
20. DeMeis R. H., Science, 108, 391 (1948).
21. Takeuchi T., Furusawa M., Takayama У., Japan Analyst, 4, 568 (1955).
22. Smith G. A. L., King D. A., Analyst, 89, 305 (1964).
23. Smith G. A. L., King D. A., Analyst, 90, 55 (1965).
24. Руд E. К., Скоилилова С. И., Заводск. лаб., 22, 919 (1956).
25. Fox J. J., Gauge J. H., J. Chem. Ind., 39, 260T (1920).
26. Siggia S., Quantitative Organic Analysis via Functional Groups, 3r ed., John Wiley, New York, 1963, p. 70.
27. Gibbs H. D., J. Biol. Chem., 71, 445 (1927).
28. Ettinger M. B., Ruchhoft С. C., Anal. Chem., 20, 1191 (1948).
29. Mohler E. F., Jr., Jacob L. N., Anal. Chem., 29, 1369 (1957).
30. Божевольнов E. И., Труды Всес. научн.-исслед. инет. хим. реактивов, вып. 21, стр. 38 (1956).
31. Feigl F., Anger V., Mittermann Н., Taianta, 11, 662 (1964).
32. Guilbault G. G., Kramer D. N., Hackley E., Anal. Chem., 38, 1897 (1966).
33. Emerson E., J. Org. Chem., 8, 417 (1943).
34. Gottlieb S., Marsh P. B., Ind. Eng. Chem., Anal. Ed., 18, 16 (1946).
35. Martin R. W., Anal. Chem., 21, 1419 (1949).
36. Ettinger M. B., Ruchhoft С. C., Lisha R. J., Anal. Chem., 23, 1783 (1951).
37. Jones P. S., Thigpen D., Morrison J. L.t Richardson A. P.t J. Am. Pharm. Assoc., 45, 268 (1956).
38. Bence K., Analyst, 88, 622 (1963).
39. Rosenblatt D. H., Demek M. M., Epstein J., Anal. Chem., 26, 1655 (1954).
- 10 Lacoste R. J., Venable S. H., Stone J. C., Anal. Chem., 31, 1246 (1959).
- II. Stoughton R. W., J. Biol. Chem., 115, 293 (1936).
• 12 Westlaufer A., Van Natta F. J., Quattlebaum H. B., Ind. Eng. Chem., Anal. Ed., 11, 438 (1939).
- 13 Lykken L., Treseder R. S., Zahn V., Ind. Eng. Chem., Anal. Ed., 18, 103 (1946).
86
Глава 1
44. Papariello G. J., Janish M. A. M., Anal. Chem., 38, 211 (1966).
45. Hogg J. S., Lohmann D. H., Russel К. E., Can. J. Chem., 39, 1588 (1961).
46. Simard R. G., Hasegawa L, Bandaruk W., Headington С. E., Anal. Chem., 23, 1384 (1951).
47. Willard H. H., Wooten A. L., Anal. Chem., 22, 670 (1950).
ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
48. Stanley C. W., J. Agr. Food Chem., 14, 321 (1966).
49. Williams С. M., Anal. Biochem., 11, 224 (1965).
50. Pierce A. E., Silylation of Organic Compounds, Pierce Chemical Co., Rockford, Ill., 1968.
51. Sweety С. C., Bentley R., Makita M., Wells W. W., J. Am. Chem. Soc., 85, 2497 (1963).
52. Fales H. M., Luukkainen T., Anal. Chem., 37, 955 (1965).
53. Gaidano G. P., Molino G., Perrotti L., Matta F., Boccuzzi G., Boll. Soc. Ital. Biol. Sper., 44, 1494 (1968).
54. Klebe J. F., Finkbeiner H., White D. M., J. Am. Chem. Soc., 88, 3390 (1966).
55. Morrow R. W., Dean J. A., Shults W. D., Guerin M. R., J. Chromatog. Sci., 7, 572 (1969).
56. Stevens R. D., Van Middelem С. H., J. Agr. Food Chem., 14, 149 (1966).
57. Hoffman H E., Barboriak J. J., Hardman H. F., Anal. Biochem., 9, 175 (1964).
58. Hoffman N. E., Conigliaro P. J., Develop. Appl. Spectry., 4, 299 (1965).
59. Hollis 0. L., Anal. Chem., 38, 309 (1966).
60. Le Pera M. E., J. Gas Chromatog., 6, 335 (1968).
61. Baker R. H., Alenty A. L., Zack J. F., Jr., J. Chromatog. Sci., 7, 312 (1969).
62. Ikeda R. M., Simmons D. E., Grossman J. D., Anal. Chem., 36, 2188 (1964).
63. Hefendehl F. W., Naturwissenschaften, 51, 138 (1964).
64 Bierl B. A., Beroza M., Ashton W. T., Mikrochim. Acta, 1969, 637.
65. Regnier F. E., Huang J. C., J. Chromatog. Sci., 8, 267 (1970).
66. Hedin P. A., Gueldner R. C., Thompson A. C., Anal. Chem., 42, 403 (1970).
67. Anders M. W., Mannering G. J., Anal. Chem., 34, 730 (1962).
ЭЛЕКТРОАНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
68 Hiller L. K.. Jr., Anal. Chem., 42, 30 (1970).
69. Price G. G., Whiting M. C., Chem. Ind. (London), 1963, 775.
70. Steiner E. C., Gilbert J. M., J. Am. Chem. Soc., 85, 3034 (1963).
71. Ritchie C. D., Uschold R. E., J. Am. Chem. Soc., 90, 2821 (1968).
72. Chem. Eng. News, 44, 48 (Apr. 11, 1966).
73. Olsen G. L., Chem. Eng. News, 44, 7 (June 13, 1966).
74. Warshowsky B., Elving P. J., Ind. Eng. Chem., Anal. Ed., 18, 253 (1946).
75. Elving P. J., Warshowsky B., Shoemaker E., Margolit J., Anal. Chem., 20, 25 (1948).
76. Zuman P., Krupicka J, Collection Czech. Chem. Commun., 23, 598 (1958).
77. Kolthoff I. M., Lingane J. J., Polarography, 2nd Ed., Interscience, New York, 1952; Meites L., Polarographic Techniques, 2nd Ed., Interscience, New York, 1965.
78. Krivis A. F, Gazda E. S., Supp G. R., Kippur P., Anal. Chem., 35, 1955 (1963).
МЕТОДЫ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА
79. Manatt S. L., J. Am. Chem. Soc., 88, 1323 (1966).
80. Babiac J. S, Barrante J. R Vickers G. C., Anal. Chem., 40, 610 (1968).
81. Goodlett V. W., Anal. Chem 37, 431 (1965),
82. Leader G. R, Anal. Chen., 42, 16 (1970),
Список литературы
87
83. Ingham J. D., Lawson D. D., Manatt S. L., Rapp N. S., Hardy J. P., J. Macromol. Chem., 1, 75 (1965).
84. Saunders J. К. M., Williams D. H., Chem. Commun., 1970, 422.
85. Dietrich M. W., Nash J. S., Keller R. Anal. Chem., 38, 1479 (1966).
86. Lindeman L. P., Nicksic S. W., Anal. Chem., 36, 2415 (1964).
87. Leader G. R., Anal. Chem., 42, 16 (1970).
88. Ballantine J. A., Pillinger C. T., Tetrahedron, 23, 1691 (1967).
РАДИОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
89. Dominguez О. V., Seely J. R., Gorski J., Anal. Chem., 35, 1243 (1963).
90. Keston A. S., Udenfriend, S., Cannan R. K., J. Am. Chem. Soc., 71, 249 (1949).
91. Keston A. S., Udenfriend S., Levy M., J. Am. Chem. Soc., 72, 748 (1950).
92. Peterson R. E., in «Advances in Tracer Methodology», Vol. 1, S. Rothchild, ed., Plenum, New York, 1962, pp. 265—273.
93. Klein P. D., in «Advances in Tracer Methodology», Vol. 2, S. Rothchild, ed., Plenum, New York, 1965, pp. 145—154.
94. West C. D., Damast B., Pearson О. H., J. Clin. Endocrinol. Metab., 18, 15 (1958).
95. Wiest W. G., J. Biol. Chem., 238, 34 (1963).
96. Simpson S. A., Tait J. F., Mem. Soc. Endocrinol., 2, 9 (1953).
97. Avivi P. et al., Proc. Radioisotope Conf., 2nd, Oxford, Engl., 1, 313 (1954).
98. Simpson S. A. el al., Helv. Chim. Acta, 37, 1163 (1954).
99. Donia R. A., Ott A. C, Drake N., Anal. Chem., 29, 464 (1957).
100. Berliner D. L., Proc. Soc. Exptl. Biol. Med., 94, 126 (1957).
101. Hollander V. P., Vinecour J., Anal. Chem., 30, 1429 (1958).
102. Demey E., Verly W. G., Arch. Intern. Physiol. Biochim., 66, 62 (1958).
103. Demey-Ponpart E., Bull. Soc. Chim. Biol., 41, 795 (1959).
104. Kuroda M., Werbin H., Chaikoff I. L., Anal. Biochem., 9, 75 (1964).
105. Fleming R., J. Pharm. Pharmacol., 12, (Suppl.), 217T—219T (1960).
106. Karman A., McCaffrey I., Kliman B., Anal. Biochem., 6, 31 (1963).
107. Kliman B., Peterson R. E., J. Biol. Chem., 235, 1639 (1960).
108. Koedding R., Lamprecht W., Wolff H. P., Karl J., Koczorek K. R., Z. Anal. Chem., 181, 574 (1961).
109. Koedding R., Wolff H. P., Karl J., Torbica M., Symp. Deut. Ges. Endokrinol., 8, 321 (1962) [Chem. Abstr, 65, 15749b].
110. Benraad T. J., Kloppenborg P. W. C, Clin. Chim. Acta, 12, 565 (1965).
111. Wahid A. K. A, Singer B., 5th Arab. Sci. Congr., Baghdad, Part 3, 509 (1966) [Chem. Abstr., 69, 74415k].
112. Nowaczynski W., Silah J., Genest J., Can. J. Biochem., 45, 1919 (1967).
113. Bardin C. W., Lipsett M. B., Steroids, 9, 71 (1967).
114. Wiest W. G., Steroids, 10, 257 (1967).
115. Whitehead J. K., Dean H. K., Methods Biochem. Anal., 16, 1 (1968).
116. Benson R. H., Turner R. B., Anal. Chem., 33, 344 (1961).
117. Fleming L, Mason J. B., J. Chem. Soc., (C), 1969, 2510.
118. Mangold FL, J. Am. Oil Chemists’ Soc., 38, 708 (1961).
119. Kramm D. E., Lamonte J. N., Moyer J. D., Anal. Chem., 36, 2170 (1964).
120. (УGorman L. P., Clin. Chim. Acta, 19, 485 (1968).
121. (УGorman L. P., Clin. Chim. Acta, 23, 247 (1969).
122. Henderson H. H., Crowley F., Gaudette L. E., in «Advances in Tracer Methodology», Vol. 2, S. Rothchild, ed., Plenum, New York, 1965, pp. 83—86.
123. Sorensen P., Anal. Chem., 27, 388 (1955).
124. Rapport M. M., Lerner B„ J. Biol. Chem., 232, 63 (1958).
125 Шамаев В. И., Жури. анал. хим., 22, 988 (1967).
126. Stokes W. М., Hickey F. С., Fish W. A, J. Am. Chem. Soc., 76, 5174 (1954).
127 Stokes W. M.. Fish W. A, Hickey F. C., Anal. Chem., 27, 1895 (1955).
128. Bojesen E., Scand. J. Clin. Lab Invest., 8, 55 (1956).
[29. Bojesen E., Degn H., Acta Endocrinol., 37, 541 (1961).
88
Глава 1
130. Bojesen Е., Keston A., Karsiotis М, Abstr. Comm. XIX, Intern. Physiol. Congr., Montreal, 1953, p. 220.
131. Leegwater D. C., Nature, 178, 916 (1956).
132. Svendsen R., Acta Endocrinol., 35, 161 (1960).
133. Andersen H. A., Bojesen E., Jensen P. K.t Sorensen B., Acta Endocrinol., 48, 114 (1965).
134. O'Grady J. E., Biochem. J., 106, 77 (1968).
135. Rhodes B. A., Anal. Chem., 37, 995 (1965).
136. Thuneberg L., Intern. J. Appl. Radiation Isotopes, 16, 413 (1965).
137. Bojesen E., Buns 0., Svendsen R., Thuneberg L, in «Qualitative and Quantitative Analysis of Steroid Hormones», Vol. I, H. Carstensen, ed., Marcel Dekker, New York, 1967, pp. 1—53.
138. Hoffman E. G., Hoberg H., Z. Elektrochem., 58, 646 (1954).
139. Ефремов В. Я., Нейман М. В., Панфилов В. Н., Труды комиссии по анал. хим. Изд. АН СССР, 9, 361 (1958).
140. Slaunwhite IF. R., Neely L., Anal. Biochem, 5, 133 (1963).
141. Swartz H. A, Christian J. E., J. Am. Pharm. Assoc, Sci. Ed, 47, 701 (1958).
142. Breckinridge С. E., Jr., Christian J. E., J. Am. Pharm. Assoc, Sci. Ed, 49, 330 (1960).
143. Stoll A., Ruschmann J., von Wartburg A., Rent J., Helv. Chim. Acta, 41, 993 (1956).
144. Papirer E., Donnet J.-B., Bull. Soc. Chim. France, 1966, 2033.
145. O’Grady J. E., Heald P. J., Nature, 205, 390 (1965).
146. Pereira Crespo V, Veiga J. S., Coelho F. P., Proc. 15th Internat. Congr. Pure Appl. Chem. (Anal. Chem.), Vol. II, Lisbon, 1956, pp. 737—740.
Карбонильные группы
I. АБСОРБЦИОННЫЕ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Дж. Г. Ханна
А. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕТОДОМ ИНФРАКРАСНОЙ СПЕКТРОФОТОМЕТРИИ
Поглощение излучения, обусловленное колебаниями связи С = О в органических соединениях, соответствует длинам волн от 5,45 до 6,5 мкм. Однако оно характерно не только для группы С = О альдегидов и кетонов, но также и для группы С = О карбоновых кислот, ангидридов, эфиров и амидов. В спектрах каждого из этих типов соединений имеется характерная полоса поглощения, однако эти полосы часто накладываются друг на друга.
Б. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕТОДОМ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ СПЕКТРОФОТОМЕТРИИ
Из-за наличия ненасыщенной связи С=О поглощение излучения в УФ-области спектра, обусловленное карбонильной группой, относительно малоинтенсивно. Хотя спектрофотометрию в этой области спектра использовали в отдельных случаях [1—5], однако для определения соединений с карбонильными группами этот метод, как правило, не применяют.
В. ОПРЕДЕЛЕНИЯ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ ПРОВЕДЕНИЕМ ХИМИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЙ
1. Образование 2,4-динитрофенилгидразона
Карбонильные соединения конденсируются с 2,4-динитрофенил-гидразином, образуя 2,4-динитрофенилгидразоны. Эта реакция изучена и с ее помощью определяли небольшие количества альдегидов и кетонов колориметрическим методом.
§0
Глава 2
Впервые применение колориметрического метода, основанного на этой реакции, для определения ацетона, присутствующего в малых концентрациях, описал, по-видимому, Мэтьюсон [6]. Торен и Хейн-рих [7] предложили общий метод определения карбонильных соединений, основанный на экстракции 2,4-динитрофенилгидразонов изооктаном, чтобы исключить действие избытка реагента. Ломан [8] предлагал экстрагировать 2,4-динитрофенилгидразоны гексаном. Лаппин и Кларк [9] путем добавления щелочи смещали максимум полосы поглощения 2,4-динитрофенилгидразонов с 340 нм и проводили измерения при 480 нм (винно-красный). Менделовиц и Райли [10] обнаружили, что максимум поглощения наблюдается вблизи 430 нм, а не при 480 нм и что образующийся винно-красный комплекс менее стабилен, чем это считалось ранее. Эти же авторы сообщали об осаждении неорганического хлорида при добавлении в реакционную смесь едкого кали, что затрудняет определение.
Изучая описанные выше методы, Иордан и Витч [11] обнаружили, что добавление воды для растворения неорганического хлорида и использование смешанного углеводородно-спиртового растворителя вместо метанольного позволяют быстрее и точнее определять алифатические и простые ароматические соединения с карбонильными группами. В пределах определенного интервала времени результаты определений остаются точными, несмотря на ослабление окраски гидразонов во времени в присутствии едкого кали.
Метод Иордана и Витча [11]
Оборудование. Спектрофотометр фирмы «Beckman» модели DB с кварцевыми кюветами (/= 1см).
Реагенты. Спиртовая смесь без примеси карбонильных соединений (95% этанола, 5% метанола). К 5 л этой смеси добавляют в избытке 2,4-динитрофенилгидразин и несколько капель концентрированной соляной кислоты, кипятят смесь с обратным холодильником в течение 1 ч. После этого спирт отгоняют с помощью стеклянного аппарата для перегонки.
н-Гексан. Очищают его так же, как и спиртовую смесь, но кипятят с обратным холодильником в течение ночи.
Раствор 2,4-динитрофенил гидразина. Приготавливают насыщенный раствор в спиртовой смеси.
Проведение анализа. Берут подходящую навеску образца в мерной колбе емкостью 25 мл. Добавляют в колбу 5 мл смеси (3:7) н-гек-сана со спиртом, 2 мл* насыщенного раствора 2,4-динитрофенил-гидразина и 0,1 мл концентрированной соляной кислоты. Тем же способом, но без образца готовят холостой раствор. Приготовленные растворы нагревают при температуре 55 ± 1 °C в течение 30 мин. Затем их быстро охлаждают до комнатной температуры и разбавляют до метки раствором едкого кали (59 г едкого кали растворяют в 180 мл воды и затем спиртовой смесью доводят
Карбонильные группы
91
объем этого раствора до 1 л). Растворы хорошо перемешивают и в течение 8—15 мин с момента разбавления измеряют их поглощение при 480 нм.
Калибровочный график. Готовят стандартные растворы карбонильного соединения (концентрация карбонильной группы 0,002— 0,01 мг/л) в смеси н-гексана со спиртом (3:7). Пипеткой переносят по 25 мл каждого из этих растворов в отдельные мерные колбы. В каждую из колб добавляют по 0,1 мл концентрированной соляной кислоты, 2 мл насыщенного раствора 2,4-динитрофенилгидра-зина и анализируют полученные растворы, как описано выше. По результатам измерений строят график зависимости поглощения от концентрации карбонильной группы.
Джонсон и Скоулс [12] приготавливали растворы гидразонов в хлорной кислоте, экстрагировали их четыреххлористым углеродом, обрабатывали экстракты этанольным раствором едкого натра и измеряли поглощение образующегося продукта красного цвета при 420 нм. В качестве преимуществ данного метода определения выдвигалось то, что в такой системе гидразин гораздо более растворим и что экстрагируется меньшее количество непрореагировавшего реагента. Изучив метод Джонсона и Скоулса, Бассон [13] рекомендовал вместо этанольного раствора едкого натра использовать водный раствор едкого кали и увеличить концентрацию кислоты для стабилизации окраски.
2. Определение формальдегида хромотроповой кислотой
Хромотроповая кислота (1,8-диоксинафталин-3,6-дисульфокислота)— специфичный реагент на формальдегид, используемый для определения последнего в присутствии избыточных количеств других соединений. При нагревании формальдегида с этим реагентом в концентрированной серной кислоте образуется соединение пурпурного цвета. Механизм реакции точно неизвестен. Фейгл [14] высказал предположение о том, что она может быть аналогична реакции между фенолами и формальдегидом, приводящей к образованию оксифенилметанов с последующим окислением хиноидного соединения следующего типа:
92
Глава 2
Первым хромотроповую кислоту применил Играйв [15] для качественного определения формальдегида. Как реагент для количественного анализа впоследствии ее использовали Бойд и Лоуган [16] в исследовании биологических систем. Цвета анализируемых и стандартных растворов они сравнивали визуально.
Брикер и Джонсон [17], а затем и МакФейден [18] предложили измерять поглощение растворов спектрофотометрически при 570 нм. Методы, предложенные этими авторами, аналогичны друг другу.
Метод Брикера и Джонсона [17]
Реагент. Растворяют 2,5 г хромотроповой кислоты в 25 мл воды и отфильтровывают от раствора нерастворимые примеси.
Проведение анализа. Берут навеску образца в пробирке с таким расчетом, чтобы в ней содержалось менее 100 мкг формальдегида и чтобы ее объем находился в пределах 0,4—0,9 мл. Медленно добавляют 0,5 мл раствора хромотроповой кислоты. Затем в нее же медленно добавляют 5 мл концентрированной серной кислоты и встряхивают для перемешивания полученного раствора. Помещают пробирку на 30 мин в баню с кипящей водой, охлаждают, переносят раствор в мерную колбу на 50 мл и доводят его объем до метки. После разбавления измеряют поглощение полученного раствора при 570 нм. По результату измерения поглощения определяют концентрацию формальдегида в пробе с помощью калибровочного графика, построенного по результатам анализа стандартных растворов формальдегида.
Брикер и сотр. [17, 19] исследовали, мешает ли проведению анализа этим методом присутствие других типов соединений. Они сообщали, что данная реакция протекает и с другими альдегидами, но пурпурный цвет дает лишь формальдегид. Уксусная, муравьиная, щавелевая кислоты, ацетон, глицерин, глюкоза, манноза, пиридин и бензол заметно не искажают результаты определения. Брикер и сотрудники пришли также к выводу о том, что анализ можно проводить в присутствии метанола и этанола, но высшие спирты, диацетоновый спирт и метилэтилкетон уменьшают интенсивность окраски, соответствующей формальдегиду.
Позже Вильсон и Линч [20] усомнились в том, что этанол не мешает анализу, и предложили либо вводить поправку на искажения, обусловленные этанолом, используя этанольный холостой раствор, либо удалять этанол выпариванием. Брикер и Вейль [19] не отмечали мешающего действия этанола, но все-таки удаляли примеси путем их выпаривания в присутствии хромотроповой кислоты, которая удерживала формальдегид. После этого в раствор добавляли серную кислоту для проявления пурпурной окраски продукта реакции формальдегида. Выпаривание проводили в масляной бане при температуре 170 °C, так что из раствора удалялись все соединения, кипящие при этой температуре или ниже.
Карбонильные группы
3. Определение формальдегида с помощью реактива Шиффа
Реактив Шиффа получают путем обработки красного ЧИ ного красителя фуксина (хлоргидрат розанилина) водным^] твором двуокиси серы. При этом образуется бесцветный npoij присоединения, который реагирует с альдегидом, давая красн: хиноидный краситель.
фуксин основного характера (окрашенный)
реактив Шарфа (бесцветный)
ясно
продукт присоединения альдегида
( окрашенный )
Интенсивность окраски этого продукта зависит от концентрации альдегида в реакционной смеси. Использование реакции (2) для количественного анализа затруднительно, поскольку окраска образующегося красителя неустойчива; кроме того, анализу мешает окраска, которую со временем приобретает сам реактив Шиффа. На скорость развития окраски влияют продолжительность и температура реакции; не выполняется закон Бера. Для получения удовлетворительных результатов приходится строго контролировать условия реакции и анализировать стандартные растворы одновременно с определяемым. Метод с использованием реактива Шиффа можно рассматривать только как полуколиче-ственный. Общей методики, которая подходила бы для определения различных соединений в различных средах, по-видимому, дать невозможно. Читатели, интересующиеся литературой по применению этой реакции для анализа, могут обратиться к опубликованным работам {21—30].
4. Реакция с образованием йодоформа
С гипоиодитом уксусный альдегид и ацетон образуют йодоформ
/С=О + 3I2 + 4NaOH —> CHI3 + RCOONa + 3NaI + ЗН2О (3) СН/
94
Глава 2
Дель Ногэ, Норрис и Митчелл [31] обнаружили, что йодоформ поглощает в УФ-области спектра в диапазоне 400—260 нм и дает три отчетливых полосы поглощения при 347, 307 и 274 нм. Для анализа они выбрали полосу при 347 нм, поскольку она оказалась наиболее чувствительной к изменениям концентрации йодоформа и обеспечивала наилучшее согласие результатов с законом Бера при содержании йодоформа в пробе до 3 мг. Другими соединениями, которые имеют высокую степень превращения в йодоформ и к определению которых возможно применим данный метод, являются метилизопропилкетон и окись мезитила; может реакция применяться и для определения других метилкетонов.
Метод Дель Ногэ, Норриса и Митчелла [5/]
Оборудование. Спектрофотометр фирмы «Beckman», модели DV. Для проведения измерений при 347 нм используют водородную или вольфрамовую лампу.
Реагент. Примерно 20%-ный раствор иода. Растворяют 400 г иодида калия в 800 мл воды, добавляют 200 г иода и перемешивают раствор до полного растворения иода.
Проведение анализа. Пипеткой переносят 10 мл 20%-ного раствора иода в делительную воронку объемом 125 мл и добавляют 3,3 мл 20%-ного раствора едкого натра. Затем, вращая воронку, перемешивают раствор. Если после этого раствор не приобретает отчетливой желто-оранжевой окраски, то в него по каплям добавляют раствор иода до тех пор, пока он не приобретет этой окраски. К полученному раствору гипоиодита пипеткой добавляют 1 — 5 мл анализируемого образца с таким расчетом, чтобы в добавляемом количестве образца содержалось не более 0,4 мг ацетона или уксусного альдегида. Сразу же после добавления анализируемой пробы раствор перемешивают. После перемешивания воронку закрывают пробкой и оставляют смесь на 5 мин при комнатной температуре. Если в течение этих 5 мин желто-оранжевая окраска раствора постепенно исчезает, то се восстанавливают, добавляя в раствор по каплям раствор иода. По истечении времени реакции в раствор добавляют несколько капель 5%-ного раствора тиосульфата натрия для нейтрализации окраски, обусловленной иодом. Добавляют из мензурки 22—24 мл хлороформа и, встряхивая воронку, экстрагируют йодоформ. После разделения фаз хлороформный слой переносят в отдельную делительную воронку объемом 125 мл, в которую предварительно наливают воду в объеме, примерно равном объему хлороформной фазы. Затем эту воронку энергично встряхивают. Промытую хлороформную фазу, предварительно пропущенную через воронку с тонким слоем безводного сульфата натрия на пробке из стекловаты, переносят в мерную колбу емкостью 25 мл. Делается это с целью удаления из экстракта влаги. Объем экстракта в колбе доводят до метки,
Карбонильные группы
95
добавляя в колбу хлороформ из капельницы, причем сначала этот хлороформ пропускают через упомянутую выше воронку с сульфатом натрия для вымывания оставшегося в ней экстракта.
Поглощение излучения хлороформным экстрактом измеряют при 347 нм относительно поглощения хлороформа. Измерения проводят в кварцевых кюветах (/ — 2,5 см). Из полученных результатов вычитают поглощение холостого раствора.
Вычисления
4X0,421X100
содержание уксусного альдегида, % — “Б^Птробымг”
Л/ ДХ 0,248 ХЮ0 содержание аиетона, % = ------------
г вес прооы, мг
А — поглощение при 347 нм относительно поглощения холостого раствора
0,421 — котангенс угла наклона калибровочного графика к оси абсцисс для уксусного альдегида
0,284 — котангенс угла наклона калибровочного графика к оси абсцисс для ацетона.
Анализу этим методом мешают соединения, которые, реагируя с гипоиодитом, образуют йодоформ. В табл. 2.1 приведены результаты, полученные Дель Ногэ и сотрудниками при определении ацетона в циклогексаноле.
Таблица 2.1
Результаты определения ацетона в циклогексаноле [31]
Содер какие ацетона в циклогексаноле, вес. % Поглощение Содержание ацеюна, мг
вычисленное полученное в результате анализа
0,480 1,545 0,453 0,458
0,384 1,260 0,368 0,374
0,288 0,919 0,277 0,273
0,192 0,637 0,185 0,189
0,096 0,317 0,092 0,094
0,038 0,135 0,037 0,040
5. Фотометрическое титрование альдегидов боргидридом натрия
Кохран и Рейнольдс [32] предложили для определения альдегидов использовать прямое фотометрическое титрование, основанное на восстановлении альдегидов боргидридом натрия:
4R2C==O + NaBH4 + 2Н2О —> 4R2CHOH + NaBO2 (4)
96 Глава 2
Пробу растворяют в смеси изопропиловый спирт — вода и титруют полученный раствор стандартным раствором боргидрида натрия в диметилформамиде. В процессе титрования регистрируют зависимость поглощения альдегида в УФ-области спектра от объема добавленного стандартного раствора боргидрида натрия. Этот метод, возможно, и применим в некоторых достаточно простых анализах, однако в общем случае он имеет серьезные ограничения. Его нельзя рекомендовать как общий метод определения альдегидов, а во многих случаях его специфичность недостаточна. Авторы этого метода предлагали использовать его для определения алифатических и ароматических альдегидов, в молекулах которых отсутствуют электроноакцепторныс группы. Анализу мешают перекиси, кислоты и некоторые кетоны. Этим методом нельзя определять формальдегид, ацетали и другие соединения, которые не дают полос поглощения, характерных для карбонильной группы.
6. Определение оксимов методом спектрофотометрии в ближней ИК-области спектра
Альдегиды и кетоны конденсируются с гидроксиламином, образуя альдоксимы и кетоксимы соответственно:
R\
/С=О + NH2OH —> \z=NOH + н2о (5)
Rz/ R'Z
Годди [33] предположил, что оксимы можно определить с хорошей чувствительностью и избирательностью методом спектрофотометрии в ближней ИК-области спектра.
Для оксимов характерна чрезвычайно интенсивная основная полоса поглощения гидроксильной группы при 2,78 мкм, причем соответствующие молярные коэффициенты погашения в 3—4 раза превышают молярные коэффициенты погашения большинства спиртов и гидроперекисей и примерно равны коэффициентам погашения фенолов. Поэтому можно ожидать, что фенолы, которые поглощают в той же области спектра, будут мешать определению оксимов, а спирты, поглощающие при 2,74—2,76 мкм, и гидроперекиси, поглощающие при 2,81—2,84, не будут мешать [33].
II. ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
А4. Бероза, М. Н. Инской
Если карбонильные соединения не содержат полярных групп, таких, как ОН- или СООН-группы, то их легко определить методом газовой хроматографии. При этом не возникает эффектов,
Карбонильные группы
97
связанных с расширением фронтов хроматографических пиков этих соединений или с их повышенной адсорбцией, что обычно затрудняет количественный анализ. Для определения соединений с полярными группами их обычно превращают в производные (см. разделы, посвященные определению соответствующих групп). В количественных определениях карбонильные соединения и их производные подвергают и химическим превращениям. Подробнее об этом говорится ниже.
А. МЕТОД ВЫЧИТАНИЯ КАРБОНИЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Перед вводом пробы в хроматограф из нее часто можно удалить карбонильные соединения либо путем предварительного превращения их в производные, либо с помощью реакционной петли, в которой содержится вещество, реагирующее с карбонилсодержащими соединениями и удерживающее (вычитающее) их (гл. 1 разд. II, Е). По хроматограммам, полученным с применением петли и без нее, идентифицируют хроматографические пики карбонильных соединений, а по разности этих хроматограмм определяют количества этих соединений.
Альдегиды можно количественно вычитать, используя петлю, заполненную 15-сантиметровым слоем насадки: 5% о-дианизи-дина на носителе анахром ABS с размером частиц 70/80 меш (фирмы «Analabs, North Haven, Conn.»). Конечный слой насадки (примерно 1 см) представляет собой носитель, не покрытый реагентом, чтобы предотвратить унос паров реагента из петли [34]. Сообщалось, что единственным кетоном, который удерживался в такой петле, был циклогексанон (поглощение на 20—50%). Частично или полностью удерживались также некоторые эпоксисоединения, особенно высокомолекулярные (Ci2 и выше). Петля эффективна при температурах 50—175 °C.
Карбонильные соединения (альдегиды и кетоны) можно вычитать с помощью реакционной петли длиной около 15 см с насадкой: 20% бензидина на промытом кислотой носителе хромосорбе Р с размером частиц 60/80 меш. Как и описано выше, в конце петли носитель (примерно 1 см) не был покрыт реагентом для уменьшения уноса паров реагента. Диапазон рабочих температур для такой петли 100—175 °C. В петле эффективно вычитаются альдегиды, большинство кетонов и эпоксисоединения [34]. Пространственно затрудненные кетоны реагируют (вычитаются) частично. При работе с такой петлей вряд ли можно получить надежные количественные результаты, поскольку бензидин высокоактивен, увеличивает время удерживания других соединений и задерживает их в количествах до 40%. В обоих типах описанных выше петель происходит унос паров реагента, поэтому чаще всего петли помещают после хроматографической колонки, чтобы избежать ее загрязнения.
4 Зак. 53
98
Глава 2
Обычно с помощью петель с о-дианизидином и бензидином удается отличить альдегид от кетона. Петля с фосфорной кислотой вычитает эпоксисоединения, но не вычитает карбонильные соединения (гл. 5, разд. II.), и ее можно использовать для того, чтобы исключить эпоксисоединения. Для вычитания карбонильных соединений применялся также и гидроксиламин [35].
Карбонильные соединения полностью вычитаются из газового потока LiBH4 и LiAlH4 [36]. Однако при этом вычитаются также спирты, эфиры и эпоксисоединения. Предпринимались попытки отличить альдегиды от кетонов с помощью NaBH4, однако результаты, как правило, не были количественными.
Во многих случаях анализ с применением петли для вычитания оказывался неколичественным, поэтому в каждом таком случае следует с помощью эталонных соединений определить возможность получения количественных результатов.
Б. ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕ КАРБОНИЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Боргидриды восстанавливают соединения с карбонильными группами до спиртов. Эту реакцию использовали для определения 10“4% формальдегида в уксусном альдегиде. К концу ГХ-колонки подсоединяли на специальном креплении трубку размерами примерно 8x0,6 см, заполненную равномерно размолотым боргидри-дом калия [37]. С помощью пламенно-ионизационного детектора гораздо легче определить метанол, полученный восстановлением формальдегида, чем сам формальдегид. Ротенон обычно дает многочисленные широкие хроматографические пики, а после обработки боргидридом натрия — один четкий пик. Дело в гом, что кетогруппа ротенона восстанавливается до гидроксильной группы, которая при введении пробы в газовый хроматограф теряется в результате дегидратации [38].
Гексозамины были восстановлены боргидридом натрия при комнатной температуре; образующиеся при этом гекситолы ацетилировали [39] или превращали в трифторацетильные производные [40] и анализировали полученные производные методом ГХ.
В. ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ОКИСЛЕНИЕ АЛЬДЕГИДОВ
Высшие алифатические альдегиды окисляли окисью серебра, а образующиеся продукты (карбоновые кислоты) этерифициро-вали диазометаном и анализировали методом ГХ [41].
Г. ПРЕВРАЩЕНИЕ В АЦЕТАЛИ
Иногда бывает удобно получать производные карбонилсодержащих соединений непосредственно в смеси без их предварительного выделения и анализировать полученные производные мето-
Карбонильные группы
99
дом ГХ. Альдегиды и альдегидогенные части молекул плазмалоге-нов превращали в устойчивые циклические ацетали, которые удобно анализировать методом ГХ [42]. 2,4-Динитрофенилгидразоны альдегидов (от С2 до С^) и кетонов (от С3 до Ci9) превращали в дитиоацетали и дитиокетали [43]. Для анализа на газовом хроматографе с детектором, специфически чувствительным к галогенсодержащим соединениям, получали 2-хлорэтилацетали альдегидов [44].
Д. ВЫДЕЛЕНИЕ КАРБОНИЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ ИХ ПРОИЗВОДНЫХ
Для выделения карбонильных соединений из смесей их превращали в самые разнообразные производные. Многие из этих производных имеют слишком высокую полярность или слишком малую летучесть и недостаточно хорошо поддаются анализу методом ГХ. В связи с этим были разработаны методы, которые позволяют практически количественно регенерировать исходное соединение из его производного и анализировать это соединение газохроматографически. Один из таких методов, называемый методом мгновенного обмена [45], особенно удобен для определения низкокипящих карбонильных соединений. Во многих случаях для определения этих соединений получали их 2,4-динитрофенилгидразоновые производные и помещали смесь производного и cz-кетоглутаровой кислоты (1:3) в капилляр, запаянный с одного конца и содержащий на дне 1 мг бикарбоната натрия. Открытым концом капилляр помещали во входное устройство газового хроматографа и быстро нагревали его. В результате реакции при нагревании регенерированное исходное карбонильное соединение поступало в хроматограф и его определение вели обычным образом. В некоторых случаях на хроматограмме появлялись ложные пики. Сообщалось [46], что лучшие результаты дает метод, в котором вместо а-кетоглутаровой кислоты и бикарбоната натрия используется смесь щавелевой кислоты и п- (диметиламино) бензальдегида. В другом методе [47] для получения количественных результатов при определении карбонильных соединений (от С2 до С6) используется десятикратный избыток фталевой кислоты.
Описаны и другие методы регенерирования соединений с карбонильными группами из их производных. Из производных семикарбазона карбонильные соединения (моноальдегиды и кетоны от С2 до Ch, ароматические альдегиды и кетоны, некоторые дикетоны) можно регенерировать путем обработки этих производных разбавленным раствором фосфорной кислоты [48]. Из производных реактива Жерара Т соединения (альдегиды до Си) регенерировали метилолфталимидом {49], а из цитрусовых масел (цитраль и низшие насыщенные алифатические альдегиды) — формальдеги* дом [50].
4*
100
Глава 2
Е. ДРУГИЕ ГХ-МЕТОДЫ АНАЛИЗА КАРБОНИЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Низшие насыщенные альдегиды (С2 — С5) превращали в производные 2,4-динитрофенилгидразона, а затем окисляли озоном до соответствующих карбоновых кислот. Кислоты затем количественно определяли методом ГХ на колонке с полиэфиром, нанесенным на твердый носитель, модифицированный Н3РО4 [51]. Озон присоединяется по двойным связям, и поэтому данный метод неприменим для определения карбонильных соединений с ненасыщенными связями. С помощью несколько измененного метода определили ряд низкомолекулярных карбонильных соединений [52]. Генератор озона нетрудно изготовить [53].
Используя простой и высокочувствительный метод, можно определить соединения, которые реагируют с образованием йодоформа (метилкетоны и уксусный альдегид). Эти соединения обрабатывают гипоиодитом натрия, а затем образовавшийся йодоформ определяют методом ГХ с электронно-захватным детектором [54]. Для определения содержания анализируемого соединения в пробе предварительно получают калибровочный график зависимости концентрации от величины сигнала детектора. При этом используют чистый йодоформ (твердое вещество желтого цвета, т. пл. 130°C), который получают путем обработки ацетона избытком гипоиодита натрия.
Устойчивые производные карбонильных соединений, пригодные для ГХ-анализа, образует метоксиамин (О-метилгидроксиламин) [55, 56]. Это соединение использовали также для блокирования кетогрупп, когда они мешали образованию производных по гидроксильной группе [57]. Глиоксаль, метилглиоксаль и диацетил превращали в соответствующие хиноксалины, которые затем разделяли методом ГХ [58].
Для определения различных типов соединений предлагалось [59] использовать реакцию изотопного обмена в ГХ-колонках. Так, например, в работе [60] сообщалось о том, что енолизируемые водородные атомы кетонов при однократном прохождении пробы через ГХ-колонку, предварительно обработанную дейтерием, претерпевали количественный изотопный обмен [60].
III. ЭЛЕКТРОАНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
А, Ф. Крайвис
А. АМПЕРОМЕТРИЧЕСКОЕ ТИТРОВАНИЕ АЛЬДЕГИДОВ
Амперометрическое титрование карбонильных соединений можно проводить на основе реакции этих соединений с 2,4-дини-трофенилгидразином (2,4-ДНФ), Условия такого титрования осо
Карбонильные группы
101
бенно благоприятны для определения альдегидов, но с его помощью можно определить и некоторые кетоны.
Первые исследования [61] этого метода титрования вскрыли присущие ему недостатки. Неприятности, например, доставляет образующийся осадок, во-первых, из-за адсорбции титранта на поверхности частиц осадка и, во-вторых, из-за электрохимического восстановления взвешенных в растворе частиц. Если не принять никаких мер, то точность анализа может упасть до ± 10%. Позже данный метод был изучен более подробно [62] и многие из этих недостатков удалось преодолеть. Так, например, восстановления осадка не происходит, если вести титрование при разности потенциалов —0,6 В, а не —1,2 В, как рекомендовалось ранее. К сожалению, однако, при такой разности потенциалов сила тока нелинейно зависит от концентрации 2,4-ДНФ. Этого поверхностного эффекта можно избежать путем добавления тимола (присадки), который препятствует адсорбции титрующего соединения на частицах осадка и таким образом решает проблему. Еще один способ преодоления этой трудности — использование этанола. Пробы, нерастворимые в воде, можно растворять в этаноле; если окончательная концентрация спирта не ниже 33%, то других добавок не требуется.
Методика определения (основанная на исследованиях Берка и сотр. [62])
Оборудование. В этом методе анализа можно использовать любой автоматический или неавтоматический полярограф (гл. 1, разд. III). Рекомендуются ячейки очень удобной конструкции фирмы «Sargent-Welch Scientific Со» (S-29 408). Тип ячейки не имеет большого значения; автор этого раздела во многих случаях для амперометрического титрования использовал обычные химические стаканы.
Стандартный раствор для титрования (титрант). Раствор (0,1 М раствор 2,4-ДНФ) следует приготавливать из как можно более чистого вещества. Растворяют 1 г 2,4-ДНФ в 500 мл 2 М НС1 и оставляют смесь на несколько дней для установления равновесия. После этого фильтруют раствор и устанавливают его титр путем кулонометрического бромирования (гл. 1 и 12).
Выполнение анализа. В ячейке для титрования смешивают 7,5 мл концентрированной НС1, 20 мл 0,05%-ного раствора тимола й 0,05 мМ пробы альдегида. Затем разбавлением доводят объем полученного раствора до 50 мл и в течение 10 мин пропускают через него азот. Ток измеряют при разности потенциалов —0,6 В. После пропускания азота раствор титруют, добавляя в него небольшими порциями стандартный раствор 2,4-ДНФ. После добавления каждой порции через раствор в течение 2 мин пропускают азот, а затем измеряют силу тока. (При использовании упомяну^ той выше ячейки фирмы «Sargent-Welch» титрование можно вести
102
Глава 2
быстрее, поскольку в ней предусмотрена возможность непрерывного пропускания азота. При использовании ячеек без экранирования индикаторного электрода на время измерения пропускание азота следует прекращать.) По результатам измерений получают график зависимости силы тока от добавленного объема титранта (график, аналогичный показанному на рис. 2.1). Конечная точка титрования соответствует точке излома графика.
Рис. 2.1. Кривая амперометрического титрования.
Если проба нерастворима в воде, то ее растворяют в этаноле и добавляют полученный раствор в описанную выше смесь. Если этанол используется в количестве 15—20 мл, то можно обойтись без тимола.
Вычисления г ft/ клиг0хюо
Содержание альдегида, % = Ц7П х ТоЬ6~~у
V — объем титранта, мл; М — молярность титранта; IF0—молекулярный вес определяемого соединения; Wn— величина пробы, г.
Б. ОПРЕДЕЛЕНИЕ АЛИФАТИЧЕСКИХ АЛЬДЕГИДОВ ПОЛЯРОГРАФИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
Оба типа карбонильных соединений — альдегиды и кетоны — можно восстанавливать полярографическим методом. Однако алифатические кетоны этим методом можно определить лишь в редких случаях; для того чтобы достичь отрицательных потенциалов, при которых восстанавливаются эти соединения, требуются неводные среды и тетраалкиламмониевые соли. Алифатические альдегиды восстановить легче, и поэтому их определяют в обычных полярографических системах растворитель — электролит,
Карбонильные группы
ЮЗ
Как правило, карбонильные группы (альдегиды и кетоны), сопряженные с ненасыщенными и (или) арильными группами, восстанавливаются легче. Благодаря этому некоторые кетоны, имеющиеся в продаже, можно определить описанным ниже методом. Если же при этом встречаются трудности, то можно прибегнуть к косвенным методам, описанным в разд. В.
Многие алифатические альдегиды в нейтральной или щелочной среде восстанавливаются примерно при одном и том же значении потенциала полуволны [64]. Исключение составляет формальдегид, который восстанавливается при более положительном потенциале, но и его можно определить тем же способом, что и другие альдегиды. Описанный ниже метод [64] позволяет определить большинство алифатических и многие ароматические альдегиды. Перед анализом следует провести измерения с эталонными соединениями.
Методика определения (по исследованиям Элвинга и Ратнера [65])
Оборудование. Можно использовать любой полярограф (автоматический или неавтоматический) с термостатируемой (25 °C) Н-об-разной ячейкой с насыщенным каломельным электродом сравнения (64]. Можно использовать и ячейку более простой конструкции с ртутным анодом [65].
Растворы. В зависимости от типа анализируемых соединений и их концентраций можно использовать два различных раствора (pH 6,8 и 12,7). При высоких значениях pH некоторые альдегиды очень быстро конденсируются, и поэтому для анализа может потребоваться нейтральный раствор.
Основной 0,12 М водный раствор смеси гидроокиси и хлорида лития готовят путем растворения 5,1 г LiOH и 2,4 г LiCl в 1 л раствора. Для того чтобы довести pH этого раствора до 12,7, его разбавляют в отношении 1:1.
В качестве фонового электролита следует использовать раствор 0,05 М по ацетату лития и 0,05 М по хлориду лития, добавив в него уксусную кислоту до получения pH 6,8. Этот раствор не разбавляют. Готовят его путем растворения 5,1 г дигидрата ацетата лития и 2,1 г хлорида лития на 1 л раствора. После растворения добавляют уксусную кислоту.
Проведение анализа, а) Переносят 5 мл основного раствора гидроокиси и хлорида лития в мерную колбу емкостью 10 мл. Добавляют в него навеску образца (или порцию раствора образца), содержащую примерно 0,01 мМ альдегида и после ее растворения доводят объем раствора до метки. Полученный раствор переносят в полярографическую ячейку, удаляют кислород, пропуская ток азота в течение 10 мин, и регистрируют полярограмму. Затем вычисляют значение диффузионного тока для полярографической волны неизвестного соединения и по калибровочному графику определяют концентрацию альдегида.
104
Глава 2
Для большинства алифатических альдегидов значения потенциала полуволны находятся вблизи —1,9 В. Однако точное значение этого потенциала для данного соединения необходимо определить перед анализом. Сделать это можно одновременно с проведением калибровочных измерений.
б) Навеску образца, содержащую примерно 0,01 мМ альдегида, переносят в мерную колбу емкостью 10 мл и растворяют ее в нескольких миллилитрах раствора ацетат лития — хлорид лития. Затем уровень полученного раствора доводят до метки (раствором ацетат лития — хлорид лития) и переносят приготовленный раствор в полярографическую ячейку. Далее ведут анализ, как описано выше в пункте (а).
В. КОСВЕННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ КАРБОНИЛЬНЫХ ГРУПП ПОЛЯРОГРАФИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
Как уже упоминалось в разд. Б, восстановление простых кетонов происходит при больших отрицательных потенциалах по сравнению с восстановлением альдегидов. Поэтому, за исключением редких случаев, кетоны не определяют непосредственно. С другой стороны, многие карбонилсодержащие соединения реагируют с различными аминами, гидразинами, гидроксиламинами и т. п. с образованием легко восстанавливаемых иминов и оксимов. Было обнаружено, что для определения широкого ряда альдегидов и кетонов особенно подходят два соединения — бутиламин [66] и семикарбазид [67].
Каждый из этих реагентов имеет свои преимущества и недостатки. В некоторых случаях бутиламин образует имины, которые восстанавливаются при потенциалах выше потенциала второй полярографической волны кислорода, так что может не потребоваться пропускать через раствор ток азота. Однако этот реагент имеет не слишком приятный запах, и исследователи часто предпочитают не пользоваться им без особой необходимости. С другой стороны, хлоргидрат семикарбазида обычно легко образует фоновый электролит, приготавливать и работать с ним гораздо приятнее, чем с бутиламином. Однако реакция образования семикарбазона весьма чувствительна к типу реакционной среды и типу анализируемого карбонилсодержащего соединения. Кстати, различную чувствительность к карбонилсодержащим соединениям можно использовать для анализа. Скорости реакции даже для близких по строению соединений различны, и, используя это, можно анализировать смеси карбонилсодержащих соединений [67].
Методика определения по Ван Атту и Джемисону [66], а также Крайвису и Саппу [67]
Оборудование. Для анализа можно использовать любой автоматический или неавтоматический полярограф с Н-образной ячейкой, имеющей насыщенный каломельный электрод сравнения
Карбонильные группы
105
(гл. 1, разд. III). Для получения точных результатов ячейку необходимо термостатировать (25°C).
Растворы. Для приготовления всех растворов необходимо использовать химически чистые и вообще высококачественные материалы.
Основной раствор хлористого аммония (5 М) можно приготовить путем растворения 267,5 г хлористого аммония в 1 л воды.
Основной буферный водный раствор семикарбазида приготавливают, растворяя 22,3 г хлоргидрата семикарбазида, 8,2 г ацетата натрия и 6,0 г уксусной кислоты в 1 л воды. Этот раствор 0,2 М по семикарбазиду, 0,1 М по уксусной кислоте и 0,1 М по ацетату натрия. Перед использованием его разбавляют метанолом в отношении 1 : 1.
Проведение анализа с использованием бутиламина. В мерную колбу емкостью 100 мл переносят 20 мл 5 М раствора хлористого аммония, 17 мл н-бутиламина и 25 мл воды. Затем в колбу добавляют анализируемую пробу, содержащую 1 —10 мМ карбонилсодержащего соединения, и доливают полученный раствор до метки водой. Аликвотную порцию раствора переносят в полярографическую ячейку и измеряют величину диффузионного тока для полярографической волны иминосоединения. (Если имин восстанавливается при значении потенциала ниже — 1 В, то перед регистрацией полярограммы нет необходимости удалять из раствора растворенный в нем кислород. При других значениях потенциала через раствор следует предварительно пропустить азот в течение 5—10 мин.) По значению диффузионного тока с помощью калибровочного графика находят содержание анализируемого соединения.
Проведение анализа при использовании семикарбазида. В мерную колбу емкостью 50 мл переносят 25 мл раствора семикарбазида и 0,2 мл 1%-ного раствора желатины. Затем в колбу добавляют анализируемую пробу, содержащую около 0,05 мМ карбонилсодержащего соединения (растворенного в метаноле), и метанолом разбавляют полученный раствор до метки. Раствор тщательно перемешивают, оставляют на некоторое время для протекания реакции и затем переносят определенную его часть в полярографическую ячейку. Укрепляют электроды в ячейке и в течение 10 мин пропускают через раствор ток азота. После этого регистрируют полярограмму и вычисляют силу диффузионного тока для волны восстановления семикарбазона. По вычисленному значению тока с помощью калибровочного графика определяют содержание карбонильной группы.
Проведение анализа смесей с использованием семикарбазида. Перед смешиванием из всех растворов следует удалить кислород продувкой азота и выждать установления в них равновесия при температуре 25 °C. Все растворы и реагенты берут в тех же относительных количествах, что при описанном выше анализе. Их абсо
106
Глава 2
лютные количества зависят от размеров используемой ячейки. Как правило, после окончательного разбавления в анализируемом растворе должно содержаться 1 мМ анализируемого соединения, 0,1 М семикарбазида и 0,05 М смеси ацетат — уксусная кислота в 50% -ном метаноле.
Требуемые объемы буферного раствора и метанола переносят в ячейку и обескислороживают смесь в течение 10 мин. Затем в ячейку переносят требуемый объем обескислороженного раствора анализируемого карбонилсодержащего соединения в метаноле и вновь тщательно перемешивают смесь. После этого регистрируют зависимость тока, соответствующего потенциалу восстановления семикарбазона, от времени.
Для каждого анализируемого семикарбазона следует построить отдельный калибровочный график. Для получения данных для калибровочного графика (ток — концентрация карбонильной группы) проводят реакцию известных образцов карбонильных соединений с раствором реагента и затем измеряют ток после окончания реакции. По этим данным строят график зависимости концентрации карбонильной группы от тока.
Рис. 2.2. Кинетическая кривая для анализа смесей карбонилсодержащих соединений.
При анализе смесей карбонильных соединений получают график зависимости логарифма тока от времени (рис. 2.2) и экстраполируют к нулю линейную зависимость для медленно реагирующего соединения; значение экстраполированной величины тока соответствует току, определяемому быстро реагирующим соединением.
По значению этого тока с помощью калибровочного графика, описанного в предыдущем разделе, определяют концентрацию соответствующего соединения.
Карбонильные группы
107
IV. МЕТОДЫ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА
Г. Агахигиан
По водородному атому альдегидной группы очень удобно определять как алифатические, так и ароматические альдегиды. Из данных Клинка и Стотерса [68], полученных ими в анализе ряда ароматических альдегидов, следует, что химический сдвиг для атома водорода формильной группы находится в пределах 9,65— 10,44 млн-1 относительно линии тетраметилсилана. Как правило, электронодонорные группы увеличивают экранирование водородного атома формильной группы, а электроноакцепторные группы — уменьшают его. Среди альдегидов, анализировавшихся с помощью ЯМР, были бензальдегид, ж-толуиловый альдегид, n-толуиловый альдегид, n-анисовый альдегид, лгфторбензальдегид, о-нитро-бензальдегид и о-хлорбензальдегид. В орто-замещенных альдегидах экранирование водородного атома формильной группы уменьшается, что, возможно, объясняется пространственными эффектами. Гипотетически с помощью ЯМР можно отличить альдегид от кето-па, не прибегая к помощи химического анализа.
А. ОПРЕДЕЛЕНИЕ АЛЬДЕГИДОВ
Еще одна работа Клинка и Стотерса [69] посвящена определению алифатических, а также а,|3-ненасыщенных альдегидов. Изменение химического сдвига для водородного атома формильной группы вызвано следующими факторами: уменьшением экранирующего действия карбонильной группы, изменением распределения электронов по системе сопряженных связей и эффектами, связанными с анизотропией других связей. Ниже приведены значения химических сдвигов для некоторых соединений.
Значение химического сдвига для атома водорода формильной группы, млн”1
Уксусный альдегид 9,73
Пропионовый альдегид 9,73
Каприловый альдегид 9,69
2-Этилбутаналь 9,51
Акролеин 9,54
Кротоновый альдегид 9,43
Фурфурол 9,67
Значения химических сдвигов даны по отношению к тетраметил-силану.
В работе [69] описано определение 36 алифатических альдегидов и обсуждены эффекты, обусловленные сопряжением связей.
108
Глава 2
Пробы приготавливали обычным способом в виде 5%-ных (вес/объем) растворов в четыреххлористом углероде.
Б. КЕТОНЫ
В кетогруппе нет водородного атома, и поэтому определять кетоны методом ЯМР не так легко, как соединения с другими функциональными группами. Однако для того, чтобы установить присутствие кетона, можно воспользоваться электроотрицательностью карбонильной группы и ее влиянием на водородные атомы при а- и р-атомах углерода. Простейший кетон — ацетон дает единственную линию протонного резонанса, соответствующую химическому сдвигу 2,17 млн-1 относительно линии ТМС. Метил-этилкетон легко определить по резонансам на атомах водорода метила и этила; для идентификации можно использовать и другие свойства этого соединения. При усложнении структуры органических кетонов их идентификация становится более сложной.
Одну группу соединений, в которых влияние кетогруппы позволяет определить ее однозначно, составляют ароматические соединения. Будучи электроотрицательной, эта группа уменьшает экранирование атомов водорода, находящихся в орто-положеиии. Наличие резонансной линии, соответствующей сдвигу 7,91 млн”1 относительно ТМС, четко свидетельствует о присутствии карбоксильной или карбонильной группы. Рассматривая остальные области спектра ЯМР, от этой линии можно отличить линии, обусловленные альдегидной, кислотной, а также эфирной группами. Этим же способом можно определить а,|3-ненасыщенные кетоны. В таком соединении, как 2,2-дизамещенный инданон-1, нет а-водородных атомов, но имеется |3-водородный атом при ароматическом кольце:
Так же как и в случае замещенных бензолов в данном соединении карбонильная группа уменьшает экранирование этого атома водорода.
Используя различные растворители, Бойкин, Тернер и Латц [70] идентифицировали карбонильные производные циклопропанов по изменениям химических сдвигов, обусловленных заместителями и атомами водорода при ароматическом кольце.
Для идентификации кетонов и альдегидов их часто превращают в производные с помощью гидразинов. Подробно данный метод обсуждается в работе Карабатсоса и сотр. [71]. Спектры протонного резонанса получают при этом при частоте внешнего сигнала, равной 60 МГц Определяли соединения, имеющие
Карбонильные группы
109
формулу
R^C-NZ,
где Ri и R2 — алкильная группа или атом водорода, a Z — остаток гидразона. Пространственная структура соединения определяется в соответствии с функциональной группой при атоме азота. Авторы работы [7.1] утверждали, что все эти производные находятся в имино-форме и что спектр не дает указаний на существование азо- и енамино-форм. Они установили геометрию иминной связи. Так, например, линия спектра а-водородного атома 2,4-динитро-фенилгидразона уксусного альдегида в ^цс-положении относительно кольца с двумя нитрогруппами оказывается в более низком поле, чем в случае, когда этот атом находится в транс-положении относительно кольца с нитрогруппами. Однако этот эффект проявляется не всегда и никаких общих выводов сделать невозможно.
Гидразоны получали из следующих соединений: гидразина, о-нитрофенил гидр азина, л/-нитрофенилгидразина, и-нитрофенил-гидразина, 2,4-динитрофенилгидразина, и-метилфенилгидразина, и-хлорфенилгидразина, 2-карбоксифенил гидр азина, 4-карбоксифе-нилгидразина, семикарбазина и тиосемикарбазина. Из карбонилсодержащих соединений использовали уксусный альдегид, ацетон, метилэтилкетон, бензилметилкетон, диэтилкетон, метилизопропил-кетон, диизопропилкетон, формальдегид, изомасляный альдегид и другие.
Наиболее ценными в статье Карабатсоса и сотр. [71] являются факты, относящиеся к влиянию растворителя, и данные, по которым определяли син- и анта-конфигурации. В качестве растворителей использовали бензол, ацетон, диметилсульфоксид и дибромме-тан. В этой же статье приведены значения химических сдвигов для а-и p-водородных атомов (для обоих изомеров в случае их существования), а также сдвигов для протонного резонанса группы =NH.
Природа ЯМР такова, что по получаемым в этом методе данным можно сделать некоторые выводы о типе анализируемого карбонилсодержащего соединения. Можно просто определить, является ли данное соединение альдегидом или кетоном, и относительно нетрудно идентифицировать простые кетоны. Однако в случае анализа смесей соединений или сложных по структуре соединений идентификация может быть затруднительной. В этих случаях для того, чтобы установить присутствие карбонильных или других функциональных групп, требуются дополнительные спектральные данные. С помощью спектрометрии протонного резонанса можно «увидеть» главным образом влияние функциональной группы на соседний атом водорода. Более информативный анализ обеспечивает ЯМР на ядрах 13С, но для этого требуется нестан* дартное оборудование и трудно обеспечить достаточную чувствительность.
110
Глава 2
V. РАДИОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Д. Кэмпбелл
Наилучшими радиореагентами для определения карбонильной группы являются, как правило, меченые аналоги тех реагентов, которые широко применяются в обычных определениях. Особенно ценны такие радиореагенты, как меченые фенилгидразины, семикарбазид и тиосемикарбазид. Кроме них, используют также радиоактивные изотопы серебра в присутствии щелочи: аммиачный раствор нитрата серебра с последующим добавлением элементарного радиоактивного изотопа иода; цианид натрия (с гидролизом циангидрина или без него); тиосемикарбазоны, меченные радиоактивным изотопом серебра.
А. ПРЕВРАЩЕНИЕ В ЗАМЕЩЕННЫЕ ФЕНИЛГИДРАЗОНЫ
Из нескольких описанных в литературе радиохимических методов определения карбонильной группы, пожалуй, лишь один наилучшим образом подходит для анализа заметных количеств низкомолекулярных соединений. Этот метод основан на обработке пробы м-иодфенилгидразином-,3,1 и последующем разделении замещенных фенилгидразонов с помощью жидкостной хроматографии в колонке [72] (гл. 1, разд. V). В работе [72] сообщается лишь о разделении производных о- и л/-нитробензальдегида, однако в принципе этот метод применим для определения любого карбонилсодержащего соединения, которое количественно превращается в /г-иодфенилгидразон, выделяемый с помощью жидкостной хроматографии в колонке. Этот метод пригоден и для анализа смесей, если можно достаточно хорошо разделить соответствующие производные.
Распределение радиоактивности вдоль колонки регистрируют с помощью сцинтилляционного счетчика, который приводится в движение электроприводом и перемещается по колонке сверху вниз. Счетчик соединен с измерителем скорости поступления импульсов. На рис. 2.3 приведена радиохроматограмма разделения производных изомерных ароматических альдегидов (радиоактивность выражена в условных единицах, а расстояние отсчитывается от верха колонки).
Для того чтобы определить количество анализируемого производного, находящегося в колонке, используют известное количество некоторого производного карбонилсодержащего соединения, приготовленного с тем же радиореагентом, что и анализируемое производное, и на отдельной (сравнительной) колонке регистрируют стандартную хроматограмму. Сравнив площади хроматографических пиков анализируемого и эталонного производных, вычисляют искомое количество анализируемого производного. Основ
Карбонильные группы
Ш
ную и стандартную радиохроматограммы следует регистрировать одновременно, поскольку изотоп 1311 имеет небольшой период полураспада (8 дней).
К важным преимуществам описанного метода относится то, что с его помощью можно определить отдельные соединения в смеси, если можно разделить соответствующие производные, а так же то, что радиохроматограмму можно регистрировать и во время проявления. Однако в работе [72] не описаны ни методы количественного превращения карбонилсодержащих соединений в производные, ни методы отделения меченых производных от избытка реагента.
-----______________I________I I 1 I ' ч I I
О 5 10 15 20 25 30 ~ 35 40 45 50
СМ
Рис. 2.3. Распределение радиоактивности вдоль хроматографической колонки [72] Зона А: п-иодфенилгидразончзц о-нитробензальдегида; зона Б: п.иодфенилгидразои-,аЧ л-нитробензальдегида.
Принцип, лежащий в основе этого метода, можно реализовать с помощью хроматографии йа бумаге и тонкослойной хроматографии с использованием для получения меченых соединений изотопа 3Н или, что лучше, изотопа 14С.
В работе [73] описано определение карбонильных групп, образующихся на поверхностях полиэтиленовых пленок под действием окислительной среды. Образцы при этом обрабатывали 0,01 М раствором 2,4-динитрофенилгидразина-14С в 2 н. серной кислоте. Избыток радиореагента смывали с пленки водой и затем измеряли остаточную радиоактивность поверхности пленки с помощью проточного газового детектора радиоактивности с тонким окошком. Для измерения удельной радиоактивности радиореагента некоторое небольшое его количество наносили на тот же образец исходной пленки и тем же счетчиком измеряли радиоактивность. Если толщина определяемого образца пленки полиэтилена превышает длину пробега р-частиц, образующихся при распаде изотопа 14С, то скорость счета на поверхности анализируемой пленки пропорциональна концентрации карбонильных групп. При анализе пленок с толщиной, меньшей длины пробега р-частиц в полиэтилене,
112
Глава 2
необходимо учитывать р-частицы, проникающие сквозь пленку с другой стороны.
В работе [74] описана модификация метода прямого изотопного разбавления для образца, в котором радиореагентом является само определяемое соединение. Этот метод применяли для определения бензальдегида, используя 2,4-динитрофенилгидразон бензальдегида-14С. При использовании счетчика с жидким сцинтиллятором проявляется сильный эффект тушения, вызываемый нитрогруппами, и поэтому нитрозамещенные фенилгидразоны — неудачные реагенты для радиохимического определения карбонилсодержащих соединений. Было показано [75], что эффективным способом преодоления этих затруднений является электролитическое восстановление нитрогрупп.
Б. ПРЕВРАЩЕНИЕ В л-БРОМФЕН ИЛ ГИДРАЗОНЫ С ПОСЛЕДУЮЩЕЙ АКТИВАЦИЕЙ НЕЙТРОНАМИ
я-Бромфенилгидразоны, разделенные с помощью хроматографии на бумаге, можно определить прямо на хроматограмме, облучив пятна этих производных и пятна стандартного бромсодержащего соединения пучком горячих нейтронов. При этом два нерадиоактивных изотопа брома превращаются в радиоизотопы с массовыми числами 80 и 82 соответственно:
зВ. 9 * *5Вг ->> + ?
—> |52Вг + у
Стабильные изотопы брома могут поглощать или «захватывать» нейтроны, и поэтому бром служит чувствительным индикатором в методе, который называют «хроматографией активированных производных» [76]. Количественный анализ этим методом ограничен активацией примесей в хроматографической бумаге; чувствительность метода составляет около 0,002 мкг при использовании гамма-сцинтилляционного счетчика. Для измерения радиоактивности после хроматографического проявления можно применять и жидкостные сцинтилляционные счетчики, но при этом чувствительность метода будет меньше. Полностью возможности данного метода проявляются при работе с мощным источником нейтронов, таким, как, например, атомный реактор.
В. ПРЕВРАЩЕНИЕ В СЕМИКАРБАЗОНЫ, ТИОСЕМИКАРБАЗОНЫ
И ГИДРАЗОНЫ
Сообщалось [77], что с помощью семикарбазида-14С в окислен-
ной целлюлозе можно определять малые концентрации карбониль-
ной группы в форме альдегида и в форме кетона в присутствии больших количеств карбоксильной группы.
Карбонильные группы
113
В работах [78, 79] было показано, что хорошим радиореагентом для определения некоторых стероидов путем замещения их кетогруппы оказался семикарбазид-358. Тиосемикарбазоны при этом образуются с хорошим выходом, а удельная радиоактивность реагента может быть достаточно большой и обеспечить тем самым высокую чувствительность анализа. Эти производные характеризуются заметным сродством к бумаге и силикагелю, и поэтому для их разделения методом бумажной или тонкослойной хроматографии требуются большие количества подвижной фазы (например, в анализе стероидов). Полярность тиосемикарбазонов уменьшается, при их ацетилировании, в результате чего образуются 2,4-диацетилпроиз-водные, что требует, однако, больших затрат вещества. Продукты ацетилирования меньше адсорбируются стеклом, и потому ацетилирование уменьшает потери, обусловленные этой адсорбцией. Если в анализируемую пробу биологической жидкости добавить определенное количество анализируемого стероида, меченного тритием, то по этому стероиду можно будет определить полный выход веществ в анализе и упростить его проведение. Желательно, чтобы добавляемый стероид имел настолько высокую удельную радиоактивность, что его можно было добавить в количестве, пренебрежимо малом по сравнению с количеством стероида в анализируемой пробе (см. гл. 1 и 2 об использовании второго радиоизотопа в качестве индикатора). Измерение радиоактивности пары 35S/3H с помощью жидкостного сцинтилляционного счетчика можно осуществить на тех же приборах, что и измерение радиоактивности для пары 14С/3Н. В работе [80] описана модификация этого метода для одновременного определения 3Н и 35S в условиях переменного тушения излучений.
Для определения карбонильных групп в стероидах в работе [81] в качестве избирательного реагента был предложен ацетилгидра-зид-3-иодпиридиний-1311-бромид. Этот реагент образует гидразоны с кетостероидами, имеющими карбонильные группы в положении 3, если эти стероиды являются еще и а,р-ненасыщенными, и с кетостероидами, имеющими карбонильные группы в положениях 17 и 20, и не образует этих производных со стероидами с кетогруппами в положении 11. Кроме того, при хроматографическом анализе для производных стероидов с двумя активными карбонильными группами характерно существенно меньшие значения величины /?/, чем для производных стероидов с одной карбонильной группой.
Г. ОКИСЛЕНИЕ ЩЕЛОЧНЫМ РАСТВОРОМ НИТРАТА СЕРЕБРА
Альдегиды легко окисляются раствором нитрата серебра в избытке гидроокиси аммония (реактив Толленса) или нитратом серебра в присутствии щелочи с отложением металлического серебра:
R—С' + 2Ag+ 4- 2ОН~ —> R—С' + 2Ag + Н2О
хн хон
114
Глава 2
Однако эта реакция не специфична для альдегидов, поскольку металлическое серебро образуется и с различными другими легко окисляемыми соединениями. При обработке хроматографической бумаги, содержащей разделенные восстанавливающие агенты, нитратом серебра в аммиачной или щелочной среде в пятнах (хроматографических зонах), соответствующих этим соединениям, образуется металлическое серебро. Количество образовавшегося серебра измеряют обычными методами для измерения активности меченых соединений и сравнивают выходы серебра для анализируемой и стандартных проб. Такой метод обеспечивает количественное определение микро- и полумикроколичеств соединений.
В первоначально опубликованном варианте этого метода [82] использовали изотоп 110mAg, который является источником у-излу-чения и имеет период полураспада, равный 253 дням. Хроматограммы с анализируемыми соединениями погружали в раствор U0mAgNO3, высушивали и затем опрыскивали 0,5 н. раствором едкого натра в водном этаноле для того, чтобы обеспечить щелочную среду реакции окисления. С обработанной хроматограммой следует обращаться осторожно, чтобы не допустить восстановления иона серебра хроматографической бумагой. Через определенный интервал времени (продолжительность реакции или проявления) хроматограммы погружают в разбавленный раствор аммиака для солюбилизации окиси серебра и затем промывают их для удаления образовавшегося комплекса серебра с аммиаком. После этого из хроматограммы вырезают участки, содержащие металлическое серебро, и измеряют их радиоактивность счетчиком Гейгера—Мюллера. Данные для калибровки получают путем хроматографирования образцов стандартного раствора анализируемого соединения. Этот метод успешно применяли для определения от 0,017 до 0,22 мкМ альдегидной группы в глюкозе и галактозе и кетогруппы во фруктозе и сорбозе. Аналогичным методом определяли некоторые другие восстановители.
Реагент Толленса, который широко используют для опрыскивания хроматограмм с целью качественного определения различных восстановителей, приготавливают так, чтобы избежать большого избытка аммиака, поскольку при высоких концентрациях свободного основания уменьшается чувствительность метода. В количественных радиохимических определениях альдоз, кетоз и других окисляющихся соединений с помощью хроматографии на бумаге концентрация серебра в реагенте должна быть гораздо выше той, которую используют в качественных определениях. Растворы, применяемые в этом методе [83], приготавливают путем растворения 9—17 вес.% AgNO3 в концентрированной гидроокиси аммония. Помимо высокой концентрации иона Ag+ в растворах, используемых в данном методе, должно быть также еще небольшое количество NaOH для воспроизводимого проявления пятен. После опрыскивания хроматограммы нагревают при температуре 105 °C. Продолжи
Карбонильные группы
115
тельность нагревания определяется составом реагента. Избыток реагента Толленса удаляют, промывая хроматограмму сначала 0,02%-ным водным раствором аммиака, а затем водой. После просушки хроматограммы погружают в подкисленный раствор К1311 и КЮз, где металлическое серебро под действием элементарного иода сразу же превращается в Ag131I. Для удаления непрореагировавшего 1311 хроматограммы вновь промывают водой.
Радиоактивность хроматограмм измеряют торцевым счетчиком Гейгера--Мюллера, используя щелевую диафрагму для измерения радиоактивности на выделенных небольших участках. Область пропорциональности между полной радиоактивностью пятна и количеством соответствующего восстанавливающего агента следует определять отдельно для каждого анализируемого соединения. В быстрых ежедневных анализах удобнее использовать линейную зависимость максимума радиоактивности пятна от логарифма содержания в нем анализируемого вещества. При определении этим методом более 0,1 мкМ глюкозы и фруктозы относительные ошибки составляют ±6,7% и ±3,5% соответственно. На точность и воспроизводимость результатов анализа отрицательно влияет неравномерность распыления реагента по хроматограмме, что может приводить к серьезным ошибкам [84].
В результате тщательного изучения окислительных свойств растворов нитрата серебра в ацетоне, содержащих аммиак в эквимолярных или меньших количествах [84], был разработан модифицированный реагент Толленса, пригодный для радиохимических определений полумикроколичеств моносахаридов [85]. Растворы AgNO3 в ацетоне, содержащие менее чем эквимолярные количества аммиака, обеспечивают большую чувствительность анализа, чем растворы, содержащие эквимолярное или большие количества этого основания. Наиболее эффективным окислителем оказался реагент, в котором отношение AgNO3 к аммиачному AgNO3 составляет 1:2. При использовании таких наиболее чувствительных реагентов хроматограммы несколько раз быстро погружают в раствор реагента и высушивают после каждого погружения. После последнего погружения, не дожидаясь высыхания хроматограммы, пятна проявляют во влажной атмосфере при температуре 50 °C. Для удаления избытка реагента хроматограммы в течение непродолжительного времени обрабатывают 10%-ным раствором Na2S2O3 и затем несколько раз промывают водой. Высокая равномерность отложения металлического серебра и использование эффективного проявляющего реагента приводят к повышению чувствительности метода и точности результатов анализа. Используя этот метод, глюкозу можно определить в количествах 0,008—0,06 мкМ. Для соединений, которые определяли этим методом, средние ошибки при измерении в линейной области находились в интервале ± 1,1 —4,2%. Чувствительность в значительной степени зависит от тщательности приготовления хроматографических растворителей.
116
Глава 2
Д. ПРЕВРАЩЕНИЕ В ЦИАНГИДРИНЫ ИЛИ КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ
Альдегиды, а также некоторые низкомолекулярные кетоны в различных условиях реагируют с цианистым натрием, образуя циангидрины. При необходимости циангидрины можно затем гидролизовать до карбоновых кислот, содержащих на один атом углерода больше, чем исходный циангидрин. Введение изотопа 14С в реагент (цианистый натрий) впервые использовалось при определении небольших количеств восстанавливающихся концевых групп в полисахаридах [86]:
О ОН
II I
R—С + NaI4CN + Н2О —> R—С—14CN + NaOH
R R'
ОН ОН О
I I II
R—С—1 ’CN + NaOH + Н2О —> R—С—14С—-ONa + NH3
Восстанавливающие сахара лег^о образуют циангидрин количественно. Так, например, первая работа в этой серии исследований показала, что реакция между стехиометрическими количествами NaCN и D-арабинозы в растворе (0,4 М по каждому из этих соединений) в основном завершается за 48 ч при температуре 20 °C. При этом для предотвращения разложения в реакционный раствор вводят NaHCO3 в качестве буфера [87].
Удельную радиоактивность NaI4CN можно определить путем обработки определенного количества чистой глюкозы избытком реагента и измерения остаточной активности после улетучивания непрореагировавшего цианида из раствора, подкисленного муравьиной кислотой [88]. Чтобы предотвратить разложение глюкозы едким натром, который обычно присутствует в растворах NaCN, реакцию ведут с добавлением буфера. На практике приготавливают 20 нл 0,05 М раствора глюкозы и добавляют в него NH4C1 с таким расчетом, чтобы обеспечить 30%-ный избыток иона NH4 по сравнению с ионом натрия. Этот раствор смешивают в закрытой пробирке с 0,003—0,010 мМ Na14CN, растворенного в 50 нл растворителя. Пробирку со смесью нагревают при температуре 55 °C в течение 24 ч. Затем из раствора удаляют цианид (в форме HCN), выпаривая его несколько раз досуха с 10%-ным раствором муравьиной кислоты, и измеряют радиоактивность остатка. Нелетучие радиоактивные примеси определяют этим же методом, но без добавления глюкозы.
Карбонильные группы
117
Аналогичный способ определения удельной радиоактивности цианистого натрия, но без гидролиза циангидрина описан в работе [89] в связи с определением восстанавливающих сахаров и восстанавливающих концевых групп в полисахаридах. Однако при этом использовали несколько другие условия, которые позволяли определять 0,0001—0,001 мМ сахара в присутствии двухкратного или трехкратного избытка цианида. В пробирку помещают 20 нл раствора сахара (содержащего менее 0,001 мМ сахара) и добавляют 10 нл 0,6 М раствора NH4C1 и 10 нл раствора Na14CN, содержащего NaOH. Раствор реагента 0,26 М по цианиду и 0,5 М по иону натрия. Сразу же после добавления реагентов пробирку закрывают пробкой и нагревают в течение 24 ч при температуре 50—55 °C. Затем для удаления избытка цианида в пробирку добавляют 10%-ную муравьиную кислоту, выпаривают раствор досуха при температуре 60 °C и проводят еще два цикла выпаривания с добавлением воды. Одновременно с описанным основным анализом аналогичным образом ведут анализ известного количества глюкозы с целью определения удельной радиоактивности цианида.
Рекомендовалось троекратно проводить анализ пробы, глюкозы и холостого раствора (для определения нелетучих радиоактивных примесей). Моносахариды альдозы и некоторые дисахариды поглощают 1 моль цианида на 1 моль сахара. При анализе сахаров и полисахаридов, поглощающих более 1 экв цианида, необходимо проводить определения контрольных образцов, содержащих известные количества этих соединений. В 24 определениях глюкозы этим методом средний разброс результатов составлял ±1,4%. При анализе декстранов с концевыми восстанавливающими группами этот метод (с NaHCO3 в качестве буфера, при комнатной температуре) дал результаты, которые достаточно хорошо согласовывались с результатами, полученными обычными химическими методами.
Эффективность этого метода была продемонстрирована и его применением для оценки 1,3х- и 1,4'-связей в декстранах после окисления перйодатом и гидролиза [90]. В этом анализе D-глюкозу, образованную из структур с 1,3'-связями, и D-эритрозу, образованную из структур с 1,4'-связями, превращали в меченые циангидрины, которые затем подвергали гидролизу до солей щелочных металлов и-глицеро-в-гулогептоновой и D-арабоновой кислот соответственно. Гидролиз осуществляли в присутствии избытка цианида без выделения промежуточных продуктов. Перед выделением и перекристаллизацией полученных производных в раствор добавляли в качестве носителей соли щелочных металлов этих кислот. Для проведения калибровки известные количества d-глюкозы и D-эритрозы обрабатывали тем же количеством меченого реагента, затем добавляли в растворы определенные количества указанных выше носителей и сравнивали удельные радиоактивности солей, выделенных из анализируемой и из стандартных проб.
118
Глава 2
Е. ПРЕВРАЩЕНИЕ НЕАКТИВНЫХ ТИОСЕМИКАРБАЗОНОВ
В ПРОИЗВОДНЫЕ, СОДЕРЖАЩИЕ РАДИОАКТИВНЫЙ ИЗОТОП СЕРЕБРА
Сообщалось [77], что небольшие количества карбонильной группы, содержащиеся в окисленной целлюлозе, можно определить путем обработки анализируемой пробы нерадиоактивным тиосемикарбазидом с последующим удалением избытка реагента и добавлением ,10тА§ЫОз:
S s—110mAg
R—CH—N—NH—C—NH2 + IIOm+Ag —> R—CH=N—N=C-~NH2 + H+
Для образования производного серебра необходимы условия, при которых не оказывает мешающего действия карбоксильная группа, присутствующая в продукте реакции. Реагируя с тиосемикарбазидом и тиосемикарбазонами, нерастворимые соединения образуют также медь и ртуть.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
АБСОРБЦИОННЫЕ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
1. Barthauer G. L., Jones F. V., Metier A. V., Ind. Eng. Chem., Anal. Ed., 18, 354 (1946).
2. Rees H. L., Anderson D. H., Anal. Chem., 21, 989 (1949).
3. Englis D. T., Hanahan D. J., Ind. Eng. Chem., Anal. Ed., 16, 505 (1944)
4. Englis D. T., Manchester M., Anal. Chem., 21, 591 (1949).
5. Pepe J. J., Kniel L, Czuha M., Jr., Anal. Chem., 27, 755 (1955)
6. Mathewson W., J. Am. Chern. Soc., 42, 1277 (1920).
7. Toren P. E., Heinrich B. J., Anal. Chem., 27, 1986 (1955).
8. Lohman F. H., Anal. Chem., 30, 972 (1958).
9. Lappin G. R., Clark L. C., Anal. Chem., 23, 541 (1951).
10. Mendelowitz A., Riley J. P„ Analyst, 78, 704 (1953).
11. Jordan D. E., Veatch F. C., Anal. Chem., 36, 120 (1964).
12. Johnson G. R. A., Scholes G., Analyst, 79, 217 (1954).
13. Basson R. A., Anal. Chem., 38, 637 (1966).
14. Feigl F., Spot Tests in Organic Analysis, 7th Ed., Elsevier, Amsterdam, 1966, p. 434.
15. Eegriwe E., Z. Anal. Chem., 110, 22 (1937).
16. Boyd M. J., Logan M. A., J. Biol. Chem., 146, 279 (1942).
17. Bricker С. E., Johnson H. R., Ind. Eng. Chem., Anal. Chem., 17, 400 (1945).
18. McFayden D. A., J. Biol. Chem., 158, 107 (1945).
19. Bricker С. E., Vail W. A., Anal. Chem., 22, 720 (1950).
20. Still R. H., Wilson K., Lynch B. W., Analyst, 93, 805 (1968).
21. Tobie W. C., Ind. Eng. Chem., Anal. Ed., 14, 405 (1942); Food Res., 6, 15 (1941).
22. Segal L, Anal. Chem., 23, 1499 (1951).
23. Scott F. C„ Analyst, 70, 374 (1945).
24. Kramrn D. E„ Kolb C. L., Anal. Chem., 27, 1076 (1955).
25. Hoffpauir C. L., O'Connor R. T., Anal. Chem., 21, 420 (1949).
26. Fishbeck K., Neundeubel L., Z. Anal. Chem., 104, 81 (1936).
27. Deniges G., Compt. Rend., 150, 529 (1910).
28. Blaedel W. J., Blacet F. E., Ind. Eng. Chem., Anal. Ed., 13, 449 (1941).
29. Hoffpauir C. L., Buckaloo G. W., Guthrie J. D., Ind. Eng Chem., Anal. Ed., 15, 605 (1943).
30. Rayner A. C.t Jephcott С. M., Anal. Chem., 33, 627 (1961).
Список литературы
119
31. Dal Nogare S., Norris T. 0., Mitchell J., Jr., Anal. Chem., 23, 1473 (1951)
32. Cochran E., Reynolds C. A., Anal. Chem., 33, 1893 (1961).
33. Goddu R. F., Anal. Chem., 30, 1707 (1958).
ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
34. Bierl В. A., Beroza M , Ashton W. T., Mikrochim. Acta, 1969, 637.
35. Осокин Ю. Г., Фельдблюм В. С., Крюков С. И., Нефтехимия, 6, 333 (1966).
36. Regnier F. Е., Huang J. С., J. Chromatog. Sci., 8, 267 (1970).
37. Harrison S., Analyst, 92, 773 (1967).
38. Carlson D. G., Tallent W. H., J. Chromatog. Sci., 8, 276 (1970).
39. Perry M. B., Webb A. C., Can. J. Biochem., 46, 1163 (1968).
40. Tamura Z., Imanari T.t Arakawa Y., Chem. Pharm. Bull. (Tokyo), 16, 1864 (1968).
41. Schogt J. С. M., Begemann P. H., Recourt J. H., J. Lipid Res., 2, 142 (1961).
42. Rao P. V., Ramachandran S., Cornwell D. G., J. Lipid. Res., 8, 380 (1967).
43. Metwally M. M. E., Amundson С. H., Richardson T., J. Am. Oil. Chemists’ Soc., 44 (3), 136A (1967).
44. Karmen A., J. Lipid Res., 8, 234 (1967).
45. Ralls J. W., Anal. Chem., 36, 946 (1964).
46. Jones L. A., Monroe R. J., Anal. Chem., 37, 935 (1965).
47. Nishi S., Tokyo Kogyo Shikensho Hokoku, 60, 344 (1965).
48. Hunter I. R., Walden M. K., J. Gas Chromatog., 4, 246 (1966).
49. Gadbois D. F., Scheurer P. G., King F. J., Anal. Chem., 40, 1362 (1968).
50. Stanley W. L., Ikeda R. M., Vannier S. H., Rolle L. A., J. Food Sci., 26, 43 (1961).
51. Ronkainen P., Brummer S., J. Chromatog., 28, 253 (1967).
52. Ronkainen P., Brummer S., Suomalainen H., J. Chromatog., 28, 270, 443 (1967).
53. Beroza M., Bierl B. A., Anal. Chem., 38, 1976 (1966); Mikrochim. Acta, 1969, 720.
54. Stevens R. D., Van Middelem С. H., J. Agr. Food Chem., 14, 149 (1966).
55. Fales H. M., Luukkainen T., Anal. Chem., 37, 955 (1965).
56. Horning M. G., Boucher E. A., Moss A. M., Horning E. C., Anal. Letters, 1, 713 (1968).
57. Chambaz E. M., Horning E. C., Anal. Biochem., 30, 7 (1969).
58. Medonos V., Ruzicka V., Kalina J., Marhoul A., Collection Czech. Chem. Com-mun, 33, 4393 (1968).
59. Balint T., Szepesy L., J. Chromatog., 30, 433 (1967).
60. Senn M., Richter W. J., Burlingame A. L., J. Am. Chem. Soc., 87, 680 (1965).
ЭЛЕКТРОАНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
61. Zobov E. V., Lyalikov Yu. S., Chem. Abstr., 52, 14431h (1958).
62. Berka A., Dolezal J., Janata J., Zyka J., Anal. Chim. Acta, 25, 379 (1961).
63. Laitinen H. A., Burdett L. W., Anal. Chem., 22, 833 (1950).
64. Kolthoff 1. M., Lingane J. J., Polarography, 2nd Ed., Interscience, New York, 1952; Meites L., Polarographic Techniques, 2nd Ed., Interscience, New York 1965.
65. Elving P. J., Rutner E., Ind. Eng. Chem., Anal. Ed., 18, 176 (1946).
66. Van Atta R. E., Jamieson D. R., Anal. Chem., 31, 1217 (1959).
67. Krivis A. F., Supp G. R., Anal. Chem., 35, 1411 (1963).
МЕТОДЫ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА
68. Klinck R. E., Stothers J. B., Can. J. Chem., 40, 1071 (1962).
69. Klinck R. E., Stothers J. B., Can. J. Chem., 44, 45 (1966).
70. Boykin D. W., Turner A. B., Lutz R. E., Tetrahedron Letters, 1967, 817.
71. Karabatsos G. J., Vane F, M., Taller R. A., Hsi N.} J. Am. Chem. Soc.. 86.
3351 (1964).
120
Глава 2
РАДИОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
72. Stokes W. М., Fish W. A., Hickey F. С., Anal. Chem., 27, 1895 (1955).
73. Nitzl К., Papier, 21, 393 (1967).
74. Cobb В. К, Proc. 5th Natl. Peanut Res. Conf., 1968, pp. 7—17.
75. Nagase Y., Baba S., Ido T., J. Pharm. Soc. Japan, 84, 202 (1964) [Chem. Abstr., 61: 10279h.].
76. Steim J. M., Benson A. A., Anal. Biochem., 9, 21 (1964).
77. Rochas P., Gavet L., Melliand Textilber., 49, 1123 (1968).
78. Riondel A. et al., Proc. Endocrinol. Soc., Chicago, June 21—23, 1962, p. 16.
79. Tait J. F., et al., in «Advances in Tracer Methodology», Vol. 2, S. Rothchild, ed., Plenum, New York, 1965, pp. 227—235.
80. Weltman J. K., Talmage D. IE., Intern. J. Appl. Radiation Isotopes, 14, 11 (1963).
81. Ruliffson IE. S., Lang H. L., Hummel J. P., J. Biol. Chem., 201, 839 (1953).
82. Jaarma M., Acta Chem. Scand., 8, 860 (1954).
83. Beer J. Z., Taianta, 8, 809 (1961).
84. Beer J. Z., J. Chromatog., 11, 247 (1963).
85. Beer J. Z.y Carbohydrate Res., 1, 297 (1965).
86. Isbell H. S., Science, 113, 532 (1951).
87. Isbell H. S., Karabinos J. E., Frush H. L., Holt N. B., Schwebel H., Gal-kowski T. 7\, J. Res. Natl. Bur. Std., 48, 163 (1952).
88. Moyer J. D., Isbell H. S., Anal. Chem., 29, 393 (1957).
89. Moyer J. D.t Isbell H. S., Anal. Chem., 30, 1975 (1958).
90. Moyer J. D., Isbell H. S., Anal. Chem., 29, 1862 (1957).
Карбоновые кислоты, соли, сложные эфиры, амиды, хлорангидриды, ангидриды и нитрилы
I. АБСОРБЦИОННЫЕ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Дж. Г. Ханна
КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ, СОЛИ, ЭФИРЫ, АМИДЫ, ХЛОРАНГИДРИДЫ, АНГИДРИДЫ и НИТРИЛЫ
А. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕТОДОМ ИНФРАКРАСНОЙ СПЕКТРОФОТОМЕТРИИ
При первом рассмотрении ИК-спектров этих соединений может показаться, что, как правило, по этим спектрам можно осуществить количественные определения. В них имеется несколько полос поглощения, характерных для каждого из этих соединений. Для примера в табл. 3.1 приведены значения длин волн для полос
Таблица 3.1
Длины волн для поглощений излучения, обусловленных валентными колебаниями связи С=О
Тип соединения
Длина волны, мкм
Карбоновые кислоты Соли
Эфиры
Хлорангидриды
Ангидриды (дублет)
с открытой цепью
циклические
Амиды
5,65—5,80
6,20—6,40
5,75
5,55
5,35-5,49 и 5,55-5,71
5,40—5,55 и 5,59—5,75
5,90—6,10
поглощения, обусловленных валентными колебаниями связи С = О.
Имеются и другие полосы поглощения, например полосы при 6,94—7,17 и 2,8—3 мкм, обусловленные соответственно валентными колебаниями связей С=О и О—Н в кислотах. Для эфиров
122
Глава 3
характерны интенсивные полосы поглощения при 7,81—9,09 мкм, вызванные валентными колебаниями связи С = О.
Однако из-за проявления большого числа таких полос поглощения, особенно в случае многокомпонентных смесей, спектры Оказываются сложными. Для многокомпонентных смесей характерно большое поглощение во всей ИК-области спектра. Как и в анализе спиртов, в анализе карбоновых кислот и амидов трудно выбрать подходящие условия также из-за возникновения межмолекулярных водородных связей.
Анализ карбоновых кислот более успешен, если сначала превратить эти кислоты в соответствующие эфиры или соли. При этом отпадают трудности, обусловленные проявлением межмолекулярных связей. Этим способом, например, Кильдеру и Струтерсу [1] удалось определить смеси кислот в форме соответствующих солей в минеральном масле.
В обычных анализах возможность определений с помощью ИК-спектрофотометрии следует принимать во внимание, когда анализируемому компоненту отвечает удобная для определения матрица соединения и известно положение в спектре наиболее интенсивной полосы поглощения. Эффективность аналитического определения зависит, конечно, и от конкретных условий.
Б. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕТОДОМ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ СПЕКТРОФОТОМЕТРИИ
Спектрофотометрия в УФ-области спектра плохо подходит для определения этих соединений. Карбоксильная группа лишь слабо поглощает в этой области, за исключением случаев, когда в соответствующем соединении имеются ненасыщенные сопряженные связи или ароматическое ядро. В некоторых случаях ароматические карбоксилсодержащие соединения удается определить по поглощениям в области 250—280 нм.
В. ОПРЕДЕЛЕНИЯ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ ПРОВЕДЕНИЕМ ХИМИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЙ
Реакция с образованием гидроксамата железа(Ш)
Наиболее важный из спектрофотометрических методов определения карбоксилсодержащих соединений основан на измерении сильного поглощения, характерного для красных комплексов железа и гидроксамовых кислот. При обработке эфиров карбоновых кислот, хлорангидридов и ангидридов карбоновых кислот гидроксиламином образуются гидроксамовые кислоты
он“
RCOOR' + NH2OH ---> RCONHOH + R'OH (1)
RCOC1 + NH2OH —> RCONHOH + HC1 (2)
(RCO)2O + NH2OH —> RCONHOH + RCOOH (3)
Карбоксильные группы
123
Предполагают, что реакция образования комплекса гидроксамата железа(III) идет по следующему уравнению:
3RCONHOH + ЗН2О + 3Fe3+ Fe(RCONHO)3 + ЗН2О + ЗН+ (4)
Первыми реакцию (4) использовали Фейгл и сотр. [2] для качественного определения эфиров карбоновых кислот. На основе этой реакции можно непосредственно или косвенно определять эфиры карбоновых кислот, карбоновые кислоты, галогенангидриды, ангидриды и амиды карбоновых кислот.
Метод Годди, Лебланка и Райта [5]
Оборудование. Спектрофотометр фирмы «Beckman», модель В, с кюветами с I = 1 см.
Реагенты. Раствор хлоргидрата гидроксиламина (12,5%-ный). Кипятят с обратным холодильником 12,5 г твердого вещества в 100 мл метанола.
Раствор едкого натра (12,5%-ный). Кипятят с обратным холодильником 12,5 г едкого натра в 100 мл метанола.
Основной раствор перхлората железа(III). Растворяют 5,0 г перхлората железа в 10 мл 70%-ной хлорной кислоты и 10 мл воды. Полученный раствор разбавляют до 100 мл абсолютированным спиртом. При добавлении спирта раствор охлаждают под струей воды. Кроме этого, берут навеску 0,8 г железной проволоки в стакан емкостью 50 мл, добавляют 10 мл 70%-ной хлорной кислоты и нагревают до полного растворения железа. При этом нужно соблюдать осторожность, поскольку растворение железа в горячей кислоте протекает бурно. После растворения железа раствор в стакане охлаждают, переносят в мерную колбу емкостью 100 мл, в которую предварительно наливают 10 мл воды, и абсолютированным спиртом доводят до метки полученный раствор. При добавлении спирта колбу охлаждают под струей воды.
Раствор реагента. Для его приготовления 40 мл основного раствора наливают в мерную колбу емкостью 1 л, добавляют туда же 12 мл 70%-ной хлорной кислоты и абсолютированным спиртом разбавляют полученный раствор до метки. Спирт добавляют порциями по 50—100 мл; в результате концентрация хлорной кислоты в растворе уменьшится примерно в 10 раз. После добавления каждой порции спирта раствор нужно охладить. В полученном растворе содержится 5,7 мМ иона железа(III) и 0,16 М кислоты. Методика определения сложного эфира. Для приготовления щелочного раствора реагента смешивают равные объемы 12,5%-ного раствора хлоргидрата гидроксиламина и 12,5%-ного метанольного раствора едкого натра и отфильтровывают осадок хлорида натрия на бумажном фильтре ватман № 40. Профильтрованный прозрачный раствор реагента можно использовать в течение 4 ч с момента приготовления,
124
Глава 3
Растворяют пробу в абсолютированном спирте, изопропаноле или бензоле (в качестве растворителя можно брать и воду, но при этом несколько уменьшится чувствительность метода) с таким расчетом, чтобы в полученном растворе содержалось 0,01 — 0,001 М карбоксильной группы. Переносят 5 мл этого раствора в колбу емкостью 25 мл с притертой пробкой и переходником. (Если требуется анализировать более концентрированный раствор или получить данные для калибровочного графика, берут меньшее количество этого раствора и доливают его растворителем до получения объема, равного 5 мл; например, берут 2 мл раствора пробы и 3 мл растворителя.) В другую такую же колбу наливают 5 мл растворителя. После этого в обе колбы (с пробой и с чистым растворителем) добавляют по 3 мл профильтрованного щелочного раствора реагента, помещают в них кусочек пористого материала для кипячения, ставят на плитку небольшой мощности и присоединяют к ним обратные холодильники. Кипятят растворы в течение 5 мин. После кипячения колбы снимают с плитки, холодильники в колбы не смывают, охлаждают растворы до комнатной температуры и смывают перхлоратом железа(III) (реагент) содержимые колб в отдельные мерные колбы емкостью 50 мл. Затем реагентом доводят объемы полученных растворов до меток и, встряхивая колбы, добиваются полного растворения осадка гидроокиси же-леза(Ш). Спустя несколько минут измеряют поглощение раствора пробы относительно поглощения холостого раствора при длине волны, соответствующей максимуму поглощения (табл. 3.2). Данные для построения калибровочного графика получают с помощью того же эфира, что и определяемый, или, что несколько хуже, эфира той же кислоты. В обоих случаях следует использовать тот же растворитель, что и в основном анализе.
При анализе смеси ангидрида и эфира для каждого из этих соединений нужен отдельный калибровочный график. Калибровочный график для ангидрида получают исходя из условий, описанных для определения эфира. Содержание ангидрида определяют в условиях нейтрального гидролиза. Поглощение, обусловленное содержанием ангидрида в условиях щелочного гидролиза, вычитают из измеренного значения поглощения, а затем уже вычисляют содержание эфира.
Методика определения ангидридов и лактонов в присутствии эфиров. Для приготовления раствора гидроксиламина (реагент) порцию метанольного раствора хлоргидрата гидроксиламина нейтрализуют 12,5%-ным метанольным раствором едкого натра до конечной точки по фенолфталеину. Образующийся осадок хлорида натрия отфильтровывают через бумажный фильтр ватман № 40. Профильтрованный прозрачный раствор реагента годен в течение 4 ч с момента приготовления.
Если в пробе содержится ангидрид, то ее разбавляют бензолом до получения 0,01—0,001 М концентрации. Бензол перед использо-
Карбоксильные группы
125
Таблица 3.2
Длины волн, соответствующие максимумам поглощения, и значения молярных коэффициентов погашения для гидроксаматов железа (III), образующихся из различных эфиров [3]
Эфир Длина волны, нм Молярный коэффициент погашения-103
Этиловый муравьиной кислоты 520 1,06
Этиловый уксусной кислоты 530 1,10
«-Бутиловый уксусной кислоты 530 1,06
«-Амиловый уксусной кислоты 530 1,05
Фениловый уксусной кислоты (неочищен- 530 0,99
ный)
Триацетилглицерин 530 3,33
Этиловый пропионовой кислоты 530 1,02
у-Бутиролактон 530 1,11
Метиловый «-масляной кислоты 530 1,06
«-Бутиловый «-масляной кислоты 530 1,05
н-Амиловый «-масляной кислоты 530 0,91
Диметиловый малоновой кислоты 520 1,72
Диметиловый малеиновой кислоты 520 1,53
Диметиловый адипиновой кислоты 530 2,04
Пентаэритритовый тетракапроновой кис- 530 3,89
лоты
Метиловый олеиновой кислоты 530 1,00
Метиловый бензойной кислоты 550 1,13
«-Бутиловый бензойной кислоты 550 1,08
Бензиловый бензойной кислоты 550 1,13
Метиловый «-толуиловой кислоты 550 0,94
Диметиловый о-фталевой кислоты 540 1,48
Диметиловый изофталевой кислоты 540 2,42
Диметиловый терефталевой кислоты 540 2,37
ванием необходимо обезводить, выдержав, например, над безводным сульфатом кальция в течение 24 ч. Растворители, используемые для определения эфира, пригодны и для определения лактонов.
Анализ проводят в последовательности, которая описана выше для определения эфиров, с той лишь разницей, что кипячение с обратным холодильником ведут в течение 10 мин. Данные для калибровки получают путем анализа проб с известным содержанием ангидрида или лактона. В используемых при этом нейтральных условиях калибровочные графики не всегда имеют вид прямых линий.
126
Глава 3
Реакция ангидридов карбоновых кислот с реагентом аналогична соответствующей реакции эфиров в щелочных растворах. При этом образуется 1 моль гидроксамовой кислоты на 1 моль ангидрида. В нейтральных растворах гидроксиламин является достаточно сильным основанием и реагирует с ангидридом, но не реагирует с эфирами. Это позволяет избирательно определять ангидриды. При кипячении в течение 10 мин с нейтральным раствором реагента появляется окрашивание, интенсивность которого приблизительно составляет 65% интенсивности окраски, образующейся в щелочном растворе. Из всех анализировавшихся эфиров лишь сложные эфиры фенола, полиэфиры, лактоны и эфиры муравьиной кислоты реагировали с нейтральным реагентом. Хлорангидриды реагируют как с щелочным, так и с нейтральным реагентом, и их можно определить обоими методами.
В обоих методах кислоты, большинство амидов и нитрилы не оказывают мешающего действия. При анализе проб, содержащих карбонильные группы в больших концентрациях, необходимо использовать более высокие концентрации гидроксиламина.
Как показано в работе Черониса и Ма [4], карбоновые кислоты можно определить колориметрическим методом, превратив их в хлорангидриды и измерив поглощение соответствующих комплексов с гидроксаматом железа(III).
Бергман [5] исследовал реакцию амидов с гидроксиламином и на ее основе колориметрическим методом определял амиды гидроксамовых кислот:
RCONH2 4- NH2OH —> RCONHOH 4- NH3 (5)
Определение амидов по методу Бергмана [5]
Реагент. 0,74 М раствор хлорида железа(III) в 0,1 н. соляной кислоте.
Оборудование. Фотоэлектрический колориметр Клетта — Саммер-сона с фильтром № 54 (диапазон 500—570 нм).
Проведение анализа. Растворяют образец в воде с таким расчетом, чтобы в растворе содержалось 5—10 X Ю“3 М амида. К порции этого раствора объемом 1 мл или менее добавляют 2 мл щелочного раствора гидроксиламина (реагента), приготовленного из равных объемов 2 н. раствора сульфата гидроксиламина и 3,5 н. раствора едкого натра, и водой доливают полученный раствор до 3 мл. Температура и продолжительность реакции приведены в табл. 3.3. По истечении требуемого для реакции времени раствор быстро охлаждают до комнатной температуры и добавляют по 1 мл 3,5 н. соляной кислоты и раствора хлорида железа(III) (реагент). Не позже чем через 5 мин после этого измеряют поглоще-
Карбоксильные группы
127
Таблица 3.3
Оптимальные условия для превращения амидов в гидроксамовые кислоты [5]
Соединение 1 емпера-тура, Продолжительность реакции, мин Показание колориметра, усл. ед/мкМ
Ацетамид 60 120 90
26 480 103
N-Метилацетамид 60 420 57
Ацетанилид 60 180 70
№-Ацетилсульфани ламид 60 240 70
Ацетилглицин 60 240 35
Фторацетамид 26 60 62
Формамид 26 60 80
60 10 75
Диметилформамид 26 240 45
Сукцинамид 60 120 85
Капролактам 60 420 41
Аспарагин 60 180 38
Глутамин 60 180 35
Глутатион 60 120 48
Глицилглицин 60 120 25
Никотинамид 26 480 45
ЬР-Метилникотинамидметосульфат (I) 26 360 45
Метиламид никотиновой кислоты 60 240 30
Корамин (диэтиламид никотиновой 60 480 6
кислоты)
Кальциевая соль пантотеновой кис- 26 300 89
лоты
Барбитон 100 45 1,7
Пентобарбитон 60 300 1,5
Фенобарбитон 100 120 7,5
Эвипан (натриевая соль) 100 30 9
ние полученного раствора и с помощью калибровочного графика определяют содержание амида.
Для всех анализировавшихся соединений калибровочные графики имели вид прямых линий. Было обнаружено, что для определения фторацетамида необходим фильтр № 50 (диапазон 470— 530 нм), поскольку фторацетилгидроксамовая кислота максимально поглощает при 500 нм. Амиды реагируют с реагентом гораздо медленнее соответствующих эфиров. Во многих случаях эту особенность можно успешно использовать для анализа обоих типов соединений одним и тем же методом.
128
Глава 3
НИТРИЛЫ
А. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕТОДОМ ИНФРАКРАСНОЙ СПЕКТРОФОТОМЕТРИИ
Для нитрильной группы характерны полосы поглощения в области 4,35—4,55 мкм. Эти полосы сравнительно мало интенсивны, однако вблизи них почти нет полос поглощения, обусловленных другими функциональными группами. Кроме этого, общие методы определения нитрильной группы недостаточно разработаны, и поэтому возможность применения ИК-спектрофотометрии для таких определений особенно важна. Динсмор и Смит [6J, например, определили содержание акрилонитрила в бутадиеннитрильном каучуке (буна N), сравнив поглощение нитрильной группы при 4,47 мкм анализируемого и стандартного соединений.
Б. ОПРЕДЕЛЕНИЯ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ ПРОВЕДЕНИЕМ ХИМИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЙ
Различные нитрилсодержащие соединения проявляют различную реакционную способность, и поэтому до сих пор нет ни одного удовлетворительного химического метода для их определения с применением какого-либо физического метода для окончательных измерений. Известно очень мало методов и для определения отдельных нитрилсодержащих соединений, основанных на спектрофотометрии.
Один довольно косвенный метод определения 0—150 мг/м3 акрилонитрила в воздухе описали Хаслэм и Ньюлэндс [7]. В этом методе известный объем воздуха пропускают через раствор лау-рилмеркаптана в изопропаноле. Для ускорения реакции акрилонитрила с меркаптаном в реакционную смесь добавляют этанол.
CH2=CHCN 4- Cj2H25SH c12h25sch2ch2cn (6)
После подкисления смеси уксусной кислотой в нее добавляют порцию стандартного раствора иода, содержание которого эквивалентно используемому количеству лаурилмеркаптана. Избыток иода, который пропорционален количеству акрилонитрила в анализируемой пробе воздуха, определяют затем спектрофотометрически. Реакция меркаптана с иодом описывается уравнением
2C12H25SH + 12 —> C12H25SSC12H25 + 2HI (7)
Проведению анализа могут мешать а, (3-ненасыщенные нитрилы, эфиры и альцегиды.
Метод Хаслэма и Ньюлэндса [7]
Берут два поглотителя и в каждый из них переносят пипеткой по 10 мл раствора меркаптана (1% лаурилмеркаптана в изопропаноле) и по 5 мл изопропанола. Поглотители помещают в разд
Карбоксильные группы
129
робленный сухой лед, соединяют их последовательно друг с другом, подсоединяют к ним газовый счетчик и подключают к устройству для всасывания воздуха. Пропускают воздух со скоростью примерно 2 л/мин. С помощью такой системы через поглотители пропускают около 40 л анализируемого атмосферного воздуха. По окончании пропускания воздуха поглотители отсоединяют и дают им прогреться до комнатной температуры.
Для приготовления холостого раствора в мерную колбу емкостью 50 мл переносят пипеткой 10 мл раствора меркаптана, 5 мл изопропанола и 1 мл 5%-ного этанольного раствора едкого кали. Полученную смесь перемешивают и оставляют на 4 мин. После этого к ней добавляют 2 мл уксусной кислоты, вновь перемешивают и титруют полученный раствор 0,03 н. раствором иода до появления бледно-желтой окраски. По окончании титрования объем раствора доводят до 50 мл изопропанолом.
В каждый из упомянутых выше поглотителей переносят пипеткой по 1 мл 5%-ного этанольного раствора едкого кали, раствор перемешивают и оставляют на 4 мин. После этого в каждый поглотитель добавляют по 2 мл уксусной кислоты, раствор перемешивают и добавляют 0,02 н. раствор иода в объеме точно в 2 раза большем, чем для приготовления холостого раствора. Затем содержимое обоих поглотителей переносят в одну мерную колбу емкостью 100 мл, туда же изопропанолом смывают поглотители и этим же растворителем доводят объем раствора до метки.
После этого измеряют поглощение анализируемого раствора относительно поглощения холостого раствора. Содержание акрилонитрила в растворе образца определяют с помощью предварительно полученного калибровочного графика.
Для измерений поглощения Хаслэм и Ньюлэндс рекомендовали пользоваться абсорбциометром Спеккера с кюветами с длиной оптического пути 1 см и фиолетовыми фильтрами № 601 («Ilford»). Можно использовать и другие приборы.
Средний выход анализируемого вещества составлял примерно 90% теоретического.
II. ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
М. Бероза, М, Н, Инской
А. ЭТЕРИФИКАЦИЯ КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ
С помощью ГХ карбоновые кислоты можно анализировать непосредственно, однако для количественных определений такой метод обычно не применяют. Анализируют менее полярные и более
5 Зак. 53
Таблица 3.4
Типичные реагенты для этерификации карбоновых кислот перед их разделением методом газовой хроматографии
Спиртовой остаток эфира Типичные реагенты Типы анализируемых соединений и литература
Метил Диазометан Ароматические кислоты или гербициды [1—5], жирные и смоляные кислоты [6], фосфорсодержащие кислоты [1], ненасыщенные жирные кислоты [7]
Гидроокись тетраметил-аммония Органические и жирные кислоты [8—10], алифатические и ароматические одно- и двухосновные кислоты [11], индоловые кислоты [12], продукты разложения тканей [13]
BF3 — метанол Гербициды [14], низшие жирные кислоты [15]
Диметилсульфат — метанол Гербициды [16]
Метанол — серная кислота Алифатические кислоты [17], пиридинкарбоновые кислоты [18]
1) SOC12; 2) метанол Пиридинкарбоновые кислоты [18]
Этил Диазоэтан Ароматические или фосфорсодержащие кислоты [1]
2-Хлорэтил 2-Хлорэтанол — H2SO4 Монокарбоновые и короткоцепочечные дикарбоновые кислоты [19]
Бутил BF3 — бутанол Жирные кислоты [20]
Гидроокись тетрабутил-аммония Монокарбоновые Cj—С? кислоты и молочная кислота [21]
Пентафторбензол а-Бром-2,3,4,5,6-пентафтор-толуол и КгСО3 Монокарбоновые С2—С18 кислоты [22]
Триметилсилил бпс-(Триметилсилил)аце-тамид или бис-(триме-тилсилил)трифторацета-мид Ароматические кислоты [23]
Г алогенметилди-метилсилил Галогенметилдиметилхлор-силан или диэтиламин Ароматические кислоты пестицидов [24]
Карбоксильные группы
13!
1. Stanley G. W., J. Agr. Food Chem., 14, 321 (1966).
2. Devine J. M., Zweig G., J. Assoc. Offic. Anal. Chemists, 52, 187 (1969).
3. Woolson E. A., Harris С. I., Weeds, 15, 168 (1967).
4. Crosby D. G., Bowers J. B., Bull. Environ. Contam. Toxicol., 1, 104 (1966).
5. Yip G., J. Assoc. Offic. Agr. Chemists, 45, 367 (1962); 47, 1116 (1964).
6. Nestler F. H. M., Zinkel D. F., Anal. Chem., 39, 1118 (1967).
7. Holman R. T., Rahm J. J., Progress in Chemistry of Fats and Other Lipids, Vol. IX; Polyunsaturated Acids, Part 1, R. T. Holman, ed., Pergamon Press, New York, 1966.
8. Robb E. IF., Westbrook J. J., Ill, Anal. Chem., 35, 1644 (1963).
9. Downing D. T., Anal. Chem., 39, 218 (1967).
10. Downing D. T., Greene R. S., Anal. Chem., 40, 827 (1968).
11. Bailey J. J., Anal. Chem., 39, 1485 (1967).
12. Leonard R. H., J. Gas Chromatog., 5, 323 (1967).
13. MacGee J., J. Gas Chromatog., 6, 48 (1968).
14. Gutenmann W. H., Lisk D. J., J. Agr. Food Chem., 11, 304 (1963).
15. Churacek J., Drahokoupilova M., Matousek P., Komarek K., Chromatographia, 2, 493 (1969).
16. Scoggins J. E., Fitzgerald С. H., J. Agr. Food Chem., 17, 156 (1969).
17. Rogozinski M., J. Gas Chromatog., 2, 163 (1964).
18. Liliedahl H., Acta Chem. Scand., 20, 95 (1966).
19. Karmen A., J. Lipid Res., 8, 234 (1967).
20. Crowell E. A., Guymon J. F., Am. J. Enol. Viticult., 20, 155 (1969).
21. Schwarz J. IF., Gilmour M. N., Anal. Chem., 41, 1686 (1969).
22. Kawahara F. K., Anal. Chem., 40, 2073 (1968).
23. Blau K., Clin. Chim. Acta, 27, 5 (1970).
24. Bache C. A., St. John L. E., Jr., Lisk D. J., Anal. Chem., 40, 1241 (1968).
летучие производные, что позволяет избежать трудностей, связанных с адсорбцией, и увеличить точность и надежность результатов количественного анализа, термостойкость хроматографируемых соединений и проводить анализ при более низких температурах.
В качестве производных для ГХ-анализа чаще всего используются эфиры. Типичные реагенты для соответствующих реакций и типы анализируемых соединений перечислены в табл. 3.4.
Для количественного получения метиловых эфиров широко используют диазометан. (Описание соответствующего метода см. в гл.. 1, разд. II, Б.) Для образования этиловых эфиров можно использовать диазоэтан.
Метиловые эфиры карбоновых кислот количественно получали также путем пиролиза тетраметиламмониевых солей моно- и дикарбоновых кислот в нагретом (около 350 °C) входном устройстве газового хроматографа. Таким методом можно анализировать водные растворы кислоты, причем превращение кислот в соответствующие соли позволяет избежать потерь летучих жирных кислот во время анализа. Аналогичным образом можно анализировать и полиненасыщенные кислоты, если перед вводом в хроматограф сделать сильно щелочные растворы солей почти нейтральными (pH 7,5—8,0), добавляя в них уксусную кислоту [8]. Для анализа щавелевой, малоновой и оксикислот этот метод неприменим.
5*
132
Глава 3
В других методах метилирования применяется метанол и диметилсульфат или катализатор (BFa, НС1, H2SO4). Лилиэдаль [9] сравнил между собой несколько методов метилирования, применяемых в анализе пиридинкарбоновых кислот; ни один из этих методов не подходил одновременно для всех исследовавшихся кислот, однако хотя бы один из методов позволял получить для каждой из них количественные результаты.
Этерификация с использованием остатков более высокомолекулярных спиртов в общем идет так же, как и метилирование. Для получения более высокой чувствительности можно использовать производные, позволяющие применить электронно-захватный детектор (2-хлорэтил, пентафторбензил, галогендиметилсилил).
Б. ВЫЧИТАНИЕ СВОБОДНЫХ КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ
Иногда удобнее определять жирные кислоты непосредственно, не превращая их в производные. Таким образом были, например, количественно определены летучие жирные кислоты Ci—Се в жидком содержимом рубца [10—12]. В прямом анализе в насадку хроматографической колонки добавляют фосфорную кислоту и (или) обрабатывают пробу кислотой для подавления процессов ионизации, димеризации или адсорбции кислот в процессе разделения [13, 14]. Используя насадку из стеклянных шариков диаметром 200 мкм, на поверхность которых нанесено 0,25% жидкой фазы карбовакс 20 М и 0,4% изофталевой кислоты, определили жирные кислоты С2—Cis [15].
Для вычитания свободных кислот на пути газового потока, проходящего через колонку, устанавливают реакционную петлю (опис-анную в гл. 1, разд. II, Е). Эта петля [16] имеет длину около 15 см и содержит смесь окиси цинка (10% по весу) и насадки, используемой для хроматографического разделения свободных кислот (25% фазы LAC-2R-446 и 2% фосфорной кислоты на целите 545 с размером частиц 60/80 меш [17]). В такой петле количественно вычитались все карбоновые кислоты, за исключением тех, которые считаются пространственно затрудненными (а-алкилза-мещенные). Время удерживания хроматографических пиков про-странствено затрудненных кислот увеличивалось, значительно уменьшались высоты пиков и сильно расширялись их фронты. (По этим признакам можно определять a-замещение в неизвестных кислотах.) По хроматограммам, полученным с применением петли для вычитания и без нее, можно определять пики анализируемых кислот, а по разности площадей хроматографических пиков — количества кислот. Реакционная петля имеет ограниченный срок службы и ее нужно периодически проверять и заменять, если произошло ее насыщение. Петля с окисью цинка, используемая для количественного вычитания карбоновых кислот, не мешает
Карбоксильные группы
133
хроматографическому разделению альдегидов и соответствующих эфиров, образующихся в результате пиролиза озонированных метиловых эфиров жирных кислот [18].
В. ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ
Замещенные малоновые кислоты можно декарбоксилировать во входном устройстве газового хроматографа и анализировать образующиеся при этом монокарбоновые кислоты методом ГХ [19]. В анализе, описанном в работе [19], температура входного устройства находилась в пределах 190—220 °C, причем максимальную из этих температур использовали при определении дизаме-щенных малоновых кислот. В работе [20] описан чувствительный метод анализа гербицида пиклорам (4-амино-3,5,6-трихлорпико-линовая кислота), в котором применяется пиролитическое декарбоксилирование непосредственно перед хроматографической колонкой при температуре 385 °C с последующим разделением и оп-ределеним продуктов декарбоксилирования.
При обработке а-оксикислот иодной кислотой они расщепляются с образованием СОг и альдегида или кетона, которые можно определить с помощью ГХ (гл. 1, разд. II, Д). Для определения количества а-оксигруппы (а-оксикислоты) в молекуле можно измерять и количество выделяющегося СО2. Для этого подходит метод, описанный в разд. Г, который первоначально предназначали для определения ароматических и гетероциклических карбоновых кислот.
Г. МИКРОДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ АРОМАТИЧЕСКИХ, ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИХ (АРОМАТИЧЕСКОГО ТИПА) И а-ОКСИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ
Метод Ма, Шанга и Манша [21]
Пробу нагревают в закрытом сосуде в присутствии хинолина и карбоната меди, а затем образовавшийся СОг вводят в газовый хроматограф и измеряют высоту его хроматографического пика, которая линейно связана с количеством карбоновой кислоты в пробе. Образование СО2 идет по уравнению
катализатор
R—СООН -----------> RH + СО2
нагревание
Оборудование. Газовый хроматограф с колонкой длиной около 70 см с насадкой: 25% (по весу) силиконового масла SF 96 на носителе хромосорб (тип в работе [21] не указан) с размером зерен 30/60 меш. Детектор — катарометр, газ-носитель — гелий, скорость потока 90 мл/мин, температура колонки 51 °C. К хроматографу подключают реакционный сосуд, показанный на рис. 3.1, причем трубку А сосуда подсоединяют к источнику гелия, а -
134
Глава 3
трубку Б — к входному устройству хроматографа. Средняя часть В сосуда имеет длину 90 мм, внешний диаметр 20 мм и емкость 8 мл. К трубкам А и Б (длина 50 мм и внешний диаметр 8 мм) присоединяют соединительные трубки с поворотными кранами. Внутри сосуда В имеется трубка, припаянная к трубке А (см. рис. 3.1). Закрывают сосуд резиновой пробкой Г.
Рис. 3.1. Реакционный сосуд.
Для нагревания реакционной смеси в сосуде В используют специальный нагреватель [22].
Применяя прибор, показанный на рис. 3.2, можно одновремен-
но проводить несколько реакций.
Реагенты. В качестве реагентов использовали синтетический хинолин и карбонат меди (фирмы «Mallinkrodt Chemical Works») без их предварительной очистки.
Выполнение анализа. Берут навеску образца, в которой содер-
жится 0,05—0,15 мэкв карбоксильной группы, и помещают ее на
Рис. 3.2. Блок из нескольких реакционных сосудов.
дно сосуда В (рис. 3.1). В этот же сосуд добавляют 10 ±0,05 мг карбоната меди, а затем микрошприцем вводят 0,20 мл хинолина. После этого сосуд закрывают пробкой Г и подсоединяют трубки А и Б к соединительным трубкам с кранами. Места соединения смазывают вакуумной смазкой. Затем через сосуд в течение 5 мин пропускают гелий для уда-
литель и самописец. В
ления из него воздуха и включают уси-результате должна получиться устойчивая
нулевая линия; в противном случае продолжают продувать сосуд гелием. После этого оба крана закрывают и в течение 45 мин нагревают сосуд при температуре 225 °C. Во время нагревания нужно время от времени постукивать по стенкам сосуда В для того, чтобы стряхнуть капли сконденсировавшейся на них жидкости. По окончании нагревания сосуд охлаждают до температуры 100 °C, а затем открывают оба крана, и поток гелия переносит образовавшийся СО2 в хроматограф. Наконец, измеряют высоту
Карбоксильные группы
135
хроматографического пика СО2, который выходит из колонки через 4—5 с после открытия кранов.
Результаты и их обсуждение. Для о-, ж- и и-оксибензойных, о-ами-нобензойной, о-хлорбензойной, 2,5-диоксибензойной, 2,4-дихлор-бензойной, 2,4- и 3,5-динитробензойных и 2-фуранкарбоновой кислот были получены линейные зависимости количества образующегося СО2 от содержания кислоты в пробе (0,05—0,15 мэкв). Калибровочные графики получали для каждой кислоты отдельно. (Они не проходят через начало координат, возможно, из-за того, что СО2 частично образуется и из кислоты, и из карбоната меди.) Утверждается, что этот метод более специфичен и точен, чем манометрические методы (например, метод Губахера) [23].
Как сообщил Бероза [24], по существу одним и тем же методом легко декарбоксилируются гетероциклические карбоновые кислоты ароматического типа (например, никотиновая, изоникотиновая, пиразин-2,3-дикарбоновая и хинолиновая), а также а-окси-кислоты, однако для полного завершения реакций с некоторыми из этих кислот может потребоваться до 2 ч. Описанный выше метод применим для этих соединений в том случае, если увеличить продолжительность нагревания реакционной смеси.
Точность и специфичность данного метода увеличивается при использовании более подходящей колонки длиной 1,5 м с внешним диаметром 6 мм и с носителем поропак Q зернением 35/60 меш (фирма «Waters Associates, Framingham, Mass.») [25]. Вместо описанного выше хроматографа можно использовать установку Нортона, Тернера и Салмона (гл. 8, разд. II).
Д. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОКСИКИСЛОТ
Для того чтобы обеспечить получение хороших количественных данных при анализе оксикислот методом ГХ, эти кислоты обычно превращают в производные по полярным ОН- и СООН-группам. В обзоре Радина [26], посвященном выделению, определению структуры и количественному анализу жирных оксикислот, ГХ рассматривается как метод разделения смесей этих кислот с целью их количественного анализа. Жирные кислоты, не содержащие гидроксильных групп, первоначально разделяли экстракцией растворителями, осаждением или хроматографическим методом. Некоторые типичные методы химических превращений жирных оксикислот в хроматографическом анализе показаны в табл. 3.5. В основном эги методы совпадают с методами, используемыми для превращения в производные по каждой из этих групп в отдельности (разд. II, А — II, Г гл. 1 для ОН-группы и разд. II, А настоящей главы для СООН-группы). По различным причинам (стремление избежать помех, ускорить или облегчить анализ, добиться более полного прохождения реакции и т. п.) применение одних производных предпочитают другим.
136
Глава 3
Таблица 3.5
Характеристики некоторых типичных методов, используемых для количественных определений оксикислот методом ГХ
Производные по Реагенты Анализируемые соединения и литература
СООН-группе ОН-группе
Этил Ацетил 1) Раствор НС1 в этаноле 2) Пиридин — уксусный ангидрид Пантотенаты [1]
Метил ТМС 1) Диазометан 2) ГМДСА+ТМХС Фенолокислоты, содержащиеся в моче человека [2, 3], в цереброзидах [4], в маслах [5]
ТМС ТМС БСТФА + ТМХС илиБСА + ТМХС Гомованилиновая и вани-лилминдальная кислоты [6], кислоты цикла Кребса [7], желчные кислоты [8]
Метил Метил Диазометан — метанол Анакардиновые (6-алкил-салициловые) кислоты [9]
Метил или пропил Метил или пропил Диазометан или диазопропан Оксидихлорфеноксиуксус-ные кислоты [10]
Сокращения: ТМС — триметилсилил; ГМДС—гексаметилдисилазан; ТМХС — триме-тилхлорсилан; БСТФА — бис-(триметилсилил)трифторацетамид; БСА — бис-(триметилсилил)-ацетамид.
1. Prosser A. R., Sheppard A. J., J. Pharm. Sci., 58, 718 (1969).
2. Karoum F., Ruthven C. R. J., Sandler M., Clin. Chim. Acta, 20, 427 (1968).
3. Gentz J., Lindblad B., Lindstedt S., Zetterstroem R., J. Lab. Clin. Med, 74, 185 (1969).
4. Capella P., Galli C., Fumagalli R., Lipids, 3, 431 (1963).
5. Prevot A., Barbati C., Rev. Franc. Corps Gras, 15, 157 (1968).
6. Sprinkle T. J., Porter A. H., Greer M., Williams С. M, Clin. Chim. Acta, 25, 409 (1969).
7. Horning M. G., Boucher E. A., Moss A. AL, Horning E. C., Anal. Letters 1, 713 (1968).
8. Back P.} Z. Klin. Chem. Klin. Biochem., 7, 365 (1969).
9. Gellerman J. L., Schlenk FL, Anal. Chem., 40, 739 (1968).
10. Glaze N. C., Wilcox M., J. Chromatog., 34, 391 (1968).
Из некоторых опубликованных работ следует, что для определения насыщенных жирных оксикислот с менее чем 20 атомами углерода в цепи нет необходимости превращать их в производные по ОН-группе [27]. Полагают [26], что в этих случаях достаточно использовать для анализа стеклянные, надежно силанизованные колонки и носители и невысокие концентрации жидкой фазы на носителе. Однако количественные данные, полученные без образования производных по ОН-группе» по-видимому, менее надежны»
Карбоксильные группы
137
Некоторые жирные кислоты, в которых ОН-группа близка к двойной связи, разлагаются (дегидратируются) в газохроматографической колонке, причем даже и после ацетилирования [28].
Анализ а-оксикислот путем окисления перйодатом с образованием альдегида (RCHOHCOOHRCHO), который легко определить с помощью ГХ, уже обсуждался выше. По этому поводу см. гл. 1, разд. II, Д.
В работе [29] описан анализ, в котором кислотные продукты окисления гексоз (полиоксимонокарбоновые кислоты) в щелочном растворе сначала превращали в лактоны действием НС1, гриме-тилсилилировали гексаметилдисилазаном и триметилхлорсиланом, а затем уже анализировали методом ГХ.
Е. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КЕТОКИСЛОТ
Кетокислоты обычно удается определить методом ГХ после их превращения в подходящие производные по карбоксильной группе (см. гл. 3, разд. II, А). В анализе кислот цикла Кребса и родственных им соединений полезными в этом смысле оказались метоксимные производные кетокислот (в форме триметилсилильных эфиров) [30]. В другом методе [31] при анализе пировиноградной и а-кетоглутаровой кислот (которые в результате метанолиза с кислотным катализатором или обработки диазометаном могут образовывать два продукта) эти кислоты превращали в соответствующие хиноксалоны, обрабатывали бис-(триметилсилил) ацетамидом (БСА) и пиридином, а затем анализировали полученные производные методом ГХ
Si(CH3)3
Ж. ОПРЕДЕЛЕНИЕ АМИНОКИСЛОТ
Важное значение белков и составляющих их аминокислот обусловило большой интерес к определениям аминокислот методом ГХ. Существуют различные методы автоматического анализа с использованием хроматографии на колонке, однако ГХ обеспечивает более быстрый анализ и позволяет уменьшить величину анализируемой пробы. Было предложено большое число различных по типу производных, чтобы осуществить количественное определение двадцати аминокислот, обычно обнаруживаемых в белках. Выбор наилучшего производного осложняется большей частью тем, что эти аминокислоты содержат 12 различных функциональных групп, а желательно получить метод, применимый для анализа всех
138
Глава 3
кислот. Методы, основанные на разложении, как правило, исключаются, поскольку разложение «стирает» характеристические различия между некоторыми из аминокислот. Наибольшие надежды связывают с недавних пор с методами, которые обеспечивают полное или по крайней мере воспроизводимое получение производных по полярным или нестабильным функциональным группам. Такие методы подробно обсуждаются в недавно опубликованной статье Блау [32] и потому здесь не рассматриваются.
Несколько методов, разработанных для анализа аминокислот и некоторых родственных их соединений, приведены в табл. 3.6.
Таблица 3.6
Характеристика некоторых из недавно опубликованных методов получения производных для количественных определений аминокислот методом ГХ
Производные no Замечания и литература
COOH-rpynne аминогруппе
Бутил ТФА Хлоргидраты метиловых эфиров переэтерифи-цировали до хлоргидратов бутиловых эфиров и в закрытом сосуде получали N-ТФА-производ-ные [1, 2]: на двух отдельных колонках анализировали 20 аминокислот [3].
Метил ТФА 20 аминокислот разделяли на двух отдельных колонках [4] и при трех различных температурах [5].
ТМС ТМС Использовали БСА для получения двойных ТМС-эфиров [6]; анализировали 12 серусодер-жащих аминокислот [7]; иодаминокислоты и родственные соединения подвергали действию БСА и определяли менее чем нанограммные количества образующихся соединений с помощью электронно-захватного детектора [8]; использовали БСТФА для анализа 20 аминокислот [9],
Метил Алкилиден и алкил Алкилиденовые и алкильные эфиры аминокислот обладают высокой устойчивостью к влаге и повышенным температурам [10]
Пропил Ацетил Использовали смесь пропанол — НС1, азатем ангидрид пиридинуксусной кислоты [11]
Сокращения. ТФА—трифторацетил; ТМС—триметилсилил; БСА —бш>(триметил-силил) ацетамид; БСТФА — бмс-(триметилсилил) трифторацетамид.
1. Gehrke С. W., Stalling D. L., Separation Sci., 2, 10'1 (1967).
2. James G. P., Van Dreal P. A., Clin. Chem., 15, 794 (1969).
3. Gehrke C. W., Zumwalt R. W., Wall L. L., J. Chromatog., 37, 398 (1968).
4. Crichton R. R., Leaf G., Biochem. J., 99 (3), 47R (1966).
5. Makisumi S., Saroff H. A., J. Gas Chromatog., 3, 21 (1965).
6. Klebe J. F., Finkbeiner H., White D. M, J. Am. Chem. Soc., 88,-3390 (1966).
7. Shahrokhi F.t Gehrke C. W.t J. Chromatog., 36, 31 (1968).
Карбоксильные группы
139
8. Funakoshi К., Cahnmann J. И., Anal. Biochem., 27, 150 (1969).
9. Gehrke C. W., Nakamoto H., Zumwalt R., J. Chromatog., 45, 24 (1969).
10. Davis J. W., Jr., Furst A., Anal. Chem., 40, 1910 (1968).
11. Coulter J. R., Hann C. S., J. Chromatog., 36, 42 (1968).
Общепринятым, по-видимому, является метод Герке и Столлинга [33а], в котором аминокислоты белков определяют в форме их трифторацетил-я-бутиловых эфиров. В настоящее время эти производные имеются в продаже (фирма «Regis Chemical Со», Chicago). Хроматографические пики дают все простые и сложные триметилсилильные производные всех аминокислот, образующиеся под действием бис- (триметилсилил) ацетамида, за исключением аргинина [34]; шестнадцать из этих производных в настоящее время имеются в продаже (фирма «Pierce Chemical Со.», Rockford). Подходящими для анализа производными являются и метиловые эфиры трифтораминокислот. Для повышения чувствительности анализа и уменьшения его продолжительности предлагалось использовать фторированные производные (N-пентафторпропионил и N-гептафторбутирил) [35].
3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЦИКЛОПРОПЕНОВЫХ И ЦИКЛОПРОПАНОВЫХ КИСЛОТ
Циклопропеновые кислоты содержатся в форме глицеридов в нескольких видах пищевых жиров; эти кислоты считаются вредными [36], и поэтому необходимы методы, позволяющие убедиться в отсутствии их в жирах. Шнейдер и corp. [37] обрабатывали такие жиры метилатом натрия в метаноле, в результате чего образовывались сложные метиловые эфиры жирных кислот. Действуя нитратом серебра в метаноле, эти эфиры превращали затем в простой эфир или кетон и определяли их количественно методом ГХ. При анализе жиров, содержащих менее 5% циклопропеновых жирных кислот, из них сначала удаляли прямоцепочечные жирные кислоты жидкостной хроматографией на окиси алюминия. В другом методе метиловые эфиры циклопропеновых и циклопропановых кислот определяли путем непосредственного ввода этих соединений в колонку с силиконовой жидкой фазой на носителе газохром Q или диатопорт S. При этом изомеризации циклопропеновой группы не наблюдалось. Этим методом определяли стер-куловую, 2-оксистеркуловую, дигидростеркуловую и мальвалино-вую кислоты [38].
И. ВЫДЕЛЕНИЕ КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ ИЗ СОЛЕЙ
Для выделения низших карбоновых кислот из их натриевых или калиевых солей перед вводом пробы в газовый хроматограф использовали несколько методов. Так, например, кислоты от С2
140
Глава 3
до С5 выделяли, действуя на пробу избытком фосфорной кислоты [39] или пропуская пробу через колонку с безводным NaHSO4 [40].
К. ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЭФИРОВ
В отсутствие полярных групп эфиры легко количественно определить методом ГХ. В этих анализах широко применяют полиэфирные жидкие фазы, которые позволяют получать симметричные хроматографические пики для простых эфиров и, кроме того, обеспечивают разделение в зависимости от числа ненасыщенных связей. Симметричные пики и хорошие количественные данные можно получить и на неполярных жидких фазах, но они не позволяют разделять насыщенные и ненасыщенные эфиры. Колонки с неполярными фазами можно использовать только для грубого разделения эфиров по их молекулярным весам (например, отделить эфиры Я-С16 от эфиров н-С18), а колонки с полиэфирами — для дополнительного разделения по числу ненасыщенных связей (0, 1, 2 или большее число двойных связей). Эфиры с высоким молекулярным весом или их нелетучие комплексы (например, фосфолипид) обычно превращают в более летучие производные (по кислотной или спиртовой группе или по обеим этим группам) путем переэтерификации, алкоголиза или омыления с последующим превращением в простые или сложные эфиры. Если эфиры содержат полярные группы, то на одном из этапов определения получают производные по этим группам. Так, например, ацетилирование моно- и диглицеридов обеспечивало полное элюирование этих эфиров в ГХ-анализе; в то же время без ацетилирования элюирование может оказаться неполным [41, 42]. Моноглицериды (Сг—Cie) и диглицериды (С4—Сзе) определяли также и путем превращения их по свободным оксигруппам в триметилсилильные эфиры под действием бис- (триметилсилил) ацетамида [43].
При гидролизе или омылении эфиров обычно образуются карбоновая кислота, а также спиртовые или фенольные фрагменты, которые можно разделить, превратив в производные, и анализировать методом ГХ по отдельности. (См. гл. 1, разд. II, А — II, Г. Об образовании производных фрагментов см. эту главу, разд. II.) Не слишком полярный спирт, не содержащий кислотных групп, (а возможно, и мешающие примеси) можно удалить путем экстракции из щелочного раствора для проведения омыления несмешиваю-щимся с ним растворителем [44]. Спирты, мешающие анализу, можно также и испарить из смеси под вакуумом. Кислоту, если она не слишком поляриа из-за присутствия в молекуле других функциональных групп, можно экстрагировать растворителем после подкисления раствора для омыления.
Иногда получение производных спиртовых или кислотных фрагментов не является необходимым или нежелательно. В одном определении масляной кислоты в коровьем масле методом ГХ
Карбоксильные группы
141
жиры омыляли путем кипячения с обратным холодильником с 0,5 н. раствором КОН в водном изопропиловом спирте и затем выпаривали раствор. Для выделения кислоты остаток переносили в смесь хлористого метилена и муравьиной кислоты и встряхивали смесь. После этого аликвотную порцию полученного раствора вводили в газовый хроматограф и определяли масляную кислоту в свободной форме. Утверждалось [45], что такой метод позволяет избежать потерь, которые обычно имеют место при метилировании кислоты. Для уменьшения потерь низших жирных кислот предлагалось превращать их не в метиловые, а в бутиловые эфиры [46].
Для ускорения количественного превращения эфиров в производные с целью их последующего ГХ-анализа широко используют переэтерификацию, особенно метанолиз. Весь процесс требует немного времени и позволяет отказаться от использования концентрированной щелочи, которая может вызывать частичную изомеризацию полиненасыщенных кислот. Для проведения мета-нолиза на эфир действуют метанолом, содержащим кислоту или основание; в результате образуется метиловый эфир соответствующей кислоты. Для определения метиловых эфиров жирных кислот, полученных из липидов [47] и эфиров воска [48], использовали метанольный раствор хлористого водорода. При анализе эфиров, полученных из воска, спирты и метиловые эфиры разделяли с помощью колоночной хроматографии, а затем уже анализировали методом ГХ, причем спирты определяли в форме трифторацетатов. Для определения метиловых эфиров жирных кислот от Си до Сго, выделенных из липидов сыворотки человека [49], использовали метанол и серную кислоту; еще одним реагентом для анализа липидов является ВС13 в метаноле [50]. В работе [51] описан удобный метод получения производных при комнатной температуре и без выпаривания. В этом методе раствор жира в бензоле переносят в закрытую колбу, добавляют в колбу 2,2-диметокси-пропан (ДМП), метанольный раствор хлористого водорода и оставляют на ночь. После нейтрализации порцию полученного раствора вводят в газовый хроматограф. Кроме пиков метиловых эфиров на получаемой хроматограмме присутствуют и пики изо-пропилиденгликоля, образованного из ДМП и глицерина. Эти пики являются удобными стандартами для определения времен удерживания. ДМП связывает воду и способствует тем самым полному прохождению реакции.
Для переэтерификации эфиров использовали щелочные агенты в различных условиях. В шести методах получения метиловых эфиров жирных кислот (Сб—Cis) из растительных и животных жиров путем переэтерификации или омыления и этерификации использовались КОН или метилат натрия [52]; эти методы давали сходные результаты для основных кислот анализируемой пробы, если принимались меры предосторожности с целью не допустить
142
Глава 3
потерь низкомолекулярных кислот. Обработка коровьего масла метанольным раствором КОН или NaOCH3 при комнатной температуре приводила к почти мгновенному образованию метиловых эфиров жирных кислот глицеридов, и получаемый при этом раствор анализировали методом ГХ [53]. Эфиры цереброзидов, холестерильные эфиры, парафины и некоторые масла переэтерифици-ровались с образованием метиловых эфиров при нагревании с метанольным раствором метилата натрия и с последующей обработкой метанольным раствором НС1. После выпаривания полученного раствора остаток растворяли в подходящем растворителе J порцию раствора вводили в газовый хроматограф [54]. Жирны кислоты растительных масел определяли в форме их метиловы. эфиров после нагревания масла сначала с метилатом натрия в метаноле, а затем с муравьиной кислотой в специальном микрореакторе, укрепленном на электрическом паядьнике. Паяльник нагревали до 250 °C и через соединительный капилляр поток газа-носителя переносил метиловые эфиры в газовый хроматограф [55]. В работе [56] описан метод анализа, в котором холестерильные эфиры сыворотки человека выделяли с помощью тонкослойной хроматографии, затем получали метиловые эфиры соответствующих жирных кислот путем переэтерификации под действием 0,1 н. раствора метилата натрия в абсолютном метаноле и определяли их методом ГХ.
В другом простом и удобном методе определения содержания жирных кислот (от С4 до С18) в растительных и животных жирах пробу в течение 2 мин нагревали при температуре 65 °C с метилатом калия в метаноле под слоем азота; в течение последних 0,5 мин нагревания реакционную смесь встряхивали. По окончании нагревания в реакционную смесь добавляли смесь силикагеля с хлоридом кальция, перемешивали ее, а затем добавляли CS2 и встряхивали сосуд; после осветления полученного раствора центрифугированием пробу CS2 вводили в газовый хроматограф. Введение силикагеля приводит к тому, что реакционная смесь становится гомогенной и облегчается экстракция из нее метиловых эфиров сероуглеродом. Кроме того, силикагель поглощает небольшие количества присутствующих в маслах свободных жирных кислот, которые мешают анализу. Хлорид кальция образует комплекс с метанолом, и благодаря этому хроматографический пик метилового эфира масляной кислоты не искажается пиком метанола. Наконец, в отличие от метанола CS2 не искажает пиков метиловых эфиров низкомолекулярных жирных кислот. Этот быстрый метод дает результаты, которые вполне сравнимы с результатами более длительных анализов [57]. При описанной выше обработке пробы метилатом калия метиловых эфиров свободных жирных кислот не образуется. Для метилирования этих кислот нужно добавить в смесь BF3 и нагревать ее еще в течение 2 мин при температуре 65 °C.
Карбоксильные группы
143
Л. ВОССТАНОВЛЕНИЕ СЛОЖНЫХ ЭФИРОВ ОРГАНИЧЕСКИХ КИСЛОТ
В некоторых случаях бывает необходимо или желательно восстановить кислотные группы эфиров до спиртовых. Так, глицерин и жирные кислоты глицеридов можно одновременно определить путем восстановления глицеридов до спиртов жирного ряда (от Си до Cie) и глицерина алюмогидридом лития и последующего ацетилирования образующихся продуктов уксусным ангидридом [58]. Таким же методом определяли 10—30 мкг жирных кислот в липидах [59].
Один специфический и чувствительный метод определения длинноцепочечных S-ацильных эфиров основан на том факте, что О-ацильные эфиры не восстанавливаются NaBH4, а S-ацильные эфиры восстанавливаются с образованием длинноцепочечных спиртов [60]. Область применения этого метода ограничена тем, что под действием NaBH4 А2-5-ацильные эфиры восстанавливаются до насыщенных спиртов, а кетогруппы — до спиртовых. Для количественного анализа диоксисоединений их необходимо ацилировать.
М. ОПРЕДЕЛЕНИЕ АМИДОВ И ИМИДОВ
Амиды, не содержащие полярных групп в молекуле, легко непосредственно определить методом ГХ [61], однако при определениях более полярных имидов органических кислот часто встречаются трудности. В работе [62] описан метод, в котором амиды количественно превращают в соответствующие нитрилы путем нагревания с Р2О5 в диоксане, а нитрилы затем определяют методом ГХ. Для превращения амидов пиридинкарбоновых кислот в нитрилы использовали и фосген [63].
Мукополисахариды, содержащие N-ацетильные группы, можно гидролизовать путем нагревания их в течение 3 ч. с 2 н. раствором НС1 при температуре 100 °C; выделяющуюся при этом уксусную кислоту определяют непосредственно методом ГХ на колонке с носителем хромосорб 102 [64]. Для газохроматографического определения нелетучих замещенных бензамидов их превращали в метиловые эфиры соответствующих бензойных кислот путем обработки метанольным раствором НС] [65].
Для определения амидов успешно применяли и анализ на активные атомы водорода с использованием алюмогидрида лития [66]. По этому вопросу см. гл. 8, разд. II.
В других методах ГХ определения амидов их превращали в ТМС-производные [67], а также восстанавливали циклические амиды до соответствующих циклических аминов, используя в качестве восстановителя LiAlH4 [68].
144
Глава 3
Н. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НИТРИЛОВ
В отсутствие полярных групп нитрилы легко количественно определить методом ГХ [69—71]. В работе [72] описан метод определения нитрила пентахлорминдальной кислоты, в котором анализируемое соединение сначала количественно превращают в пентахлорбензальдегид путем отщепления HCN, а затем вводят в газовый хроматограф и определяют газохроматографически [72].
III. ЭЛЕКТРОДНАЯИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
А. Ф. Крайвис
А. КУЛОНОМЕТРИЧЕСКОЕ ТИТРОВАНИЕ КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ
Метод волюмометрического определения карбоновых кислот с использованием стандартного щелочного раствора в водных и неводных средах хорошо изучен [73]. Однако титрование с использованием стандартных растворов не столь удобно (а возможно, и не столь точно), как кулонометрическое титрование. В последнем методе стандартный раствор для титрования генерируется электролитически в процессе самого титрования непосредственно в сосуде с анализируемым раствором. Концентрацию неизвестного соединения вычисляют по измеренному количеству электричества, прошедшего через раствор, на основе законов Фарадея. В этом методе совершенно не требуется стандартных растворов, а во многих случаях и стандартных проб. Более того, измеряемым «титрующим раствором» здесь является количество электричества (а точнее интервал времени, в течение которого включен источник постоянного тока), и анализ легко автоматизировать; подавать в анализируемый раствор определенное количество электричества и измерять его легче и дешевле, чем порции стандартного раствора. Системы детектирования в этом методе те же, что и в обычном титровании, так что метод потенциометрического определения конечной точки титрования можно успешно использовать и здесь.
Основой для кулонометрического титрования кислоты является электролиз воды. Платиновые анод и катод должны быть изолированы друг от друга соляным мостиком и пробу следует титровать в катодной камере. Если используют анод из металла, растворяющегося в процессе электролиза, то оба электрода можно поместить в одном и том же стакане.
Так, например, если взять серебряный анод и в реакционную смесь добавить бромид, то реакция на аноде даст бромид серебра, который не мешает титрованию кислоты [74—76]. Ниже описан метод титрования в водном растворе Карсона и Ко [76]; применялись
Карбоксильные группы
145
и другие растворители, например 70%-ный изопропанол [76], смесь бензола и метанола [77], ацетон [78] и изопропанол [79]. Метод титрования в неводных средах более сложен; подробное описание этого метода можно найти в оригинальных работах.
Определение карбоновых кислот (по методу Карсона и Ко [76])
Оборудование. Наиболее удобен источник постоянного тока с датчиком времени (кулонометр), описанный в гл. 1, разд. III.
Ячейка с серебряным анодом представляет собой химический стакан подходящего размера, в который погружены электроды. Удобна конструкция, в которой катод представляет собой цилиндрическую платиновую сетку, куда помещена плотная спираль (анод) из серебряной проволоки длиной около 25 см.
Эта конструкция удобна по двум причинам. Во-первых, электрическое поле между катодом и анодом оказывается «экранированным» от остальной части раствора, благодаря чему хорошо работают обычно используемые индикаторные электроды (стекло — каломель). Во-вторых, она занимает мало места, что довольно важно, поскольку кроме основных электродов в раствор необходимо погрузить еще и индикаторные электроды, и магнитную мешалку.
Конструкция ячейки для титрования с изолированным анодом аналогична конструкции, показанной на рис. 1.4 и используемой для кулонометрического бромирования. Единственное отличие этих ячеек состоит в том, что в ячейке для титрования используют* ся стеклянно-каломельные индикаторные электроды, а в ячейке для бромирования — платиновые.
Контроль за процессом титрования и определение его конечной точки осуществляют pH-метром. Для автоматического выключения источника тока при достижении конечной точки титрования pH-метр можно соединить с реле или датчиком другого типа.
Генерирующие растворы. Титрование в неводной среде ведут в бескислотном 70%-ном изопропаноле, содержащем 0,001 М LiCl в качестве электролита.
Для титрования в водной среде используют 0,05 0,1 М раствор КВг в воде без примеси СО2.
Проведение анализа при использовании изолированного анода. Анализируемую пробу, содержащую 0,03—0,05 мэкв кислоты, растворяют в подходящем объеме 70%-ного изопропанола с 0,001 М LiCl и количественно переносят полученный раствор в ячейку для титрования. Затем устанавливают ячейку в прибор для титрования так, чтобы в нее не попадали кислотные и основные загрязнения из атмосферы. Погружают в ячейку заполненную камеру анода, катод, индикаторные электроды (рис. 1.4) и титруют раствор при токе, примерно равном 20 мА. Для получения более точных результатов титрование вблизи конечной точкц
146
Глава 3
следует несколько раз прерывать с тем, чтобы в системе успевало установиться равновесие. Можно либо вести титрование до получения фиксированного значения pH (конечная точка), либо строить график для каждого титрования.
Проведение анализа при использовании неизолированного анода. Анализируемую пробу, содержащую 0,03—0,05 мэкв кислоты, растворяют в подходящем объеме 0,1 М водного раствора КВг и переносят полученный раствор в ячейку для титрования. Затем ячейку устанавливают в прибор для титрования, стараясь не допустить загрязнения раствора кислотами и основаниями из атмосферы. После этого в нее погружают генерирующие и индикаторные электроды, палочку магнитной мешалки и включают мешалку. Затем начинают титрование при токе около 20 мА и регистрируют время, за которое будет достигнута конечная точка титрования. Для получения более точных результатов титрование вблизи конечной точки следует несколько раз прерывать с тем, чтобы в системе успевало установиться равновесие. Можно вести титрование либо до получения фиксированного значения pH (точка эквивалентности), либо строить график для каждого титрования. После каждого титрования генерирующий анод необходимо очищать в концентрированном растворе аммиака.
Вычисления, Концентрацию кислоты С (в мэкв) вычисляют по формуле:
(сила тока) X (продолжительность титрования) ,<>.
С~ £6 500 ( }
Б. КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКОЕ ТИТРОВАНИЕ КИСЛОТ
Определение кислот методом потенциометрического титрования — удобный и широко используемый метод. Однако по крайней мере в анализах двух типов, а именно при анализе малых количеств веществ, а также при анализе слабых кислот или даже солей, весьма ценным, хотя и не всегда применяемым, является метод кондуктометрического титрования кислот.
Известно, что точность кондуктометрического титрования одна и та же как для высоких, так и для низких концентраций вещества. Практически это означает, что для разбавленных растворов методом кондуктометрического титрования можно получить более точные результаты, чем методом потенциометрического титрования. Во многих случаях слабые электролиты легче титровать кондуктометрическим методом, чем потенциометрическим; проще оборудование и более надежны системы электродов.
Раньше использованию этого метода препятствовало отсутствие автоматических или полуавтоматических приборов. Построение графиков по точкам вручную отнимало чрезвычайно много времени. Теперь же с появлением автоматических приборов для измерения проводимости можно ожидать, что отношение исследователей к этому методу изменится.
Карбоксильные группы
147
Титрование кислот можно проводить почти в любом растворителе, в котором растворяется проба и титрующее соединение (ср. гл. 1, разд. III об использовании диметилсульфоксида). Ниже описан метод [80], который предназначен для титрования очень слабых кислот. В этом методе пробу добавляют к избытку раствора аммиака и нейтрализуют ион аммония стандартным раствором гидроокиси лития.
Раствор аммиака используют в этом методе по двум причинам. Во-первых, при этом увеличивается кислотность пробы. Во-вторых, значительно увеличивается растворимость кислот. В результате этим методом можно титровать очень слабые одно- и двухосновные кислоты. Кислоты, анализированные этим методом, перечислены в табл. 3.7.
Таблица 3.7
Кислоты, определенные титрованием в аммиачном растворе
Аминобензойная Бензойная Гваякол Фенол Фенилуксусная Нафтол-2
Ванилин Резорцин Пирокатехин Гидрохинон
Пирогаллол Флороглюцин Салициловая о-Кумаровая Ализарин Ацетоацетанилид 5,5-Диметилциклогексан-дион-1,3
Этилацетодикарбоксилат Этилмалонат Сукцинимид
Определение кислот (по работе Г азлини и Нахума [50])
Оборудование. Можно использовать прибор, описанный в гл. 1, разд. III. Кроме того, для автоматического титрования можно собрать устройство из измерителя проводимости раствора, бюретки и самописца.
Реагенты и растворители. Для титрования многих кислот оптимальной является концентрация аммиака в растворителе, равная 0,2 М, но при необходимости ее можно доводить до 2 М.
Раствор аммиака без примеси карбоната получают путем нагревания химически чистого концентрированного раствора аммиака в присутствии гидроокиси бария. Выделяющийся газ пропускают через дистиллированную воду, не содержащую СОг.
В качестве стандартного раствора используют 2,5 М раствор гидроокиси лития в воде, не содержащий карбоната. Титр этого раствора определяют, используя кислый фталат калия.
Проведение анализа. Навеску анализируемой кислоты (около 5 мМ) растворяют в нескольких миллилитрах 0,2 М раствора
148
Глава 3
аммиака и полученный раствор количественно переносят в ячейку для титрования. Затем раствором аммиака объем содержимого ячейки доводят до 125 мл и включают мешалку. В большинстве случаев термостатирования ячейки не требуется, но при необходимости это можно сделать. После этого раствор титруют, добавляя в него гидроокись лития из микробюретки. По результатам измерений строят график зависимости проводимости от добавленного объема титранта и определяют конечную точку титрования. В случае одноосновной кислоты конечная точка соответствует точке излома графика титрования. На графике для двухосновной кислоты имеется две точки излома.
Вычисления
VXMX1FX100
Wn X 1000
где С—концентрация кислоты, %; М — молярность стандартного раствора для титрования; W — молекулярный вес определяемой кислоты; Wn — навеска, г; V — добавленный объем стандартного раствора для титрования, мл.
IV. МЕТОДЫ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА
Г. Агахигиан
А. карбоновые КИСЛОТЫ
Ряд ненасыщенных жирных кислот определяли методом ЯМР на ядрах *Н при частоте 60 мГц Персель, Моррис и Сузи [81]. Анализируемые кислоты они идентифицировали как кислоты с изолированными двойными связями, с двумя сопряженными кратными связями, с двойными связями, разделенными одной метиленовой группой, и с двойными связями, соседними с карбоксильными группами. В качестве примеров кислот, изученных в работе [81], указаны 9-цис-октадеценовая, 9-трянс-октадеценовая, 9,11-транс, ЭА^'Транс, тр&нс-октадекадиено-
вая и 2-^с-октадеценовая кислоты. Приведены также значения химических сдвигов, обусловленных резонансами на различных атомах водорода.
Сойер и Брэннан [82] изучали многоатомные спирты, оксикислоты и производные d-глюконовой кислоты. Анализ этих соединений они проводили в D2O, используя хлорид тетраметиламмония в качестве внутреннего стандарта. Линии резонанса метильной группы соответствовал химический сдвиг, равный 2,17 млн-1 относительно линии натриевой соли 3-(триметилсилил)-1-пропансульфокислоты. Из многоатомных спиртов Сойер и Брэннан анализировали этиленгликоль, глицерин, сорбит и эритрит и определили
Карбоксильные группы
149
химические сдвиги для групп —СН2О и —СНО. Кроме того, они определили значения химических сдвигов алифатических и оксикислот, а также их солей. Для солей уксусной, малоновой, янтарной, гликолевой, тартроновой и винной кислот наблюдался диамагнитный сдвиг линий резонанса.
Изучалась также зависимость значений химических сдвигов для линий резонанса на ядрах 4H D-глицериновой, сахарной и d-глюконовой кислот от значений pH анализируемого раствора. Рассматривались в работе [82] и лактоны этих соединений.
Паульсен и Кук [83] описали количественное определение содержания водорода и фтора в органических соединениях. В обсуждении, приведенном в этой работе, авторы рассматривают такие эффекты, как влияние на анализ скорости вращения ампулы с пробой и скорости развертки. Они осуществили количественное определение кислотных атомов водорода и продемонстрировали действие воды на эти способные к обмену атомы. Анализу были подвергнуты такие соединения, как уксусная, пропионовая, масляная, валериановая, циклогексанкарбоновая, муравьиная и бензойная кислоты. Из фторированных соединений были изучены Л4-бром-а,а,а-трифтортолуол, трифторуксусная кислота, 2,2,3,3-тетрахлоргексафторбутан, 2,3-дибромоктафторбутан и смесь цис-и транс- 1,2-дихлортетрафторпропиленов. Влияние на анализ рабочих параметров, таких, как мощность приложенного сигнала, рассматривалось и в работе Джангникеля и Форбса [84].
Методом ЯМР анализировали также и смеси карбоновых кислот и ангидридов. Паркер [85] использовал для анализа различия в значениях химических сдвигов для а-водородных атомов ангидрида и соответствующей кислоты. Обычно линии резонанса на а-водородных атомах ангидридов находятся в более низком поле, чем линии для а-водородных атомов кислот. Этим методом авторы анализировали ароматические, а также алифатические кислоты и ангидриды, такие, как уксусная, пропионовая, янтарная, фталевая, хлоруксусная, фумаровая и малеиновая.
Б. АЛИФАТИЧЕСКИЕ ЭФИРЫ
Эфиры можно идентифицировать и определить методом ЯМР, причем влияние эфирной группы на близкие к ней атомы водорода используют для идентификации. Розадо-Лоджо, Хэнкок и Данти [86] определили значения химических сдвигов для восемнадцати эфиров уксусной кислоты (CH3COOR) и шестнадцати метиловых эфиров кислот (RCOOCH3) в четыреххлористом углероде и в чистом виде. Авторы связывали структуру анализируемого эфира со скоростью гидролиза, которая определяется пространственными и полярными эффектами, а также эффектами, обусловленными сверхсопряжением. Значения химических сдвигов для эфиров уксусной кислоты измерялись относительно линии для
150
Глава 3
метилового эфира уксусной кислоты и выражались в герцах. Полученные авторами значения находились в пределах от ±1,0 Гц для группы (СНзСН2)2СН— до 5,6 Гц для трет-бутильной группы. Значение химического сдвига для метильной группы, связанной с углеродом карбонильной группы, оказалось равным 118,5 Гц относительно линии ТМС. В этой же области имеются и линии резонанса для эфиров уксусной кислоты.
Значения химических сдвигов, обусловленных метиловыми эфирами в четыреххлористом углероде, находились в пределах от —2,5 Гц для группы (трет-С4Н9)2СН— до +0,9 Гц для группы (СН3СН2)2СН—. Для группы —ОСН3 химический сдвиг относительно линии ТМС равен 217,5 Гц. Сдвиги для группы —ОСН3 относительно линии метилового эфира уксусной кислоты находились в пределах ±3 Гц. К работе Розадо-Лоджо и сотрудников близка работа Кана [87]. Однако в этой работе представлены также и данные для эфиров янтарной кислоты и родственных им соединений.
В. ПОЛИЭФИРНЫЕ СМОЛЫ
В работе Персиваля и Стивенса [88] описан метод полуколи-чественного анализа полиэфирных смол. Пробы в этом методе растворяют в ацетоне или бензоле, что приводит к наложению линий анализируемого соединения и растворителя. Для приготовления полиэфирных смол использовали такие кислоты, как изо-фталевая, малеиновая, фумаровая, адипиновая, а также эмпол 1014. Из гликолей применяли этиленгликоль, пропиленгликоль, диэтиленгликоль, дипропиленгликоль и другие соединения, имеющиеся в продаже. В работе [88] описан анализ восемнадцати смол и приведены значения химических сдвигов для их компонентов. Количественные данные получали путем измерения площадей резонансных линий.
Кониши и Кано [89] описали метод с использованием этерификации под действием трифторуксусной кислоты. Этим методом они анализировали моноэфиры 1,2-пропиленгликоля и длинноцепочечных жирных кислот.
Г. ПОЛИУРЕТАНЫ
Идентификацию 11 полиуретанов и композиций на их основе описали Брэйм, Фергюсон и Томас [90]; они анализировали растворы проб в треххлористом мышьяке при температуре 100 °C на частоте 60 МГц. Общее уравнение реакции имеет вид
R(OH)2 + R(NCO)2 —> полиуретан
Растворы полиуретанов имели концентрацию 15% (вес/объем), в качестве внутренних стандартов использовались ТМС и гексаме
Карбоксильные группы
151
тилдисилоксан. В качестве растворителя можно брать и трифторуксусную кислоту. Для приготовления уретанов применялись по-литетраметиленгликоль и полипропиленгликоль. Эти простые полиэфиры подвергали действию метилен-бцс- (4-фенилизоцианата) и толуолдиизоцианата. Из сложных полиэфиров использовали по-лидиэтиленгликольадипинат, политетраметиленгликольадипинат, по-лиэтиленгликольадипинат, поли (этиленгликоль +1,2-пропиленгли-коль)-адипинат; эти полиэфиры превращали в уретаны путем реакции с метилен-б£ц>(4-фенилизоцианатом) и толуолдиизоцианатом.
Несмотря на то что определение линии резонанса, обусловленной группой NH, может вызывать некоторые затруднения при интегрировании спектра, анализ полиуретанов методом ЯМР позволяет получать хорошие количественные данные. Можно оценить и молекулярный вес простого полиэфира или сложного полиэфир-гликоля. Приведенная ниже таблица показывает, что результаты оценки методом ЯМР мольных долей компонентов полиуретана, полученного из полиэфира, хорошо согласуются с аналогичными результатами, полученными с использованием гидролиза.
Соединение Мольные доли
метод ЯМР гидролиз
Адипиновая кислота 0,37 0,35
Этиленгликоль 0,44 0,46
Метилен-бг/с-(4-фенилизоциа-нат) 0,14 0,04
В работе [90] приведены также и значения химических сдвигов для этих соединений.
Д. АМИДЫ И ПРОИЗВОДНЫЕ МОЧЕВИНЫ
Метод Лидера (гл. 1, разд. IV, А) применяли также в анализе амидов и производных мочевины. Было обнаружено, что значения химических сдвигов для линий резонанса на ядрах 19F амидов, монозамещенных производных мочевины и сульфамидов находятся в пределах 0—1,8 млн"1 относительно линии для аддукта гексафторацетона и воды. Опубликованы также данные для таких соединений, как ацетамид, акриламид, хлорацетамид, бензамид, сульфаниламид, n-толуолсульфамид, гидразин, 2,4 динитрофенил-гидразин, метилтиомочевина, фенилмочевина и метилмочевина. По наличию линий резонанса в более высоком поле можно выявить помехи от других компонентов с активными атомами водорода, которые могут затруднять анализ.
152
Глава 3
Ма и Ворнхофф (ср. гл. 11, разд. IV, А) получили следующие
данные: Значения химического сдвига для группы N—СН3
М,1М-Диметилформамид f 2,85 I 2,96
N.N-Диметилацетамид Г 2,90 I 3,02
N-Метилмочевина N-Метилпирролидон N-Метилфталимид N-Метилтиобензанилид N-Метилбензанилид 2,77 2,82 3,16 3,89 3,48
V. РАДИОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Д. Кэмпбелл
Важное значение высших жирных кислот в биохимии и химии природных соединений обусловило создание нескольких чувствительных радиохимических методов анализа микро- и полумикроколичеств этих соединений. В этих методах наиболее широко применяются такие производные этих кислот, как их метиловые-14С и метиловые-3Н эфиры, а также мыла, меченные радиоактивными изотопами металлов. Макроколичества многих монокарбоновых кислот можно определить методом изотопного разбавления в форме анилидов или замещенных анилидов. Карбоксильные группы, содержащиеся в некоторых целлюлозных материалах, можно определить в форме солей радиоактивных металлов.
А. ПРЕВРАЩЕНИЕ В МЕТИЛОВЫЕ ЭФИРЫ
Определение отдельных карбоновых кислот в смесях методом хроматографического разделения существенно облегчается, если сначала превратить эти кислоты в их метиловые эфяры. Этот же подход применим и для определения суммы трех кислот. Производные для радиохимического анализа количественно получают путем обработки кислот а) диазометаном-14С в смеси эфир — метанол, б) водой, насыщенной тритием, в эфире и затем нерадиоактивным диазометаном, в) раствором едкого натра и метилата натрия, меченного изотопом 3Н, в метаноле-3Н и г) метанолом-14С в присутствии трехфтористого бора. В каждом из этих методов избыток реагента удалить легко, и потому все они имеют высокую чувствительность.
Диазометан быстро и количественно реагирует с карбоновыми кислотами в смеси этилового эфира и метанола (9:1) при ком
Карбоксильные группы.
153
натной температуре без сколько-нибудь существенных побочных реакций:
R—СООН + 14CH2N2 —> R—COOI4CH3 + N2
На практике радиореагент получают по мере необходимости в атмосфере азота в замкнутой системе, содержащей пробу анализируемой кислоты; устойчивая желтая окраска раствора указывает на присутствие в нем избытка реагента. Удаляют этот избыток, пропуская через раствор поток азота. Диазометан-14С получают путем нагревания меченого нитрозопроизводного, приготовленного из метиламина-14С, в присутствии сильного основания. На практике для синтеза немеченого диазометана широко используют большое число различных соединений, однако для получения меченого диазометана применяют лишь Ы-метил-М-нитрозо-я-толуол-сульфамид [91, 94, 95], Ы-метил-Ы-нитрозомочевину [92] и N-нит-розо-Ы-метиламиноизобутилкетон [93]. Лучше всего применять для этой цели нитрозосульфамид (НСА), поскольку это соединение, относительно устойчивое при комнатной температуре, позволяет получать 14CH2N2 с выходом до 85% и имеется в продаже.
При исследовании условий этерификации выяснилось, что образование эфира, например пальмитиновой кислоты, в смеси 9 : 1 (по объему) этилового эфира и метанола полностью завершается за 10 мин [91]. При этом метанол, очевидно, действует как катализатор, поскольку значение молярной удельной радиоактивности получаемого эфира хорошо согласуется с молярной радиоактивностью меченого НСА. Это наглядно свидетельствует в пользу применения 14CH2N2 в качестве радиореагента для количественного анализа в присутствии метанола. В эфире или метаноле, взятых в отдельности, реакции не завершались и за 30 мин. Увеличение продолжительности реакции нежелательно, поскольку оно ведет к образованию примесей, например полимера (14СН2)Х, что приводит к помутнению раствора или появлению в нем хлопьев.
Получение диазометана-14С и этерификацию можно осуществить в довольно простом приборе, состоящем из набора пробирок с боковыми трубками [91]. В первой из этих пробирок происходит насыщение азота (газа-носителя) эфиром. Во второй образуется 14CH2N2 путем обработки НСА-14С (примерно 2 мМ на 1 мМ одноосновной кислоты), растворенного в смеси эфира и моноэтилового эфира диэтиленгликоля, водным раствором КОН. В третьей пробирке содержится 5—30 мг кислот в смеси 9 : 1 эфира и метанола. Образование производных и выделение непрореагировавшего реагента занимает 10—12 мин. В работах [92, 93] описай другой прибор, в котором используются колбы емкостью 5 мл, краны и набор поглотителей для сбора избытка реагента; с его помощью анализируют пробы величиной 3—6 мг, реакцию ведут в течение 1—4 ч при комнатной температуре. О завершении этерификации под действием CH2N2 судят по появлению желтого оттенка раствора.
154
Глава 3
Радиоизотопный диализ производных жирных и желчной кислот, приготовленных с использованием 14CH2N2 и разделенных методом хроматографии на бумаге, осуществляли путем непосредственного измерения радиоактивности пятен хроматограммы [91, 94, 95] или путем приготовления из бумажной хроматограммы авторадиограммы и последующего измерения интенсивности хроматографических зон с помощью записывающего микрофотометра [92, 93]. Использовали и жидкостные сцинтилляционные счетчики в комбинации с жидкостной колоночной хроматографией [96]. При использовании жидкостного сцинтилляционного счетчика в комбинации с тонкослойной хроматографией чувствительность метода, в котором 14CH2N2 применяется для определения динитрофенильных производных аминокислот [97], возрастала в сто раз, достигая 1 пМ [98] при воспроизводимости результатов ±6%. Анализируя аналогичным методом смеси кислот известного состава, можно идентифицировать анализируемые кислоты и оценить их количества. Определенным преимуществом диазометана является отсутствие пространственных эффектов при проведении вышеуказанных реакций.
Диазометан-14С применялся также и для определения гиббереллиновой кислоты, С19Н22О6, и ее дигидропроизводного. Все эти соединения присутствовали в количествах 10—15 мкг/мл в спиртных напитках [99—102].
Применяя комбинацию метода с использованием 14CH2N2, сжигание полученного продукта в сосуде с кислородом и измерение жидкостным сцинтилляционным счетчиком, можно определять малые концентрации карбоксильных групп, присутствующих на поверхности частиц газовой сажи [103]. В анализе, описанном в работе [103], 2 г газовой сажи добавляли в 100 мл раствора радиореагента в толуоле и перемешивали смесь в течение 20 ч при комнатной температуре. После фильтрования, экстракции и высушивания радиоактивность, обусловленную метильными группами сложных и простых эфиров, измеряли методом Цейзеля. Отдельную пробу обрабатывали примерно 6 н. раствором НС1 с целью гидролиза сложных эфиров. По разности результатов, полученных в анализах первой и второй проб, определяли сложные эфиры.
Если нет подходящего соединения для получения диазометана-14С, то можно приготовить метиловые-3Н эфиры карбоновых кислот путем обработки анализируемых кислот раствором 3Н2О в диэтиловом эфире и затем раствора меченных тритием кислот в диэтиловом эфире нерадиоактивным диазометаном. Карбоно-вые-3Н кислоты, образующиеся путем изотопного обмена с 3Н2О, превращаются в соответствующие метиловые-3Н эфиры;
R—соо3н + CH2N2 —> R—соос3н3 4- n2
Карбоксильные группы
155
Эту реакцию, часто называемую «тритий-метилированием», первоначально применяли для синтеза метиловых-3Н эфиров [104, 105]. Привлекательность основанного на ней метода заключается в том, что вода, насыщенная тритием, недорога и ее легко получить. Применимость этого метода к анализу смесей кислот основана на том, что тритий вводится в кислоты и эфиры без каких-либо ограничений.
Для количественного анализа, основанного на этом методе [106], 0,2 мл раствора 3Н2О в безводном диэтиловом эфире (1 нл воды на 1 мл эфира, полная радиоактивность 6,67 мкКи) добавляют к не более чем 0,033 мэкв смеси кислот в безводном диэтиловом эфире, ацетоне или диоксане. Спустя 15 мин кислоты количественно этерифицируют, добавляя к смеси раствор диазометана в эфире. Продукты этерификации разделяют методом тонкослойной хроматографии (ТСХ) на силикагеле, проявляют пятна разделенных эфиров, опрыскивая их подходящим реагентом, и измеряют их радиоактивность жидкостным сцинтилляционным счетчиком. При этом эфиры можно либо экстрагировать из силикагеля смесью диэтилового эфира и гексана (7 : 3 по объему) с последующим выпариванием растворителей и добавлением раствора сцинтиллятора, либо путем измерения радиоактивности взвесей, полученных путем соскабливания соответствующих пятен с пластинки для ТСХ. Второй метод часто предпочитают при анализе высокополярных кислот. При использовании первого метода экстракция из адсорбента должна быть количественной. Если в пробе содержится менее 1—5 мг жирных кислот, то перед хроматографированием в раствор необходимо добавить нерадиоактивные метиловые эфиры анализируемых соединений. При этом метод становится применимым для анализа микрограммовых количеств соединений. Для калибровки метода к пробе добавляют определенные количества анализируемых кислот и повторяют весь анализ. Анализ известных смесей стеариновой, бензойной и фталевой кислот, а также смесей стеариновой и dZ-винной кислот показал, что введение трития в эфиры происходит без каких-либо ограничений. В дальнейшем этот факт подтвердился и в анализе стеариновой и бензойной кислот, меченных изотопом 14С. Данный метод дает результаты с воспроизводимостью ±5%.
Воду, насыщенную тритием, в комбинации с нерадиоактивным диазометаном использовали и для определения отношения количеств гиббереллиновой кислоты и ее дигидропроизводного в спиртных напитках [102]. В работе [102] высказывалось предположение о том, что для приготовления этиловых и пропиловых-3Н эфиров с целью количественного анализа карбоновых кислот можно использовать циазоэтан и диазопропан, меченные тритием, однако работ по практическому применению такого метода нет.
Заслуживающим внимания реагентом для приготовления эфиров является метанол, меченный изотопами 14С или 3Н, Он
156
Глава 3
относительно недорог, обусловленную им радиоактивность легко измерять с помощью жидкостного сцинтилляционного счетчика и, кроме того, его уже давно применяют в обычных (нерадиохимических) анализах. В работе [107] описан применимый для непосредственного определения как свободных, так и связанных жирных кислот метод этерификации и переэтерификации, в котором анализ ведут путем обработки раствора пробы в хлороформе раствором едкого натра и метилата натрия-3Н в метаноле-3Н, взятом в объеме, равном объему анализируемого раствора пробы. Реагент приготавливают, растворяя чистый металлический натрий (до получения концентрации 4 мг/мл) в 0,5 н. растворе едкого натра в метаноле-3Н. Для того чтобы замедлить разложение полученного раствора, его хранят в полиэтиленовом сосуде на холоду; кроме того, необходимо предохранять этот раствор от контакта с воздухом, поскольку под действием воздуха в течение 4 ч в реагенте образовывалось большое количество производных. Для проведения анализа сухую пробу растворяют в 0,1 — 1 мл хлороформа и добавляют в полученный раствор такой же объем реагента. Затем сосуд с раствором плотно закрывают пробкой и встряхивают в течение 1 ч при комнатной температуре. Сразу же по окончании встряхивания к раствору в сосуде добавляют 1 каплю раствора фенолфталеина в абсолютном метаноле и нейтрализуют его ледяной уксусной кислотой. После этого полученный раствор количественно (смывая хлороформом) переносят в делительную воронку и дважды промывают десятикратным избытком (по объему) дистиллированной воды; для определения менее 1 мкМ кислоты рекомендуется провести еще одно дополнительное промывание. Хлороформную фазу переносят из воронки в другой сосуд и испаряют растворитель под вакуумом. К полученному остатку добавляют метанол, затем вращают сосуд и выжидают испарения метанола; при определении менее 1 мкМ кислоты эту процедуру повторяют несколько раз. Для измерения радиоактивности полученного остатка его растворяют в толуольном растворе сцинтиллятора. Для того чтобы убедиться в отсутствии нелетучих радиоактивных примесей в метаноле, проводят холостой опыт. Результаты, полученные путем непосредственного измерения радиоактивности метанола, хорошо согласовывались с результатами, полученными с использованием стандартных проб кислоты. Если в пробе содержатся глицериды или другие эфиры, то перед определением свободной кислоты их следует удалять из раствора. Быстрота анализа, простота и хорошая точность результатов при определении наномольных концентраций делают этот метод весьма привлекательным для определения полного содержания жирных кислот. К положительным его чертам относятся также и используемые в нем мягкие условия этерификации и количественная переэтерификация, катализируемая едким натром.
Реакция этерификации под действием метанола-14С, катализи
Карбоксильные группы
157
руемая трехфтористым бором, оказалась полезной в определении концевых карбоксильных групп в полимерах типа найлона [108]. Реагент для этой реакции приготавливали, добавляя 7,5 г трехфтористого бора к примерно 39,5 мл метанола. Около 30 мг анализируемого полимера растворяли в 0,3 мл реагента при температуре 60°C и выдерживали полученный раствор при этой температуре в течение 10 мин. После осаждения полимера в воде измеряли его радиоактивность методом сжигания в кислороде, используя затем жидкостной сцинтилляционный счетчик. Реагент СН3ОН • BF3 обеспечивает количественную этерификацию жирных кислот при температуре кипения в течение 2 мин [109].
В работе [НО] описан анализ смесей жирных кислот от Ci2 до С2о, в котором сначала проводили газохроматографическое разделение метиловых-14С эфиров этих кислот, а затем определяли их радиоактивность в газовой фазе.
При выделении метиловых эфиров следует следить за тем, чтобы не было потерь низкомолекулярных производных за счет их улетучивания.
Б. ПРЕВРАЩЕНИЕ В л-БРОМФЕНАЦИЛЭФИРЫ
Хотя реакция и-бромфенацилбромида с солями щелочных металлов карбоновых кислот не всегда протекает количественно, она позволяет получать производные, широко применяемые для идентификации:
Для определения миристиновой кислоты был создан метод с использованием радиореагента и обратного изотопного разбавления [111], в котором применяется и-бромфенацил-14С-бромид. Этот метод применим также и для анализа других жирных кислот. Степень этерификации миристиновой кислоты в 95%-ном этаноле (pH раствора выше 8,5) при температуре кипения достигает максимального значения (60%) за 50 мин и остается постоянной по крайней мере в течение 30 мин. Предварительно этот максимум определили путем анализа на бром. Сам метод основан на обработке анализируемой смеси меченым реагентом в условиях, аналогичных тем,
158
Глава 3
которые описаны выше, с последующим добавлением гораздо большего известного количества нерадиоактивного эфира. После очистки полученного эфира миристиновой кислоты до получения постоянного значения удельной радиоактивности количество эфира в пробе вычисляют по формуле (2) гл. 11, разд. V и после умножения полученного результата примерно на 0,6 получают количество кислоты в пробе. Среднее значение коэффициента (равное 0,6) установили, действуя реагентом на пробы миристиновой кислоты известной величины. Для определения этим методом других жирных кислот необходимо проверить воспроизводимость соответствующих реакций этерификации.
В работе [122] предлагается метод определения микро- и полумикроколичеств я-бромфенацилэфиров карбоновых кислот, в котором производные сначала разделяют методом хроматографии на бумаге, затем активируют пучком нейтронов и определяют хроматографическим методом. При этом необходимо количественное или воспроизводимое образование эфиров. Для калибровки метода требуется параллельно с основным анализом вести активационный анализ известных проб бромсодержащего соединения. Наивысшая чувствительность метода достигается при использовании мощного потока нейтронов (ядерный реактор).
В. ПРЕВРАЩЕНИЕ В НЕЗАМЕЩЕННЫЕ И ЗАМЕЩЕННЫЕ АНИЛИДЫ
Хорошим реагентом для определения макроколичеств карбоновых кислот, ангидридов и хлорангидридов методом изотопного разбавления является я-хлоранилин-36С1. Для оценки содержания этих соединений в форме анилидов применяли также и некоторые хлор-феноксиуксусные-36С1 кислоты. Как правило, анилиды имеют резко выраженную температуру плавления и их можно очищать путем кристаллизации. Многообещающим радиореагентом для анализа меньших количеств веществ является п-иоданилин-1311. Образуемые им меченые n-иоданилиды сначала вводят в хроматографическую колонку, а затем счетчиком с твердым сцинтиллятором измеряют распределение радиоактивности вдоль этой колонки. Преимущество первичных ароматических аминов состоит в том, что обычно ангидриды и хлорангидриды карбоновых кислот реагируют с ними количественно в мягких условиях.
В работе [131] описан метод, в котором п-хлоранилин-3бС1 используется для прямого изотопного разбавления после превращения анализируемой карбоновой кислоты, ангидрида или \лор-ангидрида в нерадиоактивный n-хлоранилид. Меченый я-хлоранилин получают путем хлорирования ацетанилида элементарным хлором (изотоп 36С1) и последующего гидролиза образующегося /г-хлор-ацетанилида-36С1 концентрированной соляной кислотой. После этого приготавливают чистое меченое производное анализируемой кислоты. Кислоты, содержащиеся в анализируемой пробе, количест
Карбоксильные груННы
159
венно превращают в нерадиоактивные анилиды, обрабатывая их п-хлорфенилфосфазо-п-хлоранилидом
в присутствии нерадиоактивного n-хлоранилина. Для проведения этой реакции раствор 1—2 мМ кислоты, 0,8 г n-хлоранилина на 1 мМ кислоты и 0,4 г и-хлорфенилфосфазо-и-хлоранилида в 10 мл толуола кипятят с обратным холодильником в течение 90 мин. (Для уксусной кислоты следует брать смесь толуола и бензола 1:1.) После кипячения раствор охлаждают и добавляют в него 1,5 мл раствора и-хлоранилида-36С1 в диоксане, удельная радиоактивность которого должна быть равна примерно 1 мкКи/мМ. Полная радиоактивность полученного раствора равна примерно 0,01 мкКи. Затем в раствор добавляют 10 мл этанола и кипятят его до тех пор, пока он не станет почти прозрачным. Во время кипячения вместе с водяным паром из раствора удаляются органические растворители. После кипячения в раствор добавляют 10 мл 4 н. НС1 и отфильтровывают образовавшийся осадок. Неочищенный и-хлоранилид-36С1 очищают путем перекристаллизации из подходящего растворителя до тех пор, пока его температура плавления не будет отличаться от температуры плавления чистого производного менее чем на 1 °C. Химическую чистоту очищенного производного определяют по его температуре плавления с использованием известной константы понижения температуры плавления. Если получено достаточное количество и-хлоранилида-36С1, то его можно очищать до получения постоянного значения удельной радиоактивности (или, точнее, до тех пор, пока не станут близкими значения удельной радиоактивности производного, выделенного из фильтрата, и перекристаллизованного производного). Для перекристаллизации желательно использовать два растворителя.
Рекомендуется также использовать и стандартный раствор. Его приготавливают, смешивая известное количество меченого анилида с определенным количеством чистого немеченого соединения, примерно равном тому количеству анилида, которое получено из анализируемой пробы [ИЗ]; удельную радиоактивность этой смеси определяют тем же методом, что и в анализе пробы. В данном методе не требуется измерять удельную радиоактивность добавляемого меченого n-хлоранилида, и содержание кислоты в пробе вычисляют по формуле (5) гл. 1, разд V. Если же значение удельной радиоактивности добавленного n-хлоранилида известно, то содержание анализируемой кислоты определяют по формуле (6) гл. 1, разд. V. В работе [113] был подробно изучен первый из этих методов [вычисления по формуле (5)] с применением торцевого
160
Глава <3
счетчика Гейгера—Мюллера и определением чистоты по изменению температуры плавления. Полученные в этой работе значения выходов в анализах уксусной и бензойной кислот в присутствии значительных количеств воды и без нее, а также в анализах уксусного ангидрида и стеариновой кислоты приведены в табл. 3.8.
Чистоту проб уксусной и бензойной кислот и уксусного ангидрида, использованных в этих анализах, определяли разными химическими методами. Эти значения были равны 100,0 ± 0,2%, Ю0,1 ± ±0,2% и 100,0 ±0,4% соответственно. Чистота стеариновой кислоты была оценена как равная 99%. В методе I стеариновую кислоту кипятили с обратным холодильником с и-хлорфенилфосфазо-п-хлоранилидом и я-хлоранилином в толуоле. В методе II, который применим для кислот, образующих нелетучие хлориды, стеариновую кислоту сначала количественно превращали в соответствующий хлорангидрид действием тионилхлорида. Затем, после удаления избытка тионилхлорида, хлорангидрид стеариновой кислоты осторожно нагревали с раствором я-хлоранилина в ацетоне. Производное, которое получали в методе II, было труднее очищать, чем производное, полученное в методе I.
Важным преимуществом этого метода является возможность его использования для определения стеариновой кислоты в ~ 5 : 1 смеси стеариновой и пальмитиновой кислот. Его применяют тогда, когда в пробе имеется достаточно кислоты для образования производного в количестве, позволяющем очищать его путем перекристаллизации. Для определения дикарбоновых кислот этот метод неприменим из-за возможного образования моноанилидов или имидов. Степень превращения янтарной кислоты по результатам метода I составляла примерно 60%. а-Аминокислоты этим методом определить нельзя.
В работе [114] предлагалось использовать для определений реакцию фосфазо-14С-соединения с монокарбоновыми кислотами, которые не содержат аминогрупп.
Представляет ценность и метод изотопного разбавления, в котором определяемая карбоновая кислота является радиореагентом, а производное образуется из нерадиоактивного соединения. В этом методе не требуется количественного получения производного. Он особенно удобен и при разделении кислот-гомологов или кислот, родственных по другим признакам, когда применение изотопного разбавления с использованием только Меченой кислоты недостаточно эффективно. Этот метод применялся в работе [115] для анализа смесей хлорированных феноксиуксусных кислот. В этом анализе синтезировали меченые (изотопом 36С1) и чистые немеченые анализируемые кислоты (например, 2,4-дихлор- и 2,4,5-трихлор-феноксиуксусные). Известное количество меченой кислоты в растворе добавляли к анализируемой пробе, а также к определенному количеству той же самой чистой немеченой кислоты. В раствор с меченой кислотой намеренно добавляли значительные количества
Таблица 3&
Определение карбоновых кислот и их ангидридов в форме п-хлоранилидов-36С1
Определяемое соединение Содержание в пробе, мг Количество соединения, полученное в анализе, мг Выход, %
Уксусная кислота 126,6 126,8 100,2
127,8 127,3 99,6
125,0 а 126,8 101,4
125,5 6 127,2 101,3
122,2 6 121,4 99,3
123,5 в 122,7 99,3
128,2 р 127,0 99,0
128,6 г 139,4 101,4
128,0 г 127,2 99,4
Уксусный ангидрид 114,2 114,3 100,1
117,3 118,2 100,8
Бензойная кислота 131,2 131,1 99,9
134,0 134,3 100,2
134,7 133,5 99,1
132,0 132,3 100,2
134,9 135,3 100,3
126,0 а 127,1 100,9
13?,4 6 131,9 99,6
130,9 6 128,3 98,0
Стеариновая кислота (ме- 251,9 247 98,1
тод I) 255,0 250 98,0
259,3 254 98,0
248,1 247 99,6
246,3 д 245 99,5
251,4 д 244 97,1
250,6 е 248 99,0
254,7 е 253 99,3
Стеариновая кислота (ме- 250,1 248 99,2
тод II) 255,4 258 101,0
244,5 244 99,8
264,5 264 99,8
* К анализируемой пробе добавлено 10 мг воды;
б 25 мг воды;
в 50 мг воды;
г 10 мг муравьиной кислоты и 10 мг пропионовой кислоты;
А 25 мг пальмитиновой кислоты;
е 50 мг пальмитиновой кислоты,
б Зак, 58
162
Глава 3
нерадиоактивных веществ, меченые аналоги которых с большой вероятностью могли присутствовать в растворе в виде примесей. Полученные таким образом образцы растворяли в водном растворе едкого натра, осаждали соляной кислотой и высушивали. Производные, полученные путем кипячения с обратным холодильником выделенных кислот с анилином, очищали перекристаллизацией. Радиоактивность измеряли методом, в котором не требуется знать удельную радиоактивность кислоты. Можно пользоваться и формулой (6) гл. 1, разд. V, выразив соответствующие величины в требуемых единицах. Химическую чистоту анализируемых анилидов определяли по изменению температуры плавления, поскольку было трудно получать сверхчистые производные анализируемых кислот.
В этом методе не требуется высокой химической и радиохимической чистоты меченых кислот, поскольку вместе с радиоактивной кислотой в раствор пробы намеренно добавляли значительные количества нерадиоактивных примесей. При очистке радиоактивные примеси удалялись вместе со своими нерадиоактивными аналогами.
В работе [116] было показано, что для количественного анализа смесей /г-иоданилидов-1311 можно использовать метод с автоматическим измерением распределения радиоактивности вдоль колонки для жидкостной хроматографии, на которой осуществляют разделение этих производных. Соответствующее устройство включает в себя сцинтилляционный детектор у-излучения, соединенный с измерителем скорости поступления импульсов (ср. гл. 1, разд. V). Такой метод применялся лишь в определении смеси я-иоданилидов уксусной и пропионовой кислот, однако, в принципе, он применим для определения любого n-иоданилида или смеси п-иоданилидов, которые можно разделить или выделить методом колоночной хроматографии. Для полного использования возможностей этого метода необходимо количественно получать /г-иоданилиды карбоновых кислот.
Г. ПРЕВРАЩЕНИЕ В ПРОИЗВОДНЫЕ, МЕЧЕННЫЕ РАДИОАКТИВНЫМИ ИЗОТОПАМИ МЕТАЛЛОВ
Для определения микроколичеств соединений можно применять метод с образованием солей жирных кислот, меченных изотопами б°Со, 110mAg и 203Hg, после разделения этих кислот методом бумажной хроматографии с обращенными фазами. Полное содержание жирных кислот в анализируемой пробе можно довольно быстро определить с использованием либо 110mAgNO3, либо 203Hg(OAc)2, однако в методах с применением 60Со(ОАс)2 и получением хроматограмм требуются по крайней мере два реагента. Калибровочные данные получают путем анализа известных количеств чистых анализируемых кислот.
Карбоксильные группы
163
Ацетат кобальта-60, предложенный сначала в качестве реагента для определения олеиновой кислоты [117, 118] путем непосредственного нанесения кислоты на хроматографическую бумагу, использовали затем для определения насыщенных высших жирных кислот, разделенных на бумаге, пропитанной гидрофобной жидкостью [119]. В водном растворе реагента соответствующая реакция протекает медленно, поэтому для образования аммониевых солей пятна хроматограммы предварительно кондиционируют в газообразном аммиаке в закрытом сосуде в течение интервала времени продолжительностью до 8 ч. При определении олеиновой кислоты [117] пятна аммониевой соли обрабатывали несколькими каплями 2,5%-ного раствора б0Со(ОАс)2, имеющего удельную радиоактивность 10 мкКи/мл; избыток реагента смывали водой, а радиоактивность пятен измеряли торцевым счетчиком Гейгера—Мюллера. Этот метод применим, по-видимому, и для оценки полного содержания высших жирных кислот.
Лауриновую, миристиновую, пальмитиновую и стеариновую кислоты, каждая в количестве 40 мкг, разделяли методом хроматографии на бумаге с обращенными фазами. Для разделения использовали бумагу, пропитанную смесью низкомолекулярных углеводо-дов; точность определения от —1,3 до +1,4% [119]. В этом методе ориентационную, калибровочную и основную хроматограммы проявляли и высушивали одновременно. После кондиционирования аммиаком в течение 6—8 ч ориентационную (калибровочную) хроматограмму погружали в 0,03%-ный водный раствор нерадиоактивного Со(ОАс)2 и проявляли хорошо разделенные пятна 1%-ным раствором сульфида аммония. Остальные хроматограммы после кондиционирования аммиаком разрезали на кусочки размером Зсм. Те кусочки, которые содержали часть идентифицированных одиночных пятен, погружали в раствор меченого реагента и промывали, в результате чего образовывался 60CoS. После этого определяли полную радиоактивность 60CoS, полученного из каждой кислоты. Содержание каждой кислоты в пробе вычисляли по полной радиоактивности соответствующих пятен основной и калибровочной хроматограмм, принимая во внимание, что полная радиоактивность пропорциональна количеству данной кислоты в пробе. Во избежание ошибок необходимо строго контролировать величину pH раствора. При pH < 5,8 образование соли не является полным, а при pH > 6,0 на бумаге адсорбируются трудно десорбируемые ионы кобальта.
Если методы с использованием 60Со(ОАс)2 применяют для анализа проб, содержащих жирные кислоты с менее 12 атомами углерода, то прежде всего путем анализа чистых кислот необходимо убедиться в том, что соли не теряются в процессе промывки.
Недавним достижением в развитии метода с использованием изотопа 60Со для определения полного содержания в пробе высших
*6*
164
Глава 3
свободных насыщенных жирных кислот является измерение радиоактивности солей, образуемых в смеси хлороформа и гептана [120]. На практике 50 нл гептана с содержанием 1—40 нМ анализируемой кислоты смешивают в небольшой пробирке со 100 нл смеси 4 : 1 (по объему) хлороформа и гептана. Затем в эту пробирку добавляют 10 нл свежеприготовленного раствора, составленного из основного раствора 60Co(NO3)2, насыщенного водного раствора K2SO4 и триэтаноламина (10:9:1, по объему). В добавляемой порции содержится 100 нМ нитрата кобальта. Для приготовления основного раствора в мерную колбу емкостью 100 мл переносят 60Co(NO3)2 в таком количестве, чтобы его радиоактивность была равна 20 мКи, нерадиоактивный нитрат кобальта в таком количестве, чтобы получить 2 мМ соли, и 0,8 мл ледяной уксусной кислоты. Объем содержимого колбы доводят до метки насыщенным водным раствором сульфата натрия. Пробирку закрывают пробкой и в течение 30 с энергично перемешивают ее содержимое. Раствор в пробирке центрифугируют, отбирают из нее 100 нл верхней фазы и измеряют радиоактивность этой порции. Для получения более точных результатов следует пользоваться калибровочным графиком, построенным по результатам анализа известных количеств анализируемой кислоты.
При использовании реагента с удельной радиоактивностью 10 мКи/мМ чувствительность такого метода была равна 0,08 нМ (метод измерения радиоактивности в работе не указан). В результате проведения независимых опытов с использованием пальмитиновой-1^ кислоты и 60Co(NO3)2 выяснилось, что молярное отношение кислоты к кобальту в верхней фазе (органический растворитель) составляло 2,03 ±0,16, хотя в этой фазе присутствовало лишь 94% радиоактивности, обусловленной пальмитиновой кислотой. Выходы для кислот, содержащих менее 12 углеродных атомов в молекуле, сильно зависели от молекулярного веса этих кислот; для каприловой и каприновой кислот они были равны 70 и 90% соответственно. Ненасыщенные жирные кислоты не анализировались.
В описанном в работах [121, 122] методе с использованием изотопа 1311 нерадиоактивные серебряные соли высших насыщенных жирных кислот являлись промежуточными продуктами. В анализе этим методом хроматограммы анализируемых кислот, полученные методом хроматографии с обращенными фазами, на 15 мин погружали в насыщенный (примерно 0,05 М) раствор ацетата серебра и затем тщательно промывали водой. После этого в течение 15 мин их обрабатывали 0,01 М раствором К1311 с удельной радиоактивностью 3—4 мкКи/мл, в результате чего образовывалось Ag131I. Для удаления избытка реагента хроматограммы еще раз промывали водой и высушивали в темноте. Радиоактивность пятен измеряли счетчиком с щелевой диафрагмой шириной 2 мм. Этот метод позволил определить лауриновую, миристиновую, пальмитиновую и стеариновую кислоты в количествах 50—400 мкг с точностью 4,6—
Карбоксильные группы
165
7,1%. В случаях, когда пятна компонентов хорошо разделены, можно использовать имеющую место пропорциональную зависимость между полной радиоактивностью пятна и содержанием в нем анализируемого соединения. Если полную радиоактивность пятна определить трудно, то можно использовать соотношение между максимумом радиоактивности пятна и содержанием в нем анализируемого соединения. Для получения более точных результатов основную и сравнительную хроматограммы следует проявлять одновременно. Данный метод неприменим к анализу жирных кислот, содержащих менее 12 углеродных атомов в молекуле, поскольку серебряные соли таких кислот заметно растворимы в воде.
В работе [123] предложен метод количественного определения полного содержания высших жирных кислот в форме их серебряных (110mAg) или ртутных (203Hg) солей на фильтровальной бумаге. Условия, необходимые для применения 110mAgNO3, хорошо известны. Для анализа этим методом не более 1000 мкг кислоты наносят на фильтровальную бумагу в виде равномерного пятна диаметром около 1 см и на 1 ч погружают бумагу с пятном в 1%-ный раствор 110mAgNO3 при pH, заметно меньшем 4. После этого бумагу четыре раза промывают водой для удаления избытка реагента. Если в пробе имеется каприловая или каприновая кислота, то воду для промывки необходимо насытить серебряной солью анализируемой кислоты с тем, чтобы предотвратить выщелачивание. Обрабатывать пятна следует осторожно, чтобы не допустить восстановления иона серебра бумагой. Аналогичным образом применяют и 203Hg(OAc)2, хотя с этим реагентом ненасыщенные кислоты кроме солей образуют и продукты присоединения.
Для косвенного определения ненасыщенных жирных кислот в присутствии насыщенных кислот в работе [124] предлагается метод, основанный на различии растворимости солей этих кислот с изотопом 110mAg. Для анализа этим методом приготавливают две бумажные хроматограммы с одним и тем же количеством образца и проявляют их одним и тем же способом. После высушивания хроматограмм одну из них обрабатывают водным раствором 110mAgNO3, имеющим pH 7,6—8,0, а другую — раствором II0mAgNO3 в смеси этанола и воды (1:1), имеющим значение pH, равное 4,3. Соли кислот обоих типов удерживаются на бумаге водным раствором реагента с более высоким значением pH, в то время как соли ненасыщенных кислот смываются с хроматограммы водно-этаноль-ным раствором с меньшим pH; по разности обработанных хроматограмм определяют ненасыщенные кислоты.
Из других радиоактивных катионов для образования нерастворимых солей жирных кислот использовали 144Се, 90Sr, 204Т1 и 95Zr [121].
Необходимость определения малых концентраций карбоксильных групп, содержащихся в различных типах химически обработанной целлюлозы, привела к созданию нескольких методов
166
Глава 3
с применением радиоактивных изотопов металлов. В этих методах измеряют радиоактивность либо производного целлюлозы, либо верхнего слоя жидкости; для получения точных результатов обычно необходимо строго контролировать значение pH растворов в процессе реакции и промывки. Реагенты, которые использовались в анализах различных веществ, приведены в табл. 3.9.
Таблица 3.9
Определение карбоксильных групп в целлюлозных материалах радиохимическим методом
Тип целлюлозы Радиореагент Фаза, радиоактивность которой изерялась Литература
Карбоксиметилцеллюлоза Соли Th или U Твердая 125
Целлюлоза "4Се (ОАс)3 Твердая 126
Окисленная целлюлоза Соль б0Со Твердая 127
Окисленная целлюлоза 60Со (NO3)2, "fmAgNO3 Твердая 128
Целлюлоза Н4Се(ОАс)3 Твердая 129
Целлюлоза ,5Са(ОАс)2 Жидкая 130
Окисленная целлюлоза "omAgNOs Твердая 131
В работе [132, 133] на примере анализа щавелевой КИСЛОТЫ,
оксалата аммония, лимонной кислоты, цитрата натрия и /г-амино-салицилата натрия была показана возможность радиометрического титрования органических кислот и их растворимых солей соединением I10mAgNO3. Анализ этим методом включает в себя количественное осаждение солей серебра и последующее обнаружение избытка иона серебра в жидкой фазе после образования и осаждения твердой фазы. Недавним усовершенствованием радиометрического метода определения щавелевой кислоты явилось титрование 0,1 н. или 0,01 н. раствором хлорида радиоактивного изотопа 45Са [137], которое осуществляют в приборе, сконструированном для обнаружения слабого p-излучения с помощью сцинтиллятора [138]. В работе [139] описано определение аскорбиновой кислоты методом окислительно-восстановительного титрования, в котором титрование ведут хлоридом железа (III), а в качестве индикатора используют амальгаму изотопа 65Zn.
Д. ДРУГИЕ МЕТОДЫ
Существуют и различные другие методы количественного и качественного определения карбоксилсодержащих веществ, которые нашли широкое применение в биохимических анализах. Ценными реагентами являются тиоцианат-355 аммония [140—142] и фе-нил-3Н-изотиоцианат [143], которые применимы для количественного
Список ли'герйТуры
167
определения концевых карбоксильных групп (С-концевых) полипептидов в форме тиогидантоиновых и фенилтиогидантоиновых производных соответствующих аминокислот. Идентификацию С-концевых аминокислот белков часто можно осуществить путем селективного титрования, которое включает в себя обработку пробы водой 3Н2О в присутствии уксусного ангидрида [144—146]; после критического изучения [146] этого метода было рекомендовано растворять анализируемый белок в 3Н2О с последующим добавлением пиридина и уксусного ангидрида. Молочную кислоту можно определить, комбинируя метод изотопного разбавления с окислением сульфатом церия [147]. Для определения оксалатов в моче в форме кальциевой соли применяли щавелевую-14С кислоту [148], этот же радиореагент использовали и при определении поправки в оксидиметрическом методе определения этой кислоты [149].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
АБСОРБЦИОННЫЕ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
1. Childers Е., Struthers G. W., Anal. Chem., 27, 737 (1955).
2. Feigl F., Anger V., Mikrochemie, 15, 23 (1934); Anger V., Frehden 0., ibid., 15, 9 (1934).
3. Goddu R. F.. LeBlanc N. F., Wright С. M., Anal. Chem., 27, 1251 (1955).
4. Черонис H Д , Ma T. С., Микро- и полумикрометоды органического функционального анализа, изд-во «Химия», М., 1973.
5. Bergman F., Anal. Chem., 24, 1367 (1952).
6. Dinsmore H. L., Smith D. C., Anal. Chem., 20, 14 (1948).
7. Haslam J., Hew lands C., Analyst, 80, 50 (1955).
ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
8. Downing D. T., Greene R. S., Anal. Chem., 40, 827 (1968).
9. Liliedahl H., Acta Chem. Scand., 20, 95 (1966).
10. Hamada T., Omori S., Kameoka K., Horii S., Morimoto H., J. Dairy Sci;, 51, 228 (1968).
11. Cottyn B. G., Boucque С. V., J. Agr. Food Chem., 16, 105 (1968).
12. Kellogg D. W„ J. Dairy Sci., 52, 1690 (1969).
13. Shelley R. N., Salwin H., Horwitz W., J. Assoc. Offic. Agr. Chemists, 46, 486 (1963).
14. Ledford R. 4., J. Dairy Sci., 52, 949 (1969).
15. Nikelly J. G., Anal. Chem., 36, 2244 (1964).
16. Bierl B. A., Beroza M.f Ashton W. T., Mikrochim. Acta, 1969, 637.
17. Metcalfe L. D., Nature, 188, 142 (1960).
18. Davison V. L., Dutton H. J., Anal. Chem., 38, 1302 (1966).
19. Hoffman N. E., White I. R., Anal. Chem., 37, 1541 (1965).
20. Hall R. C., Giam G. S., Merkle M. G., Anal. Chem., 42, 423 (1970).
21. Ma T. S., Shang С. T., Manche E., Mikrochim. Acta, 1964, 571.
22. Ma T. S., Schenck R. T. E., Mikrochemie, 40, 245 (1953).
23. Hubacher M. H., Anal. Chem., 21, 945 (1949).
24 Beroza M., Anal. Chem., 25, 177 (1953).
25 Di Lorenzo A., J. Chromatog. Sci., 8, 224 (1970).
26. Radin N. S., J. Am. Oil Chemists' Soc., 42, 569 (1965).
27. O'Brien L S.t Rousei G.t Anal. Biochem., 7, 288 (1964).
168
Глава 3
28. Morris L. J., Holman R. T., Fontell K-, J. Am. Oil Chemists' Soc., 37, 323 (1960); J. Lipid Res., 1, 412 (1960).
29. Verhaar L. A. T.t de Wilt H. G. J., J. Chromatog., 41, 168 (1969).
30. Horning M. G., Boucher E. A., Moss A. M., Horning E. C., Anal. Letters, 1, 713 (1968).
31. Hoffman N. E., Kittinger T. A., Anal. Chem., 41, 162 (1969).
32. Blau K., in «Biomedical Applications of Gas Chromatography», Vol. 2, H. A. Szymanski, ed, Plenum, New York, 1968, p. 1—52.
33. Gehrke C. W., Stalling D. L., Separation Sci.. 2, 101 (1967).
33a. Zumwalt R. W., Roach D., Gehrke C. W., J. Chromatog., 53, 171 (1970).
34. Klebe J. F., Finkbeiner H., White D. M., J. Am. Chem. Soc., 88, 3390 (1966).
35. Pollock G. E., Anal. Chem., 39, 1194 (1967).
36. Shenstone F. S, Vickery J. R., Johnson A. R., J. Agr. Food Chem., 13, 410 (1965).
37. Schneider E. L, Loke S. P., Hopkins D. T., J. Am. Oil Chemists' Soc., 45, 585 (1968).
38. Recourt J. H., Jurriens G., Schmitz M., J. Chromatog., 30, 35 (1967).
59. Krchma I. J., Gas Chromatog., 6, 457 (1968).
40. Monk P. R., Forrest W. W., J. Chromatog., 30, 203 (1967).
41. Huebner V. R., J. Am. Oil .Chemists' Soc., 36, 262 (1959).
42. Kuksis A., Breckenridge W. C., Marai L., Stachnyk 0., J. Am. Oil Chemists' Soc., 45, 537 (1968).
43. Watts R., Dils R., J. Lipid Res., 10, 33 (1969).
44. Hradec J., J. Chromatog., 32, 511 (1968).
45. Hadorn H., Zuercher K., Mitt. Gebiete Lebensm. Hyg., 59, 369 (1968).
46. Bezard J., Bugaut M., J. Chromatog. Sci., 7, 639 (1969).
47. Kates M„ J. Lipid Res., 5, 132 (1964).
48. Kleiman R., Earle F. R., Wolff I. A., J. Am. Oil Chemists' Soc., 46, 505 (1969).
49. Antonini F. M., Tinti P., Petruzzi E., Bucalossi A., Pazzagli G., D'Alessandro A., Riv. Ital. Sostanze Grasse, 46, 144 (1969).
50. Peterson J. I., de Schmertzing H., Abel K., J. Gas Chromatog., 3, 126 (1965).
51. Mason M. E., Waller G. R., Anal. Chem., 36, 583 (1964).
52. Jamieson G. R., Reid E. H., J. Chromatog., 17, 230 (1965).
53. Christopherson S. W., Glass R. L., J. Dairy Sci., 52, 1289 (1969).
54. Oette K., Doss M., J. Chromatog., 32, 439 (1968).
55. Davison V. L., Dutton H. J., J. Lipid Res, 8, 147 (1967).
56. Alling C., Svennerholm L., Tichy J., J. Chromatog, 34, 413 (1968).
57. buddy F. E., Barford R. A., Herb S. F., Magiaman P., J. Am. Oil Chemists' Soc, 45, 549 (1968).
58. Horrocks L. A, Cornwell D. G., J. Lipid Res, 3, 165 (1962).
59. Archibald F. Л4, Skipski V. P., J. Lipid Res, 7, 442 (1966).
60. Barron E. J., Mooney L. A, Anal. Chem, 40, 1742 (1968).
61. Acree F., Jr., Beroza M., J. Econom. Entomol, 55, 619 (1962).
62. Malaiyandi M., Barrette J. P., Chau A. S. У, MacDonald S. A, Abstracts of Papers, B-65, 154th Meeting, American Chemical Society, Chicago, Ill, 1967.
63. Tрубникова В. И., Малахова Л. М., Жданович Е. С., Журн. анал. хим, 23, 1546 (1968).
64. Radhakrishnamurthy В., Dalferes Е. Т., Jr., Berenson G. S., Anal. Biochem, 26,61 (1968).
65. Hoodless R. A, Weston R. E., Analyst, 94, 670 (1969).
66. Чумаченко M. H., Твердюкова Л. Б., Леенсон Ф. Г., Журн. анал. хим, 21, 617 (1966).
67. Sennello L. Т., Argoudelis С. J., Anal. Chem, 41, 171 (1969).
68. Mori S., Furusawa M., Takeuchi T., Anal. Chem, 42, 661 (1970).
69. Briggs G. G., Dawson J. E., J. Agr. Food Chem, 18, 97 (1970).
70. Kiessling W., Moll К. K., J. Prakt. Chem, 311, 876 (1969).
71. Taramasso M., Guerra A, J. Gas Chromatog, 3, 138 (1965).
72. Oda M., Suzuki K., Kashiwa T., Ikeda K., Hattori T.t Bunseki Kagaku, 18, 1267 (1969).
Список литературы
169
ЭЛЕКТРОАНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
73. Siggia S., Quantitative Organic Analysis via Functional Groups, 3rd Ed., John Wiley, New York, 1963, p. 130—202.
74. Szebelledy S. L., Somogyi S. F., Z. Anal. Chem., 112, 400 (1938).
75. Lingane J. J., Small L. A., Anal. Chem., 21, 1119 (1949).
76. Carson W. N., Jr., Ko R., Anal. Chem., 23, 1019 (1951).
77. Crisler R. O., Coulson R. D., J. Am. Oil Chemists' Soc., 39, 470 (1962).
78. Streuli C. A., Cincotta J. J., Maricle D. L., Mead К. K., Anal. Chem., 36,
1371 (1964).
79. Johansson G., Taianta, 11, 789 (1964).
80. Gaslini F., Nahum L. Z., Anal. Chem., 31, 989 (1959).
МЕТОДЫ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА
81. Purcell J. M., Morris S. G., Susi H., Anal. Chem., 38, 588 (1966).
82. Sawyer D. T., Brannan J. R., Anal. Chem., 38, 192 (1966).
83. Paulsen P. J., Cooke W. D., Anal. Chem., 36, 1713 (1964).
84. Jungnickel J. L., Forbes J. W., Anal. Chem., 35, 938 (1963).
85. Parker J. R., Anal. Chem., 41, 1103 (1969).
86. Rosado-Lojo O., Hancock C. K., Danti A., J. Org. Chem., 31, 1899 (1966).
87. Kan R. O, J. Am. Chem. Soc., 86, 5180 (1964).
88. Percival D. F., Stevens M. P., Anal. Chem., 36, 1574 (1964).
89. Konishi K.y Kanoh У., Anal. Chem., 40, 1881 (1968).
90. Brame E. G., Jr., Ferguson R., Thomas G. J., Jr., Anal. Chem., 39, 517 (19j7).
РАДИОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
91. Schlenk H., Gellerman J. L., Anal. Chem., 32, 1412 (1960).
92. Смирнов Б. П., Попова P. А., Нисканен P. А., Биохимия, 25, 368 (1960/.
93. Смирнов Б. П., Труды комиссии по анал. хим., Изд. АН СССР, 13, 435 (1963).
94. Mangold Н. К., Gellerman J. L., Schlenk Н., Federation Proc., 17, 268 (1958),
95. Mangold H. К., Fette, Seifen, Anstrichmittel, 61, 877 (1959).
96. Wood P. D. S., Sohdi H. S., Proc. Soc. Exptl. Biol. Med., 118, 590 (1965$.
97. Heyns K.y Heinecke H., Grimmer G., Hoppe-Seylers Z. Physiol. Chem., 34d, 116 (1965).
98. Heyns K.y Hauber R., Hoppe-Seylers Z. Physiol. Chem., 348, 357 (1967).
99. Baumgartner W. E., Proc. Sym. Advan. Tracer Appl. Tritium, Boston, 1953 p. 33.
100. Baumgartner W. E.y Lazer L. S., Dalziel A. M., Cardinal E. V., Varner E. Lti J. Agr. Food Chem., 7, 422 (1959).
101. Lazer L. S., Baumgartner W. E., Dahlstrom R. V., J. Agr. Food Chem., 9, 24 (1961).
102. Baumgartner W. E., in «Advances in Tracer Methodology», Vol. 1, S. Roth child, ed., Plenum, New York, 1962, pp. 257—262.
103. Papirer E., Donnet J.-B., Bull. Soc. Chim. France, 1966, 2033.
104. Melander L.y Arkiv Kemi, 3, 525 (1951).
105 Verly W. G., Rachele J. R., du Vigneaud V., Eidinof M. L., Knoll J. E J. Am. Chem. Soc., 74, 594 (1952).
106. Koch G. K.y Jurriens G., Nature, 208, 1312 (1965).
107. Fischer G. A., Kabara J. J., Anal. Biochem., 25, 432 (1968).
Г08. Garmon R. G., Gibson M. E., Anal. Biochem., 37, 1309 (1965).
Г09. Metcalfe L. D., Schmitz A. A., Anal. Chem., 33, 363 (1961).
110. Eberhagen D., Wittman B., Seitz W., Z. Anal. Chem., 237, 17 (1968}.
ГП. Kibrick A. C., Skupp S. J., Anal. Chem., 31, 2057 (1959).
112. Steim J. M., Benson A. A., Anal. Biochem., 9, 21 (1964).
113. Sorenson P., Anal. Chem., 28, 1318 (1956).
170
Глава 3
114. Raaen V. F., Ropp G. A., Raaen H. P., Carbon-14, McGraw-Hill, New York, 1968, p. 17.
115. Sorenson P.y Anal. Chem., 26, 1581 (1954).
116. Stokes IF. M.y Fish W. A., Hickey F. C., Anal. Chem., 27, 1895 (1955).
117. Kaufmann H. P., Budwig J., Fette und Seifen, 53, 69 (1951).
118. Kaufmann H. P., Fette, Seifen, Anstrichmittel, 58, 492 (1956).
119. Otto R., Atompraxis, 7, 209 (1961); Isotopentechnik, 1, 184 (1961).
120. Ho R. J., Meng H. C., Anal. Biochem., 31, 426 (1969).
121. Budzynski A. Z., Zubrzycki Z. J., Campbell I. G.y Proc. 2nd Intern. Conf. Peaceful Uses At. Energy, Vol. 24, Geneva, 1958, p. 274.
122. Zubrzycki Z. J.y Budzynski A. Z., Campbell /. G., Taianta, 2, 165 (1959).
123. Jaky M.y Kaffka K-, Fette, Seifen, Anstrichmittel, 62, 682 (I960).
124. Акрамов Ш., Маркман А. Л.у ДАН СССР, 24, 25 (1967).
125. Simionescu C, Asandei AL, Chem. Anal., 40, 204 (1958) [Chem. Absti., 52, 19121e].
126. Daudel P., Chem. Anal., 40, 325 (1958) [Chem. Abstr., 52, 130h],
127. Rochas P., Bussiere R.y Gavet L., Compt. Rend., 248, 3436 (1959).
128. Rochas P.y Gavet L., Bull. Inst. Textile France, No 87, 19 (1960).
129. Valls P.y Venet A. M.y Pousadier J., Bull. Soc. Chim. France, C106-9 (1953).
130. Hostomsky J., Tolgyessy J., Krivan V., Chem. Zvesti, 14, 290 (1960) [Chem. Abstr., 54, 25787g].
131. Rochas P.y Gavet L.y Melliand Textilber., 49, 1123 (1968).
132. Braun T., Tolgyessy J., Taianta, 11, 1277 (1964).
133. Braun T.y Tolgyessy J., Radiometric Titrations, Pergamon, New York, 1967.
134. Bebesel P., Sirbu Rev. Chim. (Bucharest), 11, 288 (1960) [Chem Abstr., 58, 5034а].
135. Straub G., Czapo Z.y Acta Chim. Acad. Sci. Hung., 26, 267 (1961) [Chem. Abstr., 55, 21963с].
136. Tolgyessy J., Sarsunova M.y Z. Anal. Chem., 196, 192 (1963).
137. Omboly C., Szarvas T., Horvath L.y Radiochem. Radioanal. Letters, 1, 149 (1969).
138. Omboly C.y Szarvas T.y Vegh G., J. Radioanal. Chem., 4, 2'15 (1970).
139. Braun T., Koros E., Proc. Intern. At. Energy Agency Symp. Radiochem. Methods Anal., Vol. 2, Salzburg, 1964, p. 213.
140. Scoffone E., Turco A., Chellemi D., Scatena M.y Proc. 15th Intern. Congr. Pure Appl. Chem., Vol. 2, Lisbon, 1956, pp. 750—752.
141. Scoffone E., Turco A.y Ric. Sci., 26, 865 (1956).
142. Scoffone E.y Turco A.y Scatena M.y Ric. Sic., 27, 1193 (1957).
143. Laursen R. A., Biochem. Biophys. Res. Commun., 37, 663 (1969).
144. Matsuo H.y Fujimoto У., Tatsuno T., Tetrahedron Letters, 39, 3465 (1965).
145. Matsuo H.y Fujimoto У., Tatsuno T.y Biochem. Biophys. Res. Commun. 22, 69 (1966).
146. Holcomb G. N.y James S. A., Ward D. AZ., Biochemistry, 7, 1291 (1968).
147. Leunissen R. L. A., Piatnek-Leunissen D. A., Anal. Biochem., 15, 409 (1966).
148. Dean В. M.y Griffen W. J., Nature, 205, 598 (1965).
149. Koch G. H., Strong F. M., Anal. Chem., 37, 1092 (1965).
Алкоксильные и оксиалкиленовые группы
I. АБСОРБЦИОННЫЕ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Дж. Г. Ханна
ОПРЕДЕЛЕНИЯ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ ПРОВЕДЕНИЕМ
ХИМИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЙ
1. Гидролиз метоксигрупп до метанола и окисление до формальдегида
В работе Паволини и Малатеста [1] описано определение мети* лендиокси- и метоксигрупп в девяти алкалоидах и шести фенолах. При этом метилендиоксигруппы сначала превращали в формальдегид под действием нагретой 80%-ной фосфорной кислоты, а затем проводили гидролиз метоксигрупп до метанола под действием нагретой концентрированной серной кислоты. После этого метанол окисляли бихроматом калия до формальдегида и определяли формальдегид, используя реагент Несслера или реагент Толленса.
Мазере и Про [2] сначала гидролитически расщепляли метоксигруппы до метанола, затем окисляли метанол до формальдегида и после конденсации с хромотроповой кислотой определяли формальдегид колориметрическим методом.
Метод Мазерса и Про [2]
Оборудование. Спектрофотометр фирмы «Beckman» модели DU с кюветами с I = 1см.
Аппарат для перегонки с целью проведения микроопределений. Дистилляционная колонка с полной конденсацией, обеспечивающая отбор нужных фракций, снабжена серебряной вакуумной рубашкой. Насадочная секция колонки имеет размеры 1 Х20см, насадка— одновитковые стеклянные спиральки.
Реагенты. Стандартный раствор метанола (20 мг/100 мл) в 5,5%-ном (по объему) этаноле.
Раствор этанола с концентрацией 5—6% (по объему).
Раствор хромотроповой кислоты, 1 г кислоты на 25 мл воды. Этот раствор следует приготавливать ежедневно.
Раствор перманганата калия. Растворяют 3 г перманганата и 15 мл 85%-ной фосфорной кислоты в 100 мл дистиллированной воды.
172
Глава 4
Проведение анализа. Навеску анализируемой пробы (около 0,1 г) переносят в колбу емкостью 250 мл и присоединяют к колбе обратный холодильник. Через холодильник в колбу добавляют около 10 мл концентрированной серной кислоты (для больших проб количество кислоты удваивают) и в течение 5 мин нагревают колбу до появления паров серного ангидрида.После этого реакционную смесь охлаждают и разбавляют 75 мл воды, которую наливают через холодильник. После охлаждения полученного раствора холодильник отсоединяют от колбы, присоединяют к ней простое устройство для перегонки и перегоняют около 45 мл жидкости в мерную колбу емкостью 50 мл, в которой содержится Змл 95%-ного этанола. После перегонки раствор в мерной колбе доливают до метки водой. Переносят пипеткой 1 мл полученного раствора в другую мерную колбу емкостью 50 мл, погруженную в баню со льдом, и затем добавляют в эту колбу 2 мл охлажденного раствора перманганата. После этого в течение 30 мин выжидают прохождения реакции окисления при температуре ледяной бани, а затем, добавив в раствор 0,2—0,3 г бисульфита натрия, разрушают избыток окислителя. В полученный прозрачный раствор добавляют 1 мл раствора хромотроповой кислоты, а затем медленно при непрерывном перемешивании добавляют 15 мл концентрированной серной кислоты. Добавив кислоту, открытую колбу с полученным раствором на 30 мин помещают в водяную баню с температурой 55—65°C. После этого раствор в колбе разбавляют водой, охлаждают до комнатной температуры и доливают водой до метки. Обрабатывая тем же способом (начиная со стадии окисления) 1 мл 5,5—6%-ного этанола и 1 мл стандартного раствора метанола, получают соответственно холостой раствор и стандартный раствор (со стандартной окраской). После этого измеряют поглощения анализируемого раствора и стандартного раствора метанола при 570 нм относительно поглощения холостого раствора этанола.
Полученная величина поглощения прямо пропорциональна количеству формальдегида, которое в свою очередь пропорционально количествам метоксигрупп и метанола. Однако интенсивность окраски раствора зависит еще и от температуры, поэтому поглощение анализируемого раствора и стандартного раствора метанола следует измерять при почти одинаковых температурах.
Вычисления. Количество метоксигрупп вычисляют по формуле л,
~-ХКХМХР = С, (1)
где Ai—поглощение анализируемого раствора; А2 — поглощение стандартного раствора метанола; /( — коэффициент разбавления пробы; Р — отношение молекулярных весов метоксигруппы и метанола; М — процентное содержание метанола в стандартном растворе; С — содержание метоксигруппы в вес.%.
Макроопределение. Навеску анализируемой пробы (около 1 мг)
Алкоксилъные и оксиалкиленовые группы
173
переносят в круглодонную колбу емкостью 100 мл и соединяют колбу с обратным холодильником. Добавляют в колбу 10 мл концентрированной серной кислоты и затем в течение 5 мин нагревают колбу до появления паров серного ангидрида. Затем раствор в колбе охлаждают и через обратный холодильник добавляют около 40 мл воды. После этого холодильник отсоединяют, а колбу присоединяют к дистилляционной колонке и перегоняют раствор в течение 20 мин. При флегмовом числе 30: 1 собирают 2 мл дистиллята. Переносят пипеткой 1 мл дистиллята в мерную колбу емкостью 10 мл и добавляют 1 каплю 95%-ного этанола. После этого колбу охлаждают в бане со льдом, добавляют 2 мл охлажденного раствора перманганата и в течение 30 мин выжидают прохождения реакции окисления. По истечении этого времени избыток
Таблица 4.1
Результаты определения метоксигрупп [2]
Соединение Содержание метоксигрупп, вес. %
вычисленное полученное в анализе
Анисовый альдегид (ц-метоксибензальдегид) 22,8 22,8
Диметилацеталь а-хлоризомасляного альдегида 40,6 40,2
2,4-Динитрофенилгидразон а-метоксиизомасля-ного альдегида 11,0 10,8
Метилцеллозольв (2-метоксиэтанол) 40,7 40,4; 40,6
Хлоргидрат кокаина (бензоилметилэкогонин) 9,1 8,9; 8,8
Гидратированный сульфат кодеина (метилмор-фин) 7,9 7,5а; 7,8
Гидратированный сульфат кодеина (микроопределение) 7,9 7,5а; 8,0; 7,8
Метиловый эфир а-хлоризомасляной кислоты 22,7 22,9
Метилцеллюлоза (монометиловый эфир) 17,6 17,5
Метиловый эфир метакриловой кислоты 31,0 30,6
Пектин — 3,5а; 3,5
Ванилин (4-окси-З-метоксибензальдегид) 20,4 20,2; 20,2
Глицин 0 0
Глицерин 0 0
Этиленгликоль 0 0
п-Диметиламинобензальдегид 0 0
Молочная кислота 0 0
Винная кислота 0 0
Йодистый метил 21,8 7,6
Гликолевая кислота (оксиуксусная кислота) 40,8 24,7
а Окисление в отсутствие этанола.
174
Глава 4
перманганата в колбе разрушают бисульфитом натрия, добавляют 1 мл раствора хромотроповой кислоты, 6 мл концентрированной серной кислоты и в течение 30 мин нагревают смесь на водяной бане с температурой 55—65 °C. Затем колбу охлаждают, серной кислотой доливают раствор до метки и измеряют его поглощение при 570 нм относительно поглощения холостого раствора, обработанного так же, как и раствор пробы (1 капля этанола). В той же последовательности, что и пробу, анализируют 0,2 мл стандартного раствора метанола. Содержание метоксигрупп вычисляют затем по формуле (1).
Окисление метанола кислым раствором перманганата представляет собой равновесную реакцию, причем в равновесных условиях наблюдается менее чем 50%-ный выход формальдегида. Метанол и этанол окисляются до соответствующих альдегидов и кислот, причем метанол может давать и некоторое количество двуокиси углерода. Уксусный альдегид, образующийся из этанола, в некоторой степени мешает определению формальдегида, поскольку он окрашивает раствор в желтый цвет и поглощает при 570 нм. Этот эффект можно учесть, используя стандартный раствор, в котором содержится то же самое и тем же способом обработанное количество этанола, что и в анализируемой пробе. Результаты определения метоксигрупп с добавлением этанола к пробе и без него приведены в табл. 4.1.
Бероза [3] показал, что метилендиоксигруппы или другие лабильные метиленовые группы можно превратить в формальдегид путем гидролитического расщепления молекулы; ясно, что соединения, содержащие эту группу, мешают определению метоксигрупп данным методом. Мешают определению также гликолевая кислота и иодистый метил. Другие алкоксильные и алкимидные группы не оказывают мешающего действия.
2. Расщепление полиоксиэтиленовых соединений
При нагревании безводных проб полиоксиэтиленовых соединений с кислым спиртовым раствором 2,4-динитрофенилгидразина и последующей обработке образующихся продуктов спиртовым раствором едкого кали раствор приобретает интенсивную пурпурную окраску и поглощает при 560 нм. Образующийся при этом гидразон не является производным формальдегида или уксусного альдегида, поскольку эти соединения дают растворы красного или винно-красного цвета, имеющие максимумы поглощения при 440 и 425 нм соответственно. Гейтвуд и Грэм [4], разработавшие метод, основанный на этой реакции, высказали предположение о том, что в ней образуются дифенилгидразоны. Эти соединения могут затем реагировать с гидразином с образованием фрагментов с 2 или 3 атомами углерода. Поверхностно-активные вещества, не содержа
Алкоксильные и оксиалкиленовые группы
175
щие звеньев окиси этилена или пропилена, не давали этой реакции. Не взаимодействовал с реагентом и этиленгликоль, однако ди-и триэтиленгликоли, а также пропиленгликоль реагировали с ним.
Метод Гейтвуда и Грэма [4]
Реагенты. Метанол без примеси карбонильных соединений. Для его приготовления 500 мл метанола в течение 3 ч кипятят с обратным холодильником с 5 г 2,4-динитрофенилгидразина и 1 мл концентрированной соляной кислоты. По окончании кипячения смесь подвергают перегонке, собирают фракцию, кипящую в диапазоне температур 64,7—65 °C, и вновь перегоняют эту фракцию.
Спиртовый раствор едкого кали (10%-ный). Для его приготовления 10 г едкого кали растворяют в 20 мл дважды дистиллированной воды и доводят объем раствора до 100 мл, доливая его спиртом, не содержащим примесей карбонильных соединений. В течение всего процесса приготовления раствора колбу следует держать в бане со льдом.
Раствор 2,4-динитрофенилгидразина. Приготавливают, добавляя 5 мл концентрированной соляной кислоты в смесь 100 мг 2,4-динитрофенилгидразина и 50 мл спирта без примеси карбонильных соединений. При необходимости смесь встряхивают и немного подогревают до полного растворения 2,4-динитрофенилгидразина. Полученный раствор доливают до 100 мл спиртом без примеси карбонильных соединений. Свежий раствор следует приготавливать один раз в три дня.
Проведение анализа. Приготавливают раствор пробы с концентрацией 2,5—25 мкг/мл. Переносят пипеткой I мл этого раствора в пробирку из боросиликатного стекла со стеклянной пробкой. Пробирку предварительно просушивают в термостате. Если имеется менее 1 мл раствора пробы, то его доливают до 1 мл спиртом без примеси карбонильных соединений. В пробирку с раствором приливают 1 мл раствора 2,4-динитрофенилгидразина и в течение ровно 15 мин нагревают полученную смесь на водяной бане. После этого пробирку охлаждают в бане со льдом и добавляют в нее 5 мл дистиллированной воды. Наконец, измеряют поглощение полученного раствора при 560 нм относительно поглощения холостого раствора и по калибровочному графику определяют концентрацию анализируемого соединения в пробе.
3. Комплексы полиоксиалкиленовых соединений с тиоцианатом кобальта
Браун и Хэйес [5] разработали методы количественного определения полиоксиэтилена, основанные на образовании голубого комплекса при обработке этих соединений аммиачным раствором тиоцианата кобальта. Комплекс экстрагируют хлороформом и
176
Глава 4
измеряют поглощение экстракта при 620 или 318 нм, причем анализ по поглощению при 318 нм оказался более чувствительным.
Как обнаружил Морган [6], комплексы, образуемые несколькими поверхностно-активными веществами на основе полиоксиэтилена, нерастворимы в хлороформе, но легко растворяются в бензоле. После испарения бензола комплекс разлагают водой и определяют кобальт в водном растворе в форме комплекса с нитрозо-И-солью; поглощение измеряют при 500 нм. Этот метод имел такую же чувствительность, как и метод с образованием голубого комплекса, поглощающего при 318 нм.
Метод Моргана [6]
Реагенты. Аммиачный раствор тиоцианата кобальта. Растворяют в воде 174 г тиоцианата аммония и 2,8 г гексагидрата нитрата кобальта и доливают раствор водой до 1 л.
Смесь соляной и азотной кислот. Смесь 25 мл концентрированной соляной и 5 мл концентрированной азотной кислот разбавляют водой до получения 100 мл раствора.
Водный раствор нитрозо-И-соли с концентрацией 0,05% (вес/объем).
Водный раствор ацетата натрия с концентрацией 50% (вес/объем).
Проведение анализа. Отмеренное количество (около 5 мл) раствора тиоцианата переносят в цилиндр с пробкой емкостью 25 мл. Если анализируемое поверхностно-активное вещество растворимо в бензоле, то в цилиндр добавляют раствор пробы в бензоле, содержащий около 0,5 мг неизвестного соединения; если же анализируемое вещество растворимо в воде, то в цилиндр добавляют не более 0,5 мл его водного раствора. Затем в этот цилиндр наливают бензол до получения примерно 10 мл раствора, в течение 2 мин энергично встряхивают цилиндр и дают отстояться жидкости. Бензольную фазу переносят в стакан емкостью 100 мл, а в водную фазу добавляют еще 5—10 мл бензола. После этого цилиндр несколько раз переворачивают вверх дном, дают жидкости отстояться и вновь переносят бензольную фазу в тот же стакан.
Стакан с бензольной фазой покрывают часовым стеклом, медленно выпаривают его содержимое досуха, а затем добавляют в него 5 мл воды и 0,5 мл смеси кислот. После этого добавляют точно 1 мл раствора нитрозо-И-соли и 2 мл раствора ацетата натрия. Вновь покрывают стакан часовым стеклом и в течение 1 мин кипятят его содержимое. После кипячения добавляют 1 мл концентрированной азотной кислоты и вновь кипятят в течение 1 мин, не закрывая стакан стеклом. После охлаждения раствора в темноте его количественно переносят в мерную колбу емкостью 10 мл и доливают водой до метки. Наконец, измеряют поглощение полу
Алкоксильные и оксиалкиленовые группы
177
ченного раствора при 500 нм относительно поглощения холостого раствора реагента, приготовленного из 5 мл воды, 0,5 мл смеси кислот, и т. д. Концентрацию неионногенного поверхностно-активного соединения в пробе определяют с помощью калибровочного графика, построенного по результатам анализа известных проб анализируемого соединения.
II. ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
М. Бероза, М. Н. Инской
В большинстве методов определения алкоксильных групп, содержащихся в различных структурах типа
ОН о
I II
R—О—R', R—CH(OR')2, RCHOR', RC—OR',
анализируемые соединения нагревают с иодистоводородной кислотой для превращения алкоксильных групп в иодистые алкилы (—OR + HI->—OH + RI); после улетучивания иодидов из реакционного сосуда определяют отдельные иодистые алкилы Ci—С4 методом ГХ. Таким образом ГХ обеспечивает быстрое определение смесей алкоксильных соединений.
Этот же метод применяли Митцуи и Китамура [7]. Они улавливали иодистые алкилы (от Cj до С4) на силикагеле и затем вводили их в газовый хроматограф, нагревая силикагель в потоке азота. Тем же методом, используя прибор собственной конструкции, определял алкоксильные (Ci—С4) и оксиалкиленовые группы (—ОС2Н4— и —ОС3Н6—) Эренбергер [8]. В другом методе [9] пробу нагревают с KI — Н3РО4 (реагент), вводя метилциклогексан в качестве внутреннего стандарта; для определения продуктов реакции реакционный сосуд соединяют с газовым хроматографом. Для поглощения паров кислот газовый поток предварительно пропускают через дополнительную колонку с натронной известью и СаС12 [9]. Аналогичный метод применяли для определения алкоксильных групп в метилоксипропилцеллюлозе [10], полиэфирах акриловой и малеиновой кислот [11], а также в эфирах глицерина [12].
Спирты реагируют с HI с образованием иодистых алкилов и поэтому мешают проведению анализа этим методом.
Для количественного определения этоксигрупп в О-этилцеллю-лозе и этилоксиэтилцеллюлозе анализируемую пробу можно окислить 30%-ным водным раствором хромовой кислоты и затем провести ГХ-аиализ порции реакционной смеси на уксусную кислоту, используя колонку с насадкой из поропака G-S, измельченного до 60/80 мещ, при температуре 190 °C [13].
178
Глава 4
Для определения содержания алкоксильных групп в фенолах Клесмент и Касберг [14] пропускали анализируемые соединения через микрореактор с платиновым катализатором, нагретым до 300—350°C, и методом ГХ определяли углеводороды, образующиеся в результате протекающей в микрореакторе реакции гидрогенолиза.
III. МЕТОДЫ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА
Г. Агахигиан
Методом спектрометрии ЯМР легко определить простые виниловые эфиры благодаря характерной для них трехспиновой системе и удачному расположению в спектре линий резонанса на содержащихся в них ядрах водорода. Линии резонанса на ядрах ’Н этиленовой группы простых виниловых эфиров находятся в несколько более высоком поле по сравнению с линиями протонного резонанса других виниловых производных. Используя этот факт, можно обнаружить присутствие простого винилового эфира. Анализировали различные простые виниловые эфиры, такие, как метиловый, этиловый, тр^т-бутиловый, w-бутиловый и 2-хлорэтиловый [15].
Матиас и Меллор [16] описали анализ оксиалкиленовых групп; содержание оксиэтилена и оксипропилена определяли методом ЯМР и сравнивали полученные результаты с результатами анализа методом ГХ. Метод ЯМР имеет то преимущество, что в нем не требуется химических превращений анализируемых соединений. Анализировали полиэтиленгликоль 400 и полипропиленгликоль 1000, а также их смеси, причем оба метода давали совпадающие результаты. Так, в анализе синтетической смеси, содержащей 4,8% полиоксиэтилена, метод ЯМР и метод ГХ дали один и тот же результат 4,6%.
Методом ЯМР изучали также и стереохимию изопропилидено-вых производных некоторых многоатомных спиртов [17]. Получаемые при этом значения химических сдвигов полезны для идентификации присутствующих в пробе изомеров и изучения скоростей их гидролиза.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
АБСОРБЦИОННЫЕ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
1. Pavolini Т., Malatesta A., Ann, Chim. Appl., 37, 495 (194'3 -
2. Mathers A. P., Pro M. J., Anal. Chem., 27, 1662 (1955).
3. Beroza M., Anal. Chem., 26, 1970 (1954).
4. Gatewood Jr., Graham H. D., Anal. Chem., 33, 1393 (1961),
Б. Brown E. G., Hayes T. J., Analyst, 80, 755 (1955).
6. Morgan £). J., Analyst, 87, 233 (19'62).
Список литературы
179
ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
7. Mitsui Т., Kitamura У., Microchem. J., 7, 141 (1963).
8. Ehrenberger F.y Z. Anal. Chem., 210, 424 (1965).
9. Araki S., Suzuki S., Kitano M., Bunseki Kagaku, 18, 608 (1969).
10. Карнишин А. А., Журн. анал. хим., 23, 1072 (1968).
11. Miller D. L, Samsel E. P., Cobler J. G., Anal. Chem., 33, 677 (1961).
12. Ramachandran S., Sprecher H. W., Cornwell D. G., Lipids, 3, 511 (1968).
13. Jacin H., Slanski J. M., Anal. Chem.. 42, 801 (1970).
14. Klesment I., Kasberg A., Mikrochim. Acta, 1967, 1136.
МЕТОДЫ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА
15. Feeney J., Ledwith A., Sutcliffe L. H., J. Chem. Soc., 1962, 2021.
16. Mathias A., Mellor N., Anal. Chem., 38, 473 (1966).
17. Bagget N.y Buck K. W.y Fuster A. B., Jefferis R., Rees В. H., Webber J. Л1 J. Chem. Soc., 1965, 3382.
Эпоксигруппы
I. АБСОРБЦИОННЫЕ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Дж. Г. Ханна
А. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕТОДОМ ИНФРАКРАСНОЙ СПЕКТРОФОТОМЕТРИИ
Бомштейн [1] получил ИК-спектры в диапазоне 2—15 мкм одиннадцати соединений с оксирановыми кольцами. Большинство из них — это соединения с неконцевыми эпоксигруппами. Однако вряд ли полученные им спектры можно использовать для количественных определений эпоксигруппы.
Годди и Делькер [2] разработали метод количественного определения, основанный на поглощении концевыми эпоксигруппами в ближней ИК-области спектра. Для этих групп характерны узкие полосы поглощения при 1,65 и 2,20 мкм, причем полоса при 2,20 мкм в несколько раз интенсивнее полосы при 1,65 мкм. По указанным полосам можно быстро определять эпоксисоединения в смесях. Так, например, по этим полосам поглощения можно в анализе одной пробы одновременно определить концевые эпоксигруппы и концевые олефины. Другие кислородсодержащие кольца не мешают анализу. Диапазон концентраций, определимых этим методом, простирается от 10~6 г/мл группы
/С—сн2
до чистых эпоксисоединений. Сообщалось, что в большей части этого диапазона точность метода равна ±1—2%.
Б. ОПРЕДЕЛЕНИЯ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ ПРОВЕДЕНИЕМ ХИМИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЙ
1. Применение лепидина в качестве цветного реагента для определения окиси этилена
Для определения окиси этилена Гюнтер и сотр. [3] использовали лепидин, который в присутствии диэтиленгликоля при температуре 170 °C реагирует с окисью этилена, образуя интенсивно окращенный
Эпоксигруппы
181
синий краситель, поглощающий в диапазоне 490—610 нм. Свой метод они специально рекомендовали для определения пестицида арамита [2- (/г-трет-бутилфенокси) изопропил-2-хлорэтилсульфит]. При кипячении с раствором изопропилата натрия арамит количественно выделяет окись этилена. К недостаткам этого метода следует отнести то, что в соответствующем анализе для тщательного выделения окиси этилена из примесей требуется специальный аппарат. Любое соединение, способное выделять циклические окиси, имины или сульфиды, дает синюю окраску. Аммиак и простые амины типа триэтиламина препятствуют образованию окраски даже в присутствии больших количеств окиси этилена. Необходимо также тщательно удалять кислород. Мешать развитию окраски могут небольшие количества воды и изопропилового спирта.
Ниже описана та часть анализа этим методом, которая специально относится к определению окиси этилена.
Метод Гюнтера и сотр, [3]
Оборудование. Инулиновые пробирки для проведения реакций под давлением (№ 46300, фирмы «Kimble Brand»). Резиновую прокладку этой пробирки нужно заменить пробковой, вырезанной из листовой пробки толщиной 3 мм.
Песчаная баня со слоем песка толщиной около 8 см. В промежутках между анализами эту баню следует держать в нагретой печи.
Печь для нагревания песчаной бани до температуры 170±5°С.
Кружки алюминиевой фольги, точно подогнанные к инулиновым пробиркам.
Колориметр или спектрофотометр фирмы «Beckman» модели DU или фирмы «Lumerton» модели 402 ЕМ.
Реагенты. Лепидин. Некоторое количество лепидина, имеющегося в продаже, смешивают с вдвое меньшим (по объему) количеством бензола и перегоняют смесь при атмосферном давлении. Водно-бензольный головной погон и первые 10% дистиллята выбрасывают. Фракция лепидина (кипящая в диапазоне 258—261 °C при 735 мм рт. ст.) должна иметь цвет по Штаммеру 250—300 мм (/2d — 1,6162). Хранить ее нужно в сосуде из темного стекла. Пожелтевшие от времени фракции лепидина перед использованием следует подвергнуть повторной перегонке.
Диэтиленгликоль. Берут фракцию, кипящую в диапазоне 243— 245 °C при 735 мм рт. ст.; хранят в сосуде из темного стекла.
Раствор реагента. Разбавляют 6,0 мл очищенного лепидина до 120 мл очищенным диэтиленгликолем. Этот раствор (концентрации 5%) приготавливают ежедневно и хранят под слоем азота в сосуде из темного стекла.
Получение калибровочного графика. В инулиновые пробирки для работы под давлением, содержащие по 6,0 мл раствора реагента
182
Глава 5
(лепидина), переносят порции окиси этилена величиной от 20 до 60 мкг и плотно завинчивают пробирки пробками, подложив под них по 4 прокладки из алюминиевой фольги и по одной пробковой прокладке. Все эти пробирки (и пробирку с холостым раствором реагента) устанавливают вертикально в песчаную баню, нагретую до 170 ±5 °C. Спустя ровно 90 мин пробирки вынимают из бани и в течение 3 мин охлаждают их до комнатной температуры. Затем пробирки встряхивают и на 10 мин погружают в проточную воду. После этого их несколько раз плавно переворачивают вверх дном. Наконец, измеряют поглощение образовавшихся растворов синего цвета при 610 нм. При этом нужно убедиться в том, что холостой раствор реагента имеет светло-желтую окраску.
Выполнение анализа. Анализируемые пробы обрабатывают так же, как и стандартные пробы.
2. Колориметрическое определение окиси этилена путем превращения в формальдегид
При повышенных температурах в присутствии минеральной кислоты окись этилена гидролизуется до этиленгликоля. Критчфилд и Джонсон [14] использовали эту реакцию для определения окиси этилена. Образующийся в этой реакции гликоль обрабатывали перйодатом натрия, в результате чего образовывался формальдегид, который определяли, применяя натриевую соль хромотроповой кислоты.
Метод Критчфилда и Джонсона [4]
Получение калибровочного графика. В мерную колбу емкостью 100 мл наливают около 50 мл дистиллированной воды и взвешивают ее. Затем в нее добавляют около 1,5 г окиси этилена и, вращая, тщательно перемешивают ее содержимое. После растворения окиси этилена вновь взвешивают колбу и определяют вес добавленной окиси этилена. Затем раствор в колбе доливают до метки дистиллированной водой и тщательно перемешивают. Переносят 10 мл полученного раствора в другую мерную колбу емкостью 1 л, в которую предварительно наливают около 200 мл дистиллированной воды. Доливают раствор в этой колбе до метки и перемешивают его. Порции полученного раствора переносят в сосуды для проведения реакции под давлением, в которые предварительно наливают по 20 мл дистиллированной воды. После этого растворы в сосудах обрабатывают, как это описано ниже, и затем измеряют поглощение полученных растворов.
Проведение анализа. Анализируемую пробу, содержащую не более 0,7 мг окиси этилена, переносят в сосуд для проведения реакций под давлением, в который предварительно наливают 20 мл дистиллированной воды. Добавляют пипеткой 1,0 мл 0,5 н. серной
Эпоксигруппы
183
кислоты. После этого сосуд плотно закрывают пробкой (для предохранения резиновой герметизирующей прокладки ее покрывают полиэтиленовой пленкой), помещают в защитный мешочек из ткани и в течение 60 мин нагревают на паровой бане при температуре 98±2°С. По окончании нагревания сосуд вынимают из бани и дают ему охладиться до комнатной температуры. После этого развязывают мешочек, осторожно открывают сосуд, постепенно спуская давление, и вынимают его из мешочка. Содержимое со-худа количественно переносят в мерный цилиндр со стеклянной пробкой. В этот же цилиндр добавляют пипеткой 1,0 мл 0,5 н. раствора едкого натра, закрывают цилиндр пробкой и взбалтывают его содержимое. После этого в него добавляют 2 мл 0,1 н. раствора перйодата натрия, вновь закрывают пробкой, взбалтывают его содержимое и дают постоять в течение 15 мин при комнатной температуре для прохождения в нем реакции. Затем добавляют 2,0 мл 5,5%-ного раствора сульфита натрия, дистиллированной водой доводят объем его содержимого до 100 мл, закрывают пробкой и встряхивают.
Переносят 10 мл полученного раствора в другой мерный цилиндр емкостью 100 мл со стеклянной пробкой. В этот же цилиндр добавляют около 0,05 г натриевой соли хромотроповой кислоты и встряхивают его для растворения соли. Объем полученного раствора доводят до 50 мл концентрированной серной кислотой и выжидают прекращения выделения тепла. Затем в полученный раствор погружают конец пипетки или стеклянной трубочки, соединенной с источником азота, и в течение 10 мин энергично продувают раствор азотом. Раствору в цилиндре дают охладиться до комнатной температуры и измеряют его поглощение при 570 нм относительно поглощения холостого раствора в кювете (/=1см). Содержание окиси этилена в пробе определяют по калибровочному графику.
Этим методом Критчфилд и Джонсон определяли окись этилена в некоторых пряностях, окуренных этой окисью. Перед определением путем улетучивания из пробы удалялись примеси, которые реагируют с перйодатом. По утверждению авторов, этим методом можно определять большинство 1,2-эпоксисоединений. При анализе проб величиной 20 г минимальная обнаружимая концентрация неизвестного соединения составляла 10-4%. При анализе проб большей величины этот предел можно сделать еще ниже.
3. а-Эпоксисоединения — изомеризация до альдегидов
Реакционная способность и другие свойства оксирана, содержащего третичный атом углерода, отличаются от аналогичных свойств других эпоксигрупп, и поэтому обычные методы определения эпоксисоединений неприменимы для анализа таких соединений. Дербетаки [5] разработал метод определения соединений
184
Глава 5
этого типа, в котором эпоксисоединение превращают в соответствующий альдегид путем каталитической изомеризации под действием бромида цинка в бензоле. Образующийся альдегид он определял весовым методом в форме 2,4-динитрофенилгидразона, однако, по-видимому, это определение можно осуществить и спектрофотометрическим методом. Указанным методом Дербетаки определил окиси а-пинена, камфена, 1,2-диизобутилена и а-метил-стирола. Поскольку реакцию проводят в присутствии воздуха, то 5—10% альдегидов окисляются до соответствующих кислот, если при этом в растворе не присутствует около 10% (по весу) соответствующего олефина.
Метод Дербетаки [5]
Реагенты. Бензол. Его обезвоживают и хранят над натрием.
Плавленый бромид цинка. Для его приготовления 0,1 г химически чистого бромида цинка переносят в чистую сухую запаянную с одного конца трубку (внутренний диаметр 4 мм, наружный 6 мм, длина 17 см). Сначала эту трубку нагревают до 200°C во избежание конденсации влаги, испаряющейся из бромида цинка в процессе плавления. Затем ее медленно нагревают над пламенем бунзеновской горелки, чтобы расплавить бромид цинка (температура плавления около 394 °C) и полностью удалить из нее воду. Не следует чрезмерно нагревать трубку, чтобы не вызвать разложения бромида цинка. Сразу же после того, как бромид цинка расплавится, трубку запаивают кислородной горелкой примерно в 3 см выше уровня расплава. После этого дают трубке охладиться, удерживая ее в наклонном положении с тем, чтобы расплав не перетекал к запаянному концу. За короткое время можно приготовить большое число таких трубок с бромидом цинка. Хранить их следует в эксикаторе.
Проведение анализа. Берут навеску 2,0—3,5 г анализируемой окиси в конической колбе емкостью 50 мл с носиком и притертой пробкой. Сухой пипеткой добавляют в нее 5 мл абсолютного бензола, затем безводный олефин в количестве не менее 10% от количества анализируемого а-эпоксисоединения и закрывают ее пробкой. Добавлять можно либо соответствующий олефин, либо любой жидкий олефин (например, а-пинен, а-метилстирол или диизобутилен), который можно без труда брать пипеткой. Если олефин уже содержится в анализируемой пробе, то отдельно его не добавляют. После этого трубку с плавленым бромидом цинка ломают на две части и сразу же бросают половинку с плавом (катализатором) в колбу с раствором. Затем колбу соединяют с воздушным холодильником, имеющим осушительную трубку с хлоридом кальция, и на 10 мин погружают в масляную баню с температурой 98±0,1 °C. Во время нагревания содержимое колбы время от»
Эпоксигруппы
185
времени перемешивают. Сразу же по достижении раствором нужной температуры в нем начинается и почти мгновенно заканчивается бурная реакция.
После нагревания колбу погружают в холодную воду и охлаждают до комнатной температуры. После охлаждения холодильник смывают изопропиловым спиртом без примеси карбонильных соединений. Затем содержимое реакционной колбы переносят в мерную колбу емкостью 100 мл с притертой пробкой, смывая ее стенки и трубку с бромидом цинка небольшими порциями изопропилового спирта, и доливают до метки.
Концентрацию альдегида в полученном растворе определяют колориметрическим методом с использованием 2,4-динитрофенилгидразина, как описано в гл. 2, разд. I, С, 1.
II. ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
М. Бероза, М. Н. Инской
Эпоксигруппы содержатся во многих природных и синтетических соединениях, в которых их часто требуется определить. Соединения с этими группами (без полярных групп) хорошо разделяются хроматографическим методом, однако при этом следует избегать кислых сред, поскольку в них может происходить раскрытие оксиранового кольца.
Эпоксиглицериды определяли (правда, не количественно) на основе их реакции с кетонами в присутствии BF3 с образованием 1,3-диоксолановых производных; наиболее подходящим кетоном для этой реакции оказался циклопентанон [6]. Эпоксисоединения вычитали (более чем на 80%, а обычно более чем на 95%) в реакционной петле, заполненной насадкой из 100—200 мг 5 %-ной фосфорной кислоты на носителе хромосорб W (см. гл. 1, разд. II, Е). Однако эта петля имеет ограниченное применение в количественных определениях, поскольку в ней частично вычитаются другие соединения (например, такие активные эфиры, как метилбензиловый или 1,2-диметоксиэтан) [7]. Тем не менее эту петлю следует использовать, поскольку существует мало методов обнаружения и определения эпоксисоединений, особенно в небольших количествах.
При анализе микрограммовых количеств соединений положение эпоксигрупп в молекуле определяют путем обработки в течение 5 мин раствора анализируемого соединения в галогенированном растворителе порошком иодной кислоты [8]. После этого путем ГХ-анализа реакционного раствора определяют альдегидные и пероновые остатки, образующиеся при расщеплении связей между углеродными атомами эпоксисоединения.
186
Глава 5
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
АБСОРБЦИОННЫЕ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
1. - Bomstein J., Anal. Chem., 30, 544 (1958).
2. Goddu R. F., Delker D. A., Anal. Chem., 30, 2013 (1958).
3. Gunther F. A., Blinn R. C., Kolbezen M. J.t Barkley J. H., Harris W. D Simon H. S., Anal. Chem., 23, 1835 (1951).
4. Critchfield F. E., Johnson J. B., Anal. Chem., 29, 797 (1957).
5. Durbetakl A. J., Anal. Chem., 29, 1666 (1957).
ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
6. Fioriti J. A., Kanuk M. Sims R. J., J. Chromatog. Sci., 7, 448 (1969).
7. Bierl B. A., Beroza M.f Ashton W. T., Mikrochim. Acta, 1969, 637.
8. Bierl B. A., Beroza M.t Aldridge M. H.t Anal. Chem., 43, 636 (1971).
Органические перекиси
I. АБСОРБЦИОННЫЕ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Дж. Г. Ханна
А. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕТОДОМ ИНФРАКРАСНОЙ СПЕКТРОФОТОМЕТРИИ
Гидроперекиси имеют полосы поглощения в диапазоне 1,46— 2,07 мкм, а диалкилперекиси не дают полос поглощения в этом диапазоне. Интенсивность этих полос пропорциональна содержанию перекиси в пробе [1].
Для надкислот в паровой фазе характерны полосы поглощения при 3,05, 6,9 и 8,5 мкм [2, 3], однако во время регистрации спектров наблюдалось разложение надкислот. Так, надмасляная кислота разлагалась в паровой фазе очень быстро и полный спектр этой кислоты невозможно получить при анализе одной пробы.
Б. ОПРЕДЕЛЕНИЯ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ ПРОВЕДЕНИЕМ ХИМИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЙ
1. Метод с использованием бензоиллейкометиленового синего
Перекиси или гидроперекиси реагируют с бензоиллейкометиле-новым синим в бензольном растворе трихлоруксусной кислоты с образованием раствора, имеющего характерный цвет метиленового синего. Эйсс и Гиске [4] положили эту реакцию в основу метода определения органических перекисей. Эта реакция чувствительна к ультрафиолетовому излучению и в меньшей степени к искусственному свету и нагреванию, однако если получаемый раствор хранить в темноте при температуре 24 °C, то он сохраняет свою окраску в течение нескольких дней. Для ускорения разложения перекиси, а следовательно, и для увеличения скорости реакции с лейкокрасителем использовали нафтенат циркония. Из пяти перекисей, проанализированных этим методом, закон Бера выполнялся для перекисей бензоила и лауроила, гидроперекисей п-мен-тана и кумила; результаты для гидроперекиси трет-бутила несколько отклонялись от этого закона, и для определения этого
188
Глава 6
соединения был необходим калибровочный график. Активный кислород удавалось определить в количестве до 0,5 мг. Оценка точности этого метода была проведена путем использования результатов повторных анализов проб каждого соединения. При доверительной вероятности 0,95 погрешность измерений составляет от ±1,7 до ±2,6%.
Реакцию, используемую в этом методе, можно описать следующим уравнением:
бемзоиллейко -метиленовый
синай
Метод Эйсса и Гиске [4]
Реагенты. Раствор нафтената циркония (0,24%-ный). Для его приготовления 1 мл 6%-ного нафтената циркония, имеющегося в продаже, разбавляют бензолом до получения 25 мл раствора.
Бензольный раствор трихлоруксусной кислоты (0,5%-ный).
Раствор бензоиллейкометиленового синего. Растворяют 0,005 г красителя в 100 мл бензола. Хранят раствор в сосуде из темного стекла.
Проведение анализа. Приготавливают стандартные растворы в бензоле чистых перекиси и гидроперекиси. Чтобы получить данные для калибровочного графика, аликвотные части этих растворов переносят пипеткой в отдельные мерные колбы емкостью 25 мл каждая, в которых содержится по 15—20 мл 0,5%-ного раствора трихлоруксусной кислоты и по 0,3 мл 0,24%-ного раствора нафтената циркония. В обе колбы добавляют по 1 мл раствора лейкокрасителя, бензолом доливают полученные растворы до метки, тщательно перемешивают их и тут же помещают в темноту. В темноте растворы выдерживают в течение определенного интервала времени (табл. 6.1) при температуре 24 ± 1 СС. По истечении этого интервала времени порции полученных растворов переносят в кюветы (/ = 1 см) и измеряют их поглощение при 662 нм относительно поглощения воды. Для каждого набора стандартных растворов проводят анализ холостого раствора реагента. Анализируемые растворы обрабатывают аналогичным способом.
Если анализируется неизвестная перекись, то время, необходимое для полного ее разложения, определяют экспериментально,
Органические перекиси
189
Таблица 6.1
Продолжительность реакций и величина поглощения для перекисей [4J
Анализируемое соединение Содержание активного кислорода, % Интервал времени, необходимый для полного развития окраски при 25 °C Поглощение (1 мг/100 мл, кювета с 1= 1 см)
Гидроперекись трет-бутила 17,8 30 мин (36 ч а) Около 16
Гидроперекись кумила 10,5 40 мин (38 ч а) 9,7+0,25 6
Гидроперекись п-ментана 9,3 2 ч 8,8±0,15 6
Перепись лауроила 4,02 5 ч 4.6 + 0.106
Перекись бензоила 6,6 30 ч (120 ча) 6.2 + 0.126
а Интервал времени, необходимый для полного развития окраски без применения на. фтената циркония.
6 Для доверительного интервала 0,95.
измеряя поглощение раствора до тех пор, пока оно не перестанет увеличиваться. Результаты представляют в виде процентного содержания активного кислорода.
Результаты анализа этим методом стандартных проб перекисей, полученные Эйссом и Гиске [4], представлены в табл. 6.2. Ди-алкилперекиси, например, такие, как перекись ди-грет-бутила, с данным реагентом не взаимодействуют.
Таблица 6.2
Результаты анализа стандартных проб перекисей [4J
Анализируемое соединение Содержание перекиси, мкг
действительное полученное в анализе
Перекись лауроила 11,0 10,9
17,0 16,8
22,0 21,6
Перекись бензоила 9,9 10,2
19,8 20,0
36,0 35,8
Гидроперекись и-ментана 13,1 13,1
26,3 25,9
32,8 33,5
Гидроперекись кумила 3,8 3,6
7,6 7,3
15,2 14,9
Гидроперекись трет-бутила 5,9 5,7
11,8 11,9
23,6 24,3
190
Глава 6
2. Комплекс тиоцианата железа(Ш)
Возможность применения колориметрического метода с тиоцианатом железа(II) для определения перекисей рассмотрели Вагнер, Клевер и Питерс [5]. Авторами этого метода являются Янг, Вогт и Найулонд [6]. В анализе этим методом пробу сначала восстанавливают в подкисленном метанольном растворе тиоцианата железа (II), а затем измеряют интенсивность окраски образующегося тиоцианата железа(III). Выяснилось, что этот метод дает очень точные результаты при анализе углеводородов, не содержащих сопряженных диолефинов; при наличии диолефинов получались нестабильные результаты. Точность получаемых результатов находилась в пределах от ±5 до ±10%.
Метод Вагнера, Клевера и Питерса [5]
Оборудование. Фотоэлектрический абсорбциометр фирмы «Spek-кег» с синим № 6 и зеленым № 5 фильтрами и кюветами с I = = 1 см. Можно, по-видимому, использовать и любой другой аналогичный колориметр.
Реагенты. Раствор тиоцианата железа(II). Растворяют 1 г тиоцианата аммония и 1 мл 25%-ной (по весу) серной кислоты в 200 мл деаэрированного метанола, добавляют в раствор 0,2 г тонкоиз-мельченного порошка аммонийсульфата железа(II) и встряхивают его. Декантированный реагент (приготавливаемый ежедневно) хранят в закрытом сосуде из темного стекла,
Таблица 6.3
Сравнение результатов анализа перекисных соединений, полученных колориметрическим методом (с тиоцианатом железа(П)) и спектрофотометрическим методом (с иодидом натрия и изопропанолом) [5]
Анализируемое соединение Метод с иодидом натрия и изопропанолом [6] Метоте тиоцианатом Железа (II) 15]
Содержание перекиси, %
Гидроперекись т^ст-бутила 99,8 105
Перекись кумила 94,2 112
Перекись тетралина 95,4 95
Перекись водорода 30 %-пая 29,2 24
Перекисное число, мэкв/л
Циклогексан 121 120
Пентен-2 51 48
Диизобутилен 19,7 19
Диэтиловый эфир 12,2 7,4
Метилпентадиен 61 266
Органические Перекиси
191
Проведение анализа. Переносят 1 мл пробы, содержащей 0,0001 — 0,0007 мэкв активной перекиси, в мерную колбу емкостью 25 мл (при необходимости пробу разбавляют метанолом), доливают ее до метки раствором тиоцианата железа(II) (реагента), хорошо перемешивают полученный раствор и переносят его порцию в кювету колориметра. Поглощение раствора в кювете измеряют спустя 10 мин после его перемешивания в колбе. По результату измерения с поправкой на поглощение холостого раствора с помощью калибровочного графика определяют концентрацию перекиси в пробе. Калибровочный график строят по данным анализов с использованием соответствующих известных количеств стандартного раствора хлорида железа(III).
Этот метод рекомендован как наилучший для ежедневных анализов материалов, содержащих лишь малые количества перекиси. При анализе больших количеств материалов более точным оказался йодометрический метод (табл. 6.3) [7].
3. Йодометрические методы
Методы, основанные на окислении иодида калия с выделением иода, уже давно широко применяют для определения перекисей [7—18]. Хитон и Юри [19] разработали йодометрический метод определения следов перекисей липидов с использованием спектрофотометрии. В качестве растворителя в этом методе используется непрерывно деаэрируемая смесь 2:1 уксусной кислоты и хлороформа. Из ионных соединений этим методом определили комплекс трииодида. Максимум поглощения наблюдался при 362 нм, однако поглощение измеряли при 400 нм, поскольку в этой области спектра меньше мешающих полос поглощения. Калибровочные графики, построенные по данным анализа перекиси линолевой кислоты, и для чистого иода были идентичны, причем закон Бера выполнялся для концентраций перекиси ниже 5Х 10-4М. Возможность применения этого метода к анализу других перекисей, имеющихся в продаже, в работе [9] не показана.
Банерджи и Будке [20] модифицировали метод Хитона и Юри и применили его в анализе большого числа перекисей различной активности. Количественные результаты они получили для семнадцати перекисей, имеющихся в продаже. Перекиси ди-трет-бутила и дикумила, наименее активные из всех перекисей, не давали окраски с реагентом.
В анализе методом Банерджи и Будке пробу растворяют в смеси уксусной кислоты и хлороформа и после деаэрации полученного раствора обрабатывают его иодидом калия. Количество выделяющегося при этом иода измеряют колориметрически при 470 нм в кювете с I = 1 см. Удовлетворительные результаты были получены при определении в бензоле таких перекисей, как перекиси хлороформа, пропанола-2, метанола, пентана, гексана,
192
Глава 6
толуола, этилового эфира, ацетона, винилацетата и этилацетата. Позже эти же авторы [21] показали, что данный метод применим также и в определении перекисей в таких ненасыщенных соединениях, как октен-1, смесь октенов, гептены, циклогексен, изопрен, акролеин и сорбиновая кислота. Реакция иода с олефинами не наблюдалась даже при выдерживании реакционной смеси в течение 2 ч перед спектральными измерениями.
Метод Банерджи и Будке [20]
Оборудование. Спектрофотометр фирмы «Beckman» модели DU. Для определения содержания активного кислорода в интервале О—400 мкг/25 мл следует использовать согласованные кюветы с I = 1 см. Из-за относительно высоких значений поглощения и других экспериментальных трудностей, встречающихся при использовании обычных кювет с I = 5 см и I = 10 см (фирмы «Beckman»), была сконструирована специальная кювета для анализа проб с содержанием активного кислорода в пределах 0—40 мкг/25 мл. Основной частью этой кюветы служит пробирка для точного измерения поглощения (фирмы «Coleman») с длиной оптического пути, примерно равной 1,5 см. Эту пробирку соединяют коническим переходником со стеклянной трубкой, доходящей до дна пробирки (рис. 6.1). Через трубку раствор в пробирке продувают азотом. Располагают трубку так, чтобы она не была на пути светового луча и не мешала измерениям. В промежутке времени между развитием окраски и измерениями в кювету или из нее нельзя переносить никаких растворов. При использовании этой кюветы в спектрофотометре устанавливали специальный держатель. Конструкция кюветы приведена на рис. 6.1.
Проведение анализа. При определении содержания активного кислорода в пределах 0—400 мкг/25 мл данные для калибровочного графика получают следующим образом. Растворяют 0,1270 г чистого иода в смеси 2: 1 уксусной кислоты с хлороформом и в мерной колбе доводят объем этого раствора до 100 мл. В полученном растворе содержится 1,27 мг/мл иода, что эквивалентно содержанию активного кислорода 80 мкг/мл. Переносят пипеткой 0, 1, 2, 3, 4 и 5 мл этого раствора в отдельные мерные колбы емкостью 25 мл каждая и доливают их до метки смесью уксусной кислоты с хлороформом. После этого через растворы в течение 1—1,5 мин пропускают ток азота, добавляют по 1 мл свежеприготовленного 50 %-него раствора иодида калия и вновь в течение 1 мин пропускают через них азот. Затем, используя согласованные ячейки, измеряют поглощение полученных растворов при 470 нм относительно поглощения воды и по результатам этих измерений строят график зависимости поглощения от концентрации активного кислорода в мкг/25 мл.
Органические перекиси
193
Содержание перекиси в пробах растворителей определяют следующим образом. Порцию анализируемого растворителя объемом 5 мл переносят пипеткой в мерную колбу емкостью 25 мл и доливают ее до метки смесью уксусной кислоты с хлороформом.
Затем в полученный раствор погружают (до дна колбы) конец инъекционной иглы или стеклянный капилляр и в течение 1,5 мин пропускают через него слабый ток азота. После этого в раствор добавляют 1 мл свежеприготовленного 50%-ного раствора иоди-да калия и еще в течение 1 мин пропускают через него азот. Затем иглу или капилляр вынимают из колбы, закрывают ее, встряхивают и на 1 ч помещают в темноту. По истечении этого времени измеряют поглощение раствора при 470 нм относительно поглощения воды, используя закрытые кюветы (/= 1 см). Измерения следует проводить по возможности быстрее с тем, чтобы свести к минимуму окисление иодида в растворе кислородом воздуха. Из полученного значения поглощения вычитают значение поглощения раствора, полученного обработкой тем же способом холостого раствора. Затем по калибровочному графику определяют концентрацию активного кислорода в пробе и вычисляют концентрацию (%) активного кислорода в растворителе.
Этим же способом можно оп
определения малых количеств активного кислорода [20].
/—кран со шлифом № 9; 2—микрокр^н с диаметром отверстия 1 mi; 5 — трубка с наружным диаметром 6 мм; 4 — конический шлиф; 5 —стеклянный выступ для фиксации положения ячейки; —к^пил» лярная трубка с наружным Диаметре^ 1 мм и внутренним диамзтром 0 мм.
ределить и перекиси в твердых
пробах, если они растворимы в смеси уксусной кислоты с хлороформом. Если известно, какая перекись присутствует в пробе, то
полученную в анализе концентрацию активного кислорода пересчитывают в концентрацию перекиси.
Проведение анализа для определения малых количеств активного кислорода. При определении содержания активного кислорода в интервале 0—40 мкг данные для построения калибровочного графика получают следующим образом. Приготавливают раствор иода в смеси 2: 1 уксусной кислоты с хлороформом с концентрацией
7 Зак. 58
Таблица 6.4
Результаты анализа перекисей [20]
Анализируемое соединение Величина пробы, мл Содержание активного кислорода в пробе, 10"“4 %
действительное полученное в анализе
Перекись трет-бутила 2 4 154,0 154,0 152,0 152,5
Гидроперекись «-ментана 2 105,1 99,0
4 105,1 97,0
2,5-Дигидроперекись 2,5-диме- 2 94,0 98,0
тилгексана 4 94,0 96,0
Гидроперекись кумила 3 67,3 74,0
5 67,3 73,2
Перекись лауроила 3 42,7 40,0
5 42,7 40,8
Перекись мезитила 3 61,0 59,3
5 61,0 58,8
Перекись бензоила 3 76,4 73,3
5 76,4 73,2
4 34,8 34,7
4 66,0 64,6
4 86,5 85,1
Перекись 2,4-дихлорбензоила 3 84,3 86,0
5 84,3 83,8
трет-Бутилпербензоат 3 72,8 78,0
5 72,8 78,0
5 45,0 48,8
5 66,0 70,8
5 84,4 90,0
трет-Бутилперацетат 3 69,4 79,3
5 69,4 74,0
Ди-трет-бутилдиперфталат 2 138,5 141,0
3 138,5 142,7
трет-Бутилпероксиизобутират 2 88,0 107,0
4 88,0 109,0
трет-Бутилпероксипивалат 2 51,5 61,0
4 51,5 62,5
Перекись циклогексанона 2 161,5 157,0
3 161,5 161,6
Перекись метилэтилкетона 3 87,8 94,0
5 87,8 94.4
Органические перекиси
195
Продолжение
Анализируемое соединение Величина пробы, мл Содержание активного кислорода в пробе, 10“4 %
действительное полученное >в анализе
Перекись янтарной кислоты 3 79,1 73,3
5 79,1 75,2
4 40,7 39,2
4 79,3 76,2
4 78,3 73,5
Перекись оксигептила 5 54,0 54,0
5 84,6 84,6
5 120,0 119,6
Перекись ди-трет-бутила 5 91,0 В течение 24 ч реакции не наблюдалось
Перекись дикумила 5 54,6 В течение 24 ч реакции не наблюдалось
63,4 мкг иода на 1 мл раствора, что эквивалентно содержанию активного кислорода, равному 4,0 мкг/мл. Переносят 0, 1, 3, 5 и 8 мл этого раствора в отдельные мерные колбы емкостью 25 мл и доливают их до метки смесью уксусной кислоты с хлороформом, содержащей 4% воды. Порцию каждого из полученных растворов переносят в описанные выше кюветы (рис. 6.1) ив течение 3 мин пропускают через них азот. В кюветы добавляют по 5 капель свежеприготовленного деаэрированного 50%-ного раствора иодида калия и неплотно закрывают их пробками. Затем еще в течение 3 мин через растворы в кюветах пропускают азот, после чего закрывают краны (рис. 6.1) так, чтобы в кювете осталось избыточное давление азота. Сразу же после этого измеряют поглощение анализируемого и холостого растворов в кюветах при 410 нм относительно поглощения воды с использованием согласованных кювет Колемана, вычитают поглощение холостого раствора и по результатам измерений строят график зависимости поглощения от содержания активного кислорода в мкг/25 мл.
Для определения содержания перекиси в анализируемом растворителе пробу этого растворителя объемом 5 мл разбавляют до 25 мл смесью 2 : 1 уксусной кислоты с хлороформом, содержащей 4% воды. Способом, описанным выше (для построения калибровочного графика), получают окрашенный раствор и, прежде чем измерять поглощение, оставляют его на 1 ч в темноте. По измеренному поглощению этого раствора относительно поглощения
7*
196
Глава 6
тем же способом обработанного холостого раствора с помощью калибровочного графика определяют содержание в пробе активного кислорода и выражают его концентрацию в растворителе в процентах.
Результаты анализа перекисей, полученные Банерджи и Будке [20], приведены в табл. 6.4. В табл. 6.5 приведены результаты, полученные этими же авторами при анализе перекисей в присутствии ненасыщенных соединений.
Таблица 6.5
Результаты анализа перекисей в присутствии ненасыщенных соединений
Ненасыщенные соединения Интервал времени между добавлением KI и измерением поглощения, мин Количество активного кислорода, мкг
добавленное к пробе полученное в анализе
Октен-1 60 0 0
30 336 318
60 336 314
120 336 320
Смесь октенов 60 0 0
30 336 324
60 336 332
120 336 334
Гептены 60 0 0
30 336 332
60 336 342
120 336 346
Циклогексен 60 0 132
60 200 332
60 200 344
60 200 346
Изопрен 60 0 0
30 332 346
60 332 340
120 332 348
Акролеин 60 0 48
60 258 318
Сорбиновая кислота 60 0 0
60 258 250
4. Образование желтого тИтансодержащего комплекса
Стохеккер, Вобол и Теннер [22], а также Фурманек и Мани-ковски [23] гидролизовали некоторые перекиси разбавленной кислотой до перекиси водорода и определяли перекись водорода в
Органические перекиси
. 197
форме комплекса с титаном колориметрическим методом. Поби-нер [24] расширил возможности этого метода, применив его в анализе органических гидроперекисей. В контролируемых условиях различные перекисные соединения можно разложить кислотой с образованием перекиси водорода и затем определять этим методом.
Гидроперекиси имеют кислую реакцию, и их можно количественно выделить из углеводородов путем экстракции спиртовым раствором каустической соды. Полученный экстракт, содержащий углеводороды, обрабатывают затем серной кислотой при повышенной температуре:
57-63 °с
ROOH + H2SO4 ------> roso2oh + Н2О2 (2)
В свою очередь перекись водорода диссоциирует в кислом растворе:
Н2О2 —> 2Н+ 4- (3)
В результате реакции с солью титана в серной кислоте образуется титанпероксисульфатный комплекс:
О2" + Ti4+ + 2H2SO4 —-> [TiO2(SO4)2]2- + 4H+ (4)
Для всех проанализированных гидроперекисей превращение в перекись водорода было количественным. Реакция (4) зависела от температуры и от способа обработки кислотой. Образующийся комплекс устойчив в течение неопределенно долгого времени, причем этим методом можно определить 10’4% гидроперекисного кислорода, выделенного из углеводорода.
Метод Побинера [24]
Реагент. Сернокислый раствор титана. В химический стакан емкостью 1 л переносят 10,00 + 0,01 г калийтитаноксалата, 20,0 + 0,1 г сульфата аммония и 100 мл концентрированной серной кислоты. Полученный раствор доводят до кипения и кипятят в течение 10 мин для удаления из него щавелевой кислоты и затем охлаждают. После охлаждения раствор медленно при перемешивании приливают к 350 мл дистиллированной воды. После этого в мерной колбе емкостью 500 мл его разбавляют до метки дистиллированной водой и хорошо перемешивают.
Проведение общей калибровки перекисью водорода. Приготавливают основной раствор 1+ 0,0001 г стандартизованной перекиси водорода в 350 мл дистиллированной воды. Разбавляют 50 мл этого раствора до 250 мл дистиллированной водой и в отдельные мерные колбы емкостью 100 мл каждая переносят пипеткой следующие порции этого раствора: 0 мл (холостой раствор), 1, 2, 5, 10, 15, 20, 25 и 35 мл. В каждую из этих колб добавляют из пипетки по 10 мл сернокислого раствора титана и по 25 мл 1:1 серной кислоты. После этого растворы в колбах в течение 10 мин
198
Глава 6
нагревают на термостатируемой водяной бане с температурой 57— 63 °C. Затем их охлаждают до комнатной температуры и разбавляют до 100 мл дистиллированной водой. Наконец, регистрируют спектр поглощения каждого раствора относительно холостого раствора в видимой области 700—360 нм, используя для этого кюветы с / = 1 см и регистрирующий спектрофотометр фирмы «Beckman» модели DK-2. Затем определяют максимальное поглощение при 407 нм относительно поглощения при 700 нм. По результатам измерений вычисляют содержание в граммах перекисного кислорода (о!-) для каждой порции. Для вычислений учитывают величину концентрации используемой перекиси водорода, коэффициент перевода содержания перекисного кислорода в содержание перекиси водорода и степень разбавления. По результатам вычислений строят график зависимости содержания перекисного кислорода от поглощения при 407 нм. При использовании кювет с I = 10 см чувствительность метода возрастает в 10 раз.
Проведение калибровки по гидроперекиси. Приготавливают смесь 0,1 ± 0,0001 г стандартизованной гидроперекиси и 100 мл 1%-ного раствора едкого натра в метаноле. Порции этой смеси объемом 5, 10, 20 и 30 мл переносят пипеткой в отдельные мерные колбы емкостью 100 мл. Далее ведут анализ, как описано выше, начав с добавления сернокислого раствора титана.
Анализ проб углеводородов. Проводят четырехкратную экстракцию 100 мл анализируемой пробы порциями 1%-ного раствора едкого натра в метаноле объемом 10 мл каждая. Если углеводородная и спиртовая фазы смешиваются друг с другом, как это и должно быть в ксилольном растворе, то для разделения фаз вместе с каждой порцией спиртового раствора каустической соды добавляют еще 10 мл воды. Полученные экстракты сливают в мерную колбу емкостью 100 мл и метанолом доливают до метки.
После этого в две мерные колбы емкостью по 100 мл переносят пипеткой по 20 мл полученного раствора. Затем в одну из этих колб добавляют 10 мл сернокислого раствора титана и 25 мл H2SO4 (1 : 1), в течение 10 мин нагревают содержимое колбы при температуре 57—63 °C и дистиллированной водой разбавляют его до метки. В первой колбе получается раствор комплекса; во второй колбе — холостой раствор.
Поглощение каждого из этих растворов измеряют в видимой области спектра относительно поглощения холостого раствора реагента, полученного в процессе калибровки по перекиси водорода. Для всех полученных кривых поглощения определяют максимальное поглощение (405—407 нм) относительно поглощения при 700 нм (нулевой отсчет). Значение поглощения для раствора комплекса корректируют, принимая во внимание поглощение холостого раствора пробы. По полученным результатам с помощью калибровочного графика определяют содержание гидроперекис-ного кислорода.
Органические перекиси
100
Данные, полученные Побинером, приведены в табл. 6.6.
Таблица 6.6
Результаты анализа гидроперекисей
Анализируемое соединение Содержание в масле (теплоносителе), вес. % Выход по отношению к теоретическому, %
Гидроперекись трет-бутила 0,22 100
Гидроперекись кумила 0,34 95
1,27 а 96
6,78 а 101
Гидроперекись дг-ментана 0,25 91
Пербензоат трет-бутила 0,98 97
Перекись ди-трет-бутила 0,36 0
0,06 0
Перекись бензоила 0,06 0
Надуксусная кислота 1,01 0
а В ксилольном растворе.
5. Реакция с 1\1,!\1-диметил-л-фенилендиамином
В результате исследования перекисей Дюган [25, 26], а также Дюган и О’Нейлл [27] разработали колориметрический метод определения микрограммовых количеств перекисей лауроила и бензоила. Их метод основан на каталитическом действии перекисей в реакции сульфата М,М-диметил-п-фенилендиамина с метанолом, в результате которой образуется окрашенный комплекс.
Метод Дюгана [25, 26], а также Дюгана и О’Нейлла [27]
Оборудование. Спектрофотометр фирмы «Beckman» модели DU или DK-1 с согласованными кварцевыми кюветами (/ = 1 см). Реагент. Раствор М,Ы-диметил-п-фенилендиамина. Растворяют 0,3 г этого соединения в 10 мл дистиллированной воды и в мерной колбе емкостью 100 мл доливают полученный раствор до метки абсолютным метанолом.
Проведение анализа. Смешивают 2 мл раствора реагента с 2 мл бензола, содержащего перекись лауроила или бензоила в количестве 5—100 мкг/мл. Затем в течение 30 мин при температуре 25 °C выжидают прохождения реакции. По истечении этого времени измеряют поглощение полученного раствора при 560 нм относительно холостого раствора реагента без перекиси.
200
Глава 6
II. ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
М. Бероза, М. Н. Инской
Большинство органических перекисей разлагается в газовом хроматографе, однако низшие гидроперекиси успешно анализировали методом ГХ. Так, методом ГХ разделяли гидроперекиси этила и метила, а затем каждую из них определяли колориметрическим методом [28]. Гидроперекиси выходящие из колонки, улавливали потоком жидкости, содержащей тиоцианат железа(II) (колориметрический реагент), и пропускали этот поток через устройство для автоматического измерения степени пропускания света. Количественные результаты получали по регистрируемой таким образом хроматограмме.
III. ЭЛЕКТРОАНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
А. Ф, Крайвис
А. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРЕКИСЕЙ ПОЛЯРОГРАФИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
Перекиси различных типов широко используются в качестве окислителей. Окислительные свойства органических перекисей могут изменяться в широких пределах. Окислителями являются почти все перекиси, поэтому можно смело сказать, что восстановление перекисной группы можно осуществить без труда; очень легко осуществить восстановление перекисей электроаналитическим методом. Именно восстановление перекиси лежит в основе обескислороживания растворов при анализе полярографическим методом. При этом сначала происходит восстановление растворенного кислорода с образованием перекиси водорода, а затем восстановление самой этой перекиси. Обычно полярографическая волна восстановления перекисей оказывается необратимой, иными словами, термодинамически необратима соответствующая электрохимическая реакция, в результате чего эта волна не имеет желаемой S-формы с почти вертикальным центральным участком. В действительности, волна, как правило, оказывается растянутой и несимметричной. Это затрудняет (если не делает вообще невозможным) определение потенциала полуволны; однако несмотря на это, в анализе можно получить прекрасные количественные результаты.
Наиболее универсально применимым в анализе перекисей представляется растворитель (фон), составленный из равных количеств бензола и метанола с добавкой 0,3 М хлорида лития [29—34]. Изучали возможность применения и других систем, однако наилучшую растворимость перекиси и всей пробы обеспечивает смесь бензола с метанолом.
Органические перекиси
201
В определении перекисей полярографическим методом применяют различные калибровочные графики. Можно, например, построить график зависимости силы тока от концентрации данного анализируемого перекисного соединения или использовать (в методе добавок) стандартные растворы перекисей трет-бутила и кумила с известными значениями перекисного числа [30, 34].
Экспериментальный метод Висмана и Эккльстона [34]
Оборудование. Можно использовать любой автоматический или неавтоматический полярограф. Н-образную ячейку с каломельным электродом сравнения нужно термостатировать (25 °C). Рекомендуется использовать разборные кюветы, которые легче очищать; такие кюветы нескольких типов имеются в продаже.
Растворитель (фон). Приготавливают 0,3 М раствор хлорида лития в равных объемах бензола и абсолютного метанола. Все используемые растворители должны быть, как можно чище.
Проведение анализа. Для удаления кислорода из основного раствора электролита в смеси растворителей через него пропускают ток гелия. Затем навеску анализируемой пробы, содержащую около 0,01 мМ перекиси, переносят в мерную колбу емкостью 10 мл и доливают ее до метки обескислороженным раствором электролита. Полученный раствор переносят в полярографическую ячейку и в течение 4 мин дегазируют его потоком гелия. (Вместо гелия можно использовать азот, но при этом может потребоваться большее время для полного удаления кислорода из раствора.) Чтобы растворители в процессе обескислороживания не испарялись, гелий необходимо предварительно насытить парами бензольно-метанольного раствора. После этого устанавливают капельный ртутный электрод и продолжают пропускать гелий еще в течение 1 мин.
Наконец, регистрируют полярограмму и определяют значение диффузионного тока для полярографической волны перекиси. По полученному значению тока с помощью соответствующего калибровочного графика находят содержание перекиси в пробе.
Кроме этого, для проб, не содержащих примесей, измеряют силу тока при —0,3 и —1,3 В. По разности полученных значений тока с помощью калибровочного графика зависимости величины тока от перекисного числа определяют перекисное число.
Б. АМПЕРОМЕТРИЧЕСКОЕ ТИТРОВАНИЕ ПЕРЕКИСЕЙ
Метод определения очень малых количеств перекисей основан на реакции перекиси с иодидом с образованием иода и последующем амперометрическом титровании иода тиосульфатом [35—37]. В модификации этого метода, используемой для определения следовых количеств перекиси, требуется образование иода, реакция
202
Глава 6
иода с избыточным количеством тиосульфата и последующее тит-рование избытка стандартным раствором йодата [37].
Ниже описан метод, который основан на определении конечной точки титрования, соответствующей полному прекращению тока. При этом ток в ячейке велик в начале титрования, а в конце титрования он падает до очень малого значения. Утверждается, что несмотря на простоту прибора и процедуры анализа, точность метода равна 0,5% даже в случае использования разбавленного стандартного раствора (0,001 н.).
Экспериментальный метод Абрахамсона и Линшитца [55]
Оборудование. Цилиндрическая пробирка с плоским дном емкостью около 100 мл со стандартным коническим внешним переходником. Внутренний переходник, подогнанный к пробирке, снабжен механической мешалкой, двумя платиновыми электродами, трубкой для пропускания тока азота и отверстием для бюретки.
Электроды соединены с сухой батареей с э. д. с. 1,5 В. Напряжение на электродах регулируют потенциометром с сопротивлением 100 Ом. Ток в цепи электродов измеряют гальванометром чувствительностью 0,005 мкА/мм. Эта электрическая цепь аналогична той цепи, которую используют при бромировании фенолов (гл. 1, разд. III).
Реагенты и вещества. Раствор тиосульфата натрия (0,001 н.). Его приготавливают из химически чистых веществ и стандартизуют относительно йодата калия. Во избежание ошибок, связанных с присутствием кислорода, раствор насыщают азотом.
Для приготовления растворов проб, содержащих перекиси, и стандартных растворов использовали различные углеводородные растворители, не содержащие перекисей.
Проведение анализа. В сосуд для титрования переносят 30 мл абсолютного изопропанола и 2 мл ледяной уксусной кислоты. Полученный раствор в течение 1 мин кипятят в аппарате Сокслета и медленно добавляют в него 0,2 г безводного иодида натрия или калия. После кипячения раствора в течение еще 30 с в него добавляют из калиброванной пипетки 1—2 мл основного раствора перекиси. После этого полученный раствор кипятят с обратным холодильником в течение 10 мин, добавляют в него 5 мл воды и титруют его стандартным раствором тиосульфата. Объем добавленного при титровании тиосульфата не должен превышать 25 мл; в противном случае может образовываться эмульсия.
В начале титрования оба платиновых электрода деполяризуют так, чтобы к ним достаточно было приложить лишь небольшую разность потенциалов, при которой еще «не зашкаливает» гальванометр. По мере титрования разность потенциалов постепенно увеличивают так, чтобы в конечной точке титрования она оказалась
Список литературы
203
равной примерно 10 мВ. При достижении конечной точки показание гальванометра быстро падает до очень малой величины. После этого в раствор следует медленно добавить еще несколько капель титранта (особенно если образуется эмульсия) с тем, чтобы система пришла в равновесие. В процессе титрования раствор следует умеренно перемешивать и продувать через него азот.
Происходящая при этом химическая реакция описывается следующим уравнением:
R—00—R' + 2Г + 2Н2О —> I2 + ROH + R'OH + 2ОН~
I2 + 2S2O32- —> 2I- + S4O2-
IV. МЕТОДЫ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА
Г. Агахигиан
В работе [38] сообщалось о количественном анализе методом ЯМР смесей органических перекисей, гидроперекисей и спиртов. При этом использовали резонансы на ядрах а- или 0-водородных атомов, соседних с анализируемой функциональной группой. Анализировали также и такие смеси, как смесь трет-бутанола с гидроперекисью трет-бутила. Этим же методом определяли гидроперекиси бензоила и алифатические гидроперекиси. Так, например, измеряли химические сдвиги, обусловленные метильными группами перекисей р,р-диметилбензоила, гидроперекисей и спиртов, причем различия в этих сдвигах были достаточны для определения содержания перекиси, гидроперекиси и спирта.
В другом исследовании [39] приведены спектральные данные для более двадцати перекисей, гидроперекисей и надкислот, диал-килперекисей и диацилперекисей. В этом исследовании измеряли химические сдвиги для лабильного протона и заместителей, находящихся в a-положении по отношению к анализируемой функциональной группе. Приведены также и спектральные данные для смесей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
АБСОРБЦИОННЫЕ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
1. Holman R. Т., Nickell С., Privett О. S., Edmondson Р. R., J. Am. Oil Chemists’ Soc., 35, 422 (1958).
2. Giguere P. A., Olmos A. IT., Can. J. Chem., 30, 821 (1952).
3. Stephens E. R., Hanst P. L., Doerr R. C., Anal. Chem., 29, 776 (1957).
4. Eiss M. I., Giesecke P., Anal. Chem., 31, 1558 (1959).
5. Wagner C. D., Clever H. L., Peters E. D., Anal. Chem., 19, 980 (1947).
6. Young C. A,, Vogt R. R., Nieuwland J. A., Ind. Eng. Chem., Anal. Ed., 8, 198 (1936).
7. Wagner C. D., Smith R. H., Peters E. D.t Anal, Chem., 19, 976 (1947).
8. Wheeler D. H., Oil and Soap, 9, 89 (1932).
204
Глава 6
9. Marks S., Morrell R. S., Analyst, 54, 503 (1929).
10. Taffel A., Revis C., J. Soc. Chem. Ind., 50, 87T (1931).
11. Lea С. H., Proc. Roy. Soc. (London), 1088, 175 (1931).
12. Панютин П. С., Гиндин Л. Г., Изв. АН СССР, 1938, 841.
13. Liebhafsky Н. A., Sharkey W. Н., J. Am. Chem. Soc., 62, 190 (1940).
14. Stansby М. Е., Ind. Eng. Chem., Anal. Ed., 13, 627 (1941).
15. Kokatnur V. R., Jelling M., J. Am. Chem. Soc., 63, 1432 (1941).
16. Lips A., Chapman R. A., McFarlane U7. D., Oil and Soap, 20, 240 (1943).
17. Bartlett P. D., Atschul R., J. Am. Chem. Soc., 67, 816 (1945).
18. Nosaki K-, Ind. Eng. Chem., Anal. Ed., 18, 583 (1946).
19. Heaton F. W., Uri N., J. Sci. Food Agr., 9, 781 (1958).
20. Banerjee D. K., Budke С. C., Anal. Chem., 36, 792 (1964).
21. Banerjee D. K., Budke C. C.f Anal. Chem., 36, 2367 (1964).
22. Strohecker R., Vaubol R. V., Tenner A., Fette und Seifen, 44, 246 (1937).
23. Furmanek C,, Manikowski K., Roczniki Panstwowego Zakladu Hig., 4, 447
(1953).
24. Pobiner H., Anal. Chem., 33, 1423 (1961).
25. Dugan P. R., Anal. Chem., 33, 696 (1961).
26. Dugan P. R., Anal. Chem., 33, 1630 (1961).
27. Dugan P. R., O’Neill R. D., Anal. Chem., 35, 414 (1963).
ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
28. Healy T. E., Drone P„ Anal. Chem., 41, 1777 (1969).
ЭЛЕКТРОАНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
29. Lewis W. R.t Quackenbush F. W., J. Am. Oil Chemist’s Soc., 26, 53 (1949).
30. Lewis W. R., Quackenbush F. W., DeVries T., Anal. Chem., 21, 762 (1949).
31. Willits С. O., Riccuti C., Knight H. B.t Swern D., Anal. Chem. 24, 785 (1952).
32. Willits С. O., Riccuti C., Ogg D. L., Morris S. G., Riemenschneider R. W., J. Am. Oil Chemists’ Soc., 30, 420 (1953).
33. Kalbag S. S., Narayan K. A., Chang S. S., Kummerow F. A., J. Am. Oil Chemists’ Soc., 32, 271 (1955).
34. Whisman M. L., Eccleston В. H., Anal. Chem., 30, 1638 (1958).
35. Abrahamson E. W., Linschitz H., Anal. Chem., 24, 1355 (1952).
36. Tsuk L., Zollner G., Magy. Kem. Lapja, 14, 417 (1959).
37. Oette K., Peterson M. L., McAuley R. L., J. Lipid Res., 4, 212 (1963).
МЕТОДЫ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА
38. Ward G. A., Mair R. D., Anal. Chem., 41, 538 (1969).
39. Swern D., Clements A. H., Luong T. M.t Anal. Chem., 41, 412 (1969).
7
Непредельные соединения
I. АБСОРБЦИОННЫЕ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Дж. Г. Ханна
А. МЕТОД ИНФРАКРАСНОЙ СПЕКТРОФОТОМЕТРИИ
Метод ИК-спектрофотометрии применяли Джонсон, Эппльби и Бейкер [1] для анализа олефинов нескольких классов, содержащихся в различных сортах бензина. Андерсон и Сейфрид [2] расширили область применения этого метода, включив в нее пять классов олефинов и кислородсодержащие соединения. Зайер, Позекски и Коггешелл [3] указали на возможность определения соединений, приведенных в табл. 7.1, по поглощению, обусловленному деформационными колебаниями С—Н-связи. Однако точное положение
Таблица 7.1
Характеристика полос поглощения для олефинов
Тип соединения
Длина волны, соответствующая максимальному поглощению, мкм
rch=ch2
RR'=CH2
RCH=CHR' (транс)
RR'C—CHR
RCH=CHR' (цис)
11
П,2
10,4
11,9—12,7
14,4
соответствующих полос поглощения для тризамещенных олефинов R2C — CHR существенно зависит от природы групп R, и поэтому анализ с использованием этих полос поглощения дает неудовлетворительные результаты. В полностью замещенных олефинах R2C = CR2 нет этиленового атома водорода, и потому они не дают полосы поглощения указанного выше типа.
206
Глава 7
Годди [4] сообщил, что метод ИК-спектрофотометрии в ближней ИК-области спектра хорошо подходит для определения различных типов ненасыщенности. При этом можно избирательно определить как концевые метиленовые, так и цис-двойные связи. Другие виды ненасыщенности не мешают определению концевых метиленовых групп. Смеси соединений с цис-, транс- и концевыми ненасыщенными связями можно анализировать по содержанию в них соединений с цис-двойными и концевыми метиленовыми связями. Для определения концевых метиленовых групп можно использовать полосы поглощения при 1,62 и 2,10 мкм, а для определения цис-ненасыщенных связей полосу при 2,14 мкм. Не существует ни одного метода определения транс-ненасыщенных связей.
Б? МЕТОД УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ СПЕКТРОФОТОМЕТРИИ
Сопряженные двойные связи обусловливают интенсивные отчетливые полосы поглощения, по которым можно осуществить количественное определение сопряженных ненасыщенных связей в смесях [5], например жиров и жирных кислот? Как пример, можно указать на определение октадекатриен-9,11,13-овой кислоты, имеющей главную полосу поглощения при 270 нм, и октадекадиен-9,11-овой кислоты, имеющей интенсивную полосу поглощения при 233_нм.
[Полосы поглощения соединений с двойными несопряженными связями, как правило, малоинтенсивны, и их невозможно использовать для анализа.
ОПРЕДЕЛЕНИЯ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ
ПРОВЕДЕНИЕМ ХИМИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЙ
1. Определение комплексов с иодом методом У Ф-спектрофотометрии
Лонг и Ньюзил [6] описали метод, который позволяет различать алкилзамещенные олефины путем спектрофотометрического анализа в УФ-области спектра образующихся обратимых комплексов с иодом. Утверждается, что этот метод применим для анализа всех олефиновых соединений. Особенно важна возможность его применения для определения три- и тетразамещенных олефинов, поскольку соединения этих типов трудно определить методом ИК-спектрофотометрии.
Иод вступает в обратимую реакцию присоединения с углеводородами с образованием комплексов кислотно-основного типа [7,8]. Иод при этом действует как акцептор электронов (кислота льюисовского типа), а углеводород—как донор электронов (основание льюисовского типа). Комплексы олефинов с иодом сильно поглощают в УФ-области спектра.
Непредельные соединения
207
Метод Лонга и Нъюзила [6]
Оборудование. Спектрофотометр с кюветами с I = 1 см.
Реагенты. Изооктан. Изооктан 99 %-ной чистоты встряхивают с концентрированной серной кислотой. После этого 1 л изооктана, промытого кислотой, пропускают через колонку длиной около 1 м, диаметром около 2,5 см, заполненную силикагелем с размером частиц 200 меш («Davison Chemical», Code 950). Поглощение при-готовленного растворителя при 230 нм и выше относительно поглощения дистиллированной воды должно быть менее 0,05. Измерять поглощение следует в кювете с I = 1 см.
Раствор иода (реагент). Навеску иода (около 0,1 г), взятую с точностью +0,1 мг, растворяют в очищенном изооктане и изооктаном доливают полученный раствор до 100 мл.
Калибровка и проведение анализа. Приготавливают стандартные растворы олефинов в очищенном изооктане заданной концентрации около 0,1 моль/л. Добавляют 5 мл полученного раствора к 5 мл реагента. Затем регистрируют спектр полученного раствора в диапазоне 400—250 нм, используя кварцевые кюветы с Z = 1 см. Регистрировать спектр следует сразу после перемешивания раствора с тем, чтобы избежать каталитического действия света и образования нежелательных дииодсоединений.
Таблица 7.2
Длины волн, соответствующие максимумам поглощения комплексов иода с различными олефинами [6]
Тип олефина Длина волны, нм
rch=ch2 275
r2c=ch2 290—295
RCH+CHR 295—300
r2c=chr 317
r2C~cr2 337
Таблица 7.3
Результаты анализа двухкомпснентных смесей олефинов [6]
Тип олефина Соединение Содержание, %
известное полученное в анализе
p2c=chr 2-Метилгексеп-2 72,1 71 5
r2c=cr2 2,3-Диметилгексен-2 27,9 28,5
208
Глава 7
Для учета фона, обусловленного незакомплексованным иодом, к 5 мл реагента добавляют 5 мл изооктана и определяют поглощение полученного раствора, как это описано выше.
Длины волн, соответствующие максимумам поглощения для комплексов олефинов различных типов, приведены в табл. 7.2. Циклопентен и циклогексен ведут себя так же, как и ^ис-формы соответствующего олефина с открытой цепью (RCH = CHR). В табл. 7.3 приведены результаты, полученные Лонгом и Ньюзи-лом в анализе двухкомпонентных смесей олефинов, а в табл. 7.4— для пятикомпонентной смеси.
Таблица 7.4
Результаты анализа пятикомпонентной смеси олефинов [6]
Тип олефина Соединение Содержание, %
известное полученное в анализе
r2c=cr2 2,3-Диметилгексен-2 16,9 18,3
r2c=chr З-Метил-цнс-гексен-З 26,4 26,1
r2c=ch2 2,3-Диметилбутен-1 19,1 17,3
4«c-RCH=CHR 2,2-Диметил-цн£-гексен-3 20,9 22,5
rch=ch2 Тетрадецен-1 17,7 19,5
100,0 103,7
2. Бромирование
Свитсер и Брикер [9] разработали метод определения олефинов и других соединений, основанный на титровании этих соединений трибромид-ионом и регистрации спектра в области 270—360 нм. Миллер и Дефорд [10] видоизменили этот метод, использовав в нем электролитическое генерирование брома; титрование проводилось в смеси 3 : 1 ледяной уксусной кислоты и метанола с небольшими добавками бромида калия и соляной кислоты. Для осуществления прямого титрования необходимо присутствие в растворе хлорида ртути(II) в качестве катализатора. При использовании этого катализатора поглощение измеряли при 360 нм. Это — наименьшая длина волны, которую можно использовать для раствора с хлоридом ртути(II) и для которой наблюдалось достаточно сильное поглощение.
Главная трудность, которая встречается в определениях ненасыщенности обычными методами бромирования, та, что в избытке брома многие соединения вступают в побочные реакции замещения, которые могут приводить к получению завышенных результатов. Метод прямого титрования имеет то преимущество, что до тех пор, пока не пройдена конечная точка, в растворе нет избытка брома, благодаря чему менее вероятны побочные реакции.
Непредельные соединения
209
Используя реакцию бромирования, Фриц и Вуд [11] разработали две методики определения содержания ненасыщенных связей. Макроколичества олефинов можно быстро определить путем прямого титрования, конечную точку в котором определяют методом спектрофотометрии в видимой части спектра. Малые количества соединений с ненасыщенными связями типа олефинов быстро определяют спектрофотометрическим методом, основанным на уменьшении поглощения, что является результатом реакции ~ брома с двойной связью С = С в растворе брома и бромистоводородной кислоты в смеси воды и уксусной кислоты.
Метод Фрица и Вуда [11]
Оборудование. Фриц и Вуд использовали спектрофотометр фирмы «Beckman» модели В. В дне камеры для кюветы спектрофотометра просверливают отверстие для вала; магнит мешалки крепится к валу (при этом держатель кюветы вынимают из прибора). Вал приводится во вращение воздушной или водяной турбинкой. Над магнитом помещают алюминиевый кожух, окрашенный черной матовой краской. В нижней части передней стенки камеры просверливают два отверстия, через которые проходят трубки для подачи воздуха или воды, приводящих во вращение вал мешалки. В крышке камеры имеется отверстие, сквозь которое в титруемый раствор погружают трубку автоматической бюретки объемом 10 мл. Из этой бюретки .в кювету подают стандартный раствор. Кюветы для титрования представляли собой высокие химические стаканы емкостью 180 мл с длиной оптического пути 4,5 см.
Проведение прямого титрования. Переносят 85 мл ледяной уксусной кислоты и 10 мл воды в высокий химический стакан емкостью 180 мл. Затем в этот же стакан добавляют пипеткой 5 мл анализируемой пробы, содержащей 0,3—1,0 мМ ненасыщенного соединения, растворенного в четыреххлористом углероде или каком-либо другом подходящем растворителе. После этого стакан устанавливают в камере спектрофотометра, отлаживают мешалку, закрывают камеру крышкой и вводят в раствор конец бюретки. Затем регулируют спектрофотометр так, чтобы нулевой отсчет соответствовал значению поглощения при 400 нм, и титруют раствор 0,12 М раствором брома в ледяной уксусной кислоте. Титрование следует вести быстро и до тех пор, пока спектрофотометрически не будет обнаружено присутствие в растворе некоторого избытка брома. Как только значение поглощения раствора окажется в пределах 0,1—0,3, записывают количество добавленного стандартного раствора и само значение поглощения. После этого добавляют еще 3 или 4 порции стандартного раствора объемом 0,2 мл каждая и через несколько секунд после каждого добавления
210
Глава 7
регистрируют поглощение раствора. Если титруемое вещество реагирует медленнее, чем простые олефины, то для установления равновесия в растворе после каждого добавления может потребоваться большее время. По результатам измерений строят график зависимости поглощения от объема добавленного стандартного раствора. Конечной точке титрования соответствует точка пересечения графика с нулевой линией.
Результаты титрования ненасыщенных соединений, полученные Фрицем и Вудом, приведены в табл. 7.5. Эти же авторы пришли к выводу о том, что применяя в качестве катализатора соединения ртути(II), можно осуществить определения диаллилового эфира, аллилацетата и бромистого аллила. Однако в присутствии ртути (II) реакция сопряженных ненасыщенных соединений, таких, как трш-гс-коричный альдегид, трпнс-коричная кислота и этилакри-лат, была слишком медленной для проведения прямого титрования, но достаточно быстрой для того, чтобы мешать определению простых олефинов. Кроме этого, при бромировании в присутствии ртути(II) в качестве катализатора изопрен слишком медленно присоединяет второй моль брома, и это также уменьшает практическую ценность данного метода. Было обнаружено, что мешающее действие оказывают также анилин, фенолы, алкилсульфиды и дисульфиды, а также тиоспирты.
Очень небольшие количества простых органических ненасыщенных соединений можно определять косвенным методом Фрица и Вуда. Этот метод основан на уменьшении поглощения брома, обусловленном реакцией двойных связей С = С с избытком брома. Поскольку при этом используются небольшие количества брома, то даже малый его расход приводит к большому изменению его концентрации. Это изменение концентрации брома измеряют спектрофотометрически при 410 нм и по калибровочному графику (закон Бера) вычисляют содержание непредельного соединения.
Бромистый водород, образующийся при бромировании олефинов, соединяется с присутствующим в растворе бромом, образуя трехбромистый комплекс. Этот комплекс имеет более высокое значение молярного коэффициента погашения, чем бром. Непосредственное использование результатов измерений дает завышенное значение поглощения, и поэтому кажется, что было израсходовано брома меньше, чем на самом деле. Этого можно избежать, если в раствор брома добавить достаточное количество бромистого водорода с тем, чтобы любое дополнительно образовавшееся количество бромистого водорода пренебрежимо мало влияло на величину поглощения. График зависимости поглощения брома в водном растворе уксусной кислоты от добавленного количества бромистого водорода показывает, что необходимое для этого молярное отношение бромистого водорода к брому должно быть примерно равно 6:1. Бромирующий раствор такого состава обеспечивает успешное косвенное определение небольших количеств
Таблица 7,5
Результаты прямого титрования ненасыщенных соединений бромом [11]
Соединение а Концентрация б, % Число определений
Аллилацетат Аллиловый спирт Реагирует медленно в 96,0 ±0,3 Г, Д 4
Диаллиловый эфир 93,9 ±0,8 2
2-Бромпропен Не реагирует®
2-Бутеннитрил
Бутин-З-ол-1
транс-Коричный альдегид
тране-Коричная кислота » »
Циклогексен 100±0,4 4
Циклогексилацетилен 0,2 ±0,1 4
2,3-Диметилбутен-2 100 ±0,2 2
2,5-Диметилгексен-2 98,6 ±0,4 2
т,рцнс-2,5-Диметилгексен-3 110,3±0,0 2
Этилакрилат Не реагирует е
З-Этилпентен-2 113,8±0,5 4
Этинилбензол Реагирует медленно в
транс-Гексен-3 99,8±0,2 4
Изопрен 100,6±0,19 4
d-Лимонен 99,2±5Г 2
Октадиен-1,2 100,4±0,3 4
Октадиен-1,4 Помехи 3
Олеиновая кислота 97,2 ±0,5 4
Пентадиен-1,3 99,6 ± 0,9 ж 2
Пиррол Помехи 3
Стирол 100±0,1 4
3 В количествах 0,2-1,0 мМ. При вычислении результатов принимают, что чистота пробы 100%.
8 Реакция идет слишком медленно, чтобы ее можно было использовать для определений.
г При вычислении результатов принимают, что бром присоединяется по обеим двойным связям.
д На проведение определений необходимо затратить 20—25 мин.
е В течение 5 мин реакции не наблюдалось.
ж При вычислении результатов принимают, что бром присоединяется только по одной связи.
3 Первоначально быстрая реакция переходит в значительно более медленную реакцию. Конечной точки не наблюдалось*
212
Глава 7
ненасыщенных соединений. Закон Бера выполнялся при этом для различных длин волн; выбором длины волны можно изменять чувствительность метода.
Спектрофотометрическое определение концентрации двойных связей
Оборудование. Спектрофотометр фирмы «Baush and Lomb» с набором согласованных кварцевых кювег 1 X I-
Микробюретка.
Проведение анализа. В кювету 1 X 1 см спектрофотометра переносят точно 2,60 мл 0,001 М раствора трибромида в смеси 90% уксусной кислоты и 10% воды. Для получения раствора трибромида 6,5 мл брома растворяют в 1 л смеси растворителей, приготовленной из 86 мл примерно 47 %-ной бромистоводородной кислоты (уд. вес 1,49), 32 мл дистиллированной воды и 882 мл ледяной уксусной кислоты. Молярное отношение бромида к брому в полученном растворе равно примерно 6:1. При необходимости этот раствор разбавляют в 120 раз смесью 90% уксусной кислоты
Таблица 7.6
Результаты косвенного определения ненасыщенных соединений [11]
Анализируемое соединение а Концентрация б, % Число определений
Аллиловый спирт в СС14 93,7±3,0 14
Диаллиловый эфир в СС14 94,9±3,1 в 7
транс-Цоричный альдегид в СС14 Не реагирует г
Циклогексен в бензоле 97,8 + 6,0 9
Циклогексен в СС14 99,0 ±2,0 8
Циклогексен в СС14Д 100,9 ±0,5 3
Циклогексен в метаноле 100,4±0,6 3
2,3-Диметилбутен-2 в СС14 96,6 ±4,0 7
транс-2,5-Диметилгексен-З в СС14 101,8±3,9 3
Этилакрилат в СС14 Не реагирует г
З-Этилпентен-2 в СС14 99,7 ±5,0 3
Изопрен в СС14 101,3± 1,5 е 4
d-Лимонен в СС14 96,3 ±5,0 в 9
Октек-1,2 в СС14 96,0 ±1,1 3
Октен-1,2 в метаноле 97,0 ±4,5 5
а В количествах 0,3—1,1 мкМ.
б При вычислении результатов принимают, что чистота пробы 100%.
в При вычислении принимают, что бром присоединяется по обеим двойным связям.
г Реакция не наблюдалась в течение 10 мин.
д Присутствовало также эквимолярное количество аллилацетата.
е При вычислении результатов принимают, что бром присоединяется только по одной двойной связи.
Непредельные соединения
213
и 10% воды. Кювету с раствором помещают в камеру спектрофотометра вместе с такой же кюветой с таким же количеством бромистоводородной кислоты в том же растворителе. Если поглощение раствора при 410 нм (оно должно быть примерно равно 0,5) остается неизменным в течение 1 мин, кювету вынимают из спектрофотометра и добавляют в нее 50—150 мкл анализируемой пробы, содержащей 0,2—1,6 мкэкв двойных связей. После этого кювету встряхивают для перемешивания раствора и вновь помечают в камеру спектрофотометра. Затем автоматически регистрируют поглощение полученного раствора до тех пор, пока оно не будет постоянным в течение 1 мин. Наконец, с помощью ранее полученного калибровочного графика зависимости поглощения от концентрации трибромида и по известным значениям начального и конечного объемов анализируемого раствора вычисляют количество израсходованного брома (в мкэкв), которое равно концентрации в пробе ненасыщенных связей.
Количество ненасыщенных связей в пределах 0,25—0,2 мкэкв можно определить, применяя более разбавленный раствор трибромида (1,7 ХЮ-5 М) и проводя измерения при меньшей длине волны (до 270 нм), для которой поглощение трибромида больше. Для того чтобы учесть, возможно, присутствующие примеси, необходимо провести определение примесей в растворителе образца. Результаты анализа этим методом, полученные Фрицем и Вудом, приведены в табл. 7.6.
/ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
М. Бероза, М. Н. Инской
Анализируемые соединения могут содержать цис- и транс-двойные связи, тройные связи, сопряженные структуры, разветвленные или циклические структуры, эпокси- и другие группировки, и поэтому их идентификация методом ГХ по временам удерживания считается ненадежной; обычно для обнаружения ненасыщенных соединений, определения их ненасыщенности и установления структуры прибегают к помощи гидрирования. Так, например, метиловые эфиры жирных кислот, различающиеся по числу углеродных атомов и ненасыщенных связей в молекуле, во многих случаях имеют почти одинаковые времена удерживания; очень часто смеси этих соединений удается разделить и количественно определить с использованием гидрирования.
Некоторые типичные методы гидрирования ненасыщенных соединений приведены в табл. 7.7. Гидрирование можно проводить до хроматографического разделения или во время него, помещая катализатор в ГХ-систему и используя водород в качестве газа-носителя или добавляя его в поток газа-носителя (см. описание
214
Глава 7
Таблица 77
Некоторые типичные методы гидрирования, используемые в определениях ненасыщенности
Тип соединения Метод Литература
Метиловые эфиры жирных кислот Гидрирование до ГХ-разделения Гидрирование в потоке газа-носителя до ГХ-колонки 1.2 3-6
а-Олефины Гидрирование до ГХ-разделения 7
Длинноцепочечные углеводороды Гидрирование до ГХ-разделения 8
Самые разнообразные соединения Гидрирование в потоке газа-носителя до ГХ-колонки 9
1. Iverson J. L., J. Assoc. Offic. Anal. Chemists, 50, 1118 (1967).
2. Adda J., Rev. Franc. Corps Gras, 11, 527 (1964).
3. Mounts T. L., Dutton H. J., Anal. Chem., 37, 641 (1965).
4. Dutton H. J., Mounts T. L., J. Catal., 3, 363 (1964).
5. Hornstein L, Crowe P. F., Ruck J. B., J. Gas. Chromatog., 5, 319 (1967).
6. Hornstein I., Crowe P. F., Hiner R., J. Food Sci., 32, 650 (1967).
7. Hachenberg H., Gutberlet J., Brennstoff-Chem., 45, 132 (1964).
8. Hallgren B., Larsson S., Acta Chem Scand., 17, 1822 (1963).
9. Beroza M., Sarmiento R., Anal. Chem., 38, 1042 (1966).
анализа ниже, в разд. А). По хроматограммам, полученным до и после гидрирования, можно определить количества насыщенных и ненасыщенных соединений в анализируемой пробе. Обычно в таких анализах используют полярные жидкие фазы с гидрированием или без него, поскольку они позволяют получить большие различия во временах удерживания олефинов и их насыщенных аналогов. По хроматограммам, полученным после гидрирования, как правило, можно определить структуру углеродной цепи соединения.
Метод анализа смесей ненасыщенных соединений, применимый к самым различным соединениям, подробно описан в разд. А.
А АНАЛИЗ СМЕСЕЙ НЕНАСЫЩЕННЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Метод Берозы и Сармиенто [12]
В анализе этим методом ненасыщенные соединения пропускают через горячий катализатор гидрирования в потоке газа-носителя (водород), поступающего в газовый хроматограф. При этом происходит мгновенное количественное гидрирование этих соединений. Образовавшиеся насыщенные соединения разделяются в ГХ-колонке и поступают в ГХ-детектор.
Непредельные соединения
215
Оборудование. Обычно применяют газовый хроматограф с пламенно-ионизационным детектором, хотя также можно использовать и детектор другого типа, чувствительный к анализируемым, соединениям (например, катарометр). Колонка хроматографа (из алюминия) имеет длину около 2 м и внешний диаметр около 0,6 см и заполнена насадкой: 15% стабилизированной фазы DEGS (диэтиленгликольсукцинат фирмы «Analabs, North Haven, Conn.») на носителе газ хром Р с размером частиц 60/80 меш (Appl. Sci. Lab., State College, Pa). Скорость потока газа-носителя (водород) 60 мл/мин. Через отверстие вблизи горелки детектора, через которое в обычной ГХ поступает водород, в данном анализе подают поток азота со скоростью 60 мл/мин.
Применяют один из двух показанных на рис. 7.1 реакторов гидрирования. Реактор с автономным подогревом (рис. 7.1, а) собирают из нержавеющей стальной трубки (длина 25 мм, внешний
Рис. 7.1.
Реакторы гидрирования: а) реактор с автономным подогревом, б) реактор, совмещенный с устройством для ввода проб.
диаметр 6 мм) и переходника из нержавеющей стали диаметром 6 мм. Накидную гайку переходника переставляют на свободный конец стальной трубки (рис. 7.1, а). Слой катализатора толщиной 6 мм (~25 мг) находится в трубке между двумя кусочками стеклянной ваты, предварительно промытой в растворителе и высушенной. В газовом хроматографе этот реактор устанавливают между колонкой и ее входным устройством. Температура катализатора в реакторе та же, что и температура нагревателя. Она должна быть в пределах 140—250 °C; при температурах ниже 140 °C гидрирование оказывается неполным.
На рис. 7.1, б показан реактор гидрирования, совмещенный с входным устройством колонки. От описанного выше он отличается лишь тем, что в него впаяна серебром капиллярная трубка из нержавеющей стали. Эту трубку вставляют в отверстие входного устройства колонки, и конец ее доходит почти до резиновой мембраны. Катализатор удерживается в этой трубке между двумя пробками из стеклянной ваты и имеет температуру, равную температуре входного устройства хроматографа. Реактор гидрирования этого типа более универсален, чем реактор с автономным подогревом, поскольку он позволяет установить разные температуры катализатора (140—250 °C) и колонки; например, температуру
216
Г лава 7
колонки можно сделать равной 100 °C и обеспечить тем самым хорошее разделение низкомолекулярных соединений, а температуру катализатора — равной 140 °C и обеспечить этим полное гидрирование.
Реагенты. В качестве так называемого «нейтрального» катализатора применяют насадку: 1 % палладия на носителе газ хром Р с размером частиц 60/80 меш. Для приготовления этого катализатора растворяют хлорид палладия в 5 %-ном водном растворе уксусной кислоты. В полученный раствор добавляют нелетучую щелочь в количестве, достаточном для нейтрализации НС1, образующейся при активировании катализатора. (PdCl2 + Н2—► Pd -ф-+ 2НС1; обычно на 88,8 мг PdCl2 требуется 53 мг Na2CO3.) Затем раствор вместе с носителем газ хром Р помещают во вращающийся испаритель, выпаривают его досуха и сушат остаток при температуре НО °C. Для активирования катализатора его в течение 1 ч нагревают при температуре 200°C в потоке газа-носителя (водорода) газового хроматографа. Каждую неделю можно активировать несколько сот миллиграммов катализатора и хранить его в закрытом сосуде. Дважды в день проверяют активность катализатора, гидрируя известное соединение, и заменяют его, если гидрирование оказывается неполным. Используют готовый катализатор спустя 5—10 мин после окончания активирования. Нейтральный катализатор (неактивированный) имеется в продаже (National Instruments Lab., Rockville, Md.).
Проведение анализа. Проводят два цикла разделения проб анализируемой смеси, содержащих по 10—500 мкг чистых соединений, с использованием растворителя или без него. В одном из этих циклов пробу вводят в хроматограф через реактор гидрирования, а в другом — минуя его. Времена удерживания соединений в этих двух циклах несколько отличаются друг от друга, поэтому в одном из циклов несколько изменяют скорость газового потока с тем, чтобы сделать одинаковыми времена удерживания для одного из насыщенных соединений. По окончании разделения измеряют площади хроматографических пиков и по ним определяют количества соответствующих соединений в смеси, используя соответствующий коэффициент пересчета.
Результаты. Хроматограммы смеси метиловых эфиров жирных кислот, полученные с применением реактора гидрирования и без него, приведены на рис. 7.2. Из них ясно видно образование насыщенных соединений из ненасыщенных. Гидрирование в этом анализе было количественным.
Обсуждение. Описанный выше метод применяли для гидрирования пятидесяти ненасыщенных соединений: спиртов, аминов, амидов, карбонилсодержащих соединений, простых и сложных эфиров, гало-генангидридов, эпоксисоединений и соединений других типов. При дтом наблюдался небольшой гидрогенолиз функциональных групп
Непредельные соединения
альдегидов, галогенангидридов и сульфидов, и поэтому анализ этих соединений не был количественным.
В анализе этим методом следует избегать присутствия полимеризованных образцов, поскольку в них содержатся нелетучие вещества, которые покрывают поверхность катализатора и тем самым отравляют его.
Иссенберг, Кобайяши и Мисливи [13] разработали весьма элегантный метод определения ароматических веществ с использованием гидрирования. Реактор гидрирования в этом методе устанавливают после хроматографической колонки, причем его можно
С18
Время, мин
Рис. 7.2. Хроматограммы смеси метиловых эфиров жирных кислот (Ci5 — пальмитиновой; С28 — стеариновой; С18. i— олеиновой; С18 . 3 — линолевой; С.0 — арахиновой кислоты).
а—без гидрирования; б —с гидрированием.
включать в систему или отключать от нее специальным краном, через который разделенные соединения поступают в масс-спектрометр. Этим методом легко идентифицировали насыщенные соединения, а по разности масс исходных ионов олефина и соответствующего ему насыщенного аналога устанавливали число двойных связей в молекулах. Комбинация ГХ с масс-спектрометрией— один из наиболее тонких методов количественного анализа.
Б. ДЕТЕКТОРЫ ГИДРИРОВАНИЯ
ДЛЯ ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКОГО АНАЛИЗА
Существует несколько остроумных конструкций приборов, которые позволяют обнаруживать соединения, способные к гидрированию, и особенно олефины. Один из таких приборов состоит из двух катарометров, последовательно соединенных друг с другом, причем на чувствительные элементы второго катарометра нанесен катализатор гидрирования. Если происходит гидрирование, то
218
Глава 7
из-за связанных с ним тепловых эффектов показание второго катарометра отличается от показаний первого, и по разности этих показаний можно вычислить теплоту гидрирования [14].
В детекторе другой конструкции газовый поток из хроматографа смешивают с газом, содержащим электролитически генерируемый водород. Получающийся смешанный поток направляют в реактор с палладиевым катализатором, а после него —в электрохимическую ячейку, чувствительную к содержанию водорода и не регистрирующую продукты гидрирования. Когда в такой детектор поступает олефин, происходит поглощение водорода и следящая система начинает вырабатывать дополнительное его количество, которое является мерой количества анализируемого ненасыщенного соединения. На получаемые таким образом результаты не оказывают влияния насыщенные соединения, которые могут присутствовать в пробе [15].
В детекторе еще одной конструкции ненасыщенные соединения или соединения, которые можно дегидрировать, определяют путем пропускания их в потоке аргона и водорода через платино-кизельгуровый катализатор, расположенный после хроматографической колонки. О проходящей при этом реакции судят по изменению концентрации водорода в газовом потоке, которое измеряют катарометром [16].
В. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДВОЙНЫХ СВЯЗЕЙ В МОЛЕКУЛЕ
Методы определения положения двойных связей в молекуле наиболее интенсивно изучали те исследователи, которые занимаются анализом жирных кислот и масел, причем в газовой хроматографии эти соединения анализируют, как правило, в форме метиловых эфиров жирных кислот.
В работе Приветта [17] дан обзор методов определения положения ненасыщенных связей в молекулах осно-
ванных на ОФШСл^ни^-^ге^магшанитом и озонолизе. Сам Приветт предпочитает методы с озонолизом, утверждая, что онХ позволяют быстро, просто и однозначно определять структуры соединений. Он отмечает также, что озонолиз можно осуществлять в ультрамикромасштабе, а также применять его для количественного анализа смеееи
Прибор для озонирования небольших количеств соединений, используемый в ГХ, прост по конструкции [18, 19]. Озонированное соединение обычно расщепляется с образованием альдегида или кетона в зависимости от того, замещен или нет двоесвязный атом углерода. Уравнение соответствующей реакции имеет вид
R" О
I 1) Оз II
R—СН=С—-R' —---------——> R-CHO + R"-C-R' (1)
2) расщепляющий v *
агент
Непредельные соединения
219
Образующиеся альдегиды и кетоны обычно идентифицируют методом ГХ по временам удерживания.
Дэвисон и Даттон [20] сконструировали микрореактор, представляющий собой U-образную трубу с одним заостроенным концом, укрепленную на паяльном пистолете. При использовании этого прибора анализируемые метиловые эфиры жирных кислот сначала реагируют с озоном, затем происходит пиролиз образую1 щихся озонидов и продукты пиролиза поступают в газовый хроматограф. Карбоновые кислоты, образующиеся при пиролизе, удерживаются гранулированной окисью цинка. По мнению авторов работы [20], такой анализ дает количественные результаты, которые, однако, не соответствуют уравнению (1).
В работе Никелла и Приветта [21] описан метод «управляемого пиролиза» озонидов. Озонирование в этом методе проводят при температуре —65 °C в пентане, содержащем озон. В результате пиролиза образующихся озонидов на катализаторе Линдлара при температуре 225 °C образуются альдегиды и кетоны, которые определяются методом ГХ.
Возможность применения озонолиза в комбинации с ГХ для анализа большого числа разнообразных соединений показали Бе-роза и Бирл [22]. Авторы не утверждают, что их метод дает количественные результаты, однако таких результатов обычно и не требуется для определения положения двойных связей в молекуле. Вместе с тем этот метод обеспечивает быстрый и легко выполнимый анализ. Описание его приведено ниже.
1. Анализ алкилиденовых групп
Методика анализа (по работе Берозы и Бирла [22])
В раствор анализируемого соединения с температурой —70 °C направляют озон из генератора простой конструкции [18]. Образующиеся озониды расщепляются до альдегидов и (или) кетонов, которые затем анализируют методом ГХ.
Оборудование. Газовый хроматограф с пламенно-ионизационным детектором. Колонка хроматографа из меди, длина около 3,5 м, внешний диаметр около 6 мм. Насадка колонки — 5% жидкой фазы карбовакс 20 М на носителе газ хром Р с размером частиц 60/80 меш. Скорость потока газа-носителя (азота) 30—60 мл/мин. Температуры входного устройства хроматографа и детектора одинаковы и равны 225 °C. Для идентификации больших и малых молекул в одном цикле анализа рекомендуется программировать температуру колонки. Можно использовать и хроматографы других типов, пригодные для анализа нужных соединений, или другие хроматографические колонки, обеспечивающие требуемое разделение продуктов пиролиза озонидов.
220
Глава 7
Конструкция микрореактора озонолиза показана на рис. 7.3. Этот микрореактор представляет собой трехходовый кран, единст-‘вснный отвод В которого обернут алюминиевой фольгой Г. Эта фольга покрыта изоляцией Д и заземлена. Внутри отвода с помощью резиновой пробки Б удерживается тонкий капилляр А из нержавеющей стали диаметром около 0,7 мм и длиной 13 см. Конец этого капилляра находится в стеклянной пробирке 3. Два
Рис. 7.3. Микрореактор для озонирования.
верхних отверстия крана соединены резиновыми трубками с источниками О2 и N2, причем поворотом крана в микрореактор можно по выбору подавать один из этих газов. Реакционную пробирку 3 можно изготовить из медицинской капельницы, запаяв ее узкий конец. Газы, выходящие из этой пробирки по тефлоновой трубке К диаметром 0,15 мм поступают в коническую колбу Эрленмейера Л емкостью 10 мл, в которой находится 4 мл индикаторного раствора М. При попадании в этот раствор озона он окрашивается в синий цвет. Подобный микрореактор и все реагенты, необходимые для анализа, имеются в продаже (фирма «Su-pelco Со», Bellefonte, Ра.).
Источником высокого напряжения является высоковольтный индикатор вакуума Е (типа катушки Тесла) (фирма «Fisher Scientific Со.»).
Реагенты. Используют «хроматографически чистые» сероуглерод и пентилацетат (фирма «Matheson, Coleman and Bell», Norwood
Ohio). Сероуглерод дополнительно не обрабатывают. Пентилаце-
тат медленно перегоняют в стеклянном аппарате для перегонки и берут центральную фракцию, предварительно проверив высокочувствительным методом отсутствие в ней примесей. Трифенилфосфин (фирма «Distillation Products Industries») используют без дополнительной обработки. Индикаторный раствор представляет собой 5 %-ный раствор KI в 5 %-ной H2SO4 с добавкой крах
мала.
Проведение анализа. В обычном анализе раствор (И) 25 мкг анализируемого соединения в 100 мл CS2 (или пентилацетата) переносят в реакционную пробирку 3 (рис. 7.3). Пробирку с раствором помещают в баню с сухим льдом и ксилолом (на рис. 7.3 не показана), имеющую температуру около —70 °C. После охлаждения раствора через него начинают пропускать ток О2 со скоростью 10 мл/мин. Соединяют электрод Е высоковольтного индикатора вакуума с металлическим капилляром А до тех пор, пока индикаторный раствор не станет синим (примерно через 15 с).
Непредельные соединения
221
После этого поворачивают кран и потоком азота выдувают О2 и озон из реакционной пробирки (примерно в течение 15 с). Затем пробирку вынимают из охлаждающей бани, открывают и добавляют в нее 1 мг порошка трифенилфосфина, вновь закрывают и взбалтывают ее содержимое. После того как раствор в пробирке прогреется до комнатной температуры (примерно 5 мин), 20 мкл этого раствора (что эквивалентно 5 мкг анализируемого соединения) вводят в газовый хроматограф. Идентификацию соединений осуществляют по значениям их времен удерживания.
Для определения хроматографических пиков осколков с 5 и более атомами углерода в молекуле в качестве растворителя используют сероуглерод, а для осколков с 5 и менее атомами углерода в молекуле — пентилацетат. При использовании CS2 температуру колонки программируют следующим образом: постоянная температура 50 °C в течение 6 мин, программирование со скоростью 6,4 °С/мин до температуры 200 °C и затем постоянная температура 200 °C. (Температуру можно программировать и по-другому, если это обеспечивает нужное разделение.) При использовании пентилацетата температуру колонки поддерживают при 35 °C вплоть до выхода из колонки пентилацетата, а затем повышают до 200 °C.
Результаты анализа. При анализе тридцати трех соединений различных классов (спирты, амиды, сложные эфиры, галогенированные соединения, фосфат, циклические соединения, ароматические, алифатические, гетероциклические и другие соединения) были получены ожидаемые результаты, что устанавливали путем сравнения времен удерживания образующихся соединений с временами удерживания соответствующих эталонных соединений.
Обсуждение. Соединения с изолированными двойными связями легко расщеплялись в описанных выше условиях, однако некоторые двойные связи подвергались озонолизу с трудом. Так, например, нерасщепленными оказались несколько а,р-ненасыщенных нитрилов. Не происходило и озонирования тройных связей. Таким образом, озонирование можно, по-видимому, использовать для того, чтобы различить соединения с двойными и тройными связями. Концевые метиленовые группы при озонировании дают формальдегид, который невозможно обнаружить пламенно-ионизационным детектором (однако другая часть молекулы должна определяться таким детектором). Малоновый альдегид, который является обычным продуктом озонолиза-пиролиза природных жирных кислот с двойными связями и промежуточными метиленовыми группами, не проявляется на хроматограмме. Возможно, это объясняется нестабильностью этого альдегида и недостаточной чувствительностью к нему пламенно-ионизационного детектора.
В этом методе не требуется выпаривания, поэтому его можно применять для анализа низкомолекулярных соединений.
222
Глава 7
Данный метод применяли для определения алкилиденовых групп (осколков молекул от концевой метильной группы до первой двойной связи) в нелетучих маслах. Блэк и Биль [23] количественно определили жирные кислоты с двойными связями Д15, содержащиеся в гидрированном соевом масле, путем измерения методом ГХ количества пропионового альдегида, образующегося в результате озонолиза и реакции с трифенилфосфином.
2. Окисление с последующим анализом методом ГХ
Метод Рудлоффа [24] с использованием перйодата и перманганата нашел применение с теми или иными изменениями для определения положения двойных связей в молекуле путем окислительного расщепления по двойным связям и последующего ГХ-анализа образующихся продуктов. Продукты представляют собой карбоновые кислоты; их обычно определяют в форме соответствующих метиловых эфиров. Для количественного выделения эфиров моно-и дикарбоновых кислот от С4 и выше Кюммель [25] проводил непрерывную экстракцию этих кислот, омылял их в процессе удаления растворителя и разделял метиловые эфиры, образовавшиеся из соответствующих солей (б.ез концентрирования), методом ГХ с программированием температуры. Утверждалось, что такой метод позволяет преодолеть трудности, связанные с выделением короткоцепочечных кислот, для которых характерна высокая летучесть и значительная растворимость в воде. Имеется и несколько других аналогичных методов, которые обеспечивают количественное выделение всех образующихся кислот, за исключением короткоцепочечных [26, 27]. В еще одной модификации метода Рудлоффа [28] в водный раствор кислот добавляют гидроокись тетраметиламмо-ния. Порцию полученного раствора помещают в специальный зонд, высушивают при температуре 100 °C и вводят в газовый хроматограф; метиловые эфиры образуются в этом анализе при нагреве в результате контакта зонда с образцом с горячей поверхностью (выше 250 °C) входного устройства хроматографа.
Одна из трудностей, встречающихся в анализе данным методом, связана с образованием двухосновных кислот при углеродных атомах, расположенных между двойными связями, а также при углеродных атомах между двойной связью и концевой карбоксильной группой. Дело в том, что «положение» каждой из образующихся двухосновных кислот в исходной молекуле не определено, и эта неопределенность мешает анализу. При использовании озонолиза эта трудность не возникает, поскольку при расщеплении озонидов образуются альдегиды или кетоны.
Описано также и несколько методов определения положения двойных связей в молекуле, основанных на комбинации ГХ и масс-спектрометрии. В анализах этим комбинированным методом соединения с двойными связями сначала окисляют до диоксисоедине
Непредельные соединения
223
ний (—СН = СН—>—СИОН—СНОН—) четырехокисью осмия, а затем регистрируют масс-спектры соответствующих О-изопро-пилиденовых производных [29], метиловых простых эфиров [30] или триметилсилильных эфиров [31].
В настоящее время озонолиз является, пожалуй, более быстрым, более эффективным и более простым методом определения положения двойных связей в молекуле, чем комбинация методов окисления, превращения в производные, ГХ и масс-спектрометрии.
Г. ВЫЧИТАНИЕ ОЛЕФИНОВ
В результате гидрирования олефина происходит смещение хроматографического пика образовавшегося предельного соединения относительно исходного, Что позволяет его идентифицировать как олефин. Можно также и полностью вычитать соединения в
Таблица 7i8
Поглощение углеводородов различных классов химическими абсорбентами [33]
Анализируемое соединение Поглощение, %
20% HgSO4 20% H2SO4 насыщенный раствор ацетата ртути (II) 4% Ag2£O4 95% H2SO4 H2SO4
95 %-пая 80%-ная бО%.ная
Метан 0 0 0 0 0 0
Этан 0 0 0 0 0 0
Пропан 0 0 0 0 0 0
«-Бутан 0 0 0 0 0 0
н-Гексан 0 0 0 11 7 0
н-Октан 0 0 0 0 0 0
Циклогексан 0 0 8 31 0 0
Этилен 100 94 100 11 6 0
Пропилен 100 100 100 100 67 0
Изобутилен 100 100 100 100 100 100
Пентен-2 100 67 100 100 88 0
Гептен-3 100 60 100 100 85 0
4-Метилциклогек- 100 70 100 100 70 0
сен
Бензол 5 46 100 94 32 13
Толуола 0 22 100 100 33 0
/z-Ксилол а 0 0 100 100 0 0
Ацетилен 100 100 100 16 11 0
Точность измерений составляет лишь ±10% из-за большого удерживания.
224
Глава 7
двойными связями. Так, например, метиловые эфиры жирных кислот (от Сю до С2о), содержащие двойные связи, вычитали из смеси метиловых эфиров путем обработки этой смеси бромом [32]. Бром присоединяется по двойным связям, и в результате образуется малолетучее соединение.
В большинстве своем методы вычитания связаны с разделением углеводородов. При этом на пути газового потока в хроматограф помещают реагент (или смесь реагентов), который реагирует с углеводородом данного типа и полностью удерживает его в реакторе (гл. 1, разд. II, Е). Облегчает и упрощает анализ использование хроматографа с двумя параллельно работающими колонками, в одной из которых находится реагент для вычитания. Олефины вычитаются (удерживаются) насадками с серной кислотой [33—36], серебром [33, 37, 38], ртутью [33, 35, 39—41] или солями одновалентной меди [37]. Выбирая подходящий реагент, можно вычитать олефины вместе с сопутствующими ароматическими соединениями или без них (табл. 7.8).
Диены абсорбируются в колонке с насадкой: 20% смеси 1 : 1 малеинового ангидрида и стеариновой кислоты на носителе [42].
Д. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИЕНОВ
В одном неколичественном методе, позволяющем различить цис- и транс-диены, анализируемый диен вводят в хроматографическую колонку с диенофилом хлормалеиновым ангидридом в качестве неподвижной жидкой фазы; образующиеся продукты присоединения (типа аддуктов Дильса — Альдера) относительно нелетучи и не выходят из колонки. При этом в реакцию вступает большее количество транс-диена, чем его ^uc-аналога, и в результате хроматографический пик транс-диена уменьшается в большей степени [43].
III. ЭЛЕКТРОАНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
А. Ф. Крайвис
АМПЕРОМЕТРИЧЕСКОЕ ТИТРОВАНИЕ ОЛЕФИНОВ
Несколько методов определения соединений с ненасыщенными связями основаны на присоединении к ним брома [44]. При этом одна из трудностей заключается в том, что реакция присоединения не является мгновенной. Однако увеличение времени реакции (или увеличение концентрации брома) с целью повышения степени превращения благоприятствует также и реакции замещения и (или) другим нежелательным реакциям. Поэтому успех анализа этим методом зависит от правильного выбора условий реакции, при кото
Непредельные соединения
225
рых максимально полно проходит реакция присоединения и сведены к минимуму нежелательные реакции.
Дьюбо и Скуг [45] предложили метод амперометрического титрования олефинов бромом, образующимся в стандартном растворе смеси бромата и бромида. Хорошие результаты получались в этом анализе при использовании растворителя, представляющего собой смесь уксусной кислоты, четыреххлористого углерода, метанола, серной кислоты и хлорида ртути(II) в качестве катализатора. Позже выяснилось [46, 47], что еще лучшие результаты получаются без хлорида ртути(II). Уравнения соответствующих реакций имеют вид
ВгО~ + 5Вг” + 6Н+ —> ЗВг2 + ЗН2О (1)
-С=С- + Вг2 —> -С-С- (2)
Вг Вг
Экспериментальный метод (по исследованиям Унгера [47])
Оборудование, В этом анализе можно использовать различные типы оборудования. Электроды можно изготовить в виде платиновых лепестков, стержней, колец или спиралей. Измерительное устройство должно быть аналогично биамперометрической системе для кулонометрического бромирования (см. гл. 1 и 12, разд. III). Можно также использовать и измерительную систему, применяемую в титрованиях по Фишеру; она используется в большинстве современных pH-метров, Унгер [47] применял автоматический титратор (фирма «Beckman»).
Реагенты. Стандартный раствор бромата и бромида (0,25 н.) приготавливают, растворяя 51 г бромида калия и 13,92 г бромата калия в 2 л воды. Стандартизуют раствор путем его титрования 0,1 н. раствором тиосульфата натрия.
Растворитель приготавливают, смешивая 712 мл ледяной уксусной кислоты, 134 мл четыреххлористого углерода, 134 мл метанола и 18 мл серной кислоты (1 : 5 по объему).
Проведение анализа. Титрование следует проводить при температуре 0—5 °C, поэтому стакан с титруемым раствором помещают в баню со льдом.
При использовании автоматического титратора ПО мл растворителя переносят в стакан для титруемого раствора и охлаждают его до температуры 0—5 °C. Затем проводят предварительное титрование растворителя при величине поляризующего тока 5 мкА и времени задержки 60 с. По окончании предварительного титрования в стакан добавляют подходящую порцию анализируемого раствора и вновь проводят титрование.
При использовании неавтоматического титратора титрование растворителя проводят отдельно и вычитают объем израсходованного
Ь Зак. 58
226
Глава 1
При этом .стандартного раствора из объема стандартного раствора, израсходованного при титровании анализируемого раствора.
По результатам титрования вычисляют содержание в пробе двойных связей.
IV. МЕТОДЫ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА
Г. Агахигиан
Определение ненасыщенных соединений методом ЯМР облегчается тем, что значения химических сдвигов для ядер винильных водородных атомов значительно отличаются от значений химических сдвигов для ядер других атомов водорода. Этим же методом относительно легко определять степень превращения олефина в соответствующее насыщенное соединение в процессе гидрирования или бромирования. Для этого требуется лишь измерять скорости уменьшения интенсивности линий атомов водорода винильной группы и увеличения интенсивности линий атомов водорода насыщенной системы.
Интересную статью, посвященную определению ненасыщенных соединений, опубликовали Стелинг и Барц [48]. В ней обсуждается применение спектроскопии ЯМР для получения характеристических спектров с целью идентификации шестидесяти известных олефинов. Выяснены особенности этих спектров, используя которые структуры соединений можно определять по разности значений химических сдвигов, а также констант взаимодействия. Здесь мы хотим показать только то, что эта статья может служить прекрасным руководством по определению ненасыщенных соединений, для которых легко установить геометрию двойных связей. В ней исследован ряд ненасыщенных углеводородов от простого моноолефина типа СН3(СН2)ПСН2СН==С1Т2 до сложных олефинов как В-замещенных R—С = СН2, так и а-замещенных R2C = CHCH3.
I R
Проведенное в этой статье исследование спектров направлено прежде всего на определение структуры, но оно чрезвычайно ценно и для определения природы олефина. В ней исследованы, например, димеры З-метилбутена-1, 2-метилпентена-1, сополимеры изопрена и изобутилена, полипентадиен-1,3, а также полиизопрены. Цель авторов вышеуказанной статьи заключалась в том, чтобы изучить различные замещающие группы и определить значения соответствующих констант взаимодействия и химических сдвигов; благодаря такому подходу им удалось осуществить некоторые интересные определения. Данные получали обычным методом, используя 1% ТМС в качестве внутреннего стандарта. Важность этой статьи
Непредельные соединения
227
в том, что она дает возможность определить заместитель при данной двойной связи. Помимо этого, о наличии ненасыщенных связей можно судить по значениям химических сдвигов. Таким образом, эта статья позволяет получить такую информацию, по которой можно определить присутствие, а также тип ненасыщенности.
В работе Джонсона и Шулери [49] приведены данные анализа жирных кислот и их триглицеридов, а также описан метод определения степени ненасыщенности. Авторы изучали спектры резонанса на ядрах водорода при двоесвязных углеродных атомах триглицеридов, причем интерпретировать эти спектры было нетрудно. Задача заключалась в том, чтобы определить площадь спектральной линии, соответствующей атому водорода одного типа. При этом использовали метиленовую группу глицериновой части молекул натуральных жиров; линию резонанса метинового водорода глицериновой части, которая налагалась на линию олефинового водорода, вычитали из спектра и определяли степень ненасыщенности.
Результаты определения степени ненасыщенности, полученные методом ЯМР и йодометрическим методом, представлены в табл. 7.9.
Таблица 7,9
Степень ненасыщенности различных масел, полученная методом ЯМР и йодометрическим методом
Масло Результаты анализа методом ЯМР, % Результаты анализа йодометрическим методом, %
Кокосовое 10,5 ±1,3 8,0—8,7
Оливковое 80,8 + 0,9 83,0—85,3
Арахисовое 94,5±0,6 95,0—97,2
Соевое 127,1 + 1,6 125,0—126,1
Подсолнечное 135,0 + 0,9 136,0—137,7
Сафлоровое 141,2± 1,0 140,0—143,5
Спермацетовое 150,2+1,0 149,0—151,6
Льняное 176,2 ±1,2 179,0—181,0
Тунговое 225,2+1,2 1 146,0—163,5а
Большой разброс результатов для тунгового масла обусловлен, по-видимому, наличием сопряженной двойной связи в олеостеариновой кислоте.
В табл. 7.10 приведены результаты анализов методом ЯМР и методом с использованием омыления.
Преимуществом определений методом ЯМР является их быстрота, причем, как правило, результаты таких определений хорошо согласуются с результатами, полученными другими методами.
8:
228
Глава 7
Таблица 7.10
Средний молекулярный вес масел, полученный методом ЯМР и методом омыления
Масло Число омыления Молекуляр иый вес Значение молекулярного веса, полученное в анализе методом ЯМР
Оливковое 189,3 887,1 873,8 + 5,3
Арахисовое 188,8 891,5 882,3 + 7,4
Сафлоровое 191,5 879,0 874,9 ±9,3
Еще одним примером эффективности этого метода может служить анализ а-олефинов, проведенный Фланаганом и Смитом [50]. Авторы исследовали гексен-1, октен-1, 2-метилпентен-1 и 2-этил-додецен-1. Кроме того, они установили присутствие транс-гексена-2 в гексене-1. .
Один из методов [51] основан на присоединении сульфенил-хлоридов по двойным связям. В анализе, описанном в работе [51], использовали метансульфенилхлорид и бензолсульфенилхлориды. Продукты присоединения получали для таких олефинов, как этилен, пропилен, изобутилен, метилбутен-3, стирол, аценафтилен, норборнен и хлористые винилы. В зависимости от типа заместителя по двойной связи можно получить присоединение по правилу Марковникова или против этого правила. Преимущество метода ЯМР в таком анализе заключается не только в том, что с его помощью можно наблюдать исчезновение ненасыщенных связей in situ, но и то, что можно получить информацию о структуре анализируемых соединений.
Динер и Лоун [52] описали метод, в котором используется реакция нитрата иодония с алкенами при комнатной температуре. Выход продуктов присоединения в этой реакции 50—80%. С ее помощью удобно анализировать алкены в случаях, когда образующиеся продукты присоединения оказывают сильное экранирующее действие, в результате которого линии протонного резонанса сдвигаются в область более низкого поля. Эти реакции проводили в хлороформе и пиридине. Приведены результаты анализа гексена-1, г{ас-пентена-2, этилвинилового эфира, стирола, 3,3-диметилбутена-1 и 2-метилбутена-2.
V. РАДИОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Д. Кэмпбелл
Радиохимические методы определения ненасыщенности были разработаны главным образом для определения микроколичеств ненасыщенных жиров и жирных кислот, а также для анализа син
Непредельные соединения
229
тетических полимеров с малым содержанием двойных связей. Особое преимущество в таких анализах имеют радиоизотопы галогенов. Определению положения двойных связей в молекулах многих мономерных соединений, а также полиоксипропиленгли-колей и циклических эфиров в эластомерах, содержащих антиоксиданты, помогает образование аддукта в присутствии мета-нола-14С и ацетата ртути (II).
А. ПРЕВРАЩЕНИЕ В АДДУКТЫ БРОМИСТОГО ИОДА
Реакция ненасыщенных жиров и жирных кислот с IBr, в результате которой образуются производные, содержащие по одному атому иода и брома, лежит в основе известного титриметри-ческого метода Гануса [53]. В работах [54, 55] описан метод определения микроколичеств этих веществ, в котором используется бромистый иод, меченный изотопом 1311. В анализе этим методом пробу наносят на фильтровальную бумагу и обрабатывают ее раствором радиореагента в абсолютном метаноле, насыщенном бромидом натрия. Реакционная способность нанесенных на бумагу соединений значительно увеличивается за счет получающейся относительно большой поверхности их контакта с реагентом. Для приготовления раствора 131 IBr в мерную колбу емкостью 10 мл переносят порцию водного раствора Na131I, в которой содержится 1 мМ соли и радиоактивность которой равна 0,5 мКи. После выпаривания этой порции и тщательного высушивания остатка в эту колбу добавляют теоретический объем 0,2 н. раствора брома в .сухом метаноле; о завершении реакции в колбе судят по изменению цвета раствора с коричневого на оранжевый. Образующийся в этой реакции NaBr служит для насыщения реагента, в котором не должно быть свободного брома.
Для нанесения на фильтровальную бумагу анализируемые соединения растворяют в летучем растворителе. Наносят соединения в количестве 20—60 мкг. В определении жирных ненасыщенных кислот высушенную бумагу с анализируемой кислотой сначала погружают в 5%-ный раствор ацетата меди(II) для закрепления кислоты с тем, чтобы ее пятно не расплывалось при обработке реагентом; пятна солей меди(II) имеют синий цвет и хорошо заметны. После закрепления бумагу промывают водой для удаления с нее большей части ацетата меди(II) и высушивают. После этого на пятно по каплям действуют раствором реагента до получения устойчивой окраски и затем прикапывают по крайней мере еще такое же количество реагента [56]. Для удаления непрореагировавшего 1311Вг высушенную бумагу в течение 3—5 мин промывают смесью 1 : 9 этанола и воды. По окончании промывки пятна вырезают и измеряют их радиоактивность счетчиком Гейгера — Мюллера.
230
Глава 7
Для получения калибровочных данных аналогичным образом анализируют различные количества (от 20 до 60 мкг) олеиновой или линолевой кислот. По результатам этих анализов строят калибровочный график зависимости скорости счета от содержания кислоты в пятне. Для калибровки можно использовать и стандартные порции других соединений, например кислот или жиров, степень ненасыщенности которых была определена титриметриче-ским методом. Этот прямой метод, по-видимому, удобен для быстрых ежедневных определений полного содержания ненасыщенных жиров и высших жирных кислот в отсутствие других ненасыщенных соединений. Так же как и во всех количественных методах с применением изотопа 1311, в этом методе необходимо определять поправки, учитывающие малый период полураспада этого изотопа (8 дней). Такие поправки получают путем измерения радиоактивности стандартных проб, обработанных тем же количеством реагента, что и анализируемая проба. Результаты анализа этим методом олеиновой и линолевой кислот, свиного топленого сала и различных растительных масел хорошо согласовывались с результатами анализа этих веществ обычным методом бромирования.
Б. ПРЕВРАЩЕНИЕ В ИОДПРОИЗВОДНЫЕ
Элементарный иод в растворе медленно присоединяется к большинству ненасыщенных соединений. Из-за этого, а также ввиду доступности универсальных реагентов IBr и IC1 иод относительно редко используют в обычных анализах. Однако если анализируемое ненасыщенное соединение, нерастворимое в воде, нанести на подходящий носитель, например хроматографическую бумагу, или разделить смесь таких соединений на хроматографической бумаге, пропитанной силиконовым маслом или определенными алканами, то эти соединения оказываются в форме, в которой они высокоактивны даже по отношению к элементарному иоду в водном растворе. Свободный иод легко генерировать по мере необходимости путем подкисления раствора иодида и йодата:
5131Г 4- ю;+ 6Н4- —> З13112 + зн2о.
Несвязанный иод легко удаляется с бумаги путем улетучивания. Существует несколько основанных на этом принципе методов определения ненасыщенных жиров и жирных кислот.
Ненасыщенные олеиновую и линолевую кислоты первоначально определяли [57, 58] путем их разделения методом хроматографии на бумаге, пропитанной смесью низкокипящих (180—190 °C) синтетических алканов. (Проявляли хроматограмму 9 : 1 водным раствором уксусной кислоты, насыщенным той же смесью.) Проявленную хроматограмму в течение 1 ч высушивали в атмосфере азота при температуре 60 °C. После этого ее погружали в 6,5 мл раствора 0,0022 М по Na131I и 0,0044 М по NaIO3 с удельной
Непредельные соединения
231
радиоактивностью 5 мкКи/мл. Для генерирования иода этот раствор подкисляли до 0,025 М по H2SO4. В этом растворе хроматограмму выдерживали в течение 2,5 ч, после чего ее высушивали в течение ночи при комнатной температуре для удаления избытка реагента (иода). Радиоактивность пятен хроматограммы измеряли торцевым счетчиком Гейгера — Мюллера сканирующим методом. По данным анализа 7—8 пятен чистых кислот, содержащих различные количества этих кислот в пределах 300—400 мкг, строили калибровочный график зависимости полной радиоактивности пятна от концентрации кислоты. Этот график был достаточно прямолинейным. Однако более удобно в ежедневных анализах этих кислот пользоваться линейной зависимостью максимума радиоактивности пятна от логарифма количества содержащейся в нем кислоты. Используя обычные реагенты, пятна можно сделать видимыми и облегчить тем самым определение положения максимума плотности пятна.
Принципиально тот же метод применяли для определения 5— 10% рапсового масла в других пищевых маслах с точностью ±8% |59]. После гидролиза эруковую кислоту отделяли методом хроматографии на бумаге. После обработки хроматографического пят-па этой кислоты радиореагентом его радиоактивность сравнивали с радиоактивностью пятна, полученного при анализе стандартной пробы этой кислоты.
Аналогичным образом, используя хроматографическую бумагу, пропитанную силиконовым маслом, определяли олеиновую, линолевую и линоленовую кислоты, полученные омылением льняного масла [60]. В качестве реагента использовали 0,0022 М раствор \га1311 с удельной радиоактивностью 1 мкКи/мл. В этом анализе наблюдалась линейная зависимость максимума радиоактивности пятна от содержания в нем анализируемой кислоты, и это позволяло быстро определять полное содержание ненасыщенных жирных кислот в пределах 20—400 мкг. При уменьшении удельной радиоактивности раствора Nal до 0,05 мкКи/мл увеличивалась степень разрешения хроматографических пятен, и это позволяло определить три кислоты, общее содержание которых находилось в пределах 50—15*0 мкг.
Прямое иодирование на бумаге применяли и для определения ненасыщенных соединений в пищевых и промышленных маслах без предварительного гидролиза. В анализе одним из таких ме-юдов (предназначавшимся первоначально для определения льняного масла) [61] несколько порций масла, по 10 мкг каждая, растворяли в гексане и наносили на фильтровальную бумагу (ватман № 1), пропитанную силиконовым маслом. Затем бумагу с пятнами масла погружали в подкисленный раствор иодида-131! и йодата натрия и выдерживали ее в этом растворе в течение 2 ч ври температуре 60°C. Удельная радиоактивность раствора рецепта составляла 10 мкКи/мл. После удаления с бумаги избытка
232
Глава 7
иода теплым воздухом измеряли радиоактивность обработанных пятен торцевым счетчиком Гейгера — Мюллера. Удельную радиоактивность реагента определяли непосредственно, измеряя радиоактивность известного количества Na131I, осажденного на алюминиевую пластинку путем выпаривания. Элементарный иод, соединяющийся с ненасыщенным соединением, частично образуется и из йодата натрия; такое разбавление радиоактивного иода необходимо учитывать в вычислениях. Содержание ненасыщенных связей в анализируемой пробе вычисляют по формуле
U = ——, 2SW ’
где U — содержание двойных связей в пробе (мМ/r); А — радиоактивность обработанного пятна (мкКи); S—удельная радиоактивность элементарного иода (мкКи/мэкв); W— величина анализируемой пробы, нанесенной на бумагу (г).
Данный метод интенсивно изучался в связи с применением его для определения двадцати двух масел с иодным числом в пределах 8—155 [62]. При это,м в анализе нескольких масел были получены значения иодного числа, значительно большие тех значений, которые получаются в анализах обычными титриметриче-скими методами Гануса и Гебля. Такое расхождение объяснили почти полным присоединением иода при использовании радиохимического метода. Точность данного метода +0,5%.
Метод с применением изотопа 1311 полезен и в определении ситостерина на бумажных хроматограммах [63], а также в идентификации и определении некоторых гидразоновых производных стероидов после их разделения методом электрофореза [64]. В анализе, описанном в работе [64], наблюдалась линейная зависимость максимума радиоактивности пятна от содержания в нем производного стероида.
В описанных выше прямых определениях с использованием изотопа 1311 радиоактивность измеряли исключительно счетчиками Гейгера — Мюллера, однако прекрасные результаты получаются и при использовании жидкостных сцинтилляционных счетчиков [65] при элюировании иодпроизводных из хроматографической колонки. При использовании жидкостных сцинтилляционных счетчиков достаточно эффективный анализ обеспечивает и изотоп 1251, имеющий период полураспада, равный 60 дням [65]. При использовании более долгоживущего изотопа можно реже обновлять реагенты, а для защиты от испускаемого им более мягкого у-излу-чения требуются менее мощные экраны.
В. ПРЕВРАЩЕНИЕ В ХЛОРПРОИЗВОДНЫЕ
Несмотря на то что свободный хлор редко применяли в химических определениях ненасыщенности, изотоп 36С1 оказался полезным в определении при строго контролируемых условиях очень
Непредельные соединения
233
низких концентраций двойных связей в некоторых синтетических полимерах. Этот радиоизотоп является источником чистого р-из-лучения (ЕМакс = 0,714 Мэв) и имеет период полураспада, равный 3,1 X Ю5 лет. Хлор легко получать путем разложения хлорида палладия(П) [66] и количественно переносить с помощью линии, откачанной до высокого вакуума, с кранами без смазки. Радиоактивность газообразного хлора удобно измерять путем поглощения известного его количества в растворе избытка стирола в четыреххлористом углероде. Со стиролом хлор реагирует мгновенно, и радиоактивность образующегося раствора можно измерять счетчиком Гейгера — Мюллера, который применяют в радиоизотопном анализе жидких образцов. Химическое определение хлора легко осуществить путем титрования иода, выделяющегося при поглощении хлора в водном растворе иодида калия, раствором тиосульфата.
При использовании газообразного изотопа 36С12 для количественных определений ненасыщенности необходимо соблюдать строго контролируемые воспроизводимые условия реакции. Это требование обусловлено несколькими причинами. Во-первых, такой контроль необходим для регулирования механизма реакции, которая может быть ионной или свободнорадикальной. Во-вторых, степень превращения реакции присоединения или замещения определяется не только структурой анализируемого олефина, но и условиями хлорирования. В-третьих, значительная реакционная способность хлора часто приводит к побочным реакциям, что в свою очередь вызывает необходимость проводить ряд строго контролируемых дополнительных анализов с различными количествами реагента. Для подавления свободнорадикальных реакций хло-рированйе осуществляют в запаянных ампулах при температуре 20 или 25 °C в темноте в отсутствие воздуха. В этих условиях олефины с разветвленными цепями [например, —СН2—С(СНз) = = СН—СН2— и —СН2—С(СН3)=СН2] реагируют с хлором, замещая водород метильной группы.
Иллюстрацией метода с 3бС12 может служить его первоначальное применение в определении связанного изопрена в бутилкаучуке [67]. В этом анализе 20 мг эластомера растворяют в 10 мл ССЦ и количественно шприцем переносят полученный раствор в двугорлую реакционную колбу, одно из горл которой присоединено к линии высокого вакуума. Затем объем раствора в колбе доводят до 15+0,5 мл, запаивают свободное (не соединенное с линией) горло и тщательно дегазируют раствор. После этого в колбу впускают 36С12 в таком количестве, чтобы концентрация его в растворе была равна 1,44=0,4 вес.%. Колбу после этого запаивают и отделяют от линии. После выдерживания колбы в темноте в течение 10 мин при температуре 20 °C ее открывают и промывают образовавшийся в ней раствор 0,1 н. водным раствором NanSsOs для удаления из него 36С12 и Н36С1. После еще одной
234
Глава 7
промывки объем раствора доводят до 25 мл и измеряют его радиоактивность. Эту процедуру повторяют 5—7 раз с различными концентрациями 36С12 вплоть до 17+2 вес.%. По результатам этих анализов строят график зависимости содержания хлора в полимере (в вес.%) от содержания хлора (в вес.%) в реакционной смеси. Два прямолинейных участка полученного графика продолжают до их пересечения. Точка пересечения соответствует завершению аналитической реакции. Определение хлора в полимерах с известной ненасыщенностью показало, что в результате реакции образуется [—СН2—С (СНС12) =СН—СН2—]п.
При использовании данного метода в определении числа концевых двойных связей в полиизобутилене [68] реакция хлорирования дает монохлорзамещенное производное —СН2—С(СН2С1) = = СН2, а не дихлорзамещенное, как это первоначально предполагалось [69]. Этот факт установили путем анализа модельных соединений, таких, как 2,4,4-триметилпентен-1, 2,4,4-триметилпентен-2 и 2,4,4,6,6-пентаметилгептен-1, а также полимера с молекулярным весом <1000.
Аналогичным образом радиоактивный хлор использовали в определении ненасыщенности в полистироле, синтезированном путем как катионной [70], так и свободнорадикальной полимеризации [71]. При проведении этих анализов предполагалось, что по аналогии со стиролом по двойной связи присоединяются два атома хлора.
Г. ПРЕВРАЩЕНИЕ В БРОМПРОИЗВОДНЫЕ
Методом с использованием 82Вг2 быстро и точно определяли следовые количества (>0,064 мкМ/мл) ненасыщенных углеводородов в алканах [72]. В этом анализе 50 нг элементарного 82Вг2 с удельной радиоактивностью 8 мКи/г добавляли к 10 мл алкана и в течение 30 мин выдерживали полученный раствор в темноте при температуре 0°С. Избыток брома удаляли затем путем экстракции 10 мл водного раствора сульфита. Концентрацию дибром-производного определяли по радиоактивности порции обезвоженной алкановой фазы; удельную радиоактивность брома определяют путем аналогичного анализа порции водной фазы. Этот метод является непосредственным и чувствительным, однако он не совсем подходит для ежедневных определений из-за слишком короткого периода полураспада изотопа 82Вг (35 ч). Бромзамещен-ные производные с концентрациями выше 5 мкМ/мл можно идентифицировать методом ГХ.
Д. ПРЕВРАЩЕНИЕ В ВИЦИНАЛЬНЫЕ МЕТОКСИ-14С-АЦЕТОКСИПРОИЗВОДНЫЕ РТУТИ (II)
Многие соединения с концевыми двойными связями, а также вещества с некоторыми формами /{цс-ненасыщенности количественно реагируют с избытком ацетата ртути(II) и метанола, об-
Непредельные соединения
235
разуя вицинальные продукты присоединения по двойным связям. При использовании в этой реакции метанола-14С образуются ме-токсил4С-ацетоксипроизводные ртути (II). Уравнение соответствующей реакции (для стирола) имеет вид
12 + 14СН3ОН Нд(ОАс)2
Образующиеся продукты присоединения достаточно стабильны и могут быть выделены путем испарения метанола, что используется в одном радиохимическом методе определения нескольких активных ненасыщенных соединений [73]. В анализе этим методом порцию дихлорэтана объемом 2 мл, содержащую 75—250 мкМ двойных связей, переносят в круглодонную мерную колбу емкостью 10 мл. Если определяемое соединение неизвестно, то в этой порции дихлорэтана должно содержаться не более 20 мг нелетучего органического материала. Через шаровое соединение колбу можно соединять с прибором для определения изотопа 14С методом мокрого сжигания и количественного сбора 14СО2 в ионизационной камере [74—77]. Для анализа в эту колбу добавляют 1 мл раствора ацетата ртути(II) в метаноле-14С (150 мг/мл) и закрывают ее. Затем в течение 1 ч выжидают прохождения в колбе реакции при температуре 40°C и потоком инертного газа переносят дихлорэтан и избыток метанола в охлаждаемую ловушку; непрореагировавший метанол удаляют под вакуумом при температуре 30—40 °C. К остатку в колбе добавляют 1,5 г смеси К2Сг2О7—КЮз и затем разлагают его, нагревая с 5 мл безводной смеси фосфорной и дымящей серной кислот. Образующуюся 14СО2 собирают в ионизационной камере объемом 250 мл и измеряют его радиоактивность емкостным или лепестковым электрометром. Радиоактивность этого газа с поправкой на радиоактивность холостого раствора пропорциональна ненасыщенности пробы. Удельную радиоактивность метанола-14С определяют тем же способом, превратив его в я-нитробензоат. Результаты анализа типичных соединений, к определению которых применим данный метод, приселены в табл. 7.11.
Этот метод применим к определению соединений с концевыми двойными связями, а также к анализу соединений с z^e-ненасы-щенными связями типа олеиновой кислоты и производных цикло-юксена. Во всех анализах карбоксильная, гидроксильная, карбонильная и оксирановая группы не мешали определениям. Этим же методом можно определять акриловую и метакриловую кислоты, однако соединения с двойными связями в а, [3-положении по отношению к карбонильной группе не всегда количественно реагируют с данным реагентом. Точность метода измерения радиоактивности
236
Глава 7
Таблица 7.11
Результаты определения ненасыщенных соединений с использованием метокси-14С-ацетоксипроизводных ртути (II)
Анализируемое соединение Содержание ненасыщенных связей, мМ/г Число анализов Среднее отклонение, мМ/г
теорс гиче-ское полученное в ап 1лизе
Аллиловый спирт 17,22 16,93 2 0,06
Аллилциклогексан 8,05 8,17 2 0,06
З-Циклогексен-1 -карбоксаль- 9,08 9,25 2 0,03
дегид
Диаллиловый эфир .20,38 20,07 3 0,01
4,5-Эпоксигексен-1 10,19 9,99 2 0,01
Гексен-5-он-2 10,19 10,23 2 0,05
Октен-1 8,91 8,80 2 0,01
Олеиновая кислота 3,54 3,55 4 0,06
Сквален 14,32 а 14,31 2 о,рз
Стирол 9,60 9,59 4 0,01
а При чистоте 98%.
с использованием ионизационной камеры и электрометра +0,5% [77], причем было показано, что, применяя сухое сжигание, точность этого метода можно довести до +0,25% [78].
Благодаря высокой чувствительности метода его можно применять для определения малого числа двойных связей в поли-оксипропиленгликолях [73]. Значительное содержание кислорода в этих полимерах позволяет использовать для их анализа пробы величиной не более 100 мг и количественно определять около 1 мкМ двойных связей, используя метанол с удельной радиоактивностью 1 мкКи/мМ. Результаты анализа таких гликолей с при-
менением радиохимического и титриметрического методов приведены в табл. 7.12.
Этот метод применяли также и в анализе эластомеров, синтезированных из окиси пропилена и ненасыщенного эпоксисоединения [79]. При этом можно не проводить трудоемкое отделение этих полимеров от антиоксидантов, которые оказывают существенные помехи в анализе методом галогенирования.
Применение жидкостных сцинтилляционных счетчиков [80] значительно повышает скорость и удобство этого метода анализа; при этом в качестве реакционного сосуда используют кювету счетчика. После удаления дихлорэтилена и избытка метанола для проведения радиоанализа осадок растворяют в 15 мл сцинтиллятора диоксан — нафталин — метанол, содержащего 5 мл/л ледяной уксус-
Список литературы
237
Т аб ища 7.12
Результаты определения ненасыщенности в полиоксипропиленгликолях радиохимическим и микротитриметрическим методами
Номинальный молекулярный вес многоатомного спирта Содержание ненасыщенных связей, мМ/г
полученное титри-метрическим методом полученное радиохимическим методом
400 0,0046 0,0047 0,0048 0,0032
1000 0,0193 0,0191 0,0192 0,0184
2000 0,0447 0,0448 0,0448 0,0437
3000 0,0417 0,0419 0,0400 0,0428
ной кислоты. Для анализа более высокомолекулярных полимеров, содержащих циклические окиси, рекомендуется сцинтиллятор на основе толуола. Количество метанола-14С определяют непосредственно.
Е. ПРЕВРАЩЕНИЕ В АДДУКТЫ МАЛЕИНОВОГО АНГИДРИДА
В настоящее время не существует каких-либо разработанных методов определения с использованием меченого малеинового ангидрида. Однако в работе [81] отмечается, что ввиду высокой реакционной способности этого меченого диенофила по отношению к диенам линейной и циклической структуры его можно было бы использовать для определений. Так, например, циклопентадиен превращался в аддукт малеинового ангидрида с выходом 97% [82].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
АБСОРБЦИОННЫЕ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
1. Johnston R. W. В., Appleby W. G., Baker М. О., Anal. Chem., 20, 805 (1948).
2. Anderson J. Л., Jr., Seyfried W. D., Anal. Chem., 20, 998 (1948).
3. Saier E. L., Pozefsky A., Coggeshall N. D., Anal. Chem., 26, 1258 (1954).
4. Goddu R. F., Anal. Chem., 29, 1790 (1957).
5. O’Connor R. T.' Heinzelman D. C., Freeman A. F., Pack F. C., Ind. Eng. Chem., Anal. Ed„ 17, 467 (1945).
(i. Long D. R., Neuzil R. W., Anal. Chem., 27, 1110 (1955).
7. Benesi H. A., Hildebrand J. H.f J. Am, Chem. Soc., 71, 2703 (1949).
238
Глава 7
8. Hastings S. IE, Franklin 1. L., Schiller J. C., Matsen F. Д., J. Am. Chem. Soc., 75, 2900 (1953).
9. Sweetser P. B., Bricker С. E., Anal. Chem., 24, 1107 (1952).
10. Miller J. W., DeFord D. D., Anal. Chem., 29, 475 (1957).
11. Fritz J. S., Wood G. E., Anal. Chem., 40, 134 (1968).
ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
12. Beroza M., Sarmiento R., Anal. Chem., 38, 1042 (1966).
13. Essenberg P., Kobayashi A., Mysliwy T. J., J. Agr. Food Chem., 17, 1377 (1969).
14. Guillot J., Bottazzi H., Guyot A., Trambouze У., J. Gas Chromalog., 6, 605 (1968).
15. Littlewood A. B., Wiseman W. A., J. Gas Chromatog., 5, 334 (1967).
16. Klesment L, J. Chromatog., 31, 28 (1967).
17. Privett O. S., Progress in Chemistry of Fats and Other Lipids, Vol. IX: Polyunsaturated Acids, R. T. Holman, ed., Part I, Pergamon Press, New York, 1966, pp. 91—117.
18. Beroza M., Bierl B. A., Anal. Chem., 38, 1976 (1966).
19. Beroza M., Bierl B. A., Mikrochim. Acta, 1969, 720.
20. Davison V. L., Dutton H. J., Anal. Chem., 38, 1302 (1966).
21. Nickell E. C., Privett O. S., Lipids, 1, 166 (1966).
22. Beroza M., Bierl B. A., Anal. Chem., 39, 1131 (1967).
23. Black L. T., Beal R. E., J. Am. Oil Chemists’ Soc., 46, 312 (1969).
24. Rudloff E., von, Can. J. Chem, 34, 1413 (1956)*.
25. Kuemmel D. F., Anal. Chem, 36, 426 (1964).
26. Tulloch A. D., Craig В. M., J. Am. Oil Chemists’ Soc., 41, 322 (1964).
27. Jones E. P., Davison V. L., J. Am. Oil Chemists’ Soc., 42, 122 (1965).
28. Downing D. T., Greene R. S., Lipids, 3, 96 (1968).
29. McCloskey J. A., McClelland M. J., J. Am. Chem. Soc., 87, 5090 (1965).
30. Niehaus W. G., Jr., Ryhage R., Tetrahedron Letters, 49, 5021 (1967).
31. Argoudelis C. J., Perkins E. G., Lipids, 3, 379 (1968).
32. O'Keefe P. W., Wellington G. H., Mattick L. R., Stouffer J. R., J. Food Sci., 33, 188 (1968).
33. Innes W. B., Bambrick W. E., Andreatch A. J., Anal. Chem., 35, 1198 (1963).
34. Maher T. P., J. Gas Chromatog., 4, 355 (1966).
35. Klosterman D. L., Sigasby J. E., Jr., Environ. Sci. Technol., 1, 309 (1967).
36. Martin R. L., Anal. Chem., 32, 336 (1960).
37. Littlewood A. B., J. Gas. Chromatog.. 1 (11), 34 (1963).
38. Hoffman R. L., List G. R., Evans C. D., J. Am. Oil Chemists’ Soc., 43, 675 (1966).
39. Innes W. B., Bambrick W. E., J. Gas Chromatog., 2, 309 (1964).
40. Gordon R. J., Mayrsohn H., Ingels R. M., Environ. Sci. Technol., 2, 1117 (1968).
41. McEwen D. J., Anal. Chem., 38, 1047 (1966).
42. Алексеева К. В., Соломатина Л. С., Заводск. лаб., 33, 1376 (1967).
43. Gil-Av Е., Herzberg-Minzly У., J. Chromatog., 13, 1 (1964).
ЭЛЕКТРОАНЛЛИ1ИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
44. Siggia S., Quantitative Organic Analysis via Functional Groups, 3rd Ed., John Wiley, New York, 1963, pp. 297—371.
45. Dubois H. D., Skoog D. A., Anal. Chem., 20, 624 (1948).
46. Wood J. C. S., Anal. Chem., 30, 372 (1958).
47. Unger E. H., Anal. Chem., 30, 375 (1958).
МЕТОДЫ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА
48. Stehling F. C., Bartz K. W., Anal. Chem, 38, 1467 (1966).
49. Johnson L. F., Shoolery J. N., Anal. Chem., 34, 1136 (1962).
Список литературы
239
50. Flanagan Р. W., Smith Н. F., Anal. Chem., 37, 1699 (1965).
51. Mueller W., Butler P. E., J. Am. Chem. Soc., 90, 2075 (1968).
52. Diner U. E., Lown J. W., Chem. Commun., 1970, 333.
РАДИОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
53. Siggia S., Quantitative Organic Analysis via Functional Groups, 3rd Ed., John Wiley, New York, 1963, pp. 316—318.
54. Kaufmann H. P., Budwig J., Fette und Seifen, 53, 253 (1951).
55. Kaufmann H. P., Fette, Seifen, Anstrichmittel, 58, 492 (1956).
56. Jaky M., Kaffka K., Fette, Seifen, Anstrichmittel, 62, 682 (1960).
57. Budzynski A. Z., Zubrzycki Z. J.y Campbell I. Nature, 182, 178 (1958).
58. Budzynski A. Z., Zubrzycki Z. J., Campbell I. G., Proc. 2nd Intern. Conf.
Peaceful Uses At. Energy, Vol. 24, Geneva, 1958, p. 274.
59. Budzynska J., Budzynski A. Z., Roczniki Panstwowego Zakladu Hig., 13, 39 (1962) [Chem. Abstr., 57, 2637с].
60. Abdel-Wahab M. F.t El-Kinawi S. A., Z. Anal. Chem., 184, 40 (1961).
61. Abdel-Wahab M. F.y El-Kinawi S. A., Z. Anal. Chem., 180, 420 (1961).
62. Abdel-Wanab M. F., El-Kinawi S. A., Z. Anal. Chem., 186, 364 (1962).
63. Abdel-Wahab M. F., Selim N. F., Z. Anal. Chem., 211, 195 (1965).
64. Abdel-Wahab M. F., Bishara R. H.t Z. Anal. Chem., 219, 183 (1966).
65. Rhodes B. A., Anal. Chem., 37, 995 (1965).
66. McNeill I. C., J. Chem. Soc., 1961, 639.
67. McNeill I. C., Polymer, 4, 15 (1963).
68. McGuchan R., McNeill I. C., J. Polymer Sci., A5, 1425 (1967).
69. McGuchan R., McNeill I. C., J. Polymer Sci., A4, 2051 (1966).
70. McNeill I. C., Haider S. /., European Polymer J., 3, 551 (1967).
71. McNeill I. C., Makhdumi T. M., European Polymer J., 3, 637 (1967).
72. Gadeken О. C., Ayres R. L., Rack E. P., Anal. Chem., 42, 1105 (1970).
73. Campbell D. R., Microchem. J., 13, 630 (1968).
74. Neville О. K., J. Am. Chem. Soc., 70, 3501 (1948).
75. Raaen V. F., Ropp G. A., Anal. Chem., 25, 174 (1953).
76. Bonner W. A., Collins C. J.y J. Am. Chem. Soc., 75, 3994 (1953).
77. Collins C. J., Ropp G. A., J. Am. Chem. Soc., 77, 4160 (1955).
78. Wiley R. H., Davis B., J. Polymer Sci., Al, 2819 (1963).
79. Campbell D. R., J. Appl. Polymer Sci., 14, 847 (1970).
80. Campbell D. R., unpublished work.
81. Raaen V. F., Ropp G. A., Raaen H. P., Carbon-14, McGraw-Hill, New York,
82. Berson J. A., Jones W. M., J. Am. Chem. Soc., 78, 6045 (1956).
1968, p. 18.
Активные атомы водорода
I. АБСОРБЦИОННЫЕ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Дж. Г. Ханна
ОПРЕДЕЛЕНИЯ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ ПРОВЕДЕНИЕМ ХИМИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЙ
Харп и Эйферт [1] описали общий метод определения активных атомов водорода с использованием ИК-спектрофотометрии и реакции обмена активных атомов водорода с дейтерием, содержащимся в D2O. В большом избытке D2O равновесие этой реакции смещается в сторону образования дейтерированных продуктов. Количество активного водорода в пробе вычисляют по интенсивности линии поглощения образующейся в D2O гидроксильной группы (при 2,97 мкм). При анализе химически активных атомов водорода, например таких, которые связаны с атомами кислорода, азота, серы или фосфора, быстро устанавливается статистическое распределение активного водорода и дейтерия между анализируемым соединением и D2O.
Пробу, содержащую активные атомы водорода, растворяют или смешивают с D2O и тщательно перемешивают смесь, встряхивая ее в течение 30 мин. Отношение дейтерия к активному водороду в смеси должно быть выше 30 : 1 с тем, чтобы была уверенность в полном прохождении реакции обмена. Все обмениваемые атомы водорода независимо от их природы в равновесной смеси связываются с атомами кислорода.
Полосы поглощения при 2,79 мкм обусловлены валентными колебаниями образующейся водородносвязанной ОН-группы. Таким образом, по коэффициенту поглощения ОН-группы в D2O при 2,79 мкм с помощью предварительно полученного калибровочного графика можно определить содержание в пробе активного водорода. Результаты при этом, как правило, получаются с точностью ±2% по отношению к количеству активного водорода в пробе, а воспроизводимость этих результатов несколько выше. Этим методом можно определить до 0,005 вес.°/о активного водорода.
Активные атомы водорода
241
Метод Харпа и Эйферта [/]
Оборудование. Любой имеющийся в продаже ИК-спектрофотометр с кюветами из плавленого кварца толщиной 1 мм и с длиног! оптического пути 0,025—0,50 мм.
Реагент. D2O, чистота 99,8% или выше. Ввиду чрезвычайно высокой гигроскопичности D2O содержащие ее растворы приготавливают и переносят в сухом боксе. Растворы приготавливают в мерных колбах, закрытых резиновыми мембранами. Из колб пробы отбирают шприцами. Всю химическую посуду и шприцы для отбора проб приводят в равновесие с D2O. Если имеется достаточное количество образца, то перед измерениями несколькими порциями анализируемого раствора промывают абсорбционную кювету.
Проведение калибровки прибора. Удобным источником активного водорода является вода. Для калибровки приготавливают стандартные растворы, содержащие воду в различных концентрациях от 0 до 25 г/л для кювет толщиной 0,025—0,050 мм. Для приготовления такого раствора берут навеску воды в мерной колбе емкостью 5 мл, закрывают колбу резиновой мембраной и в сухом боксе шприцем добавляют в колбу некоторое количество D2O. Чтобы определить добавленное количество D2O, колбу вынимают из сухого бокса и взвешивают. Концентрацию приготовленного стандартного раствора выражают в молях активного водорода на 1 л. При этом пользуются значениями плотности воды и Г)2О при температуре 25 °C, которые соответственно равны 0,9971 и 1,023.
Для каждого из стандартных растворов определяют величину log TqIT, где Го — пропускание при 2,30 мкм, Т —пропускание при 2,97 мкм (оба относительно воздуха).
Пропускание при 2,30 мкм было выбрано в качестве нулевого отсчета, поскольку при этой длине волны пропускание D2O и большинства анализируемых соединений максимально. Измеренное значение поглощения корректируют с учетом поглощения чистой D2O. По результатам измерений строят калибровочный график зависимости поглощения от концентрации активного водорода.
Проведение анализа соединений, растворимых в D2O. Берут навеску образца в мерной колбе емкостью 5 мл и доливают ее до метки D2O. Для достижения равновесия содержимое колбы хорошо перемешивают. Затем определяют поглощение полученного раствора при 2,97 мкм, как это описано выше, и корректируют его с учетом поглощения кюветы и фона, обусловленного D2O. По полученному значению с помощью калибровочного графика зависимости скорректированных значений поглощения от концентрации определяют содержание в растворе ОН-группы (в моль/л).
242
Глава 8
Среднее число п активных атомов водорода в молекуле вычисляют по формуле
гь — с 1 пр
где Сон — концентрация ОН-группы в растворе (моль/л); Спр — концентрация раствора пробы (моль/л).
Проведение анализа соединений, нерастворимых в D2O. При анализе жидких образцов берут навеску образца в мерной колбе емкостью 5 мл и доливают ее до метки D2O. Затем в течение достаточно продолжительного времени колбу с раствором встряхивают, чтобы добиться полного прохождения реакции обмена. Если образец очень вязкий, то его разбавляют безводным инертным растворителем (например, гексаном, бензолом, амилацетатом или четыреххлористым углеродом). При образовании эмульсии раствор слегка встряхивают или центрифугируют для получения чистой фазы D2O. После завершения реакции обмена и разделения фаз измеряют поглощение фазы D2O и корректируют его, как описано выше. Затем вычисляют содержание активного водорода по приведенной выше формуле, причем анализируемым раствором считают фазу D2O.
Результаты, полученные Харпом и Эйфертом, приведены в табл. 8.1. В соответствующих анализах использовали спектрофотометр фирмы «Perkin — Elmer» модели 21 с 0,025-миллиметровыми кюветами (для нерастворимых проб).
Таблица 8.1
Анализ известных соединений на содержание активного водорода
Соединение Среднее число активных атомов водорода в молекуле
тсоре гиче- скос полученное в анализе
Соединения, растворимые в воде
Мочевина 4,0 4,12; 3,95
2-Амино-2-оксимети л пропандиол-1,3 5,0 4,80
Кислый фталат калия 1,0 0,95
Соединения нерастворимые в воде
Анилин 2,0 2,01- 1,98
Цетиловый спирт 1,0 0,99
Флуорен 0 0
4-Метилнентен-2 0 0
Активные атомы водорода
243
II. ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
М. Бероза, М. Н. Инской
Модификация метода Нортона, Тернера и Салмона [2]
В закрытый реакционный сосуд с пробой вводят через мембрану раствор алюмогидрида лития в тетрагидрофуране. Выде--лившийся водород переносят в потоке газа-носителя (азот) в газовый хроматограф и количественно определяют его с помощью катарометра.
Оборудование. Газовый хроматограф с катарометром. Колонка из меди длиной 900 мм с внутренним диаметром 4 мм и с насадкой из молекулярного сита 5А зернением 60/80 меш. В качестве газа-носи-1сля использовали азот, осушенный с помощью молекулярных сит; скорость потока газа-носителя 60 мл/мин. Колонка имела комнатную температуру, а детектор — температуру 100 °C.
Конструкция реакционного сосуда представлена на рис. 8.1, а его включение в схему газового хроматографа на рис. 8.2. Желательно иметь два таких сосуда с тем, чтобы пока один работает, другой можно было промывать (в следующем порядке: вода, разб. ИС1, вода и ацетон) и высушивать (105°C).
Шприцы на 100 мкл, 3 и 10 мл, последние два с толстыми иглами.
Сосуды для образцов емкостью около 15 мл с пластмассовыми крышками. Кроме крышек необходимы резиновые мембраны, плотно облегающие горлышки этих сосудов.
Реагенты. Технический тетрагидрофуран. Обезвоживают над молекулярными ситами не менее недели.
Алюмогидрид лития (2 г) примерно в течение часа осторожно кипятят в 100 мл обезвоженного тетрагидрофурана с водяным холодильником, снабженным осушительной трубкой. После кипячения холодильник убирают, вместо него устанавливают осуши-юльную трубку и выжидают охлаждения раствора. Прозрачный раствор над осадком серого цвета (нерастворившийся реагент) переносят шприцем емкостью 10 мл в чистую сухую колбу емкостью 50 мл и сразу же закрывают ее пробкой.
Молекулярные сита 5А (60/80 меш) активируют, нагревая их и течение 2 ч при температуре 250 °C.
Химически чистая бензойная кислота.
IIроведение анализа. Берут точную навеску образца в сосуде для образца и закрывают сосуд пластмассовой крышкой. Затем в него добавляют из пипетки 5 мл тетрагидрофурана и встряхивают для растворения образца. (При анализе смол или других материалов, содержащих воду, в сосуд добавляют 10—15 зерен активированного молекулярного сита и на 30 мин помещают в эксикатор для удаления из него следов воды.) Подсоединяют к газовому
244
Глава 8
хроматографу чистый сухой реакционный сосуд и вводят в него 2 мл раствора алюмогидрида лития. Затем, повернув кран для отбора проб, через раствор пропускают газ-носитель, который переносит водород в газовый хроматограф. Затем поворотом крана газ-носитель направляют в газовый хроматограф, минуя реакционный сосуд. Эту процедуру следует повторять до тех пор, пока из реакционного сосуда не перестанет выделяться водород. После этого
Рис. 8.1. Конструкция реакционного сосуда.
1 — отверстие для ввода проб; 2 —переходник из нержавеющей стали; 3 — отводная трубка из нержавеющей стали с внешним диаметром около ОД мм припаяна на твердом припое из меди и цинка; 4 — клей; 5—стеклянный сосуд емкостью 3—4 мл; 6 — капилляр; 7—соединение; 8 —стеклянный выступ для зацепления пружины; 9 — коническое сочленение (В. 7); 10—впуск газа-носителя; // — переходник из нержавеющей стали с диаметром отверстия около 3 мм; /2 —мембрана; 13 — шайба.
быстро заменяют пластмассовую крышку сосуда с образцом резиновой мембраной. Через мембрану шприцем отбирают 100 мкл раствора образца и 50 мкл этого раствора вводят в реакционный сосуд через мембрану. При этом следует следить за тем, чтобы вводимый раствор попадал непосредственно в раствор гидрида и не попадал на стенки сосуда. Выделение водорода в реакционном сосуде происходит мгновенно. Через 1 мин после этого поворачивают кран, и поток газа-носителя переносит выделившийся водород в хроматограф. Наконец, измеряют на хроматограмме площадь пика водорода.
Активные атомы водорода
245
Дополнительно можно провести анализы того же образца, бензойной кислоты (стандарта) и холостого раствора (50 мкл тетрагидрофурана). С одной и той же порцией алюмогидрида лития можно провести три или четыре определения, однако со временем раствор алюмогидрида лития становится студнеобразным и непригодным для количественного анализа. В этом случае нужно готовить новую порцию реагента. После примерно 30 вводов пробы температуру колонки на 1 ч (лучше на ночь) повышают до 150°C -для удаления накапливающегося в ней тетрагидрофурана.
В газовый -хроматограф Газ-носитель
В газовый хроматограф Газ-носитель
Рис. 8.2. Схема включения реакционного сосуда в систему: а — отбор пробы; б — реакционный сосуд отключен.
/ — реакционный сосуд; 2 — четырехходовый кран.
/вычисления. При использовании бензойной кислоты в качестве стандарта количество водорода на единицу площади регистрируемого хроматографического пика вычисляют по формуле
112Q0XwXv m
* 122Х(а~6)ХГ
me w — вес бензойной кислоты (г); а — площадь пика водорода, выделившегося в анализе бензойной кислоты; b — площадь хромитографического пика водорода, выделившегося в анализе холо-ыого раствора; v — объем введенной пробы бензойной кислоты (мкл), t— полный объем раствора бензойной кислоты (мкл) (5000 мкл).
Содержание гидроксильных групп в оксисоединениях (Сон) вычисляют по следующей формуле:
r _RX(ai-b)Xti
он wiXviX^ZW ’ [ )
me R — величина, вычисленная по формуле (1), а величины
/i, Vi имеют тот же смысл, что и аналогичные величины в
246
Глава 8
формуле (1), но они относятся к анализу неизвестного соединения. Умножение величины Сон на молекулярный вес неизвестного соединения даст содержание гидроксильных групп на 1 моль, а если это произведение разделить на 17, то получится число гидроксильных групп в молекуле неизвестного соединения.
Аналогичным образом вычисляют содержание активного водорода в соединениях других типов.
Обсуждение. Нортон и сотрудники использовали описанный метод для определения содержания гидроксильных групп в эпоксидных смолах, однако здесь этот метод обобщен на случай определения активного водорода. Методика анализа с некоторыми изменениями заимствована из работ [3, 4], в которых утверждается, что получаемые результаты имеют точность ±0,03%.
Этот же общий метод применялся для определения гидридного водорода в бороводородах [5] путем измерения количества водорода, выделяющегося под действием разбавленной НС1, а также для определения групп Si—Н в кремнийсодержащих мономерах и промежуточных продуктах путем измерения количества водорода, выделяющегося под действием КОН [6].
III. ЭЛЕКТРОАНАЛ ИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
А. Ф. Крайвис
ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКТИВНОГО ВОДОРОДА МЕТОДОМ КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКОГО ТИТРОВАНИЯ
Для определения активного водорода применим титриметри-ческий метод определения гидроксильных групп, описанный в гл. 1, разд. III, А.
IV. РАДИОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Д. Кэмпбелл
Радиохимические методы особенно ценны в определении активного водорода, поскольку они обеспечивают высокую чувствительность анализа. Эти методы позволяют анализировать микроколичества органических соединений и определять концевые функциональные группы в некоторых полимерах. В соответствующих анализах применяют либо реакцию изотопного обмена активного водорода, содержащегося в анализируемом соединении, с тритием, содержащимся в гидроксильных группах спиртов или в тритиевой воде, либо реакцию активного водорода с алюмогидридом лития, меченным тритием.
Активные атомы водорода
247
Л. ЗАМЕЩЕНИЕ АКТИВНОГО ВОДОРОДА ТРИТИЕМ ПУТЕМ ИЗОТОПНОГО ОБМЕНА
При растворении органического соединения с активными атомами водорода в алифатическом спирте между этими соединениями происходит обмен активными атомами водорода, причем в соответствующей реакции почти мгновенно устанавливается равновесие [7, 8]. Аналогичным образом добавление к алифатиче--- скому спирту тритиевой воды приводит к равновесному распределению этого изотопа между водой и гидроксильными группами спирта. Следует отметить, однако, что подобного обмена с участием атомов водорода, связанных с атомами углерода в метаноле, этаноле и трст-бутаноле, не наблюдалось [9]. После удаления воды подходящим поглотителем или если с самого начала использовать воду лишь в следовых количествах и с высокой удельной радиоактивностью, остается меченый спирт (радиореагент).
Анализируемую пробу растворяют в этом реагенте и затем по возможности быстрее удаляют реагент. Затем определяют удельную молярную радиоактивность анализируемого соединения и сравнивают ее с удельной молярной радиоактивностью обработанного монофункционального вещества. В анализе обычно используют большой избыток спирта для того, чтобы не допустить слишком сильного разбавления содержащегося в нем активного водорода активным водородом анализируемого соединения.
В качестве реагента в анализах этим методом сначала использовали изопропанол-3Н и определяли только макроколичества соединений [10], однако в описанном ниже методе с применением этанола-3Н для анализа требуются пробы величиной всего 5— 30 мг и проведение анализа требует всего 30 мин, не считая времени, затрачиваемого на измерение радиоактивности [11].
Метод Гилса [11]
Реагенты. Этанол с тритием в гидроксильной группе. Для его при-ютовления тритиевую воду (фирма «New England Nuclear Corp.», 1,8 Кп/моль) разбавляют абсолютным этанолом, который берут в количестве, достаточном для получения раствора с удельной радиоактивностью около 0,6 мкКи/мМ. Для стандартизации 1 мл лого раствора добавляют в смесь 4,00 мл метанола и 5,00 мл ланола и разбавляют полученный раствор до 50,0 мл раствором с. цпнтпллятора в толуоле. Затем измеряют радиоактивность 4 порций объемом по 10 мл из трех таких разбавленных растворов и вычисляют удельную радиоактивность этанола.
Спиртовой раствор сцинтиллятора. Растворяют 3,0 г 2,5-дифе-нплоксазола (ДФО) и 0,1 г l,4-6z/c-2-(5-фенилоксазолил)бензола в 1 л смеси метанола, этанола и толуола (10:15:75),
248
Глава 8
Раствор сцинтиллятора в толуоле. Растворяют 3,0 г ДФО и 0,1 г ФОБ в 1 л толуола.
Оборудование. Жидкостной сцинтилляционный спектрофотометр фирмы «Packard Tri-Carb.» модели 314Х (или аналогичный при-бор).
Сосуды для измерения радиоактивности из стекла с низким содержанием калия емкостью 20 мл с навинчивающимися пробками.
Колонка для перегонки. Прямая колонка длиной 15 см с диаметром 1 см без мертвых зон с вакуумной рубашкой. Эта колонка должна обеспечивать быструю перегонку при минимальном фракционировании изотопов водорода.
Проведение анализа. Берут точную навеску 0,1 мэкв образца в круглодонной колбе емкостью 25 мл и растворяют ее в 2,00 мл стандартного раствора этанола-3Н. Добавляют в колбу 10 мл безводного толуола. Колбу соединяют через переходник с микро-перегонной колонкой и погружают ее в восковую баню с температурой 170 °C. В течение 5 мин собирают 4—5 мл дистиллята, затем перегонную колонку отсоединяют от колбы, выждав 15—30 с для испарения этанола-3Н из переходника. После этого быстро охлаждают остаток в колбе, доливают его примерно до 10 мл толуолом, переносят полученный раствор в мерную колбу емкостью 50 мл и доводят объем раствора в колбе до метки спиртовым раствором сцинтиллятора. Для определения радиоактивности пробы измеряют радиоактивность четырех аликвотных порций полученного раствора с помощью жидкостного сцинтилляционного спектрофотометра. При необходимости определяют поправку на эффект тушения частиц методом внутреннего стандарта. Число п активных атомов водорода в молекуле вычисляют по формуле
где Si — молярная удельная радиоактивность анализируемого соединения; S2—молярная удельная радиоактивность этанола.
Ввиду того что отношение количества спирта к количеству образца (в миллиэквивалентах) превышает 300, активные атомы водорода анализируемого соединения несущественно разбавляют аналогичные атомы спирта. Азеотропная перегонка является быстрым и удобным способом удаления этанола, которое необходимо для того, чтобы избежать фракционирования изотопов водорода и потерь трития на стенках перегонного аппарата. В процессе измерения радиоактивности такие потери уменьшаются при использовании спиртового раствора сцинтиллятора.
Результаты определения числа активных атомов водорода в молекулах 26 различных соединений приведены в табл. 8.2. Наибольшие отклонения результатов анализа числа активных атомов Н от теоретических значений наблюдаются для бензойной и нико-
Активные атомы водорода
249
Таблица 8.2
Определение активного водорода при использовании этанола, меченного тритием [11]
Соединение Эквивалентный вес Число активных атомов водорода
теоретический найденный экспериментально
Тетрадеканол 214 206 ±7,3 1,04
Г ексадеканол 242 233 ±4,2 1',04
Октадеканол 270 271 ±7,7 1,00
Фарнезол 222 237 ±8,7 0,94
Фитол 297 305±3,0 0,97
Солапезол 631 630± 16,9 1,00
Холестерин 387 391 ±2,3 0,97
[4-Ситостерол 415 408 ±3,3 1,03
Стпгмастерол 413 416±2,0 0,99
Гидрохинон а 55 60±0,8 1,80
Фенилсалицилат6 214 216±2,0 0,99
Соланахромин 6 749 741 ±12,5 1,01
Т имол а 150 169±7,7 0,89
Пальмитиновая кислота 256 259 ±0 0,99
Стеариновая кислота 284 279 ± 11,5 1,02
Бензойная кислотаа 122 155 ±4,7 0,79
Никотиновая кислота 123 148 ±6,0 0,85
н-Оксибензойная кислота 69 73±0 1,89
З-Индолилуксусная кислота 88 91 ±3,5 1,93
Бензамид 61 66± 1,9 1,82
Циклогексилбензамид 203 197 ±4,5 1,03
Никотинамид 61 63± 1,0 1,94
Циклогексаноноксим 113 113±2,5 1,00
1 -Менти лфенилуретан 275 258 ±0,5 1,07
н-Бутилфенилуретан 193 182 ±7,5 1,06
Семикарбазон бутирофенона 68 70 ± 1,0 2,93
а Предполагают, что заниженные величины получаются вследствие летучести образца, а не из-за эффекта тушения.
6 Данные с учетом эффекта тушения.
типовой кислот. Данный метод неприменим для анализа веществ, которые летучи в условиях, используемых для удаления этанола. Нитрогруппы не мешают реакции обмена, но оказывают сильное гасящее действие при измерении радиоактивности.
В определениях активного водорода с применением изопропа-нола-3Н [10] было предложено использовать «коэффициент распределения» а [12], описывающий степень равномерности распределения трития между анализируемым соединением и спиртом.
250
Глава 8
Значение этого коэффициента для реакции обмена при использовании монофункционального вещества определяют путем деления эффективного числа активных атомов водорода в анализируемом соединении [полученное по формуле (1)] на истинное число этих атомов. Методы, дающие значения а, близкие 1, в анализах различных соединений, являются наиболее универсальными.
В определениях с изопропанолом-3Н значения а, близкие к 1, получили путем последовательного проведения нескольких операций обмена. В подобном анализе 200 мг анализируемого соединения в течение 20 мин кипятили с обратным холодильником с 25 мл изопропанола-3Н, затем удаляли растворитель при пониженном давлении и высушивали остаток. Обработанную таким образом пробу нагревали с другой порцией изопропанола-3Н, объемом 10 мл, затем вновь удаляли спирт и дважды повторяли всю процедуру. При анализе двадцати трех соединений различного строения получались значения сс, достаточно близкие к 1, что говорило о надежности данного метода. Наибольшие отклонения величины а от 1 наблюдались в анализах ароматических карбоновых кислот; однако после обработки такой кислоты тритиевой водой в присутствии натриевой соли этой кислоты были получены значения сс, очень близкие к 1. Следует отметить, что в этих анализах измерение радиоактивности осуществляли восстановительным методом и оно отнимало много времени [13]. В этом смысле лучше использовать жидкостные сцинтилляционные счетчики, кроме тех случаев, когда определению подлежат нитросоединения.
Метод с обменом тритием особенно ценен в определениях очень малых количеств активного водорода, содержащегося в концевых гидроксильных и карбоксильных группах полиэтилентерефта-лата — важного труднорастворимого конденсационного полимера. В двух описанных методиках такого анализа использовали тритие-вую воду. В анализе первым из этих методов [14] пленку или волокно анализируемого полимера после удаления с него всей аппретуры оставляли на несколько дней при комнатной температуре в большом избытке 3Н2О с известной удельной радиоактивностью. Обработанный образец выделяли путем сушки вымораживанием, а затем нагревали до 80 °C для удаления из него следов тритиевой воды. Влияние условий сушки на удельную радиоактивность обработанного полимера не изучалось. Затем обработанный образец погружали в определенное количество воды, где проходила реакция три-тиевого обмена и измеряли радиоактивность порции этой воды жидкостным сцинтилляционным счетчиком.
В другом методе обработанный радиоактивный образец погружают непосредственно в метанольно-толуольный раствор сцинтиллятора и следят за увеличением радиоактивности этого раствора до тех пор, пока она не достигнет максимальной величины [15]. Постоянная величина радиоактивности свидетельствует о завершении полного обмена тритием, который переходит в раствор.
Активные атомы водорода
251
В более позднем исследовании с применением первого из этих двух методов (с сушкой образца) для анализа пленок полимера толщиной 0,2 мм выяснилось, что вода эффективно удаляется путем сушки образца в течение 4 ч при температуре 80 °C и давлении 0,1 мм рт. ст. Значения удельных радиоактивностей значительно более тонких пленок (0,012—0,050 мм) оказывались меньше тех, которые предсказывали с учетом известных содержаний функциональных групп. По крайней мере частично это объясняется дополнительным обменом тритием между образцом и атмосферной влагой.
• Концентрация активного водорода в концевых группах чрезвычайно мала, и поэтому в этом анализе не требуется корректировать результаты с учетом разбавления активного водорода воды активным водородом образца. Если известна полная концентрация концевых ОН- и СООН-групп, то среднечисловой молекулярный вес анализируемого полимера можно вычислить, предположив, что в каждой молекуле имеются только две таких группы.
Аналогичный метод применяли для определения активного водорода в растворимых образцах полиоксифенилена, полиоксипропилена и полиэтиленимина, а также их производных [16]. В анализе этим методом полимер растворяют в безводном диоксане с добавкой тритиевой воды и через некоторое время, необходимое для прохождения реакции обмена, растворитель и воду удаляют путем быстрого высушивания вымораживанием. Радиоактивности выделенного тонкоизмельченного полимера и субстрата измеряют жидкостным сцинтилляционным счетчиком.
В методах обмена с использованием тритиевой воды число эквивалентов активного водорода в 1 г полимера (£) вычисляют по формуле
Е == Уп/Ув, где уп — удельная радиоактивность полимера (мкКи/г); ув — удельная радиоактивность воды (мкКи/экв).
В анализах на активный водород методами изотопного обмена необходимо тщательно оберегать обработанные образцы от контакта с атмосферой. Дело в том, что в противном случае возможны потери трития за счет дополнительного обмена с атмосферной влагой. Для предотвращения потерь трития на стенках сосудов в растворители, применяемые для анализа полимеров (и воды) г использованием жидких сцинтилляторов, необходимо добавлять метанол и этанол в максимальных количествах, определяемых рас-i горимостью анализируемого полимера.
1>. ПРЕВРАЩЕНИЕ В ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ ВОДОРОД
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЫА1Н4, МЕЧЕННОГО ТРИТИЕМ
Вещества, содержащие активный водород, разлагают алюмо-|цдрнд лития с выделением водорода. Алюмогпдрид лития в до-г|аточной степени растворим в различных эфирах, причем его
252
Глава 8
0,3—0,7 М растворы в диэтиловом эфире первоначально применялись в определениях активного водорода манометрическим методом [17]. Если этот реагент мечен тритием, то активный водород можно определять путем измерения радиоактивности образующегося газообразного трития. Для стандартизации этого метода тем же способом анализируют известные количества анализируемого соединения или соединения, химически подобного ему. Поскольку в данной реакции образуется элементарный тритий, разложение наиболее удобно проводить путем смешивания растворов реагента и образца в специальном приборе, из которого потоком газа меченый водород можно переносить в проточный пропорциональный счетчик радиоактивности.
В анализе таким методом [18, 19] 15 мл 0,2 М раствора LiAl3H4 (удельная радиоактивность 0,5—2,0 мкКи/мМ) в диэтиловом эфире диэтиленгликоля высокой степени чистоты переносят в реакционную ячейку с полезным объемом около 25 мл. В этой ячейке имеется трубка для пропускания через раствор потока газа, причем нижний конец этой трубки должен быть погружен в раствор на достаточную глубину. В верхней части ячейки имеется выводная трубка, соединенная со счетчиком радиоактивности. Сначала через раствор в ячейке пропускают поток газа со скоростью 40 мл/мин и измеряют радиоактивность фона. После этого из бюретки с отводной трубкой в ячейку вводят раствор пробы в тетрагидрофуране (ТГФ), полученном путем перегонки из раствора LiAlH4, и в течение 10 мин измеряют радиоактивность газа, текущего через пропорциональный счетчик. В такой же последовательности проводят анализ чистого ТГФ. С одной порцией реагента в ячейке можно провести анализ 50 или более проб, однако после того, как израсходуется половина от первоначального количества реагента, его рекомендуется заменять.
Данным методом анализировали четыре типичных соединения с активными атомами водорода: н-бутанол, бензойную кислоту, анилин и воду. Каждое из соединений анализировали с одной отдельной порцией реагента, причем удельные радиоактивности этих порций были различны. Графики зависимости радиоактивности от количества активного водорода были прямолинейными для всех четырех соединений. То, что продолжения этих графиков пересекали отрицательную часть оси ординат, объяснили потерями водорода за счет неколичественного переноса растворов, улетучиванием анализируемого соединения до реакции или, возможно, неполным извлечением газа из ячейки в процессе измерения радиоактивности в течение 10 мин. Целью этого начального исследования было показать линейность упомянутых выше калибровочных графиков и возможность аналитического применения метода. В связи с этим не проводилось анализов соединений различных классов с применением одной и той же порции радиореагента. Стехиометрия реакции с данным реагентом подробно изучена в работе [17].
Активные атомы водорода
253
Дальнейшее изучение метода показало, что он не является абсолютным и не позволяет анализировать любое неизвестное соединение с использованием одного и того же калибровочного графика, построенного по результатам анализа подходящего известного соединения [20]. В этом исследовании вещества с различными формами активного водорода анализировали с использованием одной и той же порции меченого реагента. При этом для бензойной кислоты и w-бутанола были получены согласующиеся результаты, а результаты для анилина значительно отличались от соответствующих результатов, полученных с использованием меченого спирта. Растворимые образцы полиэтиленадипината, содержащие в основном концевые гидроксильные группы, хотя и давали прямолинейный калибровочный график, выделяли меньше трития, чем эквивалентное количество w-бутанола. Для того чтобы в анализе анилина количество выделяющегося трития было достаточно близким к количеству трития, выделяемого данным количеством амина, требовался свежий реагент. Этот анализ проводили с применением модифицированного оборудования, описанного ниже. Такой эффект, связанный с наличием в реагенте остаточных продуктов от предыдущих реакций, не наблюдался в анализе н-бута-нола; в этом анализе можно было использовать раствор реагента, рке использовавшийся в анализах анилина и бензойной кислоты.
Таким образом, образование элементарного трития зависит от природы анализируемого соединения и в значительной степени определяется количеством и природой продуктов, оставшихся в реагенте от предыдущих анализов. Этот эффект связан, по-видимому, со сложностью и разнообразием реакций обмена, в которых участвуют алюмогидрид лития, элементарный водород и атомы водорода побочных продуктов реакции. Прежде чем анализировать неизвестное соединение, необходимо провести калибровку, используя для этого известное соединение, как можно более близкое по химическим свойствам к анализируемому соединению. Как видно из результатов анализа w-бутанола и полиэтиленадипината, при анализах полимерных материалов могут встретиться некоторые трудности.
Воспроизводимость результатов анализа в значительной степени зависит от типа оборудования и метода, а также от природы анализируемого соединения. В одной из недавних работ [20] описан анализ с применением трехгорлой круглодонной колбы емко-сн.ю 100 мл. Одно из горл было закрыто резиновой мембраной, через которую в колбу вводили шприцем анализируемые пробы. В качестве реагента использовали 0,4 М раствор LiAl3H4 в ди-*!иловом эфире диэтиленгликоля, причем в том же растворителе (а не в ТГФ) растворяли и анализируемые соединения. Поток rma, поступающий в пропорциональный счетчик, осушали над сульфатом кальция и вводили в колбу над раствором анализируемого соединения. Для того чтобы обеспечить количественное
254
Глава 8
выделение водорода, раствор энергично перемешивали магнитной мешалкой, причем находящийся в растворе вращающийся брусочек мешалки покрывали тефлоном. Радиоактивность выделяющегося газа измеряли в течение 20 мин. В этой работе результаты, полученные данным методом и методом, описанным выше, детально не сравнивались. Однако из результатов анализа анилина обоими методами видно, что воспроизводимость результатов при анализе вторым методом выше. При анализе н-бутанола оба метода давали аналогичные результаты.
Метод с LiAI3H4 имеет некоторые преимущества по сравнению с методами изотопного обмена, применяемыми в определениях активного водорода как в низкомолекулярных соединениях, так и в малых количествах соединений. Он применим к анализу как растворимых твердых веществ, так и жидкостей, если последние не слишком сильно улетучиваются за время, требуемое для их разложения под действием реагента. Кроме того, использование при анализе этим методом замкнутой системы для проведения реакции и измерения радиоактивности создает благоприятные условия для обнаружения следовых количеств активного водорода. В то же время чувствительность обменных методов уменьшается из-за неполного удаления меченого спирта и, быть может, в еще большей степени, за счет дополнительного обмена трития обработанного образца с атмосферной влагой. Основной недостаток метода с алюмогидридом лития заключается в том, что он не является абсолютным, и это сильно ограничивает возможность его применения в анализе полимерных материалов. При этом в качестве стандартов можно использовать полимеры, проанализированные другими методами, но и тогда часто получаются лишь полуколичественные или относительные результаты. Менее существенным недостатком метода является наличие помех от нитросоединений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
АБСОРБЦИОННЫЕ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
1. Harp W. R., Jr., Eiffert R. C., Anal. Chem., 32, 794 (1960).
ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
2. Norton E. J., Turner L., Salmon D. G., Analyst, 95, 80 (1970).
3. Чумаченко M. H., Твердякова Л. Б., ДАН СССР, 142, 612 (1962).
4. Чумаченко M. Н., Твердякова Л. Б., Леенсон Ф. Г., Журн. анал. хим., 21, 617 (1966).
5. Lysyl I., Gr eenough R. C., Anal. Chem., 35, 1657 (1963).
6. Franc J., Mikes F., Collection Czech. Chem Commun., 31, 363 (1966).
РАДИОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
7 Hine J., Thomas С. H., J. Am. Chem. Soc., 76, 612 (1954).
8. Wiberg K. B„ Chem. Rev., 55, 713 (1955).
Список литературы
255
9. Pro М. J., Martin IF. L., Etienne A. D., U. S. At. Energy Comm., TID-13828.
IO. Eastham J. F., Raaen V. F., AnaL Chem., 31, 555 (1959).
11. Giles J. A., Anal. Chem., 32, 1716 (1960).
12. Gold K, Stachell D. P. N., Quart. Rev. (London), 9, 51 (1955).
13. Wilzbach K. E., Kaplan L., Brown W. G., Science, 118, 522 (1953).
14. Cha C.-У., J. Polymer Sci., B2, 1069 (1964).
15. Mozisek M., Klimanek L., Plaste Kautschuk, 15, 99 (1968).
16. Price C. C., Private communication, 1962.
17. Krynitsky J. A., Johnson J. E.f Carhart A. IF., J. Am Chem. Soc., 70, 486 (1948).
18. Chleck D. J., Brousaides F. J., Sullivan IF., Ziegler C. A., U.S. At. Energy Comm., AECU-4493 (1959).
19 Chleck D. J., Brousaides F. J., Sullivan IF., Ziegler С. Л, Intern. J. Appl. Radiation Isotopes, 7, 182 (1960).
20. Seaman IF., Stewart D., Jr., Intern. J. Appl. Radiation Isotopes, 15, 565 (1964).
Атомы водорода ацетиленовой группы
I. АБСОРБЦИОННЫЕ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Дж, Г. Ханна
К. ОПРЕДЕЛЕНИЯ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ ПРОВЕДЕНИЕМ ХИМИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЙ
Реакция с хлоридом меди(1)
Соединения с ацетиленовыми группами реагируют с хлоридом меди(1) с образованием ацетиленида меди(1):
Cu2Cl2 + 2IIC=CR —> 2CuC=CR + 2HCl
Эту реакцию уже в течение многих лет применяют в колориметрических определениях небольших количеств ацетилена [1—4]. Реагенты, содержащие одновалентную медь, обычно получают путем восстановления аммиачного раствора меди(II) гидроксиламином. Для замедления процесса образования хлопьевидного осадка ацетиленида меди(1) в реакционный раствор обычно добавляют стабилизатор. Встречающиеся при этом трудности связаны с нестабильностью реагента, выпадением осадка металлической меди, образующейся при дальнейшем восстановлении, и образованием хлопьевидного осадка ацетиленида меди(1).
Для контролирования потенциала восстановления гидроксиламина, используемого для восстановления меди(II) до меди(1) в процессе приготовления реагента, Хобарт, Бджорк и Кац [5] вместо буферного раствора, представляющего собой смесь уксусной кислоты и ацетата аммония, использовали обычный аммиачный раствор. Для стабилизации суспензии в раствор добавляли желатину и хлористый калий, что предотвращало образование хлопьевидного осадка ацетиленида меди(1), даже при содержании 1000 мкг ацетилена в 100 мл раствора. Окрашенный коллоидный раствор образуется в пределах 15 мин и, если его защитить от доступа атмосферного кислорода, то он сохраняет свои свойства в течение по крайней мере 3 дней.
Метод Хобарта, Бджорка и Каца [5]
Оборудование, Спектрофотометр фирмы «Beckman» модели DU с кюветами с I = 1 см.
Атомы водорода ацетиленовой группы
257
Реагент. Хлорид калия и желатина. Добавляют 0,40 г желатины в раствор 30 г хлорида калия в 300 мл воды. Раствор нагревают для растворения желатины, затем охлаждают до комнатной температуры и разбавляют до 500 мл.
Проведение анализа. В мерную колбу емкостью 100 мл переносят следующие реагенты в указанной последовательности: 25 мл 0,8 М раствора хлорида калия, содержащего 0,08% желатины, 10 мл 0,1 М раствора хлорида меди(II), 10 мл 1 М раствора ацетата аммония и 10 мл 0,3 М раствора хлоргидрата гидроксиламина.
Продолжительность протекания реакции восстановления меди составляет ~5 мин; цвет раствора должен быть бледно-голубым. При слишком короткой выдержке восстановление будет неполным, что замедлит развитие окраски в процессе анализа.
Во время приготовления реагента анализируемый газ пропускают через охлаждаемые ловушки с ацетоном. После этого содержимое ловушек переносят в мерную колбу емкостью 100 мл и закрывают ее пробкой. Закрытую колбу нагревают до комнатной температуры, а затем разбавляют ее содержимое ацетоном. Затем 20 мл полученного раствора добавляют в ранее приготовленный раствор реагента и в течение 15 мин выжидают развития окраски. Окрашенный раствор в мерной колбе доливают водой до метки и измеряют поглощение разбавленного раствора при 552 или
Таблица 9.1
Результаты определения ацетилена в аргоне
Количество ацетилена, мкг Найденное содержание, а %
добавленное полученное в анализе
90 85 95,6
172 168 97,7
262 250 95,1
262 254 96,7
326 313 96,0
326 317 97,2
446 431 96,9
446 442 99,2
Средний выход: 96,8
Относительное стандартное откло-
некие 1,4
а Содержание ацетилена в пробе принято за 100М<
9 Зак. Б1
258
Глава §
575 нм. По полученным результатам измерения с помощью калибровочного графика, построенного по данным анализов 20-милли-литровых порций растворов ацетилена различных концентраций, определяют концентрацию ацетилена в анализируемом газе.
Было замечено, что величина поглощения зависит от последовательности добавления веществ в реакционную смесь. Раствор ацетилена в ацетоне следует добавлять в смесь реагентов одной порцией объемом 20 мл.
Величина поглощения при 552 нм и в области 450—500 нм прямо пропорциональна концентрации ацетилена в диапазоне от 0,2 и по крайней мере до 10 мкг/мл. Величина молярного коэффициента погашения при 552 нм зависит от концентраций хлорида калия, желатины и хлорида меди(II) в реакционной смеси, в то время как изменения концентраций ацетата аммония или гидроксиламина в пределах ±20% практически не влияют на величину этого коэффициента. Величина поглощения в области 450—500 нм хотя и была ниже величины поглощения при 552 нм, однако не менялась при изменении концентраций всех реагентов в пределах ±20%.
Результаты анализа, полученные Хобартом, Бджорком и Ка-цом, представлены в табл. 9.1.
И. МЕТОДЫ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА
Г. Агахигиан
Несопряженные атомы водорода ацетилена дают линии резонанса, соответствующие химическим сдвигам 2,45—2,65 млн"1 относительно линии ТМС, а сопряженные атомы водорода — линии, соответствующие химическим сдвигам 2,8—3,1 млн”1 относительно линии ТМС. Эта область спектра заключена между линиями протонного резонанса алкана и алкена; линии протонного резонанса метилена и метина также находятся в этой области, что является ограничением данного метода. Если в молекуле производного ацетилена имеется ряд метиленовых и метиновых групп, то линии протонного резонанса могут перекрывать друг друга, однако для идентификации можно использовать значение константы взаимодействия и различные растворители. Методом ЯМР можно прослеживать восстановление ацетилена до алкена и далее до насыщения и определять тип анализируемого ацетилена.
Таким способом анализировали различные производные ацетилена. Водород ацетиленовой группы фенилацетилена дает линию резонанса, соответствующую химическому сдвигу 2,93 млн"1, а аналогичная линия пропаргилового спирта соответствует хими
Список литературы
259
ческому сдвигу 2,33 млн-1. Галогенный заместитель слабо влияет на положение линий протонного резонанса:
Химический сдвиг относительно линии ТМС, млн""1
НС=ССН2С1 2,24
НС=ССН2Вг 2,24
НС=ССН21 2,19
Сопряженный атом водорода ацетилена дает линию резонанса, - соответствующую химическому сдвигу 2,71 млн-1, т. е. примерно на 0,2 млн-1 в более высоком поле, чем соответствующая линия фенилацетилена.
Методом ЯМР анализировали несколько монозамещенных производных ацетилена и определили значения соответствующих химических сдвигов, а также констант взаимодействия. В анализах при этом использовали чистые образцы. Анализируемыми соединениями были З-хлорпропин-1, З-бромпропин-1, пропаргиловый спирт, З-диметиламинопропин-1, З-диэтиламинопропин-1, 3-окси-бутин-1, и З-метил-З-н-бутиламинопропин-1. Значения химических сдвигов для линий резонанса водорода ацетилена заключены в довольно узкой области [17], что является возможным ограничением метода. Для определения сложных производных ацетилена совместно с ЯМР необходимо использовать другие спектральные методы. Анализировали также и такие системы, как полиацетилены [8].
Для производных ацетилена характерна зависимость значений химических сдвигов от природы применяемого растворителя. Так, при использовании инертного растворителя наблюдается диамагнитный сдвиг линий резонанса на атомах водорода ацетилена, равный 0,4 млн-1. В зависимости от природы используемого растворителя и природы связи с водородом ацетилена химические сдвиги могут изменяться в пределах 1 млн-1 [9].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
АБСОРБЦИОННЫЕ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
1. Ilsovay L., Berichte, 32, 2697 (1899).
2. Weaver Е. R., J. Am. Chem. Soc., 38, 352 (1916).
3. Geissman T., Kaufman S., Dollman D., Anal. Chem., 19, 919 (1947).
4. Pieters H., Chem. Weekblad, 43, 456 (1947).
5. Hobart E. W., Bjork R. G.t Katz R., Anal. Chem., 39, 224 (1967).
МЕТОДЫ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА
6. Whipple Е. В., Goldstein J. Н., Mandell L., Reddy G. S., McClure G. R.t J Am Chem. Soc., 81, 1321 (1959).
7. Hatton J. V., Richards R. E., Trans. Faraday Soc., 56, 315 (1960).
8. Synder E. I., Roberts J. D., J. Am. Chem. Soc., 84, 1582 (1962).
9. Richards R. E., Hatton J. V., Trans. Faraday Soc., 57, 28 (1961).
9*
Ацетали, кетали и виниловые эфиры
I. АБСОРБЦИОННЫЕ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Дж. Г. Ханна
А. ОПРЕДЕЛЕНИЯ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ ПРОВЕДЕНИЕМ ХИМИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЙ
В кислой среде ацетали, кетали и виниловые эфиры гидролизуются с образованием исходных карбонилсодержащих соединений
/OR' н+
RCH +Н2О —> RCHO + R'OH + R"OH (1)
^OR"
кеталь или ацеталь
roch=ch2 + Н2О СНзСНО + ROH (2)
виниловый эфир
Благодаря этому для непосредственного определения ацеталей, кеталей и виниловых эфиров могут быть использованы спектрофотометрические методы, основанные на применении таких реагентов с кислотными свойствами, как 2,4-динитрофенилгидразин (гл. 2, разд. I, В, 1). В растворе этого реагента анализируемые соединения быстро превращаются в соответствующие карбонилсодержащие соединения, которые в свою очередь вступают в реакцию с реагентом. В подобных определениях можно применять и реагенты, не имеющие кислотных свойств, но при этом анализируемые ацеталь, кеталь или виниловый эфир нужно сначала гидролизовать в присутствии разбавленной минеральной кислоты до карбонилсодержащих соединений.
Боуман, Бероза и Акри [1] гидролизовали соединения, образующие уксусный альдегид, действием серной кислоты, затем перегоняли альдегид с водяным паром и обрабатывали его раствором п-фенилфенола и сульфата меди(II) в концентрированной серной кислоте. В результате получался раствор фиолетового цвета,
Ацетали, кетали и виниловые эфиры
261
поглощающий при 572 нм. Эти авторы утверждали, что такой метод обеспечивал анализ с точностью 3% и воспроизводимость результатов.
Метод Боумана, Берозы и Акри [/]
Оборудование. Спектрофотометр фирмы «Beckman» модели DU с квадратными кюветами (/— 1 см).
Реакционная установка, описанная Гангом и Шехтером [2], выполнена целиком из стекла и снабжена двумя вертикальными параллельными холодильниками. Один из холодильников применяют для кипячения, а другой для перегонки растворов, чтобы не переносить их из сосуда в сосуд. Холодильник для кипячения длиной не менее 15 см соединен с реакционной колбой. Второй холодильник длиной 25 см подсоединен к первому через подходящий переходник, и через этот холодильник конденсат поступает в сборник.
Реагенты. Сульфат меди(II) и серная кислота. Добавляют 5 мл 5%-ного CuSO4-5H2O к 500 мл серной кислоты и хорошо перемешивают.
Раствор n-фенилфенола. Растворяют 1 г кристаллического п-фенилфенола в 25 мл горячего 2 н. раствора едкого натра и добавляют в раствор 75 мл воды. Хранят готовый раствор в бутыли из темного стекла.
Получение калибровочного графика. Пробирку (15X150 мм) с 5 мл 2%-ного раствора бисульфита натрия (свежеприготовленного) соединяют с реакционным аппаратом так, чтобы выводная I рубка аппарата доходила до дна пробирки. На время кипячения и перегонки раствора пробирку частично погружают в баню со льдом. После подсоединения пробирки к аппарату в перегонную колбу емкостью 50 мл переносят 10 мл 10%-ного (по объему) водного раствора серной кислоты и 1—2 мг порошка карборунда и охлаждают колбу в бане со льдом. Затем в колбу добавляют соответствующее количество стандартного раствора метальдегида в хлороформе и подсоединяют ее к аппарату. После этого в течение 15 мин кипятят смесь в колбе с обратным холодильником. Во время кипячения через оба холодильника пропускают воду с температурой 5 °C. По окончании кипячения через первый холодильник прекращают пропускать воду и ведут перегонку до тех пор, пока в колбе не останется 3—4 мл смеси. По окончании перегонки аппарат разбирают, смывают холодильники и выводную трубку небольшими порциями холодной воды и соединяют промывные воды и дистиллят. Затем для удаления хлороформа проводят • кегракцию дистиллята тремя 10-миллилитрбвыми порциями холодной воды, водные фазы и дистиллят сливают в одну мерную колбу емкостью 50 мл и водой доливают раствор в этой колбе до
262
Глава 10
метки. Для удаления из полученного раствора следов хлороформа его экстрагируют 5 мл гексана, подвергнутого двойной перегонке.
Переносят 1 мл полученного водяного раствора и 8 мл холодного реагента сульфата меди(II) с серной кислотой в пробирку (15 X 150 мм), частично погружают эту пробирку в баню со льдом и, взбалтывая, перемешивают ее содержимое. Добавляют 0,2 мл ft-фенилфенола, вновь взбалтывают раствор, вынимают пробирку из бани и в течение 1 ч выдерживают ее в темноте при комнатной температуре. По истечении этого времени пробирку на 90 с погружают в водяную баню с температурой 100 °C, затем помещают в темноту еще примерно на 30 мин, чтобы она охладилась до комнатной температуры. Наконец, измеряют поглощение полученного раствора при 572 нм относительно поглощения дистиллированной воды. По результатам аналогичных анализов стандартных проб метальдегида строят калибровочный график зависимости концентрации альдегида от поглощения, скорректированного с учетом поглощения холостого раствора всех реагентов, использованных в анализе.
Для используемой в этом методе цветной реакции выполняется закон Бера, причем пробе уксусного альдегида величиной 1 мкг соответствовало поглощение около 0,150.
Проведение анализа. Растворы проб приготавливают в мерных колбах емкостью 50 мл, доливая до метки 200 мкл анализируемого соединения хлороформом. Зная удельный вес и объем раствора анализируемого соединения, вычисляют вес анализируемой пробы. Это требуется для того, чтобы свести к минимуму возможные ошибки, связанные с высокой летучестью некоторых из анализируемых соединений. После этого растворы разбавляют хлороформом так, чтобы в 1 мл разбавленного раствора содержалось 100— 200 мкг связанного альдегида. Затем ведут анализ порций полученного раствора объемом 1—2 мл описанным выше методом.
Результаты анализов, полученные Боуманом, Берозой и Акри, представлены в табл. 10.1.
II. ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
М. Бероза, М. Н. Инской
Альдегиды плазмалогенов, выделенные из липидов тканей путем метанолиза, можно определить методом ГХ в форме их диметилацеталей. В определенных условиях диметилацетали количественно превращаются в соответствующие алкен-Бил метиловые эфиры, и эту реакцию положили в основу метода определения альдегидов [3]. Алкен-1-илметиловые эфиры содержат примерно одинаковые количества цир- ц т/шн^-изомеров [4].
Таблица 10.1
Выход уксусного альдегида из соединений различного строения [1]
Соединение Количество добавленного альдегида, мкг Эквивалентное содержание альдегида, мкг Выход уксусного альдегида
мкг %
Эфиры 2-бутоксиэтилвиниловый 343 105 106 101
686 210 207 99
бутилвиниловый 312 137 136 99
624 274 274 100
изобутилв иниловый 306 134 138 103
612 268 265 99
2-этилгексилвиниловый 644 181 181 100
1288 363 364 100
этилвиниловый 300 183 181 99
600 366 363 99
метоксиэтилвиниловый 358 154 151 98
716 308 301 98
Диизобутилацеталь ацетальдегида 656 166 168 101
1312 332 331 100
2-(2-Этоксиэтокси) этил-3,4-метилен- 904 134 135 101
диоксифенилацеталь (сезамекс) 1808 267 275 103
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
АБСОРБЦИОННЫЕ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
1. Bowman М. С.у Beroza М., Acree F., Jr., Anal. Chem., 33, 1053 (1961).
2. Giang P. A., Schechter M. S.t J. Agr. Food Chem., 4, 623 (1956).
ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
3. Mahadevan V., Viswanathan С. V.. Phillips F., J. Lipid Res., 8, 2 (1967).
4. Viswanathan С. V., Phillips F.t Mahadevan V., J. Chromatog., 30, 405 (1967)*
11 Амино-, имино-
и четвертичноаммониевые соединения
I. АБСОРБЦИОННЫЕ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
1 Дж. Г. Ханна
А. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРВИЧНЫХ И ВТОРИЧНЫХ АМИНОВ МЕТОДОМ ИНФРАКРАСНОЙ СПЕКТРОФОТОМЕТРИИ
• Ветсель, Роберсон и Крелль [1] анализировали смеси анилина и N-этиланилина с содержанием до 99% каждого из этих соединений, используя обертонную и комбинационную полосы поглощения, обусловленные колебаниями связи N — Н, при 1,49 и 1,97 мкм соответственно. Величина стандартного отклонения для полученных результатов не превышала ±1%. Они рекомендовали применять этот метод и для анализа других смесей первичных и вторичных ароматических аминов. Ломан и Нортеман [2] расширили область применения этого метода, включив в нее алифатические амины, и анализировали первичные амины, используя характерную для них комбинированную полосу поглощения при 2,023 мкм. Вторичные амины определяли по их первой обертонной полосе поглощения при 1,538 мкм, обусловленной валентными колебаниями связи N—Н. Получаемое в этом анализе значение поглощения корректировали с учетом поглощения первичных аминов при той же длине волны. Амиды, нитрилы, спирты и сложные эфиры с концентрациями до 10% в смеси аминов не мешали анализу аминов. Для третичных аминов заметного поглощения в этих областях спектра не наблюдалось.
Б. ОПРЕДЕЛЕНИЯ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ ПРОВЕДЕНИЕМ ХИМИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЙ
1. Образование оснований Шиффа первичными аминами
В реакции первичного амина с салициловым альдегидом образуется ярко-желтое основание Шиффа:
Амино-, имино’ и аммониевые соединения
265
Основание Шиффра поглощает при 410 нм, что было использовано Миланом [3] для определения первичных аминов на основе реакции (1). Автор добавлял уксусную кислоту в реакционную смесь, чтобы избежать помех, обусловленных присутствием в анализируемой смеси вторичных и третичных аминов.
Метод Милана [3]
Оборудование. Спектрофотометр фирмы «Beckman» модели DU с кюветами с /=1 см и термостатируемой при 30°C камерой кюветы.
Реагенты. Раствор салицилового альдегида. Разбавляют хлороформом 5 мл чистого салицилового альдегида до метки в мерной колбе емкостью 100 мл. Свежий раствор приготавливают каждые 4 дня.
Раствор уксусной кислоты. Разбавляют хлороформом 4 мл ледяной уксусной кислоты до метки в мерной колбе емкостью 200 мл.
Проведение анализа. Берут навеску образца, содержащую не более 1,6 мМ первичного амина, в сосуде для взвешивания. Для получения оптимальных результатов в анализе образцов с концентрацией первичного амина более 85% берут навеску, содержащую 1,3—1,6 мМ этого амина. Для растворения пробы из мерного цилиндра в сосуд наливают 14 мл хлороформа. В полученный раствор добавляют из пипетки 6 мл раствора уксусной кислоты так, чтобы смыть вещество со стенок сосуда, и слегка взбалтывают раствор. После этого в сосуд из пипетки по стенкам добавляют 5 мл раствора салицилового альдегида, осторожно взбалтывают полученный раствор и помещают сосуд в баню с постоянной температурой 30 °C.
Спустя 80 мин после добавления салицилового альдегида содержимое сосуда количественно переносят в мерную колбу емкостью 500 мл, тщательно смывая сосуд хлороформом. Затем в эту колбу добавляют хлороформ так, чтобы уровень раствора оказался примерно на 3 см ниже метки (с учетом последующего теплового расширения раствора), на 10 мин помещают ее в баню с температурой 30 °C, доливают раствор до метки хлороформом и перемешивают его. После этого сначала промывают, а затем и заполняют этим раствором кювету спектрофотометра и устанавливают ее в спектрофотометр. Спустя 100 мин с момента добавления салицилового альдегида измеряют поглощение раствора в кювете при 410 нм относительно хлороформа.
Указанное время нужно выдерживать с точностью до нескольких минут. При анализе окрашенных образцов используют холостой раствор соответствующей концентрации.
266
Глава 11
Содержание первичного амина в пробе вычисляют, используя следующие формулы:
А
a~-FxT’
D а X 100
*ам- ~ ,
где /?ам — содержание первичного амина (%); А — поглощение; с — концентрация (г/л); I — длина кюветы (см); е — молярный коэффициент погашения; W— молекулярный вес.
Вычисления. Определяют поглощение чистого первичного амина, (Л), как описано выше. Затем вычисляют значение молярного коэффициента погашения по формуле
А X W Е~ сХ/
Результаты анализа смесей, полученные Миланом, приведены в табл. 11.1.
Таблица 11.1
Результаты анализа смесей аминов [3]
Номер пробы а Состав смеси, % Полученное в анализе содержание первичного амина, %
первичный амин вторичный амин третичный амин
1 0 100 0 о,з
2 0 0 100 0,1
3 89,9 10,1 0 90,0
4 60,1 39,9 0 60,3
5 28,5 71,5 0 28,4
6 83,0 2,8 0 83,0
7 88,5 5,0 0 88,6
8 95,8 0,6 0 93,9
,9 98,0 6 97,3
10 98,3 6 97,8
11 — 85,5
12 12,0 11,5
а Пробы с номерами 1—5 представляли собой синтетические смеси окта-дециламина, диоктилдециламина и триоктилдециламина. Пробы с номерами 6—8 —технические неочищенные и очищенные (перегонкой) амины твердых жиров, предварительно проанализированные методо.м титрования. Пробы 9 и 10 —технические очищенные (перегонкой) ацетаты первичных аминов твердых жиров, полученные из аминоз, практически не содержащих вторичных аминов. Проба 11 — технический неочищенный ацетат первичного амина твердых жироз. Проба 12 — неочищенный N-октадецилацетамид.
б Содержание первичного амина, полученное методом титрования.
Присутствие в пробе амидов и нитрилов не мешает проведению анализа. Величина доверительного интервала, соответствующего
Амино-, имино- и аммониевые соединения
267
доверительному уровню 99%, для среднего из результатов двенадцати определений, выполненных в течение 6 дней, составляла ±0,6%.
2. Ацетилирование аминов коричным ангидридом
Для определения алифатических аминов Хонг и Коннорс [4] обрабатывали эти амины коричным ангидридом, затем хлороформом экстрагировали образующийся амид и измеряли поглощение полученного раствора в УФ-области спектра. Уравнение соответствующей реакции имеет вид
(СбН5СН=СНСО)2О + RR'NH —>
—> C6H5CH=CHCONRR' + СбНбСН=СНСООН (2)
транс-Циннамиловая группа очень сильно поглощает свет (бмакс = 2,2 X Ю4 Для большинства соединений с этой группой), и благодаря этому данный метод имеет высокую чувствительность.
Метод Хонга и Коннорса [4]
Реагенты. Раствор тр^шс-коричного ангидрида, 5 мг на 1 мл ацетонитрила. Перед приготовлением этого раствора коричный ангидрид трижды перекристаллизовывают из бензола.
Проведение анализа. В мерную колбу емкостью 50 мл переносят 1 мл раствора пробы, в котором содержится 0,7—4,2 мкМ амина (растворенного в ацетонитриле). В полученный раствор добавляют 1,0 мл раствора коричного ангидрида и 1 каплю 0,1 М раствора три-/^-бутиламина в ацетонитриле. Полученный раствор хорошо перемешивают и оставляют при комнатной температуре до прохождения в нем реакции ацилирования. Добавляют в него 2 мл 0,1 н. водного раствора едкого натра, хорошо перемешивают и тем же раствором доливают приблизительно до метки. Затем оставляют на 10 мин для гидролиза избытка реагента в этом растворе. Полученный раствор количественно переносят в делительную воронку объемом 125 мл, смывая внутренние стенки колбы двумя порциями хлороформа, по 15 мл каждая. Затем экстрагируют его тремя порциями хлороформа (15, 15, 10 мл), первые две из которых использовали для смывания колбы. Хлороформные фазы сливают в делительную воронку и промывают 20 мл воды. Промытый экстракт фильтруют через бумажный фильтр в мерную колбу емкостью 50 мл, смывают фильтр хлороформом в эту же колбу и хлороформом доливают раствор в колбе до метки. Наконец, используя кювету с / = 1 см, измеряют поглощение полученного раствора относительно хлороформа при длине волны, соответствующей максимуму поглощения анализируемого амида. Холостой опыт проводят по той же методике.
268
Глава 11
Содержание амина Сам (мкМ)в 1 мл пробы вычисляют по формуле
5ХЮ4 (Лпр + Лх)
где Лпр, Лх— поглощения анализируемого и холостого растворов соответственно; b — длина оптического пути; еМакс — молярный коэффициент погашения амида. Для всех растворов амидов коричной кислоты в хлороформе выполняется закон Бера. Результаты анализов аминов приведены в табл. 11.2.
Таблица 11.2
Результаты анализов аминов [4]
Амид коричной кислоты ^макс’ нм 'максХЮ-4
н-Пропил 274 2,27
н-Бутил 274 2,22
трет-Бутил 273 2,18
я-Гексил 274 2,27
я-Октил 274 2,21
н-Додецил 274 2,27
Аллил 274 2,27
Бензил 275 2,44
Р-Фенетил 274 2,31
Пиперидил 277,5 2,18
Диэтил 277 2,14
Дибензил 283 2,36
Фенил 295 2,58
Морфолил 280 2,17
Величина стандартного отклонения находится в пределах 0,5—1,0%.
Для полного ацилирования достаточно двух минут, если только анализируемый амин не является пространственно затрудненным.
Было исследовано влияние на анализ воды и метанола. Вода
не мешала анализу даже тогда, когда ее содержание в растворе амина составляло до 60%• Ясно, что амин настолько более сильный нуклеофил по сравнению с водой, что количественное образование амида происходит до того, как гидролизуется реагент. Спирты могут оказывать двоякое действие: поглощать воду и образовывать эфиры коричной кислоты, которые экстрагируются хлороформом. Однако если увеличить продолжительность щелочного гидролиза, то тем самым будут обеспечены условия для гидролиза эфира. Объясняется это возможно тем, что эфиры более подвержены щелочному гидролизу, чем амиды.
Амино-, имино- и аммониевые соединения
269
3. Определение первичных и вторичных аминов по реакции
с 2,4-ДИнитрофторбензолом
В результате реакции аминов с 2,4-динитрофторбензолом в буферном растворе образуется замещенный 2,4-динитрофенилампн
RNHR' +
+ NaF + Н2О (3)
Используя эту реакцию для аналитических определений, Мак-Ин-тайр, Клементс и Спроулл [5] превращали избыток реагента в 2,4-динитрофенол, отделяли 2,4-динитрофениламин от натриевой соли 2,4-динитрофенола и измеряли поглощение 2,4-динитрофенил-амина. Кольбезан, Эккерт и Бретшнейдер [6] утверждали, что в методе Мак-Интайра и сотрудников кроется ошибка, связанная с фоновым поглощением 2,4-динитрофенетола, образующегося в результате реакции динитрофторбензола с этанолом. Чтобы избежать этой ошибки, Кольбезан и сотрудники рекомендовали не использовать растворителей, активных по отношению к динитро-фторбензолу, таких, как спирты.
Метод Мак-Интайра, Клементса и Спроулла [5], модифицированный Колъбезаном, Эккертом и Бретшнейдером [6]
Реагенты. Раствор 2,4-динитрофторбензола. Растворяют 0,12 мл этого соединения в 10 мл абсолютного спирта.
Раствор бикарбоната натрия, 0,1 М.
Раствор едкого натра, 0,2 н. в 60 %-ном диоксане.
Проведение анализа. На дно цилиндра емкостью 25 мл со стеклянной пробкой осторожно переносят пипеткой 0,1 мл водного раствора, содержащего 10—100 мкг амина, 0,05 мл раствора 2,4-динитрофторбензола и 0,1 мл раствора бикарбоната натрия. Раствор в цилиндре тщательно перемешивают и на 20 мин помещают на водяную баню. Затем в цилиндр добавляют 0,4 мл 0,2 н. раствора едкого натра в диоксане и нагревают еще в течение 60 мин. Разбавляют содержимое цилиндра до 10 мл дистиллированной водой и экстрагируют полученный раствор 10 мл циклогексана. (При анализе этаноламина и других аминов, обладающих высокой растворимостью в воде, экстракцию ведут тетрахлорэтаном.) После разделения фаз измеряют поглощение фазы органического растворителя при длине волны, соответствующей максимуму поглощения.
270
Глава 11
Кольбезан, Эккерт и Бретшнейдер [6] утверждали, что поглощение холостого раствора (относительно циклогексана) в области 270—460 нм равно нулю. Спектры, соответствующие экстрактам в циклогексане, идентичны аналогичным спектрам, соответствующим растворам чистых кристаллических производных в этом же растворителе, и имели максимум вблизи 330 нм для первичных и вблизи 355 нм для вторичных аминов. Выходы для «-бутиламина, изобутиламина и 2-аминобутана составляли 100%. Для изопро-пиламина и трет-бутиламина они были соответственно равны 85 и 60%, даже в тех случаях, когда реакцию проводили в запаянных ампулах и в избытке реагента. Калибровочные графики и в этом случае были линейными.
4. Определение первичных ароматических аминов путем диазотирования и сочетания
Банделин и Кемп [7] определяли первичные ароматические амины путем их диазотирования и сочетания с N-(1-нафтил)эти-лендиамином с образованием азокрасителя. Окраска раствора полностью развивается при этом в течение 1—2 мин.
Метод Банделина и Кемпа [7], видоизмененный Сиггиа [8]
Реагенты. N-(l-нафтил)этилендиамин, 0,1%-ный.
Нитрит натрия, 0,1%-ный.
Проведение анализа. Пробу, содержащую примерно 10 мкг амина, растворяют или экстрагируют 5 мл 4 н. H2SO4. В полученный раствор добавляют 1 мл 0,1%-ного нитрита натрия и оставляют на 3 мин для образования в нем соли диазония. Затем в раствор добавляют 5 мл 95%-ного этанола и оставляют смесь на 2 мин. По истечении этого времени в полученный раствор добавляют 1 мл 0,1%-ного N-(l-нафтил)этилендиамина. Иногда для того, чтобы вызвать реакцию сочетания, необходимо сделать раствор щелочным, добавив в него бикарбонат или ацетат натрия, а иногда и карбонат натрия или даже едкий натр. Однако в то же время основность раствора должна быть как можно ниже, так как повышенная основность способствует разложению солей диазония. После добавления в раствор реагента измеряют его поглощение и по данным анализа стандартных растворов определяют концентрацию амина в анализируемой пробе.
5. Определение первичных ароматических аминов на основе их реакции с 9-хлоракридином
Стюарт, Шау и Рэй [9] описали спектрофотометрический метод определения небольших количеств некоторых первичных ароматических аминов, основанный на реакции этих аминов с 9-хлоракридином, в результате которой образуется интенсивно окрашенные хлоргидраты 9-аминоакридина.
Амино-, имино- и аммониевые соединения
271
Метод Стюарта, Шау и Рэя [9]
Оборудование. Спектрофотометр фирмы «Perkin — Elmer» модели 202 или фирмы «Beckman» модели DU с согласованными кюветами с длиной оптического пути 1 см.
Проведение анализа. В мерную колбу емкостью 10 мл переносят пипеткой 1 мл этанольного раствора 9-хлоракридина (10-6 моль/мл). В эту же колбу добавляют 1 мл этанольного раствора амина (10-6 моль/мл). Если анализируемый амин присутствует в пробе в форме хлоргидрата, то для его выделения в раствор добавляют 1 мл водного раствора бикарбоната калия (10-5 моль/мл). Добавив в полученный раствор 10%-ный (по объему) водный раствор соляной кислоты, доводят его pH примерно до 4. Затем раствор в течение 5 мин встряхивают при комнатной температуре, разбавляют до метки этанолом и измеряют поглощение при 435 нм. Результаты измерений корректируют с учетом поглощения холостых растворов.
Продукт реакции имеет оранжевый цвет. Поглощение холостых растворов очень мало. Кривые поглощения, соответствующие различным пробам ароматических аминов в эквимолярных концентрациях, были почти идентичны друг другу. Во всех случаях выполнялся закон Бера.
Из количественных данных, полученных Стюартом, Шау и Рэем и представленных в табл. 11.3, видно, что этим методом можно
Таблица 11.3
Результаты определения содержания первичного ароматического амина в смесях известных первичных ароматических аминов [9]
Компоненты смеси, концентрация 2,500ХЮ"8 моль/мл Содержание первичного ароматического амина
полученное в анализе, моль/мл ХЮ~8 в процентах по отношению к теории
1) Анилин «-Бутиламин N-Метиланилин Морфолин 2,495 99,8
2) гг-Метоксианилин Ди-н-бутиламин Салициловая кислота az-Диметиламинобензальдегид 2,500 100,0
3) гг-Нитроанилин Хинолин Триэтиламин N, N-Диметиланилин 2,500 100,0
272
Глава 11
определять первичные ароматические амины в присутствии первичных, вторичных и (или) третичных алифатических аминов, вторичных и третичных ароматических аминов, а также гетероциклических и карбонилсодержащих соединений. Вторичные ароматические амины, как правило, не дают окрашенных растворов, но некоторые из них образовывали интенсивно окрашенные растворы. Однако максимумы поглощения этих растворов соответствуют длинам волн, отличным от 435 нм, и поэтому эти вторичные амины не мешали анализу первичных ароматических аминов.
Выяснилось, что образующийся в таких анализах краситель сохраняет свою окраску в течение недели. Растворы 9-хлоракри-дина следует приготавливать непосредственно перед их использованием, поскольку в этанольном растворе этот реагент претерпевает быстрый этанолиз. Разложение реагента можно обнаружить по появлению в растворе коричневатого осадка.
6. Определение первичных алифатических аминов по реакции образования оснований Шиффа и хелатов
Критчфилд и Джонсон [10] описали метод определения, в котором используется реакция первичных аминов с водным реагентом, содержащим хлорид меди(II), салициловый альдегид и триэтаноламин.
Комплекс меди и салицилальдимина, образующийся в этой реакции, экстрагируют гексанолом-1. Количество меди в гексаноловой фазе определяют колориметрически по реакции с бис- (2-оксиэтил) -дитиокарбаминовой кислотой, и оно является мерой содержания первичного алифатического амина в пробе.
Метод Критчфилда и Джонсона [20]
Реагенты. Триэтаноламин. Для его приготовления чистое (чистота 98%) соединение перегоняют под давлением 1—2 мм рт. ст. Перегонку ведут в колонке длиной около 15 см и диаметром 30 мм с насадкой из стеклянных шариков диаметром 2 мм. Нагревают колонку электрической спиралью. В перегонной колбе емкостью 3 л имеется канал для термометра. Содержимое этой колбы перемешивают магнитной мешалкой, причем в процессе перегонки температура ее содержимого не должна превышать 185°C. При использовании 0,372 мг очищенного таким образом этаноламина для приготовления медь-салицилальдегидного реагента поглощение раствора, полученного описанным ниже методом, должно быть равно 0,65 ± 0,02.
Реагент, содержащий салициловый альдегид и медь(II). Для его приготовления в мерную колбу емкостью 100 мл со стеклянной пробкой переносят из мерного цилиндра 15,0 мл очищенного три
Амино-, имино- и аммониевые соединения
273
этаноламина, 0,5 мл салицилового альдегида и 0,25 г дигидрата хлорида меди(II). Затем содержимое колбы доливают водой до метки и тщательно перемешивают. Полученный реагент сохраняет свои свойства по крайней мере в течение месяца, однако его поглощение со временем возрастает.
бис- (2-Оксиэтил)дитиокарбаминовая кислота. Этот реагент приготавливают ежедневно, смешивая в равных объемах следующие два раствора: 2%-ный (по объему) раствор сероуглерода в метаноле и 5%-ный (по объему) раствор диэтаноламина в метаноле.
Получение калибровочного графика. Приготавливают разбавленный раствор чистого анализируемого соединения в дистиллированной воде так, чтобы в 5 мл этого раствора содержалось не более, чем то максимальное количество, анализируемого соединения, которое указано в табл. 11.4. Затем в каждый из 5 мерных цилиндров емкостью 25 мл со стеклянными пробками переносят из
Таблица 11.4
Условия реакции при определении первичных аминов с применением реагента, содержащего салициловый альдегид и медь (II)
Соединение Содержание первичного амина, мг (максимальное) Продолжительность реакции а, мин
Аминоэтилэтаноламин 1,10 30—60
N-Аминоэтилморфолин 0,85 15—60
Амиламин 1,20 15—45
Бутиламин 0,70 15—60
Этаноламин 0,50 15—60
Этиламин 0,53 15—60
2-Этилгексиламин 1,40 6 15—60
Гексиламин 1,10 15—60
Изоамиламин 1,10 15—45
Изобутаноламин 0,60 60—120
Изобутиламин 0,90 15—60
Изопропано ламин 0,60 15—60
Метиламин 0,30 15—60
Пропиламин 0,73 15—60
Пропилендиамин 0,42 10—20 в
а Продолжительность реакции при температуре 20—30 °C (если не указано другой температуры).
б Пробу разбавляют 10%-ным метанолом.
в Реакцию ведут при температуре 98±2 °C в мерном цилиндре со стеклянной пробкой емкостью 50 мл. Во время реакции цилиндр открыт.
274
Глава 11
пипетки по 2 мл раствора медь-салицилальдегидного реагента. В четыре из этих цилиндров добавляют соответственно по 1,0, 2,0, 3,0 и 5,0 мл разбавленного раствора анализируемого соединения, а один цилиндр оставляют для проведения холостого опыта. Наконец, используя кюветы с I = 1 см, измеряют поглощение растворов в первых 4 цилиндрах при 430 нм.
Проведение анализа. В каждый из двух мерных цилиндров емкостью 25 мл со стеклянными пробками переносят пипеткой по 2,0 мл раствора медь-салицилальдегидного реагента. Один из этих цилиндров оставляют для проведения холостого опыта, а в другой добавляют анализируемую пробу, в которой содержится первичный амин в количестве не более того, которое предписано в табл. 11.4. В пробе должно содержаться не более 0,01 мг аммиака или 0,5 г вторичных и третичных аминов. Пробы величиной менее 0,01 мг нужно предварительно разбавить водой. Каждый из цилиндров доливают дистиллированной водой до отметки 10 мл, закрывают и тщательно перемешивают их содержимое. Затем оставляют цилиндры для прохождения реакций в условиях, указанных в табл. 11.4.
После завершения реакции цилиндры доливают гексанолом-1 до отметки 25 мл, закрывают их пробками, энергично встряхивают 15—20 раз и дают отстояться содержимому. Затем в два других мерных цилиндра емкостью 25 мл наливают по 5 мл бис- (2-окси-этил)дитиокарбаминовой кислоты (реагента). Важно, чтобы эти цилиндры и их пробки были чистыми и не содержали ионов металлов, которые реагируют с данным реагентом. В цилиндры добавляют из пипеток по 5 мл фазы гексанола-1 из прежних двух цилиндров. Это добавление осуществляют по каплям с тем, чтобы не оставалось раствора на стенках пипетки. После этого раствор в каждом цилиндре доливают метанолом до отметки 25 мл, закрывают цилиндры и перемешивают их содержимое. Наконец, используя кювету с I = 1 см, измеряют поглощение раствора с анализируемым соединением при 430 нм относительно поглощения холостого раствора. По результату измерения с помощью калибровочного графика определяют содержание в пробе первичного амина.
Некоторые первичные амины не реагируют количественно с данным реагентом. Как правило, такие соединения можно разделить на три класса а) ароматические амины типа анилина; б) соединения, содержащие несколько первичных аминогрупп, например этилендиамин и диэтилентриамин; в) первичные амины, разветвленные в положении 2, такие, как третичные и вторичные бутиламин и изопропиламин. Из этой схемы выпадают пропилен-диамип и 2-этилгексиламин.
Мешающее действие в этом анализе оказывает аммиак, если его содержание в анализируемой пробе превышает 0,01 мг. Такому количеству аммиака соответствует поглощение, равное 0,03,
Амино-, имино- и аммониевые соединения
275
что еще находится в пределах ошибки метода. Общее содержание вторичных и третичных аминов в анализируемой пробе не должно превышать 0,5 г; в противном случае эти амины могут вызвать солюбилизацию медного комплекса в водной фазе. Мешают анализу также сильные окислители и восстановители, которые снижают содержание реагента. С высокой чувствительностью можно определять соединения, образующие медные комплексы, хорошо растворимые в гексаноле-1; соединения, образующие хорошо растворимые в воде комплексы, можно определить с более низкой чувствительностью.
В табл. 11.5—11.7 представлены результаты, полученные Критчфилдом и Джонсоном при анализе нескольких смесей первичных, вторичных и третичных аминов. Точность определения описанным методом первичных аминов в присутствии вторичных и третичных аминов составляет 5%. Из-за ограниченной величины пробы этим методом нельзя определить менее 0,01% первичных аминов в присутствии вторичных и третичных аминов.
Таблица 11.5
Результаты определения первичных аминов в присутствии вторичных и третичных аминов [10]
Образец Содержание первичного амина, вес. %
добавленное в пробу полученное в анализе а ошибка определения
Изопропаноламин в 2,5-диме- 0,12 0,12(2) 0,00
тилпиразине 0,57 0,57 (2) 0,90
Этаноламин в диэтаноламине 2,35 2,16(1) —0,19
0,36 0,32 (2) —0,05
0,12 0,13(2) +0,01
0,09 0,13(2) +0,07
2,4 2,5 (1) +0,1
Этаноламин в триэтаноламине 0,31 0,31 (1) 0,00
0,10 0,10(1) 0,00
0,98 0,90(1) —0,08
Этаноламин в ди- и триэта- 47,6 47,6 (2) 0,0
ноламине 21,3 21,2 (2) +0,1
29,2 28,7 (4) —0,5
Бутиламин в дибутиламине 1,07 1.14(1) +0,07
0,56 0,53 (1) —0,03
0,22 0,15(1) —0,07
0,49 0,54 (1) +0,05
а Цифра в скобках показывает число определений.
276
Глава И
Таблица 11.6
Результаты определения этаноламина в присутствии ди- и триэтаноламинов [10]
Содержание этаноламина, вес. % Разность полученных значений
полученное методом Ban Слайка полученное в меточе с салициловым альдегидом и медью (11)
11,5 12,1 4-0,6
12,9 13,0 +0,1
12,5 12,5 0,0
11,7 12,2 +0,5
13,1 12,5 —0,6
10,8 Н,1 +0,3
13,1 12,1 —1,0
Среднее зна чение разности ±0,5
Таблица 11.7
Результаты контрольного лабораторного определения этаноламина в присутствии ди- и триэтаноламина [10]
Номер оператора Содержание этаноламина, вес. % Разность полученных значений
полученное методом Ван Слайка полученное в методе с салициловым альдегидом и медью (II)
1 42,2 41,8 —0,4
1 39,1 41,2 +2,1
2 39,5 40,1 +0,6
1 38,3 36,6 —1,7
2 42,2 42,4 +0,2
1 34,3 35,4 + 1.1
2 36,4 37,2 +0,8
2 14,4 14,5 +0,1
Среднее значение разности ±0,9
7. Определение вторичных аминов по реакции образования дитиокарбамата меди(П)
Несколько исследователей [11 —13] в основу определения диметиламина в различных смесях положили колориметрический анализ комплекса дитиокарбамата меди. Условия для общего метода, основанного на этой реакции, были разработаны Умбрейтом [14].
Амино-, имино- и аммониевые соединения
277
Вторичные амины реагируют с сероуглеродом с образованием ди-тиокарбаминовых кислот. В свою очередь дитиокарбаминовые кислоты реагируют с медью(П), образуя соли желтого цвета, которые можно анализировать спектрофотометрически. Третичные амины с сероуглеродом не реагируют; первичные амины вступают в такую реакцию, но дают гораздо более слабую окраску. Поэтому в определениях вторичных аминов в присутствии эквимолярных количеств первичных аминов ошибка не превышает 1%.
Метод Умбрейта [14}
Реагенты. Сероуглерод + пиридин + изопропанол. Для приготовления этого реагента точно отмеривают и смешивают 35 мл сероуглерода, 25 мл пиридина и 65 мл изопропанола. При хранении в закрытом сосуде реагент сохраняет свои свойства по крайней мере в течение 2 мес.
Раствор хлорида меди (II), 0,0013 М. Растворяют 0,1—0,12 г СиС12 • 2Н2О в 250 мл воды и разбавляют полученный раствор до 500 мл пиридином.
При использовании стандартов приведенные значения объема или веса реактивов не являются обязательными.
Проведение анализа. Переносят 1 мл раствора анализируемого образца в пробирку размером 15 X 150 мм со стеклянной пробкой или в другой подходящий сосуд. В эту же пробирку добавляют 4 мл реагента и 2 мл хлорида меди(II) (реагент). Полученную смесь взбалтывают и оставляют на 5—20 мин при комнатной
Таблица 11.8
Результаты анализа вторичных аминов [14]
Величина пробы амина, мкг Количество амина, определенное в результате анализа, мкг Выход, %
Диэтиламин
11,3 11,0 $7,3
22,7 22,4 98,7
45,4 45,4 100,0
68,0 67,3 99,0
90,7 90,5 99,8
N-Метиланилин
36,2 35,3 97,6
72,4 72,2 99,8
108,6 108,6 100,0
Средняя величина выхода 99,1 + 1,0
278
Глава 11
температуре. (В течение этого времени отстаивается некоторое количество сероуглерода.) После этого в пробирку добавляют 3 мл уксусной кислоты (10%-ный по объему водный раствор ледяной уксусной кислоты) и 3 мл бензола. Затем пробирку несколько раз переворачивают вверх дном, дают жидкости отстояться, отбирают порцию верхней фазы объемом 4 мл и разбавляют ее 5 мл изопропанола. После этого раствор выдерживают в течение 1—1,5 ч (для диэтиламина) или в течение 20 мин (для N-метиланилина) и измеряют его максимальное поглощение при 440 нм.
Результаты подобного анализа диэтиламина и N-метиланилина, выбранных в качестве алифатического и ароматического заме-
Таблица 11.9
Результаты определения вторичных аминов в смесях [14]
Величина пробы C6H5NHCH3, мкг
Количество C6HSNHCH3, определенное в результате анализа, мкг
Ошибка определения, мкг
N-Метнланилин в N, N-диметиланилине а
18,2 19,0 +0,8
36,4 35,4 —1,0
N-Метиланилин + анилин 6
18,2
36,4
54,6
19,7
37,0
55,3
+ 1,5
+0,6
+0,7
Величина пробы (C2H5)2NH, мкг
Количество (C2H5)2NH, определенное в результате анализа, мкг
Ошибка определения, мкг
Диэтиламин в триэтиламинев
п,з 22,7 34,0
И,5 +0,2
22,9 +0,2
33,7 —0,3
Диэтиламин + этиламин г
11,3 13,3 +2,0
22,7 23,3 +0,6
34,0 35,1 + 1,1
а Взято 4,779 мг C6H5N(CH3)2.
6 Взято 100,3 мкг C6H5NH2.
Е Взято 3,615 мг (C2H5)3N.
г Взято 64.9 мкг NH3.
Амино-, имино- и аммониевые соединения
279
щенных вторичных аминов, представлены в табл. 11.8. В указанных в ней диапазонах концентраций выполняется закон Бера.
В табл. 11.9 представлены результаты применения этого метода к анализу смесей первичных и вторичных, а также третичных и вторичных аминов.
Выяснилось, что в указанных выше условиях с реагентом не взаимодействуют пиридин, триэтиламин, трибутиламин, Ы,Ы-ди-метиланилин, 1,3-дифенилгуанидин, дифениламин, 3-карбонилин-долы и аммиак. Из вторичных аминов не реагируют все те, которые имеют высокую степень сопряжения связей.
8. Определение третичных и четвертичных аминов по реакции с аконитовым ангидридом
Палумбо [15] выяснил, что 4{^с-аконитовый ангидрид можно использовать для определения третичных алифатических аминов в присутствии первичных и вторичных аминов. Кромвель [16] несколько видоизменил этот количественный метод и применил его для колориметрического определения триметиламина. Сасс и сотр. [17] показали, что эту реакцию можно применять в более общих случаях анализов третичных аминов, солей аминов или четвертичных аминов при концентрациях вплоть до 3 мкг/мл.
Возможное уравнение реакции третичного амина с аконитовым ангидридом в уксусном ангидриде имеет вид
НО НО
I // I //
Н—С—С—ОН II—с—с—он
I I /°’
с—с; + NR3 —> c=cz (4)
I /° I )°
Н—С—Cz H~C=CZ
X) ^ON+R3
Первичные и вторичные амины не вступают в эту реакцию, что объясняется, по-видимому, быстрым образованием амидов.
Метод Сасса и сотр. [17]
Реагенты. Раствор аконитового ангидрида. Растворяют 0,25 г ангидрида, перекристаллизованного из горячего толуольного раствора, в 40 мл уксусного ангидрида и толуолом разбавляют полученный раствор до 100 мл. Перед использованием готовый реагент необходимо выдержать в течение суток.
Уксусный ангидрид, очищенный перегонкой.
Толуол. Для удаления пиррола и тиофена толуол промывают соляной и серной кислотами и водой. Промытый толуол перегоняют в присутствии хлорида кальция,
280
Глава 11
Проведение анализа. Образцы, содержащие третичный амин или соли аминов, растворяют в толуоле так, чтобы в 1 мл полученного раствора содержалось 20—70 мкг/мл амина. В этот раствор добавляют 1 мл раствора ангидрида (реагент), в течение 15 сек нагревают его на кипящей водяной бане и оставляют на 15 мин. Затем в него добавляют 5 мл толуола, оставляют на 15 мин и измеряют его поглощение при 500 нм, используя колориметр Клетта— Сам-мерсона с фильтром № 54 или спектрофотометр.
Данные для калибровочного графика получают путем анализа стандартных растворов амина в толуоле, которые приготавливают
Таблица 11.10
Результаты анализа амина в смесях амина и хлоргидрата амина в толуоле с применением г{ас-аконитового ангидрида [17]
Смесь Полное содержание амина мкг/мл
действительное полученное в результате анализа
Триметиламин и его хлоргидрат 1050 1045
745 740
450 447
230 234
Триэтиламин и его хлоргидрат 980 970
375 373
561 564
185 183
Трибутиламин и его хлоргидрат 1127 1125
877 868
251 248
750 748
627 а 629
Триамиламин и его хлоргидрат 1260 1249
656 659
875 869
305 303
N-Метилдиизопропиламин и его 650 655
хлоргидрат 570 574
478 475
255 254
2-Диэтиламиноэтанол и его хлор- 1042 1035
гидрат 755 751
648 643
285 287
а Фторгидрат трибутиламина.
Амино-, имино- и аммониевые соединения
281
таким образом, чтобы порция этих растворов величиной 2 мл содержала 5—70 нг/мл амина. Графики зависимости поглощения от концентрации амина линейны.
Результаты, полученные Сассом и сотрудниками, представлены в табл. 11.10 и 11.11.
Таблица 11.11
Результаты анализа смесей четвертичных и третичных аминов с применением цнс-аконитового ангидрида [17]
Смесь Полное содержание амина, мкг/мл
действительное полученное в анализе
Хлорид тетраметиламмония и триметиламин 500 501
1000 997
500 502
250 252
Хлорид тетраэтиламмония и триэтиламин 700 705
920 915
350 353
150 151
Ацетилхолин и триметиламин 495 qqq 482 993
1003 1010
499 505
Хлорид триметилфениламмония и триметиламин 496 498 494 994
502 496
500 495
Иодид тетрабутиламмония и трибутиламин 480 476
984 882
495 500
Иодид тетра-н-пропиламмония и три-н-пропил- 476 479
амин 940 960
520 490
9. Определение третичных аминов по реакции с хлоранилом
Сасс и сотр. [17] описали также и метод определения только третичных аминов, основанный на их реакции с хлоранилом:
282
Глава 11
Если этот метод использовать в комбинации с предыдущим, то можно количественно отличить третичные амины от солей аминов и четвертичных аминов.
Метод Сасса и corp. [Z7]
Реагенты. Раствор хлоранила в толуоле, 1%-ный.
Толуол. Для удаления пиррола и тиофена толуол промывают соляной и серной кислотами и водой. Промытый толуол перегоняют в присутствии хлорида кальция.
Таблица 11.12
Результаты анализа смесей амина и хлоргидрата амина в толуоле с применением хлоранила [17]
Смесь Полное количество амина, мкг Количество свободного амина, мкг
добавленное в смесь полученное в анализе
Триметиламин и его хлоргидрат 1050 410 402
745 0 3
450 450 455
230 100 96
Триэтиламин и его хлоргидрат 980 650 643
375 0 2
561 560 556
185 0 0
Трибутиламин и его хлоргидрат 1127 500 503
877 250 253
251 0 2
750 750 755
627 а 0 4
Триамиламин и его хлоргидрат 1260 575 569
656 0 0
875 875 870
305 305 302
N-Метилдиизопропиламин и его хлор- 650 650 645
гидрат 570 0 0
478 275 272
255 255 257
2-Диэтиламиноэтанол 1042 485 481
755 0 2
648 648 651
285 285 1 288 1
а Фторгидрат трибутиламина.
Амино-, имино- и аммониевые соединения
283
Проведение анализа. Приготавливают раствор анализируемого образца в толуоле так, чтобы в 3 мл этого раствора содержалось 100—800 нг третичного амина. Переносят пипеткой 3 мл полученного раствора в пробирку Клетта, добавляют 1 мл раствора хлоранила и в течение 15 мин нагревают ее на кипящей водяной бане. Затем раствор охлаждают в течение 5 мин и измеряют интенсивность развивающейся зеленой окраски в колориметре, используя фильтр Клетта, или поглощение при 610 нм в спектрофотометре.
Калибровочный график строят по данным аналогичного анализа стандартных проб раствора третичного амина объемом 3 мл, в каждой из которых содержится 100—800 нг третичного амина.
Данный метод и метод с аконитовым ангидридом характеризуется малой чувствительностью в анализе третичных ароматических аминов, а при анализе амидов образующиеся растворы имеют
Таблица 11.13
Результаты анализов смесей третичных аминов в присутствии четвертичных аминов методом с применением хлоранила [17]
Смесь Полное количество амина, нг Количество свободного амина, мкг
добавленное в смесь полученное в анализе
Триметиламин и хлорид тетраметил- 500 500 502
аммония 1000 400 403
500 0 2
250 250 252
Триэтиламин и хлорид тетраэтилам- 700 700 695
мония 920 650 655
350 0 3
150 0 1
Триметиламин и ацетилхолин 495 495 490
999 999 995
1003 500 498
499 0 2
Триметиламин и хлорид триметил- 496 496 500
фениламмония 998 500 490
502 250 248
500 0 3
Трибутиламин и иодид тетрабутил- 480 480 478
аммония 984 465 424
495 0 10
Три-н-пропиламин и иодид тетра-н-про- 476 476 500
пидаммония 940 454 411
520 0 15
284
Глава И
слишком слабую окраску. Чувствительность этого метода в анализе неразветвленных третичных алифатических аминов от триметиламина до триамиламина, включая 2-диметиламиноэтанол и N-метилдиизопропиламин, имела один и тот же порядок величин. Невысокая чувствительность наблюдалась и в анализе триэтаноламина. Триизопропаноламин не давал окрашенного раствора. Метод с применением хлоранила, хотя и не столь чувствительный как метод с аконитовым ангидридом, удобен для определения третичных аминов в присутствии солей аминов.
Результаты анализов данным методом, полученные Сассом и сотрудниками, представлены в табл. 11.12 и 11.13.
10. Определение третичных ароматических аминов по реакции комплексообразования с тетрацианэтиленом
Имеется несколько колориметрических или спектрофотометрических методов селективного определения данного третичного ароматического амина в присутствии первичных и вторичных алифатических аминов. Один из таких методов, разработанный Схенком, Варнером и Базеллем [18], основан на реакции образования комплексов этих аминов с тетрацианэтиленом. Соответствующая реакция для 1\[,М-диметиланилина протекает в соответствии с уравнением
C6H5N(CH3)2 + (NC)2C=C(CN)2 —>
—> HCN + (NC)2C=C(CN)C6H4N(CH3)2 (6)
В такую реакцию вступают также первичные и вторичные амины, однако их реакции можно существенно замедлить путем ацетилирования.
Метод Схенка, Варнера и Базелля [/8]
Оборудование, Спектрофотометр фирмы «Beckman» модели DU с кюветами с / = 1,0 см. Спектрофотометр фирмы «Bausch and Lomb» модели Спектроник 20 с кюветами с I = 1,17 см.
Реагент. Насыщенный раствор тетрацианэтилена в хлористом метилене. Готовый раствор годен в течение 1—2 недель.
Проведение анализа для определения третичных ароматических аминов в присутствии первичных и вторичных аминов. Берут точную навеску образца в мерной колбе емкостью 25 мл или более и растворяют ее в хлористом метилене. Порцию этого раствора объемом 1—20 мл, содержащую 5 ХЮ"3 мМ третичного амина (табл. 11.14), переносят в мерную колбу емкостью 50 мл. Добавляют 2 мл уксусного ангидрида на каждый 5Х Ю-3 мМ (по оценке) первичного или вторичного амина, встряхивают и оставляют на 5 мин (15 мин необходимы для ацетилирования 2,5-диметил-пиперазина). По истечении этого времени в колбу добавляют 5 мл
Амино-, имино- и аммониевые соединения
285
Таблица 11.14
Наименьшее обнаружимое количество (определяемый минимум) третичных ароматических аминов [18]
Третичный амин Определяемый минимум, М (в скобках указана Молярный коэффициент погашения я конечного раствора
длина волн] ы, нм)
Трифениламин 1,6 х Ю-4 (342) 7Х Ю2
Пиридин 2 X Ю—3 (400 б) 5Х Ю’
2,5-Диметилпиразин 5Х Ю-4 (460) 2Х Ю2
М,М-Диметиланилин 8Х Ю-4 (640) 1,5 X Ю2
1,10-Фенантролин 2,9 X Ю-5 (310 «) 3,5 X 103
Карбазол 1 X io-3 (600 г) 1 X Ю2
Бензидин 1 X Ю-5 (440) 1 х ю4
а Значения этих коэффициентов равны тангенсам угла наклона прямых в координатах уравнения закона Бера.
б Измерение проводили после реакции в течение 75 мин при температуре 26 °C.
в Молярный коэффициент погашения одного 1,10-фенатролина вблизи 310 нм равен 850.
г В триэтилфосфате.
насыщенного раствора тетрацианэтилена с тем, чтобы получить двух- или трехкратный избыток этого соединения и 0,009—0,01 М конечную концентрацию в растворе. В случае образования слабо-окрашенных л-комплексов можно добавить еще тетрацианэтилена. Полученный раствор разбавляют хлористым метиленом до 50 мл и оставляют на 10—25 мин до получения оптимального значения поглощения. (В случае пиридина окраска развивается медленнее, причем скорость ее развития зависит от температуры. Поэтому при анализе стандартных проб для получения калибровочных данных температуру реакции необходимо контролировать с точностью ±0,5 °C. Результаты измерений, проведенных спустя 35 мин после добавления реагента, менее стабильны, чем результаты измерений, полученные спустя 10 мин после добавления реагента.)
Наконец, измеряют поглощение образовавшегося раствора при подходящей для определения длине волны (табл. 11.14) и с помощью калибровочного графика определяют концентрацию анализируемого амина в пробе. Калибровочный график строят по данным анализа стандартных проб определяемого третичного амина с тем же содержанием уксусного ангидрида, что и анализируемые пробы.
Проведение анализа для определения третичных ароматических аминов в присутствии фенолов с применением экстракции. Берут навеску образца в мерной колбе и растворяют ее в пентане или,
286
Глава 11
что хуже, в смеси пентана с хлористым метиленом или только в хлористом метилене. Порцию полученного раствора объемом 1 — 5 мл переносят в делительную воронку объемом 50—100 мл. В этой порции должно содержаться не более 2 мл хлористого метилена с тем, чтобы во время экстракции не захватывалась вода. Кроме того, Ъ этой порции должно содержаться примерно 1 X Ю~3 мМ третичного ароматического амина и не более 0,1 мМ фенола. В делительную воронку с порцией раствора добавляют 10 мл 10%-ного водного раствора едкого натра, оставляют ее на 30 с, затем добавляют 10 мл безводного пентана и вновь оставляют на 1 мин. После этого из воронки удаляют водную фазу, дважды смывают ее стенки порциями пентана по 2 мл и удаляют остаток водной фазы. Затем содержимое воронки сливают в мерную колбу емкостью 50 мл, дважды смывая воронку порциями пентана по 2 мл. Общий объем раствора в колбе не должен превышать 23 мл с тем, чтобы впоследствии можно было добавлять в нее хлористый метилен для переведения тетрацианэтилена в раствор.
Если в полученном растворе нет первичного или вторичного амина, то в него добавляют 10 мл насыщенного раствора тетрацианэтилена в хлористом метилене. Наконец, измеряют поглоще-
Таблица 11.15
Результаты определения третичных ароматических аминов в присутствии первичных и вторичных аминов [18]
Амин (+0,02 М раствор тетрацианэтилена) Молярность Первичные и вторичные амины, М Поглощение Молярный коэффициент погашения конечного раствора
первичный + + вторичный амин в отсутствие первичного или вторичного амина
N.N-Диметил-амин а 1,8 X Ю-3 9,2 X Ю"3 0,33 0,33 1,8 X Ю2
Пиридин а 2,5 X Ю-3 9Х Ю“3 0,17 0,17 6,8 X Ю
2,5-Диметил-пиразин а 4,6 X Ю-3 9,2 X Ю“3 0,32 0,32 7,0 X Ю
N.N-Диметил-анилина 2Х Ю"3 7,8 X Ю“3 0,25 0,25 1,2 X Ю2
Трифенил-амий 6 4Х IO'’ 1,6 х ю"4 0,26 0,26 6,5 X Ю2
1,10-Фенан-тролин 6 6Х io-5 1,6 х ю”4 0,20 0,20 3,3 х ю3
а Смесь содержит 2,6-диэтиланилин, N-метиланилин и дифениламин. Молярность конечного раствора по уксусному ангидриду 0,4.
б Смесь содержит 2,5-диметилпиразин, 2,5-диметилпиперазин, анилин И 3-пиколин. Молярность конечного раствора по уксусному ангидриду 1,2.
Амино-, имино- и аммониевые соединения
287
цие образовавшегося раствора при подходящей длине волны (табл. 11.14). Калибровочный график строят по данным анализа растворов с теми же относительными количествами пентана и хлористого метилена, что и в анализируемом растворе.
Результаты анализа, полученные Схенком, Варнером и Базел-лем, представлены в табл. 11.15 и 11.16.
Таблица 11.16
Результаты определения третичных аминов после их отделения от фенолов путем экстракции [18]
0,02 М раствор тетрацианэтилена в смеси 75% хлористого метилена и 25% пентана
Третичный амин Молярность, М Фенол Молярность, м Поглощение
после экстракции в отсутствие фенолов
М,М-Диметиланилин 0,001 Смесь а 0,001 0,578 0,584
Карбазол6 0,005 2,6-Диме-тилфенол 0,002 0,260 в 0,253
а 2,6-Диметоксифенол, п-метоксифенол и трет-амилфенол.
6 Растворитель: 75% (С^Н5О)3РО +25% пентана.
в Перед экстракцией поглощение смеси карбазола и 2,6-диметоксифенола равно 0,97.
11. Определение солей аммония по реакции комплексообразования с сульфированными индикаторами
Реагируя с солями аммония, некоторые сульфированные индикаторы (например, бромфеноловый синий, бромтимоловый синий, бромкрезоловый красный) дают окраску, которая необычна для них при любых значениях pH. Возможное уравнение соответствующей реакции для бромфенолового синего имеет вид
где R — четвертичный аммониевый катион, Ауэрбах [19] положил эту реакцию в основу метода полевых и лабораторных анализов антисептиков и бактерицидных растворов,
288
Глава 11
содержащих четвертичные соли аммония. При анализе этим методом соединения четвертичного азота реагируют в слабощелочном растворе с бромфеноловым синим, образуя продукт, растворимый в хлористом этилене. До реакции хлористый этилен не растворял ни один из компонентов реакционной смеси.
Четвертичные катионы типа [RaR'N]* дают соли, которые экстрагируются органическим растворителем из щелочных водных растворов (R — группа СН3 или более длинноцепочечная алкильная группа, a R' — группа С4Н9 или группа с более длинной цепью).
Метод Ауэрбаха [19], видоизмененный Сиггиа [29]
Реагенты. Раствор бромфенолового синего. Растворяют 40 мг порошка бромфенолового синего в 100 мл 0,01 н. водного раствора едкого натра. Ежедневно приготавливают свежий раствор.
Оборудование. Колориметр Клетта — Саммерсона с фильтром № 60.
Проведение анализа. Пробу, содержащую 50—75 мкг соли аммония в 50 мл воды, переносят в делительную воронку емкостью 125 мл. Кран воронки не следует смазывать обычной смазкой, для этого лучше применять смесь глицерина с крахмалом. Затем в воронку добавляют 5 мл раствора карбоната натрия, 1 мл раствора бромфенолового синего и точно 10 мл бензола. После этого воронку встряхивают в течение 2,5—3 мин, дают жидкости отстояться (20—30 с), снова взбалтывают ее и вновь дают отстояться. Затем пробирку для центрифугирования емкостью 15 мл ополаскивают порцией нижней водной фазы, полностью удаляют эту фазу из воронки и наливают в пробирку бензольную фазу. Пробирку закрывают чистой резиновой мембрановой пробкой (заглушка) и центрифугируют содержащийся в ней раствор со скоростью примерно около 1000 об/мин для отделения от примесей. Порцию прозрачного окрашенного раствора переносят в сухую пробирку (кювета) Клетта и, используя фильтр № 60, измеряют ее поглощение.
В некоторых случаях поглощение раствора лучше измерять на спектрофотометре при 603 нм относительно поглощения холо-: стого раствора, обработанного так же, как и анализуемый раствор.
Меткальф [21] выделял и концентрировал четвертичные катионы аммония с длинноцепочечными радикалами из растворов и сложных смесей, используя целлюлозу в качестве йонообменника. С целлюлозы эти катионы он выделял спиртовым раствором кислоты и измерял поглощение соответствующих комплексов с бромфеноловым синим в хлороформе при 603 нм.
Фог, Расмуссен и Скэдхейдж [22] описали метод анализа хлорида цетилпиридиния в концентрациях 0—25 мкг/мл, причем в качестве реагента они предпочитали использовать бромкрезоловый красный. Авторы указывали на то, что стекло (особенно стекло
Амино-, имино- и аммониевые соединения
289
с царапинами) значительно адсорбирует четвертичные соединения и это приводит к большим ошибкам в анализе. Они рекомендовали обрабатывать пробирки, кюветы и пипетки плексигласом.
Метод Фога, Расмуссена и Скэдхейджа [22]
Реагенты. Раствор бромкрезолового красного. Растворяют 0,2 г красителя в нескольких миллилитрах 0,1 н. раствора едкого натра. Полученный раствор разбавляют до 200 мл и доводят его pH до 8,2. После этого раствор доливают водой до 300 мл. Готовый раствор сохраняет свои свойства в течение 4 ч.
Буферный раствор динатрийфосфата, 0,5 н. (pH 8,2). Оборудование. Спектрофотометр фирмы «Beckman» модели DU с кюветами с I = 1 см.
Все применяемые в анализе стеклянные приборы и сосуды обрабатывают раствором плексигласа (органического стекла) в хлороформе (1—2%-ный). Для этого их заполняют этим раствором, сливают его и сушат сосуды в перевернутом положении в течение 15 мин. Образующаяся на стенках сосудов пленка плексигласа может разрушаться при промывке и сушке этих сосудов, поэтому ее необходимо обновлять перед каждым использованием сосуда.
Проведение анализа. Пробу, содержащую до 25 мкг/мл анализируемого четвертичного соединения, смешивают с 0,100 мл раствора индикатора и 0,20 мл 0,5 н. раствора динатрийфосфата. Аналогичным образом, но без пробы приготавливают холостой раствор. Затем измеряют поглощение полученного раствора при 620 нм относительно поглощения холостого раствора.
В работе [22] утверждается, что при анализе хлорида цетил-пиридиния с концентрациями в пределах 10—25 мкг/мл ошибка не превышала ±2%.
12. Определение солей аммония после проведения реакции образования солей пикриновой кислоты
Пикриновую кислоту в качестве реагента для определения четвертичных аммониевых катионов рекомендовали Слонекер и сотр. [23]. По их методу соль пикриновой кислоты и аммония выделяют из избытка пикриновой кислоты путем экстракции хлороформом и измеряют поглощение экстракта при 365 нм.
Метод Слонекера и сотр. [25]
Реагенты. Раствор фосфорной кислоты, 3 М. Разбавляют 85%-ную фосфорную кислоту дистиллированной водой в отношении 1 : 5.
Раствор едкого натра, 3 М. Приготавливают с таким расчетом, чтобы равные объемы этого раствора и 3 М раствора фосфорной кислоты давали раствор соли с pH 3,4.
Ю Зак 58
290
Глава 11
Раствор пикриновой кислоты, насыщенный на 50% (растворимость пикриновой кислоты 1,2 г/100 мл воды). Готовый раствор хранят в сосуде из темного стекла.
Проведение анализа. Порцию раствора объемом 0,1 — 1 мл, содержащую 10—100 мкг четвертичного катиона, разбавляют дистиллированной водой до 1,5 мл. Затем в полученный раствор добавляют 1,0 мл 3 М фосфорной кислоты, 1,0 мл 3 М раствора едкого натра, 0,1 мл пикриновой кислоты и перемешивают смесь. Образующийся осадок экстрагируют тремя порциями хлороформа по 1,5 мл каждая. Для максимального диспергирования несмешиваю-щихся жидкостей смесь перемешивают миксером. После каждой экстракции выжидают осветления хлороформной фазы и медицинской капельницей переносят ее в мерную колбу емкостью 10 мл. После экстракции раствор в колбе доливают хлороформом до метки и переносят в пробирку (кювету) колориметра. Поглощение раствора измеряют при 365 нм. При переносе хлороформных экстрактов в колбу следует следить за тем, чтобы в нее попадало как можно меньше водной фазы.
Получение калибровочного графика. Данные для построения калибровочного графика получают путем анализа проб по вышеописанному методу с известным содержанием четвертичного катиона аммония.
Данный метод предназначался главным образом для определения четвертичных катионов аммония в присутствии полисахаридов. В присутствии хлорида натрия отмечалась неполная экстракция соли пикриновой кислоты из водной фазы. Калибровочный график не проходил при этом через начало координат. Натриевые соли фосфорной кислоты, аминокислот и аминосахаров не мешали анализу.
Этим же методом можно определить некоторые вторичные амины, которые поэтому следует рассматривать как мешающие вещества в анализе четвертичных соединений аммония. Линейные калибровочные графики были получены для хлорида цетилтриметиламмония, хлорида цетилпиридиния, DL-кониина, дициклогек-силамина, хлорида додецилтриметиламмония и хлорида триме-тиларахидилбегениламмония. Низкомолекулярные вторичные и третичные амины, пирролидин и N-метилпирролидин не удалось определить этим методом. Данный метод применим, по-видимому, и для определения некоторых третичных аминов.
13. Определение иминов путем гидролиза до карбонилсодержащих соединений
Имины легко гидролизуются до исходных карбонилсодержащих соединений:
Н2О
RR'C===NR" --> RR'C=O + R"NH2 (8)
Амино-, имино- и аммониевые соединения
291
Фримэн [24] использовал эту реакцию для получения карбонил-Содержащих производных 2,4-динитрофенилгидразона; по количеству образующегося производного он определял концентрацию анализируемого имина. Для определения следовых количеств иминов вместо весового метода можно, по-видимому, применять колориметрический метод, подобный методу, описанному в гл. 2, разд. I, В, 1. При этом, возможно, потребуется лишь немного изменить условия реакции. В некоторых случаях хорошие результаты можно, по-видимому, получить, используя гидролиз в комбинации с другими спектрофотометрическими методами анализа карбонилсодержащих соединений, описанными в гл. 2.
II. ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
М. Бероза, М. Н. Инской
А. ОПРЕДЕЛЕНИЕ АМИНОВ И ИМИНОВ В СВОБОДНОЙ ФОРМЕ
По относительной легкости анализа методом ГХ свободные амины можно расположить в следующей последовательности: первичные < вторичные < третичные. ГХ-анализ третичных аминов не представляет труда, однако для прямого ГХ-анализа свободных первичных и вторичных аминов применяемые хроматографические носители обычно обрабатывают щелочью для подавления возможной ионизации и силанизируют для уменьшения адсорбции. Из последних примеров таких анализов можно указать следующие: определение алифатических аминов и иминов на колонке с насадкой: 20% юкон LB-550X на носителе хромосорб Р, обработанном 20%-ным спиртовым раствором КОН [25]; определение этиламфет-амина на колонке с насадкой: 2% карбовакса 20М + 5% КОН или 10% апиезона L + 10% КОН на носителе хромосорб G, промытом кислотой и обработанном диметилхлорсиланом [26]; определение амфетамина на колонке с насадкой: 15% карбовакса 6000 + 5% КОН на носителе хромосорб G, промытом кислотой, силанизированном и предварительно насыщенном эфирным раствором никотина для уменьшения адсорбции [27]; определение пиридиновых оснований на колонке с насадкой: 1% триэтаноламина+9% полиэтиленгликоля 1000, диоктилсебацината или силиконового масла DC 550 на целите или кизельгуре [28]; определение диаминотолуолов на колонке с насадкой: 5% бентона 34+15% гипрозы SP-80 на носителе хромосорб W, обработанном КОН [291.
Б. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРВИЧНЫХ АМИНОГРУПП
Метод Хоффмана и Лисиджа [50]
Первичные аминогруппы стехиометрически реагируют с азотистой кислотой с образованием азота (метод Ван Слайка). Об'
10!
292
Глава И,
Рис. 11.1. Реакционная микроячейка.
— резиновая мембрана 2 — проба.
разующийся азот в потоке гелия (газ-носитель) поступает в газовый хроматограф и легко детектируется катарометром.
Оборудование. Газовый хроматограф с колонкой из меди длиной около 1 м, с внешним диаметром около 0,6 см Насадка колонки — молекулярные сита 5А с размером частиц 80/100 меш; температура колонки 40 °C; детектор — катарометр; газ-носитель — гелий; скорость потока газа-носителя — 60 мл/мин.
Электровибратор с резиновым покрытием.
Реакционная ячейка (рис. 11.1) представляет собой стеклянный сосуд, соединенный со стеклянным Т-образным переходником. Эту ячейку помещают между источником гелия и колонкой (рис. 11.2) и соединяют с ними резиновыми трубками для работы под давлением. С помощью металлических кранов эту ячейку можно включать в систему или отключать от нее.
Реагенты. Насыщенный водный раствор нитрита натрия и ледяная уксусная кислота.
Рис. 11.2. Схема включения реакционной ячейки в ГХ-систему.
/ — мембрана; 2, 3, 4 —краны; 5—-колонка; 6 — детектор.
Проведение анализа. Переносят 1—5 мг анализируемого соединения и 0,3 мл насыщенного раствора нитрита натрия в реакционную ячейку и подсоединяют ее к системе (рис. 11.2). Кран 4 закрывают, открывают краны 2 и 3 и в течение 30 с продувают ячейку током гелия. Затем краны 2 и 3 закрывают, открывают кран 4 и через ре
Амино-, имино- и аммониевые соединения
293
зиновую мембрану шприцем вводят в ячейку 0,15 мл ледяной уксусной кислоты. После этого в течение 1 мин ячейку встряхивают вибратором. Спустя 10 мин кран 4 закрывают и на 30 с одновременно открывают краны 2 и 3; затем краны 2 и 3 вновь закрывают и открывают кран 4. Образовавшийся азот выходит из колонки и дает на хроматограмме симметричный хроматографический пик. Количество образовавшегося азота определяют по высоте этого пика. Калибровочный график строят по данным анализа известных порций 5%-ного раствора глицина.
Результаты. Данный метод был испытан в анализах глицина, глутаминовой кислоты, тирозина, лизина и валина. Количество азота, полученного в анализе первичных аминов, отличалось от теоретического не более чем на 0,5%. Для того чтобы не допустить быстрой реакции кислых аминокислот с нитритом натрия и связанных с этим потерь азота, аминокислоты предварительно растворяли в 0,5 н. раствора едкого натра.
Вместо описанной системы в этом анализе можно использовать установку Нортона, Тернера и Салмона (см. гл. 8, разд. II) и тем самым упростить анализ.
Обсуждение. Этот общий метод применяли для обнаружения первичных аминогрупп в производных стильбена [31].
В. ОПРЕДЕЛЕНИЕ АМИНОВ В ФОРМЕ АМИДОВ
С помощью различных реагентов амины и соответствующие исходные соединения легко превратить в амиды, которые можно без труда определить методом ГХ. При этом применяют как полярные, так и неполярные жидкие фазы. Амиды, образуемые из различных соединений, и соответствующие реагенты приведены в табл. 11.17. (Как правило, эти реагенты взаимодействуют также с группой ОН и другими группами, содержащими активный водород.) Ацетамиды и пропиоамиды получали до ГХ-анализа и во время него. Во втором из этих методов после ввода пробы или вместе с ней в колонку вводят ангидридный реагент и при повышенных температурах ГХ-колонки в ней почти мгновенно образуется соответствующее производное. При реакции амина с ангидридом или хлорангидридом легко образуется тригалогенацетамид. В отличие от трифторацетатов трифторацетамиды проявляют лишь слабые электронно-захватные свойства [32]. Поэтому высокая чувствительность электронно-захватного детектора при определении производных пирокатехинаминов обусловлена скорее О-трифторацетильными, чем N-трифторацетильными группами. В анализе диаминов и со-аминокислот, полученных из гомо- и сополимеров полиамидных смол, применяли трифторацетильные и триметилсилильные производные. Удобны и гептафторбутиро амиды; эти производные достаточно стабильны, проявляют хорошие электронно-захватные свойства и удобны для ГХ-анализа.
294
Глава 11
Таблица 11J7
Типичные методы, применяемые для газохроматографического определения аминов в форме амидов
Амид Типичные реагенты Типы соединений и литература
Ацетамид СН3СОС1 В колонке (СН3СО)2О Амфетамин [1] Нафтиламин [2], первичные и вторичные амины [3, 4]
Пропионамид В колонке (СН3СН2СО)2О Первичные и вторичные амины [4]
Трихлорацетамид СС13СОС1 Амфетамин [5]
Трифторацетамид (CF3CO)2O Первичные и вторичные амины [6, 7] Пирокатехинамины [8, 9], м-и п-ксилилендиамины [10], диамины из полиамидных смол [11]
Тримети леи лил амид бнс-(Триметилсилил)-ацетамид Диамины из полиамидных смол [12], длинноцепочечные (сфинголипидные) основа- ния [13], допамин и трипта-мип[ 14], пирокатехинамины[15]
Г ептафторбутироамид (C3F7CO)2O Амфетамин и родственные амины [16, 17]
Пентафторбензамид Пентафторбензоилхло-рид Первичные и вторичные амины [18]
п-Бромбензамид м-Бромбензоилхлорид Амины из карбаматных пестицидов [19]
N-Карбоэтоксиамид Этилхлорформиат Аминосахара [20]
1. Toseland Р. A., Scott Р. И., Clin. Chim. Acta, 25, 75 (1969).
2. Marmion D. M., White R. G., Bille L. H., Ferber К. H., J. Gas Chromatog., 4, 190 (1966).
3. Street H. V., J. Chromatog., 37, 162 (1968).
4. Anders M. W., Mannering G. J., Anal. Chem., 34, 730 (1962).
5. Noonan J. S., Murdick P. W., Ray R. S., J. Pharmacol. Exptl. Therap., 168, 205 (1969).
6. Palter M., Huebsch W. J., Monatsh. Chem., 97, 1541 (1966).
7. Irvine W. J., Saxby M. J., J. Chromatog., 43, 129 (1969).
8. Clarke D. D., Wilk S., Gitlow S. E., Franklin M. J., J. Gas Chromatog., 5, 307 (1967).
9. Kawai S., Tamura Z., Chem. Pharm. Bull. (Tokyo), 16, 1091 (1968).
10. Mori S., Furusawa M., Takeuchi T., J. Chromatog. Sci., 8, 477 (1970).
11. Mori S., Furusawa M., Takeuchi T., Anal. Chem., 42, 138 (1970).
12. Mori S., Furusawa M., Takeuchi T., Anal. Chem., 42, 959 (1970).
13. Carter H. E., Gaver R. C., J. Lipid Res., 8, 391 (1967).
14. VandenHeuvel W. J. A., J. Chromatog., 36, 354 (1968).
15. Horning M. G., Moss A. M., Horning E. C., Biochim. Biophys. Acta, 148, 597 (1967).
Амино-, иМино- и аммониевые соединения
295
16. Bruce R. В., Maynard W. R., Jr., Anal. Chem., 41, 977 (1969).
17. Horning M. G., Moss A. M., Boucher E. A., Horning E. C., Anal. Letters, 1, 311 (1968).
18. Zlatkis A., Pettit В. C., Chromatographia, 2, 484 (1969).
19. Tilden R. L., Van Middelem С. H., J. Agr. Food Chem., 18, 154 (1970). 20. Oates M. D. G., Schrager J., J. Chromatog., 28, 232 (1967).
Г. ОПРЕДЕЛЕНИЕ АМИНОВ В ФОРМЕ НИТРОФЕНИЛЬНЫХ
ПРОИЗВОДНЫХ
В щелочном растворе амины и соответствующие исходные соединения (например, карбаматы) превращаются в нитрофениль-ные производные, к которым очень чувствителен электронно-захватный детектор. Таким способом с применением 1-фтор-2,4-ди-нитробензола определяли амины, выделенные из лекарственных препаратов, обнаруженных в моче [33], и из карбаматных пестицидов [34], а также во втор-бутиламинных остатках [35, 36]. Для образования N-тринитрофенильного производного при определении циклогексиламина в цикламатах применяли пикрилхлорид [37], а для образования 2,6-динитро-4-трифторметиланилина и 2-нитро-4-трифторметиланилина из карбаматных пестицидов применяли соответственно 4-хлор-а,а,а-трифтор-3,5-динитротолуол и а,а,а-4-тетрафтор-3-нитротолуол [38].
Д. ОПРЕДЕЛЕНИЕ АМИНОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ РЕАКЦИИ
КОНДЕНСАЦИИ
Используя алифатические кетоны или циклобутанон, первичные амины (пирокатехинамины) превращали в енамины или основания Шиффа, которые легко анализировать методом ГХ [39, 40]. Менее чем микрограммные количества первичных алифатических и ароматических аминов можно количественно определить после их конденсации с гександионом-2,5 [41]. Несколько аминомеркаптанов и дисульфидов, имеющих значение в биохимии, определили методом ГХ после их реакции с пивалиновым альдегидом, в результате которой образуется тиазолидин или производные оснований Шиффа [42].
Е. ДРУГИЕ МЕТОДЫ ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКОГО
ОПРЕДЕЛЕНИЯ АМИНОВ
С помощью иодной кислоты длинноцепочечные (сфингомиелиновые) основания превращали в альдегиды, которые определяли затем методом ГХ. Эта реакция характерна для а-аминоспиртов [43]. В работе [44] описан анализ, в котором сфингомиелиновые основания аналогичным образом расщепляли до альдегидов, а альдегиды определяли затем методом ГХ в форме их 1,3-диоксо-лановых производных. Применяли также бромирование дифенил
296
Глава 11
амина [45] и ароматических гербицидов с образованием бромзаме-щенных анилинов [46, 47] и последующее определение производных этих соединений методом ГХ с электронно-захватным детектором. Гербициды в моче можно определять в форме их иод-производных путем диазотирования анилиновых производных гербицидов и последующей обработки этих производных KI с иодом в качестве катализатора [48].
Для определения первичных и вторичных аминогрупп методом ГХ применяли цианэтилирование; продукты реакции цианэтилирования остаются в колонке, а измеряют количество непрореагировавшего акрилонитрила [49]. Функциональную алкиминогруппу определяли путем образования четвертичного иодида аммония под действием иодистоводородной кислоты и последующего пиролиза образовавшегося четвертичного иодида аммония до алкилиодида. Алкилиодиды отгоняли от реакционной смеси и направляли в газовый хроматограф для определения [50]. Чувствителен к аминам и амидам ГХ-анализ на активный водород (см. гл. 8, разд. II). В результате полного метилирования третичных аминов (реакция Гофмана) образуются соответствующие олефины; продукты этой реакции хорошо разделялись методом ГХ и были пригодны для количественного анализа [51].
Ж. ОПРЕДЕЛЕНИЕ АМИНОВ В ФОРМЕ ИХ СОЛЕЙ
ИЛИ КОМПЛЕКСОВ
Хлоргидраты алкиламинов (Ci — С5) в водных растворах можно анализировать, превратив эти соли в соответствующие свободные амины во входном устройстве газового хроматографа, заполненном насадкой: 20% КОН на носителе хромосорб 101. Образовавшиеся свободные амины поступают затем в колонку с насадкой: 10% амина 220+ 10% КОН на носителе хромосорб W [52]. Перед анализом амины концентрируют без потерь в форме их солей; свободные амины очень летучи, однако они не выделяются из солей до тех пор, пока не попадут в колонку.
В работе [53] описано определение пяти лекарственных препаратов с основными свойствами в форме комплексов. С помощью 0,1 н. H2SO4 pH растворов солей этих препаратов доводили до 5, а затем обрабатывали их бромтимоловым синим. Для определения методом ГХ пробы экстрагировали хлороформом. В газовом хроматографе образовавшийся комплекс разлагался до амина.
3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОЛЕЙ АММОНИЯ
При температурах, применяющихся в ГХ, соли аммония обычно разлагаются. В одном анализе [54] длинноцепочечных алкил- и (или) бензилгалогенидов аммония выяснилось, что времена удерживания продуктов разложения совпадают с временами удерживания третичных аминов, образующихся в результате удаления
Амино-, имино- и аммониевые соединения
297
соответствующих алкил- и бензилгалогенидов; по значениям этих времен удерживания и площадям соответствующих хроматографических пиков можно определить состав смесей исходного соединения [54].
Ацетилхолин [(CH3)sN (ОН)СН2СН2ОСОСН3] и родственные ему соединения имеют большое значение в исследовании процессов передачи нервного импульса. Было создано несколько методов определения этих четвертичных аминов. Так, в работе [55] описано определение методом ГХ нескольких производных холина, в котором соединения путем мгновенного пиролиза на быстро нагревающейся ленте превращали в соответствующие диметиламинные производные. В работе [56] утверждается, что реакция деалкилирования является общей для хлоридов алкиламмония вплоть до хлорида тетрагептиламмония. Менее чем микрограммные количества ацетилхолина и родственных ему соединений определяли путем N-деметилирования бензолтиолатом натрия, в результате которого образуются летучие третичные амины, легко определяемые методом ГХ [57, 58].
И. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОРГАНИЧЕСКИХ НИТРОСОЕДИНЕНИЙ
Первым шагом в определении структуры молекулы органического соединения является элементарный анализ. Если при таком анализе в молекуле обнаружен азот, то часто бывает желательным определить его количество и (или) положение в молекуле (функциональные группы). В настоящее время в продаже имеются приборы для элементарного анализа, включая масс-спектрометры, а в литературе описано большое число соответствующих методов и типов установок (см. приложение, разд. II). Имеются, кроме того, и ГХ-детекторы, чувствительные к нитросоединениям, причем они позволяют определять нанограммные количества этих соединений (см. приложение, разд. II, Г). Высокоспецифичны по отношению к азоту кулонометрические и электролитические ГХ-детекторы по проводимости; термо-ионный детектор, модифицированный для определения азота, имеет среднюю специфичность по отношению к азоту.
Кроме этого, азот в органических соединениях определяли и методом Кьельдаля с CijSO4 в качестве катализатора. Образующийся сульфат аммония разлагали в кипящей серной кислоте в присутствии платиновой черни; собирали выделяющиеся газы в шприцы объемом 20 мл и для определения азота вводили их в потоке водорода (газ-носитель) в газовый хроматограф с катарометром [59]. В работе [60] описан систематический анализ, имеющий целью различить 14 азотсодержащих функциональных групп молекул органических соединений. В этом анализе используются различные комбинации реакций разложения анализируемых соединений с измерением методом ГХ скорости образования газо
298
Глава 11
образных продуктов этих реакций. Реакции проводили в микрореакторе, соединенном с газовым хроматографом, причем для ввода выделяющихся газов в газовый хроматограф их собирали в шприце. Хотя такой метод применим не всегда, автор этого метода считает его хорошим дополнением к другим методам идентификации.
III. ЭЛЕКТРОАНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
А. Ф. Крайвис
А. КУЛОНОМЕТРИЧЕСКОЕ БРОМИРОВАНИЕ АРОМАТИЧЕСКИХ АМИНОВ
Ароматические амины легко бромируются в орто- и пара-неза-мещенные положения кольца. Эта реакция была уже известна в течение некоторого времени, и было предложено несколько методов определения, основанных на титровании смесью бромид—-бромат или бромом [61]. Однако, как сообщалось в работе [61], такой метод «не получил широкого распространения из-за того, что в анализе с его применением возникает большое число помех, связанных с окислительными и восстановительными свойствами брома». Основной причиной всех этих помех является то, что в соответствующих анализах почти всегда используют избыток брома (или бромобразующих реагентов), а если в растворе в течение продолжительного времени имеется большой избыток брома, то нежелательные побочные реакции весьма вероятны.
Однако многие из этих проблем отпадают при использовании кулонометрического титрования бромом, при котором используются малые количества реагентов, и их можно вводить в растворы с самыми различными скоростями. Условия такого титрования подходят для бромирования многих ароматических аминов. Так, например, путем кулонометрического бромирования автору данного раздела удалось определить непрореагировавшие незамещенные анилиновые соединения в продуктах бромирования этих соединений в большом масштабе [62].
Для определения ароматических аминов можно без изменений применять метод, используемый в анализе фенолов, описанный в гл. 1, разд. III, В. Необходимым этапом при этом является определение стехиометрии реакции для данного неизвестного соединения; затем можно соответствующим образом изменить способ вычисления, о чем в общих чертах говорилось ранее (стр. 64—65).
В случаях, когда такой упрощенный метод не эффективен, можно применить другой метод. Можно генерировать избыток брома, дать ему прореагировать в течение 1 мин с неизвестным соединением и провести обратное кулонометрическое титрование
Амино-, имино- и аммониевые соединения
299
полученного раствора [63]. Обратное титрование основано на генерировании Си4, который реагирует с бромом. Исходный раствор при этом содержит Вг’ и Си2+. На первом этапе титрования анод находится в ячейке для титрования и генерирует небольшой избыток Вг2. Через 1 мин (продолжительность реакции) меняют полярность электродов так, что катод оказывается в ячейке для титрования. При этом восстанавливается Си2+ до Си+, который и реагирует с избытком брома.
Б. АМПЕРОМЕТРИЧЕСКОЕ ТИТРОВАНИЕ АРОМАТИЧЕСКИХ
АМИНОВ
Титрование ароматических аминов раствором нитрита широко не применялось. Соответствующее этому титрованию уравнение реакции имеет вид
ArNH2 + НС1 + HNO2 —> RN2C1 + 2Н2О (1)
Относительную непопулярность этого метода можно объяснить тем, что в нем требуется внешний индикатор (крахмал — иодид), а также тем, что реакция может протекать медленно. Применение внутреннего индикатора и добавление катализатора для ускорения реакции может сделать этот метод более популярным. Такие изменения предложены в работе [64].
В методе, описанном ниже, применяется биамперометрическая система определения конечной точки титрования, соответствующей моменту появления в растворе избытка нитрита натрия. До появления первой капли этого избытка ток в системе практически равен нулю.
В анализе этим методом используется катализатор и, кроме того, реакция проводится при комнатной температуре. Благодаря этому скорость реакции гораздо выше, чем в том случае, когда ее ведут при пониженных температурах и без катализатора.
Экспериментальный метод (основанный на методе Шелтена и Стоуна [64])
Оборудование. В анализе можно использовать любой автоматический или неавтоматический полярограф. (Наиболее удобен неавтоматический полярограф с гальванометром.)
Одинаковые электроды из платиновой проволоки можно купить или изготовить, впаяв короткие отрезки проволоки в дно стеклянных пробирок. Чтобы обеспечить электрический контакт с электродами, в пробирки можно налить ртуть. Один из электродов соединяют с положительной клеммой полярографа, а другой— с отрицательной.
Реагенты. Реакционную смесь приготавливают в ячейке полярографа, смешивая концентрированную соляную кислоту и бромид калия.
300
Глава 11
Стандартный раствор для титрования представляет собой 0,1М раствор нитрита натрия.
Проведение анализа. Берут навеску образца, содержащую около 4 мМ анализируемого амина, в стакан емкостью 400 мл. Затем в стакан добавляют 250 мл воды, 20 мл концентрированной соляной кислоты и 1 г бромида калия. После этого в него погружают стеклянные лопасти механической мешалки, платиновые электроды, предварительно очищенные в растворе бихромата и промытые, и включают мешалку. Затем устанавливают чувствительность гальванометра на 0,01 мкА/мм и прикладывают к электродам разность потенциалов, равную 0,4 В. В этот момент в системе может появиться электрический ток, однако обычно он сразу же падает почти до нуля. Затем в раствор погружают кончик бюретки с 0,1 М раствором нитрита натрия (стандартизованным по чистой сульфаниловой кислоте) и добавляют этот раствор в стакан с такой скоростью, чтобы в системе протекал очень слабый электрический ток. При приближении к конечной точке титрования ток начинает усиливаться; в этот момент рекомендуется прекратить титрование с тем, чтобы успокоилась стрелка гальванометра и можно было зафиксировать положение «нулевой точки». После этого раствор нитрита добавляют небольшими порциями и наблюдают показания гальванометра.
На достижение конечной точки титрования указывает отклонение стрелки гальванометра на ~0,1 мкА от положения зафиксированной ранее «нулевой точки». Вблизи конечной точки титрование следует вести осторожно, поскольку эта точка не очень четко определена. При вычислениях из измеренного израсходованного количества стандартного раствора вычитают 0,05 мл, чтобы учесть использованный избыток нитрита натрия.
В. ПОЛЯРОГРАФИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВТОРИЧНЫХ АМИНОВ
В анализе, описанном в предыдущем разделе, использовалась реакция ароматических аминов с азотистой кислотой, приводящая к образованию соли диазония. Данный метод основан на определении момента появления избытка реагента амперометрическим методом. Кроме ариламинов азотистая кислота реагирует и с другими аминосоединениями. Так, например, по реакции с азотистой кислотой вторичные амины можно превратить в N-нитрозосоеди-нения:
r2nh + hno2 —> r2n—no + H2O (2)
В анализах вторичных аминов эту реакцию можно использовать несколькими способами. Можно, например, измерить избыточное количество нитрита по завершении этой реакции, определить момент появления избытка нитрита путем титрования или
Амино-, имино- и аммониевые соединения
301
измерить количество N-нитрозосоединения, образующегося в этой реакции. Особенно привлекателен последний метод. Так, например, только вторичный амин может образовать N-нитрозосоедине-ние, и потому последний метод обеспечивает специфическое определение исходного соединения.
Количественное определение N-нитрозогруппы можно осуществить полярографическим методом [65]; было предложено два метода количественного превращения амина в соответствующее нитрозопроизводное [66, 67]. Эти методы отличны друг от друга и в конкретных задачах каждый из них может иметь свои преимущества. Ниже описаны оба метода.
Экспериментальный метод (основанный на методе Инглиша [66])
Оборудование. В этом анализе рекомендуется применять записывающий полярограф.
Наилучшей является Н-образная ячейка [65], термостатируе-мая на водяной бане (или с применением рубашки) при температуре 25 ± 0,1 °C.
Реагенты. Раствор сульфаминовой кислоты (NH2HSO3). Растворяют 15 г кислоты в воде и доливают полученный раствор водой до 100 мл.
Раствор едкого натра, 30%-ный (по весу).
Гипосульфит натрия. Широко известен как гидросульфит, Na2S2O4. Можно использовать высокочистый материал, имеющийся в продаже.
Примерно 0,2 н. раствор иода. Растворяют 50 г KI и 26 г 12 в 50 мл воды и водой доливают полученный раствор до 1 л.
Раствор желатины. Растворяют 0,5 г желатины в 50 мл теплой воды. Ежедневно следует приготавливать свежий раствор. Проведение анализа. Образец должен находиться в водном растворе, полное содержание оснований в котором равно 15—25%. Порцию этого раствора не более 5 мл, содержащую 0,05—0,13 г амина, переносят в пробирку длиной около 20 см, разбавляют до 5 мл и помещают пробирку в баню со льдом. Затем в нее добавляют 3,0 ± 0,05 г нитрита натрия и 5 мл ледяной уксусной кислоты и на 10 мин помещают в водяную баню с температурой 25 ±2 °C. По истечении указанного времени пробирку погружают в баню со льдом так, чтобы она выступала из нее на 5 см и, осторожно перемешивая ее содержимое, добавляют по каплям из пипетки раствор сульфаминовой кислоты в количестве (около 17 мл), достаточном для разрушения избытка азотистой кислоты. О присутствии последнего в растворе судят по изменению цвета индикаторной бумажки (крахмал — KI), опущенной в этот раствор. Избыток сульфаминовой кислоты вполне допустим. После добавления в раствор одной капли раствора фенолфталеина его
302
Глава 11
титруют раствором едкого натра до получения нейтральной реакции и затем добавляют 0,1 мл щелочи в избыток. На этом этапе крайне важно создать необходимую щелочность раствора. После титрования пробирку с раствором помещают в водяную баню с температурой 60 °C; когда раствор прогреется до этой температуры, в него добавляют 1,0 ±0,05 г гидросульфита натрия. Затем пробирку закрывают пробкой, несколько раз переворачивают вверх дном для растворения гидросульфита и на 5 мин помещают в водяную баню с температурой 60 °C. По истечении указанного времени содержимое пробирки охлаждают до 25 °C и в мерной колбе емкостью 100 мл доливают водой до метки. Переносят 10 мл полученного раствора в химический стакан, добавляют 50 мл воды, 1 мл ледяной уксусной кислоты, 1 мл крахмального индикаторного раствора и титруют иодным раствором до конечной точки, соответствующей разрушению избытка гидросульфита. По окончании титрования в раствор добавляют 2,5 мл концентрированной соляной кислоты, 1 мл раствора желатины и в мерной колбе емкостью 100 мл разбавляют полученный раствор водой до метки.
Порцию полученного раствора переносят в полярографическую ячейку, обескислороживают ее, пропуская азот в течение 10 мин, и регистрируют полярограмму, начиная с потенциала —0,3 В, относительно насыщенного каломельного электрода. Полярограмма четко выражена, и несмотря на то, что линейный участок (плато) гораздо сильнее наклонен к горизонтальной оси, чем линейный участок емкостного тока, полярограмма воспроизводима и позволяет получать точные результаты. Конечный раствор стабилен, и перед регистрацией полярограммы его можно оставлять даже на всю ночь. Концентрацию амина в пробе определяют по полярографической волне восстановления нитрозосоединения с помощью калибровочного графика.
Экспериментальный метод (основанный на методе Лунда [67])
Оборудование. Рекомендуется использовать записывающий поля-рограф.
Наилучшей является Н-образная ячейка [65], термостатируе-мая на водяной бане (или с применением рубашки) при температуре 25±0,1 °C.
Реагенты. Ацетатный буфер. Для его приготовления осторожно добавляют 10 мл ледяной уксусной кислоты и 10 мл 0,2 М раствора едкого натра к 80 мл воды.
Нитрит натрия. Растворяют 20 г химически чистого нитрита натрия в 80 мл воды.
Соляная кислота (4 М). Разбавляют 33,3 мл концентрированной соляной кислоты (12 М) дистиллированной водой до 100 мл.
Амино-, имино- и аммониевые соединения
303
Сульфамат аммония. Растворяют 5 г сульфамата аммония в 95 мл воды.
Проведение анализа, В 1 мл раствора, содержащего точную навеску амина (около 1 мг), добавляют 1 мл раствора ацетатного буфера. Затем в него добавляют 1 мл раствора нитрита, в течение 15 мин нагревают при температуре 80 °C и охлаждают. После охлаждения раствора в него добавляют 1 мл 4 М раствора соляной кислоты, 5 мл этанола и 1 мл 5%-ного раствора сульфамата аммония; полученную смесь переносят в полярографическую ячейку и разбавляют водой до 25 мл. Затем раствор в ячейке обескисло-роживают, пропуская через него в течение 10 мин ток азота. По истечении указанного времени добавляют 1 мл раствора сульфамата аммония, направляют ток азота таким образом, чтобы раствор был покрыт слоем азота, и регистрируют полярограмму, начиная с потенциала —0,6 В относительно насыщенного каломельного электрода. По измеренному значению диффузионного тока, соответствующему полярографической волне восстановления нитрозогруппы, с помощью калибровочного графика определяют концентрацию вторичного амина в анализируемой пробе.
IV. МЕТОДЫ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА
Г. Агахигиан
А. АМИНЫ
Идентификация и анализ аминов методом ЯМР несколько затруднительны, поскольку в этих соединениях водородный атом при атоме азота имеет тенденцию к обмену. Точная форма соответствующей линии резонанса (NH) определяется скоростью этого обмена. Применение ЯМР в определении аминов описано в работе Андерсона и Сильверштейна [68]. К сожалению, для таких определений не подходят методы, используемые при ан’ализе гидроксильных и спиртовых функциональных групп, и это несколько усложняет задачу.
В определении аминов методом ЯМР применимы такие растворители, как дейтерированный хлороформ и четыреххлористый углерод, однако автор данного раздела пришел к выводу, что лучше добавлять к амину трифторуксусную кислоту. При этом линии резонанса, обусловленного группой NH, оказываются в низком поле и исключается наложение спектральных линий. По полученным таким образом интегральным спектрам можно определить первичные, вторичные или третичные амины.
Для определения или проверки типа присутствующей в соединении функциональной группы можно использовать резонансы на водородных атомах при ct-углеродном атоме. Таким методом ана
304
Глава 11
лизировали диметиланилин, бензиламин, а также амины следующих типов
RCH2CHN(CH3)2 (RCH2CH2)2NH
I
СНз
rch2chnhch3 r2chch2nh2 I СНз
В принципе, расщепление линий резонанса на ядрах а-водородных атомов или атомов водорода заместителей в a-положении можно использовать для определения относительных количеств первичных, вторичных и третичных аминов. В некоторых отношениях такой непосредственный анализ более удобен, чем обычный анализ с применением реакций ацетилирования или диазотирования. Методом ЯМР нетрудно измерять скорость реакции первичного амина с бензальдегидом, однако также легко измерять и скорость ацетилирования. В этом же анализе с превращением в производные трифторуксусной кислоты можно использовать метод, описанный Ба-биеком, Варрантом и Викерсом [69]. Метод ЯМР имеет то преимущество, что в нем не требуется превращения в производные и достаточно приготовления соли применяемой кислоты непосредственно в анализируемом растворе.
Описанный в работе Лидера [70] метод определения спиртов, который основан на превращении их в производные гексафтораце-тона, применим также и для определения аминов. Этим методом анализировали такие амины, как метиламин, м-пропиламин, изо-пропиламин, бензиламин, а-метилбензиламин, этаноламин, 3-ами-нопропанол-1, изопропанол амин, [3-этоксиэтиламин, 3-метоксипро-пиламин и этилендиамин. Из ароматических аминов анализировали о-хлоранилин, п-хлоранилин, n-аминофенол, /г-аминобензиловую кислоту, сульфаниламид, 2-ами-нопиридин, 3-аминопиридин и 4-аминопиридин. Из вторичных аминов анализировали диметиламин, диэтиламин, ди-м-пропиламин, диэтаноламин, N-метил анилин, 2-метиламиноэтанол, пиперидин, морфолин и пиперазин. Идентификация различных аминов была возможной благодаря значениям соответствующих химических сдвигов, причем резонансные линии первичных аминов находились в более высоком поле, чем линии вторичных аминов.
В работе [71] описан анализ смеси изомеров диаминотолуола, который является прекрасным примером применения метода ЯМР для количественного анализа. Нитротолуолы анализировали по линиям резонанса метильной группы в различных изомерах [72], причем были получены значения, характеризующие отношение различных изомеров динитротолуола в пробе.
Из аминотолуолов анализировали 3,4-диамино-, 2,5-диамино-, 2,3-диаминс- и 2,6-диаминотолуолы. При этом измерялись химические сдвиги для линий резонанса на ядрах водорода метильной
Амино-, имино- и аммониевые соединения
305
группы каждого изомера, а затем определялись и смеси этих изомеров. Присутствие нитротолуолов в диаминотолуолах обнаружить было легко. Абсолютные ошибки таких определений составляли 0,5% при содержании изомера ниже 10%, 1,5% при содержании изомера в пределах 10—50% и 2,5% при содержании изомера выше 50%).
Ма и Варнхофф [73] выполнили исчерпывающее исследование азотсодержащих соединений. Они указывали на то, что в обнаружении N-метильной группы метод ЯМР имеет преимущества в сравнении с ИК-спектрофотометрическим методом Герцига — Мейера [74], а также с методом Конроя (образование четвертичного основания с применением меченого метилиодида) [75]. Слабость метода ЯМР в этом анализе состоит в том, что характеристические линии резонанса могут накладываться на линии резонанса метильных групп, связанных с другими функциональными группами.
В работе [73] приведены данные анализа свыше 120 органических азотсодержащих соединений различных типов. Ниже приведены некоторые из них.
Значения химических сдвигов метильной группы при атоме азота в GDCI3, млн-1
Третичные амины
М,Ы-Диметил-н-бутиламин 2,18
ДАетилдиэтиламин 2,19
Тетраметилметилендиамин 2,22
N-Метилпирролидин 2,33
N-Метилпиперидин 2,21
Никотин 2,15
Скополин 2,56
Кодеин 2,42
Вторичные алифатические
амины
N-Метил-н-бути ламин 2,43
N-Метилциклопентиламин 2,39
N-Метилбензиламин 2,42
Эфедрин 2,34
Ароматические и N-гетеро-
ароматические амины
N-Метилтолуидин 2,79
N.N-Диметиланилин 2,85
N-Метилфенилгидразин 3,06
Для N-метильных протонов алифатических третичных аминов в трифторуксусной кислоте характерен диамагнитный сдвиг, равный 0,6—0,8 млн-1. Линии вторичных аминов в этой кислоте сдвигаются в область более низкого поля на 0,45—0?6 млн-1. По
308
Глава 11
разности можно вполне отличить первичные и вторичные амины. Ароматические соединения, содержащие третичные и вторичные амины, ведут себя практически так же, как и алифатические амины. Инкремент смещения линий амидов и имидов в трифторуксусной кислоте гораздо меньше, и в растворе этой кислоты не происходит ассоциации. Эти разности можно использовать для того, чтобы различить данные соединения, хотя возможно, что для этого лучше привлечь другие спектральные методы.
Анализировали также и соли аммония с N-метильными, а также метоксильными, С-метильными и ацетильными группами. Применение трифторуксусной кислоты в определении метоксигрупп не привело к существенному изменению положения линии резонанса О-метильной группы. При этом может наблюдаться наложение линий, но в таком случае можно применить какой-либо другой спектральный метод. Соответствующие спектры были получены для растворов с концентрациями 10—20% (вес/объем). В работе [73] приведены также данные анализа соединений с N-метиленовыми и N-метиновыми группами. Аналогичный анализ N-замещенных метиламинов описали Фрифельдер, Маттун и Криз [76].
Используя систему кодирования фирмы «Varian», Сломп и Линдберг [77] составили таблицу результатов анализа различных органических азотсодержащих соединений. В ней приведены значения химических сдвигов для индолов, гидразинов, а также ароматических и ненасыщенных замещенных азотсодержащих соединений.
Б. АМИНОКИСЛОТЫ И ПЕПТИДЫ
В методе анализа аминокислот и пептидов, предложенном Бови и Тайерсом [78], в качестве растворителя используется трифторуксусная кислота. Преимущества этого растворителя по сравнению с водой или D2O в том, что он позволяет точно определить значения химических сдвигов. Трифторуксусную кислоту можно использовать и в качестве стандарта. Для этого приготавливают ее растворы с концентрацией 20% (вес/объем). Глицин, цистеин и цистин менее растворимы в этой кислоте, однако можно получить и их спектры. В анализе, описанном в работе [78], спектры были получены при частоте 40 МГц. Анализируемые растворы приготавливали, растворяя 100 мг анализируемого соединения в 0,5 мл трифторуксусной кислоты, содержащей ТМС. При этом нужно следить за тем, чтобы трифторуксусная кислота не абсорбировала воду.
Анализу подвергались такие соединения, как глицин, диглицин, триглицин, тетраглицин, DL-аланин, ь-лейцин, DL-изолейцин, ь-ар-гинин, DL-фенилаланин, ь-гистидин, DL-метионин, ь-глутаминовая кислота, Ы-ацетил-вь-аланин, ь-пролин, глицил-ь-пролин, бетаин и
Амино-, имино- и аммониевые соединения
307
другие. Бови и Тайере привели данные анализов ароматических аминокислот, серина и треонина и их глицилпептидов, а также серу* содержащих аминокислот и их пептидов. При использовании частоты 60 МГц увеличивается чувствительность анализа и улучшается разрешение в спектрах соединений, что связано с более высокой напряженностью магнитного поля.
В. имины
Этиленимины и иминосоединения анализировали Боттини и Робертс [78а], Котера, Окада и Миязаки [786], а также Рейнеке и Крей [78в]. Кобайяши, Чазин и Клэпп [78г] привели данные анализа этилениминовых производных фосфонитрильных тримеров. Присутствие различных изомеров они установили по спектрам резонансов на ядрах 31Р и *Н. В аналогичном анализе, описанном Оттманном и сотр. [78д], были идентифицированы все изомеры по замещению в кольце P3N3. Эти изомеры представляют собой соединения вида (PN)3C15(NC2H4), (PN)3C14(NC2H4)2, (PN)3C13-.(NC2H4)3, (PN)3C12(NC2H4)4, (PN)3C1(NC2H4)5 И (PN)3(NC2H4)6. В работе [78д] приведены также данные анализа различных метоксильных, диметиламинных и тиоэфирных производных.
Рейнеке и Крей [78в] привели результаты анализа 1-азобицик-лоалканенаминов и солей иминия. По этим результатам они установили положение двойной связи в молекулах енаминных производных и перхлоратов иминия. Эти же данные применимы для исследования родственных азотсодержащих соединений.
V. РАДИОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Д. Кэмпбелл
Первоначально радиохимические методы интенсивно применялись для количественного определения микро- и полумикроколичеств аминокислот путем получения производных по соответствующим аминогруппам. При этом в качестве реагента использовался п-иодбензолсульфо-1311-хлорид. С тех пор появилось много других реагентов и радиохимических методов анализа первичных и вторичных аминов путем превращения их в производные. Были определены даже третичные амины, которые не столь легко превратить в производные. Из радиореагентов наиболее широко применяют хлориды сульфо- и карбоновых кислот, уксусный ангидрид и динитрофторбензол. В настоящее время имеется несколько мак-роколичественных, а также различные микро- и полумикроколиче-ственные методы определения соединений, а также смесей меченых производных.
308
Глава 11
А. ПРЕВРАЩЕНИЕ В ЗАМЕЩЕННЫЕ АРИЛСУЛЬФАМИДЫ
Преимущества п-иодбензолсульфо-1311-хлорида (пипсилхлори-да) как радиореагента стали видны уже из первых сообщений о его применении в определении аминокислот [79—82]. При использовании пяти—десятикратного избытка этого реагента первичные и вторичные алифатические амины количественно превращаются в соответствующие сульфамиды. При этом эмульгированную смесь реагента, образца и Na2CO3 или NaHCO3 кратковременно нагревают при температуре 90—100 °C. Избыток сульфохлорида легко гидролизуется до сульфокислоты, которую в свою очередь легко выделить из продуктов реакции, используя ионообменную смолу, или путем экстракции.
Определение отдельных аминов в смеси можно осуществить методами хроматографии или кристаллизации после добавления носителя. Изотоп 1311 является источником у-излучения, поэтому для метки производного-носителя можно применять какой-либо из изотопов, являющихся источниками чистого |3-излучения (например, 35S). Этот второй изотоп применяется для идентификации нужного производного, а также для измерения выхода носителя и степени очистки. Меченую сульфокислоту, являющуюся исходным соединением для приготовления радиореагента, удобно получать из /г-диазобензолсульфокислоты и легкодоступного К1311.
Высокая реакционная способность этого реагента является в некотором смысле его недостатком, так как первичные амины могут частично превращаться в дизамещенные производные. Заметное дизамещение происходит лишь после завершения монозамещения, поэтому было предложено проводить ряд последовательных «частичных» реакций и периодически удалять из реакционной смеси монопипсильное соединение [81]. Это позволяет избежать заниженных результатов в анализах некоторых аминокислот. Изотоп 1311 имеет относительно короткий период полураспада (8 дней), и при его использовании требуется непрерывно проводить контрольные измерения радиоактивности препарата, приготовленного с использованием того же количества реагента, что и в основном анализе.
В простейшем варианте метода анализа аминогрупп с применением пипсилхлорида производное-носитель не добавляют, а с обработанной пробой количественно проводят ряд операций для удаления из нее избытка реагента [80]. Порцию анализируемого раствора, из которого удалена сульфокислота, подвергают хроматографическому разделению и измеряют радиоактивность каждого из разделенных производных. Для калибровки проводят аналогичный анализ известного количества соответствующего производного, приготовленного с применением того же количества радиореагента, что и в основном анализе. Содержание амина в анализируемой
Амино-, имино- и аммониевые соединения
309
пробе Л1Пр (мМ) вычисляют по формуле
Мпр = SpW • F ’
где А—радиоактивность выделенной порции производного (мкКи); Sp — удельная радиоактивность радиореагента (мкКи/мМ); N— число аминогрупп в молекуле анализируемого соединения; F — доля конечного раствора, подвергнутая хроматографическому разделению.
Необходимость в количественной обработке раствора пробы можно исключить, если для определения меченого производного применять метод обратного изотопного разбавления. Для этого после превращения анализируемого амина в замещенный сульфамид в раствор добавляют известное количество нерадиоактивного производного, много большее количества меченого производного, присутствующего в растворе. Для этого берут минимальное количество нерадиоактивного производного, достаточное для последующего проведения операций очистки. Затем, применяя ионообменные смолы [79] или экстракцию [81], из раствора удаляют избыток реагента, не обращая внимания на небольшие потери анализируемого соединения. После этого образовавшееся производное очищают путем перекристаллизации до получения постоянного значения удельной радиоактивности [81]. Однако более строгим критерием чистоты соединения в данном растворителе является совпадение значений удельной радиоактивности фильтрата и полученного продукта [83]. Хроматографического разделения в таком анализе не требуется, и удельные радиоактивности образовавшегося производного и радиореагента измеряют, используя стандартный метод. Содержание амина в пробе в этом случае вычисляют по формуле
Мпр = Sp/S, - 1 ’
где Мд —добавленное количество производного (мМ); S4 — удельная радиоактивность очищенного производного (мкКи/мМ). Этот метод дает особенно хорошие результаты в анализе аминокислот, поскольку добавление большого количества рацемического носителя обеспечивает определение полного содержания обоих антиподов, которые могут присутствовать в смеси после гидролиза белков.
Преимущества хроматографического метода можно сочетать с преимуществами методов очистки, в которых в производное-носитель вводится второй изотоп (индикаторный), и благодаря этому не требуется количественно обрабатывать анализируемый раствор. В качестве индикаторного изотопа удобно использовать изотоп 35S: испускаемое им |3-излучение легко отличить от у-излучения изотопа 1311 и, кроме того, пипсил-355-хлорид можно приготовить из H15SO4 через стадию образования ацетилсульфаниловой кис
310
Глава И
лоты. В соответствующем анализе сразу же после образования производного в раствор добавляют определенное количество пип-сил-35Э-производного с удельной радиоактивностью 5Д, чтобы Л4Д»7Ипр. Полная радиоактивность добавленного производного (по 35S) равна Л1Д X 5Д, и доля (количество) производного, полученного на любой стадии очистки, равна доле добавленного радиоактивного соединения, сохранившейся после данной стадии очистки.
Второй изотоп удобен также для идентификации пипсиламин-ного производного в продуктах хроматографического разделения, а также для определения степени эффективности очистки известного производного хроматографическим методом. Критерием эффективности очистки является при этом получение постоянного значения отношения радиоактивности по изотопу 1311 к радиоактивности по изотопу 35S. Обычно производные подвергают хроматографическому разделению до измерения их радиоактивности. При использовании счетчика Гейгера — Мюллера радиоактивности, обусловленные изотопами 1311 и 36S, удобно различать, применяя алюминиевый поглотитель толщиной 0,0762 мм. Изотоп 1311 можно почти со 100%-ной эффективностью определить жидкостным сцинтилляционным счетчиком [84].
Высокая чувствительность метода обратного изотопного разбавления с радиореагентом, а также селективность, которую обеспечивает применение индикаторного изотопа, позволяют определять микроколичества смесей первичных и вторичных аминов. Эти методы широко применяли в определениях различных аминокислот в биологических образцах [85—88]. В работе [86], в частности, описано использование этих методов для оценки содержания одиннадцати таких соединений в 1 мг белка. Метод с пипсилхлоридом применялся для анализа гистамина, причем в этом анализе проводилось четыре цикла перекристаллизации соответствующего производного с целью его очистки до получения постоянного значения удельной радиоактивности. После проведения этого анализа было предложено [89] применять данный метод для определения любого амина, который дает кристаллический замещенный п-иод-бензолсульфамид. Этим же методом оценивались микрограммные количества 2,4-диоксипиримидина и его 5-метильного производного [90]. Для разделения пипсильных производных в дополнение к бумажной хроматографии применялись жидкофазная колоночная хроматография [91] и тонкослойная хроматография [92]. Хроматографию на бумаге применяли также для оценки радиохимической чистоты реагента [93].
Недавно для определения аминокислот применили 1-(диметиламино) нафталин-5-сульфохлорид (дансилхлорид) с изотопом 14С в метильной группе [94, 95].
В работе [96] предложен метод количественного определения аминов, который основан на обработке амина нерадиоактивным
Амино-, имино- и аммониевые соединения
311
n-бромбензолсульфохлоридом (бромсилхлоридом), выделении образующегося производного методом хроматографии на бумаге и последующем определении брома методом нейтронной активации. В анализе этим методом (вариант метода активационной хроматографии) радиореагент не нужен, но для того, чтобы обеспечить высокую чувствительность анализа, требуется мощный источник нейтронов, такой, как ядерный реактор (ср. гл. 2).
Б. ПРЕВРАЩЕНИЕ В АМИДЫ КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ
В работе [97] предлагается метод количественного определения аминов, в котором проводят разделение п-иодбензамидов-1311 в жидкой фазе на хроматографической колонке и счетчиком с твердым сцинтиллятором автоматически измеряют распределение радиоактивности вдоль колонки (ср. гл. 1). В работе описано лишь
О 5 10 15 20 25 50 55 W'
см
Рис. П.З. Распределение радиоактивности вдоль хроматографической колонки. Вертикальная ось — радиоактивность в условных единицах; горизонтальная ось — расстояние, измеряемое от начала колонки [97].
Зоны Д и Б — Н-п-иодбензоил-о-толуидин-131!; зона В — N-n-иодбензоил-л^толуидин'п-1; зона В —М-п-иодбензоил-льтолуидин-111!.
разделение таких замещенных’ бензамидов, как производные о- и ти-толуидина (рис. 11.3), однако в принципе этот метод применим для определения любого амина, который под действием п-иодбен-зоилхлорида количественно образует амид, выделяемый методом жидкостной колоночной хроматографии. Удельную радиоактивность данного радиореагента определяют тем же методом после образования подходящего производного. Содержание амина в анализируемой пробе вычисляют по формуле (1). В работе [97] не указаны способы количественного превращения в производное и удаления избытка реагента, однако вряд ли эти операции доставят какие-либо затруднения.
Так же как и в случае оксисоединений (гл. 1), для анализа первичных и вторичных аминов применим метод с прямым изотопным разбавлением с радиореагентом, в котором для количественного образования производных используется нерадиоактивный З-хлор-4-метоксибензоилхлорид с последующим добавлением
312
Глава 11
соответствующего производного, меченного изотопом 36С1, и очисткой [98]. При этом этилендиамины и анилины определяли путем их обработки в течение 30 мин 50%-ным избытком нерадиоактивного реагента в пиридине при комнатной температуре. Для того чтобы исключить образование дизамещенных производных, снижающих результаты, реакцию первичных аминов с органическим хлоридом необходимо проводить без нагревания. Количество образующегося при этом замещенного амида определяют методом прямого изотопного разбавления, используя чистое производное, приготовленное с применением меченого реагента. Результаты пяти анализов анилина, рассчитанные по формуле (5) (гл. 1, разд. V), с использованием торцевого счетчика Гейгера — Мюллера для измерения радиоактивности и понижения температуры плавления для измерения чистоты производного представлены в табл. 11.18. N-Фенил-3-хлор-4-метоксибензамид-36С1 дважды перекристаллизовывали из абсолютного этанола и один раз из смеси (примерно 3 : 2) этанола и воды. Температура плавления очищенного производного отличалась от температуры плавления чистого амида менее чем на 0,2 °C. Если в пробе присутствуют значительные количества гомологов, то может потребоваться очистка более тщательная, нежели несколько циклов перекристаллизации. Данный метод имеет то преимущество, что он позволяет вести анализ в присутствии умеренных количеств воды. Положительной его чертой является и то, что радиоактивность вводится в анализируемый раствор в форме определяемого производного. Благодаря этому в анализе не требуется удалять какие-либо немеченые примеси, а радиохимическая чистота соединения соответствует его химической чистоте.
Многие первичные и вторичные амины реагируют, часто в мягких условиях, с уксусным ангидридом, образуя замещенные ацетамиды. Количественное образование производных большинства вторичных аминов можно обеспечить при повышенных температурах. В определении первичных аминов уксусный ангидрид часто
Таблица 11.18
Результаты определения анилина с применением 3-хлор-4-метоксибензоил-36С1-хлорида
Величина пробы анилина, мг Количество анилина, полученное в анализе, мг Выход, %
94,8 95,1 100,3
98,5 а 98,0 99,5
98.0 а 97,8 99,8
99,1 а 98,0 98,9
98,4 а 97,5 99,1
а В пробу было добавлено по 5 мг о- Я /г-толундина.
Амино-, имино- и аммониевые соединения
313
применяют в качестве радиореагента вместо хлорангидридов, поскольку для него менее характерна тенденция к образованию диацилсоединений. Применим он также и в определениях микро-и полумикроколичеств аминов методом с индикаторным и сравнительным изотопами. При этом реагент, используемый для превращения амина в замещенный ацетамид, можно метить изотопом 14С, а тот же реагент, используемый для образования производного-носителя (индикатора), — тритием.
Примером применения данного реагента, меченного изотопом 14С, является определение неомицинов А и В, а также неамина путем ацетилирования их первичных аминогрупп [99]. Для такого определения 10—20 мг пробы растворяют в 10 мл 0,01 н. водного раствора NaOH. К порции полученного раствора величиной 1 мл добавляют 0,1 мл 0,3 М водного раствора К2НРО4 и 0,1 мл (около 2 мэкв) уксусного-1-14С ангидрида, имеющего удельную радиоактивность 50 мкКи/мл. Полученный раствор встряхивают в течение 30 мин, хотя на самом деле реакция завершается за гораздо меньшее время. Производные разделяют хроматографически на фильтровальной бумаге ватман № 40 в восходящем потоке растворителя, представляющего собой смесь 84: 16:2 (по объему) н-бутанола, воды и пиперидина. Хроматографические пятна производных вырезают, помещают в закрытые камеры и в течение 2 ч нагревают при температуре 60 °C в присутствии 0,4 мл воды и 1,6 мл этанола. В полученный раствор добавляют раствор сцинтиллятора в смеси растворителей и измеряют радиоактивности растворов в камерах. По результатам этих измерений и по данным анализов стандартных проб анализируемых аминосоединений определяют содержание каждого из анализируемых соединений в пробе.
Аналогичным методом определяли аминогруппы, содержащиеся в липидах [100]. В работе [101] описано определение различных аминокислот в пробах белка величиной 2 мкг с применением изотопа 3Н в качестве индикатора. С применением реагента, меченного изотопом 3Н, и индикаторного изотопа 14С (в виде N-ацетильного производного) или 1311 определили тироксин (3,5,3',5'-тетраиод-трионин) [102]. Кроме этого, используя уксусный ангидрид, меченный тритием, для образования производных, и ацетил-,4С-произ-водное в качестве индикатора, определили 3-иодтирозин и 3,5-ди-иодтирозин [103]. Вместо моноацетильных производных тироксина и трииодтрионина в работе [104] рекомендуется применять их ди-ацетильные производные, которые более стабильны, более растворимы в полярных растворителях и легче очищаются.
От нелетучих радиоактивных примесей уксусный ангидрид, меченный тритием, легко отделять методом вакуумной перегонки [105].
В работе [106] описано получение бензилоксикарбонил-а-14С-хлорида и применение этого соединения в анализе аминокислот
814
Глава 11
оптическим методом. Было показано, что чувствительность такого метода в определении ь-антипода аспарагина в оптически чистой D-форме не ниже 0,001%. В этой же работе было подтверждено отсутствие рацемизации в процессе бензилоксикарбонилирования аминокислот.
В. ПРЕВРАЩЕНИЕ В ДИ НИТРОФЕН ИЛАМИНЫ
В присутствии NaHCO3 при умеренных температурах первичные амины, а также пространственно незатрудненные вторичные амины количественно реагируют с избытком 2,4-динитрофторбен-зола (ДНФБ), образуя соответственно вторичные и третичные ди-нитрофениламины. Продукты этой реакции легко выделять из непрореагировавшего реагента путем его гидролиза и экстракции в форме раствора натриевой соли 2,4-динитрофенола. Условия, благоприятствующие количественному превращению первичных и вторичных аминогрупп в эти производные, установили в процессе исследований, связанных с применением ДНФБ в определении аминокислот спектрофотометрически [107] еще до использования в практике меченого аналога этого реагента.
Для количественного превращения активных аминов в соответствующие производные 0,1 мл водного раствора 10—100 мкг амина нагревают в течение 20 мин при температуре 60 °C с 0,05 мл раствора 0,12 мл реагента в 10 мл абсолютного этанола и 0,1 мл 0,1 М водного раствора NaHCO3 в качестве буфера [108]. Для гидролиза избытка реагента по истечении указанного времени в раствор добавляют 0,4 мл 0,2 н. раствора NaOH и нагревают еще в течение 60 мин. По завершении гидролиза в раствор добавляют воду и органическим растворителем экстрагируют образовавшиеся производные из водной фазы. Из первичных и вторичных аминов с данным реагентом взаимодействуют этаноламин, анилин, доде-циламин, ди-н-бутиламин, бензил-н-бутиламин и d-дезоксиэфед-рин. Однако при подобной обработке диизопропиламин и дицик-логексиламин производных не дают. Вместо водно-этанольного раствора NaHCO3 в качестве реакционной среды в работе [109] было предложено применять безводный диоксан с тем, чтобы исключить образование этил-2,4-динитрофенильного эфира.
Как правило, метить данный реагент можно путем введения в него изотопа 3Н в три возможных положения или путем введения в него изотопа 14С в любое из положений. Такая возможность осуществления двух меток позволяет применять этот реагент в определениях методами, требующими использования двух изотопов (сравнительный и индикаторный). Такой метод применяли, например, для определения полумикроколичеств аминокислот [ПО, 111]. В этих анализах реагент для превращения аминокислот в их производные метили тритием (сравнительный изотоп), а для приготовления индикаторных производных применяли тот же реагент,
Амино-, имино- и аммониевые соединения
315
меченный изотопом 14С. Производные нескольких кислот разделяли при этом методом хроматографии на бумаге, затем кусочки бумаги с разделенными соединениями сжигали и измеряли радиоактивность продуктов сжигания газовым счетчиком. Таким методом удалось определить аминокислоты в концентрации до 10~3 %. Недавно для разделения динитрофенильных производных аминокислот, меченных изотопом 14С, применили двумерную тонкослойную хроматографию на силикагеле [112].
Данный реагент, меченный изотопом 14С, применяли для оценки содержания концевых аминогрупп в найлоне, причем результаты этой оценки использовали для калибровки спектрофотометрического метода [ИЗ].
В этом анализе пробу полимера величиной не более 125 мг, содержащую не более 10 мкэкв амина, полностью растворяли путем кипячения с обратным холодильником в 15 мл раствора LiBr (1 г) в смеси 5:0,3 (по объему) абсолютного этанола и воды. В полученный раствор добавляли 1,5 мл 0,05 н. водного раствора НС1 и кипятили его еще в течение 1 мин. Сразу же после этого в полученный раствор добавляли 1 мл этанольного раствора радиореагента, содержащего 0,1 г ДНФБ-14С с удельной радиоактивностью 1 мкКи/мМ, а затем 0,15—0,20 г твердого NaHCO3. После нагревания полученного раствора при температуре 80 °C в течение 40 мин образовавшийся полиамид осаждали в десятикратном избытке воды с целью удаления избытка ДНФБ. Осаждение проводили еще два раза, используя муравьиную кислоту в качестве растворителя и двадцатикратный избыток воды. Радиоактивность ДНФБ и высушенного ацетилированного продукта измеряли жидкостным сцинтилляционным счетчиком после сжигания в кислороде в замкнутом объеме.
Несмотря на очевидные преимущества меченого ДНФБ как радиореагента, он не нашел широкого применения для определения аминов, что, возможно, объясняется его дороговизной по сравнению с уксусным ангидридом. Еще один недостаток ДНФБ-3Н связан с возможностью потерь радиоактивности по 3Н за счет реакции водородного обмена, когда этот реагент или его производное оказываются в сильнокислой среде. Недостатком ДНФБ как радиореагента является и заметное гасящее действие нитрогрупп, которое проявляется при измерении радиоактивности жидкостными сцинтилляционными счетчиками. Эти недостатки приводят к особенно большим затруднениям в анализах методом с двумя изотопами, как, например, метод анализа аминокислот с тритием в качестве сравнительного изотопа и с 14С в качестве индикаторного изотопа. Однако эти трудности можно устранить, если перед измерением радиоактивности жидкостным сцинтилляционным счетчиком или газовым счетчиком сжигать образцы.
Очень удобным методом сжигания различных горючих материалов, меченных изотопами 14С и 3Н, является метод сжигания
316
Глава 11
в кислороде (метод Шенигера). Этот метод хорошо подходит для ежедневных анализов и особенно при использовании в сочетании с жидкостным сцинтилляционным счетчиком. Эффективными абсорбентами 14СОг являются этаноламин и 2-фенилэтиламин. Перед добавлением в сосуд для сжигания их часто растворяют в гидроксилсодержащем растворителе типа метанола или 2-метокси-этанола. После того как будет поглощен весь 14СО2, в сосуд для сжигания вводят растворы сцинтилляторов в толуоле, а затем измеряют радиоактивность порции полученного раствора.
В другом и, по-видимому, более распространенном методе в сосуд для сжигания вводят раствор абсорбента и сцинтилляторов в смеси толуола и метанола. Систему абсорбент — сцинтиллятор, применяемую для определения изотопа 14С, обычно можно использовать и для анализа образцов, содержащих и 14С, и тритий; для образцов, содержащих только тритий, основание не добавляют. Однако введение сцинтилляторов в сосуд для сжигания имеет тот недостаток, что эти сосуды затем трудно очистить без использования органического растворителя. С другой стороны, такие растворители применять опасно, поскольку при последующем сжигании оставшиеся в сосуде для сжигания пары растворителя могут взорваться. Имея это в виду, в сосуд для сжигания лучше вводить только раствор абсорбента в гидроксилсодержащем растворителе. Аликвотную порцию, содержащую основную часть этого раствора с поглощенным в нем 14СС>2, переносят затем в камеру с концентрированным раствором сцинтилляторов в толуоле.
Г. ДРУГИЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АМИНОВ
Имеется несколько других радиоизотопных методов определения аминосоединений, особенно в применении к биохимии. Типичные из них приведены в табл. 11.19. В методе, предназначенном для определения неомицина на хлопковой ткани [114], первичные аминогруппы анализируемого соединения сначала превращают в замещенные дитиокарбаминовые кислоты, а затем эти кислоты обрабатывают аммиачным раствором 110wAgNO3 для образования 110mAg2S:
S абс. этанол ||
R-NH2 + CS2 --------> R—NH—С—SH
S
R—NH—C—SH + ll0mAg(NH3)+ + H2O —>
S
—> R_NH-C-S—llOmAg 4- NH4 + NH4OH s
2R__NH-C—S—110wAg —> 2R—N=C=S + H2S + 110mAg2S
Таблица 11.19
Дополнительный список соединений» определимых радиоизотопными методами
Определяемое соединение или группа Используемый ратиореагент Реакция или метод Соединение, радиоактивность которого измеряется Литература
Аминокислоты 61Си(ОАс)2 Образование медного комплекса Медный комплекс 115
Аминокислоты 64Cu3(PO4)2 Образование медного комплекса Медный комплекс 116, 117
Аминокислоты Без радиоре-агеита Активация медного комплекса нейтронами Медный комплекс 118
Аминокислоты Без радиореагента Простое изотопное разбавление Аминокислоты 119—121
N-Концевые аминокислоты c6h5nc35s Обратное изотопное разбавление Фенилтиогидантоин 122
Аминокислоты BrCH2COOH- -14С Образование производного по —сн2—соон Производное по —сн2—СООН 123
L-Аминокислоты ,4С-Аминокислота Прямое изотопное разбавление Соответствующее производное т-РНК а 124
Тиамин NafSO, Образование сульфокислоты Сульфокислота 125
Неомицин 1I0mAgNO3 Путем образования дитиокарбамата Сульфид серебра 114
Галактозамин и глюкозамин Соответствующий 14С-амин Образование а-нафтилтиомо-чевины Замещенная а-нафтилтиомо-чевина 126
Хлортетра-циклин Метил-иС-ио-дид Обратное изотопное разбавление Четвертичное производное аммония 127
Стрихнин Метил-14С-ио-дид Метил-3Н-ио-дид Изотоп 14С как индикатор выхода Производное четырехзамещенной соли аммония 128
Мочевина Ксантгидрол-9-14С Образование диксантилмоче-вины Диксантилмоче-вина 129
а Транспортная рибонуклеиновая кислота.
318
Глава 11
В использовавшихся в работе [114] условиях сульфид серебра может образоваться и по следующей реакции:
H2S + 2110mAg(NH3)2 + 2Н2О —> I10znAg2S + 2NH4 + 2NH4OH
После образования 110mAg2S избыток 110mAg(NH3)2 удаляют путем промывания ткани 1%-ным водным раствором этилендиамина и затем водой. Для получения калибровочных данных аналогичным образом анализируют образцы с известным содержанием неомицина и строят график зависимости радиоактивности от количества амина на ткани.
Реакции с сероуглеродом с образованием замещенной дитио-карбаминовой кислоты и разложения серебряной соли N-моноал-кильной кислоты с образованием изотиоцианата характерны для первичных алифатических аминов.
Был предложен также и метод определения других первичных алифатических аминов, основанный на приведенной выше последовательности реакций. Указывалось на применимость этого метода и к анализу вторичных алифатических аминов [114]. Однако в присутствии восстановителей, когда образуется металлическое серебро, или в случае, когда ион серебра сильно абсорбируется субстратом, может быть трудно добиться высокой чувствительности анализа этим методом. Но хорошей чувствительности от этого метода ожидать можно, поскольку на каждый эквивалент амина образуется до двух эквивалентов серебра в форме нерастворимого соединения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
АБСОРБЦИОННЫЕ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
1. Whetsei К., Roberson W. Е., Kreil М. W., Anal. Chem., 30, 1594 (1958).
2. Lohman F. H., Norteman W. E., Jr., Anal. Chem., 35, 707 (1963)
3. Milan A. J., Anal. Chem., 29, 1502 (1957).
4. Hong W. H., Connors K. A., Anal. Chem., 40, 1273 (1968).
5. McIntire F. C., Clements L. M., Sproull M., Anal. Chem., 25, 1757 (1953).
6. Kolbezan M. J., Eckert J. W., Bretschneider B. F., Anal Chem 34, 583 (1962).
7. Bandelin F. J., Kemp. C. R., Ind. Eng. Chem., Anal. Ed., 18, 470 (1946).
8. Siggia S., Quantitative Organic Analysis via Functional Groups, 3rd Ed., John Wiley, New York, 1963, p. 511.
9. Stewart J. T., Shaw T. D., Ray A. B., Anal. Chem., 41, 360 (1969).
10. Critchfield F. E., Johnson J. B., Anal. Chem., 28, 436 (1958).
11. Dowden H. C.y Biochem. J., 32, 455 (1938).
12. Nebbia L., Guerrieri F., Chim. Ind. (Milan), 35, 896 (1953).
13. Stanley E. L., Baam H., Gove J. L., Anal. Chem., 23, 1779 (1951).
14. Umbreit G. R„ Anal. Chem., 33, 1572 (1961).
15. Palumbo M., Farm. Sci. Tec. (Pavia), 3, 675 (1948),
16. Cromwell В. T., Biochem. J., 46, 578 (1950).
Списйк литературы
aid
17. Sass S., Kaufman J. J., Cardenas A. A., Martin J. J., Anal. Chem., 30, 529 (1958).
18. Schenk G. H., Warner P., Bazzelle W., Anal. Chem., 38, 907 (1966).
19. Auerbach M. E., Ind. Eng. Chem., Anal. Ed., 15, 492 (1943); 16, 739 (1944).
20. Siggia S., Quantitative Organic Analysis via Functional Groups, 3rd Ed., John Wiley, New York, 1963, p. 555.
21. Metcalfe L. £>., Anal. Chem., 32, 70 (1960).
22. Fogh L, Rasmussen P. 0. H., Skadhauge K., Anal. Chem., 26, 392 (1954).
23. Sloneker J, FL, Mooberry J. B., Schmidt P, R., Pittsley J. E., Watson P. R., Jeanes A., Anal. Chem., 37, 243 (1965).
24. Freeman S., Anal. Chem., 25, 1750 (1953).
ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
25. Di Lorenzo A., Russo G., J. Gas Chromatog., 6, 509 (196$).
26. Beckett A. FL, Brookes L. G., Shenoy E. V. B., J. Pharm. Pharmacol., 21, Suppl. 151S (1969).
27. Campbell D. B., J. Pharm. Pharmacol., 21, 129 (1969).
28. van der Meeren A. A. F., Verhaar A. L. Th., Anal. Chim. Acta, 40, 343 (1968).
29. Boufford С. E., J. Gas Chromatog., 6, 438 (1968).
30. Hoffmann E. R., Lysyj L, Microcnem. J., 6, 45 (1962).
31. Franc J., Kovar V., Mikes F., Mikrochim. Acta, 1966, 133.
32. Clarke D. D., Wilk S., Gitlow S. E., J. Gas Chromatog., 4, 310 (1966).
33. Walle T., Acta Pharm. Suecica, 5, 367 (1968).
34. Holden E. R., Jones W. M., Beroza M., J. Agr. Food Chem., 17, 56 (1969).
35. Day E. W., Jr., Holzer F. J., Tepe J. B., Eckert J. W., Kolbezen M. J., J, Assoc. Offic. Anal. Chemists, 51, 39 (1968).
36. Cohen I. C., Wheals В. B., J. Chromatog., 43, 233 (1969).
37. Gunner S. W., O'Brien R. C., J. Assoc. Offic. Anal. Chemists, 52, 1200 (1969).
38. Crosby D. G., Bowers J. B., J. Agr. Food Chem., 16, 839 (1968).
39. Capella P., Horning E. C., Anal. Chem., 38, 316 (1966).
40. Kawai S., Tamura Z., Chem. Pharm. Bull. (Tokyo), 15, 1493 (1967).
41. Walle T., Acta Pharm. Suecica, 5, 353 (1968).
42. Jellum E., Bacon V. A., Patton W., Pereira W., Jr., Halpern B., Anal. Biochem., 31, 339 (1969).
43. Baumann W. J., Schmid H. H. 0., Mangold H. K., J. Lipid Res., 10, 132 (1969).
44. Panganamala R. V., Geer J. C., Cornwell D. G., J. Lipid. Res., 10, 445 (1969).
45. Gutenmann W. H., Lisk D. J., J. Agr. Food Chem., 11, 468 (1963).
46. Gutenmann W. H., Lisk D. J., J. Agr. Food Chem., 12, 46 (1964).
47. Gutenmann W. H., Lisk D. J., J. Gas Chromatog., 4, 424 (1966).
48. Baunok I., Geissbuehler H., Bull. Environ. Contam. Toxicol., 3, 7 (1968).
49. Обтемперанская С. И., Коэ H. Д., Журн. анал. хим., 24, 1588 (1969).
50. Черонис М. Д., Ma Т. С., Микро- и полумикрометоды органического функционального анализа, изд-во «Химия», М., 1973.
51. Hucker Н. В., Miller J. К., J. Chromatog., 32, 408 (1968).
52. IJmbreit G. R., Nygren R. E., Testa A. J., J. Chromatog., 43, 25 (1969).
53. Boon P. F. G., Mace A. W., J. Chromatog., 41, 105 (1969).
54. Metcalfe L. D., J. Am. Oil Chemists* Soc., 40, 25 (1963).
55. Szilagyi P. L A., Schmidt D. E., Green J. P., Anal. Chem., 40, 2009 (1968).
56. Schmidt D. E., Szilagyi P. I, A., Green J. P., J. Chromatog. Sci., 7, 248 (1969).
57. Jenden D. J., Hanin /., Lamb S. L, Anal. Chem., 40, 125 (1968).
58. Hanin I., Jenden D. J., Biochem. Pharmacol., 18, 837 (1969).
59. Franc J., Trtik B., Placek K-, J. Chromatog., 36, 1 (1968).
60. Franc J., Mikes F., J. Chromatog., 26, 378 (1967).
320
Глава 11
ЭЛЕКТРОАНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
61. Siggia S., Quantitative Organic Analysis via Functional Groups, 3rd Ed., John Wiley, New York, 1963, p. 450.
62. Krivis A. F.t in «Analytical Chemistry of Nitrogen and Its Compounds», C. A. Streuli and P. R. Averell, eds, John Wiley, New York, 1971.
63. Buck R. P., Swift E. //., Anal. Chem., 24, 449 (1952).
64. Scholten H. G., Stone K. 6., Anal. Chem., 24, 749 (1952).
65. Kolthoff I. M., Lingane J. J., Polarography, 2nd Ed., Interscience, New York, 1952 (есть также Колътгоф И. М., Лингейн Дж., «Полярография». Полярографический анализ и вольтамперометрия, М.-Л., Госхимиздат, 1948).
66. English F. L., Anal. Chem., 23, 344 (1951).
67. Lund H., Acta Chem. Scand., 11, 990 (1957).
МЕТОДЫ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА
68. Anderson W. R., Jr., Silverstein R. M., Anal. Chem., 37, 14 (1965).
69. Babiec J. S., Jr., Barrante J. R., Vickers G. D., Anal. Chem., 40, 610 (1968).
70. Leader G. W., Anal. Chem., 42, 17 (1970).
71. Mathias A., Anal. Chem., 38, 1931 (1966).
72. Mathias A., Anal. Chim. Acta, 35, 376 (1966).
73 Ma J. C. N., Warnhoff E. W., Can. J. Chem., 43, 1849 (1965).
74. Pregl F., Grant J., Quantitative Organic Microanalysis, Blakiston, Philadelphia, 1946, p. 156.
75. Conroy H., Brook P. R., Rout M. K., Silverman A., J. Am. Chem. Soc., 80, 5178 (1958).
76. Freifelder M., Mattoon R. W., Kriese R. W., J. Org. Chem., 31, 1196 (1966).
77. Slomp G., Lindberg J. G., Anal. Chem., 39, 60 (1967).
78. Bovey F. A., Tiers G. V. D., J. Am. Chem. Soc., 81, 2870 (1959).
73z.Bottini A. T., Roberts J. D., J. Am. Chem. Soc., 80, 5203 (1958).
786. Kotera K., Okada T., Miyazaki S., Tetrahedron Letters, 1967, 941.
78b. Reinecke M. G., Kray L. R., J. Org. Chem., 31, 4215 (1966).
78r. Kobayashi Y., Chasin L. A., Clapp L. B., Inorg. Chem., 2, 212 (1963).
78д. Ottmann G., Agahigian H., Hooks H., Vickers G., Kober E., Ratz R., Inorg. Chem., 3, 753 (1964).
РАДИОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
79. Keston A. S., Udenfriend S., Cannan R. K., J. Am. Chem. Soc., 68, 1390 (1946).
80. Keston A. S., Udenfriend S., Levy M., J. Am. Chem. Soc., 69, 3151 (1947).
81. Keston A. S., Udenfriend S., Cannan R. K., J. Am. Chem. Soc., 71, 249 (1949).
82. Keston A. S., Udenfriend S., Levy M., J. Am. Chem. Soc., 72, 748 (1950).
83. Rapport M. M., Lerner B., J. Biol. Chem., 232, 63 (1958).
84. Rhodes B. A., Anal. Chem., 37, 995 (1965).
85. Udenfriend S., J. Biol. Chem., 187, 65 (1950).
86. Velick S. F., Udenfriend S., J. Biol. Chem., 190, 721 (1951).
87. Udenfriend S., Velick S. F., J. Biol. Chem., 190, 733 (1951).
88. Velick S. F., Wicks L. F., J. Biol. Chem., 190, 741 (1951).
89. Schayer R. W., Kobayashi Y., Smiley R. L., J. Biol. Chem., 212, 593 (1955),
90. Fresco J. R., Warner R. C., J. Biol. Chem., 215, 751 (1955).
91. Corfield M. C., Fletcher J, C., Robson A., Chem. Ind. (London), 1956, 661.
92. Cole M., Fletcher J. C., Biochem. J., 102, 825 (1967).
93 Turcanu C. N., Zamfir Studii Cercetari Chim., 16, 215 (1968) [Chem. Abstr., 69, 83197t],
94. Rapoport G., Glatron M. F., Lecadet M. AL, Compt. Rend., Ser. D, 265, 639 (1967) [Chem. Abstr., 68, 10140p].
95. Chen R. F., Anal. Biochem., 25, 412 (1968).
Список литературы
321
96. Steim J. М.у Benson А. A., Anal. Biochem., 9, 21 (1964).
97. Stokes W. AL, Fish W. A., Hickey F. C., Anal. Chem., 27, 1895 (1955).
98. Sorensen A, Anal. Chem., 27, 388 (1955).
99. Kaiser D. G.y Anal. Chem., 35, 552 (1963).
100. Mangold H. K.y Fette, Seifen, Anstrichmittel, 61, 877 (1959).
101. Whitehead J. K.y Biochem. J., 68, 662 (1958).
102. Whitehead J. K.y Beale D., Clin Chim. Acta, 4, 710 (1959).
103. Beale D.y Whitehead J. K.y Clin. Chim. Acta, 5, 150 (I960).
104. Hagen G. A., Diuguid L. Kliman B., Stanbury J. B.y Anal. Biochem., 33, 67 (1970).
1X)5 . Henderson H. H.y Crowley F.y Gaudette L. E., in «Advances in Tracer Methodology», Vol. 2, S. Rothchild, ed., Plenum, New York, 1965, pp. 83—86.
106. Waterfield W. R.y J. Chem. Soc., 1964, 541.
107. Sanger F.y Biochem. J., 39, 507 (1945).
108. McIntire F. C.y Clements L. M.y Sproull M.y Anal. Chem., 25, 1757 (1953).
109. Kolbezen M. J.y Eckert I. W.y Bretschneider B. F.y Anal. Chem., 34, 583 (1962).
110. Whitehead J. K.y Biochem. J., 80, 35P (1961).
111. Beale D.y Whitehead J. K.y in «Tritium in the Physical and Biological Sciences», Vol. 1, IAEA, Vienna, 1962, pp. 179—190.
112. Drawert F.y Bachmann O.y Reuther K.-H.y J. Chromatog., 9, 376 (1962).
113. Garmon R. G.y Gibson M. E.y Anal. Chem., 37, 1309 (1965).
114. Seaman W.y Stewart D.y Jr.y Am. Dyestuff Reptr., 54, 104 (1965).
115. Wieland T.y Schmeiser K.y Fischer E.y Maier-Leibnitz H., Naturwissenschaf-ten, 36, 280 (1949).
116. Blackburn S.y Robson A.y Chem. Ind. (London), 1950, 614.
117. Blackburn S.y Robson A., Biochem. J., 54, 295 (1953).
118. Бродская Г. A.y Шаншиева T. И.у Шаншиев А. И.у Радиационные нарушения в твердых телах и жидкостях, 1967, 141.
119. Wada Т., Nippon Nogeikagaku Kaishi, 30, 229 (1956); Chem. Abstr., 51,
1361c.
120. Wada T.y Nippon Nogeikagaku Kaishi, 31, 743 (1957); Chem. Abstr., 52,
12969L
121. Wada T.y Dai-2-Kai Nippon Isotope Kaigi Hobunshu, 2, 513 (1958); Chem. Abstr., 55, 7531 f.
122. Callewaert G. L.y Vernon C. A.y Biochem. J., 107, 728 (1968).
123. Goren H. J.y Glyck D. M.y Barnard Ё. A.y Arch. Biochem. Biophys., 126, 607 (1968).
124. Rubin I. B.y Goldstein G.y Anal. Biochem., 33, 244 (1970).
125. Noujaim A. A., Kessler W. V.r Christian J. E.y Knevel A. M.y J. Pharm Sci., 53, 455 (1964).
126. Graham E. R.y Neuberger A., Biochem. J., 109, 645 (1968).
127. Breckinridge C. E.y Jr.y Christian J. E.y J. Pharm. Sci., 50, 777 (1961).
128. Wiley R. A., Metzger J. L., J. Pharm. Sci,, 56, 144 (1967).
129. Herbain M.y Bertin D.y Bull. Soc. Chim. Biol., 41, 621 (1959).
Гидразины и гидразиды
I. АБСОРБЦИОННЫЕ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Дж. Г. Ханна
ОПРЕДЕЛЕНИЯ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ ПРОВЕДЕНИЕМ ХИМИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЙ
1. Определение гидразинов после реакции с карбонилсодержащими соединениями
На основе реакции карбонилсодержащего соединения с гидразином [см. уравнение (1) гл. 2, разд. I] можно определять каждое из этих соединений. Применение этой реакции в определениях карбонилсодержащих соединений было описано в гл. 2 этой книги.
Пезец и Петит [1] обнаружили, что при добавлении раствора n-диметиламинобензальдегида в этаноле и соляной кислоте к гидразину в разбавленном растворе соляной кислоты раствор приобретает характерную окраску. Они утверждали, что продуктом этой реакции является азин, который в кислоте легко и обратимо изомеризуется до п-хинона:
(снз)зЫ—CH=N—.NH—сн =<^~~^=Ы+(СНЭ)2СГ
Такие соли растворимы в воде, и для них выполняется закон Бера.
Ватт и Крисп [2] положили эту реакцию в основу спектрофотометрического метода определения гидразина.
Метод Ватта и Криспа [2]
Оборудование. Спектрофотометр фирмы «Beckman» модели DU с кюветами с /=1 см.
Реагент. Цветной реагент, представляющий собой смесь 0,4 г /г-ди-метиламинобензальдегида, 20 мл этанола и 2,0 мл концентрированной соляной кислоты.
Проведение анализа. Добавляют 10 мл цветного реагента к порции раствора гидразина, в котором концентрация гидразина находится в пределах 0,02—0,8ХЮ"4%. Полученную смесь доливают до 25,0 мл 1 н. раствором соляной кислоты. Одновременно с этим приготавливают холостой раствор из 10 мл цветного реагента в
Гидразины и гидразиды
323
25,0 мл раствора 1 М по соляной кислоте. Затем измеряют поглощение пробы при 458 нм относительно поглощения холостого раствора.
Калибровочный график строят по данным аналогичного анализа стандартных проб гидразина.
При комнатной температуре раствор сразу приобретает окраску, которая остается неизменной в течение 10 мин. В работе [2] утверждается, что при анализе этим методом растворов гидразина с концентрациями 0,06—0,47ХЮ~4% относительная ошибка не превышала 1%.
Мак-Кеннис и Ярд [3] обнаружили, что аналогичную окраску дает метилгидразин. По аналогии с предыдущей реакцией они предположили, что в данном случае соединение, поглощающее видимый свет, описывается формулой
[ <сн^=о=с™н»нснз] х'
Они обнаружили, что для микрограммных количеств метилгидра-зина выполняется закон Бера и что такие количества этого соединения легко определимы. При анализе с использованием кислых водных растворов [4] получаются результаты, аналогичные результатам анализов с использованием спиртовых кислых растворов n-диметиламинобензальдегида (метод Ватта и Криспа [2]), однако водные растворы легче приготавливать и поэтому их предпочитают спиртовым растворам. •
Метод определения метилгидразина (Мак-Кеннис и Ярд [5])
Реагент. Раствор n-диметил аминобензальдегида. Растворяют 0,200 г этого соединения в 5 мл 2 н. H2SO4.
Оборудование. Спектрофотометр фирмы «Beckman» модели DU с кюветами с /=1 см.
Проведение анализа. Порцию анализируемого раствора, содержащую 25—80 мкг метилгидразина, разбавляют водой до получения 5,5 мл раствора. В полученный раствор добавляют 0,5 мл водного раствора п-диметиламинобензальдегида и дают постоять в течение 15 мин для максимального развития окраски. Затем измеряют поглощение окрашенного раствора при 458 нм относительно поглощения холостого раствора. Калибровочный график строят по данным аналогичного анализа порций стандартного раствора сульфата метилгидразина.
Длины волн, соответствующие максимумам поглощения продукта конденсации метилгидразина с п-диметиламинобензальде-гидом и продукта конденсации гидразина с п-диметиламинобенз-альдегидом, настолько близки друг к другу, что данный метод не позволяет определить одно из этих соединений в присутствии другого.
324
Глава 12
2. Малеингидразид
Для определения малеингидразида Вуд [4] подвергал его восстановлению и гидролизу в присутствии воды, щелочи и цинка с целью отщепления гидразина. После этого он выделял гидразин перегонкой и определял его колориметрическим методом с применением n-диметиламинобензальдегида. Вуд отмечал, что в тех же условиях гидразин образуется и из бициклодисукцинилгидразида, но тем не менее данный метод не является общеприменимым. Фта-лилгидразид не дает гидразина в данных условиях.
II. ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
М. Бероза, М. Н. Инской
Гидразин и его производные определяли непосредственно, используя ГХ-колонки с насадками, обработанными щелочью. При обработке метанольным раствором КОН насадки, уже покрытой слоем жидкой фазы, получаются более симметричные хроматографические пики, чем в случае, когда щелочью обрабатывают носитель, а затем уже наносят на него слой жидкой фазы [5].
III. ЭЛЕКТРОАНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
А. Ф. Крайвис
А. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИДРАЗИНОВ ПОЛЯРОГРАФИЧЕСКИМ
МЕТОДОМ
Гидразин и его органические производные имеют большое значение во многих областях, что связано главным образом с легкостью их окисления. Именно это их свойство позволяет определять эти соединения многими методами, включая и прямое определение путем их окисления полярографическим методом.
В сильно щелочной среде (0,1 М по едкому натру) гидразин [6], а также различные органические производные гидразина и гидразиды [7] дают четкие обратимые полярографические волны. Полярографическая волна самого гидразина достаточно отделена (табл. 12.1) от волн его органических производных. Благодаря этому можно определять неорганические примеси в органических производных гидразина.
Интересным фактом является линейная зависимость потенциала полуволны алкилзамещенных гидразинов от молекулярного веса этих соединений (рис. 12.1).
Гидразины и гидразиды
325
Таблица 12 Л
Значения потенциалов полуволны, полученные при анализе замещенных гидразинов в 0,1 М растворе NaOH полярографическим методом
Соединение "Ч а. в
Гидразин 0,548
Монометилгидразин 0,634
я-Пропилгидразин 0,689
я-Г ексилгидразин 0,791
1,1 -Диметилгидразин 0,694
1,2-Диметилгидразин 0,698
1,2-Диизобутилгидразин 0,757
Фенилгидразин 0,752
Ацетилгидразид 0,619
а£ у2 —значение потенциала полуволны относительно насыщенного электрода из сульфата рту-ти(1).
Использование 0,1 М раствора NaOH как индифферентного электролита (фон) имеет некоторые недостатки. Производные гидразина находятся в этом растворе в форме свободных основа-
ний и легче разлагаются или улетучиваются из раствора. Однако этот недостаток компенсируется четкостью полярографических волн, характерной для данного электролита. При достаточной тщательности проведения анализа можно обеспечить высокую точность результатов.
Экспериментальный метод (по исследованиям Крайвиса и Саппа [7])
Рис. 12.1. Зависимость величины от молекулярного веса алкильного замести-
теля.
Оборудование. В этом ана
лизе можно применять любой автоматический или не-
автоматический полярограф с термостатируемой (25 °C) Н-образ-ной ячейкой с электродом сравнения из сульфата ртути(I) [8,9].
Растворы. Раствор индифферентного электролита (фон) представляет собой 0,1 М раствор NaOH, содержащий 0,005% желатины.
326
Глава 12
Лучше всего добавлять желатину непосредственно перед использованием раствора. Для удобства можно приготовить свежий основной раствор желатины (0,5—1,0%-ный) и добавлять порцию этого раствора в раствор щелочи в полярографической ячейке. Проведение анализа. Исходные растворы анализируемых проб гидразина следует приготавливать непосредственно перед анализом. Предварительно раствор необходимо обескислородить, пропуская через него азот, предварительно насыщенный порцией этого раствора.
Нужное количество раствора индифферентного электролита переносят в ячейку и в течение 10 мин пропускают через него азот. Затем в ячейку добавляют порцию обескислороженного раствора гидразина, перемешивают ее содержимое и тут же начинают регистрировать полярограмму. Содержание гидразина в растворе должно быть около 1 мМ. По полученной полярограмме вычисляют значение диффузионного тока, соответствующего окислительной волне гидразина, и с помощью калибровочного графика определяют концентрацию гидразина в пробе.
Б. КУЛОНОМЕТРИЧЕСКОЕ ТИТРОВАНИЕ ГИДРАЗИНОВ
И ГИДРАЗИДОВ
В кислой среде гидразины и гидразиды окисляются бромом:
N2H4 + 2Вг2 —> N2 + 4HBr (1)
О О
II II
RCN2H3 + 2Вг2 + Н2О —> RCOH + N2 + 4НВг (2)
В правильно выбранных условиях эта реакция является количественной и протекает очень быстро. Поскольку реакция идет в кислой среде, анализируемые соединения находятся в ней в форме солей и менее подвержены разложению и улетучиванию.
Кулонометрическое образование брома, подробно описанное в гл. 1, разд. III применительно к титрованию фенолов, дает очень хорошие результаты в анализах гидразинпроизводных почти всех типов [10—12]. Для большинства соединений реакции идут по уравнениям (1) и (2), однако имеется несколько исключений, для которых стехиометрию реакции следует установить, применяя известные соединения.
Титрование гидразинов можно вести в любом из растворителей [11], указанных ниже в разд. «Экспериментальный метод». Однако гидразиды нельзя титровать в уксусной кислоте [12], поскольку эта кислота может вступать с ними в реакцию с образованием диацилгидразинов, которые не окисляются в условиях данного анализа. По этой причине рекомендуется применять более универсальные среды, представляющие собой водные или метанольные растворы НС1 и КВг.
Гидразины и гидразиды
827
Однако недостаточная реакционная способность диацилгидра-зинов может быть и полезной. Так, основной примесью в большинстве гидразидов является симметрично замещенное производное диацилгидразина, образующееся из исходного гидразида. Описываемый же анализ является специфическим по отношению к гидразиду; диацилгидразин не вступает в данную реакцию и, следовательно, не мешает анализу.
Экспериментальный метод (по исследованиям Крайвиса и сотр. [/2])
Оборудование. В этом анализе необходимы источник постоянного напряжения и датчик времени. Их можно изготовить в лаборатории или купить. Биамперометрическую систему обнаружения можно собрать из гальванометра на 10 мкА со средней нулевой точкой, реле, батареи на 1,5 В и переменного сопротивления (см. рис. 1.5 гл. 1, разд. III).
В качестве генерирующих электродов можно взять платиновый анод в виде спирали и катод из платиновой фольги. Катод помещен в изолирующую камеру, которая представляет собой стеклянную пробирку с очень тонкопористым дном.
Детектирующая система состоит из двух небольших электродов из платиновой проволоки. Через гальванометр и переменное сопротивление эти электроды соединены с батареей. Разность потенциалов между электродами 0,2 В.
Титрующие растворы
а) Уксусная кислота, 60%; метанол, 26%; водный 1 М раствор КВг, 14%; ацетат ртути(II) 0,006 М.
б) Водный раствор 0,3 М по НС1 и 0,1 М по КВг.
в) 85%-ный метанольный раствор 0,3 М по НС1 и 0,1 М по КВг. Проведение анализа. В химический стакан емкостью 100 мл помещают магнитную мешалку, переносят в него точную навеску образца, содержащую примерно 1 мг неизвестного соединения, и добавляют 50 мл подходящего бромирующего раствора. В полученный раствор погружают электроды, включают мешалку и титруют его при таком значении генерирующего тока, которое обеспечивает продолжительность титрования около 200 с. О достижении конечной точки титрования судят по устойчивому показанию гальванометра, равному 5 мкА. По окончании основного титрования проводят титрование холостого раствора и вычитают продолжительность этого второго титрования из продолжительности первого. Содержание в пробе анализируемого соединения С (%) вычисляют по формуле закона Фарадея:
X ЮО
4 X w х 96 487 '
где М — молекулярный вес анализируемого соединения; W — вес пробы; t — продолжительность титрования; i— значение тока в процессе титрования.
828
Глава 12
В. ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКОЕ ТИТРОВАНИЕ ГИДРАЗИНОВ
Гидразины и их производные можно окислять многими различными окислителями. Для титрования наилучшим из них является, пожалуй, иодат калия. Стандартные растворы этого соединения достаточно стабильны и, кроме того, оно позволяет применять несколько различных систем детектирования конечной точки [13—15].
В одном замечательно простом методе применяется потенциометрическое титрование с использованием платинового и каломельного электродов [15]. Анализируемый раствор титруют в кислом растворе на бане со льдом; конечной точке титрования соответствует значительное изменение потенциала, причем оно обычно бывает настолько большим, что не требуется вычерчивать кривую титрования.
Уравнение соответствующей реакции для гидразина имеет вид
N2H4 + КЮ3 + 2НС1 —> КС1 + IC1 + N2 + ЗН2О.
Такую же стехиометрию имеют и реакции большинства монозамещенных алкилгидразинов. Реакции некоторых ароматических гидразинов, а также некоторых дизамещенных гидразинов имеют другую стехиометрию [15]. Ввиду этого стехиометрию реакции для данного анализируемого соединения лучше установить до анализа.
Экспериментальный метод (по исследованиям Мак-Брайда, Генри и Школьника [15])
Оборудование. Для регистрации изменений э. д. с. нужен рН-метр показывающего типа.
Для детектирования нужны платиновый и каломельный электроды. Платиновый электрод может быть любой формы (диск, фольга или спираль); вполне удобен и недорог, например, электрод из фольги. В качестве второго электрода удобен каломельный электрод сравнения, имеющийся в продаже. При этом насыщенный раствор хлорида каЛия в соляном мостике нужно заменить 1 М раствором хлорида калия.
Проведение анализа. В химический стакан помещают магнитную мешалку, наливают в него 15 мл дистиллированной воды и ставят в охлаждающую баню со смесью льда и соли, установленную на магнитной мешалке. После охлаждения содержимого стакана в него добавляют порцию раствора пробы и 50 мл холодной концентрированной соляной кислоты. Затем дают охладиться полученному раствору до температуры —5 °C, погружают в него электроды и титруют 0,1 н. раствором йодата калия до получения наибольшего изменения э. д. с., соответствующего наименьшей добавленной порции титранта. Изменение э. д. с. в конечной точке титрования является очень большим и происходит очень резко.
Список литературы
329
Следует подчеркнуть два важных момента. Температура в процессе титрования не должна подниматься выше О °C, а концентрация соляной кислоты в растворе не должна превышать 5—6 М.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
' АБСОРБЦИОННЫЕ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
1. Pesez М., Petit A., Bull. Soc. Chim. France, 1947, 122.
2. Watt G. W., Chrisp J. D., Anal. Chem., 24, 2006 (1952).
3. McKennis H., Jr., Yard A. S., Anal. Chem., 26, 1960 (1954)
4. Wood P. R., Anal. Chem., 25, 1879 (1953).
ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
5. Bighi C., Saglietto G., J. Gas Chromatog., 4, 303 (1966).
ЭЛЕКТРОАНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
6. Karp S., Meites L., J. Am. Chem. Soc., 84, 906 (1962).
7. Krivis A. F., Supp G. R., Microchem. J., 14, 603 (1969).
8. Kolthoff I. M., Lingane J. J., Polarography, 2nd Ed., Interscience, New York, 1952 есть также Кольтгоф И. М, Лингейн Дж., «Полярография», Полярографический анализ и вольтамперометрия, М.-Л., Госхимиздат, 1948).
9. Meites L., Polarographic Techniques, 2nd Ed., Interscience, New York, 1965.
10. Szebelledy L., Somogyi Z., Z. Anal. Chem., 112 (1938).
11. Olson Ё. C., Anal. Chem., 32, 1545 (1960).
12. Krivis A. F., Gazda E. S., Supp G. R., Kippur P., Anal. Chem., 35, 1955 (1963).
13. Pennetnan R. A., Audrieth L. F., Anal. Chem., 20, 1058 (1948).
14. Kolthoff I. M., J. Am. Chem. Soc., 46, 2009 (1924).
15. McBride W. R., Henry R. A., Skolnik S., Anal. Chem., 25, 1042 (1953).
Соли диазония
I. АБСОРБЦИОННЫЕ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Дж, Г. Ханна
А. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТАБИЛИЗОВАННЫХ СОЛЕЙ ДИАЗОНИЯ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
Розенберг и Шумейкер [1] обнаружили, что стабилизованные соли диазония, которые дают катионы 4- (диалкиламино) бензол-диазония, можно определить путем измерения поглощения этих катионов в водных растворах при 380 нм. Закон Бера выполняется при этом для концентраций в пределах 1 — 10 X Ю~4%. При использовании калибровочного графика, построенного по данным измерений на подходящей длине волны, этот метод можно, по-ви-димому, применять и в определении других бензолдиазониевых катионов. Полосу поглощения в области 350—400 нм приписывают хромофорной группе —N = N—. В этой области спектра не поглощают ни продукты разложения, ни другие примеси.
Б. ОПРЕДЕЛЕНИЯ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ ПРОВЕДЕНИЕМ
ХИМИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЙ
Реакция сочетания
Следы солей диазония можно определить спектрофотометрически по реакции сочетания, в которой образуется подходящий краситель. В качестве реагента для такой реакции Сиггиа [2] рекомендовал флороглюцин, нафтол или R-соль. Флороглюцин и нафтол образуют более интенсивно окрашенные красители и обеспечивают тем самым большую чувствительность анализа, однако R-соль более растворима и реагирует в водном растворе.
Метод Сиггиа [2]
Реагенты
Реагенты для реакции сочетания.
Водный раствор R-соли, 1%-ный.
Соли диазония
331
Водный раствор флороглюцина, 0,5%-ный.
Раствор нафтола в ацетоне, 1%-ный.
Щелочные реагенты.
Водный или спиртовый раствор ацетата натрия, 5 %-ный.
Водный раствор карбоната натрия, 5%-ный.
Водный или спиртовой раствор едкого натра, 5%-ный.
Выполнение анализа. Водные системы. В пробу добавляют R-соль (реагент) в таком количестве, чтобы с ней прореагировала вся соль диазония, содержащаяся в пробе. Затем для полного проявления окраски в нее добавляют раствор бикарбоната или анетата натрия и дают постоять для этого при комнатной температуре (обычно в течение 5—10 мин). Измеряют поглощение окрашенного раствора относительно поглощения холостого раствора и по калибровочному графику определяют содержание в пробе соли диазония. Калибровочный график строят по данным анализов стандартных проб соли диазония.
Для анализа некоторых солей диазония требуются более сильные щелочные среды, чем растворы бикарбоната или ацетата (pH 7 — 8,5). В этих случаях можно использовать карбонат натрия (pH 7— 10) или едкий натр (pH более 10). Однако при этом необходимо помнить, что в сильнощелочной среде соли диазония могут разлагаться.
Выполнение анализа. Спиртовые системы. Пробу растворяют в спирте, а в качестве реагентов используют флороглюцин или нафтол. Для подщелачивания раствора следует использовать только спиртовые растворы едкого натра или ацетат натрия.
II. ЭЛЕКТРОДНАЯИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
А. Ф. Крайвис
ПОЛЯРОГРАФИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОЛЕЙ ДИАЗОНИЯ
Соли диазония легко восстанавливаются химическими реагентами, например раствором хлорида титана (II) [2]. Опираясь на это свойство солей диазония, можно предположить, что их можно восстановить полярографически, и это и подтвердилось для большого числа различных солей [3].
Полярографическое поведение солей диазония сложно. В средах от кислых до слегка щелочных (pH 4 — 9) обнаружено две-четыре полярографических волны. В средах с pH 9—10 образуются диазотаты и изодиазотаты, которые не восстанавливаются. Полный диффузионный ток соответствует реакции восстановления с переходом 4 электронов:
ArN* + 4е + ЗН+ —> ArNHNH2
332
Глава 13
Для некоторых из упомянутых выше полярографических волн потенциал полуволны смещается в зависимости от pH раствора. Однако потенциал полуволны для первой полярографической волны не зависит от pH и эту волну можно использовать для количественного анализа солей диазония. Если вести анализ в растворе с буфером при pH, примерно равном 7, то эта первая волна хорошо отделена от других волн и диффузионный ток легко измерить при потенциале —0,3 В относительно каломельного электрода сравнения. Это лежит в основе и амперометрического титрования фенольных соединений стандартным раствором соли диазония [4].
Экспериментальный метод
Оборудование. В анализе можно использовать любой автоматический или неавтоматический полярограф. Для определения достаточно двух измерений при потенциале —0,3 В, так что вполне можно обойтись простым полярографом.
Оптимальной для анализа является Н-образная ячейка с насыщенным каломельным электродом сравнения и ртутным капельным индикаторным электродом (РКЭ). При желании, однако, можно применять ячейку гораздо более простой конструкции с обычным ртутным электродом [5]. Стеклянные части для изготовления этих ячеек продаются фирмой «Sargent-Welch Scientific Со.» Реагенты и растворы. В анализируемом растворе должен содержаться комбинированный буферно-фоновый электролит. Для выбора наилучших условий анализа неизвестного соединения pH этого раствора можно менять в широких пределах; например, от pH 4 (ацетатный буфер) до pH 8 (боратный буфер). Фоновым электролитом для многих соединений может служить раствор, содержащий 0,05 М КН2РО4, 0,03 М NaOH и 0,02 М КС1, с pH около 7.
Проведение анализа. Точную навеску образца, содержащую около 0,1 мМ соли диазония, переносят в мерную колбу емкостью 100 мл. Затем в эту колбу добавляют буферный раствор в количестве, достаточном для растворения образца, и этим же раствором доливают содержимое колбы до метки. Полученный раствор тщательно перемешивают и переносят его порцию в полярографическую ячейку. В ячейке эту порцию обескислороживают, пропуская через нее чистый азот в течение 10 мин, затем в ячейке устанавливают РКЭ и направляют ток азота так, чтобы защитить его слоем поверхность раствора. Ток измеряют при потенциале —0,3 В. В отдельном опыте следует измерить остаточный ток также при потенциале —0,3 В. (Для этого в ячейку переносят только буферный раствор, обескислороживают его и измеряют ток.) Значение остаточного тока вычитают из значения тока, полученного в основном анализе, и получают значение диффузионного тока для
Список литературы
аза
анализируемого соединения. По величине этого тока с помощью предварительно построенного калибровочного графика определяют содержание соли диазония в пробе.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
АБСОРБЦИОННЫЕ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
„ 1. Rosenberger Н. М., Shoemaker С. J., Anal. Chem., 31, 204 (1959).
2. Siggia S., Quantitative Organic Analysis via Functional Groups, 3rd Ed., John Wiley, New York, 1963, p. 549.
ЭЛЕКТРОАНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
3 Elofson R. M„ Edsberg R. L., Mecherly P. A., J. Electrochem. Soc., 97, 166 (1950).
4. Elofson R. M., Mecherly P. A., Anal. Chem., 21, 565 (1949).
5. Kolthoff I. M., Lingane J. J., Polarography, 2nd Ed., Interscience, New York, 1952 (есть также Кольтгоф И. М., Лингейн Дж., «Полярография». Полярографический анализ и вольтамперометрия, М.-Л., Госхимиздат, 1948),
Изоцианаты и изотиоцианаты
I. АБСОРБЦИОННЫЕ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Дж. Г. Ханна
А. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕТОДОМ ИНФРАКРАСНОЙ СПЕКТРОФОТОМЕТРИИ
Для количественного определения смесей, содержащих изоцианаты, Давид [1] использовал полосу поглощения при 2,642 мкм, обусловленную первым обертоном валентных колебаний группы NCO. Бейли, Кирсс и Спаунберг [2] измеряли поглощение изоцианатной группы при 4,5 мкм и на основе этих измерений получили кинетические данные, характеризующие ее реакционную способность.
Методом ИК-спектрофотометрии Лорд [3] количественно различал толуол-2,4-изоцианат и толуол-2,6-диизоцианат в смесях. При этом он использовал два метода: один — для анализа смесей, содержащих 5—95% 2,4-изомера, а второй — для анализа смесей, содержащих более 95% этого изомера. В анализе первым из методов пробы разбавляли циклогексаном и измеряли поглощение 2,4-изомера при 12,35 мкм, а второго изомера — при 12,80 мкм. При вычислении результатов учитывали небольшое наложение этих полос друг на друга. В анализе вторым методом (более 95% 2,4-изомера в смеси) пробы не разбавляли и измеряли поглощение 2,6-изомера при 12,70 мкм.
Для определения додецилизотиоцианата в смесях, содержащих также и додецилтиоцианат, Виффен, Таркингтон и Томпсон [4] использовали полосу поглощения изотиоцианатов при 1710 см-1.
Б. ОПРЕДЕЛЕНИЯ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ ПРОВЕДЕНИЕМ ХИМИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЙ
1. Гидролиз изоцианатов до аминов с последующим диазотированием и сочетанием
Маркали [5] разработал метод определения толуол-2,4-диизо-цианата в воздухе, основанный на гидролизе диизоцианата до соответствующего диамина с последующим диазотированием и ре
Изоцианаты и изотиоцианаты
335
акцией сочетания с N-1-нафтилэтилендиамином. Поглощение конечного окрашенного раствора измеряли при 550 нм. В качестве поглотителя для улавливания диизоцианата из воздуха применяли водный раствор смеси уксусной и соляной кислот. Меддл, Рэдфорд и Вуд [6] применяли аналогичный метод для определения ароматических изоцианатов в воздухе, однако в качестве поглотителя они использовали кислый раствор диметилформамида. В обоих методах анализу мешали первичные ароматические амины, присутствующие в атмосферном воздухе, что приводило к получению завышенных результатов.
Меддл и Вуд обнаружили [7], что содержащийся в атмосфере изоцианат, поглощенный диметилформамидным раствором, в котором растворен только 1,6-диаминогексан, не превращается в амин даже после добавления в раствор соляной кислоты, а образует продукт, который не диазотируется и не вступает в реакцию сочетания с образованием окрашенного соединения. На основе этого наблюдения они разработали метод анализа, в соответствии с которым пробы атмосферного воздуха одновременно пропускают через два различных поглотителя. Одну из проб улавливают раствором 1,6-диаминогексана в диметилформамиде, а другую— раствором 1,6-диаминогексана и соляной кислоты в диметилформамиде. Затем любой образовавшийся или находящийся в пробе ароматический амин диазотируют и действуют N-1-нафтил-этилендиамином и после этого измеряют поглощение образовавшихся окрашенных продуктов. Разность полученных значений поглощения является мерой содержания изоцианата в воздухе.
Метод Меддла и Вуда [7]
Реагенты. Разбавленный раствор соляной кислоты. Разбавляют 15 мл концентрированной кислоты водой до получения 100 мл раствора.
Раствор 1,6-диаминогексана в диметилформамиде с концентрацией 10 мкг/мл.
Диазотирующий раствор. Приготавливают 100 мл раствора 3 г нитрита натрия и 5 г бромида натрия в воде.
Водный раствор сульфаминовой кислоты, 10%-ный (вес/объем).
Раствор N-1-нафтилэтилендиамина. Растворяют в воде 0,75 г хлоргидрата амина, в полученный раствор добавляют 2 мл концентрированной соляной кислоты и водой доливают раствор до 100 мл. Свежий раствор готовят каждые 2 дня.
Проведение анализа. В каждую из двух поглотительных пробирок наливают по 3 мл раствора диаминогексана в диметилформамиде. Затем в одну из них (А) добавляют 2 мл концентрированной соляной кислоты и сразу же начинают пропускать через растворы в пробирках атмосферный воздух со скоростью 1 л/мин. Пропустив
336
Глава 14
по 10 л воздуха через каждую пробирку, дают им постоять в течение 10 мин для прохождения в них реакций. Спустя указанное время через трубку для ввода в пробирку Б (без соляной кислоты) добавляют 2 мл раствора соляной кислоты. Затем трубки вынимают из пробирок, следя за тем, чтобы в их пористых стенках осталось как можно меньше жидкости.
После этого, убедившись в том, что температуры поглотительных растворов в пробирках не превышают 20 °C, в каждый из них добавляют по 0,5 мл диазотирующего раствора, хорошо встряхивают и оставляют на 2 мин. По истечении этого времени в каждую пробирку добавляют по 0,5 мл сульфаминовой кислоты, встряхивают их до тех пор, пока не прекратится бурное выделение газа, спустя 2 мин добавляют в них по 0,5 мл раствора наф-тилэтилендиамина и вновь встряхивают. Прежде чем измерять поглощение полученных растворов, дают им постоять в течение 10 мин для проявления окраски. Поглощения измеряют в кюветах (/ = 20 мм) относительно поглощения воды.
Для того чтобы определить поглощение изоцианата в пробирке А, из полученного значения поглощения для раствора в пробирке А вычитают соответствующее значение поглощения для пробирки Б. Содержание изоцианата в растворе пробирки А определяют с помощью калибровочного графика.
Калибровочный график. В шесть поглотительных пробирок, содержащих каждая по 3 мл раствора диаминогексана в диметилформ-амиде и по 2 мл разбавленной соляной кислоты, добавляют из микрошприца соответственно 0; 0,01; 0,02; 0,03; 0,04 и 0,05 мл стандартного раствора изоцианата (30 мг в 100 мл толуола). Содержания изоцианата в добавляемых порциях должны охватывать диапазон 0—15 мкг. Затем растворы в пробирках обрабатывают, как это описано выше, и измеряют их поглощение при подходящей длине волны (550 нм для толуол-2,4-диизоцианата). По данным этих измерений строят калибровочный график.
2. Реакция с бутиламином и определение избытка бутиламина с применением малахитового зеленого
Для определения остаточного изоцианата в уретановых полимерах Кубиц [8] использовал его реакцию с избытком стандартного раствора н-бутиламина в тетрагидрофуране. После проведения этой реакции он определял количество непрореагировавшего бутиламина колориметрически на основе его реакции с малахитовым зеленым, в результате которой образуется бесцветное производное
RNCO + R'NH2 —> RNHCONHR', (1)
(C23H25N2C2HO4)H2C2O4 + 8h-C4H9NH2 —>
—> 2C23H25N2NHC4H9 + 3(C4H9NH2)2H2C2O4.
Изоцианаты и изотиоцианаты
337
Метод Кубица [5]
Реагенты. Тетрагидрофуран, обезвоженный над натрием и очищенный перегонкой. К моменту использования содержание перекиси в тетрагидрофуране должно быть менее 5Х 10~4% (содержание активного кислорода).
Пиридин. В нем должно содержаться 0,05—0,15% воды с тем, чтобы можно было контролировать интенсивность окраски раствора малахитового зеленого в пиридине.
н-Бутиламин в тетрагидрофуране. Предварительно н-бутил-амин очищают перегонкой в присутствии твердого едкого кали, причем собирают фракцию, кипящую в диапазоне 76—78 °C.
а) Стандартный раствор, стабильный в течение 2 дней. В мерную колбу емкостью 50 мл, содержащую 30 мл обезвоженного и очищенного перегонкой тетрагидрофурана, добавляют 5 капель //-бутиламина из предварительно взвешенной склянки Лунге и определяют, на сколько уменьшился ее вес (примерно на 0,1 г). Затем содержимое колбы доливают до метки тетрагидрофураном. Порцию полученого раствора величиной 10 мл разбавляют тетрагидрофураном до получения 250 мл раствора. Концентрация полученного раствора должна быть примерно равна 1,2 мкМ на 1 мл тетрагидрофурана.
б) Стандартный раствор, стабильный в течение месяца или более. В примерно 4,5 л обезвоженного и очищенного перегонкой тетрагидрофурана добавляют 0,25 г н-бутиламипа и оставляют полученный раствор по крайней мере на 3 дня. Спустя это время 25,00 мл этого раствора переносят пипеткой в колбу Эрленмейера емкостью 50 мл и титруют 0,01 н. НС1 до конечной точки по бромфеноловому синему. Концентрация н-бутиламина в этом растворе должна находиться в пределах 1,0—1,2 мкМ/мл.
Раствор малахитового зеленого в пиридине. Малахитовый зе-ленный [соль щавелевой кислоты (СззИгбИгСгНО^НзСгСи)] перекристаллизовывают из горячей воды и сушат на воздухе в течение нескольких дней. Затем берут навеску 0,45 г готовой соли в 450 г пиридина, содержащего 0,05—0,15% воды. Количество реагента в полученном растворе должно быть таким, чтобы при смешивании 5 мл этого раствора с 5 мл тетрагидрофурана получился раствор, имеющий пропускание 25—35%. Перед использованием готовый раствор следует выдержать в течение 24 ч.
Оборудование. Фотометр фирмы «Cenco-Sheard-Sanford» или другой аналогичный прибор с фильтром на 610 нм и кюветой с I = 1 см.
Получение калибровочного графика. В отдельные кюветы (Z = 1 см) переносят по 5 мл смесей тетрагидрофурана и стандартного раствора н-бутиламина (эти смеси указаны ниже) и затем в каждую из них добавляют по 5 мл раствора малахитового зеленого в пиридине?
338
Глава 14
Тетрагидрофуран, мл
Стандартный раствор к-бутиламина, мл
5
4
3
2 1
О
О 1 2 3 4 5
Раствор в кювете перемешивают стеклянной палочкой до тех пор, пока он не станет однородным. До измерений этот раствор не следует помещать на пути света фотометра. Через Змии ± 5с с момента начала добавления раствора малахитового зеленого измеряют пропускание раствора относительно пропускания холостого раствора (5 мл тетрагидрофурана и 5 мл пиридина). По данным измерений строят график зависимости пропускания от концентрации бутиламина (мкМ/5 мл).
Проведение анализа. Берут навеску анализируемого полимера в колбу емкостью 25 мл со стеклянной пробкой (берут 0,05 г полимера при содержании изоцианата в пределах 0,4—1,0% и 0,10 г полимера при содержании изоцианата в пределах 0—0,4%). Затем в эту колбу добавляют из бюретки или пипетки 15,0 мл стандартного раствора н-бутиламина и встряхивают ее в течение различных интервалов времени в зависимости от требуемой скорости анализа или его точности.
Выход — NCO в зависимости от продолжительности встряхивания Продолжительность Приближенное значение относи-встряхивания, ч тельного выхода —NGO
0,5 0,62
1,5 0,82
3-4 1,00
После этого обертывают конец пипетки емкостью 5 мл тонким слоем стекловаты и с ее помощью отбирают из 25-миллилитровой колбы 5 мл раствора непрореагировавшего н-бутиламина. Затем вату с пипетки снимают и переносят из пипетки 5 мл раствора в абсорбционную кювету (/ = 1 см). В эту же кювету добавляют 5 мл раствора малахитового зеленого и перемешивают полученный раствор. Через 3 мин ± 5с с момента начала добавления малахитового зеленого измеряют степень пропускания раствора в кювете относительно степени пропускания холостого раствора (5 мл тетрагидрофурана и 5 мл пиридина). По результату измерения с помощью калибровочного графика определяют концентрацию непрореагировавшего н-бутиламина. Для того чтобы определить изменение концентрации н-бутиламина в порции раствора величиной 15 мл, умножают на 3 разность начальной и конечной концентраций н-бутиламина в анализируемой порции его раствора (5 мл).
Изоцианаты и изотиоцианаты
339
Относительная величина доверительного интервала, соответствующего уровню 95%, для среднего из результатов двух определений менее 0,60% свободного изоцианата в отвержденном эластомере составляла ±0,033%. Эту величину вычислили по результатам определений четырех проб, выполненных двумя аналитиками в разные дни.
Вода, слабоосновные амины, производные мочевины и уретаны не мешали анализу этим методом. Сильно- и слабоосновные третичные амины и амины, которые могут присутствовать в уретановых полимерах, такие, как о-, п- и ж-толуидины, для которых значения константы ионизации не превышают 10-6, с малахитовым зеленым не реагируют.
И. ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Л1. Бероза, М. Н. Инской
Изотиоцианаты, например, те, которые содержатся в семенах винограда и горчицы, определялись непосредственно [9]. Было обнаружено, что получение правильных результатов в анализе изоцианатов обеспечивает использование носителей из тефлона
[Ю, 11].
III. РАДИОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Д. Кэмпбелл
А. ПРЕВРАЩЕНИЕ ИЗОЦИАНАТОВ В ПРОИЗВОДНЫЕ МОЧЕВИНЫ
Интерес к применению радиохимических методов для определения изоцианатной группы объясняется в основном их очень низким содержанием в различных конденсационных полиуретанах. Концентрация этих групп в промежуточных продуктах полимеризации обычно не превышают 200 мкМ/г, а в конечных продуктах — 20 мкМ/г. Сшитые полиуретаны, такие, как пеноматериалы и эластомеры, как правило, плохо растворимы в органических растворителях, однако полимеры с практически линейной структурой обычно полностью растворяются в диметилформамиде (ДМФ). Такие линейные полимеры должны содержать концевые изоцианатные группы, которые могли бы в дальнейшем реагировать с образованием поперечных связей.
В работе [12] описан метод определения концевых изоцианатных групп в линейных полиуретанах, растворимых в ДМФ. В качестве радиореагента применяется н-бутиламин-1-14С. В анализе
340
Глава 14
этим методом 1 г анализируемого полимера растворяют при комнатной температуре в 25 мл смеси ДМФ с 2 мл 0,5 М раствора меченого амина в хлорбензоле. После растворения полимера в раствор добавляют 1,0 мл нерадиоактивного н-бутиламина и 4 мл хлорбензола. Избыток амина удаляют из раствора путем однократного осаждения в воде. Радиоактивности производных полиуретана и радиореагента в форме М-(н-1-бутил-14С) -4-хлорбенза-мида измеряют жидкостным сцинтилляционным счетчиком в смеси 2: 1 толуола и ДМФ. Чувствительность анализа этим методом примерно 1 мкМ NCO/r. Содержание Е (моль/г) связанного бутил-амина-14С в выделенном полимере можно рассчитать по формуле
где Sn — удельная радиоактивность продукта (мкКи/г); Sa — удельная радиоактивность амина (мкКи/моль). Содержание (С) группы —NCO в исходном полиуретане равно
1 - EW '
где W — молекулярный вес бутиламина, представляющий собой увеличение среднего функционального эквивалентного веса полимера, обусловленное образованием производного. Принципы радиоизотопных методов определения малых концентраций функциональных групп в эластомерах подробно описаны в работе [13].
Б. ПРЕВРАЩЕНИЕ ИЗОТИОЦИАНАТОВ В МЕЧЕНЫЕ АНАЛОГИ
Потенциально полезным в определении изотиоцианатной группы в низкомолекулярных соединениях является подход, основанный на реакции обмена элементарного изотопа 35S с атомами серы изотиоцианата:
R—N=C=S + 35S8 R—N=C=35S + 35S8.
Для фенилизотиоцианата и этилизотиоцианата этот 'обмен идет на 100%; равновесное значение удельной радиоактивности достигается при этом в пределах 6 ч при температуре 180 °C в расплаве и в декалиновом растворе соответственно [14, 15]. Однако в этих условиях происходит некоторое разложение этих соединений. Реакция обмена пригодна для анализа только в тех случаях, когда нет других обмениваемых форм серы. За ходом этой реакции можно следить путем периодического анализа порций реакционной смеси методом хроматографии на бумаге [16].
Список литературы
341
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
АБСОРБЦИОННЫЕ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
1. David D. Г, Anal. Chem., 35, 37 (1963).
2. Bailey M. E., Kirss V., Spaunburgh R. G., Ind. Eng. Chem., Anal. Ed., 48, 794 (1956).
3. Lord S. $., Jr., Anal. Chem., 29, 497 (1957).
4. Whiffen D. H., Tarkington P., Thompson H. W., Trans. Faraday Soc., 41, 200 (1945).
'5. Marcali K.t Anal. Chem., 29, 552 (1957).
6. Meddle D. W., Radford D. W„ Wood R., Analyst, 94, 369 (1969).
7. Meddle D. W., Wood R.t Analyst, 95, 402 (1970).
8. Kubitz K. A., Anal. Chem., 29, 814 (1957).
ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
9. Rigolier P., Rev. Fram;. Corps Gras, 15, 683 (1968).
10. Andersen D. L., J. Assoc. Offic. Anal. Chemists, 53, 1 (1970).
11. Ruth G, W., J. Gas Chromatog., 6, 513 (1968).
РАДИОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
12. Campbell D. R., Microchem. J., 14, 536 (1969).
13. Campbell D. R., Warner W. C., Rubber Chem. Technol., 42, 1 (1969).
14. Гурьянова E. H., Кузина Л. С., ЖФХ, 28, 2116 (1954).
15. Кузина Л. С., Гурьянова E. H., ЖФХ, 33, 2030 (1959).
16. Moravek J., Nejedly Z., Filip J.t Science, 138, 146 (1962).
Меркаптаны (тиоспирты или тиолы)
I. АБСОРБЦИОННЫЕ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Дж. Г. Ханна
X ОПРЕДЕЛЕНИЯ с ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ ПРОВЕДЕНИЕМ ХИМИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЙ
1. Превращение в нитрозопроизводные и определение связанной азотистой кислоты
Савилль [1] превращал меркаптаны в их нитрозопроизводные-RSH + HONO —> RSNO,
при гидролизе которых в присутствии иона ртути(II) образуется эквивалентное количество азотистой кислоты. Этой кислотой Савилль диазотировал сульфаниламид, который затем подвергали реакции сочетания с N-нафтилэтилендиамином. Образующийся азокраситель был интенсивно окрашен. Интенсивность окраски этого красителя была непосредственно связана с концентрацией меркаптана в анализируемой пробе.
Метод Савилля [/]
Реагенты. Раствор А: 1 объем 0,01 М водного раствора нитрита натрия смешивают с 9 объемами 0,2—1,0н. H2SO4.
Раствор Б: 0,5%-ный раствор сульфамата аммония в воде.
Раствор В: 1 объем 1,0%-ного водного раствора хлорида ртути(II) смешивают с 4 объемами 3,4%-ного раствора сульфаниламида в 0,4 н. НС1.
Раствор Г: 1%-ный раствор N-1-нафтилэтилендиамина в 0,4 н. НС1. Ежедневно приготавливают свежий раствор.
Проведение анализа. В мерную колбу емкостью 25 мл, содержащую 5 мл раствора А, добавляют 1 мл раствора меркаптана (0,02—5 мМ) в воде или водном этаноле. Затем колбу с раствором оставляют на 0,5—5 мин в зависимости от типа меркаптана в пробе, после чего в нее добавляют 1 мл раствора Б. Колбу закрывают пробкой и в течение нескольких секунд встряхивают ее содержимое для полного удаления из раствора избытка азотистой кислоты. Через 1—2 мин в колбу быстро добавляют 10 мл раствора В и раствором Г доливают ее содержимое до метки. Разви
Меркаптаны
343
тие окраски раствора в колбе происходит за 3—5 мин. Спустя 10 мин после добавления в колбу раствора Г измеряют поглощение полученного раствора, используя желто-зеленый фильтр или проводя измерения при 550 нм. Содержание меркаптана в пробе определяют с помощью предварительно полученного калибровочного графика.
2. Реакция с ионами серебра
В основе наиболее распространенного метода определения меркаптанов лежит количественная реакция замещения атомов водорода тиоспирта ионами тяжелых металлов:
RSH + М+ —> RSM + Н+
Кункель, Бакли и Горин [2] разработали спектрофотометрический метод определения меркаптанов, основанный на разложении дитизоната серебра тиоспиртами с образованием свободного дитизона, который имеет максимум поглощения при 615 нм.
Метод Кункеля, Бакли и Горина [2]
Оборудование. Спектрофотометр фирмы «Beckman» модели DU с кюветами с I = 1 см из корекса.
Реагенты. Раствор дитизона. Растворяют 0,1 г соединения в 1 л четыреххлористого углерода.
Раствор дитизоната серебра. Энергично встряхивают 200 мл раствора дитизона в четыреххлористом углероде и 1 г нитрата серебра в 100 мл дистиллированной воды и 5 мл 6 М H2SO4. Оранжево-красный слой четыреххлористого углерода промывают водой, фильтруют, отделяют от водной фазы и разбавляют четыреххлористым углеродом так, чтобы поглощение полученного раствора при 460 нм было равно 5,0.
Проведение анализа. В точности 3 мл раствора дитизоната серебра переносят в кювету спектрофометра, добавляют в нее 0,01— 1 мл анализируемого раствора (величина пробы анализируемого раствора определяется размерами кюветы) и перемешивают содержимое кюветы. Спустя 5 мин после этого измеряют поглощение раствора в кювете при 615 нм относительно поглощения холостого раствора дитизоната (поглощение холостого раствора при 615 нм пренебрежимо мало). В результат измерения вносят поправку на разбавление, вызванное добавлением анализируемого раствора. Для этого поглощение пересчитывают на полный объем раствора, равный 3 мл. Содержание меркаптана в анализируемом растворе определяют с помощью калибровочного графика.
Данные анализа этим методом, полученные Кункелем, Бакли и Гориным [2], представлены в табл. 15.1. График зависимости поглощения от содержания анализируемого соединения в пределах
344
Глава 15
Таблица 15.1
Результаты анализа меркаптанов [2]
Соединение Степень чистоты, % Число определений Степень чистоты, полученная в анализе (%), и среднее отклонение
Додецилмеркаптан 91,4 8 91,9±2
Г ексилмеркаптан проба I проба II 99,9 а 96,3 8 96,5 ±0,7
трет-Г ексилмеркаптан 97,4 7 97,5 ±1,6
Бутилмеркаптая проба I проба II 99,6 а 94,5 8 94,2 ±1,1
а Стандартные пробы Американского нефтяного института. Степень чистоты остальных проб установили методом Кольтгоффа и Гарриса [4].
0,002—0,08 мМ, полученный в анализе гексилмеркаптана (проба I), имел вид прямой линии. В последующих анализах этот график использовали для калибровки.
3. Определение третичных меркаптанов в форме тионитритов
Эшворт и Келлер [3] превращали меркаптаны в тионитриты и затем проводили спектрофотометрический анализ тионитритов в УФ-области спектра. Первичные меркаптаны практически не поглощали в этой области в условиях данного анализа, а молярный коэффициент погашения вторичных меркаптанов составлял около 30% молярного коэффициента погашения третичных меркаптанов.
Метод Эшворта и Келлера [3]
Оборудование. Спектрофотометр фирмы «Сагу» модели 11 с кюветами с I = 2 см из плавленого кварца.
Проведение анализа. Берут навеску образца с точностью до 0,1 мг, содержащую 1,0 мМ третичного меркаптана, в мерной колбе емкостью 100 мл, растворяют ее в четыреххлористом углероде и разбавляют полученный раствор до метки. Переносят 5 мл разбавленного раствора в делительную воронку емкостью 125 мл, в которую предварительно наливают 25 мл воды. В эту же воронку добавляют из пипетки 20 мл четыреххлористого углерода. Все дальнейшие операции с раствором проводят в темной комнате с электрическим освещением.
Меркаптаны
345
В делительную воронку с приготовленным в ней раствором образца добавляют из пипетки? 1 мл 50%-ного раствора нитрита натрия и 2 мл 6 н. НС1, после чего ее энергично встряхивают в течение 30 с, выпускают образовавшийся газ и продолжают встряхивать еще в течение 30 с. Отделившуюся фазу четыреххлористого углерода переносят в другую делительную воронку емкостью 125 мл, добавляют в нее 25 мл дистиллированной воды и энергично встряхивают. Отделившуюся фазу четыреххлористого углерода переносят в третью делительную воронку, добавляют в нее 15 мл 5%-ного раствора карбоната аммония и энергично встряхивают. Фильтруют органическую фазу через небольшой ватный тампон для удаления из нее капелек воды. После этого, используя кювету с I — 2,0 см, регистрируют кривую поглощения отфильтрованного раствора в диапазоне 270—400 нм относительно кривой поглощения четыреххлористого углерода. Для расчетов используют значение поглощения тионитрита, соответствующее максимуму этой кривой (около 344 нм). Поглощение холостого раствора обычно равно нулю.
Калибровка. Приготавливают стандартный раствор анализируемого третичного меркаптана в четыреххлористом углероде. Затем ведут анализ порции этого раствора, содержащий около 0,005 мМ меркаптана, как это описано выше, и определяют поглощение результирующего раствора на длине волны, соответствующей максимуму поглощения (344 нм). По полученной таким образом величине поглощения вычисляют содержание меркаптана в анализируемой пробе.
Полоса поглощения трет-бутилтионитрита соответствует длине волны 344 нм. Вторичный бутилтионитрит имеет полосу поглощения при 340 нм, причем величина его молярного коэффициента погашения составляет 30% величины молярного коэффициента погашения соответствующего третичного тионитрита. н-Бутилтионитрит и изобутилтионитрит не дают характеристических полос поглощения. Величина молярных коэффициентов погашения нормальных меркаптанов и изомеркаптанов составляет не более 2% величин соответствующих коэффициентов третичных меркаптанов, и поэтому нормальные меркаптаны и изомеркаптаны мало мешают в анализе третичных меркаптанов.
Результаты шести одинаковых анализов этим методом показали, что он дает воспроизводимые результаты с точностью около 2%. Плохая воспроизводимость результатов получается, когда в фазе четыреххлористого углерода остаются следовые количества кислот. По этой причине в анализ включают такие операции, как промывка водой и бикарбонатом.
В табл. 15.2 приведены значения молярных коэффициентов погашения для четырнадцати произвольно выбранных тионитритов нормальных, изомерных, вторичных и третичных меркаптанов.
346
Глава 15
Таблица 15.2
Значения молярных коэффициентов погашения тионитритов [3]
Меркаптан Длина волны, соответствующая максимуму поглощения, нм 8б Растворитель
Н-Бутил 344 10 СС14
329 130 н-Гексан
Изобутил 344 15 СС14
н-Амил 344 10 СС14
Изоамил 344 11 СС14
и-Децил 344 9 СС14
к-Октил 344 9 СС14
втор-Бутил 344 200 СС14
229 1660 н-Гексан
340 165 н-Гексан
Циклогексил 344 238 СС14
340 220 н-Гексан
229 2700 н-Гексан
трет-Бутил 229 9360 н-Г ексан
343 707 н-Гексан
339 978 Хлороформ
343 687 Изооктан
344 771 СС14
трет-Амил 344 780 а СС14
трет-Октил 344 897 СС14
трет-Додецил 344 918 а СС14
трет-Тетрадецил 344 936 а СС14
трет-Гексадецил 344 950 а СС14
а Скорректировано с учетом данных анализа меркаптана, опубликован, ных фирмой-производителем «Phillips Petroleum Со.>. Все приведенные в таблице меркаптаны анализировались без предварительной очистки.
6 е — молярный коэффициент погашения.
II. ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
М. Бероза, М. Н. Инской
Значительной специфичности и чувствительности анализа соединений серы методом ГХ можно добиться, применяя детекторы, высокоспецифичные по отношению к этим соединениям [5, 6]. Полезно также использование пламенно-фотометрического и кулонометрического детекторов (см. разд. II, Г приложения). К некоторым соединениям серы (например, к меркаптанам, сульфидам*
Меркаптаны
347
полисульфидам и группам >P = S) чувствителен и электроннозахватный детектор.
Многие серусодержащие соединения нетрудно определить методом ГХ непосредственно. Чем более полярно соединение, тем обычно труднее осуществить его количественный анализ методом ГХ. Имея это в виду, по трудности этого анализа соединения (при прочих одинаковых их свойствах) можно расположить в следующей последовательности: сульфиды < сульфоны < сульфоокиси. Непосредственно методом ГХ нетрудно анализировать меркаптаны, сульфиды, дисульфиды и трисульфиды [7, 9]. Для прямого определения H2S и меркаптанов в водно-щелочном растворе анализируемую пробу вводили в колонку с кислой насадкой (уксусная кислота на носителе хромосорб), которую располагали перед аналитической колонкой. В результате этого происходило нормальное разделение H2S и меркаптанов [10].
А. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕРКАПТАНОВ ПУТЕМ ПРЕВРАЩЕНИЯ В ПРОИЗВОДНЫЕ
Меркаптаны (а также фенолы) в воде превращались в пентафторбензильные эфиры, которые определяли затем методом ГХ с электронно-захватным детектором [11]. Аминомеркаптаны и аминодисульфиды легко реагируют с пивалиновым альдегидом с образованием летучих неопентилиденовых производных (тиазоли-дин или основание Шиффа), которые можно количественно определять методом ГХ [12]. Для количественного определения тиофена, тионафтена и других серусодержащих соединений их подвергали гидрогенолизу над никелем Ренея в растворе или в паровой фазе; образующиеся в результате углеводороды определяли методом ГХ [13, 14].
Б. ВЫЧИТАНИЕ СЕРУСОДЕРЖАЩИХ СОЕДИНЕНИЙ
Для определения больших концентраций серусодержащих соединений методом ГХ их последовательно абсорбировали рядом растворов; H2S улавливали с помощью CdSCh, соединения типа R—SH — с помощью Hg(CN)2, а соединения типа RSR и RSSR — с помощью раствора HgCl2 [15]. Для регенерирования соединений серы из образующихся металлсодержащих осадков эти осадки обрабатывали кислотой (за исключением соединений типа RSSR, которые образуют меркаптаны). В другом методе анализа для удаления метилсульфида из водной фазы использовался HgCl2 [16]; метилсульфид, а также другие органические серусодержащие соединения вычитаются (прочно удерживаются) в короткой колонке с насадкой из HgCl2 на огнеупорном кирпиче, однако в ней вычитаются также олефины и ацетилен [15].
348
Глава 15
III. ЭЛЕКТРОАНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
А. Ф. Крайвис
А. АМПЕРОМЕТРИЧЕСКОЕ ТИТРОВАНИЕ МЕРКАПТАНОВ ИОНОМ РТУТИ(П)
В работе [17] описано амперометрическое титрование меркаптанов стандартным раствором, содержащим ионы серебра. При этом сам процесс титрования и необходимое для него оборудование очень просты [17]. Однако основанный на этом титровании метод определения имеет недостатки, связанные а) с возможной нестабильностью образующихся меркаптидов серебра и б) с осаждением галогенидов серебра. Эти недостатки могут особенно сильно проявиться в анализах биологических образцов и привести к значительным ошибкам. Обсуждение некоторых из связанных с ними проблем имеется в работе [18].
Упомянутые выше трудности можно преодолеть, используя для титрования ионы ртути(II) [19]. Меркаптиды ртути, как правило, ассоциированы в большей степени, чем меркаптиды серебра, причем многие соединения ртути к тому же и растворимы. Растворимы и галогенсодержащие комплексы ртути, что позволяет использовать хлорид ртути(II) в качестве титранта.
Ниже, в разд. «Экспериментальный метод», описаны методы, позволяющие легко определять малые количества меркаптанов различных типов. Особое значение имеет возможность определять важные (и в то же время трудно анализируемые) биологические меркаптосоединения.
Ход анализа зависит от типа анализируемого соединения, поэтому ниже описаны два различных метода. Один из них больше подходит для анализа высокомолекулярных полимеров, а другой — низкомолекулярных соединений. Анализ первым из этих методов лучше всего вести в присутствии фосфатного буфера, а анализ вторым методом — в присутствии боратного буфера.
Экспериментальный метод (по исследованиям Кольтьоффа,
Стрикса и Моррена [/9])
Оборудование. В анализе можно использовать любой автоматический или неавтоматический полярограф. Сосуд для титрования представляет собой химический стакан (120 мл), закрытый резиновой пробкой с отверстиями для бюретки,, трубки для пропускания азота, агар-агарового соляного мостика и индикаторного электрода. Для титрования применяется насыщенный каломельный электрод сравнения [20].
Вращающийся платиновый электрод (включая и синхронный двигатель) можно приобрести у различных фирм, поставляющих
Меркаптаны
349
лабораторное оборудование, например у фирмы «Sargent-Welch Scientific Со».
Реагенты. Водный раствор фосфатного буфера, содержащий 0,01 М NaH2?O4, 0,08 М Na2HPO4 и 0,5 М КС1. Этот раствор используется в качестве среды при титровании белков. Для анализа соединений с меньшим молекулярным весом, таких, как цистеин и восстановленный глутатион, лучше использовать водный раствор 0,05 М по буре и 0,1 М по хлориду калия.
Стандартный раствор для титрования (титрант) представляет собой 0,001 М раствор хлорида ртути(II); 1 мл этого раствора соответствует 0,033 мг сульфгидрила, 0,121 мг цистеина или 0,307 мг глутатиона.
Проведение анализа. Цистеин. В сосуд для титрования наливают 30 мл боратного буфера, закрывают его пробкой и устанавливают в нем соляной мостик, трубку для впуска азота и вращающийся электрод. После этого в течение 10 мин через раствор пропускают азот. По истечении этого времени в сосуд добавляют анализируемое соединение в таком количестве, чтобы результирующий раствор оказался примерно 10"5 М по цистеину, и продолжают пропускать азот.
Затем включают вращающийся электрод, титруют полученный раствор хлоридом ртути(II) при потенциале —0,2 В и строят график зависимости величины тока от израсходованного объема титранта. (Этот график должен иметь вид зеркального отражения буквы L, причем точка пересечения его прямолинейных ветвей соответствует конечной точке титрования.)
После каждого титрования электроды необходимо очищать, погружая их примерно на 5 мин в теплую азотную кислоту (разбавленную водой в отношении 1:1), а затем смывая дистиллированной водой.
Проведение анализа. Белки. В сосуд для титрования наливают 30 мл раствора фосфатного буфера, закрывают пробкой, помещают в него соляной мостик, трубку для впуска азота и в течение 10 мин пропускают через него азот. По истечении этого времени в сосуд добавляют образец в таком количестве, чтобы результирующий раствор оказался примерно 10"5 М по сульфгидрилу, и продолжают пропускать азот. Затем в сосуд устанавливают платиновый электрод, начинают вращать его и титруют полученный раствор хлоридом ртути(II) при потенциале —0,2 В. По результатам титрования строят график зависимости величины тока от израсходованного объема титранта. (Этот график должен иметь вид зеркального отражения буквы L, причем точка пересечения его прямолинейных ветвей соответствует конечной точке титрования.)
Лучше всего, если платиновый электрод при этом покрыт слоем ртути. Такое покрытие образуется само по себе в ходе нескольких
850
Глава 15
первых титрований. Поэтому в промежутках между титрованиями электрод не следует промывать в кислоте, как это рекомендуется при титровании цистеина. Достаточно лишь сполоснуть его в дистиллированной воде.
Б. КУЛОНОМЕТРИЧЕСКОЕ ТИТРОВАНИЕ МЕРКАПТАНОВ
В последние годы были разработаны усовершенствованные методы титрования ионом серебра, в которых применяется электролитическое генерирование ионов серебра непосредственно в титруемом растворе. Для этого достаточно осуществить электролиз подходящего раствора с применением серебряного анода и платинового катода. При электролитическом генерировании реагента отпадает необходимость в приготовлении, стандартизации, хранении, контролируемом введении и измерении израсходованного объема титранта.
Количество электролитически генерируемого серебра можно вычислить с помощью закона Фарадея по известным значениям тока и продолжительности электролиза (ср. разд. III, гл. 1 и 12). В описываемом ниже методе кулонометрического титрования действительно измеряемой величиной является время, которое можно измерить очень точно, а действительным реагентом — электричество, которое легко получать от подходящего источника.
Необходимость в классической бюретке отпадает при кулонометрическом титровании, однако проблема определения конечной точки остается. В анализе меркаптанов рекомендуется применять амперометрическую систему обнаружения конечной точки с платиновым и золотым электродами [21].
Описываемый ниже метод первоначально предназначался для определения меркаптанов в нефти [21], поэтому применяемый в нем растворитель является безводным. Однако в конкретном анализе этим методом можно использовать и другую среду, подходящую для данного образца.
Экспериментальный метод (по исследованиям Лейси [21])
Оборудование. Для анализа необходимы источник постоянного электрического напряжения и датчик времени. Их можно купить или изготовить в лаборатории. Измерительную цепь можно собрать из гальванометра (чувствительностью 0,02 мкА на деление шкалы), батареи на 1,5 В и переменного сопротивления (см. гл. 1, разд. III).
Генерирующие электроды представляют собой отрезки толстой серебряной (анод) и платиновой (катод.) проволоки. Длина уча
Меркаптаны
351
стка электрода, погруженного в раствор, должна быть неизменной (около 25 мм). Это нетрудно обеспечить, если впаять электрод в стеклянную трубку, оставив снаружи нужную его часть. В другой (незапаянный) конец трубки можно пропустить провод и через него соединять электрод с электрической цепью. В раствор эту трубку помещают так, чтобы погруженной оказалась вся наружная часть электрода. Катод в данном случае не обязательно помещать в изолированной камере (ср. гл. 1 и 12); оба электрода в этом анализе могут находиться в непосредственном контакте с растворителем.
Система обнаружения конечной точки титрования включает в себя два проволочных электрода: из платины (анод) и золота (катод). Через переменное сопротивление эти электроды соединены с батареей. Разность потенциалов между ними равна 0,25 В. Так же как и в случае генерирующих электродов, в растворе должны находиться участки этих электродов неизменной длины (около 25 мм). Гальванометр в цепи обнаружения включен последовательно с катодом.
Удерживать эти электроды в сосуде удобнее всего с помощью пробки. Более подробное описание всего устройства приведено в гл. 1, разд. III, В.
Раствор для титрования. Среду для титрования можно приготовить, смешивая 100 мл 95%-ного этанола, 50 мл бензола, 0,6 г нитрата аммония и 2 мл концентрированной гидроокиси аммония. При необходимости можно смешивать и большие объемы этих растворов в указанной пропорции.
Проведение анализа. В химический стакан емкостью 250 мл помещают палочку магнитной мешалки, переносят в него точную навеску образца, содержащую около 1 мг неизвестного соединения, и добавляют 150 мл раствора для титрования. В полученный раствор погружают электроды, включают мешалку и титруют его при значении тока, которое обеспечивает титрование в продолжение примерно 200 с. О достижении конечной точки титрования судят по появлению устойчивого показания гальванометра, равного 0,2 мкА. По окончании основного титрования необходимо провести титрование холостого раствора. Продолжительность этого холостого титрования вычитают из продолжительности титрования анализируемого раствора. Содержание в пробе анализируемого соединения вычисляют по формуле закона Фарадея.
Вычисления
г (0Х(0ХМанХ ЮО W X (96 487)
где С — содержание анализируемого соединения в пробе, %; Л4ан — молекулярный вес анализируемого соединения; W — вес пробы.
852
Глава 15
IV. МЕТОДЫ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА
Г, Агахигиан
Лидер [22] описал определение меркаптанов на Основе анализа их производных, образующихся в результате их присоединения к гексафторацетону; спектры резонанса на ядрах 19F он получал при частоте внешнего сигнала, равной 56,4 МГц. Методы приготовления образца и анализа в основном идентичны тем, которые описаны в гл. 1, разд. IV, А. Значения химических сдвигов для аддуктов меркаптанов находились в пределах 0,04—1,46 млн-4 относительно линии аддукта гексафторацетона и воды. В работе [22] приведены данные анализа таких меркаптанов, как этантиол, про-пантиол, 1-бутантиол, 2-метилпропантиол, 2-меркаптоэтанол, 3-меркаптопропанол, этилтиогликолят, бензилмеркаптан, 2-пропан-тиол, 2-бутантиол, трет-бутилмеркаптан и бензолтиол.
Таблица 15.3
Значения химических сдвигов для резонансов на а-водородных атомах меркаптанов и изоцианатных производных
Соединение Химический сдвиг, млн 1
тиол производное
CH2=CHCH2SH 3,12 3,58
CH2=CCH2SH 1 СНз 3,08 3,62
CH3CH2CH2CH2SH 2,47 2,94
(CH3)2CHCH2SH 2,37 2,85
СН3СНСН2СН3 SH 2,84 3,55
CH3(CH2)8CH2SH 2,48 2,93
CH3CHCH2SH —CH2— 2,73 3,22
1 1 SH —CH— 0 II 3,03 3,75
CH3CCH2CH2SH 2,63 3,18
CH2=CHCH2SCH2CH2CH2SH 2,60 3,05
CH2=CCH2SCH2CHCH2SH 1 1 CH3 CH, 2,50 3,02
Меркаптаны
353
Метод Бутлера и Мюллера [23] основан на добавлении три-хлорацетилизоцианата в раствор, содержащий меркаптан, в результате чего образуется монотиокарбамат
О ОНО
II II I II
СС13С—NCO + RSH —> СС13С—-N—-С—SR
Преимущество этого метода в том, что образование производного происходит быстро и легко наблюдать за ходом реакции. Для анализа приготавливают раствор меркаптана в дейтерохлороформе с концентрацией около 10%• Спектры регистрируют при частоте внешнего сигнала 60 МГц. Линии резонанса на ядрах водорода тиоспирта заключены в диапазоне 0,8—3,00 млн-1 относительно сдвига для ТМС. Образование тиокарбамата проявляется в исчезновении спектральных линий тиоспирта. Образование электроотрицательной тиокарбаматной группы приводит к появлению парамагнитного сдвига линий резонанса на ядрах а-водородных атомов, и это упрощает спектр ЯМР. Скорость реакции обмена водородных атомов меркаптана такова, что наблюдается взаимодействие этих атомов с соседними атомами водорода; однако при образовании производного этот эффект практически равен нулю. Парамагнитный сдвиг линий резонанса на ядрах а-водородных атомов метиленовой группы находится в пределах 0,45—0,55 млн-1, а соответствующий сдвиг для а-водородных атомов метиновой группы — в пределах 0,71—0,72 млн-1. Спектральные данные для анализировавшихся меркаптанов представлены в табл. 15.3.
V. РАДИОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Д. Кэмпбелл
Радиохимические методы имеют чрезвычайно высокую чувствительность и благодаря этому особенно ценны при определениях меркаптогрупп в очень низких концентрациях в образцах биологического происхождения. Особый интерес представляет определение структур типа тиоспиртов в различных белках, в которых эти структуры присутствуют в форме связанной аминокислоты, ь-ци-стеина (ь-2-амино-3-меркаптопропановая кислота). Для проведения анализа низкомолекулярных тиоспиртов можно модифицировать некоторые широко распространенные методы определения меркаптогрупп в белках. В определении макроколичеств меркаптанов можно использовать радиометрическое титрование и прямое изотопное разбавление. Для анализа некоторых ароматических меркаптанов применим, по-видимому, и метод, основанный на изотопном обмене.
J2 Зак. 58
354
Глава 15
А. ПРЕВРАЩЕНИЕ В S-СУКЦИН ИМИДНЫЕ ИЛИ S-СУКЦИНИЛЬНЫЕ ПРОИЗВОДНЫЕ
Вслед за первым сообщением [24] о быстром и количественном образовании продукта присоединения N-этилмаленимида (N3M) и алифатических меркаптанов в нейтральном или слабокислом растворе при комнатной температуре были проведены подробные исследования, которые показали применимость этой реакции для определений [25, 26]. При введении изотопа 14С в остаток малеиновой кислоты молекулы N3M (как правило, в положения 2 и 3) получается реагент, широко применимый для определения микро- и полумикроколичеств меркаптанов. Так, ь-цистеин превращают в S- (N-этилсукцинимидо) - ь-цистеин (I) [27]:
NH+ 14СН—
I I /N-C2H5 —>
‘ООС—CH—СН2—SH 4- 14сн—cz
+
NH+ 14СН2—С\
| | \-С2Н5
—> ‘ООС—СН—СН2—S—,4СН — с/ ^о I
Эту реакцию широко применяли для определения меркаптогрупп в белках муки [28—31], и для нее, по-видимому, не требуется точно контролировать pH среды. В работе [32] сообщалось, что соединение I устойчиво в условиях последующего гидролиза полипептида, однако позже выяснилось, что значительная часть этого аддукта (около 20%) претерпевала дальнейший гидролиз с образованием З-сукцинил-ь-цистеина(П) и этиламина [33]. Для того чтобы избежать необходимости вводить поправки, связанные с частичным превращением соединения I в соединение II [33, 34], было предложено вести гидролиз в условиях, обеспечивающих количественное превращение I во II [28]. Такое полное превращение можно обеспечить путем гидролиза белка, содержащего аддукт ь-цистеина и N3M(I), в 6 н. соляной кислоте в запаянной и деаэрированной трубке [29, 30] при температуре 120 °C в течение 22 ч или при температуре 110 °C в течение 72 ч [35]. Если в пробе присутствуют лишь чрезвычайно малые количества ь-цистеина, то перед гидролизом в реакционную смесь желательно добавить соединение I в качестве носителя. Для измерения радиоактивности продуктов гидролиза их нетрудно предварительно разделить методом хроматографии на бумаге.
Для калибровки метода с N3M-14C [30] обрабатывают известные количества ь-глутамил-ь-цистеилглицина (глутатиона) радио-
Меркаптаны
855
реагентом и после гидролиза строят график зависимости взятого количества меркаптана от радиоактивности хроматографически выделенного S-сукцинильного производного. Поправку с учетом фона определяли путем хроматографического разделения смеси N3M-14C с нерадиоактивным соединением II и измерения радиоактивности пятна соединения II.
Наряду с тем, что метод с применением меченого N3M дает хорошие результаты в анализе белков, он представляется многообещающим и в определении очень малых количеств несвязанных низкомолекулярных меркаптанов. В нейтральном или слегка кислом растворе с избытком N3M соответствующая реакция идет быстро. Так, например, в случае ь-цистеина эта реакция является количественной и завершается в пределах 2 мин при pH раствора от 5,4 до 6,6 [25, 36]. Быстро образуются и аддукты тиогликолевой кислоты, меркаптоэтанола, а также 2-амино-4-меркаптомасляной кислоты [26]. В принципе, при анализе низкомолекулярных соединений не требуется количественного гидролиза аддуктов до S-сукцинильных производных, однако он может способствовать отделению аддуктов от избытка реагента хроматографическим методом. В результате реакции меркаптана с N3M образуется производное, характеризующееся центром (новым) асимметрии, и этот фактор следует принимать во внимание при выборе метода разделения. Скорости реакций зависят от pH раствора, и кроме того, в воде эти реакции идут быстрее, чем в этаноле [36]. Это позволяет предположить, что реакция образования аддукта является скорее ионной, а не свободнорадикальной. С N3M реагируют также сульфидные, сульфитные и тиосульфатные анионы [37].
Для очистки меченого N3M его можно экстрагировать хлористым этилом из 50%-ного водно-этанольного раствора при температуре —14 °C, затем осушить над СаС12, выпарить досуха и остаток подвергнуть возгонке при температуре около 45 °C [38].
Б. ПРЕВРАЩЕНИЕ В РТУТЬОРГАНИЧЕСКИЕ ПРОИЗВОДНЫЕ
Меркаптогруппа легко реагирует с различными ртутьорганиче-скими соединениями с образованием связи типа —Hg—S—, и из всех имеющихся реагентов для анализа меркаптогруппы в белках эти соединения являются, вероятно, наиболее специфичными по отношению к тиоспиртам. В результате реакции ртуть и органический остаток молекулы ртутьорганического соединения связываются с серой, и потому обе эти части можно метить радиоактивными изотопами. В случаях, когда эффекты внутреннего поглощения или интенсивная окраска образцов мешают измерению радиоактивности жидкостным сцинтилляционным счетчиком, удобно применять изотоп 203Hg. Этот изотоп является источником у-излучения и имеет период полураспада, равный 47 дням. Реагент, меченный этим изотопом, обеспечивает более чувствительный
12*
856
Глава 15
анализ, чем реагент, меченный изотопом 14С, поскольку для измерения радиоактивности счетчиком с твердым сцинтиллятором можно брать гораздо большие пробы; кроме того, в таком анализе можно выделять анализируемые образцы в неизмененной форме. Наиболее надежным методом определения поправок, учитывающих период полураспада изотопа 203Hg, является измерение радиоактивности порции меченого реагента во время анализа. В описанных количественных определениях меркаптогрупп в белках использовались такие ртутьорганические соединения, как ме-тилмеркур-203Н§-бромид [39], фенилмеркур-203Н§-ацетат [40, 41], метилмеркур-14С-иодид [41] и соли /г-хлормеркурбензойной-14С кислоты [42].
Возможность применения фенилмеркур-203Нд-ацетата и метил-меркур-14С-иодида в определении меркаптогруппы в нерастворимом белке была изучена подробно [41]. В анализах, в которых не требовалось определять полумикроколичества этой группы, применим упрощенный метод, основанный на измерении уменьшения радиоактивности раствора какого-либо из этих реагентов после обработки им анализируемого образца. Были разработаны также методы определения изотопов 203Hg и 14С, введенных в образцы, содержащие полумикроколичества меркаптогруппы. В таких более чувствительных анализах избыток радиоактивного реагента удаляли из обработанных проб путем повторных промывок и измеряли радиоактивность этих проб счетчиками с жидкими и твердыми сцинтилляторами, а также путем превращения радиоизотопов в растворимую форму в результате сжигания в кислороде. В анализах нерастворимого субстрата все эти три метода давали сравнимые результаты; однако для анализа полумикроколичеств меркаптана предпочитали применять непосредственное измерение радиоактивности счетчиком с твердым сцинтиллятором. В принципе, методы с превращением в производные можно применять не только в анализе нерастворимых материалов: ими можно анализировать и растворимые образцы, если имеются соответствующие способы количественного выделения избытка реагента и получения представительной порции субстрата.
В работе [43] описан метод обнаружения тиольных групп в нескольких белках, разделяемых электрофоретическим методом. В анализе этим методом пробу обрабатывают 1,3-(хлормер-кур)-2-метоксипропилмочевиной-203Ь^ (хлормеродрин-203^), а затем регистрируют ее авторадиограмму.
В. ДРУГИЕ МЕТОДЫ
В работе [44] предлагается чувствительный и специфичный метод определения тиольной структуры, основанный на реакции меркаптогруппы с меченым тетраэтилтиурамдисульфидом в среде с pH 8—9, в результате которой выделяется радиоактивный анион
Меркаптаны
357
диэтилдитиокарбаминовой кислоты. Реагент, используемый в этом анализе, равномерно мечен изотопом 35S. В присутствии избытка реагента низкомолекулярные меркаптаны образуют в этой реакции преимущественно соответствующие дисульфиды:
35S
2R-SH + L(C2H5)2N-C—35S J 2 —>
35S 1"
—> R—S—S—R + 2 L(C2H6)2N—С—36SJ + 2Н
Меркаптогруппы белков реагируют с данным реагентом с образованием диэтилтиокарбамилдисульфидного производного [45]
35S
R—SH+ L(C2H6)2N—c—35s J 2 —>
35S
35S
—> R-S—35S—С—N(C2H6)2+ L(C2H5)2N--C—85sJ +h*.
В буферном растворе с pH 3,8 меченый анион, образующийся в каждой из этих реакций, разлагается с образованием диэтилами-на и сероуглерода-355. Сероуглерод-358 диффундирует в спиртовый раствор пиперидина с образованием меченого дитиокарбамата, который затем выделяют и измеряют его радиоактивность. Для получения калибровочных данных тем же способом обрабатывают известные количества какого-либо меркаптосодержащего соединения (например, L-глутамил-ь-цистеилглицин) и получают график зависимости радиоактивности выделенного пентаметилендитиокарбамата от взятого количества меркаптана.
Реагент, равномерно меченный изотопом 35S, удобно приготавливать; он обеспечивает высокую чувствительность анализа. Однако ввиду относительно короткого периода полураспада изотопа 35S (87 дней) требуется непрерывно в течение анализа измерять радиоактивность порции этого радиореагента. Чтобы избежать дополнительных измерений, можно применять изотоп 14С, но при этом его необходимо вводить только в группу —C(S)—S— с тем, чтобы не возникало затруднений при отделении сероуглерода от обработанного образца. Возможные эффекты, связанные с применением изотопа 14С, необходимо оценивать до анализа. Данный метод применялся для определения меркаптановой серы в пробах некоторых белков величиной порядка 10 мкг. Анализу этим методом могут мешать соединения, способные окислить диэтилдитио-карбаматный анион в щелочном растворе до тетраэтилтиурамди-сульфида.
Для определения бензилмеркаптана в кислотах каменноугольного дегтя применяли методы изотопного разбавления и радиометрического титрования. В анализе первым методом к пробе
358
Глава 15
добавляли бензилмеркаптан-355 [46], затем осаждали меченое производное хлоридом ртути(II), выделяли, очищали и измеряли его радиоактивность. В анализе радиометрическим методом [47] к пробе добавляли избыток раствора 110mAgNO3 и титровали непрореагировавший радиореагент тиоцианатом аммония. В работе [48] предлагается применять изотоп 110mAg в качестве общего реагента для радиометрического титрования меркаптанов.
Меркаптогруппы в ь-цистеине и ь-глутамил-ь-цистеилглицине определяли путем обработки этих соединений смесью 1 : 1 1%-ного КМпСХ и 1%-ной H2SO4 на фибергласовой бумаге и затем газообразным Н36С1 [49]. Радиоактивность Мп36С12, образующегося из МпОг, измеряли счетчиком Гейгера — Мюллера. Этим методом можно обнаружить несколько миллиграммов серусодержащих аминокислот, однако он не является специфичным по отношению к тиольной группе, поскольку анализ этим методом чувствителен и по отношению к метионину.
В работе [50] описан метод быстрого определения меркаптогрупп в сыворотке, основанный на реакции этих групп с изотопом uomAg+> введенным в ионообменную смолу в количестве 0,5 мкМ/мл. В анализе этим методом к 1 мл сыворотки добавляют 0,15 мл 1,5 н. NH4OH. Через 2 мин после этого смесь пропускают через колонку с ионообменной смолой, меченной изотопом 110mAg+. Затем через эту колонку поочередно трижды пропускают по 1 мл 0,15 н. NH4OH и измеряют радиоактивности разделенных фракций жидкостным сцинтилляционным счетчиком.
Реакция изотопного обмена меркаптановой серы 2-меркапто-бензотиазола (МВТ) с элементарным изотопом 35S при повышенных температурах, в принципе, применима для определения этого тиазольного производного в отсутствие других обмениваемых форм серы:
Атом серы тиазольного кольца не участвует в реакции обмена. Эта реакция в полярных и неполярных растворителях была подробно изучена в работах [51, 52]. Величина константы кажущейся скорости этой реакции зависит от концентрации МВТ, но не зависит от концентрации элементарной серы. Константы скорости реакций в полярных и неполярных растворителях мало отличались друг от друга. За ходом реакции можно следить путем отбора порций гомогенной системы и хроматографического разделения ее компонентов [53]. Такое разделение легко осуществить химическими методами с целью измерения равновесной удельной радиоактивности МВТ,
Список литературы
359
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
АБСОРБЦИОННЫЕ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
1. Saville В., Analyst, 83, 670 (1958).
2. Kunkel R. К., Buckley J. E., Gorin G., Anal. Chem., 31, 1098 (1959).
3. Ashworth G. W., Keller R. E., Anal. Chem., 39, 373 (1967).
4. Kolthoff I. M., Harris W. E., Ind. Eng. Chem., Anal. Ed., 18, 161 (1946).
ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
5. Drushel H. V., Anal. Chem., 41, 569 (1969).
6. Drushel H. V., Sommers A. L., Anal. Chem., 39, 1819 (1967).
7. Brodnitz M. H., Pollock C. L.t Food Technol., 24, 78 (1970).
8. Freedman R. IF., J. Gas Chromatog., 6, 495 (1968).
9. Zikakis J. P., Salsbury R. L., J. Dairy Sci., 52, 2014 (1969).
10. LeRosen H. D., Abstracts of Papers, American Chemical Society, 148th National Meeting, Chicago, September 1964, p. 26B.
11. Kuwahara F. K., Anal. Chem., 40, 1009 (1968).
12. Jellum E., Bacon V. A., Patton W., Pereira IF., Jr., Halpern B., Anal. Biochem., 31, 339 (1969).
13. Staszewski R., Janak J., Wojdala T., J. Chromatog., 36, 429 (1968).
14. Uhdeova J., Hrivnac M., Dodova M., Staszewski R., Janak J., J. Chromatog., 40, 359 (1969).
15. Feldstein M., Balestrieri S., Levaggi D. A., J. Air Control Assoc., 15 (5), 215 (1965).
16. Bassette R., Whit nah С. H., Anal. Chem., 32, 1098 (1960).
ЭЛЕКТРОАНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
17. Kolthoff I. M., Harris IF. E, Ind. Eng. Chem., Anal. Ed., 18, 162 (1946).
18. Kolthoff I. M., Eisenstddter J., Anal. Chim. Acta, 24, 83 (1961).
19. Kolthoff I. M., Stricks IF., Morren L., Anal. Chem., 26, 366 (1954).
20. Kolthoff I. M., Lingane J. J., Polarography, 2nd Ed., Interscience, New York, 1952.
21. Leisey F. A., Anal. Chem., 26, 1607 (1954).
МЕТОДЫ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА
22. Leader G. IF., Anal. Chem., 42, 17 (1970).
23. Butler P. E., Mueller IF. //., Anal. Chem., 38, 1409 (1966).
РАДИОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
24. Friedmann E., Marrian D. H., Simon-Reuss I., Brit. J. Pharmacol., 4, 105 (1949).
25. Roberts E., Rouser G., Anal. Chem., 30, 1291 (1958).
26. Alexander N. M., Anal. Chem., 30, 1292 (1958).
27. Smyth D. G., Hagamatsu A., Fruton J. S., J. Am. Chem. Soc., 82, 4600 (1960).
28. Trachuk R., Hylnka I., Cereal Chem., 40, 704 (1963).
29. Lee С. C., Lai Т.-S., Cereal Chem., 44, 620 (1967).
30. Lee С. C., Lai Т.-S., Can. J. Chem., 45, 1015 (1967).
31. Lee C. C.t Lai Т.-S., Cereal Chem., 46, 598 (1969).
32. Lee С. C., Samuels E. R., Can. J. Chem., 39, 1152 (1961).
33. Lee С. C., Samuels E. R., Can. J. Chem., 40, 1040 (1962).
34. Lee C. C.t Samuels E. R., Can. J. Chem., 42, 164 (1964).
35. Smyth D. G., Blumenfeld O. O., Konigsberg IF., Biochem. J., 91, 589 (1964).
36. Lee С. C., Samuels E. R., Can. J. Chem., 42, 168 (1964).
37. Ellis R. J., Biochem. J., ПО, 43P (1968).
38. Flavin M.t Anal, Biochem., 5, 60 (1963)*
360
Глава 15
39. Geiger Р. L, Reiss О. K.t Wein J., Hellerman L., Federation Proc., 19, No. 1 (Part A), A-5, P1656 (1960).
40. Springell P. H., Leach S. Nature, 208, 1326 (1965).
41. Leach S. J., Meschers A., Springell P. H., Anal. Biochem., 15, 18 (1966).
42. Erwin V. G., Pedersen P. L., Anal. Biochem., 25, 477 (1968).
43. Stratton L. P., Frieden E.t Nature, 216, 932 (1967).
44. Neims A. H., Coffey D. S., Hellerman L., J. Biol. Chem., 241, 3036 (1966).
45. Neims A. H.t Coffey D. S., Hellerman L.y J. Biol. Chem., 241, 5941 (1968).
46. Matsushima L, Coal Tar, Japan, 14, 646 (1962) [Chem. Abstr., 60, 2334f].
47. Matsushima I., Coal Tar, Japan, 14, 649 (1962) [Chem. Abstr., 60, 2334g].
48. Bebesel P., Sirbu Rev. Chim. (Bucharest), 11, 288 (1960) [Chem. Abstr.,
58, 5034a],
49. Beer J. Z., Budzynski A. Z., Malwinska K., Chem. Analit., 12, 1055 (1967) [Chem. Abstr., 68, 366426].
50. Muenze R., Wiss. Z. Karl-Marx-Univ. Leipzig, Math.-Naturw. Reihe, 18, 621 (1969).
51. Блох Г. А., Голубкова E. А., Маклухин Г. П., ДАН СССР, 86, 569 (1952).
52. Гуръянова Е. Н., Васильева В. И., ЖФХ, 28, 60 (1954).
53. Moravek J., Nejedly Z., Filip J.t Science, 138, 146 (1962).
Диалкилдисульфиды
I. АБСОРБЦИОННЫЕ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Дж. Г. Ханна
ОПРЕДЕЛЕНИЯ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ ПРОВЕДЕНИЕМ ХИМИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЙ
Восстановление до меркаптанов
Дисульфиды можно количественно восстановить до меркаптанов:
RSSR + 2[Н] —> 2RSH
Используя эту реакцию для аналитических определений, Кольт-гофф и сотр. [1] пропускали раствор, содержащий меркаптан, через восстановительную колонку с амальгамированным цинком. Образующийся меркаптан определяли затем методом амперометрического титрования; однако конечную точку титрования можно было бы определить, по-видимому, и одним из спектрофотометрических методов, описанных в гл. 15.
Сиггиа и Сталь [2] в качестве восстановителя применяли бор-гидрид натрия. Избыток боргидрида разрушали едким натром и азотной кислотой, а затем потенциометрически титровали образовавшийся меркаптан, используя в качестве стандартного раствора раствор нитрата серебра. Как и прежде, в этом анализе можно, по-видимому, применить один из спектрофотометрических методов, описанных в гл. 15. Если образующийся в этой реакции меркаптан можно концентрировать перегонкой, то данным методом можно определять следовые количества дисульфидов.
II. ЭЛЕКТРОДНАЯИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
А. Ф. Крайвис
А. КУЛОНОМЕТРИЧЕСКОЕ БРОМИРОВАНИЕ ДИСУЛЬФИДОВ
Дисульфидная функциональная группа — одна из тех необычных групп, которые можно анализировать и путем окисления, и путем восстановления. В качестве типичного примера окисления
362
Глава 16
этой группы можно привести реакцию ее бромирования [3]:
RSSR + 5Вг2 + 4Н2О —> 2RSO2Br + 8НВг
ИЛИ
RSSR + 5Вг2 + 6Н2О —> 2RSO3H + ЮНВг
В работе [3] описано титрование дисульфидов смесью бромата и бромида.
Метод прямого кулонометрического бромирования имеет много преимуществ по сравнению с обычным методом бромирования с применением бюретки. Эти преимущества описаны в разд. III, гл. 1 и 12. По этой причине не так давно было предложено определять дисульфиды методом кулонометрического бромирования [4].
Экспериментальный метод (по исследованиям Сиза, Нимана и Свифта [4])
Оборудование. Для анализа необходимы источник постоянного напряжения и датчик времени. Их можно либо изготовить в лаборатории, либо купить. Электрическую цепь биамперометрического детектирования можно собрать из батареи на 1,5 В, переменного сопротивления и микроамперметра (со шкалой 10—0—10); эта электрическая схема (а также работа с ней) аналогична схеме, описанной в гл. 1, разд. III, В.
Оба генерирующих электрода изготовлены из платины. Анод представляет собой проволочную спираль, навитую на изолирующую камеру, в которой помещается катод. Изолирующая камера представляет собой стеклянную трубку, закрытую с одного конца мембраной с очень тонкими порами. Катод сделан из платиновой спирали. Изолирующую камеру можно заполнять порцией растворителя для титрования.
Биамперометрические электроды изготовлены из небольших отрезков платиновой проволоки. Их можно впаять в донышки стеклянных пробирок так, чтобы в растворе находились отрезки проволоки постоянной длины. Через переменное сопротивление и микроамперметр (см. рис. 1.5) эти электроды соединяются с батареей. Разность потенциалов между ними должна быть равна 0,2 В.
Растворитель для титрования. В кулонометрическом бромировании можно использовать растворители самых различных составов. Во многих различных растворителях бром генерируется с эффективностью 100%.
Для анализа хорошо подходит растворитель, состоящий из 60% ледяной уксусной кислоты, 26% метанола и 14% 1 М водного раствора бромида калия. В конкретном анализе может иметь смысл использовать растворитель другого состава.
Проведение анализа. В химический стакан емкостью 100 мл помещают палочку магнитной мешалки и переносят в него точную
Диалкилдисульфиды
363
навеску образца, содержащую примерно 0,005—0,01 мМ дисульфидного соединения. Затем в стакан наливают 50 мл растворителя для титрования, погружают в него электроды, изолирующую камеру и включают мешалку. При этом необходимо убедиться в том, что уровень растворителя в изолирующей камере выше уровня раствора в стакане.
Титрование ведут при токе 20 мА. (Размер пробы и (или) величину тока подбирают так, чтобы обеспечить титрование в продолжение примерно 200 с.) О конечной точке титрования судят по появлению устойчивого показания микроамперметра в цепи детектирования, равного 5 мкА. После титрования образца проводят холостое титрование и вычитают его продолжительность из продолжительности основного титрования. Содержание дисульфида С (%) в пробе вычисляют по формуле
z X / X М X ЮО
Г X 10 X 96 487 *
где М — молекулярный вес неизвестного соединения; W — вес пробы.
Б. АМПЕРОМЕТРИЧЕСКОЕ ТИТРОВАНИЕ ДИСУЛЬФИДОВ
Метод, описанный в разд. А, основан на реакции окисления дисульфидов бромом. Однако, как уже говорилось выше, определять дисульфиды можно и на основе реакции восстановления.
В щелочном растворе дисульфиды следующим образом реагируют с сульфитом натрия:
RSSR + SO2" RS" + RSSO;
В присутствии иона ртути(II) образуется слабодиссоциированный меркаптид Hg(RS)2, и благодаря этому данная реакция идет до конца [5]. Достаточное для этого количество иона ртути обеспечивается титрованием стандартным раствором, содержащим ион ртути(II); анализ при этом напоминает анализ меркаптосоединений, описанный в гл. 15. Отсюда видно, что меркаптаны мешают в определении дисульфидов данным методом. Однако при необходимости можно провести отдельный анализ образца на меркаптаны и ввести соответствующие поправки в результаты титрования дисульфида.
В ртутьметрическом методе титрования дисульфидов нельзя применять вращающийся платиновый электрод, поскольку в растворе сульфита ртуть связана в комплекс и не восстанавливается на электроде такого типа. Вместо платинового электрода в этом анализе используют ртутный капельный электрод. Чтобы не допустить реакции металлической ртути, обычно скапливающейся на дне сосуда, с ионом ртути(II), дно сосуда можно покрыть слоем хлороформа.
364
Глава 16
Экспериментальный метод (основанный на методе Стрикса, Колътгофа и Танака [5])
Оборудование. В этом анализе можно использовать любой автоматический или неавтоматический полярограф. Применяются ртутный капельный индикаторный электрод (КРЭ) и насыщенный каломельный электрод сравнения [6].
Ячейкой для титрования может быть небольшой химический стакан или колба, закрытые пробкой с отверстиями для КРЭ, соляного мостика электрода сравнения, бюретки и трубки для подачи газообразного азота. Для перемешивания раствора через него можно пропускать азот.
Рис. 16.1. График амперометрического титрования дисульфидов хлоридом ртути (II).
Реагенты. Среду для титрования приготавливают, смешивая порции нескольких различных растворов. При этом требуются следующие основные растворы: 0,1 М раствор буры, 4 М раствор хлорида калия и 1 М раствор сульфита натрия.
В качестве стандартного раствора для титрования используется 0,01 М раствор хлорида ртути(II).
Проведение анализа. В ячейку для титрования переносят 10 мл 0,1 М раствора буры, 2,5 мл 4 М раствора хлорида калия и чистый хлороформ в таком количестве, чтобы он покрыл дно ячейки. Затем в ячейку добавляют анализируемую пробу, содержащую примерно 0,02 мМ дисульфида, 4 мл 1 М раствора сульфита натрия и водой доводят объем полученного раствора до 20 мл. После этого в течение 10 мин через раствор в ячейке пропускают азот. По истечении указанного времени в раствор погружают соляной мостик электрода сравнения, КРЭ и титруют его раствором хлорида ртути (II) при потенциале —0,35 В. В процессе титрования раствор должен быть защищен слоем азота. В отдельном опыте
Диалкилдисульфиды
365
определяют величину остаточного тока при потенциале —0,35 В. (Титрование можно вести быстро, поскольку ток можно не измерять до тех пор, пока он не станет катодным.) Точка пересечения прямолинейного участка графика титрования, соответствующего избытку реагента, с линией остаточного тока является конечной точкой титрования. Типичный график титрования показан на рис. 16.1.
III. МЕТОДЫ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА
Г. Агахигиан
О применении метода ЯМР в анализе дисульфидов и полисульфидов сообщили Мартин и Пирс [7]. Они регистрировали спектры резонанса на ядрах водорода при а-углеродных атомах. В результате были получены следующие значения химических сдвигов для диалкилдисульфидов:
Химический сдвиг, млн
(CH2=CHCH2)2S2
(h-C5Hh)2S2 (CH3CH2)2S2
(CH2=CHCH2)2S3
(н-СбН11)253 (CH3CH2)2S3
(CH2=CHCH2)2S4
(«“C5H11)2S4
(c2h5)2s4
3,26
2,62
2,62
3,43
2,82
2,82
3,52
2,92
2,92
Тем же методом они анализировали бензилполисульфиды и определяли содержание в них серы.
Близкой к этому исследованию является работа Вайнярда [8]. В ней описан метод, основанный на реакции меркаптана с серой, в результате которой образуется преимущественно трисульфид:
2RSH + 2S —> RS3R + H2S
В анализе этим методом применяли такие меркаптаны, как изо-пропилмеркаптан, етор-бутилмеркаптан, изобутил меркаптан и н-бутилмеркаптан. В работе приведены значения химических сдвигов для линий резонанса на ядрах а-водородных атомов. трет-Бутилмеркаптан образовывал только тетрасульфид.
Результаты анализа аналогичных соединений, а также их селенсодержащих аналогов привели Грант и Ван Вазер [9].
366
Глава 16
IV. РАДИОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Д. Кэмпбелл
В настоящее время известен лишь один радиохимический метод определения алкилдисульфидной группы. Этот метод основан на расщеплении связи —S—S— в присутствии избытка сульфита натрия и меченого ртутьорганического соединения [10]:
R—S—S-R + SOf —> R-S’ + R-S-SO3 R— S" + R'—Hg—X —> R—S—Hg—R' - X"
В анализе этим методом, описанном в работе [10], использовались и фенилмеркур-203Н§-ацетат, и метил-14С-меркуриодид. До сих пор этот метод применяли лишь для анализа нерастворимых белков; он включает в себя обработку образца водно-диметил-формамидным раствором с буфером (pH 9), содержащим большой избыток сульфита и меньший избыток радиореагента. Поскольку анализируемые образцы содержали также и меркаптогруппы, отдельно проводили анализ на содержание этих групп (см. гл. 15) и по разности результатов обоих анализов определяли содержание дисульфида в образце. Были разработаны три способа оценки суммарного содержания групп —S—S— и —S—Н, аналогичные способам определения только группы —S—Н. Как и прежде для измерения радиоактивности реагента, меченного изотопом 203Hg, в анализе полумикроколичеств соединений предпочитали пользоваться счетчиками с твердыми сцинтилляторами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
АБСОРБЦИОННЫЕ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
1. Kolthoff I. М., May D. R., Morgan Р., Laitinen Н. A., O'Brian A. S., Ind. Eng. Chem., Anal. Ed., 18, 442 (1946).
2. Siggia S., Stahl C. R., Anal. Chem., 29, 154 (1957).
электроаналитические МЕТОДЫ
3. Siggia S., Edsberg R. L., Anal. Chem., 20, 938 (1948).
4. Sease J. W., Neiman C., Swift E. H., Anal. Chem., 19, 197 (1947).
5. Stricks W., Kolthoff I. M., Tanaka N., Anal. Chem., 26, 299 (1954).
6. Kolthoff I. M., Lingane J. J., Polarography, 2nd Ed., Interscience, New York, 1952. (есть также Кольтгоф И. М., Лингейн Дж., «Полярография, Полярографический анализ и вольтамперометрия», М.-Л., Госхимиздат, 1948).
МЕТОДЫ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА
7. Martin D. J., Pearce R. Н., Anal. Chem., 38, 1604 (1966).
8. Vineyard В. D., J. Org. Chem., 31, 601 (1966).
9. Grant D., Van Wazer J. R., J. Am. Chem. Soc., 86, 3012 (1964).
РАДИОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
10. Leach S. J., Meschers A., Springell P. H., Anal. Biochem., 15, 10 (1966).
Диалкилсульфиды
I. АБСОРБЦИОННЫЕ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Дж. Г. Ханна
А. ОПРЕДЕЛЕНИЯ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ ПРОВЕДЕНИЕМ ХИМИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЙ
Алифатические сульфиды реагируют с элементарным иодом с образованием комплекса, имеющего максимум поглощения в УФ-области спектра при 310 нм:
RSR + I2 (RSR.I)+r
Гастингс [1] положил эту реакцию в основу спектрофотометрического метода определения сульфидов в углеводородах с изооктаном в качестве реакционной среды. Гастингс и Джонсон [2] указывали на то, что для полного смещения равновесия реакции в сторону образования комплекса необходим большой избыток иода в реакционной смеси.
Необходимость присутствия относительно большого избытка иода в реакционной смеси признавали также Драшел и Миллер [3]. В качестве растворителя эти авторы применяли четыреххлористый углерод.
Метод Драшела и Миллера [3]
Оборудование. Спектрофотометр фирмы «Beckman» модели DU с фотоумножителем и парой согласованных кювет (/ = 1 см) из плавленого кварца.
Реагенты. Раствор иода. Растворяют точно 10,00 г иода в четыреххлористом углероде и разбавляют раствор до 1 л.
Проведение анализа. Берут навеску анализируемого соединения, растворяют его в четыреххлористом углероде и разбавляют полученный раствор до нужного объема. После этого разбавляют порцию этого раствора так, чтобы поглощение получаемого в дальнейшем раствора пробы с иодом оказалось внутри интервала 0,4—1,0, что обеспечивает наибольшую точность анализа. Очень малые количества анализируемого соединения (например,
368
Глава 17
хроматографически разделенные фракции) взвешивают на микро-или полумикровесах и разбавляют до получения 25 мл раствора. Ниже приводятся рекомендуемые интервалы для веса анализируемых проб.
Рекомендуемый вес пробы (мг), Содержание серы в пробе необходимый для получения алифатического сульфида, величины поглощения в преде-% лах 0,4—1,0 (после разбавления
до 25 мл)
0,05 0,10 0,20 0,40 0,60 0,80
1,0 1,5 2,0
60—140
30—70
15—35
8—18
5—12
4—9
3—7
2—5
1-3
После приготовления раствора пробы им разбавляют до 10 мл 1 мл реагента (раствора иода). Тот же раствор пробы добавляют в 1 мл четыреххлористого углерода до получения 10 мл раствора, который используют впоследствии в качестве раствора сравнения. Сразу же после приготовления этих растворов измеряют поглощение анализируемого раствора при 310 нм. Измерения нужно начинать сразу же после того, как кюветы с порциями этих растворов будут установлены в спектрофотометр.
Для приготовления холостого раствора разбавляют 1 мл раствора реагента четыреххлористым углеродом до получения 10 мл раствора. Поглощение этого раствора измеряют при 310 нм, используя четыреххлористый углерод в качестве раствора сравнения.
Вычисления. Содержание алифатического сульфида С (%) в анализируемой пробе вычисляют по формуле
(Л! — Л2) х 100
400 X 0,9 х k ’
где Л1 — поглощение анализируемого раствора (с иодом) при 310 нм; А2 — поглощение холостого раствора; множитель 0,9 в знаменателе этой формулы представляет собой коэффициент разбавления раствора реагента раствором пробы, k — концентрация раствора пробы, г/л.
Было показано, что помехи, связанные с образованием комплексов углеводородов с иодом, в этом анализе пренебрежимо малы. Поглощение, обусловленное ароматическими сульфидами, относительно мало, и, таким образом, эти соединения также не мешают анализу. Комплексы олефинов и меркаптанов с иодом поглощают слабо и не мешают анализу, если только на их образо
Диалкилсу лъфиды
369
вание не расходуется слишком большое количество иода, избыток которого в растворе необходим для полного завершения реакции сульфида.
II. ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
М. Бероза, М. Н. Инской
См. описание анализа меркаптанов, приведенное в гл. 15, разд. II.
В результате нескольких исследований, связанных с анализом остатков пестицидов, содержащих группу >P = S, а также сульфидную связь (например, фентион или форат), было обнаружено, что группа P = S окислена, по крайней мере частично, до группы >Р = О, а сульфидная связь — до сульфоокиси и сульфона. Эти соединения определяли методом ГХ после их предварительного разделения на колонке с адсорбентом, причем наиболее труден был хроматографический анализ сульфоокисей [4—8]. В анализе одной пробы остатка пестицида пришлось определять шесть соединений (сульфид, сульфоокись и сульфон соединений с группами P = S и Р = О).
В работе [9] описан метод, позволяющий проводить более быстрые ежедневные анализы. Этот метод основан на окислении всех соединений до наивысшей степени их окисления, т. е. до сульфона, содержащего группу Р = О, и определении окисленного соединения. Он существенно упрощает определения; правда, он позволяет определить лишь полное содержание остатка, однако этого вполне достаточно в большинстве анализов остатков.
III. ЭЛЕКТРОАНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
А. Ф. Крайвис
КУЛОНОМЕТРИЧЕСКОЕ ТИТРОВАНИЕ ДИАЛКИЛСУЛЬФИДОВ БРОМОМ
В гл. 16 обсуждалось окисление дисульфидной группы до сульфобромидной путем реакции с бромом. Диалкилсульфиды также реагируют с бромом, образуя сульфоокиси или сульфоны:
О
II
RSR + Вг2 + Н2О —> RSR 4- НВг ИЛИ
О
II
RSR 4- 2Вг2 + 2Н2О —> RSR + 4НВг
370
Глава 17
Во многих случаях окисление в избытке брома может идти до образования сульфона. По этой причине во многих классических волюмометрических методах [10] предполагается, что следует избе-гать избытка (или по крайней мере большого избытка) брома; это позволяет ограничить окисление многих соединений образованием сульфоокиси. Однако существует много соединений, которые очень легко окисляются до сульфона, причем таким соединением может оказаться и анализируемое соединение. Поэтому при окислении сульфида бромом разумно сначала установить стехиометрию соответствующей реакции, используя чистые эталонные соединения.
Преимущества кулонометрического титрования бромом в сравнении с титрованием из бюретки обсуждались в гл. 1, 12 и 16 этой книги. Все указанные преимущества имеют место и в определениях диалкилсульфидов этим методом.
Экспериментальный метод
Оборудование и реагенты. Необходимые для этого анализа оборудование и вещества подробно описаны в гл. 1, 12 и 16.
Проведение анализа. В анализе диалкилсульфидов можно применять метод кулонометрического титрования дисульфидов (гл. 16, разд. II).
Вычисления
IXtXMXAW
W х 2/1 х 96 487 ’
где С — содержание сульфида в пробе, %; М— молекулярный вес неизвестного соединения, W — вес пробы; величина п может принимать значения 2 или 4 в зависимости от стехиометрии реакции.
IV. МЕТОДЫ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА
Г. Агахигиан
Методом ЯМР анализировали сульфиды, дисульфиды и полисульфиды. В работе [11] приведены данные анализа арилтиоэфиров и обсуждается влияние окисления сульфидов до сульфонов на величину химических сдвигов линий протонного резонанса:
no2 no2 no2
Линии резонанса на протонах тиольной части эфира при окислении не сдвигаются, а линии резонанса на протонах кольца, содержащего нитрогруппы, изменяют свое положение в спектре. В укд-
Список литературы
371
занной работе анализировались такие 2,4-динитрофенилтиоэфиры, как метиловый, этиловый, пропиловый, изоамиловый, дециловый, бензиловый, фениловый, о-толиловый, л^-толиловый и п-толило-вый. Приведены данные для этилового, пропилового, изоамилового, бензилового, децилового, фенилового и толилового производных сульфонов. Данным методом было легко различить алкил-сульфиды, сульфоокиси и сульфоны, однако в нем используются резонансы на протонах, близких или смежных с этим гетероато-мом, и потому он не является прямым методом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
АБСОРБЦИОННЫЕ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
1. Hastings S. Н., Anal. Chem., 25, 420 (1953).
2. Hastings S. H., Johnson В. H., Anal. Chem., 27, 564 (1955).
3. Drushel H. V., Miller J. F., Anal. Chem., 27, 495 (1955).
ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
4. Bowman M. C., Beroza M., J. Agr. Food Chem., 16, 399 (1968).
5. Bowman M. C., Beroza M., J. Assoc. Offic. Anal. Chemists, 52, 1054 (1969).
6. Bowman M. C., Beroza M., Harding J. A., J. Agr. Food Chem., 17, 138 (1969).
7. Bowman M. C., Beroza M., Gentry C, R., J. Assoc. Offic. Anal. Chemists, 52, 157 (1969).
8. Maitlen J. C., McDonough L. M., Beroza M., J. Agr. Food Chem., 16, 549 (1968).
9. Bowman M. C., Beroza M„ J. Assoc. Offic. Anal. Chemists, 52, 1231 (1969).
ЭЛЕКТРОАНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
10. Siggia S., Quantitative Organic Analysis via Functional Groups, 3rd Ed., John Wiley, New York, 1963, pp. 614—615.
МЕТОДЫ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА
11. Agahigian Н., Vickers G. D., J. Org. Chem., 27, 3324 (1962).
Сульфокислоты, соли, сложные эфиры, галогениды, амиды и имиды
I. АБСОРБЦИОННЫЕ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Дж. Г. Ханна
А. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕТОДОМ ИК-СПЕКТРОФОТОМЕТРИИ
1. Толуол- и ксилолсульфонаты
Каллбом и Смит [1] разработали ИК-спектрофотометрический метод определения толуол- и ксилолсульфонатов с использованием их полосы поглощения при 1175 см-1, обусловленной колебаниями связи SO. Они обнаружили, что на интенсивность этой полосы поглощения не оказывают влияния изменения алкильного заместителя в бензольном кольце. Тот факт, что метод основан на поглощении энергии сульфонатной группой и не чувствителен к строению исходной молекулы, позволяет предположить, что он может иметь более общее применение.
Б. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕТОДОМ УФ-СПЕКТРОФОТОМЕТРИИ
1. Толуолсульфокислоты
Пинкас и Авинур [2] определили содержание сульфокислот в присутствии большого избытка серной кислоты на основе измерения полосы поглощения этих кислот при 222 нм. Серфонтен, Дуин и Воллбрахт [3] методом УФ-спектрофотометрии определили три изомерных толуолсульфокислоты также в присутствии большого избытка серной кислоты. Результаты измерения поглощений неизвестной смеси или ее компонентов, полученные для большого числа различных длин волн, они обрабатывали методом наименьших квадратов с помощью ЭВМ.
2. Толуолсульфамиды
В непосредственном анализе методом УФ-спектрофотометрии Стюарт, Колдвелл и Ульнер [4] определили состав смеси о- и n-толуолсульфамидов. Они определяли отношение поглощения при длине волны, для которой коэффициенты погашения этих изомеров
Сульфогруппы
373
заметно отличаются друг от друга (276 нм; при этой длине волны поглощение обусловлено преимущественно орто-изомером), к поглощению при длине волны, при которой коэффициенты погашения этих изомеров одинаковы (256 нм).
В. ОПРЕДЕЛЕНИЯ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ ПРОВЕДЕНИЕМ ХИМИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЙ
Определение алкилбензолсульфонатов по реакции с о-толидином и гипохлоритом
Харрис [5] определял алкилбензолсульфонаты, используя образование голубого раствора при добавлении раствора сульфоната в раствор о-толидина и гипохлорита натрия.
Метод Харриса (5]
Оборудование. Фотоэлектрический колориметр фирмы «Сепсо-Sheard-Sanford» с фильтром типа В (максимальное пропускание при 525 нм) или спектрофотометр, позволяющий проводить измерения в диапазоне 500—600 нм.
Реагенты. Гипохлорит натрия. Приготавливают его раствор, содержащий ЗХЮ-2О/о хлора.
Раствор о-толидина. Добавляют 1 г о-толидина к 5 мл 20%-ной НС1 и растирают его в тонкую пасту. Для растворения пасты в нее добавляют 150—200 мл воды. Полученный раствор переносят в мерный цилиндр емкостью 1 л и доливают его до 505 мл дистиллированной водой, а затем до 1 л 20%-ной НС1. Готовый раствор хранят в сосуде из темного стекла в месте, защищенном от действия прямых солнечных лучей.
Проведение анализа. В две мерные колбы емкостью 50 мл каждая наливают по 40 мл дистиллированной воды, затем добавляют в них по 1 мл ЗХЮ"2%-ного раствора гипохлорита натрия и перемешивают полученные растворы. Затем в каждую колбу добавляют по 2 мл раствора о-толидина и вновь перемешивают растворы. После этого раствор в одной из колб доливают до метки дистиллированной водой. Полученный разбавленный раствор используют в качестве холостого раствора. В другую колбу добавляют неизвестный раствор алкилбензолсульфоната известного разбавления. Это добавление ведут небольшими известными порциями до изменения окраски раствора в колбе. Полученный окрашенный раствор разбавляют до метки и измеряют его поглощение относительно поглощения холостого раствора. Содержание сульфоната в неизвестном растворе определяют по калибровочному графику.
Изменение цвета заметно даже при содержании в 50 мл раствора 0,05 мг сульфоната (что эквивалентно концентрации в ю-4%).
374
Глава 18
II. ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
М. Бероза, М. Н. Инской
Арилсульфокислоты и их соли можно быстро определить путем их сплавления с КОН при температуре 380—400°C в атмосфере азота или гелия. Сплавление осуществляют в небольшой нагревательной камере, соединенной с газовым хроматографом. После сплавления к плаву добавляют раствор малеиновой кислоты и определяют количества и типы выделяющихся фенолов методом ГХ [6]. Изомерные сульфокислоты, их аммониевые соли или амиды сначала следует превратить в сульфохлориды, а затем в сульфофториды и определять последние методом ГХ [7, 8].
Для определения арилсульфокислот и их солей можно применять пиролитическую ГХ; в количественном анализе таким методом измеряют количество образующейся двуокиси серы или в некоторых случаях исходного углеводорода [9].
III. РАДИОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Д. Кэмпбелл
А. ПРЕВРАЩЕНИЕ СУЛЬФАМИДОВ В СОЛИ РАДИОАКТИВНОГО ИЗОТОПА СЕРЕБРА
Сульфамиды, образующие нерастворимые соли серебра, определяли методом, который представляет собой радиометрический вариант обычного волюмометрического метода [11] с применением нитрата cepe6pa-110mAg [10]. В анализе этим методом образец растворяют в ацетоне, добавляют в раствор окись магния и титруют полученный раствор. Конечную точку титрования определяют путем измерения радиоактивности верхней фазы, обусловленной избытком иона llOmAg+. Ошибки определения этим методом составляют от +0,6 до —0,8%.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
АБСОРБЦИОННЫЕ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
1. Kullbom S. D., Smith Н. F., Anal. Chem., 35, 912 (1963).
2. Pinchas S., Avinur P., Anal. Chem., 30, 2022 (1958).
3. Cerfontain H., Duin H. G. J., Vollbracht L., Anal. Chem., 35, 1005 (1963).
4. Stewart F. N., Caldwell J. E., Uelner A. F., Anal. Chem., 31, 1806 (1959),
5. Harris J. C, Ind. Eng. Chem., Anal. Ed., 15, 254 (1943),
Список литературы.
375
ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
6. Siggia S, Whitlock L. R., Tao J. C., Anal. Chem., 41, 1387 (1969).
7. Parsons J. S., J. Gas Chromatog., 5, 254 (1967).
8. Спрысков А. А., Козлов В. А., Изв. высш, учебн. зав., хим. и хим. технол., 11, 785 (1968).
9. Siggia S., Whitlock L. R., Anal. Chem., 42, 1719 (1970).
РАДИОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
10. Bebesel P., Sirbu /., Riv. Chim. (Bucharest), 11, 288 (1960); Chem. Abstr., 58, 5034a.
11. Кшп-Tatt L.t Analyst, 82, 185 (1957).
19
Автоматический химический анализ в жидкой фазе для определения функциональных групп
Р. А. Хофштадер, У. К. Роббинс
I. ВВЕДЕНИЕ
В последние годы появились различные подходы к автоматизации химического анализа в жидкой фазе (мокрого химического анализа). Однако одновременно с этим происходило развитие и физических методов (например, спектроскопии и хроматографии), поэтому применению методов химического анализа в жидкой фазе к определению функциональных групп уделялось мало внимания. Методы автоматического химического анализа активно применяли в тех случаях, когда неприменимы физические методы. Это в первую очередь относится к задачам контролирования химических процессов и клинического анализа, когда требуется часто анализировать большое число подобных образцов. Специфичность и дешевизна химических методов наряду с быстротой анализа и простотой оборудования обусловили широкое их применение в этих областях. В анализах сложных систем химические методы благодаря своей специфичности (избирательности) часто оказываются эффективнее физических методов. В этой главе рассматривается проблема автоматизации химических методов в жидкой фазе и обращается особое внимание на методологию, имеющееся оборудование и практическое применение.
Используемое здесь понятие «автоматическая система» подразумевает возможность шаг за шагом осуществлять химический анализ без участия человека. Сообщения о применениях автома- ’ тических методов анализа функциональных групп рассеяны по многим источникам и по этой причине их трудно отыскать. В 1969 г. проходил симпозиум, на котором обсуждались вопросы, связанные с автоматическим анализом функциональных групп [1—5]; статья Митчелла [4] включена в труды этого симпозиума. В данной главе представлен частичный обзор и классификация имеющейся литературы по этому вопросу вплоть до 1970 г.
Автоматический химический анализ в жидкой фазе
377
Большинство из приведенных здесь данных по оборудованию и применению этих методов взяты из журналов «Analytical Abstracts» за 1959—1970 гг., «Chemical Abstracts» за 1957—1970 гг.» «Technicon Symposia» за 1965—1967 гг. [15—17] и из литературы, выпущенной фирмами, производящими оборудование (в основном фирмами США). При этом было необходимо осветить литературу по самым различным отраслям знания, ввиду чего пришлось опустить многие работы, за что автор с самого начала приносит свои извинения. Следует подчеркнуть также, что здесь не сделана попытка рассмотреть проблему автоматизации с точки зрения применения вычислительных машин. На эту тему имеется много обзоров литературы [18].
II. МЕТОДОЛОГИЯ
В принципе можно допустить, что автоматизировать можно любой химический анализ в жидкой фазе. Соображения в пользу автоматизации носят чисто экономический характер и опираются на стоимость оборудования, увеличение эффективности анализа и экономию рабочего времени и рабочей силы. Эти же соображения определяют и то, насколько нужно автоматизировать процесс, иными словами, следует ли автоматизировать весь процесс анализа или только его часть. Автоматизация не является самоцелью. Дополнительные затраты на автоматизацию оправданы лишь постольку, поскольку она обеспечивает анализ большего числа образцов, большую скорость анализа, большую его точность. При выполнении этих условий затраты на автоматизацию компенсируются увеличением эффективности анализа. В этом смысле автоматизация процесса оправдана снижением связанных с проведением анализа затрат.
Наиболее часто необходимость в автоматизации ощущается в области биомедицины [20—22]. Современную клиническую лабораторию можно оборудовать автоматическими приборами для анализа ферментов [23—26], для приготовления срезов для микроскопии и даже для проведения сложных анализов крови [27]. Имеется много примеров применения автоматических методов в области фармацевтики [28—29]. Несмотря на то что ни один из упомянутых выше элегантных приборов не применяли для анализа функциональных групп, многие реализованные в них идеи можно использовать для этой цели.
Еще одной областью, в которой требуется автоматизация, является контроль за химическими процессами. Сложность этих процессов привела к необходимости автоматизировать анализ химическими, а также физическими методами. Несколько авторов описали такие автоматические системы [30—33]. Лишь несколько функциональных групп определили в потоках веществ,
378
Глава 19
участвующих в непрерывном процессе, однако для анализа этих групп можно применить многое из имеющегося в этой области оборудования. Таким образом, автоматизация химического анализа в жидкой фазе берет свое начало в основном из двух различных областей.
Основным этапом химического анализа в жидкой фазе является химическая реакция, однако полный анализ можно рассматривать как процесс, состоящий из четырех этапов:
Отбор проб.
Подготовка и разделение.
Проведение реакции.
Детектирование и измерение.
Полностью автоматизированный анализ можно определить как анализ, в котором все операции, начиная от отбора проб и кончая измерениями, осуществляются без участия человека. Анализ, в котором на некоторых этапах требуется вмешательство человека, называется частично автоматизированным. Так, например, в полностью автоматизированной системе проба автоматически подается в реактор, автоматически производятся измерения и регистрация результатов. В частично автоматизированной системе проба может вручную подаваться в титратор, а окончательные измерения могут выполняться автоматически. Некоторые виды частичной и полной автоматизации описаны в работе Пейтента [34].
Существуют два типа полностью автоматизированных систем— непрерывные и дискретные. Непрерывная система обеспечивает анализ в непрерывном потоке вещества. В дискретной системе анализируются отдельные пробы в сосудах. Имеются так называемые гибридные системы обоих типов, позволяющие проводить анализы различных веществ, причем соответствующее оборудование имеется в продаже.
Методы химического анализа в жидкой фазе основаны на использовании реакции, характерной для анализируемой функциональной группы. Эта реакция должна быть как можно более специфична по отношению к этой группе. Для того чтобы эту реакцию можно было автоматизировать, она должна быть быстрой'и, кроме того, должны быть легко измеримы количества соответствующих реагентов или продуктов. Используя подходящее оборудование, можно автоматизировать любую реакцию, в которой образуются или расходуются измеримые количества кислот, оснований, окислителей, ионов металлов, осадков или окрашенных комплексов. Некоторые из таких реакций уже обсуждались в предыдущих главах этой книги; другие можно найти в стандартных учебниках.
В некоторых случаях автоматизация анализов в химии растворов позволяет применять методы, которые невозможно реализовать вручную. Характерная для автоматических систем воспроизводимость результатов, а также возможность частого проведения калибровочных измерений дают возможность получать
Автоматический химический анализ в жидкой фазе
379
точные и надежные результаты и при использовании реакций, не протекающих до конца. Так, например, если метод анализа обеспечивает линейную зависимость результатов от концентрации анализируемого соединения (т. е. реакция имеет кинетику псевдопервого порядка), то анализ в автоматической системе можно основывать на реакциях, которые не идут до полного завершения. В некоторых аналогичных случаях применяли и частичные разделения. Некоторые успехи в анализах были достигнуты даже при детектировании в нестационарных условиях.
III. ОБОРУДОВАНИЕ
Автоматический анализ успешно осуществляли с использованием как непрерывных, так и дискретных систем, причем каждая из этих систем имеет свои преимущества и недостатки. Метод непрерывного анализа, развитию которого способствовали Феррари [35] и Скеггс [36], основан на простых принципах. В этом методе предусмотрена непрерывная регистрация параметров процесса, благодаря чему быстро обнаруживаются отклонения от его нормального течения. Однако в анализе этим методом расходуются большие количества реагента. Кроме того, в нем требуются относительно большие пробы с тем, чтобы могли установиться равновесные концентрации анализируемых соединений. Относительная стоимость анализа в такой системе уменьшается при повторных анализах многих проб, однако при этом могут возникнуть трудности, связанные с диффузией анализируемого вещества (например, расширение хроматографических пиков или перемешивание анализируемых проб).
С другой стороны, в дискретном анализе используются небольшие количества реагентов и анализируемого вещества. Сам по себе этот метод напоминает классические методы анализа, однако для полной его автоматизации требуются сложные устройства. Различные принципы дискретного анализа часто лежат в основе частично автоматизированных систем.
В этом разделе обсуждаются различные типы оборудования для химического анализа в жидкой фазе с точки зрения их доступности и применения этого оборудования для отбора проб, приго-•товления и разделения веществ, проведения химических реакций и измерений. В литературе уже имеются обзоры автоматического оборудования [38—40]. Оборудование, имеющееся в продаже в настоящее время, описано в табл. 19.1 разд. V. Большинство оборудования, упомянутого в этой таблице, еще не применялось в анализах органических функциональных групп: эта таблица, является скорее списком имеющегося оборудования, которое можно использовать для автоматизации химических анализов в жидкой фазе. Цель таблицы состоит в том, чтобы познакомить читателя с характеристиками имеющегося оборудования, а также в том,
380
Глава 19
чтобы на первых порах он знал, куда обратиться за тем или иным прибором.
В табл. 19.1 не включены некоторые типы устройств, которые удовлетворяют приведенному выше определению автоматической системы для химического анализа в жидкой фазе. Опущены в ней и такие приборы, как сборники фракций, нагревательные бани и т. п.; эти приборы широко известны и применяются во многих лабораториях. Метод ГХ обсуждается в других главах этой книги, поэтому из соответствующего оборудования в табл. 19.1 включены лишь автоматические устройства для ввода проб в газовый хроматограф. Недавно вышли обзоры [41, 42] литературы по комбинированному применению ГХ и масс-спектрометрии; по этой причине в табл. 19.1 нет сведений о соответствующих устройствах. В других источниках читатель может найти и информацию об автоматическом анализе аминокислот [43—45].
А. АНАЛИТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
1. Отбор проб
«Отбор проб» в наиболее широком смысле означает получение однородной порции анализируемого материала. Очень часто при этом требуется предварительное приготовление материала для анализа. Для простоты мы ограничимся здесь обсуждением способов отбора пробы материала, уже готового для анализа.
Большинство из соответствующих автоматических устройств сконструированы для отбора жидких проб и включают в себя насос. Сосуды с растворами проб в таком устройстве подводят к трубке, погружают трубку в раствор, засасывают в нее порцию раствора и в зависимости от типа применяемого насоса эту порцию вводят в реакционный сосуд, в систему для непрерывного анализа, выдувают в отходы или возвращают в прежний сосуд. Размер отбираемой таким образом пробы регулируют, изменяя продолжительность всасывания порции из сосуда (датчик времени) или скорости всасывания. Насосы для всасывания пробы часто не являются составной частью устройства для отбора проб, а установлены где-либо в других частях системы или представляют собой отдельный блок. Пример устройства для отбора проб с всасывающей трубкой показан на рис. 19.1.
В непрерывных системах наиболее часто применяются перистальтические насосы типа того, который показан на рис. 19.2. Такой насос состоит обычно из эластичной трубки, по которой движутся катки, выжимающие из нее порции жидкости. (Имеются специальные трубки для таких насосов, инертные по отношению к органическим материалам.) Производительность такого насоса регулируют, применяя трубки различного диаметра или изменяя скорость движения катков. Принцип действия этих насосов огра-
Рис. 19.1. Устройство для отбора проб с заборной трубкой, применяемое в непрерывных анализах,
Рис. 19.2. Перистальтический насос с восемнадцатью трубками для непрерывного анализа.
382
Глава 19
ничивает их применение только анализами при небольших давлениях.
Несколько более высокие давления можно обеспечить непрерывными поршневыми насосами. В двух неподвижных цилиндрах такого насоса поршни движутся в противофазе друг к другу. Изменяя диаметры цилиндров и скорость движения поршней, производительность такого насоса можно регулировать в широких пределах. При необходимости получить высокие давления можно
Рис. 19.3. Устройство для отбора твердых проб, применяемое в непрерывных анализах.
применять прецизионные дозирующие насосы. Эти насосы бывают поршневыми, диафрагменными или типа мехов; они позволяют получать импульсы жидкостей при давлении до 70 атм. Производительность такого насоса можно регулировать путем изменения скорости вращения двигателя или длины рабочего хода. Изготавливают эти насосы, как правило, из материалов, инертных по отношению к растворителям, таких, как металл, стекло или тефлон.
В дискретных анализах обычно применяют поршневые насосы дискретного действия. Поршни таких насосов часто используют лишь в качестве аспираторов в том смысле, что они изолированы от отбираемой пробы стеклянной или пластмассовой трубкой.
Автоматический химический анализ в жидкой фазе
383
Объем пробы, отбираемой с помощью такого насоса, чаще всего определяется диаметром цилиндра и длиной хода поршня.
В некоторых устройствах для отбора проб твердые образцы ссыпают в высокоскоростной смеситель, в который предварительно наливают необходимый растворитель или раствор для экстрагирования (рис. 19.3). Получаемый в результате раствор подают насосом в проточную систему, где отбирают его порцию.
В более полно автоматизированных системах применяют автоматические регистрирующие весы, которые обеспечивают полностью автоматическое взвешивание табле
ток или капсул анализируемого материала.
Автоматический отбор газообразных проб осуществляют с помощью систем промывки газа. В такой системе газ пропускают сверху вниз по спиральной колонке навстречу потоку абсорбирующего раствора.
Отношение скоростей потоков раствора и газа можно точно контролировать. В нижней части колонки газ отделяется от раствора и его автоматически отбираемая порция подается на дальнейшую обработку.
2. Подготовка и разделение
«Подготовка» означает этап подготовки анализируемого материала для проведения реакции. Выше уже говорилось о солюбилизации твердых и газообразных проб в устройствах для отбора проб, поэтому здесь мы ограничимся обсуждением разбавления, экстракции и(или) удаления примесей из раствора пробы.
Во многих автоматических и полуавтоматических системах насос для отбора проб используется и для введения разбавителя. В непрерывных системах известное количество разбавителя смешивают с пробой в непрерывном потоке. В дискретном анализе
Рис. 19.4. Устройство для непрерывной экстракции растворителем.
разбавителем можно
переносить пробу в реакционный сосуд.
Существуют устройства для автоматического удаления примесей из анализируемого соединения. В продаже имеются устройства для проведения экстракций из одной фазы в другую. В одной из непрерывных систем поток жидкости проходит снизу вверх
через вертикально расположенную стеклянную спиральную трубку, заполненную стеклянными шариками, которые обеспечивают
5
Автоматический химический анализ в жидкой фазе
385
Рис. 19.5. А. Центрифуга для экстракции • растворителем и (или) фильтрации-Б. Экстракция растворителем: а — введены водная и органическая фазы; б — перемешивание фаз; в — водная и органическая фазы разделены — водная фаза выходит из центрифуги.
В. Осаждение: а — введены реагенты, раствор перемешан и образуется осадок; б — взвесь центрифугируется, более легкая фаза выходит из центрифуги в сборник, осадок остается за пористой перегородкой; в — осадок вновь растворяется.
1 — держатель трубок; 2 — мешалка; 3 — сборник; 4 —пористая перегородка; 5—корпус центрифуги; 6—мотор центрифуги.
большую поверхность взаимодействия фаз. По выходе из верхней части такой колонки жидкость поступает в сепаратор, где происходит разделение фаз, причем нужную фазу непрерывно отбирают для анализа, а вторую фазу откачивают в сброс. Пример соответствующего устройства показан на рис. 19.4.
Автоматическое разделение фаз можно осуществить и с помощью центрифуги, причем имеются центрифуги нескольких типов. Их общим назначением является удаление твердых
13 Зак. 53
386
Глава 19
взвешенных частиц из анализируемых жидкостей. Имеются и центрифуги, позволяющие разделять жидкие фазы. Выделение нужной фазы достигается при этом путем использования специальных пористых колец (рис. 19.5).
В настоящее время ведутся исследования по созданию систем, позволяющих проводить полный анализ в роторе центрифуги специальной конструкции [46]. Наиболее часто разделения с помощью центрифуг применяют в дискретных аналитических системах.
Рис. 19.6. Устройство для непрерывной фильтрации.
Было разработано также специальное фильтрующее устройство для удаления осадка в непрерывном анализе. В этом устройстве анализируемая жидкость подается на ленту фильтровальной бумаги, которая движется над валиком из тефлона. Под этим валиком установлена трубка, через которую отфильтрованная жидкость подается на дальнейшую обработку. Это устройство показано на рис. 19.6.
В медицине широко применяется метод разделения, основанный на диализе. Основной частью соответствующего прибора, имеющегося в продаже, являются две пластинки с кольцевыми спиральными канавками, разделенные мембраной. Спиральные канавки обеих пластинок совпадают друг с другом, образуя
it*
Рис. 19.7. Автоматическое устройство
для непрерывного диализа.
Рис. 19.8. Аппарат для перегонки в непрерывном анализе.
388
Глава 19
канал длиной около 2 м, разделенный в продольном направлении мембраной. Раствор диализируемого материала течет в одной из половинок этого канала, причем сам материал проникает сквозь мембрану и попадает в поток, текущий по другую ее сторону. В недавно разработанном приборе для диализа используется гораздо более короткий канал (около 18 см) (рис. 19.7).
Как правило, применение разделений методом диализа ограничены водными системами. Для концентрирования веществ, выходящих из хроматографической колонки, можно применять ультрафильтрацию на основе диализа под давлением [47] с использованием некоторых органических растворителей.
Микрокуб специальной конструкции позволяет выделять летучие вещества в поглощающий раствор или путем конденсации. Получаемый в результате раствор с поглощенным веществом или конденсат можно подвергнуть дальнейшей обработке (рис. 19.8).
В большинстве методов хроматографического анализа растворов (обсуждаемых в других главах этой книги) применяются ввод пробы и сбор разделенных фракций с целью дискретного анализа отдельных проб. Однако имеется большое число различных переключателей потока, с помощью которых этот метод можно применять и в непрерывном анализе. Можно также соединить непрерывную систему со сборником фракций и обрабатывать собранные фракции как отдельные пробы в дискретном анализе.
Имеются несколько методов автоматического определения аминокислотных остатков в продуктах гидролиза пептидов, которые основаны на ионообменных методах с градиентным элюированием [43—45]. Соответствующие устройства, обеспечивающие создание непрерывных градиентов буферного раствора, применяли также и в анализе остатков сахаров [48, 49].
3. Проведение реакций
специальные условия Функциональная группа + реагент ----> продукт.
(анализируемое соединение и смесь соединений)
Это основной шаг анализа; в результате образуются соединения (продукты), количества которых можно измерять. Измеряют либо количество образующегося продукта реакции, либо количество реагента, которое эквивалентно количеству определяемой функциональной группы. В первом случае в реакционную смесь обычно добавляют избыток реагента и измеряют какой-либо из параметров продукта (например, интенсивность окраски, изменение потенциала и т. п.). Во втором случае определяют момент, когда в реакционную смесь будет добавлено эквивалентное количество реагента (например, при титровании).
Автоматический химический анализ в жидкой фазе
389
В непрерывном анализе реагент подают насосом, смешивают с образцом и контролируют прохождение реакции до нужной степени в текущем потоке вещества. Для наилучшего перемешивания потока в трубках малого диаметра в него вводят пузырьки воздуха. Эти пузырьки делят поток на части (сегменты); такие небольшие сегменты следуют друг за другом по мере прохождения потока через спиральную трубку; для осуществления следующей операции эти пузырьки можно удалить из хорошо перемешанного потока. В дискретных анализах применяются реакционные сосуды гораздо большего диаметра. В таких сосудах перемешивание, как правило, совершается за счет диффузии; в анализе следует избегать появления в этом сосуде градиентов плотности. По этой причине, например, концентрированный реагент следует добавлять в разбавленный раствор анализируемого вещества с его поверхности. Степень перемешивания в некоторой степени зависит и от скорости подачи реагента в раствор.
При необходимости проводить реакцию при пониженных или повышенных температурах реакционный сосуд можно помещать в баню с постоянной температурой. Если это требуется в непрерывном анализе, то поток пропускают по спирали, погруженной в баню. В любом случае степень прохождения . реакции определяется температурой бани и продолжительностью нагревания. В продаже недавно появилось автоматическое устройство для превращения аминокислотных остатков (в продуктах гидролиза пептидов) в их летучие N-ацетиловые, N-пропиловые эфиры и введения этих эфиров в газовый хроматограф. Аналогичные операции можно проводить и с другими функциональными группами, которые легко превращаются в летучие производные.
4. Детектирование
К настоящему времени разработаны системы детектирования, имеющие высокую чувствительность, малое мертвое время и малую инерционность. Многие детекторы, разработанные для непрерывного анализа, одинаково хорошо работают и в дискретном анализе. Так, например, детекторы, основанные на физических принципах измерения, используемые в непрерывном анализе, можно применять для определения отдельных проб в дискретном анализе. Читатель, интересующийся такими непрерывными детекторами, может обратиться к двум недавно опубликованным обзорам [31, 50]. В табл. 19.1 приведены главным образом детекторы, позволяющие непосредственно количественно определять функциональные группы после химической реакции в жидкой фазе.
Наиболее легко и просто автоматизировать анализы методом титриметрии и колориметрии, и поэтому автоматизации в этих областях уделялось наибольшее внимание. Титраторы и спектрометры различных типов, допускающих автоматизацию, перечислены
390
Глава 19
в табл. 19.1. Применение этих приборов в автоматическом анализе функциональных групп обсуждается в разд. IV этой главы.
Б. ГИБРИДНЫЕ АВТОМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
Для того чтобы объединить несколько операций в единый процесс анализа, необходимо должным образом согласовать между собой различные параметры этих операций. Основным при этом является согласование продолжительности операций и объемов участвующих в них веществ.
Рис. 19.9. Блочная система для непрерывного анализа.
При соединении в единую систему различных устройств (блоков) для непрерывного анализа часто не требуется отдельно контролировать каждый из них. Продолжительности различных операций и объемы веществ в такой системе можно согласовать путем выбора подходящих скоростей потоков (диаметр трубопроводов) и продолжительности реакций (длин трубопроводов). Основным недостатком такой системы является высокое потребление реагента. Даже при уменьшении количества подаваемых в систему анализируемых веществ расход реагента остается неизменным. В значительной степени этот недостаток удается преодолеть путем использования трубок меньшего диаметра, меньшей длины и вообще уменьшением размеров всей системы. Система для непрерывного колориметрического анализа, составленная из нескольких блоков, показана на рис. 19.9.
Автоматический химический анализ в жидкой фазе
391
Непрерывную систему, составленную из нескольких блоков, пожалуй, лучше всего проиллюстрировать примером. Рассмотрим анализ колориметрическим методом, в неавтоматическом варианте которого требуются такие ручные операции, как разбавление, добавление реагента, нагревание, фильтрование и измерение поглощения. Автоматически такой анализ можно осуществить, применив непрерывную систему, показанную на рис. 19.10. В этой
Рис. 19.10. Блок-схема непрерывного анализа.
/ — смесители; 2 — баня; 3 —непрерывный фильтр; 4 — спектрофотометр; 5 — регистрирующее устройство.
системе порция анализируемого вещества подается насосом в поток реагента и разбавителя, разделенный пузырьками воздуха; образующийся в результате поток прокачивают через спиральную трубку, погруженную в нагревательную баню. По выходе из спирали раствор подается на движущуюся ленту фильтровальной бумаги, и получаемый фильтрат проходит через регистрирующий колориметр. Подобную систему можно собрать из отдельных блоков, имеющихся в продаже (например, фирмы «Technicon»).
Дискретный вариант этого гипотетического анализа несколько иной. На рис. 9.11 показана автоматическая установка фирмы «Beckman» модели DSA-560 (см. табл. 19.1), в которой этот анализ совершается в соответствии с программой [51]. В этой установке порция анализируемого вещества вводится в реакционный сосуд путем вытеснения (т. е. шприцем-бюреткой с поршнем, приводимым в движение мотором) и в этот же сосуд добавляется определенное количество реагента. После этого реакционный сосуд с постоянной скоростью перемещается (мотором) через нагревательную или охлаждающую баню. Затем в него погружается фильтровальная головка и через нее раствор высасывается из сосуда. Полученный таким образом фильтрат переносится другой бюреткой с мотором в другой сосуд, а затем подается в кювету спектрофотометра, в котором происходит измерение поглощения фильтрата и запись результата измерения на ленте. После измерения фильтрат возвращается в реакционный сосуд. Во время процесса измерения и регистрации происходит обработка других порций анализируемого вещества в других реакционных сосудах.
В дискретном анализе, как правило, необходим специальный прибор, обеспечивающий автоматический переход от одной операции к другой, и из-за этого дискретная система оказывается сложнее непрерывной. Управление выполнением последовательности операций дискретного анализа и количествами участвующих в них
392
Глава 19
веществ можно осуществить с помощью рабочей программы. Программу можно задавать с помощью соответствующего шаблона, путем расположения различных компонентов в нужной последовательности или применяя устройство для отбора фракций. Для того чтобы обеспечить надлежащее прохождение анализируемой пробы от операции к операции, применяют электронные и пневматические устройства совместно с датчиками времени. Необходимую степень прохождения реакций задают в программе путем выбора надлежащих объемов добавляемых веществ или путем фиксации продолжительности проведения реакций. Надлежащей регулировкой и программированием дискретной системы можно обеспечить анализ с использованием минимальных количеств анализируемого вещества и реагентов.
Рис. 19.11. Автоматическое устройство для дискретного анализа фирмы «Beckman» типа DSA-560.
За исключением систем фирмы «Technicon», большинство из имеющихся в продаже приборов рассчитано на применение в дискретном анализе. Однако в литературе больше упоминаются методы непрерывного анализа, что, возможно, объясняется большой популярностью универсальных блочных систем фирмы «Technicon».
IV. ПРИМЕНЕНИЯ
А. АВТОМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ КОЛОРИМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
В последнее десятилетие непрерывные и дискретные автоматические системы наиболее широко применяли в колориметрии. В литературе, выпущенной фирмой «Technicon» в 1957—1967 гг.,
Автоматический химический анализ в жидкой фазе
393
описано около 1500 примеров автоматических анализов колориметрическим методом [52]. В большинстве своем это анализы большого числа подобных образцов. Таковы, например, образцы для клинических анализов, и поэтому многие из описанных примеров относятся к этой области. Уже из весьма поверхностного ознакомления с указанной литературой ясно видно, что можно автоматизировать любой анализ колориметрическим методом, если это оправдано с экономической точки зрения.
Первые существенные достижения в области автоматического анализа колориметрическим методом применительно к водным средам были описаны Ферманном еще в 1952 г. [53]. Использовавшееся вначале автоматическое оборудование описали Шин и Серфасс [54]. В их работе отражены история, развитие и применения автоматического анализа в химической промышленности до 1960 г., включая и применения к определению растворенного кислорода, а также формальдегида. В 1967 г. Ланг [55] описал спектрофотометрическую систему, собранную из стандартного оборудования, в которой использовались автоматическое устройство для смены образцов, плунжерный насос и капиллярные кюветы.
Конструкции колориметров проточного типа описали Еппс и Остин [56], Шапира и Вильсон [57], Бишоп и Уайт [58], Лебль [59], а также Гуаланди и Мориси [60]. Наиболее широко применяется двухлучевой узкополосный интерференционный колориметр фирмы «Technicon». От единственного источника света в этом колориметре распространяются два пучка света под прямым углом друг к другу. Каждый из этих пучков проходит через фокусирующие линзы, интерференционный фильтр, проточную кювету с анализируемым или сравнительным раствором и попадает на фотоэлемент. Внутренний объем проточной кюветы равен 0,1 см3.
Через электронное устройство этот колориметр соединен с самописцем. Такая система не реагирует на изменения в интенсивности световых пучков, вызванные флуктуациями напряжения, или излучательных характеристик источников, поскольку такие изменения одинаково регистрируются обоими фотоэлементами. Сигнал на ее выходе появляется лишь тогда, когда происходит изменение интенсивности падающего на фотоэлемент света, обусловленное его поглощением в анализируемом растворе. В табл. 19.1 приведены и другие типы оборудования, имеющегося в продаже.
Примеры применения автоматического анализа колориметрическим методом в определениях функциональных групп были описаны в литературе еще в 1960 г. Большинство из таких определений осуществляли с применением систем фирмы «Technicon». Однако в конкретных определениях можно применять и оборудование других типов.
Дьюкс и Хайдер [61] описали автоматическое колориметрическое определение перекиси. Их метод основан на окислении перекисью лейкооснования фенолфталеина в присутствии иона
394
Глава 19
меди(II). Поглощение образующегося в результате реакции окрашенного раствора измеряют при 534 нм. Окраска этого раствора нестабильна, и поэтому вручную этот анализ выполнить трудно. Автоматическое определение перекиси осуществили также Лами с сотр. [62], однако они применяли метод с сульфатом титанила.
Эшворт, Уалиш [63] описали автоматическое определение ультрамикроколичеств алкоксильных групп. Кузель [64] сообщил об автоматическом определении третичных аминов в твердых образцах методом с образованием бромкрезолового красного. В этой же работе он описал новую методику экстракции, применимую в непрерывном анализе. Аткинсон [65] описал метод автоматического непрерывного определения в потоке сложных эфиров и кислот в спирте.
Данкомб и Шоу [66] применили методы автоматического анализа к определению альдегидов и кетонов в жидкостях. Бартке-вич и Кеньон [67] автоматически определяли следовые количества карбонильных групп в органических растворителях методом Лап-пина и Кларка [68] (см. рис. 19.12). Из приведенной на рис. 19.12
Рис. 19.12. Непрерывный анализ карбонилсодержащих соединений.
1 — нагревательная баня (70 °C); 2 — смесительная спираль; 3 — насос; 4—спираль временной задержки; 5 — колориметр; 6 — самописец; 7 — в сброс; 5 —проба (0,32 мл/мин); 9 — воздух (0,32 мл/мин); 10 — этанольный разбавитель (1,6 мл/мин); 11—2,4-ДНФГ — НС1 (2,0 мл/мин); 12—спиртовый раствор КОН (2,0 мл/мин); 13—спиртовый раствор КОН (2,0 мл/мин).
диаграммы видно, что на первом этапе этого анализа происходит смешивание образца, воздуха и разбавителя в первой смесительной спирали. Затем к потоку подмешивают реагент (хлоргидрат динитрофенилгидразина) и нагревают смешанный поток до 70 °C. В нагретый поток добавляют спиртовый раствор КОН, направляют его в проточный колориметр и регистрируют величину поглощения. В установке для этого анализа применяли трубки из материалов, инертных по отношению к органическим реагентам. Этот метод позволяет анализировать 20 проб в час против, двух в обычном неавтоматическом анализе. Более того, данные автома
Автоматический химический анализ в жидкой фазе
395
тического анализа прекрасно совпадают с данными неавтоматического анализа.
В более поздней работе Фристада, Отта и Гюнтера [69] описано автоматическое определение микроколичеств фенола колориметрическим методом. Это определение основано на окислительном сочетании фенола с З-метил-2-бензтиазолинонгидразоном. Анализ включает в себя предварительную автоматическую микроперегонку фенола. Описанный способ позволяет анализировать 20 проб в час.
Б. АВТОМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТИТРИМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
Любой прибор, в котором осуществляется непрерывная регистрация кривой титрования или происходит остановка титрования по достижении его конечной точки без участия человека, можно назвать автоматическим титратором. Принципы создания таких устройств были развиты 50 лет назад [70], а некоторые автоматические титраторы появились в продаже более 20 лет назад [71]. В течение двух последних десятилетий автоматическое титрование применяли в определениях большого числа различных функциональных групп.
Многие из старых приборов подробно описаны в работе Филлипса [72]. В этой же работе, а также в работе Тукассела [73] и Зажисека [74] описаны принципы, лежащие в основе работы автоматических титраторов. Много примеров применения автоматических титраторов в анализах функциональных групп приведено в книге Скворелла [75].
L Автоматические титраторы
Конструкции большинства автоматических титраторов основаны на классических методах титрования. Поэтому эти устройства относятся к классу устройств для дискретного анализа. Автоматические титраторы для непрерывного анализа, применяемые в анализах с целью контролирования химических процессов, описаны в работе Бладеля и Лассига [31].
Как правило, автоматический титратор состоит из четырех частей: а) дозирующего устройства для введения титранта в реакционный сосуд, б) чувствительного прибора для обнаружения конечной точки титрования, в котором вырабатывается сигнал на управляющее устройство, в) устройства, управляющего подачей титранта так, чтобы определить «истинную» конечную точку титрования, и г) измерительного устройства для регистрации конечной точки титрования. Такие устройства различных типов применяются в приборах, перечисленных в табл. 19.1. Работа каждого из этих устройств описана в последующих разделах.
396
Глава 19
Дозирующее устройство для подачи титранта может представлять собой соленоидный кран, установленный на обычной бюретке или прецизионном насосе того или иного типа. В большинстве продающихся автоматических титраторов применяется поршневая бюретка (шприц, приводимый в движение мотором) с легко регулируемым приводом, которая позволяет вводить воспроизводимые точно отмеренные количества титрующего раствора. Часто к
Рис. 19.13. Фотометрический титратор с управляющим устройством.
такому шприцу подсоединяют большую бутыль с титрующим раствором, что позволяет использовать такое устройство во многих анализах.
Действие чувствительного устройства в большинстве продающихся автоматических титраторах основано на определении конечной точки титрования потенциометрическим или фотометрическим методами. В большинстве титрований потенциометрическим методом применяют стеклянные, платиновые или серебряные чувствительные электроды. Еще большую универсальность потенциометрического титрования обеспечивают разработанные недавно специфические ионные электроды. В автоматическом титровании фотометрическим методом применяют специальные сбалансированные фотоэлементы, снабженные цветными и нейтральными фильтрами. После настройки прибора с учетом фона он обеспечивает точное воспроизведение конечной точки титрования. Свет
Автоматический химический анализ в жидкой фазе
397
в таком устройстве можно пропускать через всю пробу или с помощью светопроводов через небольшую его часть.
Управляющее устройство служит для регулирования скорости введения титранта в реакционный сосуд. Во многих таких устройствах применяется обратная связь, по сигналу которой скорость введения титранта уменьшается при приближении к конечной точке титрования. Сигнал обратной связи можно вырабатывать, применяя спектральные датчики, по производной выходного сигнала 'титратора или с помощью временной задержки. Применение обратной связи позволяет точно определять конечные точки при малых изменениях потенциалов или для медленно протекающих реакций [76]. Фотометрический титратор со спектральными датчиками показан на рис. 19.13.
Регистрирующие устройства могут быть самыми различными в зависимости от характера определяемой конечной точки. В некоторых устройствах кривая титрования записывается самописцем, лентопротяжный механизм которого синхронизован с приводом подающего шприца, так что одна из координат оказывается жестко связанной с объемом вводимого реагента. В другом аналогичном устройстве регистрируется изменение потенциала, соответствующее добавлению в титруемый раствор определенной порции реагента. Имеются устройства, в которых регистрируется изменение первой производной потенциала по времени, причем, как сообщалось, такой метод обеспечивает точное непосредственное определение конечной точки титрования. В устройствах, работающих на другом принципе, реагент добавляется в титруемый раствор до тех пор, пока не будет достигнуто заданное значение потенциала (или заданная интенсивность окраски). В таких устройствах регистрируется лишь полное добавленное количество реагента.
2. Автоматическое титрование функциональных групп органических соединений
Методом титрования можно определить почти любую функциональную группу органических соединений и почти каждый такой анализ можно автоматизировать. Так, например, автоматически титровали органические кислоты в неводных средах как кулонометрическим [77, 78], так и потенциометрическим [79—81] методами. Кроме прямого титрования в автоматических анализах функциональных групп применяют и косвенное титрование. Так, Скворелл [75] предложил автоматически определять альдегиды и кетоны путем автоматического титрования свободной соляной кислоты, образующейся при получении оксимов этих соединений. Аналогичные методы применяли в анализах большого числа других функциональных групп, обсуждать которые здесь мы не имеем возможности за недостатком места. Достаточно сказать
398
Глава 19
только, что, применяя автоматический титратор, можно определить почти любую функциональную группу.
Однако во многих таких определениях, прежде чем осуществить «автоматическое» определение, исследователь вынужден вручную выполнить несколько операций. Рассмотрим, к примеру, метод с образованием оксимов, предложенный Сквореллом [75]. В анализе этим методом в колбу с пробкой емкостью 100 мл наливают 20 мл 2%-ного (вес/объем) раствора хлоргидрата гидроксиламина, pH которого доводят до 2,4—4,3, добавляя в него едкий натр. Затем в колбу переносят несмешивающуюся с водой пробу и встряхивают ее в течение 30 мин. После этого раствор сливают в химический стакан, в этот же стакан смывают колбу 5 мл воды и титруют слой водного раствора НС1 0,1 н. раствором едкого натра до конечной точки, которую определяют по результатам титрования холостого раствора реагента. Все эти операции предшествуют автоматическому титрованию, поэтому с точки зрения данного выше определения такой анализ не является полностью автоматическим.
Полностью автоматический химический анализ функциональных групп методом титрования описал Джонсон [82]. В этом анализе через сосуд для титрования непрерывно течет поток элюента из хроматографической колонки, в котором содержатся карбоновые кислоты. Так же непрерывно в сосуд поступают разбавитель и индикатор. Кислоты, проходящие через сосуд, титруются электролитически генерируемым основанием до получения постоянного значения поглощения раствора. График зависимости потенциала, требующегося для генерирования основания, от времени представляет собой не ступенчатую линию, а состоит из отдельных пиков. Имеются и другие методы «непрерывного титрования» веществ в потоке, выходящем из хроматографической колонки [83, 84], с использованием избытка индикатора, однако их лучше классифицировать как колориметрические методы.
Приведенные выше примеры иллюстрируют потенциальные возможности методов непрерывного титрования. Однако, как уже говорилось выше, большинство автоматических титраторов, имеющихся в продаже, предназначены для дискретных анализов. По этой причине, если и проводились полностью автоматические анализы функциональных групп с применением этих титраторов, то очень мало. В последние два года появились титраторы с карусельными столиками. С помощью таких приборов можно комбинировать химический анализ в жидкой фазе с титрованием до заданной конечной точки, хотя до сих пор такой метод еще не применялся. В одном из таких приборов стаканы с титруемым раствором, укрепленные на карусельном столике, поочередно подводятся к паре электродов для потенциометрического титрования или к светопроводу для фотометрического титрования. Электроды или светопроводы затем погружают в соответствующий стакан,
Автоматический химический анализ в жидкой фазе
399
проводят титрование и регистрируют израсходованный объем титранта, соответствующий заданной конечной точке титрования. После этого, поднимая электроды или светопроводы, их вынимают из стакана и, повернув столик, подводят к ним другой стакан (рис. 19.14).
Рис. 19.14. Фотометрический титратор с карусельным столиком-
В другом аналогичном приборе имеется карусельный столик с укрепленными на нем пятидесятью стаканами емкостью 100 мл каждый, датчик времени и устройство для поднимания и опускания стаканов (рис. 19.15).
Для того чтобы понять, каким образом такие устройства можно применять в автоматическом анализе, рассмотрим анализ с образованием оксимов и титрованием, описанный Сквореллом [75]. Образец в таком анализе можно смешивать с непрерывным потоком раствора хлоргидрата гидроксиламина с заданным значением pH. После перемешивания в течение требуемого периода времени порции образующегося раствора можно отбирать в стаканы карусельного столика, используя устройство для отбора фракций. Правильно распределив последовательность операций, можно добиться того, чтобы во время титрования одной порции раствора до получения заданного значения pH происходил отбор следующей его порции. Конечно, такая система является гипотетической, однако из ее рассмотрения видны возможности титратора с карусельным столиком.
Большинство из рассмотренных выше анализов основывалось на потенциометрическом или фотометрическом методах титрования, однако следует упомянуть и другие титриметрические методы, которые были автоматизированы. Так, например, меркаптаны можно определить путем амперометрического титрования растворами нитрата серебра, а некоторые функциональные группы можно
Назначение, фирма-производитель
и модель
Аналитическое оборудование
Таблица 19.1
Характеристики
I. Устройства для отбора проб
А. Жидкие пробы
1. Устройство фирмы «Руе-Unicam» типа SP-40P
2. Устройство фирмы «Руе-Unicam» типа SP-40U
3. Устройство фирмы «Vision Laboratories», Beaker Butler
4. Автоматическое устройство для отбора проб
фирмы «Bausch & Lomb»
5. Автоматическое устройство фирмы «Perkin Elmer» для смены образцов
6. Устройство фирмы «Gilford», Model 2443, Rapid Sampler
7. Устройство фирмы «Evans Electroselenium, Ltd.» (EEL), Model 178, Autosampler
8. Автоматическое устройство фирмы «Cecil Instruments» для смены образцов типа 404-2
9. Устройство фирмы «Stru-ers» Samplomat
10. Устройство фирмы «Tech-nicon» для отбора проб с дозирующим насосом
11. Устройство фирмы «Tech-nicon» для отбора проб II с дозирующим насосом III
Тип и емкость блока хранения проб: карусельный столик с 50 контейнерами для образцов. Размер пробы: 1,4—2,0 мл. Принцип действия: проба пневматически отбирается насосом; после проведения измерений проба возвращается в контейнер. Основное применение: предназначен для спектрофотометров с проточными кюветами.
Тип и емкость блока хранения проб: те же, что и для модели SP-40P. Размер пробы: 3 6 мл. Принцип действия: проба проходит через проточную кювету под действием разрежения от внешнего источника вакуума, а затем направляется в сброс. Основное применение: то же, что и для модели SP-40P.
Тип и емкость блока хранения проб: карусельный столик со 100 контейнерами для образцов. Размер пробы: стаканы емкостью 50 мл. Принцип действия: стакан с заранее заданной пробой подводится к опорной подставке, которая на заданное время поднимает его к устройству, выбираемому экспериментатором. (Интервал времени задается датчиком времени или сигналом детектора.) Имеются держатели для стаканов меньших размеров (рис. 19.15).
Емкость блока хранения проб: 80 проб в пронумерованных держателях на 5 проб каждый. Размер пробы: 0,5 мл и более. Принцип действия: проба отбирается при помощи внешнего аспиратора, а по окончании анализа выбрасывается. Все сосуды с пробами погружены в водяную баню с постоянной температурой. Основное применение: является частью спектрофотометрической системы Spectronic-400.
Размер пробы:, 2 мл. Принципы действия: пробы отбираются при помощи аспиратора из устройства для сбора фракций (не включено в прибор) в соответствии с заданной программой. Возможны несколько последовательностей отбора проб с последующим возвратом или сбросом пробы. Может быть использовано для управления устройством для отбора фракций. Основное применение: применяется-для спектрофотометров фирмы «Perkin Elmer» и «Coleman 139».
Производительность: 300 проб в час. Размер пробы: 0,7 мл. Принцип действия: отбор с применением вакуума. Основное применение: для спектрофотометра фирмы «Gilford».
Емкость блока хранения проб: 48 пробирок (4 сектора на 12 пробирок каждый).. Размер пробы: 2,5 мл. Принцип действия: зонд для отбора проб автоматически погружается в пробирки; рассчитан на использование отдельного насоса. Основное применение: в анализах с использованием автоматического колориметра EEL 171.
Тип и емкость блока хранения проб: карусельный столик с 30 пробами. Размер пробы: 3 мл. Принцип действия: пробоотборный зонд автоматически погружается в сосуд с образцом. Отбор пробы происходит под действием внешнего источника вакуума. После анализа проба сбрасывается в откачанный резервуар. .Основное применение: применяется для колориметра типа СЕ 404 фирмы «Cecil Instruments».
Тип и емкость блока хранения проб: карусельные столики различных типов на 300 проб. Размер пробы: 3—4 мл. Принцип действия: плунжерный насос подает пробы в измерительную кювету со скоростью 3 пробы в минуту. После анализа проба возвращается в исходный сосуд. Основное применение: для колориметров, особенно для колориметра фирмы «Beckman» типа DBG.
Тип и емкость блока хранения проб: карусельный столик со 100 пробирками размером 15ХЮ0 мм. Размер пробы: 0,025—5 мл (определяется диаметром перистальтической трубки и продолжительностью отбора). Принцип действия: механизм, управляемый датчиком времени, опускает пробоотборный зонд в пробирку с образцом. Перистальтический насос имеет 18 катков. Возможно перемешивание потоков воздухом. Предусмотрена возможность промывки прибора. Основное применение: в системах AutoAnalyzer фирмы «Technicon».
Тип и емкость блока хранения проб: сменные держатели на 40 образцов каждый (сосуды 4 размеров). Размер пробы: 0,025—5 мл. Принцип действия: пробоотборный зонд погружается в пробирку с образцом; затем следует заранее задаваемый цикл промывки. Катки перистальтического насоса движутся по 23 эластичным трубкам, прижатым к платформе с пружиной. Имеется отдельное устройство для напуска воздуха. Основное применение: система типа AutoAnalyzer (рис. 19.1 и 19.2).
Продолжение
о
Назначение, фирма-производитель и модель Характеристики
Б. Отбор твердых проб Устройство фирмы «Technicon» для отбора проб типа SolidPrep Твердые вещества высыпаются из контейнеров в высокоскоростной смеситель, содержащий подходящий растворитель; порции получаемого раствора отбираются при помощи перистальтического насоса и подаются в непрерывно действующую аналитическую систему (рис. 19.3).
В. Отбор газообразных проб Газоабсорбционная система фирмы «Technicon» Вакуумный насос непрерывно подает газы в спиральную колонку, заполненную шариками и содержащую абсорбирующий раствор. Порции раствора с абсорбированным в нем газом отбираются при помощи перистальтического насоса и подаются в систему для непрерывного анализа.
Г. Регистрирующие весы Автоматические регистрирующие весы фирмы «Cahn» Model FA Образец (капсулы, таблетки, гранулы) помещается в специальном контейнере. Вакуумный зонд захватывает порцию образца и помещает ее на весы (емкость до 2,5 г). По окончании взвешивания и регистрации веса этот же зонд переносит образец в выводной желоб.
П. Разделение (сепарация) А. Центрифуги 1. Непрерывная центрифуга фирмы «Sorval» типа KSB Непрерывная система фирмы «Szent-Gyorgyi and Blum» типа KSB В центрифугу устанавливают 8, 4 или 2 пробирки. Имеется специальная головка, через которую в среднюю часть пробирки непрерывно подается центрифугируемая смесь. Более легкая фаза выталкивается из пробирки центробежными силами. Предназначена для непрерывного концентрирования растворов.
2. Устройство фирмы «Joyce, Loebel, Ltd. (Tech/Ops)» типа Centrichem Автоматическая система центрифугирования для экстракции растворителем, управляемая в соответствии с программой, записанной на магнитной ленте. Устройство этой системы показано на рис. 19.5. Сосуд центрифуги закреплен с помощью зажима на оси мотора. Окружающий сосуд сборник перемещается эксцентриком в вертикальной плоскости, что позволяет собирать фракции, выходящие из сосуда.
3. Микроцентрифуга фирмы «Quickfit, Quartz, Ltd» Является составной частью системы Quickfit 617. Полый диск приводится во вращение со скоростью 3000 об/мин; образец вводится в центре диска. После сепарации более легкая фаза отбирается с помощью специального желоба, затем открывается специальный клапан и более тяжелая фаза отсасывается в сброс.
ьо
Б. Непрерывные фильтры Непрерывный фильтр фирмы «Technicon»
В. Устройства для экстракции растворителями
Устройство для непрерывной экстракции растворителем фирмы «Technicon»
Г. Устройства для перегонки Устройство для непрерывной перегонки фирмы «Technicon»
Д. Диализаторы
1. Диализатор I фирмы «Technicon»
2. Диализатор II фирмы «Technicon»
3. Устройство для непрерывного концентрирования веществ, выходящих из колонки, фирмы «Amicon» типа СЕС-1
Е. Устройства для градиентного элюирования
1. Устройство фирмы «Instrument Specialities Со.»
(«ISCO») Dialagrad 310
Над пластинкой из тефлона непрерывно движется лента фильтровальной бумаги, на которую подается фильтруемая жидкость. Пройдя сквозь бумагу, жидкость продолжает двигаться в потоке. Если при смешивании двух жидкостей образуется осадок, то перед фильтрованием смесь этих жидкостей подают в высокоскоростной смеситель непрерывного действия (входящий в устройство) (рис. 19.6).
Стеклянная трубка (колонка), свернутая в спираль и заполненная стеклянными шариками; жидкость подается снизу вверх через колонку. После прохождения через спираль экстрагированная жидкость поступает в отстойник, где происходит разделение фаз. Более тяжелая фаза отбирается через дно отстойника; более легкая фаза отсасывается или вытесняется через его верхнюю часть. Порция нужной фазы заданной величины отбирается для дальнейшей обработки (рис. 19.4).
Образец пропускают через нагревательную баню, в результате чего летучие вещества поднимаются в стеклянную насадку для перегонки, где они абсорбируются поступающим потоком реагента и затем переносятся в аналитическую систему. Нелетучие вещества направляются в сброс.
Две пластинки с канавками, разделенные целлофановой мембраной. Канавки образуют спиральный канал длиной около 2 м, разделенный по всей длине мембраной. По обе стороны мембраны текут потоки анализируемого раствора и реагента. Все устройство помещается в термостатируемой нагревательной бане.
По конструкции аналогичен диализатору I, но меньших размеров (длина канала около 17 см). Температуру его можно контролировать с помощью имеющейся в приборе нагревательной бани (рис. 19.7).
Элюат из колонки с повышенным давлением проходит через тонкий трубчатый канал мембраны (Diaflo); степень концентрирования регулируется специальным клапаном. Обеспечивает непрерывную ультрафильтрацию. Мембраны позволяют проводить диализ лишь некоторых органических соединений.
Вариант прецизионного дозирующего насоса фирмы «ISCO» Model 310 с программированием. Длительность программы от 5 мин до 16 дней; диапазон скоростей потока 1—3200 мл/час. Диапазон программирования от 0 до 100% одного из двух компонентов. Максимальное давление на выходе равно 3,5 атм.
Продолжение
о
Назначение, фирма-производитель и модель Характеристики
2. Устройство для градиентного элюирования фирмы «Technicon» типа «Autograd» Имеется 9 камер с различными буферными растворами. Каждый из растворов поступает в прибор, постепенно смешиваясь с предшествующим ему буферным раствором, в результате чего получается плавный градиент pH.
3. Устройство Radiant фирмы «Glenco» Две камеры одинакового диаметра соединены друг с другом через кран из тефлона. Раствор из одной камеры постепенно перетекает в другую камеру, где постоянно смешивается с находящимся в ней раствором. Для получения сложных градиентов такие устройства можно соединять последовательно друг с другом.
Ж. Автоматические устройства для ввода проб 1. Устройство фирмы «Chro-matix», Cheminert Val-ve-CAV Переключающий кран из тефлона, к которому можно подсоединить несколько дозирующих петель и пневматически управлять заполнением и опорожнением петли. При использовании поворотного крана фирмы «Cheminert» Туре 20 можно отбирать 20 проб для последующего введения их в хроматографическую систему. Максимальное рабочее давление равно 35 атм. В продаже имеется несколько различных моделей.
2. Автоматическое устрой- ство для ввода твердых проб фирмы «Руе-Unicam» Применяется в газовой хроматографии. Емкость: 36 стеклянных сосудов для проб (40 мкл). Пробы автоматически освобождаются из держателя и падают в нагретую зону перед колонкой.
3. Автоматическое устройство фирмы «Hewlett-Pac- kard» для ввода проб Model 7670А Применяется в газовой хроматографии; автоматически осуществляет операции, обычно выполняемые вручную с использованием шприца: заполнение шприца, доведение объема раствора в шприце до заданной величины, поворот шприца на 90 градусов и ввод пробы. В соответствии с программой осуществляет отбор и введение проб из 36 сосудов, закрытых резиновыми мембранами (пробы величиной 1—50 мкл). Промежуток между вводами проб может быть равен 1—99 мин.
4. Автоматическое устрой- ство фирмы «Hamilton» для ввода проб Емкость устройства для хранения проб: 48 образцов. Пробы размером до 0,01 мкл. Принцип действия во многом аналогичен принципу действия устройства фирмы «Hewlett-Packard».
III. Детектирование А. Колориметры
1. Автоматический колориметр фирмы «Ev^ns, Electroselenium, Ltd.
(EEL)», Model 171
2. Колориметрическая система фирмы «Cecil Instruments» СЕ 404
3. Колориметр I фирмы «Technicon»
4. Колориметр II фирмы «Technicon»
Б. Спектрофотометры
1. Спектрофотометр фирмы «Cecil Instruments», СЕ 303
Интерференционные фильтры на 400—700 нм с полушириной* полосы пропускания 30 нм; возможно применение отдельных фильтров на 347—700 им с полушириной полосы 10 нм. Размер пробы 2,5 мл. Цикл анализа (ввод пробы — измерение — возврат пробы) имеет продолжительность 15 с. Кювета двухкамерная в форме песочных часов. Заполнение и опорожнение кюветы осуществляется пневматически с помощью плунжерного насоса. Имеются электронные устройства для автоматической калибровки, коррекции нулевой линии и введения поправок первого порядка с учетом закона Бера. Результаты анализа представляются в цифровой форме.
Диапазон 400—700 нм с интерференционными фильтрами, имеющими полуширину полосы 20 нм; имеется диск для сменных фильтров, рассчитанный на 6 фильтров. Размер пробы: 3,0 мл (кювета 1 см. объем 2 мл). Цикл анализа (ввод пробы — измерение — вывод пробы — сброс) имеет продолжительность 20 с (с автоматическим устройством для смены проб фирмы «Cecil Inst» типа СЕ 404-2). Возможен непрерывный анализ (проточная камера) со скоростью потока 2,5 мл/мин. Для уменьшения помех от предыдущих проб предусмотрена промывка кюветы раствором анализируемой пробы. Рассчитан на применение самописца со шкалой на 10 мВ.
Двухлучевой прибор, диапазон 340—700 нм. Регистрирующее устройство работает по принципу компенсации (нуль-схема) и показывает пропускание в процентах. Длина волны света выделяется с помощью выбранного узкополосного интерференционного фильтра. Используется 15-мм проточная кювета малого диаметра. Поглощение можно непосредственно регистрировать на бумажной ленте.
Аналогичен колориметру I, за исключением того, что в нем установлены 3 проточные кюветы в одной и той же камере. Свет в кюветы поступает от одной и той же лампы. Это позволяет автоматически вводить поправки с учетом поглощения холостого раствора, а также осуществлять анализ дифференциальным методом. Диапазон 340—700 нм; регистрируются непосредственно значения поглощения.
Монохроматор с дифракционной решеткой, диапазон 325—1000 нм с шириной полосы 10 нм. Цикл анализа (ввод пробы — измерение — вывод пробы — сброс) имеет продолжительность 20 с (3 цикла в минуту) с автоматическим устройством для смены проб типа СЕ 404. Размер пробы 3 мл. Автоматический фильтр рассеянного света. Результаты могут регистрироваться самописцем со шкалой на 10 мВ и цифровым печатающим устройством с входным напряжением 1 В. Рассчитан на g применение кювет с различной длиной оптического пути (до 40 мм). сл
Продолжение
Назначение, фирма-производитель
и модель
Характеристики
2. Спектрофотометр фирмы «Руе-Unicam», SP-1800 Диапазоны 190—700 нм или 190—850 нм. Монохроматор Эберта 8/10. Четыре возможных шкалы для измерения поглощения: 0—2; 0—1; 0—0,5; 0—0,2. Для регистрации выходного сигнала можно применять самописец с линейной шкалой на 10 мВ или цифровое печатающее устройство с входным напряжением 2 В (регистрируются значения поглощения или концентрации). Разрешение 3 нм на 1 мм ширины щели. Цикл анализа: ввод пробы — измерение — возврат пробы или ввод пробы — измерение — вывод пробы — сброс, в зависимости от того, применяется ли устройство для смены проб типа SP-40P или SP-40AU. Продолжительность одного цикла 45 с. В цикле с возвратом пробы размер пробы равен 1,4—2,0 мл, а в цикле со сбросом пробы 3—6 мл.
3. Спектрофотометр фирмы «Руе-Unicam», SP-3000 Более полно автоматизированный вариант спектрофотометра SP-1800: автоматический выбор длины волны, печатающее устройство и т. д.
4. Спектрофотометр Spectro-nic 100 фирмы «Bausch & Lomb» Диапазон 335—925 нм с шириной полосы 8,0 нм. Применяется в системе Spectro-nic 400. Пробы засасываются (0,5 мл/мин) в проточную микрокювету, а затем выбрасываются. В промежутке между последовательными анализами проб кювета откачивается, а затем продувается газом. Имеется автоматическое устройство для смены проб, управляемое датчиком времени (6—48 с на одну пробу). Регистрируются значения пропускания в %, поглощения или концентрации (в случае применения устройства для обработки данных).
5. УФ-спектрофотометр фирмы «Technicon» Спектрофотометр фирмы «Beckman» DBG, модифицированный для работы с устройством AutoAnalyzer. Применяются проточные кюветы квадратного сечения в отличие от кювет круглого сечения фирмы «Technicon».
6. Система фирмы «Instrument Specialities Со.» (ISCO), Model SRS Спектрорадиометр и программируемое регистрирующее устройство. Диапазон 380—750 нм с шириной полосы 25 нм. Применяются клинообразные интерференционные фильтры. Регистрируется кривая интенсивности (Вт/см2) (по горизонтальной оси — миллиметры) в одном из 8 возможных масштабов. Применяется рассеиватель из тефлона и прецизионная система детектирования на фотодиодах. Исполь-
В. Флуориметры
1. Флуориметр фирмы «Tech-nicon»
2. Автоматический спектрофотометр фирмы «Far-rand Optical Со.» (FOCI) револьверного типа (АТС)
3. Неавтоматический спектрофотометр фирмы «Far-rand Optical Со.» (FOCI)
Г. Автоматический поляриметр Автоматический спектрополяриметр фирмы «Bendix»
Д. Ультрафиолетовые абсорбционные детекторы
1. Абсорбционный детектор фирмы «Varian», типа 4000-1
зуя оптическую головку из стекловолокна и устройство * для программируемого сканирования, спектры можно регистрировать в любой шкале (масштабе) в течение 24 ч с интервалами в 15 мин. Имеется выход для самописца со шкалой на 10 мВ.
Предназначен для применения в непрерывном анализе. Производительность 60 проб/ч; инерционность 1/2 с. Спектральный диапазон 250—600 нм обеспечивается применением лампы высокого давления мощностью 85 Вт. Через интерференционные и желатиновые фильтры свет попадает на два фотоумножителя (для минимизации дрейфа). Масштаб на шкале интенсивностей устанавливают путем выбора одной из шести диафрагм, позволяющих изменять интенсивность в отношении, кратном 4.
Диапазон 200—700 нм; наборы из 8 или 16 проб; ленточный самописец, высокоинтенсивная ртутная лампа. Двухлучевая монохроматическая система. Термо-статируемая камера для проб.
Аналогичен АТС; дуговая ксеноновая лампа высокого давления постоянного тока мощностью 150 Вт; оптическая система с относительным отверстием Система фильтров может быть использована с двойным монохроматором.
Диапазон измеряемых вращений ±50° при использовании проточной кюветы (/ = 1 мм); спектральный диапазон 450—750 нм. Фильтры: зеленый (Hg) (546 нм), Nan (589 нм); другие по требованию. Чувствительность 10~4 угл. град. Высокоинтенсивная лампа с вольфрамовой нитью. Выходное напряжение до 1 В. Может применяться в комбинации с хроматографом.
Микрокювета объемом 8 мкл. Диапазон поглощений 0,005—0,64. Анализ по всему диапазону на длине волны 254 нм. Двухлучевой прибор. Рассчитан на работу при высоких давлениях (70 атм) в комбинации с жидкофазными хроматографами.
Продолжение
Назначение, фирма-производитель
и модель
Характеристики
2. Ультрафиолетовый анализатор фирмы «Instrument Specialities Со.».
(ISCO) типа UA-2
Е. Потенциометрические титраторы
1. Титратор Precision Dow Recordomatic фирмы «Precision»
2. Оборудование для титрования Radiometer фирмы «London Со.»
3. Устройство фирмы «Fisher», Fisher Titralyzer
4. Устройство фирмы «Fisher», Model 35 Titrime-ter
5. Устройство фирмы «Met-rohm (Brinkman)», Titro-print E-425
6. Устройство фирмы «Met-rohm (Brinkman)», типа Potentiograph
Кварцевая проточная кювета (объемом 0,5—0,1 см3), лампа — источник УФ-излучения. С одной стороны кюветы имеется заслонка для установки прибора на нуль, с другой ее стороны — фотоумножитель. Применяется для измерений при 254 нм в непрерывном анализе. Линейная шкала поглощений (0 — 0,5 или 0 — 2,5), которую можно использовать для регистрации результатов с помощью отдельного записывающего устройства. Может быть использовано для управления устройством отбора фракций. Сменные детекторы. Предусмотрена возможность работы в различных спектральных диапазонах. Однолучевая схема: путем выделения (фильтрами) спектральной линии при 254 нм, излучаемой ртутной лампой низкого давления; диапазон видимого света 410—700 нм с использованием клинообразного интерференционного фильтра с полушириной полосы пропускания 25 нм; ближняя ПК-область спектра (700—950 нм) —с применением клинообразного интерференционного фильтра с полушириной полосы пропускания 40 нм. Двухлучевая схема (по выбору 254 или 280 нм) используется с применением флуоресцирующего кристалла в качестве источника (полуширина 17 нм). В модели 660 для анализа непрерывного потока вещества можно выбирать различные линии спектра излучения ртути (254, 313, 364, 405, 435, 546, 679 нм). Выбор нужной линии осуществляется с помощью сменных фильтров.
Диапазон pH: 0—14. Стеклянные поршневые насосы. Автоматически прекращает титрование по достижении конечной точки; на самописце графически регистрируется зависимость величины потенциала (мВ) или pH от добавленного объема титранта (мл). Лентопротяжный механизм самописца и механизм насоса синхронизованы друг с другом. Скорость подачи титранта 1—3,25 мл/мин при использовании насоса с объемом рабочей камеры 50 мл. • Шкалу можно растягивать в 2—4 раза. Два насоса позволяют проводить чередующиеся друг с другом циклы анализа или различные анализы. Заполнение подающих насосов производится вручную. Размер пробы 10—20 мл, ячейка — химический стакан емкостью 250 мл. Имеются модификации прибора с насосами меньших размеров (1 или 5 мл).
Блочная система, состоящая из 4 блоков: титратор, устройство для подачи титранта, набор для титрования и самописец. Титратор контролирует добавление реагента с помощью специальных датчиков. Устройства для подачи реагента — поршневые бюретки (0,25—50 мл) и сосуды с реагентами. Имеется выход для цифрового регистрирующего устройства. Наборы для титрования — лопастная мешалка, образцы, электроды и устройства для ввода реагентов. Требуются специальные сосуды (1—500 мл). Самописец, синхронизованный с насосом, графически регистрирует изменение потенциала в зависимости от добавленного объема (мл) реагента. Предусмотрено титрование до полного прекращения тока и регистрация кривых титрования.
Два измерительных блока с ручками управления; автоматическая бюретка (45 мл, термостатируемая). Карусельный столик (с 16 высокими химическими стаканами емкостью 200 мл или с 12 стаканами емкостью 400 мл), механизм для поднимания и опускания бюретки и электродов. Магнитная мешалка. Титрование ведется до заданной конечной точки с применением фиксированной задержки. Полный добавленный объем реагента регистрируется печатающим устройством. Нагревательная баня, позволяющая вести титрование при температурах до 90°C (рис. 19.14).
Вручную приготовленную пробу переносят в ячейку с электродами. Бюретка с соленоидным краном, с помощью которой титрование ведется до полного прекращения тока. Требуется считывать начальный и конечный объемы раствора.
Электроды опускаются в стандартный химический стакан; имеется магнитная мешалка. Реагент подается из поршневой бюретки объемом 5, 10, 20 или 50 мл фиксированными порциями, причем печатающее устройство непрерывно регистрирует добавленный объем реагента (мл) и результирующее значение потенциала (мВ). Для проведения медленных реакций предусмотрена возможность введения временных задержек. Добавление реагента порциями можно проводить лишь вблизи конечной точки титрования. Печатающее устройство регистрирует также и номер пробы (1—99). Предусмотрен широкий выбор значений потенциала и величин pH.
Является предшественником устройства Titroprint с аналогичным механизмом подачи реагента и аналогичным диапазоном. Однако регистрация результатов производится самописцем.
Продолжение
Назначение, фирма-производитель
и модель
Характеристики
7. Устройство фирмы «Met-rohm (Brinkman)», Multititration
8. Устройство фирмы «Sargent— Welch», Model DG
Ж. Фотометрические титраторы
1. Титратор фирмы «Eisher» Photometric Titralyzer
2. Титратор фирмы «Radiometer (London)», Photo-titration, Type PMT1
И. Гибридные аналитические системы
1. Система фирмы «Polimak (Labline)», типа Clinomak Mark II
2. Устройство для химической обработки фирмы «Руе-Unicam», типа А-60
Предназначено для анализов с целью контролирования непрерывных процессов. Автоматическая бюретка путем всасывания отбирает пробы вещества потока и переносит их в сосуды для титрования. Программа задается с помощью наборной матрицы. Имеются 4 бюретки для титрования реагентом: 2 больших и 2 маленьких (5—50 мл), которые можно использовать для многократных титрований или обратных титрований. Предусмотрена возможность автоматической калибровки. Имеется магнитная мешалка. По окончании титрования система продувается потоком газа.
Два отдельных стенда для титрования с одним общим самописцем. Раздельное управление процессами титрования на обоих стендах. Стандартные химические стаканы (до 600 мл) с титруемыми растворами поднимаются к электродам. Имеется магнитная мешалка. Реагент автоматически подается бюретками (50 мл) с постоянной скоростью или со скоростью обратно пропорциональной тангенсу угла наклона кривой титрования (имеются и бюретки объемом 10 мл). Для титрования микропроб величиной 5 мл имеется набор различных электродов. Возможны различные шкалы для измерения потенциала (200—1000 мВ). Лентопротяжный механизм самописца и механизмы бюреток синхронизованы. В самописце имеется микровыключатель, позволяющий вести титрование до полного прекращения тока. Заполнение бюреток происходит автоматически.
За исключением системы детектирования (светоприемника), аналогичен устройству для потенциометрического титрования. Химические стаканы (высокие) емкостью 15—20 мл закреплены на карусельном столике и защищены от света. В стакан опускаются две «световые трубки», причем одновременно с этим стакан закрывается специальным светонепроницаемым колпаком. Титрование ведется с использованием длин волн в диапазоне 400—700 нм; применяется клинообразный интерференционный фильтр с шириной полосы пропускания 33 нм. Имеется дополнительный светоприемник, с помощью которого осуществляется компенсация нестабиль-' ности источника света. Результаты титрования регистрируются ' печатающим устройством.
Имеются два набора, состоящие каждый из двух фильтров и двух фотодетекторов. Спаренные фильтры позволяют осуществлять коррекцию с учетом фона. Стакан с анализируемым раствором вручную помещается в камеру для титрования, защищенную от света. Свет проходит снизу вверх через раствор. Титратор автоматически добавляет в раствор заданное количество индикатора (см. потенциометрический титратор фирмы «Radiometer»). Все параметры титрования — конечная точка, величина задержки, момент выключения, спектральный диапазон, направление титрования и добавляемое количество индикатора — кодируются в программе (рис. 19.13).
Колориметрическая система для дискретного анализа. Пробы помещаются в чашечках из полиэтилена (0,4 мл), закрепленных на карусельном столике (40 чашечек). Имеются 90 реакционных сосудов (стеклянных, емкостью 3 мл). Пробы отбираются путем всасывания раствора (20—200 мл) с помощью микронасоса. Продолжительность анализа одной пробы от 12 с до 43 мин. Реагенты (до 5) поступают в пробу через соленоидные краны. Через заданное время реакционная смесь перемешивается потоком газа. Результат реакции регистрируется с помощью дифракционного колориметра (400—700 нм) (12 с на одну пробу). Предусмотрено программирование последовательного анализа 15 проб; возможен быстрый переход к анализу другого типа. Рекомендуется применять специальное устройство для промывки кювет. Разделения (сепарации) веществ не предусмотрено. Применяется в анализах методом УФ-спектрометрии, флуориметрии или фотометрическим методом.
Предназначено для химической обработки проб в дискретном анализе колориметрическими методами. Может быть использовано в комбинации с любым спектрофотометром, оборудованным проточными кюветами. Возможность проведения разделений не предусмотрена. В термостатируемой (воздухом, 20 — 60 + 0,5 °C) камере установлена замкнутая цепь, которая может двигаться в горизонтальной плоскости по направляющим. По всей длине цепи закреплены 120 ячеек, состоящие каждая из сосуда с образцом и реакционной пробирки объемом 5 мл. Объемы проб (10—300 мл) и реагента контролируются стеклянными прецизионными шприцами с пневматическим приводом. Реакционная смесь (4,0—4,5 мл) переносится с помощью зонда (пневматически) в кювету (5 мм) спектрофотометра с малым мертвым объемом и после спектрофотометрических измерений возвращается в исходный сосуд.
Продолжение
to
Назначение, фирма-производитель и модель Характеристики
3. Система фирмы «Bausch Блочная система для дискретного анализа (колориметрическим методом). Имеется
& Lomb», типа Spectronic 4 блока: устройство для приготовления проб, термостатируемая баня с пробоотборником, спектрофотометр типа Spectronic 100 и управляющее устройство. Отбор проб и добавление реагента производится вручную с помощью шприца. Остальная часть системы описана выше.
4. Лабораторная аналитическая система фирмы «Joyce, Loebel, Ltd. (Tech/Ops)», типа Microlab Блочная система для дискретного анализа; от блока к блоку сосуды с веществами необходимо переносить вручную в штативах на 15 или 40 сосудов. Все блоки производят операцию с интервалами 15 с. Система состоит из следующих блоков: устройство для отбора проб, устройство для добавления реагента, центрифуга, сепаратор и автоматический колориметр. В устройстве для отбора проб помещаются штативы с пластмассовыми сосудами для образцов (15 или 40 сосудов в штативе). Из этих сосудов пробы величиной 0,01—3,5 мл отбираются путем всасывания. Отобранные пробы вымываются в стеклянные реакционные пробирки порциями разбавителя по 0,2—5 мл. Могут быть добавлены два реагента. Добавление реагента происходит аналогично отбору пробы. Центрифугирование осуществляется в течение 3—5 мин (3000 об/мин). Автоматический двухлучевой колориметр с автоматической установкой на нуль, с цветными и клинообразными интерференционными фильтрами. Кварцевая галогеновая лампа и кварцевая оптика позволяют вести анализ в УФ-области спектра. Встроенный самописец с линейной шкалой концентраций. Предусмотрена возможность регистрации результатов на цифровом печатающем устройстве. Все насосы поршневые. Имеется пламеннофотометрическая приставка.
5. Многоканальная автоматическая аналитическая система фирмы «Vickers (Medi-Computer)», типа М-300 Управляется вычислительным устройством. Позволяет вести анализ с применением 20 различных реагентов со скоростью: 20 типов анализов 300 проб/час. Всю систему можно использовать как несколько независимых двухканальных подсистем. В каждой из таких подсистем имеется устройство для разбавления, которое отбирает пробу раствора и вместе с разбавителем переносит ее в реакционный сосуд. Затем происходит добавление реагентов. Карусельный столик со 120 пробирками изготовлен из специального сплава и допускает нагревание. Имеется система промывки сосудов. Сменный пламенный фотометр. Печатающее устройство для непрерывной регистрации результатов анализа. Двухлучевой колориметр.
6. Устройство фирмы «Beckman», типа DSA-560 для дискретного анализа
7. Анализатор фирмы «Technicon», типа AutoAnaly-
zer
8. Анализатор фирмы «Technicon», типа AutoAnalyzer II
9. Автоматическое устройство для отбора проб типа Quickfit 617 фирмы «Quickfit, Quartz, Ltd.»
Отбор и перенос проб осуществляется пневматически. Образцы (5—50 мкл) находятся в 40 пробирках, закрепленных на карусельном столике (пробирки (Ьипмы «Microfuge R», пластмассовые чашечки или обычные стеклянные пробирки). Пробы отбираются зондом, который переносит пробу в одну из 5 камер пластмассового столика. В каждом цикле анализа чашечки с образцами движутся в термостате, температуру которого регулируют с помощью замкнутой системы с циркулирующей жидкостью. При необходимости фильтрования в чашечку опускается трубка с пористой мембраной и жидкость пневматически отбирается сквозь мембрану и переносится в другую камеру. После проявления окраски раствор подается насосом в высокочувствительный двухлучевой колориметр. Спектральный диапазон 340—700 нм. Результаты представляются в единицах концентрации графически или в цифровой форме с помощью печатающего устройства. Может применяться и для кинетических измерений. Скорость анализа 35—120 проб в час (рис. 19.11).
Блочная система для непрерывного анализа. Подробно описана выше в этой главе. Чрезвычайно широкая область применения при использовании колориметра или других устройств для окончательных измерений. Применяемые в системе соединительные трубки могут оказаться недостаточно стойкими по отношению к некоторым органическим веществам. Предусмотрена возможность термостатирования при температурах 37 °C или 95 °C.
Аналогичен анализатору типа AutoAnalyzer, но гораздо меньших размеров. К этому анализатору имеется несколько дополнительных блоков (приставок) для проведения некоторых (неорганических) тестов. В комплекте имеются реагенты, смесительные спиральные трубки, диализатор, термостат, устройство временной задержки и программирующее устройство. Применяется меньшее (по сравнению с системой AutoAnalyzer) число межблочных соединений и насосов (обычно 5). В анализе используется гораздо меньшее количество реагентов (рис. 19.12).
Два расположенных друг над другом карусельных столика с микроцентрифугой между ними; образцы помещают в сосуды верхнего столика. Пробы (96 проб в час) и реагент отбираются шприцем и переносятся в сборник. Другое устройство отбирает пробы реакционной смеси и переносит их в сепаратор (центрифугу). Из сепаратора вещество переносится в сборник нижнего столика. Третье устройство переносит анализируемое вещество с реагентом в реакционный сосуд, помещающийся в водяной бане. После выполнения заданной последовательности операций порция образовавшегося продукта переносится в колориметр.
414
Глава 19
анализировать термометрическими методами [85—87], основанными на принципах автоматического титрования. Еще одним методом, который допускает автоматизацию анализа, является кулонометрическое титрование. Бандит, Бейлштейн и Раск [88] применили
Рис. 19.15. Аппарат с карусельным столиком и подъемным устройством.
этот метод для определения двойных связей. Однако для большей эффективности анализа каждый из этих методов целесообразно включить в состав полной аналитической системы.
V. ОБОРУДОВАНИЕ, КОТОРОЕ МОЖНО ИСПОЛЬЗОВАТЬ В АВТОМАТИЧЕСКИХ АНАЛИЗАХ
В предыдущих разделах основное внимание было уделено оборудованию, которое необходимо для построения частично или полностью автоматизированных систем, обеспечивающих химический анализ в жидкой фазе. Табл. 19.1 представляет собой список такого оборудования, уже имеющегося в продаже. В ней указаны фирма-производитель, модель и основные характеристики каждого из устройств.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Koch W., Pure Appl. Chem., 18, Nos. 1—2, 1 (1969).
2. Malissa H.t Pure Appl. Chem., 18, Nos. 1—2, 17 (1969).
Список литературы
416
3. Mietes L., Pure Appl. Chem., 18, Nos. 1—2, 35 (1969).
4. Mitchell J., Jr., Pure Appl. Chem., 18, Nos. 1—2, 81 (1969).
5. Simon W., Pure Appl. Chem, 18, Nos. 1—2, 97 (1969).
6. Zagorski Z., Chem. Anal., 3, 313 (1958).
7. Dijkstra A., Chem. Weekblad, 64 (40), (1968).
8. Malissa FL, Ind. Chim. Beige, 33, 220 (1968).
9. Erdey L., Szabadvary F., Pure Appl. Chem., 13, 437 (1966).
10. van Nieuwenburg C. J., Chim. Anal. (Paris), 38, 423 (1956).
11. Muller /?., Ann. N.Y. Acad. Sci., 87, 611 (1960).
12. Patterson G. D., Anal. Chem., 29, 605 (1957).
13, Pattison M. H., Am. Lab., June 1969, p. 37.
14. Blaedel W. J., Olson C. L., J. Chem. Educ., 40, A549 (1963).
15. Technicon Symposia 1965, Mediad, Inc., White Plains, N. Y., 1966.
16. Technicon Symposia 1966, Vols I and II, 1967.
17. Technicon Symposia 1967, Vols. I and II, 1968.
18. Smith D. E., Jr., Anal. Chem., 52, 206 (1969).
19. Orr С. H., Norris J. A., ed., Progress in Analytical Chemistry, No. 4, Plenum, New York, 1970.
20. Kingsley G. R., Anal. Chem., (Annual Reviews), 41, (5), 14R (1969).
21. Wied G. L., ed., Introduction to Quantitative Cytochemistry, Academic, New York, 1966.
22. Skeggs G. T., Jr., Hockstrasser H., Clin. Chem., 10, 918 (1964).
23. Guilbault G., Enzymatic Methods of Analysis, Pergamon, Oxford, England, 1970.
24. Schwartz M. K., Bodansky O., Technicon Symposia 1966, pp. 489—493.
25. Bergmeyer H. U., ed., Methods of Enzymatic Analysis, 2nd Ed., Verlag Chemie, Weinheim, 1965.
26. Smythe W. J. et al., Technicon Symposia 1967, Vol. I, pp. 105—114.
27. Sinotte L. P., ed., Ann. N.Y. Acad. Sci., 153 (2), 389 (1968).
28. Gerke J. R., Ferrari A., Technicon Symposia 1967, Vol. I, pp. 531—540.
29. Chem. Eng. News, 44, Oct. 24, 1966, p. 22.
30. Wherry T. C., Oil Gas J., 54, No. 56, 125, 129 (1956).
31. Blaedel W. J., Laessig R. H., Advan. Anal. Chem. Instr., 5, 69 (1966).
32. Maier H., Claudy H., Ann. N. Y. Acad. Sci., 87, 864 (1960).
33. Adelman M. H., Industrial Analysis (Proceedings of the Technicon International Congress, 1969), Vol. 2, Mediad Inc., White Plains, N. Y., 1970.
34. Patient D., Ann. N. Y., Acad. Sci., 87, 830 (1960).
35. Ferrari A., Kessler G., Russo-Alesi F., Kelly J., Vanderwende C., van Pet-ten L., Ann. N.Y. Acad. Sci., 87, 729 (1960).
36. Skeggs L. T., Jr., Chem. Eng. News, Aug. 10, 1970, p. 54.
37. Hermansky M., Vondracek M., Cesk Farm, 17 (4), 204 (1968).
38. Siggia S., Continuous Analysis of Chemical Process Systems, John Wiley, New York, 1959.
39. Noebels H., Ann. N.Y. Acad. Sci., 87, 934 (1960).
40. Hagstrom R., Capuano I., Factors Influencing Selection and Use of Automatic Analytical Instruments, paper presented at ASTM Meeting, Atlantic City, N.J., 1968.
41. Эттр Л., Мак-Фадден У., Методы-спутники в газовой хроматографии, изд-во «Мир», М., 1972.
42. Littlewood А. В., Chromatographia, 1, 37 (1968).
43. Peters J. Н. et al., Anal. Biochem., 23, 459 (1968).
44. Kunz H. W., Bernard C. F., Gill T. J., J. Chromatog., 32, 786 (1968).
45. Woods K., Engle R., Ann. N. Y. Acad. Sci., 87, 764 (1960).
46. Aminco Lab. News, 26 (3& 4), 4 (1970).
47. Schratter P., An. Lab., Oct. 1969, p. 21.
48. Lee У. C., McKelvy J. F., Lang D., Anal. Biochem., 27, 567 (1969).
49. Brendel K. et al., Anal. Biochem., 18, 147 (1967).
50. Polesuk J., Am. Lab., May 1970, p. 27; Am. Lab., June 1970, p. 47.
51. McCallum J. D.t Am. Lab., December 1968, p. 48.
416
Глава 19
52. «Technicon AutoAnalyzer Bibliography 1957/1967», Technicon Corp., New York, 1968.
53. Fuhrmann H., Chem.-Ingr.-Tech., 26 (7), 401 (1954).
54. Sheen R. T., Serfass E. J., Ann. N.Y. Acad. Sci., 87 (1960).
55. Lang W., Mikrochim. Acta, 1, 52 (1967).
56. Epps E. A., Jr., Austin H. C., Jr., J. Assoc. Offic. Anal. Chemists, 50 (4), 981 (1967).
57. Shapira R., Wilson A. M., Anal. Chem., 38, 1803 (1966).
58. Bishop J. F., White R. S., Ind. Eng. Chem., 46, 1432 (1954).
59. Loebl H., англ. пат. 1149384; дополнение 7/5/65.
60. Gualandi G., Morisi G., Ann. 1st. Sup. Sanita, 3 (5), 589 (1967).
61. Dukes E. K., Hyder M. L., Anal. Chem., 36(8), 1689 (1964).
62. Lamy J. N., Lamy-Provans al J., de Russe J., Weill J. D., Bull. Soc. Chim. Biol., 49 (8—9), 1167 (1967).
63. Ashworth R. F., Walisch W., International Technicon Symposium on Automation in Analytical Chemistry, Technicon GmbH, Frankfort, Germany, 1964, p. 628.
64. Kuzel N. R., Technicon Symposia 1966, Vol. I, Mediad, Inc., White Plains, N.Y., 1967, pp. 218—221.
65. Atkinson T. W. L., Chem. Process., 28 (4), 2 (1965).
66. Duncombe R. E., Shaw W. H. C., Technicon Symposia 1966, Vol. II, Mediad Inc., White Plains, N. Y., 1967, pp. 15—18.
67. Bartkiewicz S. A., Kenyon L. C., Jr., Anal. Chem., 35, 422 (1963).
68. Lappen R., Clark L. C., Anal. Chem., 23, 541 (1951).
69. Friestad H. O., Ott D. E., Gunther F. A., Anal. Chem., 41, 1950 (1969).
70. Ziegel H., Z. Anal. Chem., 53, 755 (1914).
71. Robinson H. A., Trans. Electrochem. Soc., 92, 445 (1947).
72. Philipps J. P., Automatic Titrators, Academic, New York, 1959.
73. Tucussell J., Bull. Soc. Chim. France, 1964, 1115.
74. Zajicek О. T., J. Chem. Educ., 41, 554 (1964).
75. Squirrell D. С. M., Automatic Methods in Volumetric Analysis, Van Nostrand, Princeton, N. J., 1964.
76. Bryden R., Dean A., Ann. N.Y. Acad. Sci., 87, 813 (1970).
77. Kelley T. F., Anal. Chem., 37, 1078 (1965).
78. Noble R. P., J. Lipid Res., 7, 745 (1966).
79. Malmstadt H. V., Vassallo D. A., Anal. Chem., 31 (5), 862 (1959).
80. Shain I., Svoboda G. R., Anal. Chem., 31 (11), 1857 (November 1969).
81. Svoboda G. R., Anal. Chem., 33 (12), 1638 (November 1961).
82. Johnson M. J., Anal. Chem., 38, 1579 (1968).
83. Charles J., J. Chromatog., 35, 158 (1968).
84. Kesner L., Muntwyler E., Anal. Chem., 38, 1164 (1966).
85. Vaygand V. J. et al., Taianta, 15, 699 (1969).
86. Priestly P. T., Sebborn W. S., Selman R. F. W., Analyst, 88, 797 (1963).
87. Priestly P. T., Sebborn W. S., Selman R. F. W., Analyst, 90, 589 (1965).
88. Bandisch J.t Beilstein G., Rasch E., Z. Anal. Chem.? 231, 137 (1967).
Приложение 1
Цель приложения — дать читателю основную общую информацию и (или) ссылки на соответствующую литературу по вопросам, связанным с методами, применяемыми для проведения измерений на конечном этапе анализа. Разумеется, было бы неуместным вдаваться здесь во все подробности этих методов. Для удобства приложение, так же как и остальные главы этой книги, делится на разделы, посвященные абсорбционной спектрофотометрии, газовой хроматографии, электроаналитическим методам, методам ядерного магнитного резонанса и радиохимическим методам.
Наиболее подробно рассматривается газовая хроматография. Существуют общие методы ГХ, -которые особенно приспособлены для анализа функциональных групп, и мы сочли целесообразным представить здесь общее рассмотрение всех этих методов.
I. АБСОРБЦИОННЫЕ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Дж. Г. Ханна
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПОГЛОЩЕНИЕ В ВИДИМОЙ И УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ ЧАСТИ СПЕКТРА
1. Clark G. L., ed., The Encyclopedia of Spectroscopy, Reinhold, New York, 1960. 2. Kolthoff I. M., Elving P. J., eds., Treatise on Analytical Chemistry, Part I, Vol. 5, Interscience, New York, 1964.
a) Meehan E. J., Chapter 54, «Fundamentals of Spectroscopy», and Chapter 55, «Spectroscopic Apparatus and Measurements».
b) Schilt A. A., Jaselakis B., Chapter 58, Part I, «Ultraviolet and Visible Spectrophotometry — Principles and Applications».
c) Jaselakis B., Chapter 58, Part 2, «Ultraviolet and Visible Spectrophotometry— Instrumentation and Measurement».
3. Ferguson L. N., in Advances in Analytical Chemistry and Instrumentation», Vol. 4, C. N. Reilley, ed., Interscience, New York, 1965, p. 411.
4. Рао Ч. H., Электронные спектры в химии, изд-во «Мир», М., 1964.
ПОГЛОЩЕНИЕ В ИНФРАКРАСНОЙ ЧАСТИ СПЕКТРА
5. Szymanski Н. A., IR Theory and Practice of Infrared Spectroscopy, Plenum, New York, 1964.
14 Зак. 58
418
Приложение 1
6. Smith A., in «Treatise on Analytical Chemistry», Part I, Vol. 6, I. M. Kolthoff and P. L. Elving, eds., Interscience, New York, 1965, Chapter 66.
7. Goddu R. F., in «Advances in Analytical Chemistry and Instrumentation», Vol. 1, C. N. Reilly, ed., Interscience, New York, 1960, p. 347.
8. Rao С. П. R., Chemical Applications of Infrared Spectroscopy, Academic, New York, 1963.
9. Colthup N. B., Daly L. H., Wiberley S. E., Introduction to Infrared and Raman Spectroscopy, Academic, New York, 1964.
II. ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
M. Бероза, М. Н. Инской
Газовая хроматография (ГХ) в значительной степени расширила возможности исследований в области анализа функциональных групп органических соединений. Классические методы количественного анализа функциональных групп применяли в основном для определения структуры одного или в лучшем случае небольшого числа органических соединений путем определения продукта реакции той или иной единственной функциональной группы. Методом ГХ можно одновременно получать качественную и количественную информацию для всех продуктов реакции. Для проведения анализа требуется меньшее (иногда даже в 100 раз) количество анализируемого материала, причем методом ГХ определяют многие соединения, а не одно-два, как в обычной лабораторной практике. Эти возможности ГХ и легкость проведения соответствующих анализов привели к тому, что в настоящее время этот метод получил широкое распространение.
В анализах методом ГХ, как и в анализах другими методами, надежность получаемых результатов зависит от опытности исследователя, и поэтому важно, чтобы он был хорошо знаком с достижениями в этой области. Подробное обсуждение приемов и методов ГХ выходит за рамки данной книги; на эту тему существует большое число работ*. Здесь приведено лишь краткое описание метода ГХ, имеющее целью ознакомить читателя в общих чертах с природой и ролью процессов, типичных для ГХ. Для того чтобы избежать ненужных повторов, связанных с описанием методов анализа отдельных функциональных групп, вслед за общим описанием процесса ГХ обсуждаются характер информации, получаемой в анализе этим методом, а также некоторые общие факторы, относящиеся к анализу функциональных групп в целом, например образование производных и типы детекторов. Всюду в тексте имеются ссылки на соответствующую литературу.
* Например, Ettre L. S., Zlatkis A., eds., The Practice of Gas Chromatography, Interscience, New York, 1967.
Приложение 1
419
А. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ МЕТОДА ГАЗОВОЙ ХРОМАТОГРАФИИ
Газовая хроматография представляет собой метод разделения, а также качественного и количественного определения летучих веществ. Пробу, вводимую в газовый хроматограф, переводят в летучее состояние (если она уже не находилась в нем) и вводят в поток инертного газа (газа-носителя), текущего с постоянной скоростью через трубку с насадкой (колонку). Наиболее часто (газожидкостная хроматографйя) насадка представляет собой твердый носитель с частицами примерно одинакового размера, покрытый слоем неподвижной жидкой фазы. Компоненты пробы распределяются между газовой и жидкой фазами и движутся в колонке с разными скоростями, главным образом за счет того, что они имеют разные значения коэффициента распределения. По выходе компонентов из колонки они попадают в детектор, сигнал которого регистрируется самописцем. Компоненты, которые не разделяются на данной колонке, часто удается разделить на другой колонке с другой жидкой фазой. Насадка может представлять собой и твердый адсорбент (газоадсорбционная хроматография) без жидкой фазы.
Важным фактором количественного газожидкостного хроматографического анализа является твердый носитель. Для уменьшения адсорбции веществ на носителе (которая приводит обычно к расширению хроматографических зон) широко применяют сила-низацию носителя. Силанизация особенно важна в анализах полярных соединений, и, кроме того, она обеспечивает более равномерное распределение неполярной жидкой фазы на носителе. Для уменьшения адсорбции, а также каталитических эффектов силанизации подвергают стеклянные и металлические колонки и коммуникации. Еще один способ борьбы с адсорбцией — применение носителей из тефлона. Кроме этого, для подавления ионизации анализируемых кислот и оснований носитель можно обработать кислотой или основанием. (С этой же целью в колонку вместе с пробой иногда вводят некоторое количество летучей кислоты или основания.)
Схема газохроматографической системы представлена на рис. П. 1, а на рис. П. 2 приведена хроматограмма и показаны основные параметры главного хроматографического пика. Время удерживания /уц представляет собой интервал времени между моментами ввода пробы и появления максимума хроматографического пика. (Исправленная величина /уд отсчитывается от момента появления хроматографического пика воздуха, а иногда хроматографического пика растворителя.) В данных условиях каждое соединение имеет свое время удерживания, и поэтому по величине /Уд это соединение можно индентифицировать. В правильно выбранной ГХ-системе (неподвижная жидкая фаза — твердый носитель) чистое соединение дает симметричный хроматографический
14*
420
Приложение 1
пик. Наличие примесей с близкими временами удерживания легко идентифицировать по несимметричным пикам, хотя следует иметь в виду и то, что несимметричные пики могут быть обусловлены и другими причинами, например разложением или адсорбцией анализируемых соединений на хроматографическом носителе. Количество соединения в ГХ-анализе наиболее часто определяют по площади соответствующего хроматографического пика, заключенной между самим пиком и нулевой линией. Эту площадь можно измерить планиметром или вычислить приближенно,
Рис. П. 1. Блок-схема газового хроматографа.
/—входное устройство; 2—шприц; 3—-термостат; 4—измеритель потока; 5 —манометр; 6 — колонка; 7—преобразователь сигнала; 3 —детектор; 9— выход газового потока; /0 —регулятор давления (регулятор скорости потока); //—-баллон с газом-носителем; /2 —самописец.
Рис. П. 2. Параметры газовой хроматограммы.
1 — время удерживания; 2-~хроматогра-фический пик; 3 —высота пика; 4 — ширина пика на половине высоты; 5 —ширина пика; 6 — мертвое время; 7 —нулевая линия; 8 — момент ввода пробы.
умножив высоту пика на его полуширину (ширину на половине высоты). Обычно площадь хроматографического пика пропорциональна концентрации соответствующего компонента. Для получения количественных результатов с помощью стандартных проб для каждого соединения определяют площадь хроматографического пика, соответствующую единице веса соединения. Существуют интеграторы различных типов, позволяющие измерять площади пиков и облегчающие тем самым проведение количественного анализа.
Одним из важных преимуществ метода ГХ в сравнении с классическими методами является то, что этим методом можно одновременно в одном цикле анализа разделить и определить большое число соединений, а не одно-два. Благодаря присущей ГХ способности разделять близкие по свойствам соединения, анализ этим методом имеет высокую специфичность, что обеспечивает получение более точных и надежных количественных результатов по
Приложение 1
421
сравнению с результатами, типичными для классических методов. Более надежна (но не полностью определена) идентификация соединений по их характеристическим временам удерживания.
Потребность в более точном контролировании анализа и увеличении его универсальности привела к значительному усложнению и увеличению числа различных приборов для анализа методом ГХ. Температуру колонки можно поддерживать неизменной (изотермический режим) или программировать ее. Во втором из этих режимов температуру колонки постепенно повышают, что позволяет за приемлемое время и с достаточной чувствительностью определять соединения самой разной летучести. (В отличие от анализа в изотермическом режиме при программировании температуры соединения, выходящие из колонки в последнюю очередь, дают не растянутые, а узкие хроматографические пики.) Повышение температуры приводит к расширению газа-носителя. Поэтому для поддержания постоянной скорости потока газа-носителя в процессе разделения с программированием температуры колонки требуются дифференциальный регулятор газового потока и баллон с газом высокого давления. Для получения стабильных результатов применяют дифференциальную систему с двойными колонками и двойным детектором, которая позволяет автоматически учесть нестабильную концентрацию паров неизвестной жидкой фазы в элюате, которая возрастает с повышением температуры. Исключительно хорошие разделения обеспечивают незаполненные капиллярные колонки (с жидкой фазой на стенках), длиной 15—300 м. Для проведения сложных анализов часто требуются вспомогательные методы, такие, как химическое превращение анализируемого соединения [1].
Б. ГАЗОВАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ КАК МЕТОД ФУНКЦИОНАЛЬНОГО АНАЛИЗА
ГХ широко применяется в области количественного анализа функциональных групп, и нет возможности представить здесь полный список соответствующих работ. Вместо этого в предыдущих главах была сделана попытка выбрать методы, типичные для существующей практики анализа, и не рассматривать более старые методы в тех случаях, когда имеются новые методы, позволяющие столь же или более успешно осуществить анализ. Ограниченный объем книги не позволил также, за исключением очень немногих случаев, дать более чем самое краткое описание анализов или даже просто упомянуть о них. Для осуществления этих анализов на практике, а также для того, чтобы оценить ограничения методов и их недостатки, читатель должен ознакомиться с оригинальными работами. Эти работы полезны еще и тем, что в них можно найти ссылки на более ранние исследования, включая и работы создателей различных методов.
422
Приложение 1
Ориентация книги на количественные методы привела к тому, что в ней не рассмотрены многие качественные методы. Однако не всегда можно разграничить количественные и качественные методы, поскольку во многих анализах нескольких соединений методом ГХ количественно удается определить лишь некоторые из них. Более того, отдельные методы, которые разрабатывались как качественные, потенциально являются количественными. Они позволяют получать достаточно воспроизводимые результаты, из которых можно получить и количественную информацию, используя подходящие поправки, или же, наконец, не будучи количественными, они позволяют получать информацию о структуре молекул соединений. Так, например, количественных данных не требуется для определения положения двойных связей в молекуле, а присутствие или число данной группы в молекуле часто бывает легче определить по временам удерживания, чем путем количественного анализа этой группы, причем для этого требуется и меньшее количество анализируемого соединения. В этой связи в приложение включен отдельный раздел, посвященный хроматографическому определению углеродного скелета молекулы [2] и индексам удерживания, поскольку соответствующие методы применимы, по-видимому, к анализам большинства функциональных групп. Наконец, здесь рассматриваются некоторые методы, которые, хотя и не считаются особенно важными, но помогают полностью показать область применения того или иного подхода или же являются перспективными для дальнейшего развития.
С появлением ГХ, обеспечивающей количественный анализ многокомпонентных смесей, понятие анализа функциональных групп приобрело в последние годы значительно более широкий смысл. Так, например, несколько десятилетий назад можно было определять лишь метокси- или этоксигруппы; теперь же без труда определяют спирты от Ci до С4 и более высокомолекулярные спирты по отдельности или в сумме. Анализ функциональных групп можно применять и к смесям известных и неизвестных соединений. Так, например, может быть известно, какие жирные кислоты присутствуют в нелетучем масле, и требуется определить количество каждой из этих кислот. Наиболее важным этапом такого анализа является предварительная обработка пробы с целью определить фракцию, содержащую анализируемую функциональную группу. Эта предварительная обработка может заключаться в разделении кислотных, основных или нейтральных фракций, или может включать в себя выделение постороннего материала методом тонкослойной хроматографии или другими хроматографическими методами. После такой обработки анализируют фракцию, содержащую нужную функциональную группу. (См. разд. В «Приготовление проб для анализа методом ГХ».) Эти предварительные этапы анализа здесь, как правило, не описываются.
Конечно, в случаях, когда известен тип определяемого соеди
П риложение 1
423
нения, например, в силу того, что известно происхождение образца, или в результате его анализа другими инструментальными методами, такими, как ИК-спектрофотометрия, применение ГХ напрашивается само собой. В связи с этим следует упомянуть, что почти в каждом анализе инструментальными методами применяется ГХ (по причине ее большой разделительной способности), причем используется либо отдельный газовый хроматограф, либо он входит в состав общей аналитической системы. Несмотря на всю ценность таких комбинированных систем, они редко упоминаются ниже. Дело в том, что эти системы обычно позволяют осуществить лишь качественный анализ и находятся поэтому за пределами данного обсуждения. Следует, однако, упомянуть о комбинированных системах газовый хроматограф — масс-спектрометр (система ГХ — МС), в которых применяются спектрометры с двойной фокусировкой высокого разрешения. В настоящее время такие системы имеются в продаже. Во многих случаях с помощью комбинированных систем удается определить молекулярные веса соединения и его осколков (точнее величины отношений масс соответствующих ионов к их зарядам) с точностью до миллионных долей единицы массы (например, 182,015) [3]. По столь точным результатам исследователь может точно установить эмпирическую формулу соединения, причем во многих случаях даже для соединений с молекулярным весом, равным по крайней мере 500. При этом отпадает необходимость в элементарном анализе, а получаемые результаты позволяют судить и о том, какая функциональная группа присутствует в анализируемом соединении. Так, например, если из результатов анализа обнаружено присутствие азота, то можно говорить о присутствии в пробе амино-, нитрозо-, нитро-или амидной группы. Помимо разделения соединений, газовый хроматограф выполняет в такой системе и еще одну функцию — он служит устройством для ввода проб в масс-спектрометр. В нем происходит удаление растворителя, в результате чего в спектрометр поступают пробы малой величины с повышенным содержанием анализируемого соединения и (хотелось бы надеяться) в чистом виде.
Представляет интерес также и обзор методов элементарного анализа с применением ГХ [4]. Выпускаемое промышленностью новое оборудование для элементарного анализа, в большинстве которого применяется ГХ. ускорило анализы и позволило осуществлять определения, используя малые пробы величиной до 0,2 мг.
Многие из ранних методов анализа функциональных групп были основаны на измерении израсходованного количества реагента, а не на измерении количества образующегося продукта; так, например, в определении ОН-группы измеряли израсходованное количество уксусного ангидрида, а не количество образующегося эфира. Иногда этот подход применяют и сейчас, однако в основном его вытеснил метод непосредственного определения
424
Приложение 1
продуктов, поскольку такое определение методом ГХ гораздо удобнее, быстрее и более специфично. Более того, в одном цикле анализа с применением ГХ удается определить сразу несколько продуктов. Применительно к таким анализам пришлось изменить всю методологию. При этерификации, например, в реакционную смесь добавляют большой избыток реагента с целью быстрейшего завершения реакции и тем самым ускорения анализа. В анализах классическими методами допускается лишь 50 %-ный избыток реагента и приходится продолжительное время выжидать полного завершения реакции просто потому, что титрование слишком большого количества реагента не позволяет получить хороших результатов. В анализе же методом ГХ можно определять количества продуктов реакции, а их чистоту оценивать по симметричности хроматографических пиков или по их форме, и потому требования высокрй точности результатов, типичные для классических методов, не столь жестки.
Применение ГХ вызвало заметный прогресс в области биологических наук. Этот метод позволяет количественно определять очень малые количества химических веществ, или, точнее, количества соединений в биологических образцах, находящиеся на «физиологическом уровне». Как и прежде, в таких анализах требуются предварительные разделения и (или) очистка путем разделения для выделения фракций, содержащих соединения с определяемой функциональной группой. В случаях, когда в анализируемой пробе содержатся функциональные группы или элементы, к которым чувствительны высокоспецифичные детекторы (см. разд. Г), становится возможным определить чрезвычайно малые количества соединений (нанограммы и пикограммы); кроме того, такие анализы высокоспецифичны, поскольку детектор слабо или вообще не реагирует на посторонние вещества. Высокоспецифичные детекторы имеют огромное значение для повышения чувствительности анализа путем образования производных по данной функциональной группе; часто с этой целью специально получают производные, содержащие элементы или группы, к которым особо чувствительны специфические детекторы (см. разд. В. 3).
Вопросы, связанные с вычислениями, здесь не рассматриваются, поскольку эти вычисления не представляют труда. Выше уже говорилось о том, что содержание соединений определяют по площадям соответствующих хроматографических пиков (или высот пиков) путем сравнения с площадями хроматографических пиков, полученных в анализе стандартных проб. Для получения более точных результатов применяют внутренние стандарты; обычно для этой цели берут соединение, аналогичное по свойствам анализируемому соединению, но величина /уд которого значительно отличается от величин /уд компонентов анализируемой пробы. Последнее делается для того, чтобы хроматографический пик стандартного соединения не мешал идентификации пиков
П риложение 1
425
компонентов анализируемой пробы. При использовании внутреннего стандарта можно ввести поправки, учитывающие добавление некоторого количества стандартного соединения в раствор пробы, а также ввод определенного количества этого соединения в газовый хроматограф. (Большие подробности можно найти в стандартных руководствах по ГХ.) Обычно площадь хроматографического пика пропорциональна концентрации соответствующего соединения в пробе, а в анализах проб малых величин (обычно ’ менее, чем микрограммные количества) концентрации часто пропорциональна высота пика: зная соответствующую зависимость можно вычислить коэффициенты отклика (площадь пика или высота пика на единицу веса). В случаях когда концентрация не пропорциональна отклику детектора, необходимо проводить анализы стандартных проб различных концентраций и по данным этих анализов строить калибровочные графики. Нелинейные калибровочные графики часто оказываются линейными в полулогарифмической или логарифмической шкале; так, например, величина сигнала пламенно-фотометрического детектора нелинейно зависит от концентрации серусодержащих соединений, однако в логарифмической шкале соответствующий график прямолинеен.
В свете вышеизложенного имеется много причин рекомендовать применение метода ГХ в анализах функциональных групп. Однако многие из новых методов еще не прошли тщательной проверки с разнообразными материалами, и поэтому в работе с этими методами исследователь должен проявлять осторожность. Очень желательно подтверждать результаты идентификации по временам удерживания другими методами (например, путем превращения в производные и их анализа). Ценность анализа увеличится и в том случае, когда получатся согласующиеся результаты с применением полярной и неполярной жидких фаз или даже в отдельных анализах с несколькими различными жидкими фазами. Чем больше информации будет получено, тем более надежны результаты анализа.
В. ПРИГОТОВЛЕНИЕ ПРОБ ДЛЯ АНАЛИЗА МЕТОДОМ ГХ
В связи с тем, что разложение анализируемых соединений, как правило, недопустимо, необходимо тщательно продумать способы приготовления представительных образцов и их хранения (это особенно относится к образцам биологического происхождения), однако эти вопросы выходят за рамки данной книги.
1. Экстракция
Одни пробы могут быть в виде, готовом для анализа, а другие необходимо экстрагировать из субстрата. Для экстракции из жидкостей можно применять несмешивающиеся с ними растворители.
426
Приложение 1
Для полной экстракции растворителем основных ингредиентов твердых образцов эти образцы обычно приходится крошить, размалывать, напылять или измельчать другими способами. Для экстракции лучше всего применять растворитель, который обеспечивает выделение из субстрата всех нужных ингредиентов с минимальным количеством примесей и продуктов совместной экстракции. Как правило, это наиболее слабый из растворителей, обеспечивающих количественную экстракцию нужных веществ; он должен легко (низкокипящий) удаляться из экстракта без заметных потерь экстрагированных веществ; кроме этого, даже большие его количества не должны мешать анализу.
2. Очистка
Необходимая степень чистоты непосредственно зависит от типа применяемого газохроматографического детектора. Недостаточно чистыми для анализа методом ГХ являются многие образцы. Из таких образцов необходимо удалить мешающие примеси, а также нелетучие вещества, присутствующие в них в слишком больших количествах. При повторных вводах проб эти нелетучие вещества могут накапливаться в колонке и изменять величины /уд, ухудшать разделение, приводить к неустойчивости нулевой линии и к потерям анализируемых веществ. Кроме того, эти вещества могут накапливаться в детекторе (детектор может быть и нечувствительным к этим веществам, например, если он высокоспецифичен) и приводить к постепенному уменьшению его сигнала. Особенно подвержены подобным загрязнениям детекторы с радиоактивным источником ионизации, которые не могут работать при температурах, заметно превышающих температуру колонки. Ввиду всего этого удаление нежелательных материалов (очистка) — часто необходимая предпосылка успешного анализа.
Очистка должна быть по возможности простой и быстрой. С этой целью часто применяют распределение образца между двумя несмешивающимися растворителями. Жиры, например, почти полностью удаляются из экстрактов биологических образцов путем распределения экстракта между гексаном и ацетонитрилом; жир при этом остается в гексане, а определяемое соединение — в ацетонитриле. Часто помогают групповые разделения (например, разделение кислотной, основной и нейтральной фракций путем экстракции). Для удаления ненужных материалов, а часто и для одновременного разделения анализируемых соединений пробу хроматографируют, применяя подвижную фазу, элюционную способность которой в ходе анализа увеличивают (колоночная хроматография). С этой же целью применяют и тонкослойную хроматографию. Во многих случаях мешающие вещества удается удалить путем такой химической обработки образца, которая не затрагивает анализируемые соединения (например, удаление жиров путем
П риложение 1
427
омыления). Иногда химическая обработка необходима для химического отделения определяемого вещества; примером этому является получение аминокислот в результате гидролиза белка. Предварительные разделения с целью очистки образца, хотя и повышают специфичность анализа, могут приводить к потерям нужных соединений.
3. Превращение в производные
Многие даже чистые соединения невозможно количественно определить методом ГХ из-за их термической нестабильности, недостаточной летучести или высокой полярности. Наличие полярных функциональных групп приводит к расширению фронтов хроматографических пиков или к необратимой адсорбции соответствующих соединений на многих хроматографических носителях; они также понижают летучесть соединений и их термостойкость. Однако соединения с полярными группами легко превратить в гораздо менее полярные производные, и этот способ широко применяется для преодоления трудностей, возникающих при их анализе. Многие соединения, которые, как считалось ранее, невозможно анализировать методом ГХ, теперь без труда определяют в форме производных. Более того, образование подходящего производного является ключом к анализу многих функциональных групп.
Образование производного по данной функциональной группе должно быть по возможности быстрым и специфичным. Быстрому образованию производного способствует то, что для анализа методом ГХ требуется очень небольшое количество соединения. Как уже говорилось выше, при этом допустимо использование относительно больших количеств реагента, благодаря чему реакция завершается очень быстро. В хорошо разработанном анализе реагент, применяемый для образования производного, либо не мешает анализу (например, имеет время удерживания, отличающееся от времен удерживания анализируемых соединений), либо его удаляют перед анализом. Идеальным является случай, когда в производное превращается (причем количественно) только соединение с определяемой функциональной группой, когда это производное хорошо разделяется хроматографически и когда оно дает неискаженный хроматографический пик. При наличии помех можно провести разделение на другой колонке. Можно, кроме того, получить другие производные и среди них выбрать то, которое дает отдельный хроматографический пик.
Имеется большое разнообразие различных производных, и это облегчает выбор оптимального из них. Фторированные производные обычно более летучи, чем нефторированные, и имеют поэтому меньшие времена удерживания или могут быть разделены при температурах ниже обычных. Фторирование сделало осуществимым газохроматографическое разделение разнообразных
428
Приложение 1
соединений, включая высокомолекулярные соединения и полиоксисоединения, и имеет поэтому важное значение для анализа.
Галогенирование, включая и фторирование, часто используют для увеличения чувствительности анализа; электронно-захватный детектор, например, имеет высокую чувствительность по отношению к гептафтормасляным производным спиртов. При этом повышается и специфичность анализа, поскольку положительный отклик детектора говорит о том, что данное соединение содержит функциональную группу, по которой было образовано производное. Однако кроме анализируемых соединений в производные могут превращаться и другие присутствующие в пробе соединения, если в них имеется данная функциональная группа или функциональная группа, вступающая в реакцию с применяемым реагентом. Образующиеся при этом побочные продукты могут создавать мешающий фон, величина которого может меняться от пробы к пробе. Отсюда следует, что если в соединении уже имеется группа, которую можно определить с большой чувствительностью (например, галоген), то это соединение не следует превращать в производное с аналогичной группой, поскольку в противном случае появится мешающий фон и специфичность анализа уменьшится.
ГХ обеспечивает как разделение, так и измерение количеств продуктов реакции, и это значительно облегчает количественный анализ. Заметно возрастает и специфичность анализа, поскольку данное соединение должно выйти из колонки через определенное время (время удерживания). Конечно, для количественного определения каждого из компонентов смеси необходимо определить соответствующий ему коэффициент отклика (чувствительность системы газохроматографического детектирования).
То, что в одном цикле анализа методом ГХ можно определить сразу несколько соединений, несколько усложняет дело, поскольку исследователю может потребоваться провести анализ соединений с различными функциональными группами. Так, например, для увеличения специфичности определения спиртов в форме ацетатов может потребоваться, чтобы компоненты смеси были нейтральными (а не кислыми или основными). Для этого придется исключить присутствие аминов и фенолов, которые в противном случае также дадут производные. Если амины и фенолы присутствуют в пробе, то исследователь может удалить их путем экстракции кислотой и основанием или с помощью ионообменных смол. Подобные разделения часто требуются перед получением производных с тем, чтобы исключить появление мешающих веществ.
Г. ГХ-ДЕТЕКТОРЫ
Существует большое число детекторов различных типов, однако за недостатком места мы остановимся лишь на наиболее
Приложение 1
429
Таблица П.1
Характеристики важнейших газохроматографических детекторов
Детектор Тип Детектируемые вещества Диапазон линейности Предел обнаружимости а
Катарометр Неспецифичный Все 103 0,1 — 1 МКГ
Пламенно-ионизационный Неспецифичный Все органические 106 1 — 100 НГ
По плотности Неспецифичный Все 103 1 МКГ
Неспецифичный Все 10' 1 МКГ
Масс-спектрометр Неспецифичный Все 0,01 — 1 мкг
Электронно-захватный Специфичный б 5ХЮ2 Пикограммы
Термоионный Специфичный Фосфор-, азот-и галогенсодержащие Узкий От пикограммов до нанограммов
Пламенно-фотометрический Специфичный Фосфор-, серу-и галогенсодержащие > 103 0,1; 3 и 20 нг для фосфор-, серу- и гало-генсодержаших соединений соответственно
Кулонометрический Специфичный Галоген-, серу-и азотсодержащие Узкий Несколько нанограммов
По электролитической проводимости Специфичный Г алоген-, серу-и азотсодержащие Узкий Несколько нанограммов
а Количество соединения, обеспечивающее сигнал детектора, вдвое превышающий уро* вень шума.
б См. текст.
важных из них. Эти детекторы перечислены в табл. П.1, где приведены также некоторые их характеристики, которые следует рассматривать лишь как приближенные, поскольку эти характеристики могут различаться в зависимости от модели детекторов. Потребность в определении многих типов соединений, содержащихся в самых различных материалах в количествах от микро-граммных до пикограммных, обусловила создание многих полезных детекторов. (Подробную информацию о детекторах можно получить, ознакомившись с недавно вышедшими обзорами [5—8].) Детекторы могут быть высокоспецифичными или неспецифичными, причем в количественном анализе важна линейность зависимости сигнала от количества детектируемого соединения. Для определения соединений, выходящих из одной колонки, можно использовать два детектора, дающих различную информацию, причем эти
430
Приложение 1
детекторы можно соединить последовательно друг с другом или направлять в них отдельные потоки, полученные делением основного потока из колонки.
1. Неспецифичные детекторы
Из неспецифичных (или общих) детекторов наиболее широко применяются катарометры и пламенно-ионизационные детекторы. Катарометром (с накаливаемой проволокой или с термистором) измеряют разность теплопроводностей чистого газа-носителя и смеси газа-носителя с анализируемым веществом. Теплопроводность многих веществ гораздо меньше теплопроводности гелия или водорода, обычно используемых в качестве газов-носителей, и благодаря этому эти вещества нетрудно детектировать. Детектор этого типа чувствителен к изменениям скорости газового потока и температуры, и при его применении эти параметры необходимо тщательно контролировать. В количественном анализе желательно проводить точную калибровку детектора по стандартным пробам (определение так называемых «коэффициентов отклика») и, кроме того, работать в диапазоне концентраций, соответствующем линейной части его характеристики. Катарометр механически прочен, стабилен и является недеструктивным детектором, т. е. соединения проходят через него не разрушаясь.
При использовании пламенно-ионизационного детектора в газовый поток, выходящий из колонки, добавляют водород; в качестве газа-носителя при этом используют азот или гелий, причем водород и газ-носитель смешивают в отношении 1:1. Полученную смесь направляют в горелку и сжигают в воздухе или кислороде. Ионы, образующиеся при сгорании органических веществ, уменьшают электрическое сопротивление пламени пропорционально количеству сгоревшего вещества. К горелке и электроду, который расположен над пламенем или сбоку от него, прикладывают разность потенциалов (100—300 В). Величина возникающего при этом тока зависит от сопротивления пламени, и она после усиления непрерывно регистрируется самописцем. Этот детектор имеет прекрасную чувствительность, его характеристика линейна в широком диапазоне концентраций (106), он обладает малой инерционностью, замечательно стабилен, чувствителен ко всем органическим соединениям, нечувствителен к неорганическим соединениям, на его работу не влияют небольшие изменения температуры и скорости газового потока. Наряду со всеми этими качествами он прост в обращении и благодаря этому стал одним из наиболее популярных, если не самым популярным, из ГХ-детекторов. Для точного количественного анализа с применением этого детектора для каждого соединения необходимо определить соответствующие коэффициенты отклика.
Приложение 1
431
Другие неспецифичные детекторы, приведенные в табл. П.1, хотя и имеются в продаже, применяются не столь часто. Специальной областью применения газового детектора по плотности является определение молекулярных весов компонентов анализируемой смеси. Вновь необходимо отметить все возрастающую популярность систем ГХ—МС, значение которых в идентификации компонентов смесей и определении их чистоты трудно переоценить. Симметричный хроматографический пик одного соединения может маскировать пик другого соединения, имеющего то же самое время удерживания, поэтому подтверждение чистоты компонента имеет большое значение в количественном анализе.
2. Специфичные детекторы
Высокоспецифичные детекторы незаменимы в определениях следовых количеств соединений, содержащих определенные элементы или группировки. Особое значение они приобрели в анализах пестицидов, лекарственных препаратов, нефтехимических продуктов и биологических образцов, содержащих галогены, фосфор, серу или азот. Большим преимуществом таких детекторов является то, что они требуют лишь минимальной очистки (удаления мешающих примесей) детектируемых образцов, поскольку такой детектор попросту «слеп» по отношению к соединениям другого типа. Между тем в большинстве анализов очистка поглощает много труда и времени.
Наименее специфичным из широко распространенных так называемых «высокоспецифичных детекторов» является, пожалуй, электронно-захватный детектор, поскольку он чувствителен к соединениям многих типов, например галогенидам, некоторым серу-содержащим соединениям, соединениям с сопряженными карбонильными группами, металлоорганическим соединениям, нитросоединениям и нитритам. Этот детектор очень чувствителен к хлор- и серусодержащим пестицидам и неоценим в количественных определениях следовых количеств этих соединений. Попытки применения электронно-захватного детектора для увеличения чувствительности анализа привели к тому, что этот детектор стал общеприменимым почти во всех областях. В детекторе этого типа ионизируемый газ-носитель (обычно азот) проходит через ячейку с радиоактивным источником (таким, как тритий, стронций, радий или изотоп 63Ni). В этой же ячейке имеются два электрода, к которым приложена определенная разность потенциалов. Электрический ток между электродами остается постоянным до тех пор, пока в ячейку не поступит соединение, захватывающее электроны; когда такое соединение попадает в ячейку, ток уменьшается пропорционально его концентрации в газовом потоке. Электрический ток, проходящий через ячейку, усиливается и подается на самописец. (Некоторые аномальные сигналы уменьшаются при
432
Приложение 1
использовании переменной, а не постоянной разности потенциалов между электродами.) Электронно-захватный детектор недорог и очень прост в работе. Он имеет узкий диапазон линейности и чувствителен к воде (газ-носитель должен быть сухим). Неочищенные экстракты, даже когда они не оказывают мешающего действия, могут постепенно загрязнить детектор и уменьшить его чувствительность. Обычно это происходит с детекторами, которые не могут работать при температурах выше 225 °C, такими, как детектор с тритиевым источником ионизации. Эту трудность можно преодолеть, используя источники ионизации, способные работать при более высоких температурах (например, изотоп 63Ni для температур до 400°C).
Пламенно-фотометрический детектор Броуди и Ченея [9], поставляемый фирмой «Тгасог, Inc.», представляет собой высокоспецифичный, модифицированный пламенно-ионизационный детектор. Свет, испускаемый в пламени веществами, выходящими из ГХ-колонки, направляется на фотоумножитель, сигнал которого регистрируется самописцем. При использовании интерференционного фильтра на 526 нм этот детектор характеризуется большой чувствительностью (не менее 0,1 нг) и специфичностью и реагирует на соединения, содержащие фосфор, причем имеет линейную характеристику и очень стабилен. При использовании интерференционного фильтра на 394 нм детектор с достаточной специфичностью обнаруживает серусодержащие соединения в количествах порядка нескольких нанограммов. Правда, в этом случае характеристика детектора нелинейна (сигнал детектора приблизительно пропорционален квадратному корню концентрации), однако в логарифмической шкале она обычно линейна. В бидетекторе этого типа (с двумя фотоумножителями: один —с фильтром на 526 нм, а другой — с фильтром на 394 нм) предусмотрена возможность одновременного определения серу- и фосфорсодержащих соединений [10], причем по величине отношения сигналов с фотоумножителей можно определить отношение Р/S в молекуле соединения.
Первый термоионный (или щелочно-пламенный) детектор представлял собой пламенно-ионизационный детектор, в котором вблизи пламени помещалась платиновая спираль, покрытая сульфатом натрия [11—13]. С помощью такого детектора удавалось с высокой специфичностью определять нанограммные и менее чем нанограммные количества фосфорсодержащих соединений, хотя детектор реагировал и на присутствие галогенсодержащих соединений, но с гораздо меньшей чувствительностью. В детекторе этого типа необходимо точно контролировать скорость газового потока. В одном из вариантов такого детектора вместо сульфата натрия применили хлорид калия, благодаря чему детектор стал нечувствительным к галогенсодержащим соединениям [14]. Еще в одном варианте («Varian Aerograph») к наконечнику горелки
Приложение 1
433
прикрепляли штифт из CsBr [15]. В третьем варианте путем точного подбора расположения электрода удалось полностью подавить чувствительность детектора к фосфору и сильно увеличить чувствительность к азотсодержащим соединениям [16, 17].
Основными преимуществами термоионного и пламенно-фотометрического детекторов в сравнении с электронно-захватным детектором являются невозможность его загрязнения, а следовательно, и более долгий срок службы, более высокая специфичность, возможность работы при повышенных температурах, более широкий диапазон линейности и нечувствительность к воде.
В некоторых системах детектирования применяется сжигание органических веществ, выходящих из колонки, в токе кислорода. Образующиеся в результате галогеноводороды (галогены) или двуокись серы (из галоген- или серусодержащих соединений) определяют затем путем автоматического титрования в микрокулонометрической ячейке [18, 19] или детектором по электролитической проводимости [20], соединенным с обычным самописцем, который регистрирует хроматограмму. Органические соединения можно «сжигать» и в восстановительных условиях. Так, Мартин [21] с помощью кулонометрического детектора, а Коульсон [22] с помощью детектора по электролитической проводимости определяли аммиак, образующийся из азотсодержащих соединений в каталитической (никель) реакции. Такие детекторы чувствительны к очень малым количествам соединений, порядка нескольких нанограммов. Прекрасной специфичности этих детекторов можно добиться, применяя подходящие реагенты для вычитания.
Д. ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛЕРОДНОГО СКЕЛЕТА
При определении углеродного скелета молекулы методом хроматографии от молекулы отщепляют функциональные группы и насыщают ее кратные связи. Подобный метод, описанный в недавно вышедшем обзоре [23], применяли в анализах большого числа различных соединений: кислот, спиртов, альдегидов, ангидридов, простых и сложных эфиров, эпоксисоединений, кетонов, аминов, амидов, алифатических и ароматических углеводородов, нитрилов, сульфидов, галогенидов, олефинов и соединений других типов. Область применения этого метода очень широка и потому он обсуждается именно в этом общем разделе, а не в главах, посвященных анализам отдельных функциональных групп. Сам по себе этот метод дает качественные результаты, но его можно использовать и в количественных определениях. Однако основным применением этого метода является определение структуры, для которого часто необходимы количественные анализы функциональных групп. В определении химической структуры молекул важен метод, основанный на индексах удерживания углеродного
15 Зак. 58
434
Приложение 1
скелета и функциональных групп соединения. Этот метод обсуждается в следующем разделе.
Прибор для определения углеродного скелета молекулы схематически показан на рис. П.З. Трубку с горячим катализатором устанавливают в газовом хроматографе непосредственно перед его входным устройством. В хроматографе применяют пламенноионизационный детектор, а в качестве газа-носителя — водород. Температура катализатора (палладий или платина на газохроматографическом носителе) поддерживается обычно в пределах
Рис. П.З. Поперечный разрез реактора с катализатором для хроматографического определения углеродного скелета анализируемых соединений.
1 —отверстие для ввода проб (ребра предназначены для охлаждения резиновой мембраны); 2—алюминиевая трубка; 3 — трубка для подачи водорода (обвита вокруг 4); 4 — кожух нагревателя; 5 —теплоизоляция; 6— металлический капилляр, соединяющий реактор с входным устройством газового хроматографа; 7—стекловата; 8 — вывод обмотки нагревателя; 9— катализатор.
200—350 °C. При прохождении соединения над горячим катализатором оно гидрируется до соответствующего парафина (углеродного скелета) или до следующего низшего гомолога. Образующиеся в результате углеводороды поступают в газовый хроматограф и идентифицируются по временам удерживания. При наличии более совершенного детектора, типа масс-спектрометра, идентификация может быть более однозначной. Таким методом можно анализировать соединения в количествах порядка 1 мкг.
Прибор для хроматографического определения углеродного скелета имеется в продаже (фирма «National Instruments Laboratory»). Основной его частью является алюминиевая трубка диаметром около 1,6 см, в которой помещается около 2 г катализатора (толщина слоя катализатора около 23 см). Нагревание катализатора осуществляется нагревательной спиралью, подсоединенной к трансформатору с регулируемым напряжением. Так называемый «нейтральный» катализатор [24] приготавливают путем выпаривания досуха раствора PdCl2 в 5%-ной уксусной кислоте в смеси с носителем и в присутствии щелочи в количестве, достаточном для нейтрализации НС1, образующейся при восстановлении PdC12(PdC12_+. H2->Pd + 2НС1). Для активации катализатора
Приложение 1
435
его постепенно нагревают до рабочей температуры в слабом потоке водорода.
В методе определения углеродного скелета может происходить гидрирование, дегидрирование и гидрогенолиз. Гидрирование (насыщение кратных связей) в значительной степени уменьшает число возможных соединений, для которых проводится определение углеродного скелета. Дегидрирование (отщепление водорода) претерпевают соединения с циклогексановыми кольцами; в результате его образуются ароматические структуры. Повышенные температуры катализатора (например, 330 °C) благоприятствуют образованию ароматических структур, а пониженные температуры (200—250 °C) больше благоприятствуют гидрированию, чем дегидрированию [25]. (По аналогии с классическими методами дегидрирования с применением цинка или селена в данном случае дегидрирование можно использовать для идентификации кольцевых структур [26].) При гидрогенолизе происходит отщепление функциональной группы от молекулы и введение атомов водорода.
В приведенной ниже типичной реакции (нейтральный катализатор с 1% Pd при температуре 300 °C и скорости потока водорода 20 мл/мин) исходный углеводород образуется из галогенидов, сульфидов и соединений с кислородсодержащими (или азотсодержащими) группами, связанными со вторичными углеродными атомами.
СН3СН2СН2СН2СН2 = С1 —> СН3СН2СН2СН2СН3
СН3СН2СН2СН2СН2 ? SH —> СН3СН2СН2СН2СН3
он
-I.
СН3СН2СН2СНСН3 —> СН3СН2СН2СН2СН3
Если атом кислорода (или азота) связан с концевым атомом углерода (альдегид, первичный спирт, простой и сложный эфиры, амин, амид, карбоновая кислота), то образуется следующий низший гомолог исходного углеводорода, хотя одновременно может образоваться и само исходное соединение:
СН3(СН2)10 i СНО —> СН3(СН2)9СН3
СН3(СН2)1б: СН2ОН —> СН3(СН2)14СН3
о II CH3(CH2)I6iCH2iOCCH3 —> CH3(CH2)16CH3 + CH3(CH2)15GH3
Некоторые реакции, типичные для хроматографического определения углеродного скелета, приведены на рис. П.4.
Для того чтобы получить резкие хроматографические пики для углеводородов и с малым, и с большим молекулярным весом, часто проводят анализ с программированием температуры колонки. (Температуру катализатора поддерживают постоянной.)
16*
436
Приложение 1
Программирование температуры колонки помогает и в регенерации свойств колонки перед очередным циклом разделения: если через катализатор прошло какое-либо нежелательное соединение, то оно будет удалено при повышении температуры колонки.
Метод хроматографического определения углеродного скелета молекулы имеет и свои ограничения. Так, продукты соединений с несколькими полярными группами, а также соединений с 20 и
исходный углеводород
первичный атом о им к
АлыЭегиЭ R-гено яЛсн2-Хмн2 амин
хислогпя R 4- соон
апиртп r4-chJoh
простой etptipb сн2 X о X сн2Х R'
сложный я X соо 4- сн9 Xr* ярир 1 I 2 ,
r-Lc— nh2
амид _
иахойный углеводород и (или)л
Рис. П. 4. Реакции, применяемые в хроматографическом определении углеродного скелета анализируемых соединений.
более атомами углерода в молекуле характеризуются очень малым выходом, а иногда реакция и вовсе практически не идет. Положение в этом случае можно исправить, уменьшив толщину слоя катализатора. Так, например, соединения С12—Сзо успешно анализировали [27], применяя слой катализатора толщиной около 10 см. Если достаточен более тонкий слой катализатора (например, 8 см), то его можно разместить во входном устройстве хроматографа и отказаться от специального устройства. Соответствующую модификацию входного устройства хроматографа, показанную на рис. П.5, особенно удобно применять в газовом хроматографе фирмы «Hewlett-Packard» модели 810 [28]. Внутреннюю трубку этого устройства вынимают, заполняют ее катализатором и вновь вставляют в устройство. Используя водород в качестве газа-носителя и нагревая катализатор до нужной температуры нагревателем входного устройства, легко осуществлять определения углеродного скелета. Резиновая прокладка входного
Приложение 1
437
устройства закреплена в переходнике из нержавеющей стали и находится на некотором расстоянии от горячего катализатора. Это позволяет предотвратить ее чрезмерное нагревание и выделение из нее летучих веществ, которые могут мешать анализу. Некоторые медленно реагирующие соединения, такие, как кислоты и их эфиры, перед вводом в хроматограф приходится сначала собирать в охлаждаемых ловушках, помещенных между слоем катализатора и входным устройством, а затем путем быстрого нагревания ловушки вводить в хроматограф. Для того чтобы убедиться в нормальном функционировании всей системы, обычно проводят предварительные анализы стандартных проб.
Рис. П. 5. Поперечный разрез реактора для хроматографического определения углеродного скелета анализируемых соединений. Катализатор помещен в удлинительную трубку. Переходник предотвращает перегревание упругой мембраны. / — колонка; 2 —удлинительная трубка; 3— гайка; 4— мембрана; 5 —переходник; 6 — камера устройства для ввода проб; 7 —впуск газа-носителя.
Метод хроматографического определения углеродного скелета применяли в определениях химической структуры половых аттрактантов насекомых, стеринов, пахучих веществ, алкалоидов и других веществ. Браунли и Сильверштейн [29] разработали комбинированную систему для отбора проб соединений, выходящих из хроматографической колонки, и повторного их ввода в колонку через устройство для определения углеродного скелета.
Е. ПРИМЕНЕНИЕ ИНДЕКСОВ УДЕРЖИВАНИЯ В ГАЗОВОЙ ХРОМАТОГРАФИИ
Одним из основных применений методов количественного анализа функциональных групп является определение числа интересующих групп в молекуле анализируемого соединения. Часто подобную информацию можно получить из данных анализа по временам удерживания аналогичных соединений или по данным анализа по временам удерживания углеродного скелета молекулы данного соединения и содержащихся в нем функциональных групп. Несмотря на то что в данной ГХ-системе каждое соединение имеет свое характеристическое время удерживания, эта величина оказывается невоспроизводимой в различных лабораториях и даже в той же лаборатории месяцем позже. Однако отношение времен удерживания данного и стандартного соединения (называемое относительным временем удерживания) воспроизводимо с высокой
438
Приложение 1
точностью. При определении относительных времен удерживания компоненты пробы и стандартное соединение анализируют в одинаковых условиях, причем величины относительных времен удерживания можно рассчитать непосредственно по хроматограмме. Эти величины очень важны в анализе функциональных групп.
Было разработано несколько систем определения величин относительных времен удерживания, отличающихся в основном типом стандартного соединения или соединений. В этих системах регистрируются исправленные времена удерживания (/уД), получаемые путем вычитания мертвого времени из обычного времени удерживания (рис. П.2). Для получения индекса удерживания в системе Ковача исправленное время удерживания данного соединения выражают относительно исправленных времен удерживания н-алканов, выходящих из колонки до и после этого соединения. Так, например, в изотермической хроматографии индекс удерживания (/) н-алкана вычисляют путем умножения на 100 числа атомов углерода в молекуле этого алкана (например, /декан = 1000, /ундекан = 1ЮО) и, если соединение имеет индекс удерживания, равный 1050, то это означает, что его исправленное время удерживания в логарифмической шкале находится в середине интервала между временами удерживания декана (1000) и ундекана (1100) *.
Наиболее важным в этой системе является то, что величина индекса удерживания соединения является суммой величин индексов его углеродного скелета и инкрементов, соответствующих функциональным группам этого соединения. Так, например, индекс удерживания 2-бром-5-хлордекана, равный 1280 для данной колонки, можно получить, прибавляя к индексу /декан (1000) инкременты <9/с1( 120) и <?/вг(160) (д/ —разность индексов удерживания соединения и его углеродного скелета для одной и той же колонки). Опубликованы таблицы, в которых собраны значения индексов удерживания для большого числа различных соединений на различных ГХ-колонках **. Другое свойство индексов удерживания состоит в том, что разность (А/) индексов для данной функциональной группы, полученных на двух колонках, как правило, полярной и неполярной (А/= д/п—д/нп), имеет характеристическое значение, причем при наличии нескольких групп эти разности также складываются: например, при A/ci = 20 и А/вг = 40 А/ для соединения, в котором имеются обе эти группы, равно 60. Индекс удерживания, соответствующий углеродному скелету, не зависит от природы неподвижной фазы и поэтому исключается при вычислении разности индексов удерживания соединений, полученных на двух колонках.
* Подробное обсуждение системы Ковача см. в работе Ettre L. S., Anal. Chem., 36, (8), 31А (1964).
** См. например, работу McReynolds W. О., Gas Chromatographic Retention Data, Preston Technical Abstracts, Evanston, Ill., 1966.
Приложение 1
439
•Хроматографическое определение углеродного скелета является важным этапом в структурном анализе с применением индексов удерживания. Даже если не известен сам углеродный скелет монофункциональной молекулы, а известно лишь его время удерживания, исследователь по величине разности между значениями исправленных времен удерживания неизвестного соединения и его углеродного скелета может свести число возможных функциональных групп иногда даже к единице. Используя вторую колонку другой полярности или селективности, можно определить тип этой группы или подтвердить факт ее присутствия в соединении. Такой же подход применим и к анализу соединений с несколькими функциональными группами, из которых лишь одна неизвестна.
Приведенное выше обсуждение подхода к анализу функциональных групп с использованием исправленных времен удерживания имело целью лишь ознакомить читателя с этим подходом, так как это обсуждение следует рассматривать как грубое упрощение*. Величины индексов удерживания [соединений (/) и функциональных групп (д!)] зависят от температуры, природы носителя и неподвижной фазы, положения функциональной группы в молекуле, близости соседних групп, взаимодействия функциональных групп, их стереохимии, пространственных эффектов, природы углеродного скелета соединения или его ядра; несомненную роль играют при этом и другие более тонкие эффекты. Однако «неполярные» вещества имеют индексы удерживания, не зависящие от типа неподвижной фазы, а величины индексов удерживания данного вещества примерно одинаковы для всех «неполярных» (действительно неполярных) неподвижных фаз. Кроме того, аналогичные замещения в соединениях подобной структуры приводят к одному и тому же увеличению индексов удерживания этих соединений по отношению к данной неподвижной фазе.
Опираясь на принцип гомологии, в анализах более полярных или более сложных соединений с целью получения более точных результатов или просто из соображений удобства применяют стандартные соединения, отличные от w-алканов. Так, Вудфорд и Ван Гент [30] в качестве стандартных соединений применяли метиловые эфиры неразветвленных жирных кислот, причем число атомов углерода в скелете кислоты они называли «углеродным числом»; значения величин /уД метиловых эфиров других жирных кислот (разветвленных или ненасыщенных) они выражали относительно величин /уД стандартных сложных эфиров, как и в системе Ковача. Позже для характеристики тех же соединений Миуа и еотр. [31] вместо «углеродного числа» предложили термин «эквивалентная длина цепи». Метод с использованием
* Подробно этот подход рассматривается в работах Kovats Е. Sz., Advan Chromatog., 1, 230 (1965); Schomburg G., Advan Chromatog., 6, 211 (1968).
440
Приложение 1
индексов удерживания для функциональных групп и углеродного скелета был развит и применительно к анализу стероидов [32], причем соответствующие величины, названные «стероидными числами», оказались весьма полезными для анализа.
Таким образом, для определения функциональных групп, содержащихся в молекуле неизвестного соединения, инкременты, соответствующие ожидаемым функциональным группам, можно прибавить к индексу удерживания углеродного скелета какого-либо аналогичного соединения и сравнить полученное значение с величиной индекса удерживания неизвестного соединения.
Ж. ОПУБЛИКОВАНИЕ ДАННЫХ ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКОГО АНАЛИЗА [33]
Ниже приведен список параметров и терминологии, применяемых в публикуемых сообщениях об анализах методом ГХ. По этому списку можно справляться с тем, чтобы при подготовке работы к опубликованию не упустить какие-либо сведения об анализе. Многие работы страдают отсутствием нужной информации, отчего значительно уменьшается их полезность.
Общим руководством по этим вопросам является издание «Recommended Practice for Gas Chromatography Terms and Relationships» американского общества «American Society for Testing and Materials», которое основано на рекомендациях Международного комитета по теоретической и прикладной химии *. Описывать следует только то, что необходимо для успешного выполнения анализа. Всегда следует указывать сведения, которые в приведенном ниже списке помечены звездочками, а также другие данные, которые необходимо приводить по мнению автора.
Аппаратура
Тип хроматографа
Тип детектора *. Катарометр, пламенно-ионизационный, электронно-захватный и т. д.
Диапазон регистрирующего устройства
Напряжение в детекторе
Ток моста
Колонка
Длина * и диаметр *. Лучше указывать внутренний диаметр.
Можно указать наружный диаметр и толщину стенки или привести оба эти параметра
Материал *. Стекло, медь, нержавеющая сталь
* См. также Book of ASTM Standards, Part 30, pp. 1071—1078 (1967). International Union of Pure and Applied Chemistry [Pure Appl. Chem., 1, 177-186 (1960)1.
Приложение 1
441
Насадка *. Концентрация неподвижной жидкой фазы на твердом носителе (вес. %) (необходимо также указать размер зерен твердого носителя и способ его обработки, например силанизация)
Капиллярная колонка *. Без насадки или с неподвижной жидкой фазой на стенках; с насадкой (неподвижная жидкая фаза на носителе) или колонка другого типа
Температуры*, °C
Устройства для ввода пробы *
Детектора *
Колонки* (термостата колонки). Режим изотермический* или с программированием температуры *. Необходимо указывать начальную и конечную температуры и скорость программирования
Если применяются другие режимы, то их необходимо точно описать
Скорости газовых потоков (в мл/мин на выходе из колонки) Газ-носитель *
Другие газы
Проба. Вводимый объем в микролитрах (мкл) или миллилитрах (мл) в случае газообразных проб, в случае растворов —их кош центрации
Применяемый растворитель
Времена удерживания соединений *, мин
Относительные времена удерживания. Стандартные соединения (или одно соединение). Значения индексов удерживания Ковача и т. д.
Получение количественных данных
Методы количественной обработки результатов *. Использование площади хроматографического пика, высоты пика, применение интегратора, планиметра и т. д.
Точность. Воспроизводимость результатов.
Определение выхода из колонки известных количеств введенных веществ. Точность. Поправки, если вводились.
Вес. Количества соединений, выраженные в единицах веса, объема или мольных процентах. Указать условия, в которых измерялись эти количества. Например, вес сухого вещества, вес образца в том виде, в каком он был получен, и т. д. Минимально обнаружимое количество (на основе сигнала, вдвое превышающего уровень шума или вдвое превышающего сигналы от мешающих примесей)
Стандарты. Внутренний стандарт, применявшийся для калибровки
Мешающие примеси. Коррекция нулевой линии
Вычисления
Поправки, если вводились формулы
442
Приложение 1
Хроматограмма
Типичный анализ (приведение может быть очень полезным) График зависимости величины сигнала детектора от времени (шкала времен удерживания)
Метки. Пики, шкала чувствительности, температурная программа, надпись
Мертвый объем, пик воздуха, растворителя
Специальные данные
Метод экстракции (полной) соединений из образца
Способ кондиционирования колонки
Специфичность анализа
Скорость анализа
Мешающие соединения, родственные анализируемым соединениям
Анализ на двух колонках, «вычитание» фона
Реакционная газовая хроматография, например гидрирование, пиролиз и т. д.
Способы обратной продувки
Модификации. Краны, устройства для ввода проб, делители потока, ловушки, регуляторы потока, оборудование для переноса веществ в другие приборы (например, в масс-спектрометр). Полное описание материалов или оборудования, которых нет в продаже
Метод получения представительных образцов
Результаты, полученные другими методами
Ошибки, которых следует избегать
Каким образом содержать систему чистой и в рабочем состоянии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Эттр Л., Мак-Фадден У., под ред., Методы-спутники в газовой хроматографии, изд-во «Мир», М., 1972.
2. Beroza М., Accounts Chem. Res., 3, 33 (1970).
3. Watson J. T., Biemann K., Anal. Chem., 37, 844 (1965).
4. Beroza M., Coad R. A., J. Gas Chromatog., 4, 199 (1966).
5. Westlake W E., Gunther F. A., Residue Rev., 18, 175 (1967).
6. Gough T. A., Walker E. A., Analyst, 95, 1 (1970).
7. Gudzinowicz B. J., in «Practice of Gas Chromatography», L. S. Ettre and A. Zlatkis, eds., Interscience, New York, 1967, pp. 239—332.
8. Мэлон 4,f в кн. «Методы-спутники в газовой хроматографии», под ред. Эттра Л., Мак-Фаддена У., изд-во «Мир», М., 1972.
9. Brody S. S., Chaney J. Е.у J. Gas. Chromatog., 4, 42 (1966).
10. Bowman M. C., Beroza M., Anal. Chem., 40, 1448 (1968).
11. Karmen A., Giuffrida L., Nature, 201, 1204 (1964).
12. Karmen A., Anal. Chem., 36, 1416 (1964).
13. Giuffrida L., J. Assoc. Offic. Agr. Chemists, 47, 293 (1964).
14. Giuffrida L., Ives N. F., Bostwick D. C., J. Assoc. Offic. Anal. Chemists, 49, 8 (1966).
15. Hartmann C. H.t Bull. Environ. Contam. Toxicol., 1, 159 (1966).
Приложение 1
443
16. Aue W. A., Gehrke C. W., Tindle R. C., Stalling D. L., Ruyle C. D., J. Gas Chromatog., 5, 381 (1967).
17. Hartmann С. H., J. Chromatog. Sci., 7, 163 (1969).
18. Coulson D. M., Cavanagh L. A., Anal. Chem., 32, 1245 (1960).
19. Giuffrida L., Ives N. F., J. Assoc. Offic. Anal. Chemists, 52, 541 (1969).
20. Coulson D. M., J. Gas Chromatog., 3, 134 (1965).
21. Martin R. L., Anal. Chem., 38, 1209 (1966).
22. Coulson D. M., J. Gas Chromatog., 4, 285 (1966).
23. Бероза M., Инской M., в кн. «Методы-спутники в газовой хроматографии», под ред. Эттра Л., Мак-Фаддеиа У., изд-во «Мир», М., 1972.
-24. Beroza М., Sarmiento R., Anal. Chem., 35, 1353 (1963).
25. Beroza M., Sarmiento R., Anal. Chem., 36, 1744 (1964).
26. Beroza AL, Acree F., Jr., J. Assoc. Offic. Agr. Chemists, 47, 1 (1964).
27. Beroza M., Sarmiento R., Anal. Chem., 37, 1040 (1965).
28. Bierl B. A., Beroza M., Ashton W. T., Mikrochim. Acta, 1969, 637.
29. Brownlee R. G., Silverstein R. M., Anal. Chem., 40, 2077 (1968).
30. Woodford F. P., Van Gent С. M., J. Lipid Res., 1, 188 (1960).
31. Miwa T. K., Mikolajczak K. L., Earle F. R., Wolff I. A., Anal. Chem., 32, 1739 (1960).
32. Horning E. C., VandenHeuvel W. J. A., Creech B. G., in «Methods of Biochemical Analysis», Vol. XI, D. Glick, ed., Interscience, New York, 1963, pp. 69—147.
33. Beroza M., Hornstein /., J. Agr. and Food Chem., 17, 160 (1969).
III. ЭЛЕКТРОАНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ОБЩИЕ
1. Аллен М. Дж., Электродные процессы в органической химии, Л., Госиздат, 1961.
2. Ashworth М. R. F., Titrimetric Organic Analysis, Interscience, New York, Part I, 1964, Part II, 1965.
3. Chariot G., ed., Modern Electroanalytical Methods, Elsevier, Amsterdam, 1958.
4. Chariot G., Badoz-Lambling J., Tremlllon B., Electrochemical Reactions, Electrochemical Methods of Analysis, Elsevier, Amsterdam, 1962.
5. Делахей П., Новые приборы и методы в электрохимии, ИЛ, М., 1957.
6. Fichter F., Organische Elektrochemie, Verlag Theodor Steinkopff, Dresden and Leipzig, 1942.
7. Kolthoff I. M., Elving P. I., eds., Treatise on Analytical Chemistry, Part 1, Vol. 4, Interscience, New York, 1963.
8. Лингейн Дж., Полярография, Госхимиздат, М. — Л., 1948.
9. Maclnnes D. A., The Principles of Electrochemistry, New York, 1939, and Dover, New York, 1961.
10. Mitchell J., Jr., Kolthoff I. M., Proskauer E. S., Weissberger A., eds, Organic Analysis, Interscience, New York.
11. Вайсбергер А., Методы органической химии, Серия монографий, изд-во «Химия», М., 1967.
ПОТЕНЦИОМЕТРИЯ
1. Бейтс Р. Г., Определение pH. Теория и практика, изд-во «Химия», Л., 1972.
2. Beckett А. Н., Tinley Е. Н., Titration in Nonaqueous Solvents, British Drug Houses, Poole, 1962.
3. Черонис H. Д., Ma T. С., Микро- и полумикрометоды органического и функционального анализа, изд-во «Химия», М., 1973.
Приложение 1
Mark W. M., Oxidation-Reduction Potentials of Organic Systems, Williams and Wilkins, Baltimore, 1960.
5. Fritz J. S., Acid-Base Titrations in Nonaqueous Solvents, G. F. Smith Chemical Co., Columbus, 1952.
6. Huber W., Titrations in Nonaqueous Solvents, Academic, New York, 1967.
7. Кольтгофф И. M., Лайтинен Г., Определение концентрации водородных ионов и электротитрование, М., Госиноиздат, 1947.
8. Siggia S., Quantitative Organic Analysis via Functional Groups, 3rd Ed., John Wiley, New York, 1963.
ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЯ
1. Brezina AL, Zuman A, Polarography in Medicine, Biochemistry, and Pharmacy, Interscience, New York, 1958.
2. Kolthoff I. M., Lingane J. J., Polarography, 2nd Ed., Interscience, New York, 1952 (есть также Кольтгоф И. AL, Лингейн Дж., «Полярография». Полярографический анализ и вольтамперометрия, МЛЙ., Госхимиздат, 1948).
3. Meites L., Polarographic Techniques, 2nd ed., Interscience, New York, 1965.
4. Milner G. IF. C., The Principles and Applications of Polarography and Other Electroanalytical Processes, Longmans, Green and Co., New York, 1957.
5. Sargent E. H.t and Co., Bibliography of Polarographic Literature, 1969.
6. Швабе К., Основы техники измерения pH, ИЛ, М., 1962.
7. Stock J. Т., Amperometric Titrations, Interscience, New York, 1965.
8. Zuman P., Organic Polarographic Analysis, Pergamon, London, 1964.
КОЛОРИМЕТРИЯ
1. Abresch K., Claasen I., Coulometric Analysis, Chapman and Hall, London, 1964.
2. Patriarche G., Contributions a 1’Analyse Coulometrique, Arscia, Brussels, 1964.
МЕТОДЫ, ОСНОВАННЫЕ НА ИЗМЕРЕНИИ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ
1. Бриттон X. Т. С., Водородные ионы. Определение и значение их в теоретической и прикладной химии, Химтеорет. Л., 1936.
2. Fuoss R. М., Accascina F., Electrolytic Conductance, Interscience, New York, 1961.
3. Робинсон P. А., Стокс P. Г., Растворы электролитов, ИЛ, M., 1963.
МЕТОДЫ, ОСНОВАННЫЕ НА УСТАНОВЛЕНИИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ
1. Frohlich Н., Theory of Dielectrics, Oxford University Press, London, 1949.
2. Pungor E., Oscillometry and Conductometry, Pergamon Press, London, 1965.
3. Smyth С. P., Dielectric Behavior and Structure, McGraw-Hill, New York, 1955.
IV. МЕТОДЫ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА
Л Агахигиан
Метод спектрометрии ЯМР в точности отвечает своему названию. В эксперименте этим методом производится точное измерение резонансной частоты ядра с ненулевым спином. Имеется много превосходных книг, в которых этот метод подробно обсуждается как с теоретической точки зрения, так и с точки зрения применений.
Приложение 1
445
Данные, получаемые путем обработки спектров ЯМР, имеют огромное значение и заключают в себе большой объем структурной и количественной информации. В большинстве случаев методом ЯМР анализируют системы, содержащие атомы водорода. Кроме водорода используют также и резонансы на ядрах 19F, ПВ, 3ЧР, 14N и 13С.
А. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ЯМР В АНАЛИЗЕ
Анализ методом ЯМР проводят следующим образом:
1. Образец должен представлять собой жидкость или растворимое твердое вещество. Жидкие образцы можно анализировать без их предварительной обработки, но при этом следует тщательно контролировать интегральный спектр.
2. В качестве растворителей обычно применяют дейтерохлороформ, дейтероацетон, тяжелую воду, трифторуксусную кислоту, дейтерированный диметилсульфоксид и дейтерированный ди-метилформамид. Наилучшей является концентрация раствора в пределах 10—20%. Веса и объемы проб могут быть известны точно, однако величина концентрации не имеет большого значения, если она не важна для химической части анализа. Так, например, изменение степени ненасыщенности от пробы к пробе можно измерять, используя растворы не обязательно в точности одинаковых концентраций.
3. Сразу же после растворения анализируемого соединения раствор переносят в ампулу спектрометра ЯМР. Достаточно, чтобы глубина раствора в ампуле была равна 2,5—-3,5 см. Раствор при этом расположен внутри приемной катушки, а воронка на поверхности жидкого образца, образующаяся при вращении ампулы, не мешает анализу. В качестве стандарта используют тетраметилсилан.
4. Вращение ампулы с пробой имеет крайне важное значение в анализах методом ЯМР. В некоторых случаях требуется точно подбирать скорость вращения ампулы с тем, чтобы добиться хорошей степени разрешения и стабильности. В современных спектрометрах ЯМР получение высокой стабильности (и даже высокой степени разрешения) не представляет трудностей и в большей мере определяется способностями оператора, чем предельными характеристиками самого прибора.
5. После установки необходимой скорости вращения ампулы и появления спектра на осциллографе или самописце производят регулировку прибора. После получения симметричного и максимального по величине сигнала резонанса для стандарта (тетра-метилсилана) можно регистрировать спектр анализируемого соединения. Если все предварительные операции были выполнены надлежащим образом, то можно надеяться на получение качественного спектра. Период развертки обычно равен 200—250 с.
446
Приложение 1
6. По окончании регистрации обычного спектра ЯМР спектрометр переключают и настраивают на регистрацию интегрального спектра. Скорость развертки при этом обычно увеличивают и устанавливают интегратор на нуль. Эта операция, а также синхронизация развертки имеют крайне важное значение. Без них невозможно получить хороший интегральный спектр, а любой даже самый хороший спектр с плохим интегральным спектром практически бесполезен.
7. После получения основного и интегрального спектров приступают к их обработке. Наиболее важным в этой обработке является измерение химических сдвигов. Химический сдвиг есть просто расстояние в герцах (число циклов в секунду) от линии стандартного соединения (тетраметилсилан) до измеряемой линии спектра. Однако выражать величины химических сдвигов в герцах неудобно, поскольку применяют различные частоты внешнего радиосигнала: 40, 60, или 100 МГц, хотя обычной является частота, равная 60 Мгц. Поэтому их выражают в миллионных долях (млн-1). Для этого величину сдвига в герцах делят на частоту внешнего радиосигнала и умножают полученный результат на 106. Миллионные доли не означают концентрацию. Если значение химического сдвига равно 1,2 млн-1 относительно линии ТМС, а частота внешнего радиосигнала равна 60 МГц, то это означает, что соответствующая линия спектра или группа линий находится в спектре на расстоянии 72 Гц от линии ТМС (60 X 1,2 = 72).
8. Интегральный спектр имеет значение в анализе определенной линии или мультиплета. При этом важен другой параметр — константа взаимодействия, которая описывает влияние на линии резонанса спин-спинового взаимодействия данного ядра с соседними ядрами. Так, например, если метильные протоны взаимодействуют с протоном при соседнем атоме углерода (например, в уксусном альдегиде), который имеет два невырожденных энергетических уровня (в магнитном поле), то метильные протоны дают дублет. Не все спектры столь же просты. Однако при наличии небольшого опыта такие спектры (не являющиеся спектрами первого порядка) расшифровывать нетрудно, причем они дают больше информации, чем спектры первого порядка (без кратных линий). Величины констант спин-спинового взаимодействия зависят от близости взаимодействующих ядер друг к другу и от геометрической конфигурации молекулы и дают поэтому информацию не только о соседних ядрах, но и о структуре.
9. Группы спектральных линий анализируют с применением интегрального спектра. С помощью этого спектра легко следить за изменением во времени данной спектральной линии, что важно в анализе функциональных групп. Так, например, за превращением уксусного альдегида в ацеталь можно следить по изменению линий резонанса на метильных протонах или на протоне
Приложение 1
447
группы CH. С целью проверки можно следить за изменением обеих этих линий, однако вполне достаточно и одной из них.
Вопросы, связанные с методами подавления спин-спинового взаимодействия, методами с использованием реакции обмена дейтерия и применением вычислительных машин, выходят за рамки данного обсуждения. Все эти методы применяют тогда, когда это требуется для решения конкретной проблемы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Попл Дж., Шнейдер В., Верстейн Г., Спектры ядерного магнитного резонанса высокого разрешения, ИЛ, М., 1962.
2. Jackman L. М., Applications of Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy in Organic Chemistry, Pergamon Press, New York, 1959.
3. Bible R. H., Interpretation of NMR spectra, Plenum. New York, 1960.
4. Conroy H., Advances in Organic Chemistry, Vol. II, Interscience, New York, 1960, pp. 265—325.
5. Nachod F. G., Ann. N.Y. Acad. Sci., 70, 763 (1958).
6. Dyer J. R., Applications of Absorption Spectroscopy of Organic Compounds, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N. J., 1965.
7. Siggia S., Survey of Analytical Chemistry, McGraw, New York, 1968, pp. 102—114.
8. Pasto D., Johnson C., Organic Structure Determinations, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N. J., 1969.
9. Эмсли Дж., Финей Дж., Сатклиф Л., Спектроскопия ядерного магнитного резонанса высокого разрешения, изд-во «Мир», М., том I, 1968, том II, 1969.
10. Emsley J. W., Feeney J., Sutcliffe L. H., Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, Pergamon Press, London, Vols. I—V, 1965—1969.
V. РАДИОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Д. Кэмпбелл
Перечисленные ниже книги являются хорошими руководствами по методам измерения радиоактивности и радиохимического анализа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Beil С. G., Jr., Hayes F. N., eds., Liquid Scintillation Counting, Pergamon Press, London, 1958.
2. Chase G. D., Rabinowitz J. L., Principles of Radioisotope Methodology, 3rd Ed., Burgess, Minn., 1967.
3. Lambie D. A., Techniques for the Use of Radioisotopes in Analysis, D. Van Nostrand, London, 1964.
4. Overman R. T., Clark H. M., Radioisotope Techniques, McGraw-Hill, New York, 1960.
5. Raaen V. F., Ropp G. A., Raaen H. P., Carbon-14, McGraw-Hill, New York, 1968.
6. Branscome E. D., Jr., The Current Status of Liquid Scintillation Counting, Grune & Sratton, New York, 1970.
Приложение 2
Неподвижная жидкая фаза
Сквалан
Апиезон L
Дидецилфталат
Ди(2-этилгексил)себацинат
DC200 или OV-101, метилси-ликоновое масло
SE-30 или OV-1, метилсили-коновый каучук
DC-550 или OV-7, метилфе-нилсиликоновое масло
DC-710 или OV-17, метилфе-нилсиликоновое масло
Карбовакс (1540 или 20М), полиэтиленгликоль
Юсон LB550X, полипропилен-гликоль
OS-I38, полифениловый эфир
Основные зарубежные неподвижные жидкие
Химическая структур
СН3 СН3 СНз СН3
1111
НС-(СН2)3—СН-(СН2)з-СН-(СН2)4-СН-(СН2)з-
СН3
Смесь высококипящих углеводородов
I—С—О—СюН21 I—с-о—с10н21
с2н5
О==С—О—СН2—СН—(СН2)з—СНз (СН2)8
О=С—О—СН2—СН—(СН2)3—СН3
с2н5
СНз СН3-
—О—Si—О—Si— I I
СНз СНз-1
(-СН2-СН2—О-)п
СН2—СН—О—СН2—СН—О—'
I I
СНз СНз
пп О О О О О пп
ТГХГХГХГХГТУ
Диэтиленгликольсукцинат
СН2—СН2—О—СН2—СН2—О—С—СН2—СН2—С—О—'
«о
Приложение 3
СПИСОК ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ахрем А. А., Кузнецова А. Н., Тонкослойная хроматография, М., «Наука», 1965.
2. Бабко А. К., Луковская И. М., Хемолюминисцентный анализ, Киев, «Техника», 1966.
3. Бабко А. К., Пилипенко А. Т., Фотометрический анализ, М., «Химия», 1968.
4. Бабко А. К., Пилипенко А. Т., Пятницкий И. В., Рябушко О. П., Физико-химические методы анализа, М., «Высшая школа», 1968.
5. Бакасова 3. Б., Блюмгардт И. Г., Иванов В. И., Функциональный анализ углеводов, Фрунзе, «Илим», 1971.
6. Барковский В. Ф., Ганопольский В. И., Дифференциальный спектрофотометрический анализ, М., «Химия», 1969.
7. Барковский В. Ф., Горелик С. М., Городенцева Т. Б., Физико-химические методы анализа, М., «Высшая школа», 1972.
8. Безуглый В. Д. Полярография в химии и технологии полимеров, Л., «Химия», 1968.
9. Березкин В. Г., Аналитическая реакционная газовая хроматография, М., «Наука», 1966.
10. Большаков Г. Ф., Глебовская Е. Л., Таблицы частот инфракрасных спектров гетероорганических соединений, Л., «Химия», 1968.
11. Большаков Г. Ф., Ватаго В. С., Агрест Ф. Б., Ультрафиолетовые спектры гетероорганических соединений, Л., «Химия», 1969.
12. Брук Б. С. Полярографические методы, М., «Энергия», 1972.
13. Булатов М. И., Калинкин И. П., Практическое руководство по колориметрическим и спектрофотометрическим методам анализа, М.—Л., «Химия», 1972.
14. Виноградова Е. И., Галлай 3. Л., Финогенова 3. М., Методы полярографического и амперометрического анализа, М., Изд-во МГУ, 1963.
15. Володина М. Л., Обтемперанская С. И., Новое в области органического элементного и функционального анализа, в кн. «Проблемы органической химии», М., 1970, стр. 445.
16. Волькенштейн М. В., Грибов Л. Л., Ельяшевич М. Л., Степанов Б. И.у Колебания молекул, М., «Наука», 1972.
17. Гольберт К. Л., Вигдергауз М. С., Курс газовой хроматографии, М., «Химия», 1967.
18. Жуховицкий А. Л., Туркелътауб И. М., Газовая хроматография. М., Гос-топтехиздат, 1962.
19. Забелин В. Л., Автоматическое титрование, М., «Энергия», 1971.
20. Заринский В. Л., Ермаков В. И,, Высокочастотный химический анализ. Применение токов высокой частоты в аналитических и физико-химических исследованиях, М., «Наука», 1970.
21. Зозуля А. П. Кулонометрический анализ, М., «Химия», 1968.
22. Ионин Б. И., Ершов Б. А. ЯМР-спектроскопия в органической химии, Л., «Химия», 1967.
23. Иоффе Б. В., Руководство по рефрактометрии для химиков, Л., Изд-во ЛГУ, 1956.
24. Инфракрасные спектры поглощения полимеров и вспомогательных веществ, под ред. Чулановского В. М., Л., «Химия», 1969.
25. Казицина Л. Л., Куплетская Н. Б., Применение УФ-, ИК- и ЯМР-спектро-скопии в органической химии, М., «Высшая школа», 1971.
26. Карасев И. Б., Краткое руководство по идентификации органических соединений, Иваново, 1968, Ивановский хим.-тех. ин-т.
27. Климова В. Л., Основные микрометоды анализа органических соединений, М., «Химия», 1967.
28. Коваленко П. Н.. Багдасаров К. И., Физико-химические методы анализа. Практическое руководство, Ростов-на-Дону, Изд-во Ростовского Гос. Унив., I960.
Приложение 3
451
29. Кольцов А. И., Ершов Б. М., Ядерный магнитный резонанс в органической химии, Л., Изд-во ЛГУ, 1968.
30. Коренман И. М., Фотометрический анализ. Методы определения органических соединений, Ай., «Химия», 1970.
31. Коробейничева И. К., Петров А. К., Коптюг В. А., Атлас спектров ароматических и гетероциклических соединений. Вып. 1, Новосибирск, «Наука», 1967.
32. Крешков А. П., Основы аналитической химии, М., «Химия», 1970.
33. Кузнецов Р. Л., Активационный анализ, М., Атомиздат, 1967.
34. Кусаное М. А4., Шиманко Н. Л., Шишкина М. В., Ультрафиолетовые спектры поглощения ароматических углеводородов (Атлас). М., Изд-во АН СССР, 1963.
35. Лабораторные методики практикума физико-химических методов анализа, под ред. Алимарина И. П., М., Изд-во МГУ, 1969.
36. Лизогуб А. П., Спектральный анализ в органической химии, Киев, «Техника», 1964.
37. Ляликов М. С., Физико-химические методы анализа, М.-Л., «Химия», 1964.
38. Марьянов Б. М., Радиометрическое титрование, М., Атомиздат, 1971.
39. Методы анализа органических соединений нефти, их смесей и производных. Сб. II, отв. ред. Гальперн Г. Д., М., «Наука», 1969.
40. Михеева Л. М., Михеев Н. Б., Радиоактивные изотопы в аналитической химии, М., Госатомиздат, 1961.
41. Органический анализ, ред. Алимарин И. П., М., Изд-во АН СССР, 1963.
42. Пешкова В. М., Горомова М. И., Практическое руководство по спектрометрии и колориметрии, М., Изд-во МГУ, 1968.
43. Применение молекулярной спектроскопии в химии, под ред. Коршунова А.В., 'М., «Наука», 1966.
44. Радиоизотопные и рентгеноспектральные методы, под ред. Шумидов-ского Н. П., М. — Л., «Энергия», 1965.
45. Развитие общей, неорганической и аналитической химии в СССР, под ред. Жаворонкова И. М, М., «Наука», 1967.
46. Рево А. Я., Качественные микрохимические реакции в органической химии, М., «Высшая школа», 1965.
47. Речниц Г. Л., Электроанализ при контролируемом потенциале, Л., «Химия», 1967.
48. Рейшахрит Л. С., Электрохимические методы анализа, Л., Изд-во ЛГУ, 1970.
49. Свердлов Л. М., Ковнер М. Л., Крайнов Е. П., Колебательные спектры многоатомных молекул, М., «Наука», 1970.
50. Свердлова О. В., Электронные спектры в органической химии, Л., «Химия», 1973.
51. Слоним И. Л., Любимов А. И., Ядерный магнитный резонанс в полимерах, М., «Химия», 1966.
52. Сонгина О. Л., Амперометрическое (полярометрическое) титрование, М., «Химия», 1967.
53. Спицын В. И., Кодочигов П. И., Голутвина AL Я., Кузина Л. Ф., Соколова 3. Л., Методы работы .с применением радиоактивных индикаторов, М., Изд-во АН СССР, 1955.
54. Тарасевич Н. И., Семененко К. Л., Хлыстова А. Д., Методы спектрального и химико-спектрального анализа, под ред. Алимарина И. П., М., Изд-во МГУ, 1973.
55. Терентьев А. П., Органический анализ (избр. труды), М., Изд-во МГУ, 1966.
56. Успехи и перспективы развития полярографического метода, Кишинев, «Штиинца», 1972.
57. Физико-химические методы анализа. Практическое руководство, под ред. Алесковского В. Б. и Яцимирского К. Б., Л., «Химия», 1971.
58. Физические и физико-химические методы анализа органических соединений. Сб. статей, под ред. Терентьевой Е. А., М., «Наука», 1970.
59. Яцимирский К. Б.г Тихонова Л. n.t Катализ в аналитической химии, М., «Наука», 1970.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Абсорбционные спектрофотометр иче-
ские методы анализа
активных атомов водорода 240—242
алкоксильных и оксиалкиленовых групп 171-177, 394
аминов, иминов и аммониевых солей 264—321
ацеталей, кеталей и виниловых эфиров 260—263
ацетиленовой группы водородных атомов 256—258
гидразинов и гидразидов 322—331
гидроксильных групп 9—43 диазония солей 330—331 дисульфидов 361
изоцианатов и изотиоцианатов 334—
339
карбонильных соединений 89—96, 394
карбоновых кислот, солей, сложных эфиров, амидов, хлорангидридов, ангидридов и нитрилов 121—129
меркаптанов 342—346
непредельных соединений 205—213
перекисей 187—199
сульфидов 367—369
сульфокислот, солей, сложных эфиров, галогенидов, амидов и имидов 372—373
эпоксигруппы 180—185
Автоматический химический анализ в жидкой фазе 376—416
Активные атомы водорода, методы ана-
лиза
абсорбционные спектрофотометрические 240—242
газохроматографические 243—246
радиохимические
— замещение тритием 247—251
— использование А1зН4 251—254
электроаналитические 246 Алкилсульфиды, см. Сульфиды Алкоксильные и оксиалкиленовые груп-
пы, методы анализа
абсорбционные спектрофотометриче-
ские
-----автоматическая колориметрия 394
-----гидролиз метоксигрупп до метанола и окисление до формальдегида 171—174
-----комплексы полиоксиэтилено-
вых соединений с тиоцианатом кобальта 175—177
•----расщепление полиоксиэтилено-
вых соединений 174—175
газохроматографические 177—178
ядерного магнитного резонанса
178
Амиды, см. Карбоновые кислоты,.соли, сложные эфиры, амиды, хлоранги-дриды, ангидриды и нитрилы
Аминокислоты, методы анализа газохроматографические 137—139 радиохимические 307—311 ядерного магнитного резонанса 306— 307
Аминосоединения, методы анализа 394 абсорбционные спектрофотометрические 264—291
— — непосредственное определение в ближней ИК-области 264
----с предварительным проведением химических превращений 262—291
----------------имины, гидролиз до карбонильных соединений 290—291
----------------амины вторичные, реакция образования дитиокарбамата меди(II) 276—279
--------------------первичные и вторичные, ацетилирование коричным ангидридом 267—268
------------------------------------реакция с динитрофторбензолом 269—270 ------------------ароматические, диазотирование и сочетание 270
----------------------реакция с 9-хлоракридином 270—272
—------------------- алифатические,
реакция с медью и салициловым альдегидом 272—276
------------------третичные, реакция с хлоранилом 281—284
----------------------ароматические, реакция комплексообразования с тетрацианэтиленом 284— 287
---------------------- и четвертичные амины, реакция с аконитовым ангидридом 279—281
----------------аммония соли, применение сульфированных индикаторов 287—289
---------------------- образование солей пикриновой кислоты 289— 290
газохроматографические
— непосредственное определение 291 — с предварительным проведением химических превращений
-------------амины в форме солей или комплексов 296
----------------— амидов 293—
295
Предметный указатель
453
------------------нитрофениль-
ных производных 295
--------------первичные, метод
Ван Слайка 291—293
---------------- другие методы 295-296
— ------------ органические нитро-
соединения 297—298
--------------соли аммония 296—
297
радиохимические
— амины и аминокислоты, превращение в арилсульфиды 308—311
—----------в амиды карбоновых
кислот 311—314
—-------реакция с 2,4-динитрофтор-
бензолом 314—316
--------другие методы 317—318
электроаналитические
— ароматические амины, кулонометрическое бромирование 298— 299
--------амперометрическое титрова-
ние 299—300
— вторичные амины, полярографический 300—303
Ядерного магнитного резонанса
--------амины 303—306
*-------аминокислоты и пептиды
306—307
--------имины 307
Амперометрическое титрование карбонильных соединений 100—102
Ангидриды, см. Карбоновые кислоты, соли, сложные эфиры, амиды, хлор-ангидриды, ангидриды и нитрилы
Арилсульфиды, см. Сульфиды
Ацетали, кетали и виниловые эфиры, методы анализа
абсорбционные спектрофотометрические 260—263
газохроматографические 263
Ацетиленовой группы водородные атомы, методы анализа
абсорбционные спектрофотометрические 256—258
ядерного магнитного резонанса 258— 259
Боргидрид натрия, определение карбонильных соединений
предварительным восстановлением
к. с. для ГХ-анализа 98
фотометрическим титрованием 95— 96
Виниловые эфиры, см. Ацетали, кетали и виниловые эфиры
Вторичные амины, см. Аминосоединения
Вторичные спирты, окисление до кетонов 15—19
Газохроматографические методы анализа
активных водородных атомов 243— 246
алкоксильных и оксиалкиленовых групп 177—178
амино-, имино- и аммониевых соединений 291—298
ацеталей, кеталей и виниловых эфиров 263
гидразинов и гидразидов 324 гидроксильных групп 43—55 изоцианатов и изотиоцианатов 339 карбонильных групп 96—100 карбоновых кислот, солей, сложных
эфиров, амидов, галогенангидри-дов, ангидридов и нитрилов 129—144
меркаптанов 346—347
непредельных соединений 213—224
перекисей 200
сульфидов 185, 369
сульфокислот и солей 374
эпоксигрупп 185
Галоген ангидриды кислот, см. Карбоновые кислоты, соли, сложные эфиры, амиды, хлорангидриды и нитрилы
Гидразиды, см. Гидразины и гидразиды
Гидразины и гидразиды, методы анализа
абсорбционные спектрофотометрические
----- использование малеингидрази-да 324
-----реакция с карбонильным соединением 322—323
газохроматографические 324 электроаналитические
— полярографический, определение гидразинов 324—326
— кулонометрическое бромирование, определение гидразинов и гидразидов 326—327
— гидразины, потенциометрическое титрование 328—329
Гидроксамат железа(III) в определении эфиров, кислот, галогенан-гидридов и ангидридов 21—23, 122—127
Гидроксильные группы, методы анализа
454
Предметный указатель
абсорбционные спектрофотометрические
---- непосредственное определение в ИК-области 9—10
----------в УФ-области 10
----с предварительным проведением химических превращений 11—43
—---------------ацетилирование в
форме гидроксамата железа (III) 21—23
_—-----------------определение
ацетатной группы 27
_ __------------галогенирование
третичных спиртов 19—21
—---------------- гидроксильные
группы при соседних атомах углерода (гликоли) 27—31
________________образование эфиров бензойной кислоты 11—15
----------------_ окисление вторичных спиртов до кетонов 15—19
—---------------- реакция с трифе-
нилхлорметаном 26—27
----------------— с изоцианатом
23—26
газохроматографические
— превращение в сложные эфиры 44—45
----в простые эфиры 45—48
— — в триметилсилильные производные 48—52
----в другие производные 52
— вычитания методы 53—55
— определение сс-оксикарбоновых кислот и других соединений с вицинальными атомами кислорода 53
— реакция на активные атомы водорода 55
радиохимические
— превращение в ацетаты 71—77
----в меченые эфиры 82—83
----в эфиры замещенных бензойных кислот 77—81
----в эфиры замещенных бензолсульфокислот 81—82
— определение фенолов 83—85 электроан алитические
— кондуктометрическое титрование 55—58
— кулонометрическое титрование фенолов 60—65
— полярографический, определение двухатомных спиртов 58—60
ядерного магнитного резонанса
-------общие 65—69
- определение фенолов 69—70
Гликоли, методы анализа абсорбционные спектрофотометрические 27—31
полярографический 58—60
радиохимический 79
ядерного магнитного резонанса 68
Диазония соли, методы анализа абсорбционные спектрофотометрические
— — непосредственное определение в ИК- и УФ-областях 330
-----реакция сочетания 330—331
электроаналитические 331—333
Диалкилсульфиды, см. Сульфиды Диарилсульфиды, см. Сульфиды 2,4-Динитрофенилгидразин
в определении формальдегида 89—91
— карбонильных соединений радиохимическим методом ПО—112, 394
Дисульфидные группы, методы анализа абсорбционные спектрофотометрические 361
радиохимические 366
электроапалитические
— амперометрическое титрование
363—365
— кулонометрическое титрование
361—363
ядерного магнитного резонанса 365
Изоцианаты в определении спиртов 23—26
Изоцианаты и изотиоцианаты, методы анализа
абсорбционные спектрофотометрические
— — непосредственное определение в ИК- и УФ-областях 334
----- предварительное проведение химических реакций 334—339
----------------гидролиз до аминов 334—336
---------------- реакция с бутил-амином 336—339
газохроматографические 339 радиохимические 339—340
Имидосоединения 265—267, 290, 307;
см. также Аминосоединения
Иодная кислота в определении гликолей
абсорбционными спектрофотометрическими методами 27—31
полярографическим методом 58—60 Йодоформ в определении карбонильных соединений 93—95
Инфракрасная спектрофотометрия, см. Абсорбционные спектрофотометрические методы
Предметный указатель
455
Карбонильные группы, методы анализа абсорбционные спектрофотометрические
— — автоматическая колориметрия 394—395
— — непосредственное определение в ИК- и УФ-областях 89
-----предварительное проведение химических превращений
-------------— образование 2,4-- динитрофенилгидразона 89—91, 395
------------------- йодоформа 93—95
----------------определение окси-
м ов в ближней ИК-области 96
---------------- применение реактивов Шиффа 93
-------------— реакция с хромотроповой кислотой 91 — 92
----------------фотометрическое титрование боргидридом натрия 95-96
газохроматографические
— восстановление до спиртов 98
— вычитание 97—98
— превращение в ацетали 98—99
— окисление альдегидов 98 радиохимические
— окисление нитратом серебра 113— 115
— превращение в фенилгидразоны 110—112
-----в n-бромфенилгидразоны с последующей активацией нейтронами 112
— — в семикарбазоны, тиосемикарбазоны и гидразоны 112—113
-----в циангидрины 116—117
электроаналитические
— амперометрическое титрование 100—102
— полярографические прямые и косвенные 102—106
ядерного магнитного резонанса 107— 109
Карбоновые кислоты, соли, сложные эфиры, амиды, хлорангидриды, ангидриды и нитрилы, методы анализа абсорбционные спектрофотометрические
----- непосредственное определение в ИК- и УФ-областях 121 —122
----- предварительное проведение химических превращений
---------------- реакция с образованием гидроксамата железа (III) (эфиры, галоген лиги триды. ангидриды, амиды) 122—127
---------------- определение акрилонитрила по реакции с меркаптаном 128—129
автоматические титриметрические, определение карбоновых кислот 394—399
газохроматографические
— амиды и имиды 143
— вычитание 132—133
— декарбоксилирование 133—135
— нитрилы 144
— определение аминокислот 137—139
---- кетокислот 137
---- оксикислот 135—137
— — циклопропеновых и циклопропановых кислот 139
— этерификация 129—132
— эфиры 140—143
радиохимические
— превращение в анилиды 158—162
----в и-бромфенацилэфиры 157— 158
— — в метиловые эфиры 152—157
----в производные, меченные радиоактивными изотопами металлов 162—166
электроаналитические
— кондуктометрическое титрование 146—148
— кулонометрическое титрование 144—146
ядерного магнитного резонанса
-------алифатические эфиры 149— 150
-------амиды и производные мочевины 151—152
-------карбоновые кислоты 148—149
-------полиуретаны 150—151
— -—- полиэфирные смолы 150
Кетали, см. Ацетали, кетали и виниловые эфиры
Кетокислоты, определение методом ГХ 137
Меркаптаны, методы анализа
абсорбционные спектрофотометрические
----образование гидроксамата же-леза(Ш) 23
----превращение в нитрозопроизводные 342—343
------ реакция с ионами серебра 343—344
----третичные меркаптаны в форме тионитритов 344—346
газохром атографические
— вычитание 347
— превращение в производные 347
-- прямые 346—347
456
Предметный указатель
радиохимические 353—358
— с превращением в S-сукцинильные и S-сукцинимидные производные 354—355
----- в ртутьорганические производные 355—356
электроан алитические
— амперометрическое титрование
348—350
— кулонометрическое титрование
350—351
ядерного магнитного резонанса 352— 353
Метоксигруппа, см. Алкоксильные и оксиалкиленовые группы
Непредельные соединения, методы анализа
абсорбционные спектрофотометрические
----- непосредственное определение в ПК- и УФ-областях 205—206
— — предварительное проведение химических превращений
---------------- бромирование
208—213 ----------------комплексы с иодом,
УФ-спектрофотометрия 206—208 газохроматографические — вычитание 223—224 — гидрирование 214—218 — диены 224
— определение положения двойных связей (озонолиз и окисление) 218—223
радиохимические превращение в аддукты бромистого иода 229—230
в аддукты малеинового ангидрида 237
-----в бромпроизводные 234 -----в иодпроизводные 230—232 -----в производные ртути(Ц) 234— 237
-----в хлорпроизводные 232—234 электроаналитические, амперометрическое титрование (галогенирование) 224—226
ядерного магнитного резонанса 226— 228
Нитрилы, см. Карбоновые кислоты, соли, сложные эфиры, амиды, хлор-ангидриды, ангидриды и нитрилы
Оксиалкиленовые группы, см. Алкоксильные и оксиалкиленовые группы
Оксикислот определение методом ГХ 135—137
Пептиды, определение методами ЯМР 306—307
Первичные амины, см. Аминосоединения
Перекиси, методы анализа абсорбционные спектрофотометрические
•----автоматическая колориметрия
394
— — йодометрические 191—196
------ образование комплекса тиоцианата железа (III) 190—191
--------титансодержащего комплекса 196—199
-----реакция с бензоиллейкометиле-новым синим 187—189
--------с Ы,Ы-диметил-п-фенилен-диамином 199
газохроматографические 200 электроаналитические
— амперометрическое титрование 201—203
— полярографический 200—201 ядерного магнитного резонанса 203 Полиоксиэтилен, см. Алкоксильные и оксиалкиленовые группы
Полипропиленгликоли, первичные и вторичные спиртовые группы 68
— определение ненасыщенности 236— 237; см. также Алкоксильные и оксиалкиленовые группы Полярографический метод анализа гидразинов 324—326 двухатомных спиртов 58—60 карбонильных соединений 102—104 перекисей 200—201 солей диазония 331—333
Пропилена окись, см. Эпоксигруппы Пропиленгликоль в присутствии этиленгликоля или без него, методы анализа 27—30, 59, 68
Радиохимические методы анализа активных атомов водорода 246—254 аминов и аминокислот 307—318 гидроксильных групп 70—85 дисульфидов 366 изоцианатов и изотиоцианатов 339— 340 карбонильных соединений 110—118 карбоновых кислот, солей, сложных эфиров, амидов, хлорангидридов, ангидридов и нитрилов 152—167 меркаптанов 353—358
Предметный указатель
457
непредельных соединений 228—237 сульфамидов 374
Сульфамиды, см. Сульфогруппы Сульфиды, методы анализа абсорбционные спектрофотометрические 367—369 газохроматографические 369 электроаналитические 369—370 ядерного магнитного резонанса 370— ~ 371
Сульфимиды, см. Сульфогруппы Сульфогалогениды, см. Сульфогруппы Сульфогруппы, методы анализа абсорбционные спектрофотометрические 372—373 газохроматографические 374 радиохимические 374
Сульфокислоты и соли, см. Сульфогруппы
Тиолы, см. Меркаптаны
Третичные амины, см. Аминосоединения
Третичные спирты, метод галогенирования 19—21
Трифенилхлорметан в определении спиртов 26—27
Уретаны в определении спиртов 23—26 Ультрафиолетовые спектрофотометрические методы, см. Абсорбционные спектрофотометрические методы
Фенилизоцианат в определении спиртов 23—26
Фенолы, методы анализа артоматическое определение 395 газохроматографические 44—45 галогенирование 41—43 кулонометрическое титрование 60—65 образование азокрасителя 32—33 — антипиринового красителя 36—38 — иидофенолового красителя 33—36 — хиноидной соли 38—40 обесцвечивание дифенилпикрилгидразила 40—41 радиохимические 83—85 ядерного магнитного резонанса 69— 70
Формальдегид, см. Карбонильные группы
Циклопропеновые и циклопропановые кислоты 139
Шиффа реактив в определении альдегидов 93
Электроаналитические методы анализа активных атомов водорода 246 амино-, имино- и аммониевых соединений 298—303
гидразинов и гидразидов 324—329 дисульфидов 361—365 карбонильных соединений 100—106 карбоновых кислот, солей, сложных
эфиров, амидов, хлорангидридов, ангидридов и нитрилов 144—148 меркаптанов 348—351 непредельных соединений 224—226 оксисоединений 55—65 солей диазония 331—333 сульфидов 369—370
Эпоксигруппы, методы анализа абсорбционные спектрофотометриче-
ские
----- непосредственное определение в ИК- и УФ-областях 180
----- предварительное проведение химических превращений
---------------- изомеризация
а-эпоксисоединений в альдегиды 183—185
----------------превращение в формальдегид 182—183
---------------- реакция с лепидином 180—182
газохроматографические 185 Этилена окись, см. Эпоксигруппы Этоксильные группы, см. Алкоксильные и оксиалкиленовые группы
Эфиры, см. Карбоновые кислоты, соли, сложные эфиры, амиды, хлоранги-дриды, ангидриды и нитрилы
Ядерного магнитного резонанса методы анализа
аминов, иминов, аминокислот и пептидов 303—307
алкоксильных и оксиалкиленовых групп 178
дисульфидов 365
карбонильных соединений 107—109 карбоновых кислот, солей, сложных
эфиров, амидов, хлорангидридов, ангидридов и нитрилов 148—152 меркаптанов 352—353 непредельных соединений 226—228 оксисоединений 65—70 перекисей 203 сульфидов 370—371
Содержание
Предисловие .......................................................... 5
Предисловие к американскому изданию....................................7
1. Гидроксильные группы.................................................9
I. Абсорбционные спектрофотометрические методы ...................9
А. Определение спиртов и фенолов методом инфракрасной спектрофотометрии .................................................... 9
Б. Определение фенолов методом ультрафиолетовой спектрофотометрии ......................................................10
В. Определения гидроксильной группы с предварительным проведением химических превращений....................................11
Г. Фенолы ......................................................31 ’
II. Газохроматографические методы.................................43
А. Превращение в сложные эфиры................................44
Б. Превращение в простые эфиры.................................45
В. Превращение нелетучих оксисоединений (сахаров и подобных им веществ) в летучие триметилсилильные производные ... 48
Г. Другие методы получения производных.........................52
Д. Определение сс-оксикарбоновых кислот и других соединений с вицинальными атомами кислорода.............................53
Е. Анализ соединений с гидроксильными группами с использованием вычитания этих соединений.................................53
Ж. Применение реакций на активные атомы водорода для определения гидроксильных групп...................................55
III. Электроаналитические методы ..................................55
А. Кондуктометрическое титрование . ........................55
Б. Определение двухатомных спиртов полярографическим методом 58
В. Кулонометрическое титрование фенолов........................60
IV. Методы ядерного магнитного резонанса..........................65
А. Гидроксильные группы ......................................65
Б. Фенолы ....................................................69
V. Радиохимические методы .......................................70
А. Превращение в ацетаты..................................... 71
Б. Превращение в эфиры замещенных бензойных кислот .... 77
В. Превращение в эфиры бензолсульфокислот....................81
Г. Превращение в эфиры после добавления меченого соединения с гидроксильными группами ..................................82
Д. Превращение фенолов в эфиры...............................83*
Е. Превращение фенолов в галогенпроизводпые..................84*
Ж. Другие методы определения фенолов..........................84
Список литературы..........................................85
2. Карбонильные группы..............................................89
I. Абсорбционные спектрофотометрические методы.....................89
А. Определение методом инфракрасной спектрофотометрии ... 89
Содержание
459
И.
III.
IV.
V.
Б. Определение методом ультрафиолетовой спектрофотометрии . 89
В. Определения с предварительным проведением химических превращений ......................................................89
Газохроматографические методы .................................96
А. Метод вычитания карбонильных соединений.....................97
Б. Предварительное восстановление карбонильных соединений . . 98
В. Предварительное окисление альдегидов ...................... 98
Г. Превращение в ацетали.......................................98
Д. Выделение карбонильных соединений из их производных ... 99
Е. Другие ГХ-методы анализа карбонильных соединений .... 100
Электроаналитические методы ...................................100
А. Амперометрическое титрование альдегидов....................100
Б. Определение алифатических альдегидов полярографическим методом .............................................................102
В. Косвенное определение карбонильных групп полярографическим методом ......................................................104
Методы ядерного магнитного резонанса ........................ 107
А. Определение альдегидов ..................................107
Б. Кетоны ....................................................108
Радиохимические методы ......................................116
А. Превращение в замещенные фенилгидразоны...................ПО
Б. Превращение в n-бромфенилгидразоны с последующей активацией нейтронами ...........................................112
В. Превращение в семикарбазоны, тиосемикарбазоны и гидразоны 112
Г. Окисление щелочным раствором нитрата серебра..............113
Д. Превращение в циангидрины или карбоновые кислоты . . .116
Е. Превращение неактивных тиосемикарбазонов в производные, содержащие радиоактивный изотоп серебра....................118
Список литературы..........................................118
3. Карбоновые кислоты, соли, сложные эфиры, амиды, хлораигидриды, ангидриды и нитрилы....................................................121
I. Абсорбционные спектрофотометрические методы ......121
Карбоновые кислоты, соли, эфиры, амиды, хлораигидриды, ангидриды и нитрилы.....................................................121
А. Определение методом инфракрасной спектрофотометрии . . .121
Б. Определение методом ультрафиолетовой спектрофотометрии . . 122
В. Определение с предварительным проведением химических превращений .....................................................122
Ни трилы . . ..............................................128
А. Определение методом инфракрасной спектрофотометрии . . . 128
Б. Определения с предварительным проведением химических превращений ...................................................128
II. Газохроматографические методы.................................129
А. Этерификация карбоновых кислот............................129
Б. Вычитание свободных карбоновых кислот......................132
В. Декарбоксилирование карбоновых кислот.....................133
Г. Микродекарбоксилирование ароматических, гетероциклических (ароматического типа) и а-оксикарбоновых кислот.............133
Д. Определение оксикислот ....................................135
Е. Определение кетокислот ....................................137
Ж. Определение аминокислот.....................................137
3. Определение циклопропеновых и циклопропановых кислот . . 139
И. Выделение карбоновых кислот из солей......................139
К. Газохроматографический анализ эфиров......................140
Л. Восстановление сложных эфиров органических кислот .... 143
М. Определение амидов и имидов..............................143
Н. Определение нитрилов......................................144
460
Содержание
III. Электроаналитические методы.................................144
А. Кулонометрическое титрование карбоновых кислот............144
Б. Кондуктометрическое титрование кислот.....................146
IV. Методы ядерного магнитного резонанса........................148
А. Карбоновые кислоты.......................................148
Б. Алифатические эфиры ......................................149
В. Полиэфирные смолы.......................................150
Г. Полиуретаны ............................................150
Д. Амиды и производные мочевины..............................151
V. Радиохимические методы......................................152
А. Превращение в метиловые эфиры............................152 .
Б. Превращение в и-бромфенацилэфиры .......................157
В. Превращение в незамещенные и замещенные анилиды .... 158
Г. Превращение в производные, меченные радиоактивными изотопами металлов.............................................. 162
Д. Другие методы........................................... 166
Список литературы ....................................... 167
4. Алкоксильные и оксиалкиленовые группы............................ 171
I. Абсорбционные спектрофотометрические методы ..................171
Определения с предварительным проведением химических превращений .........................................................171
II. Газохроматографические методы..................................177
III. Методы ядерного магнитного резонанса..........................178
Список литературы.............................................178
5. Эпоксигруппы......................................................180
I. Абсорбционные спектрофотометрические методы..................180
А. Определение методом инфракрасной спектрофотометрии . . . .180
Б. Определения с предварительным проведением химических превращений .....................................................180
II. Газохроматографические методы ............ 185
Список литературы ............................................ 186
6 Органические перекиси ............................................. 187
I. Абсорбционные спектрофотометрические методы..................187
А. Определение методом инфракрасной спектрофотометрии .... 187
Б. Определения с предварительным проведением химических превращений ......................................................187
II. Газохроматографические методы ................................200
III. Электроаналитические методы ..................................200
А. Определение перекисей полярографическим методом .... 200
Б. Амперометрическое титрование перекисей.....................201
IV. Методы ядерного магнитного резонанса..........................203
Список литературы ........................................... 203
7. Непредельные соединения...........................................205
I. Абсорбционные спектрофотометрические методы..................205
А. Метод инфракрасной спектрофотометрии.......................205
Б. Метод ультрафиолетовой спектрофотометрии...................206
В. Определения с предварительным проведением химических пре- -вращений ................................................... 206
II. Газохроматографические методы.................................213
А. Анализ смесей ненасыщенных соединений......................214
Б. Детекторы гидрирования для газохроматографического анализа 217
В. Определение положения двойных связей в молекуле............218
Содержание 461
Г. Вычитание олефинов.........................................223
Д. Определение диенов.........................................224
III. Электроаналитические методы ...........................224
Амперометрическое титрование олефинов......................224
IV. Методы ядерного магнитного резонанса ..................... 226
V. Радиохимические методы ......................................228
А. Превращение в аддукты бромистого иода....................229
Б. Превращение в иодпроизводные ............................230
В. Превращение в хлорпроизводные............................232
Г. Превращение в бромпроизводные............................234
Д. Превращение в вицинальные метокси-14С-ацетоксипроизводные ртути (II) ....................................................234
Е. Превращение в аддукты малеинового ангидрида................237
Список литературы.............................................237
8. Активные атомы водорода . . . ^...................................240
I. Абсорбционные спектрофотометрические методы ................240
Определения с предварительным проведением химических превращений ........................................................240
II. Газохроматографические методы ...............................243
III. Электроаналитические методы..................................246
* Определение активного водорода методом кондуктометрического титрования......................................................246
IV. Радиохимические методы .......................................246
А. Замещение активного водорода тритием путем изотопного обмена ................................................... . . . 247
Б. Превращение в элементарный водород с использованием LiAlH4, меченного тритием ............................................ 251
Список литературы ........................................ 254
9. Атомы водорода ацетиленовой группы...............................256
I. Абсорбционные спектрофотометрические методы..................256
А. Определения с предварительным проведением химических превращений ......................................................255
II. Методы ядерного магнитного резонанса.........................258
Список литературы ........................................ 259
10. Ацетали, кетали и виниловые эфиры.............................. 260
I. Абсорбционные спектрофотометрические методы .................260
А. Определения с предварительным проведением химических превращений ......................................................260
II. Газохроматографические методы.................................263
Список литературы ........................................ 263
11. Амино-, имино- и четвертичноаммониевые соединения................264
I. Абсорбционные спектрофотометрические методы .................264
А. Определение первичных и вторичных аминов методом инфракрасной спектрофотометрии .....................................264
Б. Определения с предварительным проведением химических превращений ......................................................264
II. Газохроматографические методы ...............................291
А. Определение аминов и иминов в свободной форме.............291
Б. Определение первичных аминогрупп...........................291
В. Определение аминов в форме амидов.........................293
Г. Определение аминов в форме нитрофенильных производных . . 295
Д. Определение аминов с применением реакции конденсации . . 295
452
Содержание
Е. Другие методы газохроматографического определения аминов 295
Ж. Определение аминов в форме их солей или комплексов . . . 296
3. Определение солей аммопия................................ 296
И. Определение органических нитросоединений...................297
III. Электроаналитические методы ........................... . . . 298
А. Кулонометрическое бромирование ароматических аминов . . . 298
Б. Амперометрическое титрование ароматических аминов .... 299
В. Полярографическое определение вторичных аминов...........300
IV. Методы ядерного магнитного резонанса........................303
А. Амины ....................................................303
Б. Аминокислоты и пептиды.....................................306
В. Имины ....................................................307
V. Радиохимические методы......................................307
А. Превращение в замещенные арилсульфамиды...................308
Б. Превращение в амиды карбоновых кислот......................311
В. Превращение в динитрофениламины...........................314
Г. Другие методы определения аминов...........................316
Список литературы....................................... 318
12. Гидразины и гидразиды............................................ 322
I. Абсорбционные спектрофотометрические методы.................322
Определения с предварительным проведением химических превращений ..................................................... 322
II. Газохроматографические методы . ............................324
III. Электроаналитические методы.................................324
А. Определение гидразинов полярографическим методом .... 324
Б. Кулонометрическое титрование гидразинов и гидразидов . . . 326
В. Потенциометрическое титрование гидразинов ...............328
Список литературы ....................................... 329
13. Соли диазония......................................................330
I. Абсорбционные спектрофотометрические методы .......330
А. Определение стабилизированных солей диазония спектрофотометрическим методом..........................................330
Б. Определения с предварительным проведением химических превращений ....................................................330
II. Электроаналитические методы .................................331
Полярографическое определение солей диазония ....... 331
Список литературы .......................................... 333
14. Изоцианаты и изотиоцианаты.........................................334
I. Абсорбционные спектрофотометрические методы .......334
А. Определение методом инфракрасной спектрофотометрии . . . 334
Б. Определения с предварительным проведением химических превращений ....................................................334
II. Газохроматографические методы................................339
III. Радиохимические методы .....................................339
А. Превращение изоцианатов в производные мочевины............339
Б. Превращение изотиоцианатов в меченые аналоги.............340
Список литературы .......................................... 341
15. Меркаптаны (тиоспирты или тиолы)................................342
I. Абсорбционные спектрофотометрические методы.................342
А. Определения с предварительным проведением химических превращений ...................................................342
Содержание
463
II. Газохроматографические методы ................................346
А. Определение меркаптанов путем превращения в производные . 347
Б. Вычитание серусодержащих соединений .......................347
III. Электроаналитические методы .................................348
А. Амперометрическое титрование меркаптанов ионом ртути(II) 348
Б. Кулонометрическое титрование меркаптанов...................350
IV. Методы ядерного магнитного резонанса..........................352
V. Радиохимические методы .......................................353
А. Превращение в S-сукцинимидные или S-сукцинильные производные ..........................................................354
Б. Превращение в ртутьорганические производные................355
В. Другие методы.............................................356
Список литературы ........................................... 359
16. Диалкилдисульфиды.................................................361
I. Абсорбционные спектрофотометрические методы..................361
Определения с предварительным проведением химических превращений ........................................................361
II. Электроаналитические методы...................................361
А. Кулонометрическое бромирование дисульфидов.................361
Б. Амперометрическое титрование дисульфидов...................363
III. Методы ядерного магнитного резонанса.........................365
IV. Радиохимические методы........................................366
Список литературы ........................................... 366
17. Диалкилсульфиды.................................................. 367
I. Абсорбционные спектрофотометрические методы..................367
А. Определения с предварительным проведением химических превращений .....................................................367
II. Газохроматографические методы ................................369
III. Электроаналитические методы..................................369
Кулонометрическое титрование диалкилсульфидов бромом . . . 369
IV. Методы ядерного магнитного резонанса..........................370
Список литературы ........................................... 371
18. Сульфокислоты, соли, сложные эфиры, галогениды, амиды и имиды . . 372
I. Абсорбционные спектрофотометрические методы.................372
А. Определение методом ИК-спектрофотометрии................372
Б. Определение методом УФ-спектрофотометрии................372
В. Определения с предварительным проведением химических превращений 373
II. Газохроматографические методы ................................374
III. Радиохимические методы ......................................374
А. Превращение сульфамидов в соли радиоактивного изотопа серебра ........................................................374
Список литературы ........................................... 374
19. Автоматический химический анализ в жидкой фазе для определения функциональных групп ............................................... 376
I. Введение ................................................... 376
II. Методология ..................................................377
III. Оборудование ................................................379
А. Аналитическая система......................................380
Б. Гибридные автоматические системы...........................390
IV. Применения ...................................................392
А. Автоматический анализ колориметрическим методом............392
Б. Автоматический анализ титриметрическим методом............395
464
Содержаниё
V. Оборудование, которое можно использовать в автоматических ана.
лизах .....................................................414
Список литературы.............................................414
Приложение 1....................................................... 417
I. Абсорбционные спектрофотометрические методы.................417
Список литературы........................................... 417
II. Газохроматографические методы ............................. 418
А. Краткое описание метода газовой хроматографии.............419
Б. Газовая хроматография как метод функционального анализа . 421
В. Приготовление проб для анализа методом ГХ.................425
Г. ГХ-детекторы............................................ 428*
Д. Хроматографическое определение углеродного скелета . . . 433
Е. Применение индексов удерживания в газовой хроматографии . 437
Ж. Опубликование данных газохроматографического анализа . . 440
Список литературы ........................................... 442
III. Электроаналитические методы..................................443
Список литературы.............................................444
IV. Методы ядерного магнитного резонанса.........................444
А. Применение метода ЯМР в анализе............................445
Список литературы ........................................... 447
V. Радиохимические методы ......................................447
Список литературы.............................................447
Приложение 2.........................................................448
Приложение 3.........................................................450
Предметный указатель.................................................452
ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА
ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ГРУПП ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
Редактор Б. М. Комарова
Художник Ю. С. Урманчеев. Художественный редактор Я. Г. Блинов
Технический редактор В. П. Сизова. Корректор И. П. Максимова
Сдано в набор 24/1 1974 г. Подписано к печати 17/VI 1974 г. Бумага для гл. печ. 60Х90’/1б=» «14,50 бум. л., 29 уел. печ. л. Уч.-изд. л. 32,54. Изд. № 3/7280. Цена 2 р. 84 к. Зак. 58
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР», Москва, 1-й Рижский пер., 2
Ордена Трудового Красного Знамени Ленинградская типография № 2 имени Евгении Соколовой Союзполиграфпрома при Государственном комитете Совета Министров СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли
198052, Ленинград, Л-52, Измайловский проспект, 29