Способ определения содержания ароматических нитросоединений
Изобретение относится к измерительной технике. Нитросоединение восстанавливают до амина молекулярным водородом в газовой фазе при температуре 120-170°С в присутствии катализатора, амин переводят в флуорофор путем взаимодействия с флуорогенным реагентом, возбуждают и регистрируют спектр люминесценции. Технический результат - повышение чувствительности определения. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к аналитической химии органических веществ, а более конкретно - к анализу ароматических нитросоединений.
Самым распространенным методом анализа ароматических нитросоединений является фотометрический метод, основанный на способности названных веществ образовывать окрашенные соединения. Часто используется такой способ [I], при котором определяемое нитросоединение восстанавливают до соответствующего аминосоединения, которое затем диазотируют и сочетают:
Реакцию восстановления обычно ведут в кислой среде с помощью таких восстановителей, как соли титана (III), олова (II), металлический цинк, порошкообразный алюминий, гидросульфит натрия, гидразин и др.
Следующая стадия - диазотирование образовавшегося амина - протекает в кислой среде в присутствии нитрита натрия, в результате которой образуется соль диазония. Затем полученную соль диазония сочетают, чаще всего, с фенолами или ароматическими аминами в слабощелочной или слабокислой среде, что приводит к образованию азосоединения - сильноокрашенного продукта. Конечный раствор фотометрируют. Иногда образующееся азосоединение экстрагируют органическим растворителем.
Наиболее близким по достигаемому результату способом-прототипом является способ [I], включающий в себя восстановление нитросоединения цинковой пылью в среде НСl; диазотирование образовавшегося амина раствором NaNO 2, избыток которого восстанавливают сульфаминовой кислотой; реакцию азосочетания c раствором Чикаго-кислоты в среде разбавленной соляной кислоты и ацетата натрия. Раствор нагревают, выдерживают в течение 4 ч для полного протекания реакции, затем фотометрируют при 
=520-540 нм.
Основными недостатками способа-прототипа являются многостадийность, длительность процесса определения и ограниченная чувствительность. Способ включает в себя несколько стадий: восстановление исходного нитросоединения, диазотирование полученного амина, восстановление избытка нитрита натрия, азосочетание соли диазония.
Способ не только многостадийный, но и длительный. Диазотирование даже больших количеств амина протекает за 15-20 мин, при малых концентрациях этот процесс происходит гораздо медленнее. Азосочетание также является реакцией, протекающей во времени, поэтому обычно перед фотометрированием анализируемый раствор выдерживают в течение нескольких часов для полного превращения соли диазония в окрашенное азосоединение.
Недостатком способа-прототипа является и ограниченная чувствительность, которая составляет ~10-5 м, что соответствует абсолютному содержанию вещества ~10 -7 моль. Кроме того, чувствительность данного способа находится в большой зависимости от ряда факторов, влияющих на скорость и полноту протекания реакции диазотирования, таких как: рН раствора, концентрация нитрита натрия, температура; образующаяся соль диазония в водном растворе постепенно разлагается, что ведет к снижению чувствительности.
Целью настоящего изобретения является повышение чувствительности и экспрессности определения ароматических нитросоединений.
Поставленная цель достигается тем, что нитросоединение восстанавливают до амина молекулярным водородом в газовой фазе при температуре 120-170°С в присутствии катализатора, образовавшийся амин переводят во флуорофор и снимают спектр его люминесценции в области длин волн 490-520 нм, по которому определяют содержание нитросоединения в пробе, при возбуждении излучением в области длин волн 390-410 нм.
Поставленная цель достигается также тем, что катализатор наносят на микрокапиллярную пластинку.
Отличительными признаками способа являются:
1. Восстановление нитросоединения до амина:
а) молекулярным водородом в газовой фазе;
б) при температуре 120-170°С;
в) в присутствии катализатора;
2. Перевод амина во флуорофор.
3. Снятие спектра люминесценции в области длин волн 490-520 нм при возбуждающем излучении длиной волны 390-410 нм.
4. Катализатор нанесен на микрокапиллярную пластинку.
Несмотря на то, что реакция перевода амина во флуорофор известна, однако для анализа нитросоединений эта реакция не применялась, и ее использование приводит к получению нового положительного эффекта - значительного повышения чувствительности определения нитросоединений, до 10-9-10-10 моль.
В основу предлагаемого способа положено явление люминесценции, что выгодно отличает его от прототипа, основанного на явлении оптического поглощения, поскольку в связи с этим резко возрастает чувствительность определения, которая достигает 10 -9-10-10 моль (чувствительность фотоколориметрического метода составляет ~10-7 моль), и это не предел.
Такая высокая чувствительность достигается также и тем, что, в отличие от прототипа, анализируемое нитросоединение восстанавливают молекулярным водородом в газовой фазе, в результате чего данный процесс не осложняется побочными реакциями, выход продукта - количественный, и в поглотительный раствор (боратный буфер) поступает ничем не загрязненный амин.
Предлагаемый метод - экспрессный, так как обе его стадии занимают несколько минут: на восстановление затрачивается от нескольких секунд до нескольких минут, что обусловлено двумя факторами - достаточно высокой температурой процесса восстановления, 120-170°С, и формой применяемого катализатора, который наносят на микрокапиллярную стеклянную пластинку, вследствие чего резко увеличивается площадь поверхности катализатора, на которой происходит восстановление, а следовательно, возрастает и скорость данного процесса; а реакция амина с флуорогенным реагентом - вторая стадия способа - при рН=8-10 протекает мгновенно уже при комнатной температуре. Температурный интервал восстановления определяется, с одной стороны, скоростью данного процесса, с другой - устойчивостью продукта восстановления нитросоединения: с уменьшением температуры реакция восстановления замедляется, что ведет к увеличению времени проведения анализа, т.е. к снижению экспрессности способа, при увеличении температуры выше 170°С идут процессы разложения образующихся аминов, что ведет к снижению чувствительности определения.
Спектры полученных флуорофоров снимают в области длин волн 490-520 нм при возбуждении излучением с длиной волны 390-410 нм, что определяется природой переводимого во флуоресцирующий продукт амина.
Предлагаемый способ определения ароматических нитросоединений проводят следующим образом.
Анализируемое нитросоединение в виде этанольного раствора (сотые доли мл) наносят на микрокапиллярную пластину, покрытую катализатором, и восстанавливают молекулярным водородом в газовой фазе в течение нескольких минут (секунд) при температурах 120-170°С. Скорость пропускания водорода устанавливают равной ~0,1 л/мин.
Образовавшийся амин собирают в приемнике, содержащем боратный буфер с рН=8-10, являющимся оптимальным для последующей реакции амина с реагентами, переводящими его во флуорофор [2, 3]. Эта реакция, являющаяся вторым этапом предлагаемого метода, протекает мгновенно при комнатной температуре в избытке флуорогенного реагента, в качестве которого используется свежеприготовленный ацетоновый раствор флуорескамина (или раствор орто-фталевого альдегида в боратном буфере с меркаптоэтанолом). В целом описанные процессы можно представить схемой:
Конечный продукт обладает люминесцентными свойствами, благодаря которым и возможен данный способ определения нитросоединений. После проведения стадий восстановления нитросоединения и взаимодействия амина с флуорогеном снимают спектры полученных флуорофоров: для продукта реакции амина с флуорескамином возбуждение конечного раствора полосой света с ex max=390-410 нм приводит к его флуоресценции в области длин волн с fl max=490-520 нм (в случае продукта взаимодействия амина с орто-фталевым альдегидом в присутствии меркаптоэтанола ex max=340 нм, fl max=450-460 нм). По снятым спектрам и предварительно построенной калибровочной кривой для серии растворов с известным содержанием амина в координатах: относительная флуоресценция (максимальная высота пика) - концентрация амина, расчитывают содержание нитросоединения в исходной пробе.
На чертеже представлены спектры поглощения (а) и флуоресценции (б) продукта взаимодействия орто-толуидина (восстановленный орто-нитротолуол) с флуорескамином. Для других нитросоединений спектры полученных флуорофоров аналогичны.
Пример I.
0,01 мл этанольного раствора, содержащего ~6·10-8 моль орто-нитротолуола, наносят на микрокапиллярную стеклянную пластинку, покрытую металлическим палладием. Пластинку вставляют в изогнутую стеклянную трубку, к одному концу которой подводят молекулярный водород, другой конец через холодильник сообщается с приемником. Восстановление ведут в газовой фазе при температуре 170°С, пропуская водород через вышеописанную систему, находящуюся в термостате, в течение 3 мин. Скорость потока водорода составляет 0,1 л/мин. Пары продукта восстановления орто-нитротолуола-орто-толуидина собирают в приемнике поглотительным раствором, в качестве которого применяют боратный буфер с рН=9,18 в количестве 10 мл, так как, проходя через приемник в потоке водорода, орто-толуидин растворяется в боратном буфере. Для анализа полученного раствора на содержание орто-толуидина готовят флуорогенный реагент: 2,0 мг флуорескамина растворяют в 10 мл свежеперегнанного ацетона. Затем к 4 мл поглотительного раствора, содержащего продукт восстановления орто-нитротолуола, приливают 1 мл приготовленного реагента и записывают спектр люминесценции полученного раствора в области длин волн с fl max=500 нм при возбуждении излучением с ex max=390 нм на спектрофотометре "Fluorolog" фирмы "Speх". По снятому спектру и предварительно построенной калибровочной кривой в координатах относительная флуоресценция - концентрация орто-толуидина находят содержание орто-нитротолуола в исходной пробе, оно равно ~6·10-8 моль.
Пример II.
0,01 мл этанольного раствора, содержащего ~9·10-10 моль пара-нитротолуола, наносят на микрокапиллярную стеклянную пластинку, покрытую металлическим палладием. Восстановление ведут в системе, описанной в примере I, при температуре 150°С в течение 5 мин. Пары пара-толуидина улавливают в приемнике боратным буфером с рН=9,18 в количестве 10 мл. К 4 мл полученного раствора амина прибавляют 1 мл ацетонового раствора флуорескамина с концентрацией 0,2 мг/мл. Снимают спектр люминесценции конечного раствора, содержащего продукт взаимодействия пара-толуидина с флуорескамином, в области длин волн с fl max=520 нм при возбуждающем излучении с ex max=400 нм (спектрофотометр “Fluorolog” фирмы “Spex”). По снятому спектру с учетом калибровки находят содержание пара-нитротолуола в исходной пробе: ~8·10-10 моль.
Пример III.
0,01 мл этанольного раствора, содержащего ~4·10 -9 моль тринитротолуола, наносят на микрокапиллярную стеклянную пластинку, покрытую металлическим палладием. Восстановление ведут в системе, описанной в примере I, при температуре 120°С в течение 7 мин. Пары триаминотолуола улавливают в приемнике боратным буфером с рН =9,18 в количестве 10 мл. К 4 мл полученного раствора амина прибавляют 1 мл ацетонового раствора флуорескамина с концентрацией 0,2 мг/мл. Снимают спектр люминесценции конечного раствора флуорофора - продукта взаимодействия триаминотолуола с флуорескамином - в области длин волн с fl max=490 нм при возбуждающем излучении с ex max=395 нм (спектрометр “Fluorolog”, фирмы “Spex”). Аналогично примерам I и II находят содержание.
Найдено ~3·10-9 моль тринитротолуола.
Таким образом, предлагаемый способ определения нитросоединений люминесцентным методом по сравнению с прототипом обладает следующими преимуществами:
1. Чувствительность определения повышена до 10-9 -10-10 моль (по абсолютному содержанию вещества в пробе), в прототипе эта цифра составляет ~10-7 моль.
2. Предлагаемый способ - экспрессный, так как состоит всего из двух стадий, протекающих за несколько минут, способ-прототип включает четыре-пять стадий, требующих несколько часов.
3. Данный способ прост и удобен, и, в отличие от прототипа, для определения требуется небольшое число реагентов.
4. Описанный способ универсален, т.к. позволяет анализировать широкий круг ароматических нитросоединений. Вообще говоря, его можно применять и для анализа алифатических нитросоединений, не содержащих групп, чувствительных к газофазному восстановлению при высоких температурах.
Кроме того, сочетание предлагаемого способа с хроматографическими методами разделения открывает огромные возможности в анализе смесей нитросоединений с высокой степенью селективности.
Источники информации.
И.М.Коренман. Фотометрический анализ. Методы определения органических соединений, изд. ”Химия”, М., 1970, стр.40.
I.Bernardo, M.Weigele и др. Archives biochem., biophys., 163, 390 (1974).
M.Roth, Anal. Chem., V.43, №7, 1971.
Формула изобретения
1. Способ определения содержания ароматических нитросоединений, включающий восстановление до амина и измерение величины максимальной интенсивности, по которой судят о содержании, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и экспрессности определения, нитросоединение восстанавливают до амина молекулярным водородом в газовой фазе при температуре 120-170°С в присутствии катализатора, амин переводят в флуорофор путем взаимодействия с флуорогенным реагентом, возбуждают и регистрируют спектр люминесценции.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при использовании в качестве флуорогенного реагента флуорескамина спектр люминесценции регистрируют в области 490-520 нм при длине волны возбуждения 390-410 нм.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при использовании в качестве флуорогенного реагента орто-фтальальдегида в присутствии меркаптоэтанола спектр люминесценции регистрируют в области 450-460 нм при длине волны возбуждения 340 нм.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что катализатор наносят на микрокапиллярную пластинку.
РИСУНКИ
