Идентификация органических соединений в пробе неизвестного состава методами хромато-масс-спектрометрии и хромато-икфурье спектроскопии тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.02 ВАК РФ

л

С А НКТ- ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

САВЕЛЬЕВА Елена Игоревна

ИДЕН ТИФИКАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ В ПРОБЕ НЕИЗВЕСТНОГО СОСТАВА МЕТОДАМИ ХРОМАТО -МАСС-СПЕХТРОМЕТРИИ И ХРОМАТО-ИК-ФУРЬЕ СПЕКТРОСКОПИИ

Специальность 02.00.02 - Аналитическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Санкт-Петербург 1997

Работа выполнена в лаборатории физико-химических методов анализа научно-исследовательского института гигиены, профпатологии и экологии человека Минздрава Российской Федерации

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: кандидат химических наук,

старший научный сотрудник

Крылов А.И.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

доктор химических наук, старший научный сотрудник Зенкевич И.Г.

доктор химических наук, доцент

Воробьев-Десятовский Н.В.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

Российский научно-производственный центр прикладной химии

Защита состоится 0}j 1997 г. в / i час. На заседании диссертационного совета Д 063.57.44 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук в Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская набережная, 7/9.

С диссертацией можно ознакомиться п библиотеке им. А.М.Горького Санкт-Петербургского Государственного

университета.

Автореферат разослан </'/» 03. 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Столяров Б.В.

АКТУАЛЬНОСТЬ. Проблема анализа пробы неизвестного состава, в особенное™ в контексте органического анализа, п настоящее время привлекает внимание многих исследователей. Это обусловлено тем, что во многих областях, в первую очередь, связанных с определением состава органических компонентов в различных матрицах, традиционные методы анализа оказываются малоэффективными или непригодными. Таким образом, появляется необходимость в разработке методологических и методических подходов, позволяющих проводить исследование неизвестной пробы в условиях, когда информация о ее составе недоступна или ограничена.

Особое значение такие разработки приобретают при выполнении экоаналитических исследований. Как известно, в настоящее время и существующие, и вновь разрабатываемые методы контроля загрязнений окружающей среды ориентированы, как правило, на определение конкретных веществ с использованием рсгламентнронанных процедур анализа. Не отрицай определенной ценности получаемой таким образом информации, тем не менее следует учитывать ее ограниченность или неопределенность в решении многих экологических и ги! м^нмческих задзч. В свя-ш с этим нее чаше обсуждается вопрос о бесперспективности экоапалнтичсскогп контроля, базирующегося только на покомпонентном определении нормируемых соединений. Таким образом, работы, направленные на решение проблемы анализа пробы неизвестного состава, можно отмести к ралряду наиболее актуальньгх.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Определение границ и принципов надежного использования методов газовой хроматографии в сочетании с масс-снекчрометрией (ГХМС), инфракрасной Ф}рье спектроскопией (ГХИКФС) и компьютерным библиотечным поиском для решения проблемы идентификации органических соединений в пробе неизвестного состава и оценка эффективности использования разработанных подходов для задач экологической экспертизы.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. На примере нескольких классов органических соединений изучены, систематизированы и статистически оценены ответы, получаемые при проведении библиотечного поиска в рамках как индивидуальных методов ГХМС и ГХИКФС, так и при их комбинированном использовании. Выработаны критерии, которые могут быть использованы при интерпретации результатов указанного выше поиска. На этой основе сформулированы принципы нового подхода к интерпретации результатов компьютерного библиотечного поиска при использовании масс-спектрометрических и ИК-спектроскопических баз данных и оценены на конкретны*

примерах возможности их применения для идентификации компонентов пробы неизвестного состава.

Для соединений, содержащих кислотные функциональные группы (карбоновые кислоты, фенолы) оценены возможности привлечения химических методов модификации СТРУКТУРЫ вещества (дериватизации) для увеличения надежности ГХМС и ГХИКФС идентификации. Показано, что метилирование кислот повышает, а ацилирование фенолов снижает надежность их структурной идентификации.

При исследовании содержания в воде некоторых сурфактантов (тио- и дитиокислот) и определении возможных продуктов их гидролиза установлено, что реакции метилирования также могут давать дополнительную существенную информацию о компонентах (нерегисгрируемых в обычном режиме) пробы неизвестного состава. Полученные результаты явились основой для разработки новой процедуры анализа промышленных сурфактантов - тио- и дитиокислот.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Разработанные подходы могут быть использованы для оптимизации выбора методов исследований при идентификации органических соединений в анализе образцов различного происхождения. Предложенные схемы и алгоритмы интерпретации результатов апробированы в анализе реальных объектов, проводимом по типу «анализа пробы неизвестного состава» при выполнении различного рода экологических экспертиз и экспертиз состава различных продуктов и материалов (сточные и природные воды, промышленные газовые выбросы, илы систем водоочистки, фармпрепараты, продукты промышленного и полупромышленного синтеза).

Полученные результаты позволили принять ряд административных и технических решений и сформировать перечень мероприятий в области зашиты окружающей среды (Новалипецкий металлургический комбинат, комбинат «Печенганикель», АО «Киришинефтеоргсинтсз», Приозерский ЦБК). В дальнейшем полученные данные могут быть использованы при выполнении аналитических исследований в различного рода экспертизах на основании которых будет возможно формирование объективных перечней приоритетных загрязнителей окружающей среды как для конкретных производств, так и для целых промышленных зон или районов.

ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ.

]. Схема интерпретации результатов библиотечного поиска при использовании масс-спекгромстричсских и ИК-спектроскопичсских баз данных для идентификации органических соединений в пробе неизвестного состава.

2. Сравнительная оценка возможностей комплекса ГХМС и ГХИКФС методов для анализа модельных и реальных объектов.

3. Формализованные показатели, позволяющие проводить оценку эффективности идентификации с помощью библиотечного поиска для соединений различных классов.

4. Обоснование принципов использования химических методов модификации соединений с «кислотными» функциональными группами для увеличения надежности их идентификации и (или) регистрации при анализе пробы неизвестного состава.

5. Результаты применения предложенных подходов в экспертизе различных реальных объектов, выполняемой по типу анализа пробы неизвестного состава.

АПРОБАЦИЯ. Основные результаты работы докладывались на международных симпозиумах «Хроматография и масс-спектрометрия п анализе объектов окружающей среды» (С.-Петербург, 1994), «Хроматографии и спектроскопия в анализе объектов икруж.-.ющеи среды и токсикологии» (С.-Петербург, 1996), на конференции «Диоксины: экологические проблемы и методы анализа» (Уфа, 1995), на симпозиуме «IAWQ Forest Industry Wastewaters» (Канада, Ванкувер, 1996) и конгрессе «ЭКВАТЭК-96» (Москва, 1У96).

СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, списка цитированной лигературы из 102 наименований и 3-х приложений. Работа их'южека ка 138 страницах, содержит 25 таблиц к 21 рисунок.

R Глане 1 (Введение) обоснована актуальность выполняемой работы, сформулированы цель и задачи работы и намечены основные пути их решения.

В Главе 2 (Обзор литературы), состоящей из 5-ти разделов рассмотрены существующие в настоящее время походы к анализу пробы неизвестного состава. Отмечено, что совместное применение ГХМС и ГХИКФС методов позволяет существенно повысить надежность идентификации органических соединений в сложных смесях, однако вопросы методологии эффективного их использования, комплексной оценки получаемых результатов разработаны крайне недостаточно. Установлено также, что литературные данные об использовании процедур химической модификации веществ (дериватизации) в контексте их идентификации при анализе сложных смесей остаются весьма ограниченными.

Глава 3 (Результаты работы и их обсуждение) состоит из шести разделов.

Связь между структурой анализируемого соединения и результатами библиотечного поиска изучали на модельных смесях, содержавших 40 органических соединений, относящихся к различным классам, типичных для природной среды в сфере техногенного воздействия. Модельные смеси подбирали с учетом полного хроматографического разделения и оптимального уровня концентраций. На основании результатов библиотечного поиска по масс-спектру (МС рапортов), 40 исследованных соединений были систематизированы в пределах трех групп:

I. соединения, которые в результате библиотечного поиска только по масс спектру могут быть идентифицированы в качестве единственно возможной структуры (нитробензол, фенол, бензиловый спирт, бензальдегид, бензофенон, ацетофенон, бензилацетат, метилбензоат, фруорен, трифенилфосфат И Др.).

П. соединения, для которых в МС рапорт с близкими вероятностями входят как искомая структура, так и ограниченный набор альтернативных вариантов. По результатам только ХМС анализа они могут быть идентифицированы в пределах группы возможных вариантов, (изопропилбензол, бутилбензол, 1,2-дихлорбензол, 4-нитротолуол, бензилхлорид, гексахлорбензол, 1-метилнафталин, бифенил, фенантрен, антрацен, дибутилфталат, дифениламин и др.).

Ш. соединения, для которых возможны структурные вариации, относящиеся к IV классу критериев совпадения Мак-Лафферги (ундскан, тридекан, гексадекан, 1-октанол, гексадеканол, метиллаурат и др.). Идентификация этих структур методом ХМС невозможна.

14 из 19 соединений, отнесенных к I группе, а также все соединения II группы, характеризуются интенсивным сигналом молекулярного иона в масс-спектре.

Метод ИК спектроскопии практически для всех типов рассмотренных соединений позволяет провести однозначную идентификацию только в сочетании с данными масс-спектрометрии, поскольку при рассмотрении рапортов также возникает проблема исключения альтернативных структур. Метод ИКФС, привлекаемый в качестве дополнительного, позволяет однозначно решить проблему идентификации тать ко для соединений I и II групп. Несоответствие искомой структуре первого номера в рапорте о результатах библиотечного поиска с использованием метода ГХИКФС (ИК рапорте) при наличии соответствующего ИК спектра в библиотеке, а также совпадающие неверные ответы в МС и ИК рапортах (гептядекан при идентификации гексадекана) - характерные особенности соединений III группы. Предложенная классификация, связанная с характером масс-спектра и, следовательно, с химической природой вещества, не является абсолютной, однако позволяет систематизировать

ограничения каждого из рассматриваемых спектральных методов при идентификации компонентов пробы неизвестного состава, что является важным этапом при выработке методических подходов, необходимых для: 1). оценки доскшержхли результатов идентификации; 2). определения пределов надежной идентификации; 3). расширения этих пределов, когда это возможно.

С целью исследования возможных неверных ответов при идентификация соединений II - III групп для 19 представителей гомологической серии н-1-алкеиов от 1-пропена до 1-эйкозена, масс- и ИК-спектры которых были выбраны из библиотек Wiley и ЕРА, соответственно, был проведен компьютерный поиск с использованием этих же библиотек. В результате компьютерной идентификации по масс-спектрам с использованием алгоритма РВМ каждому соединению из рассмотренной серии н-1-алкенов, наряду с истинной, приписали от 1 до 8 альтернативных структур, характеризующихся значением функции Pj - показателя правильности идентификации, нг- меньшим, чем 0.9Ргр, где Рср - среднее арифметическое показателей правильности идентификации для всех правильных ответов. Указанные группы альтернативных CTp\KTvn, cHCTfM3Tti3ifpoi>?.HHbTc в пределах 6 групп. л также iix уровни значимости приведены в табл. 1.

Таблица 1.

Гсзудьтаты крчпь№теркого библиотечного поиска с использованием библиотеки

№ Доля от общего Среднее число

п/п Группа альтернативных структур числа ответов, % атомов С у членов

группы

1 Гомологичный н-алкен, образо- 22 16

ванный присоединением или

отнятием п(СН>)

2. н-Алкен с альтернативным поло-

жением двойной связи:

а) изомерный 16 1J

б) гомологичный 18 16

Изомерный изо 1-алксн 1 4

4. Циклоалкан с любым размером

цикла и строением боковых цепей;

а) изомерный 16 8

б) гомологичный 7 12

5. н-Алканол:

а) с равным числом угле- 4 14

родных атомов

б) гомологичный 7 14

6. Циклический кетон или дикетон:

а) изомерный 3 8

б) гомологичный 1 8

Соотношение изомерных и гомологичных структур внутри каждой группы вариантов, представленных в табл.1, меняется в сторону возрастания роли гомологов с увеличением числа углеродных атомов в молекуле, что отражено на диаграмме (рис.1.А) и согласуется со степенью стабилизированное™ молекулярного иона (рис.1.Б).

Доля группы альтернативных вариантов в пределах

ДР <0.1 Р, (табл.1)

А)

ср

Интенсивность сигнала молекулярного иона, % от максимального

Б)

3 4 5 6 7 8 9 18 "11 12 13 14 15 16 17 IS 19 20!

; " Число атомов С в молскуяе алкева.;

Рисунок 1. А) - распределение групп альтернативных вариантов МС идентификации для н-1-алкенов (РВМ) по числу углеродных атомов в молекуле ( П - изомеры, В - гомологи); Б) - зависимость интенсивности сигнала молекулярного иона в усредненном масс-спектре от числа углеродных атомов в молекуле н-1-алкена.

Ошибки идентификации 1-алкен - 1-алканол, начинающиеся с 1-октена, (рис.1А) связаны с понижением роли кислород-содержащих ионов в масс-спсктрах 1-алканолов с ростом их молекулярной массы и характерны для соединений III группы. Их вероятность возрастает по мере удлинения углеводородной цепи. Близкое сходство-масс-спектров 1-алкенов и некоторых циклических кетонов объясняется не

одинаковым составом ионов, а равенством их массовых чисел. Вероятность ошибок идентификации алкен-цикланон не связана напрямую с длиной углеводородной цепи. Такие ошибки возможны при идентификации соединений, относящихся к И и III группам.

Группы соединений, альтернативных по результатам компьютерного библиотечного поиска по ИК спектрам в отношении н-1-алкенов ( (MQX - показатель правильности идентификации для i-ro ответа - не ниже, чем 0.9 (MQ), где MQ -правильность идентификации для позитивного ответа) и уровни их значимости представлены в табл.2.

Таблица 2.

Результаты компьютерного библиотечного поиска с использованием библиотеки ИК-_спектров для Сз - С;р н-1-алкенов__

N Группа альтернативных структур Доля от общего Среднее

числа ответов, число атомов

% С у членов

группы

! Гомологичный н-1-алкен, образованный 47 11

присоединением или отнятием п(СН^)

2. Изо-1-алксн 6 7

7 Первичный, вторичный ¡¡ли третичный 6 5

ненасыщенный спирт

4. н-Алкан 26 14

5 Диен 1 4

6. Алкенилциююалкан 1 6

7. Алкилциклоалкан 7 И

8. 1-С£-Алкан 2 18

9. 1-Тио-Алкап 1 18

Два множества структурных вариаций, охватываемые при библиотечном поиске в первом случае по масс-спектрам, и во втором случае - по ИК-спектрам, в процессе идентификации н-1-алкена взаимно перекрываются только в области гомологичных н-1-алкенов. Несмотря на то, что из 19 исследованных Сз - См н-1-алкенов только 9 охарактеризованы библиотечными ИК-спекграми, все они могут быть идентифицированы в пределах ряда гомологичных н-1-алкенов. Для пяти соединений: от н-1-пропена до н-1-гептена, характеризующихся интенсивным молекулярным ионом в масс-спектре и не имеющих гомологов среди конкурентных по МСЭУ соединений, возможно однозначное приписание единственной структуры.

Таким образом, совместное рассмотрение результатов библиотечного поиска по масс- и ИК-спектрам, даже в отсутствие ИК-спектров анализируемых соединений в массиве справочных данных обеспечивает 1) надежное отнесение к гомологическому ряду н-1-алкенов соединений III группы и 2) индивидуальную идентификацию для

соединений I - И групп. Следовательно, использование комплекса ГХМС-ИКФС методов наиболее эффективно в отношении циклических и полициклических, в особенности, конденсированных соединений, для которых возможны структурные вариации, не отражающиеся на масс-спекгре, а интенсивный сигнал молекулярного иона в масс-спектре исключает гомологи из круга альтернативных вариантов масс-спектрометрической идентификации.

К соединениям такого типа относятся компоненты каменноугольного пека, образующегося в коксохимическом производстве. Из них, по результатам компьютерного ХМС анализа (РВМ, Wiley) только флуорен, отнесенный к I группе вследствие уникального характера масс-спектра, однозначно идентифицирован. Остальным 12-ти компонентам, отнесенным ко II группе, соответствовало от 2-х до 5-ти альтернативных структур, охватываемых общей брутго-формулой для 10-ти компонентов и различными - дм 2-х. По данным ГХИКФС однозначный выбор из группы изомерных вариантов был произведен для нафталина, хинолина, 1- и 2-метилнафталинов, аценафтена, фенантрена, антрацена, карбазола,

флуорантена и пирена. В случае дибензофурана альтернативные варианты описывались четырьмя различными брутто-формулами.

При идентификации бифенила в качестве альтернативных рассматривались как изомерные (аценафтен), так и изобарные (хинолинкарбонитрил) варианты. Для решения дилеммы нафталин-азулен или флуорантен-пирен, приалечения второго спектрального метода не требуется, так как значения хроматографических индексов удерживания для этих соединений различаются существенно, а справочные данные о величинах индексов доступны. В то же время многие соединения, соответствующие промежуточным результатам масс-спектрометрической идентификации (2)3-диэтиламинозтенил-Д(2)-оксазолин, 9Н-пиридо[3,4]индол, 5Н-индено[1,2-пиридин] и др.) не охарактеризованы справочными величинами индексов удерживания. Именно в таких случаях привлечение метода ИКФС, менее жестко привязанного к базам данных, оказывается наиболее эффективным.

Следует отметить, что при подготовке проб неизвестного состава к ГХ анализу, как правило, не проводятся их фракционирование и очистка, поэтому в числе специфических задач обзорного анализа должна решаться проблема обработки загрязненных спектров. Показано, что в модельных и реальных условиях меняются не только номер в рапорте и степень совпадения с библиотечным спектром для искомой структуры, меняется состав группы альтернативных вариантов, из которых по данным ГХИКФС совершается однозначный выбор. Однако, принципы интерпретации

спектральной информации, а главное - конечный результат этой интерпретации, остаются неизменными, следовательно, разрабатываемые методические подходы в известной степени универсальны.

При анализе пихтовых масел (полупродукт фармацевтического производства) из 18 соединений, относимых ко И (17) и III (1) группе, 12 идентифицировано в отсутствии библиотечного ИК спектра. Результат ручной интерпретации ИК спектров для л пух соединений (п-мент-3-ен и нерилацетат) был исправлен путем сравнения измеренных и литературных величин индексов удерживания.

В общем случае идентификация неизвестного органического соединения должна производиться, исходя из предварительного представления о его природе, сообщаемого характером масс-спектра и результатом МС библиотечного поиска, как показано в табл.3.

Таблица 3.

Методология ндеяяфнкзции оргзшпесхяж соединений негодяя ГХМС и ГХИКФС.

№ | Особенности структуры и масс-ipyn- | спектра ш.; ! Роль метода ГХМС j Роль метода ИКФС ... ________________ J ... . .

Отсутствие элементов струх-гуры, ош;сь:вземых ¡V классом надежности Мак-Лафферти или отсутствие вырожденности масс-спектра по этим элементам. И н ди видуальная идентификация. Подтверждение ГХМС идентификации с помощью второго независимого метода.

I! Mono- и поли-, гомо- и ¡.перо-никлы, часто конденсированные. Масс-спектр неспецифичен, интенсивный сигнал молекулярного иона. Формирование набора равновероятных изомерных и (или) изобарных структур. Выбор единственного адекватного ответа

III Соединения с алкильными цепями (R>9). Присутствуют элементы структуры в пределах IV класса надежности. Возможны повторяющиеся фрагменты структуры. Масс-спектр кехарактеристичен. Молекулярный ион не обнаруживается. Выявление элементов структуры. Составление перечня вариантов идентификации Установление природы функциональных групп. Составление перечня вариантов групповой идентификации

Идентификация в пределах гомологического ряда путем сопоставления МС и ИК вариантов групповой идентификации.

Для уточнения гомологического номера целесообразно использовать хромато графические индексы удерживания, для подтверждения природы и установления числа одинаковых структурных фрагментов - направленное получение производных.

Использование методов химической модификации (в частности, ацилирования) для подтверждения природы и установления числа одинаковых функциональных групп показано на примере идентификации ацетиленового диола (СНз)2СНСН2С(СНз)ОНО)2 (III группа), масс- и ИК-спектры которого малоинформативны и отсутствовали в массивах справочных данных.

Соединения с кислотными функциями: кислоты, фенолы, тио-соединения, широко распространенные в природной среде, являются также компонентами промышленных выбросов. Многие из них методами газовой хроматографии могут быть определены только в виде производных. Для того, чтобы сравнить возможности компьютерной ХМС идентификации исходных соединений и производных, необходимо выработать обобщенные показатели, которые бы отражали не только удельный вес диагностических фрагментов в масс-спектрах, но и особенности баз данных и алгоритма библиотечного поиска.

В качестве таких показателей могут быть предложены следующие:

N - число масс-спектров анализируемого соединения в библиотеке. С - степень представленности масс-спектров анализируемого соединения в группах ответов (рапортах), являющихся результатом компьютерного библиотечного поиска.

Число соединений в рапорте может быть выбрано любым. Мы рассматривали рапорты, состоящие из 10 соединений. Последовательно обрабатывая каждый из N спектров, как спектр неизвестного вещества, мы имеем N-1 рапортов.

п

С=- (1)

N(N-1)

где: п - общее число правильных ответов, содержащихся в N-1 рапортах, полученных с помощью алгоритма РВМ.

Если С=1, то все библиотечные спектры, соответствующие результату позитивной идентификации, входят во все N-1 рапортов.

ДР; - разность между величинами Р для лучшего позитивного ответа и ¡-того позитивного ответа в каждом рапорте, 4 принимает целочисленные значения от I до п.

I (ДР)|

(АР)ср =--(2),

п

(ДР) - усредненное в пределах всех позитивных ответов.

Ряд значений ЛР можно рассматривать как группу экспериментальных данных, являющихся результатом косвенных измерений. При этом закон распределения погрешностей измерения аргументов, а также форма корреляционной зависимости, существующей между ними, неизвестны. В этом случае разброс значений ЛР для каждого соединения можно оценить с помощью функции Я(ДР)

Величина 3(дР) характеризует степень разброса основных характеристик, соответствующих позитивному ответу, количество масс-спектров, соответствующих искомому веществу, и их качество (воспроизводимость), а также возможность учета алгоритмом РИМ погрешностей базы данных и "вырождающих" масс-спектр элементов структуры вещества. Несмотря на то, что 5(ЛР) является, безусловно, лишь формальным показателем, можно сказать: чем меньше величина 5(ДР), тем больше вероятность получить ггоавильный ответ при идентификации соединения с помощью библиотечного поиска. В общем случае: чем > С и чем < (ДР)ср. и < 8(ДР) для позитивного ответа и чем < К (число ответов) и > (ДР)Ср. ДЛЯ всех альтернативных (ошибочных) ответов, тем выше надежность позитивной идентификации.

Анализ с помощью предложенных показателей выборки кислот ряда С^ с различными вариантами строения углеводородной цепи, а также соответствующих метиловых эфиров показал, что возможности структурной идентификации метиловых эфиров существенно выше. Как показано на рис.2, относительная интенсивность ионов с массовым числом 74, характеристичных н пределах масса, в масс-спектрах метиловых эфиров существенно превышает относительную интенсивность ионов с массовым числом 60 в масс-спектрах исходных кислот. Учитывая также целый рад преимуществ, достигаемых с помощью метилирования в хроматографичееком процессе, трупповой ГХМС анализ кислот в пробе неизвестного состава следует считать более достоверным, если он включает стадию метилирования.

На примере ГХМС анализа проб воды и донных отложений показано, что метилирование позволяет существенно расширить перечень регистрируемых соединений за счет целой серии непредельных, диеновых и двухосновных кислот, а также двухатомных фенолов, не определяемых в условиях прямого ГХМС анализа.

Установлено, что алкил- и диалкил- тио- и дитиофосфаты - широко распространенные промышленные сурфакганты, не метилируются с помощью известных методик. В связи с этим была разработана процедура метилирования этих соединений иодистым метилом в диметилформамиде в присутствии щелочного катализатора, позволяющая анализировать их в виде соответствующих метиловых эфиров методом газовой хроматографии.

1 2 3. 4 .« • .6. 7 &

Рисунок 2. Сопоставление относительных интенсивностей (1ср) ионов с m/z 60 и m/z 74 (в % от максимального) в усредненных масс-спектрах некоторых кислот ряда RCOOH и их метиловых эфиров, соответственно (R для: 1- С-С-С-С-С-; 2- C-C-C-C(CHj)-; 3- С-С-С(СНз)-С; 4- C-CfCHJ-C-C-; 5- С-С-С-ОС-; б- С-С-ОС-С-; 7- С-С=С-С-С-; 8- С=С-С-С-С-).

Ацилирование фенолов повышает степень их извлечения из водных сред на 20 (диметилфенолы) - 40 (фенол) %, делает возможным газохроматографический анализ двухатомных фенолов. Однако, проведение библиотечного поиска для группы фенолов, масс- и ИК-спектры которых были отобраны из библиотек Wiley и ЕРА, а также компонентов модельных смесей, включавших метил-, диметил-, нитро- и хлорфенолы и соответствующие ацетаты, показало, что ацилирование фенолов (по сумме критериев (1), (2), (3) и степени характеристичности ИК-сяекгрсв) снижает возможности установления их структуры.

В главе 4 (Методики подготовки проб и выполнения анализов), состоящей из пяти разделов, описаны методы подготовки проб к анализу, химической модификации анализируемых соединений, а также условия ГХМС и ГХИКФС анализа.

Водные пробы последовательно экстрагировали хлористым метиленом при рН=12 и рН=2. Воздух прокачивали через патрон, заполненный сорбентом ХАД-2 и

снабженный аэрозольным фильтром. Твердые образцы измельчали и экстрагировали в аппарате Сокслета хлористым метиленом. Для анализа тио- и дитиокислот в водных средах в "кислые" (рН=2) экстракты вносили 2 мл метанольного раствора гидроокиси тетрабутиламмония или 1 мг карбоната калия, перерастворяли в 100 мкл диметилформамида, добавляли 10 мкл иодистого метила и выдерживали реакционную смесь при 70"С 15 Mim., периодически встряхивая. В охлаждешгую пробу вносили 2 мл дистиллированной воды и экстрагировали гексаном 3 х 100 мкл. "Кислые" экстракты озерной воды метилировали гидроокисью триметиланилиния в испарителе хроматографа. Жирные кислоты в пробе донных отложений анализировали по следующей оригинальной процедуре: 10 г нлажной пробы суспендировали в 20 мл метанола, добавляли 1 мл серной кислоты (1:1), встряхивали 10 мин., разбавляли дистиллированной водой до объема 100 мл И экстрагировали гексаном (3x2 мл). Ацилирование фенолов в водных средах проводили уксусным ангидридом в присутствии карбоната катя.

ГХМС (¡шит проводили на комачгкее фирмы "Хьюлетт-Паккард", включающем газовый хроматограф HP 5890А, масс-стсктромстр HP 59SSA и систему обработки дачных HP 59970А, с использованием капиллярных колонок. Тип ионизации -эяеюронный удар. Энергия ионизирующих электронов 70 эВ. Съемку масс-хроматограмм реальных образцов осуществляли по полному ионному току. При групповом анализе кислот, а также их метиловых эфиров, реконструированные масс-хроматограммы обрабатывали пл ионам с m/z 60 и 74 соответственно.

ГХИКФС анализ проводили на комплексе, состоящем из газового хроматографа HP 5S90, ИК-Фурье детектора HP 59G5A и системы обработки данных HP 59970С фирмы "Хьюлетг-Паккард" (США). ИК-спектры получали в газовом потоке при температуре кюветы и соединительных линий 250°С. Поглощение регистрировались ртуть-кадмий-теллуровым детектором в области волновых чисел 600-4000 см-1 при разрешения В см-1 .

Индексы удерживания измеряли в условиях программирования температуры (расчет по методу кубических парабол).

ВЫВОДЫ

1. Предложен принцип систематизации органических соединений на основании особенностей их масс-спектра. При этом реальными объектами систематизации становятся варианты ответов МС идентификации.

К I группе отнесены вещества, масс-спектры которых специфичны и однозначно интерпретируются с точностью до индивидуального соединения.

11 группа охватывает вещества, масс-спектр которых характеристичен в пределах группы изомерных и (или) изобарных структур.

К III группе относятся соединения, на основании анализа масс-спектра которых могут быть выявлены только отдельные элементы их структуры.

Интенсивный сигнал молекулярного иона часто обнаруживается в масс-спектрах соединений I группы, всегда - II группы, и не обнаруживается в масс-спектрах соединений III группы.

2. Разработана стратегия применения ИКФС в качестве дополнительного метода к масс-спектрометрии:

■ в отношении соединений I группы ИКФС выступает в роли второго независимого метода, подтверждающего результат идентификации;

В применительно к соединениям П группы метод ИКФС прозволяет уточнить структуру с точностью до единственного ответа;

В соединения Ш группы с помощью комплекса ГХМС и ГХИКФС методов могут быть идентифицированы лишь в пределах ряда родственных соединений. Для уточнения гомологического номера и установления числа одинаковых структурных фрагментов требуется привлечение дополнительных методов.

3. Показано, что принципы интерпретации спектральной информации, а также конечный результат интерпретации сохраняют свое значение при переходе от модельных условий к реальным.

4. Выявлена область взаимного перекрывания множеств неверных ГХМС и ГХИКФС ответов и обозначены границы, в пределах которых может быть получен достоверный ответ при идентификации органических соединений с помощью комплекса ГХМС-ИКФС методов.

5. Предложены формальные показатели, позволяющие сравнивать эффективность компьютерной идентификации для соединений разных классов и учитывающие особенности базы данных и алгоритма библиотечного поиска. Показано, что возможность установления структуры метиловых эфиров карбоновых кислот выше, а ацетатов фенолов ниже в сравнении с исходными соединениями.

6. Показано, что метилирование кислот повышает возможности их группового анализа методом масс-фрагментографии.

7.11редложсна методикз газохроматографического аначиза солей

алкилднтиокислот и продуктов их деструкции, основанная на их кислотном гидролизе,

экстракционном извлечении и метилировании метилиодидом в диметилформамиде.

Основные результаты оиублягквгпы в сл«дуга!цих работах:

1. Савельева Е.И., Хлебникова Н.С., Васильева И А, Крылов А.И. Об использовании хромато-масс-спектрометрии и хромато-ИК-Фурье спектроскопии в идентификации терпенов. // Журнал общей химии. 1996. т.64. N4. с.678-686.

2. Савельева Е.И., Тарарин П.А., Хлебникова Н.С., Крылов А.И. Газохроматографическое определение дибутилдитиофосфата и продуктов его гидролиза в водной среде. // Журнал аналитической химии.1995. т.50. N11. с.1188-1192.

3. Савельева Е.И., Хлебникова Н.С., Тарарян П.А. Использование реакций р:атилнровг,мия при газохроматографическом определении карбоновых и дитио-кислот в водных средах. //Тезисы докладов. Международный симпозиум "Хроматография и масс-спектрометрия в анализе объектов окружающей среды. 1994.Спб.с.88-89.

4. Крылов А.И., Хлебникова Н.С., Макеева Н.М., Савельева Е.И. Химико-экологическая экспертиза иловых осадков систем водоочистки стоков. // Материалы конференции. "Диоксины: экологические проблемы и методы анализа. " 1995. Уфа.с. 304-309.

5. Савельева Е.И., Хлебникова Н.С., Крылов А.И. Оценка границ применения комплекса методов хромато-масс-спектрометрии и хромато-ИК-Фурье спектроскопии в структурной идентификации полициюгаческих соединений. // Тезисы докладов. Международный симпозиум "Хроматография и спектроскопия в анализе объектов окружающей среды и токсикологии. " ISCSE'96.Cri6.!996.c.295-296.

6. Крылов А.И, Савельева Е.И., Хлебникова Н.С. О применении хроматографических и спектральных методов при экспертизе состава неизвестных материалов. //Тезисы докладов. Международный симпозиум "Хроматография и спектроскопия в анализе объектов окружающей среды и токсикологии. " ISCSE'96.CIT6.1996.c.29J-294.

7. Савельева Е.И. Исследование состава органических загрязнителей воды непроточного водоема на свалке вблизи Волховского шоссе (СПб.). // Сборник

тезисов докладов. S3 научная конференция профессоров, преподавателей, научных работников СПб.Гос.Архитектурного университета. 1996-СПб.с. 103.

8. Savelieva Е.1., Zhakovskaya Z.A., Khlebnikova N.S., Krylov АЛ. Evaluation of Organic Pollutants Composition in Priozersky Pulp and Paper Mill Wastewaters.// 5-th IAWQ Symposium on Forest Industry Wastewaters. 1996. Vancuver, B.C., Canada.

9. Savelieva E.I., Vasilieva I.A., Khlebnikova N.S., Krylov A.I. Identification of Volatile components of Wood Pulp Extracts by Gas Chromatography-Mass Spectrometiy (GSMS) and Gas Chromatography/Fourier Transform Infrared Spectroscopy (GC FTIRS).// 5-th IAWQ Symposium on Forest Industry Wastewateis.1996. Vancuver, B.C., Canada.