Одновременное реакционно-хроматографическое определение гидразинов и продуктов окислительной трансформации 1,1-диметилгидразина в водах и почвах тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.02 ВАК РФ

На правах рукописи

Смирнов Роман Сергеевич

ОДНОВРЕМЕННОЕ РЕАКЦИОННО-ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИДРАЗИНОВ И ПРОДУКТОВ ОКИСЛИТЕЛЬНОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ 1,1-ДИМЕТИЛГИДРАЗИНА В ВОДАХ И ПОЧВАХ

02.00.02 - Аналитическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

005541899

Москва-2013

005541899

Работа выполнена на кафедре аналитической химии Химического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.

Научный руководитель: кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник Смоленков Александр Дмитриевич

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор

Евгеньев Михаил Иванович

Казанский национальный исследовательский технологический университет (КНИТУ, г. Казань)

доктор химических наук, профессор Сердан Анхель Анхелевич

Кафедра химии нефти и органического катализа химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова

Ведущая организация: Институт физической химии и электрохимии

имени А.Н. Фрумкина РАН, г. Москва

Защита состоится 27 ноября 2013 г. в 15 ч 00 мин в аудитории 446 на заседании диссертационного совета Д 501.001.88 по химическим наукам при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д. 1, стр. 3, МГУ имени М.В. Ломоносова, Химический факультет.

С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке МГУ имени М.В. Ломоносова.

Автореферат диссертации размещен на сайте Химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова (http://www.chem.msu.ru/rus/theses) и на сайте ВАК (http://vak.ed.gov.ru).

Автореферат разослан 21 октября 2013 г. Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат химических наук Торочешникова И.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Гидразин (Ги) и его производные с каждым годом находят все большее применение: в энергетике и металлургии в качестве ингибиторов коррозии и для восстановления ионов металлов, в современной химической промышленности для синтеза полимеров, пластмасс и красителей, медицинских препаратов, а также регуляторов роста растений, пестицидов, гербицидов и прочих азотсодержащих соединений. С середины XX века Ги, метилгидразин (МГ) и 1,1-диметилгидарзин (НДМГ) зарекомендовали себя как наиболее эффективные топлива в ракетно-космической деятельности (РКД).

В то же время, Ги и алкилгидразины (АГи) являются опасными для здоровья человека и животных соединениями и по санитарно-токсикологическому критерию вредности относятся к 1-ому классу опасности. В России, как и в других развитых странах, содержание этих веществ в объектах окружающей среды (ООС) строго нормируется, при этом, наблюдается тенденция к ужесточению существующих гигиенических нормативов, которая обуславливает необходимость разработки новых высокочувствительных методик определения гидразинов в ООС, технологических водах, продуктах питания, фармпрепаратах и других продуктах химической промышленности.

Объектом особого внимания аналитиков и экологов, ввиду постоянного поступления в окружающую среду в результате РКД, является НДМГ. Это связано не только с собственной токсичностью НДМГ, но и с токсичностью продуктов его окислительной трансформации (ОТр), которые в совокупности составляют значительную долю от исходного количества НДМГ в загрязненных объектах. Известно, что, являясь более стабильными, эти вещества способны долгое время сохраняться в неизменном виде на местах аварийных проливов, представляя угрозу. Таким образом, на данный момент существует необходимость в комплексной оценке степени загрязнения ООС на местах аварийных проливов, учитывающей не только присутствие НДМГ, но наиболее значимых продуктов его ОТр. Эта необходимость ставит задачу разработки соответствующего методического обеспечения.

Цель работы заключалась в разработке способов чувствительного, селективного и, по возможности, многокомпонентного (совместного) определения НДМГ и других АГи, а также продуктов ОТр НДМГ, в водах и почвах с использованием методов жидкостной и газовой хроматографии. Достижение поставленной цели включало в себя решение следующих конкретных задач:

1. Оценка возможности использования простейших алифатических а-дикарбонильных соединений (а-ди-КС) — производных глиоксаля (ГО) для реакционного определения гидразинов и НДМГ в частности, как альтернативы ароматическим альдегидам, традиционно используемым в качестве дериватизирующих реагентов (ДР), что подразумевало выбор условий проведения реакции дериватизации гидразинов реагентами - производными ГО, подтверждение структуры образующихся продуктов, установление их спектральных свойств;

2. Выбор условий хроматографического определения продуктов реакции гидразинов с ГО и его производными в варианте ОФ ВЭЖХ со спектрофотометрическим (СФ) детектированием. Выбор наиболее перспективных ДР для предколоночной дериватизации гидразинов среди исследуемых а-ди-КС;

3. Разработка способов высокочувствительного совместного определения НДМГ и ряда АГи в водах и почвах в виде производных с наиболее перспективными ДР ряда глиоксалей.

4. Разработка способов определения ультрамалых концентраций (на уровне 10"9%) НДМГ в водах с использованием предварительного сорбционного концентрирования производных;

5. Разработка способа совместного определения НДМГ и ряда основных продуктов его ОТр: МГ, Ы-нитрозодиметиламина (НДМА), 1,1,4,4-тетраметил-2-тетразена (ТМТ), 1-метил-1Н-1,2,4-триазола (МТ) в водах и почвах методом ОФ ВЭЖХ-СФ (с использованием детектора на диодной матрице (ДДМ)) с предварительной дериватизацией гидразинов;

6. Выбор условий пробоподготовки и разработка способа совместного определения МТ и НМ-диметилгидразида муравьиной кислоты (ДМГМК) в почвах методом газовой хроматомасс-спектрометрии (ГХ-МС).

7. Изучение факторов, влияющих на извлечение НДМГ из почв.

8. Исследование особенностей определения НДМГ в почвах с учетом его трансформации в связанные формы.

Научная новизна работы.

Впервые в качестве дериватизирующих реагентов (ДР) для определения N1- и N,N1-замещенных АГи реакционной ОФ ВЭЖХ предложено использовать простейшие алифатические а-ди-КС: ГО, глиоксиловую кислоту (ГОК), метилглиоксаль (МГО) и диацетил (ДиАц). На примере НДМГ, МГ, ГЭГ и ряда других АГи выполнено систематическое исследование реакции гидразинов с предложенными реагентами, выбраны условия экспрессного и количественного ее протекания. Для всех ДР, кроме ДиАц, показано образование единственных и стабильных продуктов реакции с АГи - соответствующих моно-алкилгидразонов.

Выбраны условия совместного хроматографического определения АГи методом ОФ ВЭЖХ-СФ (ДДМ) с предварительной дериватизацией предложенными ДР в вариантах изократического и градиентного элюирования. Показана возможность использования больших избытков ДР при дериватизации, а также высокая селективность и чувствительность определения АГи. Оптимальным ДР среди рассмотренных а-ди-КС для дериватизации АГи признан ГО, производные с которым обладают максимальными молярными коэффициентами поглощения. Предложен подход, основанный на применении ГО, что в отличие от использования известных ранее ДР, позволяет определять НДМГ от ПДК (> 0.5 мкг/л) в водах водоемов рыбохозяйственного (РХН) назначения без предварительного концентрирования.

Выбраны условия сорбционного концентрирования .ионо-1,1-диметилгидразона ГО (ДМГГ) при анализе вод, что позволило повысить чувствительность определения НДМГ до 50 раз (нижняя граница определяемых содержаний 10 нг/л). Предложенный способ позволяет проводить уверенное определение НДМГ в водах РХН и культурно-бытового и хозяйственно-питьевого назначения (КБиХПН) на уровнях и ниже установленных гигиенических нормативов.

Продемонстрирована возможность совместного определения НДМГ и ряда основных продуктов его ОТр: МГ, НДМА, ТМТ и МТ, методом ОФ ВЭЖХ-СФ (ДДМ) в одних условиях после предколоночной дериватизации гидразинов ГО. Показано, что перечень определяемых в этих условиях продуктов ОТр может быть расширен.

Предложен способ селективного совместного определения МТ и ДМГМК в почвах методом ГХ-МС.

Показано, что на стадии завершения ОТр (содержание свободной формы НДМГ <1%), результаты определения НДМГ в почвах по методике, включающей щелочную дистилляцию с паром из суспензии в среде 40%-го раствора щелочи, обусловлены продуктами ОТр и НДМГ, связанным с органическим веществом почвы. Значительная роль органического вещества почвы в удерживании НДМГ продемонстрирована в модельных условиях на примере взаимодействия НДМГ с гуминовыми кислотами.

Практическая значимость работы.

1. Предложены доступные, простые в использовании и селективные дериватизирующие реагенты для определения Ы- и Ы.Ы-чамещсииых АГи. Высокие значения молярных коэффициентов поглощения образующихся производных позволяют значительно повысить чувствительность определения гидразинов по сравнению с существующими реагентами.

2. Предложен ряд методик экспрессного, чувствительного и селективного совместного определения АГи в водах, водных вытяжках из почв, отгонов из почв и зеленых частей растений методом ОФ ВЭЖХ-УФ после дериватизации ГО и ГОК, удовлетворяющий целям экологического обследования территорий, подверженных воздействию РКД.

3. Разработана методика определения ультрамалых концентраций НДМГ в водах КБиХПН методом ОФ ВЭЖХ-УФ с предварительной дериватизацией ГО и последующим сорбционным концентрированием производного.

4. Предложена методика экспрессного и селективного совместного ОФ ВЭЖХ-УФ определения НДМГ и ряда продуктов его ОТр: МГ, ТМТ, НДМА, МТ в водных объектах после дериватизации гидразинов ГО.

5. Разработана методика совместного определения (включая условия извлечения) двух важнейших продуктов ОТр НДМГ в почвах - МТ и ДМГМК,- методом ГХ-МС. Предложен способ получения модельных образцов загрязненных почв, используемых для градуировки и проверки правильности методик определения МТ и ДМГМК.

6. Правильность предложенных методик продемонстрирована на примере анализа реальных образцов почвы, воды и растений.

7. Показана необходимость учета процессов трансформации НДМГ при его определении в почвах, а также различий в удерживании НДМГ органической и минеральной частями почв.

8. В результате проведенных сравнительных исследований по извлечению НДМГ из почв с использованием существующих способов пробоподготовки, показана наибольшая эффективность щелочной отгонки в среде 40%-го раствора щелочи.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследования реакции дериватизации N- и N.N-замещенных гидразинов с ГО и его производными: условия проведения реакции, строение и характеристики полученных продуктов;

2. Методики и выбор условий совместного хроматографического определения НДМГ, МГ и ГЭГ в виде производных с ГО и ГОК с использованием изократического элюирования; гидразина и АГи в их сложных смесях с использованием градиентного элюирования, а также НДМГ и ряда продуктов его ОТр: МГ, ТМТ, НДМА, МТ, после дериватизации гидразинов ГО.

3. Условия сорбционного концентрирования производного НДМГ с ГО (ДМГГ) и результаты сравнительной оценки методик ОФ ВЭЖХ-УФ определения НДМГ с предколоночной дериватизацией ГО и 4-нитробензальдегидом с последующим сорбционным концентрированием производных;

4. Условия совместного ГХ-МС определения МТ и ДМГМК в почвах. Способ получения модельных образцов почв, загрязненных МТ и ДМГМК.

5. Совокупность результатов, полученных в ходе применения разработанных методик определения гидразинов и продуктов ОТр НДМГ для анализа реальных объектов.

6. Результаты сравнительного исследования эффективности существующих способов пробоподготовки при определении НДМГ в почвах.

7. Результаты изучения баланса форм существования НДМГ в загрязненных почвах.

8. Результаты изучения взаимодействия НДМГ с отдельными компонентами почв.

Апробация работы.

Результаты исследований докладывались на 1-ой и 2-ой Всероссийской конференции «Аналитическая хроматография и капиллярный электрофорез» (Краснодар, 2010, 2013); 36й International Symposium on Environmental Analytical Chemistry (Рим, Италия, 2010); VIII Всероссийской конференции по анализу объектов окружающей среды "Экоаналитика-2011" (Архангельск, 2011); III Всероссийском симпозиуме «Разделение и концентрирование в аналитической химии и радиохимии» (Краснодар, 2011), 36й International Symposium on HighPerformance Liquid Chromatography and Related Techniques (Будапешт, Венгрия, 2011); XIX Молодежной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов" (Москва, 2012); 29- International Symposium on Chromatography (Торунь, Польша, 2012).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 5 статей и 8 тезисов докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, пяти глав экспериментальной части, общих выводов, списка цитируемой литературы и приложения. Материал изложен на 201 странице машинописного текста (без учета приложения), содержит 58 рисунков и 50 таблиц, в списке цитируемой литературы 209 наименований. Приложение включает 4 рисунка и 1 таблицу на 3 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В литературном обзоре, представленном первой главой, в соответствующих разделах кратко рассмотрены и обобщены известные данные о трансформации НДМГ в модельных системах и ООС, выявлен перечень наиболее значимых продуктов ОТр НДМГ. Представлены данные о токсичности этих соединений и установленных гигиенических нормативах их содержания в ООС. Рассмотрены аспекты взаимодействия НДМГ и гидразинов с почвой и ее компонентами, особенно органическим веществом, существующие способы извлечения НДМГ из почв, а также современные представления о формах существовании этого соединения в загрязненных почвах. Систематизированы данные о современных способах определения гидразинов и продуктов ОТр НДМГ в различных объектах, представленных в основном методиками, основанными на методах газовой и жидкостной хроматографии. Особое внимание уделено методикам совместного определения гидразинов и/или продуктов ОТр НДМГ. Отмечены достоинства и недостатки используемых подходов и различных ДР в случае методик реакционного определения гидразинов. Представлены известные данные о применении а-ди-КС ряда глиоксалей в аналитической и органической химии, демонстрирующие высокую электрофильную активность последних в реакциях с различными аминосоединениями (в т.ч. с гидразинами), а также отсутствие работ, посвященных определению гидразинов с использованием этих соединений в качестве ДР, несмотря на очевидную перспективность такого подхода.

Во второй главе перечислены реагенты, материалы и аппаратура, использованные в работе, а также описана техника (методики) эксперимента. Использовали следующее хпоматографическое оборудование: ВЭЖХ-УФ-систему Agilent 1200, оснащенную СФ-детекгором на диодной матрице (ДДМ); ВЭЖХ-УФ-МС-систему Agilent 1290 Infinity, оснащенную ДДМ и трехквадрупольным тандемным МС-детектором 6460 Triple Quad с источниками электрораспылительной (ЭРИ) и химической ионизации при атмосферном давлении (ХИАД); газовый хроматограф Agilent 6890N, оснащенный квадрупольным МС-детектором 5973N с источником электронной ионизации (все Agilent technologies, США); ВЭЖХ-МС-систему Shimadzu LCMS-2010A, оснащенную квадрупольным МС-детектором с источником ХИАД (Shimadzu, Япония); ионный хроматограф с амперометрическим детектором "ЦветЯуза-01" (НПО «Химавтоматика», Россия).

В работе использовали следующие хроматографические колонки: 1.для ОФ ВЭЖХ: Zorbax SB-C18 (150 и 250x4.6 мм, 3.5 и 5 мкм), Zorbax Eclipse XDB-C18 (150x4.6 мм, 5 мкм) (Agilent technologies, США) с предколонками Security Guard (картридж С18, 4x3 мм, Phenomenex, США); 2. для ионной хроматографии (ИХ): Nucleosil SA (150x2.1 (100x4.6) мм, 5 (10) мкм, Macherey Nagel, Германия), Luna SCX (250x4.6 мм, 10 мкм, Phenomenex, США); 3. для ГХ: DB-225 MS и INNOWAX (30 мх0.25 ммх0.25 мкм, Agilent technologies, США).

Электронные спектры молекулярного поглощения (ЭСМП) исследуемых растворов регистрировали на двулучевом сканирующем спектрофотометре УФ-видимого диапазона U-2900 (Hitachi, Япония), используя кварцевые кюветы с длиной оптического пути 1 см объемом 3 мл. Для сорбционного концентрирования использовали картриджи Strata марок SDB-L и С18-Е, содержащие 500 мг сорбента на основе сополимера стирола-дивинилбензола и октадецилсиликагеля, соответственно (Phenomenex, США).

Третья глава посвящена изучению реакции N- и Ы,Ы-замещенных АГи и НДМГ в частности с а-ди-КС ряда глиоксалей в свете ее аналитического применения для реакционного определения гидразинов. Основными объектами исследования, среди прочих АГи, были МГ, ГЭГ и особенно НДМГ, поскольку эти три гидразина занимают лидирующие позиции в мировом промышленном производстве и применении АГи. Изучали образование продуктов реакции методами спектрофотометрии и ОФ ВЭЖХ-УФ (с ДЦМ).

Согласно хроматографическим данным, в результате реакции в присутствии избытка реагента во всех случаях отмечено образование единственных продуктов с близкими ЭСМП, характеризующихся наличием только одной интенсивной полосы поглощения с максимумом в области 275-305 нм (табл. 1), тогда как сами исследуемые а-ди-КС поглощают в этой области очень слабо, а гидразины не поглощают вовсе. Исключение составляет только ДиАц, образующий единственные продукты реакции только с N-замещенными гидразинами, и по этому исключенный из дальнейшего рассмотрения. Исследование реакционных смесей, полученных в ходе взаимодействия НДМГ, МГ и ГЭГ в водных растворах с избытками ГО и ГОК с использованием методов ВЭЖХ-УФ-МС (в режиме ХИАД(+) и ЭРИ(+)) и ГХ-МС, позволило установить, что продукты реакции во всех случаях представляют собой соответствующие жоно-гидразоны ГО и ГОК, а также подтвердить отсутствие других возможных продуктов реакции (например, бг/с-гидразонов ГО) в условиях большого избытка реагента. Кроме того, показано полное совпадение характеристик продукта реакции НДМГ с ГО при его сравнении с коммерчески доступным ,«оно-1,1-диметилгидразоном глиоксаля (ДМГГ, табл. 1 и рис. 1). Полученные данные позволяют сделать вывод об образовании моно-гидразонов и в реакции ГО с другими рассмотренными АГи (табл. 1), а в случае реакции Ги с

Рис. 1. Наложение хромато-грамм водных растворов:

1. - глиоксаля (0.4% масс.);

2. - НДМГ (0.5 мг/л) после реакции с глиоксалем (0.4%) в течение 20 мин при 25 °С;

3. - ДМГГ (0.5 мг/л в пересчете на концентрацию НДМГ). Среда. 20 мМ NaH2P04, рН 3.5. Колонка Zorbax SB-C18 (150x4.6 мм, 5 мкм). Подвижная фаза: 95% 20 мМ NaH2P04 (рН 3.5), 5% об. ацетонитрила

J (элюирование изократическое). о :--1 V---2 F= 1 мл/мин. Х.дст = 305 нм.

. . . . . . . . _ Объем пробы 100 мкл.

2 4 6 8 10 12 14 16 18 (, мин

Высокие значения молярных коэффициентов поглощения (табл. 1) образующихся гидразонов обусловлены реализацией эффективных к-п-р систем сопряженных связей в их структуре за счет наличия неподеленной пары электронов алкиламиногруппы и двойных связей N=C и С—О, что обеспечивает также высокую стабильность этих молекул по сравнению с молекулами алифатических (например, диметилгидразонов формальдегида и ацетальдегида) и

ГО - предположить образование соответствующего азина. Ax10J

/

Н,С

\

N—N

ДМГГ

даже ароматических КС (например, диметилгидразона 4-нитробензапьдегида (ДМГНБА)), особенно в кислой среде. Невозможность реализации такого сопряжения в полной мере и непланарное строение молекулы конечного гидразона за счет стерических затруднений объясняет наблюдаемые для ДиАц отличия по сравнению с другими рассмотренными а-ди-КС в реакции с Ы,Ы-замещенными АГи.

Таблица 1. Значения длин волн максимумов и молярных коэффициентов поглощения продуктов реакции гидразинов с глиоксалем и его производными (я=3, Р=0.95)

Исходный гидразин ^•тахі НМ Ё, лхмоль 'хсм"1 1гв

Производные с глиоксалем (ГО)

Гидразин (Ги) 285 18200±100 4.26

Метилгидразин (МГ) 291 18900±Ю0 4.28

2-Гидроксиэтилгидразин (ГЭГ) 295 16100±100 4.21

Этилгидразин (ЭГ) 294 19800±100 4.30

1,1-Диметилгидразин (НДМГ) 305 26400±Ю0 4.42

1,1-Диметилгидразон глиоксаля (ДМГГ, 81§та-А1<1пс11, 99% чистоты)* 305 26400±100 4.42

бис-1,1 -Диметилгидразон глиоксаля (бг/с-ДМГГ, синтезирован по известной методике) 312 н/д** н/д"

1-Метил-1-этилгидразин (МЭГ) 305.5 25800±100 4.41

Бутилгидразин (БуГ) 296 18700±100 4.27

трет-Бутилгидразин (т-БуГ) 307 23600±100 4.37

Производные с глиоксиловой кислотой (ГОК)

МГ 275 15700±100 4.20

ГЭГ 279 10900±100 4.04

НДМГ 289 19100±100 4.28

Производные с метилглиоксалем (МГО)

НДМГ 307 21000±100 4.32

Производные с диацетилом (ДиАц)

МГ 298 н/д" н/д"

НДМГ 309/294"* н/д" н/д"

Производные с 4-нитробензальдегидом (4-НБА)*

НДМГ 390 15700±100 4.20

*- готовое, коммерчески доступное производное; ** - спектры поглощения были получены только с использованием детектора на диодной матрице, точный расчет £ невозможен; *** - в ходе медленно протекающей реакции образуется два продукта; t - определение НДМГ с дериватизацией 4-НБА использовали в качестве независимой методики анализа при разработке методики определения НДМГ с дериватизацией ГО, а также для сравнения возможностей этих реагентов.

При выборе условий проведения реакции дериватизации установлено, что наибольшая скорость образования гидразонов ГО и ГОК наблюдается при рН реакционной среды 3.5 и 4.0 соответственно (рис. 2), при этом увеличение рН вплоть до 7 влияет только на скорость реакции, тогда как при рН < 3.0 наблюдается смещение равновесия реакции в сторону исходных реагентов. При указанных значениях рН время завершения реакции дериватизации при комнатной температуре (25 °С) изменяется от 90 до 20-25 мин при увеличении концентрации ГО и ГОК в реакционной смеси от 0.01 до 0.4-0.5% (масс.). Однако в ходе выбора условий разделения гидразонов ГОК было установлено, что высокое содержание реагента в реакционной смеси негативно сказывается на форме пика производного с МГ, поэтому в

дальнейшем для дериватизации использовали избыток ГОК 0.05% (масс.). Снижение концентрации реагента потребовало проведения реакции при 40 °С для ее завершения в пределах 20 мин (рис. 3). Стоит отметить, что в выбранных условиях не выявлено образования продуктов реакции прочих аминосоединений (например, ион аммония, л/оно-апкиламины, гидроксиламин, анилин и гуанидин) с ГО и ГОК.

Выход продукта реакции, %

Выход продукта реакции, % 100

6 7 рн

-НДМГ

□ ГЭГ

Рис. 3. Зависимость выхода гидразонов глиоксаля (1) и глиоксиловой кислоты (2) от времени проведения реакции при 25 (1) и 40 °С (2). Концентрация реагента 0.4 (1) и 0.05 (2) % масс., рН 3.5 (1) и 4.0 (2) (л=3, Р=0.95).

Рис. 2. Влияние рН реакционной среды на образование гидразонов глиоксаля (1) и глиоксиловой кислоты (2). Концентрация реагента 0.4 (1) и 0.05(2) % масс. Время реакции 20 мин при

25 (1) и 40 °С (2) (и=3, Р=0.95).

Выбор условий разделения гидразонов ГО и ГОК проводили, исследуя влияние рН подвижной фазы (ПФ) и содержания ацетонитрила (АЦН) на их удерживание при изократическом элюировании (ЭИ). Установлено, что в исследованной области (рН 2.5-7.0) удерживание гидразонов ГОК на колонке возрастает с уменьшением рН подвижной фазы, в то время как для гидразонов ГО зависимости удерживания от рН не наблюдается. Если в первом случае такое поведение предсказуемо, ввиду наличия в структуре производных с ГОК карбоксильных групп, диссоциация которых подавляется в кислой среде, то во втором случае отсутствие влияния рН ПФ на удерживание гидразонов ГО говорит о том, что протонирования алкиламиногрупп в их молекулах не происходит. Полученные данные хорошо согласуются с расчетными значениями рКа для этих соединений (табл. 2). По этим причинам оптимальным для разделения гидразонов как ГО, так и ГОК, был признан рН ПФ 3.5, соответствующий кислотности реакционной среды при проведении реакции дериватизации.

Учитывая наличие гидрофильных и ионогенных групп в структурах рассматриваемых гидразонов, использовали элюенты с низким содержанием АЦН (0-6%). Показано, что для разделения гидразонов ГО и ГОК целесообразно использовать ПФ с добавками АЦН 5 и 2% об. соответственно. Это обеспечивает приемлемое удерживание гидразонов ГЭГ и МГ и завершение анализа за 9-10 мин (табл. 2). Стоит отметить, что использование ПФ с низким содержанием АЦН не приводило к коллапсу гидрофобных групп неподвижной фазы колонки.

Одно из преимуществ предложенных реагентов по сравнению, например, с ароматическими КС состоит в том, что они практически не удерживаются на ОФ сорбентах и очень слабо поглощают при длинах волн детектирования продуктов реакции, не оказывая

мешающего влияния на определение последних даже при больших избытках. При этом, на хроматограммах ГО и ГОК отсутствуют пики гидрофобных примесей, зачастую присутствующие в других реагентах, используемых для дериватизации гидразинов. Так, именно из-за наличия множества пиков микропримесей на хроматограмме МГО, осложняющих определение низких концентраций гидразинов, от использования этого реагента отказались.

Таблица 2. Средние значения (и=3, Р=0.95) факторов удерживания (к!) гидразонов глиоксаля и глиоксиловой кислоты в выбранных условиях разделения на колонке Zorbax SB-C18 (150x4.6 мм, 5 мкм) и расчетные значения рЛ"а этих соединений при 25 °С

Исходный гидразин Гидразон с

го,^/(рл:а,вн+)'") ГОК, к' / (рАГа (наО

ГЭГ 1.2/(1.3) 0.9/(3.8)

МГ 1.9/(1.6) 1.5/(3.9)

НДМГ 5.8/(1.6) 4.4/(4.1)

'-мертвое время колонки (и) составляет 1.3 мин; **-расчеты выполнены в программном пакете Матп5ке1с11 (СИетАхоп, Венгрия); *** - протонированная по гидразиновому фрагменту форма.

Четвертая глава диссертации посвящена разработке чувствительных методик совместного определения гидразинов в виде производных с ГО и ГОК, а также ряда наиболее значимых продуктов ОТр НДМГ в водных объектах (природные воды, вытяжки и отгоны из почв) методом ОФ ВЭЖХ-УФ (ДЦМ). В первую очередь оценивали характеристики хроматографического определения ГЭГ, МГ и НДМГ согласно выбранным ранее условиям проведения реакции дериватизации и разделения производных (табл. 3). Примеры хроматограмм, полученных при определении гидразинов в этих условиях приведены на рис. 4.

Таблица 3. Характеристики хроматографического определения гидразинов с предколоночной дериватизацией глиоксалем и глиоксиловой кислотой (и=3, />=0.95)

Гидразин >.|сг , нм R1 cmi„", мкг/л с„, мкг/л ЛДОК"\ мг/л Sr

Реагент ГО

гэг 290 0.999 0.5 1.0 0.0010-10 0.17

МГ 290 0.999 0.4 1.0 0.0010-10 0.15

НДМГ 305 0.999 0.25 0.5 0.0005-10 0.10

дмгг"' 305 1 0.2 0.5 0.0005-10 0.07

Реагент - ГОК

гэг 280 0.999 0.7 1.5 0.0015-10 0.18

МГ 280 0.999 0.5 1.0 0.0010-10 0.14

НДМГ 290 0.999 0.4 1.0 0.0010-10 0.12

Реагент — 4-НБАт

НДМГ 390 0.999 0.5 1.0 0.0010-10 0.14

* - элюирование изократическое; **- предел обнаружения при соотношении сигнал/шум равном 3; ***-линейный диапазон определяемых концентраций; *** — готовое коммерчески доступное производное в пересчете на соответствующую концентрацию НДМГ; "1" — дериватизацию НДМГ с 4-НБА использовали в качестве независимой методики анализа.

Предложенный подход обладает широким диапазоном определяемых концентраций (4 порядка) без нарушения линейности градуировочных функций в области низких концентраций, хорошей воспроизводимостью и достаточно высокой чувствительностью определения гидразинов, особенно при использовании ГО. Наибольшая чувствительность достигается в случае ДМГГ, что позволяет проводить определение НДМГ от ПДК (0.5 мкг/л) для вод водоемов рыбохозяйственного назначения (РХН) без использования стадии концентрирования. Стоит отметить, что проведение детектирования гидразонов ГО или ГОК при одной длине

- 11 -

волны, например, при приоритетном анализе НДМГ (как показано на рис. 4), позволяет использовать более простые детекторы с некоторой потерей в чувствительности для остальных производных (до 1.5-2 раз), но с сохранением возможности многокомпонентного анализа.

А«11Н »■«'

1 0.4 I 2

^ ГЭГ МГ 02 НДМГ . /и 01 0 ,гэг МГ Чд НДМГ

-01

О 2 4 6 8 t о 2 4 6 8 t

Рис. 4. Хроматограммы смеси ГЭГ, МГ и НДМГ с концентрациями 0.5 (1) и 1 (2) мкг/л после дериватизации ГО(1) и ГОК (2) в течение 20 мин при 25(1) и 40 (2) °С (конечная концентрация реагента в растворе 0.4 (1) и 0.05 (2) % масс.). Среда: 20 мМ NaHjPOj, рН 3.5 (1) и 4.0 (2). Колонка Zorbax SB-C18 (150x4.6 мм, 5 мкм). ПФ: 20 мМ NaH2POj (рН 3.5), 5 (1) и 2 (2) % об. АЦН (ЭИ). F= 1 мл/мин. ХдСТ= 305 (1) и 290 (2) нм. Объем пробы 100 мкл.

Мешающее влияние матричных компонентов и применимость предложенного подхода для анализа реальных объектов (табл. 4-6) оценивали, используя метод "введено-найдено" на примере образцов питьевых и природных вод (скважинные и озерные), почв и зеленых частей растений (ЗЧР). Для пробоподготовки твердых образцов применяли дистилляцию с паром в токе азота из среды 40%-го раствора NaOH с добавкой сульфида ("щелочная отгонка"), а также водную ультразвуковую экстракцию. Определение гидразинов проводили с использованием для дериватизации ГО, как более перспективного по сравнению с ГОК. Для подтверждения правильности получаемых результатов определение НДМГ проводили также по методике с дериватизацией 4-НБА (ОФ ВЭЖХ-УФ) и методом ионной хроматографии с амперометрическим детектированием (ИХ-АД). Добавки гидразинов вносили в пробы, не содержащие экотоксикантов, непосредственно перед анализом.

Таблица 4. Проверка правильности определения гидразинов с дериватизацией глиоксалем методом «введено-найдено» в образцах природной скважинной воды (и=6, Р=0.95)

Введено, мкг/л Найдено, мкг/л

НДМГ МГ ГЭГ

0.50 (три серии) 0.52±0.06 0.49±0.05 0.49±0.06 — —

5.0 5.1±0.5 4.8±0.6 4.9±0.6

50 48±4 52±5 49±6

500 490±20 490±20 500±20

Как видно из представленных данных, определение гидразинов в природных водах с использованием для дериватизации ГО характеризуется высокой точностью. Во всех случаях отмечено стабильное протекание реакции дериватизации и отсутствие "промахов" получаемых значений. Совпадение результатов определения НДМГ с дериватизацией ГО и 4-НБА подтверждает правильность предложенного подхода, а также преимущества ГО как ДР по сравнению с 4-НБА ввиду лучших чувствительности определения и стабильности получаемых

производных, меньшего мешающего влияния компонентов проб (особенно для сложных матриц, таких как почва) и примесей, содержащихся в самом реагенте (табл. 5 и рис. 5).

Таблица 5. Проверка правильности определения НДМГ в различных объектах методом «введено-найдено» с дериватизацией глиоксалем и 4-нитробензальдегидом (/7=3-5, Р=0.95)

Образец Введено НДМГ, мкг/л Найдено НДМГ

Реагент мкг/л

Озерная вода' 0.50 (и=5) (две серии) глиоксаль 0.49±0.06 0.52±0.08

Водная вытяжка из песчано-пустынной почвы2 0.50 (и=3) глиоксаль 0.46±0.08

5.0 (л=3) 4.8±0.4

Водная вытяжка из чернозема южного3 0.50 (и=3) глиоксаль 0.47±0.09

5.0 (п=3) 4.9±0.7

Колодезная вода4 0.50 (и=3) глиоксаль 0.48±0.09

5.0 (и=3) 4.9±0.4

4-НБА 4.6±0.6

Водопроводная вода5 0.50 (и=3) глиоксаль 0.47±0.07

5.0 (п=3) 4.8±0.4

4-НБА 4.5±0.6

Скважинная вода6 0.50 (и=3) глиоксаль 0.44±0.09

5.0 (п=3) 4.8±0.6

4-НБА 4.7±0.8

Щелочной отгон из дерново-подзолистой почвы7 0.50 (п=3) глиоксаль 0.52±0.06

5.0 (и=3) 4.9±0.4

4-НБА 5.1±0.5

1 - природная вода из оз. Имандра (г. Полярные зори, Мурманская обл.); 2 - почва с космодрома Байконур (Респ. Казахстан); 3 - почва из районов падения отработанных ступеней РН "Протон" (Респ. Алтай); 4-высокая общая жесткость (8 мМ) и слегка повышенное содержание марганца (0.11 мг/л); 5 - повышенное содержание железа (1.3 мг/л); 6 - высокое содержание железа (9.7 мг/л) и повышенное -марганца (0.15 мг/л); 7 - почва из районов падения отработанных ступеней РН "Протон" (Респ. Алтай).

А X10'®

I, МИН

Рис. 5. Наложение хроматограмм природной скважинной воды с добавкой НДМГ 0.5 мкг/л после дериватизации: 1. ГО (условия дери-ватизации и анализа идентичны приведенным в подписи к рис. 4) и 2.4-НБА (концентрация реагента 0.03% масс., дериватизация при 75 °С в течение 20 мин. Среда: 125 мМ CH3COONH4 (рН 5.4). Колонка Eclipse XDB-C18 (150x4.6 мм). ПФ: 50 мМ CH3COONH4 (рН 5.4), 50% об. АЦН (ЭИ). Х1С, = 390 нм. Объем пробы 100 мкл).

В образцы почв и ЗЧР добавки НДМГ вносили также непосредственно перед проведением щелочной отгонки (табл. 6), полученный отгон, содержащий НДМГ, подвергали дериватизации с ГО и анализировали. После завершения анализа в почвенные отгоны дополнительно вносили добавки НДМГ, и проводили повторный анализ. По сравнению с ИХ-АД, ОФ ВЭЖХ-УФ определение НДМГ в виде производного с ГО в щелочных отгонах из почв и ЗЧР, помимо значительно лучшей чувствительности, характеризуется практически полным отсутствием

мешающего влияния матричных компонентов, а также, в отличие от ИХ-АД, позволяет использовать стабильные во времени градуировочные функции.

Таблица 6. Проверка правильности определения НДМГ в образцах почвы и зеленых частей растений методом «введено-найдено» с дериватизацией глиоксалем (п=3, Р= 0.95)

Введено НДМГ Ожидаемая концентрация НДМГ в отгоне (100 мл), мг/л Найдено НДМГ в отгоне, мг/л

Дериватизация с ГО | ИХ-АД

Образец дерново-подзолистой почвы (масса навески 20 г)

0.30 мг/кг образца 0.060 0.060±0.005 0.06±0.01

доб. в отгон 0.020 мг/л 0.079' 0.080±0.005 0.08±0.01

Образец травы (масса навески 5 г)

1.0 мг/кг образца 0.050 0.045±0.005 0.04±0.01

4.0 мг/кг образца 0.20 0.19±0.01 0.18±0.02

* - к аликвоте 49.5 мл отгона добавляли 0.50 мл раствора НДМГ с концентрацией 2 мг/л.

Исходя из представленных данных, предложенный подход к определению НДМГ в виде производного с ГО показал высокие результаты в ходе анализа всех объектов, представляющих интерес при проведении эколого-аналитического контроля и мониторинга для обеспечения безопасности РКД, показав при этом ряд существенных преимуществ перед существующими методиками анализа НДМГ. В то же время, достигнутой чувствительности недостаточно для определения НДМГ в водах КБиХПН на уровне и ниже установленного ОДУ (60 нг/л), поэтому на следующем этапе работы исследовали возможность сорбционного концентрирования (СК) диметилгидразонов ГО, ГОК, 4-НБА, а также МГО, на гидрофобных сорбентах из растворов после проведения дериватизации.

Учитывая полярную природу производных НДМГ с ДР глиоксалевого ряда, для СК использовали картриджи Strata С-18Е и SDB-L (Phenomenex, США), заполненные, соответственно, сорбентами (500 мг) на основе октадецилсиликагеля (ОДС) и сополимера стирола и дивинилбензола (СДВБ), которые среди существующих сорбентов являются одними из наиболее гидрофобных. Показано, что СК диметилгидразона ГОК бесперспективно в виду его высокой гидрофильности, тогда как для остальных производных наибольшая сорбционная емкость достигается при использовании СДВБ сорбента. Для количественной десорбции производных использовали элюирование ацетоном с последующим упариванием элюата на роторном испарителе (40 °С, 75 мм рт. ст.) и перерастворением остатка в минимальном объеме ПФ, что в случае ДМГГ и ДМГНБА позволило достичь 50-кратного концентрирования:

Р аг нт Объем исходной Объем элюента Объем конечной Коэффициент

пробы, мл (ацетон), мл пробы, мл концентрирования

ГО 25 2 -0.5 (0.5 г) 50

4-НБА 50 3 1.0 50

Меньший объем исходной пробы при СК ДМГГ, по сравнению с ДМГНБА, обусловлен меньшей гидрофобностью этого производного. В то же время, высокая гидрофобность ДМГНБА, а также присутствие большого количества 4-НБА в элюате (в отличие от ГО, который при СК проходит через картридж, 4-НБА удерживается на сорбенте) не позволяют уменьшить объем конечной пробы из-за плохой растворимости остатка после упаривания при его перерастворении в подвижной фазе. Стоит отметить, что упаривание элюата, полученного после десорбции ДМГГ, происходит не "досуха", поскольку и производное и ГО (часть которого остается на сорбенте после СК) являются нелетучими жидкостями. По этой причине,

- 14-

жидкость (-50 мкл), оставшуюся после упаривания элюата в колбе с известной массой, при перерастворении доводили подвижной фазой до массы 0.5 г (~0.5 мл). Также отметим, что по сравнению с ГО, использование МГО, при наличии реагента, не содержащего гидрофобных примесей, более перспективно для сорбционно-хроматографического определения НДМГ за счет большей гидрофобности получаемого производного. Характеристики хроматографического определения НДМГ с дериватизацией ГО и 4-НБА и последующим СК производных представлены в табл. 7.

Таблица 7. Характеристики хроматографического определения НДМГ в водах с дериватизацией глиоксалем и 4-нитробензальдегидом и сорбционным концентрированием производных (и=3, Р=0.95)

Реагент стш, нг/л с,„ нг/л ЛДОК, мг/л R2 Sr

Глиоксаль 5 10 0.000010-0.02 0.999 0.18

4-НБА 12 25 0.000025-0.02 0.999 0.21

Таким образом, дериватизация как ГО, так и 4-НБА в сочетании с последующим СК производных, позволяет добиться существенного снижения пределов обнаружения НДМГ и возможности уверенного определения этого соединения на уровнях ПДК в воде водоемов РХН (0.5 мкг/л) и ОДУ в воде КБиХПН (60 нг/л). Однако применение 4-НБА, по сравнению с ГО, для определения столь низких концентраций НДМГ ограничено худшей стабильностью ДМГНБА и мешающим влиянием гидрофобных примесей в самом реагенте, концентрация которых после СК возрастает. Проверку правильности определения НДМГ в виде производного с ГО после СК проводили методом "введено-найдено" с использованием образцов реальных вод и водных почвенных экстрактов (табл. 8, рис. 6).

Таблица 8. Результаты определения НДМГ в образцах вод и водных почвенных вытяжках методом "введено-найдено" после дериватизации глиоксалем и сорбционного концентрирования производного (и=3, Р=0.95)

Объект Введено, мкг/л Найдено, мкг/л

Водопроводная вода 5.0 4.9±0.6

Водная вытяжка из чернозема 0.50 0.52±0.08

Водная вытяжка из песчано-пустынной почвы 0.50 0.51±0.07

Вода из скважины 0.010 0.012±0.003

а« ю-1

6

5 • 4 3 2

О 2 4 6 8 10 t, мин

VJ

Рис. 6. Хроматограмма природной скважинной воды с добавкой НДМГ 0.01 мкг/л после дериватизации с глиоксалем и сорбционным концентрированием производного из 25 мл пробы на картридже Strata SDB-L (условия дериватизации и хроматографического анализа идентичны приведенным в подписи к рис. 4).

На следующем этапе работы, с целью расширения возможностей ОФ ВЭЖХ-УФ определения гидразинов в рамках предложенного подхода, исследовали разделение смеси гидразина (Ги), ГЭГ, МГ, НДМГ, этилгидразина (ЭГ), 1-метил-1-этилгидразина (МЭГ), бутил-(БуГ) и трет-бугил- (m-БуГ) гидразинов в виде производных с ГО в режиме градиентного элюирования (ГЭ) на колонке большей длины (250 мм). Показана возможность одновременного определения 7 гидразинов (Ги, ГЭГ, МГ, НДМГ, МЭГ, БуГ, w-БуГ) за 30 мин с пределами обнаружения 0.3-1.0 мкг/л, а также высокая селективность разделения производных АГи-гомологов (рис. 7). В то же время селективность разделения производных структурных изомеров АГи (например, ЭГ и НДМГ) низка. Это говорит о том, что порядок удерживания производных на колонке обусловлен практически только неполярными взаимодействиями. По нашим оценкам, предложенный способ определения гидразинов может служить хорошим дополнением к методикам ионохроматографического определения гидразинов, за счет иной селективности разделения и возможности высокочувствительного определения только N- и Ы,Ы-замещенных АГи, а также для анализа чистых веществ (гидразинов, фармсубстанций и пр.) на содержание примесей.

Содержат* „ ,,

ацвтонтрила, % Рис. 7. Наложение хроматограмм смеси гидразинов (Ги, ГЭГ, МГ, И НДМГ, МЭГ, БуГ, m-БуГ) с и концентрациями 0.5 мг/л и раствора ЭГ (0.5 мг/л) после дериватизации с 40 глиоксапем (условия дериватизации приведенным в подписи к рис. 4) на 30 фоне программы градиентного 20 элюирования по содержанию АЦН.

Колонка Zorbax SB-C18 (250x4.6 мм, 10 5 мкм). ПФ: 20 мМ NaH2POj (рН 3.5), 0.5-60% об. АЦН (ГЭ). F= 1 мл/мин. ° Хл„= 300 нм. Объем пробы 100 мкл.

Другим направлением развития предложенного подхода к реакционному определению гидразинов с ГО было изучение возможности одновременного определения НДМГ и ряда наиболее значимых продуктов его ОТр, таких как МГ, N-нитрозодиметиламин (НДМА), 1 -метил-1Н-1,2,4-триазол (МТ) и 1,1,4,4,-тетраметил-2-тетразен (ТМТ), в одних условиях методом ОФ ВЭЖХ-УФ после дериватизации гидразинов ГО. При выборе условий разделения МТ, ТМТ, НДМА и производных МГ и НДМГ с ГО исследовали влияние содержания ацетонитрила в ПФ и ее рН на удерживание указанных веществ на колонке Zorbax SB-C18 (150x4.6 мм, 5 мкм) в режиме изократического элюирования (рис. 8). Оптимальным признано использование ПФ с рН 3.0-3.5 и добавкой АЦН 5%. Показано, что использование ДЦМ позволяет проводить определение МГ и МТ даже при неполном разделении их пиков за счет селекции по длинам волн детектирования. Достичь полного разделения пиков всех компонентов (рис. 9) позволяет использование колонки с меньшим зернением сорбента - Zorbax SB-C18 (250x4.6 мм, 3.5 мкм). Полное время хроматографического анализа всех пяти веществ с характеристиками, представленными в табл. 9, составляет 10 мин.

ig fr-

ig*

0,50 0,20 -0,10

pH

S f», % об.

- 195 нм

■ 228 нм • 237 нм

■ 290 нм

- 305 нм

-•-тмг -«-МТ -*-НДМА -*-МГ -»-НДМГ -»-ТИТ -*-МТ * НДМА мг -«-ндмг

Рис. 8. Зависимости удерживания ТМТ, НДМА, МТ и производных МГ и НДМГ с глиоксалем от pH (1) подвижной фазы (при содержании ацетонитрила 5% об.) и содержания (ф, % об.) в ней ацетонитрила (2) при рН 3.5.

ах Рис. 9. Хроматограмма смеси

ТМТ, НДМА, МТ, МГ и НДМГ с концентрациями 3.0, 2.0, 5.0, 1.0 и 0.5 мг/л соответственно (условия дери-ватизации гидразинов ГО идентичны приведенным в подписи к рис. 4). Колонка Zorbax SB-CI8 (150*4.6 мм, 3.5 мкм). ПФ: 20 мМ NaH2P04 (рНЗ.0), 5% об. АЦН (ЭИ). F= 1 мл/мин. >.„„= 195, 228, 237, 290, 305 нм. Объем 0 2 4 ' ' ю і, мин пробы 20 мкл.

Таблица 9. Характеристики совместного хроматографического определения МГ, НДМГ, ТМТ, НДМА и МТ в водах после дериватизации гидразинов глиоксалем (и=3, Р=0.95). Объем вводимой пробы 20 мкл

Вещество нм Стіп* мкг/л с„, мкг/л ЛДОК, мг/л R' Sr

НДМГ 305 1.3 (0.25)' 3 (0.5)' 0.003-5 0.999 0.11

МГ 290 3 (0.6)' 7(1.5)' 0.007-5 0.999 0.12

НДМА 228 10(2.5)' 25 (6)' 0.025-10 0.999 0.12

ТМТ 237 15 (4)' 40(10)' 0.040-20 0.999 0.15

МТ 195 30(10)' 80 (30)' 0.080-30 0.999 0.20

* - в скобках указаны значения, получаемые при объеме вводимой пробы 100 мкл.

Предложенный вариант разделения позволяет проводить простое, экспрессное, селективное и достаточно чувствительное определение рассматриваемых веществ, чего не позволяют в полной мере добиться существующие методики совместного определения НДМГ и указанных продуктов его ОТр, основанные на методах ионной и ион-парной хроматографии с использованием АД, УФ (и их сочетания) и даже МС-детектирования. При этом, увеличение объема вводимой пробы с 20 до 100 мкл позволяет повысить чувствительность определения аналитов в 3-5 раз (табл. 9). Правильность предложенного подхода продемонстрирована на примере анализа образцов природной воды, водной вытяжки и щелочного отгона из почвы (табл. 10) методом "введено-найдено".

Таблица 10. Результаты хроматографического определения МГ, НДМГ, ТМТ, НДМА и МТ в реальных объектах методом "введено-найдено" после дериватизации гидразинов глиоксалем (п=3, Р=0.95). Объем вводимой пробы 20 мкл

Вещество Введено, мкг/л Найдено, мкг/л

Озерная вода Щелочной отгон из почвы Водная вытяжка из почвы

НДМГ 5.0 5.1±0.7 4.7±0.6 4.8±0.7

МГ 10 9±2 10±2 11±2

НДМА 30 29±6 31±5 33±7

ТМТ 50 46±9 47±9 53±8

МТ 100 90±20 100±30 90±30

Являясь простым в исполнении и экспрессным, такой подход может использоваться как для проведения скрининговых обследований, так и полноценного количественного анализа объектов, загрязненных НДМГ и продуктами его ОТр, а также для изучения процессов ОТр.

Для оценки мешающего влияния других продуктов ОТр при определении рассматриваемых веществ анализировали водный раствор НДМГ (исходная концентрация 1 г/л, рН ~7), хранившийся в закрытом пластиковом сосуде 2 года, до и после проведения дериватизации ГО с использованием УФ- (табл. 11) и МС-детектирования.

Таблица 11. Результаты хроматографического определения МГ, НДМГ, НДМА, МТ в растворе НДМГ с исходной концентрацией 1 г/л, хранившемся в закрытом сосуде 2 года (и=3, Р=0.95)

Вещество Найдено, мг/л

До дериватизации (рН ~7) После дериватизации

НДМГ — 93±2"

МГ — 20±1

МТ 159±3 158±5

НДМА 10±1 11±1

Диметилгидразон формальдегида -50-60" —

* - приблизительная оценка, ввиду частичного гидролиза диметилгидразона формальдегида в ходе разделения при рН 3.5; ** - сумма нативного НДМГ и НДМГ, образующегося в результате гидролиза малостабильных продуктов ОТр в кислой среде.

Показано, что другие продукты ОТр НДМГ не мешают определению целевых анапитов. При этом, по данным ОФ ВЭЖХ-УФ-МС анализа, в ходе дериватизации и хроматографического разделения производных, гидролизу с выделением НДМГ (который затем взаимодействует с ГО) подвергаются малостабильные продукты ОТр (например, диметилгидразон формальдегида и 1,5,5-триметилформазан). Также установлено, что такие продукты, как 1-метил-1,6-дигидро-1,2,4,5-тетразин и бис-ДМГГ (>..,„ = 356 и 312 нм) можно определять совместно с целевыми аналитами в рамках предложенного подхода при наличии соответствующих веществ-стандартов.

Пятая глава диссертации посвящена разработке способа селективного совместного определения МТ и ДМГМК в почвах методом ГХ-МС, как простой и доступной альтернативы существующим методикам ИХ-МС определения этих веществ. В ходе работы были выбраны условия разделения и детектирования анапитов, а также параметры ввода пробы. Оптимальным для разделения МТ и ДМГМК признано использование среднеполярной капиллярной колонки ОВ-225 М8 (30 м х 0.25 мм х 0.25 мкм) с неподвижной фазой на основе нитрилопропилфенил-диметилполисилоксана (50/50%). Детектирование аналитов проводили по выделенным ионам

(m/z 56,83 и 43,59, соответственно), выбранным согласно полученным масс-спектрам электронной ионизации. Достигнутые пределы обнаружения МТ и ДМГМК для растворов в метаноле и дихлорметане составили 10 и 8 мкг/л (ввод 1 мкл пробы без деления потока).

Для выбора условий извлечения МТ и ДМГМК из почв различных типов был предложен подход к получению однородных модельных образцов загрязненных почв с известными концентрациями этих веществ. Аналиты вносили в сухие почвы из фазы раствора, используя различные растворители (воду, метанол, дихлорметан) и последующие способы отделения почв, содержащих МТ и ДМГМК, от растворителя. Наилучшие результаты получены при внесении аналитов в почву из раствора в малополярном дихлорметане с последующим отделением и сушкой почвы от растворителя на воронке Бюхнера. Показано, что степень сорбции аналитов почвой в этом случае в среднем составляет 85-97% в зависимости от исходной концентрации аналитов и типа почвы. Концентрацию МТ и ДМГМК в почвах устанавливали косвенно по остаточному содержанию аналитов в надосадочной жидкости после установления их равновесного распределения между жидкой и твердой фазами при внесении. Дополнительно использовали существующие аттестованные методики ИХ-МС определения МТ и ДМГМК. Показано, что для полученных образцов, удерживание аналитов матрицей почвы выражено значительно сильнее, чем в том случае, когда добавку МТ и ДМГМК вносят в почву перед проведением извлечения в виде аликвоты раствора с известной концентрацией, что, на наш взгляд, показывает их лучшее соответствие реальным образцам загрязненных почв.

Установлено, что количественное (>95%) совместное извлечения МТ и ДМГМК из почв различных типов достигается при использовании экстракции метанолом в аппарате Сокслета в течение 8 ч (при этом для извлечения МТ достаточно 4-6 ч). Анализ модельных образцов почв, загрязненных различными концентрациями МТ и ДМГМК с использованием данных условий извлечения аналитов, позволил установить характеристики совместного хроматомасс-спектрометрического определения МТ и ДМГМК в почвах (табл. 12).

Таблица 12. Аналитические характеристики совместного хроматомасс-спектрометрического определения МТ и ДМГМК в почвах (п=3, Р= 0.95)

В-во ст1п, мкг/кг с,„ мкг/кг ЛДОК, мг/кг R2 Sr

МТ 20 60 0.06-50 0.97 0.21

ДМГМК 20 50 0.05-50 0.98 0.19

Хроматограмма экстракта, полученного из модельного образца серо-бурой пустынной почвы с содержанием МТ (ДМГМК) 0.29±0.06 (0.27±0.05) мг/кг представлена на рис. 10. Видно, что мешающее влияние компонентов почвы выражено слабо: пики определяемых компонентов не перекрываются с пиками матрицы. Независимый анализ полученных модельных образцов загрязненных почв с привлечением аттестованных методик ИХ-МС определения МТ и ДМГМК, а также методики ИХ-АД, с помощью которой концентрацию ДМГМК в образце устанавливали косвенно (по содержанию образовавшегося из него при щелочной отгонке НДМГ), показал хорошее совпадение получаемых результатов. При этом нижние границы определяемых содержаний МТ и ДМГМК в почвах в рамках предложенного подхода близки к таковым у ИХ-МС методик определения этих соединений (50 и 10 мкг/кг, соответственно) при сопоставимой сложности пробоподготовки.

Интенсивность X Ю3, от йд.

Рис. 10. Масс-хроматограмма экстракта из модельного образца загрязненной серо-бурой пустынной почвы по суммарной интенсивности выделенных ионов с m/z 56, 83 и 43, 59 (задержка включения детектора 5 мин). Экстракция из 5 г почвы метанолом в аппарате Сокслета (8 ч). Упаривание экстракта и перерастворение в 1 мл метанола. Ввод 1 мкл пробы, без деления потока. Температура испарителя 150 °С. Температурная программа колонки: 50 "С (3 мин), нагрев со скоростью 25 "С/мин до

н

46

дмгмк

42

мт

30

22

18

14

10

2

6 7 1 э 10 11 12 1) 1« (, мин 230 °С, 230 °С (5 мин).

Шестая глава диссертации посвящена выявлению и изучению факторов, влияющих на определение НДМГ в почвах. Среди известных продуктов ОТр, помимо НДМА (который обычно образуется в небольших количествах), особое внимание к себе привлекают так называемые активные продукты ОТр, к которым относятся соединения, содержащие в своей структуре диметилгидразиновый фрагмент, и способные разрушаться с выделением исходного НДМГ в кислой или щелочной среде в результате гидролиза (гидразоны, гидразиды, формазаны и т.д.), а также сохраняться в почвах длительное время. На настоящий момент содержание ни одного из продуктов ОТр НДМГ в почвах не нормировано. Учитывая вышесказанное, при эколого-аналитическом обследовании загрязненных НДМГ почв, очевидно, следует ориентироваться на валовый концентрационный показатель, представляющий сумму НДМГ как такового в почве, удерживаемого по разным механизмам, и продуктов трансформации, способных к превращению в НДМГ.

Существующие способы пробоподготовки для извлечения НДМГ из почв, несмотря на общность подхода (щелочная дистилляция НДМГ с паром из почвы или кислотного экстракта), имеют ряд отличий в технике исполнения, что может влиять на получаемые результаты. В ходе работы проводили сравнение трех методик, используемых для извлечения НДМГ из почв (с последующим определением НДМГ методом ИХ-АД): методика I (МУК 4.1.035-01) -основана на экстракции НДМГ из почвы 1 М НС1 в течение 1 ч с последующей щелочной перегонкой экстракта в токе азота из среды -4%-го раствора NaOH; методика //(РД 52.18.57997) - основана на щелочной отгонке НДМГ из почвы в токе азота под действием 40 мМ раствора NaOH с добавкой сульфида натрия; методика III (ФР. 1.31.2008.04406)- основана на щелочной отгонке НДМГ из почвы в токе азота под действием 40%-го раствора NaOH с добавкой сульфида натрия. В качестве объектов для сравнительного исследования использовали несколько реальных образцов почв, загрязненных в результате проливов НДМГ, а также незагрязненные почвы различных типов, в которые вносили добавки НДМГ и ДМГМК (как одного из основных активных продуктов ОТр). Ниже представлены результаты определения валовой концентрации НДМГ (НДМГ8л-) в реальном образце загрязненной дерново-подзолистой почвы (и=5, Р=0.95):

Методика НДМГвк, мг/кг

I 0.09±0.01

II 2.0±0.3

III 4.7±0.4

Как и ожидалось, результаты, полученные с использованием разных методик

пробоподготовки, оказались сильно отличающимися. В ходе исследований было установлено (в т.ч. на примере ДМГМК), что все три методики дают сопоставимые результаты определения той доли НДМГ, вклад которой в I ЩМГдд- обусловлен активными продуктами ОТр, а наблюдаемые отличия обусловлены неодинаковым извлечением НДМГ, связанного матрицей почвы, что особенно выражено для почв богатых гумусом. Показано, что количественного извлечения НДМГ из почв различных типов, независимо от содержания гумуса в них, позволяет добиться только использование щелочной отгонки из почвенной суспензии в 40%-ом растворе ЫаО! I (методика ПГ), за счет более полного разрушения матрицы почвы в сильнощелочной среде (табл. 13) Полученные результаты позволяют рекомендовать именно этот способ пробоподготовки для достоверного определения НДМГдд- в почвах.

Таблица 13. Влияние типа почвы на степень извлечения (г) НДМГ по методикам II и III при определении его валовой концентрации. Добавка НДМГ 250 мкг (и=3, Р=0.95)

Тип почвы г,%

II III

Горно-лесная дерново-глубокооподзоленная (горизонт А[, рН 6.3) 33±7 (6.3±1.4)* 93±11 (88±14)*

Чернозем южный (горизонт Ад, рН 5.9) 47±8 (9±2)" 88±10 (102±16)*

Чернозем южный (горизонт А|, рН 6.5) 57±6 95±8

Солонец гидроморфный черноземно-луговой (горизонт Сс, рН 8.7) 99±6 97±12

Солончак гидроморфный соровый (горизонт С, рН 8.7) 95±8 85±15

Солонец автоморфный черноземный солончаковый (горизонт Вь рН 8.7) 92±14 91±10

Солонец гидроморфный черноземно-луговой (горизонт С, рН 8.5) 91±10 94±9

* - добавка НДМГ 25 мкг.

Для оценки вклада различных форм существования НДМГ в почвах (свободного НДМГ, НДМГ связанного в виде активных продуктов ОТр и матрицей почвы) в его валовое содержание, проводили исследование образцов почв различных типов, искусственно загрязненных НДМГ в условиях модельных проливов с одинаковой изначальной нагрузкой и хранившихся 1 год в одинаковых условиях, согласно схеме, представленной на рис. 11. Предложенная схема позволяет определить доли каждой из форм по отношению к НДМГвд-, а также долю ДМГМК в составе формы НДМГ иве, что представляет значительный интерес, поскольку это соединение является одним из основных активных продуктов ОТр. Полученные результаты представлены в табл. 14. Для всех проанализированных образцов получено хорошее совпадение величин НДМГда с суммой извлекаемых форм (НДМГся + НДМГ//Вс + НДМГос). Это свидетельствует о том, что используемая схема эксперимента позволяет регистрировать и определять все интересующие формы НДМГ, а также подтверждает, что в почвах НМДГ действительно присутствует согласно концепции форм, предложенной ранее из теоретических соображений и наблюдений. Стоит отметить, что во всех случаях, несмотря на существенные отличия в концентрации НДМГял-, наблюдается близкое соотношение долей отдельных форм

существования НДМГ, что указывает на возможное существование динамического равновесия между этими формами в почвах.

Рис. 11. Схема пробоподготовки, использованная для изучения баланса форм НДМГ в почвах.

Определение формы НДМГ, обратимо связанной почвенным поглощающим комплексом

НДМГос

Таблица 14. Результаты исследования баланса форм существования НДМГ в почвах и их вклада в валовую концентрацию (и=3, Р=0.95)

Определение суммы водорастворимых форм НДМГ (суммы свободного и водорастворимого связанного в виде активных продуктов ОТр)

НДМГпвс + НДМГ™

Компонент / форма НДМГ Содержание в образце загрязненной почвы, мг/кг

Песчано-пустынная Серо-бурая пустынная Дерново-среднеподзолистая

НДМГсв 1.1±0.3 (0.6%)* 3.1±0.3 (0.9%)* < 0.05 (0%)*

НДМГся + НДМГ„ВС 180± 15 (90%)* 250+10 (81%)* 710+30 (82%)'

НДМГос 20±3 (10%)* 60±10 (19%)* 160±20 (18%)*

Сумма форм (СВ + ПВС + ОС) 200±20 (100%)* 310±20 (100%)* 870±50 (100%)'

НДМГда- 190+15 340±20 870±50

ДМГМК 90±5 (60+3)" [33%]"' 240±20(160±15)" [64%]"* 450±30(310±20)" [44%]*"

Содержание гумуса, % < 1 2 3.8

* - в скобках указана средняя доля соответствующей формы (в %) в суммарном результате;

** - в скобках указан пересчет на эквивалентное содержание НДМГ; *** - в квадратных скобках указан вклад ДМГМК (в пересчете на НДМГ) в сумму водорастворимых форм.

Из табл. 14 видно, что концентрация НДМГвк в исследованных образцах почв максимальна для дерново-среднеподзолистой и минимальна для песчано-пустынной почв. Эти данные хорошо коррелируют с содержанием гумуса в этих почвах: концентрация НДМГдк возрастает кратно увеличению содержания гумуса. Кроме того, увеличивается и доля формы НДМГос- Косвенно это подтверждает высокую роль гумуса в удерживании НДМГ в почвах, однако, учитывая отличия в минеральном составе почв различных типов, достоверным такое заключение считать нельзя. По этой причине, проводили оценку вклада отдельных компонентов почв в удерживание НДМГ. В качестве модельных объектов, соответствующих основным компонентам минеральной части почвы, использовали очищенные образцы речного песка и белой глины (минерал каолинит). В роли органической части почвы (гумуса) использовали коммерчески доступный препарат гуминовых кислот (ГК) натурального происхождения.

Исследовали сорбционные способности ГК, песка и глины по отношению к НДМГ при проведении сорбции из водных растворов. Степень поглощения НДМГ указанными объектами оценивали косвенно по остаточному содержанию в надосадочной жидкости, после чего проводили извлечение НДМГ с использованием различных вариантов жидкостной экстракции, а также щелочной отгонки из 40%-го раствора NaOH.

По результатам исследований показано, что удерживание НДМГ ГК реализуется практически только за счет хемосорбции, глиной - в результате катионного обмена, а песком -за счет неспецифических взаимодействий и слабовыраженных катионообменных свойств. При этом сорбционные способности ГК, глины и песка по отношению к НДМГ относятся как 300 : 30 : 1, что говорит о значительной роли ГК (и органического вещества почвы в целом) в удерживании НДМГ почвами. Так, сорбированный песком и глиной НДМГ легко извлекается водными экстрагентами (водой, растворами HCl и KCl, ГО и ГОК), тогда как при извлечении из ГК их эффективность низка (во всех случаях средняя степень извлечения составляет 4-6%). Это говорит о практически полном отсутствии вклада ионного обмена в удерживание НДМГ ГК и образовании устойчивых к кислотному гидролизу (и воздействию ГО и ГОК, обладающих высокой карбонильной активностью) химических связей между НДМГ и макромолекулами ГК.

Отсутствие количественного извлечения НДМГ из ГК (рис. 12) при щелочной отгонке в среде 40%-ого раствора NaOH предполагает не только образование азометиновых связей между карбонильными группами ГК и НДМГ, но и более глубокую трансформацию НДМГ, связанного гумусовыми кислотами, в ходе которой диметилгидразиновый фрагмент в модифицированных НДМГ макромолекулах ГК не сохраняется, как, например, это происходит в реакциях восстановления хинонов гидразинами. При этом можно полагать, что НДМГ, не извлекаемый из ГК даже в условиях сильнощелочной среды и связанный макромолекулами ГК в трансформированной форме, уже не представляет угрозы для окружающей среды и человека.

Степень извлечения, %

Рис. 12. Зависимость степени извлечения НДМГ (и=3, />=0.95) из гуминовых кислот щелочной дистилляцией с паром (40%-ый раствор NaOH) от массы навески образца и концентрации НДМГ в нем (сорбция НДМГ навесками гуминовых кислот проводилась из 10 мл раствора с концентрацией 20 мг/л в течение 90 мин. концентрацию НДМГ в образцах (л=3, Р=0.95) устанавливали косвенно по остаточному содержанию в надосадочной жидкости).

раствор НДМГ (20 мг/л, 10 мл)

Концентрация НДМГ в образце, мг/г 31 ±4 9.3±0.8 1.9±0.2 0.20±0.01

0.005 0.02 0,1

Масса навески гуминовых кислот, г

выводы

1. В качестве дериватизирующих реагентов для определения N- и Ы,Ы-замсщеиных алкилгидразинов (АГи) предложены широкодоступные алифатические а-дикарбонильные соединения (а-ди-КС) - глиоксаль (ГО) и глиоксиловая кислота (ГОК), характеризующиеся высокими гидрофильностью и карбонильной активностью. Выбраны условия экспрессного и количественного протекания реакции дериватизации, ведущей к образованию единственных и устойчивых продуктов - соответствующих моно-алкилгидразонов, обладающих интенсивным светопоглощением в области 275-305 нм (lg е = 4.04-4.42).

2. Разработаны методики совместного определения НДМГ, метилгидразина (МГ) и 2-гидроксиэтилгидразина (ГЭГ) в виде производных с ГО и ГОК в водных объектах (природные воды, отгоны и вытяжки из почв) методом обращенно-фазовой ВЭЖХ со спектрофотометрическим детектированием (ОФ ВЭЖХ-УФ). Время хроматографического анализа при изократическом элюировании производных составляет 10 мин, а пределы обнаружения НДМГ, МГ и ГЭГ составляют 0.25-0.5 и 0.4-0.7 мкг/л при использовании ГО и ГОК соответственно, что в случае ГО позволяет проводить определение НДМГ в водах водоемов рыбохозяйственного назначения (РХН) от установленного значения ПДК (0.5 мкг/л) без использования предварительного концентрирования.

3. Выбраны условия сорбционного концентрирования люно-диметилгидразона глиоксаля на картриджах Strata SDB-L (с сорбентом на основе сополимера стирола и дивинилбензола) и разработана методика высокочувствительного сорбционно-хроматографического определения НДМГ в водных объектах после дериватизации ГО. Предел обнаружения НДМГ составляет 10 нг/л, что позволяет проводить уверенное определение этого соединения на уровнях и ниже установленных гигиенических нормативов в водах водоемов РХН и культурно-бытового и хозяйственно-питьевого назначения (60 нг/л).

4. Показана возможность применения метода ОФ ВЭЖХ-УФ для совместного определения гидразина и АГи в их сложных смесях в виде производных с ГО в режиме градиентного элюирования. Выбраны условия совместного определения 7 гидразинов с пределами обнаружения 0.3-1.0 мкг/л. Показана высокая селективность разделения производных в случае АГи-гомологов и низкая - в случае структурных изомеров АГи, что дополняет возможности существующего подхода, основанного на ионохроматографическом разделении гидразинов.

5. Разработана методика экспрессного совместного определения НДМГ и ряда продуктов его окислительной трансформации (ОТр): МГ, N-нитрозодиметиламина (НДМА), 1,1,4,4-тетраметилтетразена (ТМТ), 1-метил-1Н-1,2,4-триазола (МТ), после дериватизации гидразинов ГО методом ОФ ВЭЖХ-УФ. Время хроматографического анализа в режиме изократического элюирования составляет 10 мин, а пределы обнаружения НДМГ, МГ, НДМА, ТМТ и МТ составляют 1.3, 3, 10, 15 и 30 мкг/л соответственно при объеме вводимой пробы 20 мкл. Выбранные условия разделения позволяют расширить перечень определяемых продуктов ОТр НДМГ.

6. Разработана методика совместного определения (включая условия извлечения) МТ и ДМГМК в почвах методом ГХ-МС с пределами обнаружения аналитов 20 мкг/кг. Показано, что полное извлечение МТ и ДМГМК из почв достигается экстракцией метанолом в аппарате Сокслета за 8 часов. Для градуировки и проверки правильности методик определения МТ и ДМГМК предложен способ получения модельных образцов почв, загрязненных этими соединениями.

7. В результате сравнительных исследований показано, что среди существующих на данный момент способов пробоподготовки, используемых для определения валовой концентрации НДМГ, количественное извлечение НДМГ из всех типов почв (особенно богатых гумусом) достигается в условиях щелочной отгонки с водяным паром в среде 40%-го раствора щелочи.

8. Показано, что при определении валовой концентрации НДМГ в почвах, в которых окислительная трансформация НДМГ находится на завершающей стадии (доля свободной формы НДМГ < 1%), основной вклад в получаемый результат (до 80-90%) вносит подвижная водорастворимая связанная форма НДМГ, представляющая собой сумму активных продуктов ОТр (с содержанием ДМГМК до 60%), а также НДМГ, связанный органическим веществом почвы (10-20%), для извлечения которого необходимо использование жестких условий пробоподготовки.

9. При исследовании извлечения НДМГ из образцов гуминовых кислот (ГК), песка и глины (использовавшихся в качестве модельных компонентов органической и минеральной частей почв) с применением различных способов пробоподготовки, подтверждена высокая роль гумуса в связывании этого соединения почвами. Показано, что удерживание НДМГ ГК реализуется практически только за счет хемосорбции, глиной - в результате катионного обмена, а песком — за счет неспецифических взаимодействий и слабовыраженных катионообменных свойств, сорбционная способность по отношению к НДМГ при этом уменьшается в ряду ГК » глина > песок.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:

1 .P.C. Смирнов. И.А. Родин, А.Д. Смоленков, O.A. Шпигун. Хромато-масс-спектрометрическое определение продуктов трансформации несимметричного диметилгидразина в почвах. // Журн. аналит. химии. 2010. Т. 65. № 12. С. 1295-1301.

2. P.C. Смирнов. И.А. Родин, А.Д. Смоленков, O.A. Шпигун, О.Г. Татаурова. Влияние условий пробоподготовки на определение валовой концентрации несимметричного диметилгидразина в почвах. // Журн. аналит. химии. 2012. Т. 67. № 1. С. 9-16.

3. P.C. Смирнов, А.Д. Смоленков, Т.А. Болотник, O.A. Шпигун. Применение глиоксаля и глиоксиловой кислоты для определения N- и Ы,Ы-замещенных алкилгидразинов методом высокоэффективной жидкостной хроматографии. // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 2. Химия. 2013. Т. 54. № 1. С. 22-28.

4. P.C. Смирнов, А.Д. Смоленков, Т.А. Болотник, O.A. Шпигун. Предколоночная дериватизация с глиоксалем как новый подход к высокочувствительному ВЭЖХ-УФ-определению несимметричного диметилгидразина. // Журн. аналит. химии. 2013. Т. 68. № 9. С. 923-930.

5.A.D. Smolenkov, A.V. Chernobrovkina, R.S. Smirnov, M.G. Chernobrovkin, O.A. Shpigun. A sensitive chromatographic determination of hydrazines by naphthalene-2,3-dialdehyde derivatizatioa // Intern. J. Environ. Anal. Chem. 2012. P. 1-10. DOI: 10.1080/03067319.2012.736975.

6. P.C. Смирнов. И.А Родин, А.Д. Смоленков, O.A. Шпигун. Определение несимметричного диметилгидразина и глиоксаля методом ВЭЖХ-УФ, основанное на реакции алкилгидразинов с глиоксалем. / Материалы 1-ой Всероссийской конференции «Аналитическая хроматография и капиллярный электрофорез». Краснодар, 26 сентября - 01 октября 2010 г. С. 109.

7.1. Rodin, О. Shpigun, R. Smirnov. A. Smolenkov. Unsymmetrical dimethylhydrazine and glyoxal determination by HPLC-UV based on the reaction of alkylhydrazines with glyoxal. / Abstract book of the 36й International Symposium on Environmental Analytical Chemistry (ISEAC 36), Rome, Italy, 05-09 October 2010. P-87. Электронный носитель.

8. P.C. Смирнов. А.Д. Смоленков, О.Г. Татаурова, О.А. Шпигун. Дериватизация с глиоксиловой кислотой - новый подход к ВЭЖХ-УФ определению несимметричного диметилгидразина. / Сборник тезисов VIII Всероссийской конференции по анализу объектов окружающей среды "Экоаналитика-2011", Архангельск, 26 июня - 02 июля 2011 г. С. 258.

9. Р.С. Смирнов. А.Д. Смоленков, И.А Родин, О.Г. Татаурова, О.А. Шпигун. Влияние условий пробоподготовки на определение валовой концентрации несимметричного диметилгидразина в почвах. / Сборник тезисов III Всероссийского симпозиума «Разделение и концентрирование в аналитической химии и радиохимии», Краснодар, 02-08 октября 2011 г. С. 269.

10. Timofey Bolotnik, Oleg Shpigun, Roman Smirnov. Alexander Smolenkov. Derivatization with Glyoxylic Acid as New Approach for Unsymmetrical Dimethylhydrazine HPLC-UV Determination. / Book of abstracts of 36- International Symposium on High Performance Liquid Phase Separations and Related Techniques (HPLC 2011), Budapest, Hungary, 19-23 June 2011. P2-G-553-WE. Электронный носитель.

11. Т.А. Болотник, P.C. Смирнов. Применение глиоксаля и его производных для определения гидразинов методом высокоэффективной жидкостной хроматографии. / Материалы XIX Молодежной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов", секция химия, Москва, 9-13 апреля 2012 г. С. 10.

12. R. Smirnov. A. Smolenkov, Т. Bolotnik, О. Shpigun. High-performance liquid chromatography determination of hydrazines with glyoxal and its derivatives. / Abstract book of 29й International Symposium on Chromatography, Poland, Torun, 9-13 September 2012. P. 503.

13. P.C. Смирнов. А.Д. Смоленков, T.A. Болотник. Одновременное определение 1,1-диметилгидразина и продуктов его окислительной трансформации методом жидкостной хроматографии со спектрофотометрическим детектированием. / Материалы 2-ой Всероссийской конференции «Аналитическая хроматография и капиллярный электрофорез». Краснодар, 26-31 мая 2013 г. С. 96.

Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю к.х.н. А.Д. Смоленкову, а также чл.-корр. РАН, проф. О.А. Шпигуну, д.х.н. А.В. Пирогову, к.х.н. А.А. Бендрышеву, к.х.н. И.А. Родину и Т.А. Болотнику за постоянное внимание, помощь в работе и обсуждении результатов.

Подписано в печать: 16.10.2013 Объем: 1,3 п.л. Тираж: 100 экз. Заказ № 161 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, пр-т Вернадского, д. 39 (495)363-78-90; www.reglet.ru

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА ХИМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

ОДНОВРЕМЕННОЕ РЕАКЦИОННО-ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИДРАЗИНОВ И ПРОДУКТОВ

ОКИСЛИТЕЛЬНОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ 1,1 -ДИМЕТИЛГИДРАЗИНА В ВОДАХ И ПОЧВАХ

Специальность - 02.00.02 - Аналитическая химия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель: канд. хим. наук, в.н.с. Смоленков А.Д.

Москва-2013

СОДЕРЖАНИЕ

Список используемых сокращений........................................................................4

Введение....................................................................................................................6

Глава 1. Литературный обзор................................................................................12

1.1. Физико-химические свойства гидразина и его алкилпроизводных.......12

1.2. Окислительная трансформация НДМГ.....................................................14

1.2.1. Пути поступления НДМГ в окружающую среду в результате ракетно-космической деятельности..............................................................14

1.2.2. Окислительная трансформация НДМГ в модельных системах. Гомогенное и гетерогенное окисление.........................................................15

1.2.3. Окислительная трансформация НДМГ в воде и почве.....................26

1.3. Токсичность гидразинов и продуктов окислительной трансформации НДМГ. Воздействие на окружающую среду и человека................................31

1.4. Взаимодействие НДМГ и гидразинов с почвой.......................................38

1.4.1. Химический состав и физико-химические свойства почв................38

1.4.2. Связывание гидразинов почвой..........................................................43

1.4.3. Извлечение НДМГ из почв. Концепция форм существования НДМГ в почвах............................................................................................................48

1.5. Хроматографические методы определения НДМГ и продуктов его окислительной трансформации.........................................................................51

1.5.1. Определение НДМГ.............................................................................52

1.5.2. Определение продуктов окислительной трансформации.................61

1.6. Глиоксаль и его производные - перспективные реагенты для определения гидразинов....................................................................................65

1.6.1. Физико-химические свойства глиоксаля и его производных..........65

1.6.2. Применение глиоксаля и его производных в аналитической химии...............................................................................................................66

1.6.3. Взаимодействие гидразинов с глиоксалем и его производными.....68

Глава 2. Условия и техника эксперимента...........................................................70

2.1. Реактивы, материалы и оборудование.......................................................70

2.2. Техника эксперимента.................................................................................73

2.3. Объекты исследования (краткие характеристики и происхождение)....80

Глава 3. Применение глиоксаля и его производных для реакционного определения гидразинов........................................................................................81

3.1. Изучение реакции гидразинов с глиоксалем и его производными........81

3.2. Выбор условий хроматографического разделения производных...........91

3.3. Хроматографическое и хроматомасс-спектрометрическое подтверждение структуры образующихся производных...............................95

3.4. Выбор условий реакции дериватизации гидразинов.............................102

Глава 4. Хроматографическое определение гидразинов с предколоночной дериватизацией глиоксалем и его производными.............................................106

4.1. Совместное определение 2-гидроксиэтилгидразина, мети л гидразин а и НДМГ с дериватизацией глиоксалем и глиоксиловой кислотой.................106

4.2. Высокочувствительное определение НДМГ с дериватизацией глиоксалем и сорбционным концентрированием образующегося производного.....................................................................................................119

4.3. Определение гидразинов с дериватизацией глиоксалем и разделением производных в режиме градиентного элюирования.....................................128

4.4. Совместное определение НДМГ и продуктов его окислительной трансформации методом обращенно-фазовой ВЭЖХ..................................133

Глава 5. Разработка методики определения 1-метил-1,2,4-триазола и диметилгидразида муравьиной кислоты в почвах методом газовой хроматомасс-спектрометрии...............................................................................145

5.1. Выбор условий хроматографического анализа......................................146

5.2. Разработка способов получения модельных образцов почв и процедуры пробоподготовки...............................................................................................151

Глава 6. Изучение факторов, влияющих на определение НДМГ в почвах. Вклад отдельных форм при определении валовой концентрации НДМГ......159

6.1. Влияние условий пробоподготовки при определении валовой концентрации НДМГ........................................................................................160

6.2. Экспериментальное изучение баланса форм НДМГ в почвах..............169

6.3. Вклад компонентов почв в удерживание НДМГ....................................171

Выводы...................................................................................................................185

Литература.............................................................................................................187

Приложение...........................................................................................................202

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

Сокращение Расшифровка сокращения (аббревиатуры)

ААБР

АГи

АД

АС

АФД

АЦН

БР

БуГ

т-БуГ

ВК

ВЭЖХ

ГГ

Ги

ГК

ГО

ГОК

ГФ

ГХ

гэг

ДДМ

ДиАц

ДМА

ДМГА

ДМГГ

бис-ДМГТ

ДМГМК

ДМГНБА

ДМГу

ДМГФ

др

ДМФА

ЕКО

ЖХ

ЖЭ

ЗЧР

ИХ

ипх

КБиХПН КГХ КРТ КС

лдок

МГ(ММГ)

аммонийно-ацетатный буферный раствор алкилгидразин (-ы) амперометрическое детектирование аппарат Сокслета

азот-фосфорный (термоионный) детектор

ацетон итр ил

буферный раствор

бутилгидразин

трет-бутилгидразин

валовая концентрация

высокоэффективная жидкостная хроматография

градуировочный график

гидразин

гумусовые кислоты глиоксаль

глиоксиловая кислота градуировочная функция

газовая хроматография, газохроматографический 2-гидроксиэтилгидразин

спектрофотометрический детектор с диодной матрицей

диацетил (биацетил), 2,3-бутандион

диметиламин

1,1-диметилгидразон ацетальдегида моно-1,1 -диметилгидразон глиоксаля бис-1,1-диметилгидразон глиоксаля

1,1-диметилгидразид муравьиной кислоты, 1-формил-2,2-диметилгидразин

1,1 -диметилгидразон 4-нитробензальдегида

НМ-диметилгуанидин

1,1-диметилгидразон формальдегида

дериватизирующий реагент

Тч'.М-диметилформамид

емкость катионного обмена

жидкостная хроматография

жидкостная экстракция

зеленые части растений (листья, побеги и т.д.) ионная хроматография ион-парная хроматография

культурно-бытового и хозяйственно-питьевого назначения

газовая хроматография на капиллярных колонках

компоненты ракетного топлива

карбонильное (-ые) соединение (-я)

линейный диапазон определяемых концентраций

монометилгидразин

МГО - метштглиоксаль

МГФ - метилгидразон формальдегида

МС - масс-спектрометрия, масс-спектрометрическое детектирование

МТ - 1-метил-1-Н-1,2,4-триазол

МЧП - минеральная часть почвы

МЭГ — 1 -метил-1-этилгидразин

4-НБА - 4-нитробензальдегид

НДМА - N-нитрозодиметиламин

НДМГ - несимметричный диметилгидразин (1,1-диметилгидразин)

НДМГда' - валовая концентрация ("валовый") НДМГ в почве, сумма всех извлекаемых форм

НДМГ0С - форма НДМГ, обратимо связанная твердыми фазами почв

НДМГяос _ форма НДМГ, необратимо связанная твердыми фазами почв

НДМГ/7йг - подвижная водорастворимая связанная форма НДМГ

НДМГсд - свободная форма НДМГ

НПФ - неподвижная фаза

НФ - нормально-фазовый

ОБУВ - ориентировочный безопасный уровень воздействия

ОДС - октадецилсиликагель (силикагель, поверхностно модифицированный группами С18)

ОДУ - ориентировочный допустимый уровень

ООС - объекты окружающей среды

ОТр - окислительная трансформация

ОФ - обращенно-фазовый

ОЧП - органическая часть почвы

ПДК - предельно-допустимая концентрация

ПИД - пламенно-ионизационный детектор

ПГТК - почвенный поглощающий комплекс

ПФ - подвижная фаза

РКД - ракетно-космическая деятельность

РН - ракета-носитель

РХН - рыбохозяйственного назначения

СДВБ - сополимер стирола и дивинилбензола ("стирол-дивинилбензол")

СФ - спектрофотометрический

ТМТ - 1,1,4,4-тетраметил-2-тетразен

ТФЭ - твердофазная экстракция

УЗ - ультразвуковая обработка

УФ - ультрафиолетовый диапазон спектра электромагнитного излучения

ФБР - фосфатный буферный раствор

ХА - хроматографический анализ

ХИАД - химическая ионизация при атмосферном давлении

ЩДП - щелочная дистилляция с паром

ЭГ - этилгидразин

ЭИ - электронная ионизация

ЭРИ - электрораспылительная ионизация

ЭСМТТ — электронные спектры молекулярного поглощения

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Гидразин (Ги) и его производные с каждым годом находят все большее применение: в энергетике и металлургии в качестве ингибиторов коррозии и для восстановления ионов металлов, в современной химической промышленности для синтеза полимеров, пластмасс и красителей, медицинских препаратов, а также регуляторов роста растений, пестицидов, гербицидов и прочих азотсодержащих соединений. С середины XX века Ги, метилгидразин (МГ) и 1,1 -диметилгидарзин (НДМГ) зарекомендовали себя как наиболее эффективные топлива в ракетно-космической деятельности (РКД).

В то же время, Ги и алкилгидразины (АГи) являются опасными для здоровья человека и животных соединениями и по санитарно-токсикологическому критерию вредности относятся к 1-ому классу опасности. В России, как и в других развитых странах, содержание этих веществ в объектах окружающей среды (ООС) строго нормируется, при этом, наблюдается тенденция к ужесточению существующих гигиенических нормативов, которая обуславливает необходимость разработки новых высокочувствительных методик определения гидразинов в ООС, технологических водах, продуктах питания, фармпрепаратах и других продуктах химической промышленности.

Объектом особого внимания аналитиков и экологов, ввиду постоянного поступления в окружающую среду в результате РКД, является НДМГ. Это связано не только с собственной токсичностью НДМГ, но и с токсичностью продуктов его окислительной трансформации (ОТр), которые в совокупности составляют значительную долю от исходного количества НДМГ в загрязненных объектах. Известно, что, являясь более стабильными, эти вещества способны долгое время сохраняться в неизменном виде на местах аварийных проливов, представляя угрозу. Таким образом, на данный момент существует необходимость в комплексной оценке степени загрязнения ООС на местах аварийных проливов, учитывающей не только присутствие НДМГ, но наиболее значимых продуктов его ОТр. Эта необходимость ставит задачу разработки соответствующего методического обеспечения.

Цель работы заключалась в разработке способов чувствительного, селективного и, по возможности, многокомпонентного (совместного) определения НДМГ и других АГи, а также продуктов ОТр НДМГ, в водах и почвах с использованием методов жидкостной и газовой хроматографии. Достижение поставленной цели включало в себя решение следующих конкретных задач:

1. Оценка возможности использования простейших алифатических а-дикарбонильных соединений (а-ди-КС) - производных глиоксаля (ГО) для реакционного определения гидразинов и НДМГ в частности, как альтернативы ароматическим альдегидам, традиционно используемым в качестве дериватизирующих реагентов (ДР), что подразумевало выбор условий проведения реакции дериватизации гидразинов реагентами - производными ГО, подтверждение структуры образующихся продуктов, установление их спектральных свойств;

2. Выбор условий хроматографического определения продуктов реакции гидразинов с ГО и его производными в варианте ОФ ВЭЖХ со спектрофотометрическим (СФ) детектированием. Выбор наиболее перспективных ДР для предколоночной дериватизации гидразинов среди исследуемых а-ди-КС;

3. Разработка способов высокочувствительного совместного определения НДМГ и ряда АГи в водах и почвах в виде производных с наиболее перспективными ДР ряда глиоксалей.

4. Разработка способов определения ультрамалых концентраций НДМГ в водах (на уровне с использованием предварительного сорбционного концентрирования производных;

5. Разработка способа совместного определения НДМГ и ряда основных продуктов его ОТр: МГ, М-нитрозодиметиламина (НДМА), 1,1,4,4-тетраметил-2-тетразена (ТМТ), 1-метил-1Н-1,2,4-триазола (МТ) в водах и почвах методом ОФ ВЭЖХ-СФ (с использованием детектора на диодной матрице (ДДМ)) с предварительной дериватизацией гидразинов;

6. Выбор условий пробоподготовки и разработка способа совместного определения МТ и Н.Ы-диметилгидразида муравьиной кислоты (ДМГМК) в почвах методом газовой хроматомасс-спектрометрии (ГХ-МС).

7. Изучение факторов, влияющих на извлечение НДМГ из почв.

8. Исследование особенностей определения НДМГ в почвах с учетом его трансформации в связанные формы.

Научная новизна работы.

Впервые в качестве дериватизирующих реагентов (ДР) для определения К- и Ы,К-замещенных АГи реакционной ОФ ВЭЖХ предложено использовать простейшие алифатические а-ди-КС: ГО, глиоксиловую кислоту (ГОК), метилглиоксаль (МГО) и диацетил (ДиАц). На примере НДМГ, МГ, ГЭГ и ряда других АГи выполнено систематическое исследование реакции гидразинов с предложенными реагентами, выбраны условия экспрессного и количественного ее протекания. Для всех ДР, кроме ДиАц, показано образование единственных и стабильных продуктов реакции с АГи - соответствующих .моно-алкилгидразонов.

Выбраны условия совместного хроматографического определения АГи методом ОФ ВЭЖХ-СФ (ДДМ) с предварительной дериватизацией предложенными ДР в вариантах изократического и градиентного элюирования. Показана возможность использования больших избытков ДР при дериватизации, а также высокая селективность и чувствительность определения АГи. Оптимальным ДР среди рассмотренных а-ди-КС для дериватизации АГи признан ГО, производные с которым обладают максимальными молярными коэффициентами поглощения. Предложен подход, основанный на применении ГО, что в отличие от использования известных ранее ДР, позволяет определять НДМГ от ПДК (> 0.5 мкг/л) в водах водоемов рыбохозяйственного (РХН) назначения без предварительного концентрирования.

Выбраны условия сорбционного концентрирования моно-1,1-диметилгидразона ГО (ДМГГ) при анализе вод, что позволило повысить чувствительность определения НДМГ до 50 раз (нижняя граница определяемых содержаний 10нг/л). Предложенный способ позволяет проводить уверенное определение НДМГ в водах РХН и культурно-бытового и хозяйственно-питьевого назначения (КБиХПН) на уровнях и ниже установленных гигиенических нормативов.

Продемонстрирована возможность совместного определения НДМГ и ряда основных продуктов его ОТр: МГ, НДМА, ТМТ и МТ, методом ОФ ВЭЖХ-СФ (ДДМ) в одних условиях после предколоночной дериватизации гидразинов ГО. Показано, что перечень определяемых в этих условиях продуктов ОТр может быть расширен.

Предложен способ селективного совместного определения МТ и ДМГМК в почвах методом ГХ-МС.

Показано, что на стадии завершения ОТр (содержание свободной формы НДМГ <1%), результаты определения НДМГ в почвах по методике, включающей щелочную дистилляцию с паром из суспензии в среде 40%-го раствора щелочи, обусловлены продуктами ОТр и НДМГ, связанным с органическим веществом почвы. Значительная роль органического вещества почвы в удерживании НДМГ продемонстрирована в модельных условиях на примере взаимодействия НДМГ с гуминовыми кислотами.

Практическая значимость работы.

1. Предложены доступные, простые в использовании и селективные дериватизирующие реагенты для определения Ы- и ]ЧГ,М-замещенных АГи. Высокие значения молярных коэффициентов поглощения образующихся производных позволяют значительно повысить чувствительность определения гидразинов по сравнению с существующими реагентами.

2. Предложен ряд методик экспрессного, чувствительного и селективного совместного определения АГи в водах, водных вытяжках из почв, отгонов из почв и зеленых частей растений методом ОФ ВЭЖХ-УФ после дериватизации ГО и ГОК, удовлетворяющий целям экологического обследования территорий, подверженных воздействию РКД.

3. Разработана методика определения ультрамалых концентраций НДМГ в водах КБиХПН методом ОФ ВЭЖХ-УФ с предварительной' дериватизацией ГО и последующим сорбционным концентрированием производного.

4. Предложена методика экспрессного и селективного совместного ОФ ВЭЖХ-УФ определения НДМГ и ряда продуктов его ОТр: МГ, ТМТ, НДМА, МТ в водных объектах после дериватизации гидразинов ГО.

5. Разработана методика совместного определения (включая условия извлечения) двух важнейших продуктов ОТр НДМГ в почвах - МТ и ДМГМК,-методом ГХ-МС. Предложен подход к получению модельных образцов загрязненных почв, используемых для градуировки и проверки правильности методик определения МТ и ДМГМК.

6. Правильность предложенных методик продемонстрирована на примере анализа реальных образцов почвы, воды и растений.

7. Показана необходимость учета процессов трансформа�