Сорбционное концентрирование первичных длинноцепочечных алифатических аминов и фенолов и их определение методом обращенно-фазной высокоэффективной жидкостной хроматографии тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.02 ВАК РФ

РГВ од

1 7 ФЬВ 1997

На правах рукописи

ХРЯЩЕВСКИЙ АНДРЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

СОРБЦИОННОЕ КОНЦЕНТРИРОВАНИЕ ПЕРВИЧНЫХ ДЛИННОЦЕПОЧЕЧНЫХ АЛИФАТИЧЕСКИХ АМИНОВ И ФЕНОЛОВ И ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕТОДОМ ОБРАЩЕННО-ФАЗНОЙ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЙ ЖИДКОСТНОЙ ХРОМАТОГРАФИИ

02.00.02 - Аналитическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва - 1997

Работа выполнена в лаборатории хроматографических методов анализа кафедры аналитической химии Химического факультета МГУ им. М.ВЛомоносова.

Научные руководители: кандидат химических наук,

старший научный сотрудник Нестеренко П.Н.

кандидат химических наук,

старший научный сотрудник Тихомирова Т.И.

Научный консультант: доктор химических наук,

профессор Шпигун О.А.

Официальные оппоненты: доктор химических наук,

профессор Давыдов ВЛ. кандидат химических наук, Казьмин П.Г.

Ведущая организация: ГЕОХИ РАН

Зашита диссертации состоится 13 марта 1997 г. в 16 часов 10 минут, в ауд. 337 на заседании диссертационного совета Д.053.05.60 по химическим наукам при Московском государственном университете им М.ВЛомоносова по адресу:

119899, Москва, ГСП-3, Воробьевы горы, МГУ, Химический факультет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Химического факультета МГУ.

Автореферат разослан 12 февраля 1997 г.

*

Отзывы и замечания просьба отправлять по адресу:

119899, Москва, ГСП-3, Воробьевы горы, МГУ, Химический факультет,

кафедра аналитической химии, ученому секретарю диссертационного

совета.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат химических наук

Торочешникова И.И.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Проблема определения органических загрязнителей сточных и природных вод на уровне ПДК занимает одно из центральных мест в современной аналитической химии. К числу опасных органических загрязнителей вод относятся первичные длинноцепочечные алифатические амины (высшие алифатические амины, ВАА), применяемые в промышленности в качестве катионных ПАВ, а также фенол и более 10 его хлор-, нитро- и метилпроизводных, в значительных количествах содержащиеся в сточных водах многих химических предприятий.

Существенные различия в токсичности фенола и его производных, а также аминов различного строения обусловливают необходимость определения содержания в водах каждого из них. Решение этой проблемы невозможно без применения хроматографических методов анализа, и, в частности, метода ВЭЖХ, сочетающего высокую селективность разделения компонентов сложных смесей органических веществ и высокую чувствительность их детектирования. Определение алифатических аминов и фенолов на уровне ПДК методом ВЭЖХ включает стадию предварительного концентрирования, наиболее эффективным вариантом которого является динамическое сорбционное концентрирование. Несмотря на то, что задача определения ВАА и фенолов на уровне микрограмм в литре актуальна уже не одно десятилетие, методики хроматографического определения ВАА в нашей стране практически отсутствуют. Существующие способы сорбционного концентрирования фенолов неэффективны при концентрировании незамещенного фенола и ряда других фенолов, что затрудняет их ВЭЖХ определение на уровне ПДК.

Цель и задачи исследования. Целью работы было применение новых подходов к динамическому сорбционному концентрированию первичных дпинноцепочечных алифатических аминов и фенолов из водных растворов и их определению методом ВЭЖХ.

Конкретные задачи исследования были следующими:

- изучение закономерностей адсорбции первичных алифатических аминов и фенолов на кремнеземе, модифицированном гексадецильными радикалами, и сверхсшнтом полистироле...в статических условиях; разработка эффективных способов динамического сорбционного концентрирования алифатических аминов и фенолов;

- изучение хроматографического удерживания фенолов на колонке, заполненной сверхсшитым полистиролом, и ее применение дня концентрирования и последующего ВЭЖХ определения фенолов;

- изучение условий хроматографического разделения первичных дпинноцепочечных алифатических аминов в виде производных;

- разработка методик определения аминов и фенолов методом ВЭЖХ с предварительным сорбционным концентрированием.

Научная новизна. Изучена адсорбция ряда первичных алифатических аминов и фенолов на кремнеземе, модифицированном гексадецильными радикалами и' сверхсшитом полистироле. Сверхспштый полистирол впервые использован в качестве неподвижной фазы для разделения фенолов методом ОФ ВЭЖХ, изучено хрбматографическое удерживание фенолов на этом сорбенте. Предложен способ кбнцентрирования и последующего ВЭЖХ определения фенолов на колонке, заполненной сверхсшитым полистиролом. Изучено хроматографическое удерживание производных первичных алифатических аминов с длиной цепи 10-20 атомов углерода с НБД-хлоридом, дансил-хлоридом и флуорескамином в условиях ОФ ВЭЖХ. Еще один реагент 4-хлор-5,7-диншробензофуразан впервые использован для дериватизации первичных длинноцепочечных алифатических аминов для определения в виде производных методом ОФ ВЭЖХ.

Практическая значимость. Разработаны способы динамического сорбционного концентрирования из водных растворов первичных алифатических аминов аминов с длиной цепи 8-16 атомов ушерода с коэффициентом концентрирования 400 и фенола и его хлор- и нитропроизводных с коэффициентом концентрирования 200. Разработана методика концентрирования и ВЭЖХ определения фенолов на колонке, заполненной сверхсшитым полистиролом, нижняя граница определяемых содержаний фенола и ряда его хлор- и нитропроизводных составляет 3-8 мкг/л. Разработаны методики определения в водах фенола и ряда его нитро- и хлорпроизводных, а также первичных алифатических аминов с длиной цепи 8-16 атомов ушерода методом ОФ ВЭЖХ с/ предварительным сорбционным концентрированием.

Нампппувыносятся: • •*•< !

- результаты изучения адсорбции первичных алифатических аминов и фенолов на кремнеземе, модифицирований^ 'гексадецильными радикалами и сверхсшитом полистироле; < - • * • ■ с 5

- результаты изучения динамического сорбциЙНного концентрирования первичных алифатических аминов и фенолов из водных''растворов;

- результаты изучения хроМатографического удерживания фенолов на колонке, заполненной сверхсшитым полистиролом, а также способ концентрирования и последующего ВЭЖХ определения фенолов на этой колонке;

- результаты изучения хроматографического удерживания производных алифатических аминов в условиях ОФ ВЭЖХ;

- методики определения в водах фенола и ряда его нитро- и хлорпроизводных, а также первичных алифатических аминов с длиной

цепи 8-16 атомов углерода методом ОФ ВЭЖХ с предварительным сорбционным концентрированием.

Апробапия работы. Основные результаты диссертации изложены в 5 публикациях и доложены на Международной конференции по фундаментальным наукам "Ленинские Горы-95" (Москва, 1995); VII Всероссийском симпозиуме по молекулярной жидкостной хроматографии (Москва, 1996); Всероссийской конференции по анализу объектов окружающей среды "Экоаналитика-9б" (Краснодар, 1996); научных семинарах кафедры аналитической химии МГУ (19941997).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, восьми глав экспериментальной части, выводов и списка литературы (156 наименований). Работа изложена на 200 страницах машинописного текста, содержит 52 рисунка и 40 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Критически рассмотрены возможности основных методов определения первичных алифатических аминов и фенолов в водах. Основное внимание в обзоре уделено методам сорбционного концентрирования этих соединений, а также их хроматографическому определению. Выбраны наиболее перспективные пути решения аналитических задач, поставленных в диссертационной работе и связанных с определением ВАА и фенолов в водах на уровне ПДК.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для концентрирования аминов и фенолов из водных растворов использовали концентрирующие патроны Диапак С16, заполненные кремнеземом, модифицированным гексадецильными радикалами марки Диасорб 130 С16 (удельная поверхность 300 м2/г, размер частиц 60-100 мкм), а также Диапак-фенол/П, заполненные сверхсшитым полистиролом (удельная поверхность 800-1000 м2/г, степень сшивки 100%, размер частиц 75-125 мкм) (АО Биохиммак).

Для определение аминов и фенолов методом ВЭЖХ использовали отечественный жидкостной хроматограф Милихром 1-А со спектрофотометрическим детектором, а также микроколоночный жидкостной хроматограф фирмы Carlo Erba Instruments (Италия), состоящий из насоса высокого давления Phoenix 20, спектрофотометрического детектора Micro-UVIS 20, петлевого инжектора Valco с объемом петли 2 мкл. Использовали следующие хроматографические колонки: 150x4 мм и 120x2 мм заполненные сорбентом Диасорб 130 С 16 Т, размер частиц 9 мкм (АО Биохиммак); 250x1 мм, заполненная сорбентом Whatman Partisil 10 ODS-3, а также

колонка 70x2 мм, заполненная сверхсшитым полистиролом с размером частиц 15 мкм суспензионным способом в лабораторных условиях.

Для дериватизации аминов перед хроматографическим разделением использовали НБД-хлорид (Regis, США), флуорескамин (Roche Diagnostics, США), дансил-хлорид (Regis, США), а также 4-хлор-5,7-динитробензофуразан (БФЗ), любезно предоставленный М.И.Евгеньевым (Казанский государственный университет). Синтез производных осуществляли по стандартным методикам.

В качестве объектов исследования в диссертации использованы индивидуальные амины и фенолы, которые очищали по стандартным методикам, а также промышленная смесь первичных дистиллированных аминов H-CgHnNHi - H-C24H49NH2.

ИЗУЧЕНИЕ АДСОРБЦИИ ПЕРВИЧНЫХ АЛИФАТИЧЕСКИХ АМИНОВ И ФЕНОЛОВ В СТАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Для установления основных закономерностей адсорбции ВАА с различной длиной углеродной цепи, а также фенола и ряда его хлор-, нитро- и метнлпроизводных и расчета основных физико-химических параметров адсорбционного равновесия изучена их адсорбция на кремнеземе, модифицированном гексадецильными радикалами (ХМК С16) и сверхсшитом полистироле (ССПС).

Время установления адсорбционного равновесия в статических условиях для изученных аминов и фенолов не превышает 1 мин для ХМК С1б и 2-3 мин для ССПС, что говорит о перспективности использования обоих типов сорбентов для концентрирования органических загрязнителей из водных растворов в динамическом режиме.

Значения коэффициентов распределения (D) на обоих сорбентах аминов, являющихся слабыми основаниями, существенно зависят от pH водного раствора, причем на шдрофобных поверхностях изученных сорбентов могут адсорбироваться как молекулярная, так и протонированная форма аминов. В сильнощелочных растворах при значениях pH выше 13,5 амины адсорбируются в молекулярной форме, в нейтральных и кислых средах при значениях pH ниже 7 как в растворе, так и на поверхности сорбентов преобладает протонированная форма аминов, в слабощелочных средах имеет место адсорбция как молекулярной, так и протонированной формы аминов. При этом значение D для молекулярной формы и-бутиламина на ССПС примерно в 3 раза выше, чем для его протонированной формы.

Фенолы являются слабыми органическими кислотами; значения рКа фенола и его хлор-, нитро- и метнлпроизводных, относящихся к наиболее распространенным загрязнителям, находятся в интервале 4-10. Для изучения влияния pH раствора на сорбцию фенолов в качестве модельных соединений использовали фенол, 4-нитрофенол и 2,4-

динитрофенол, значения рКа которых соответственно равны 10, 7,15 и 4,1 и таким образом, охватывают весь указанный интервал значений рКа. Наибольшие значения коэффициентов распределения достигается при значенях рН < рКа - 2, что соответствует преобладанию как в растворе, так и на поверхности сорбентов молекулярной формы фенолов. При рН раствора рКа + 2 и выше, значения коэффициентов распределения изученных фенолов на ХМК,. С16, . уменьшаются практически до нуля. Таким образом, ионизированная форма изученных фенолов на ХМК С16 не адсорбируется. В то же время, на ССПС возможна адсорбция как молекулярной, так и ионизированной формы фенолов, однако значения коэффициентов распределения для ионизированной формы в 10 и более раз меньше, чем для молекулярной формы.

Изотермы адсорбции аминов на ХМК С16 и ССПС в интервале равновесных концентраций аминов в водном растворе 0,01 - 5 мМ удовлетворительно описываются уравнением Ленгмюра. Значения коэффициентов распределения в области линейнЪсти изотерм D закономерно увеличиваются при увеличении числа углеродных атомов углеводородного радикала амина; для аминов с одинаковой длиной углеродной цепи значения D выше при адсорбции на ССПС, чем на ХМК С16. Рассчитанное из изотермы адсорбции значение площади, экранируемой одной молекулой н-додециламина при плотном заполнении адсорбционного слоя на поверхности ССПС, составляет 1,3 нм2, что соответствует преимущественной ориентации углеводородных цепей параллельно поверхности сорбента.

В диапазоне 0,01 - 3 мМ равновесных концентраций фенолов в водном растворе изотермы их адсорбции на ХМК С16 и ССПС описываются уравнением Ленгмюра. Значения D для всех изученных фенолов на 2-3 порядка выше при адсорбции на ССПС, чем на ХМК ¿16, и достигают значений от 2 л/г для незамещенного фенола до 60 л/г для 2,4-динитрофенола, что указывает на явное преимущество полимерного сорбента для концентрирования фенолов.

Из изотерм адсорбции в рамках модели, учитывающей особенности адсорбции органических веществ из водных растворов на гидрофобной поверхности, рассчитаны значения констант адсорбционного равновесия и изменения стандартной энергии Гиббса адсорбции. Абсолютные значения д(А(т^)ме, характеризующие вклад каждой метиленовой группы углеводородного радикала амина в суммарное значение АСР адсорбции, примерно в 1,5 раза выше для ССПС, чем для ХМК С1 б. Таким образом, при концентрировании алифатических аминов, а также других органических загрязнителей, содержащих алкильные радикалы, на ССПС следует ожидать более высоких значений D, чем на ХМК С1б. С другой стороны, благодаря

меньшей энергии адсорбции аминов на ХМК С16, они должны легче десорбироваться с этого сорбента, чем с ССПС.

Доя производных фенола вклад заместителей в бензольном кольце в суммарное значение АС? адсорбции определяется их природой и положением по отношению к гидроксильной группе. Так, вклад нитрогруппы в о-положении в значение АС? адсорбции на обоих сорбентах в среднем в 2,6 раза выше, чем нитрогруппы в «-положении, что связано с образованием в первом случае внутримолекулярной водородной связи.

Влияние природы поверхности и структурных характеристик сорбента на значение А(? адсорбции рассмотрено на примере незамещенного фенола. Показано, что абсолютные значения АС? уменьшаются в ряду активный уголь > полимерные сорбенты > ХМК С16. Для полимерных сорбентов с близкой химической природой поверхности различия в значениях АС? адсорбции обусловлены различными структурными характеристиками этих сорбентов, в частности, наличием микропор, поскольку энергия взаимодействия органических молекул с поверхностью сорбента в микропорах, размеры которых сравнимы с размерами молекул сорбата, выше, чем на поверхности мезо- и макропор. Это объясняет существенно большие абсолютные значения АС? адсорбции и D фенолов на поверхности ССПС, имеющего как макро-, так и микропоры, по сравнению с рядом широко используемых для концентрирования фенолов мезопористых полистирол-дивинилбензольных сорбентов типа ХАЕМ.

КОНЦЕНТРИРОВАНИЕ ПЕРВИЧНЫХ АЛИФАТИЧЕСКИХ АМИНОВ И ФЕНОЛОВ В ДИНАМИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

ВАА проявляют адсорбционную активность по отношению как к неполярным тдрофобным поверхностям, так и к полярным, в том числе поверхности стекла, кристаллов неорганических солей и т. п. С увеличением длины углеводородных цепей молекул аминов значительно уменьшаются значения К КМ аминов и их растворимость в воде. Обычно, в воде ВАА находятся в протонированной форме; для уменьшения потерь аминов за счет сорбции на внутренней поверхности колб, шлангов насосов, фильтрах и т. п. при динамическом сорбционном концентрировании целесообразно отказаться от извлечения аминов в молекулярной форме в сильнощелочной среде и применения высаливания. Кроме этого, концентрирование ВАА в молекулярной форме на ХМК невозможно из-за неустойчивости этих сорбентов в сильнощелочных средах. Необходимость извлечения аминов в протонированной форме выдвигает повышенные требования к сорбентам, коэффициенты распределения аминов для которых должны рбеспечивать приемлемые значения коэффициентов концентрирования.

Применение концентрирующих патронов Диапак С16 и Диапак-фенол/П позволяет извлекать ВАА с числом углеродных атомов 8 и выше из объемов водного раствора до 1 л, при этом степени извлечения аминов составляют соответственно 92-95% и 85-90%. Для концентрирования ВАА предпочтительнее использовать патроны Диапак С1б, степени извлечения для которых несколько выше.

Органические растворители, такие, как ацетонитрил, этанол и тетрагидрофуран, не обеспечивают количественной десорбции аминов с обоих типов концентрирующих патронов; степень десорбции аминов увеличивается в ряду тетрагидрофуран < ацетонитрил < этанол, при этом б мл этих растворителей десорбируется соответственно 15, 22 и 66% от общего количества н-додециламина, что объясняется, главным образом, различным соотношением протонодонорных и протоноакцепторных свойств этих растворителей. Существенно большей элюирующей способностью обладает смесь этанола и 1 М НС1 в объемном соотношении 10:1, при этом практически количественное шпоирование с обоих патронов аминов с длиной цепи 8-16 ушеродных атомов достигается 1,5 - 2,5 мл этой смеси (рис. 1).

q/q-100%

60 г

Рис. 1. Кривые апюироваяия к-октиламина (1), н-додециламина (2) и н-гексадециламина (3) смесью этанола и 1М НС1 (10:1) с патрона Диапак С16. Количество адсорбированных аминов 1 мкмоль, объемная скорость элюирования 1 мл/мин.

Разработанный способ динамического сорбционного концентрирования ВАА с длиной цепи 8-16 атомов углерода на патронах Диапак С16 позволяет достигать значений коэффициентов концентрирования не менее 400, при этом степени извлечения аминов превышают 90%.

В отличие от ВАА, фенолы не проявляют ярко выраженной поверхностной активности и склонности к мицеллообразованию; кроме этого, растворимость в воде большинства из них достаточно велика. Для повышения степени извлечения фенолы необходимо концентрировать в молекулярной форме из кислых растворов и использовать высаливание. Однако, даже в этих условиях, при сорбционном концентрировании

фенолов основной проблемой остается низкая степень извлечения незамещенного фенола, что связано с его высокой растворимостью в воде и низким сродством к поверхности многих гидрофобных Сорбентов, в частности, ХМК.

• При концентрировании фенолов на патронах Диалак С16, "проскок" незамещенного фенола наблюдается уже при объеме пробы 20Г мл; при концентрировании из кислых растворов (рН 2-3) и добавлении высаливателя (КН2Р04) степени извлечения из 100 мл не превышают 10% для незамещенного фенола и 35-47% для нитрофенолов. Количественное злюирование с патрона фенола и нитрофенолов обеспечивается 2 мл смеси ацетонитрила с водой (3:2), однако низкие степени извлечения не позволяют достигать значений коэффициентов концентрирования фенола выше 9, а нитрофенолов -выше 25. Таким образом, концентрирующие патроны Диапак С16 малоэффективны для концентрирования этих фенолов.

Высокие значения коэффициентов распределения при адсорбции на ССПС всех изученных фенолов позволяют извлекать их при помощи концентрирующих патронов Диапак-фенол/П из водных растворов объемом до 1 л, при этом степени извлечения всех изученных фенолов составляют 95-100%. Практически количественная десорбция с этих патронов фенола, его изученных метил-, нитро- и хлорпроизводных, включая наиболее трудно десорбируемый пентахлорфенол, обеспечивается 5 мл ацетонитрила (рис. 2).

Разработанный способ динамического сорбционного концентрирования фенола и его хлор-, нитро- и метилпроизводных на патронах Диапак-фенол/П позволяет достигать значений коэффициентов концентрирования не менее 200, при этом степени извлечения фенолов превышают 95%. При необходимости концентрирования отдельных менее гидрофобных фенолов (фенола, крезолов) значение коэффициента концентрирования может достигать 1000.

Я/д«100%

60 г

Рис. 2. Кривые алюирования фенола (1), 4-нитрофенола (2), 2,4-дихлорфенола (3) и пентахлор-фенола (4) с патрона Диапак-Фенол/П ацетонитрилом. Количество адсорбированных фенолов 1 мкмоль, объемная скорость алюирования 1 мл/мин.

0 1 2 3 4 5

V, мл

и

___ПРИМЕНЕНИЕ СВЕРХСШИТОГО ПОЛИСТИРОЛА В КАЧЕСТВЕ

НЕПОДВИЖНОЙ ФАЗЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФЕНОЛОВ МЕТОДОМ ВЭЖХ

Хорошая кинетика адсорбции, возможность получения мелких фракций, а также отсутствие заметного набухания в полярных органических растворителях позволяют использовать ССПС не только для эффективного концентрирования фенолов из водных растворов, ыо и для их разделения методом ОФ ВЭЖХ на колонке, заполненной мелкодисперсной (15 мкм) фракцией этого сорбента.

При элюировании большинства фенолов с ССПС чистыми органическими растворителями их апюирующая сила увеличивается в ряду этанол < ацетонитрил < ацетон < диоксан, при этом наиболее симметричные хроматографические пики получаются при элюировании фенолов ацетонитрилом, а наименее симметричные - диоксаном.

Для изучения хроматографического удерживания фенолов в системах с водноорганическими подвижными фазами (ПФ) в качестве органических компонентов ПФ были выбраны ацетонитрил, обеспечивающий наиболее симметричную форму пика, и диоксан, характеризующийся самой большой алюирующей силой. Зависимости удерживания фенолов от содержания органического компонента ПФ (рис. 3) и рН ПФ соответствуют закономерностям удерживания большинства сорбатов в ОФ ВЭЖХ.

18к> 1.0 г

Рис. 3. Зависимость удерживания Ояк') фенола (1), 4-крезола (2), 4-нитрофенола (3), 2-нитро-фенола (4), 2,4-дихлорфенола (5) на ССПС от содержания ацетонитрила в ПФ (X, об.%).

40 50 60 70 80 90 1 00

X, %

Основной вклад в удерживание фенолов на ССПС вносят неспецифические дисперсионные взаимодействия. Различия в селективности разделения фенолов на ССПС по сравнению с ХМК и полимерными сорбентами (рис. 4) обусловлены возможностью дополнительных взаимодействий я-электронов ароматических колец в структуре полистирола с молекулами фенолов, а также различной доступностью микропор ССПС для молекул фенолов, что способствует

-05

реализации смешанного механизма удерживания. Селективность хроматографической системы при использовании ССПС в качестве НФ позволяет удовлетворительно разделять ряд смесей хлор- и нитропроизводных фенолов.

Ф 4-нф 2,4-днф 2-хф 2-нф 4-х-З-к

ХМКС18

(BondapakC18)

СГ-ДВБ

'■■'■'• (50% Сшивки)

ССПС

(100% сшивки)

2,4-дхф

~1 6 а

Рис. 4. Ряды селективности разделения фенолов в ОФ ВЭЖХ с различными НФ: ССПС - сверхсшитый полистирол; СТ-ДВБ -; сополимер, стирола и дивинилбензола; ХМК С18 октадецилсиликагель. ПФ: смесь ацетонитрил - вода - уксусная кислота (49,5:49,5:1). Фенолы: ф - фенол; 4-нф - 4-нитрофенол; 2-хф - 2-хлорфенол; 2-нф - 2-нитрофенол; 4-х-З-к - 4-хлор-З-крезол; ,2,4-днф - 2,4-динитрофенол; 2,4-дхф - 2,4-дихлорфенол.

Для ОФ ВЭЖХ фенолов эффективность хроматографической системы, а также удерживание фенолов в большинстве случаев зависит от растворителя пробы, вводимой в колонку. При использовании в качестве растворителя пробы водно-органических смесей эффективность заметно уменьшается при увеличении содержания в пробе органического растворителя. Удовлетворительное разделение многокомпонентных смесей фенолов, как правило, достигается при содержании органического растворителя в пробе не выше 50-60 об.%.

Одним из наиболее эффективных способов повышения чувствительности хроматографического определения является предварительное сорбционное концентрирование в режиме on-line. Применение в качестве НФ сверхсшитого полистирола, обладающего, с одной .стороны, высокой емкостью и высоким сродством к молекулам фенолов, в том числе и незамещенного фенола, а с другой стороны, хорошей селективностью при их хроматографнческом разделении, Позволяет эффективно концентрировать и разделять фенолы методом ВЭЖХ с использованием одной колонки. Такой подход отличается простотой и экспрессностыо и позволяет уменьшить объем и время

анализа за счет реализации сорбционного концентрирования в режиме on-line на хроматографах с насосом шприцевош типа, например, на хроматографах серии "Милихром".

Разработанная методика концентрирования и ВЭЖХ определения

------фенолов-на колонке, заполненной ССПС, отличается простотой и

эхспрессностью и позволяет определять фенол и ряд его хлор- й нигропроизводных при содержании до 3-8 мхг/л. Правильность методики проверена на образце водопроводной воды методом "введено-найдено" (табл. 1). Хроматограммы этого образца воды представлены на рис. 5.

Колонка 70x2 мм, ССПС (15 мкм), ПФ - смесь ацетонитрил - вода -уксусная кислота (49,5:49,5:1), 0,2 ил/мин, объем пробы 2 мл, л 274 нм, чувствительность 0,1 опт. ед. А - модельный раствор фенолов в дистиллированной воде; Б - "холостой" образец водопроводной воды; В - образец Б с добавками фенолов.

Таблица 1. Результаты ВЭЖХ определения фенолов в водопроводной воде с сорбционным концентрированием в режиме on-line (п=3, Р=0,95). ________________________

Фенолы Введено, мкг/л Найдено, мкг/л Sr ПО, мкг/л Диапазон определяемых содержаний, мкг/л

Фенол 25 22±5 од 2 3-100

2-Хлорфенол 25 25±3 0,07 2 3 - 100

4-Хлор-З-метил фенол 25 24+3 0,07 5 8 - 200

2,4-Дихлорфенол 100 100±10 0,08 30 50- 1000

4-Нитрофенол - - - 2 4 - 100

2-Нитрофенол - - - 3 5 - 200

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРВИЧНЫХ ДЛИИИОЦЕПОЧЕЧНЫХ АЛИФАТИЧЕСКИХ АМИНОВ В ВИДЕ ПРОИЗВОДНЫХ МЕТОДОМ ОФ ВЭЖХ

Алифатические амииы не содержат хромофорных групп, поэтому дня достижения высокой чувствительности их спектрофотометрического детектирования используют как доколоночную, так и послеколоночную дериватизацню с получением производных, хорошо поглощающих в УФ и видимой области спектра, а также способных флуоресцировать. В настоящей работе использовали доколоночную дериватизацию аминов, поскольку осуществление послеколоночного варианта требует дополнительного оснащения хроматографа проточным реактором и ограничивает круг реагентов лишь теми, которые реагируют с аминами за доли секунды. В качестве дериватизирующих реагентов (рис. 6) использованы дансил-хлорид, НБД-хлорид, флуорескамин, а также 4-хлор-5,7-динитробензофуразан (БФЗ), аминопроизводные которых достаточно устойчивы, имеют максимумы пошощения в УФ и видимой области спектра, а также способны флуоресцировать, что позволяет достаточно селективно детектировать их на фоне целого ряда соединений, поглощающих в УФ-области спектра.

НБД-хлорид БФЗ Дансил-хлорид Флуорескамин

N02 N02 N(CH3)2

ос

L

о

Рис. 6. Реагенты, использованные для дериватизации аминов.

С целью оптимизации методики дериватизации растворов ВАА НБД-хлоридом изучено влияние на выход реакции дериватизации таких параметров, как природа растворителя, избыток реагента, состав реакционной смеси и продолжительность нагревания, выбраны оптимальные условия синтеза производных.

Для разделения сильно удерживаемых производных ВАА содержание органического компонента в ПФ должно быть достаточно велико (80% и выше), поэтому применение в этом случае микроколоночной ВЭЖХ позволяет в полном объеме реализовать его преимущества: высокую эффективность разделения и чувствительность детектирования при малом расходе алюента. При использовании микроколоночной ОФ ВЭЖХ представлялось наиболее целесообразным использовать в качестве органического компонента ПФ ацетонитрил, так как метанол обладает в смеси с водой меньшей элюирующей

способностью и имеет большую вязкость, что приводит к значительному повышению рабочего давления в колонке.

При использовании в качестве ПФ смесей ацетонитршта и фосфатного или ацетатного буферных растворов удерживание аминопропзводныхг НБД-хлорида, дансилхлорида и БФЗ практически не зависит от рН ПФ в интервале 3,5-7 рН, поскольку их молекулы не содержат функциональных групп, ионизирующихся в указанном интервале рН. Молекулы аминопроизводных флуорескамина, напротив, содержат карбоксильную группу, диссоциация которой объясняет значительное уменьшение их удерживания при повышении рН подвижной фазы. Для всех изученных производных вид зависимости удерживания от рН ПФ не зависит от дайны цепи углеводородного радикала амина и аналогичен для производных первичных и вторичных аминов. Разделение производных аминов с флуорескамином предпочтительнее проводить при рН 7-8, что позволяет применять ПФ с меньшим содержанием ацетонитрила и разделять производные высокомолекулярных аминов. Кроме этого, изменения к' в этой области рН менее значимы при варьировании рН ПФ.

Зависимости удерживания к0 производных аминов от содержания ацетонитрила в ПФ (X, об.%), а также от числа атомов углерода в цепи углеводородных радикалов аминов (лс) при фиксированном составе ПФ, линейны в пределах 0,2 < 1$к' <1,8 (рис. 7, 8).

Зависимость удерживания производных аминов от концентрации органического растворителя в ПФ (рис. 7), а также от структуры молекул сорбатов (рис. 8), позволила оценить вклад различных составляющих в удерживание производных аминов и применить для оптимизации условий их хроматографнческого разделения и расчета параметров удерживания при определенном составе ПФ единую модель, описывающую совместное влияние состава ПФ и строения сорбатов на коэффициенты емкости. С одной стороны, такой подход позволяет рассчитывать к' производных аминов с различной длиной цепи при заданном составе ПФ, прогнозировать удерживание определенных аминов и решать задачу качественной идентификации. С другой стороны, решение обратной задачи позволяет рассчитывать содержание органического компонента ПФ, необходимое для хроматографирования производного амина с определенной длиной цепи с заданным значением к', и свести к минимуму время, необходимое для подбора оптимальных условий хроматографнческого разделения аминов с известной длиной цепи, а также решать вопрос о целесообразности применения того или иного дериватизирующего реагента в каждом конкретном случае. Так, амины с пс > 21 нецелесообразно дериватизировать дансил-хлоридом, поскольку в изученной системе их невозможно хроматографировать со значениями к' < 10, тогда как флуорескамин позволяет при

необходимости разделять смеси аминов с длиной цепи до 30 атомов углерода и выше.

Рис. 7. Зависимость удерживания (iIgk) НБД-производных аминов от содержания ацетонитрила в ПФ (X, об.%). НФ: Partisil 10 ODS-3, ПФ: ацетонитрил - 0,04 M ацетатный буферный раствор рН 3,3. 1 - н-дециламин, 2 - н-додециламин, 3-м-тетрадециламин, 4 - н-гексадецил-амин, 5 - н-октадециламин, 6 - н-эйкозиламин.

Рис. 8. Зависимость удерживания (^к') НБД-производных аминов от числа атомов углерода углеводородного радикала амина. НФ: РаШвИ 10 ОБв-З, ПФ - ацетонитрил - 0.04М ацетатный буферный раствор рН 3,3. Содержание ацетонитрила в ПФ, об.%: 1 - 60%, 2 - 70%, 3 - 80%, 4 -90%, 5 - 95%.

Из изученных реагентов для дериватизации первичных алифатических аминов с длиной цепи 8-24 атома углерода с последующим разделением производных методом ОФ ВЭЖХ и детектированием в видимой области спектра наиболее пригоден НБД-хлорид. Наибольшая селективность хроматографической системы при разделении гомологичных первичных и вторичных аминов достигается при их разделении в виде производных с БФЗ.

Методом ОФ ВЭЖХ в виде НБД-производных разделены и идентифицированы компоненты сложной промышленной смеси первичных алифатических аминов, состоящей из аминов с длиной цепи 8-24 атома углерода (рис. 9).

а

9

А

19

20" ~

Б

о

10

1, мин

,20

Рис. 9. Хроматограммы НБД-производных смеси первичных алифатических аминов с длиной цепи 8-24 атома углерода. Колонка 250x1 мм, Ра^Ц 10 008-3. ПФ; ацетоиитрил - 0,04 М ацетатный буферный раствор рН 3,3 (А - 70:30, Б - 90:10), X 460 нм. Номера пиков соответствуют числу атомов углерода углеводородного радикала амина.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ АЛИФАТИЧЕСКИХ АМИНОВ И ФЕНОЛОВ В ВОДАХ МЕТОДОМ ОФ ВЭЖХ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ СОРБЦИОННЫМ КОНЦЕНТРИРОВАНИЕМ

Разработанный способ сорбционного концентрирования ВАА, а также оптимизированные условия их хроматографического разделения позволили предложить методику определения аминов с длиной цепи 816 атомов углерода в водах методом ОФ ВЭЖХ в виде НБД-производных с предварительным сорбционным концентрированием на патронах Диапах С16. Влияние примесей органических веществ, часто присутствующих в водах, на стадии концентрирования аминов в некоторых случаях проявляется в незначительном (на несколько %) уменьшении степеней извлечения; селективная реакция дериватизации аминов в сочетании с хроматографическим разделением производных и детектированием в видимой области спектра позволяет определять амины на фоне большинства примесей органических веществ, присутствующих в водах. Правильность методики проверена методом "введено-найдено" на образце водопроводной воды (табл. 2). Хроматограмма этого образца воды представлена на рис. 10.

Таблица 2, Результаты определения первичных алифатических аминов в водопроводной воде* методом ОФ ВЭЖХ в виде НБД-производных с предварительным сорбционным концентрированием на

Амины Введено, мкг/л Найдено, мкг/л «г по, мкг/л Диапазон определяемых содержаний, мкг/л

н-октиламин 1,3 1,1±0,2 0,10 0,13 0,3-6

н-додециламин l,6i0,3 0,10 0,38 0,8-6

н-гексадециламин 2,2 1,9±0,4 0,11 1.1 1,5-40

*Добавки загрязнителей: фенол - 20 мкг/л, анилин - 50 мг/л.

2 мкг/л, карбамид

Рис- 10. Хроматограмма НБД-производных аминов из концентрата образца водопроводной воды с добавками н-октиламина (1), н-додециламина (2), к-гексадециламина (3). Колонка 250x1 мм, Ра^вИ 10 (Ю8-3, ПФ: ацетонитрил - 0,04 М ацетатный буферный раствор рН 3,3 (70:30), X 460 нм.

10

t, мин 20

Пределы обнаружения аминов при использовании спектрофотометрического детектора находятся в интервале от 0,13 мкг/л для н-октиламина до 1,1 мкг/л для к-гексадециламина (табл. 2). При использовании флуоресцентного детектора возможно снижение значений пределов обнаружения как минимум на порядок.

Использование разработанного в настоящей работе способа сорбционного концентрирования фенолов в сочетании с их ВЭЖХ разделением позволило предложить методику определения фенола и ряда его нормируемых хлор- и нитропроизводных в водах методом ОФ ВЭЖХ с предварительным сорбционым концентрированием на патронах Диапак-фенол/П. Пределы обнаружения фенолов находятся в интервале от 2-3 мкг/л для фенола и его нитропроизводных до 20 мкг/л для дихлорфенола (табл. 3). При необходимости возможно упаривание концентрата после десорбции фенолов с концентрирующего патрона, что позволит увеличить значения коэффициента концентрирования и снизить ПО. Правильность методики проверена на образце водопроводной воды методом "введено-найдено" (табл. 3). Хроматограмма этого образца воды представлена на рис. 11.

и

Рис. 11. Хроматограммы концентрата образца водопроводной воды. Колонка 120x2 мм, Диасорб 130 С16 Т. ПФ: ацетонитрил - вода - уксусная кислота (40:59:1), X 21А нм. А - без добавки фенолов; Б - с добавкой фенолов: 1 -фенол, 2 - 4-крезол, 3 - 2-нитрофенол, 4 - 2,4-дихлорфенол.

5 10 t. мин

5. 10 t, мин

Таблица 3. Результаты определения фенолов методом ОФ ВЭЖХ с

предварительным сорбционным концент]

на патроне

Фенолы Введено, мы/л Найдено, мкг/л Sr ПО, мкг/л Диапазон определяемых содержаний, мкг/л

Фенол 25 25 ±5 од 3 5 - 250

4-Крезол 25 25±3 0,07 5 10 - 500

2-Нитрофенол 25 26 ±3 0,07 2 4 - 200

2,4-Дихлорфенол 50 51±б 0,07 20 40 - 2000

4-Нитрофенол - - - 3 6 - 300

2,4-Динитрофенол - - - 2 4 - 200

В работе также была разработана менее чувствительная, но более экспрессная методика определения фенола и его нормируемых нитропроизводных в водах методом ОФ ВЭЖХ с предварительным сорбционым концентрированием на патронах Диалак С16, прошедшая метрологическую аттестацию в Главном управлении аналитического контроля Минприроды РФ. Пределы обнаружения фенола и его нитропроизводных находятся в интервале 0,04 - 0,4 мг/л.

ВЫВОДЫ

1.В статических условиях изучена адсорбция из водных растворов первичных алифатических аминов и фенолов на поверхности кремнезема, модифицированного гексадецильными радикалами, и сверхсшитого полистирола. Изотермы адсорбции описываются уравнениями Лешмюра.

2. Из изотерм адсорбции рассчитаны значения коэффициентов распределения аминов и фенолов, а также констант адсорбционного равновесия и изменения стандартной энергии Гиббса адсорбции, рассмотрено влияние природы сорбента, длины цепи и ионизации молекул аминов, а также природы и положения заместителей в молекулах фенолов на значения этих величин.

3. Оптимизированы условия извлечения первичных алифатических аминов и фенолов из водных растворов при помощи концентрирующих патронов Диапак-С16 и Диапак-фенол/П, а также условия их десорбции с этих патронов и состав алюента. Разработаны способы динамического сорбционного концентрирования первичных алифатических аминов с длиной цепи 8-16 атомов углерода и фенолов из водных растворов при помощи концентрирующих патронов Диапак, значения коэффициентов концентрирования составляют не менее 400 для аминов и не менее 200 для фенолов.

4. В условиях ОФ ВЭЖХ изучено удерживание фенолов на колонке, заполненной мелкодисперсным сверхсшитам полистиролом, в зависимости от природы органического растворителя, его концентрации в ПФ и рН ПФ. Применение в качестве НФ сверхсшитого полистирола позволяет удовлетворительно разделять ряд нитро-, хлор- и метшшроизводных фенолов методом ОФ ВЭЖХ.

5. Разработана эффективная и экспрессная методика концентрирования и ВЭЖХ определения фенолов на колонке, заполненной сверхсшитым полистиролом, нижняя граница определяемых содержаний фенола и ряда его хлор- и нитропроизводных составляет 3-8 мкг/л. Правильность методики проверена методом "введено-найдено" на образце водопроводной воды.

6. В условиях ОФ ВЭЖХ изучено удерживание производных первичных алифатических аминов с длиной цепи 10-20 углеродных атомов с НБД-хлоридом, дансил-хлоридом, флуорескамином и 4-хлор-5,7-динитробензофуразаном в зависимости от рН ПФ, содержания ацётонитрила в ПФ и длины цепи углеводородного радикала амина. Рассчитаны значения коэффициентов, описывающих различные составляющие удерживания. Оптимизированы условия разделения сложных смесей первичных алифатических аминов.

7. Разработаны методики определения первичных алифатических аминов с длиной цепи 8-16 атомов углерода, а также фенола и ряда его хлор- и нитропроизводных, в водах методом ОФ ВЭЖХ с предварительным сорбциониым концентрированием на патронах Диапак, позволяющие определять большинство изученных аминов и фенолов на уровне 1-5 ПДК. Правильность методик проверена на ряде образцов водопроводных и сточных вод.

Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях.

1.Хрящевский A.B., Тихомирова Т.Н., Шпигун O.A. Концентрирование

фенола и его нитропроизводных на химически модифицированных кремнеземах. // Жури, аналит. химии. 1996. Т.51. № б. С.586-591.

2. Хрящевский A.B., Нестеренко П.Н., Тихомирова Т.И., Фадеева В.И.7 Шпигун O.A.. Применение патронов с макропористыми полимерными сорбентами для концентрирования первичных алифатических аминов и их определение методом высокоэффективной жидкостной хроматографии. // Журн. аналит. химии. 1997. Т.52. № 5. С. 485-490.

Реферат статьи помещен на Web-page http://www.chem.msu.su/rus/publ/chrom8.htral

3. Хрящевский A.B., Подловчепко М.Б., Нестеренко П.Н., Шпигун O.A. Эффективное концентрирование фенола и его хлор- и нитропроизводных на патронах, заполненных полистиролом с высокой степенью сшивки. Тез. докл. Всероссийской конференции по анализу объектов окружающей среды "Экоаналитика-96". Краснодар. 1996. С.265.

4. Хрящевский A.B., Нестеренко П.Н., Шпигун O.A. Закономерности удерживания производных длинноцепочечных алифатических аминов в ОФ ВЭЖХ. Тез. докл. Vü Всероссийского симпозиума по молекулярной жидкостной хроматографии. Москва. 1996. С. 38.

5. Нестеренко П.Н., Хрящевский A.B., Подловченко М.Б., Шпигун O.A., Васияров Г.Г. Применение концентрирующих патронов, заполненных полистиролом с высокой степенью сшивки, для концентрирования фенола и его хлор- и нитропроизводных. Тез. докл. VII Всероссийского симпозиума по молекулярной жидкостной хроматографии. Москва. 1996. С.96.