Теоретические и прикладные аспекты применения в анализе мицеллярно-каталитических реакций первичных ароматических аминов с п-диметиламинокоричным альдегидом

Доронин, Сергей Юрьевич

Теоретические и прикладные аспекты применения в анализе мицеллярно-каталитических реакций первичных ароматических аминов с п-диметиламинокоричным альдегидом тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.02 ВАК РФ

Доронин, Сергей Юрьевич АВТОР

кандидата химических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Саратов МЕСТО ЗАЩИТЫ

1998 ГОД ЗАЩИТЫ

02.00.02 КОД ВАК РФ

Диссертация по химии на тему «Теоретические и прикладные аспекты применения в анализе мицеллярно-каталитических реакций первичных ароматических аминов с п-диметиламинокоричным альдегидом»

Автореферат диссертации на тему "Теоретические и прикладные аспекты применения в анализе мицеллярно-каталитических реакций первичных ароматических аминов с п-диметиламинокоричным альдегидом"

рр^ На правах рукописи

УДК 543.42.063

г- !)

ДОРОНИН Сергей Юрьевич

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ В АНАЛИЗЕ МИЦЕЛЛЯРНО-КАТАЛИТИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ ПЕРВИЧНЫХ АРОМАТИЧЕСКИХ АМИНОВ С П-ДИМЕГИЛАМИНОКОРИЧНЫМ АЛЬДЕГИДОМ

02.00.02 - аналитическая химия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата химиче:ких наук

САРАТОВ-1998

Работа выполнена на кафедре аналитической химии и химической экологии Саратовского ордена Трудового Красного Знамени государственного университета им. Н.Г.Чернышевского

Научные руководители; член-корр.РАЕН, доктор химических наук, профессор Р.К. ЧЕРНОВА акад. советник РАЕН, кандидат химических наук, доцент H.H. ГУСАКОВА

Официальные оппоненты: доктор химических наук,

профессор М.И. ЕВГЕНЬЕВ кандидат химических наук, доцент И.Г.ОСТРОУМОВ .

Ведущая организация: институт элементоорганических соединений

им.А.Н.Несмеянова РАН (ИНЭОС РАН), г.Москва

Зашита состоится " у " октября 1998 г, в £

часов на заседании специализированного Совета Д 063.74.04 по химическим наукам при Саратовском государственном университете по адресу: 410071, г.Саратов, ул.Астраханская 83, корпус 1, химический факультет.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Саратовского государственного университета.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим отправлять по адресу: 410071, г.Саратов, ул.Астраханская 83, корпус 1, химический факультет, ученому секретарю специализированного Совета, доценту Федотовой Ольге Васильевне.

1и

Автореферат разослан Ученый секретарь специализированного Совета, кандидат химических наук, доцент

августа 1998 г.

О.В. Федотова

ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Первичные ароматические амины (ПАА), отличаясь большим разнообразием свойств, нашли широкое применение как лекарственные препараты, красители, полупродукты тонкого органического синтеза, термо- и све-•тостабилизаторы, ингибиторы коррозии, кино- и фотоматериалы.

Негативной стороной практического использования этого класса соединений является достаточно высокая токсичность некоторых ПАА (величины ЛДК находятся в интервале 0,05 - 0,1 мкг/мл).

Фармакокинетические исследования, направленные на изучение поведения лекарственных препаратов класса ПАА в организме человека и животных, также основаны на определении десятых и сотых долей микрограммовых концентраций этих соединений в биологических жидкостях. Однако, известные в настоящее время аналитические методы без предварительного концентрирования не могут обеспечить определение указанного интервала концентраций ПАА.

Таким образом, актуальной является задача изыскания способов понижения предела обнаружения ПАА в объектах окружающей среды (ООС) и биологических средах.

Как было показано ранее в работах 'Р.К.Черновой и сотрудников, одним из эффективных путей понижения предела обнаружения ионов металлов в реакциях комплексообразования является введение в реакционную среду поверхностно-активных веществ (ПАВ). Однако этот подход не применялся к реакциям других типов, в частности, к реакциям образования Шиффовых оснований, лежащих в основе фотометрического определения ПАА.

В связи с изложенным, целью настоящего исследования явился поиск путей снижения предела обнаружения ПАА до уровня долей ПДК спектрофотометриче-ским методом применительно к ООС и биологическим жидкостям с помощью реакций мицеллярного катализа с участием поверхностно-активных веществ.

Научная новизна:

До настоящего исследования не были описаны и применены в анализе реакции мицеллярного катализа ПАА с альдегидами и ПАВ.

- На основании систематического исследования реакций взаимодействия ряда аминов с п-диметиламинокоричным альдегидом (ДМАКА) впервые показано образование в кисль!х средах хиноидной формы протонированного основания Шиффа (ОШ). Выявлено влияние заместителей в ароматическом кольце и в боковой цепи на аналитические эффекты реакций;

- Показана многофакторная роль ионов и мицелл АПАВ в исследуемых реакциях;

- Исследована кинетика модельной реакции взаимодействия анилина с ДМАКА и додецилсульфатом натрия (ДЦС); рассчитаны константы распределения исходных реактантов и продукта реакции между водной и мицеллярной фазами;

- Исследованы аналитические возможности изученных реакций. Найдены факторы, позволяющие снизить на порядок предел обнаружения ПАА. Разработаны методики определения долей микрограммовых концентраций токсичных аминов в ООС и лекарственных препаратов в биологических жидкостях.

Практическая значимость работы. Полученные результаты расширяют и углубляют знания об особенностях протекания реакций образования оснований Шиффа в присутствии ионов и мицелл АПАВ; расширяют представления об ионных парах и реакциях мицеллярного катализа; позволяют прогнозировать оптимальные аналитические условия для выполнения количественных определений ряда ПАА в различных объектах.

Разработаны высокочувствительные, селективные (по отношению к вторичным, третичным ароматическим и алифатическим аминам), экспрессные методики определения малых концентраций анилина и его летучих производных в воздухе. Разработаны тест-варианты определения токсичных производных анилина в воздухе. Л,-

Предложена методика определения микроколичеств токсичной примеси п-аминофенола в лекарственных формах, содержащих парацетамол. Методика внедрена в лабораторию внутрипроизводственного контроля лекарственных препаратов при НИИХимии СГУ.

Разработаны методики определения лекарственных аминов (церукала, новокаина, новокаинамида) в крови, слюне и органах животных при изучении их биотрансформации.

Положения, выносимые на защиту:

• Особенности образования ОШ на примере модельной реакции взаимодействия анилина с ДМАКА в кислых и щелочных средах;

• Связь между аналитическими эффектами и характером заместителей в ароматическом кольце и боковой цели исследуемых ПАА;

« Влияние анионов ДЦС на реакцию образования ОШ. Препаративное, термогравиметрическое, ИК- и ПМР-спектроскопическое доказательство образования ионного ассоциата 3-(п-диметиламмонийхинонимино)-1-аминофенил-1-пропен до-децилсульфата (ДАХДЦС);

« Результаты изучения мицеллярно-каталитической реакции в системе: анилин - ДМАКА - ДЦС;

• Оригинальные методики определения долей ПДК ряда токсичных аминов в ООС, долей микрограммовых концентраций лекарственных препаратов (церукал, новокаин, новокаинамид) в биологических жидкостях.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на Всероссийской конференции по квантовой химии, строению и реакционной способности моле-• кул (Лиманчик, 1994), IX Международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии "МКХТ-95" (Москва, 1995), V Международном симпозиуме "Kinetics in Analytical Chemistry" (Москва, 1995), Международной конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды" (Томск,

1995), Международном экологическом конгрессе (Воронеж, 1996), Втором международном симпозиуме "Chromatography and Spectroscopy in Environmental Analysis and Toxicology, (ISCSE'96)" (С.-Петербург, 1996), Межвузовских Черкессовских чтениях "Органические реагенты в аналитической химии" (Саратов, 1996), на VIII Российско-Японском симпозиуме по аналитической химии, "RJSAC'96" (Саратов,

1996), Всероссийской конференции по анализу объектов окружающей среды "Экоаналитика-96" (Краснодар, 1996), Международной конференции по аналитической химии (Москва, 1997), Всероссийской конференции молодых ученых "Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии" (Саратов, 1997), Региональной научно-практической конференции "Состояние и проблемы развития эколого-экономической системы Саратовской области" (Саратов, 1997), Международной научной конференции "Развитие научного наследия академика Н.И.Вавилова" (Саратов, 1997), итоговых научных конференциях СГУ (Саратов, 1995, 1997).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 25 работ: получен 1 патент РФ, 4 статьи, 20 тезисов докладов из них 10 тезисов Международных конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 172 страницах, включая введение, 5 глав, выводы, список литературы (246 источников) и приложение. Работа содержит 50 рисунков и 32 таблицы.

В первой главе представлен обзор литературы глубиной в 25 лет по методам определения первичных ароматических аминов в различных объектах. Показано, что одним из базовых методов определения ПАА является слектрофотометрия, широкому распространению которой способствуют хорошие метрологические характеристики метода и доступное оборудование. Во второй и последующих двух главах изложены результаты экспериментальных исследований, включая описание препаративно-аппаратурного оформления, выбор модели исследования, установление оптимальных условий и закономерностей изучаемых реакций, обсуждение результатов. В последней 5 главе приводятся методики количественного оп-

ределения некоторых ПАА в объектах техногенного и биологического происхождения. Далее следуют выводы. В приложении к диссертации также представлены акты использования аналитических методик.

Работа проводилась в соответствии с Координационным планом РАН по теме НИР N0 371.96 "Изучение механизма аналитических реакций разных типов в водных, неводных и мицеллярных средах для разработки высокоэффективных методов контроля за содержанием металлов, ПАВ, органических соединений в объектах окружающей среды". _______

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ В качестве основного органического . реагента применяли пара-диметиламинокоричный альдегид (ДМАКА). Объектами исследования явились первичные ароматические амины (ПАА) - анилин и его замещенные (табл.1). В работе применяли 26 представителей ПАВ основных типов (табл.2).

_Исследованные ПАА_

Таблица 1

о> J>"

DOCrv=-/

„J>

Анилин

Аминофенолы

Аминобензойные кислоты

Нитроанилины _Толуидины

Церукал

HJN-V x>-C0-NH-(CH¡):-N(C¡Hs)2- HCI

СНз Новокаинамид

0-NH-(CH2)r-í3(CíH6j2- HCI

Новокаин

(GHs)rN(C2H!)j ,нс|

Методы исследования: спектроскопические (УФ-, ИК-, ПМР- и видимая спектроскопия), электрохимические (рН-метрия), термогравиметрия, вискозиметрия, препаративные (синтез органических соединений и их элементный анализ), а также квантово-химические расчеты.

Электронные спектры поглощения исследуемых растворов регистрировали на спектрофотометрах СФ-46, "SPECORD М-40". Оптическую плотность растворов измеряли на фотоэлектроколориметрах КФК-2 и КФК-3. ИК-спектры регистрировали на спектрофотометре ИКС-29. ПМР-спектры регистрировали на ЯМР-спектрометре Varían ГГ-80. Значения рН контролировали с помощью рН-метров-миллиаольтметров типа "рН-121", "рН-673". Для отбора проб воздуха использовали аспиратор (модель 822, ТУ 64-1-862-82) со скоростью воздухозабора 0,1-20 л/мин.

Для отделения осадков использовали центрифугу типа WIROWKA MPW-6. Дери-ватограммы получали при помощи дериватографа марки ОД-ЮЗ, Каантово-химические расчеты проводили по методу РМЗ на компьютере марки IBM AT "Pentium".

Таблица 2

Исследованные ПАВ_

Тип ПАВ Класс соединений Общая формула

АПАВ 1) Алкилсульфаты 2) Разветвленные сложно-эфирные алкилсульфонаты счн 110 so in а n ао js-cjh -^н -so in а R 1-СН *СО О n в so in a r r 1« a ik

КПАВ 1) Соли алкилпиридиние-вых оснований 2) Соли четвертичных аммониевых оснований [CsH»N*-C,eHM]Cr [C,6H„-N'(CH,WBr'

НПА8 Оксиэтилированный поли-этиленгликоль (СН2-СНгО),0Н

ОСОБЕННОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ ОСНОВАНИЙ ШИФФА (ОШ) НА ПРИМЕРЕ МОДЕЛЬНОЙ РЕАКЦИИ АНИЛИНА С ДМАКА В КИСЛЫХ И ЩЕЛОЧНЫХ СРЕДАХ

Нами проведено систематическое исследование реакции взаимодействия анилина с ДМАКА при варьировании: концентрации реактантов, рН, ионной силы раствора, температуры и посторонних электролитов, направленное на установление принадлежности продукта реакции к основаниям Шиффа [10,19].

йч И V

>С = 0 ♦ Н^-Й! ••-». Н ¡0

Яг Я1

где R и R'=H, Alk, С6Н5...

На рис.1 представлены электронные спектры поглощения системы анилин - ДМАКА - рН, из которых видно, что продукту реакции отвечает малоинтенсивная полоса поглощения с А»,„с=520 нм, регистрируемая в интервале рН от 2 до 6.

Найдены оптимальные условия вышеуказанной реакции: цитратные буферные растворы; время развития окраски продукта реакции - 20 минут; Х«„с=520 нм; ионная сила раствора 0,1 - 0,4; температура - 20"С,

Л*

Рис.1, Электронные спектры поглощения

системы: ДМАКА - анилин - рН. Номер кривой соответствует значению рН.

1 .ЮМ.

Процессы, протекаемые в системе анилин - ДМАКА, могут быть описаны схемой 1. Показано, что электронодонорная диметиламиногруппа в пара-положении карбонильной компоненты, оказывая положительный мезомерный эффект, увеличивает основные свойства ОШ (I). Протонируемое в кислой среде ОШ (I) образует две резонансные структуры (II) и (III).

:)iN——НС=СН—СНО ♦ HiN—^ yj ¿z

^Л-llH'l

(HjC)II

•но

С-—■■■СМ1 НС»— 1

|Схема 1

л=\

В качестве ■ доказательства течения" реакции по схеме 1, нами осуществлен синтез интермедиата (I) в толуоле, проведена его идентификация методами термогравиметрии, ИК-, ПМР- и видимой ■ спектроскопии (табл.3), а также исследовано его поведение в водной среде.

Таблица 3

Экспериментальная брутто-формула Характеристические сигналы

ИК-спектра, см'1 ПМР-спектра, м.д.

Ci?HttNj 950,988 (CHR=CHR) 1660 (>C«N<) 2760-2850 (CHj-N<) 1320, 1370 |CHj)?-N< 8,18-8,27 (-CH=N-) 3,01 (-N(CH3)}) (9,53-9,63)-отсут. (-CHO)

Представленные в табл.3 данные однозначно доказывают принадлежность синтезированного продукта, отвечающего формуле I (1-(п-диметиламинофенил)-3-иминофенил-1 -пропен), к основаниям Шиффа.

Af На рис.2 представлены злектрон-

',2!-......' ные спектры поглощения продукта

(I) в различных средах.

В среде цитратного буферного раствора, а также на фоне 1000-кратного избытка анилина (подавление гидролиза) в спектре поглощения фиксируется полоса с А*,к=520 нм, аналогично рис.1, соответствующая наличию в растворе хиноидной формы пробованного ОШ (III).

! В качестве доказательства наличия в растворе формы (III) нами проведены квантово-химические расчеты методом РМЗ молекул нейтральной (I) и вероятных

; Рис.2. Спектры поглощения 0,01 ммоль/п ОШ (I): 1 « вода; 2 - цчтратный буферный раствор, ;3 -;в присутствии 0,01 М анилина; 4- 0,01 М №ОН

протежированных форм ОШ (¡1 и III). Полученные результаты расчета термодинамических характеристик соответствующих форм ОШ представлены в табл.4.

Таблица 4

Форма ОШ AHf, ккал/моль S, кал/моль AGf, ккал/моль

I 79.20 140.54 141.59

II 234.14 142.37 300.64

III 217.66 140.78 284.63

Анализ полученных результатов свидетельствует в пользу существования в

растворе преимущественно формы ОШ (III). Препаративное доказательство наличия в водном растворе этой формы приводится далее.

В водной (нейтральной) и щелочной средах (рис.2, кривая 1) ОШ (I) полностью гидролизуется до исходных анилина (Х«„с=280 нм) и ДМАКА (**а«с=400 нм). В связи с этим,полоса поглощения с Я„а«=520 нм в спектре отсутствует.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НЕКОТОРЫХ ПРОИЗВОДНЫХ АНИЛИНА С ДМАКА

С целью выявления некоторых общих закономерностей протекания исследуемой реакции, а также прогнозирования оптимальных условий ее проведения, изучено влияние заместителей различной природы, введенных в бензольное кольцо и в боковую цепь соответствующего ариламина (табл.5).

Таблица 5

Характеристики взаимодействия замещенных анилина с ДМАКА

Амин С|мии*> мМ NM Оптим. интервал pH Время уста-новл. равн., мин рК.

Анилин 0,1 520 3,5-4,5 15-20 4,58

Ом- Аминофенолы П- 0,5 520 3,5-4,5 15-20 4,72

0,1 525 3,2-4,2 15-20 4,17

0,1 515 3,7-4,9 50-60 5,50

0- м- Толуидины п- 0,5 505 3,4-4,4 15-20 4,39

0,1 525 3,5-4,5 15-20 4,69

0,1 520 3,7-4,9 25-30 5,12

0- м- Аминобенэой-ные кислоты п- 0,5 545 2,3-3.2 2-5 2,11

0,1 530 2,7-3,9 2-5 3,12

0,1 545 2,4-3,4 30-35 2,41

0- м- Нитроанилины п- - . . -0,29

0,5 540 2,5-3,5 25-30 2,50

0,5 560 1,7-2,7 5-10 1,02

Новокаин 0,5 550 2,4-3,4 25-30 -

Новокаинамид 0,5 545 2,4-3,4 25-30 -

Церукал 6,0 545 | 1,7-2,7 5-10 -

Установлено, что для каждого из исследуемых аминов (за исключением о-нитроанилина) характерно при взаимодействии с ДМАКА в среде цитратного буферного раствора (рН 2-6) образование окрашенных оснований Шиффа с 505-560 нм (табл.5). Окраска обусловлена наличием в растворе хиноидной прото-нированной формы соответствующего основания Шиффа. Однако в каждом случае имеются индивидуальные особенности, связанные с электронным строением исходного ариламина.

Так, введение электронодонорных заместителей (ОН-, СНг, особенно в пара-положение) в ароматическое кольцо ухудшает аналитические характеристики исследуемой реакции, что сопровождается снижением ее скорости и ухудшением контрастности. При этом оптимальное значение рН увеличивается. Введение элек-троноакцепторных заместителей (СООН-, N02-), напротив, улучшает аналитические характеристики реакции за счет увеличения ее скорости и контрастности при снижении оптимального значения рН. В отличие от существенного влияния заместителей в бензольном кольце, благодаря значительному изменению я-элек тронной системы ароматического ядра, введение заместителей в боковую цепь мало влияет на параметры изучаемой реакции.

Наличие в молекуле ПАА заместителя в орто-положении по отношению к аминогруппе, независимо от его природы, снижает скорость соответствующей реакции. Степень снижения скорости реакции увеличивается с ростом размера орто-заместителя. Введение электронодонорных и электроноакцепторных заместителей в ароматическое кольцо анилина приводит к изменению основных свойств аминогруппы ПАА, что сопровождается изменением соответствующих значений рК, сопряженной с основанием кисло-

ты. На основе полученных данных, нами впер-

р<о

! Рис.3. Корреляционная зависимость

рНот - рК.ит1:1 - теоретическая; I 2 - экспериментальная.

вые эмпирически установлена корреляционная зависимость между рН0ПТ исследуемых реакций и величинами рК, аминов:

РН от = (рК амина ' 3,18)/2 (3,18 - величина рК протонирования ДМАКА). Указанная зависимость позволяет прогнозировать оптимальные условия реакции взаимодействия ДМАКА с любым ПАА (рис.3). Так, чем меньше величина рК, определяемого амина, тем меньше величина оптимального лначения рН, быстрее устанавливается равновесие реакции, максимум поглощения продукта реакции лежит в более длинноволновой области спектра.

ВЛИЯНИЕ ИОНОВ ДДС НА РЕАКЦИЮ ОБРАЗОВАНИЯ ОШ

Исследования показали, что из всех типов ПАВ существенное улучшение аналитического эффекта реакции наблюдалось лишь в присутствии АПАВ.

Установлено, что введение в систему анилин - ДМАКА додецилсульфата натрия (ДДС) с концентрацией ниже ККМ, а также СЮ«" приводит к образованию твердой фазы - ионного ассоциата (продукт IV):

А" ♦ —СН=НС—ПН—

(HjC)jN

N===/^\==HC—CH=HC-

N==/ IV

-nh4D]

Элементный анализ и термогравиметрическое исследование ассоциата с ДДС показали, что его состав отвечает брутто-формуле [СгвН^ЫгЗО* + 5,5Н20). Результаты идентификации ассоциата с СЮ»' представлены в табл.6.

Таблица 6

Результаты Характеристические сигналы

термогравиметрии ИК-спектров. см-1 ПМР-спектров, м.д.

Конституционная влага отсутствует 1660 (>C=N-) отсутств, 1310-1360 ((CHj)2N)-отсутств. 3270-3510 (HNR,R3) 1140-1060 (СЮ,') -N(CH3b 3.16 (3.01) -CH=N-8 56-8 70 (8 18-8 27)

Примечание: в скобках указаны характеристичные сигналы протонов нейтральной молекулы ОШ (I)

Появление в ИК-спектре сигнала, характерного для вторичных аминов HNRtR2, а также смещение сигналов протонов диметиламиногруппы в слабое поле доказывают наличие в структуре ионного ассоциата хиноидной формы протониро-ванного ОШ (III) (схема 1).

Анализ поведения ионной пары (IV) в различных средах показал, что при концентрации (1-4) Ю'® М (в более концентрированных растворах присутствует твердая фаза) она подвергается гидролизу (сольволизу) до анилина (Х*м«с=280 нм) и ДМАКА (X*„c=400 нм) (рис.4).

Введение избытка анилина или ионов ДДС приводит к частичному подавлению гидролиза (рис.4, спектры 2 и 3; рис.5, спектр 1). При солюбилизации ионной пары в мицеллярную фазу (рис.5, спектр 2), гидролиз практически полностью подавляется, и в спектре превалирует полоса с 540 нм.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ МИЦЕЛЛ ДДС НА АНАЛИТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МОДЕЛЬНОЙ РЕАКЦИИ

Для понимания роли мицелл АПАВ в изучаемой реакции, предварительно нами исследовалось состояние ДМАКА в среде цитратного буферного раствора в отсутствие и присутствии АПАВ [1,5,11,16,23]. Слектрофотометрическим методом показано, что в кислой среде ДМАКА протонируется. /=\ ......

А Г

HjC, НзС'

,vH/=\ ............-VH

/V-СН-СН-С

so¡

К>

-сн-сн-с

Для доказательства данного типа протолитического равновесия нами проведен квантово-химический расчет некоторых термодинамических характеристик соответствующих протонированных форм методом РМЗ (табл.7).

Таблица 7

Результаты квантово-химических расчетов вероятных форм

Формы ДН(, S, AG i, Заряды на Одноэлек.

ДМАКА ккал/моль кал/моль ккал/моль атомах плотность

0 N 0 N

А -0.12 114.19 44.91 -.319 +.027 .012 .31

Б 159.31 116.66 208.25

В 157.94 116.87 206.82

Провести расчет формы ДМАКА (Г) не представлялось возможным. Однако результаты расчетов показали, что протонирование ДМАКА по азоту диметилами-ногруппы (Б) и по карбонильному атому кислорода (В) равновероятно (близкие значения дв, двух форм 208,25 и 206,82 ккал/моль), что позволяет предполагать наличие дипротонированной формы.

На рис.6 представлены электронные спектры поглощения ДМАКА в интервале рН от 1,0 до 6,0. Наличие изобестической точки при 315 нм свидетельствует о существовании двух равновесных форм (Х'м,с=280 нм и Я.:ма«=400 нм).

Рис.6. Электронные спектры поглощения Рис,7. График распределения форм ДМАКА в зависимости от рН, Номер кривой ДМАКА от рН. X - мольная доля ней-соответствует значению рН,_тральной молекулы (Я) и дикатиона (Я"). |

Спектрофотометрически была рассчитана величина рК дипротонирования ДМАКА, которая составила 3,18 ± 0,02. График распределения форм ДМАКА от рН представлен на рис.7, из которого следует, что при рН - 1,5 и менее ДМАКА полностью находится ы дипротонированной форме, а при рН - 5,0 и более - в виде нейтральной молекулы.

Таким образом, наличие мицелл ДДС в растворе, в силу электростатического взаимодействия между дипротонированной формой ДМАКА и ионами ДДС, приводит к локализации данной реакционноспособной формы альдегида преимущественно в мицеллярной фазе, что способствует увеличению скорости исследуемой реакции в мицеллах ДДС, а, следовательно, и увеличению выхода аналитической формы основания Шиффа.

Состояние анилина в водных растворах при различных значениях рН может быть описано протолитическим равновесием:

Проведенные нами потенциометрические исследования, направленные на расчет рКа анилина в присутствии ДДС до ККМ для оценки его кислотно-основных свойств (рис.8), показали, что ионы ДДС не оказывают существенного влияния на кислотно-основные свойства анилиния (без ДДС рКа=4,60 ± 0,02; в присутствии ионов ДДС - 4,66 ± 0,02).

рН

В противоположность влиянию ионов ДДС, в присутствии мицелл наблюдается эффект "кажущегося сдвига рК протонирования анилина", что сопровождается увеличением рК, до 5,30.

Процесс депротонирования анилина в присутствии мицелл ДЦС связан с особенностями солюбилизации этого соединения вглубь мицеллы за счет гидрофобного бензольного кольца. Нарушение переноса протона в мицеллярной фазе приводит к эффекту "депротонирования анилина".

Таким образом, в мицелле АПАВ происходит концентрирование на поверхности дипротониро-ванной формы ДМАКА и в глубине у ^ мицеллы нейтральной фс^шь!

Рис.8. Зависимость рН - V для

гидрохлорида анилина. Сддс: 1-0; 2- 1мМ; 3-10мМ.

анилина. Поскольку обе формы являются реакционноспособны-ми, и равновесие смещается в сторону их образования, скорость реакции в мицелле также резко возрастает.

В основу исследования кинетики реакции взаимсдействия анилина с ДМАКА в мицеллах ДДС положена кинетическая концепция мицеллярного катализа А.К.Яцимирского [Tetrahedron.- 1973.- Vol.29.- Р.963-969].

В случае равновесного распределения реагентов между водной и мицеллярной фазами наблюдаемая константа равновесия реакции в мицеллах ПАВ (К«*) саязана с константой равновесия в водной среде (К.) выражением:

1 + КабСпав

К™ «К.-, где: (1)

(1 + КаСпавК 1 + К6 Спав) Каб. К* и Кб - константы связывания продукта реакции и исходных реактантов в вод-но-мицеллярной системе соответственно. Константа распределения (Р) связана с константой связывания (К) соотношением: К = (Р- 1)V; V- мольный объем мицелл ДЦС.

Выполнение условия КабСпав>>1 в уравнении (1) позволило нам рассчитать соответствующие значения констант связывания и затем констант распределения сеактантов непосредственно из кинетических исследований реакции (табл.8). На основе данных табл.8, была рассчитана величина истинной константы равновесия реакции образования ОШ в мицеллярной среде по уравнению:

Км=КвРош/Р.НИпМ«'|,«мАКА„ которая составила 1,57103 М"\ что в 3,83 раза больше, чем в водной среде.

Таблица 8

Значения констант связывания (К) и распределения (Р) анилина, ДМАКА и ДАХДДС

К|нилин1 1 0 ) м-1 кдмака 10', М-1 Кдахддс 1 М'1 Р»м*л*м» Ю Рдмлкл Ю3 Рдлхадс'Ю5

2,1 ±0,5 2,9 ±0,7 9,1 ±1,1 0,81 ±0,05 1,00 ±0,02 3,1 ±0,6

8 табл.9 сопоставлены значения констант скоростей синтеза и гидролиза продукта исследуемой реакции, а также значения соответствующих истинных кон-

стант равновесия в водной и мицеллярной средах.

_Таблица 9

Среда

Вода Мицеллы ДДС

К, = (6,4 ± 0,2)106 мин"1 М"* к* = (:,-;±о,з)ю3 мин'-м"' КР„*'Ц4,0±0,2)Т02 М'1 К, = (6,9 ± 0,4) 10е мин'м"2 Kh = (1,5 ± 0,4)'103 мин'1 М"1 Кр„н = (1,6 ± 0,4) Ю3 М'1

Как видно из табл.9, соответствующие константы гидролиза имеют сопоставимые значения, а константа скорости образования ДАХДДС в мицеллах ДДС приблизительно в 1000 раз больше, чем константа скорости образования формы OIL! (Ill) в водной фазе. Вместе с тем, истинная константа равновесия в мицеллах ДЦС всего лишь в 3,8 раз больше соответствующей константы в водной среде.

Эффективность мицеллярного катализа в исследуемой реакции сводится к двум основным причинам: концентрирование реактантоэ (продукта реакции) в мицеллярной фазе и стабилизация мицеллами наиболее реакционноспособных форм реактантов (дипротонированная форма ДМАКА и нейтральная (депротонирован-ная) форма анилина). Результатом такого влияния мицелл АПАВ и является увеличение скорости исследуемой реакции.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

Результаты исследований реакций взаимодействия ПАА с ДМАКА в мицел-лярных средах АПАВ положены в основу разработанных методик фотометрического и тест-определения некоторых токсичных и лекарственных производных анилина в воздухе, биологических жидкостях, органах животных и токсичных примесей в лекарственных препаратах.

Особенностью разработанных методик является возможность определения долей ПДК токсичных аминов и, ранее не определявшихся фотометрически, микрограммовых концентраций лекарственных препаратов (новокаин, новокаинамид и церукал) в биологических объектах.

Определение анилина и его летучих производных (хлор-, метилзаме-щенные) в воздухе основано на их хемосорбции поглотительным раствором (ДМА-КА в цитратном буферном растворе) [6,7,14]. Результаты определения анилина в модельных воздушных смесях на уровне 1ПДК и 0,1 ПДК (0,01 мг/м3) представлены в табл.10.Погрешность определения не превышает 10%.

Таблица10

Результаты определения анилина с концентрацией уровня ПДК и ниже

С, мг/м1 А А - А|0ЭД А«о*<т0 в,

0,1 0,20 ±0,01 0,04 ± 0,01 0,17 + 0,01 0,168 0,04

! о,01 0,07 ±0,01 0,03 ±0,01 0,05 ± 0,01 0,05 0,08

Высокая контрастность реакции позволила разработать тест-вариант определения токсичных и лекарственных ПАА в воздухе селитебных и внутрипроизводственных территорий [13,18,21,24,25]. Способ основан на применении индикаторных трубок со стеклянным носителем, пропитанным реакционной- смесью, через которые аспирируется анализируемый воздух. Содержание компонента воздушной смеси находится по цветовой шкале. Тест-вариант позволяет фиксировать превышение ПДК в воздухе непосредственно в месте отбора проб без применения лабораторного оборудования (предел обнаружения для анилина составляет 0,01 мг/м3).

Определение лекарственных аминов в биологических жидкостях является актуальной задачей для индивидуального дозирования с целью снижения вероятных побочных эффектов [2-4,8,9,14,15,17]. В табл.11 и 12 представлены результаты определения церукала в донорской крови и жидкости ротовой полости. Как видно из данных таблиц, погрешность определения не превышает 10 % при введении микрограммовых количеств церукала.

Таблица 11

Группа Церукал, мкг

крови Введено Найдено

30,00 28,2 + 0,9 0,10

0(1)ЯИ<+) 30,00 29,1 ±0,6 0,04

Примечание: время контакта препарата с кровью от 1 до 1200 минут

Таблица 12

№ реце-пиента Церукал, мкг Б,

Введено Найдено

1. 100,00 99,2 ±0,5 0,03

2. 100,00 104 ±1 0,07

3. 100,00 98,7 ±0,7 0,04

4, 100,00 101,3 ± 0,9 0,06

В табл.13 представлены результаты определения новокаинамида в органах крыс 8 зависимости от срока переживания [3]. Полученные результаты показали, что при отравлениях новокаинамидом отмечается четкая взаимосвязь 3 факторов: дозы, времени переживания и количества новокаинамида, обнаруженного во внутренних органах, что важно для решения вопросов о передозировке новокаинамида при лечении больных.

Таблица 13

Доза, мг/кг Орган Сроки переживания, ч

1 | 3 | 6 | 12 ! 24

Концентрация новокаинамида, мг/100 г

10 Печень Сердце Кровь 0,45 г 0,03 0,80 г 0,05 0,25 ± 0,01 0.18 ±0,02 0,18 * 0,02 0,10 + 0.01 0,15 ± 0,01 0,15 ±0,01 - -

200 Печень Сердце Кровь 3,80 ±0,08 4,80 ± 0,05 3,60 ±0,03 3,40 ±0,04 6,70 ±0,07 2.20 ±0,05 3,10 ±0,03 6,60 ± 0,07 1,50 ±0,06 1,60 ±0,04 3,50 ± 0,05 0,30 ±0,02 0,20 ±0,01 0,50 ±0,02

500 Печень Сердце Кровь 4,50 ±0 06 5,701 0,09 4,90 ±0,03 5.80 ±0,06 7.30 ; 0,07 4,40 ±0,05 6,80 ± 0,08 10,80 1 0,09 4,20 ±0.03 4,50 ±0,04 12,50 10,05 3,40 ±0,04 2,60 ±- 0,02 5,00 г 0,05 0,70 ±0,01 I

Определение токсичной примеси п-аминофенопа (АФ) в парацетамоле. Результаты определения содержания АФ в парацетамоле разработанным способом представлены в табл.14 [22). Правильность контролировали методом добавок. Было установлено, что содержание АФ а парацетамоле удваивается каждые 4 года хранения.

Таблица 14

Содержание АФ (%) на 1996 год в таблетках парацетамола

Завод-изготовитель Год Срок Просро- Содержание

изготовления годности чено, годы АФ, %

Борисовский химфарм- 1981 1984 12 0,032 ± 0,004

эавод 1985 1988 8 0,015 ±0,001

1989 1992 4 0,006 ± 0,001

Курский комбинат ле- 1991 1994 2 0,01810,003

карственных средств 1995 1998 - 0,015 ±0.002

"Лубныфарм" 1993 1996 - 0,015 ±0,001

Томский химфэрмзавод 1994 1997 ■ 0,012 ±0,003

"Тэтяимфэрмпрепэрэты" 1994 1997 ■ 0,018 ± 0,004

Наполнители а таблетках парацетамола (тальк, глюкоза и крахмал) количественному фотометрическому определению АФ не мешают. Следует отметить селективность реакции по отношению к алифатическим, вторичным и третичным ароматическим аминам,'а также соединениям других классов.

выводы

1. Впервые исследована и применена для определения первичных ароматических аминов на уровне долей ПДК в различных объектах мицеллярно-каталитическая реакция образования Шиффовых оснований.

2. Исследованы особенности образования оснований Шиффа при взаимодействии анилина с пара-диметиламинокоричным альдегидом (ДМАКА). Обоснованы оптимальные условия протекания исследуемой модельной реакции с учетом про-толитических равновесий реактзнтов в водной среде.

3. Методами ИК-, ЛМР-слектроскопии, элементного анализа и термогравиметрии доказано образование в качестве конечного продукта конденсации анилина с ДМАКА в водной среде хиноидной протонированной . формы ОШ (3-(п-диметиламмонийхинонимино)-1-аминофенил-1-пропена).

4. Установлена связь между характером заместителей 15 про-яеодиых анилина и химико-аналитическими характеристиками исследуемой реакции. Выведено корреляционное уравнение рНош - рК.,,*«,, позволяющее прогнозировать оптимальное значение рН исследуемой реакции для соответствующего амина.

5. На примере додецилсульфата натрия (ДДС), показана многофакторная роль ионов и мицелл анионных ПАВ в исследуемой реакции: образование труднорастворимых ионных ассоциатов ДДС с протонированной хиноидной формой ОШ (IV) до ККМ и концентрирование в мицеллах ДДС соответствующих форм исходных компонентов.

5. Впервые синтезирован ионный ассоциат 3-(п-диметиламмонийхинонимино)-1-аминофенил-1-пропен додецилсульфат (ДАХДДС). Методами термогравиметрии, элементного анализа, ИК- и ПМР-спектроскопии установлен состав и строение полученного продукта. Показана его роль в снижении предела обнаружения определяемых аминов по предложенной реакции.

7. Исследована кинетика мицеллярно-каталитической реакции анилина с ДМАКА Рассчитаны константы распределения анилина, ДМАКА, ДАХДДС, равные соответственно: 610, 1000 и 3100000; константы равновесия реакции в водной и ми-целлярной фазах.

8. Разработаны методики селективного визуального и фотометрического определения токсичных ПАА на уровне долей ПДК (предел обнаружения анилина - 10 нг/мл) в объектах окружающей среды и, ранее не определявшихся фотометрически, микрограммовых концентраций лекарственных аминов в биологических субстратах (кровь, жидкость ротовой полости, органы животных).

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Чернова Р.К., Доронин С.Ю., Гусакова H.H. Влияние анионных ПАВ на кинетику взаимодействия некоторых фенолов с альдегидами // Конфер. по квант, химии, строению и реакционной способности молекул. Лиманчик, 10-17 сентября, 1994: Тез. докл.- М.: ИХФ РАН, 1994.. С.136.

2. Патент 2070720 Россия. 'МПК 6 G 01 N9 21/78, 35/78. Заявл. 04.02.94, №94004051. Способ количественного определения церукала / Чернова Р.К., Гусакова H.H., БендерК.И., Борисова Г.М., МавринА.В., Доронин СЮ,-Опубл. 20.12.96,- 24 е.- Бюлл. изобрет., 1996,- N 35.

3. Современные методы определения новокаинамида в органах животных / Чернова Р.К., Гусакова H.H., Доронин С.Ю., Маврин A.B., Кораллова Е.В.; Саратов, унт,- Саратов, .1995,- 35 е.; 6 табл.- Библиогр.; 15 назв.- Рус.- Деп. в ВИНИТИ 15.08.95, N2443-B95.

4. Современное состояние аналитической химии церукала / Чернова Р.К., Гусакова H.H., Доронин С.Ю., Маврин A.B.; Саратов, ун-т,- Саратов, 1995,- 14 е.; табл.- Библиогр.: 17 назв.- Рус,- Деп. в ВИНИТИ 12.09.95, N2545-B95.

5. Chernova R.K., Doronin S.Yu. and Gusakova N.N. Micellar-Catalytic Reactions of Aminophenols with p-Dimethilaminocinnamafdehyde. The Application in Analysis II The fifth Int. Symp. on Kinetics in Analyt. Chemistry (CAS'95). Moscow, Russia, Sept. 25-28, 1995: Programme and Abstr.- Moscow State University by M.V. Lomonosov, 1995,-L5.

6. Методы контроля загрязнения объектов окружающей среды анилином и его нит-ропроизводными / Р.К.Чернова, H.H. Гусакова, С.Н. Еременко, С.Ю. Доронин // Междун. конф. "Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды". Томск, 12-16 сентября, 1995: Тез, докл,-Томск, ТГУ, 1995,-С.119.

7. Фотометрическое определение анилина и его мононитропроизводных с п-диметиламинокоричным альдегидом I Р.К.Чернова, H.H.Г усакова, С.Н.Еременко,

С.Ю.Доронин //Изв. Вузов. Химия и химическая технология.- 1996.- Т.39, вып.6,-С,33-35.

8. Аналитические возможности реакций мицеллярного катализа лекарственных производных n-аминобензойной кислоты с п-диметиламинокоричным альдегидом I Р.К. Чернова, С.Ю. Доронин, Н.Н. Гусакова, А.В. Маврин. // IX Междун. конф. мол. ученых по химии и химич. технол. "МКХТ-95", Москва, 15-16 декабря, 1995.: Тез. докл.- М.: РХТУ,-1995,- 4.2,- С 81.

9. Analytical Control Over Environmental Objects at Manufacture of Nitrogenated Drugs / Natalia N. Gusakova, Rlmma K. Chernova, Svetlana N. Yeremenko, Sergey Vu. Doronin, Alexey V. Mavrin II Int. Ecological Congress. Voronezh, Russia, September 22-28, 1996.: Proceedings and Abstr.- Manhattan, Kansas, USA.: Kansas State University.- 1996.- P.33-34.

Ю.Доронин С.Ю., Гусакова H.H., Яковлева H.A. Синтез и химико-аналитические характеристики оснований Шиффа на основе производных анилина и п-диметиламинокоричного альдегида II Орган, реагенты. Синтез, изучение, применение: Тез. докл. Черкессовских чтений. Саратов, 23-24 февраля, 1996,-Саратов: Изд-во Саратовск. пед. ин-та, 1996 -С.42.

П.Чернова Р.К., Гусакова Н.Н., Доронин С.Ю. Изучение мицеллярно-каталитической реакции новокаина с некоторыми альдегидами II Орган, реагенты. Синтез, изучение, применение: Тез. докл. Черкессовских чтений. Саратов, 2324 февраля, 1996,- Саратов: Изд-во Саратовск. пед. ин-та, 1996„т.С.49.

12.Чернова Р.К., Гусакова Н.Н., Доронин С.Ю. Спектрофотометрическое определение новокаинамида в органах животных II Орган, реагенты. Синтез, изучение, применение: Тез. докл. Черкессовских чтений. Саратов, 23-24 февраля, 1996.-Саратов: Изд-во Саратовск. пед. ин-та, 1996,- С.48.

13.ChernovaR.K„ Gusakova N.N. and Doronin S.Yu, Test-method for Determination of Aniline and Some Its Derivatives In Air II The 2nd Int. Symp. "Chromatography and Spectroscopy in Environmental Analysis and Toxicology" (ISCSE'96). St.Petersburg, Russia, June 18-21, 1996: Programme and Abstr.- St.Petersburg State University, 1996,- P1b-13.

14.Gusakova N.N., Doronin S.Yu. Spectrophotometric Determination of Aniline and Its o-, m-, p-Oxi and Nitroderivatives in Self-Assembled Micellar Media II The 8th Russian-Japan Joint Symp. on Anal. Chem. RJSAC'96. Moscow and Saratov, Russia, Aug. 26-31, 1996: Proceedings.-Saratov State University, 1996,- P-32.

15.Чернова Р.К., Гусакова Н.Н., Доронин С.Ю. Спектрофотометрическое определение новокаина в биологических объектах // Тез. докл.: Всерос. конф. по анализу объектов окруж. среды "Экоаналитика-96". Краснодар. 29 сентября - 4 октября, 1996.-С.269.

16.Chemova R., Gusakova N.. Doronin S. On the Nature of Analytical Effects in Schiffs Base and Anionic Surfactant Solutions II Int. Congress on Analytical Chemistry. Moscow, Russia, June 15-21, 1997: Abstr.- Moscow State University, 1997,- D3.

17.Chernova R., Gusakova N.. Doronin S., Mavrin A. Identification and Determination of Some Anti-Diabetic Medicines II Int. Congress on Analytical Chemistry. Moscow, Russia, June 15-21,1997: Abstr.- Moscow State University, 1997,-P33.

18.Chernova R., Gusakova N.. Yeryomenko S., Doronin S. Indicator Tubes for Determination of Some Organic Aminocompounds It Int. Congress on Analytical Chem. Moscow, Russia, June 15-21,1997: Abstr.-Moscow State University, 1997.- K4.

19.Доронин С.Ю., Яковлева E.O., Гусакова H.H. Гидролиз оснований Шиффа в водной и мицеллярной средах II Всерос. конф. молодых ученых "Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии". Саратов, 25 - 26 июня, 1997: Тез. докл.- Саратов.: СГУ, 1997,- С.172.

20.Доронин С.Ю., Яковлева Н.А., Гусакова Н.Н. Ионные ассоциаты оснований Шиффа и анионных ПАВ. Синтез и применение в анализе II Всерос. конф. молодых ученых "Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии". Саратов, 25 - 26 июня, 1997: Тез. докл.-Саратов.: СГУ, 1997,-С. 173.

21.Экспресс-метод идентификации лекарственных форм, содержащих первичную аминогруппу / И.В.Зинина, С.Ю.Доронин, С.Н.Еременко, Н.Н.Гусакова II Всерос. конф. молодых ученых "Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии".Саратов, 25-26 июня,1997: Тез.докл.-Саратов.:СГУ, 1997,- С.174.

22.Доронин С.Ю., Яковлева Н.А., Гусакова Н.Н. Фотометрический метод анализа парацетамола на содержание примеси п-аминофенола. И Всерос. конф. молодых ученых "Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии". Саратов, 25 - 26 июня, 1997: Тез. докл.- Саратов.: СГУ, 1997,- С. 176.

23.Доронин С.Ю., Чернова Р.К., Гусакова Н.Н. Особенности образования оснований Шиффа в мицеллах АПАВ // Новые достижения в органической химии: Сб. науч. трудов,- Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1997,- С.89-90.

24.Аналитический контроль за содержанием некоторых токсикантов в объектах окружающей среды I Р.К. Чернова, Л.М. Козлова, С.Ю. Доронин, Н.Н. Гусакова,

Н.И.Ястребова II Региональная научно-практическая конф. "Состояние и проблемы развития эколого-экономической системы Саратовской области". Саратов, 3-4 июня, 1997: Тез. докл.- Саратов: Изд-во Сарат. техн.ун-та,1997.-С.203.

25.Контроль за содержанием анилина в воздухе селитебных территорий / Р.К.Чернова, С.Ю.Доронин, Н.Н.Гусакова, О.Л.Симбукова II Межд. науч. конф. "Развитие научного наследия академика Н.И.Вавилова". Саратов, 25-27 ноября, 1997: Тез. докл.- Саратов.: Саратовская государственная сельскохозяйственная академия, 1997.-С.275-277.

Автор выражает глубокую признательность и благодарность научным руководителям: член-корр.РАЕН, доктору химических наук, профессору Р.К.Черновой; акад. советнику РАЕН, кандидату химических наук, доценту Н.Н.Гусаковой.

Автор также выражает благодарность профессору, доктору медицинских наук

[(.И.Бендеру за. оказанную помощь в предоставлении биологического материала;

профессору, доктору химических наук А.П.Кривенько за предоставление возможно—.— .

сти постановки экспериментальных работ по ЯМР-спектроскопии; профессору, доктору химических наук А.Н.Панкратову за консультации при выполнении квэнтово-химических расчетов,

Ответственный за выпуск проф., д.х.н. А.Н.Панкратов,

Заказ 65

Офсетная лаборатория СГТУ, г.Саратов

Тираж 100

Текст научной работы диссертации и автореферата по химии, кандидата химических наук, Доронин, Сергей Юрьевич, Саратов

САРАТОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Н.Г.ЧЕРНЫШЕВСКОГО

На правах рукописи

ДОРОНИН Сергей Юрьевич

УДК 543.42.063

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ В АНАЛИЗЕ МИЦЕЛЛЯРНО-КАТАЛИТИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ ПЕРВИЧНЫХ АРОМАТИЧЕСКИХ АМИНОВ С П-ДИМЕТИЛАМИНОКОРИЧНЫМ АЛЬДЕГИДОМ

02.00.02 - аналитическая химия

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научные руководители: член-корр. РАЕН, доктор химических наук, профессор Р.К.ЧЕРНОВА; акад.советник РАЕН, кандидат химических наук, доцент Н.Н.ГУСАКОВА

Саратов -1998

Работа выполнена на кафедре аналитической химии и химической экологии Саратовского ордена Трудового Красного Знамени государственного университета имени Н.Г.Чернышевского

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ................................................5

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................................7

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЕРВИЧНЫХ АРОМАТИЧЕСКИХ АМИНОВ.........11

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.......................................................................................29

ГЛАВА 2. ВЫБОР МОДЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЯ. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ В СИСТЕМЕ

АНИЛИН - П-ДИМЕТИЛАМИНОКОРИЧНЫЙ АЛЬДЕГИД.................................29

2.1. Условия проведения эксперимента, реактивы, аппаратура.........................29

2.2. Влияние различных факторов на реакцию взаимодействия анилина

с ДМАКА............................................................................................................33

2.2.1. Состояние ДМАКА и анилина в цитратных буферных растворах.........37

2.2.2. Влияние рН, концентрации реактантов, ионной силы раствора, температуры и посторонних электролитов на реакцию взаимодействия анилина с ДМАКА.....................................................................48

2.3. Особенности реакции анилина с ДМАКА.......................................................53

2.4. Синтез и исследование продукта реакции ДМАКА с анилином...................56

2.5. Кинетика образования ОШ в водных средах.................................................69

2.5.1. Вывод общего кинетического уравнения................................................69

2.5.2. Определение констант скоростей реакции образования и гидролиза ОШ...........................................................................................71

2.5.3. Расчет константы равновесия реакции..................................................72

ГЛАВА 3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НЕКОТОРЫХ ПРОИЗВОДНЫХ АНИЛИНА С ДМАКА

(ОН- СНз- СООН-, 1Ч02-ЗАМЕЩЕННЫХ АНИЛИНА, НОВОКАИНА,

НОВОКАИНАМИДА И ЦЕРУКАЛА)....................................................................76

Глава 4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ В СИСТЕМЕ: АНИЛИН - ДМАКА - ПАВ............................90

4.1. Спектрофотометрическое изучение влияния различных типов ПАВ на реакцию взаимодействия анилина с ДМАКА. Выбор оптимального типа ПАВ..........................................................................................................90

4.2. Влияние ионов и мицелл ДДС на состояние ДМАКА и анилина в цитратных буферных растворах....................................................................95

4.3. Взаимодействие ионов и мицелл ДДС с продуктом реакции анилина

с ДМАКА.........................................................................................................102

4.4. Синтез, идентификация и исследование поведения ионной пары

ДАХДДС в различных средах.....................................................................105

4.5. Кинетика образования ионной пары ДАХДДС в мицеллярных средах...112

4.5.1. Определение констант скоростей реакции образования ДАХДДС.............................................................................................112

4.5.2. Определение констант скоростей гидролиза ДАХДДС..................116

4.5.3. Расчет константы равновесия реакции образования ДАХДДС....118

4.5.4. Определение констант распределения и констант связывания реагентов между водной и мицеллярной фазами.........................119

Глава 5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.........................125

5.1. Методика фотометрического определения церукала в биологических жидкостях..........................................................................................126

5.2. Определение анилина и его летучих производных в воздухе.................130

5.2.1. Исследование зависимости концентрации анилина в парах

во времени........................................................................................132

5.2.2. Оценка степени поглощения анилина.............................................132

5.2.3. Тест-метод определения некоторых ПАА в воздухе селитебных и внутрипроизводственных территорий...........................135

5.3. Методика количественного определения новокаина в крови.................135

5.4. Определение новокаинамида в органах животных..................................136

5.5. Определение примеси п-аминофенола в парацетамоле........................140

ВЫВОДЫ...........................................................................................................................143

ЛИТЕРАТУРА....................................................................................................................145

ПРИЛОЖЕНИЕ.................................................................................................................168

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

А - светопоглощение или оптическая плотность

С - концентрация, моль/л

Среаг - концентрация реагента, моль/л

X - длина волны, нм

п - число опытов

(I - ионная сила раствора

I - длина светопоглощающего слоя

Тш - температура плавления

бм - коэффициент молярного поглощения, л моль^ см"1 К - константа равновесия реакции

кв8 и км5 - константы скорости образования продукта реакции в водной и ми-целлярной фазах соответственно

и - константы скорости гидролиза продукта реакции в водной и мицел-лярной фазах соответственно

рН - показатель ионов водорода: рН = - 1д[Н+] АА - ароматические амины ВС - водородная связь

ВМВС - внутримолекулярная водородная связь

ВЭЖХ - высокоэффективная жидкостная хроматография

ГГ - градуировочный график

ГЖХ - газожидкостная хроматография

ГХ - газоадсорбционная хроматография

ДМАБА - п-диметиламинобензальдегид

ДМАКА - п-диметиламинокоричный альдегид

ДОС - диапазон определяемых содержаний

ИОХ - ионообменная хроматография

ИХ - ионная хроматография

ЖХ - жидкостная хроматография

ИА - ионный ассоциат

ИП - ионная пара

ОШ - основание Шиффа

ОШДДС - ионная пара основания Шиффа и додецилсульфата натрия

ПАА - первичные ароматические амины

ПДК - предельно-допустимая концентрация

ПИА - проточно-инжекционный анализ

ПрО - предел обнаружения

ТСХ - тонкослойная хроматография

ТХУК - трихлоруксусная кислота

ЭМА - электрохимические методы анализа

Исследуемые амины

АФ - аминофенол

НА -нитроанилин

АБК - аминобензойная кислота

Т-толуидин

Растворители

ЕЮН - этанол ¡-РЮН - изопропанол н-БС - н-бутанол 1-БС - изобутанол ТМК - триметилкарбинол н-АС - н-амиловый спирт РЖ - бензол РЬМе - толуол

Поверхностно-активные вещества ПАВ - поверхностно-активные вещества АПАВ - анионные поверхностно-активные вещества ДДС - додецилсульфат натрия

ККМ - критическая концентрация мицеллообразования КПАВ - катионные поверхностно-активные вещества НПАВ - неионные поверхностно-активные вещества ЦПХ - хлорид цетилпиридиния

ОП-Ю - оксиэтилированный полиэтиленгликоль (НПАВ)

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Первичные ароматические амины (ПАА), отличаясь большим разнообразием свойств, нашли широкое применение как лекарственные препараты, красители, полупродукты тонкого органического синтеза, термо- и светостаби-лизаторы, ингибиторы коррозии, кино- и фотоматериалы.

Негативной стороной практического использования этого класса соединений является достаточно высокая токсичность некоторых ПАА (величины ПДК находятся в интервале 0,05 - 0,1 мкг/мл) [1-5].

Как было показано ранее в работах Р.К.Черновой и сотрудников [6], одним из эффективных путей понижения предела обнаружения ионов металлов в реакциях ком-плексообразования является введение в реакционную среду поверхностно-активных веществ (ПАВ). Однако этот подход не применялся к реакциям других типов, в частности, к реакциям образования Шиффовых оснований, лежащих в основе фотометрического определения ПАА.

В связи с изложенным, целью настоящего исследования явился поиск путей снижения предела обнаружения ПАА до уровня долей ПДК спектрофотометрическим методом применительно к ООС и биологическим жидкостям с помощью реакций ми-целлярного катализа с участием поверхностно-активных веществ.

Научная новизна:

- На основании систематического исследования реакций взаимодействия ряда аминов с п-диметиламинокоричным альдегидом (ДМАКА) впервые показано образование в кислых средах хиноидной формы протонированного основания Шиффа (ОШ).

Выявлено влияние заместителей в ароматическом кольце и в боковой цепи на аналитические эффекты реакций;

- Показана многофакторная роль ионов и мицелл анионных ПАВ (АПАВ) в исследуемых реакциях;

- Исследована кинетика модельной реакции взаимодействия анилина с ДМАКА и додецилсульфатом натрия (ДДС); рассчитаны константы распределения исходных реакгантов и продукта реакции между водной и мицеллярной фазами;

Практическая значимость работы. Полученные результаты расширяют и углубляют знания об особенностях протекания реакций образования оснований Шиффа в присутствии ионов и мицелл АПАВ; расширяют представления об ионных парах и реакциях мицеллярного катализа; а также позволяют прогнозировать оптимальные аналитические условия для выполнения количественных определений ряда ПАА в различных объектах.

Положения, выносимые на защиту;

• Связь между аналитическими эффектами и характером заместителей в ароматическом кольце и боковой цепи исследуемых ПАА;

• Влияние анионов ДДС на реакцию образования ОШ. Препаративное, термогравиметрическое, ИК- и ПМР-спектроскопическое доказательство образования ионного ассоциата 3-(п-диметиламмонийхинонимино)-1-аминофенил-1-пропен додецил-сульфата;

• Результаты изучения мицеллярно-каталитической реакции в системе: анилин -ДМАКА-ДДС.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на Всероссийской конференции по квантовой химии, строению и реакционной способности молекул (Ли-манчик, 1994), IX Международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии "МКХТ-95" (Москва, 1995), V Международном симпозиуме "Kinetics in Analytical Chemistry" (Москва, 1995), Международной конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды" (Томск, 1995), Международном экологическом конгрессе (Воронеж, 1996), Втором международном симпозиуме "Chromatography and Spectroscopy in Environmental Analysis and Toxicology, (ISCSE'96)" (С.-Петербург, 1996), Межвузовских Черкессовских чтениях "Органические реагенты в аналитической химии" (Саратов, 1996), на VIII Российско-Японском симпозиуме по аналитической химии, "RJSAC'96" (Саратов, 1996), Всероссийской конференции по анализу объектов окружающей среды "Экоаналитика-96" (Краснодар, 1996), Международной конференции по аналитической химии (Москва, 1997), Всероссийской конференции молодых ученых "Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии" (Саратов, 1997), Региональной научно-практической конференции "Состояние и проблемы развития эколого-экономической системы Саратовской области" (Саратов, 1997), Международной научной конференции "Развитие научного наследия академика Н.И.Вавилова" (Саратов, 1997), итоговых научных конференциях СГУ (Саратов, 1995, 1997).

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 172.страни-цах, включая введение, 5 глав, выводы, список литературы (246 источников) и приложение. Работа содержит 50 рисунков и 32 таблицы.

В первой главе представлен обзор литературы глубиной в 25 лет по методам определения первичных ароматических аминов в различных объектах. Показано, что одним из базовых методов определения ПАА является спектрофотометрия, широкому распространению которой способствуют хорошие метрологические характеристики метода и доступное оборудование. Во второй и последующих двух главах изложены результаты экспериментальных исследований, включая описание препаративно-аппаратурного оформления, выбора модели исследования, установление оптимальных условий и закономерностей изучаемых реакций, обсуждение результатов. В последней 5 главе приводятся методики количественного определения некоторых ПАА в объектах техногенного и биологического происхождения. Далее следуют выводы. В приложении к диссертации также представлены акты использования аналитических методик.

1. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЕРВИЧНЫХ АРОМАТИЧЕСКИХ АМИНОВ

Анализ литературных данных глубиной в 25 лет показал, что определению первичных ароматических аминов (ПАА) посвящено более 155 работ. Для этих целей применялись хроматографические [7-69], спекгрофотометрический [70-127], флуори-метрический [128-137], электрохимические [138-145], а также масс-спектрометрический [146-149], титриметрический [150-153], проточно-инжекционный [154-156], кинетические [157-159], ИК-, УФ и ЯМР-спекгроскопические [160-162; 163165; 166] методы анализа (Рис. 1.1).

Спектрофото-метрия

Флуориметрия

Хроматография

40%

Электрохимические методы анализа

Прочие методы

Рис. 1.1. Диаграмма распределения публикаций по методам

определения ПАА.

Как видно из рисунка, наибольшее число публикаций посвящено хроматогра-фическому и спектрофотометрическому методам определения ПАА. Значительно менее распространены флуориметрия и электрохимические методы анализа. Единичные работы выполнены по определению ПАА такими физическими методами как масс-спектрометрия, ЯМР и некоторыми физико-химическими (УФ-, ИК-спекгроскопия, проточно-инжекционный анализ и др.).

Основные метрологические характеристики существующих методов определения ПАА сведены в таблицу 1.1. Проведем ее анализ.

Основные метрологические характеристики существующих методов определения ПАА

N Предел Диап. Пог- Время Анализируемые

п/п Метод обнаружения опре-дел. содерж. решность анализа Амины

1 2 3 4 5 6 7

Толуидины, п-аминофенол,

м-толуилендиамин, п-фенилен-

диамин, анилин, 2,4-динитроанилин,

циклогексиламин, гексиламин, дибу-

тиламин, бензидин, м-толуилен,

(0,05 - от 0,4 до диален, 4-аминобифенил, 4-

1. ВЭЖХ 1-10 нг 0,15) мкг/л 2 часов аминоазобензол; аминофенолы, фенилгидроксиламин, 2-нафтил-амин, хлоранилины, 2-антра-ценамин, 3,4- и 3,5-дихлоранилины, 2-аминоантрахинон, рекомендуется для определения более 20 производных анилина (галоген-, нитро- и алкилзамещенных)

Анилин, метил- и диэтиланилин, бен-

2. тех (0,2-0,6) мкг (1 -10) мкг не более 6% (20 - 40) минут зидин, 1-нафтиламин, дифениламин, аминофенолы; рекомендуется для определения других ПАА, производных анилина

не бо- Анилин; рекомендуется для опреде-

3. ЖХ 4 млрд"1 (0,2-2) лее от 10 до ления различных алкиламинов, mo-

мкг 10% 30 минут ho- и дизамещенных анилина и других ПАА

Анилин, толуидины, п-хлоранилин, п-

4. ГЖХ 0,5 нг не более 10% от 0,5 до 1,5 часов броманилин, 3,4-дихлоранилин, 3-хлор-4-броманилин, аминофенолы, п-аминобензо�