WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

Pages:     || 2 |

«ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ СОСТАВ ГУМУСОВЫХ КИСЛОТ: ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ВЗАИМОСВЯЗЬ С РЕАКЦИОННОЙ СПОСОБНОСТЬЮ ...»

-- [ Страница 1 ] --

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени М. В. Ломоносова

ХИМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

УДК 547.992.2

Данченко Наталья Николаевна

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ СОСТАВ ГУМУСОВЫХ КИСЛОТ:

ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ВЗАИМОСВЯЗЬ С РЕАКЦИОННОЙ

СПОСОБНОСТЬЮ

02.00.03 – Органическая химия 11.00.11 – Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов Научные руководители:

доктор химических наук

, профессор В. С. Петросян кандидат химических наук И. В. Перминова Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук Москва-

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1.1. Общая характеристика гумусовых кислот

1.2. Элементный состав гумусовых кислот и методы его определения.......... 1.2.1. Характеристика элементного состава гумусовых кислот

1.2.2. Определение элементного состава ГФК

1.3. Функциональный состав гумусовых кислот и методы его исследования

1.3.1. Краткая характеристика функционального состава гумусовых кислот

1.3.2. Методы определения функциональных групп ГФК, основанные на химической модификации

1.3.3. Методы определения кислотных функциональных групп ГФК, основанные на нейтрализации сильными и слабыми основаниями............. 1.4. Протолитические свойства гумусовых кислот и способы их описания

1.5. Взаимодействие гумусовых кислот с тяжелыми металлами

1.5.1. Механизмы взаимодействия гумусовых кислот с тяжелыми металлами

1.5.2. Способы описания комплексообразования гумусовых кислот с металлами

1.5.3. Экологические последствия комплексообразования ионов ТМ с ГФК

2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

2.1. Выделение и общая характеристика препаратов гумусовых кислот...... 2.1.1. Выделение препаратов и их физические свойства

2.1.2. Характеристика препаратов гумусовых кислот методами элементного анализа и ИК-спектроскопии

2.2. Исследование функционального состава ГФК

2.2.1. Количественное определение гидроксильных и карбоксильных групп гумусовых кислот путем их химической модификации

2.2.2. Определение карбоксильных и фенольных гидроксильных групп в гумусовых кислотах с помощью реакций с гидроксидом бария и ацетатом кальция

2.2.3. Функциональный состав выделенных препаратов гумусовых кислот и распределение кислорода по основным структурным фрагментам

2.3.Определение характеристик реакционной способности гумусовых кислот

2.3.1. Исследование распределения ионогенных групп препаратов гумусовых кислот по константам кислотной диссоциации

2.3.2. Определение количественных характеристик комплексообразующей способности гумусовых кислот

2.4. Установление количественных соотношений между функциональным составом и реакционной способностью гумусовых кислот

2.5. Использование препаратов гумусовых кислот для иммобилизации тяжелых металлов в слое загрязненных почв

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

3.1. Материалы и реактивы

3.2. Техника эксперимента

ВЫВОДЫ

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Гумусовые кислоты представляют собой наиболее обширный и реакционноспособный класс природных соединений, входящих в состав органического вещества почв, природных вод и твердых горючих ископаемых. Наличие в молекулах гумусовых кислот широкого спектра кислородсодержащих функциональных групп, таких как карбоксильные, гидроксильные, карбонильные и др. в сочетании с присутствием ароматических фрагментов обусловливает их способность вступать в ионные и донорно-акцепторные взаимодействия, образовывать водородные связи, активно участвовать в сорбционных процессах. В силу указанных свойств гумусовые кислоты играют исключительно важную роль в процессах миграции тяжелых металлов, контролируя их геохимические потоки в окружающей среде. Следовательно, создание моделей биогеохимических циклов тяжелых металлов в окружающей среде невозможно без учета взаимодействия с гумусовыми кислотами.

Данное обстоятельство определяет важность и актуальность изучения функционального состава гумусовых кислот как основы их реакционной способности в отношении тяжелых металлов и установления количественных взаимосвязей между структурой и свойствами гумусовых кислот. При этом, вследствие нестехиометричности состава и нерегулярности строения макромолекул гумусовых кислот, до сих пор не разработаны надежные методы получения количественных данных об их функциональном составе.

Кроме того, отсутствуют способы характеристики реакционной способности гумусовых кислот, которые бы учитывали присущую им неоднородность свойств. Особую сложность представляет разработка данных подходов для анализа структуры и реакционной способности нефракционированных препаратов гумусовых кислот, представляющих собой природную смесь сходных по строению, но различных по молекулярно-массовому составу гуминовых и фульвокислот.

Целью работы было определение основных функциональных групп (карбоксильных и гидроксильных) в нефракционированных препаратах гумусовых кислот и установление количественных взаимосвязей между функциональным составом гумусовых кислот и их протолитическими и комплексообразующими свойствами.



Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

Осуществить количественное определение основных функциональных групп, обусловливающих реакционную способность гумусовых кислот в отношении ионов металлов.

Охарактеризовать протолитические и комплексообразующие свойства гумусовых кислот с учетом неоднородности химического окружения функциональных групп.

Разработать способы получения структурных дескрипторов на основе данных элементного и функционального состава гумусовых кислот с целью их дальнейшего использования для корреляционно-регрессионного анализа.

Осуществить корреляционно-регрессионный анализ блока данных по комплексообразующим свойствам гумусовых кислот для установления количественных взаимосвязей между функциональным составом и реакционной способностью гумусовых кислот.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 1.1. Общая характеристика гумусовых кислот представляют собой наиболее реакционноспособную часть обширного класса природных соединений, объединяемых под названием гуминовые вещества (ГВ). Гуминовые вещества составляют от 60 до 80% органического вещества водных и почвенных сред [1-5].

Образование ГВ в природных средах происходит в результате химического и биологического разложения растительных и животных остатков [1,2]. В основе данного процесса лежит отбор устойчивых к биодеградации структур и соединение их в макромолекулы. В отличие от синтеза биополимеров, протекающего по заданному генетическому коду, процесс образования гуминовых веществ подчиняется статистическим макромолекул переменного состава и нерегулярного строения [9,10].

Общепринятая классификация ГВ [8,9,11] основана на различии в их растворимости в кислотах и щелочах. Согласно этой классификации ГВ подразделяют на три основные составляющие: гумин – неизвлекаемый остаток, нерастворимый ни в щелочах, ни в кислотах; гуминовые кислоты (ГК) – фракция ГВ, растворимая в щелочах и нерастворимая в кислотах;

фульвокислоты (ФК) – фракция ГВ, растворимая в щелочах и кислотах. Под термином "гумусовые кислоты" понимают сумму гуминовых и фульвокислот.

В нашей работе для сокращенного обозначения гумусовых кислот мы использовали аббревиатуру ГФК.

О строении гумусовых кислот известно, что макроэлементами, образующими молекулы ГФК, являются углерод, водород и кислород. Азот и сера содержатся в ГФК на уровне 1-3% [1-3], обязательной составной частью ГФК являются микроэлементы и вода [2].

(негидролизуемой) и периферической (гидролизуемой) части [2,3,9,10].

Каркасная часть представлена высокозамещенными ароматическими фрагментами, соединенными алкильными, эфирными и др. мостиками.

гидроксильные, карбонильные и метоксильные [2,8,12,13]. Периферийная связанным с каркасной частью. Гипотетический структурный фрагмент нативных ГФК приведен на рис. 1.1 [14].

HOOC COOH

COOH HO COOH OH

HOOC COOH HO OH

OH COOH

O O O OH O

OH NO OH

Рис. 1.1. Гипотетическая структура нативных гумусовых кислот почвы [14].

С нашей точки зрения данная модель структуры наиболее адекватна перечисленному выше комплексу структурных характеристик ГФК.

Структура ГФК обусловливает их способность к широкому спектру химических взаимодействий, обусловливающих многообразие их функций в окружающей среде. Так, ГФК выполняют функции своеобразных депо питательных веществ и микроэлементов, способствуют их транспорту в растения, участвуют в структурировании почвы [2], повышают ее катионообменную и буферную емкость. Кроме того в настоящее время все большее значение приобретает защитная функция ГФК, а именно, их способность взаимодействовать с различными типами загрязняющих веществ, снижая их подвижность и токсичность для живых организмов [6-10].

обусловливает необходимость изучения взаимосвязи между структурой и реакционноспособностью ГФК в реакциях различных типов. Отсюда вытекает задача надежного определения структурных характеристик ГФК и, в первую очередь, элементного и функционального состава.

1.2. Элементный состав гумусовых кислот и методы его определения 1.2.1. Характеристика элементного состава гумусовых кислот Данные по элементному составу ГК и ФК, полученные авторами [15] в результате усреднения опубликованных результатов элементного анализа для более чем четырехсот проб, приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Средний элементный состав ГК и ФК различного происхождения [15]

C H N O S U

*Рассчитана из данных таблицы согласно [16] Как видно из табл. 1.1, несмотря на химическую гетерогенность и элементного состава в зависимости от источника происхождения и фракционного состава (ФК или ГК) присуща внутренняя закономерность.

Содержание углерода в гуминовых кислотах в среднем выше чем в фульвокислотах [17]. Для содержания кислорода наблюдается обратная тенденция. Расчет степени ненасыщенности структурных единиц, которые удовлетворяли бы данным табл. 1.1, показывает, что в среднем ФК содержат больше алифатических фрагментов, тогда как ГК обогащены ароматическими.

Наибольшей ненасыщенностью среди ГФК различного происхождения характеризуются торфяные ГК и ФК, что свидетельствует об высоком вкладе в их структуру ароматических фрагментов.

Гуминовые и фульвокислоты различного происхождения существенно отличаются по элементному составу. Так, например, элементный состав ФК поверхностных вод существенно отличается от ФК почв, а почвенных гуминовых кислот от гуминовых кислот торфа [18,19].

Как показано в работах [20,21] различия в структурах и элементном составе ГФК разных природных сред непосредственно связаны с источниками гумусообразования в этих системах. Так, в торфах, почвах и пресных водах основными предшественниками ГФК являются продукты разложения микроорганизмами, то есть вещества, обогащенные ароматическими структурами [22]. ГФК морских вод и донных отложений образуются, преимущественно, из остатков водорослей и планктона, главными компонентами которых являются липиды, полисахариды и пигменты соединения алифатического и алициклического характера [23,24].

происхождения может варьировать в зависимости от конкретного источника:

различного типа почв [15], вод [4] и т.д.

Таким образом, определение элементного состава является одним из ключевых этапов при анализе структурных и генетических особенностей ГФК [25,26].

1.2.2. Определение элементного состава ГФК На основе сведений, приведенных в предыдущем разделе, в общем виде брутто-формулу ГФК можно записать следующим образом:

CxHyNzOpSqMr + (Al2O3)l (SiO2)m (H2O)n, где М – ионы металлов.

При анализе вещества такого состава могут возникать следующие проблемы:

1) Необходимость определения остаточного содержания в образце ГФК минеральных компонентов и корректировки первичных данных элементного анализа.

2) Возможное завышение результатов определения содержания кислорода и водорода из-за присутствия в препаратах воды.

3) Трудность точного определения количества N и S, обусловленные ихнизким содержанием по сравнению с С, Н и О.

Несмотря на широкое использование данных элементного анализа ГФК, опубликованы лишь единичные работы, посвященные изучению количественности стандартных методов, применяемых для элементного анализа ГФК [27-31]. В связи с этим ниже будут рассмотрены основные методы определения содержания элементов в ГФК, и источники систематических ошибок при их использовании.

Для определения С, Н, N в ГФК, как правило, используют метод автоматического микроанализа, позволяющий определять одновременно содержание трех элементов из навески 1.5-2 мг [27]. Процесс определения в анализаторе можно схематично разбить на три стадии: 1) окислительный пиролиз образца, 2) разделение продуктов (СО2, Н2О и N2), 3) детекти-рование [32]. На рис. 1.2 приведены схемы автоматического определения содержания С, Н, N и S.

Рис. 1.2. Схемы автоматического микроаналитического определения С, Н, N и S в пробах органического вещества.

При определении С, Н, N и S в ГФК, особенно для образцов, содержащих значительное количество минеральных компонентов, может происходить неполное сгорание вещества при быстром пиролизе и/или связывание части диоксида углерода в виде термостойких карбонатов щелочных металлов [27]. По данным работы [15] занижение результатов по углероду может достигать 1-7% на каждые 10 % золы. Однако в препаратах, как правило, присутствует и окись кремния, которая связывает щелочные металлы в еще более устойчивые силикаты.

Статистический анализ более чем 400 наборов данных по элементному составу ГФК, проведенный авторами [16], показал, что наибольшей достоверностью отличаются данные по содержанию углерода. Содержание водорода определяется менее надежно, что по-видимому связано с влиянием влажности анализируемых образцов на результаты определения.

Наименьшей точностью при С, Н, N-анализе ГФК отличаются данные по азоту [19]. Причина этого – в низком содержани азота в ГФК. Поэтому сложно подобрать подходящий стандарт для одновременного определения С, Н и N в ГФК. Несоответствие же между содержанием элемента в образце и стандарте всегда приводит к значительным ошибкам определения [32].

Серу в гумусовых веществах определяют как автоматически, так и вручную. Автоматическое определение серы включает те же стадии, что и анализ на С, Н, N, при этом детектируемой формой является SO2.

Ручной метод, как правило, включает сожжение в колбе с кислородом, поглощение оксидов слабым раствором перекиси водорода (доокисление SO до SO3) и последующее определение сульфат-иона с помощью ионной металлоиндикатора [27].

воспроизводимостью, но благодаря малому вкладу в элементный состав ГФК, они не вносят существенной ошибки в определение содержаний основных элементов. Однако при решении специальных задач, например, при изучении взаимодействия с тиофильными элементами, необходимо тщательно подбирать условия определения серы.

В настоящее время существуют два основных подхода к определению кислорода в органических веществах:

1) Определение по разности между массой образца и суммарной массой всех остальных элементов, входящих в его состав (100%–(%С, %Н, %N, ...)).

Недостатком этого метода является то, что на полученную величину накладываются ошибки определений содержания всех остальных элементов и зольности.

2) Прямое определение. Основные стадии этого метода, предложенного в 1939 г Шютце [33] и детально разработанного в ИНЭОС АН СССР в 40-х годах [34], показаны на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Схема прямого определения кислорода в органических веществах.

Как видно из приведенной схемы, для правильного определения содержания кислорода в органическом веществе прямым методом необходимо количественное превращение всех продуктов восстановитель-ного пиролиза в СО. Однако в слое газовой сажи возможно образование комплексов углерода и кислорода состава СxOy, где х>>y [32]. Такие ком-плексы довольно медленно разлагаются с выделением СО, внося ошибку в результаты анализа.

Для получения правильных результатов необходимо постоянство условий анализа и однотипность анализируемых проб.

Описанный метод хорошо зарекомендовал себя для анализа беззольных органических веществ [27]. Если же в препарате присутствуют металлы, то необходимо внесение агентов, восстанавливающих или вытесняющих металлы из оксидов. В работе, посвященной определению кислорода в солях органических кислот [35], в качестве такого агента был использован хлорид серебра, выполняющий роль донора хлорид-иона:

Кроме того, как уже обсуждалось выше, результаты определения содержания кислорода сильно зависят от влажности анализируемого образца.

В монографии [17] отмечается, что неодинаковые условия сушки могут приводить к существенным ошибкам в определении элементного состава.

Однако, как было показано [27], для получения правильных значений недостаточно соблюдать одинаковые условия сушки. Высушенные образцы ГФК при контакте с воздухом быстро набирают потерянную воду. Поэтому при подготовке образцов ГФК для элементного анализа правильнее уравновешивать их с влагой воздуха, а затем определять влажность воздушносухого образца.

Для определения влажности обычно используют один из двух основных методов: а) титриметрическое определение воды по методу Фишера; б) определение воды по потере веса образца при высушивании или обратному набору веса высушенного образца при экспонировании атмосферной влаге [27].

Метод Фишера основан на окислительно-восстановительной реакции между двуокисью серы и иодом, которая протекает только в присутствии воды в среде метанола [36]. Достоинством данного метода является то, что определяется только не входящая в структуру вещества вода. К числу недостатков можно отнести малую устойчивость реагента, необходимость изолирования от влаги воздуха всей установки, а также мешающее влияние примесей, которые могут реагировать с иодом, внося ошибку в определение.

К числу таких примесей относятся активные карбонильные соединения, хиноны и меркаптаны [27], т.е. группировки, которые могут присутствовать в структуре ГФК. Еще одна причина, ограничивающая применимость метода Фишера для веществ гумусовой природы, – их недостаточная растворимость в безводном метаноле.

Для определения влажности согласно второму подходу образец ГФК высушивают при повышенной температуре (40-60оС) над P2O5 до постоянного веса или вакуумируют при нагревании до тех же температур в течение длительного времени (24 часа) и регистрируют потерю веса [27]. Применяют также этот метод в несколько модифицированном виде. После тщательного высушивания образец подвергают экспонированию атмосферной влаге, и регистрируют зависимость обратного набора веса образца от времени [31].

Такая зависимость в довольно большом временном интервале носит линейный характер. Поэтому, экстраполируя ее на момент времени t=0, можно определить вес сухого образца. По разности между весом воздушносухого и абсолютно-сухого образца находят его влажность.

Методы потери-набора веса менее трудоемки, чем метод Фишера, и не чувствительны к присутствию веществ, активных по отношению к иоду.

Однако практически невозможно подобрать оптимальную температуру для высушивания ГФК, поскольку зависимость потери веса образца ГФК от температуры не выходит на плато (рис. 1.4) [27].

Рис. 1.4. Потери веса при высушивании образцов гумусовых кислот [27].

Потери веса медленно возрастают при повышении температуры высушивания до 80°С, а после достижения этой температуры наблюдается некоторый скачок. Такой характер зависимости говорит, вероятно, о последовательной десорбции все более прочно связанных молекул воды с переходом к элиминированию воды, входящей в структуру ГФК. Тем не менее, при сравнении результатов определения содержания воды в образцах ГФК по потере веса и по методу Фишера было установлено, что между ними наблюдется достаточно хорошее соответствие, если высушивание образцов ГФК проводится при температурах 40-60°С [27].

Таким образом, не существует абсолютного метода для определения влажности образцов ГФК, но второй метод более прост в исполнении и получил более широкое распространение.

При анализе индивидуальных металлоорганических соединений определение зольности используется для расчета количества специфического металла, входящего в состав вещества. В случае нестехиометрических соединений, таких как ГФК, зольность служит мерой общего содержания минеральных компонентов.

Зольность препаратов ГФК определяется по весу минерального остатка после полного сжигания образца на воздухе или в токе кислорода. Однако далеко не всегда уделяется внимание достижению полноты сжигания. Так, в работе [27] приведены результаты определения зольности образцов ГФК четырьмя различными лабораториями. Каждая лаборатория выполняла определение зольности, придерживаясь индивидуальных условий сжигания (время и температура). В результате для одного и того же высокозольного образца разброс значений составил более 20% от величины. Такая ошибка в определении зольности может привести к значительному искажению соотношения О/С, если кислород определяется по разности.

Следовательно, для высокозольных образцов некорректно определенная величина зольности может привести к существенному искажению значений содержаний основных конституционных элементов.

Резюмируя рассмотрение методических аспектов элементного анализа ГФК, можно сказать, что важнейшим источником систематических ошибок в определении элементного состава ГФК являются неучет зольности и влажности образцов, а также ошибки в их определении.

1.3. Функциональный состав гумусовых кислот и методы его исследования 1.3.1. Краткая характеристика функционального состава гумусовых кислот В настоящее время в гумусовых кислотах обнаружено более десяти различных типов функциональных групп: карбоксильные, фенольные и спиртовые гидроксильные, карбонильные, хинонные, метоксильные, сложноэфирные, енольные, амино-, амидо- и имидогруппы, сульфо-, тиольные и дисульфидные группы [8]. Поскольку суммарное содержание серы и азота в ГФК обычно не превышает 5% (п. 1.1, табл. 1), можно считать, что кислородсодержащими функциональными группами. Обобщенные сведения о распределении кислорода по различным функциональным группам в ГФК приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2. Распределение кислорода между фунциональными группами в молекулах почвенных гумусовых кислот [2,8,13] содержание кислорода, Как видно из табл. 1.2, около 75% кислорода в молекулах ГК и около 95% – в ФК распределено между четырьмя типами функциональных групп:

карбонильными, причем вклад этих групп в общее содержание кислорода различен для гуминовых и фульвокислот. Доля кислорода, входящего в состав карбоксильных групп, существенно выше для фульвокислот.

Обращает на себя внимание тот факт, что в ФК доля кислорода, входящего в состав перечисленных в таблице групп, значительно выше, чем в ГК. Это может быть связано, с одной стороны, с наличием в структуре гуминовых кислот большего количества других кислородсодержащих групп (главным образом, эфирных и сложноэфирных); с другой, – со значительными стерическими и конформационными эффектами, препятствующими полному определению карбоксильных и гидроксильных групп в гуминовых кислотах методами функционального анализа [8]. До настоящего времени однозначно не установлено, какая из указанных причин является основной.

содержания карбоксильных и гидроксильных групп в ГФК [37,38], однако, неоднозначность количественной интерпретации С-ЯМР-спектров гумусовых кислот не позволяет безоговорочно полагаться на эти данные.

Тот факт, что более 50 кислорода в ГК и более 70% - в ФК входит в состав карбоксильных и фенольных гидроксильных групп, указывает на комплексообразующих свойств ГФК [2].

миллиэквивалентах на единицу массы, обычно - на грамм (ммоль/г) [13].

функциональных групп в ГФК варьирует в зависимости от источника характеризуются повышенным содержанием карбоксильных групп [41].

Однако более отчетливо прослеживается уже отмеченная тенденция:

независимо от источника происхождения, ФК характеризуются более высоким содержанием карбоксильных групп, чем ГК.

Для определения карбоксильных и гидроксильных групп в ГФК используют различные методы: органический функциональный анализ [42титриметрические методы [45-47], ЯМР-спектроскопию и др. [48-50].

ограниченно применимы для исследования ГФК, что обусловлено низкой растворимостью ГФК в нейтральных водных средах и большинстве органических растворителей, а также протеканием побочных процессов (окисление, дегидратация и др.) [8,13].

Методы, применяемые для определения карбоксильных и гидроксильных групп в ГФК можно разделить на две основные группы [39]:

а) основанные на химической модификации функциональных групп и позволяющие определять как кислотные, так и не проявляющие кислотных свойств функциональные группы;

б) основанные на нейтрализации кислотных групп ГФК сильными и слабыми основаниями, позволяющие определять только кислотные группы.

Данное разделение и было положено в основу рассмотрения основных методов определения карбоксильных и гидроксильных групп ГФК, которые приводятся ниже.

1.3.2. Методы определения функциональных групп ГФК, основанные на химической модификации Для определения карбоксильных групп в ГФК используют реакции алкилирования реагентами, вводящими метильные, триметилсилильные и другие группы. Для определения гидроксильных групп используют как алкилирование, так и ацилирование, переводя гидроксильные группы как в простые, так и в сложные эфиры.

Метилирование широко используется для анализа многих карбоксил- и гидроксилсодержащих природных и синтетических соединений: углеводов [51,52], жирных кислот [53], лигнинов [54].

традиционные для анализа углеводов и жирных кислот: диазометан [55-60], метилиодид в присутствии окиси серебра [55,60-62], метанол в присутствии HСl или BF3 [39,63], и диметилсульфат [13,55,64]. Рис. 1.5 иллюстрирует использование перечисленных реагентов для определения кислородсодержащих функциональных групп ГФК.

Из приведенной схемы видно, что в зависимости от используемого реагента и последующей обработки производного с помощью метилирования можно определить:

1) сумму всех карбоксильных и гидроксильных групп;

2) сумму карбоксильных и фенольных гидроксильных групп;

3) только карбоксильные группы;

4) сумму фенольных и спиртовых гидроксильных групп.

Рис. 1.5. Использование метилирования в анализе гумусовых кислот.

Метилирующие агенты, как правило, неселективны. Поэтому для определения карбоксильных групп в ГФК прибегают к дополнительной стадии – щелочному гидролизу этерифицированных производных [13].

Кратко остановимся на особенностях использования отдельных реагентов. Большим преимуществом диазометана перед другими реагентами являются мягкие условия проведения реакции (комнатная температура) и возможность использования разных растворителей, включая воду [65].

Метилиодид (в присутствии Ag2O или NaH) и метанол (в присутствии кислот Льюса) также позволяют использовать достаточно мягкие условия, однако, очень чувствительны к присутствию воды [55,60,66,67]. Диметилсульфат требует проведения реакции при нагревании в среде 30%-ной водной щелочи, что может приводить к протеканию побочных реакций и частичной деструкции ГФК [8,13]. Поэтому для определения общего содержания гидроксильных групп в ГФК чаще используют ацетилирование.

Общей проблемой методов, включающих стадию метилирования, является достижение полноты превращения. Так, в работе [68] на основе сравнения ИК-спектров гумусовых кислот, подвергнутых метилированию различными реагентами, было установлено, что независимо от используемого метода и реагента, максимальная степень превращения не превышала 80-85%.

Для получения воспроизводимых данных все методы метилирования требуют многократного повторения обработки (до 8-11 раз) [39,59,66].

функциональных групп, подвергшихся метилированию, является оценка содержания метоксильных групп в исходных и метилированных образцах по Цейзелю [69]. Метод основан на расщеплении метиловых эфиров йодной кислотой с образованием метилиодида. Последний окисляют до иода и определяют титрованием тиосульфатом. Метод универсален для простых и сложных метиловых эфиров. К числу его недостатков можно отнести многостадийность и необходимость использования больших количеств вещества.

карбоксильных групп в ГФК, сочетающий метилирование и газохроматографический анализ [59]. Согласно этому методу метилированный диазометаном образец гидролизуют, а выделившийся метанол этерифицируют метилпропионата определяют газо-хроматографически. Метод позволяет провести определение с малым количеством вещества (4-16 мг), однако его воспроизводимость не превышает ±15-20%, а применимость показана лишь для ФК.

Наиболее универсальный метод определения гидроксильных групп последующим титриметрическим определением непрореагировавшего третичные спирты и пространственно затрудненные фенолы (тризамещенные и более) [70].

Для определения общего содержания гидроксильных групп в ГФК был производные промывают и высушивают над пятиокисью фосфора, затем гидролизуют кипячением с крепкой щелочью. После гидролиза реакционную смесь подкисляют и отгоняют образовавшуяся свободную уксусную кислоту.

Количество последней определяется титрованием. Данная методика достаточно универсальна, но весьма трудоемка и требует больших количеств ГФК (100 мг).

ацетилированные производные переэтерифицируются бутанолом, а количество образовавшегося бутилацетата определяется газохроматографически. Стадии ацилирования и переэтерификации проводятся в герметичных ампулах, что позволяет избежать потерь при кипячении. В таком варианте метода существенно сокращается как время анализа, так и требуемое для определения количество вещества (до 5-15 мг), что делает данную методику особенно привлекательной для анализа большого количества образцов ГФК. Однако она была разработана для анализа образцов водных ФК и о ее применимости для ГК и нефракционированных препаратов не сообщается.

В целом, методы, основанные на химической модификации не нашли широкого применения в анализе ГФК. Однако в последнее время они все чаще используются в сочетании с методом ЯМР-спектроскопии на различных ядрах [57]. Примеры такого комбинированного подхода будут рассмотрены в следующем разделе.

Методы функционального анализа ГФК, сочетающие химическую Спектроскопическое исследование химически модифицированных образцов ГФК обладает значительными преимуществами перед анализом исходных проб. Модификация ослабляет водородные связи и другие ассоциативные взаимодействия, приводящие к уширению и перекрыванию соседних полос в ЯМР-спектрах ГФК [37,57]. Это облегчает количественную интерпретацию спектров. Модификация с помощью реагентов, содержащих гетероэлемент (F, Si), и регистрация спектров на ядрах соответствующего гетероатома является наиболее эффективным методом устранения перекрывания сигналов атомов разных химических типов. Рассмотрим функционального состава ГФК.

Авторы [60] успешно применили для определения СООН- и ОН-групп диазометаном, обогащенными изотопом 13С. Однако метод очень дорог.

В отличие от спектров С-ЯМР, при регистрации ПМР-спектров метилирование не исключает перекрывание сигналов – не достигается разрешение сигналов метильных групп в простых эфирных и сложноэфирных группировках [57]. Для преодоления этого препятствия в работе [63] использовали следующий подход. Образец сначала ацетилировали, а затем разрешаются в ПМР-спектре. Для количественных расчетов вычитали из реагентами, спектр препарата, обработанного полностью дейтерированными уксусным ангидридом и метанолом. Недостатком такого метода можно считать многостадийность обработки и сопряженные с этим потери образца.

Для определения активных фенольных гидроксилов в работе [63] использовали ацилирование уксусным ангидридом в среде гидрокарбоната натрия по Шоттену-Бауману [73]. Общее содержание гидроксилов определяли по ПМР-спектрам образца, ацетилированного в пиридине в присутствии 4диметиламинопиридина в качестве катализатора.

Еще один метод определения суммарного содержания гидроксильных групп – триметилсилилирование образцов ГФК (как таковое и в сочетании с метилированием) с последующей регистрацией и обработкой Si ЯМРспектров [50,74]. В работе [50] получено хорошее совпадение результатов определения функциональных групп в ГФК водного происхождения с потенциметрического титрования. Для разделения сигналов силилированных гидроксильных и карбоксильных групп проводили предварительное метилирование диазометаном в присутствии катализатора. По разности интегралов необработанной и метилированной пробы определяли содержание функциональные группы ГФК. Существенным недостатком такого метода являются необходимость длительного накопления спектров, а также сложность их количественной интерпретации [57].

Следует отметить, все вышеописанные методы, сочетающие дериватизацию и ЯМР-спектроскопию, разработаны для образцов ГФК водного происхождения или ФК, характеризующихся более низкой средней молекулярной массой и имеющих более высокую растворимость. Поэтому при всей информативности и привлекательности данных методов можно констатировать, что их применимость на сегодняшний день, к сожалению, показана лишь для образцов указанного типа.

Результаты анализов гумусовых кислот с использованием химической модификации приведены в табл. 1.3.

Таблица 1.3. Функциональный состав ГФК по данным методов, основанных на химической модификации ГК почв Как видно из таблицы, в некоторых случаях при использовании приводимыми средними данными содержания карбоксильных групп и суммарного содержания карбоксильных и фенольных гидроксильных групп, представляются также результаты определения суммы всех гидроксильных групп и фенольных гидроксилов методом ацилирования в сочетании с ЯМР. В целом достаточно трудно выявить какую-либо тенденцию и сделать однозначные выводы о пригодности методов химической модификации для определения функциональных групп в ГФК без сравнения с результатами паралельных определений независимыми методами.

1.3.3. Методы определения кислотных функциональных групп ГФК, основанные на нейтрализации сильными и слабыми основаниями Потенциометрическое титрование является общепринятым методом определения содержания кислотных групп [70]. Однако использование этого простого метода для анализа ГФК сопряжено со значительными трудностями.

Во-первых, кривые титрования ГФК не содержат четких перегибов (рис. 1.6), поэтому для установления конечной точки титрования требуется их математическая обработка [78].

Рис. 1.6. Типичная кривая потенциметрического титрования ГФК [40].

Во-вторых, для полноты определения слабокислотных групп требуется достижение очень высоких концентраций щелочи, при которых точные измерения рН раствора затруднены [40,79]. Несмотря на указанные проблемы, данный метод широко используется для оценки кислотности ГФК [80-82].

Наиболее распространенный способ определения точки эквивалентности при анализе ГФК заключается в титровании до фиксированного значения рН [47,81-83]. Обычно рН 7.0 считают окончанием титрования карбоксильных групп, а рН 10.2-10.3 – всех кислотных групп [47,80,84].

Очевидно, что такой способ определения вклада карбоксильных групп весьма условен, т.к. рН точки эквивалентности при титровании многих органических кислот лежит выше 7 [79], а слабых фенольных гидроксилов – выше 11.

Другой способ заключается в подборе с помощью какой-либо математической модели минимального набора типов кислотных групп и их концентраций, удовлетворительно описывающих экспериментальную кривую титрования [40] (более подробно этот вопрос будет рассмотрен в главе о протолитических равновесиях). Суммарное содержание групп с более низкими значениями рК полагают равным содержанию карбоксильных групп [85]. Такой способ, вероятно, более объективен при условии использования адекватной математической модели.

Результаты определения кислотных групп ГФК потенциометри-ческим титрованием, как правило, существенно ниже данных других методов [83].

Вероятно, это связано с неполной диссоциацией фенольных гидроксилов в условиях титрования.

Для более полного определения кислотных групп ГФК используют потенциометрическое титрование в неводных средах [45,46,62], так как органические растворители способствуют уменьшению рК слабых кислот и дифференциации близких рК [86]. В результате получают кривые титрования ГФК с более выраженными одним или даже двумя перегибами [46]. В качестве растворителей используют пиридин, этилендиамин, ДМФА [45,62] и ДМСО [46]; в качестве титранта – растворы алкоголята натрия в безводном спирте или гидроксида тетрабутиламмония в изопропаноле.

Следует отметить, что широкого распространения метод титрования в неводных средах не получил, что связано с низкой растворимостью большинства образцов ГФК в органических растворителях и невыполнимостью основного требования метода отсутствия в анализируемой системе воды [70] (ГФК практически всегда содержат химически связанную воду).

Помимо потенциметрического для определения содержания кислотных групп в ГФК используются и другие виды титрования: термометрическое [87,88], кондуктометрическое [89], осадительное c цетилтриметиламмонием [90]. Однако ввиду сложного аппаратурного оформления либо трудоемкости они не получили широкого распространения.

Гумусовые кислоты образуют со щелочноземельными металлами малорастворимые соли [8,66]. Данное свойство используется в традиционных методах определения кислотных групп в образцах ГФК по реакциям с гидроксидом бария и ацетатом кальция:

Разность двух определений Для оценки числа прореагировавших групп после осаждения гуматов в баритовом методе избыток Ba(OH)2 титруется HСl, в Са-ацетатном – определяется количество уксусной кислоты, высвободившейся в результате реакции. Несмотря на образование малорастворимых соединений, обе реакции в значительной степени обратимы [40], и для достижения полноты превращения необходим существенный избыток реагента. В связи с этим в обоих случаях реагент берется в избытке. Удаление ГФК из раствора в виде осадка гуматов бария или кальция приводит к сдвигу равновесия вправо и, потенциметрическим титрованием.

Баритовый и Са-ацетатный методы были разработаны в 30-х годах Стадниковым и сотр. [66,91-96] для анализа препаратов ГК углей. Авторами было показано, что предельное количество бария, поглощаемого гумусовыми кислотами из раствора гидроксида, соответствовало количеству метоксильных соответственно, количество выделившейся уксусной кислоты, хорошо метилированием образца метанолом в присутствии HCl [66,94]. Данный факт был интерпретирован как подтверждение количественности баритового и Саацетатного методов [91,92].

Авторами было также установлено, что простые эфиры ГФК, полученные метилированием диметилсульфатом, поглощают столько же кальция, как и исходный образец. Сложные эфиры ГФК (обработка метанолом реакционноспособность, обусловленную обменом реагента с фенольными гидроксилами, более активными в отсутствие свободных карбоксильных групп; тогда как ГФК, подвергнутые исчерпывающему метилированию диазометаном, вообще не реагируют с ацетатом кальция [66]. Данные факты позволили авторам рекомендовать сочетание баритового и Са-ацетатного методов в качестве простого и доступного способа определения содержания фенольных гидроксилов и карбоксильных групп в ГК угля. Применимость данных методов для анализа ФК и нефракционированных препаратов ГФК авторами не рассматривалась.

Позднее было предложено множество модификаций данных методов, необходимого для анализа [87,88,97-101]. Однако не были решены основные проблемы баритового и Са-ацетатного методов – четко не определены условия количественного протекания реакций разных препаратов с обоими реагентами [40].

При использовании данных методов для анализа ГФК возникают три основных проблемы:

1) Выбор количественных соотношений реагент/субстрат – в различных вариантах методик без обоснования рекомендуются различные соотношения [8,66,100].

приколичественном определении избытка Ва(ОН)2 или выделившейся уксусной кислоты [40,88].

растворимыхгуматов и фульватов Ва и Са [81,87,88].

Заключая рассмотрение баритового и Са-ацетатного методов можно сказать, что они являются доступными и достаточно универсальными для анализа ГФК почв и углей, тогда как определение границ и условий их применимости для анализа водных и других образцов должны составить предмет дополнительного исследования.

происхождения, полученные с помощью потенциометрического титрования, баритового и Са-ацетатного методов приведены в табл. 1.4.

Таблица 1.4. Общее содержание кислотных групп и содержание карбоксильных групп в ГФК по данным методов, основанных на нейтрализации поверхностных ФК грунтовых Из табл. 1.4 видно, что диапазоны содержаний кислотных групп в ГФК различного происхождения перекрываются. Четко прослеживается лишь одна тенденция – более высокое содержание кислотных групп в ФК, по сравнению с ГК.

Из сравнения данных таблиц 1.7 и 1.8 можно сделать вывод о том, что методы, основанные на модификации, дают в среднем более низкие результаты. Это, по-видимому связано с большим влиянием стерических факторов в реакциях с органичекими реагентами, чем при взаимодействии с ионами металлов, и сдвигом равновесия реакций солеобразования за счет образования малорастворимых соединений.

Проведенный анализ литературных данных показывает, что несмотря на обилие экспериментальных подходов к определению кислородсодержащих функциональных групп в препаратах ГФК, трудно выбрать метод, дающий наиболее адекватные результаты для любого типа образцов. По-видимому, наиболее перспективным является использование нескольких независимых методов исследования.

1.4. Протолитические свойства гумусовых кислот и способы их описания Для описания и прогнозирования взаимодействия гумусовых кислот с характеристики их протолитических свойств: значения констант кислотной диссоциации [40]. Непосредственным способом изучения протолитических равновесий и определения констант диссоциации является кислотно-основное потенциометрическое титрование [79]. Однако количественная интерпретация кривых титрования гумусовых кислот, обычно не содержащих явных перегибов (разд. 1.3.3), является весьма сложной и неоднозначной задачей.

Причинами тому – наличие большого числа химически неидентичных кислотных групп (химическая гетерогенность) и полиэлектролитные эффекты [40,103,104].

ионогенных групп в полиэлектролитах (ПЭ) происходит не независимо друг от друга. Диссоциация каждой последующей группы происходит в электрическом поле уже продиссоциировавших групп [105]. В связи с этим кислотные свойства ионогенных групп ПЭ невозможно охарактеризовать одной константой диссоциации К или набором ступенчатых констант {K1, определение n констант невозможно и малоэффективно. Для описания протолитических свойств ПЭ пользуются величиной, называемой кажущейся константой диссоциации. Рассчитывают ее по кривой титрования ПЭ так же, как это делается для низкомолекулярных кислот [105,106]:

или в логарифмической форме:

В отличие от низкомолекулярных протолитов, константы диссоциации которых не зависят от, кажущиеся константы диссоциации ПЭ сложным образом зависят от [105]. Вид зависимости pK от определяется природой ПЭ, ионной силой, температурой раствора и другими факторами. Существуют факторы, способствующие увеличению рК’ c ростом (химическая гетерогенность [107,108], электростатические взаимодействия групп [105и те, действие которых ведет к уменьшению рК’ с ростом (наличие конформационных переходов [106]). Причем раздельный учет их вкладов в изменение рК крайне затруднителен [105].

Математические модели описывающие протолитические свойства Существуют два основных подхода к описанию протолитических характеристические константы диссоциации рК0 индивидуальных ионогенных групп путем экстраполяции зависимости рК от к нулевой степени диссоциации. Наибольшее внимание при этом уделяется результатам, получаемым при высоких ионных силах, когда полиэлектролитный эффект ослабляется, и значение рК приближается к рК соответствующих мономеров [106].

Однако для определения характеристических констант прибегают к экстраполяции, и точность получаемых значений зачастую невелика. При определении характеристических констант каждого типа ионогенных групп ПЭ со сложным химическим составом часто приходится прибегать к сложным искусственным приемам [113], что дополнительно снижает точность рассчитываемых значений. Поэтому использование рассматриваемого полиэлектролитов.

ограничения, достаточно часто используется для описания титрования потенциометрических данных рассчитаны характеристические константы для двух типов карбоксильных групп в коммерческом образце ГК (рК0 3.03 и 5.12) [114]; и речных ФК (рК0 =2.2-2.35) и ГК (рК0 =2.5-2.6) [115].

Второй подход заключается в максимально адекватном описании кривой титрования с помощью минимально возможного числа параметров (констант диссоциации и концентраций ионогенных групп). Их расчет нелинейным). Такой подход достаточно универсален и его рассмотрению посвящен следующий раздел.

Модель представляет собой наиболее общий случай, когда допускают наличие в растворе произвольных химических форм и реакций. В качестве пробной модели задают некоторый набор реакций, например [116]:

Учтя все уравнения связи (уравнения материального баланса и электронейтральности), записывают уравнение для рН в каждой точке кривой.

Полученную систему уравнений решают, задавая начальные приближения значений Кi. Затем значения констант уточняют с помощью МНК.

В работе [117] таким методом моделировали протолитические свойства препаратов ФК, выделенных в разное время из вод р. Москва. “Мономеры” ФК рассматривали как многоосновные кислоты. В табл. 1.5 приведены наборы констант диссоциации, адекватно описывающие кривые титрования трех образцов.

Таблица 1.5. Наборы рКi, описывающие протолитические свойства ФК р.Москва [117] Как видно из таблицы, для описания кривых титрования ФК в рамках данной модели достаточно учесть три-четыре реакции. Однако не понятно, какой структурный фрагмент в ФК может соответствовать четырех- и более основной кислоте. Достоинство данной модели – простота: максимальное соответствие эксперименту можно достичь при учете минимума равновесий.

Недостаток – трудность физической интерпретации полученных равновесий и констант, то есть, чисто формальный подход.

В 1926 г. Симмсом [118] было показано, что в ряде случаев протолитические равновесия в растворах ПЭ можно описать моделью смеси одноосновных кислот. Основной критерий применимости такой модели – выполнение условия: К1 >К2 >...>Кn. Уравнение кривой титрования смеси N одноосновных кислот может быть записано в виде:

Здесь – средняя степень диссоциации, qi – мольная доля кислоты с константой диссоциации Кi в смеси. Набор пар значений (qi, рКi) называется рК-спектром, а метод моделирования протолитических свойств с помощью рК-спектра – рК-спектроскопией [119]. При небольших N расчет с помощью МНК приводит к дискретному рК-спектру (формальный учет химической гетерогенности и пренебрежение электростатическими эффектами).

Построение дискретного рК-спектра использовали для описания протолитических равновесий ГФК в работах [108,120,121]. С помощью данного метода кривые титрования ФК и ГК хорошо описываются наборами из 4-6 пар значений (сi, рКi). Однако в решении часто содержатся значения рК, которые трудно соотнести с конкретными структурными фрагментами ГФК [121].

Предельным случаем модели смеси одноосновных кислот является модель непрерывного рК-спектра, предполагающая отсутствие двух идентичных групп в молекуле ПЭ. Кислотно–основные свойства ПЭ в этом случае описываются непрерывными функциями распределения констант диссоциации. При N уравнение кривой титрования (1.3) принимает интегральный вид:

диссоциации.

Существуют разные методы численного решения интегрального уравнения (1.4), но наиболее часто используют четыре основных метода: 1) априорный выбор вида распределения (распределения Гаусса [27] и Сипса [122]); 2) аппроксимация интегрального уравнения суммой [119]; 3) метод конечных разностей [117,119,123,124]; 4) метод регуляризации [117,125].

Каждый из перечисленных методов опирается на собственную систему допущений и налагает свои ограничения. Наиболее адекватными сложности задачи построения рК-спектра ГФК считаются 1-й и 2-ой методы [40].

Главным достоинством моделей непрерывного рК-спектра является возможность учета совместного влияния химической гетерогенности ПЭ и электростатических эффектов.

Модель непрерывного рК-спектра для описания протолитических свойств ГФК использовали многие исследователи [85,101,103,104,114В варианте априорного выбора вида распределения, как правило, задают бимодальное Гауссово распределение [85,101,114], исходя из предположения о наличии двух типов кислотных групп: карбоксильных и фенольных гидроксилов. Так например, кривую титрования речных ФК авторы [85] описали моделью распределения, включающую два гауссиана с центрами при рК 3.66 и 12.5 и близкими площадями под кривой. Положение и величина первого из них согласуется с присутствием значительного количества карбоксильных групп в структуре водных ФК. Тогда как для второго гауссиана значение рК для центра распределения представляется завышенным.

В работе [114] для моделирования кислотных свойств препарата ГК были проверены разные варианты нормального распределения: от моно- до тримодального, но наилучшее совпадение с экспериментальными данными получилось для бимодального (параметры приведены в таблице 1.6). Как видно из таблицы, при увеличении ионной силы возрастает общее число диссоциирующих групп (от 4.97 до 8.02 мэкв/г) и их кислотность, что объясняется уменьшением электростатических эффектов за счет экранирования заряда полииона. Необъяснимым с точки зрения представлений о природе влияния электростатических эффектов является тот факт, что также растет с увеличением ионной силы.

Таблица 1.6. Параметры распределения ионогенных групп ГК по рК при различной ионной силе (бимодальное Гауссово распределение) [114] *Здесь рКmax – значение рК в максимуме соотвествующего гауссиана;

qi - содержание групп данного типа в ГК (мэкв/г); - дисперсия рКi.

При высокой ионной силе нивелируются различия в рК близких по природе групп, и, следовательно, должна уменьшаться. Авторы объясняют этот факт изменением конформации ГК и диссоциацией дополнительно высвободившихся групп. Однако такое объяснение представляется не вполне удовлетворительным, так как на примере расчетов для полиметакриловой кислоты было показано [126], что дисперсия уменьшается с ростом ионной силы и при наличии конформационного перехода. По-видимому, предложенное решение нуждается в оптимизации.

устойчивость решения интегрального уравнения (2) и дает возможность физической интерпретации получаемых величин. Однако не существует доказательств того, что в реальных молекулах ГФК группы распределены по кислотности согласно нормальному закону или функции Сипса. Поэтому автоматическое исключение из рассмотрения других возможных видов распределений можно считать основным недостатком метода.

интегрального уравнения (2), который был использован для описания кривых титрования ФК в работе [119]. Линейным МНК с ограничениями на неотрицательность решения авторы получили спектр, состоящий из двух полос (рК1=3.9, рК2=6.3) при использовании разрешения 0.4 единицы рК. Для сравнения был рассчитан “спектр сродства” с помощью метода конечных разностей. Положение полос согласовалось с первым методом, но сильно зависело от выбираемого значения параметра а и степени сглаживания противоположным.

Приципиально иной подход для описания протолитических свойств ГФК разработан авторами серии работ [45,127-130]. Он базируется на модельном представлении ГФК в виде полиэлектролитного геля с сетчатой структурой, выделяющегося из фазы раствора. Однако справедливость такого представления не доказана.

Подводя итог можно сказать, что все существующие модели описания протолитических свойств ГФК имеют свои ограничения. Достоинством более формальных моделей (модель химических реакций и дискретного рК-спектра) является их простота, тогда как более содержательные модели дают параметры, имеющие более ясный химический смысл. Наиболее перспективным представляется метод построения непрерывного рК-спектра, так как он учитывает и химическую гетерогенность и электростатические эффекты.

Хорошими возможностями для построения непрерывного рК-спектра обладает метод аппроксимации с использованием линейного МНК с ограничениями на неотрицательность решения. Метод дает более устойчивое решение интегрального уравнения кривой титрования (2) и не накладывает априорных ограничений на вид функции распределения рК, поэтому может быть использован для сложных природных полиэлектролитов, каковыми являются гумусовые кислоты.

1.5. Взаимодействие гумусовых кислот с тяжелыми металлами связыванию ионов различных металлов [1-5,8-11]. Наибольший интерес с точки зрения экологии вызывает взаимодействие ГФК с тяжелыми металлами (ТМ), являющимися одним из опаснейших классов загрязняющих веществ. В данной главе будут рассмотрены основные механизмы связывания ионов ТМ с ГФК, способы количественного описания такого связывания и роль взаимодействия ГФК с металлами в процессах, протекающих в природных экосистемах.

1.5.1. Механизмы взаимодействия гумусовых кислот с тяжелыми металлами Весь спектр взаимодействий ГФК с металлами по характеру связи ГФКметалл в образующихся соединениях можно разделить на три основных типа [1,3,11]:

1) Образование соединений солевого типа с ионной связью между анионом ГФК и катионом металла (гуматы и фульваты щелочных щелочноземельных металлов).

2) Образование соединений с преимущественно ковалентным характером связи ГФК-металл. По данному типу ГФК связываются с поливалентными катионами (Al, Fe, Si), входящими в структуру глинистых частиц.

3) Образование комплексных соединений с координационной связью ГФК-металл. Данный тип связывания с ГФК характерен для переходных металлов.

В большинстве соединений связь носит смешанный характер с преобладанием того или иного типа в зависимости от природы катиона [2].

Тяжелые металлы (ТМ) относятся к числу переходных и для них характерен третий тип связывания с ГФК. Поэтому в данной главе будут подробно рассмотрены процессы комплексообразования в системе ГФК-ТМ.

Единого взгляда на природу комплексообразующих центров ГФК до сих пор не существует [11]. Это связано со сложностью качественной и количественной интерпретации данных тех методов, которые применимы для исследований ГФК и дают информацию о типе образующихся комплексов.

Однако, основываясь на исследованиях функционального состава ГФК, а также ИК- и ЭПР-спектров комплексов ТМ с ГФК, полагают, что за взаимодействие гумусовых кислот с ТМ ответственны следующие структурные фрагменты [11]:

СOOH СOOH OH

Считается также возможным участие в данном процессе групп, содержащих гетероциклический или аминный азот [2,8,11]. Однако, ввиду низкого процентного содержания азота, этот тип связывания не может играть существенной роли.

входящие в состав двух основных типов связывающих центров: салицилатных и фталатных. В то же время в работах [45,147] указывается на существенный вклад группировок типа пирокатехина.

взаимодействие ГФК с ТМ определяется, в основном, карбоксилат-ионами, Следовательно, доля хелатных взаимодействий для аквагенных ГФК существенно меньше, что, возможно, и является причиной более низкой устойчивости их комплексов [24].

1.5.2. Способы описания комплексообразования гумусовых кислот с металлами Реакцию образования комплексов ГФК с металлами в общем виде можно записать следующим образом:

где М - ион металла. Согласно закону действующих масс равновесие (1.5) может быть охарактеризовано соответствующей константой, которая в комплексов состава (1:1) выражение для константы будет иметь вид:

где [М-ГФК], [ГФК], [М] - равновесные концентрации комплекса, свободных гумусовых кислот и свободных ионов металлов, соответственно.

Однако, в отличие от низкомолекулярных комплексов, определяемая по уравнению (1.6) величина, строго говоря, не является константой, так как зависит не только от рН и ионной силы, но и от следующих факторов [132]:

1. Соотношение ГФК/ТМ. По мере возрастания концентрации ТМ в комплексообразование могут вовлекаться все более слабые центры [134,135].

молекулярный вес ГФК определяется неточно, и определить структуру усредненного эле-ментарного звена ГФК – весьма сложно [136]. Более правильным представ-ляется использование мольной концентрации связывающих центров [5].

характеристик принятая математическая модель и способ расчета сильно влияют на величину К.

функциональном составе ГФК различного происхождения обусловливают их разную комплексообразующую способность.

Влияние перечисленных факторов на константу характерно для химически гетерогенных полиэлектролитных лигандов. Различные модели учитывают перечисленные факторы.

металлами применяют те же основные подходы, что и при описании протолитических свойств: распределение центров связывания по величинам задают дискретным или непрерывным [135,137]. Рассмотрим основные типы моделей в порядке их усложнения.

А. В простейшем случае предполагают образование только одного типа комплексов состава (1:1) и из экспериментальных данных по уравнению (1.6) находят усредненную (по всем участвующим центрам) константу. Такая константа характеризует связывание при фиксированных значениях рН, ионной силы и соотношения ГФК/М+ [138]. Сравнивать такие константы для разных образцов можно только при полной идентичности условий.

Б. Допускают образование моноядерных комплексов с одним типом связывающих центров состава 1:1 и 1:2. Пример реализации такого подхода – ионообменный метод Шуберта [139-141]. По условиям данного метода используют низкие соотношения металл/ГФК, и определяют константы устойчивости комплексов с наиболее сильными центрами связывания [142,143]. Константы устойчивости рассчитывают из данных о распределения свободных ионов металла между раствором и катионитом в отсутствие и в присутствии лиганда. Единственной распределяемой формой являются свободные ионы металла, тогда как комплексы полностью остаются в растворе [142].

Коэффициент распределения 0 ионов металла между смолой и раствором в отсутствие лиганда определяется следующим равновесным соотношением:

где [ M+ ] – концентрация ионов металла в растворе (моль/л), а [ Mr+ ] – число молей ионов металла в фазе катионита на единицу веса смолы.

Коэффициент распределения в присутствии лиганда рассчитывают по формуле:

где [Mc] – концентрация закомплексованного металла в растворе (моль/л). Комбинация уравнений (1.7) и (1.8) дает следующее выражение:

где [ ML n ] – концентрация комплекса состава (1:n). Выразив последнюю дробь в (1.9) через константу устойчивости n, и прологарифмировав (1.9), получим:

Уравнение (1.10) – основное уравнение метода Шуберта. Построив по экспериментальным данным зависимость lg определяют n, по координате точки пересечения с осью ординат – lg n.

комплексообразования ГФК благодаря доступности и относительной простоте интерпретации результатов [138,143-147]. Существенным ограничением метода является применимость для достаточно узкого интервала соотношений металл/ГФК [143].

В. Допускают наличие двух типов центров связывания ионов металлов с ГФК, образующих комплексы состава (1:1) [134]. Для построения таких моделей необходимо проведение эксперимента в широким диапазоне концентраций металла. В качестве примера можно привести графический метод Скетчарда [148], заимствованный из химии биополимеров. Метод базируется на следующем уравнении:

[М+ ] а i–соответствующая константа устойчивости комплексов. Используя определяют искомые величины [149] (рис. 1.7).

Рис. 1.7. График Скетчарда для связывания ионов металла двумя типами центров гумусовых кислот [149]. 1 и n1 относятся к “сильным” центрам, 2 и n2 – к “слабым”.

Расчеты по моделям такого типа достаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными [150,151] и используются наиболее часто [132,135,149-157].

Г. Принимают модели дискретного распределения связывающих центров и описывают комплексообразование набором констант и долей групп, характеризуемых данной величиной константы [134,135,158,159].

связывающих центров, аналогичные непрерывным рК-спектрам [134,135,160Для использования таких моделей требуется большой массив 165].

экспериментальных данных в широком диапазоне соотношений ГФК/металл.

При этом точность измерений концентрации свободных ионов металла должна быть сопоставима с точностью измерения рН стеклянным электродом [166,167]. К сожалению, лишь немногие методы удовлетворяют данным требованиям. Поэтому большинство исследователей используют усредненные фиксированных рН и ионной силе, определенные по методу Шуберта или Скетчарда.

Для реализации расчетов, описанных в данном разделе необходимы точные измерения концентраций компонентов, входящих в уравнение (4). Для этой цели используют целый комплекс аналитических методов, основные сведения о которых приведены в Приложении 1.

Значения констант устойчивости комплексов различных гумусовых кислот с ионами Сu(II), Рb(II) и Cd(II), определенные различными методами, приведены в таблице 1.7.

Таблица 1.7. Условные константы устойчивости комплексов ГФК различного происхождения с ионами тяжелых металлов комплексообразующих центров; числитель - комплекс 1:1; знаменатель комплекс 1:2.

Как видно из таблицы, значения констант устойчивости, полученные различными методами, довольно хорошо согласуются между собой.

Устойчивость комплексов меди и свинца с ГФК существенно выше, чем комплексов кадмия, как и для большинства известных низкомолекулярных лигандов. Сравнивая данные по комплексообразованию гумусовых кислот различного происхождения (торфяных, почвенных и пресноводных), можно отметить, что значения констант устойчивости металло-гуматных комплексов близки для всех трeх типов ГФК и сравнимы с соответствующими константами для низкомолекулярных хелатирующих лигандов, таких как салициловая и лимонная кислота, пирокатехин. Можно отметить в целом несколько большую комплексообразующую способность торфяных препаратов.

1.5.3. Экологические последствия комплексообразования ионов ТМ с ГФК Взаимодействие гумусовых кислот с ТМ является одним из основных факторов, влияющих на поведение этого класса токсикантов как в водной, так и в почвенной среде. ГФК в значительной степени определяют миграционную способность и биодоступность ТМ, способствуют повышению буферности экосистем по отношению к этим загрязнителям [1-3].

Влияние ГФК на подвижность металлов в почвах и водах определяют два конкурирующих процесса: сорбционное концентрирование за счет образования нерастворимых комплексов с ГК и увеличение миграционной способности при комплексообразовании с ФК [174].

Так, например, авторами [175] было установлено, что миграционная способность фульватов Mn в почве в 1,5-3 раза выше чем ионных форм, а вымывающее действие ФК в 3-5 раз эффективнее по сравнению с дистиллированной водой. В то же время в работе [176] было показано, что ГК активно фиксируют ТМ наряду с другими компонентами почвы (глинами, полуторными оксидами и др.), причем сорбционная способность ГК гораздо выше таковой для минеральных компонентов почвы. Как следствие, из минеральных почв растения поглощают больше тяжелых металлов, чем из богатых органическим веществом, при одинаковом валовом содержании ТМ [177].

С другой стороны, ГФК оказывают влияние на токсичность ТМ в почвенном растворе, переводя их в низкотоксичную закомплексованную форму. Согласно данным [] около 90% меди и 70% кадмия дезактивированы в присутствии природных концентраций ГК. Следует отметить, что особенно сильное детоксицирующее действие проявляют низкомолекулярные ФК, характеризующиеся более высоким содержанием функциональных групп.

Таким образом ГФК участвуют в регулировании соотношения подвижных (доступных растениям) и неподвижных (недоступных растениям) форм тяжелых металлов, воздействуя таким образом на процессы биоаккумуляции и токсические эффекты ТМ [178]. Данное свойство ГФК, вероятно, наиболее сильно выражено у обогащенных кислородсодержащими функциональными группами активированных препаратов, что может быть использовано для разработки методов детоксикации и рекультивации почв, загрязненных ТМ, с помощью таких препаратов.

Рассмотренный литературный материал позволяет сделать следующие выводы:

Элементный состав отражает особенности генезиса и строения ГФК различного происхождения и, следовательно, рассчитанные на его основе параметры могут служить служить характеристиками структурных особенностей препаратов ГФК.

Реакционная способность ГФК по отношению к ионным соединениям (протолитические и комплексообразующие свойства) определяется как абсолютными, так и относительными содержания трех основных типов кислородсодержащих функциональных групп: карбоксильных, фенольных и спиртовых гидроксильных.

Для достоверного определения перечисленных групп необходимо использовать несколько независимых методов.

Для получения количественных характеристик реакционной способности ГФК необходимо использовать методы, учитывающие химическую гетерогенность данного объекта.

Высокая комплексообразующая способность ГФК позволяет предположить возможность использования гумусовых препаратов для рекультивации территорий, загрязненных тяжелыми металлами.

2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Нефракционированные препараты ГФК как объект исследования нефракционированные препараты гумусовых кислот различного происхождения. Выбор данного объекта был обусловлен тем фактом, что любое фракционирование веществ, характеризующихся непрерывным распределением свойств, весьма условно. Характеризуя гумусовые кислоты в целом, а не фракции гуминовых или фульвокислот, можно судить о свойствах, присущих всему веществу, а не его отдельным компонентам.

Данный подход облегчает перенесение закономерностей, полученных в лабораторных условиях, на уровень реальных систем.

препараты ГФК, выделенные из торфов, почвы и вод. При этом особое внимание было уделено характеристике ГФК торфов, различающихся по свому генезису и геоботаническому составу. Интерес к торфяным ГФК обусловлен тем, что, во-первых, торф является доступным и недорогим сырьем, запасы которого у нас в стране велики; во-вторых, в настоящее время разработан и запущен в промышленное производство целый ряд гуминовых препаратов и сорбентов на основе торфа для применения в сельском хозяйстве, обработке промышленных стоков и рекультивации загрязненных территорий [179-181]. При этом известно, что гумусовые кислоты являются основным компонентом, определяющим высокую обменную и сорбционную емкость торфов [179].

Выбор в качестве объекта исследования нефракционированных препаратов ГФК определил методические сложности работы, так как большинство методик функционального анализа ГФК разработаны либо для модифицировать существующие методики, адаптируя их для выбранного интерпретации экспериментальных результатов.

Высокая полидисперсность и химическая гетерогенность нефракционированных препаратов ГФК вызвала дополнительные сложности в интерпретации результатов по определению функционального состава и количественных характеристик реакционной способности. Так, особое внимание необходимо было уделить учету неоднородности химических свойств данного объекта, что потребовало широкого использования методов математического моделирования и статистического анализа.

2.1. Выделение и общая характеристика препаратов гумусовых кислот 2.1.1. Выделение препаратов и их физические свойства Для проведения исследований по стандартным методикам были выделены в препаративных количествах и охарактеризованы 12 образцов гумусовых кислот: из восьми различных торфов, предоставленных Тверским политехническим институтом, Т1-Т8), Ставропольской черноземной почвы (обозначены П), и трех природных вод – реки Москва, эстуария Белого моря, болотной воды из Шатурского района Московской области – (обозначены В1-В3, соответственно). Для извлечения гумусовых кислот из торфов и почв использовали щелочную экстракцию (0.1 М NaOH), из вод – сорбционное концентрирование на макроситовой смоле Амберлит XAD 2.

Твердые препараты гумусовых кислот представляли собой аморфные порошки от темно-желтого до коричневого цвета, более светлая окраска была характерна для образцов водного происхождения. Высушенные препараты гумусовых кислот исключительно гигроскопичны. Определение влажности препаратов, уравновешенных с атмосферной влагой, показало содержание от 6 до 9% воды (табл. 2.1).

Таблица 2.1. Влажность воздушно-сухих препаратов ГФК практически нерастворимы в бензоле, хлороформе, хлористом метилене, пиридине, ТГФ, ограниченно растворимы в полярных апротонных растворителях (ДМСО и ДМФА) и дистиллированной воде, но обладают значительной растворимостью в растворах щелочей (до 20 г/л). Препараты не имели фиксированной точки плавления и разлагались при нагревании выше 1500С.

Средние молекулярные массы выделенных гумусовых кислот, по данным гель-хроматографии, составили для торфяных 18000, почвенных 13500, водных 6300 г/моль.

2.1.2. Характеристика препаратов гумусовых кислот методами элементного анализа и ИК-спектроскопии Для характеристики элементного состава для каждого образца необходимо было выполнить 5 определений: С,Н,N; O; S; H2O и зольность.

Так как сухие препараты ГФК гигроскопичны, для определения элементного состава использовали уравновешенные с влагой воздуха образцы и учитывали их влажность при корректировке первичных данных элементного анализа.

Зольность исследуемых препаратов гумусовых кислот определяли путем сожжения образцов по различным регламентам. Было установлено, что условия, стандартно используемые в анализе металлоорганических соединений (7500С, 40 мин [32]), не обеспечивают полноту сгорания гумусовых кислот – необходимо “дожигание” в кислороде до постоянного веса в течение 1.5 часов. В табл. 2.2 приведены для сравнения результаты определения зольности по стандартной методике и с доведением до постоянного веса для трех из исследуемых образцов.

Таблица 2.2. Результаты определения зольности препаратов гумусовых кислот по разному регламенту С учетом этих результатов зольность остальных образцов была определена с доведением до постоянного веса и составила от 0.5 до 23% для разных образцов (табл. 2.3).

Таблица 2.3. Зольность выделенных препаратов ГФК Анализ на содержание С, Н, N был выполнен с использованием двух автоматических элементных анализаторов, отличающихся устройством некоторых узлов, составом каталитического наполнения реакторов и хроматографического разделения (детали в эксп. части). Полученные результаты приведены в табл. 2.4.

Как видно из таблицы, для большинства образцов первичные данные по содержанию углерода и водорода, полученные с помощью двух приборов, достаточно хорошо согласуются между собой: средние величины абсолютных отклонений составили 1.2 и 0.2%, соответственно. Допустимой ошибкой определения в органическом элементном анализе принято считать величину 0.3 абсолютных процента [32]. Однако для соединений нерегулярного строения полученную воспроизводимость можно считать вполне приемлемой, поскольку химическая неоднородность образца при использовании для анализа малых навесок неизбежно приводит к некоторому разбросу данных.

Отсюда вытекает требование возможно более тщательной гомогенизации образца перед анализом.

Таблица 2.4. Сравнение результатов определения содержания С, H, N* в препаратах ГФК с помощью двух элементных анализаторов *Каждое значение в таблице - среднее из двух определений.

**Определение на втором приборе не выполнялось.

Обозначения: 1 – анализатор фирмы “Carlo Erba”; 2 – фирмы “Heraeus”;

1-2 – разница между средними результатами определений на двух приборах.

Сравнение данных по содержанию азота показывает их более низкую воспроизводимость, тем не менее при выполнении более двух определений, как правило, удается добиться согласования результатов в пределах 5% от измеряемой величины.

Содержание серы в ГФК было определено сжиганием в колбе с согласуются с обычно приводимыми в литературе [16].

Таблица 2.5. Содержание серы в выделенных образцах ГФК Содержание кислорода в выделенных препаратах определяли двумя способами: прямым определением кислорода и расчетом по разности между конституционных элементов (С, Н, N, S).

преимуществом перед определением по разности, что является независимым методом. Однако надежность получаемых данным методом результатов зависит от очень многих факторов. В частности, для получения правильных постоянным. Соблюдение данного условия обеспечивается, если содержание кислорода в навесках (включая используемый стандарт) укладывается в довольно узкий диапазон [32]. Нами были проведены автоматические определения кислорода с калибровкой по сульфаниловой кислоте (27.71% O).

Результаты определения приведены в табл. 2.6, там же для сравнения приведены данные, рассчитанные по разности:

100% – (%С, %Н, %N, %S, скорректированные на зольность влажность).

Таблица 2.6. Содержание кислорода в образцах ГФК по данным прямого определения и расcчитанное по разности Препарат *Без поправки на влажность Как видно из таблицы, для большинства препаратов наблюдается хорошее соответствие между данными, полученными прямым определением и рассчитанными по разности. Исключение составляют водные препараты, для которых прямым методом определяются значительно меньшие содержания кислорода. Это может объясняться несколькими причинами. Во-первых, недоопределение кислорода в данных образцах, характеризующихся высокой зольностью, может происходить из-за неполного пиролиза проб [32]. Вовторых, может сказываться более существенная разница между содержанием анализируемом веществе. В пользу того, что кислород в водных образцах недоопределяется прямым методом свидетельствует и тот факт, что зольность данных препаратов ГФК, рассчитанная с учетом определенного содержания кислорода, оказалась на 6-9% выше определенной экспериментально.

Учитывая это, для расчета скорректированного элементного состава водных образцов использовали содержание кислорода, рассчитанное по разности.

Проведенные анализы позволили определить элементный состав выделенных препаратов ГФК в расчете на беззольное и безводное органическое вещество (табл. 2.7).

Таблица 2.7. Элементный состав выделенных препаратов гумусовых кислот в расчете на беззольное, безводное вещество Препарат Cодержание элементов, % (масс.) Ат. отношения Как видно из таблицы, гумусовые кислоты различного происхождения характеризуются различным элементным составом. Для торфяных образцов характерны атомные соотношения О/С 0.5; Н/С 0.95; для водных - О/С 0.8; Н/С 1.13; почвенный образец занимает промежуточное положение:

О/С 0.6; Н/С 1.1.

Выделенные препараты гумусовых кислот охарактеризованы также методом ИК-спектроскопии. Типичные спектры приведены на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Типичные ИК-спектры выделенных препаратов гумусовых кислот.

В спектрах наблюдались следующие полосы поглощения (в см-1):

3690-3330 – валентные колебания несвязанных водородной связью фенольных и спиртовых OH-групп;

3400-3000 – валентные колебания OH-групп, связанных водородной связью;

2950-2850 – валентные колебания алифатической C-H связи;

1750-1680 – колебания связи C=O в карбоксильных и карбонильных группах;

1630 – колебания скелетных связей ароматического кольца;

1460-1350 – деформационные колебания алифатической C-H связи, колебания COO--групп;

1200 – колебания C-O связей в карбоксильных группах;

860-730 – колебания C-H ароматических связей.

Таким образом, элементный состав и ИК-спектры выделенных препаратов ГФК указывают на преобладание кислородсодержащих функциональных групп в их структуре. Следующим этапом исследования было определение основных кислородсодержащих групп в выделенных образцах.

2.2. Исследование функционального состава ГФК Для объяснения и прогнозирования химического поведения ГФК и их реакционной способности по отношению к полярным и ионным соединениям функциональных групп. Как уже отмечалось, основными функциональными препаратах гумусовых кислот посвящена данная глава.

функциональных групп в выделенных препаратах ГФК был использован набор принципиально различных методов анализа. Такой подход позволяет преодолеть ограничения и неточности отдельных методов, что крайне важно при анализе вещества нерегулярного строения, когда нельзя проверить истинность получаемых данных с помощью стандартов. Для этой цели нами была использована схема анализа, сочетающая химическую модификацию с дальнейшим исследованием продуктов физико-химическими методами, а также методы, основанные на реакциях солеобразования. В общем виде схема исследования приведена на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Схема количественного определения основных функциональных групп гумусовых кислот.

2.2.1. Количественное определение гидроксильных и карбоксильных групп гумусовых кислот путем их химической модификации гидроксильных групп в препаратах гумусовых кислот была опробована схема исследования, основанная на их модификации реагентами, действующими в мягких условиях и способными вводить в структуру группировки с характерными химическими сдвигами в 1Н и 19F ЯМР-спектрах.

Тип модификации Определяемые группы 1) силилирование Me3SiCl или Et2N-SiMe 2) метилирование СН2N 4) ацилирование трифторацетилимидазолом спектроскопии ЯМР.

Применение некоторых из перечисленных реагентов было ранее описано для фульвокислот [45,57,60,63]. Нами была проверена применимость данных методов для исследования нефракционированных образцов ГФК.

В качестве модельных соединений для проверки корректности схемы эксперимента нами были выбраны гидроксибензойные кислоты (салициловая и -резорциловая) и циклогексанол. Обработкой данных соединений диазометаном удалось достичь количественного превращения карбоксильных и фенольных гидроксильных групп в эфиры, за исключением ортогидроксильных. С помощью BF3СН3OH количественно метилировались только карбоксильные группы. Ацилированию трифторацетилимидазолом подвергались в основном только гидроксильные группы, однако некоторое количество смешанных ангидридов (10%) также было зафиксировано. Таким образом было показано, что такая схема пригодна для определения карбоксильных и гидроксильных групп.

Обработке перечисленными агентами были подвергнуты в общей сложности 15 проб разных препаратов нефракционированных ГФК. (Образцы метилированных препаратов охарактеризованы методом элементного анализа, см. Приложение 3, остальные производные получали непосредственно в ампулах для ЯМР-спектроскопии и не выделяли). Однако после обработки образцы имели настолько низкую растворимость в органических растворителях (включая ДМСО), что в спектрах присутствовали практически только сигналы растворителя и следов реагентов. Облучение ампул с дериватизованными ГФК ультразвуком не привело к растворению. Повидимому, удаление подвижных протонов нарушает механизм сольватации гумусовых кислот диметилсульфоксидом и в то же время не обеспечивает достаточную гидрофобизацию для растворения в менее полярных растворителях.

В связи с изложенным схема исследования была изменена. Для определения суммарного содержания гидроксильных групп был использован метод, позволяющий детектировать количество прореагировавших групп в нерастворимом продукте.

Нами был выбрано ацетилирование в пиридине, протекающее в относительно мягких условиях. Необходимость использования мягких условий обусловлена тем, что при температурах выше 100°С может происходить термическая деструкция ГФК [13]. Метод включает три последовательные стадии (R = Alk или Ar):

2) Переэтерификация бутанолом: ROAc + n-BuOH 3) Экстракция и хроматографическое определение бутилацетата.

Однако указанный метод определения гидроксильных групп был разработан для образцов водных фульвокислот [45], отличающихся высокой растворимостью. О его применимости для анализа высокомолекулярной фракции ГФК – гуминовых кислот – и нефракционированных препаратов авторы не сообщают.

Попытка использования описанной методики без изменений не привела к успеху: маслянистые продукты ацилирования было невозможно количественно перенести из реакционной ампулы в емкость для отгонки избытка реагентов, как того требует методика. Дополнительно вносимые растворители (гексан или бензол) также не смывали дериватизованные ГФК со стенок ампулы. Следовательно, полнота определения гидроксильных групп в нефракционированных ГФК не может быть достигнута при использовании такого варианта методики.

В связи с этим в аппаратурное оформление методики были внесены следующие изменения: во-первых, обе синтетические стадии анализа проводили в одной и той же ампуле с длинной трубкой, позволяющей запаивать ее дважды; во-вторых, удаляли избыток реагентов после ацилирования упариванием на песчаной бане (50°С) в токе аргона, а затем вакуумировали при нагревании на водяной бане. Наш вариант оформления методики позволил исключить две стадии переноса продуктов реакции из емкости в емкость и гарантировал 100%-ное введение ацилированных продуктов в реакцию переэтерификации.

гидроксильных групп была проанализирована салициловая кислота.

Полученное для нее содержание гидроксильных групп 7.6±0.4 ммоль/г хорошо согласуется с теоретическим 7.24 ммоль/г.

Однако из-за низкой растворимости большинства исследуемых препаратов гумусовых кислот в смеси уксусный ангидрид-пиридин их ацилирование протекает в гетерофазной системе. Следствием этого может быть, с одной стороны, завышение результатов определения вследствие адсорбции ацилирующего агента на субстрате; с другой стороны, –неполнота ацилирования гидроксильных групп. Часть ОН-групп может также оказаться нереакционноспособной вследствие стерических затруднений.

Для проверки возможного влияния на результаты определения адсорбции уксусного ангидрида на ГФК были проведены эксперименты по ацилированию в тех же условиях, но в отсутствие пиридина. Было найдено, что количество образующегося при этом бутилацетата составляет не более 3% от получаемого в присутствии пиридина, то есть адсорбция уксусного ангидрида на ГФК не вносит существенного вклада в результаты анализа. Для проверки полноты протекания реакции было проведено ацилирование трех препаратов ГФК в тех же условиях с выделением продуктов, которые были охарактеризованы методом ИК-спектроскопии с Фурье преобразованием.

ацетилированных образцов не удалось вследствие их чрезвычайно малой растворимости в органических растворителях (включая ДМСО).

Рис. 2.3. Типичные ИК-спектры исходных (А) и ацетилированных (Б) препаратов ГФК.

связанных водородной связью гидроксильных групп около 3550-3200 см-1 не исчезают полностью после обработки препаратов смесью (AcO)2O и Py.

Остаются практически без изменений полосы около 2690-2500 см-1, характерные для валентных колебаний связей О-Н в карбоксильных группах, связанных водородной связью [182]. К сожалению, с помощью ИК-спектров практически невозможно количественно оценить полноту протекания реакции ацилирования. Важно подчеркнуть, что в спектрах ацилированных образцов отсутствуют полосы поглощения около 1795-1775 см-1, соответствующие колебаниям С=О-связей в ангидридах.

Следовательно, на основе изучения ИК-спектров ацетилированных образцов ГФК можно сделать следующие выводы: 1) при ацилировании уксусным ангидридом в пиридине в реакцию вступают не все гидроксильные группы; 2) не образуется сколько-нибудь значительных количеств смешанных ангидридов.

Содержание гидроксильных групп в исследуемых препаратах ГФК, определенное описанным методом, приведено в табл. 2.8.

Таблица 2.8. Содержание гидроксильных групп в выделенных образцах торфяных ГФК ммоль/г В целом, полученные результаты по содержанию гидроксильных групп согласуются с данными других авторов. Так, в работах Шнитцера с сотр.

[8,71] приведено содержание (3.2-5 и 9-10 ммоль/г) гидроксильных групп для нефракционированных ГФК подзолистых почв (данные получены согласно методике [8]). Тищенко и Рыдалевская [183] методом метилирования определили содержание гидроксильных групп в ГК черноземных (7.12-7. ммоль/г) и торфяно-болотных (7.0 ммоль/г) почв.

2.2.2. Определение карбоксильных и фенольных гидроксильных групп в гумусовых кислотах с помощью реакций с гидроксидом бария и ацетатом кальция Фенольные гидроксилы и карбоксильные группы являются основными центрами связывания металлов в молекулах ГФК, и их содержание представляет собой важнейшую характеристику состава и реакционной способности препаратов ГФК.

Одними из наиболее распространенных методов определения общего содержания кислотных групп (ArОН+СООН) и содержания карбоксильных групп, являются, соответственно, баритовый и Са-ацетатный методы, основанные на взаимодействии кислотных групп ГФК с Ва(ОН)2 либо использовании обоих методов возникает ряд проблем, существование которых вызывает сомнения в количественности данных методов.

Первая проблема связана с обратимостью обоих реакций. Несмотря на образование малорастворимых соединений, обе реакции в значительной степени обратимы [94], и для достижения количественного протекания реакций необходим достаточный избыток реагента. Рекомендуемые количественные соотношения реагент/субстрат сильно варьируют у авторов разных вариантов методик (табл. 2.9).

Таблица 2.9. Количественные соотношения реагент/ГФК, рекомендуемые в различных вариантах баритового и Са-ацетатного методов в ммоль/г Систематические исследования по влиянию соотношения реагент/ГФК на величину определяемого содержания СООН- и ArOH-групп для угольных ГФК были осуществлены авторами [91-96]. Однако в работах, где используют эти реакции для характеристики гумусовых кислот почвенного и водного происхождения, обоснование рекомендуемых соотношений не приводится.

Следует подчеркнуть, что по составу и свойствам ГФК угля существенно отличаются от почвенных и водных. Они обогащены ароматическими фрагментами, а полисахаридные в них практически отсутствуют [184]. Для ГФК угля характерна более низкая растворимость и взаимодействие с Bа(ОH) и Са(ОАс)2 протекает для них как хемисорбция [93].

низкомолекулярных фракций и нефракционированных препаратов гумусовых кислот с Ва и Са. Оставаясь в растворе, ГФК могут вносить ошибку в определении содержания групп при титровании избытка Bа(ОH)2 или выделившейся уксусной кислоты. В связи с этим часто ставится под сомнение применимость данных реакций для плохо осаждаемых данными реагентами препаратов [40,88,101].

Отдельной проблемой является определение точки эквивалентности при титровании избытка Ba(OH)2 в баритовом методе и выделившейся уксусной кислоты – в Са-ацетатном методе. Разные авторы используют для этой цели либо фиксированные значения рН, соответствующие теоретическим значениям для соответствующих растворов Ba(OH)2 и Са(ОАс)2 [87], либо определяют точку перегиба кривой титрования графическими методами [100].

В связи с вышесказанным необходимо было найти экспериментальные условия, обеспечивающие надежность получаемых результатов. С этой целью было исследовано влияние на количество определямых по данным реакциям групп следующих факторов:

1) способ определение точки эквивалентности при титровании – избытка Ba(OH)2 и образующейся уксусной кислоты;

2) выбор количественных соотношений реагент/субстрат;

3) наличие в реакционной смеси растворимых гуматов бария и кальция.

Влияние способа определения точки эквивалентности Поскольку от способа определения точки эквивалентности зависят все последующие результаты, его влияние необходимо было выяснить в первую очередь. Для этого было проведено потенциометрическое титрование избытка Ba(OH)2 и уксусной кислоты после осаждения гуматов Ва и Са. Для всех исследованных образцов полное осаждение гуматов Ва и Са не достигалось.

Супернатант содержал значительное количество окрашенного вещества (низкомолекулярные фракции ГФК).

Тем не менее большинство полученных кривых потенциометрического титрования супернатанта при определении и баритовым и Са-ацетатным методом были достаточно симметричными и содержали один явно выраженный перегиб. Данный факт свидетельствует о том, что при определении баритовым методом перегиб на кривой соответствует оттитровыванию избытка реагента, Са-ацетатным – выделившейся уксусной кислоты, тогда как слабокислотные группы неосаждаемой фракции ГФК не титруются вместе с уксусной кислотой. Типичные кривые титрования для обоих методов приведены на рис. 2.4.

Рис.2.4. Типичные кривые потенциометрического титрования реакционной смеси [Ba(OH)2 +ГФК)] – (А) и [Са(ОАс)2+ГФК] – (Б) после осаждения гуматов Ва и Са.

Как видно из рисунка, для кривой титрования при использовании баритового метода характерно наличие резкого скачка вблизи точки перегиба.

Следовательно, небольшие ошибки определения рН точки перегиба не приведут к существенным отклонениям в определении эквивалентного объема титранта, и точку эквивалентности можно определять по индикатору (например, фенолфталеину).

Для Са-ацетатного метода наблюдается иная ситуация (рис. 2.3.Б).

Вблизи точки перегиба кривой титровани резкого скачка не наблюдается, и поэтому неточность в определении точки перегиба может привести к значительным ошибкам определения эквивалентного объема титранта. Для точного определения точки перегиба нами был использован расчетный метод, описанный в экспериментальной части. Результаты расчета приведены в табл. 2.10.

Таблица 2.10. Рассчитанные значения рН в точке перегиба на кривых титрования супернатанта при определении карбоксильных групп в препаратах ГФК Каждое определение выполнялось три раза.

Как следует из таблицы 2.10, для всех исследованных образцов ГФК точки перегиба лежат в диапазоне рН 8.03-8.75, что ниже рекомендуемых в работах [8,87,88,99] рН 8.9 и 9.8. Расчет с использованием рекомендуемых значений рН для определения точки эквивалентности привел бы к завышению результатов определения карбоксильных групп на 10-30%. Следовательно, точность определения точки эквивалентности является одним их ключевых факторов для получения правильных результатов Са-ацетатным методом.

Можно предположить, что наблюдаемое многими авторами [87,88,101] завышение результатов по сравнению с другими методами является следствием неправильного определения точки эквивалентности.

Для проверки данного предположения мы провели аналогичные эксперименты с модельными соединениями – полигидроксибензойными кислотами. Для большинства кислот, образующих растворимые соли с Ва и Са, на кривых титрования реакционной смеси наблюдается два явно выраженных перегиба (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Кривые титрования реакционной смеси при анализе 2,4дигидроксибензойной кислоты баритовым (А) и Са-ацетатным (Б) методами.

Первый перегиб соответствует конечной точке титрования избытка Ва(ОН)2 (А) или АсОН (Б), второй – ароматических ОН-групп анализируемой кислоты. При этом точкам перегиба соответствуют значения рН 10 (Ва(ОН)2) эквивалентности рН 8.9 и 9.8 в таких случаях приведет к получению неправильных результатов. Действительно, авторами [99], использовавшими данных подход, были получены завышенные результаты для 2,4- и 2,5дигидрокси- и 3,4,5-тригидроксибензойных кислот по Са-ацетатному и заниженные – по баритовому методу.

Для всех исследованных образцов гумусовых кислот при анализе баритовым методом наблюдался лишь один перегиб на кривой титрования, аналогично приведенной на рис. 2.5 (Б). Следовательно, в отличие от модельных кислот, для анализа ГФК данным методом можно использовать визуальную индикацию.

Проведенное исследование позволяет заключить, что при анализе ГФК баритовым методом способ определения точки эквивалентности, как правило, не играет большой роли, тогда как для Са-ацетатного метода он является весьма важным фактором. Использование теоретических значений рН для определения точки эквивалентности в Са-ацетатном метода может привести к получению некорректных результатов и не может быть рекомендовано для количественных определений.

Влияние количественных соотношений реагент/субстрат на определяемое содержание карбоксильных и фенольных Вследствие нестехиометричности гумусовых кислот невозможно при определении задать точное значение мольного соотношения реагент/субстрат.



Pages:     || 2 |


Похожие работы:

«Курашев Антон Сергеевич АНТЭКОЛОГИЯ АЛЬПИЙСКИХ РАСТЕНИЙ СЕВЕРО-ЗАПАДНОГО КАВКАЗА Специальность 03.02.01 – ботаника Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук Научный руководитель, д.б.н., профессор В.Г. Онипченко Москва, 2012 г. ОГЛАВЛЕНИЕ Введение Глава 1. Цветение и опыление растений как предмет экологических исследований 1.1. Антэкология...»

«КОРОВЧЕНКО ПАВЕЛ ВЛАДИСЛАВОВИЧ РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ЭКВИВАЛЕНТИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ПРЕДПРИЯТИЯ С НЕЛИНЕЙНОЙ НАГРУЗКОЙ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени...»

«МОРОЗ Наталья Юрьевна УЧЕТНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АМОРТИЗАЦИИ ОСНОВНЫХ СРЕДСТВ, СОЗДАНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АМОРТИЗАЦИОННОГО ФОНДА (по материалам сельскохозяйственных организаций Краснодарского края) Специальность 08.00.12 — бухгалтерский учет, статистика ДИССЕРТАЦИЯ на...»

«КАЗИЕВА Ирина Эльбрусовна КЛИНИКО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ИНГИБИТОРА РЕЗОРБЦИИ КОСТНОЙ ТКАНИ НА ОСНОВЕ РАСТИТЕЛЬНЫХ ФЛАВОНОИДОВ ПРИ ДЕНТАЛЬНОЙ ИМПЛАНТАЦИИ 14.01.14 – стоматология ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата медицинских наук Научный...»

«ТЮРНИН Владимир Алексеевич ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ОТРАБОТКИ СВИТ ПОЛОГИХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ, СКЛОННЫХ К САМОВОЗГОРАНИЮ Специальность 25.00.22 - Геотехнология (подземная, открытая и строительная) Диссертация на соискание ученой степени кандидата...»

«vy vy из ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ Пережогина^ Алена Анатольевна 1. Профессионально-педагогическая адаптация начинающего преподавателя вуза 1.1. Российская государственная библиотека diss.rsl.ru 2002 Пережогина^ Алена Анатольевна Профессионально-педагогическая адаптация начинающего преподавателя вуза [Электронный ресурс]: Дис.. канд. пед. наук : 13.00.08 М.: РГБ, 2002 (Из фондов Российской Государственной Библиотеки) Теория и методика профессионального образования Полный...»

«Анисимов Сергей Михайлович МАРКЕТИНГОВОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КЛАСТЕРНЫХ ИНВЕСТИЦИОННЫХ ПРОЕКТОВ Специальность: 08.00.05 – Экономика и управление народным хозяйством (маркетинг) ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата экономических наук Научный руководитель д.э.н., проф. Азоев Г.Л. Москва Содержание Введение Глава I Теоретические...»

«УДК ФИЛИППЕНКО Людмила Викторовна ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИЕМНЫЕ СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ ТУННЕЛЬНЫХ ПЕРЕХОДОВ Специальность 01.04.01 – Приборы и методы экспериментальной физики Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Научный руководитель : профессор, д.ф.-м.н. Кошелец В.П. МОСКВА – 2009 СОДЕРЖАНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ стр. П1...»

«vy vy из ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ Жуковский, Владимир Ильич 1. Субъект преступления в уголовном праве России 1.1. Российская государственная библиотека diss.rsl.ru 2003 Жуковский, Владимир Ильич Субъект преступления в уголовном праве России [Электронный ресурс]: Дис.. канд. юрид. наук : 12.00.08.-М.: РГБ, 2003 (Из фондов Российской Государственной библиотеки) Уголовное право и криминология; уголовно-исполнительное право Полный текст:...»

«vy vy из ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ Волошин, Юрий Константинович 1. Обшз>1Й американский с л е н г 1.1. Российская государственная библиотека diss.rsl.ru 2005 Волошин, Юрий Константинович Общий американский сленг [Электронный ресурс]: Дис.. д-ра филол. наук : 10.02.19 - М.: РГБ, 2005 (Из фондов Российской Государственной Библиотеки) Общее языкознание, социолингвистика, психолингвистика Полный текст: littp://diss.rsl.ru/diss/02/0004/020004001.pdf Текст воспроизводится по...»

«Мошкина Елена Васильевна Организационно-педагогическое сопровождение процесса подготовки студентов заочной формы в условиях электронного обучения 13.00.08 – Теория и методика профессионального образования ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата педагогических наук Научный руководитель : доктор педагогических наук, профессор,...»

«ИЗ ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ Смолин, Андрей Геннадьевич Особый порядок судебного разбирательства, предусмотренный главой 40 УПК РФ: проблемы нормативного регулирования и дальнейшего развития Москва Российская государственная библиотека diss.rsl.ru 2006 Смолин, Андрей Геннадьевич Особый порядок судебного разбирательства, предусмотренный главой 40 УПК РФ: проблемы нормативного регулирования и дальнейшего развития : [Электронный ресурс] : Дис. . канд. юрид. наук  : 12.00.09. ­...»

«Синельников Александр Алексеевич ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОНОЙ НАДЕЖНОСТИ И ЭКОНОМИЧНОСТИ СВЕКЛОУБОРОЧНОГО КОМБАЙНА HOLMER В УСЛОВИЯХ СЕЛЬСКОГО ТОВАРОПРОИЗВОДИТЕЛЯ Специальность: 05.20.03 – Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве Диссертация на соискание...»

«Покачалова Анна Сергеевна ДОГОВОР ОБ ОБЯЗАТЕЛЬНОМ ПЕНСИОННОМ СТРАХОВАНИИ: ГРАЖДАНСКО-ПРАВОВОЙ АСПЕКТ 12.00.03 — гражданское право; предпринимательское право; семейное право; международное частное право Диссертация на соискание ученой степени кандидата юридических наук Научный руководитель – кандидат юридических наук, доцент...»

«Алексеев Алексей Александрович Метод автоматического аннотирования новостных кластеров на основе тематического анализа 05.13.11 – Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Научный руководитель доктор физ.-мат. наук профессор М.Г. Мальковский Москва – 2014 Оглавление ВВЕДЕНИЕ 1....»

«Шепелева Лариса Петровна КОМПЬЮТЕРНАЯ ТОМОГРАФИЯ В ДИАГНОСТИКЕ ПЕРВИЧНОГО ТУБЕРКУЛЕЗА ОРГАНОВ ДЫХАНИЯ У ДЕТЕЙ И ПОДРОСТКОВ 14.01.16. – фтизиатрия 14.01.13. - лучевая диагностика и лучевая терапия ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора медицинских наук Научные консультанты: доктор медицинских наук, профессор АКСЕНОВА...»

«Абдулаева Софья Вячеславовна Лазерный липолиз в пластической хирургии 14.01.17 - хирургия Диссертация на соискание ученой степени кандидата медицинских наук Научный руководитель д.м.н., профессор Данилин Н.А. Москва 2014 г. 0 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение..4-8 Глава 1. Обзор литературы 1.1 Современное состояние вопроса обьемной и контурной коррекции тела.. 1.2 Анатомия жировой...»

«Василенко Светлана Владимировна СТАТУСНО-РОЛЕВАЯ ДЕТЕРМИНАЦИЯ КАЧЕСТВА ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ СПОРТСМЕНАМИ ГРУППОВЫХ ВИДОВ СПОРТА Специальность 19.00.05 – Социальная психология ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата психологических наук Научный руководитель : доктор психологических наук, профессор В. Б. Никишина Курск – Содержание ВВЕДЕНИЕ.. ГЛАВA 1. ТЕОРЕТИКО-МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ СТАТУСНО-РОЛЕВОЙ ДЕТЕРМИНАЦИИ И...»

«ШУЛЬГИНОВ Роман Николаевич КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ГИДРОАККУМУЛИРУЮЩИХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ НА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ РЫНКЕ Специальность 08.00.05 – Экономика и управление народным хозяйством (экономика, организация и управление предприятиями, отраслями, комплексами ) Диссертация на соискание ученой...»

«Макагонов Андрей Сергеевич СПОРТИВНЫЕ КАЧЕСТВА КАК АКМЕОЛОГИЧЕСКАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ ЛИЧНОСТНОГО РАЗВИТИЯ БУДУЩЕГО РУКОВОДИТЕЛЯ Специальность 19.00.13 – психология развития, акмеология Диссертация на соискание ученой степени кандидата психологических наук Научный руководитель доктор педагогических наук профессор Соловьева Н.В. Москва – 2014 СОДЕРЖАНИЕ Введение Глава 1. Теоретико-методологические основания исследования спортивных качеств как акмеологической составляющей личностного...»






 
2014 www.av.disus.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.