«ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ АНИЛИНА И ЕГО ХЛОРПРОИЗВОДНЫХ В ВОДЕ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ БРОМИРОВАНИЕМ ...»

Министерство образования Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный университет

Сыктывкарский государственный университет

На правах рукописи

Филиппова Мария Викторовна

ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ

АНИЛИНА И ЕГО ХЛОРПРОИЗВОДНЫХ В ВОДЕ

С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ БРОМИРОВАНИЕМ

Специальность 02.00.02 – Аналитическая химия Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель – доктор химических наук, профессор И. Г. Зенкевич Санкт-Петербург – 2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

…........ ГЛАВА 1 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

........ 1.1 Приборы и оборудование

........... 1.2 Химические реактивы и растворители

........... 1.3 Методика определения линейно-логарифмических индексов удерживания...........

…..... 1.4 Методика установления коэффициентов распределения

.......... 1.5 Оптимизация условий газохроматографических измерений

......... ГЛАВА 2 ХИМИЧЕСКАЯ МОДИФИКАЦИЯ ХЛОРАНИЛИНОВ

......... 2.1 Бромпроизводные хлоранилинов

........... 2.1.1 Получение бромпроизводных хлоранилинов в водных средах

......... 2.1.2 Газохроматографические характеристики бромпроизводных хлоранилинов...

........... 2.2 Производные бромированных хлоранилинов по аминогруппе

........... 2.2.1 Газохроматографические характеристики производных бромированных хлоранилинов по аминогруппе

.......... 2.2.2 Получение производных бромированных хлоранилинов по аминогруппе в органических средах

..........

ГЛАВА 3 ЭКСТРАКЦИОННОЕ КОНЦЕНТРИРОВАНИЕ БРОМПРОИЗВОДНЫХ

ХЛОРАНИЛИНОВ

......... 3.1 Закономерности экстракции хлоранилинов и их бромпроизводных

3.2 Микрожидкостная экстракция бромпроизводных хлоранилинов

......... ГЛАВА 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХЛОРАНИЛИНОВ МЕТОДОМ ГХ-ДЭЗ/МС

......... 4.1. Оценка эффективности химической модификации хлоранилинов

4.2. Идентификация хлоранилинов и их производных методами ГХ-ДЭЗ/МС...............

4.2.1 ГХ-МС идентификации бромпроизводных хлоранилинов

4.2.2 Идентификации бромпроизводных хлоранилинов с использованием ДЭЗ............... 4.3 Способы определения хлоранилинов в различных водных объектах

4.3.1 Способ определения хлоранилинов в питьевых, природных, очищенных сточных водах и атмосферных осадках

4.3.2 Способ определения хлоранилинов в природных, технологических и сточных водах

4.4 Оценка метрологических характеристик способа определения хлоранилинов в водных средах

4.4.1 Оценка показателей систематической составляющей погрешности измерений массовой концентрации хлоранилинов (правильность)

4.4.2 Оценка показателей случайной составляющей погрешности измерений массовой концентрации хлоранилинов (прецизионность)

4.4.3 Оценка характеристик точности измерений массовой концентрации хлоранилинов

ВЫВОДЫ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ПРИЛОЖЕНИЕ

Приложение 1. Масс-спектрометрическая идентификация бромпроизводных хлоранилинов

Приложение 2. Масс-спектрометрическая идентификация трифторацетатов бромпроизводных хлоранилинов

Приложение 3. Методика приготовления и метрологические характеристики аттестованной смеси (АС) состава этанольных и водных растворов анилина и его хлорпроизводных

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

А – анилин 2-ХА – 2-хлоранилин 3-ХА – 3-хлоранилин 4-ХА – 4-хлоранилин 2,4-ДХА – 2,4-дихлоранилин 2,6-ДХА – 2,6-дихлоранилин 2,4,5-ТХА – 2,4,5-трихлоранилин 2,4,6-ТХА – 2,4,6-трихлоранилин 2-Х-4,6-ДБА – 2-хлор-4,6-диброманилин 3-Х-2,4,6-ТБА – 3-хлор-2,4,6-триброманилин 4-Х-2,6-ДБА – 4-хлор-2,6-диброманилин 2,4-ДХ-6-БА – 2,4-дихлор-6-броманилин 2,6-ДХ-4-БА – 2,6-дихлор-4-броманилин 2,4,5-ТХ-6-БА – 2,4,5-трихлор-6-броманилин 2,4,6-ТБА – 2,4,6-триброманилин ВС – внутренний стандарт ПДК – предельно-допустимая концентрация ГХ/GC– газовая хроматография ЖХ/LC – жидкостная хроматография ВЭЖХ/HPLC – высокоэффективная жидкостная хроматография ДЭЗ/ECD – детектор электронного захвата ПИД/FID – пламенно-ионизационный детектор ТИД/NPD – азотно-фосфорный детектор ПФД – пламенно-фотометричекий детектор FL – флюоресцентный детектор MS – масс-спектрометрический детектор ESI – ионизация электрораспылением NCI – химическая ионизация с регистрацией отрицательных ионов SPE – твердофазная экстракция SPME – твердофазная микроэкстракция LLE – жидкостная экстракция DLLME – дисперсионная жидкостная микроэкстракция HS – равновесная газовая фаза над образцом

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследований в области аналитической химии азотсодержащих ароматических соединений обусловлена тем, что в настоящее время в питьевой воде нормируется содержание нескольких десятков таких веществ. В особую группу распространенных и высокотоксичных органических соединений выделяют анилины. Их широкая распространенность связана с хорошей растворимостью в воде и активным промышленным применением.

Так, анилины всегда присутствуют в сточных водах предприятий по производству красителей, синтетических полимеров, каучуков, косметических и лекарственных препаратов. В естественных условиях хлоранилины образуются при гидролитической или биохимической деструкции некоторых пестицидов и антисептиков.

Особо опасно попадание анилинов в источники, используемые для подготовки питьевой воды. Реакционная способность анилина по отношению к хлору настолько велика, что на стадии ее обеззараживания происходит образование всего спектра хлорзамещенных анилинов, токсичность которых возрастает симбатно числу атомов хлора в молекуле.

Значительные различия хлоранилинов в токсичности и низкие значения их ПДК (0.0001-0.8 мг/дм3) требуют контроля содержания индивидуальных веществ этого класса, поэтому их определению должно предшествовать разделение, которое наиболее эффективно реализуется с помощью хроматографических методов. Существующие в настоящее время способы газохроматографического определения хлоранилинов требуют применения сложных методов и дорогостоящего оборудования (твердофазная микроэкстракция, хромато-массспектрометрия), которые остаются недоступными для большинства лабораторий.

Цель исследования – разработка новых способов дериватизации, идентификации и определения хлоранилинов в водных средах на уровне предельно допустимых и фоновых концентраций.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

– предложить новый подход к дериватизации хлоранилинов, основанный на получении более гидрофобных бромпроизводных хлоранилинов непосредственно в водной фазе с их последующей экстракцией органическими экстрагентами.

разработать ряд бромирующих систем, обеспечивающих снижение окислительной активности молекулярного брома и повышение выхода бромпроизводных хлоранилинов;

микрожидкостную экстракцию с фазовым соотношением r = 1000-2000;

разработать способ идентификации хлоранилинов в водных растворах, основанный на различии хроматографических характеристик бромпроизводных хлоранилинов и их трифторацетатов;

разработать комплекс методик селективного определения анилина и его моно-, ди- и трихлорзамещенных в различных водных объектах с пределами обнаружения 0.01мкг/дм3, что в 10-100 раз ниже минимальных значений предельно допустимых концентраций (ПДК), установленных для соединений этого класса.

Научная новизна: Для определения хлоранилинов в воде применена реакция бромирования с последующим экстракционным концентрированием бромпроизводных и газохроматографическим определением. Для получения бромпроизводных хлоранилинов в воде с выходами близкими к количественному, впервые предложен ряд бромирующих систем с низкой окислительной активностью. Впервые определены хроматографические характеристики хлоранилинов и их продуктов бромирования. При экстракции бромпроизводных хлоранилинов применены высокие соотношения объемов водной и органической фаз. Впервые рассчитаны коэффициенты распределения галогензамещенных анилинов (хлор- и бромсодержащих) в двух экстракционных системах.

Практическая значимость: На основе проведенных исследований разработана и аттестована методика количественного химического анализа: «Вода питьевая, природная сточная, атмосферные осадки и снежный покров. Методика измерений массовой концентрации анилина и хлоранилинов методом капиллярной газовой хроматографии (Центр метрологии и сертификации «Сертимет» УрО РАН, № 88-17641- 006 -2014).

Разработанные способы определения хлоранилинов внедрены в экоаналитической лаборатории Института биологии Коми НЦ УрО РАН и применяются для анализа природных, питьевых и артезианских вод различных районов республики Коми.

Материалы диссертации использованы при разработке методических рекомендаций к практикуму и чтении лекций по дисциплинам «Хроматография» и «Инструментальные методы анализа» на кафедре химии Института естественных наук ФГБОУ ВПО «Сыктывкарский государственный университет».

Положения, представляемые к защите:

новый подход к химической модификации анилина и хлоранилинов при их анализе в различных водных объектах;

новые бромирующие системы для получения бромпроизводных хлоранилинов непосредственно в водных средах;

новый способ идентификации хлоранилинов в водных средах;

газохроматографические способы количественного определения хлоранилинов в водных средах.

Апробация диссертации: Основные результаты изложены в 6 статьях (4 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК), 1 изобретении, тезисах 9 докладов, сделанных на конференции студентов и аспирантов СГУ «Шаг в будущее» (Сыктывкар, 2010), XVII Всероссийской молодежной научной конференции «Актуальные проблемы биологии и экологии» (Сыктывкар, 2010), IV Международной конференции «Экстракция органических соединений» (Воронеж, 2010), IV Международной молодежной научной конференции «ЭКОЛОГИЯ-2011» (Архангельск, 2011), VIII Всероссийской конференции по анализу объектов окружающей среды «Экоаналитика-2011» (Архангельск, 2011), XIX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Волгоград, 2011), II Всероссийской молодежной научной конференции «Молодежь и наука на Севере»

(Сыктывкар, 2013), Всероссийской научно-практической конференции-выставке экологических проектов с международным участием «Бизнес. Наука. Экология родного края:

проблемы и пути их решения» (Киров, 2013).

Объем и структура диссертации: Диссертация состоит из введения, обзора литературы, четырех глав, выводов, списка цитируемой литературы, приложений.

Работа изложена на 132 страницах, содержит 47 рисунков и 31 таблицу. Список литературы включает 150 наименований, из них 102 – на английском языке. В приложении приведены масс-спектры бромпроизводных хлоранилинов и их трифторацетатов, а также методика приготовления аттестованных смесей хлоранилинов.

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Общая характеристика физических и химических свойств хлоранилинов Хлоранилины – ароматические амины с общей формулой NH2C6H5-хClх Замещая атомы водорода ароматической структуры анилина на атомы хлора, можно получить 19 различных хлоранилинов (моно-, ди-, три-, тетрахлоранилины и полностью хлорированный пентахлоранилин). Физические свойства некоторых хлоранилинов приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Физические свойства хлоранилинов [1, 2] Определяющее влияние на свойства анилинов оказывает аминогруппа и, в частности, ее способность к образованию водородных связей. Так, 2-хлоранилин характеризуется сравнимой с анилином температурой плавления и давлением насыщенных паров (табл. 1). Эти особенности 2-хлоранилина объясняются наличием внутримолекулярной водородной связи, которая ослабляет межмолекулярные взаимодействия:

По этой же причине и 2,6-дихлоранилин характеризуется наименьшей температурой плавления среди дихлорзамещенных анилинов.

Наличие NH2-группы обуславливает и достаточно высокую гидрофильность анилинов.

Так, анилин растворяется даже в холодной воде (2-3 %), а при 95 oС концентрация насыщенного раствора достигает 7 %. Введение атомов хлора в молекулы органических соединений, как известно, оказывает гидрофобное действие [3], поэтому с увеличением их числа растворимость хлоранилинов в воде закономерно снижается (табл. 1). Одновременно с этим повышается растворимость хлорированных анилинов в органических средах: коэффициенты их распределения в системе октанол-вода последовательно возрастают – при введении каждого атома хлора, в среднем, на порядок (табл. 1).

Анилины проявляют свойства слабых органических оснований, переходя в кислых растворах в катионы анилиния (рис. 1).

Рисунок 1 – Зависимость доли непротонированных молекул анилина и хлоранилинов в водногом растворе от его значения pH: 1 – 2,4-дихлоранилин, 2 – 4-хлоранилин, 3 – анилин Основность аминов характеризует отрицательный десятичный логарифм константы диссоциации сопряженной кислоты – аммонийной соли (рКа), при этом, чем больше значение рКа, тем выше основность. В табл. 2 приведены значения рКа для хлоранилинов и некоторых других распространенных аминов.

По сравнению с алифатическими аминами, неподеленная пара электронов атома азота в анилинах сопряжена с ароматическим кольцом:

Таблица 2 – Значения рКа некоторых алифатических и ароматических аминов [4] В результате этого сопряжения ее доступность при взаимодействии с катионами водорода значительно снижается, поэтому анилины проявляют более слабые основные свойства.

Так, соли они образуют только при взаимодействии с сильными кислотами:

Также следует отметить, что в катионе анилиния отсутствует резонансная стабилизация и заряд локализован здесь исключительно на атоме азота [5]. При введении атомов хлора в молекулы ароматических аминов степень сопряжения неподеленной пары усиливается, и основные свойства хлоранилинов еще больше ослабевают.

В свою очередь, взаимодействие аминогруппы с -электронным облаком ароматического ядра (+М-эффект) ведет к перераспределению электронной плотности – в орто - и пара - положениях она повышается, что существенно усиливает активность хлоранилинов в реакциях электрофильного замещения [6-8]:

Так, хлоранилины нитруются и галогенируются при достаточно низких температурах:

При незначительном нагревании – алкилируются и сульфируются:

Продукты сульфирования анилинов (анилинсульфокислоты) используют для производства лекарственных препаратов:

Продукты реакции диазотирования хлоранилинов применяются при производстве азокрасителей и ряда других соединений:

Наличие достаточно подвижных атомов водорода в аминогруппе позволяет вести химический синтез и в этом направлении. При взаимодействии с органическими кислотами или их ангидридами получают анилиды, применяемые при производстве взрывчатых веществ и пигментов [9]:

Реакции хлоранилинов по аминогруппе широко применяют и при синтезе различных пестицидов. Так, 4-хлоранилин при взаимодействии с фосгеном дает 4-хлорфенилизоцианат, который в дальнейшем используют для получения гербицида – монурона [10]:

В промышленности хлоранилины получают гидрированием соответствующих хлорнитробензолов (Pt-катализатор, 50-100 °С, 0.25-3 МПа):

Токсичность и источники поступления хлоранилинов в биосферу До 90-х годов прошлого столетия большого внимания оценке токсичности и распространенности хлоранилинов в объектах окружающей среды не уделялось. Но позже была обнаружена их устойчивость к разложению микроорганизмами, которая в сочетании с ростом промышленного потребления привела к широкому загрязнению хлоранилинами объектов биосферы [11].

Оценка уровня токсичности хлоранилинов повлекла за собой включение анилина и его семи хлорпроизводных в список "приоритетных загрязняющих веществ", составленный управлением по охране окружающей среды США (US EPA). Включение веществ, оказывающих прямое или косвенное влияние на здоровье человека, в этот список предполагает их обязательное количественное определение во всех объектах биосферы [12].

Содержание хлоранилинов в питьевой воде и в водных объектах, имеющих рыбохозяйственное значение, нормируется и в Российской Федерации – ПДК этих соединений приведены в табл. 3.

Большинство нормируемых в воде хлоранилинов относятся к веществам 2 и 3 класса опасности (высокоопасные и опасные), поскольку оказывают прямое токсическое действие на организм [15]. Они поражают центральную нервную систему, почки, печень, селезенку, а при попадании в кровь провоцируют образование метгемоглобина и дегенеративные изменения эритроцитов. При хронических отравлениях анилины вызывают нервно-психические нарушения, расстройство сна и токсический гепатит. В некоторых исследованиях показано их канцерогенное действие, в частности, на водные организмы [16].

Таблица 3 – Значения предельно-допустимых концентраций хлоранилинов [13, 14] 3,4-дихлоранилин Токсичность хлоранилинов неодинакова и зависит от числа и положения атомов хлора в ароматическом ядре. Для характеристики токсичности химических соединений традиционно используют значение EC50 (полумаксимальная эффективная концентрация). Это концентрация токсиканта, вызывающая в определенных экспериментальных условиях гибель 50 % тестовых организмов [17].

С увеличением числа атомов хлора в молекуле хлоранилинов токсичность закономерно возрастает (табл. 4). Среди монохлоранилинов наибольшей токсичностью характеризуется 4-хлоранилин, среди дихлоранилинов – 3,4-дихлоранилин.

Таблица 4 – Значения EC50 (мг/дм3) хлоранилинов для некоторых организмов [18, 19] Широкое применение анилинов в качестве основных или промежуточных продуктов в синтезе фармацевтических препаратов, пигментов и красителей делает сточные воды этих производств одним из основных источников поступления хлоранилинов в окружающую среду [9, 12].

В естественных условиях, ароматические амины могут образовываться при гидролитической или биохимической деструкции органического вещества почвы [21], а также широко применяемых антисептиков и пестицидов (рис. 2).

Рисунок 2 – Образование хлоранилинов при деструкции некоторых веществ [22-24].

При попадании анилинов в водоисточники, используемые для подготовки питьевой воды, на стадии ее обеззараживания хлором может происходить образование всего спектра хлорзамещенных анилинов:

Реакционная способность анилина по отношению к хлору настолько велика, что хлорирование протекает даже при температурах близких к 0 С [20].

Количественный химический анализа хлоранилинов в водных средах Анализ анилина и его замещенных в водных средах представляет собой сложную аналитическую задачу, что обусловлено:

низкими значениями ПДК анилинов, требующими применения высокочувствительных методов их определения на уровне микроконцентраций (0.01-0.1 мкг/дм3);

достаточно высокой (для органических соединений) растворимостью в воде и связанными с этим трудностями при их извлечении из водной матрицы.

Кроме того, значительные различия ПДК хлоранилинов (табл. 3) требуют их селективного определения, которое может быть реализовано только хроматографическими методами.

На рисунке 3 представлены основные стадии аналитического цикла определения ароматических аминов в воде, которые обычно предшествуют хроматографическому анализу.

Получение производных Рисунок 3 – Основные стадии аналитического цикла определения хлоранилинов в воде хроматографическими методами Консервация. Начальная точка аналитического цикла определения анилинов в водных средах – отбор и консервация пробы. Консервация пробы предназначена для предотвращения или сведения к минимуму окислительных и других деструктивных процессов, протекание которых возможно при хранении водного образца. Обычно стадию пробоотбора и анализа разделяет от нескольких часов до нескольких суток. Согласно рекомендациям [25] без консервации ароматические амины могут храниться не более 4 часов, при температуре 3-6 С – не более суток. Введение неорганических кислот для снижения рН водной пробы до значения 2-3 и перевод анилинов в среду органического растворителя (экстракция гексаном) позволяют увеличить время хранения водных проб до 14 и 30 суток соответственно.

Концентрирование. При определении анилинов в водных средах на уровне ПДК методом хроматографии, как правило, применяется предварительное концентрирование [26-29].

Эта стадия предназначена для замены водной матрицы на органическую, более удобную для последующего инструментального анализа, повышения концентрации определяемых соединений и отделения мешающих компонентов.

К наиболее распространенным способам концентрирования анилинов относятся жидкостная экстракция и сорбция (твердофазная экстракция).

Жидкостная экстракция. Экстрагенты, применяемые для концентрирования, должны удовлетворять довольно жестким требованиям: хорошо извлекать анализируемый компонент или группу веществ; обладать минимальной растворимостью в воде; иметь невысокую температуру кипения. Плотность экстрагента должна как можно больше отличаться от плотности исследуемого раствора. Обычно экстрагируют из больших объемов (0.5-1.0 дм3) водной пробы несколькими порциями растворителя, общий объем которого достигает 50-200 см3, следовательно, фазовое соотношение r = 5-20 и лишь в отдельных системах значение r превышает 100. Экстракт упаривают до объема 0.5-1.0 см3, что нередко сопровождается искажением качественного и количественного состава анализируемой пробы за счет потерь определяемых веществ и концентрирования примесей, содержащихся в экстрагенте [30, 31].

В связи с этим, принципиальное значение приобретает однократная экстракция малым объемом растворителя (0.5-1.0 см3) при объеме анализируемой пробы 1000-2000 см3 – микрожидкостная экстракция [32-35]. Кроме того, при микроэкстракции решаются еще две важные задачи:

– получаемый экстракт максимально полно используется в последующем хроматографическом анализе – до 100 % (при обычной экстракции – менее 1 %);

– значительно сокращается расход экстрагентов и объем водной пробы, необходимый для анализа.

Растворители по эффективности извлечения анилинов располагаются в следующий ряд:

предельные углеводороды < непредельные углеводороды < ароматические углеводороды < простые эфиры < спирты < сложные эфиры [3, 36]. Введение в систему неорганических высаливателей (NaCl, Na2SO4) позволят значительно повысить коэффициенты распределения и эффективность экстракционного концентрирования анилинов [37].

Твердофазная экстракция (сорбция). Сорбционное концентрирование основано на поглощении примесей сорбентами различной природы из большого объема водной пробы, последующем элюировании малым объемом растворителя и упаривании экстракта [30, 38].

Преимущества сорбционного концентрирования по сравнению с жидкостной экстракцией состоят в малом расходе растворителя и большей степени извлечения. Объем водной пробы обычно составляет 0.1-1.0 дм3, экстрагента 1-5 см3, элюата после упаривания 0.1-1.0 см3. К ограничениям способа следует отнести неудовлетворительную воспроизводимость коэффициентов сорбции на однотипных сорбентах, а также загрязнение элюата примесями, присутствующими в сорбенте и элюенте [30].

Концентрирование анилинов на активированных углях разных марок и смолах (XAD) позволяет извлекать до 90-95 % этих соединений [39, 40]. Эти сорбенты характеризуются высокой химической устойчивостью и емкостью, что позволяет анализировать большие объемы воды. Однако, вследствие достаточно прочного связывания, применение этих типов сорбентов не позволяет добиться полной десорбции анализируемых веществ.

Широкое распространение в аналитической практике получили микроколонки, заполненные химически модифицированными силикагелями (С18, PR-С18). К преимуществам данных сорбентов относится высокая скорость массообмена в процессе сорбции, осуществление десорбции малыми объемами элюента и возможность автоматизации анализа при online соединении с жидкостным хроматографом [41, 42].

В последнее десятилетие наряду с микрожидкостной экстракцией быстро развивается и твердофазная микроэкстракция [43-45]. Этот метод основан на равновесном распределении органических веществ между слоем полимерного сорбента, который нанесен на кварцевый или стальной стержень, и водной матрицей образца (рис. 4). Игла микрошприца предотвращает механическое повреждение сорбирующего элемента в ходе эксплуатации и обеспечивает удобство проведения десорбции.

Концентрирование целевых аналитов проводится при погружении стержня с закрепленным сорбирующим слоем в водный раствор на время, необходимое для установления равновесного распределения целевых соединений между сорбирующим покрытием и образцом. Стадию десорбции обычно проводят непосредственно в испарителе хроматографа при 150-300 С от 2 до 10 минут.

Рисунок 4 – Устройство для проведения твердофазной микроэкстракции (ТФМЭ): 1 – поршень, 2 – игла шприца, 3 – стержень из нержавеющей стали, 4 – кварцевое волокно с сорбирующим покрытием.

К основным недостаткам ТФМЭ относят длительный период выхода системы на равновесие из-за низкой скорости массообмена через тонкий статический слой воды, непосредственно окружающий сорбирующий элемент [45]. Для сокращения времени установления равновесия компонентов необходимо эффективное перемешивание, вибрационное или ультразвуковое воздействие, что приводит к существенному усложнению и повышению стоимости анализа.

Получение производных. При определении микроколичеств хлоранилинов в воде хроматографическими методами существует два основных подхода:

– прямые определения (детектирование непосредственно хлоранилинов);

– определения хлоранилинов в виде производных (дериватов).

Предел прямых хроматографических определений хлоранилинов, даже с применением селективных детекторов (ДЭЗ, ТИД и ПФД), высокоэффективных капиллярных колонок и современных методов концентрирования, как правило, не превышает необходимого уровня чувствительности (0.05 мкг/дм3) и составляет 0.5-5 мкг/дм3[29, 46-55].

Основная причина такой неудовлетворительной чувствительности – наличие у хлоранилинов полярной аминогруппы, препятствующей эффективной экстракции, а при разделении вызывающей размывание и асимметрию хроматографических пиков.

C другой стороны, высокая реакционная способность NH2-группы анилинов может быть использована для проведения их химической модификации [3-5]. Дезактивация аминогруппы одинаково положительно будет сказываться как на экстракционном концентрировании анилинов, так и их хроматографическом разделении, значительно снижая пределы обнаружения. Кроме того, получение производных может способствовать повышению надежности идентификации хлоранилинов, в частности, масс-спектрометрической – по образующимся характерным молекулярным ионам [56, 57].

Ниже рассматриваются реакции получения N-производных аминов, которые применяются для определения соединений этого класса методом газовой хроматографии.

Силилирование относится к наиболее универсальному методу дезактивации полярных функциональных групп органических соединений [58]. Силильные производные первичных и вторичных аминов получают с использованием следующих силилирующих реагентов:

MSTFA: N-метил-N-(триметилсилил)трифторацетамид [59];

BSTFA: N,O-бис(триметилсилил)трифтор-ацетамид [60];

MTBSTFA: N-метил-N-(третбутилдиметилсилил)трифторацетамид [61, 62] В качестве катализаторов применяют триметилхлорсилан (TMCS) или триметилсилилимидазол (TMSIM). Следует отметить, что активность разных классов органических соединений в реакциях силилирования с этими реагентами неодинакова и снижается в следующем ряду: спирты > фенолы > карбоновые кислоты > первичные амины > вторичные амины > амиды [63]. Реакция проводится только в условиях органических растворителей, поскольку как реагенты, так и продукты реакции легко гидролизуются, даже в присутствии следовых количеств воды [64]. Установлено, что по сравнению с триметилсилил-производными (ТМС) аминов, третбутилдиметилсилил-производные (ТБДМС) характеризуются на порядок большей устойчивостью к гидролизу, длительное время может храниться и сам реагент для их получения – MTBSTFA [61]. Другая проблема силилирования – возможность замещения обоих атомов водорода с образованием смеси моно- и ди-ТМС-производных [60]. Здесь также предпочтительнее применение MTBSTFA, поскольку ди- ТБДМС-производные практически не образуются из-за стерических препятствий, создаваемых объемными ТБДМСгруппами [65, 66].

Ацилирование, наряду с силилированием, также широко применяется для химической модификации и последующего ГХ-анализа полярных органических соединений [67, 68].

Ацилирование иногда предпочтительнее силилирования, потому что при прочих равных условиях ацильные производные проявляют большую гидролитическую и термическую устойчивость, чем соответствующие N-силильные производные и требуют менее жестких условий газохроматографического анализа [67].

В качестве ацилирующих реагентов аминов применяют ангидриды карбоновых кислот, ацилгалогениды и ациламиды:

АА: Уксусный ангидрид [69];

TFAA: Трифторуксусный ангидрид [70-73];

PFPA: Пентафторпропионовый ангидрид [74-77];

HFBA: Гептафтормасляный ангидрид [78-84];

TCA-Cl: Трихлорацетил хлорид [85];

HFB-Cl: Гептахлорбутурил хлорид [86, 87];

HFB-Cl: Пентафторбензоил хлорид [88];

DTFMB-Cl: Дитрифторметилбензоил хлорид [89];

Бензоил хлорид [90];

N-Сукцинимид бензоат [91];

N-Гидроксисукцинимид тетрафторбензоат [92];

N- Гидроксисукцинимид фенилацетат [93] Реакция ацилирования обычно проводится в среде апротонных органических растворителей, в качестве катализаторов и акцепторов побочных продуктов (галогенидов водорода) применяется пиридин, триметил- или триэтиламин. Ацилирование аминов ангидридами и ацилгалогенидами может проводиться и без катализаторов введением избытка реагента в испаритель газового хроматографа сразу после инжекции экстракта («оn-column acylation»).

Хотя продукты ацилирования аминов проявляют большую устойчивость к гидролизу, по сравнению силильными производными, ацилирование обычно проводят после проведения жидкостной или твердофазной экстракции. С целью повышения степени извлечения аминов из воды описано совмещение ацилирования с твердофазной экстракцией при использовании различных реагентов [73, 77, 90]. Этот вариант реализуют одним из трех возможных способов. В первом способе – сначала проводят дериватизацию аминов, смешивая их с модифицирующим реагентом непосредственно в воде [68], после чего извлекают производные с помощью ТФМЭ. Два других способа подразумевают взаимодействие аминов с модифицирующим реагентом непосредственно на волокнах сорбента при ТФМЭ [72, 83, 88, 91, 92]. Волокна сорбента, уже адсорбировавшие амины, подвергают действию модифицирующего реагента, или, наоборот, первоначально волокно сорбирует модифицирующий реагент, который потом взаимодействует с раствором аминов. Адсорбированные амины могут быть также и элюированы с сорбента смесью растворителей, содержащей ацилирующий реагент [86].

Дериватизация ангидридами и ацилгалогенидами, содержащими атомы фтора или хлора, увеличивает сродство к электрону получаемых производных, что значительно повышает чувствительность их определения при использовании ДЭЗ или ГХ/МС в режиме химической ионизации с регистрацией отрицательных ионов. При этом чувствительность обнаружения ДЭЗ увеличивается в порядке F < С1 0.03 моль/дм3 раствор разбавляют. Хранят не более двух недель в холодильнике при температуре не выше 5 С.

Спиртовой раствор 1,2-диметоксибензола. Массовая концентрация 1,2диметоксибензола: (о(С6Н4(ОСН3)2) = 1000 мкг/см3).

В мерную колбу вместимостью 100 см3 вносили 0.100 г 1,2-диметоксибензола, добавляли 50 см3 этилового спирта, перемешивали до полного растворения 1,2-диметоксибензола и доводили объем раствора этиловым спиртом до метки на колбе. Полученный раствор 1,2диметоксибензола устойчив при хранении в холодильнике (3-5 С) в течение шести месяцев.

Водный раствор 4,6-дибром-1,2-диметоксибензола (внутренний стандарт). Массовая концентрация 4,6-дибром-1,2-диметоксибензола: 1(С6Н2Br2(ОСН3)2) = 10 мкг/см В мерную колбу вместимостью 100 см3 вносят 50 60 см3 воды для лабораторного анализа, добавляют мерной пипеткой 1.00 см3 спиртового раствора 1,2-диметоксибензола (1000 мкг/см3). Приливают мерной пипеткой 5.0 см3 бромной воды (0.03 моль/дм3). Через одну минуту приливают 5.0 см3 раствора тиосульфата натрия (0.2 моль/дм3), доводят объем раствора водой для лабораторного анализа до метки на колбе. Хранят не более трех месяцев в холодильнике при температуре не выше 5 С.

1.3 Методика определения линейно-логарифмических индексов удерживания Индексы удерживания этой системы фактически являются обобщением чаще используемых логарифмических (Ковача) и линейных индексов удерживания и наиболее эффективны в режиме линейного программирования температуры [122]. Их значения оказываются наиболее воспроизводимыми вне зависимости от выбора реперных алканов и могут быть сопоставлены с изотермическими индексами Ковача при идентификации неизвестных соединений [123, 124]. Для расчета линейно-логарифмических индексов удерживания применяют формулу [125]:

здесь t n, t x tn k – исправленные времена удерживания анализируемого соединения и ближайших к нему реперных алканов с числом атомов углерода n и n+k и индексами In=100n и In+k= 100(n + k); t'= t – t0.

Расчетная формула содержит также переменный параметр q зависящий от условий выбранного режима линейного программирования температуры (начальной температуры колонки и скорости программирования). Расчет значения этого параметра требует измерения времен удерживания трех последовательно выходящих из колонки реперных н-алканов:

Для расчета обобщенных индексов (как и индексов Ковача в изотермических условиях) используются исправленные времена удерживания. Мертвое время хроматографической системы (t0), необходимое для вычисления исправленных времен удерживания (tR – t0), оценивали, вводя в хроматограф 5-10 мм3 метана.

Линейно-логарифмические индексы удерживания хлоранилинов и продуктов их дериватизации рассчитаны для стандартной неполярной полидиметилсилоксановой неподвижной фазы (TR-1, ZB-1 и др.). Для определения ИУ, экстракты хлоранилинов и продуктов их дериватизации дозировали вместе со смесью реперных н-алканов С8-С24 (гомологи только с четным числом атомов углерода в молекулах). Значение ИУ компонента, элюирующегося из колонки между н-алканами с n и n+1 атомами углерода, вычисляли двумя способами: по временам удерживания трех н-алканов с числом атомов углерода в молекулах n-1, n, n+1 и n, n+1, n+2. Совпадение значений ИУ, вычисленных по разным наборам реперных алканов, является критерием правильности выявления реперов на хроматограммах. Для каждой смеси получали по три хроматограммы, поэтому все аналиты охарактеризованы средними величинами шести определений и их погрешность не превышает ± 3 ед. индекса.

Определение линейно-логарифмических индексов удерживания продуктов дериватизации хлоранилинов, после их предварительной идентификации, проводили на хромато-массспектрометре TRACE DSQ. Режим ионизации – электронный удар, энергия электронов 70 эВ, интервал m/z 50-650 Да. Условия определения: программирование температуры термостата колонок 50 °С–5 °С/мин–300 °С, кварцевая капиллярная колонка TR-1 (30 м 0.32 мм 0.25 мкм, полидиметилсилоксан), газ-носитель – гелий (99.99 %), скорость газаносителя 1 см3/мин, деление потока – 1:40, температура испарителя 320 °С, интерфейса 200 °С, детектора 200 °С.

Бромирование хлоранилинов проводили индивидуально для каждого соединения при его концентрации 0.5-1.0 мг/см3, в присутствии глицина (0.06 моль/дм3), придерживаясь общей методики галогенирования анилинов [8]. Бром вводили в соотношениях близким к стехиометрическим, время бромирования варьировали в зависимости от химической активности субстрата (табл. 8) в интервале от 1 до 10 мин. После экстракции толуолом, полученные бромпроизводные хлоранилинов анализировали на хромато-масс-спектрометре. Далее полученный экстракт бромированных хлоранилинов использовали для получения их ацильных производных (см. раздел 2.2). Для этого, в стеклянную виалу отбирали 0.2 см3 экстракта, вводили 20 мм3 соответствующего модифицирующего реагента, выдерживали при температуре 80 °С в течение 1 часа и также анализировали на хромато-масс-спектрометре в указанных выше условиях.

1.4 Методика установления коэффициентов распределения В связи с отсутствием в литературе систематизированных данных о коэффициентах распределения (D) хлоранилинов и их бромпроизводных в системах с изученными экстрагентами (гексан, толуол) возникла необходимость их экспериментального определения.

Для расчета D применен газохроматографический способ [126], основанный на зависимости концентрации распределяемого вещества в органической фазе (С о) от фазового соотношения (r).

Установление коэффициентов распределения данным способом включает 4 этапа:

подготовку водного раствора бромпроизводных хлоранилинов;

проведение их жидкостной экстракциипри разных фазовых соотношениях (5 точек);

газохроматографический анализ экстрактов;

расчет коэффициентов распределения.

Водный раствор бромпроизводных хлоранилинов с концентрацией индивидуальных компонентов 10 мкг/дм3 получали по следующей методике. В стеклянный стакан помещали 250 см3 раствора хлоранилинов с концентрацией индивидуальных компонентов 100 мкг/дм3, вводили глицин (0.1 моль/дм3) и бромную воду; расчетное содержание молекулярного брома в пробе 0.005 моль/дм3. Бромирование проводили в течение двух минут (20-25 °С), после завершения бромирования избыток брома удаляли тиосульфатом натрия; расчетная концентрация в пробе – 0.01 моль/дм3. Полученный раствор разбавляли водой для лабораторного анализа до объема 2500 см3 и помещали в 5 мерных колб вместимостью 500 см3. Поскольку исследуемые бромпроизводные хлоранилинов – слабые органические основания (рКа ~ 2-5), перед экстракцией, их водные растворы подщелачивали до значения рН ~ 8-10, при котором они находятся в молекулярной экстрагируемой форме (рис. 1).

Далее водный раствор бромпроизводных хлоранилинов насыщали экстрагентом, а экстрагент предварительно насыщали водой. Экстракцию проводили при пяти разных фазовых соотношениях в интервале значений 50 r 2000, при интенсивном перемешивании на магнитной мешалке (3000 об/мин) в течение 15-20 мин.

После расслаивания фаз 0.1-0.2 см3 экстракта отбирали в стеклянные виалы, смешивали с равным по объему раствором внутреннего стандарта (раствор 4,6-дибром-1,2диметоксибензола в толуоле, 1 мкг/см3) и анализировали методом газовой хроматографии с ДЭЗ при следующих условиях: кварцевая капиллярная колонка ZB-1 (Phenomenex) 30 м 0.32 мм 0.5 мкм; температура детектора 320 °С, испарителя 320 °С, программирование температуры термостата колонок 140 °С – 5 °С/мин – 290 °С, газ-носитель – азот, давление газа-носителя на входе 50 кПа, деление потока 1:30, поддув детектора – 20 см3/мин.

На полученных хроматограммах №№ 1-5 площадь пика каждого бромпроизводного нормировали к площади пика внутреннего стандарта и данные величины принимали за C oi (i – номер хроматограммы).

Далее, из равенства, находят относительную массу вещества в экстракционной системе – m*, которое является средним значением из десяти возможных вариантов mnp:

Затем вычисляют:

для каждого из пяти исследованных фазовых соотношений, результат усредняют.

Для установления коэффициентов D может быть использован также метод аппроксимации нелинейных зависимостей программы "Origin" (Microcal Software), версий 3.x-7.x.

1.5 Оптимизация условий газохроматографических измерений Оптимальная скорость газа-носителя через колонку. Основная колонка, на которой было выполнено большинство разделений – кварцевая капиллярная колонка ZB- (Phenomenex): длина 30 м, внутренний диаметр 0.32 мм, толщина неподвижной фазы 0.5 мкм (полидиметилсилоксан, 100 %), Тmax 340/360 С. Основной газ-носитель – азот (“ос.ч.”), поскольку большинство хроматографических измерений было выполнено с применением ДЭЗ.

Оптимальную скорость газа-носителя через колонку устанавливали по графической зависимости величины ВЭТТ (высота эквивалентная теоретической тарелке) от линейной скорости азота (рис. 5). Для открытых капиллярных колонок, классическое уравнение Ван-Деемтера принимает вид, известный как уравнение Голея [128]:

где H – высота эквивалентная теоретической тарелке, мм; µ - линейная скорость потока газа-носителя, см/сек; B и C – коэффициенты, учитывающие вклад продольной диффузии молекул вещества в газовой фазе и сопротивление массопереносу в колонке, соответственно.

Расчет значения ВЭТТ при определенной скорости газа-носителя проводили на основе хроматограм, по формуле [129]:

где t r – приведенное время удерживания компонента, сек; Wh – ширина хроматографического пика компонента на его полувысоте, сек.

Рисунок 5. Зависимость ВЭТТ (Н) от линейной скорости потока азота (); 1 – 2,6дибром-4-хлоранилин, 2 – 2,4,6-трибром-3,5-дихлоранилин.

Наибольшая эффективность колонки (Hmin) достигается при линейной скорости азота 12-18 см/сек (рис. 5), что соответствует объемной скорости 0.5-0.6 см3/мин.

Оптимальное деление потока газа-носителя при вводе пробы составляет 1:30-1:50. При больших соотношениях (1:80-1:100) резко снижается чувствительность газохроматографических измерений, при меньших (1:10-1:20) наблюдается перегрузка колонки.

Расход поддувочного газа (азот) и температура детектора, соответствующие оптимальному соотношению сигнал/шум для ДЭЗ, составляют 25 мл/мин и 300 °С. При указанных значениях обеспечивается уровень флуктуационных шумов нулевого сигнала, не превышающий 1·10-12 А, относительное среднеквадратичное отклонение выходного сигнала (площадь пика) составляет менее 6 %.

ГЛАВА 2. ХИМИЧЕСКАЯ МОДИФИКАЦИЯ ХЛОРАНИЛИНОВ

Как отмечалось в обзоре литературы, при определении микроколичеств хлоранилинов в воде методом газовой хроматографии существует два основных подхода:

– прямые определения (детектирование непосредственно хлоранилинов);

– определения хлоранилинов в виде производных (дериватов).

Газохроматографические определения в воде непосредственно хлоранилинов малочувствительны (0.5-5 мкг/дм3), что связано с малой эффективностью экстракционного концентрирования и неудовлетворительными хроматографическими свойствами из-за их высокой полярности.

С другой стороны, высокая реакционная способность анилинов по аминогруппе позволяет получать их различные производные и, тем самым, снижать полярность и улучшать как экстракционные, так и хроматографические характеристики этих соединений. Для достижения приемлемой чувствительности определения хлоранилинов (~0.05 мкг/дм3) необходима дезактивация NH2-группы еще до проведения экстракционного концентрирования. Между тем, большинство реагентов для дериватизации ароматических аминов, применяемых в настоящее время, легко гидролизуются, и следовательно, вне органических растворителей применяться не могут. К этой группе относятся все силилирующие реагенты, ангидриды и ацилгалогениды галогенкарбоновых кислот.

Для получения производных анилинов непосредственно в воде применяют уксусный ангидрид, бензоилхлорид и хлорформиаты, однако и здесь ацилирование приходится совмещать с жидкостной или твердофазной экстракцией для предотвращения гидролиза как получаемых производных, так и применяемых реагентов.

Оптимальный подход состоит в создании условий для выделения максимально возможных количеств анализируемых веществ из водной фазы в экстракт и проведение химической модификации уже в среде органического растворителя. Для реализации этого подхода нами предлагается использовать реакцию галогенирования (электрофильное замещение), что дает ряд преимуществ:

1. Реакция галогенирования анилинов из-за +М-эффекта NH2-группы (увеличение электронной плотности в орто- и пара- положениях ароматического ядра) протекает быстро и селективно, а атомы галогенов замещают положения 2, 4 и 6 не занятые атомами хлора [5, 6]:

Вода, как растворитель, способствует протеканию реакции, поляризуя молекулы галогенов и генерируя электрофильные частицы с рассредоточенным положительным зарядом [7]:

2. Введение в молекулу органического соединения атомов галогенов значительно повышает его гидрофобность и, как следствие, обеспечивает при экстракции эффективное извлечение определяемого вещества из водной матрицы в органическую фазу, причем гидрофобное действие галогенов неодинаково и увеличивается в ряду F C1 Br I [3, 131]:

3. Введение в молекулы анилинов атомов галогенов в сочетании с галогенселективным ДЭЗ обеспечивает высокочувствительное газохроматографическое определение [64, 68, 132], причем для однотипных галогенсодержащих соединений чувствительность возрастает в такой же последовательности: F C1 Br I (табл. 7).

Таблица 7 – Чувствительность ДЭЗ к галогенсодержащим соединениям [64, 68] Галогензамещенные анилина Галогензамещенные углеводороды * – относительно 4-хлорнитробензола; ** – относительно бутанола- 4. Дериватизация галогенированных анилинов проводится в среде органического растворителя, где исключен их гидролиз и предоставляются самые широкие возможности для выбора модифицирующего реагента [133].

В качестве реагента для получения галогенсодержащих производных хлоранилинов нами предлагается использовать молекулярный бром.

2.1 Бромпроизводные хлоранилинов В молекулах хлоранилинов ароматическое ядро содержит заместители, по-разному взаимодействующие с его -электронным облаком. Так, NН2-группа – заместитель первого рода, характеризуется положительным мезомерным эффектом (+М) и отрицательным индукционным (–I). Взаимодействие аминогруппы с -электронным облаком облегчает замещение атомов водорода в орто- и пара-положениях [5]:

Атомы хлора, наоборот, характеризуются слабо выраженным +М-эффектом и значительным отрицательным индукционным эффектом (–I), который уменьшает основность ароматического ядра и затрудняет протекание реакций электрофильного замещения. Как и аминогруппа, атомы хлора направляют заместители в орто- и пара-положения [7].

В хлоранилинах эти заместители присутствуют одновременно, и согласованная ориентация будет наблюдаться для 3-хлоранилина и 3,5-дихлоранилина – обе группы будут направлять заместители в одни и те же положения:

В остальных анализируемых хлоранилинах заместители находятся в несогласованной ориентации, но определяющее влияние на поведение анилинов в реакциях электрофильного замещения оказывает именно аминогруппа, поскольку ее +М-эффект выражен более сильно.

Таким образом, электрофильная атака будет направлена в указанные стрелками положения:

Выбор брома среди других галогенов не случаен, поскольку прямое фторирование с получением определенных фторзамещенных соединений, из-за высокой окислительной активностьи фтора, невозможно [8]. Кроме того, чувствительность ДЭЗ к фторсодержащим соединениям значительно ниже, чем к хлор- и бромзамещенным (табл. 6).

Применение реакции хлорирования для галогенирования хлоранилинов тоже нецелесообразно, поскольку применение этого реагента сопровождается потерей селективности определения хлоранилинов. Так, 13 анализируемых хлоранилинов дают при исчерпывающем хлорировании всего три продукта реакции – 2,4,6-трихлоранилин, 2,3,4,6-тетрахлоранилин и пентахлоранилин (рис. 6).

Попытка использовать молекулярный йод для галогенирования хлоранилинов в водных средах тоже не привела к положительному результату – йодпроизводные удалось получить лишь для анилина и только монойодзамещенные (рис. 7):

Хроматографические пики со временами удерживания 13.58 и 15.52 мин соответствуют изомерным монойодпроизводномым анилина – М(С6Н4NH2I) = 219 г/моль (рис. 7). Следует отметить, что в реакционной смеси присутствует, в основном, 4-йоданилин, образование 2йоданилина, по-видимому, стерически более затруднено.

Рисунок 6 – Продукты хлорирования анилина и его хлорзамещенных.

Более глубокого йодирования анилина не происходит, о чем свидетельствует отсутствие на хроматограмме пиков с большими временами удерживания (рис. 7).

Малоэффективное йодирование анилина и отсутствие йодирования хлоранилинов в воде можно объяснить тем, что по сравнению с другими галогенами, йод является слабым электрофильным агентом и реакция йодирования уже заметно обратима [7, 8]:

Рисунок 7 – Хроматограмма экстракта продуктов йодирования анилина (2-йоданилин и 4-йоданилин) и масс-спектр вещества со временем удерживания 15.52 мин Кроме того, наличие атомов хлора (–I-эффект) в хлоранилинах уменьшает электронную плотность в орто- и пара-положениях, что значительно снижает реакционную способность этих соединений как ароматических субстратов.

Следует отметить, что при йодировании в аналогичных условиях фенола образуется конечная форма – 2,4,6-трийодфенол [135]:

Такое различие в йодировании фенола и анилина связано, на наш взгляд, с превосходящим по величине +М-эффектом фенола [5], что и приводит к более легкому и глубокому йодированию фенола.

Таким образом, для химической модификации хлоранилинов в водных средах может быть применена только реакция бромирования.

Как уже указывалось в обзоре литературы, в ряде работ [112, 113, 115, 119] в качестве реагента для получения галогенсодержащих производных анилинов также предлагается использовать молекулярный бром (табл. 5). Однако, общая черта всех предлагаемых подходов – проведение бромирования анилинов в среде органического растворителя после многостадийного концентрирования методами твердофазной и/или жидкостной экстракции. Нами предлагается более простая и логичная схема анализа с получением бромпроизводных хлоранилинов непосредственно в водной фазе (рис. 8).

Испарение под вакуумом Нейтрализация ГХ/ДЭЗ-анализ Рисунок 8 – Аналитический цикл ГХ-определения хлоранилинов в воде с получением бромпроизводных: А – в органической фазе [112]; Б – в водной среде.

В отличие от реакции йодирования, бромирование хлоранилинов протекает с образованием конечных продуктов бромирования – в ароматическом кольце на бром замещаются все атомы водорода в положениях 2, 4 и 6 не занятые атомами хлора.

Так, при бромировании анилина, 3-хлоранилина и 3,5-дихлоранилина образуются трибромпроизводные:

Вещества 2-хлоранилин, 4-хлоранилин, 2,3-дихлоранилин, 3,4-дихлоранилин и 3,4,5трихлоранилин при взаимодействии с бромом образуют дибромпроизводные:

В результате взаимодействия с бромом 2,4-дихлоранилина, 2,6-дихлоранилина и 2,4,5трихлоранилина образуются монобромпроизводные:

Одновременно с указанными выше хлоранилинами определяются пентахлоранилин и 2,4,6-трихлоранилин, но поскольку положения 2, 4, и 6 уже заняты атомами хлора, эти соединения бромпроизводных не образуют:

Структура бромпроизводных хлоранилинов подтверждена данными хромато-массспектрометрии. Ниже приведен масс-спектр 6-бром-2,4,5-трихлоранилина, который отражает основные направления фрагментации бромпроизводных хлоранилинов (рис. 9).

Важное значение при интерпретации масс-спектров соединений, содержащих атомы хлора и брома, имеют характерные мультиплеты пиков галогенсодержащих ионов [56]. Интенсивность пиков в мультиплетах зависит только от числа атомов галогена в ионе и от относительной распространенности природных изотопов этих элементов (хлор: Cl – 75.5 %, Cl – 24.5 %; бром: Br – 50.5 %, Br – 49.5 %). Для расчета интенсивности сигналов в (100 + 32.5)n(100 + 98)m, где n и m – число атомов хлора и брома в молекуле соответственно.

Так, для трихлорзамещенного вещества (1) соотношение интенсивностей пиков ионов М : М+2 : М+4 : М+6 составляет 29 : 28 : 9 : 1 (М – молекулярная масса иона, в состав которого входят только легкие изотопы элементов). Аналогично для бромдихлорсодержащего соединения (2) получено соотношение – 9 : 15 : 7 : 1, для дибромхлорсодержащего (3) – 3 : 7 : 5 : 1, для трибромсодержащего (4) – 1 : 3 : 3 : 1, для трибромхлорсодержащего (5) – 3 : 10 : 12 : 6 : 1, для трихлорбромсодержащего (6) – 27 : 54 : 36 : 10 : 1.

245_trichlor_aniline_br #1224 RT: 21.74 AV: 1 SB: 2 21.64, 21.80 NL: 1.48E Relative Abundance Рисунок 9 – Масс-спектр 6-бром-2,4,5-трихлоранилина и основные направления фрагментации образующихся ионов.

246-tribromo-3-chloroaniline #1604 RT: 25.94 AV: 1 SB: 2 25.87, 26.01 NL: 3.71E Relative Abundance Рисунок 10 – Масс-спектр 2,4,6-трибром-3-хлоранилина и основные направления фрагментации образующихся ионов.

Для трибромхлорсодержащего 2,4,6-трибром-3-хлоранилина расчетное соотношение интенсивностей пиков ионов М : М+2 : М+4 : М+6 : М+8 должно составлять 3 : 10 : 12 : 6 : 1;

реальное соотношение интенсивностей ионов 361, 363, 365, 367 и 369 в масс-спектре (рис. 10) очень близко к таким оценкам. Аналогично, для трихлорбромсодержащего 6-бромтрихлоранилина, масс-спектр которого приведен выше (рис. 9), расчетное соотношение интенсивностей пиков ионов М : М+2 : М+4 : М+6 : М+8 составляет 27 : 54 : 36 : 10 : 1; реальное соотношение интенсивностей ионов 273, 275, 277, 279 и 281 в масс-спектре, так же, достаточно точно, совпадает с теоретическим.

Масс-спектры всех остальных бромпроизводных хлоранилинов, с подробной интерпретацией, приведены в приложении 1.

2.1.1 Получение бромпроизводных хлоранилинов в водных средах Количество атомов хлора в молекулах хлоранилинов, определяет их химическую активность и число атомов брома входящих в молекулу при замещении, поэтому скорость бромирования моно-, ди- и трихлоранилинов должна существенно различаться (табл. 8).

Теоретически, легче всего должен бромироваться анилин, поскольку он не содержит атомов хлора уменьшающих электронную плотность в орто- и пара-положениях (–I-эффект) и снижающих реакционную способность соединения. Медленнее всех должны бромироваться хлоранилины содержащие максимальное количество атомов хлора в ароматическом ядре – ди- и трихлорзамещенные. Действительно, при близком к стехиометрическому соотношению концентраций анилинов и брома, 2,4,6-триброманилин в с количественным выходом в нейтральной среде (22-25 С) образуется за 10 минут. За это же время, выход 2,4- и 2,6дихлоранилинов составляет около 60 % (табл. 8).

Таблица 8 – Скорость бромирования анилина и его хлорзамещенных Рост концентраций бромпроизводных хлоранилинов в воде в зависимости от времени бромирования описывается функцией C = a ln(t) + b с высокими коэффициентами корреляции (рис. 11). Коэффициент пропорциональности а может быть использован для сравнения скорости бромирования хлоранилинов. В соответствии с этими коэффициентами (табл. 8), хлоранилины можно расположить в ряд, реакционная способность в котором по отношению к брому убывает:

Рисунок 11 – Зависимость концентрации бромпроизводных хлоранилинов в водном растворе от времени бромирования; С(Br2) ~ 510–6 моль/дм3: 1 – 2,4,6-триброманилин, 2 – 4,6-дибром-2,5-дихлоранилин, 3 – 4-бром-2,6-дихлоранилин.

В первой группе наиболее активных веществ, вместе с анилином – 3-хлоранилин. Хотя он и содержит атом хлора и тоже требует введения трех атомов брома, скорость его бромирования сравнима с анилином, по-видимому, из-за согласованного расположения атома хлора и аминогруппы в ароматическом ядре.

Во второй группе находятся моно- и дихлоранилины при бромировании которых в ароматическое ядро вводится два атома брома. Сравнимую с ними скорость бромирования имеет и 3,5-дихлоранилин, образующий трибромзамещенное, атомы хлора которого также находятся в согласованном положении с NH2-группой.

Третью группу образуют ди- и трихлоранилины при бромировании которых в ароматическое ядро вводится один атома брома. Снижение реакционной способности этих веществ вызвано не только большей долей хлора в их молекулах, но еще усиливается несогласованным положением заместителей и стерическими затруднениями при бромировании.

В целом, исследуемые хлоранилины в реакциях электрофильного замещения проявляют сходную активность – крайние значения коэффициентов а различаются только в 2.5 раза (табл. 8), что обеспечивают при одинаковом уровне концентраций хлоранилинов одновременное завершение их бромирования. При определении оптимальных условий бромирования небходимо контролировать полноту дериватизации двух, наиболее трудно бромируемых соединений – 2,4- и 2,6-дихлоранилинов.

Для проведения химической модификации следовых количеств органических соединений традиционно применяют большие молярные избытки модифицирующих агентов, что связано с отсутствием предварительной информации о качественном и количественном составе анализируемых объектов и необходимостью поддержания высокой скорости реакции дериватизации [67, 137]. При бромировании 11 молекул хлоранилинов расходуется 22 молекулы брома, интервал определяемых концентраций хлоранилинов составляет 0.01мкг/дм3, поэтому для создания тысячекратного избытка брома в растворе необходима его концентрация не менее 0.0005 моль/дм3.

Как показали наши исследования, проведение бромирования хлоранилинов при этих условиях не дает положительного результата – в слабокислой кислой и нейтральной средах бромпроизводные не образуются, а в щелочной и сильнокислой средах выход 2,4,6-ТБА лишь близок к 50 %, для остальных бромпроизводных – не превышает 30 % (рис. 12).

Наиболее вероятная причина низкого выхода бромпроизводных – окисление как исходных хлоранилинов, так и образующихся бромпроизводных молекулярным бромом, редокс-потенциал которого в этих условиях достигает значения 0.9-1.0 В (рис. 13).

Рисунок 12 – Зависимость концентрации бромпроизводных хлоранилинов от значения рН водного раствора; время бромирования – 1 мин; С(Br2) = 0.0005 моль/дм3: 1 –2,4,6триброманилин, 2 – 6-бром-2,4-дихлоранилин, 3 – 2,6-дибром-4-хлоранилин, 4 – 2,4,6трихлоранилин, 5 – 4-бром-2,6-дихлоранилин, 6 – 4,6-дибром-2-хлоранилин; исходная концентрация хлоранилинов в воде – 3.0 мкг/дм3.

Рисунок 13 – Зависимость концентрации водного раствора молекулярного брома (1) и его редокс-потенциала (2) от значения рН водной пробы.

В щелочной среде, редокс-потенциал за счет усиления гидролиза брома снижается до ~0.3-0.4 В, но, одновременно с этим, уменьшается и его концентрация, так что бромпроизводные, за приемлемое время, в этой области рН также получить не удается:

Некоторое увеличение выхода бромпроизводных хлоранилинов в сильнокислой среде, по сравнению с нейтральной, связано, на наш взгляд, с уменьшением +М-эффекта аминогруппы в результате ее протонирования:

Это приводит к снижению общей химической активности хлоранилинов – падает скорость не только реакции бромирования, но и окисления уже образовавшихся бромпроизводных хлоранилинов.

Нами установлено, что зависимость логарифма концентрации бромпроизводных хлоранилинов от продолжительности бромирования ln С = f(t) в сильнокислой среде имеет линейный характер (рис. 14) и может быть аппроксимирована кинетическим уравнением реакции первого порядка:

где С – концентрация бромпроизводного хлоранилина, мкг/дм3; Со – его исходная концентрация, мкг/дм3; Кох – константа скорости реакции окисления бромпроизводного; t – продолжительность бромирования, сек.

Рисунок 14 – Зависимость ln C бромпроизводных хлоранилинов в водном растворе от продолжительности бромирования; 25 С; рН 1; С(Br2) = 0.0005 моль/дм3: 1 – 3-хлор-2,4,6триброманилин, 2 – 2,4,5-трихлор-6-броманилин, 3 – 2-хлор-4,6-диброманилин, 4 – 2,6дихлор-4-броманилин, 5 – 2,4,6-трихлоранилин.

Тангенс угла наклона прямой равен константе скорости реакции окисления (Кох), характеризующей устойчивость данного бромпроизводного к окислению бромом (табл. 9).

Сравнение значений Кох позволяет выделить группу соединения наименее устойчивых к окислению – это бромпроизводные анилина, 2- и 4-хлоранилинов, 2,4- и 2,6дихлоранилинов и 2,4,6-трихлоранилин. Все остальные анализируемые бромпроизводные хлоранилинов характеризуются близкими значениями Кох и окисляются примерно в 5-10 раз медленнее вышеуказанных соединений. Так, при бромировании в течение 3 минут, концентрация легкоокисляемых бромпроизводных убывает на 90-95 %, в то время, как остальных бромированных хлоранилинов – на 30-50 %. Наибольшую устойчивость к воздействию брома проявляет пентахлоранилин – его концентрация за тоже время уменьшается всего на 5 %.

Следует отметить, что все устойчивые к окислению бромпроизводные хлоранилинов содержат атомы хлора в мета-положениях. Если предположить, что окисление протекает аналогично фенолам [5], через присоединение второго атома брома в пара-положение, то наличие атомов хлора в положениях 3 и 5 будет стерически затруднять этот процесс:

Таблица 9 – Константы скорости реакции окисления бромпроизводных хлоранилинов, 232 °С; n = 3, P = 0. 2,4-дихлоранилин 6-бром-2,4-дихлоранилин 2,6-дихлоранилин 4-бром-2,6-дихлоранилин 2,4,5-трихлоранилин 6-бром-2,4,5-трихлоранилин 2,4,6-трихлоранилин 3,4,5-трихлоранилин 2,6-дибром-3,4,5-трихлоранилин 3,5-дихлоранилин 2,4,6-трибром-3,5-дихлоранилин 2,5-дихлоранилин 4,6-дибром-2,5-дихлоранилин 2,3-дихлоранилин 4,6-дибром-2,3-дихлоранилин 3,4-дихлоранилин 2,6-дибром-3,4-дихлоранилин В случае легкоокисляемых бромпроизводных хлоранилинов таких препятствий не возникает (заместители в мета-положени отсутствуют) и разрушение ароматической структуры идет максимально быстро. Отсюда следует, что при определении оптимальных условий бромирования необходимо контролировать концентрации именно этих соединений.

Таким образом, высокая окислительная активность молекулярного брома не позволяет получать бромпроизводные хлоранилинов в кислой и нейтральных водных средах. С другой стороны, щелочная область также не пригодна для бромирования из-за недостаточной концентрации брома вследствие его гидролиза.

Для решения этой задачи, нами предлагается ряд систем, в которых бромирование анилинов проводится в присутствии веществ, обратимо реагирующих с бромом, связывая его в продукты не обладающие окислительной активностью. В качестве таких равновесных систем нами рассматриваются:

– бромирующие системы с аминокислотами.

– бромирующие системы с бромид-анионами.

– бромирующие системы с катионами аммониия.

Применение таких систем дает следующие преимущества:

1. С увеличением концентрации вспомогательного вещества в системе происходит значительное снижение окислительно-восстановительного потенциала брома, что повышает устойчивость в водном растворе получаемых бромпроизводных хлоранилинов.

2. Обратимость реакции и малая устойчивость ее продуктов дает возможность поддерживать постоянную концентрацию галогена в системе.

Несмотря на снижение концентрации брома, применение больших молярных избытков (~10 -кратное), позволяет сохранять достаточные для бромирования количества галогена в системе.

Бромирующие системы с аминокислотами Для проведения эксперимента были выбраны наиболее распространенные и хорошо растворимые в воде аминокислоты – глицин, -аланин, -аланин, пролин, треонин (табл. 10).

Нами установлено, что в присутствии аминокислот окислительно-восстановительный потенциал водных растворов брома заметно снижается (рис. 15).

Таблица 10 – Физико-химические свойства аминокислот [138] Рисунок 15 – Зависимость окислительно-восстановительного потенциала водного раствора брома от концентрации аминокислот; С (Br2) = 0.0006 моль/дм3: 1 – -аланин, 2 – треонин, 3 – пролин, 4 –-аланин, 5 – глицин.

Снижение потенциала в системах с аминокислотами можно объяснить участием брома в обратимой химической реакции с образованием N-бромпроизводных аминокислот:

Химическое взаимодействие брома с аминокислотами подтверждается и данными УФспектроскопии. Характерная широкая полоса поглощения для спектра молекулярного брома с максимумом ~410 нм в растворах аминокислот практически отсутствует (рис. 16).

Рисунок 16 – УФ-спектры поглощения водных растворов брома в присутствии аминокислот; С(Br2) = 0.0006 моль/дм3, С(аминокислот) = 0.1 моль/дм3: 1– без аминокислот, 2 – аланин, 3 –глицин, 4 –треонин, 5 – -аланин; 6 – пролин.

Снижение концентрации брома в растворах аминокислот не влияет, однако, на бромирующие свойства этих растворов. Проведение бромирования этими смесями позволяет получить бромпроизводные хлоранилинов с количественным выходом уже через 1-2 мин после введения брома (рис. 17).

Рисунок 17 – Зависимость концентрации бромпроизводных хлоранилинов в водном растворе от времени бромирования; С(Br2) = 0.0005 моль/дм3, С(глицин) = 0.1 моль/дм3): 1 – 2,4,6-триброманилин, 2 – 2,6-дибром-3,4-дихлоранилин, 3 – 4,6-дибром-2-хлоранилин, 4 – 6бром-2,4,5-трихлоранилин, 5 – 6-бром-2,4-дихлоранилин, 6 – 2,4,6-трихлоранилин.

Высокая эффективность бромирования хлоранилинов связана, на наш взгляд, с малой устойчивостью N-бромпроизводных аминокислот из-за низкой энергии связи N–Br. Вследствие этого, обратная реакция протекает достаточно легко и в растворе всегда присутствуют достаточные для бромирования количества галогена:

В связи с предполагаемым механизмом бромирования показательна сильнокислая область (рис. 18, график 1).

Рисунок 18 – Зависимость окислительно-восстановительного потенциала водного раствора брома от концентрации веществ: 1 – глицин, pH = 1; 2 – бромид калия; 3 – глицин; 4 – -аланин; 5 – ацетат аммония; С (Br2) = 0.0005 моль/дм Окислительно-восстановительный потенциал водных растворов брома в сильнокислой среде (рН = 1) с увеличением концентрации глицина не изменяется, что можно объяснить невозможностью образования бромлицина из-за протонирования аминогруппы:

Для проверки гипотезы об образовании малоустойчивых N-бромпроизводных аминокислот было исследовано взаимодействие ближайших к брому галогенов – хлора и йода с аминокислотами в водных растворах.

Нами установлено, что в присутствии аминокислот окислительно-восстановительный потенциал водных растворов молекулярного хлора, также как и в случае с бромом, заметно снижается (рис. 19). Этот эффект также можно объяснить образованием N-хлорзамещенных аминокислот:

Рисунок 19 – Зависимость окислительно-восстановительного потенциала водного раствора брома (1), хлора (2) и йода (3) от концентрации глицина; С (Hal2) = 0.0005 моль/дм3.

Однако, в отличие от растворов брома, смеси аминокислот с хлором теряют способность к хлорированию анилинов, что, по-видимому, объясняется большей прочностью связи N–Cl по сравнению с N–Br и обратная реакция не протекает:

На рис. 20 приведены графические зависимости, подтверждающие это предположение.

При взаимодействии в воде с молекулярным хлором, 2,4,5-трихлоранилин и 3,4,5трихлоранилин образуют следующие хлорзамещенные:

3,4,5-трихлоранилин 2,3,4,5-тетрахлоранилин пентахлоранилин Концентрации 2,4,5-трихлоранилина и 3,4,5-трихлоранилина уменьшается как в результате их хлорирования (в реакционной смеси идентифицированы тетра- и пентахлоранилины), так и в результате их окисления молекулярным хлором. Наличие окислительных процессов подтверждается тем, что даже такое устойчивое к окислению соединение, как пентахлоранилин, разрушается молекулярным хлором (рис. 20, зависимость 1).

Рисунок 20 – Зависимость концентрации хлоранилинов в водном растворе от времени хлорирования; С(Cl2) = 0.0005 моль/дм3, рН 7: 1– пентахлоранилин, 2 – 2,3,4,5-тетрахлоранилин, 3, 3* – 2,4,5-трихлоранилин, 4 – 2,4,5,6-тетрахлоранилин, 5, 5* – 3,4,5-трихлоранилин.

При добавлении в водный раствор хлора аминоуксусной кислоты, хлорирования 2,4,5-трихлоранилина и 3,4,5-трихлоранилина не происходит, прекращается и окисление этих соединений – в течение 10-минутного присутствия в реакционной смеси их концентрации не изменяются (рис. 20, зависимости 3* и 5*).

В отличие от хлора и брома, йод с аминокислотами не взаимодействует:

Так, при увеличении концентрации глицина, окислительно-восстановительный потенциал водных растворов йода практически не изменяется (рис. 19). Кроме того, отсутствие взаимодействия йода с глицином подтверждается и данными УФ-спектроскопии (рис. 21).

Характерные для спектра молекулярного йода две широкие полосы поглощения в ультрафиолетовой и видимой области с максимумами 280 и 360 нм наблюдаются в обоих растворах, – как в водном растворе йода, так и при введении в этот раствор аминокислоты.

Рисунок 21 – УФ-спектры поглощения водных растворов йода в присутствии глицина;

С(I2) = 0.0006 моль/дм3, С(глицин) = 0.1 моль/дм3, рН 7: 1– без глицина, 2 – с глицином.

Таким образом, все изученные аминокислоты, обратимо взаимодействуя с бромом, снижают редокс-потенциал растворов брома при сохранении этими системами бромирующих свойств в реакциях электрофильного замещения. Водные растворы хлора и йода такими свойствами не обладают: в случае хлора – взаимодействие с аминокислотами носит необратимый характер с образованием устойчивых N-хлорпроизводных аминокислот, а йод, в силу своей низкой реакционной способности, с аминокислотами не взаимодействует.

Выбор оптимальной бромирующей системы с аминокислотами По характеру взаимодействия с молекулярным бромом исследованные аминокислоты могут быть разделены на три группы:

2. -аланин и глицин 3. треонин и пролин Отличия между ними состоят в активности взаимодействия молекулярного брома с аминогруппой и прочности, образующейся в результате этого взаимодействия, химической связи N–Br.

Наиболее интенсивно бром взаимодействует с -аланином – в его растворах максимальный выход бромпроизводных хлоранилинов достигаются уже при концентрации 0.01 М (рис. 22). В растворах глицина и -аланина аналогичный выход бромпроизводных достигается при больших концентрациях – 0.04-0.08 М, что можно объяснить большими стерическими затруднениями при взаимодействии брома с NH2-группой, т.к. она в этих аминокислотах находится ближе к карбоксилу (-положение).

Рисунок 22 – Зависимость концентрации бромпроизводных хлоранилинов в водном растворе от концентрации аминокислоты; С(Br2) = 0.0005 М, рН 7, время бромирования 2 мин: 1 – 4,6-дибром-2-хлоранилин, треонин; 2 – 4,6-дибром-2-хлоранилин, -аланин; 3 – 4-бром-2,6-дихлоранилин, треонин; 4 – 4-бром-2,6-дихлоранилин, -аланин; 5 – 4,6-дибромхлоранилин, -аланин; 6 – 4-бром-2,6-дихлоранилин, -аланин Наименее активно с бромом по аминогруппе взаимодействуют треонин и пролин, в растворах которых максимальный выход бромпроизводных достигается только при концентрации – 0.12 М, на порядок большей, чем для -аланина.

Следует обратить внимание на один важный момент: концентрация бромпроизводных хлоранилинов при бромировании со всеми аминокислотами достигает некоторого максимального значения, а затем вновь уменьшается (рис. 22). Наблюдаемый ход зависимостей указывает на недостаток брома в системе при избытке аминокислоты, что подтверждает выдвинутую гипотезу об их роли при бромировании хлоранилинов. Изменение концентрации аминокислоты гибко регулирует содержание брома в растворе, выделяя или связывая его «лишние» количества. Так, при достижении концентрации глицина или -аланина > 0.1 М равновесие реакции сильно смещается в сторону образования N-бромзамещенных аминокислот, брома в растворе становится недостаточно и за фиксированное время бромпроизводные хлоранилинов с количественным выходом не образуются – необходимо более продолжительное бромирование. Более активно взаимодействующий с бромом -аланин (меньшие стерические затруднения, более прочная связь N–Br) связывает это количества галогена при меньшей концентрации, поэтому брома в системе недостаточно уже при С(-Ala) > 0.01 М.

Различия этих систем проявляются и в способности снижать окислительновосстановительный потенциал брома (рис. 18). Так, для получения бромпроизводных хлоранилинов в воде к количественным выходом необходим 0.01 М раствор -аланина, в котором достигается снижение ОВП брома до ~ 850 мВ. Такое же значение редокс-потенциала брома в растворе глицина устанавливается при его концентрации ~ 0.08 М.

Оптимальной средой для бромирования хлоранилинов все же следует признать раствор глицина, поскольку в его присутствии, за 2-3 минуты достигается количественное образование бромпроизводных всех рассматриваемых хлоранилинов в достаточно широком диапазоне его концентраций – от 0.05 до 0.12 М (рис. 23). Кроме того, глицин характеризуется максимальной растворимостью в воде из всех исследованных аминокислот (табл. 10), более распространен и имеет меньшую стоимость.

Поскольку концентрации всех бромпроизводных хлоранилинов достигают некоторого максимального значения и больше не возрастают (рис. 23), то можно говорить о количественном образовании дериватов. Важно так же, что 2,4,6-трихлоранилин, который бромпроизводное не образует, без глицина полностью окисляется, а при его введении сохраняется в водном растворе количественно (рис. 23, график 7).

Оптимальное время бромирования хлоранилинов составляет 2-3 мин, при этом выход бромпроизводных всех определяемых хлоранилинов близок к количественному (рис. 17).

Видно, что бромпроизводные хлоранилинов образуются уже через минуту после начала реакции, что свидетельствует о достаточно высокой скорости ее протекания. Присутствие избытка брома в системе не вызывает окисления даже малоустойчивых бромпроизводных – не более 5-10 % за 20 минут.

Рисунок 23 – Зависимость концентрации бромпроизводных хлоранилинов в водном растворе от концентрации глицина; С(Br2) = 0.0005 моль/дм3, время бромирования 1 мин;

рН 7: 1 – 2,4,6-триброманилин, 2 – 2,6-дибром-3,4-дихлоранилин, 3 – 4,6-дибром-2,3дихлоранилин, 4 – 2,6-дибром-4-хлоранилин, 5 – 6-бром-2,4,5-трихлоранилин, 6 – 6-бромдихлоранилин, 7 – 2,4,6-трихлоранилин.

Таким образом, для получения бромпроизводных хлоранилинов в воде с количественным выходом необходимо соблюдение следующих условий:

введение до проведения бромирования глицина, С(глицин) = 0.06-0.1 моль/дм3;

бромирование осуществляют в нейтральной водной среде (рН~6) в течение 2-3 мин при концентрации брома 0.0005 моль/дм3.

Бромирующие системы с бромид-анионами.

Для снижения окислительной активности молекулярного брома в водных растворах нами были исследованы бромирующие системы содержащие бромид-анионы. Введение бромид-анионов также приводит к снижению редокс-потенциала водных растворов брома (рис.

18), что связано с образованием в растворе трибромид-анионов Br3 [117]:

Изменения, происходящие в водных растворах брома в присутствии бромида калия, подтверждаются и данными УФ-спектроскопии (рис. 24). Характерная для спектра молекулярного брома широкая полоса поглощения с максимумом ~410 нм практически исчезает, а полоса в более коротковолновой области становится шире, что может быть связано с увеличением концентрации частиц Br3 в водном растворе (рис. 24). Это предположение подтверждается и отсутствием этой полосы в УФ-спектрах других исследованных соединений – в растворах аминокислот и ацетата аммония (рис. 16 и 27).

Рисунок 24 – УФ-спектры поглощения водных растворов брома, С (Br2) = 0.006 моль/дм3: 1 – без бромида калия, 2 – KBr, 0.1 моль/дм3.

С увеличением концентрации бромид-анионов в растворе возрастает и устойчивость образующихся бромпроизводных хлоранилинов (рис. 25). При концентрации бромиданионов 0.1-0.15 моль/дм3, редокс-потенциал раствора снижается до необходимого значения ~850 мВ (рис. 18), что позволяет получать бромпроизводные всех анализируемых хлоранилинов с количественным выходом.

Следует отметить, что в отличие от аминокислот, при бромировании хлоранилинов в растворах бромида калия, после достижения максимального значения снижения концентрации бромпроизводных не происходит (рис. 25). Это свидетельствует о том, что в этих системах молекулярного брома для бромирования хлоранилинов хватает даже при значительной концентрации Br– и указывает на малую устойчивость комплексных частиц Br 3 (слабое связывание Br2).

Рисунок 25 – Зависимость концентрации бромпроизводных хлоранилинов в водном растворе от концентрации бромида калия; С(Br2) = 0.0005 моль/дм3, время бромирования 1 мин; рН 7: 1 – 2,4,6-трибром-3-хлоранилин, 2 – 4,6-диброманилин-2-хлоранилин, 3 – 2,6дибром-4-хлоранилин, 4 – 6-бром-2,4,5-трихлоранилин, 5 – 4-бром-2,6-дихлоранилин, 6 – 6бром-2,4-дихлоранилин, 7 – 2,4,6-трихлоранилин.

Это предположение подтверждается тем, что по сравнению с другими исследованными системами, в растворах бромид-анионов происходит наименьшее снижение редокспотенциала брома (рис. 18). Так, при концентрации веществ 0.5 М окислительновосстановительный потенциал брома в растворе бромид-ионов составляет ~800 мВ, а в растворах аминокислот и ацетата аммония он на 100 150 мВ ниже. Как следствие этого, при продолжительном бромировании в 0.1 М растворе бромида калия полученные бромпроизводные хлоранилинов сохранить не удается – за 20 минут их концентрации уменьшаются на 50 90 % (рис. 26). При бромировании хлоранилинов в растворе глицина с такой же концентрацией (0.1 М), их бромпроизводные за 20 минут окисляются только на 5 10 % (рис. 17).

Таким образом, системы с бромид-анионами также могут применяться для получения бромпроизводных хлоранилинов в воде, но для этого необходимо соблюдение следующих условий:

1. Введение в водный раствор до проведения бромирования бромид-анионов, С(Br ) = 0.1 0.15 моль/дм3. Применение более концентрированных растворов нецелесообразно, поскольку не приводит к значимому снижению редокс-потенциала брома (рис. 18).

2. Бромирование хлоранилинов осуществляют в нейтральной водной среде (рН~7) при концентрации брома 0.0005 моль/дм3. Для достижения выхода бромпроизводных, близкого к количественному, необходимо проведение бромирования в течение 1 2 мин. Более продолжительное бромирование сопровождается окислением полученных бромпроизводных, что снижает чувствительность и увеличивает погрешность количественных определений.

Рисунок 26 – Зависимость концентрации бромпроизводных хлоранилинов в водном растворе от времени бромирования; С(Br2) = 0.0005 моль/дм3, рН 7, С(KBr) = 0.1 моль/дм3):

1 – 2,4,6-триброманилин, 2 – 2,4,6-трибром-3-хлоранилин, 3 – 4,6-дибром-2,3-дихлоранилин, 4 – 4,6-дибром-2-хлоранилин, 5 – 6-бром-2,4,5-трихлоранилин, 6 – 6-бром-2,4-дихлоранилин, 7 – пентахлоранилин.

2.1.2 Газохроматографические характеристики бромпроизводных хлоранилинов Для сравнения газохроматографических свойств хлоранилинов и их производных (табл. 11) использовали логарифмические индексы удерживания (см. раздел 1.3) и относительные мольные отклики ДЭЗ [108]:

где MRi и MRan – мольные отклики детектора электронного захвата на i-тое соединение и анилин, соответственно.

Таблица 11 – Газохроматографические характеристики хлоранилинов и их бромпроизводных Бромпроизводные хлоранилинов 2,4,6-трибром-3-хлоранилин 4,6-дибром-2,3-дихлоранилин 2,6-дибром-3,4-дихлоранилин 2,4,6-трибром-3,5-дихлоранилин 6-бром-2,4,5-трихлоранилин 2,6-дибром-3,4,5-трихлоранилин * – в скобках указано увеличение по сравнению с хлоранилинами Атомы хлора, как одного из высоко электроотрицательных элементов, входят в число заместителей, значительно увеличивающих отклик детектора электронного захвата [64, 132].

Поэтому молекулы исходных хлоранилинов характеризуются достаточно высокими значениями RMRan, которые возрастают пропорционально количеству атомов хлора. Однако, по мере накопления атомов хлора в молекуле, возникают стерические препятствия, уменьшающие активную площадь захвата электронов. Так, анализ усредненных значений RMRan в ряду монохлоранилины – дихлоранилины – трихлоранилины – пентахлоранилин указывает на неравноценный вклад последовательно вводимых атомов хлора в значения RMR an: 54, 19 и 8.5 раз соответственно (рис. 27). Расчетное значение RMRan для пентахлоранилина в отсутствие стерических препятствий при захвате электронов в ДЭЗ должно составлять ~ 1108, т.е.

на три порядка больше реального значения.

Рисунок 27 – Зависимость lg RMRan хлоранилинов от числа атомов хлора в молекуле построенная для ряда монохлорзамещеный анилин – дихлорзамещенный анилин– трихлорзамещенный анилин – пентахлоранилин: 1 – теоретически рассчитанные значения, 2 – экспериментальные данные.

Чувствительность ДЭЗ к тому или иному хлоранилину определяется не только количеством атомов хлора в молекуле, но еще и их положением относительно аминогруппы. Максимальное увеличение чувствительности дает введение атомов хлора в мета- положения, меньшее – в орто- и аномально низкое в пара-положения (табл. 11):

На наш взгляд, это можно объяснить накапливанием на атомах хлора, находящихся в орто- и пара-положениях достаточно высокого отрицательного заряда, затрудняющего взаимодействие в ДЭЗ с одноименно заряженными электронами:

В мета-положениях находятся области с пониженной электронной плотностью, поэтому заряд на атомах хлора здесь существенно ниже и мета-замещенные хлоранилины легче присоединяют электрон в ДЭЗ. В орто-положениях отрицательный заряд на атомах хлора частично экранируется + атомов водорода аминогруппы, поэтому эти соединения по сравнению в пара-замещенными хлоранилинами, также чувствительней определяются ДЭЗ.

Введение атомов брома увеличивает значения RMRan анилина и монохлоранилинов, в среднем, на 4 порядка, дихлоранилинов – на 2 порядка, трихлоранилинов – на порядок (табл. 11). Максимальные значения относительных мольных откликов имеют бромпроизводные хлоранилинов, содержащие по три атома брома – 2,4,6-трибром-3-хлоранилин (1.6104) и 2,4,6-трибром-3,5-дихлоранилин (1.6105). Однако, второе соединение содержит еще и атом хлора и теоретически должно характеризоваться более высоким значением RMRan. Эту аномалию также можно объяснить стерическими препятствиями, уменьшающими активную площадь захвата электронов из-за перенасыщения молекулы атомами галогенов. Атом хлора в мета-положении не может эффективно захватывают электроны, поскольку перекрывается бо’льшими по размеру атомами брома, и в тоже время, сам создает препятствие атомам брома в пара- и орто-положениях.

Следует отметить, что наблюдаемое явление снижения мольных откликов ДЭЗ к полигаленированым соединениям имеет положительный эффект. Так, все анализируемые хлоранилины в своей конечной аналитической форме содержат не менее 3 атомов галогенов (хлора и брома), поэтому и их крайние значения RMRan различаются немногим более, чем на порядок:

БРОМПРОИЗВОДНЫЕ ХЛОРАНИЛИНОВ

анилин : монохлоранилины : дихлоранилины : трихлоанилины : пентахлоранилин Таким образом, введение атомов брома не только увеличивает, но и выравнивает чувствительность определения получаемых бромпроизводных ДЭЗ. Это принципиально важно при определении сравнимых концентраций хлоранилинов в анализируемой пробе воды и позволяет одновременно определять все вещества с применением ДЭЗ в условиях одного аналитического цикла (рис. 28).

Одновременное определение анилина и его хлорпроизводных, без дериватизации, с детектором электронного захвата невозможно, поскольку их относительные мольные отклики различаются почти пять порядков:

ХЛОРАНИЛИНЫ

анилин : монохлоранилины : дихлоранилины : трихлоанилины : пентахлоранилин Рисунок 28 – Хроматограмма экстракта бромпроизводных хлоранилинов; исходная концентрация всех компонентов в водном растворе – 10 мкг/л: 1 – 2,4,6-трихлоранилин, 2 – 6-бром-2,4-дихлоранилин, 3 – 4-бром-2,6-дихлоранилин, 4 – 2,6-дибром-4-хлоранилин, 5 – 4,6-дибром-2-хлоранилин, 6 – внутренний стандарт, 7 – 2,4,6-триброманилин, 8 – 6-бромтрихлоранилин, 9 – 2,6-дибром-3,4-дихлоранилин, 10 – 4,6-дибром-2,3-дихлоранилин, 11 2,4,6-трибром-3-хлоранилин, 2,6-дибром-3,4,5трихлоранилин, 14 – 2,4,6-трибром-3,5-дихлоранилин.

Индексы удерживания. Определение хлоранилинов в виде их бромпроизводных не вызывает значительное увеличение времени газохроматографического анализа – индексы удерживания (ИУ) возрастают только в 1.1 1.7 раза (таблица 11).

Наиболее близкие индексы удерживания имеют три пары изомеров – бромпроизводные 2-хлор- и 4-хлоранилина (I = 6), 2,4- и 2,6-дихлоранилина (I = 6) и 2,3- и 3,4дихлоранилина (I = 6). Следует отметить, что небромированные хлор- и дихлоранилины сильнее различаются по своим характеристикам удерживания: I = 67, 84 и 72 соответственно. Это связано с тем, что индексы удерживания хлоранилинов напрямую зависят от активности взаимодействия аминогруппы с неподвижной жидкой фазой колонки (раздел 4.2). Наличие заместителя в орто-положении по отношению к аминогруппе значительно снижает эффективность этого взаимодействия, что приводит к уменьшению индексов удерживания. У рассматриваемых изомерных хлоранилинов такой заместитель есть только у одного из веществ в паре (2- и 4-хлоранилины, 2,3- и 3,4-дихлоранилины) поэтому их характеристики удерживания сильно различаются. У бромпроизводных этих изомеров оба орто-положения заняты атомами галогенов (2-хлор-4,6-дибром- и 4-хлор-2,6-диброманилины, 2,3-дихлор-4,6дибром- и 3,4-дихлор-2,6-диброманилины), поэтому значения их индексов удерживания сближаются.

Однако в оптимальных условиях газохроматографического анализа (раздел 1.5) все три пары изомеров удается разделить на 75 80 % (рис. 28). Как показали наши исследования (раздел 4.4), такой степени разделения вполне достаточно для проведения количественного анализа, поскольку погрешность определения этих хлоранилинов не превышает погрешности определения других, полностью разделенных компонентов.

Противоположный эффект – повышение селективности разделения в результате проведения бромирования веществ, наблюдается для 3- и 4-хлоранилинов. На применяемой неподвижной жидкой фазе TR-1 (полидиметилсилоксан) эти вещества практически неразделимы (I = 3). При определении их в виде бромпроизводных они элюируются из колонки в виде отдельных пиков, поскольку 4-хлоранилин образует дибромпроизводное, а 3-хлоранилин – трибромпроизводное и разница в индексах удерживания уже составляет I = 326.

Наибольшим значением индекса удерживания характеризуется самый тяжелый компонент – 3,5-дихлор-2,4,6-триброманилин, который и определяет общее время анализа равное 30 мин.

2.2 Производные бромированных хлоранилинов по аминогруппе Аминогруппа хлоранилинов, которая не была затронута на первой стадии химической модификации (бромирование), может быть использована для дериватизации полученных бромпроизводных с целью улучшения их аналитических свойств.

Проведение дериватизации органических соединений, содержащих полярные функциональные группы (–СООН, –ОН, –NH2), обычно направлено для решения следующих задач [67, 68, 133]:

усиление различия физико-химических свойств дериватов, что повышает степень хроматографического разделения, прежде всего, изомерных соединений;

уменьшение полярности дериватов, что позволяет проводить газохроматографическое определение за меньшее время при более низких температурах и повысить симметрию хроматографических пиков определяемых соединений;

введение в состав молекул атомов галогенов, S, N, P или групп их содержащих для последующего определения дериватов на высокочувствительных селективных детекторах:

ДЭЗ, ТИД или ПФД.

Как указывалось выше (раздел 2.1.2), большинство анализируемых бромпроизводных хлоранилинов, на применяемой полидиметилсилоксановой неподвижной жидкой фазе, хорошо разделяются (рис. 28). Исключение составляют изомерные бромпроизводные 2-хлор- и 4-хлоранилинов, 2,4- и 2,6-дихлоранилинов, 2,3- и 3,4-дихлоранилинов, характеризующиеся степенью разделения 75-80 % и которая может быть повышена в результате дериватизации по NH2-группе.

Введение атомов брома в молекулы хлоранилинов вызывает увеличение их массы и характеристик удерживания (табл. 11). В связи с этим, повышение летучести бромпроизводных может рассматриваться в качестве одной из задач, которая может быть решена на второй стадии дериватизации хлоранилинов.

Типичная для соединений, содержащих полярные функциональные группы, ассиметричная форма хроматографических пиков с размытым задним фронтом для бромпроизводных хлоранилинов нехарактерна (рис. 28). На наш взгляд, это связано с наличием у всех бромпроизводных в обоих орто-положениях по отношению к NH2-группе атомов галогенов, которые затрудняют взаимодействие аминогруппы с неподвижной фазой колонки (атомы брома) или дезактивируют ее за счет образования внутримолекулярных водородных связей (атомы хлора).

2.2.1 Газохроматографические характеристики производных бромированных хлоранилинов по аминогруппе Для проведения дериватизации бромпроизводных хлоранилинов по NH2-группе нами были выбраны наиболее доступные ацилирующие агенты (рядом с названием реагента приводится структурный фрагмент на который замещается атом водорода NH2-группы при дериватизации):

Как указывалось в обзоре литературы, ацилирование довольно часто применяется в химическом анализе для дериватизации анилинов вследствие высокой устойчивости получаемых производных и количественного протекания реакций. Реакция N-ацилирования производных анилина приводит исключительно к продукту моно-N-ацилирования [4].

Выбор оптимального ацилирующего реагента бромпроизводных хлоранилинов был сделан на основе индексов удерживания соответствующих производных (табл. 12).

Проведение ацилирования бромпроизводных хлоранилинов не позволяет повысить их летучесть – индексы удерживания незначительно уменьшаются только для двух самых тяжелых производных: трифторацетатов и пентафторпропионатов 2,6-дибром-3,4,5-трихлоранилина и 2,4,6-трибром-3,5-дихлоранилина (табл. 12).

Таблица 12 – Индексы удерживания бромированных хлоранилинов и их амидов Особенно сильно увеличиваются индексы удерживания пентафторбензоатов бромпроизводных хлоранилинов – на 700-800 единиц (рис. 29), что делает их веществами критическими для газовой хроматографии и требует жестких условий проведения анализа (высоких давлений газа-носителя и температур).

Вторая, поставленная перед стадией ацилирования задача – повышение селективности разделения изомеров, также здесь полностью не решается. Разница индексов удерживания для трех пар трудноразделимых изомеров бромпроизводных возрастает с I = 6 до I = 9 12 (рис. 29), но это позволяет достичь степени разделения только на 85 90 %. По нашим данным, для полного разделения компонентов в установленных нами оптимальных условиях проведения газохроматографического анализа (раздел 1.5) необходимо, чтобы разница индексов удерживания I составляла не менее 15 единиц.

Из изученных ацилирующих агентов наиболее предпочтительно использование трифторуксусного ангидрида, поскольку он позволяет увеличить степень разделения неполностью разделенных изомеров при минимальном изменении характеристик удерживания бромпроизводных хлоранилинов (рис. 30).

Рисунок 29 – Разница индексов удерживания (I) ацильных производных трех пар изомеров бромпроизводных хлоранилинов: 2- и 4-хлоранилины (серый), 2,4- и 2,6дихлоранилины (черный), 2,3- и 3,4-дихлоранилины (белый) Кроме того применение пента- и гептафторсодержащих реагентов приводит к значительному возрастанию фонового сигнала ДЭЗ и рабочий линейный диапазон детектора может сократиться в 3 5 раз. Так, фоновый сигнал при использовании в качестве ацилирующего агента трифторуксусного ангидрида составляет ~500 1000 мВ, при его замене на пентафторсодержащий реагент он сразу возрастает до ~3000 4000 мВ.

Введение трифторацильной группы в молекулы бромпроизводных хлоранилинов позволяет увеличить и чувствительность их определения ДЭЗ – RMRan по сравнению с бромпроизводными возрастают в 1.1 1.9 раз (табл. 21), что связано с введением в молекулы еще трех электронакцепторных атомов фтора.

Молекулярные структуры получаемых трифторацетатов бромпроизводных хлоранилинов подтверждены данными хромато-масс-спектрометрии (приложение 2).

2.2.2 Получение производных бромированных хлоранилинов по аминогруппе в органических средах Поскольку дериватизация по NH2-группе проводится после стадии экстракции бромпроизводных хлоранилинов, то выбор реакционной среды должен сочетаться с экстрагентами, применяемыми на этой стадии.

Рисунок 30 – Хроматограмма экстракта трифторацетатов бромпроизводных хлоранилинов: 1 – 2,4,6-трихлоранилин, 2 – 6-бром-2,4-дихлоранилин, 3 – 4-бром-2,6-дихлоранилин, 4 – 2,6-дибром-4-хлоранилин, 5 – 4,6-дибром-2-хлоранилин, 6 – 4,6-дибром-1,2диметоксибензол (внутренний стандарт), 7 – 2,4,6-триброманилин, 8 – 6-бром-2,4,5трихлоранилин, 9 – 2,6-дибром-3,4-дихлоранилин, 10 – пентахлоранилин, 11 – 4,6-дибромдихлоранилин, 12 – 2,4,6-трибром-3-хлоранилин, 13 – 2,6-дибром-3,4,5-трихлоранилин, 14 – 2,4,6-трибром-3,5-дихлоранилин.

Оптимальным органическим растворителем для проведения реакции ацилирования бромпроизводных после экстракционного концентрирования следует считать ароматические углеводороды (толуол), являющиеся эффективными экстрагентами бромпроизводных и инертной реакционной средой для дериватизации. Кроме того, после проведения жидкостной экстракции в органическом растворителе всегда присутствуют следовые количества воды, на нейтрализацию которой расходуется некоторое количество трифторуксусного ангидрида. В связи с этим, растворимость воды в применяемом экстрагенте должна быть минимальной и этому критерию также удовлетворяет толуол, растворимость воды в котором намного меньше (Sв = 0.4 %, 20 °С [139]), чем в других возможных экстрагентах – бензоле и бутилацетате (Sв = 0.9 и 1.9 % при 25 С соответственно [140]).

Ацилирование бромпроизводных хлоранилинов в среде толуола проводили ~1000-кратным избытком трифторуксусного ангидрида по известным методикам [8, 133].

При введении 20 мкл модифицирующего агента на 0.2 см3 экстракта, производные образуются с близким к количественному выходом при 70 С в течение 2 часов.