ИДЕНТИФИКАЦИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФЕНОЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
В ПОЧВЕ МЕТОДОМ РЕАКЦИОННОЙ ГАЗОВОЙ ХРОМАТОГРАФИИ
к.х.н. И. Груздев
Научные интересы: аналитическая химия органических соединений, хроматографические методы анализа объектов окружающей среды
Актуальность исследований в области аналитической химии фенолов обусловлена с одной стороны отсутствием надежных способов их определения в почве, с другой стороны, широкой распространенностью и высокой токсичностью большинства фенольных соединений. В естественных условиях образование соединений фенольного ряда связано с биохимическим синтезом и трансформацией органического вещества. Эти процессы приводят к накоплению фенолов во многих объектах биосферы, и, в частности, в почве. Учитывая способность фенолов к ингибированию роста растений, подобное накопление может приводить к деформации процесса почвообразования. В связи с этим различные экологические, а также биологические проблемы, связанные с распадом растительных материалов, могут быть решены только при наличии информации о количестве содержащихся в почве фенолов, а также о характере их распределения по различным почвенным горизонтам. Данное исследование посвящено изучению факторов, влияющих на извлечение фенолов из почвенной матрицы и разработке новых алгоритмов дериватизации, идентификации и определения фенола, 2- и 4-метилфенолов в почве. Известные способы определения органических соединений в почве предусматривают их экстрагирование с применением органических растворителей, различных водно-органических или водных растворов, однако обоснование выбора того или иного экстрагента отсутствует [2, 9,10]. Для извлечения фенольных соединений из почвы в качестве растворителя выбрана вода, ее преимущества перед другими растворителями заключаются в следующем: - десорбция, достигнутая с применением жидкого вытеснителя, необратима, т.е. почва в виде водной суспензии теряет адсорбционную способность и приобретает свойства неактивного осадка [5]; - хорошая растворимость в воде определяемых фенольных соединений: фенол - 67 г/дм3, 2-метилфенол - 31 г/дм3, 4-метилфенол - 24 г/дм3 [8]; - доступность и нетоксичность. Выбор оптимальных условий десорбции фенолов из почв проводили методом математического планирования эксперимента по системе латинских квадратов [1] по трем основным параметрам - продолжительность увлажнения почвенного образца, рН водной среды, продолжительность ультразвуковой десорбции. Значимость данных факторов оценивали по критерию Фишера, смысл которого заключается в сравнении рассчитанного дисперсионного отношения (F) с табличным значением (Fтабл), превышение дисперсионного отношения свидетельствует о значимом влиянии данного фактора на изучаемый процесс. Значимое влияние на извлечение фенолов из почв оказывает только кислотность водного экстрагирующего раствора - фактор В (рис. 1). Максимальное извлечение фенолов достигается при экстрагировании 1 М раствором NaOH и соотношении его объема и массы навески почвенного образца равном 30 (рис. 2). Дальнейшее увеличение концентрации щелочи и ее объема не влияет на степень извлечения фенолов, причем данная закономерность сохраняется при экстракции из разных типов почв (рис. 2). Дальнейшее определение фенолов в водном экстракте проводили методом реакционной газовой хроматографии. Разработанный нами способ определения включает: введение на первой стадии в молекулу фенолов атомов брома, высокоэффективную экстракцию полученных гидрофобных дериватов, их ацилирование хлорангидридом перфторвалериановой кислоты в экстракте и на последней стадии определение эфиров методом капиллярной газовой хроматографии (рис. 3). Предлагаемый вариант дериватизации имеет ряд преимуществ [3, 4, 7]: - реакция бромирования фенолов селективна, мешающее влияние других классов ароматических соединений отсутствует, а вода, как растворитель, катализирует протекание бромирования, генерируя большие электрофильные частицы с рассредоточенным положительным зарядом; - введение в молекулы фенолов атомов брома повышает их гидрофобность, что обеспечивает при экстракции более полное извлечение определяемого вещества из водной матрицы в органическую фазу; - ацилирование в среде органического растворителя исключает гидролиз получаемых эфиров и применяемых реагентов; - целенаправленное насыщение определяемых фенолов атомами галогенов в сочетании с галогенселективным детектором электронного захвата обеспечивает высокочувствительное газохроматографическое определение. Эффективность проведенной дериватизации (табл. 1) подтверждает сравнение основных газохроматографических характеристик: мольные отклики детектора электронного захвата, степень асимметрии хроматографических пиков и времена удерживания для исходных фенолов, их бромпроизводных и эфиров бром-производных. Основное влияние на увеличение мольных откликов оказывает введение атомов брома - чувствительность детектора электронного захвата к бромпроизводным фенолов возрастает более чем на два порядка. Введение девяти атомов фтора при получении перфторвалератов бромпроизводных фенолов не приводит к ожидаемому значительному повышению мольных откликов, что мы объясняем стерическими факторами. Одно из достоинств эфирных производных - получение почти симметричных хроматографических пиков, что выгодно отличает эфиры от исходных фенолов и их бромпроизводных (табл.1, рис. 4). Значительное увеличение времени удерживания получаемых дериватов позволяет уменьшить мешающее влияние легколетучих галогенсодержащих компонентов пробы и повысить степень разделения близких по свойствам изомеров (рис. 4). Химическая модификация фенолов в бромпроизводные значительно повышает эффективность концентрирования методом жидкостной экстракции. Введение в молекулу органического соединения атомов галогена, как известно, понижает его растворимость в воде (гидрофобное действие) и находит выражение в возрастании коэффициентов распределения [6]: по сравнению с исходными фенолами коэффициенты распределения их бромпроизводных для всех систем увеличиваются на два-три порядка (табл. 2). Это позволяет повысить степень извлечения фенолов в органический экстракт с 1-7 до 98-99 % (табл. 2). Таким образом, при экстракции происходит количественный перенос определяемых фенолов в экстракт и замена водной матрицы на органическую, более удобную для дальнейшего ацилирования. В аналитической части работы большое внимание было уделено разработке надежных способов идентификации фенолов в сложных по составу почвенных образцах. Следует отметить, что получаемые производные имеют сходные молекулярные структуры и соответственно близкие физико-химические свойства. Значительную сложность представляет идентификация изомеров: 4,6-дибром-2-метилфенола и 2,6-дибром-4-метифенола. Для идентификации фенолов в водных экстрактах из почв нами предложен оригинальный способ, основанный на кинетических различиях взаимодействия бромпроизводных фенолов с общим реагентом (молекулярный бром). При бромировании фенолов в кислой и нейтральных средах и большом избытке брома количественное образование бромпроизводных достигается за 10-20 с. Однако, вследствие большого положительного мезомерного эффекта гидроксильной группы и высокого редокс-потенциала молекулярного брома, дальнейшее бромирование приводит к нарушению ароматичности, образованию хиноидной структуры и дальнейшему окислению по схеме: Зависимость ln концентрации бром-производных фенолов от продолжительности бромирования ln С = f (t) имеет линейный характер (рис. 5) и описывается кинетическим уравнением реакции первого порядка: ln C = ln Cо - Kох t, где С - концентрация бромпроизводного фенола, ммоль/дм3; Со - его исходная концентрация, ммоль/дм3; Кох - константа скорости реакции окисления бромпроизводного; t - продолжительность бромирования, с. Тангенс наклона прямой равен константе скорости реакции окисления (Кох), зависящей от числа, характера и положения заместителей в бензольном ядре. Значения Кох индивидуальны для каждого бромпроизводного фенола и были применены для их идентификации (табл. 3). Отметим, что для изомеров: 4,6-дибром-2-метилфенола и 2,6-дибром-4-метифенола скорости реакции окисления отличаются в 6.5 раза, что существенно повышает надежность идентификации. Рекомендуемый способ дериватизации снижает пределы обнаружения фенолов в почве в 4000-20000 раз, что позволяет определять фенолы при содержании на уровне 1 мг/кг и менее. В табл. 4 приведены результаты определения фенола, 2-метилфенола и 4-метилфенола в почве, полученные методом "введено-найдено". Для всех исследованных образцов почв извлечение фенолов близко к количественному и не зависит от массы добавки и типа почв, характеризующихся различной адсорбционной способностью. ЛИТЕРАТУРА 1. Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Методы оптимизации эксперимента в химической технологии. М., 1985. 327 с. 2. Байерман К. Определение следовых количеств органических веществ. М.: Мир, 1987. 429 с. 3. Груздев И.В. Определение хлорфенолов в водных средах методом реакционной газовой хроматографии. Сыктывкар, 2000. 20 с. - (Сер. Новые науч. методики / Коми НЦ УрО РАН; Вып. 61). 4. Груздев И.В., Коренман Я.И., Кондратенок Б.М. Химическая модификация хлорфенолов при газохроматографическом определении их в воде // Журн. приклад. химии, 2000. Т. 73, № 9. С. 1451-1455. 5. Колб Б. Определение следов летучих органических веществ в воздухе, воде и почве методом равновесной парофазной газовой хроматографии //Журн. аналит. химии, 1996. Т. 51, № 11. С. 1171. 6. Коренман И. М. Экстракция органических веществ. Горький, 1973. 158 с. 7. Патент № 2142627, Россия, МКИ3 6G01 N30/00, 31/00, 33/18. Способ определения монохлорфенолов в водных средах / Я.И. Коренман, И.В. Груздев, В.Н. Фокин, Б.М. Кондратенок; Воронежская государственная технологическая академия, Институт биологии Коми НЦ УрО РАН; № 99101425/04; заявл. 26.01.99; опубл. 10.12.99. Бюл. № 34. 8. Свойства органических соединений. Справочник / Под ред. А.А. Потехина Л.: Химия, 1984. 520 с. 9. Сироткина Н.Н., Маруняк М.Н., Добров В.С. Газохроматографический метод определения фенолов в почве // Гигиена и санитария, 1985. № 9. С. 12. 10. Clement R.E., Eiceman G.A., Koester C.J. Environmental analysis // Anal. Chem., 1995. Vol. 67. № 12. P. 221R.
Логотип -
Начало -
Общие
сведения -
Структура -
Научная деятельность 3632 посещений с 30.12.2001 |