книги из ГПНТБ / Инструментальные методы анализа функциональных групп органических соединений

Наряду с обычным кондиционированием колонки перед каждым анализом рекомендуется вводить в нее несколько больших порций силилирующего агента. Перед нанесением жидкой фазы носитель следует силанизировать. Анализ соединений с низкой летучестью (большие времена удерживания) рекомендуется проводить на ко­ лонках с малым содержанием (3%) жидкой фазы. Для анализа ТМС-производных лучше всего использовать стеклянные колонки, однако применяют также и колонки из нержавеющей стали.

Втех случаях, когда возможно разложение силильных соединений

вгорячем входном устройстве хроматографа, особенно рекомен­ дуется использовать в этом устройстве стеклянные соединительные трубки. Дело в том, что разложение, очевидно, катализируется металлами, поскольку ТМС-производные обычно устойчивы при

температурах до 300 °С.

Часто требуется несколько видоизменить процедуры силилирования. Многие соединения не успевают полностью силилироваться за 5 мин (например, из-за пространственной затрудненности гидро­ ксильной группы); в этих случаях приходится увеличивать про­ должительность реакции. В таких случаях можно через определен­ ные интервалы времени отбирать пробы реакционной смеси, вво­ дить их в газовый хроматограф и отмечать пробу, для которой хроматографический пик целевого соединения максимален. Время, прошедшее с момента начала реакции до момента отбора отмечен­ ной пробы, и принимается за необходимую продолжительность реакции. При анализе кетонов могут возникнуть трудности, свя­ занные с тем, что кетоны частично взаимодействуют с реагентом с образованием ТМС-эфиров в енольной форме. Поэтому при ана­ лизе стероидов [53] предлагалось перед силилированием превра­ щать их в метоксимные производные [52]. В реакциях силилирования широко используют пиридин, поскольку он является прекрас­ ным растворителем и действует как акцептор НС1 в реакциях с использованием хлорсиланов. Кроме пиридина используют и такие растворители, как диметилсульфоксид, диметилформамид, тетрагидрофуран и ацетонитрил. Иногда, особенно при анализе малых проб с малой концентрацией определяемых соединений, реакцию ведут без использования растворителя. Всегда желательно избе­ гать присутствия влаги; в некоторых случаях это даже необхо­ димо, так как многие ТМС-производные легко гидролизуются во­ дой, причем происходящие в результате этого потери производных могут сделать невозможным количественный анализ и вызвать по­ явление ложных хроматографических пиков.

Галогендиметилсилильные производные применяют главным образом с целью использовать чувствительный электронно-захват­ ный детектор. Сигнал детектора на галоген достаточно велик, и это позволяет определять нанограммные и даже меньшие количе­ ства производные

Ниже перечислены эффективные силилирующие агенты, имею­ щиеся в продаже, приведены их формулы и предлагаются некото­ рые удобные сокращения их названий (в скобках).

Гексаметилдисилазан (ГМДС) (CH3)3SiNHSi(CH3) 3 Триметилхлорсилан (ТМХС) (CH3)3SiCl М,0-бис-(Триметилсилил) ацетамид (БСА) (CH3)3SiOC(CH3) = =NSi(CH 3) 3

Ы,0-бис-(Триметилсилил)трифторацетамид (БСТФА) (СН3)3- SiOC (CF3)=NSi(CH 3) 3

Хлорметилдиметилхлорсилан (ХМДМХС) (CH2CI) (CH3)2SiCl (а также аналог с Вг)

1,3-бис- (Хлорметил) -1,1,3,3-тетраметилдисилазан {(СН2С1)- (CH3)2Si]2NH (а также аналог с Вг)

Триметилсилилимидазол (ТСИМ) (CH3)3SiNCH = NCH = CH

Триметилсилилдиэтиламин (ТМСДЭА) (CH3)3SiN(С2Н5) 2 Диметилхлорсилан (ДМХС) H(CH3)2SiCl Тетраметилдисилазан (ТМДС) H(CH3)2SiNHSi(CH3)2H Ы,0-быс-(Триметилсилил)ацетамид — очень активный донор

ТМС. Он взаимодействует со спиртами с образованием ТМС-эфи- ров, причем часто эта реакция протекает количественно при ком­ натной температуре. Реагирует он также и с фенолами, производ­ ными мочевины, органическими кислотами, аминогруппами, аро­ матическими амидами и с некоторыми енольными группами [54]. Столь же активным ТМС-донором является реагент БСТФА, ис­ пользуемый в тех случаях, когда побочные продукты агента БСА мешают анализу; моно(триметилсилил)трифторацетамид и трифторацетамид имеют меньшие времена удерживания, чем соответ­ ствующие нефторированные производные БСА. И БСА, и БСТФА чувствительны к действию влаги, и ни то, ни другое соединение не требует кислотного катализатора. Еще один силилирующий агент, ТСИМ, реагирует с гидроксильными группами, образуя лишь ТМС-эфиры спиртов, фенолов, органических кислот, оксиаминов, стероидов, флаванолов, гликолей, нуклеотидов, оксикислот и барбитуратов. Последние два агента силилирования из при­ веденного списка используют для образования диметилсилильных эфиров, которые более летучи, чем соответствующие ТМС-эфиры. Однако атом водорода, связанный с кремнием, является актив­ ным, и вследствие этого данные агенты могут оказывать восста­ навливающее действие или в некоторых условиях присоединяться по месту двойных связей.

Морроу и сотр. [55] описали одну интересную конструкцию га­ зохроматографического пламенно-фотометрического детектора, «специфического на кремний». Действие этого детектора основано на излучении в пламени кремнийсодержащих соединений при 251,6 нм. Для иллюстрации работы детектора авторы исполь­ зовали ТМС-эфиры нормальных спиртов от Ci до С7 и трех

ароматических фенолов. Они показали, что с помощью такого де­ тектора, используя ТМС-производные, можно оценивать число ак­ тивных атомов водорода в гидроксилсодержащих соединениях.

Г. ДРУГИЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОИЗВОДНЫХ

Другие способы получения производных представлены в табл. 1.18. Эти способы включают окисление соединений с гидро­ ксильными группами до альдегидов и кетонов, бромирование фено­ лов, реакцию конденсации и стехиометрическое образование аце­ тилена из карбида кальция под действием метанола.

8 . Sarjaty G. A., Fales H. M., Anal. Chem., 42, 288 (1970).

9. Watanabe Y., Isomura K-, Bunseki Kagaku, 15, 1215 (1966).

Соединения, которые в результате их обработки иодноватистокислым натрием образуют йодоформ (например, соединения, содер­ жащие СНзСНОН), можно с большой чувствительностью опре­ делять с помощью ГХ с электронно-захватным детектором [56].

Д. ОПРЕДЕЛЕНИЕ а-ОКСИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ И ДРУГИХ СОЕДИНЕНИЙ С ВИЦИНАЛЬНЫМИ АТОМАМИ КИСЛОРОДА

Для определения молочной кислоты можно ввести ее раствор вместе с большим избытком йодной кислоты прямо во входное устройство газового хроматографа, нагретое до 100°С [57]. Урав­ нение реакции при этом имеет вид

СНзСНОНСООН + ню4 — ► СН3СНО + со2 + Н20 + ню3

Было показано, что эта реакция является общей для а-оксикислот, причем при использовании газохроматографической колонки с на­ садкой жидкая фаза карбовакс 20М на огнеупорном кирпиче — высота хроматографического пика альдегида или кетона, образую­ щегося в реакции с НЮ4 оказывается пропорциональной концент­ рации кислоты. Минимальное молярное отношение йодной кис­ лоты к оксикислоте равно 4:1. Этот метод использовали для определения а-метилмолочной, а-метил-а-оксимасляной, а-оксива- лериановой и миндальной кислот. При определении всех этих кис­ лот, за исключением миндальной, температура входного устройства газового хроматографа была равна 200 °С (для миндальной кис­ лоты 238 °С). Как правило, такой метод должен давать-хорошие результаты для соединений:

а возможно, и для некоторых эпоксисоединений. Анализу оксикислоты мешают соединения, содержащие указанные группировки, если продукты их взаимодействия с реагентом идентичны продукту реакции анализируемой оксикислоты или имеют такое же время удерживания. Так, например, соединение, имеющее структуру

О О

II II

СН3—С—С—СН3

мешает анализу молочной кислоты; в результате взаимодействия этих соединений образуется уксусный альдегид.

Е. АНАЛИЗ СОЕДИНЕНИЙ С ГИДРОКСИЛЬНЫМИ ГРУППАМИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЫЧИТАНИЯ ЭТИХ СОЕДИНЕНИЙ

Спирты, особенно низшие, и одноатомные фенолы можно опре­ делять непосредственно с помощью ГХ. Особенно хорошие резуль­ таты таких определений получаются при использовании насадок типа поропак [59—61]. В одном из широко используемых методов (метод вычитания) соединения с определенными функциональ­ ными группами удаляют из потока газа-носителя путем введения в систему вещества, которое реагирует с этими группами. Типич­ ная используемая для этой цели петля для вычитания показана на

так и после нее. С помощью подобной петли с борной кислотой из смеси, вводимой в газовый хроматограф, в большинстве случаев полностью удается вычесть первичные и вторичные (но не третич­ ные) спирты [62, 63]; другие соединения при этом не вычитаются. В результате реакции борной кислоты с большинством спиртов образуются низколетучие бораты, которые, хотя и удерживаются в петле, постепенно выходят из колонки в виде чрезвычайно широ­ ких полос. Было показано также, что в петле с борной кислотой

не вычитаются некоторые аллильные вто­ ричные спирты. Это объясняется, по-види­ мому, тем, что такие спирты дегидрати­ руются до сопряженных диенов [64].

для хроматографического анализа спиртов. Ароматические сое­ динения с гидроксильными группами (фенолы) не вычитаются петлей с борной кислотой, но, как правило, их хроматографические пики под действием такой петли расширяются и задерживаются, но обычно не более чем в два раза. Метод, подобный только что описанному, применяли Регнир и Хуанг [65]. Если поместить петлю для вычитания после газохроматографической колонки, то колонка не будет загрязняться реагентом вычитания или продуктами реак­ ции вычитания, выходящими из петли.

В другом методе [66] одноатомные спирты в растворе обраба­ тывали трихлоруксусным эфиром изоциановой кислоты. Спирты при этом реагируют количественно, и их хроматографические пики на получаемой хроматограмме не появляются. Этим способом ана­ лизировали 15 спиртов. При этом наблюдались некоторая дегид­ ратация третичных спиртов, изомеризация одного третичного эфира и перегруппировка одного эпоксисоединения. Трихлоруксусные эфиры изоциановой кислоты можно экстрагировать разбав­ ленной щелочью и регенерировать спирты (за некоторыми исклю­ чениями) количественно путем перегонки с сильной щелочью.

Применяют также и метод, основанный на смещении хромато­ графических пиков производных со спиртовыми или фенольными группами по сравнению с первоначальным положением исходных соединений на хроматограмме. Для этого вслед за анализируемой пробой в хроматограф вводят реагент, образующий производное,

например ангидрид уксусной или пропионовой кислоты [67]. Перво­ начальный хроматографический пик соединения с гидроксильной группой исчезает, и появляется новый пик, обусловленный образо­ вавшимся эфиром. Во многих случаях уксусная или пропионовая кислота полностью превращается в эфир, благодаря чему количе­ ственный анализ оказывается гораздо проще анализа с получе­ нием производных до введения пробы. Описанный метод дает осо­ бенно хорошие результаты при анализе высокомолекулярных оксисоединений, которые очень медленно или вовсе не пере­ мещаются по колонке дб тех пор, пока не прореагируют с образо­ ванием более летучих производных.

Ж. ПРИМЕНЕНИЕ РЕАКЦИЙ НА АКТИВНЫЕ АТОМЫ ВОДОРОДА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГИДРОКСИЛЬНЫХ ГРУПП

Существуют газохроматографические методы определения гид­ роксильных групп с помощью анализа на активные атомы водо­ рода. По этому вопросу см. гл. 8, разд. II.

III. ЭЛЕКТРОАНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

А. Ф. Крайвис

А. КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКОЕ ТИТРОВАНИЕ

Существует несколько электрохимических методов определения гидроксильной группы.

Обычно в основе этих методов лежит кондуктометрическое титрование натриевой или литиевой солью метилсульфинил-карба- ниона «димсил-иона» [68—71]. Раствор димсилнатрия в диметилсульфоксиде (ДМСО)— очень сильное основание, реагирующее с чрезвычайно слабыми кислотами, включая спирты и слабые кар­ боновые кислоты. Вода, являясь оксисоединением, также реаги­ рует с раствором димсилнатрия в ДМСО; во многих случаях воде и спирту соответствуют различные точки излома кривой титрова­ ния, по которым их можно отличить друг от друга.

В табл. 1.19 приведены результаты титрования различных алкилов, а также ароматических спиртов и гликолей. В этих ана­ лизах вторичные и третичные спирты можно отличить от воды. Вода является более кислым соединением, чем указанные в таб­ лице спирты, и поэтому первый этап титрования обусловлен реак­ цией нейтрализации воды. Объем титрующего раствора, соответ­ ствующий участку кривой титрования между первой и второй точ­ ками излома, зависит от содержания спирта в титруемом растворе. Интересные результаты были получены при титровании гликолей. Первая гидроксильная группа оказалась более кислой, а вторая

гидроксильная группа — менее кислой, чем вода. Титрование про­ ходило в следующей последовательности: первая гидроксильная группа — вода — вторая гидроксильная группа. Ароматические спирты в этих условиях являются более сильными кислотами, чем вода.

Метод Хиллера мл. [6 8 ]

Растворители и реагенты. Во всех опытах, описанных в работе [68], применялся спектрально чистый метилсульфоксид (диметилсульф-

оксид) фирмы «Matheson, Coleman and Bell», который хранился в бутылях емкостью 1 л над активированными молекулярными ситами типа 4А. Электропроводность растворителя при комнатной температуре (около 25°С) была равна 3,5± 0,2 Х 10 -7 Ом_1-см-1. Содержание остаточной воды или, точнее, полное содержание кис­ лотных примесей в растворителе, измеренное путем титрования димсилнатрием, составляло, как правило, примерно 2,2 мМ, или 4ХЮ~3%, воды. Гидрид натрия применялся в виде 50%-ной дис­ персии в минеральном масле (фирма «Metal Hydrides, Inc.»). Для стандартизации реагента (димсилнатрия) использовали нафтол-2 (химически чистый, фирмы «МСВ») и получили следующие ре­ зультаты:

Вычислено для СюНвО: С, 83,3; Н, 5,59; О, 11,1.

Получено в результате измерений: С, 83,2; Н, 5,6; О, 11,1. Использовали сухой азот. Газопроводные линии были изготовлены из меди и стекла. Соединения осуществляли по возможности более короткими отрезками трубок из материала тигон.

Приготовление стандартного раствора для титрования. Для при­ готовления реагента (димсилнатрий) 200 мл диметилсульфоксида добавляют к 0,6—1 г 50%-ной смеси NaH — минеральное масло, предварительно промытой двумя порциями петролейного эфира, по 10—15 мл каждая, для удаления минерального масла. Реакцию проводят в атмосфере азота при температуре 50—60 °С при постоян­ ном перемешивании. Для завершения реакции, о котором судят по прекращению выделения газообразного водорода, требуется 3—4 ч. Готовый раствор реагента прозрачен и окрашен в бледно-зеленый цвет. Хранить реагент можно в колбе под слоем азота. В качестве дополнительной меры предосторожности раствор реагента в колбе можно покрыть слоем минерального масла толщиной около 1 см. При комнатной температуре реагент можно хранить по крайней мере в течение недели, и при этом он теряет лишь 1—3% активно­ сти. Приблизительно 50 порций реагента было приготовлено без каких-либо затруднений. (Внимание! Сообщалось о случаях раз­ рыва сосудов в результате резкого повышения давления при добав­

с помощью мостовой схемы, обеспечивающей точность ±1% . Под­ ходит для этой цели и погружаемая ячейка, имеющая постоянную, равную 0,1.

Проведение титрования. К одному из горл реакционной колбы присоединяют на шлифе стеклянную трубку с резиновым колпач­ ком на конце. Через этот колпачок шприцем емкостью 50 мл с иглой длиной около 16 см порцию реагента отбирают и переносят

врезервуар (5 мл) аналитической бюретки. К бюретке припаяна стеклянная трубка, через которую в область над реагентом подают азот. Для титрования используют высокий химический стакан емко­ стью 180 мл, закрытый резиновой пробкой № 10. В пробке имеются отверстия для ввода газа (азот), тефлонового катетера (по кото­ рому подается реагент из бюретки), ячейки измерения электропро­ водности и отверстие для ввода растворителя и образца. Газообраз­ ный азот предварительно пропускают через 0,05 М раствор димсилнатрия в 80 мл ДМСО для удаления из него кислых примесей. Находящиеся в атмосфере вода, углекислый газ и кислород вза­ имодействуют с реагентом и, следовательно, мешают анализу. Все процедуры титрования выполняют при комнатной температуре (около 25 °С).

Кондуктометрическое титрование проводили двумя способами,

взависимости от того, можно ли было отличить при титровании примеси воды в растворителе от примесей воды в анализируемом образце. В методе I сначала проводили титрование остаточной (примесной) воды до кондуктометрически определяемой конечной точки, затем добавляли анализируемую пробу и вновь титровали.

определенный участок на графике кондуктометрического титрова­ ния соответствует реакции воды. В обоих методах титрования использовали аликвотные порции 50 мл раствора диметилсульф-

Во всех измерениях электропроводности учитывалось изменение объема раствора во время титрования. Конечные точки титрова­ ния определяли как точки пересечения прямых линий, проведен­ ных по результатам измерений электропроводности.

Б. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДВУХАТОМНЫХ СПИРТОВ ПОЛЯРОГРАФИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

Для анализа вицинальных двухатомных спиртов можно не­ сколькими различными способами использовать реакцию Малапрейда. Так, например, при окислении 1,2-гликолей йодной кисло­ той образуется формальдегид. Формальдегид можно перегнать из

реакционной смеси и анализировать полярографически [74, 75]. Можно также разложить арсенитом избыток йодной кислоты в реакционной смеси и определять формальдегид непосредственно

[76].

Эти методы применимы к соединениям, содержащим 1,2-гликоль- ные структуры, образующие формальдегид. Однако если анализи­ ровать перйодат полярографически, то описанный метод можно использовать для анализа любого диола, полиола, сахара или аминоспирта [76]. Более того, используя различия в скоростях реакции перйодата с различными,, диодами, можно анализировать и некото­ рые смеси таких спиртов.

В описанном ниже методе концентрацию перйодата опреде­ ляют путем измерения длины полярографической волны при по­ тенциале около —0,4 В относительно электрода сравнения из суль­ фата ртути(1).

Экспериментальный метод (основанный на исследованиях Зумана и Крупинки [76])

Оборудование. Можно использовать любой (автоматический или неавтоматический) полярограф. Ячейка должна быть Н-образной [77] с электродом сравнения из сульфата ртути (I). Чтобы избежать фотолитических эффектов, реакционную колбу и ячейку следует по­ крыть глифталевой или черной краской. Для термостатирования реакционную колбу и ячейку с их содержимым помещают в баню с постоянной температурой (25°С).

Растворы. Требуется раствор инертного электролита (фона) с большой буферной емкостью. Было установлено, что для этой цели подходит раствор, содержащий 0,1 М ацетата натрия и 0,1 М уксусной кислоты с pH 4,7.

Основной раствор перйодата представляет собой 0,005 М рас­ твор метапериодата калия (химически чистого) в воде; необходи­ мо определить титр этого раствора с помощью иодометрического титрования.

Основные растворы проб должны быть такими, чтобы молярность неизвестного вещества в них составляла примерно 0,005 М. Проведение анализа. Раствор пробы и холостой раствор следует анализировать одновременно. В каждую из двух покрытых краской колб, погруженных в баню с постоянной температурой, переносят по 160 мл буферного раствора. Затем обе колбы в течение 10 мин продувают азотом, добавляют в каждую по 6 мл основного рас­ твора перйодата и вновь продувают в течение 5 мин. В одну из колб добавляют 0,5 мл основного раствора гликоля, замечают мо­ мент времени, когда было произведено это добавление, продувают колбу азотом и затем отклоняют струю азота, так, чтобы раствор находился под его слоем. По завершении реакции порцию осво­ божденного от кислорода раствора реакционной смеси переносят