Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Ароматические амины структура, реакции окисления, применение в аналитической химии.pdf
Глава 1. Состояние и тенденции развития химии ароматических аминов
нонаправленно коррелирует со значениями энтальпии реакции
ArNHOH + H
+
ArNH++ H2O (∆Нr),
характеризующими относительную устойчивость N-фенилгидроксиламинов и нитрениевых ионов. Установленные зависимости позволяют
прогнозировать вид токсического эффекта и полезны при выборе показателя безвредных доз ариламинов.
Методами QSAR установлено, что биологическая активность ароматических аминов зависит в первую очередь от их гидрофобности,
а, во-вторых, от электронных и пространственных характеристик молекул [157]. Возможность применения методов ступенчатой классификации (ПЛС-ДА, SIMCA) для предсказания продуктов метаболизма
замещённых анилина показана в [158], где в качестве переменных использовали характеристики, рассчитанные полуэмпирическими квантовохимическими методами. Многомерные модели позволяют прогнозировать N-ацетилирование и последующее образование N-оксаниловой кислоты.
1.4.2. Токсикологическое действие ароматических аминов,
экологическая безопасность
Производство ароматических аминов и их производных в промышленных масштабах в течение длительного времени позволило накопить большой фактический материал о влиянии этой группы соединений на здоровье человека и состояние экосистем. Необходимость
контроля содержания ариламинов в объектах окружающей среды связана с их загрязнением как при непосредственном попадании (сточные воды, разливы) контаминантов, так и в результате т рансформации
продуктов восстановления нитроароматических взрывчатых веществ
[159, 160], пестицидов, азо-соединений [161, 162], антибактериальных
агентов [163] и агрохимикатов [164].
Основным общетоксическим эффектом ариламинов является поражение крови, связанное с нарушением функций оксигемоглобина. Кроме того, некоторые представители ряда обладают мутагенной
и канцерогенной активностью, в частности могут вызывать рак мочевого пузыря у человека и млекопитающих [155, 156, 165]. Согласно
данным Международного агентства по изучению рака (МАИР), по своей канцерогенности ароматические амины подразделяются на следующие группы [166]:
51
Ароматические амины: структура, реакции окисления, применение
1-я группа (вещества, канцерогенные для человека) – 4-аминобифенил, бензидин, 2- и 1-нафтиламины, N,N′-бис-(2-хлорэтил)-2нафтиламин;
2А группа (вещества, вероятно канцерогенные для человека) –
красители на основе бензидина, 4,4′-метилен-бис-(2-хлоранилин);
2В группа (вещества, возможно канцерогенные для человека) –
о-анизидин, 4-хлор-о-фенилендиамин, п-хлор-о-толуидин, п-крезидин,
N,N′-диацетилбензидин, 2,4-диаминоанизол, 4,4′-диаминодифениловый эфир, 2,4-диаминотолуол, 3,3′-дихлорбензидин, 3,3-дихлор-4,4′диаминодифениловый эфир, 3,3′-диметоксибензидин, 3,3′-диметилбензидин, 4,4′-метиленбис-(2-метиланилин), 4,4′-метилендианилин,
4,4′-тиодианилин, о-толуидин.
В настоящее время введены строгие требования регламентирующие производство ариламинов, установлены значения ПДК в рабочей
зоне и в объектах окружающей среды [166] (табл. 8, 9). В ряде стран
введены ограничения на ввоз отдельных представителей этой группы
[156]. Токсичность ариламинов на микро- и наномолярных уровнях
требует применения высокочувствительных методов определения, которое проводится хроматографическими методами (высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ), газовая хроматография (ГХ))
и тест-средствами.
ДФА и ТФА оказывают отрицательное воздействие на живые организмы, однако токсичность их производных исследована не достаточно широко. В литературе рассматриваются свойства 4-амино-ДФА,
гидрокси-ДФА и нитро-ДФА, ДФА и нитрозо-ДФА, которые отнесены
к приоритетным загрязнителям окружающей среды и включены в список Евросоюза и РФ [171]. Основными путями загрязнения окружающей среды производными ДФА являются подводные взрывы морских
мин, торпед, производство боеприпасов.
Следует отметить, что использование ди- и трифениламинов в качестве стабилизаторов обусловлено их способностью взаимодействовать с азотсодержащими продуктами разложения топлив и нитроцеллюлозы (например, NO, NO2, HNO3). Таким образом, загрязнение почв
заводами по производству боеприпасов нитро- и амино-замещёнными
соединениями и другими добавками является постоянным источником опасности для здоровья человека, особенно при попадании их в
подземные и поверхностные воды. Многообразие веществ и их метаболитов в отходах боеприпасов существенно осложняет токсикологическую оценку общего загрязнения. Многие из этих соединений об-
52
Глава 1. Состояние и тенденции развития химии ароматических аминов
Таблица 8
Предельно допустимая концентрация (ПДК) ароматических аминов в воздухе рабочей
Наименование вещества [CAS] ПДК, мг/м
Анилин [62-53-3] 0.1 п, +, 2-й класс
2-Метиланилин [95-53-4] 1/0.5 п, +, 2-й класс
3-Аминометилбензол [108-44-1] 1 п, 2-й класс
4-Аминометилбензол[106-49-0] 1 п, 2-й класс
Аминодиметилбензол [1300-73-8]
(смесь изомеров)
N,N-Диметиланилин [121-69-7] 0.2 п, +, 2-й класс
Фенилен-1,2-диамин [95-54-5] 0.5 п, а, А, 2-й класс
Фенилен-1,3-диамин [108-45-2] 0.1 п, а, А, 2-й класс
Фенилен-1,4-диамин [106-50-3] 0.05 п, а, А, 1-й класс
2,4/2,6 Диаминотолуидин [25376-45-8] 2 п, а, +, 3-й класс
Метилендианилин
(смесь изомеров 4,4-; 2,4-; 2,2-)
2-Метил-6-этиланилин [24549-06-2] 5 п, +, 3-й класс
3-Метил-N-этиланилин [102-27-2] 1 п, +, 2-й класс
2,4,6-Триметиланилин [88-05-1] 1 п, +, 2-й класс
Бензилдиметиламин [103-83-3] 5 п, 3-й класс
N-Изопропил-N′-фенилфенилен-1,4-диамин [101-
72-4]
Примечание. Сокращения и обозначения: ПДК по ГН 2.2.5.686–98 [167]; 1/0.5 – максимальная разовая концентрация/среднесменная концентрация; п – пар´ы; а – аэрозоль; + –
требуется специальная защита кожи и глаз; указан класс опасности вещества согласно
ГОСТ 12.1.007–76 [168]; А – вещества, способные вызывать аллергические заболевания.
зоны [166]
3
Характеристика
вещества
3 п, +, 3-й класс
1 а, 2-й класс
2 а, 2-й класс
Предельно допустимая концентрация (ПДК) алкиланилинов в воде
Вещество
Анилин 0.1 0.0001
N-Метиланилин 0.3 –
3-Метиланилин 0.6 –
4-Метиланилин 0.6 –
2-Метил-N-этиланилин 0.3 –
3-Метил-N-этиланилин 0.6 –
N-Этиланилин 1.5 0.0001
N,N-Диэтиланилин 0.15 0.0005
2,4,6-Триметиланилин 0.01 –
2,6-Диметиланилин – 0.003
Объекты санитарно-
бытового пользования [169]
ПДК, мг/л
Водоёмы
рыбохозяйственного
назначения [170]
53
Таблица 9
Ароматические амины: структура, реакции окисления, применение
ладают мутагенными и канцерогенными свойствами, подтвержденными экспериментами над животными, а нитроароматические соединения являются причиной токсичного отравления человека, связанного
с гемо- и гепотоксичными изменениями.
Г л а в а 2
АРОМАТИЧЕСКИЕ АМИНЫ
В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Образование окрашенных форм и разнообразие путей превращения ароматических аминов послужило причиной широкого использования этой группы соединений в ана литических целях.
Реакции азосочетания и образование оснований Шиффа являются традиционными примерами применения нуклеофильных свойств
моно- и дифениламинов в аналитической химии [73–76, 172, 173].
Реакции диазотирования и азосочетания в системах: первичный ариламин (п-нитро-, n-карбокси- и п-сульфоанилин) – ДФА – нитрит-анион
в водной и мицелярной средах ПАВ исследованы методами электронной и ИК-спектроскопии. Показано, что на скорость диазотирования
не оказывают влияния различные типы ПАВ; в домицеллярной области установлено образование ионных ассоциатов азокрасителей додецилсульфат-анионом [174–176].
Включение стадии мицеллярной экстракции неионным ПАВ
(Triton X-100) позволило разработать методику определения нитританионов в диапазоне 2–40 нг/мл (в водопроводной воде, сточных водах и образцах мочи человека) на основе реакции их взаимодействия
с п-нитроанилином в присутствии ДФА в кислой среде [177].
Простой чувствительный способ определения ароматических альдегидов по их реакции с ДФА в присутствии Те(IV) в среде хлороводородной кислоты (pH 1.8) предложен в [178]. Диапазоны определяемых
содержаний альдегидов составляют 0.1–20 мкг/мл, пределы обнаружения 0.02–0.12 мкг/мл; 1-пропанол, ацетон, ацетофенон, бензофенон,
формамид и пиридин не влияют на обнаружение даже в 1000-кратном
избытке, однако формальдегид и ацетальдегид мешают уже при 10и 5-кратном соотношениях.
55
Ароматические амины: структура, реакции окисления, применение
Нуклеофильные реакции используют и при разработке методик
определения самих ариламинов, в том числе в фармацевтических
препаратах. Кинетический метод определения производных анилина
на основе реакций азосочетания с 1-(4-гидрокси-6-метилпиримидин2-ил)-3-метилпиразолин-5-оном предложен в [179] (предел обнаружения 0.72–1.4 мкМ, диапазоны определяемых содержаний 5–80 мкМ).
Реакции нуклеофильного замещения 4,6-динитрофурана использованы
для определения 4-аминофенола и 1,2-фенилендиамина в фармацевтических препаратах методом проточно-инжекционного анализа [180].
Чувствительный метод количественного определения лекарственных
препаратов на основе фенотиазинов разработан на основе их реакции
с ДФА в присутствиии N-бромсукцинимида и серной кислоты [181].
На основе систематического исследования реакций конденсации
первичных ароматических аминов с 4-диметиламинокоричным альдегидом в среде анионных ПАВ разработаны методики фотометрического (предел обнаружения ∼2–20 нг/см3) и тестового (контрольные
уровни ∼10–100 нг/см3) определения ряда моно- и дифениламинов
[176, 182–184]. Разработанные методики апробированы на биологических объектах (кровь, слюна, органы животных), объектах окружающей среды (воздух рабочей зоны, природные, питьевые и сточные
воды) и фармацевтических препаратах [185–187].
Примером использования в аналитических целях образования
окрашенного комплекса ариламина с ионом переходного металла является система дифениламин-4-сульфокислота (ДФАСК) – Fe(III), которая положена в основу методики определения железа(III) в диапазоне
5–200 мкг/мл в речной и морской воде методом проточно-инжекционного анализа (слабокислая среда (pH 2.0–6.0), λ = 410 нм) [188].
Наиболее широкое распространение в аналитической практике
нашли окислительно-восстановительные реакции ароматических аминов, которые применяются в титриметрических, спектроскопических
методах анализа, а также в качестве субстратов в иммуноферментных
реакциях. Изучение механизмов реакций окисления ариламинов позволяет осознанно выбирать системы для разработки аналитических
методик.
2.1. Ароматические амины в кинетических методах анализа
Реакции окисления ароматических аминов часто протекают
во времени, что позволяет использовать кинетические методы анализа,
56
Глава 2. Ароматические амины в аналитической химии
основанные на регистрации скорости химических реакций и имеющие
ряд преимуществ по сравнению с равновесными методами (снижение
роли побочных процессов, неколичественного протекания реакций,
высокая чувствительность, возможность дифференциальных определений соединений близкой природы и др.).
Рассматривая применение ароматических аминов в кинетических
методах анализа, прежде всего следует отметить роль реакций каталитического окисления аминов; названные реакции позволяют разрабатывать методики определения следовых количеств ионов переходных
металлов (табл. 10).
Данные табл. 10 показывают, что наибольшее число индикаторных реакций ароматических аминов используется при определении
ионов марганца(II); при этом низкими пределами обнаружения катализатора характеризуются реакции окисления третичных аминов периодат-анионами. Однако ценность разработанных методик снижается
вследствие широкого круга мешающих ионов. Более высокой селективности удаётся достигнуть при использовании дифениламинов. Изученный в редких случаях механизм реакций окисления ионами марганца(II) описывается как попеременное окисление–восстановление
[103, 189, 190]. Каталитическое действие Mn(II) на окисление дифениламиносульфоната бария броматом калия в сернокислой среде использовано для его определения в листьях чая в диапазоне 1–60 нг/мл,
c
= 0.2 нг/мл [191].
min
При определении ионов меди(II) наиболее чувствительными являются реакции окислительного сочетания, которые позволяют определять катализатор в диапазонах 2·10−6–1 · 10−4мг/л [206], 1·10–4–
2 · 10−3мг/л, относительное стандартное отклонение sr= 0.02–0.03
[200, 201]. Механизм реакций включает каталитическое окисление
ароматических аминов пероксидом водорода с образованием катионрадикалов, которые вступают в реакцию конденсации с органическими соединениями. Продукты конденсации окисляются в присутствии
пероксида водорода или кислорода воздуха с образованием окрашенных соединений. Активаторами реакций являются пиридин и аммиак.
В ряде случаев низкая селективность реакций к ионам переходных металлов требует дополнительного маскирования [203]. Как и при определении марганца, использование реакций каталитического окисления
производных ДФА – ВС (20 об.% ацетонитрил) персульфат-анионами
[204] и ДФАСК пероксомоносульфат-анионами [205] позволило разработать более селективные методики определения меди.
57
Ароматические амины: структура, реакции окисления, применение
Таблица 10
Каталитические методы спектрофотометрического определения ионов переходных метал-
Индикаторная реакция c
Ариламин (о-дианизидин, с, п-толуилендиамин, п-толуидин, п-фенетидин, N,N-диметиланилин) – KIO
N-Метилдифениламин-4-сульфокислота – KIO4– 1,10-фенантролин
N,N-Диэтиланилин – KIO4(цитрат) 1·10−5÷
N-Фенил-п-фенилендиамин – гидропероксид кумола (триэтилентетрамин)
о-Дианизидин – Н2О
N,N-Диметиланилин – гидразон
3-метил-2-бензотиазолинон – Н2О
(аммиак, 2,2′-дипиридил)
N-Фенил-п-фенилендиамин – м-фенилендиамин – Н2О2(пиридин, ам-
∗
миак)
N,N-Диметил-п-фенилендиамин – мфенилендиамин – Н2О
N,N-Диметиланилин – п-метоксиани-
∗
лин – О
2
3,3′,5,5′-ТМБ – гидропероксид кумола – 2,9-диметил (1,10-фенантролин)
ВС – S2O
2−
8
Дифениламин-4-сульфокислота –
KHSO
5
Примечание. В скобках в некоторых случаях указан активатор.∗Реакции окислительной
конденсации.∗∗Проточно-инжекционный анализ.
лов по реакциям окисления ароматических аминов
min
мг/л
,
Мешающие ионы Лит-
Определение ионов марганца(II)
1·10−4÷
1·10
4
2·10
Cu(II), Ni(II), Co(II), Fe(II,III), Ca,
−3
Mg, Al, Zn, Mo(VI), Cr(VI)
−5
((100–200) : 1)
Fe(III), Ni(II), Co(II), Bi(III),
Sb(III), Ag, Au(III), платиновые
металлы, Al, Cr(III), Zn(II). Cu(II),
Pb(II) (< 100 : 1)
3·10
2·10
2
2·10
Определение ионов меди(II)
1·10
∗
2
1·10
(30 : 1), Zn(II), Hg(II) (100 : 1)
−6
−3
−4
−4∗∗
Na+, NH
Не указаны [196]
Не указаны [197,
−
MnO
4
+
, Ca2+, Mg2+, Sr2+,
4
, Cr2O
2−
7
Au(III), Ir(III), Fe(III), Cr(VI)
−3
Ba2+((5–8)·103), Fe(II), SO
CH3COO−(1 · 103), Pb(II), Sn(II),
Mn(II), Fe(III) (500), Co(II), Cd(II),
Hg(II), S2−(250), цианид,
гексацианоферраты(II,III), ЭДТА;
маскирование ионов переходных
−5
∗
2
5·10
1·10
0.5·10
−3
−3
металлов
Fe(III) [201]
Не указаны [202]
Маскирование Fe(III) [203]
5·10−3Ионы щелочных, щелочноземель-
ных, редкоземельных металлов
Al(III), Ti(IV), Co(II), Ni(II), Zn(II),
Sn(II), Cd(II), Ag(I), Hg(II),
Mo(VI), W(VI) (104), Os(VIII)
(100), Fe(III) (40), Au(III) (10)
−5
2·10
Mn(II), Ni(II), Au(III), Ag, Pd,
Co(II) (10–30), Fe(II), Pb(II), Hg(II)
(n·102), Zn, Cd (n·103)
, Tl
ра
[102];
[192,
с. 154]
[193]
[190,
194,
195]
с. 50]
+
[198,
199]
[200]
2−
,
3
[204]
[205]
58
Глава 2. Ароматические амины в аналитической химии
Окислительное сочетание 4-аминоантипирина с N,N-диметиланилином в присутствии ванадия(IV и V) положено в основу методики его
определения и включает стадии экстракции гидроксиламином и реэкстракции щёлочью (c
= 1 · 10−4мг/л) [207]).
min
В [208] предложена методика кинетического определения следовых количеств ванадия(V) в диапазоне 0.40–4.0 мг/мл по реакции
окисления ДФА пероксидом водорода в среде муравьиной кислоты,
которая апробирована при анализе косметических препаратов и сплавов. Каталитическая активность V(V) обусловлена образованием пероксиванадатного комплекса, способного окислять ДФА.
Проточный вариант анализа позволил разработать высокочувствительные методики определения ванадия (N,N′-бис(2-гидрокси-3сульфопропил)толуидин – BrO
(III) (N,N-диметил-п-фенилендиамин – Н2О2, c
кобальта(II) (N,N-диэтил-п-фенилендиамин – Н2О2– тайрон, c
−
, c
= 8·10−6мг/л [209]), железа
min
3
= 2·10−5мг/л [210]),
min
min
= 1 нг/мл [211]).
Определение марганца(II) (c
= 1·10−1мг/л) в морской воде ме-
min
тодом проточно-инжекционного анализа (ПИА) проводили на основе
реакции N,N-диэтиланилин – периодат. Процедура анализа включала
предварительную сорбцию аналита на волокнистом сорбенте (диэтилентриаминтетрацетате) и проведение индикаторной реакции в растворе после десорбции [212].
Реакция окислительного сочетания п-анизидина и N,N-диметиланилина в варианте ПИА использована для анализа смесей ионов меди(II) (cн= 5 · 10−5мг/л) и железа(III) (c
= 5·10−4мг/л) без разделе-
min
ния, основанном на селективном активировании 1,10-фенантролином
в присутствии железа [213].
Окислительно-восстановительные реакции ароматических аминов используются также для определения ионов платиновых металлов
и золота (табл. 11). Редокс-реакции производных анилина с π-электронодонорными заместителями (п-анизидин, о-дианизидин, фенетидин,
п-фенилендиамин) менее селективны, по сравнению с окислительно-восстановительными превращениями реагентов дифениламинового
ряда.
Кинетический метод определения иода в урине разработан на кафедре общей и неорганической химии ФБГОУ ВО «Саратовского
государственного университета имени Н. Г. Чернышевского» [231]
на основе остановки реакции Кольтгофа – Сендела между As(III)
и Ce(IV), катализируемой иодид-ионами, в присутствии МДФАСК.
=
59
Ароматические амины: структура, реакции окисления, применение
Позже О. М. Трохименко с соавт. [232] предложил использовать
ДФАСК в качестве восстановителя для остановки этой реакции. Методика рекомендована для определения общей концентрации иода в пищевых продуктах (c
Окислительно-восстановительные реакции ароматических аминов в каталитических ме-
Определяемый
элемент
Золото(III)
Иридий(IV)
Рутений(IV)
Родий(III)
Осмий(IV)
Осмий(VIII) п-Фенилендиамин, Н2О
Палладий(II)
Примечание. ДМФА – N,N-диметилформамид.
тодах анализа ионов платиновых металлов и золота
Амин, окислитель и условия проведения
4-Гидроксиаминобензол-сульфокислота,
о-Дианизидин, Н2О2,глюкозооксидаза 0.1 [218, с. 299]
4′-Сульфофенил-антраниловая кислота,
= 2 нг/мл).
min
индикаторной реакции
МДФАСК, NH4VO3, 1 M H2SO
4
ВС, KIO4, ДМФА 2·10
МДФАСК, KIO3, 1 M H2SO
4
ВС, (NH4)2S2O8, ДМФА 1·10
ДФА, Се(IV) 10
о-Дианизидин, IO
МДФАСК, NH4VO3, 2M H2SO
МДФАСК, KIO4, 10−3M H2SO
ВС, KIO3, 10−3M HCl 3.0·10
ТФАСК, IO
−
, 5·10−3M H2SO
4
МДФАСК, KIO4, 10−3M H2SO
МДФАСК, NH4VO3, 2 M H2SO
−
4
4
4
4
4
4
ДФА, Се(IV) 10
п-Анизидин, Mn(III) 10
о-Дианизидин, Mn(III) 10
ДФА, IO
Бензидин, Н2О
ТФАСК, IO
ВС, KIO3, 10−3M H2SO
МДФАСК, KIO4, 10−3M H2SO
−
4
−
, 5·10−3M H2SO
4
2
4
4
4
ТФАСК, NaIO4, 1·10−3M H2SO4,
1,10-фенантролин
ВС, О2, рН 10 5·10
Фенетидин, BrO
п-Фенилендиамин, Н2О
S2O
−
3
2
2−
8
2
Се(IV), 10−3M HCl
Таблица 11
c
, мкг/мл Литература
min
−5
2·10
−3
−5
2·10
−3
−2
[218, с. 297]
−5
10
2·10
8·10
4·10
1·10
5·10
5·10
2·10
2·10
3.5·10
5·10
5·10
10
2·10
−4
−5
−4
−4
−6
−5
−2
−3
−5
−2
−3
−4
−3
−3
−3
−9
−3
−5
[218, с. 297]
[216, 220]
[218, с. 295]
[218, с. 295]
[218, с. 295]
[218, с. 295]
[218, с. 295]
[225, 226]
[218, с. 294]
[218, с. 294]
0.53 [218, с. 294]
−2
2·10
0.25 [230]
[214]
[215]
[216]
[217]
[219]
[221]
[222]
[223]
[224]
[222]
[221]
[227]
[228]
[229]
60