Способ определения мононитрофенолов в водных средах
Владельцы патента RU 2407000:
Институт биологии Коми научного центра Уральского отделения Российской академии наук (RU)
Изобретение относится к аналитической химии органических соединений (концентрирование и определение) и может быть использовано для санитарно-эпидемиологического контроля питьевых вод, воды объектов, имеющих рыбохозяйственное значение, а также степени очистки сточных вод различных химических производств. Способ определения мононитрофенолов в водных средах включает их химическую модификацию в ацетаты, проводимую в две стадии с применением на первой стадии в качестве реагента-модификатора брома в количестве 0,01-0,05% от массы водной пробы в присутствии глицина, экстракционное концентрирование бромпроизводных толуола, ацилирование в среде уксусного ангидрида и газохроматографическое детектирование полученных ацетатов бромпроизводных мононитрофенолов с использованием детектора электронного захвата. Достигается повышение чувствительности анализа. 2 табл., 3 ил.
Изобретение относится к аналитической химии органических соединений (концентрирование и определение) и может быть использовано для санитарно-эпидемиологического контроля питьевых вод, воды объектов, имеющих рыбохозяйственное значение, а также степени очистки сточных вод различных химических производств.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является газохроматографический способ определения мононитрофенолов [Jahr D. Determination of alkyl-, chloro- and mononitrophenols in water by sample acetylation and automatic on-line solid phase extraction-gas chromatography-mass spectrometry // Chromatographia. - 1998. - Vol.47. - №1/2. - P.49-56.]. Недостатком прототипа является высокий предел обнаружения мононитрофенолов, связанный с полуколичественным образованием ацетатов вследствие их гидролиза при получении в водной среде.
Задачей изобретения является разработка способа, позволяющего снизить предел обнаружения мононитрофенолов (2-, 3- и 4-нитрофенолы) за счет более эффективного использования их реакционной способности и исключения гидролиза получаемых ацетатов. В этом состоит технический результат.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе определения мононитрофенолов в водных средах, включающем их химическую модификацию в ацетаты, экстракционное концентрирование и газохроматографическое детектирование, новым является то, что модификацию проводят в две стадии, при этом на первой стадии в качестве реагента-модификатора применяют бром в количестве 0.01-0.05% от массы водной пробы, ацилирование проводят в среде органического растворителя, а для детектирования используют детектор электронного захвата.
Применение молекулярного брома в качестве дополнительного реагента-модификатора связано с тем, что мононитрофенолы проявляют высокую реакционную способность в реакциях электрофильного замещения [Агрономов А.Е. Избранные главы органической химии. - М.: Химия, 1990. - 560 с.]. Реакция бромирования протекает непосредственно в воде и завершается с количественным образованием бромпроизводных мононитрофенолов. Нами установлено, что бромпроизводные мононитрофенолов устойчивы в воде и органических растворителях, по крайней мере, в течение 24 часов.
Кроме того, введение в молекулы мононитрофенолов атомов брома значительно повышает гидрофобность молекул [Коренман Я.И. Экстракция фенолов. - Горький: Волго-Вятское книжное издательство, 1973. - 216 с.], что обеспечивает при последующей экстракции эффективное извлечение бромпроизводных мононитрофенолов из воды в органический экстракт (до 90%).
Последующее получение ацетатов бромпроизводных мононитрофенолов в органическом экстракте исключает гидролиз как получаемых эфиров, так и ацилирующего агента (уксусный ангидрид).
Наличие атомов брома в молекулах ацетатов мононитрофенолов позволяет использовать для их газохроматографического определения детектор электронного захвата (ДЭЗ), проявляющий высокую чувствительность и селективность к галогенсодержащим органическим соединениям [Высокоэффективная газовая хроматография / Под ред. Хайвера К.М. - М.: Мир, 1993. - 288 с.].
Способ определения мононитрофенолов в водных средах включает четыре этапа:
1. Получение бромпроизводных мононитрофенолов (химическая модификация, 1 стадия) - обработка водного образца молекулярным бромом. Нами установлено, что наиболее эффективно бромирование мононитрофенолов протекает в слабощелочной среде, поэтому в качестве среды выбран щелочной глициновый буфер. При бромировании атомы брома замещают атомы водорода в ароматическом ядре мононитрофенолов в положениях 2, 4 и 6, если они не заняты нитрогруппой. На фиг.1 приведена схема образования 4,6-дибром-2-нитрофенола.
2. Экстракционное концентрирование бромпроизводных мононитрофенолов методом жидкостной экстракции. Эта стадия предназначена для перевода полученных бромпроизводных из воды в более удобную для последующего ацилирования органическую фазу (толуол), повышения их концентрации в экстракте и отделения мешающих компонентов.
3. Получение ацетатов бромпроизводных мононитрофенолов (химическая модификация, 2 стадия) в органическом экстракте при взаимодействии с уксусным ангидридом в присутствии катализатора (триэтиламин). Ацилирование бромпроизводных нитрофенолов проводят для дезактивация адсорбционно-активной гидроксильной группы с целью улучшения их хроматографических характеристик. На фиг.2 приведена схема образования ацетата 4,6-дибром-2-нитрофенола.
4. Анализ полученных ацетатов бромпроизводных мононитрофенолов методом капиллярной газовой хроматографии с ДЭЗ.
Определение мононитрофенолов выполняют по следующей методике. В мерную колбу помещают 1000 см3 анализируемой пробы. Для проведения бромирования создают слабощелочную среду: раствором щелочи устанавливают значение рН 11 и добавляют 11.2 г глицина. Исходный объем пробы делят на две равные части, в одну из которых вводят стандартную добавку мононитрофенолов; расчетная концентрация индивидуальных мононитрофенолов в пробе - 0.01 мкг/дм3. В обе части пробы добавляют бромную воду; расчетное содержание молекулярного брома в пробе 0.01-0.05%. Проводят бромирование анализируемых веществ в течение 2 мин. После завершения бромирования избыток брома удаляют раствором тиосульфата натрия; расчетная концентрация в пробе - 0.01 моль/дм3. Затем в обе части пробы вводят внутренний стандарт (2,4,6-трихлорфенол); расчетная концентрация в пробе - 0.4 мкг/дм3. Перед проведением экстракции обе части пробы нейтрализуют раствором серной кислоты до рН 2-3 и экстрагируют образовавшиеся бромпроизводные 11 см3 толуола в течение 10 мин. После расслаивания фаз отбирают 10 см3 экстракта, вводят 0.5 мл раствора щелочи (0.1 М) и реэкстрагируют бромпроизводные в течение 3 мин. После расслаивания фаз удаляют 9.5 см3 экстракта, нейтрализуют реэкстракт раствором серной кислоты до рН 2-3 и повторно экстрагируют вещества в течении 3 мин. После расслаивания фаз отбирают 0.25 см3 экстракта, добавляют 10 мм3 катализатора (триэтиламин), 20 мм3 уксусного ангидрида и проводят ацилирование в термостате при 60°С в течение 1.5-2 ч. Полученные ацетаты бромпроизводных мононитрофенолов анализируют на газовом хроматографе с ДЭЗ.
Идентификацию ацетатов бромпроизводных мононитрофенолов на полученной хроматограмме проводят по относительным временам удерживания tx*:
tx*=tx/tст,
где tx и tст - исправленные времена удерживания компонентов анализируемой пробы и внутреннего стандарта (ацетат 2,4,6-трихлорфенола) соответственно.
Относительные времена удерживания компонентов анализируемой пробы сравнивают с относительными временами удерживания ацетатов бромпроизводных мононитрофенолов, полученных для стандартного раствора (табл.1).
| Таблица 1 | |
| Относительные времена удерживания | |
| Вещество | tx* |
| Ацетат 4,6-дибром-2-нитрофенола | 3.617 |
| Ацетат 2,6-дибром-4-нитрофенола | 4.149 |
| Ацетат 2,4,6-трибром-3-нитрофенола | 6.862 |
Массовую концентрацию мононитрофенолов в анализируемой пробе воды определяют по формуле [Новак Й. Количественный анализ методом газовой хроматографии. - М.: Мир, 1978. - 179 с.]:
где Cs - массовая концентрация определяемого мононитрофенола в стандартной добавке, мкг/см3,
Vs - объем вводимой стандартной добавки, см3,
Vi - объем анализируемой пробы, см3,
Si*, Sv* - площади пиков определяемого ацетата бромпроизводного мононитрофенола и внутреннего стандарта соответственно на хроматограмме пробы с добавкой,
Si, Sv - площади пиков определяемого ацетата бромпроизводного мононитрофенола и внутреннего стандарта соответственно на хроматограмме пробы без добавки.
Условия газохроматографического определения: температура детектора 320°С, испарителя 320°С, термостата колонок 200°С; кварцевая капиллярная колонка 30 м×0.25 мм ×0.25 мкм со слабополярной неподвижной жидкой фазой (SE-30, SE-52, SE-54), скорость потока газа-носителя (азот, ос.ч.) через колонку 0.7 см3/мин, поддув детектора 15 см3/мин, деление потока 1:30. На фиг.3 приведена хроматограмма стандартного раствора мононитрофенолов с концентрацией 0.02 мкг/дм3 (ВС - ацетат 2,4,6-трихлорфенола, внутренний стандарт; 1 - ацетат 4,6-дибром-2-нитрофенола; 2-ацетат 2,6-дибром-4-нитрофенола; 3-ацетат 2,4,6-трибром-3-нитрофенола).
Примеры осуществления способа
Пример 1
В мерную колбу помещают 1000 см3 анализируемой пробы. Для проведения бромирования создают слабощелочную среду: раствором щелочи устанавливают значение рН 11 и добавляют 11.2 г глицина. Исходный объем пробы делят на две равные части, в одну из которых вводят стандартную добавку мононитрофенолов; расчетная концентрация индивидуальных мононитрофенолов в пробе - 0.01 мкг/дм3. В обе части пробы добавляют бромную воду; расчетное содержание молекулярного брома в пробе 0.0001%. Проводят бромирование анализируемых веществ в течение 2 мин. После завершения бромирования избыток брома удаляют раствором тиосульфата натрия; расчетная концентрация в пробе - 0.01 моль/дм3. Затем в обе части пробы вводят внутренний стандарт (2,4,6-трихлорфенол); расчетная концентрация в пробе - 0.4 мкг/дм3. Перед проведением экстракции обе части пробы нейтрализуют раствором серной кислоты до рН 2-3 и экстрагируют образовавшиеся бромпроизводные 11 см3 толуола в течение 10 мин. После расслаивания фаз отбирают 10 см3 экстракта, вводят 0.5 мл раствора щелочи (0.1 М) и реэкстрагируют бромпроизводные в течение 3 мин. После расслаивания фаз удаляют 9.5 см3 экстракта, нейтрализуют реэкстракт раствором серной кислоты до рН 2-3 и повторно экстрагируют вещества в течение 3 мин. После расслаивания фаз отбирают 0.25 см3 экстракта, добавляют 10 мм3 катализатора (триэтиламин), 20 мм3 уксусного ангидрида и проводят ацилирование в термостате при 60°С в течение 1.5-2 ч. Полученные ацетаты бромпроизводных мононитрофенолов анализируют на газовом хроматографе с ДЭЗ.
Способ неосуществим, так как предел обнаружения мононитрофенолов при содержании брома в пробе 0.0001% составляет 1.0 мкг/дм, что выше, чем по прототипу.
Пример 2
Содержание брома в пробе - 0.001%. Анализируют, как указано в примере 1. Предел обнаружения - 0.05 мкг/дм3. Способ неосуществим, так как предел обнаружения мононитрофенолов выше, чем по прототипу.
Пример 3
Содержание брома в пробе - 0.01%. Анализируют, как указано в примере 1. Предел обнаружения - 0.002 мкг/дм3. Способ осуществим.
Пример 4
Содержание брома в пробе - 0.02%. Анализируют, как указано в примере 1. Предел обнаружения - 0.002 мкг/дм3. Способ осуществим.
Пример 5
Содержание брома в пробе - 0.03%. Анализируют, как указано в примере 1. Предел обнаружения - 0.002 мкг/дм3. Способ осуществим.
Пример 6
Содержание брома в пробе - 0.04%. Анализируют, как указано в примере 1. Предел обнаружения - 0.002 мкг/дм3. Способ осуществим.
Пример 7
Содержание брома в пробе - 0.05%. Анализируют, как указано в примере 1. Предел обнаружения - 0.002 мкг/дм3. Способ осуществим.
Результаты определения мононитрофенолов в воде предлагаемым способом приведены в табл.2.
| Таблица 2 | |||
| Примеры осуществления способа | |||
| № примера | Содержание брома по отношению к массе пробы, % | Достигаемый предел обнаружения, мкг/дм3 | Возможность осуществления заявляемого способа |
| По прототипу | - | 0.01 | - |
| 1 | 0.0001 | 1.0 | неосуществим |
| 2 | 0.001 | 0.05 | неосуществим |
| 3 | 0.01 | 0.002 | осуществим |
| 4 | 0.02 | 0.002 | осуществим |
| 5 | 0.03 | 0.002 | осуществим |
| 6 | 0.04 | 0.002 | осуществим |
| 7 | 0.05 | 0.002 | осуществим |
Из примеров 1-7 табл.2 следует, что предлагаемый способ определения мононитрофенолов осуществим в диапазоне концентраций брома 0.01-0.05% по отношению к массе пробы. Дальнейшее увеличение концентрации брома нецелесообразно, поскольку не оказывает влияния на предел обнаружения мононитрофенолов. При содержании брома менее 0.01% образуется недостаточное количество бромпроизводных мононитрофенолов.
По сравнению с прототипом предлагаемое техническое решение имеет следующие преимущества:
1. Более низкий предел обнаружения мононитрофенолов в воде: 0.002 мкг/дм3; по прототипу - 0.01 мкг/дм3.
2. Меньшее количество стадий аналитического цикла - 4; по прототипу - 12.
3. Применение на стадии инструментального определения более доступного оборудования - газовый хроматограф, по прототипу - автоматическая система экстракционного концентрирования, хромато-масс-спектрометр.
Способ определения мононитрофенолов в водных средах, включающий их химическую модификацию в ацетаты, проводимую в две стадии с применением на первой стадии в качестве реагента-модификатора брома в количестве 0,01-0,05% от массы водной пробы в присутствии глицина, экстракционное концентрирование бромпроизводных толуола, ацилирование в среде уксусного ангидрида и газохроматографическое детектирование полученных ацетатов бромпроизводных мононитрофенолов с использованием детектора электронного захвата.
