CC BY
35
ПРИКЛАДНАЯ ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
УДК 543.257.063
М. И. Евгеньев, И. И. Евгеньева, Ф. С. Левинсон,
Е. А. Ермолаева, Я. Р. Валитова
ИЗУЧЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАЗДЕЛЕНИЯ 5,7-ДИНИТРОБЕНЗОФУРАЗАНОВЫХ И НИТРОБЕНЗОДИФУРАЗАНОВЫХ ПРОИЗВОДНЫХ АРОМАТИЧЕСКИХ АМИНОВ В ОФ ВЭЖХ
Времена удерживания 5,7-динитробензофуразановых и нитробензоди-фуразановых производных ароматических аминов в обращено-фазной высокоэффективной жидкостной хроматографии (ОФ ВЭЖХ) коррелируют с кислотностью этих производных в ДМСО и ДМФА, а также с о-константами заместителей в ароматическом ядре. Предложены методики хроматографического определения анилина и его замещенных в реакционных смесях синтеза ряда ароматических аминов в виде их 5,7-динитробензофуразановых и нитро-бензодифуразановых производных с пределами обнаружения 70 мкг/мл.
Ароматические амины широко используются в промышленности для производства красителей, антиоксидантов, полимерных материалов и лекарственных веществ [1]. 4-Хлор-5,7-динитробензофуразан и 7-хлор-4,6-динитробензофуроксан в последние годы нашли применение как эффективные реагенты для определения ароматических аминов и гидразинов спектрофотометрическим, тест- и хроматографическим методами в воздухе, воде и биологических жидкостях [2-7]. В последнее время было показано, что такими же свойствами обладают производные нитробензодифуразана [8, 9]. В связи с этим представляло интерес выявление факторов, влияющих на разделение производных ароматических аминов в обращен-но-фазной высокоэффективной жидкостной хроматографии (ОФ-ВЭЖХ).
Экспериментальная часть
Синтез 4-хлор-5,7-динитробензофуразана (БФЗ), метоксинитробензодифуразана (метокси-нитро БДФ) описан в работах [2, 8, 9].
Система высокоэффективной жидкостной хроматографии НР 1100 включала в себя четырехканальный градиентный насос G1311A с вакуумным дегазатором G1322A, ручное устройство ввода пробы Rheodyne G1328A, диодно-матричный детектор G1315A, термостат колонки G1316A, 3D систему обработки результатов анализа ChemStation HP Vectra 5XA с программным обеспечением G2170AA (Agilent, Waldbronn, FRG). Разделение проводили на колонке Hypersil ODS (4,6х250 мм) с использованием предколонки Hypersil ODS (4,6х50 мм), а также Силасорб 600 (Биохиммак, Москва). Состав подвижных фаз приведен в тексте. Спектры поглощения соединений снимали на спектрофотометре СФ-26, кислотность растворов контролировали милливольтметром MV-87 S. В качестве титранта использовали 0,1 М раствор гидроокиси тетрабутиламмония (Мерк). Были использованы стеклянный электрод марки ЭСЛ-11-05 в качестве индикаторного и хлорсеребрянный электрод марки ЭВЛ-5М в качестве электрода сравнения. В качестве стандарта использован 0.01М раствор пикриновой кислоты в ДМСО. Титрования проводили в ДМСО и ДМФA. Значения о-констант заместителей в ароматическом ядре взяты из [14].
Использовали устройство для фильтрования проб НФ-25 с фторопластовыми мембранами (Медикант, Орел). Применяли хроматографически чистые ацетонитрил и метанол (Криохром, Санкт-Петербург). Вода хроматографической чистоты получена на установке Simplicity 185 (Milli-pore, Франция).
Результаты и их обсуждение
В обращенно-фазной высокоэффективной жидкостной хроматографии времена удерживания веществ зависят от природы разделяемых веществ и подвижной фазы [10]. Об этом свидетельствуют исследование процессов разделения различных веществ методами ИК -, рамановской, ЯМР- и ЭПР-спектроскопии [11]. Константы кислотной диссоциации кислых соединений в водно-органических растворах являются главным фактором, влияющими на времена удерживания этих соединений в хроматографической колонке [12,13]. Поскольку аминопроизводные 5,7-динитробензофуразана представляют собой довольно сильные NH -кислоты, можно было полагать, что они будут элюироваться в соответствие с кислотностью этих веществ. В связи с этим проведено хроматографическое исследование поведения ряда соединений в условиях обращенно-фазной ВЭЖХ. Изученные вещества, их константы кислотной диссоциации и значения с-констант заместителей в ароматическом ядре приведены в таблице 1. Результаты определения времен удерживания в зависимости от кислотности анализируемых веществ представлены в таблице 1.
Реакции получения 5,7-динитробензофуразановых и нитробензодифуразановых производных ароматических аминов описываются схемами
C l
NO,
+ H C L
O M e
V ft
O — N
Типичные хроматограммы смесей изученных 5,7-динитробегоофуразановых и нит-робензодифуразановых производных приведены на рисунках 1 и 2. На рис. 3 и 4 приведены зависимости, отражающие влияние термодинамической (константы кислотной диссоциации) и кинетической (с-константы заместителей в ароматическом ядре) характеристик исследуемых соединений на времена удерживания.
Для выявления природы факторов, влияющих на разделение веществ в ОФ-ВЭЖХ, использованы корреляционные зависимости время удерживания от константы кислотной диссоциации или с-константы заместителей в ароматическом ядре изученных соединений. Для аминопроизводных нитробензодифуразана зависимость времени удерживания вещества в ацетонитриле от константы кислотной диссоциации (рКа) веществ в ДМСО выражается уравнением регрессии
У = 0,44 Х + 1,31 (п=13, К2=0,837).
o2n
N
+
O
N
N
O 2 N
N
O
+
N
C H 3 O H
+
2
N
Таблица 1 - Влияние кислотности производных нитробензодифуразана и 5,7-динитробензофуразана в ДМСО на удерживание веществ в обращенно-фазной ВЭЖХ
Заместитель рКа (ДМСО) нитробензоДФЗ (5,7-динитроБФЗ) о-константа заместителя Время удержи] водных в СН3С вания произ-N мин
нитробензо- ДФЗ 5,7- динитроБФЗ
4^^ 4,62 -0.268 3,100 2,682
4-OC2H5 4,11 (1,9) -0,24 - 2,765
4-CHз 4,06 (1,66) -0,17 3,210 2.363
4-C2H5 4,36 -0,151 2,518 -
3-CHз 3,13 -0,069 2,474 2.369
4-Рh 2,9 (1,17) 0,01 1,992 2.148
H - 0,062 1,984 2.148
4-F - 0,062
4-Рh-4,-NO2 2,74 0,29 - -
3-COOH 0,355
4-CONH2 2,72 0,36
3-а 0.373
4-COOCHз (0,15) 0,39 2,125 1.834
3-CFз 1,87 0,43 2,176 1,695
4-COOC2H5 2,44 0,45 2,130 -
4-COCHз 1,61 0,502 2,045
4-SO2NH2 1,83 0,62 1,92
4-NN-Рh 1,95 (0,18) 0,39 - 1.991
4-NO2 0,8 0,78
4-ОН (2,03) -0.357 2.668
3-ОН (1,57) 0.121 1.570 2.098
2,3-диС! 0.373 - 1.859
3,4-диС1 0.227 1.891
4-^ (0,89) 0.227 1.982
4-Br (0,73) 0.232 0.730 1.921
3-ОСН3 (1,18) 0.115 2.140
4^ (0,74) 0.276 0.740 1.934
4-ОРh (1,8) -0.028 2.351
2,5-диС1 0.573 1,859
Рис. 1 - Хроматограмма смеси ариламиновых производных нитробензодифуразанов: 1 -4-ацетиланилинонитробензодифуразан; 2 - 4-метоксианилинонитробензо-дифуразан;
3 - 4-метиланилинонитробензодифуразан; 4 - 4-гидроксианилинонитробензоди-фуразан; 5 - 4-анилинонитробензодифуразан. Элюент - ацетонитрил - фосфатный буферный раствор (80:20, рН 4,0). Скорость подвижной фазы 1,0 мл/мин
В свою очередь влияние с-констант на времена удерживания этих же веществ выражается уравнением регрессии
У = 1,56 Х + 2,84 (п=13, Я2=0,97)
Для производных 5,7-динитробензофуразана зависимость времени удерживания вещества для чистого метанола от рКа в ДМСО описывается уравнением
У = 0,50 Х + 2,08 (п=10, Я2=0,93).
Времена удерживания веществ меняются в зависимости от природы элюента. Так, в элю-енте на основе ацетонитрила в присутствии воды является функцией концентрации воды в элюенте. В чистом ацетонитриле эта же зависимость времен удерживания от рКа описывается уравнением
У = 0,42 Х + 1,72 (п=10, Я2 = 0,822).
Рис. 2 - Хроматограмма 5,7-динитробензофуразановых производных ароматических аминов: 1 - 4-гидроксианилино-5,7-динитробензофуразан; 2 - 4-метоксиани-лино-5,7-динитробензофуразан; 3 - М-метиланилино-5,7-динитробензофуразан; 4 -4-метиланилино-5,7-динитробензофуразан; 5 - 3,4-диметиланилино-5,7-
динитробензофуразан. Элюент - ацетонитрил-0,01 М фосфатный буфер (70:30, об., рН 3). Скорость подвижной фазы 0,8 мл/мин
Время удерживания зависит и от с-константы соединения. Корреляционные зависимости времен удерживания 5,7-динитробензофуразановых производных ароматических аминов от о-констант заместителей в ароматическом ядре описываются уравнениями регрессии, которые выглядит как
У=-1,21 Х + 2,28 (п=17, Я2=0,92, для ацетонитрила),
У= -0,90 Х + 2,69 (п=17, Я2=0,93, для метанола).
Наблюдается хорошая корреляция между временами удерживания в метаноле и ацетонитриле для 5,7-динитробензофуразановых производных ароматических аминов от их кислотности и в других растворителях, например в ДМФА. Корреляционные зависимости т от рКа (ДМФА) описываются уравнениями
У = 0,41Х + 0,0222 (п = 8, Я2=0,94, ацетонитрил) и
У = 0,52Х - 0,0876 (п = 8, Я2=0,95, метанол).
Таким образом, для 5,7-динитробензофуразановых и нитробензодифуразановых производных ароматических аминов порядок элюирования соответствует ряду изменения кислотности соответствующих NH-кислот. Обращает на себя внимание более высокие
Рис. 3 - Зависимость времен удерживания 5,7-динитробензофуразановых производных ароматических аминов в метаноле от их рКа веществ в ДМСО
Рис. 4 - Влияние о-констант заместителя на времена удерживания 5,7-динитробензофуразановых производных ароматических аминов
значения коэффициентов корреляции для зависимостей тк = / (о-константа заместителя) и тр> = рКа (ДМСО, ДМФА) в метаноле. Это, по-видимому, обусловлено изменением эффектов сольватации разделяемых веществ в ОФ ВЭЖХ при переходе от ацетонитрила к метанолу. Метанол является более полярным растворителем, и кислотные свойства растворенных соединений должны проявляться в этом растворителе сильнее, чем в ацетонитриле. В свою очередь, это свойство растворителя должно приводить к проявлению сольватацион-ных свойств соединений при растворении соединений и изменению подвижности соединения в условиях ОФ ВЭЖХ.
Обращает на себя внимание и более высокая скорость элюирования нитробензоди-фуразановых производных ароматических аминов по сравнению с 5,7-дитробензофуразановыми производными (рис. 1, 2). Ароматические амины разделяются в виде их нитробензодифуразановых производных менее чем за четыре минуты (рис. 1), в то время как для 5,7-динитробензофуразановых производных разделение пяти производных ароматических аминов происходит уже за восемь минут (рис. 2). Это, по-видимому, связано с влиянием гидрофобности производных на удерживание веществ в хроматографической колонке. Так, замена нитрогруппы на фуразановый цикл должна приводить к повышению гидрофобности соединения. Это, по-видимому, и сказывается на подвижности соединения в условиях ОФ ВЭЖХ.
Градуировочные зависимости. При хроматографических определениях производных ароматических аминов с диодно-матричным детектированием наблюдали линейность
6 4
градуировочных зависимостей в интервале концентраций 110" - 110" М/л. Уравнения градуировочных зависимостей хроматографического определения ароматических аминов с использованием 4-хлор-5,7-динитробензофуразана как реагента и без концентрирования производных испарением растворителей записываются в виде:
Э (тЛихв) = 1,1 + 475,8хСХ (мг/м3) , Г = 0,9996 для производного анилина;
Э (тЛихв) = 1,2 + 318,2хСХ (мг/м3), Г = 0,9985 для производного 4-метоксианилина;
Э (тЛихв) = 1,2 + 258,8хСХ (мг/м3) , Г = 0,9988 для производного N -метиланилина.
Для производных нитробензодифуразана аналогичные зависимости выглядят как:
S fmAUxs) = 1,1 + 455,8хСХ (мг/м3) , r = 0,9996 для производного этоксианилина;
S fmAUxs) = 1,2 + 338,2хСХ (мг/м3), r = 0,9985 для производных 4-метиланилина;
S fmAUxs) = 1,2 + 278,8хСХ (мг/м3) , r = 0,9988 для производного 4-фениланилина;
S fmAUxs) = 1,2 + 296,8хСХ (мг/м3), r = 0,9988 для производного 3-гидроксианилина.
Минимально определяемая концентрация ароматического амина с учетом 3о - критерия составляет 70 мкг/мл.
Концентрирование сорбата путем испарения растворителя обеспечивает дальнейшее повышение чувствительности определений. При определении анилина после 10-кратного концентрирования сорбата, например, уравнение регрессии записывается как S fmAUxs) = 1,2 + 4439,7хСХ (мг/м 3) , r = 0,9996.
Работа выполнена при поддержке Международного научно-технического центра (ISTC project # 1891).
Литература
1. НиколаевЮ.Т., Якубсон А.М. Анилин. - М.: Химия, 1984. -152 с.
2. Евгеньев М.И., Гармонов СЮ., Евгеньева И.И., Горюнова С.М., Николаева Н.Г., Левинсон Ф.С. // Журн. аналит. химии. 1998. Т.53. № 2. С. 175-186
3. Евгеньев М.И, Евгеньева И.И., Гармонов СЮ., Исмаилова Р.Н. // Журн. аналит. химии. 2003. Т. 58. N 6. С. 604-610.
4. Evgen'ev M.I., Evgen'eva I.I., Levinson F.S. // J. Planar Chromatogr. Modern TLC. 2000. V.13, N 3. P.199-204.
5. Евгеньев М.И., Евгеньева И.И., Исмаилова Р.Н. // Журн. аналит. химии. 2000. Т.55. N 10.
С. 1038-1043.
6. Евгеньев М.И., Евгеньева И.И., Гармонов С.Ю., Исмаилова Р.Н., Победимский Д.Г. //Заводская лаборатория. 2000. Т.66, N 7. С. 14-16.
7. Evgen'ev M.I., Garmonov S.Yu., Evgen'eva I.I., Goryunova S.M., Pogоrel'tzev V.I., Levinson F.S. // Ta-lanta. 1998. V.47. N 10. P. 891-898.
8. Левинсон Ф.С., Евгеньев М.И., Ермолаева Е.А., Ефимов С.И., Фаляхов И.Ф., Гарипов Т.В., Каримова Р.Г. // Хим. фарм журнал. 2003. Т.37. N 10. С. 41-44.
9. Левинсон Ф.С., Евгеньев М.И., Ермолаева Е.А., Ефимов С.И., Гарипов Т.В., Каримова Р.Г. // Хим. фарм. журнал. 2003. Т.37, N 11. С. 45-47.
10. Lu H., Rutan S. //Analyt. Chim. Acta. 1999. V. 388. P. 345-352.
11. Albert K., Pettina B., Bayer E., Leyden D.E. (Ed.), Chemically Modified Oxide Surfaces (Chemically
Modified Surfaces, vol. 3), Gordon & Breach, New York, 1990. P. 233.
12. Marques. I., Fonrodona G., Buti S., Barbosa J. // Trends in Analyt. Chem. 1999. V. 18, N 7. P. 472-479.
13. Miyabe K., Sakai Y., SarashinaM., Yokokawa Ch. //Analyst. 2003. V. 128. P. 1425-1433.
14. Гордон А., Форд Р. Спутник химика. - М.: Мир, 1976. - 540с.
© М. И. Евгеньев - д-р хим. наук, проф. каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КГТУ; И. И. Евгеньева - канд. хим. наук, доц. той же кафедры; Ф. С. Левинсон - канд. хим. наук, доц. каф. химии и технологии органических соединений азота КГТУ; Е. А. Ермолаева -асп. каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КГТУ; Я. Р. Валитова -асп. той же кафедры.
