СПОСОБ КОЛИЧЕСТВЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ НИТРИЛОВ АЛИФАТИЧЕСКИХ ПРЕДЕЛЬНЫХ КИСЛОТ Российский патент 1998 года по МПК G01N21/78 

Изобретение относится к анализу физиологически активных нитрилов алифатических предельных кислот, их обнаружению и количественному определению. Данный способ может быть использован в системе войсковой и промышленной индикации, для исследования токсичности вредных веществ в промышленности, а также при проведении мероприятий по экологической экспертизе на различных объектах.

К настоящему времени известны различные способы обнаружения и количественного определения вредных веществ, содержащих нитрильную группу. Данные способы отличаются по аналитическому принципу, технологии анализа и имеют различные метрологические характеристики. В данном описании нами приведены основные, наиболее распространеные способы обнаружения и количественного определения вредных веществ, относящихся к нитрилам алифатических предельных кислот.

Известен способ определения вредных веществ, содержащих нитрильную группу, основанный на омылении данных веществ щелочью и колориметрическом определении выделяющегося аммиака с тимолом и гипобромитом (Вредные вещества в промышленности. -Л.: Химия, 1976, с. 94). Чувствительность определения составляет 2•10^-3 мг/мл. Указанный метод обладает низкой точностью, плохой воспроизводимостью результатов анализа и малопригоден для целей массового количественного анализа исследуемых лабораторных и полевых проб.

Существует метод Мартина с использованием ртути Сиггиа С. и др. Количественный органический анализ по функциональным группам. - М.: Химия, 1983, с. 202-208). Однако, как показала практика, использование данного способа при химическом контроле достаточно сложно в исполнении и имеет низкую чувствительность (5•10^-3 мг/мл) и низкую точность анализа.

Разработан модифицированный метод Кричфильда и Джонсона для количественного определения веществ, содержащих нитрильную группу Сиггиа С. и др. Количественный органический анализ по функциональным группам. -М.: Химия, 1983, с. 201-204). Для него также характерна низкая производительность, сложность в исполнении и недостаточная чувствительность.

Известны способы количественного определения нитрилов с использованием аргентометрического и йодметрического титрования (Филова В.А. и др. Химические вещества в промышленности. -Л.: Химия, 1988). Минимально определяемое количество веществ по данным методам составляет 2•10^-3 мг/мл. Вместе с тем, данные методы малопригодны для целей химического контроля из-за низкой точности, плохой воспроизводимости результатов анализа и небольшой производительности при их выполнении.

Существует в практике химического контроля способ обнаружения и количественного определения нитрилов и цианидов, основанный на образовании берлинской лазури (Франке З. и др. Химия отравляющих веществ, т.2. -М.: Химия, 1973, с. 101). Чувствительность определения по данному способу составляет 1•10^-2 мг/мл. Кроме того, данный способ пригоден в основном для качественного анализа нитрилов в исследуемых пробах.

Известны также в системе химического контроля другие методы определения веществ, содержащих нитрильную группу, основанные на окислении данных соединений в присутствии солей меди. К ним следует отнести метод Шенбейна, методы с использованием люминола, пирамидона, галогенцианидов и др. (Франке З. и др. Химия отравляющих веществ, т.2. -М: Химия, 1973, с. 101-108). Разработаны методы количественного определения нитрилов, основанные на титровании нитритом серебра, хлорной ртутью и сульфатом никеля (Франке З. и др. Химия отравляющих веществ, т. 2. -М: Химия, 1973, 108-110). Кроме того, известны колориметрические способы количественного определения нитрилов с использованием хлорамина-Т, хлораниловой кислоты и т.п. (Франке З. и др. Химия отравляющих веществ, т.2. -М.: Химия, 1973, с. 108-111). При этом необходимо отметить, что все вышеуказанные способы обнаружения и количественного определения физиологически активных нитрилов алифатических предельных кислот не удовлетворяют по своим метрологическим параметрам и по технологичности того или иного способа определения.

В системе промышленной индикации разработаны газохроматографические методы количественного определения нитрилов предельных кислот (Вредные вещества в промышленности. -Л.: Химия, 1976, с. 94-126). Чувствительность методов определения составляет 1•10^-3 мг/мл. Кроме того, газохроматографические методы малопроизводительны, требуют высокой квалификации специалистов и сложного и дорогостоящего оборудования.

Важно отметить, что существует групповой способ количественного определения нитрилов с использованием пиридин-барбитурового реактива (Франке З. и др. Химия отравляющих веществ, т.2. - М.: Химия, 1973, с. 109). Разработанный метод используется для анализа физиологически активных веществ типа синильная кислота, ортохлорбензальмалонодинитрил, хлорциан и других веществ, содержащих в своем составе нитрильную группу. Однако данный групповой метод обладает низкой чувствительностью, особенно в области определяемых концентрацией 2•10^-3 мг/мл и менее. Суммарная погрешность измерения количественного содержания нитрилов и цианидов в пробах характеризуется величиной относительного стандартного отклонения S_r > 0,30. В соответствии с вышеуказанным пиридин-барбитуровый способ нашел ограниченное применение в практике войсковой и промышленной индикации. К недостаткам его следует отнести и малую стойкость окраски продуктов реакции (не более 1 ч), оптическая плотность которых связана с концентрацией определяемых нитрилов и цианидов в пробах.

В настоящее время наиболее распространены в практике химического контроля способы количественного определения нитрилов предельных кислот по методу Уайтхерста и Джонсона (Сиггиа С. и др. Количественный органический анализ по функциональным группам. -М.: Химия, 1983, с.206-208 прототип).

Сущность данного метода заключается в использовании реакции нитрилов с щелочным пероксидом водорода с образованием амида. В начале реакции избыточный пероксид водорода и щелочь одновременно превращают образующийся амид в соль соответствующей кислоты. При достаточной концентрации щелочного реагента амид полностью превращается в соответствующую соль. Избыток щелочи оттитровывают серной кислотой в присутствии фенолфталеина. Однако, как показала всесторонняя проверка данного способа, этот способ также не в полной мере удовлетворяет требованиям химического контроля, особенно по чувствительности, точности, воспроизводимости и технологичности. Кроме того, определению нитрилов по данному способу мешают все соединения, окисляющиеся в условиях проведения анализа проб до кислоты.

Задачей изобретения является увеличение перечня определяемого класса химических соединений и унификации их анализа, повышение чувствительности, точности, воспроизводимости, стабильности окраски образующихся в ходе реакции соединений и упрощение технологии массового анализа нитрилов алифатических предельных кислот в исследуемых пробах.

В основу разработки предлагаемого способа количественного определения указанного класса веществ положены две реакции: реакция Шенеманна и реакция нитрилов с перекисью водорода (реакция Радзишевского). Общим для данных реакций является нуклеофильное взаимодействие в щелочной среде гидропероксид-аниона с исследуемыми веществами. Следует отметить, что на основе реакции Шенеманна разработаны способы обнаружения и количественного определения фосфорорганических физиологически активных веществ (Франке З. и др. Химия отравляющих веществ, т.2. -М.: Химия, 1973). Реакция Радзишевского используется для синтеза амидов кислот из нитрилов (Тезаурус органических рекций. -М.: Наука, 1980). Сущность данной реакции заключается во взаимодействии нитрилов с перекисью водорода в присутствии щелочи, что приводит к образованию амидов по следующей схеме:
.

Из данной схемы следует, что первой стадией реакции Радзишевского является атака нитрила пероксид-анионом с образование промежуточного соединения - производного пероксоимидовой кислоты. Данное промежуточное соединение можно рассматривать как надперпендикулярное соединение, способное окислять ароматический амин до окрашенных продуктов. Этот эффект был экспериментально установлен и положен в основу разработки предлагаемого способа.

Цель достигается тем, что в качестве цветореагентов в щелочной среде используют 30%-ную перекись водорода и 2%-ный ацетоновый раствор ароматического амина (например о-толидин) с последующим измерением оптической плотности на длине волны 430 нм.

Отличие данного изобретения от прототипа состоит в том, что использование диполярного апротонного растворителя (ацетона) для ароматического амина и смеси перекиси водорода с 0,02 N щелочью (1:1 об) позволяет вести количественный анализ нитрилов алифатических предельных кислот, что приводит к улучшению основных метрологических характеристик предлагаемого способа.

Пример количественного определения физиологически активных нитрилов алифатических предельных кислот.

1. Используемые реактивы и растворы.

Раствор N 1 - 2%-ный ацетоновый раствор о-толидина.

Раствор N 2 - смесь 30%-ной перекиси водорода с 0,02 N калиевой (натриевой) щелочью в объемном соотношении (1:1).

Растворитель - этиловый (метиловый) спирт.

2. Приготовление стандартных растворов и построение градуировочного графика.

Для приготовления стандартных растворов навеску определяемого вещества (50-60 мг) растворяют в этиловом (метиловом) спирте и получают раствор с исходной концентрацией 1 мг/мл. Затем данный раствор разбавляют и получают стандарты с концентрациями: 5•10^-2, 2•10^-2, 1•10^-2, 5•10^-3, 1•10^-3, 5•10^-4 мг/мл. По результатам анализа стандартных растворов строят график зависимости оптической плотности (D) от концентрации анализируемого стандарта (C). Для построения графика необходимо взять 3-4 серии стандартных растворов в диапазоне концентраций (5•10^-4) - (5•10^-2) мг/мл. Одновременно с анализом стандартов проводят измерение "холостых" проб также по 3-4 параллельным. Среднее значение величины оптической плотности "холостой" пробы вычитают из величины оптической плотности "холостой" пробы вычитывают из величины оптической плотности стандартных растворов определяемого вещества.

3. Ход анализа
К 5 мл экстракта определяемого вещества добавляют последовательно 0,1 мл реактива N1 и 0,2 мл реактива N2. Затем пробирки встряхивают и проводят фотометрирование через 4 ч на длине волны λ = 430 нм . Исследуемые пробы, оптическая плотность которых выше максимального стандарта, разбавляют и проводят повторное определение.

4. Расчет результатов анализа.

Количество вещества в пробе определяют по формуле
C = C_o•P•V,
где
C_o - концентрация определяемого вещества, найденная по градуировочному графику, мг/мл;
V - объем пробы, мл;
P - кратность разбавления.

В результате разработки предлагаемый способ является групповым и позволяет определять вредные вещества, являющиеся по своей структуре нитрилами алифатических непредельных кислот. В табл. 1 приведен перечень веществ, по которым опробирован предлагаемый способ с целью пригодности его для количественного определения данных веществ в исследуемых пробах.

В табл.2, в качестве примера приведены экспериментальные данные по анализу стандартных растворов бутиронитрила как представителя нитрила алифатических предельных кислот. Результаты приведены за вычетом значений оптической плотности "холостой" пробы.

На основании результатов, приведенных в табл.2, можно сделать вывод о том, что предлагаемый способ обладает достаточно хорошими основными метрологическими характеристиками:
чувствительность определения бутиронитрила составляет 5•10^-4мг/мл;
точность способа характеризуется величиной относительного стандартного отклонения, не превышающей S_r=0,15;
доверительный интервал величины оптической плотности в диапазоне определяемых концентраций лежит в пределах ± ε от 0,01 до 0,060; диапазон определяемых концентраций лежит в пределах (5•10^-4) - (5•10^-2) мг/мл.

Предлагаемый способ прошел лабораторную и полевую проверку, которая показала пригодность его для целей химического контроля. Правильность данного метода оценивали по способу "введено-найдено". В табл. 3 приведены в качестве примера экспериментальные данные по оценке предлагаемого способа применительно к анализу растворов бутиронитрила.

Результаты, приведенные в табл. 3, показывает лучшую сходимость результатов анализа бутиронитрила в диапазоне реальных концентраций по сравнению со способом-прототипом.

В табл. 4 приведены данные по сравнительной оценки основных характеристик предлагаемого способа и способа-прототипа.

Из данных, приведенных в табл. 4, можно сделать вывод о том, что использование предлагаемого способа по сравнению с существующим способом-прототипом обеспечивает следующие преимущества:
повышает чувствительность определения и обеспечивает достоверное определение концентраций, необходимые для оценки токсичности исследуемых вредных веществ;
повышает точность и воспроизводимость результатов анализа;
расширяет диапазон определяемых концентраций, что уменьшает качество операций по разбавлению исследуемых проб;
повышает стойкость окраски продуктов реакции, что обеспечивает одновременный анализ большого числа исследуемых проб и повышает достоверность количественного определения нитрилов во времени;
упрощает технологию по обработке лабораторных и полевых проб, обеспечивает унифицированность анализа, позволяет использование современного аналитического высокопроизводительного оборудования и повышает производительность массового анализа в 2-3 раза.

Изобретение относится к спектрофотометрическим методам определения физиологически активных нитрилов алифатических предельных кислот. Способ включает последовательное добавление к анализируемой пробе раствора ароматического амина в димолярном апротонном растворителе и щелочного раствора перекиси водорода. Концентрация аромата амина в растворе, который добавляют к пробе, составляет 2 ± 0,2%. Щелочной раствор перекиси водорода готовят смешиванием 30 ± 1%-ного раствора перекиси водорода с 0,02 ± 0,001 N щелочного в объемном соотношении 1 : 1. Объемное соотношение пробы, раствора ароматического амина и щелочного раствора перекиси водорода составляет соответственно 50 : 1 : 2. Регистрируют оптическую плотность окрашенного раствора на длине волны 430 ± 2 нм, по велиине которой судят о содержании определяемого вещества в пробе. Преимущественно в качестве ароматического амина используют отолидин, а в качестве апротонного растворителя - ацетон. 4 табл.

Способ количественного определения физиологически активных нитрилов алифатических предельных кислот, включающий добавление к анализируемой пробе смеси перекиси водорода с щелочью, отличающийся тем, что смесь содержит 30 ± 1%-ный раствор перекиси водорода с 0,02 - 0,001N щелочью в объемном соотношении 1 : 1, в пробу вводят 2 ± 0,2%-ный раствор ароматического амина в диполярном апротонном растворителе, добавляют смесь перекиси водорода с щелочью, при этом объемное соотношение пробы, раствора ароматического амина и смеси перекиси водорода с щелочью составляет соответственно 50 : 1 : 2, и регистрируют оптическую плотность полученного раствора на длине волны λ = 430 ± 2 нм, по величине которой судят о содержании определяемого вещества в пробе.