СПОСОБ ПОЛЯРОГРАФИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕТИЛОВОГО ЭФИРА 5-НИТРОЛЕВУЛИНОВОЙ(5-НИТРО-4-ОКСОПЕНТАНОВОЙ) КИСЛОТЫ И ПРОДУКТОВ ЕГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ Российский патент 2007 года по МПК G01N27/48 

Изобретение относится к аналитической химии, в частности к способу определения метилового эфира 5-нитролевулиновой(5-нитро-4-оксопентановой) кислоты (5-НЛК) и продуктов его восстановления: промежуточных - гидрохлорида 5-гидроксиламинолевулиновой(5-гидроксиламино-4-оксопентановой) кислоты (5-ГАЛК) и конечных продуктов - гидрохлоридов метилового эфира 5-аминолевулиновой(5-амино-4-оксопентановой) кислоты (МЭ 5-АЛК) и 5-аминолевулиновой(5-амино-4-оксопентановой) кислоты (5-АЛК), который может быть использован в исследовательской и производственной практике.

Ароматические нитросоединения и продукты их восстановления анализируют одновременно вольтамперометрически на электроде из стеклоуглерода [патент РФ №2159424, G01N 27/48, 2000]. По этому способу нитросоединения определяют по волне восстановления, а промежуточно образующиеся гидроксиламинопроизводные и конечные аминосоединения анализируют по волнам окисления, регистрируемым при анодной развертке потенциала. Однако этот метод анализа может быть использован лишь для определения метилового эфира 5-НЛК, а гидрохлориды 5-ГАЛК, МЭ 5-АЛК и 5-АЛК на твердом электроде не дают анодных волн окисления.

Известна группа способов [Турьян Я.И. Химические реакции в полярографии. - М.: Химия, 1980, с.308-309] косвенного определения алифатических аминосоединений, в частности аминокислот в растворах, основанная на конденсации амина с избытком карбонильного соединения, приводящая к образованию ненасыщенного азотсодержащего производного - основания Шиффа, которое полярографически легко восстанавливается. Для косвенного анализа гидрохлорида 5-АЛК использовали в качестве карбонильного реагента формальдегид, который с гидрохлоридом 5-АЛК образует соответствующее метиленовое соединение (основание Шиффа), которое полярографически легко восстанавливается, давая волну восстановления с Е_1/2=-1,32 В (н.к.э.). Однако косвенный полярографический метод не может быть применен для анализа гидрохлоридов МЭ 5-АЛК и 5-АЛК из-за присутствия в них хлористого аммония (побочный продукт), который в этих условиях образует полярографически активный метиленимин, восстанавливающийся при потенциалах, близких к потенциалу восстановления метиленового производного гидрохлоридов МЭ 5-АЛК и 5-АЛК [Турьян Я.И., Жанталай Б.П., Заводская лаборатория, 1962, 12, 1431-1434]. Кроме того, при восстановлении гидрохлоридов МЭ 5-АЛК и 5-АЛК возможно восстановление кето-группы, приводящее к образованию соответствующего аминоспирта. Последний также может искажать результаты анализа гидрохлоридов МЭ 5-АЛК и 5-АЛК.

Гидрохлориды МЭ 5-АЛК и 5-АЛК являются карбонилсодержащими соединениями и кето-группа в них может полярографически восстанавливаться. Однако данные по ее полярографическому восстановлению в литературе отсутствуют. Полярографическое поведение алифатических кетонов изучено недостаточно по сравнению с ароматическими из-за трудного их восстановления [Майрановский С.Г., Страдынь Я.П., Безуглый В.Д. Полярография в органической химии. Л.: Химия, 1975. 351 с.]. Поэтому для анализа алифатических кетонов часто используют их реакцию с аминами, взятыми в избытке; образующиеся при этом азометины (основание Шиффа) восстанавливаются намного легче, чем исходный кетон. В качестве амина для анализа алифатических кетонов используют солянокислый гидразин, который является токсичным реагентом [Zuman P. Coll., 1950, v.15, р.839-873; Баранова В.Г., Панков A.Г., Турьян Я.И. Основы физико-химических методов анализа и контроль производства изопрена. М.: НИИТЭХИМ, 1965. 81 с.; Чернова З.Д., Васильева Г.Г., Петропавловский Г.А. ЖАХ. 1975. Т.30. №7. С.1438-1439].

Для анализа промежуточных продуктов, в частности гидроксиламинопроизводных, образующихся при восстановлении циклических и алифатических нитросоединений, используют полярографический метод [Авруцкая И. А., Хомяков В.Г., Фиошин М.Я. Заводская лаборатория, 1964, т.30, 1, 28-29; Новиков В.Т., Авруцкая И.А., Фиошин М.Я. и др. Электрохимия, 1976, т.12, 7, 1061-1065]. При этом на ртутном капающем электроде, поляризованном анодно, циклогексилгидроксиламин на фоне 0,1 н. растворе буры (рН 9,24) дает волну окисления с E_1/2=-0,17 В, предельный ток которой линейно зависит от концентрации гидроксиламинопроизводного в интервале 0,2-1,0·10^-3 м. Аналогично на фоне 0,1 н. раствора буры анализируют α-гидроксиламино - β-оксимасляную кислоту. Однако для анализа исходных нитросоединений используют другие буферные растворы: нитроциклогексан анализируют в фосфатном буфере с рН 2,2, а метиловый эфир α-нитро - β-оксимасляной кислоты определяют в буферных растворах Робинсона-Бриттона.

Наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому способу является способ одновременного полярографического определения ароматических нитросоединений и продуктов их восстановления на фоне 0,1-0,3 н. раствора гидроксида натрия [Конарев А.А., Авруцкая И.А. Электрохимия, 1987, т.23, 12, 1548]. Однако на фоне 0,1 н. раствора NaOH существенно снижается предельный ток волны восстановления исходного метилового эфира 5-НЛК и промежуточного продукта - гидрохлорида 5-ГАЛК, что снижает чувствительность метода анализа, а конечные продукты восстановления метилового эфира 5-НЛК: гидрохлориды МЭ 5-АЛК и 5-АЛК в этих условиях полярографически не восстанавливаются вследствие их химической нестойкости в сильнощелочной среде.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка полярографического способа одновременного определения метилового эфира 5-НЛК и продуктов его восстановления, обеспечивающего быстрое и точное их определение.

Для решения этой задачи предложен способ полярографического одновременного определения метилового эфира 5-НЛК и продуктов его восстановления на фоне стандартного боратного буфера с рН 8,5-9,2 в постояннотоковом дифференциальном режиме.

При этом метиловый эфир 5-НЛК, гидрохлориды МЭ 5-АЛК и 5-АЛК дают четко выраженные пики восстановления с E_1/2=-1,29÷-1,31 В, E_1/2=-1,82÷-1,85 В и E_1/2=-2,12÷-2,13 В соответственно, а гидрохлорид 5-ГАЛК - пик окисления с Е_1/2=-0,2÷-0,21 В. Предельные токи этих соединений пропорциональны концентрациям деполяризаторов.

Для выбора условий одновременного полярографирования метилового эфира 5-НЛК и продуктов его восстановления исследовано полярографическое поведение исходного нитросоединения и гидрохлоридов МЭ 5-АЛК, 5-АЛК и метилгидроксиламина, используемого в качестве модельного соединения, так как промежуточный продукт восстановления метилового эфира 5-НЛК - гидрохлорид 5-ГАЛК неустойчив и быстро разлагается, поэтому его не представляло возможным выделить из растворов, полученных после электролиза и катализа.

Из полученных результатов следует, что одновременное полярографическое определение метилового эфира 5-НЛК и его продуктов восстановления предпочтительно проводить в стандартном боратном буфере с рН 8,5-9,2. При рН ниже 8,5 промежуточные и конечные продукты восстановления метилового эфира 5-НЛК полярографически окисляются и восстанавливаются с меньшей скоростью, а при рН буферного раствора выше 9,2 снижается чувствительность метода из-за уменьшения предельных токов восстановления исходного нитросоединения и конечных продуктов.

Использование постояннотокового дифференциального режима полярографирования позволяет повысить чувствительность и селективность анализа.

Предлагаемый способ осуществляют в стеклянной термостатируемой полярографической ячейке с использованием электронного полярографа ПУ-1 и двухкоординатного самописца ПДС-021. В качестве рабочего электрода применяют ртутный капающий электрод с принудительным отрывом капли со следующими характеристиками: m=1,0 мг/с, τ=0,65 с, а электродом сравнения служит насыщенный каломельный электрод.

При определении метилового эфира 5-НЛК и продуктов его восстановления на фоне стандартного боратного буфера с рН 8,5-9,2 в постояннотоковом дифференциальном режиме в катодной области потенциалов наблюдаются пики восстановления метилового эфира 5-НЛК и гидрохлоридов МЭ 5-АЛК и 5-АЛК, а в анодной области потенциалов регистрируется пик окисления гидрохлорида 5-ГАЛК. На фиг.1 представлены на фоне боратного буфера с рН 9,18 (кривая 5) дифференциальные подпрограммы восстановления метилового эфира 5-НЛК (кривая 1), гидрохлоридов МЭ 5-АЛК (кривая 2) и 5-АЛК (кривая 3), а также полярограмма окисления гидрохлорида 5-ГАЛК (кривая 4). Концентрацию метилового эфира 5-НЛК и гидрохлоридов МЭ 5-АЛК, 5-АЛК и 5-ГАЛК рассчитывают по градуировочному графику (фиг.2) или методом добавки стандарта. Относительная ошибка определения составляет 3,0-5,0%, а время, затрачиваемое на анализ, 15-20 минут.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1

В полярографическую ячейку заливают 5,0 мл боратного буфера с рН 9,18, используемого в качестве фонового электролита, продувают его азотом в течение 5.0 минут и записывают дифференциальную полярограмму фона при скорости развертки потенциала 20,0 мВ/с. К раствору прибавляют 0,2 мл анализируемого раствора метилового эфира 5-НЛК в метаноле (концентрация 1,1·10^-2 м), полученный раствор продувают азотом в течение 5,0 минут и записывают дифференциальную полярограмму в области потенциалов от -1,0 В до -2,3 В. В катодной области наблюдается пик с E_1/2=-1,31 В, а в анодной области пик отсутствует. Затем в этот же раствор добавляют 0,1-0,2 мл стандартного раствора метилового эфира 5-НЛК с концентрацией 1·10^-2 м, продувают азотом и записывают его полярограмму. Измеряют высоту пиков анализируемой пробы и стандартного раствора. Расчет концентрации метилового эфира 5-НЛК в анализируемом растворе проводят либо методом добавки стандарта, либо по градуировочному графику. Определяемая концентрация метилового эфира 5-НЛК 1,14·10^-2 м. Относительная ошибка определения составляет 3,6%.

Пример 2

Аналогично примеру 1, но на фоне боратного буфера с рН 8,5 анализируют 0,2 мл раствора, содержащего 1,8·10^-2 м гидрохлорида МЭ 5-АЛК. При катодной развертке потенциала от -1,0 В до -2,3 В при Е_1/2=-1,85 В наблюдается пик восстановления гидрохлорида МЭ 5-АЛК, а в анодной области пик отсутствует. Определяемая концентрация гидрохлорида МЭ 5-АЛК составляет 1,72·10^-2 м. Относительная ошибка определения составляет 4,4%.

Пример 3

Аналогично примеру 1 анализируют 0,2 мл раствора, содержащего 2·10^-2 м гидрохлорида 5-АЛК. При катодной развертке потенциала от -1,0 В до -2,3 В при E_1/2=-2,13 В наблюдается пик восстановления гидрохлорида 5-АЛК, а в анодной области пик отсутствует. Определяемая концентрация гидрохлорида 5-АЛК составляет 1,91·10^-2 м. Относительная ошибка определения составляет 4,5%.

Пример 4

В полярографическую ячейку заливают 5 мл боратного буфера с рН 9,18, продувают азотом 5,0 минут и записывают полярограмму фона. К раствору прибавляют 0,2 мл католита (промежуточная проба в ходе электросинтеза гидрохлорида 5-АЛК из метилового эфира 5-НЛК в кислой водной среде), содержащего промежуточно образующийся гидрохлорид 5-ГАЛК и конечный продукт - гидрохлорид 5-АЛК. При развертке потенциала от -1,0 В до -2,3 В в катодной области потенциалов регистрируется пик с E_1/2=-2,13 В, который отвечает восстановлению гидрохлорида 5-АЛК, что согласно градуировочному графику соответствует концентрации гидрохлорида 5-АЛК 8,4·10^-2 м. При развертке потенциала от -1,0 В до 0,0 В в анодной области наблюдается пик окисления с E_1/2=-0,2 В, который отвечает окислению гидрохлорида 5-ГАЛК, что согласно градуировочному графику соответствует концентрации гидрохлорида 5-ГАЛК 5,7·10^-2 м. При этом используют градуировочный график, построенный для метилового эфира 5-НЛК, учитывая, что метиловый эфир 5-НЛК в слабо щелочной среде восстанавливается с участием четырех электронов, а гидрохлорид 5-ГАЛК в этих условиях окисляется с участием двух электронов.

Пример 5

В полярографическую ячейку заливают 5 мл боратного буфера с рН 9,18, продувают азотом 5,0 минут и записывают полярограмму фона. К раствору прибавляют 0,2 мл катализата (промежуточная проба в ходе каталитического гидрирования метилового эфира 5-НЛК в гидрохлорид МЭ 5-АЛК в кислой метанольной среде), разбавленного в три раза и содержащего промежуточно образующийся 5-ГАЛК и конечный продукт - гидрохлорид МЭ 5-АЛК. При развертке потенциала от -1,0 В до -2,3 В в катодной области потенциалов регистрируется пик с E_1/2=-1,85 В, который отвечает восстановлению гидрохлорида МЭ 5-АЛК, что согласно градуировочному графику соответствует концентрации гидрохлорида МЭ 5-АЛК 9,2·10^-2 м. При развертке потенциала от -1,0 В до 0,0 В в анодной области наблюдается пик окисления с E_1/2=-0,2 В, который отвечает окислению гидрохлорида 5-ГАЛК, что согласно градуировочному графику соответствует концентрации гидрохлорида 5-ГАЛК 1,3·10^-2 м.

Таким образом, предлагаемый полярографический способ позволяет осуществлять в боратных буферных растворах одновременное определение метилового эфира 5-НЛК и продуктов его восстановления быстро и с достаточной степенью точности в различных технологических растворах, а также контролировать процесс гидролиза гидрохлорида МЭ 5-АЛК в гидрохлорид 5-АЛК.

Сущность: одновременное полярографическое определение метилового эфира 5-АЛК и продуктов его восстановления осуществляют в стандартном боратном буфере с рН 8,5-9,2 в постояннотоковом дифференциальном режиме. Предлагаемый полярографический способ позволяет проводить в стандартных боратных буферных растворах одновременное определение метилового эфира 5-НЛК и продуктов его восстановления быстро и с достаточной степенью точности в различных технологических растворах, а также контролировать процесс гидролиза гидрохлорида МЭ 5-АЛК в гидрохлорид 5-АЛК. 2 ил.

Способ полярографического определения метилового эфира 5-нитролевулиновой(5-нитро-4-оксопентановой) кислоты и продуктов его восстановления, заключающийся в том, что одновременное определение продуктов проводят в стандартном боратном буфере с рН 8,5-9,2 в постояннотоковом дифференциальном режиме.