Определение гидразина и его алкилпроизводных методом обращенно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии, страница 2

Следующим по значимости требованием является селективность. Производные гидразина очень близки по своим свойствам, кроме того, природные объекты содержат большое количество других химически активных веществ, поэтому для надежности определения требуется увеличивать селективность. Устранить мешающее влияние других компонентов стараются на стадии пробоподготовки. Однако проведение пробоподготовки усложняет анализ, делает его более продолжительным и вносит дополнительные ошибки, что, в свою очередь, уменьшает надежность анализа. Поэтому стремятся проводить анализы с наименьшим числом стадий.

К другим требованиям относятся воспроизводимость результатов анализа, широкий диапазон определяемых концентраций, доступность широкому кругу аналитических лабораторий по стоимости и компетентности персонала, экспрессность, возможность одновременного определения всех интересующих компонентов.

1.2.1. Спектрофотометрические методы

Для определения гидразинов традиционно применяют спектрофотометрию. Из-за простоты реализации методик, доступности оборудования и исторический причин данный метод до сих пор широко применим. Спектрофотометрия – один из первых аналитических физико-химических методов, в свое время позволивших определять вещества на уровне 10^-5 М. Аппаратурное оформление этого метода характеризуется простотой, и, как следствие, доступностью широкому кругу пользователей. Для спектрофотометрических вариантов определения гидразинов характерны легкость выполнения анализа и отсутствие требований к высокой квалификации персонала. Поскольку молекулы гидразинов не содержит хромофорных групп, то их определение основано на образовании окрашенных производных. При этом выбирают гидрофобные реагенты, и полученные производные экстрагируют органическим растворителем в малый объем, тем самым повышая чувствительность методики. Известные подходы включают восстановление молибдофосфорной кислоты [3], образование комплекса с тринатрий пентацианоаминоферратом [4], дериватизацию 4-хлор-5,7-динитробензофуразаном [5]. Общим минусом всех данных подходов является недостаток чувствительности для определения гидразинов, в частности НДМГ, на уровне ПДК в воде (0,02 мг/л). Кроме того, многие спектрофотометрические реакции не являются специфическими.

Для определения гидразинов широко используют косвенные методы. Окисление 1,1-диалкилгидразинов сульфатом ртути (II) в серной кислоте [6] приводит к образованию соответствующих альдегидов, количественное определение которых впоследствии может быть проведено различными методами, зависящими от длины алкильной группы. Для определения НДМГ используется окрашенный продукт реакции формальдегида с хромотроповой кислотой. Предел обнаружения составляет 2 мМ. Нагревание в колбе с обратным холодильником НДМГ в течение 20 ч при температуре 90^оС вполне достаточно для количественного автоокисления небольшого количества диметилгидразина до формальдегида. На каждый моль НДМГ образуется 2 моль НСНО. Впоследствии формальдегид определяется по реакции с хромотроповой кислотой (4,5-дигидрокси-2,7-нафталинсульфоновой кислотой), продукт которой имеет фиолетовую окраску. Окрашенный продукт имеет максимум поглощения при длине волны 558 нм и проявляется после нагревания на водяной бане в течение 10 минут при температуре
60-70^оС. Время нагревания имеет большое значение, и оно должно быть фиксированным для каждого определенного количества пробы. Низкие концентрации НДМГ около 1-3 мкг/мл определяются с относительной погрешностью ±1,5%.

***

Спектрофотометрические методики определения гидразинов хорошо изучены, они отличаются простотой, доступностью, хорошими выходами конечного продукта. Но при этом, недостатком этих методов является низкая селективность, так как многие азотистые соединения, в том числе амины, мочевина, гидроксиламин образуют с карбонильными соединениями производные, максимумы поглощения которых в УФ-спектре имеют близкие значения. К тому же, спектрофотометрия позволяет проводить определение гидразинов на уровне 10^-7%, что недостаточно для установленных нормативов содержаний этих соединений в объектах окружающей среды. В связи этим возникает потребность в развитии других методов с целью определения гидразинов в реальных объектах с большей селективностью и чувствительностью.

1.2.2. Хроматографические методы

Хроматография имеет преимущество перед другими методами аналитической химии благодаря наличию предварительного разделения компонентов смеси в хроматографической колонке, что позволяет определять более сложные смеси и избежать ошибок, связанных с влиянием матрицы.

Существуют три основных варианта для определения НДМГ хроматографическим методом: газовая хроматография, ВЭЖХ и ионная хроматография. Первые два подхода требуют применения предварительной дериватизации, решая две основные цели: изменение поведения веществ в ходе анализа и обеспечение благоприятных условий детектирования.

Газовая хроматография (ГХ) обладает рядом сложностей при определении гидразинов. Гидразины являются высокополярными соединениями и обладают специфическими взаимодействиями с силанольными группами сорбента, что приводит к размыванию хроматографических зон. Также гидразины обладают высокой реакционной способностью и неустойчивы, что ведет к разложению низких концентраций уже в хроматографе. Все это затрудняет прямое определение гидразинов методом газовой хроматографии. С целью перевода их в менее активную и более термостабильную форму обычно используют доколоночную предварительную дериватизацию с использованием, как правило, ароматических карбонильных соединений. Затем проводится экстракция и концентрирование полученного производного. В ходе экстракции происходит смена матрицы с водного раствора на органический растворитель. Кроме того, экстракция - это возможность провести концентрирование раствора образовавшегося продукта, что позволяет проводить определение очень малых (на уровне мкг/л) количеств.

Газохроматографический метод находит активное применение в анализе объектов окружающей среды и биологических жидкостей. помимо этого значительная доля работ по определению 1,1-диметилгидразина относится к продуктам питания, т.к. он является продуктом гидролиза запрещенного регулятора роста растений — даминозида (диметилгидразид янтарной кислоты). Широко распространенное использование пентафторбензоилхлорида в качестве дериватизующего агента обуславливается тем, что образующиеся производные хорошо определяются высокочувствительным селективным электрон-захватным детектором [7]. В работе Ньюсома был предложен метод определения НДМГ во фруктах. Извлечение НДМГ осуществляется с помощью 0,01М раствора HCl. В дальнейшем вытяжку очищают на сульфокатионообменнике и дериватизируют с помощью пентафторбензоилхлорида:

.

Далее производное экстрагируют дихлорметаном, экстракт упаривают и перерастворяют в гексане, затем проводят дополнительную очистку пробы на колонке, заполненной силикагелем. Элюат анализируют методом газовой хроматографии, используя неполярную фазу DB-5 и электронно-захватный детектор. Минимально определяемая концентрация составляет 0,01 мг/кг НДМГ.

К недостаткам данной методики можно отнести потерю 50% НДМГ на стадии применения катионообменника, а также производного при его очистке на силикагеле (выход составлял 32%). Кроме того, следует подчеркнуть трудоемкость пробоподготовки и значительные затраты по времени на определение. Длительная пробоподготовка является следствием образования многочисленных соединений с высоко-реакционноспособным реагентом, пики этих соединений дают высокий шум и без их удаления невозможно проводить детектирование производного с НДМГ.

Стоит отметить также большое количество работ по определению гидразинов с использованием п-нитробензальдегида. В работе [8] дериватизацию проводили с использованием п-нитробензальдегида после извлечения НДМГ из почвы с помощью дистилляции. Из реакционной смеси экстрагировали и концентрировали диметилгидразон 4-нитро-бензальдегида. Предел обнаружения предложенной методики составил 0.004 мг/кг.

Определение НДМГ в водах хозяйственного значения описано в работе [9]. Разделение проводили на неподвижной фазе SE-54. После реакции дериватизации
п-нитробензальдегидом полученные производные экстрагировали гексаном. Затем полученный экстракт упаривали в токе азота до минимального объема. Предел обнаружения с применением азотно-фосфорного детектора составил 0.03 мкг/л.

***

ГХ позволяет добиться довольно низких пределов обнаружения НДМГ, но при этом основной проблемой метода является необходимость проведения длительной и трудоемкой пробоподготовки, что нередко приводит к неколичественным выходам конечного продукта и проблемам с воспроизводимостью его определения. К тому же, вещества, определяемые с этим методом, должны быть термостабильными и легколетучими, что существенно ограничивает круг дериватизирующих реагентов. Еще одним недостатком ГХ является невозможность автоматизации на стадии концентрирования полученного производного.

Жидкостная хроматография в зависимости от используемых неподвижных и подвижных фаз может выполняться в нескольких различных вариантах. Основными видами жидкостной хроматографии являются: нормально-фазовая хроматография (НФ), обращено-фазовая хроматография (ОФ) и ионная хроматография (ИХ).

В отличие от газовой хроматографии, где определяемые вещества должны быть летучими и термостабильными, жидкостная хроматография лишена подобных ограничений, что существенно расширяет круг определяемых соединений. Наиболее применяемым детектором для регистрации гидразинов является амперометрический детектор. Амперометрическое детектирование позволяет селективно определять соединения, содержащие связь N-N на стеклоуглеродном электроде по току окисления. Гидразины – сильные восстановители. Чувствительность амперометрического детектирования по отношению к ним высока, что позволяет определять их прямым вводом пробы без предварительного концентрирования и без проведения каких-либо химических реакций для перевода гидразинов в другие соединения, т.е. пробоподготовка минимальна, что существенно позволяет уменьшить время проведения анализа и снизить затраты труда.

Ионная хроматография - это высокоэффективный вариант ионообменной жидкостной хроматографии. Метод ионной хроматографии предназначен для разделения и определения соединений ионного характера, то есть катионов и анионов. Гидразины обладают кислотно-основными свойствами: рК_а этих соединений близок к 7. В кислой среде они существуют в виде катионов и удерживаются катионообменниками. Поэтому существует возможность использования ионной хроматографии для их определения.

В работе [10] описан метод ионной хроматографии для определения гидразинов. Для разделения сложной смеси алифатических гидразинов (гидразин, метилгидразин, НДМГ, 1,2-диметилгидразин, этилгидразин, 1,1-метилэтилгидразин, 1,2-диэтилгидразин, триметилгидразин, бутилгидразин, трет-бутилгидразин, а также НДМА и ТМТ) использовали сульфокислотный катионообменник Nucleosil SA (4.0×100 мм, 10 мкм). Поиск оптимальных условий разделения соединений проводили, варьируя содержание ацетонитрила, концентрацию аммонийно-ацетатного буферного раствора и его pH. Данный метод позволяет определить одновременно 9 соединений (гидразин, метилгидразин, 1,2-диметилгидразин, НДМГ, триметилгидразин, трет-бутилгидразин, бутилгидразин, НДМА и ТМТ). Было установлено, что метод ионной хроматографии позволяет обеспечить высокую эффективность хроматографической системы в сочетании с достаточно высокой селективностью разделения исследуемых соединений.

Авторы работы [11] проводили разделение гидразина, 1,1-диметилгидразина, монометилгидразина, и 1,2-диметилгидразина методом ионообменной хроматографии на колонке заполненной катионобменником с сульфогруппами Aminex A-5 (размером частиц 13 мкм) с электрохимическим детектированием. В качестве элюента выступал 0,05 М боратный буфер с рН 8,9. Порядок расположения пиков гидразинов на полученной хроматограмме соответствует порядку возрастания значений рКа.

Ион-парная хроматография позволяет определять как нейтральные, так и заряженные соединения, причем, напрямую. Большое значение в этом методе имеет выбор ион-парного реагента, так как именно от него зависит удерживание и разделение компонентов. Как правило, ИПР представляет собой соль сильной кислоты, имеющую гидрофобный ион с зарядом, противоположным заряду разделяемых ионов (противоион), и хорошо сорбирующуюся на поверхности сорбента.

Разделение смеси гидразинов (гидразин, метилгидразин, НДМГ, 1,2-диметилгидразин, этилгидразин, 1,1-метилэтилгидразин, 1,2-диэтилгидразин, триметилгидразин, бутилгидразин, трет-бутилгидразин, а также НДМА и ТМТ) в варианте ион-парной хроматографии описано в работе [12], разделение проводили с использованием сорбента Диасфер 110-С16, динамически модифицированного октилсульфонатом натрия. Для поиска условий разделения соединений варьировали состав подвижной фазы: содержание ацетонитрила, октилсульфоната натрия, аммонийно-ацетатного буферного раствора и его pH. Было доказано, что методом ион - парной хроматографии можно разделить все 12 соединений, в то время как методом ионной хроматографии только 9.

Нормально-фазовая хроматография. Так как гидразины являются высокополярными соединениями, то они характеризуются очень сильным удерживанием на поверхности сорбента, поэтому их прямое определение в варианте НФ ВЭЖХ затруднено. С целью уменьшения удерживания проводят предварительную дериватизацию.