Функциональный состав гумусовых кислот - определение и взаимосвязь с реакционной способностью, страница 10

Следующим этапом исследованиябыло определение основных кислородсодержащих групп в выделенныхобразцах.2.2. Исследование функционального состава ГФКДля объяснения и прогнозирования химического поведения ГФК и ихреакционной способности по отношению к полярным и ионным соединениямнеобходимаинформацияоколичественномсодержанииосновныхфункциональных групп.

Как уже отмечалось, основными функциональнымигруппамиГФКгидроксильныеявляютсягруппы.карбоксильные,Определениюихфенольныесодержанияиспиртовыеввыделенныхколичественногоопределенияпрепаратах гумусовых кислот посвящена данная глава.Сцельюповышениянадежностифункциональных групп в выделенных препаратах ГФК был использованнабор принципиально различных методов анализа. Такой подход позволяетпреодолеть ограничения и неточности отдельных методов, что крайне важнопри анализе вещества нерегулярного строения, когда нельзя проверитьистинность получаемых данных с помощью стандартов. Для этой цели намибыла использована схема анализа, сочетающая химическую модификацию сдальнейшим исследованием продуктов физико-химическими методами, атакже методы, основанные на реакциях солеобразования. В общем виде схемаисследования приведена на рис.

2.2.56Ïðåïàðàò ÃÔÊÕèìè÷åñêàÿ ìîäèôèêàöèÿÀöèëèðîâàíèåArOH+ROHÐåàêöèè ñîëåîáðàçîâàíèÿÀëêèëèðîâàíèåCOOH+ArOHCOOHÂà(ÎÍ)2Ñà(ÎÀñ)2COOH+ArOHCOOHÑîïîñòàâëåíèå è àíàëèç ðåçóëüòàòîâРис. 2.2. Схема количественного определения основных функциональныхгрупп гумусовых кислот.2.2.1. Количественное определение гидроксильных икарбоксильных групп гумусовых кислот путем их химическоймодификацииДляисчерпывающегоанализавсехтиповкарбоксильныхигидроксильных групп в препаратах гумусовых кислот была опробована схемаисследования, основанная на их модификации реагентами, действующими вмягких условиях и способными вводить в структуру группировки схарактерными химическими сдвигами в 1Н и 19F ЯМР-спектрах.Тип модификации Определяемые группы1) силилирование Me3SiCl или Et2N-SiMe3Σ(ОН+СООН)2) метилирование СН2N2Σ(ArОН+СООН)3) метилирование BF3⋅СН3OHΣСООН4) ацилирование трифторацетилимидазоломΣ(ArОН+RОН)Этопродуктымоглобыпозволитьрегистрироватьметодомспектроскопии ЯМР.Применение некоторых из перечисленных реагентов было ранееописано для фульвокислот [45,57,60,63].

Нами была проверена применимостьданных методов для исследования нефракционированных образцов ГФК.В качестве модельных соединений для проверки корректности схемыэксперимента нами были выбраны гидроксибензойные кислоты (салициловая57и β-резорциловая) и циклогексанол. Обработкой данных соединенийдиазометаном удалось достичь количественного превращения карбоксильныхи фенольных гидроксильных групп в эфиры, за исключением ортогидроксильных. С помощью BF3⋅СН3OH количественно метилировалисьтолько карбоксильные группы.

Ацилированию трифторацетилимидазоломподвергались в основном только гидроксильные группы, однако некотороеколичество смешанных ангидридов (∼10%) также было зафиксировано. Такимобразом было показано, что такая схема пригодна для определениякарбоксильных и гидроксильных групп.Обработке перечисленными агентами были подвергнуты в общейсложности 15 проб разных препаратов нефракционированных ГФК. (Образцыметилированных препаратов охарактеризованы методом элементного анализа,см.

Приложение 3, остальные производные получали непосредственно вампулах для ЯМР-спектроскопии и не выделяли). Однако после обработкиобразцыимелинастольконизкуюрастворимостьворганическихрастворителях (включая ДМСО), что в спектрах присутствовали практическитолько сигналы растворителя и следов реагентов. Облучение ампул сдериватизованными ГФК ультразвуком не привело к растворению.

Повидимому, удаление подвижных протонов нарушает механизм сольватациигумусовых кислот диметилсульфоксидом и в то же время не обеспечиваетдостаточнуюгидрофобизациюдлярастворениявменееполярныхрастворителях.В связи с изложенным схема исследования была изменена. Дляопределения суммарного содержания гидроксильных групп был использованметод, позволяющий детектировать количество прореагировавших групп внерастворимом продукте.Нами был выбрано ацетилирование в пиридине, протекающее вотносительно мягких условиях. Необходимость использования мягкихусловий обусловлена тем, что при температурах выше 100°С можетпроисходить термическая деструкция ГФК [13].

Метод включает трипоследовательные стадии (R = Alk или Ar):1) Ацилирование в пиридине:ROH + (Ac)2OPyROAc + AcOH582) Переэтерификация бутанолом:ROAc + n-BuOHH+ROH + n-BuOAc3) Экстракция и хроматографическое определение бутилацетата.Однако указанный метод определения гидроксильных групп былразработан для образцов водных фульвокислот [45], отличающихся высокойрастворимостью. О его применимости для анализа высокомолекулярнойфракции ГФК – гуминовых кислот – и нефракционированных препаратовавторы не сообщают.Попытка использования описанной методики без изменений не привелакуспеху:маслянистыепродуктыацилированиябылоневозможноколичественно перенести из реакционной ампулы в емкость для отгонкиизбытка реагентов, как того требует методика. Дополнительно вносимыерастворители (гексан или бензол) также не смывали дериватизованные ГФКсо стенок ампулы. Следовательно, полнота определения гидроксильных группв нефракционированных ГФК не может быть достигнута при использованиитакого варианта методики.В связи с этим в аппаратурное оформление методики были внесеныследующие изменения: во-первых, обе синтетические стадии анализапроводили в одной и той же ампуле с длинной трубкой, позволяющейзапаиватьеедважды; во-вторых,удалялиизбыток реагентовпослеацилирования упариванием на песчаной бане (50°С) в токе аргона, а затемвакуумировали при нагревании на водяной бане.

Наш вариант оформленияметодики позволил исключить две стадии переноса продуктов реакции иземкости в емкость и гарантировал 100%-ное введение ацилированныхпродуктов в реакцию переэтерификации.Дляпроверкигидроксильныхколичественностигруппбылатакогопроанализированаспособаопределениясалициловаякислота.Полученное для нее содержание гидроксильных групп 7.6±0.4 ммоль/гхорошо согласуется с теоретическим 7.24 ммоль/г.Однакоиз-занизкойрастворимостибольшинстваисследуемыхпрепаратов гумусовых кислот в смеси уксусный ангидрид-пиридин ихацилирование протекает в гетерофазной системе.

Следствием этого можетбыть, с одной стороны, завышение результатов определения вследствиеадсорбции ацилирующего агента на субстрате; с другой стороны, –неполнота59ацилирования гидроксильных групп. Часть ОН-групп может также оказатьсянереакционноспособной вследствие стерических затруднений.Для проверки возможного влияния на результаты определенияадсорбции уксусного ангидрида на ГФК были проведены эксперименты поацилированию в тех же условиях, но в отсутствие пиридина. Было найдено,что количество образующегося при этом бутилацетата составляет не более 3%от получаемого в присутствии пиридина, то есть адсорбция уксусногоангидрида на ГФК не вносит существенного вклада в результаты анализа. Дляпроверки полноты протекания реакции было проведено ацилирование трехпрепаратов ГФК в тех же условиях с выделением продуктов, которые былиохарактеризованы методом ИК-спектроскопии с Фурье преобразованием.Типичныйспектрприведеннарис.2.3.ПолучитьПМР-спектрыацетилированных образцов не удалось вследствие их чрезвычайно малойрастворимости в органических растворителях (включая ДМСО).T,%Aν , ñì -14000706050403020100350030002500200015001000500Á0T,%4035302520151050ν , ñì -140003500300025002000150010005000Рис.

2.3. Типичные ИК-спектры исходных (А) и ацетилированных (Б)препаратов ГФК.ИК-спектрыацетилированныхобразцовпоказали,чтосигналысвязанных водородной связью гидроксильных групп около 3550-3200 см-1 неисчезают полностью после обработки препаратов смесью (AcO)2O и Py.Остаются практически без изменений полосы около 2690-2500 см-1,характерные для валентных колебаний связей О-Н в карбоксильных группах,связанных водородной связью [182]. К сожалению, с помощью ИК-спектров60практически невозможно количественно оценить полноту протекания реакцииацилирования.

Важно подчеркнуть, что в спектрах ацилированных образцовотсутствуют полосы поглощения около 1795-1775 см-1, соответствующиеколебаниям С=О-связей в ангидридах.Следовательно, на основе изучения ИК-спектров ацетилированныхобразцов ГФК можно сделать следующие выводы: 1) при ацилированииуксусным ангидридом в пиридине в реакцию вступают не все гидроксильныегруппы; 2) не образуется сколько-нибудь значительных количеств смешанныхангидридов.Содержание гидроксильных групп в исследуемых препаратах ГФК,определенное описанным методом, приведено в табл.

2.8.Таблица 2.8. Содержание гидроксильных групп в выделенных образцахторфяных ГФКОбразецТ1Т2Т3Т4Т5Т6Т7Т8ПВ1В2В3ОН-групп,ммоль/г2.44.45.03.49.52.76.46.93.46.14.23.7∆±0.10.81.00.60.80.50.60.80.70.70.80.6В целом, полученные результаты по содержанию гидроксильных группсогласуются с данными других авторов. Так, в работах Шнитцера с сотр.[8,71] приведено содержание (3.2-5 и 9-10 ммоль/г) гидроксильных групп длянефракционированных ГФК подзолистых почв (данные получены согласнометодике [8]).