Функциональный состав гумусовых кислот - определение и взаимосвязь с реакционной способностью, страница 12

Подавлениеобратной реакции и постоянство определяемого содержания кислотных групп(плато на кривых) при использовании баритового метода наблюдалось присоотношениях 30-60 ммоль Ba(OH)2 на 1 г ГФК, что соответствует 6-кратномуи выше избытку по отношению к общему содержанию кислотных групп (7-10ммоль/г). Для Са-ацетатного метода соответствующие плато наблюдались присоотношениях 250-500 ммоль Ca(OAc)2 на 1 г субстрата.67Следовательно, для получения надежных результатов по содержаниюфенольных и карбоксильных групп в препаратах гумусовых кислот сиспользованиемрассмотренныхреакцийнеобходимопридерживатьсяследующих количественных соотношений: 35-40 и 250-400 ммоль/г ГФК –для баритового и Са-ацетатного методов, соответственно. Использованиебольшего избытка нецелесообразно, поскольку при этом возрастает ошибкаопределения.Помимо соотношения реагент/ГФК было также изучено влияниеполиэлектролитнойприродыГФК(возможныхконформационныхиассоциативных эффектов при изменении концентрации в растворе) нарезультатыанализа.реагент/ГФКДляварьировалиэтойцелистепеньприпостоянстверазбавлениясоотношенияреакционнойсмеси.Полученные результаты (табл.

2.11) показывают, что при соблюденииуказанного выше избытка реагента определяемые значения не зависят отразбавления. Следовательно, в изученном диапазоне концентраций наличиедостаточного избытка реагента по отношению к ГФК обеспечивает полнотуопределения кислотных групп ГФК независимо от степени разбавления смеси.Таблица 2.11. Определяемое содержание кислотных групп в препарате T8 припостоянстве избытка Ba(OH)2 (40 ммоль/г ГФК) и различной концентрацииГФККонцентрация ГФКв смеси, г/лКонцентрацияBa(OH)2 в смеси,ммоль(СООН+ArOH)*,ммоль/г0.20.40.60.81.01.21.451015202530357.88.38.17.98.07.87.9*Доверительные интервалы значений – ±(0.3-0.5).Влияние образования растворимых гуматов Ва и Са на определяемоесодержание карбоксильных и фенольных группДля оценки влияния фактора образования растворимых гуматов Ва и Сана полноту протекания реакции карбоксильных и фенольных групп с Ba(OH)2,а также полноту и селективность протекания реакции с Ca(OAc)2 былипроведены определения в описанных условиях для модельных органическихкислот.

На основе литературных данных о структуре ГФК и природныхполимерах, встречающихся в растительном сырье [1-3,185] был выбран ряд68кислот, моделирующих отдельные структурные фрагменты. Результатыопределения баритовым методом приведены в табл. 2.13.Таблица 2.13. Полнота протекания реакций модельных кислот с гидроксидомбарияКислота(СООН+ArOH), групп/молекулуБензойнаяСалициловая3-Гидроксибензойная4-Гидроксибензойная2,4-Дигидроксибензойная3,5-Дигидроксибензойная2-Гидроксифенилуксусная4-Гидрокси-3-метоксибензойная4-Гидрокси-3,5-диметоксибензойнаяКаквидноизтаблицы,срК2теор.эксп.[186]122233222112222112–13.09.799.148.989.54>1010.19.21гидроокисьюбариянереагируютгидроксильные группы в орто-положении к карбоксильным в моно- идигидроксибензойных кислотах.

рК их кислотной диссоциации ≥13 [186]. Издвух гидроксигрупп в мета-положении друг к другу определяется лишь одна,что связано с невозможностью зафиксировать перегиб на кривой титрования,соответствующий третьей группе. Согласно [187] условие существованияперегиба на кривой титрования можно записать так:саКа ≥ 2.7·10-3где са(2.1),и Ка – концентрация и константа диссоциации кислоты,соответственно. В нашем случае концентрации кислот не превосходят5·10-3–10-2 М. Следовательно, теоретически возможно зарегистрироватьперегиб для фенольных гидроксилов с рК≤9.7-10.6 в зависимости отконцентрации кислоты.СогласноуравнениюХендерссона-Хассельбаха,связывающемуконстанту диссоциации кислоты, степень диссоциации и рН:pK = pH + lgα1−α,(2.2)рК диссоциации равен рН, при котором диссоциирована половинакислотных групп.

Отсюда следует, что при рН 12.7, характерном дляопределений баритовым методом, в кислотах, образующих растворимые солис барием, будет диссоциировано около половины групп с рК близким к 13.69Согласно данным табл. 2.12 из 10 фенольных групп, присутствующих вэквимолярной смеси гидроксибензойных кислот, приведенных в таблице,баритовым методом определятся пять. Отсюда в достаточно грубомприближении можно считать, что максимальная степень недоопределенияфенольных гидроксилов в растворимых фракциях ГФК не должна превысить50%.Чтобы определить, сколько это составит по отношению ко всемупрепарату ГФК, мы оценили массовую долю фракций гумусовых кислот,неосаждаемых гидроксидом бария.

С этой целью раствор после осаждениягуматов бария отделяли от осадка и обессоливали пропуская через колонку скатионитом в Н-форме. Обессоленный раствор упаривали на роторномиспарителе досуха, и определяли взвешиванием массу сухого остатка. Долятаких фракций для различных препаратов ГФК составила от 10 до 20массовых %. Таким образом, если предположить, что половина фенольныхгрупп в неосаждаемых фракциях не реагирует с гидроксидом бария, то даже вэтом случае суммарная степень недоопределения фенольных групп впрепарате ГФК по данной реакции не будет превышать 10%.Следовательно,прииспользованииоптимальныхсоотношенийреагент/субстрат по реакции с гидроксидом бария могут быть определены всекарбоксильные и порядка 90% фенольных гидросильных групп гумусовыхкислот.В отличие от баритового метода, реакции всех исследованныхполигидроксибензойных кислот с ацетатом кальция протекали количественнопокарбоксильнымгруппам.Этоозначает,чтоприопределениикарбоксильных групп Са-ацетатным методом не происходит завышениерезультатов даже для кислот, образующих растворимые соли с Са.

Однакоданный вывод справедлив только в том случае, когда точку эквивалентностирассчитывают из экспериментальной кривой титрования.Таким образом, проведенное исследование позволило обосновать выборколичественных соотношений реагент/субстрат, обеспечивающих надежностьрезультатов определения содержания фенольных и карбоксильных групп вгумусовых кислотах по реакциям с Ba(OH)2 и Ca(OAc)2, а также показатьпригодностьбаритовогоиСа-ацетатногометодовдляанализа70нефракционированныхобразцовгумусовыхкислот,неполностьюосаждающихся в виде гуматов кальция и бария.Результаты примененияобоих методов дл анализа двенадцатипрепаратов гумусовых кислот приведены в табл.

2.11.Таблица 2.11. Содержания кислотных групп в исследуемых препаратах ГФК,определенные баритовым и Са-ацетатным методом (n=3, P=95%)Препарат(СООН+ArOH),ммоль/гТ1Т2Т3Т4Т5Т6T7T89.9±0.56.6±0.49.0±0.97.0±0.68.2±0.69.0±1.07.9±0.49.4±0.5П9.0±0.4В1В2В310.9±0.69.6±1.412.4±0.7СООН,ммоль/гТорфяные7.1±0.32.7±0.23.1±0.33.1±0.12.9±0.13.1±0.24.0±0.24.0±0.4Почвенный3.9±0.3Водные7.1±0.66.7±0.65.0±0.6ArOH (по разности),ммоль/г2.8±0.83.9±0.65.9±1.33.9±0.75.3±0.75.9±1.23.9±0.65.4±0.95.1±0.73.3±1.21.9±2.27.4±1.3Как видно из таблицы, суммарное содержание кислотных групп висследованных образцах ГФК лежит в пределах 6-11 ммоль/г.

Содержаниекарбоксильных групп, определенное Са-ацетатным методом, составляют от 40до 70% от этой величины. Средние величины для образцов, выделенных изводных сред, выше чем для торфяных и почвенных ГФК, что согласуется спредставлениями о большем вкладе в их структуру кислородсодержащихфункциональных групп [8,13].В целом, результаты определения соответствуют диапазонам величин,обычно приводимым в литературе [1,5,7-10]. Средняя ошибка определениясоставила около 7%.Для того, чтобы более наглядно представлять велико или малосодержание карбоксильных и фенольных гидроксильных групп в гумусовыхкислотах, выразим в ммоль/г содержание соответствующих групп внекоторых индивидуальных органических соединениях:71ВеществоСодержание групп, ммоль/гСООНОН8.27.27.26.513.013.9–11.6–Бензойная кислотаГидроксибензойные кислотыДигидроксибензойные кислотыПолиакриловые кислотыПолиметакриловые кислотыИз приведенных примеров ясно, что ГФК, включающие в своюструктурукакароматические,такиалифатическиефрагменты,характеризуются достаточно высокими содержаниями функциональныхгрупп.2.2.3.

Функциональный состав выделенных препаратовгумусовых кислот и распределение кислорода по основнымструктурным фрагментамПолученныевпредыдущихразделахданныеосодержаниикарбоксильных и разных типов гидроксильных групп в выделенных образцахгумусовых кислот обобщены в табл.

2.14.72Таблица 2.14. Содержание карбоксильных, фенольных и спиртовыхгидроксильных групп в исследуемых препаратах гумусовых кислот, ммоль/гПрепаратCООН-группТ1Т2Т3Т4Т5Т6T7T87.1±0.32.7±0.23.1±0.33.1±0.12.9±0.13.1±0.24.0±0.24.0±0.4П3.9±0.3В1В2В37.6±0.67.7±0.85.0±0.6ArOH-групп(по разности)Торфяные2.8±0.83.9±0.65.9±1.33.9±0.75.3±0.75.9±1.23.9±0.65.4±0.9Почвенный5.1±0.7Водные3.3±1.21.9±2.27.4±1.3OH-групп(ацилирование)2.2±0.24.4±0.85±13.4±0.69.5±0.82.7±0.56±17±13.4±0.76.1±0.74.2±0.83.7±0.6Как видно из таблицы, среднее содержание карбоксильных групп дляобразцов, выделенных из водных сред, выше, чем для торфяных и почвенных.Это согласуется с характерным для них более высоким отношением О/С,рассчитанным из данных элементного анализа (табл.

2.4). СоответствующейзависимостиотисточникапроисхожденияГФКдляArOH-группигидроксильных групп, определенных ацилированием, не прослеживается.Сравнение результатов ацилирования с содержанием фенольных групп,рассчитаннымпоразностиопределенийбаритовымиСа-ацетатнымметодами, показывает неколичественность ацилирования гидроксильныхгруппГФКизбраннымметодом.Данныйфактможнообъяснитьпространственной затрудненностью фенольных гидроксильных групп вгумусовых кислотах. Так, например, известно, что фенолы с пространственноэкранированной гидроксильной группой (тризамещенные и более) реагируютс уксусным ангидридом неколичественно [70]. Принимая во вниманиевысокую степень замещения ароматических колец в гумусовых кислотах (от 3до 5) [41], можно предположить, что ацилированию уксусным ангидридомподвергаются, в основном, спиртовые группы гумусовых кислот.Для проверки правильности использованных методов полученныеданные о количестве основных кислородсодержащих групп сравнивали с73имеющимися в нашем распоряжении результатами, полученными методами1Н и 13С ЯМР-спектроскопии (рис.

2.7).Как видно из рисунка, для большинства образцов наблюдается хорошеесоответствиерезультатовопределениякарбоксильныхгруппвсемииспользованными методами, что свидетельствует в пользу правильности этихрезультатов. Ввиду нерегулярности строения ГФК невозможно подобратьстандарт, позволяющий оценить точность и правильность результатов анализаГФК, поэтому совпадение результатов исследования различными методамиможет служить единственным критерием правильности данных.Результаты определения фенольных гидроксильных групп, полученныеразличными методами, плохо согласуются между собой.