Функциональный состав гумусовых кислот - определение и взаимосвязь с реакционной способностью, страница 4

Рис. 1.5 иллюстрируетиспользованиеперечисленныхреагентовдляопределениякислородсодержащих функциональных групп ГФК.Из приведенной схемы видно, что в зависимости от используемогореагента и последующей обработки производного с помощью метилированияможно определить:1) сумму всех карбоксильных и гидроксильных групп;2) сумму карбоксильных и фенольных гидроксильных групп;3) только карбоксильные группы;4) сумму фенольных и спиртовых гидроксильных групп.19Îáðàçåö ÃÔÊÎáðàáîòêàÑÍ3I (+Ag2O) èëèíåñêîëüêèìèðåàãåíòàìèÎáðàáîòêàÎáðàáîòêàÑÍ2N2ÑÍ3ÎÍ(+HCl èëè BF3)Îáðàáîòêà(ÑÍ3)2SÎ4 ââîäíîì ÊÎÍÎìûëåíèåùåëî÷üþÎïðåäåëåíèåìåòîêñèãðóïï ïîÖåéçåëþΣÑOOH+OHÎïðåäåëåíèåÑÍ3ÎÍΣÑOOH+ArOHÎïðåäåëåíèåìåòîêñèãðóïï ïîÖåéçåëþÑÎÎÍΣROH+ArOHРис.

1.5. Использование метилирования в анализе гумусовых кислот.Метилирующие агенты, как правило, неселективны. Поэтому дляопределения карбоксильных групп в ГФК прибегают к дополнительнойстадии – щелочному гидролизу этерифицированных производных [13].Краткоостановимсянаособенностяхиспользованияотдельныхреагентов. Большим преимуществом диазометана перед другими реагентамиявляются мягкие условия проведения реакции (комнатная температура) ивозможность использования разных растворителей, включая воду [65].Метилиодид (в присутствии Ag2O или NaH) и метанол (в присутствии кислотЛьюса) также позволяют использовать достаточно мягкие условия, однако,очень чувствительны к присутствию воды [55,60,66,67]. Диметилсульфаттребует проведения реакции при нагревании в среде 30%-ной водной щелочи,что может приводить к протеканию побочных реакций и частичнойдеструкции ГФК [8,13].

Поэтому для определения общего содержаниягидроксильных групп в ГФК чаще используют ацетилирование.Общей проблемой методов, включающих стадию метилирования,является достижение полноты превращения. Так, в работе [68] на основесравнения ИК-спектров гумусовых кислот, подвергнутых метилированиюразличными реагентами, было установлено, что независимо от используемого20метода и реагента, максимальная степень превращения не превышала 80-85%.Для получения воспроизводимых данных все методы метилирования требуютмногократного повторения обработки (до 8-11 раз) [39,59,66].Традиционнымметодомколичественногоопределенияфункциональных групп, подвергшихся метилированию, является оценкасодержания метоксильных групп в исходных и метилированных образцах поЦейзелю [69]. Метод основан на расщеплении метиловых эфиров йоднойкислотой с образованием метилиодида.

Последний окисляют до иода иопределяют титрованием тиосульфатом. Метод универсален для простых исложных метиловых эфиров. К числу его недостатков можно отнестимногостадийность и необходимость использования больших количестввещества.НедавнокарбоксильныхбылпредложенгруппвГФК,экспрессныйсочетающийметодопределенияметилированиеигазо-хроматографический анализ [59].

Согласно этому методу метилированныйдиазометаном образец гидролизуют, а выделившийся метанол этерифицируютпропионилхлоридом.Количествообразовавшегосяврезультатеметилпропионата определяют газо-хроматографически. Метод позволяетпровести определение с малым количеством вещества (4-16 мг), однако еговоспроизводимость не превышает ±15-20%, а применимость показана лишьдля ФК.АцетилированиеНаиболее универсальный метод определения гидроксильных группзаключаетсявацилированиипоследующимангидридавуксуснымтитриметрическимреакционнойгидроксильнымиопределениемсмеси.соединениямиангидридомвсехвпиридинеснепрореагировавшегоУксусныйангидридтипов.Исключениереагируетссоставляюттретичные спирты и пространственно затрудненные фенолы (тризамещенныеи более) [70].Для определения общего содержания гидроксильных групп в ГФК былпредложенследующийвариантметода[8,71].Послеацилированияпроизводные промывают и высушивают над пятиокисью фосфора, затемгидролизуют кипячением с крепкой щелочью.

После гидролиза реакционную21смесь подкисляют и отгоняют образовавшуяся свободную уксусную кислоту.Количествопоследнейопределяетсятитрованием.Даннаяметодикадостаточно универсальна, но весьма трудоемка и требует больших количествГФК (∼100 мг).Вработе[45]ацетилированныеколичествопредложенапроизводныеобразовавшегосяметодикаопределения,переэтерифицируютсябутилацетатавкоторойбутанолом,определяетсяагазо-хроматографически. Стадии ацилирования и переэтерификации проводятся вгерметичных ампулах, что позволяет избежать потерь при кипячении.

В такомварианте метода существенно сокращается как время анализа, так и требуемоедля определения количество вещества (до 5-15 мг), что делает даннуюметодику особенно привлекательной для анализа большого количестваобразцов ГФК. Однако она была разработана для анализа образцов водныхФК и о ее применимости для ГК и нефракционированных препаратов несообщается.***В целом, методы, основанные на химической модификации не нашлиширокого применения в анализе ГФК.

Однако в последнее время они всечаще используются в сочетании с методом ЯМР-спектроскопии на различныхядрах [57]. Примеры такого комбинированного подхода будут рассмотрены вследующем разделе.Методы функционального анализа ГФК, сочетающие химическуюмодификацию и ЯМР-исследованияСпектроскопическоеисследованиехимическимодифицированныхобразцов ГФК обладает значительными преимуществами перед анализомисходных проб. Модификация ослабляет водородные связи и другиеассоциативные взаимодействия, приводящие к уширению и перекрываниюсоседних полос в ЯМР-спектрах ГФК [37,57]. Это облегчает количественнуюинтерпретацию спектров.

Модификация с помощью реагентов, содержащихгетероэлемент (F, Si), и регистрация спектров на ядрах соответствующегогетероатомаявляетсянаиболееэффективнымметодомустраненияперекрывания сигналов атомов разных химических типов. Рассмотрим22конкретныепримерыиспользованияданногоподходадляизученияфункционального состава ГФК.Авторы [60] успешно применили для определения СООН- и ОН-групп13СЯМР-спектроскопиюГФК,метилированныхметилиодидомидиазометаном, обогащенными изотопом 13С. Однако метод очень дорог.13В отличие от спектровС-ЯМР, при регистрации ПМР-спектровметилирование не исключает перекрывание сигналов – не достигаетсяразрешение сигналов метильных групп в простых эфирных и сложноэфирныхгруппировках [57].

Для преодоления этого препятствия в работе [63]использовали следующий подход. Образец сначала ацетилировали, а затемметилировали:сигналыацетильнойиметоксильнойгруппхорошоразрешаются в ПМР-спектре. Для количественных расчетов вычитали изспектраобразца,метилированногоиацетилированногообычнымиреагентами, спектр препарата, обработанного полностью дейтерированнымиуксусным ангидридом и метанолом. Недостатком такого метода можносчитать многостадийность обработки и сопряженные с этим потери образца.Для определения активных фенольных гидроксилов в работе [63]использовали ацилирование уксусным ангидридом в среде гидрокарбонатанатрия по Шоттену-Бауману [73].

Общее содержание гидроксилов определялипо ПМР-спектрам образца, ацетилированного в пиридине в присутствии 4диметиламинопиридина в качестве катализатора.Еще один метод определения суммарного содержания гидроксильныхгрупп – триметилсилилирование образцов ГФК (как таковое и в сочетании сметилированием) с последующей регистрацией и обработкой29Si ЯМР-спектров [50,74]. В работе [50] получено хорошее совпадение результатовопределения функциональных групп в ГФК водного происхождения спомощьюсилилированиягексаметилдисилазаномсрезультатамипотенциметрического титрования.

Для разделения сигналов силилированныхгидроксильныхикарбоксильныхгрупппроводилипредварительноеметилирование диазометаном в присутствии катализатора. По разностиинтегралов необработанной и метилированной пробы определяли содержаниегидроксильныхгрупп.Методпозволяетопределитьвсеважнейшиефункциональные группы ГФК. Существенным недостатком такого метода23являютсянеобходимостьдлительногонакопленияспектров,атакжесложность их количественной интерпретации [57].Следуетотметить,всевышеописанныеметоды,сочетающиедериватизацию и ЯМР-спектроскопию, разработаны для образцов ГФКводного происхождения или ФК, характеризующихся более низкой среднеймолекулярной массой и имеющих более высокую растворимость. Поэтомупри всей информативности и привлекательности данных методов можноконстатировать, что их применимость на сегодняшний день, к сожалению,показана лишь для образцов указанного типа.Результаты анализов гумусовых кислот с использованием химическоймодификации приведены в табл.

1.3.24Таблица 1.3. Функциональный состав ГФК по данным методов, основанныхна химической модификацииТип ГФКОпределяемыегруппыСООНМетод определенияСодержание,ммоль/греагентколич. методCH3ОН+HClЦейзеля2.1-3.14.7-7.2СH2N2}Цейзеля5.7-8.7СООН+ArOHСH2N26-9CH3I+Ag2O(CH3)2SO43.7-8.3Цейзеля(CH3)2SO4ArOH+ROH7.8-10.1титрованиеAc2О+Py6.9-9.2СООНCH3ОН+HClЦейзеля2.0-3.2ArOH+ROH(CH3)2SO4Цейзеля3.8-4.3СООНCH3ОН+HClЦейзеля2.6-3.0СООН+ArOHСH2N2Цейзеля5.3-5.8титрованиеArOH+ROHAc2О+Py6.7-103.8-4.3ГЖХСH2N216.8-7.6Н-ЯМРСООНСH2N2295.8Si-ЯМР(CH3Si)2NHAc2О+PyГЖХ131ArOH+ROHAc2О+PyН-ЯМР4.429Si-ЯМР(CH3Si)2NH6.61ArOHAc2О+NaHCO3Н-ЯМР1.4ГК почвГК угляФК почвФКповерхностных водЛит.[39][42][75][76][77][75][71][66][66][39][39][71][59][63][50][45][63][50][63]Как видно из таблицы, в некоторых случаях при использованииметилированияполучаютсязаниженныепосравнениюсобычноприводимыми средними данными содержания карбоксильных групп исуммарного содержания карбоксильных и фенольных гидроксильных групп,напримервФКпочвиповерхностныхвод.Достаточнонизкимипредставляются также результаты определения суммы всех гидроксильныхгрупп и фенольных гидроксилов методом ацилирования в сочетании с ЯМР.