Исследование структуры гумусовых кислот методами спектроскопии ЯМР 1Н и 13С (1105574), страница 14
Текст из файла (страница 14)
При этом нормирование проводится на область CHn-протонов, которая неизменяется при переходе от одного растворителя к другому:H DMSODMSOD2O⋅ I 3.2-2.05I 2.05-0.5=1D2Oα - CH n⋅ Ι 3DMSOI 2.05-0.5.2 − 2 .05(2.8)Описанная процедура дает возможность вычесть из спектра в ДМСО-d6 сигналостаточных протонов растворителя и рассчитать абсолютные величины содержанийкаждого из рассмотренных типов протонов в структуре ГФК.Таким образом, для ПМР-исследования ГФК была предложена схема эксперимента иобработки результатов, представленная на рис.
2.12.80Спектр вNaOD/D2ОСпектр в ДМСО-d6с добавкойCF 3 COODСпектр в ДМСО-d6Нормированиена область0 – 2.05 м.д.Суммарный интегралпротонов ГФКНормированиена область2.05 - 3.2 м.д.C Ar- H / C Ar-O HC H n-O / C Al -O HРасчет COO H, C Ar-O H, C Ar- H, C Al -O H, C H n-O, C Al – HРис. 2.12. Схема расчета распределения водорода в структуре ГФК.При использовании ДМСО-d6 высокой изотопной чистоты, характеризующегосяпостоянством изотопного состава (например, использовавшегося в данной работе ДМСОd6 производства фирмы Merck, 99.95 ат.%D) можно избежать необходимости регистрацииспектров в NaOD/D2O. В этом случае долю сигналов α остаточных протонов ДМСО винтегральной интенсивности спектра можно рассчитать какαДМСО= (mДМСО* HДМСО) / (mДМСО* HДМСО +mГФК*HГФК)(2.9)где mДМСО и mГФК – массы внесенного ДМСО-d6 и навески препарата ГФК,соответственно;HДМСО и HГФК –массовое содержание протонов в ДМСО-d6 и ГФК,соответственно.В условиях нашего эксперимента – навеска ГФК 15 мг с содержанием водорода 3.5–5% и количестве ДМСО-d6 0.7 мл 99.95 ат.%D – сигнал остаточных протонов ДМСО могсоставлять от 2 до 3.5% общей интенсивности спектра.Справедливость такого способа расчета была подтверждена при сравнениирезультатов расчета распределения водорода по формуле (2.9) с данными полученнымипри расчете по схеме (рис.
2.12), основанной на сопоставлении спектров в ДМСО-d6 иNaOD/D2O. Результаты расчетов совпадали в пределах погрешности интегрирования (~5%от величины).81Проверка полноты разделения сигналов подвижных и скелетных протоновпри добавлении CF3COOD.Предложенная схема расчета базируется на предпосылке о полноте разделениясигналов подвижных и скелетных протонов при добавлении CF3COOD и отсутствии вэтих условиях обмена для С-Н протонов.
Для доказательства этой предпосылки былипроведены эксперименты на модельных соединениях, в качестве которых были выбраны2,4-дигидроксибензойная кислота (содержащая COOH, CAr-OH и CAr-H протоны) иполидекстран (CAlk-OH и CHn-O).В спектре 2,4-дигидроксибензойной кислоты в отсутствие CF3COOD (рис. 2.13а)наблюдались три сигнала подвижных протонов при 12.2 м.д. (СООН), 11.3 м.д. (орто-OH)и 10.3 м.д. (пара-OH). При последовательном добавлении аликвотных частей (10 мкл)кислоты эти сигналы смещались в слабое поле (рис. 2.13б), и в итоге сливались в один пикпри 13.4 м.д.
(рис. 2.13в). При этом рассчитанная по приведенной выше схеме доляфенольных протонов в области 11.5 - 6 м.д. составила 40%, что точно соответствуеттеоретическому значению.В спектре полидекстрана присутствовало несколько пиков спиртовых ОН-протоновв области 4.2 - 5.2 м.д., которые при добавлении CF3COOD аналогичным образомсмещались в область слабого поля (рис. 2.14).
Расчет по схеме, предложенной дляколичественного анализа ПМР-спектров ГФК показал, что доля спиртовых протонов всуммарном интеграле полидекстрана составляет 32.5%, что хорошо согласуется срасчетным значением для идеальной структуры полидекстрана (30%).82абвРис. 2.13. ПМР спектры 2,4-дигидроксибензойной кислоты:а) в ДМСО-d6, b) в ДМСО-d6 + 20 мкл CF3COOD,с) в ДМСО-d6 + 40 мкл CF3COOD.83абРис.
2.14. ПМР спектры полидекстрана: а) в ДМСО-d6,b) в ДМСО-d6 + 20 мкл CF3COODТаким образом, эксперименты на модельных соединениях подтвердили, что1) в спектрах в ДМСО-d6 протоны COOH, CAr-OH и CAlk-OH находятся в медленном(в шкале времени ЯМР) обмене, что позволяет проводить раздельноеинтегрирование их сигналов;2) При добавлении избытка CF3COOD ускорение протонного обмена вызываетколичественный переход сигналов подвижных протонов в слабое поле ипозволяет провести определение перекрывавшихся с ними сигналов скелетныхпротонов.Корректность предложенного метода разделения этих сигналов была такжепроверена для одного из препаратов ГФК - HMG. Для этой цели были сопоставленыколичество протонов, обменивающихся на дейтерий при взаимодействии с D2O, иколичество протонов, сигналы которых сдвигаются в слабое поле при добавленииCF3COOD.БылполученспектрвДМСО-d6препаратаГФК,предварительноподвергнутого дейтерообмену с D2O (рис.
2.15). Из сопоставления такого спектра соспектром препарата HMG без дейтерообмена (рис. 2.10а) были рассчитаны соотношения84CAr-OH/CAr-H и CAlk-OH/CHn-O, которые составили 0.48 и 0.38, соответственно.(Нормирование проводилось на интегральную интенсивность области CHn - протонов.)Рассчитанные соотношения были сопоставлены с полученными при расчете поуравнениям (2.6, 2.7), которые для этого препарата составили 0.45 и 0.37, соответственно.Такое хорошее совпадение свидетельствует о том, что при добавлении CF3COOD краствору ГФК в ДМСО-d6 сдвиг претерпевают только сигналы подвижных протонов, аположение и интенсивность сигналов скелетных протонов ГФК не изменяются.Рис.
2.15. Спектр препарата HMG после дейтерообмена в ДМСО-d6.Количество добавляемой кислоты, обеспечивающее полный сдвиг подвижныхпротонов в область слабого поля, было определено при последовательном добавлениемаликвотных частей (10 мкл) CF3COOD к раствору препарата ГФК в ДМСО-d6.Установлено, что при массе ГФК 15 мг для большинства препаратов полнота сдвигадостигается при внесении 20 мкл кислоты. При дальнейшем добавлении кислоты вобласти спектра10.5–0.5 м.д.
изменений не происходит. Однако для препаратов HBWN и T7,характеризовавшихся наибольшей зольностью (7-12%), внесение 20 мкл CF3COODоказалось недостаточно. По-видимому, это связано с образованием солей с зольнымикомпонентами ГФК. В данном случае происходит неполный сдвиг подвижных протонов вслабое поле и их общий широкий сигнал наблюдается при 8-11 м.д. (Рис. 2.16) Длядостижения полноты сдвига дополнительно вносили 20 мкл CF3COOD.85Рис. 2.16. Спектры ПМР препарата SWM4 при последовательном добавлении аликвотныхпорций CF3COOD. а) в ДМСО-d6, b) в ДМСО-d6 + 20 мкл CF3COOD, с) в ДМСО-d6+ 40 мкл CF3COOD.Следует отметить возможные источники систематических ошибок при определениисодержания основных типов протонов ГФК вышеописанным методом.
Во-первых,определяемое содержание протонов спиртовых гидроксилов может быть завышено в связис присутствием в растворителе следовых количеств воды, поскольку при регистрацииспектров ГФК вДМСО-d6 слабый сигнал таких количеств HDO неотличим от сигналов спиртовых ОН86протонов. Для предотвращения возникновения значительных погрешностей необходимопроводить оценку содержания влаги в чистом растворителе, регистрируя его спектр ПМР.Сигнал HDO в спектре использовавшегося в данной работе DMSO-d6 составлял около 2 %от сигнала остаточных протонов растворителя. Поскольку сигнал спиртовых ОН протоновГФК составлял от 50 до 100% от сигнала остаточных протонов растворителя, в результатеошибка в определении спиртовых ОН групп могла достигать 2 - 4% (отн).Во-вторых, присутствие в препарате ГФК ионов металлов, обусловленное неполнымобессоливанием, влечет за собой недоопределение карбоксильных групп, находящихся всолевой форме.
Анализ состава зольности использовавшихся препаратов ГФК показал,что содержание металлов не превышало 0.0005 моль на моль водорода, что могловызывать недоопределение до 6% карбоксильных групп.Следует отметить, что высокозольные препараты ГФК плохо растворяются в ДМСОd6, что ограничивает возможность применения разработанного метода.2.3.2. Распределение водорода в структуре ГФКВ соответствии с изложенной выше схемой было охарактеризовано распределениеводорода в структуре 21 препарата ГФК различного происхождения. Результатыинтегрирования соответствующих спектров приведены в Приложении 4.
Результатырасчетов содержания протонов различных типов в образцах ГФК приведены в табл. 2.8. Вэтой же таблице приведены значения параметров СAr-H/СAlk-H (гдеСAlk-H = CHn-O+CHn+α-CHn) и СAr-OH/СArH. Первое из этих соотношений обычноиспользуется [70] как показатель обогащенности ГФК ароматическими структурами.Второй параметр был предложен нами как одна из характеристик окисленностиароматических колец.87Таблица 2.8.Распределение водорода в препаратах ГФК различного происхождения по данным спектроскопии ПМР.ПрепаратГФКСООНCAr-HHBWHBWNd9813.512HMG1120FA1NFA3N1313.58.59.5T5T6T7T10HTLTTLHTO89.51098971015.51613.5131312FMX-8FIX-8FG1FAHO10FA1212.5111177.56.511AGKAHA14122319.5SELBS1FASWM410.514.51012.5129Доля протонов, %CAr-OHСHn-OCAlk-OHα-CHnГК дерново-подзолистых почв727.5915.5729617ГК чернозема8.5226.517ФК дерново-подзолистых почв7.524819827817ГФК торфа530918102991493091310.530814832914929.58.516834915ГФК природных вод528819829718428921929915ГФК бурого угля6.513020.58.519.5119Прочее732.511.5148.5296168361412CHnСоотношенияCAr-H/CAlk-HCAr-OH/CAr-H18.5210.520.580.220.18150.430.3720170.880.840.130.16201313151615150.500.650.560.780.620.690.670.150.280.290.230.210.210.19211820.5160.711.070.620.820.100.120.090.182320.50.280.440.410.331214110.560.710.890.210.200.1588Как следует из таблицы, содержание карбоксильных групп в исследованныхпрепаратах ГФК составляло от 7 до 14.5%.
При этом ФК почв, ГФК поверхностных вод иугля характеризовались более высоким содержанием этих групп по сравнению с ГФКторфа и ГК почв. Результаты ПМР-определения карбоксильных групп были сопоставленыс имеющимися для ряда препаратов величинами, полученными при помощи кальцийацетатного метода и pK-спектроскопии [16] (Табл. 2.9). Для проведения сопоставлениясодержание карбоксильных групп было пересчитано в мэкв/г с использованием данныхэлементного анализа согласно следующей формуле:COOH(мэкв/г) = COOH(ПМР, %)×H(эл.ан., мэкв/г)(2.10)Таблица 2.9.Сопоставление результатов определения карбоксильных групп методамититриметрии и спектроскопии ПМР.ПрепаратСодержание СООН-групп, мэкв/гГФКПМРCa-AcpK-спектрT53.03.13.0T63.33.12.7T73.02.92.5T103.83.16.0HTL3.54.03.9SEL4.03.94.3Как видно из таблицы, большинство результатов удовлетворительно согласуютсямежду собой.Содержание ароматических протонов было максимально для обоих препаратов ГФКугля и чернозема (HMG).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
