КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

ПАЦАЙ Ігор Орестович

УДК 543.535.379

ХЕМІЛЮМІНЕСЦЕНТНІ РЕАКЦІЇ НІТРАТУ

9-ЦІАНО-10-МЕТИЛАКРИДИНІЮ З НУКЛЕОФІЛЬНИМИ РЕАГЕНТАМИ ТА ЗАСТОСУВАННЯ ЇХ В АНАЛІЗІ

02.00.02. – аналітична хімія

А в т о р е ф е р а т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата хімічних наук

К и ї в – 2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Львівському національному університеті імені Івана Франка Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: кандидат хімічних наук, доцент

Гута Олексій Михайлович,

Львівський національний університет імені Івана Франка,

доцент кафедри аналітичної хімії

Офіційні опоненти: доктор хімічних наук, професор

Линник Петро Микитович,

Інститут гідробіології НАН України,

завідувач відділу гідрохімії

кандидат хімічних наук, старший науковий співробітник

Калініченко Іван Омелянович,

Інститут колоїдної хімії та хімії води ім. А.В.Думанського НАН України,

старший науковий співробітник відділу аналітичної хімії

Провідна установа: Інститут монокристалів НАН України, м.Харків.

Захист відбудеться "_22_" ____грудня______ 2003 р. о _14.00_ год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.03 Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: м. Київ, вул. Володимирська, 60, хімічний факультет, Велика хімічна аудиторія.

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка (м. Київ, вул. Володи-
мирська, 58).

Автореферат розісланий "_11_" ____листопада____ 2003 року

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Олексенко Л.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Хемілюмінесцентний (ХЛ) аналіз використовують переважно для визначення металів. Серед речовин, що не містять металів, хемілюмінесцентно визначають окремі окисники, відновники, активатори металів-каталізаторів ХЛ та інгібітори радикальних процесів. Можливості ХЛ методів аналізу для визначення органічних і неорганічних речовин, що не містять металів, реалізовані на даний час недостатньо. Тому актуальним є пошук нових ХЛ реакцій, вивчення можливості їх застосування в аналізі для розширення застосування ХЛ методу. Базисом такого пошуку можуть бути реакції N-метильованих моноакридинієвих солей з органічними і неорганічними нуклеофільними реагентами. Одним з найбільш реакційно здатних субстратів таких реакцій є нітрат 9-ціано-10-метилакридинію (НЦМА).

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась згідно науково-дослідної тематики кафедри аналітичної хімії Львівського національного університету імені Івана Франка по дослідженню
10-метилакридинієвих ХЛ аналітичних реагентів. Робота є складовою частиною держбюджетних тем ХА-755Б “Розробка методів аналізу шкідливих речовин у водах” (№ 01.04-МВ/**-96) та ХА-415Б “Розробка нових методів концентрування шкідливих речовин та їх наступного аналітичного контролю в водах”
(№ 0199U003614).

Мета і задачі дослідження. Розширення можливостей хемілюмінесцентного визначення речовин, що не містять металів, на основі реакцій НЦМА з нуклеофільними реагентами. Для досягнення цієї мети необхідно:–

встановити особливості взаємодії НЦМА з нуклеофільними реагентами;–

здійснити вибір аналітично важливих реакцій нуклеофільного приєднання до катіону 9-ціано-10-метилакридинію, які можуть стати основою нових ХЛ методів;–

вибрати оптимальні умови перебігу реакцій і розробити нові ХЛ методи визначення речовин, що не містять металів, за допомогою НЦМА;–

вивчити аналітичні характеристики та можливість практичного застосування розроблених методів.

Об’єкт дослідження – нові ХЛ реакції НЦМА та застосування їх в хімічному аналізі.

Предмет дослідження – реакції НЦМА з нуклеофільними реагентами, приєднання яких відбувається через О-, N- або S-атоми; закономірності та умови їх перебігу; хемілюмінесцентне визначення гідразину, гідроксиламіну, сульфіту, цистеїну, тіогліколевої та аскорбінової кислот.

Методи дослідження: хемілюмометрія, УФВИД спектроскопія, потенціометрія, циклічна вольтамперометрія, рентгеноструктурний аналіз.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше досліджено реакції НЦМА з гідразином, гідроксиламіном, сульфітом, тіогліколевою і аскорбіновою кислотами та цистеїном. Одержано продукти нуклеофільного приєднання цих речовин до НЦМА і вивчено їх ХЛ властивості. Показано, що нітрат 9-ціано-10-метилакридинію можна використовувати як ХЛ реагент для визначення як органічних, так і неорганічних, сполук з нуклеофільними властивостями.

Практичне значення одержаних результатів. Дані, отримані в результаті проведеного дослідження, розширюють відомості про ХЛ властивості солей
10-метилакридинію, реакції нуклеофільного приєднання та їх значення в ХЛ перетвореннях моноакридинієвих сполук. Одержані результати можуть бути основою для вивчення властивостей інших моноакридинієвих солей, прогнозування перебігу їх реакцій з нуклеофільними реагентами. Розроблений спосіб вивчення кінетики перетворення НЦМА, який поєднує методи диференційного числення і оптимізації, а також алгоритми та комп’ютерні програми можна використовувати для вивчення реакцій інших ХЛ субстратів. Розроблені методи визначення нуклеофільних реагентів можна застосовувати для аналізу різних об’єктів, зокрема природних, технологічних та інших вод, фармацевтичних препаратів тощо.

Особистий внесок здобувача. Аналіз літературних даних, експериментальні роботи, що стосуються дослідження реакцій нітрату 9-ціано-10-метилакридинію з нуклеофільними реагентами та вивчення можливості їх застосування в ХЛ аналізі виконані дисертантом самостійно згідно з вказівками наукового керівника. Спектри люмінесценції та хемілюмінесценції одержували на кафедрі експериментальної фізики Львівського національного університету ім. І. Франка за участю д.ф.-м.н., пров. наук. співроб. Волошиновського А.С. Циклічні вольтамперограми одержували на установці кафедри фізичної і колоїдної хімії цього ж університету. Квантовохімічні розрахунки виконували згідно програми наукової співпраці між Гданським і Львівським університетами з використанням обчислювальних машин класу Рentium-ІІІ-700 та пакетів програмного забезпечення MOPAC i HyperChem.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи викладені на VI Науковій конференції "Львівські хімічні читання – 97" (Львів, 1997 р.), Всеукра-їнській конференції з аналітичної хімії, присвяченій 90-річчю від дня народження член.-кор. НАН України В.А.Назаренка (Ужгород, 1998 р.), III Всеросійській конференції з аналізу об’єктів навколишнього середовища "Экоаналитика-98" (Краснодар, 1998 р.), I Західноукраїнському симпозіумі з адсорбції та хроматографії (Львів, 1997 р.), Міжнародній конференції "Чистота довкілля у нашому місті" (Львів, 1999 р.), III Всеросійській конференції "Органические реагенты в аналити-ческой химии" (Саратов, 1999 р.), Всеукраїнській конференції з аналітичної хімії, присвяченій 100-річчю від дня народження проф. М.П.Комаря (Харків, 2000 р.), XIX Українській конференції з органічної хімії (Львів, 2001 р.), І Російсько-українсько-польській конференції з молекулярних взаємодій (Гданськ, 2001 р.), наукових конференціях Львівського національного університету (Львів, 1998-2000 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 8 статей і 10 тез доповідей.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота викладена на 159 сторін-ках та складається зі вступу, 6 розділів, висновків, списку використаних літератур-них джерел, що нараховує 257 назв, і 3-х додатків, містить 52 рисунки і 28 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми, поставлено мету та завдання дослідження, показано наукову новизну і практичну цінність роботи.

У першому розділі – літературному огляді, подано дані про ХЛ реакції моно- та біакридинієвих субстратів, в т.ч. люцигеніну та солей 10-метилакридинію. Описано застосування 10-метилакридинієвих сполук в хімічному аналізі. Розділ містить також дані про відомі методи визначення окремих речовин з нуклеофільною здатністю: гідразину, гідроксиламіну, сульфіту, тіогліколевої кислоти та цистеїну.

Опис методик експериментальних досліджень та використаного обладнання приведено у другому розділі. Вимірювання параметрів хемілюмінесценції виконували ХЛ фотометром, який дозволяє реєструвати кінетику світіння і одержувати значення інтегрального світіння (світлосуми) за довільний час від моменту змішування реагентів. Основні вузли ХЛ фотометра: аналітичний блок з фотопомножувачем ФЭУ-39А, високовольтний стабілізатор БХВЗ-05 (для живлення ФЭУ-39А), електрометричний підсилювач У1-7, інтегратор И-02, потенціометр-самописець К201. Спектри хемілюмінесценції та флуоресценції реєстрували за допомогою установки, компонентами якої є світлосильний монохроматор МДР-2, фотопомножувач ФЭУ-39А, підсилювач постійного струму В2-34 і графопобудувач Н306. Лінію збудження ртутної лампи ДРШ-250 (366 нм) виділяли за допомогою подвійного монохроматора ДМР-4. В роботі використовували також спектрофо-тометр "Specord M40", фотоелектроколориметр КФК-3. Значення рН середовища контролювали іонометром В-74. Циклічні вольтамперограми одержували на установці з трьохелектродною чарункою. Робочий електрод – скловуглецевий, допоміжний – платиновий, а електрод порівняння – насичений каломелевий.

В третьому розділі приведено результати вивчення електрофільної здатності НЦМА, його окисно-відновних властивостей та взаємодії з оксигеновмісними нуклеофільними реагентами.

Електрофільність та окисно-відновні властивості НЦМА. Здатність НЦМА приєднувати нуклеофільні реагенти раніше не вивчалась. НЦМА серед інших солей 10-метилакридинію (метилсульфатів 10-метилакридинію і 9,10-диметилакридинію), що також є аналітичними реагентами, вирізняється підвищеною електрофільністю внаслідок наявності електроноакцепторної СN-групи при атомі С(9) циклу, на якому локалізований активний реакційний центр катіону субстрату (RCN+):

Взаємодія RCN+ з нуклеофільним реагентом є його приєднанням по спряжених кратних зв’язках акридинієвого циклу. Одержані нами дані показують, що до RCN+, на відміну від карбонільних і нітрогеновмісних субстратів з ізольованим кратним зв’язком, приєднуються в основному найбільш активні нуклеофільні реагенти. Все ж їх число є значним і для багатьох з них розробка надійних методів аналізу є актуальною. З НЦМА ефективно взаємодіють N2H4 та його похідні, NH2OH, сульфід, сульфіт, меркаптосполуки, ОН--іон, окремі спирти та Н2О2.

НЦМА є стійким до окиснення. Це підтверджується також вольтамперо-метричними дослідженнями. При розгортці потенціалу лише в анодну область аж до значення потенціалу розряду води окиснення RCN+ не спостерігається. Серед окисників – KMnO4, (NH4)2S2O8, K2Cr2O7, KHSO5 і органічних пероксикислот, помітно окиснює RCN+ лише KHSO5. Окремі реагенти відновлюють RCN+ до
9-ціано-10-метилакридану, зокрема металічний цинк, азид натрію та аскорбінова кислота (АК):

Реакція RCN+ з АК (рН10) супроводжується ХЛ, виникнення якої ймовірно зумовлене участю О2-., що утворюється при окисненні АК розчиненим О2.

Взаємодія НЦМА з оксигеновмісними нуклеофілами. Серед нуклеофільних реагентів, реакційний центр яких локалізований на О-атомі, найактивнішими в реакціях з НЦМА є Н2О2 і ОН--іон. Нами вивчено аналітично важливі особливості їх приєднання до RCN+. Реакція НЦМА з Н2О2 – одна з найефективніших ХЛ реакцій, використана нами як індикаторна в більшості розроблених ХЛ методах. Нуклеофільне приєднання ОН--іона – це конкуруючий з приєднанням інших нуклео-філів темновий процес, що відбувається з утворенням 10-метилакридону (10-МА):

Швидкість цього процесу описується кінетичним рівнянням -d[RCN+]/dt = k[RCN+][OH-]. Спектрофотометрично встановлено, що k=(61)102 М-1с-1. Утворення оксинітрилу – 9-ціано-9-гідрокси-10-метилакридану (псевдооснови, R(CN)OH), є лімітуючою стадією процесу.

В ХЛ реакції НЦМА з Н2О2 початковою стадією є нуклеофільне приєднання НО2- до RCN+ з утворенням гідропероксиду (І). Це також підтверджують результати вивчення залежності значення світлосуми (S8) за час перебігу ХЛ процесу від концентраційних умов і рН середовища (табл.1).

Таблиця 1

Оптимальні значення pH при різних концентраціях H2O2

(5.10-7 М НЦМА) в умовах максимального світловиходу

При сталому вмісті НЦМА для різних вмістів Н2О2 в межах 5•10-4… 1М в оптимальних для ХЛ умовах вміст НО2--іона є практично сталим. Зокрема, при
5.10-7 М НЦМА цей вміст становить ~3•10-4 М. Аніонна форма гідропероксиду (ІІ) необоротно перетворюється в діоксетан (ІІІ), розпад якого веде до збудженого
10-МА (ІV) – випромінювача світіння:

До RCN+ нуклеофільно приєднуються також алкоголят-іони – СН3О- і С2Н5О-, однак фенолят-іон С6Н5О- з RCN+ не взаємодіє. Іони СН3О- і С2Н5О- ефективніше за ОН- приєднуються до RCN+. Через це у водно-спиртових лужних розчинах сповільнюється темнове перетворення RCN+ в 10-МА внаслідок дії ОН--іона.

Одержані значення Крівн, результати кінетичних досліджень показують, що за нуклеофільною здатністю в реакції з RCN+ оксигеновмісні реагенти можна розмістити в ряд: СН3О- ? С2Н5О- > НО2- > ОН- . Важливою для аналізу є взаємодія НЦМА з Н2О2 та ОН--іоном. Занадто низький вміст алкоголят-іонів в розчинах СН3ОН і С2Н5ОН утруднює застосування взаємодії цих спиртів з НЦМА в аналізі.

В четвертому розділі наведено результати дослідження реакцій НЦМА з нуклеофільними реагентами, активний реакційний центр яких локалізований на
N-атомі. НЦМА ефективно взаємодіє з NH2OH, N2H4 та окремими їх похідними, зокрема H3CONH2 i C6H5NHNH2. Аліфатичні, ароматичні і гетероциклічні аміни до RCN+ не приєднуються, хоч здатні нуклеофільно приєднуватися до ряду інших субстратів.

Взаємодія з гідразином. Гідразин нуклеофільно приєднується до RCN+ при рН5 з утворенням 9-ціано-9-гідразино-10-метилакридану (ЦГМА):

За УФ спектрами НЦМА і ЦГМА суттєво різні і це дозволило спектрофотометрично досліджувати перебіг процесів та встановити значення Крівн реакції, яке становить (2,3±0,2)•10-5.

У водних розчинах (рН10) ЦГМА з часом перетворюється без вилучення світла в стійкі кінцеві продукти – 10-МА і 9-гідразоно-10-метилакридан:

Значення констант швидкості знайдено комп’ютерним розрахунком кінетики перетворень: k1=1,5?102 лмоль-1с-1, k2=7,1106 лмоль-1с-1, k3=5,6?102 лмоль-1с-1, k4=9,610-4 с-1. Правильність розрахованих значень констант підтверджується експериментальними даними (рис.1).

При додаванні НЦМА до лужного розчину N2H4 (рН10) виникає ХЛ, що зумовлена взаємодією RCN+ з Н2О2, який утворюється при окисненні гідразину розчиненим О2. Максимальний світловихід є при рН13. Окиснення N2H4 розчиненим О2 і взаємодія RCN+ з Н2О2 є конкуруючими до утворення ЦГМА. ХЛ ефект корелює з кількістю нагромадженого Н2О2 в лужних розчинах N2H4 і зумовлений лише взаємодією RCN+ з Н2О2, що підтверджено експериментально.

ХЛ виникає також при окисненні ЦГМА такими реагентами як KHSO5 i дипероксиадипіна кислота (ДПАК). При додаванні Н2О2 до лужного розчину ЦГМА не відбувається окиснення субстрату. Н2О2 реагує з рівноважним RCN+, і виникає ХЛ:

Взаємодія з гідроксиламіном. Нуклеофільне приєднання NH2OH до RCN+ є оборотним процесом і відбувається з утворенням 9-ціано-9-гідрок-силаміно-10-метилакридану (ЦГАМА) при рН4:

Утворення продукту приєднання NH2OH до RCN+ через О-атом реагента не відбувається. Квантово-хімічні розрахунки показують енергетичну вигідність приєднання саме через N-атом. Крім того встановлено, що до RCN+ легко приєднується H2N-O-CH3, в той час, як з (CH3)2N-OH взаємодія відсутня. Перебіг процесів контролювати спектрофотометрично – знайдене значення Крівн становить (9,0±0,8)•10-5.

ЦГАМА є стійким в близьких до нейтрального середовищах, а помітно перетворюється тільки при рН>8. З кінцевих продуктів цього перетворення ідентифіковано лише 10-МА. Грунтуючись на одержаних експериментальних –спектральних та інших, можна припускати такий перебіг процесів:

При змішуванні НЦМА з NH2OH в лужних розчинах (рН10) виникає спалахоподібна ХЛ. Її тривалість визначається концентраційними умовами та pH, однак не перевищує 1 хв (рис.2). ХЛ зумовлена участю розчиненого кисню і при попередній деаерації розчинів аргоном не виникає. Нами не виявлено кореляції між кількістю Н2О2, що утворюється при окисненні NH2OH за цих умов розчиненим О2, і ХЛ ефектом, як це є для N2H4 (див. с.6).

В реакції NH2OH з розчиненим О2 в більшій мірі ніж для N2H4 утворюються, крім Н2О2, інші активні в ХЛ процесах продукти – О2.-, NH2., пероксинітрити тощо. Якщо припустити можливість їх взаємодії, як і Н2О2, з RCN+, то відсутність кореляції між вмістом Н2О2 і ХЛ стає зрозумілою. Можливою є ХЛ взаємодія RCN+ з О2.- – радикалом з вираженою нуклеофільністю:

ХЛ взаємодія НЦМА з NH2OH в лужному середовищі є основою розробленого нами методу визначення цього реагента.

Результати досліджень реакцій НЦМА з сульфуровмісними нуклеофільними реагентами наведено в п’ятому розділі. Встановлено, що до RCN+ нуклеофільно приєднуються лише меркаптореагенти та сульфіт-іон. Ефективно взаємодіють меркаптосполуки з НS-групою при sp3-гібридизованому атомі карбону. Детальніше досліджено взаємодію НЦМА з сульфітом, тіогліколевою кислотою (ТГК) та цистеїном (Cys). Меркаптосполуки приєднуються до RCN+ як тіолят-іони, через атом сульфуру, і при цьому утворюються акриданові похідні сульфідної природи. У випадку SО32- утворюється особливо стійка акриданова сульфонатна сполука:

Мінімальне значення рН середовища, при якому помітне утворення продуктів приєднання, залежить від природи нуклеофіла. Зокрема, утворення R(CN)SO3- можна зауважити вже при рН 2-2,5, тоді як R(CN)SCH2CH(NH2)COO- – тільки при рН>6.

В реакціях з RCN+ S-нуклеофіли проявляють вищу нуклеофільну здатність за О- та N-нуклеофіли, аналогічно як і в реакціях з багатьма іншими субстратами. Для S-нуклеофілів характерними є високі значення відповідних Крівн (табл.2).

Таблиця 2

Значення Крівн реакцій RCN+ з S-вмісними нуклеофілами

Продукти приєднання S-вмісних реагентів до RCN+ в середовищах від слабкокислого до слабколужного стійкі тривалий час, а при рН11 перетворюються лише у 10-МА. На відміну від ЦГМА і ЦГАМА, акриданові продукти приєднання
S-нуклеофілів не перетворюються внутрішньо-молекулярно. В лужних розчинах продуктів R(CN)SX, крім необоротного утворення 10-МА, суттєвим є також окиснення нуклеофілу розчиненим О2, яке в основному приводить до дисульфідних сполук:

Такий механізм перетворення сполук R(CN)SX в лужних розчинах підтверджується кінетичними і спектральними даними. Типовими є спектральні зміни з часом в лужних розчинах R(CN)SO3-, які вказують на відносно швидке незворотне перетворення цього продукту у 10-МА. Особливістю серії одержаних з різним часовим інтервалом від моменту утворення R(CN)SO3- спектрів є наявність двох ізобестичних точок ( 270 і 350 нм), що зберігаються до повного завершення його перетворення (рис.3).

За умов утворення продуктів нуклеофільного приєднання S-нуклеофілів до RCN+ навіть в лужному середовищі світіння не виникає, однак окиснення їх окремими реагентами супроводжується ХЛ (табл.3). Її кінетика залежить від природи окисника.

Таблиця 3

Дія окисників на R(CN)SX

Примітки: " + " – окиснює з виділенням ХЛ; " " – окиснює без виділення ХЛ;
" – – " – не окиснює

В реакціях продуктів R(CN)SX з Н2О2 світіння довготривале і практично стаціонарне. Значення максимальної інтенсивності світіння (Іmax) корелює з вмістом рівноважно утвореного в процесі дисоціативного розпаду R(CN)SX іона RCN+, з яким хемілюмінесцентно реагує Н2О2. Для реакцій з КНSО5 і ДПАК, можливо, механізм ХЛ процесів є іншим. Цілком ймовірно, що відбувається пряме окиснення R(CN)SX цими окисниками.

У шостому розділі узагальнено хіміко-аналітичні особливості взаємодії НЦМА з нуклеофільними реагентами, описано можливі аналітичні схеми ХЛ визначення речовин з нуклеофільною здатністю за допомогою НЦМА, аргументовано вибір оптимальної схеми для визначення кожної з речовин -– гідразину, гідроксиламіну, сульфіту, цистеїну, тіогліколевої та аскорбінової кислот. Запропоновані схеми аналізу грунтуються на специфічних особливостях НЦМА, як аналітичного ХЛ реагента, відмінностях між собою за властивостями та стійкістю продуктів нуклеофільного приєднання і самих нуклеофільних реагентів. В цих схемах використано такі реакції:–

взаємодію RCN+ з Н2О2 як індикаторну реакцію;–

темнове перетворення НЦМА в лужному середовищі без помітного впливу на вміст продуктів нуклеофільного приєднання, що є аналітичними формами;–

кислотний розклад продуктів приєднання з одночасним регенеруванням катіону RCN+;–

утворення хемілюмінесцентно активних оксигеновмісних сполук в реакціях окремих нуклеофілів з розчиненим О2.

Конкретні аналітичні схеми визначення і послідовність процесів при їх реалізації наведено в табл.4. Схему 1 доцільно використовувати для визначення нуклеофільних реагентів, зокрема ТГК і Cys, продукти приєднання яких до НЦМА відносно менш стійкі і можливе заміщення в них нуклеофільного залишку на НО2--іон.

Таблиця 4

Схеми ХЛ визначення нуклеофілів за допомогою НЦМА

Друга схема грунтується на регенерації ХЛ субстрату (RCN+) після ряду його послідовних перетворень, що включають взаємодію з нуклеофілом, який визначають. Аналітичний сигнал за цією схемою одержували, використовуючи індикаторну реакцію регенерованого субстрату з Н2О2. Ця схема є оптимальною для визначення N2H4 і сульфіту, продукти приєднання яких є особливо стійкими.

На утворенні активних в ХЛ оксигеновмісних продуктів в реакціях нуклеофілів з розчиненим О2 грунтується третя аналітична схема, що є найоптимальнішою для визначення NH2OH і АК. Цю схему можна використовувати і для визначення N2H4, однак більш чутливим є його визначення за схемою 2.

Вибрано оптимальні умови і розроблено ХЛ методи визначення гідразину, гідроксиламіну, сульфіту, цистеїну, тіогліколевої та аскорбінової кислот. Аналітичним параметром є світлосума. Вивчено аналітичні характеристики (табл.5) і селективність визначення аналітів.

Вивчена можливість застосування розробленого методу для визначення гідразину в водах теплових електростанцій, де він використовується як антикорозійна добавка. Сторонні речовини, що присутні в цих водах, не заважають його визначенню, оскільки нормований їх вміст є значно менший допустимого. Метод перевірений визначенням N2H4 в чистих розчинах, питній воді і модельних сумішах, які за складом відповідали живильним водам ТЕС. Одержані дані співставлені з результатами фотометричного визначення N2H4 за допомогою
4-диметиламінобензальдегіду. Результати хемілюмінесцентного та фотометричного аналізу задовільно співпадають (табл.6).

Примітка. ББ – боратний буферний розчин

Таблиця 6

Результати визначення гідразину в модельному розчині

хемілюмінесцентним (ХЛ) і фотометричним (ФМ) методами при n=5, P=0,95

ХЛ визначення N2H4 за допомогою НЦМА є простим і експресним, а за чутливістю переважає відомий ХЛ метод на основі люцигеніну.

Особливістю розробленого методу визначення гідроксиламіну є добра відтворюваність, максимальне значення відносної похибки визначення не перевищує 3% (табл.7). Метод характеризується високою селективністю – допустимі молярні кратні вмісти сторонніх речовин при ХЛ визначенні 510-7 М NH2OH становлять для: Cu(II), Cr(III) – 100; Co(II), Pb(II)– 500; NH4+ – 2·104;
Hg(II) – 60; Mn(II) – 30. Важливою особливістю розробленого ХЛ методу є те, що за його допомогою можна визначати NH2OH в присутності високого вмісту NН3 (NН4+), чим даний метод вигідно відрізняється від відомих.

Таблиця 7

Максимальні значення відносних похибок визначення NH2OH

для різних концентраційних інтервалів

Розроблений нами ХЛ метод дозволяє визначати сульфіт в присутності значних вмістів інших нуклеофільних реагентів, зокрема N2H4 і NH2OH (табл.8). Це пояснюється тим, що в умовах витримування суміші НЦМА+SO32-, що відбувається при досить високому значенні рН (12), продукти приєднання до RCN+ гідразину і гідроксиламіну – ЦГМА і ЦГАМА, є нестійкі і швидко дезактивуються.

Cульфіт використовують як антикорозійний компонент контурних і живильних вод багатьох ТЕС. Вивчена можливість контролю його вмісту в таких водах за допомогою розробленого методу. Виконано визначення сульфіту в чистих розчинах і модельних сумішах, які за складом відповідали живильним водам ТЕС. Отримані результати показали правильність визначення сульфіту за даним методом.

Таблиця 8

Допустимі молярні кратні вмісти сторонніх речовин при

ХЛ визначенні сульфіту (210-7 М SО32-)

Визначення тіогліколевої кислоти і цистеїну за розробленими нами ХЛ методами характеризується задовільною чутливістю та селективністю. Суттєво заважають визначенню лише інші речовини з нуклеофільною здатністю, такі як N2H4, NH2OH, а також аскорбінова кислота, що в цих умовах ХЛ взаємодіє з НЦМА. Дисульфіддитіогліколева кислота і цистин, що легко утворюються при окисненні ТГК і Cys, а тому супроводжують їх в багатьох об’єктах, не приєднуються нуклео-фільно до НЦМА. Це дозволяє селективно визначати ТГК і цистеїну в присутності згаданих дисульфідних сполук. Крім того визначення цистеїну за допомогою НЦМА можна виконувати в присутності інших амінокислот, в тому числі і сульфуро-вмісних. Розроблений метод дозволяє, наприклад, визначати цистеїн в присутності значних кількостей (?10-3 М) метіоніну – СH3SCH2CH2CH(NH2)COOH (табл.9).

Таблиця 6.10

Результати визначення цистеїну в 10-3 М розчині метіоніну

Розроблений метод визначення аскорбінової кислоти характеризується простотою, надійністю, задовільною відтворюваністю результатів. Відносна похибка визначення не перевищує 6%. В порівнянні з відомим ХЛ методом визначення АК за допомогою люцигеніну, розроблений нами метод є більш чутли-вим і селективним. Визначенню АК в найбільшій мірі заважають Mn(II) та речовини з нуклеофільною здатністю, що зумовлено конкуруючими їх реакціями з НЦМА.

Вивчена можливість застосування цього методу для визначення АК в ряді медпрепаратів. Задовільні результати одержано при визначенні АК в препаратах "Фероплекс", "Аскорутин" та "Вітафтор" (табл.10).

Таблиця 10

Результати визначення АК в препараті "Вітафтор" (n=5, P=0,95)

* Примітка. Вміст АК, встановлений йодатометрично

ВИСНОВКИ

1. Вивчено взаємодію нітрату 9-ціано-10-метилакридинію (НЦМА) з нуклеофільними реагентами, у яких активний реакційний центр локалізований на
O-, N- чи S-атомі. Виявлено та досліджено нові реакції НЦМА з метанолом, етанолом, аскорбіновою кислотою, гідразином, гідроксиламіном, сульфідом, сульфітом, цистеїном і тіогліколевою кислотою. Показано можливість хемілюмінесцентного (ХЛ) визначення речовин з нуклеофільною здатністю.

2. Показано, що утворення продуктів приєднання в реакціях НЦМА з нуклеофільними реагентами є оборотним процесом. Визначено Крівн реакцій НЦМА з O-, N- та S-вмісними нуклеофілами. В межах кожної з цих груп реагентів, значення Крівн реакцій катіона 9-ціано-10-метилакридинію (RCN+) з осну?ними аніонними формами реагентів корелюють з відповідними Кb і становлять 1,4·105, 5,6·105 і 1,1·106 для НО2-, СН3О- і С2Н5О-; 2,1·10-5 і 9,0·10-5 – N2H4 і NH2OH; 2,1·108, 1,9·106, 7,1·106 і 3,5•107 – S2-, SO32-, -SCH2CH(NH2)COO- i -SCH2COO-, відповідно.

3. Досліджено стійкість продуктів приєднання. Встановлено, що при рН>9 з помітною швидкістю відбувається їх перетворення, яке в сильнолужних розчинах стає значним. Механізм перетворення визначається природою залишку нуклеофілу в молекулі продукту. В R(CN)OCH3, R(CN)OC2H5 i продуктах приєднання S-вмісних реагентів залишок нуклеофіла не ініціює внутрішньо-молекулярне перетворення продукту. Для цих продуктів відбувається лише його заміщення (SN1) ОН--іоном з подальшим утворенням 10-метилакридону (10-МА). Внутрішньо-молекулярно перетворюються продукти R(CN)OH, R(CN)OOH, R(CN)NHNH2 i R(CN)NHOH. При цьому утворюються стійкі кінцеві сполуки з подвійним зв’язком між атомом С(9) акриданового циклу і О- чи N-атомом нуклеофільного залишку. Ці сполуки ідентифіковано. Крім 10-МА, це 9-гідразоно-10-метилакридан для R(CN)NHNH2- і
9-іміно-10-метилакридан для R(CN)NHOH.

4. Виконано кінетичні дослідження процесів перетворення продуктів приєднання в лужному середовищі. Знайдено окремі константи швидкостей реакцій. Зокрема, для реакції НЦМА з N2H4 їх значення такі: k1 = 1,5·102 М-1·с-1 і
k-1 = 7,1·106 М-1·с-1 (асоціативна стадія реакції), k2 = 5,6·102 М-1·с-1 (конкуруюче перетворення RCN+ до 10-МА при дії ОН--іона) і k3 = 9,6·10-4 с-1 (перетворення R(CN)NHNH2 до 9-гідразоно-10-метилакридану). Встановлено, що лімітуюча стадія реакції RCN+ з ОН--іоном, кінцевим продуктом якої є 10-МА, це оборотний процес утворення карбінолу (оксинітрилу R(CN)OH).

5. Досліджено хемілюмінесцентні властивості R(CN)OOH, R(CN)NHNH2, R(CN)NHOH та S-вмісних продуктів нуклеофільного приєднання. Хемілюмінесценція R(CN)OOH зумовлена його внутрішньо-молекулярним перетворенням до активного діоксетану, що за будовою і властивостями відрізняється від усіх відомих, а квантовий вихід ХЛ в інтервалі рН 5-12 не змінюється при сталому вмісті іону НО2-. Для решти продуктів ХЛ спостерігається лише при дії Н2О2, чому передує заміщення залишку нуклеофілу на НО2--іон, а крім того в реакціях з KHSO5 i (NH4)2S2O8. Встановлено, що в порівнянні з вихідними нуклеофілами продукти приєднання є стійкішими до окиснення, зокрема, не відбувається їх окислення розчиненим О2. Вибрано оптимальні умови для аналітично важливих ХЛ процесів.

6. Показано, що ХЛ визначення речовин з нуклеофільною здатністю за допомогою НЦМА можливе на основі ХЛ реакцій продуктів приєднання з окисниками, індикаторної ХЛ реакції Н2О2 з RCN+, що утворюється при попередньому кислотному розкладі продукту приєднання, а також ХЛ реакцій з НЦМА активних оксигеновмісних продуктів окиснення окремих реагентів, зокрема, N2H4, NH2OH і аскорбінової кислоти в лужному середовищі розчиненим О2.

7. Розроблено ХЛ методи визначення гідразину та гідроксиламіну, нижній визначуваний вміст яких становить 0,7 і 3 нг/мл, межа лінійності градуйованого графіка становить 160 і 1500 нг/мл, відповідно. Вивчено вплив ряду сторонніх речовин на ХЛ визначення N2H4 і NH2OH. Допустимі кратні вмісти для більшості з них становлять 102-104. Визначення N2H4 і NH2OH в чистих розчинах і модельних сумішах підтверджують правильність і вказують на добру відтворюваність результатів аналізу. Показана можливість визначення гідразину у водах теплоелектростанцій за даним методом.

8. Розроблено ХЛ метод визначення аскорбінової кислоти. Нижній визначуваний вміст становить 50 нг/мл, межа лінійності градуйованого графіка становить 1,5 мкг/мл. Визначення є селективним, допустимі кратні вмісти сторонніх речовин досягають 103. Показана можливість використання методу для визначення аскорбінової кислоти в медпрепаратах "Вітафтор", "Фероплекс" та "Аскорутин".

9. Розроблено ХЛ методи визначення тіогліколевої кислоти та цистеїну за допомогою акридинієвого субстрату – НЦМА, нижній взначуваний вміст становить 15 і 80 нг/мл, відповідно. Визначенню не заважають дисульфідні продукти окис-нення ТГК і Сys. Важливим є те, що за даним методом цистеїн можна визначати в присутності інших амінокислот, в тому числі сульфуровмісних, зокрема, метіоніну.

10. Розроблено ХЛ метод визначення сульфіту з нижнім визначуваним вмістом 1 нг/мл. Показана можливість застосування методу для визначення сульфіту в живильних водах теплових електростанцій.

РОБОТИ, ОПУБЛІКОВАНІ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Гута О.М., Пацай І.О. Хемілюмінесцентна реакція нітрату 9-ціано-10-метил-акридинію з гідразином та розчиненим киснем // Укр. хим. журн. – 2000. – Т.66, №3-4. – С.39-42.

2. Гута А.М., Пацай И.О., Мидяный С.В. Хемилюминесцентное определение гидразина в водах с помощью нитрата 9-циано-10-метилакридиния // Химия и технология воды. – 1999. – Т.21, №4. – С. 378-382.

3. Huta O.M., Patsaj I.O., Konitz A., Meszko J., Blazejowski J. 9-Cyano-10-methylacridinium hydrogen dinitrate // Acta Cryst. Sec. C. – 2002. – V.58, Part 05. – P. o295-o297.

4. Пацай І., Гута О., Мідяний С. Аналітичне застосування хемілюмінес-центної реакції нітрату 9-ціано-10-метилакридинію з гідроксиламіном // Вісн. Держ. ун-ту "Львівська політехніка" "Хімія, технологія речовин та їх застосування". – 1997. – 332. – С.37-39.

5. Гута О.М., Пацай І.О., Мідяний С.В. Хемілюмінесцентна реакція нітрату
9-ціано-10-метилакридинію з гідроксиламіном в присутності мангану(II) // Вісн. Львів. ун-ту, сер. хім. – 1999. – Вип. 38. – С.93-97.

6. Пацай І.О., Гута О.М., Дудчак Л.Б. Хемілюмінесцентна реакція нітрату
9-ціано-10-метилакридинію з цистеїном // Вісн. Львів. ун-ту, сер. хім. – 2000. – Вип. 39. – С.209-212.

7. Гута О.М., Пацай І.О., Мідяний С.В. Хемілюмінесцентні реакції нітрату
9-ціано-10-метилакридинію з відновниками // Праці НТШ. Серія природознавства і медицини. – 2000. – Т.2. – С.166-170.

8. Пацай І.О., Гута О.М., Дудчак Л.Б. Хемілюмінесцентне визначення сульфіту за допомогою нітрату 9-ціано-10-метилакридинію // Вісн. Держ. ун-ту "Львівська політехніка" "Хімія, технологія речовин та їх застосування". – 2000. – №395. – С.116-118.

9. Гута О.М., Пацай І.О., Мідяний С.В. Хемілюмінесцентні реакції нітрату
9-ціано-10-метилакридинію з відновниками // Тези доп. VI наук. конф. "Львівські хімічні читання – 97" – Львів. – 1997. – С.70.

10. Пацай І.О., Гута О.М., Мідяний С.В. Застосування реакцій нітрату
9-ціано-10-метилакридинію з нуклеофільними реагентами в хемілюмінесцентному аналізі // Тези доп. Всеукр. конф. з аналіт. хімії. – Ужгород. – 1998. – С.166.

11. Гута А.М., Пацай И.О., Мидяный С.В. Аналитическое применение хемилюминесцентных реакций нитрата 9-циано-10-метилакридиния с нуклеофиль-ными реагентами // Тез. докл. III Всерос. конф. по анализу объектов окружающей среды "Экоаналитика-98". – Краснодар (Россия). – 1998. – С. 233-234.

12. Гута О.М., Пацай І.О., Мідяний С.В., Гуменюк Р.В. Хемілюмінесцентні детектуючі системи // Праці І Західноукраїнського симпозіуму з адсорбції та хроматографії. Львів. 1997. С.70-71.

13. Huta O.M., Vasylechko V.O., Patsaj I.O., Madyanyj S.V., Mytsuk O.A., Polyuzhyn I.P. The application of 10-methylacridinium salts for chemiluminescent environmental determination of some pollutants // Book of abstracts. Central Europe – USA Workshop on Environmental Chemistry. Praha-Pruhonice. 1999. P.176-177.

14. Гута О.М., Пацай І.О., Сахнюк І.І. Контроль сульфуровмісних полютантів за допомогою солей 10-метилакридинію // Тези доп. Міжнар. конф. "Чистота довкілля у нашому місті". – Львів. – 1999. – С.56-57.

15. Гута А.М., Пацай И.О. Хемилюминесцентные реакции нитрата 9-циано-10-метилакридиния и их аналитическое применение // Тез. докл. VII Всерос. конф. Органические реагенты в аналитической химии. – Саратов. –1999. – С.190.

16. Пацай І.О., Гута О.М.. Реакція нітрату 9-ціано-10-метилакридинію з цистеїном і її аналітичне застосування // Тез. доп. Всеукр. конф. з аналіт. хімії KUAC-2000. – Харків. – 2000. – С.190.

17. Гута О.М., Пацай І.О., Сахнюк І.І., Мицук О.А., Гутовський І.Б., Блазейовський Е. Реакції N-метильованих солей акридинію з нуклеофільними реагентами та застосування їх в органічному аналізі // Тези доп. XIX Української конференції з органічної хімії. Львів. 2001. С.81.

18. Patsaj I., Huta O., Anusiewicz I., Wroblewska A. Addition of nucleophilic reagents to the 9-cyano-10-methylacridinium cation in the context of analytical applications // Book of abstracts. First Russian-Ukrainian-Polish Conference on Molecular Interactions. Gdansk. 2001. P.133-134.

АНОТАЦІЯ

Пацай І.О. Хемілюмінесцентні реакції нітрату 9-ціано-10-метилакридинію з нуклеофільними реагентами та застосування їх в аналізі. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук за спеціальністю 02.00.02 – аналітична хімія. – Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2003.

Дисертацію присвячено розширенню можливостей хемілюмінесцентного аналізу для визначення речовин, що не містять металів, на основі реакцій нітрату
9-ціано-10-метилакридинію з нуклеофільними реагентами. В роботі викладено ре-зультати дослідження закономірностей перебігу реакцій 9-ціано-10-метилакриди-нієвого катіона з пероксидом водню, гідроксил-іоном, аліфатичними спиртами, гідразином, гідроксиламіном, сульфіт-іоном, цистеїном, тіогліколевою та аскорбіно-вою кислотами, запропоновано схеми утворення емітера світіння. Здійснено вибір аналітично важливих реакцій нуклеофільного приєднання до катіону 9-ціано-10-метилакридинію, які можуть стати основою нових аналітичних хемілюмінесцентних методів. Знайдено оптимальні умови перебігу реакцій і розроблено методи хемілю-мінесцентного визначення гідразину, гідроксиламіну, сульфіту, цистеїну, тіогліколе-вої та аскорбінової кислот. Вивчено аналітичні характеристики та можливість застосування розроблених методів для визначення аналітів в окремих об’єктах.

Ключові слова: нітрат 9-ціано-10-метилакридинію, хемілюмінесценція, аналіз, емітер, визначення, нуклеофільний реагент.

АННОТАЦИЯ

Пацай И.О. Хемилюминесцентные реакции нитрата 9-циано-10-метилакриди-ния с нуклеофильными реагентами и использование их в анализе. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук по специальности 02.00.02. – аналитическая химия. – Киевский национальный универ-ситет имени Тараса Шевченко, Киев, 2003.

Диссертация посвящена расширению возможностей хемилюминесцентного (ХЛ) анализа на основании реакций нитрата 9-циано-10-метилакридиния (НЦМА) с нуклеофильными реагентами для определения веществ, несодержащих металлов. В диссертации изложены результаты исследования реакций НЦМА с перекисью водорода, гидроксил-ионом, алифатическими спиртами, гидразином, гидроксил-амином, сульфит-ионом, цистеином, тиогликолевой и аскорбиновой кислотами. Сделан выбор аналитически важных реакций.

Показано, что НЦМА является наиболее эффективным субстратом в реакциях с нуклеофилами по сравнению с другими солями 10-метилакридиния – ХЛ аналитическими реагентами, и обладает повышенной устойчивостью к действию окислителей. Реакции НЦМА с нуклеофильными реагентами являются обратимыми. Определены значения Кравн реакций НЦМА с О-, N- и S-нуклеофилами и установлено, что они коррелируют с оснoвностью активных реакционных форм нуклеофилов и составляют: 1,4·105, 5,6·105 и 1,1·106 для НО2-, СН3О- и С2Н5О-;
2,1·10-5 и 9,0·10-5 – N2H4 и NH2OH; 2,1·108, 1,9·106, 7,1·106 и 3,5•107 – S2-, SO32-,
-SCH2CH(NH2)COO- и -SCH2COO-, соответственно.

Существенное превращение продуктов нуклеофильного присоединения происходит в сильнощелочных растворах. В этом случае механизм процессов определяется природой нуклеофильного остатка продукта. В частности, для R(CN)OCH3, R(CN)OC2H5 и R(CN)SX (SХ – остаток S-нуклеофила) происходит нуклеофильное замещение при действии ОН--иона (механизм SN1) с последующим внутримолекулярным превращением образованного псевдооснования – R(CN)OH, в 10-метилакридон. Также внутримолекулярно превращаются в щелочной среде R(CN)OOH, R(CN)NHNH2 и R(CN)NHOH с образованием устойчивых соединений – 10-метилакридона, 9-гидразоно-10-метилакридана и 9-имино-10-метилакридана, соответственно.

Изучены ХЛ свойства R(CN)OOH, R(CN)NHNH2 и R(CN)NHOH и продуктов присоединения S-нуклеофилов. Выбраны оптимальные условия аналитически важных процессов и разработаны ХЛ методы определения низких содержаний веществ с нуклеофильными свойствами, в которых применены различные аналити-ческие схемы, с учетом специфических свойств НЦМА, как аналитического ХЛ реагента, устойчивости и свойств продуктов нуклеофильного присоединения.

В разработанных ХЛ методах определения N2H4 и NH2OH нижний предел определяемых содержаний (СН) составляет 0,7 и 3 нгмл, соответственно. Допусти-мое кратное содержание отдельных примесей достигает 102-104, что позволило применить эти методы для определения аналитов в технологических водах. Значение СН в методах ХЛ определения сульфита, цистеина, тиогликолевой и аскор-биновой кислот с помощью НЦМА составляют 1, 80, 15 и 50 нгмл, соответственно. Эти методы применены для определения аналитов в присутствии сульфидных соединений, фармпрепаратах, водах, смесях аминокислот.

SUMMARY

Patsaj I.O. Chemiluminescent reactions of 9-cyano-10-methylacridinium nitrate with nucleophilic reagents and use them in analysis. – Manuscript.

Thesis for obtaining the scientific degree of Candidate of Chemical Sciences. Speciality 02.00.02. – analytical chemistry. – The Taras Shevchenko Kiev National University, Kyiv, 2003.

Thesis is devoted to improving possibilities of chemiluminescent analysis for determination of non-metallic substances through study new chemiluminescent reactions of 9-cyano-10-methylacri-dinium nitrate with nucleophilic reagents. The investigation results of particularities of the reactions of 9-cyano-10-methylacridinium cation with hydrogen peroxide, hydroxyl-ion, aliphatic alcohols, hydrazine, hydroxylamine, sulphite-ion, cysteine, thioglycolic and ascorbic acids have been presented in the thesis. Analytically important reactions of nucleophylic addition to 9-cyano-10-methylacridinium cation, which can be the basis of new analytical chemiluminescent methods, have been selected. Optimal conditions of reactions have been found and analytical methods of chemiluminescent determination of hydrazine, hydroxylamine, sulphite-ion, cysteine, thioglycolic and ascorbic acids have been elaborated. Analytical characteristics and possibility to practical use of elaborated methods for determination analyts in different objects have been studied.

Keywords: 9-cyano-10-methylacridinium nitrate, chemiluminescence, analysis, emitter, determination, nucleophilic reagents.