Способ идентификации фосфорорганических примесей, сопутствующих токсичным О-алкилалкилфторфосфонатам
METHOD FOR IDENTIFYING PHOSPHORORGANIC IMPURITIES ACCOMPANYING TOXIC O-ALKYLALKYL FLUOROPHOSPHONATES

Изобретение относится к исследованию или анализу материалов путем определения их химических или физических свойств, конкретно путем разделения на составные части (компоненты) с использованием адсорбции, абсорбции или подобных процессов, например хроматографии или масс-спектрометрического детектирования.
В объектах окружающей среды под действием различных факторов токсичные фосфорорганические соединения (ФОС) претерпевают ряд превращений с образованием, в конечном итоге, соединений, относящихся к производным алкилфосфоновой кислоты. Обычно продукты деструкции токсичных фосфорорганических соединений имеют одну или несколько полярных групп разной природы. Это могут быть первичные и вторичные аминные группы, спиртовые гидроксигруппы (-ОН). В частности, основными продуктами деструкции, например О-алкилалкилфторфосфонатов (ОААФФ), являются ди- и/или моноалкиловые эфиры алкилфосфоновой кислоты, а также алкилфосфоновая кислота [1-3].
Обязательным условием при проведении газохроматографического анализа кислых эфиров является их дериватизация. Для перевода продуктов деструкции в хроматографируемые производные, как правило, используют алкилирование (метилирование, этилирование) или силилирование [2-4]. В итоге могут образовываться различные по структуре О-алкильные радикалы хроматографируемых диэфиров.
Известно, что диэфиры алкилфосфоновой кислоты образуются в результате реакции переэтерефикации двух молекул ОААФФ, а также могут накапливаться в качестве примесей в исходных ОААФФ, особенно при их длительном хранении [5].
Кроме того, в зависимости от условий технологического процесса синтеза и ОААФФ, чистоты исходных компонентов в пробах могут обнаруживаться различные по классу фосфорорганические соединения, к которым относятся прекурсоры, побочные продукты синтеза и полупродукты [6]. Так, например, в результате синтеза, хранения, термического разложения, гидролиза и дегазации можно выделить около 20 рядов различных фосфорорганических соединений. Поэтому фосфорорганические примеси, сопутствующие токсичным фосфорорганическим соединениям, могут служить характеристикой предыстории производства и применения токсичного соединения, что особенно важно при расследовании чрезвычайных ситуаций и террористических актов, связанных с возможным применением токсичных ФОС.
В данной работе рассматриваются возможные хроматографируемые фосфорорганические примеси, содержащие в своей структуре О-алкильные радикалы. Структуры фосфорорганических примесей условно классифицируем в зависимости от числа атомов фосфора и числа О-алкильных радикалов. Примеры классификации фосфорорганических примесей от числа О-алкильных радикалов представлены в таблице 1.
Как правило, все способы идентификации органических соединений основываются на сравнении экспериментальных масс-спектров и индексов удерживания с библиотечными характеристиками [1, 7-9].
Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому результату к заявляемому техническому решению является способ идентификации наркотических соединений путем определения времени удерживания предполагаемых наркотических соединений по известным значениям их индексов удерживания (ИУ) и последующего поиска их в установленном интервале времени удерживания по характеристичным пикам иона [8].
Общим недостатком таких технических решений, не позволяющим использовать их для идентификации возможных фосфорорганических примесей, является отсутствие их хроматографических характеристик в используемых базах данных. Так как подобные пробы, как правило, имеют сложный состав, в который входят не только возможные фосфорорганические примеси, то идентификация всех компонентов таких проб только по масс-спектрометрическим данным - длительный, трудоемкий и неэффективный процесс.
Поэтому техническим результатом, на достижение которого направлено создание данного изобретения, является обеспечение возможности однозначной идентификации возможных фосфорорганических примесей, сопутствующих токсичным О-алкилалкилфторфосфонатам, а также повышение оперативности и точности определения.
Достижение технического результата осуществляется тем, что в способе идентификации фосфорорганических примесей, сопутствующих токсичным О-алкилалкилфторфосфонатам, путем газохроматографического определения параметров удерживания и последующего масс-спектрометрического анализа их в установленном интервале времени удерживания по характеристичным пикам иона, согласно предлагаемому техническому решению по известным хроматографическим и спектральным характеристикам идентифицируют целевой токсичный О-алкилалкилфторфосфонат; прогнозируют хроматографические индексы удерживания фосфорорганических примесей из общего числа сопутствующих примесей, используя линейное уравнение зависимости индекса удерживания каждой возможной фосфорорганической примеси от индекса удерживания целевого О-алкилалкилфторфосфоната; определяют корреляционную зависимость значений индексов удерживания от времени удерживания для предельных углеводородов с числом атомов углерода от 8 до 24; используя установленную корреляционную зависимость, пересчитывают найденные значения индексов удерживания на время удерживания и проводят поиск возможной фосфорорганической примеси по ее характеристичному пику иона в заданной временной области хроматограммы.
При разработке способа идентификации использовались экспериментальные данные и информация представленная в аналитической базе данных Организации по запрещению химического оружия [10].
На первом этапе работы были проведены следующие теоретические исследования.
Известны уравнения расчета значений индексов удерживания в зависимости от симметрии молекулы [11]. Индексы удерживания несимметрично замещенных соединений могут быть вычислены на основе индексов симметрично замещенных аналогов по формуле (1) и соответственно при решении обратной задачи используется формула (2):
(R-X-R)
(R1-X-R1)
где ИУ и ИУ - индексы удерживания симметрично замещенных аналогов;
(R-X-R1)
ИУ - индекс удерживания несимметрично замещенного соединения.
Рассмотрим молекулу типа «АВС». Если симметрию молекулы проводим относительно фрагмента «В», то наличие двух разных молекулярных фрагмента «А» и «С» в рассматриваемой молекуле определяет ее как несимметричную структуру относительно выбранного центра симметрии. При наличии одинаковых молекулярных фрагментов (ABA и СВС) подразумевается симметричная структура. При этом имеет место соотношение АВС=СВС+ABA-ABC, соответственно ABC=(СВС+ABA)/2.
Таким образом, для использования формул (1) и (2) необходимо исследуемую структуру условно привести к молекуле типа «АВС».
Рассмотрим структуру фосфорорганических соединений на примере токсичных химикатов класса О-алкилметилфторфосфонатов (I):
1
где R - алкильный радикал, содержащий от 1 до 10 углеродных атомов.
1
3
3
3
1
Изомеры ОАМФФ содержат в своем составе молекулярные фрагменты различного строения (O=, F-, -О-R, СН-) относительно атома фосфора. Преобразуем структуру ОАМФФ к молекуле вида «АВС». Для этого выделим общий фрагмент структуры, характерный для всего класса, например метилфосфорорганический фрагмент [P(O)-СН]. Если данный фрагмент [Р(O)СН] принять за «В», а О-алкильный радикал (-О-R) обозначить как «А», тогда атом фтора (-F) можно охарактеризовать как «С». Структура ОАМФФ преобразовывается к молекуле типа «АВС» и, следовательно, можно использовать формулы (1) и (2).
Таким образом, симметрия структуры фосфорорганических соединений в зависимости от любых двух молекулярных фрагментов (X, Y) может определяться относительно общего фосфорорганического фрагмента [Р(O)-Х] (выделен в скобках), который и будет являться главной осью симметрии.
Следовательно, для расчета значений ИУ по формуле (1) изомеров ОАМФФ необходимо использовать ИУ симметричных соединений, относящихся к различным фосфорорганическим классам, например дифторметилфосфоната (ДФМФ) и О,O-диалкилметилфосфонатов (ООАМФ). Пример структурных преобразований приведен на схеме (II).
Как видно на схеме (I), значения ИУ изомеров ОАМФФ и ООАМФ зависимы относительно друг друга, и данная связь проявляется в разности вклада в ИУ О-алкильного радикала и атома фтора. Отметим, что независимо от рассматриваемых ОАМФФ, дифторметилфосфонат не содержит О-алкильного радикала и соответственно его значение ИУ должно оставаться неизменным. Следовательно, рассчитав значение ИУ дифторметилфосфоната по формуле (2), можно в дальнейшем определять значения ИУ симметричных диэфиров.
Таким образом, расчет значений ИУ симметричного O,O-диалкилметилфосфоната с использованием ИУ ОАМФФ может проводиться по формуле (3)
ООДАМФ
где ИУ - значение ИУ О,О-диалкилметилфосфоната;
ОАМФФ
ИУ - значение ИУ О-алкилметилфторфосфоната;
С - константа, соответствует значению ИУ дифторметилфосфоната.
Соответственно, ИУ остальных фосфорорганических соединений рассчитываются по аналогичной формуле путем структурных преобразований, когда в конечном итоге останется структура фосфоната и общая для всего класса структурная константа. Значение ИУ структурной константы рассчитывается по известным ИУ ОАМФФ. Примеры структурных преобразований для некоторых фосфорорганических соединений относительно ОАМФФ приведены на схеме (III-V).
Таким образом, на основании структурных преобразований (II) нами получено уравнение связи значений ИУ фосфорорганических примесей, сопутствующих ОАМФФ, (ФПС) и ИУ целевого ОАМФФ:
ФПС
где ИУ - значение ИУ фосфорорганической примеси;
ОАМФФ
ИУ - значение ИУ целевого ОАМФФ;
n, m - коэффициенты уравнения.
Коэффициент n характеризует количество одинаковых О-алкильных радикалов в структуре фосфорорганических примесных соединений и может изменяться от 1 до 4. Коэффициент m является либо целочисленным значением ИУ, либо преобразованным числовым значением ИУ соединений, используемых в структурных преобразованиях, не имеющих О-алкильных радикалов.
1
2
1
2
Отметим, что, если в пробе присутствует второй ОАМФФ, то, как правило, дополнительно образуется несимметричный О-алкил-О-алкил-метилфосфонат. Известно [12], что значение ИУ несимметричного О-алкил-О-алкил-метилфосфоната равно полусумме значений ИУ двух симметричных О,О-диалкилфосфонатов.
1
2
Ранее показана связь между структурами О-алкилалкилфторфосфонатов и О,О-диалкилалкилфосфонатов, формула (3). Подставляя вместо симметричных О,О-диалкилметилфосфонатов выражение (3), получим формулу расчета значения ИУ несимметричного О-алкил-О-алкил-метилфосфоната по двум токсичным химикатам ОАМФФ:
ОА
ОА
МФ
1
2
1
2
где ИУ - значение ИУ несимметричного О-алкил-О-алкил-метилфосфоната;
ОА
МФФ
ОА
МФФ
1
2
ИУ, ИУ - значения ИУ двух О-алкилметилфторфосфонатов.
С - константа, соответствует значению ИУ диметилфторфосфоната.
В таблице 2 приведены коэффициенты формулы (4), необходимые для определения значений ИУ возможных сопутствующих фосфорорганических примесей по индексу удерживания целевого ОАМФФ.
Значения ИУ диэфиров ряда О-алкил-О-алкилметилфосфонатов рассчитываются по формуле 6:
ОАОАМФ
где ИУ - значение ИУ несимметричного О-алкил-О-алкилметилфосфоната;
ОАМФФ
I
ИУ - значение ИУ первого О-алкилметилфторфосфоната;
ОАМФФ
II
ИУ - значение ИУ второго О-алкилметилфторфосфоната.
Коэффициент 575 был рассчитан как среднее значение 12 пар фосфорорганических соединений.
Отметим, что коэффициенты формулы (4), приведенные в таблице 2, можно использовать для всего ряда О-алкилметилфторфосфонатов. Аналогично выполняются расчеты определения коэффициентов формулы (4) для остальных возможных рядов ОААФФ: О-алкилэтилфторфосфонатов, О-алкилизопропилфторфосфонатов, О-алкилпропилфторфосфонатов.
Целевой поиск возможных фосфорорганических примесей осуществляется визуально с использованием характеристических пиков-ионов для каждой возможной ФПС в определенном временном промежутке. Для этого полученные значения ИУ возможных фосфорорганических примесей пересчитываем на время удерживания. Расчет времени удерживания можно проводить по предварительно установленному обратному уравнению связи между индексами удерживания предельных углеводородов линейного строения и значениями времени удерживания в виде полинома 4-степени, формула 7
где t - время удерживания предельных углеводородов;
ИУ - значение индекса удерживания предельных углеводородов;
i
A - коэффициенты полинома, рассчитанные по нормальным углеводородам.
Для каждого газохроматографического условия анализа предварительно устанавливается временной интервал поиска, который выбирается самим исследователем и, например, может составлять от 3 до 10 значений среднеквадратичного отклонения времени удерживания.
На последнем этапе анализа идентификация возможной ФПС проводится по масс-спектрометрическим данным.
Пример осуществления способа
На фиг. 1 представлена хроматограмма многокомпонентной смеси по полному ионному току.
Согласно предлагаемому техническому решению, используя известные хроматографические и спектральные характеристики или известные способы идентификации [13, 14], идентифицируем два целевых ФОС: зарин и зоман, хроматографические пики с временем удерживания, равным 6,04; 10,70 и 10,79 мин соответственно.
Исследования параметров удерживания были проведены на хромато-масс-спектрометре 7890/5977 фирмы Agilent Technologies. Для разделения компонентов смеси применяли кварцевую капиллярную колонку DB-5MS длиной 30 метров, внутренним диаметром 0,25 мм с толщиной фазы 0,1 мкм, со слабополярной неподвижной жидкой фазой (5% фенил - 95% диметилполисилоксан).
Пробу анализировали в соответствии с условиями:
начальная температура термостата колонки
40°С
время выдержки при начальной температуре
4 мин
скорость повышения температуры
10°С/мин
конечная температура термостата колонки DB-5HT
310°С
время выдержки при конечной температуре
4 мин
объемная скорость газа-носителя (гелия) в колонке
1 см<sup>3</sup>/мин
температура источника ионов
150°С
температура интерфейса
280°С
температура инжектора
280°С
температура квадруполя
230°С
ионизация электронным ударом
70 эВ
диапазон сканирования массовых чисел
от 35 до 550 а.е.м.
объем вводимой пробы
1⋅10<sup>-3</sup> см<sup>3</sup>
Хроматограмма исследуемой многокомпонентной смеси содержит до 200 хроматографических пиков согласно результатам, полученным программой обработки данных AMDIS. Для выделения из общего количества примесных пиков тех, которые являются возможными сопутствующими фосфорорганическими примесями зарина и зомана, определяем ИУ возможных ФПС, представленных в таблице 2, путем использования найденного значения ИУ зарина и зомана по формулам (4, 6). На следующем этапе полученные ИУ возможных ФПС пересчитываем на их время удерживания.
В качестве калибровочного раствора для определения корреляционной зависимости значений ИУ от времени удерживания была использована смесь предельных углеводородов, содержащих от 8 до 24 углеродных атомов в своей структуре.
На фиг. 2 представлена корреляционная зависимость значений ИУ от времени удерживания для предельных углеводородов с числом углеродных атомов от 8 до 24, где по оси ординат отложены значения ИУ предельных углеводородов, а по оси абсцисс - значения их времени удерживания.
Вычисление коэффициентов полинома n-степени проводим в любых математических расчетных программах по методу наименьших квадратов. В результате получается полином вида (формула 8)
где ИУ - индекс удерживания соединения при заданных ГХ условиях, ед. инд.;
t - время удерживания соединения при заданных ГХ условиях, мин.
В таблице 3 приведены расчетные значения ИУ и времена удерживания некоторых возможных фосфорорганических примесей зарина и зомана в соответствии с таблицей 2 и характеристичные пики ионов в их масс-спектре.
Далее осуществляют поиск ФПС, представленных в таблице 3, по рассчитанным значениям времени удерживания. Так, например, на фиг. 3 приведена хроматограмма по наиболее интенсивному пику иона (m/z=97 а.е.м.), характерному для O,O-диалкилметилфосфонатов.
Как видно на хроматограмме, в области рассчитанного времени удерживания 11,19 мин находится хроматографический пик, который соответствуют рассматриваемому симметричному О,О-диизопропилметилфосфонату. В области времени удерживания 14,54 мин имеются два хроматографических пика (14,40 и 14,51 мин), обладающие одинаковым масс-спектром. Дальнейшее изучение их масс-спектров подтверждает, что они относятся к несимметричному О-изопропил-О-пинаколилметилфосфонату.
На фиг. 4 и 5 приведены хроматограммы по наиболее интенсивному пику иона (m/z=101 а.е.м.), характерному для О,О-диалкилфторфосфатов, и масс-спектр компонента со временем удерживания 9,20 мин соответственно.
Анализ масс-спектр позволил установить, что компонент с временем удерживания 9,20 мин идентифицируется как O,O-диизопропилфторфосфат (рассчитанное значение в соответствии с таблицей 3 составляет 9,21 мин). Совпадение по прямому и обратному поиску программой NIST составило более 900 у.е.
По аналогии проводилась идентификация остальных фосфорорганических примесей. Результаты идентификации анализируемой смеси представлены в таблице 4.
Как видно из данных таблицы 4, большинство идентифицированных фосфорорганических соединений содержатся в пробе на уровне следовых количеств. Также видно, что из 12 возможных фосфорорганических примесей (таблица 2) было идентифицировано 5 соединений и один несимметричный О-изопропил-О-пинаколилметилфосфонат по выражению (6) из-за присутствия в пробе другого целевого токсичного химиката (зомана).
Отметим, что программа AMDIS в рассматриваемой многокомпонентной смеси выделила более 200 индивидуальных компонентов, из которых лишь 8 относятся к фосфорорганическим веществам, из которых два являются целевыми ФОС. Идентификация лишь шести возможных примесей, сопутствующих целевому О-изопропилметилфторфосфонату, вместо 200 значительно сокращает трудозатраты и время на проведение идентификации. Кроме того, использование при идентификации двух параметров: спрогнозированного индекса удерживания и масс-спектрометрических характеристик  способствует повышению точности и объективности идентификации.
Как видно из описания и приведенного примера осуществления способа, заявляемое техническое решение обеспечивает проведение идентификации сопутствующих фосфорорганических примесей в анализируемой смеси, повышает оперативность и точность определения.
Библиография
[1] Савельева Е.И. Исследование продуктов превращений фосфорорганических отравляющих веществ методом газовой хроматографии - масс-спектрометрии / Е.И. Савельева, И.Г. Зенкевич, Т.А. Кузнецова [и др.] // Рос. хим. ж. - 2002. - Т. XLVI. - №6. - С. 82-91.
[2] Новиков С.В. Контроль воздуха на наличие фосфорорганических отравляющих веществ и продуктов их деструкции / С.В. Новиков // Экология. - 2007. - Т. 8. - С. 49-55.
[3] Савельева Е.И. Определение метилфосфоновой кислоты и ее эфиров как маркеров фосфорорганических отравляющих веществ / Е.И. Савельева, А.С. Радилов, Т.А. Кузнецова [и др.] // Журнал прикл. химии - 2001. - Т. 74 - Вып. 10. - С. 1671-1676.
[4] Halket J.M. Chemical derivatization and mass spectral libraries in metabolic profiling by GC/MS and LC/MS/MS / John M. Halket, Daniel Waterman, Anna M. Przyborowska [и др.] // Journal of Experimental Botany. - 2005. - Vol. 56. - No. 410. - p. 219-243.
[5] Угланова В.З. Определение массовой доли основного вещества в образцах диалкилметилфосфонатов методом потенциометрического титрования / Угланова В.З., Денисов Н.С. // Известия Саратовского университета, Серия Химия. Биология. Экология, выпуск 3, 217.
[6] Александров В.Н. Отравляющие вещества / В.Н. Александров, В.И Емельянов. - М.: Военное издательство, 1990. - 271 с.
[7] Мелентьев А.Б. Использование систем обработки данных ГХ/МС для поиска пиков и идентификации потенциальных токсикантов в систематическом токсикологическом анализе. / В сб. Современные проблемы медико-криминалистических, судебно-химических и химико-токсикологических экспертных исследований. Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции, посвященной памяти профессора Ю.М. Кубицкого (31 октября - 01 ноября 2007 г., Москва). // Под редакцией профессора В.А. Клевно - М.: РИО ФГУ "РЦСМЭ" Росздрава", 2007. - С. 259-262.
[8] Практическое руководство по скринингу лекарственных, наркотических веществ и их метаболитов методом ГХ с масс-селективным детектором для целей судебной токсикологии. Часть I. // Челябинск, Областное бюро СМЭ, - 2001 г., - 62 с.
[9] Мелентьев А.Б. Скрининг лекарственных, наркотических веществ и их метаболитов методом газовой хроматографии с масс-селективным детектором // Проблемы экспертизы в медицине, - 2002, - №4, - С. 15-21.
[10] OPCW Central Analytical Database, PDF-OCAD v. 8, e-OCAD v. 6, Technical Secretariat of the Organisation for the Prohibition of Chemical Weapons. December 2004.
[11] Вернен Г.А. ЭВМ помогает химии / Г.А. Вернен, М.В. Шано - М.: Наука, 1990. - 362 с.
[12] Жохов А.К. Оценка хроматографических параметров удерживания соединений ряда О,О-диалкилметилфосфонатов / А.К. Жохов, П.В. Фоменко, Е.Б. Белоусов [и др.] // Доклады АВН (Поволжское отделение. Сб. науч. тр.). - Саратов: Военный институт внутренних войск МВД России. - 2015. - №1. - В. 65. - С. 22-31.
7
[13] Пат. РФ №2391657, МПК G01N 30/72, 27/64. Способ идентификации высокотоксичных соединений ряда О-алкилалкилфторфосфонатов и прогнозирования масс-спектров химикатов этого ряда / Фоменко П.В., Морозик Ю.И., Лоскутов А.Ю., Жохов А.К., Полякова Г.Ю.; заявитель и патентообладатель ФГУ «33 ЦНИИИ МО РФ». - №2008100378/28 от 09.01.2008.
[14] Пат. РФ №2557228, МПК 7 G01N 30/86. Способ прогнозирования газохроматографических индексов удерживания соединений класса О-алкилалкилфторфосфонатов / Жохов А.К., Фоменко П.В., Лоскутов А.Ю., Белоусов Е.Б., Апаркин A.M., Полякова Г.Ю.; заявитель и патентообладатель ФГБУ «33 ЦНИИИ МО РФ.» - №2013157458 от 24.12.2013.