СПОСОБ КОЛИЧЕСТВЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕТАНОФУЛЛЕРЕНОВ В РЕАКЦИОННОЙ СМЕСИ МЕТОДОМ УФ- СПЕКТРОСКОПИИ
METHOD OF QUANTITATIVE DETERMINATION OF METHANE-FULLERENES IN REACTION MIX BY UV-SPECTROSCOPY METHOD

60
Изобретение относится к способам количественного определения сложных реакционных смесей, в частности метанофуллеренов различных степеней замещения методом УФ-спектроскопии. Изобретение может найти применение и при изучении строения фуллеренсодержащих высокомолекулярные соединений, где на основе УФ-спектров наиболее корректно устанавливаются все возможные типы вхождения C в полимерную цепь (звездообразный, фуллерен в основной цепи, фуллерен на концах макромолекулы и т.д.).
Известен способ количественного нахождения промышленной смеси производства м-крезола, содержащий o-, n-изомеры крезолов, 2,4-, 2,5-, 2,6-ксиленолы и o-этилфенол (патент GB 760729 от 16.12.1953 г.). Снятие ИК- и УФ-спектров осуществляли в газовой фазе при 200°C, причем определяли в смеси только м-крезол с точностью 0,3-3,0%, а процент ошибки прибора в этом способе составляет 2%. Данная методика с достаточной точностью позволяет определять содержание лишь одного компонента в смеси, а для анализа нескольких соединений она непригодна. Кроме того, запись УФ-спектров в газовой фазе весьма затруднительна в силу того, что далеко не все органические вещества можно перевести в газовую фазу без разложения.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ определения в смеси количества цефоперазона и сульбактама, заключающийся в снятии УФ-спектров, графическом нахождении первой и второй производной спектров (Journal of Pharmaceuticul & Biomedicul Analysis, 1994, V.12, №5. p.653-657). Однако в обозначенном способе запись спектров осуществляется только в воде, а это в значительной мере сужает круг анализируемых соединений, растворяющихся исключительно в полярных и неполярных органических растворителях. По указанному методу возможно измерение концентрации всего двух соединений, которые закупаются на производстве, и авторами только готовятся растворы различных концентраций.
Целью изобретения является разработка способа количественного определения состава сложных реакционных смесей изомерных соединений, состоящих из двух и более компонентов, в широком диапазоне концентраций без выделения их из реакционной смеси с возможностью последующего проведения процесса до заранее запланированного соотношения ингредиентов.
Поставленная цель достигается тем, что определение состава сложных реакционных смесей производится в два этапа. На первом этапе снимают и обрабатывают УФ-спектры выделенных метанофуллеренов, отличающихся типом и количеством заместителей. На основании второй производной УФ-спектров строятся калибровочные графики, по которым определяются уравнения линейной регрессии. На втором этапе синтезируются метанофуллерены различных степеней замещения, снимаются их спектры и по найденным на первом этапе уравнениям линейной регрессии, соответствующим типу замещений, определяются количества замещенных метанофуллеренов.
60
-4
-6
-4
-6
2
2
Первый этап реализуется следующим образом. Первоначально синтезировали пять сложных смесей метанофуллеренов, различающихся количеством заместителей в ядре C. Смеси на хроматографической колонке разделяли на составляющие в зависимости от количества заместителей в фуллерене, т.е. выделяли индивидуальные соединения. Затем готовили растворы в органических растворителях (хлорированные бензолы, хлорированные углеводороды, толуол, ацетонитрил): произвольно выбранные 5 или 6 значений концентраций в диапазоне - 10-10 моль/л (целесообразен именно обозначенный интервал, поскольку при больших чем 10 моль/л концентрациях высота характеристических пиков выше шкалы оптического поглощения, а при концентрациях менее 10 моль/л высота характеристических пиков находится на уровне ошибки измерения спектрофотометра), причем каждого из метанофуллеренов. Регистрировали УФ-спектры всех проб. Запись спектров проводили при комнатной температуре в диапазоне волн от 190 до 1100 нм, однако наиболее характеристичным является интервал 250-400 нм, ширина щели 2,0 нм, используя кварцевую кювету толщиной 1 см. Ввиду того, что спектры поглощения смеси метанофуллеренов различных степеней замещения состоят из ряда перекрывающихся полос, определение количества производных метанофуллеренов представляет трудноразрешимую задачу. Наибольшая селективность спектрофотометрического анализа достигается при переходе ко вторым производным УФ-спектров, т.е. при исследовании концентрационных зависимостей dA/dλ=f(λ). Тестирование различных значений Δλ выявило, что пошаговый коэффициент Δλ=40 показывает лучшую избирательность, высокую чувствительность и адекватное отношение сигнал/шум для экспериментальной работы.
2
2
2
2
2
2
1
2
По зависимостям dA/dλ-f(λ) (рис.1) измеряли соответствующие h (монозамещенные метанофуллерены), h (дизамещенные) и т.д. амплитуды между минимумом и максимумом dA/dλ при всех концентрациях, которые далее использовали для построения калибровочного графика (рис.2). На основании калибровочного графика зависимости концентрации моно-, ди- и т.д. замещенного метанофуллерена от второй производной находили коэффициенты линейной регрессии, необходимые для расчета молярных концентраций метанофуллеренов. Параметры линейной регрессии для концентрационных зависимостей оптической плотности и dA/dλ представлены в таблице 1.
Таблица 1
Параметры линейной регрессии для концентрационных зависимостей d<sup>2</sup>A/dλ<sup>2</sup>
Аддукт
λ, нм
Уравнение линейной
R
S<sub>r</sub>×10<sup>3</sup>
регрессии
моно-
359/329
h=1.23×10<sup>-4</sup>c+0.01×10<sup>-5</sup>
0.9993
1.7
ди-
347/320
h=1.54×10<sup>-4</sup>c+0.20×10<sup>-5</sup>
0.9993
3.3
три-
334/308
h=2.31×10<sup>-4</sup>c+0.30×10<sup>-5</sup>
0.9997
0.6
тетра-
317/279
h=4.00×10<sup>-4</sup>c+0.32×10<sup>-5</sup>
0.9976
1.5
Второй этап реализуется на конкретных примерах осуществления способа количественного определения метанофуллеренов в реакционной смеси в различных растворителях.
60
4
4
2
Пример 1. К раствору 0.1 г (0.14 ммоль) фуллерена C в 30 мл толуола добавляли 0.069 г (0.2 ммоль) CBr, 0.033 мл (0.18 ммоль) диаллилового эфира малоновой кислоты и 0.32 мл (0.21 ммоль) диазабицикло[4.2.0]ундец-7-ена (DBU). Реакционную массу перемешивали в инертной атмосфере при комнатной температуре 1,5 ч, затем фильтровали, фильтрат промывали 5%-ным раствором HCl, сушили над MgSO, упаривали. Остаток разделяли колоночной хроматографией на SiO, элюент - толуол. Получили 0.040 г (~32 мас.%) монозамещенного, 0.02 г (~14%) дизамещенного, 0.015 г (~8%) тризамещенного и 0.01 г (~5%) тетразамещенного продуктов. Спектроскопический анализ реакционной смеси показал (35,2 мас.%) монозамещенного, (15,9%) дизамещенного, (8,8%) тризамещенного и (6,3%) тетразамещенного продуктов.
2
Пример 2. Аналогично примеру 1, только время процесса - 4 часа. После разделения колоночной хроматографией на SiO (толуол) получили: (12 мас.%) монозамещенного, (36%) дизамещенного, 0.015 г (24%) тризамещенного и (15%) тетразамещенного продуктов. Спектроскопический анализ реакционной смеси показал (14,3 мас.%) монозамещенного, (37,0%) дизамещенного, (25,8%) тризамещенного и (18,2%) тетразамещенного продуктов (табл.2). Для оценки полученных результатов количественного анализа смесей метанофуллеренов их сопоставили с данными ВЭЖХ (условия хроматографического анализа: хроматографическая система "Shimadzu LC-20" со спектрофотометрическим диодноматричным детектором (Япония); детектирование проводили при длине волны 280 нм, использовали колонку Exsil Silica 250×4,6 мм, 5 мкм, в качестве подвижной фазы применяли элюент состава гексан:толуол:изопропиловый спирт=97:2:1, скорость подачи подвижной фазы составляла 1 мл/мин.
Таблица 2
Сравнение методов количественного определения смеси метанофуллеренов в толуоле
Количество заместителей
Пример 1 (1,5 часа)
Пример 2 (4 часа)
Колоночная хроматография на SiO<sub>2</sub>, мас.%
ВЭЖХ, мас.%
УФ-спектроскопия, мас.%
Колоночная хроматография на SiO<sub>2</sub>, мас.%
ВЭЖХ, мас.%
УФ-спектроскопия, мас.%
моно-
32,0
35,2
35,2
12,0
14,4
14,3
ди-
14,0
15,8
15,9
36,0
37,1
37,0
три-
8,0
8,8
8,8
24,0
25,8
25,8
тетра-
5,0
6,4
6,3
15,0
18,4
18,2
Пример 3. Аналогично примеру 1, но в качестве растворителя использовали хлороформ (хлорированный углеводород), время процесса - 1,5 часа. Результаты анализа реакционной смеси представлены в табл.3.
Пример 4. Аналогично примеру 1, но в качестве растворителя использовали хлороформ (хлорированный углеводород), время процесса - 4 часа. Результаты анализа реакционной смеси представлены в табл.3.
Таблица 3
Сравнение методов количественного определения смеси метанофуллеренов в хлороформе
Количество
Пример 3 (1,5 часа)
Пример 4 (4 часа)
заместителей
Колоночная хроматография на SiO<sub>2</sub>, мас.%
ВЭЖХ, мас.%
УФ-спектроскопия, мас.%
Колоночная хроматография на SiO<sub>2</sub>, мас.%
ВЭЖХ, мас.%
УФ-спектроскопия, мас.%
моно-
34,0
35,8
35,9
16,0
16,5
16,7
ди-
10,0
13,2
13,2
40,1
40,8
40,8
три-
8,5
9,0
9,0
26,0
27,5
27,4
Пример 5. Аналогично примеру 1, но в качестве растворителя использовали ацетонитрил, время процесса - 1,5 часа. Результаты анализа реакционной смеси представлены в табл.4.
Пример 6. Аналогично примеру 1, но в качестве растворителя использовали ацетонитрил, время процесса - 4 часа. Результаты анализа реакционной смеси представлены в табл.4.
Таблица 4
Сравнение методов количественного определения смеси метанофуллеренов в ацетонитриле
Количество заместителей
Пример 5 (1,5 часа)
Пример 6 (4 часа)
Колоночная хроматография на SiO<sub>2</sub>, мас.%
ВЭЖХ, мас.%
УФ-спектроскопия, мас.%
Колоночная хроматография на SiO<sub>2</sub>, мас.%
ВЭЖХ, мас.%
УФ-спектроскопия, мас.%
моно-
32,9
35,0
34,9
15,7
17,8
17,9
ди-
13,4
14,9
14,9
39,9
41,2
41,2
Пример 7. Аналогично примеру 1, но в качестве растворителя использовали o-дихлорбензол (хлорированный бензол) (хлорированный бензол), время процесса - 1,5 часа. Результаты анализа реакционной смеси представлены в табл.5.
Пример 8. Аналогично примеру 1, но в качестве растворителя использовали o-дихлорбензол (хлорированный бензол), время процесса - 4 часа. Результаты анализа реакционной смеси представлены в табл.5.
Таблица 5
Сравнение методов количественного определения смеси метанофуллеренов в o-дихлорбензоле
Количество заместителей
Пример 7 (1,5 часа)
Пример 8 (4 часа)
Колоночная хроматография на SiO<sub>2</sub>, мас.%
ВЭЖХ, мас.%
УФ-спектроскопия, мас.%
Колоночная хроматография на SiO<sub>2</sub>, мас.%
ВЭЖХ, мас.%
УФ-спектроскопия, мас.%
моно-
34,3
36,5
36,7
15,9
17,0
17,1
ди-
14,1
15,1
15,2
38,6
39,2
39,1
Точность количественного определения содержания различных метанофуллеренов в смеси методом УФ-спектроскопии и ВЭЖХ хорошо коррелируют и сопоставимы между собой. Однако в случае ВЭЖХ подбор смеси элюентов для разделения метанофуллеренов весьма трудоемок и для реализации способа требуется наличие весьма дорогого оборудования.
60
Таким образом, количественное определение различных метанофуллеренов в сложных смесях методом УФ-спектроскопии позволяет с высокой точностью и за короткий срок устанавливать концентрацию двух и более компонентов, не прерывая течение процесса. С применением УФ-спектроскопии можно: а) изучать кинетику реакции образования метанофуллеренов на основе С; б) доводить реакцию до запланированной концентрации нужного изомера в реакционной смеси, т.е. в целом контролировать процесс.