Спектрофотометрическое определение 2-фуральдегида с использованием 2,4-динитрофенилгидразина

УДК 543.4/8

DOI: 10.21685/2307-9150-2017-4-9

Н. В. Волкова, А. Н. Вернигора, А. В. Фролов

СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ 2-ФУРАЛЬДЕГИДА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ 2,4-ДИНИТРОФЕНИЛГИДРАЗИНА

Аннотация.

Актуальность и цели. Примеси 2-фуральдегида могут присутствовать в полимерных материалах, объектах окружающей среды, ректифицированном спирте, пищевых продуктах. В связи с токсичностью альдегидов важной задачей является разработка и совершенствование методов их количественного определения. Целью работы является подбор условий для количественного спектрофотометрического определения фурфурола 2,4-динитрофенилгидра-зином.

Материалы и методы. Методика количественного спектрофотометриче-ского определения основана на реакции альдегидов с 2,4-динитрофенилгидра-зином с образованием соответствующих гидразонов, которые после добавления щелочи окрашиваются в винно-красный цвет. Спектры поглощения растворов регистрировали на спектрофотометре Specord 40. Обработку спектральных данных проводили с помощью Microsoft Excel 2010.

Результаты. Синтезирован 2,4-динитрофенилгидразон 2-фуральдегида, подобрана длина волны для его спектрофотометрического определения. Исследовано влияние времени взаимодействия фурфурола и 2,4-динитрофенилгидра-зина до прибавления спиртового раствора щелочи к гидразону фурфурола на спектральные характеристики исследуемых растворов и их стабильность. Построены калибровочные модели для определения 2-фуральдегида и рассчитаны их метрологические характеристики.

Выводы. Подобраны условия для количественного спектрофотометриче-ского определения фурфурола с применением 2,4-динитрофенилгидразина. Предложенная методика может быть использована для количественного определения 2-фуральдегида в спиртовых растворах.

Ключевые слова: 2-фуральдегид, 2,4-динитрофенилгидразин, спектро-фотометрия.

N. V. Volkova, A. N. Vernygora, A. V. Frolov

SPECTROPHOTOMETRY DETERMINATION OF 2-FURALDEHYDE USING 2,4-DINITROPHENILHYDRAZINE

Abstract.

Background. Impurities of 2-furaldehyde may be present in polymeric materials, environmental objects, rectified alcohol, food products. In connection with the toxicity of aldehydes, an important task is to develop and improve methods for their quantification.

Materials and methods. The method of quantitative spectrophotometry determination based on the reaction of aldehydes with 2,4-dinitrophenilhydrazine with the formation of the corresponding hydrazones, which painted in wine-red color after adding alkali. The absorption spectra of solutions were recorded with a spectrophotometer Specord 40. The spectral data were processed using Microsoft Excel 2010.

Results. The authors have synthesized 2,4-dinitrophenylhydrazone 2-furaldehy-de, selected a wavelength for spectrophotometric determination. The influence of interaction time of furfural and 2,4-dinitrophenilhydrazine before addition of the alcoholic alkali solution to the furfural hydrazone on the spectral characteristics of the studied solutions and their stability. The researchers have built calibration models to determine 2-furaldehyde and calculated their metrological characteristics.

Conclusions. The authors have picked conditions for the quantitative spectro-photometric determination of furfural with the use of 2,4-dinitrophenilhydrazine. The proposed method can be used for quantitative determination of 2-furaldehyde in ethanol solutions.

Key words: 2-furaldehyde, 2,4-dinitrophenilhydrazine, spectrophotometry.

2,4-динитрофенилгидразин (2,4-ДНФГ) как органический реагент применяют в органическом функциональном анализе. Он может образовать окрашенные аналитические формы с карбонильными соединениями, позволяющие идентифицировать и количественно определять их [1-3]. 2-фураль-дегид (фурфурол) и другие производные фурана в значительных количествах образуются при переработке растительного сырья, таких как солома, стебли кукурузы, древесина. Доступность и совокупность физико-химических свойств обусловливают его широкое применение, а также необходимость количественного определения. В последнее время особое внимание уделяют спектрофотометрическим методам определения фурфурола. Он способен давать цветные реакции с фенолами и аминами, причем некоторые из них специфичны только для фурфурола [4, 5]. Основой для разработки спектро-фотометрических методов послужили реакции с уксуснокислым анилином и орсином, однако данные методы обладают рядом недостатков, таких как нестойкость самих реагентов и продуктов взаимодействия с фурфуролом, чувствительность к свету, отклонение от закона Бугера - Ламберта - Бера [6-8]. 2,4-динитрофенилгидразин является более удобным реагентом, лишенным подобных недостатков [2]. Целью нашей работы является подбор условий для количественного спектрофотометрического определения фурфурола 2,4-ди-нитрофенилгидразином.

Материалы и методы исследования

При проведении исследований были использованы следующие реактивы: кристаллический 2,4-динитрофенилгидразин (х.ч., Acros Organics), этиловый спирт, перегнанный для удаления примесей карбонильных соединений, 2-фуральдегид (х.ч., Acros Organics), гидроксид натрия (ч.д.а.), концентрированная соляная кислота (х.ч.), концентрированная серная кислота (х.ч.), дихромат калия (х.ч.), тиосульфат натрия (х.ч.), кристаллический йод (ч.д.а.), йодид калия (х.ч.), гидроксид калия (ч.д.а.), крахмал.

Использованная авторами методика количественного спектрофотомет-рического определения основана на реакции альдегидов с 2,4-динитрофенил-гидразином с образованием соответствующих гидразонов, которые после добавления щелочи окрашиваются в винно-красный цвет, обусловленный, по-видимому, образованием хиноидного иона, c последующей регистрацией спектров поглощения образовавшихся соединений. Для приготовления рабочего раствора 0,050 г кристаллического 2,4-ДНФГ растворяли в смеси 25 мл

этилового спирта, 8 мл концентрированной соляной кислоты и 50 мл воды. Стандартный раствор готовили 0,0500 г 2-фуральдегида в 25 мл этилового спирта. Рабочий раствор готовили разведением стандартного раствора в 25 раз. Содержание 2-фуральдегида в стандартном растворе определяли йодометри-чески по Ромейну [9].

Для построения градуировочного графика в восемь мерных колб на 25 мл вносили соответственно 0,05; 0,20; 0,35; 0,50; 0,65; 0,80; 0,95; 1,10 мл рабочего раствора фурфурола по схеме (табл. 1). Для приготовления тестовых растворов в семь мерных колб на 25 мл вносили соответственно 0,25; 0,40; 0,55; 0,70; 0,85; 1,00; 1,15 мл рабочего раствора фурфурола по схеме (табл. 1). Для полученных тестовых растворов рассчитывали концентрации, пользуясь уравнением регрессии и значениями оптических плотностей. Общая схема приготовления фотометрируемых образцов и контроля представлена в табл. 1.

Таблица 1

Общая схема приготовления фотометрируемых образцов и контроля

Опыт

Контроль

2 мл рабочего раствора альдегида

2 мл этилового спирта

2 мл раствора 2,4-динитрофенилгидразина

Выдерживание 10 мин

2 мл спиртового раствора NaOH

2 мл дистиллированной воды

Доведение до метки этиловым спиртом в колбе на 25 мл Измерение оптической плотности после выдерживания 30 мин

Спектры поглощения приготовленных растворов регистрировали на спектрофотометре Specord 40. Обработку спектральных данных проводили с помощью Microsoft Excel 2010.

Результаты и их обсуждение

Был получен 2,4-динитрофенилгидразон фурфурола по описанной выше методике (см. табл. 1). Реакция протекает по схеме

_ o o2n _ o2n

ГТл + nh2-n^\no2 ^^ L J-c=n-n^Vno2+ h2o

2 o h h^ 2

_ o2n _ _ o2n

h h h

Natural Sciences. Chemistry 107

Полученные растворы характеризуются пиками поглощения при длинах волн 450 и 470 нм. Отмечено, что после добавления к раствору фурфурола 2,4-динитрофенилгидразина происходит реакция, видимым результатом которой с течением времени является изменение цвета раствора. Для установления времени полного протекания реакции взаимодействия фурфурола с 2,4-динитрофенилгидразином произвели серию измерений. В три мерных колбы на 25 мл поместили 1 мл раствора фурфурола, 2 мл 2,4-динитрофенилгидразина, через 10, 20 и 30 мин соответственно прибавили 2 мл спиртового раствора щелочи, далее - по общей схеме (табл. 1). На рис. 1 представлены результаты измерения оптической плотности растворов при длине волны 450, 470 и 480 нм.

Рис. 1. Зависимость оптической плотности в исследуемых растворах от времени взаимодействия фурфурола и 2,4-динитрофенилгидразина и длине волны 450, 470 и 480 нм

Из графика видно, что оптическая плотность изменяется незначительно, и 10 мин достаточно для полного протекания реакции взаимодействия фурфурола с 2,4-динитрофенилгидразином.

Для построения градуировочного графика были приготовлены образцы растворов фурфурола с концентрациями, находящимися в диапазоне, при котором значение оптической плотности (0,1-2,0) является оптимальным. На рис. 2 представлены спектры поглощения калибровочных образцов 2,4-динитрофенилгидразона фурфурола, в табл. 2 - концентрации фурфурола в градуировочных образцах и соответствующие им значения оптических плотностей.

Из рис. 2 видно, что в качестве аналитической длины волны можно использовать X = 450 нм или X = 470 нм. В работе [9] описаны методики определения альдегидов выбранным авторами методом при X = 480. В связи с этим в дальнейшем проанализируем регрессионные модели для определения фурфурола при 450, 470 и 480 нм.

375 400 425 450 475 500 525 550 575 [nm]

АЬгогЬапсе

Рис. 2. Спектры поглощения калибровочных образцов растворов 2,4-динитрофенилгидразона фурфурола с концентрациями, моль/л:

- - 1,64  10-6; - - 6,54  10-6; - - 1,145  10-5; - - 1,635  10-5;

- -2,126  10-5; - - 2,616  10-5; - - 3,107  10-5, - - 3,597  10-5

Таблица 2

Концентрации фурфурола в градуировочных образцах и соответствующие им значения оптических плотностей А при длине волны X

Номер раствора Концентрация фурфурола, моль/л А, 1 = 450 нм А, 1 = 470 нм А, 1 = 480 нм

1 1,64-10-6 0,0318 0,0697 0,0607

2 6,54-10-6 0,1822 0,2173 0,1968

3 1,145-10-5 0,3599 0,3890 0,3562

4 1,635-10-5 0,5150 0,5377 0,4929

5 2,126-10-5 0,6848 0,6992 0,6419

6 2,616-10-5 0,7831 0,7920 0,7270

7 3,107-10-5 0,8205 0,8262 0,7583

8 3,597-10-5 0,8684 0,8718 0,8006

Средние коэффициенты экстинкции е были рассчитаны по формуле

в = А,

I  с

где А - оптическая плотность раствора; I - толщина поглощающего слоя, см; с - концентрация растворенного вещества, моль/л.

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион Коэффициент чувствительности равен

^ = , (2) 1000•м

где 5 - коэффициент чувствительности, л/мг; I - толщина поглощающего слоя, см; е - коэффициент экстинкции, л/моль • см; М - молярная масса вещества, г/моль.

Предел обнаружения рассчитывали по формуле

с . =___

Стт 1000 • М • 5 ,

где ст;п - предел обнаружения, моль/л; 5 - коэффициент чувствительности, л/мг; М - молярная масса вещества, г/моль; 50 - стандартное отклонение аналитического сигнала фона.

Нижняя граница определяемых концентраций была рассчитана по формуле

сНт = 3 • стт ,

где ст;п - предел обнаружения, моль/л; с^т - нижняя граница определяемых концентраций, моль/л.

По литературным данным [9] коэффициент экстинкции 2,4-динитро-фенилгидразона фурфурола при 480 нм составляет 2,72 • 10 л/моль • см. Рассчитанное авторами среднее значение коэффициента экстинкции при данной длине волны составило 2,91 • 104 л/моль • см. Небольшие отклонения определяемой величины могут быть объяснены присутствием в растворе не-прореагировавших веществ или других примесей. Рассчитанные средние значения коэффициентов экстинкции при других длинах волн, коэффициента чувствительности 5, предела обнаружения ст;п и нижней границы определяемых концентраций с^т представлены в табл. 3.

Таблица 3

Значения среднего коэффициента экстинкции и метрологических параметров калибровочного графика при 450, 470 и 480 нм

X, нм е, л/моль • см S, л/мг •So cmin, моль/л clim, моль/л

450 2,79 • 104 0,2902 0,00097 1,0  10-7 3,1  10-7

470 3,20 • 104 0,3341 0,00233 2,2  10-7 6,5  10-7

480 2,91 • 104 0,3034 0,00203 2,1  10-7 6,3  10-7

Таким образом, наибольшая чувствительность определения 2-фураль-дегида достигается при длине волны 450 нм. Минимальная определяемая концентрация в этом случае составляет 1,0 • 10- моль/л. Из рис. 3-5 видно, что в выбранном диапазоне концентраций от 1,64 • 10- до 3,60 • 10- моль/л оптическая плотность изменяется линейно.

Рис. 3. Зависимость оптической плотности раствора 2,4-динитрофенилгидразона от концентрации фурфурола при 450 нм

Рис. 4. Зависимость оптической плотности раствора 2,4-динитрофенилгидразона от концентрации фурфурола при 470 нм

Рис. 5. Зависимость оптической плотности раствора 2,4-динитрофенилгидразона от концентрации фурфурола при 480 нм

Сравнивая рассчитанные по уравнению регрессии и приготовленные концентрации в тестовых растворах, авторы оценивали достоверность используемой методики. Для оценки точности построенного градуировочного графика используются следующие показатели:

- абсолютное отклонение:

О — — хИсТ,

где О - абсолютное отклонение; х7 - 7-й результат определения; хист - истинное значение величины;

- относительное отклонение:

О, %—,

хист -100 %

где | О | - абсолютное отклонение; хист - истинное значение величины;

- среднеквадратичная ошибка калибровки (ЯМБЕС):

RMSEC ='

Е (- * )2

i=1

n -1

где х7 - расчетные значение предсказываемой величины; х - целевые (известные заранее значения); п - объем выборки;

- среднеквадратичная ошибка предсказания (ЯМБЕР):

Е

RMSEP ='

где у7 - количественная характеристика, полученная экспериментально; у -предсказанная с помощью калибровочной модели количественная характеристика; п - объем выборки.

Рассчитанные значения погрешностей занесены в табл. 4.

Таблица 4

Рассчитанные по уравнению регрессии и приготовленные значения концентраций фурфурола в тестовых образцах, метрологические характеристики предсказания

n

Номер образца Концентрация фурфурола (экспериментальная), моль/л Концентрация фурфурола (предсказанная), моль/л Абсолютное отклонение Относительное отклонение, %

1 2 3 4 5

I = 450 нм

1 8,18  10-6 9,54  10-6 1,36  10-6 8,18

2 1,308  10-5 1,316  10-5 8,0  10-8 0,61

3 1,799  10-5 2,003  10-5 2,04  10-6 11,34

Окончание табл. 4

1 2 3 4 5

4 2,289  10-5 2,624  10-5 3,35  10-6 14,63

5 2,780  10-5 3,225  10-5 4,45  10-6 16,00

6 3,270  10-5 3,426  10-5 1,56  10-6 4,77

7 3,761  10-5 3,709  10-5 -5,2  10-7 1,38

X = 470 нм

1 8,18  10-6 8,94  10-6 7,6  10-7 9,29

2 1,308  10-5 1,340  10-5 3,2  10-7 2,45

3 1,799  10-5 1,986  10-5 1,87  10-6 10,39

4 2,289  10-5 2,608  10-5 3,19  10-6 13,94

5 2,780  10-5 3,197  10-5 4,17  10-6 15,00

6 3,270  10-5 3,389  10-5 1,19  10-6 3,64

7 3,761  10-5 3,660  10-5 -1,01  10-6 2,69

X = 480 нм

1 8,18  10-6 9,04  10-6 8,6  10-7 10,51

2 1,308  10-5 1,336  10-5 2,8  10-7 2,14

3 1,799  10-5 1,981  10-5 1,82  10-6 10,12

4 2,289  10-5 2,608  10-5 3,19  10-6 13,94

5 2,780  10-5 3,199  10-5 4,19  10-6 15,07

6 3,270  10-5 3,389  10-5 1,19  10-6 3,64

7 3,761  10-5 3,664  10-5 -9,7  10-7 2,58

Приведенные значения среднеквадратичной ошибки предсказания, полученные при тестировании построенной регрессионной модели, существенно ниже допустимой теоретически. Следовательно, построенная регрессионная модель является адекватной и может использоваться для определения фурфурола в растворе в диапазоне концентраций от 1,64 • 10-6 до 3,597 • 10-5 моль/л. В табл. 5 приведена информация о характеристиках регрессионной модели.

Таблица 5

Характеристики регрессионной модели

X, нм Уравнение регрессии А = а • С + Ь Доверительные интервалы коэффициентов регрессии RMSEC RMSEP

450 А = 25449,77 • С + 0,052 а: [19952,19; 30947,36] Ь: [-0,068; 0,17] 2,60  10-6 2,38  10-6

470 А = 24339,77 • С + 0,093 а: [18958,00; 29721,55] Ь: [-0,025; 0,21] 2,66  10-6 1,55  10-6

480 А = 22443,25 • С + 0,082 а: [17461,48; 27425,02] Ь: [-0,0269; 0,1914] 2,50  10-6 2,21  10-6

Выводы

Таким образом, авторами была построена регрессионная модель для определения содержания фурфурола в исследуемых образцах и рассчитаны

ее метрологические характеристики: доверительные интервалы коэффициентов регрессии, среднеквадратичная ошибка калибровки и среднеквадратичная ошибка предсказания. Установлен возможный диапазон определяемых концентраций фурфурола. Достоинством используемого метода является его чувствительность. Линейная зависимость оптической плотности от концентрации наблюдается в диапазоне концентраций от 1,64  10-6 моль/л до 3,60  10-5 моль/л. Для изученных длин волн коэффициенты регрессии, а также значения RMSEC и RMSEP имели близкие значения. Предложенная методика может быть использована для количественного определения 2-фураль-дегида в спиртовых растворах.

Библиографический список

1. Травень, В. Ф. Органическая химия / В. Ф. Травень. - М. : Академкнига, 2004. -Т. 2. - 582 с.

2. Structural and optical characterization studies on 2,4-dinitrophenylhydrazine single crystal / T. Uma Devi, N. Lawrenceb, R. Ramesh Babuc, K. Ramamurthic, G. Bhaga-vannarayanad. - 2010. - Vol. 9, № 4. - P. 321-330.

3. Волкова, Н. В. Экстракция и количественное определение бензальдегида в полистироле / Н. В. Волкова, А. Н. Вернигора, К. И. Рожков, Д. П. Мартынов // Вестник Пензенского государственного университета. - 2016. - № 4. - С. 53-60.

4. Золотов, Ю. А. Основы аналитической химии / Ю. А. Золотов. - М. : Высш. шк., 2002. - Т. 2. - 494 с.

5. Sachin, S. K. Chemical importance of brady's reagent / S. K. Sachin, S. T. Tambe, N. D. Grampurohit, D. D. Gaikwad // International journal of research in pharmacy and chemistry. - 2012. - Vol. 4. - P. 1086-1092.

6. Коренман, И. М. Фотометрический анализ. Методы определения органических соединений / И. М. Коренман. - М. : Химия, 1975. - 358 с.

7. Малышева, Ю. Б. Идентификация органических соединений / Ю. Б. Малышева, А. Ю. Федоров, Т. И. Старостина. - Новосибирск : Изд-во НГУ, 2010. - 34 с.

8. Чакчир, Б. А. Фотометрические методы анализа : метод. указания / Б. А. Чак-чир, Г. М. Алексеева. - СПб. : Изд-во СПХФА, 2002. - 44 с.

9. Сиггиа, С. Количественный органический анализ по функциональным группам / C. Сиггиа, Дж. Г. Ханна. - М. : Химия, 1983. - 672 с.

References

1. Traven' V. F. Organicheskaya khimiya [Organic chemistry]. Moscow: Akademkniga, 2004, vol. 2, 582 p.

2. T. Uma Devi, Lawrenceb N., R. Ramesh Babuc, Ramamurthic K., Bhagavannarayanad G.

Structural and optical characterization studies on 2,4-dinitrophenylhydrazine single crystal. 2010, vol. 9, no. 4, pp. 321-330.

3. Volkova N. V., Vernigora A. N., Rozhkov K. I., Martynov D. P. Vestnik Penzenskogo gosudarstvennogo universiteta [Bulletin of Penza State University]. 2016, no. 4, pp. 53-60.

4. Zolotov Yu. A. Osnovy analiticheskoy khimii [Basic analytical chemistry]. Moscow: Vyssh. shk., 2002, vol. 2, 494 p.

5. Sachin S. K., Tambe S. T., Grampurohit N. D., Gaikwad D. D. International journal of research in pharmacy and chemistry. 2012, vol. 4, pp. 1086-1092.

6. Korenman I. M. Fotometricheskiy analiz. Metody opredeleniya organicheskikh soedi-neniy [Photometric analysis. Organic compound determination methods]. Moscow: Khimiya, 1975, 358 p.

7. Malysheva Yu. B., Fedorov A. Yu., Starostina T. I. Identifikatsiya organicheskikh soedi-neniy [Identification of organic compounds]. Novosibirsk: Izd-vo NGU, 2010, 34 p.

8. Chakchir B. A., Alekseeva G. M. Fotometricheskie metody analiza: metod. ukazaniya [Photometric methods of analysis: guidelines]. Saint-Petersburg: Izd-vo SPKhFA, 2002, 44 p.

9. Siggia S., Khanna Dzh. G. Kolichestvennyy organicheskiy analiz po funktsional'nym gruppam [Quantitative organic analysis by functional groups]. Moscow: Khimiya, 1983, 672 p.

Волкова Наталия Валентиновна

кандидат биологических наук, доцент, заведующий кафедрой химии и теории и методики обучения химии, Пензенский государственный университет

E-mail: balikovan@mail.ru

Вернигора Александр Николаевич

кандидат биологических наук, доцент, кафедра химии и теории и методики обучения химии, Пензенский государственный университет

E-mail: vanvan7@yandex.ru

Фролов Анатолий Валерьевич магистрант, Пензенский государственный университет

E-mail: ji-di96@yandex.ru

Volkova Natalija Valentinovna Candidate of biological sciences, associate professor, head of sub-department of chemistry and theory and methodology of chemistry teaching, Penza State University

Vernigora Alexander Nikolaevich Candidate of biological sciences, associate professor, sub-department of chemistry and theory and methodology of chemistry teaching, Penza State University

Frolov Anatoly Valerievich

Master degree student, Penza State University

УДК 543.4/8 Волкова, Н. В.

Спектрофотометрическое определение 2-фуральдегида с использованием 2,4-динитрофенилгидразина / Н. В. Волкова, А. Н. Вернигора, А. В. Фролов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Естественные науки. - 2017. - № 4 (20). - С. 105-115. Б01: 10.21685/23079150-2017-4-9