Способ количественного определения альдегидных групп в модифицированных силикагелях
METHOD FOR QUANTIFICATION OF ALDEHYDE GROUPS IN MODIFIED SILICA GELS

Изобретение относится к аналитической химии, а именно к способам количественного органического функционального анализа с использованием спектрофотометрии в ультрафиолетовой и видимой областях спектра.
Различные твердофазные материалы (смолы, модифицированные силикагели), содержащие ковалентно иммобилизованные альдегидные группы применяют в твердофазном синтезе, для получения гетерогенных катализаторов, сорбционных материалов и аналитических реагентов. Для характеризации таких материалов важно знать количественное содержание альдегидных групп на поверхности. Многие известные способы определения являются качественными, они позволяют оценить только наличие либо отсутствие групп на поверхности.
Известен быстрый и чувствительный способ качественного определения альдегидных групп, ковалентно иммобилизованных на различных смолах, заключающийся в использовании пара-анисового альдегида в качестве реагента. Для осуществления способа гранулы смолы обрабатывают подкисленным этанольным раствором пара-анисового альдегида и наблюдают окраску продукта реакции, которая варьируется от слабо-оранжевой, при низком содержании альдегидных групп (1%), до винно-красной, при высоком содержании альдегидных групп (98%). (J. Vazquez, F. Albericio. A useful and sensitive color test to monitor aldehydes on solid-phase. TetrahedronLetters, 2001, vol. 42, p. 6691-6693.).
Известен способ качественного определения альдегидных групп на поверхности различных смол, основанный на конденсации с 4-амино-3-гидразино-5-меркапто-1,2,4-триазолом с последующим окислением продукта реакции кислородом воздуха в течении 10 мин, сопровождающимся появлением коричневой окраски. Взаимодействие протекает в соответствии со схемой:
(J.J. Cournoyer, Т. Kshirsagar, P.P. Fantauzzi, G.M. Figliozzi, Т. Makdessian, В. Yan. Color test for the determination of resin-bound aldehyde in solid-phase combinatorial synthesis. J. Comb. Chem. 2002, 4, p. 120-124.).
Известен способ количественного флуориметрического определения альдегидных групп с использованием в качестве реагента гидразида 5-(диметиламино)-1-нафталинсульфо кислоты (дансилгидразида). Реакция протекает при использовании избытка реагента в среде диметилформамида в присутствии уксусной кислоты. Количество непрореагировавшего реагента определяют при флуориметрировании (возбуждение светом с длиной волны 345 нм, интегрирования пика в области от 400 до 680 нм или через максимальную эмиссию при 525 нм). Протекающая химическая реакция описывается схемой:
(В. Yan, W. Li. Rapid fluorescence determination of the absolute amount of aldehyde and ketone groups on resin supports. J. Org. Chem. 1997, vol. 62. P. 9354-9357.).
Известен способ количественного определения альдегидов, закрепленных на поверхности полиэтиленгликоль-полистирола (PEG-PS), аминометилполистирола (AMP) и сшитой этоксилатакрилатной смолы с использованием реакции конденсации карбонильных групп с трифторацетатом 4-(9-флуоренилметилоксикарбонил) фенилгидразина в среде N-диметилформамид : триметилортоформиат (1:1) при 80°С в течение 30 минут. Далее полученный гидразон обрабатывали смесью пиперидин: N-диметилформамид (1:1) при 25°С в течение 30 минут, количество образовавшегося аддукта пиперидин-дибензофульвен определяли спектрофотометрически (λ=301 нм). Протекающие реакции описываются схемой:
(Shannon, S.K., Barany, G. 4-(9-Fluorenylmethyloxycarbonyl)phenylhydrazine (FmPH): A new chromophoric reagent for quantitative monitoring of solid-phase aldehydes. Journal of Organic Chemistry, 2004, 69(14), 4586-4594. doi: 10.1021/jo049830b).
Известен метод количественного определения альдегидов, закрепленных на поверхности полимерных микрошариков с использованием реакции конденсации между карбонильными группами и BODIPY-гидразидом, служащим реагентом для последующего флуориметрического детектирования или с 3-(2-пиридилтио)пропилгидразидом как реагента для последующего колориметрического детектирования. Поверхность полимера предварительно обрабатывали 100 мМ HCl и проводили реакцию с водным раствором BODIPY-гидразидом в течение 18 ч при комнатной температуре, затем избыток гидразида удаляли. Образовавшийся на поверхности гидразон подвергали расщеплению с помощью 33% формальдегида в ацетатном буфере (рН=4), проводя последовательно обработку в течение 10 минут и 1 часа, аликвоты объединяли и концентрацию образовавшегося аддукта формальдегид-BODIPY-гидразид определяли флуориметрически (λ возбуждения/излучения=500/510 нм). Количество альдегидных групп считали эквимольным количеству образовавшегося аддукта - формальдегид-BODIPY-гидразид. В случае реагента с хромофорной группой 3-(2-пиридилтио)пропилгидразида реакцию проводили в фосфатном буфере в течении 22-26 часов при комнатной температуре. Образовавшийся на поверхности гидразон подвергали расщеплению с помощью трис(2-карбоксиэтил)фосфина в течение 1-3 час, образовавшийся продукт - 2-тиопиридон определяли спектрофотометрически. Количество альдегидных групп считали эквимольным количеству образовавшегося 2-тиопиридона. Протекающие реакции можно представить схемой:
(Roloff, A., Nirmalananthan-Budau, N., Ruhle, В., Borcherding, H., Thiele, Т., Schedler, U., Resch-Genger, U. Quantification of aldehyde sopolymeric microbead surfaces via catch and release of reporter chromophores. Analytical Chemistry, 2019, 91 (14), p. 8827-8834. doi: 10.1021/acs.analchem.8b05515).
4
4
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ определения альдегидных групп на поверхности модифицированного силикагеля или стеклах с контролируемым размером пор, включающий две стадии. На первой стадии проводят реакцию модифицированного силикагеля с солянокислым 4-нитрофенилгидразином в воде в течении 30 минут при температуре 25°С при поддержании рН в диапазоне 2.7-5 и ионной силе 1.0 M NaClO. На второй стадии проводят гидролиз образовавшегося на поверхности силикагеля 4-нитрофенилгидразона, для чего образец нагревают в течении 80 минут при температуре 70°С при рН 5-8 и ионной силе 1.0 М NaClO. Далее спектрофотометрически определяют количество выделившегося 4-нитрофенилгидразина при длине волны 400 нм. Протекающие процессы можно представить схемой:
(M.C. Gosnell, H.A. Mottola. Determination of reactive aldehyde groups immobilized on silica using (p-nitrophenyl)hydrazine as a chromophoric probe. Analitical Chemistry, 1986, vol. 58, №3, p. 631-638.)
Существенным недостатком известных способов определения альдегидных групп на поверхности материалов является труднодоступность и высокая стоимость используемых реагентов, трудоемкость и длительность применяемых процедур.
Задачей предлагаемого изобретения является создание способа количественного определения ковалентно иммобилизованных альдегидных групп в модифицированных силикагелях.
Техническим результатом настоящего изобретения является расширение ассортимента простых и экспрессных способов количественного функционального анализа силикагелей ковалентно модифицированных альдегидными группами.
Технический результат достигается путем установления количественного содержания альдегидных групп в модифицированных силикагелях по спектрофотометрически определенной разнице между количеством взятого для реакции и оставшегося не прореагировавшим 2,4-динитрофенилгидразина (2,4-ДНФГ), который взаимодействует с альдегидными группами в сернокислотной среде в соответствии со схемой:
-5
-5
Установление количества непрореагировавшего 2,4-динитрофенилгидразина, находящегося в растворе над осадком модифицированного силикагеля, проводят по градуировочному графику зависимости оптической плотности (на длине волны 315 нм отвечающей максимуму поглощения) раствора от концентрации в диапазоне 2.5⋅10 - 12.5⋅10.
На фигуре представлена зависимость оптической плотности раствора 2,4-ДНФГ от его концентрации.
Необходимый для реализации предложенного способа избыток реагента, который составляет 150-200% относительно эквимольного количества, рассчитывают по емкости, предварительно определенной с помощью оценочного метода - перманганатометрического титрования, (Сиггиа С., Ханна Дж. Г. Количественный органический анализ по функциональным группам. М. Химия, 1983 г. 672 с.) или исходя из теоретически возможного содержания альдегидных групп на поверхности.
Для учета возможного вклада физической сорбции силикагелем 2,4-динитрофенилгидразина из раствора, которая может завышать результаты определения, проводили эксперимент, в котором использовали не модифицированный силикагель. Установлено, что этот вклад пренебрежимо мал и не превышает погрешности определения оптической плотности раствора.
Предложенный способ определения количества альдегидных групп отличается экспрессностью и простотой по сравнению с прототипом, так как является одностадийным, основывается на реакции конденсации, которая протекает за 10 минут, исключает необходимость разрушения гидразона образующегося на поверхности силикагеля.
Предложенный способ реализован на серии альдегид-функционализированных силикагелей, полученных различными методами (Патент №2750868 С1 Российская Федерация, МПК С07С 47/575, B01J 20/10. Способ функционализации поверхности силикагеля альдегидными группами: №2020139068: заявл. 26.11.2020: опубл. 05.07.2021 / Д.Н. Коншина, С.Е. Ефименко, Д.А. Чупрынина, В.В. Коншин; Патент №2753408 С1 Российская Федерация, МПК B01J 20/10, С01В 33/113. Способ получения силикагеля с иммобилизованной альдегидной группой: №2020133115: заявл. 07.10.2020: опубл. 16.08.2021 / Д.Н. Коншина, С.Е. Ефименко, И.А. Лупанова, В.В. Коншин), результаты приведены в таблице. Правильность предложенного способа определения оценена с использованием процедуры оперативного контроля правильности результатов химического анализа (Рекомендации по межгосударственной стандартизации. Государственная система обеспечения единства измерений внутренний контроль качества результатов количественного химического анализа. Внутренний контроль качества результатов количественного химического анализа. РМГ 76-2014.), предусматривающей кратное варьирование навески исследуемого силикагеля.
Пример количественного определения альдегидных групп в модифицированном силикагеле.
-3
К навеске модифицированного силикагеля 0,0500 г, взятой на аналитических весах, прибавляют 10 мл этанольного раствора 2,4-динитрофенилгидразина с концентрацией 2,5⋅10 М. Реакционную массу выдерживают при интенсивном перемешивании и термостатировании 70°С в течение 10 минут. После этого дают отстояться осадку силикагеля или центрифугируют при 3000 об/мин в течение 5 мин. Далее отбирают аликвоту 0,5 мл надосадочной жидкости, переносят в мерную колбу на 5 мл, доводят до метки этиловым спиртом. Фотометрируют при 315 нм в кювете с толщиной оптического пути 10 мм.
-4
-4
-2
Содержание 2,4-динитрофенилгидразина (2,4-ДНФГ) определяют по градуировочному графику, построенному по растворам, приготовленным путем разбавления рабочего раствора 2,4-ДНФГ с концентрацией 2.5 10 М. Для этого в мерные колбы емкостью 10 мл помещают аликвоты рабочего раствора 2,4-ДНФГ с концентрацией 2.5⋅10 и доводят до метки этанолом. Рабочий раствор готовят из стандартного раствора с концентрацией 2,4-ДНФГ 5⋅10 М, который получен из точной навески реагента (0,4953 г) в мерной колбе на 50 мл, при добавлении 6 мл концентрированной серной кислоты и доведении до метки этанолом.
Содержание альдегидных групп в модифицированном силикагеле рассчитывают по формуле.
(СНО)
С - концентрация альдегидных групп на поверхности силикагеля, моль/г;
1
С - концентрация исходного раствора 2,4-ДНФГ, моль/л;
2
С - концентрация непрореагировавшего 2,4-ДНФГ, определенная по градуировочному графику, моль/л;
пробы
V - объем отобранной аликвоты надосадочной жидкости, л;
силикагеля
m - масса силикагеля, взятого для анализа, г.
На основании изложенного делаем вывод, что предлагаемый способ количественного определения альдегидных групп является новым, простым и экспрессным, применимым в аналитической химии, а именно в области количественного органического функционального анализа с использованием спектрофотометрии в ультрафиолетовой и видимой областях спектра.