Методы обнаружения взрывчатых веществ. II. Анализ циклических нитраминов

Справ, изд.: в 2-х книгах/под ред. А.Н.Баратова и А.Я. Корольченко. М.: Химия, 1990. Т.1 - 496с. Т.2 - 384с.

УДК 543.41, 543.422, 543.42.061, 662.238

Е.В. Веселова, М.В. Дьяков, В.Л Збарский

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

МЕТОДЫ ОБНАРУЖЕНИЯ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ. II. АНАЛИЗ ЦИКЛИЧЕСКИХ НИТРАМИНОВ

The comparative spectrophotometric study of the interaction of RDX and HMX with various analytic reagents is executed. The absorption characteristics of sortie reaction were determined. The effective reagent systems for définition trace of cyclic nitramines were chosen. The limit of détection is 1-50 mkg/ml.

Проведено сравнительное спектрофотометрическое исследование взаимодействия гексогена и октогена с различными аналитическими реагентами. Определены максимумы поглощения и коэффициенты экстинкции для ряда реакций. Выбраны наиболее эффективные системы реагентов для определения следовых количеств циклических нитраминов. Предел обнаружения составляет 1-50 мкг/мл.

Введение. Большинство цветных реакций обнаружения нитраминов основаны либо на их пиролитическом разложении, либо на кислотном гидролизе, преимущественно в среде концентрированной серной кислоты. Но такие методы малопригодны для выполнения вне лабораторных условий и требуют специального оборудования.

Обнаружение нитраминов с солями железа (II). При взаимодействии

циклических и линейных нитраминов с концентрированной серной кислотой

нитрогруппа превращается в азотную кислоту и может быть обнаружена по

реакции с сульфатом железа (II), так, раствор октогена в концентрированной

серной кислоте приобретает красно-фиолетовую окраску в присутствии ио-г 2+ нов Fe

Обнаружение нитраминов с дифениламином. Реакция основана на способности азотной кислоты, выделяющейся при разложении нитраминов в концентрированной серной кислоте окислять дифениламин (ДФА) или ди-фенилбензидин до темно-синих хиноидных соединений. Эта реакция может быть использована также для обнаружения органических и неорганических нитратов и нитритов и некоторых окислителей. Цветная реакция с дифениламином используется при обнаружении примеси гексогена в октогене. Октоген в этих условиях реагирует заметно медленнее, чем гексоген, и в первые минуты дает менее интенсивную окраску.

Обнаружение с хромотроповой кислотой. Хромотроповая кислота (1,8-дигидроксинафталин-3,6-дисульфокислота) в среде концентрированной серной кислоты дает фиолетово-розовое окрашивание с гексогеном и окто-геном, преимущественно при нагревании. Окрашивание обусловлено реак-

цией с выделяющимся формальдегидом. Соединения, способные выделять формальдегид при действии конц. НгБО^ могут мешать определению.

Восстановление цинком в кислой среде и определение с реактивом Грисса. Реакция заключается в восстановлении нитрамина цинковой пылью в среде уксусной кислоты и обработке полученного раствора каким-нибудь ароматическим амином, например, 1-нафтиламином или его производным, или реактивом Грисса (0,2-1% растворы 1-нафтиламина и сульфаниловой кислоты в 30% уксусной кислоте). Возникающее при этом розовое окрашивание указывает на присутствие нитрамина. Предел обнаружения 1-2 -10 "5 г. Аналогичное окрашивание возникает при введении в реакцию органических и неорганических нитратов и нитритов.

Гидролиз нитрамина в основной среде. В присутствии сильных оснований нитрамины легко гидролизуются с образованием азотистой кислоты, которая способна диазотировать ароматические амины.

Гексоген + ОСН3 -> СН3ОН + N02 + К20

Если в реакцию добавить, например, раствор 1-нафтиламина, то образующиеся продукты реакции азосочетания окрашивают раствор в красно-оранжевый цвет.

Обсуждение результатов. Реакция нитраминов (НА) с ДФА дает большее разнообразие в окрасках. Гексоген и, немного медленнее его, окто-ген окрашивают растворы в темно-синий цвет. Нитромочевина и кето-гексоген образуют сначала окрашенные в желтый цвет продукты гидролиза, затем достаточно быстро возникает темно-синее окрашивание. Раствор тет-ранитрата пентаэритрита (тэна) содержит еще больше желтых продуктов и при наложении синей окраски образуется темный зеленовато-коричневый цвет. СЬ-20 наиболее устойчивый из нитраминов и разлагается заметно медленнее, его раствор через 1 час после начала реакции окрашен в светло-голубой цвет без примеси желтого, а до образования темно-синей окраски проходит 10-12 часов.

Фотометрическое определение НА в реакции с ДФА мы проводили с растворами нитраминов в 96% серной кислоте, так как растворы гексогена и октогена в ацетоне не окрашивают ДФА. Растворы нитраминов с ДФА в 80% кислоте окрашивались заметно медленнее, чем в 96% кислоте, и для получения насыщенной окраски требовалось более суток. Медленнее проходила и реакция в опытах с октогеном по сравнению с гексогеном. На рис. 1-а представлены УФ-спектры растворов гексогена и октогена в реакции с ДФА.

Известно, что реакция с ДФА использовалась для определения неорганических нитратов и нитритов. Этим методом можно также обнаруживать и нитроэфиры. Мы провели реакции нитрата аммония и тетранитрата пентаэритрита (тэна) с ДФА в в 96% серной кислоте в тех же условиях, что и для гексогена и октогена (рис. 1-6). Растворы тэна в этой реакции отличает от нитраминов серый оттенок окраски, высокие коэффициенты экстинкции и заметный сдвиг максимума поглощения в сторону меньших значений длин волн (табл. 2).

-Гексоген

-ТЭН

-Октоген

Нитрат аммония

С

О

330 430 530 630 730 830

330 430 530 630 730 830

Длина волны, нм

Длина волны, нм

Рис. 1. Фотометрия нитраминов в реакции с ДФА-Н28 04: а - растворы гексогена и октогена, б - растворы тэна и нитрата аммония

Для фотометрических исследований реакций щелочного гидролиза и восстановления мы приготовили растворы гексогена и октогена, реакции проводили в пробирках, а затем окрашенные растворы помещали в кювету и фотометрировали. В реакции щелочного гидролиза нитрамина с добавлением 1-нафтиламина мы использовали растворы трех оснований в этаноле: №ОН, КОН и СНзО№. Гексоген в присутствии 1-нафтиламина со всеми тремя основаниями дает очень интенсивно окрашенные оранжевые растворы, в отличие от него растворы октогена окрашены заметно слабее, особенно в реакции с метилатом натрия (табл. 1). Следует отметить, что раствор метилата натрия не является оптимальным реактивом для экспресс-анализа, так как при хранении в значительной степени теряет свои свойства.

Также мы исследовали реакцию, основанную на восстановлении нитрамина цинком в уксусной кислоте и добавлении реактива Грисса (растворов сульфаниловой кислоты и 1-нафтиламина). Растворы гексогена и октогена с концентрацией 10"5 моль/л окрашиваются в яркий розово-лиловый цвет, а менее концентрированные растворы (10"6 моль/л) имеют бледно-розовую окраску практически на пределе визуального и приборного обнаружения. Надо отметить, что в этой реакции характерное окрашивание дают не только нитрамины, но и нитроэфиры, а также неорганические нитраты и нитриты, например, тэн и ЫЬЦМОз (табл. 2). Если совместить спектры тэна и нитрата аммония со спектрами гексогена и октогена, то видно, что максимум поглощения в спектре тэна имеет ту же длину волны, что и нитрамины, а максимум поглощения селитры смещен в область меньших значений. Это проявляется и в окраске растворов: образцы растворов нитраминов и тэна окрашены в розово-лиловый цвет, а образец раствора нитрата аммония имеет скорее темно-красную окраску и со временем становится еще более красным.

Полинитроароматические соединения, например, 2,4,6-тринитротолуол и 1,3,5-тринитробензол, не окрашивают раствор дифениламина в серной кислоте (исключение составляет тетрил, содержащий метил-нитраминную группу), а при восстановлении цинком и взаимодействии с реактивом Грисса образуют желто-коричневые растворы. Со спиртовыми растворами щелочей ТНТ и ТНБ образуют окрашенные комплексные соединения сиреневого и красно-оранжевого цвета соответственно.

2,5

Н 2

о о аз

S1,5

с

64 га И

° 1

и I

В4 К н

°0,5

330 430 530 630

Длина волны, нм

730

-Нитрат аммония

— Тэн

330 430 530 630

Длина волны, нм

730

Рис. 3. Фотометрия нитраминов в реакции с Zn/CHзCOOH и реактивом Грисса: а - растворы гексогена и октогена, б - растворы тэна и нитрата аммония

Если сравнить коэффициенты экстинкции, полученные при анализе нитраминов различными методами, то наиболее эффективным методом является реакция Грисса, но этот метод недостаточно избирателен. Второй по эффективности метод - это щелочной гидролиз нитраминов в присутствии 1 -нафтиламина.

По данным фотометрии растворов с различными концентрациями октогена и гексогена мы рассчитали пределы определения нитраминов в аналитических реакциях:

Реакция с ДФА-Н2804

Реакция Грисса

Реакция щелочного гидролиза

50 мкг/мл 1-1,5 мкг/мл 5-10 мкг/мл

Экспериментальная масть. Абсорбционные спектры снимали на приборе Бресогс! М40 в видимой области. Для измерения оптической плотности растворов использовали кварцевые кюветы длиной 1 см. Исходные соединения (гексоген, т. пл. 200-202°С, октоген, т. пл. 272-275°С и др.) получали по известным методикам.

Табл. 1. Характеристики растворов гексогена и октогена при взаимодействии с реагентами

Растворы гексогена Растворы октогена

Система Длина Оптич. Коэфф. Длина Оптич. Коэфф.

реактивов волны Плотн. экстинк- волны Плотн. экстинк-

D ции 8, D ции 8,

нм л/

ДФА-Н2804 442 0.0147 1800 433 0.1571 1600

584 0.0284 3600 604 0.4077 4200

ЫаОН-этанол - - - 361 2.4220 10800

528 0.9873 22300 465 1.4277 6300

КОН-этанол - - - 360 2.5517 11300

464 0.9967 28200 465 2.4820 11000

СН3(Жа- - - - 358 2.3059 10300

этанол 477 1.0004 28300 466 0.1157 500

гп-снзсоон, 340 2.0158 - 337 1.9069 -

реактив Грисса 530 0.1630 61500 527 0.2097 62000

Использовали товарные реактивы и растворители: ацетон ч.д.а., дифениламин х.ч., метилат натрия (Астов), сульфат 1-нафтиламина ч.д.а., серная кислота 93%-ная х.ч., цинковый порошок, уксусная кислота х.ч., этанол х.ч.

Табл. 2. Характеристики растворов тэна и нитрата аммония при взаимодействии с реагентами

5астворы тэна Растворы нитрата аммония

Система Длина Оптич. Коэфф. Длина Оптич. Коэфф.

реактивов волны Плотн. экстинк- волны Плотн. экстинк-

D ции 8, D ции 8,

нм л/

ДФА-Н2804 430 0.1340 8400 410 0.2199 2900

561 0.0978 6100 613 0.8230 10700

гп-снзсоон, 532 1.4701 66700 502 1.7783 53400

реактив Грисса

Приготовленные для спектрофотометрических исследований растворы гексогена и октогена в ацетоне имели концентрации в диапазоне 1-10^-1-1СГ5 моль/л, использовались 10%-ный раствор дифениламина в 93%-ной серной кислоте, 10%-ные растворы КОН, №ОН и СН30№ в этаноле, 5%-ные растворы сульфата 1 -нафтиламина и сульфаниловой кислоты в смеси уксусной кислоты с водой (реактив Грисса).

Для образовавшихся при добавлении реактивов цветных растворов снимали спектры в видимой области излучения. Для максимальных значений длин волн (/Л|ах) определяли оптическую плотность Бив соответствии с законом Ламберта-Бугера-Беера рассчитывали коэффициенты экстинкции в.

Общая методика исследования образца на спектрофотометре. В

пробирке к 5 мл раствора исследуемого соединения приливали 2-4 мл раствора реактивов, выдерживали 5 мин и переносили часть окрашенного раствора в кварцевую кювету длиной 1 см, которую помещали в спектрофотометр. Снимали спектр раствора относительно соответствующего растворителя (кювета сравнения). Полученные в экспериментах длины волн и оптические плотности, а также рассчитанные коэффициенты экстинкции приведены в табл. 1-2. Выводы.

1. Проведено сравнительное спектрофотометрическое исследование взаимодействия гексогена и октогена с тремя различными аналитическими реагентами: дифениламин-серная кислота, раствор щелочи в этаноле в присутствии 1-нафтиламина, цинк в уксусной кислоте в присутствии реактива Грисса. Определены максимумы поглощения и коэффициенты экстинкции для ряда реакций.

2. Показано, что определение нитраминов с цинком и реактивом Грисса эффективно, но малоизбирательно.

3. Выбран наиболее эффективный метод определения следовых количеств гексогена и октогена: гидролиз в системе нафтиламин-КОН-этанол.

4. Проведена оценка чувствительности исследованных методов. Предел обнаружения составляет 1-50 мкг/мл в зависимости от метода.

Библиографические ссылки

1. 1. Finne Т. М., Yallop H.J. //Analyst., 1957. V. 82. P. 653;

2. Hansson I. // Explosivstoffe, 1963. V. 11. P. 73-76.

3. Файгль Ф. Капельный анализ органических веществ/ Файгль Ф./пер. с англ. М.: Госхимиздат, 1962. С. 227-229.

4. Орлова Е.Ю. Октоген. Получение, свойства и применение/ Е.Ю. Орлова, H.A. Орлова, В.Ф. Жилин, Г.М. Шутов, В.Л. Збарский, Л.И. Витков-ская/МХТИ; М.: Изд-во МХТИ, 1970. 56с.

5. Yinon J. The Analysis of explosives/ Yinon J., Zitrin S N.-Y.: Pergamon Press, 1981. 31 Op.

6. Malmberg E.W.Detection and Estimation of Impurities in Hexogen/ E.W.Malmberg, K.N. Truebloods, T.D. Waugh//An. Chem., 1953. V. 25. P. 901-907.

7. Jones L. R. // J. Am. Chem. Soc., 1954. V. 76(3). P. 829.

8. Губен П. Методы органической химии/ И.Губен. М.-Л.: ГНТИХЛ, 1949. Т. 4, кн. 1. 711с.

9. Жилин В.Ф. Руководство к лабораторному практикуму по синтезу нитросоединений: учеб. пособие. -2-е изд./ В.Ф. Жилин, Е.Ю. Орлова, Г.М. Шутов, В.Л. Збарский, Г.Ф. Рудаков, Е В. Веселова. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2007. 240с.