К вопросу выбора дериватизирующего агента при переводе метилфосфоновой кислоты и ее О-алкиловых эфиров в хроматографируемые производные

нении : учеб. пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М. : Высш. шк., 2002. 336 с.

2. Смирнов А. Д. Сорбционная очистка воды. Л. : Химия, Ленингр. отд-ние, 1982. 169 с.

3. Тарасевич Ю. И. Природные сорбенты в процессах очистки воды. Киев : Наук. думка, 1981. 207 с.

4. Тарасевич Ю. И. Адсорбция на глинистых минералах. Киев : Наук. думка, 1975. 329 с.

5. Narayanan С. Alumina pillared montmorillonite: characterization and catalysis of toluene benzylation and aniline ethylation // Appl. Catalysis A : Genegal. 2000. Vol. 193, № 1-2. P. 17-27.

6. Brindley G. W., Sempels R. E. Preparation and properties of some hydroxyl-aluminum beidellites // Clays and Clay Minerals. 1977. Vol. 12, № 3. P. 229-237.

7. Комаров В. С. Влияние условий синтеза на физико-химические свойства сорбентов на основе монтмориллонита и основных солей железа // Коллоид. журн. 1995. Т. 57, № 1. С. 51-54.

8. Tichit D., Fajula F., Figuera F. Sintering of mont-morillonites pillared by hydroxy-aluminum species // Clays and Clay Minerals. 1988. Vol. 36, № 4. P. 369-375.

УДК 543.51

К ВОПРОСУ ВЫБОРА ДЕРИВАТИЗИРУЮЩЕГО АГЕНТА ПРИ ПЕРЕВОДЕ МЕТИЛФОСФОНОВОЙ КИСЛОТЫ И ЕЕ О-АЛКИЛОВЫХ ЭФИРОВ В ХРОМАТОГРАФИРУЕМЫЕ ПРОИЗВОДНЫЕ

Р. И. Кузьмина, Н. С. Денисов, С. Н. Денисов1, В. З. Угланова

Саратовский государственный университет Саратовская кадетская школа-интернат № 2 E-mail: kuzminaraisa@mail.ru

Методом хромато-масс-спектрометрии исследованы образцы продуктов дериватизации метилфосфоновой кислоты и ее эфи-ров. Рассмотрены особенности и выбраны условия дериватизации высококипящих фосфорорганических соединений. Ключевые слова: фосфорорганические соединения, хромато-масс-спектрометрия, дериватизация, метилфосфоновая кислота.

To the Question the Choice of a Derivatizing Agent

for the Transfer of Methylphosphonic Acid

and its O-alkils Ethers to Chromatographic Derivatives

R. I. Kuzmina, N. S. Denisov, S. N. Denisov, V. Z. Uglanova

The products of the derivatization of methylphosphonic acid and its ethers were investigated by gas chromatography - mass spectrometry. The optimum conditions of the derivatization of higher-boiling organo-phosphorus compounds were described Key words: organophosphorus compounds, gas chromatography-mass spectrometry, derivatization, methylphosphonic acid.

Введение

В настоящее время производные фосфо-новых кислот (алкилфосфонаты) достаточно широко используются в промышленности, в частности, в теплоэнергетике; в пищевой, парфюмерной и текстильной промышленности - как добавки, ингибирующие образование накипей

и коррозию в автоклавах; для понижения жесткости воды; в нефте- и газодобыче, в нефтепереработке с целью предотвращения гипсовых отложений в трубопроводах; как добавки к удобрениям; в строительстве, а также являются продуктами переработки отравляющих веществ нервно-паралитического действия. Основным продуктом деструкции фосфорорганических отравляющих веществ, а также их метаболитами в биологических средах являются метилфосфо-новая кислота (МФК), ее соли и эфиры. МФК и её производные - ксенобиотики, не входящие в биотический круговорот, попадая в окружающую природную среду, нарушают обмен веществ, могут вызвать аллергические реакции, снижать иммунитет, изменять наследственные признаки и приводить к гибели организмов. Поэтому разработка методик определения МФК и её эфиров, являющихся маркерами фосфо-рорганических соединений, в настоящее время является актуальной.

Известно, что применение хромато-масс-спектрометрических аналитических комплексов (ГХ-МС), в которых в качестве разделительной системы используется газовый хроматограф, не позволяет напрямую определять фосфоновые

© Кузьмина Р. И., Денисов Н. С., Денисов С. Н., Угланова В. З, 2015

кислоты и их кислые эфиры вследствие их высокой температуры кипения и наличия в структуре активных полярных гидроксильных групп [1, 2]. Обработка же анализируемых веществ дериватизирующими агентами позволяет перевести полярные вещества, такие как метилфос-фоновая кислота, О-изопропилметилфосфонат, О -изобутилметилфосфонат, О -пинаколил-метилфосфонат в легкокипящие, меняя их масс-спектральные характеристики, такие как интенсивность пиков молекулярных и характеристических осколочных ионов, направление и селективность распада, вероятность захвата электронов или сродство к протону и др., повышая эффективность и селективность анализа [3].

Однако, с другой стороны, получение производных - это дополнительная операция, усложняющая общую схему анализа. Для хромато-масс-спектрометрии очень важен также правильный выбор производных и методов их получения, так как степень превращения разных компонентов может быть различной. В оптимальном случае реакция, используемая для получения производных, должна быть достаточно простой, селективной и приводить к количественному блокированию функциональных групп. Получаемые производные должны обладать меньшей адсорбционной способностью и большей термостабильностью по сравнению с исходными веществами, хорошей стабильностью в растворителях, стойкостью к гидролизу [4].

В связи с этим целью настоящей работы является изучение возможности получения хро-матографических и масс-спектрометрических характеристик метилфосфоновой кислоты и ее эфиров с использованием четырех методов анализа: ГХ-МС с электронным ударом (ЭУ); ГХ-МС с положительной химической ионизацией (ХИ) метаном; ГХ-МС с отрицательной химической ионизацией (ХИ) метаном; ГХ-МС с отрицательной химической ионизацией (ХИ) изобутаном.

Экспериментальная часть

В качестве объектов исследования выбраны следующие представители фосфо-рорганических веществ - метилфосфоновая кислота (Merck, Германия), синтезированные О - изопропилметилфосфонат, О - изобутилметилфосфонат, О-пинаколилметилфосфонат с содержанием основного вещества более 98%. Для получения дериватов полярных продуктов деструкции фосфорорганических соединений был приготовлен рабочий рас-

твор, представляющий смесь метилфосфоно-вой кислоты, О-изопропилметилфосфоната, О-изобутилметилфосфоната, О-пинаколилметил-фосфоната с массовой концентрацией 0,1 мг/см3 каждого компонента. В качестве растворителя использовали ацетонитрил.

Для получения летучих производных продуктов деструкции фосфорорганических соединений используются три варианта дерива-тизации: метилирование; третбутилдиметилси-лилирование; пентафторбензилирование [5-11]. При трех различных способах дериватизации выдерживалось одинаковое содержание метил-фосфоновой кислоты и ее эфиров в объеме пробы, равном 0,35 см3. Это позволило корректно оценить полученные результаты анализа [12, 13].

При метилировании использовали свеже-синтезированный раствор диазометана в диэ-тиловом эфире. В хроматографическую виалу вместимостью 1,8 см3 вносили 0,25 см3 рабочего раствора, затем в токе азота его концентрировали до мокрого остатка и добавляли 1,5 см3 диазоме-тана в диэтиловом эфире. После обесцвечивания раствора проводили концентрирование в токе азота до 0,35 см3. Содержание метилфосфоновой кислоты и ее эфиров в объеме пробы (0,35 см3) составляло 25 мкг (0,07 мкг/мкл).

При силилировании рабочего раствора метилфосфоновой кислоты и ее эфиров метаболитов фосфорорганических соединений (с концентрацией каждого компонента 0,1 мг/см3) использовали К-(третбутилдиметилсилил)-К-метилтрифторацетамид. В хроматографическую виалу вместимостью 1,8 см3 помещали 0,25 см3 рабочего раствора и добавляли 0,1 см3 чистого К-(третбутилдиметилсилил)-К-метилтрифторацетамида. Виалу герметизировали, содержимое перемешивали на ультразвуковой бане в течение 5 мин и выдерживали 30 мин в термостате при температуре 60-65 °С. Содержание метилфосфоновой кислоты и ее эфиров в объеме пробы (0,35 см3) составляло 25 мкг (0,07 мкг/мкл).

При пентафторбензилировании рабочего раствора метилфосфоновой кислоты и ее эфиров продуктов деструкции фосфорорганических веществ (с концентрацией каждого компонента 100 мкг/см3) использовали пентафторбензил-бромид. В хроматографическую виалу вместимостью 1,8 см3 помещали 0,25 см3 рабочего раствора и добавляли 0,08 см3 ацетонитрила, 50 мг карбоната калия, 0,02 см3 пентафторбен-зилбромида. Виалу герметизировали, перемешивали на ультразвуковой бане в течение 5 мин и выдерживали в термостате в течение 60 мин при

температуре 90-95°С. Содержание метилфос-фоновой кислоты и ее эфиров в объеме пробы (0,35 см3) составляло 25 мкг (0,07 мкг/мкл).

Исследование проводили методом хромато-масс-спектрометрии на двух хромато-масс-спектрометрических аналитических комплексах HP 5890/5989 и Agilent 6890/5973 с ионизационным пламенным детектором с использованием капиллярной колонки НР-5 (Supelko, 25 м х 0,2 мм х 0,33 мкм). Объем вводимой в ГХ-МС пробы составлял 1,0 мкл. Хроматогра-фирование проводили при программировании температуры от 40 °С до 280 °С со скоростью 10°С/мин.

Результаты и их обсуждение

Как известно, метилфосфоновая кислота и её эфиры могут быть определены методами газовой хроматографии и хромато-масс-спектрометрии только в виде производных. Для получения летучих производных МФК и ее эфиров использовали варианты дериватизации. Результаты исследования представлены в табл. 1-3. Показано, что независимо от вида дериватизации порядок выхода производных МФК и её эфиров

не меняется. При метилировании и пентаф-торбензилировании О-пинаколил МФК имеет две формы, выходящие в виде двух пиков (см. табл. 1, 3), при силировании - лишь один пик (см. табл. 2). Следует отметить и изменение времен удерживания продуктов в зависимости от вида дериватизации.

Установлено, что на количественные характеристики (площадь и высоту) оказывает влияние и метод ГХ-МС. Так, в случае метилирования (см. табл. 1) площади пиков и высоты исследуемых веществ при переходе от ГХ-МС ЭУ к ГХ-МС с положительной ХИ метаном уменьшаются в ~12 и ~6 раз соответственно, а при переходе от ГХ-МС ЭУ к ГХ-МС с отрицательной ХИ метаном - в ~160 и ~120 раз.

Аналогичные результаты получены и в случае силирования (см. табл. 2). Установлено, что при анализе силилированных производных метилфосфоновой кислоты и ее кислых эфи-ров предпочтительно использование метода ГХ-МС ЭУ, так как в этом случае площади пиков анализируемых веществ в несколько раз выше, чем при использовании ГХ-МС с различными вариантами ХИ.

Таблица 1

Хромато-масс-спектрометрические характеристики продуктов деструкции фосфорорганических соединений, полученных метилированием метилфосфоновой кислоты и ее эфиров. НР5989

Продукт деструкции Наиболее интенсивные ионы в масс-спектре Время удерживания, мин Площадь пика, тыс. ед.2 Высота пика, тыс. ед.

ГХ-МС ЭУ

Метилфосфоновая кислота 79(93), 94(100), 109(32) 8,11 2400 90

О-изопропил-метилфосфонат 93(98), 111(100), 137(40) 9,92 2900 120

О-изобутил-метилфосфонат 79(18), 93(51), 111(100) 11,90 2400 120

О-пинаколил-метилфосфонат 93(47), 111(100), 138(49) 13,55; 13,66 2800 (суммарн.) 75

ГХ-МС с положительной ХИ метаном

Метилфосфоновая кислота 111(9), 125(100), 153(5), 165(6) 8,11 600 30

О-изопропил-метилфосфонат 111(100), 139(28), 153(19) 9,92 400 20

О-изобутил-метилфосфонат 111(100), 139(34), 167(30) 11,89 200 15

О-пинаколил-метилфосфонат 69(68), 83(98), 85(96), 111(100) 13,54; 13,65 200 (суммарн.) 5

ГХ-МС с отрицательной ХИ метаном

Метилфосфоновая кислота 93(10), 109(18), 123(100) 8,12 15 0,5

О-изопропил-метилфосфонат 109(8), 137(13), 151(100) 9,92 15 1,0

О-изобутил-метилфосфонат 109(5), 151(11), 165(100) 11,90 20 1,0

О-пинаколил-метилфосфонат 109(22), 165(12), 193(100) 13,55; 13,65 15 (суммарн.) 0,5

Таблица 2

Хромато-масс-спектрометрические характеристики третбутилдиметилсилиловых эфиров продуктов деструкции фосфорорганических соединений HP5989

Продукт деструкции Наиболее интенсивные ионы в масс-спектре Время удерживания, мин Площадь пика, тыс. ед.2 Высота пика, тыс. ед.

ГХ-МС ЭУ

Метилфосфоновая кислота 73(20), 153(8), 267(100) 18,79 12600 500

О-изопропил-метилфосфонат 75(12), 153(100), 195(8) 15,35 4500 240

О-изобутил-метилфос фонат 75(14), 121(6), 153(100) 16,90 4000 170

О-пинаколил-метилфосфонат 75(10), 153(100), 237(12) 18,35 4000 170

ГХ-МС с положительной ХИ метаном

Метилфосфоновая кислота 267(51), 309(50), 325(100) 18,80 4800 250

О-изопропил-метилфосфонат 195(45), 211(100), 253(78) 15,35 1500 85

О-изобутил-метилфос фонат 211(58), 251(25), 267(100) 16,90 1000 60

О-пинаколил-метилфосфонат 195(21), 211(100), 239(26) 18,36 700 35

ГХ-МС (HP5989) с отрицательной ХИ метаном

Метилфосфоновая кислота 194(13), 209(61), 323(100) 18,78 1000 70

О-изопропил-метилфосфонат 137(31), 194(20), 251(100) 15,34 500 25

О-изобутил-метилфос фонат 151(28), 194(26), 265(100) 16,89 500 25

О-пинаколил-метилфосфонат 179(43), 293(100), 318(31) 18,34 500 25

Таблица 3

Хромато-масс-спектрометрические характеристики пентафторбензиловых эфиров продуктов деструкции фосфорорганических соединений. HP5989

Продукт деструкции Наиболее интенсивные ионы в масс-спектре Время удерживания, мин Площадь пика, тыс.ед.2 Высота пика, тыс. ед.

ГХ-МС ЭУ

Метилфосфоновая кислота 181(100), 197(73), 275(28) 22,00 7000 350

О-изопропил-метилфосфонат 80(63), 181(100), 256(42) 17,32 5000 230

О-изобутил-метилфос фонат 80(33), 181(100), 256(37) 18,67 4000 220

О-пинаколил-метилфосфонат 123(61), 181(100), 256(44) 19,77; 20,00 4500 110

ГХ-МС с положительной ХИ метаном

Метилфосфоновая кислота 181(32), 457(100), 485(13) 22,01 6000 260

О-изопропил-метилфосфонат 277(100), 305(23), 319(26) 17,33 6000 380

О-изобутил-метилфос фонат 277(100), 305(21), 333(47) 18,68 5000 280

О-пинаколил-метилфосфонат 183(43), 277(100), 305(17) 19,76; 20,00 2000 70

ГХ-МС с отрицательной ХИ метаном

Метилфосфоновая кислота 275(100), 276(9) 22,01 10000 200

О-изопропил-метилфосфонат 137(100), 138(5) 17,32 1600 70

О-изобутил-метилфос фонат 151(100), 152(5) 18,67 10000 250

О-пинаколил-метилфосфонат 179(100), 180(9) 19,76; 20,00 10000 150

ГХ-МС с отрицательной ХИ изобутаном

Метилфосфоновая кислота 275(100), 276(10) 22,12 40000 1000

О-изопропил-метилфосфонат 137(100), 138(5) 17,34 5900 200

О-изобутил-метилфос фонат 151(100), 152(7) 18,68 25000 1000

О-пинаколил-метилфосфонат 179(100), 180(9) 19,77; 20,01 40000 900

Анализ полученных результатов, представленных в табл. 1-3, позволил отдать предпочтение процедурам третбутилдиметилсилили-рования и пентафторбензилирования продуктов деструкции фосфорорганических соединений с целью их последующего целевого анализа, а в случае проведения силилирования ограничиться использованием только метода ГХ-МС ЭУ.

Для доказательства качественного состава образцов метилфосфоновой кислоты и её кислых эфиров, принимая во внимание высокую чувствительность, селективность и воспроизводимость анализа, в дальнейших исследованиях рекомендовано использовать К-(третбутилдиме-тилсилил)-Ы-метилтрифторацетамид. Известно, что введение триметилсилильных (ТМС) групп значительно повышает летучесть исследуемых соединений, получаемые производные обладают необходимыми для анализа газохроматогра-фическими свойствами [14]. В масс-спектрах химических соединений, содержащих триметил-силильную группу, наблюдается триплет пиков в области молекулярных ионов, обусловленный наличием у кремния изотопов 29Si и 30Si. Кроме того, для ТМС-производных характерно отщепление частиц СН3 и (Œ3^Si (15 и 73 а.е.м. соответственно) от молекулярного иона.

Список литературы

1. Хмельницкий Р. А., Бродский Е. С. Хромато-масс-спектрометрия. М., 1984. 210 с.

2. Рудаков О. Б., Востров И .А. Спутник хроматографиста. Воронеж, 2004. 528 с.

3. Денисов С. Н., Денисов Н. С. Исследование возможных путей фрагментации метилфосфоновой кислоты и её эфиров с использованием масс-спектромет-рии // Поволж. торг.-экон. журн. 2014. Т. 38, № 4. С. 13-28.

4. D'AgostinoP. A., ProvostL. R. Determination of chemical warfare agents, their hydrolysis products and related

compounds in soil // J. Chromatogr. А. 1992. № 589. Р. 287-294.

5. BianchiF., CareriM., Mucchino C., MusciM. Improved determination of chlorophenols in water by solid-phase microextraction followed by benzoylation 153 and gas chromatography with electron capture detector // Chro-matographia. 2002. Vol. 55, № 9/10. P. 595-600.

6. Hanada Y., Imaizumi I., Kido K., Tanizaki T., Koga M., Shiraishi H., SomaM. Application of a pentafluorobenzyl bromide derivatization method in gas chromatography/ mass spectrometry of trace levels of halogenated phenols in air, water and sediment samples // Analytical Sciences. 2002. Vol. 18. P. 655-659.

7. Sithole B. B., Williams D. T., Lastoria C., Robertson J. L. Determination of halogenated phenols in raw and portable water by selected ion gas chromatography-mass spectrometry // J. Assoc. Off. Anal. Chem. 1986. Vol. 3. P. 466-473.

8. Albaiges J., Casado F., Ventura F. Organic indicators of groundwater pollution by a sanitary landfill // Water Resources. 1986. Vol. 20, № 9. P. 1153-1159.

9. Kojima M., Tsunoi S., Tanaka M. High performance solid-phase analytical derivatization of phenols for gas chromatography-mass spectrometry // J. Chromatogr. A. 2004. Vol. 1042, № 1-2. Р. 1-7.

10. Lamparski L. L., Nestrick T. J. Determination of trace phenols in water by gas chromatographic analysis of heptafluorobutyryl derivatives // J. Chromatogr. 1978. Vol. 156. P. 143-151.

11. Saraji M., Bakhshi M. Determination of phenols in water samples by single-drop microextraction followed by in-syringe derivatization and gas chromatography-mass spectrometric detection // J. Chromatogr. A. 2005. Vol. 1098, № 1-2. Р. 30-36.

12. СавельеваЕ. И., Кузнецова Т. А., Радилов А. С. Определение метилфосфоновой кислоты и ее эфиров как химических маркеров фосфорорганических отравляющих веществ // Журн. прикладной химии. 2001. Т. 74, вып. 10. С. 1671-1676.

13. Яшин Я. И., Яшин Е. Я., Яшин А. Я. Газовая хроматография. М., 2009. 528 с.

14. Кирби А., Уоррен С. Органическая химия фосфора / пер. с англ. ; под ред. А. Н. Пудовика. М., 1971. 403 с.