Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 9
1.1 Свойства НДМГ 10
1.2 Продукты трансформации при окислении НДМГ 12
1.2.1 Гетерогенное и каталитическое окисление НДМГ 13
1.2.2 Гомогенное окисление НДМГ 19
1.3 Токсичность НДМГ и продуктов его трансформации. Воздействие на окружающую среду 30
1.4 Методы определения НДМГ и продуктов его трансформации 34
1.4.1 Спектрофотометрические методы 35
1.4.2 Хроматографические методы 37
CLASS Глава 2. Оборудование, материалы, синтез стандартов, техника эксперимента 5 CLASS 1
2.1. Оборудование и материалы 51
2.2 Синтез соединений - продуктов трансформации НДМГ ... 53
2.3 Техника эксперимента 55
2.4 Характеристики объектов исследования 57
Глава 3 . Разработка алгоритма идентификации неизвестных продуктов трансформации НДМГ методом ВЭЖХ-МС 58
3.1 Изучение закономерностей масс-спектрометрического детектирования 59
3.2 Поиск условий хроматографического разделения 67
3.2.1 Катионообменная хроматография 67
3.2.2 Обращепо-фазовая хроматография 73
3.3 Идентификация продуктов трансформации НДМГ 77
3.3.1 Общий алгоритм проведения идентификации 79
3.3.2 Исследование почв с экспериментальных участков 90
3.3.3 Установление природы «связанной формы» НДМГ 93
Глава 4. Определение продуктов трансформации НДМГ методом жидкостной хромато-масс-спектрометрии 95
4.1 Оптимизация условий масс-спектрометрического детектирования 95
4.2 Хроматографическое разделение НДМГ и продуктов его окисления 104
4.3 Извлечение продуктов трансформации НМДГ из почв 124
4.4 Оценка метрологических характеристик и апробация на реальных объектах... 134
4.5 Использование разработанных методик для исследований трансформации НДМГ в почвах 137
Выводы 150
Литература 151
Приложение 1. Хроматограммы и масс-спектры синтетических образцов 164
- Продукты трансформации при окислении НДМГ
- Синтез соединений - продуктов трансформации НДМГ
- Идентификация продуктов трансформации НДМГ
- Извлечение продуктов трансформации НМДГ из почв
Введение к работе
Несимметричный диметилгидразин (НДМГ) используется в качестве эффективного ракетного топлива, что приводит к его периодическому поступлению в объекты окружающей среды. Опасность данного соединения связана не только с его токсичностью, но и широким спектром продуктов разложения. Однако исследования по изучению трансформации НДМГ в окружающей среде проводились либо с применением устаревшей методической и аппаратурной базы, либо оказывались недостоверными из-за отсутствия подтверждения предложенных структур с использованием синтезированных стандартов.
С появлением современных методов исследования, таких как ВЭЖХ-МС, хорошо подходящих для исследования полярных и нестойких молекул, появилась возможность провести идентификацию продуктов трансформации НДМГ и разработать селективные методики для их определения в объектах окружающей среды. Решение этих задач позволит в дальнейшем провести полномасштабное изучение процессов, происходящих в окружающей среде с участием НДМГ и оценить реальную опасность его воздействия.
Цель работы состояла в применении высокоэффективной жидкостной хромато-масс-спектрометрии к решению задач достоверной идентификации и разработке способов определения продуктов трансформации НДМГ в объектах окружающей среды.
Достижение поставленной цели предусматривало решение следующих задач: Обоснование и реализация алгоритма проведения идентификации азотсодержащих соединений с использованием ВЭЖХ-МС (в качестве основного метода) и газовой хромато-масс-спектрометрии (ГХ-МС), ВЭЖХ, спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и ультрафиолетовой
спектроскопии (УФ) в качестве вспомогательных методов для подтверждения предложенных структур. Идентификация с использованием разработанного алгоритма продуктов трансформации НДМГ.
Поиск и оптимизация условий хроматографического разделения и масс-спектрометрического детектирования продуктов трансформации НДМГ.
Оценка возможностей различных подходов для количественного извлечения продуктов трансформации НДМГ из почв.
Разработка и апробация методик хромато-масс-спектрометрического определения продуктов разложения НДМГ при исследовании трансформации НДМГ на реальных образцах почв.
Научная новизна Предложен алгоритм идентификации структуры малых (молекулярная масса 40 - 150 дальтон) азотсодержащих молекул с использованием ВЭЖХ-МС в качестве основного метода.
Впервые изучены закономерности поведения простейших гидразинов и аминов, а также структурно близких к ним соединений, в условиях электрораспылительной ионизации и химической ионизации при атмосферном давлении.
Метод жидкостной хромато-масс-спектрометрии применен для исследования процессов трансформации НДМГ и использован для определения продуктов трансформации НДМГ.
Выбраны условия разделения азотсодержащих органических веществ, в том числе НДМГ и продуктов его трансформации в вариантах ионной, ион-парной и обращено-фазовой хроматографии, оценены метрологические характеристики разработанных вариантов.
Практическая значимость Проведена достоверная идентификация продуктов трансформации НДМГ. Впервые идентифицированы ранее неизвестные продукты трансформации НДМГ - диметилгидразид муравьиной кислоты (ДГМК) и диметилгуанидин (ДМГу). Показано, что в условиях реального пролива НДМГ на почву в значительных количествах образуются четыре стабильных в окружающей среде вещества - диметиламин (ДМА), 1-метил-1,2,4-триазол (МТ), ДГМК и ДМГу.
Установлены закономерности извлечения продуктов трансформации НДМГ из почв с использованием различных вариантов экстракционных методов и выбраны оптимальные условия для проведения пробоподготовки образцов почв.
Разработаны методики одновременного определения ДМА, МТ и ДМГу в почвах, а также методика определения ДГМК в почвах. Разработанные методики определения продуктов трансформации НДМГ метрологически аттестованы и внедрены в практику зколого-аналитичесішх лабораторий Федерального космического агентства.
Показано, что ДГМК при проведении пробоподготовки по известным в литературе методикам определения НДМГ в почвах, подвергается гидролизу с образованием исходного НДМГ, что приводит к ложноположительным результатам анализа. На защиту выносятся следующие положения:
Результаты выявления закономерностей ионизации азотсодержащих органических веществ разных классов (аминов, гидразинов и др.) в условиях электрораспылительной и химической ионизации при атмосферном давлении.
Алгоритм идентификации структуры неизвестных продуктов трансформации НДМГ с использованием ВЭЖХ-МС и вспомогательных методов.
Результаты изучения трансформации НДМГ в почвах.
Результаты изучения закономерностей хроматографического поведения в условиях ионной и ион-парной хроматографии, масс-спектрометрического детектирования и экстракционного извлечения МТ, ДМА. ДМГу и ДГМК.
Методики определения продуктов трансформации НДМГ в почвах и результаты их использования для изучения трансформации НДМГ в почве.
Апробация работы Результаты работы докладывались на X Международной конференции «Теоретические проблемы химии поверхности, адсорбции и хроматографии» (2006, Москва), Международном Конгрессе по Аналитическим Наукам (2006, Москва), Международной конференции «5* Aegean Analytical Chemistry days» (2006, Салоники, Греция), Научно-практической конференции «Экологическое сопровождение ракетно-космической деятельности» (2007, Москва), Всероссийском симпозиуме «Хроматография в химическом анализе и физико-химических исследованиях» (2007, Москва), Международной конференции «Euroanalysis XIV» (2007, Антверпен, Бельгия), Второй Всероссийской конференции «Аналитика России 2007» (2007, Краснодар), Всероссийском симпозиуме «Хроматография и хромато-масс-спектрометрия» (2008, Москва), 35"Международном
Симпозиуме по Аналитической Химии Окружающей Среды (2008, Гданьск, Польша), научно практической конференции «Экологические и медико-социальные аспекты использования районов падения отделяющихся частей ракет» (2008, Архангельск), научных коллоквиумах лаборатории хроматографии кафедры аналитической химии. Публикации По материалам диссертации опубликовано 3 статьи в российских и международных журналах и 12 тезисов докладов.
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, литературного обзора, 5 глав экспериментальной части, общих выводов и списка цитируемый литературы. Материал изложен на 172 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков и 40 таблиц и 2 приложения, в списке цитируемой литературы 110 источников.
Продукты трансформации при окислении НДМГ
Практически с самого начала эксплуатации ракетной техники, использующей топлива на основе НМДГ, стало ясно, что избежать попадания этого токсичного компонента в окружающую среду практически невозможно. Проведение модернизации существовавшей ракетно-космической техники позволило свести к минимуму вероятность аварии, и тем самым сделать аварийные проливы топлива при старте маловероятными. Гораздо сложнее, оказалось, бороться с попаданием в окружающую среду остатков и резервных запасов топлива, содержащихся в отделяющихся при старте от ракеты-носителя отработавших ступеней. Для решения данной проблемы было предложено создание специальных зон отчуждения в слабозаселённых районах, куда происходит запланированное падение этих опасных объектов. Уровень локального загрязнения мест падения космических аппаратов превышает допустимые концентрации в сотни и тысячи раз. Кроме того, существует проблема ликвидации остатков топлива, накапливающихся после заправок ракет перед запуском и топлива, которое остается при систематической перезаправке ракет, находящихся на боевом дежурстве в РВСН (ракетные войска стратегического назначения). В последние годы возник еще один источник частично окислившегося гептила — предприятия по утилизации снятых с боевого дежурства межконтинентальных ракет.
Актуальность всех вышеозначенных проблем потребовала разработки технологий утилизации и дезактивации НДМГ. Начиная с 70-х годов, в литературе появился целый ряд работ, посвященный изучению процессов трансформации НДМГ. Авторы ставили своей целью изучить продукты, которые могут образовываться при окислении НДМГ в разных условиях, используя доступные им методы физико-химического анализа. Главной задачей подобных исследований являлось создание оптимальных схем, приводящих к образованию безопасных соединений, подходящих для уничтожения загрязнений окружающей среды и накопившихся запасов старого топлива. К сожалению, большинство этих работ не может претендовать на полноту и законченность, поскольку выполнялось с использованием очень ограниченной приборной базы, не позволившей однозначно и полно решать задачи идентификации продуктов трансформации НДМГ. Основными направлениями вышеозначенных исследований были процессы гомогенного и гетерогенного (каталитического) окисления НДМГ разнообразными реагентами. Одним из первых подходов, предложенных для дезактивации гептила, было использование реакции каталитического окисления НДМГ озоном в газовой фазе в присутствии мелкодисперсного оксида алюминия [5]. Варьируя такие параметры как скорость подачи озон - кислородной смеси, объёмную долю озона в газовой смеси и температуру проведения реакции, авторам удалось достигнуть полного окисления НДМГ с образованием только газообразных продуктов реакции и воды. С использованием методов газовой хроматографии и ИК-спектроскопии было установлено, что в состав газовой смеси входят только азот, углекислый газ и следовые количества угарного газа.
Изучая поверхность катализатора после окончания реакции методом ИК-спектроскопии, авторы не обнаружили на поверхности адсорбированных продуктов. Кроме того, в работе было установлено, что использование в качестве окислителя чистого кислорода приводит к образованию сложной смеси жидких продуктов, которые идентифицировать не удалось. В качестве катализаторов окисления НДМГ под действием кислорода были исследованы сложные оксидные смеси состава CuxMgxCr204/Al203 [6]. Оптимизировав температурный режим протекания реакции, удалось добиться высоких степеней газа, метана и низкими выходами оксидов азота. В следовых количествах в получаемых газовых смесях были обнаружены и продукты менее глубокого окисления НДМГ - метан, диметилгидразон формальдегида и диметиламин. Также в работе был предложен возможный механизм окисления НДМГ, удовлетворительно объясняющий образование продуктов неполного окисления. Для изучения получаемых продуктов применяли метод газовой хроматографии, идентификацию проводили по временам удерживания, априори ограничив список возможных продуктов трансформации перечисленными выше веществами. Таким образом, в данной работе не делали попыток обнаружить новые продукты трансформации, что объясняется тем, что главной задачей проведенного исследование было изучение возможностей каталитической системы для деструкции НДМГ, а вопрос об образующихся продуктах неполного окисления НДМГ рассматривался формально. В работах [7,8] та же группа авторов исследовала возможность применения сложных оксидных катализаторов на основе цеолитов и оксидов титана, кремния и алюминия, активированных гидратированными оксидами меди и железа, для детоксикации вод, загрязненных НДМГ. В качестве окислителей использовали водный раствор пероксида водорода при различных значениях рН и кислород. Реакции проводили при комнатной температуре. Методом УФ-спектроскопии, было установлено, что в зависимости от рН раствора подвергаемого окислению в разных соотношения образуются одни и те лее продукты частичного окисления НДМГ метанол, N-нитрозодиметиламин, М,]Ч-диметилформамид, 1,1,5,5 тетраметилформозан, диметилгидразон формальдегида, 1,1,4,4-тетраметилтетразен, сим-тетразин и 1,1,5-триметилформозан.
Однако идентификация указанных выше веществ была проведена на основе очень скудной информации, полученной из электронных спектров реакционной среды. Так, например, отнесение полосы поглощения при 238 нм к диметилгидразону формальдегида, по нашему мнению, не является однозначным, поскольку при данной длине волны поглощают многие классы органических веществ. Никаких дополнительных методов исследования здесь не применяли, что тоже является методически неверным и не позволяет говорить о высокой достоверности полученных результатов. В таблице 1 приведены структуры обнаруженных соединений, предположительно образующихся в указанных условиях. На основе умозрительных заключений, не подтвержденных экспериментально, авторы предложили возможный механизм протекания реакции неполного окисления НДМГ, объясняющий образование представленных продуктов: Та же группа авторов изучала взаимодействие НДМГ с реактивом Фентона -раствором 10 % пероксида водорода с добавкой каталитических количеств соли Мора. В работах [9,10] показана высокая эффективность ионов железа (II), катализирующих образование радикалов кислорода, которые выступают в качестве непосредственного окислителя. Описано быстрое и полное окисление НДМГ, среди продуктов неглубокой трансформации газохроматографически обнаружены в небольших количествах уксусная и муравьиная кислоты, диметиламин, метанол и нитрометан. Особое внимание авторы акцентируют на том, что использование реактива Фентона в качестве окислителя не приводит к образованию нитрозодиметиламина, что позволяет рассматривать указанный подход в качестве перспективного способа детоксикации объектов, загрязненных НДМГ. К сожалению, в работе мало внимания уделяется идентификации продуктов реакции, и не объясняется, почему определяли только перечисленные выше продукты трансформации НДМГ. и как именно проводили их определение. Ряд работ был посвящен изучению продуктов медленного трансформации НДМГ кислородом воздуха на поверхностях шунгита [11,12] и механических смесей оксидов
Синтез соединений - продуктов трансформации НДМГ
Нами были синтезированы диметилгидразид муравьиной кислоты, диметилгидразоны формальдегида , ацетальдегида и глиоксаля, триметилгидразин и 1,1,5-триметилформазан, в качестве исходного вещества был использован НДМГ. Синтезы проводили по литературным методикам. Синтез ДГМК [107]. В трехгорлую круглодонную колбу объемом 250 мл, оборудованную механической мешалкой, обратным холодильником, вносят 16,6 мл этилформиата и 18,8 мл НДМГ. Смесь нагревали (50 С) при перемешивании в течение 48 часов, затем охлаждали до комнатной температуры, переносили в колбу для упаривания и отгоняли остатки растворителя. Осадок перекристализовывали из гептана (45 мл). После фильтрации и сушки в вакуум-эксикаторе получили 16,2 г ДГМК. Выход 90%. Синтез ДМГФ [108]. К 10 мл НДМГ добавляли 15 мл формальдегида и перемешивали при комнатной температуре в течение 1 часа. Затем прибавляли 10 мл н-пентана, в качестве экстрагента, 10 минут перемешивали, после чего оставляли на 5 минут для расслоения эмульсии. Органический слой отделяли в делительной воронке. ДМГФ перегоняли, собирая фракцию с температурой кипения 72С. Масса полученного продукта составила 4,2 г, 40%. Синтез ТМГ [108]. В круглодонную трехгорлую колбу, оснащенную капельной воронкой, мешалкой и обратным холодильником, помещали 1,26 грамма (0,033 моль) LiAlH4, 30 мл эфира и к этой взвеси прибавляли гидразон формальдегида 9,85 мл (8,0 граммов, 0,11 моль) в течение 3-х часов. Перемешивание продолжали еще в течение часа по окончании прибавления гидразона формальдегида. К реакционной смеси прибавляли примерно 50 граммов льда, а потом примерно 50 мл 6 н. раствора НС1.
Получившийся раствор упаривали примерно до объема 20 мл. Солянокислый раствор осторожно прибавляли к раствору 28 граммов NaOH в 12 мл воды. Полученный продукт отделяли, сушили над NaOH и перегоняли. Затем проводили еще одну осушку и перегонку на гидридом кальция, собирая при перегонке фракцию с температурой кипения 59-60 С. Получили 5,7 г бесцветной жидкости, Выход 65 %. Данные элементного анализа (%): рассчитано С, 48,61; Н, 13,60, N 37,79 найдено: С, 48,75; Н, 13,33; N 37,35. Синтез ТМФ [109] Фильтрованный раствор 21,85 г бромида меди (І) в 75 мл воды приливали к раствору 3,75 мл (2,98 г, 49 ммоль) в 250 мл 5 % бромистоводородной кислоты. Реакционную смесь перемешивали при комнатной температуре в течение 15 минут. Приливали равный объем насыщенного раствора ацетата аммония. Полученный светло-оранжевый осадок сушили на воронке Бюхнера и промывали 10 мл ледяной воды. Полученный порошок перекресталлизовывали из концентрированной бромистоводородной кислоты. Кристаллы (4 г) растворяли в 10 мл 25 % водного раствора бромистоводородной кислоты, приливали 25 мл концентрированного водного раствора аммиака и перемешивали. Реакционную смесь трижды экстрагировали 15 мл диэтилового эфира. Экстракты объединяли, и отгоняли растворитель с помощью роторного испарителя. Получили 1,0 г желтого масла. Выход 15 %. Синтез ДМГА [21] В колбу с 6 г НДМГ, охлаждаемую смесью льда и соли, в течение 5 минут прибавляли 4,4 г охлажденного до -15 С ацетальдегида. Смесь перемешивали в течение 1-2 минут и образовавшийся ДМГА перегоняли в инертной атмосфере с отбором фракции с температурой кипения 78-79 С. Получили 6,2 г желтоватой маслянистой жидкости. Выход 70%. Синтез ДМГГ [21] В колбу на 25 мл вводили 1,5 г ДММФ, добавляли 0,5 мл воды и небольшими порциями засыпали кристаллы азотнокислого серебра. Реакция протекала энергично, с большим выделением тепла. После проведения реакции взвесь серебра отделяли центрифугированием при ускорении 1,3x10 м/с . Раствор сливали, и из полученной смеси отгоняли воду при разряжении -0,98 кг/см2 и температуре 80 С. С целью очистки от остатков непрореагировавшего азотнокислого серебра реакционную смесь заливали 5 мл хлороформа. Из экстракта хлороформ отгоняли в токе азота при 80 С. Получили 0,8 ,г темно-желтого масла. Выход 50%. Структуру и чистоту всех препаратов подтверждали хроматомасс-спектрометрически (рис. Ш - П6 в приложении 1). . Образец почвы массой 10 г помещали в пластиковый стакан с плотно закрывающейся крышкой, добавляли 75 мл раствора метил-1,2,4-триазола и диметилгидразида муравьиной кислоты концентрацией 20 мг/л, после чего закрывали и встряхивали в течение 24 часов. После окончания встряхивания водно-почвенную суспензию фильтровали через бумажный фильтр «синяя лента», фильтрат анализировали методом ВЭЖХ-МС, фильтр с почвой высушивали на воздухе до постоянной массы и по разности концентраций рассчитывали содержание МТ и ДГМК в образцах. Схема эксперимента по извлечению продуктов НДМГ с помощью дистилляции. Схема аппарата для проведения дистилляции приведена на рисунке 5.
В круглодонную колбу объемом 250 мл помещали навеску 2 г модельного образца загрязненной почвы массой, 2 г Na2S-9H20 и 50 мл 50%-ного раствора NaOH (схема аппарата для проведения дистилляции приведена на рис. 1). Жидкость из реакционной смеси перегоняли досуха в атмосфере азота в приемник, содержащий 10 мл 0,1 М раствора H2S04. Затем дистиллят количественно переносили в мерную колбу объемом 100 мл и доводили до метки дистиллированной водой. Получившийся раствор анализировали. Содержание продуктов траснформации НДМГ определяли с помощью ВЭЖХ-МС, НДМГ - с помощью ионной хроматографии с амперометрическим детектированием. м Схема эксперимента по экстракции продуктов трансформации НДМГ в аппарате Сокслета. В отделение для пробы аппарата Сокслета помещали навеску модельного образца загрязненной почвы массой 2 г, в круглодонную колбу объемом 250 мл помещали 70 мл органического экстрагента. Непрерывную экстракцию проводили в течение необходимого времени, затем систему охлаждали до комнатной температуры, экстракт упаривали на роторном испарителе, остаток перерастворяли в смеси вода-ацетонитрил (80:20) и анализировали с помощью ВЭЖХ-МС. Определение концентрации валового и свободного НДМГ в почвах. Для определения свободного НДМГ (остаточного, слабо удерживаемого почвой) проводили ультразвуковую экстракцию зараженной почвы водой. Навеску исследуемой почвы массой 5 г в стеклянном стакане заливали 50 мл дистиллированной воды, после чего полученную суспензию держали на ультразвуковой бане в течение 3 минут. По окончании экстракции необходимый объем суспензии переносили в центрифужную пробирку и центрифугировали, полученную надосадочную жидкость анализировали хроматографически (согласно МВИ 98-08). Для определения валового (общего) содержания НДМГ в почве, проводили щелочную отгонку из почвы в восстановительной среде в токе инертного газа азота, полученный раствор анализировали на содержание НДМГ хроматографически (согласно МВИ № 81-05). Во всех случаях почва каждого из трех типов подвергалась анализу в виде трех параллельных образцов, для каждого из которых проводились все 3 этапа пробоподготовки с последующим определением НДМГ и продуктов разложения. Полученные данные статистически обрабатывались и усреднялись.
Идентификация продуктов трансформации НДМГ
Одной из ключевых задач настоящей работы являлось проведение идентификации продуктов трансформации НДМГ в объектах окружающей среды. Несмотря на многочисленные работы по изучению трансформации НДМГ до сих пор не был решен вопрос идентификации продуктов, которые образуются при окислении НДМГ в объектах окружающей среды. В основном затруднения при решении данной задачи возникали вследствие сложности проблемы и отсутствия подходов, подходящих для решения такого рода задач. Например, наиболее часто используемый вариант — сочетание газовой хромато—масс-спектрометрии и стандартных коммерческих библиотек масс-спектров электронного удара, оказывался несостоятельным по нескольким причинам. Одна из причин отсутствие обнаруживаемых веществ в библиотеках масс-спектров, что не позволяло провести идентификации соединений. Кроме того, особенности физико-химических свойств изучаемых веществ (полярность, малая летучесть и термолабильность) в ряде случаев затрудняли проведение исследований с использованием указанного метода. Таким образом, весьма важная задача установления структур продуктов трансформации НДМГ и путей протекания этого процесса в окружающей среде остается актуальной. Объектами исследования являлись системы разной степени сложности. Изучение процессов окисления проводили сначала на примере изучения кинетики трансформации НДМГ в наиболее простых системах - модельных растворах с исходной массовой концентрацией НДМГ 500 мг/л при разных значениях рН. Далее проводили аналогичное исследование для более сложных систем - водно-почвенных суспензий. Для приготовления водно-почвенных суспензий применяли навески почв массой 5 г, которые вносили в пластиковые градуированные пробирки типа «Фалькон» емкостью 50 мл. В эти же пробирки, до отметки 50 мл наливали раствор НДМГ в воде с концентрацией 500 мкг/мл, пробирки закрывали штатными завинчивающимися крышками и полученные образцы поле тщательного встряхивания выдерживали в темноте при комнатной температуре в течение 6-ти месяцев периодически выполняя изучение состава смеси. После выдерживания проб в течение необходимого времени, содержимое пробирок подвергали тщательному взбалтыванию, после чего отбирали аликвоту, центрифугировали её при 18000G в течение 2 минут, и анализировали полученную надосадочную жидкость.
Изучение кинетики окисления НДМГ позволило установить, что на ранних стадиях в растворе присутствует значительное количество различных соединений, тогда как при более длительном протекании процесса сохраняются только некоторые из них (рис. 11). Состав раствора существенно упрощается, что облегчает процедуру выделения интересующих нас веществ. Для решения указанной задачи нами было решено использовать метод ВЭЖХ-МС с различными вариантами разделения, а именно катионнообменной и обращено-фазовой хроматографии с масс-спектрометрическим детектированием. Данный метод обладает рядом несомненных достоинств, а именно: Универсальность — позволяет проводить разделение и регистрацию любых соединений вне зависимости от особенностей их структуры (в том числе нелетучих и малостабильных) Высокая информативность - метод позволяет получать не только информацию о числе компонентов в смеси и их временах удерживания, но и дает огромный массив данных, позволяющих установить структуру вещества на основе расшифровки масс-спектров Масс-спектрометрический детектор позволяет реконструировать хроматограммы по выделенным ионам, что позволяет найти пики всех компонентов в сложной смеси и обеспечить максимальную селективность Широкий спектр вариантов хроматографического разделения (ИХ, ОФ ВЭЖХ) позволяет добиться разделения всех соединений и получить неискаженные масс-спектры. Процедура исследования процессов окисления НДМГ в почвах проводилась параллельно с оптимизацией хроматографического разделения продуктов трансформации НДМГ (раздел 3.2.). Идентификация веществ - продуктов трансформации НДМГ - выполняли согласно следующей процедуре. Добивались максимально возможного разделения компонентов смеси, варьируя хроматографические параметры, принятые для каждого из методов. На полученной в оптимальных условиях хроматограмме выбирали пики, обладающие максимальной интенсивностью, относящиеся к продуктам трансформации НДМГ. Поскольку структура масс-спектров веществ с низкой молекулярной массой, полученных с использованием электрораспылительной ионизации достаточно проста, выделяли пики, отвечающие протонированным молекулярным ионам и пики фрагментных ионов. Из полученных данных на основе изотопного расщепления, азотного правила и правил формальной валентности находили молекулярную формулу идентифицируемого компонента. Далее, используя данные о фрагментации исследуемого вещества на основе закономерностей распада веществ в условиях электроспрея или химической ионизации при атмосферном давлении, получали вероятную структурную формулу (формулы) идентифицируемого компонента. Дополнительным шагом по идентификации структур было установление их электрохимической активности. Известно [94], что использование амперометрического детектирования при потенциале электрода 1,3 В позволяет с высокой селективностью регистрировать вещества с гидразиновым фрагментом N-N в структуре. Сравнивая хроматограммы, полученные с использованием амперометрического и масс-спектрометрического детекторов, удалось установить, какие из присутствующих в смеси веществ являются электроактивными, т.е. содержат в своей структуре гидразиновые фрагменты.
Применение диодно-матричного детектора с возможностью регистрации спектра поглощения в УФ- и видимой областях для интересующих нас компонентов позволило установить максимумы поглощения для исследуемых веществ, и таким образом обнаружить наличие кратных связей, сопряженных кратных связей и ароматических фрагментов в структуре исследуемых веществ. Так поглощение в области 200-220 нм характерно для связи С=0, в области 220-240 нм характерно для связей C=N, а поглощение в районе 300-350 нм может свидетельствовать о наличии сопряжения двойных связей. Отсутствие поглощения в диапазоне 215 - 400 нм может считаться достаточным аргументом в пользу отсутствия в структуре кратных связей углерод - элемент (в данном случае азот или кислород) (рис. 12). Для однозначной идентификации продуктов трансформации НДМГ использовали вспомогательные методы изучения структуры органических соединений — УФ-спектроскопия, спектроскопия ЯМР, в ограниченных масштабах ГХ-МС. Достоверности идентификации продуктов трансформации добивались используя синтез предложенных структур с последующим сравнением времен удерживания и спектров веществ - продуктов трансформации НДМГ и синтетических образцов этих веществ (метод встречного синтеза). Так, например, для одного из компонентов установили, что в масс-спектре присутствуют сигналы с отношением m/z 89 (относительная интенсивность 100%), 90 (относительная интенсивность 3,4%) и 44 (относительная интенсивность 5 %). Исходя из закономерностей ионизации азотсодержащих соединений в условиях электрораспылительной ионизации, описанных ранее, предположили что молекулярная масса вещества равна 88 дальтон, число атомов углерода - 3 (данные изотопного расщепления), а число атомов азота - четное (на основе азотного правила). Отсюда, для указанного вещества предложили эмпирическую формулу C3N2H80. Присутствие в масс-спектре сигнала с отношением m/z позволило предположить наличие в структуре фрагмента (CH N. Наличие в структуре связи N-N установили по электроактивности изучаемого вещества. Расшифровка спектра ЯМР позволила установить наличие карбонильной группы (характерные химические сдвиги для водорода 8,2 м.д. и для углерода 167 м.д.). Таким образом, единственным возможным вариантом структуры для данного вещества оказался диметилгидразид муравьиной кислоты. Исходя из полученных данных для исследуемых продуктов трансформации, были предложены следующие структуры (табл.12).
Извлечение продуктов трансформации НМДГ из почв
Почва относится к наиболее сложным матрицам, поскольку содержит множество химических соединений самой различной природы, большинство из которых органические. В почве происходят большое количество самых разнообразных процессов биологических, физико-химических и других процессов. Более того, для некоторых веществ почва оказывается весьма емким акцептором. Важным этапом химического анализа является стадия перевода определяемого компонента в форму, удобную для определения. Для метода ионной хроматографии такой формой является водный (водно-органический) раствор определяемых веществ. Таким образом, встает задача извлечения определяемых веществ из почвы. Почва, как объект исследований характеризуется, прежде всего, сложным составом. Почва обладает свойствами эффективного сорбента, т.е. способна прочно связывать и удерживать поступающие в неё вещества. Правильно подобранная процедура пробоподготовки должна обеспечивать максимально возможное излечение целевых веществ (в идеальном случае количественное), при этом, не внося существенной ошибки в результаты химического анализа. Главные сложности, которые возникают при проведении пробоподготовки почв, это неполнота извлечения, поступление в пробу мешающих компонентов из матрицы и разрушение и потери вещества на стадии пробоподготовки. НДМГ и продукты его трансформации - ДГМК, МТ, ДМА и ДМГу прочно связываются с почвенным поглощающим комплексом. При внесении в водные растворы указанных веществ почвы, происходит быстрая сорбция значительной части растворенных веществ, что говорит о высокой сорбционной емкости почв в отношении интересующих нас веществ.
Проведение экстракции водой полученных таким образом зараженных почв не позволяет извлекать более 3-5 % содержащихся в почвах веществ, что говорит о том, что использование простых подходов в данном случае неэффективно. Для извлечения органических веществ из почв применяют различные подходы, которые можно разделить на две категории — методы основанные на жидкостной экстракции определяемых веществ подходящими экстрагентами и методы основанные на проведении процедуры термической десорбции или отгонки. В первом случае анализируемый образец обрабатывают жидкостью, которая обладает высоким сродством к извлекаемому веществу и происходит распределение извлекаемого компонента между почвой и фазой экстрагента. Экстрагент подбирается таким образом, чтобы коэффициенты распределения целевого компонента в системе почва -экстрагент были велики, тем самым достигалось полное извлечение. В случае методов основанных на термической или химической десорбции (отгонке), происходит перевод определяемого вещества в газовую фазу с последующей его в приемнике. Каждая из описанных схем обладает своими достоинствами и недостатками -экстракционные процедуры не всегда позволяют добиваться требуемой полноты извлечения, однако существенно проще в реализации. К недостаткам десорбционных методов относят значительно более высокую сложность проведения процедуры, возможность трансформации или потерь извлекаемого компонента. По литературным данным существует несколько различных способов пробоподготовки, используемых при определении в почвах НДМГ и продуктов его окисления. Наиболее распространенными способом при определении НДМГ в почвах является щелочная дистилляция [95], а для МТ описана жидкостная зкстраіщия в аппарате Сокслета [85].
В качестве исходных методов для извлечения продуктов трансформации НДМГ из почв были опробованы следующие способы пробоподготовки: Щелочная дистилляция (отгонка с паром). Экстракционные методы — экстракция органическими растворителями (традиционная и многократная периодическая в аппарате Сокслета) и экстракция с использованием буферных растворов. Для повышения выходов извлечения применяли ультразвуковую обработку проб. Для разработки методик извлечения продуктов трансформации НДМГ, по схеме, описанной в разделе 2.2, был приготовлен модельный образец почвы, идентичный почве с экспериментального участка, зараженной ДГМК, ДМГу, ДМА и МТ. Рассчитанные концентрации приведены в таблице 29. Таблица 29. Концентрация В варианте щелочной дистилляции происходит полное разрушение структуры почвы, что обеспечивает извлечение продуктов трансформации из почвенной фазы. Можно ожидать, что слабые основания в присутствии щелочи будут переходить в нейтральную форму и отгоняться из щелочной суспензии. Среди установленных продуктов трансформации, к соединениям, которые могут перегоняться без трансформации, относятся МТ и ДМА. В то же время такие соединения, ДГМК, ДМГФ, ДМГА, ДМГГ в условиях щелочной дистилляции будут подвергаться гидролизу с образованием НДМГ и соответствующих альдегидов, что весьма удобно для проведения определения валового НДМГ. Модельный образец (табл. 29) подвергали щелочной дистилляции.
Ранее нами установлено, что в процессе щелочной дистилляции ДГМК подвергается гидролизу, поэтому определяемым компонентом в анализируемом растворе являлся НДМГ (рис. 33), а пересчет на ДГМК осуществлялся по следующей формуле с учетом разности молярных масс НДМГ и ДГМК: Определение НДМГ в щелочных дистиллятах осложнялось присутствием большого количества электроактивных компонентов матрицы. В связи с этим для улучшения разделения проводили варьирование состава подвижной фазы (содержание ацетонитрила и концентрацию буферного раствора). Поскольку мешающими являются соединения, удерживающиеся не по ионообменному механизму, то для разделения НДМГ и примесей необходимо увеличение содержания органического модификатора подвижной фазы и уменьшение концентрации аммонийно-ацетатного буфера. Концентрации МТ, ДМА и ДМГу определяли с помощью хромато-масс-спектрометрии. Степени извлечения определяемых веществ представлены на рисунке 34. Таким образом, процедура щелочной дистилляции позволяет достигать гидролизом с образованием НМДГ, таким образом, несмотря на полноту извлечения этого вещества в таком виде, определение ДМГК в щелочных дистиллятах затруднительно, поскольку при анализе реальных образцов с использованием такой пробоподготовки в виде НДМГ будут определяться и другие вещества, например диметилгидразоны альдегидов. Однако применение процедуры щелочной отгонки кране удобно для определения, так называемого валового содержания НДМГ,
