Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор 8
1.1 Введение в ЯМР 8
1.1.1 О методах анализа природного органического сырья 8
1.1.2. О возможностях и ограничениях спектроскопии ЯМР 10
1.1.3. О фрагментом составе 13
1.2. Основы количественной спектроскопии ЯМР 16
1.2.1. Методы расчета КСЯМР 17
1.2.2. Основы КСЯМР и оптимизации экспериментальных параметров 19
1.2.3. Внутренние стандарты 22
1.2.5. Параметры постобработки 25
1.2.6. Валидация КСЯМР 27
1.3. КСЯМР в нефтехимии 30
ГЛАВА 2. Новые возможности кс ямр в определении состава и свойств нефти и нефтепродуктов 40
2.1. Определение ароматичности 40
2.1 Определение фракционного состава нефти 53
2.3. Содержание атомов водорода в нефтях и нефтепродуктах 65
2.4 Адаптация разработок к низкопольным спектрометрам ЯМР 68
2.4.1 Адаптация методики определения содержание атомов ароматического углерода в нефтях и нефтепродуктах к низкопольным спектрометрам 71
2.4.2 Адаптация методики определения содержание атомов водорода в нефтях и нефтепродуктах к низкопольным спектрометрам 74
2.4.3. Мониторинг процессов биодеградации нефтяных загрязнений 76
ГЛАВА 3. Использование количественной спектроскопии ямр для изучения состава и свойств различных сложных органических объектов 81
3.1. Алгоритм определения состава и свойств гуминовых веществ 81
3.2. Анализ гуминовых веществ продуктов окислительной механодеструкции бурых углей 83
3.3. Исследование состава новых антиоксидантов 99
3.4 Использование релаксационных реагентов для ускорения регистрации количественных спектров ЯМР 13С растворов сложных органических систем 105
3.5. Исследование зависимости интегральной интенсивности сигналов ЯМР С ГВ от условий регистрации . 106
3.6 Применение парамагнитных релаксантов для оптимизации условий регистрации спектров ЯМР 13С иных, чем ГВ, органических систем. 113
Выводы 118
Список используемой литературы
- О фрагментом составе
- Параметры постобработки
- Адаптация методики определения содержание атомов ароматического углерода в нефтях и нефтепродуктах к низкопольным спектрометрам
- Исследование зависимости интегральной интенсивности сигналов ЯМР С ГВ от условий регистрации
О фрагментом составе
Одной из цели научно-технического прогресса является вовлечение в переработку всех видов природного органического сырья с использованием новейших технологий, удовлетворяющих ряду жестких и обычно противоречащих друг другу требований, таких как высокая эффективность по качеству и выходу продуктов и экологическая безопасность, безотходность и небольшая энергоемкость. Серьезным фактором, препятствующим решению этой задачи выступает недостаточность знаний о строении вещества, подвергаемого переработке. Прогресс невозможно представить без увеличения набора высокоточных методов количественного анализа, хорошо описывающих не только элементный состав, что на данный момент не составляет трудностей, но и молекулярное строение и надмолекулярную структуру природного органического вещества. Именно эти показатели определяют свойства объектов, и стратегию технологической переработки.
Во время разработки методик и методологий анализа большинства видов природного органического сырья (уголь, нефть, и другие органические вещества) нельзя не учитывать их особенности, такие как многокомпонентность, структурная и фазовая неоднородность и т.д. Эти особенности приводят к изменению в широких пределах свойств объектов в зависимости от окружающих условий, а также ограничивают применимость стандартных химических и физико-химических методов анализа, таких как атомно-спектральных, спектрофотометрических, хроматографических и электрохимических. Описание таких молекулярных систем на языке элементного состава недостаточно информативно, а количественное представление их на языке структурных формул, просто невозможно. Это обусловлено тем, что помимо переменного состава и строения многочисленных компонентов структура и свойства системы в целом определяются не только ковалентными химическими связями в молекулах, но и слабыми невалентными взаимодействиями (водородные связи, гидрофобные взаимодействия, комплексообразование, самоассоциация и т.д.). Следовательно, все деструктивные методы анализа малоэффективны. Интегральные методы, которые дают какую-то одну брутто-характеристику системы, не образуют природу строения и свойств. Ну и наконец, уникальные достоинства хромато-масс-спектрометрии (чувствительность, селективность, высокая разрешающая способность), хорошо зарекомендовавшие себя при анализе низкомолекулярных смесей, утрачиваются при попытках изучения сложных органических систем, как нефть, асфальтены, битуминозные пески, уголь, и т.д.
Универсальностью среди недеструктивных методов анализа органического сырья обладают только методы спектроскопии — оптической, ЭПР и ЯМР. Среди них метод ЭПР, хотя является самым чувствительным, имеет ограниченную применимость, так как дает сведения только об объектах обладающих парамагнетизмом за счет присутствия ионов тяжелых металлов или органических радикалов.
Используя оптические методы, обладающие высокой чувствительностью, возможно изучать вещества в любом агрегатном и фазовом состоянии, что дает ценный массив данных о природном органическом сырье. К недостаткам этой группы методов можно отнести, нелинейность связи функциональных групп и структурных фрагментов, ответственных за них с интенсивности линий поглощения, излучения или рассеяния в электронных и колебательных спектрах. Следовательно для получения количественной структурной информации необходимо учитывать полярность и поляризуемость связей, вероятность переходов, разность энергий возмущенных состояний и т.д. Таким образом, оптическую спектроскопию можно признать только полуколичественным методом определения строения природного органического сырья. Спектроскопия ЯМР на сегодняшний день это наиболее богатый и успешный опыт установления как деталей их электронного и пространственного строения, так и химической структуры индивидуальных органических соединений природного и синтетического происхождения. Далее мы рассморим, основные предпосылки использования этого метода для количественного анализа многокомпонентных природных объектов.
Ограниченное использование спектроскопии ЯМР для изучения строения природного органического сырья вызвано рядом условий. Наиболее важным является — незнание особенностей, возможностей и ограничений использования спектроскопии ЯМР к таким сложным объектам. Так как нам не известно ни одной обобщающей монографии по этой тематике. В результате складывается ошибочное представления о низкой чувствительности метода ЯМР, длительности анализов и большой трудоемкости, высокой стоимости, малой информативности спектров, и наконец, трудности расшифровки сложных спектров и перевод их на понятия принятые в химии нефти, угля, древесины и других сложных органических системах.
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) — резонансное поглощение или излучение электромагнитной энергии веществом, содержащим ядра с ненулевым спином во внешнем магнитном поле, на частоте (называемой частотой ЯМР), обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер, при этом резонансная частота и интенсивность испущенного сигнала пропорциональна силе магнитного поля. Схема типичного эксперимента ЯМР представлена на рисунке 1.1.
Параметры постобработки
Максимальные отличия в значениях для Н и Н не превышают, как правило 1%. Следовательно информативность спектров рассматриваемых объектов для решения различных задач с использованием только вышеуказанных дескрипторов фрагментного состава (ДФС) одинакова. Использование нефиксированных значений химических сдвигов для дифференциации сигналов, а именно минимумов спектральной плотности не только удобно, но и целесообразно по причинам их некоторой зависимости от характера аналита (нефть, ее фракции) и концентрации в растворителе. Не менее важно и то, что при регистрации спектров ЯМР 1Н на частоте 45 МГц стабилизация резонансных условий отсутствует.
Перечислим некоторые недостатки и некорректность методики ASTM по определению Cар из спектров ЯМР 13С и привлекательность создания для этих целей методики, использующей спектры ЯМР 1Н при относительно низких частотах: 1. Низкое природное содержание изотопа 13С (1,1%) и его низкая чувствительность в ЯМР обуславливают значительные затраты времени на количественное измерение Сар из спектра ЯМР 13С и высокую стоимость анализа. 2. ASTM предполагает некорректный критерий определения значения сигнал/шум в спектре 13С, поскольку вместо его значения для сигнала Сар приводится значение для сигнала 13С растворителя, концентрация которого, в свою очередь неопределенна (от 50% об. и выше). 3. Необоснованно большое время релаксационной задержки ( 60 сек) при длительности импульса 30О при регистрации спектра ЯМР 13С. 4. Методика ASTM для доказательства отсутствия в аналите олефиновых фрагментов, искажающих значение Сар требует проводить регистрацию спектра ЯМР 1Н при конкретной концентрации аналита, т.е. требует для получения спектров ЯМР 1Н и 13С приготовления двух различных концентраций тест-раствора аналита. 5. Для одного измерения из двадцати (5%) допустимая погрешность воспроизводимости методики превышает ±4%, т.е. достаточно высока. 6. Методика ASTM не предусматривает возможность ее использования для определения Сар в нефти. 7. Методика не может быть реализована на спектрометрх ЯМР 1Н. Устранение части замечаний (п.1-4) возможено путем использования единого образца аналита (30% об.) при уменьшении до 30 секунд релаксационной задержки, т.к. последнее уменьшает ее трудоемкость и улучшает метрологические характеристики. Однако, без использования спектрометра ЯМР 13С с высокими полями это не открывает возможности ее расширенного использования.
Нами создана методика предсказания Сар с погрешностью, не превосходящей таковую в ASTM из спектров ЯМР 1Н на основе ДФС Нар, Н, Н, Н при использовании спектрометра PicoSpin – 45. С учетом совпадения их значений спектров ЯМР на высоких ( 200 МГц) и низких (30-60 МГц) частотах. Основанием возможности реализации такого подхода служило исследование [195], в котором установлена полуэмпирическая функциональная связь значений Нар и Сар, выражаемая соотношением:
Соответствующая этому уравнению графическая зависимость представлена на рис.2.4 (пунктирная линия). Авторами рекомендовано использовать это уравнение для нефтяных и угольных объектов, которые имеют температуру кипения ниже 320ОС не менее 50% компонентов. Следовательно, оно ограниченно применимо для товарных нефтей.
В нефтяных объектах ароматические атомы углерода Сар по виду присоединенных к ним вне ароматического цикла атомам, относятся к одному из трех различных типов – водород, углеродСsp3 или углеродCsp2. Случай присоединенных к ароматическому циклугетероатомов предполагаем маловероятным. Первый тип полностью отражает в спектре ЯМР 1Н содержание Нар. Поскольку наличие четвертичных sp3-углеродов для нефтяных объектов нехарактерно, -заместители к ароматическому кольцу содержат 3 атома водорода в случае соседнего фрагмента CН3, 2 - дляCН2 или 1 - для СН. Все эти протоны ответственны за ИИ сигнала в области более 2 м.д., т.е. Н. Замещение sp2-углеродом (например, центральные атомы углерода в нафталине) не проявляется ни в Нар, ни в Н, хотя в целом влияет на соотношение Н/С объекта, следовательно должно проявляться в ИИ сигналов протонов.
Поиск связи между Сар и ДФС из спектров ЯМР 1Н осуществлен для серии из 17 образцов путем регистрации их количественных спектров ЯМР 1Н на частоте 45 МГц и 13С на частоте 150 МГц по модифицированной, с учетом вышеуказанных замечаний, методике ASTM (30% в CDCl3, P3 для 13С 30 секунд). Исследуемая серия включала ряд бензинов, дизельных и печных топлив, мазутов и гудронов.
Для проверки воспроизводимости результатов измерений образец дизельного топлива, а так же образец вакуумного газойля регистрировали 10 раз, результаты интегрирования приведены в таблице 2.1.
Адаптация методики определения содержание атомов ароматического углерода в нефтях и нефтепродуктах к низкопольным спектрометрам
Мониторинг процессов биодеградации нефтяных загрязнений методом КС ЯМР 1Н апробирован с использованием препарата «Биорос», промышленный выпуск которого будет начат в 2014 году ЗАО «Безопасные технологии».
Применяемые на практике методы биоремедиации почв, загрязненных нефтью или нефтепродуктами (спектрофотометрия в различных областях оптического диапазона, хроматография и масс-спектрометрия) не являются количественными, т.е. требуют использования стандартных образцов, что практически невозможно.
Предложен простой метод мониторинга процессов биоремедиации почвы автохтонными или внесенными микроорганизмами, растениями и иными организмами на основе регистрации количественных спектров ЯМР 1Н экстрактов растворителем остаточных нефтяных веществ из почвы.
Измерения осуществляются в режиме абсолютных интенсивностей сигналов. Благодаря наличию в спектрах ЯМР 1Н характеристических областей сигналов протонов парафинов, изопарафинов, нафтенов, непредельных и ароматических соединений возможно дифференциальное измерение эволюции каждой из этих компонент, что недоступно иным методам.
Апробация предложенного подхода реализована на примере лабораторного мониторинга очистки условной почвы от искусственно внесенного загрязнения дизельным топливом с помощью отечественного углеводородокисляющего препарата «Биорос»1. Эксперимент осуществлялся в течение месяца с отбором проб через три дня. В таблице 2.12 (по А.А. Дородниковой, с.39) представлены результаты измерений интегральных интенсивностей сигналов отдельных частей спектров ЯМР 1Н экстрактов СCl4 дизельного топлива.
Кроме того, для получения достоверных результатов очистки почвы от дизельного топлива с применением биопрепарата «Биорос», была проверена активность аборигенной микрофлоры, которая находится во взятой почве. Для этого был поставлен опыт, в почву, которую использовали для основного
Автор благодарит Е.Л. Листова за предоставление препарата и помощь в подготовке эксперимента. эксперимента, влили такое же количество дизельного топлива, что и при очистке этой же почвы микроорганизмами. Этот опыт длился месяц, были отобраны пробы, которые были проэкстрагированы, путем добавления в пробу растворителя, и на ЯМР 1Н были получены спектры, которые показали, что количество углеводородов в почве в течение месяца не изменилось, а следовательно, аборигенная микрофлора не участвовала в очистке почвы от нефтепродуктов, мы можем сделать вывод, что уменьшение количества дизельного топлива в почве происходит в результате деятельности микроорганизмов – биодеструкторов.
Сравнивая диапазоны спектров, полученные по дизельному топливу, большему изменению, в результате очистки почвы с помощью биодеструкторов, подвергаются диапазоны 0,5-1,0 м.д и 1,0-2,0 м.д , т.е уменьшение происходит прежде всего нафтенов и изопарафиновых соединений нефти, н-алканов. Что касается ароматических соединений, находящихся в диапазонах от 9,0-7,3 и 7,3-6,6 м.д, то в течение месяца существенного уменьшения в процессе деятельности микроорганизмов-биодеструкторов не было выявлено.
Как мы знаем, нефть, в том числе и дизельное топливо, состоит из летучих компонентов, которые при очистки могли улетучиться и дать результаты снижения количества в пределах от 0,5-2,0 м.д. Чтобы еще раз убедиться в достоверности полученных результатов очистки почвы биопрепаратом и эффективности применения метода биоремедиации, с помощью Масс-спектрографа были получены хроматограммы, подтверждающие изменения углеводородов (прежде всего, н-алканов) под действием биодеструктора «Биорос». m
Рисунок 2.19 представляет хроматограммы дизельного топлива. Верхний – исходного, взятого в эксперимент по детоксикации почвы с помощью микроорганизмов, а нижний – экстрагированного из почвы по истечении трех недель. Отдельные узкие сигналы соответствуют нормальным алканам, содержащим от 12 до 26 атомов углерода, т.е. от С12Н26, имеющего температуру кипения 216,2С и выше. Такие температуры исключают возможность интерпретации изменений в хроматограмме только за счет уменьшения содержания летучих компонент. Можно сделать вывод, что полученные изменения углеводородов являются результатом деятельности биодеструкторов. Такое проявление можно объяснить двумя причинами: Характерно увеличение относительной площади нафтеново-парафинового «горба», уменьшается относительная площадь, а значит, содержание нормальных алканов.
Исследование зависимости интегральной интенсивности сигналов ЯМР С ГВ от условий регистрации
Представленные на рис 3.4 - 3.7 количественные спектры ЯМР 13С получены как на вышеуказанном спектрометре, так и спектрометре VXR-500 «Varian». В первом случае рабочая частота для ядер 13С -150 МГц, во втором-125 МГц. Условия количественного измерения интегральных интенсивностей отдельных групп сигналов обеспечены релаксационной задержкой 5 секунд, которая, при условии установленного парамагнетизма образцов на уровне 1017 спин/г вполне достаточна для обеспечения соответствия площадей отдельных групп сигналов их содержанию.
Представленные результаты наглядно показывают, что механохимическая обработка привела во всех без исключения случаях к росту содержания неактивных фрагментов молекул - Салк и Осалк. Поэтому биотестирование полученных механохимической обработкой продуктов было найдено нецелесообразным.
В настоящем разделе возможности количественной спектроскопии ЯМР 1Н представлены на примере изучения состава продуктов реакции двух индивидуальных, результатом которой является многокомпонентная смесь соединений, имеющих экологическую значимость, как стабилизаторы и антиоксиданты жидких и полимерных материалов. С целью значительного увеличения ресурса работоспособности этих материалов в них добавляются различные вещества - стабилизаторы, которые способны эффективно противостоять действию окислителей (кислород, озон, минеральные кислоты), динамических механических нагрузок, абразивов и т.п.
Стабилизаторы – продукты нефтехимического синтеза, главным образом ароматические амины и пространственно затрудненные фенолы. На отечественном рынке антиоксиданты производит ограниченное число предприятий: Новочебоксарский ОАО «Химпром», Стерлитамакский НХЗ и
Совместно с сотрудниками Нижнекамского химико-технологического института Волжский завод органического синтеза [211]. Разработка новых способов получения высокоэффективных стабилизаторов на основе крупнотоннажных продуктов нефтехимического синтеза – важная задача развития современной техники.
Для получения антиоксидантов обычно используются первичные ароматические амины, альдегиды и кетоны [212,213,214,215]. Спектр промышленно доступных соответствующих кислородсодержащих соединений весьма ограничен, что сужает ассортимент получаемых антиоксидантов.
Схема возможных направлений присоединения окиси пропилена к ПАДА. Нами реализован известный процесс -оксиалкилирования п-аминодифениламина, содержащего в молекуле три атома водорода, связанных с азотом. Без учета возможных стереоизомеров (каждый присоединенный фрагмент содержит асимметричный атом углерода),
возможно пять вариантов присоединения молекул окиси пропилена. Вероятные пути реакции и структуры образующихся продуктов представлены на рисунке 3.8.
При мольном соотношении амин: окись равном 1:1,5, хроматограмма продуктов показывает наличие двух пиков. Реализации направления 1 с раскрытием цикла окиси пропилена по нормальному и аномальному механизму [216] ведет к преимущественному образованию вторичных аминоспиртов. На хроматограмме наблюдается только один пик в масс-спектре монооксипропилированного ПАДА выявлены следующие характеристические пики: m/z 242 (M+) с интенсивностью 68%, m/z 197 ([M– C2H5O]+) с интенсивностью 100%, m/z 167 ([M – C2H5O – СН2О]+) с интенсивностью 72%.
Для получения ответа на вопрос о релизации направления 2 поставлена модельная реакция взаимодействия окиси пропилена с дифениламином. Экспериментально доказано, что в условиях синтеза реакция по направлению 2 не протекает. Следовательно, и направление 5 представляется маловероятным.
Второй пик в хроматограмме приписан диоксипропилированному ПАДА, который образуется по реакциям 3 и, возможно, 4. Масс-спектр диоксипропилированного ПАДА содержит характеристические пики m/z 300
Увеличение мольной концентрации окиси пропилена с 1,5 до 2,5 на 1 моль ПАДА приводит к появлению на хроматограмме еще одного пика, масс-спектр которого содержит сигналы с m/z 358 (M+ ) с интенсивностью 40%, m/z 313 ([M - C2H5O] , 100%), m/z 209 (30%), m/z 181 (8%). Это соответствует триоксипропилированному ПАДА. Эллиминирование этокси-группы из молекулярного иона наблюдается для всех оксипропилированных производных ПАДА и является характеристичным.
Таким образом, взаимодействие окиси пропилена и п-аминодифениламина можно представить как ступенчатый процесс, протекающий преимущественно по маршруту 1- 3- 6 (рисунок 1).
Структура всех образующихся продуктов детально изучена методом спектроскопии ЯМР 1Н. На рис. 3.9 представлен спектр продукта синтеза при соотношении реагентов амин: окись пропилена равном 1:2,5. Спектр ЯМР Н реакционной смеси представляет весьма сложную суперпозицию сигналов в областях 1 м.д. (СН3 - группы), 2,8 - 3,5 м.д. (СН2 - группы), 3,5-4,0 (СН -фрагменты), 4,4 - 5,1 (ОН - группы) и 6,4 - 7,7 м.д. (протоны ароматических колец и NH - фрагмента между двух ароматических колец). Отнесение отдельных групп сигналов осуществлено с использованием 2D-экспериментов COSY. Интегральные интенсивности отдельных сигналов в одной (I), двумя (III и IV) и тремя (V) присоединенными молекулами окиси пропилена позволяют количественно охарактеризовать содержание каждого из них. Дублетный характер большинства сигналов обусловлен наличием в каждом заместителе - СН2-СН(СН3)-ОН ассиметричного атома углерода. Расчет содержания отдельных продуктов осуществлялся следующим образом. Интегральная интенсивность ароматических протонов каждого продукта соответствует 9 протонам, тогда как все остальные сигналы имеют интенсивность, пропорциональную содержанию соответствующих фрагментов продуктов I, III, IV и V. Так, сигнал СН3 – группы является суперпозицией сигналов, соответствующих 5% продукта I с одной группой – СН2-СН(СН3)-ОН, 65% продуктов III и IV с двумя группами у одного (58%) или разных (7%) аминных атомов азота, 30% - с тремя, т.е. V. Такое содержание каждого продукта установлено из значений интегральных интенсивностей аминных протонов в области 7,5 м.д., относящихся к продуктам I (интенсивность 0,10) и III (интенсивность 0,61), а также интенсивностей отдельных сигналов гидроксильных групп в области 4,4-5,2 м.д.
