Работа 9.1
Идентификация диоксинов методами инфракрасной спектроскопии и ЯМР
Масс-спектрометрия используется в трех основных направлениях:
1. Установление элементарного состава и строения молекул, качественный и количественный анализ смесей, определение микропримесей, изотопный анализ.
2. Измерение физико-химических характеристик молекул, радикалов и ионов.
3. Исследование строения и реакционной способности ионов в газовой фазе.
Масс-спектрометрия применяется для изучения кинетики и механизма распада твердых веществ.
В настоящее время существует более 20 масс-спектрометрических методов, которые различаются:
а) по типу регистрируемых частиц (положительные, отрицательные ионы);
б) по способу разделения ионов (статические и динамические приборы);
в) по способу ионизации молекул (электронный удар и искровой разряд, фотоионизация, полевая ионизация и десорбция, химическая ионизация, бомбардировка быстрыми атомами, лазерная десорбция, поверхностная ионизация и др.);
г) по типу системы ввода пробы (баллон напуска, прямой ввод, газовые и жидкостные хроматографы, эффузионные камеры и пиролитические ячейки);
д) по типу системы регистрации (спектрометры и спектрографы, ионный циклотронный резонанс). Отличительная особенность современного этапа развития масс-спектрометрии заключается в широком применении ЭВМ для автоматизации сбора, обработки и интерпретации масс-спектральной информации.
Развитие новых методов ионизации термически нестабильных соединений за короткий период расширило возможности масс-спектрометрических исследований состава и строения биоорганических соединений.
Проведение химических реакций для получения легко детектируемых производных в сочетании с высокой разрешающей способностью тонкослойной хроматографии и адсорбционно-жидкостной хроматографии и с методами спектрометрии позволяет осуществлять функциональный анализ органических соединений в количестве до нескольких нанограммов. По разделению спектров существует литература.
Полихлорированные дибензо-n-диоксины и дибензофураны составляют две группы близких по строению высокотоксичных веществ.
Ксенобиотики диоксинового ряда известны как наиболее высокотоксичные вещества. Родоначальником их является дибензо-n-диоксин - трициклическая конденсированная система симметричного строения
Диоксины характеризуются комплексом специфических физико-химических свойств и уникальной биологической активностью. Четыре незамещенных атома водорода в каждом из двух бензольных колец являются потенциальными реакционными центрами в реакциях электрофильного замещения диоксина, обусловливая одновременно структурную изомерию получаемых соединений.
Наиболее опасными из известных экотоксикантов являются галогенированные дибензо-n-диоксины, особенно симметричное 2, 3, 7, 8-тетрахлорзамещенное производное
которое вызывает даже в очень низких концентрациях тяжелые заболевания иммунной и кровеносной систем. Высокой токсичностью обладает аналогичное замещенное дибензофурана - 2, 3, 7, 8-тетрахлордибензофуран:
Химические свойства и биологическая активность диоксинов и дибензофуранов зависят от числа атомов галогенов и их относительного положения в молекуле.
Источником этих токсичных веществ являются некоторые химико-технологические процессы (хлорирование фенолов, производство гербицидов), выбросы ряда предприятий, выхлопные газы автомашин, процессы сжигания бытовых и промышленных отходов.
При галогенировании происходит последовательное замещение атомов водорода на галоген в положениях 3 и 7 (или 8), являющихся равнозначными по порядку замещения. В результате образуются высокотоксичные 2, 3, 7, 8-тетрагалогензамещенные производные дибензо-n-диоксина.
Аминогруппа активирует бензольное ядро и облегчает реакции галогенирования.
Идентификация галогенопроизводных дибензо-n-диоксина, а также других его производных, содержащих наряду с галогенами различные функциональные группы - актуальная задача.
Трудность определения ксенобиотиков диоксинового ряда в объектах окружающей среды и в биологических образцах обусловлена как структурным разнообразием самих определяемых веществ, так и сопутствующих им соединений. Например, у тетрахлордибензо-n-диоксина имеется 22 изомера. Дополнительная трудность при анализе объектов окружающей среды и биологических образцов обусловлена наличием в микропримесях не только галогенопроизводных, но также и функционально замещенных ксенобиотиков, содержащих вместо атомов галогенов группы NО2, NH2, или более сложные карбонилсодержащие группы. Кроме того, в соответствии с токсикологическими свойствами диоксинов пределы их обнаружения должны быть существенно ниже тех, которые установлены для многих других органических веществ, в том числе пестицидов. Потребовались аналитические методы, обеспечивающие детектирование пикограммовых (10–12 г) и фемтограммовых (10–15 г) количеств определяемого соединения.
Разработанные методы определения следовых количеств ксенобиотиков диоксинового и дибензофуранового ряда предполагают высокоэффективную очистку ксенобиотиков от многочисленных фоновых веществ и включают их экстракционное извлечение, хроматографическое разделение и масс-спектрометрическое определение. Наиболее эффективные результаты достигнуты с помощью хромато-масс-спектрометрии высокого разрешения. Для идентификации интерес представляют спектрально-структурные корреляции в ряду индивидуальных изомеров диоксинов и дибензофуранов. В научной литературе имеются данные по ИК- и ЯМР-спектрам. На основании инфракрасных спектров и спектров ЯМР можно определять природу многих функциональных групп. Положение заместителей можно устанавливать по частотам деформационных колебаний ароматических связей С-Н, по частотам валентных колебаний связей С-С ароматического кольца и по частотам валентных колебаний ароматических С-Н - связей. В прил. 14.5 для серии диоксинов приводятся некоторые характеристические частоты ИК-спектров и химические сдвиги протонов в спектрах ЯМР. ИК-спектры получены для суспензий в вазелиновом масле. Спектры ЯМР соединений 1-13, 20-22, 31, 33, 35 получены при частоте 80 МГц и в растворах. Отличительные признаки ИК-спектров и спектров ЯМР диоксинов дают возможность для их идентификации.
Оборудование: хромато-масс-спектрометр высокого разрешения; высокоэффективная капиллярная колонка; стандарты (аналоги диоксинов) с изотопной меткой С13 или Сl37; органические растворители; вакуумные прокачиватели воздуха; высокоселективные фильтры-поглотители диоксинов, нитрофенолов, ПАУ (полиароматических углеводородов); библиотека спектров.
Ход работы. Высококипящие диоксины извлекают из окружающей среды с помощью фильтров в течение 4-24 ч. Затем из фильтров диоксины извлекают экстракцией в аппарате Сокслета бензолом в течение 36 ч. Экстракт упаривают досуха, остаток растворяют в гексане, очищают от ПАУ и хлорированных соединений. Объем полученного экстракта должен быть равным 50-100 мкл.
Анализируют экстракт на хромато-масс-спектрометре высокого разрешения в режиме селективного. Получают хроматограмму, где номер пика соответствует классу соединения (рис. 57). Пики расположены в области 80-290 по волновому числу.
Рис. 57. Хроматограмма разделения диоксинов
На рис. 57 представлена хроматограмма, полученная на капиллярной колонке из плавленого кварца (50 м 0,25 мм) с цианопропилсиликоном СРSi 188. Программирование температуры колонки осуществляется в пределах 80-190-230°С. Масс-спектрометр применяется в качестве детектора (вариант селективного мониторинга ионов).
Нормальные и разветвленные углеводороды, полиароматические углеводороды (ПАУ) с двумя или тремя кольцами ПХД, ПХДФ, окси-ПАУ, нитро-ПАУ, бензохинолины определяются на этих же хроматограммах. Компьютерная идентификация с помощью библиотеки масс-спектров позволяет расшифровать спектр анализируемых веществ, т.е. определить их качественный состав (рис. 58).
Количество веществ в пикограммах (пг) определяется по высоте и площади пиков. Методика является нормативным документом и одобрена Федеральным государственным учреждением Центром экологического контроля и анализа Минприроды России (ФГУ ЦЭКА) и подробно представлена в книге «Газохроматографическая идентификация загрязнений воздуха, воды, почвы и биосред».
Рис. 58. Хроматограмма стандартной смеси загрязнений городского воздуха (метод ТО-14)
Компьютерная идентификация определяемых веществ проводится с помощью библиотеки масс-спектров для определенных условий.