Журнал аналитической химии, 2022, T. 77, № 8, стр. 714-720

Фотометрическое определение новокаина с предварительным концентрированием мицеллами ПАВ

Т. А. Соколова a, С. Ю. Доронин a*

a Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского, Институт химии
410012 Саратов, ул. Астраханская, 18/3, Россия

* E-mail: doroninsu@mail.ru

Поступила в редакцию 09.07.2021
После доработки 08.09.2021
Принята к публикации 09.09.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Работа посвящена извлечению и концентрированию новокаина с применением смешанных поверхностно-активных веществ неионного (Тритон Х-114) и анионного (додецилсульфат натрия) типов с фотометрической регистрацией аналитического сигнала. Метод основан на реакции конденсации новокаина с п-диметиламинобензальдегидом (рН 2.5–3.5) и последующей мицеллярной экстракции окрашенной аналитической формы – основания Шиффа. Для эффективного извлечения этой формы оптимизированы параметры мицеллярной экстракции (концентрации реагентов: сNaCl = 0.5–1 М, сТритон Х-114 = 2 × 10–3–1 × 10–2 М; условия: время центрифугирования 5 мин при 3000 об/мин). Предложенный способ позволяет определять новокаин в интервале концентраций 38–4800 нг/мл (sr ≤ 7%, предел обнаружения 19 нг/мл), что на несколько порядков ниже, чем в известных спектрофотометрических вариантах. Закон Бугера–Ламберта–Бера выполняется в интервале 8 × 10–7–4 × 10–5 М. Разработанный экстракционно-фотометрический способ апробирован при определении новокаина в ампульных 0.5%-ных растворах для инъекций.

Ключевые слова: новокаин, поверхностно-активные вещества (ПАВ), п-диметиламинобензальдегид, мицеллярная экстракция, cloud point extraction, фотометрия, смешанные мицеллы.

Новокаин – местноанестезирующий препарат, который при контакте с периферийной нервной тканью блокирует проведение нервного импульса и устраняет все ощущения в этой зоне без выключения сознания. Кроме того, он обладает различным аллергенным потенциалом, что непосредственно связано с его химической природой [1]. Новокаин содержит первичную аминогруппу, благодаря которой он участвует в реакциях образования окрашенных аналитических форм, на которых базируются известные фотометрические методики его определения. К таким соединениям относят азосоединения, основания Шиффа (ОШ), соли гидроксамовых кислот и т.п. [2].

Так, например, для идентификации новокаина наиболее часто применяют реакции его диазотирования с последующим азосочетанием с органическими реагентами [2]. Они включают две стадии: окисление новокаина в кислой среде нитритом натрия и сочетание в щелочной среде образующегося диазопроизводного с ароматическими аминами или фенолами. В качестве азосоставляющей применяют тимол, хинозол (8-гидроксихинолиний сульфат), 8-оксихинолин, роданин, а также 1- и 2-нафтолы. Наилучшие метрологические характеристики для этого типа реакций достигнуты с роданином и хинозолом: пределы обнаружения составили 0.6 и 1.5 мкг/мл соответственно. Эти реакции, наряду с достоинствами (чувствительность, контрастность), имеет существенные недостатки: сложность механизма; неустойчивость растворов NaNO2; необходимость строгого соблюдения условий.

Другой тип реакций фотометрического определения новокаина – его конденсация с альдегидами (п-диметиламинобензальдегид (ДМАБА), п-диметиламинокоричный альдегид) в кислых средах, протекающая, в отличие от реакций диазотирования и азосочетания, в одну стадию с образованием окрашенных ОШ [2]. Этим способом определяют новокаин в концентрации не ниже 0.1 мкг/мл, что не соответствует современным требованиям аналитического контроля.

Третий тип реакций фотометрического определения новокаина − гидроксамовая реакция, которая применяется для идентификации сложноэфирной группы новокаина. При взаимодействии с гидроксиламином в щелочной среде такие аналиты образуют гидроксамовые кислоты; в кислой среде с солями железа(III) они дают окрашенные гидроксаматы вишневого цвета. С помощью этой реакции новокаин определяют в лекарственных средствах.

Благодаря доступности аппаратуры и простоте выполнения спектрофотометрия получила широкое распространение в анализе лекарственных препаратов, в том числе и новокаина. Недостаточную чувствительность метода успешно устраняют предварительной экстракцией, а селективность дополнительно повышают за счет применения хроматографии [3].

Способы спектрофотометрического определения новокаина и других органических аналитов, как правило, осложнены неколичественным выходом соответствующих аналитических форм, что обусловлено преимущественно низкой скоростью реакций с участием органических реактантов. Такие реакции мало специфичны, осложнены побочными процессами и сильно зависят от условий (рН, температуры, природы растворителя, способов приготовления и концентрации реактантов и др.) [4]. Для улучшения метрологических характеристик фотометрического определения новокаина применяют его предварительное концентрирование с классическими растворителями или водными растворами ПАВ. Так, известны варианты концентрирования новокаина в виде интенсивно окрашенных ионных ассоциатов с кислотными красителями, такими как ализариновый красный С [5], бромтимоловый и бромфеноловый синий [2], пикрат-ионы [6] с применением хлороформа, толуола и октанола-1.

Особый интерес вызывают способы фотометрического определения новокаина, основанные на применении организованных сред водных растворов ПАВ. Последние используют для разделения и концентрирования различных по природе органических аналитов, улучшая метрологические характеристики фотометрических методик. При этом принципиальное значение имеет интервал концентраций растворов ПАВ. При концентрациях ПАВ, близких к критической концентрации мицеллообразования (ККМ), образуются “псевдофазы” – мицеллы ПАВ, выполняющие функцию “микрореакторов”. При сПАВ$ \gg $ ККМ формируются двухфазные жидкостно-жидкостные системы, в которых осуществляют экстракцию в “точке помутнения” (cloud point extraction), как правило, органических аналитов или их аналитических форм. Так, например, “псевдофазная” модель экстракции реализована для системы новокаин–п-диметиламинобензальдегид–додецилсульфат натрия (ДДС) c пределом обнаружения 0.2 мкг/мл [7]. Предложены также индикаторные пленки с иммобилизованными в желатиновый гель ДДС и альдегидами (ванилин, п-диметиламинокоричный альдегид) [8], позволяющие определять новокаин в диапазоне содержаний от 71 до 5430 мг/л.

Цель настоящего исследования − разработка подхода к фотометрическому определению ультрамалых количеств новокаина, основанного на применении смешанных мицелл анионных и неионных ПАВ и состоящего в эффекте двойного “псевдофазного” (мицеллы анионных ПАВ) и “cloud point” (мицеллярно-насыщенные фазы неионных ПАВ) его концентрирования.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Реагенты. п-Диметиламинобензальдегид, ДМАБА (C9H11NO), х.ч., исходный раствор с концентрацией 0.01 М готовили растворением точной навески в 2%-ном растворе ДДС (не менее 99%); Тритон Х-114 (не менее 99%), 2%-ный раствор; новокаин (гидрохлорид-2-диэтиламиноэтилового эфира п-аминобензойной кислоты (C13H20N2O2)), ч. д. а.

Неорганические кислоты, щелочи и соли: NaOH, х. ч., 1 М раствор; HCl, х. ч., 0.100 М стандарт-титр; лимонная кислота (C6H8O7), ч. д. а.; NaCl, х. ч., 20%-ный раствор.

Аппаратура. Оптическую плотность растворов и электронные спектры поглощения в видимой и УФ-областях регистрировали на двухлучевом сканирующем спектрофотометре Shimadzu UV-1800 (Япония). Предел допускаемых значений абсолютной погрешности: по шкале λ ± 0.3 нм, по коэффициенту пропускания ± 1%. Использовали кварцевые кюветы с l = 1 см.

Значения рН контролировали рН-метром рН-673 М со стеклянным индикаторным электродом и хлоридсеребряным электродом сравнения.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Влияние мицелл додецилсульфата натрия на спектральные характеристики исследуемой системы. Ароматические амины, к числу которых относят и новокаин, в кислой среде вступают в реакцию конденсации с альдегидами [9], которая подчиняется общим закономерностям реакций нуклеофильного присоединения слабоосновных соединений с образованием азометинов (оснований Шиффа, формы II и III). Основные стадии реакции: присоединение реактантов с образованием интермедиата – аминоспирта (I) и его дегидратация (схема 1 ):

Схема 1 . Реакция новокаина с п-диметиламинобензальдегидом в кислой среде.

Для изучения “псевдофазного” концентрирования образующегося ОШ (III) предварительно зарегистрировали спектры поглощения исходных 1 × 10–5 М растворов реактантов, а также их реакционной смеси в отсутствие и в присутствии анионного ПАВ (ДДС) в среде цитратного буферного раствора (рН 3). В полученных спектрах (рис. 1, кривые 1, 2) имеются максимумы ДМАБА и новокаина при 353 и 290 нм соответственно. В этих условиях ОШ не образуется (рис. 1, кривая 3), что связано с низкой скоростью реакции при указанных концентрациях реактантов.

Рис. 1.

Спектры поглощения: 1 – новокаин, 2 – ДМАБА, 3 – система новокаин–ДМАБА в среде цитратного буферного раствора (рН 3), среактантов = 1 × 10–5 М; 4 – система новокаин–ДМАБА–ДДС в среде цитратного буферного раствора (рН 3), сДДС = 7 × 10–3 М.

Напротив, в мицеллярной среде ДДС регистрируется размытая полоса поглощения в области 450−470 нм (рис. 1, кривая 4), что обусловлено образованием аналитической формы ОШ (III). Таким образом, при введении в исследуемую систему мицелл анионного ПАВ наблюдается эффект мицеллярного катализа [4], заключающийся в электростатическом взаимодействии анионной поверхности мицеллы ДДС и катионной формы ОШ (III), что приводит к смещению равновесия реакции вправо и увеличению концентрации ОШ (III). Основание Шиффа образуется и в отсутствие мицелл ДДС, но при более высоких концентрациях исходных реактантов, превышающих 1 × 10–3 М.

Влияние рН на реакцию новокаина с п-диметиламинобензальдегидом в мицеллах ПАВ. Зависимость суммарной скорости реакции от кислотности среды в отсутствие мицелл ПАВ достаточно хорошо изучена и для большинства карбонильных и аминосоединений представляет собой колоколообразную кривую в координатах оптическая плотность (А)–рН (рис. 2, кривая 1). Характер этой зависимости в присутствии мицелл анионных ПАВ (рис. 2, кривая 2) в интервале рН 0.5–4.5 (цитратный буферный раствор) свидетельствует о расширении рабочего диапазона рН в присутствии ДДС и эффекте “кажущегося” сдвига рКа аминов в сторону больших значений, поскольку анионная мицелла ДДС связывает протонированную (катионную) форму ариламина, также сдвигая равновесие реакции вправо.

Рис. 2.

Зависимость оптической плотности (469 нм) от рН для систем: 1 − новокаин (1 × 10–4 М)–ДМАБА (1 × 10–3 М); 2 − новокаин (5 ×10–6 М)–ДМАБА (1 × × 10–3 М)–ДДС (7 × 10–3 М).

Влияние мицелл неионного ПАВ на спектральные характеристики исследуемой системы. Как видно, в присутствии только неионного ПАВ – Тритона Х-114 (рис. 3, кривая 3) электронный спектр поглощения аналогичен спектру системы в отсутствие ПАВ (рис. 3, кривая 4), что свидетельствует о низкой скорости образования ОШ. При введении в систему новокаин–ДМАБА двух типов ПАВ (рис. 3, кривая 2) наблюдается гипcохромный сдвиг полосы поглощения в области 450–470 нм относительно спектра поглощения системы только в присутствии мицелл ДДС (рис. 3, кривая 1). В присутствии мицелл неионного ПАВ образуются смешанные мицеллы ПАВ (неионного и анионного типов), вследствие чего отрицательный заряд их поверхности уменьшается, что приводит к ослаблению электростатического взаимодействия аналитической формы (III) с такими мицеллами и в результате к уменьшению концентрации этой формы.

Рис. 3.

Спектры поглощения системы новокаин–ДМАБА в присутствии: 1 – ДДС (7 × 10–3 М), 2 – ДДС и Тритона Х-114, 3 – Тритона Х-114 (4 × 10–3 М), 4 − система без ПАВ.

Таким образом, применение смешанных мицелл ПАВ, с одной стороны, приводит к уменьшению аналитического эффекта исследуемой системы, с другой стороны, как известно, водные растворы неионных ПАВ способны к фазовому разделению растворов при достижении температуры помутнения [4] и последующему концентрированию органических реактантов. При этом гомогенный раствор разделяется на две фазы: водную, в которой концентрация неионогенного ПАВ ниже ККМ, и мицеллярную, обогащенную ПАВ (рис. 4). Добавка неорганического высаливателя приводит к понижению температуры помутнения до (20–25)°С и впоследствии к фазовому разделению исследуемой системы.

Рис. 4.

Фазовое разделение растворов неионных ПАВ.

Исследование фазового поведения системы новокаин–п-диметиламинобензальдегид–додецилсульфат натрия–Тритон Х-114. Фазовое разделение в растворах с комбинированием различных типов ПАВ − малоизученный процесс, который в последнее время вызывает повышенный интерес. Исследовали влияние неорганического высаливателя (NaCl) на процесс фазового разделения системы новокаин–ДМАБА–ДДС–Тритон Х-114 в интервале концентраций NaCl (0.2–1.0) М. Установили, что при концентрациях высаливателя менее 0.35 М фазовое разделение отсутствует. Определены зависимости оптической плотности (А = 0.36с – 0.54) и объема мицеллярной фазы от массовой доли высаливателя (V = –0.097c + 0.47) в интервале концентраций (0.35–0.7) М (где А – оптическая плотность; V – объем мицеллярной фазы, мл; с – концентрация NaCl, %). При увеличении концентрации NaCl отмечали рост оптической плотности в мицеллярно-насыщенной фазе ПАВ. Объем мицеллярной фазы при этом уменьшался. В интервале концентраций высаливателя (0.7–1.0) М и выше объем мицеллярной фазы в системе достигал равновесного значения 0.08 мл (табл. 1).

Таблица 1.

Результаты (мкг/мл) определения содержания новокаина при различной концентрации NaCl (VДМАБА/ДДС = 2.5 мл, cДМАБА/ДДС = 0.01/7 × 10–2 М; VТритон Х-114 = 2.5 мл, сТритон Х-114 = 4 × 10–2 М; Vобщ = 25 мл; l = 1 см; введено 1 мкг/мл новокаина)

NaCl Найдено новокаина Погрешность, %
добавлено 3.45 М р-ра, мл сраб, М
3.1 0.4 1.32 32
3.4 0.5 1.08 8.0
4.4 0.6 0.94 6.0
5.0 0.7 0.96 4.0
5.6 0.8 1.05 5.0
6.3 0.9 0.95 5.0
7.5 1.0 1.06 6.0
8.1 1.1 1.20 20

Исследовали характер фазового разделения системы при варьировании концентрации Тритона Х-114 в интервале (4.0 × 10–4–4.8 × 10–3) М. В рассматриваемых системах при содержании Тритона Х-114 менее 2 × 10–3 М фазовое разделение отсутствует. Определили зависимости оптической плотности (А = 6.53с – 0.11) и объема мицеллярной фазы неионогенного ПАВ (нПАВ) от массовой доли Тритона Х-114 (V = –2.75c + 0.58) в интервале концентраций (2 × 10–3–4.8 × 10–3) М (где А – оптическая плотность; V – объем мицеллярной фазы, мл; с – концентрация Тритона Х-114, %). По мере увеличения концентрации Тритона Х-114 отмечался рост оптической плотности в мицеллярно-насыщенной фазе ПАВ. Объем мицеллярной фазы при этом также уменьшался. При концентрациях нПАВ 4.0 × × 10–3 М и выше объем мицеллярной фазы в системе достигал равновесного значения 0.12 мл в оптимальном интервале концентраций Тритона Х-114 (2 × 10–3–0.01) М (табл. 2).

Таблица 2.

Результаты (мкг/мл) определения содержания новокаина при различной концентрации Тритона Х-114 (VДМАБА/ДДС = 2.5 мл, cДМАБА/ДДС = 1 × 10–2/7 × 10–2 М; Vобщ = 25 мл; l = 1 см; введено 1.00 мкг/мл новокаина)

Тритон Х-114 Найдено новокаина Погрешность, %
Добавлено 4 × 10–2 М, мл сраб, М
0.5 0.8 × 10–3 1.13 13
1.5 2.4 × 10–3 1.05 5.0
2.5 4.0 × 10–3 0.97 3.0
3.5 5.6 × 10–3 0.96 4.0
4.5 7.2 × 10–3 0.95 5.0
5.5 8.8 × 10–3 1.06 6.0
6.5 1.0 × 10–2 0.93 7.0
7.5 1.2 × 10–2 1.20 20

Методика фотометрического определения новокаина. Для количественного определения новокаина в жидких лекарственных формах готовят исходный 0.01 М раствор реагента – п-диметиламинобензальдегида − в 7 × 10–2 М растворе анионного ПАВ додецилсульфата натрия. Для этого навески ДМАБА и ДДС помещают в мерную колбу емк. 100 мл, добавляют дистиллированную воду (2/3 объема колбы), предварительно диспергируют компоненты смеси в ультразвуковой установке в течение 5–10 мин. После осаждения пены ДДС доводят содержимое колбы дистиллированной водой до метки и тщательно перемешивают.

Построение градуировочного графика. Точную навеску сухого препарата новокаина (гидрохлорид 2-диэтиламиноэтилового эфира п-аминобензойной кислоты) 0.0025 г помещают в мерную колбу емк. 25 мл и растворяют в дистиллированной воде при нагревании на водяной бане. Стандартный раствор содержит 100 мкг/мл новокаина (раствор А). Для получения раствора новокаина с концентрацией 10 мкг/мл (раствор Б) стандартный раствор разбавляют дистиллированной водой в 10 раз.

Для построения градуировочной характеристики в 10 мерных колб емк. 25 мл помещают отмеренные объемы 0.095, 0.2, 0.5, 1.0 мл раство-ра Б, а также 0.3, 0.5, 0.7, 0.9, 1.1. 1.3 мл раствора А, в каждую колбу добавляют по 2.5 мл 0.01 М раствора ДМАБА, приготовленного в 7 × 10–2 М растворе ДДС. После этого доводят объем в каждой колбе до 15–20 мл цитратным буферным раствором с рН 2.5–3.5 и перемешивают. В течение 1 мин при комнатной температуре наблюдают развитие ярко-желтого окрашивания растворов, характерного для продукта взаимодействия новокаина с ДМАБА. Далее в каждую колбу добавляют 2.5 мл 4 × 10–2 М раствора неионного ПАВ – Тритона Х-114, перемешивают, вносят 5 мл 20%-ного раствора NaCl, доводят до метки буферным раствором и снова перемешивают. Наблюдают помутнение системы. Полученные гомогенные растворы помещают в центрифугу на 5 мин (3000 об/мин) для ускорения образования мицеллярной фазы. После центрифугирования наблюдают образование двухфазной системы с окрашенной в ярко-желтый цвет мицеллярно-насыщенной фазой, локализующейся в нижней части расслаивающейся системы. При фотометрическом детектировании полученные мицеллярные экстракты отделяют от водной фазы декантацией, разбавляют цитратным буферным раствором (рН 2.5–3.5) в соотношении 1 часть мицеллярно-насыщенной фазы и 4 части буферного раствора и измеряют оптическую плотность полученного окрашенного раствора с помощью спектрофотометра Shimadzu UV-1800 в кювете с l = 1 см при длине волны 469 нм относительно цитратного буферного раствора.

Получена градуировочная зависимость в координатах Асновокаин (А = 0.74с) в диапазоне концентраций 0.038–4.8 мкг/мл. Предел обнаружения, рассчитанный по критерию 3σ, составил 0.019 мкг/мл, погрешность определения (4.0–6.3)%.

Для количественного определения новокаина в ампульных 0.5%-ных растворах для инъекций готовят рабочий раствор, содержащий 100 мкг/мл, путем разбавления 0.5%-ного раствора новокаина дистиллированной водой.

Вносят 0.3 мл приготовленного раствора в колбу емк. 25 мл, добавляют по 2.5 мл 0.01 М раствора ДМАБА, приготовленного в 7 × 10–2 М растворе ДДС, доводят объем в колбе до 15–20 мл цитратным буферным раствором с рН 2.5–3.5 и перемешивают. Далее в колбу добавляют 2.5 мл 4 × 10–2 М раствора Тритона Х-114, перемешивают, вносят 5 мл 20%-ного раствора NaCl, доводят до метки буферным раствором и перемешивают. Полученные гомогенные растворы помещают в центрифугу на 5 мин (3000 об/мин) для ускорения образования мицеллярной фазы. Полученные мицеллярные фазы фотометрируют. Концентрацию новокаина определяют с помощью описанной выше градуировочной характеристики.

Результаты определения приведены в табл. 3. Предлагаемый способ отличается хорошими воспроизводимостью и правильностью. Контроль правильности осуществляли методом введено−найдено с помощью описанной выше градуировочной характеристики.

Таблица 3.

Результаты (мкг/мл) определения содержания новокаина в 0.5%-ном растворе для иньекций (VДМАБА/ДДС = 2.5 мл, c ДМАБА/ДДС = 0.01/7 × 10–2 М; VТритон Х-114 = 2.5 мл, сТритон Х-114 = 4 × 10–2 М; Vобщ = = 25 мл; рН 2.5; l = 1 см; λmax = 469 нм; введено 30 мкг/мл новокаина)

№ п/п Найдено Погрешность, %
1 28.6 4.7
2 31.5 5.0
3 28.8 4.0
4 28.2 6.0
5 31.7 5.7
6 31.9 6.3
7 28.5 5.0

* * *

Таким образом, предложенный в данной работе способ сочетает в себе эффекты “псевдофазного” и “cloud point” концентрирования аналитических форм ОШ (эффект “двойного” концентрирования), что позволяет повысить чувствительность определения новокаина путем снижения его предела обнаружения более чем на порядок по сравнению с известными спектрофотометрическими вариантами. Метод прост, селективен, чувствителен, экологически безопасен и может быть применен для контроля новокаина в жидких средах.

Список литературы

  1. Харкевич Д.С. Фармакология. Москва: ГЕОТАР-Медиа, 2010. 907 с.

  2. Адамова Е.М., Иванов В.М. Методы определения местноанестезирующих веществ // Журн. аналит. химии. 2016. Т. 71. № 12. С. 1250.

  3. Беликов В.Г. Анализ лекарственных веществ фотометрическими методами. Опыт работы отечественных специалистов // Рос. хим. журн. 2002. Т. 46. № 4. С. 52.

  4. Чернова Р.К., Доронин С.Ю. Определение органических аналитов в растворах ПАВ: ионные и мицеллярные эффекты. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2017. 200 с.

  5. Иванов В.М., Адамова Е. М., Фигуровская В.Н. Ализариновый красный С как окрашенный реагент для экстракционно-фотометрического и цветометрического определения некоторых местноанестезирующих органических оснований // Журн. аналит. химии. 2010. Т. 65. №. 9. С. 934.

  6. Буйко А.В., Давыдова Р.Н. Экстракция новокаина в виде ионного ассоциата с пикратом. Минск: Изд. Центр БГУ, 2011. С. 197.

  7. Чернова Р.К., Бендер К.Т., Гусакова Н.Н., Харитонова О.М., Борисова Г.М., Подзорова Т.Н. Способ количественного определения новокаина. А. с. 1529086 СССР. № 4312829 заявл. 05.10.87, опубл. 15.12.89. Б. и. № 46.

  8. Коновалова О.Ю., Логинова Л.П. Особенности протекания индикаторной реакции на первичные ароматические амины в желатиновой пленке // Методы и объекты хим. анализа. 2008. Т. 3. № 2. С. 147.

  9. Нейланд О.Я. Органическая химия. М.: Высшая школа, 1990. 750 с.

  10. Доронин С.Ю., Соколова Т.А. Способ количественного определения новокаина. Патент № 2715997 РФ. Заявка № 2019135824 от 08.11.2019, опубл. 05.03.2020. Б. и. № 7.

Дополнительные материалы отсутствуют.