Журнал физической химии, 2020, T. 94, № 6, стр. 910-919

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Используемые реактивы и приготовление образцов. Использовали этилацетоацетат (“х.ч.”, “Реахим”, Москва), н-алканы С₆–С₁₂ с четным числом атомов углерода (“х.ч.” или “х.ч. для хроматографии”, “Реахим”, Москва); растворители н‑гексан (“х.ч.”, Вектон, Санкт-Петербург) и этиловый спирт (ООО “Гатчинский спиртовый завод”, Ленинградская обл.). Образцы готовили растворением 150 мкл этилацетоацетата в 1.35 мл этилового спирта или н-гексана с добавкой по 50 мкл н-октана и н-декана (реперные углеводороды).

Условия газохроматографического и хромато-масс-спектрометрического анализа. Газохроматографический анализ растворов этилацетоацетата в этиловом спирте и гексане проводили на газовом хроматографе Хроматэк-Кристалл 5000.2 с пламенно-ионизационным детектором и WCOT колонкой из плавленого кварца со стандартной неполярной полидиметилсилоксановой фазой BPX-1 длиной 10 м, внутренним диаметром 0.53 мм и толщиной пленки неподвижной фазы 2.65 мкм. Температура колонки 70°С при варьировании температуры испарителя от 100 до 220°С с шагом 20 K, или изотермические режимы от 60 до 100°С с шагом 10 K при постоянной температуре испарителя 160°С. Температура детектора 200°С, газ-носитель азот, объемная скорость 5.2 мл/мин (линейная скорость 43.9 см/с), деление потока 1 : 3, объем дозируемых проб 0.5 мкл (микрошприц “МШ-1”). Число параллельных определений для одних и тех же образцов в одинаковых условиях 2–4. Для определения изотермических индексов удерживания (Ковача) в образцы добавляли по 50 мкл н-алканов С₈ и С₁₀.

Хромато-масс-спектрометрический анализ проводили на хромато-масс-спектрометре Shimadzu QP-2010 SE с ИЭ (энергия ионизации 70 эВ) с колонкой Optima 1 длиной 25 м, внутренним диаметром 0.32 мм и толщиной пленки неподвижной фазы 0.35 мкм. Режим анализа: программирование температуры от 50 до 250°С со скоростью 5 K/мин, температура испарителя 180°С, температура детектора 200°С, газ-носитель гелий, расход 1.82 мл/мин (линейная скорость 53.6 см/с), деление потока 1:10, объем дозируемых проб 0.5 мкл. Температуры интерфейса и источника ионов 200°С. Время перекрывания потока газа-носителя из хроматографической колонки в источник ионов (“отсечка растворителя”) 1.6 мин. Для определения линейно-логарифмических индексов удерживания в образцы добавляли смесь реперных н-алканов С₆–С₁₂ с четным числом атомов углерода.

Обработка результатов. Компоненты реакционных смесей характеризовали стандартными масс-спектрами и индексами удерживания с их последующим усреднением. В качестве оценки “мертвого” времени для растворов в н-гексане принимали время выхода пика первой из примесей в растворителе, для растворов в этаноле – время выхода растворителя. Таутомеры характеризовали отношениями площадей пиков кето- и енольной форм. В случае автоматической регистрации площадей в области “плато” между пиками таутомеров эти значения прибавляли к площади первого пика при условии t_R < [t_R(1) + + t_R(2)]/2 и второго при невыполнении этого условия. Вычисление индексов удерживания и статистическую обработку данных проводили с использованием ПО Excel (Microsoft Office, 2010), Origin (версия 4.2) и программы QBasic.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Особенности хроматографических профилей таутомеров этилацетоацетата. Фрагмент хроматограммы раствора этилацетоацетата (II) в этиловом спирте в режиме программирования температуры приведен на рис. 1. По соотношению интенсивностей пиков и в соответствии с литературными данными о порядке элюирования таутомеров [15] менее интенсивный пик с меньшим временем удерживания должен быть отнесен к енольной форме эфира. Интенсивность сигналов молекулярных ионов енольной формы закономерно выше благодаря наличию системы сопряжения. Масс-спектры ИЭ таутомеров в целом сходны, но в них наблюдаются некоторые заметные отличия, например, в интенсивностях пиков с m/z = 85 и 69:

№ 1 (енольная форма), m/z ≥ 39 (I_отн, %): 130(17)М, 115(5), 102(12), 88(16) [M – CH₂CO], 87(16), 86(3), 85(31) [M – C₂H₅O], 84(15), 70(3), 69(24), 61(4), 60(8), 58(4), 56(2), 55(2), 45(5), 44(3), 43(100) [CH₃CO], 42(12), 41(3), 39(3).

№ 2 (кето-таутомер), m/z ≥ 39 (I_отн, %): 130(6)М, 115(2), 102(6), 88(20) [M – CH₂CO], 87(4), 85(13) [M – C₂H₅O], 84(2), 70(3), 69(4), 61(5), 60(11), 58(2), 45(4), 44(3), 43(100) [CH₃CO], 42(12), 41(2).

Единственный приведенный в базе [14] масс-спектр этилацетоацетата приблизительно соответствует суперпозиции двух приведенных спектров. В частности, интенсивность сигнала с m/z = = 69 в нем составляет 10%.

Обращает на себя внимание специфический контур хроматографического сигнала в области между пиками таутомеров, уровень которого не достигает базовой линии и образует некоторое “плато” (рис. 1). Регистрация масс-спектров в разных точках подобных “плато” на примерах других соединений, обратимо или необратимо превращающихся друг в друга в процессе разделения в хроматографической колонке [19, 20], показывает, что они также представляют собой суперпозиции масс-спектров индивидуальных таутомеров в разных соотношениях. Такой вид хроматограмм однозначно свидетельствует о взаимопревращении “кето $ \rightleftarrows $ енол” в процессе перемещения зон аналитов по колонке. Аналогичные профили хроматографических сигналов наблюдались для четырех кетоэфиров [15] и для диацетила на дополнительно окисленной полярной неподвижной фазе RTx-1701 [21].

Газохроматографический анализ растворов (II) в изотермических условиях при разных температурах колонки (от 60 до 100°С) и постоянной температуре испарителя позволяет охарактеризовать температурную зависимость индексов удерживания каждого из таутомеров и обнаруженной в образце (II) примеси, а также установить характер зависимости констант равновесия (K), равных отношениям площадей пиков таутомеров K = S_отн = S(енол)/S(кето) от температуры колонки.

На рис. 2 сопоставлены фрагменты хроматограмм таутомеров (II) в изотермических условиях при температурах колонки 60°С (а) и 100°С (б), иллюстрирующие заметную зависимость степени их разделения от температуры. При 60°С “плато” между пиками имеет минимальную величину, но при повышении температуры его высота увеличивается. В результате при 100°С уже можно сделать вывод о неполном разделении таутомеров, что объясняется двумя причинами. Прежде всего, енольная и кето-формы этилацетоацетата характеризуются разными коэффициентами (β) температурной зависимости индексов удерживания RI(T):

где RI(T) – значение индекса удерживания при температуре Т, RI(T₀) – значение при температуре Т₀ = 0°С (условно), β = dRI/dT – коэффициент температурной зависимости индексов удерживания. Значения RI(T₀) и β вычисляют методом наименьших квадратов. В результате обработки данных в интервале температур 60–100°С получаем результаты (в сравнении со значениями RI_прогр в условиях программирования температуры), приведенные в табл. 1.

Из значения β = 0.02 ± 0.02 ед. индекса/K следует, что значение RI кето-формы этилацетоацетата практически не зависит от температуры. В то же время положительное значение β = 0.19 ± 0.03 для енольной формы означает, что при повышении температуры хроматографической колонки “расстояние” между пиками таутомеров в шкале индексов удерживания уменьшается. Причина бóльшего значения коэффициента β енольной формы (II) – наличие в ее молекуле сопряженной системы >C=C–C=O. В связи с этим следует отметить аномальное отрицательное значение коэффициента β для примеси (–0.10 ± 0.01). Столь необычная для большинства органических соединений величина, во-первых, исключает присутствие в молекуле систем сопряжения и, во-вторых, типична для соединений с функциональными группами, содержащими активные атомы водорода^. Скорость установления равновесия “кето $ \rightleftarrows $ енол” при повышении температуры возрастает, что увеличивает высоту “плато” между пиками таутомеров. Дальнейшее ее повышение теоретически должно приводить к слиянию пиков таутомеров (аналогично температуре коалесценции в спектроскопии ЯМР [18]).

Анализ растворов (II) при разных температурах газохроматографической колонки подтверждает существование температурной зависимости относительных площадей пиков. Например, значения S_отн = S(енол)/S(кето) < 1 уменьшаются при повышении температуры, что иллюстрируют данные табл. 2. Однако линеаризовать зависимость S_отн от температуры хроматографической колонки уравнением Антуана:

где коэффициенты a и b вычисляют методом наименьших квадратов, не удается.

Причина этого – неодинаковые времена нахождения аналитов в нагретой хроматографической колонке, зависимость которых от температуры характеризуется уравнением [22]:

В результате линеаризация зависимости S_отн = = f(T) возможна только при объединении соотношений (2) и (3) в одно, содержащее такую “экзотическую” функцию как двойной логарифм lnln S_отн [21, 23], что не входило в задачи настоящей работы. Вместо этого предпочтительнее рассмотреть проще интерпретируемую зависимость S_отн от температуры испарителя при постоянной температуре хроматографической колонки.

Зависимость относительных площадей пиков таутомеров этилацетоацетата от температуры испарителя. В табл. 3 приведены средние значения относительных площадей S_отн = S(енол)/S(кето) и обратные им величины при различных температурах испарителя (от 100 до 220°С) для растворов этилацетоацетата в этиловом спирте, а в табл. 4 – аналогичные данные для растворов в гексане. Температуру колонки при этом сохраняли постоянной (70°С). Таблицы 3 и 4 дополнительно содержат отношения площадей пиков енольной и кето-форм этилацетоацетата к площади пика инертного компонента смеси – н-алкана С₈Н₁₈ (см. обсуждение далее). Согласно литературным данным, содержание енольной формы в неполярном растворителе (гексан) выше, чем в полярном (этанол) (39 и 7.2% соответственно [5]). Однако величины S_отн таутомеров для обоих растворителей при всех температурах испарителя отличаются незначительно. Например, значения S_отн = = S(кето)/S(енол) при увеличении температуры от 100 до 200°С для растворов (II) в этаноле увеличиваются в 1.9, а для растворов в гексане – в 2.2 раза Этот результат позволяет утверждать, что температурные вариации положения таутомерного равновесия “кето $ \rightleftarrows $ енол”, устанавливаемые по газохроматографическим данным, относятся не к конденсированной, а преимущественно к паровой фазе, в которой влияние природы растворителя на соотношение таутомеров минимально. Кроме того, наблюдаемые различия могут быть обусловлены не влиянием природы растворителей на положение таутомерного равновесия, а проявлениями эффектов дискриминации состава анализируемых проб (см. далее).

Вычисление параметров линейной регрессии ln S_отн от обратной температуры (в виде 1000/Т с последующим пересчетом) методом наименьших квадратов по уравнению:

позволяет оценить значения ΔН^# и ΔS^# для таутомерного равновесия.

На рис. 3 и 4 приведены зависимости (4) для растворов этилацетоацетата в этиловом спирте и гексане. Параметры уравнений линейной регрессии указаны в подписях к этим рисункам. Вычисленные по этим данным значения ΔН^# и ΔS^# в случае этанола составляют –9.3 ± 0.3 кДж/моль и –32.3 ± 0.7 Дж/(K моль), а в случае гексана –10.9 ± ± 0.3 кДж/моль и –35.8 ± 0.8 Дж/(K моль). Отрицательные знаки величин ΔН^# и ΔS^# и порядок их абсолютных величин, в целом, согласуются с определенными в работе [21], в которой, правда, они были приписаны не равновесию в паровой фазе, а взаимодействию таутомеров с полярной неподвижной фазой хроматографической колонки.

Незначительная величина |ΔН^#| ∼ 10 ± 1 кДж/моль объясняет легкость взаимных превращений таутомеров при относительно невысоких температурах газохроматографического разделения, проявляющихся в специфических профилях хроматограмм.

Влияние эффектов дискриминации состава проб. Любые газохроматографические определения, предполагающие дозирование проб в капиллярные колонки с делением потока при разных температурах испарителя или в разных растворителях, должны учитывать возможное искажение результатов за счет так называемых эффектов дискриминации состава проб [23–26]. Одно из наиболее типичных их проявлений – вариации абсолютных и относительных площадей пиков в зависимости от температуры испарителя хроматографа и природы растворителя. В рассматриваемом в настоящей работе случае характеристика зависимости S_отн = f(T) для таутомеров как раз и предполагает вариации температуры испарителя, а сравнение параметров этой зависимости для полярного этанола и неполярного гексана – влияние второго фактора.

Для обсуждения эффектов дискриминации состава проб при их дозировании в капиллярные колонки с делением потока целесообразно вернуться к рассмотрению данных табл. 2. Помимо относительных площадей пиков таутомеров (II) (раствор в этиловом спирте) при разных температурах хроматографической колонки в ней дополнительно представлены отношения площадей пиков каждого из таутомеров к площадям пиков инертного компонента – углеводорода н-С₈Н₁₈: S(енол)/S(С₈) и S(кето)/S(С₈), равные 0.27 ± 0.01 и 1.10 ± 0.01 соответственно. Это подтверждает отсутствие какой-либо зависимости указанных отношений от температуры колонки (нет эффектов дискриминации), так что вариации S(енол)/S(кето) и S(кето)/S(енол) обусловлены исключительно зависимостью S_отн = f(T) для таутомеров.

В табл. 3 помимо значений S(енол)/S(С₈) и S(кето)/S(С₈) приведены аналогичные отношения S(енол)/S(C₈) и S(кето)/S(C₈), демонстрирующие выраженные температурные зависимости (убывающая для первого отношения и возрастающая для второго). Графическая иллюстрация этих зависимостей представлена на рис. 5. Особый интерес представляют не температурные зависимости каждого из этих отношений по отдельности, а температурная зависимость их суммы. В табл. 3 дополнительно приведены значения [S(енол) + S(кето)]/S(C₈), а на графике для наглядности отображена кривая, соответствующая полиномиальной аппроксимации температурной зависимости полусуммы [S(енол)/S(C₈) + S(кето)/S(C₈)]/2). Кето- и енольные формы этилацетоацетата изомерны, что предопределяет близкую чувствительность к ним пламенно-ионизационного детектора, но данные табл. 3 и рис. 5 иллюстрируют заметное увеличение отношений [S(енол) + S(кето)]/S(C₈) при увеличении температуры от 100 до 220°С (в 1.27 раза). Это и может быть объяснено проявлением эффектов дискриминации [23–26], так как при увеличении температуры испарителя увеличиваются относительные площади пиков более высококипящих компонентов (для этилацетоацетата Т_кип =180.8°С, для н-октана – 125.7°С).

Дополнительно на рис. 5 приведен набор точек, соответствующих относительным площадям пиков соединений одной химической природы – реперным углеводородам н-С₁₀Н₂₂ и н-С₈Н₁₈, из чего можно сделать вывод об отсутствии явно выраженной температурной зависимости для этой пары компонентов. Аналогичная температурная зависимость отношений [S(енол) + S(кето)]/S(C₈) наблюдается и для растворов эфира (II) в гексане, но для сокращения объема обсуждения результатов соответствующие данные не включены в табл. 4.

Таким образом, эффекты дискриминации, безусловно, влияют на характеристики температурной зависимости относительных площадей пиков таутомеров и, следовательно, на надежность определения термодинамических параметров таутомерного равновесия “кето $ \rightleftarrows $ енол”. В рассматриваемом случае можно отметить, что отношения S(кето)/S(C₈) для растворов (II) в этаноле (табл. 3) при увеличении температуры увеличиваются в 2.2 раза, тогда как оценка с учетом эффектов дискриминации соответствует увеличению всего приблизительно в 1.3 раза. Более точный учет их влияния требует дальнейшего совершенствования методов обработки экспериментальных данных и специального рассмотрения.

Идентификация неизвестной примеси в образце этилацетоацетата. Кроме двух таутомеров с RI = 880 и 909 (значения для режима программирования температуры), в хранившемся в течение длительного времени образце этилацетоацетата была обнаружена примесь с RI = 957 со следующим масс-спектром ИЭ:

m/z ≥ 39 (I_отн ≥ 2%): 146(1), 119(1), 75(17), 74(74), 73(24), 59(8), 57(17), 56(17), 47(8), 46(7), 45(100), 44(18), 43(40), 42(6), 41(11).

Характерная особенность этого масс-спектра – присутствие двух интенсивных сигналов с m/z = = 45 и 74, относящихся к гомологическим группам у = 3 и 4. Такое сочетание массовых чисел редко встречается в масс-спектрах органических соединений; библиотечный поиск по этим двум пикам с использованием базы данных NIST [14] привел всего к 10 альтернативным ответам с факторами совпадения менее 0.5, так что ни один из них не может быть принят к дальнейшему рассмотрению. Идентификация по номерам гомологических групп главных сигналов и масс-спектрам ионных серий [27] также не дала положительных результатов. Безрезультатными оказались попытки предположить природу этого компонента исходя из схемы синтеза этилацетоацетата и, в том числе, гипотезы о возможном образовании этилового эфира енольной формы [28]. Следует заметить, что любые производные енольной формы (II) должны быть исключены на основании отрицательного значения коэффициента температурной зависимости индексов удерживания (β = –0.10 ± 0.01). Таким образом, пик с RI = 957 принадлежит неидентифицированному компоненту “Х”.

Тем не менее, установление его структуры возможно в результате совместной интерпретации масс-спектра ИЭ и индекса удерживания на стандартной неполярной неподвижной фазе. Слабый сигнал масс-спектра с максимальным значением m/z = 146, скорее всего, принадлежит молекулярным ионам. Такое отнесение подтверждается наличием в масс-спектре еще одного слабого сигнала с m/z = 119, соответствующего осколочным ионам [M – C₂H₃]⁺, типичным для этиловых эфиров карбоновых кислот (разрыв связей с “двойной” перегруппировкой водорода [29]). Если так, то образование соединения с М = 146 из этилацетоацетата С₆Н₁₀О₃ с М = 130 представляет собой его окисление, что согласуется с длительным хранением образца в контакте с атмосферным воздухом. Окисление протекает растворенным в эфире (II) кислородом воздуха по свободнорадикальному механизму.

Образующиеся при этом гидропероксиды и полимерные пероксиды нестабильны при нагревании и, следовательно, недоступны для газохроматографического анализа, так что наблюдаемый компонент “Х”, наиболее вероятно, имеет структуру этил-2-гидрокси-3-оксобутаноата С₆Н₁₀О₄:

Это соединение упоминается в литературе, о чем свидетельствует его CAS № 15863-59-9, однако ни каких-либо его физико-химических характеристик, ни спектральных данных для него найти не удалось. На основании масс-спектра можно только предположить, что интенсивный сигнал масс-спектра с m/z = 74 соответствует ионам, образующимся в результате разрыва связи C–C с миграцией атома водорода, например, М⁺ (m/z = = 146) → [M – CH₃COCHO]⁺ ([M – 72] = 74). Следовательно, основным источником информации при доказательстве структуры этого соединения должно быть совпадение экспериментального значения его газохроматографического индекса удерживания (957 в режиме программирования температуры) с теоретически вычисленной исходя из структуры величиной.

Из всех известных способов предсказания газохроматографических индексов удерживания наиболее информативным в данном случае представляется алгоритм, основанный на гипотетической “сборке” требуемой молекулярной структуры из структур более простых аналогов с последующими арифметическими операциями (суммирование и вычитание) с известными значениями RI таких аналогов [30–32]. Фактически, это – один из вариантов аддитивных схем. В данном случае решение задачи осложняется наличием внутримолекулярной водородной связи, вследствие чего сначала необходимо оценить ее вклад в аддитивную оценку RI. Для этого сравним, например, оценку RI 2-гидрокси-3-пентанона, содержащего аналогичную водородную связь в молекуле, с экспериментальным значением RI этого соединения. В качестве справочных значений RI использованы данные базы [14]:

Следовательно, не учитываемый такой аддитивной схемой инкремент внутримолекулярной водородной связи равен 862 – (787 ± 10) = 75 ± 10 ед. индекса. Далее проведем аналогичную сборку структуры целевого этил-2-гидрокси-3-оксобутаноата уже с учетом полученного инкремента:

Окончательно получаем: 1027 – 75 = 952.

Оценкой стандартного отклонения полученного результата является квадратный корень из суммы квадратов стандартных отклонений всех используемых при расчетах данных, т.е. (4² + 5² + + 10² + 2² + 2²)^1/2 ≈ 12. Следовательно, вычисленное значение RI = 952 ± 12 совпадает с экспериментальной величиной (957), что в данном случае можно рассматривать как решающее доказательство правильности предполагаемой структуры компонента “X” – этил-2-гидрокси-3-оксобутаноат.

Таким образом, рассмотрение особенностей газохроматографического разделения таутомеров этилацетоацетата (II) позволило сделать следующие выводы.

- Отсутствие зависимости относительных площадей пиков таутомеров от природы растворителя при разных температурах показывает, что результаты газохроматографического анализа преимущественно отражают положение равновесия “кето $ \rightleftarrows $ енол” в паровой фазе испарителя хроматографа.

- Следствием этого оказываются близкие значения термодинамических параметров (стандартных энтальпии и энтропии активации) таутомерного равновесия, определяемые с использованием растворов этилацетоацетата в различных растворителях.

- Температурные вариации относительных площадей пиков таутомеров заметно превышают их температурные вариации за счет эффектов дискриминации состава проб, дозируемых в капиллярные колонки с делением потока. Тем не менее, можно полагать, что именно эффекты дискриминации вносят некоторые погрешности в результаты определений.

- Следствием малых абсолютных значений ΔН^# оказывается легкость обратимых взаимных превращений таутомеров в процессе газохроматографического разделения. При температурах колонок 100°С и выше их разделение, видимо, невозможно.

- Установлено, что кето- и енольный таутомеры этилацетоацетата характеризуются значительными различиями температурных коэффициентов газохроматографических индексов удерживания на стандартных неполярных фазах.

- Использование модифицированного варианта аддитивных схем оценки газохроматографических индексов удерживания позволило идентифицировать примесь в образце этилацетоацетата как продукт его окисления растворенным кислородом атмосферного воздуха, а именно этил-2-гидрокси-3-оксобутаноат.