Коллоидный журнал, 2019, T. 81, № 4, стр. 493-500

ВВЕДЕНИЕ

Производные гидразина широко используются в тонком органическом синтезе, при производстве лекарственных средств и полупроводников, являются компонентом ракетных топлив, образуются при разложении ядохимикатов и регуляторов роста растений. Среди гидразинов особое место занимает 1,1-диметилгидразин, или несимметричный диметилгидразин (НДМГ), – чрезвычайно токсичное физиологически активное соединение, которое характеризуется крайней неустойчивостью на воздухе и быстрым превращением в многочисленные более или менее токсичные соединения [1, 2].

В настоящее время задача идентификации НДМГ, а также продуктов его трансформации в объектах окружающей среды является весьма актуальной, так как существующие физико-химические методы анализа гидразинов имеют ряд недостатков – низкую чувствительность и селективность, необходимость долгой и трудоемкой пробоподготовки [3, 4]. Современная жидкостная хроматография является одним из наиболее высокочувствительных и селективных методов анализа гидразинов и НДМГ в природных объектах [5]. Среди различных вариантов анализа гидразинов особо выделяется вариант реакционной жидкостной хроматографии – обращенно-фазовая высокоэффективная жидкостная хроматография (ОФ ВЭЖХ) с предварительной дериватизацией аналита. Цель дериватизации состоит в повышении фактора удерживания гидразинов, эффективности и селективности разделения их смесей путем превращения полярных соединений в гидрофобные производные (дериваты). В качестве дериватизатора для НДМГ чаще всего применяют ароматические альдегиды, ацетон, пентафторбензоилхлорид и другие соединения [6]. Для повышения чувствительности методов определения аминосоединений и гидразинов предложено использовать соединения с изотиоцианатной группой [7, 8]. Преимуществом дериватизации гидразинов с помощью изотиоцианатов по сравнению с другими типами дериватизирующих реагентов является отсутствие элиминирования воды или галогеноводородов, осложняющих последующее проведение хроматографического анализа [3–7].

Целью работы являлось теоретическое и экспериментальное определение термодинамических характеристик адсорбции (ТХА) изотиоцианатных производных алкилгидразинов на углеродных сорбентах для создания физико-химических основ количественного анализа микропримеси НДМГ в объектах окружающей среды. Для проведения теоретических расчетов ТХА будут использованы различные варианты молекулярно-статистического метода, основанного на полуэмпирической молекулярно-статистической теории адсорбции, разработанной Киселевым и Пошкусом [9]. Этот метод позволяет предсказать ТХА ряда химических веществ на однородной поверхности графитированной термической сажи (ГТС). Экспериментальные исследования будут выполнены методом ВЭЖХ с неподвижными фазами на основе пористого графитированного углерода (ПГУ) – сорбента, поверхность которого образована кристаллическими слоями графита и является однородной в химическом и фазовом отношениях [10]. Этот углеродный сорбент сочетает в себе свойства сорбентов как для обращенно-фазовой, так и нормально-фазовой ВЭЖХ. Он характеризуется высокой чувствительностью к особенностям электронного строения молекул адсорбатов, что значительно увеличивает диапазон его селективности в отношении представителей различных классов органических соединений [10–14].

ЭКПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В работе использовали 1,1-диметилгидразин (ГОСТ В 17 803-72, Нефтеоргсинтез, РФ), который был дополнительно перегнан над гидроксидом натрия перед использованием. Чистые S,N-дериваты алкилгидразинов (4-R-1,1-R¹,R²-тиосемикарбазиды) были получены по методике [8] путем добавления 75 мкл свежеперегнанного НДМГ к раствору 150 мкл изотиоцианата в 10 мл дихлорметана. Смесь выдерживали 1 ч при 20°C без доступа воздуха до завершения реакции. Использовались реагенты 99%-ной чистоты от фирмы Aldrich (США): этилизотиоцианат, аллилизотиоцианат, фенилизотиоцианат, 2,4-толуилендиизоцианат, метилгидразин, 1,1-метилэтилгидразин, дихлорметан.

Сорбентом служил ПГУ, упакованный в колонку Hypercarb (Thermo Scientific, США), с размером зерна 5 мкм, диаметром пор 250 Å и объемом пор 0.7 м²/г. Удельная поверхность сорбента, определенная по низкотемпературной адсорбции азота, составляла 120 м²/г (расчет по методу БЭТ).

Анализ S,N-производных гидразинов проводили с помощью жидкостного хроматографа Agilent 1200 (Agilent, США), оснащенного диодно-матричным УФ-детектором Agilent G1315B. Для хроматографического разделения смесей применяли колонку Hypercarb размером 2.1 × × 100 мм, заполненную ПГУ. Режим разделения смесей – изократический, элюент – раствор метанола в воде (50 об. %), скорость потока элюента – 0.5 мл/мин.

Молекулярно-статистические расчеты констант Генри и ТХА на идеальном графитоподобном сорбенте проводили в двух вариантах посредством вычисления конфигурационных интегралов в адсорбированном и свободном состояниях. Потенциальная функция Ф межмолекулярного взаимодействия молекул адсорбата с адсорбентом представляется в виде суммы атом-атомных потенциалов (ААП) межмолекулярного взаимодействия атомов C, Н, N и S в молекулах S,N-производных алкилгидразинов с атомами C базисной грани ГТС. В первом варианте молекулярно-статистического расчета (метод 1) молекула адсорбата рассматривается как жесткая структура, имеющая фиксированную геометрию. Для расчета параметров ААП используют потенциал в форме Бакингема–Корнера [9, 14]. Этот метод хорошо известен и широко применяется [9, 14–16]. При расчетах ТХА использовали программу, разработанную авторами [15]; значения поляризуемости α атомов N и S были получены из экспериментальных данных по молекулярной рефракции молекул первичных аминов, карбоновых кислот и тиолов [17]; величины диамагнитной восприимчивости χ атомов N, О и S взяты из справочника [18], а геометрические параметры рассматриваемых молекул получены из электронографических данных или на основании закономерностей изменения длин связей и углов для соединений этих классов [16, 19].

Молекулярно-статистический расчет ТХА во втором варианте (метод 2) выполнялся в приближении нежестких молекул, т.е. молекул, способных изменять конформацию при взаимодействии с поверхностью ГТС. Для расчета параметров ААП взаимодействия адсорбат–адсорбент использовали потенциал Леннард-Джонса [20, 21]; параметры для атомов адсорбата были взяты из работы [22]. Для каждого типа атомов молекулы деривата минимум потенциальной энергии принимался равным ${\varepsilon } = \sqrt {{{{\varepsilon }}_{{{\text{а т о м }}}}}{{{\varepsilon }}_{{{\text{С }},{\text{г р а ф и т }}}}}} ,$ а равновесное расстояние r равным сумме ван-дер-ваальсовых радиусов атомов. Для атомов углерода на поверхности ГТС, по данным [20], ε = 0.295 кДж/моль, r = 1.908 Å.

Внутреннюю энергию рассчитывали в приближении, обычном для молекулярно-статистического метода: поверхность предполагалась плоской, однородной и равномерно заполненной атомами графита. Потенциал взаимодействия адсорбат–адсорбент рассчитывался в форме потенциала Леннард-Джонса, аналитически проинтегрированного по бесконечной двумерной поверхности:

где d – расстояние между слоями графита, N – количество атомов в молекуле, ϑ – плотность расположения атомов углерода на поверхности, A_i, B_i – параметры взаимодействия для i-ого атома, z_i – расстояние i-ого атома от плоскости графита.

Константа Генри K₁ для каждой конформации записывалась в виде

Здесь Φ – энергия взаимодействия адсорбат–адсорбент, Θ, Ψ – углы Эйлера вращения молекулы по отношению к поверхности адсорбента, T – температура. Для молекулы с n углами внутреннего вращения это выражение запишется в виде

где α_i – i-ый угол вращения, а Ф_int – внутренняя энергия данной конформации.

Перебор конформаций выполнялся посредством алгоритма Метрополиса [20]. Произвольные шаги включали в себя поворот молекулы вокруг произвольной связи, перемещение произвольного атома (до 0.1 Å) и изменение длины произвольной связи (до 0.1 Å) с вероятностями 0.25, 0.5 и 0.25 соответственно. Вращению подвергались все одинарные связи кроме связей N–H и C–H.

Интегрирование по углам Эйлера внутреннего вращения и координатам относительно центра масс молекулы выполнялось методом Монте-Карло с равномерным распределением значений переменных от –π до π. Таким образом, константа Генри записывалась как

Здесь N_step – количество шагов алгоритма Монте-Карло. При этом углы Эйлера вращения молекулы как целого распределены равномерно, а внутренние переменные распределены термодинамически посредством алгоритма Метрополиса.

Внутренняя энергия конформаций, необходимая для применения алгоритма Метрополиса, рассчитывалась с использованием параметров взаимодействий MMFF94 [23] и соответствующих правил. Все расчеты выполняли при помощи собственного программного обеспечения и собственной имплементации MMFF94, которая была предварительно протестирована с помощью тестового набора MMFF94 Validation Suite [24]. Для каждой молекулы выполнялось 10⁶ шагов алгоритма Метрополиса; изменения результата при дальнейшем увеличении числа шагов составляли не более 0.05 в единицах логарифма константы Генри адсорбции.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 приведена схема дериватизации алкилгидразинов 2 избытком изотиоцианатов 1, которая приводит к образованию 4-R-1,1-R¹,R²-тиосемикарбазидов (3а–3ж). Данная реакция протекает до конца, а ее продукты относительно стабильны [6]. Соединения 3а–3в являются S,N-дериватами НДМГ, в которых заместитель R в положении N-4 представлен этильным, аллильным или фенильным радикалом – Et, All и Ph соответственно. Соединения 3г и 3е являются S,N-дериватами метилгидразина с аллильным и фенильным заместителем в положении N-4, а соединения 3д и 3ж – S,N-дериватами 1,1-метилэтилгидразина с аллильным и фенильным заместителем в положении N-4.

Отметим, что по данным [6–8], алкильные заместители в изотиоцианатах обеспечивают их более высокую летучесть по сравнению с ароматическими аналогами.

Важным методом оценки хроматографического поведения веществ является молекулярно-статистический расчет ТХА. Ранее было показано, что этот метод, разработанный для газовой хроматографии и не учитывающий взаимодействие элюента с сорбентом и сорбатом, можно использовать для предварительной оценки удерживания аналитов на углеродных сорбентах в условиях ВЭЖХ [13, 14]. Хроматографические колонки на основе ПГУ обладают характеристиками удерживания и селективности, отличными от аналогичных характеристик колонок на основе гидрофобизованного силикагеля и полимерных фаз [10]. Это затрудняет идентификацию соединений, основанную на известных закономерностях удерживания веществ на неполярных сорбентах [15]. Молекулярно-статистические расчеты упрощают планирование эксперимента, позволяют оценить возможность разделения компонентов смеси.

В табл. 1 приведены результаты расчетов ТХА S,N-производных алкилгидразинов на однородной поверхности идеального графитоподобного сорбента при температуре 298 К. Расчет параметров ААП межмолекулярного взаимодействия был выполнен методом 1 для жестких молекул адсорбата и методом 2 для нежестких молекул с учетом внутреннего вращения.

Приведенные в табл. 1 значения энергии Гиббса, рассчитанные с учетом внутреннего вращения (2), почти для всех веществ несколько меньше, чем при расчетах по методу 1. Это связано с тем, что в методах 1 и 2 используются разные параметры ААП из-за особенностей программного обеспечения. Это отличие не представляется существенным, т.к. данные величины ТХА используются лишь для качественного предсказания возможности разделения аналитов и порядка их элюирования. Однако при расчете по методу 2 значения ТХА для соединений 3а, 3б, 3г, 3д оказываются сильно переоцененными по сравнению со значениями ТХА для соединений 3в, 3е, 3ж, содержащих фенильную группу.

Сравнение значений ΔG°, ΔН° и ΔS° для S,N-производных алкилгидразинов, приведенных в табл. 1, позволяет установить, что по мере увеличения молекулярной массы соединений значения ТХА увеличиваются. Например, для S,N-дериватов НДМГ 3а, 3б и 3в заместитель R в положении N-4 (рис. 1) увеличивается от С₂Н₅ до С₃Н₅ и С₆Н₅. Соединения с фенильным радикалом (3в, 3е–3ж) адсорбируются достаточно сильно, даже если заместитель R¹ представлен только атомом водорода. Однако важна и стереохимия заместителя; так, разветвленное производное 3д (4-аллил-1,1-метилэтилтиосемикарбазид) взаимодействует с углеродным сорбентом сильнее, чем имеющее ту же молекулярную массу, но менее разветвленное производное 3в (4-фенил-1,1-диметилтиосемикарбазид).

Известно, что в состоянии sp²-гибридизации в аллильном и фенильном радикалах атом углерода и связанные с ним заместители лежат в одной плоскости, тогда как алкильный радикал (sp³-гибридизация) имеет “трехмерное” строение. Различие в стереохимии заместителей S,N-производных НДМГ должно сказаться на способности соединений 3а, 3б и 3в вплотную подходить к поверхности углеродного сорбента, что при прочих равных условиях энергетически более выгодно.

Исследования хроматографического поведения S,N-дериватов НДМГ в условиях ВЭЖХ проводили, как сказано выше, на сорбенте ПГУ, упакованном в колонку Hypercarb. В УФ-спектрах S,N-дериватов НДМГ (рис. 2) наблюдается интенсивная полоса поглощения в области 240–250 нм, которая использовалась для определения целевых компонентов на хроматограмме. Максимумы поглощения дериватов в этой области сдвинуты относительно поглощения реагента-дериватизатора в длинноволновую область [5], поэтому даже большой избыток реагента не мешает определению целевых компонентов.

Как видно на рис. 3, наблюдается увеличение логарифма коэффициента удерживания k' S,N-дериватов НДМГ на ПГУ при увеличении числа атомов углерода n_C в заместителе R от 3 до 6. То есть усиление удерживания S,N-производных НДМГ на ПГУ происходит в последовательности, предсказанной теоретически: 3а → 3б → 3в. Наблюдаемая на рис. 3 линейная зависимость может быть описана уравнением y = 0.6178x – 1.2832 с высокой степенью корреляции, r ² = 0.9996.

На рис. 4, приведена корреляционная зависимость логарифма коэффициента удерживания ln k' дериватов НДМГ от константы Генри ln K₁ адсорбции из газовой фазы, рассчитанной молекулярно-статистическим методом в вариантах 1 и 2. Наблюдаемые линейные зависимости могут быть описаны следующими уравнениями: y = –0.2213x – – 7.8187 с коэффициентом детерминации r ² = = 0.9095 (вариант расчета 1 без учета внутреннего вращения) и y = –0.0958x – 1.7844 с коэффициентом детерминации r² = 0.9861 (вариант расчета 2 с учетом внутреннего вращения молекулы). Данные зависимости позволяют найти экспериментальные значения ln k' по числу атомов углерода и рассчитанной константе Генри адсорбции ln K₁.

Как отмечается в [6], основной вклад в удерживание на ПГУ вносят неспецифические межмолекулярные взаимодействия молекул адсорбатов с плоской поверхностью графита. Вместе с тем, имеются сведения о реализации на поверхности ПГУ дополнительных к дисперсионным специфических межмолекулярных взаимодействий молекул адсорбатов с базисной гранью графита [6]. В силу этого поверхность ПГУ характеризуется высокой чувствительностью к особенностям электронного строения молекул S,N-дериватов НДМГ с различной стереохимией. Кроме того, аллильный и фенильный заместители влияют на распределение электронной плотности в молекуле в гораздо большей степени, чем этильный заместитель.

Таким образом, установлено, что хроматографическое удерживание S,N-производных НДМГ на углеродных сорбентах зависит от их молекулярной массы и стереохимических особенностей.

На рис. 5 и 6 приведены теоретически рассчитанные и экспериментально полученные методом ВЭЖХ температурные зависимости значений константы Генри и их коэффициента удерживания адсорбции различных дериватов НДМГ на углеродных сорбентах. Видно, что для всех соединений в широком температурном диапазоне, 298–318 K, эти зависимости линейны (для варианта ВЭЖХ коэффициент детерминации r ² = 0.9874–0.9993). При повышении температуры удерживание соединений закономерно снижается, но изменения селективности процесса не наблюдается.

Ввиду значительных различий в значениях ln K₁ смесь дериватов НДМГ (3а–3ж), как предсказывают расчеты, может быть разделена на углеродном сорбенте во всем исследованном диапазоне температуры. Это было подтверждено экспериментально (рис. 6, 7).

В табл. 2 приведены экспериментально определенные значения ТХА S,N-дериватов НДМГ на сорбенте ПГУ. Для оценки влияния температуры на удерживание дериватов НДМГ 3а–3в в условиях ВЭЖХ был использован температурный коэффициент V = [($k_{1}^{'}$ – $k_{2}^{'}$) – 1]/(T₂ – T₁), позволяющий определить изменение коэффициента емкости при изменении температуры на 1 К. Минимальное влияние температура оказывает на удерживание 4-этил-1,1-диметилтиосемикарбазида 3а на колонке Hypercarb с ПГУ, максимальное – на удерживание 4-фенил-1,1-диметилтиосемикарбазида 3в. В первом случае воспроизводимость времен удерживания будет наилучшей, что важно для качественного анализа образца.

Сравнение данных, приведенных в табл. 1 и 2, показывает, что вычисленные для адсорбции из газовой фазы значения теплот адсорбции дериватов НДМГ в 8–10 раз превышают экспериментально определенные значения их теплот адсорбции на сорбенте ПГУ в условиях ВЭЖХ. Необходимо отметить, что значения ТХА, полученные молекулярно-статистическим методом, при температуре 298 К являются лишь условными характеристиками применительно к методу ВЭЖХ. В газовой фазе, рассматриваемой в молекулярно-статистическом методе, учитываются только взаимодействия сорбат–сорбент и внутримолекулярные взаимодействия. Молекулярно-статистический метод позволяет дать качественную оценку возможности разделения данных соединений на углеродном сорбенте и предсказать порядок их элюирования. Однако он не учитывает влияния элюента на адсорбцию в условиях ВЭЖХ, когда наблюдается конкуренция между взаимодействиями сорбата с сорбентом и элюента с сорбатом и сорбентом. Поэтому теоретически рассчитанные значения ТХА количественно не связаны с характеристиками удерживания в условиях жидкостной хроматографии, однако в некоторых случаях это обстоятельство (наличие элюента) может не влиять на качественные закономерности, установленные для гомологических рядов соединений одного класса [13, 14, 19, 21].

Для выявления причины наблюдаемого различия в значениях ТХА, полученных теоретически и экспериментально, была рассчитана зависимость логарифма константы Генри от углов внутреннего вращения исходно выбранной конформации S,N-деривата НДМГ 3а (метод 1). Варьирование углов внутреннего вращения 4-этил-1,1-диметилтиосемикарбазида приводит к изменению ln K₁ в диапазоне 12–19 единиц (мкм). С одной стороны, такое изменение весьма существенно при определении структуры молекулы, а с другой стороны, этих изменений недостаточно для объяснения значительного различия в значениях теплот адсорбции деривата НДМГ, полученных экспериментально и рассчитанных теоретически. В варианте жидкостной хроматографии на сорбенте ПГУ возможно неплоское расположение молекул деривата на поверхности твердой фазы за счет его взаимодействия с элюентом. В связи с этим можно утверждать, что для молекул, не содержащих бензольного кольца, влияние внутреннего вращения не очень велико. Наиболее существенный вклад в величину адсорбции на углеродной поверхности вносит не конформация молекулы, а ее ориентация как целого относительно поверхности, а наблюдаемое расхождение результатов расчетов связано только с выбором различных параметров ААП при использовании программного обеспечения.

В то же время для молекул, содержащих в своем составе бензольное кольцо, наблюдается значительно меньшее различие в значениях ТХА, рассчитанных методами 1 и 2. Это свидетельствует о том, что вблизи плоской поверхности сорбента стабилизируются конформации с меньшим углом между бензольным кольцом и плоским фрагментом, образуемым атомом серы и двумя атомами азота, соединенными с одним и тем же атомом углерода. Равновесный угол в газовой фазе может существенно отличаться от такового вблизи поверхности, так как чем ближе расположение плоских фрагментов молекулы к копланарному, тем сильнее потенциальная энергия взаимодействия сорбат–сорбент.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования взаимодействия S,N-дериватов различных алкилгидразинов позволили дать адекватную оценку возможности использования углеродных сорбентов для анализа, идентификации и разделения алкилгидразинов. Молекулярно-статистические расчеты термодинамических характеристик адсорбции S,N-дериватов алкилгидразинов на модельном углеродном сорбенте, проведенные методами 1 и 2, удовлетворительно предсказали хроматографическое поведение дериватов в реальных условиях ВЭЖХ. Таким образом, созданы физико-химические основы методики идентификации и количественного анализа микропримеси токсичного НДМГ в объектах окружающей среды в виде его изотиоцианатных производных в условиях жидкостной хроматографии с углеродными сорбентами.

ВЫВОДЫ

Синтезированы S,N-производные алкилгидразинов, в том числе 1,1-диметилгидразина, для количественного анализа микропримесей гидразинов в объектах окружающей среды.

Молекулярно-статистическим методом рассчитаны значения термодинамических характеристик их адсорбции на графитированной термической саже. Обнаружена зависимость значений термодинамических функций S,N-производных алкилгидразинов от их молекулярной массы и стереохимических особенностей углеводородных радикалов. Результаты расчетов сопоставлены с экспериментальными данными, полученными методом ВЭЖХ при исследовании взаимодействия S,N-производных НДМГ с пористым графитированным углеродом колонки Hypercarb.

Работа выполнена в рамках Государственного задания ИФХЭ РАН при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 18-08-01224).