1.4. Реакции синтеза органических соединений

Эти реакции используют менее широко. Однако известны примеры их применения даже в неорганическом анализе. Один пример — определение нитрит-ионов, при котором реализуются реакции диазотирования и азосочетания. Так, предложен нетоксичный п-нитроанилин в качестве диазокомпонента и резорцин или хромотроповая кислота в качестве азокомпонента. Другой пример — использование реакции гидроксамации для определения ряда органических веществ; образующаяся гидроксамовая кислота взаимодействует с железом(III), при этом возникает интенсивная окраска.

2. Способы использования реагентов. Тест-системы (примеры).

Есть по крайней мере три основных пути применения аналитических реагентов в тест-системах: 1) их используют в виде заранее приготовленных и фасованных растворов; 2) они иммобилизованы на твердую матрицу (носитель); 3) их используют в виде заранее взвешенных и упакованных доз в виде порошков, шариков, таблеток и т. п.

Готовые растворы. Используют обычно водные растворы; изготовители тест-средств помещают их в ампулы, капельницы, закрытые пробирки. Реагенты в таких растворах должны быть устойчивыми в течение длительного времени. Концентрация реагентов соответствует ожидаемой концентрации определяемого компонента; часто в набор входят растворы нескольких концентраций. Иногда растворы содержат не только сам реагент, но также другие необходимые вещества. Примерами могут служить наборы фирм «Merck» или «CHEMetrics».

Реагенты-добавки. Помимо собственно аналитических реагентов в тест-средства обычно вводят и другие вещества — восстановители или окислители, буферы, маскирующие агенты, смачивающие соединения, закрепители и др.

Реагенты на твердой матрице. Вероятно, несколько большее распространение имеют тест-средства, приготовленные на твердом носителе — на бумаге, ткани, на синтетических органических полимерах, силикагеле и др.

2.1. Способы иммобилизации органических реагентов

Природа носителя, способ его приготовления и способ иммобилизации реагентов на нем имеют весьма существенное значение.

Реагент иммобилизуют адсорбцией, испарением растворителя после импрегнирования раствором реагента в этом растворителе, другими физическими или химическими (ковалентными) методами.

Относительно слабая фиксация «физически» закрепленных реагентов на поверхности носителя и как следствие этого частичное смывание его при контакте с раствором являются основным недостатком таких тест-систем. Увеличения прочности связывания реагента с носителем добиваются образованием химических связей между ними (химическая иммобилизация). Однако «физическое» закрепление, как правило, намного проще, поэтому оно весьма широко распространено.

2.1.1.«Физическая» иммобилизация

В литературе описаны варианты «физической» иммобилизации реагентов на бумаге. Твердый носитель замачивают в растворе реагента и затем высушивают. Процесс может быть одностадийным или многостадийным; многостадийность может быть связана с необходимостью создания защитного слоя или с иммобилизацией второго реагента. В последнем случае после сушки носитель повторно замачивают, например, в растворе поливинилового спирта, желатина или других пленкообразующих веществ, высушивают и снова замачивают в растворе другого реагента. При этом реагенты на носителе оказываются отделенными друг от друга пленкой полимерного слоя. Это позволяет разделить несколько реагентов, между которыми возможно преждевременное химическое взаимодействие, и провести реакцию с определяемым веществом в несколько стадий. При контакте такого иммобилизованного «многослойного» реагента с исследуемым раствором определяемое вещество реагирует с «внешним» реагентом, проходит через полимерный слой и реагирует с «внутренним» реагентом с образованием окрашенных продуктов реакции.

Применяется также последовательная двухстадийная пропитка растворами исходных реактивов с целью синтеза аналитического хромогенного реагента на самом носителе. В этом случае для нанесения на матрицу композиции, состоящей из реагента, закрепителя, маскирующих, буферных и смачивающих веществ, пропитку сначала ведут водными растворами неорганических веществ, сушат, а после сушки пропитывают носитель растворами индикатора в органическом растворителе.

Большое распространение в качестве матрицы для твердотельных тест-реагентов получили синтетические органические полимеры.

Основным способом нанесения реагентов на такие полимеры является физическая иммобилизация, однако известны примеры химической прививки. Так, для определения pH получали тест-системы конденсацией полиакролеина с аминосоединениями (4-аминоазобензол, 4-амино-2,3-диметилазобензол и др.), поликонденсацией фенолфталеина с формальдегидом, мочевиной и фенолом и полимеризацией 4-п-аминофенилазофенилметакрилата и 4-п-диметиламинофенилазометакрилата в присутствии азодиизобутиронитрила. Полученные тест-формы отличаются устойчивостью к кислой и щелочной средам и обратимостью действия.

В качестве матриц-носителей для органических реагентов в тест-методах широко используют пенополиуретан (ППУ). Эти полимеры могут удерживать хелатообразующие реагенты, неорганические осадители, ферменты и т. д. После сорбции окрашенных соединений или образования их прямо на поверхности пенополиуретаны приобретают окраску, характерную для определяемого соединения. Тесты с использованием ППУ выполняют в трех разных вариантах.

Первый основан на образовании окрашенного соединения в анализируемом растворе и последующей сорбции немодифицированным ППУ.

В случае второго варианта окрашенное соединение образуется непосредственно в фазе сорбента в результате взаимодействия между определяемым веществом и гидрофобным реагентом, иммобилизованным на ППУ.

В третьем варианте собственные концевые группы молекул ППУ используются в качестве функциональных, поскольку они могут принимать участие в реакциях комплексообразования, окисления—восстановления или органического синтеза.

Существуют тесты для определения цинка, свинца, кобальта, меди, кадмия, ртути, никеля, хрома. Реагенты закреплены на пластифицированных открытых порах полиуретановых пенопластов, представляющих собой по форме кубики с длиной ребра 4 мм. Дифенилкарбазид, родамин 6Ж, 2,3-диаминонафталин, 8-оксихинолин, иммобилизованные на пенополиуретане, используются для определения хрома(VI), селена и иттрия соответственно молекулярно-сорбционно-спектроскопическим методом. Данные системы могут быть также использованы в тестовых методах.

Для определения следов металлов разработана большая группа систем на основе наполненных волокнистых материалов. Реагенты сорбционными силами закрепляются на ионообменнике. Варьируя природу ионообменника и реагента, а также условия реакции, можно отыскать наиболее избирательную систему для сорбции и определения данного катиона металла. Через полученный материал в виде тонкой пластины с иммобилизованным реактивом пропускают анализируемый раствор. Оптический сигнал измеряют методом спектроскопии диффузного отражения или визуально.

Одним из наиболее распространенных неорганических полимерных носителей реагентов являются силикагели. Их модифицируют различными реагентами и часто наполняют ими тест-трубки для анализа воздуха. Например, для определения метанола и этанола в воздухе, химического потребления кислорода в воде используют оксид хрома(VI) в среде серной и фосфорной кислот; для определения SO₂ в воздухе — бромкрезоловый зеленый; для определения хлора — флуоресцеин и бромид калия; для определения оксидов азота — иодид калия и крахмал; для определения остаточного (5 · 10^–5%) хлора в воде — о-толидин. Силикагели с нековалентно иммобилизованным ксиленоловым оранжевым или пиридилазорезорцином применяются для определения железа и меди по длине окрашенных зон при пропускании исследуемой жидкости через слой сорбента. Определение кобальта в воде на уровне ПДК основано на образовании окрашенного ассоциата тетрацианатного ацидокомплекса с иодидом дидециламиноэтил-β-тридециламмония, закрепленным на поверхности силикагеля. Сорбент вводят в анализируемую воду и через 30–60 мин сравнивают интенсивность окраски его со стандартной цветовой шкалой. Иммобилизованные гетероциклические азосоединения на кремнеземах используются в качестве тест-форм для определения Co(II, III), Pd, U(VI), Fe(III), Cr(III), Mn(II), Ni(II), Zn(II). Концентрацию определяют по цвету сорбентов после контакта их с исследуемым раствором. Силикагель (силохром С-120) в виде таблеток с иммобилизованным ПАР, ТАР или ПАН предложен для определения Co, Hg, Pd и U с нижней границей определяемых содержаний 0,003–0,1 мг/л.

В качестве матриц иногда используют неорганические соединения, в том числе соли — карбонаты кальция, бария, магния, сульфат бария. Например, на соли наносят тонкий порошок фуксина или метилового фиолетового для обнаружения свободной воды в углеводородах. Модифицирование неорганическими реагентами проводят преимущественно сорбцией или осаждением на сорбентах гидроксидов, оксидов или солей металлов.

В Московском университете изучена ковалентная иммобилизация большого числа аналитических реагентов на обращенно-фазовых силикагелях с привитыми группами (С₁₆^*, —C₆H₅, —CN). В качестве реагентов изучены ди-(2-этилгексил)фосфорная кислота (ДЭГФК), диэтилдитио-фосфорная кислота (ДЭДТФК), фосфорсодержащий поданд (ПОД), диэтилдитиокарбаминат свинца (ДДТК), лаурилсульфат (ЛС), азосоединения — ПАН, ТАН, сульфохлорфенолазороданин (СХФАР), бромбензтиазо (ББТ), люмогаллион (ЛГ), кадион (КД), производные трифенилметана и ксантона — эриохромцианин R (ЭХЦ), ксиленоловый оранжевый (КО), кристаллический фиолетовый (КФ), оксихинолин (ОХ) и его производные — 2-метил-8-оксихинолин (МОХ), 5-фенилазо-8-оксихинолин (ФАОХ), оксимы — ниоксим (НО), диметилглиоксим -дикетоны — бензоилацетон (БА),(ДМГ), салицилальдоксим (САО), теноилтрифторацетон (ТТА), 1-фенил-3-метил-4-бензоилпиразолон-5 (ФМБП), макроциклические соединения — октаэтилпорфирин (ОЭП), диазо-18-краун-6 (Д-18-K-6), гексаоксациклоазохром (ГОЦАХ), 1-нитрозо-2-нафтол (НН), 2,2'-дипиридил (Дип), 1,10-фенантролин (Фен), батофенантролин (БФ), хромпиразол-1 (ХП), п-диметиламинобензилиденроданин (ДМАБР), дифенилкарбазон (ДФК).

Разработаны способы иммобилизации аналитических реагентов в ксерогели кремниевой кислоты. Такие модифицированные ксерогели использованы для многочисленных тест-определений — либо в качестве порошков, либо в качестве наполнителей индикаторных трубок для анализа воды и других жидкостей. Модифицированные ксерогели кремниевой кислоты готовили с использованием золь-гель-технологии, включающей гидролиз тетраэтоксисилана (ТЭОС) в водно-этанольной среде в присутствии закрепляемого реагента с образованием геля и его высушиванием — получением «сухого геля» (ксерогеля).