Экспресс-метод определения 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксина в водных средах Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 542.973:544.431

ЭКСПРЕСС-МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ 2,3,7,8-ТЕТРАХЛОРДИБЕНЗО-п-ДИОКСИНА В ВОДНЫХ СРЕДАХ

© 2013 П. Е. Кузнецов1, Н. Б. Кузнецова2, И. А. Власов3

1 доктор хим. наук, профессор каф. химии e-mail: [email protected] 2канд. хим. наук, доцент каф. химии

e-mail: [email protected] 3канд. хим. наук, доцент каф. химии e-mail: [email protected]

Курский государственный университет

2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксин проявляет слабую реакционную способность [Цырлов 1990: 210], вступая во взаимодействие в жестких условиях. Ранее в результате квантово-химических расчетов нами было показано [Кузнецова 2006], что в определенных системах (наличие границы раздела фаз, наличие молекулярного кислорода и источников протонов и электронов) при условиях, близких к нормальным, 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксин может катализировать образование пероксида водорода. В данной работе экспериментально установлено, что при введении в подобную систему каталитических количеств 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксина концентрация пероксида водорода увеличивается на два порядка.

Ключевые слова: 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксин, образование пероксида водорода, катализ, протонирование 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксина, гетерогенные среды.

Загрязнение диоксинами представляет собой опасность для экологической среды и здоровья человека. Известны ряд аналитических методов определения диоксинов в различных средах [Шелепчиков 2011; 2012; ГОСТ 2010], основанные на количественном анализе диоксинов с использованием хромато-масс-спектрометрии. Эти методы обладают большой чувствительностью, эффективностью, вместе с тем они требуют сложной аппаратуры, высококвалифицированного персонала, больших затрат времени. Поэтому целесообразна разработка экспресс-методов предварительного анализа содержания диоксинов в различных средах. Эти методы могут быть менее селективными по сравнению с упомянутыми выше. Вместе с тем положительная реакция, полученная экспресс-методом, будет свидетельствовать о необходимости проведения более углубленных анализов. Соответственно, мы предлагаем вариант метода экспресс-определения диоксинов, основанный на способности этих веществ в межфазных условиях катализировать образование перекиси водорода.

Ранее методами квантовой химии было показано [Кузнецова 2006], что 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксин (2,3,7,8-ТХДД) может протонироваться по атому кислорода диоксинового кольца. При взаимодействии протонированной формы 2,3,7,8-ТХДД с молекулярным кислородом образуется пероксид водорода. Реакция может идти двумя путями:

1) при образовании тримолекулярного комплекса из двух молекул протонированного 2,3,7,8-ТХДД и молекулы кислорода, как показано на рисунке 1:

Рис. 1. Схема образования тримолекулярного комплекса из двух молекул протонированного 2,3,7,8-

ТХДД и молекулы кислорода

2) при взаимодействии протонированного 2,3,7,8-ТХДД с пероксидом и электроном:

2,3,7,8-ТХДД-Н+ + О2Н+ + е- ^ 2,3,7,8-ТХДД+ + Н2О2

В результате происходит перенос протона и электрона от протонированного 2,3,7,8-ТХДД на молекулу кислорода с образованием пероксида водорода и катион-радикала 2,3,7,8-ТХДД. Во втором случае один электрон и один протон поступают из внешней среды. Катион-радикал 2,3,7,8-ТХДД может восстанавливаться и вновь инициировать образование пероксида водорода. Таким образом, он выступает в качестве катализатора данной реакции.

Существование протонированной формы 2,3,7,8-ТХДД было косвенно подтверждено следующими экспериментами. Методом УФ-спектроскопии показано, что положение диоксиновых колец не меняется при внесении 2,3,7,8-ТХДД в различные растворители. Только в случае концентрированной серной кислоты наблюдался сильный гипсохромный сдвиг одной из полос поглощения, что свидетельствует о разрыве р-п сопряжения электронной системы молекулы [Кунцевич 1994]. Это можно интерпретировать как свидетельство протонизации атома кислорода диоксинового кольца, поскольку серная кислота намного более сильная по отношению к уксусной. Также в ИК-спектрах комплексов 2,3,7,8-ТХДД и неорганических солей в серной кислоте появляются три полосы поглощения, отвечающие О...Н колебаниям, что может быть объяснено лишь включением протона в комплекс [Кучинский 1992].

Можно проверить результаты квантово-химического прогнозирования на простой экспериментальной модели. Предлагается экспериментально изучить в гетерофазных условиях кинетику образования пероксида водорода из кислорода, электронов и протонов, определяя количественно концентрацию пероксида водорода. Затем в реакционную смесь ввести каталитические количества 2,3,7,8-ТХДД и установить увеличение концентрации пероксида водорода.

В литературе рассмотрена подобная система [Шилов 1987], в которой реакция протекает в присутствии кислорода воздуха, в качестве источника протонов рассматривается серная или уксусная кислоты, в качестве источника электронов -цинковая пыль. При перемешивании в атмосфере воздуха 30 мг цинковой пыли с 0.2 М уксусной кислоты в ацетонитриле образуется менее 10-4 М пероксида водорода [Карасевич 1993]. При добавлении же в систему 0.007 М переносчика электронов метилвиологена образуется 6х10-3 М пероксида водорода.

Предлагается исследовать аналогичную систему с заменой переносчика электронов

(метилвиологена на 2,3,7,8-ТХДД).

Экспериментальная часть

Рассмотренная в работе Е. И. Карасевич с соавторами [1993] реакционная система, состоящая из кислорода воздуха, цинковой пыли и уксусной кислоты в ацетонитриле, была нами модифицирована, а параметры эксперимента оптимизированы. Ранее нами теоретически было показано [Кузнецова 2006; К^пйБОУа 2006], что необходимыми условиями реакции протонирования 2,3,7,8-ТХДД являются наличие границы раздела фаз и низкие значения рН. Поэтому в данных экспериментах использовалась двухфазная система, содержащая водную (водные растворы серной или уксусной кислот с рН ~ 1.5) и органическую среды (раствор 2,3,7,8-ТХДД в бензоле).

Источником молекулярного кислорода являлся кислород, поступающий в реакционную смесь при барботировании. В качестве источника протонов использовали водные растворы серной или уксусной кислот, а источника электронов - цинковую пыль.

В экспериментах использовали 2,3,7,8-ТХДД фирмы «Лика», бензол ЧДА фирмы «Лаверна», воду бидистиллированную, серную кислоту ХЧ фирмы «Лаверна», цинковую пыль (техн.).

В коническую колбу на 250 мл, снабженную барботером и механической мешалкой, помещали 0.1 г цинковой пыли, приливали 210 мл водного раствора серной кислоты с рН ~ 1.5 (заранее подогретого до температуры 38°С) и добавляли 12 мл раствора 2,3,7,8-ТХДД в бензоле. В эксперименте использовали раствор 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксина в бензоле в концентрациях 1.55*10 М, 3.11х10-4 М, 1.55* 10-4 М, 3.11 * 10-5 М. Полученный раствор через барботер насыщали кислородом при перемешивании на магнитной мешалке в течение 120 мин.

Температуру взвеси поддерживали на уровне 37°С на протяжении всего эксперимента. Контроль температуры осуществляли с точностью 2°С.

Цинковую пыль, поверхность которой быстро инактивируется, дополнительно вносили по 0.05 г через каждые 10 мин на протяжении всего эксперимента. Отбор проб проводили начиная с двухминутного интервала от начала эксперимента по 5 мл.

Анализ проб проводили следующим образом. Взвесь отделяли от цинковой пыли фильтрованием. Отфильтрованную смесь разделяли на две фазы: верхнюю -органическую, содержащую раствор 2,3,7,8-ТХДД в бензоле, и нижнюю - водную, содержащую растворённые кислоту и пероксид водорода. Основные количества полученной перекиси водорода содержались в водной фазе. В органической фазе наблюдались ее следовые количества. Поэтому дальнейшее определение концентрации перекиси водорода проводили в водной фазе.

Образование перекиси водорода определялось двумя методами: фотометрическим методом с использованием 4 %-ного водного раствора молибдата аммония, основанным на цветной реакции на перекись водорода [Королюк 1988], и методом перманганатометрического титрования [Лайтинем 1979]. Эти методы дали практически одинаковый результат.

Дальнейший анализ проб проводили фотометрическим методом. Фотометрический метод разработан на основе способа АеЫ Н. (1982) и модифицирован М. А. Королюк с сотрудниками [Королюк 1988]. Принцип метода состоит в том, что Н202, взаимодействуя с молибдатом аммония, образует солевой комплекс, который дает стойкое окрашивание. Оптическая плотность на длине волны 410 нм прямо пропорциональна концентрации Н2О2.

Из нижней фазы отбирали 3 мл раствора, переносили в пробирку и добавляли 3 мл 4%-ного водного раствора молибдата аммония.

Измерения оптической плотности проводили на спектрофотометре HP8452A («Hewlett Packard», США) при 20оС в кювете с длиной оптического пути 1 см и длине волны 410 нм.

Для калибровки использовали 50%-ный пероксид водорода. Так как перекись водорода не устойчива при хранении, ее точную концентрацию определяли титрованием с использованием перманганатометрического метода.

Результаты экспериментов

На первом этапе была проведена серия экспериментов для определения влияния на образование пероксида водорода уксусной и серной кислот, результаты которых представлены на рисунке 2.

Рис. 2. Кинетические кривые образования пероксида водорода в присутствии 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксина в концентрации 8.39* 10-5 М: 1 - с серной кислотой; 2 - с уксусной кислотой

Из рисунка видно, что наиболее высокие скорости образования перекиси водорода наблюдались в течение первых 5 минут после начала эксперимента. Количество образовавшегося пероксида водорода в растворе с уксусной кислотой оказалось в несколько раз меньше. Значения максимальных концентраций пероксида водорода, образовавшегося через 120 минут после начала эксперимента, составляют: для раствора с уксусной кислотой - 5.35*10-5±2.94х10-6М, для раствора с серной кислотой -(2.02±0,10 * 10-4)М.

По нашему мнению, полученные результаты, видимо, являются следствием меньшей способности уксусной кислоты протонировать 2,3,7,8-ТХДД по сравнению с серной кислотой, что косвенно подтверждает факт протонирования 2,3,7,8-ТХДД в процессе образования пероксида водорода.

Таким образом, наиболее оптимально в дальнейших экспериментах в качестве источника протонов использовать водный раствор серной кислоты. В предварительных экспериментах (рис. 3) обнаружено, что в реакциях, проходящих без барботирования кислородом, когда в реакцию вовлекался только кислород воздуха, концентрация перекиси водорода, достигнув своего максимума через 40-60 минут после начала

эксперимента, затем начинает постепенно уменьшаться.

Рис. 3. Кинетические кривые образования пероксида водорода в присутствии 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксина в концентрации 8.39* 10-5 М: 1 - с дополнительным насыщением кислородом; 2 - без дополнительного насыщения кислородом

Наиболее вероятной причиной снижения количества образовавшейся перекиси водорода является постепенное уменьшение концентрации молекулярного кислорода в смеси, вследствие его взаимодействия с протонированным 2,3,7,8-ТХДД, в то время как дополнительного насыщения кислородом не происходит. Проведенные в дальнейшем эксперименты (рис. 3, 4) подтвердили, что при дополнительном постоянном насыщении реакционной смеси молекулярным кислородом (барботирование среды) концентрация перекиси водорода продолжает увеличиваться.

Полученные результаты косвенно подтверждают, что пероксид водорода образуется из молекулярного кислорода в каталитическом присутствии

протонированного 2,3,7,8-ТХДД.

Таким образом, наиболее оптимальным является использование в качестве источника протонов водного раствора серной кислоты с рН ~ 1.5; дополнительное насыщение реакционной смеси молекулярным кислородом; наличие границы раздела фаз (бензол-вода).

Далее был проведен ряд экспериментов по изучению кинетики образования пероксида водорода в исследуемой системе как в присутствии 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксина, так и в его отсутствии (рис. 4). Временной интервал проведения экспериментов был увеличен до 240 минут.

3,0

^ С [мкМ]

2,5 2,0

1,5 1,0 0,5

0,0

0 50 100 150 200 250

1, мин

Рис. 4. Кинетические кривые образования пероксида водорода в присутствии 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксина в различных концентрациях: 1 - с концентрацией 8.39* 10-5 М; 2 - с концентрацией 4.20* 10-5 М; 3 - с концентрацией 1.68* 10-5 М; 4 - с концентрацией 8.39* 10-6 М; 5

- контроль

Из представленных графиков видно, что с увеличением концентрации 2,3,7,8-ТХДД в системе происходит увеличение концентрации пероксида водорода до величины 2.02* 10-4 М. В контрольном растворе, без 2,3,7,8-ТХДД, концентрация пероксида водорода была значительно ниже и ее максимальное значение составило 2.00* 10-6 М.

Таким образом, исследована реакция образования пероксида водорода в гетерогенных средах в присутствии 2,3,7,8-ТХДД. Установлены условия протекания данной химической реакции: температура 37оС, использование двухфазной системы (бензола и источника протонов - слабого водного раствора серной кислоты с рН ~ 1.5); источника электронов - цинковой пыли; насыщение реакционной смеси молекулярным кислородом Показано, что при введении в реакционную систему каталитических количеств 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксина концентрация пероксида водорода увеличивается на два порядка.

Теоретическому анализу химической кинетики образования пероксида водорода в присутствии 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксина будет посвящена отдельная публикация.

Таким образом, предложен метод экспресс-анализа определения диоксинов. Показана его эффективность и возможность определения наличия диоксинов на уровне концентраций 8 * 10-6 М, что сопоставимо с концентрациями, определяемыми известными методами.

Библиографический список

ГОСТ Р 53184 - 2008. Национальный стандарт РФ. Рыба, морские беспозвоночные и продукты их переработки. Определение содержания диоксинов и диоксиноподобных полихлорированных бифенилов хромато-масс-спектрометрическим методом. 2010. М.: Стандартинформ. 39 с.

Карасевич Е.И., Анисимова Б.Л., Рубайло В.Л., Шилов А.Е. Активация и каталитические реакции алканов в растворах комплексов металлов // Кинетика и катализ.

1993. Т. 34. № 4. С. 650-655.

Королюк М.А., Иванова Л.И., Майорова И.Г., Токарев В.Е. Метод определения активности каталазы // Лабораторное дело. 1988. № 1. С. 6-9.

Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е., Согуренко И.А. (Гусарова). Возможный механизм токсического действия экотоксикантов класса дибензо-п-диоксина // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова. 2006. № 2. С. 18-24.

Кунцевич А.Д., Кучинский Е.В., Поляков И.Т. Фотометрическое определение полихлорированных дибензо-п-диоксинов // ДАН. 1994. Т. 335. № 3. С. 326-328.

Кучинский Е.В., Поляков И.Т. Механизм реакций ионно-ассоциативного комплексообразования ПХДД с анионами кислот переходных металлов V...VIII групп // Первая конференция по диоксиновым ксенобиотикам: тез. докл. Шиханы, 1992. С. 24.

Лайтинем Г.А., Харрис В.Е. Химический анализ. М.: Наука, 1979. 376 с.

Цырлов И.Б. Хлорированные диоксины: биологические и медицинские аспекты. Аналитический обзор. Новосибирск: Наука, 1990. 210 с.

Шелепчиков А.А., Бродский Е.С., Фешин Д.Б. Полихлорированные дибензо-п-диоксины, дибензофураны и бифенилы в почвах Москвы // Почвоведение. 2011. № 3. С. 317-328.

Шелепчиков А.А., Бродский Е.С., Фешин Д.Б. Полихлорированные дибензо-п-диоксины, дибензофураны и бифенилы в сыворотке крови пожарных Иркутского региона // Сибирский медицинский журнал. 2012. № 3. С. 53-59.

Шилов А.Е., Шульпин Г.Б. Активация и каталитические реакции алканов в растворах комплексов металлов // Успехи химии. 1987. Т. LVI. № 5. С. 754-792.

Kuznetsova N.B., Vlasov I.A., Kuznetsov P.E., Mihirev D.A. Quantum-chemical and Experimental Modelling of Hydrogen Peroxide Formation in Heterogeneous Water Surroundings/Milieus Which Contain Dibenzo-p-dioxines or Their Analogues // SPIE Proceedings. 2006. V. 5067. P. 288-294.