CC BY
94
УДК 631.4
СПЕКТРОСКОПИЯ ЯМР 13С ГУМИНОВЫХ КИСЛОТ ТОРФОВ СРЕДНЕГО ПРИОБЬЯ
© М. П. Сартаков
Югорский государственный университет, ул. Чехова, 16, Ханты-Мансийск,
628012 (Россия) E-mail: [email protected]
Впервые с помощью спектроскопии ЯМР 13С, исследованы ГК торфов Среднего Приобъя Ханты-Мансийского АО. Выявлены их различия в распределении атомов углерода по структурным фрагментам, которые позволили диагностировать особенности молекулярной структуры препаратов, зависящей от ботанического состава торфа.
Ключевые слова: гуминовые кислоты, спектроскопия ЯМР 13С,
Введение
В настоящее время специалистов в области химии природного органического сырья привлекают уникальные возможности спектроскопии ЯМР 13С для количественного анализа и изучения строения многокомпонентных систем, в том числе и гуминовых кислот [2].
Спектроскопия ЯМР 13С для характеристики структурных особенностей гуминовых кислот различного происхождения продемонстрирована неоднократно [2, 3, 7]. Исключительная информативность обусловлена тем, что метод позволяет выявить группы уширенных сигналов спектра, по интегральным интенсивностям которых проводится количественная оценка содержания различных структурных фрагментов макромолекул гуминовых кислот.
Сравнение трудозатрат на химическое определение функциональных групп с таковыми на ЯМР-анализ показало, что последний по времени анализа имеет выигрыш в 100 раз, а по стоимости - почти на порядок [2].
Экспериментальная часть
В качестве объектов исследования были использованы препараты гуминовых кислот, выделенных из поверхностных слоев (0-20 см) различных типов и видов, преобладающих в регионе торфов. Верховые торфа с высокой степенью разложения были отобраны на деградированных из-за изменения гидрологического режима участках болот [5]. Образцы отбирались с севера на юг в Нефтеюганском, Ханты-Мансийском, Октябрьском и Белоярском районах Ханты-Мансийского АО.
Выделение ГК проводили по ранее описанной методике [4]. Идентификацию чистоты препаратов определяли по результатам элементного состава и спектрам поглощения.
Определение углерода, водорода и азота проводили на элементном анализаторе фирмы Euro Vector mod.EA3000. В инфракрасной области спектры получали в КВг-технике на ИКС-спектрометре Bruker. Электронные спектры снимались на спектрофотометре Specord UY-YIS, предназначенном для измерения пропускания оптической плотности прозрачных и мутных сред, а также для измерения коэффициентов диффузного отражения твердых и порошкообразных веществ. Измерения проводились в щелочных растворах гуминовых кислот с процентной концентрацией 0,0042-0,0068.
Для получения спектров ЯМР 20-50 мг образца растворяли в 0,5 мл 0,5 М NaOH/D2O и помещали в ампулу с внешним диаметром 5 мм. Спектры ЯМР 13С были получены на спектрометре DRX-500 фирмы Bruker на частоте 125,76 МГц. Для исключения ядерного эффекта Оверхаузера запись спектров ЯМР 13С
проводилась с подавлением протонов в режиме ШУвАТЕ. В качестве внешнего стандарта использовали ТМС. Спектры снимали с задержкой 1 с между импульсами.
Интегрирование спектра ЯМР 13С в определенных интервалах м.д. позволяет различить и дать количественную оценку соотношениям следующих фрагментов макромолекулы ГК: алкильный (алифатический) углерод (0-65 мд), углерод в углеводах, спиртах, ацеталях, называемый для краткости полисахаридным (6590 мд), ароматический углерод (90-160 мд), карбоксильный углерод (160-200 мд).
Таковы обычные интервалы, по которым проводят интегрирование спектров ЯМР 13С ГК, хотя иногда их границы отличаются на 5-10 мд [6]. Относительное стандартное отклонение результатов 10-кратного ручного интегрирования не превышает 3%.
Ботанический состав сгруппированных по видам и степени разложения исследованных торфов [5] приведен в таблице 1.
Таблица 1. Ботанический состав исследованных торфов
Шифр образца Основная, составляющая торф растительность % Я Тип и вид торфа
Сфагновые торфа
1.3 Сфагнум бурый 80 15 Сфагновый фускум-торф, верховой
1.1 Сфагнум узколистный, лишайники 25 20 30 Сфагновый, верховой
4.7 Сфагнум узколистный (ангустифолиум) 50 35 Сфагновый, верховой
2.8 Сфагнум бурый (фускум) 85 55 Сфагновый фускум-торф, верховой
Древесные и древесно-травяные торфа
1.2 Сосна 70 25 Древесный, переходной
3.2 Береза пушистая 35 35 Древесно-травяной
Вахта 50 (вахтовый вариант), переходной
2.6 Сосна 45 50 Древесный, переходной
2.4 Береза пушистая 25 65 Древесно-осоковый, низинный
Осока вилюйская, омская, дернистая 50
Осоковые и осоково-травяные торфа
2.9 Осока шаровидная 55 30 Осоковый, верховой
5.2 Осоки кочкарные 55 35 Осоковый, переходной
Пушица 20
2.2 Осока вздутая 30 40 Травяной, переходной
Вахта 45
2.3 Осока вздутая 45 45 Травяной, переходной
Вахта 40
5.1 Осоки кочкарные 90 45 Осоковый, переходной
2.10 Осоки неопределенные 35 55 Осоково-пушицевый, переходной
Пушица 50
Шейхцериевый торф
2.1 Шейхцерия 80 30 Шейхцериевый, верховой
Пушицевые торфа
4.5 Пушица 60 15 Пушицевый, верховой
3.3 Пушица 80 25 Пушицевый, переходной
Сосна 10
Примечания: Я - степень разложения торфа; % - преобладающие в торфе растения. Шифр образцов - Нефтеюганский р-н (обр. №1.1, 1.2, 1.3), Ханты-Мансийский р-н (обр. №2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7, 2.8), Октябрьский р-н (обр. №3.1, 3.2, 3.3), Белоярский р-н (обр. № 4.1, 4.2), п. Сорум, Белоярского р-на (обр. № 5.1, 5.2).
Обсуждение результатов
Для идентификации чистоты препаратов ГК был проведен элементный анализ и исследованы спектры поглощения образцов.
Учитывая, что в целом элементный состав торфов мало отличается [1], определен средний элементный состав гуминовой кислоты торфа Среднего Приобъя (%): С - 57,13; Н - 4,68; N - 1,76; О - 36,43, зольность -
0,843, который указывает на достаточную чистоту препаратов, необходимую для дальнейших исследований. В инфракрасной области спектра светопоглощение гуминовых кислот также не имеет принципиальных от-
личий, что свидетельствует об аналогии их строения. Результаты исследований абсорбции света гуминовы-ми кислотами в видимой области подтверждают это положение. Электронные спектры всех ГК описываются кривыми одинаковой формы с монотонным увеличением поглощения в сторону коротких длин волн. Индекс Д4/Д6 изменяется незначительно от 4,9 до 6,4.
В спектрах ЯМР 13С отчетливо проявляются и количественно определяются алифатические и ароматические углеродные атомы (рис. 1, 2).
200 1:91 1С0 11-0 120 100 80 СО 40 20 О
Рис. 1. Образец №2.8. Сфагновый тоф верховой
20 180 16 14 12 10 80 60 40 20 О
О ОООО
Рис. 2. Образец № 2.2. Травяной торф переходной
В области 90-160 м.д. присутствуют сигналы, характерные для ароматических атомов углерода (Сар.) в конденсированных системах, которые достаточно хорошо выражены для всех образцов гуминовых кислот. Незначительное превышение относительного содержания атомов углерода ароматического в структурных фрагментах наблюдается в ГК образца №2.2 травяного переходного торфа (48,4%), а наименьшее значение -в образце №2.8 сфагнового верхового фускум-торфа (36,3%). В таблице 2 приведены результаты ЯМР 13С образцов ГК, сгруппированых по видам и содержанию Сар..
Алифатическая часть спектров ЯМР 13С в области от 0 до 65 м.д. содержит хорошо разрешенные сигналы, указывающие на присутствие разветвленных алифатических структур. Наибольший процент содержания углерода алифатического (Сал.) находится в образцах 1.2 (древесный, переходной) - 48,2%, где 70% сосны, и 4.5 (пушицевый, верховой) - 48,1%, наименьший - в образце 2.10 (осоково-пушицевый, переходной) - 35,6%.
Из таблицы 2 видно, что в каждой группе различных видов торфов наблюдается следующая закономерность: с последовательным возрастанием процента содержания Сар в той же, но убывающей последовательности происходит уменьшение содержания Сал..
На рисунке 3 видно, что высокие значения Сар. не всегда являются показателем высокой степени разложения торфа и могут зависеть от его ботанического вида.
Таблица 2. Относительное содержание атомов углерода в структурных фрагментах гуминовых кислот, %
Образец Углерод карбоксильный Углерод ароматический Углерод полисахаридный Углерод алифатический
№ 160-200 мд 90-160 мд 65-90 мд 0-65 мд
Сфагновые торфа
2.8 4,7 36,3 13,3 45,7
1.3 8,7 38,3 8,0 45,1
1.1 8,8 38,6 5,5 47,1
4.7 6,3 42,1 9,4 42,2
Древесные и древесно-травяные торфа
1.2 9,4 33,6 4,9 48,2
3.2 8,6 38,6 4,9 47,8
2.6 5,6 38,5 10,6 45,3
2.4 7,1 42,0 9,1 41,8
Осоковые и осоково-травяные торфа
5.2 8,4 40,6 5,8 45,2
2.9 7,2 41,0 9,3 42,5
5.1 10,0 44,7 5,8 39,5
2.3 6,3 45,4 11,2 37,1
2.10 6,5 46,3 11,4 35,6
2.2 5,1 48,4 8,2 38,3
Шейхцериевый торфа
2.1 6,1 48,1 5,9 40,0
Пушицевые торфа
4.5 7,7 35,9 6,7 48,1
3.3 8,3 40,4 6,9 44,5
Рис. 3. Зависимость содержания Сар. в ГК от степени разложения торфа. - ♦ -Я,-----Сяр
50,0
48,0
46,0
44,0
42,0
40.0 38.0 £ <3
36,0
34,0
32,0
30,0
Шифр образца
Кроме того, количественная обработка спектров ЯМР 13С позволила получить данные о содержании углерода в сложноэфирных и карбоксильных группах. Установлено, что количество углерода карбоксильных групп колеблется в образцах от 4,7 до 10,0%, наибольшее содержание которого отмечается в образце № 5.1 - осокового, переходного торфа, а наименьшее в образце №4.7 - сфагнового торфа. Во всех образцах идентифицирован углерод полисахаридный, содержание которого изменяется от 4,9% (образец №3.2 - древеснотравяного торфа) до 11,4% (образец №2.3 - травяного торфа).
Выводы
1. Впервые получены данные спектроскопии ЯМР 13С гуминовых кислот различных типов и видов торфа Среднего Приобья Ханты-Мансийского АО.
2. Установлено, что ГК, извлеченные из различных по ботаническому составу торфов Среднего Приобья, имеют незначительные различия в содержании Cm. и Сар, которые можно использовать для диагностики гу-миновых кислот различных видов торфа.
3. С последовательным возрастанием процента содержания Сар. в той же, но убывающей последовательности происходит уменьшение содержания Сал..
Список литературы
1. Архипов В.С., Маслов С.Г. Состав и свойства типичных видов торфа центральной части Западной Сибири // Химия растительного сырья. 1998. №4. С. 9-16.
2. Калабин Г.А., Каницкая Л.В., Кушнарев Д.Ф. Количественная спектроскопия ЯМР природного органического сырья и продуктов его переработки. М., 2000. 407 с.
3. Ковалевский Д.В. Исследование структуры гуминовых кислот методами спектроскопии ЯМР *Н и 13С: дис. ... канд. хим. наук. М., 1998.
4. Комиссаров И. Д., Стрельцова И.Н. Влияние способа извлечения гуминовых кислот из сырья на химический состав получаемых препаратов // Научн. тр. ТюменскогоСХИ, Тюмень, 1971. Т.14. С. 34-48.
5. Лисс О.Л., Абрамова Л.И., Аветов Н.А., Березина Н.А. и др. Болотные системы Западной Сибири и их природоохранное значение. М., 2001. 583 с.
6. Орлов Д.С. Гуминовые кислоты ночв и общая теория гумификации. М., 1990. 325 с.
7. Wilson M.A. Application of nuclear magnetic resonance spectroscopy to the study of the structure of soil organic matter // J. Soil. Sci. 1981. V. 1. №2. P. 167.
Поступило в редакцию 29 января 2008 г.
После переработки 23 апреля 2008 г.
