Селективные электроды на органические ионы

ХИМИЯ СЕЛЕКТИВНЫЕ ЭЛЕКТРОДЫ НА ОРГАНИЧЕСКИЕ ИОНЫ Н. В. ШВЕДЕНЕ Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

SELECTIVE ELECTRODES FOR DETERMINATION OF ORGANIC IONS N. V. SHVEDENE

A modern method of electroanalytical chemistry – ionometric determination of organic ions with selective electrodes is presented. Use of the wide range of organic ligands as membrane components of ion-selective electrodes is considered. Selectivity, principal mechanisms and application of ion-selective electrodes for determination of organic ions are discussed. Статья посвящена современному методу электроаналитической химии – ионометрическому определению органических ионов при помощи селективных электродов. Рассмотрено использование широкого круга органических лигандов в качестве активных компонентов мембран ионоселективных электродов. Обсуждены принципы действия, селективность, области применения ионоселективных электродов на органические ионы.

Количественное определение органических соединений – важная задача химии, фармацевтической промышленности, медико-биологической практики. Для этой цели широко используются такие методы аналитической химии, как хроматография, спектрофотометрия, люминесценция, электрохимические методы анализа. Среди последних достойное место занимает ионометрия – прямая потенциометрия с использованием ионоселективных электродов (ИСЭ). Потенциал таких мембранных датчиков определяется активностью ионов конкретного сорта (ai) в исследуемом растворе в соответствии с известным уравнением Никольского–Эйзенмана: z ⁄z 0 ,059 E = const + -------------lg ( a i + k i ⁄ j a ji j ) , zi

где aj – активность посторонних ионов, ki / j – потенциометрический коэффициент селективности, zi , zj – заряды основного (потенциалопределяющего) и постороннего ионов. Ранее в публикациях в СОЖ подробно описывались конструкционные особенности, основные характеристики и области применения ИСЭ на неорганические ионы1. Последние 20 лет интенсивно развивается новое направление ионометрии, связанное с разработкой селективных электродов на органические ионы. Для решения задач клинической диагностики, охраны окружающей среды и контроля биотехнологических процессов необходимы дешевые селективные и экспрессные методы анализа.

© Шведене Н.В., 2004

Потенциометрические сенсоры – ИСЭ как нельзя лучше удовлетворяют этим требованиям. С использованием ИСЭ определяют разнообразные органические соединения, что наглядно иллюстрирует схема 1. Основным преимуществом ионометрии является возможность селективного определения ионов определенного “сорта” – потенциалопределяющих ионов в 1

journal.issep.rssi.ru

См: Шульц М.М. Стеклянный электрод: Теория и практическое применение // Соросовский Образовательный Журнал. 1998. № 1. С. 33–39; См. также: Шведене Н.В. Ионоселективные электроды // Там же. 1999. № 5. С. 60–65.

Ш В Е Д Е Н Е Н . В . С Е Л Е К Т И В Н Ы Е Э Л Е К Т Р О Д Ы Н А О Р ГА Н И Ч Е С К И Е И О Н Ы

37

ХИМИЯ Органические соединения, определяемые ИСЭ

Галогенсодержащие соединения

Антибиотики

Соединения серы

Детергенты

Соединения, содержащие азот и другие функциональные группы

Физиологически активные амины

Аминокислоты и их эфиры

Карбоновые и оксикарбоновые кислоты

Соли четвертичных аммониевых оснований

Схема 1

присутствии посторонних. Именно с этой позиции попробуем оценить различные подходы к формированию обратимого потенциометрического отклика ИСЭ на органические ионы. ЭЛЕКТРОДЫ С КРИСТАЛЛИЧЕСКИМИ МЕМБРАНАМИ Исторически первыми для определения органических ионов были использованы ИСЭ с твердой кристаллической мембраной, разработанные для неорганического анализа. Среди примеров можно выделить определение лекарственных препаратов, содержащих галогены:

OH NH+2 CH3 CH3

Cl−

Эфедрин ⋅ HCl

Несколько иначе построено определение тиоспиртов и меркаптанов – важных объектов анализа для нефтехимии, органической и фармацевтической химии. Для решения этой задачи оказалось возможным использование ИСЭ с кристаллической мембраной на основе Ag2S, селективной к ионам серебра либо к сульфид-ионам. Поскольку ионы серебра образуют малорастворимое соединение с тиолат-ионами: Ks = [Ag+][R–S−], где Ks – произведение растворимости тиолата серебра, то потенциал электрода зависит от концентрации тиолата в растворе: E = const − 0,059lg[R–S−]. Электрод можно использовать для определения этилмеркаптана, пропилмеркаптана, тиофенола и других тиоспиртов при содержании в диапазоне 10− 5– 10− 2 моль/л. Сложно говорить о селективности подобных определений. Очевидно, что присутствие в растворе основных потенциалопределяющих ионов (Cl− и Ag+, S2 − соответственно) да и некоторых посторонних ионов существенно повлияет на мембранный потенциал.

O O HN+

C2H5 Cl− C2H5

Прокаин ⋅ HCl

Использование селективного электрода с кристаллической мембраной на основе хлорида серебра позволяет определять активность хлорид-иона и косвенно оценить содержание лекарственного препарата [1].

38

ЭЛЕКТРОДЫ НА ОСНОВЕ ЖИДКИХ ИОНООБМЕННИКОВ Следующим шагом в развитии ИСЭ на органические ионы стало использование жидких и пластифицированных мембран. Такие мембраны получают в результате введения активного компонента (вещества, ответственного за взаимодействие с определяемым ионом) в органический растворитель, не смешивающийся с водой (жидкая мембрана), либо в инертную, полимерную, например поливинилхлоридную (ПВХ),

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 8 , № 2 , 2 0 0 4

ХИМИЯ матрицу с добавлением пластификатора (пластифицированная мембрана). В качестве активного компонента мембраны широкое применение нашли ионные ассоциаты определяемых ионов и крупных органических анионов либо катионов. Вне зависимости от типа ионообменника механизм функционирования подобных ИСЭ описывается с единой точки зрения – существует четкая корелляция между селективностью мембраны и свободной энергией сольватации ионов при переходе из воды в органическую фазу:

H5C2 H5C2

N CH2 CH2 OOC

NH3+

Новокаин

CH3 N O CH2 CH2 NH+ CH3

× B(C6H5)4−

Димедрол

[CnH2n + 1N(CH3)3]+ ∆Gi / j = − RT lg Ki / j , где Ki / j – потенциометрический коэффициент селективности мембраны (i – потенциалопределяющий ион, j – посторонний ион). Оказалось, что ПВХ-мембраны, содержащие липофильные анионы, например: тетрафенилборат (а), молибдофосфат (б ), триоктилоксибензолсульфонат (в), обладают чувствительностью к органическим катионам, при этом селективность определения обусловлена только электростатическими взаимодействиями и определяется липофильностью потенциалопределяющего катиона: а

б

B−

[PMo12O40]3−

O O S O− H17C8O OC8H17 в

OC8H17 Чтобы улучшить эксплуатационные характеристики ИСЭ (крутизну электродной функции, время отклика, селективность), в мембрану электрода вводят соответствующий ассоциат определяемого катиона и липофильного аниона. Так, тетрафенилборат-ион используют в качестве противоиона при определении димедрола, папаверина, витамина В, новокаина, катионных поверхностно-активных веществ (КПАВ):

Алкилтриметиламмоний

Таким образом, общий подход при конструировании ИСЭ, например на лекарственные препараты, содержащие протонированную аминогруппу, либо на другие липофильные катионы, достаточно прост: в пластифицированную матрицу из ПВХ вводят ассоциат определяемого иона и соответствующего гидрофобного аниона, обычно не более 5% массы мембраны. Если стоит задача определения органического аниона, то в мембране ИСЭ используют анионообменники: соли аммониевых ((CnH2n + 1)4N+), арсониевых ((CnH2n + 1)4As+), фосфониевых ((CnH2n + 1)4P+) оснований, основные красители (кристаллический фиолетовый, малахитовый зеленый), а также заряженные хелатные комплексы металлов с органическими лигандами (трискомплексы Fe(II) с 1,10-фенантролином Fe ( Phen ) 2+ и 3 др.). Так, использование в составе жидких и пластифицированных мембран триметилкаприламмония позволяет определить такие органические анионы, как формиат, ацетат, пропионат, оксалат, бензоат. Ионный ассоциат цетилтриметиламмония с анионами β-лактамных антибиотиков использован для создания ИСЭ на анионы бензилпенициллина, ампициллина, оксациллина. Этот же анионообменник позволяет проводить определение анионных ПАВ – додецилбензолсульфоната, додецилсульфата до содержания 10− 6 моль/л. Электроды на ПАВ используют для определения детергентов в косметико-гигиенической продукции, в сточных водах различных предприятий, а также для определения критических концентраций мицеллообразования и изучения взаимодействия ПАВ с водорастворимыми полимерами, белками. Отметим, что селективность электродов на основе классических анионообменников также может быть легко предсказана, так как крупные гидрофобные анионы будут легче экстрагироваться в липофильную мембрану. Влияние посторонних анионов на мембранный

Ш В Е Д Е Н Е Н . В . С Е Л Е К Т И В Н Ы Е Э Л Е К Т Р О Д Ы Н А О Р ГА Н И Ч Е С К И Е И О Н Ы

39

ХИМИЯ потенциал ослабевает в следующей последовательности в соответствии с рядом Гофмейстера: бутилксантат > TaF −6 > UO 2 ( C 6 H 5 COO ) −3 > > додецилбензолсульфонат > пикрат > GaCl −4 > > IO −4 > ClO −4 > додецилсульфат > MnO −4 > > тетрафенилборат > SCN− > I− > салицилат > ClO −3 > > NO −3 > Br− > Cl− > Ac− > H 2 PO −4 > SO 2− 4 . Для всех рассмотренных выше ИСЭ, основанных на использовании классических ионообменников, характерна четкая корреляция между гидрофобностью определяемых ионов и селективностью мембран. Очевидно, что для создания высокоселективных датчиков необходимо использовать в качестве активных компонентов соединения, способные специфически взаимодействовать с органическими ионами. ЭЛЕКТРОДЫ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСОВ “ГОСТЬ–ХОЗЯИН” Для получения ИСЭ, обладающих негофмейстерской селективностью, перспективны лиганды – активные компоненты мембраны, распознающие помимо ионного центра и другие фрагменты определяемого иона-субстрата. Открытие Педерсеном краун-эфиров, повлекшее за собой интенсивные исследования Крама, дали толчок к рождению химии комплексов “гость–хозяин” [2]. Было установлено, что соединения, содержащие первичную аминогруппу, образуют комплексы с краун-эфирами типа 18-краун-6, в то время как вторичные и третичные амины практически не вступают во взаимодействие с подобными макроциклическими лигандами. На базе экстракционных и рентгеноструктурных исследований представлена следующая схема связывания ионов алкиламмония:

R N+ HH H O O

O

O O

O Основная особенность комплексообразования “гость–хозяин” заключается в том, что многоцентровые взаимодействия протекают без образования или разрыва ковалентных связей. Связывание ионов осуществляется в результате образования водородных связей, ион-ионных, ион-дипольных взаимодействий, а селек-

40

тивность комплексообразования определяется электронным и стерическим соответствием переносчика – “хозяина” и определяемого иона – “гостя”. С середины 70-х годов XX в. начались исследования по использованию разнообразных макроциклических соединений и их ациклических аналогов для создания ИСЭ на органические ионы. С использованием в качестве активных компонентов мембран дибензо-18-краун-6 (ДБ18К6), дибензо27-краун-9 (ДБ27К9) и родственных соединений [3] разработаны ИСЭ на такие биологически активные вещества, как гуанидиний C ( NH 2 ) +3 , катионы ароматических аминов, содержащие протонированную аминогруппу, например амфетамин (β-фенилизопропиламин) – препарат, используемый для стимуляции нервной системы, а также электроды для определения катионных ПАВ. В начале 90-х годов XX в. было установлено, что такой ациклический природный антибиотик полиэфирного типа, как моненсин, содержащий центры хиральности (асимметрические атомы), обладает в мембранах ИСЭ энантиомерной селективностью к оптически активным катионам – гидрохлоридам сложных эфиров аминокислот. Этот факт пробудил интерес к более широкому исследованию в качестве активных компонентов мембран ИСЭ открытоцепочечных ионофоров – подандов. Поданды, содержащие высокоосновные концевые группы, например фосфиноксидные, используются для определения катионов первичных аминов, эфиров аминокислот, ПАВ, гуанидиния в интервале содержаний 10− 6–10−1 моль/л [4]. При этом соединения с вторичной и третичной аминогруппой, а также ионы щелочных и щелочноземельных металлов не мешают ионометрическому определению. Селективность комплексообразования “гость–хозяин” в существенной степени зависит от структурного соответствия определяемого иона и органического лиганда. Наиболее ярко роль структурного соответствия проявляется при определении иона гуанидиния C ( NH 2 ) +3 . Оказалось, что размер макроцикла и длина полиэфирной цепи поданда существенно влияют на характеристики ИСЭ – крутизну электродной функции и потенциометрическую селективность. Лучшими реагентами для ионометрического определения гуанидиния оказались ДБ27К9 и фосфорилсодержащий поданд с шестью атомами кислорода в полиэфирной цепи. Схема связывания гуанидиния макроциклом ДБ27К9 по данным рентгеноструктурного анализа (а)

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 8 , № 2 , 2 0 0 4

ХИМИЯ и предполагаемая структура комплекса с подандом (б ) приведены ниже: а

R2

O O H O H O

CH2

O N

H

n

O

N

N

H

H

O

OR1

Структура каликс[n]аренов n = 4, 6, 8

R2

H O

R2

O

OR1 R2

б

OR1

OR1

OR1

OR1 P

P O

O H

O H O

N

R2

R2

OR1 OR1

R2

H O

N

N

H

H

O

R2

OR1

H O

O

Очевидно, что и в том и в другом случае гуанидиний идеально вписывается в циклическую либо в псевдоциклическую структуру лигандов. Открытоцепочечные полиэфиры – поданды обычно не столь предорганизованы, как макроциклы, однако при комплексообразовании могут образовывать сложные псевдоциклические структуры, обволакивая катион подобно краун-эфирам [2]. Селективность и эффективность комплексообразования, а значит, и возможность получения удачного ИСЭ на основе поданда определяются такими чертами данных реагентов, как природа и число донорных центров, жесткость полиэфирной цепи и особенно тип концевых (терминальных) фрагментов. По сравнению с макроциклами синтез подандов прост, экономичен, не требует применения катализаторов и позволяет существенно разнообразить структуру этих реагентов. В последние годы в качестве активных компонентов пластифицированных мембран ИСЭ находят применение новые макроциклические соединения – каликс[n]арены. К настоящему времени синтезировано большое количество соединений данного класса, отличающихся природой заместителей и числом бензольных звеньев:

Каликс[8]арен

R2

R1 = −CH2COOEt и др. R2 = t-Bu, 1-adamantyl

Каликс[n]арены с трет-бутильными и особенно с адамантильными заместителями в “верхнем ободе” имеют большие молекулярные чашеобразные полости, благодаря чему могут образовывать с ионами и нейтральными молекулами соединения включения типа комплексов “гость–хозяин”. Каликс[n]арены предоставляют центры связывания для протонированных аминов, которые могут образовывать водородные связи с направленными внутрь чашеобразной полости карбонильными группами лиганда. Эти соединения используются в мембранах электродов на протонированные алкиламины, катехоламины, гидрохлориды эфиров аминокислот, катионные ПАВ. В целом необходимо уточнить, что при выборе органического лиганда важно учитывать природу “гостя”. Так, для определения первичных аминов, например октиламина, фенилэтиламина, возможно использование хозяев с размером цикла (псевдоцикла, псевдополости) типа ДБ18К6. Для более объемных молекул “гостей” – эфиров аминокислот, катионных ПАВ, гуанидиния – нужны “хозяева”, способные образовывать циклы и полости большего размера – ДБ27К9 и др., длинноцепочечные поданды, каликс[n]арены-октаэфиры (n = 8). Взаимодействия “гость–хозяин” могут быть реализованы и при ионометрическом определении анионов. Для этого в качестве “хозяев” используют соединения, способные легко протонироваться и, кроме того, содержащие высокоосновные группы, например эфирные, фосфиноксидные заместители, пригодные

Ш В Е Д Е Н Е Н . В . С Е Л Е К Т И В Н Ы Е Э Л Е К Т Р О Д Ы Н А О Р ГА Н И Ч Е С К И Е И О Н Ы

41

ХИМИЯ для образования водородных связей с гидрокси- и карбокси-группами сложного субстрата. Примеров применения протонированных аминов в качестве активных компонентов анион-селективных электродов мало, и относятся они в основном к использованию макроциклических полиаминов (а), способных взаимодействовать с полианионами нуклеотидов, анионами малеиновой и фумаровой кислот. Азасоединения представленного ниже типа (б ) также используются в мембранах ИСЭ, обратимых к анионам бензойной, коричной, салициловой и некоторых дикарбоновых кислот. а

C16H33

NH

HN

NH

HN NH

Макроциклический полиамин б

Ph2P

O

O O

N

PPh2

O

O PPh2 O

водородной связи между гидроксильной либо карбоксильной группой, расположенной вблизи анионного центра (диссоциированная и недиссоциированная карбоксильные группы в молекулах данных дикарбоновых кислот расположены рядом), и фосфиноксидными и эфирными фрагментами в реагенте. Мощным источником эффективности (селективности) связывания “гость–хозяин” может быть наличие иона металла в электрически нейтральной молекуле хозяина. Металлокомплексы – порфирины, металлофталоцианины – начали использовать в мембранах ИСЭ в качестве активных компонентов – “хозяев” лишь в последнее время. Такие металлокомплексы обычно имеют плоское строение, центральный атом металла способен координировать анионы как дополнительные аксиальные лиганды; при этом сродство к различным анионам зависит от природы металла и структуры макроцикла. Так, фталоцианин алюминия оказался весьма перспективным “хозяином” при создании салицилат-селективного электрода [4]. При этом ряд Гофмейстера, определяемый липофильностью анионов и характерный для мембран на основе анионообменников, не выполняется, то есть гидрофобность анионов не является фактором, определяющим селективность. Первостепенное значение приобретает сродство салицилат-иона к центральному атому металлокомплекса; аксиальная координация салицилата к алюминию объясняет наблюдаемую селективность. Подобный ИСЭ позволяет определить салицилат-ион и родственные соединения (ацетилсалицилат, метилсалицилат) в диапазоне содержаний 10−6–10−1 моль/л с высокой селективностью.

Азаполиэфир

Cl

При этом электрод способен эффективно различать геометрические изомеры-анионы малеиновой (а) и фумаровой (б ) кислот, а также изомеры положения – анионы фталевой (в) и терефталевой (г) кислот (отклик только на малеиновую и фталевую кислоты). а

б

OH O O

OH

N N Al N N N

N

OH O г

O

Тетракис(трет-бутил)-фталоцианин алюминий (III) хлорид (PctAlCl)

O

OH O OH

OH HO O

Связывание анионов салициловой, малеиновой и фталевой кислот обусловлено, вероятно, образованием

42

N

O HO

в

N

Область ионометрии, связанная с определением органических ионов, быстро развивается. Ежегодно появляются многочисленные сообщения об использовании все новых реагентов для изготовления мембран ИСЭ. Например, для ионометрического определения биогенных гидроксилсодержащих соединений – катехоламинов, оксикислот, других полигидроксисоединений перспективны производные фенилборной кислоты

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 8 , № 2 , 2 0 0 4

ХИМИЯ [5]. Связывание осуществляется по диольным группам определяемого компонента:

OH B

OH

HO + OH−

+ + 3

HO

R

NH

Фенилборная кислота

Дофамин

B− O

ЛИТЕРАТУРА 1. Баулеску Г., Комофрец В. Применение ионоселективных мембранных электродов в органическом анализе. М.: Мир, 1980. 227 с.

O

HO

др.), обусловливающих отклик ИСЭ. Эти датчики позволяют с высокой селективностью определять белки, гормоны, антибиотики и еще некоторые органические соединения (cм: Будников Г.К. Биосенсоры как новый тип аналитических устройств // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. № 12. С. 26–32).

NH+3 + 2H2O

R Мембраны на основе производных этих соединений являются уникальными, поскольку, во-первых, позволяют определять гидрофильные ионы, а во-вторых, в основе их функционирования лежит образование ковалентных связей переносчика с потенциалопределяющим ионом, что может значительно повышать селективность определения. Такие взаимодействия нехарактерны для ИСЭ на органические ионы, для которых ранее был описан лишь потенциометрический отклик, возникающий в результате ионной ассоциации либо комплексообразования “гость–хозяин”. Cущественно расширяет круг определяемых органических ионов использование потенциометрических биодатчиков – ферментных электродов. В тонком слое иммобилизованного на поверхности ионочувствительной мембраны фермента осуществляется ферментативная реакция с образованием продуктов ( NH +4 , H+ и

2. Химия комплексов “гость–хозяин”: Синтез, структуры, применение / Под ред. Ф. Фетгле, Э. Вебера. М.: Мир, 1988. 511 с. 3. Золотов Ю.А., Формановский А.А., Плетнев И.В. и др. Макроциклические соединения в аналитической химии. М.: Наука, 1993. 319 с. 4. Leyzerovich N.N., Shvedene N.V., Blikova Yu.N. et al. Comparative study of metall-phtalocyanates as active component in sal-selective electrodes // Electroanalysis. 2001. Vol.13, № 3. P. 246–252. 5. Pletnev I.V., Shvedene N.V., Nazarova I.A. et al. Arylboronic compounds – novel carriers for catecholamine selective membrane electrodes // Fresenius J. Anal. Chem. 1999. Vol. 8. P. 682–685.

Рецензент статьи Г.В. Лисичкин *** Наталья Викторовна Шведене, кандидат химических наук, доцент кафедры аналитической химии химического факультета МГУ. Область научных интересов – электрохимические методы анализа, ионоселективные электроды, ионометрическое определение органических ионов. Автор 11 изобретений и более 100 научных публикаций в отечественной и зарубежной печати.

Ш В Е Д Е Н Е Н . В . С Е Л Е К Т И В Н Ы Е Э Л Е К Т Р О Д Ы Н А О Р ГА Н И Ч Е С К И Е И О Н Ы

43