Дихлорметан

Дихлорметан (метилен хлористий, СН2Сl2). М = 84,9, густина при 20 °С 1,3 г/мл, в'язкість 0,4 МПа∙с, Тпл -96,7 °С, Ткип 40,1 °С.  Межа пропускання дихлорметану 233 нм. Дихлорметан і вода в багатьох пропорціях утворюють двофазну систему. Однак дихлорметан розчинний у воді до 1,6%, а вода – в дихлорметані в кількості до 0,2%. Добувають хлоруванням метану.

Сфери застосування

Хімічна промисловість

• розчинник для екстракції, хроматографії
• розчинник органічних сполук у органічному синтезі
• для очищення і концентрування наступних сполук: спирти, феноли, альдегіди, кетони, аміни, амінокислоти, органічні кислоти, нітросполуки, вуглеводи, гетероциклічні сполуки; нуклеотиди, пептиди, цукри, вітаміни, порфірини, стероїди, ліпіди; антибіотики, алкалоїди, барбітурати; пестициди, гербіциди, інсектициди, полі хлоровані біфеніли, поліароматичні вуглеводні, мікотоксини і афлотоксини.

Харчова та фармацевтична промисловість

• одержання екстрактів з кави, чаю, хмелю, олійних культур, водоростей та іншої агропродукції

Інші галузі промисловості

• розчинник лаків та фарб
• виробництво полімерів
• спінюючий агент для поліуретанів
• клей для полімерних матеріалів: полістиролу, оргскла, полікарбонатів, АБС-полімерів
• рідина для теплового двигуна – завдяки невеликим змінам температури генерує механічну енергію
• у будівництві – розчинник для обробки та тестування матеріалів

Визначення кислотності

У ділильну лійку місткістю 100 мл наливають 20 мл досліджуваного дихлорметану, добавляють 20 мл води і струшують протягом 1 хвилини. Після відшарування водний шар зливають в конічну колбу. Дихлорметан промивають 2 рази водою і збирають промивні води в ту ж колбу. Потім добавляють 2-3 краплі розчину фенолфталеїну і титрують 0,01 м.к.е. розчином натрію гідроксиду до появи світло-рожевого забарвлення. Кислотність виражають в перерахунку на хлоридну кислоту.
Масову частку хлоридної кислоти Х, %, розраховують за формулою
,
де V – об’єм 0,01 м.к.е. розчину натрію гідроксиду, витраченого на титрування, мл; К – поправковий коефіцієнт для 0,01 м.к.е. розчину натрію гідроксиду; 0,0003646 – маса хлоридної кислоти, що відповідає 1 мл точно 0,01 м.к.е. розчину натрію гідроксиду, г; ρ – густина дихлорметану, г/см3.

Дихлорметан у пробопідготовці й аналізі

Нормально-фазова твердофазна екстракція

У нормально-фазовій твердофазній екстракції (НФТФЕ) сорбент більш полярний, ніж розчин (елюент), в якому знаходиться компонент. Як сорбенти використовують силікагелі, що здатні адсорбувати полярні сполуки. За утримування речовин на силікагелі відповідають головним чином поверхневі силанольні групи, що проявляють кислотні властивості. Тому сполуки основної природи утримуються міцніше, ніж кислотні і нейтральні. Додатковий вклад в утримування вносять диполь-дипольні взаємодії. Силікагель здатний адсорбувати полярні компоненти з таких розчинників, елююча сила яких знаходиться в інтервалі значень ε від 0 до 0,32 (від н-гептану до дихлорметану). Найчастіше для матриць використовують такі розчинники: гексан, циклогексан, хлороформ, дихлорметан. Десорбцію проводять розчинниками з ε > 0,35. Метод НФТФЕ застосовують для очищення і концентрування наступних сполук:

• спирти, феноли, альдегіди, кетони, аміни, амінокислоти, органічні кислоти, нітросполуки, вуглеводи, гетероциклічні сполуки;
• нуклеотиди, пептиди, цукри, вітаміни, порфірини, стероїди, ліпіди;
• антибіотики, алкалоїди, барбітурати;
• пестициди, гербіциди, інсектициди, полі хлоровані біфеніли, поліароматичні вуглеводні, мікотоксини і афлотоксини.

Приклад

Екстракція вітаміну D з сироватки. Вітамін D відноситься до жиророзчинних вітамінів. Його застосовують для профілактики і лікування рахіту, а також кісткових захворювань, що викликані порушенням обміну кальцію. Вітамін D екстрагують з сироватки за допомогою дихлорметану, після чого концентрують на силікагелі і елюють ефір-гексановою сумішшю.

Умови НФТФЕ:
Зразок: до екстракту з 2 мл сироватки и 7,5 мл суміші дихлорметан/метанол (33:67) додають 2,5 мл дихлорметану і після перемішування і декантації збирають нижній дихлорметановий шар.
Визначуваний компонент: вітамін D.
Сорбент: силікагель (0,5 г), кондиційований 3 мл суміші ефір/гексан (1:9).
Процедура: після пропускання проби слід промити 10 мл суміші безводний ефір/гексан (1:9) і елюювати 7,5 мл суміші безводний ефір/гексан (33:67).

Головне джерело помилок при використанні хлорорганічних розчинників лежить за межами хроматографування. Найчастіше такі розчинники використовують для рідинно-рідинної екстракції визначуваних речовин з складної матриці. По закінченню екстракції пробу концентрують випарюванням хлорвмісного розчинника, однак при цьому підвищується концентрація HCl в пробі. Великий розмах проб за рН може викликати різкі зміни в хроматограмах. Інший важливий параметр – розчинність води в хлорвмісних розчинниках – 2500 млн-1 (СН2Cl2). Застосування таких розчинників, типових для нормально-фазової хроматографії, призводить до втрати активності найбільш часто вживаних сорбентів – силікагелю або оксиду алюмінію. Із збільшенням кількості води, яка адсорбується поверхнею силікагелю (при її збільшенні в РФ), різко зменшується утримування і погіршується розділення, оскільки молекули води з розчинника поглинаються поверхнею сорбенту, займають центри адсорбції і він втрачає свою активність. Для зменшення вмісту води в РФ використовують осушувачі, наприклад, молекулярні сита, або перед колонку з силікагелем. Силікагелі попередньо нагрівають з метою очистки, так як вони теж адсорбують воду і органічні речовини.

Якщо розчинник зберігається тривалий час, необхідно провести досліди з водною витяжкою за методикою:
З екстракту розчинника з водою (1:1) відділяють шар води.
Виконують наступні дії: проводять дослід з використанням лакмусового папірця.
До 10 мл водної витяжки додають приблизно 2 краплини 0,025 М AgNO3. В темній кімнаті зразок розміщують напроти листа чорного паперу і пропускають промінь світла крізь нього паралельно паперу. Якщо в зразку помітна біла завись, в розчині міститься помітна кількість Сl-. В такому випадку розчинник скоріше за все непридатний.

Визначення поліциклічних ароматичних вуглеводнів у олійних культурах методом газової хромато-мас-спектрометрії з температурно-програмованим інжектуванням

Пробопідготовка
Екстракцію ПАВ проводять у апараті Сокслета бінарними сумішами загальним об’ємом 250 мл «гексан-дихлорметан» у співвідношенні 1:1 (ріпак, насіння соняшнику, льон) та 2:1 (соя та кукурудза). При цьому час екстракції становить від 6 до 8 годин.
Проби агропродукції гомогенізували та подрібнювали за допомогою млина до середнього розміру часток ≤ 1 мм. Відбирали наважку зразку для аналізу, яку потім розтирали у ступці з сульфатом натрію (табл. 1) та кількісно переносили у патрон для екстракції. У патрон зверху проби поміщали шар скловати та проводили екстракцію ПАВ в апараті Сокслета органічними розчинниками та їх сумішами загальним об’ємом 250 мл.

Отриманий екстракт випарювали на роторному випарнику при температурі 40 °С до об’єму 15-20 мл. Концентрований екстракт переносили у серцеподібну колбу об’ємом 50 мл. Першу колбу промивали двома порціями по 4 мл гексану. Об’єднаний розчин випарювали до об’єму приблизно 5 мл при температурі 40 °С. Екстракт переносили кількісно у мірний циліндр об’ємом 10 мл. Колбу промивали трьома порціями гексану об’ємом 1 мл, які переносили у той же циліндр. Об’єм екстракту доводили об’єм гексаном до  10 мл. Упарений екстракт очищували від співекстракційних домішок (олії, фосфоліпідів, жирних кислот) методом твердофазної екстракції.

У скляну колонку довжиною 50 мм та діаметром 11 мм зі скляною фрітою розміщували пробку зі скловати, 22,0±0,1 г деактивованого оксиду алюмінію та 2,0±0,1 г безводного сульфату натрію. Колонку промивали гексаном об’ємом 50 мл. Для очистки методом твердофазної екстракції відбирали об’єм екстракту в залежності від вмісту олії в агрокультурі, таким чином щоб вміст олії в аліквоті екстракту не перевищував 0,4 г. Для насіння олійних культур об’єм аліквоти складав 1,6 мл, для сої – 2,5 мл, для кукурудзи – 4,0 мл. ПАВ елюювали 80 мл гексану. Розчинник упарювали на роторному випарнику до об’єму приблизно 2-3 мл при температурі 40 °С. Пробу кількісно переносили порціями у хроматографічну віалу об’ємом 1,5 мл, змиваючи зі стінок колби гексаном, та упарювали під струменем азоту до сухого залишку. Розчиняли у 1000 мкл гексану та проводили вимірювання вмісту ПАВ методом хромато-мас-спектрометрії.

Хромато-мас-спектрометричний аналіз
Вихідна температура PTV-інжектору складала 40 °C та утримувалася протягом 1,5 хвилин, швидкість видуву - 50 мл/хв протягом 1,4 хв. Фаза переносу проводилася в режимі «без ділення потоку» («splitless») при нагріванні зі швидкістю 700°C/хв до 350 °C, яка утримувалася 3 хвилини. Температурна програма термостату колонки: 50 °C (утримування 2 хвилини), нагрівання до 275 °C зі швидкістю 10 °C/хв (утримування 15 хвилин). Газ-носій: гелій, при постійній швидкості потоку 1,2 мл/хв. Температура трансферлайну: 280 °C. Умови роботи мас-селективного детектору: температура інтерфейсу - 280 °С, джерела іонів - 230 °С, квадруполю - 150 °С. Тип іонізації – електронний удар (70 eV). Детектування аналітів відбувалося в селективному режимі моніторингу вибраних іонів (SIM). Для ідентифікації аналітів використовували три іони. Сигнал найбільш інтенсивного іону використовували для кількісних розрахунків (іон-квантифікатор), інші два іона були підтверджуючими для ідентифікації сполук.

Результати та їх обговорення

Екстракція ПАВ з агропродукції для кількісного аналізу є досить складною через те, що дані аналіти щільно зв’язані з компонентами матриці. Для вилучення не тільки ПАВ, але також і інших стійких органічних забрудників: поліхлорованих біфенілів, поліхлорованих дибензо-пара-діоксинів, поліхлорованих дибезофуранів, хлорорганічних пестицидів і ін. успішно застосовується екстракція за допомого апарату Сокслету. Оскільки поліциклічні ароматичні вуглеводні, що відносяться до ряду пріоритетних ПАВ, відрізняються за будовою та фізико-хімічними властивостями (молекулярна маса, температура кипіння, коефіцієнт розподілу «октанол-вода»), то рідинна екстракція за допомогою апарату Сокслету є ефективним методом, що дозволяє досягти прийнятних коефіцієнтів вилучення як для «легких» (до трьох бензольних кілець), так і «важких» ПАВ. Повнота вилучення аналітів з різних матриць в апараті Сокслета залежить від природи розчинника і часу екстракції. Для екстракції ПАВ з твердих зразків як правило використовують дихлорметан, гексан та суміші гексану з більш полярними розчинниками (ацетон, дихлорметан, хлороформ, тощо).

В даній роботі для екстракції ПАВ зі зразків агропродукції були випробувані системи з індивідуальних розчинників та їх сумішей: дихлорметан, гексан, дихлорметан:гексан (1:1), гексан:дихлорметан (2:1), гексан:етилацетат (3:1). В даних дослідженнях час Сокслет-екстркції становив 8 годин. В таблиці 3 наведені данні щодо ефективності екстракції ПАВ різними розчинниками зі зразків 5 видів культур агропродукції. При цьому для кількісної оцінки використовували величини коефіцієнтів вилучення (R) для кожного аналіту, що розраховували за рівнянням:

де Ri  - коефіцієнт вилучення і-того ПАВ, %;  Сзн – концентрація і-того ПАВ, визначена у пробі з добавкою, мкг/кг; Сдод – концентрація і-того ПАВ, додана у пробу, мкг/кг; С0 – початкова концентрація і-того ПАВ у пробі, мкг/кг.

В даному дослідженні для приготування проб з добавками використовувалися проби, в яких С0 < LOD (тобто С0 ~0). Усереднені коефіцієнти вилучення для 16 пріоритетних ПАВ розраховані як (Rср ± SD), де Rср – середнє арифметичне коефіцієнтів вилучення ПАВ, SD – стандартне відхилення. Середні значення коефіцієнтів вилучення є досить високими ≥   70 %. При цьому в гексані та його суміші з етилацетатом спостерігалася різна ефективність екстракції аналітів в ряду ПАВ. Так, при високих коефіцієнтах вилучення  (78-92 %) ПАВ, що містять 2-4 бензольні кільця, для ізомерів С20 Н12 та С22 Н12 , а також С22 Н14 , значення Ri складало 49-68 %. Кількісно це відображається у високих значеннях стандартних відхилень.

Для дихлорметану та його сумішей з гексаном отримані більш високі значення коефіцієнтів вилучення. При цьому значення стандартних відхилень вказують на рівномірність екстракції аналітів, що досліджувалися. Таким чином, суміші гексану з дихлорметаном чи етилацетатом є більш ефективними для екстракції ПАВ з агрокультур порівняно з гексаном. Ймовірно, суміші гексану з більш полярними розчинниками краще змочують матрицю, прискорюючи екстракцію. Дихлорметан як індивідуальний розчинник для екстракції має ряд недоліків, по-перше, втрати розчинника через леткість, по-друге, спостерігалося збільшення концентрації заважаючих сполук матриць за рахунок співекстракції макрокомпонентів матриці проби. Оптимальні суміші розчинників для вилучення ПАВ з проб агрокультур наведено в таблиці 1.

Хроматограма екстракту насіння соняшнику (а) та кукурудзи (б) в режимі ТІС.

Висновки
За результатами проведених досліджень була розроблена чутлива, селективна та надійна методика кількісного визначення слідових кількостей ПАВ у агропродукції шляхом екстракції у апараті Сокслета та очищенні проб від заважаючих макрокомпонентів за допомогою твердофазної екстракції з наступним аналізом методом газової хромато-мас-спектрометрії з температурно-програмованим інжектуванням. На прикладі п’яти агрокультур (ріпак, соняшник, льон, кукурудза, соя) показано, що ефективними для екстракції ПАВ є бінарні суміші «гександихлорметан» у співвідношенні 1:1 та 2:1 (в  залежності від культури). При цьому час екстракції становить від 6 до 8 годин. Встановлені оптимальні об’єми екстракту для твердофазної екстракції (на деактивованому оксиді алюмінію) в залежності від вмісту олії в агрокультурах. Градуювальні залежності є лінійними в діапазоні концентрацій  0,5-100 нг/мл, що відповідає межам кількісного визначення індивідуальних ПАВ (від 0,371 до 0,842 мкг/кг). За результатами хроматомас-спектрометричних вимірюваннь суттєвих «матричних ефектів» при аналізі зразків агропродукції з застосуванням запропонованої пробопідготовки не виявлено.