Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
імені ТАРАСА ШЕВЧЕНКА
Бойко Віра Іванівна
УДК 543.867 + 514.84
ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЧНЕ ВИЗНАЧЕННЯ
ВІТАМІНІВ ГРУПИ В НА ХІМІЧНО
МОДИФІКОВАНИХ СКЛОВУГЛЕЦЕВИХ ЕЛЕКТРОДАХ
02.00.02 –аналітична хімія
Автореферат
дисертації на здобуття
наукового ступеня кандидата хімічних наук
Київ –
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі загальної та неорганічної
хімії Черкаського державного університету імені Богдана
Хмельницького Міністерства освіти та науки України
Науковий керівник: кандидат хімічних наук,
доцент
Білий Онуфрій Васильович,
Черкаський державний університет
імені Богдана Хмельницького,
доцент кафедри загальної та неорганічної хімії
Офіційні опоненти: доктор хімічних наук,
старший науковий співробітник
Трохимчук Анатолій Костянтинович,
Київський національний університет
імені Тараса Шевченка,
провідний науковий співробітник
кандидат хімічних наук,
старший науковий співробітник
Калініченко Іван Омелянович,
Інститут колоїдної хімії та хімії води
НАН України (м. Київ),
старший науковий співробітник
Провідна організація: Дніпропетровський
державний університет,
кафедра аналітичної хімії
(Міністерство освіти та науки України),
м. Дніпропетровськ
Захист відбудеться “14” січня 2002 р. о 14год. На засіданні
спеціалізованої вченої ради Д 26.001.03 Київського національного
університету імені Тараса Шевченка за адресою:
, м. Київ-33, вул. Володимирська, 60, хімічний факультет,
Велика хімічна аудиторія.
З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці
Київського національного університету імені Тараса Шевченка
(вул. Володимирська, 56).
Автореферат розісланий “7” грудня 2001 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Олексенко Л.П.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Для посилення імунологічної стійкості людського організму в умовах підвищеного вмісту токсичних і радіоактивних речовин у навколишньому середовищі виключно важливе значення має раціональне вживання вітамінних речовин. Контроль за якістю вітамінних препаратів та встановлення терміну придатності неможливі без широкого застосування кількісних методів аналізу. Водорозчинні вітаміни та їх аналоги є біологічно активними речовинами, що відносяться до різних класів органічних сполук. У зв’язку з цим у них відсутні загальні аналітичні реакції, а кількісне визначення кожного з них вимагає спеціального підходу. Це особливо важливо при аналізі водорозчинних вітамінів у різних формах, оскільки неточне дозування вітамінів у лікарській формі може привести до значного зниження терапевтичного ефекту при лікуванні хворого.
У наш час все частіше для аналізу вітамінних фармпрепаратів застосовуються фізико-хімічні методи аналізу. У фармакопею ввійшли такі методи, як спектрофотометрія в ультрафіолетовій області, рефрактометрія, хроматографія на папері і в тонкому шарі адсорбенту, газова і газорідинна хроматографія. Проте ці методи в ряді випадків є багатостадійними і довготривалими та вимагають застосування малодоступних реактивів і дорогої апаратури. Поряд з цим ведеться розробка електрохімічних методів аналізу водорозчинних вітамінів, як таких, що дозволяють підвищити експресність і точність аналізу в порівнянні з вище зазначеними та хімічними методами. Електрохімічні методи аналізу більшою мірою, ніж інші способи хімічного дослідження, потребують застосування квантових уявлень і апарату квантової механіки для розробки як теоретичних основ, так і прикладних аспектів аналізу. Результати квантовохімічних розрахунків можуть бути використані для знаходження макроскопічних властивостей: потенціалів півхвиль електрохімічного окиснення або відновлення, рівноважних концентрацій, характеристик адсорбції тощо. На цій основі можна розглядати і кінетику електрохімічних процесів.
Актуальність роботи полягає у тому, що в ній здійснена спроба підійти до розробки методик аналітичного визначення водорозчинних вітамінів групи В на основі попереднього квантовохімічного детермінування певних параметрів проведення їх електрохімічного визначення.
Досягнення високих метрологічних характеристик при аналізі вітамінів неможливе без впровадження нових електродних матеріалів. Застосування методу інверсійної вольтамперометрії як з використанням традиційних електродних матеріалів, а тим більше на хімічно модифікованих електродах, до дослідження та аналізу вітамінних препаратів нами в літературі не виявлено. Тому дослідження кінетики електродних процесів на ртутьскловуглецевому та платиноскловуглецевому електродах у розчинах вітамінів групи В та підтвердження узгодженості між результатами вольтамперометричних досліджень та квантовохімічних розрахунків є основою для розробки більш досконалих методик кількісного визначення вітамінів. Розв’язання цього актуального завдання має як наукове, так і практичне значення.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами
Дисертаційна робота виконана у відповідності з Координаційними планами НДР кафедри загальної та неорганічної хімії хімічного факультету Черкаського державного університету імені Богдана Хмельницького “Вольтамперометричні дослідження та квантово-механічні розрахунки електронної будови деяких водорозчинних вітамінів групи В”.
Мета і задачі дослідження –розробка методик вольтамперометричного визначення вітамінів групи В на хімічно модифікованих скловуглецевих електродах.
Об’єкт дослідження –тіамін гідрохлорид, нікотинова кислота, нікотинамід, піридоксин гідрохлорид.
Предмет дослідження:
– проведення розрахунку електронної будови і геометрії молекул тіамін гідрохлориду, піридоксин гідрохлориду, нікотинової кислоти, нікотинаміду;
– розробка нових електродів-сенсорів на основі хімічно модифікованого скловуглецевого електрода (ХМЕ);
– дослідження електрохімічної поведінки водорозчинних вітамінів, установлення кінетичних особливостей процесів, що мають місце на скловуглецевому та на ХМЕ;
– встановлення відповідності між характеристиками, що отримуються в результаті квантовохімічних розрахунків та даними довідникової літератури, а також параметрами, що одержуються в ході електроокиснення та відновлення досліджувальних об’єктів;
– і нарешті, на основі одержаних результатів розробка методик кількісного визначення вітамінів електрохімічними методами з використанням скловуглецевого електрода та ХМЕ.
Методи дослідження –для розв’язування поставлених задач було використано методи диференційної полярографії, циклічної та інверсійної вольтамперометрії.
Наукова новизна одержаних результатів. Вперше на основі напів-емпіричного методу молекулярних орбіталей самоузгодженого поля (МО СУП) в наближенні РМ 3 при повній оптимізації геометрії з врахуванням конфігураційної взаємодії (КВ) проведено розрахунок електронної будови тіамін гідрохлориду, піридоксин гідрохлориду, нікотинової кислоти, нікотинаміду.
Результати розрахунків використано для передбачення електродного поводження деполяризаторів та розробки методик їх аналітичного визначення.
Розроблено методику виготовлення хімічно модифікованих електродів на основі скловуглецевого електроду. Показано, що модифіковані ртуттю та платиною скловуглецеві електроди є більш чутливими, специфічними, в порівнянні з скловуглецевим електродом, причому методика виготовлення ХМЕ є простою і експресною. Розроблені електроди використано для дослідження вітамінів групи В методами циклічної та інверсійної вольтамперометрії; на основі цих досліджень розроблено методики кількісного визначення.
Практичне значення одержаних результатів. Доведена перспек-тивність попереднього проведення квантовохімічних розрахунків з метою передбачення поведінки і встановлення механізму протікання електродного процесу в водних розчинах вітамінів.
Розроблено методики визначення:
тіамін гідрохлориду (методом катодної диференційної полярографії; циклічної вольтамперометрії на скловуглецевому електроді та інверсійної анодної вольтамперометрії на ХМЕ);
нікотинової кислоти (методом катодної диференційної полярографії, циклічної вольтамперометрії на скловуглецевому електроді, модифікованому ртуттю та інверсійної анодної вольтамперометрії на скловуглецевому електроді, модифікованому платиною);
нікотинаміду (методом інверсійної катодної вольтамперометрії на скло- вуглецевому електроді, модифікованому ртуттю);
піридоксин гідрохлориду (методом циклічної вольтамперометрії та інверсійної анодної вольтамперометрії на скловуглецевому електроді, модифікованому ртуттю).
Особистий внесок здобувача. Постановка задачі досліджень виконувалась за участю дисертанта. Аналіз літературних даних, експериментальні електрохімічні дослідження та обговорення результатів проведені здобувачем самостійно згідно з рекомендаціями наукового керівника. Квантовохімічні розрахунки об’єктів у рамках методу СУП у наближенні РМ 3 з врахуванням КВ та обробка результатів комп’ютерного розрахунку проводились спільно з професором Мінаєвим Б.П. (Черкаський інженерно-технологічний інститут) та доцентом Мінаєвою В.О. (Черкаський державний університет).
Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи були представлені як секційні доповіді на Всеукраїнській науково-технічній конференції “Безвідходна технологія, комплексне використання сировини –шляхи підвищення ефективності виробництва в умовах ринку”(Мелітополь, 1996); Міжнародній конференції “Екологія і освіта: Питання теорії та практики”(Черкаси, 1998); ІІ Всеросійський конференції молодих вчених “Сучасні проблеми теоретичної і експериментальної хімії”(Саратов, 1998); Шостій Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми та перспективи створення і впровадження нових ресурсо- та енергоощадних технологій, обладнання в галузях харчової і переробної промисловості”(Київ, 1999); Першій Міжнародній науковій конференції “Раціональне використання природних ресурсів. Проблеми екології, енергозбереження, економіки, освіти та інформації в умовах ринкових відносин” (Черкаси, 2001).
Публікації. За темою дисертації опубліковано 14 робіт, серед яких 9 статей та 5 тез доповідей.
Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, 5 розділів та загальних висновків. Список використаних джерел включає 128 найменувань. Загальний об’єм дисертації складає 140 сторінок, з врахуванням 42 рисунків, 28 таблиць і 9 схем.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обговорено актуальність теми, визначено мету дисертації, викладено наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів.
Перший розділ включає літературні дані про будову, біологічні функції та методи визначення вітамінів групи В, а саме: тіамін гідрохлориду, нікотинової кислоти, нікотинаміду та піридоксин гідрохлориду. Зазначено, що для визначення водорозчинних вітамінів широко використовуються електрохімічні, оптичні та хроматографічні методи. Вивчення публікацій стосовно аналізу вказаних вітамінів за останні десять років свідчать, що найбільш придатними є методи високоефективної рідинної хроматографії, полярографії, спектрофотометрії та титриметричного аналізу. Проте, не зважаючи на достатньо високу чутливість, відтворюваність і вибірковість вказаних методів, ряд технічних труднощів, що пов’язані з використанням цих методів, примушують вести інтенсивні розробки методів електрохімічного визначення вітамінів, як більш доступних для застосування в клінічній та фармакопейній практиці. Особливий інтерес дослідників привернутий до розробки нових електродів-сенсорів, зокрема на основі скловуглецю.
У другому розділі описана методика виконання квантовохімічних розрахунків та експериментальних електрохімічних досліджень. Розрахунки геометричної структури, розподілу електронної густини, визначення енергетичних характеристик досліджуваних об’єктів проводились напівемпіричним методом самоузгодженого поля (СУП) МО ЛКАО Хартрі–Фока в наближенні РМ 3 з врахуванням КВ для багаточастинних збуджень при повній оптимізації геометрії, що міститься в пакеті комп’ютерних програм МОРАС.
Електрохімічні дослідження виконували полярографічним методом, методом циклічної та інверсійної вольтамперометрії. Полярографічні дослідження проводили на полярографі ПУ-1 у класичному і диференційному режимах; індикаторним електродом слугував ртутний краплинний електрод. Вольтамперометричні дослідження виконували на потенціостаті ПИ––.1 з програматором ПР-8 у трьохелектродній ячейці з хлоридсрібним електродом порівняння і платиновим платинованим допоміжним електродом. У ролі індикаторних електродів використовували скловуглецевий електрод марки СВ–2000 та хімічно модифіковані скловуглецеві електроди. Наведені методики модифікування скловуглецевого електроду та охарактеризовано реактиви, що використовувались у роботі.
Третій розділ присвячений представленню результатів квантовохімічних розрахунків. Встановлено геометричну та електронну структури, розраховано ряд енергетичних характеристик тіаміну СНNОS(+). У молекулі тіаміну ВЗМО з Е=–.57 еВ є квазі -орбіталлю і локалізована на тіазолієвому кільці. Повна енергія системи складає –.71 еВ, що відповідає розрахованій стандартній теплоті утворення Нf, яка рівна 670,09 кДж/моль. Розподіл електронної -густини в молекулі тіаміну представлено на рис.1.
На атомах Ni S виникають значні надлишкові позитивні -заряди, що забезпечують легке протікання відновних процесів. З іншого боку в піримідиновій частині молекули на атомах N, N, C виникають значні негативні заряди, що обумовлюють легкість протікання процесів окиснення. Процес відновлення має місце в тіазолієвому кільці, процес окиснення стосується піримідинової частини молекули.
Виконуючи розрахунок геометричної та електронної структур модифікованого тіаміну замінили гідроксиетильну групу на атоми Гідрогену. Квантовохімічний розрахунок системи тіамін-хлорид-іон показав, що в даній системі виникає не координація четвертинного Нітрогену з хлорид-іоном, типова для амонійних солей, а утворюється досить незвичний і міцний міжмолекулярний зв’язок по типу водневого, проте цілком іншого характеру.
Квантовохімічним методом розраховано енергію молекули нікотинової кислоти, що складає –.92 еВ, теплоту утворення Нf=295.06 кДж/моль, енергію ВЗМО, що визначає потенціал йонізації молекули (з протилежним знаком) і становить Е=–.49 еВ та енергію НВМО, що ототожнюється зі спорідненням до електрону (–А) і становить Е=–.87 еВ. Розподіл електронної -густини в молекулі нікотинової кислоти представлено на рис. 2.
Рис. 1. Розподіл електронної густини в молекулі тіаміну
Рис. 2. Розподіл -електронної густини в молекулі нікотинової кислоти
Підтвердженням -дефіцитності гетероциклу є наявність -заряду на атомі Нітрогену N та порівняно значний сумарний позитивний -заряд, що зосереджується на атомах Карбону кільця після відтягування частини -електронної густини на гетероатом. Атом Нітрогену N, володіючи значною електроакцепторністю, знижує енергію всіх МО, включаючи НВМО. Це приводить до збільшення у нікотинової кислоти споріднення до електрону, а, отже, обумовлює легкість протікання відновних процесів. Наявність значного позитивного -заряду (0.277) на атомі Карбону С, вказує на те, що атом є локально -дефіцитним, а, отже, потенційно здатним до приєднання електронів. Можливе також протікання і окисного процесу по даній функціональній групі за рахунок наявності значного негативного -заряду на атомі Оксигену О.
У молекулі нікотинаміду ВЗМО буде 23 з Е=–.96 еВ, а НВМО – з Е=–.72 еВ. Повна енергія системи становить – 1421.278 еВ, а розрахована теплота утворення Нf=–.979 кДж/моль. Для передбачення електродного поводження нікотинаміду важливим критерієм є величина ЕНВМО=–.72 еВ, що суттєво перевищує такий же параметр для нікотинової кислоти (ЕНВМО=–,87 еВ). Це означає, що споріднення до електрону у нікотинаміду менше в порівнянні з нікотиновою кислотою, а, отже, процес відновлення відбуватиметься з більшою перенапругою, потенціал буде лежати в більш негативній області.
Рис. 3. Розподіл -електронної густини в молекулі нікотинаміду
Як показують розрахунки методом СУП Хартрі–Фока в наближенні РМ 3 з урахуванням КВ на відміну від молекул нікотинової кислоти, нікотинаміду гетероцикл піридоксолу (рис. 4) має досить низький залишковий сумарний -заряд (–.046). До певної міри атом Оксигену О є носієм властивостей -дефіцитної структури, зосереджуючи на собі позитивний -заряд величиною 0.104.
Значення негативного -заряду на атомі Нітрогену N теж є не типово малим (–.073). При такому розподілі електронної густини сподіватись на активну -акцепторну поведінку важко, очікувати зниження енергії НВМО теж немає підстав, і дійсно ЕНВМО=–.45 еВ, найбільша в ряду досліджуваних сполук. Наявність високо розміщеної ВЗМО (ЕВЗМО=–.64 еВ) обумовлює -надлишковість сполуки. Слід очікувати порівняно легкого протікання процесу електроокиснення.
Рис. 4. Розподіл -електронної густини в молекулі піридоксолу
У четвертому розділі представлено результати вольтамперометричного дослідження вітамінів та методики їх визначення, розроблені на їх основі. Полярограми тіамін гідрохлориду, одержані на фоні універсального буферного розчину, підтверджують результати квантовохімічного розрахунку молекули щодо участі одного електрону в необоротному процесі відновлення вітаміну B Розроблено методику катодного диференційного полярографічного визначення тіамін гідрохлориду на фоні універсального буферного розчину рН 7.42 в інтервалі концентрацій 1.0·10––.0·10–моль/л. Цикловольтамперограми (ЦВА) тіамін гідрохлориду, отримані на скловуглецевому електроді в інтервалі потенціалів +0.2 –.8 В, мали чітко виражений анодний пік при потенціалі –.12 В, висота якого лінійно залежала від концентрації деполяризатора. На основі цього розроблено методику ЦВА визначення тіамін гідрохлориду на СВ-електроді. Для вивчення характеристик процесів розряду-іонізації в розчинах вітаміну В на СВ-електроді реєстрували їх циклічні вольтамперограми при різних швидкостях розгортки потенціалу V (5, 10, 20, 50, 100 мВ/с). Встановлено, що при збільшенні V анодні піки тіаміну зміщуються до менш негативних значень, залежність En–lgV має лінійний характер. Присутність в електроліті інших деполяризаторів, зокрема піридоксин гідрохлориду, нікотинової кислоти та нікотинаміду спотворювала вигляд ЦВА. Лише використовуючи в ролі індикаторного електроду СВ-електрод, модифікований ртуттю, вдалось отримати цикловольтамперометричні криві розчинів зазначених вітамінів, що мають розмежовані піки, проте аналітичний сигнал (АС), достатній для кількісного визначення тіаміну, вдалось отримати лише за умови, коли молярне співвідношення тіамін гідрохлориду і доданих вітамінів не перевищувало 1 : 0.1.
Для визначення малих кількостей (1.0·10––.0·10– моль/л) вітаміну В скористались методом інверсійної вольтамперометрії на СВ-електродах, модифікованих платиною та ртуттю. Отримати результат, що не містить систематичної помилки, вдалось лише використовуючи ІВА методику визначення тіамін гідрохлориду на СВ-електроді, модифікованому платиною (рис. 5).
Для підтвердження результатів квантовохімічного розрахунку та встановлення кінетичних параметрів електродного процесу в розчинах
нікотинової кислоти проведено їх полярографічне дослідження.
Рис. 5. Інверсійні І–Е–криві окиснення тіаміну на платиноскловуглецевому електроді в фон 1 М KCl, Енак.=–.60В; Ерег.=0.2В; tнак=30с; tрег.=20с; с10моль/л: 1.0 (1); 2.5 (2); 5.0 (3); 7.5 (4); 10.0 (5).
На форму полярографічних кривих останньої суттєвий вплив має природа фонового електроліту: зміни зазнає не лише величина Е/2 та висота піка, а змінюється також кут нахилу полярограм. Користуючись методом Штакельберга та провівши логарифмічний аналіз полярограм, встановили оборотність процесу та підтвердили участь у ньому двох електронів. Для розробки методик кількісного визначення нікотинової кислоти в розчині скористались методом катодної диференційної полярографії. Рівняння кривої калібрувального графіка, виведеного методом найменших квадратів, має вигляд: у=0.20+1449.16х (рис. 6).
Рис. 6. Диференційні катодні полярограми та калібрувальний графік для
визначення нікотинової кислоти на фоні 1 М KCl при 25С; Vрозг.=10 мВ/с
Методика придатна для приведення визначень у межах концентрацій деполяризатора від 1.0·10– до 1.0·10– моль/л.
ЦВА нікотинової кислоти, отримані на СВ-електроді мають чітко виражені піки відновлення та окиснення рівні –.88 та –.82 В відповідно. Близькі значення потенціалів вказують, як це і передбачалось квантово- хімічними розрахунками, на оборотність процесу, їх близькість до потенціалів розряду фону не дає можливості використати криві з аналітичною метою. Потенціали піків процесів відновлення та окиснення нікотинової кислоти на СВ-електроді, модифікованому ртуттю, дещо зміщені в катодну область в порівнянні з СВ-електродом і становлять –.96 та –.93 В відповідно, незначний інтервал між ними зберігається (рис. 7).
Рис. 7. Циклічна вольтамперограма 7.510– моль/л нікотинової кислоти на ртуть-скловуглецевому електроді на фоні 1 М KCl при 25С; V=50м В/с
Оскільки розряд фонового електроліту на такому електроді спостерігається при –.5В і нижче, то одержані ЦВА цілком придатні для аналітичних обрахунків. Установили лінійний характер залежності висоти анодних піків зазначених кривих від швидкості розгортки потенціалу в степені 1/2, визначили значення тангенса кута нахилу прямих lgIa–lgV. Він рівний 0.30. Прямолінійна залежність I-c дає можливість кількісно визначити нікотинову кислоту в інтервалі концентрацій від 5.0·10– до 7.5·10– моль/л. Рівняння кривої, виведене методом найменших квадратів, має вигляд : у=9.50+13674.30х
Для розробки більш чутливих методик визначення нікотинової кислоти скористались методом анодної інверсійної вольтамперометрії. Інверсійні вольтамперограми на ртутьскловуглецевому електроді мали величини піків струмів дещо вищі в порівнянні з кривими отриманими на платино-скловуглецевому електроді. Проте для розробки методик визначення нікотинової кислоти в межах 1.0·10––.0·10– моль/л виявився більш придатним електрод, модифікований платиною. Оскільки піки мали чітку, ідентичну форму при зміні концентрації деполяризатора в зазначених межах, а також не спотворювались будь-якими адсорбційними процесами, на відміну від ЦВА, отриманих на СВ-електроді, модифікованому ртуттю. Потенціал піка на анодних інверсійних вольтамперограмах (рис. 8) має значення Еп=–.10 В. Рівняння кривої калібрувального графіка встановлене методом найменших квадратів має вигляд: у=0.31+0.34343·10х.
Рис. 8. Інверсійні анодні криві нікотинової кислоти на платиноскловуглецевому електроді на фоні амоніачного буферного розчину рН 8.64 ; Енак.=–.3 В, tнак=30 с, Vроз=50 мВ/с з різною концентрацією деполяризатора
Квантовохімічні розрахунки молекули нікотинаміду вказують на зростання енергії НВМО до –,72 еВ, що значно перевищує такий же параметр для нікотинової кислоти (ЕНВМО=–.87 еВ). А отже, споріднення до електрону у нікотинаміду менше в порівнянні з нікотиновою кислотою, процес відновлення протікатиме з більшою перенапругою, діапазон потенціалів, при яких слід проводити дослідження, повинен лежати в більш негативній області.
Отримати ЦВА нікотинаміду на СВ- та платиноскловуглецевому електродах не вдалось, оскільки робочий діапазон цих електродів знаходиться в значно позитивнішій області потенціалів. АС, що відповідає нікотинаміду на СВ-електроді модифікованому ртуттю отримали на фоні 0.1 М розчину натрій гідроксиду, проте кількісній обробці одержані за таких умов ЦВА не піддавалась. Це обумовлено, швидше всього, близькістю потенціалів окиснення–відновлення нікотинаміду до потенціалів розряду фонового електроліту.
Використання методу катодної інверсійної ВА дозволило поліпшити вигляд кривої, так як потенціал окиснення (Еок=–.35 В) більш віддалений від потенціалів розряду фону, ніж потенціал відновлення (Евідн=–.54 В). Затримавши анодну розгортку потенціалу при Еок. впродовж 30 с при зворотному ході ВА були отримані катодні криві (рис. 9), на основі яких розроблено методику ІВА визначення нікотинаміду. Рівняння кривої калібрувального графіка, розраховане методом найменших квадратів, має вигляд: у=1.03+26264.2х. Нижня межа концентрацій, що визначається становить 1.0·10– моль/л.
Рис. 9. Інверсійні катодні криві нікотинаміду на ртутьскловуглецевому електроді на фоні 0.1 М NaOH, Енак.=–.35 В, tнак=30 с, Vроз=50 мВ/с з різною концентрацією деполяризатора
З метою розробки селективної методики визначення нікотинаміду в присутності нікотинової кислоти були зняті інверсійні катодні вольтамперограми суміші цих двох речовин. Отримати чіткий АС нікотинаміду вдалось лише використовуючи в ролі фону універсальний буферний розчин рН 11.20. Можливо, лужний фон у даному разі виконує нейтралізуючу функцію, а утворена сіль нікотинової кислоти електрохімічну активність за даних умов не проявляє. Кількісне визначення нікотинаміду в присутності нікотинової кислоти можливе при молярному співвідношенні компонентів в межах 1 : 1.5 відповідно, за умов двократного надлишку нікотинової кислоти вольтамперограма втрачає свої аналітичні якості.
Квантовохімічні розрахунки методом МО СУП Хартрі–Фока в наближенні РМ 3 з урахуванням КВ вказують на те, що в ряді досліджуваних сполук піридоксин має найбільше значення ЕВЗМО і ЕНВМО (–.64 еВ та –.45 еВ відповідно). Це вказує на зменшення енергії йонізації та споріднення до електрону, а отже, на порівняно легке протікання окисних процесів та складність відновних. Тому в основу розробки методик електроаналітичного визначення піридоксин гідрохлориду було покладено дослідження процесів електроокиснення. Результати полярографічного дослідження піридоксин гідрохлориду, в першу чергу, становлять інтерес для визначення кінетичних параметрів процесу. Зокрема, в такий спосіб підтверджено результати квантовохімічного розрахунку стосовно оборотності процесу та участі в ньому двох електронів.
Дослідили вплив таких факторів як рН розчинів, концентрація деполяризатора та швидкість накладання потенціалу на вигляд ЦВА вітаміну В на СВ-електроді. Піки анодного струму при зростанні величини рН дещо зміщені в сторону більш негативних значень потенціалів (). Дослідження проводили в лужному середовищі (рН=9.14) як такому, що дає найбільш інформативні криві.
Дослідження розчину 5.0·10– моль/л піридоксин гідрохлориду показали, що при збільшенні V від 5 мВ/с до 100 мВ/с потенціал точок перегину кривих, що відповідають максимальній силі струму плавно зміщується в сторону менш негативних значень. Залежність Eп від lgV лінійна. У разі V=50 мВ/с потенціал піка Еп=–.30 В. Спостерігається також зростання висоти піка при збільшенні швидкості розгортки потенціалу.
На рис. 10 представлено циклічні вольтамперограми піридоксин гідрохлориду, отримані на ртутьскловуглецевому електроді. Відмінною особливістю останніх є наявність двох піків, перший з яких має дифузійну природу, тоді як виникнення другого, швидше всього, обумовлене адсорбційними процесами в розчині на поверхні ртутьскловуглецевого електроду.
Рис. 10. ЦВА-грами піридоксину на ртутьскловуглецевому електроді в універсальному буферному розчині рН 9.14; Vрозг=50мВ/с з концентрацією деполяризатора с10 моль/л: 1.0(1); 2.5(2); 5.0(3); 7.5(4); 10(5)
Висоти перших піків (Еа=–.38 В) анодного струму лінійно залежать від концентрації вітаміну B в межах від 1.0·10– до 1.0·10– моль/л. На основі залежності розроблена методика ЦВА визначення піридоксин гідрохлориду. Рівняння калібрувальної прямої, виведене методом найменших квадратів, має вигляд: у=5.74+10548х.
В основу експресної високочутливої методики визначення піридоксин гідрохлориду покладено анодну інверсійну вольтамперометрію на ртутьскловуглецевому електроді.
Здійснювали катодну поляризацію електроду в інтервалі –.5 –.5 В з затримкою розгортки потенціалу при Е=–.2 В впродовж 30 с. При зворотній розгортці потенціалу при Е=–.38 В отримували чіткі анодні піки, висота яких лінійно залежала від концентрації деполяризатора (рис. 11). Розроблено методику ІВА визначення піридоксин гідрохлориду на ртутьскловуглецевому електроді. Нижня межа концентрацій, що визначаються становить 1.0·10– моль/л. Рівняння калібрувального графіка, виведене методом найменших квадратів, має вигляд: у=2.91+0.4101·10х (рис. 11).
Рис. 11. Інверсійні анодні криві піридоксин гідрохлориду на ртутьскловуглецевому електроді на фоні універсального буферного розчину рН 9.14; Енак.=–.2 В; tнак=30 с; Vрозг.=50 мВ/с з різною концентрацією деполяризатора
Кількісне визначення піридоксин гідрохлориду за зазначеною методикою можливе в присутності вітаміну В при молярному співвідношенні компонентів в межах 1:1, а також за умов півторакратного молярного надлишку нікотинової кислоти. Умови визначення піридоксин гідрохлориду в присутності нікотинаміду встановити не вдалось. Правильність результатів аналізів за розробленими методиками визначали методом уведено–знайдено (табл. 1).
П’ятий розділ присвячено адаптації розроблених методик визначення вітамінів групи В до аналізу лікувальних форм, що реалізується в аптечній мережі України. Визначення фармпрепаратів проводили використовуючи в ролі фонового електроліту розчини, рН яких був більшим 7. Це забезпечувало нейтралізацію кислот у полівітамінній суміші. Жиророзчинні вітаміни відокремлювали із суспензії фільтруванням через паперовий фільтр. Для зв’язування мікроелементів, що також є електрохімічно активними, водну витяжку пропускали через йонообмінну колонку, наповнену катіонітом КУ-2. Перевірка правильності результатів, яка проведена методом уведено–знайдено, вказує на відсутність систематичної помилки при аналізі переважної більшості фармпрепаратів.
ВИСНОВКИ
1. На основі квантовохімічних розрахунків молекул тіамін гідрохлориду, нікотинової кислоти, нікотинаміду, піридоксин гідрохлориду обґрунтовано умови проведення вольтамперометричного визначення цих речовин, а саме: область потенціалів окиснення–відновлення, оборотність–необоротність процесів, кількість електронів, що бере участь в електродній реакції.
2. Логарифмічний аналіз полярограм тіаміну підтверджує необоротність окисно-відновного процесу та вказує на те, що процес є одноелектронним. На основі теоретичних розрахунків та проведених вольтамперометричних досліджень розроблено методики визначення тіамін гідрохлориду методом катодної диференційної полярографії, циклічної вольтамперометрії на скловуглецевому електроді (СВ–) та анодної інверсійної вольтамперометрії на ртутьскловуглецевому та платиноскловуглецевому електродах.
. Розроблено методики визначення нікотинової кислоти методом циклічної вольтамперометрії на ртутьскловуглецевому електроді (в інтервалі концентрацій 5·10–7.5·10– моль/л) та інверсійної вольтамперометрії на платиноскло-вуглецевому електроді (нижня межа виявлення 1·10– моль/л). Досліджено залежність протікання електродних процесів у розчинах нікотинової кислоти від
швидкості накладання потенціалу, природи електроліту та матеріалу електроду, встановлено, що процес є двоелектронним, оборотним.
4. На основі проведених вольтамперометричних досліджень розроблено методики катодного інверсійного вольтамперометричного визначення на ртутьскло-вуглецевому електроді нікотинаміду в індивідуальному розчині та в присутності нікотинової кислоти. Нижня межа виявлення вітаміну 1·10– моль/л.
. В основу розробки методик кількісного визначення піридоксин гідрохлориду вольтамперометричними методами покладено анодні процеси. Логарифмічний аналіз анодних полярограм вказує на те, що процес є двоелектронним, оборотним. Розроблено методики визначення піридоксин гідрохлориду методом циклічної та інверсійної вольтамперометрії. Нижня межа виявлення вітаміну відповідно становить 1·10– та 1·10– моль/л.
6. Розроблені методики вольтамперометричного визначення тіамін гідрохлориду, нікотинової кислоти, нікотинаміду, піридоксин гідрохлориду не поступаються відомим за вибірковістю, чутливістю та відтворюваністю результатів, а за доступністю обладнання і реагентів, зручністю перевершують існуючі.
7. Розроблені методики вольтамперометричного визначення вітамінів групи В адап-товані до аналізу лікувальних форм, а саме: “Ревіту”, “Multitabs”, “Ундевіту”, “Супрадину”, “Юнікап” та “Олиговит”. З метою усунення кислот визначення про-водились на фоні лужних електролітів, видалення жиророзчинних вітамінів здійснювались шляхом фільтрування суспензії, мікроелементи зв’язували йонообмінним методом.
Основні положення і результати дисертації
відображено в таких публікаціях автора
1. Минаев Б.Ф., Минаева В.А., Лыженкова И.И., Бойко В.И. Квантовохимический подход к механизму биохимического действия никотинамида // Теоретическая и
экспериментальная химия. – 1999. –Т. 35. – №5. – С. 277-283.
2. Бойко В.І. Вольтамперометричне дослідження деяких вітамінів групи В // Вісник Київського університету. Сер. хім. – 1999. – Т.36. – С. 11-15.
. Бойко В.І. Інверсійно-вольтамперометричне визначення деяких вітамінів групи В // Вісник Київського університету. Сер. хім. – 2001. – Т. 37. – С. 37-40.
. Белый О.В., Бойко В.И. Импеданс процесса на поверхности стеклоуглеродного электрода в водных растворах рибофлавина. –Черкассы, 1996. –С. 10. –Деп. в НИИТЭХИМе 24.04.96 №31–ХП 96.
. Бойко В.І. Вольтамперометричні дослідження в розчинах вітаміну В на скло- вуглецевому електроді // Фармацевтичний журнал. – 1997. – № 3. – С. 40-44.
. Бойко В.И. Вольтамперометричні дослідження в розчинах вітамінів В і В на скловуглецевому електроді // Всеукраїнська науково-технічна конференція “Безвідходна технологія, комплексне використання сировини – шляхи підвищення ефективності виробництва в умовах ринку”. – Мелітополь. –. – С. 33-35.
. Бойко В.І. Вольтамперометричні дослідження розчинів солей пангамової та пантотенової кислот на скловуглецевому електроді //Вісник Черкаського університету. Сер. природничі науки. –. –№ 1. –С. 133-140.
. Минаев Б.Ф., Минаева В.А., Лыженкова И.И., Бойко В.И. Теоретическое исследование строения никотиновой кислоты // Вісник Черкаського університету. Сер. природничі науки. –. –№5. –С. 63–.
. Лыженкова И.И., Минаев Б.Ф., Бойко В.И., Минаева В.А. Связь между молекулярной структурой никотинамида и его физиологическим действием // Екологія і освіта: питання теорії та практики: Тез. доп. Четвертої Міжнародн. конф. –Черкаси. –. –С. 194–.
10. Лыженкова И.И., Минаев Б.Ф., Минаева В.А., Бойко В.И. Теоретическое исследование строения пиридоксола // Вестник Черкасского инженерно-технологического института. – 1999. –№ 1. – С. 123-128.
Минаев Б.Ф., Минаева В.А., Лыженкова И.И., Бойко В.И. Квантовохимический подход к механизму биохимического действия витаминов // Современные проблемы теорет. и эксперим.химии: Тез.докл.Второй Всероссийской конфер. молодых ученых. –Саратов, –. –С. 218.
. Минаев Б.Ф., Минаева В.А., Лыженкова И.И., Бойко В.И. Поляризация связей в тиамине и его комплексе с хлорид-ионом // Вестник Черкасского инженерно-технологического института. –. –№ 2. – С. 115-122.
. Мінаєв Б.П., Лиженкова І.І., Мінаєва В.О., Бойко В.І. Теоретичні дослідження будови молекули тіаміну // Шоста науково-технічна конференція “Проблеми та перспективи створення і впровадження нових ресурсо- та енергоощадних технологій, обладнання в галузях харчової і переробної промисловості”. –Київ. –. – С. 101.
. Бойко В.І., Бочарнікова В.М., Ситник А.Д.. Вольтамперометричне визначення катіонів важких металів у природних об’єктах з використанням вугільнопастових електродів // І Міжнародна наукова конференція “Раціональне використання природних ресурсів. Проблеми екології, енергозбереження, економіки, освіти і інформації в умовах ринкових відносин”. – Черкаси. – 2001. – С. 5.
Бойко В.І. Вольтамперометричне визначення вітамінів групи В на хімічно модифікованих скловуглецевих електродах. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук за спеціальністю 02.00.02 –аналітична хімія. – Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2001.
Дисертація присвячена розробці методик вольтамперометричного визначення вітамінів групи В, а саме: тіамін гідрохлориду, нікотинової кислоти, нікотинаміду та піридоксин гідрохлориду. Вольтамперометричні дослідження проводились методом полярографії, циклічної та інверсійної вольтамперометрії на скловуглецевому електроді (СВ-2000) та СВ-електродах, модифікованих платиною і ртуттю.
Розроблені методики вольтамперометричного визначення вітамінів групи В адаптовані до аналізу лікувальних форм, що реалізується в аптечній мережі України. Специфічність аналізів забезпечується підбором фонового електроліту та зв’язуванням мікроелементів йонообмінним методом.
Здійснена спроба використати результати квантовохімічного розрахунку досліджуваних об’єктів, що виконувався методом СУП МО Хартрі–Фока в наближенні РМ 3 з врахуванням КВ, для визначення параметрів вольтамперометричного процесу, що забезпечує науково обґрунтований підхід до розробки методик.
Ключові слова: вітаміни групи В, вольтамперометрія, квантовохімічний розрахунок, скловуглець, модифіковані електроди.
Boyko V.I. Voltamperometric definition of group B vitamins on chemically modified glass carbonic electrodes. –Manuscript.
Thesis for a candidate’s degree by specialty 02.00.02 –analytical chemistry. –Kiev Тaras Shevchenko National University, Kiev, 2001.
The thesis is dedicated to methods development of voltampermetric definition of group B vitamins, namely: tiaminhydrocloride, niacinum, nicotinamidium and hydrochloride pyridoxine. Voltampermetric research was carried out by polarographic method, cyclic and inversion voltamperometry on a glasscarbon electrode (GС-2000) and GC-electrodes modified with platinum and mercury.
Methods of voltampermetric definition of group B vitamins modified as to the analysis of medicine forms distributed though the chemists’net of Ukraine were developed. Authentity of analysis is provided by the choice of background electrolith and by connecting microelements with ion exchange methods.
An attempt was made to use the results of quantum-chemical calculation of researched objects, which was carried out by a method Hartree-Fock in approximation РМЗ with the consideration of CI to define the process parameters, which provide for the scientifically proved approach to the methods development.
Key words: vitamins of group B, voltampermetric, quantum-chemical calculation, glasscarbon, modified electrodes.
Бойко В.И. Вольтамперометрическое определения витаминов группы В на химически модифицированных стеклоуглеродных электродах. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук по специальности 02.00.02 – аналитическая химия. –Киевский национальный университет имени Тараса Шевченка, Киев, 2001.
Дисертация посвящена разработке методик вольтамперометрического определения витаминов группы В, а именно: тиамин гидрохлорида, никотиновой кислоты, никотинамида, пиридоксин гидрохлорида.
На основании квантовохимических расчетов, проведенных методом самосогласованного поля МО Хартри–Фока в приближении РМ 3 с учетом конфигурационного взаимодействия установлены геометрические и электронные структуры, определены энергии молекулярных орбиталей, полные энергии систем, стандартные теплоты образования для указанных витаминов. Используя концепцию -избыточности и -дефицитности, сделано предположение о потенциальных окислительно-востановительных возможностях витаминов. Значения энергий ВЗМО и НВМО конкретизируют параметры вольтамперометрических процессов.
Электрохимические исследования выполнены полярографическим методом, методом циклической и инверсионной вольтамперометрии. Полярографические исследования проводились на полярографе ПУ-1 в классическом и дифференциальном режимах, в качестве индикаторного использовался ртутный капельный электрод. Вольтамперометрические исследования выполнялись на потенциостате ПИ––.1 с программатором ПР–в трехэлектродной ячейке. В качестве индикаторных электродов использовались стеклоуглеродный электрод марки СУ–и химически модифицированные стеклоуглеродыные электроды. Платина и ртуть, нанесенные на электрод электровосстановительным путем, использовались как модификаторы.
В результате проведенных электрохимических исследований установлены кинетические параметры процесса, а именно: число электронов, принимающих участие в реакции, обратимость процесса, потенциалы окисления–восстановления деполяризаторов. На основании проведенных исследований разработаны методики определения витаминов методами катодной дифференциальной полярографии, циклической и инверсионной вольтамперометрии на стеклоуглеродном электроде (СУ-2000) и СУ-электродах, модифицированных платиной и ртутью.
Разработанные методики вольтамперометрического определения витаминов группы В адаптированы к анализу лечебных форм, реализуемых в аптечной сети Украины.
Специфичность анализов обеспечивается подбором фонового электролита и связыванием микроэлементов ионообменным методом.
Достоверность методик определена методом введено–найдено. Предложенные методики не уступают известным по избирательности, чувствительности и воспроизводимости результатов, а по доступности оборудования и реагентов, удобству более пригодны к использованию в клинической и фармакопейной практике.
Ключевые слова: витамины группы В, вольтамперометрия, квантово-химический расчет, стеклоуглерод, модифицированные электроды.