Х И М И Я СЕЛЕКТИВНЫЕ ЭЛЕКТРОДЫ НА ОРГАНИЧЕСКИЕ ИОНЫ SELECTIVE ELECTRODES

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