100 лет Нобелевской премии по химии «за изобретение метода микроанализа органических веществ» 140 лет с изобретения метода Кьельдаля
Начало количественному анализу органических соединений положили французские химики Жозеф Гей-Люссак и Луи Тенар на рубеже XVIII–XIX веков. Была предложена следующая процедура анализа: сначала навеску анализируемого вещества тщательно смешивали с точно известным избыточным количеством хлората калия; во избежание взрывообразного окисления полученную смесь прессовали в небольшие таблетки, которые затем по отдельности помещали в камеру для разложения. В результате разложения образовывалась газовая смесь, по составу которой можно было установить соотношение углерода и водорода в составе анализируемого вещества. Весь хлорат калия считался полностью разложившимся.
Навеску органического вещества A массой 5.00 г смешали с 20.00г хлората калия, полученную смесь разлагали в камере, заполненной азотом. После окончания реакции образовалась газовая смесь, которая частично поглощается известковой водой, при этом выпадает 18.52 г белого осадка. В оставшуюся непоглощённую газовую смесь внесли раскалённую медную пластину; её масса увеличилась на 1.91 г, после чего в смеси остался только азот.
- По данным анализа определите простейшую формулу A, если в его состав входят только C, H и O. Приведите расчёты.
Метод, разработанный Гей-Люссаком и Тенаром, имел ряд недостатков. Основным было то, что результаты анализа веществ, содержавших значительные количества других элементов помимо C, H и O, отличались низкой точностью.
Если вещество A содержит только C, H и O, то вызывающий выпадение белого осадка из известковой воды газ – это CO2. Его образовалось всего:
Это соответствует количеству углерода n(C), содержавшемуся в навеске. Определим теперь содержание водорода в веществе A. Исходно хлората калия в смеси находилось
Часть его была затрачена на окисление органического соединения состава CxHyOz по уравнению
Другая часть разложилась под действием высоких температур в зоне реакции:
Только во второй реакции образуется газ, который способен реагировать с металлической медью – это кислород. Судя по увеличению массы медной пластины, в смеси находилось 1.91 г кислорода – всего моль O2. Тогда разложившегося по реакции (2) хлората калия было всего 0.0398 моль, откуда можно найти, что в реакцию окисления соединения A вступило 0.1233 моль хлората калия. По уравнению реакции (1) имеем, что и . Отсюда несложно найти, что . Таким образом, A – углевод, а средняя степень окисления атомов углерода в A равна нулю. Полагая формулу A имеющей вид C(H2O)n, через известное количество вещества углерода найдём n:
Заметим, что расчёт исключительно по массе простейшей формулы перебором не является однозначным – так, помимо C6H10O5 можно подобрать C7H9O6, C8H8O7, C10H6O9 и вообще любую формулу, удовлетворяющую соотношению . Важно доказать, что C6H10O5 – единственно верный вариант (т.к. средняя степень окисления углерода равна нулю).
- Почему при анализе подобных веществ по приведённому методу точность результатов значительно снижалась? Предложите уравнение реакции хотя бы одного процесса, который может к этому привести.
Одно дело – анализировать содержание углерода и водорода, и совсем другое – определять содержание азота. Один из таких методов в 1883 году предложил датский химик Йохан Кьельдаль. Согласно этому методу, сначала необходимо кипятить азотсодержащие соединения в серной кислоте в присутствии катализаторов (как правило, используется специально подготовленная смесь селена и сульфатов натрия, ртути (I) и меди(II)) до полного превращения азота в составе исследуемого вещества в сульфат аммония. Полученный раствор переносят в перегонный аппарат, добавляют к нему избыток щёлочи и кипятят; весь выделяющийся при этом аммиак (количество аммиака nNH3 ) поглощают раствором с известным количеством сильной кислоты (концентрация кислоты cH, объём раствора VH), который затем титруют стандартизованным раствором щёлочи (концентрация щёлочи сОН, объём титранта VOH).
Искажение результатов анализа может повлечь наличие в анализируемых соединениях неметаллов в низких степенях окисления, например:
- Используя предложенные выше обозначения, выведите формулу для определения количества азота nN по методу Кьельдаля. Примите основность кислоты за a, а число OH групп на один моль щёлочи– за b. Основа современного метода микроанализа – пиролитического сожжения, в ходе которого пары органических соединений сжигают в токе кислорода – была заложена австрийским химиком Фрицем Преглем, за что в 1923 году он был удостоен Нобелевской премии по химии. Важным преимуществом метода Прегля стала возможность использовать маленькую навеску (порядка миллиграммов), что значительно облегчило анализ природных соединений или продуктов многостадийного синтеза. Схема синтеза канонической -аминокислоты X вместе с данными её анализа методом пиролитического сожжения приведены ниже.
Схема анализа навески вещества D массой 0.286 г по Кьельдалю приведена ниже.
На титрование конечного раствора соляной кислоты с индикатором фенолфталеином затратили 12.5 мл 0.060 М раствора гидроксида бария.
В ходе анализа по Кьельдалю с аммиаком протекают следующие реакции (справа приведён соответствующий закон эквивалентов):
Из последнего закона эквивалентов находим:
Поскольку количество азота , то
- Приведите структурные формулы веществ B – F и X. Состав D и X подтвердите расчётами.
Взаимодействие хлорангидрида акриловой кислоты с трет-бутанолом ведёт к образованию трет-бутилакрилата B. Далее происходит электрофильное присоединение молекулы брома по двойной связи с образованием вещества C. Обработка галогеналканов аммиаком обычно приводит к образованию аминов; было бы логично предположить образование диамина с брутто-формулой C7H16N2O2 (молярная масса 160 г/моль). Проверим наше предположение по данным титрования по Кьельдалю:
Так как в составе D содержится n атомов азота, его молярная масса равна 0.286/(0.002n) = 143n г/моль. При n = 2 находим, что такая молярная масса не сходится с массой диамина. Однако можно заметить, что при n = 1 получается молярная масса 143 г/моль, отличная от 160 на 17 г/моль – на массу одной молекулы аммиака, откуда состав D – C7H13NO2. Фактически 2 атома брома заменили на фрагмент NH, единственный вариант, как это могло произойти – образование трёхчленного цикла с одним атомом азота в составе D (такие вещества называются азиридинами).
Под действием основания азиридин депротонируют и ставят на него защитную мезильную группу. Защищённый азиридин E вводят далее в реакцию с изопропилмагнийбромидом. Реактив Гриньяра может атаковать карбоксиалкильную группу, однако в данном случае это не так – нам известно, что конечным продуктом является аминокислота, а при атаке по карбоксиалкильной группе получится кетон или спирт (в данном случае реакция по карбоксильной группе не идёт из-за стерического затруднения, создаваемого объёмной трет-бутильной группой). С другой стороны, в E имеется напряжённый азиридиновый цикл, который может раскрываться под действием нуклеофилов (аналогично эпоксидам, свойство которых раскрываться под действием нуклеофилов хорошо известно). Центр, по которому ведётся нуклеофильная атака, определяется однозначно, так как в противном случае получим атом азота, связанный с -атомом углерода. Тогда это приведёт нас к трет-бутил(N-мезиллейцинату) F, который на финальной стадии обрабатывают водным раствором кислоты, снимая все защитные группы. Получается, что X – аминокислота лейцин. Это можно подтвердить расчётом. В методе пиролитического сожжения гидроксид натрия поглощает CO2, а перхлорат магния – H2O. Тогда:
Полагая, что X содержит фрагмент C6H13, на остаток приходится молярная масса 46 г/моль, что с учётом наличия в аминокислоте N и O однозначно раскладывается на N + 2O. Отсюда формула X – C6H13NO2. Итого схема превращений:
