способ определения массовой доли функциональных групп полиуронидов

Формула изобретения

Способ определения массовой доли функциональных групп полиуронидов, включающий растворение пробы в воде, титрование полученного раствора 0,1 молярным раствором гидроксида натрия и фиксирование объема титранта, омыление сложноэфирных групп при добавлении к оттитрованному раствору 0,1 молярного раствора гидроксида натрия и последующей выдержке при комнатной температуре, титрование избытка щелочи 0,1 молярным раствором соляной кислоты и фиксирование объема титранта, добавление к оттитрованному раствору 0,1 молярного раствора соляной кислоты, помещение полученного раствора в кипящую водяную баню на 10 мин с последующим охлаждением и фильтрованием, расчет содержания функциональных групп, исходя из зафиксированных объемов титранта, отличающийся тем, что выдержку раствора при омылении осуществляют в течение 24 ч, после фильтрования осадок промывают до отрицательной реакции промывных вод на уксусную и соляную кислоты по универсальному индикатору с последующим растворением в 0,1 молярном растворе гидроксида натрия в течение 30 мин при периодическом перемешивании и титрованием полученного раствора 0,1 молярным раствором соляной кислоты при фиксировании объема титранта, титрование осуществляют потенциометрически или кондуктометрически с фиксированием объемов титранта по точкам эквивалентности.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к фармацевтической и пищевой промышленности и касается стандартизации пектинов и альгинатов, используемых в качестве детоксикантов тяжелых металлов.

Полиурониды (пектины, альгиновая кислота), имеющие функциональные группы: -СООН, -СООСН₃, -ОН, -OCOCH₃, обладают сорбционными свойствами и могут выполнять роль ионообменников. Эти свойства полисахаридов обусловлены наличием в них уроновых кислот: полигалактуроновой в пектине, полигулуроновой и полиманнуроновой в альгиновой кислоте. В значительной степени ионообменные свойства полиуронидов связаны с содержанием в них перечисленных выше функциональных групп: чем выше содержание свободных карбоксильных и гидроксильных групп, тем выше сорбционные свойства полисахаридов. И, напротив, высокое количественное содержание этерифицированных метанолом карбоксильных групп и уксусной кислотой гидроксильных групп обусловливает выраженные студнеобразующие свойства полимеров.

Описаны методики определения содержания свободных карбоксильных групп полиуронидов путем титрования их растворами гидроксида натрия в присутствии индикатора фенолфталеина (в точке эквивалентности наблюдается переход от бесцветной окраски раствора до слабо-розовой). Содержание этерифицированных карбоксильных групп определяют после омыления полисахаридов избытком раствора гидроксида натрия в течение 2 ч при комнатной температуре с последующим прибавлением к реакционной смеси равного объема соляной кислоты и титрованием избытка кислоты щелочью (индикатор - фенолфталеин). Содержание ацетильных групп определяют после омыления полиуронидов 0,6% раствором гидроксида натрия путем отгонки образовавшейся уксусной кислоты и титрования ее щелочью (индикатор-фенолфталеин). (Шелухина Н. П. , Абаева Р.Ш., Аймухамедова Г.Б. Пектин и параметры его получения. - Фрунзе: Илим, 1987. - С.87-88, 91-92).

Недостатками описанного способа являются: а) трудоемкость определения содержания ацетильных групп, связанная с отгонкой образующейся уксусной кислоты, б) невозможность количественного определения уксусной кислоты, т.к. после омыления щелочью преимущественно образуется ацетат натрия, который не будет в дальнейшем титроваться щелочью; в) определение содержания свободных и этерифицированных карбоксильных групп и содержания ацетильных групп ведется в различных навесках препарата, что увеличивает погрешность определения, г) точка эквивалентности при определении всех функциональных групп устанавливается визуально с помощью фенолфталеина, что также увеличивает погрешность определения из-за нечеткого перехода окраски; д) завышены объемы титрантов - раствора гидроксида натрия - вследствие того, что вода, насыщенная карбонатами и гидрокарбонатами (рН 5-6,5), также частично титруется щелочью.

Описано определение содержания функциональных групп полисахаридов путем кондуктометрического титрования 0,1-0,2% раствора пектина 0,1 моль/л раствором гидроксида натрия; при титровании определяют величину сопротивления растворов (R, Ом) и рассчитывают электропроводность растворов (I/R, Ом^-1), затем графически I/R=f(V_NaOH) определяют точку эквивалентности, которая соответствует нейтрализации свободных карбоксильных групп. Затем к оттитрованному растору полиуронида добавляют 10 мл 0,1 моль/л раствора гидроксида натрия (избыток щелочи) для омыления этерифицированных карбоксильных и гидроксильных групп (омыление проводится 30-40 мин при комнатной температуре), после чего аликвотную часть омыленного раствора полисахарида титруют раствором 0,1 моль/л соляной кислоты. В системе координат: I/R-V_NaOH графически определяют две точки эквивалентности: первая точка характеризует нейтрализацию гидроксида натрия, не вступившего в реакцию взаимодействия при омылении, а участок кривой между первой и второй точками эквивалентности соответствует титрованию всех карбоксильных групп (до и после омыления полиуронида, а также ацетата натрия). Другую аликвотную часть омыленного раствора полисахарида последовательно в статических условиях обрабатывают катионитом в Н⁺-форме (для удаления ионов натрия) и анионитом в ОН^--форме (для удаления хлорид- и ацетат-ионов), затем раствор фильтруют и фильтрат снова кондуктометрически титруют 0,1 моль/л раствором гидроксида натрия. Графически определяют точку эквивалентности, которая соответствует нейтрализации всех карбоксильных групп. (Голубев В.Н., Шелухина Н.П. Пектин: химия, технология, применение. - М., 1995. - С.105-110).

Схематически определение функциональных групп в пектине по указанному способу можно представить в виде уравнений, показанных на схеме 1 (см. в конце описания).

Недостатками указанного способа являются: 1) невозможность количественного определения пектовой кислоты, т.к. а) после обработки анионитом пектовая кислота как малорастворимое соединение частично диссоциирует на пектат ион и ион водорода (К_дис10^-4 ), при этом пектат ион обменивается на ОH^- группы анионита, осаждаясь на анионите; б) элюирование пектовой кислоты с катионита и анионита водой не может быть количественным, т.к. возможна адсорбция пектовой кислоты на смолах; в) после обработки ионитами образующаяся пектовая кислота (осадок) фильтруется и остается на фильтре, что не учитывается в описанной методике, поскольку определение пектовой кислоты, согласно методике, проводится не в нерастворимой части, а в фильтрате; 2) трудоемкость и длительность процесса, связанные с необходимостью регенерации катионитов и анионитов; 3) т.к. вода имеет слабокислую реакцию за счет образования карбонатов и гидрокарбонатов (рН 5-6,5), то при титровании полиуронидов щелочью часть последней расходуется на титрование воды, поэтому расход щелочи при анализе несколько завышен.

Известен способ определения содержания функциональных групп полисахаридов, заключающийся в следующем: раствор пектина титруют 0,1 моль/л раствором гидроксида натрия в присутствии фенолфталеина (определение свободных карбоксильных групп), затем добавляют еще 10 мл щелочи и оставляют при комнатной температуре на 30 мин. Избыток щелочи оттитровывают 0,1 моль/л раствором соляной кислоты в присутствии фенолфталеина (определение всех функциональных групп) и прибавляют еще 50 мл 0,1 моль/л раствора соляной кислоты, помещают в кипящую водяную баню на 10 мин, охлаждают, доводят до определенного объема, фильтруют. Отмеренное количество фильтрата титруют 0,1 моль/л раствором гидроксида натрия в присутствии фенолфталеина (определение всех карбоксильных групп пектина или пектовой кислоты). Аналогично проводят контрольный опыт. (Арасимович В.В., Балтага С.В., Пономарева Н.П. Методы анализа пектиновых веществ, гемицеллюлоз и пектолитических ферментов в плодах.- Кишинев: Редакционно-издательский отдел АН Молд. ССР, 1970. - С.38). Данный способ определения массовой доли функциональных групп полиуронидов наиболее близок к предлагаемому и выбран за прототип.

Недостатками указанного способа являются: а) невозможность количественного определения пектовой кислоты, т.к. пектовая кислота как малорастворимое соединение выпадает в осадок (после обработки соляной кислотой и нагревания), который фильтруется, поэтому определение пектовой кислоты необходимо вести в осадке, а не в фильтрате; б) невозможность количественного определения всех сложноэфирных групп, т.к. омыление с помощью 10 мл щелочи и в течение 30 мин недостаточно, в) установление точек эквивалентности визуальным способом с помощью фенолфталеина из-за нечеткого перехода окраски растворов способствует высокой погрешности определений.

Цель изобретения - количественное определение различных функциональных групп полиуроновых кислот, повышение точности анализа.

Поставленная цель достигается тем, что к навеске полисахаридов около 0,1 г (точная навеска) приливают 50 мл воды и перемешивают на магнитной мешалке с нагревом до получения раствора. Полученный раствор титруют потенциометрически на иономере И-135 (индикаторный электрод - стеклянный, электрод сравнения - хлорсеребряный) или кондуктометрически на кондуктометре КП (платиновые электроды) 0,1 моль/л раствором гидроксида натрия. К оттитрованному раствору полисахарида приливают 50 мл 0,1 моль/л раствора гидроксида натрия и оставляют раствор на 24 ч при комнатной температуре для полного омыления сложноэфирных групп. Затем весь раствор потенциометрически или кондуктометрически титруют 0,1 моль/л раствором соляной кислоты. При этом первая точка эквивалентности характеризует нейтрализацию гидроксида натрия, не вступившего в реакцию омыления, а участок кривой между первой и второй точками эквивалентности соответствует титрованию всех карбоксильных групп (до и после омыления полиуронидов, а также ацетата натрия). Далее для осаждения пектовой или альгиновой кислот приливают еще 50 мл 0,1 моль/л раствора соляной кислоты, стакан с раствором помещают в кипящую водяную баню на 10 мин, охлаждают, фильтруют через плотный бумажный фильтр ("синяя лента"), промывают осадок на фильтре водой до отрицательной реакции промывных вод на уксусную и соляную кислоты по универсальному индикатору. Затем осадок (пектовая или альгиновая кислоты) с фильтра количественно переносят в стакан с помощью 50 мл 0,1 моль/л раствора гидроксида натрия и оставляют на 30 мин при периодическом перемешивании для полного растворения, после чего потенциометрически или кондуктометрически титруют раствор пектата натрия или альгината натрия 0,1 моль/л раствором соляной кислоты: первая точка эквивалентности соответствует нейтрализации избытка гидроксида натрия, не вступившего в реакцию, а участок кривой между первой и второй точками эквивалентности соответствует титрованию карбоксильных групп полиуронида. Параллельно проводят контрольный опыт (без полиуронида).

При применении потенциометрического титрования для надежного определения точки эквивалентности строят график зависимости в системе координат



При использовании кондуктометрического титрования точку эквивалентности определяют графически в системе координат I/R-V_{титранта}, где I/R - электропроводность растворов (Ом^-1).

В результате исследований подобраны следующие оптимальные условия определения массовой доли функциональных групп полиуронидов (таблицы 1-4).

Из таблицы 1 следует, что потенциометрическое и кондуктометрическое титрования обусловливают хорошую воспроизводимость полученных результатов на всех этапах определения функциональных групп. Визуальная фиксация точки эквивалентности дает иные результаты при анализе различных функциональных групп возможно из-за "размытого" перехода окраски растворов в точке эквивалентности, неполного омыления полисахаридов, а также из-за отсутствия контрольного опыта, предусматривающего титрование воды с рН<7. При визуальной фиксации невозможно определить две точки эквивалентности, характерные для титрования избытка щелочи, не вступившей в реакцию, и прореагировавшей щелочи. При определении карбоксильных групп полиуроновых кислот (3-е титрование) по способу-прототипу определяется также только одна точка эквивалентности, соответствующая титрованию воды раствором гидроксида натрия; второй точки эквивалентности нет из-за потери полиуроновых кислот в результате фильтрации (кислоты остаются в виде осадков на фильтре).

Из таблицы 2 следует, что оптимальный объем щелочи для полного омыления этерифицированных групп составляет 50,0 мл. При меньших объемах щелочи рН растворов 7, т.е. щелочи недостаточно для практически полного омыления.

Из таблицы 3 видно, что наиболее оптимальная продолжительность омыления составляет 24 ч, при большей продолжительности реакции рH растворов полиуронидов не меняется.

Как следует из таблицы 4, в течение 30 мин осадки пектовой и альгиновой кислот растворяются в растворе гидроксида натрия, образуя истинные растворы.

Статистически обработанные результаты определений содержания функциональных групп приведены в таблице 5 (при п=6, Р=0,95).

Как следует из таблицы 5, погрешность определений предлагаемым способом в среднем в 2,3 раза меньше погрешности анализа по способу, принятому за прототип. При этом потенциометрический и кондуктометрический способы определения дают сопоставимые результаты, в то время как по способу-прототипу содержание свободных -СООН и суммы всех карбоксильных групп отличается, по-видимому, из-за перетитровывания анализируемых растворов и недостаточно полного омыления полисахаридов. При анализе карбоксильных групп полиуроновых кислот способ-прототип позволяет получить заниженные результаты в связи с потерями полиуроновых кислот при фильтрации.

Предлагаемый способ определения массовой доли функциональных групп полиуронидов поясняется следующими примерами конкретного выполнения.

ПРИМЕР 1. К 0,1 г (точная навеска) свекловичного пектина приливают 50 мл воды очищенной и перемешивают на магнитной мешалке с нагревом до растворения пектина. Полученный раствор титруют 0,086 моль/л раствором гидроксида натрия потенциометрически на иономере И-135. В качестве индикаторного электрода используют стеклянный электрод, а в качестве электрода сравнения - хлорсеребряный. По полученным результатам - величине рН и объему титранта (V_Т, мл) - определяют дифференциальным методом (Пономарев В.Д. Аналитическая химия. - М.: ВШ. 1982. - ч.2. - С.219-228) отношение затем строят график зависимости в системе координат



и определяют объем титранта в точке эквивалентности (таблица 6, фиг.1).

Как видно из фиг.1, объем титранта - 0,086 моль/л раствора гидроксида натрия - в точке эквивалентности составляет 3,4 мл.

После титрования электроды промывают небольшим количеством воды (~5 мл), промывные воды сливают в стакан с оттитрованным раствором пектина. Затем к этому раствору приливают 50 мл 0,086 моль/л раствора гидроксида натрия и оставляют раствор на 24 ч при комнатной температуре для полного омыления сложноэфирных групп. Далее весь раствор потенциометрически титруют 0,1 моль/л раствором соляной кислоты. Результаты титрования приведены в таблице 7 и на фиг.2.

Как видно из фиг.2, объем титранта - 0,1 моль/л раствора соляной кислоты - в первой точке эквивалентности составляет 35,4 мл, во второй точке эквивалентности - 44,3 мл.

После титрования электроды промывают небольшим количеством воды (~5 мл), промывные воды сливают в стакан с оттитрованным раствором пектина. Затем к этому раствору приливают 50 мл 0,1 моль/л раствора соляной кислоты, стакан с раствором помещают в кипящую водяную баню на 10 мин, охлаждают, фильтруют через плотный бумажный фильтр ("синяя лента"). Осадок (пектовая кислота) на фильтре промывают водой до отрицательной реакции промывных вод на уксусную и соляную кислоты по универсальному индикатору. Затем осадок с фильтра количественно переносят в стакан с помощью 50 мл 0,086 моль/л раствора гидроксида натрия и оставляют на 30 мин при периодическом перемешивании для полного растворения, после чего потенциометрически титруют раствор пектата натрия 0,1 моль/л раствором соляной кислоты. Результаты потенциометрического титрования пектата натрия представлены в таблице 8 и на фиг.3.

Как видно из фиг.3, объем титранта - 0,1 моль/л раствора соляной кислоты - в первой точке эквивалентности составляет 30,7 мл, во второй точке эквивалентности - 37,05 мл. Параллельно титрованию анализируемых растворов пектина проводят контрольные опыты (без добавления пектина). При этом объемы титрантов в контрольных опытах составляют 0,2 мл, поэтому для точного определения объемов титрантов в точках эквивалентности в опытных растворах вычитают объем титранта в контрольных опытах. Таким образом, при первом титровании пектина объем 0,086 моль/л раствора гидроксида натрия составляет 3,4-0,2=3,2 мл; при втором титровании - 35,2 мл и 44,1 мл 0,1 моль/л раствора соляной кислоты; при третьем титровании - 30,5 мл и 36,85 мл 0,1 моль/л раствора соляной кислоты.

Массовую долю свободных карбоксильных групп (₁,%) пектина определяют по формуле:



где С_Т - концентрация титранта - гидроксида натрия, моль/л.

V_Т - объем титранта, мл,

Э_COOH - эквивалент карбоксильной группы (45 г/моль),

а - навеска пектина, г.

,

Содержание суммы карбоксильных групп пектина и уксусной кислоты (₂, %, 2-е титрование) определяют по формуле:



где С_Т ^", С_Т ^"" - концентрации титранта - 0,1 моль/л раствора соляной кислоты;

V_Т ^", V_Т ^"" - объемы титранта соответственно в первой и второй точках эквивалентности, мл



Содержание всех карбоксильных групп пектина (₃, %; 3-е титрование) определяют аналогично ₂:



Содержание ацетилированных групп (₄, %) определяют по формуле:

₄ = ₂-₃ = 43,94-31,35 = 12,59%

Количество ацетилированных групп (п) равно количеству гидроксильных групп:



тогда содержание гидроксильных групп (₅, %) составляет: ₅=пМ(ОН)= 0,28017=4,76%

Содержание этерифицированных карбоксильных групп (₆, %):

₆ = ₃-₁ = 31,35-13,59 = 17,76%

Количество этерифицированных карбоксильных групп равно количеству метанола:



п(СООН)=п(СН₃ОН)=0,395 моль,

тогда массовая доля метанола (₇, %) составляет:

₇=0,39532=12,64%

Степень этерификации карбоксильных групп (₈, % определяют по формуле:



ПРИМЕР 2. К 0,02 г (точная навеска) альгиновой кислоты приливают 50 мл воды очищенной и перемешивают на магнитной мешалке с нагревом до растворения кислоты. Определение функциональных групп альгиновой кислоты проводят потенциометрически аналогично примеру 1.

С учетом контрольных опытов при первом титровании альгиновой кислоты объем 0,086 моль/л раствора гидроксида натрия составил 0,60 мл; при втором титровании 41,10 мл и 43,80 мл 0,1 моль/л раствора соляной кислоты; при третьем титровании - 36,20 мл и 38,45 мл 0,1 моль/л раствора соляной кислоты.

Аналогично примеру 1 рассчитывают содержание функциональных групп альгиновой кислоты:







₄=71,60-59,66=11,94%,



₅=0,26517=4,51%,

₆=59,66-13,68=45,98%,



₇=1,02232=32,70%,



ПРИМЕР 3. К навеске свекловичного пектина около 0,1 г (точная навеска) приливают 50 мл воды очищенной и перемешивают на магнитной мешалке с нагревом до растворения пектина. Полученный раствор титруют 0,086 моль/л раствором гидроксида натрия кондуктометрически на кондуктометре КП. По полученным результатам - величинам сопротивления раствора (R, Ом) и вычисленным по ним значениям электропроводности растворов (I/R, Ом^-1) и объему титранта (V_Т, мл) графически определяют объем титранта в точке эквивалентности. Результаты кондуктометрического титрования свекловичного пектина приведены в таблице 9 и на фиг.4.

Как видно из фиг.4, объем титранта - 0,086 моль/л раствора гидроксида натрия - в точке эквивалентности составляет 3,35 мл.

После титрования электроды промывают примерно 5 мл воды, промывные воды сливают в ячейку кондуктометра с оттитрованным раствором пектина. Затем к этому раствору приливают 50 мл 0,086 моль/л раствора гидроксида натрия и оставляют раствор на 24 ч при комнатной температуре для полного омыления сложноэфирных групп. Далее весь раствор кондуктометрически титруют 0,1 моль/л раствором соляной кислоты. Результаты титрования приведены в таблице 10 и на фиг.5.

Как видно из фиг.5, объем титранта - 0,1 моль/л раствора соляной кислоты - в первой точке эквивалентности составляет 35,45 мл, во второй точке эквивалентности - 44,35 мл.

После титрования электроды промывают примерно 5 мл воды, промывные воды сливают в стакан с оттитрованным раствором пектина. Затем к этому раствору приливают 50 мл 0,1 моль/л раствора соляной кислоты, стакан с раствором помещают в кипящую водяную баню на 10 мин, охлаждают, фильтруют через бумажный фильтр "синяя лента". Осадок (пектовая кислота) на фильтре промывают водой до отрицательной реакции промывных вод на уксусную и соляную кислоты по универсальному индикатору. Затем осадок с фильтра количественно переносят в стакан с помощью 50 мл 0,086 моль/л раствора гидроксида натрия и оставляют на 30 мин при периодическом перемешивании до полного растворения, после чего кондуктометрически титруют раствор пектата натрия 0,1 моль/л раствором соляной кислоты. Результаты кондуктометрического титрования пектата натрия приведены в таблице 11 и на фиг.6.

Как видно из фиг.6, объем титранта - 0,1 моль/л раствора соляной кислоты - в первой точке эквивалентности составил 30,70 мл, во второй точке - 37,05 мл.

С учетом контрольных опытов при первом титровании пектина объем 0,086 моль/л раствора гидроксида натрия составил 3,15 мл; при втором титровании 35,25 мл и 44,15 мл 0,1 моль/л раствора соляной кислоты, при третьем титровании - 30,50 мл и 36,85 мл 0,1 моль/л раствора соляной кислоты.

Массовую долю функциональных групп пектина вычисляют по формулам, приведенным в примере 1.

₄=43,96-31,37=12,59%,



₅=0,28017=4,76%,

₆=31,37-13,38=17,99%,



₇=0,40032=12,80%,



ПРИМЕР 4. К навеске альгиновой кислоты около 0,02 г (точная навеска) приливают 50 мл вода очищенной и перемешивают на магнитной мешалке с нагревом до растворения кислоты. Определение функциональных групп альгиновой кислоты проводят кондуктометрически аналогично примеру 3.

С учетом контрольных опытов при первом титровании альгиновой кислоты объем 0,086 моль/л раствора гидроксида натрия составил 0,60 мл; при втором титровании 41,10 мл и 43,80 мл 0,1 моль/л раствора соляной кислоты; при третьем титровании - 36,15 мл и 38,45 0,1 моль/л раствора соляной кислоты.

Массовую долю функциональных групп альгиновой кислоты рассчитывают по формулам, приведенным в примере 1.

₄=71,55-60,95=10,60%,



₅=0,23617=4,01%,

₆=60,95-13,67=47,28%,



₇=1,05132=33,63%,



Таким образом, предлагаемый способ определения массовой доли функциональных групп полиуронидов обеспечивает следующий положительный эффект:

1) количественное определение полиуроновых кислот: в предлагаемом способе после нагревания, осаждения и фильтрации полиуроновых кислот анализ этих кислот проводят не в фильтрате, как предусмотрено по способу, принятому за прототип, а в нерастворимой части путем переведения осадков с помощью гидроксида натрия в раствор и последующего титрования соляной кислотой пектатов или альгинатов натрия. Данные таблицы 5 свидетельствуют о том, что при определении полиуроновых кислот по способу-прототипу при третьем титровании в фильтрате практически нет этих кислот, в то время как при анализе предлагаемым способом (анализ осадков) наблюдается высокое содержание этих кислот;

2) практически полное определение всех функциональных групп полиуроновых кислот при втором титровании, т.к. обеспечивается полное омыление сложноэфирных групп за счет увеличения объема щелочи (до 50 мл) и продолжительности омыления (24 ч), о чем свидетельствуют данные таблицы 5;

3) повышение точности анализа, или понижение погрешности определений в среднем в 2,3 раза за счет использования физико-химических методов анализа (потенциометрия, кондуктометрия) для фиксации точек эквивалентности.