Исследование физико-химических свойств красителей трифенилметанового ряда спектральными и электрохимическими методами
|
Введение
Условные обозначения и сокращения 19
Глава 1. Литературный обзор 20
1.1 Теория цветности органических соединений 20
1.1.1 Физические основы цветности 20
1.1.2 Поляризующие заместители 22
1.1.3 Хромофоры и ауксохромы 23
1.1.4 Классификация и номенклатура красителей 26
1.2 Красители трифенилметанового ряда 27
1.2.1 Строение трифенилметановых красителей 40
1.2.2 Классификация и свойства трифенилметановых красителей 42
1.3 Методы анализа трифенилметановых красителей 44
1.3.1 Качественный анализ 45
1.3.1.1 Хроматографиия красителей на бумаге 45
1.3.1.2 Ямр-спектроскопия синтетических красителей 46
1.3.1.3 Масс-спектрометрия 46
1.3.2 Количественный анализ 47
1.3.2.1 Спектрофотометрическое измерение концентраций трифенилметановых красителей 48
Г лава 2. Экспериментальная часть 49
2.1 Аппаратура, химическая посуда, электрохимические ячейки и
электроды ^
2.2 Реактивы 53
2.3 Объект исследования 53
2.4 Методы исследования 54
2.4.1 Исследование электрохимических свойств красителей
трифенилметанового ряда ^
2.4.2 Исследование оптических свойств красителей
трифенилметанового ряда „
Глава 3. Результаты и их обсуждения 57
3.1 Исследование электрохимических свойств фуксина основного 57
3.1.1 Исследование влияния материала индикаторного электрода
на электрохимические свойства фуксина основного 57
3.1.2 Исследование влияния рН и природы фонового
электролита на электрохимические свойства фуксина основного 58
3.2 Исследование электрохимических свойств фуксина кислого 61
3.2.1 Исследование влияния материала индикаторного электрода
на электрохимические свойства фуксина кислого 61
3.2.2 Исследование влияния рН и природы фонового
электролита на электрохимические свойства фуксина кислого 63
3.3 Исследование электрохимических свойств малахитового зеленого. 66
3.3.1 Исследование влияния материала индикаторного электрода
на электрохимические свойства малахитового зеленого 66
3.3.2 Исследование влияния рН и природы фонового
электролита на электрохимические свойства малахитового зеленого 68
3.3.3 Исследование электрохимических свойств фуксина
основного в комплексе с гепарином 71
3.4 Исследование оптических свойств красителей
трифенилметанового ряда 72
3.4.1 Исследование оптических свойств фуксина основного 72
3.4.2 Исследование оптических свойств фуксина кислого 75
3.4.3 Исследование оптических свойств бриллиантового
зеленого 77
3.4.4 Исследование оптических свойств малахитового зеленого.. 79 Глава 4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 82
Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения научных исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения
4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования
4.1.2 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения
4.1.3 Диаграмма Исикава
4.1.4 Оценка готовности проекта к коммерциализации
4.1.5 Метод коммерциализации результатов научно-технического
исследования
Контрольные события проекта
4.2.1 Инициация проекта
4.2.2 Организационная структура проекта
4.2.3 Ограничения и допущения проекта
Планирование управления научно-техническим проектом
4.3.1 Иерархическая структура работ проекта
4.3.2 Контрольные события проекта
4.3.3 План проекта
4.3.4 Бюджет научного исследования
4.3.4.1 Расчет материальных затрат научно-технического
исследования
4.3.4.2 Основная заработная плата исполнителей темы
4.3.5 Организационная структура проекта
4.3.6 Матрица ответственности
4.3.7 План управления коммуникациями проекта
4.3.8 Реестр рисков проекта
Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной, социальной и экономической эффективности
исследования
4.4.1 Оценка сравнительной эффективности исследования 103
Глава 5. Социальная ответственность 106
5.1 Профессиональная социальная безопасность 107
5.2 Анализ вредных и опасных факторов, которые могут
возникнуть в лаборатории при проведении исследований.... 108
5.2.1 Химический 108
5.2.2 Микроклимат 109
5.2.3 Повышенная температура поверхностей
оборудования, материалов 110
5.2.4 Электрический ток 111
5.3 Экологическая безопасность 112
5.3.1 Перечень возможных ЧС на объекте техногенного
характера 112
5.3.2 Разработка действий в результате возникшей ЧС и
мер по ликвидации её последствий 113
5.3.3 Пожаробезопасность 114
5.4. Правовые и организационные вопросы обеспечения
безопасности 116
5.4.1 Характерные для проектируемой рабочей зоны
правовые нормы трудового законодательства 116
5.4.2 Организационные мероприятия при компоновке
рабочей зоны 116
5.4.3 Расчет освещения 116
Заключение 119
Список публикаций студента 121
Список используемых источников 122
Условные обозначения и сокращения 19
Глава 1. Литературный обзор 20
1.1 Теория цветности органических соединений 20
1.1.1 Физические основы цветности 20
1.1.2 Поляризующие заместители 22
1.1.3 Хромофоры и ауксохромы 23
1.1.4 Классификация и номенклатура красителей 26
1.2 Красители трифенилметанового ряда 27
1.2.1 Строение трифенилметановых красителей 40
1.2.2 Классификация и свойства трифенилметановых красителей 42
1.3 Методы анализа трифенилметановых красителей 44
1.3.1 Качественный анализ 45
1.3.1.1 Хроматографиия красителей на бумаге 45
1.3.1.2 Ямр-спектроскопия синтетических красителей 46
1.3.1.3 Масс-спектрометрия 46
1.3.2 Количественный анализ 47
1.3.2.1 Спектрофотометрическое измерение концентраций трифенилметановых красителей 48
Г лава 2. Экспериментальная часть 49
2.1 Аппаратура, химическая посуда, электрохимические ячейки и
электроды ^
2.2 Реактивы 53
2.3 Объект исследования 53
2.4 Методы исследования 54
2.4.1 Исследование электрохимических свойств красителей
трифенилметанового ряда ^
2.4.2 Исследование оптических свойств красителей
трифенилметанового ряда „
Глава 3. Результаты и их обсуждения 57
3.1 Исследование электрохимических свойств фуксина основного 57
3.1.1 Исследование влияния материала индикаторного электрода
на электрохимические свойства фуксина основного 57
3.1.2 Исследование влияния рН и природы фонового
электролита на электрохимические свойства фуксина основного 58
3.2 Исследование электрохимических свойств фуксина кислого 61
3.2.1 Исследование влияния материала индикаторного электрода
на электрохимические свойства фуксина кислого 61
3.2.2 Исследование влияния рН и природы фонового
электролита на электрохимические свойства фуксина кислого 63
3.3 Исследование электрохимических свойств малахитового зеленого. 66
3.3.1 Исследование влияния материала индикаторного электрода
на электрохимические свойства малахитового зеленого 66
3.3.2 Исследование влияния рН и природы фонового
электролита на электрохимические свойства малахитового зеленого 68
3.3.3 Исследование электрохимических свойств фуксина
основного в комплексе с гепарином 71
3.4 Исследование оптических свойств красителей
трифенилметанового ряда 72
3.4.1 Исследование оптических свойств фуксина основного 72
3.4.2 Исследование оптических свойств фуксина кислого 75
3.4.3 Исследование оптических свойств бриллиантового
зеленого 77
3.4.4 Исследование оптических свойств малахитового зеленого.. 79 Глава 4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 82
Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения научных исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения
4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования
4.1.2 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения
4.1.3 Диаграмма Исикава
4.1.4 Оценка готовности проекта к коммерциализации
4.1.5 Метод коммерциализации результатов научно-технического
исследования
Контрольные события проекта
4.2.1 Инициация проекта
4.2.2 Организационная структура проекта
4.2.3 Ограничения и допущения проекта
Планирование управления научно-техническим проектом
4.3.1 Иерархическая структура работ проекта
4.3.2 Контрольные события проекта
4.3.3 План проекта
4.3.4 Бюджет научного исследования
4.3.4.1 Расчет материальных затрат научно-технического
исследования
4.3.4.2 Основная заработная плата исполнителей темы
4.3.5 Организационная структура проекта
4.3.6 Матрица ответственности
4.3.7 План управления коммуникациями проекта
4.3.8 Реестр рисков проекта
Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной, социальной и экономической эффективности
исследования
4.4.1 Оценка сравнительной эффективности исследования 103
Глава 5. Социальная ответственность 106
5.1 Профессиональная социальная безопасность 107
5.2 Анализ вредных и опасных факторов, которые могут
возникнуть в лаборатории при проведении исследований.... 108
5.2.1 Химический 108
5.2.2 Микроклимат 109
5.2.3 Повышенная температура поверхностей
оборудования, материалов 110
5.2.4 Электрический ток 111
5.3 Экологическая безопасность 112
5.3.1 Перечень возможных ЧС на объекте техногенного
характера 112
5.3.2 Разработка действий в результате возникшей ЧС и
мер по ликвидации её последствий 113
5.3.3 Пожаробезопасность 114
5.4. Правовые и организационные вопросы обеспечения
безопасности 116
5.4.1 Характерные для проектируемой рабочей зоны
правовые нормы трудового законодательства 116
5.4.2 Организационные мероприятия при компоновке
рабочей зоны 116
5.4.3 Расчет освещения 116
Заключение 119
Список публикаций студента 121
Список используемых источников 122
Красителями или красящими веществами называются интенсивно окрашенные органические соединения, обладающие способностью придавать окраску различного рода материалам. [1]
Исключительное применение красителей минерального, растительного, или животного происхождения охватывает период, начиная с зарождения человечества и вплоть до 1859 г. Применение искусственных красителей началось с открытия мовеина в 1856 г [2]. Трифенилметановые красители являются одними из первых синтетических красителей, до сих пор сохранивших большое значение в различных областях человеческой деятельности. Спектр применения красителей этого класса весьма широк, в основном их используют для окраски шелка, хлопка, кожи и бумаги, как кислотно-основные индикаторы, кроме того, некоторые из них обладают мощными антигрибковыми, антибактериальными и антипаразитарными свойствами, благодаря чему нашли применение в медицине.
Изучение физико-химических свойств красителей необходимо для прогнозирования устойчивости окраски в различных средах, для исследования возможностей использования их в процессе комплексообразования с электрохимически и оптически неактивными соединениями и их определения. С точки зрения экологии, физикохимические свойства являются основой для количественного определения содержания красителей в рабочих зонах текстильной промышленности.
Существуют различные исследования оптических и электрохимических свойств красителей трифенилметанового ряда для различных целей [3-13], однако они полностью не описывают их поведения при различных условиях и не включают в себя структурированную информацию о их свойствах.
Цель работы: Исследовать физико-химических свойства красителей трифенилметанового ряда спектральными и электрохимическими методами для дальнейшего создания унифицированного подхода при их анализе.
Для достижения данной цели в работе были поставлены следующие задачи:
1. Исследовать электрохимические свойства фуксина основного, фуксина кислого, бриллиантового зеленого и малахитового зеленого на различных материалах электродов (РПЭ, СУЭ, УСЭ, ГЭ).
2. Изучить электрохимические свойства красителей
трифенилметанового ряда (фуксина основного, фуксина кислого, бриллиантового зеленого и малахитового зеленого) в зависимости от рН и природы фонового электролита.
3. Оценить возможность использования красителей
трифенилметанового ряда в качестве модификаторов поверхности электродов для определения электрохимически неактивных соединений.
4. Исследовать оптические свойства красителей трифенилметанового ряда (фуксина основного, фуксина кислого, бриллиантового зеленого и малахитового зеленого) в различных растворителях.
5. Изучить влияние рН среды на оптические свойства трифенилметановых красителей.
Научная новизна
Получена новая информация об электрохимических и оптических свойствах ФО, ФК, БЗ и МЗ. Выявлено влияние различных факторов (рН электролита, материал электрода, природа фонового электролита) на аналитические сигналы от красителей трифенилметанового ряда.
Выполнено электрохимическое определение гепарина методом вольтамперометрии в комплексе с ФО на РПЭ при рН=9,18.
Установлено, что гепарин с трифенилметановыми красителями катионной природы, образуют комплексы, аналитический сигнал которых
можно использовать для количественного определения гепарина в лекарственных формах.
Практическая значимость
В настоящее время существует множество исследований свойств красителей трифенилметанового ряда, которые используются для различных целей [3-13], однако ни одно из них полностью не описывают электрохимические и оптические свойства красителей и не включают в себя структурированную информацию об их поведении при различных условиях. Кроме этого, известно ограниченное число работ по исследованию электрохимических свойств гепарина, с целью его дальнейшего определения в лекарственных препаратах и биологических объектах. В этом отношении новые данные, полученные в настоящем исследовании, представляют собой несомненный практический интерес. Определены оптимальные условия для количественного определения гепарина в комплексе с фуксином основным. Результаты исследований могут быть использованы для разработки косвенного метода определения гепарина как в лекарственных препаратах, так и в биологических объектах.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XVI и XVII Всероссийской научно-практической конференции студентов и молодых ученых с международным участием имени профессора Л.П. Кулёва «Химия и химическая технология в XXI веке» (г. Томск, 2015, 2016)
Публикации
Результаты проведенных исследований отражены в 3 печатных работах, 1 из которых опубликована в базе данных Scopus.
Объем и структура работы
Диссертационная работа изложена на 125 страницах, содержит 32 таблицы, 54 рисунка и библиографию из 44 наименований. Работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений.
Во введении раскрыта актуальность темы диссертации, определены цели и задачи исследования, сформулированы научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе приведен литературный обзор, в котором рассмотрены общие сведения о красителях трифенилметанового ряда, их строение и физико-химические свойства. Изложены основные методы определения красителей.
Во второй главе описаны условия эксперимента, способы приготовления растворов и электродов, представлены данные об используемом оборудовании, химической посуде, реактивах и объекте исследования.
Третья глава посвящена исследованию электрохимических и оптических свойств трифенилметановых красителей. Выявлено влияние различных факторов (природа фоновых электролитов, рН раствора, материал электрода) на электрохимический сигнал и полосы поглощения. Подобраны оптимальные условия определения исследуемых красителей.
В четвертой главе научная разработка рассмотрена со стороны ресурсоэффективности и ресурсосбережения. Приведены базовые и углубленные профессиональные расчеты в области проектного и финансового менеджмента соответствующего направлению подготовки.
Пятая глава содержит социальные, правовые, экологические и культурные аспекты, вопросы охраны здоровья и безопасности жизнедеятельности в рамках направления специальности.
Исключительное применение красителей минерального, растительного, или животного происхождения охватывает период, начиная с зарождения человечества и вплоть до 1859 г. Применение искусственных красителей началось с открытия мовеина в 1856 г [2]. Трифенилметановые красители являются одними из первых синтетических красителей, до сих пор сохранивших большое значение в различных областях человеческой деятельности. Спектр применения красителей этого класса весьма широк, в основном их используют для окраски шелка, хлопка, кожи и бумаги, как кислотно-основные индикаторы, кроме того, некоторые из них обладают мощными антигрибковыми, антибактериальными и антипаразитарными свойствами, благодаря чему нашли применение в медицине.
Изучение физико-химических свойств красителей необходимо для прогнозирования устойчивости окраски в различных средах, для исследования возможностей использования их в процессе комплексообразования с электрохимически и оптически неактивными соединениями и их определения. С точки зрения экологии, физикохимические свойства являются основой для количественного определения содержания красителей в рабочих зонах текстильной промышленности.
Существуют различные исследования оптических и электрохимических свойств красителей трифенилметанового ряда для различных целей [3-13], однако они полностью не описывают их поведения при различных условиях и не включают в себя структурированную информацию о их свойствах.
Цель работы: Исследовать физико-химических свойства красителей трифенилметанового ряда спектральными и электрохимическими методами для дальнейшего создания унифицированного подхода при их анализе.
Для достижения данной цели в работе были поставлены следующие задачи:
1. Исследовать электрохимические свойства фуксина основного, фуксина кислого, бриллиантового зеленого и малахитового зеленого на различных материалах электродов (РПЭ, СУЭ, УСЭ, ГЭ).
2. Изучить электрохимические свойства красителей
трифенилметанового ряда (фуксина основного, фуксина кислого, бриллиантового зеленого и малахитового зеленого) в зависимости от рН и природы фонового электролита.
3. Оценить возможность использования красителей
трифенилметанового ряда в качестве модификаторов поверхности электродов для определения электрохимически неактивных соединений.
4. Исследовать оптические свойства красителей трифенилметанового ряда (фуксина основного, фуксина кислого, бриллиантового зеленого и малахитового зеленого) в различных растворителях.
5. Изучить влияние рН среды на оптические свойства трифенилметановых красителей.
Научная новизна
Получена новая информация об электрохимических и оптических свойствах ФО, ФК, БЗ и МЗ. Выявлено влияние различных факторов (рН электролита, материал электрода, природа фонового электролита) на аналитические сигналы от красителей трифенилметанового ряда.
Выполнено электрохимическое определение гепарина методом вольтамперометрии в комплексе с ФО на РПЭ при рН=9,18.
Установлено, что гепарин с трифенилметановыми красителями катионной природы, образуют комплексы, аналитический сигнал которых
можно использовать для количественного определения гепарина в лекарственных формах.
Практическая значимость
В настоящее время существует множество исследований свойств красителей трифенилметанового ряда, которые используются для различных целей [3-13], однако ни одно из них полностью не описывают электрохимические и оптические свойства красителей и не включают в себя структурированную информацию об их поведении при различных условиях. Кроме этого, известно ограниченное число работ по исследованию электрохимических свойств гепарина, с целью его дальнейшего определения в лекарственных препаратах и биологических объектах. В этом отношении новые данные, полученные в настоящем исследовании, представляют собой несомненный практический интерес. Определены оптимальные условия для количественного определения гепарина в комплексе с фуксином основным. Результаты исследований могут быть использованы для разработки косвенного метода определения гепарина как в лекарственных препаратах, так и в биологических объектах.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XVI и XVII Всероссийской научно-практической конференции студентов и молодых ученых с международным участием имени профессора Л.П. Кулёва «Химия и химическая технология в XXI веке» (г. Томск, 2015, 2016)
Публикации
Результаты проведенных исследований отражены в 3 печатных работах, 1 из которых опубликована в базе данных Scopus.
Объем и структура работы
Диссертационная работа изложена на 125 страницах, содержит 32 таблицы, 54 рисунка и библиографию из 44 наименований. Работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений.
Во введении раскрыта актуальность темы диссертации, определены цели и задачи исследования, сформулированы научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе приведен литературный обзор, в котором рассмотрены общие сведения о красителях трифенилметанового ряда, их строение и физико-химические свойства. Изложены основные методы определения красителей.
Во второй главе описаны условия эксперимента, способы приготовления растворов и электродов, представлены данные об используемом оборудовании, химической посуде, реактивах и объекте исследования.
Третья глава посвящена исследованию электрохимических и оптических свойств трифенилметановых красителей. Выявлено влияние различных факторов (природа фоновых электролитов, рН раствора, материал электрода) на электрохимический сигнал и полосы поглощения. Подобраны оптимальные условия определения исследуемых красителей.
В четвертой главе научная разработка рассмотрена со стороны ресурсоэффективности и ресурсосбережения. Приведены базовые и углубленные профессиональные расчеты в области проектного и финансового менеджмента соответствующего направлению подготовки.
Пятая глава содержит социальные, правовые, экологические и культурные аспекты, вопросы охраны здоровья и безопасности жизнедеятельности в рамках направления специальности.
Исследованы электрохимические свойства трифенилметановых красителей в зависимости от влияния различных факторов (материал электрода, природа фонового раствора и pH). Получено, что:
- фуксин основной электрохимически активен на РПЭ в катодной области Е от -0,6 до -1,4 В, потенциал пика -0,8 В при подобранных рабочих условиях - растворе натрия тетраборнокислого, 0,01М Na2B4O7 -10Н2О (рН 9,18), W=60 мВ/с. Получена линейная зависимость в диапазоне концентраций фуксина от от 6-10- моль/дмЗ до 8-10- моль/дм (R =0,9961) предел обнаружения ФО составил 2-10- моль/дм .
- фуксин кислый электрохимически активен на РПЭ в катодной области Е от - 0,9 до -1,2 В, потенциал пика -0,9 В при подобраных рабочих условиях - растворе калия фосфорнокислого однозамещенного, 0,025М KH2PO4 (рН 6,86), W=60 мВ/с. Получена линейная зависимость в диапазоне концентраций фуксина кислого от Ы0-5 до 1 • 10-4 моль/дм3 (R2= 0,9984). Предел обнаружения ФК составил Ы0- моль/дм .
- малахитовый зеленый электрохимически активен на РПЭ в катодной области Е от -0,2 до -0,8 В, потенциал пика -0,5 В при подобранных рабочих условиях - буферный раствор калия тетраоксалата с рН равным 1,65 при W=180 мВ/с. При оптимизированных условиях получена линейная зависимость в диапазоне концентраций для от 9-10- моль/дм до7-10- моль/дм (R =0,9987), предел обнаружения МЗ составил 5-10- моль/дм .
2. Было исследовано влияние рН среды на оптическую плотность и окраску красителей трифенилметанового ряда. Получены спектры исследуемых красителей в водном и спиртовом растворах: фуксин основной и малахитовый зеленый в водном растворе дают более линейную зависимость оптической плотности от концентрации красителя с максимумами поглощения 543 и 617 нм. Фуксин кислый и бриллиантовый зеленый более линейную зависимость оптической плотности от концентрации красителя дали в спиртовых растворах, максимумы поглощения составили 550 и 628 нм. Предел обнаружения для всех красителей составил 1 • 10-5 моль/ дм3.
3. Оценена возможность применения красителей в качестве модификаторов электродов для электрохимического определения гепарина.
- фуксин основной электрохимически активен на РПЭ в катодной области Е от -0,6 до -1,4 В, потенциал пика -0,8 В при подобранных рабочих условиях - растворе натрия тетраборнокислого, 0,01М Na2B4O7 -10Н2О (рН 9,18), W=60 мВ/с. Получена линейная зависимость в диапазоне концентраций фуксина от от 6-10- моль/дмЗ до 8-10- моль/дм (R =0,9961) предел обнаружения ФО составил 2-10- моль/дм .
- фуксин кислый электрохимически активен на РПЭ в катодной области Е от - 0,9 до -1,2 В, потенциал пика -0,9 В при подобраных рабочих условиях - растворе калия фосфорнокислого однозамещенного, 0,025М KH2PO4 (рН 6,86), W=60 мВ/с. Получена линейная зависимость в диапазоне концентраций фуксина кислого от Ы0-5 до 1 • 10-4 моль/дм3 (R2= 0,9984). Предел обнаружения ФК составил Ы0- моль/дм .
- малахитовый зеленый электрохимически активен на РПЭ в катодной области Е от -0,2 до -0,8 В, потенциал пика -0,5 В при подобранных рабочих условиях - буферный раствор калия тетраоксалата с рН равным 1,65 при W=180 мВ/с. При оптимизированных условиях получена линейная зависимость в диапазоне концентраций для от 9-10- моль/дм до7-10- моль/дм (R =0,9987), предел обнаружения МЗ составил 5-10- моль/дм .
2. Было исследовано влияние рН среды на оптическую плотность и окраску красителей трифенилметанового ряда. Получены спектры исследуемых красителей в водном и спиртовом растворах: фуксин основной и малахитовый зеленый в водном растворе дают более линейную зависимость оптической плотности от концентрации красителя с максимумами поглощения 543 и 617 нм. Фуксин кислый и бриллиантовый зеленый более линейную зависимость оптической плотности от концентрации красителя дали в спиртовых растворах, максимумы поглощения составили 550 и 628 нм. Предел обнаружения для всех красителей составил 1 • 10-5 моль/ дм3.
3. Оценена возможность применения красителей в качестве модификаторов электродов для электрохимического определения гепарина.