Комплексонометрия и ёё применение в фармацевтическом анализе

Комплексонометрия (хелатометрия), титриметрический метод анализа, основанный на образовании прочных внутрикомплексных соед. (хелатов) между катионами металлов и комплексонами. Наиболее часто применяют иминодиуксусную, нитрилотриуксусную (комплексен I) и этилендиаминтетрауксусную (комплексен II) кислоты, динатриевую соль последней (комплексов III, ЭДТА), а также 1,2-диаминоциклогексантетрауксусную кислоту (комплексен IV). Широкое использование комплексонов II и III обусловлено тем, что их р-ции с катионами металлов протекают полно и в соответствии со стехиометрией, их растворы устойчивы при хранении; эти реагенты доступны и можно получить их препараты высокой чистоты. Конечную точку титрования устанавливают визуально по изменению окраски комплексонометрических индикаторов (металлоиндикаторов), а также потенциометрически, фотометрически, амперометрически или др. методами. При прямом титровании к раствору исследуемого иона небольшими порциями добавляют стандартный раствор комплексона. Таким образом определяют ионы Са, Sr, Ba, Cu, Mg, Mn, Zn и др. При анализе кинетически инертных акваионов применяют обратное титрование: к раствору исследуемого иона добавляют точный объем стандартного раствора комплексона, избыток которого (после нагревания) оттитровывают стандартным раствором к.-л. катиона, взаимодействующего с металлоиндикатором. Так можно определять любые катионы, образующие более устойчивые хелаты с комплексонами (комплексонаты), чем катион титранта; при этом константы устойчивости должны различаться не менее чем на 7 порядков. Метод обратного титрования менее точен, т. к. ошибки возможны при установлении концентраций растворов не только комплексона, но и катиона. Для определения ионов металла, не взаимодействующих с металлоиндикаторами, применяют вытеснительное титрование: к анализируемому раствору прибавляют в избытке точный объем стандартного раствора комплексоната (иногда другие комплексного соединения) иона металла, который образует менее устойчивые комплексные соединения, чем определяемый ион металла. Ионы металла, вытесняющиеся в количестве, эквивалентном кол-ву ионов металла, оттитровывают стандартным раствором комплексона в присутствии металлоиндикатора. Концентрацию ионов, не взаимодействующих с комплексонами, устанавливают косвенным методом. Например, при определении анионов их сначала осаждают стандартным раствором подходящего катиона, избыток которого оттитровывают раствором комплексона.

Комплексоны - неизбирательные реагенты. Селективность К. повышают различными приемами: уменьшением рН среды, выделением (осаждением, экстракцией) определяемого иона, маскированием, изменением степени окисления катиона и т.д. При титровании в кислой среде условная константа устойчивости комплексоната определяемого иона должна быть /108. Титрованию не мешают ионы, условная константа устойчивости комплексонатов которых на 6 и более порядков меньше. Многообразие приемов Комплексонометрия дает возможность определять практически все катионы и анионы. Метод широко применяют при анализе природных и промышленных объектов. По правильности и воспроизводимости комплексонометрия несколько уступает гравиметрии, но значительно превосходит ее по экспрессности. В зависимости от способа индикации конечной точки можно титровать растворы исследуемого вещества с концентрацией 10-4-10-1 М.

Комплексонообразующими агентами, используемыми в качестве титрантов, являются аминополикарбоновые кислоты, имеющие характерную группу комплексон ІІІ

Такие соединения способны образовывать хелатные комплексы со многими катионами, в которых катион связан в кольцевой структуре. Кольцо образовано солевыми связями катиона с карбоксильными группами, а также координационной связью за счет свободной пары электронов атома азота. Если кольцо пятичленное, то образованный хелат должен иметь высокую стабильность, так что наиболее удобные хелатные титранты это те, которые способны образовывать такие кольца. Это справедливо для этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА), обычно 'применяемой в виде динатриевой соли, известной как едетат динатрия. С большинством металлов, имеющих более одного положительного заряда, ЭДТА образует высокорастворимые в воде комплексы при соотношении 1 : 1. При этом образуется структура, содержащая не менее 3 пятичленных хелатных колец, что обеспечивает высокую устойчивость комплекса. В некоторых случаях, помимо связей, которые образуются за счет свободной пары электронов азота, могут образовываться координационные связи за счет карбонильных кислородов других карбоксильных групп. Так, комплексы, образованные кальцием и трехвалентным алюминием, могут быть представлены формулами:

Стабильность таких комплексов в значительной степени зависит от рН раствора. Большинство двухвалентных металлов образует комплексы, устойчивые в щелочной среде, но хелаты щелочноземельных металлов 'разрушаются при рН примерно ниже 8; в то же время многие комплексы двухвалентных металлов (например, цинка и свинца) также устойчивы в достаточно кислом растворе. Комплексы трехвалентных металлов благодаря дополнительной стабильности, которая обеспечивается увеличенным числом хелатных колец, часто устойчивы даже в сильнокислых растворах. В щелочных растворах, однако, некоторые из этих металлов в присутствии ЭДТА осаждаются в виде гидроокисей, но не вследствие нестабильности комплекса, а вследствие более мощного влияния низкой растворимости гидроокиси металла. Ниже (табл. 1) приведены константы стабильности хелатов ЭДТА с некоторыми металлами, определенные Шварценбахом для 0,1 моль/ л растворов при 20° C.

Таблица 1

титрование раствор химия

Хелат алюминия образуется медленно, так что этот металл обычно определяют методом обратного титрования.

Определение эквивалентной точки.

Для определения эквивалентной точки при титровании ионов металлов с ЭДТА необходимо использовать подходящий индикатор, который будет реагировать на присутствие свободных ионов металлов в растворе. Таким индикатором, первоначально использованным Шварценбахом для титрования ионов кальция, был мурексид (пурпурат аммония), который в настоящее время очень редко применяется. Наиболее часто из индикаторов используется протравной черный 11 (известный также под другими торговыми названиями). Этот индикатор имеет синюю окраску в аммиачном растворе, но дает красные комплексы со многими ионами металлов в этом растворе. Образуемые при этом комплексы металлов, как правило, менее прочные, чем соответствующие комплексы с ЭДТА, так что титрование с эдетатами легко удаляет металл из его комплекса с индикатором и изменение цвета на чисто синий свидетельствует о полном титровании металла, имеющегося в растворе. Протравной черный 11 часто используют в смеси с метиловым оранжевым; на 'фоне последнего легче обнаруживается конечная точка титрования.

Используемые индикаторы.

В качестве индикаторов для комплексонометрических титрований были предложены и использовались многие другие вещества, однако в этой работе приводятся лишь те индикаторы, которые имеют потенциальную ценность для фармацевтического анализа. Калькой и кальконкарбоновая кислота дают очень четкий переход окраски от винно-красной к чисто синей при титровании кальция эдетатом динатрия при рН 12-14. Если присутствует магний, то при этом значении рН он осаждается в виде гидроокиси, и если перед прибавлением индикатора добавляют щелочь, то он не мешает определению. Однако все эти индикаторы недостаточно устойчивы в щелочном растворе и поэтому желательно прибавлять их к концу титрования.

Другой широко применяемый индикатор - ксиленоловый оранжевый; это обычный кислотно-основный индикатор, в который введены группы иминодиуксусной кислоты, благодаря чему это вещество действует в качестве металл-комплексного индикатора. Этот индикатор дает четкий переход окраски от розово-фиолетовой к желтой в конце титрования алюминия, висмута, свинца, ртути и цинка и может применяться при рН 2-6 в зависимости от титруемого металла.

Металл-индикаторы - это хромофорные органические соединения (красители), образующие с катионами металлов интенсивно окрашенные непрочные комплексные соединения.

Широко применяются в комплексонометрии следующие индикаторы: хромоген черный, хром темно-синий, мурексид. Смена окрасок в конечной точке титрования, в частности, индикаторов хромогена черного и хрома темно-синего наблюдается при рН 8-10. Например, в щелочной среде активной формой индикатора хромогена черного является Hind 2-, имеющей синюю окраску. При взаимодействии ионов металла с хромогеном черным в щелочной среде образуется комплекс, окрашенный в винно-красный цвет.

Me2+ + Hind 2- - MeInd - + H+

бесц. +синий - винно-красный

При титровании раствором трилона Б, комплекс MeInd - разрушается, т.к. происходит связывание ионов металла комплексоном в более прочный комплекс, а анионы индикатора Hind2-накапливаются в растворе, сообщая ему синюю окраску.

MeInd - + [H2Tr]2- > [MeTr]2- + Hind 2- + H+

винно-красный + бесцв. > бесцв.+ синяя

рН 8-10 в процессе титрования создается введением в титруемый раствор хлоридно-аммиачного буфера (NH4OH + NH4Cl), который нейтрализует кислотность от выделяющихся ионов водорода.

3. Приготовление оттитрованного раствора для проведения комплексонометрического титрования

Приготовление. Помимо многих других преимуществ, комплексонометрия имеет еще одно, очень важное для аналитической практики, а именно: титрованный раствор готовят непосредственно по навеске, и при соблюдении соответствующих условий его титр абсолютно не изменяется.

В преобладающем большинстве случаев титрованный раствор ЭДТА готовят растворением соли Na2H2Y-2H20 с молекулярным весом 372,16. Эта соль высокой степени чистоты имеется в продаже. Продажные препараты, согласно собственному опыту авторов книги и в соответствии с данными Блэделя и Найта, имеют влажность от 0,3 до 0,5%. Принимая во внимание это обстоятельство, можно непосредственно из навески приготовить раствор для титрования, который для общих целей имеет достаточно точно известную молярность. Влагу можно удалить высушиванием препарата при 80° С и 50%-ной влажности воздуха (в пересчете на 25°С). 100%-ная чистота и постоянная масса препарата достигаются в течение четырех дней. Высушивание при более высокой температуре нецелесообразно, так как при этом улетучивается и кристаллизационная вода. Полная дегидратация достигается без особого труда, если препарат сушат при 130-150° С.

При этом состав полученного продукта строго стехиометричен, однако, к сожалению, едва ли это выгодно, так как безводная соль обладает значительной гигроскопичностью. Термогравиметрические исследования подтверждают, что содержащая воду натриевая соль не отвечает строгим требованиям, предъявляемым к веществам для установки титра.

Для приготовления 0,100 М раствора растворяют 37,22 г Na2H2Y*2H20 в 1 л дистиллированной воды. Более разбавленные растворы можно получить разбавлением этого основного раствора или соответствующим уменьшением навески препарата.

Чрезвычайно удобный путь, к которому, как ни странно, на практике очень редко обращаются, состоит в приготовлении раствора из свободной кислоты с молекулярным весом 292,13. В продаже имеется кислота квалификации «чистая для анализа»; кроме того, ее легко приготовить, если раствор натриевой соли подкислить серной или соляной кислотой. Предпочитают соляную кислоту, так как из нее легче удаляются следы железа. Осадок отсасывают, тщательно промывают водой и сушат при 110° С. Такой препарат не гигроскопичен, устойчив и имеет очень высокую чистоту. Навеску растворяют в щелочи, причем берут 2 г-экв NaOH или КОН на 1 моль ЭДТА. Для растворения соли можно также использовать аммиак.

Для приготовления 0,100 М раствора ЭДТА 29,21 г свободной кислоты и 9 г NaOH растворяют приблизительно в 400 мл воды. По охлаждении до комнатной температуры раствор разбавляют дистиллированной водой до 1 л. Более разбавленные растворы можно получить разбавлением основного раствора или пропорциональным уменьшением навески.

Хранение. При хранении титрованного раствора обращают особое внимание на сосуды для хранения. Мягкое стекло для этой цели непригодно, так как через короткое время с поверхности стекла переходит в раствор значительное количество ионов щелочноземельных и других мешающих металлов. Для закаленного стекла это менее характерно, в особенности если стекло долгое время было в употреблении или было обработано горячим сильнощелочным раствором ЭДТА. Так как в настоящее время сосуды из синтетических материалов считаются наиболее пригодными для обычных лабораторных нужд, то именно их предпочитают для хранения растворов. Ими пользуются преимущественно для хранения сильно разбавленных титрованных растворов. Уменьшение титра раствора в сосудах из пластических масс практически не имеет места. В стеклянных сосудах, в зависимости от состава стекла, уменьшение титра часто принимает значительные размеры, как показывают исследования Флашки и Садека.

Сосуды из пластмасс, между прочим, рекомендуются и для хранения других растворов, таких, как буферные, растворы для обратного титрования и т. д., в особенности если речь идет о щелочных растворах. Лишь для некоторых индикаторов, например ПАН, пластмассовые сосуды непригодны, так как индикатор растворим в органическом материале.

Установка титра. Молярность применяемого титрованного раствора для общих целей, как уже говорилось выше, достаточно точно может быть рассчитана из навески, если применять препараты надежного происхождения.

Однако, если имеется подозрение в наличии в препарате примесей, которые могут быть заимствованы также из взятой для растворения воды (стеклянный сосуд, неисправная установка для дистилляции, истощенный ионит и т. д.), или если требуется повышенная точность определений, установка титра неизбежна. Способ установки титра следует выбирать применительно к обстоятельствам (иначе могут получиться неправильные результаты), особенно если речь идет о растворах, содержащих примеси. Предположим, что раствор ЭДТА загрязнен примесями кальция и цинка. Если устанавливать титр раствора при рН = 10 по магнию, то с последним будет реагировать лишь та часть комплексона, которая не связана с цинком и кальцием. Если провести титрование в присутствии KCN, то мешать будет только кальций. Если устанавливать титр раствора при рН = 4 по меди, то мешать будет лишь цинк. Наконец, если устанавливать титр раствора при рН = 2 по железу, ни цинк, ни кальций не будут мешать, и мы получим полное содержание ЭДТА. Таким образом, в зависимости от условий получаются 4 различных результата. Если значение титра, полученного по железу, принять за основу для титрования, проводимого при рН=10, то будет получен ошибочный результат, и стандартизация потеряет свой смысл. Золотое правило науки о титровании: «Устанавливай титр в условиях, в которых будет проводиться собственно определение» - имеет здесь особенное значение. К тем случаям, когда при приготовлении растворов все следы металлов фактически исключены, это относится в меньшей степени.

Вещества для установки титра. Для установки титра раствора ЭДТА можно применять многие вещества, однако те, что перечислены ниже, особенно пригодны для этой цели.

Особенно важны вещества, по которым устанавливают титр ЭДТА для последующего определения кальция и магния, так как эти титрования проводят наиболее часто. Из обычных продажных препаратов, без сомнения, наилучшим является СаСО3. Это соединение легко получается в высокочистом виде, переносит сушку в широком интервале температур и не гигроскопично. Результаты исследований Барша подтверждают, что карбонат кальция как вещество для установки титра имеет преимущество перед оксалатом, гидроокисью и сульфатом. Шэд рекомендует кислую кальциевую соль яблочной кислоты, которую можно легко получить чистой в форме гексагидрата и которую одновременно можно применять для установки титра щелочей. Эквивалентный вес соли вполне соответствует целям, для которых ее используют, однако это соединение в продаже отсутствует.

Из солей магния особо упоминаются MgSO4*7H20 и Mg(IO3)2-4H20. Чтобы обеспечить точное содержание воды в первой соли, необходимо хранить ее над смесью из MgSO4 * 7Н2O и воды в соотношении 5:1. Вторая соль обладает значительным эквивалентным весом, при хранении она устойчива и теряет воду, согласно термограмме, только при температуре выше 110° С.