Группа веществ, изолируемых дистилляцией
(«ЛЕТУЧИЕ ЯДЫ»)
Общая характеристика группы. Метод изолирования.
В химико-токсикологическом анализе деление токсикологически важных веществ на группы основано на способах их изолирования из исследуемого объекта. Таких групп насчитывается шесть, причем три из них подлежат обязательному судебно-химическому исследованию при проведении полного (общего) судебно-химического анализа.
Одной из групп токсикологически важных веществ, подлежащих обязательному исследованию, являются «летучие яды», или вещества, изолируемые дистилляцией. Все они изолируются из биологического объекта одним из наиболее старых и широко используемых методов дистилляции - перегонкой с водяным паром.
В группу «летучих ядов» входят вещества, различные по своей химической природе:
1.Синильная кислота HCNимеет собственную низкую температуру кипения + 26,5°С и занимает первое место по своей летучести с водяным паром.
2.Алкилгалогениды.
CHCI3 (хлороформ)
CI3C-CH(OH)2 (хлоралгидрат)
CCI4 (четыреххлористый углерод)
C2H4CI2 (дихлорэтан)
С 2Cl 6 (гексахлорэтан)
3.Альдегиды и кетоны алифатического ряда
СН2О (формальдегид)
СН3-С-СН3 (ацетон)
||
О
4.Алканолы
CH3OH (метанол)
С2Н5ОН (этанол)
С3Н 7ОН (пропанол)
С4Н 9ОН (бутанол )
С5Н 11ОН (пентанол)
диолыСН2-СН2 (этиленгликоль)
| |
ОН ОН
Сложные эфиры алифатического ряда
амилнитрит
амилацетат
Карбоновые кислоты алифатического ряда
СН3СООН (кислота уксусная)
CH3-CH-COOH (кислота молочная или альфа-оксипропионовая)
|
OH
7.СероуглеродCS2
Элементоорганические соединения жирного ряда
(С2Н5)4Рb (тетраэтилсвинец)
Ароматические углеводороды
С6Н6 (бензол)
Н3С-С6Н5 (толуол)
ксилолы (содержат два радикала -СН3 в бензольном кольце в различных положениях)
Нитро- и аминопроизводные ароматического ряда
С6Н5NО2 (нитробензол)
С6Н5NН2 (анилин)
Оксипроизводные ароматического ряда
С6Н5ОН (фенол)
крезолы
кислота салициловая (о-оксибензойная)
Фосфор и первые продукты его окисления и восстановления
Н3РО2 ( кислота фосфорноватистая)
Н3РО3(кислота фосфористая)
РН3 (фосфин)
ФОСы (эфиры фосфорных кислот)
Жидкие алкалоиды
кониин
никотин
анабазин
Из перечисленных соединений согласно действующего до настоящего времени приказа Минздрава СССР №1021 от 25.12.73 г., в обязательный круг судебно-химического исследования при проведении общего анализа включены:
1. Кислота синильная.
2. Алкилгалогениды: хлороформ, дихлорэтан.
3. Альдегиды: формальдегид.
4. Алканолы: метанол, этанол, пропанол, бутанол, пентанол, изоамиловый спирт.
5. Оксипроизводные ароматического ряда: фенол, крезолы
По физическим свойствам «летучие» яды, в основном, представляют собой летучие жидкости (за исключением таких твердых веществ, как хлоралгидрат, фенол, салициловая кислота, фосфорорганические соединения).
Способность химических соединений перегоняться с водяным паром зависит от их физических свойств. С водяным паром перегоняются некоторые жидкости, практически не смешивающиеся или ограничено смешивающиеся с водой, азеотропные смеси. Известны также вещества (метанол, ацетон, уксусная кислота, этиленгликоль и др.), которые смешиваются с водой и перегоняются с водяным паром, но не образуют азеотропных смесей.
При перегонке смесей органических веществ большое значение имеет их взаимная растворимость. При этом возможны 3 случая:
1. Жидкости взаимно не растворимы, т.е. образуют двухфазную систему. При перегонке с водяным паром одной из фаз является вода.
2. Жидкости ограниченно растворимы друг в друге, т.е. двухфазная система образуется только при определенных соотношениях компонентов. Такую систему образуют с водой толуол, нитробензол, дихлорэтан, тетраэтилсвинец и др.
3. Компоненты смешиваются в любых соотношениях, т.е. вещества растворимы в воде, образуется однофазная система. С водой такую систему образуют метанол, ацетон, формальдегид, этиленгликоль, уксусная кислота.
В случае образования двухфазной системы(жидкости, не растворимые или ограниченно растворимые в воде) при нагревании смеси давление пара каждой жидкости будет таким же, как и давление ее пара в чистом виде, независимо от наличия другой жидкости. Каждая жидкость в смеси будет вести себя так, как будто отсутствует другая жидкость.
В основе перегонки взаимонерастворимых веществ с водяным паром лежит закон Дальтона.
Согласно этому закону общее давление паров смеси (упругость) равно сумме парциальных давлений (упругостей) ее компонентов при данной температуре.
Р общее = Р воды +Р вещества
При нагревании компоненты смеси увеличивают упругость своих паров независимо друг от друга. Когда общее давление достигнет атмосферного и превысит его на незначительную величину, смесь закипает и начинает перегоняться, при этом температура кипения смеси ниже температур кипения каждого из её компонентов в чистом виде за счет сложения их парциальных давлений.
Поскольку одним из компонентов является воды, то вещества будут перегоняться при t°<1000С. Особенно удобна дистилляция с водяным паром в тех случаях, когда изолируемое вещество имеет очень высокую температуру кипения или же разлагается при своей температуре кипения.
Так, для того, чтобы перегонять анилин в чистом виде, требуется нагреть его до температуры кипения, равной 184°С, в смеси же с водой он перегоняется при температуре 75°С.
Такое токсичное вещество, как тетраэтилсвинец, разлагается при своей температуре кипения, равной 200°С. При перегонке с водяным паром t°кип <100°С, поэтому разложения не происходит.
Кроме того, при проведении судебно-химического исследования сильный нагрев нежелателен, т.к. при высокой температуре может произойти подгорание органических веществ исследуемого объекта и образование следовых количеств синильной кислоты, что приведёт к ложноположительным результатам анализа.
Таким образом, при дистилляции с водяным паром понижается температура кипения перегоняемых соединений и устраняется опасность их термического разложения.
Для многих органических веществ способность перегоняться с водяным паром может быть объяснена образованием с водой азеотропных (нераздельнокипящих) смесей, состав которых не меняется при перегонке (например, 96% этанола и 4% воды).
Азеотропными называются смеси, у которых пар, находящийся в равновесии с жидкостью, обладает теми же свойствами, что и сама жидкая смесь. Они перегоняются при постоянной температуре и не могут быть разделены простой или фракционной перегонкой.
Из веществ, летучих с водяным паром и представляющих токсикологический интерес, азеотропные смеси образуют:
n алкилгалогениды (хлороформ, CCl4)
n этиловый и изоамиловый спирты
n фенол, анилин и др.
Связь между летучестью вещества, т.е. его количеством в отгоне, парциальным давлением и молекулярной массой для взаимонерастворимых веществ, выражается уравнением:
W в-ва = М в-ва * Р в-ва
W воды М воды * Р воды
В случае образования однофазной системы(жидкости растворимы в воде), если индивидуальная температура кипения вещества низкая (ацетон, метиловый спирт), то оно перегоняется быстро и полностью.
При высокой t°кип обычно полноты отгонки не достигается, при этом приходится использовать селективные переносчики, чтобы образовалась низкокипящая смесь. Так, при перегонке этиленгликоля с водяным паром в качестве селективного переносчика используют бензол, а для уксусной кислоты - гептан. При этом, если температура кипения этиленгликоля
составляет 1970 С, то смесь этиленгликоль-вода-бензол перегоняется при 1180 С. Для уксусной кислоты –1180 С и 800 С, соответственно.
Оценка метода: очень простой, быстрый, экономичный, не требует специальной аппаратуры. Анализируемые вещества изолируются в чистом виде, только сильно разбавлены водой, поэтому перегонку с водяным паром можно рассматривать не только как метод изолирования, но и как метод очистки.
Объекты судебно-химического исследования. Пробоподготовка
В качестве объектов судебнохимического исследования с целью обнаружения «летучих ядов» на экспертизу обычно направляются внутренние органы трупа, кровь, моча. При подозрении на отравление хлорорганическими веществами дополнительно направляется сальник и 1/3 головного мозга, метанолом - 1/3 головного мозга, этанолом - кровь из крупных вен, моча, мышечная ткань.
Объекты помещают в банки, которые герметично закрывают и опечатывают, и немедленно пересылают в лабораторию для исследования. При подозрении на отравление этанолом задержка с транспортировкой материала на 5-10 суток может служить причиной недостоверных результатов его количественного определения.
Объект в количестве 100 г тщательно измельчают, смешивают с водой до густой кашицы, помещают в круглодонную колбу таким образом, чтобы она заполнилась не более чем на 1/3 её объема, подкисляют щавлевой или виннокаменной кислотой до рН 2-3 и подвергают перегонке.
Подкисление объекта органической кислотой проводят с той целью, чтобы превратить нелетучие соли синильной кислоты (цианиды калия, натрия), в виде которых она находится в биологическом объекте, в свободную HCN, являющуюся легко летучим соединением.
Н+
NaCN ¾¾® HCN
В данном случае нельзя воспользоваться сильными минеральными кислотами, т.к. это привело бы:
1) к разрушению молекулы HCN (гидролиз), что приведет к ее потере и неодооткрытию.
аммонийная соль муравьиной кислоты
(нормальная составная часть организма)
2) к переоткрытию фенола в результате гидролиза его сернокислых эфиров, являющихся нормальной частью биологического материала:
Н+
С6Н5О-SO3Н ¾¾® С6Н5ОН +Н2SO4
-НОН
Аппаратура и техника перегонки. Дистилляция с водяным паром проводится в специальном приборе, который состоит из трех основных частей, герметично соединенных друг с другом:
1. Парообразователь
2. Колба с исследуемым объектом (помещается на водяную баню)
3. Холодильник с приемником
Сборку установки начинают со стороны приемника, в последнюю очередь к колбе с исследуемым объектом присоединяют заранее нагретый парообразователь (разборка ведется в обратном порядке). Водяную баню, в которой стоит колба с объектом, также нагревают, чтобы избежать конденсации водяного пара.
Дистилляцию проводят медленно, так, чтобы можно было считать капли отгона.
Собирают 2-3 дистиллята. Первый в количестве 1-3 мл собирают в приемник с 5% раствором натрия гидроксида для улавливания легко летучей синильной кислоты и превращения ее в нелетучий цианид натрия.При этом алонж холодильника должен быть погружен в раствор NaOH, чтобы избежать потерь летучей HCN. Весь первый дистиллят используют для обнаружения синильной кислоты.
Второй (и третий) дистиллят собирают в пустой, чистый приемник в количестве 20-30 мл и используют для обнаружения всех остальных веществ из группы «летучих ядов». Двух-трех отгонов обычно бывает достаточно для качественного исследования.
При проведении исследования на группу «летучих» ядов, необходимо обращать внимание на следующее:
1. Запах объекта (иногда это может дать какие-либо дополнительные ориентирующие данные). Правда, запах биологического объекта, как правило, маскирует запах летучего ядовитого вещества, но в некоторых случаях все же возможно определение запаха искомого соединения. Например, изоамиловый спирт придает объекту запах сивушных масел, нитробензол и синильная кислота - запах горького миндаля.
2. Запах и внешний вид дистиллята. Перед выполнением химического исследования обязательно проводят наружный осмотр дистиллята, обращая внимание на его прозрачность или мутность, наличие капель на дне склянки или маслянистой пленки на поверхности жидкости, наличие характерного запаха.
Так, изоамиловый спирт легче воды и плохо смешивается с ней, поэтому при содержании значительных количеств изоамилового спирта дистиллят обладает характерным раздражающим запахом сивушных масел и иногда содержит на на поверхности маслянистые капли или даже два слоя этого вещества.
Присутствие в отгоне фенола можно обнаружить по характерному запаху карболовой кислоты и молочновидному помутнению, поскольку фенол плохо растворим в воде. При больших количествах фенола на дне приемника могут присутствовать бесцветные или розоватые капли ( продукты окисления фенола).
Хлороформ и четыреххлористый углерод тяжелее воды и не смешиваются с ней, поэтому на дне приемника можно наблюдать бесцветные капли или слой этих веществ.
Исследование дистиллятов с целью идентификации веществ из группы «летучих ядов» традиционно строится на использовании микрохимических реакций, многие из которых студентам 4 курса хорошо известны из предшествующих химических дисциплин.
Так, не будет новой реакция образования берлинской лазури, которая является высокочувствительной и специфичной для доказательства синильной кислоты и имеет положительное судебно-химическое значение (т.е. на основании одной этой реакции можно дать положительное заключение о наличии в исследуемом объекте НСN). Она является особенно ценной еще и потому, что образующийся характерный осадок может быть представлен в качестве «corpus delicti», т.е. вещественного доказательства, судебно-следственным органам.
Известно, что общей реакцией на алкилгалогениды является реакция отщепления органически связанного хлора. Реакция достаточно чувствительна, но не специфична. О таких реакциях принято говорить, что они имеют отрицательное судебно-химическое значение.
Заключение о присутствии того или иного из «летучих ядов» делается на основании комплекса реакций.
Химическое исследование на группу «летучих ядов» студенты осваивают на лабораторных занятиях, используя методический материал кафедры.
Кроме перегонки с водяным паром в токсикологической химии применяются еще два метода дистилляции:
1. Микроперегонка
2. Микродиффузия
Микроперегонка. В последние годы исследование токсикологически важных «летучих» веществ все шире проводится методом газожидкостной хроматографии (о нем подробно рассказано в отдельной лекции). Для изолирования в этом случае используется микроперегонка, поскольку количество объекта составляет 1-5 г).
Метод основан на ускоренной диффузии «летучих» веществ из биологической пробы при повышенной температуре в присутствии сильных электролитов и проводится в герметически закрытом флаконе. Парогазовая фаза отбирается микрошприцом и используется для анализа.
Микродиффузия. Не потерял своего значения и метод микродиффузии, позволяющий обнаружить малые количества в объекте. Прибор для микродиффузии представляет собой небольшой круглый толстостенный сосуд из стекла, внутри которого расположен второй сосуд меньшего диаметра. Таким образом, имеется внутренняя круговая стенка и наружная кольцевая камеры. К верхнему краю пришлифовывается герметично крышка.
Исследуемый объект вносится в наружную камеру, а поглощающая жидкость - во внутреннюю. К объекту в наружную камеру на расстоянии 2-3 см от него помещают раствор вещества-электролита, способствующего переходу летучего соединения в пространство прибора. Прибор закрывают крышкой, слегка наклоняют для смешивания объекта и электролита, после чего оставляют на время, необходимое для диффузии. При этом летучие вещества из объекта сначала переходят в пространство прибора, а затем в растворитель во внутренней камере (или в раствор реактивов, реагирующих с этими веществами). В этой жидкости их и определяют. На скорость перехода летучих веществ их объектов в пространство прибора влияют некоторые электролиты. Так, прибавление раствора карбоната калия к крови или тканям, содержащим этанол, ускоряет его диффузию.
ОДНОАТОМНЫЕ СПИРТЫ