Бальнеологические компоненты сульфидных минеральных вод

Неорганические полисульфиды (Sn^2–) и их протонированные формы — сульфаны играют важную роль во многих областях химии. Полисульфиды легко получаются окислением растворов сероводорода в щелочной среде, реакцией сероводорода и серы, а присутствие их в водных системах представляет важную экологическую проблему при образовании летучих соединений серы как предшественников летучих органических соединений серы, отвечающих за благоприятный аромат приготовленной пищи и зловоние питьевой воды. Неорганические полисульфиды, Sn^2–, и их протонированные формы являются соединениями, содержащими серу в степени окисления между элементарной серой и сероводородом. Главными свойствами полисульфидов является их окислительно-восстановительная реакционная способность и высокая нуклеофильность. Они легко автоокисляются с образованием тиосульфата и серы в различных соотношениях в зависимости от длины цепи полисульфида [1]. Они также являются важным семейством предшественников при окислении сероводорода в соответствующих условиях в природных или технологических водных системах, участвующих в формировании летучих соединений серы, таких как диметилдисульфан и диметилтрисульфан [2].

Необходимо отметить, что неорганические полисульфиды имеют значительное технологическое значение и влияние на окружающую среду, но до сих пор нет удовлетворительного метода количественного анализа индивидуальных полисульфидов [3]. Несмотря на их важность, анализ сульфидов и полисульфидов в питьевых водах является сложной задачей из-за их малых концентраций, термической неустойчивости, чувствительности к окислению и реакциям диспропорционирования.

Присутствие элементарной серы в пробах минеральных вод (МВ) Новонукутская и Мацеста [4] позволило высказать предположение, что источником серы в сероводородных источниках являются сульфаны.

В нашем исследовании представлено первое доказательство распространенности полисульфидов в бальнеологических сульфидных водах. В этой работе мы применили метилирование для качественного определения неорганических полисульфидов в сульфидных растворах. В отличие от полисульфидов диметилполисульфаны достаточно стабильны для проведения анализа с помощью жидкостной хроматографии.

В последнее время предложен ряд методик получения метилпроизводных неорганических полисульфидов [5]. Методы основаны на быстрой, однофазной дериватизации с метил- или этил-йодидами для количественного определения полисульфидов в системах распределения воды и биопленки [6]. Эти методики предусматривают использование метилйодида для перевода производных сульфидов и полисульфидов в соответствующие диметилполисульфиды, которые затем извлекаются с помощью твердофазной микроэкстракции и последующего анализа методом газовой хроматографии-масс-спектрометрии [7]. Хорошая чувствительность была достигнута для анализа диметилполисульфидов с пределами обнаружения от 50 до 240 нг/дм³. Поскольку йодистый метил не смешивается с водой, лимитирующая стадия включает в себя фазовый переход йодистого метила в водный раствор, содержащий полисульфид, замедляющий стадию переноса, и оставляет достаточно времени для перераспределения полисульфидов до завершения процесса дериватизации. Для предотвращения стадии переноса фазы и связанного с ним смещения равновесия и увеличения концентрации растворенного метилирующего агента, реакция проводится в среде смесь метанол—вода с последующим определением диметилполисульфанов методом ВЭЖХ.

Как было показано [8], этот метод дает большую ошибку, и, как правило, определяются только низшие диметилполисульфаны (Me2S2, Me2S3, Me2S4). Также концентрация диметилполисульфанов, полученных дериватизацией метилйодидом, может превышать фактические концентрации полисульфидов в связи с образованием полисульфидов в ходе дериватизации. Если дериватизация не закончена в течение относительно короткого времени порядка 1 с (при достаточно высоком рН для облегчения образования полисульфидов), протекает реакция сероводорода с серой, которая может генерировать образование полисульфидов.

Пробы М.В. Новонукутская, отобранные в осенний и зимний период, герметизировали и анализировали в течение 24 ч. Содержание сероводорода 8,75±0,2 мМ.

ВЭЖХ. Хроматографические эксперименты выполняли на микроколоночном жидкостном хроматографе Милихром А-02 (ЗАО «ЭкоНова», Новосибирск) с колонкой размером 2×75 мм, заполненной сорбентом ProntoSIL-120−5-C18, 2×75 мм, 5 мкм. Фотометрическое детектирование диметилсульфанов проводили при 230 нм. Пик серы, как описано ранее [4], идентифицировали по двум параметрам: время удерживания и спектральное отношение. Значение R рассчитывали как отношение площадей пиков серы, зарегистрированных при детектировании при соответствующих длинах волн (R=А220/А200). Количественное измерение концентрации молекулярной серы проводили способом внешнего стандарта.

Для приготовления растворов сравнения использовали серу квалификации особой чистоты (ос. ч.), гексан и ацетон ос. ч., для хроматографии — ацетонитрил для ВЭЖХ («Крио-хром», Санкт-Петербург). Гидразин-сульфат, гидроксид натрия, метилйодид и натрий-фосфат додекагидрат химически чистый (х. ч.). В зависимости от концентрации серы в растворе в хроматограф вводили от 2 до 20 мкл.

Продукты метилирования М.В. Новонукутская анализировали на хромато-масс-спектрометре Agilent 5973N — 6890 фирмы «Agilent» (США). Колонка DB-5m, 30 м, внутренний диаметр 0,32 мм, толщина фазы 0,52 мкм. Изотерма 0,5 мин, градиент температуры 50—310 °С 10 °С/мин, далее изотерма при 300 °C 25 мин. Газ носитель — гелий, расход 1 мл/мин. Температура инжектора 290 °C, разветвление потока 1:1, объем пробы 2 мкл. Температура ионного источника 230 °C, температура квадруполя 150 °C. Диапазон сканирования — 500 m/z, частота сканирования 10 с^–1. Хроматограмму записывали по полному ионному току. Идентификацию компонентов по масс-спектрам осуществляли с помощью программы поиска NIST V1.7 с прилагаемыми базами данных NIST/EPA/NIH на 150 000 соединений, распространяемыми Национальным институтом стандартов и технологий, США.

УФ-спектры проб М.В. Новонукутская записаны на спектрометре Cintra 20 UV в 10-миллиметровой кварцевой кювете относительно воды.

Синтез полисульфидов и метилирование. Синтез полисульфидов проводили реакцией элементарной серы с сульфатом гидразина в присутствии гидроксида натрия при нагревании с получением смеси неорганических полисульфидов [9]. Элементарную серу (0,3 г), гидразин-сульфат (0,123 г), гидроксид натрия (0,23 г) и дистиллированную воду (3 мл) помещали в круглодонную колбу с магнитной мешалкой в атмосфере азота. Смесь нагревали на кипящей бане в течение 2 ч с интенсивным перемешиванием. Согласно [7], полученный раствор, содержащий смесь полисульфидов, охлаждали до комнатной температуры и быстро переносили в свежеприготовленную смесь метанола (7 мл), метилйодида (1 мл) и натрий-фосфат додекагидрат (0,2 г). Смесь выдерживали в течение 30 мин при комнатной температуре. Метанол выпаривали в вакууме, а затем к остатку добавили воды (5 мл) и гексан (5 мл). Органический слой отделяли и анализировали ВЭЖХ. Раствор состоит из смеси диметиловых полисульфидов от Me2S2 до Me2S6 [10].

Метилирование полисульфанов М.В. Новонукутская. К 33 мл рассола добавили 17 мл метанола, фильтровали от выпавших солей. Добавляли 300 мкл йодистого метила, перемешивали 30 мин, упаривали в водоструйном вакууме, экстрагировали 1 мл ацетонитрила.

МВ Новонукутская представляет собой рассол хлоридно-натриевого состава с минерализацией до 55 г/дм³, рН 6,2, и концентрацией растворенного сероводорода до 280 мг/дм³ (8,75±0,2 мМ), анализировали при прямом вводе пробы в колонку. Как видно на рис. 1, высокая концентрация серы в МВ позволяет надежно определять молекулярную серу без концентрирования по времени удерживания, спектральному отношению.

Ультрафиолетовые спектры проб М.В. Новонукутская показывают максимум поглощения при 230 нм, что соответствует поглощению полисульфидов [11]. При пропускании азота поглощение раствора МВ уменьшается и исчезает практически полностью через 6 ч. На хроматограмме раствора МВ пик молекулярной серы исчезает, но при добавлении 20% ацетонитрила появляется. рН М.В. Новонукутская 6,2±0,3, и сероводород находится в равновесии (1):

H2S ↔ HS^– + H⁺ (1)

Для сульфанов можно представить существование равновесия (2) и (3):

H2SSn ↔ H2S + Sn (2)

H2SSn ↔ H2SS^–n-1 + H⁺ (3)

Сульфаны более сильные кислоты, чем H2S (pKH2S=6,89). Для сульфанов H2SSn с n=3—5 pK1 находится в интервале 4,2—3,5 ед. [1, 12] и при рН 6,2 в М.В. Новонукутская равновесие сдвинуто в сторону диссоциированной формы. В УФ спектрах растворов МВ наблюдается максимум поглощения (λмакc) при 230 нм, соответствующий поглощению сульфида S^2– (для H2SS^–n при n=4—5 λмакс=330 нм). При продувке азотом и выделении сероводорода λмакc при 230 нм исчезает, что свидетельствует о сдвиге равновесия (2) в сторону образования S⁰n.

Хроматограммы метилирования растворов полисульфанов, синтезированных по [9], и М.В. Новонукутская (рис. 2) соответствует данным [8].

Можно предположить, что молекулярная сера S⁰n, анализируемая методом ВЭЖХ, присутствует в виде растворенной и/или мелкодисперсной сольватируемой серы, но подкисление раствора до рН 2 не изменяет площади пика S⁰, а увеличение рН до >10 показывает отсутствие пика S⁰. На обращенной фазе (концентрирующих патронах, хроматографических колонках) может сорбироваться только неполярная молекулярная форма S⁰n и H2SSn, и поэтому анализ методом ВЭЖХ не регистрирует ионные формы сульфида и полисульфидов HSS^–n. Результаты ВЭЖХ позволяют предположить, что анализируемая методом ВЭЖХ молекулярная сера S⁰ в сульфидной М.В. Новонукутская в основном образуется при разложении полисульфанов H2SSn по уравнению (2), на неполярной обращенной фазе хроматографической колонки. Количество молекулярной серы в М.В. Новонукутская S⁰ в течение осенне-зимнего сезона методом ВЭЖХ при прямом вводе МВ в колонку составляет 0,34—0,56 мМ/дм³, а осадок после удаления H2S содержал 4,1—4,4 мМ/дм³ молекулярной серы. Определенные в разных источниках значения растворимости орторомбической серы колеблются между 2 10^–8—5 10^–6 М [13]. Тем не менее даже верхнее значение является довольно низким, хотя формирование коллоидной серы может легко остаться незамеченным в естественных водных системах. Таким образом, результаты прямого анализа воды S⁰n методом ВЭЖХ отражают равновесную концентрацию присутствующей в МВ молекулярной серы.

Данные метилирования методом масс-спектрометрии согласуются с результатами ВЭЖХ. Показано присутствие в растворах искусственной смеси и в М.В. Новонукутская диметилдисульфида и диметилтрисульфида, но в масс-спектрах отсутствуют пики высших полисульфидов из-за их разложения в испарителе газового хроматографа [12].

По мнению ряда исследователей, быстрые реакции диспропорционирования полисульфидов в водных системах не позволяют непосредственно выяснить их распределение хроматографическими и другими методами разделения [3]. Анализ при рН, близких к нейтральной и умеренно основной, осложняется образованием полисульфанов. Одна и та же техника анализа спектров УФ-поглощения привела разных исследователей к качественно разным выводам относительно распределения полисульфидов в водных системах [3]. Некоторые авторы утверждают, что пентасульфид — самый значимый вид полисульфидов в водных растворах, в то время как другие считают, что гексасульфид также присутствует в водных растворах и при определенных условиях является доминирующим видом.

Обнаружение нами только одного аллотропа серы S8 методом ВЭЖХ позволяет сделать вывод о незначительном вкладе других аллотропов в сульфаны М.В. Новонукутская, что согласуется с данными [14].

Метаболизм H2S и его концентрация, образующаяся в естественных условиях в организме человека, полностью не ясны и являются важной областью современных исследований [15]. Полученные данные прямо свидетельствуют о том, что H2S является физиологически сосудорасширяющим агентом и регулятором артериального давления [16]. Сероводород является липофильным соединением и легко проникает через клеточные мембраны. Константа проницаемости (РМ) сероводорода через бислойные липидные мембраны достаточно высока и составляет 0,5±0,4 см/с [17]. Высокая проницаемость сероводорода через мембраны и соответственно полисульфанов позволяют предположить, что они могут служить транспортом в переносе молекулярной серы и наряду с сероводородом являются активными бальнеологическими компонентами сероводородных М.В. Об этом свидетельствует высокая противовирусная лечебная активность препарата, выделенного перегонкой с паром из М.В. Новонукутская [18].

Хроматомасс-анализвыполненвБайкальскоманалитическомцентреколлективногопользованияСОРАН.

Конфликтинтересовотсутствует.

Участиеавторов:

Концепция и дизайн, обработка материала, написание текста: В.Х., А.Г.

Сбор материала: В.Х.