Oznaczanie migracji pierwszorzędowych amin

Oznaczanie migracji pierwszorzędowych amin aromatycznych
(PAAs)
z tworzyw sztucznych przeznaczonych do kontaktu z
żywnością
Instrukcja do Laboratorium Metody Badań Materiałów
Prowadzący: Dr inż. Marta Królikowska, Dr inż. Marta Królikowska
Zakład Chemii Fizycznej, Wydział Chemiczny, Politechnika Warszawska
Pok. 153, Gmach Chemii.
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest oznaczenie migracji pierwszorzędowych amin aromatycznych
(PAAs) z tworzyw sztucznych przeznaczonych do kontaktu z żywnością z czarnego i szarego
poliamidu
metodą
spektrofotometryczną
i
porównanie
uzyskanych
wyników
z dopuszczalnym limitem ustanowionym przepisami UE.
2. Wprowadzenie
Aminy są to organiczne pochodne amoniaku, w którym jeden lub więcej atomów
wodoru zostało zastąpionych resztami organicznymi.
H
..
N
H
H
amoniak
R
..
N
..
N
H
H
aminy 1o
R
H
R'
aminy 2o
..
N
R
R''
R'
aminy 3o
R
R'
R'''
N+
R''
-
X
4o sole
amoniowe
W aminach rzędowość odnosi się do liczby reszt organicznych związanych z atomem azotu.
Nazewnictwo systematyczne amin.
Aminy pierwszorzędowe można nazywać czterema sposobami:
1. Słowo -amina poprzedzone jest nazwą reszty alkilowej lub arylowej
przyłączonej do atomu azotu, np. metyloamina, etyloamina, fenyloamina,
benzyloamina itp.;
2. Słowo -amina poprzedzone jest nazwą macierzystego wodorku (alkanu lub
arenu), np. metanoamina, etanoamina, benzenoamina, toluenoamina itp.;
3. Nazwę alkilu lub arylu połączonego z atomem azotu dodaje się do słowa -azan,
np. metyloazan, etyloazan, fenyloazan, benzyloazan.
4. Sposób przedrostkowy. Przedrostek amino- dodaje się do rdzenia nazwy
(nazwy wodorku macierzystego), np. aminometan, aminobenzen.
Przykłady
1
2
3
4
metyloamina
metanoamina
metyloazan
aminometan
CH2NH2
NH2
CH3CH2 NH2
CH3NH2
etyloamina
etanoamina
etyloazan
aminoetan
fenyloamina (anilina)
benzenoamina
fenyloazan
aminobenzen
benzyloamina
toluenoamina
benzyloazan
aminotoluen
Sposobu przedrostkowego używa się najczęściej wówczas, kiedy grupa aminowa nie jest
grupą główną, np. 4-aminobutan-2-on i pozostałe podane niżej związki.
NH2 O
O
H2N
OH
kwas 4-aminobutanowy
(kwas -aminomasłowy)
4-aminoheks-2-on
H2N
COOH
kwas 4-aminobenzoesowy
(kwas p-aminobenzoesowy)
OH
H2N
2-aminoetanol
(etanoloamina)
Aminy drugorzędowe i trzeciorzędowe o symetrycznej budowie można nazywać dwoma
sposobami
1. Do słowa -amina dodaje się poprzedzoną przedrostkiem di- lub tri- nazwę
alkilu lub arylu, związanego z atomem azotu;
2. Do rdzenia -azan dodaje się poprzedzoną przedrostkiem di- lub tri- nazwę
alkilu lub arylu, związanego z atomem azotu.
Przykłady
o
o diizopropyloamina
(CH3CH2)2NH 1 o dietyloamina [(CH3)CH]2NH 1 o
2 dietyloazan
NH
2 dipropyloazan
1o difenyloamina
2o difenyloazan
Niesymetryczne aminy 2o i 3o o wzorach NHRR’, NR2R’ i NRR’R’’ można nazywać trzema
sposobami:
1. Jako pochodne amin 1o; do nazwy aminy 1o dodaje się nazwę dodatkowej
reszty alkilowej lub arylowej, np. N-etylobutyloamina;
2. Sposób azanowy; do słowa -azan dodaje się (w nawiasach, jeżeli trzeba) nazwy
grup alkilowych lub arylowych związanych z atomem azotu;
3. Sposób grupowy; nazwa rdzenia -amina poprzedzona jest nazwami wszystkich
podstawników ułożonych alfabetycznie.
Przykłady
CH3
ClCH2CH2NHCH2CH2CH3
1
N-(2-chloroetylo)propyloamina
CH3CH2CH2CH2NCH2CH3
N-etylo-N-metylobutyloamina
N-(2-chloroetylo)propano-1-amina N-etylo-N-metylobutano-1-amina
2
(2-chloroetylo)(propylo)azan
butylo(etylo)metyloazan
3
(2-chloroetylo)(propylo)amina
butylo(etylo)metyloamina
Aminy aromatyczne
Wiele amin aromatycznych znanych jest pod nazwami zwyczajowymi.
NH2
anilina
NH2
NH2
CH3 p-toluidyna 1-naftyloamina
H2N
NH2
benzydyna
N
H
difenyloamina
NH2
2-naftyloamina
O2N
CH2NH2
benzyloamina
N
NO2
H
4,4'-dinitrodifenyloamina
(p,p'-dinitrodifenyloamina)
NH2
NH2 p-fenylenodiamina
NH2
NO2
NO2 2,4-dinitroanilina
Zasady nomenklatury systematycznej dla amin aromatycznych są takie same jak dla
alifatycznych.
Pierwszorzędowe aminy aromatyczne (PAAs – Primary Aromatic Amines ) należą do
związków, które mogą być obecne w materiałach opakowaniowych i wyrobach
przeznaczonych do kontaktu z żywnością m.in. jako produkty rozkładu barwników azowych
lub jako produkty hydrolizy izocyjanianów zawartych w klejach wykorzystywanych do
łączenia wielowarstwowych folii z tworzyw sztucznych.
Niektóre z PAAs uznane zostały przez Międzynarodową Agencję ds. Badań nad Rakiem
(IARC – International Agency for Research on Cancer) za substancje potencjalnie
kancerogenne dla człowieka. Przykładem takiej substancji jest 4,4’-metylenodianilina
(MDA), której migrację z wyrobów kuchennych do kontaktu z żywnością stwierdzano
wielokrotnie. Zgodnie z przepisami Unii Europejskiej (Dyrektywa 2002/72/WE) materiały
i wyroby z tworzyw sztucznych przeznaczone do kontaktu z żywnością, nie mogą uwalniać
PAAs w ilości wykrywalnej metodą analityczną o granicy wykrywalności 0,01 mg/kg
żywności lub płynu modelowego imitującego żywność.
W ostatnich latach w systemie RASFF (Rapid Alert System for Food and Feed)
odnotowano wiele powiadomień dotyczących wyrobów wykonanych z nylonu, w związku ze
stwierdzaniem przekroczenia dopuszczalnego limitu migracji PAAs, w tym także MDA.
Powiadomienia te pochodziły z różnych krajów Unii Europejskiej i dotyczyły głównie
wyrobów pobranych z obrotu handlowego. Były to wyroby kuchenne wielokrotnego użytku
(różnego rodzaju łyżki, łopatki i ubijaki) wykonane z czarnego poliamidu, pochodzące z Chin.
Wyroby z poliamidu (tworzywa sztucznego znanego także pod nazwą nylon) są powszechnie
wykorzystywane w gospodarstwach domowych podczas gotowania i smażenia, ze względu na
wiele zalet m.in. stosunkowo niską cenę, małą masę (lekkość), odporność na wysoką
temperaturę oraz średnią twardość, dzięki której nie powodują mechanicznego uszkodzenia
powierzchni naczyń kuchennych pokrytych powłokami nieprzywieralnymi np. z politetrafl
uoroetylenu znanego pod nazwą Teflon.
Do oznaczania migracji PAAs z materiałów i wyrobów do kontaktu z żywnością
najczęściej stosowane są metody: spektrofotometryczna i chromatograficzne (HPLC, GC).
Metoda
spektrofotometryczna
pozwala
na
oznaczenie
całkowitej
zawartości
pierwszorzędowych amin aromatycznych (w przeliczeniu na anilinę) i jest wykorzystywana
jako metoda skriningowa do stwierdzania zgodności wyrobu z wymaganiami w zakresie
dozwolonego limitu. Metody chromatograficzne dają możliwość identyfikacji i ilościowego
oznaczania zawartości poszczególnych PAAs migrujących z wyrobu do żywności lub płynu
modelowego. Mogą być także stosowane do potwierdzania wyników uzyskanych metodą
spektrofotometryczną.
2.1. Otrzymywanie soli diazoniowych
W reakcji pierwszorzędowych amin aromatycznych z kwasem azotowym (III)
w obecności kwasu solnego i w temp. 0-5OC powstają sole diazoniowe, jako dające się
wyodrębnić związki pośrednie.
Zakwaszony roztwór azotanu (III) jest źródłem jonów nitrozoniowych (kationów
nitrozylu, NO+), które dzięki właściwościom elektrofilowym zastępują atom wodoru
w pierwszorzędowej grupie aminowej, tworząc pochodną N-nitrozową. Pochodna ta ma
budowę tautomeryczną; jej forma hydroksydiazowa przekształca się w środowisku kwaśnym
w jon diazoniowy.
Warunki doświadczalne niezbędne do przygotowania roztworu soli diazoniowej (tzw.
diazowania amin pierwszorzędowych) są następujące. Aminę rozpuszcza się w odpowiedniej
ilości wody, zawierającej 2,5-3 równoważniki kwasu solnego, ogrzewając mieszaninę w razie
potrzeby. Jeśli podczas diazowania nie stosuje się nadmiaru kwasu solnego (lub mineralnego),
to zachodzi reakcja sprzęgania między solą diazoniową i aminą, prowadząca do powstania
diazoaminobenzenu. Następnie roztwór ten chłodzi się, wówczas chlorowodorek aniliny
zwykle krystalizuje. Temperaturę mieszaniny utrzymuje się w przedziale 0-5 OC i wkrapla do
niej roztwór azotanu(III) sodu do czasu gdy po upływie 3-4 min. od wprowadzenia ostatniej
porcji azotanu (III) sodu wynik testu na obecność nadmiaru kwasu azotowego (III)
w mieszaninie reakcyjnej (przeprowadzony za pomocą papierka jodoskrobiowego) będzie
pozytywny. Wytrącony chlorowodorek aminy rozpuszcza się w trakcie diazowania i powstaje
klarowny roztwór dobrze rozpuszczalnej soli diazoniowej. Nadmiar kwasu solnego (0,5-1
równoważnik) zapewnia właściwe warunki reakcji, ponieważ sól diazoniowa jest trwała
w środowisku kwaśnym i wówczas nie zachodzą reakcje następcze. W trakcie reakcji (która
jest egzotermiczna) mieszaninę reakcyjną należy intensywnie chłodzić, w przeciwnym razie
sól diazoniowa może częściowo hydrolizować do odpowiedniego fenolu.
2.2. Reakcje sprzęgania
Azozwiązki otrzymuje się w wyniku działania soli diazoniowej na fenol w obecności
wodorotlenku sodu lub na aminę w obecności octanu sodu. Reakcja sprzęgania jest reakcja
podstawienia elektrofilowego, w której jon diazoniowy atakuje pozycję o największej gęstości
elektronowej, tj. pozycję orto- lub para- względem elektrodonorowej grupy hydroksylowej
lub aminowej.
3. Wykonanie pomiarów
3.1. Materiały i odczynniki
 Próbki wyrobów kuchennych z poliamidu, takich jak łyżki, łopatki, ubijaki







znajdujące się w obrocie handlowym.
Kwas octowy 3% roztwór wodny
Wodorotlenek sodu 10% roztwór wodny
Anilina, cz.d.a.
Azotan sodu (III)
Kwas solny stężony 36-38%
-Naftol (-Naftol)
Etanol bezwodny
3.2. Aparatura
 Spektrofotometr UV-VIS Perkin Elmer Lambda 25
 Waga anlityczna
 Czasza grzejna
 Autotransformator
 Kolba kulista 250 ml









Chłodnica
Kolba kulista dwuszyjna 250 ml
Termometr z nasadką do kolby szklanej
Mieszadło magnetyczne i elementy mieszające
Zlewki szklane 100 ml
Zestaw pipet jedno- i wielo- miarowych
Kolby miarowe 100 ml
Naczynko wagowe
Szklane bagietki
3.3. Ekstrakcja pierwszorzędowych amin z tworzyw sztucznych.
Przygotować próbkę tworzywa wg normy PN-EN 13130-1:2006 o wymiarach 20 mm x
20 mm, poprzez wycięcie jej z badanego materiału. Wyznaczyć pole powierzchni próbki
w cm2, która kontaktuje się z płynem migracyjnym. W tym celu proszę posłużyć się
suwmiarką. Próbkę tworzywa zważyć na wadze analitycznej.
Próbki tworzywa poddać działaniu 3% wodnego roztworu kwasu octowego, płynu
modelowego imitującego działanie żywności kwaśnej, w temperaturze 100°C przez 2 godziny
stosując metodę całkowitego zanurzenia. W tym celu umieścić badaną próbkę tworzywa
w kolbie 250 ml, a następnie dodać za pomocą cylindra miarowego 100 ml płynu
modelowego. Upewnić się, czy próbka jest całkowicie zanurzona w płynie modelowym,
w razie czego poprawić położenie próbki za pomocą szklanej bagietki. Podłączyć chłodnice
do kolby, włączyć przepływ wody w chłodnicy. Włączyć podgrzewacz i ogrzewać możliwie
jak najszybciej do refluksu. Gdy refluks zostanie osiągnięty wyregulować ogrzewanie do
utrzymania lekkiego refluksu. Obserwować płyn modelowy w kolbie, pozostawić na czas
2 godzin pilnując regulacji refluksu. Następnie odłączyć podgrzewacz, odciąć dopływ wody
do chłodnicy, odłączyć chłodnicę i wyjąć kolbę z podgrzewacza.
Płyn migracyjny poddać reakcji diazowania i sprzęgania,
3.4. Otrzymywanie soli diazoniowej
Do kolby kulistej dwuszyjnej z elementem mieszającym o pojemności 250 ml
wprowadzić za pomocą pipety jednomiarowej 50 cm 3 ostudzonego płynu migracyjnego
i dodać kwasu solnego. W roztworze umieścić termometr, a kolbę zanurzyć w łaźni
z pokruszonym lodem, roztwór ochłodzić do temp. poniżej 5OC. Roztwór azotanu(III) sodu
ochłodzić w łaźni lodowej, a następnie małymi porcjami wkroplić do zimnego
i energicznie wstrząsanego roztworu chlorowodorku aniliny. W trakcie reakcji wydziela się
ciepło. Nie można dopuścić do tego, aby temperatura mieszaniny reakcyjnej wzrosła powyżej
5OC, w przeciwnym razie związek diazoniowy i kwas azotowy (III) rozłożą się w znacznym
stopniu. Po 3-4 minutach mieszania, kroplę mieszaniny reakcyjnej należy sprawdzić za
pomocą papierka jodoskrobiowego, jeśli papierek nie zabarwi się natychmiast na niebiesko
w miejscu zetknięcia z roztworem, to trzeba do mieszaniny dodać kilka kropel roztworu
azotanu(III) sodu. Po 3-4 minutach ponownie wykonać test z papierkiem jodoskrobiowym.
Postępować tak do czasu, aż mieszanina reakcyjna będzie zawierać niewielki nadmiar kwasu
azotowego(III).
3.5. Reakcja sprzęgania
W zlewce o pojemności 250 ml przygotować roztwór 2-naftolu w 10-proc. roztworze
wodorotlenku sodu i ochłodzić go do temp. 5OC, zanurzając zlewkę w łaźni z lodem. Do
energicznie mieszanego roztworu soli diazoniowej dodać bardzo powoli zimny roztwór
2-naftolu, mieszanina reakcyjna barwi się na kolor pomarańczowo-czerwony. Po dodaniu
całego roztworu soli diazoniowej, mieszaninę pozostawić na 20 min w łaźni lodowej, cały
czas
mieszając.
Wytrąca
się
pomarańczowo-czerwony
osad
1-fenyloazo-2-naftolu
nierozpuszczalny w wodzie. Roztwór przesączyć na lejku Büchnera, przepłukując niewielką
ilością wody. Osad przenieść ilościowo do kolby miarowej 100 cm 3, rozpuścić go
w bezwodnym etanolu. Kolbę uzupełnić etanolem do kreski.
3.6. Analiza spektrofotometryczna
Wyznaczenie krzywej kalibracji. Na wadze analitycznej w naczynku wagowym
odważyć 1-fenyloazo-2-naftol, a następnie przenieść go do kolby miarowej 100 cm 3,
uzupełniając ją etanolem do kreski. Następnie pobrać z niej za pomocą pipet jednomiarowych
5, 10, 20, 50 cm3 roztworu do kolb miarowych 100 cm3 i rozcieńczyć je etanolem do kreski.
Przeprowadzić analizę spektrofotometryczną dla 5 roztworów 1-fenyloazo-2-naftolu
w zakresie 330-600 nm. Wybrać długość fali przy której występuje maksimum absorbancji.
Wykonać pomiar spektrofotometryczny dla badanego roztworu. Odczytać wartość
absorbancji przy długości fali użytej podczas wyznaczania krzywej kalibracji.
Obsługa spektrofotometru. Włączyć spektrofotometr przełącznikiem ON/OFF na 20
min. przed wykonywaniem pomiarów, włączyć komputer. Uruchomić oprogramowanie
Prekin-Elmer UV-VIS. W programie, według wskazówek prowadzącego wprowadzić metodę
ustawiając zakres długości fali (330-600 nm) i szybkość skanowania 30 nm/min. Wykonać
autozero spektrofotometru bez kuwet (z badanym roztworem i odnośnikiem). Następnie
wykonać pomiary spektrofotometryczne dla badanych roztworów wzorcowych i próbki. Jako
odnośnik użyć bezwodny etanol. Po skończonych pomiarach wyłączyć spektrofotometr
i komputer. Kuwet umyć etanolem i wysuszyć.
4. Opracowanie wyników
Wykonać sprawozdanie, które powinno zawierać:
 tytuł i cel ćwiczenia oraz imiona i nazwiska osób je wykonujących
 reakcję otrzymywania soli diazoniowych i reakcję sprzęgania
 opis badanych próbek, ich wymiary i masę
 krzywą kalibracji dla obliczonych stężeń 1-fenyloazo-2-naftolu
 zawartość pierwszorzędowych amin aromatycznych w przeliczeniu na alaninę
w miligramach na litr modelowego płynu migracyjnego i w miligramach na cm2
pola powierzchni badanej próbki.
Zaliczenie odbywa się na podstawie
obecności,
aktywnego
uczestnictwa
w ćwiczeniu, wykonaniu i pozytywnym ocenieniu sprawozdania oraz oceny z wejściówki
5. Literatura
 Norma PN-EN 13130-1:2006 - wersja polska, Materiały i wyroby
przeznaczone do kontaktu z produktami spożywczymi -- Substancje
w tworzywach sztucznych podlegające ograniczeniom -- Część 1: Przewodnik
dotyczący metod badań migracji specyficznej substancji z tworzyw sztucznych
do żywności i płynów modelowych żywności oraz oznaczanie tych substancji

i wybór warunków kontaktu z płynami modelowymi.
Arthur Israel Vogel, preparatyka organiczna, wydanie 3, Wydawnictwo

Naukowo-Techniczne, 2006 rok.
Jerzy Minczewski, Zygmunt Marczenko Chemia analityczna. Chemiczne


metody analizy ilościowej. Cz.2, Wydaw. Naukowe PWN, Warszawa 2005 rok
Directive (WE) no. 1935/2004 of the European Parliament and Council* dated
27.10.2004 concerning materials and products for contact with food.
DYREKTYWA KOMISJI 2002/72/WE z dnia 6 sierpnia 2002 r. w sprawie
materiałów i wyrobów z tworzyw sztucznych przeznaczonych do kontaktu ze
środkami spożywczymi