Rapid Monitoring of Copper Over a Wide Concentration range by High-Sensitive Potentiometric Membrane Electrode Based on 1-cyano-1-piperidino-2(N-piperidino methyl)-cyclo hexane

Abstract

Abstract: In this paper, 1-cyano-1-piperidino-2(Npiperidino methyl)-cyclohexane was synthesized. The lowest-energy conformer of this molecule (Ligand) with axial and equatorial forms of cyanide toward cyclohexane and local minima corresponding to their complexes with various ions were obtained using Monte Carlo procedure by Molecular Mechanics with MMFF94 method. The calculated results of the Gibbs free energy of the reaction using density functional theory (DFT) show that the thermodynamic reactivity of complexation of copper ion with studied ligand is the best. Finally, a selective and sensitive copper-ion selective liquid membrane electrode for potentiometric monitoring of ultra-trace amounts of Cu2+ was prepared by using 1-cyano-1-piperidino-2(Npiperidino methyl)-cyclohexane as an excellent ionophore. This electrode exhibits a Nernstian response for Cu2+ ions over a concentration range (1.5 × 10-2 to 1.0 × 10-8 mol L-1) with a slope of 28.4±0.4 mV per decade. The limit of detection of the sensor is 6.3 × 10-9 mol L-1. The sensor has a relatively fast response time (<10 s) and a useful working pH range of 5.0-8.5. Interference of some cations was also evaluated. The practical utility of the Cu2+ ion sensor has been demonstrated by using it as an indicator electrode in potentiometric titration of Cu2+ with EDTA and for direct determination of Cu2+ in well water samples.

Translated abstract

Resumen: En este trabajo se sintetizó el compuesto 1-ciano-1-piperidin-2(Npiperidin metil)-ciclohexano. Usando Mecánica Molecular con el método MMFF94 y el procedimiento Monte Carlo, se obtuvo el confórmero de mínima energía para esta molécula (ligante) con arreglos axial y ecuatorial de cianida respecto a ciclohexano, así como los mínimos locales. Los resultados de energías libres de Gibbs de reacción, calculados usando la teoría de funcionales de la densidad (TFD) muestran que la reactividad termodinámica de la complejación de cobre iónico con el ligante estudiado es la mejor. Finalmente, se preparó un electrodo de membrana selectivo y sensible a iones cobre para monitorear potenciométricamente cantidades de ultra-traza de Cu2+. Para ello se usó 1-ciano-1-piperidin-2(Npiperidin metil)-ciclohexano como excelente ionósforo. Este electrodo exhibe una respuesta Nernstian para iones Cu2+ en un rango de concentraciones (1.5 × 10-2 to 1.0 × 10-8 mol L-1) con pendiente de 28.4±0.4 mV por década. El límite de detección del sensor es 6.3 × 10-9 mol L-1. El sensor tiene una respuesta relativamente rápida (<10 s) y un rango de pH de trabajo útil de 5.0-8.5. También se evaluó la interferencia de otros cationes. La utilidad práctica del sensor de iones Cu2+ ha sido demostrada usándolo como un electrodo indicador en la valoración potenciométrica de Cu2+ con EDTA y para la determinación directa de Cu2+ en muestras de agua.