ТеорИмба

Однако надо учитывать, что при этом селективность разделения соединений, содержащих гидроксильные, амидные и другие полярные группы уменьшается.

Плавного изменения селективности нормально-фазовой системы можно добиться или путем замены полярной добавки (на растворитель, относящийся к другому классу соединений: спирт на эфир, простой эфир на сложный, эфир на хлорорганический растворитель и т.д.), или применяя смешанные полярные добавки. Применение хлорорганических растворителей (хлороформ, хлористый метилен), образующих с ароматикой слабые комлексы с переносом заряда оправдано при разделении ароматических соединений. (удержание между адсорбатом и сорбентом в этом случае происходит за счет взаимодействия диполь– наведенный диполь) Для разделения полярных соединений желательно применять в качестве полярных добавок эфиры и кетоны (диоксан, ТГФ, этилацетат, ацетон – примерно в порядке уменьшения частоты применения), для разделения комплекса средне и сильнополярных соединений – спирты.

Обращено-фазовая хроматография

Обращено-фазовая хроматография подразумевает использование в качестве неподвижной фазы неполярного сорбента, а в качестве подвижной фазы – полярного растворителя.

В обращенно-фазовой хроматографии неподвижной фазой служат гидрофобизированные силикагели, которые получают при обработке силикагеля хлорсиланами. Есть варианты мономерных и полимерных фаз.

-HCl (CH3)3

C18H37

C18H37

Помимо наиболее распространенной фазы С18 существует ряд других. Сведения о них приведены в таблице 1.

Me

Si R

Me

Таблица 1. Фазы, применяемые в ОФЖХ

В условиях обращено-фазовой хроматографии лежат следующие взаимодействия между адсорбатом и сорбентом:

1.Дисперсионные взаимодействия. Под этим термином принято понимать взаимодействия адсорбатов с неполярными, как правило, углеводородными, структурными фрагментами адсорбента. При этом предполагается, что взаимодействие осуществляется за счет мгновенных наведенных диполей. Алифатический углеводород способен только к одному единственному способу взаимодействия – очень слабым индукционным диполь – дипольным взаимодействиям.

2.Сольвофобные (гидрофобные) взаимодействия. В ОФЖХ используются полярные подвижные фазы, состоящие чаще всего из протонных растворителей или системы на их основе, которые характеризуются высокой степенью структурированности, за счет сольватационных взаимодействий между отдельными молекулами растворителя. Многие системы такого типа обладают характерным свойством – протонным обменом, который происходит «по сетке» водородных связей. Быстрый протонный обмен в воде и водно-органических системах приводит к образованию своего рода единого жидкого кристалла фазы, к которому не применимо понятие молекулы. Структурированность систем протонных растворителей, и особенно водных систем, приводит также к значительному дальнодействию взаимодействий в их среде.

Помещение в такую среду частицы большого объема приводит к искажению или нарушению структуры среды, что является энергетически невыгодным, особенно для неполярных, не взаимодействующих со средой частиц, не способных как-либо компенсировать рост энергии системы. Адсорбция же частицы поверхностью неподвижной фазы приводит к уменьшению площади контакта со средой, и приводит к уменьшению энергии системы, что энергетически выгодно.

Нарушение структуры растворителя принято выражать термином «сольвофобное взаимодействие», или, для воды и водно-органических систем – «гидрофобное взаимодействие» (рис. 5).

Рис. 5. Сольвофобное взаимодействие.

Чем больше поверхностное натяжение среды, тем выше в ней величины сольвофобного взаимодействия для различных соединений.

По сути, мы имеем дело с многократным перераспределением вещества между двумя жидкими фазами. Одна фаза – подвижная фаза, а другую образует органический компонент подвижной фазы и привитые углеводородные радикалы (рис. 6).

Раствор

- функциональная группа адсорбента

- молекула адсорбата-аналита (А)

- молекула адсорбата-конкурента-вытеснителя (Ак)

- молекула растворителя-разбавителя (Р) Адсорбент

Si

OH

Si

Рис. 6. Конкурентное взаимодействие адсорбата и органического компонента подвижной фазы с поверхностью адсорбента

В случае слишком высокого содержания в элюенте воды, может наблюдаться явление, называемое коллапсом обращенной фазы (рисунок 7).

Рис. 7. «Рабочее» состояние неподвижной фазы (слева) и ее коллапс (справа). В обращенно-фазовой хроматографии способность адсорбата к удерживанию характеризуется свойством его гидрофобности. Чем меньше для вещества коэффициент распределения между водной и органической фазами, тем выше его гидрофобность и тем выше время удерживания данного вещества в условиях

обращенно-фазовой хроматографии.

Наиболее часто применяемой количественной характеристикой гидрофобности адсорбатов являются их коэффициенты распределения в двухфазной системе «октанол-вода». Коэффициент распределения равен отношению количества адсорбата в фазе октанола к количеству адсорбата в фазе воды.

Кроме гидрофобности для предсказания порядка выхода веществ с колонки можно использовать такое понятие, как поверхность гидрофобного контакта (рис.8).

R

Рис. 8. Поверхность гидрофобного контакта.

Поверхность гидрофобного контакта повышается в следующем ряду: Ph-H < Ph-CH3 < Ph-CH2CH3 <...< Ph-CH2(CH2)25-30CH3

В качестве элюента для ОФХ служат смеси воды с различными органическими растворителями. Растворитель должен смешиваться с водой. Чаще

всего применяют метанол и ацетонитрил. Ацетонитрил при смешивании с водой образует растворы с минимальной вязкостью, что позволяет использовать меньшее давление в системе. Реже используются ТГФ и длинноцепочечные спирты. В крайних случаях используются хлорорганические растворители. Элюирующая сила изменяется в ряду:

MeOH < ACN < EtOH < i-PrOH, THF < CH2Cl2 < CHCl3.

Еще одним компонентом элюента является сильная кислота (трифторуксусная, муравьиная). Их присутствие необходимо при элюировании органических кислот (для подавления диссоциации), соединений основного характера (для лучшего разделения в качестве ион-парных агентов) и удаления с матрицы сорбирующихся ионов, которые содержаться в воде.

Элюирование в ОФХ можно проводить в двух режимах:

•изократическом (постоянство подвижной фазы);

•градиентном (постоянное увеличение концентрации органической добавки).

При изократическом элюировании часто используют увеличение температуры. С ростом температуры происходит увеличение растворимости адсорбента в подвижной фазе и, следовательно, уменьшение времени удерживания.

Ионо-обменная хроматография

Ионная хроматография – это высокоэффективная жидкостная хроматография, предназначенная для разделения катионов и анионов. Она имеет ряд достоинств:

•возможность определять большое число неорганических и органических ионов, а также одновременно определять катионы и анионы;

•высокая чувствительность и быстрота анализа;

•широкий диапазон определяемых концентраций (от 1 нг/мл до 10000 мг/л);

Вкачестве основных недостатков стоит отметить:

•сложность синтеза ионообменников, что значительно затрудняет развитие метода;

•необходимость высокой коррозионной стойкости хроматографической системы, особенно при определении катионов.

Воснове метода лежит взаимодействие между двумя разноименно заряженными ионами, а именно, эквивалентный обмен ионов раствора на ионы неподвижной твердой фазы. Этакое взаимодействие описывается кулоновским притяжением двух сфер. Сила такого взаимодействия определяется величиной отношения заряда к квадрату его эффективного радиуса.

Величина же эффективного радиуса включает также сольватную оболочку иона, поэтому она, не совпадает с величиной истинного ионного радиуса и зависит от природы растворителя, так как ион-дипольное взаимодействие иона с молекулами растворителя приводит к тому, что ионы с меньшими истинными ионными радиусами характеризуются большими эффективными радиусами. Это связано с тем, что ионы с небольшими истинными радиусами обладают большей поверхностной плотностью заряда и в результате сольватируются гораздо сильнее, чем ионы с большими истинными радиусами, что в итоге приводит к обращению размеров ионов. Это правило в биполярных растворителях справедливо как для катионов, так и анионов.

Такие растворители, как вода, эффективно сольватируют и катионы, и анионы. Некоторые апротонные растворители, к примеру, диметилсульфоксид, эффективно сольватируют катионы, но плохо сольватируют анионы. В таких растворителях эффективный радиус анионов может приближаться к их истинному радиусу.

Сходное явление можно наблюдать для смесей растворителей: эффект предпочтительной сольватации катиона одним растворителем, а аниона другим, называется гетероселективной сольватацией. Различным образом сольватированные ионы называются сольватомерами.

Таким образом, путем регулирования состава среды можно регулировать размер сольватированных ионов и величину ионного взаимодействия. Следовательно, и время удерживания.

Адсорбенты для ионо-обменной хроматографии

Внастоящее время для ионной хроматографии применяются фазы, как на полимерной основе, так и на основе силикагеля. Фазы на полимерной основе обладают большим временем жизни, но и большей стоимостью. Силикагельные

ионообменные фазы незаменимы при анализе органических ионов, для разделения неорганических ионов чаще применяются полимерные фазы.

Основой для полимерного ионообменного сорбента служит сополимер стирола и дивинилбензола, обладающий высокой физической и химической устойчивостью в различных условиях. Полимер может быть использован в качестве ионообменника только после введения в матрицу ионогенных групп. Ионогенная группа состоит из двух ионов. Один из них прочно фиксируется за счет ковалентной связи и называется функциональной группой (фиксированным ионом). В качестве функциональной группы могут выступать как кислотные, так и основные группы. Ионы противоположенного заряда – противоионы - связываются с фиксированным ионом за счет электростатического взаимодействия. Противоионы могут обмениваться на эквивалентное количество ионов того же заряда из раствора. В зависимости от силы привитой функциональной группы ионообменники делятся на сильнокислотные, среднекислотные и слабокислотные (или основные). Классификация ионообменников приведена в таблице 2.

В настоящее время находят применение анионнообменники, в качестве привитой фазы, которых выступает краун-эфир.

Подвижные фазы для ионообменной хроматографии и селективность разделения

Подвижными фазами в ионообменных хроматографических системах выступают чаще всего водные буферы (для разделения неорганических ионов) или их системы с полярными органическими растворителями, если стоит задача в разделение органических ионов.

Время и порядок элюирования катионов и анионов зависит от их заряда и размера гидратированного иона. Как было сказано ранее, ионы удерживаются тем сильнее, чем больше их заряд и меньше размер гидратированного иона. Элюирующая способность подвижной фазы возрастает, с увеличением концентрации ионов, содержащихся в ней, и их сродства к ионообменнику, которое зависит от заряда и размера элюирующего иона.

Разделение катионов происходит на катионообменниках, которые содержат фиксированные группы: сульфокислотные, фосфатные или карбоксильные и катионы в качестве противоиона. Равновесие ионного обмена описывается схемой

nRSO3-H+ + Men+ = (RSO3-)nMe + nH+

Подвижной фазой при разделении катионов чаще всего являются растворы ((1-5)·10-3 М) соляной, азотной кислот или их солей. Разделяемые катионы элюируются с колонки в результате их вытеснения с неподвижной фазы катионами, содержащимися в подвижной фазе.

Разделение анионов проводится на анионообменниках, которые содержат фиксированные группы моноалкил-, диалкил- и триалкиламины и анионы как противоионы. Равновесие ионного обмена описывается схемой

nR1R3N+OH + Ann- = (R1R3N+)nAn + nOH-

Наиболее распространенными элюентами при разделение анионов являются ((1-5)·10-3 M) растворы карбоната, гидрокарбоната или гидроксида натрия. Разделяемые анионы элюируются с колонки анионами, содержащимися в подвижной фазе.

Если хроматографируемые адсорбаты, или ионообменный адсорбент, содержат в своей структуре способные к ионизации функциональные группы, то удерживание также зависит и от рН подвижной фазы.

В случае «сильных» ионообменных адсорбентов, а таковыми являются адсорбенты чей заряд не зависит от рН среды, все функциональные группы адсорбента полностью ионизированны. Это условие так же выполняется в случае «слабых» ионообменных адсорбентах в области рН, где все функциональные группы адсорбента полностью ионизированны. В этих случаях зависимость удерживания от показателя рН определяется лишь степенью ионизации функциональных групп разделяемых соединений. В катионобменных системах