хроматография-лекции. Хроматографические методы. Общая характеристика методов
 Скачать 6.82 Mb.
|
|
Система классификации неподвижных жидких фаз Роршнейдера позволяет:
Практическим примером может служить задача выбора оптимальной неподвижной жидкой фазы для разделения смеси бензола (температура кипения 80.1 оС), этанола (78.5 оС) и ацетона (56.2 оС). При этом следует иметь в виду, что поскольку этанол является основным компонентом в смеси, он должен элюироваться из колонки последним. Обычно порядок выхода разделяемых веществ таков – ацетон и сумма этанола и бензола, что соответствует их температурам кипения. Для успешного решения этой задачи нужна неподвижная жидкая фаза, имеющая большое значение константы у относительно констант х и z, т.е. колонка, сильно удерживающая спирты. Классификация неподвижных жидких фаз Мак-Рейнольдса Дальнейшее развитие система классификации Роршнейдера получила в работах Мак-Рейнольдса, который предложил изменить список веществ-стандартов таким образом, чтобы в нем были представлены члены большего числа гомологических рядов с близкими температурами кипения. Список предложенных Мак-Рейнольдсом соединений следующий: бензол, бутанол, метилпропилкетон, нитропропан, пиридин, 2-метил-пентанол-2, 1-иодбутан, октин-2, 1.4-диоксан, цис-гидриндан. Кроме этого Мак-Рейнольдс предложил использовать температуру колонки при разделении равной 120 оС и отказаться от деления полученных индексов удерживания на 100. Используемые количества неподвижных жидких фаз – 20 % по массе. На практике в большинстве случаев для характеристики неподвижных жидких фаз используются пять первых веществ-стандартов Мак-Рейнольдса. 13.5. ВАЖНЕЙШИЕ НЕПОДВИЖНЫЕ ЖИДКИЕ ФАЗЫ Известно более 1000 неподвижных жидких фаз, нашедших применение в газовой хроматографии. Стремление резко ограничить число применяемых неподвижных жидких фаз неправомерно, поскольку именно возможность реализации различного типа межмолекулярных взаимодействий – сильная сторона газо-жидкостной хроматографии. Применение нашли около 100 достаточно часто используемых неподвижных жидких фаз, из которых 20 используют примерно в 6070 % всех хроматографических анализов. Использование капиллярных хроматографических колонок с их высокой эффективностью в какой-то мере дало возможность снизить требования к селективности и сделать эти 20 фаз достаточными примерно для 80 % разделений. Однако всегда найдутся задачи, для которых селективность каких-либо неподвижных фаз является уникальной. Поскольку каждый из классов соединений характеризуется своей спецификой взаимодействий, в каждом классе можно подобрать вещества, пригодные для использования в качестве неподвижных фаз. Неароматические углеводороды Неароматические углеводороды, будучи неполярными, являются очень хорошими растворителями для всех анализируемых веществ углеводородного типа. На этих неподвижных фазах алканы обладают большими (по сравнению с другими неподвижными фазами с сопоставимыми значениями вязкости) удерживаемыми объемами, чем можно было бы ожидать из давления пара чистых веществ. Взаимодействие таких фаз как с неполярными, так и с поляризуемыми или полярными анализируемыми веществами определяется исключительно или преимущественно дисперсионными силами. Поэтому спирты, например, элюируются значительно быстрее из колонок с углеводородными фазами, чем из сопоставимых колонок с полярными фазами. Кроме того, межмолекулярные силы, вызывающие ассоциацию спиртов, не действуют при малой концентрации спирта в неподвижной фазе, так что удерживаемые объемы на практике даже меньше, чем это следовало бы из температур кипения. Углеводороды в качестве неподвижных фаз особенно пригодны для отделения первичных, вторичных и третичных спиртов от других органических соединений, и прежде всего от кислородсодержащих веществ. Это относится также и к отделению перфторированных углеводородов от нефторированных или частично фторированных углеводородов. Разделение углеводородов на неподвижных фазах этой группы происходит, как правило, в соответствии с их температурами кипения. В этом смысле рассматриваемые фазы неселективны по отношению к углеводородным соединениям или обладают лишь небольшой селективностью. Поскольку все типы углеводородов хорошо растворяются в углеводородных неподвижных фазах и поэтому удерживаются ими значительно сильнее, чем большинство близкокипящих полярных соединений. На этом основано применение фаз этой группы для определения примесей полярных веществ в углеводородах. Различие в величинах удерживания членов гомологических рядов на парафиновых фазах существенно больше, чем на любых других неподвижных фазах. Причина этого заключается в высоком содержании метиленовых групп, обуславливающих важную роль дисперсионных сил. Благодаря химической инертности углеводородные фазы пригодны для хроматографического исследования почти всех летучих соединений, хотя селективность их незначительна. Следует отметить их важную роль как стандартных неполярных неподвижных фаз, поскольку они способны лишь к дисперсионным взаимодействиям. Сравнением величин удерживания, измеренных на этих и других неподвижных фазах (например, электроноакцепторных или электронодонорных), можно провести качественную оценку неизвестных анализируемых веществ. Представители группы:
получают полным гидрированием сквалена, добываемого из жира печени акул (температура кипения – 375 оС, интервал рабочих темпе-ратур 20150 оС;
Ароматические углеводороды Характерные отличия этой группы неподвижных жидких фаз выражаются в следующем:
Представитель неподвижных жидких фаз этого класса – полифениловый эфир: продукт переработки каменноугольного дегтя, содержащий большое число фенильных и фениленовых групп. Интервал рабочих температур 230400 оС для образца с молекулярной массой 800 и 230450 оС для образца с молекулярной массой 2100. Силиконы Диметил- и метилфенилполисилоксаны относятся к числу наиболее часто применяемых неподвижных жидких фаз. Это объясняется несколькими причинами. Силиконы можно применять как при очень низких ( -50 оС ), так и при сравнительно высоких (до 350 оС) температурах, поскольку различия в вязкости при этом не так велики, как для соединений других классов. К тому же при использовании этих линейных полимеров разделительная способность менее, чем обычно, подвержена влиянию вязкости. Эти преимущества особенно заметны при работе в области средних и высоких температур, особенно в условиях программирования температуры колонки. Метилсиликоны обладают весьма слабой полярностью, поэтому последовательность элюирования углеводородов, как правило, соответствует последовательности их температур кипения. По отношению к кислородсодержащим соединениям метилсиликоны селективны. Представители неподвижных жидких фаз этого класса – силиконовые масла, силиконовый каучук. Структурная формула: CH3 [ Si – O ]n. CH3 Вязкость силиконового масла 10-4 – 10-2 м2/с, вязкость силиконо-вого каучука – 1 м2/с (n >4000). Температурный интервал 50 – 220 оС для силиконового масла, 25320 оС – для силиконового каучука. Фенилсиликоны Наличие фенильных групп в фенилсиликонах приводит к усилению взаимодействия с ароматическими соединениями. Несколько более высокие величины удерживания характерны для полярных соединений. Отличие от метилсиликонов увеличивается с ростом отношения числа фенильных групп к числу атомов кремния. Силоксаны с большим содержанием фенильных групп селективны по отношению к оловоорганическим соединениям, галоидсодержащим углеводородам. У фенилсиликонов с 75 % фенильных групп селективность по отно-шению к ароматическим углеводородам в 11 раз выше, чем у метил-силиконов, однако увеличение числа фенильных групп приводит к уменьшению диффузии, и как следствие, к расширению пика и сниже-нию эффективности разделения. Выше 150 оС это явление мало заметно. Фенилсиликоны характеризуются повышенной устойчивостью к окислению и воздействию температуры C6H5 CH3 C6H5 CH3 [ Si – O ]m [ Si – O ]n ; [ Si – O ]m [ -Si – O ]n. CH3 CH3 C6H5 CH3 Масла с небольшим содержанием фенильных групп: OV3 (10 %), OV7 (20 %); температурный интервал 50 – 300оС. Масла со средним содержанием фенильных групп: DC550 (25 %); температурный интервал 30 – 300оС. Масла с высоким содержанием фенильных групп: OV61 (33 %), OV211 (35 %), OV17 (50 %), OV22 (60 %), OV25 (75 %); температурный интервал 20 – 375 оС. Путем замещения атомов водорода в боковой цепи получают фтор-алкилсиликоны (OV210 – 20 % трифторпропильных групп), нитрил-силиконы (OV105 – 5 % цианэтильных групп). Спирты, эфиры и производные углеводов Алифатические углеводороды очень плохо растворяются в неподвижных фазах такого типа и поэтому селективно отделяются от других органических соединений. Однако разделение самих гомологов парафинов неэффективно, если фаза не содержит достаточного количества метиленовых цепочек. Большое значение имеет способность эфирных и гидроксильных атомов кислорода, являющихся акцепторами электронов, образовывать водородные связи с подходящими партнерами, например спиртами, кислотами, фенолами, первичными и вторичными аминами. Благодаря этому перечисленные соединения лучше удерживаются по сравнению с соединениями, не образующими водородных связей. С другой стороны, атомы водорода гидроксильных групп спиртов и углеводов, выступающих в роли неподвижных фаз, могут образовывать водородные связи с атомами-акцепторами таких анализируемых соединений, как простые и сложные эфиры, кетоны, альдегиды, третичные амины, азот- и кислородсодержащие гетероциклические соединения. Из одноатомных спиртов используются гексадециловый спирт (интервал температур 5090 оС), октадециловый спирт (5970 оС). Из многоатомных спиртов – диглицерин (20100 оС), полиглицерин (20200 оС). Полигликоли Эти неподвижные фазы плохо растворяют алифатические углеводороды, но обладают некоторой селективностью для отделения н-парафинов от изопарафинов и насыщенных углеводородов от ненасыщенных. Селективно удерживаются алкилбензолы. Одновременное присутствие атомов-акцепторов (кислород гидроксила и простых эфиров) и атомов-доноров (водород гидроксила) приводит, благодаря образованию водородной связи, к тому, что низшие члены ряда полигликолей способны к сильному взаимодействию не только с веществами, содержащими гидроксильные группы и амино-группы, но и с соединениями, содержащими карбонильный кислород, вторичные и третичные аминогруппы и гетероциклически связанные азот и кислород. Так как силы взаимодействия в основном определяются водородными связями, для этих классов соединений не наблюдается заметных различий в селективности: и альдегиды, кетоны и простые эфиры выходят из колонки в соответствии с их температурами кипения. Селективность полигликолей зависит главным образом от концентрации гидроксильных групп, доступных для взаимодействия и, следовательно, от величины молекулярной массы. Полиэтиленгликоль является наименее селективной неподвижной жидкой фазой для кислородных соединений: минимальная температура колонки 2070 оС, максимальная температура колонки 100 оС (молекулярная масса 400), 130 оС (700), 150 оС (1000), 210 оС (6000). Ароматические простые эфиры Для разделения олефинов и ароматических углеводородов решающее значение имеют ароматические составляющие этих фаз. Относительно небольшая эфирная часть с атомами-акцепторами, способными к образованию водородной связи, оказывает довольно сильное влияние на силы удерживания, достаточное для разделения спиртов и эфироспиртов. Поли-м-фениловый эфир С6Н5[OC6H5]nOC6H5. Минимальная температура колонки 20 оС, максимальная 200 оС для n = 1, 375 oC для n > 5. Сложные эфиры Эфиры карбоновых и фосфорных кислот содержат в карбоксильных и фосфатных группах атомы кислорода, способные к образованию водородной связи. Поэтому при применении эфирных неподвижных фаз наблюдаются сравнительно высокие величины удерживания для анализируемых веществ, содержащих подвижный водород. Динонилфталат – минимальная температура колонки 20 оС, максимальная – 130 оС. Диоктилсебацинат, диоктиладипат – максимальная температура 130 оС и 125 оС соответственно. Трифенилфосфат, трикрезилфосфат – максимальная температура колонки 100 и 110 оС соответственно. 7.2. ВЛИЯНИЕ КОЛИЧЕСТВА НЕПОДВИЖНОЙ ЖИДКОЙ ФАЗЫ НА СВОЙСТВА НАСАДКИ При выборе оптимального количества неподвижной жидкой фазы следует исходить из величины степени его влияния на свойства насадки. Содержание неподвижной жидкой фазы не должно быть чрезмерно высоким, так как в этом случае насадка становится липкой, частицы склеиваются и эффективность разделения снижается. Максимальная загрузка жидкой фазы в значительной степени зависит от величины площади поверхности носителя и ее структуры. На активный силикагель можно нанести до 60 % жидкой фазы, и силикагель при этом останется еще не полностью смоченным. На стеклянные шарики нельзя наносить более 3 % неподвижной жидкой фазы от их массы, а для диатомитов предельное содержание неподвижной жидкой фазы составляет 2030 %. Относительно высокая степень пропитки имеет следующие преимущества:
Однако высокая степень пропитки в обычных условиях работы может приводить к ряду следующих нежелательных явлений:
Использование малых концентраций неподвижных жидких фаз характеризуется следующими преимуществами:
Недостатками насадок с малым содержанием неподвижных жидких фаз являются:
На практике наиболее предпочтительной является степень пропитки равная 5 % (не более 20 %). Оптимальную величину степени пропитки можно установить следующим образом. Приготавливают насадку, содержащую 5 % неподвижной жидкой фазы и исследуют ее разделительную способность. При этом следует исходить из того, что разделительная способность колонки зависит в основном от температуры процесса разделения, а не от количества неподвижной жидкой фазы. Поэтому определяют для приготовленной колонки такую температуру, при которой наблюдается оптимальное разделение анализируемых компонентов. Если поддерживать эту температуру при разделении, то независимо от степени пропитки степень разделения должна сохраняться оптимальной. В таком случае степень пропитки выбирают такой, чтобы получить желаемое время анализа. |