Практикум по орг. химии. Черных.. Практикум по органической химии Учеб пособ для студ вузов IIIIV уровней аккредитации В. П. Черных
 Скачать 18.52 Mb.
|
|
3. С какой целью при перегонке в вакууме используют капилляр? 4. На чем основана перегонка с водяным паром? 5. Что называют азеотропными смесями и каково их значение? 6. В каких случаях используется молекулярная перегонка? I.3.4. ВОЗГОНКА (CУБЛИМАЦИЯ) В о з г о н к о й называется процесс испарения твер- дого вещества с последующей конденсацией его паров непосред- ственно в твердое вещество, минуя жидкую фазу. Возгонка возмож- на для веществ, давление паров которых над твердой фазой сравни- тельно велико. Этим свойством обладают вещества с молекулярной кристаллической решеткой, в которой действуют сравнительно сла- бые ван-дер-ваальсовы силы. Возгонку применяют для очистки тех органических веществ, кристаллизация которых затруднена. Для возгонки небольшого количества вещества при атмосфер- ном давлении его помещают в фарфоровую чашку и накрывают кружочком фильтровальной бумаги с мелкими отверстиями, про- деланными иглой. Сверху помещают опрокинутую стеклянную воронку, носик которой плотно закрывают ватным тампоном (рис. 1.79, а). Чашку осторожно нагревают. Пары возгоняющего- ся вещества проходят через от- верстия на фильтре и конден- сируются на внутренних стенках воронки. Перегородка из филь- тровальной бумаги защищает кристаллы чистого вещества от падения в зону нагрева. Скорость возгонки обратно пропорциональна внешнему давлению. Для увеличения ско- рости процесса можно повышать температуру, пропускать над ве- ществом слабый ток воздуха или понижать давление. Проведение Рис. 1.79. Приборы для возгонки: а — при атмосферном давлении; б — в вакууме 84 возгонки под вакуумом (рис. 1.79, б) позволяет также понизить температуру, что очень важно в случае разлагающихся веществ. Как и при любом испарении, скорость возгонки пропорциональ- на площади испаряемой поверхности, поэтому вещество перед возгонкой необходимо тщательно измельчить и не допускать его плавления. Недостатками возгонки являются относительно большая дли- тельность процесса и ограниченность применения. Однако данный метод очистки выгодно отличается от перегонки более низкой тем- пературой ведения процесса, а от перекристаллизации — отсут- ствием контакта вещества с растворителем и высоким конечным выходом. ПРАКТИКУМ Задание. Проведите очистку нафталина и бензойной кислоты методом сублимации при атмосферном давлении. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. В каких случаях для очистки веществ применяют возгонку? 2. Опишите процесс возгонки небольшого количества вещества. 3. Для каких органических соединений целесообразна возгонка в вакууме? I.3.5. ЭКСТРАКЦИЯ (ИЗВЛЕЧЕНИЕ) Э к с т р а к ц и я (и з в л е ч е н и е) — перевод веще- ства из одной фазы (твердой или жидкой), в которой оно растворе- но или суспендировано, в другую жидкую фазу. Процесс проводят с помощью избирательных растворителей — э к с т р а г е н т о в. Извлечение вещества растворителем применяют для концент- рирования и очистки одного вещества или для разделения и очи- стки всех компонентов смеси. Экстракцию чаще проводят при относительно невысокой тем- пературе, иногда — при охлаждении. Это позволяет работать с тер- мически нестойкими веществами. Существует несколько видов экс- тракции, которые отличаются между собой особенностями про- ведения процесса в системе «твердое тело—жидкость» или в гетерогенной системе «жидкость—жидкость». Мацерация — это простая экстракция, при которой вещество из твердой фазы многократно извлекают отдельными порциями растворителя при комнатной температуре. Дигерирование — экстрагирование вещества из твердой фазы отдельными порциями растворителя при нагревании. Перколяция — вид экстракции, при котором вещество из твер- дой фазы экстрагируют растворителем противоточным методом при комнатной температуре. 85 Перфорация — извлечение вещества из раствора непрерывно циркулирующим растворителем. Противоточная перфорация осу- ществляется при использовании противотока. Противоточное распределение — экстракция вещества противо- точным методом с периодическим перераспределением его между двумя жидкими фазами. Массообмен при всех способах распределения вещества между двумя любыми фазами возможен только на поверхности раздела этих фаз. Для ускорения приближения системы к состоянию рав- новесия площадь контактирующей поверхности стремятся увели- чить. При проведении экстракции это достигается с помощью встря- хивания или смешивания при продавливании через пористые фильт- ры жидкостей, а для твердых тел — с помощью их измельчения перед экстрагированием. Выбор экстрагентов имеет важное значение для увеличения эффективности экстракции. При подборе экстрагента руководству- ются следующими основными требованиями: — экстрагент должен ограниченно растворяться в тех раство- рителях, которые уже содержат экстрагируемое вещество; — экстрагируемое вещество должно лучше растворяться в экс- трагенте, чем в растворителе, из которого его извлекают; — экстрагент должен быть безопасен в обращении и инертен по отношению к системе, в которую его добавляют; — он должен быть достаточно чистым и устойчивым при хра- нении; — не образовывать эмульсий; — легко удаляться из экстракта. Экстракция в системе «твердое тело—жидкость». На границе твер- дой и жидкой фаз при обычных видах экстракции равновесие прак- тически не наступает. Чтобы максимально приблизиться к его до- стижению, используют измельчение веществ, перемешивание и противоток. Это позволяет увеличить скорость перехода вещества и, тем самым, повысить эффективность экстракции. Растворитель подбирают такой, чтобы в раствор переходило преимущественно очищенное вещество без загрязняющих его примесей. Для извлечения вещества из твердой фазы иногда достаточно обработать тщательно измельченное твердое вещество растворите- лем при комнатной температуре (мацерация) или при нагревании (дигерирование). Затем осадок отфильтровывают или декантиру- ют, а из раствора выделяют экстрагированное вещество. Неболь- шие количества вещества обрабатывают растворителем в пробир- ке, а при необходимости нагревания используют воздушный хо- лодильник. Описанный процесс называют однократной простой экстракцией. Более полного извлечения достигают, проводя так называе- мую многократную (дробную) простую экстракцию, то есть повто- 86 ряют описанные операции в несколько приемов, добавляя неболь- шими порциями свежий растворитель. Непрерывную экстракцию (перколяцию) выполняют в перколя- торах (рис. 1.80, а), в суженную часть которых на вату или стеклян- ную пористую пластинку помещают экстрагируемое сырье и рас- творитель. Подачу новых порций свежего растворителя осуществ- ляют таким образом, чтобы уровень жидкости в перколяторе оставался постоянным. Многократную экстракцию при нагревании проводят в специ- альных приборах, состоящих из колбы, насадки-экстрактора и холодильника (рис. 1.80, б). Испаряющийся в колбе растворитель конденсируется в холодильнике, попадает в гильзу на экстрагиру- емое вещество и через него стекает обратно в колбу. Концентрация выделяемого компонента в экстрагенте возрастает. По описанной схеме работает и прибор непрерывного действия — проточный экстрактор (рис. 1.80, в). Для извлечения труднорастворимых соединений из твердой фазы используют экстрактор Сокслета (рис. 1.80, г). В отличие от проточно- го экстрактора экстракт в нем сливается в колбу периодически, лишь при поднятии уровня жидкости в насадке до верхнего сгиба сливной сифонной трубки. Экстрагент проходит через патрон с экстрагируе- мым веществом, которое заполняет насадку на 2/3 ее объема. Применение вышеописанных приборов позволяет проводить многократную обработку твердых веществ сравнительно неболь- шими порциями растворителя. Рис. 1.80. Приборы для экстракции: а — перколятор; б — прибор для экстракции полумикроколичеств; в — проточный экстрактор; г — экстрактор Сокслета 87 При экстракции важно установить окончание процесса извле- чения: для окрашенных веществ его определяют по отсутствию окрашивания экстрагирующего растворителя; для бесцветных — по специфическим реакциям на извлекаемое вещество в послед- ней порции экстракта или по отсутствию пленки, матового пятна на стекле после упаривания этой порции. Полученные экстракты сушат, упаривают, подвергают дальнейшим методам очистки. Экстракция жидкостей. Распределение растворенного вещества между двумя взаимно несмешивающимися жидкостями зависит от многих факторов: концентрации вещества, относительного коли- чества жидких фаз, возможности ассоциации растворенного ве- щества с растворителем, температуры и др. Отношение равновес- ных концентраций вещества, растворенного в двух несмешиваю- щихся и равных по объему жидких фазах, при определенной температуре — величина постоянная. Это соотношение определя- ется растворимостью вещества в каждой из фаз и выражается зако- ном распределения Нернста: , B A C C K = где К — коэффициент распределения; С А и С В — концентрации вещества соответственно в фазах А и В. Для сильно разбавленных растворов закон применим без поправок. Он не учитывает влияние диссоциации, ассоциации, сольватации. Выбор способа экстракции определяется величиной коэффи- циента распределения К. Экстракция легко осуществляется, если К > 100, в этом случае достаточно проведения дискретной экс- тракции в виде простого встряхивания, в других случаях применя- ют непрерывную экстракцию — перколяцию, при К < 100 — мно- гократную экстракцию. Возможность разделения с помощью экстракции двух веществ с коэффициентами распределения К 1 и К 2 определяется фактором разделения ?: 1 2 1 ? = ? K K Отношение не зависит от присутствия других веществ. При ? > 100 вещества удовлетворительно разделяются простой экстрак- цией, а при ? ? 100 для эффективного разделения используют методы дробной экстракции. Из закона распределения следует, что степень извлечения вещест- ва при дробной экстракции выше, чем при однократной: целесо- образнее проводить экстракцию несколько раз небольшими коли- чествами растворителя, чем извлекать вещество одним большим объемом экстрагента. Плохо растворимые в воде вещества обычно экстрагируют 2—4 раза небольшими порциями растворителя. 88 Извлечение веществ из растворов или суспензий при помощи встряхивания проводят, как правило, в делительных воронках. Пе- ред экстракцией кран и пробку делительной воронки смазывают тонким слоем специальной смазки, проверяют на герметичность, предварительно заполнив ее водой или органическим растворите- лем. Затем воронку заполняют раствором и экстрагентом, объем которого составляет от 1/5 до 1/3 объема раствора. Общее количе- ство жидкости в воронке не должно превышать 2/3 ее объема. За- крыв воронку пробкой, ее осторожно встряхивают, плавно пере- ворачивая вверх и вниз в течение 5—15 мин. Одной рукой придер- живают пробку, другой — кран. Энергичное встряхивание часто приводит к образованию трудноразрушающихся эмульсий. Пере- ворачивание чередуют с периодическим выпусканием образующих- ся паров: держа делительную воронку в перевернутом положении, осторожно открывают кран. Давление внутри воронки уравнивает- ся с атмосферным. Кран закрывают и операцию повторяют. После установления стабильного давления в воронке встряхивание про- должают в течение 1—2 мин. Затем воронку закрепляют в штативе и жидкость отстаивают до полного расслаивания. Открыв пробку, через кран делительной воронки в заранее подготовленный сосуд осторожно и медленно сливают нижний слой, а верхний — всегда выливают через верхнее отверстие воронки в приемник. Чтобы уточ- нить нахождение водного слоя, несколь- ко капель определяемого слоя переносят в пробирку с водой и наблюдают за их растворимостью. Отделенный экстрагиру- емый раствор повторно переносят в де- лительную воронку, добавляют порцию свежего экстрагента и операции повто- ряют. После извлечения определяют окончание процесса экстракции. Полученные экстракты объединяют, а в случае необходимости, очищают от по- сторонних примесей: промывают несколь- кими порциями разбавленных растворов щелочей или кислот, затем — водой. Об- работанный таким образом экстракт вы- сушивают подходящими осушителями, декантируют или фильтруют. При необхо- димости удаляют экстрагент, а остаток очи- щают перегонкой, кристаллизацией, воз- гонкой или другими методами. Для экстрагирования хорошо раство- римых в воде веществ применяют экст- ракторы непрерывного действия — пер- коляторы (рис. 1.81). Они позволяют из- Рис. 1.81. Перколяторы: а — экстрагент легче раство- ра, из которого экстрагиру- ют; б — экстрагент тяжелее раствора, из которого экс- трагируют 89 влекать вещества с К < 1,5. В перколяторах растворитель после ис- парения в колбе конденсируется в обратном холодильнике и в виде мелких капель проходит через раствор, обогащаясь извлекаемым веществом, затем через перелив стекает обратно в колбу. Разделить и идентифицировать вещества с очень близкими ко- эффициентами распределения позволяет противоточное (дробное) распределение. Оно представляет собой многоступенчатую экстрак- цию, при которой экстрагируемая и экстрагирующая жидкости движутся в противоположном направлении и постепенно приво- дятся в состояние равновесия. Частично обогащенный экстрагиру- емым веществом экстракт смешивается со свежей порцией раство- ра, а раствор, уже частично проэкстрагированный, — со свежим экстрагентом. Различные способы противоточной экстракции от- личаются между собой тем, как и куда помещается экстрагируе- мое вещество (добавляют все одновременно или постепенно, по- дают вещество в начало или в середину системы сосудов), и спо- собами переноса фаз (непрерывно или отдельными порциями из сосуда в сосуд). Для проведения противоточной экстракции ис- пользуют наборы делительных воронок или автоматические при- боры с сотнями распределительных ячеек-ступеней. ПРАКТИКУМ Внимание! Опыты проводят в вытяжном шкафу вдали от от- крытого огня! Задание . Экстракция диэтиловым эфиром анилина из смеси ани- лин—вода. В делительную воронку емкостью 100 мл помещают смесь 10 мл анилина и 20 мл воды, а затем приливают 10 мл экстраген- та — тетрахлорметана ( = 1,59 г/см 3 ). Воронку закрывают проб- кой и несколько раз энергично встряхивают. Переворачивают во- ронку краном кверху и осторожно приоткрывают его, чтобы вы- ровнять давление. Встряхивание делительной воронки повторяют. В процессе экстракции анилин переходит в четыреххлористый углерод. Воронку закрепляют в штативе, дают смеси полностью отстояться. После четкого разделения слоев нижний слой (раствор анилина в тетрахлорметане) сливают через кран в сухую колбу, а оставшийся верхний (водный) слой еще дважды обрабатывают экстрагентом порциями по 10 мл, повторяя вышеприведенные опе- рации. Экстракты объединяют, высушивают от остатков воды без- водным калия карбонатом или меди сульфатом. Осадок отфильт- ровывают, а оставшийся раствор подвергают перегонке. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Дайте определение понятию «экстракция». 2. Назовите основные виды экстракции. 90 3. Перечислите требования, предъявляемые к растворителю-экстра- генту. 4. Как проводят экстракцию в системе «твердое тело—жидкость»? 5. Сформулируйте закон Нернста. 6. Опишите основные этапы проведения жидкостной экстракции. 1.3.6. ХРОМАТОГРАФИЯ Х р о м а т о г р а ф и я — метод разделения, очист- ки, анализа и физико-химического исследования веществ. Он ос- нован на различии в скорости распределения исследуемых веществ между двумя контактирующими фазами, одна из которых чаще неподвижная (сорбент с развитой поверхностью), а другая имеет постоянное направление движения (элюент). Поток подвижной фазы (газа или жидкости) фильтруется через слой сорбента или перемещается вдоль него. Открытие хроматографии как метода разделения веществ при- надлежит русскому ученому М. С. Цвету, который впервые приме- нил в 1903 году проявительный вариант жидкостно-адсорбцион- ной хроматографии для хлорофилла. Для четкого определения методов хроматографии нет рамок строгой классификации, поэтому в основу разделения хромато- графических методов могут быть положены характерные признаки самого процесса хроматографии. В зависимости от агрегатного состояния подвижной фазы раз- личают: а) газовую хроматографию, которую подразделяют на газосорбционную и газо-жидкостную; б) жидкостную хромато- графию. Геометрия сорбционного слоя неподвижной фазы позволяет выделить колоночную и тонкослойную хроматографию. Способ ввода пробы и перемещения исследуемых веществ (сор- батов) вдоль слоя сорбента определяет следующие виды хрома- тографии: проявительную (элюационную), фронтальную, вытеснитель- ную и электрохроматографию. В зависимости от природы процесса, который обусловливает распределение исследуемых веществ между подвижной и непо- движной фазами, различают: адсорбционную, распределительную, ионообменную, осадочную, афинную (биоспецифическую), экс- клюзионную, гельпроникающую и ситовую хроматографию. Цель проведения хроматографического анализа обусловливает выделение аналитической, препаративной и промышленной хрома- тографии. Рассматривая приведенные виды хроматографии, следует учи- тывать, что в каждом случае существуют промежуточные методы и варианты, не укладывающиеся в рамки строгой классификации. Именно они часто оказываются весьма перспективными для ре- 91 шения сложных задач анализа и определения физико-химических свойств веществ. Адсорбция и адсорбционная хроматография. Различают поляр- ные и неполярные сорбенты, применяемые в хроматографических целях. В качестве полярных сорбентов чаще всего применяют сили- кагель, алюминия оксид, пористые полимеры и др. Их сродство с адсорбируемым веществом возрастает с ростом полярности по- следнего. Примерный ряд возрастания сродства исследуемого ве- щества с сорбентом: Hal < ROR < R 3 N < RNO 2 < RCOOR ? < RNH 2 < RCONH 2 < ROH < RCOOH. К неполярным сорбентам относят активированный уголь, орга- нические смолы, то есть вещества, плохо смачиваемые полярны- ми органическими растворителями (спиртом, водой и др.), но хо- рошо адсорбирующие растворенные в них вещества. Хроматографическое разделение при применении жидкой по- движной фазы проводят на бумаге (бумажная хроматография), в тонких слоях сорбента, нанесенного на гладкую поверхность (тонко- слойная хроматография), и на колонках (колоночная хроматография). При подборе жидкой подвижной фазы руководствуются тем, что уже адсорбированное вещество можно вытеснить из сорбента таким растворителем, у которого сродство с сорбентом большее, чем у исследуемого вещества. Растворители выбирают из соответ- ствующего элюотропного ряда, где они расположены по способ- ности вытеснять (элюировать) из полярного сорбента адсорбиро- ванные вещества. Элюотропный ряд по Шталю (растворители расположены в по- рядке возрастания их полярности): гексан, циклогексан, бензол, хлороформ, эфир, пиридин, ацетон, этанол, вода. В приведенном ряду каждый предыдущий растворитель вытесняется последующим. Широко распространенная жидкостная хроматография суще- ствует в двух вариантах: распределительная и жидкостно-адсорб- ционная. Адсорбционная хроматография применяется: 1) для разделе- ния соединений термолабильных и с высокой температурой ки- пения; 2) для малых количеств веществ; 3) в том случае, когда проведение других методов разделения (например, перегонки) затруднительно. Этот вариант жидкостной хроматографии можно проводить в хроматографических колонках (рис. 1.82). Длина и диаметр колонок влияют на способы их заполнения и степень раз- деления исследуемых веществ. Согласно классической схеме в нижнюю часть колонки (труб- ки различных размеров — 15 Ч1; 25Ч2; 40Ч3; 60Ч4 см и др.) помеща- ют неплотный тампон обычной или стеклянной ваты или сетча- тую пластинку. Затем колонку заполняют гранулированным, по- рошкообразным или приготовленным в виде однородной суспензии адсорбентом до образования столбика равномерной плотности. 92 Сухой адсорбент загру- жают в колонку, запол- ненную на 2/3 объема рас- творителем, который должен выливаться кап- лями из нижней части колонки. После загрузки колонки адсорбент по- крывают ватой или круп- ным песком. Во избе- жание образования в ад- сорбенте трещин через колонку с определенной скоростью (1 мл/мин для колонки диаметром 1 см) постоянно пропускают элюент. На заполненную колонку наносят пробу концентрированного рас- твора хроматографируе- мой смеси (не более 1/15 объема колонки). Опера- цию проводят с помо- щью шприца, пипетки или крана-дозатора. При введении пробы соблюдают соотношение количества адсорбиру- емого вещества к адсорбенту 1 : 100. Для растворения веществ используются растворители с возможно меньшей элюотропной силой (менее полярные). Скорость движения элюента в колонке подбирается оптимальной, чтобы достигалось адсорбционное рав- новесие (для колонки с высотой 40 см примерно 3—4 мл/мин). Промывая колонку растворителем (элюируя), извлекают отдель- ные соединения в фракциях по 0,5—10 мл каждая (примерно 1/10 объема колонки). В отобранных фракциях определяют содержание разделяемых соединений (методом тонкослойной хроматографии, фотометрии, рефрактометрии и др). При необходимости (если элю- ируемые фракции содержат только растворитель) элюотропную способность растворителя повышают, постепенно добавляя, на- чиная с 1—2 %, другой, более полярный растворитель, до тех пор, пока все компоненты не будут извлечены (метод градиентного элю- ирования). Высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ) может проводиться как вариант колоночной жидкостной хроматографии, хорошо дополняющей газо-жидкостную хроматографию для раз- деления малолетучих и термически неустойчивых соединений. Это современный, наиболее перспективный вид хроматографии, по- Рис. 1.82. Колонки для хроматографирования: а — при небольшом вакууме; б — при повышен- ном давлении; в — при атмосферном давлении; 1 — сорбент; 2 — вата или стекловата; 3 — рас- творитель 93 зволяющий автоматизировать разделение веществ методом распре- делительной и адсорбционной хроматографии. Жидкостной хро- матограф, как и все колоночные, состоит из следующих основных узлов: резервуара для элюента, насоса или другого приспособле- ния (источника давления), дозатора (устройства для введения пробы), высокоэффективной колонки, коллектора фракций и де- тектора с регистрирующим устройством. Элюент через колонку про- ходит с большой скоростью за счет значительного давления. В основе работы детекторов используются различные виды физи- ческих методов установления строения органических соединений: спектрофотометрия, масс-спектрометрия и др. Тонкослойная хроматография (ТСХ) — разновидность адсорб- ционной хроматографии используется для препаративных целей, идентификации веществ, определения их чистоты, качественного и количественного анализа. Неподвижную фазу распределяют в виде тонкого слоя на пла- стинке из стекла, пластмассы, металла или используют готовые пластинки с адсорбентом. Разделение проходит на «открытых» ко- лонках в тонком слое адсорбента, активность которого возрастает с уменьшением содержания в нем воды. Техника хроматографирования состоит в подготовке пластин, нанесении пробы, проявлении хроматограммы и детектировании пятен. Пластины берут за ребра и микро- пипеткой или капилляром наносят веще- ства в виде 1 %-ного раствора в неполяр- ном растворителе в количестве до 1 мг на линию старта (10—20 мм от края пласти- ны). Пятна с диаметром не более 2—3 мм располагают друг от друга на расстоянии 10—20 мм. Растворителю дают испариться и переносят пластину в плотно закрытую камеру с таким количеством растворите- ля, чтобы пластина погрузилась в него на 3—5 мм (рис. 1.83). Камеру с предварительно прикреп- ленной к стенкам и смоченной элюентом фильтровальной бумагой выдерживают с элюентом в течение определенного вре- мени (обычно 30 мин). После насыщения камеры парами элюента в нее вносят пла- стинку. Растворитель или система раство- рителей (элюент) проходят через непо- движную фазу под действием капилляр- ных сил (восходящая хроматография) или под действием силы тяжести (нисходящая хроматография). Элюирование проводят Рис. 1.83. Камера для хро- матографии на закреп- ленном слое: 1 — стакан с плоским шли- фом (диаметр — 60, высо- та — 75 мм); 2 — крышка к стакану с плоским шли- фом; 3 — полоска фильтро- вальной бумаги; 4 — хрома- тографическая пластинка; 5 — элюент 94 в закрытой камере. После прохождения фронтом растворителя 100—150 мм плас- тину вынимают из камеры, отмечают ка- рандашом или острым предметом линию фронта растворителя, высушивают, а за- тем детектируют, рассматривая в види- мом, УФ-свете или (при необходимости) обрабатывают общими или специфичес- кими реагентами. Часто для детектиро- вания пластину помещают в закрытый сосуд с кристаллами йода. Вещества об- наруживаются в виде пятен (рис. 1.84), положение которых характеризуется ве- личиной R f (Ratio of fronts — отношение фронтов), определяемой по уравнению: R f = a/b, где a — расстояние от линии старта до центра «пятна»; b — расстояние от линии старта до фронта подвижной фазы. R f — характеристическая величина для каждого вещества, это важная физи- ческая константа. Она используется для идентификации соединений и часто для удобства приводится в виде R f · 100. Вели- чина R f существенно зависит от температуры, растворителя и качества пластин или бумаги, поэтому хроматографирование исследуемого соединения обычно проводят в присутствии вещест- ва с известным строением и значением R f (соединение-свидетель). Если R f свидетеля не соответствует табличным данным, все полу- ченные R f необходимо соответственно скорректировать. Аналогично ТСХ проводится хроматографирование на бумаге, техника которого состоит из следующих основных операций: под- готовка бумаги и растворителей, нанесение пробы, собственно хроматографирование (проявление) и детектирование пятен на хроматограмме. Хроматография на бумаге — микрометод распределительной хроматографии. В качестве носителя используется чистая целлюло- за в виде специальной фильтровальной бумаги с равномерной плот- ностью. Неподвижной фазой чаще служит постоянно присутству- ющая в целлюлозе вода, но может быть и другой растворитель (парафиновое масло, керосин). Разделение проводится раствори- телем другой природы, свободно распространяющимся по бумаге. Хроматографирование может проводиться несколькими способа- ми: одномерной восходящей, нисходящей и круговой (радиаль- ной) хроматографией (рис. 1.85). Для достижения лучшего разделения анализируемых смесей веществ методами хроматографии на бумаге и в тонком слое сор- Рис. 1.84. Хроматограмма: 1 — разделение вещества при правильном нанесении; 2 — разделение при «перегрузке» хроматограммы; аа — линия старта; bb — линия фронта элюента; с ?, с??, с??? — цент- ры максимальной плотнос- ти пятен 95 бента применяют специальные приемы — повторное и двумерное хроматографирование. Тонкослойная хроматография имеет ряд преимуществ по срав- нению с хроматографией на бумаге, а именно: 1) более высокую скорость процесса хроматографирования, что позволяет использовать ТСХ для экспресс-анализа, в том числе в контроле химико-фармацевтических производств; 2) возможность использования кислых, щелочных и других аг- рессивных веществ при повышенных температурах, что невозмож- но при хроматографировании на бумаге. Распределительная хроматография может быть реализована в колоночном исполнении. Колонку заполняют носителем (порош- кообразная целлюлоза, силикагель и др.), который содержит не- подвижную фазу. В подвижной фазе растворяют исследуемую смесь веществ и вносят сверху в колонку. Соотношение между разделяе- мой смесью веществ и носителем должно составлять по массе от 1 : 1000 до 1 : 3000. Чаще распределительное разделение веществ проводят в высокоэффективных автоматических жидкостных хро- матографах с использованием обращенных фаз. Исследуемая смесь хроматографируется на гидрофобных неподвижных фазах (напри- мер, силикагель, пропитанный углеводородами). Подвижной фа- зой первоначально служит вода, а затем — ее смеси с растворите- лями с постепенно уменьшающейся полярностью. Газовая хроматография — высокоэффективный метод разделе- ния веществ, в процессе которого подвижная фаза находится в состоянии газа или пара. Существует две разновидности метода: 1) система «газ—твердое вещество», где разделение происходит за счет адсорбции веществ на поверхности твердого адсорбента, ко- торым наполнена колонка,— адсорбционная хроматография; 2) система «газ—жидкость», где анализируемая газовая смесь про- ходит через колонку, наполненную твердым носителем, на поверх- Рис. 1.85. Прибор и бумажный диск для круговой хроматографии: А — место нанесения капель; 1 — бумажный кружок; 2 — фитиль для подачи растворителя; 3 — растворитель 96 ность которого нанесен тонкий слой нелетучей жидкости,— газо- жидкостная хроматография (ГЖХ). В этом случае исследуемые вещества вводятся в поток газа-но- сителя, где они испаряются и в парообразном состоянии проходят через колонку с сорбентом. В ГЖХ эффективность разделения определяется степенью рас- творения газообразных компонентов анализируемой пробы в жид- кой нелетучей пленке (вазелиновое, силиконовое масло и др.). Разделяемые вещества элюируются, регистрируются детектором и фиксируются на хроматограмме (рис. 1.86). Для качественной ха- рактеристики используются относительное время удерживания или удерживаемый объем, для количественной характеристики при- меняют отношение площадей пиков на хроматограмме. Рис. 1.86. Газовая хроматограмма (схема) Газовая хроматография за короткое время с высокой эффектив- ностью позволяет провести препаративное и аналитическое разделе- ние смеси небольшого количества веществ (0,5—30 мг на капилляр- ных колонках) и провести качественный и количественный анализ. ПРАКТИКУМ Задание 1. Обнаружение аскорбиновой кислоты. На готовой плас- тинке с адсорбентом размером 7 Ч5 см на расстоянии 1—1,5 см от нижнего края отмечают линию старта. Затем на эту линию с помощью капилляра наносят каплю какого-либо фруктово-ягод- ного сока и 1 %-ный раствор аскорбиновой кислоты в качестве сви- детеля. Расстояние между пятнами должно быть не менее 1—1,5 см. После подсыхания пятен пластинку помещают в чашку Петри (или эксикатор), в которую налито 5 мл смеси этанол—гексан (3 : 1). После достижения растворителем верхней границы (1 см от верх- него края пластинки), на что потребуется около 10 мин, пластинку вынимают, отмечают линию фронта растворителя и высушивают. 97 Для обнаружения аскорбиновой кислоты пластинку помещают в эксикатор с кристаллическим йодом, закрывают крышкой и выдерживают 5—10 мин. Пластинку вынимают, отмечают появив- шиеся пятна аскорбиновой кислоты и рассчитывают R f Задание 2. Обнаружение лимонной кислоты. Опыт проводят аналогично предыдущему. Объектом исследования служит водная настойка махорки или сок лимона, а 1 %-ный водный раствор ли- монной кислоты выполняет роль свидетеля. Хроматографирование выполняют в системе этанол—гексан (3 : 1). После детектирования пятен в парах йода определяют R f лимонной кислоты. Задание 3. Обнаружение кофеина. Выполняется аналогично предыдущим опытам. Нанесенный на пластинку раствор чая или кофе хроматографируют в этаноле. Детектируют пятна парами йода и рассчитывают R f Задание 4. Разделение смеси красителей. Колонку (сухую бю- ретку d = 1 см) закрепляют вертикально. В нижнюю ее часть по- мещают тампон из ваты, затем ее наполняют адсорбентом в виде суспензии, состоящей из 10 г алюминия оксида марки «для хрома- тографии» в 15 мл этанола. Слой адсорбента должен быть достаточ- но плотным и ровным. Второй ватный тампон помещают на осев- ший адсорбент и заливают этанолом. Когда уровень стекающего этанола спустится до верхнего тампона, из делительной воронки приливают по каплям заранее приготовленную смесь 10 мг мети- ленового синего и 10 мг флуоресцеина в 10 мл этанола. При про- хождении раствора через колонку полоса метиленового синего по- степенно отделятся от желтовато-зеленого слоя флуоресцеина. Когда уровень этанола достигнет верхнего тампона, в колонку порциями по 2—3 мл начинают приливать этанол. После перехода с элюен- том (этанолом) в приемник всего метиленового синего в другой приемник собирают флуоресцеин, добавляя в колонку воду пор- циями по 2—3 мл. В качестве объекта исследования можно также использовать раствор смеси кристаллического фиолетового и малахитового зе- леного (по 50 мг в этаноле). Жидкостью для наполнения колонки и вымывания красителей служит вода. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Приведите классификацию хроматографических методов. |