Методические материалы по органической химии. Практикум Рекомендовано методическим советом Уральского федерального университета для студентов вуза
 Скачать 3.05 Mb.
|
|
2.3. Очистка твердых органических соединений. Перекристаллизация Наиболее часто применяемым методом очистки твердых веществ является перекристаллизация. Метод основан на различной растворимости соединений в растворителе при различных температурах. При кристаллизации вещество, как правило, необходимо растворить, подготовить раствор для кристаллизации (обесцветить, отделить нерастворимые примеси, отфильтровать полученные кристаллы и промыть их чистым растворителем. Растворитель для кристаллизации выбирают, руководствуясь следующими основными принципами. Вещество должно очень ограниченно растворяться в нем при нормальных условиях (или при охлаждении) и хорошо растворяться при нагревании. Обычно растворимость веществ резко возрастает вблизи точки кипения, поэтому при перекристаллизации жидкость всегда необходимо доводить до кипения. Растворимость примесей при этом должна быть либо очень хорошей, либо, наоборот, очень малой. В первом случае растворившиеся загрязнения не кристаллизуются из раствора, а во втором не растворяются и их можно удалить фильтрованием. Необходимо также помнить о том, что растворитель не должен химически взаимодействовать с продуктом. Перекристаллизацию проводят в приборе, состоящем из колбы и обратного холодильника (см. рис. 8). К веществу, помещенному в колбу, приливают такое количество растворителя, чтобы образовалась так называемая кашицеобразная консистенция, вносят кипелки, присоединяют обратный холодильники доводят массу до кипения. Если после минутного кипячения осадок не растворился, через форштосс холодильника добавляют небольшое количество растворителя и снова доводят смесь до кипения. Операцию повторяют до тех пор, пока вещество полностью не растворится в минимальном количестве растворителя. Если примеси остаются в осадке, нет необходимости добавлять слишком много растворителя. Не надо пытаться растворять механические примеси. При необходимости раствор обесцвечивают, добавляя адсорбенты, обычно активированный уголь, для чего надо прекратить кипячение полученного раствора, добавив немного (2—5 % от массы продукта) угля и снова довести смесь до кипения. Полученный кипящий раствор быстро фильтруют горячим через хорошо нагретую воронку Бюхнера. Если растворителем для перекристаллизации служит вода, воронку нагревают в бане с горячей водой. Необходимо помнить о том, что колба Бунзена, в которую собирают фильтрат, нетермостойка и приливание горячего раствора в сосуд, стоящий на холодном лабораторном столе, может привести к взрыву, влекущему за собой тяжелые последствия. Во избежание этого колбу термоизолируют, обматывая полотенцем. Колбу с фильтратом оставляют охлаждаться, и после охлаждения отфильтровывают полученные кристаллы. Перекристаллизация не единственный способ очистки твердых соединений. Для получения индивидуальных кристаллических соединений используют также сублимацию, кристаллизацию из расплава и хроматографию. Хроматография Для качественного и количественного анализа смесей вещества также их препаративного разделения широко используют хроматографию. Хроматография является физическим методом разделения, при котором вещества, подлежащие разделению, распределены между двумя фазами. Одна из этих фаз неподвижная, а другая — подвижная — фильтруется сквозь слой неподвижной фазы. В качестве неподвижных фаз обычно выбирают твердые тела или жидкости, а в качестве подвижных фаз — газы или жидкости. В зависимости от применяемых фаз экспериментально реализуются четыре различных вида хроматографии, приведенные в табл. 2. По характеру сил, действующих между растворенными веществами и твердой или жидкой фазами, с которыми они соприкасаются, различают следующие виды хроматографии: адсорбционную, ионообменную, распределительную. Газ (хроматография газов) Жидкость Т а блица Основные хроматографические методы НЕПОДВИЖНАЯ ФАЗА Твердое вещество (адсорбция) Жидкость (распределение) ПОДВИЖНАЯ ФАЗА Газораспределительная хроматография Жидкостная распределительная хроматография (хроматография на бумаге) Газоадсорбционная хроматография Жидкостная адсорбционная хроматография (адсорбционная хроматография) Эти процессы почти никогда не протекают изолированно. Наиболее часто в лабораторных исследованиях качественный анализ осуществляется с применением тонкослойной хроматографии, которая является разновидностью адсорбционной хроматографии Хроматографические методы, в которых в качестве неподвижной фазы используется твердое тело, называют адсорбционной хроматографией, поскольку процессы на поверхностях твердых тел описываются уравнениями адсорбции Ленгмюра и Фрейндлиха. Если неподвижная фаза — жидкость, то говорят о распределительной хроматографии, процессы в которой подчиняются законам Генри или Нернста. В случае газообразной подвижной фазы, в зависимости от природы неподвижной фазы, говорят о газоадсорбционной или газораспределительной хроматографии если подвижная фаза — жидкость, то говорят о жидкостной адсорбционной или жидкостной распределительной хроматографии. К жидкостной адсорбционной хроматографии относятся адсорбционная хроматография, тонкослойная хроматография и аналогичные методы. Российский ботаник МС. Цвет в 1905—1906 гг. успешно использовал хроматографию в колонках, заполненных твердым адсорбентом, для разделения растительных красителей. К жидкостной распределительной хроматографии относится, например, хроматография на бумаге. В бумажной хроматографии носителем служит фильтровальная бумага, неподвижной фазой — вода, содержащаяся в фильтровальной бумаге, подвижной фазой — растворитель. Объединенные под общим названием хроматография газов газоадсорб- ционная и газораспределительная виды хроматографии осуществляются также, как и хроматография по Цвету, в разделительных колонках, заполненных твердым адсорбентом или твердым носителем, пропитанным жидкостью (рис. Рис. 16. Распределение адсорбционных полос при проведении адсорбционной хроматографии по методу Цвета: а – компоненты смеси веществ 1—3 на колонке до проявления хроматограммы; б – компоненты смеси 1—3 на колонке после проявления хроматограммы смесь неподвижная фаза неподвижное вещество подвижное вещество а б Метод газовой хроматографии пригоден для разделения газов, а также жидких или твердых веществ, которые могут быть превращены в пар без разложения. Разделяемые вещества в виде пара перемещаются подвижной фазой (газом) через слой неподвижной фазы. В зависимости от сродства к неподвижной фазе вещества в той или иной степени удерживаются ею и появляются на выходе из колонки в разное время. Хроматографию можно сравнить с фракционной перегонкой в колонке с большим числом теоретических тарелок. Для каждого вещества устанавливается свое равновесие между концентрацией в подвижной и неподвижной фазе, характеризующееся коэффициентом распределения. При протекании подвижной фазы через тончайшие слои неподвижной фазы процесс установления равновесия многократно повторяется — так, что даже при незначительной разнице в положениях равновесия отдельных компонентов он приводит к заметному их разделению. Тонкослойная хроматография Для решения различных аналитических задач, возникающих при проведении химических процессов, наибольшее распространение получили методы тонкослойной, газовой и жидкостной хроматографии, в которых подвижной фазой является жидкий элюент или газ-носитель с введенной в него пробой разделяемых компонентов, а неподвижной — твердая или жидкая фаза. Тонкослойная хроматография (ТСХ) применяется для решения следующих основных задач качественного контроля за протеканием химических реакций качественного определения чистоты веществ определения идентичности веществ сравнением хроматографических характеристик анализируемых соединений с известными веществами. При проведении адсорбционной тонкослойной хроматографии на пластинках в качестве неподвижной фазы используют твердые адсорбенты (оксид алюминия, силикагель и др. Подвижной фазой является растворитель. При выборе адсорбентов учитывают их адсорбционную активность, которая убывает в следующем ряду активированный уголь силикагель кислотный оксид алюминия основной оксид алюминия порошок целлюлозы. Адсорбция вещества зависит от характера функциональных групп в молекуле, количества кратных связей, числа ароматических ядер и гетероциклов, дипольного момента, способности молекулы поляризоваться и т. д. На основании многих работ установлен ряд функциональных групп, увеличивающих адсорбционную способность вещества на оксиде алюминия < Н < ОСН < NO 2 < N(CH 3 ) 2 < СОСН < NHCOCH 3 < NH 2 < ОН < CONH 2 < < СО 2 Н. Этот функциональный ряд справедлив только для веществ, имеющих одинаковую углеводородную основу Выбор растворителей для хроматографии определяется по их влиянию на степень адсорбции. В случаях когда степени адсорбции вещества и растворителя близки, происходит вытеснение адсорбированного вещества молекулами растворителя и степень адсорбции вещества понижается. Поэтому растворитель, который удерживается адсорбентом прочнее, чем адсорбированное на нем вещество, может быть использован в качестве элюента. Все применяемые для хроматографии растворители располагают в соответствии с увеличивающейся адсорбцией на полярных адсорбентах в элюо- тропный ряд петролейный эфир < четыреххлористый углерод < бензол < < хлороформ < диэтиловый эфир < этилацетат < пропиловый спирт < этиловый спирт < метиловый спирт < аммиак < вода. При выборе растворителя для ТСХ исходят из следующих положений) все вещества разделяемой смеси должны растворяться в выбранном растворителе) необходимо, чтобы растворитель имел адсорбционные свойства, близкие к адсорбционным свойствам разделяемых веществ, так, чтобы на выбранном адсорбенте вещества адсорбировались не слишком сильно и не слишком слабо. Если растворитель имеет степень адсорбции меньшую, чему компонентов разделяемой смеси, вся смесь адсорбируется в нижней части пластины и ее не удается разделить. Во втором, наоборот, растворитель вытесняет компоненты смеси с поверхности адсорбента, они не задерживаются на пластинке и, не разделяясь, движутся с фронтом растворителя. При оптимально подобранном растворителе вещества десорбируются с поверхности адсорбента со средней скоростью и при проявлении хроматограммы располагаются в ее средней части (проявлением хроматограммы называется разделение веществ на адсорбенте в процессе перемещения движущимся растворителем) при разделении веществ сочень близкими адсорбционными свойствами часто употребляют смеси двух растворителей, занимающих соседние положения в элюотропном ряду. Прибавлять более полярный растворитель к менее полярному рекомендуется сначала в небольшом количестве (1—2 постепенно увеличивая при необходимости его количество до 50 Обычно в хроматографии используют далеко не все растворители, перечисленные в элюотропном ряду, а значительно меньшее число, образующее сокращенный элюотропный ряд, например петролейный эфир < хлороформ < < этилацетат < метанол < аммиак. При проявлении хроматограммы растворитель движется сквозь неподвижный адсорбент, что ведет к разделению анализируемых веществ. После этого разделяемые вещества обнаруживаются при помощи соответствующих способов в виде отдельных пятен (рис. Отношение расстояния (a), пройденного веществом от линии старта до середины пятна, к расстоянию (c) — перемещению фронта растворителя обозначается как величина R f (ratio of front), характеризующая положение вещества на данной хроматограмме (рис. 17). Величина R f (A) = характерна для данного соединения на данном сорбенте ив данной системе, однако она зависит отряда условий адсорбционной способности самого вещества, качества и активности адсорбента, толщины его слоя, качества растворителей, количества нанесенного вещества. Для идентификации веществ при определении R f применяют вещества-свидетели известного строения. На пластинке вместе с разделяемой смесью веществ хроматографиру- ют известные вещества-свидетели, при этом одинаковые вещества имеют одно и тоже значение R f . Следует, однако, иметь ввиду, что иногда соединения различного состава и строения имеют одинаковые R f . Таким образом, идентичность значений R f водной системе не является достаточным условием для решения вопроса об идентичности веществ. Наибольшее распространение для проведения тонкослойной хроматографии получили готовые пластинки Silufol UV-254(366), Sorbifol, Merk Основой пластинок служит алюминиевая фольга, сорбентом — силикагель с люминесцентным индикатором, связывающим веществом — крахмал. Важно, чтобы анализируемое вещество, или смесь веществ, было сконцентрировано в небольшом по размеру (не более 2—3 мм) пятне на старте, так как вещества плохо разделяются, если они нанесены на адсорбент в виде пятен большого размера. Хроматография называется восходящей, если растворитель поступает на пластинку снизу вверх под действием капиллярных сил. Проявление смеси веществ проводят в подходящем по размеру стеклянном стакане (рис. 18). Приготовленную пластинку опускают нижним краем в растворитель на 5—7 мм и закрывают стакан стеклянной крышкой, чтобы предохранить растворитель от испарения. После того как растворитель поднимется почти до верхнего края пластинки, ее вынимают и отмечают положение фронта растворителя. Рис. 17. Распределение смеси веществ на пластинке с тонким слоем сорбента, 2 — индивидуальные вещества 3 — смесь веществ (A) = (с Б) = (b/с) A Б A Б c a b Для выбора подходящего растворителя проявление начинают с использования наименее полярного растворителя — петролейного эфира. Если в нем вещества остаются на старте, переходят к четыреххлористому углероду, если в четыреххлористом углероде вещества уходят к линии фронта, следует попробовать смесь четыреххлористого углерода с петролейным эфиром. В случае недостаточной полярности четыреххлористого углерода следует перейти к более полярным растворителям элюотропного ряда — хлороформу или этилацетату либо их смесям с петролейным эфиром. Таким путем добиваются получения хроматограммы, на которой пятна всех разделенных веществ расположены в средней части пластины, те. со значениями R f в интервале (см. рис. уровень элюента Рис. 18. Стакан для проведения тонкослойной хроматографии стартовая линия На рис. 19 показаны хроматограммы разделения смеси анилина и нитробензола в присутствии веществ-свидетелей. Лучшее разделение наблюдается при проявлении хроматограммы бензолом (рис. 19, в. При проявлении эфиром вещества уходят к фронту без разделения, а при проявлении петролейным эфиром остаются на старте (риса, б). Для обнаружения на хроматограмме бесцветных веществ пользуются физическими (как правило, основанными на оптических свойствах веществ) и химическими методами. Вещества, поглощающие в УФ-области спектра, при облучении пластинки УФ-светом (например, лампой УФО-245) обнаруживаются в виде характерных пятен. Многие органические вещества успешно проявляют парами йода, под действием которых образуются темные или светлые пятна в местах нахождения этих веществ. Этот метод особенно рекомендуется для определения ненасыщенных соединений. Обнаружение веществ парами йода производят следующим образом. Проявленную пластинку высушивают на воздухе или в сушильном шкафу и помещают в эксикатор с кристаллами йода. Через 10—15 мин пластинку вынимают и оставляют на воздухе до испарения избытка йода. При этом на светлом фоне образуются окрашенные пятна веществ. Широко распространено обнаружение пятен веществ опрыскиванием пластинки из пульверизатора какими-либо реагентами, дающими цветные реакции с разделяемыми веществами. Например, 2,4-динитрофенил- гидразин используют для определения альдегидов и кетонов, нингидрин для проявления аминов, 4-диметиламинобензальдегид используется для производных индола, смесь дихромата натрия с серной кислой или раствор перманганата калия являются универсальными реагентами. Для количественного анализа в лаборатории применяют газовую, жидкостную и тонкослойную хроматографии. Тонкослойная хроматография в настоящее время сравнительно редко используется для количественного анализа. Более эффективны в решении подобных задач автоматические газожидкостные (ГЖХ) и высокоэффективные жидкостные хроматографы (ВЭЖХ), позволяющие быстро и точно проанализировать состав смесей веществ всех классов. Препаративная колоночная хроматография Препаративная колоночная хроматография применяется для разделения смесей веществ в количестве от нескольких миллиграммов до нескольких десятков граммов. Все перечисленные в предыдущих разделах виды хроматографии, а также разделение в хроматографических колонках могут быть использованы для решения препаративных задач. Наибольшее распространение для препаративного разделения смесей органических веществ Рис. 19. Хроматограммы подбора элюента для разделения на оксиде алюминия смеси нитробензола и анилина. Для проявления использовали: эфир (а петролейный эфир (б бензол ванилин нитробензол 3 — смесь нитробензола и анилина 2 3 1 2 3 1 2 3 а б в получила колоночная жидкостно-адсорбционная хроматография. Этот метод, по сути, является на сегодня единственным действительно универсальным хроматографическим методом, имеющимся в арсенале химиков-син- тетиков, для эффективного разделения многокомпонентных смесей. Обычно разделение смеси проводится в стеклянной колонке, заполненной пористым адсорбентом, через который под действием силы тяжести или избыточного давления (флэш-хроматография) протекает подвижная фаза (элюент). Разделяемая смесь вносится в верхнюю часть колонки, где сорбируется твердой неподвижной фазой (рис. 20). Через колонку пропускается элюент, и из-за различия в сорбции веществ смесь постепенно разделяется на отдельные компоненты (полосы. Сильно адсорбирующиеся полярные вещества (например, карбоновые кислоты, амины, спирты) продвигаются по колонке медленнее, чем менее полярные (например, углеводороды или галогенопроизводные. После выхода из колонки раствор с компонентами смеси (элюат) порциями (фракциями) собирается в отдельные приемники. Фракции анализируются с помощью ТСХ. Имеющие близкий состав объединяются, и после удаления растворителя из них выделяют индивидуальные компоненты смеси. При проведении колоночной хроматографии следует точно измерить количество смеси перед внесением в колонку и определить массу всех выделенных из фракций компонентов. Это позволит не только точно узнать отдельные соединения в разделяемой смеси, но и проконтролировать выход всех компонентов из хроматографической колонки с учетом потери веществ с высокой адсорбционной способностью, оставшихся в колонке. Скорость движения компонентов по колонке и эффективность разделения зависят от полярности элюента, пропускаемого через слой адсорбента. Часто для оптимизации разделения смеси и выделения всех компонентов при хро- матографировании используют переменный (градиентный) состав элюента с возрастающей полярностью. Разработано несколько эффективных вариантов колоночной хроматографии, различающихся по способу элюирования и методам внесения разделяемой смеси. Простейшим вариантом хроматографического разделения явля- Рис. 20. Колоночная хроматография с гравитационным элюированием компоненты смеси фракции 41 ется гравитационное элюирование, показанное на рис. 20. В этом варианте хроматографии элюент, пропускаемый через колонку, течет под действием силы тяжести. Если колонка имеет высокий слой сорбента или сорбент имеет маленький размер частиц, скорость движения элюента, как правило, невысока. Разделение смеси веществ в этом случае может занять от нескольких часов до нескольких дней. В последние годы широкое распространение для препаративного разделения смесей органических веществ получили различные варианты флэш-хроматографии, в которых для увеличения скорости элюирования применяют избыточное давление или вакуумирование приемника. Эти варианты имеют сопоставимую с обычным гравитационным элюированием разделяющую способность, но превосходят по эффективности из-за существенно меньших затрат времени. В большинстве лабораторных методик указываются тип сорбента, его количество и элюирующий растворитель, однако в исследовательской работе синтетику приходится самостоятельно подбирать условия хроматографического разделения смеси. Перед началом хроматографического разделения всегда следует проводить предварительный анализ смеси методом ТСХ в различных условиях, включая варьирование сорбента и состава элюента. Это позволяет определить число компонентов в разделяемой смеси, их хроматографическую подвижность, подобрать сорбент и элюирующий растворитель для оптимального разделения. Как правило, информацией, полученной на основе ТСХ, руководствуются при выборе условий для препаративного разделения. Важнейшей целью предварительного ТСХ-анализа является подбор подходящего элюента, поскольку это решающий фактор, обусловливающий эффективность хроматографического разделения. Элюент подбирают, выбирая подходящий чистый растворитель из элюотропного ряда или варьируя соотношение двух различных по полярности растворителей так, чтобы целевое соединение или самый подвижный компонент в смеси имел значение коэффициента удерживания R f в диапазоне 0,15—0,25. Наиболее часто для элюирования соединений со слабой адсорбционной способностью используют смеси петролейного эфира с хлористым метиленом, хлороформом, диэтиловым эфиром или этилацетатом, для более полярных веществ применяют смесь «хлороформ—метанол», а для веществ с высокой адсорбционной способностью, например алкиламинов, применяют системы «ацетон— аммиак» или «хлороформ—метанол—аммиак». Первоначально готовят хроматографическую колонку. В качестве колонок используют стеклянные трубки подходящего диаметра и длины, желательно снабженные в нижней части краном и стандартным шлифом вверх- ней части. Для удержания адсорбента колонки имеют в нижней части пористый фильтра при его отсутствии для этих целей используют уплотненный слой ваты. Диаметр и длину колонки выбирают в соответствии с решаемой задачей. Так, если компоненты смеси имеют близкие значения R f , то для ее разделения следует использовать более длинные и узкие колонки, а если целевое вещество требуется отделить от хроматографически неподвижных примесей, например смол, лучше применять более широкую и короткую колонку. Ориентировочно для разделения 50—100 мг смеси обычно берут колонку диаметром около 1 см, для 0,5—1,0 г смеси выбирают колонку около см, а для 2—3 г — колонку диаметром 4—5 см. В качестве неподвижной фазы используют сорбенты с размером частиц мкм, чаще всего силикагель (например, марки Кизельгель Мерк 60). Реже применяют различные оксиды алюминия или целлюлозу. Увеличение размера частиц сорбента позволяет ускорить движение элюента, при этом, однако, может существенно снижаться эффективность хроматографического разделения. Количество и размер частиц используемого сорбента, как правило, определяются его доступностью, сложностью решаемой задачи и массой разделяемой смеси. В среднем на 1 часть разделяемой смеси берется 20—50 массовых частей сорбента. Для разделения смеси веществ с близкой хроматографической подвижностью используют большее количество сорбента, поэтому в некоторых случаях сорбент берут в стократном избытке. Необходимое количество сорбента суспендируют в достаточном объеме подобранного поданным ТСХ элюента, и суспензию осторожно вливают в вертикально закрепленную колонку. Адсорбент должен осесть ровным слоем, желательно безвоздушных пузырьков, для чего по колонке осторожно постукивают деревянным брусочком. После того как адсорбент осел, следует дождаться, когда большая часть элюента стечет в приемник чтобы не допустить осушки слоя адсорбента, закрывают кран колонки, когда столбик элюента над слоем сорбента достигнет 1—2 см. При работе с хроматографическими сорбентами следует соблюдать меры предосторожности, поскольку вдыхание пыли сорбентов вызывает развитие легочных болезней, например, силикоза. Все операции по пересыпанию сорбентов и наполнению ими колонок следует проводить в вытяжном шкафу, используя для защиты от пыли сорбентов респиратор или маску. Кроме того, колоночную хроматографию лучше проводить в вытяжном шкафу, поскольку растворители, используемые для элюирования, токсичны и огнеопасны. При отсутствии у хроматографической колонки крана поток элюента можно остановить, закрыв верхний шлиф колонки подходящей пробкой. Часто для предохранения верхнего слоя сорбента от взмучивания его покрывают диском из фильтровальной бумаги или засыпают небольшим слоем кварцевого песка. После подготовки хроматографической колонки в нее, на верхний слой адсорбента, вносят разделяемую смесь. Для этого готовят концентрированный) раствор разделяемой смеси в элюирующем растворителе и осторожно, пипеткой, не допуская взмучивания адсорбента, вносят раствор в колонку. Важно помнить, что введение разделяемой смеси приводит куши- рению полос и снижению эффективности разделения. Затем колбу и стенки колонки необходимо тщательно ополоснуть минимальным количеством элюента, не допуская повреждения верхнего слоя адсорбента, его пересыхания и проскакивания воздушных пузырей. В случаях когда разделяемая смесь плохо растворима в элюенте, для внесения на колонку ее лучше предварительно адсорбировать. Для этого смесь при нагревании растворяют в круглодонной колбе в минимальном количестве полярного легколетучего растворителя (например, хлороформа, тетрагидрофурана или метанола. К полученному раствору прибавляют пятикратное (от массы разделяемой смеси) количество адсорбента и осторожно упаривают при слабом вакууме на роторном испарителе, следя затем, чтобы сухой сорбент не уносило в роторный испаритель. Полученный порошок осторожно всыпают в слой элюента (толщиной в несколько сантиметров, находящийся над сорбентом, или суспендируют в минимальном количестве элюента и полученную суспензию осторожно вносят в колонку. После внесения разделяемой смеси колонку осторожно заполняют элюи- рующим растворителем, не допуская взмучивания верхнего слоя, при необходимости присоединив к верхней части колонки напорную емкость или подходящую по размеру капельную воронку со шлифом. Элюирование смеси следует проводить непрерывно, не допуская высыхания слоя адсорбента и появления в нем воздушных пузырей. Для окрашенных веществ разделение смеси на отдельные компоненты сопровождается появлением окрашенных зон, что позволяет визуально контролировать движение веществ и проводить их сбор в отдельные фракции (рис. Если компоненты разделяемой смеси не окрашены и их движение по колонке не сопровождается появлением характерных зон, тогда сбор фракций проводят, меняя приемники через равные промежутки времени или объемы элюента. По мере хроматографирования силу элюи- рующего растворителя часто приходится увеличивать, используя переменный (градиентный) состав элюента. Особенно часто это делают при разделении смеси, компоненты которой существенно различаются по хроматографической подвижности. Это достигается увели- Рис. 21. Прибор для проведения хроматографии под давлением сжатого газа сжатый газ избыток газа 44 чением доли полярного растворителя в смесевом элюенте или введением в элюент более полярного растворителя из элюотропного ряда. Важно помнить, что изменять состав элюента следует медленно, постепенно прибавляя небольшое количество полярного растворителя, поскольку резкое изменение полярности вызывает растрескивание слоя адсорбента и может ухудшать разрешающую способность колонки. По завершении разделения полученные фракции анализируют методом ТСХ. Фракции, содержащие индивидуальные компоненты исходной смеси, объединяют, переливают в тарированные (предварительно взвешенные) круглодонные колбы и удаляют растворитель с помощью роторного испарителя. Взвешивание колб после удаления растворителя позволяет определить количество выделенных компонентов смеси. Если выделенное вещество необходимо для проведения дальнейшей идентификации, установления структуры соединения и определения характеристических констант, остаток, полученный после удаления элюирующего растворителя, целесообразно дополнительно очистить, используя, например, для твердых веществ метод перекристаллизации. В начале х гг. прошлого века появились модификации методики колоночной хроматографии, направленные на сокращение временных затрат, необходимых для проведения препаративного хроматографического разделения смеси органических веществ. Ряд методик, называемых флэш-хрома- тографией, позволяет существенно быстрее проводить разделение смесей, поэтому в настоящее время они весьма популярны в лабораториях органической химии. Существует несколько вариантов флэш-хроматографии, и основной подход, использованный в их разработке, — увеличение скорости движения элюента через колонку. В одном из вариантов флэш-хроматографии скорость элюирующего растворителя увеличивается за счет поддержания в верхней части колонки избыточного давления воздуха или азота. Этого легко добиться модификацией обычной колоночной хроматографии. При этом желательно использовать колонку несколько большей длины, нижняя половина которой заполняется адсорбентом, а верхняя является резервуаром для элюирующего растворителя. К верхнему шлифу колонки присоединяется переходник (обязательно закрепленный хомутами, рис. 21) для подключения к линии подачи воздуха или азота, снабженный клапаном для регулирования давления. Газовая линия должна поддерживать избыточное давление около 0,5 атм, для создания которого можно использовать баллон со сжатым газом (снабженный редуктором, воздушный насос или компрессор. Колонку заполняют необходимым количеством сухого адсорбента, осторожно заливают вверх- нюю часть колонки подобранный элюент и, присоединив переходник, подают избыточное давление, под действием которого из слоя адсорбента вытесняется воздух. С помощью регулировочного клапана на переходнике устанавливают скорость потока элюента так, чтобы уровень растворителя в колонке падал со скоростью 3—5 см/мин. По мере необходимости, отсоединив переходник, в колонку осторожно добавляют дополнительную порцию элюента и возобновляют подачу сжатого воздуха. Операцию проводят до полного вытеснения пузырьков воздуха из колонки, внимательно следя затем, чтобы колонка не пересыхала и через нее не прокачивался воздух. После подготовки в колонку вносят разделяемую смесь аналогично тому, как это делается для колоночной хроматографии, и осторожно заполняют элюи- рующим растворителем. Присоединив переходник, элюент продавливают через колонку (регулируя клапаном его поток, собирая фракции определенного объема, периодически меняя приемники и прибавляя свежие порции растворителя в верхнюю часть колонки. Также как ив случае градиентной колоночной хроматографии, при необходимости следует увеличить силу элюента, добавляя в элюирующий раствор порции полярного растворителя. Другая, не менее эффективная методика, флэш-хроматография на сухой колонке, не требует специального оборудования, необходимого для вышеописанной методики хроматографирования под давлением сжатого газа. Разделение лучше проводить на адсорбентах с меньшим размером зерен, чем обычно используют в колоночной хроматографии. Для этой методики подходит силикагель для ТСХ с размером частиц около 15 мкм. Адсорбент берут в кратном количестве от массы разделяемой смеси, помещают в воронку с пористым фильтром (Шотта) с высокими стенками. Воронку присоединяют к колбе Бунзена (рис. 22) или к подходящей круглодонной колбе с насадкой Вюрца и, включив вакуум, осторожно с помощью пробки утрамбовывают слой адсорбента. Для проверки качества полученного слоя адсорбента проводят предварительное элюирование колонки, присоединенной к вакууму. Для этого осторожно, не нарушая поверхности сорбента, заливают порцию растворителя, который должен двигаться по колонке ровным фронтом. Если растворитель движется неравномерно, с образованием каналов, колонку просушивают, присоединив вакуум (до прекращения стекания капель растворителя, и адсорбент утрамбовывают вновь. После подготовки в колонку вводят разделяемую смесь (в виде концентрированного раствора или нанесенную на сорбент) и приступают к элюированию. Элюент, подобранный по результатам Рис. 22. Прибор для проведения флэш-хроматографии на сухой колонке неподвижное вещество неподвижная фаза подвижное вещество вакуум предварительной ТСХ, равными порциями (примерно соответствующими объему сорбента, заливают в колонку, подключенную к вакууму. После внесения каждой порции элюента колонку просушивают практически досуха и, после того как капли элюента перестанут стекать в приемную колбу, вакуум отключают, колонку осторожно отсоединяют, а фракцию элюата сливают в чистый приемник. Колонку вновь присоединяют к приемной колбе и заливают следующей порцией элюента. Все операции повторяют, каждый раз досуха сливая элюат с колонки и переливая его в новый приемник. Для ускорения движения полярных компонентов смеси по мере элюирования колонки силу растворителя увеличивают добавлением в исходный элюент 5—10 % более полярного компонента смеси растворителей. Следует помнить, что методика флэш-хроматографии на сухой колонке непригодна для разделения легкоокисляющихся веществ. Как и при проведении колоночной хроматографии, по завершении флэш- хроматографии все полученные фракции элюата анализируют методом ТСХ, и по результатам анализа из них выделяют чистые компоненты смеси 47 |