Вопросы к экзамену по дисциплине Органическая химия
 Скачать 3.84 Mb.
|
|
28. Хроматографические методы разделения веществ. Тонкослойная хроматография. Область применения. Адсорбент. Элюент. Хроматография – это физико-химический метод разделения веществ, основанный на распределении компонентов между двумя фазами – подвижной и неподвижной. Неподвижной фазой обычно служит твердое вещество (сор- бент) или пленка жидкости, нанесенная на твердое вещество. Подвижная фаза представляет собой жидкость или газ, протекающий через неподвижную фазу. В основу классификации многочисленных хроматографических методов положены следующие признаки: 1) агрегатное состояние фаз; 2) механизм взаимодействия сорбент – сорбат; 3) способы проведения хроматографического анализа; 4) аппаратурное оформление (техника выполнения) процесса хроматографирования; 5) цель хроматографирования. По агрегатному состоянию фаз хроматографию разделяют на газовую и жидкостную. Газовая хроматография включает газожидкостную и газотвер- дофазную, жидкостная – жидкостно-жидкостную и жидкостно-твердофазную. Первое слово в названии метода характеризует агрегатное состояние подвиж- ной фазы, второе – неподвижной. По механизму взаимодействия сорбента и сорбата можно выделить не- сколько видов хроматографии: адсорбционная основана на различии в адсор- бируемости веществ твердым сорбентом; распределительная основана на раз- личной растворимости разделяемых веществ в неподвижной фазе (газожид- костная хроматография) или на различной растворимости веществ в подвиж- ной и неподвижной фазах (жидкостная хроматография); ионообменная хрома- тография – на разной способности веществ к ионному обмену; эксклюзионная хроматография – на различии в размерах и формах молекул разделяемых ве- ществ; аффинная хроматография – на специфических взаимодействиях, харак- терных для некоторых биологических и биохимических процессов (например, антитело и антиген, гормон и рецептор и др.). Существует осадочная хромато- графия, основанная на образовании отличающихся по растворимости осадков разделяемых веществ с сорбентом, адсорбционнокомплексообразовательная, основанная на образовании координационных соединений разной устойчиво- сти в фазе или на поверхности сорбента, и др. Следует помнить, что класси- фикация по механизму взаимодействия весьма условна: ее используют в том случае, если известен доминирующий механизм; часто процесс разделения протекает сразу по нескольким механизмам. По технике выполнения выделяют колоночную хроматографию, когда разделение проводится в специальных колонках, и плоскостную хроматогра- фию, когда разделение проводится на специальной бумаге (бумажная хрома- тография) или в тонком слое сорбента (тонкослойная хроматография). В коло- ночной хроматографии используют насадочные или капиллярные колонки. 80 Насадочную колонку заполняют сорбентом (насадкой), а внутреннюю стенку капиллярной колонки покрывают пленкой жидкости или пылью адсорбента. В зависимости от цели проведения хроматографического процесса раз- личают аналитическую хроматографию (качественный и количественный ана- лиз); препаративную хроматографию (для получения веществ в чистом виде, для концентрирования и выделения микропримесей); промышленную (произ- водственную) хроматографию для автоматического управления процессом (при этом целевой продукт из колонки поступает в датчик). Хроматографию часто используют для исследовательских целей при изучении растворов, ката- литических процессов, кинетики химических процессов и т.п. Классификация по способам проведения анализа подразделяет хромато- графию на три вида: 1) фронтальный, 2) проявительный, 3) вытеснительный . Фронтальный метод наиболее прост по выполнению. Через хроматогра- фическую колонку с сорбентом непрерывным потоком пропускают раствор или газовую смесь исследуемых веществ, сорбируемость которых увеличива- ется в ряду А < В < С. Соответственно этому компоненты располагаются в колонке. Однако они разделяются не полностью. В чистом виде может быть выделен лишь первый, наиболее слабо сорбирующийся компонент, который движется вдоль слоя сорбента впереди остальных. За зоной первого компо- нента следует в непосредственном контакте зона, содержащая первый и вто- рой компоненты. Третья зона содержит смесь первого, второго и третьего компонентов. В некоторый момент времени сорбент насыщается, и наступает «проскок», т.е. из колонки начинают выходить компоненты в соответствии с их сорбируемостью. Если пропускать жидкость или газ, выходящие из колон- ки, через детектор концентраций и наносить показания его в течение всего опыта на график, то полученная выходная кривая будет иметь форму ступен- чатой кривой (рис.). Фронтальный метод не нашел широкого применения в анализе, т.к. не дает полного разделения компонентов анализируемой смеси. Однако этот ме- тод весьма эффективен для препаративного выделения чистого вещества из технического образца при условии, что это вещество удерживается в колонке слабее всех других компонентов объекта анализа. Типичные примеры применения фронтального анализа: очистка и умяг- чение воды ионообменными материалами; очистка воздуха активированными углями от отравляющих веществ в противогазах и вентиляционных фильтрах химических предприятий; концентрирование ценных веществ из сточных промышленных вод металлургических предприятий; очистка лекарственных препаратов и пищевых продуктов с помощью ионообменников и т.д. Рис. Выходная кривая фронтального анализа . А, В, С – разделяемые вещества Проявительный (элюентный) метод выгодно отличается от фронтально- го тем, что он позволяет полностью разделить многокомпонентную смесь. Хроматографическую колонку промывают растворителем или газом- носителем (элюентом), обладающим меньшей сорбируемостью, чем любое из разделяемых веществ. Затем в колонку вводят исследуемую смесь в виде пор- ции раствора или газа, а не непрерывно, и продолжают пропускать элюент. При этом разделяемые вещества перемещаются вдоль колонки с разными ско- ростями в соответствии с их сорбируемостью. На выходе из колонки детектор фиксирует непрерывно концентрацию компонентов, а связанный с ним реги- стрирующий прибор записывает выходную кривую в виде ряда пиков, число которых соответствует числу разделенных компонентов (рис.). Проявительный метод анализа получил широкое применение как в жид- костной, так и в газовой хроматографии. Это объясняется тем, что при пра- вильном выборе условий разделения компоненты смеси выходят из колонки в чистом виде, и их можно выделить для исследования другими методами ана- лиза. Кроме того, качественный и количественный состав анализируемой сме- си можно определить простым измерением объемов удерживания и площадей пиков соответствующих компонентов на полученной хроматограмме. Вытеснительный метод отличается от фронтального и проявительного тем, что после введения пробы исследуемой смеси колонку промывают рас- творителем или газом-носителем, к которым добавляют раствор вещества (вы- теснитель), обладающего большей сорбируемостью, чем любое из разделяе- мых веществ. По мере продвижения по колонке элюент вытесняет вещество С, которое в свою очередь вытесняет вещество В и т.д. В результате вытесняемая смесь перемещается впереди фронта вытеснителя и скорость движения веще- ства равна скорости движения вытеснителя. Разделяемые вещества и на ко- лонке, и в элюате располагаются последовательно друг за другом. Каждый из 81 компонентов выделяется в чистом виде, но не количественно, так как зоны компонентов не разделены промежутками чистого сорбента. Рис. Выходная кривая проявительного анализа. А, В, С – разделяемые вещества, Е – растворитель (элюент) Невозможность получения на выходе из колонки достаточно чистых компонентов разделяемой смеси, а также длительность процесса разделения затрудняют использование этого метода в аналитических целях. Однако для препаративных целей метод не потерял значения, так как возможность приме- нения таких высокоактивных и доступных адсорбентов, как активированные угли, позволяет достигнуть высокой производительности. Достоинством ме- тода является также то, что зоны не размываются в отличие от проявительного анализа. К плоскостным видам хроматографии относят бумажную (БХ) и тонко- слойную (ТСХ). Эти два вида жидкостной хроматографии просты по технике выполнения, экспрессны, не требуют дорогостоящего оборудования. Разделе- ние этими методами может быть выполнено с использованием хроматографи- ческих систем жидкость–твердый сорбент и жидкость–жидкость–твердый сорбент, поэтому выделяют адсорбционную, распределительную, обращенно- фазовую и ионообменную плоскостную хроматографию. Тонкослойную хро- матографию используют чаще, чем бумажную. Метод тонкослойной хроматографии был разработан Н. А. Измайловым и М. С. Шрайбер еще в 1938 г. В методе ТСХ неподвижная твердая фаза (си- ликагель, оксид алюминия, порошок целлюлозы) тонким слоем наносится на стеклянную, пластмассовую или металлическую пластинку. В качестве по- движной фазы используют различные растворители или их смеси, органиче- ские и неорганические кислоты. Выбор растворителя зависит от природы сор- бента и свойств анализируемых соединений. Например, при хроматографиро- вании аминокислот используют смесь n-бутанола с уксусной кислотой и во- дой, при анализе неорганических ионов – водные буферные растворы, созда- ющие постоянное значение рН. В ТСХ чаще используют восходящий способ получения хроматограммы. Раствор образца наносят микропипеткой на не- большом расстоянии от края пластинки на стартовую линию, и край пластин- ки погружают в растворитель, который действует как подвижная фаза жид- костной адсорбционной хроматографии. Под действием капиллярных сил рас- творитель поднимается вверх по пластинке и с разной скоростью переносит за собой компоненты смеси, что приводит к их пространственному разделению. Чтобы растворитель не испарялся с поверхности сорбента, пластинка на время разделения должна быть помещена в герметически закрытую прозрачную ка- меру. Разделяемые компоненты на пластинке образуют отдельные зоны (пят- на). Хроматографирование продолжают до тех пор, пока растворитель не пройдет от линии старта около 10 см до так называемой линии фронта. После этого пластинку вынимают из хроматографической камеры, подсушивают на воздухе и определяют положение пятен. 6) В нисходящей хроматографии растворитель передвигается по слою вниз под действием и капиллярных, и гравитационных сил. Горизон- тальная хроматография выполняется в виде круговой и со свободным испаре- нием растворителя. В круговой хроматографии в центр горизонтально уста- новленной пластинки вносят каплю анализируемой смеси и непрерывно по- дают растворитель, который под действием капиллярных сил движется в ра- диальном направлении от центра. Компоненты смеси располагаются в слое в виде концентрических колец. Сорбционные свойства системы в ТСХ характеризуются подвижностью Rf – относительной скоростью перемещения компонентов в тонком слое. Ве- личины Rf рассчитываются из экспериментальных данных (рис.1.4.): 82 где li – расстояние от стартовой линии до центра пятна, L – рас- стояние, пройденное растворителем от стартовой линии до границы фронта раствори- теля. Rf характеризует положение пятна на хроматограмме. Это константа для данного вещества на данном сорбенте в данной системе растворителей. На величину Rf влияют качество и активность сорбента, его влажность, толщина слоя, качество и природа растворителя, техника эксперимента (способ нанесе- ния пробы, способ детектирования) и другие факторы. На практике часто пользуются относительной величиной Разделение двух веществ с R f,1 и R f,2 практически возможно, если R f,1 > R f,2 и Δ R f ≥ 0,1. Эффективность выбранного варианта ТСХ (адсорбционного, распределительного, ионообменного) и хроматографической системы можно оценить по фактору разделения (селективности) двух веществ с разными ко- эффициентами распределения: Качественный анализ. Проще всего идентификация вещества может быть сделана, если пятно определяемого вещества имеет характерную окрас- ку. Невидимые хроматограммы проявляют соответствующими реагентами, как правило, групповыми. По характерной окраске образующихся цветных зон судят о составе анализируемой пробы. При обработке пластинки, например, парами иода четко проявляются непредельные соединения; при опрыскивании пластинки тиоцианатом кобальта амины образуют голубые пятна на розово- белом фоне. В физических методах проявления используется способность не- которых веществ флуоресцировать под действием УФ-излучения. Наиболее общий подход к качественному анализу основан на значениях R f . При соблюдении стандартных условий получаются воспроизводимые зна- чения R f , которые можно использовать в аналитических целях при сравнении с табличными, если они получены в тех же условиях опыта; более надежно ис- пользовать значения R f,отн Самым надежным способом является метод свидетелей (стандартных веществ). Стандартное вещество в том же растворителе наносится на старто- вую линию рядом с анализируемой пробой и, таким образом, хроматографи- руется в тех же условиях (рис.1.4). Таблица – Подвижные фазы, проявители, величины R f некоторых катио- нов при разделении на микрокристаллической целлюлозе методом ТСХ Катион Подвижная фаза, % Проявитель R f Hg(I) н-бутанол–вода (85:15); рН 3,0 (СН 3 СООН) Водный раствор К2CrO4 0,13 Ag(I) 0,11 Pb(II) 0,05 Zn(II) Этанол–5 М HCl(90:10) Дитизон 0,93 Fe(III) Самоидентификация 0,80 Co(II) 1-Нитрозо-2-нафтол 0,33 Ni(II) Диметилглиоксим 0,33 Ca(II) Изопропанол–вода– 1 М HCl (40:20:20) Ализарин 0,73 Sr(II) Родизонат калия 0,66 Ba(II) Родизонат калия 0,55 По окончании хроматографирования и проявления хроматограммы при- ступают к идентификации веществ. Совпадение R f компонента пробы и одного из свидетелей дает основание для отождествления веществ. Количественные определения в ТСХ могут быть сделаны непосред- ственно на пластинке, в этом случае каким-либо способом измеряют площадь пятна и по заранее построенному градуировочному графику находят количе- ство вещества. Применяется также прямое спектрофотометрирование пла- стинки по спектрам отражения и по спектрам поглощения (фотоденситомет- рия), для количественных расчетов предварительно строят градуировочный график, используя оптическую плотность в центре пятна Наиболее точным считается метод, когда анализируемое вещество удаляют с пластинки механи- ческим путем или вымывают подходящим растворителем после вырезания зоны, а затем анализируют спектрофотометрическим, флуориметрическим, атомноабсорбционным методами. Метод ТСХ прост по методике выполнения и аппаратуре, экспрессен и не требует для анализа больших количеств вещества. Метод широко исполь- зуется для идентификации компонентов лекарств, биохимических препаратов, неорганических веществ. Область применения тонкослойной хроматографии практически без- гранична, что объясняется возможностью большого выбора слоев различ- 83 ных сорбентов. Для разделения полярных веществ применяют слои адсорбен- тов, для гидрофильных — распределительную хроматографию на целлюлозе или силикагеле, для гидрофобных — импрегнированные слои (обращенные фазы). Можно применять также ионообменную или гель-хроматографию в тон- ком слое. Метод тонкослойной хроматографии в настоящее время применя- ют в основном для целей качественного анализа. Количественное определение возможно в такой же степени, как и в бумажной хроматографии. При проведении определений можно работать с очень небольшими количе- ствами веществ, разделение проходит быстро и с умеренными затрата- ми. Тонкослойную хроматографию в связи с этим можно применять для пред- варительных опытов по выбору фаз для разделения больших количеств ве- ществ методом колоночной хроматографии. |