Хроматография. 
Органическая химия

Все многообразные методы хроматографии, начало которым положил М. С. Цвет еще в начале XIX в., основываются на адсорбции вещества из газовой или жидкой среды на твердой или жидкой поверхности раздела фаз. В органической химии широко используются с целью разделения, очистки и идентификации следующие Индексы S| и S₂ относятся к растворителям.

типы хроматографии: колоночная (адсорбционная), хроматография на бумаге (распределительная), тонкослойная (на специальной пластинке), гель-хроматография, газожидкостная.

В этих разновидностях хроматографии в контакт вступают две фазы — одна неподвижная, адсорбирующая и десорбирующая определяемое вещество, и другая — подвижная, выступающая в роли носителя этого вещества.

Таким образом, процесс хроматографии включает ряд последовательных актов сорбции и десорбции определяемого вещества с адсорбента с последующей его сольватацией растворителем (элюентом) и может быть рассмотрен с позиций теории адсорбции, с одной стороны, и теории растворов, с другой.

Рис. 3.2. Хроматографическая колонка:

А и В — разделяемые вещества; С — адсорбент

Колоночная хроматография. В этом типе хроматографии в качестве неподвижной фазы, плотно уложенной в стеклянные или фарфоровые колонки (трубки различной длины), служат оксид алюминия, крахмал, силикагель, труднорастворимые соли — СаС0₃, BaS0₄ и т. д., а в качестве подвижной фазы используется анализируемый раствор (в воде, спиртах, кетонах и т. д.) и чистый растворитель, называемый элюентом. Конкуренция за определяемое вещество происходит между адсорбентом и растворителем (элюентом). В зависимости от соотношения химического сродства вещества в анализируемой пробе к адсорбенту и к элюенту наблюдается различная скорость движения веществ (А и В, рис. 3.2) вдоль колонки, в результате чего при промывании колонки элюентом через определенное время образуются разделенные хроматографические зоны, из которых чистые вещества, А и В могут быть вымьггы элюентом или в целях его экономики разделены после удаления адсорбента из колонки. Перед элюированием вещества, А и В находятся в верхней части колонки и образуют обычно смешанную зону.

Хроматографически на колонке могут быть разделены более или менее успешно любые органические соединения — простые и сложные, химически активные и инертные. Так, аминокислоты хорошо разделяются на крахмале, если в качестве элюента используется вода, тогда как жидкие алканы хорошо разделяются на кизельгуре, смоченном анилином, хлорофиллы а ив легко разделяются на сахарозе.

Разделение окрашенных соединений легко наблюдать по цвету хроматографических зон. Если вещества не окрашены, то для установления факта их разделения по зонам применяют различные способы «проявления». Одним из наиболее часто используемых способов является воздействие реагентов, дающих окрашенные соединения с одним из разделяемых веществ (качественная реакция). С целью ориентировки в скоростях движения зон по длине колонки необходимо запомнить ряд убывающей способности функциональных групп к адсорбции на различных сорбентах (например, А1₂0₃): RCOOH > RCONH₂ > ROH > RNH₂ > RNHCOCHj > RN (CH₃)₂ > RN0₂ >

> ROCH₃ > RH. В зависимости от типа (полярности и некоторых других свойств) сорбента данный ряд может несколько видоизменяться.

Наибольшую склонность к адсорбции проявляют карбоновые кислоты за счет своих карбоксильных групп, наименьшую — углеводороды. В зависимости от типа химической связи углеводороды по склонности к адсорбции на полярных сорбентах располагаются в убывающий ряд: арены > сопряженные полнены и диены > алкины > алкены > алканы.

Бумажная хроматография. Используется чаще всего для качественного анализа органических соединений вследствие трудоемкости разделения больших количеств вещества. В качестве неподвижной фазы применяется целлюлоза, гидратированная молекулами воды. Предполагается, что активным компонентом этой фазы является вода, закрепленная водородными связями на слабосвязанных гидроксильных группах молекул целлюлозы. Молекулы целлюлозы вступают друг с другом в очень сильное межмолекулярное взаимодействие, которое определяется структурой целлюлозного материала, ориентацией и конформацией молекул целлюлозы. Наряду с сильно связанными ОН-группами целлюлозы, занятыми в наиболее прочных водородных связях, имеются умеренно связанные и свободные гидроксильные группы:

Эти группы могут вступать в Н-ассоциацию с Н₂0, а также с полярными, особенно протонодонорными и протоноакцегтгорными функциональными группами сорбируемых молекул. В ходе разделения смеси веществ на влажном листе специальной бумаги отмечается стартовая линия, на которую наносятся микрокапли анализируемой смеси и веществ сравнения, т. е. тех, которые предполагаются в пробе для анализа. Затем хроматограмма проявляется, создавая подвижную фазу из плохо смешивающихся с водой растворителей, но взаимодействующих с определяемым веществом. В качестве проявителей могут быть взяты спирты — бутанол-1 или бутанол-2, гексанол-1, циклогексанол или циклогексанон, бутилацетат и др. Лист касается поверхности растворителя срезом листа, близ которого находится стартовая линия.

Возникающий процесс диффузии проявителя, т. е. его движения по капиллярам листа бумаги, приводит к сольватации молекул анализируемого вещества проявителем и движению этих молекул перпендикулярно стартовой линии по плоскости листа бумаги. Различные молекулы органических соединений в зависимости от природы проявителя движутся от стартовой линии с различной скоростью. Через несколько часов (или суток) проявитель доходит до верха листа, а анализируемые вещества остаются на бумаге в виде пятен, прошедших определенное расстояние. Если анализируемые вещества бесцветны, то можно сделать их видимыми, проведя цветную аналитическую реакцию.

Относительная скорость миграции молекул (или ионов) характеризуется количественно коэффициентом R/(oi англ, ratio of fronts — отношение фронтов):

Длина пробега молекул вещества от стартовой линии Длина пробега растворителя зависящим от природы растворителя и типа бумаги.

Если коэффициент Rf анализируемого вещества совпадает с R_f известного образца, то задача идентификации вещества решена. Зачастую можно проследить зависимость между величиной Rf и природой определяемого соединения (класс, к которому оно относится; число и объемность заместителей (активных функциональных групп), их взаимная ориентация, расположение в молекуле и т. д.). Например:

Тонкослойная хроматография. По своей сущности и технике выполнения она аналогична бумажной хроматографии. Вместо бумаг и, весьма химически активной и неустойчивой, используют в качестве неподвижной фазы оксид алюминия или силикагель, нанесенный тонким слоем на стеклянную пластинку. Этот способ позволяет разделять вещества, взаимодействующие с бумагой, и применять агрессивные по отношению к ней подвижные фазы.

Гель-хроматография. В качестве неподвижной фазы-адсорбента, которым наполняется хроматографическая колонка (см. рис. 3.2), используют пористые гели органического происхождения — агар-агар, декстраньг, полиакриламид, «сшитый» полистирол и др. Различная величина пор в макроструктуре гелей определяет скорость движения молекул разделяемых веществ в зависимости от размера их молекул. Мелкие молекулы сильнее сорбируются полимерными молекулами гелей, чем крупные, и поэтому выходят из колонки с током элюенга после крупных. С помощью гель-хроматографии удается успешно разделять изомеры красгггелей, макроциклов типа порфиринов, моносахариды и олигосахариды, пептиды и т. п.

Газожидкостная хроматография. При всей значимости всех рассмотренных разновидностей хроматографии газожидкостная хроматография завоевала в аналитической и препаративной химии особое место. В этом методе в качестве неподвижной фазы применяют органические жидкости с малой упругостью пара (меньше 1 мм рт. ст.) при температуре разделения (0 — 400 °С) смеси. Часто используют парафин, силиконовое масло, трикрезилфосфат, диалкилфталат, полиэфиры этиленгликоля, полисилоксана и др. Эти жидкости наносят на поверхность твердого носителя с низкой адсорбционной способностью (глина, кизельгур, пористый Si0₂ или дробленый силикатный кирпич) по отношению к органическим веществам.

Рис. 3.3. Схема газожидкостного хроматографа:

/ — колонка с неподвижной фазой; 2 — газноситель; 3 — термостат, 4 — самописец; 5 — атмосфера

В качестве движущейся фазы используют химически малоактивные газы, такие как N₂, С0₂, Не, Аг, Н₂, содержащие пары анализируемых веществ. Между подвижной и неподвижной фазами происходит взаимодействие, в результате которого вещества из газовой фазы переходят в жидкую пленку и удерживаются ею более или менее долго в зависимости от взаимного сродства. Разные вещества имеют на одной и той же неподвижной фазе разное время удерживания t_Ry в соответствии с которым они появляются на выходе из колонки с носителем. Схема газожидкостного хроматографа приведена на рис. 3.3.

Газ-носигель поступает по металлической трубке из баллона с постоянной скоростью. При его входе в колонку (представляющую из себя стеклянную трубку диаметром 4 — 6 мм, длиной от 20 см до нескольких метров, либо набор капилляров), наполненную твердым носителем, смоченным пленкой жидкости, впрыскивается анализируемая смесь или индивидуальное вещество, чистоту которого необходимо установить.

В зависимости от времени удерживания и рабочей температуры, создаваемой в термостате, вещества проходят через колонку и поступают в детектор (приемник), в котором по одному из физических свойств (поглощение электромагнитного излучения, теплопроводности, теплоты сгорания и т. д.) определяется концентрация вещества, которая с помощью самописца фиксируется на бумаге в виде пиков (рис. 3.4).

Площадь пика пропорциональна содержанию вещества в пробе, взятой на анализ.

Под временем удерживания понимается время от появления пика воздуха (точка В на рис. 3.4) до появления максимума пика вещества А. Стандартное вещество (эталон) вводится в пробу с целью определения относительного удерживания веществ и контроля надежности процесса. В качестве стандарта можно применить углеводороды, например //-пентан.

Рис. 3.4. Газожидкостная хроматограмма индивидуального чистого вещества:

1 — воздух; 2 — эталон; 3 — анализируемое вещество

Для ориентировочной оценки времени удерживания веществ различной природы на газожидкостной хроматограмме может служить сравнение природы жидкой фазы и анализируемых молекул. На неполярной жидкой фазе неполярные молекулы движутся медленнее, чем полярные, и пики их появляются позднее. Наоборот, с увеличением полярности жидкой фазы полярные вещества удерживаются сильнее неполярных. Так, для разделения углеводородов и их галогенопроизводных наиболее пригодны парафины, силиконовые масла или трикрезипфосфат. Для разделения кислородосодержащих производных (простых и сложных эфиров, альдегидов и кетонов) более подходит диалкилфталат. Чувствительность метода газожидкостной хроматографии достигает 0,01—0,001% паров вещества в токе N₂.

Она еще более повышается, когда в качестве носителя жидкой фазы используется не колонка с твердым наполнителем, а длинная (до 30 м) тонкая капиллярная трубка (диаметр 0,25 мм), удерживающая тонкий слой жидкой фазы за счет сил сцепления. Метод газожидкостной хроматографии универсален, экономичен по времени и по расходу вещества. Он позволяет идентифицировать вещества, определять степень их чистоты, количественно разделять сложные смеси (например, нефти, содержащие до ста компонентов) и получать чистые соединения. Нередко ГЖХ (хроматограф) используется для более полной и оперативной идентификации вместе с спектрометрическими приборами и т. д.