Степень адсорбции и строение веществ

Адсорбционная хроматография основана на различии в адсорб­ционных свойствах компонентов разделяемой смеси. Чем лучше адсорбируется вещество, тем меньше скорость продвижения вещест­ва по колонке или слою адсорбента. Поэтому отдельные компонен­ты смеси движутся через адсорбент с различной скоростью. Чем хуже адсорбируется вещество, тем быстрее оно продвигается по колонке в процессе хроматографирования. [1]

Степень адсорбции на полярных адсорбентах зависит в основном от наличия функциональных групп, двойных связей, ароматических колец и гетероциклов, от конфигурации молекулы, величины ее дипольного момента, поляризуемости и т.д. и относительно мало зависит от величины молекулы. Сравнительная оценка влияния отдельных групп представляет большие трудности. На основании большого числа эмпирических данных Брокман и Вольнерс распо­ложили наиболее известные функциональные группы в следующий ряд по их возрастающему влиянию на степень адсорбции на адсор­бенте – окиси алюминия:

-Сl, -Н, -ОСНз, -NO₂, -СОСНз, -NНСОСНз, -NH₂, -ОН, -СОNН₂, -СООН

Изолированные двойные связи сравнительно мало влияют на степень адсорбции, однако с возрастанием их числа степень адсорб­ции увеличивается иногда даже в несколько раз, особенно в случае сопряженных систем, при наличии которых значительно возрастает поляризация молекулы.

При адсорбции на полярных адсорбентах заметно сказывается также влияние ароматических и гетероциклических колец. По срав­нению с ненасыщенными соединениями ароматические соединения адсорбируются, как правило, более прочно. Влияние ароматических колец особенно сильно, если они конденсированы. Весьма сильное влияние на степень адсорбции могут оказать конфигурация молеку­лы и ее дипольный момент, что в ряде случаев позволяет осущест­вить разделение геометрических изомеров, а также о-, м- и п-изомеров (например, нитрофенолов, нитроанилинов и т.д.). [2]

Влияние величины молекулы на степень адсорбции в случае по­лярных адсорбентов незначительно. Увеличение длины алифатиче­ской цепи или введение в молекулу органического вещества алифа­тических заместителей несколько уменьшает степень адсорбции из-за того, что уменьшается «удельное» влияние функциональных групп.

На неполярных (гидрофобных) адсорбентах (например, активи­рованный уголь) адсорбция, наоборот, очень сильно зависит от величины молекулы. По мере возрастания молекулярного веса сте­пень адсорбции вещества повышается до определенного значения. По данным Клессона, максимум адсорбируемости соответствует молекулярному весу 10000. У полимеров высокого молекулярного веса размеры молекулы настолько большие, что они уже не способ­ны проникнуть в поры активированного угля, что приводит к рез­кому снижению степени адсорбции.[9]

Влияние природы полярных групп при адсорбции на неполярных адсорбентах еще мало изучены.

Выбор адсорбента

Главное требование, предъявляемое к адсорбенту для хромато­графии, - отсутствие химического взаимодействия между адсорбен­том и анализируемым веществом. Второе важнейшее требование к адсорбенту – его избирательность, т.е. возможно большее различие в адсорбируемости веществ разделяемой смеси. Кроме этого адсор­бенты, применяемые для хроматографии, должны отвечать ряду условий. Они должны иметь большую емкость, т.е. возможно боль­шую активную поверхность. Большая активная поверхность адсор­бента может являться следствием либо его значительной пористости (активированный уголь, окись алюминия, силикагель), либо высо­кой дисперсности адсорбента, т.е. малого размера частиц. При большой пористости адсорбента используется в основном внутрен­няя поверхность частиц, поэтому их величина играет второстепенную роль. [9]

Тем не менее, всегда желательно иметь адсорбенты со строго оп­ределенным размером частиц. Чем меньше размеры частиц адсор­бента, тем быстрее устанавливается равновесие и тем меньше нару­шается оно вследствие диффузии. Однако при очень малом размере частиц адсорбента в колонке создается значительное сопротивление, и жидкость проходит через нее с большим трудом.

Размеры зерен адсорбентов и носителей оценивают, как правило, в мешах, т.е. по числу отверстий на дюйм самого тонкого сита, через которое могут пройти зерна; эффективным диаметром частиц явля­ется размер отверстий сита (в мкм). Практически оптимальным раз­мером частиц следует считать диаметр от 200 до 1500 мкм.

Одинаковая величина частиц адсорбента позволяет лучше разде­лить вещества и способствует лучшей проникаемости колонки. При неодинаковой величине зерен адсорбента маленькие частицы запол­няют пространство между большими, что повышает сопротивление колонки.

Свойства полярных адсорбентов очень сильно зависят от влаж­ности, которая к тому же значительно снижает их емкость. Некото­рые полярные адсорбенты могут быть полностью дезактивированы водой и полярными растворителями. Поэтому полярные адсорбен­ты активируют, удаляя связанную воду, например, прокаливанием (СаО, МgО и т.д.), нагреванием при невысокой температуре (окись алюминия, силикагель) или просто высушиванием, чаще всего в вакууме, при температурах, не превышающих 110°С (крахмал, сахароза). [3]

В настоящее время в хроматографических работах применяются почти исключительно адсорбенты заводского производства. Это прежде всего окись алюминия, силикагель (окись кремния), уголь, магнезия (окись магния), диатомитовая земля (кизельгур), молеку­лярные сита, целлюлоза, силикат магния (феорисил) и другие. [17]

Окись алюминияявляется наиболее широко употребляемым ад­сорбентом для адсорбционной хроматографии. На ней удается хроматографировать весьма широкий круг смесей веществ как в поляр­ных, так и в неполярных растворителях благодаря ее амфотерному характеру.

Техническая (основная) окись алюминия представляет собой в основном гидроокись алюминия с неопределенным содер­жанием воды (2-3%). Она содержит, как правило, также небольшие количества щелочи, которую частично можно вымыть водой. Таким образом, техническая окись алюминия имеет слабощелочную реак­цию (Рн водного экстракта 9-10). Основная окись алюминия при­годна для разделения соединений нейтрального и основного харак­тера, спиртов, углеводородов, стероидов, алкалоидов и природных пигментов. При использовании окиси алюминия не следует приме­нять в качестве элюентов ацетон, этилацетат; последний в условиях разделения способен омыляться. [4]

Нейтральную окись алюминия можно приготовить, промывая технический продукт разбавленной азотной или соляной кислотой. Окись алюминия в этой форме значительно менее активна, чем в основной. Ее используют для разделения альдегидов, кетонов, хинонов, сложных эфиров, лактонов, гликозидов.

Кислая окись алюминия (Рн 4-5) – наименее активная и редко используемая форма, пригодна для разделения пигментов и сильных кислот.

Активность окиси алюминия зависит от ее влагосодержания. Увлажняя наиболее активную форму окиси алюминия (первая сте­пень активности) различным количеством воды, можно получить набор адсорбентов с различной активностью. Стандартизацию ак­тивной окиси алюминия по Брокману см. в разделе 3.1. Оптималь­ной активности можно достигнуть нагреванием окиси алюминия при температуре 400-500°С. Окись алюминия, прокаленная при очень высокой температуре, теряет активность вследствие перехода в другую кристаллическую форму.

Силикагель– широко используемый адсорбент для большинства типов функциональных групп и ионных и неионных соединений. Для достижения максимальной активности силикагель перед упот­реблением нагревают при 150-160°С в течение нескольких часов. Активированный силикагель используют для разделения углеводо­родов. Чаще всего применяют технический «дезактивированный» силикагель, содержащий 10-20% воды (слабокислый). [1]

В какой-то мере выбор сорбента может быть предсказан заранее. На практике в первую очередь нужно исходить из свойств разделяе­мых соединений: их растворимости (гидрофильность, гидрофобность), содержание и характеры функциональных групп (см. раздел 2.1).

Выбор элюента

Правильный выбор элюента (растворителя или смеси раствори­телей) в адсорбционной хроматографии имеет существенное значе­ние и тесно связан как с природой выбранного адсорбента, так и со свойствами компонентов анализируемой смеси. Нет единой зависи­мости между свойствами растворителя (диэлектрической проницае­мостью, дипольным моментом и т д.) и его элюирующей способностью, а также растворимостью соединения и его способностью ад­сорбироваться. Тем не менее, существует экспериментально выяв­ленный элюотропный ряд растворителей, в котором наиболее часто применяемые в хроматографии растворители расположены в поряд­ке возрастания десорбирующей (элюирующей) способности (табл. 2).

В случае бинарных смесей растворителей добавление небольшо­го количества одного растворителя (0-40% смеси) к другому, менее полярному приводит к резкому возрастанию элюирующей способ­ности смеси. Этот эффект усиливается по мере продвижения вниз в приведенных элюотропных рядах, однако в том же порядке ухудша­ется смешиваемость растворителей в бинарных смесях. [1]

Таблица 2

Элюотропные серии растворителей для различных адсорбентов

Для окиси алюминия

Пентан

Петролейный эфир

Гексан

Циклогексан

Четыреххлористый углерод

Толуол

Бензол

Диэтиловый эфир

Хлороформ

Тетрагидрофуран

(Ацетон)

Диоксандрофуран

Этилацетат

2-Пропанол

1-Пропанол

Этанол

Метанол

Уксусная кислота

Для силикагеля

Циклогексан

Гептан

Пентан

Четыреххлористый углерод

Толуол

Бензол

Хлороформ

Диэтиловый эфир

Этилацетат

Этанол

Вода

Ацетон

Уксусная кислота

Метанол

Для активированного угля (неполярного)

Вода

Метанол

Этанол

Ацетон

1-Пропанол

Диэтиловый эфир

Этилацетат

Гексан

Бензол

В таблице 3 приведен список растворителей и адсорбентов, наи­более часто применяемых для разделения растворов смесей веществ методом адсорбционной хроматографии.

Таблица 3