Количественный анализ органических соединений

Основы определения разработаны Ф. Преглем[11]. Навеску вещества в 3-5 мг сжигают при температуре 900 °С в токе кислорода, очищенного от водорода, воды и углекислого газа. Очистка водорода от кислорода осуществляется пропусканием газа над платиновым катализатором при 800 °С. Полная очистка от углекислого газа и воды осуществляется пропусканием через безводный перхлорат магния (ангидрон) и через асбест, пропитанный расплавом едкого натра (аскарит).

После трубки сжигания поставлены трубки с поглотителями: ангидроном и аскаритом. Привес первого поглотителя соответствует количеству воды, по которому вычисляют содержание водорода в навеске вещества; привес второго поглотителя дает количество углекислого газа, по которому определяют содержание углерода в анализируемом веществе.

Галогены и серу можно определить, разложив вещество по Кариусу. Галогены в виде галогенида серебра – весовым путем или оттитровывая избыток нитрата серебра. Серу определяют в виде сульфата бария. Газы после сжигания навески пропускают над слоем металлической меди, где происходит восстановление оксидов азота до свободного азота. Азот определяют объемным методом по количеству непоглощенного газа.

Определение молекулярной массы

Для определения молекулярной массы соединения часто пользуются методами криоскопии, основанными на законе Рауля[12]. Для этого определяют температуру замерзания растворителя, а затем раствора. Разница прямо пропорциональна числу молекул вещества, растворенного в данной массе растворителя. Молекулярную массу определяют по формуле:

,

где р - навеска вещества; Р - навеска растворителя; K - криоскопическая константа;

Аналогично в эбуллиоскопическом методе молекулярную массу определяют через разницу между температурами кипения чистого растворителя и раствора.

Для высокомолекулярных соединений описанные выше методы совершенно неприменимы. В этом случае пользуются тремя методами: вискозиметрическим, осмотическим и седиментационным, которые, в свою очередь, неприменимы к веществам с обычной молекулярной массой.

В настоящее время наиболее часто для определения молекулярной массы неизвестного вещества используют масс-спектрометрию.

Способы выделения индивидуальных веществ

Для выделения соединений применяют следующие физические методы: различные виды перегонки – фракционная при атмосферном давлении, в вакууме, в высоком вакууме, молекулярная перегонка, кристаллизация, экстракция, хроматография. Кроме того, имеется много специальных методов, учитывающих специфику функциональной группы.

· Молекулярная перегонка. Для веществ, которые разлагаются при температуре кипения даже в высоком вакууме, используют «молекулярную перегонку». Принцип ее состоит в том, что при сильном разрежении (10^-5-10^-8 мм рт. ст.) с нагретой поверхности подлежащего перегонке расплавленного вещества молекулы переходят в газовую фазу при температуре намного ниже температуры кипения данного соединения. Пары вещества затем конденсируются на холодной поверхности. Так удается очистить вещества со сравнительно большой молекулярной массой и хрупкой структурой.

· Перегонка с водяным паром. Как известно, вещество кипит при температуре, когда давление его пара равно атмосферному. Если нагревать две несмешивающиеся жидкости, они закипят при температуре, когда суммарное давление пара обеих жидкостей сравняется с атмосферным. В качестве второй жидкости берут воду. Таким образом, перегонку данной смеси жидкостей можно провести ниже 100°С. Количество обоих веществ в дистилляте определяется соотношением произведения давления пара каждого вещества на его молекулярную массу.

· Кристаллизация. Для очистки твердых веществ применяют перекристаллизацию. Метод основан на том факте, что для большинства соединений при охлаждении их растворов растворимость вещества уменьшается.

· Экстракция. Метод разделения, основанный на разнице коэффициентов распределения вещества между двумя несмешивающимися жидкостями.

Хроматография

Ø Хроматография – метод разделения, основанный на разной скорости перемещения концентрационных зон компонентов исследуемой смеси в потоке подвижной фазы (элюента) относительно неподвижной фазы.

§ По решаемым задачам выделяют препаративную (количественное разделение веществ) и аналитическую хроматографию (обнаружение веществ и количественная и качественная характеристика смесей).

§ По принципам разделения хроматография подразделяется на адсорбционную, распределительную, ионообменную и ситовую.

v Адсорбционная хроматография. Разделяемые вещества должны отличаться по сродству к твердому адсорбенту, являющемуся неподвижной фазой. В качестве адсорбентов обычно применяют оксид алюминия и силикагель. Значительно реже используют активированный уголь, сульфат бария, силикат магния, полиамиды.

Способность веществ адсорбироваться на полярном адсорбенте в значительной степени определяется их полярностью. По способности адсорбироваться вещества с разными функциональными группами можно расположить в следующей последовательности:

RH < ROCH₃ < R-NO₂ < R-N(CH₃)₂ < R-COOCH₃ < R-NH₂ < R-OH < R-CONH₂ < R-COOH.

По полярности, а значит и по элюирующей способности, растворители-элюенты образуют следующий ряд:

H₂O > CH₃OH > C₂H₅OH > CH₃COCH₃ > CH₃COOC₂H₅ > C₂H₅OC₂H₅ > CHCl₃ > CCl₄ > циклогексан > н-гексан

Элюирование проводят или одним элюентом (смесью элюентов), или последовательно несколькими элюентами, переходя от менее полярного к более полярному, или смесью двух растворителей (последовательно увеличивая концентрацию более полярного).

· Основные варианты адсорбционной хроматографии.

§ Колоночная адсорбционная хроматография. Адсорбент помещают в колонку. Сверху вначале наносится разделяемое вещество, а затем пропускают элюент, который движется под действием силы тяжести или нагнетается под давлением специальным насосом.

Контроль за разделением веществ ведут или физико-химическими методами (УФ-детекция, рефрактометрия), или аналитическими хроматографическими методами.

§ Тонкослойная хроматография (ТСХ). Сорбент размещается тонким слоем на стеклянной, алюминиевой или пластмассовой подложке.

Слой сорбента может быть незакрепленным или зафиксированным с помощью специальных химических веществ (крахмал, гипс). Пробу вещества наносят в нижней части пластинки, которую затем помещают в бокс с элюентом. Растворитель за счет капиллярных сил подымается по пластинке (восходящая хроматография), производя разделение. В случае трудноразделимых веществ прибегают к двумерной хроматографии, когда вещество вначале элюируют в одном направлении, а затем элюирование проводят в перпендикулярном направлении.

В современных условиях обычно используют промышленно изготовленные пластинки для препаративной или аналитической ТСХ.

· Выявление и характеристика веществ. Окрашенные соединения наблюдаются при хроматографировании непосредственно. Бесцветные вещества необходимо «выявлять» – превращать в окрашенные соединения.

В зависимости от сорбента, закрепителя и природы разделяемого вещества используют различные методы «выявления», например, углеводы обугливают при высокой температуре, в том числе, и после опрыскивания растворами серной кислоты, аминокислоты дают окрашенные продукты после обработки раствором нингидрина. По интенсивности окраски разделяемых соединений специфическими реагентами судят о содержании их в смеси.

Для характеристики веществ применяют термин «хроматографическая подвижность», которая обозначается как R_f, – отношение величины пробега зоны вещества к величине пробега элюента.

v Распределительная хроматография. В основе этого варианта хроматографии лежит распределение веществ между подвижной фазой (газ, жидкость) и неподвижной фазой – жидкость, удерживаемая на твердом инертном носителе. Наибольшее распространение получила распределительная хроматография на бумаге и газо-жидкостная хроматография.

§ Бумажная хроматография. Основой хроматографии на бумаге является распределение смеси разделяемых веществ между водой, адсорбированной на бумаге, и растворителем, насыщенным водой. С помощью этого метода удачно проводилось разделение и идентификация аминокислот и моносахаридов. В настоящее время этот вариант хроматографирования утратил свою актуальность.

§ Газо-жидкостная хроматография. Это распределительная хроматография между стационарной жидкой фазой, нанесенной на носитель, и газом (обычно гелий, азот или водород).

Для характеристики разделяемых веществ используют «время удерживания». Это время от момента ввода смеси в колонку до выхода из колонки и прохождения вещества через соответствующий детектор, например детектор, регистрирующий изменение теплопроводности. Данный вариант является одним из наиболее широко применяемых хроматографических методов, особенно в аналитических целях.

v Ионообменная хроматография. В основе метода лежит распределение заряженных веществ (ионов) между подвижной и неподвижной фазами в зависимости от их сродства к иононым центрам неподвижной фазы.

По природе ионообменника различают катионную и анионную хроматографию. В качестве элюентов широко используется вода, растворы кислот и щелочей, буферные растворы. Наиболее часто ионообменными материалами служат катиониты и аниониты на основе сшитых полимеров, содержащих ионогенные функциональные группы, а также модифицированная целлюлоза.

v Ситовая хроматография (гель-хроматография). Отличительной чертой гель-хроматографии является то, что в гелях, образованных трехмерными «сшитыми» макромолекулами, имеются поры определенных размеров, в которые входят меньшие по объему из разделяемых молекул и не входят большие. Поэтому, в отличие от адсорбционной хроматографии, в гель-хроматографии первыми проходят сквозь колонку молекулы большего размера, а самые последними – малые. Разделительная колонка заполняется зернами лиофильного или гидрофильного геля. Примерами таких хроматографических материалов могут служить модифицированные природные гелеобразователи – агар, декстрины, сефадексы (сшитые декстраны) и синтетические сита на основе полиакриламида или «сшитого» полистирола.

[1] Берцелиус Й. (1779 1884) – шведский химик. Научные исследования охватывают все главные проблемы химии первой половины XIX века.

[2] Велер Ф. (1800-1882) – немецкий химик. Работы в неорганической и органической химии. Наряду с Ю. Либихом установил изомерию солей гремучей кислоты.

3 Гмелин Л. (1788-1853) – немецкий химик. Издавал справочники по экспериментальным данным, которые выдержали несколько изданий.

[4] Либих Ю. (1803-1873) – немецкий химик. Создатель теории радикалов, основоположник агрохимии. Изучал органические кислоты.

[5] Бутлеров А. (1828-1886) – русский химик, создатель теории строения органических соединений. Предсказал изомерию многих соединений.

[6] Жерар Ш. (1816-1856) – французский химик. Работал у Ю. Либиха, слушал лекции Ж. Дюма. Создал теорию типов. У Ш. Жерара учились многие русские химики.

[7] Шорлеммер К. (1834 – 1892) – немецкий химик-органик. Работал в области алканов, имеет труды по истории химии.

[8] Лоссень В. (1838 - 1905) – немецкий химик. Основные работы связаны с исследованиями алкалоидов, открыл перегруппировку гидроксамовых кислот.

[9] Кариус Л. (1829-1875) – немеццкий химик. Разработал метод определения серы, галогенов и др. элементов в органических соединениях (1860 г.)

[10] Бейльштейн Ф. (1838-1906) – русский химик-органик. Основные работы в области синтеза ароматических соединений. Инициатор и первый составитель многотомного справочника по органическим соединениям (Handbuch der organische Chemie), известного как «Справочник Бельштейна».

[11] Прегль Ф. (1869-1930) – немецкий химик. Основатель микроанализа органических соединений. Нобелевская премия 1923 г.

[12] Рауль Ф. (1830-1901) – французский химик. Основное направление исследований – изучение растворов.