Моделирование удерживания полистирольными сорбентами в ОФ ВЭЖХ

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

В соответствии с распространенными в настоящее время моделями удерживания в обращено-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии (ОФ ВЭЖХ) неподвижные фазы представляют собой пассивный акцептор молекул сорбатов, «прижимаемых» к ней гидрофобными взаимодействиями [1]. Предполагается, что специфические взаимодействия между молекулами сорбатов и неподвижными фазами весьма незначительны, поэтому практически все обращенно-фазовые сорбенты должны проявлять близкие свойства. Однако публикации последних лет свидетельствуют об обратном [2, 3].

Различия в поведении обращенных фаз могут быть связаны, прежде всего, с тем, что реальные сорбенты не вполне соответствуют модели идеальной неполярной поверхности. Так, например, у сорбентов на основе силикагеля степень модификации силанольных групп может быть различной, поэтому всегда существует вероятность прямой сорбции на силика-гелевой матрице.

Далее, слой органических лигандов на самом деле не является плоской неполярной поверхностью, а представляет собой разрыхленную приповерхностную зону, содержащую, помимо модифицирующих лигандов, молекулы растворителя [2]. Таким образом, механизмы удерживания в ОФ ВЭЖХ оказываются весьма разнообразными и определяются не только природой сорбатов и элюентов, но и структурой неподвижной фазы.

При хроматографировании в условиях ОФ ВЭЖХ в качестве обращенных фаз все чаще применяют различные полимерные материалы, среди которых наиболее перспективными являются сорбенты на основе нанопористого сверхсшитого полистирола (ССПС), разработан-ного сотрудниками ИНЭОС РАН под руководством профессора В.А. Даванкова. ССПС характеризуется рядом уникальных свойств, выигрышно отличающих этот сорбент от других полимерных материалов и позволяющих использовать его в самых различных адсорбционных технологиях, гетерогенном катализе, в синтезе наночастиц и пр. [4-6].

В ОФ ВЭЖХ для ССПС так же, как и для других полимерных сорбентов, установлена возможность участия специфических взаимодействий в удерживании сорбатов с ненасыщенными или ароматическими фрагментами в молекулах.

Целью настоящей работы явилось изучение особенностей механизмов удерживания некоторых ароматических углеводородов и их производных на сверхсшитом полистироле по сравнению с октадецилсиликагелем в условиях ОФ ВЭЖХ и установление границ применимости известных моделей удерживания при характеристике зависимости величин удерживания на ССПС от состава подвижной фазы.

Экспериментальная часть.

Эксперимент выполнен на жидкостном хроматографе «Varian Pro Star», снабжённом УФ-спектрофотометрическим детектором. Детектирование проводили при длине волны 254 нм. В качестве подвижной фазы применяли водно-ацетонитрильную смесь с содержанием ацетонитрила от 50 до 90 об. %. Для приготовления смеси использовали деионизированную воду и ацетонитрил марки ч.д.а (“Реахим”). Приготовленные смеси дегазировали воздействием ультразвука на установке марки УЗДН-2Т.

Элюирование проводили в изократическом режиме, объемный расход элюента 0.5 мл/мин. В качестве сорбентов использовали октадецилсиликагель (ОДС) фирмы “Waters” (размеры хромато-графической колонки 3.9х150 мм, размер частиц сорбента 5 мкм) и нейтральный сверхсшитый поли-стирол (размеры хроматографической колонки 4.6х150 мм, размер частиц сорбента 3.2 мкм). Сорбент на основе сверхсшитого полистирола (ССПС) был синтезирован и упакован в колонку в лаборатории ИНЭОС РАН.

Растворы сорбатов готовили растворением индивидуальных веществ в соответствующей подвижной фазе; объем вводимой пробы составлял 20 мкл. В качестве условно несорбирующегося вещества использовали нитрит натрия.

Удерживание характеризовали величиной фактора удерживания k:

k = (tR - tM)/tM ,

где tR - время удерживания исследуемого вещества, tм - время удерживания несорбирующегося компонента (нитрит натрия).

Относительное удерживание r рассчитывали по формуле: (стандарт - бензол),

r = k / kst

Для исследования зависимости фактора удерживания от состава подвижной фазы использовали модели Снайдера, Снайдера-Сочевинского и Скотта-Кучеры, аппроксимируемые посредством следующих уравнений соответственно:

lg k = S·Ц + lg k'w (1)

lg k = a - n·lg Nm (2)

1/k = A - B·Nm (3)

где Ц и Nm - объемная и мольная доля органического модификатора в подвижной фазе соответственно; k'w - фактор удерживания сорбата в чистой воде; S, a, n, A, B - коэффициенты соответствующих уравнений [1].

Результаты и их обсуждение.

При изучении взаимосвязи удерживания и состава подвижной фазы на практике, как правило, используют ряд эмпирических моделей, среди которых основными являются модели Снайдера-Сочевинского, Скотта-Кучеры, Ланина-Никитина, Эльтекова и др. [1, 7-9].

Эти модели в конечном итоге подразумевают количественную оценку причин, приводящих к разделению веществ в колонке и определяемых типами межмолекулярных взаимо-действий (ММВ) в хроматографической системе.

Природа этих сил ММВ известна и характеризуется свойствами сорбата, сорбента и элюента в зависимости от типа используемого хроматографического метода (газовая, жидкостная или другие виды хроматографии).

В системах Роршнайдера-Мак-Рейнольдса межмолекулярные взаимодействия характе-ризуются, как известно, посредством величин удерживания стандартных сорбатов, способных преимущественно к определенному типу ММВ.

В газо-жидкостной хроматографии наиболее полная оценка свойств неподвижных фаз с учетом разнообразных типов межмолекулярных взаимодействий, в которые они могут вступать, была дана на основе введенной Роршнайдером величины условной хроматографии-ческой полярности, модифицированной впоследствии Мак-Рейнольдсом и широко используемой до настоящего времени [10].

Табл. 1. Параметры удерживания исследованных соединений

Содержание ацетонитрила в элюенте 90%.

В жидкостной хроматографии для описания взаимодействий в хроматографической системе предложены такие характеристики, как параметры растворимости Хильдебранда, полярность растворителей Снайдера и другие. [11, 12].

Известны попытки объединения существующих моделей дескрипторов для характерис-тики хроматографического процесса в условиях как газовой, так и жидкостной хромато-графии [13, 14].

Мы попытались применить известные модели удерживания для характеристики хроматографических систем с сорбентами на основе нейтрального сверхсшитого полистирола и сопоставить их с удерживанием на октадецилсиликагеле.

Поскольку в удерживании сверхсшитым полистиролом существенную роль играют р -р-, р-d или р-n - взаимодействия, в качестве сорбатов нами использованы ароматические углеводороды, вступающие, прежде всего, в дисперсионные взаимодействия с сорбентами любой природы и р-взаимодействия с ароматическими фрагментами сорбентов на основе ССПС, а также производные ароматических углеводородов с различными заместителями, донорами и акцепторами электронов, способными к образованию водородных связей, диполь-дипольным и индукционным взаимодействиям (табл. 1).

Ранее аналогичный набор соединений использован авторами [5] для оценки механизма удерживания ССПС при использовании элюентов различной химической природы.

Полученные нами данные хорошо иллюстрируют различия в удерживании модельных соединений октадецилсиликагелем и сверхсшитым полистиролом, проявляющиеся несмотря на использование в обоих случаях обращенно-фазового режима ВЭЖХ.

В частности, из табл. 1 следует, что в целом фактор удерживания исследованных соединений на ССПС в 3-4 раза больше, чем на октадецилсиликагеле, возрастая на обоих сорбентах при переходе от бензола к нафталину и антрацену.

Однако, для ОДС увеличение фактора удерживания не столь существенно, как для ССПС в связи со значительным вкладом р-р взаимодействий в удерживание последним: на ОДС фактор удерживания возрастает примерно в два раза, в то время, как на ССПС почти в 10 раз:

Табл. 2

Аналогичная закономерность наблюдается и при переходе от фенола к в-нафтолу: фактор удерживания увеличивается как на ССПС, так и на октадецилсиликагеле, однако, в последнем случае это увеличение весьма несущественно.

Табл. 3

В целом введение в молекулы соединений различных функциональных групп приводит к усложнению ММВ в хроматографических системах, как правило снижая удерживание за счет усиления взаимодействия сорбатов с полярным элюентом и уменьшения липофильности:

Таким образом, роль полярного элюента в хроматографическом поведении исследованных сорбатов как на ОДС, так и на ССПС оказывается существенной.

На рис. 1 представлены графики зависимостей фактора удерживания от концентрации органического модификатора в элюенте, аппроксимированных различными моделями (уравнения 1-3, представленные в экспериментальной части).

Следует отметить, что в публикациях последних лет мы не обнаружили данных о сравнительной характеристике классических моделей удерживания применительно к сорбентам на основе ССПС.

Рис. 1. Зависимости фактора удерживания от концентрации ацетонитрила в элюенте, аппроксимированные различными моделями (а - для ССПС, б - для ОДС)

Из рисунков следует, что практически для всех моделей эти зависимости являются линейными, причем коэффициенты корреляции для ССПС оказываются близкими к 1, в то время как для октадецилсиликагеля строгость корреляции определяется природой сорбата. При этом диапазон изменения коэффициентов корреляции в модели Скотта-Кучеры для ССПС составляет 0.996-0.983, для ОДС - 0.999-0.248.

При аппроксимировании зависимости моделью Снайдера диапазон изменения коэффициентов корреляции для ССПС составляет 0.993-0.924, для ОДС - 0.973-0.402. И, наконец, при аппроксимировании зависимости моделью Снайдера-Сочевинского эти диапазоны составляют для ССПС 0.997-0.942, для ОДС - 0.985-0.445.

Таким образом, во всех рассмотренных случаях зависимость величины удерживания от состава ПФ при использовании ССПС оказывается практически линейной, в то время как для ОДС имеют место значительные отклонения от линейности преимущественно для веществ с электронодонорными или электроноакцепторными заместителями. Причины таких отклонений обусловлены, вероятно, взаимодействиями функциональных групп сорбатов со свободными силанольными группами модифицированного силикагеля, всегда присутствующими на его поверхности [2].

Кроме того, большая адекватность рассмотренных моделей для ССПС может быть результатом более сильной сорбции ароматических соединений, связанной с большей гидрофобностью сорбента и с отсутствием на его поверхности полярных групп, способных вносить искажения в удерживание. В то же время для полифункциональных сорбатов с несколькими активными центрами в молекуле зависимость удерживания от состава подвиж-ной фазы может существенно отклоняться от линейной в связи с усложнением ММВ в хроматографической системе, что, в частности, продемонстрировано нами на примере азотсодержащих производных адамантана [15].

Выводы:

Проведено сравнение хроматографического удерживания ароматических углеводородов и их производных на октадецилсиликагеле и нанопористом ССПС. Показано, что несмотря на близость механизмов удерживания на этих сорбентах, величина хроматографического удерживания сорбатов сверхсшитым полистиролом существенно выше за счет наличия р-электронных систем в структуре как сорбатов, так и самого ССПС. хроматографический углеводород растворитель

Проиллюстрировано влияние содержания органического модификатора в элюенте на хроматографическое поведение исследованных веществ. Показана применимость известных адсорбционных моделей для изученных хроматографических систем. Отмечено, что удерживание исследованных соединений на ССПС вполне адекватно может быть описано в рамках моделей Скотта-Кучеры, Снайдера и Снайдера-Сочевинского.

Литература

1. Шатц В.Д., Сахартова О.В. Высокоэффективная жидкостная хроматография. Рига: Зинатне. 1988. 390с.

2. Лисичкин Г.В., Фадеев А.Ю., Сердан А.А. Химия привитых поверхностных соединений. М.: Физматлит. 2003. 592с.

3. Ланин С.Н. Адсорбционные модели удерживания в жидкостной хроматографии. 100 лет хроматографии. Отв. ред. Б.А. Руденко. М.: Наука. 2003. С.407.

4. V. Davankov, M. Tsyurupa, M. Ilyin, L. Pavlova. J. Chromatogr. A. 2002. Vol.965. P.65-73.

5. V. Davankov, S. Sychov, M. Ilyin, K. Sochilina. J. Chromatogr. A. 2003. Vol.987. P.67-75.

6. M. Tsyurupa, V. Davankov. React. & Funct. Polym. 2006. Vol.66. P.768-776.

7. L.R. Snyder., J.J. Kirkland. Introduction to modern liquid chromatography. N.-Y.: Wiley. 1979. 863p.

8. E. Soczewinski. Anal. Chem. 1969. Vol.41. No.1. P.179-182.

9. R.P.W Scott., P. Kucera. J. Chromatogr. 1975. Vol.112. P.425-442.

10. W.O. McReynolds. J. Chromatogr. Sci. 1970. Vol.8. P.685-691.

11. P. Laffort, F. Patte. J. Chromatogr. 1987. Vol.406. P.51-74.

12. J.J. Gilroy, J.W. Dolan, L.R. Snyder. J. Chromatogr. A. 2003. Vol.1000. P.757-778.

13. M.H. Abraham, A. Ibrahim, A.M. Zissimos. J. Chromatogr. A. 2004. Vol.1037. P.29-47.

14. F. Patte, M. Etcheto, P. Laffort. Anal. Chem. 1982. Vol.54. P.2239-2247.

15. Тырина Е.В., Прокопов С.В., Курбатова С.В. Удерживание адамантиламидразонов и триазолов в условиях квазинормально-фазовой хроматографии. Бутлеровские сообщения. 2011. Т.27. №15. С.28-33.

Размещено на Allbest.ru