Силикагель и его применение в высокоэффективной жидкостной хроматографии (стр. 4 из 6)

Рисунок 1.3. Группы на поверхности силикагеля: I – свободная силанольная; II – силанольная, связанная водородной связью; III – силоксановая

Количество групп как силанольных, так и силоксановых на единицу массы силикагеля зависит от ряда факторов. Так, чем больше удельная поверхность силикагеля (она меняется в пределах от 1000 до 15 м²/г), тем больше групп обоих типов находится на сорбенте в колонке и, следовательно, сильнее удерживание взаимодействующих с ними веществ [17].

Соотношение силоксановых и силанольных групп на поверхности силикагеля зависит от длительности и условий сушки в процессе его получения. При сушке геля поликремневой кислоты исходного продукта для силикагеля сначала идет поликонденсация с выделением воды и образованием жесткого скелета силикагеля. При нагревании до 200°С вся физически сорбированная вода удаляется, а поверхность остается полностью гидроксилированной, т.е. количество силанольных групп будет максимальным, а силоксановых минимальным [15, 17]. Если продолжить нагревание, силанольные группы начнут отщеплять воду с образованием силоксановых групп; этот процесс заканчивается примерно при 1000°С.

Силанольные группы, располагающиеся на поверхности силикагеля, обладают слабокислыми свойствами и способны, поэтому сильнее удерживать вещества с основными свойствами. Силоксановые группы могут в процессе работы за счет гидролиза переходить в силанольные, что меняет свойства поверхности сорбента и удерживание веществ [15, 17].

Поверхность и структура применяемого для хроматографии оксида алюминия похожи на силикагелeвые, однако не идентичны и обеспечивают в ряде случаев селективность, отличающуюся от селективности силикагеля. Однако применение оксида алюминия в ВЭЖХ имеет ограниченный характер. Это связано с тем, что микрочастицы оксида алюминия выпускают не все фирмы-производители сорбентов, а привитые фазы на этой основе не выпускаются совсем. Тем не менее, в некоторых случаях, когда требуется селективность, отличная от селективности силикагеля, оксид алюминия применяют [17].

Сорбенты с химически привитыми фазами на основе силикагеля появились позже сорбентов, на которые неподвижная фаза (в виде индивидуальных веществ или, чаще, полимеров различной структуры и полярности) наносилась физически. Нанесенная фаза довольно быстро смывается растворителем (гораздо быстрее, чем она испаряется или изменяется в газожидкостной хроматографии), параметры удерживания постоянно меняются, препаративно собираемые фракции загрязняются фазой. Использование растворителя, насыщенного неподвижной фазой, позволило несколько повысить стабильность таких сорбентов и колонок, однако большинство недостатков при этом осталось.

Эти проблемы можно решить, если химически привить органическую неподвижную фазу к силикагелевой матрице. Силанольные группы, находящиеся в большом количестве на поверхности силикагеля (особенно полностью гидроксилированного), обладают слабокислыми свойствами и довольно легко вступают в многочисленные реакции. Первые из полученных таким путем привитофазных сорбентов, названных «щеточные» (привитые молекулы, как щетина в щетке, покрывали поверхность силикагеля), изготовляли этерификацией силанолов спиртами с образованием простой эфирной связи. Однако, обратимость реакции, особенно в кислой и щелочной средах и в присутствии водных подвижных фаз, в большой мере ограничивала, как срок работы таких сорбентов, так и области их применения. Позднее были разработаны методы получения привитых фаз разного типа с использованием гораздо более прочных и устойчивых к гидролизу связей Si-О–Si и Si-С. Практически все имеющиеся в продаже привитофазные сорбенты относятся к этому типу, их более 200 [15, 17].

Привито-фазные сорбенты сейчас наиболее популярны, несмотря на их высокую стоимость. Более 60% разделений методом ВЭЖХ выполняют с использованием только обращенно-фазных привитых сорбентов, основным из которых является сорбент с привитой фазой C₁₈.

Можно отметить следующие преимущества, обеспечивающие преобладающее использование привитых сорбентов на основе силикагеля: механическая устойчивость к высоким давлениям; отсутствие перехода привитой фазы в растворитель в процессе хроматографического разделения (если не протекают реакции, приводящие к химическому отщеплению привитой фазы); устойчивость к действию растворителей, температуры, воды, рН; возможность варьировать в широких пределах селективность за счет изменения степени прививки, дополнительной химической обработки и замены растворителя.

2. Экспериментальная часть

2.1 Выбор и описание метода проведения эксперимента

Целью курсовой работы является экспериментальное исследование зависимости свойств сорбентов на основе силикагеля от пористости структуры и химической природы поверхности («привитой фазы») методом обращено-фазной высокоэффективной жидкостной хроматографии (далее по тексту ОФ ВЭЖХ).

ОФ ВЭЖХ - вариант распределительной хроматографии, в котором используют сорбент с привитыми неполярными (как правило, длинными алкильными или алкилсилильными) группами и полярный растворитель.

При проведении анализов методом ОФ ВЭЖХ хроматографическую колонку промывают подвижной фазой, обладающей меньшей сорбируемостью, чем любое из разделяемых веществ. При этом подвижную фазу, вводимую в слой неподвижной фазы, называют элюентом, а подвижную фазу, выходящую из колонки и содержащую разделенные компоненты, - элюатом. После промывания в колонку вводят разделяемые вещества, растворенные в элюенте, и продолжают непрерывно пропускать элюент (процесс элюирования). Разделяемые вещества перемещаются вдоль колонки с разными скоростями в соответствии с их сорбируемостью. Если скорости перемещения компонентов достаточно различаются, то на выходе из колонки сначала вместе с элюатом появляется наименее сорбируемый компонент, затем следующий компонент и т.д. Хроматограмма, полученная таким образом, представляет собой несколько пиков, имеющих форму гауссовой кривой (рис. 2.1).

Рисунок 2.1. Хроматограмма, полученная методом элюентной хроматографии – сорбируемость веществ увеличивается в ряду А<В<С

Самый простой вариант элюирования - изократический, при котором состав элюента не меняется. Его используют при разделении соединений с близким сродством к неподвижной фазе. В некоторых случаях используют градиентное элюирование, при котором состав элюента в процессе разделения компонентов изменяют по заданному закону. В этом случае элюирующая сила подвижной фазы возрастает, в результате чего сокращается время удерживания сильно сорбируемых веществ и улучшается разделение смеси.

Простое эмпирическое правило для оценки удерживания в ОФ ВЭЖХ можно сформулировать так: чем гидрофобнее соединение, тем сильнее оно удерживается.

Самой распространенной неподвижной фазой для ОФ ВЭЖХ является силикагель, химически модифицированный алкилсиланами Сl-Si(CH₃)₂-R, где R – алкильная цепь с числом атомов углерода от 1 до 18 (рис. 2.2).

Рисунок 2.2. Распределительная хроматография с привитой фазой

Среди химически модифицированных силикагелей наибольшее распространение получили фазы с восемью (С₈) и восемнадцатью (С₁₈ или октадецилсилильный силикагель) атомами углерода. Также в ОФ ВЭЖХ применяются силикагели Фенил (R= – (CH₂)₃Ph) и Циано (R= – (СH₂)₃CN). Строение поверхности силикагеля с «привитыми» октильными (С₈) группами показано на рис. 2.3 [15].

Рисунок 2.3. Строение поверхности силикагеля с «привитыми» октильными (С₈) группами

Основной характеристикой обращенно-фазного адсорбента на основе силикагеля является массовая доля углерода. Эта величина отражает гидрофобность неподвижной фазы и, таким образом, и ее адсорбционную способность. Массовая доля углерода стандартной С₈ фазы составляет величину порядка 12%; стандатной С₁₈ фазы – 16–20%.

ОФ ВЭЖХ как метод анализа обладает рядом преимуществ по сравнению с другими методами ВЭЖХ:

- в настоящее время разработаны и внедрены в производство сорбенты для этого метода, имеющие привитые алкилсилильные группы разной длины (от С₂ до С₃₂ с прямой алкильной цепью, фенильной и дифенильной группами);

- растворители, используемые в обращенно-фазных разделениях, относительно легко растворяют практически все важнейшие группы веществ, находящихся в организме человека, биологических объектах, используемых в виде лекарственных препаратов, пестицидов, гербицидов широко используемых в органической химии, нефтехимии, биоорганической химии;

- сорбенты в ОФ ВЭЖХ быстро приходят в равновесие с новыми растворителями и при изменении состава растворителя, что позволяет переходить от одной методики к другой с использованием одной и той же колонки. Сорбенты дают возможность использовать растворители в широком диапазоне свойств, а также добавки разных типов (соли, кислоты и основания, органические модификаторы);

- загрязненный сорбент в колонке может быть промыт и приведен снова в рабочее состояние при прокачивании через колонку растворителей, удаляющих загрязнения.