Реферат: Влияние природы газа-носителя и его параметров на качество разделения веществ в газовой хроматографии
Газовая хроматография с применением в качестве подвижных фаз паров органических и неорганических веществ (в частности, воды) при температурах ниже критических и небольших давлениях (до 1 МПа). Этот вариант может быть назван парофазной хроматографией, роль подвижной фазы сводится здесь в основном к модифицированию сорбента (блокированию активных центров адсорбента или носителя, растворению в неподвижной жидкости). Сверхкритическая флюидная (или просто флюидная) хроматография с применением в качестве подвижных фаз раз личных растворителей при температурах и давлениях, несколько превышающих критические (обычно 5—20 МПа). Элюент обладает высокой растворяющей способностью, что позволяет увеличить летучесть анализируемых веществ по сравнению с летучестью при обычных условиях на 3—4 порядка. Плотностная хроматография, где элюентами служат газы при давлениях до 1—2 тыс. атм (100—200 МПа). Это позволяет вызвать движение по колонке веществ с молекулярной массой до 400 000 (повышение летучести на 6 порядков).
Описанные варианты предусматривают повышение плотности подвижной фазы от плотности газа до плотности жидкости и являются промежуточными между газовой и жидкостной хроматографией. Это служит основой как для разработки теории процесса, так и для соответствующих аппаратурных решений. Впервые флюидная хроматография применена в работе Клеспера и др., которые, используя в качестве подвижной фазы фреоны, при 150—170 °С и 13,3 МПа (136 атм.) добились элюирования порфиринов, которые невозможно анализировать при более высоких температурах вследствие термической нестабильности. Другие объекты, анализируемые с помощью флюидной хроматографии: полициклические ароматические углеводороды до С3 о (конденсированные и полифенилы), различные олигомеры с молекулярной массой до 3386, металлоцены, эфиры фталевой кислоты до С6 з и др. Элюирования смеси бензола, нафталина, фенантрена и пирена на колонке с оксидом алюминия при 213°С и 50 атм (5 МПа) (элюент — н-пентан) можно добиться за 1 мин. С применением в качестве элюента диоксида углерода на стандартном жидкостном хроматографе (при небольшой модификации) были разработаны методики определения олеиновых и. ароматических углеводородов в бензинах, диглицеридов растительных масел. Путем изменения плотности элюента регулированием температуры в пределах 32—70 °С или давления от 11,8 до 27,5 МПа (от 120 до 280 атм.) удавалось изменять порядок элюирования сорбатов (олефинов) от характерного для газовой хроматографии до характерного для жидкостной хроматографии.
Разработаны варианты капиллярной флюидной хроматографии, флюидной хромато-масс-спектрометрии, флюидной хроматографии с программированием давления и потока, а также препаративной флюидной хроматографии. Используют пламенно-ионизационный, термоионный, пламенно-фотометрический, рефрактометрический, инфракрасный и ультрафиолетовый детекторы. Объектами исследования служили нефтяные остатки, олигомеры и полимеры, полиароматические углеводороды и их нитропроизводные, полиглицериды, полисахариды, красители, оптические изомеры производных аминокислот, металлоорганические соединения и т. д.
Неподвижная жидкость
Природа неподвижной жидкости является тем основным фактором, который определяет последовательность выхода компонентов из колонки и отношение времен удерживания максимумов их зон. Кроме того, влияние неподвижной жидкости распространяется и на характер размытия хроматографических зон. Возможность управления селективностью колонки — одно из важнейших преимуществ хроматографии (и в первую очередь газожидкостной). Правильный выбор неподвижной фазы — основа для разделения таких «трудных» пар, как ароматические мета-пара-изомеры, цис-грамс-изомеры непредельных углеводородов и их производных, наконец, диа-стереоизомеры и оптические изомеры.
Влияние неподвижной фазы
Влияние природы неподвижной фазы на порядок элюирования компонентов иллюстрируют хроматограммы, приведенные на рис. 2.8. Так, смесь углеводородов С6 на колонке со скваланом элюируется в последовательности: гексен-1, н-гек-сан, бензол, циклогексан, а при использовании в качестве неподвижной жидкости полиэтиленгликольадипината первым из колонки выходит н-гексан, за ним циклогексан, гексен-1, и, наконец, бензол.
Таким образом, основным требованием, предъявляемым к неподвижной жидкости, является селективность, которая определяет способность к смещению максимумов зон индивидуальных сорбатов друг относительно друга. Если при разделении двухкомпонентной смеси задача подбора неподвижной фазы решается сравнительно просто (не учитывая особых случаев), то для многокомпонентной смеси сорбент, обеспечивающий разделение наиболее «трудной» пары, может либо вызвать взаимное наложение зон других компонентов, либо резко увеличить продолжительность анализа. Поэтому выбор неподвижной фазы должен осуществляться с учетом ее селективности, сорбционной емкости по отношению к наиболее сильно сорбирующемуся компоненту и диффузионных характеристик, определяемых вязкостью. С другой стороны, хотя в настоящее время в качестве неподвижных жидкостей используют более тысячи различных веществ, часто, если задача не является специфической, одно вещество можно заменить другим (или смесью нескольких веществ) с получением практически идентичных хроматограмм исследуемых смесей. Это позволяет исследователю решать значительное число задач с небольшим набором колонок. Неподвижная жидкость должна отвечать следующим требованиям: 1) селективность; 2) оптимальная сорбционная емкость; 3) отсутствие химического взаимодействия с разделяемым веществом, твердым носителем, стенкой колонки и газом-носителем; 4) низкое давление пара при рабочих температурах; 5) химическая стабильность в условиях применения; 6) малая вязкость; 7) отсутствие примесей; 8) доступность.
Примером нежелательного взаимодействия пробы с неподвижной фазой может служить случай анализа аминов на колонке с полиэфиром. Не следует анализировать ацетилен и его производные на колонках с растворами нитрата серебра. Может наблюдаться переэтерификация при анализе спиртов на колонке с полиэфирами.
Природа неподвижной жидкости
Так как уже были рассмотрены основные силы взаимодействия между молекулами растворителей и растворенных веществ, определяющие качество разделения в газо-жидкостной хроматографии. Если растворитель и сорбат (или хотя бы один из них) неполярны, то решающую роль играют силы дисперсионного взаимодействия. В пределах групп сорбатов близкого строения эти силы, как правило, больше для веществ с более высокой температурой кипения. При разделении как углеводородов, так и сорбатов, включающих гетероатомы на колонках с неполярными неподвижными фазами ненасыщенные соединения элюируются раньше, чем насыщенные с таким же числом углеродных атомов в молекулах, причем rpawc-изомеры, как правило, имеют величины удерживания несколько большие, чем цис-изомеры. Это же относится и к изомерам нафтеновой структуры. Сорбаты с разветвленным углеродным скелетом элюируются раньше соответствующих сорбатов нормального строения, причем увеличение степени разветвления влечет за собой уменьшение удерживания. Это справедливо, как правило, не только для случая неполярных неподвижных фаз. При выборе неподвижной фазы следует учитывать, что неполярные вещества обычно лучше разделяются на колонках с неполярными неподвижными фазами (применено правило «подобное растворяет подобное»), обеспечивается необходимая сорбционная емкость, а также разность сорбционных емкостей для разделяемых веществ (и возможность получения достаточно симметричных пиков). Такие неподвижные фазы, как нормальные парафины (в жидком состоянии), изомерный углеводород сквалан (2,6,10,15,19,23-гексаметилтетракозан), апиезоновые смазки, нефтяные масла, широко применяют при анализе нефтепродуктов и других углеводородных смесей, когда требуется элюировать компоненты в основном в порядке увеличения температур кипения. Практически аналогичные результаты получаются на колонках со слабополярными фазами, например различными силиконовыми маслами (с углеводородными заместителями), эфирами фталевой, себациновой и других кислот, полифениловыми эфирами.
Полярные и неполярные соединения
Интересно отметить, что при разделении на неполярных неподвижных фазах полярные соединения элюируются раньше парафинов с такими же температурами кипения. На различии «антиполярности» компонентов анализируемой смеси основано разделение различных типов кислородсодержащих соединений. Именно благодаря этому удается разделить спирты и альдегиды и дополнить принцип «подобное растворяет подобное» словами: «а противоположное разделяет». Такой эффект связан со сравнительно малой сорбционной емкостью неполярных неподвижных фаз по отношению к полярным сорбатам. Если в чистом состоянии сравнительно низкое давление пара полярных соединений обусловлено ассоциацией молекул в жидкости, то в разбавленном растворе неполярной неподвижной фазы (когда взаимодействием между молекулами сорбата можно пренебречь), поскольку здесь действуют лишь дисперсионные силы сорбат — растворитель, парциальное давление сорбата резко возрастает, что ведет к уменьшению времени удерживания. Так, на колонке с н-гептадеканом пик этиленгликоля, имеющего температуру кипения 197,2 °С, регистрируется между пиками н-гексана и н-гептана, кипящих соответственно при 68,7 и 98,4 °С (такие анализы следует проводить при очень малых пробах, поскольку имеется опасность получения асимметричных пиков).
Разумеется, для селективного отделения соединений с функциональными группами от неполярных соединений (например, насыщенных углеводородов) используют колонки с различными полярными неподвижными фазами, причем наибольшей селективностью обладают цианэтилированные производные, вступающие с сорбатами в различные виды молекулярных взаимодействий, включая донорно-акцепторное, диполь-дипольное, водородную связь. Селективное удерживание ненасыщенных углеводородов и их производных (по сравнению с насыщенными) полярными неподвижными фазами обусловлено действием индукционных сил (хотя имеется также и донорно-акцепторное взаимодействие). Это же относится и к удерживанию ароматических углеводородов. Интересным примером влияния индукционных сил на разделение сорбатов является хроматографический анализ смеси тнофена и диэтилсульфида на колонке с трикрезилфосфатом. Температура кипения и дипольный момент диэтилсульфида больше, чем тиофена, однако вследствие сильной поляризации молекул тиофена, имеющих ароматический характер, он элюируется после диэтилсульфида. Естественно, что на колонке с неполярной неподвижной фазой наблюдается обратный порядок выхода компонентов.
Образование водородной связи
Особенно сильное влияние на качество разделения сорбатов оказывает способность к образованию водородной связи. Так, свойство глицерина образовывать сильную водородную связь с водой позволяет использовать его для разделения смесей, содержащих воду. Разделение первичных, вторичных и третичных аминов на полиэтиленоксиде объясняется различной способностью аминов образовывать водородные связи с неподвижной фазой. Например, третичные амины совсем не образуют водородных связей с полиэтиленоксидом, поэтому удерживаемые объемы третичных аминов минимальны. Доля водородной связи в общей энергии взаимодействия веществ уменьшается по мере роста их молекулярной массы. Поэтому, например, при разделении спиртов на колонках с диглицерином, полиэтиленгликолями, полиэфирной смолой этанол может элюироваться перед метанолом (изомерные спирты С3 и даже С4 могут элюироваться еще раньше)*. Фторзамещенные силоксаны обеспечивают преимущественное удерживание сорбатов с карбонильными группами (альдегидов и кетонов) по сравнению с сорбатами, имеющими карбоксильные группы.
При хроматографическом разделении смесей можно использовать также неподвижные фазы, образующие с разделяемыми компонентами комплексные соединения различной стабильности. Так, при разделении непредельных углеводородов широко используют растворы нитрата серебра, а для разделения аминов — соли жирных кислот. Для селективного разделения ароматических изомеров распространение нашли вещества, находящиеся (в определенном интервале температур) в жидкокристаллическом состоянии. Так, л,п'-метоксиэтоксиазоксибензол обеспечивает отношение приведенных времен удерживания пара- и лгега-ксилолов до 1,13.
Рассмотрим основные количественные закономерности селективного разделения веществ методом газожидкостной хроматографии. В зависимости от объекта исследования селективность можно рассматривать в трех аспектах: 1) селективность как способность к разделению каких-либо двух компонентов, например близко-кипящих изомеров; 2) селективность как способность к разделению компонентов одного гомологического ряда; 3) селективность как способность к разделению компонентов двух или нескольких гомологических рядов.
Список используемой литературы
1. «Введение в хроматографию» Айвазов Б.В., 2001г.
2. «Справочник по аналитической химии» Лурье Ю.Ю., 2002г.
3. «Высокоэффективные хроматографические процессы» Руденко Б.А. Руденко Г.И., 2003г.
4. «Хроматография» Винарский В.А., 2004г.