Содержание к диссертации
Введение
1. Глава 1. Современное состояние и анализ теории удерживания высокоэффективной жидкостной хроматографии 14
1.1. Сравнительный анализ уравнений Снайдера-Сочевинского и Скотта-Кучеры 16
1.1.1. Анализ уравнения Снайдера 19
1.1.2. Анализ уравнения Скотта-Кучеры 22
1.2. Межмолекулярные взаимодействия в растворах и при адсорбции ...25
1.2.1. Молекулярная ассоциация и дипольные моменты органических кислот 27
1.2.2. Молекулярная ассоциация и дипольные моменты фенолов 31
1.2.3. Межмолекулярные взаимодействия «полярная добавка в элюенте-поверхность силикагеля». Адсорбция органических кислот из растворов на силикагеле 32
1.3. Общие представления о роли гидрофобности в ОФ ВЭЖХ 34
1.3.1.Формы существования ионогенных соединений на границе раздела фаз «водно-солевой раствор — неполярная поверхность» 39
1.4. Разрешение хроматографической системы, теория удерживания и эффективность хроматографических колонок 42
2. Глава 2. Полуэмпирическая диполь-полевая теория удерживания 44
2.1. Вывод уравнений, описывающих зависимость удерживаемых объемов от концентрации полярной добавки в НФ ВЭЖХ 46
2.1.1. Вывод уравнений, описывающих зависимость удерживаемых объемов от дипольных моментов молекул сорбата 53
2.2. Применение модели диполь-полевого взаимодействия для расчета электрических характеристик адсорбционно-модифицированного силикагеля и молекул сорбатов 55
2.3. Проблема определения удерживаемого объема несорбируемого компонента VM 59
2.4. Применение метода главных компонент (факторного анализа) для
анализа хроматографических данных ВЭЖХ 71
2.4.1.Выделение фактора электростатического взаимодействия 72
2.4.2. Выделение фактора дисперсионного взаимодействия молекул,
имеющих углеводородный радикал и неуглеводородный заместитель 80
2.4.3. Факторный анализ коэффициентов уравнения Снайдера 89
2.5. Сольватация замещенных фенолов в НФ ВЭЖХ 91
2.6. Механизм удерживания замещенных бензойных кислот и фенолов на адсорбционно-модифицированном силикагеле 103
2.6.1. Механизм удерживания замещенных бензойных кислот в
хроматографии на адсорбционно-модифицированном силикагеле 105
2.6.2. Удерживание бензойных кислот на силикагеле при концентрациях алифатических кислот в элюенте менее 1% по объему 108
2.6.3. Механизм удерживания замещенных фенолов на силикагеле 109
2.6.4. Уширение хроматографических пиков фенолов при разрыве внутримолекулярных водородных связей 114
2.6.5. Связь удерживания с параметрами полярного модификатора и полярного сорбата 115
2.7. Выводы к главе 2 120
3. Глава 3. Механизм уширения хроматографических пиков в обращенно-фазовойВЭЖХ 121
3.1. Экспериментальное подтверждение апротонности ацетонитрила по отношению к бензойной кислоте 123
3.2. Экспериментальная часть 125
3.3. Уширение пика и формы существования бензойной кислоты на поверхности обращенно-фазового адсорбента 126
3.4. Оценка метода аппроксимации 152
3.5. Выводы к главе 3 153
4. Глава 4. Эмпирические методы регулирования селективности в нормально-фазовой и обращенно-фазовой ВЭЖХ 155
4.1. Основные эмпирические правила регулирования селективности в хроматографии на силикагеле 155
4.2. Разработка и совершенствование хроматографических систем в обращенно-фазовом варианте ВЭЖХ 161
4.3. Выводы к главе 4 167
5. Глава 5. Разработка и внедрение аппаратуры для высокоэффективной жидкостной хроматографии 169
5.1. Исследования в области технологии изготовления эффективных хроматографических колонок с внутренним диаметром 2 мм 169
5.1.1. Характеристика адсорбентов для ВЭЖХ и подготовка адсорбентов для заполнения колонок 171
5.1.2.Подготовка деталей колонки 176
5.1.3. Заполнение колонок адсорбентом 177
5.1.4.Определение эффективности хроматографических колонок 182
5.1.5. Зависимость удельной и общей эффективности хроматографических колонок от длины колонок 187
5.1.6. Испытание колонок на надежность. Консервация колонок 188
5.1.7. Используемая база данных 189
5.2. Разработка и испытания хроматографов серии «Милихром» 189
5.3. Выводы к главе 5 195
6. Глава 6. Разработка и совершенствование хроматографических методик для хроматографов серии «Милихром» 197
6.1.Применение универсального элюента состава «ацетонитрил-О.ОЗМ КН2РО4- диэтиламин (ДЕА) - фосфорная кислота» для анализа различных
объектов в режиме ОФ ВЭЖХ 198
б.І.І. Хроматографический анализ наркотических и одурманивающих веществ 198
6.1.1Л .Применение универсального элюента для подтверждения идентичности образцов опиума и героина 199
6.1.1.2. Применение универсального элюента для хроматографирования амфетаминов и гашиша 202
6.1.2.Применение универсального элюента : «ацетонитрил-О.ОЗМ КН2РО4-
диэтиламин (ДЕА) — фосфорная кислота» для определения фальсификации кофе 204
6.1.3. Применение универсального элюента : «ацетонитрил-О.ОЗМ
КН2Р04 - диэтиламин (ДЕА) - фосфорная кислота» для анализа экстрактов хмеля 209
6.1.4. Применение универсального элюента для анализа подсластителей и консервантов в напитках 215
6.1.5.Применение универсального элюента «ацетонитрил-однозамещенный фосфат калия-ДЭА-фосфорная кислота» для исследования процесса
разложения аскорбиновой кислоты 217
6.2.Применение стандартного элюента «ацетонитрил - вода» в режиме ОФ ВЭЖХ 219
6.2.1 .Хроматографический анализ бенз(а)пирена 219
6.2.1.1. Методика количественного анализа атмосферного воздуха и воздуха рабочей зоны на содержание бенз(ос)пирена методом ВЭЖХ с использованием хроматографа «Милихром-5-7» с флуориметрическим детектором 219
6.2.1.2. Определение бенз(а)пирена в копчёностях методом ВЭЖХ с флуориметрической и УФ- детекцией 222
6.2.2. Определение содержания производных фурана в
электроизоляционных маслах методом ОФ ВЭЖХ 225
6.3 Примеры применения комбинации ОФ ВЭЖХ и НФ ВЭЖХ для исследования различных объектов 229
6.3.1. Экспресс-методы определения фальсификации бензинов, дизельного топлива и моторных масел 229
6.3.1.1. Определение фальсификации бензина 229
6.3.1.2. Применение метода нормально-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии (НФ ВЭЖХ) для сравнительного анализа базовых моторных масел 235
6.3.1.3. Анализ присадок в моторных, турбинных и трансмиссионных маслах 242
6.3.1.4. Обнаружение присадок в отработанных и свежих моторных маслах 246
6.3.2. Применение ВЭЖХ в органическом синтезе лекарств на примере анализа некоторых производных бенздиазепинов 251
6.3.3. Экспресс-анализ вина 256
6.3.3.1. Получение хроматограмм вина на двухнасосном варианте хроматографа «Милихром-5-ЗМ» 264
6.4. Применение универсальных элюентов в НФ ВЭЖХ 265
6.4.1. Определение афлатоксина В і в продуктах питания методом НФ ВЭЖХ 265
6.4.2. Определение дезоксиниваленола в зерне и зернопродуктах методом НФВЭЖХ 268
6.4.3. Определение зеараленона в зерне и зернопродуктах методом НФ ВЭЖХ 271
6.5. Применение многоволнового детектирования при определении
витаминов А, Е, и Д 273
б.б.Выводы к главе 6 276
7. Основные результаты и выводы 277
8.Литература
- Межмолекулярные взаимодействия в растворах и при адсорбции
- Применение модели диполь-полевого взаимодействия для расчета электрических характеристик адсорбционно-модифицированного силикагеля и молекул сорбатов
- Уширение пика и формы существования бензойной кислоты на поверхности обращенно-фазового адсорбента
- Хроматографический анализ наркотических и одурманивающих веществ
Введение к работе
Актуальность проблемы. Предлагаемая работа выполнена по специальности 05.11.13 «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» и относится к части «Приборы и методы контроля веществ». Большая часть приборов и методов, применяемых для контроля веществ и называемых аналитическими, предназначена для контроля веществ путем определения (анализа) состава вещества. Основой таких методов является физическая или физико-химическая модель взаимодействия вещества с аналитической частью прибора.
Современная высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ) является одним из наиболее мощных физико-химических аналитических методов, применяемых для контроля состава сложных смесей веществ. Органическая и биоорганическая химия, фармхимия, криминалистика, пищевая промышленность, контроль за состоянием окружающей среды, медицина - далеко не полный перечень отраслей науки и техники, где применение ВЭЖХ обеспечило существенный прогресс. Тем не менее, ВЭЖХ является одним из методов, в котором состав и строение контролируемого вещества (аналита) в виде сорбционного комплекса и механизм взаимодействия аналита с сорбентом хроматографической колонки (главная аналитическая часть хроматографа) в большинстве случаев неизвестны. Отсутствие таких данных затрудняет оптимизацию процесса анализа, особенно при скрининговом контроле больших массивов образцов (вина, кофе, нефтепродукты, наркотики, лекарства и т.д.), а в ряде случаев делает невозможным выполнение ряда специальных исследований, характерных для гетерогенного катализа, медицины, мембранных процессов, фармацевтической химии и т.д.
Таким образом, возникает проблема исследования механизмов взаимодействия сорбционноых комплексов контролируемых веществ с поверхностью сорбента и определения параметров этих комплексов на границе раздела фаз «сорбент - элюент».
Решение этой проблемы в первую очередь зависит от состояния теории метода и методологии расчета или прямого экспериментального определения параметров состава сорбционных комплексов и механизмов их взаимодействия с поверхностью сорбента. Классическая теория ВЭЖХ, базирующаяся на квазихимических равновесиях, не содержит параметров сорбционных комплексов и не позволяет использовать метод для решения указанной проблемы. При хемометрическом подходе основные усилия направлены в первую очередь на использование статистических методов для выявление эмпирических зависимостей, также не содержащих параметры сорбционных комплексов.
Таким образом, актуальность представленной работы в области теории ВЭЖХ связана с разработкой теории удерживания в нормально-фазовой ВЭЖХ и экспериментальных методов исследования уширения хроматографических пиков в обращенно-фазовой ВЭЖХ, позволяющих использовать метод для определения состава сорбционных комплексов на границе раздела фаз «твердое тело - жидкость».
Основой развития такой теории и экспериментальных методов исследования сорбционных комплексов может служить диполь-полевая модель межмолекулярных взаимодействий на границе раздела фаз «твердое тело - жидкость». Разработка теории удерживания и методологии исследований межмолекулярных взаимодействий в рамках модели электромагнитных взаимодействий позволяет решить не менее актуальные проблемы, связанные с разработкой и внедрением скрининговых методов контроля сложных смесей веществ. Важность этой проблемы связана с валом фальсифицированной продукции, буквально захлестнувших рынок: медицинские препараты, продукты питания, Косметика, нефтепродукты и т.д. Применение методик ВЭЖХ, рассчитанных на специализированный анализ каждой смеси веществ делает практически невозможным проверку большого количества разнородных образцов — ни одна лаборатория, даже очень мощная, не в
состоянии освоить несколько тысяч разных методик. Таким образом, первой ступенью проверки большого массива образцов становится скрининговый контроль, который должен обладать определенным набором свойств: максимально возможной универсальностью по отношению к анализу различных классов соединений, быстрой и недорогой подготовкой пробы, недорогими реактивами, оптимальным сочетанием универсальности и селективности детектирования.
Таким образом, актуальность представленной работы в области применения ВЭЖХ связана с разработкой и обоснованием методов регулирования селективности и эффективности хроматограф ических систем, позволяющих составить универсальные элюенты, наиболее эффективные при скрининговом анализе, а также разработка на их основе конкретных методик контроля состава сложных смесей органических соединений.
Разработка теории удерживания и методологии исследований межмолекулярных взаимодействий в рамках модели электромагнитных взаимодействий позволяет решить актуальные проблемы, связанные с оптимизацией хроматограф ических систем при использовании экономичных микроколоночных хроматографов серии «Милихром», предъявляющих жесткие требования к разрешению хроматографической системы.
Целью диссертационной работы является совершенствование метода высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) как метода контроля состава сложных смесей органических соединений и расширение области применения нормально-фазовой (НФ) и обращенно-фазовой (ОФ) высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) при контроле форм существования соединений на границе раздела фаз.
В работе решаются следующие основные задачи:
1.Разработка теории удерживания и методологии ее использования в нормально-фазовой ВЭЖХ для определения состава сорбционных комплексов и исследования механизмов взаимодействия «сорбат -сорбент» (механизмы удерживания) в рамках диполь-полевой модели электромагнитных взаимодействий;
Экспериментальные исследования характера влияния модификатора в элюенте на параметры удерживания замещенных бензойных кислот и фенолов, подтверждающие правильность разработанной теории;
Разработка экспериментальных и теоретических методов исследования уширения хроматографических пиков в обращенно-фазовой ВЭЖХ; 4.Разработка эмпирических методов регулирования селективности и разрешающей способности хроматографических систем в нормальном и обращенно-фазовом вариантах ВЭЖХ, составление рецептур универсальных элюентов;
Разработка и совершенствование аппаратуры для микроколоночной ВЭЖХ, включая исследования в области технологии изготовления эффективных хроматографических колонок.
Разработка, модернизация и адаптация хроматографических методик на основе методов регулирования селективности и разрешающей способности хроматографических систем в микроколоночной ВЭЖХ с применением универсальных элюентов, наиболее эффективных при проведении скринингового анализа.
Научная новизна работы.
1 .Полуэмпирическая теория удерживания и методология ее использования
в нормально-фазовой ВЭЖХ для определения состава сорбционных
комплексов и исследования механизмов взаимодействия «сорбат —
сорбент» (механизмы удерживания) в рамках диполь-полевой модели
электромагнитных взаимодействий;
2.Механизмы удерживания замещенных кислот и фенолов на
адсорбционно-модифицированном силикагеле в рамках модели
межмолекулярных взаимодействий и теории активных соударений (механизмы взаимодействия «вещество - сорбент хроматографической колонки».
Экспериментальные и теоретические методы исследования уширения хроматографических пиков в обращенно-фазовой ВЭЖХ, позволяющие использовать метод для контроля форм существования соединений на границе раздела фаз «гидрофобный сорбент - водно-солевой элюент».
Критерии адсорбционной модификации сорбента и методы снятия уширения хроматографических пиков, позволяющие достичь максимального разрешения при использовании экономичных микроколонок.
Практическая значимость работы. 1 .Разработаны методы определения состава сорбционных комплексов на границе раздела фаз «твердое тело — жидкость».
2.Разработаны методы регулирования селективности и разрешающей способности хроматографических систем в нормальном и обращенно-фазовом вариантах ВЭЖХ и составы универсальных элюентов для скринингового контроля при использовании микроколоночных вариантов аппаратуры для ВЭЖХ.
Разработана технология изготовления эффективных экономичных хроматографических микроколонок для хроматографов серии «Милихром».
Разработано 20 методик контроля состава сложных смесей органических соединений, хроматографические системы которых составлены с применением методов регулирования селективности и эффективности хроматографических систем и с применением одного из самых главных преимуществ хроматографов серии «Милихром» -многоволнового детектирования: методики анализа наркотических и одурманивающих веществ, различных растительных экстрактов, афла- и
микотоксинов, лекарственных средств, витаминов, нефтепродуктов, напитков, вин, фармпрепаратов и т.д. Реализация рабрты.
По предложенной технологии ЗАО «Научприбор» было изготовлено не менее 50000 хроматографических колонок.
Разработано и внедрено в производство семейство микроколоночных хроматографов серии «Милихром». С 1986 г. (хроматограф «Милихром-Ь>) по 2003 г. («Милихром-5») было выпущено более пяти тысяч хроматографов, которые послужили базой для развития метода ВЭЖХ в СССР и России.
Внедрены методики анализа фальсификации кофе, афлатоксинов и микотоксинов в Ивановской областной госторгинспекции
Методы определения фальсификации нефтепродуктов внедрены на предприятии «ПРНП», представляющей интересы Тюменской нефтяной компании в Орловской области.
5.Материалы диссертации использованы при чтении спецкурса «Физико-химические методы анализа пищевой продукции» на факультете легкой и пищевой промышленности Орел ГТУ. Положения, выносимые на защиту.
1 .Полуэмпирическая теория удерживания и методология ее использования в нормально-фазовой ВЭЖХ для определения параметров сорбционных комплексов и исследования механизмов взаимодействия «сорбат -сорбент» (механизмы удерживания) в рамках диполь-полевой модели электромагнитных взаимодействий;
2.Механизмы удерживания замещенных кислот и фенолов на адсорбционно-модифицированном силикагеле в рамках модели межмолекулярных взаимодействий и теории активных соударений (механизмы взаимодействия «вещество — сорбент хроматографической колонки».
3. Экспериментальные и теоретические методы исследования уширения хроматографических пиков в обращенно-фазовой ВЭЖХ, позволяющие использовать метод для контроля форм существования соединений на границе раздела фаз «гидрофобный сорбент - водно-солевой элюент». 4.Методы регулирования селективности и разрешающей способности хроматографических систем в нормальном и обращенно-фазовом вариантах ВЭЖХ и составы универсальных элюентов для скринингового контроля при использовании микроколоночных вариантов аппаратуры для ВЭЖХ.
Разработка и совершенствование аппаратуры для микроколоночной ВЭЖХ, включая исследования в области технологии изготовления эффективных хроматографических колонок.
20 методик контроля состава сложных смесей органических соединений, хроматографические системы которых составлены с применением методов регулирования селективности и эффективности хроматографических систем и с применением одного из самых главных преимуществ хроматографов серии «Милихром» - многоволнового детектирования: методики анализа наркотических и одурманивающих веществ, различных растительных экстрактов, афла- и микотоксинов, лекарственных средств, витаминов, нефтепродуктов, напитков, вин, фармпрепаратов и т.д.
Межмолекулярные взаимодействия в растворах и при адсорбции
Таким образом, уравнения (1.1.1) и (1.1.2) напрямую не могут быть использованы для исследования механизмов удерживания.
Кроме того, все приведенные выше уравнения имеют практическое зачение только в том случае, если известна величина удерживания несорбируемого компонента VM- В сборнике научно-нормативной терминологии [87], величиной tM (мертвое время) называется время пребывания несорбируемого вещества в колонке. Казалось бы, величиной VM должен называться удерживаемый объем несорбируемого вещества, однако в указанном сборнике величиной VM называется «объем подвижной фазы между точкой ввода пробы и точкой ее обнаружения». Вероятно, это опечатка, так как имеет смысл определение VM как объем подвижной фазы между точкой ввода пробы несорбируемого вещества и точкой ее обнаружения, т.е. удерживаемый объем несорбируемого вещества. Этого определения мы и будем придерживаться. Величина VM включает в себя свободный объем колонки V0 (часть объема колонки, не занятая сорбентом), объемы устройства ввода пробы и детектора, а также объемы коммуникаций между ними. Предлагаются различные способы определения VM, обзор которых приведен в работах [18 - 21], однако ни в общем, ни в частном виде эта проблема не решена до сих пор. Тем самым, пригодность указанных уравнений для определения форм сорбционных комплексов еще более уменьшается. Основой всех моделей межмолекулярных взаимодействий является понятие об электромагнитных явлениях. В упрощенном виде, каждая молекула или поверхность сорбента имеет определенную электрическую характеристику или их набор. Электрическая характеристика может быть измерена или рассчитана и, как правило, используется для расчета энергий межмолекулярных взаимодействий [22]. В основу расчета дисперсионных взаимодействий, являющихся основными при взаимодействии симметричных неполярных молекул, положена модель мгновенного (флуктуирующего) дипольного момента. [23,24]. Ориентационные или диполь-полевые взаимодействия характерны для молекул, имеющих собственный постоянный дипольный момент [25]. У полярных молекул, обладающих способностью к поляризуемости, может возникать индуцированный (наведенный) дипольный момент, который приводит к индукционным взаимодействиям [26]. Еще один тип межмолекулярных взаимодействий - водородную связь — относят к разряду диполь дипольных взаимодействий, хотя удовлетворительных моделей водородной связи до сих пор не существует [27 - 29]. В реальной жидкостной хроматографии практически всегда имеет место наложение двух и более типов взаимодействий. Наша задача - рассмотреть такие модели, при которых один из этих типов взаимодействий имеет превалирующее значение, определяя порядок выхода соединений из хроматографической колонки. В качестве модельных соединений (сорбатов) для иллюстрации механизмов удерживания в нормально-фазовой хроматографии использованы монозамещенные бензойные кислоты и фенолы, хроматография которых включает все варианты десорбции: адсорбционное (динамическое) модифицирование поверхности сорбента молекулами элюента [1], уменьшение электромагнитного притяжения «сорбат сорбент» за счет образования ассоциатов «сорбат - элюент» [2], а также уменьшение электромагнитного притяжения «сорбат - сорбент» за счет неупругих (поляризационных) столкновений ассоциатов «сорбат элюент» или молекул сорбата с молекулами элюента [3]. Нами показано [30,31], что для разделения замещенных бензойных кислот на силикагеле можно использовать элюенты «гексан-уксусная кислота», «гексан-изомасляная кислота» и «гексан-пропионовая кислота», а для разделения замещенных фенолов - бинарными элюентами типа «гесан-диоксан», «гесан-изопропанол», «гексан-пропионовая кислота» и т.д. (см.рисунок 1.2.1).
Применение модели диполь-полевого взаимодействия для расчета электрических характеристик адсорбционно-модифицированного силикагеля и молекул сорбатов
Основой модели диполь-полевого взаимодействия является понятие об адсорбционно-модифицированной поверхности силикагеля [1].
Адсорбционным модифицированием для данного адсорбата мы называем образование такого слоя полярной добавки на поверхности силикагеля, при котором адсорбат не может «пробить» или встроиться в адсорбционный слой полярной добавки, и адсорбция происходит непосредственно на поверхности этого слоя. Критерием эффективности адсорбционного модифицирования, по предложению автора [1], может служить положительная величина l/V Raa. В уравнении Скотта. Такому критерию удовлетворяют данные по удерживанию замещенных бензойных кислот.
Согласно соображениям, представленным в разделе 2.1.1, хроматографические характеристики должны коррелировать с дипольными моментами молекул. Такие корреляционные уравнения представлены ниже: ц = 1.42-lg Квд. + 0.46 Rxy = 0.998 (2.2.1), ji=1.38-lgVW +0.34 Rxy = 0.996 (2.2.2), ц = 1.60-lg Уквд. - 0.02 Rxy = 0.999 (2.2.3), где и. -дипольный момент замещенной безойной кислоты; V RIU.- «идеальный» приведенный удерживаемый объем замещенной бензойной кислоты; VRJU. - «идеальный» удерживаемый объем; Кид. - «идеальный» фактор удерживания, рассчитанный из величин V R[U.;
Зависимости (2.2.1), (2.2.2) и (2.2.3) фактически являются аналитическими. Пусть бензойная кислота с фактором емкости К\ имеет дипольный момент ці , а бензойная кислота с фактором емкости К2 имеет дипольный момент ц2 В таком случае можно записать: 2.32-RT-lg К, + 2.3-RT-lg К = \ц -E-Na (2.2.4 ) 2.32-RT-lg К2 + 2.3-RT-lg К = ц2 -E-Na (2.2.5) Решая систему относительно напряженности Е, получаем: 2.32-RT lgK2/Kt Е = (2.2.6) Na Ц2 - Ці
Отношение (lgK2/Ki )/(ц2 - Ці ) равно величине 1/1.42, где коэффициент 1.42 взят из уравнения (2.2.1). Таким образом, напряженность Е электрического поля силикагеля составляет величину порядка 1.5 109 В/т [25] или 0.15 В/А. Используя значение величины напряженности поля Е адсорбционно-модифицированного силикагеля 1.5-109 В/т [25], по уравнениям (2.1.25) и (2.1.26) рассчитали значение величины m (табл.2.2.1).
Для пропионовой кислоты величина а равна двум [32], таким образом величина х в уравнении Скотта (2.1.15) для большинства замещенных кислот равна единице.
По уравнениям (2.1.15) и (2.1.23) были рассчитаны величины In (V Ri) и In (V"Rj ), которые были использованы для получения корреляционных уравнений : u.= f[ln(VVi),ln(V"Ri)] (2.2.7) Дипольные моменты замещенных бензойных кислот ц взяты из работы [88] и измерены в диоксане и бензоле.
Несмотря на то, что дипольные моменты были определены в разных растворителях, наблюдается удовлетворительная корреляция дипольных моментов с величинами In (V"RJ ) ( Rxy = 0.990 по 11-точкам - рис.2.2.1, таблица 2.2.2). у=-0,92+1,083 x+eps При использовании дипольных моментов, измеренных в диоксане в одной серии, коэффициент корреляции между In (V R) И Ц резко возрастает до Rxy = 0.9997. По полученному корреляционному уравнению: \i = 0.048 + 0.647- In (V R) (2.7.8) рассчитаны дипольные моменты бензойных кислот, дипольные моменты комплексов «замещенная бензойная кислота — пропионовая кислота» (таблица 2.2.2), а также дипольные моменты комплексов «замещенная бензойная кислота - пропионовая кислота» при концентрации пропионовой кислоты в элюенте Сі.
Преобразуем уравнение (2.1.14) для a m = 1 в (2.3.2): 1/ (VR - VM) = 1/ (VRi- VM) + [(A -E-NA)/ [(VRi- VM)-RT)]]- (C poi.) (2.3.2) Пусть VM = x, VRi = y, (A -E-NAV RT = z.
Составим систему уравнений из трех неизвестных для VRb VR2 ,VR3 , полученных при концентрациях полярной добавки С роц , С poi2, С роіз для одного и того же сорбата: 1/ (VR1 - х) = 1/ (у- х) + [z/(y- х)]- (С „ой) (2.3.3) 1/ (V - х) = 1/ (у- х) + [z/(y- х)]- (С роц) (2.3.4) 1/ (VR3 - х) = 1/ (у- х) + [z/(y- х)]- (С рои) (2.3.5) Численно решая систему уравнений (2.3.3), (2.3.4), (2.3.5) напрямую получаем величины VM и VRj. Приемлемая точность вычисления получается, если следовать следующему алгоритму:
1) определяется минимальный удерживаемый объем бензола VRB, который принимается за VM;
2) определяется зависимость величин 1/(VR-VRB) ОТ Сроі. для исследуемых . сорбатов при возможно широком диапазоне концентраций.
Концентрации Cpoi выбираются таким образом, чтобы полученные . величины lA Ri=l/(VRi-VRB) были больше нуля (признак адсорбционного модифицирования [1]). Выбираются зависимости 1/(VR-VRB) ОТ Ср01. с наибольшим коэффициентом корреляции Rxy в диапазоне от 0.998 до 1.000;
3) выбранные таким образом удерживаемые объемы сорбата при разных коцентрациях Сроі. использутся для расчета величины VM по уравнениям (2.3.3), (2.3.4) и (2.3.5).
4) система уравнений (2.3.3) - (2.3.5) в первую очередь с максимальной точностью решается относительно VM = х, так как остальные величины могут быть получены с достаточной точностью из других уравнений. Чем большее экспериментальных точек используется для расчета, т.е. чем больше переопределена система уравнений (2.3.3), (2.3.4), (2.3.5), тем ближе к истинному значению получается среднее значение решений системы уравнений. Так, например, при использовании пяти точек получается семь систем уравнений, дающих семь решений. Для дальнейших расчетов используется среднее арифметическое значение из этих решений.
Экспериментальная проверка полученнных уравнений произведена на массиве данных по удерживанию замещенных бензойных кислот на колонке 200x4, заполненной силикагелем L (10 мкм). Состав элюента -гексан : пропионовая кислота, минимальный удерживаемый объем бензола - 1.98 мл [30]. В таблице 2.3.1 приведены удерживаемые объемы кислот и рассчитанные по уравнениям (2.3.3), (2.3.4) и (2.3.5) значения VM
Уширение пика и формы существования бензойной кислоты на поверхности обращенно-фазового адсорбента
Начальная гипотеза, определившая ход эксперимента, заключалась в следующем: 1) уширение хроматографического пика бензойной кислоты существует и хорошо воспроизводимо при хроматографии на различных обращенно-фазовых адсорбентах; 2) основной причиной уширения хроматографического пика бензойной кислоты является одновременное существование на поверхности сорбента различных форм бензойной кислоты, находящихся в равновесии -ионизированной, молекулярной и ассоциированной; 3) эффект уширения должен проявляться ярче при уменьшении количества ацетонитрила в воде; 4) ассоциированные формы должны проявляться при повышении количества бензойной кислоты в пике; 5) порядок выхода форм бензойной кислоты - ионизированная, молекулярная, ассоциированная в нециклический ассоциат, ассоциированная в циклический ассоциат.
Для выявления уширения хроматографического пика бензойной кислоты, обусловленного межмолекулярными взаимодействиями, были получены наименьшие полуширины хроматографических пиков бензола, нафталина и фенола при различных временах удерживания (табл. 3.1 и рис. 3.4).
Указанная таблица и график в определенной мере помогает отсечь гидродинамическое уширение пика от уширения, обусловленного существованием на поверхности различных форм бензойной кислоты и ориентировочно оценить минимальную ширину и среднюю ширину хроматографического пика при определенном удерживаемом объеме исследуемого соединения при использовании процедуры аппроксимации. Смысл использования минимальных полуширот очень прост: если полуширина пика бензойной кислоты при данном удерживаемом объеме больше полуширины пика из графика 3.4 при том же удерживаемом объеме, то уширение пика обусловлено межмолекулярными взаимодействиями.
Задача эксперимента ставилась следующим образом: необходимо найти хроматографические условия, при которых, по возможности, могут быть реализованы и разделены большинство форм существования бензойной кислоты. Для проведения эксперимента использовались элюенты следующих составов (табл.3.2):
В ходе эксперимента было установлено, что уширение пиков обусловлено взаимодействием адсорбата (бензойной кислоты) с неполярной частью поверхности адсорбента, т.е. с углеводородными цепями алкилпривитых силикагелеи, а не с остаточными гидроксильными группами. Этот вывод подтверждают следующие факты:
1) ярче всего эффект уширения пика проявляется на полистирольном адсорбенте (см. рис. 3.6b). В меньшей степени эффект уширения проявляется на адсорбентах ДиасорбСІб, Нуклеосил С18, и слабее всего -на адсорбенте Диасорб С1, т.е. величина эффекта уширения пика бензойной кислоты пропорциональна доле углерода в адсорбенте и не зависит от остаточных силанольных групп;
2) бензойная кислота очень слабо элюируется с поверхности алкил-привитого силикагеля чистым ацетонитрилом, а с поверхности плохо дополнительно силанизированного ОФ адсорбента не элюируется совсем. В этом случае адсорбат взаимодействует с остаточными гидроксильными группами. При элюировании же смесью ацетонитрил - вода 95:5 (об.) бензойная кислота выходит узким пиком в начале хроматограммы. В этом случае остаточные гидроксильные группы полностью модифицируются водой и не взаимодействуют с бензойной кислотой, т.е. содержание в элюенте всего 5% воды приводит к полной адсорбционной модификации гидроксильных групп.
Профиль уширенного пика сильно зависит от концентрации адсорбата в пробе. На рисунке 3.5 показаны пики бензойной кислоты, полученные при элюировании водой. При увеличении концентрации пробы уширение возрастает и пик расщепляется.
Хроматографический анализ наркотических и одурманивающих веществ
Общеизвестные правила регулирования приведены нами без каких-либо комментариев; в отдельных случаях сделаны пояснения и приведены хроматограммы. Правило 1. «Элюирующая сила» Чем прочнее элюент сорбируется на неподвижной фазе, тем больше его элюирующая сила. Это правило выражено в виде элюотропного ряда Снайдера .
""Примечание. Элюотропный ряд растворителей хорошо работает в вытеснительном режиме десорбции и отражает энергию взаимодействия «элюент - поверхность силикагеля».Чем больше эта энергия, тем больше элюирующая сила растворителя в вытеснительном режиме элюирования. Под вытеснительным режимом десорбции мы понимаем десорбцию за счет конкуренции молекул элюента и адсорбата за место непосредственно на поверхности гидроксилированного силикагеля. Вытеснительный режим десорбции адсорбата элюентом с поверхности силикагеля является одним 156 из вариантов десорбции в ВЭЖХ на силикагеле (в практической хроматографии - далеко не основным), поэтому определение элюирующей силы, основанное на понятии «элюотропный ряд», не является универсальным.
Фактически, из однокомпонентных растворителей в качестве элюента могут применяться только углеводороды, такие, как н-пентан или н-гексан при элюировании неполярных соединений (например, углеводородов); воспроизводимость такого анализа невелика из-за неконтролируемого содержания воды в элюенте и на поверхности силикагеля в хроматографической колонке.
Правило 2. «О плавном регулировании элюирующей силы. Элюенты на основе бинарных смесей растворителей»
В ВЭЖХ на силикагеле элюенты формируются на основе неполярных растворителей. Увеличение элюирующей силы достигается за счет увеличения концентрации полярной добавки в элюенте. Чем большей элюирующей силой обладает полярная добавка, тем меньше должна быть ее концентрация в элюенте по сравнению с концентрацией полярной добавки, обладающей меньшей элюирующей силой, при равной элюирующей силе двух элюентов.
Правило 3. «Адсорбционное модифицирование поверхности силикагеля» [11 Для того, чтобы гарантировано избавиться от остаточной адсорбции анализируемого соединения и следовательно, получить воспроизводимые времена удерживания (идентификация) и площади пиков (количественный анализ), на поверхности силикагеля необходимо организовать адсорбционный слой со структурой, аналогичной структуре концентрированного раствора адсорбата в элюенте. Адсорбционный слой организуется введением в элюент полярных добавок, имеющих структуру растворов, близкую к структуре адсорбата в растворе. Такой адсорбционный слой блокирует поверхностные ОН- группы силикагеля и 157 превращает поверхность силикагеля в однородно заряженную, причем молекулы адсорбата не могут ни деблокировать поверхность силикагеля, ни встроиться в адсорбционный поверхностный слой (модель такой поверхности , модифицированной алифатической кислотой представлена в главе 2).
Это правило имеет важнейшее значение не только для хроматографии на силикагеле, но и для хроматографии на алкил-модифициро ванных силикагелях, хотя наиболее ярко эффект адсорбционной модификации проявляется именно в хроматографии на силикагеле. Нет ни одной хорошо воспроизводимой хроматографической методики на силикагеле, в которой бы не использовался бы этот принцип - в явном или неявном виде. Наоборот, любая методика, выполненная на хроматографических колонках, заполненных силикагелем без использования адсорбционного модифицирования имеет низкую воспроизводимость времен удерживания, высот и площадей хроматографических пиков.
Адсорбционная модификация достигается путем добавления в элюент уксусной или пропионовой кислот [30], в меньшей степени - воды [ 142, 143], диэтил-, триэтиламина [144 - 146] или диметилформамида [147] ( для анализа соединений, имеющих основной характер). Объемное содержание в элюенте для кислот и аминов - от 0,25% до 5%, воды - от 0,15 до 2%.
Примечание. Применение адсорбционно-модифицированного силикагеля требует от хроматографиста выполнения одного очень важного усло-вия: для каждого элюента, предназначенного для анализа определенного вещества, необходима индивидуальная хроматографическая колонка. Регенерация хроматографической колонки в данных условиях обходится значительно дороже, а результат регенерации не гарантирован.
