ГХ-лабораторная

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА

Газо-хроматографический анализ и идентификация органических соединений, относящихся к группе жирных кислот, по индексам удерживания

Цель и содержание работы

Ознакомиться с техникой и принципами разделения смесей органических веществ методом газовой хроматографии. Научиться определять индексы удерживания и применять их для идентификации компонентов смесей в качественном анализе. В ходе работы нужно получить в изотермическом режиме хроматограмму эталонной смеси жирных кислот одного гомологического ряда. Построить график зависимости логарифмических индексов удерживания от числа атомов углерода в молекулах компонентов. Идентифицировать неизвестные жирные кислоты, выданные как отдельные пробы, хроматографируя их в тех же условиях, по временам удерживания и графику эталонной смеси.

Краткое теоретическое введение

В современной газовой хроматографии существует несколько способов идентификации компонентов сложных смесей. Базовым способом является использование характеристик удерживания. На практике относительные характеристики предпочтительнее абсолютных, т.к. они не зависят от количества неподвижной жидкой фазы (НЖФ) в колонке и мало зависят от температуры. Первичными и непосредственно измеряемыми параметрами являются времена (объемы) удерживания, по которым затем рассчитывают: исправленные времена (объемы) удерживания, относительные времена, индексы удерживания и другие качественные характеристики компонентов пробы в данных условиях разделения. Качественный анализ основан на сопоставлении этих величин с известными для индивидуальных веществ значениями тех же характеристик. При этом возможны различные приемы: идентификация по относительному времени удерживания; по индексам удерживания; по зависимости логарифма времени от температуры кипения и др.

Рассматриваемый в настоящей работе метод идентификации по логарифмическим индексам удерживания (индексам Ковача) широко применяется в аналитической практике. Введенный Ковачем индекс удерживания I_x характеризует удерживание вещества x в колонке c определенной НЖФ при температуре t °C относительно двух н-алканов с числом углеродных атомов n и n+1. Индексы можно определять путем линейной интерполяции логарифмов графически, или по формуле:

(1),

где t_R(n) и t_R(n+1) – времена удерживания н-алканов с числом углеродных атомов n и n+1; t′_R(n) и t′_R(n+1) – исправленные времена удерживания этих же алканов; t_R0 – время удерживания несорбирующегося вещества; t_R(x) и t′_R(x) - соответственно измеренное и исправленное время удерживания вещества x. Принимается, что индексы удерживания н-алканов сравнения равны числу углеродных атомов, умноженному на 100.

Величина t_R0 характеризует так называемое «мертвое» время системы и равна времени удерживания несорбирующегося компонента. При работе с теплопроводным детектором - замеряют по пику воздуха; при работе с пламенно-ионизационным детектором –по пику метана, либо рассчитывают по формуле:

(2),

где t_R(1), t_R(2) и t_R(3) – времена удерживания трех последовательных гомологов н-алканов.

Величина индекса удерживания вещества на определенной НЖФ при определенной температуре колонки практически не зависит от концентрации и хорошо воспроизводима. Табличные значения индексов для многих органических веществ на различных НЖФ опубликованы в научно-технической литературе, включены в справочники и базы данных.

Аппаратура и объекты хроматографирования

- Газовый хроматограф серии 6890N (Agilent Technologies) с пламенно-ионизационным детектором, возможно применение хроматографов других моделей. Колонка капиллярная, 30 м, 0.25 мм вн. диам., с неподвижной фазой типа Carbowax (J&W) или аналогичной.

- Микрошприцы МШ-10 или Гамильтон, микровиалы с крышками емкостью 2 мл, пипетки мерные 200-1000 мкл, гексан чистый для хроматографии.

- Объекты хроматографирования - эталонная смесь из 5 гомологов жирных кислот, индивидуальные жирные кислоты по выбору преподавателя.

- Вычислительные средства для расчетов и построения графиков.

Порядок выполнения работы

1. До начала работы студенты знакомятся с устройством хроматографа, управляющей программой Online и программой обработки данных Offline. Изучают и обсуждают параметры предлагаемого метода хроматографирования: такие как температура термостата колонки и инжектора, расход газа-носителя и пр. Проводят тренировочные вводы гексана, являющегося растворителем для проб.

2. Осваивают технику запуска и остановки хроматограммы пробы для записи данных в файл: в меню управляющей программы Online выбрать «Измерения/Сведения об образце». В появившемся окне заполнить позиции Оператор (по желанию), имя директории (при первом запуске только), имя файла (условный номер проб), нажать «Пуск метода». Затем на клавиатуре прибора нажать «prep Run» и дождаться когда погаснет сигнальный индикатор «Not ready» на табло прибора. Набрать 1 мкл гексана или воздуха в микрошприц, ввести иглу полностью в инжектор (придерживать ее при этом), сразу же нажать плунжер шприца и немедленно клавишу «Start» на клавиатуре хроматографа. Для записи данных в файл дождаться окончания температурной программы, обозначенной в файле метода, либо нажать клавишу «Stop» на клавиатуре прибора.

3. Производят хроматографирование эталонной смеси веществ. Знакомятся с температурным режимом, заданным в методе, FAMELAB4.М. Режим – изотермальный при 215 ^оС. Дозирование пробы осуществляется микрошприцем, объем дозы 2 мкл, после ввода пробы шприц несколько раз промывают гексаном. После записи, хроматограмму обрабатывают в программе Offline, предназначенной для работы с готовыми файлами-хроматограммами. Определяют времена удерживания всех пяти компонентов эталонной смеси, заносят их в таблицу.

4. Проводят повторное хроматографирование эталонной смеси с использованием метода с температурным градиентом. Для этого выбирают в программе Online «Файл», далее «Загрузить», далее «Метод», в открывшемся окне выбирают метод FAMELAB5.M. После загрузки ознакомиться с таблицей градиента температуры по ходу анализа. Провести запись и обработку той же пробы согласно п.3. Сравнить абсолютные времена удерживания 5-ти компонентов на первой и второй хроматограммах.

5. Рассчитывают «мертвое» время системы по формуле (2), используя времена удерживания гомологов С13, С17 и С21 эталонной смеси по хроматограмме, записанной в изотермальном режиме. Затем рассчитывают исправленные времена удерживания гомологов смеси, вычитанием «мертвого» времени удерживания из абсолютного времени удерживания каждого компонента, заносят их в ту же таблицу. Далее рассчитывают десятичные логарифмы исправленных времен удерживания. Строят график зависимости логарифмов исправленных времен удерживания от числа атомов углерода в молекуле гомологов смеси. Зависимость должна иметь линейный вид, либо близкий к таковому.

6. Проводят последовательное хроматографирование индивидуальных неизвестных жирных кислот (в виде метиловых эфиров), выданных преподавателем. Условия хроматографирования должны быть идентичны таковым эталонной смеси, изотермальный режим, метод FAMELAB4. Снимают абсолютное время удерживания каждого неизвестного компонента. Затем рассчитывают логарифм исправленного времени удерживания исследуемого компонента и экстраполируют его в виде точки на ранее полученный график. Следует учитывать следующие закономерности: гомологи могут иметь только целое число атомов углерода. Также следует учитывать, что каждая серия гомологов (т.е. веществ, различающихся на группу CH₂) характеризуется отдельной зависимостью, отличающейся от зависимостей других серий коэффициентами а или b линейного уравнения. Следовательно, в случае несоответствия точки заданного компонента графику эталонной смеси следует предполагать принадлежность этого вещества к другому гомологическому ряду. Также следует учесть, что на полярных колонках типа Carbowax вещества, содержащие одну и более двойных связей, имеют большие времена удерживания, по сравнению с насыщенными компонентами с тем же числом атомов углерода. В свою очередь, разветвление углеродной цепи молекулы приводит к уменьшению времени удерживания относительно прямоцепочечного аналога того же молекулярного веса.

7. В итоге совместной работы группы студентов должны быть получены несколько линейных зависимостей времен удерживания веществ разных гомологических рядов и проидентифицирована структура неизвестных веществ, выданных преподавателем, т.е. количество атомов углерода в цепи, возможное число двойных связей, изомеризация углеродного скелета.

Контрольные вопросы

1. Охарактеризуйте известные параметры удерживания – первичные абсолютные, исправленные и относительные.

2. На чем основана идентификация органических соединений хроматографическими методами?

3. Будет ли зависимость логарифмических индексов удерживания от числа атомов в гомологах иметь линейный вид при хроматографии в режиме градиента температуры?

4. Будут ли относительные времена удерживания или индексы удерживания изменяться при изменении таких условий хроматографирования, как температура, скорость газа-носителя?