КонюховХроматография

Гидроксильная группа поверхности заменяется на си* лильный эфир. Гидрофильная поверхность кремнезема становится гидрофобной (гидрофобизация поверхности). Обработку триметилхлорсиланом проводят как в газовой фазе, так и в растворе бензола. Очень важно, чтобы адсор* бент и растворитель перед реакцией были обезвожены, так как триметилхлорсилан разлагается водой.

Полное модифицирование тонкопористых силикаге* лей при комнатной температуре продолжается не менее 7–8 дней, для модифицирования макропористых носите* лей достаточно нескольких часов.

Модифицирование в газовой фазе проводят путем про* пускания потока сухого инертного газа, насыщенного па* рами триметилхлорсилана, через колонку с сорбентом. Этот процесс обычно проводят непосредственно в термо* стате хроматографа при повышенных температурах с от* соединенной от детектора колонкой.

При модифицировании в жидкой фазе адсорбент с рас* твором запаивают в толстостенную ампулу и выдержива* ют несколько часов при температуре выше точки кипе* ния триметилхлорсилана (57,3 С). Следует помнить, что давление в ампуле в ходе процесса возрастает, так как в реакции образуется газообразный HCl.

Величина зерна носителя. При выборе размера зерна твердого носителя следует иметь в виду, что значение име* ет не только сам размер, но и фракционный состав частиц носителя, т. е. распределение частиц по размерам. Следует добиваться близкой дисперсности зерен носителя. В про* тивном случае сильно возрастает неоднородность заполне* ния колонки, что снижает ее эффективность.

Для каждого диаметра колонки существует оптималь* ный размер зерен твердого носителя. При наиболее приме* няемых диаметрах колонок (3–4 мм) оптимальный размер зерен твердого носителя должен составлять 0,15–0,30 мм.

Материалы для носителей. В качестве твердых носи* телей предложено достаточно много веществ, но лишь не* многие из них отвечают всем соответствующим требова* ниям. Большей частью применяют носители, приготовлен* ные на основе кизельгура или диатомита.

Малой каталитической и адсорбционной активностью обладают многие сорта стеклянных микрошариков. При* менение стеклянных шариков в качестве твердого носи* теля позволяет работать с малым содержанием неподвиж* ной фазы (0,05–3% от массы шариков) и обеспечивает высокую изодисперсность носителя. Однако слишком ма* лая поверхность стеклянных шариков препятствует рав* номерному ее смачиванию и приводит к слипанию уже при содержании неподвижной фазы около 0,06% от массы носителя. Для преодоления этого недостатка шарики из боросиликатного стекла подвергают обработке кислотами. При этом на поверхности получаются поры 1 мкм с весь* ма узким распределением их по радиусу. Таким путем уда* ется получить носитель, сочетающий прочность и правиль* ную геометрическую форму с требуемой удельной поверх* ностью, обладающей однородными порами.

Из твердых носителей органической природы следует выделить политетрафторэтилен (тефлон). Его можно применять в хроматографических колонках при рабочей температуре до 180 С. Большое преимущество этого носи* теля заключается в его минимальной химической актив* ности и практически полном отсутствии адсорбционной активности. Тефлон — лучший носитель для разделения смесей сильно полярных и реакционноспособных веществ. Однако он способен адсорбировать парафины. Близки к нему по свойствам политрифторхлорэтилены: экафлуфин, кель*F, хостафлон*С2, галопорт*K, которые также приме* няются как носители НЖФ.

Сырьем для большинства твердых носителей, исполь* зуемых в газовой хроматографии, является диатомит, известный также под названием диатомового кремнезе* ма, диатомовой земли или кизельгура. Диатомит состоит из панцирей диатомовых микроскопических одноклеточ* ных водорослей, которые по своему химическому составу представляют микроаморфную фазу, содержащую воду, оксид кремния, примеси оксидов металлов и т. д.

Широкое применение в качестве носителей и адсор* бентов в хроматографии получил хромосорб. Существует пять его типов: A, G, Р, W, Т.

Хромосорб А предназначен для использования в пре* паративной газовой хроматографии. Он обладает достаточ* но большой емкостью по отношению к жидкой фазе (до 25 масс %), механической прочностью и небольшой ад* сорбционной активностью поверхности. Выпускают хро* мосорб А трех видов с размерами частиц: 10–20, 20–30 и 30–40 меш. Указанные его свойства позволяют применять длинные колонки с небольшим гидравлическим сопротив* лением.

Хромосорб G применяется для разделения полярных соединений. Благодаря малой удельной поверхности и вы* сокой прочности он явился хорошей заменой для легких хрупких носителей, таких как хромосорб W. В связи с меньшей удельной поверхностью и большей плотностью на хромосорб G наносят меньшее количество жидкой фазы (5 масс % фазы на хромосорбе G аналогично по свойствам 12 масс % на хромосорбе W).

Хромосорб Р изготавливается из огнеупорного кирпи* ча С*22, выпускаемого фирмой Johns Manville. Он пред* ставляет собой относительно твердый кальцинированный диатомит розового цвета. Хромосорб Р обладает большей адсорбционной активностью по сравнению с другими ви* дами хромосорба и поэтому используется в основном для разделения углеводородов, межмолекулярные взаимодей* ствия с которыми минимальны.

Хромосорб Т представляет собой частицы тефлона 6 определенного размера. Этот носитель рекомендуется ис* пользовать при разделении высокополярных или реакци* онноспособных соединений, таких как вода, гидразин, двуокись серы и галогены. Поверхность такого носителя инертна по отношению к перечисленным соединениям, благодаря чему пики получаются достаточно симметрич* ными. Однако в связи с относительно невысокой эффек* тивностью колонок, заполненных хромосорбом Т, его сле* дует использовать только в тех случаях, когда требуется очень инертный носитель.

Хромосорб W — кальцинированный диатомитовый но* ситель, выпускаемый фирмой Johns Manville в связи с про* изводством фильтрующих материалов типа целита, напри*

1

мер целита 545. Хромосорб по своим свойствам похож на целит 545. Он имеет белый цвет, является более хрупким, чем хромосорб G. Поверхность его относительно инертна, и он используется для разделения полярных соединений.

Физические свойства хромосорбов различной модифи* кации приведены в табл. 9.

Аэропак 30 больше всех приближается по своим свой* ствам к идеальному носителю, пригодному для разделе* ния неполярных и полярных соединений. Аэропак 30 представляет собой хромосорб W нейтрализованный, об* работанный диметилдихлорсиланом и с частицами близ* кого размера.

2.1.6.3.АДСОРБЕНТЫ ДЛЯ ХРОМАТОГРАФИИ

Вгазо*адсорбционной хроматографии неподвижной фазой является адсорбент (без НЖФ). Адсорбент должен удовлетворять следующим требованиям:

1) иметь различную адсорбционную способность к анализируемым веществам (т. е. быть достаточно селек* тивным);

2) обладать химической и каталитической инертностью;

3) иметь изотерму адсорбции, близкую к линейной в достаточно широком интервале концентрации для всех анализируемых веществ;

4) обладать достаточно высокой механической проч* ностью.

Селективность адсорбента определяется в первую оче* редь силами взаимодействия адсорбата с поверхностью

адсорбента. Как уже упоминалось, они бывают ориента* ционными, индукционными, дисперсионными и специфи* ческими взаимодействиями. Дисперсионные силы вызы* вают адсорбцию неполярных веществ на неполярных же адсорбентах. При взаимодействии полярных веществ с поверхностью полярных адсорбентов задействованы все виды сил Ван*дер*Ваальса. Существенную роль при адсорб* ции могут играть специфические взаимодействия, напри* мер образование водородных связей. Поэтому рассмотрен* ные выше зависимости сорбционных характеристик для неподвижных жидких фаз остаются в основном справед* ливыми и для адсорбентов.

Согласно классификации Киселева, адсорбенты делят на три типа.

1.Неспецифические адсорбенты, на поверхности ко* торых отсутствуют функциональные группы или ионы, способные к обмену. К этому же типу адсорбентов можно отнести полимеры углеводородов, например полиэтилен

играфитированную сажу.

2.Специфические адсорбенты, имеющие на поверх* ности локально сконцентрированные положительные за* ряды, например гидроксильные группы силикагелей, ка* тионы цеолитов. Для этих адсорбентов характерно спе* цифическое взаимодействие с молекулами, имеющими сосредоточенную электронную плотность на отдельных звеньях своей периферии.

3.Специфические адсорбенты, на поверхности кото* рых имеются связи или группы атомов со сосредоточен* ной электронной плотностью. Получить такие адсорбен* ты можно, нанося на поверхность неспецифичных адсор* бентов монослой молекул, обладающих сосредоточенной электронной плотностью. К этому же типу адсорбентов относятся полярные пористые полимеры.

А. В. Киселев предложил классификацию и для ана* лизируемых веществ. Она учитывает различие в характе* ре распределения электронной плотности на периферии связей и звеньев. В соответствии с ней молекулы подраз* деляются на четыре группы: А, В, С и D.

Молекулы группы А имеют сферически симметричную электронную оболочку, как у благородных газов. К этой группе молекул относят также и молекулы насыщенных углеводородов, где между атомами углерода имеются толь* ко *связи. У таких молекул на периферии нет локально сосредоточенной электронной плотности.

Молекулы группы В имеют электронную плотность (отрицательный заряд), сосредоточенную на периферии от* дельных звеньев. В случае ненасыщенных и ароматиче* ских углеводородов и вообще молекул, имеющих *элек* тронные связи, например молекул азота, электронная плотность локально сконцентрирована на периферии этих связей. Локальное сосредоточение электронной плотно* сти имеется также и на периферии тех звеньев функцио* нальных групп, которые обладают свободными электрон* ными парами, например у атомов кислорода в воде, спир* тах, эфирах, кетонах, у атомов азота в аммиаке, аминах, нитрилах, и у атомов серы в органических сульфидах.

Молекулы группы С обладают локально сконцентри* рованным положительным зарядом на звеньях малых раз* меров. К ним относятся молекулы многих металлоргани* ческих соединений. С молекулами группы А такие моле* кулы взаимодействуют неспецифически, с молекулами группы В — специфически.

Молекулы группы D обладают соседними звеньями ма* лого размера, на одном из которых сконцентрирован по* ложительный заряд, а на периферии другого — электрон* ная плотность. Примером могут служить молекулы с функциональными группами –ОН, –NH2 и –NH: вода, спирты, первичные и вторичные (но не третичные) ами* ны. Молекулы этой группы взаимодействуют с молекула* ми группы А неспецифически и могут взаимодействовать специфически как с молекулами групп В и С, так и друг с другом. Неспецифическое взаимодействие проявляется во всех случаях. Специфическое взаимодействие проявляет* ся как дополнительное к неспецифическому и только в тех случаях, когда молекулы взаимодействующих парт* неров относятся к группам В, С и D.

Наиболее подходят для разделения смесей веществ указанных групп адсорбенты близкого по свойствам типа.

Важной характеристикой системы адсорбат*адсорбент является протяженность линейной части изотермы адсорб* ции (изотермы Генри). Только хроматографирование при концентрациях анализируемых веществ, относящихся к линейной части изотермы, дает симметричные пики на хроматограмме. В противном случае — пики асимметрич* ные с «хвостами» или с размытым фронтом.

Подобно неподвижным жидким фазам, твердые адсор* бенты редко удовлетворяют всем перечисленным выше требованиям. Ряд адсорбентов адсорбирует анализируе* мые вещества практически необратимо, другие адсорбен* ты оказывают каталитическое действие, например, спо* собствуют полимеризации исследуемых веществ. Поэто* му в практике газо*адсорбционной хроматографии часто прибегают к модификации адсорбентов. Модификацию адсорбентов проводят:

обработкой их кислотами, щелочами или неорганиче* скими солями;

заменой полярных групп, расположенных на поверх* ности адсорбентов, неполярными группами;

насыщением адсорбентов парами воды;

геометрической модификацией.

Первый способ модификации удаляет примеси, глав* ным образом — оксиды металлов, содержащиеся во мно* гих адсорбентах, например в силикагелях. Второй прием модификации заменяет имеющиеся на поверхности адсор* бента адсорбционно*активные группы на неактивные. На* пример, силанизация силикагеля приводит к замене гид* роксильных групп поверхности на метильные.

Насыщение адсорбента парами воды вызывает его де* зактивацию. Например, изменяя содержание воды в ок* сиде алюминия, можно варьировать его адсорбционную активность к различным веществам.

Геометрическая модификация обычно сводится к про* каливанию адсорбентов при 900–1000 С. Прокаливание приводит к спеканию и вследствие этого — к изменению структуры пор адсорбента: микро* и мезопоры исчезают и

на поверхности остаются лишь макропоры. Кроме того, при такой обработке поверхность многих адсорбентов, на* пример силикагеля, сильно дегидроксилируется.

Еще один способ модификации адсорбентов состоит в нанесении на инертный твердый носитель мельчайших частиц (пыли) адсорбента. Получаются так называемые

поверхностнослойные сорбенты. Можно наносить такую пыль и на внутренние стенки капиллярной колонки. При этом газо*жидкостная капиллярная хроматография пере* ходит в газо*адсорбционный ее вариант.

Вгазо*адсорбционной хроматографии применяют

как полярные адсорбенты (силикагели и Al2O3), так и неполярные (активированные угли, графитированные сажи и т. п.). Для разделения смеси веществ, молекулы которых различаются размерами или формой, например смеси нормальных и изосоединений, часто применяют молекулярные сита — цеолиты, образующие с вещества* ми разделяемых смесей соединения включения. Широ* ко применяются в качестве адсорбентов пористые стек* ла и пористые полимеры. Ниже приводятся некоторые адсорбенты.

Силикагель получают конденсацией ортокремневой ки* слоты или реакцией водорастворимых силикатов (жидко* го стекла) с минеральными кислотами. Для достижения требуемой в хроматографии широкопористой структуры по* лученный силикагель подвергают гидротермальной обра* ботке, т. е. воздействию водяного пара при высокой темпе* ратуре.

Адсорбционная способность силикагеля обусловлена наличием на его поверхности силанольных групп –Si–OH, способных к образованию водородных связей с молекула* ми сорбатов. В зависимости от содержания указанных групп поверхность силикагелей может быть гидроксили*

рованной и дегидроксилированной. Гидроксилированная поверхность устойчива до 400 С, далее начинается про* цесс ее дегидроксилирования (соседние гидроксильные группы соединяются с выделением молекулы воды).

Вприсутствии водяных паров дегидроксилированная поверхность медленно переходит в гидроксилированную.

Для ускорения этого процесса силикагель кипятят в дис* тиллированной воде в течение суток и более.

Гидроксилированная поверхность лучше адсорбиру* ет полярные и слабополярные вещества, чем дегидро* ксилированная. Неполярные соединения, например ал* каны, адсорбируются с одинаковой интенсивностью на обеих поверхностях, на дегидроксилированной поверх* ности удерживаемые объемы алканов даже несколько выше.

Тонкопористые силикагели используют для газохрома* тографического разделения постоянных и углеводородных газов, за исключением кислорода и азота, которые на них практически не делятся даже при низких температурах.

Непредельные углеводороды дольше удерживаются в колонке с силикагелем, чем соответствующие предельные алканы, и хорошо разделяются. Например, этилен и про* пилен выходят из колонки с силикагелем позднее этана и пропана, соответственно. Двуокись углерода элюируется позднее этана.

Силикагели получили широкое применение для раз* деления серосодержащих газов. Например, смесь СО2, COS, H2S, CS2 и SО2 легко разделяется на колонке с сили* кагелем длиной 1 м.

Макропористые силикагели используют для разделе* ния слабополярных и неполярных соединений. Например, их применяют для высокотемпературного разделения на* сыщенных и ароматических углеводородов, сложных эфи* ров, в частности фталатов, используемых в качестве пла* стификаторов.

Сильнополярные соединения дают на хроматограм* мах несимметричные пики, особенно если силикагель со* держит примеси других оксидов. По этой причине для уменьшения адсорбционной активности и повышения хи* мической однородности поверхность силикагелей подвер* гают физическому или химическому модифицированию. Для этого на поверхность макропористых силикагелей наносят небольшие количества (до монослоя) высококи* пящих жидкостей или напыляют высокодисперсные по* рошки.

Химическое модифицирование сводится к силаниза* ции поверхности, в результате которой гидроксильные группы заменяются на группы –СН3, вследствие чего во* дородные связи образоваться уже не могут.

При хранении силикагелей на открытом воздухе на его поверхности адсорбируется влага из воздуха (их исполь* зуют в качестве осушителей). Поэтому перед заполнени* ем колонки силикагели прокаливают при 200–250 С до постоянной массы. Процесс удаления влаги идет сущест* венно быстрее, если прокаливание вести под вакуумом или непосредственно в хроматографической колонке в потоке сухого инертного газа*носителя (при этом колонку необ* ходимо отсоединить от детектора).

Оксид алюминия получают осаждением алюминиевых солей раствором аммиака или разложением алюмината на* трия минеральными кислотами. В промышленности ок* сид алюминия с высокоразвитой поверхностью получают действием на гидроксид алюминия раствора NaOH. Обра* зующийся алюминат натрия обрабатывают азотной кисло* той с последующим осаждением Al(OH)3. Осадок отфильт* ровывают, промывают, сушат и прокаливают.

Оксид алюминия существует в нескольких кристалли* ческих формах (известно семь форм), для газо*адсорбцион* ной хроматографии обычно применяют *модификацию. Удельная поверхность промышленных образцов Al2O3 со* ставляет 170–300 м2/г. Адсорбционная активность в силь* ной степени зависит от температуры прокаливания Al(OH)3: от нее зависит содержание влаги в Al2O3. Обычно использу* ют продукт, содержащий около 2–3 масс % воды. Присут* ствие воды сильно уменьшает время удерживания большин* ства веществ. Безводный *Аl2ОЗ селективно удерживают непредельные и ароматические углеводороды. На совер* шенно обезвоженном *Аl2ОЗ этилен выходит даже позднее пропана.

Для уменьшения адсорбционной активности на по* верхность оксида наносят малые количества нелетучих жидкостей: сквалана, силиконов и др. Модифицирован* ный таким образом адсорбент используют для разделения легких углеводородных газов. Так, в микронасадочных