1.5.2. Полярность и элюирующая сила

Элюирующая сила растворителей определяется в первую очередь их полярностью. В условиях НФХ элюирующая сила возрастает с увеличением полярности ПФ, а в условиях ОФХ, наоборот, чем выше полярность ПФ, тем меньше ее элюирующая способность. Первым критерием полярности растворителей, который был использован в ЖХ ее основоположником М.С. Цветом, является диэлектрическая проницаемость _r, она до сих пор приводится в большинстве монографий, в которых рассматриваются хроматографические свойства растворителей. Величина _r показывает, во сколько раз ослабляется внешнее электрическое поле веществом дипольной структуры. Ослабление происходит благодаря тому, что под влиянием внешнего поля дипольные частицы ориентируются соответствующим образом, что создает новое поле, противоположное внешнему. В настоящее время _r измерена для множества чистых и смешанных растворителей, ее величина в типовых растворителях изменяется от ~2 (алканы) до 111 (формамид). Растворители с высокой диэлектрической проницаемостью способны к диссоциации, и поэтому их называют полярными, в отличие от неполярных растворителей с невысокой _r. Диэлектрическая постоянная непосредственно связана со способностью растворителя к разделению зарядов и ориентации собственных диполей. Она хорошо характеризует диссоциирующую способность жидкости, т.е. способность растворять электролиты путем их разделения на ионы. Несовершенством _r является невозможность с ее помощью описать молекулярные взаимодействия между растворителем и растворенным веществом на молекулярном уровне. Достоинства и недостатки этого критерия полярности как меры элюирующей силы рассмотрены в [1]. Сопоставление экспериментальных параметров удерживания с _r элюента показывает, что последняя только в самом первом приближении может служить шкалой элюирующей способности, в которой имеется немало исключений. Так, диэлектрическая проницаемость диоксана по величине _r=2.2 близка к _r малополярных алканов (_r ≈1.9), и в то же время в условиях НФХ диоксан проявляет на порядок (в 40-50 раз) более высокую элюирующую способность, чем алканы.

Дипольный момент μ, в отличие от _r, определяет полярность вещества на молекулярном уровне, он характеризует электрические свойства молекулы как системы заряженных частиц. У неполярных молекул в отсутствие внешнего электрического поля он равен нулю, полярные молекулы имеют собственный постоянный μ, равный произведению расстояния между «центрами тяжести» положительного и отрицательного зарядов на их величину. Вектор μ направлен от отрицательного заряда к положительному. Поляризация вещества во внешнем электрическом поле обусловлена дипольным моментом молекул. Он дополняет диэлектрическую проницаемость при характеристике полярности вещества. Существует такой критерий полярности, как электростатический коэффициент EF, определяемый как произведение ε_r на μ. С учетом его величин и химического строения растворители делят на 4 группы: углеводородные растворители ( EF=0-7·10^-30 кл·м), электронодонорные растворители (EF=7·10^-30-70·10^-30 кл·м), гидроксильные растворители (EF= 50·10^-30-170·10^-30 кл·м) и биполярные растворители, не являющиеся донорами водородных связей (EF≥·170·10^-30 кл·м)[25]. Кроме доступных из справочников данных по μ, найденным экспериментально, имеются возможности, используя квантовохимические закономерности, рассчитать с достаточно высокой точностью величину μ при помощи специализированных химических программ, такие расчеты выполняются в оболочке, например, ChemBioOffice 2010 [15]. Вместе с тем, прямое применение этого параметра как самостоятельной независимой переменной в эмпирических зависимостях «удерживание – дипольный момент модификатора ПФ» позволяет говорить лишь о тенденциях, которые проявляют растворители, молекулы которых обладают высоким или низким дипольным моментом. Чаще всего тесных корреляций с параметрами удерживания дипольный момент ни сорбата, ни модификатора не дает.

Другим широко известным критерием полярности, который относительно успешно применяют в ЖХ для оценки элюирующей силы растворителей, является параметр растворимости Гильдебранда _T [18,19]. Параметр _T=с^1/2, где с – значение плотности энергии когезии. Параметр _T характеризует количество работы, затрачиваемой на отделение молекул растворителя друг от друга (т. е. на нарушение всех взаимодействий молекул растворителя), без чего невозможно создание полостей, способных вместить молекулы растворенного вещества. Соответственно, для растворителей, которые склонны к самоассоциации и образованию высокоупорядоченных структур, характерны относительно большие значения _T, а в газовой фазе _T =0. Оказалось, что у хорошего растворителя для неэлектролита параметр _T, как правило, близок _T растворяемого вещества.

Особого внимания заслуживает аномально высокая полярность воды, выраженная посредством этого показателя. Параметр растворимости воды равен 52.2 МПа^1/2 в то время как у других, приведенных в табл. 21 соединений параметры растворимости лежат в пределах от 14 до 34 МПа^1/2.

К недостаткам параметра растворимости _T с хроматографической точки зрения можно отнести следующее. Основываясь лишь на нем, можно сделать вывод, что хлористый метилен будет вести себя почти так же, как диоксан, а толуол – как этилацетат. Однако на практике между этими растворителями наблюдаются значительные различия. Например, диоксан смешивается с водой в любых соотношениях, в то время как хлористый метилен практически нерастворим в воде. Очевидно, для объяснения различий в поведении веществ с близкой полярностью необходимо уточнение модели, описывающей полярность. Общая плотность энергии когезии представляет собой сумму вкладов дисперсионных, ориентационных, индукционных и кислотно-основных взаимодействий:

d_T²=d_d²+2d_ind_d+d_o²+2d_ad_b , (6)

где d_d – парциальная полярность, соответствующая способности растворителя к дисперсионным взаимодействиям, d_in – способность к индукционным взаимодействиям, d_o – ориентационная составляющая, d_a – составляющая, описывающая кислотные свойства, а d_b – составляющая, описывающая основные свойства. В уравнении (6) встречаются два различных вида членов. Дисперсионное и ориентационное взаимодействия представлены квадратными членами, а значения, отвечающие кислотно-основному и индукционному взаимодействию, выражены в виде удвоенных произведений. Первые два типа взаимодействий называют симметричными, поскольку две участвующие в них молекулы одинаковы. В двух других типах взаимодействия различные молекулы играют различную роль. Либо одна молекула активно индуцирует диполь в другой, пассивной молекуле, либо первая ведет себя как кислота, а вторая как основание.

В отличие от _r критерий _T хорошо характеризует способность жидкости растворять неэлектролиты. Растворяющая способность растворителя тем выше, чем ближе величина _T растворителя к _T растворяемого вещества. Зачастую, оптимальным растворителем является смесь двух растворителей, один из которых имеет более высокое, а другой более низкое значение параметра _T по сравнению с растворенным веществом. К недостаткам параметра _T относят чрезмерно большой вклад в суммарный показатель дисперсионной составляющей d_d, которая меняется слишком незначительно при переходе от одного растворителя к другому.

Таблица 21. Парциальные параметры растворимости растворителей некоторых растворителей, МПа^1/2 (1 МПа^1/2=0.4889 кал^1/2∙см^-3/2)

Соединение	T	dd	do	din	da	db
Вода	52.20	14.73	Большая	Большая	44.39	29.04
Метанол	32.42	14.73	7.98	0.20	34.98	11.05
Ацетонитрил	26.90	14.93	11.86	0.41	20.45	8.18
Метиленхлорид	21.85	16.36	8.96	2.05	8.18	2.05
Диоксан	21.78	16.57	2.45	6.95	мала	4.10
ТГФ	20.21	16.36	6.75	0.61	12.68	3.07
Толуол	19.49	17.39	1.64	1.43	16.36	0.82
Этилацетат	19.58	15.54	7.36	2.86	7.16	2.05
Гексан	15.84	15.84	0	0	0	0

Все чаще стал применяться в ВЭЖХ сольватохромный параметр Димрота - Райхардта Е_T(30) [25]. Он вычисляется на основании спектроскопических измерений взаимодействия растворителя со стандартным N-феноксипиридинийбетаиновым красителем (а), изображенном ниже.

Энергия электронного перехода полосы переноса заряда характеризует степень полярности растворителя. Чем выше величина Е_T(30), тем полярней растворитель. Краситель а выступает химическим сенсором, реагирующим на суммарный эффект парциальных полярностей, которые для величины Е_T(30) не дифференцированы.

Основное преимущество выбранного красителя, заключается в том, что для него зависящая от растворителя полоса поглощения расположена в широкой области длинных волн, что позволяет регистрировать сольватохромный эффект в чрезвычайно широком диапазоне – от λ=810 нм (дифениловый эфир; Е_Т(30)=147.7 кДж/моль) до λ=453 нм (вода, Е_Т(30)=264.0 кДж/моль). Поскольку большая часть этого диапазона приходится на видимую область спектра, то с помощью этого красителя полярность растворителей можно оценивать даже визуально. Действительно, его раствор имеет красный цвет в метаноле, фиолетовый в этаноле, зеленый в ацетоне, голубой в изоамиловом спирте и желто-зеленый в анизоле [25].

С помощью бинарных смесей растворителей различной полярности можно получить раствор бетаинового красителя практически любого цвета видимого спектра. До настоящего времени неизвестно другое соединение, гипсохромный сдвиг которого был бы так же велик, как у рассматриваемого бетаинового красителя. При переходе от раствора в дифениловом эфире к водному раствору экспериментально наблюдается гипсохромный сдвиг, превышающий 350 нм. В силу такого исключительно большого индуцированного растворителями смещения полосы поглощения параметр Е_т(30) является очень удобной и чувствительной мерой полярности растворителей, причем большие величины Е_т(30) соответствуют наиболее полярным растворителям. Определены параметры Е_т(30) более 270 чистых органических растворителей и большого числа бинарных смесей растворителей. Однако бетаиновый краситель (а) совсем нерастворим в неполярных средах, например, в гексане. Для решения проблемы определения параметра Е_т(30) в неполярных средах в качестве вспомогательного красителя предложен более липофильный бетаиновый краситель (структура b) , содержащий в пара-положении в фенильных радикалах трет-бутильные заместители.

Проблему количественного измерения полярности растворителей и их элюирующей силы глубоко проработал Снайдер. Он тщательно проанализировал возможности применения некоторых критериев полярности в ЖХ и предложил целую серию собственных критериев. Один из них - параметр полярности Р'. Этот параметр находят по формуле:

P' = lgK"_е+lgK"_d+lgK"_n (7)

где lgK_i" – эмпирически модифицированные коэффициенты распределения стандартных веществ (этанола, диоксана и нитрометана) между паровой фазой и испытуемым растворителем. Индексы e, d и n обозначают этанол, диоксан и нитрометан Величина X_e=lgK”_e/P’ характеризует способность растворителя быть донором протонов, X_d=lgK”_d/P’ – способность растворителя выступать акцептором протонов, а X_n=lgK”_n/P’ характеризует его возможности вступать в сильные дипольные взаимодействия. Параметры селективности X_i связаны между собой соотношением:

X_e + X_d + X_n = 1 (8)

Величина P' определяется экспериментально методом ГХ. Этот критерий используют не только для характеристики полярности, но и для оценки элюирующей способности растворителя в распределительной ЖХ. Поскольку параметр Р' основан на эмпирической интерпретации данных, полученных методом ГХ, он оказался не совсем точным для количественной оценки полярности в ВЭЖХ. Например, из величины параметра Р' следует, что ацетонитрил более полярен, чем метанол. По данным для _T картина получается обратной. На практике в ВЭЖХ метанол оказывается, действительно, полярней, чем ацетонитрил, т.е. полярность в данном случае (элюирующая способность) растворителя точнее определяется исходя из параметра _T.

Рис. 14. Классификация растворителей по Снайдеру [12]. В кругах с римскими цифрами сгруппированы растворители по селективности. Х_е – способность к протонодонорным взаимодействиям, Х_d – способность к протоноакцепторным взаимодействиям, Х_n – способность к диполь-дипольным взаимодействиям. AB, CD, EF ‒ тренды, по которым возможно сформировать элюотропные ряды с учетом селективности растворителей

Снайдер разбил 81 растворитель на восемь классов, которые в треугольной диаграмме с осями селективности Х_е, x_d и Х_п группируются в ограниченных (частично перекрывающихся) областях треугольника (рис. 14, табл. 22). Эти классы были пронумерованы Снайдером следующим образом: I группа – диалкилэфиры; II – алканолы; III – производные пиридина, ТГФ, сульфоксиды; IV – гликоли, уксусная кислота; V – дихлорметан, 1,2-дихлорэтан; в VI группе выделены два подкласса (а и б), Viа группа – диалкилкетоны, сложные эфиры и диоксан; VIб группа – сульфоны, нитрилы. VII группа – арены, галогензамещенные арены, нитросоединения, ароматические сложные эфиры; VIII группа – фторалканолы, вода. Отвечающее хлороформу место в левом нижнем углу треугольника находится вне окружности, обозначающей VIII группу растворителей, но близок к ней. Триэтиламин также выпадает из классификации, не входит, но примыкает к группе I. Снайдер пришел к выводу, что химически подобные соединения, например гомологи, входят в один класс, но в то же время группироваться могут и соединения, сильно различающиеся по химической структуре.

Таблица 22. Классификация растворителей по Снайдеру[12]

Растворитель	Р’	Xe	Xd	Xn	Группа селективности
Этанол Диоксан Нитрометан Метанол ИПС ИПС Бутан-1-ол трет-Бутанол Изоамиловый спирт Октан-1-ол Бензол Толуол Хлорбензол Гексан Диизопропиловый эфир Дихлорметан ТГФ Хлороформ Ацетонитрил Вода	4.3 4.8 6.0 5.1 4.0 3.9 3.9 4.1 3.7 3.4 2.7 2.4 2.7 0.1 2.4 3.1 4.0 4.1 5.8 10.2	0.52 0.36 0.28 0.48 0.54 0.55 0.59 0.56 0.56 0.56 0.23 0.25 0.23 мала 0.48 0.29 0.38 0.25 0.31 0.37	0.19 0.24 0.31 0.22 0.19 0.19 0.19 0.20 0.19 0.18 0.32 0.28 0.33 мала 0.14 0.18 0.20 0.41 0.27 0.37	0.29 0.40 0.40 0.31 0.27 0.27 0.25 0.24 0.26 0.25 0.45 0.47 0.44 мала 0.38 0.53 0.42 0.33 0.42 0.25	II Via VII II II II II II II II VII VII VII нет I V III * VIб VIII

*Примечание. Хлороформ близок к группе VIII

Хорошим примером этого является VII группа. Важное практическое следствие из такой классификации состоит в том, что если какой-либо растворитель, например этилацетат, не обеспечивает приемлемой хроматографической селективности, маловероятно, что другой растворитель из этой же группы сможет ее обеспечить.

Элюирующая способность зависит не только от растворителя, но и от адсорбента и других условий, принятых за стандартные. Исторически сложилось, что для сравнения элюирующей способности растворителей используют параметры ^определенные на оксиде алюминия ^(Al₂O₃) и силикагеле ^(SiO₂). Величины ^(Al₂O₃) и ^(SiO₂) коррелируют между собой, для них характерно следующее соотношение [1]:

^(SiO₂)=0.77^(Al₂O₃), (9)

К недостаткам критериев ^(Al₂O₃) и ^(SiO₂) можно отнести то, что они получены для растворителей, испытанных на конкретных сорбентах с использованием серии конкретных сорбатов. К сожалению, эти критерии чувствительны к строению сорбата, с помощью которых они определялись, и напрямую зависят от типа сорбента. Даже один и тот же по химической структуре сорбент (например, силикагель) может иметь многообразные модификации. В тоже время различные партии силикагеля, полученные по одной и той же технологии одним и тем же производителем не идентичны. НФ с теми характеристиками сорбентов, на которых Снайдер изучал элюирующую способность, сегодня применяют главным образом в ТСХ. В ВЭЖХ внедряются сорбенты, полученные по новейшим технологиям, которые отличаются, прежде всего, повышенной чистотой силикагеля, более узким фракционным составом. Поэтому к параметрам ^(Al₂O₃) и ^(SiO₂), определенным при Снайдере, следует относиться только как к ориентировочным величинам.

По предложению Снайдера элюирующая способность растворителя в ОФХ определяется из экспериментальных линейных зависимостей логарифмов факторов удерживания от объемной доли органического модификатора в ПФ [12] (табл. 23):

lgk=lgk₁-Sφ₂, (10)

где k₁ – фактор удерживания при использовании воды в качестве ПФ; φ₂ ‒ объемная доля органического модификатора в ПФ. Коэффициент S является мерой элюирующей силы в ОФХ. Этому критерию присущи те же недостатки, что и для других критериев элюирующей силы, а уравнение (10) удовлетворительно соблюдается в достаточно узком интервале Δφ₂=0.3 [12].

Таким образом, в зависимости от механизма сорбции с увеличением полярности элюирующая сила растворителя закономерно возрастает или уменьшается. Практически все растворители располагаются в элюотропных рядах между неполярными алканами и полярной водой. Менее полярны, чем алканы только перфторалканы, применение которых ограничено из экологических и экономических соображений. Более полярны, чем вода (по величине _r) формамид и вторичные амиды. В табл. 23-24 приведены выборки по рассмотренным критериям полярности и элюирующей силы для важнейших хроматографических растворителей.

Таблица 23. Эмпирические элюотропные ряды растворителей для ОФХ [1]

Растворитель	S	C18)
Ацетон	3.4	8.8
Ацетонитрил	3.1	3.1
ДМФА	-	7.6
Диоксан	3.5	11.7
Метанол	3.0	1.0
ИПС	-	10.1
ИПС	4.2	8.3
ТГФ	4.4	3.7
Этанол	3.6	3.1
Вода	0	-

Таблица 24. Параметры полярности и элюирующей способности растворителей для ВЭЖХ при 25^оС

Растворители	εr	μ,D	T, МПа1/2		EТ(30), кДж/моль	P'	ε˚(SiO2)	ε˚(Al2O3)
Амилол	13.90	1.80	20.05		205.4	3.5	0.47	0.61
Ацетон	20.54	2.70	21.50		176.6	5.1	0.50	0.58
Ацетонитрил	35.94	3.44	26.90		190.8	5.8	0.60	0.55
Бензол	2.23	0.0	19.86		143.5	2.7	0.25	0.32
Бромэтан	5.40	2.01	18.00		157.3	3.1	0.29	0.38
Бутанон	18.51	2.78	20.37		172.8	4.7	0.40	0.51
Бутанол-1	17.10	1.66	23.30		210.1	3.9	-	0.70
трет-Бутанол	12.47	1.66	21.70		183.6	4.1	0.47	0.61
Бутилацетат	5.10	1.84	17.39		161.1	-	-	-
Вода	78.54	1.83	52.20		264.0	10.2	1.50	-
Гексан	1.88	0.08	15.84		129.7	0.1	0.01	0.01
Гептан	1.93	0.0	16.18		130.1	0.2	0.01	0.01
Декан	2.00	0.0	15.95		130.1	-0.3	0.03	0.04
Диизопропиловый эфир	3.88	1.13	14.52		142.7	2.4	0.28	0.28
ДМСО	48.50	3.96	26.18		188.7	6.4	0.58	0.75
ДМФА	36.71	3.8	24.14		183.3	6.4	-	-
1,4-диоксан	2.21	0.45	21.78		150.6	4.8	0.60	0.61
о-Дихлорбензол	9.93	2.27	21.71		159.0	2.7	-	-
1,2-дихлорэтан	10.38	1.86	21.76		172.8	3.8	0.32	0.44
Диэтиламин	3.80	1.11	-		148.1	-	-	0.63
Диэтиловый эфир	4.27	1.15	16.20		144.4	2.8	0.43	0.38
Изооктан	1.94	0.0	14.99		130.1	0.1	0.01	0.01
пара-Ксилол	2.27	0.02	17.94		138.5	2.4		0.26
Продолжение табл. 25
Растворители	εr	μ,D	T, МПа1/2	EТ(30), кДж/моль		P'	ε˚(SiO2)	ε˚(Al2O3)
Метанол	32.66	1.70	32.42	231.8		5.1	0.70	0.95
Метилацетат	6.68	1.61	18.82	167.4		-	-	0.60
Метилизобутилкетон	13.1	2.79	17.18	164.8		4.2	-	0.43
Нитрометан	37.78	3.56	27.70	193.3		6.0	0.49	0.64
Октанол-1	10.00	1.76	21.70	194.4		3.4	-	-
Пентан	1.84	0.0	15.65	129.7		0	0	0
Пиридин	12.4	2.37	21.27	169.5		5.3	0.55	0.71
Пропанол-1	20.33	1.657	25.10	212.2		4.0	0.55	0.82
ИПС	19.13	1.66	25.30	202.5		3.9	0.55	0.82
Сероуглерод	2.60	0.06	20.45	137.2		1.0	0.12	0.15
ТГФ	7.39	1.75	20.21	156.5		4.0	0.44	0.51
Толуол	2.37	0.36	19.49	141.8		2.4	0.23	0.30
Трихлорэтилен	3.40	0.9	19.02	150.2		-	-	-
Триэтиламин	2.42	0.66	15.34	134.3		1.9	0.42	0.54
СН3СООН	6.30	1.7	20.70	216.4		6.0	-	>1
Формамид	111.0	3.37	36.61	237.2		7.3	-	-
Хлорбензол	5.62	1.53	19.40	156.9		2.7	0.24	0.31
1-Хлорбутан	7.4	2.11	18.24	-		1.0	-	0.26
Метиленхлорид	8.93	1.14	21.85	170.3		3.1	0.30	0.40
1-Хлорпропан	8.1	1.97	16.97	156.5		-	-	0.30
Хлороформ	4.72	1.15	20.19	163.5		4.1	0.26	0.36
Циклогексан	2.02	0.0	16.77	129.4		0.2	0.02	0.04
Циклопентан	1.97	0.0	16.57	-		0.1	-	0.05
ССl4	2.23	0.0	17.59	135.5		1.6	0.11	0.18
Этанол	24.55	1.68	27.92	217.1		4.3	0.60	0.88
Этилацетат	6.02	1.88	19.58	159.5		4.4	0.48	0.60
Этиленгликоль	37.7	2.28	34.77	235.6		6.9	0.85	1.11

Проанализированные критерии полярности и элюирующей силы устанавливают похожие в большей или меньшей степени порядки изменения полярности растворителей, т.е. между разными шкалами полярности (элюотропными рядами) прослеживаются приближенные корреляции. Вместе с тем, в отдельных случаях некритичное использование конкретного критерия может приводить к промахам в оценке хроматографических свойств ПФ, так как ни один их них не учитывает в полной мере всего комплекса взаимодействий и явлений, сопутствующих хроматографическому процессу.