Глава 3. Изобары температуры кипения бинарных

элюентов

3.1. Азеотропные составы бинарных растворителей, перспективы применения в вэжх

Температура кипения является одним из важных критериев при выборе оптимальных растворителей для ВЭЖХ. Она должна быть достаточно высокой для предотвращения закипания в головках насоса. Паровые пузыри препятствуют работе клапанов насоса. Кроме того, попадание пузырей в ячейку детектора блокирует детектирование. Еще один недостаток легкокипящих жидкостей заключается в том, что при их использовании в многокомпонентных ПФ состав последних нестабилен из-за испарения низкокипящего компонента, что приводит к невоспроизводимости величин удерживания. В случае высокой токсичности или воспламеняемости летучего компонента возникают дополнительные проблемы, обусловленные требованиями техники безопасности лабораторных работ. С другой стороны, если используется не аналитический, а препаративный режим ВЭЖХ, для облегчения выделения образцов из полученных фракций путем испарения ПФ требуется достаточно низкая температура кипения. В препаративной ЖХ имеет значение и такое свойство смешанных растворителей, связанное с температурой кипения, как способность образовывать азеотропные смеси. Выделение нелетучих препаратов оптимально проводить азеотропной однократной перегонкой ПФ. Азеотропные смеси выгодны для применения в качестве ПФ и в аналитической ЖХ, поскольку регенерируются простой перегонкой, после чего могут употребляться повторно. Следует отметить, что половина изученных жидких смесей азеотропна, а из используемых в хроматографии жидких смесей азеотропны примерно три четверти!

Рассмотрим с точки зрения практической ВЭЖХ изменения температуры кипения в зависимости от объемной доли модификаторов в бинарных ПФ и обсудим возможности применения азеотропных смесей в этом качестве.

При изучении изобарических кривых состав жидкости выражают в молярных долях или процентах (заданная таким образом концентрация не зависит от температуры и впрямую отражает стехиометрию физико-химических процессов), причем ради единообразия на диаграммах слева направо откладывают концентрацию компонента, имеющего более низкую Т_кип. В данной работе все данные отнесем к концентрации модификатора в объемных долях при комнатной температуре (20 ^оС). Модификатор, независимо от того, является ли он более или менее летучим, чем разбавитель, будет фигурировать как второй компонент системы. Предметом рассмотрения является не объемный состав жидкости в точке кипения, а Т_кип, которую будет иметь ПФ определенного состава, приготовленная при комнатной температуре, если ее довести до точки кипения. Значения Т_кип в свою очередь отнесены к атмосферному давлению. Экспериментальные значения Т_кип бинарных смесей взяли из [19-23,27], концентрацию модификатора в смеси пересчитали из мольной доли х₂ в объемную долю ₂ с учетом эффекта сжатия или расширения объема смеси.

В табл. 56 приведены азеотропные смеси, температуры кипения разбавителя (Т₁), модификатора (Т₂) и азеотропных смесей (Т_А). Содержание модификаторов для сравнения выразили в массовых долях (m₂), объемных долях с учетом (₂) и без учета эффектов сжатия или расширения смеси (_2адд). В азеотропных смесях, применимых в качестве ПФ для НФХ, неаддитивность объемных свойств проявляется незначительно, величины ₂ и _2адд практически не различаются. В водных азеотропных смесях (ПФ для ОФХ) эти различия выражены сильнее, однако азеотропные составы находятся в областях ₂, в которых отклонения от аддитивности не максимальны. Наиболее сильное сжатие водноспиртовых или воднокетонных смесей 2-5% имеет место в диапазоне ₂=0.4-0.6. Для прогноза температуры кипения бинарной ПФ произвольного состава при оптимизации условий хроматографирования в [1,27] предложено использовать рациональную функцию (3.2), проходящую через три важнейшие экспериментальные точки Т₁,Т₂ и Т_А,

, (83)

где Т₁₂ - температура кипения бинарной ПФ, а Т₁ и Т₂ − Т_кип разбавителя и модификатора. Уравнение (83) составлено таким образом, что при ₂=0, Т₁₂=Т₁, при ₂=1 Т₁₂ =Т₂, коэффициенты А и В оптимизированы так, что экстремум функции Т₁₂=f(₂) при ₂, соответствующей составу азеотропной смеси (_А), близок к экспериментальному значению Т_А. В табл. 57 приведены значения А и В для 21 бинарной системы, по которым можно оценить произвольную величину Т₁₂ для конкретной ПФ. Следует отметить, что литературные данные по составу, температурам кипения азеотропных смесей, по самому факту азеотропии для тех или иных пар растворителей, а также по измерениям изобар бинарных систем обнаруживают большие расхождения, поэтому иногда достаточно трудно оценить, насколько точно экспериментальные изобары описываются функцией (83). В табл. 56 внесены только согласованные в двух и более публикациях данные. Сопоставление расчетных значений Т₁₂ с экспериментальными Т₁₂, показывает, что в целом функции типа (83) неплохо аппроксимируют эмпирические изобары (r>0.91), как правило, лучше, чем полиномы 2-й или 3-й степени, особенно для систем, у которых экстремум сильно удален от эквиобъемного состава. Во всем диапазоне ₂ =0-1 это уравнение хорошо описывает эксперимент для систем вода – этанол, вода – метанол и др. Для систем гексан ‒ хлороформ, вода – ацетонитрил уравнение адекватно аппроксимирует восходящую ветвь изобары (диапазоны ₂ равные 0.60-1 0.80-1 соответственно). В системе гексан – ИПС, наоборот, оно точнее описывает нисходящую ветвь изобары (диапазоны ₂ равные 0-0.40). По всей видимости, для многих азеотропных систем уравнение (83), позволяя точно охарактеризовать экспериментальные значения Т₁₂ вблизи экстремума, без систематических отклонений может описать только одну ветвь изобары, что не помешало использовать его для априорных расчетов с прикладными целями.

Анализ данных табл. 83 с применением обобщенных критериев полярности позволил выявить два правила.

Правило 1. Концентрация модификатора в азеотропной ПФ для НФХ тем выше, чем выше ее суммарная полярность. Это правило соблюдается как для малополярных ПФ, разбавителем в которых служат углеводороды (рис. 34, линия I, Р^о=0.036+0.181_А, R=0.963), так и для полярных нормально-фазовых ПФ, содержащих в качестве модификатора метанол (линия III, Р^о_сум = 0.184+0.377_А, R=0.977). При достижении определенного предела в величине суммарной полярности азеотропия отсутствует. Таким образом, при использовании в качестве неполярного разбавителя гексана, гептана, изооктана или циклогексана (алкана или циклоалкана) не удается получить азеотропные смеси с полярностью Р^о_сум ≥0.23. При использовании системы разбавитель – метанол азеотропия отсутствует при величине Р^о_сум, соответствующей полярности чистого метанола.

Правило 2. Концентрация модификатора в азеотропной ПФ для ОФХ тем выше, чем меньше суммарная полярность. Линия азеотропов II (рис. 34, Р^о=0.586_А-0.141, R=0.923), и фрагмент линии метанольных азеотропов III подчиняются этому правилу. Оказалось, что модификаторы с полярностью, как у чистого метанола и выше, не способны образовывать с водой азеотропных смесей (2-аминоэтанол, этиленгликоль, пропандиолы) [1]. Не создают с водой азеотропы некоторые менее полярные растворители - уксусная кислота и ДМФА. По-видимому, это связано с характером изменения водородных связей при смешении с водой данных растворителей. Это, как видим, сильно ассоциированные растворители с Н-связью или апротонные высокодиполярные растворители (ДМФА, ДМСО).

Если рассмотреть влияние полярности модификатора на состав азеотропа в системах с общим разбавителем, например, гексан – модификатор (НФХ) или вода – модификатор (ОФХ), нетрудно заметить, что с увеличением полярности модификатора, его доля в азеотропной нормально-фазовой смеси уменьшается, стремясь к ₂=0, и увеличивается в ОФХ, стремясь к ₂=1. По сути дела, найдены оригинальные полиазеотропные системы. Классические полиазеотропные системы – это серия азеотропов, у которых один компонент общий, а другим компонентом являются члены гомологического ряда.

Результаты исследований [27] позволяют сделать ценный практический вывод, что, варьируя тип модификатора и разбавителя, становится возможным подобрать такую азеотропную ПФ, которая будет иметь суммарную полярность, оптимальную по эффективности и селективности для хроматографического разделения конкретной смеси сорбатов, а также приемлемую для имеющегося оборудования Т_кип. Азеотропные ПФ для НФХ могут содержать от 3 до 70 объемных % модификатора, а водные азеотропные ПФ для ОФХ могут содержать не более 30% органического модификатора.

Таблица 56. Составы и Т_кип азеотропных бинарных смесей, служащих ПФ

№	Система		Т1		Т2		ТА		m2		2		2адд
1 Циклогексан – 1,4-диоксан		80.8		101.3		79.5		0.75		0.692		0.698
2 Циклогексан –1,2-дихлорэтан		80.8		57.3		75		0.50				0.384
3 Циклогексан – ИПС		80.8		97.3		75		0.19				0.185
4 Циклогексан – этилацетат		80.8		77.1		71.6		0.44		0.399		0.404
5 Гексан – ИПС		68.8		97.3		66		0.04		0.032		0.033
6 Гексан – ИПС		68.8		82.4		63		0.23		0.197		0.200
7 Гексан – бутан-1-ол		68.8		117.7		68		0.03				0.025
8 Гексан – трет-бутанол		68.8		82.4		64		0.22				0.192
9 Гексан – этанол		68.8		78.3		58		0.21		0.179		0.182
10 Гексан – ТГФ		68.8		65.7		63		0.54		0.459		0.465
11 Гексан – 1,4-диоксан		68.8		101.3		Неазеотропна
12 Гексан – хлороформ		68.8		61.2		60		0.72		0.529		0.532
13 Гексан – 1,2-дихлорэтан		68.8		57.3		Неазеотропна
14 Гептан – 1,4- диоксан		98.4		101.3		91.9		0.56		0.452		0.457
15 Дихлорметан – метанол		40.0		64.7		38		0.07				0.112
16 Бензол – метанол		80.1		64.7		58		0.39		0.416		0.416
17 Диэтиловый эфир – метанол		34.6		64.7		Неазеотропна
18 Хлороформ – метанол		61.2		64.7		53		0.13		0.219		0.220
19 Этилацетат – метанол		77.1		64.7		62		0.49		0.523		0.523
20 ТГФ – метанол		65.7		64.7		59.1		0.69		0.715		0.714
21 Метанол – ацетонитрил		81.6		64.7		63		0.81		0.814		0.814
22 Вода – ацетон		100		56.4		56		0.88		0.919		0.903
23 Вода – бутанон		100		79.8		73		0.89				0.910
24 Вода – ИПС		100		97.3		88		0.87				0.815
25 Вода – ИПС		100		82.4		80		0.88		0.913		0.903
26 Вода – уксусная кислота		100		118		Неазеотропна
27 Вода – этанол		100		78.3		78.2		0.96		0.981		0.968
28 Вода – 1,4-диоксан		100		101.3		88		0.82		0.820		0.816
29 Вода – ацетонитрил		100		81.6		77		0.84		0.878		0.871
30 Вода – трет-бутанол		100		82.4		80		0.88				0.904
31 Вода – ТГФ		100		65.7		63.5		0.82		0.840		0.834
32 Вода – метанол		100		64.7		Неазеотропна
33 Вода – ДМФА		100		153.0		Неазеотропна
34 Вода – этиленгликоль		100		197.8		Неазеотропна

В табл. 58 приведены некоторые примеры вероятных областей приложения азеотропных смесей в ВЭЖХ, почерпнутые из анализа суммарных полярностей ПФ, нашедших применение в хроматографическом разделении различных классов органических соединений, использующихся в технологиях тонкого органического синтеза, биохимии, медицине и пищевой химии. Широкие дополнительные возможности в успешном применении азеотропных ПФ следует ожидать при варьировании типа и свойств хроматографических колонок (НФ).

Таблица 57. Коэффициенты А и В уравнения (83) для бинарных систем

Система	А	В
Циклогексан – 1,4-диоксан Циклогексан – этилацетат Гексан – ИПС Гексан – ИПС Гексан – этанол Гексан – ТГФ Гексан – хлороформ Гептан – 1,4- диоксан Бензол – метанол Хлороформ – метанол Этилацетат – метанол ТГФ – метанол Ацетонитрил – метанол Вода – этанол Вода – ацетон Вода – ИПС Вода - 1,4-диоксан Вода – ацетонитрил Вода – ТГФ Вода – метанол Вода - уксусная кислота	-0.9495 3.625 26.45 5.785 14.98 2.08 5.12 0.352 7.592 10.745 4.621 -0.603 47.89 4.73 0.208 -0.619 -0.766 -0.521 0.196 13.1 -0.891	-0.0363 -0.809 -9.96 -2.218 -5.51 -0.408 -0.515 -0.343 -2.185 -3.139 -0.899 -0.219 -3.08 0.25 -0.883 -0.302 -0.197 -0.386 -0.775 6.203 0.0001

Рис. 34. Корреляции суммарной полярности бинарных азеотропных систем от объемной доли модификатора; системы типа углеводород – модификатор (I), вода – модификатор (II), разбавитель – метанол (до № 20 включительно) (III). Номера систем см. в табл. 56.

Таблица 58. Возможные области применения азеотропных ПФ [42]

Класс соединений	Диапазон Ро	Эквиполярные азеотропные ПФ ( табл. 56)
Аминогликозиды (антибиотики)	0.10-0.22 (НФХ, ОФХ)	1, 2, 4, 10, 12, 14
Барбитураты	0.02-0.03 (НФХ)	5, 7
Витамины группы А	0.02-0.06 (НФХ) 0.46-0.58 (ОФХ)	2, 3, 4, 5, 7, 9, 10, 12, 14 21, 24, 29
Витамины группы Е	0.02-0.13 (НФХ) 0.54-0.58 (ОФХ)	2, 3, 4, 5, 7, 9, 10, 12, 14 нет
Витамины группы Д	0.02-0.23 (НФХ) 0.23-0.56 (ОФХ)	2, 3, 4, 5, 7, 9, 10, 12, 14 18, 20, 21, 24, 25, 27, 28, 29
Каротиноиды	0.02-0.10 (НФХ) 0.40-0.60 (ОФХ)	2, 3, 4, 5, 7, 9, 10 20, 21, 24, 25, 27, 28, 29
Гормональные препараты стероидного типа	0.03-0.22 (НФХ) 0.63-0.89 (ОФХ)	2, 3, 4, 5, 7, 9, 10, 12, 14 нет
Липиды	0.02-0.22 (НФХ) 0.49-0.58 (ОФХ)	2, 3, 4, 5, 7, 9, 10, 12, 14 29
Производные пурина	0.35-0.87 (ОФХ)	19, 20, 21, 22, 21, 25, 27, 28, 29, 30
Цветообразующие компоненты фотоматериалов	0.02-0.10 (НФХ)	2, 3, 4, 5, 7, 9, 10

Таким образом, при оптимизации качественного и количественного состава ПФ при разработке рутинных методик анализа полезно учитывать температуру кипения и способность образовывать азеотропные смеси в области составов, имеющих полярность, обеспечивающую оптимальную элюирующую силу в конкретной хроматографической системе. Последнее особенно важно для массовых анализов и для препаративной ЖХ, так как многократное применение ПФ после простой перегонки существенно снизит стоимость одного анализа или препаратов, получаемых хроматографическим разделением.