книги из ГПНТБ / Тюкавкина Н.А. Хроматография на полиамидных сорбентах в органической химии

смесью почти мгновенно, тогда как на иеацетилпроваииом по­ рошке этот процесс происходит медленно.

Это убедительно свидетельствует о том, что сорбция |5-паф- толораижа на полиамиде происходит за счет одновременного участия двух активных центров — амидных звеньев и конце­ вых аминогрупп.

Несмотря на обширность литературного материала по спо­ собам получения и фнзико-хпмическпм свойствам полиамидных сорбентов, приведенного в настоящей главе, можно, однако, сделать заключение о том, что до сих пор остаются нерешен­ ными многие вопросы, касающиеся методов получения сорбен­ тов с заданными сорбционпыми характеристиками, методов стандартизации сорбентов по размерам частиц, по величине молекулярного веса и т. д.

Г Л А В А 2

О МЕХАНИЗМЕ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ПОЛИАМИДНЫХ СОРБЕНТАХ

Большой экспериментальный материал позволил обосно­ вать теоретические принципы хроматографического процесса на полиамидных сорбенсах.

Основным центром сорбции была признана амидная группи­ ровка полиамидной макромолекулы. Хроматограф'ируемые ве­ щества адсорбируются за счет образования обратимых водо­ родных связей между протонодопорпой группой и центром сорб­ ции. Селективная элюция их происходит путем разрушения этих связей при конкурентном действии системы растворите­ лей [362, 363, 397, 401, 445, 459]. Такой взгляд на механизм хроматографии на полиамиде может быть распространен на вещества с протонодонорными группами: гидрокснльной, амнппой, имииной, сульфогруппой, пероксикарбоксилом, карбокси­ лом, фосфорнокпслотным остатком.

Однако в круг веществ, хорошо разделяемых па полиамиде,' вошли соединения и с электрофильными функциональными группами: хинопы, нитро- и цпаносоедииения, альдегиды и др. По отношению к этим веществам центром сорбцци выступают уже не амидиые, а концевые амнниые группы полиамидной мо­ лекулы [359, 361, 402, 404].

Такие теоретические воззрения были подтверждены много­ численными экспериментальными данными. Но с накоплением опыта и расширением диапазона применения полиамида как сорбента все чаще стала подвергаться сомнению универсаль­ ность этой теории. Вновь получаемые данные не укладывались в рамки этих воззрений, а иногда и противоречили им. В связи с этим все больше стала развиваться такая точка зрения, что хроматография на полиамиде может происходить как обычный или обращонно-фазовый распределительный процесс [310. 318— 320, 352, 353, 415, 470, 532, 689, 733]. В этом сказались особен­ ности полиамида как сорбента органического происхождения, сочетающего в составе своей макромолекулы липофилыше и гидрофильные свойства.

В зависимости от полярности выбранной элюептпой системы полиамид, рассматриваемый как стационарная фаза, может

оказаться более полярным, чем элюеит, илп наоборот. Разви­ тие теоретических представлений о распределительном про­ цессе на полиамиде обогатило исследователей новым подходом к выбору и расширению ассортимента элюентных систем за счет привлечения растворителей неполярного характера (бен­ зол, циклогексан, иетролейный эфир, гексан и т. д.). Кроме этого, теория распределительной хроматографии заставила об­ ратить большое внимание па качество и характер используе­ мых полиамидных поверхностей.

Вопрос о механизме хроматографии па полиамиде остается до сих пор в значительной степени открытым. Он привлекает внимание многих исследователей. В некоторых работах по­ следних лет подтверждается вновь адсорбционная теория с тем отличием, что процесс десорбции рассматривается как сольва­ тация сорбированной молекулы подвижной фазой [270—273].

Интересно отметить, что на процесс хроматографии на поли­ амиде влияют не только нуклеофильные протоиодонорные или электрофильные функциональные группы, по п такие фраг­ менты в молекуле, как ароматическое ядро, двойная связь, диеновая система, азогруппировка, т. е. фрагменты с подвижной системой я-электронов. Наличие их в молекуле хроматографируемого вещества повышает его сорбциоипую активность к полиамиду.

Эти факты говорят о том, что хроматография на полиамиде является довольно сложным, мпогофакторным процессом. Сущ­ ность его может быть рассмотрена с позиций теоретических воз­ зрений на процесс сорбции как на процесс электроиодонор- ного-электроноакцепториого взаимодействия [76]. Конкретные проявления этого взаимодействия будут зависеть от химической прпроды хроматографируемых объектов и компонентов элю­

t

1.АДСОРБЦИОННАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ НА ПОЛИАМИДНЫХ СОРБЕНТАХ

Адсорбция за счет образования водородных связей изучена на примере веществ фенольного характера [362, 363, 397, 401, 445, 459].

Реальность ассоциации фенольных гидрокенльных групп с амидными группами полиамида доказывается рядом специаль­ ных исследований. Известно, что между фенолом, с одной сто­ роны, и мочевиной [265, 345], дикетопиперазином [604] и раз­ личными амидами [260, 392, 393], с другой — образуются комп-

лексные соединения. Флетт [370] методом ИК-спектроскопии показал, что энергия связи NH-группы бензотолуидина или дифениламина с атомом кислорода диметилформамида состав­ ляет 3,8 и 3,6 ккал соответственно. Водородная связь фенольнон оксигруппы с кислородом диметилформамида имеет энер­ гию 6,4 ккал.

Канной [308] при изучении взаимодействия NH—СО-группы N-этилацетамида с ацетоном, этилацетатом, фенолом и му­ равьиной кислотой нашел, что водородные связп с протонодоиорпыми молекулами образует только СО-группа ампднои единицы. Группа же N H в амидном соединении относительно инертна и не образует водородные связи ни с протонодонорными, ни с протоноакцепторными молекулами.

Грасман [401] приводит 5 теоретически возможных случаев образования водородного мостика между фенолом и полиами­ дом: случаи (а) и (б), когда связывание фенольных ОН-групп происходит с кислородным атомом амидпой группы, и три дру­ гих случая (в), (г) и (д), когда связывание происходит с атомом азота:

(г)

Случай (д) не реализуется, так как по Флетту [370] прочность N H - • -О-связи меньше, чем ОН- • -О и ОН- ••N-связей. С по­ зиций исследования Каннона [308], не осуществляются и формы

(в) и (г), поскольку он достоверно доказал единственный путь взаимодействия амидпой группы с протонодопорами за счет карбонильной, а не иминной группы. Следовательно, водород­ ное связывание между фенолом и амидной группой происходит за счет взаимодействия протона фенольной гидроксильнои

центрацией фенола в растворе, что соответствует равновесному распределению. Коэффициент распределения фенола между вод­ ной фазой и полимером имеет в этой области значение 12,2. Форвард и Пальмер [389] нашли, что коэффициент распреде­ ления фенола между водой и пейлоном равен 14,3.

При концентрациях фепола в водном растворе приблизи­ тельно до 17 мг/мл кривая и..іеет ровный ход, что указывает на определенное насыщепие полиамида благодаря образова­ нию стабильного молекулярного соединения. Взятое коли­ чество фенола соответствует в этой области почти половине имеющихся пептидных групп. В дальнейшем кривая не стре­ мится к предельному значению, как при классической адсорб­ ции, а отгибается кверху при более высоких концентрациях фенола и становится все более крутой, что означает все более сильное поглощение фенола полиамидом.

Пока количество поглощенного фенола в молярном отно­ шении почти соответствует количеству полиамида (вычислено по мономеру), порошок остается еще достаточно зернистым,

ношению друг к другу в о/?тоо-положении, или три гидроксила, расположенные вицинально, выполняют в процессе адсорб­ ции функцию приблизительно одного гидроксила.

Грасман [401] на примере бифенпльпых оксисоединений по­ казал возрастание сродства к полиамиду с ростом числа ОНгрупп (табл. 10).

Хёрхаммер и Вагнер [452, 459] провели фронтальную элюцию с полиамидного сорбента флавонов и флавоиолов, отли­ чающихся друг от друга числом гидрокспльных групп, и также подтвердили это правило (рис. 4). Однако это правило про­ порциональности не соблюдается, если гидроксильные группы склонны к образованию внутримолекулярных водородных свя­ зей (табл. 11) [361].

При хроматографпрованип фенолов на ацетилированном полиамиде было показано, что большого отличия от поведе­ ния на обычном полиамидном порошке не' наблюдается (табл. 12).

Десорбция с полиамида рассматривается как результат дей­ ствия систем растворителей, которые либо проявляют способ­ ность образовывать с амидной группой полиамида прочный водородный мостик типа ОН- • -Н и при этом конкурируют с фенолом, либо действуют преимущественно как протоноакцепторы (ацетон) и сами проявляют сродство к фенолу.

Эггер [347] иллюстрирует элкмщю* флавоиолов с полиамида как процесс вытеснения вещества элюентом, способным, к во -

•h ° - 0 " n = n " 0 " d h

дороднодгу связыванию с сорбентом. Эту же схему элюции при­ водит Рандерат [609]:

Десорбция

WO-

зо

. Эяюаа. мл

Рис. 5. Десорбция фенола различными растворителями

сполиамидного порошка [397]:

Л— вода; 2 — 50к-ньгй этанол; 3 — 20к-ный ацетон; 4 — смесь

метилацетата, метанола и ацетона.

Поглощение фенола полностью обратимо, и полиамид можно регенерировать вымыванием фенола водой. Значительно быст­ рее фенол десорбируется с полиамида, если вместо воды ис-

пыми, то к такому полиамиду хшгоиы не проявляют прежней активности (см. рис. 6, 3).

Высокую активность к полиамиду проявляют ароматиче­ ские питросоедпнения. Эидрес, Грасман и Оппельт [359] вы­ сказали предположение о том, что за эту высокую активность ответственна именно пптрогруппа, н указали, что ее связыва­ ние с полиамидом нельзя объяснить традиционным образова­ нием водородных связей с амидной группой.

Грасмап, Хёрман п Портатпус [402] детально пзучпли во­ прос о механизме связывания ннтросоеднненпн с полиамидом. На рис. 7 приведены полученные ими изотермы сорбции ДНФглиципа на полиамиде в широкой области концентраций из различных растворителей.Из этаиольиого раствора (см. рис. 7, 2) ДНФ-глицип в области низких концентраций исключительно активно связывается с полиамидом. Одпако скоро достигается насыщение, которое соответствует концентрации 23,2 мкмоля ДНФ-глицппа/г полиамида. Поскольку количество свободных амппогрупп полиамида равно 24,0 мкмоля/г, то это дает воз­ можность предположить наличие взаимодействия между коицевыми аминогруппами полиамида п иптрогруппами хроматографируемых соединений. Это подтверждается и сорбцнонной изотермой ДНФ-глпцина на ацетилировайном полиамиде (см. рис. -7, 3). Небольшой наклон полученной прямой свидетель­ ствует о том, что первоначальная высокая активность ДНФглицина после ацотилироваппя концевых амппогрупп почти полностью исчезает. Остающийся наклон прямой может быть объяснен сорбцией ДНФ-глпцина за счет карбоксильной группы.

Сравнением поведеппя пекоторых других ароматических иитросоедннений на неацетилпровайном п ацетплированном поликапролактаме также подтверждается гипотеза о связы­ вании нитрогрупп с концевыми аминогруппами полиамида [402].

Сродство ароматических нитросоединенпй к свободным ами­ ногруппам объясняется способностью иитросоедннений обра­ зовывать льюнсовы кислоты. В литературе описаны молеку­ лярные соединения между ароматическими нптросоедппенпями и основаниями [304, 323, 525, 561, 721]. Для комплекса между нитробензолом и N-алкилаиилнном [323] определена константа ассоциации. По данным Брокманаи Мейера [305] и Фритца [387], ароматические нитросоединения титруются в неводных раство­ рах аминами как кислоты. Отсюда становится понятным, по­ чему введение электроиодопорпых заместителей в нитрован­ ное ароматическое ядро снижает сродство к полиамиду [402].

Грасман, Хёрман п Портатпус [402] считают, что хромато­ графия иитросоедннений на полиамиде, основанная на кис­ лотно-основном взаимодействии, приближается по характеру к ионообменной хроматографии. Поэтому элюция иитросоеди-