пособие_1_2022

Таблица 6.4

Интервалы химических сдвигов протонов различного типа

0,8...1,0

101

ними не превышает двух-трех ковалентных связей. Расстояние между ближайшими линиями мультиплета измеряется в герцах и называется констан-

той спин-спинового взаимодействия (J).

Мультиплетность (М), т. е. степень расщепления сигнала, определяется по формуле M = n + 1, где n – количество соседних протонов. В приведенном на рис. 6.7 ПМР-спектре метилпропионата протоны группы –ОСН3 не вступают в спин-спиновое взаимодействие и проявляются в виде синглета (в). Три эквивалентных протона группы –СН3 имеют 2 соседних протона и в результате спинспинового взаимодействия (n + 1 = 3) дают сигнал в виде триплета (а). Протоны метиленовой группы –СН2–, взаимодействуя с тремя протонами группы –СН3 (n + 1 = 4), проявляются в спектрев видеквартета(б).

В более сложных случаях, когда расщепление сигнала вызвано спинспиновым взаимодействием с двумя или более группами неэквивалентных протонов, мультиплетность сигнала определяется произведением мультиплетностей, обусловленных каждой из этих групп в отдельности.

Мультиплетность и константа спин-спинового взаимодействия имеют важное значение для структурного анализа. Мультиплетность указывает на количество протонов вблизи от данного. Константа спин-спинового взаимодействия зависит от природы химической связи и пространственного расположения взаимодействующих протонов, что позволяет применять ПМРспектроскопию для изучения стереохимических особенностей молекул.

6.2.4. Масс-спектрометрия

Масс-спектрометрия относится к деструктивным методам анализа. Она основана на ионизации молекул исследуемого вещества и регистрации спектра масс образовавшихся ионов. Существует несколько методов ионизации, но наиболее распространен в настоящее время метод электронного удара, когда вещество в газовой фазе подвергается бомбардировке пучком ускоренных электронов. В этих условиях первоначально из нейтральной молекулы (М) выбивается один электрон и образуется положительно заряженный ион – молекулярный ион (катион-радикал М+•), который затем претерпевает ряд последовательных распадов с образованием более мелких положительно заряженных ионов (фрагментарных ионов) и нейтральных частиц:

103

После ускорения в сильном электростатическом поле поток положительно заряженных ионов дифференцированно разделяется в переменном магнитном поле в зависимости от отношения их массы к заряду (m/z) и регистрируется в виде спектра. Ввиду того, что обычно заряд иона равен единице, отношение m/z является мерой массы частиц. В масс-спектре каждый положительно заряженный ион проявляется в виде отдельного сигнала (пика), положение которого определяется массой иона (точнее, отношением массы к заряду), а интенсивность (высота) сигнала пропорциональна количеству ионов с данной массой (рис. 6.8).

Ниже приведена фрагментация молекулярного иона гексана (числа под ионами обозначают m/z):

Рис. 6.8. Масс-спектр гексана

При низкой энергии пучка электронов (~10 эВ) наиболее интенсивный пик в спектре, как правило, соответствует молекулярному иону исходной молекулы. При более высоких энергиях ионизации (обычно ~70 эВ) интенсив-

104

ность пика молекулярного иона падает за счет его дальнейшего распада. Направления распада молекулярного иона и последующих распадов фрагментарных ионов определяются строением молекулы, поэтому масс-спектр характеристичен для каждого соединения. В целом распад ионов подчиняется обычным для органических реакций закономерностям и определяется местом локализации заряда и стабильностью образующихся при распаде частиц. Отношение массы к заряду для молекулярного иона соответствует молекулярной массе исследуемого вещества.

Масс-спектрометрию используют для установления структуры органических соединений, их идентификации и определения молекулярной массы веществ. Высокая чувствительность метода, а также то, что для получения результата достаточно небольшого количества вещества (до 10–12 г), позволяет широко применять масс-спектрометрию в судебной экспертизе.

6.2.5. Дифракционные методы

Дифракционные методы исследования структуры основаны на изучении распределения интенсивности рассеянного веществом излучения. Как правило, в этих методах используют рентгеновские лучи (рентгенография), ускоренные электроны (электронография) или нейтроны (нейтронография). В результате интерференции рассеянного излучения получается дифракционная картина – система максимумов и минимумов интенсивности, которую фиксируют на фотопленке в виде пятен с различной степенью затемнения или регистрируют другим способом. Расположение дифракционных максимумов и их интенсивности зависят от структуры анализируемого вещества.

Метод рентгенографии используют для исследования пространственного расположения атомов в молекуле. Он основан на изучении дифракции рентгеновских лучей, имеющих длины волн, соизмеримые с межатомными расстояниями.

С помощью такого рентгеноструктурного анализа исследуют главным образом вещества в кристаллической форме. Рентгеновские лучи рассеиваются в результате взаимодействия с электронными оболочками атомов вещества. На основании исследования дифракционной картины (рентгенограммы) строят карты электронной плотности молекулы, соединяя непрерывной линией точки с одинаковой электронной плотностью. Из этих же данных рассчитывают межатомные расстояния и валентные углы, а затем строят пространственную модель молекулы.

105

Метод электронографии основан на дифракции ускоренных электронов на ядрах атомов. Анализ дифракционной картины (электронограммы) позволяет установить расположение атомов, межъядерные расстояния и валентные углы. Использование электронографии для больших органических молекул затруднено из-за сложности расшифровки дифракционной картины.

Метод нейтронографии основан на дифракции монохроматических пучков медленных нейтронов. Преимущество метода нейтронографии по сравнению с другими дифракционными методами исследования заключается в возможности установить пространственное положение атомов водорода, что особенноважноприизучениибиообъектов.

6.2.6. Хроматография и капиллярный электрофорез

Хроматография – это метод разделения и определения веществ, основанный на распределении компонентов между двумя фазами: подвижной и неподвижной.

Неподвижной (стационарной) фазой служит твердое пористое вещество (его часто называют сорбентом) или пленка жидкости, нанесенная на твердое вещество.

Подвижная фаза представляет собой жидкость или газ, протекающий через неподвижную фазу (иногда под давлением).

Компоненты анализируемой смеси (сорбаты) вместе с подвижной фазой передвигаются вдоль стационарной фазы, которую обычно помещают в стеклянную или металлическую трубку, называемую колонкой. В зависимости от силы взаимодействия с поверхностью сорбента (за счет адсорбции или по иному механизму) компоненты будут перемещаться вдоль колонки с разной скоростью. Одни компоненты останутся в верхнем слое сорбента, другие, в меньшей степени взаимодействующие с сорбентом, окажутся в нижней части колонки, а некоторые и вовсе покинут колонку вместе с подвижной фазой (такие компоненты называются неудерживаемыми). Таким образом происходит быстрое разделение сложных смесей компонентов.

Многочисленные методы хроматографии классифицируются по агрегатному состоянию фаз, механизму разделения и технике проведения разделения, а также по способу проведения процесса разделения: фронтальный, вытеснительный и элюентный.

Хроматограмма, отражающая зависимость сигнала прибора (ось ординат) от времени или объема подвижной фазы (ось абсцисс), представляет собой со-

106

вокупность пиков разделяемых компонентов. Обычно отдельный пик представляет собой гауссовскуюкривую (рис. 6.9).

Полученная хроматограмма анализируемой смеси позволяет определить ее качественный и количественный состав. Качественными характеристиками определяемых веществ являются их времена удерживания (объемы удерживания) и другие показатели удерживания (коэффициенты емкости, индексы удерживания). Для целей идентификации используют также корреляционные зависимости параметров удерживания от некоторых физико-химических свойств соединений в гомологическом ряду (например, от числа метиленовых групп, от температуры кипения и т. д.). Сопоставление площадей или высот хроматографических пиков позволяет оценить количественный состав смеси.

Рис. 6.9. Хроматограмма смеси углеводородов

Газовая хроматография (ГХ) – это метод разделения летучих, термостабильных соединений, к которым относятся ~5 % известных органических соединений, но именно эти соединения составляют 70…80 % соединений, используемых человеком в сферах производства и быта. Подвижной фазой служит инертный газ (газ-носитель), протекающий через неподвижную фазу, имеющую большую поверхность. В качестве подвижной фазы можно использовать водород, гелий, азот, аргон и углекислый газ. Газ-носитель обеспечивает перенос разделяемых компонентов по хроматографической колонке и не взаимодействуетнисразделяемыми веществами, ни снеподвижной фазой.

107

Дозирование и ввод пробы осуществляются с помощью медицинского шприца или микрошприца (для парообразной или жидкой пробы соответственно) либо дозирующей петли. Пробы вводятся через резиновую мембрану в специальное устройство для испарения пробы (испаритель). Затем потоком газа-носителя проба переносится в термостатированную колонку. Система детектирования состоит из детектора и регистрирующего устройства. Испаритель и детектор также термостатируют.

В газовой хроматографии используют широкий круг детекторов. Универсальным является катарометр (детектор по теплопроводности), принцип действия которого основан на изменении температуры нагретых нитей (чувствительных элементов) в зависимости от теплопроводности окружающего газа, которая определяется его составом.

Для анализа органических соединений наиболее широко используется пламенно-ионизационный детектор (ПИД) – универсальный чувствительный детектор, принцип действия которого основан на измерении электропроводности воздушно-водородного пламени, которая резко возрастает при попадании

внего малых количеств органических веществ. Отклик ПИД пропорционален количеству атомов углерода в молекуле, причем этот отклик мало меняется при переходе от одного класса органических соединений к другому. Кроме того, существует ряд селективных детекторов, чувствительных к определенным классам органических соединений. К ним относятся термоионный, электронозахватный и фотоионизационный детекторы.

Наиболее информативным и чувствительным детектором, используемым

вгазовой хроматографии, является масс-спектрометрический детектор.

Принцип его действия основан на том, что при ионизации молекулы в вакууме образуется группа характеристических ионов. Количество образующихся ионов пропорционально количеству поступающего вещества. Регистрируется изменение полного ионного тока, который пропорционален количеству ионов. Одновременно с записью хроматограммы (зависимости полного ионного тока от времени) в любой ее точке, обычно на вершине хроматографического пика, может быть зарегистрирован масс-спектр (зависимость интенсивности ионного тока от массы иона). Масс-спектрометр в отличие от других спектроскопических детекторов регистрирует не излучение или поглощение энергии молекулами или атомами вещества, а сами частицы вещества, измеряет их массы (точнее – отношение массы к заряду). Таким образом, масс-спектрометрический детектор можно рассматривать как универсальный

108

детектор, который позволяет определить состав анализируемой смеси и идентифицировать разделяемые компоненты.

Различают 2 варианта метода: газоадсорбционный, когда неподвижной фазой служит твердый носитель, и газожидкостный, когда неподвижной фазой является вязкая, нелетучая жидкость, нанесеннаянаинертныйноситель.

Вгазоадсорбционной хроматографии разделение основано на различии

вадсорбции на поверхности твердого носителя (адсорбента). Адсорбция может быть обусловлена неспецифическими (ориентационными, индукционными и дисперсионными) и специфическими взаимодействиями (комплексообразованием либо образованием водородной связи) и зависит от природы адсорбента и сорбата. На практике чаще используют газо-жидкостную хроматографию, благодаря многообразию неподвижных фаз.

Вгазожидкостной хроматографии разделение компонентов пробы достигается за счет многократного повторения процессов распределения между движущейся газовой и неподвижной жидкой фазами. Скорость миграции компонентов зависит от их летучести и способности растворяться в стационарной жидкой фазе. Компоненты с низкой растворимостью в жидкой фазе и наибольшей летучестью при данной температуре продвигаются по колонке быстрее, чем компоненты с низкой летучестью и высокой растворимостью в стационарной фазе. Чембольше подвижность, темменьше время удерживания.

Вкачестве носителя неподвижной фазы наиболее часто используют диатомитовые носители, стеклянные шарики, силикагель и политетрафторэтилен. Неподвижные фазы должны быть химически и термически стабильны, а также должны смачивать носитель и наноситься на его поверхность равномерной пленкой. В качестве неподвижных фаз используют углеводороды, силоксаны с радикалами различной полярности, эфиры простые и сложные, полиэфиры, полигликоли, фталаты и фосфаты. Выбор неподвижной фазы зависит от полярности разделяемых соединений и от их способности образовывать водородные связи.

При разделении сложных смесей компонентов с близкими химическими и физическими свойствами и смесей, состоящих из большого количества разнообразных веществ, на первый план выдвигаются повышенные требования к качеству работы хроматографической колонки. Этим требованиям отвечают капиллярные колонки без носителя, когда пленка неподвижной фазы наносится на внутреннюю поверхность капилляра. Чтобы достичь высокой разделяющей способности колонок, на внутренние стенки капиллярной трубки должна быть нанесена однородная равномерная пленка жидкости.

109

Жидкостная хроматография (ЖХ) – метод разделения и анализа сложных смесей веществ, в котором подвижной фазой является жидкость.

Подвижная фаза в жидкостной хроматографии выполняет двоякую функцию:

1)обеспечивает перенос десорбированных молекул по колонке (подобно подвижной фазе в газовой хроматографии);

2)регулирует константы равновесия, а следовательно, и удерживание в результате взаимодействия с неподвижной фазой (сорбируясь на поверхности) и с молекулами разделяемых веществ.

В ЖХ природа подвижной фазы имеет существенно большее значение.

Врезультате комбинации ограниченного количества сорбентов и неограниченного количества различных по составу подвижных фаз можно решать многие практические задачи. Методом ЖХ можно разделять значительно большее количество веществ, чем методом ГХ, поскольку большинство веществ не летучи, а многие вещества неустойчивы при высоких температурах.

ВЖХ разделение обычно происходит при комнатной температуре.

ЖХ подразделяется на варианты в соответствии с характером основных проявляющихся межмолекулярных взаимодействий:

–в эксклюзионной хроматографии разделение компонентов осуществляется за счет различия в растворимостях молекул при их прохождении (фильтрации) через слой сорбента;

–в адсорбционной хроматографии – за счет различия в адсорбируемостях молекул, проходящих через слой частиц сорбента, покрытых неподвижной фазой ввидетонкого слоя илиповерхностно привитыхрадикальных групп;

–в ионообменной и ионной хроматографии – за счет разницы в способ-

ности к обмену ионами с ионообменниками.

В зависимости от природы подвижной (ПФ) и неподвижной (НФ) фаз различают нормально-фазовую хроматографию и обращенно-фазовую хроматографию.

В нормально-фазовой хроматографии НФ полярна (чаще всего это си-

ликагель), а ПФ неполярна (гексан либо смеси гексана с более полярными органическими растворителями – хлороформом, спиртами и т. д.). Удерживание веществ растет с увеличением их полярности. Разделения компонентов достигают, меняя элюрующую силу подвижной фазы, которая зависит от энергии взаимодействия компонентов ПФ с поверхностью НФ.

110