пособие_1_2022
.pdfВ обращенно-фазовой хроматографии НФ неполярна (гидрофобные си-
ликагели с привитыми группами С8, С18), а ПФ полярна (смеси воды и полярных растворителей – ацетонитрила, метанола, тетрагидрофурана и др.). Удерживание веществ растет с увеличением их гидрофобности (неполярности). Наименьшей элюирующей способностью обладает вода, а для повышения элюирующей способности в ПФ вводят ацетонитрил, метанол и другие растворители. Чем больше содержание органического растворителя, тем выше элюирующая способность подвижной фазы.
Высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ) отличается от остальных методов ЖХ применением высокого давления при пропускании подвижной фазы через колонку (до 25 МПа) и микрозернистого сорбента (размер частиц ~1 мкм) для разделения вещества в колонке длиной 2…30 см.
Система для разделения методом ВЭЖХ состоит из насоса, дозатора, колонки, детектора и регистрирующего устройства.
Для ввода пробы в ВЭЖХ используют дозирующую петлю и дозаторы с мембраной.
Наиболее распространенным детектором в адсорбционной ВЭЖХ является спектрофотометрический. В процессе элюирования веществ в специально сконструированной микрокювете измеряется оптическая плотность элюата при заранее выбранной длине волны, соответствующей максимуму поглощения определяемых веществ. Такие детекторы измеряют поглощение света в УФили видимой области спектра, причем первый вариант используется чаще. Возможности спектрофотометрического детектирования существенно расширились после появления детектора на диодной матрице, работающего как в УФ-, так и в видимой областях. В таком детекторе «матрица» фотодиодов (их более 200) постоянно регистрирует поглощение электромагнитного излучения в режиме сканирования. Это позволяет снимать при высокой чувствительности неискаженные спектры быстро проходящих через ячейку детектора компонентов. По сравнению с детектированием на одной длине волны, сравнение спектров, полученных в процессе элюирования пика, позволяет идентифицировать разделяемые компоненты с гораздо большей степенью достоверности. Принцип действия флуориметрического детектора основан на измерении флуоресцентного излучения поглощенного света. Поглощение обычно проводят в УФ-области спектра, длины волн флуоресцентного излучения превышают длины волн поглощенного света.
111
Флуориметрические детекторы обладают очень высокой чувствительностью и селективностью. Наиболее важная область их применения – детектирование ароматических полициклических углеводородов.
Амперометрический детектор применяют для определения органических соединений, которые могут быть окислены на поверхности твердого электрода. Очень информативен масс-спектрометрический детектор, который обладает высокой чувствительностью и селективностью. Основной проблемой при его использовании является проблема ввода потокаэлюентав масс-спектрометр.
Планарная хроматография имеет более узкую сферу применения, чем колоночная. Планарную хроматографию в любом из ее вариантов – бумажном или тонкослойном – используют только для разделения компонентов в условиях, когда подвижная фаза находится в жидком состоянии.
Впланарной хроматографии разделение осуществляют на плоскости: на листеспециальнойхроматографическойбумагиили напластинеиз тонкого слоя адсорбента, закрепленногонажесткойподложке.
По окончании разделения возможны самые разнообразные способы идентификации и определения содержания выделенных веществ: от прямого визуального наблюдения (без использования или с использованием предварительной обработки хроматограмм раствором проявляющего хроматограмму реагента) до точных измерений спомощью сканирующихдетектирующихустройств.
Втонкослойной хроматографии (ТСХ) обычно используют те же сорбенты и носители, что и в колоночной хроматографии.
Метод капиллярного электрофореза (КЭ) основан на разделении компо-
нентов сложной смеси в кварцевом капилляре под действием приложенного электрического поля (рис. 6.10). Микрообъем анализируемого раствора вводят в
капилляр, предварительно заполненный подходящим буфером – электролитом. После подачи к концам капилляра высокого напряжения (до 30 кВ) компоненты смеси начинают двигаться по капилляру с разными скоростями, зависящими, в первую очередь, от заряда и массы (точнее – от размера ионного радиуса), и соответственно в разноевремя достигаютзоны детектирования.
Полученная последовательность пиков называется электрофореграммой, при этом качественной характеристикой вещества является параметр удерживания (время миграции), а количественной – высота или площадь пика, пропорциональная концентрации вещества(рис. 6.11).
112
Рис. 6.10. Устройство системы капиллярного электрофореза
На заряженную частицу в простейшем случае действуют две противоположно направленные силы – сила электростатического притяжения и сила сопротивления движению частицы. При проведении разделения в капиллярах особенно важное значение приобретает электроосмотический поток (ЭОП), связанный с движением диффузной части двойного слоя, образующегося относительно заряженной поверхности внутренней стенки капилляра. Результирующая подвижность частиц μ определяется суммой электрофоретической и электроосмотической подвижностей.
Рис. 6.11. Электрофореграмма смеси водорастворимых витаминов
113
Подавляющее большинство разделений в КЭ проводят с использованием кварцевых капилляров, имеющих внешнее полимерное покрытие.
Уникальной особенностью ЭОП является плоский профиль потока в капилляре. Такой профиль выгоден, поскольку уменьшается размывание зон разделяемых веществ.
Разделение в КЭ может быть выполнено как с положительной, так и с отрицательной полярностью электродов. Зная значения констант диссоциации для компонентов пробы, можно выбрать буфер с подходящим значением рН и полярность электродов, чтобы образец двигался в сторону детектора.
Скорость миграции зависит от напряженности электрического поля, которая обычно составляет 200…400 В/см.
Существуют варианты капиллярного электрофореза, различающиеся по принципу и механизму разделения.
Капиллярный зонный электрофорез (КЗЭ) является наиболее распро-
страненным вариантом КЭ и предполагает использование одного буфера в качестве разделяющей среды. Разделение компонентов пробы основано на различиях в подвижности заряженных молекул или ионов.
Метод находит широкое применение при определении пептидов, белков, аминокислот, лекарственных препаратов, неорганических ионов и многих других объектов.
Капиллярная электрокинетическая хроматография основана на разде-
лении нейтральных частиц при их распределении между движущимися в электрическом поле частицами и заполняющим капилляр электролитом. Наиболее распространенной ее разновидностью является мицеллярная электрокинетиче-
ская хроматография (МЭКХ).
В МЭКХ в буферный раствор вводят поверхностно активное вещество (например, додецилсульфат натрия), что приводит к образованию мицелл, которые будут двигаться к аноду, и ЭОП, который будет двигаться к катоду. Разделение основано на различной степени связывания компонентов смеси с мицеллами. Этот метод широко используется для различных классов нейтральных и полярных соединений (фенолов, ароматических аминов и др.).
Хотя принципиальная применимость различных вариантов детектирования (флуоресцентного, электрохимического и кондуктометрического) была показана для КЭ, большинство промышленно выпускаемых приборов сегодня оснащено фотометрическими детекторами.
114
Методы хроматографии и капиллярного электрофореза широко применяются для идентификации органических соединений, доказательства идентичности веществ, контроля хода реакции, а также исследования качественного и количественного составов сложных смесей органических соединений.
Контрольные вопросы и упражнения по гл. 6
1.Какие методы используются при выделении и очистке: а) твердых (кристаллических и аморфных) органических веществ; б) органических жидкостей?
2.Перечислите важнейшие инструментальные методы установления строения органических соединений. В чем их преимущества перед химическими методами решения структурной задачи?
3.Какое физическое свойство органических веществ используется в спектральных методах исследования их строения? Укажите диапазоны длин волн электромагнитного излучения, прошедшего через изучаемое вещество, которые используются в спектроскопии: а) электронной; б) инфракрасной; в) ЯМР.
4.Что такое характеристическая полоса поглощения? Какие параметры спектральных полос используются для их характеристики?
5.К каким обратимым изменениям электронной структуры молекулы приводит поглощение ею кванта УФ-излучения?
Какие особенности в строении молекул органических веществ позволяет выявить УФ-спектроскопия?
6.Какие задачи из нижеперечисленных можно решать с помощью ИК-, а какие – с помощью УФ-спектроскопии:
а) подтверждение присутствия в молекуле гидрокси-, аминоили нитро-
групп при sp3-гибридизованном атоме углерода?
б) подтверждение наличия двойной или тройной углерод-углеродной связи?
в) доказательство существования в структуре молекулы тех или иных хромофоров, сопряженных систем?
г) контроль скорости протекания реакции замещения атомов водорода в ароматическом ядре на нитроили сульфогруппу либо галогены?
д) выяснение способности атомов в молекулах к образованию водородных связей?
7. На каком участке ИК-спектра и за счет каких процессов, происходящих в молекуле, проявляют себя: а) кратные связи; б) связи атомов водорода с углеродом, азотом и кислородом?
115
8.Как осуществляется резонанс радиочастотного излучения с молекулой органического вещества? Опишите основные параметры ЯМР (ПМР)-спектра соединения. Какова роль каждого из них в решении структурной задачи с помощью ПМР-спектроскопии?
9.В чем состоит сущность метода масс-спектрометрии? Каковы его возможности при установлении строения и идентификации органических соединений?
10.Какие дифракционные методы исследования структуры органических веществ вам известны? В чем они заключаются и какова область применения каждого из них?
11.Какие хроматографические методы исследования структуры органических веществ вам известны? В чем они заключаются и какова область применения каждого из них?
12.В чем состоит сущность метода капиллярного электрофореза? В чем заключаются его преимущества по сравнению с методом ВЭЖХ?
116
7. ОСНОВЫ ТЕОРИИ РЕАКЦИЙ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
7.1. Энергетические условия протекания реакций
Возможность протекания той или иной реакции определяется не только химической природой реагирующих молекул, но и другими факторами, из которых наиболее важны энергетические факторы. Поскольку любая система стремится к минимуму потенциальной энергии, реакция может проходить лишь при условии, если свободная энергия исходных веществ Gисх больше свободной энергии конечных продуктов Gкон, т. е. если изменение свободной энергии G отрицательно (рис. 7.1).
Рис. 7.1. Изменение свободной энергии системы в процессе реакции
Однако отрицательное значение G является необходимым, но не достаточным условием для самопроизвольного протекания реакции. Обычно молекулам исходных веществ на пути к продуктам реакции приходится преодолевать энергетический барьер, называемый энергией активации Еа (рис. 7.2).
Энергия активации необходима для осуществления активных столкновений реагирующих молекул, т. е. столкновений, приводящих к химическому взаимодействию. Максимум на энергетической диаграмме реакции (рис. 7.2)
соответствует переходному состоянию, или активированному комплексу. Пе-
реходное состояние представляет собой предельно неустойчивое сочетание реагирующих молекул, образующееся в результате перераспределения электронной плотности химических связей в молекулах реагентов при их сближении. В реакции А + В–С → А–В + С по мере сближения атома А с молекулой В–С происходит ослабление связи В–С и одновременно начинает
117
Рис. 7.2. Энергетическая диаграмма одностадийной реакции
формироваться связь между атомами А и В. В результате образуется активированный комплекс А–В–С, в котором вследствие перераспределения электронной плотности атом В в равной степени связан и с атомом А, и с атомом С. Этот активированный комплекс находится в состоянии равновесия с исходными реагентами, а затем по мере дальнейшего уменьшения расстояния между атомами А и В синхронно протекают процессы образования связи А–В и разрыва связи В–С.
Характер переходного состояния определяет селективность протекания реакции в каком-либо одном преобладающем направлении из нескольких возможных. Чем стабильнее переходное состояние, тем меньше энергия активации, азначит, темвышескоростьреакции.
Для двустадийных или многостадийных реакций характерно образование не только активированных комплексов, но и промежуточных соединений (интермедиатов). Реакция, проходящая в две стадии (рис. 7.3), представляет собой по сути две отдельные реакции.
Двустадийный процесс характеризуется наличием двух переходных состоя-
ний, которым соответствуют энергетические максимумы Ea1 и Ea2 , а также минимум, связанныйспромежуточнымпродуктом.
118
Рис. 7.3. Энергетическая диаграмма двустадийной реакции
Стадию реакции, переходное состояние которой имеет наиболее высокую энергию активации, называют лимитирующей. Она проходит с более низкой скоростью и определяет скорость реакции в целом, поэтому часто ее называют определяющей скорость стадией. Впадина (провал) на кривой потенциальной энергии соответствует промежуточному продукту. В отличие от активированного комплекса промежуточный продукт представляет собой реально существующее соединение с достаточно высокой потенциальной энергией. Время жизни интермедиата зависит от глубины впадины на энергетической диаграмме. Если «провал» между двумя переходными состояниями выражен отчетливо, то промежуточный продукт можно реально выделить. Чаще интермедиат существует непродолжительное время, так как благодаря высо-
кой реакционной способности при небольшой энергии активации ( Ea2 ) он через переходное состояние 2 превращается в конечный продукт реакции. В качестве интермедиатов в органических реакциях чаще всего выступают карбкатионы, карбанионы, свободные радикалы и σ-комплексы.
Более подробно энергетические и кинетические условия протекания реакций рассматриваются в курсе физической химии.
119
7.2. Механизмы реакций
Общие схемы химических реакций, с помощью которых описывают превращения органических соединений, не отражают в полной мере реально протекающих процессов. Большинство органических реакций проходит, как правило, в несколько элементарных стадий, совокупность которых составляет механизм реакции. Другими словами, механизмом реакции называют общий путь, по которому осуществляется переход от исходных веществ к конечным продуктам. Установление механизма реакции – сложная задача, решением которой занимается преимущественно физическая органическая химия. Для выявления механизма реакции применяют химические методы (метод меченых атомов, изотопный метод, кинетические и стереохимические методы) и физические методы. Лучшим доказательством протекания реакции является выделение из реакционной среды промежуточных продуктов или обнаружение их физическими методами. Механизм реакции должен объяснять все экспериментально полученные данные и включать сведения о том, каким образом, в какой последовательности и какие именно связи разрываются в ходе реакции, как образуются промежуточные и конечные продукты, из каких элементарных стадий состоит реакция, каковы относительные скорости каждой стадии и т. д. Механизм реакции всегда следует рассматривать как гипотезу с достаточной степенью достоверности. Нет ни одной реакции, механизм которой был бы изучен полностью. С появлением новых фактов механизм может уточняться и даже изменяться.
При рассмотрении механизмов реакций для удобства одно из реагирую-
щих веществ называют субстратом, а другое – атакующим реагентом.
В зависимости от способа разрыва связей в атакующем реагенте и субстрате различают 3 механизма реакций: гомолитический (свободнорадикальный), гетеролитический (ионный) и перициклический (молекулярный).
Гомолитическим (свободнорадикальным) называют механизм, в котором при разрыве связей в реагирующих молекулах у каждого из образующихся фрагментовостаетсяпоодномуэлектрону. Такиечастицыназываютрадикалами:
Свободнорадикальный механизм обозначают символом R. Гетеролитическим (ионным) называют механизм, в котором при раз-
рыве связей в реагирующих молекулах оба электрона остаются на одном из образующихся фрагментов. Такие частицы называют ионами:
120