1.1. Степень адсорбции и строение веществ

Адсорбционная хроматография основана на различии в адсорб­ционных свойствах компонентов разделяемой смеси. Чем лучше адсорбируется вещество, тем меньше скорость продвижения вещест­ва по колонке или слою адсорбента. Поэтому отдельные компонен­ты смеси движутся через адсорбент с различной скоростью. Чем хуже адсорбируется вещество, тем быстрее оно продвигается по колонке в процессе хроматографирования. [1]

Степень адсорбции на полярных адсорбентах зависит в основном от наличия функциональных групп, двойных связей, ароматических колец и гетероциклов, от конфигурации молекулы, величины ее дипольного момента, поляризуемости и т.д. и относительно мало зависит от величины молекулы. Сравнительная оценка влияния отдельных групп представляет большие трудности. На основании большого числа эмпирических данных Брокман и Вольнерс распо­ложили наиболее известные функциональные группы в следующий ряд по их возрастающему влиянию на степень адсорбции на адсор­бенте – окиси алюминия:

-Сl, -Н, -ОСНз, -NO₂, -СОСНз, -NНСОСНз, -NH₂, -ОН, -СОNН₂, -СООН

Изолированные двойные связи сравнительно мало влияют на степень адсорбции, однако с возрастанием их числа степень адсорб­ции увеличивается иногда даже в несколько раз, особенно в случае сопряженных систем, при наличии которых значительно возрастает поляризация молекулы.

При адсорбции на полярных адсорбентах заметно сказывается также влияние ароматических и гетероциклических колец. По срав­нению с ненасыщенными соединениями ароматические соединения адсорбируются, как правило, более прочно. Влияние ароматических колец особенно сильно, если они конденсированы. Весьма сильное влияние на степень адсорбции могут оказать конфигурация молеку­лы и ее дипольный момент, что в ряде случаев позволяет осущест­вить разделение геометрических изомеров, а также о-, м- и п-изомеров (например, нитрофенолов, нитроанилинов и т.д.). [2]

Влияние величины молекулы на степень адсорбции в случае по­лярных адсорбентов незначительно. Увеличение длины алифатиче­ской цепи или введение в молекулу органического вещества алифа­тических заместителей несколько уменьшает степень адсорбции из-за того, что уменьшается «удельное» влияние функциональных групп.

На неполярных (гидрофобных) адсорбентах (например, активи­рованный уголь) адсорбция, наоборот, очень сильно зависит от величины молекулы. По мере возрастания молекулярного веса сте­пень адсорбции вещества повышается до определенного значения. По данным Клессона, максимум адсорбируемости соответствует молекулярному весу 10000. У полимеров высокого молекулярного веса размеры молекулы настолько большие, что они уже не способ­ны проникнуть в поры активированного угля, что приводит к рез­кому снижению степени адсорбции.[9]

Влияние природы полярных групп при адсорбции на неполярных адсорбентах еще мало изучены.

1.2. Выбор адсорбента

Главное требование, предъявляемое к адсорбенту для хромато­графии, - отсутствие химического взаимодействия между адсорбен­том и анализируемым веществом. Второе важнейшее требование к адсорбенту – его избирательность, т.е. возможно большее различие в адсорбируемости веществ разделяемой смеси. Кроме этого адсор­бенты, применяемые для хроматографии, должны отвечать ряду условий. Они должны иметь большую емкость, т.е. возможно боль­шую активную поверхность. Большая активная поверхность адсор­бента может являться следствием либо его значительной пористости (активированный уголь, окись алюминия, силикагель), либо высо­кой дисперсности адсорбента, т.е. малого размера частиц. При большой пористости адсорбента используется в основном внутрен­няя поверхность частиц, поэтому их величина играет второстепенную роль. [9]

Тем не менее, всегда желательно иметь адсорбенты со строго оп­ределенным размером частиц. Чем меньше размеры частиц адсор­бента, тем быстрее устанавливается равновесие и тем меньше нару­шается оно вследствие диффузии. Однако при очень малом размере частиц адсорбента в колонке создается значительное сопротивление, и жидкость проходит через нее с большим трудом.

Размеры зерен адсорбентов и носителей оценивают, как правило, в мешах, т.е. по числу отверстий на дюйм самого тонкого сита, через которое могут пройти зерна; эффективным диаметром частиц явля­ется размер отверстий сита (в мкм). Практически оптимальным раз­мером частиц следует считать диаметр от 200 до 1500 мкм.

Одинаковая величина частиц адсорбента позволяет лучше разде­лить вещества и способствует лучшей проникаемости колонки. При неодинаковой величине зерен адсорбента маленькие частицы запол­няют пространство между большими, что повышает сопротивление колонки.

Свойства полярных адсорбентов очень сильно зависят от влаж­ности, которая к тому же значительно снижает их емкость. Некото­рые полярные адсорбенты могут быть полностью дезактивированы водой и полярными растворителями. Поэтому полярные адсорбен­ты активируют, удаляя связанную воду, например, прокаливанием (СаО, МgО и т.д.), нагреванием при невысокой температуре (окись алюминия, силикагель) или просто высушиванием, чаще всего в вакууме, при температурах, не превышающих 110°С (крахмал, сахароза). [3]

В настоящее время в хроматографических работах применяются почти исключительно адсорбенты заводского производства. Это прежде всего окись алюминия, силикагель (окись кремния), уголь, магнезия (окись магния), диатомитовая земля (кизельгур), молеку­лярные сита, целлюлоза, силикат магния (феорисил) и другие. [17]

Окись алюминия является наиболее широко употребляемым ад­сорбентом для адсорбционной хроматографии. На ней удается хроматографировать весьма широкий круг смесей веществ как в поляр­ных, так и в неполярных растворителях благодаря ее амфотерному характеру.

Техническая (основная) окись алюминия представляет собой в основном гидроокись алюминия с неопределенным содер­жанием воды (2-3%). Она содержит, как правило, также небольшие количества щелочи, которую частично можно вымыть водой. Таким образом, техническая окись алюминия имеет слабощелочную реак­цию (Рн водного экстракта 9-10). Основная окись алюминия при­годна для разделения соединений нейтрального и основного харак­тера, спиртов, углеводородов, стероидов, алкалоидов и природных пигментов. При использовании окиси алюминия не следует приме­нять в качестве элюентов ацетон, этилацетат; последний в условиях разделения способен омыляться. [4]

Нейтральную окись алюминия можно приготовить, промывая технический продукт разбавленной азотной или соляной кислотой. Окись алюминия в этой форме значительно менее активна, чем в основной. Ее используют для разделения альдегидов, кетонов, хинонов, сложных эфиров, лактонов, гликозидов.

Кислая окись алюминия (Рн 4-5) – наименее активная и редко используемая форма, пригодна для разделения пигментов и сильных кислот.

Активность окиси алюминия зависит от ее влагосодержания. Увлажняя наиболее активную форму окиси алюминия (первая сте­пень активности) различным количеством воды, можно получить набор адсорбентов с различной активностью. Стандартизацию ак­тивной окиси алюминия по Брокману см. в разделе 3.1. Оптималь­ной активности можно достигнуть нагреванием окиси алюминия при температуре 400-500°С. Окись алюминия, прокаленная при очень высокой температуре, теряет активность вследствие перехода в другую кристаллическую форму.

Силикагель – широко используемый адсорбент для большинства типов функциональных групп и ионных и неионных соединений. Для достижения максимальной активности силикагель перед упот­реблением нагревают при 150-160°С в течение нескольких часов. Активированный силикагель используют для разделения углеводо­родов. Чаще всего применяют технический «дезактивированный» силикагель, содержащий 10-20% воды (слабокислый). [1]

В какой-то мере выбор сорбента может быть предсказан заранее. На практике в первую очередь нужно исходить из свойств разделяе­мых соединений: их растворимости (гидрофильность, гидрофобность), содержание и характеры функциональных групп (см. раздел 2.1).