Газо-жидкостная хроматография (гжх)

Газо-жидкостная хроматография — универсальный метод разделения смесей разнообраз­ных веществ, испаряющихся без разложения. Следовательно, ее возможности ограничены применимостью к анализу сравнительно низкомолекулярных веществ (с молекулярной мас­сой не более нескольких тысяч).

При этом компоненты разделяемой смеси перемещаются по хроматографической колон­ке с потоком инертного газа {газа-носителя). Разделяемая смесь распределяется между га­зом-носителем (подвижной фазой) и нелетучим растворителем (неподвижной жидкой фа­зой), нанесенным на инертный материал (твердый носитель), которым заполнена колонка. Компоненты смеси селективно удерживаются неподвижной фазой, а затем выходят из ко­лонки и регистрируются детектором. Сигналы детектора записываются в виде хроматограм-мы автоматическим потенциометром (самописцем). Каждому компоненту смеси на хроматог-рамме (рис. 17.2) соответствует отдельный пик. Положение пика определяется величиной времени удерживания (t_R), которое представляет собой время от момента ввода пробы до выхода максимума пика, или величиной удерживаемого объема (V_R), который рассчитыва­ется по формуле:

V_R = t_R-F,

где F— объемная скорость газа-носителя.

Проведение анализа методом ГЖХ включает подготовительный этап работы, проведение хроматографического разделения и обработку результатов.

В подготовительном этапе работы необходимо нанести требуемую неподвижную фазу в виде тонкой пленки на твердый носитель. Полученным таким образом наполнителем заполняют хроматографическую колонку, представляющую собой свитую в спираль тонкую стек­лянную или металлическую трубку. В случае капиллярных колонок неподвижная фаза на­носится прямо на их внутренние стенки.

Системой регулировки газов создают необходимый расход газа-носителя.

Разделение смесей веществ методом ГЖХ осуществляется на приборах, называемых га­зовыми хроматографами .

Газ-носитель из баллона 1 (скорость подачи газа регулируется измерителем 6) через ре­дуктор и манометр поступает в устройство для ввода пробы — испаритель 2. Захватив ана­лизируемую пробу в виде пара или газа, газ-носитель направляется в хроматографическую колонку 3, которая помещена в термостат 7. В колонке анализируемая смесь разделяется на составные компоненты. Выходящие из колонки разделенные компоненты смеси в потоке газа-носителя проходят через детектор 4, который подает слабый электрический сигнал на усилитель, а отсюда — на регистратор (самописец) 5.

Устройства для ввода пробы могут быть разной конструкции в зависимости от агрегат­ного состояния пробы и способа ее ввода в колонку.

Детектор — устройство, преобразующее в электрический сигнал изменения физических или физико-химических свойств газового потока, выходящего из колонки, по сравнению с чистым газом-носителем.

Существует более 50 видов детекторов, однако широкое применение находят только те из них, которые обладают высокой чувствительностью и универсальностью. Это — катарометр (детектор по теплопроводности); детектор плотности (плотномер); пламенно-иони­зационный детектор (ДИП), в котором водородное пламя служит источником ионизации органического соединения; детектор электронного захвата (ЭЗД); термоионный детектор (ТИД), который обладает высокой селективностью к органическим веществам, содержащим фосфор, азот и серу. Интерес к этому детектору заметно возрос в связи с заменой хлорсодер-жащих пестицидов на фосфорсодержащие ядохимикаты.

Катарометр позволяет определять концентрации веществ в пределах 0,1- 0,01%, ДИП -10~³-10~⁵%, ЭЗД — 10~⁶-10"¹⁰%. Современные детекторы позволяют определять даже пико­граммы (10~¹² г) веществ.

Обработка результатов хроматографического разделения включает определение каче­ственного и количественного состава анализируемой смеси (см. рис. 17.2).

Определение качественного состава смеси проводится путем сопоставления времени удерживания данного компонента и эталона — вещества известной структуры. При строгом воспроизведении всех условий анализа время удерживания (t_R) является такой же физико-химической характеристикой вещества, как его плотность, показатель преломления и т.д. Со­впадение времени удерживания эталона и определяемого компонента может указывать на их идентичность. Эталон чаще всего добавляется в исследуемую смесь (метод метки). При этом число пиков на хроматограмме не должно изменяться, а интенсивность пика одного из компонентов должна увеличиваться.

При необходимости сопоставления данных об удерживании исследуемого вещества с литературными (например, при отсутствии необходимого эталона), использование времен удерживания невозможно, т.к. этот параметр сильно зависит от скорости газа-носителя. В этом случае используется удерживаемый объем (V_R).

Определение количественного состава смеси основано на допущении того, что интенсив­ность пика каждого компонента пропорциональна его содержанию в смеси. В качестве меры интенсивности принимается обычно площадь пиков (S). Существуют разные способы изме­рения площадей пиков. Наиболее простым методом является умножение-высоты пика h (см. рис. 17.2) на его ширину со, измеренную на полувысоте пика:

S = hw

Результаты количественного анализа рассчитывают методами абсолютной калибровки, внутреннего стандарта или простой нормировки. При анализе смеси веществ, близких по химическому строению, хорошие результаты дает метод нормировки. Расчет процентного со­держания компонентов по этому методу производится по формуле:

ХХХХХХХ

где x_i — искомое процентное содержание г'-того компонента, S_i — площадь пика i-того ком­понента, E, — сумма площадей пиков всех компонентов.

ГЖХ произвела настоящую революцию в исследовании липидов, в особенности, жирных кислот, и до настоящего времени не имеет альтернативы. Первым значимым для биологи­ческих исследований анализом, выполненным с помощью ГЖХ, стало определение карбо-новых кислот Джеймсом и Мартином в 1952 году. Это исследование крайне актуально для такой области медицины, как микробиология.

В процессе своего метаболизма микробные клетки производят низшие карбоновые кисло­ты, причем набор кислот является как бы визитной карточкой того или иного микроорганизма

Газовая хроматография дает возможность количественно оценить весь клинически зна­чимый спектр стероидов. Были разработаны методы определения катехоламинов (адрена­лина, норадреналина и родственных им соединений), гормонов щитовидной железы, альдо-стерона и кортизола и др.

Метод газовой хроматографии нашел применение при гигиеническом анализе полимер­ных материалов, состава выхлопных газов, анализа воздуха в производственных помещени­ях и операционных палатах; хлор-, азот- и фосфорсодержащих пестицидов; определения за­грязнений в промышленных сливах (например, содержания фреонов, различных кислот и их производных, ароматических соединений, например, фенола, спиртов, нитрилов и т.д.); для оценки качества пищевых продуктов; для концентрирования и выделения органических загрязнений стоков фармацевтических предприятий.

Технический прогресс сделал возможным получение так называемых метаболических профилей биосред — крови, мочи, слюны, выдыхаемого воздуха. В одном образце анализи­руются несколько сотен компонентов. Метаболические профили так же индивидуальны, как и отпечатки пальцев, но в отличие от папиллярных узоров хроматограмма метаболитов че­ловеческого организма несет в себе массу медицинской информации — какие лекарства или продукты получал человек в последнее время, каким микроорганизмом вызвано его заболе­вание и многое другое.

Компьютерный анализ метаболических профилей является одним из мощнейших инст­рументов диагностики врожденных и приобретенных нарушений метаболизма — таких за­болеваний, как сахарный диабет, подагра и многие другие.

(1) комплексные соединения.

Состав и номенклатура

Изучение комплексных соединений до конца 19 века носило ис­ключительно описательный характер и состояло из серии попыток объяснить существование и структуру гидратов, двойных солей и ам­миакатов. Обобщением этих данных стала координационная теория, предложенная швейцарским химиком А. Вернером (1893 г.).

Координационная теория (от лат. со — вместе и ordinatio — упорядочение) — теория комплексных соединений, предложенная в 1893 г. А.Вернером. Согласно координационной теории в молекуле любого комплексного соединения один из ионов, обычно положительно заряженный, занимает центральное место и называется комплексообразователем. Вокруг него в непосредственной близости расположено (координировано) некоторое число противоположно заряженных ионов или электронейтральных молекул, называемых лигандами (или аддендами), они образуют внутреннюю координационную сферу соединения. Остальные ионы, находящиеся на более далеком расстоянии от центрального иона, образуют внешнюю координационную сферу. Например, в комплексной соли K₂[PtCl₆] ион платины является комплексообразователем, ионы хлора — лигандами, во внешней координационной сфере находятся ионы калия.

Координационное число — общее число нейтральных молекул и ионов, связанных с центральным ионом в комплексе; например, для комплексного соединения K₂[PtCl₆], координационное число иона платины равно шести; для соединения [Cu(NH₃)₄]SO₄ координационное число ионов меди равно четырем.

Комплексное соединение состоит из центрального иона (атома) — металла — комплек-сообразователя, окруженного анионами или нейтральными молекулами — лигандами, ковалентно связанными по донорно-акцепторному механизму (комплексообразователь — ак­цептор, лиганд — донор). Комплексообразователь и лиганды образуют внутреннюю сферу комплексного соединения, которую при составлении координационной формулы заключают в квадратные скобки. Количество а-связей, которые образует с лигандами ком­плексообразователь, называется координационным числом (КЧ). Если внутренняя сфера имеет заряд, то в состав соединений входят противоположно заряженные ионы внешней сферы, связанные с комплексной частицей (внутренней сферой) ионной связью. По типу за­ряда внутренней сферы комплексные соединения делят на катионные ([Ag(NH₃)₂]NO₃), анионные (K₃[Fe(CN)₆]) и нейтральные ([Pt(NH₃)₂Cl₂]).

Комплексные соединения представляют собой наиболее обширный и разнообразный класс химических соединений, а поскольку в их состав могут входить как неорганические, так и органические молекулы или ионы, то комплексные соединения связывают воедино не­органическую и органическую химию.

К. с. нашли самое разнообразное практическое применение. Осо­бенно велика роль комплексов в биологических процессах. к ком­плексным соединениям относятся гемоглобин и хлорофилл, некоторые витамины и многие ферменты.

В подавляющем большинстве комплексных соединений в качестве комплексообразователя выступают ионы переходных металлов, хотя известны комплексные соединения прак­тически для всех элементов.

Наиболее важной характеристикой центрального атома является его степень окисления, определяемая для комплексов как разность между зарядом комплексной частицы и суммар­ным зарядом лигандов. Например, ион [Co(NH₃)₆]³⁺ относят к производным Со³⁺, приписы­вая NH₃ нулевой заряд как нейтральной молекуле, а ион [Co(SCN)₄]^2- — к производным Со²⁺, приписывая группе SCN^- заряд -1, как в роданидах щелочных металлов.

Обычными координационными числами в комплексах являются 4 и 6, однако для ряда комплексообразователей установлены числа 2,3,5,7,8 и более.

Лиганд (от лат. ligo — связываю) — атом, ион или молекула, непосредственно связанная с одним или несколькими центральными (комплексообразующими) атомами металла в комплексном соединении. Чаще всего такое связывание происходит с образованием так называемой «координационной» донорно-акцепторной связи, где лиганды выступают в роли основания Льюиса, то есть являются донорами электроной пары. При присоединении лигандов к центральному атому химические свойства комплексообразователя и самих лигандов часто претерпевают значительные изменения.

В качестве лигандов выступают анионы и молекулы, которые являются донорами пары электронов. Эти анионы и молекулы должны содержать донорные атомы, т.е. атомы, имеющие неподеленную электронную пару и способные отдать ее металлу — комплексообразователю. Типичными донорными атомами являются N, Р, О, S, галогены. Количество донорных атомов в лиганде может быть различно и оно определяет дентатностъ лиганда — количество а-связей, которые образует лиганд с комплексообразователем. Такие лиганды, как галогенид-ионы, ОН^-, CN^-, NH₃, H₂Q CO, являются монодентатными. Если все лиганды в комплексе монодентатны, то их общее число совпадает с координационным числом. Лиганды, содержащие более одного донорного атома, называют полидентатными или хелатирующими а комплексы с такими лигандами — хелатными.

К бидентатным относятся многие органические молекулы, например, этилендиамин,( H₂N-CH₂-CH2-NH₂)Б диметилглиоксим,

дианион щавелевой кислоты и т.д

Названия комплексных соединений строятся в соответствии с определенными правила­ми. Сначала называют лиганды, а затем комплексообразователь. Если комплекс смешанно-лигандный, то первыми называют отрицательно заряженные лиганды, а затем нейтральные. После этого называют атом металла-комплексообразователя, указывая после названия ме­талла его степень окисления римскими цифрами в круглых скобках. Наличие двух или бо­лее одинаковых монодентатных лигандов отражают при помощи приставок — греческих чис­лительных: ди- (2); три- (3); тетра- (4) и т.д. Если лиганд полидентатный, то используются приставки бис- (2); трис- (3) и т.д. Большинство соединений, используемых как лиганды, со­храняют свои обычные названия. Однако некоторые получают другие названия: NH₃— ам-мин; Н₂О — акво; СО — карбонил; NO — нитрозил. К названиям анионных лигандов добав­ляют суффикс о: ОН~ — гидроксо; CN~ — циано; F~ — фторо и т.д.

В анионных комплексах металл называют в латинской транскрипции с заменой суффик­са — ум на -am. В случае катионных и нейтральных комплексов металл называют в русской транскрипции в родительном и именительном падежах, соответственно. Ниже приведены примеры комплексных соединений и их названия.

Катионные:

[Ag(NH₃)₂]NO₃ диамминсеребра(1) нитрат

[Zn(NH₃)₄](OH)₂ тетраамминцинка(П) гидроксид

[Co(NH₃)₄Cl₂]NO₂ дихлоротетраамминкобальта(Ш) нитрит

[Мп(Н₂О)₆]С1₂ гексааквомарганца(П) хлорид

[Cu(NH₂CH₂CH₂NH₂)₂]SO₄ бис(этилендиамин)меди(Н) сульфат

Анионные

K₃[Fe(CN)₆] гексацианоферрат(Ш) калия

Na₂[Zn(OH)₄] тетрагидроксоцинкат(П) натрия

K₂[PtCl₆] гексахлороплатинат(1У) калия

Нейтральные

[Pt(NH₃)₂Cl₂] дихлородиамминплатина(П)

[Fe(CO)₅] пентакарбонилжелезо(О)

хим связь в комплексных соединениях

Для описания химической связи в комплексных соединениях, объяснения их строения и соответствующих электронных свойств (в частности, магнитных) применяются все по­ложения теории валентности.

Метод валентных связей в приложении к комплексным соединениям основывается на тех же представлениях, что и в случае «обычных» молекулярных соединений, т.е. ковалентная связь между комплексообразователем и лигандом предполагается двухэлектронной, двухцентровой и образуется по донорно-акцепторному механизму за счет неподеленной пары электронов донорного атома лиганда и вакантной орбитали комплексообразователя. Молекулярная орбиталь при этом образуется в результате перекрывания гибридной вален­тной орбитали комплексообразователя и (гибридной) орбитали донорного атома лиганда, на которой локализована неподеленная электронная пара.

В качестве примера рассмотрим комплексный ион [Ag(NH₃)₂]⁺, где комплексообразовате­лем является Ag⁺. Электронная конфигурация иона Ag⁺ — ..Ad¹⁰(5s°5p°5d°). Для координации двух молекул аммиака ион Ag⁺ должен «выделить» две вакантные орбитали. С учетом прин­ципа минимальной энергии происходит sp-гибридизация 5s- и одной из 5p-орбиталей.

Следовательно, этот комплексный ион имеет линейное строение:

[H₃N-Ag-NH₃]⁺

Проведя аналогичные рассуждения для иона [Zn(OH)₄]^2-, можно сделать вывод, что для образования связей с четырьмя ОН^--группами ион Zn²⁺ предоставляет 4 вакантных орбитали — 4s- и три 4р-орбитали. Из них образуются четыре sр³-гибридных вакантных орбитали и ион [Zn(OH)₄]^2- будет иметь тетраэдрическое строение.

Zn²⁺ ...3d¹⁰(4s°4p°4d⁰)

Важной характеристикой комплекса является электронная конфигурация комплексообразователя.

Итак, при координационном числе, равном 6, комплексы имеют октаэдрическое строе­ние, при координационном числе 4 — тетраэдрическое или плоско-квадратное.

При координационном числе, равном пяти, возможны два типа гибридизации вакантных орбиталей комплексообразователя — dsp³ (тригональная бипирамида) и sp³d (квадратная пирамида), соответственно. Так, ион [Ni(CN),]^3- образует кристаллическую соль, в которой присутствуют одновременно обе эти геометрические формы.

Вышесказанное справедливо и для металлов в биологических системах. На­пример, оксигемоглобин содержит низкоспиновое шестикоординированное Fe(II) в октаэд-рическом окружении лигандов. В железосодержащих белках — рубредоксинах, которые уча­ствуют в большом числе биологических окислительно-востановительных реакций, ион Fe³⁺ координирован четырьмя атомами серы цистеиновых остатков полипептидной цепи, а ком­плекс имеет тетраэдрическое строение. Витами В₁₂ (цианокобаламин) — это октаэдричес-кий комплекс шестикоординированного Со(Ш).

До этого, когда речь шла о химической связи в комплексных соединениях, предполага­лось наличие только o-дативного взаимодействия (т.е. s-связи, образованной по донорно-акцепторному механизму) между лигандом и комплексообразователем, когда неподеленная пара электронов лиганда передается металлу. Однако известно много лигандов со слабыми донорными свойствами и тем не менее образующих очень прочные комплексы с металлами. Дело в том, что такие лиганды, помимо неподеленной электронной пары, имеют низколе­жащие по энергии вакантные орбитали, которые акцептируют электронную плотность с заполненных d-орбиталей металла, что обеспечивает дативное я-связывание, дополняю­щее s-связывание. Комплексообразователь в этом взаимодействии является донором; а лиганд — акцептором. Два этих типа взаимодействий усиливают друг друга, п-дативное взаимодействие приводит к смещению электронной плотности с металла на лиганд, что увеличивает отрицательный заряд и s-донорные свойства лиганда и положительный заряд и s-акцепторные свойства металла, а, следовательно, упрочняет s-связь. И наоборот, смеще­ние электронов s-связи в сторону металла индуцирует на лиганде положительный заряд, усиливая его п-акцепторнуго способность, а на металле — повышение электронной плотно­сти, что способствует повышению его п-донорных свойств, и в целом п-связь становится прочнее.

Лиганды такого типа называются п-акцепторными лигандами. К ним относятся соедине­ния трехвалентных атомов фосфора, мышьяка, сурьмы, двухвалентных — серы и селена, донорные атомы которых имеют вакантные d-орбитали, способные участвовать в образовании п-дативных связей.

В основном дативные связи образуются:

а) за счет перекрывания вакантных п-орбиталей лиганда с d-орбиталыо иона металла, на которой находятся электроны, не вступившие в s-связь (dп-рп взаимодействие);

б) при перекрывании вакантных d-орбиталей лиганда с заполненными d-орбиталями ме­талла.

Типичными п-акцепторными лигандами являются СО, NO, и CN~, образование п-датив­ных связей в случае которых весьма затруднительно показать без использования метода мо­лекулярных орбиталей.