Обращенно-фазовая хроматография

 

Из всех вариантов ВЭЖХ обращенно-фазовый применяется в настоящее время наиболее широко, что объясняется простотой механизма сорбции и пред­сказуемостью поведения веществ на основании их строения, методической про­стотой и универсальностью метода. Термин “обращенно-фазовая хроматография” ввели Говард и Мартин в1950 г., когда ими был описано разде­ление жирных кислот с использованием жидкого парафина и н-октана в качестве неподвижных фаз. В отличие от других, ранее применявшихся систем распределительной хроматографии здесь неподвижная фаза менее полярна, чем подвижная, что и послужило поводом к такому наименованию. Позднее Хорват предложил теорию обращенно-фазофой хроматографии, суть которой заключается в следующем.

Существует принципиальное различие между процессами сорбции на полярных и неполярных поверхностях. В первом случае между молекулами сорбатов и неподвижных фаз образуются ассоциаты за счет кулоновских взаимодействий или водородных связей. Во втором случае причиной удерживания сорбата на поверхности являются так называемые сольвофобные взаимодействия в подвижной фазе. Для полярных элюентов, особенно содержащих воду, характерно сильное кулоновское взаимодействие и образование водородных связей между молекулами растворителей, т.е. все молекулы в таких элюентах довольно прочно связаны межмолекулярными силами. Для того, чтобы поместить в эту среду молекулу сорбата, необходимо образование “полости” между молекулами растворителя. Энергетические затраты на образование такой “полости” лишь частично покрываются за счет взаимодействия полярных групп в молекуле сорбата с полярными молекулами растворителя. В аналогичном положении по отношению к растворителю и неполярные молекулы неподвижной фазы. С энергетической точки зрения более выгодно такое положение, когда поверхность раздела между полярной средой (растворителем) и неполярными фрагментами неподвижной фазы и молекул сорбата минимальна. Уменьшение этой поверхности достигается при сорбции (рис. 11).

Таким образом, причиной сорбции в обращенно-фазовой хроматографии служит сильное притяжение полярных молекул растворителя, как бы “прижимающее” растворенные менее полярные молекулы к неполярной поверхности. Из сказанного следует, что по сравнению с нормально-фазовой хроматографией в обращенно-фазовой роль химической природы неподвижной фазы относительно мала, так как взаимодействие сорбат-сорбент ограничивается слабыми дисперсионными силами.

 

Рис. 11. К механизму обращенно-фазовой хроматографии: а - сорбат в растворе; б - сорбат на поверхности неподвижной фазы. Молекулы воды и органического растворителя обозначены светлыми и темными кружками соответственно.

 

На основании сольвофобной теории Хорват выполнил детальную интерпретации механизма сорбции на неполярных неподвижных фазах и установил количественную связь коэффициента емкости с условиями опыта и свойствами компонентов системы. Эту связь выражает следующее уравнение:

, (30)

где Ф - логарифм отношения объемов неподвижной и подвижной фаз; DF_{u, a} -

- изменение свободной энергии при ассоциации компонентов системы, помещенных в газовую фазу; DF_{u, s} - свободной энергии при образовании полости в растворителе и заполнении ее молекулой хроматографируемого соединения; N - число Авогадро; R - газовая постоянная; T - температура; P₀ - давление в колонке; m_s - дипольный момент сорбата; DА - изменение величины неполярной поверхности при сорбции; g - поверхностное натяжение подвижной фазы; k^e - параметр, учитывающий отличие поверхности полости от плоской поверхности; u_s - объем молекулы сорбата; V - мольный объем подвижной фазы.

Теория предполагает, что объем ассоциата сорбат-сорбент u_{s, s} пропор­ционален объему молекулы сорбата:

u_{s, s} = l u_s, (31)

где l - коэффициент пропорциональности.

Параметры P и D уравнения (30) определяются следующими соотношениями:

(32)

, (33)

где e₀ - диэлектрическая проницаемость; a_s - поляризуемость молекулы сорбата.

Уравнение (30) выведено с учетом следующих допущений:

- DF_{u, a} определяется только ван-дерваальсовыми взаимодействиями;

- молекулы растворителя, сорбата, неподвижной фазы, а также ассоциаты сорбат-сорбент имеют сферическую форму;

- молекулы растворителя намного меньше молекул неподвижной фазы, а последние намного крупнее молекул сорбатов;

- давление равно 1 атм;

- подвижная фаза несжимаема.

Однако, несмотря на достаточно детальное физическое описание процессов, протекающих при обращенно-фазовой хроматографии, полностью теоретический расчет удерживания - конечная цель хроматографической теории - остается практически неразрешимой задачей. Трудности такого расчета связаны как с неопределенностью некоторых параметров, так и с отклонениями реальных систем от допущений, сделанных при выводе уравнения (30). До сих пор неизвестны примеры априорного расчета параметров удерживания исходя из свойств сорбатов и других компонентов системы. В то же время анализ многочисленных экспериментальных закономерностей обращенно-фазовой хроматографии показывает правильность основных выводов этой теории.

Так, например, согласно уравнению (30), при постоянных условиях хроматографирования удерживание различных сорбатов определяется следующими факторами: дипольным моментом сорбатов, объемом их молекул, поляризуемостью, уменьшением площади неполярной поверхности при сорбции.

Числовые значения этих параметров, а также коэффициентов уравнения (30) известны далеко не в полном объеме. Поэтому прямое использование данного уравнения для расчета удерживания невозможно. Выявление роли упомянутых факторов служит основой для различных моделей удерживания, связывающих коэффициенты емкости с доступными параметрами или физико-химическими свойствами сорбатов.

Систематическое исследование удерживания обычно проводят в таких условиях, когда максимальное число параметров уравнения (30) сохраняют постоянное значение. При этом решается задача интерпретации и прогнозирования не абсолютных, а относительных величин удерживания в рамках определенных классов веществ. Этот подход, являющийся вынужденным, в то же время служит единственной тактикой исследований, приводящей к важным результатам. Создаваемые таким образом модели удерживания имеют большое практическое значение при выборе условий разделения.

Подобный же подход используется для оценки влияния на удерживание состава подвижной фазы и структуры сорбента.

Оценка влияния состава элюента на коэффициент емкости непосредственно по уравнению (30) по указанным выше причинам невозможна. Практически при измерении коэффициентов емкости нецелесообразно выходить за пределы 1> k¢ > 20. В этих пределах для оценки влияния состава элюента на удерживание используют полуэмпирическое уравнение

lg k¢ = lg k¢ _w - m C, (34)

где k¢ _w - коэффициент емкости, экстраполированный к нулевому содержанию органического растворителя в подвижной фазе. Данное уравнение хорошо описывает экспериментальны данные, а его коэффициенты определяют экспериментально. Теоретический расчет этих коэффициентов с помощью уравнения (30) практически невозможен из-за неопределенности многих параметров.

Другой подход к описанию зависимости удерживания от концентрации органического растворителя в элюенте основан на гипотезе о сольватации сорбата и сорбента. Предположим, что:

1) молекула сорбата Х в растворе сольватирована n молекулами органического растворителя (XB_n);

2) неподвижная фаза сольватирована m молекулами органического растворителя (SB_m);

3) при сорбции часть сольватирующих молекул растворителя B высвобождается в подвижную фазу.

Соответствующее уравнение тогда может быть записано в виде

XB_n + SB_m = XSB_m+n-p + pB, (35)

где XSB_m+n-p - сорбированный комплекс; p - число молекул растворителя B, высвобождающееся при сорбции.

Константа равновесия может быть найдена как

. (36)

Коэффициент емкости определяется как произведение коэффициента распределения на фазовое отношение:

, (37)

Подставив (36) в (37), получим

; (38)

. (39)

Считая, что при достаточно большой концентрации органического растворителя величины [SB_m] и V_s/V_m постоянны, получим линейное уравнение

, (40)

где p имеет ясный физический смысл - число молекул органического растворителя, вытесняемое с поверхности сорбента одной молекулой сорбата, а коэффициент b соответствует логарифму коэффициента емкости при концентрации органического растворителя 1 моль/л. Подчеркнем, что по определению константы равновесия в уравнении (36) используется не объемная, молярная концентрация растворителя B.

⇐ Предыдущая6789101112131415Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. Гидродинамическая хроматография
2. Ионоэксклюзионная хроматография
3. Лиганднообменная хроматография.
4. Хроматография на силикагеле.
5. Хроматография с динамическим модифицированием.