Под действием электронного удара

1. Простой разрыв связей.

1.1. Отщепление алкильного радикала.

Наиболее отчетливо этот тип распада проявляется в спектрах алканов в виде ионов состава С_nH₂_n₊₁⁺, которые имеют относительно большую массу. Образование низкомолекулярных гомологов часто является следствием перегруппировочных процессов. В случае изоалканов связи у мест разветвления менее прочны, поэтому они разрываются предпочтительнее. При этом образуется наиболее стабильный карбокатион. Стабильность карбокатионов возрастает в ряду H₃C⁺ < RH₂C⁺ < RR’HC+ < RR’R”C⁺. Алкильный радикал элиминируется тем легче, чем больше его масса.

1.2. Выброс олефина из алкильного иона.

1.3. Аллильный разрыв.

Следует отметить, что при ионизации олефинов предпочтительно удаляется один из p-электронов двойной связи, поэтому более правильно будет выглядеть следующая схема:

1.4. Бензильный разрыв.

Этот тип распада очень похож на аллильный и характерен также для алкилзамещенных гетероциклов. Указанные закономерности проявляются и в случае соединений, содержащих функциональные группы в алкильной цепи или ароматическом кольце.

1.5. Образование алкильных ионов при выбросе неалкильного радикала.

Вероятность отрыва радикала возрастает с облегчением стабилизации положительного заряда на углероде.

1.6. Образование ониевых ионов (b-разрыв).

Стабильность ониевых ионов увеличивается по мере возрастания электроотрицательности гетероатома (O < S < N).

1.7. Образование ацильных ионов (a-разрыв).

1.8. Выброс нейтральной молекулы при простом разрыве двух связей. Например, ретродиеновый распад, или ретрореакция Дильса – Альдера.

2. Перегруппировки

2.1. Миграция атомов водорода через четырехчленное переходное состояние.

Например:

X = OR, SR, NH₂, H, R

X = O, S, NH, NR

Этот тип перегруппировок чаще всего протекает в осколочных ионах.

2.2. Миграция атома водорода через шестичленное переходное состояние (перегруппировка Мак-Лафферти).

Данная перегруппировка может протекать в альдегидах, кетонах, кислотах, сложных эфирах, амидах, тиокетонах, тиоэфирах, оксимах, гидразонах, азометинах, сульфидах, нитрилах и других соединениях, которые удовлетворяют следующим условиям:

- наличие кратной связи между атомами F и E;

- наличие не менее трех последовательно соединенных атомов в цепи;

- присутствие атома водорода в g-положении относительно ненасыщенной группы.

Легкость протекания перегруппировки Мак-Лафферти сильно зависит от расстояния между непредельной группой и атома водорода в g-положении. Оно не должно превышать 0, 18 нм.

2.3. Выброс нейтральной молекулы НХ при участии атомов водорода из различных положений

Группа Х может иметь различную природу. Например: OH, OR, SH, SR, NR2, OCOR, CN и др. Х может быть и атомом галогена, водорода и др.

2.4. Элиминирование молекул или радикалов, которые реализуются вследствие орто-расположения их элементов (" орто-эффекта" ). Например:

или, частный случай, который можно отнести к орто-эффекту:

2.5. Миграция атома водорода в циклических соединениях после первичного размыкания цикла.

Данная перегруппировка довольно часто случается среди гетероциклических соединений.

2.6. Миграция к катионному центру с выбросом нейтральной молекулы – это скелетные перегруппировки в осколочных ионах, в которых заряд можно фиксировать на углеродном атоме.

В качестве конкретного примера можно взять поведение метилового эфира b-фенил-b’-бром-пропионовой кислоты, когда молекулярный ион после выброса атома брома претерпевает подобную перегруппировку с элиминированием кетена.

2.7. Миграция к катионному центру на гетероатоме с выбросом нейтральной молекулы. Этот тип перегруппировок аналогичен 2.6, но подразумевает катионный центр на гетероатоме. Например:

Иногда перегруппировки 2.6 и 2.7 идут одновременно, например:

2.8. Скелетные перегруппировки с элиминированием радикалов и карбенов, например:

Высокая стабильность дифторкарбена стимулирует его легкий выброс на различных стадиях распада фторалкилароматических соединений.

Капиллярный электрофорез

Общая характеристика метода

С методами жидкостной хроматографии тесно связан открытый сравнительно недавно метод капиллярного электрофореза. Их принципы настолько близки, что последний часто рассматривают как разновидность жидкостной хроматографии.

Метод капиллярного электрофореза возник благодаря объединению возможностей обычного электрофореза в разделении частиц (обычно – заряженных) и хорошо разработанной аппаратуры хроматографического анализа.

Обычное электрофоретическое разделение происходит за счет различия в способностях частиц к миграции в электрическом поле. В методе капиллярного электрофореза разделение проводят в капиллярах (с диаметром 25 – 75 мкм), заполненных буферными растворами. Высокое электрическое сопротивление капилляра позволяет работать с сильными электрическими полями (до 500 В/см), что способствует сокращению продолжительности анализа и достижению высокой эффективности разделения. Возникновение электроосмотического потока в капилляре позволяет разделять любые частицы, независимо от их заряда.

Устройство прибора выглядит сравнительно несложным. Концы кварцевого капилляра помещают в резервуары с буферными растворами, в которые помещены электроды. С их помощью подключают капилляр к высоковольтному напряжению. Анализируемый образец вводят в капилляр, заменяя один из резервуаров с буфером (обычно у анода) резервуаром с образцом и кратковременно прикладывая электрическое поле. После этого конец капилляра снова переносят в резервуар с буферным раствором и накладывают поле, производящее разделение компонентов смеси при ее движении вдоль капилляра. Обнаружение веществ и измерение аналитического сигнала (обычно – оптической плотности) чаще проводят спектрофотометрическими детекторами непосредственно через прозрачную стенку капилляра у его противоположного конца.

Одно из преимуществ метода – широкий диапазон возможностей относительно природы разделяемых веществ. С его помощью анализируют сложные смеси аминокислот, витаминов, пестицидов, оптических изомеров различных веществ, неорганических и органических ионов, красителей, поверхностно-активных веществ, белков и др. При этом требуются очень малые количества образца, невелик и расход органических растворителей.

Важнейшим фактором, влияющим на проведение высокоэффективного капиллярного электрофореза, является т.н. электроосмотический поток. Это объемный поток жидкости в капилляре, вызванный наличием поверхностного заряда на его внутренней стенке. От величины этого потока зависит время пребывания частиц смеси в капилляре.

Известно, что в практике аналитической химии стараются, если возможно, работать с водными средами. К счастью, в методе капиллярного электрофореза дело обстоит именно таким образом. При работе с водными растворами большинство твердых поверхностей (в том числе и кварцевая трубка) несут избыток отрицательных зарядов. В этом " повинны" и ионизация поверхности (силанольные группы у кварца), и адсорбция ионов на стенке. Очевидно, заряд поверхности вызывает формирование в растворе слоя противоионов (катионов). При наложении внешнего напряжения они притягиваются к катоду, но, поскольку они сольватированы (в случае воды – гидратированы), они " тащат" за собой весь раствор, что и приводит к возникновению электроосмотического потока.

Поскольку заряд поверхности сильно зависит от кислотности раствора, величина потока меняется с изменением рН. Кроме этого, существенное влияние на его величину оказывает и ионная сила раствора.

Очевидно, важность наличия электроосмотического потока состоит в том, что (в отличие от обычного электрофореза) он заставляет двигаться в том же направлении почти все частицы (т.е. и катионы, и незаряженные молекулы, и даже анионы). Даже анионы движутся к катоду, поскольку их собственное притяжение к аноду примерно на порядок слабее силы электроосмотического потока. Следовательно, в процессе одного анализа возможно разделение частиц по их заряду: катионы мигрируют наиболее быстро (совместное действие электроосмотического потока и электрофоретического притяжения к катоду), молекулы – медленнее (только поток), анионы – наиболее медленно. Лишь в случае разделения небольших ионов возможно движение катионов и анионов в противоположных направлениях.

Поскольку электроосмотический поток играет такую большую роль, им необходимо уметь управлять. Способов для этого много: изменение напряженности электрического поля, рН, ионной силы и концентрации буферных растворов, температуры, введение поверхностно-активных и некоторых других веществ.

Что же является " выходной кривой" в рассматриваемом методе? Это электрофореграмма – кривая, аналогичная хроматограмме, а следовательно, и параметры разделения удобно использовать аналогичные.

Время, затрачиваемое на миграцию растворенного вещества до точки обнаружения, называют временем миграции. Это время можно использовать для расчета подвижности растворенного вещества, а следовательно, для установления его природы, т.е. для целей качественного анализа.

К сожалению, как и в жидкостной хроматографии, в методе капиллярного электрофореза много причин для размывания зон, поэтому разделяемые компоненты должны иметь существенно различающиеся времена миграции. Степень размывания необходимо по возможности контролировать. При идеальных условиях основным фактором, приводящим к размыванию зон, является продольная диффузия (" вперед – назад" по капилляру). Следовательно, надо дать возможность веществам как можно меньше находиться в капилляре, что может быть достигнуто применением высоких напряженностей электрического поля. Кроме того, необходимо использовать среды, в которых коэффициенты диффузии веществ минимальны.

Другими факторами, влияющими на размывание зон, являются перепады температуры (из-за джоулевого разогрева), конечная длина зоны образца при его введении, взаимодействие компонентов раствора с материалом капилляра (в том числе их адсорбция на поверхности).

Буферные растворы, используемые в капиллярном электрофорезе, должны иметь высокую буферную емкость в выбранном диапазоне кислотности и малую подвижность собственных ионов. Кроме того, если предполагается спектрофотометрическое окончание аналитической процедуры (что чаще всего и бывает), они должны иметь малое собственное светопоглощение на выбранной длине волны. Концентрация буферов обычно невелика – 10 ‑ 50 ммоль/л и редко достигает 0, 5 моль/л. Возможность образования компонентами буферных растворов комплексных соединений с разделяемыми ионами следует всегда учитывать: в ряде случаев она может быть весьма полезна, поскольку влияет на подвижность и может привести к улучшению селективности разделения.

С кварцевыми капиллярами работают в области рН от 2 до 12. Но значение рН играет громадную роль в разделении, и поиск его оптимального значения – один из первых этапов разработки методики анализа.

Добавки, вводимые в состав буферного раствора, могут быть весьма разнообразными, на чаще всего это – поверхностно-активные вещества. Они и взаимодействуют с анализируемыми веществами, и адсорбируются внутренней стенкой капилляра, и изменяют электроосмотический поток. Высокие же концентрации ПАВ и вовсе меняют механизм электрофоретического разделения.

Рассмотрев сущность метода, обратимся теперь к некоторым практическим вопросам.

Особенности аппаратуры

Как и в хроматографии, зона смеси при ее введении в капилляр должна быть возможно меньшей. Длина капилляра обычно составляет 50 – 75 см, а длина вводимой зоны должна быть около 2 % от этой величины. Таким образом, объем вводимой пробы составляет от 1 до 50 нанолитров, что, конечно, представляет немалые экспериментальные трудности (здесь – один из ответов на вопрос: почему метод столь хорош, а приборы встречаются редко? ). Введение образца может осуществляться путем приложения давления к входной части капилляра, создания разрежения у выходной части или создания электрического поля (в несколько раз более сильного, чем используемого при последующем разделении). Точность введения заданного объема поддерживается современными приборами (в основном – фирмы " Хьюлетт – Паккард" ) на уровне 2 – 3 %, для чего необходимо хорошее термостатирование капилляров (с точностью до 0, 1⁰).

Рабочий капилляр – тоже отнюдь не дешевая часть прибора. Материал капилляра должен быть химически и электрически инертным, прозрачным в ультрафиолетовой и видимой областях спектра, гибким и прочным. Этим требованиям лучше всего отвечает кварц. Конечно, снаружи капилляр покрывают для прочности защитным слоем пластмассы, и лишь на небольшом расстоянии (несколько миллиметров), там, где будет проводиться спектрофотометрическое измерение, пластмассу удаляют. Другим материалом, используемым для этой цели, является тефлон.

Для воспроизводимой работы капилляр необходимо периодически очищать. Поскольку для этого используют не только буферные растворы, но и более агрессивные вещества, в том числе щелочи, состояние внутренней поверхности воспроизводится неидеально, в чем состоит еще одна практическая проблема.

В капиллярном электрофорезе используются источники постоянного тока, дающие токи от 0, 2 до 0, 3 мА при напряжении до 30 кВ. Напряжение поддерживают с высокой точностью (до 0, 1 %). Источники должны давать возможность программируемого изменения напряжения в процессе анализа.

Из-за малого диаметра капилляра обнаружение веществ и измерение величины сигнала в капиллярном электрофорезе затруднены. Из-за этого, несмотря на малые объемы вводимых проб, метод нельзя считать высокочувствительным. Наиболее часто пользуются спектрофотометрическим обнаружением в ультрафиолетовой и видимой областях спектра. При этом предел обнаружения может находиться на уровне 10^-5 моль/л и лишь при самых благоприятных условиях может быть снижен на 2 – 3 порядка. Детекторы по электропроводности или масс-спектрометрический почти не дают преимуществ в чувствительности. Более чувствительны амперометрический детектор и детектор, основанный на лазерной флуоресценции. Однако первый из них пригоден только для анализа электроактивных веществ, а второй очень дорого стоит.

Спектрофотометрический детектор конструктивно отличается от такового в обычных спектральных приборах. Луч света должен быть сильно сфокусирован на капилляр, что необходимо для устранения рассеянного излучения и увеличения интенсивности падающего света. Малая длина оптического пути (" толщины поглощающего слоя" ) – главный фактор, ограничивающий чувствительность метода. Особенности конструкции вызывают существенные отклонения от закона Бугера – Ламберта – Бера, приводящие к тому, что линейность градуировочного графика наблюдается в очень узком диапазоне концентраций. Особой беды в этом нет, но пользование методом добавок становится невозможным, а для построения градуировочного графика необходимо исследовать большое число стандартных растворов.

Измеряемым параметром для построения градуировочного графика является, как и в хроматографии, площадь пика. На ее воспроизводимость влияют различные факторы – температура, загрязнение образца, его испарение, адсорбция стенками, различные инструментальные причины.

В целом можно считать, что на данный момент капиллярный электрофорез является быстро развивающимся методом. Диапазон его возможностей широк, и сдерживающим развитие фактором является лишь дороговизна приборов и их малое количество.

⇐ Предыдущая 81 82 83 84 858687 88 89 90 Следующая ⇒