Адсорбционная хроматография

Жидкостная адсорбционная хроматография (ЖАХ) основана на разнице в коэффициентах адсорбции разделяемых соединений. Взаимодействие сорбент-аналит обеспечивают Ван-дер-ваальсовые взаимодействия. Метод предназначен для разделения слабо и среднеполярных веществ, отличающихся в полярной части молекулы, т.е. количеством, природой и взаимным расположением полярных групп. Влияние взаимного расположения полярных групп обусловлено тем, что вещества взаимодействуют с твердой поверхностью сорбента и позволяет хорошо разделять изомеры положения и геометрические изомеры, например цис-транс изомеры.

В колоночной жидкостной хроматографии низкого давления в качестве неподвижных фаз широкое распространение получили оксид алюминия и силикагель. Реже применяют синтетический силикат магния (флоризил). ЖАХ на силикагеле - нормально-фазовая хроматография, в которой неподвижная фаза более полярна, чем подвижная.

Главные преимущества силикагеля - относительная инертность, большая адсорбционная емкость, легкость получения воспроизводимых сорбентов со стабильными свойствами. поверхность силикагеля легко подвергается химической модификации.

Силикагель SiO2· х Н20 имеет аморфную структуру, его внутренняя поверхность энергетически неоднородна из-за наличия нескольких типов беспорядочно распределенных силанольных ОН-групп. Присутствующая в силикагеле вода удерживается в нем в результате взаимодействия с поверхностными силанольными группами и за счет капиллярной конденсации (рис.29).

Рисунок 29. Структура поверхности силикагеля.

Силикагель, в зависимости от количества адсорбированный воды, проявляет разную адсорбционную активность, которая определяется методом ТСХ и называется активностью по Брокману. Максимальная активность – 0 по Брокману соответствует полному удалению физически связанной воды, что достигается прокаливанием сорбента при 150ºС и разряжении. Прокаливание при более высокой температуре может вызвать инактивацию силикагеля за счет превращения части силанольных групп в силоксановые. IV степень активности по Брокману соответствует полному насыщению водой. промежуточные активности достигаются добавлением рассчитанного количества воды к полностью активированному сорбенту.

Силикагель проявляет кислую реакцию поверхности, поэтому основные соединения сорбируются сильнее. В варианте ВЭЖХ это может вызывать образование асимметричных (хвостатых) пиков.

Оксид алюминия, как и силикагель, широко используют в колоночной хроматографии низкого давления и в ТСХ. Сорбенты на основе оксида алюминия показали повышенную селективность по сравнению с силикагелем в разделении многоядерных ароматических углеводородов, некоторых аминов. Химическая неоднородность и каталитическая активность поверхности Аl2О3 выше, чем силикагеля, кроме того, его труднее получать в виде воспроизводимых сорбентов. В связи с этим оксид алюминия практически не применяется в современной ВЭЖХ.

Силикагель в современном ВЭЖХ также оказался частично заменен на химически модифицированный силикагель (рис.30), что позволило улучшить стабильность и воспроизводимость разделения.

Рисунок 30. Химически модифицированные силикагели для НФ хроматографии.

Аминосиликагель больше всего похож на исходный силикагель по селективности для нейтральных соединений, однако сильнее удерживает кислые вещества. Диол и нитрил более слабые адсорбенты, чем силикагель, зато проявляют существенно меньшую склонность к неспецифической сорбции.

ЖАХ основана на конкурентном взаимодействии полярных групп вещества и молекул растворителя с активными центрами адсорбента на его внутренней поверхности. Поверхность сорбента, находящегося в равновесии с подвижной фазой всегда покрыта более или менее прочно связанным адсорбционным слоем. Если подвижная фаза содержит два или более компонентов, то состав адсорбционного слоя отличается от состава в объеме подвижной фазы. Адсорбция молекулы сорбата может происходить с вытеснением одной или нескольких молекул адсорбированного слоя или без него. Процессы взаимодействия молекул сорбата с адсорбционными слоями и поверхностью твердого адсорбента весьма сложны, главную роль в них играют ион-дипольные и диполь-дипольные взаимодействия. Селективность разделения в ЖАХ определяется не только межмолекулярным взаимодействием молекул данного сорбата, но и межмолекулярными взаимодействиями молекул ПФ как с адсорбентом, так и с молекулами сорбата, находящимися как на поверхности адсорбента, так и в адсорбционном слое и в объеме элюента.

Удерживание возрастает с увеличением полярности сорбата, с уменьшением числа атомов углерода в его молекуле и по мере уплощения молекулы и при увеличении числа π -электронов (для полиядерных соединений).
Ниже приведены ряд функциональных групп органических веществ, расположенный в порядке возрастания адсорбируемости на силикагеле (элюотропный ряды):

-СН2- < -СН3 < -СН=СН- < F- < Сl- < Br- < I- < -S-R < -O-R < NO2 < -NH-(карбазол) < -C(0)OR < -С(0)Н < -C(0)R < -ОН < -NH2 < -С(0)ОН

Элюотропный ряд носит приблизительный характер, поскольку существуют различия между алифатическими и ароматическими соединениями, имеет место влияние дипольного момента и поляризуемости молекулы, стерический факторы, кислотность адсорбента, полярность и селективность подвижной фазы.

В аналогичный ряд можно построить и растворители, что позволяет облегчить выбор элюента для конкретного разделения.

Для точного подбора условий разделения применяют смеси растворителей, причем неполярный растворитель, например гексан, бензол или хлористый метилен составляет большую часть элюента. Добавляемый полярный растворитель увеличивает силу элюента, причем нелинейно. Чем больше отличие в полярностях, тем сильнее выражена нелинейность (рис. 31).

Рисунок 31. Химически модифицированные силикагели для НФ хроматографии.

Адсорбционная хроматография на силикагеле является плохо воспроизводимым методом, что связано с сильной зависимостью от содержания воды, потому редко применяется для аналитической ВЭЖХ, но широко используется для препаративной хроматографии на открытых колонках. Напротив, хроматография на нитрильных и диольных сорбентах является вполне аналитическим методом.

Адсорбция аналитов происходит на поверхности сорбента, поэтому метод адсорбционной хроматографии отличается достаточно малой нагрузочной способностью. Для того, чтобы разделение проходило достаточно хорошо необходимо, чтобы соотношение вещество-сорбент было не больше 1:100 для препаративных разделений и не больше 1:1000 для аналитических.

Таблица 1. Особенности адсорбционной хроматографии.