Идентификация органических соединений (4 курс 1 семестр, Оразова Найла Абдрасиловна)

Хроматография

Задачи:

1.      Знакомство с видами хроматографии.

В настоящее время широкое применение получил хроматографический метод разделения, очистки, выделения н идентификации органических соединений благодаря высокой эффективности и простоты эксперимента. Метод основан на различии в подвижности веществ при прохождении их через двухфазную систему, что обусловлено различным взаимодействием их с компонентами фаз. Отличают три основных вида хроматографии: адсорбционную, распределительную, ионнообменную.

При адсорбционной хроматографии используется различие в степени сорбции компонентов смеси на поверхности твердого тонкоизмельченного вещества (адсорбента).

Распределительная (абсорбционная) хроматография основана на различии коэффициентов распределения компонентов смеси между двумя несмешивающимися жидкими фазами, так называемыми подвижной фазой и неподвижной фазой, нанесенной на твердый носитель.

Однако часто при разделении веществ играет роль как распределение, так и адсорбция.

При ионообменной хроматографии разделение компонентов смеси основывается на обратимом равновесии между ионами исследуемых веществ, находящихся в растворе, и ионами (катионами или анионами), адсорбированными на твердом носителе. Б качестве сорбентов используют ионообменные смолы, полиэлектролит, содер жащие основные (NH2-, NH-группы) или кислотные (-СООН) группы.

АДСОРБЦИОННАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ

При адсорбционной хроматографии применяют как полярные, так и неполярные твердые адсорбенты.

Неполярными адсорбентами являются активированный уголь, некоторые смолы, а полярными — оксид железа (III) Fe203, оксид магния, сульфат магния, карбонат магния, гидроксид и оксид кальция, углеводороды. Наибольшее применение находят активированный оксид алюминия, используемый для разделения нейтральных и основных растворов, и силикагель при хроматографировании кислых растворов.

Оксид алюминия в зависимости от количеств адсорбированной воды обладает различной адсорбционной способностью. Причем, чем больше воды содержится в оксиде алюминия, тем меньше его активность, которая определяется по шкале Брокмана. Увеличение полярности органического соединения способствует адсорбируемости его на полярном сорбенте: галогенопроизводные углеводородов < простые эфиры < третичные амины, нитросоединения, сложные эфиры < кетоны, альдегиды < первичные амины < амиды кислот < спирты < карбоновые кислоты. Чем полярнее адсорбируемое вещество (по сравнению с используемым растворителем), тем прочнее оно связывается с адсорбентом.

Органическое соединение, адсорбированное на сорбенте, вытесняется только таким растворителем, у которого сродство к сорбенту больше, чем у адсорбированного вещества. Растворители можно расположить в ряд по увеличению способности вытеснять вещество из адсорбента: петролейный эфир < циклогексан < четыреххлористый углерод < бензол < хлороформ < диэтиловый эфир, этилацетат < ацетон < этанол < вода < уксусная кислота < пиридин.

Наиболее часто применяют методы колоночной адсорбционноэлюционной хроматографии и хроматографии в тонком слое.

РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ

Разделение компонентов смеси при распределительной хроматографии проводится с использованием двух несмешивающихся жидкостей, в которых компонент смеси растворяется и распределяется между ними в соответствии с коэффициентом распределения. Одна из фаз является неподвижной и находится в порах твердого носителя. А другая подвижная, продвигающая компоненты смеси по твердой фазе. Неподвижной фазой должно быть вещество более полярное, чем растворитель, применяемый в качестве подвижной фазы. Иначе при хроматографировании произойдет вытеснение им неподвижной фазы из пор носителя. Твердым носителем являются бумага и силикагель, а полярной неподвижной фазой является вода, сорбированная на бумаге или добавленная к силикагелю.

Наиболее часто используют распределительную колоночную хроматографию, хроматографию на бумаге и тонкослойную хроматографию.

КОЛОНОЧНАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ

Колонкой для хроматографирования может служить стеклянная бюретка диаметром от 8 до 12 мм и длиной 25—30 см. В колонку помещают адсорбент так, чтобы он образовал равномерно и плотно насыпанный столбик.

Для этого на дно колонки (перед сужением) помещают кусочек стеклянной ваты (рис. 19). Оксид алюминия (III) просеивают через ткань капронового чулка и вносят в колонку в сухом виде или приготовляют суспензию в растворителе, который будет использован для хроматографирования. В первом случае оксид алюминия (III) постепенно засыпают в колонку, наполненную растворителем. При этом все время слегка постукивают по колонке (деревянной палочкой или стеклянной с надетой на нее резиновой трубкой), чтобы адсорбент равномерно уплотнился.

При втором способе наполнения колонки оксид алюминия (III) сильно взмучивают в растворителе. Полученную суспензию вливают небольшими порциями в колонку при постукивании. Верхнюю часть сорбента закрывают тампоном из стеклянной ваты. Растворитель должен стекать со скоростью 15—20 капель в минуту. Если скорость меньше, то в колонке создают давление или вакуум. Для этого через верхнюю часть колонки подают сжатый воздух или герметично соединяют колонку с приемником и присоединяют водоструйный насос (с отростком). Когда уровень растворителя достигнет верхней границы колонки, на верхнюю часть адсорбента осторожно наливают раствор так, чтобы над поверхностью адсорбента всегда оставался небольшой слой жидкости.

Когда раствор полностью протечет через колонку, небольшими порциями вливают чистый элюент, при пропускании которого происходит разделение вещества. За разделением окрашенных веществ следят по образованию цветных зон. Если компоненты смеси необходимо выделить, то продолжают прибавлять растворитель. Тогда постепенно зоны разделенных веществ спускаются вниз по колонке. Их постепенно вымывают с адсорбента, собирая окрашенные растворы в отдельные приемники.

При разделении смеси бесцветных веществ за ходом элюирования наблюдают, отбирая равные объемы фракций. Растворитель отгоняют и определяют константы оставшихся веществ после отгонки в каждой фракции.

БУМАЖНАЯ РАДИАЛЬНАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ

Хроматографирование на бумаге проводят на специальной фильтровальной бумаге высокой чистоты и очень равномерной плотности. В некоторых случаях бумагу предварительно обрабатывают уксусным ангидридом. Тогда происходит ацилирование целлюлозы и образуются сложноэфирные группы, что приводит к изменению адсорбционных свойств бумаги и улучшению хромато-графического разделения для некоторых классов соединений.

Вода, постоянно присутствующая в бумаге, является неподвижной фазой, а подвижной фазой часто служат различные растворители или смесь их, иногда насыщенная парами воды.

Простейший прибор для получения радиальных хроматограмм состоит из двух составленных вместе чашек Петри одинакового диаметра. В одну из них наливают растворитель, на чашку кладут хроматограмму и сверху накрывают второй чашкой Хроматографирование осуществляют на кружке хроматографической бумаги диаметром 8—15 см. Из центра круга проводят окружность радиусом 1,5—2 см, на которую наносят отдельными капиллярами капли растворов «свидетелей» и каплю исследуемой смеси. Капли наносят на расстоянии 1—1,5 см друг от друга. В центре круга делают небольшое отверстие, куда вставляют фитиль из фильтровальной бумаги длиной несколько меньшей, чем высота чашки. Диаметр хро-матограмм должен быть на 0,5— 1 см больше диаметра чашек. В чашку наливают растворитель (элюент) на '/5 высоты ее. Затем на эту чашку кладут хроматограмму, следя за тем, чтобы конец фитиля касался растворителя, и после проявления сверху накрывают другой чашкой. Растворитель радиально продвигается по хроматграмме. Когда растворитель дойдет почти до конца диска, хроматограмму вынимают.

Если вещества окрашены, то зоны отдельных компонентов видны в виде пятен. Если вещества бесцветны, то хроматограмму высушивают и опрыскивают раствором проявителя, дающего цветную реакцию с исследуемыми веществами. После высушивания определяют функцию R_f (фактор замедления) компонентов смеси и «свидетелей».

ТОНКОСЛОЙНАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ

Тонкослойная хроматография является эффективным методом для разделения малых количеств веществ на небольшом слое адсорбента и за короткое время. Хроматографирование можно проводить в закрепленном и незакрепленном слое адсорбента. В качестве адсорбента для приготовления закрепленных слоев применяют оксиды магния, алюминия, кальция, карбонат магния, силикагель в смеси со связующими компонентами, такими, как сульфат кальция, рисовый крахмал и вода. Для приготовления хроматографическо й пластинки с закрепленным слоем адсорбента на стеклянную пластинку (9Х12 см, 13x7 см) наносят смесь адсорбента со связующим веществом (5% от массы адсорбента) и водой в виде кашицы. Специальным валиком (см. ниже) смесь равномерно раскатывают в слой толщиной 2 мм. Затем пластинку высушивают при ПО—120°С. После высушивания пластинки на ней не должно быть трещин.

При работе в тонком незакрепленном слое в качестве адсорбентов используют главным образом оксид алюминия и силикагель. Для приготовления тонкого, незакрепленного слоя применяют такие же стеклянные пластинки. На пластинку насыпают слой адсорбента и равномерно разравнивают его валиком, слегка прижимая к стеклу и снимая при этом избыток адсорбента. Валик можно сделать из стеклянной палочки диаметром 8—10 мм и длиной несколько большей, чем ширина пластинки. На концы палочки надевают кружки (длиной до 1 см) из каучуковой трубки или поливинилхлорида такой толщины, чтобы при накатывании адсорбента образовался слой до 1 мм. Кружки должны находиться на таком расстоянии от конца трубки, чтобы после проведения валиком по пластинке по обеим сторонам ее оставались свободные от адсорбента полосы. Можно сделать валик металлический с утолщенными концами. Причем он должен накладываться на пластинку. Для закрепления пластинки во время нанесения адсорбента удобно иметь специальный станок.

На пластинке с адсорбентом на расстоянии 1,5—2 см от ее края натянутой ниткой или проволокой проводят поперечную линию (линия старта) параллельно нижнему краю пластинки. На нее капилляром наносят капли растворов исследуемых веществ на расстоянии 1,5—2 см друг от друга. В одну точку можно наносить до 50 мкг вещества. После нанесения образца на сорбент растворителю дают испариться и пластинку устанавливают в наклонном положении в кювете, на дно которой налит элюент слоем 1—1,5 см. Угол наклона может быть не более 20—30°, иначе сорбент осыпается с пластинки (рис. 22). Элюент должен касаться пластинки ниже стартовой линии. Затем кювету плотно закрывают крышкой, чтобы не нарушилось соотношение растворителей (при использовании смеси) за счет испарения. Когда растворитель поднимется почти до верха пластинки, ее вынимают и отмечают положение фронта растворителя. При хроматографировании бесцветных веществ после окончания процесса пластинку высушивают и помещают в атмосферу легкоадсорбируемого вещества. При этом чистый сорбент на пластинке окрашивается, а пятна вещества ?остаются бесцветными. Иногда при таком «проявлении» хроматограммы окрашиваются как сорбент, так и вещества, но интенсивность окраски различна. «Проявителем» могут служить пары йода. Прежде чем помещать пластинку в сосуд с «проявителем», необходимо, чтобы растворитель на пластинке испарился. Иначе йод растворяется на пластинке, и нарушается различие в адсорбции. Пластинку помещают в сосуд с кристаллическим йодом на 5—10 мин. Затем пластинку вынимают и оставляют на воздухе для испарения избытка йода. Постепенно ярко обозначаются контуры пятен веществ.

Положение пятен вещества после хроматографирования характеризуется значениями Rf (отношение фронтов) и вычисляется по формуле:

Расстояние от точки старта до середины пятна хромат Расстояние, пройденное растворителем от линии старта Rf является характеристикой каждого вещества, но зависит от качества сорбента и элюента. Поэтому проводят сравнение величин Rf испытуемого вещества со «свидетелем», который наносится на ту же пластинку. «Свидетелем» служит предполагаемое чистое вещество, полученное другим методом.

В настоящее время для хроматографирования широко используют силуфоловые пластинки, представляющие собой алюминиевую фольгу, покрытую закрепленным слоем силикагеля и люминесцентного индикатора. Пластинки весьма удобны в обращении

Вопросы для допуска к работе по теме «Тонкослойная хроматография» (ТСХ)

    1. Что называется хроматографией?

    2. На чем основано хроматографическое разделение веществ?

    3. Какие виды хроматографии различают по агрегатному состоянию подвижной фазы, по природе сорбента и используемой методике?

    4. Какие растворители обычно используют в качестве элюентов при хроматографии?

    5. Перечислите наиболее часто применяемые сорбенты.

    6. Что означает «хроматография в закрепленном и незакрепленном слое»?

    7. Как поступают для получения закрепленного слоя сорбента?

    8. Что такое «свидетель»?

    9. От каких факторов зависит успех хроматографического разделения веществ?

    10. Что является количественной мерой скорости переноса вещества при использовании определенного адсорбента и растворителя?

    11. По какой формуле рассчитывается R_f (фактор замедления)?

    12. Какие факторы оказывают влияние на величину R_f?

    13. Что означает понятие «проявить» хроматограммы?

    14. С помощью каких реактивов можно «проявить» хроматограммы?

    15. Укажите универсальный проявитель для многих соединений.

    16. Как можно обнаружить бесцветные пятна флуоресцирующих веществ?

    17. Перечислить преимущества ТСХ по сравнению, например, с бумажной хроматографией.