90) Какова схема современного жидкостного хроматографа?

Современный жидкостной хроматограф включает насос высокого давления, кран-дозатор, хроматографическую колонку, термостат колонок, детектор, персональный компьютер. Использование колонок, работающих при таком давлении, приводит к усложнению всей хроматографической системы. Прежде всего, необходимы насосы, способные подавать жидкость без пульсации при высоком давлении. При этом для создания градиента (изменения состава подвижной фазы) необходим отбор элюентов мз 2-3 емкостей, смешивание этих растворителей, система удаления растворенных газов. Ввод пробы обычно осуществляется через петлевые дозаторы. Соединительные капилляры от насоса до колонки должны выдерживать давление до 60 МПа и иметь минимальный объем для предотвращения внеколоночого размывания. Объем зерна сорбента 3-5 мкм и диаметра капилляров 0,1 мм требует установки фильтров. Такие фильтры используются при заборе элюента, перед петлевым дозатором, перед колонкой. Конструкция колонки разработана таким образом, чтобы свести к минимуму все пустоты. Детектирование обычно осуществляет уф-спектрофотометрами, дифференциальными рефрактометрами.

Схема современного ЖХ-фа:1-микрошпирц, 2-кран-дозатор(инжектро),3-предколонка,4-колонка,5-система регистрации, 6-детектор, 7-растворители,8-насос

91. Почему более правильно гель-проникающую хроматографию называть ситовой (эксклюзионной)? Каков порядок элюирования соединений в зависимости от их регулярной массы в ситовой хроматографии?

92. Что такое ионообменная, ионная, ион-парная хроматография?

Ионообменная хроматография позволяет разделить молекулы, основываясь на ионных взаимодействиях. Неподвижная фаза имеет заряженные функциональные группы, которые взаимодействуют с анализируемыми ионизированными молекулами противоположного заряда. Этот вариант хроматографии классифицируется на два типа — катионную и анионную ионообменную хроматографию:

• Катионная ионообменная хроматография задерживает положительно заряженные катионы, так как неподвижная фаза имеет отрицательно заряженные функциональные группы, например, фосфат (PO₄³⁻).

• Анионная ионообменная хроматография задерживает отрицательно заряженные анионы, так как неподвижная фаза имеет положительно заряженные функциональные группы, например, ⁺N(R)₄.

. В ионной хроматографии используются поверхностно-пористые сорбенты с небольшой емкостью 0,01-0,1 мэкв/г - объемно-пористые полистирольные ионообменники и объемно-пористые кремнеземы с размером частиц 5-10 мкм. Это позволяет использовать сильно разбавленные растворы элюентов.

В этом методе разделение ионов сочетают с кондуктометрическим определением их.Поскольку высокочувстви­тельное кондуктометрическое определение возможно только при невысокой фоновой электропроводности потока жидкости, по­ступающей в детектор, фоновый электролит подвижной фазы, предварительно удаляют пропусканием его через ионообменные смолы.

Предложены два основных метода ионной хроматографии.

• Двухколоночная ионная хроматография, основанная на компенсации (подавлении) электролита, содержащегося в элюенте для разделения смеси ионов на колонке с помощью второй (компенсационной) ионообменной колонки, расположенной между детектором и разделительной колонкой.

• Другим вариантом ионной хроматографии является одно- колоночная ионная хроматография, основанная на использовании электролита с невысокой электропроводностью. В этом случае компенсационная колонка отсутствует.

Оптимизация условий в ионной хроматографии заключается в поиске наиболее селективного и эффективного разделения ионов в сочетании с минимизацией времени анализа.

Ион-парная хроматография

Ее такженазывают экстракционной хроматографией. Метод занимает промежуточное положе­ние между ионообменной хроматографией и адсорбционной, распределительной или обращенно-фазной. Недостатки ионооб­менных материалов, а именно невоспроизводимость от партии к партии, меньшая активность и стабильность по сравнению с другими сорбентами и небольшой выбор наполнительного ма­териала, исключающий изменение селективности за счет сор­бента, привел к некоторому ограничению применения ионооб­менной хроматографии. В ион-парной хроматографии боль­шинство этих недостатков можно преодолеть.

Ион-парную хроматографию используют для разделения образцов, содержащих как ионные, так и неионные соединения.

Наиболее часто применяют ион-парную хроматогра­фию на обращенной фазе, при которой в качестве подвижной фазы используют водный буферный раствор и органический растворитель, смешивающийся с водой, обычно метанол или ацетонитрил. При этом в подвижную фазу вводят небольшие количества модификатора (0,001-0.01М), которое называют ион-парным реагентом.

93. Что такое лиганднообменная, аффиная хроматография?

Лигандообменная хроматография основана на образовании координационных связей между сорбентом и разделяемыми ионами или молекулами. Лигандообменная хроматография применима только для разделения соединений, содержащих донорные гетероатомы или кратные связи. Ионы переходных металлов, находящиеся в неподвижной фазе, являются акцепторами электронов и легко вступают в координационное взаимодействие с электронодонорными атомами функциональных групп разделяемого соединения. Для проведения лигандного разделения необходимо наличие склонных к координации органических соединений и комплексообразующего катиона металла. Такое разделение характеризуется обратимостью процесса и высокой скоростью обмена лигандов. Лигандный обмен применяют в жидкостной колоночной, тонкослойной и газовой хроматографии, но наибольшие успехи были достигнуты в ВЭЖХ.

Лигандообменную хроматографию применяют для разделения в водной среде соединений, представляющих большой интерес для органической химии и биохимии: аминов, аминокислот, белков, нуклеотидов, пептидов, углеводов. При этом в вчестве комплексообразующих используют ионы меди, цинка, кадмия, никеля, серебра и железа. 

Аффинная хроматография — разновидность лигандной хроматографии. В основе последней лежит реакция взаимодействия разделяемых примесей с лигандом, связанным с инертным носителем. В случае аффинной хроматографии в роли примесей выступают биологически активные вещества (белки, ферменты), вступающие с лигандом (тоже, как правило, органическим) в специфическое биохимическое взаимодействие. Например: антитело-антиген, гормон-рецептор и т. д. Именно высокая специфичность подобного взаимодействия обусловливает высокую эффективность аффинной хроматографии и её широкое (по сравнению с другими видами лигандной хроматографии) распространение.

94. Что называется экстракцией? Что называют константой распределения, коэффициентом распределения? Напишите уравнение изменения энергии Гиббса для гетерогенного равновесия.

Экстра́кция — метод извлечения вещества из раствора или сухой смеси с помощью подходящего растворителя (экстраге́нта). Для извлечения из смеси применяются растворители, не смешивающиеся с этой смесью

Экстракция может быть разовой (однократной или многократной) или непрерывной (перколя́ция).

Простейший способ экстракции из раствора — однократная или многократная промывка экстрагентом в делительной воронке. Делительная воронка представляет собой сосуд с пробкой и краном для слива нижнего слоя жидкости. Для непрерывной экстракции используются специальные аппараты — экстракторы, или перколяторы.

В лабораторной практике химического синтеза экстракция может применяться для выделения чистого вещества из реакционной смеси или для непрерывного удаления одного из продуктов реакции из реакционной смеси в ходе синтеза.

К_а = .

В разбавленных растворах _i ≈ 1 и К_а ≈ С₂^II/С₂^I = К_С = К

К = С₂^II/С₂^I (2)

К_С = К называют коэффициентом распределения. Константа распределения К_а не зависит от концентрации растворов Коэффициент распределения К зависит от концентрации растворов и стремится к К_а при концентрации растворенного вещества стремящейся к нулю.

Изменение энергии Гиббса для гетерогенного равновесия описывается уравнением

95. Опишите различия между коэффициентом и константой распределения при экстракции органической кислота НА из воды органическим расстворителем.

Значение коэффициента распределения зависит от условий экстракции, на­пример от рН и концентрации экстрагента, тогда как константа распределе­ния постоянна (при I = const).

96. Как зависит коэффициент распределения кислот (оснований) от pH? Изобразите график этой зависимости.

Экстрагируемое вещество может находиться в растворе в разных формах. Практический интерес представляет отношение суммарных концентраций всех форм вещества в двух фазах, т. е. коэффициент распределения

(6)

Предельное значение K_D, найденное при I → 0 , близко к термодинамиче­ской константе распределения.

Значение коэффициента распределения зависит от условий экстракции, на­пример от рН и концентрации экстрагента, тогда как константа распределе­ния постоянна (при I = const).

При взбалтывании водного раствора кислоты НА с органическим растворителем устанавливается слож­ное равновесие:

между двумя фазами

НА₀ НА_в Н⁺ + А^- (7)

в водном растворе

Для этого равновесия справедливы следующие зависимости:

(8)

и

(9)

где К_а — константа ионизации кислоты.

Экстракцию слабых кислот обычно характеризуют коэффициент распределения D.

Если допустить, что заряженные частицы практически нерастворимы в органической фазе, то коэффициент распределения будет иметь вид

(9a)

После некоторых преобразований с учетом уравнения (9) получим:

(10)

Следовательно, коэффициент распределения кислоты зависит от рН (рис. 1). Если [Н+] ≥ 100 К_а, то зна­менатель в уравнении (10) приближается к единице, тогда D = K_D.

Рис. 1. Зависимость коэффициента распреде­ления кислот (1) и осно­ваний (2) от рН.

Используя уравнения (1.6), (1.7) и (1.7а) получим выражение

, (9b)

Это выражение может быть упрощено

97. Опишите схему димеризации уксусной кислоты в системе вода – неполярный растворитель (бензол).

Уксусная кислота почти полностью димеризуется в таких непо­лярных растворителях, как бензол. Подобрав условия (а именно рН<2) так, чтобы диссоциация карбоновой кислоты в водной фазе бы­ла пренебрежимо мала, можно представить общее равновесие, как показано ниже

Эти два равновесия подчиняются выражениям

(12) ; (13) ;

Коэффициент распределения, который выражает соотношение общих концентраций уксусной кислоты в обеих фазах и который можно опре­делить, например, титриметрически, имеет вид

(14)

Подставляя выражения (12) и (13) в соотношение (14), по-

лучим уравнение

(15)

В этом случае D зависит от концентрации [HA]₂ в системе.

В зависимости от значения D меняется характер графической за­висимости С₁ (общая концентрация всех форм растворенного вещества в фазе 1, орг. фаза) от С₂ (общая концентрация всех форм растворенного веще­ства в фазе 2, вода). Такие графические зависимости называются изотермами.

98. Изобразите изотермы межфазного распределения между равновесными концентрациями вещества в отдающей фазе и принимающей.

Известны два варианта пред­ставления изотерм межфазного распределения. В первом и наиболее часто встречающемся случае на оси абсцисс от­кладывается равновесная концентрация вещества в от­дающей фазе (с_i)_ОТД, а на оси ординат — концентрация в извлекающей фазе (с_i)_изв .

Рис.3. Изотермы межфазного распределения

Постоянство величины K_D независимо от изменения концентра­ции веществ в системе соответствует случаю линейной изотермы (кривые 1 на рис. 3). Как пра­вило, изотерма является линейной только в области низких концентраций вещества. С ростом концентрации обычно наблюдается снижение величины K_D (выпуклая изотерма, кривая 2 на рис. 3), реже с увеличением концентра­ции K_D увеличивается (вогнутая изотерма, кривая 3).

99. Какие требования предъявляют к экстрагентам?

1) Главное требование заключается в хорошей способ­ности извлекать определенное вещество из водного раствора. Чем лучше экстрагируется данное вещест­во, тем меньше при прочих равных условиях расхо­дуется экстрагента.

2) Желательно, чтобы растворитель избирательно (селективно) экстрагировал из сложных систем толь­ко одно вещество или группу родственных соедине­ний. Селективность зависит не только от свойств экс­трагента (и экстрагируемого вещества), но и от усло­вий экстракции, например от рН водной фазы.

3)Как было уже указано, экстрагент и вода должны характеризоваться очень малой взаимной раствори­мостью, Свойства равновесных фаз несколько иные по сравнению со свойствами чи­стого растворителя и это различие тем больше, чем выше взаимная растворимость растворителей.

4) Желательно, чтобы экстрагент имел малое давле­ние насыщенных паров при комнатной температуре и чтобы температура кипения была выше 50 °С.

5) Требуется, чтобы плотность экстрагента по воз­можности больше отличалась от плотности воды и водных растворов.

6) Растворитель (экстрагент) не должен подвергаться гидролизу и взаимодействовать с материалом аппаратуры для экстракции.

К числу других требований относятся

7) низкая тем­пература плавления (замерзания),

8) негорючесть,

9) нетоксичность,

10) дешевизна экстрагента.

11) простота регенера­ции экстрагента (отгонка, реэкстракция и др.) должны осуществляться простыми способами.

100. Какие принципы заложены в классификацию экстрагентов? Перечислите 6 основных подходов.

1) экстрагенты делят на активные и инерт­ные. К активным экстрагентам относят органические растворители, образующие сольваты с экстрагируе­мым веществом, активный экстрагент способен хорошо извлекать данное вещество. Инертный экстрагент или вообще не образует сольватов с экстрагируемым ве­ществом, или сольваты весьма нестабильны, такой растворитель не экстрагирует или плохо экстрагирует данное вещество. Инертные экстрагенты иногда до­бавляют для улучшения свойств активных экстраген­тов— для изменения их вязкости, плотности и т. п.

2) По другому признаку растворители делят на про­тонные (вода, спирты и др.) и апротонные. В протон­ных растворителях атом водорода связан с электроот­рицательными атомами, главным образом с кислоро­дом, молекулы таких растворителей служат донорами водорода при образовании водородных связей.

Среди апротонных растворителей выделяют экстрагенты, не образующие прочных комплексов (сольватов) с экс­трагируемыми веществами, например алифатические углеводороды, четыреххлористый углерод, и экстра­генты, образующие относительно прочные комплексы, например эфиры.

3)Различают экстрагенты полярные, т. е. с высокой диэлектрической проницаемостью, например спирты, эфиры, и неполярные, т. е. с малой диэлектрической проницаемостью, например углеводороды, четырех­хлористый углерод.

4) По теплоте испарения экстрагенты делят на легко- и малолетучие.

По поведению при экстракции органические со­единения можно разделить на две группы: неэлектро­литы, например углеводороды, их галогензамещенные, спирты, альдегиды, эфиры, и электролиты, например кислоты, фенолы, основания. К последней группе - от­носятся амфотерные электролиты, ионные ассоциаты.

Другие типы органических соединений в частности внутрикомплексные соединения (хелаты), (макроциклические соединения) например краун-эфиры.

5)Классификация экстрагентов по природе донорных атомов, ответственных за образование химической связи с экс­трагируемым веществом. По этим признакам выделяются пять основных классов экстрагентов: кислород-, азот- и серосодержащие, хелатообразующие и макроциклические. Различают пять основных механизмов реакционной экстракции: катионообменный, гидратно-сольватный, координационный, анионообменный и присоединения.