Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

Изобретение относится к области хроматографического анализа веществ и позволяет осуществить анализ органических веществ.

Хроматография - метод разделения, анализа и физико-химического исследования веществ. Хроматография один из основных методов количественного анализа органических и неорганических соединений. Тонкослойная хроматография - это вариант хроматографии, основанный на различии в скорости перемещения компонентов смеси в плоском тонком слое (толщина 0.1-0.5 мм) сорбента при их движении в потоке подвижной фазы (элюента).

Предлагаемый способ относится к тонкослойной хроматографии.

Хроматограмма - первичный результат хроматографического разделения.

В настоящее время существуют следующие способы получения хроматограмм: восходящие хроматографии, нисходящие, круговые (или радиальные) хроматограммы, двумерные хроматограммы (Способы проведения хроматограммы на бумаге ,на стр.895 Губен-Вейль. Методы органической химии, изд. 2-е, М. Издательство «Химия», 1967).

Широко используются способы восходящей хроматографии (элюент поднимается под действием капиллярных сил вверх по капиллярам бумаги, пластинки); нисходящей (элюент опускается вниз).

Обычно для разделения веществ между подвижной и неподвижной фазами при хроматографии используют элюент, который подают в избытке, на каплю пробы.

Известен способ хроматографического анализа с образованием так называемых колец Лизеганга (Шемякин Ф.М., Степин В.В. Ионообменный хроматографический анализ металлов. Изд-во «Металлургия», 1970).

Кольца Лизеганга получают из неорганических солей. Способ получения колец Лизеганга следующий (на стр.135, Г.Холмс. Лабораторные работы по коллоидной химии. ОНТИ-Химтеорет- Ленинград - 1936, с.208): желатин с примесью небольшого количества K₂CrO₇ выливают на стеклянную пластинку и затем в центр помещают каплю раствора AgNO₃, который диффундирует в желатин и дает красный осадок двухромовокислого серебра. Осадок получается не сплошным пятном, а в виде правильных концентрических колец.

В 1946 г. Шемякиным (Шемякин Ф.М., Степин В.В. Ионообменный хроматографический анализ металлов. Изд-во «Металлургия», 1970, на стр.16) предложена «хроматографическая теория образования ритмических структур осадков в гелях и водной среде (колец Лизеганга)». По этой теории ритмические отложения осадка получаются как результат автохроматографического процесса, когда образующийся осадок сам служит сорбентом для диффундирующего в гель электролита, чем создается зона отставания, и дальнейшее отложение осадка становится возможным только на некотором расстоянии от образовавшегося слоя осадка. При этом вначале образуется зона отставания, двигающаяся затем перед зоной осаждения, как в распределительной хроматографии (Шемякин Ф.М., Степин В.В. Ионообменный хроматографический анализ металлов. Изд-во «Металлургия», 1970, стр.19).

Для количественного и качественного анализа колец Лизеганга используют величину Rf как индивидуальную характеристику вещества в распределительной хроматографии (Шемякин Ф.М., Степин В.В. Ионообменный хроматографический анализ металлов. Изд-во «Металлургия», 1970, стр.15). Величина Rf представляет собой отношение расстояния от старта до зоны отложения к расстоянию от старта до границы растворителя. Таким образом устанавливается связь осадочной хроматографии с распределительной (Шемякин Ф.М., Степин В.В. Ионообменный хроматографический анализ металлов. Изд-во «Металлургия», 1970, стр.16).

Кольца Лизеганга представляют собой по механизму образования вид осадочной хроматографии. Их особенность заключается в том, что, во-первых, объект исследования - неорганические соли, во-вторых, для получения хроматограммы в центр пробы добавляют только каплю реагента, который реагирует с неорганической солью, уже помещенной на пластинку с гелем, в-третьих, непрерывный поток элюента не используют. В-четвертых, используются два реагента, один из которых осадитель. Химическая реакция идет на гелевой поверхности, в результате которой получается новое химическое вещество.

Круговая (радиальная) хроматография осуществляется следующим образом. Каплю исследуемого раствора наносят на сорбент и элюируют, последовательно нанося капли элюента в центр пятна. Хроматограмма при этом имеет вид концентрических зон. Этим методом, например, выбирают сорбенты и растворители для колоночной хроматографии. Круговая хроматография, при которой элюент подается в центр круга на круглом бумажном фильтре, подробно описана в источнике Губен-Вейль «Методы органической химии», изд. 2-е, М. Издательство «Химия», 1967, на стр.896. В центре круглого бумажного фильтра вырезают в радиальном направлении узкую полоску, загибают ее книзу и опускают в растворитель (элюент). Затем по кругу фильтра на определенном расстоянии от центра наносят капли подлежащего исследованию раствора вещества и эталонной смеси. Помещают фильтр в закрытый сосуд и дают растворителю подниматься по опущенному в него фитилю, не допуская испарения растворителя. При распространении по фильтру растворителя разделенные компоненты образуют концентрические круги, которые с увеличением расстояния от центра становятся все более отчетливыми.

Таким образом, круговой способ получения хроматограмм отличается от других способов только тем, что капля пробы ставится в центр хроматограммы, и непрерывный поток элюента подается из центра хроматограммы.

Прототипом выбран известный способ круговой (радиальной) хроматографии.

Недостатками известных методов - круговой хроматографии и хроматографии с образованием колец Лизеганга являются их сложность, длительность, необходимость в использовании большого количества элюента (в круговой хроматографии), возможность использования для анализа только неорганических веществ (кольца Лизеганга).

Технический результат, достигаемый изобретением, - упрощение способа хроматографического анализа органических веществ, сокращение времени, необходимого для анализа.

Заявляемый результат достигается тем, что в способе хроматографического анализа органических веществ, включающем растворение исследуемого органического вещества в летучем растворителе с получением раствора пробы, последующее нанесение капли раствора пробы на хроматографическую пластину со слоем сорбента, при этом в качестве растворителя выбирают вещество, не вступающее в химическое взаимодействие с пробой и сорбентом, последующий качественный и количественный анализ проявившихся колец, при этом качественный анализ осуществляют по отношению к эталонному веществу/группе веществ, наносимому на пластину в тех же условиях, что и исследуемая проба, а количественный анализ осуществляют по весу или площади кольца, соответствующего конкретному веществу/группе веществ.

Качественный анализ - это анализ с целью выявления (выделения) конкретного вещества, группы веществ, фракции, фракции группового состава. Качественный анализ в заявляемом способе проводят по отношению к эталону, соответственно эталонному веществу, группе веществ, фракции или фракции группового состава. Данное сравнение осуществляют стандартным способом, а именно наносят на пластину в тех же условиях, в том же количестве и в той же концентрации эталонное вещество/группу веществ/фракцию/фракцию группового состава и исследуемое вещество/группу веществ/фракцию/фракцию группового состава, затем сравнивают положение проявившихся колец, например, согласно коэффициенту распределения.

Метод сравнения эталона и исследуемой пробы не является принципиальным для заявляемого способа.

Авторы предположили, что возможно объединить положительные качества двух видов получения хроматограмм: круговой (радиальной) - хорошее разделение органических соединений при потоке элюента из кругового центра хроматограммы и колец Лизеганга - отсутствие потока элюента.

Были подобраны условия, при которых растворитель может выполнять одновременно роль растворителя и элюента.

В заявляемом способе растворитель должен быть летучим, т.е. легкоиспаримым, и не взаимодействовать с сорбентом, чтобы не загрязнять хроматограмму и не искажать результаты анализа.

Смесь органических веществ растворяют в летучем растворителе (он же и элюент). Пробу капают на хроматографическую пластинку. Капля раствора распределяется по поверхности как при обычной круговой хроматографии. В отличие от круговой хроматографии в центр пятна не подается дополнительно элюент. В отличие от колец Лизеганга в центр пятна не подается реагент (осадитель), вступающий в химическую реакцию с исходным веществом пробы, в результате которой образуется новое вещество. После проведения процесса хроматографирования согласно заявляемому способу растворитель - элюент испаряется с хроматографической пластинки. На поверхности сорбента проявляются кольца - фракции.

Количественный и качественный анализ каждого кольца - вещества/группы веществ/фракции/фракции группового состава осуществляют известными методами, например по величине Rf (качественный анализ фракции); по весу или площади каждого кольца осуществляют количественный анализ.

Способ является простым, быстрым, позволяет проводить экспресс-тестирование органических веществ. Получаемые в результате анализа кольца легко визуализируются, при этом каждое кольцо проявляется как отделенное от соседних колец, что позволяет легко отделить одно кольцо от другого для качественного и количественного анализа.

Заявляемый способ хроматографирования проверялся на следующих примерах.

Пример 1.

Пластинка покрыта силикагелем. Растворитель и элюент не использованы. Каменноугольная смола - вязкая жидкость, при температуре 35°С - жидкая. Капаем каплю смолы. На поверхности получается единый коричневый круг без разделения. Разделение также не было отмечено при исследовании пятна методом ИК-спектроскопии. Следовательно, при отсутствии элюента не происходит хроматографического разделения.

Опыты с растворением каменноугольной смолы в растворителе авторы не проводили, т.к. не могли корректно подобрать растворитель, в отношении которого можно было бы с уверенностью сказать, что смола и растворитель не вступают в химическую реакцию, т.к. известно, что смола растворяется в толуоле и бензоле, а толуол и бензол вступают в химическую реакцию с органическими веществами, из которых и состоит смола.

Каменноугольная смола представляет собой ароматическое органическое соединение. Для ароматических соединений каменноугольной смолы возможно π-π-стэкинг - взаимодействие (Стид Джонатан В., Джерри Лю Этвуд. Супрамрамолекулярная химия, том 2, ИКЦ «Академкнига», М., 2007, стр.551) или образование эксимеров (Химическая энциклопедия: В 5 т.: т.5: Триптофан -ЯтроХ46 химия/редкол.: Зефиров Н.С. - М.: Большая Российская энцикл., 1999, стр.410).

Поэтому опыты с растворителем осуществлялись в отношении других органических продуктов.

Пример 2.

Пластинка покрыта силикагелем. Продукты растворялись в гептане и сразу же наносились на пластинку. Проводилась кольцевая хроматография согласно заявляемому способу.

Взаимодействие гептана с органическими соединениями не установлено и авторам не известно, поэтому авторы обоснованно делают вывод о том, что гептан не вступает в химическую реакцию с исследуемыми пробами органических веществ.

На фиг.1 приведены хроматограммы на пластинках с силикагелем при использовании в качестве растворителя и одновременно элюента - гептана для проб нефтяных продуктов и продукта гидролиза растительного сырья - фурфурола (получаемого из кукурузы, овсяной и рисовой шелухи), который используют на нефтяном производстве.

Пробы отобраны на двух разных заводах г.Уфы и на территории автодора г.Екатеринбурга:

а - фурфурол (22 партсъезда, г.Уфа), б - битум (автодор), в - асфальт деасфальтизации (22 партсъезда, г.Уфа).

При получении кольцевой хроматограммы согласно заявляемому способу на пластинке происходило хроматографическое разделение.

Пример 3.

Опыт проводили с другим растворителем.

На фиг.2 представлена хроматограмма, при получении которой в качестве растворителя и одновременно элюента использовался бензол.

Взаимодействие бензола с органическими соединениями нефтяного происхождения не установлено и авторам не известно, поэтому авторы обоснованно делают вывод о том, что бензол не вступает в химическую реакцию с исследуемыми пробами органических веществ.

Такое различие во взаимодействии бензола с каменноугольными продуктами (например, со смолами) и с нефтяными продуктами обусловлено различием их структуры, а именно считается, что каменноугольные продукты состоят в основном из ароматических соединений, а нефтяные - из парафиновых углеводородов (С.А.Ахметов, М.Х. Ишмияров, А.А. Кауфман, Санкт-Петербург «Недра», 2009, стр.27).

Пробы отобраны на двух разных заводах г.: а - гудрон (завод г.Уфа), б - битум (завод г.Уфа), в - асфальт - деасфальтизации (22 партсъезда, г.Уфа), г - фурфурол (22 партсъезда, г.Уфа).

Обработка получаемых хроматограмм является простой. Легко замерить диаметры или радиусы колец. Используем следующие известные формулы для измерения кругового кольца. S=(π/4)-(D²-d²); S=π(R²-r²), где S - площадь, D - большой диаметр, d - малый диаметр, R - большой радиус, r - малый радиус. Для измерения площади круга используют формулы: S=πd²/4 или S=πr².

По площади колец определяют количественное содержание каждой проявившейся фракции.

Качественный анализ фракции определяют, например, по показателю Rf по отношению к эталонным веществам. Пробу эталона готовят в этом же растворителе (элюенте), в том же количестве, той же концентрации, что и пробу исследуемого вещества.

Отличительной чертой нового способа от способа колец Лизеганга является то, что не создается зона отставания и проявление вещества/группы веществ в виде колец становится возможным сразу, а не на некотором расстоянии от образовавшегося слоя вещества/группы веществ в связи с тем, что в нашем случае (в случае кольцевой хроматографии согласно заявляемому способу) отсутствует химическая реакция (отсутствует осадитель). В способе Лизеганга автохроматографический процесс происходит за счет диффузии растворителя, что способствует четкому разделению пробы на определенные фракции. В случае кольцевой хроматографии согласно заявляемому способу разделение происходит, как предполагают авторы, за счет непрерывной сорбции и десорбции (признаки процесса хроматографии), т.к. при наличии диффузии жидкой смолы без растворителя (элюента) разделение не происходит (пример 2). Авторами показано, что автохроматографический процесс возможен и для органических соединений, что и показано на примерах.

Отличительной чертой нового способа от способа круговой хроматографии является то, что элюент подается не постоянно для элюирования, а один раз в виде растворителя пробы. Резко сокращается количество элюента, выброс в рабочую зону паров элюента, время проведения анализа. Главное в заявляемом способе правильно выбрать растворитель, который будет одновременно являться элюентом. Растворитель должен быть летучим, чтобы растворить исследуемое вещество, быстро улетучиться и успеть разделить продукт, не искажая картинку хроматограммы. При этом растворитель должен обеспечивать полное растворение исследуемого органического вещества.

Предлагаемый способ как вариант жидкостной хроматографии обладает всеми особенностями, характерными для хроматографического процесса: многократностью повторения основного элементарного акта, что и приводит к разделению многокомпонентной системы на несколько фракций.