Научная статья на тему 'Хроматографические свойства гидрофобизованного силикагеля, модифицированного алкилсульфонатами'

Хроматографические свойства гидрофобизованного силикагеля, модифицированного алкилсульфонатами Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

CC BY
78
22
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по химическим наукам, автор научной работы — О Н. Обрезков, А Ю. Никифоров, О А. Шпигун

Изучены свойства ряда катионообменников, полученных модифицированием обращенно-фазовых сорбентов различными ион-парными реагентами. Показано, что наилучшим модификатором для определения катионов щелочных металлов в двухколоночном варианте ионной хроматографии является додецилбензолсульфонат.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим наукам , автор научной работы — О Н. Обрезков, А Ю. Никифоров, О А. Шпигун

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Хроматографические свойства гидрофобизованного силикагеля, модифицированного алкилсульфонатами»

УДК 543.544.6

ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГИДРОФОБИЗОВАННОГО СИЛИКАГЕЛЯ, МОДИФИЦИРОВАННОГО АЛКИЛСУЛЬФОНАТАМИ

О.Н. Обрезков, А.Ю. Никифоров, О.А. Шпигун

(кафедра аналитической химии)

Изучены свойства ряда катионообменников, полученных модифицированием об-ращенно-фазовых сорбентов различными ион-парными реагентами. Показано, что наилучшим модификатором для определения катионов щелочных металлов в двухколоночном варианте ионной хроматографии является додецилбензол-сульфонат.

Существенным преимуществом ионной хроматографии является возможность определения как анионов, так и катионов. Для разделения катионов в ионной хроматографии все чаще применяют сорбенты на основе силикагеля, которые обеспечивают более высокую эффективность по сравнению с полимерными ионообменниками [1]. Однако недостаточный ассортимент имеющихся сорбентов, их дороговизна и не всегда высокие эксплуатационные характеристики требуют развития простых и в то же время достаточно надежных подходов к синтезу разделяющих ионо-обменников.

Рис. 1. Изотермы сорбции модификаторов на сорбенте Силасорб С18: 1 - ДБС, 2 - ГС, 3 - ДНС

В качестве альтернативы ионообменникам, которые содержат на поверхности химически закрепленные функциональные группы, можно рассматривать сорбенты, полученные в результате модифицирования гидрофобных носителей ион-парными реагентами. Для разделения катионов с этой целью обычно используют соли алкилсульфатов или алкилсульфонатов, содержащие в алкильном радикале 4-12 атомов углерода [2, 3]. Для восстановления поверхностного слоя функциональных групп в процессе хроматографирования модификатор может добавляться в подвижную фазу. В этом случае применение более чувствительного кон-дуктометрического детектирования с подавлением фонового сигнала становится проблематичным из-за относительно высокой концентрации модификатора (10-3-10-2 моль/л).

Цель настоящей работы - получение катионообмен-ников путем модифицирования обращенно-фазовых сорбентов различными модификаторами и изучение свойств этих ионообменников на примере разделения катионов щелочных металлов.

Экспериментальная часть

Исследования проводили на ионном хроматографе «IC-1000» (Eppendorf-Netheler Hinz GmbH, Division Biotronik, Германия) с кондуктометрическим детектором. В качестве разделяющей и подавляющей использовали колонки размерами 3x50 и 6x150 мм соответственно. Разделяющую колонку заполняли сорбентами Силасорб СФ С18, Силасорб СФ С8 и Силасорб С2 с размером частиц 7.5 мкм. Перед заполнением сорбенты обрабатывали растворами, содержащими следующие ионы-модификаторы: додецилсульфат (ДС), гекса-децилсульфонат (ГС), триаконтилсульфонат (ТОС), до-децилбензолсульфонат (ДБС) и додецилнафтолсульфо-

нат (ДНС). Подавляющую колонку заполняли анио-нообменником «Dowex» 1x8 (100 мкм) в ОН-фор-ме. Скорость потока элюента составляла 1.4 мл/мин, а объем вводимой пробы - 50 мкл. Для приготовления растворов использовали реактивы квалификации «х.ч.» за исключением гексадецилсульфоновой и триа-контилсульфоновой кислот квалификации «ч.». Растворы готовили на деионированной воде. Рабочие растворы готовили из хлоридов соответствующих металлов.

Результаты и их обсуждение

На взаимодействие обращенной фазы с неполярной частью органического модификатора влияют многие факторы и в первую очередь гидрофобность сорбата и сорбента. Влияние длины алкильного радикала неподвижной фазы на удерживание изученных модификаторов практически не проявляется для С8- и С18-фаз. В то же время ионообменная емкость* катионо-обменника, полученного в результате модифицирования С2-фазы, значительно ниже и оказывается недостаточной для разделения катионов щелочных металлов. Этот экспериментальный факт не противоречит литературным данным [5-7], поэтому в дальнейшем использовали более гидрофобизованные матрицы. Вероятно, в случае полярной жидкой фазы доминирующую роль в межфазовом распределении органического модификатора должна играть гидрофобность последнего. Так, более крупные алкилсульфонаты и ароматические алкилсульфонаты значительно сильнее сорбируются на поверхности обращенной фазы, обеспечивая более высокую емкость образующегося ионообменни-ка. Изотермы сорбции некоторых ионов-модификаторов на С18-фазе представлены на рис. 1. Характер изотерм свидетельствует о сильном межмолекулярном взаимодействии всех изученных соединений с неподвижной фазой. Причем насыщение поверхности обращенной фазы более гидрофобными ТОС и ДНС происходит при их концентрации в растворе примерно на порядок ниже, чем концентрация ДБС и на » 1,5 порядка ниже по сравнению с ДС и ГС. Концентрация ДНС в растворе, соответствующая dCR/dC= 0, находится на уровне 0.1 ммоль/л. При концентрации ДБС в растворе, равной 0.2 ммоль/л, концентрация ДБС в твердой фазе составляет примерно 90% от максимальной. В данном случае, вероятно, можно отметить корреляцию между размером и количеством ионов, адсорбированных на поверхности. Весьма важной харак-

Рис. 2. Корреляция между количеством десорбированного модификатора и упрощенным критерием гидрофобности H = а + 4 b , где а - число атомов углерода, b - число полярных групп в молекуле

теристикой полученных подобным образом ионообмен-ников является стабильность их свойств и, в частности, емкости. В связи с этим в работе использовали два типа подвижных фаз: обычно применяемые для элюирования катионов щелочных металлов и те же элюенты, но содержащие добавки модификатора. В первом случае неподвижную фазу можно рассматривать как обычный катионообменник, содержащий на поверхности функциональные группы, более или менее прочно связанные с матрицей.

Прочность связывания ДБС и ДНС с поверхностью значительно выше по сравнению с ДС, который практически полностью десорбируется 2 л 5 мМ раствора HNO3. Емкость С18-фазы, модифицированной ДБС, снижается при пропускании двух литров элюента, а затем стабилизируется на уровне 0.1 ммоль/мл, оставаясь практически постоянной при прохождении 14 л элюента, что при расходе подвижной фазы 2 мл/мин соответствует примерно двум неделям работы, т.е. сорбент может относительно стабильно функционировать в водном растворе как катионообменник.

Прочность связывания ДНС с поверхностью сильнее, заметного изменения емкости не происходит после прохождения 1 л элюента. ТОС занимает промежуточное положение между ДНС м ДБС. Снижение обменной емкости при прохождении 2 л элюента корре-

* В литературе существуют различные взгляды на механизм разделения в условиях «хроматографии ионного взаимодействия» [4]. Авторы придерживаются концепции динамического ионного обмена и по этим причинам здесь и далее используется терминология ионного обмена.

Рис. 3. Хроматограммы смеси катионов щелочных металлов на

сорбентах, модифицированных: а - ДНС, б - ДБС (колонка 3x50 мм, давление 40 атм, скорость подачи элюента 1.4 мл/мин). Элюент: а - 5 мМ И^3, б - 5 мМ ИШ3/0.01 мМ ДБС

лирует с упрощенным критерием гидрофобности [8] (рис. 2). Для всех изученных модификаторов емкость полученных катионообменников в состоянии равновесия с водным раствором подвижной фазы, не содержащим модификатора, оказывается недостаточной для разделения катионов, константы обмена которых мало отличаются от единицы, но в более простых случаях они могут найти применение. С одной стороны, использование растворов, содержащих модификатор, в качестве подвижных фаз позволяет поддерживать «динамическое» равновесие и сократить время выхода колонки на режим. С другой стороны, изменяя концентрацию модификатора в подвижной фазе, можно варьировать емкость катионообменника. При равных концентрациях различных модификаторов в подвижной фазе времена удерживания катионов коррелируют с данными, приведенными на рис. 1. Установлено, что селективное и эффективное разделение

катионов щелочных металлов в условиях эксперимента возможно при емкости сорбента > 0.1 ммоль/мл. Для обеспечения такой емкости концентрация ДС в элюенте должна находиться на уровне 1-2 ммоль/л, а концентрация ДБС - на уровне 0.01-0.10 ммоль/л. В случае двухколоночного варианта предпочтительнее использовать ДБС, тем более, что концентрация других анионов в элюенте обычно на два порядка выше. Применение ДБС в качестве компонента подвижной фазы целесообразно также и по соображениям, связанным с растворимостью и давлением в хроматогра-фической системе. Известно, например, что присутствие 10-5 М эйкозил сульфата в подвижной фазе приводит к значительному повышению давления в системе [2]. Таким образом, из всех изученных модификаторов наиболее подходящим и универсальным для ионохроматографического определения является ДБС. При элюировании раствором, содержащим 5 ммоль/л HN03 и 0.01 ммоль/л ДБС, селективность разделения сопоставима с данными, полученными для импрегни-рованного сульфокатионообменника на основе гранулированных сополимеров стирола и дивинилбензола [9] и с другими литературными данными по избирательности сульфокатионообменников [10]. Хроматограммы смеси катионов щелочных металлов, полученные в различных условиях, представлены на рис. 3. Хроматограммы характеризуются хорошей селективностью и эффективностью (20000-30000 ТТ/м).

Как уже отмечалось, при добавлении модификатора в подвижную фазу существует возможность регулирования емкости путем изменения его концентрации в растворе. Такой подход может оказаться полезным в аналитической практике, поскольку изменение концентрации ДБС в растворе в диапазоне от 0.01 до 0.2 ммоль/л либо сокращает время анализа простых смесей, содержащих 2-3 компонента, либо приводит к повышению селективности определения (например, в сильно минерализованных водах).

Авторы признательны РФФИ за финансовую поддержку этих исследований

(грант 95-03-09571а).

CnHCOK HHTEPATYPM

1. Klingenberg A., Seuber A. // J. Chromatogr. 1993. 640. P. 167.

2. Cassidy R.M., Elchuk S. // Anal. Chem. 1982. 54. P.1558.

3. Smith R.L., Pietrzuk D.J. // Anal. Chem. 1984. 56. P. 1572.

4. Haddad P.R., Jackson P.E. Ion chromatography. Principles and

application. (J. Chromatogr. Libr. V.46) Amsterdam, N.Y., 1990.

5. Berendsen G.E., De Galan L. // J. Chromatogr. 1980. 196. P.21.

6. Engelhardt H., Ahr G. // Chromatographia 1981. 14. P. 227.

7. Scott R.P.W., Kucera P. // J. Chromatogr. 1980. 196. P. 21.

8. Шатц В.Д., Сахартова О.В. Высокоэффективная жидкостная

хроматография: Основы теории. Методология. Применение в лекарственной химии. Рига, 1988. С. 277.

9. Муравьев Д.Н., Омарова Ф.М., Обрезков О.Н. Первая Всес.

конф. по ионной хроматографии. Тез. докл. 1989. М., С. 53.

10. Мархол М. Ионообменники в аналитической химии. Свойства и применение в неорганической химии. М., 1985.

Поступила в редакцию 13.06.96

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.