CC BY
12
УДК 543.544:681.3
ИОНОХРОМАТОГРАФИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ КАТИОННОГО ОБМЕНА К(И+, №+) НА СОРБИРОВАННЫХ ДИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТАХ ДЛЯ РАСЧЕТОВ ГРАДИЕНТОВ рН В ХРОМАТОФОКУСИРОВАНИИ
А. В. Иванов, А. Б. Тессман, П. Н. Нестеренко
(кафедра аналитической химии)
Определены коэффициенты катионного обмена протонов на натрий на дикарбоксикислотах, сорбированных на кремнеземе с привитыми олигоэтиленаминами. Диапазон экспериментально определенных коэффициентов катионного обмена К(И,Ка) соответствует параметру, ранее использованному нами при моделировании внутренних градиентов рН в хроматофоку-сировании.
Ионообменная динамическая модель формирования лее линейного, плавного градиента рН в элюент добавляют внутренних градиентов рН в хроматофокусировании сильный электролит [4], следовательно, элюент может со-учитывает гомогенные и гетерогенные равновесия в держать ионы С1-. К варьируемым параметрам разра-хроматографической системе, содержащей анионооб- ботанной нами модели формирования градиентов рН от-менник на основе модифицированного кремнезема с носятся коэффициенты анионного обмена С1- на анион сла-привитыми олигоэтиленаминами КМН2 и набор слабых бой кислоты К(С1, А), входящей в состав элюента. При кислот И^. А. в составе элюента [1-3]. Для получения бо- сорбции анионообменным сорбентом с привитыми
олигоэтиленаминами многоосновных (т.е. при п. > 1) кислот из элюента возможны процессы катионного обмена Н+ на №+ в фазе сорбента:
RNH + + H n . -1 A - + Na +
3 "] J
K (H,Na)-
» RNH0 + H n .
3.
a 2- .. + TT +
-2 A . + Na + H
(1)
В этом случае к варьируемым параметрам модели относятся коэффициенты катионного обмена ^(Н,№) на сорбированных кислотах:
K (H, Na) = -
2- + + [H n . -2 A 2 ][ Na + ][H + ]
(2)
[H n. -1 A .. ][Na ]
Применение многоосновных (хотя бы двухосновных) кислот позволяет достичь существенно более линейных градиентов рН по сравнению с одноосновными [4]. При использовании многосновных кислот не возникает нежелательный эффект фронтального разделения компонентов элюента, характерный для многокомпонентных смесей одноосновных кислот [2, 3].
Однако параметр K(H, Na), необходимый для точного описания модели, наиболее трудно поддается оценке. Литературные данные о значениях K(H,Na) отсутствуют, приведены только крайне немногочисленные сведения об условных константах диссоциации K Н для сорбированных (нековалентно связанных) 6-аминопеницилановой кислоты и глицина на ионообменных смолах [5, 6], а также коэф-фициенты катионного обмена H+ на Na+ на карбоксильных катионитах [5, 7, 8]. Данные о K Н привитых к кремнезему карбоксильных групп кислот по сравнению с гомогенными аналогами приведены в [9]. Вероятно, оценки K(H, Na) на сорбированных кислотах ранее не проводили вследствие сложности эксперимента.
В настоящей работе экспериментально определены коэффициенты катионного обмена K(H,Na) на дикарбокси-кислотах, сорбированных на кремнеземе с привитыми группами диэтилентриамина (Dien-SiO2).
Экспериментальная часть
Аппаратура и реагенты. Использовали хроматографи-ческую систему высокого давления, состоящую из насоса «Beckman-114M» (США), инжектора «Rheodyne-7125» с петлей объемом 100 мкл, стальной хроматографической колонки для ВЭЖХ (250'4,6 мм), заполненной сорбентом Hypro-SiO2 с привитыми группами оксипролина [10], кон-дуктометрического детектора «Conductolyzer 5300» (LKB-Bromma, Швеция). Сигнал детектора регистрировали на самописце «LKB» (Швеция). Пробы растворов отбирали с помощью микрошприца объемом 25 мкл.
В качестве элюента использовали раствор 0,8 мМ фталевой кислоты при рН 3,5 [11]. Для регулирования рН в элюент добавляли рассчитанное по программе «Acid-Base Calculator» [12] количество 1М раствора LiOH («Реахим», Россия). Скорость подачи элюента во всех случаях составляла 1 мл/мин. Кислотность растворов контролировали с помощью универсального рН-мет-ра «TOA Electronics HM-20S» (Япония) с комбинированным электродом. Растворы щавелевой, малоновой,
янтарной, фталевой и малеиновой кислот готовили растворением точных навесок препаратов в бидистилляте. Все реагенты имели квалификацию «ч.д.а.». Раствор хлорида натрия готовили из фиксанала (VEB-Feinchemie, Германия).
Методика эксперимента
1. Точную навеску сорбента Dien-SiO2 (0,50 г) вносили в пластмассовую пробирку емкостью 15 мл, добавляли 10 мл 0,1 М раствора щавелевой, малоновой, янтарной, или малеиновой кислоты; встряхивали в течение 5 мин; сорбент Dien-SiO2 отфильтровывали на стеклянном фильтре и промывали 10 мл деионизованной воды. Объединяли фильтрат и промывные воды, отбирали аликвоту 2-5 мл и разбавляли до 1 0 мл водой. Из полученного раствора отбирали пробу микрошприцем и хроматографировали при кондуктометрическом детектировании. Измеряли высоты (для щавелевой кислоты - площади) хроматографи-ческих пиков и рассчитывали содержание аниона кислоты по градуировочному графику. В случае фумаровой кислоты к точной навеске сорбента Dien-SiO2 (0,25 г) добавляли 10 мл 0,05 М раствора кислоты. После этого оставшийся на стеклянном фильтре сорбент промывали 10 мл 0,020 М раствором NaCl, отбирали микрошприцем пробу фильтрата и хроматографировали в тех же условиях. Измеряли высоты (или площади) хроматографических пиков и рассчитывали содержание натрия, хлорида и аниона де-сорбированной кислоты по градуировочному графику.
2. Для определения констант обмена при 50%-й запро-тонированности аминогрупп точную навеску сорбента (0,30 г) вносили в пластмассовую пробирку емкостью 15 мл, добавляли рассчитанное по программе «Acid-Base Calculator» [12] количество 0,050 М раствора кислоты, доводили объем до 10 мл (рН 5); встряхивали пробирку в течение 5 мин; сорбент отфильтровывали на стеклянном фильтре. Отбирали аликвоту микрошприцем и хроматог-рафировали в аналогичных условиях. Оставшийся на стеклянном фильтре сорбент промывали 10 мл 0,010 М раствором NaCl, отбирали микрошприцем пробу фильтрата и хроматографировали. Содержание натрия, хлорида и аниона десорбированной кислоты рассчитывали по граду-ировочному графику.
Построение градуировочных графиков. Готовили ряд стандартных растворов дикарбоновых кислот и хлорида натрия с концентрацией 0,001-0,005 М, отбирали микрошприцем пробу (2-25 мкл) и хроматографировали при кондуктометрическом детектировании. Строили зависимость высоты (или площади) хроматографического пика от содержания компонента в пробе.
Обсуждение результатов
Влияние значений рK(H, Na) на профиль расчетных градиентов рН. Моделирование поведения многоосновных кислот при формировании внутреннего градиента рН представляет весьма трудную задачу вследствие существенно большей (по сравнению с одноосновными кислотами) неопределенности как в механизмах их сорбции, так и в величинах параметров, характеризующих эти процессы, а также в силу вычислительных трудностей (время расчета градиента рН для системы, содержащей
двухосновную кислоту, по сравнению с аналогичной системой, содержащей одноосновную кислоту, может возрасти в 1 0 и более раз). Поэтому для таких систем мы ограничились лишь отдельными компьютерными экспериментами. В то же время и модель, и эксперименты подтверждают преимущества использования двухосновных кислот для получения линейного градиента в более широком диапазоне рН [2, 4]. На рис. 1 приведен ряд рН-выходных кривых для элюентов, содержащих двухосновную кислоту Н2А, при различных значениях рЛЩ, №). Наиболее плавные градиенты рН получаются при больших значениях рК(И, №), т.е. когда кислота Н2А сорбируется преимущественно в форме НА-, а не А - (с противоионом (рис. 1, кривые 2-4). При меньших значениях р^(И, №) градиент может иметь сложный вид с чередующимися минимумами и максимумами рН (кривая 1). Такое поведение дикарбоновых кислот в рамках моделей, разработанных Слайтерманом [13] и Мурелом [14], считается аномальным. Начальное падение рН на профиле градиента в этом случае объясняется значительной сорбцией [2]. Зависимость градиента рН от коэффициентов катионного обмена выражена достаточно резко: изменение величины р^(И,№) от 5 до 6 значительно изменяет профиль градиента, а при дальнейшем увеличении до 8 профиль практически не изменяется (рис. 1).
Экспериментальное определение ЩИ, №). В качестве исследуемых слабых двухосновных кислот были выбраны представители гомологического ряда предельных дикар-боксикислот (щавелевая, малоновая и янтарная) и непредельных кислот, являющихся цис- и транс-изомерами (фумаровая и малеиновая). Эти кислоты связываются с аминогруппами сорбента Б1еп-8Ю2 по одной карбоксильной группе, а вторая может быть либо в кислотной форме, либо в виде натриевой соли. Слабыми двухосновны-
ми кислотами трудно запротонировать аминогруппы сорбента более чем на 90-95% [4]. Это связано с тем, что значения р^а большинства дикарбоксикислот лежат в слабокислой области рН, а растворимость кислот в воде ограничена, что не позволяет получить более концентрированные растворы. Однако более сильные дикарбоксикис-лоты (например, щавелевая или малоновая) позволяют создать значение рН, при котором степень протонирова-ния аминогрупп Б1еп-8Ю2 близка к 90-100%. Проводить эксперимент в условиях, при которых анионообменник на основе модифицированного кремнезема практически не запротонирован (т.е. при рН > 8), нежелательно, так как при этом происходит частичное растворение кремнеземной матрицы сорбента. Поэтому мы выбрали значения рН, равные 5, что соответствует примерно 50%-й запро-тонированности групп анионообменника, а также 2-3, когда аминогруппы запротонированы почти полностью.
Для экспериментального определения значений К(И, №) использовали следующую схему: олигоэтиленамин-ный анионообменник (Б1еп-8Ю2) в максимально протони-рованной форме обрабатывали в статических условиях раствором дикарбоксикислоты (рН < 2,5) и затем раствором №С1. Задача одновременного определения равновесных концентраций С1- и анионов кислот в растворах решена с использованием метода ионной хроматографии на биполярной колонке Иурго-8Ю2. Ранее нами были найдены оптимальные условия для селективного разделения Ш+, С1- и анионов дикарбоксикислот на колонке Иурго-8Ю2 при элюировании фталевой кислотой и кон-дуктометрическом детектировании [11].
Расчет коэффициентов катионного обмена протонов на натрий. Расчет К(И, №) на сорбированной дикарбок-сикислоте основан на упрощенном описании равновесия (черта над ионом означает его нахождение в фазе сорбента):
(3)
К
[И + ] [Ма + ]
И + /№"
[И + ] [Ма + ]
(4)
где равновесную концентрацию № в подвижной фазе определяли ионохроматографически. Равновесную концентрацию в фазе сорбента определяли косвенно:
рмГ ] = с М +
№
-[Ма + ],
(5)
Рис. 1. Модельные внутренние градиенты рН для элюента с двухосновной кислотой Н2А; сИА = 1>10-3 М; рКа1 = 3,0, рКа2 = 5,0, К(С1, ИА-) = 0,1; рК(И, Ш): 1 - 3.0; 2 - 5,0; 5 - 6,0; 4 - 8,0, сильный электролит: МаС1, сМаС1 = 1 >10 3 М. Сорбент - анионообменник с аминогруппами (1&Кр = 8,0)
где с№+ - концентрация введенного № , а [№ ] - концентрация в растворе после ионного обмена на сорбированных кислотах.
Концентрацию [И] рассчитывали через измеренное значение рН раствора, находящегося в равновесии с сор. Равновесную концентра-
бентом Б1еп-8Ю2: [Н+] = 10 цию рассчитывали косвенно
-рН
. +
[И ' ] = (с
С1
- [СГ
) + ( с а 2-
2-
-[А2 ]),
(6)
И + + Ма + « Ма + + И +
Рис. 2. Экспериментальный внутренний градиент рН. Колонка: 300'9 мм, Dien-SiO2, 100-120 мкм, стартовый раствор: 0,025 М Трис-HCl (рН 7,5); элюент: 0,002 М щавелевая кислота (рН 2,7), 1 мл/мин; рН эффлюента непрерывно контролировали в потоке
где (cCl_ - [Cl ) - концентрация сорбированного Cl-, а (сА2- - [A ]) - концентрация сорбированной дикарбокси-кислоты.
Концентрации всех ионов (кроме Н) в подвижной фазе определяли из градуировочных графиков (табл. 1).
В итоге получаем выражение для коэффициента кати-онного обмена:
K + +
H + /Na +
[H + ] ■ ( С n + - [Na + ])
Na
+ - 2 -[Na + ] ■ {( С ci -- [Cl ]) + ( С A 2 - — [A2 ])}
Для каждой двухосновной кислоты проводили 3-5 параллельных определений. Результаты обрабатывали статистически (табл. 2). Полученные значения K(H,Na) уменьшаются в ряду
щавелевая > малеиновая > фумаровая > янтарная > малоновая,
что для первых трех кислот соотносится с уменьшением их констант диссоциации. Кроме того, известно, что щавелевая и малеиновая кислоты более прочно удерживаются на сорбентах с привитыми олигоэтиленаминами, поскольку расстояние между карбоксильными группами близко к расстоянию между первичными аминогруппами сорбента [4, 15]. Снижение степени протонирования аминогрупп ионообменника до ~50% (рН раствора, находящегося в равновесии с сорбентом, кислот ~5) приводит к незначительному уменьшению коэффициентов катионного обмена рКЩ, Na) для малоновой и янтарной кислот. В случае малеиновой кислоты рКЩ, Na) изменяется значительнее, что может объясняться вероятным присоединением мале-ата к двум карбоксильным группам (табл. 3).
Диапазон значений экспериментально определенных коэффициентов катионного обмена K(H, Na) соответствует диапазону параметра, ранее использованного нами
при моделировании внутренних градиентов рН в хромато-фокусировании (рис. 1, кривые 1-2). Градиенты рН, экспериментально полученные в колонках, заполненных сорбентом Dien-SiO2 и аналогичными сорбентами с привитыми олигоэтиленаминами [16], на качественном уровне согласуются с расчетными (рис. 2).
Т а б л и ц а 1
Градуировочные графики и пределы обнаружения Na+, Cl-и анионов дикарбоксикислот
Ион Диапазон линейности ГГ, мкмоль Уравнение ГГ
Натрий 0,01-0,20 h = 328,57n + 11,447
Хлорид 0,01-0,15 h = 346,71n + 10,701
Оксалат 0,10-0,40 S = 168,06n - 11,664
Малонат 0,01-0,15 h = 117,65n + 1,8197
Сукцинат 0,005-0,120 h = 434, 78n + 4,5754
Фумарат 0,01-0,15 h = 196,61n + 1,079
Малеат 0,01-0,15 h = 308,34n + 4,2295
. (7)
Примечания. ГГ - градуировочный график; h - высота хроматог-рафического пика, мм; S - площадь пика, мм2; n - содержание иона, мкмоль, во введенном объеме пробы.
Т а б л и ц а 2
Коэффициенты катионного обмена pi(H, Na) при максимальной степени протонирования анионообменника Dien-SiO2 (n = 3, p = 0,95)
Кислота рН рДН, Na)
Щавелевая 3,11 2,2±0,1
Малоновая 3,45 3,5±0,1
Янтарная 4,35 3,4±0,1
Малеиновая 3,22 2,3±0,3
Фумаровая 3,76 2,7±0,1
Примечание. рН раствора, находящегося в равновесии с сорбентом Dien-SiO2.
Т а б л и ц а 3
Коэффициенты катионного обмена p-КЩ, Na) при ~50%-й степени протонирования анионообменника Dien-SiO2 (n = 3, p = 0,95)
Кислота рН рДН, Na)
Малоновая 5,22 4,3±0,3
Янтарная 5,30 5,3±0,9
Малеиновая 5,20 4,5±0,1
Примечание. рН раствора, находящегося в равновесии с сорбентом Dien-SiO2.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гармаш А.В., Тессман А.Б., Иванов А.В., Нестеренко П.Н. //
ЖФХ. 1997. 71. С. 1683.
2. Гармаш А.В., Тессман А.Б., Иванов А.В., Нестеренко П.Н. //
ЖФХ. 1997. 71. С. 1872.
3. Гармаш А.В., Тессман А.Б., Иванов А.В., Нестеренко П.Н. //
ЖФХ. 1997. 71. С. 2054.
4. Тессман А.Б., Иванов А.В., Вакштейн М.С., Нестеренко П.Н.
// ЖФХ. 2001. 75. №1.
5. Либинсон Г.С. Физико-химические свойства карбоксильных ка-
тионитов. М., 1969.
6. Либинсон Г.С. Сорбция органических соединений ионитами.
М., 1979.
7. Тремийон Б. Разделение на ионообменных смолах. М., 1967.
8. Мамченко А.В., Валуйская Е.А. // ЖФХ. 1999. 73. С. 1443.
9. Мильченко Д.В. Дис. ... канд хим. наук. М., 1987.
10. Nesterenko P.N. // J. High. Resolut. Chromatogr. 1991. 14. P. 768.
11. Иванов А.В., Нестеренко П.Н., Тессман А.Б. // Вестн. Моск. ун-та. Сер.2. Химия. 2000. 41. С. 255.
12. Тессман А.Б., Иванов А.В. // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 2. Химия. 2001. 42. С. 19.
13. Slyterman L.A.AE., Elgersma O. // J.Chromatogr. 1978. 150. P. 17.
14. Murel A., Vilde S., Pank M. et al. // J. Chromatogr. 1985. 347. P. 325.
15. Subramonian S., Clifford D. // Reactive Polymers. 1988. 9. P. 195.
16. Иванов А.В., Тессман А.Б. // Вестн. Моск. ун-та. Сер.2. Химия.
1999. 40. №4. С. 241.
Поступила в редакцию 03.07.00
