Ионообменные свойства силикагелей с привитыми алифатическими аминокислотами, содержащими ионогенную функциональную группу в боковой цепи тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.02 ВАК РФ

на правах рукописи

ИОНООБМЕННЫЕ СВОЙСТВА СИЛИКАГЕЛЕЙ С ПРИВИТЫМИ АЛИФАТИЧЕСКИМИ АМИНОКИСЛОТАМИ, СОДЕРЖАЩИМИ ИОНОГЕННУЮ ФУНКЦИОНАЛЬНУЮ ГРУППУ В БОКОВОЙ ЦЕПИ

02.00.02 - Аналитическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание учёной степени кандидата химических наук

Москва-1997

Работа выполнена в лаборатории хроматографических методов анализа кафедры аналитической химии Химического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.

Научные руководители: доктор химических наук,

профессор Шпигун O.A.

кандидат химических наук,

старший научный сотрудник Нестеренко П.Н.

Официальные оппоненты: доктор химических наук,

профессор Березкин В.Г.

кандидат химических наук,

старший научный сотрудник Волошик И.Н.

Ведущая организация: Институт элементорганических соединений

им .А. Н.Несмеянова (ИНЭОС) РАН

Зашита диссертации состоится 24. апреля 1997 г. в 16 часов 10 минут, в ауд. 337 на заседании диссертационного совета Д.053.05.60 по химическим наукам при Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу:

119899, Москва, ГСП-3, Воробьевы горы, МГУ, Химический факультет. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Химического факультета

Автореферат разослан 21 марта 1997 г. Отзывы и замечания просьба отправлять по адресу:

119899, Москва, ГСП-3, Воробьевы горы, МГУ, Химический факультет, кафедра аналитической химии, ученому секретарю диссертационного совета.

Учёный секретарь

МГУ.

кандидат химических наук диссертационного совета,

Торочешникова И.И.

Введение

Актуальность. В настоящее время круг промышленно выпускаемых катионообменников для ионной хроматографии ограничен небольшим выбором функциональных групп — карбоксильными и сульфогруппами. Ионообменная селективность таких сорбентов незначительно различается за счёт вторичных эффектов, связанных со свойствами матрицы и способом закрепления ионообменных групп. Дополнительное и ограниченное изменение селективности разделения достигается варьированием состава подвижной фазы. Поэтому методики разделения разнозарядных ионов часто предусматривают использование сложного аппаратурного оформления или сложных многокомпонентных элюентов. В связи с этим актуальным является развитие новых подходов к созданию селективных катионообменников, что позволило бы упростить одновременное разделение и определение разнозарядных катионов и, следовательно, расширить круг решаемых задач.

Перспективным путём создания новых селективных ионообменников является введение в состав ионообменного центра нескольких функциональных групп различной кислотности или основности. Такое строение ионообменного центра должно придавать этим сорбентам возможность многоточечного взаимодействия с катионами металлов, что открывает дополнительные возможности по варьированию селективности по сравнению с традиционными сульфо- и карбоксильными катионообменниками за счёт изменения природы и заряда функциональной труппы в боковой цепи. Объектом настоящего исследования являются химически модифицированные кремнезёмы с закреплёнными аминокислотами, содержащими в боковой цепи заряженные функциональные группы — карбоксильные или аминогруппы. Были изучены сорбенты на основе силикагеля с ковалентно привитыми группами иминодиуксусной, аспарагиновой, глутаминовой, диаминопропионовой кислот, аргинина, лизина и орнитина.

Целью настоящей работы являлось:

- изучение ионообменных свойств кремнезёмов, химически модифицированных аминокислотами в зависимости от природы, заряда и расположения ионогенной функциональной группы в боковой цепи;

- определение влияния природы, заряда и размера функциональной группы в боковой цепи на селективность ионохроматографического разделения катионов;

- изучение закономерностей удерживания катионов на таких сорбентах при варьировании состава подвижной фазы: концентрации элюирующих ионов, рН, ионной силы, природы и содержания органических растворителей;

- оптимизация условий одновременного ионохроматографического определения разнозарядных катионов, в частности катионов щелочных и щелочноземельных металлов;

- разработка ионохроматографических методик одновременного определения катионов щелочных и щелочноземельных металлов.

Научная новизна. Предложен новый подход к созданию сорбентов для ионной хроматографии, основанный на включении нескольких ионогенных функциональных групп в состав ионообменных центров. Подавление или

усиление ионообменных или комплексообразующмх свойств за счёт введения дополнительных амино- или карбоксильной функциональных групп открывает дополнительные возможности по варьированию селективности удерживания катионов.

Впервые в ионной хроматографии использованы катионообменники на основе химически модифицированных кремнезёмов, содержащих закреплённые аминокислоты с дополнительной карбоксильной (аспараниновая, глутаминовая, иминодиуксусная кислоты) или азотсодержащей (аргинин, лизин, орнитин, диаминопропионовая кислоты) функциональной группами в боковой цепи.

Практическая значимость. Разработаны методические основы выбора неподвижных фаз для ионной хроматографии на основе химически модифицированных кремнезёмов с привитыми группами аминокислот для решения различных практических задач.

Разработаны простые, экспрессные и чувствительные способы ионохроматографического определения тяжёлых и переходных металлов в промышленных образцах, а также одновременного определения катионов щелочных и щелочноземельных металлов в различных типах природных и искусственных вод.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Данные по изучению ионообменных свойств силикагеля с ковалентно закреплёнными аминокислотами, содержащими заряженную функциональную группу в боковой цепи.

2. Результаты изучения зависимости от рН элюента селективности удерживания ионогенных органических молекул на силикагеле с ковалентно закреплёнными аминокислотами с заряженной функциональной группой в боковой цепи.

3. Результаты изучения селективности разделения катионов щелочных, щелочноземельных и некоторых переходных металлов на силикагелях, химически модифицированных аминокислотами с заряженной функциональной группой в боковой цепи в зависимости от природы и концентрации компонентов подвижной фазы и температуры.

4. Вариант косвенного спектрофотометрлческого детектирования переходных металлов при использованием пиридинкарбоновых кислот в качестве элюента.

5. Способы одновременного изократического определения катионов щелочных и щелочноземельных металлов с использованием одноколоночного варианта ионной хроматографии.

Апробация работы и публикации. Основное содержание диссертации изложено в 11 печатных работах. Результаты исследований докладывались на международных симпозиумах по ионной хроматографии "НСБ '94" (Турин, Италия, 19-22 сентября 1994 г.) и "ПСЭ '96" (Рединг, Великобритания, 16-19 сентября 1996 г.), всероссийской конференции "Сорбенты, колонки, методы хроматографического анализа" (Москва, 23-24 ноября 1995 г.), 7-м всероссийском симпозиуме по молекулярной жидкостной хроматографии (Москва, 16—18 апреля 1996 г.), 10-м международном симпозиуме "Развитие и применение хроматографии в промышленности" (Братислава, Словакия, 30 июня — 4 июля 1996 г.), 8-й всероссийской конференции "Физико-

химические основы и практическое использование ионообменных процессов" (Воронеж, 24—26 сентября 1996г.).

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, выводов и списка цитируемой литературы. Материал диссертации изложен на 146 страницах текста, содержит 24 рисунка и 33 таблицы, в списке литературы 174 наименования.

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы, указывается цель работы и отмечается новизна результатов исследования. Первая глава — обзор литературы — посвяшена использованию карбоксильных ионообменников в ионной хроматографии, а также ионохроматографическим способам одновременного разделения и определения катионов щелочных и щелочноземельных металлов. Вторая глава содержит описание техники эксперимента и аппаратуры. Третья глава посвящена общей характеристике силикагелей с привитыми аминокислотами, содержащими заряженную группу в боковой цепи. В четвёртой главе приведены данные о разделении неорганических катионов на силикагелях с привитыми моноаминодикарбоновыми кислотами. В пятой главе описано разделение неорганических катионов на силикагелях с привитыми диаминомонокарбоновыми кислотами. Шестая глава описывает разделение неоргашгческих катионов на силикагелях с привитой иминодиуксусной кислотой. Седьмая глава посвящена одновременному разделению и определению анионов и катионов. Восьмая глава содержит примеры использования аминокарбсксильных катионообменников в анализе вод.

Исходные вещества, аппаратура и методики экспериментов

Сорбенты, использованные в работе, получены закреплением аминокислот на поверхность силикагеля через глвдидоксипропильную или хлорпропильную группы. Сорбенты синтезировали на основе силикагелей Silasorb 300 или Silasorb 600 с размером частиц 5 или 7.5 мкм (Таблица 1). Силикагель с закреплённой пропионовой кислотой (COOH-SiOj) синтезировали закреплением метакриловой кислоты на силикагель КСК-1. Колонки из нержавеющей стали или полиэфирэфиркетона (материал РЕЕК) заполняли сорбентами суспензионным способом из водной или водно-изопропанольной среды.

Аппаратура. В работе использовали следующее оборудование для высокоэффективной жидкостной хроматографии: насосы высокого давления: Milton Roy модель 2296, Beckman модель И4М, Carlo Erba Instruments Phoenix 20 CU; объёмная скорость подвижной фазы во всех случаях составляла 1 мл/мин; инжекторы: Rheodyne модели 7126 и 7125 с объёмами петли 50 и 250 мкл соответственно; детекторы: кондуктометрический LKB Bromma модель Conductolyser 5300В, спектрофотометрический для УФ- и видимой области спектра Linear модель 204, фотометрический LKB Bromma модель 2238 Uvicord SII; регистрирующий интегратор Spectra-Physics модель DP-700 или самописец Linear модель 1200 или LKB модель 2066; для изменения температуры хроматографической колонки использовали воздушный термостат СВО Industrial Electronics. Пробу вводили стеклянными микрошприцами Microliter Hamilton объёмом от 25 до 100 мкл.

Таблица 1. Общие характеристики исследованных неподвижных фаз

Сорбент Площадь поверхности исходного силикагеля, м2Д Размер частиц, мкм Концентрация закреплённых групп, мкмоль/г

Элементный анализ* ДОЁ (Си2+) **

А$р-5Ю2 300 7.5 60 24

С1и-5Ю2 300 5 140 71

ГОА-БЮг 300 7.5 130 39

ЬуБ-БЮг 600 7.5 130 18

Огп-БЮг 300 7.5 - 240

ОАР-БЮ2 300 7.5 280 250

А^-БЮг 300 7.5 160 35

СООН-БЮг 350 10 980 50

* —рассчитано по данным элементного анализа по азоту

** — динамическая обменная ёмкость

Общая характеристика силикагелей с привитыми аминокислотами,

содержащими заряженную группу в боковой цепи Кислотно-основные свойства аминокислот и выбор лигандов для закрепления на поверхности силикагеля. Аминокислоты — один из наиболее доступных классов молекул, имеющих в составе кислотные и основные группы, которые могут быть легко закреплены на поверхности силикагеля. Известно множество как природных, так и синтетических аминокислот. Поскольку аминокислоты содержат и кислотные (карбоксильные), и основные (амино-) группы, они обладают амфолитными свойствами. При низких значениях рН карбоксильная группа и аминогруппа протонированы, и аминокислота существует в виде катиона, при низкой же кислотности среды — наоборот: в виде аниона. При промежуточных значениях рН аминокислоты существуют в равновесии между внутренней солью или цвиттер-ионом, т.е. молекулы, в которой присутствуют как положительный, так и отрицательный заряды.

СНИ—СООН -I +Н3]Ч-СНЯ-СОО- - Н2К-СНЯ-СОО" Кислотные свойства аминокислот (особенно для а-карбоксильных групп) (Таблица 2) выражены значительно сильнее, чем в незамещённых карбоновых кислотах, а основные свойства — несколько слабее, чем в алифатических аминах. Это отличие связано с взаимным влиянием карбоксильной и аминогруппы: как карбоксильная, так и аминогруппа обладают отрицательным индуктивным эффектом, за счёт которых происходит перераспределение электронной плотности внутри молекулы, приводящее к изменению кислотности—основности. Кроме того, существует эффект дополнительного электростатического отталкивания протона карбоксильной группы от одноимённо заряженной протонированной аминогруппы, что также усиливает кислотные свойства карбоксильной группы. При этом разница кислотно-основйых свойств за счёт описанного эффекта тем значительнее, чем ближе в молекуле расположены карбоксильная и аминогруппа.

Предварительное исследование ионообменных свойств различных аминокарбоксильных сорбентов показало, что силикагели с привитыми

Таблица 2. Строение и свойства (константы диссоциации и изоэлектрические точки) изученных аминокислот и условные обозначения соответствующих сорбентов___

Аминокислота РК, рК2 РК3 Р1 Сорбент

Диаминомонокарбоновые

1МН2-сн-соон Ш2-(СН2)4 Лизин 2.15 9.20 10.66 9.9 Ьу8-8Ю2

ш2-сн-соон >Щ2-(СН2)3 Орнитин 2.07 8.83 10.52 9.7 Огп-БЮг

ИНг-СН-СООН кн2-сн2 2,3-Диамино-пропионовая 1.32 6.69 9.39 8.0 ОАР-5Ю2

соон ш >ш2-сн >щ2-с-мн—(СН2)3 Аргинин 2.18 9.04 12.48 10.8 А1£-8Ю2

Моноаминодикарбоновые

1\ТН2—СН-СООН (СН2)2-СООН Глутамино-вая 2.19 4.25 9.67 3.2 01и-5Ю2

мн2-сн-соон сн2-соон Аспарагино-вая 1.88 3.65 9.60 2.8 А5р-8Ю2

„сн2-соон "СН2-СООН Иминодиук-сусная 1.87 2.61 9.41 2.2 ЮА-5Ю2

аминокислотами, содержащими заряженную функциональную группу в боковой цепи, не демонстрируют заметных анионообменных свойств. В связи с этим настоящее исследование посвящено исследованию катионообменных свойств таких сорбентов.

Такие катионообменникп должны обладать рядом уникальных свойств. В силу строения закрепляемых на сорбенте молекул (влияние дополнительной карбоксильной или аминогруппы) а-карбоксильная группа должна обладать ещё более сильными кислотными свойствами, по сравнению с прочими аминокислотами. С одной стороны, это позволяет сорбентам с такой структурой ионообменного центра проявлять катионообменные свойства при более низких значениях рН подвижной фазы, и, следовательно, расширить круг используемых элюентов: использовать не только растворы органических, но и более сильных минеральных кислот. С другой стороны, введение в ионообменный центр сорбента дополнительной заряженной группы позволяет варьировать ионообменную селективность за счёт многоточечных взаимодействий с разделяемыми ионами. В-третьих, с помощью изменения типа заряженной группы в боковой цепи и длины

углеводородного радикала, отделяющего её от а-аминогруппы, можно плавно изменять селективность разделения, так как при этом изменяется значение констант диссоциации или протонирования ионогенных групп. И, наконец, наличие комплексообразующих свойств у аминокислот позволяют дополнительно варьировать селективность разделения катионов щелочноземельных и переходных металлов. Кроме того, дополнительная заряженная группа благодаря усилению биполярных свойств сорбентов может способствовать улучшению кинетики массопереноса и эффективности ионообменного разделения.

Потенциометрическое титрование. Потенциометрическое титрование сорбентов обычно преследует две цели: определение концентрации привитых групп и оценку их констант диссоциации. Из-за сложности исследуемого объекта и большого количества факторов, влияющих на равновесие в системе аминокарбоксильный сорбент — раствор: диссоциация, ионный обмен, комплексообразование, гидрофобные взаимодействия и т.д., различные способы определения ёмкости сорбента нередко дают отличающиеся друг от друга значения.

Для закрепленных аминокислотных остатков на поверхности силикагеля (так же, как и при закреплении простых аминогрупп) возможно образование водородных связей между силанольными группами силикагеля и аминогруппами, что приводит к уменьшению основности атомов азота. Уменьшение основности азота атечёт перераспределение электронной плотности внутри аминокислотной группы, вследствие чего ослабляется кислотность карбоксильных групп: согласно проведённому потенциометрическому титрованию рКа увеличиваются примерно на 0.2—0.6.

Определение сорбционной ёмкости сорбентов. Сорбционная ёмкость является одним из важнейших свойств сорбентов в ионной хроматографии. Катионы могут сорбироваться по ионообменному механизму. Причём, если катионообменный центр сорбента содержит одну карбоксильную группу, возможно образование ионной пары 1:1 даже в случае двухзарядных катионов. Если же плотность прививки ионообменных групп высока или ионообменный центр содержит две катионообменных группы, возможно образование ионных ассоциатов двухзарядного катиона с двумя карбоксильными группами. Кроме того, для для меди(Н), как и для большинства переходных металлов, представляется вероятной также сорбция катионов за счёт комплексообразования с закреплёнными на поверхности группами аминокислот с образованием устойчивых комплексов (для комплексов аминокислот с Си2+ 7-11, ^(Ъ 13-20), а также и просто с отдельной аминогруппой. В случае невысокой плотности прививки молекул на поверхности силикагеля следует учитывать ионообменную сорбцию на остаточных силанольных группах.

Статическая обменная ёмкость (СОЁ) сорбента по меди(И) является в данном случае функцией рН. С ростом рН возрастает степень диссоциации закреплённых групп на поверхности. Это влечёт за собой повышение сродства аминокислотных остатков к катионам металлов как за счёт увеличения концентрации диссоциированных карбоксильных групп, так и за счёт усиления комплексообразования аминокислотных остатков на поверхности сорбента с катионами меди(П). Поэтому зависимость статической обменной ёмкости от рН для всех изученных сорбентов имеет вид сигмоидной кривой.

Начиная с некоторого значения рН (для различных сорбентов от 3 до 4.5) обменная ёмкость практически постоянна.

Динамическая обменная ёмкость (ДОЁ) составляет для различных сорбентов от десятков до сотен мкмоль/г (Таблица 1), что в целом соответствует обычным ёмкостям сорбентов для ионной хроматографии. Однако, величины ДОЁ для изученных сорбентов значительно ниже значений, рассчитанных из данных элементного анализа (% Ы). Это, по-видимому, можно объяснить неоднородностью покрытия поверхности функциональными группами (при закреплении ди- и триалкокси- или ди- и тригалогенсиланов на силикагеле возможно образование полимерных слоёв) и, вследствие этого, недостаточной доступностью аминокарбоксильных остатков для участия в ионном обмене и комплексообразовании. Для элементного же анализа эти факторы не существены. Следует также отметить, что ёмкость немодифициованного силикагеля по меди(П) ниже таковой для аминокарбоксильных катионообменников в 3-20 раз, что означает незначительное влияние матрицы на катионообменные свойства сорбентов.

Оценка ионообменных свойств силикагелей с привитыми аминокислотами, содержащими в боковой цепи заряженные функциональные группы. Предварительное исследование ионообменных свойств аминокарбоксильных ионообменников показало, что большинство силикагелей с привитыми аминокислотами, содержащими заряженную функциональную группу в боковой цепи, в широком диапазоне рН прояшиют лишь катионообменные свойства. Это происходит из-за особой организации ионообменных слоёв, когда слой аминогрупп находится внутри слоя карбоксильных групп. Поэтому в целью настоящей работы было изучение таких сорбентов именно в качестве катионообменников.

Удерживание катионов на сорбенте напрямую зависит от концентрации катионообменных групп на поверхности сорбента, и от ионного состояния привитых функциональных групп. Прямая характеристика ионообменных свойств аминокарбоксильных неподвижных фаз затруднена из-за постоянного изменения ионного состояния привитых аминокислот с изменением величины рН и ионной силы элюента. Зависимость времени удерживания модельных соединений различной кислотности—основности от рН элюента при постоянной концентрации элюента, на наш взгляд, наиболее информативна для характеристики таких катионообменников. Очевидно, что главными факторами, определяющими ионное состояние привитых аминокислот, будут рН и состав элюента: природа и концентрация элюирующих ионов и противоионов. Поскольку изучение их свойств возможно в широком интервале рН, но не выше 7.0, когда возможно растворение силикагелевой матрицы, в качестве элюента при оценке ионообменных свойств сорбентов были выбраны растворы лимонной кислоты, как обеспечивающие буферную ёмкость во всём изучаемом диапазоне рН — от 2.5 до 7.0.

Для характеристики ионообменных свойств сорбентов были выбраны четыре производных бензола с широким спектром кислотно-основных свойств: два основания: сильное — четвертичное аммониевое основание (ТЧ,1У,М-триметилфениламмоний — ТМФА), и слабое — первичный амин (анилин); а также два амфолита: содержащие амино- и карбоксильную группы (л-аминобензойная кислота) и амино- и сульфогруппой

(сульфаниловая) в составе молекул. Производные бензола были выбраны для удобства детектирования, поскольку ароматическое ядро в составе молекул данных соединений обуславливает селективное фотометрическое детектирование в УФ-области спектра. Для сравнения были изучены немодифицированный силикагель (8102), а также силикагель, модифицированный остатками пропионовой кислоты (СООИ-БЮ?).

30

Ии-ЭЮ, Аф-ЗЮг

20

к'

ю

о

2.5 3.5 4.5 5.5 6.5 рН

30 -

Ьув-БЮз - - А^-БЮз

2.5 3.5 4.5 5.5 6.5

рН

к'

12 Ь

, 8 г

4 г

\

0 —

- СООН-БЮг

-- 8Ю2

2.5 3.5 4.5 5.5 6.5 рН

Рис. 1. Влияние рН элюента на удерживание ионогенных органических соединений. Элюент — 5х10-3 моль/л лимонная кислота. • — анилин; О — триметилфенил-аммоний.

Удерживание сильного основания — ТМФА - увеличивается при возрастании рН элюента (Рис. 1) из-за повышения степени диссоциации карбоксильных групп сорбента и, следовательно, увеличения ёмкости. Для слабого основания — анилина — на удерживание, кроме процесса диссоциации карбоксильных групп, как в случае ТМФА, влияет также процесс депротонирования катиона анилиния (для анилина рКь=9.37), что, в свою очередь, приводит к снижению удерживания. Таким образом, график результирующей зависимости представляет собой сумму убывающей и возрастающей кривых. В результате получена куполообразная зависимость, расположение максимума которой зависит от расположения возрастающей кривой, описывающей диссоциацию карбоксильных групп сорбента, зависящей от концентрации и констант диссоциации закреплённых групп. Экстремум зависимости должен приходиться на середину интервала рН от рКа для анилина (рКа=4.63) и рКа для диссоциирующих карбоксильных групп сорбента. Однако, поскольку исследуемая область рН быта ограничена

диапазоном от 2.5 до 7.0, куполообразные зависимости для анилина с максимумом удерживания при рН 4.5-5.0 характерны лишь для силикагелей, модифицированных остатками моноаминодикарбоновых кислот (Рис. 1), а также пропионовой кислоты, в то время как для полиаминомонокарбоновых кислот при повышении рН подвижной фазы удерживание анилина уменьшается.

Для амфолитов — н-аминобензойной и сульфаниловой кислот — во всех случаях наблюдали лишь весьма слабое удерживание (к'<2-3), уменьшающееся при повышении рН подвижной фазы. Это, скорее всего, связано с отталкиванием одноимённо заряженных карбоксильных и сульфогрупп сорбатов, существующих в исследованном диапазоне рН в виде цвиттер-ионов, от катионообменных групп на поверхности сорбента. А поскольку средний заряд молекулы амфолнта при переходе в более щелочную среду становится всё более отрицательным, времена удерживания снижаются. Это полностью подтверждает отсутствие цвиттер-ионных свойств у сорбентов с закреплёнными остатками аминокислот с заряженной функциональной группой в боковой цепи.

Таким образом, все изученные сорбенты проявляют заметные катионообменные свойства. С одной стороны, это закономерный результат, поскольку все сорбенты содержат карбоксильную группу, но с другой — удивительным является факт, что катионообменными свойствами обладают даже сорбенты с закреплёнными полиаминомонокарбоновыми кислотами. Исходя из констант диссоциации этих кислот и значений изоэлектрических точек (р1 от 8.04 до 10.76 — Таблица 2), можно утверждать, что все эти аминокислоты несут избыточный положительный заряд. На самом же деле лишь сорбент А§г-БЮ2, содержащий сильноосновную (рКа=12.5) гуашщиниевую группу, при достаточно низких значениях рН (2—2.5) проявляет слабые анионообменные свойства. Для других исследованных сорбентов удерживания анионов не наблюдается вовсе. Это происходит, видимо, из-за особой организации противоположно заряженных слоёв на поверхности силикагеля: внутренний слой сформирован положительно заряженными протонированными аминогруппами привитых аминокислот, а внешний слой состоит из отрицательно заряженных карбоксильных групп. Локализация положительно заряженного слоя внутри отрицательно заряженного слоя приводит, во-первых, к отталкиванию протонов карбоксильных функциональных групп привитых аминокислот и повышению их кислотности, и, во-вторых, к экранированию аминогрупп и недоступности их для анионов.

Немодифицированный силикагель демонстрирует заметное сродство лишь к катионам: анилину и триметилфениламмонию. Удерживание анилина (Рис. 1) резко возрастает с повышением рН элюента, что объясняется сильными специфическими взаимодействиями аминогруппы анилина с силанольными группами поверхности силикагеля и связано с усилением диссоциации силанольных групп с ростом рН подвижной фазы. Очевидно, что силанольные группы на поверхности силикагеля не имеют определяющего влияния на результирующую ионообменную селективность полученных стационарных фаз.

Разделение неорганических катионов на силикагелях с привитыми моноаминодикарбоновыми кислотами Влияние концентрации кислотного компонента подвижной фазы на удерживание неорганических катионов. Поскольку в широком интервале рН катионообменные свойства исследованных сорбентов доминируют над анионообменными, а также возможно образование комплексов с закреплёнными группами глутаминовой кислоты, было изучено удерживание катионов щелочных, щелочноземельных и некоторых переходных металлов при использовании кислотных элюентов, таких как, например, хлорная кислота.

Графики зависимостей коэффициентов ёмкости катионов на моноаминодикарбоксильных катионообменниках, например, на сорбенте С1и-8Ю2, от концентрации хлорной кислоты в элюенте в билогарифмических координатах практически линейны (Рис. 2). Однако, тангенсы углов наклона этих зависимостей значительно отличаются от теоретических: около 1.2—1.3 для щелочных и 2.1—2.5 для щелочноземельных и переходных металлов (теоретические значения 1 и 2, соответственно). Это может быть объяснено изменением ионного состояния ионообменного центра при повышении рН элюента.

1.8 Ь

2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0 -ЫНСЮд)

Рис. 2. Зависимости удерживания катионов (1§к') от концентрации хлорной кислоты в элюенте. Колонка: С1и-8Ю2, 100x4.6 мм. В - Ыа+; А - К+; О - Са21", М82+, Ва2+, Сс12+, Со2+, Мп2+, 2п2+; ♦ - РЬ2+; <> -Си2+

Использование растворов хлорной кислоты в качестве элюента дает возможность разделить исследуемые катионы на три группы: щелочные металлы; щелочноземельные и большинство переходных; свинец и медь. Наибольшее удерживание меди и свинца из ряда двухзарядных катионов можно объяснить сильным сродством этих катионов к аминокислотным остаткам. Отсутствие селективности разделения катионов щелочноземельных и ряда переходных металлов, по-видимому, объясняется взаимной компенсацией ионного обмена и комплексообразования катионов с привитыми группами моноаминодикарбоновых кислот, характеризующихся противоположной селективностью, что особенно ярко прослеживается на примере катионов щелочноземельных металлов. Действительно, элюотропный ряд этих катионов при ионном обмене: Мв2+<Са2+<5г2+<Ва2+, в то время, как комплексообразование, согласно константам устойчивости, должо приводить к обратному ряду: Ва2+<5г2+<Са2+<Мв2+. Для переходных

металлов анатогичную оценку провести сложно из-за отсутствия в литературе данных по элюотропным рядам этих катионов на карбоксильных катионообменниках.

Таким образом, видно, что для сорбентов с остатками моноаминодикарбоновых кислот даже при использовании кислотных, некомплексообразующих элюентов удерживание катионов обусловлено двумя процессами: ионным обменом и комплексообразованием на поверхности сорбента.

Влияние природы и содержания органических растворителей в подвижной фазе на удерживание неорганических катионов. В ионной хроматографии в элюент иногда добавляют органические модификаторы (ацетонитрил, спирты и др.). Их присутствие в элюенте может изменять селективность разделения, увеличивать его экспрессность и улучшать форму хроматографических пиков. Органические модификаторы могут взаимодействовать как с определяемыми ионами, например, замещая часть молекул воды в сольватной оболочке иона или образуя комплексы, так и с функциональными группами сорбента, проявляя свои донорно-акцепторные свойства.

Было изучено влияние на удерживание катионов различной природы, с разными зарядами и удерживанием: натрия, магния, кобальта и свинца; — на сорбенте ОИд-БЮг добавок наиболее часто применяемых в жидкостной хроматографии растворителей: ацетонитрила, метанола, пропанола и изопропанола, — а также некоторых других растворителей: диоксана, тетрагидрофурана (ТГФ), ацетона, диметилформамида (ДМФА), диметилсульфоксида (ДМСО).

Добавление любого из этих растворителей приводило к уменьшению времён удерживания. Это происходит из-за меньшей полярности органических растворителей по сравнению с водой, вследствие чего их добаатение к элюенту уменьшает диэлектрическую проницаемость среды и ослабляет электростатические взаимодействия между сорбирующимися катионами и карбоксильными группами сорбента. Кроме того, уменьшение диэлектрической проницаемости среды приводит к уменьшению условных констант диссоциации карбоксильных групп сорбента, и, следовательно, к уменьшению ёмкости. Следует отметить, что, к сожалению, добавление к элюенту органических модификаторов не изменяет селективность разделения. Однако, для большинства растворителей, особенно в случае изопропанола, наблюдается заметное улучшение симметричности хроматографических пиков, что связано с экранированием остаточных силанольных групп сорбентов.

Влияние ионной силы подвижной фазы на удерживание неорганических катионов. Как уже было сказано выше, сорбенты с закреплёнными моноаминодикарбоновьши кислотами проявляют не только катионообменные, но и отчасти комплексообразующие свойства. Для того, чтобы исследовать последние, необходимо каким-либо образом подавить ионный обмен. Известно, что использование элюентов, содержащих более 0.1 моль/л сильного электролота, позволяет отчасти подавить ионный обмен в хроматографической системе.

Повышение ионной силы при постоянном значении рН приводило к уменьшению удерживания всех катионов без изменения селективности разделения. В случае постоянной ионной силы с ростом рН наблюдается возрастание удерживания катионов и увеличивается селективность разделения (Рис. 3), причём порядок элюирования в целом соответствует константам устойчивости комплексов металлов с глутаминовой кислотой. Это свидетельствует о возрастании вклада комплексообразования в удерживание катионов, связанном с повышением степени диссоциации закреплённых на поверхности функциональных групп и увеличением условных констант устойчивости комплексов. При рН выше 4.5-5 не наблюдается дальнейшего роста удерживания из-за полной диссоциации остатков глутаминовой кислоты на поверхности силикагеля.

Рис. 3. Зависимости удерживания катионов (к') от рН подвижной фазы. Колонка: Ии-БЮ^ 100x4.6 мм. Элюент - 0.2 моль/л перхлорат натрия. Д - М82+; • - Са2+; ♦ -Мп2+; О ~ Со2+; □ - 2п2+; О - Сс12+.

рН

Повышение рН при высокой ионной силе элюента приводит к частичному изменению механизма удерживания катионов на сорбентах с привитыми моноаминодикарбоновыми кислотами: от преобладающего ионообменного к комплексообразовательному. Причём изменение механизма должно, по-видимому, сказываться больше на удерживании катионов, более склонных к комплексообразованию, то есть в данном случае - на катионах переходных металлов. При этом меняется знак теплот сорбции, а значит и направление наклона температурных зависимостей удерживания: если при низких значениях рН повышение температуры вызывает снижение удерживания (Рис. 4), то при высоких значениях рН при повышении температуры удерживание увеличивается Поскольку повышение температуры вызывает рост удерживания в случае комплексообразующего варианта удерживания и наоборот — снижение удерживания, можно отчасти регулировать механизм удерживания за счёт изменения температуры: с повышением температуры вклад в удерживание комплексообразования будет увеличиваться, а вклад ионного обмена — уменьшаться.

0.9 [-

(а)

1.6 I

(б)

№ 0.3

0.6 I

0.0

№ 0.8

0.4

1.2

-0.3

0.0

2.9 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4

2.9 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4

1000/Т

1000/Т

Рис. 4. Зависимости удерживания катионов (^к') от температуры (1000/Т, К-1). Колонка: С1и-5Ю2 100x4.6 мм. Элюент: 0.2 М перхлорат натрия, (а) — рН 3.0; (6) - рН 4.7. Д - • - Са2+; ♦ - Мп2+; О - Со2+; □ - Хп2+;

О - С<12+; А - РЬ2+.

Для разделения катионов металлов в ионной хроматографии в качестве элюентов обычно используют разбавленные растворы минеральных и органических кислот. В первом случае в процессе разделения предполагает ионный обмен разделяемых катионов на ион элюирующий ион — гидроксоний. Во втором случае дополнительное сродство разделяемых катионов к подвижной фазой обеспечивается комплексообразованием катионов металлов с лигандами, содержащейся в элюенте. Последний вариант чаще используют для разделения переходных металлов, поскольку сродство именно этих катионов к катионообменным группам обычно превышает сродство катионов щелочных и щелочноземельных металлов.

Повышение содержания хлорной кислоты в элюенте приводит к закономерному уменьшению времён удерживания катионов (Рис. 5). Линейный характер зависимостей логарифма коэффициента ёмкости от логарифма концентрации кислоты в элюенте говорит о преимущественно ионообменном механизме разделения металлов. Однако, отклонение тангенсов углов наклона этих прямых (например, около 0.8 — для щелочных и около 1.7 — для щелочноземельных в случае Ьув-ЗЮг) от теоретических (1 и 2 — соответственно) свидетельствует о дополнительном вкладе процесса диссоциации кислотных групп диаминомонокарбоновых кислот на поверхности сорбента. При данных концентрациях хлорной кислоты в подвижной фазе (рН 2.0-3.5) аминогруппы аминокислот, привитых к поверхности силикагеля, протонированы (Таблица 2), вследствие чего комплексообразования с катионами щелочных металлов не наблюдается. Кроме того, слой положительно заряженных аминогрупп сорбента, по-видимому, обеспечивает более сильное отталкивание двухзарядных катионов по сравнению с однозарядными, что приводит к более близким временам удерживания групп катионов щелочных и щелочноземельных металлов.

Разделение неорганических катионов на силикагелях с привитыми диаминомонокарбоновыми кислотами

Иа

и V

2.5 2.7 2.9 -1ёс(НСЮ4)

Рис. 5. Зависимости удерживания катионов (1£к') от концентрации хлорной кислоты в элюенте. Колонка: Ьуз-БЮт 50x4.6 мм. В - ма+; □ - 1\ТН4+; А - К+; Д -Мё2+; • - Са2+; О - Ва2+\

0 2 4 6 8 10 12 14 Время, мин.

Рис. 6. Хроматограмма модельной смеси катионов щелочных и щелочноземельных металлов. Колонка: ЬуБ-БЮз 150x3 мм. Элюент: хлорная кислота 3*10-3 моль/л. Детектирование: косвенное кондуктометрическое.

Таблица 3. Результаты анализа водопроводной и колодезной вод. Колонка: Ьуз-БЮз 150x3 мм. Элюент: хлорная кислота ЗхЮ-3 моль/л. Детек-

Образец Катион Найдено, мг/л Найдено ААС *, мг/л

N3+ 30.2+0.4 29.3+0.5

Водопроводная вода К+ 8.9±0.3 8.2±0.1

мё2+ 18.3±0.5 17.3±0.4

Са2+ 13.0±0.6 12.2+0.5

20.9±0.4 20.0+0.4

Колодезная вода К+ 12.7+0.4 12.2+0.3

Мё2+ 15.9±0.3 15.3+0.2

Са2+ 16.8+0.4 16.4±0.3

* — Атомно-абсорбционная спектрометрия

Из зависимостей удерживания от концентрации элюента (Рис. 5) видно,, что оптимальная концентрация хлорной кислоты в подвижной фазе ЗхЮ-3 моль/л обеспечивает разделение модельной смеси катионов за 14-15 мин. (Рис. 6). Пределы обнвружения при использовании косвенного кондуктометрического детектирования составили от 0.1 до 3 мг/л. С использованием предложенного способа определения щелочных и щелочноземельных металлов проанализированы образцы колодезной и водопроводной воды (Таблица 3). Результаты хорошо согласуются с данными атомно-абсорбционной спектрометрии.

- 16 -

Разделение неорганических катионов на силикагелях с привитой иминодиуксусной кислотой

Использование комплексообразующих катионообменников — одно из многообещающих направлений в ионной хроматографии переходных металлов. Большой интерес к этому классу сорбентов обусловлен их высокой селективностью к переходным металлам и возможностью применять такие сорбенты для анализа проб сложного солевого состава. Одна из наиболее популярных в качестве закрепляемых групп — иминодиуксусная кислота.

Иминодиуксусная кислота образуют кинетически лабильные комплексы с щелочноземельными и переходными металлами, при этом в комплексном соединении происходит образование циклических структур с участием как карбоксильных групп, так и атома азота. Из-за этого комплексы иминодиуксусной кислоты значительно превосходят по прочности аналогичные комплексы металлов с природными моноаминодикарбоновыми кислотами. Однако, высокая устойчивость комплексов с закреплёнными на поверхности группами хелатообразующего реагента требует для хроматографического разделения катионов щелочноземельных и переходных металлов использования подвижных фаз, содержащих комплексообразующий реагент, что обеспечивает конкурентное комплексообразование катионов с сорбентом и элюентом.

Перспективными комплексантами для этой цели являются пиридиндикарбоновые кислоты. Эти соединения образуют устойчивые комплексы с большинством переходных металлов в достаточно кислых средах. Поэтому, с нашей точки зрения, было целесообразно изучить возможность использования данных соединений в качестве элюента для разделения катионов различных типов.

Влияние рН элюента на удерживание переходных металлов. Для разделения переходных металлов на силикагеле с закреплённой иминодиуксусной кислотой (10А-5Ю2) использовали пиридиндикарбоновые кислоты (в частности, дипиколиновую — пиридин-2,6-дикарбоновую кислоту), которые в умеренно кислых средах образуют с переходными металлами прочные комплексы. Это позволяет снизить концентрацию элюента, что, в свою очередь, даёт возможность использовать различные типы детектирующих систем.

При использовании комплексообразующих катионообменников и элюента, содержащего лиганд, разделение катионов металлов обеспечивается различием в устойчивости комплексов на поверхности сорбента и в элюенте. Поэтому изменение рН подвижной фазы может двояко сказываться на удерживании металлов. С одной стороны, повышение рН увеличивает степень диссоциации карбоксильных групп дипиколиновой кислоты (рК1=2.10, рКг—4.68,), и, соответственно, условные константы устойчивости комплексов, что, в свою очередь, должно означать уменьшение времён удерживания. С другой стороны, аналогичный процесс диссоциации иминодиуксусной кислоты происходит и на поверхности сорбента, приводя к увеличению времён удерживания. Такое конкурентное комплексообразование должно приводить к параболическим зависимостям удерживания катионов металлов от рН элюента.

Именно такие зависимости были получены для кобальта, цинка и меди (Рис. 7). Следует отметить, что удерживание меди в данном случае

наименьшее, несмотря на то, что комплекс меди с иминодиуксусной кислотой наиболее прочен. Данное обращение селективности сорбента можно объяснить тем, что в слабокислой среде механизм разделения может быть описан как "комплексообразующий сорбент" — "комплексообразующий элюент", а комплексообразование катиона меди с дипиколиновой кислотой в этом случае предпочтительнее комплексообразования с иминодиуксусной кислотой на поверхности сштикагеля. рН-зависимости времён удерживания для кадмия и свинца имели несколько другой характер (Рис. 7). Резкое увеличение удерживания при повышении рН элюента может быть объяснено образованием смешанно-лигандных гидроксокомплексов на поверхности силикагеля. Образование таких описано как для незакреплённой иминодиуксусной кислоты, так и для других аминодикарбоновых кислот.

рН

Рис. 7. Зависимости удерживания катионов (к') от рН подвижной фазы. Колонка: ГОА-БЮг 250x4 мм. Элюент: 1х10~3 моль/л дипиколино-вая кислота.

Д - Си2+; □ - гп2+; О - Со2+; 4 - РЬ2+: О - СсР+.

0 2 4 6 8 Время, мин.

Рис. 8. Хроматограмма модельной смеси катионов переходных металлов. Колонка: ГОА-вЮг 250x4 мм. Элюент: 1х10"3 моль/л дипиколиновая кислота, рН 3.3. Детектирование косвенное 295 нм.

Таким образом, изменяя рН подвижной фазы и регулируя процессы комплексообразования переходных металлов с иминодиуксусной кислотой на сорбенте и с дипиколиновой кислотой в элюенте, можно варьировать селективность разделения. В оптимальных условиях на сорбенте ША-БЮг с дипиколиновой кислотой в качестве элюента можно экспрессно (7-8 мин.) и селективно разделить смеси переходных металлов (Рис. 8).

Поскольку дипиколиновая кислота ц её комплексы обладают высоким светопоглощением в УФ-области спектра (?чпах=270-310 нм), было изучено влияние длины волны на чувствительность детектирования катионов. Оптимальную длину волны детектирования в этой области спектра определяли как локальный экстремум функции М(Х):

М(Л) :

А(Х)-А0(>.)

А0М

где А (л) — поглощение в максимуме хроматографического пика данного катиона при длине волны Л, зарегистрированное методом остановки потока, а А)(а) — фоновое поглощение. Известно, что предел обнаружения обратно пропорционален отношению сигнал/шум. Для достаточно близких длин волн при прочих равных условиях шум пропорционален фоновому поглощению элюента А0(>»). Аналитический же сигнал при регистрации высоты пика определяется как разница А(Я) и Ао(А-). Таким образом, максимум модуля функции М(л) соответствует минимальным пределам обнаружения катионов. Зависимости М(\) для изученных металлов (Си2+, Со2+, 2п2+, С<12+ и РЬ2т) показывают, что оптимальной длиной волны для фотометрического детектирования является 290-295 нм (Рис. 9).

АА/Ао

<1000 40

20

-20

-40

Рис. 9. Относительные спектры дипиколинатов, полученные в режиме остановки потока. Колонка: ША-БЮг 250x4 мм. Элюент: 1х10~3 моль/л дипиколиновая кислота, рН 3.3.

Д - Си2+; □ - гп2+; О -Со2+; ♦ - РЬ2+; О - Са2+.

-60

270 290 310 330 350

К, шп

С использованием выбранных условий разделения и при оптимальной длине волны косвенного фотометрического детектирования разработан простой быстрый и селективный метод ионохроматографического определения цинка, свинца, кобальта(И) и кадмия. Проанализирована проба сточной воды сточной воды гальванических ванн цеха катодного осаждения НПО "Химавтоматика".Результаты анатиза хорошо согласуются с данными, полученными атомно-абсорбционной спектрометрией (Таблица 4).

Таблица 4. Результаты определения переходных металлов в сточной воде гальванических ванн цеха катодного осаждения НПО "Химавтоматика". Колонка: ГОА-БЮг 250x4 мм. Элюент: 1х10-3 моль/л дипиколиновая кислота, рН 3.3. Детектирование: 295 нм. (п=3, Р=0.95)_

Катион Найдено, мг/л Найдено ААС *, мг/л

'¿п2~ РЬ2+ 16.7+0.3 27.1+0.8 16.6+0.1 28.2+0.5

* — Атомно-абсорбционная спектрометрия

Влияние природы и концентрации компонентов подвижной фазы на удерживание щелочных и щелочноземельных металлов. На удерживание щелочноземельных металлов при использовании карбоксил-содержащих катионообменников могут оказывать влияние процессы комштексообразования с ионообменными группами сорбента, а также с комплексообразующими компонентами подвижной фазы.

Рис. 10. Зависимости удерживания катионов (%к') от концентрации хлорной кислоты в элюенте. Колонка: ГОА-БЮг 150x3 мм. ■ - N3+; А - К+; А -М82+. о - Са2+; О - Ва2+.

-0.2

2.3 2.4

2.5 2.6 2.7 -1§с(НСЮ4)

2.5

Мы остановились на наиболее простых элюентах — растворах неорганических кислот. Данный сорбент демонстрирует высокую селективность по отношению к изученным металлам (Рис. 10). Последовательность элюирования: Ка+ < К+ < М§2+ < Са2+ < Ва2+ соответствует рядам селективности щелочных и щелочноземельных металлов для карбоксильных катионообменников. Зависимости коэффициентов ёмкости от концентрации хлорной кислоты в подвижной фазе в билогарифмических координатах значительно отклоняются от прямолинейных. Это, по-видимому, связано с тем, что ёмкость сорбента снижается с уменьшением рН подвижной фазы (при разбавлении элюента), что связано с протонированием карбоксильных групп сорбента и, следовательно, снижением его обменной ёмкости. Заметно более сильное удерживание катионов щелочноземельных металлов по сравнению с щелочными связано не только с их зарядами, но и с дополнительным вкладом в удерживание этих катионов комплексообразования с группами имшгодиуксусной кислоты на поверхности неподвижной фазы. Сильное удерживание катионов щелочноземельных металлов приводит к тому, что хроматограмму с удовлетворительно разрешенными пиками не удается получить за приемлемое время.

Для снижения времен удерживания катионов щелочноземельных металлов необходимо увеличить их сродство к подвижной фазе, например путём введения в подвижную фазу комплексообразующего реагента, снижающего эффективный заряд этих катионов. В качестве таких комплексантов были изучены некоторые многоосновные органические карбоновые кислоты, проявляющие заметную комплексообразующую способность в кислых средах. Как и предполагалось, с ростом содержания

лигандов в элюенте при постоянном содержании хлорной кислоты времена удерживания катионов щелочноземельных металлов уменьшаются значительно сильнее по сравнению с щелочными (Рис. 11а), благодаря чему достигается уменьшение общего времени разделения смеси разнозарядных катионов, однако снижается селективность разделения щелочноземельных катионов. Для большинства кислот эти зависимости лишь немного отличаются наклоном кривых времён удерживания катионов щелочноземельных металлов. Последовательность элюирования при этом не изменяется. Иной характер имеет зависимость удерживания катионов щелочно земельных металлов от концентрации дипиколиновой кислоты (ДПК) в элюенте (Рис. 116). При её добавлении из-за более высокой прочности комплекса кальция с ДПК время его удерживания уменьшается быстрее, чем магния. Благодаря этому наблюдается изменение порядка элюирования для пары М§2+ — Са2+ и достигается улучшение селективности разделения в парах катионов щелочноземельных металлов. Такое повышение селективности разделения в группе щелочноземельных катионов при снижении групповой селективности разнозарядных катионов приводит к уменьшению времени определения.

с(ЩК), х10"3 моль/л с (ДПК), хЮ'3 моль/л

Рис. 11. Зависимости удерживания катионов (к') от концентрации (а) - щавелевой (ШК) и (б) — дипиколиновой (ДПК) кислоты в элюенте. Колонка: ГОА-8Ю2 150x3 мм. Концентрация хлорной кислоты в элюенте — 2х10~3 моль/л.

а - А - к+; А - Мб2+; ® - Са2+; О - Ва2+.

Данная система яатяется достаточно сложной, поскольку в ней имеет место ряд равновесий: ионный обмен катионов щелочных и щелочнозмельных металлов; конкурентное комплексообразование щелочноземельных металлов с дипиколиновой кислотой в подвижной фазе и с иминодиуксусной кислотой на поверхности сорбента; диссоциация иммобилизованных групп иминодиуксусной кислоты; диссоциация дипиколиновой кислоты. В связи с этим очень сложно оценить количественно вклад изменения содержания компонентов подвижной фазы в

удерживание катионов и предсказать оптимальные условия хроматографического разделения на основании уже имеющихся закономерностей удерживания. Наиболее простым методом выбора условий разделения является оптимизации с применением количественного критерия, описывающего качество разделения.

Целью оптимизации условий разделения является получение хроматограммы с качественным разделением заданного числа пиков за наиболее короткое время. Поэтому был выбран количественный критерий, учитывающий оба этих фактора. Проведенная с использованием этого критерия симплекс-оптимизация концентраций хлорной и дипиколиновой кислот в элюенте потребовавшая 12 итераций привела к следующему оптимальному составу подвижной фазы: концентрация хлорной кислоты — 1.25х10~3 моль/л, дипиколиновой кислоты — 2.06х10~3 моль/л. Разделение смеси из пяти катионов щелочных и щелочноземельных металлов с использованием элюента оптимального состава занимает около 16 мин. и характеризуется весьма равномерным распределением пиков по хроматограмме (Рис. 12).

№

Мё24

О 5 10 15

Время, мин.

Рис. 12. Хроматограмма модельной смеси катионов щелочных и щелочноземельных металлов. Колонка: ГОА-БЮз 150x3 мм. Элюент: хлорная кислота 1.25х10~3 моль/л, дипиколино-вая кислота 2.06х10~3 моль/л. Детектирование: косвенное кон-дуктометрическое.

Таблица 5. Результаты анализа водопроводной и минеральной вод. Колонка: ША-БЮ^ 150x3 мм. Элюент: хлорная кислота 1.25х10_3 моль/л, дипиколиновая кислота 2.06х10~3 моль/л. Детектирование:

Образец Катион Найдено, мг/л Найдено ААС мг/л

Ыа+ 28.6+0.4 29.3+0.5

Водопроводная вода К+ 8.9±0.3 8.2±0.1

Мё2+ 18.2+0.6 17.3+0.4

г Са2+ 11.1+0.6 12.2+0.5

Ка+ 204±5 201+5

Минеральная вода К+ - 4.41+0.07

"Ашхабад" ** м§2+ 179+5 171+4

Са2+ 572+8 563+7

* — Атомно-абсорбционная спектрометрия ** — Проба разбавлена в 10 раз

В выбранных оптимальных условиях с использованием косвенного конлуктометрического детектирования проанализированы образцы водопроводной и минеральной вод. Результаты хорошо согласуются с данными атомно-абсорбционной спектрометрии (Таблица 5).

Одновременное разделение и определение анионов и катионов

Среди обычных задач, решаемых ионной хроматографией, первостепенное значение имеет определение неорганических анионов и катионов щелочных и щелочноземельных металлов в природных и промышленных водах. Как правило, решение этой задачи двухэтапно: анионы и катионы определяют по отдельности с использованием разных хроматографических колонок, подвижных фаз, а нередко и двух ионных хроматографов. Понятен большой интерес хроматографистов-практиков к многочисленным попыткам решения задачи одновременного (го есть из одной вводимой пробы) определения анионов и катионов, поскольку её успешное решение даёт существенный экономический эффект.

Как было показано выше, для иминодиацетатного силикагеля обычно характерно большое различие в удерживании групп катионов щелочных и щелочноземельных металлов. Имеющееся пространство на хроматограмме может быть заполнено путём включения в хроматографическую систему второй, анионообменной, колонки. Эта колонка должны обладать такой анионообменной селективностью, чтобы при использовании элюента для разделения катионов можно было бы с подходящими временами удерживания разделить анионы, уместив их пики в имеющееся на хроматограмме "окно".

Элюенты для одновременного разделения катионов и анионов в одном потоке должны содержать как катионный компонент для разделения катионов, так и анионный — для анионов. Этого можно достичь двумя способами: либо использовать смешанные элюенты, либо элюент, содержащий цвиттер-ионные соединения. В ионной хроматографии в качестве элюентов широко используются ароматические соединения: для разделения катионов — ароматические амины; и ароматические карбоновые и сульфокислоты. Они обычно обладают высокой элюирующей способностью, а также пригодны для конлуктометрического и фотометрического детектирования. Для одновременного разделения катионов и анионов использование ивитгер-ионных элюентов, имеющих в составе молекулы как катионную (например, амино-), так и анионную (карбоксильную или сульфогруппу) предпочтительнее по сравнению с использованием смешанных элюентов, поскольку многокомпонентность элюентов усложняет хроматографическую систему и часто яатяется источников дополнительных системных пиков на хроматограмме. В качестве элюента была выбрана сульфаниловая (л-аминобензолсульфокислота).

Повышение концентрации сульфаниловой кислоты в элюенте вызывает уменьшение времён удерживания как катионов, так и анионов (Рис. 13). При этом сульфаниловая кислота оказалсь более слабым анионным элюентом по сравнению с бензолсульфокнслотой и п-толуолсульфокислотой, а также более слабым катионным элюентом по сравнению с анилином при том же значении рН. При использовании сульфаниловой кислоты остался тот же порядок элюирования катионов, что и при элюировании растворами хлорной кислоты: Ыа+ < >.ТН4~ < К+ << < Са2+ < Ва2+. Из анионов не удалось

мин

tR,

20

10

0

3 6 9 12 15 с(СК), xlO"3 моль/л

О 5 10 15 20 Время, мин.

Рис. 13. Зависимость времён Рис. 14. Хроматограмма модельной сме-

удерживания ионов от концен- си катионов и анионов. Колонки: IDA-

трации сульфаниловой кислоты Si02 150x3 мм и Дианион-3 50x4 мм, со-

(СК) в элюенте. Колонки: IDA- единённые последовательно. Элюент:

Si02 150x3 мм и Дианион-3 50x4 9х10~3 моль/л сульфаниловая кислота,

мм, соединённые последователь- Детектирование — фотометрическое 290

но. ■ - Na+-; А - К+; Д - нм.

элюировать сульфат, по-видимому, из-за низкой элюирующей способности сульфаниловой кислоты. Селективность по отношению к однозарядным анионам такая же, как в случае использования с колонкой Дианион-3 и обычных элюентов — бензойной и фталевой кислот: СГ < КОз~ < I" < БОЧ" < СЮ.}-. Оптимальным для одновременного разделения 5 катионов (Ка+, К+, Мй2+, Са2+ и Ва2+) и трёх анионов (СГ, N03", Г) с использованием последовательно соединённых колонок является элюент с содержанием сульфаниловой кислоты 9х10~3 моль/л (Рис. 14). Он позволяет провести разделение модельной смеси вышеупомянутых ионов за 20-22 минуты.

Mg2+; • - Са2+; О - Ва2+; ♦ -СГ; О - NO3-; □ - Г.

выводы

1. Изучены ионообменные свойства силикагелей с привитыми алифатическими аминокислотами, содержащими заряженные функциональные группы в боковой цепи: моноаминодикарбоновыми — аспарагиновой, глутаминовой, иминодиуксусной; полиаминомонокарбоновыми — диаминопропионовой, орнитином, лизином, аргинином. На примере удерживания ароматических ионогенных соединений показано, что катионообменные свойства данных ионообменников япляются доминирующими.

2. Установлено, что использование силикагелей, модифицированных аминокислотами с заряженной группой в боковой цепи, позволяет в широких пределах варьировать селективность разделения катионов металлов за счёт изменения типа заряженной группы и её удалённости от а-углеродного атома закреплённой аминокислоты.

3. Изучено влияние состава и концентрации элюента (природа и концентрация элюируюших ионов, рН, ионная сила, присутствие органических растворителей) на удерживание неорганических катионов. В зависимости от условий разделения в ионохроматографической системе с неподвижными фазами на основе силикагелей с закреплёнными аминокислотами, содержащими заряженную группу в боковой цепи, могут доминировать ионообменный или комплексообразующий механизмы удерживания ионов щелочноземельных и переходных металлов.

4. Исследовано шшяние температуры на удерживание неорганических катионов • с различными подвижными фазами. Установлено, что повышение температуры ослабляет вклад ионообменной и усиливает вклад комплексообразующей составляющей удерживания.

5. Изучено влияние различных классов оргашгческих растворителей в качестве добавок к злюентам на удерживание катионов. Добавление органических растворителей не оказывает существенного влияния на селективность в случае преимущественно ионообменного удерживания. Показано влияние параметров растворителей на удерживание неорганических катионов и форму хроматографических пиков.

6. Предложен новый вариант косвенного фотометрического детектирования катионов переходных металлов при использовании пиридинкарбоновых кислот в качестве элюентов.

7. Разработаны методики ионохроматографического определения катионов щелочных, щелочноземельных и некоторых переходных металлов в природных и техногенных водах. Предложенные методики характеризуются высокой экспрессностью, чувствительностью и воспроизводимостью.

Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях.

1. Elefterov A.I., Nosal' S.N., Nesterenko P.N., Shpigun O.A. Determination of transition metals using complex-forming chromatography on silica-immobilized iminodiacetic acid. In the book "17th International Symposium on Column Liquid Chromatography". Hamburg, Germany, May 9-14, 1993. V.2. P.209 (№2-338).

2. Elefterov A.I., Nosal' S.N., Nesterenko P.N., Shpigun O.A. Dipicolinic acid eluent for the high performance liquid chromatographic determination of transition metals using iminodiacetic acid-bonded silica. // Analyst. 1994. V.119. №6. P.1329-1332.

3. Nesterenko P.N., Elefterov A.I., Tarasenko D.A., Shpigun O.A. Selectivity of chemically bonded zwitterion-exchange stationary phases in ion cliromatography. // J. Chromatogr. 1995. V.706. №1-2. P.59-68.

4. Элефтеров А.И., Яковлева O.C., Нестеренко П.Н., Шпигун О.А. Ионообменные свойства силикагелей с привитыми диаминокарбоксильными группами. В книге "VII Всероссийиский симпозиум по молекулярной жидкостной хроматографии". Москва, 16—18 апреля 1996 г. С.59 (№.38).

5. Elefterov A.I., Kolpaclmikova M.G., Nesterenko P.N., Shpigun O.A. Selective ion chromatographic determination of lead using aminocarboxylic acid-bonded silica. In the book "20th International Symposium on High Performance Liquid Phase Separations". San Francisco, California, USA, June 16—21, 1996. P.214 (№P-0810-TH).

6. Elefterov A.I., Nesterenko P.N., Shpigun O.A. New eluents for the simultaneous separation of anions and cations. In the book "20th International Symposium on High Performance Liquid Phase Separations". Sail Francisco, California, USA, June 16-21, 1996. P.200 (№P-0617-W).

7. Elefterov A.I., Kolpaclmikova M.G., Nesterenko P.N., Shpigun O.A.. Ionexchange properties of glutamic acid-bonded silica. J. Chromatogr. 1997. в печати, (реферат статьи помещён на Web-page: http://www.chem.msu.su/eng/publ/chrom5.html)

8. Элефтеров А.И., Нестеренко П.Н., Шпигун О.А. Одновременное ионохроматографическое определение щелочных и щелочноземельных металлов. Использование комплексообразующего катионообменника. // Журн. аналит. химии. 1996. Т.51. №9. Р.964-969.

9. Элефтеров А.И., Нестеренко П.Н., Шпигун О.А. Одновременное ионохроматографическое определение щелочных и щелочноземельных металлов. Использование катионообменника с привитыми диаминокарбоксильными группами. // Журн. аналит. химии. 1996. Т.51. №10. Р. 1064-1067.

10. Elefterov A.I., Pirogov A.V., Obrezkov O.N., Nesterenko P.N., Shpigun O.A. Computer optimisation of the analysis conditions for ion chromatographic determination of alkali, alkaline earth and transition metals. In the book "International Ion Chromatography Symposium 96", Reading, England, UK, September 16-19, 1996. (№100).

11. Элефтеров А.И., Колпачникова М.Г., Нестеренко П.Н., Шпигун O.A. Изучение ионообменных свойств силикагеля с ковалентно закрепленными группами глугаминовой кислоты. В книге VIII всероссийской конференции "Физико-химические основы и практическое применение ионообменных процессов". Воронеж, 24—26 сентября 1996 г. С.62-63.