Ионообменные свойства силикагелей с привитыми циклическими аминокислотами тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.02 ВАК РФ

На правах рукописи

со сг>

ТАРАСЕНКО ДМИТРИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

ИОНООБМЕННЫЕ СВОЙСТВА СИЛИКАГЕЛЕЙ С ПРИВИТЫМИ ЦИКЛИЧЕСКИМИ АМИНОКИСЛОТАМИ

02.00.02 - Аналитическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата химических наук

Москва-1996

Работа выполнена в лаборатории хроматографии 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,

Староверов С.М. кандидат химических наук, старший научный сотрудник Ланин С.Н.

Ведущая организация: ИНЭОС РАН

Защита диссертации состоится 26 декабря 1996 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 диссертахщей можно ознакомиться в библиотеке Химического факультета МГУ.

Автореферат разослан 25 ноября 1996 г.

Отзывы и замечания просьба отправлять по адресу: 119899, Москва, ГСП-3, Воробьевы горы, МГУ, Химический факультет, кафедра аналитической химии, ученому секретарю диссертационного совета.

ученый секретарь диссертационного совета

кандидат химических наук йУвз^- Торочешникова И.И.

/

ВВЕДЕНИЕ

За относительно небольшой срок, прошедший с момента создания, ионная хроматография (ИХ) прочно заняла одно из ведущих мест в аналитической практике. Возможность экспрессного определения широкого спектра органических и неорганических ионов с высокой чувствительностью и селективностью явилась основным фактором, определившим бурное развитие данного аналитического метода в последнее десятилетие. Характерной чертой современного этапа развития ионной хроматографии является совершенствование сорбционных материалов, имеющих более высокую селективность при решении конкретных аналитических задач.

Актуальность работы. Среди рутинных задач, решаемых с помощью ИХ, первостепенное значение имеет определение ионного состава природных и промышленных вод, который определяется в первую очередь содержанием ограниченного числа неорганических анионов и катионов щелочных и щелочноземельных металлов. Как правило, решение этой задачи состоит из двух этапов: определение анионов и катионов которые проводят раздельно с использованием разных хроматографических колонок, элюентов, а нередко и двух ионных хроматографов. Многообразие процессов, протекающих в хроматографической системе, не исключает возможности одновременного разделения и определения катионов и анионов методом ионной хроматографии. Понятен огромный интерес хроматографистов-практиков к многочисленным попыткам решения задачи одновременного (из одной вводимой пробы) определения анионов и катионов, так как ее успешное решение дает существенный экономический эффект. Таким образом, решение данной задачи представляется чрезвычайно важным для многих лабораторий и предприятий, технологические процессы которых включают в той или иной степени контроль ионного состава вод.

Цель работы заключается в разработке селективных, высокопроизводительных методов одновременного ионохроматографического определения анионов и катионов.

В основе работы лежит предположение о возможности одновременного разделения анионов и катионов на одной разделяющей хроматографической колонке, заполненной цвитгерионными ионообменниками. В качестве объекта исследования были выбраны сорбенты на основе сили-кагеля с ковалентно закрепленными молекулами аминокислот, а также об-ращеннофазовые сорбенты, динамически модифицированные гидрофобными цвитгерионными молекулами. Выбор оптимальных условий одновременного разделения анионов и катионов в большой степени определяется природой используемого элюента, значением рН и концентрацией компонентов элюента, а также выявлением особенностей взаимодействия

ионов с цвитгерионными молекулами, ковалентно закреплёнными на поверхности силикагеля.

Для оценки возможности применения динамически модифицированных цвитгерионными молекулами гидрофобных сорбентов с целью одновременного разделения анионов и катионов необходимо выбрать условия динамического модифицирования, изучить закономерности удерживания анионов и катионов и выявить особенности взаимодействия ионов с цвитгерионными молекулами, динамически иммобилизованными на поверхности гидрофобизированных сипикагелей. В этом случае возможно образование многослойных адсорбционных структур при адсорбции цвит-терионных молекул на поверхности сорбентов, поэтому представляется важным дополнительное изучение ионообменных свойств таких материалов.

Научная новизна. Сформулирован новый подход к решению задачи одновременного разделения и определения анионов и катионов методом ионной хроматографии, включающий использование ионообменников, содержащих противоположно заряженные группы в составе одного ионообменного центра. Несмотря на достаточно широкое распространение сорбентов на основе силикагеля с ковалентно закрепленными молекулами а-аминокислот в различных вариантах жидкостной хроматографии, таких, как лигандообменная и аффинная хроматография, ионообменные свойства таких сорбентов практически не изучены. Предложен метод оценки ионообменных свойств цвиттерионных сорбентов по удерживанию ряда ионо-генных органических молекул - производных бензола. По полученным данным определена роль структуры привитых групп аминокислот на результирующие ионообменные свойства.

Изучено влияние концентрации компонентов и значения pH элюен-та, а также показана возможность применения ионообменников такого типа для одновременного ионохроматографического определения неорганических анионов и катионов щелочных, щелочноземельных металлов и хрома (III) на сорбентах с привитыми группами природных циклических аминокислот(пролин и гидроксипролин).

Определены условия динамического модифицирования поверхности октадецилсиликагеля метиловым оранжевым и выяснены закономерности хроматографического удерживания неорганических анионов и катионов на полученном ионообменнике.

Изучено хроматографическое поведение природных амфолитных соединений (нуклеотидов) на сорбентах с привитыми группами природных циклических аминокислот (гидроксипролин). Показано наличие квад-рупольного взаимодействия сорбат-сорбент, определяющего селективность разделения амфолитных молекул на цвитгерионном сорбенте.

Практическая значимость. Синтезированы новые для ионной хроматографии сорбенты с привитыми молекулами природных аминокислот. Определена оптимальная структура ионообменного центра, включающего противоположно заряженные функциональные-группы,"и выявлены основные закономерности, определяющие ионообменную селективность таких сорбентов.

Предложен метод одновременного нонохроматографического определения анионов и катионов с использованием сорбентов на основе сили-кагеля с ковалентно закрепленными молекулами природных аминокислот. Разработан способ определения основных анионов и катионов в водопроводной воде с использованием одноколоночного варианта ионной хроматографии.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Данные об изучении ионообменных свойств силикагелей с ковалентно привитыми цвитгерионными группами.

2. Результаты изучения селективности удерживания ионогенных органических молекул на силикагелях с ковалентно присоединенными цвитгерионными группами.

3. Результаты изучения селективности удерживания неорганических анионов и катионов па силикагелях с ковалентно присоединенными цвитгерионными группами.

4. Данные по изучению хроматографического поведения хрома (III) и хрома (VI) на силикагелях с ковалентно привитыми группами пролина.

5. Данные по изучению удерживания амфолитных молекул на цвиттери-онных сорбентах на основе силнкагеля с ковалентно закрепленными группами гидроксипролина.

6. Способ определения основных анионов и катионов в водопроводной воде с использованием одноколоночного варианта ионной хроматографии на цвиггерионных сорбентах на основе силикагеля с ковалентно закрепленными группами пролина.

Апробация работы и публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 3-х печатных работах. Результаты исследований доложены в 1994 году на Международном симпозиуме по ионной хроматографии в г. Турине (Италия), научных коллоквиумах лаборатории хроматографии кафедры аналитической химии МГУ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, пяти глав экспериментальной части, общих выводов и списка литературы (94 наименования). Работа изложена на 117 страницах машинописного текста, содержит 30 рисунков, 8 схем и 13 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Обзор литературы

Рассмотрены основные характеристики разработанных ранее методов одновременного определения анионов и катионов, включая: параллельное определение анионов и катионов, разделение анионов и катионов в одном потоке подвижной фазы, последовательное разделение анионов и катионов, использование систем с переключением потока подвижной фазы, применение смешанных слоев ионообменников, а также биполярных неподвижных фаз и цвиттерионных динамически модифицированных об-ращённофазовых сорбентов. Определены факторы, влияющие на удерживание анионов и катионов, особенности детектирования анионов и катионов при их одновременном определении. Описаны различные варианты разделения анионов и отрицательно заряженных комплексов металлов, а также родственные методы разделения анионов и катионов. Изложены аналитические характеристики методов одновременного ионохроматогра-фического определения анионов и катионов: селективность, чувствительность, экспрессность и воспроизводимость. Описано применение одновременного определения анионов и катионов в анализе объектов.

ПРИБОРЫ, РЕАГЕНТЫ, ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Хроматографический эксперимент проводили при помощи одноко-лоночных хроматографических систем, состоящих из насоса высокого давления, инжектора, хроматографической колонки, детектора и системы обработки данных. В качестве детекторов использовали кондуктометр и УФ-детектор.

В качестве матриц для синтеза сорбентов использовали силикагели КСК-1 с удельной поверхностью 350 м2/г и размером частиц 5 и 7,5 мкм (Реахим, Россия), Polyol-100 5 мкм (Serva, Heidelberg, Германия), Silasorb 600 7,5 мкм и Silasorb 300 - 5 мкм, 7,5 мкм и 10 мкм (LaChema, Brno, Чехия). Все химически модифицированные кремнеземы (ХМК) готовили реакцией соответствующих аминокислот с 3-глицидоксипропил-триэтоксисиланом (Реахим, Россия), сопровождаемой обработкой поверхности силикагеля. Приготовление динамически модифицированного ио-нообменника производили в динамических условиях путем прокачивания через колонку LiChrosorb RP-18 (Knauer, Германия) 250x4,6 мм 0,6 мМ раствора метилового оранжевого (Реахим, Россия) в течение 2,5 часов. Хроматографические колонки из нержавеющей стали и полиэфиркетона заполняли синтезированными сорбентами суспензионным методом. Величины ионообменной емкости сорбентов рассчитывали из данных элементного анализа по содержанию углерода, водорода и азота.

В качестве элюентов использовали растворы бензойной, фталевой и лимонной (Реахим, Россия) и хроматографически чистой фосфорной (Fisher, США) кислот. Для приготовления элюентов использовали деиони-зованную дистиллированную воду. В качестве компонента подвижной фазы использовали хроматографически чистый ацетонитрил (Merck, Германия).

Все реактивы имели чистоту не ниже "ч.д.а". Стандартные растворы неорганических катионов готовили растворением точных навесок соответствующих нитратов щелочных и щелочноземельных металлов в деионизо-ванной и дистиллированной воде. Стандартные растворы неорганических анионов готовили растворением точных навесок соответствующих солей калия или натрия в деионизованной и дистиллированной воде. Водные растворы, используемые для определения обменных характеристик привитых фаз, приготавливали растворением в воде сульфата анилина, бензойной кислоты, бензолсульфокислоты, и-аминобензойной кислоты, п-сульфаниловой кислоты (Реахим, Россия) и бромида N,N,N-триметилфениламмония (Fluka AG, Швейцария). Растворы нуклеотидов готовили растворением в воде точных навесок соответствующих натриевых солей: рС (цитидинмонофосфат) (СКТБ БАВ, СССР), рА (аденозинмонофосфат), pU (уридинмонофосфат) (Fluka AG, Швейцария), pG (гуанозинмонофосфат), рТ (тимидинмонофосфат), АТФ (аденозин-трифосфат) (Serva, Германия) и хранили в холодильнике.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Поведение органических ионогенных молекул на ХМ К

Изучены ионохроматографические свойства силикагелей, ковалент-но модифицированных аминокислотами - наиболее доступными биполярными молекулами. Согласно строению и ожидаемым ионообменным свойствам, аминокислоты могут быть подразделены на четыре группы:

(1) моноамино-монокарбоновые кислоты;

(2) диамино-монокарбоновые кислоты;

(3) моноамино-дикарбоновые кислоты;

(4) циклические аминокислоты

Присоединение аминокислот к поверхности силикате ля приводит к изменению их ионообменных свойств благодаря взаимодействию привитых аминогрупп с остаточными силанольными группами на поверхности силикагеля и увеличению основности аминогрупп. По этой причине и ввиду многоступенчатого кислотно-основного равновесия в привитых молекулах можно дать только приблизительную оценку ионообменных свойств привитых аминокислот для различных ионов.

Для исследования роли структуры аминокислот, привитых к силика-гелю, на ионообменные свойства синтезировали ряд сорбентов с кова-

лентно закрепленными: аргинином (А^-БЮг), тирозином (Туг-БЮг), про-лином (Рго-БЮ^), гидроксипролином (Нурго-БЮг), аспарагиновой кислотой (АБр-БЮг). Структура общего фрагмента привитой функциональной группы приведена на схеме 1. Структура привитых фрагментов аминокислот и свойства сорбентов приведены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики исследованных неподвижных фаз

Сорбент Площадь поверхности*, м2/г Размер частиц, мкм емкость**, мкМ/г Структура привитого фрагмента, (К, схема 1)

А5р-БЮ2 300 7,5 60 —ШСНСН2СООН ¿ООН

/\rg-SiO2 300 7,5 160 ЫН —шснсн2сн2сн2мн^мн2 ¿ООН

Рго-БЮ2 100 5 150 соон

Нурго-БЮ2 350 5 120 — \ с^оон Ън

Туг-БЮ2 300 7,5 750 —ШСНСН2—{О/ он ¿ООН ^—'

БЮ2 600 7,5 - -

* - для исходного силикагеля

** - рассчитаны по данным элементного анализа на содержание углерода, водорода и азота

, он

\ I I

-^¡-О51(СН2)з0СН2СНСН2-К

Схема 1. Строение общего фрагмента привитой функциональной группы

Для характеристики ионообменных свойств сорбентов были выбраны шесть производных бензола: первичный амин (анилин), четверичное аммониевое основание (бромид триме-тилфениламмония), две кислоты (бензойная и бензолсульфоновая кислоты) и два амфолита (сульфани-ловая и л-аминобензойная кислота). На рис. 1-2 представлены зависимости изменения коэффициентов емкости для модельных соединений от рН элюента для различных сорбентов, иллюстрирующих их ионообменные свойства. Детектирование - УФ.

Показано, что удерживание достаточно сильной бензолсульфоновой кислоты и слабой бензойной кислоты уменьшается при увеличении рН элюента с 2,85 до 7,0 для всех сорбентов. Это объясняется увеличением отрицательного заряда привитых цвиттерионных молекул из-за диссоциации карбоксильной группы и увеличения элюирующей способности лимонной кислоты. Сорбенты Рго-ЗЮг и Нурго-БЮг проявляют более сильную анионообменную способность в кислотном диапазоне рН. Очевидно, это связано с присутствием основной третичной аминогруппы в ионообменных центрах этих сорбентов.

Asp-Si02

3 г

к'

Tyr-Si02

1 Г

о

2.5

4.5

6.5 рН 2.5

4.5

6.5 рН

Рис. 1. Зависимость коэффициентов емкости (к') некоторых ионогенных органических соединений от рН элюента для силикагелей с различными привитыми аминокислотами. Элюент: 5 мМ лимонная кислота. А - Сульфаниловая кислота, О - бензолсульфоновая кислота, ■ - п-аминобензойная кислота, А - бензойная кислота, □ - анилин, О -триметилфениламмоний. Asp - аспарагиновая кислота, Туг - тирозин.

Обнаружено, что удерживание сульфаниловой кислоты и п-аминобензойной кислоты на Рго-БЮг и Нурго-БЮг проходит через макси-

мум, приблизительно соответствующий изоэлектрической точке для свободных молекул пролина и гидроксипролина (рис.2). В соответствующих изоэлектрических точках и анионная, и катионная функциональные группы привитых молекул заряжены, и молекулы цвиггерионных соединений

Рис. 2. Зависимость коэффициентов емкости (к') некоторых ионогенных органических соединений от рН элюента для силикагелей с различными привитыми аминокислотами. Элюент: 5 мМ лимонная кислота. Д - Сульфаниловая кислота, О - бензолсульфоновая кислота, ■ - и-аминобензойная кислота, ^ - бензойная кислота, □ - анилин, О -триметилфениламмоний. Arg - аргинин, Pro - пролин, Нурго - гид-роксипролин.

в основном удерживаются через квадрупольное взаимодействие с ионообменными центрами сорбентов. Конечно, максимум удерживания для сульфаниловой кислоты, имеющей более низкое значение рКа 3,20 для сульфогруппы, соответствует более низкому значению рН элюента, чем в случае с л-аминобензойной кислотой, имеющей карбоксильную группу с рКа, равным 4,89. Вышеупомянутые свойства пролина и гидроксипролина

ковалентно закрепленных на поверхности силикагеля позволяют использовать эти сорбенты для одновременного разделения анионов и катионов. Интересно, что такая зависимость колоколообразной формы не наблюдалась для других исследованных сорбентов. Время удерживания положительно заряженного тримстилфениламмония заметно увеличивается с возрастанием рН лимоннокислотного элюента для обеих биполярных неподвижных фаз, что соответствует возрастанию диссоциации карбоксильных групп на поверхности ионообменника. Зависимость удерживания анилина имеет точку перегиба в диапазоне значений рН 4,0-5,0 для сорбентов с привитыми тирозином и аспарагиновой кислотой. Такое поведение является результатом диссоциации карбоксильных функциональных групп ионообменника и денротонизации молекул анилина.

Для силикагеля с привитыми аргинином наблюдали более высокое катионообменное сродство, чем для силикагеля с привитой аспарагиновой кислотой. Это, по-видимому, связано с организацией противоположно заряженных молекулярных слоев на поверхности силикагеля.

Для немодифицированного силикагеля показано заметное сродство к анилину. Это согласуется с известным фактом специфического взаимодействия аминосодержащих соединений с силанольными группами.

Таким образом: изучение ионообменных свойств сорбентов с ковалентно закрепленными группами аминокислот показало наличие цвитте-рионных свойств только у ионообменииков с привитыми группами проли-на и гидроксипролина.

Поведение неорганических ионов на цвиттерионных Х\1К

Сорбенты с привитыми ос-

X

•Ч

соои и' у-1 соо- —»р- соо-

а) 6) II д)

Л

.) Ц

"СГ г) соои

Рис.3. Кислотно-основные равновесия и резонансные структуры аминокислот, (где X - Н- или ОН-группа)

татками аминокислот проявляют анионообменные свойства в кислотной области и катионооб-менные свойства в нейтральной и щелочной области значений рН элюента, что связано с перераспределением заряда внутри ионообменного центра согласно кислотно-основному равновесию (рис. 3). В зависимости от рН наблюдаются различные ионные состояния аминокислоты катион (а), цвиттерион (б), внутренняя соль (резонансная структура) (в), нормальная (г) и анион (д). Известно, что нормальные и резо-

нансные структуры могут быть сформированы только в отсутствии стери-ческих затруднений для формирования пяти или шестичленных циклов. Так, Ы-замещенные а-аминокислоты предпочтительно формируют цвит-терионные структуры в диапазоне рН между рКа и рКь, в то время как незамещенные а-кислоты способны формировать как нормальную структуру так и внутреннюю соль. В ходе прививки аминокислотных групп на поверхность силикагеля происходит преобразование первичных и вторичных аминогрупп во вторичные и третичные, что увеличивает тенденцию формирования протонированных резонансных структур в более высокой степени, чем для свободных аминокислот.

Значения рК карбоксильных групп для свободных аминокислот, может использоваться в первом приближении для оценки ионообменных свойств поверхностно привитых сорбентов.

Формирование резонансных структур молекулами Ь-пролина и Ь-гидроксипролина уменьшает суммарную обменную емкость сорбента, что подтверждается экспериментальными данными. На рисунке 4. представлены зависимости 1цк' от рН элюента. Таким образом, для Рго-БЮг и Нурто-БЮг, в диапазоне рН до 4,5 наблюдали анионообменные свойства, от 4,5 до 5,5 - как анионо- так и катионообменные, а при более высоких значениях рН - только катионообменные свойства. Хроматограммы смеси растворов, содержащих некоторые ионы, при различных концентрациях и значениях рН элюента, приведены на рис.5 и 6.

0.4

I 3

-0.4

3.5

4.5

5.5

6.5

Рис. 4. Зависимость 1§к* анионов и катионов от рН элюента. Колонка Рго-БЮг (250x4,6 мм). Подвижная фаза: 5 мМ бензоат натрия. 1- СЮ4"; 2 - Г; 3 - Ш3_; 4 - БО,,2"; 5 - СГ; 6 - Ва2+; 7 -8 -

рН

2

Известно, что а-аминокислоты способны образовывать в нейтральной области рН структуры типа внутренней соли, особенно при уменьшении ионной силы элюента, что приводит к уменьшению обменной емкости сорбента. Уменьшение анионообменной емкости ионообменника при уменьшении концентрации элюента, наблюдается только для Рго-БЮг (Рис.7).

О 10 20 30 мин 2 3

5 л Л 8

Рис. 5. Хроматограмма смеси неорганических анионов. Колонка: Рго-БЮг 250x4,6 ммТ Элюент: 1 мМ фталевая кислота; рН 3,3. Детектирование: косвенное УФ 254 нм. 1 - системный пик; 2 - Н2Р04~; 3 - ГО3~; 4 - ВЮ3~; 5 - СГ; 6 - Вт"; 7 - Г; 8 - С104~; 9 - БСГТ.

Рис. 6. Хроматограмма смеси анионов и катионов. Колонка Рго-БЮг (250x4,6 мм). Элюент: 5 мМ бензоат лития, рН 5,2. Расход - 1,0 мл/мин.

Детектирование - кондуктометриче-ское. 1 - сульфат, 2 - хлорид, 3 -нитрат, 4 - системный пик , 5 - натрий, 6 - калий, 7 - магний, 8 - кальций.

0 4 81я, мин

Рис. 7. Зависимость анионов и катионов от —^С бензоата лития, рН

5,7. Колонка Рго-БЮг (250x4,6 мм). 1 - №+; 2 - Юз"; 3 - СГ; 4 - БО^

Хроматографическое поведение ионных форм хрома

Задача разделения анионных и катионных форм хрома интересна с точки зрения применения цвитгерионных сорбентов и актуальна ввиду токсичности трехвалентного хрома, широкого его использования в промышленности и наличия анионных и катионных форм хрома в природных водах.

Следует упомянуть, что ионные формы хрома являются распространенным объектом для одновременного разделения анионов и катионов. Существует большое количество методов разделения ионных форм хрома, как с использованием систем с параллельными хроматографнческими линиями, разделения анионов и отрицательно заряженных комплексов, а также родственных методов: капиллярного электрофореза и проточно-инжекционного анализа, что также говорит об актуальности задачи разделения ионных форм хрома. Поэтому поиск новых путей решения данной задачи с использованием биполярных сорбентов представляется интересным и нужным.

Для разделения хрома (III) и хрома (VI), нами был использован сорбент на основе силикагеля с привитыми группами пролина. Наличие у этого сорбента цвитгерионных свойств позволяет предположить возможность их селективного разделения.

Хроматографическое поведение ионных форм хрома изучалось в тех же условиях, что и поведение неорганических ионов, за исключением способа детектирования - прямого спекгрофотометрического при длине волны 320 им, соответствующей максимуму перекрывания спектров поглощения хрома (Ш) и хрома (VI) и минимуму светопоглощения для фтале-вой кислоты.

На рис. 8 показаны зависимости времени удерживания хрома (III) и хрома (VI) от рН при постоянной концентрации элюента - фталата лития 5

мМ. Как видно из рисунка, характер изменения времени удерживания

4 |-

3

5 г

Рис. 8. Зависимость времени удерживания хрома (Ш) и хрома (VI) от рН на колонке Рго-БЮг (250x4,6 мм). Элюент: 5 мМ фта-лат лития, расход - 1 мл/мин. Детектирование: СФ, 1=320 нм.

2

1 - хром (Ш); 2 - хром (VI).

3 4 5 6 рН

для хрома (III) и хрома (VI) имеет различный вид, так для хрома (III) наблюдается увеличение времени удерживания, а для хрома (VI) уменьшение. Увеличение времени удерживания для хрома (III) говорит о том, что он находится в растворе в виде положительно заряженного комплекса. Высокая прочность гидроксокомплексов хрома (III) и инертность образования комплексов хромом (III) вообще, а также сравнительно низкие константы комплексообразования хрома (III) с фталевой кислотой (pKi = 5,52; р[<2 = 4,48; рКз = 2,48) позволяют сделать вывод о том, что комплексооб-разование хрома (III) с фталевой кислотой, являющейся компонентом подвижной фазы не происходит. По тем же причинам механизм удерживания хрома (III) является ионообменным, то есть комплексообразования хрома (III) с привитыми группами пролина на поверхности сорбента также не происходит. Время анализа составляет от единиц до десятков минут, тогда как для завершения реакции комплексообразования требуется несколько часов или дней. Тангенс угла наклона lgk' от -lgC равен 1,7 (рис. 9), что соответствует эффективному заряду гидроксокомплекса хрома (III) и хорошо согласуется с величиной рассчитанной из констант устойчивости (рК, = 10,0; рК2 = 8,3; рК3 = 5,7; рК» = 4,6) равной 1,3. Хром (VI) во всем изучаемом диапазоне значений pH существует в виде бихромат иона (Сг2072").

lgk' 2

1 - 1

Рис. 9. Зависимость от -^С на колонке Рго-БЮг (250x4,6 мм). Элюент: фталат лития рН 6,0; расход - 1 мл/мин. Детектирование : СФ, Х=320 им. 1 - хром (Ш); 2 - хром (VI).

1.8

2.3

2.8 -IgC

Уменьшение удерживания при снижении концентрации фталевой кислоты (рис.10) для бихромат-иона хорошо согласуется с ранее полученными результатами по изучению ионохроматографического поведения неорганических анионов на сорбентах с привитыми циклическими аминокислотами.

Оптимизация условий хроматографирования - концентрации элюен-та и значения рН, позволило разделить хром (III) и хром (VI). Значение рН и концентрация фталата лития составили 4,5 и 5 мМ соответственно. Хро-матограмма приведена на рис. 10.

Таким образом, можно сделать вывод о возможности применения сорбентов с привитыми группами циклических аминокислот для одновременного определения хрома (Ш) и хрома (VI).

2

I_I_I_._I_I

О 4 8 мин

Рис. 10. Хроматограмма пробы содержащей хром (1П) 50 мкг и хром (VI) 5 мкг на колонке Рго-БЮг 250x4,6 мм. Объем пробы 30 мкл. Элюент - 5 мМ фталат лития рН 4,5. Детектирование - СФ 1=320 нм. 1 - системный пик; 2 - хром (III); 3 -хром (VI)

Динамически модифицированные сорбенты

Предложен подход к получению биполярного ионообменника путем динамического модифицирования гидрофобными цвиттерионными молекулами поверхности октадецилсиликагеля (ОДС).

В качестве модификатора использовали метиловый оранжевый (МО). Молекула метилового оранжевого за счет -БОз" и -Ы!^ функциональных групп обладает ярко выраженными цвиттерионными свойствами, в то же время наличие двух бензольных колец в составе молекулы придает ей необходимые для адсорбции на ОДС гидрофобные свойства. Растворимость в воде МО позволяет произвести модифицирование ОДС из водной фазы, после предварительной обработки ОДС изопропанолом.

о"« (СНЗЙК-©-^»-©-«,-

Подвижной фазой служил раствор фталевой кислоты. Фталевая кислота была выбрана в качестве компонента элюента ввиду того, что с ее помощью возможно элюирование как однозарядных, так и двухзарядных ионов, а также косвенное детектирование анионов при 1=254 нм, так как в

состав молекулы входит бензольное ядро. Но наряду с положительными моментами, в случае динамически модифицированного ионообменника, существуют и недостатки использования данной подвижной фазы, а именно, наличие в составе молекулы фталевой кислоты гидрофобного бензольного ядра обусловливает ее адсорбцию и частичное вымывание МО с поверхности сорбента. Вследствие этого в подвижную фазу пришлось добавлять МО, чтобы избежать уменьшения обменной емкости сорбента.

В качестве модельных ионов были выбраны литий, кальций, нитрат и сульфат ионы. Значение рН элюента составляло 3,0.

На рис. 11 представлены хроматограммы растворов солей металлов. Порядок выхода ионов определяется не знаком заряда ионов, а только его величиной.

Для оценки вклада ионного обмена в процесс сорбции ионов были рассчитаны коэффициенты емкости (к) ионов и построены графики зависимостей 1§к от -1цС фталевой кислоты. Нелинейность зависимостей говорит о том, что, наряду с ионным обменом, вклад в удерживание вносят взаимодействия других типов, таких как ионпарные и гидрофобные взаимодействия.

0 5 10 15

мин

Рис. 11. Хроматограммы растворов а) ЫгБО^ б) Са(ЫОз)2. Колонка: ОД С/МО (250x4,6 мм). Элюент: 0,1 мМ МО, 1,25 мМ фталевая кислота рН=3,0. Расход элюента - 1 мл/мин. Детектирование - спектрофотометри-ческое (X. = 254 нм).

Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о принципиальной возможности использования динамически модифицированных цвитгерионными органическими молекулами гидрофобных сорбентов, для разделения противоположно заряженных ионов.

№ 1.1

0.7 0.3

2.2

2.7 -1цС 3.2

Рис. 12. Зависимость 1{»к' ионов от -1цС фталевой кислоты. Колонка: ОДС/МО (250x4,6 мм) рН=3,0. Концентрация МО 0,1 мМ. Расход элюента - 1 мл/мин. □ - Са2+;0 - Б042"; Д - Ш3~; о - 1л+

Хроматографическое поведение нуклеотидов на цвиттерионных

сорбентах

Для разделения нуклеотидов, являющихся цвитгерионными соединениями, использовали сорбент на основе силикагеля с привитыми группами гидроксипролина. Наличие у этого сорбента цвиттерионных свойств позволяет предположить возможность селективного разделения ряда нуклеотидов.

При выборе условий разделения большую роль имеет значение рН элюента, так как от этого зависит ионное состояние как молекул элюента, так и сорбата, а в случае цвиттерионных ионообменников, и состояние привитых функциональных групп. Ионообменные равновесия, устанавливающиеся на поверхности силикагеля, можно описать следующей схемой:

+МНг-11-СООН о ^^Я-СОО- + Н' <-> Шг-Я-СОО" + 2ЬГ

Кс = Г^Нз-Я-С001 [НЧ/ГШз-К-СООН]

Км = [Ш2-Я-СОО-] [Н+]/П^Нз-Я-СОО-]

Для нуклеотидов, находящихся в подвижной фазе, кислотно-основные равновесия выглядят подобным же образом.

Общий заряд бифункциональной молекулы складывается из суммы мольных долей ионизированных групп с положительными и отрицательными зарядами. Так, общий заряд молекулы аминокислоты при невысоких значениях рН равен +1, при высоких -1, а в изоэлекгрической точке рН он равен 0. Используя кислотно-основные равновесия и константы Кс и Кк, можно рассчитать мольные доли анионной (аы), катионной (ас) и цвитге-

рионной (аг) форм молекул, находящихся в элюенте или привитых к стационарной фазе, которые связаны с концентрацией протонов в элюенте: аы = КнКс/СКсГН*] + КсК* + [Н*]2),

ас = [Н+]2/(Кс[Н+] + КсКк + [Н^]2), а7. = Кс^ИЬСсСЫ] + КсКы + [Н+]2).

Общий заряд молекул амфолита можно вычислить как разницу между ас и ам:

г = «н^2 - КсКму(Кс[РП + КсК* + [ТГ]2). Из представления суммарного заряда цвиттерионной молекулы как функции от рН следует, что соотношение форм заряженных молекул в растворе и неподвижной фазе находятся в зависимости от рН. Распределение для растворенного вещества также может изменяться, так как дипольные и квадрупольные взаимодействия между цвиттерионными молекулами растворенных и привитых молекул изменяются с изменением рН. В первом приближении удерживание ионов должно зависеть от общего количества ионизированных соединений в растворе и на поверхности сорбента. Поэтому максимальное удерживание должно наблюдаться при таком значении рН, при котором образуется максимальное количество ионных пар между молекулами растворенного соединения и неподвижной фазы. Для молекул растворенного соединения или привитых молекул максимальное количество ионизированных групп возможно при рН элюента, соответствующем р1 (изоэлектрическая точка). Следовательно, максимальное удерживание цвиттерионных соединений должно происходить при рН, в котором перекрывание областей изоэлектрических точек растворенного соединения и привитых молекул максимально.

Так на рис.13 показаны зависимости времени удерживания шести нуклеотидов (рА, рС, ри, рТ, рО и АТФ) от значения рН. Как видно из рисунков, время удерживания для рА, рС, рв и АТФ достигает максимума при значениях рН«4-5. Данная форма зависимости легко объясняется, если исходить из предпосылок, изложенных выше. Однако кривые удерживания ри и рТ во всем изучаемом диапазоне рН не имеют выраженных максимумов ввиду того, что в этом диапазоне рН данные соединения находятся в виде анионных форм. Зависимости времени удерживания от рН элюента можно отнести к образованию квадрупольных ионных пар между молекулами растворенного вещества и молекулами аминокислот, кова-лентно присоединенными к поверхности сорбента.

Значение рН элюента варьировали для изменения селективности хроматографического разделения нуклеотидов. Так, порядок выхода нуклеотидов изменяется с изменением рН элюента. При рН 3,0 порядок выхода нуклеотидов выглядит следующим образом: рС < АТФ < рА < рО < ри < рТ, а при рН=4: рС < р1> < рА < АТФ < рТ < рв. В удерживание нуклеотидов, наряду с ионообменными взаимодействиями, вносят свой вклад и гидрофобные взаимодействия между молекулами нуклеотидов и гидрофобной частью привитой молекулы.

На рис.14 приведена зависимость 1{»к' нуклеотидов от - 1§С фосфорной кислоты. Нелинейный характер зависимости показывает, что вклад гидрофобных взаимодействий в механизм удерживания нуклеотидов довольно ощутим.

^ мин -И -

9 -

7 -

5 -

3 -1 -

2 3 4 5 6 рН 7

Рис. 13. Зависимость времени удерживания нуклеотидов от рН на колонке Нурго-БЮз (250x4 мм). Элюент: 5 мМ фосфорная кислота, расход - 0,8 мл/мин. Детектирование: УФ, Х=254 нм. ■ - рТ; - рй; ° - р11; о - АТФ; о - рС; ♦ - рА.

Рис. 14. Зависимость 1дк' нуклеотидов от -1дС подвижной фазы - фосфорной кислоты. Колонка Нурго-БЮг, при рН=3,0. 1 - рТ; 2 - р1Г; 3 - рО; 4 - рА; 5 - АТФ; 6 -рС.

2

4

5

Рис. 15. Хроматограмма смеси нуклеити-дов, полученная на колонке Нурго-БЮг (250x4 мм). Подвижная фаза: 1,25 мМ фосфорная кислота, рН 3,2, расход - 0,8 мл/мин. Детектирование - УФ, 1=254 нм. 1 - системный пик, 2 - рС; 3 - АТФ; 4 - рА; 5-рС;6-ри;7-рТ.

0 8 16 tR,мин

На рис.15 приведена хроматограмма, полученная в условиях, обеспечивающих разделение нуклеотидов на цвитгерионном ионообменнике -Нурго-БЮг.

На основе исследования ионообменных свойств сорбентов и времен выхода удерживаемых ионов были выбраны оптимальные условия разделения неорганических ионов. Оптимальное разделение было достигнуто с колонкой Рго-БЮг при использовании в качестве элюента 5 мМ раствора бензойной кислоты с рН 5,2. Была получена хроматограмма смеси, содержащей сульфат-, хлорид-, нитрат-ионы, а также ионы натрия, калия, магния и кальция (рис. 6). Для этих условий были построены градуировочные зависимости. Определены линейные диапазоны определяемых концентраций и пределы обнаружения ионов (табл. 2).

На основе полученных данных был проведен анализ водопроводной воды на содержание СГ и БО^2*. В оптимальных условиях разрешения пиков были получены хроматограммы водопроводной воды (рис 16). На основе градуировочных зависимостей были рассчитаны содержания этих ионов (табл. 3). Контроль правильности определения содержания ионов осуществлялся методом «введено - найдено».

Применение цвиттерионных ХМК в анализе вод

Рис. 16. Хроматограмма пробы водопроводной воды, полученная на колонке Рго-БЮг (250x4,6 мм). Элюент: 5 мМ раствор бензоата лития при рН 5,3. Скорость потока - 1,0 мл/мин. Объем пробы 10 мкл. Детектирование — кондуктометриче-ское. 1 - сульфат, 2 - хлорид, 3 - нитрат, 4 - натрий, 5 — магний, 6 — кальций.

Таблица 2. Коэффициенты градуировочных уравнений, диапазоны определяемых концентраций и пределы обнаружения ионов (Р=0,95, п=5)

Ионы Пределы обнаружения, мкг/мл Линейные диапазоны, мкг/мл Коэффициенты корреляции А В

5 10-100 0,993 0,65 5

С1~ 3 5-500 0,999 2,29 15

БО/' 7 10-250 0,997 2,15 -20

8Р= АС + В, где Бр - площадь хроматографического пика (единицы интегратора);

С - концентрация иона, мкг/мл

Таблица 3. Концентрации ионов в водопроводной воде(Р=0,95; п=5)

Ион С, мкг/мл

N3* 22±3

СГ 19±2

БОЛ 22±2

выводы

1. Изучены ионообменные свойства сорбентов на основе силикагеля с ко-валентно закрепленными на поверхности молекулами а-аминокислот различного строения. Определено влияние строения аминокислот на их ионообменные свойства.

2. Обнаружены и исследованы цвиттерионообменные свойства силикаге-лей с ковалентно закрепленными молекулами пролина и гидроксипро-лина, а также октадецилсиликагеля, динамически модифицированного метиловым оранжевым.

3. Изучена селективность ионообменного разделения неорганических анионов (СГ, Вг~, Г, ИОз", Н2Р04~, С ЮГ, ЗСТ-Г, 5042~), катионов щелочных К+) и щелочноземельных металлов (М§2+, Са2+, Ва2+) и аммония на этих сорбентах. Определены условия быстрого одновременного разделения трех анионов (СГ, ИОз", 8042~) и четырех катионов (Иа+, К4, Mg2+, Са2+) на колонке заполненной силикагелем с привитыми группами пролина.

4. Изучено ионохроматографическое поведение хрома (III) и хрома (VI) на сорбенте с ковалентно привитыми группами пролина. Показана возможность одновременного разделения и определения ионных форм хрома на колонке заполненной силикагелем с привитыми группами пролина в течение 10 минут.

5. Показано, что хроматографическое удерживание амфолитных молекул (нуклеотидов) на цвиттерионных сорбентах в слабокислотнон и нейтральной среде определяется наличием квадрупольного взаимодействия сорбат-сорбент. Определены условия быстрого и селективного ионо-хроматографического разделения шести нуклеотидов (АТФ, рА, рС, рЦ, рТ и рв) на колонке заполненной силикагелем с привитыми группами гидроксипролина.

6. Предложен новый метод одновременного разделения и определения неорганических анионов и катионов на цвиттерионном сорбенте (Рго-йЮг).

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Нестеренко П.Н., Копылов Р.В., Тарасенко Д.А., Шпигун О.А., Золотов Ю.А. Одновременное разделение анионов и катионов в одноколоночном варианте ионной хроматографии. // Доклады РАН. 1992. Т.326. № 5. С.838-841.

2. Нестеренко П.Н., Тарасенко Д.А., Шпигун О.А. Одновременное определение анионов и катионов методом ионной хроматографии. // ЖАХ. 1994. Т.49. № 3. С.244-256.

3. Nesterenko P.N., Elefterov A.I., Tarasenko D.A., Shpigun О.А. Selectivity of chemically bonded zwitterion-exchange stationary phases in ion chromatography. // J.Chromatogr. 1995. V.706. P.59-68.