Исследование высокополярных неподвижных жидких фаз на основе ионных жидкостей для капиллярной газовой хроматографии тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.02 ВАК РФ

На правах рукописи

ШАШКОВ Михаил Вадимович

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОПОЛЯРНЫХ НЕПОДВИЖНЫХ ЖИДКИХ ФАЗ НА ОСНОВЕ ИОННЫХ ЖИДКОСТЕЙ ДЛЯ КАПИЛЛЯРНОЙ ГАЗОВОЙ ХРОМАТОГРАФИИ

02.00.02 — аналитическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

005553421

16 ОКТ 2014

Новосибирск — 2014

005553421

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте катализа им. Г.К, Борескова Сибирского отделения Российской академии наук

Научный руководитель

доктор химических наук, профессор Сидельников Владимир Николаевич зав. аналитической лабораторией Институт катализа СО РАН (г. Новосибирск)

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор Буряк Алексей Константинович зав. лабораторией физико-химических основ хроматографии и хроматомасс-спектрометрии ФГБУН Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН (г. Москва)

кандидат химических наук Тихова Вера Дмитриевна зав. лабораторией микроанализа ФГБУН Новосибирский институт органической химии им. H.H. Ворожцова СО РАН (г. Новосибирск)

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт элементоорганической химии им. А.Н. Несмеянова РАН (г. Москва)

Защита состоится 19 ноября 2014г в 12-00 на заседании диссертационного совета Д 003.051.01 при ФГБУН Институте неорганической химии им. A.B. Николаева СО РАН по адресу: пр-т Академика Лаврентьева, дом 3, Новосибирск, 630090

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального Государственного Бюджетного Учреждения Науки Института неорганической химии им. A.B. Николаева СО РАН.

Автореферат разослан 26 сентября 2014 года

Ученый секретарь диссертационного совета, д.ф.-м.н.

В.А. Надолинный

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Среди методов анализа летучих органических соединений газовая хроматография является наиболее значимым и информативным. Основным элементом хроматографиче-ской аппаратуры, отвечающим за качество разделения компонентов анализируемой смеси, является хроматографическая колонка. С появлением капиллярных колонок, благодаря их высокой эффективности, появилась возможность решать задачи разделения, решение которых ранее было невозможно. Для достижения наилучшего разделения существует набор неподвижных жидких фаз (НЖФ) различной селективности. Тем не менее, число классов химических соединений, к которым относятся эти фазы, крайне ограничено. Наиболее распространенными из тех, что используют в газо-жидкостной хроматографии (ГЖХ) являются силоксановые полимеры. Их разделительные свойства зависят от природы бокового заместителя в полисилоксановой цепи. Таким образом, весь спектр хроматографических полярностей (и селективностей) определяется наличием в боковой цепи метальных (в неполярных НЖФ), фенильных (в слабополярных НЖФ), а также трифторпропилильных и цианопропильных (в сильнополярных НЖФ) групп. Еще одним классом соединений, применяемым в качестве полярных НЖФ, является полиэтиленгликоли.

Однако в настоящее время возникают новые задачи, решение которых с использованием НЖФ на основе полисилоксанов и полиэтиленгликоля не представляется возможным. Одной из таких задач является разделение полярных соединений при температурах 300°С и более. Дело в том, что высокополярные полисилоксаны, так же как и полиэтиленгликоль, не являются термостабильными НЖФ. Если капиллярные колонки с неполярными полисилоксанами дают возможность работы до 450°С, то термостабильность полисилоксанов с цианопропильными и трифторпропильными заместителями не превышает 260°С. Низкая термостабильность проявляется в виде высокого уровня шума детектора, обусловленного продуктами деструкции фазы в колонке. Это ограничивает область применения капиллярных колонок с полярными НЖФ. Поэтому поиск новых фаз, обладающих высокой термической стабильностью и одновременно высокими значениями хроматографической полярности, в настоящее время является востребованным.

Относительно недавно в качестве таковых материалов было предложено использовать ионные жидкости (ИЖ). Ряд классов ИЖ обладают важными для хроматографии свойствами, главные го которых: способность образовывать стабильные пленки на поверхности и высокая термостабильность при высокой хроматографической полярности. Кроме того, сравнительно простые манипуляции со структурой ИЖ позволяют варьировать их разделительные свойства в большом диапазоне. Это предоставляет широкую возможность выбора НЖФ для наилучшего решения конкретной задачи разделения.

Настоящая работа посвящена поиску новых видов фаз на основе ИЖ, исследования их свойств и характеристик капиллярных колонок с ними.

Цель работы. Разработка методов приготовления капиллярных колонок с высокополярными НЖФ на основе новых типов ионных жидкостей и исследование их хроматографических свойств. Определение характеристик селективности и полярности для исследованных НЖФ. Анализ различных объектов с использованием капиллярных колонок на основе ИЖ.

(П \Э

Задачи исследования:

• синтез различных типов ИЖ, разработка методов приготовления колонок на их основе;

• изучение свойств полученных колонок таких как: полярность, селективность по отношению к различным классам химических соединений, загрузочная емкость, зависимость высоты эквивалентной теоретической тарелки (ВЭТТ) от потока носителя;

• исследование фонового тока для колонок с ИЖ методом хроматомасс-спектрометрии (ГХ/МС) и тандемной масс-спектрометрии (МС/МС);

• получение примеров разделения на колонках с НЖФ на основе ИЖ для решения задач традиционной капиллярной и двумерной хроматографии.

Научная новизна работы

1. 18 изученных в работе ИЖ впервые использованы в качестве НЖФ для газовой хроматографии, 11 из них синтезированы впервые.

2. Разработана процедура обработки кварцевого капилляра, заключающаяся в пришивке фрагментов ИЖ на внутреннюю поверхность. Использование обработанного таким образом капилляра позволяет улучшить качество разделения на колонках с имидазолевыми ИЖ.

3. Впервые измерены загрузочные емкости для колонок с ИЖ и получены зависимости высоты эквивалентной теоретической тарелки от скорости потока газа-носителя; проведено сравнение полученных данных с теми, что характерны для колонок на основе традиционных НЖФ.

4. Произведена оценка селективности и впервые получены значения параметров межмолекулярного взаимодействия для фаз на основе ИЖ с пиридиниевыми и циано-пропилимидазолиевыми ИЖ

5. Впервые изучены фоновые масс-спектры, а также получена и объяснена картина фрагментации ионов в масс-спектрах неподвижных фаз на основе имидазолиевых ИЖ.

6. На колонках с ИЖ впервые осуществлены разделения свободных жирных кислот и высококипящих тритерпеновых кислот.

Практическая значимость

Следует отметить, что колонки на основе ИЖ являются новым инструментом для разделения сложных смесей полярных химических соединений. Поэтому область преимущественного применения данных колонок для решения задач аналитической хроматографии в настоящее время не определена. В силу своей высокой полярности наилучшим образом данные колонки подходят для анализа спиртов, карбонильных соединений, свободных карбоновых кислот и их эфиров, ароматических соединений. Вероятно, главными объектами для анализа на таких колонках станут высококипящие смеси сложного состава, содержащие различные полярные соединения, к примеру — природные экстракты, объекты метаболомики, серо- и азотсодержащие соединения в нефтепродуктах. Достичь хорошего разделения такого рода смесей на неполярных колонках затруднительно из-за плохой селективности последних по отношению к данным веществам, а на традиционных полярных фазах данный анализ произвести затруднительно, в виду их низкой термостабильности.

Преимуществом колонок на основе ИЖ для хроматомасс-спектрометрии является низкое значение фонового тока. Помимо этого, набор сигналов фонового масс-спектра является более бедным и оказывает меньшее мешающее влияние (по сравнению с поли-

4

мерными фазами) на масс-спектры анализируемых соединений. Применение колонок с ИЖ в двумерной хроматографии позволяет повысить температуру анализа и улучшить характеристики разделения сложных смесей органических веществ.

На защиту выносятся следующие положения:

• метод приготовления капиллярных колонок на основе ИЖ статическим методом высокого давления;

• использование одно- и дикатионных ИЖ с цианопропилиимидазолевыми и ал-килпиридиниевыми катионами в качестве НЖФ для газовой хроматографии (ГХ);

• новые данные о хроматографических характеристиках НЖФ на основе ИЖ: 1) Зависимости ВЭТТ от скорости потока газа-носителя, 2) Загрузочная емкость. 3) Селективность новых НЖФ на основе ИЖ по модели Абрахама в сравнении с традиционными НЖФ;

• данные о фоновых масс-спектрах колонок с имидазолиевыми ИЖ, исследование механизма фрагментации ИЖ методом тандемной масс-спектрометрии.

Личный вклад автора

Все результаты, представленные в работе, получены самим автором. Автор участвовал в постановке задач, решаемых в рамках диссертационной работы, самостоятельно проводил все эксперименты, обрабатывал результаты, активно участвовал в интерпретации полученных данных, написании и подготовке к публикации научных статей и тезисов конференций.

Степень достоверности результатов подтверждается их воспроизводимостью, а также непротиворечивостью с полученными ранее сведениями в области исследования свойств, характеристик ионных жидкостей и колонок на их основе, а также колонок на основе традиционных неподвижных фаз.

Апробация работы

Основные результаты работы были представлены на Всероссийской конференции «Аналитическая хроматографии и капиллярный электрофорез», (Краснодар, 2010), XIII Молодежной школе-конференции «Актуальные проблемы органической химии», (Новосибирск, 2010), V Всероссийской конференции студентов и аспирантов «Химия в современном мире», (Санкт-Петербург, 2011), XVIII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «ЛОМОНОСОВ», (Москва, 2011),-XIV Молодежной школы-конференции «Актуальные проблемы органической химии», (Новосибирск, 2012), VI Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Менделеев», (Санкт-Петербург, 2012), 12th международном симпозиуме «Hyphenated techniques in chromatography», (Брюгге, Бельгия, 2012), IX Научной конференции «Аналитика Сибири и дальнего востока», (Красноярск 2012), Всероссийском симпозиуме «Кинетика и динамика обменных процессов», (Геленджик, 2013), 2-й Всероссийской конференции «Методы изучения состава и структуры функциональных материалов», (Новосибирск, 2013).

Публикации

По результатам работы опубликованы 5 статей в рецензируемых журналах, 7 тезисов конференций.

Структура н объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, и списка литературы. Работа изложена на 133 страницах, содержит 11 таблиц и 37 рисунков. Библиографический список включает 174 наименования.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планами научно-исследовательской работы ИК СО РАН по проекту У.44.1.ИК1 «Развитие и применение современных физических методов исследования, включая режим от-я7и, для изучения строения и свойств каталитических систем и наноструктурированных материалов на атомно-молекулярном уровне, в том числе при повышенных температурах и давлениях», а так же при поддержке Интеграционного проекта №94 «Сигнальное и диагностическое значение летучих продуктов метаболизма (2009-2011)» и проекта 20.4. по программе фундаментальных исследований Президиума РАН «Создание и совершенствование методов химического анализа и исследования структуры веществ и материалов» (2009-2013).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цели, задачи, отражены научная новизна, практическая значимость и положения, выносимые на защиту.

Первая глава представляет собой обзор литературы, основная часть которого посвящена использованию различных видов ионных жидкостей в газовой хроматографии. Кроме этого содержатся краткие сведения о современных НЖФ для капиллярной хроматографии с акцентом на проблемы, связанные с недостаточной термостабильностью современных полярных и высокополярных НЖФ. Также приводится краткая история и обзор современных областей использования ИЖ. Более подробно рассмотрено применение ИЖ в аналитической химии. Наиболее детально в обзоре охвачены работы, касающиеся применения ИЖ в качестве НЖФ для капиллярной хроматографии. Рассмотрены физико-химические свойства ИЖ, которые делают их пригодными для использования в качестве термостабильных неподвижных фаз в хроматографии.

Вторая глава содержит описание синтеза ИЖ, использованных в работе, разработку методики приготовления качественных колонок на их основе, а также предварительные эксперименты, позволяющие выбрать ряд классов ИЖ для создания колонок с наилучшим сочетанием характеристик.

Приготовление всех колонок, используемых в работе, производили при помощи статического метода высокого давления. Проведение предварительных экспериментов было выполнено с использованием колонок на основе ИЖ с катионами различного типа: пири-диниевого, имидазолевого, фосфониевого, пирролидиниевого, сульфониевого. Для полученных колонок измеряли хроматографическую полярность по Мак-Рейнольдсу, эффективность и термостабильность (путем измерения уровня фонового тока детектора). Также на них были получены разделения тестовой смеси, содержащей тетрадекан, октанол-1, метиловые эфиры карбоновых кислот Сп и С^, нафталин, 2,6-диметилфенол и 2,6-диметиланилин. По совокупности полученных данных оказалось, что из всех исследованных ИЖ фазы на основе имидазолевых и пиридиниевых катионов являются наиболее пригодными для получения качественных высокополярных термостабильных колонок. Что касается аниона, то наилучшие результаты получены с ИЖ, содержищие в качестве

б

аниона бис(трифторметилсульфонил)имид (NTf2) или трис(трифтор-метилсульфонил)метид (CTf3) (структуры анионов расшифрованы на рис. 1).

Основная часть второй главы посвящена описанию синтеза исследованных в работе ИЖ. Схема синтеза включает две стадии. На первой стадии из гетероциклического предшественника (производное имидазола или пиридина) и бромпроизводного при нагревании получали ИЖ, в которой в качестве аниона получался бромид. На второй стадии в водной среде производили обмен бромид-аниона на ШТ2-анион. Для синтеза однокатионных ИЖ использовали небольшой избыток монобромпроизводного, а для синтеза дикатионных ИЖ использовали терминальные дибромалканы и трехкратный избыток гетероциклического предшественника. Полученные ИЖ были охарактеризованы методами 'Н-ЯМР и масс-спектрометрией с ионизацией электроспреем.

С целью повышения эффективности получаемых колонок и улучшения формы пиков хроматографируемых соединений для колонок на основе ИЖ проведены исследования, касающиеся предварительной обработки внутренней поверхности капилляра (до нанесения фазы). Известно, что химическая природа поверхности существенно влияет на качество посадки пленки фазы, и предварительная обработка позволяет изменить химический состав внутренней поверхности. В работе опробованы следующие методы обработки поверхности: обработка полярными неподвижными фазами (OV-215, Carbowax 20М), обработка осаждением хлорида натрия и обработка пришивкой винилимидазо-левой ИЖ (VinPrlmNTfa). Обработка полярными неподвижными фазами привела ухудшению эффективности и качества хрома-тограмм на получаемых колонках с ИЖ. Обработка хлоридом натрия также отрицательно влияет на эффективность получаемых колонок.

Наилучшие результаты показала обработка капилляра путем пришивки винилимида-золевой ИЖ (VinPrImNTf2) к внутренней поверхности. Для реализации этого подхода на первой стадии поверхность обрабатывали винилсодержащим силазаном с целью создания на поверхности структур с двойной связью, а на второй стадии проводили пришивку винилимидазолевого катиона ИЖ при помощи перекиси дикумила (радикальный источник). Полученный таким образом капилляр использовали для приготовления колонки с ИЖ DiMPrImCTf3. Эффективность обработанного капилляра оказалась выше - 2600 теор. т./м против 2400 теор. т./м для необработанного. Одновременно с этим удалось достигнуть хороших параметров пиков (симметрия, эффективность) для всех типов соеди-

V

NTf2

2МРу: Rj=Mc, R2345=h ЗМРу: R2-MC, R1345-H 4МРу: R3=Me, R1245=H 3.5MPy: R^Me, R135=H 2.6MPy: Rj5=Mc, Rj34=H 2.4.6MPy: R135-Mc, R24=H -

"rpii

¡<4

(NTf2b

I

СвВ,э

Л

/ CTf3

DiMPrImCTf3

ЬММРуС?: R3-Mc, R,245=H, n=9 Ьи2МРуС9: Rj-Me, R2345-H, a=9 b¡s3.5MPy(V Rj=Me, R2345=H, n=9 bis4MPyC6: R3-Me, R1245-H, n=6

o . R

(NTf2>2

bisDiMImCg: R=Me, n=9 bisBl¿vnmC4: R=-Bu,n=4 bísPrCNMIm: R-íCHj^CN.B-fl

BiMPrCMmNTf,: R-CN DiMPrOHImNTfj: R=OH DiMPrlmNTf2: R=H

Рис. 1. Структуры и обозначения ИЖ, использованных в работе

нений с активной группой - спирты фенолы, амины. Разработанный метод оказался эффективным для приготовления колонок на основе только имидазолиевых ИЖ. Для пи-ридиниевых ИЖ данная обработка не показала хороших результатов. Попытки разработать аналогичный метод для колонок с пиридиниевыми ИЖ, то есть основанный на пришивке к поверхности виншпиридиниевой ИЖ, были безуспешны. Поэтому все колонки на основе пиридиниевых ИЖ приготавливались с использованием необработанного капилляра.

Третья глава включает результаты исследования свойств и характеристик колонок на основе пиридиниевых и имидазолевых ИЖ. Приведены зависимости ВЭТТ, измерены загрузочные емкости, исследована полярность по Мак-Рейнольдсу и селективность с использованием модели Абрахама. Исследование свойств колонок на основе новых типов НЖФ позволяет оценить их возможности и определить их место в ряду колонок на основе современных НЖФ.

Прежде всего, для достижения наилучшего разрешения между пиками на капиллярной колонке необходимо проводить разделение в оптимальном режиме по потоку газа-носителя, а также быть уверенным, что размер пробы не превышает её загрузочные возможности. Для этого необходимо знать вид зависимости высоты эквивалентной теоретической тарелки от скорости газа-носителя и загрузочную емкость колонки. Поскольку ранее эти характеристики для колонок на основе ИЖ не изучались, в данной главе представлены результаты экспериментов по определению зависимостей ВЭТТ и загрузочных емкостей для некоторых колонок на основе ИЖ. В качестве тестовых соединений для измерения зависимостей ВЭТТ и загрузочных емкостей использовали 2,6-диметилфенол, тридеканон-2 и нафталин.

Зависимости ВЭТТ получены для следующих ИЖ: ВМРг1тСЛТз, Ыз01М1тС9, 4МРу. В качестве колонки сравнения использовали колонку на основе СагЬо\уах 20М. Оказалось, что наибольший наклон восходящей ветви наблюдается для имидазолиевых ИЖ ф1МРг1тСЛТ3, ЫяШМГтС.)). Пиридиниевая ИЖ (4МРу) занимает промежуточное положение, а наклон для СагЬоууах 20М наименьший (рис. 2 слева, значения ВЭТТ (Н) измерены по пику 2,6-диметилфенола). А соответствующие положения минимума ВЭТТ для колонок на основе ИЖ сдвинуты в область более низких скоростей газа-носителя.

Рис. 2. Зависимости ВЭТТ от скорости потока газа-носителя (слева) и зависимости относительной эффективности от величины пробы (справа) для колонок на основе ИЖ и СагЫтоах 20М. Колонки 25м*0,22мм*0,2мкм, газ-носитель гелий

Из этого следует, что для исследованных фаз на основе ИЖ характерны меньшие по сравнению с полиэтиленгиколем значения скорости диффузии в пленке фазы и, следовательно, меньшая скорость установления равновесия между газовой и жидкой фазой.

Изучение загрузочной емкости колонок проводили путем исследования зависимости эффективности колонки от размера вводимой пробы. В нашей работе были измерены загрузочные емкости для колонок на основе: В]М1тС1Т3 и ЫБОИШтСд, для сравнения использовали колонку с СагЬолуах 20М. Соответствующие графики зависимости относительной эффективности (ЛИУ^) от логарифма массы вводимой пробы приведены на рис. 2 справа (измерены по пику тридеканона-2). Видно, что загрузочная емкость для сравнима с СагЬо\уах 20М, а для Ь1б01М1шС9 примерно в два раза выше. В случае остальных тестовых веществ (нафталин, 2,6-диметилфенол) величина загрузочной емкости также отличается от СагЫжах 20М менее чем на порядок. Измеренные величины загрузочной емкости сравнимы со значениями, характерными для полисилок-сановой фазы БЕ-ЗО (литературные данные). Таким образом, можно сделать вывод о том, что при одинаковой толщине пленки НЖФ колонки на основе ИЖ не уступают по загрузочным свойствам колонкам на основе традиционных фаз.

Для оценки разделительных способностей фаз на основе ИЖ произведены исследования хроматографической полярности по Мак-Рейнольдсу и селективности с использованием модели Абрахама. Хроматографическая полярность является основным параметром, по которому проводят классификацию неподвижных фаз, что позволяет приблизительно оценить спектр аналитических задач, решаемых на рассматриваемых фазах. Как видно в таблице 1 (последняя колонка, (Р)), все изученные в работе ИЖ имеют полярность 76-100. Таким образом, все они являются высокополярными. Для более детальной оценки разделительных свойств и их сравнения с традиционными фазами, данных общей хроматографической полярности оказывается недостаточно. В частности, большинство из представленных в таблице ИЖ обладают полярностью в узком диапазоне 85-95, в то время как разделительные свойства по отношению к различным классам полярных и поляризуемых соединений значительно различаются.

Поэтому, необходима более детальная оценка разделительных свойств, которую можно сделать при помощи модели линейной зависимости свободной энергии (Абрахама). Данная система позволяет оценить вклад в удерживание от различных межмолекулярных взаимодействий между аналитом и НЖФ. Конечным результатом оценки является набор параметров модели, которые количественно характеризуют способность НЖФ к определенным типам взаимодействий: Параметр (е) отвечает за к-п, п-п взаимодействия, (я) - за диполь-дипольные (в том числе и индукционные), (а) и (Ъ) являются оценкой вклада фазы в образование обратимой водородной связи, причем (а) отвечает за силы, где фаза выступает в качестве акцептора водорода, а (Ь) - в качестве донора. (I) учитывает дисперсионную составляющую межмолекулярных взаимодействий. Набор этих параметров для всех изученных ИЖ представлен в таблице 1. Сравнивая их между собой можно отметить, что основными типами взаимодействий, которые проявляют ИЖ, являются диполь-дипольное и водородная связь (а, Ь, я). Кроме того, наблюдаются некоторые закономерности проявления тех ли иных межмолекулярных взаимодействий в зависимости от структуры ИЖ. В более явном виде это наблюдается в ряду пириди-ниевых ИЖ: силы диполь-дипольного взаимодействия (я) и водородного связывания (а, Ь) связаны как с количеством, так и со степенью удаления метальных групп от гетероциклического атома азота. То есть наибольшей силой специфических взаимодействий среди обладают ИЖ с заместителями во втором положении (2МРу и 2,6МРу,

Ыз2МРуС9). Также очевидна прямая зависимость между количеством, длиной алкиль-ных заместителей (в том числе и мостиков в дикатионных ИЖ) и величиной параметра дисперсионных взаимодействий (I). По этой причине дикатионная ИЖ, обладающая наиболее коротким мостиком (Ыз4МРу) имеет наименьший (I) и, таким образом, заметно хуже удерживает неполярные соединения, что в конечном счете обуславливает её наибольшую полярность. Наблюдаемые закономерности полезны с точки зрения выбора наилучшей фазы для конкретной задачи анализа.

Таблица!

Параметры модели Абрахама (е, в, а, Ь, 1) и полярность по Мак-Рейнольдсу (Р) для колонок на основе ИЖ, а также колонок НР-5 и гВ-УУАХ

Параметры межмолекулярных р

взаимодействий

е в а Ь 1 г2

Имидазолевые однокатионные ИЖ

01МРг1т(Ш3 0.08 1.59 1.15 0.15 0.36 0.98 82

ИМРИтЫТ^ 0.01 1.67 1.21 0.12 0.31 0.98 88

□¡МРгСМтКШг 0.25 1.81 1.25 0.30 0.35 0.97 94

□¡МРгОШтМТЪ 0.21 1.50 1.25 0.66 0.34 0.99 94

Имидазолевые дикатионные ИЖ

Ы801М1тС9 0.37 ' 1.62 1.13 0.14 0.33 0.99 92

ЫБМРгСШт 0.35 1.57 1.22 0.29 0.38 0.99 81

Пиридиниевые однокатионные

2МРу 0.06 1.62 1.19 0.17 0.31 0.99 89

ЗМРу 0.07 1.60 1.15 0.15 0.31 0.997 86

4МРу 0.10 1.57 1.13 0.10 0.32 0.99 84

2.6МРу 0.18 1.70 1.35 0.30 0.37 0.99 85

З.БМРу 0.16 1.55 1.11 0.28 0.37 0.99 76

2.4.6МРу 0.28 1.61 1.40 0.59 0.42 0.98 81

Нех4МРу 0.35 1.14 1.02 1.54 0.43 0.99 80

Пиридиниевые дикатионные

Ы82МРуС9 0.33 1.74 1.29 0.13 0.35 0.98 92

Ыз4МРуСэ 0.35 1.66 1.25 0.11 0.35 0.98 91

ЫБ3.5МРуС9 0.38 1.42 1.15 0.25 0.36 0.99 80

Ь|84МРуСв 0.16 1.69 1.26 0.16 0.29 0.99 100

Фазы сравнения

НР-5 0.02 0.32 0.19 0.00 0.52 0.999 8

гв-и/дх 0.29 1.53 2.39 0.00 0.49 0.998 51

Примечание. г2— коэффициент корреляции.

Таким образом, в третьей главе показано, что колонки на основе имидазолиевых и пиридиниевых ИЖ являются высокополярными и демонстрируют новые разделительные свойства. Кроме того, хроматографическую селективность ИЖ можно менять в широких пределах варьированием природы, положения и количества заместителей в пиридиновом и имидазольном кольце.

Четвертая глава посвящена вопросам использования колонок с ИЖ в сочетании с масс-спектрометром. Известно, что основные проблемы при использовании колонок в ГХ/МС связаны с недостаточной термостабильностью колонок и регистрацией продуктов термодеструкции НЖФ масс-спектрометром. Поэтому в работе исследована термостабильность путем оценки уровня подъема фонового тока при нагреве колонки до температуры 300°С в сравнении с традиционными фазами. А также изучен состав фоновых масс-спектров методом тандемной масс-спектрометрии.

10

Для исследований использованы колонки на основе следующих ИЖ имидазолевого типа: ИМтСТ^, БМ1тКТ^ В1МРгСМтШТ:г, МРгСМттТ2, ЫзО(М1шС9. Такой набор ИЖ был выбран из-за их высокой термостабильности.

Измерение уровня фонового тока колонок проводили следующим образом. Колонки помещали в термостат хроматомасс-спектрометра и нагревали в режиме программирования температуры от 50°С до 300°С со скоростью 10°С/мин. Регистрацию сигналов проводили в диапазоне массовых чисел 40-600. В качестве колонок сравнения использовали неполярную термостабильную НР-5тз и полярную колонку на основе полиэти-ленгликоля Шх-\УАХ (Шх-\¥АХ нагревали только до 250°С, что соответствует ее максимальной температуре работы). Полученные зависимости фонового тока представлены на рис. 3.

САНВОЮАХ 20М 250'С

0 1 2 3 4 5 6 7 8 3 10 11 12 13 W 15 16 17

18 1S2>2l 22 23 2« 25 2»zr28a 30 3l32333« 35 36 37 3e; время, мин

Рис. 3. Уровень фонового тока колонок на основе ИЖ в сравнении с колонками на основе Carbowax 20М и HP-5ms. Условия: 50°С - 300°С (250°С для Carbowax 20М) - 10сС/мин. Детектор: масс-спектрометр

Из рис. 3 видно, что все изученные фазы на основе ИЖ обладают более высоким уровнем фонового тока по сравнению с неполярной фазой HP-5ms, но значительно меньшим по сравнению с полярной НЖФ на основе полиэтиленгликоля. Наиболее низкий фоновый ток показала дикатионная ИЖ bisDiMImC9, её термостабильность близка к HP-5ms.

Однако в случае практического использования колонок с НЖФ в ГХ/МС при высокой температуре недостаточно обладать информацией об уровне их фонового тока. При ГХ/МС анализе фоновый спектр, соответствующий продуктам распада НЖФ, может накладываться на масс-спектр определяемых веществ и усложнять их идентификацию. ™ Поэтому необходимо также знать

значения масс, характерных для фонового спектра конкретной фазы. На спектрах фона колонок с пропили-мидазолевыми ИЖ, нагретых до 300°С. На рис. 4 видно, что основными по интенсивности являются сигналы при m/z 139, 69, 64. m/z 139 совпадает массой катиона, а сигналы с m/z 64 и 69, по-видимому, соответ-

А"

Рис. 4. Фоновые масс-спектры колонок с DiMImCTf3 и DiMImNTf2

ствуют осколкам аниона - [S02]+ и [CF3]+ соответственно. В отличие от пропилимида-золевых ИЖ, в масс-спектрах цианопропилимидазолевых ИЖ (DiMPrCNImNTf2, MPrCNImNTf2,) отсутствуют сигналы соответствующие нефрагментированному катиону - m/z 164 и 150 соответственно (рис. 5). В то время как основными в спектрах является сигналы с m/z 96 и 82 соответственно. Возможно, они соответствуют частицам, которые являются результатом потери цианопропильной группы из катиона. Помимо этого также наблюдаются сигналы аниона - m/z 64, 69.

Масс-спектр дикатионной ИЖ bisDiMImCg содержит сравнительно бедный набор малоинтенсивных сигналов, а основными являются сигналы аниона -m/z 64, 69 (рис. 6 в середине). Если сравнить этот спектр со спектрами колонок традиционных фаз HP-5ms и Carbowax 20М (рис. 6), то можно увидеть, что спектр ИЖ содержит значительно меньшее число сигналов, имеющих низкую интенсивность, кроме того, все эти сигналы сосредоточены в области низких значений m/z. Это является преимуществом, так как наиболее ценная информация о структуре анализируемых соединений, как правило, содержится в диапазоне m/z свыше 100.

При исследовании фоновых масс-спектров ИЖ было предположено происхождение только некоторых ионов в полученных спектрах. Для понимания природы остальных ионов были проведены исследования их методом МС/МС.

Схема прибора для тандемной масс-спектрометрии включает три квад-руполя. На первом квадруполе происходит выделение интересующего иона первичного масс-спектра, второй служит ячейкой столкновений, где происходит его вторичная фрагментация в результате столкновения с молекулами газа. Третий квадруполь служит для регистрации спектра из полученных в

ячейке ионов. Получаемые в результате и Carbowax 20М (250°С) '

данные содержат дополнительную информацию, что позволяет увеличить достоверность идентификации сигналов первичного масс-спектра Однако таким методом можно анализировать не только сигналы целевых анализируемых соединений, но и фоновые сигналы, соответствующие фрагментам неподвижной фазы колонки. В нашей работе было проведено исследование дочерних спектров для наиболее интенсивных ионов из фоновых спектров НЖФ на основе ИЖ.

12

j

ft 1 I "«[ . ? . « т т

100

¿Г-

, Ail.?., .................. Т.....7

п Ш> SO ХЮ 110 ГО 130 WO

1 по во 1Ю юо гп па ix

Рис. 5. Фоновые масс-спектры колонок с DiMPrCNImNTf2 и MPrCNImNTf2

,1 d

> 80 100 120 140 160 II

10 220 240 260 280 ЭОО 320 340 360 380 400 420 4-

bisDiMImCö

во so 120 140 1ЙО 1ЙО 200 220 240 2H 210 lit 320 340 360 ЗвС 4C0

(m/I)

Carbowax 20M

iL

I 80 100 120 140 IM 180 20« 220 240 г

Ю ЭОО 320 340 ЗвО 380 41

Рис. 6. Фоновые масс-спектры колонок на осн<УВ0 bisDiMImCö. HP-5ms Г300°С }

Пример дочернего спектра для иона с т/г 139 из фоновых масс-спектров колонок Г^МРйтМТ^, ОММтСТ^ приведен на рис. 7. Видно, что этот ион действительно соответствует нефрагментированному катиону ИЖ. Исследование других ионов фонового спектра показали, что основная часть сигналов пропилимидазолевых ИЖ соответствует фрагментам катионной части (124, 97, 96, 95, 81, 55). Исследование цианопропи-лимидазолевых ИЖ также показало, что основная часть сигналов фонового спектра относится к распаду катионной части - 148, 96, 95, 85, 81, 55 для 01'МРгС№тШТ2 и 135 82, 81, 55 для МРгСМтШТ2. Все ионы спектра дикатионной ИЖ ЫзП1М1тС9 имеют ту же природу, что и в спектрах пропилимидазолелвых. На основе полученных данных удалось составить предположительную модель распада катионов ИЖ.

Что касается сигналов, связанных с распадом анионной части, то не все из них удалось интерпретировать. Тем не менее, доказано, что присутствующие во всех спектрах сигналы с т/г 64, 69 действительно относятся к частицам [802]+ и [СР3]+. Другие ионы, во вторичных спектрах которых содержатся сигналы при 64 и 69 (соответственно содержащие в своем составе фрагменты аниона) не удалось однозначно интерпретировать. К таким относятся сигналы с т/г. 226, 162, 128 из спектров цианопропилимидазолевых ИЖ и 211, 147, 133, 131, 117 из спектров ИЖ В1МРг1т(ЛТ3, 0!МРг1тЖГ2, ЫзСШ1тС9.

Чтобы оценить влияние процессов термической деструкции на вид масс-спектра были проведен анализ интенсивности для основных сигналов при разных температурах в колонке. Учитывая, что характер масс-спектров не зависит от условий хроматографи-рования, следовательно, любые изменения в относительной интенсивности основных сигналов фонового масс-спектра будут свидетельствовать о термических процессах внутри колонки. В работе показано, что наблюдаются заметные изменения соотношения интенсивности между ионами, соответствующими анионной и катионной части ИЖ. На основе полученных результатов можно сделать предположение, что фоновый ток колонок на основе ИЖ обусловлен не только уносом в газовую фазу нейтральных молекул ИЖ посредством испарения (ИЖ все же обладает минимальной летучестью). Так как в этом случае соотношение ионов от температуры было бы постоянным, но и, вероятно, процессами термодеструкции НЖФ, происходящими внутри колонки.

Пятая глава содержит примеры решения хроматографических задач (в том числе методами ГХ/МС и двумерной хроматографии) с использованием разработанных колонок на основе ИЖ.

Значительная часть задач, при решении которых находят применение полярные колонки, связана с разделением кислородсодержащих соединений. В работе показано, что ИЖ показывают хорошие результаты разделения для свободных карбоновых кислот, спиртов, карбонильных соединений, эфиров жирных кислот. Стоит отметить хорошее разделение свободных карбоновых кислот, так как известно, что это является трудноразрешимой задачей для газовой хроматографии. Хороших результатов удается достичь для разделения ароматических соединений, в особенности фенолов. Пример такого разделения в сравнении с разделением на неполярной фазе представлен на рис. 8.

Г

I

к

I

/

-О & ^

"» 130

—4___

100 1Ю 1» 130 140

Рис. 7. Спектр дочерних ионов иона с т/г 139 из фонового спектра ИЖ 01МРг1т(ЛТз и ИШМт>Ш2

2 1

Рис. 8. Хроматограммы разделения одноатомных фенолов, на колонках о фазой Ыз2МРу'С9и НР-5шз. Температурная программа: 90°С (2 мин) - 8°/мин -250°С. Детектор - масс-спектрометр, газ-носитель -гелий. / - 2,6-ди'Ви-фенол, 2 - 2,6-диМе-фенол, 3 - о-крезол, 4 - фенол, 5 - о-1Рг-фенол, 6-2,4-диМе-фенол, 7-2,5-диМе-фенол, 8-р-крезол, 9-2-1Рг-4-Ме-фенол, 10-2,3-диМе-фенол, 11 -р-Е^фенол, 12 - 3,5-диМе-фенол, 13 ~ 3,4-диМе-фенол. Детектор: масс-спектрометр

На этом рисунке видно, что на колонке с ИЖ в отличие от неполярной НР-5 удается почти полностью разделить все компоненты данной тестовой смеси. Это вполне ожидаемо, учитывая высокую полярность этой НЖФ.

Следует отметить, что порядок выхода фенолов значительно различается для неполярной колонки и колонки с ИЖ. На неполярной НР-51ТО фенолы выходят в порядке увеличения молекулярной массы, то есть с увеличением температуры кипения. Для фазы на основе ИЖ порядок выхода иной. Наименьшее удерживание имеют фенолы, имеющие заместители во втором и шестом положениях фенольного ядра (пики 1, 2, причем ди-трет-бутилфенол выходит раньше диметилфенола), затем выходят ортозамещенные фенолы (пики 3, 5), и далее по степени удаленности алкильных заместителей. Это говорит о различающихся механизмах удерживания на неполярных фазах и на ИЖ.

Хотя анализ искусственных смесей позволяет оценить качество и некоторые возможности колонок с ИЖ, реальные задачи ГХ и ГХ/МС зачастую связаны с разделением сложных многокомпонентных смесей. Такие смеси могут содержать соединения различных химических классов в широком диапазоне температур кипения. В настоящей

работе проведен анализ различных объектов, являющиеся сложными смесями кислородсодержащих соединений. Одно из таких разделений (живица сосны сибирской) представлено на рис. 9.

Из рис. 9 видно, что на колонке с ИЖ удается достигнуть хорошего разделения для различных классов кислородсодержащих соединений, составля-

I-1

Рис. 9. Хроматограмма живицы сосны сибирской на колонке с 01Ме1шОД. Температурная программа: 50°С(Змин) - 8°/мин - 300°С (15 мин). Детектор - масс-спектрометр, газ-носитель - гелий

ющих данную смесь. Произвести такое разделение на любой их современных традиционных фаз невозможно. На неполярной колонке невозможно достигнуть хорошего разделения, в особенности это касается тяжелых дитерпеновых кислот - они выходят в виде неразделенного пика неудовлетворительной формы. А любые из современных полярных фаз не позволяют проводить разделение при такой высокой температуре.

Важной областью применения полярных и высокополярных НЖФ является разделение эфиров жирных кислот. Задачи такого рода возникают, например, при исследованиях связанных с метаболомикой или производстве биодизеля. Если речь идет о мета-

боломических исследованиях, то необходим анализ включающий определение не только собственно ненасыщенных кислот, но и их цис/транс-изомеров. Оказалось, что колонки с НЖФ на основе ИЖ открывают новые возможности для разделения цис/транс-изомеров эфиров ненасыщенных жирных кислот. В нашей работе для этой цели синтезирована НЖФ bisBuMImC4, на которой удается получить успешное разделение эфиров жирных кислот (включая цис/транс-кзоиеры), составляющих липидный профиль водоросли Chlorella vulgaris (рис. 10). Чтобы решить эту задачу на традиционных фазах, для этого требуются высокополярные колонки длиной 100 м и более, в то время как в нашем случае удается решить эту задачу с использованием колонки стандартной длины (25м).

Одним из последних достижений в области анализа сложных многокомпонентных смесей является двумерная хроматография. Данный метод позволяет объединить разделительные возможности двух колонок с различной селективностью (как правило, первая -неполярная, вторая - полярная). Благодаря этому можно достичь такой степени разделения компонентов, которую невозможно получить на каждой из колонок по отдельности. Одной из проблем, препятствующей широкому распространению метода двумерной хроматографии является недостаточная термостабильность полярных колонок. Это накладывает ограничения на анализ высококипящих смесей. В работе показано, что при использовании ИЖ в качестве второй колонки с ИЖ удается расширить температурный диапазон анализа методом двумерной хроматографии и достигать при этом хороших разделений для задач анализа нефтепродуктов и метаболомики.

2

14 16 16 мин

Рис. 10. Разделение метиловых эфиров жирных кислот липидного экстракта водоросли CWorella vulgaris. Температурная программа: 50°С - 8°/мин - 250°С. Метиловые эфиры кислот: I -С|4:0,2 - Ci6:0,3 -транс-С\(,А, 4 -цис-С,6:1,5- С16:2,6 - С,7:1, 7 - С16:3, 8 - С„:0, 9 - 2-МеС,8:1,10 -транс-С1гА, П-цис-С„А, 12-С18:2, 13-С18:3. Колонка: 25м*0.22мм*0.25мкм

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Синтезировано 18 одно- и дикатионных ИЖ на основе имидазолевых и пириди-ниевых катионов. 11 из них синтезирована впервые. Разработаны методики приготовления капиллярных колонок на их основе. Полученные колонки показывают высокую полярность по Мак-Рейнольдсу (70-100) и позволяют проводить разделения при температурах до 300°С.

2. Впервые для колонок на основе ИЖ получены зависимости высоты эквивалентной теоретической тарелки от скорости потока газа- носителя и значения загрузочной емкости. Показано, что загрузочные способности колонок на основе ИЖ сравнимы с колонками на основе традиционных фаз. Диапазон оптимальных скоростей потока газа-носителя для колонок с ИЖ является более узким, а минимум ВЭТТ достигается при более низких значениях скорости, чем для колонок с полиэтиленгликолем.

3. Показано, что вклады от межмолекулярных взаимодействий, характеризующих разделительные способности фаз на основе ИЖ существенно отличаются от вкладов, характерных для традиционных НЖФ. Найдено, что разделительные свойства фаз на основе ИЖ значительно зависят от структуры ИЖ: природы и взаиморасположения замеспггелей в имидазолевом или пиридиниевом катионе ИЖ.

4. Впервые изучены фоновые масс-спектры для колонок на основе имидазолевых ИЖ. Показано, что основными сигналами фонового масс-спектра являются сигналы имидазолевого катиона и его фрагментов. Также высокую интенсивность имеют сигналы соответствующие осколкам ШТ2-аниона: [Б02 ], [СР3 ]. Показано, что фоновый масс-спектр колонок на основе ИЖ является следствием не только процессов фрагментации в источнике ионов, но и термическими процессами распада внутри колонки.

5. Показано, что благодаря высокой полярности и термостабильности, колонки на" основе синтезированных ИЖ позволяют улучшить качество разделения методом двумерной хроматографии, а также расширить температурный диапазон и круг объектов, анализ которых возможен методом капиллярной газовой хроматографии и ГХ/МС.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Шашков М.В., Сидельников В.Н. Однокатионные ионные жидкости в качестве высокополярных термостабильных неподвижных жидких фаз для капиллярной хроматографии//Журн. физ. химии-2012.-Т. 86,№ 1.-С. 145-149.

2. Shashkov M.V., Sidelnikov V.N. Mass spectral evaluation of column bleeding for im-idazolium-based ionic liquids as GC liquid phases // Anal. Bioanal. Chem. - 2012. - V .403 -N. 9. - P. 2673-2682.

3. Шашков M.B., Сиделышков В.Н. Исследование масс-спектрометрического фона капиллярных колонок с неподвижными жидкими фазами на основе ионных жидкостей с имидазольными катионами // Масс-спекггрометрия. - 2012. - Т.9. - №2. - С.109-116.

4. Shashkov M.V., Sidelnikov V.N. Properties of columns with several pyridinium and imidazolium ionic liquid stationary phases // J. Chromatogr. A. - 2013. - T.1309. - C.56-63.

5. Шашков M.B., Сидельников B.H., Заикин П.А. Селективность неподвижных фаз на основе пиридиниевых ионных жидкостей // Журн. физ. химии - 2014 - Т 88 №4.-С. 714-719.

6. Шашков М.В., Сидельников В.Н. Ионные жидкости в качестве высокополярных термостабильных НЖФ для капиллярной ГЖХ //1 Всероссийская конференция «Аналитическая хроматография и капиллярный электрофорез» / -Краснодар, 2010. - С. 18.

7. Шашков М.В., Сидельников В.Н., Высокополярные термостабильные ГХ - фазы на основе имида^олиевых и пиридиниевых ионных жидкостей // IX Научная конференция «Аналитика Сибири и Дальнего Востока» / - Красноярск, 2012. - С. 192.

8. Shashkov M.V., Sidelnikov V.N. Mass spectral evaluation of column bleeding for im-idazolium-based ionic liquids as GC liquid phases // 12th International Symposium on Hyphenated Techniques in Chromatography and Hyphenated Chromatographic Analysers (HTC-12) / - Bruges, 2012. - С. HTC-CT04.

9. Шашков M.B. Капиллярные колошей на основе имидазолиевых ионных жидкостей для газовой хроматографии и ГХ/МС. // VI Всероссийская конференция молодых учёных, аспирантов и студентов с международным участием «Менделеев-2012» / -Санкт-Петербург, 2012. - С. 119-120 (сб. Аналитическая химия).

10. Шашков М.В., Сидельников В.Н. Возможности ГХ/МС анализа с использованием высокополярных колонок на основе ионных жидкостей с имидазолиевыми катионами // Молодежная научная школа-конференция «Актуальные проблемы органической химии» / - Новосибирск, 2012. - С. 44.

11. Шашков М.В., Сидельников В.Н. Изучение фонового тока колонок с НЖФ на основе имидазолевых ионных жидкостей методами ГХ/МС и ГХ/МС-МС // Всероссийский симпозиум с участием иностранных ученых «Кинетика и динамика обменных процессов», посвященный 110-летию со дня открытия хроматографии М.С. Цветом / -Геленджик, 2013. - С.73-74.

12. Шашков М.В., Сидельников В.Н. Капиллярные газохроматографические колонки на основе ионных жидкостей с пиридиниевыми и имидазолиевыми катионами // II Всероссийская конференция «Аналитическая хроматография и капиллярный электрофорез» /-Краснодар, 2013. - С. 168.

ШАШКОВ Михаил Вадимович

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОПОЛЯРНЫХ НЕПОДВИЖНЫХ ЖИДКИХ ФАЗ НА ОСНОВЕ ИОННЫХ ЖИДКОСТЕЙ ДЛЯ КАПИЛЛЯРНОЙ ГАЗОВОЙ ХРОМАТОГРАФИИ

Автореф. дисс. на соискание ученой степени кандидата химических наук. Подписано в печать 08.09.2014. Заказ Ж 50 Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз. Отпечатано в издательском отделе Института катализа СО РАН 630090, Новосибирск, проспект Академика Лаврентьева, 5