Особенности поведения полистиролов сверхвысокой молекулярной массы в пространственно-ограниченном потоке жидкости в хроматографической колонке тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.06 ВАК РФ

Орехов Владимир Алексеевич

ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ ПОЛИСТИРОЛОВ СВЕРХВЫСОКОЙ МОЛЕКУЛЯРНОЙ МАССЫ В ПРОСТРАНСТВЕННО-ОГРАНИЧЕННОМ ПОТОКЕ ЖИДКОСТИ В ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОЙ

КОЛОНКЕ

02.00.06 - Высокомолекулярные соединения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва - 2014

П з ДПР 2014

005546709

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Ордена Трудового Красного Знамени Институте нефтехимического синтеза им. A.B. Топчиева Российской академии наук (ИНХС РАН).

Научный руководитель :

Официальные оппоненты:

доктор химических наук Курганов Александр Александрович доктор фюико-математических наук Кудрявцев Ярослав Викторович ФГБУН Институт нефтехимического синтеза им. A.B. Топчиева Российской академии наук, заведующий лабораторией модификации полимеров им. H.A. Платэ

доктор химических наук, профессор Даванков Вадим Александрович ФГБУН Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова Российской академии наук, заведующий лабораторией стереохимии сорбционных процессов

Ведущая организация:

ФГБУН Институт химической физики им. H.H. Семенова Российской академии наук

Защита состоится 2014 г. в // часов на заседании диссертационного совета Д

002.234.01 при ИНХС РАН по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинский проспект, д. 29, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИНХС РАН.

Автореферат размещен на web-сайте http://tios@ips.ac.ru: отзывы на диссертацию и автореферат направлять по e-mail: dissovet@ips-ac.ru.

Автореферат разослан,^ марта 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат химических наук

Сорокина Е.Ю.

ОБ1ЦЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Успешное развитие полимерной химии привело к получению новых синтетических материалов, среди которых особый шггерес вызывают полимеры сверхвысокой молекулярной массы (ПСВММ), обладающие особыми конструкционными и технологическими свойствами, которые в значительной мере определяются молекулярно-массовыми характеристиками полимера.

Для анализа функционального и молекулярно-массового состава полимеров сегодня наиболее широко используются хроматографические методы, которые можно разделить на две большие группы: методы, связанные с адсорбцией полимеров на поверхности стационарной фазы, и методы, в которых взаимодействие полимеров со стационарной фазой отсутствует. Из методов второй группы наиболее известна эксклюзионная хроматография (ЭХ) и менее известны гидродинамическая хроматография (ГДХ) и слалом хроматография (СХ).

В отличие от традиционных полимеров, имеющих молекулярную массу (ММ) до нескольких миллионов дальтон, хроматографическое разделение ПСВММ часто сопровождается необычными эффектами, например такими, как зависимость объема элюирования полимера от скорости потока подвижной фазы и/или расщеплением пиков. Появление подобных эффектов, природа которых во многом остается невыясненной, затрудняет или делает невозможным использование хроматографических методов для определения молекулярно-массового распределения ПСВММ. Поэтому экспериментальное исследование поведения ПСВММ в пространственно-ограниченном потоке жидкости (в хроматографической колонке) и выяснение природы аномального поведения макромолекул является актуальной проблемой на стыке полимерной химии и жидкостной хроматографии.

Цель работы состояла в исследовании особенностей поведения ПСВММ в пространственно-ограниченном потоке жидкости при разделении полимеров на капиллярных колонках (полых, заполненных монолитными или гранулированными полимерными сорбентами), изучении факторов, влияющих на профиль зон элюирования ПСВММ, и выяснении причин возникновения особенностей в поведении ПСВММ при хроматографичесом анализе.

Достижение поставленной цели предусматривало решение следующих задач: ■ Экспериментальные исследование на примере полистирольных стандартов поведения ПСВММ в потоке жидкости на полой капиллярной колонке (внутренний диаметр 2 мкм).

■ Синтез на основе дивинилбензола (ДВБ) монолитных сорбентов различной пористости и получение капиллярных монолитных колонок (внутренний диаметр 100 мкм) на их основе для разделения полимеров методом ГДХ.

■ Экспериментальное исследование поведения ПСВММ в потоке жидкости на капиллярных колонках с полидивинилбензольными монолитными сорбентами.

■ Исследование влияния скорости потока жидкости и размера проходных каналов в структуре монолитного сорбента на профиль элюирования высокомолекулярных полистиролов.

■ Выяснение взаимосвязи конформационных переходов в ПСВММ и/или разрыва макромолекул в процессе хроматографического разделения с возникновением необычного профиля элюирования ПСВММ.

• Изучение возможности использования хроматографических методов (ВЭЖХ, ЭХ, ГДХ, СХ) для характеристики ПСВММ в пространственно-ограниченном потоке жидкости. Научная новизна.

Впервые изучено поведение полистиролов сверхвысокой молекулярной массы (ММ > 10б Да) на монолитных капиллярных колонках с полидивинилбензолом (ПДВБ). Установлено, что структура монолитного сорбента, а именно: величина проходных каналов, и скорость потока элюе1гга (дихлорметан) влияют на профиль зон элюирования ПСВММ. Увеличение радиуса проходных каналов и минимальная скорость потока жидкости (менее 0.15 мл/с) позволяют элюировагь полимерные фракции в виде Гауссовых пиков.

По совокупности полученных экспериментальных данных установлено, что существует критическая скорость потока жидкости, начиная с которой возникает искажение элюационного профиля высокомолекулярного полистирола. Показано, что величина критической скорость потока коррелирует со значением критической скорости потока, при которой у макромолекул полистирола происходит конформационный СБ-переход (клубок -вытянутая конформация). На основании обнаруженной корреляции сделан вывод, что наиболее вероятной причиной аномального поведения ПСВММ является переход макромолекул из конформации клубка в вытянутую конформацию при высокой скорости потока элюента.

Экспериментально показано, что не происходит деструкции макромолекул в проходных каналах монолитных сорбентов в диапазоне изученных скоростей потоков!

Наблюдаемые изменения профиля элюирования полистиролов сверхвысокой молекулярной массы интерпретированы в рамках модели реакционной хроматографии, рассматривая конформационный переход как обратимую химическую реакцию. Рассчитаны

2

константы скорости прямой и обратной реакций взаимопревращения конформеров полистирола и показана их зависимость от скорости потока элюента.

Практическая значимость.

Полученные результаты позволяют определить условия для проведения анализа молекулярно-массового распределения ПСВММ хроматографическими методами. Показано, что при малых скоростях потока элюента возможно получение обычного Гауссового профиля элюирования ПСВММ. Монолитные капиллярные колонки с пористой структурой сорбента, оптимизированной для молекулярно-массового анализа полимеров с ММ > 106 Да, позволяют проводить анализ крайне малых количеств исследуемых образцов.

11а защиту выносятся положения, отраженные в выводах.

Апробация работы:

Основные результаты работы были представлены на конференциях и симпозиумах: VI Всероссийская конференция молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием «Мендслеев-2012» (2012, Санкт-Петербург), 26 Симпозиум по реологии (2012, Тверь); IV Российская конференция «Актуальные проблемы нефтехимии» (2012, Звенигород); 36 Международный симпозиум по капиллярной хроматографии (36th International Symposium on Capillary Chromotography) (2012, Рива Дель Гарда, Италия); 38 Международный симпозиум по высокоэффективной жидкостной хроматографии и связанными с ней методами (38lh International Symposium of High Performance Liquid Phase Separations and Related Techniques) (2012, Анахайм, США); 2-я Всероссийская конференция «Аналитическая хроматография и капиллярный электрофорез» (2013, Краснодар).

Публикации:

По теме диссертации опубликованы 4 статьи в квалификационных журналах и тезисы 6 докладов, представленных на российских и международных конференциях.

Участие автора в получении научных результатов.

Диссертант принимал непосредственное участие в постановке цели и задач работы, синтезировал монолитные полимерные сорбенты в кварцевых капиллярах и исследовал их свойства, выполнял расчеты и обрабатывал полученные результаты, в соавторстве готовил публикации статей, представлял доклады на научных конференциях.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из Введения, трех глав: Обзора литературы, Экспериментальной части, Результатов и их обсуждения; Выводов, Списка цитируемой литературы и Списка публикаций по теме диссертации. Материал изложен на 127 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков и 4 таблицы. В списке цитируемой литературы 162 публикации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во Введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы. Глава 1. Обзор литературы. Рассмотрено поведение макромолекул, как в свободном потоке жидкости, так и в ограниченном пространстве. Систематизированы основные теории конформационных переходов макромолекул в потоке жидкости. Описано протекание растворов полимера сквозь пористые слои сорбентов (мембраны, хроматографические колонки). Отдельно рассмотрена возможность деградации макромолекул в потоке жидкости. Глава 2. Экспериментальная часть. Глава посвящена описанию используемых реагентов, растворителей, мономеров исходных веществ, аппаратуры и условий проведения экспериментов.

Все монолитные колонки были получены на основе дивинилбензола (смесь изомеров - 80%, этилстирол - 20%, производитель - фирма "Merck", Германия) в кварцевом капилляре с внутренним диаметром 100 мкм и внешним диаметром 360 мкм ("Polymicro", США), покрытым защитным полиамидным слоем. Внутреннюю поверхность капилляра реттшроксилировали 1% плавиковой кислотой и силанизировали 3-(триметоксисш1ил)пропилметакрилатом при комнатной температуре. Монолитный сорбент получали радикальной полимеризацией дивинилбензола в присутствии порообразователей (алифатический спирт или смесь толуола со спиртом (табл. 1)). Синтез ПДВБ в капилляре вели при оптимальных условиях: 75°С, время реакции 90 мин.

Таблица 1. Характеристики монолитных капиллярных колонок, полученных и исследуемых в работе.

№ колонки Пороген"' Длина колонки, см Проницаемость Вох10-10, см2 Радиус пор, гьх10Л см Пористость

Хороший растворитель Плохой растворитель полная Ет 15"

1 толуол нонанол 49 0.23(5) 0.08(2) 0.79(2) 0.82

2 толуол октанол 60 0.17(2) 0.20(4) 0.73(2) 0.83

3 - октанол 100 11(1) 2.5(1) 0.81(1) 0.90

4 - гептанол 100 2.1(2) 0.5(1) 0.84(1) 0.89

5 - нонанол 100 3.1(2) 0.6(2) 0.75(2) 0.89

б"'» толуол нонанол 50 0.12(5) 0.07(2) 0.61 0.79

*) соотношение мономер / пороген = 38 / 62 (об /об.) **) доля проходных пор I? в свободном пространстве колонки ***) колонка получена с повышенным содержанием мономера до 40% об.

В качестве полой колонки использовали кварцевый капилляр длиной 4.5 м и внутренним диаметром 2 мкм ("Ро1упнсго", США).

Все хроматографические эксперименты выполнены на изократическом жидкостном хроматографе фирмы "Shimadzu" (Япония), снабженным насосом высокого давления марки LC-10AD (предельное давление 350 атм), и УФ-детектором с переменной длиной волны SPD-10A в сочетании с капиллярной ячейкой. Для проведения измерений при высоких давлениях (вплоть до 1000 атм) использовали систему, составленную из пневматического насоса высокого давления фирмы "Haskel" (США) и УФ детектора с переменной длиной волны фирмы "Люмэкс" (Россия). Пробу вводили с помощью крана-дозатора фирмы "Reodyne" (США), модель 7125, снабженного сменной внутренней петлей объемом 2 мкл. Для подачи подвижной фазы со скоростью ниже 10 мкл/мин и для уменьшения объема вводимой пробы, перед капиллярной колонкой был установлен делитель потока (соотношение 1:30). Запись и обработка сигнала проводились программными комплексами "ChromStar» версии 5.0, фирмы "SCPA GmbH" (Германия) и "Экохром" фирмы "Бойсофт" (Москва).

Сорбатами служили 0.1% растворы полистирольных стандартов фирмы "Polymer Standart Service" (Германия), MZ-analysentechnik (Германия), Polymerlab (Англия) и Agilent (США) в дихлорметане (хч, Россия).

Глава 3. Результаты и их обсуждение.

Фракционирование полимеров в полых кварцевых капиллярах.

Разделение полимеров на полых капиллярных колонках можно рассматривать как

модельное для разделения полимеров в межгранульном пространстве колонок, наполненных

гранулированными сорбентами, или в проходных каналах монолитных сорбентов.

Рис. 1. Разделение смеси полистирольных стандартов методом ГДХ на полой капиллярной колонке (4.5 м * 2 мкм). Элюент - дихлорметан, Р = 100 атм. Цифры показывают ММ сорбата и рассчитанное для него число теоретических тарелок.

Хотя разделение

латексов и подобных

образований методом ГДХ в

полых капиллярах широко

освящено в литературе, о

разделении полимеров этим методом опубликованы лишь два зарубежных исследования. В

связи с этим мы изучали разделение смеси полистирольных стандартов на полом капилляре,

5

0,2-

4

5

0,1-

3.32М 17600

SS 70

время удерживания, мин

имеющим внутренний диаметр, сопоставимый с размером проходных каналов в монолитных сорбентах. На рис. 1 показана хроматограмма семи полистирольных стандартов с ММ от 3.9*104 до 3.32х10б Да, которые были полностью разделены на полой капиллярной колонке в течение 72 мин. Нами впервые показано, что полый капилляр радиусом 1 мкм способен делить полимеры, начиная с ММ в 10 - 20 кДа. Считается, что удовлетворительное разделение в ГДХ можно ожидать, когда размер макромолекул начинает приближаться к размеру канала, в котором происходит разделение. В этом случае гидродинамическое соотношение: X = rj/Rh, будет больше 0.2. Размер клубка молекулы полистирола рассчитывали, используя известное соотношение:

г, = (1.23 * 10"5)Л/°58! (1)

где г, - эквивалентный радиус клубка полимерной молекулы, мкм; M - молекулярная масса полимер, Да.

Для наиболее высокомолекулярного стандарта (ММ = 3.32x10° Да) радиус клубка макромолекулы, согласно уравнению 1, равен 0.0822 мкм. Учитывая, что радиус полой капиллярной колонки равен 1 мкм, величина параметра X, для этого полистиролыюго стандарта также равна 0.0822, а для остальных полистролов X еще меньше. Несмотря ira малую величину >., полый капилляр микронного размера, как ноказано на рис. 1, способен разделить полимеры в диапазоне масс от нескольких десятков тысяч до нескольких сотен тысяч дальтон, что, несомненно, становится возможным благодаря высокой эффективности полой колонки.

Эффективность разделения полимеров с молекулярными массами от 3.9x103 до 3.9х105 Да колеблется в пределах от 9х105 до l.5y10s теоретических тарелок (т.т.). Интересно отметить, что эффективность колонки по низкомолекулярному сорбату - бензолу оказывается заметно ниже и составляет около 4x105 т.т. Эффективность по полимерным стандартам также быстро снижается при возрастании молекулярной массы полимеров выше 3.9х105 Да(рис. 1).

Для полистролов молекулярной массы ' ниже 3.9* 105 Да были построены зависимости Ван-Деемтера (рис. 2 и 3), которые показали, что во всем интервале изученных скоростей потока элгоента эффективность полой колонки по бензолу остается ниже эффективности колонки га полимерным стандартам.

Г) ffl

Рис. 2. Зависимость Ван-Деемтера для полой капиллярной колонки по полистирольиым стандартам и бензолу. Сорбаты: I -бензол, 2-5 полистиролы с ММ: 39 Ща, 76 Ща, 180 Ща и 390 Ща.

Напротив, для сорбатов с молекулярной массой выше 770 кДа эффективность колонки оказывается

существенно ниже, чем у низкомолекулярных аналогов (рис. 3), и она слабо зависит от скорости потока подвижной фазы. Причина этого не совсем понятна, но, вероятно, для достижения эффективных разделений с этими сорбатами скорость потока элюента должна быть ниже тех минимальных значений, которые были использованы в данной работе.

Рис. 3. Зависимость Ван-„„„ Деемтера для полой

капиллярной колонки по полистирольным стандартам с высокой ММ: 1 - 770 Ща, 2 - 1440 Ща, 3 - 3320 Ща.

12 3

линейная скорость, мм/с

s 2002

[-" 1Б0-CJ

m 100-

1,0

1,6 2,0 2,6 линейная скорость, мм/с

3,0

Для полой капиллярной колонки была построена калибровочная кривая (рис. 4). Как следовало ожидать, калибровочная кривая имеет очень крутой подъем в области малых масс, и, следовательно, в этой области молекулярных масс разрешающая способность колонки не является оптимальной для разделения полимеров.

Начиная с ММ =10х103 Да, подъем кривой становится более пологим, что указывает на возможность разделения полимеров. Аппроксимация экспериментальных точек теоретической кривой показывает хорошее совпадение теории и эксперимента (Я = 0.997) и, кроме того, позволяет определить радиус канала: Кь = 1.05±0.05 мкм.

Рис. 4. Калибровочная кривая для полой капиллярной колонки длиной (4.5 м х 2 мкм). Сорбаты: полистирольные стандарты, элюент дихлорметан.

Полученная величина

хорошо согласуется размером внутреннего диаметра полой капиллярной колонки, что указывает на то, что метод ГДХ может быть использован не только для разделения полимеров, но и для решения обратной задачи: определения среднего размера каналов пористых структур, например, монолитного сорбента.

В ГДХ для сравнения колонок различной длины и разного диаметра предложено использовать так называемую универсальную калибровочную кривую [R. Tijssen, J. Bos, ME.van Kreveld // Anal. Chem. 1986. Vol. 58. P. 3036-3044], которая отличается от традиционной калибровочной кривой, показанной на рис. 4, тем, что вместо ММ полимера при ее построении используется гидродинамическое отношение: X = rJRh.

Для изученной нами полой капиллярной колонки универсальная калибровочная кривая приведена на рис. 5, где также показаны данные, взятые из литературы для колонок других размеров. Все точки действительно укладываются на одну теоретическую кривую, и анализ этой зависимости показывает, что независимо от размера колонок разделение полимеров в ГДХ всегда происходит в очень узком интервале относительных времен

удерживания: 0.8 < т < 1.

t = ytb

Рис. 5. Универсальная

калибровочная кривая для полых капиллярных колонок в режиме ГДХ (наши данные - ■, литературные данные — о).

Столь узкий интервал предъявляет высокие требования к эффективности колонки, и кроме того, как следует из рис. 5, при достижении величины

гидродинамического соотношения I ~ 0.3 движение макромолекул начнет тормозиться, и возможно соэлюирование различных фракций. Экспериментально такой эффект на полых капиллярных колонках еще не наблюдался, но он был отмечен при проведении разделений методом ГДХ на колонках, наполненных 1-ранулированными сорбентами. Механизм разделения полимеров на наполненных колонках сложнее, чем механизм разделения в полом капилляре, даже если использовать неиористые сорбенты. Сложность заключается, прежде всего, в неопределенности размера и формы как межгранульных, так и внутригранульных каналов в слое упакованных частиц, и, соответственно, сложности описания происходящего процесса разделения. Однако с практической точки зрения реализовать разделение полимеров методом ГДХ на наполненных колонках оказывается намного проще, чем в полых капиллярных колонках, и, более того, это позволило экспериментально обнаружить новые эффекты (зависимость эффективности разделения от скорости потока, загиб калибровочной кривой и др.), которые не были отмечены при разделении полимеров методом ГДХ на полых капиллярах.

Фракционирование синтетических полимеров на монолитных капиллярных колонках.

Монолитные сорбенты для капиллярных колонок были приготовлены свободно-радикальной полимеризацией дивинилбензола в условиях, которые обеспечивают получение пористой структуры монолита с различным размером проходных каналов (табл. 1). Калибровочная кривая, показанная на рис. 6, линейна в широком диапазоне размеров макромолекул сорбата, и наклон линейной части калибровочной кривой указывает на высокую разрешающую способность полученной нами колонки.

Рис. 6. Экспериментальная калибровочная кривая

монолитной капиллярной колонки и ее аппроксимация

теоретической моделью (табл. 1, колонка 6).

Пористая структура

монолитного сорбента (наличие проходных и непроходных пор) предполагает возможность

удерживания макромолекул

полимера, по меньшей мере, но двум механизмам:

гидродинамическому и эксклюзионному, поэтому экспериментальные точки аппроксимировали теоретической зависимостью, предложенной Stegeman с соавторами, учитывающей вклад обоих механизмов:

С---Г1—Л1

(2)

где т — относительное время удерживания полимера, 1) — доля проходных пор в свободном

(1+—)3-1

пространстве колонки, К$ЕС = ср - коэффициент распределения сорбата в

механизме эксклюзионной хроматографии, где </> - доля непроходных пор в твердом материале монолита, /?„ - радиус непроходных пор, г, - радиус клубка макромолекулы.

Это уравнение позволяет определить характеристики пористости монолита в

приготовленных колонках: долю проходных пор в свободном пространстве колонки 1?; радиус проходных пор Р!р и радиус непроходных пор Я„. Необходимую для расчетов общую пористость колонок ет определяли гравиметрическим методом. № аппроксимации также была найдена величина параметра С = 2.6±0.2, которая оказалась заметно меньшей, чем она была найдена дня полой капиллярной колонки (С = 4.2). Этот факт указывает на то, что хотя разделение полимеров на монолитных сорбентах происходит в основном по гидродинамическому механизму, заметный вклад вносят и другие механизмы, и величина этого вклада зависит от морфологии монолитного полимера. Высокая разрешающая способность приготовленной монолитной капиллярной колонки б позволила детально исследовать эффект искажения профиля элюирования ПСВММ. Наглядно это показано на рис. 7 для полимера с молекулярной массой 2.11х107 Да. Как видно из рисунка, профиль элюирования полимера сохраняет симметричность только при очень низких скоростях потока подвижной фазы.

Рис. 7. Профили элюирования полистирольных стандартов с ММ = 2.11 х Ю1 Да при значениях линейной скорости потока элюента 0.017 (1), 0.029 (2), 0.061 (3), 0.187 (4), 0.213 (5), 0.287 (6) и 0.301 мм/с (7).

3 зо-о. о Б

Е

2 «и

бензол

5

о,«о

0,76

1,00

1,2«

С повышением

скорости потока наблюдается раздвоение пика и возникшие два пика начинают расходиться в разные стороны от исходного пика, причем полного разделения

двух пиков не наблюдается даже при самой высокой скорости потока, достигнутой в этом исследовании. Пик с меньшим временем удерживания (в дальнейшем пик 1) довольно быстро достигает предельного значения относительного удерживания (т = 0.55) и при последующем увеличении скорости потока его удерживание не меняется. Напротив, относительное удерживание второго, более удерживаемого пика (в дальнейшем пик 2) быстро возрастает с увеличением скорости потока, так что при высоких скоростях потока он удерживается даже дольше, чем низкомолекулярный стандарт (бензол). Описанные изменения профиля элюирования полимера па монолитном сорбенте наблюдались нами и для более низкомолекулярных аналогов (рис. 8). Однако диапазон изменений относительного удерживания у этих полимеров заметно меньше, чем у полимера с ММ- 2.ЦхЮ7 Да Так, если у полимера с ММ = 8.91 х 106 Да, как и в случае полистирола с ММ = 2.11 * 107 Да, еще можно видеть не только раздвоение пика, но и смещение пика I в сторону меньшего относительного удерживания (рис. 8А), то у полимера с М = 4.41*10° Да прослеживается только раздвоение пика и смещение пика II в сторону большего относительного удерживания (рис. 8В). Если монолитные сорбенты и колонки на их основе не обладают высокой разрешающей способностью, то даже для ПСВММ удается наблюдать только раздвоение исходного пика и смещение пика 2 в сторону большего относительного удерживания при возрастании скорости потока элюента.

Т=»д '=У'ь

Рис. 8. Изменение профиля элюирования полистирольного стандарта с ММ - 8.91 при разной линейной скорости потока элюента: 0.038 (1), 0.063 (2), 0.097 (3), 0.128 (4), 0.169 (5), 0.232 (б), 0.267 (7), 0.295 (8) мм/с (А); и полистирольного стандарта с ММ = 4.4Ы&Да при разной линейной скорости потока элюента: 0.064 (1), 0.167(2), 0.207 (3), 0.274 (4), 0.295 (5) мм/с (В) на монолитной колонке 1.

Для полистирольных стандартов с ММ < 4x10е' Да изменение профиля элюирования при варьировании скорости потока на монолитной колонке 1 не наблюдалось во всем

диапазоне изученных скоростей, и, в пределах точности измерения относительного удерживания (10% отн.), удерживание таких полимеров на монолитной колонке от скорости потока не зависит. Наглядно зависимость относительного времени удерживания пиков 1 и 2 от скорости потока элюета представлена на рис. 9 для полимера с М = 2.1 Iх 107 Да.

1-2

1.1-

1.0-

a оя-

*h

и н 0.8-

0.7-

0.S-

0.5-

-V

0.01 0.1 линейная скорость потока элюента, мм/с

Рис. 9. Зависимость относительного удерживания

пика и пика 2 (к.) от

скорости потока элюента для полистирола с ММ=2.11*10 Да на колонке 1.

В линейной системе координат зависимость для пика 2 выглядит почти линейной, но более детальное рассмотрение области низких скоростей б полулогарифмических координатах, представленное на рис. 9, показывает, что зависимость не линейна. На следующем графике (рис. 10) показано изменение отномггельного удерживания полимеров на колонке 1 с изменением скорости потока элюента для полистролов различной молекулярной массы. Как видно, при высокой скорости потока относительное удерживание первого пика оказывается одинаковым для всех трех полимеров.

Рис. 10. Зависимость относительного удержи-вания на колонке I пиков I и 2 от скорости потока элюента для полистиролов различной

молекулярной массы.

Также следует отметить, что S-образная зависимость изменения относительного удерживания первого пика, наблюдавшаяся у полимеров с ММ = 2.11х107 Да и 8.91 хЮ6 Да, исчезает у полимера с ММ = 4.41 х10б Да. При низких

0,01 0,1

линейная скорсоть потока, мм/с

скоростях потока на колонке 1, когда пик полимера симметричен и его удерживание не зависит от скорости потока элюента, три полимера имеют разное относительное удерживание (рис. 10), что предполагает возможность разделения этих полимеров.

Однако, когда эти точки были нанесены на калибровочную кривую (см. рис. 6), то вопреки нашим ожиданиям, две из трех точек, отвечающие наиболее высоким молекулярным массам, оказались в области со-элюирования с более низкомолекулярными аналогами (рис. И).

Рис. 11. Калибровочная кривая колонки 6 с учетом удерживания полимеров

сверхвысокой молекулярной массы при низких скоростях потока подвижной фазы (ниже 0.01 мм/с).

Такой «загиб»

калибровочной кривой для ГДХ предсказывался теорией Ди Марцио и Гуттмана, но на практике такого эффекта до сих пор не наблюдалось, и этот пример можно рассматривать, как первое экспериментальное обнаружение эффекта, предсказанного теорией (см. рис. 12). В то же время, в литературе подобный эффект описан для полистиролов сверхвысокой молекулярной массы в условиях, когда на хроматограмме наблюдалось расщепление профиля элюирования. В этом случае пик 2 быстро смещается в сторону большего относительного удерживания, попадая в область элюирования меньших масс. Такая зависимость для колонки 1 представлена на рис. 12, где черным цветом показана калибровочная кривая, полученная при очень низкой скорости потока (рис. 10), и ее изменение при возрастании скорости потока. В соответствии с изменением профиля элюирования (рис. 7 и 8) калибровочная кривая в области высоких ММ распадается на две кривые, левая из которых отвечает пику 1, а правая - пику 2, и обе кривые «разбегаются» от исходной зависимости, образуя своеобразный «веер».

0.055 мм/с ■ • А • 0.097 мм/с . _ .

* тИМ?» л- - ' '

0.295 мм/с

0,01 1

Рис. 12. Калибровочные кривые для колонки I при изменении скорости потока подвижной фазы (величина скорости потока указана на рисунке).

1Е-3

1Е-4

1Е-5

Калибровочная кривая для пика 1 быстро достигает предельного значения (оно достигается уже при ~ 0.19 мм/с), тогда как правая ветвь с ростом скорости потока продолжает сдвигаться в сторону большего относительного удерживания.

Описанные изменения относительного удерживания полимеров от скорости потока в полной мере проявляются только на монолитных капиллярных колонках высокой разрешающей способности (колонки 1 и 6). На большинстве других колонок, обладающих другой пористой структурой и меньшей разрешающей способностью, смещение пика 1 не наблюдалось, и зависимость имеет форму, отмеченную на колонке 1 для полимера с ММ = 4.41 хю6 Да (рис. 10).

Чтобы сравнить поведение полимеров различной ММ на различных колонках мы построили зависимость отношения времени элюирования пика 2 ко времени элюирования пика 1 как функцию скорости потока элюента.

Рис. 13. Зависимость относительного удерживания пика 2 к пику 1 на колонке 2 от скорости потока элюента для полистиролов различной

молекулярной массы.

3,53.0

~ 2.0 1.5

1,00,01

2.11x10'

0.1

линейна скорость элюента, мм/с

длительности анализа, отсутствуют (рис. 13 и 14).

Это соотношение, в отсутствие расщепления пиков, равно 1, что позволяет строить зависимости и в тех случаях, когда экспериментальные данные для области очень малых скоростей потока, ввиду

1А-

1.2

1,0

¿4

0.08 ¿1

с 0.2 '

о В i >

О

1 * ь

Рис. 14. Зависимость относительного удерживания пика 2 к 0,5 пику 1 для полимера с ММ =

8.91 х106 Да на монолитных капиллярных колонках различной пористости от скорости 2.5 потока элюента. Цифры

( ( ^ соответствуют среднему

f * a i» радиусу проходных пор колонок

° ¿f ¿ е7 вмкм (табл. 1).

в $ 41 о 10 »

О fcB Эти зависимости были

/ ' ^ *

/ . _ - '

~ * "--использоваиы для определения

.......i.........i MOMeirra начала расщепления

0,01 0,1 1 ю

линейная скорость элюента, мм/с профиля элюирования, т.е.

величины критической скорости потока, путем проведения касательной к восходящей части кривой до ее пересечения с ординатой равной 1, как это показано на рис. 13 для полимера с ММ = 1.16х107 Да. Найденные значения критической скорости были представлены как функции ММ полимера (рис. 15А) и среднего размера каналов в монолитном сорбенте (рис. 1SB).

: 0,2 -

5,0x10' 1,0х107 1,5x10' 2,0x10' молекулярна масса, Да

X

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 средний радиус проходных пор, мкм

Рис. 15. Зависимость критической скорости элюента от молекулярной массы полистирола (А) или радиуса проходных каналов в монолитном сорбенте (В)

Как видно из рис. 15 критическая скорость потока, при которой начинается расщепление профиля элюирования, линейно уменьшается при увеличении молекулярной массы полимера и линейно возрастает при увеличении радиуса проходных пор в монолите.

Эти зависимости совпадают с известной зависимостью критической скорости конформационного СБ-перехода при протекании раствора полимера через слой упакованных частиц сорбента. Наступление момента СН-псрсхода в полимерной химии обычно оценивают по величине индекса Деборы (Ое):

„„_ т, сЧ'в и "сьстУ (44

где г - время наиболее медленной релаксации полимера, е- скорость сдвига, С - константа, равная ~ 1, >I - вязкость растворителя, гг - радиус инерции полимерной молекулы, кв -константа Больцмана, Т - температура. К, к/ -константа, равная 6 для монолитных сорбентов; ил - линейная скорость потока, сг - полная пористость колонки, д - доля проходных пор в свободном пространстве колонки, ДЛ-радиус проходных пор в монолитном сорбенте.

Если зависимости, показанные на рис. 13 и 14 перестроить, перейдя от линейной скорости потока к индексу Деборы, то, как видно из рис. 16, все кривые для разных полимеров или разных монолитных сорбентов сливаются в единую, универсальную зависимость.

1,0

4 м-

1,5-

1,0

с 8.91110° Да

Д 1.16х107Да

о 1.63x10* Да

<г 4.41х10в Да

°4

II

0.5 Ое

1.7 1,6 ■ 1,5 1.4 1,3 1,2 1,11,0 0,3

□ 0.15 мкм

о 0.32 мкм

д 4.2 мкм

о 1.1 мкм

Л 0.76 мкм

0.5 Ое

в

ж

0.1

0,1

Ое

1

Ое

Рис. 16. Зависимость относительного удерживания полистиролов (ММуказана на рисунке) на монолитной капиллярной колонке (А, колонка 2 см. табл. 1)) и полимера с ММ = 8.91 *1 (г Да на монолитных колонках различной пористости (средний радиус проходных каналов монолитного сорбента указан па рисунке) от индекса Деборы (В).

Момент, когда эта зависимость отрывается от ординаты, равной 1, т.е. момент, когда начинает наблюдаться расщепление элюационного профиля, приходится на значение индекса Деборы 0.5 - 1. Это та область, которую обычно связывают с СБ-переходом у макромолекул в потоке жидкости. Совпадение этих двух моментов - момента начала

искажения профиля элюирования и момента начала CS-перехода, можно рассматривать как указание на то, что конформационный переход и является причиной необычного поведения ПСВММ. Но наблюдавшееся нами необычное хроматографическое поведение ПСВММ по литературным данным может быть связано и с деструкцией макромолекул под действием потока элюента. Экспериментальной проверке этой гипотезы посвящен следующий раздел. Деструкция и разрыв макромолекул в потоке элюента.

В качестве основного доказательства разрыва макромолекул в ранних исследованиях отмечался тот факт, что максимум профиля элюирования полимера смещается в сшропу большего удерживания при увеличении скорости потока элюента, что согласно с калибровочной кривой означает уменьшение молекулярной массы. Однако этот эффект наблюдается только у полимеров с ММ выше нескольких миллионов Да и, следовательно, может быть вызван расщеплением профиля элюирования этих сорбатов и их удерживанием по механизму слалом хроматографии. Учитывая неоднозначный результат шгтерпретации простого смещения времени удерживания полимеров сверхвысокой ММ с увеличением скорости потока, мы обратили внимание на то обстоятельство, что процесс расщепления полимерной молекулы является необратимым и, следовательно, концентрация разорванных макромолекул должна возрастать с увеличением времени пребывания пробы в колонке. При достаточно долгом нахождении пробы в колонке, как и при очень высокой скорости потока, вся исходная проба должна подвергнуться расщеплению и на хроматограмме должен остаться только один пик. Для проверки этой гипотезы при скорости потока 0.15±0.1 мм/с, при которой наблюдается расщепление профиля элюирования полимера, и которая сохранялась постоянной, дайна капиллярной колонки была последовательно уменьшена с 48.4 см до 28.4 см. Это практически вдвое уменьшило время пребывания пробы в колонке (с 1944 с до 1118 с), но профиль элюирования при этом практически не изменился. Если бы аномальный профиль элюирования полимера был связан с расщеплением макромолекул, то уменьшение времени пребывания полимера в колонке должно было бы приводить к увеличению интенсивности одного из пиков, отвечающего не разрушенным макромолекулам. Этого в эксперименте не наблюдалось.

Не согласуются с теорией разрыва макромолекул и результаты микропрепаративного разделения ПСВММ. Для этого анализ пробы полистирольного стандарта с молекулярной массой 2.11х107 Да провели на стандартной колонке G2000Hhr (7,8 мм * 30 см, полистирол-дивинилбензольная матрица с зернением 5 нм) фирмы "Tosoh Bioscience" (Япония), имеющей предел исключения по полистиролу около 1*104 Да. Соответственно, для полистирола с массой 2.11 * 107 Да колонка может рассматриваться как заполненная непористым сорбеютм. При скорости потока примерно 0.15 мл/мин проба элюируется с

17

колонки в форме одиночного симметричного пика, но при увеличении скорости потока элюента до 2 мл/мин наблюдается раздвоение профиля пика. Эти две фракции были собраны, сконцентрированы и вновь проанализированы на той же колонке, но при скорости потока 0.15 мл/мин. При наложении полученных хроматограмм никакого различия между двумя фракциями, собранными на высокой скорости потока элюеота, и пробой исходного полимера обнаружено не было. Количество собранных фракций оказалось достаточным и для того, чтобы проверить их ММР методом динамического светорассеяния. *' Как видно из рис. 17, ММР обеих фракций практически не отличаются друг от друга и от ММР исходного полимера.

Рис. 17. Распределение по размеру частиц для

полистиролыюго стандарта с ММ — 2.11x107 Да и полученных из него фракций пика 1 и пит 2, найденные методом

динамического светорассеяния.

Таким образом, и хроматографические данные, и данные по светорассеянию не поддерживают теорию

расщепления макромолекул в процессе их

хроматогографического анализа, по крайней мере, на исследованных монолитных сорбентах и наполненной колонке в пределах тех скоростей потока, которые были изучены в данной работе. Конформационные равновесия взаимопревращающихся форм полпмера.

Поскольку деструкция макромолекул не была обнаружена в наших экспериментах, то процессом, ответственным за необычное поведение ПСВММ при хроматографичеекком разделении, может быть конформационный СЭ-переход у этих макромолекул в потоке жидкости. Формально этот процесс можно рассматривать как реакцию аналогичную, например, цис-транс изомеризации. Разделения, сопровождающиеся протекающим одновременно химическим превращением сорбата, объединяют под названием «реакционная хроматография».

Автор выражает благодарность к.х.н., н.с. КадиевойМ.Х. (ИНХС РАН) за помощь при выполнении исследований методом динамического светорассеяния

ё*ч

<у>

"А

л 'л

\\ •л

• \

'л

диаметр частиц, ни

Профиль элюирования сорбатов в реакционной хроматографии близок к профилю элюирования ПСВММ, описанному выше. Характеристическим параметром в реакционной хроматографии является параметр Демкёхлера фа), который для неадсорбционной хроматографии и реакции первого порядка может бьггь найден по формуле:

Оа=Цк1+к.1)/и0 (3)

где £ - длина колонки, и„ - линейная скорость потока элюента, кI и к./ - константы скорости прямой и обратной реакций.

В классической реакционной хроматографии к/ и к.! не зависят от скорости потока элюента, и при значениях параметра Демкбхлера Оа < 0.2 на хроматограмме будут присутствовать два индивидуальных пика, тогда как при Оа > 10 на хроматограмме будет наблюдаться только один пик. В интервале значений 0.2 < Эа < 10 на хромаггограмме возникнут «специфические» профили элюирования, подобные тем, которые мы наблюдали в наших исследованиях (рис. 7 и 8). Однако специфика процесса конформационного перехода полимеров в потоке приводит к появлению особых свойств у рассматриваемого равновесия. Движущей силой конформационного перехода является скорость потока, и чем больше сила сдвига, создаваемая потоком, превосходит критическую величину, тем быстрее происходит переход из конформации клубка в вытянутую конформацию. Соответственно, константа скорости кI перехода из конформации клубка в вытянутую конформацию (прямая реакция) должна зависеть от скорости потока. В то же время, обратный процесс перехода из вытянутой конформации в клубковую происходит под действием Броуновского движения, которое не зависит от скорости потока элюента, и, соответственно, можно ожидать, что константа скорости к_1 этого процесса (обратная реакция) будет индифферентна к скорости потока Для нахождения констант скорости и равновесия мы воспользовались математическим аппаратом, разработанным профессором Траппом для обратимых и необратимых реакций первого порядка (программа БХр1огег доступна на сайте Ьйр.УЛгарр. uni-hd.de). Найденные с помощью этой программы констаигы скорости реакций приведены в табл. 3, а их изменение при варьировании скорости потока элюента графически показано на рис. 18.

Как видно из рисунка, константа скорости прямой реакции линейно возрастает с увеличением скорости потока подвижной фазы, тогда как скорость обратной реакции остается почти все время постоянной, но начинает снижаться в области малых скоростей потока. Скорее всего, это связано со снижением точности определения константы скорости обратной реакции, так как в этой области скоростей потока разделение между пиками почти исчезает (см. рис. 7).

индекс Деборы 5,00 10,00

с

0,00 0,01 0,03

линейная скорость элюента, си/с

Рис. 18. Зависимости констант скорости прямой кI (О) и обратной к./(0)

реакций, а также константы равновесия К (к) от скорости потока подвижной фазы (дихяорметан).

Таблица. 3. Константы скорости прямой и обратной реакций и константа равновесия конформационного перехода из клубка в вытянутую конформацию для полистирола с ММ = 2.11*107Да (колонка 6)._'__ _

Скорость потока элюента, ихЮ2, см/с Константа скорости прямой реакции, ki><104, с"1 Константа скорости обратной реакции, к.,хЮ4,с-' Константа равновесия, К Индекс Деборы, Ое Индекс Демкёхлера, Da

2.89 1.6(3) 7(3) 2.3(6) 1.01 9.7

6.19 3.6(3) 8(2) 4.6(5) 2.16 4.5

11.4 6.8(3) 9(1) 7.5(4) 3.99 3.9

15.5 8.6(3) 10.5 (5) 8.8(8) 5.44 5.3

18.8 11(2) 10.3(5) 10.1(7) 6.59 4.6

22.0 13(2) 10.3(5) 13.1(7) 7.70 5.9

25.0 15(1) 10.3(5) 15.0(6) 8.77 5.1

28.1 16(1) 10.5(5) 15.3(6) 9.83 5.5

30.3 18(1) 10.1(5) 17.6(6) 10.60 4.6

В скобках указано стандартное отклонение в последней значащей цифре характеристики

С ростом скорости потока индекс Иа возрастает до ~ 10 и можно было ожидать, что практически весь полимер будет находиться в вытянутой конформации. Однахо константа равновесия в этой области скоростей потока равна - 2, что означает что ~ 30% полимера все еще находагся в конформации клубка. Это расхождение с теорией, вероятно, можно объяснить неоднородностью структуры монолитного сорбента, где кроме проходных каналов имеются и непроходные, в которых макромолекулы с вытянутой конформацией могут релаксировалгь вновь в конформацию клубка. Наличие таких зон будет смещать равновесие в сторону невозмущённой конформации, тогда как теория рассматривает процесс перехода в свободном потоке, без застойных зон.

Еще один параметр, который не остается постоянным при изменении скорости потока элюента, это - относительная интенсивность пиков 1 и 2. Для полимера с ММ = 2.11 * 107 Да (рис. 7) при малых значениях скорости потока пик I значительно интенсивнее пика 2. Однако его интенсивность быстро снижается с ростом скорости подвижной фазы и при скорости выше, чем 0.125 мм/с (рис. 19), становится такой же, как у пика 2.

Рис. 19. Соотношение интенсивностей пиков 1 и 2 в зависимости от скорости потока элюента на колонке 6.

Напротив, интенсивность пика 2 для полимеров с ММ = 8.91 *106 и 4.41х106 Да (рис. 8) оказывается выше интенсивности пика 1 во всем изученном диапазоне скоростей. Даже тогда, когда шиш 1 и 2 не удается разделить полностью (рис. 8, кривая 2), интенсивность пика 1, который проявляется в виде плеча на пике 2, все же ниже, чем у пика 2. Возможно, что при очень малых значениях скорости потока элюента пик 1, как и в случае полимера с ММ = 2.1 lx 107 Да, обладает большей интенсивностью, чем пик 2, но проверить экспериментально это предположение не удается, поскольку при таких условиях пики 1 и 2 сливаются в один пик. Если появление двух пиков на хроматограмме полимеров сверхвысокой ММ связано с конформационным переходом клубок «-» вытянутая информация, то логично предположить, что появляющийся при повышенных скоростях потока второй пик принадлежит вытянутой конформации полимерной молекулы. С этим согласуется возрастание интенсивности пика 2 с ростом скорости потока элюента. Диссонансом, однако, является то обстоятельство, что интенсивность пика 2 для полистиролов с ММ = 8.91х106 Да и 4.41*10б Да нарастает быстрее, чем у полистирола с ММ = 2.11*107 Да. Выше было показано, что критическая скорость потока элюента, при которой наступает расщепление профиля элюирования полимера и которая соответствует моменту начала CS-перехода, убывает пропорционально увеличению ММ полимера. Это означает, что для скорости потока выше критической доля молекул полимера в конформации клубка будет ниже у полимера с более высокой ММ. Однако оценка доли конформеров в равновесном растворе по высоте пиков приводит к

о

ц

£ 4-1

8.31x10

О. . - - -D-----и--¡J "С

4 41,1оёет '' ^ *

0,1 0,2 0,3

линейная скорость элюента, мм/с

обратной зависимости. Конечно, оценка соотношения концентраций конформеров по высоте пиков для столь сложного профиля злюирования, какой наблюдается у ПСВММ, является весьма приближенной, но, тем не менее, она показывает, что, не смотря на удовлетворительное согласие полученных результатов с теорией конформационного перехода, сохраняется ряд неясных моментов, требующих дальнейших исследований.

ВЫВОДЫ

1. Исследованы особенности поведения полимеров сверхвысокой молекулярной массы в пространственно-ограниченном потоке жидкости на примере анализа полистиролов на хроматографических колонках. Показано, что полимеры с ММ от десяти тысяч до нескольких сотен тысяч дальтон можно успешно фракционировать методом ГДХ на полых капиллярах диаметром несколько микрометров, моделируя разделение полимеров в проходных каналах монолитных сорбентов.

2. Получены монолитные капиллярные колонки иа основе дивинилбензола с различным размером проходных каналов монолита и изучено влияние размера канала на профиль злюирования ПСВММ.

3. Детально исследовано влияние скорости потока жидкости (дихлорметан) на профиль злюирования ПСВММ. Получены экспериментальные данные, указывающие, что необычное поведение ПВСММ наиболее вероятно вызвано конформационными переходами в макромолекулах в потоке подвижной фазы.

4. Показано отсутствие деструкции макромолекул в проходных каналах монолитных сорбентов в диапазоне скоростей потоков, использованных в работе.

5. Конформационные переходы макромолекул в хроматографической колонке впервые рассмотрены как процесс реакционной хроматографии. Рассчитаны константы скоростей и равновесия и показана их зависимость от скорости потока элюента.

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1. Королев A.A., Викторова E.H., Орехов В.А., Курганов A.A. Необычно высокая эффективность разделения полимеров методом гидродинамической хроматографии на полых капиллярных колонках. // Журнал физической химии. - 2012. - Т. 86, № 7. - С. 1280 - 1284. [J. Phys. Chem. А. - 2012. - Vol. 86, №. 7. - P. 1161-1164].

2. Korolev A.A., Victorova E.N., Orekhov V.A., Kanatyeva A.Yu., Kurganov A.A. Separation of Polystyrenes by means of Open Tubular Capillary Chromatography. // Journal of Separation Science.-2012. Vol. 35. No 9.-P. 1118-1122.

3. Викторова E.H., Королев A.A., Орехов В.А., Канатьева А.Ю., Курганов A.A.. Разделение полимеров сверхвысокой молекулярной массы на монолитных капиллярных колонках. //

22

Журнал физической химии. - 2013. - Т. 87, № 2. - С. 313-319. [Russian Journal of Physical Chemistry A. -2013. - Vol. 87. No 2. - P. 308-313.]

4. Викторова E.H., Королев A.A., Орехов B.A., Канатьева А.Ю., Курганов А.А. Конформационные переходы в полимерах сверхвысокой молекулярной массы и их проявление при хроматографии на монолитных колонках. // Высокомолекулярные соединения, Серия А. - 2013. - Т. 55, № 7. - С. 796-804. [Polymer Science, Ser. А. - 2013. -Vol. 55.No 7.-P. 446-454.]

5. Орехов B.A., Канатьева А.Ю. Влияние перехода полистролов из конформации клубка в вытянутую конформацию па профиль элюирования полимеров при их разделении на монолитных капиллярных колонках. Секция 4. Физическая химия. // «Менделеев-2012» VI Всероссийская конференция молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием: тезисы докладов. (Санкт-Петербург, 3-6 апреля 2012 г.). - С. 200.

6. Kurganov А.А., Orekhov V.A., Victorova E.N., Korolev A.A., Kanatieva A.Yu. Eluting Profile of Ultra-High Molar Mass Polystyrenes on Monolithic Capillary Columns. // 36th Intrnational Symposium on Capillary Chromatography: Book of Abstracts. (Riva del Garda, Italy, 27 May -1 June2012).-P. 132.

7. Kurganov A.A., Orekhov V.A., Victorova E.N., Korolev A.A., Kanatieva A.Yu. Impact of Conformation Changes of High Molar Mass Polystyrenes on Sfmple Eluting Profile on Monolithic Capillary Columns. // 36th Intrnational Symposium on Capillary Chromatography: Book of Abstracts. (Riva del Garda, Italy, 27 May- 1 June 2012). - P. 215.

8. Kanatyeva A.Yu., Orekhov V.A., Viktorova E.N., Korolev A.A., Kurganov A.A. Coil-Stretch Transition of Polystyrene Molecules on Monolithic Capillary Columns. // 38"1 International Symposium on High Performance Liquid Phase Separations and Related Technique: Book of Abstracts. (Anaheim, USA, 16-22 June 2012). - P. 228 - Wed.

9. Орехов B.A., Викторова E.H., Канатьева А.Ю., Королев А.А., Курганов А.А. Конформационные переходы полистиролов и их влияние на профиль элюирования полимеров при разделении на монолитных капиллярных колонках. // 26 симпозиум по реологии: программа и тезисы. (Тверь, 10-15 сентября 2012 г.). - С. 127.

10. Орехов В.А., Викторова Е.Н., Канатьева А.Ю., Королев А.А., Курганов А.А. Конформационные переходы полистиролов сверхвысокой молекулярной массы при разделении на монолитных капиллярных колонках. // IV Российская Конференция «Актуальные проблемы нефтехимии»: программа и тезисы. (Звенигород, 18 — 21 сентября 2012 г.).-С. 191-192.

11. Орехов В.А., Викторова Е.Н., Королев А.А., Канатьева А.Ю., Курганов А.А. Некоторые особенности анализа полимеров сверхвысокой молекулярной массы хроматографическими методами. // 2-ая Всероссийская конференция «Аналитическая хроматография и капиллярный электрофорез»: программа и тезисы. (Краснодар, 26 - 31 мая2013 г.).-С. 34.

Подписано в печать:

12.03.2014

Заказ № 9389 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ НЕФТЕХИМИЧЕСКОГО СИНТЕЗА им. А.В. ТОПЧИЕВА РОССИЙСКОЙ

04201457335

Орехов Владимир Алексеевич

ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ ПОЛИСТИРОЛОВ СВЕРХВЫСОКОЙ МОЛЕКУЛЯРНОЙ МАССЫ В ПРОСТРАНСТВЕННО-ОГРАНИЧЕННОМ ПОТОКЕ ЖИДКОСТИ В ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОЙ КОЛОНКЕ

02.00.06 - Высокомолекулярные соединения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель: доктор химических наук Курганов А.А.

Москва - 2014

Оглавление: Стр.

Список использованных сокращений. 4

Введение. 6

Глава 1. Обзор литературы: 11

1.1 Конформационные превращения макромолекул в потоке

жидкости. 12

1.2 Конформационные превращения макромолекулы в ограниченном

пространстве. 35

1.3 Конформационные превращения макромолекул при протекании растворов полимеров сквозь мембраны или слой сорбента 49

1.4 Деградация и разрыв макромолекул в потоке жидкости. 59 Глава 2. Экспериментальная часть. 63

2.1 Реагенты. 63

2.2. Синтез монолитных колонок. 64

2.2.1. Подготовка кварцевого капилляра. 64

2.2.2. Синтез монолитов в кварцевом капилляре. 65

2.3. Приборы и средства измерений . 66

2.3.1. Хроматографические измерения. 66

2.3.2. Определение размеров макромолекул методом динамического многоуглового светорассеяния. 66

2.3.3. Определение полной пористости колонок. 67 Глава 3. Результаты и их обсуждение. 68

3.1 Фракционирование синтетических полимеров в полых кварцевых капиллярах. 70

3.2 Фракционирование полимеров на монолитных капиллярных колонках. 79

3.3 Деструкция и разрыв макромолекул в потоке элюента. 94

3.4 Конформационные превращения полимеров сверхвысокой

молекулярной массы в потоке элюента. 96

3.5 Конформационные равновесия взаимопревращающихся

форм полимера. 102

Выводы. 108

Список цитированной литературы. 109

Список публикаций по теме диссертации. 125

Список использованных сокращений

£ — скорость сдвига (деформации)

т — время релаксации

Дд— вязкость растворителя

[ц] - характеристическая вязкость

кв - константа Больцмана

Т - температура

Бе - индекс Деборы

Ба - индекс Демкёхлера

Б - диаметр поры (канала)

К - радиус поры (канала)

- число Вайзенберга (аналог параметра Деборы) с - концентрация раствора полимера

с* - критическая концентрация раствора при взаимном проникновении клубков г — расстояние между концами цепи

- радиус инерции клубка полимера

Яь - гидродинамический радиус клубка полимера Ь^ - стоксовый радиус клубка полимера 15 - величина потока растворителя 1С - критическая величина потока

а — коэффициент непропускания мембраны (доля молекул, не прошедших сквозь мембрану)

Х — аспектное соотношение (отношение размера молекулы к размеру поры или канала) ц — объемная скорость потока

- критическая объемная скорость потока V — линейная скорость потока

1р — персистентная длина макромолекулы Ь - контурная длина макромолекулы М или ММ - молекулярная масса

Ф0 - константа Флори-Фогинса

длина фрагмента цепи £ - число мономерных звеньев во фрагменте

N - число мономерных звеньев в макромолекуле (степень полимеризации)

^ - величина сегмента Куна

1 - длина сегмента Куна

/- сдвигающее (растягивающее) усилие

х - удлинение макромолекулы

8 - исключённый объем

еш1 - межгранульная пористость

ет - полная пористость

с1р - размер частиц (гранул)

у — скорость разрыва

ф — относительное удерживание

^ь) - время элюирования полимера (бензола)

Введение.

Актуальность темы. Успешное развитие полимерной химии привело к получению новых синтетических материалов, среди которых особый интерес вызывают полимеры сверхвысокой молекулярной массы (ПСВММ), обладающие особыми конструкционными и технологическими свойствами, которые в значительной мере определяются молекулярно-массовыми характеристиками полимера.

Для анализа функционального и молекулярно-массового состава полимеров сегодня наиболее широко используются хроматографические методы, которые можно разделить на две большие группы: методы, связанные с адсорбцией полимеров на поверхности стационарной фазы, и методы, в которых взаимодействие полимеров со стационарной фазой отсутствует. Из методов второй группы наиболее известна эксклюзионная хроматография (ЭХ) и менее известны гидродинамическая хроматография (ГДХ) и слалом хроматография (СХ).

В отличие от традиционных полимеров, имеющих молекулярную массу (ММ) до нескольких миллионов дальтон, хроматографическое разделение ПСВММ часто сопровождается необычными эффектами, например, такими, как зависимость объема элюирования полимера от скорости потока подвижной фазы и/или расщеплением пиков. Появление подобных эффектов, природа которых во многом остается невыясненной, затрудняет или делает невозможным использование хроматографических методов для определения молекулярно-массового распределения ПСВММ. Поэтому экспериментальное исследование поведения ПСВММ в пространственно-ограниченном потоке жидкости (в хроматографической колонке) и выяснение природы аномального поведения макромолекул является актуальной проблемой на стыке полимерной химии и жидкостной хроматографии.

Цель работы состояла в исследовании особенностей поведения ПСВММ в пространственно-ограниченном потоке жидкости при разделении полимеров на капиллярных колонках (полых, заполненных монолитными или гранулированными полимерными сорбентами), изучении факторов, влияющих на профиль зон элюирования ПСВММ, и выяснении причин возникновения особенностей в поведении ПСВММ при хроматографичесом анализе.

Достижение поставленной цели предусматривало решение следующих задач:

■ Экспериментальные исследование на примере полистирольных стандартов поведения ПСВММ в потоке жидкости на полой капиллярной колонке (внутренний диаметр 2 мкм).

■ Синтез на основе дивинилбензола (ДВБ) монолитных сорбентов различной пористости и получение капиллярных монолитных колонок (внутренний диаметр 100 мкм) на их основе для разделения полимеров методом ГДХ.

■ Экспериментальное исследование поведения ПСВММ в потоке жидкости на капиллярных колонках с полидивинилбензольными монолитными сорбентами.

■ Исследование влияния скорости потока жидкости и размера проходных каналов в структуре монолитного сорбента на профиль элюирования высокомолекулярных полистиролов.

■ Выяснение взаимосвязи конформационных переходов в ПСВММ и/или разрыва макромолекул в процессе хроматографического разделения с возникновением необычного профиля элюирования ПСВММ.

■ Изучение возможности использования хроматографических методов (ВЭЖХ, ЭХ, ГДХ, СХ) для характеристики ПСВММ в пространственно-ограниченном потоке жидкости.

Научная новизна. Впервые изучено поведение полистролов сверхвысокой молекулярной массы (ММ > 106 Да) на монолитных капиллярных колонках с полидивинилбензолом (ПДВБ). Установлено, что структура монолитного сорбента, а именно: величина проходных каналов, и скорость потока элюента (дихлорметан) влияют на профиль зон элюирования ПСВММ. Увеличение радиуса проходных каналов и минимальная скорость потока жидкости (менее 0.15 мл/с) позволяют элюировать полимерные фракции в виде Гауссовых пиков.

По совокупности полученных экспериментальных данных установлено, что существует критическая скорость потока жидкости, начиная с которой возникает искажение элюационного профиля высокомолекулярного полистирола. Показано, что величина критической скорость потока коррелирует со значением критической скорости потока, при которой у макромолекул полистирола происходит конформационный CS-переход (клубок - вытянутая конформация, от английского Coil-Stretch). На основании обнаруженной корреляции сделан вывод, что наиболее вероятной причиной аномального поведения ПСВММ является переход макромолекул из конформации клубка в вытянутую конформацию при высокой скорости потока элюента.

Экспериментально показано, что не происходит деструкции макромолекул в проходных каналах монолитных сорбентов в диапазоне изученных скоростей потоков.

Наблюдаемые изменения профиля элюирования полистиролов сверхвысокой молекулярной массы интерпретированы в рамках модели реакционной хроматографии, рассматривая конформационный переход как обратимую химическую реакцию. Рассчитаны константы скорости прямой и обратной реакций взаимопревращения конформеров полистирола и показана их зависимость от скорости потока элюента.

Практическая значимость. Полученные результаты позволяют определить условия для проведения анализа молекулярно-массового распределения ПСВММ хроматографическими методами. Показано, что при малых скоростях потока элюента возможно получение обычного Гауссового профиля элюирования ПСВММ. Монолитные капиллярные колонки с пористой структурой сорбента, оптимизированной для молекулярно-массового анализа полимеров с ММ > 106 Да, позволяют проводить анализ крайне малых количеств исследуемых образцов.

Апробация работы: основные результаты работы были представлены на конференциях и симпозиумах: VI Всероссийская конференция молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием «Менделеев-2012» (2012, Санкт-Петербург), 26 Симпозиум по реологии (2012, Тверь); IV Российская конференция «Актуальные проблемы нефтехимии» (2012, Звенигород); 36 Международный симпозиум по капиллярной хроматографии (36th International Symposium on Capillary Chromotography) (2012, Рива Дель Гарда, Италия); 38 Международный симпозиум по высокоэффективной жидкостной хроматографии и связанными с ней методами (38th International Symposium of High Performance Liquid Phase Separations and Related Techniques) (2012, Анахайм, США); 2-я Всероссийская конференция «Аналитическая хроматография и капиллярный электрофорез» (2013, Краснодар).

Участие автора в получении научных результатов. Диссертант принимал непосредственное участие в постановке цели и задач работы, синтезировал монолитные полимерные сорбенты в кварцевых капиллярах и исследовал их свойства, выполнял расчеты и обрабатывал полученные результаты, в соавторстве готовил публикации статей, представлял доклады на научных конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, трех глав: Обзора литературы, Экспериментальной части, Результатов и их обсуждения; Выводов, Списка цитируемой литературы и Списка публикаций по теме диссертации. Материал изложен на 127 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков и 4 таблицы. В списке цитируемой литературы 162 публикации.

Глава 1. Обзор литературы.

В 70-х годах практически одновременно в полимерной химии были созданы две теории, объясняющие особое поведение макромолекул в растворе, когда последний подвержен воздействию градиента скорости. Первая теория, предложенная Бе веппез [1], не акцентировала внимание на поступательном перемещении макромолекулы под действием градиента скорости, а рассматривала превращения внутри макромолекулы, которые вызваны действующим на нее растягивающим усилием, также возникающим вследствие наличия градиента скорости. Как известно, в отсутствие каких-либо возмущений макромолекула в растворе под действием Броуновского движения принимает конформацию клубка. Согласно Бе веппез [1], при наличии градиента скорости эта конформация начнет искажаться, вытягиваться в направлении градиента. Этому процессу будет препятствовать Броуновское движение макромолекулы, и необходимо определенное, критическое значение градиента скорости, чтобы началось разворачивание клубка макромолекулы. Если это значение достигнуто, то переход будет происходить скачком, поскольку гидродинамические взаимодействия будут усиливаться по мере растяжения. Теория Бе Оеппея получила очень широкое признание и с развитием вычислительно техники послужила основой для многочисленных компьютерных моделирований поведения полимеров в растворах [см. например 2-6].

Вторая теория, развитая Е.А. В1Маг2Ю и С.М. виишап [7], рассматривала как раз перемещение самой макромолекулы потоком жидкости. В отличие от модели Бе СеппеБ, которая оперирует с одной единственной молекулой, модель Е. А. Б1Мато и С. М. виКтап описывает поведение большого набора макромолекул, различающихся к тому же по молекулярным массам и, соответственно, по размерам клубка. Согласно их расчётам, если полимерные

молекулы движутся в потоке, имеющем, например, Пуазейлевский профиль скоростей (ламинарный поток), то должно происходить разделение макромолекул по размерам клубка, причем быстрее будут двигаться макромолекулы имеющий больший размер. Авторы так и озаглавили свою статью - «Разделение потоком» [7]. Интересно отметить, что, не смотря на то, что Е. А. Б1Магао и С. М. вийтап рассматривали поведение макромолекул в потоке, они не учитывали возможные конформационные превращения полимерных молекул и их влияние на результаты разделения. В то же время Бе ОеппеБ рассматривал чисто теоретический случай единичной изолированной макромолекулы, что автоматически исключало какое-либо разделение по молекулярным массам или размерам клубка.

Протекание растворов полимеров через пористые среды, к которым относятся мембраны и хроматографические колонки, осложняется, по сравнению с факторами, отмеченными выше, еще и неоднородностью поля скоростей, как в радиальном, так и в продольном направлениях. Тем не менее, исследование этих систем позволило получить как экспериментальное подтверждение теории Бе веппез, так и объяснить целый ряд необычных эффектов, отмеченных при хроматографии полимеров. Удивительно, что развитие гидродинамической хроматографии (ГД) происходило практически без учета теории упругости полимеров, развитой Бе веппез, и одна из задач данного обзора - показать, в какой мере взаимодействие двух теорий может быть полезным для понимания процесса разделения в ГД.

1.1. Конформационные превращения макромолекулы в свободном потоке жидкости.

Экспериментально обнаруживаемое скачкообразное изменение вязкости и двулучепреломления растворов полимеров при изменении скорости потока [8, 9] обычно связывают с переходом макромолекулы из конформации клубка в

вытянутую конформацню [1]. Переход происходит, когда усилие растяжения, приложенное к макромолекуле, начинает превалировать над Броуновскими силами, обеспечивающими клубкообразную конформацию макромолекулы в статическом растворе. Согласно теории [1 - 3] это происходит, когда скорость деформации макромолекулы к превосходит некоторую критическую величину £с , которая обратно пропорциональна наибольшему времени релаксации полимерной цепи т:

¿с = 7 (1)

где: А - константа, близкая к 1 и, таким образом, критические условия для CS-перехода возникают, когда ¿ст ~ 1. Время релаксации т зависит от целого ряда параметров, таких как вязкость растворителя, молекулярная масса полимера, температура, подвижность полимерной цепи и т.д. и может быть рассчитана по одной из формул, приведенных в литературе [10-12]:

_ t]sMa _ VsRgo _ 6.22Ф0й|077д Tzimm. ~~ кт ~ кТ RT

где: rjs — вязкость растворителя, М - молекулярная масса полимера, Т — абсолютная температура, к — постоянная Больцмана, а — постоянная, имеющая в зависимости от полимера величину от 1.5 до 1.8, Rg0 — радиус инерции клубка, макромолекулы в невозмущенном состоянии, Фа - Fox-Flory параметр 2.84хЮ23.

Подставляя выражение (2) в (1), нетрудно видеть, что критическая скорость деформации ёс тем ниже, чем выше молекулярная масса полимера и вязкость растворителя. Согласно De Gennes [1], в зависимости от типа поля скоростей (продольное, поперечное или какое-то еще), в котором находится макромолекула, конформационный переход может происходить или как переход первого или как переход второго рода. В первом случае он может сопровождаться появлением гистерезиса, и характеризуется наличием двух

равно стабильных конформаций в состоянии равновесия (bistable equilibrium).

13

Следует, однако, заметить, что, как указал F.C. Frank [13], на практике затруднительно создать однородный поток, в котором каждая молекула испытывает постоянный градиент скорости, и потоки, реализуемые на практике, характеризуются неоднородностью и сложностью профиля. Поэтому вскоре после появления теории De Gennes были предложены различные устройства, позволявшие создать поле скоростей определенного вида [2, 13, 14]. Особенно популярны были устройства, создававшие так называемый продольный (longitudinal) градиент скорости, поскольку для этого типа поля скоростей теория De Gennes предсказывала очень резкий CS-переход. Типичные конструкции для создания продольного градиента скорости (фактически обеспечивающие растяжение молекулы потоком без ее перемещения) показаны на рис. 1.

Рис. 1. Схематическое представление устройств, позволяющих создавать продольный градиент скорости потока: с четырьмя противоположными соплами (А), с четырьмя вращающимися цилиндрами (В). Точка наблюдения за растяжением макромолеку