Синтез и хроматографические свойства новых монолитных неподвижных фаз для обращенно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.02 ВАК РФ

На правах рукописи

005531461

Смирнов Константин Николаевич

СИНТЕЗ И ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НОВЫХ МОНОЛИТНЫХ НЕПОДВИЖНЫХ ФАЗ ДЛЯ ОБРАЩЕННО-ФАЗОВОЙ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЙ ЖИДКОСТНОЙ ХРОМАТОГРАФИИ

02.00.02 - Аналитическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва 2013

005531461

Работа выполнена на кафедре аналитической химии Химического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Научный руководитель:

доктор химических наук, ведущий научный сотрудник Пирогов Андрей Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор химических наук Курганов Александр Александрович

Институт нефтехимического синтеза имени A.B. Топчиева РАН, г. Москва

доктор химических наук, профессор Яшин Яков Иванович ООО «Интерлаб», г. Москва

Ведущая организация:

Институт высокомолекулярных соединений РАН, г. Санкт-Петербург

Защита состоится 26 июня 2013 г. в 15 ч 00 мин в аудитории 446 на заседании диссертационного совета Д 501.001.88 по химическим наукам при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д. 1, стр. 3, МГУ имени М.В. Ломоносова, Химический факультет.

С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке МГУ имени М.В. Ломоносова.

Автореферат диссертации размещен на сайте Химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова (www.chem.msu.ru/rus/theses) и на сайте ВАК (http://vak.ed.gov.ru).

Автореферат разослан 24 мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.001.88,

кандидат химических наук Торочешникова И.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В связи постоянным повышением требований к экспрессное™ химического анализа и расширением круга определяемых веществ важными направлениями развития ВЭЖХ являются увеличение эффективности хроматографических колонок и снижение продолжительности разделения. На протяжении истории метода основным подходом в данных направлениях было уменьшение размера частиц зернистых сорбентов. Однако применение мелкодисперсных сорбентов снижает гидродинамическую проницаемость колонки и увеличивает давление, требуемое для прокачивания через нее подвижной фазы (ПФ).

Альтернативный подход заключается в использовании монолитных неподвижных фаз (НФ). Возможность гибко варьировать пористую структуру сорбента позволяет получать монолитные колонки, одновременно характеризующиеся высокой проницаемостью и эффективностью. Это позволяет проводить разделение веществ при высокой скорости потока элюента и умеренном давлении в хроматографе, сократить продолжительность анализа в несколько раз.

Монолиты на основе сшитых органических полимеров успешно применяют для экспрессного разделения биологических макромолекул в режиме градиентного элюирования. Разнообразие мономеров и условий синтеза позволяет варьировать химию поверхности полимерных сорбентов и использовать их для различных вариантов ВЭЖХ макромолекул. В то же время синтез полимерных монолитов (прежде всего обращенно-фазовых) для изократического разделения смесей низкомолекулярных органических веществ является актуальной задачей. Ее решению в последние годы было посвящено большое число работ, однако в подавляющем большинстве случаев монолиты синтезировали внутри кварцевых капилляров внутренним диаметром <1 мм. Это обусловлено главным образом простотой прикрепления монолита к стенке капилляра. Для работы с капиллярными колонками требуются хроматографы, имеющие очень низкие объемы жидкостного тракта и вносящие минимальный вклад в уширение хроматографических пиков, поэтому актуальным представляется поиск путей получения полимерных монолитов для ВЭЖХ низкомолекулярных органических веществ в трубках обычных аналитических размеров (Ь = 50-250 мм, с1с = 2.1-4.6 мм).

Цель работы состояла в получении методом радикальной полимеризации новых монолитных колонок обычных аналитических размеров (Ь = 100-150 мм, с/с = 3—4.6 мм) для обращенно-фазовой ВЭЖХ низкомолекулярных органических веществ.

Достижение поставленной цели предусматривало решение следующих задач:

• подбор состава полимеризационной смеси (мономеры, порогены, инициатор) и условий синтеза (температура, продолжительность), обеспечивающих: надежный контакт монолита со стенками колонки и его механическую устойчивость; приемлемую гидродинамическую проницаемость; радиальную однородность монолита; высокую эффективность и селективность в обращенно-фазовом режиме при разделении низкомолекулярных веществ;

• изучение влияния давления при синтезе на характеристики монолитов;

• изучение влияния условий разделения (состав и скорость элюента, температура колонки) на эффективность и селективность получаемых колонок по отношению к низкомолекулярным

• оценка воспроизводимости и стабильности характеристик синтезируемых монолитов.

веществам;

Научная новизна. Внутри стеклянных и стальных трубок обычных аналитических размеров получены монолитные сорбенты на основе сополимера дивинилбензола (ДВБ) и винилэтилбензола (ВЭБ), а также поли(ДВБ-ВЭБ) с добавкой гидроксиалкилметакрилатов.

Найдены условия синтеза (состав порогена, инициатор, температура), позволяющие получить поли(ДВБ-ВЭБ) монолиты с эффективностью 7.5 х 103—1.8 х Ю4 ТТ/м при разделении низкомолекулярных веществ.

Установлено, что введение гидроксиалкилметакрилатов в состав поли(ДВБ-ВЭБ) монолитов позволяет увеличить эффективность колонок. Показано, что увеличение доли 2-гидроксиэтилметакрилата (ГЭМА) в смеси мономеров снижает проницаемость и повышает эффективность монолитов. Оптимальная доля ГЭМА составляет 15 мол.%. Установлено, что использование 13-15 мол.% гидроксибутилметакрилата (ГБМА) вместо ГЭМА позволяет в 1.62.5 раза повысить проницаемость монолитов.

Показано, что давление при синтезе монолитных колонок стандартного аналитического диаметра является важным параметром, небольшое изменение которого существенно влияет на хроматографические характеристики колонок. Полимеризация под давлением азота улучшает форму хроматографических пиков и эффективность колонок по сравнению с синтезом без дополнительного давления.

Показано, что в отличие от капиллярных монолитных колонок снижение продолжительности полимеризации и существенное уменьшение конверсии мономеров относительно 100% не могут служить для улучшения характеристик монолитов диаметром несколько миллиметров.

Показано, что повышение температуры с 25 до 80°С позволяет в 1.8 раза увеличить эффективность поли(ДВБ-ВЭБ-ГЭМА) колонки и снизить продолжительность разделения в 3.5 раза.

Практическая значимость. Получен ряд монолитных сорбентов для обращенно-фазовой хроматографии низкомолекулярных веществ. Найдены условия синтеза монолитов с различными гидродинамическими свойствами, селективностью и эффективностью. Максимальная эффективность составляет 3.2 х 104 ТТ/м для поли(ДВБ-ВЭБ-ГЭМА) монолита размером 100 х 4.3 мм.

Определены области практического применения полученных монолитных колонок. Показано, что синтезированные монолиты могут быть использованы в ВЭЖХ для экспрессного определения низкомолекулярных веществ (консервантов в напитках). На защиту выносятся следующие положения:

• результаты изучения влияния состава порогена, природы инициатора и температуры синтеза на хроматографические характеристики поли(ДВБ-ВЭБ) монолитов;

• результаты изучения влияния доли ГЭМА в мономерной смеси на структуру и хроматографические свойства поли(ДВБ-ВЭБ-ГЭМА) монолитов;

• данные о влиянии давления при синтезе на хроматографические свойства поли(ДВБ-ВЭБ-ГЭМА) монолитных колонок;

• данные о влиянии структуры гидроксиалкилметакрилатов на хроматографические свойства монолитных колонок;

• данные о влиянии температуры при разделении на хроматографические свойства поли(ДВБ-ВЭБ-ГЭМА) монолитной колонки;

• результаты применения полученных колонок в анализе.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на Всероссийской конференции «Теория и практика хроматографии. Хроматография и нанотехнологии» (Самара, 2009), XVII и XVIII Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2010, 2011), 28th International Symposium on Chromatography (Валенсия, Испания, 2010), Всероссийской конференции «Аналитическая хроматография и капиллярный электрофорез» (Краснодар, 2010), 36th International Symposium on HighPerformance Liquid Phase Separations and Related Techniques (Будапешт, Венгрия, 2011).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 3 статьи и 6 тезисов докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав обзора литературы, трех глав экспериментальной части, общих выводов, списка цитируемой литературы и приложения. Материал изложен на 157 страницах машинописного текста (без приложения), содержит 52 рисунка и 33 таблицы. В списке цитируемой литературы 202 публикации. Приложение включает 7 рисунков на 7 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Обзор литературы

Кратко представлены подходы к получению макропористых монолитов. Рассмотрены основные характеристики монолитов и их преимущества перед зернистыми сорбентами. Описан синтез и влияние его условий на структуру и хроматографические свойства силикагелевых монолитов. Систематизированы сведения о синтезе монолитов радикальной полимеризацией и о применении полимерных монолитов для ВЭЖХ низкомолекулярных соединений. Отмечены достоинства и недостатки полимерных монолитов по сравнению с силикагелевыми. Обсуждена проблема приготовления монолитных колонок аналитического диаметра и пути ее решения.

Экспериментальная часть

Для синтеза монолитов использовали технический ДВБ (смесь, содержащая 80% 1,3- и 1,4-ДВБ и 20% 1-винил-З-этилбензола и 1-винил-4-этилбензола), ГЭМА (97%), гидрокси-пропилметакрилат (ГПМА, 97%, смесь 3-гидроксипропил- и 2-гидроксипропилметакрилата), ГБМА (94%, смесь 2-гидроксибутил- и 1-(гидроксиметил)пропилметакрилата) и 3-(триметокси-силил)пропилметакрилат (ТМПМА, 98%) (все Sigma-Aldrich, США). В качестве растворителей-порогенов использовали додеканол-1 (ДДЛ, >98%), додеканол-2 (99%) (оба Sigma-Aldrich) и толуол (х.ч., «Реахим», Россия). Для инициирования полимеризации использовали 2,2'-азо-бисизобутиронитрил (АИБН, >98%, Sigma-Aldrich) и дициклогексилпероксидикарбонат (ЦПК, ФГУП «НИИ полимеров имени В .А. Каргина»). ЦПК очищали двукратной перекристаллизацией из метанола. Остальные вещества применяли без дополнительной очистки.

Монолиты синтезировали внутри стеклянных трубок номинальным размером 150 х 3 мм (точнее L = 147-148 мм, dc = 3.23-3.40 мм), которые далее помещали в металлический кожух с фитингами для присоединения к хроматографу (Tessek, Чехия), и внутри стальных трубок размером 100 х 4.3 мм. Перед синтезом внутреннюю поверхность стеклянных трубок последовательно обрабатывали 1М NaOH, 1.2М НС1 и ТМПМА (30 мас.% в ацетоне, 20-25°С, 22 ч).

Синтез проводили под давлением азота. Готовили полимеризационную смесь (мономеры, порогены и инициатор) и в течение 10 мин продували ее азотом для удаления растворенного кислорода. К основной колонке присоединяли предколонку, заполняли конструкцию смесью, через капилляр присоединяли к баллону с азотом и, установив требуемое давление газа, вертикально ставили в термостат, нагретый до температуры синтеза. Использовали водный термостат ML К (точность ±0.5°С, Германия). После синтеза монолит промывали ацетонитрилом (АН) для удаления порогенов и непрореагировавших мономеров. Элюат использовали для определения конверсии мономеров методом ГХ/МС или ВЭЖХ. В первом случае использовали хроматограф Agilent 6850А с квадрупольным MC-детектором Agilent 5973N (Agilent Technologies, Германия) и колонку Zebron ZB-WAX (60 м х 0.25 мм, пленка НФ 0.25 мкм; Phenomenex, США). Во втором случае использовали хроматограф Agilent 1200, снабженный градиентным насосом, дегазатором ПФ, термостатом колонки, автоматическим инжектором и УФ-детектором, и колонку YMC-PAH{ 150 х 4 мм, dp = 5 мкм; YMC, Япония).

Хроматографические свойства монолитов изучали на хроматографе Agilent 1200, используя раствор 40 мг/л урацила, 200 мг/л 4-винилпиридина, 500 мг/л нитробензола и по 1000 мг/л пиридина, бензола и апкилбензолов в смеси вода/АН того же состава, что и ПФ. Детектирование вели при >. = 210 нм. Объем пробы составлял 1 мкл. При изучении зависимостей высоты, эквивалентной теоретической тарелке, (ВЭТТ) от скорости ПФ ВЭТТ определяли из хроматограмм, полученных при последовательном увеличении, снижении и снова увеличении скорости ПФ. Коэффициенты асимметрии пиков As рассчитывали по w

формуле As = " , где wo.05 — ширина пика на 5% высоты, х — расстояние от фронта пика до 2х

перпендикуляра, опущенного из вершины пика на ось времени, на 5% высоты пика.

Характеристики структуры сухих монолитов определяли методом низкотемпературной сорбции азота (НТСА) на установке ASAP 2000 (Micromeritics, США). Морфологию монолитов изучали методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), используя микроскоп Supra 50VP (Carl Zeiss, Германия).

Монолиты на основе сополимера дивинилбензола и винилэтилбензола Монолиты, полученные с инициатором АИБН

Монолиты синтезировали термоинициируемой радикальной полимеризацией. Для синтеза выбрали коммерчески доступный технический ДВБ с большой концентрацией дивинилового мономера (80%), который позволяет получать жесткий полимер с высокой степенью сшивки и необходимой для обращенно-фазовой ВЭЖХ гидрофобностью без введения дополнительных функциональных мономеров. Первоначально использовали наиболее распространенный инициатор полимеризации АИБН. Полимеризацию проводили при температуре 60°С, обеспечивающей приемлемую скорость распада АИБН (т1/2=18ч) и не слишком высокую скорость роста полимерных цепей.

Синтез проводили внутри стеклянных трубок, модифицированных ТМПМА для обеспечения ковалентной прививки монолитов к стенкам. Одной из причин, затрудняющих получение монолитных колонок диаметром несколько миллиметров, является усадка монолита в ходе синтеза, приводящая к образованию неоднородностей в месте контакта полимера со стенкой колонки. Для того чтобы компенсировать усадку полимера в ходе синтеза и

предотвратить отрыв монолита от стенки колонки, полимеризацию проводили под давлением азота. Согласно литературным данным синтез даже под небольшим избыточным давлением предпочтительнее синтеза в герметично закрытой трубке. Однако подробная информация о влиянии величины давления на характеристики монолитов отсутствует. С учетом надежности соединения колонки и предколонки для синтеза в стеклянных трубках было выбрано давление, равное 3 бар.

В качестве порогена использовали смесь термодинамически плохого для поли(ДВБ-ВЭБ) растворителя ДЦЛ и хорошего растворителя толуола. Изучили влияние доли толуола на характеристики получаемых монолитов (табл. 1).

Таблица 1. Условия синтеза и некоторые характеристики поли(ДВБ-ВЭБ) монолитов (150 х 3 мм), полученных с инициатором АИБН. Полимеризационная смесь: 38 мас.% ДВБ(80%), 62 мас.% порогенов (ДЦЛ + толуол), 0.8 мол.% (от количества мономеров) АИБН. Синтез при 60°С в течение 22 4,/>(N2) = 3 бар

Монолит Доля толуола в смеси порогенов, мас.%* kP,F, м2 х 1012 МКМ ^пп» МКМ е,

Гравиметрия Урацил

Т-23 23.4(14.5) 1.0 32 10 0.75 0.64

Т-26 26.0(16.1) 0.43 21 7 0.76 0.66

Т-29 29.0(18.0) 0.029 5.4 1.8 0.76 0.68

Т-30 30.2(18.7) 0.020 4.5 1.5 0.76 0.70

Т-33 32.6 (20.2) 0.0058 2.4 0.8 0.75 н.д.

* В скобках указана доля толуола (мас.%) в полимеризационной смеси.

Из зависимостей перепада давления на колонке Ар от объемной скорости ПФ F по ri LF

уравнению Дарси Ар =-, где Г) — динамическая вязкость ПФ, Ас — площадь поперечного

kp,FAc

сечения колонки, рассчитывали значения гидродинамической проницаемости kPtF монолитов. Для наглядности в табл. 1 также приведена величина ¿ржв= ,Jl000kp F — диаметр частиц

сорбента в типичной наполненной колонке, которая имела бы kpF, эквивалентную кр.г данного монолита. По значениям kpF оценивали средние диаметры проточных (макро)пор с!„„ монолитов, используя модель непересекающихся изломанных цилиндрических капилляров:

I 32кп F

\ £е cos 0

где ее — внешняя пористость колонки (доля объема колонки Vc, занятая проточными порами), 9 — угол между прямолинейными участками капилляров и осью колонки. Для всех монолитов принимали ее = 0.6 и в = 45°. Увеличение доли толуола в смеси растворителей с 23 до 33 мас.%, улучшая сольватацию полимера порогеном в ходе синтеза, снижает диаметр макропор монолитов на порядок и уменьшает проницаемость колонок в 170 раз (табл. 1). Это согласуется с литературными данными о влиянии сродства порогена к полимеру на размер макропор монолитов.

Для расчета факторов удерживания сорбатов к и линейной скорости ПФ и необходимо знать объем ПФ в колонке VM. Его и значения полной пористости монолитов е, = VM!VC определяли методами гравиметрии (по разности масс сухой и заполненной ацетонитрилом

колонки) и хроматографии (Ум— удерживаемый объем практически несорбируемого урацила). Колонка Т-33 имела низкую проницаемость, поэтому хроматографических экспериментов с ней не проводили. Полная пористость монолита определяется главным образом объемной долей порогенов в полимеризационной смеси и количеством непрореагировавших мономеров. Для монолита Т-29 определили конверсии мономеров: 1,3-ДВБ — 89%, 1,4-ДВБ — 98%, ВЭБ — 61%, суммарная — 86%. Следовательно, в предположении равенства плотностей мономеров и образующегося полимера е, должна составлять 0.69. Как видно из табл. 1, гравиметрия дает для всех колонок близкие значения £,, большие по сравнению с теоретическим, что объясняется отличием плотности полимера от плотности мономерной смеси и, возможно, образованием некоторого неучитываемого количества растворимого полимера, вымываемого из колонки после синтеза. Значения Б((урацил) ниже результатов гравиметрии. Это можно объяснить эксклюзией урацила из части микропор (¿1пор < 2 нм) и из адсорбированного слоя ПФ, обогащенного органическим растворителем. Из табл. 1 также видно, что е,(урацил) монотонно возрастает при переходе от Т-23 к Т-30, то есть объем доступных пор в монолите увеличивается при увеличении доли толуола в смеси порогенов. В дальнейшем для расчетов использовали значения Ум, определенные по урацилу.

По данным НТСА, четыре монолита с наибольшими крг представляют собой микро-мезопористые материалы с высокими удельными площадями поверхности 5гот = 480-530 м2/г и невысокими удельными объемами пор диаметром <40 нм Упор = 0.3 мл/г. Средний диаметр малых пор увеличивается с 3 до 6 нм при переходе от Т-23 к Т-30. В целом, варьирование доли толуола в узком интервале 23-30 мас.% оказывает больший эффект на макропористую структуру монолитов, чем на микро- и мезопоры.

На рис. 1 приведены хроматограммы тестовой смеси, которая позволяет изучить эффективность колонок в широком интервале факторов удерживания и селективность НФ при разделении малых молекул с близкой структурой. Основные характеристики разделения приведены в табл. 2.

Рис. 1. Хроматограммы смеси ароматических соединений на поли(ДВБ-ВЭБ) монолитных колонках (150 x3 мм): Т-23

(а), Т-26 (б), Т-29 (в), Т-30 (г). ПФ вода/АН (4:6), 0.5 мл/мин (и = 1.4-1.5 мм/с), 25°С. Пики: урацил (1), пиридин (2), 4-винилпиридин (3), нитробензол (4), бензол (5), толуол

(б), этилбензол (7), пропил-бензол (8), бутилбензол (9).

I 0.02 ед. опт. пл.

J 0.05 ед. опт. пл. д

J 0.05 ед.опт.пл. 3

Таблица 2. Характеристики тестовой смеси при разделении на поли(ДВБ-ВЭБ) колонках (150 х 3 мм), полученных с АИБН. ПФ вода/АН (4:6), 0.5 мл/мин (и = 1.4-1.5 мм/с), 25°С

н а ю к N, ТТ/м х 10"3 As

о и Т-23 Т-26 Т-29 Т-30 Т-23 Т-26 Т-29 Т-30 Т-23 Т-26 Т-29 Т-30

1 0 0 0 0 8.6 8.8 18 20 1.17 1.23 1.08 1.01

2 0.36 0.32 0.28 0.28 7.6 8.5 15 18 1.17 1.28 1.16 1.05

3 0.82 0.74 0.68 0.67 5.3 6.8 12 13 1.17 1.28 1.31 1.20

4 3.4 3.1 2.9 2.8 4.8 6.3 10 11 н.д.* 1.30 1.43 1.32

5 4.3 4.1 3.9 3.8 4.8 6.0 8.7 8.8 н.д.* 1.35 1.56 1.40

6 6.9 6.6 6.4 6.3 4.5 5.5 7.5 7.5 1.30 1.43 1.67 1.55

7 9.8 9.3 8.9 8.8 4.5 5.7 8.2 8.3 1.22 1.34 1.52 1.39

8 14.5 13.7 13.2 13.1 4.6 5.8 8.7 9.0 1.21 1.31 1.49 1.38

9 22.6 21.6 21.0 20.7 4.7 5.9 8.9 9.3 1.28 1.36 1.47 1.41

Примечание. Нумерация сорбатов приведена на рис. 1. * Нет данных из-за недостаточного разрешения пиков.

В указанных условиях все четыре колонки позволяют полностью разделить смесь. Пики компонентов достаточно симметричны. Отдельно отметим низкую асимметрию пиков пиридина и 4-винилпиридина, которые являются основаниями и при разделении на колонках с НФ на основе силикагеля в результате взаимодействия с силанольными группами могут иметь пики с сильно размытым тылом. Число теоретических тарелок (ЧТТ) N возрастает примерно в два раза при переходе от Т-23 к Т-29 и еще на 5-10% при переходе к Т-30. На всех колонках с увеличением фактора удерживания от нуля до к = 6-7 ЧТТ снижается примерно вдвое, а при дальнейшем увеличении к — медленно возрастает (табл. 2).

Для проведения экспрессных разделений помимо высокой проницаемости, позволяющей использовать высокие скорости ПФ при умеренном давлении в хроматографе, необходимо, чтобы при больших скоростях эффективность колонки также оставалась высокой. На рис. 2 представлены зависимости ВЭТТ Н урацила и толуола от скорости ПФ для трех поли(ДВБ-ВЭБ) монолитов. Для Т-29 максимальная скорость была ограничена давлением в хроматографе 100 бар. Относительные стандартные отклонения л,(/У) ВЭТТ, определенных из трех вводов пробы, не превышают 4%, что говорит о стабильности колонок в работе. Колонка Т-30 была неустойчива: ¡Г(Н) достигало 14% для толуола и 30% для урацила, поэтому соответствующие зависимости не приведены на рис. 2. Причины неустойчивости неясны.

В изученном интервале скоростей ПФ нисходящая ветвь отсутствует у всех полученных кривых Н(и) (рис. 2): вклад продольной диффузии в уширение хроматографических зон невелик по сравнению с остальными факторами размывания. Выпуклая вверх форма кривых свидетельствует о значительном вкладе в ВЭТТ неоднородности потока элюента («вихревой диффузии»). Тангенсы углов наклона зависимостей в области высоких и выше для удерживаемого толуола, чем для неудерживаемого урацила, и снижаются при переходе от колонки Т-23 к Т-29. Сильное возрастание ВЭТТ толуола на колонке Т-23 говорит о высоком сопротивлении массопереносу между ПФ и НФ, что при и = 10.4 мм/с приводит к трехкратному отличию ВЭТТ урацила и толуола. При малых скоростях роль медленного массопереноса снижается, и различие между ВЭТТ толуола и урацила уменьшается. Повышение

эффективности и уменьшение влияния скорости ПФ на ВЭТТ при переходе от Т-23 к Т-29 главным образом объясняется снижением размера доменов (скелет + проточные поры) монолитов при повышении доли толуола в смеси порогенов.

Н, мкм

Рис. 2. Зависимости ВЭТТ толуола (закрытые символы) и урацила (открытые символы) от скорости ПФ при разделении на поли(ДВБ-ВЭБ) монолитных колонках (150 х 3 мм): Т-23 (квадраты), Т-26 (треугольники), Т-29 (круги). ПФ вода/АН (1:1), 25°С. Факторы удерживания толуола к равны 13.5, 12.9 и 12.6 на Т-23, Т-26 и Т-29 соответственно, и, мм/с

Одной из проблем полимерных монолитов аналитического диаметра является относительно небольшое отношение площади стенки и объема колонки. Как результат, сила сцепления монолита со стенкой значительно ниже, чем в капиллярах. При изменении состава ПФ монолит может набухать и сжиматься. В работе показано, что при увеличении доли воды в ПФ примерно до 80-90% полученные монолиты отрываются от стенок стеклянных трубок. В результате основная часть ПФ начинает протекать не через поры монолитов, а через образующиеся зазоры, что делает колонки непригодными для разделения. Осмотр трубок после высушивания и извлечения монолитов показал, что на стенках остается равномерный полупрозрачный слой полимера. Это говорит о том, что отрыв монолита от стенки происходит вследствие недостаточной прочности самого полимера в пристеночной области, а не вследствие его плохой прививки к стеклу. Отметим, что для сильно гидрофобных поли(ДВБ-ВЭБ) монолитов необходимость использовать ПФ с высоким содержанием воды отсутствует, поскольку для не слишком полярных сорбатов это приведет к большим временам удерживания.

Монолиты, полученные с инициатором ЦПК

Помимо усадки полимера в ходе синтеза другой причиной снижения однородности структуры монолита является экзотермичность радикальной полимеризации и возникающий при синтезе радиальный градиент температуры в колонке. Снижение скорости реакции роста цепи в ходе синтеза должно снизить выделение теплоты и градиент температуры. Уменьшить скорость реакции роста цепи можно, понизив температуру, однако при этом снижается и скорость инициирования полимеризации. Это не позволяет, используя АИБН, проводить синтез с приемлемой скоростью при температуре менее 55°С. Для проведения синтеза при меньших температурах в настоящей работе опробовали инициатор ЦПК (тш = 19 ч при 40°С). Ранее ЦПК для синтеза монолитов не применяли.

Замена АИБН на эквимолярное количество ЦПК при фиксированной температуре (60°С) снижает проницаемость монолита на порядок (табл. 3). Это объясняется большей скоростью распада ЦПК по сравнению с АИБН, в результате чего на ранних стадиях полимеризации

образуется много маленьких полимерных зародышей. Получающийся монолит состоит из меньших глобул и имеет меньший размер проточных пор. Снижение температуры синтеза с 60 до 40°С приводит к повышению крр, что согласуется с литературными данными о влиянии температуры синтеза на кр1? монолитов. Поскольку монолит Ц-29-40 имеет слишком высокие и </„,1, при 40°С также синтезировали монолиты с использованием большей доли толуола в смеси растворителей. Повышение доли толуола с 29 до 39 мас.% понизило проницаемость до значения, эквивалентного кр^ колонки, заполненной частицами с <1Р = 4.7 мкм.

Как и для монолитов, полученных с АИБН, гравиметрия дает более высокие значения е, по сравнению с хроматографией (табл. 3). Монолиты, синтезированные с ЦПК, имеют более высокие е, вследствие меньшей конверсии мономеров: суммарная конверсия мономеров с ЦПК составляет 55% при 40°С; при увеличении температуры до 50°С конверсия возрастает, но затем в интервале 50-60°С остается неизменной (74-77%).

Таблица 3. Условия синтеза и некоторые характеристики поли(ДВБ-ВЭБ) монолитов (150 х 3 мм), полученных с инициатором ЦПК

Монолит Доля толуола в смеси порогенов, мас.%* ¿синтеза» °С kpjr, м2 хЮ11 dp, экв» мкм dam МКМ Е,

Гравиметрия Урацил

Ц-29-40 29.0(18.0) 40 4.3 65 21 0.84 0.76

Ц-29-50 50 1.1 34 И 0.78 0.68

Ц-29-54 54 0.073 8.5 2.8 0.79 0.72

Ц-29-55 55 0.033 5.8 1.9 0.79 0.72

Ц-29-56 56 0.020 4.5 1.5 0.79 0.72

Ц-29-60 60 0.0036 1.9 0.6 0.79 н.д.

Ц-36-40 35.5 (22.0) 40 1.8 43 14 0.84 0.75

Ц-38-40 37.9 (23.5) 0.037 6.1 2.0 н.д. н.д.

Ц-39-40 38.7 (24.0) 0.022 АЛ 1.5 н.д. н.д.

Примечание. Остальные условия синтеза такие же, как у монолитов «Т» (табл. 1). * В скобках указана доля (мас.%) в полимеризационной смеси.

В табл. 4 представлены хроматографические характеристики трех колонок, полученных с ЦПК при 40, 50 и 55°С со смесью ДДЛ/толуол (71:29), при разделении на которых пики компонентов тестовой смеси были достаточно симметричны (4.5 = 0.86-1.36). Монолиты Ц-29-54 и Ц-29-56 давали сильно искаженные пики. Колонка Ц-29-60 имела очень низкую проницаемость, поэтому ее хроматографические свойства не изучали. Факторы удерживания на монолитах «Ц» ниже по сравнению с монолитами «Т», что объясняется главным образом большей пористостью первых. Снижение температуры синтеза с 55 до 40°С снижает ЧТТ колонок в три раза (табл. 4). ЧТТ колонки Ц-29-40 составляет лишь 1900 ТТ/м по пику толуола, что не позволяет полностью разделить тестовую смесь.

Для монолитов Ц-29-40 и Ц-29-50 в интервале и = 0.5-10.5 мм/с получены зависимости Н(и) урацила и толуола. Они сходны по форме с зависимостями монолитов Т-23 и Т-26. Величины лу(Я) ВЭТТ, определенных из трех вводов пробы, не превышают 3%, что говорит о стабильности колонок в работе. Колонка Ц-29-55 с меньшей кр^ была неустойчива. При скорости и = 2.6 мм/с и давлении 90 бар с ПФ вода/АН (1:1) монолит сжался по длине на 5 мм, форма пиков существенно ухудшилась. Вследствие медленной диффузии сорбата в микропорах

монолита ВЭТТ колонки Ц-29-40 быстро возрастает с увеличением скорости ПФ. Снижение размера доменов монолита при переходе к Ц-29-50 уменьшает тангенс угла наклона прямолинейного участка кривой Н(и) толуола с 0.053 до 0.017 с, однако даже при и < 1 мм/с эффективность колонки низка (#> 200 мкм).

Таблица 4. Характеристики тестовой смеси при разделении на поли(ДВБ-ВЭБ) колонках (150 х 3 мм), полученных с ЦПК. ПФ вода/АН (4:6), 0.5 мл/мин (и = 1.3-1.5 мм/с), 25°С

Компонент Монолит

Ц-29-40 Ц-29-50 Ц-29-55 Ц-36-40

к /V, ТТ/и х 10 3 к N, ТТ/м х 10"3 к N, ТТ/м х 10"3 к jV, ТТ/м х 10~3

Урацил 0 н.д. 0 4.1 0 8.0 0 н.д.

Пиридин 0.22 н.д. 0.31 4.1 0.24 7.7 0.24 нд.

4-Винилпиридин 0.47 н.д. 0.70 3.7 0.58 6.9 0.53 н.д.

Нитробензол 2.0 н.д. 2.9 3.5 2.4 6.4 2.2 н.д.

Бензол 2.4 н.д. 3.8 3.4 3.2 6.1 2.6 н.д.

Толуол 3.8 1.9 6.0 3.3 5.3 5.7 4.1 2.2

Этилбензол 5.4 1.9 8.4 3.4 7.4 5.8 5.8 2.2

Пропилбензол 7.9 1.8 12.4 3.4 10.9 5.9 8.5 2.2

Бутилбензол 12.2 1.8 19.4 3.4 17.3 6.1 13.1 2.1

С целью понизить проницаемость и повысить эффективность колонок были синтезированы монолиты Ц-36-40, Ц-38-40 и Ц-39-40. Колонка Ц-36-40 имела ЧТТ немногим выше ЧТТ колонки Ц-29-40 (табл. 4). Монолиты Ц-38-40 и Ц-39-40 с меньшими kpj? были неустойчивы: уже в ходе измерения проницаемости после синтеза с АН в качестве ПФ при Ар = 50-70 бар монолиты сжимались по длине примерно на 7 мм. Механическая неустойчивость, вероятно, обусловлена высокой пористостью данных монолитов. Повышение доли ЦПК в реакционной смеси при прочих равных условиях должно увеличить конверсии мономеров, снизить пористость монолитов и, вероятно, может увеличить их стабильность и однородность. В дальнейшей работе для синтеза монолитов использовали АИБН.

Монолиты на основе сополимеров дивинилбензола и винилэтилбензола с гидрофильными мономерами

Монолиты на основе сополимеров дивинилбензола и винилэтилбензола с 2-гидроксиэтилметакрилатом

С целью повысить гидрофильность монолитов и их устойчивость в водно-ацетонитрильных ПФ с высоким содержанием воды решено вводить в полимеризационную смесь ГЭМА. Поли(ДВБ-ВЭБ-ГЭМА) монолиты упоминаются в литературе, однако данные о влиянии условий синтеза на их свойства и о применении их в ВЭЖХ отсутствуют. На основании предварительных экспериментов в качестве порогена выбрали чистый ДЦЛ (табл. 5). Также синтезирован монолит с додеканолом-2 в качестве порогена. Монолиты Э-15 синтезировали пять раз. Три колонки из пяти, при разделении на которых пики сорбатов не имели явных дефектов (плеч, размытых фронтов), обсуждаются ниже.

В исследованном интервале составов полимеризационных смесей конверсии мономеров при синтезе поли(ДВБ-ВЭБ-ГЭМА) монолитов не зависят от доли мономеров в исходной

смеси. Конверсия ГЭМА близка к таковой для 1,3-ДВБ и составляет 92-95%. Суммарные конверсии мономеров для всех монолитов составляет 89-92%. Таким образом, увеличение доли ГЭМА в мономерной смеси приводит к возрастанию доли гидрофильного мономера и снижению доли мономера-сшивателя в конечном сорбенте.

Таблица 5. Условия синтеза и некоторые характеристики поли(ДВБ-ВЭБ-ГЭМА) монолитов (150 x3 мм). Полимеризационная смесь: 38 мас.% мономеров, 62 мас.% порогена (ДДЛ), 0.8 мол.% (от количества мономеров) АИБН. Синтез при 60°С в течение 22 4,/?(N2) = 3 бар

Монолит Доля метакрилата в мономерной смеси, мол.%* kp,F, м2 х 1012 мкм МКМ

Гравиметрия Урацил

Э-10 10.5 (4.0) 1.1 32 11 0.74 0.62

Э-12 11.9(4.5) 0.36 19 6.2 0.76 0.64

Э-13 13.2 (5.0) 0.059 7.7 2.5 0.74 0.67

Э-15 14.7(5.6) 0.017 4.1 1.3 0.75 0.69

Э-18 17.9(6.8) 0.0028 1.7 0.55 0.75 н.д.

Э-21 21.1 (8.0) 0.0012 1.1 0.36 0.76 н.д.

ЭП-15** 14.7(5.6) 0.0023 1.5 0.50 0.76 н.д.

* В скобках даны доли (мас.%) в полимеризационной смеси. ** Пороген додеканол-2.

По данным СЭМ, полученные монолиты имеют микроглобулярную морфологию, типичную для монолитов, синтезируемых свободнорадикальной полимеризацией (рис. 3).

Рис.3. Микрофотографии (СЭМ) поли(ДВБ-ВЭБ-ГЭМА) монолитов: Э-10(а), Э-12 (б), Э-13 (в), Э-15#1 (г).

В качестве порогена при синтезе использовали ДДЛ — плохой растворитель для поли(ДВБ-ВЭБ), но хороший (за счет гидроксильной группы) сольватирующий агент для ГЭМА. Увеличение доли ГЭМА в смеси мономеров с 10 до 21 мол.% улучшает сольватацию полимера порогеном в ходе синтеза и снижает размеры глобул и макропор монолитов с

нескольких микрометров до сотен нанометров. Это приводит к уменьшению проницаемости монолитов на три порядка (табл. 5). Диаметры макропор, рассчитанные из крр по ур-нию (1), удовлетворительно согласуются с размерами пор, которые можно оценить из рис. 3. Величина для трех колонок Э-15 составляет 4%. Замена ДЦЛ на додеканол-2 при 15 мол.% ГЭМА в мономерной смеси уменьшает крр в 7 раз. Это, по-видимому, связано с меньшей полярностью ОН-группы и большим сродством додеканола-2 к ароматической составляющей поли(ДВБ-ВЭБ-ГЭМА) по сравнению с ДЦЛ.

Добавление ГЭМА к ДВБ(80%) и варьирование доли метакрилата в мономерной смеси не влияет на полную пористость монолитов, определенную гравиметрией (табл. 5). Для трех колонок Э-15 яДе,) = 0.4%. При увеличении доли ГЭМА с 10 до 15 мол.% е,(урацил) возрастает. Это может быть связано как с повышением объема доступных пор в монолите, так и со слабым удерживанием полярного урацила, которое должно усиливаться при увеличении полярности НФ. Последнее подтверждается тем, что увеличение температуры колонки Э-15#3 с 25 до 80°С снижает е,(урацил) с 0.69 до 0.66.

По данным НТСА, повышение доли ГЭМА с 10 до 21 мол.% снижает 5бэт с 490 до 380 м2/г. Удельные объемы пор диаметром <40 нм составляют 0.26-0.35 мл/г. При переходе от Э-10 к Э-21 средний диаметр малых пор увеличивается с 4 до 15 нм, ширина распределения размеров пор возрастает.

На рис. 4 приведены хроматограммы тестовой смеси на четырех поли(ДВБ-ВЭБ-ГЭМА) монолитах с наибольшими крг. Основные параметры, рассчитанные из хроматограмм, приведены в табл. 6. Величины ¡¿к) компонентов смеси для трех колонок Э-15 не превышают 1%, а .уДЛ') составляет 7% для урацила и менее 3% для остальных компонентов.

Рис. 4. Хроматограммы

тестовой смеси на поли(ДВБ-ВЭБ-ГЭМА) монолитных колонках (150 х 3 мм):

Э-10 (а), Э-12 (б), Э-13(в), Э-15#1 (г). ПФ вода/АН (4:6). 0.5 мл/мин (и = 1.4-1.5 мм/с), 25°С. Пики: урацил (1), пиридин (2), нитробензол (3), бензол (4), толуол (5), этилбензол (6), пропилбензол

(V).

Из рис. 4 и табл. 6 видно, что пики всех компонентов, включая основания, достаточно симметричны. При переходе от Э-10 к Э-15 ЧТТ колонок увеличивается в 2-А раза (с 3300-5300 до 7100-21000 ТТ/м), разделение улучшается. С увеличением доли полярного мономера в составе монолита факторы удерживания снижаются. Для всех колонок ЧТТ снижается при

¡0.02 ед. опт. пл. б

росте фактора удерживания сорбата. Введение 15 мол.% ГЭМА в мономерную смесь позволяет увеличить ЧТТ по сравнению с поли(ДВБ-ВЭБ) монолитами.

Таблица 6. Характеристики тестовой смеси при разделении на поли(ДВБ-ВЭБ-ГЭМА) монолитных колонках (150 х 3 мм). ПФ вода/АН (4:6). 0.5 мл/мин (и = 1.4-1.5 мм/с), 25°С

Сорбат к N, ТТ/м х 10"3 As

Э-10 Э-12 Э-13 Э-15 Э-10 Э-12 Э-13 Э-15 Э-10 Э-12 Э-13 Э-15 #1

1 0 0 0 0 5.3 5.9 9.0 21 1.18 0.95 1.23 0.96

2 0.43 0.40 0.34 0.32 5.0 6.0 9.5 20 1.30 1.15 1.35 0.98

3 2.6 2.3 1.9 1.7 н.д.* н.д.* 8.4 17 н.д.* н.д.* н.д.* н.д.*

4 3.1 2.8 2.3 2.1 н.д.* н.д.* 8.2 16 н.д.* н.д.* н.д.* н.д.*

5 4.5 4.1 3.4 3.1 4.2 5.3 7.6 14 1.24 1.18 1.38 1.24

6 6.4 5.8 4.8 4.3 4.0 5.1 7.2 13 1.23 1.18 1.39 1.28

7 9.3 8.4 7.0 6.2 3.8 4.9 6.8 12 1.24 1.20 1.41 1.34

8 20.3 18.5 14.6 12.7 3.3 4.1 4.5 7.1 1.27 1.25 1.31 1.39

Примечание. Нумерация сорбатов приведена на рис. 4; 8 — Л^У-диэтиланилин, который вводили отдельно с ПФ вода/АН (1:1). Для Э-15 указаны средние значения к и N для трех колонок. * Нет данных из-за недостаточного разрешения пиков.

Зависимости бензола и алкилбензолов от числа метиленовых групп в их молекулах для поли(ДВБ-ВЭБ-ГЭМА) монолитов, поли(ДВБ-ВЭБ) монолита Т-29 и для колонки УМС-РАН, заполненной октадецилсиликагелем (ОДС), хорошо описываются уравнением (табл. 7):

1ё* = ^(а(СН2))хи(СН2) + р. (2)

Таблица 7. Параметры ур-ния (2) для полученных колонок {Р = 0.95). ПФ вода/АН (4:6), 25°С

Колонка lg(cc(CH2)) Р г

Т-29 0.18 ±0.02 0.60 ± 0.05 0.998

Э-10 0.16 ±0.01 0.49 ± 0.03 >0.999

Э-12 0.16 ±0.01 0.45 ± 0.02 >0.999

Э-13 0.16 ±0.01 0.37 ± 0.03 >0.999

Э-15#3 0.159 ±0.007 0.32 ± 0.02 >0.999

УМС-РАН (Si02-C,g) 0.17 ± 0.01 -0.12 ±0.03 >0.999

Параметр ^(а(СН2)) описывает приращение константы сорбции гомолога при увеличении алифатической цепи на одну метиленовую группу, то есть характеризует гидрофобность НФ. Все представленные в табл. 7 НФ имеют сходную гидрофобность и метиленовую селективность. Введение ГЭМА в состав поли(ДВБ-ВЭБ) и варьирование доли ГЭМА в узком интервале 10-15 мол.% слабо влияет на метиленовую селективность. Свободный член р ур-ния (2) характеризует взаимодействие бензольных колец с НФ, а также учитывает фазовое отношение колонки. Для всех полученных монолитов Р выше, чем для колонки УМС-РАН. Оценить влияние фазового отношения на р сложно, поскольку площади поверхности набухших в ПФ монолитов неизвестны. Можно предположить, что высокие значения р монолитов по сравнению с УМС-РАН отчасти обусловлены специфическими п-п взаимодействиями

алкилбензолов с НФ на основе ДВБ. Повышение доли ГЭМА в мономерной смеси ослабляет эти взаимодействия, поэтому параметр р и к алкилбензолов снижаются при переходе от Т-29 к Э-15#3.

Зависимости \%к толуола от объемной доли АН в ПФ ср (ф = 0.4-1.0) для всех монолитов удовлетворительно описываются уравнениями \gk = а - 6ф + сф2 (г2 > 0.998, а,Ь,с> 0). Это характерно для обращенно-фазовой хроматографии.

На рис. 5 представлены зависимости ВЭТТ урацила и толуола от скорости ПФ для четырех поли(ДВБ-ВЭБ-ГЭМА) монолитов. Величины эг(Н) ВЭТТ, определенных из трех вводов пробы, не превышают 6%, что говорит о стабильности колонок в работе. Кривые Н(и) на рис. 5 сходны с кривыми для поли(ДВБ-ВЭБ) монолитов (рис. 2). Повышение эффективности и уменьшение влияния скорости ПФ на ВЭТТ при переходе от Э-10 к Э-15#1 главным образом обусловлено снижением гидродинамического размывания и сопротивления массопереносу в проточных и диффузионных порах колонки вследствие уменьшения размера доменов монолитов при повышении доли ГЭМА в мономерной смеси.

Н, мкм

Рис. 5. Зависимости ВЭТТ толуола (закрытые символы) и урацила (открытые символы) от скорости ПФ при разделении на поли(ДВБ-ВЭБ-ГЭМА) монолитных колонках (150 x3 мм): Э-10 (квадраты), Э-12 (треугольники), Э-13 (круги), Э-15#1 (ромбы). ПФ вода/АН (1:1), 25°С. Фактор удерживания толуола к равен 8.8, 8.0, 6.7 и 6.0 на Э-10, Э-12, Э-13 и Э-15#1 соответственно.

Хроматографические характеристики трех поли(ДВБ-ВЭБ-ГЭМА) монолитов с наименьшими kpjr (табл. 5) изучили с использованием ПФ АН (F= 0.1-0.2 мл/мин) и толуола как сорбата (к к 0.3). Все три колонки давали достаточно симметричные пики (As = 1.00-1.37) и имели N= 19000-22000 ТТ/м в указанных условиях. Таким образом, снижение размеров доменов и кр^ по сравнению с монолитами Э-15 не привело к существенному увеличению эффективности. Это, по-видимому, обусловлено большей неоднородностью структуры монолитов с маленькими размерами доменов.

Добавка к ДВБ и ВЭБ до 15 мол.% ГЭМА не позволила повысить стабильность монолитов в ПФ с высоким содержанием воды. При увеличении доли воды в ПФ примерно до 80% полученные поли(ДВБ-ВЭБ-ГЭМА) монолиты отрываются от стенок стеклянных трубок.

Влияние продолжительности синтеза на свойства монолитов

Согласно литературным данным, проведение полимеризации до неполной конверсии мономеров одновременно увеличивает проницаемость и эффективность монолитных колонок при разделении низкомолекулярных веществ. Прерывание синтеза вскоре после формирования

монолита, после превращения лишь 20-60% мономеров в полимер, позволяет получать достаточно стабильные монолиты внутри кварцевых капилляров диаметром 0.1-0.2 мм.

Несмотря на то, что поли(ДВБ-ВЭБ) монолиты, полученные в настоящей работе синтезом с ЦПК при 40°С внутри трубок диаметром 3 мм, при суммарной конверсии мономеров 55% были механически неустойчивы, была предпринята попытка синтезировать поли(ДВБ-ВЭБ-ГЭМА) монолит с пониженной конверсией мономеров. Монолит синтезировали в тех же условиях, что и монолиты Э-15, за исключением длительности полимеризации, которая была равна 6 ч. Суммарная конверсия мономеров за 6 ч составила 44%. После синтеза монолит промывали АН при F = 0.5 мл/мин и Др =16 бар. Это соответствует = 3.0 ж 10-14 м2, что в 1.8 раза больше проницаемости колонок Э-15 и согласуется со снижением конверсии мономеров. При такой промывке колонка была устойчива, длина монолита не изменилась. ЧТТ по пику толуола с Аз =1.12 в этих условиях составляло 17000 ТТ/м. Однако уже при добавлении в ПФ 20% воды монолит деформировался. Увеличение доли воды в ПФ до 60% повысило Ар до 86 бар. После этого монолит сжался по длине на 45 мм. Таким образом, в отличие от капиллярных монолитных колонок снижение продолжительности полимеризации и существенное уменьшение конверсии мономеров относительно 100% не могут служить для улучшения характеристик монолитов диаметром несколько миллиметров.

Влияние структуры гидроксиалкилметакрилата на свойства монолитов

Поскольку небольшое изменение структуры мономеров может существенно изменить характеристики монолитной колонки, помимо ГЭМА в качестве модификаторов поли(ДВБ-ВЭБ) монолитов были впервые изучены ГПМА и ГБМА (табл. 8). Для синтеза использовали коммерчески доступные реагенты, представляющие собой смеси изомеров.

Таблица 8. Условия синтеза и некоторые характеристики монолитов (150 х 3 мм) на основе сополимеров ДВБ и ВЭБ с гидроксиалкилметакрилатами

Монолит Доля метакрилата в мономерной смеси, мол.%* kpj?, м2 х 1014 dp, экв* МКМ 'А: п , МКМ е,

Гравиметрия Урацил

П-15 14.7 (6.1) ГПМА 1.3 3.6 1.2 0.75 0.68

Б-13 13.2 (5.9) ГБМА 15 12 3.9 0.73 0.64

Б-15 14.7 (6.6) ГБМА 2.8 5.3 1.7 0.74 0.67

Б-16 15.7 (7.0) ГБМА 1.2 3.5 1.2 0.75 0.68

Примечание. Остальные условия синтеза такие же, как у монолитов «Э» (табл. 5). * В скобках даны доли (мас.%) в полимеризационной смеси.

Замена ГЭМА на эквимолярное количество ГПМА снижает проницаемость монолита в 1.3 раза (табл. 8). По-видимому, большая длина углеродной цепи в молекуле одного из изомеров ГПМА по сравнению с ГЭМА облегчает в ходе синтеза взаимодействие гидроксильной группы порогена с гидроксильными группами на поверхности образующихся полимерных микроглобул. Это приводит к снижению размера макропор монолита и крГ. Применение смеси изомеров ГБМА равнозначно введению в структуру ГЭМА этильного заместителя, который создает стерические препятствия взаимодействию ОН-групп на поверхности полимера с порогеном. В результате размер макропор увеличивается, и проницаемости монолитов Б-13 и Б-15 выше по сравнению с Э-13 и Э-15 в 2.5 и 1.6 раза

соответственно (табл. 8). Увеличение доли ГЪМА, так же как и доли ГЭМА, снижает крг монолитов. На полную пористость монолитов структура мономеров не влияет.

На рис. 6 представлены хроматограммы тестовой смеси на монолитах, полученных из мономерных смесей, включающих 15 мол.% метакрилатов. Характеристики, рассчитанные из хроматограмм, приведены в табл. 9.

I 0.05 ед. опт. пл.

Рис. 6. Хроматограммы

тестовой смеси на монолитных колонках (150 x3 мм): Э-15#3

(а), П-15 (б), Б-15 (в). ПФ вода/АН (4:6), 0.5 мл/мин (;и = 1.3-1.5 мм/с), 25°С. Пики: урацил (1), пиридин (2), 4-винилпиридин (3), нитробензол (4), бензол (5), толуол

(б), этилбензол (7), пропил-бензол (8), бутилбензол (9).

Таблица 9. Характеристики тестовой смеси при разделении на полученных монолитных колонках (150 х 3 мм). ПФ вода/АН (4:6), 0.5 мл/мин (и = 1.3-1.5 мм/с), 25°С

Сорбат к N, ТТ/м х 10"3 As

П-15 Б-13 Б-15 Б-16 П-15 Б-13 Б-15 Б-16 П-15 Б-13 Б-15 Б-16

1 0 0 0 0 25 13 19 20 1.37 1.23 1.36 0.93

2 0.31 0.36 0.31 0.30 23 12 19 19 1.46 1.24 1.41 0.97

3 0.66 0.74 0.64 0.61 16 10 15 16 1.59 1.25 1.47 1.06

4 1.7 2.1 1.8 1.7 18 11 16 17 1.57 1.25 1.47 1.04

5 2.1 2.7 2.3 2.1 17 11 16 16 1.59 1.23 1.49 1.04

6 3.2 4.0 3.3 3.2 14 9.6 13 14 1.74 1.34 1.62 1.18

7 4.4 5.6 4.7 4.4 13 9.1 12 13 1.75 1.30 1.60 1.19

8 6.5 8.3 6.9 6.4 12 8.6 11 12 1.79 1.32 1.64 1.24

9 9.6 12.3 10.2 9.5 11 8.3 10 11 1.87 1.35 1.68 1.30

Примечание. Нумерация сорбатов приведена на рис. 6. * Нет данных из-за недостаточного разрешения пиков.

В ряду Э-15 -> П-15 -> Б-15 метиленовая селективность НФ значимо не изменяется. Параметр Р ур-ния (2) увеличивается с 0.32 до 0.36, и факторы удерживания алкилбензолов повышаются на 10%. Последнее можно объяснить как усилением взаимодействия ароматических колец алкилбензолов с НФ при увеличении числа атомов углерода в структуре гидроксиалкилметакрилата, так и изменением фазового отношения колонок. Увеличение доли

ГБМА, так же как и доли ГЭМА, в узком интервале значений практически не влияет на метиленовую селективность, но снижает факторы удерживания сорбатов. Увеличение доли ГБМА с 13 до 15 мол.%, снижая колонки в 5.4 раза, увеличивает ЧТТ в 1.5 раза по урацилу (с 13000 до 19000 ТТ/м) и в 1.2 раза по бутилбензолу (с 8300 до 10000 ТТ/м) (табл.9). Дальнейшее повышение доли ГБМА до 16 мол.% снижает проницаемость еще в 2.3 раза, но незначительно увеличивает ЧТТ. При одинаковой доле метакрилата колонка Б-13 с более высокой (в 2.5 раза) проницаемостью также имеет более высокую (на 25^5%) эффективность по сравнению с колонкой Э-13. ЧТТ колонки Б-15 в среднем на 10% ниже ЧТТ колонки Э-15; при этом проницаемость Б-15 выше в 1.6 раза. ЧТТ колонки П-15 на 10% выше ЧТТ колонки Э-15, однако монолит с ГПМА имеет в 1.3 раза меньшую проницаемость.

Таким образом, замена 13-15 мол.% ГЭМА на ГБМА, слабо влияя на факторы удерживания, метиленовую селективность и эффективность, позволяет существенно повысить проницаемость колонки. Это позволяет работать с поли(ДВБ-ВЭБ-ГБМА) монолитами при более высоких скоростях ПФ и уменьшить продолжительность разделения.

Влияние температуры колонки на разделение

Проведение хроматографического разделения при повышенной температуре является одним из способов увеличения эффективности колонки и сокращения продолжительности анализа. В работе изучили характеристики поли(ДВБ-ВЭБ-ГЭМА) колонки Э-15#3 при температурах 25,40,60 и 80°С.

Повышение температуры с 25 до 80°С снижает факторы удерживания веществ. Параметр Р ур-ния (2) уменьшается с 0.32 до 0.10, коэффициент ^(а(СН2)) — с 0.159 до 0.138, метиленовая селективность снижается. Однако эффективность с ростом температуры существенно возрастает: для наиболее удерживаемого компонента (бутилбензола) ЧТТ при и= 1.5 мм/с увеличивается в 1.8 раза (с 11000 до 20000 ТТ/м). Для слабоудерживаемых компонентов ЧТТ изменяется незначительно. Коэффициенты асимметрии пиков уменьшаются. Так, Ая бутилбензола снижается с 1.48 до 1.18. Совместное изменение удерживания, селективности и эффективности немного снижает разрешение пиков слабоудерживаемых соединений (максимально на 28% (с 5.4 до 3.9) для пары 4-винилпиридин/нитробензол), практически не меняет разрешение пиков сильноудерживаемых сорбатов и уменьшает продолжительность разделения тестовой смеси в 2 раза (с 20 до 10 мин).

Увеличение температуры с 25 до 80°С также снижает вязкость ПФ. В результате перепад давления на колонке при и = 1.5 мм/с уменьшается с 64 до 35 бар. Снижение вязкости элюента позволяет использовать более высокую скорость ПФ при заданном максимальном давлении на входе в колонку (100 бар).

При всех температурах получены зависимости Н(и). При температуре 25°С (рис. 7, а) повышение скорости ПФ с 0.3 до 2.1 мм/с приводит к росту ВЭТТ алкилбензолов на 30-40%. Для более удерживаемых компонентов эффективность заметно ниже, чем для менее удерживаемых. Повышение температуры до 80°С (рис. 7, б) увеличивает коэффициенты диффузии разделяемых компонентов; кривые Щи) становятся более пологими, а влияние фактора удерживания на уширение хроматографических пиков уменьшается. При 80°С на скоростях до 3.7 мм/с для всех производных бензола ВЭТТ не превышает 53 мкм (//> 19000 ТТ/м).

Н, мкм

100 90 80 -70 -60 ■ 50 40

1

Рис.7. Зависимости ВЭТТ бензола (1), толуола (2), этилбензола (3), пропилбензола (4) и бутилбензола (5) от скорости ПФ при температуре колонки 25°С (а) и 80°С (б) для

монолита Э-15#3 (150 x3 мм). ПФ вода/АН (4:6).

2 3 4

и, мм/с

Уменьшение констант сорбции веществ, рост эффективности колонки и повышение максимальной рабочей скорости элюента позволяют при температуре 80°С и скорости ПФ 1.2 мл/мин (м = 3.7 мм/с) с использованием монолита Э-15#3 разделять тестовую смесь из девяти компонентов за четыре минуты (рис. 8). Таким образом, при близких значениях перепада давления на колонке (Ар = 90 бар при 25°С и и = 2.1 мм/с, Ар = 84 бар при 80°С и и = 3.7 мм/с) повышение температуры позволяет снизить продолжительность разделения в 3.5 раза (с 14 до 4 мин).

Рис. 8. Хроматограмма тестовой смеси на колонке

3-15#3 (150 x3 мм) при температуре колонки 80°С и скорости ПФ 1.2 мл/мин (и = 3.7 мм/с, Ар = 84 бар). ПФ вода/АН (4:6). Пики: урацил (1), пиридин (2),

4-винилпиридин (3), нитробензол (4), бензол (5), толуол (6), этилбензол (7), пропилбензол (8), бутил-бензол (9).

В заключение следует отметить, что после пропускания через монолит Э-15#3 1300 мл (1070 объемов колонки) элюента, содержащего от 50 до 100% АН, при температурах до 80°С и давлении на входе в колонку до 100 бар, времена удерживания компонентов тестовой смеси изменились не более чем на 1%, а ЧТТ снизилось на величину от 6% по бутилбензолу до 10% по урацилу. Таким образом, данный монолит достаточно стабилен в работе.

Влияние давления при синтезе на свойства монолитов Чтобы изучить влияние величины давления при синтезе на свойства колонок, монолиты синтезировали внутри стальных трубок. Максимальное избыточное давление (9 бар) было ограничено редуктором на баллоне с азотом. Для синтеза использовали смесь того же состава, что и для монолитов Э-15. Также при давлении 3 бар получен монолит из смеси мономеров,

Сигнал,

содержащей 16 мол.% ГЭМА (ЭД-16-3, табл.10). Следует отметить, что, несмотря на отсутствие ковалентной прививки, адгезия полимера к стальной стенке достаточно высока.

Таблица 10. Гидродинамическая проницаемость и полная пористость поли(ДВБ-ВЭБ-ГЭМА) монолитных колонок (100 х4.3 мм), полученных при различном избыточном давлении азота. Полимеризационная смесь: 38 мас.% мономеров, 62 мас.% ДЦЛ, 0.8 мол.% (от количества мономеров) АИБН. Синтез при 60°С в течение 22 ч

Монолит Давление Агр.г, м2

азота, бар х 1014 Гравиметрия Урацил

ЭД-15-0 0 1.9 0.77 0.65

ЭД-15-1 1 1.5 0.77 0.71

ЭД-15-3 3 1.6 0.77 0.70

ЭД-15-6 6 1.4 0.77 0.70

ЭД-15-9 9 1.3 0.77 0.70

ЭД-16-3 3 0.74 0.78 0.72

Примечание. Первое число в обозначении монолита соответствует доле (мол.%) ГЭМА в смеси мономеров, второе — давлению азота. Монолиты ЭД-15-0 и ЭД-15-3 синтезировали по три раза.

Увеличение давления при синтезе от 0 до 9 бар уменьшает проницаемость полученных колонок примерно в 1.5 раза (табл. 10). Это может быть связано как с изменением пористой структуры монолитов, так и с повышением плотности и однородности пристеночного слоя сорбента. Проницаемость колонок ЭД-15-3, близка к проницаемости колонок Э-15 со стеклянным корпусом (табл. 5), полученных в аналогичных условиях. Повышение доли ГЭМА в мономерной смеси с 15 до 16 мол.% снижает крР в 2 раза. Относительное стандартное отклонение для трех колонок ЭД-15-0 составляет 2%, а £,.(8,) равно 0.6% и 2% при гравиметрическом и хроматографическом определении. Соответствующие значения л> для ЭД-15-3 равны 10, 0.9 и 0.7%. Значение давления при полимеризации в целом не влияет на е, полученных колонок, однако определенная хроматографическим методом пористость монолитов, синтезированных без давления азота, на 0.05-0.06 отличается от пористости монолитов, синтезированных под давлением. Это говорит о различии в структуре данных сорбентов. В работе показано, что в изученном интервале давлений конверсия мономеров не зависит от давления.

Хроматографические пики при разделении на монолитах, синтезированных без давления азота, имеют сильно асимметричную форму (рис. 9, а), свидетельствующую о существенной неоднородности макропористой структуры сорбентов, которая, по-видимому, вызвана усадкой полимера в ходе синтеза. Синтез под давлением позволяет улучшить форму пиков. Оптимальное давление для монолитов на основе поли(ДВБ-ВЭБ-ГЭМА) составляет 3 бар (рис. 9, в). Меньшего давления, по-видимому, недостаточно для компенсации усадки полимера и образования сорбента с однородной структурой. Колонки, полученные при давлении азота более 3 бар, были неустойчивы в работе. Вероятно, давление выше 3 бар приводит к возникновению в структуре сорбентов напряжений, при релаксации которых в ходе дальнейшей эксплуатации колонки происходит отрыв монолита от стенки. В результате форма пиков ухудшается, эффективность падает.

Рис. 9. Хроматограммы смеси ароматических соединений на поли(ДВБ-ВЭБ-ГЭМА) монолитных колонках (100 х 4.3 мм), полученных при различном давлении азота: ЭД-15-0#1 (о), ЭД-15-1 (б), ЭД-15-3#1 (в), ЭД-15-6(г) и ЭД-15-9(<3). ПФ вода/АН (4:6), 0.5 мл/мин (и = 0.8-0.9 мм/с), 25°С. Пики: урацил (1), пиридин (2), нитробензол (3), бензол (4), толуол (5), этилбензол (6), пропилбензол (7).

Таблица 11. Характеристики тестовой смеси при разделении на поли(ДВБ-ВЭБ-ГЭМА) монолитных колонках со стальным корпусом (100 х 4.3 мм), полученных при давлении азота З бар. ПФ вода/АН (4:6), 0.5 мл/мин (и = 0.8 мм/с), 25°С

Компонент Монолит

ЭД-15-3 ЭД-16-3

к /V, ТТ/м х 10"3 Ах к /V, ТТ/м х 10"3 ЛЇ

Урацил 0 37 1.24 0 42 1.20

Пиридин 0.31 27 н.д.* 0.31 32 1.18

Нитробензол 1.6 19 Н.Д.* 1.6 26 н.д.*

Бензол 2.0 17 н.д.* 2.0 22 н.д.*

Толуол 3.0 15 1.37 2.9 20 1.38

Этилбензол 4.1 14 1.40 4.0 18 1.42

Пропилбензол 5.9 13 1.45 5.7 16 1.50

Примечание. Для ЭД-15-3 представлены средние значения для трех колонок. * Нет данных из-за недостаточного разрешения пиков.

В табл. 11 приведены характеристики тестовой смеси при разделении на колонках ЭД-15-3 и ЭД-16-3. Относительное стандартное отклонение значений к компонентов смеси на трех колонках ЭД-15-3 не превышает 3%, а .1,(Ы) < 8%. Для неудерживаемого урацила ЧТТ составляет 37000 ТТ/м. С ростом фактора удерживания сорбата эффективность падает, однако при высоких к снижение эффективности замедляется, и для пропилбензола (к = 5.9)

ЛГ= 13000 ТТ/м. Эффективность колонки ЭД-16-3 с меньшей проницаемостью достигает 42000 ТТ/м по урацилу и 16000 ТТ/м по пропилбензолу (к = 5.7).

На рис. 10 приведены зависимости ВЭТТ колонки ЭД-15-3#1 от скорости ПФ для несорбируемого урацила и сильноудерживаемого толуола (к = 5.7). Относительное стандартное отклонение ВЭТТ, определенных из трех вводов пробы, не превышает 5% для урацила и 4% для толуола, что говорит о стабильности колонки в работе.

Н, мкм

Рис.10. Зависимости ВЭТТ толуола (1,2) и урацила (3,4) от скорости ПФ при разделении на поли(ДВБ-ВЭБ-ГЭМА) колонках Э-15#1 (150 x3 мм) (1,3) и ЭД-15-3#1 (100x4.3 мм) (2,4). ПФ вода/АН (1:1), 25°С. Фактор удерживания толуола к равен 6.0 и 5.7 на 0 0.5 1.0 1.5 2.0 и, мм/с Э-15#1 и ЭД-15-3#1 соответственно.

Видно, что эффективность колонки ЭД-15-3#1 слабо меняется при возрастании скорости ПФ от 0.5 до 2 мм/с, и для толуола ВЭТТ равна 72 мкм (N= 14000 ТТ/м) при 2 мм/с. По сравнению с колонкой Э-15#1 со стеклянным корпусом размером 150 х 3 мм, зависимости Щи) колонки со стальным корпусом (100 х 4.3 мм) имеют более пологую форму, и для несорбируемого компонента в последнем случае эффективность значительно выше во всем интервале скоростей. Очевидно, различие в размерах, теплопроводности и химии поверхности использованных для синтеза стальных и поверхностно-модифицированных стеклянных трубок влияет на структуру образующегося монолита и, следовательно, на эффективность колонки. При прочих равных условиях размеры колонки также непосредственно влияют на ВЭТТ. При близких временах разделения (¿«(толуол) = 8.7 мин, и = 2.0 мм/с для Э-15#1 и /»(толуол) = 9.1 мин, и = 1.2 мм/с для ЭД-15-3#1) колонка длиной 150 мм позволяет получить 1900 ТТ при Ар = 90 бар, а колонка длиной 100 мм — 1400 ТТ при Ар = 45 бар.

Таким образом, в данной работе показано, что давление при синтезе монолитных колонок аналитического диаметра является важным параметром, небольшое изменение которого существенно влияет на хроматографические характеристики колонок. Установлено, что синтез под давлением азота 3 бар позволяет получать внутри стальных трубок размером 100 х 4.3 мм поли(ДВБ-ВЭБ-ГЭМА) монолиты с эффективностью 13000-32000 ТТ/м по удерживаемым низкомолекулярным веществам.

Применение полученных монолитов

Возможность применения полученных монолитов в анализе изучили на примере определения консервантов (сорбата и бензоата) в напитках. Для анализа использовали колонку Э-15#3. В указанных на рис. 11 условиях монолит позволяет разделить пики консервантов до базовой линии; продолжительность анализа равна 6 мин.

О 1 2 3 4 5 6 t, мин 0 1 2 3 4 5 6 t, мин

Рис. 11. Хроматограммы стандартного раствора сорбата калия и бензойной кислоты (по 200 мг/л) (а); напитка Bort Aqua Viva (б); напитка Coca-Cola, разбавленного водой в соотношении 6:4 (в); напитка Coca-Cola light (г). Колонка Э-15#3 (150 х 3 мм). ПФ 0.5% раствор Н3РО4/АН (65:35), 0.5 мл/мин, 25°С. Ар - 80 бар. Объем пробы 1 мкл. Детектирование при X = 230 нм. Пики: сорбиновая кислота (1), бензойная кислота (2).

Таблица 12. Результаты определения консервантов в образцах напитков и проверки правильности методом «введено-найдено» (п = 3,Р = 0.95)

Напиток Консервант и уравнение градуировочной функции

Сорбаг калия 5п„ка = (4.16 ±0.02) X с Бензойная кислота ^„„«а = (10.35 ± 0.02) X с

Введено, мг/л Найдено, мг/л Введено, мг/л Найдено, мг/л ЇДС)

Bon Aqua Viva 250 205 ±7 451 ±7 0.01 0.007 250 140 ±2 392 ±2 0.006 0.002

Coca-Cola 33.3 133 333 H.O.* 33 ±5 130 ±5 330 ±5 0.06 0.02 0.006 33.3 133 333 и.о.* 33 ± 1 132 ±2 333 ± 1 0.02 0.004 0.002

Coca-Cola light - Н.О.* - - 137.7 ±0.8 0.002

Примечание. Диапазон линейности градуировочных функций 5-600 мг/л, т = 1,г> 0.999. * не обнаружено.

В табл. 12 приведены характеристики использованного способа определения и результаты анализа напитков. Все напитки содержат консерванты, указанные производителями на этикетках бутылок. Методом «введено-найдено» подтверждена правильность анализа. Таким образом, поли(ДВБ-ВЭБ-ГЭМА) монолиты Э-15 можно применять для определения низкомолекулярных веществ.

выводы

1. Внутри стеклянных трубок размером 150x3мм синтезированы поли(ДВБ-ВЭБ) монолитные сорбенты. Показано, что повышение доли толуола в смеси с ДДЛ и повышение температуры синтеза снижает проницаемость монолитов и увеличивает их эффективность. Показана возможность синтеза монолитов при температуре 40°С с использованием инициатора ЦПК. Установлено, что замена АИБН на эквимолярное количество ЦПК снижает конверсии мономеров и устойчивость монолитов в работе. Наилучшая монолитная колонка получена с инициатором АИБН при 60°С и имеет проницаемость 2.9 х 10~14 м2 и эффективность до 1.8 х 104 ТТ/м при разделении низкомолекулярных веществ.

2. Установлено, что введение гидроксиалкилметакрилатов в состав поли(ДВБ-ВЭБ) монолитов позволяет увеличить эффективность колонок. Увеличение доли ГЭМА в смеси мономеров с 10 до 15 мол.% приводит к уменьшению проницаемости монолитов на два порядка (с 1.1 х 10~12 до 1.7 х 10~|4м2). При этом эффективность возрастает с 3.3 х 1035.0 х 103 до 7.1 х 103—2.0 х 104 ТТ/м по удерживаемым веществам.

3. Установлено, что замена ГЭМА на ГПМА или ГБМА слабо влияет на эффективность и селективность монолитов. При этом использование 13-15 мол.% ГБМА вместо ГЭМА позволяет в 1.6-2.5 раза повысить проницаемость монолитов. Замена ГЭМА на ГПМА снижает проницаемость в 1.3 раза.

4. Изучено влияние температуры при разделении на характеристики поли(ДВБ-ВЭБ-ГЭМА) монолита. Установлено, что повышение температуры с 25°С до 80°С позволяет в 1.8 раза увеличить эффективность колонки и снизить продолжительность разделения в 3.5 раза.

5. Показано, что полимеризация под давлением азота улучшает форму хроматографических пиков и эффективность колонок по сравнению с синтезом без дополнительного давления. Под давлением 3 бар внутри стальных трубок размером 100 х 4.3 мм синтезированы поли(ДВБ-ВЭБ-ГЭМА) монолиты с эффективностью до 3.2 х 104 ТТ/м по удерживаемым низкомолекулярным веществам.

6. Показано, что поли(ДВБ-ВЭБ-ГЭМА) монолитные колонки могут быть использованы для экспрессного определения консервантов в напитках.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:

1. Smirnov K.N., Dyatchkov I.A., Telnov M.V., Pirogov A.V., Shpigun O.A. Effect of monomer mixture composition on structure and chromatographic properties of poly(divinylbenzene-co-ethylvinylbenzene-co-2-hydroxyethyl methacrylate) monolithic rod columns for separation of small molecules. // J. Chromatogr. A. 2011. V. 1218. № 30. P. 5010-5019.

2. Смирнов K.H., Дьячков H.A., Пирогов A.B., Шпигун O.A. Влияние давления при синтезе на хроматографические свойства монолитных колонок на основе сополимера дивинилбензола, винилэтилбензола и 2-гидроксиэтилметакрилата. // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 2. Химия. 2011. Т. 52. №6. С. 426-431.

3. Смирнов К.Н., Дьячков И.А., Пирогов A.B., Шпигун O.A. Синтез и хроматографические свойства монолитных колонок на основе сополимеров дивинилбензола и винилэтилбензола с гидроксиапкилметакрилатами. // Сорбционные и хроматографические процессы. 2012. Т. 12. № 2. С. 196-204.

4. Смирнов К.Н., Дьячков И.А., Пирогов А.В., Шпигун О.А. Синтез и исследование хроматографических свойств монолитных неподвижных фаз для обращенно-фазовой ВЭЖХ. / Тез. докладов Всероссийской конференции «Теория и практика хроматографии. Хроматография и нанотехнологии», Самара, 6-10 июля 2009 г. С. 195.

5. Смирнов КН., Дьячков И.А., Тельное М.В. Влияние состава мономерной смеси на хроматографические свойства монолитных колонок на основе сополимера дивинилбензола, этилстирола и 2-гидроксиэтилметакрилата. / Тез. докладов XVII Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов», Москва, 12-15 апреля 2010 г. Электронный носитель.

6. Smirnov K.N., Dyatchkov I.A., Telnov M.V., Pirogov A.V., Shpigun О.А. Effect of monomer mixture composition on separation of small molecules using poly(divinylbenzene-co-ethylvinylbenzene-co-2-hydroxyethyl methacrylate) monolithic rod columns. / Book of abstracts of the 28th International Symposium on Chromatography, Valencia, Spain, September, 12-16, 2010. P. 374.

7. Смирнов K.H., Дьячков И.А., Пирогов A.B., Шпигун О.А. Влияние давления при синтезе на свойства полимерных монолитных колонок для хроматографического разделения низкомолекулярных органических веществ. / Тез. докладов Всероссийской конференции «Аналитическая хроматография и капиллярный электрофорез», Краснодар, 26 сентября -1 октября 2010 г. С. 29.

8. Смирнов КН., Дьячков И.А. Монолитные колонки для обращенно-фазовой хроматографии на основе сополимеров дивинилбензола с винилэтилбензолом и гидроксиалкил-метакрилатами. / Материалы Международного молодежного форума «Ломоносов-2011». Секция «Химия», Москва, 11-15 апреля 2011 г. С. 67.

9. Smirnov K.N., Dyatchkov I.A., Pirogov A.V., Shpigun О.А. Monolithic columns based on copolymers of divinylbenzene with ethylvinylbenzene and hydroxyalkyl methacrylates for reversed-phase chromatography of small molecules. / Book of abstracts of the 36th International Symposium on High-Performance Liquid Phase Separations and Related Techniques, Budapest, Hungary, June, 19-23,2011. P2-G-472-TH. Электронный носитель.

Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю д.х.н. А.В. Пирогову, чл.-корр. РАН, проф. О.А. Шпигуну, к.х.н. АД. Смоленкову и И.А. Дьячкову за постоянное внимание, помощь в работе и обсуждении результатов. Автор благодарит: д.х.н. А.В. Иванова, к.х.н. А.В. Смирнова, к.х.н. Л.И. Родионову и к.х.н. Е.Е. Князеву за помощь в организации, проведение измерений и помощь в обсуждении результатов НТСА на монолитах; K.X.H. А.В. Гаршева за исследование монолитов методом СЭМ; к.х.н. С.М. Матусову за подаренную книгу «Monolithic materials: preparation, properties and applications».

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант Яг 10-03-00215-а).

Заказ № 68-р/05/2013 Подписано в печать 24.05.2013 Тираж 110 экз. Усл. п.л. 1.2

ООО "Цифровичок", тел. (495) 649-83-30 www.cfr.ru; е-тай:zak@cfr.ru

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Химический факультет

на правах рукописи

04201358071

Смирнов Константин Николаевич

Синтез и хроматографические свойства новых монолитных неподвижных фаз для обращенно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии

Специальность — 02.00.02 — Аналитическая химия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель: д.х.н., в.н.с. А.В. Пирогов

Москва 2013

СОДЕРЖАНИЕ

С.

Список используемых сокращений.................................................................................5

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................................7

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................................11

Глава 1. Макропористые монолиты: основные характеристики и преимущества перед зернистыми сорбентами.......................................................................................11

1.1. Морфология монолитов.....................................................................................12

1.2. Гидродинамическая проницаемость монолитных колонок............................14

1.3. Эффективность монолитных колонок..............................................................18

Глава 2. Монолиты на основе силикагеля.....................................................................23

2.1. Синтез силикагелевых монолитов....................................................................23

2.2. Хроматографические свойства монолитов на основе силикагеля.................26

Глава 3. Синтез и свойства полимерных монолитов...................................................30

3.1. Свободпорадикальная полимеризация.............................................................30

3.1.1. Основные закономерности синтеза..........................................................30

3.1.2. Приготовление и свойства капиллярных колонок..................................35

3.1.3. Особенности синтеза и свойства монолитов диаметром более 2 мм.... 49

3.2. Полимеризация с обратимой дезактивацией радикалов.................................55

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ...............................................................................60

Глава 4. Реагенты, оборудование, методика эксперимента........................................60

4.1. Реагенты и материалы........................................................................................60

4.2. Оборудование......................................................................................................62

4.3. Методика эксперимента.....................................................................................63

4.3.1. Подготовка внутренней поверхности стеклянных трубок перед синтезом................................................................................................................63

4.3.2. Синтез монолитов.......................................................................................63

4.3.3. Определение степени превращения мономеров......................................65

4.3.4. Изучение хроматографических свойств монолитных колонок.............66

4.3.5. Определение гидродинамической проницаемости колонки..................67

4.3.6. Определение полной пористости монолитов..........................................68

4.3.7. Измерение низкотемпературной сорбции азота на монолитах.............68

4.3.8. Изучение монолитов методом сканирующей электронной микроскопии.........................................................................................................69

4.3.9. Определение консервантов в напитках....................................................69

Глава 5. Монолиты на основе сополимера дивинилбензола и випилэтилбензола... 72

5.1. Монолиты, полученные с инициатором 2,2'-азо-бисизобутироиитрилом.... 72

5.1.1. Гидродинамическая проницаемость и полная пористость....................73

5.1.2. Низкотемпературная сорбция азота.........................................................77

5.1.3. Хроматографические свойства.................................................................80

5.1.4. Механическая устойчивость колонок в водно-ацетонитрилышх подвижных фазах..................................................................................................87

5.2. Монолиты, полученные с инициатором дициклогексилперокси-дикарбонатом..............................................................................................................89

5.2.1. Зависимость конверсии мономеров от температуры синтеза................91

5.2.2. Гидродинамическая проницаемость и полная пористость....................91

5.2.3. Хроматографические свойства.................................................................93

Глава 6. Монолиты на основе сополимеров дивинилбензола и винилэтилбензола с гидрофильными мономерами.........................................................................................97

6.1. Монолиты на основе сополимеров дивинилбензола и винилэтилбензола с 2-гидроксиэтилметакрилатом...................................................................................97

6.1.1. Конверсии мономеров................................................................................98

6.1.2. Морфология монолитов.............................................................................99

6.1.3. Гидродинамическая проницаемость и полная пористость..................103

6.1.4. Низкотемпературная сорбция азота.......................................................105

6.1.5. Хроматографические свойства...............................................................108

6.1.6. Влияние продолжительности синтеза на свойства монолитов............115

6.2. Влияние структуры гидроксиалкилметакрилата на свойства монолитов... 116

6.3. Монолиты на основе сополимеров дивинилбензола и винилэтилбензола с акрилонитрилом.......................................................................................................120

6.4. Влияние температуры при разделении па эффективность и селективность полученных монолитов...........................................................................................121

6.5. Влияние давления при синтезе на свойства монолитов................................125

6.6. Применение полученных монолитов в анализе.............................................132

ВЫВОДЫ.......................................................................................................................135

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............................................................................................137

ПРИЛОЖЕНИЕ.............................................................................................................158

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АИБН 2,2'-азо-бисизобутиронитрил

АН ацетонитрил

БВФЭ 1,2-бис(4-винилфенил)этан

БД Л бу танд ио л -1,4

БДХ Баррет, Джойнер и Халенда

БМА бутилметакрилат

БЭТ Брунауэр, Эммет и Теллер

4-ВП 4-вииилпиридин

ВЭБ винилэтилбензол

ВЭЖХ высокоэффективная жидкостная хроматография

ВЭТТ высота, эквивалентная теоретической тарелке

ГБМА гидроксибутилметакрилат

ГМА глицидилметакрилат

ГПМЛ гидроксипропилметакрилат

ГХ/МС газовая хромато-масс-спектрометрия

ГЭМА 2-гидроксиэтилметакрилат

ДВБ дивинилбензол

ДДЛ додеканол-1

ДМА диметакрилат

ДМФ диметилформамид

ДФПГ 2,2-дифенил-1-пикрилгидразил

А^Д-ДЭА А^/У-диэтиланилин

ЛМА лаурилметакрилат

МА метакрилат

МНК метод наименьших квадратов

МСт 4-метилстирол

н.д. нет данных

н.у. нормальные условия (0°С, 101325 Па)

НТСА низкотемпературная (Г= 77 К) сорбция азота

НФ неподвижная фаза

ОВ окислительно-восстановительный

ОДР обратимая дезактивация радикалов

ОДС октадецилсиликагель

ОПЦ обратимая передача цепи

ОФ обращенно-фазовый

ПДМС полидиметилсилоксан

ППЛ пропаиол-1

ПФ подвижная фаза

ПЭО полиэтиленоксид

ПЭЭК поли(эфир-эфир-кетои)

СМА стеарилметакрилат

Ст стирол

ТГФ тетрагидрофуран

ТМБ 1,3,5-триметилбензол

ТМОС тетраметоксисилан

ТМПА 3-(триметоксисилил)пропилакрилат

ТМПМА 3-(триметоксисилил)пропилметакрилат

ТТ теоретическая тарелка

ТФУК трифторуксусная кислота

ТЭАА триэтиламмония ацетат

УФ ультрафиолетовый

ХМС хлорметилстирол

ЦГЛ циклогексанол

ЦПК дициклогсксилпероксидикарбонат

ЧТТ число теоретических тарелок

ЭДМА этиленгликольдиметакрилат

ЭХ эксклюзионная хроматография

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В связи постоянным повышением требований к экспрессности химического анализа и расширением круга определяемых веществ важными направлениями развития ВЭЖХ являются увеличение эффективности хроматографических колонок и снижение продолжительности разделения. Па протяжении истории метода основным подходом в данных направлениях было уменьшение размера частиц зернистых сорбентов. Однако применение мелкодисперсных сорбентов снижает гидродинамическую проницаемость колонки и увеличивает давление, требуемое для прокачивания через нее подвижной фазы.

Альтернативный подход заключается в использовании монолитных неподвижных фаз. Возможность гибко варьировать пористую структуру сорбента позволяет получать монолитные колонки, одновременно характеризующиеся высокой проницаемостью и эффективностью. Это позволяет проводить разделение веществ при высокой скорости потока элюента и умеренном давлении в хроматографе, сократить продолжительность анализа в несколько раз.

Монолиты па основе сшитых органических полимеров успешно применяют для экспрессного разделения биологических макромолекул в режиме градиентного элюирования. Разнообразие мономеров и условий синтеза позволяет варьировать химию поверхности полимерных сорбентов и использовать их для различных вариантов ВЭЖХ макромолекул. В то же время синтез полимерных монолитов (прежде всего обращепно-фазовых) для изократического разделения смесей низкомолскулярных органических веществ является актуальной задачей. Ее решению в последние годы было посвящено большое число работ, однако в подавляющем большинстве случаев монолиты синтезировали внутри кварцевых капилляров внутренним диаметром <1 мм. Это обусловлено главным образом простотой прикрепления монолига к стенке капилляра. Для работы с капиллярными колонками требуются хроматографы, имеющие очень низкие объемы жидкостного тракта и вносящие минимальный вклад в уширение хроматографических пиков, поэтому актуальным представляется поиск путей получения полимерных монолитов для ВЭЖХ низкомолекулярных органических веществ в трубках обычных аналитических размеров (X = 50-250 мм, ¿4 = 2.14.6 мм).

Цель работы состояла в получении методом радикальной полимеризации новых монолитных колонок обычных аналитических размеров (£= 100-150 мм, с1с = 3-4.6 мм) для обращенно-фазовой ВЭЖХ низкомолекулярных органических веществ.

Достижение поставленной цели предусматривало решение следующих задач:

• подбор состава полимеризационной смеси (мономеры, порогены, инициатор) и условий синтеза (температура, продолжительность), обеспечивающих: надежный контакт монолита со стенками колонки и его механическую устойчивость; приемлемую гидродинамическую проницаемость; радиальную однородность монолита; высокую эффективность и селективность в обращенно-фазовом режиме при разделении низкомолекулярных веществ;

• изучение влияния давления при синтезе на характеристики монолитов;

• изучение влияния условий разделения (состав и скорость элюента, температура колонки) па эффективность и селективность получаемых колонок по отношению к низкомолекулярным веществам;

• оценка воспроизводимости и стабильности характеристик синтезируемых монолитов.

Научная новизна. Внутри стеклянных и стальных трубок обычных аналитических размеров получены монолитные сорбенты на основе сополимера дивинилбензола (ДВБ) и випилэтилбензола (ВЭБ), а также поли(ДВБ-ВЭБ) с добавкой гидроксиалкилметакрилатов.

Найдены условия синтеза (состав порогена, инициатор, температура), позволяющие получить поли(ДВБ-ВЭБ) монолиты с эффективностью 7.5 х 1031.8 х 104 ТТ/м при разделении низкомолекулярных веществ.

Установлено, что введение гидроксиалкилметакрилатов в состав поли(ДВБ-ВЭБ) монолитов позволяет увеличить эффективность колонок. Показано, что увеличение доли 2-гидроксиэтилметакрилата (ГЭМА) в смеси мономеров снижает проницаемость и повышает эффективность монолитов. Оптимальная доля ГЭМА составляет 15 мол.%. Установлено, что использование 13-15 мол.% гидроксибутилметакрилата вместо ГЭМА позволяет в 1.6-2.5 раза повысить проницаемость монолитов.

Показано, что давление при синтезе монолитных колонок стандартного аналитического диаметра является важным параметром, небольшое изменение которого существенно влияет на хроматографические характеристики колонок. Полимеризация под давлением азота улучшает форму хроматографических пиков и эффективность колонок по сравнению с синтезом без дополнительного давления.

Показано, что в отличие от капиллярных монолитных колонок снижение продолжительности полимеризации и существенное уменьшение конверсии мономеров относительно 100% не могут служить для улучшения характеристик монолитов диаметром несколько миллиметров.

Показано, что повышение температуры с 25°С до 80°С позволяет в 1.8 раза увеличить эффективность поли(ДВБ-ВЭБ-ГЭМА) колонки и снизить продолжительность разделения в 3.5 раза.

Практическая значимость. Получен ряд монолитных сорбентов для обращенно-фазовой хроматографии низкомолекулярных веществ. Найдены условия синтеза монолитов с различными гидродинамическими свойствами, селективностью и эффективностью. Максимальная эффективность составляет 3.2 х 104 ТТ/м для поли(ДВБ-ВЭБ-ГЭМА) монолита размером 100 х 4.3 мм.

Определены области практического применения полученных монолитных колонок. Показано, что синтезированные монолиты могут быть использованы в ВЭЖХ для экспрессного определения низкомолекулярных веществ (консервантов в напитках).

На защиту выносятся следующие положения:

• результаты изучения влияния состава порогена, природы инициатора и температуры синтеза на хроматографические характеристики поли(ДВБ-ВЭБ) монолитов;

• результаты изучения влияния доли ГЭМЛ в мономерной смеси на структуру и хроматографические свойства поли(ДВБ-ВЭБ-ГЭМА) монолитов;

• данные о влиянии давления при синтезе па хроматографические свойства поли(ДВБ-ВЭБ-ГЭМА) монолитных колонок;

• данные о влиянии структуры гидроксиалкилметакрилатов па хроматографические свойства монолитных колонок;

• данные о влиянии температуры при разделении на хроматографические свойства поли(ДВБ-ВЭБ-ГЭМА) монолитной колонки;

• результаты применения полученных колонок в анализе.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на Всероссийской конференции «Теория и практика хроматографии. Хроматография и паиотехнологии» (Самара, 2009), XVII и XVIII Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2010, 2011), 28th International Symposium on Chromatography (Валенсия, Испания, 2010), Всероссийской конференции «Аналитическая хроматография и капиллярный электрофорез» (Краснодар, 2010), 36th International Symposium on High-Performance Liquid Phase Separations and Related Techniques (Будапешт, Венгрия, 2011).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 3 статьи и 6 тезисов докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав обзора литературы, трех глав экспериментальной части, общих выводов, списка цитируемой литературы и приложения. Материал изложен на 157 страницах машинописного текста (без приложения), содержит 52 рисунка и 33 таблицы. В списке цитируемой литературы 202 публикации. Приложение включает 7 рисунков на 7 страницах.

Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю д.х.н. A.B. Пирогову, чл.-корр. РАН, проф. O.A. Шпигупу, к.х.н. А.Д. Смоленкову и И.А. Дьячкову за постоянное внимание, помощь в работе и обсуждении результатов. Автор благодарит: д.х.н. A.B. Иванова, к.х.н. A.B. Смирнова, к.х.н. Л.И. Родионову и к.х.н. Е.Е. Князеву за помощь в организации, проведение измерений и помощь в обсуждении результатов низкотемпературной сорбции азота на монолитах; к.х.н. A.B. Гаршева за исследование монолитов методом сканирующей электронной микроскопии; к.х.н. С.М. Матусову за подаренную книг>' «Monolithic materials: preparation, properties and applications».

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 10-03-00215-а).

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Глава 1. Макропористые монолиты: основные характеристики и преимущества перед зернистыми сорбентами

Монолитный сорбент представляет собой единый блок материала, имеющего систему взаимосвязанных пор [1]. Согласно номенклатуре ИЮПАК [2] различают макро-, мезо- и микропоры с диаметрами >50, 2-50 и <2 им соответственно. Необходимым условием применимости монолита в ВЭЖХ является наличие в его структуре макропор шириной >0.3-0.5 мкм, которые, как пустоты между частицами в наполненных зернистыми сорбентами колонках, обеспечивают протекание подвижной фазы (ПФ) через колонку. По способу формирования проточных пор методы получения пористых монолитов можно разделить па следующие группы:

• полимеризация (или поликонденсация) пизкомолекулярных прекурсоров в присутствии растворителей-порогепов, приводящая к разделению первоначально гомогенной системы на две взаимопроникающие фазы. Твердая фаза образует собственно монолит, растворитель заполняет его поры [1, 3-6];

• скрепление предварительно синтезированных неорганических или полимерных частиц путем сплавления или спекания либо за счет химических превращений дополнительных связующих компонентов. Образующиеся макропоры представляют собой пустоты между частицами. Форма, размер и удельный объем макропор определяются формой, размером и взаимным расположением иммобилизованных частиц [1,3, 7];

• полимеризация компонентов диспсрсиоппой среды двухфазной системы с последующим удалением дисперсной фазы. Размеры и форма макропор задаются частицами дисперсной фазы (твердыми частицами, каплями эмульсии). Непрерывность системы пор обеспечивается высокой концентрацией дисперсной фазы, при которой частицы находятся в контакте друг с другом [1, 6, 8, 9].

К макропористым монолитам также можно отнести чипы с упорядоченной структурой, получаемые с помощью м