ПРИМЕНЯЛИ ЛИ ХРОМАТОГРАФИЮ ДО ЦВЕТА

Свойства почвы поглощать некоторые вещества были известны, по-видимому, ещеАристотелю, чьи высказывания М. С. Цвет цитирует в своей работе. Первым, кто занимался детальным изу­чением адсорбции, был Т. Ловиц; он предложил использовать древесный и костяной уголь для очистки воды и различных орга­нических веществ, в том числе спирта. Его работы относятся к 1785г.

В результате поисков в старой литературе английские химики Уильяме и Утл выяснили, что в 1847г. была описана колонка для отделения растворенных веществ от растворителей. Три года спустя Уэйл писал о разделении неорганических веществ при фильтрации растворов через некоторые виды почв. Уильяме и Уэйл считают, что здесь осуществлялась ионообменная хрома­тография (о которой мы будем говорить и позже). К этому же времени относятся и первые попытки использования адсорбции для очистки сланцевой смолы отбеливающими глинами. В 1886г. Энглер и Бем для обесцвечивания нефти применяли ад­сорбционные батареи, заполненные углем. Далее следуют уже описанные исследования Дея, Квитки, Энглера и Альбрехта.

Другое направление развития элементов хроматографии в доцветовский период связано с так называемым капиллярным анализом —предшественником хроматографии на бумаге.

 

Не­мецкий химик Ф. Рунге в своей книге «Химия красителей» и дру­гих работах отмечал,. чтокапля окрашенной смеси жидкостей помещенная на ткань или бумагу (обычную либо фильт­ровальную), образует самопроизвольно растущее пятно, причем интенсивность окрас­ки уменьшается от центра к периферии. Рунге опубликовал сборники таких картин, которые иллюстрируют расслаивание компонентов растворов, нанесенных на бумагу.

Позднее аналогичные исследования проводили X. Шелбайн и Ф. Гоппельсредер, которые детально разработали метод капил­лярного анализа. Последний из этих авторов работал над своим методом более полувека, используя его для концентрирования составляющих различных пигментов растительного происхож­дения, а также других природных веществ.

Сейчас мы можем констатировать, что капиллярный анализ близок к диффузионно-хроматорафическому методу, причем диффузия молекул, а также движение за счет капиллярных сил идут врадиальных направлениях, а «тормозящей силой» для каждого из компонентов является сила его адсорбции бумагой. Разумеется, такой метод очень малоэффективен по сравнению с современными вариантами хроматографии на бумаге, когда по полоске специальной бумаги движется растворитель, который, как и в колоночном варианте, служит проявителем. Вследствие различной сорбции компонентов первоначально нанесенное на бумагу пятно по мере продвижения по полоске бумаги расслаи­вается на несколько пятен, продвигающихся с разными скоростями. Следует иметь в виду, что авторы метода капиллярного ана­лиза, как и Дей, не учитывали роли адсорбционных явлений, а считали основной причиной разделения только диффузию. Лишь после опубликования работ Цвета они стали называть свой метод также адсорбционным. Капиллярный анализ оказал­ся лишь блоком, который в сороковых годах нашего столетия смог войти в уже воздвигнутое к тому времени здание хромато­графии. Таким же образом в здание хроматографии вошли и дру­гие «кирпичики» и «блоки», однако авторство М. С. Цвета не подлежит сомнению. Особенно громко это было подтверждено на торжественном форуме в мае 1972г., посвященном столетию со дня рождения М.С. Цвета. Тогда в Ленинграде в Тавриче­ском дворце собрались тысячи ученых и специалистов из многих стран мира. И совсем недавно, в марте 1978г., мировая обще­ственность широко отмечала семидесятипятилетние хроматографического метода и, конечно, вновь было сказано много благо­дарственных слов в адрес ею создателя- М.С. Цвета.

РАЗВИТИЕ, СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И НОВЫЕ ВАРИАНТЫ МЕТОДА

После возрождения хроматографии, в тридцатых годах, наряду с широким использованием того варианта, который был предло­жен Цветом и признан классическим,— проявителъного варианта жидкостно-адсорбцыонной хроматографии, и его усовершенство­ванием стали возникать и развиваться новые варианты метода. Прежде всею был устранен существенный недостаток классиче­ского варианта. Дело в том, что Цвет получал хроматограмму на слое сорбента, поэтому для выделения разделенных веществ ему приходилось извлекать адсорбент из колонки и экстрагиро­вать вещества. Таким образом, перед каждым анализом колонку нужно было заново заполнять адсорбентом. Японский ученый В. Кошара, в отличие от Цвета, после проявления зон на сорбен­те продолжал подачу проявителя до тех пор, пока все разде­ленные вещества не выходили поочередно из колонки. Так была получена жидкая хроматограмма. или хроматограмма в элюате

 

(в потоке, выходящем из колонки). Преимущества этого способа очевидны: во-первых, в руках у исследователя оказываются рас­творы каждого из разделенных веществ в проявителе, во-вторых, после окончания одного анализа в колонку можно сразу (или, ес­ли это необходимо, после отдувки растворителя воздухом) вво­дить следующую пробу.

В 1940г. шведский ученый А. Тизелиус разработал фрон­тальный и вытеснителъный методы хроматографического ана­лиза. С фронтальным вариантом мы уже познакомились; он от­личается чем, что исследуемая смесь подается в колонку непрерывно. Этот метод наиболее близок к природным хроматографическим процессам.

Вытеснительный метод основан на том, что более сильно ад­сорбирующееся вещество

вытесняет с поверхности адсорбента слабо адсорбирующееся и занимает его место. Поэтому после введения в колонку определенного количества анализируемой пробы начинают подавать вытеснитель- жидкость, адсорби­рующуюся сильнее всех компонентов смеси. Тогда зоны компо­нентов распределяются на слое по степени адсорбируемости и каждое последующее вещество, вытесняя предыдущее, про­толкнет его вперед. Такой метод позволяет сконцентрировать компоненты на слое адсорбента и поэтому удобен, в частности, при определении примесей. Однако в общем случае он никак не может конкурировать с проявительным вариантом.

Одновременно хроматография развивалась и в других напра­влениях. Так, были разработаны бумажная и тонкослойная хро­матография. Широкое распространение получила ионообменная хроматография, основанная на обратимой химической реак­ции— обмене катионами или анионами между анализируемыми веществами и адсорбентом. Способность к такому обмену у раз­личных веществ различна, поэтому-то по мере проявления смеси на колонке и происходит разделение. Здесь, как и в адсорбцион­ной хроматографии, используются фронтальный и проявительный методы.

Специальные ионообменные сорбенты (сульфированный уголь, соответствующим образом обработанная окись алюми­ния, синтетические ионообменные смолы) применяют с целью опреснения питьевой воды, очистки воды для паровых котлов и ядерных реакторов, а также в различных областях пищевой и химической промышленности.

Ионообменная хроматография широко используется в анали­тической и препаративной химии, в частности, для разделения щелочных, редкоземельных и трансурановых элементов. Извест­но, например, что этот метод использован учеными, занимавши­мися во время войны созданием атомной бомбы («Манхэттенский проект»), а также в последующие годы—специалистами, работающими в области синтеза новых элементов и получения ядерной энергии. Поскольку разделяемые и анализируемые ве­щества радиоактивны, в качестве детектора применяют счетчик радиоактивности. При этом на хроматограмме получаются сиг­налы даже тогда, когда в смеси содержится всего несколько ато­мов того или иного элемента. Таким образом, был идентифици­рован элемент № 101- менделевий (Мd).

В 1938г. работами советских ученых Н. А. Измайлова и М.С.Шрайбер было положено начало методу тонкослойной хроматографии, который до сих пор широко применяется в хи­мико-фармацевтической промышленности и биологии в этом методе вместо колонки используют стеклянную пластинку, на которую наносят тонкий слой порошкообразного адсорбента, например окиси алюминия. Каплю анализируемой смеси нано­сят на этот слой, а край пластинки смачивают растворителем, ко­торый, проходя через слой адсорбента, транспортирует пробу; при этом, как в колонке, «проявляется» хроматограмма. Этот ме­тод можно использовать и для выделения более или менее значи­тельных количеств веществ, тогда слой адсорбента делают более толстым, такой вариант метода получил название «препаративно-слойная хроматография».

Однако наиболее крупным скачком в развитии хроматогра­фии после основополагающих работ М. С. Цвета считают со­здание методов распределительной хроматографии английским химиком А. Мартином и его сотрудниками Р. Сингом и А. Джемсом. В 1941г. была опубликована работа Мартина и Синга, в которой описан метод разделения аминокислот на ко­лонке с силикагелем, пропитанным водой; проявителем служили органические растворители. В этом методе основным процессом оказалась не адсорбция, а растворение веществ неподвижной фа­зой (в данном случае водой), точнее— распределение анализируемого вещества между двумя жидкостями: неподвижной (водой) и подвижной (органическим растворителем). Именно различие в распределении компонентов смеси между жидкостями и опре­деляет разделительную способность метода.

Какие же достоинства имеет распределительный вариант хро­матографии перед адсорбционным? Во-первых, используемый адсорбент может химически взаимодействовать с некоторыми из разделяемых веществ (вспомним, возражения биологов против метода Цвета). Неподвижную жидкость можно подбирать так, чтобы полностью устранить эту опасность. Во-вторых, даже если химической реакции нет, адсорбент может настолько сильно по­глотить некоторые из компонентов смеси, что проявить или вы­теснить их очень трудно. Недаром уже Цвет старался использо­вать слабые адсорбенты типа мела. Замена адсорбента непод­вижной жидкостью позволяет «ослабить» сорбцию и таким образом расширить круг анализируемых веществ. В-треть­их, адсорбенты трудно стандартизировать, их свойства могут из­меняться от партии к партии, поэтому исследователю бывает нелегко получать одинаковую степень разделения и «узнавать», идентифицировать вещества по положению их зон на хромато­грамме. В распределительной хроматографии можно применять чистые индивидуальные жидкости и это позволит добиться так называемой межлабораторной воспроизводимости, то есть близ­ких результатов у разных исследователей. Наконец, в-четвертых, варьируя неподвижными и подвижными жидкостями, можно ис­пытывать самые разнообразные их сочетания и получать систе­му с такой разделяющей способностью, которая была бы наи­лучшей для каждой конкретной аналитической задачи.

За разработку распределительной хроматографии и раз­личных ее вариантов Мартин и Синг в 1952г. были удостоены Нобелевской премии.

В 1944г. А. Мартин вместе со своими сотрудниками Р. Консденомп А. Гордоном, также на примере разделения ами­нокислот, предложил распределительный вариант хроматогра­фии на бумаге (бумага была пропитана водой).

Примерно в это же время развивался и классический жид­костный адсорбционный метод, его успех был связан с использованием, как для анализа, так и для очистки нефтепродуктов

 

В течение 40 лет, с 1927 по 1967г., в США в Аме­риканском нефтяном инсти­туте велась работа по деталь­ному исследованию «предста­вительной» нефти (скважина № 6 месторожденияПонка-Сити, штат Оклахома). При этом было разработано и усо­вершенствовано большое число самых разных методов исследо­вания. С 1943г. стали использовать и жидкостно-адсорбционную хроматографию. Хроматографическое разделение бензинов проводили на пяти колонках длиной по 16 м и внутренним диа­метром 18мм. В качестве адсорбента использовали силикагель, а подвижной фазы (вытеснителя)—спирт. К 1960г. было выделе­но и исследовано 175 индивидуальных углеводородов. Вот еще одно яркое опровержение слов Вильштеттера о том, что хрома­тография якобы не подходит для препаративной работы. Кроме того, эти работы еще раз доказали, что нефть и продукты ее пере­работки являются прекрасным объектом для хроматографических исследований. Действительно, только с помощью хроматографических методов можно разделить такие сложные смеси, какой является нефть. К тому же исследование сложных объек­тов стимулирует развитие метода, повышение четкости разделе­ния веществ. Недаром многие теоретики хроматографии были связаны с нефтяной промышленностью и разрабатывали общие теоретические проблемы на примере разделения углеводородов. Интересно, что именно нефтяники впервые применили к хро­матографии концепцию теоретических тарелок, позаимствовав

ее из теории ректификации. Как мы увидим в следующей главе, и сейчас эффективность хроматографической колонки опреде­ляют числом теоретических тарелок

Оценивая важность работ по исследованию нефти Понка-Сити, мы можем с уверенностью сказать, что их методические раз­работки, усовершенствованные затем другими исследователями, сохранили свою актуальность и сейчас.

И, наконец, говоря об использовании жидкостной хромато­графии в нефтяной промышленности, нельзя неотметить, что многие технологические процессы адсорбционной очистки сма­зочных масел и топлив, а также выделения ароматических угле­водородов могут быть частично или полностью отнесены к чис­лу хроматографических процессов.