Ионообменная, иоиная, ион-парная хроматографии

В основе методов ионообменной, ионной и ион-парной хроматографии лежит динамический процесс замещения ионов, связанных с неподвижной фазой, ионами элюента, поступающими в колонку. Основная цель хромато­графического процесса — разделение органических или неорганических ио­нов с зарядом одного и того же знака. Удерживание в этих видах хромато­графии определяется изменением свободной энергии реакции ионного обме- на. Соотношение концентраций обменивающихся ионов в растворе и в фазе сорбента определяется ионообменным равновесием.

Некоторые физико-химические свойства ионообменников. Ионный обмен заключается в том, что некоторые вещества (ионообменники) при по­гружении в раствор электролита поглощают из него катионы или анионы, выделяя в раствор эквивалентное число других ионов с зарядом того же зна­ка. Между катионообменником и раствором происходит обмен катионов, между анионообменником и раствором — обмен анионов. Катионообменни- ки часто представляют собой специально синтезированные полимерные не­растворимые в воде вещества, содержащие в своей структуре ионогенные группы кислотного характера: -S0₃H; -СООН, -ОН, -Р0₃Н₂;

-As0₃H₂. Химические формулы катионообменников схематически можно изобразить следующим образом: RS0₃H; RS0₃Na или просто R-H, R-Na. В первом случае катионообменник находится в Н-форме, во втором — в Na-форме; R — полимерная матрица. Катионообменные реакции записывают как обычные химические гетерогенные реакции.

Анионообменники содержат в своей структуре ионогенные группы ос­новного характера: -N(CH₃)₃; =NH₂; =NH⁺ и др. Их химические форму­лы могут быть изображены как RNH₃OH и RNH₃C1 (или R-OH, R-C1). В первом случае анионообменник находится в ОН-форме, во втором — в Cl- форме.

Известны амфотерные ионообменники, содержащие в своей структуре и кислотные и основные группы. Ионообменники, содержащие однотипные (например, -S0₃) кислотные (основные) группы, называют монофункцио­нальными; ионообменники, содержащие разнотипные (например, -S0₃Hh -ОН) кислотные (основные) группы, — полифункциональными. Характер ионогенных групп легко определить потенциометрическим титрованием (ка- тионообменники титруют щелочью, анионообменники — кислотой). Кривые титрования ионообменников аналогичны кривым титрования растворимых сильных кислот, слабых кислот и их смесей.

Синтетические ионообменники получают реакциями поликонденсации либо полимеризации. Методом поликонденсации чаще получают полифунк- циональные ионообменники, методом полимеризации — монофункциональ­ные. Поликонденсацию или полимеризацию необходимо провести так, чтобы полученные линейные цепи были достаточно разветвлены и связаны друг с другом «мостиками». При получении катионообменников полимеризацион-

ного типа часто в качестве сшивающего агента для создания межцепных (по­перечных) связей применяют дивинилбензол (ДВБ). Пористость (сетчатость) ионообменника определяется степенью сшивания матрицы, которая характери­зуется процентным содержанием ДВБ в полимерной смеси стиролов, исполь­зуемых для синтеза. Процесс сшивания управляем, поэтому можно получать ионообменники нужной пористости. Процент ДВБ обычно составляет от 1 до 16. Наиболее часто используемые ионообменники содержат 4 —9% ДВБ.

Селективность ионного обмена. Ионообменники, содержащие в своей структуре сильнокислотные или сильноосновные группы, вступают в реак­ции обмена с любыми ионами раствора, обладающими зарядом того же зна­ка, что и знак противоиона. Такие ионообменники называют универсальными.

Экспериментально установлены ряды сродства, или селективности, ио­нов по отношению к ионообменникам. Так, при низких концентрациях рас­твора на сильнокислотных катионообменниках ионы с одинаковым зарядом сорбируются в такой последовательности:

Li⁺ < Na⁺ < К⁺ < Rb⁺ < Cs⁺

Mg²⁺ < Ca²⁺ < Sr²⁺ < Ba²⁺

Для ионов с разными по величине зарядами сорбируемость увеличива­ется с увеличением заряда:

Na⁺ < Са²⁺ < А1³⁺ < Th⁴⁺

Для решения практических задачварьируют условия разделения эле­ментов подбором подходящей подвижной фазы (концентрация, pH, ионная сила, состав). Способы достижения селективности различны (например, при­сутствие органического растворителя в подвижной фазе); влияя на устойчи­вость и состав комплексов разделяемых компонентов, можно выделить мно­гие элементы:

 

Повышения селективности ионообменников можно добиться и другими путями. Так, изменяя пористость сорбента, т. е. число поперечных связей в матрице, можно создать ионитовые сита, проницаемые для одних ионов и способные к их обмену и непроницаемые для других. Можно также изменить природу и взаимное расположе­ние ионогенных групп, а также получить сорбенты, способные к селективным хими­ческим реакциям за счет комплексообразовання в фазе ионообменников.

Неподвижные фазы. В ионообменной, ионной и ион-парной хромато­графии в качестве неподвижных фаз используют неорганические и органиче­ские ионообменные материалы. Наибольшее значение имеют синтетические макро- и микросетчатые органические ионообменники. Эти ионообменники имеют большую обменную емкость (3—7 ммоль/г), их используют в класси­ческой ионообменной хроматографии, а также в ионной хроматографии в компенсационных колонках. Микросетчатые ионообменники способны к обмену ионов только в набухшем состоянии, макросетчатые — в набухшем и ненабухшем состояниях. Другим структурным типом ионообменников явля­ются поверхностно-пленочные ионообменники, твердая сердцевина которых изготовлена из сополимеров стирола и дивинилбензола, стекла или силика­геля и окружена тонкой пленкой ионообменника. Толщина пленки порядка 1 мкм, общий диаметр частицы 40 мкм. Недостатком таких сорбентов явля­ется достаточно большой диаметр их частиц и малая емкость из-за низкой удельной поверхности, что вынуждает работать с малыми пробами и высо­кочувствительными детекторами. Эти сорбенты достаточно быстро отравля­ются, их не регенерируют.

Большое распространение в ВЭЖХ получили объемно-пористые сор­бенты с диаметром частиц 5—10 мкм. Поэтому в ионной хроматографии применяют объемно-пористые полистирольные ионообменники с d_p ~ 10 мкм,объемно-пористые кремнеземы с d_p ~ 5—10 мкм, поверхностно-пористые ионообменники, практически не набухающие, емкостью 0,02—0,05 ммоль/г, а также поверхностно-модифицированные ненабухающие сополимеры сти­рола и дивинилбензола с ионогенными сульфо- или аминогруппами емко­стью 0,01—0,2 ммоль/г и диаметром частиц 40—60 мкм. Например, зерно латексного анионообменника состоит из трех слоев. Ядро представляет со­бой инертный сополимер стирола и ДВБ, затем следует катионообменный слой сольватированных сульфогрупп; последний слой (ионогенный) — ами- нированный латекс толщиной 0,1—0,5 мкм.

В ион-парной хроматографии используют «щеточные» сорбенты — силикагели с привитыми обращенными фазами С₂, С₈, С₁₈. Эта фаза легко превращается в катионо- или анионообменник при поглоще­нии из подвижной фазы ионогенных поверхностно-активных веществ, на­пример алкилсульфатов или солей четвертичных аммониевых оснований.

Подвижные фазы. Хроматографические разделения с использованием ионообменников чаще всего проводят в водных растворах, так как вода об­ладает прекрасными растворяющими и ионизирующими свойствами. Под действием воды молекулы пробы мгновенно диссоциируют на ионы, ионо­генные группы ионообменников гидратируются и также переходят в полно­стью или частично диссоциированную форму. Это обеспечивает быстрый обмен противоионов. На элюирующую силу подвижной фазы основное влияние оказывают pH, ионная сила, природа буферного раствора, содержа­ние органического растворителя или поверхностно-активного вещества (ион- парная хроматография).

Кинетика ионного обмена. При ионном обмене происходит перенос противоионов в фазе ионообменника и в растворе к границе раздела фаз и от

нее. Переносу ионов в растворе к поверхности раздела фаз способствует пе­ремешивание. Однако даже при самом эффективном перемешивании раство­ра зерно ионообменника окружено неподвижной жидкой пленкой раствора толщиной примерно 10 ³—10 ² см. Процесс ионного обмена между зернами ионообменника и хорошо перемешиваемым раствором сводится к трем по­следовательным стадиям: диффузия обменивающихся противоионов через стационарную пленку, окружающую зерно ионообменника (пленка Нернста); диффузия их в зерне ионообменника; химический обмен. Последняя стадия протекает практически мгновенно, поэтому ионный обмен рассматривают как чисто диффузионный процесс, скорость которого определяется самой медленной стадией; либо диффузией в пленке (пленочная кинетика), либо диффузией в зерне (гелевая кинетика).

Диффузия в пленке может быть скоростьопределяющей стадией в системе с вы­сокой концентрацией фиксированных ионов, малой степенью поперечной связанно­сти ионообменника, небольшим размером зерен, низкой концентрацией раствора (< 0,01 М). При обмене в концентрированных растворах (> 0,01 М) лимитирующая стадия, как правило, — диффузия в геле. При средних скоростях потока подвижной фазы в колонке и больших значениях коэффициента распределения лимитирующей стадией является диффузия в пленке. При увеличении скорости потока подвижной фазы уменьшается толщина пленки Нернста, скорость массообмена растет. Скорость об­мена в большинстве хроматографических колонок определяется диффузией в зерне.

При использовании поверхностно-пленочных сорбентов с толщиной ио­ногенного слоя 1—3 мкм или поверхностно-модифицированных латексных анионообменников с толщиной ионогенного слоя 0,1—0,5 мкм достигается высокая скорость массопереноса. Связано это с тем, что путь диффузии об­менивающихся ионов чрезвычайно короткий, вклад продольной и вихревой диффузии в размывание хроматографической полосы уменьшается, что и обеспечивает получение высокоэффективных колонок.

 

Ионная хроматография. Это экспрессный метод определения органи­ческих и неорганических ионогенных соединений, сочетающий ионообмен­ное разделение с высокочувствительным кондуктометрическим детектирова­нием. Последнее возможно только при низкой фоновой электропроводности. Используют двух- и одноколоночный варианты.

В основу классического варианта метода положено: элюентное ионооб­менное разделение катионов или анионов в разделяющей колонке, заполнен­ной ионообменником низкой емкости; подавление фонового сигнала элюента в подавляющей (компенсационной) колонке, заполненной ионообменником с высокой емкостью; кондуктометрическое детектирование ионов после раз­деления (двухколоночный вариант).

В результате элюент преобразуется в воду, а разделяемые ноны М⁺ кондуктометрически детектируются в виде гидроксидов (сильные электролиты).

При разделении анионов с использованием в качестве элюента 0,001 М NaOH в разделяющей колонке, заполненной анионообменником, происходит анионный об­мен и разделение анионов.

При использовании элюентов с низкой электрической проводимостью кондуктометрический детектор присоединяют непосредственно к разделяю­щей колонке. Такой вариант ионной хроматографии назван одноколоноч­ным. В качестве элюентов применяют ароматические кислоты или их соли, pH элюентов изменяется от 3 до 8. Используют и другие детекторы, напри­мер спектрофотометрический, люминесцентный, полярографический — в этом одно из преимуществ одноколоночного варианта. Однако пределы об­наружения ионов в одноколоночном варианте ионной хроматографии обыч­но выше, чем в двухколоночном, а линейность градуировочного графика находится в более узком интервале. Примеры эффективных разделений ме­тодом ионной хроматографии приведены на рис. 8.28 и 8.29.

Ион-парная хроматография. Этот метод расширяет возможности ис­пользования ВЭЖХ и сорбентов на основе силикагеля с привитыми алкиль­ными группами C₈ — C₁₈ и позволяет определять ионизированные вещества.

Последние обычно слабо удерживают­ся на неполярной поверхности силика­геля, содержащей связанные алкиль­ные группы, из-за высокой раствори­мости в полярной подвижной фазе (например, в воде), быстро элюируют­ся и поэтому плохо разделяются. Для увеличения взаимодействия ионоген­ных соединений с неполярной непод­вижной фазой ее динамически модифи­цируют, т. е. в элюент вводят небольшое количество (10~²—10“³ М) вещества, называемого ион-парным реагентом, обычно имеющим достаточно большую органическую часть и хорошо адсорбирующимся алкилированным силикаге­лем. Адсорбированный реагент модифицирует поверхность сорбента таким образом, что она становится аналогичной поверхности обычного ионооб- менника.

В качестве ион-парного реагента часто используют алкиламины, алкилсуль- фонаты, алкилсульфаты и другие ионогенные поверхностно-активные вещества.

Возможны два механизма удерживания и разделения ионных соединений мето­дом ион-парной хроматографии.

< Ион-парный реагент сорбируется на обращенной фазе за счет неспецнфических взаимодействий, например с октадецилсиланом. В зависимости от природы ион- парного реагента полученный при этом сорбент можно рассматривать как катионо- или аннонообменник. Так, для разделения Ag, Си, Ni, Со, Аи и Fe(III) в виде анион­ных комплексов с цианидом в качестве ион-парного реагента в подвижную фазу (ме­танол) вводят водный 2,5-10~³ М раствор гидросульфата тетрабутиламмония

(65:35). Обращенная фаза превращается в аннонообменник, на котором за 30 мин может быть выполнен анализ смеси рас­сматриваемых анионов. Если поверхность неполярного сорбента модифицировать перхлорат-, хлорид- и бромид-ионами, алкилсульфонатом или алкилсульфатом, то сорбент будет вы­ступать в роли катионообменника.

Ион-парный реагент образует с разделяемыми соединениями ионную пару в растворе, которая в соответствии со своими свойствами сорбируется на обра­щенной фазе кремнийорганическим сорбентом. Примером является разделение ароматических кислот (HR). В подвижную фазу вводят хлорид тетрабутиламмоиия (ТБА), что приводит к образованию ионных пар в подвижной фазе ТБА⁺ +HR-» [R~TBA⁺]+H⁺. Эти пары лучше удерживаются по­верхностью силикагеля и более селективно за счет неспецифических взаимодействий с привитыми алкильными цепями