Размещено на http://www.allbest.ru/

Определение фенолкарбоновых кислот по методу ионоэксклюзионной хроматографии

Введение

Среди новых методов анализа значительное место заняла ионоэксклюзионная хроматография (ИЭХ). Этот метод сравнительно новый, но очень эффективный, в сравнении с ионной хроматографией. К его преимуществам можно отнести возможность достаточного быстрого и высокоселективного определения соединений различных классов, как в природных, так и в технологических объектах исследования. В последнее время всё чаще требуется определять фенолкарбоновые кислоты (ФКК) в природных, пищевых и промышленных объектах. Эти кислоты широко распространены в природе. Они встречаются в коре деревьев, листьях растений, соках фруктовых и овощных культур. Зная состав и концентрацию этих веществ в исследуемых объектах, можно судить о качестве и происхождении последних.

Целью данной работы является нахождение оптимальных условий определения ФКК, определение закономерностей порядка выхода замещённых миндальных кислот и применение метода ИЭХ для анализа реальных объектов.

В процессе работы:

1. Найдены условия определения ФКК на модельных растворах и в реальных объектах.

2. Установлены закономерности элюирования некоторых замещенных миндальной кислоты.

1. Литературный обзор

Прежде чем перейти к рассмотрению метода ИЭХ, рассмотрим ионную хроматографию (ИХ), которая является родоначальником этого метода.

1.1 Основы ионной хроматографии

Ионообменная хроматография - это метод разделения веществ по их способности мигрировать по ионообменной колонке или по пластине, покрытой ионообменником. Ионы разделяются в результате ионообменных реакций, характерных для каждого типа ионов. [1] "Высокоэффективное" разделение достигается при использовании колонок сравнительно небольшого диаметра, заполненных однородными мелкими частицами сорбента, введении проб малого объёма, постоянном потоке элюента (подаваемого насосом) и автоматическом детектировании разделённых компонентов пробы. В 1975 году Смолл, Стивенс и Бауман предложили использовать автоматическое кондуктометрическое детектирование.

Существуют два основных метода ионной хроматографии с кондуктометрическим детектированием. Первый из них был предложен Смоллом и сотрудниками и представляет собой двухколоночный метод. Второй, разработанный Гьеде, Фритцем и Шмуклером, является одноколоночным. Тщательный подбор разделяющей колонки и элюентов позволяет исключить компенсационную колонку. В обоих вариантах ионной хроматографии генерируется фоновый сигнал, который необходимо компенсировать электрически.

Для современной ионной хроматографии используются смолы с постоянным размером частиц в пределах 5-50мкм. Ионообменники представляют собой либо органические смолы с частицами сферической формы, либо пористый силикагель, с которым химически связана ионообменная фаза.

Колонки имеют длину 250-1000мм и внутренний диаметр 5-2мм. Для уменьшения размывания пиков в современных системах применяют соединительные трубки малого диаметра (0,3мм). В высокоэффективной хроматографии объём пробы невелик (10-100мкл). Это позволяет получить гораздо более узкие пики и улучшить качество разделения.

Наиболее важным аспектом современной ионообменной хроматографии является применение систем автоматического детектирования, обеспечивающих непрерывную запись сигнала самописцем. В настоящее время датчиками для ионообменной хроматографии являются спектрофотометрические, электрохимические детекторы и детекторы электропроводности.

1.1.1 Детекторы

Для регистрации ионообменного разделения наиболее распространён кондуктометрический способ детектирования. Кондуктометрические детекторы измеряют проводимость раствора. Проводимость измеряется в обратных омах (Ом^-1), и она пропорциональна числу ионов в растворе и их подвижности, причём каждый ион имеет присущую только ему подвижность. Детекторы обеспечивают непрерывную регистрацию концентрации анализируемых ионов в элюате в присутствии ионов элюента. Причём, детектор должен быть согласован как с элюентом, так и с анализируемыми ионами, то есть он должен реагировать на анализируемые ионы, но не на ионы элюента. Кондуктометрические детекторы относятся к универсальным, то есть они реагируют на все ионы, находящиеся в растворе. В основу этих детекторов положены следующие закономерности:

Электропроводность - способность раствора электролита проводить электрический ток между двумя электродами, к которым приложено электрическое напряжение.

Этот процесс подчиняется закону Ома:

U=I*R,

согласно которому ток пропорционален приложенному напряжению. Электропроводность раствора есть величина, обратная его сопротивлению, и измеряется в обратных омах.

G=1/R.

Удельная проводимость есть:

k=(G*l)/A,

где A-площадь электродов (см²), а l-расстояние между электродами. Поэтому k имеет размерность (Ом^-1*см^-1).

Величина K, называемая постоянной ячейки, выражается следующим соотношением:

K=l/A.

Из двух предыдущих выражений следует, что

k=G*K. (I)

Величина l, называемая эквивалентной электропроводностью, связывается с концентрацией вещества в растворе и выражается как:

l=(1000*k)/C (II),

где C-концентрация в эквивалентах на 1000см³. Комбинация уравнений (I) и (II) даёт выражение, которое связывает эквивалентную электропроводность с измеряемой электропроводностью:

G=(l*C)/(1000*K) (III).

Детектор электропроводности состоит из ячейки, в которую подаётся анализируемый раствор, индикатора и электрической схемы для измерения проводимости и изменения чувствительности. Индикатор градуируется в Ом^-1 или мкОм^-1. Удельную электропроводность можно вычислить, если известны параметры ячейки. Однако на практике измеряют проводимость разбавленного раствора с известной удельной электропроводностью и вычисляют постоянную ячейки по уравнению. И, если постоянная ячейки известна. То, измерив G, можно рассчитать удельную электропроводность других растворов. По табличным значениям l и уравнению (III) для кондуктометрического детектора с известной постоянной ячейки можно вычислить электропроводность различных растворов с заданной концентрацией.

Принцип работы ячейки. Если к двум электродам, находящимся в растворе электролита, приложено электрическое напряжение, то анионы в растворе будут двигаться к аноду, а катионы - к катоду. Число ионов и скорость их движения будет определяться электропроводностью раствора. Подвижность ионов зависит от заряда и размера иона, температуры, типа среды и концентрации ионов. Скорость движения ионов зависит от величины приложенного напряжения, которое в свою очередь может быть постоянным, либо переменным синусоидальной или прямоугольной импульсной формы. Поведение ионов может вызвать изменение эффективного приложенного напряжения. Помимо электролитического сопротивления, может появляться емкостное сопротивление двойного слоя, или фарадеев импеданс. Влияние этих электродных процессов можно устранить путём подачи на электроды переменного напряжения. При изменении знака приложенного напряжения меняются характер электролиза, направление перемещения ионов и характер образования емкостного сопротивления. По мере увеличения частоты влияние электролиза снижается или совсем устраняется и ток в растворе определяется емкостным сопротивлением. Верхний предел частот соответствует примерно 1МГц. На электроды ячеек некоторых детекторов подают напряжение синусоидальной формы частотой 10-10000 Гц. Детектор фирмы Wescan, например, работает на частоте 10кГц при напряжении 20 В [1]. В этом устройстве используется фазочувствительное детектирование, то есть измеряется только та составляющая тока, которая находится в фазе с приложенным напряжением. В других детекторах используется метод биполярной импульсной проводимости [1]. Этот метод состоит в последовательной подаче на ячейку двух импульсов напряжения малой длительности. Импульсы имеют противоположную полярность, но одинаковы по амплитуде и длительности. Ток в ячейке измеряют сразу же по окончании второго импульса и определяют сопротивление ячейки, исходя из закона Ома. Этот импульсный способ питания предотвращает электролиз. Так как при биполярном импульсном питании в ячейке измеряют величину мгновенного тока, то емкостное сопротивление не оказывает влияния на измерения, и этот метод позволяет точно определить сопротивление ячейки.

В первых кондуктометрах применялись платиновые электроды, покрытые платиновой чернью. Эти электроды имеют низкое сопротивление поляризации и высокую емкость. Но поток жидкости смывает покрытие с электродов и изменяет их характеристики. В ячейках современных детекторов используют электроды из нержавеющей стали, марки 316. Для "дезактивации" новой ячейки её промывают 50 %-ным раствором HNO₃. Так как подвижность ионов меняется с температурой, то электропроводность большинства растворов ионов возрастает примерно на 2 % при увеличении температуры на 1 С. Поэтому ячейку детектора нужно изолировать, чтобы предотвратить случайные колебания её температуры. Все кондуктометрические детекторы должны включать какие-либо средства компенсации фонового сигнала, который может на три порядка величины превышать сигнал от образца.

1.1.2 Разделение анионов методом одноколоночной ИХ

Для большого числа ионов одноколоночный метод обладает высокой чувствительностью и хорошей разделительной способностью. Анионы можно разделить на хроматографической колонке и регистрировать детектором электропроводности, если воспользоваться анионообменной смолой с малой емкостью и эффективным элюентом с низкой электропроводностью. Вторую колонку для "компенсации" фоновой проводимости элюента применять не нужно. Несомненным достоинством одноколоночной системы является тот факт, что, детектор электропроводности подключён непосредственно к анионообменной разделяющей колонке. Это возможно лишь в случае очень низкой концентрации солей в элюенте, а, следовательно, и низкой фоновой проводимости. Однако обычные ионообменные смолы содержат много обмениваемых групп, и для хроматографического разделения анализируемых ионов требуется применять элюент с высокой концентрацией солей. Обменную ёмкость смолы можно изменить, если реакцию присоединения функциональных групп проводить в очень мягких условиях и сократить время взаимодействия. Гьерде и Фритц [4] приготовили несколько ионообменных смол с различной низкой ёмкостью. И ими было обнаружено, что для каждого из трёх исследуемых сочетаний анионов коэффициент селективности оставался неизменным, хотя ёмкость смолы менялась. Этот факт имеет важные следствия для ионообменной хроматографии. Так, существенное снижение ёмкости смолы позволит значительно снизить концентрацию элюента, сохранив исправленное время удерживания неизменным.

В конце 1978 года была разработана простая хроматографическая методика разделения ионов при помощи анионообменной колонки, присоединяющейся непосредственно к детектору электропроводности. Компенсационная колонка не требовалась. В этой схеме были применены два новшества:

специальные ионообменные смолы очень малой ёмкостью;

элюент, обладающий очень низкой электропроводностью.

Также, был проведён отбор такого элюента, анион которого сильно удерживается смолой и поэтому даёт малый коэффициент селективности. Данную схему называют "одноколоночной" ионной" (анионной) хроматографической схемой. На рисунке 1. представлена блок-схема одноколоночного ионного хроматографа.

Он включает в себя следующие компоненты:

насос для подачи элюента через пробоотборную петлю, колонку и кондуктометрическую ячейку со скоростью 0.5-2.0 мл/мин;

кран для ввода пробы и пробоотборную петлю, позволяющую вводить пробу объёмом 100 мкл;

разделяющую колонку в внутренним диаметром 2.0-3.0 мм и длиной 500 мм, заполненную однородными мелкими частицами анионообменной смолы;

проточную кондуктометрическую ячейку, являющуюся частью детектора электропроводности, для непрерывной регистрации проводимости элюата;

самописец для регистрации выходного сигнала детектора электропроводности.

Одноколоночный метод позволяет осуществить быстрое разделение анионов, причём отсутствие компенсационной колонки никогда не затрудняет анализа. Перед проведением серии анализов выбранный элюент пропускают через анионообменную колонку, пока в ней не установиться равновесие, при котором центры обмена смолы преимущественно будут содержать анионы элюента. При введении образца, в состав которого входят различные анионы, анализируемые анионы будут удерживаться смолой и на эквивалентное количество анионов элюента. В отсутствие перемешивания зона, соответствующая введённому объёму образца, движется вдоль разделяющей колонки со скоростью, равной скорости потока элюента. В этой зоне движутся катионы исходного образца и анионы элюента в концентрации, эквивалентной концентрации анионов в образце. Если электропроводность катионов и анионов в этой зоне больше, чем электропроводность элюента, то при прохождении через детектор электропроводности будет наблюдаться положительный ложный пик. Однако если электропроводность ионов в зоне ниже проводимости элюента, то появиться отрицательный ложный пик. Этот ложный пик не мешает анализу, если элюирование анализируемых анионов происходит после прохождения этого пика. После того как зона, соответствующая объёму пробы, проходит через детектор, нулевая линия быстро восстанавливается до уровня, соответствующего чистому элюенту. Однако растворённые анионы, движимые силами действующих масс элюирующих анионов, смещающих ионообменное равновесие, постепенно перемещаются по колонке. Общая концентрация катионов в растворе определяется концентрацией анионов элюента, поскольку анализируемый анион может перейти в жидкую фазу лишь в результате обмена на эквивалентное количество анионов элюента. Изменение электропроводности при прохождении полосы ионов образца через детектор связано с замещением некоторого количества элюирующих анионов анализируемыми анонами, в то время как суммарная концентрация анионов не меняется. Это изменение прямо пропорционально концентрации анионов данного типа в образце и разнице в эквивалентной электропроводности элюируемого и элюирующего аниона.

1.2 Ионоэксклюзионная хроматография

1.2.1 Принцип метода

ИЭХ - довольно распространённый метод разделения слабых кислот, особенно органических [1]. Разделение проводят на сильнокислых катионообменниках в Н⁺-форме. Метод был впервые описан Уитоном и Бауманом [5], и сейчас привлекает к себе повышенный интерес. В основе ИХЭ разделения лежит Доннановская эксклюзия. Слой сорбента состоит из трёх частей:

а) твёрдой матрицы;

б) жидкости, заключённой внутри частиц сорбента;

в) жидкости, перемешивающейся между частицами сорбента.

Степень удерживания неионных соединений неподвижной фазой в ИЭХ зависит от разницы в ван-дер-вальсовых силах между неионным компонентом и гидрофобной частью сорбента, а также от различий в межмолекулярных (полярных) взаимодействиях между растворёнными компонентом и функциональными группами сорбента.

Твердая матрица сульфокатионита является как бы полупроницаемой мембраной между жидкостью, находящейся в порах смолы, и подвижной фазой. Анионы сильных кислот из-за отталкивания сульфогруппами катионообменника не проникают в его поры и не удерживаются. В то же время слабые кислоты, находящиеся в растворе в неионизированной молекулярной форме проходят в поры смолы и удерживаются ею. Способность слабых кислот удерживаться сильнокислыми катионообменниками в Н⁺-форме определяется рядом факторов [6].

Разделение веществ происходит в соответствии с размерами молекул. Причём большие молекулы (с молекулярной массой М_Е), которые не могут, проникнут в поры носителя, элюируются объёмом растворителя, заполняющего межчастичное пространство колонки. Очень мелкие молекулы (с массой М₀) проникают вглубь пор и элюируются объёмом подвижной фазы, равной сумме межчастичного (свободного) объёма колонки V_m и объёма пор внутри частиц сорбента (объём селективного проницания) V_p. Молекулы других веществ проникают в постепенно сужающиеся пора тем далее, чем меньше размер молекул. Скорость движения этих молекул понижается тем более, чем дальше они проходят в поры (чем меньше их размеры). Такие вещества элюируются из колонки объёмом растворителя, величина которого находится между межчастичным (свободным) объёмом и суммарным объёмом растворителя в колонке в сравнительно узком интервале объёма растворителя. Объём удерживаемого вещества определяется по формуле:

V_r=V_m+kxV_p,

где k-коэффициент распределения вещества между растворителем в подвижной фазе и в порах носителя. Величины коэффициентов зависят в основном от размеров молекул и пор [14].

Хорлоу и Морман исследовали поведение большого числа органических и неорганических кислот на колонке, содержащей смолу Dowex 50x12 в Н⁺-форме. В качестве элюента применяли воду. Ими было определено относительное удерживание многих кислот относительно уксусной. Также, Харлоу и Морман предложили несколько общих правил, позволяющих предсказать характер элюирования веществ [7]:

члены гомологических рядов элюируются в порядке увеличения кислотности и уменьшения растворимости в воде;

двухосновные кислоты элюируются раньше одноосновных;

кислы изостроения элюируются раньше соответствующих кислот нормального строения;

наличие двойной связи способствует задержке элюирования кислоты;

кислоты с бензольным кольцом удерживаются сильнее.

1.2.2 Сорбенты для ИЭХ

ИЭХ впервые была выполнена на частицах большого размера, высокой ёмкости, полностью функционализированного стиролдивинилбензольного (СТДВБ) сополимера. Современные неподвижные фазы изготовлены из тех же самых материалов, но отличающихся в некоторых важных аспектах. Ионообменная ёмкость типичных материалов для ИЭХ обычно на 2 порядка выше, чем для ИХ. Эти высокоёмкостные сорбенты являются предпочтительными, так как количество функциональных групп на смоле должно быть достаточным для обеспечения превалирования эффекта Доннановской эксклюзии.

Важна также и структура смолы. Ранее наиболее часто использовались микропористые или гелевые типы смол. Однако в последнее время макропористые материалы являются предпочтительными [8]. Ранние работы [9]показали, что степень сшивки смолы оказывает большое влияние на удерживание компонентов. Материалы с большой степенью сшивки (8-12 % ДВБ) проявляют больший Доннановский эффект, чем с низкой степенью сшивки. Это означает, что как сильно, так и слабо ионизированные образцы в большей степени проникают в окклюдированную жидкую фазу на более мягких смолах с низкой степенью сшивки (2 % ДВБ). Большинство промышленных ИЭ-смол имеют 8 % сшивки, но материалы с более низкой степень сшивки использовались для разделения веществ с более высокой степенью ионизации, при данных экспериментальных условиях. В последнее время синтезированы новые сорбенты и предложены новые высокоэффективные колонки для ИЭХ [10].

1.2.3 Элюенты в ИЭХ

Поскольку в ИЭХ кислоты разделяют в виде недиссоциированных молекул, то для элюирования чаще используют кислотные водные растворы. В этом случае достигается высокая селективность разделения сильных и слабых кислот. В качестве элюентов используют разбавленные растворы (1-10 мМ) серной, соляной [11] кислот. Слабые кислоты также применяют в качестве элюентов, например, фосфорную, угольную, янтарную, бензойную кислоты [6]. В качестве элюента можно использовать и воду [9], но при этом формы пиков удерживаемых компонентов оказываются размытыми и несимметричными. Поэтому вода редко используется в современной ИЭХ.

Такие органические модификатора, как метанол, ацетонитрил или ацетон иногда добавляют в элюент в ИЭХ для уменьшения влияния адсорбционных эффектов на удерживание веществ.

Основными закономерностями удерживания органических карбоновых кислот в режиме ИЭХ являются следующие:

члены гомологических рядов элюируются в порядке увеличения их молекулярного веса, увеличения pk_a и уменьшения растворимости в воде;

дикарбоновые кислоты элюируются раньше монокарбоновых с тем же числом атомов углерода в молекуле (малоновая раньше пропионовой)

карбоновые кислоты изостроения элюируются раньше соответствующих кислот нормального строения;

наличие двойной связи в молекуле увеличивает время удерживания кислоты (акриловая раньше пропионовой).

1.2.4 Детекторы ИЭХ

При использовании сильнокислых элюентов (соляная, серная и другие кислоты), наиболее подходящим является УФ - детектор с l=210нМ [7]. Поскольку поглощение минеральных кислот в этой области существенно ниже, чем органических, то чувствительность определения с этим детектором сравнительно высокая.

Кондуктометрический детектор чаще используют со слабопроводящими элюентами [6](угольная, бензойная, янтарная кислоты и деионизированная вода).

Помимо УФ и кондуктометрического детекторов для ионэксклюзионного определения органических кислот используют кулонометрический, электрокинетический и масс-спектрометрический детекторы [2].

1.2.5 Факторы, влияющие на удерживание в ИЭХ

Степень диссоциации вещества.

Степень диссоциации вещества играет важную роль в удерживании в ИЭХ. Чем больше степень диссоциации, тем сильнее проявляется эффект Доннановской эксклюзии, и тем меньше становиться время удерживания компонента. Если учитывать только Доннановскую эксклюзию, то удерживание компонентов определяется уравнением:

V_R=V₀+D_a*V_i,

где V_R-удерживаемый объём;

V₀-объём элюента, двигающегося между частицами НФ;

V_i - объём окклюдированного элюента внутри пор сорбента;

D_a-коэффициент распределения вещества между ПФ и окклюдированной жидкостью.

Величина D_a зависит от степени диссоциации вещества. Полностью диссоциированные вещества имеют D_a =0. А у нейтральных частиц D_a=1. Частично диссоциированные соединения будут элюироваться с V_R промежуточным между V₀ и (V₀+V_i). Их V_R будет зависеть от pK_a или pK_b компонентов элюента.

2) Молекулярный размер частиц.

Было выяснено, что для среднецепочечных карбоновых кислот V_R меньше, чем это предсказывалось только на основе их констант кислотности.

Как предполагают некоторые авторы [12], эффекты эксклюзии по размеру могут вносить свой вклад в удерживание в ИЭХ из-за невозможности проникновения молекул кислот в элюент, окклюдированный внутри пор сорбента. Эффекты эксклюзии приводят к следующим характеристикам удерживания:

объёмы удерживания для больших по размеру частично ионизированных растворов должны быть меньше, чем это ожидалось, на основе зарядов растворов;

большие по размеру молекулы должны иметь D_a меньший, чем теоретически;

большие нейтральные частицы, которые элюируются с удерживаемым объёмом, меньшим, чем (V₀+V_i), должны элюироваться в порядке увеличения молекулярного размера.

3) Использование органического модификатора.

Уменьшить влияние гидрофобных взаимодействий на удерживание кислот в ИЭХ можно добавлением органических модификаторов в элюент (метанол, ацетонитрил). Уменьшение времён удерживания некоторых веществ может быть значительным [13].

Некоторые колонки позволяют вводить в элюент лишь незначительное количество модификатора во избежании сжатия и разрушения сорбета.

Возможность манипулировать удерживанием в ИЭХ с использованием органических модификаторов открывает перспективы для использования градиентного элюирования.

Температура.

Температура может воздействовать на удерживание в ИЭХ как путем изменения хроматографической эффективности, так и влияя на степень ионизации веществ. Повышение эффективности, которое происходит вследствие повышения скорости массопереноса, приводит к уменьшению удерживаемых объёмов, улучшению формы пиков и лучшему разделению. Кроме того, более низкая вязкость растворителя при повышенной температуре позволяет использовать более высокие скорости потока элюента на неподвижных фазах гелевого типа, которые накладывают ограничения на повышение давления (при комнатных температурах).

Влияние температуры на ионизацию веществ зависит от природы самих веществ. Некоторые вещества при повышении температуры меняют свою форму и, следовательно, могут элюироваться с разными удерживаемыми объёмами при разных температурах. Примером такого поведения может служить увеличение удерживания частично ионизированных альдоновых кислот при более высокой температуре вследствие их превращения в нейтральные лактоны. Увеличение температуры может также явиться причиной изменения диэлектрической проницаемости элюента, особенно в присутствии органического модификатора. Изменение диэлектрической проницаемости приводит к изменению pK_a веществ и, как следствие, влияет на времена их удерживания.

Таким образом, на удерживание веществ в ИЭХ влияют следующие факторы:

- степень ионизации веществ;

- гидрофобные взаимодействия между веществом и НФ;

- молекулярный размер вещества;

- степень сшивки сорбента;

- температура, при которой происходит разделение;

- ионообменная емкость сорбента;

- ионная форма сорбента.

1.2.6 Фенолкарбоновые кислоты

Фенолкарбоновые кислоты широко распространены в природе. Они встречаются в коре деревьев, листьях растений, соков фруктовых и овощных культур. Формулы наиболее распространённых фенолкарбоновых кислот приведены в таблице 1.

Таблица 1

Название кислоты	Формула
Галловая	C6H3(OH)3COOH
Фенилуксусная	C6H5CH2COOH
Гиппуровая	C6H5CONHCH2COH
Миндальная	C6H5CH(OH)COOH
Салициловая	С 6H4(OH)COOH

Галловая кислота - одна из наиболее распространенных растительных кислот. Она содержится в листьях чая, дубовой коре, корнях гранатового дерева и многих других растений [3]. Дубильные вещества, экстрагируемые из некоторых растительных тканей, например из коры дуба представляют собой производные депсидов. Депсидами называют сложные эфиры, образованные двумя молекулами ароматических полиоксикислот, в которых одна выступает как кислота, а другая как фенол. Дубильные вещества разделяют на два класса: гидролизуемые и негидролизуемые. Гидролизуемые дубильные вещества часто являются производными галловой и м-галловой кислот. Также многие растения содержат и другие фенолкарбоновые кислоты. Следовательно, в любых пищевых продуктах (не фальсифицированных), полученных из соков плодов и овощей должны присутствовать ФКК. Их наличие или отсутствие один из способов диагностики пищевых продуктов на подлинность.

Таким образом, ионэксклюзионная хроматографии-наиболее удобный метод (исключая изотахофорез), позволяющий быстро и эффективно разделять и определять большинство органических кислот.

Использование стандартных колонок для ИЭХ не даёт удовлетворительных результатов определения ФКК засчет сильной связи между определяемой кислотой и сорбентом.

2. Экспериментальная часть

2.1 Приборы, материалы и техника эксперимента

В процессе работы использовались следующие фенолкарбоновые кислоты: фенолкарбоновая кислота ионоэксклюзионная хроматография

- гиппуровая;

- галловая;

- фенилуксусная;

- п-хлорминдальная;

- п-иодминдальная;

- миндальная;

- о-метилминдальная.

В качестве растворителя использовали деионизированную воду. Модельные растворы и растворы исследуемых смесей готовили, растворяя в ней соответствующий реактив, согласно приведённым ниже пропорциям и хранили при температуре 1-3 С. В качестве элюента использовали 5 мМоль раствор бензойной кислоты, который готовили заранее.

Модельные растворы кислот были следующими:

- гиппуровая - 1074 мг/мл;

- галловая -1001 мг/мл;

- фенилуксусная - 989 мг/мл;

- п-хлорминдальная - 1055 мг/мл;

- п-иодминдальная - 1093 мг/мл;

- миндальная - 1020 мг/мл;

- о-метилминдальная - 1030 мг/мл.

Работу проводили на ионном хроматографе Dionex System 14.

Основные узлы хроматографа следующие:

ёмкость с элюентом;

насос;

кран для ввода пробы и пробоотборная петля;

колонка;

детектор;

самописец.

2.2 Методика эксперимента

В колбе смешивали несколько аликвот модельных растворов различных фенолкарбоновых кислот, затем шприцом отбирали по 0,5 мл полученного раствора, вводили в систему пробоотбора и переводили прибор в режим анализа пробы. По полученным хроматограммам рассчитывали времена удерживания данных веществ. Для реальных объектов идентификацию осуществляли по относительному времени удерживания, для сравнения использовали времена удерживания, полученные при анализе модельных растворов фенолкарбоновых кислот.

2.3 Нахождение оптимальных условий определения фенолкарбоновых кислот

На этой стадии эксперимента подбирались условия, при которых можно эффективно разделять и определять различные фенолкарбоновые кислоты концентрацией не менее 50-100 мг/л, затрачивая на анализ не более 25 минут.

В качестве исходных данных были выбраны следующие условия:

- элюент 5 мМ раствор бензойной кислоты;

- скорость подачи 0,8 мл/мин элюента;

- детектор кондуктометр;

- температура комнатная.

Модельная смесь состояла из следующих кислот:

- гиппуровая - 214,8 мг/мл;

- галловая - 194,8 мг/мл;

- фенилуксусная - 197,8 мг/мл;

- миндальная - 204,0 мг/мл.

а) На первой стадии было проведено разделение модельной смеси на колонке длиной 300 мм, диаметром 8 мм, заполненной сорбентом марки Aminex Q15S. Полученные результаты, которые приведены в таблице 2, не соответствовали искомым условиям, так как время выхода последней из кислот модельной смеси составило 54, 2 минуты. Введение ацетонитрила в элюент (до 10 об. %), не позволяет эффективно разделить эти кислоты, так как галлловая и гиппуровая выходят в виде одного пика.

б) Для улучшения результатов, на второй стадии использовалась более узкая колонка (d=6 мм) и сорбент марки Aminex 50*2, который по своим свойствам аналогичен первому. Полученные результаты также приведены в таблице 2. Они действительно оказались значительно лучше предыдущих, но всё-таки не удовлетворяли искомым условиям.

в) На третьей стадии был использован сорбент марки A-5, который имеет лучшее сродство к бензольным ядрам, чем два предыдущих, а к алифатическим кислотам значительно меньшее. В результате, последние, начиная с уксусной и до валерьяновой, выходят в течение 5 минут, а ароматические кислоты с хорошим делением не более чем за 25 минут. Результаты, которые были получены на этой колонке (они также представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Времена удерживания кислот (в мин) модельной смеси на различных сорбентах

Кислота	Aminex Q15S	Aminex 50*2	A-5
Миндальная	12	8,2	7,0
Гиппуровая	27	16,2	9,5
Галловая	32	19,2	16
Фенилуксусная	54,2	34,8	23

2.4 Определение порядка выхода замещённых миндальных кислот

На данной стадии эксперимента определялись закономерности элюирования в ряду замещённых миндальных кислот. Исходные условия были оставлены теми же, что и на предыдущей стадии. Модельная смесь состояла из следующих кислот:

- П-хлорминдальная;

- П-иодминдальная;

- миндальная;

- о-метилминдальная.

Полученные результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3

Кислота	Время удерживания
Миндальная	7,15
П-хлорминдальная	10,0
О-метилминдальная	14,3
П-иодминдальная	22,8

Порядок выхода в ряду замещённых миндальных кислот соответствует закономерностям элюирования членов любого гомологического ряда. Чем больше размер иона заместителя, тем больше время удерживания. Размер СН ₃- радикала немногим больше размера хлорид-иона, но значительно меньше иодид-иона. Поэтому времена удерживания П-хлорминдальной и О-метилминдальной кислот примерно одинаково, но они значительно меньше времени удерживания П-иодминдальной кислоты.

2.5 Применение метода ИЭХ для реальных объектов

Определение пригодности того или иного продукта для пищевых и некоторых иных целей, а также его качества и подлинности составляет довольно-таки важную аналитическую задачу.

В качестве реальных объектов были взяты два вида дубильных веществ, полученных из ели и дуба и используемых для окрашивания металлов, в том числе алюминия, и один из сортов коньяка.

Древесные вытяжки обычно содержит большое количество галловой кислоты, которая очень быстро окисляется. При попадании на поверхность и внутрь окиси алюминия галловой кислоты протекает реакция её окисления с образованием окрашенных продуктов реакции. И если в дубильном веществе содержится достаточное количество данной кислоты, то его успешно можно применять для окрашивания металлов.

Для определения фальсификации некоторых сортов вин и коньяков, изучают их состав. Подлинность коньяков определяется наличием в них галловой, фулевых и гумминовых кислот, а в фальсифицированном коньяке эти кислоты отсутствуют. Некоторые сорта вин также содержат эти кислоты.

В качестве условий определения фенолкарбоновых кислот в этих реальных объектах были выбраны следующие:

Скорость подачи 0,8 мл/мин;

- элюента

- колонка 6\300 мм;

- сорбент A-5;

- детектор кондуктометр;

- температура комнатная;

- хроматограммы данных реальных объектов: а) Образец "Ель"; б) Образец "Дуб"; в) Образец "Коньяк".

Как видно из полученных хроматограмм, образец "Дуб" содержит галловую кислоту, а образец "Ель"- нет. В образце "Коньяк" содержатся галловая, миндальная, фенилуксусная, фулевые и гумминовые кислоты.

Выводы по хроматограммам:

Краситель " Дуб", в отличие от красителя "Ель", может быть успешно применен для окрашивания металлов, что и подтверждается на практике.

Коньяк был получен на природном материале, без нарушения технологии изготовления.

Список литературы

1. Фритц Дж., Гьертде Д., Поланд К. Ионная хроматография. М.: Мир. 221 с.

2. Шпигун О. А, Золотов Д.А. Ионная хроматография и её применение в анализе вод. Издательство МГУ, 1990. 150 c.

3. Несмеянов А.И., Несмеянов Н.А. Основы органической химии. М: Изд. Химия. 1983. Т.2. С. 169-180.

4. Gjerde D.T., Fritz J.S.// J. Chromatogr. 1979. V. 176. P.199.

5. Wheaton R.M., Bauman W.C. // Ind. Eng. Chem. 1953.V.45. №2. P. 228-236.

6. Tanaka K., Fritz J.S.// J. Chromatogr. 1986. V. 361. P.151-160.

7. Harlow G.A., Morman D.H.//Anal. Chem. 1964. V. 36. № 13. P. 2438-2442.

8. Gjerde D.T., Schmuckler G., Fritz J.S.// J. Chromatogr. 1979. V. 187. P. 35-45.

9. Gjerde D.T., Fritz J.S., Schmuckler G.// J. Chromatogr. 1979. V. 186. P. 509-519.

10. Supille T.H., Gjerde D.T.// J. Chromatogr. Sci. 1982. V. 20; 2. P. 361-372.

11. Turkelson V.T., Richards M.// Anal. Chem. 1967. V. 34. № 12. P. 2137-2139.

12. Sargent R., Rieman W.//J. Phys. Chem. 1957. V. 61. P.354.

13. Hershcovits H., Yarnitzky Gh., Schuckler A.// J. Chromatogr. 1982. V. 244; 1. P. 217-224.

14. Fritz J.S., Duval D.L., Barron R.E.// J. Chromatogr. 1984. V. 56; 7. P. 1177-1182.

Размещено на Allbest.ru