Хроматографическое удерживание производных тиофена в обращено-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Публикация доступна для обсуждения в рамках функционирования постоянно действующей интернет-конференции “Бутлеровские чтения” http://butlerov.com/readings/

Поступила в редакцию 26 июля 2010 г.

УДК 536.461; 536.25.

Хроматографическое удерживание производных тиофена в ОФ ВЭЖХ

© Емельянова Надежда Сергеевна, Демина Анна Юрьевна и Курбатова Светлана Викторовна*+

Кафедра физической химии и хроматографии. Самарский государственный университет.

Ул. Акад. Павлова, 1, г. Самара, 443011. Россия. Факс: (846) 334-54-17.

E-mail: curbatsv@ssu.samara.ru

*Ведущий направление; +Поддерживающий переписку

Аннотация

Исследовано хроматографическое поведение некоторых производных тиофена в условиях обращено-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии (ОФ ВЭЖХ), рассчитаны значения фактора удерживания этих соединений при использовании в качестве элюента смеси вода - ацетонитрил в разных объемных соотношениях. Изучена взаимосвязь между строением молекул производных тиофена и их хроматографическим удерживанием.

Ключевые слова: тиофены, ацетонитрил, ОФ ВЭЖХ, взаимосвязь «строение - хроматографическое удерживание».

хроматографический тиофен элюент ацетонитрил

Высокоэффективная жидкостная хроматография является мощным инструментом в исследовании сорбции органических соединений. Возможность варьирования химической природы и состава сорбентов и подвижных фаз позволяет использовать ВЭЖХ для изучения влияния строения и физико-химических свойств сорбатов на адсорбционные процессы, протекающие на границах раздела жидкой и твердой фаз, а также моделировать некоторые биохимические процессы, протекающие в живых организмах [1-2]. Изучение законно-мерностей сорбции в хроматографических системах, кроме того, дает возможность устанавливать механизм удерживания, знание которого необходимо для оптимизации условий разделения и развития методов качественного и количественного ВЭЖХ анализа. Интересными объектами исследования методами ВЭЖХ являются гетероциклические соединения, область применения которых с каждым годом существенно расширяется.

Практически важными сферами применения гетероциклических соединений в настоящее время являются фармацевтическая промышленность, электроника, материаловедение, нелинейная оптика и пр. [3]. Наряду с большой практической значимостью гетероциклические соединения представляют несомненный теоретический интерес как модели для изучения взаимосвязи физико-химических свойств и биологической активности соединений с их строением (QSAR, QSPR) [4]. С этой точки зрения весьма перспективным представляется исследование взаимосвязи между структурой молекул гетероциклов и их хроматографическим удерживанием (QSRR) [5].

В связи с этим целью настоящей работы явилось изучение взаимосвязи между строением некоторых производных тиофена и их хроматографическим удерживанием в условиях обращенно-фазового режима ВЭЖХ, а также исследование влияния природы и состава растворителя на удерживание этих соединений.

Экспериментальная часть

Объектами исследования в настоящей работе явились производные тиофена и дитиофена, формулы которых приведены в табл. 1.

Таблица 1 - Графические формулы исследованных гетероциклов

*Нумерация сорбатов далее приводится в соответствии с нумерацией, представленной в данной таблице

Эксперимент выполнен на жидкостном хроматографе “Цвет-Яуза” с УФ-спектрофотометрическим детектором “Яуза-4Ф” (НПО “Химавтоматика”, г. Москва) и плунжерным насосом для ВЭЖХ “Стайер” (ЗАО “НПКФ Аквилон”, г. Москва). Детектирование тиофенов проводили при длине волны 254 нм. Сорбентом служил коммерческий модифицированный кремнезем - Диасфер-110-C16 (ЗАО “БиоХимМак СТ”, г. Москва); размер частиц 5 мкм. Размеры хроматографической колонки 4.0Ч150 мм. Объем подвижной фазы в колонке принимали равным объему удерживания нитрита натрия. В качестве элюентов применяли смеси ацетонитрил - вода с содержанием ацетонитрила от 50 до 80% (по объему). Концентрацию органического модификатора в элюенте выражали в виде мольной доли xm. Для приготовления подвижных фаз использовали тридистиллированную воду и ацетонитрил марки “HPLC-gradient grade” (“Panreac”, Испания); дегазирование осуществляли воздействием на приготов-ленные водно-ацетонитрильные смеси ультразвука с помощью установки марки “УЗДН-2Т”. Регистрацию хроматограмм и их обработку выполняли с помощью программы хроматографического анализа “Z-Лаб” (ЗАО “НТФ Бинар”).

Элюирование проводили в изократическом режиме; объемный расход элюента составлял 500 мкл/мин. Растворы сорбатов (концентрации 10-4 моль/л) готовили растворением индивидуальных образцов в соответствующей подвижной фазе; объем вводимой пробы составлял 10 мкл.

Хроматографическое удерживание исследованных гетероциклов характеризовали величиной фактора удерживания. Мертвое время определяли по “первичному” хроматографическому пику.

По данным, полученным из хроматограмм, по известным формулам рассчитывали фактор удерживания [1]. Полученные данные представлены в табл. 2.

Таблица 2 - Значения фактора удерживания некоторых производных тиофена на сорбенте Диасфер-110-C16

Таблица 3 - Характеристики молекул производных тиофена

Значения ван-дер-ваальсова объема V [Еі], площади поверхности Sw [ЕІ], дипольного момента м [D] и энергии гидратации Eгидр [ккал/моль] молекул исследованных соединений рассчитаны полуэмпирическим методом PM3 в рамках ограниченного метода Хартри-Фока. Оптимизация геометрии молекул осуществлялась по Polak-Ribiere. Начальная геометрия молекул сорбатов выбиралась по справочным данным, заложенным в систему HyperChem 7 Professional. Расчет липофильности lgP и поляризуемости б [Еі] изученных гетероциклов осуществляли по аддитивной схеме с помощью программы HyperChem 7 Professional. Полученные значения представлены в табл. 3.

Результаты и их обсуждение

Различия в хроматографическом удерживании веществ в ВЭЖХ обусловлены, как известно, многими факторами, определяющими тип межмолекулярных взаимодействий в хроматографической колонке. Весь спектр таких взаимодействий определить достаточно сложно, поэтому при установлении взаимосвязи между структурой веществ и их хромато-графическим удерживанием используют, как правило, полуэмпирическое моделирование, базирующееся на общих представлениях о механизмах сорбции в хроматографических системах.

В связи с этим решение проблемы прогнозирования удерживания в ВЭЖХ осуществляется в основном путем установления корреляционных соотношений между характеристиками удерживания и различными дескрипторами молекулярной структуры сорбатов.

Предполагается, что в условиях ОФ ВЭЖХ основными параметрами, характеризующими взаимодействие молекул сорбата с неподвижной фазой, являются липофильность (коэффициент распределения в системе н-октанол - вода) и поляризуемость, в то время как дипольный момент определяет преимущественно взаимодействия с полярным элюентом. Таким образом, удерживание сорбата определяется конкуренцией между межмолекулярными взаимодействиями его молекул с компонентами элюента и поверхностью сорбента. При этом понятно, что способность вступать в те или иные типы взаимодействий при постоянных условиях эксперимента определяется молекулярной структурой хроматографируемого соединения и характером распределения электронной плотности в его молекуле.

При увеличении размера заместителя в ряду производных тиофена и дитиофена удерживание сорбатов возрастает в результате усиления дисперсионных взаимодействий, которые в основном и обусловливают удерживание этих малополярных соединений на неполярном сорбенте. Как следует из представленных ниже данных, переход от циклопентенильного производного к циклогексенильному несколько увеличивает такие характеристики производных тиофена, как липофильность, поляризуемость и объем молекул, что, в конечном итоге, приводит к усилению взаимодействия соответствующих производных с неполярным сорбентом и, таким образом, увеличению фактора удерживания.

Аналогичные закономерности наблюдаются и для производных дитиофена. Однако в случае этих производных изменения оказываются более существенными: для веществ 1 и 2 возрастание фактора удерживания составляет 1.12 единиц при увеличении объема на 39 единиц, а для производных дитиофена фактор удерживания увеличивается на 5.54 единицы при аналогичном увеличении объема и других параметров.

Вероятно, благодаря сопряженной системе двух тиофеновых колец у этих производных усиливается склонность к дисперсионному взаимодействию с поверхностью сорбента, что и является причиной существенного возрастания удерживания.

Введение метильной группы в циклогексенильный заместитель производных тиофена и дитиофена существенно увеличивает удерживание соответствующих производных по сравнению с циклоалкенилпроизводными, что объясняется, вероятно, стереоэффектом CH3-группы, поскольку значения дипольного момента и поляризуемости у пар веществ 1 и 3, 7 и 9 практически одинаковы, а незначительное возрастание поляризуемости несопоставимо с ростом фактора удерживания.

Вклад метильного радикала в удерживание при этом составляет 4.6 и 13.07 ед. для двух пар веществ соответственно.

Следует заметить, что особая роль метильного радикала в хроматографическом удерживании уже отмечалась в литературе при исследовании хроматографического поведения производных адамантана в условиях ГЖХ и ВЭЖХ [6]. При этом было установлено участие метильного радикала в электронных взаимодействиях, в результате которых экспериментально полученные характеристики удерживания метилпроизводных существенно отличались от прогнозируемых.

Замена метильного радикала на пентильный C5H11 в случае вещества 4 приводит к некоторому возрастанию фактора удерживания, связанному с уменьшением полярности и ростом липофильности этого сорбата. В то же время вклад этого радикала в удерживание оказывается существенно меньше, чем можно было ожидать, учитывая указанные выше значения вклада СН3-группы.

Эти факторы, в свою очередь, обусловливают значительное отклонение точки, соответствующей веществу 4, на графике зависимости логарифма фактора удерживания (lgk) от электронных параметров (рис. 1).

Рис. 1. График зависимости логарифма фактора удерживания (lgk) от липофильности (logP) производных тиофена

Рис. 1 иллюстрирует аналогичное отклонение точек от общей зависимости для сорбатов 6 и 10, что, вероятно, также является результатом их меньшей полярности и большей липофильности, что обусловлено, как уже отмечалось, наличием алкильного «хвоста» у сорбата 4 или фенильных радикалов у веществ 6 и 10.

В целом, переход от производных тиофена к производным дитиофена значительно увеличивает удерживание сорбатов в колонке, что наглядно иллюстрирует сравнение пар сорбатов 1 и 7, 2 и 8.

Причем в удерживании дитиофенов действуют те же закономерности, что и для цикло-алкенилтиофенов - дитиофены с заместителем большего объема (например, циклогексенилом) удерживаются дольше, чем с заместителем меньшей молекулярной массы и меньшими значениями других параметров.

При этом, как уже отмечалось, удерживание сорбатов с гексенильным заместителем при переходе от производных тиофена к производным дитиофена увеличивается значительнее, чем у пентенилпроизводных, в то время как значения липофильности, поляризуемости и других структурных параметров в рядах этих производных изменяются пропорционально. Данный факт, вероятно, можно объяснить пространственным расположением этих заместителей (гексенил имеет более плоское строение), а также, возможно, большим сродством (большей ароматичностью) гексенильного радикала и тиофена. При переходе от тиофена к дитиофену это сродство увеличивается - система сопряженных связей становится длиннее, поэтому и удерживание тиофенпроизводных с гексенильным заместителем возрастает более существенно.

Как известно, системы с кратными сопряженными связями, ароматические системы, а также группы, содержащие атомы с большим радиусом обладают значительной поляризуемостью, что в свою очередь оказывает существенное влияние на их удерживание.

Отклонения точек, соответствующих этим сорбатам, можно также наблюдать на графиках зависимости lgk от поляризуемости (рис. 2) и ван-дер-ваальсовой площади поверхности SA(Е2) (рис. 3), что в очередной раз демонстрирует влияние этих параметров на удерживание в ОФ ВЭЖХ.

Рис. 2. График зависимости логарифма фактора удерживания lgk от поляризуемости (б) производных тиофена

Анализ распределения точек в координатах удерживание - поляризуемость дает основание полагать, что при близкой полярности молекул сорбатов их удерживание определяется преимущественно значением поляризуемости.

На рис. 3 представлена зависимость фактора удерживания от ван-дер-ваальсовой площади молекулы. Наибольшее отклонение наблюдается для сорбата 4 с длинным алкильным радикалом, при этом точки, соответствующие сорбатам с фенильным заместителем (6 и 10), от линейной зависимости отклоняются незначительно.

Рис. 3. График зависимости логарифма фактора удерживания (lgk) от ван-дер-ваальсовой площади молекулы (SA ) исследованных соединений

Вероятно, в этом случае сказываются особенности использованной программы HyperChem 7 Professional, в которой расчеты физико-химических параметров базируются на аддитивных схемах. Возможно, в этом случае не в полной мере учитывается пространственное строение углеводородного радикала -C5H11, либо, действительно, сорбат 4 благодаря своему достаточно длинному неполярному «хвосту» особым образом взаимодействует с неподвижной фазой, что приводит к существенным отклонениям величин удерживания от прогнозируемых.

Таким образом, из полученных данных следует, что несмотря на незначительную полярность исследованных веществ, их хроматографическое поведение может существенно изменяться в зависимости от наличия и положения в молекуле ненасыщенных связей или ароматических фрагментов.

Благодарности

Авторы искренне благодарны к.х.н. А.В. Юдашкину за предоставленные для исследования вещества. Работа выполнена при поддержке проекта 02.740.11.0650 ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

Выводы

Исследовано хроматографическое поведение некоторых производных тиофена. Показано, что в условиях ОФ ВЭЖХ удерживание этих соединений определяется присутствием в молекулах атома серы, а также природой заместителя в гетероцикле. Наличие длинно-цепочечного (С5Н11,) или ароматического радикала, соединенного с гетероциклом существенно увеличивает удерживание соответствующих соединений.

Изучены корреляции между фактором удерживания производных тиофена и параметрами, определяющими удерживание - липофильностью, поляризуемостью, объемом и площадью молекул сорбатов. Установлена симбатность в изменении этих параметров

Литература

1. Шатц В.Д., Сахартова О.В. Высокоэффективная жидкостная хроматография. Рига: Зинатне. 1988. 390с.

2. Химия привитых поверхностных соединений. Под ред. Г.В. Лисичкина. М.: ФИЗМАТЛИТ. 2003. 592с

3. Джоуль Дж., Миллс К. Химия гетероциклических соединений. М.: Мир. 2004. 728с.

4. Раевский А.О., Сапегин А.М. Хим.-фарм. журн. 1990. №1. С.43-46.

5. Антонов Н.С. Хим.-фарм. журн. 1981. Т.15. №10. С.46-55.

6. Курбатова С.В. Газовая хроматография производных адамантана. М.: Изд-во СамГУ. 2006. 41с.

Размещено на Allbest.ru