Способы выделения индивидуальных веществ

Для выделения соединений применяют следующие физические методы: различные виды перегонки – фракционная при атмосферном давлении, в вакууме, в высоком вакууме, молекулярная перегонка, кристаллизация, экстракция, хроматография. Кроме того, имеется много специальных методов, учитывающих специфику функциональной группы.

· Молекулярная перегонка. Для веществ, которые разлагаются при температуре кипения даже в высоком вакууме, используют «молекулярную перегонку». Принцип ее состоит в том, что при сильном разрежении (10^-5-10^-8 мм рт. ст.) с нагретой поверхности подлежащего перегонке расплавленного вещества молекулы переходят в газовую фазу при температуре намного ниже температуры кипения данного соединения. Пары вещества затем конденсируются на холодной поверхности. Так удается очистить вещества со сравнительно большой молекулярной массой и хрупкой структурой.

· Перегонка с водяным паром. Как известно, вещество кипит при температуре, когда давление его пара равно атмосферному. Если нагревать две несмешивающиеся жидкости, они закипят при температуре, когда суммарное давление пара обеих жидкостей сравняется с атмосферным. В качестве второй жидкости берут воду. Таким образом, перегонку данной смеси жидкостей можно провести ниже 100°С. Количество обоих веществ в дистилляте определяется соотношением произведения давления пара каждого вещества на его молекулярную массу.

· Кристаллизация. Для очистки твердых веществ применяют перекристаллизацию. Метод основан на том факте, что для большинства соединений при охлаждении их растворов растворимость вещества уменьшается.

· Экстракция. Метод разделения, основанный на разнице коэффициентов распределения вещества между двумя несмешивающимися жидкостями.

Хроматография

Ø Хроматография – метод разделения, основанный на разной скорости перемещения концентрационных зон компонентов исследуемой смеси в потоке подвижной фазы (элюента) относительно неподвижной фазы.

§ По решаемым задачам выделяют препаративную (количественное разделение веществ) и аналитическую хроматографию (обнаружение веществ и количественная и качественная характеристика смесей).

§ По принципам разделения хроматография подразделяется на адсорбционную, распределительную, ионообменную и ситовую.

v Адсорбционная хроматография. Разделяемые вещества должны отличаться по сродству к твердому адсорбенту, являющемуся неподвижной фазой. В качестве адсорбентов обычно применяют оксид алюминия и силикагель. Значительно реже используют активированный уголь, сульфат бария, силикат магния, полиамиды.

Способность веществ адсорбироваться на полярном адсорбенте в значительной степени определяется их полярностью. По способности адсорбироваться вещества с разными функциональными группами можно расположить в следующей последовательности:

RH < ROCH₃ < R-NO₂ < R-N(CH₃)₂ < R-COOCH₃ < R-NH₂ < R-OH < R-CONH₂ < R-COOH.

По полярности, а значит и по элюирующей способности, растворители-элюенты образуют следующий ряд:

H₂O > CH₃OH > C₂H₅OH > CH₃COCH₃ > CH₃COOC₂H₅ > C₂H₅OC₂H₅ > CHCl₃ > CCl₄ > циклогексан > н-гексан

Элюирование проводят или одним элюентом (смесью элюентов), или последовательно несколькими элюентами, переходя от менее полярного к более полярному, или смесью двух растворителей (последовательно увеличивая концентрацию более полярного).

· Основные варианты адсорбционной хроматографии.

§ Колоночная адсорбционная хроматография. Адсорбент помещают в колонку. Сверху вначале наносится разделяемое вещество, а затем пропускают элюент, который движется под действием силы тяжести или нагнетается под давлением специальным насосом.

Контроль за разделением веществ ведут или физико-химическими методами (УФ-детекция, рефрактометрия), или аналитическими хроматографическими методами.

§ Тонкослойная хроматография (ТСХ). Сорбент размещается тонким слоем на стеклянной, алюминиевой или пластмассовой подложке.

Слой сорбента может быть незакрепленным или зафиксированным с помощью специальных химических веществ (крахмал, гипс). Пробу вещества наносят в нижней части пластинки, которую затем помещают в бокс с элюентом. Растворитель за счет капиллярных сил подымается по пластинке (восходящая хроматография), производя разделение. В случае трудноразделимых веществ прибегают к двумерной хроматографии, когда вещество вначале элюируют в одном направлении, а затем элюирование проводят в перпендикулярном направлении.

В современных условиях обычно используют промышленно изготовленные пластинки для препаративной или аналитической ТСХ.

· Выявление и характеристика веществ. Окрашенные соединения наблюдаются при хроматографировании непосредственно. Бесцветные вещества необходимо «выявлять» – превращать в окрашенные соединения.

В зависимости от сорбента, закрепителя и природы разделяемого вещества используют различные методы «выявления», например, углеводы обугливают при высокой температуре, в том числе, и после опрыскивания растворами серной кислоты, аминокислоты дают окрашенные продукты после обработки раствором нингидрина. По интенсивности окраски разделяемых соединений специфическими реагентами судят о содержании их в смеси.

Для характеристики веществ применяют термин «хроматографическая подвижность», которая обозначается как R_f, – отношение величины пробега зоны вещества к величине пробега элюента.

v Распределительная хроматография. В основе этого варианта хроматографии лежит распределение веществ между подвижной фазой (газ, жидкость) и неподвижной фазой – жидкость, удерживаемая на твердом инертном носителе. Наибольшее распространение получила распределительная хроматография на бумаге и газо-жидкостная хроматография.

§ Бумажная хроматография. Основой хроматографии на бумаге является распределение смеси разделяемых веществ между водой, адсорбированной на бумаге, и растворителем, насыщенным водой. С помощью этого метода удачно проводилось разделение и идентификация аминокислот и моносахаридов. В настоящее время этот вариант хроматографирования утратил свою актуальность.

§ Газо-жидкостная хроматография. Это распределительная хроматография между стационарной жидкой фазой, нанесенной на носитель, и газом (обычно гелий, азот или водород).

Для характеристики разделяемых веществ используют «время удерживания». Это время от момента ввода смеси в колонку до выхода из колонки и прохождения вещества через соответствующий детектор, например детектор, регистрирующий изменение теплопроводности. Данный вариант является одним из наиболее широко применяемых хроматографических методов, особенно в аналитических целях.

v Ионообменная хроматография. В основе метода лежит распределение заряженных веществ (ионов) между подвижной и неподвижной фазами в зависимости от их сродства к иононым центрам неподвижной фазы.

По природе ионообменника различают катионную и анионную хроматографию. В качестве элюентов широко используется вода, растворы кислот и щелочей, буферные растворы. Наиболее часто ионообменными материалами служат катиониты и аниониты на основе сшитых полимеров, содержащих ионогенные функциональные группы, а также модифицированная целлюлоза.

v Ситовая хроматография (гель-хроматография). Отличительной чертой гель-хроматографии является то, что в гелях, образованных трехмерными «сшитыми» макромолекулами, имеются поры определенных размеров, в которые входят меньшие по объему из разделяемых молекул и не входят большие. Поэтому, в отличие от адсорбционной хроматографии, в гель-хроматографии первыми проходят сквозь колонку молекулы большего размера, а самые последними – малые. Разделительная колонка заполняется зернами лиофильного или гидрофильного геля. Примерами таких хроматографических материалов могут служить модифицированные природные гелеобразователи – агар, декстрины, сефадексы (сшитые декстраны) и синтетические сита на основе полиакриламида или «сшитого» полистирола.

[1] Берцелиус Й. (1779 1884) – шведский химик. Научные исследования охватывают все главные проблемы химии первой половины XIX века.

[2] Велер Ф. (1800-1882) – немецкий химик. Работы в неорганической и органической химии. Наряду с Ю. Либихом установил изомерию солей гремучей кислоты.

3 Гмелин Л. (1788-1853) – немецкий химик. Издавал справочники по экспериментальным данным, которые выдержали несколько изданий.

[4] Либих Ю. (1803-1873) – немецкий химик. Создатель теории радикалов, основоположник агрохимии. Изучал органические кислоты.

[5] Бутлеров А. (1828-1886) – русский химик, создатель теории строения органических соединений. Предсказал изомерию многих соединений.

[6] Жерар Ш. (1816-1856) – французский химик. Работал у Ю. Либиха, слушал лекции Ж. Дюма. Создал теорию типов. У Ш. Жерара учились многие русские химики.

[7] Шорлеммер К. (1834 – 1892) – немецкий химик-органик. Работал в области алканов, имеет труды по истории химии.

[8] Лоссень В. (1838 - 1905) – немецкий химик. Основные работы связаны с исследованиями алкалоидов, открыл перегруппировку гидроксамовых кислот.

[9] Кариус Л. (1829-1875) – немеццкий химик. Разработал метод определения серы, галогенов и др. элементов в органических соединениях (1860 г.)

[10] Бейльштейн Ф. (1838-1906) – русский химик-органик. Основные работы в области синтеза ароматических соединений. Инициатор и первый составитель многотомного справочника по органическим соединениям (Handbuch der organische Chemie), известного как «Справочник Бельштейна».

[11] Прегль Ф. (1869-1930) – немецкий химик. Основатель микроанализа органических соединений. Нобелевская премия 1923 г.

[12] Рауль Ф. (1830-1901) – французский химик. Основное направление исследований – изучение растворов.