Журнал физической химии, 2019, T. 93, № 1, стр. 128-136

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В качестве объектов исследования использованы некоторые производные 1,2,4-триазина и 1,2,4-триазола, формулы которых приведены в табл. 1.

Хроматографический эксперимент выполнен на жидкостном хроматографе “Varian ProStar” с УФ-спектрофотометрическим детектором “ProStar” при длине волны 254 нм. В качестве адсорбентов использовали октадецилированный силикагель фирмы Waters (размеры колонки 3.9 × 150 мм, размер частиц сорбента 5 мкм), гидрофобный (нейтральный) микропористый сверхсшитый полистирол с диаметром частиц 3.2 мкм и средним диаметром пор 20−40 Å (размеры колонки 4.6 × 150 мм), сорбент на основе пористого графитированного углерода HyperCarb™ фирмы Thermo Scientific, США (размеры колонки 50 × 3 мм, размер частиц сорбента 5 мкм). В качестве элюента применяли смесь ацетонитрил – вода в различных объемных соотношениях. Для приготовления подвижных фаз использовали тридистилированную воду и ацетонитрил (АЦН) марки “HPLC-gradient grade”; дегазирование растворов осуществляли воздействием на приготовленные водно-ацетонитрильные смеси ультразвука с помощью установки марки “УЗДН-2Т”. Пробу сорбата готовили растворением индивидуального вещества в соответствующей подвижной фазе, объем вводимой пробы составлял 20 мкл. Исследование проводили при комнатной температуре в изократическом режиме при объемной скорости элюента 0.5 мл/мин. Значения фактора удерживания k, рассчитанного по известным формулам [10], приведены в табл. 1. Здесь же приведены значения молярного объема (V, ų), коэффициента распределения в системе н-октанол – вода (lg P), поляризуемости (α, ų) и дипольного момента (μ, D), рассчитанных с помощью программы HyperChem Professional 8.0 полуэмпирическим методом PM3 с полной оптимизацией геометрии молекул. Величину относительного удерживания (r) определяли по формуле

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Шестичленные гетероциклы с тремя гетероатомами в молекуле представляют собой электронодефицитные соединения, которые могут быть охарактеризованы большим набором резонансных структур [1]. Особенностью электронного строения 1,2,4-триазинов является наличие трех неэквивалентных атомов азота пиридинового типа, каждый из которых является потенциальным центром основности. Предполагается, что при протонировании подобных гетероциклов теоретически возможно образование трех видов монокатиона или дикатиона [11]. В ряду азинов π‑электронная плотность падает с увеличением числа гетероатомов в цикле, вследствие чего триазины легко вступают в реакции с нуклеофилами, а электрофильное замещение при этом протекает с трудом. Незамещенный 1,2,4-триазин представляет собой бледно-желтое масло с температурой плавления около 16–17.5°С, хорошо растворяется в органических растворителях и плохо в воде. Производные 1,2,4-триазина термически стабильны [1].

1,2,4-Триазол также существует в двух таутомерных 1H- и 4H-формах, при этом предпочтительной является 1Н-форма [1]. Предполагают, что атом водорода в молекуле 1,2,4-триазола является общим для всех трех атомов азота, а частичный отрицательный заряд гетероароматического кольца компенсируется частичным положительным зарядом этого перемещающегося водорода. 1,2,4-Триазол и его производные относят к 6π-ароматическим системам с ярко выраженными ароматическими свойствами. Пониженную основность этого соединения объясняют сильным взаимодействием сопряженной системы гетероциклического фрагмента и отдельных его атомов.

Основными структурными фрагментами, отвечающими за сорбционные свойства молекул выбранных нами для исследования аналитов, являются триазин, триазол, имидазол или бензимидазол и их различные сочетания, дополненные присутствием неполярных углеводородных радикалов. Тем не менее, физико-химические параметры этих соединений изменяются в сравнительно широких пределах. Как следует из данных, приведенных в табл. 1, значения поляризуемости молекул лежат в пределах ~14–43 ų, липофильности ~0.2–5.4, дипольного момента ~3.4–6.4 D.

Хроматографическое удерживание производных 1,2,4-триазина и 1,2,4-триазола, как и других гетероциклов, зависит от строения молекул аналитов, природы сорбента, состава элюента и в основном соответствует закономерностям обращенно-фазового варианта ВЭЖХ – с возрастанием характеристик, ответственных за дисперсионные взаимодействия молекул аналитов с сорбентом (объем, поляризуемость, липофильность), значения фактора удерживания, как видно из табл. 1, также возрастают. В целом же сравнительно широкий диапазон значений физико-химических характеристик исследованных веществ приводит к существенным различиям в их сорбируемости, изменяя величины фактора удерживания от единицы или меньше до нескольких десятков в зависимости от типа сорбента и состава элюента.

Представленные в табл. 2 значения относительного удерживания, определенные при использовании 3-(1H-имидазол-1-ил)-1,2,4-триазина в качестве стандарта (вещество 4), иллюстрируют изменение удерживания с изменением строения молекул сорбатов. Так, наличие триазольного фрагмента приводит к уменьшению удерживания вещества 8 по сравнению с имидазольным производным 4 на всех использованных сорбентах, вероятно, в связи с усилением взаимодействия сорбата с компонентами подвижной фазы. Появление в молекулах сорбатов метильных радикалов лишь незначительно изменяет удерживание веществ 5 и 6 относительно незамещенного аналога 4. А вот переход от имидазольных производных к бензимидазольным (10, 12, 13) и особенно к веществам с фенильными радикалами (1, 2, 3, 7, 9, 11), существенно увеличивает удерживание относительно вещества 4, особенно на ССПС и ПГУ. Таким образом, из полученных нами данных следует, что наибольшее влияние на удерживание, помимо строения молекул производных триазола и триазина, оказывает природа сорбента.

Как уже было отмечено, несмотря на неполярный в целом характер использованных сорбентов, для них характерны определенные особенности структуры, обусловленные их химической природой и способом изготовления. К наиболее существенным особенностям сверхсшитого полистирола относят, как известно, возможность π-взаимодействий поверхности сорбента с молекулами сорбатов, имеющими свободные электронные пары, d-орбитали или ароматические фрагменты [12]. Пористый графитированный углерод способен к проявлению эффекта полярного удерживания за счет π-стекинга между ароматическими фрагментами молекул адсорбатов и делокализованной электронной плотностью графитоподобной поверхности ПГУ или электростатических взаимодействий между полярными молекулами адсорбатов и индуцированными зарядами на поверхности сорбента [13]. На поверхности октадецилсиликагеля возможно присутствие свободных немодифицированных силанольных групп, способных к образованию водородной связи с молекулами сорбатов [14]. Перечисленные особенности сорбентов приводят к тому, что в выбранных условиях хроматографирования некоторые производные 1,2,4-триазола и 1,2,4-триазина сорбируются либо весьма слабо (ОДС), либо наоборот – необратимо (ПГУ).

Сорбция на ОДС практически полностью определяется дисперсионными взаимодействиями, поэтому наибольшее удерживание характерно для веществ 2, 3, 7, 11 и 14 с максимальными значениями поляризуемости и липофильности. Существенно меньшее удерживание остальных веществ на ОДС свидетельствует о преобладании сильных специфических взаимодействий молекул гетероциклов с элюентом, ослабляющих дисперсионные взаимодействия в системе.

На ССПС при небольшой концентрации ацетонитрила в элюенте практически все исследованные соединения сорбируются необратимо, начиная элюироваться лишь при 60% органического компонента. При этом максимальные значения фактора удерживания, как уже было отмечено, характерны для веществ с фенильными радикалами в структуре молекулы.

При сорбции на ПГУ некоторые соединения сорбируются необратимо при любых составах элюента (именно этим обстоятельством объясняется отсутствие некоторых данных по удерживанию в табл. 1 и 2), а для веществ, способных элюироваться в этих условиях, значения фактора удерживания оказываются весьма значительными даже при высоком содержании органического компонента в подвижной фазе. Приведенный ниже пример иллюстрирует разницу в значениях фактора удерживания веществ при сорбции на трех перечисленных сорбентах при концентрации ацетонитрила в элюенте 70%:

Можно предположить, что столь существенные различия в сорбционных характеристиках аналитов обусловлены перечисленными выше особенностями сверхсшитого полистирола и пористого графитированного углерода. Усилению сорбции производных 1,2,4-триазола и 1,2,4-триазина на поверхности ССПС по сравнению с ОДС способствует ароматичность основного гетероциклического фрагмента молекул, способных к дополнительным π–π-взаимодействиям, а значительная сорбция на ПГУ является результатом аналогичного вклада π-стекинга молекул сорбатов и делокализованной электронной плотности графитоподобной поверхности.

Однако, столь существенное усиление сорбции на ПГУ по сравнению с другими сорбентами, вероятно, обусловлено и другими причинами. Так, в частности, необъяснимым с точки зрения вкладов π-взаимодействий является различная сорбируемость веществ 13 и 14, строение которых отличается лишь природой радикалов в положениях 5, 6. При этом бóльшие значения объема, поляризуемости и липофильности вещества 14 свидетельствуют в пользу его более сильных дисперсионных взаимодействий с поверхностью сорбента по сравнению с веществом 13. За счет присутствия двух фенильных радикалов бóльшим должен быть и вклад π-стекинга. Однако, как следует из приведенных ниже данных, фактор удерживания соединения 14 для ПГУ при концентрации ацетонитрила 80% оказывается почти в 10 раз меньше значения фактора его аналога 13.

Можно предположить, что в данном случае важной оказывается роль стереохимии молекул сорбатов, существенная при сорбции на плоской поверхности ПГУ. Из литературы известно, что плоские молекулы, способные к более тесному контакту с плоской же поверхностью ПГУ, удерживаются на ней существенно дольше [13]. В целом молекулы гетероциклов имеют плоское строение, о чем свидетельствуют рассчитанные нами значения валентных и торсионных углов исследованных производных 1,2,4-триазола и 1,2,4-триазина и подтверждают данные литературы для других гетероциклов [1]. Тем не менее, присутствие гетероатомов и введение заместителей в гетероароматический цикл приводит к некоторой потере симметричности как в распределении π-электронной плотности, так и в геометрическом строении молекул, что может существенно изменить сорбционные характеристики.

В соответствии со значениями торсионных углов между углеводородными радикалами и основным гетероциклическим фрагментом молекул (рис. 1), вещество 13 оказывается значительно более плоским по сравнению со своим аналогом 14 и, таким образом, способным к более тесному контакту с плоской поверхностью ПГУ. Можно предположить, что именно это обстоятельство оказывается решающим в различной сорбируемости данных веществ на поверхности ПГУ. Косвенным подтверждением такого предположения является существенно большее удерживание вещества 14 на поверхности ССПС (вплоть до изменения порядка элюирования), связанное с присутствием в молекуле двух фенильных радикалов, участвующих в π–π-взаимодействии с ароматической системой сорбента.

О существенном вкладе ароматических радикалов в сорбцию на поверхности ССПС и ПГУ свидетельствуют также значения фактора удерживания производных бензоксазола (вещества 15 и 16). Для ОДС фактор удерживания обоих веществ оказывается меньше единицы, на ССПС фенилпроизводное 16 удерживается почти в 3 раза дольше, чем вещество 15 без углеводородного радикала, а на ПГУ вещество 16 сорбируется необратимо.

С изменением состава элюента значения фактора удерживания производных и триазола, и триазина изменяются в соответствии с закономерностями обращенно-фазового варианта ВЭЖХ – с уменьшением концентрации ацетонитрила удерживание сорбатов возрастает, однако, природа сорбента сказывается и в этом случае.

Мы попытались аппроксимировать зависимость удерживания производных 1,2,4-триазола и 1,2,4-триазина от состава элюента наиболее часто используемыми в литературе моделями Хорвата, Снайдера–Сочевинского и Скотта–Кучеры соответственно:

где k – фактор удерживания, C, x_m – концентрация органического компонента, выраженная в моль/л или мольных долях соответственно, a, b, p, n', А, В – коэффициенты, физико-химический смысл которых определяется соответствующей моделью и хорошо описан в литературе [10].

Графики зависимости фактора удерживания от состава элюента в соответствии с рассмотренными моделями при сорбции производных 1,2,4-триазола и 1,2,4-триазина на октадецилсиликагеле представлены на рис. 2. Анализ применимости данных моделей показал, что в целом эту зависимость для удерживания на ОДС достаточно адекватно (за некоторым исключением) аппроксимируют все три уравнения со значениями коэффициента корреляции в пределах 0.86–0.99.

Применение соответствующих моделей для характеристики удерживания исследованных веществ на ПГУ и ССПС осложнено существованием специфических взаимодействий молекул сорбатов с поверхностью этих сорбентов, что, как уже было отмечено, приводит к небратимой сорбции некоторых веществ и, таким образом, отсутствию необходимых для сравнения экспериментальных данных, а для веществ, элюирующихся в этих условиях, к значительным отклонениям от линейной зависимости, о чем свидетельствуют сравнительно небольшие значения коэффициента корреляции, приведенные в табл. 3.

Таким образом, на основании анализа сорбционных характеристик азотистых гетероциклов различного строения можно заключить, что вне зависимости от строения азотсодержащих гетероциклических соединений их удерживание в целом подчиняется закономерностям обращенно-фазового варианта ВЭЖХ, однако весьма существенным при этом оказывается влияние природы используемого в хроматографическом процессе неполярного сорбента, которое вносит значительные коррективы в эти закономерности.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках государственного задания по гранту № 4.5883.2017/8.9.