Коллоидный журнал, 2019, T. 81, № 5, стр. 605-612

ВВЕДЕНИЕ

Большинство разделений, осуществляемых в жидкой фазе, производят в режиме так называемой обращенно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ), когда в качестве растворителя используют водно-органические среды, а в роли адсорбента, как правило, модифицированные кремнеземы, представляющие собой силикагели, к поверхности которых химически привиты те или иные гидрофобные группировки [1–5]. Среди таких кремнеземов наибольшее распространение получили силикагели с привитыми октадецильными группами – октадецилсиликагели [1]. Силикагели с привитыми октадецильными группами применяют также как неподвижные фазы для предколонок, а помимо хроматографии – как адсорбенты в картриджах для твердофазной экстракции [1].

Многие аспекты механизмов адсорбции на силикагелях с привитыми октадецильными группами хорошо изучены [1, 6–10]. Исследованы спектроскопическими и микроскопическими методами сами модифицированные кремнеземы, предложены модели удерживания органических веществ на таких адсорбентах, описаны вклады различных типов межмолекулярных взаимодействий в удерживание на октадецилсиликагелях, проведено молекулярно-динамическое моделирование распределения растворителя и молекул адсорбатов в их порах. Однако до сих пор не до конца поняты некоторые детали механизмов адсорбционного связывания молекул органических веществ на октадецилсиликагелях в жидкой фазе, доступные для установления экспериментальными хроматографическими методами [11–20].

Дело в том, что адсорбционные свойства силикагелей с привитыми октадецильными группами, синтезированных с использованием различных модификаторов, могут значительно отличаться друг от друга [21–23]. Поэтому выявление физико-химических закономерностей адсорбции органических соединений из жидких сред разного состава на различных силикагелях с привитыми октадецильными группами прямыми хроматографическими методами важно для выяснения механизмов адсорбции на обращенно-фазовых материалах для жидкостной хроматографии [11–20].

Цель данной работы – установление физико-химических особенностей механизмов адсорбции некоторых ароматических гетероциклов из растворов ацетонитрил–H₂O разного состава на двух силикагелях с привитыми октадецильными группами, различающихся гидрофобностью.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В настоящей работе в роли адсорбатов выступали 2,5-дифенил-1,3,4-оксадиазол (1), 2-(тиенил-2)-5-циклогексил-1,3,4-оксадиазол (2), 2-(тиенил-2)-5-фенил-1,3,4-оксадиазол (3), 3,6-дифенил-1,2,4,5-тетразин (4) и 3,6-ди(тиенил-2)-1,2,4,5-тетразин (5). Структурные формулы этих веществ представлены на рис. 1. Строение этих гетероциклов подтверждено данными масс-спектрометрии и ЯМР-спектроскопии, а их чистота доказана хроматографически.

Рис. 1.

Структурные формулы исследованных ароматических гетероциклических соединений 1–5.

Адсорбцию гетероциклических соединений 1–5 из бинарных растворителей MeCN–H₂O разного состава изучали на двух силикагелях с привитыми октадецильными группами – Luna C₁₈ (Phenomenex, США) и Discovery C₁₈ (Supelco Analytical, США). Адсорбенты упакованы в коммерческие стальные хроматографические колонки размерами 150 × × 2.0 мм и 250 × 4.6 мм соответственно. По данным производителей исследованные адсорбенты имели следующие характеристики: размер частиц – 3 и 5 мкм, удельная площадь поверхности – 400 и 200 м²/г, размер пор – 100 и 180 Å, содержание углерода – 17.5 и 12% соответственно [24, 25].

Факторы удерживания k ароматических гетероциклов из растворов MeCN–H₂O измеряли в динамическом адсорбционном эксперименте с использованием хроматографического оборудования. Первичные хроматографические данные получали на жидкостном хроматографе Agilent 1100 Series (Agilent Technologies, США), укомплектованном УФ-детектором на диодной матрице, дегазатором подвижной фазы и краном-дозатором “Rheodyne” с петлей на 20 мкл. Для расчета времени удерживания исследованных веществ использовали хроматограммы, записанные на длине волны 254 нм для 1,3,4-оксадиазолов и 313 нм – для 1,2,4,5-тетразинов.

Элюирование 10^–4 M растворов индивидуальных адсорбатов осуществляли в изократическом режиме бинарными растворителями MeCN–H₂O. Использовали MeCN квалификации “HPLC-grade” (Panreac) и деионизованную воду, полученную на мембранном деионизаторе. Объемную долю MeCN в растворителе варьировали в интервале от 0.40 до 0.90 с шагом 0.05 при адсорбции на колонке Luna C₁₈ и от 0.35 до 0.90 с шагом 0.05 при адсорбции на колонке Discovery C₁₈. Объемный расход подвижной фазы MeCN–H₂O составлял 0.5 мл/мин. Косвенным подтверждением близости условий эксперимента к области закона Генри являлась наблюдаемая правильная гауссова форма хроматографических пиков. Температуру колонки T варьировали в интервале от 313.15 до 333.15 K с шагом 10 K. Перед проведением динамической адсорбции гетероциклов колонку термостатировали в течение 30 мин.

Величины фактора удерживания k исследованных гетероциклов из сред MeCN–H₂O разного состава рассчитывали по известной формуле [14]. Обработку зависимостей среда–свойство в координатах уравнения модели Снайдера–Сочевинского и корреляций между логарифмами факторов удерживания, измеренными при адсорбции из сред разного состава, осуществляли методом множественной регрессии с помощью программы Statistica 13.3.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Конкурентная жидкофазная адсорбция и удерживание органических веществ из полярных элюентов на силикагелях с привитыми октадецильными группами в жидкостной хроматографии сопровождается, как известно, серией процессов, протекающих в подвижной фазе и на поверхности адсорбента. К ним относятся разрушение сольватных оболочек молекул адсорбатов и, соответственно, высвобождение молекул растворителя в объемный раствор, возникновение новых межмолекулярных контактов между молекулами растворителя в объемном растворе, переход молекулы адсорбата из объемного раствора в поверхностный слой, десорбция предадсорбированного растворителя и возникновение межмолекулярного взаимодействия адсорбат–адсорбент [15]. Детали механизма адсорбции из растворов на различных силикагелях с привитыми октадецильными группами могут отличаться от данной идеальной картины, описывающей механизм адсорбции в обращенно-фазовой ВЭЖХ, в зависимости от природы их поверхности, особенностей модифицирования поверхности исходного силикагеля, типа дополнительного модифицирования остаточных силанольных групп (эндкеппинга) и других факторов [1].

На рис. 2, 3 представлены зависимости логарифма фактора удерживания lg k исследованных ароматических гетероциклических соединений на колонках с силикагелями с привитыми октадецильными группами Luna C₁₈ и Discovery C₁₈ при 323.15 K от логарифма мольной доли MeCN lg x_m в бинарном растворителе MeCN–H₂O, из которого происходит адсорбция. Результаты аппроксимации зависимостей среда–свойство в координатах lg k–lg x_m показывают, что для адсорбента Luna C₁₈ эти зависимости линейны во всем интервале составов бинарного растворителя для всех гетероциклов (рис. 2). В то же время для адсорбента Discovery C₁₈ аналогичные зависимости нелинейны, причем максимальные отклонения от линейности характерны для интервалов составов бинарного растворителя с малым и большим содержанием MeCN (рис. 3).

Рис. 2.

Зависимости логарифма фактора удерживания исследованных соединений на колонке Luna C₁₈ при 323.15 K от логарифма мольной доли MeCN в подвижной фазе.

Рис. 3.

Зависимости логарифма фактора удерживания исследованных соединений на колонке Discovery C₁₈ при 323.15 K от логарифма мольной доли MeCN в подвижной фазе.

Данные статистической обработки линейных зависимостей среда–свойство при адсорбции исследованных гетероциклов на адсорбентах Luna C₁₈ и Discovery C₁₈ в интервале температуры 313.15–333.15 K, приведенные в табл. 1, дополняют зависимости, представленные на рис. 2, 3. Согласно приведенным значениям коэффициента детерминации r ² и стандартной ошибки s² соответствующих зависимостей, координаты lg k–lg x_m практически идеально описывают концентрационную зависимость удерживания исследованных гетероциклов на колонке Luna C₁₈ и значительно хуже – концентрационную зависимость удерживания на колонке Discovery C₁₈.

Зависимости lg k от lg x_m в случае адсорбции из сред MeCN–H₂O на кремнеземе Discovery C₁₈ значительно лучше аппроксимируются квадратичной зависимостью (рис. 3). Результаты аппроксимации концентрационных зависимостей удерживания исследованных гетероциклов на адсорбенте Discovery C₁₈ с помощью квадратичной функции при трех температурах колонки представлены в табл. 2.

Координаты lg k–lg x_m соответствуют уравнению модели Снайдера–Сочевинского, которая была предложена для описания жидкофазной адсорбции органических соединений из неполярных растворителей с небольшими добавками полярного компонента на полярной поверхности силикагеля [14]. Угловой коэффициент уравнения lg k = m – n lg x_m в рамках модели Снайдера–Сочевинского равен числу адсорбционных центров на поверхности силикагеля, участвующих в адсорбционном связывании одной молекулы адсорбата [14]. Этот коэффициент n отражает также число молекул предадсорбированного полярного компонента растворителя, вытесняемых с поверхности адсорбента при адсорбции одной молекулы адсорбата [14].

Ранее показано, что в координатах lg k–lg x_m линеаризуются и зависимости среда–свойство, полученные при адсорбции органических соединений из полярных сред на неполярных адсорбентах, в частности на силикагелях с привитыми октадецильными группами [14, 16]. Более того, установлено хорошее соответствие рассчитанных методами компьютерной химии величин отношения площади поверхности молекул различных 1,3,4-оксадиазолов и 1,2,4,5-тетразинов к площади поверхности молекулы MeCN значениям углового коэффициента n, экспериментально полученным при адсорбции этих гетероциклов из сред MeCN–H₂O на силикагеле с привитыми октадецильными группами Диасфер-110-C₁₈ [14]. Одна молекула 1,3,4-оксадиазолов вытесняет при адсорбции на поверхности Диасфер-110-C₁₈ в среднем 2.5 молекулы MeCN, а одна молекула 1,2,4,5-тетразина – 3 молекулы MeCN [14].

Из приведенных в табл. 1 данных следует, что при адсорбции одной молекулы исследованных 1,3,4-оксадиазолов и 1,2,4,5-тетразинов на модифицированном кремнеземе Luna C₁₈ вытесняется в объемный раствор в среднем около трех молекул предадсорбированного MeCN, вне зависимости от температуры, при которой происходит адсорбция. Если все же попытаться аппроксимировать зависимость lg k от lg x_m при адсорбции исследованных гетероциклов на кремнеземе Discovery C₁₈ в координатах уравнения модели Снайдера–Сочевинского и пренебречь нелинейностью соответствующих зависимостей среда–свойство в широком интервале составов растворителя MeCN–H₂O, то выясняется, что адсорбция одной молекулы 1,3,4-оксадиазолов и 1,2,4,5-тетразинов на Discovery C₁₈ сопровождается десорбцией в среднем примерно двух молекул MeCN при всех температурах (табл. 1). Таким образом, поверхность Luna C₁₈ обогащена молекулами предадсорбированного MeCN в большей степени по сравнению с поверхностью Discovery C₁₈, что, возможно, свидетельствует о большей гидрофобности поверхности силикагеля Luna C₁₈.

Одинаково хорошая аппроксимирующая способность уравнения модели Снайдера–Сочевинского концентрационной зависимости удерживания на колонке Luna C₁₈ во всем интервале составов растворителя MeCN–H₂O объясняется тем, что за адсорбционное связывание молекул 1,3,4-оксадиазолов и 1,2,4,5-тетразинов на данном химически модифицированном силикагеле отвечают одни лишь дисперсионные взаимодействия адсорбат–адсорбент. По данным производителя колонки [24] адсорбент Luna C₁₈ характеризуется повышенной гидрофобностью, так как при его создании используют дополнительный неполярный эндкеппинг. В результате исходная поверхность кремнезема оказывается покрытой не только октадецильными радикалами, но и дополнительными группами, содержащими неполярные углеводородные радикалы. За счет этого хроматографические колонки с адсорбентом Luna C₁₈ подходят для разделения гидрофобных молекул и должны обладать высокой метиленовой селективностью.

Помимо этого, на колонке с Luna C₁₈ хорошо разделяются во всем интервале составов подвижной фазы MeCN–H₂O 2,5-дифенил-1,3,4-оксадиазол (1), 2-(тиенил-2)-5-циклогексил-1,3,4-оксадиазол (2), 2-(тиенил-2)-5-фенил-1,3,4-оксадиазол (3) и 3,6-дифенил-1,2,4,5-тетразин (4) (рис. 2). Даже удерживание полностью неполярных 3,6-дифенил-1,2,4,5-тетразина (4) и 3,6-ди(тиенил-2)-1,2,4,5-тетразина (5) на колонке с Luna C₁₈ несколько различается во всем интервале составов подвижной фазы MeCN–H₂O (рис. 2), в то время как на колонке с Discovery C₁₈ эти два 1,2,4,5-тетразина не разделяются, вне зависимости от состава растворителя MeCN–H₂O (рис. 3).

Искривление зависимостей среда–свойство при низких и высоких содержаниях MeCN в смешанном растворителе MeCN–H₂O в случае адсорбции исследованных соединений на силикагеле Discovery C₁₈ и соответствующие отклонения величин lgk в сторону бóльших значений по сравнению с линейной зависимостью (рис. 3), по-видимому, обусловлены специфическими взаимодействиями молекул адсорбатов с полярными группами на поверхности Discovery C₁₈. Такие межмолекулярные взаимодействия возможны, если допустить сохранение на поверхности Discovery C₁₈ остаточных силанольных групп, не задействованных при модифицировании октадецилхлорсиланом. Другая причина возникновения такого взаимодействия – присутствие на поверхности силикагеля Discovery C₁₈ наряду с октадецильными радикалами других полярных групп, дополнительно привитых к его поверхности за счет полярного эндкеппинга. Действительно, по данным производителя колонки [25] химически модифицированный кремнезем Discovery C₁₈ обладает меньшей гидрофобностью, чем большинство аналогичных октадецилсиликагелей для обращенно-фазовой ВЭЖХ.

О проявлении специфических межмолекулярных взаимодействий адсорбат–адсорбент при адсорбции исследованных гетероциклов на силикагеле Discovery C₁₈ из сред MeCN–H₂O с низким и высоким содержанием MeCN свидетельствует и характер зависимостей, представленных на рис. 4. Так, при большом содержании MeCN в подвижной фазе зависимости величин логарифма фактора удерживания 1,3,4-оксадиазолов и 1,2,4,5-тетразинов на колонке с Luna C₁₈, измеренного при адсорбции из сред MeCN–H₂O разного состава, от величины логарифма фактора удерживания 2,5-дифенил-1,3,4-оксадиазола на колонке с Discovery C₁₈ искривляются по сравнению с линейной зависимостью в сторону меньших значений lg k для Luna C₁₈, несмотря на большее содержание углерода на поверхности Luna C₁₈ по сравнению с Discovery C₁₈ [24, 25]. Данный факт, на наш взгляд, объясняется тем, что при жидкофазной адсорбции на силикагеле Luna C₁₈ энергетику связывания молекул с поверхностью определяют преимущественно дисперсионные взаимодействия адсорбат–адсорбент, в то время как при адсорбции на Discovery C₁₈ при малых и больших концентрациях MeCN в подвижной фазе дополнительный вклад в удерживание вносят специфические межмолекулярные взаимодействия адсорбат–адсорбент, возникающие за счет полярного эндкеппинга, либо остаточных силанольных групп.

Рис. 4.

Зависимости логарифма фактора удерживания исследованных соединений 1–5 на колонке Luna C₁₈ при 323.15 K из подвижных фаз MeCN–H₂O разного состава от логарифма фактора удерживания 2,5-дифенил-1,3,4-оксадиазола (1) на колонке Discovery C₁₈.

Несмотря на то, что не существует линейных корреляций между логарифмами фактора удерживания исследованных соединений, измеренного на разных химически модифицированных кремнеземах Luna C₁₈ и Discovery C₁₈, при адсорбции 1,3,4-оксадиазолов и 1,2,4,5-тетразинов на одной и той же неподвижной фазе из жидких сред MeCN–H₂O разного состава наблюдаются линейные корреляции между величинами lg k для гетероциклов 2–5 и величинами lg k 2,5-дифенил-1,3,4-оксадиазола (рис. 5).

Рис. 5.

Зависимости логарифма фактора удерживания исследованных соединений (2–5) на колонке Luna C₁₈ при 323.15 K из подвижных фаз MeCN–H₂O ра-зного состава от логарифма фактора удерживания 2,5-дифенил-1,3,4-оксадиазола (1).

В табл. 3 приведены результаты статистической обработки линейных корреляционных уравнений, связывающих удерживание исследованных гетероциклических соединений 2–5 на силикагелях Luna C₁₈ и Discovery C₁₈ при трех значениях температуры с удерживанием 2,5-дифенил-1,3,4-оксадиазола на этих же силикагелях из сред MeCN–H₂O разного состава. Близкие к единице значения углового коэффициента q этих корреляционных уравнений для случая адсорбции как полярных 1,3,4-оксадиазолов, так и неполярных 1,2,4,5-тетразинов [13] на колонке Luna C₁₈ свидетельствуют в пользу сходства механизмов адсорбции различных гетероциклов на этом силикагеле из растворов MeCN–H₂O разного состава, в основе которых лежат дисперсионные взаимодействия адсорбат–адсорбент, независимо от температуры колонки. Различие в удерживании гетероциклов определяется свободным членом p корреляционного уравнения (табл. 3).

Как следует из данных табл. 3, в случае адсорбции полярных 1,3,4-оксадиазолов на силикагеле Discovery C₁₈ значения углового коэффициента q также практически равны единице при всех значениях температуры колонки. В то же время для неполярных 1,2,4,5-тетразинов величина q достигает значений, близких к 1.2. Это отражает различия в механизмах удерживания на Discovery C₁₈ неполярных 1,2,4,5-тетразинов и полярного 2,5-дифенил-1,3,4-оксадиазола. Они вызваны, вероятно, присутствием на поверхности данного силикагеля полярных групп из-за полярного эндкеппинга или сохранения остаточных силанольных групп. В целом при этом, судя по величинам коэффициента детерминации r ² и стандартной ошибки s² соответствующих корреляционных зависимостей (табл. 3), зная удерживание 2,5-дифенил-1,3,4-оксадиазола из подвижной фазы MeCN–H₂O любого состава, можно предсказать удерживание любого другого из исследованных гетероциклов при таком же составе подвижной фазы на колонках Luna C₁₈ и Discovery C₁₈.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, сравнительный анализ жидкофазной адсорбции исследованных ароматических гетероциклов на химически модифицированных силикагелях Luna C₁₈ и Discovery C₁₈ из сред MeCN–H₂O различного состава позволил выявить ряд особенностей, отличающих механизмы связывания молекул исследованных соединений с поверхностями этих октадецилсиликагелей.

Оказалось, что при температуре от 313.15 до 333.15 K зависимости логарифма фактора удерживания от логарифма мольной доли MeCN в подвижной фазе являются строго линейными во всем интервале составов только при адсорбции на силикагеле Luna C₁₈, характеризующемся повышенной гидрофобностью за счет наличия неполярного эндкеппинга. При адсорбции исследованных гетероциклов на силикагеле Discovery C₁₈ концентрационные зависимости удерживания описываются квадратичной функцией и характеризуются завышенными по сравнению с линейной зависимостью величинами удерживания при низких и больших концентрациях MeCN в подвижной фазе из-за меньшей гидрофобности данного силикагеля, вызванной полярным эндкеппингом.

Анализ зависимостей удерживания исследованных веществ от состава подвижной фазы MeCN–H₂O в рамках модели Снайдера–Сочевинского показал, что при всех значениях температуры одна молекула 1,3,4-оксадиазолов и 1,2,4,5-тетразинов при адсорбции на Luna C₁₈ в среднем вытесняет с поверхности адсорбента 3 молекулы предадсорбированного MeCN и 2 его молекулы – при адсорбции на Discovery C₁₈. Это отражает бóльшую степень обогащения поверхностного слоя более гидрофобного за счет неполярного эндкеппинга силикагеля Luna C₁₈ молекулами MeCN по сравнению с менее гидрофобным за счет полярного эндкеппинга силикагелем Discovery C₁₈.

Предложены линейные корреляционные уравнения, позволяющие рассчитывать удерживание 1,3,4-оксадиазолов и 1,2,4,5-тетразинов на модифицированных кремнеземах Luna C₁₈ и Discovery C₁₈ из подвижных фаз MeCN–H₂O произвольного состава при разной температуре хроматографической колонки. Полученные данные позволяют прогнозировать и оптимизировать результаты разделения сложных смесей многофункциональных гетероциклических соединений методами обращенно-фазовой ВЭЖХ.