Коллоидный журнал, 2019, T. 81, № 6, стр. 788-794

ВВЕДЕНИЕ

Интерес к тиосемикарбазидам и соединениям, полученным на их основе, обусловлен наличием в их ряду значительного количества биологически и физиологически активных соединений [1]. Тиосемикарбазиды проявляют антибактериальную, противоопухолевую, противовоспалительную, фунгицидную, инсектицидную и гербицидную активность, могут выступать в качестве регуляторов роста растений [1–3]. Это – полифункциональные соединения с несколькими активными реакционными центрами (атомы азота и серы, а также их комбинации). Свойства динуклеофилов, характерные для тиосемикарбазидов, позволяют широко использовать их в синтезе биологически активных триазолов, пиразолов, оксазолов, тиадиазинов, триазинов и других азотсодержащих гетероциклов [1]. Кроме того, тиосемикарбазиды способны образовывать комплексы с катионами металлов и широко применяются для обнаружения Pt, Cd, Ni и Hg [4]. В [5, 6] тиосемикарбазиды было предложено использовать в качестве дериватов алкилгидразинов при проведении хроматографического анализа несимметричного диметилгидразина в объектах окружающей среды и исследовано их взаимодействие с гидрофобными сорбентами (полидиметилсилоксаном и пористым графитированным углеродом) в условиях газовой и жидкостной хроматографии.

Цианопропилсиликагель, или силикагель с привитыми цианопропильными группами (SiO₂-RCN), относится к сорбентам средней полярности, хотя RCN-группа имеет довольно значительный дипольный момент (4.0 Д) [7]. Однако, как отмечается в [8, 9], полярность сорбентов не вполне коррелирует с полярностью привитых органических соединений из-за взаимного влияния привитых групп и их взаимодействия с поверхностью сорбента и растворителем. Цианопропилсиликагель гидролитически устойчив при pH 1–8, в отличие от силикагеля, и поэтому с успехом может использоваться для анализа полярных соединений в системах с водными и органическими растворителями методами высокоэффективной жидкостной хроматографии с нормальными и обращенными фазами (НФ ВЭЖХ и ОФ ВЭЖХ), а также методом гидрофильной хроматографии [8–12]. Привитый слой цианопропильных радикалов имеет структуру “щетки”, т.е. радикалы ориентированы перпендикулярно поверхности, в отличие от слоя октадецильных радикалов, в котором они расположены относительно поверхности силикагеля хаотично (неупорядоченно). Кроме того, RCN-группы могут взаимодействовать с остаточными OH-группами модифицированного силикагеля, образуя арочные структуры [8]. Наличие диполя в виде CN-группы облегчает ионные и координационные взаимодействия с поляризуемыми соединениями. Как установлено в [8], селективность удерживания бензола и гексана на SiO₂-RCN практически одинакова, т.е. вклад специфических взаимодействий цианофазы с бензолом незначителен. Цианопропилсиликагель способен к образованию слабых водородных связей в качестве их акцептора, но на его поверхности почти не образуется слоя воды в режиме гидрофильной хроматографии [11].

По данным [9–12] сорбционные свойства SiO₂-RCN в НФ ВЭЖХ напоминают свойства полярного силикагеля. Оба сорбента используются для разделения аминов, карбоновых кислот, спиртов, альдегидов, кетонов, пестицидов и лекарственных препаратов в органических средах. Однако присутствие CN-группы иногда изменяет селективность сорбента [10]. Вклады некоторых функциональных групп в удерживание на SiO₂-RCN примерно в 5 раз меньше соответствующих вкладов в удерживание на силикагеле [8]. Поэтому применение неподвижных цианофаз наиболее выгодно, когда требуется с помощью одной хроматограммы зарегистрировать ряд соединений, сильно различающихся по полярности.

В режиме ОФ ВЭЖХ цианопропилсиликагель широко используется для разделения основных, кислых и нейтральных соединений в водно-органических средах. Помимо неспецифических гидрофобных взаимодействий сорбент способен к взаимодействиям с полярными группами молекул сорбатов и растворителей. В результате селективность систем на основе SiO₂-RCN будет отличаться от селективности традиционных систем, например, на основе октадецилсиликагеля (SiO₂-C18). Замена октадецилсиликагеля на цианопропилсиликагель в режиме ОФ ВЭЖХ может служить средством изменения селективности разделения смеси анализируемых соединений, так же как изменение полярности растворителя при переходе от НФ к ОФ ВЭЖХ [8]. Влияние температуры на удерживание соединений на SiO₂-RCN изучено мало, но имеются сведения, что фактор удерживания должен уменьшаться с ростом температуры [8].

Цель работы – исследование взаимодействия тиосемикарбазидов с цианопропилсиликагелем в водных и органических средах методами НФ и ОФ ВЭЖХ, а также изучение возможности применения SiO₂-RCN для разделения смесей тиосемикарбазидов и их отделения от изотиоцианатов, используемых в качестве реагентов при синтезе тиосемикарбазидов.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В качестве сорбента использовали силикагель с привитыми цианопропильными группами, упакованный в колонку Zorbax-CN (DuPont Instruments, США) размером 4.6 × 150 мм. Удельная поверхность сорбента по БЭТ – 180 м²/г, размер зерна – 5 мкм, диаметр пор – 70 Å, содержание углерода в модифицирующем слое равно 7%. Для сравнения использовали силикагель с привитыми октадецильными группами, упакованный в колонку Zorbax-С18 (Zorbax Eclipse XDB C18, Agilent Technologies, США) размером 4.6 × 150 мм. Удельная поверхность сорбента по БЭТ – 180 м²/г, размер зерна – 5 мкм, диаметр пор – 80 Å, содержание углерода в модифицирующем слое – 20%.

Хроматографический анализ проводили на жидкостном хроматографе Agilent 1200 Series с диодно-матричным УФ-детектором Agilent G1315B и программным обеспечением ChemStation А.10.02 (Agilent Technologies, США). Хроматографические разделения проводили в изократическом режиме при скорости элюента 0.5 мл/мин и объеме вводимой пробы 20 мкл. В зависимости от режима хроматографирования в качестве элюентов использовали смесь н-гексана с пропанолом-2 или воду с добавкой метанола. Также использовались модификаторы – тетрагидрофуран, дихлорэтан, диэтиламин. Все растворители от Sigma-Aldrich (США) имели квалификацию HPLC. Идентификацию соединений проводили по их поглощению в области 240 нм [6].

4-Этил-1,1-диметилтиосемикарбазид (I), 4-аллил-1,1-диметилтиосемикарбазид (II) и 4-фенил-1,1-диметилтиосемикарбазид (III) были получены в результате взаимодействия 1,1-диметилгидразина с этил-, аллил- и фенилизотиоцианатом (RNCS, где R – Et, All и Ph соответственно) при комнатной температуре [5, 6].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 приведены данные о влиянии состава подвижной фазы на хроматографическое поведение 4-аллил-1,1-диметилтиосемикарбазида II в системе Zorbax-CN/н-гексан с добавками различных органических модификаторов (дихлорметана, тетрагидрофурана, пропанола-2 и диэтиламина).

Рис. 1.

Влияние состава подвижной фазы на время удерживания 4-аллил-1,1-диметилтиосемикарбазида на колонке Zorbax-CN: 1 – дихлорметан/н-гексан (30/70 по объему), 2 – тетрагидрофуран/н-гексан (30/70), 3 – пропанол-2/н-гексан (30/70), 4 – пропанол-2/н-гексан, модифицированный 0.15% диэтиламина (30/70).

При проведении хроматографического эксперимента в режиме НФ ВЭЖХ обнаружено, что задний фронт хроматографического пика тиосемикарбазида II довольно сильно размыт (рис. 1), что приводит к снижению разрешающей способности колонки Zorbax-CN. В условиях равновесной хроматографии асимметричная форма пика свидетельствует об отклонении изотермы адсорбции от линейности [12]. Пик с острым передним фронтом и растянутым задним фронтом соответствует выпуклой изотерме адсорбции тиосемикарбазида, т.е. характеризует достаточно сильное взаимодействие вещества с цианопропилсиликагелем. Для ослабления взаимодействия тиосемикарбазида с сорбентом в состав н-гексана вводили органические модификаторы. Варьируя состав растворителя, можно в широких пределах изменять сорбционные характеристики и селективность разделения анализируемых соединений. В ряду н-гексан → дихлорметан → тетрагидрофуран → пропанол-2 увеличивается значение сольватохромного параметра основности растворителей β (по Камлеру и Тафту [7]) в последовательности 0 → 0.10 → 0.55 → 0.95. Данные модификаторы, особенно пропанол-2, способны конкурировать с тиосемикарбазидом за место на поверхности неподвижной фазы SiO₂-RCN, содержащей остаточные силанольные группы, а также взаимодействовать с тиосемикарбазидом, что изменяет существующие в системе равновесия. Как видно на рис. 1, в результате использования модификаторов хроматографический пик II становится более симметричным. Аналогичным образом состав подвижной фазы влияет на форму хроматографических пиков тиосемикарбазидов I и III.

Наилучшие результаты и наименьшее время удерживания соединений I–III достигаются при использовании смеси пропанола-2 с н-гексаном, дополнительно модифицированным 0.15% диэтиламина, который снижает влияние остаточных кислых силанольных групп на поверхности SiO₂-RCN на сорбцию тиосемикарбазидов. Данный элюент в дальнейшем был использован при разделении реакционных смесей тиосемикарбазидов с изотиоцианатами, избыток которых используется при синтезе тиосемикарбазидов.

На рис. 2 приведены результаты хроматографического разделения на колонке Zorbax-CN реакционных смесей тиосемикарбазидов I–III с соответствующими изотиоцианатами. Поскольку изотиоцианаты являются более полярными соединениями, чем тиосемикарбазиды, то они дольше удерживаются на поверхности SiO₂-RCN. При этом значительному размыванию подвергаются передние фронты их хроматографических пиков. Такой форме пиков соответствует вогнутая изотерма равновесной адсорбции изотиоцианатов на цианопропилсиликагеле из данного растворителя вследствие их конкурентного взаимодействия с полярными компонентами подвижной фазы и между собой [12]. Особенно сильная асимметрия пика наблюдается для фенил- и аллилизотиоцианата (рис. 2, кривые 3 и 2). Эти соединения дольше удерживаются на поверхности сорбента, чем этилизотиоцианат.

Рис. 2.

Хроматограммы разделения смесей тиосемикарбазидов (время удерживания t_R = 2.2–3.1 мин) с изотиоцианатами (t_R = 3.5–5.5 мин) в системе Zorbax-CN/смесь (30/70 по объему) пропанола-2 с н-гексаном, модифицированным 0.15% диэтиламина: 1 – смесь I и EtNCS, 2 – смесь II и AllNCS, 3 – смесь III и PhNCS.

Время удерживания тиосемикарбазидов также увеличивается с ростом углеводородного радикала в последовательности I–II–III. По данным [8–10], определяющий вклад в удерживание анализируемых соединений на колонке Zorbax-CN вносит специфическое взаимодействие их молекул с группами CN-группами привитого слоя. Исследуемые производные тиосемикарбазидов (как и производные изотиоцианатов) имеют одинаковый набор функциональных групп, поэтому наблюдаемые различия в их удерживании на поверхности цианофазы обусловлены полярностью, электронной плотностью и геометрическими характеристиками углеводородного радикала. Аллильный и фенильный заместители влияют на распределение электронной плотности в молекуле в гораздо большей степени, чем этильный заместитель. Положительный мезомерный эффект аллильного и фенильного радикалов усиливает разделение зарядов в молекулах анализируемых веществ и поляризуемость этих соединений. Индукционный эффект этильного радикала значительно слабее. Кроме того, как обнаружено в [6], соединение III взаимодействует со спиртами слабее двух других.

Как видно на рис. 2, в данных условиях хроматографического разделения на колонке Zorbax-CN пики тиосемикарбазидов “замаскированы”, а пик III едва детектируем на хроматограмме. Это затрудняет разделение тиосемикарбазидов и изотиоцианатов в реакционных смесях с низким содержанием целевых продуктов и избытком реагентов.

Малополярный цианопропилсиликагель можно рассматривать и в качестве обратной фазы, т.е. использовать в ОФ ВЭЖХ с полярными элюентами. Эффективность разделения смеси будет зависеть от способности разделяемых соединений взаимодействовать с подвижной и неподвижной фазами при движении по колонке. Удерживание в ОФ ВЭЖХ определяется преимущественно неспецифическим взаимодействием вещество–адсорбент и специфическим взаимодействием вещество–элюент.

На рис. 3а приведена экспериментальная хроматограмма, полученная при разделении смеси тиосемикарбазидов на колонке Zorbax-CN в водном растворе метанола. Для сравнения показана аналогичная хроматограмма, зарегистрированная при использовании колонки Zorbax-C18 с силикагелем с привитыми октадецильными радикалами (рис. 3б). Видно, что порядок выхода хроматографических пиков тиосемикарбазидов I–III одинаков на обоих химически модифицированных силикагелях: первым выходит соединение I, а последним – соединение III. В той же последовательности увеличивается фактор липофильности тиосемикарбазидов lg P [13] (1.11 → 1.30 → 2.35), который является наиболее распространенной характеристикой способности вещества к переходу из неполярной фазы в полярную. Для соединений I и II значения lg P довольно близки, что затрудняет их разделение, но они значительно отличаются от значения lg P, рассчитанного для тиосемикарбазида III, основной вклад в которое вносит бензольное кольцо. Таким образом, чем больше неполярная углеводородная часть тиосемикарбазида и его поляризуемость, тем сильнее он удерживается на цианопропилсиликагеле. Аналогичный результат был получен ранее при разделении смеси тиосемикарбазидов на колонке Hypercarb [6].

Рис. 3.

Хроматограммы разделения смеси тиосемикарбазидов I (1), II (2) и III (3) на колонках Zorbax-CN (а) и Zorbax-C18 (б) из раствора метанол/вода (50/50 по объему).

Силы взаимодействия молекул сорбата и сорбента определяют селективность сорбента. Для характеристики селективности сорбентов использовали величину фактора разделения α [12]. Экспериментально определенные факторы разделения тиосемикарбазидов на колонках Zorbax-СN и Zorbax-C18 составляют α = 1.3 и 1.5 соответственно. Поскольку α > 1, то удовлетворительное разделение смеси тиосемикарбазидов возможно на обоих сорбентах, но разница в значениях факторов липофильности I и II невелика (1.11 и 1.30), что с большой долей вероятности должно привести к перекрыванию соответствующих пиков. Как уже отмечалось, привитый слой цианопропильных радикалов имеет структуру “щетки”, поэтому плоская форма молекулы II не оказывает такого большого влияния на сорбцию, как в случае углеродного сорбента Hypercarb.

Повысить селективность разделения I и II можно, изменяя полярность элюента. Для характеристики удерживания исследованных соединений использовали величину фактора удерживания k. На рис. 4 приведены зависимости обратного фактора удерживания 1/k тиосемикарбазидов I–III от объемной доли φ метанола в воде. Наблюдается ослабление удерживания тиосемикарбазидов на цианопропилсиликагеле с увеличением содержания метанола, т.е. с увеличением полярности подвижной фазы. Нелинейный характер зависимости 1/k = f(φ) подтверждает сильное межмолекулярное взаимодействие соединений I и II с метанолом. Тиосемикарбазид III с метанолом взаимодействует слабее двух других, и состав элюента влияет на его удерживание значительно слабее. Аналогичным образом состав растворителя влияет на удерживание тиосемикарбазидов на Zorbax-C18.

Рис. 4.

Зависимости обратного фактора удерживания 1/k тиосемикарбазидов I (1), II (2) и III (3) на колонке Zorbax-CN от объемной доли φ метанола в воде.

Уравнения зависимости 1/k = f(φ) для удерживания соединений I–III на колонке Zorbax-CN выглядят следующим образом (r ² – коэффициент детерминации):

Данные уравнения позволяют предсказать хроматографическое поведение тиосемикарбазидов при использовании колонки Zorbax-CN и элюентов с различным содержанием метанола в воде.

Как видно на рис. 5, наблюдается линейное изменение фактора удерживания тиосемикарбазидов на колонке Zorbax-CN при увеличении числа атомов углерода n_C в их углеводородном радикале. Полученная зависимость может быть описана уравнением ln k = 0.2513n_C – 1.2986 (r² = = 0.9999). Аналогичная зависимость удерживания тиосемикарбазидов на Zorbax-C18 идет несколько выше (кривая 2): ln k = 0.2788n_C – 0.8939 (r ² = 0.9884).

Рис. 5.

Зависимость логарифма фактора удерживания k на сорбентах Zorbax-CN (1) и Zorbax-C18 (2) от числа атомов углерода n_C в углеводородном радикале тиосемикарбазидов I–III.

Исследование влияния температуры на хроматографическую систему позволяет определять термодинамические характеристики процесса сорбции. На рис. 6 приведены экспериментально полученные температурные зависимости значений фактора удерживания тиосемикарбазидов I–III на Zorbax-CN. Для всех соединений в достаточно широком диапазоне температуры, T = 298–318 К, эти зависимости линейны (коэффициент детерминации r ² = 0.9974–0.9993). При увеличении температуры удерживание тиосемикарбазидов закономерно снижается, но изменение селективности процесса разделения не наблюдается. Ввиду значительных различий в значениях ln k смесь соединений I–III может быть эффективно разделена во всем исследованном диапазоне температуры.

Рис. 6.

Экспериментальные зависимости значений фактора удерживания lnk тиосемикарбазидов I (1), II (2) и III (3) на колонке Zorbax-CN от температуры.

Из экспериментально полученных зависимостей ln k = f(1/T) в соответствии с уравнением ln k = –ΔH°/RT + ΔS°/R + ln φ были определены значения энтальпии, энтропийной константы и температурного коэффициента сорбции тиосемикарбазидов I–III на силикагелях с привитыми группами CN и С18 (табл. 1). Приведенный в таблице температурный коэффициент сорбции V = = [(k₁ – k₂) – 1]/(T₂ – T₁) позволяет определить изменение фактора удерживания вещества при изменении температуры на 1 К. Эта информация может быть полезна для повышения эффективности разделения тиосемикарбазидов, т.к. повышение рабочей температуры колонок – удобный способ уменьшения вязкости подвижной фазы и снижения давления в колонке.

Как следует из данных табл. 1, увеличение температуры на 1 К влечет за собой изменение удерживания тиосемикарбазидов на колонке Zorbax-CN на 1–1.8%, а на колонке Zorbax-C18 на 0.6–1.2%, т.е. воспроизводимость времен удерживания соединений I–III на колонке Zorbax-CN немного хуже. Чтобы добиться долговременной воспроизводимости величин удерживания на колонке Zorbax-CN желательно ее термостатирование.

Значения термодинамических характеристик адсорбции соединений I–III на Zorbax-CN выше, чем на Zorbax-C18, т.е. взаимодействие тиосемикарбазидов с цианопропилсиликагелем сильнее, чем с октадецилсиликагелем. Это связано с реализацией сложного механизма удерживания соединений на SiO₂-RCN, зависящего как от специфических, так и от гидрофобных взаимодействий сорбат–сорбент.

Проведенные исследования взаимодействия различных тиосемикарбазидов с цианопропилсиликагелем позволили подобрать оптимальные условия хроматографического разделения этих соединений и их смесей с изотиоцианатами, используемыми в качестве реагентов при синтезе тиосемикарбазидов. Обнаружена интересная особенность цианопропилсиликагеля – его селективность в отношении разделения смеси этил-, аллил- и фенилтиосемикарбазида мало изменяется при переходе от неполярного элюента к полярному, т.е. порядок выхода тиосемикарбазидов при разделении их смесей на колонке Zorbax-CN в режимах НФ и ОФ ВЭЖХ преимущественно определяется природой привитой цианофазы.

ВЫВОДЫ

Исследовано взаимодействие этил-, аллил- и фенилтиосемикарбазида с силикагелем с привитыми цианопропильными группами в условиях жидкостной хроматографии с нормальными и обращенными фазами. Селективность разделения смеси этил-, аллил- и фенилтиосемикарбазида на колонке с SiO₂-RCN слабо зависит от полярности элюента, а порядок выхода тиосемикарбазидов при разделении их смесей в режимах НФ и ОФ ВЭЖХ определяется в основном природой привитого слоя цианопропильных радикалов.

Удерживание соединений на колонке Zorbax-CN из водных и органических растворов увеличивается в последовательности 4-этил-1,1-диметилтиосемикарбазид → 4-аллил-1,1-диметилтиосемикарбазид → 4-фенил-1,1-диметилтиосемикарбазид. Изучено влияние состава подвижной фазы и температуры на процесс разделения смесей тиосемикарбазидов. Сопоставлена селективность силикагелей с привитыми цианопропильными и октадецильными группами. Показано, что последовательность выделения тиосемикарбазидов из смесей одинакова на колонках Zorbax-CN и Zorbax-C18. Определены термодинамические параметры сорбции тиосемикарбазидов на химически модифицированных силикагелях.

Проведенные исследования позволили оптимизировать хроматографическое разделение смесей различных тиосемикарбазидов, а также подобрать условия разделения их реакционных смесей с изотиоцианатами, используемыми в качестве реагентов для синтеза тиосемикарбазидов.