Коллоидный журнал, 2019, T. 81, № 6, стр. 774-781

ВВЕДЕНИЕ

Обращенно-фазовая высокоэффективная жидкостная хроматография (ОФ ВЭЖХ), в которой распределение адсорбата происходит, как правило, между фазами водно-органического растворителя и химически модифицированного кремнезема (ХМК), в настоящее время является наиболее мощным и распространенным наряду с газовой хроматографией методом разделения органических соединений [1]. Для установления особенностей механизмов адсорбционного связывания в растворах молекул сложных многофункциональных органических соединений с поверхностью ХМК и оптимизации условий их разделения методом ОФ ВЭЖХ важно знать зависимость термодинамических характеристик адсорбции (ТХА) от состава жидкой фазы [2].

Ранее [3, 4] нами исследована термодинамика адсорбции ряда 1,3,4-оксадиазолов и 1,2,4,5-тетразинов из водно-органических растворов на ХМК с привитыми октадецильными группами Диасфер-110-C₁₈ [5] и привитыми фенилбутильными группами Ascentis®Phenyl [6]. Установлены зависимости стандартных дифференциальных молярных изменений энергии Гиббса, энтальпии и энтропии при адсорбции исследованных соединений от состава раствора MeCN–H₂O. В случае обоих ХМК установлено, что зависимости среда – свойство для энергии Гиббса имеют монотонный характер, в то время как для энтальпии и энтропии наблюдаются немонотонные зависимости среда – свойство, для которых характерно наличие экстремумов или точек перегиба. Если в случае адсорбента Ascentis®Phenyl зависимости ТХА от состава жидкой фазы изучены детально с использованием тринадцати растворов MeCN–H₂O разного состава [4], то в случае кремнезема с привитыми октадецильными группами Диасфер-110-C₁₈ зависимости ТХА от состава жидкой фазы исследованы недостаточно с использованием всего пяти растворов MeCN–H₂O разного состава [3]. В связи с этим актуальным является детальное установление зависимости ТХА исследованных гетероциклических соединений на ХМК с привитыми октадецильными группами от состава жидкой фазы с использованием большего числа составов раствора MeCN–H₂O.

Цель работы – установление зависимости термодинамических характеристик жидкофазной адсорбции ряда 1,3,4-оксадиазолов и 1,2,4,5-тетразинов на химически модифицированных кремнеземах Luna C₁₈ и Discovery C₁₈ от состава раствора MeCN–H₂O.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Термодинамику жидкофазной адсорбции ароматических гетероциклов изучали в динамических условиях на жидкостном хроматографе Agilent 1100 Series, укомплектованном детектором на диодной матрице, дегазатором подвижной фазы и краном-дозатором Rheodyne с петлей на 20 мкл.

В качестве адсорбатов использовали 2,5-дифенил-1,3,4-оксадиазол (вещество 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) (см. рис. 1). Строение этих соединений подтверждено данными масс-спектрометрии и ЯМР-спектроскопии, а их чистота доказана хроматографически.

Рис. 1.

Структурные формулы исследованных ароматических гетероциклических соединений 1–5.

Адсорбенты – коммерческие ХМК с привитыми октадецильными группами Luna C₁₈ (Phenomenex, США) и Discovery C₁₈ (Supelco Analytical, США), различающиеся природой групп, использованных для дополнительного модифицирования остаточных силанольных групп (эндкеппинга). Так, октадецилсиликагель Luna C₁₈, по данным производителя, характеризуется повышенной гидрофобностью, что свидетельствует о неполярном эндкеппинге [7]. В то же время ХМК Discovery C₁₈ менее гидрофобен по сравнению с другими октадецилсиликагелями [8]. В эксперименте использовали адсорбенты, упакованные в коммерческие стальные хроматографические колонки с размерами 150 мм × 2.0 мм и 250 мм × 4.6 мм соответственно. Исследованные адсорбенты имели следующие характеристики: размер частиц – 3 и 5 мкм, удельная поверхность – 400 и 200 м²/г, размер пор – 100 и 180 Å, содержание углерода – 17.5 и 12% соответственно [7, 8].

Хроматографические эксперименты выполняли в изократическом режиме, используя подвижные фазы MeCN–H₂O с объемной долей MeCN Ф от 0.35 до 0.90 с шагом 0.05 при адсорбции на колонке Discovery C₁₈ и от 0.40 до 0.90 с шагом 0.05 при адсорбции на колонке Luna C₁₈. Объемная скорость потока бинарного растворителя составляла 500 мкл/мин. При изменении концентрации MeCN в подвижной фазе колонку промывали соответствующим растворителем в течение 1.0–1.5 ч для достижения системой равновесия. Использовали MeCN квалификации “HPLC-grade” (Panreac, Испания) и деионизированную H₂O.

Пробы растворов гетероциклов концентрации 10^–4 моль/л в соответствующем бинарном растворителе объемом 20 мкл вводили в поток этого растворителя с помощью инжектора Rheodyne. В результате концентрация адсорбатов в объемном растворе не превышала 3.3 мкмоль/л, что позволяло изучать их адсорбцию в области предельно малых (не более 5 нмоль/м²) заполнений поверхности адсорбента (область Генри). Косвенным подтверждением близости условий эксперимента к области Генри являлась наблюдаемая правильная гауссова форма пика [9].

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. Для измерения времени их удерживания использовали хроматограммы, записанные при 254 нм для 1,3,4-оксадиазолов и при 313 нм – для 1,2,4,5-тетразинов. Мертвый объем, определенный по системному пику [10], составляет для колонки Discovery C₁₈ 1.651 мл, а для колонки Luna C₁₈ – 0.496 мл.

Методика расчета стандартных дифференциальных молярных изменений энергии Гиббса (∆_aG°, кДж/моль), энтальпии (∆_aH°, кДж/моль) и энтропии (∆_aS°, Дж/(моль K)) при адсорбции исследованных гетероциклов, а также стандартное состояние и принятые допущения описаны в статье [4].

Рассчитанные значения ТХА на ХМК Luna C₁₈ и Discovery C₁₈ в режиме ОФ ВЭЖХ представлены в табл. 1–6.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Из приведенных в табл. 1, 4 данных следует, что адсорбционное равновесие для всех 1,3,4-оксадиазолов и 1,2,4,5-тетразинов сдвинуто в сторону образования адсорбционных комплексов на поверхности обоих ХМК при адсорбции из растворов MeCN–H₂O всех составов (Δ_aG° < 0). Кроме того, адсорбция исследованных веществ носит экзотермический характер (Δ_aH° < 0) (табл. 2, 5) и всегда сопровождается иммобилизацией молекул-адсорбатов, выражающейся в уменьшении вариантности системы (Δ_aS° < 0) (табл. 3, 6). Вследствие экзотермического характера процесса адсорбции сила адсорбционного связывания гетероциклов с обоими ХМК ослабевает с ростом температуры колонки (рис. 2).

Рис. 2.

Зависимости логарифма константы распределения от обратной температуры при адсорбции гетероцикла 1 из сред MeCN–H₂O разного состава на адсорбентах Discovery C₁₈ (а) и Luna C₁₈ (б). Цифры у кривых – значения объемной доли MeCN в растворителе MeCN–H₂O.

Согласно данным табл. 1, 2 при адсорбции исследованных соединений из сред MeCN–H₂O разного состава на ХМК Discovery C₁₈ величины Δ_aG° и Δ_aH° по абсолютному значению уменьшаются при возрастании концентрации MeCN в объемном растворе. Величины Δ_aS° по абсолютной величине также практически монотонно уменьшаются по мере роста Ф при адсорбции неполярных 1,2,4,5-тетразинов 4 и 5 и не монотонно, но в целом уменьшаются по модулю, с увеличением Ф для полярных 1,3,4-оксадиазолов 1 и 3 с конформационно-жесткими заместителями. Зависимость Δ_aS° от состава объемного раствора для циклогексилсодержащего конформационно-гибкого 1,3,4-оксадиазола 2 имеет более сложный характер, отражающий сложную перестройку структуры привитого слоя ХМК при изменении состава среды MeCN–H₂O [11] (табл. 3).

Для объяснения такого поведения величин ТХА гетероциклических соединений на ХМК при изменении состава раствора MeCN–H₂O ранее нами предложена следующая физико-химическая модель жидкофазной адсорбции из водно-органических сред на гидрофобной твердой поверхности в условиях ОФ ВЭЖХ [3]. При переходе молекулы адсорбата из объемного раствора в поверхностный слой происходит разрушение сольватной оболочки молекулы адсорбата и, как следствие, высвобождение молекул MeCN в объемный раствор. С одной стороны, это требует определенных энергетических затрат, с другой – приводит к возникновению новых межмолекулярных контактов в среде растворителя, за счет чего может высвобождаться энергия. Помимо этого, разрушение сольватной оболочки молекулы адсорбата сообщает адсорбционной системе дополнительное число степеней свободы и, тем самым, увеличивает ее вариантность в результате высвобождения молекул MeCN в объемный раствор.

Наряду с процессами в объемном растворе в силу конкурентного характера жидкофазной адсорбции на границе фаз происходит вытеснение молекул предадсорбированного MeCN, и молекулы адсорбата начинают взаимодействовать с поверхностью адсорбента. Первый процесс также требует энергетических затрат и сообщает адсорбционной системе дополнительное число степеней свободы. Второй процесс приводит к выделению энергии и уменьшению вариантности системы.

Все эти процессы вносят свой вклад в эффективные величины ТХА из растворов, такие как ∆_aG°, ∆_aH° и ∆_aS°. Поэтому увеличение содержания MeCN в подвижной фазе вызывает два следствия. Во-первых, возрастают энергетические затраты на разрушение сольватных оболочек и вытеснение предадсорбированного растворителя из поверхностного слоя. Во-вторых, сообщение адсорбционной системе большего числа дополнительных степеней свободы при высвобождении молекул MeCN в объемный раствор из сольватных оболочек и поверхностного слоя. Эти следствия, с одной стороны, уменьшают энергетический выигрыш за счет адсорбционного связывания молекулы адсорбата с поверхностью ХМК, с другой стороны, в определенной мере компенсируют уменьшение энтропии адсорбционной системы за счет связывания молекулы адсорбата с поверхностью ХМК. В результате увеличение содержания MeCN в подвижной фазе вызывает в общем случае уменьшение абсолютных значений ТХА из растворов на ХМК. Некоторое увеличение величин ∆_aH° и ∆_aS° по модулю при больших содержаниях MeCN в растворе, ранее наблюдавшееся нами при адсорбции на ХМК Диасфер-110-C₁₈, объясняется переходом к неконкурентной адсорбции из-за динамического модифицирования поверхности ХМК молекулами MeCN при его больших концентрациях в объемном растворе [3].

Характер зависимостей ТХА исследованных соединений на ХМК Discovery C₁₈ от состава раствора MeCN–H₂O (табл. 1–3) близок к таковому для ранее исследованного силикагеля с привитыми фенилбутильными группами Ascentis®Phenyl [2, 4]. На рис. 3а представлены зависимости ТХА 2,5-дифенил-1,3,4-оксадиазола (адсорбат 1) от объемной доли MeCN в жидкой фазе. Подобие типов зависимостей среда–свойство для ХМК Discovery C₁₈ и Ascentis®Phenyl свидетельствует о слабой полярности рассматриваемого силикагеля, вероятно, за счет полярного эндкеппинга [8]. Адсорбция на Discovery C₁₈ в целом полностью соответствует представлениям описанной выше физико-химической модели жидкофазной адсорбции на ХМК.

Рис. 3.

Зависимости термодинамических характеристик адсорбции (–Δ_aH° (1), –Δ_aS° (2), –Δ_aG° (3)) гетероцикла 1 на адсорбентах Discovery C₁₈ (а) и Luna C₁₈ (б) от объемной доли MeCN в растворителе MeCN–H₂O при 323.15 K.

Абсолютные значения ∆_aS° неполярных 1,2,4,5-тетразинов на Discovery C₁₈ достаточно высоки. Это вызвано сильными гидрофобными взаимодействиями, приводящими к выталкиванию неполярных молекул из ассоциированных сред MeCN–H₂O на гидрофобную поверхность ХМК (табл. 3) [12]. По мере роста Ф щетка из октадецильных радикалов привитого слоя ХМК “раскрывается” [11], и адсорбаты иммобилизуются на поверхности уже не так сильно. При адсорбции на Discovery C₁₈ практически нет различий в величинах ∆_aH° и ∆_aS° исследованных 1,2,4,5-тетразинов (табл. 2, 3). В итоге не удается разделить эти соединения на данном адсорбенте (табл. 1).

Другой тип зависимостей среда–свойство свойственен ТХА на ХМК Luna C₁₈ (табл. 4–6). Абсолютные величины ∆_aG° на Luna C₁₈, так же как и на Discovery C₁₈, закономерно уменьшаются с увеличением доли MeCN в растворе (табл. 4). А вот зависимости среда–свойство для ∆_aH° и ∆_aS° имеют нетривиальный характер (табл. 5, 6). Если абсолютные величины ∆_aH° при адсорбции из обводненных растворов вначале слабо уменьшаются по мере возрастания концентрации MeCN в жидкой фазе, а потом сильно повышаются при адсорбции из обогащенных ацетонитрилом растворов (табл. 5), то величины ∆_aS° по модулю практически сразу возрастают с увеличением Ф (табл. 6).

Представленные на рис. 3б зависимости ТХА 2,5-дифенил-1,3,4-оксадиазола 1 на ХМК Luna C₁₈ от объемной доли MeCN в жидкой фазе, свидетельствуют о том, что зависимость ∆_aG° от Ф линейна, в то время как аналогичные зависимости ∆_aH° и ∆_aS° имеют более сложный характер. Несмотря на одновременное возрастание абсолютных значений ∆_aH° и ∆_aS° по мере роста Ф, начиная с Ф = 0.70, модуль ∆_aG° при этом закономерно уменьшается (рис. 3б). Причиной постоянного уменьшения абсолютного значения ∆_aG° с увеличением концентрации MeCN в жидкой фазе служит усиливающаяся сольватация молекул исследованных гетероциклов молекулами MeCN в обогащенных им растворах. Причиной же увеличения абсолютных величин ∆_aH° и ∆_aS° с ростом содержания MeCN в растворе, начиная с Ф = 0.70, является, на наш взгляд, динамическое модифицирование поверхности ХМК молекулами MeCN. В результате жидкофазная адсорбция приобретает неконкурентный характер. Молекулы адсорбатов удерживаются на ХМК Luna C₁₈ из подвижных фаз, обогащенных ацетонитрилом, без прямого взаимодействия с привитым слоем ХМК на динамически модифицированной молекулами MeCN поверхности. Этим объясняются очень высокие по модулю величины ∆_aH° и ∆_aS°, характерные для адсорбции из растворов MeCN–H₂O с Ф более 0.70 (табл. 5, 6, рис. 3б).

Зависимости среда–свойство для ТХА исследованных веществ на ХМК Luna C₁₈ похожи на соответствующие зависимости, наблюдавшиеся нами ранее для октадецилсиликагеля Диасфер-110-C₁₈ [3] (рис. 3б). По-видимому, оба эти ХМК обладают повышенной по сравнению с большинством октадецилсиликагелей гидрофобностью из-за дополнительного неполярного эндкеппинга [7]. Возможно, за счет повышенной гидрофобности силикагеля Luna C₁₈ на нем удалось разделить неполярные 1,2,4,5-тетразины 4 и 5. В отличие от Discovery C₁₈, в случае Luna C₁₈ при некоторых составах жидкой фазы есть различие не только в величинах ∆_aG° адсорбатов 4 и 5, но и в величинах ∆_aH° и ∆_aS° (табл. 1–6).

Для объяснения разного характера зависимостей среда–свойство в случае использования Luna C₁₈ и Discovery C₁₈ мы проанализировали корреляции между величинами ∆_aH° и ∆_aG°, измеренными при адсорбции 1 из сред MeCN–H₂O разного состава на этих ХМК (рис. 4). Выяснилось, что для обоих ХМК наблюдается компенсационный эффект. Для Discovery C₁₈ компенсационный эффект охватывает все составы раствора MeCN–H₂O. Это означает неизменность механизма адсорбции 1 на Discovery C₁₈ при изменении состава раствора MeCN–H₂O. В то же время в случае Luna C₁₈ существуют две компенсационные серии. Первая серия охватывает растворы MeCN–H₂O с Ф от 0.40 до 0.65, а вторая серия – с Ф от 0.70 до 0.90. Таким образом, при адсорбции исследованных соединений на ХМК Luna C₁₈ происходит изменение механизма адсорбции в интервале значений Ф = 0.60–0.75.

Рис. 4.

Корреляции между величинами стандартных дифференциальных молярных изменений энтальпии и энергии Гиббса, измеренными при адсорбции гетероцикла 1 на адсорбентах Discovery C₁₈ (а) и Luna C₁₈ (б) из сред MeCN–H₂O разного состава при 323.15 K. Цифры у точек на графиках – значения объемной доли MeCN в растворителе MeCN–H₂O.

В этой же области значений Ф ранее нами обнаружен минимум на зависимостях абсолютных величин ∆_aH° и ∆_aS° от состава раствора MeCN–H₂O при адсорбции на силикагеле Диасфер-110-C₁₈ [3]. Следовательно, можно считать доказанным изменение механизма адсорбции исследованных соединений из растворов MeCN–H₂O на ХМК с повышенной гидрофобностью Диасфер-110-C₁₈ и Luna C₁₈ в условиях ОФ ВЭЖХ в диапазоне значений Ф = 0.60–0.75. В этом интервале конкурентная жидкофазная адсорбция сменяется неконкурентной адсорбцией на динамически модифицированной ацетонитрилом поверхности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе изучена термодинамика адсорбции некоторых 1,3,4-оксадиазолов и 1,2,4,5-тетразинов из водно-ацетонитрильных растворов в широком интервале составов на химически модифицированных кремнеземах с пониженной и повышенной гидрофобностью Discovery C₁₈ и Luna C₁₈. Установлены зависимости термодинамических характеристик адсорбции гетероциклических соединений на силикагелях Discovery C₁₈ и Luna C₁₈ от объемной доли ацетонитрила.

Установлено, что для адсорбента Discovery C₁₈ характер зависимостей различных термодинамических характеристик адсорбции от состава раствора подобен характеру зависимостей среда–свойство, наблюдаемых на ранее исследованном химически модифицированном кремнеземе Ascentis®Phenyl. Наблюдается сходство характеров зависимостей термодинамических характеристик адсорбции на адсорбенте Luna C₁₈ и ранее исследованном химически модифицированном кремнеземе Диасфер-110-C₁₈.

Доказано изменение механизма жидкофазной адсорбции 1,3,4-оксадиазолов и 1,2,4,5-тетразинов на химически модифицированном кремнеземе Luna C₁₈, так же как и на адсорбенте Диасфер-110-C₁₈, в области концентраций ацетонитрила 0.60–0.75 об. доли. Механизм адсорбции исследованных 1,3,4-оксадиазолов и 1,2,4,5-тетразинов на химически модифицированном кремнеземе Discovery C₁₈ остается неизменным по мере изменения состава жидкой фазы.

Полученные данные могут быть использованы для оптимизации условий разделения исследованных веществ и родственных соединений методом обращенно-фазовой ВЭЖХ.