Физикохимия поверхности и защита материалов, 2022, T. 58, № 6, стр. 630-637

ВВЕДЕНИЕ

В современной фармакологии существуют высокие требования, предъявляемые к чистоте лекарственных субстанций и готовых лекарственных средств. Наиболее эффективным подходом к решению этой проблемы является разработка методик высокоэффективной жидкостной хроматографии, позволяющих с высокой достоверностью анализировать многокомпонентные смеси биологически активных веществ (БАС) [1]. Наиболее часто в этом случае применяется обращенно-фазовый вариант высокоэффективной жидкостной хроматографии (ОФ ВЭЖХ).

В условиях ОФ ВЭЖХ используется неполярная неподвижная фаза (обычно силикагели с привитыми алкильными группами, сверхсшитый полистирол (СПС)) и полярная подвижная фаза (смеси воды и органических растворителей: метанола, ацетонитрила и т.п.). Преимуществом этого метода анализа является возможность исследования соединений, растворимых как в воде, так и в органических растворителях, а также возможность введения в систему добавок, влияющих на эффективность и селективность разделения.

В последнее время подобные анализы часто проводят в присутствии специфических добавок в подвижную фазу – ионных жидкостей. Ионные жидкости (ИЖ) представляют собой соли со слабо координированными ионами, благодаря чему имеют температуру плавления меньше температуры кипения воды (ниже 100°C). Как правило, эти соединения состоят из большого асимметричного органического катиона и органического или неорганического аниона [2]. Ионные жидкости обладают рядом уникальных физико-химических свойств [3], соответствующих требованиям зеленой химии (низкая летучесть, хорошая термическая стабильность, низкое давление паров, малая токсичность), и могут стать альтернативной заменой летучих и токсичных органических растворителей, используемых в хроматографии [4].

Изучение влияния ионных жидкостей на хроматографический процесс – предмет исследования многих ученых [5–7]. В основном эти работы посвящены аналитическим аспектам разрабатываемых методик, в то время как термодинамический аспект изучения сорбции является важной компонентой при подборе оптимальных условий разделения многокомпонентных смесей. Изучение сорбции ряда БАС на октадецилсиликагеле в системах с ионными жидкостями был осуществлен авторами [8]. Термодинамическим исследованиям сорбции методом ОФ ВЭЖХ посвящены работы [9–11], в которых рассчитаны энтальпия, энтропия и энергия Гиббса некоторых ароматических соединений при сорбции их на неполярных сорбентах (сверхсшитом полистироле и модифицированных силикагелях).

Целью настоящей работы является изучение термодинамики сорбции некоторых производных бензимидазола из водно-ацетонитрильных растворов различных составов, содержащих имидазолиевые ионные жидкости, на сверхсшитом полистироле методом ОФ ВЭЖХ.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Объектами изучения являлись бензимидазол и некоторые его производные (табл. 1), синтезированные на кафедре неорганической химии Самарского университета под руководством профессора З.П. Белоусовой. Структура и чистота соединений подтверждены ЯМР- и ИК-спектроскопией.

Эксперимент выполняли на микроколоночном жидкостном хроматографе “Милихром А-02” совместимом с насосом высокого давления Стайер (Аквилон). Объем вводимой пробы – 10 мкл. Детектирование проводили при длинах волн 254, 280 и 300 нм. Использовали хроматографическую колонку с неполярным монодисперсным сверхсшитым полистиролом (степень сшивки 150%, размер частиц 3.2 мкм, удельная площадь поверхности – 1000 м²/г). В качестве элюента использовали водно-ацетонитрильные смеси разного количественного состава с добавлением двух имидазолиевых ионных жидкостей (их структурные формулы приведены на рис. 1) – 1-бутил-2,3-диметилимидазолий тетрафторбората ([BdMIM][BF₄]) (0.85 ммоль/л) и 1-бутил-3-метилимидазолий бромида ([BMIM][Br]) (0.85 ммоль/л).

Для приготовления подвижных фаз и растворения аналитов использовали деионизированную воду и ацетонитрил (осч сорт 0, Криохром, Россия). Перед каждым хроматографическим анализом колонку регенерировали в течение 15 мин. Для термостатирования колонки использовали твердотельный термостат. Диапазон рабочих температур 328–348 К с шагом 10 К. Дегазацию элюентов осуществляли на установке УЗДН-2Т. Скорость потока подвижной фазы – 300 мкл/мин. Исследование проводили методом обращенно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии (ОФ ВЭЖХ) в линейной области изотермы адсорбции (область Генри), с использованием предельно разбавленных растворов анализируемых бензимидазолов.

Определение термодинамических характеристик процесса перехода бензимидазолов из жидких растворов в фазу СПС осуществляли на основании температурных зависимостей фактора удерживания [12]:

где $k$ – фактор удерживания сорбата; $\Delta H^\circ $ и $\Delta S^\circ $ – изменение стандартной энтальпии и энтропии при переходе сорбата из объемного водно-ацетонитрильного раствора в фазу сорбента, кДж/моль; $R$ – универсальная газовая постоянная, Дж/(моль К); $T$ – температура эксперимента, К; $\varphi $ – фазовое отношение хроматографической колонки, равное отношению объема сорбционной фазы (V_s) к свободному объему колонки (V_M) (φ = V_s/V_M); $A = \left( {\frac{{\Delta S^\circ }}{R} + \ln \varphi } \right)$ – энтропийная составляющая процесса (величина пропорциональная величине изменения стандартной энтропии).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

На основании хроматографического эксперимента были получены факторы удерживания бензимидазола и четырех его производных в изучаемых системах. Значения факторов удерживания для исследуемых систем при 338 К приведены в табл. 2.

Показано, что природа имидазолиевой ИЖ не влияет на порядок выхода бензимидазолов, но существенно изменяет времена выхода соответствующих бензимидазолов. Особенно это заметно на фазах с большим содержанием воды в водно-ацетонитрильном элюенте. Удерживание бензимидазолов с использованием [BMIM][Br] значительно выше, чем с [BdMIM][BF₄]; например, разница по временам удерживания объемного сорбата № 3 составляет порядка 47 мин (рис. 2).

Это свидетельствует о том, что добавление ИЖ влияет на элюирующую силу водно-ацетонитрильного элюента по отношению к бензимидазолам, и, по–видимому, будет влиять на механизм сорбции этих соединений на СПС. Для изучения особенностей сорбции были проанализированы термодинамические характеристики, полученные на основании температурных зависимостей фактора удерживания. На рис. 3 приведены примеры таковых зависимостей для некоторых систем.

Температурные зависимости в исследуемом диапазоне температур линейные с высокими коэффициентами детерминации, что позволяет рассчитывать термодинамические параметры с высокой точностью. С увеличением температуры факторы удерживания закономерно уменьшаются; селективность разделения исследуемых бензимидазолов в системах “водно-ацетонитрильный раствор ИЖ–СПС” практически не изменяется с изменением температуры. В табл. 3 приведены термодинамические характеристики перехода бензимидазолов из водно-ацетонитрильных растворов в фазу СПС.

На рис. 4 приведены сравнительные диаграммы по величинам стандартных энтальпий в исследуемых системах.

Установлено, что значения стандартных энтальпий для бензимидазолов сильно зависят от природы имидазолиевой ионной жидкости и от состава водно-ацетонитрильного раствора. Например, на фазах с большим содержанием воды тепловые эффекты при сорбции выше в системах с бромидной ионной жидкостью ([BMIM][Br]) (исключение сорбат № 5 на фазе с 50% содержанием воды). По-видимому, это связано с меньшей склонностью бромидной ИЖ к модифицированию поверхности СПС, по сравнению с тетрафторборатной ИЖ. У [BdMIM][BF₄] в структуре имидазола есть дополнительная метильная группа, которая повышает гидрофобность этой ИЖ, и, соответственно, его сорбция на СПС будет выше, по сравнению с [BMIM][Br]. Это приводит к дополнительным затратам энергии при конкурентной сорбции молекул бензимидазолов и молекул тетрафторборатной ИЖ, и, соответственно, к снижению общей величины энтальпии процесса перехода из объемной фазы в фазу СПС. На подвижной фазе, содержащей 70% ацетонитрила, наблюдается обратная картина – теплота адсорбции бензимидазолов уменьшается на бромидной ИЖ по сравнению с системой, содержащей тетрафторборатную ИЖ. Это, предположительно, связано с космотропными эффектами анионов ИЖ в водно-ацетонитрильном растворе [13]. С увеличением содержания ацетонитрила больший вклад в космотропный эффект вносит бромидная ИЖ, структурируя подвижную фазу, несколько уменьшая при этом гидрофобность системы в целом.

Аномально высокими величинами энтальпий характеризуется сорбат № 5, содержащий в своей структуре две гидрофильные нитрогруппы (исключением является фаза с 50% содержанием воды и [BMIM][Br]). По-видимому, на СПС для этого бензимидазола будут наблюдаться дополнительные специфические взаимодействия нитрогрупп с ароматической структурой сверхсшитого полистирола. Это и приводит к увеличению суммарной величины энтальпии процесса перехода нитропроизводного бензимидазола из объемного раствора в фазу СПС.

Сорбат № 4 имеет наибольший объем из всех изучаемых бензимидазолов, но характеризуется достаточно невысоким значением энтальпии. Структура этого сорбата является комформационно подвижной, и эта молекула может определенным образом ориентироваться около поверхности сорбента, что и может привести к некоторому снижению суммарной теплоты сорбции.

Пара–изомер (сорбат № 2) характеризуется более высокими значениями величин энтальпии, по сравнению с орто-изомером (сорбат № 3). Это можно связать с возможностью реализации внутримолекулярной связи между ароматической гидроксильной группой и электронной системой бензольного кольца у орто-изомера (сорбат № 3), что снижает долю специфических взаимодействий этого сорбата с полярным элюентом и усиливает дисперсионные взаимодействия с фазой сорбента.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе изучены закономерности сорбции некоторых производных бензимидазола методом ОФ ВЭЖХ в системах с имидазолиевыми ионными жидкостями на сверхсшитом полистироле. Показано, что природа имидазолиевой ИЖ не влияет на порядок выхода бензимидазолов, но значительно изменяет их времена удерживания на СПС. Установлено, что природа ИЖ в сочетании с составом водно-ацетонитрильного элюента существенно изменяет величины суммарных стандартных энтальпий процесса перехода бензимидазолов из объемного раствора в фазу СПС. Нитропроизводное бензимидазола проявляет склонность к специфическим взаимодействиям с ароматическими структурами СПС во всех изучаемых системах с ИЖ. Установлено, что на вид компенсационных зависимостей влияет как природа имидазолиевой ИЖ, так и состав водно-ацетонитрильного элюента.

Работа выполнена при финансовой поддержке госзадания Министерства образования и науки РФ № FSSS-2020-0016.