Физикохимия поверхности и защита материалов, 2022, T. 58, № 6, стр. 638-642

ВВЕДЕНИЕ

Проблема разделения рацемических смесей на сегодняшний день остается актуальной. Одним из методов разделения оптически активных веществ является хиральная хроматография. Ранее были предложено использовать в качестве неподвижных фаз энантиоморфные кристаллы ряда ахиральных веществ, таких как цитозин, гиппуровая кислота, ретгерсит и др. [1–3]. Такие кристаллы, несмотря на отсутствие асимметрического атома углерода, обладают поверхностью с супрамолекулярной (надмолекулярной) хиральностью, то есть, зеркально-поворотная ось симметрии отсутствует не у молекулы, но у группы взаимно ориентированных молекул. Из изученных кристаллов, только неорганические кристаллы ретгерсита могут применяться в нормально-фазовой жидкостной хроматографии по причине их нерастворимости в органических растворителях и большей, чем у органических кристаллов, механической прочности. В условиях жидкостной хроматографии на кристаллах α-NiSO₄⋅6H₂O были получены разделения энантиомеров пентанола-2 [3]. Было показано, что хиральное распознавание ретгерсита обусловлено различием в изотермах адсорбции энантиомеров [2]. Однако оставалось неизвестным, отличается ли при этом их кинетика адсорбции. Одним из методов оценки закономерностей массопереноса при хроматографическом разделении является анализ кривой ван-Деемтера. Оценка индивидуальных вкладов составляющих уравнения ван-Деемтера в величину, эквивалентную теоретической тарелке (H, мм) может быть легко проведена с использованием современных программ [4–6]. При этом обычно предполагается, что коэффициенты А и В уравнения ван-Деемтера для разных энантиомеров должны быть одинаковы, а коэффициент С, включающий в себя вклад сопротивления массопереносу в подвижной и неподвижной фазах, может быть различным [7]. Поэтому, представляет интерес выяснить, различаются ли кривые ван-Деемтера для энантиомеров на кристаллах ретгерсита, и если различие наблюдается, то оценить, какие процессы вносят вклад в это различие.

ТЕОРИЯ

Зависимость Н от различных факторов выражается уравнением ван-Деемтера:

где u – линейная скорость подвижной фазы, A – вихревая диффузия, B – продольная диффузия, C представляет собой сопротивление массопереносу в неподвижной фазе (C_s) или в подвижной фазе (C_m). Уравнение (2) представляет собой безразмерную форму уравнения (1) за счет использования приведенных ВЭТТ (h) и приведенных скоростей (v), где h = H/d_p и v = ud_p/D_m, где d_p – размер частиц, D_m – коэффициент молекулярной диффузии аналита [8].

Уравнение (2) можно также записать более явным образом, используя выражение, обычно обозначаемое как общая модель высоты эквивалентной теоретической тарелке, которая была впервые введена Лапидусом и Амундсоном [9] и далее использована во многих работах [10–12]. Данная модель может быть выражена следующим образом [13]:

где ${{v}_{i}}$ – приведенная скорость, h_a – вклад в расширение полосы, обусловленный неоднородностью слоя, ${{\gamma }_{{eff}}}$ – эффективная продольная диффузия, $S{{h}_{m}}$ и $S{{h}_{{part}}}~$, соответственно, коэффициенты массопереноса подвижной зоны и зоны частиц (также известные как числа Шервуда). Кроме того, α – коэффициент формы частиц, ε – внешняя пористость колонки, D_pz – коэффициент диффузии в поровом пространстве и k" – коэффициент удерживания хроматографической зоны.

В упрощенной форме уравнение (3) также может быть записано аналогично уравнению (2) [8]:

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В качестве адсорбента использовались кристаллы α-NiSO₄·6H₂O, полученные из семиводного сульфата никеля (98%, Кыштымский медеэлектролитный завод, Кыштым, Россия, CAS 10101-98-1). Для приготовления растворов NiSO₄·6H₂O использовалась высокоочищенная вода с проводимостью 10 мкс/м, полученная на деионизаторе воды ДВ-10UV (Цветхром, Дзержинск, Россия).

Хиральные кристаллы α-NiSO₄·6H₂O были получены по ранее использованной методике [2]: насыщенный раствор семиводного сульфата никеля термостатировался при 40°С при интенсивном размешивании с добавлением стеклянных шариков до полного испарения воды, далее кристаллы отфильтровывались, высушивались в эксикаторе. Затем хиральные кристаллы наносили на поверхность силикагеля (Chemapol, Praha, Czech Republic, размер частиц 5–40 мкм), масса кристаллов составляла 10% от массы силикагеля. Применяемые подходы приводили к реализации процесса созревания Виедмы и образованию гомохиральных кристаллов [14].

Полученным сорбентом наполнялась стальная колонка длиной 25 см и внутренним диаметром 4.6 мм. Для заполнения использовалась суспензия модифицированного адсорбента в октаноле-1, через колонку элюировался н-гептан со скоростью потока 10 мл/мин. Процедура повторялась до плотного заполнения всей колонки.

Исследование проводилось методом высокоэффективной жидкостной хроматографии в нормально-фазовом режиме (нф-ВЭЖХ) на хроматографе Agilent 1100 (AgilentTechnologies, USA) с детектором на диодной матрице. В качестве элюента был выбран н-гептан (>99.5%, Экос-1, Москва, Россия, CAS 142-82-5). Перед использованием н-гептан очищался согласно общепринятым методикам [15]. В качестве тест-сорбата использовались D-камфора (97%, Acros Organics, New Jersey, USA, CAS 464-49-3) и L-камфора (97%, Acros Organics, New Jersey, USA, CAS 464-48-2). Анализ проводился при длине волны 220 нм. Ввод пробы с концентрацией 10 мг/мл осуществляли при помощи полуавтоматического инжектора. Объем петли составлял 20 мкл. Скорость элюирования составляла от 0.15 до 1.10 мл/мин.

Из полученных хроматограмм было рассчитано число теоретических тарелок и значения H для L- и D-камфоры. Аппроксимация экспериментальной кривой проводилась в программе Origin. Индивидуальные коэффициенты уравнения ван-Деемтера рассчитывались с использованием уравнения (3). Графики строились с использованием программы SigmaPlot.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Кривые ван-Деемтера для энантиомеров камфоры представлены на рис. 1. Из графика видно, что левые ветки кривых, характеризующие вклад продольной диффузии, совпадают, а правые ветки кривых, показывающие вклад сопротивления массопереносу как в подвижной, так и в неподвижной фазе – различаются. Тангенсы угла наклона правой ветки кривых ван-Деемтера составляли для L-камфоры 0.29 ± 0.01, а для D-камфоры 0.319 ± 0.009. Это говорит о том, что при разделении D- и L-камфоры на кристаллах ретгерсита, нанесенных на силикагель, сопротивление массопереносу энантиомеров различается. При этом правее минимума на кривой сопротивление массопереносу вносит заметно больший вклад в размывание пиков, чем вихревая диффузия (на примере L-камфоры, рис. 2). Поскольку коэффициент С представляет собой сумму сопротивления массопереноса в различных зонах колонки, то представляет интерес выяснить, какая из составляющих вносит вклад в различие массопереноса.

Приведенные линейные скорости v, приведенная высота эквивалентная теоретической тарелке h, вклады в h продольной диффузии (${{h}_{b}}$), сопротивления массопереносу в подвижной фазе (${{h}_{{{{C}_{m}}}}}$) и сопротивления массопереносу в неподвижной фазе (${{h}_{{{{C}_{s}}}}}$) представлены в табл. 1–2. По рассчитанным данным были построены зависимости составляющих кривой ван-Деемтера от приведенной линейной скорости подвижной фазы (рис. 3–5). Из рис. 3 видно, что вклады продольной диффузии в h совпадают. Вклады сопротивления массопереносу в подвижной фазе также идентичны для двух энантиомеров (рис. 4). Это объясняется тем, что подвижная фаза ахиральна и диффузия молекул энантиомеров камфоры в подвижной фазе одинакова.

В то же время, вклады сопротивления массопереносу в неподвижной фазе отличаются (рис. 5). Данное отличие обусловлено различием в коэффициентах диффузии в поровом пространстве. Так, коэффициент диффузии в поровом пространстве D_pz для L-камфоры оказался равен 5.4 × 10^–9, а для D-камфоры D_pz составил 4.9 × 10^–9. В то же время коэффициенты диффузии Sh_part, характеризующие диффузию на поверхности частицы, одинаковы (Sh_part (L-камфоры) = 10 и Sh_part (D-камфоры) = 10).

Полученные данные свидетельствуют о том, что причиной различия правых веток кривых ван-Деемтера для энантиомеров камфоры является отличие скорости массопереноса энантиомеров в поровом пространстве. При нанесении шестиводного сульфата никеля из суспензии на частицы силикагеля, микрокристаллы ретгерсита способны образовываться в крупных транспортных макропорах. Вероятно, именно в поровом пространстве силикагеля, частично заполненном ретгерситом, и происходит хиральное распознавание. Скорее всего, различие коэффициентов диффузии энантиомеров камфоры является следствием разных скоростей адсорбции и/или десорбции камфоры на ретгерсите. Механизм хирального супрамолекулярного распознавания сопровождается образованием упорядоченного слоя адсорбированных энантиомеров на поверхности кристаллов [1]. При этом, скорость образования и разрушения адсорбционного слоя может различаться. Вероятно, различие в D_pz обусловлено тем, что один из энантиомеров либо слишком медленно образует адсорбционный слой, либо слишком быстро десорбируется из слоя в объём элюента.

Из рис. 5 следует, что с повышением линейной скорости различие в ${{h}_{{{{C}_{m}}}}}$ между энантиомерами возрастает. Это также является следствием того, что различие в ${{h}_{{{{C}_{s}}}}}$ обусловлено разной скоростью массопереноса в поровом пространстве. Таким образом, различие в диффузии в поровом пространстве является определяющим фактором в различии правых веток кривых ван-Деемтера. Его эффект проявляется в ${{h}_{{{{C}_{s}}}}}$ члене, через значение для D_pz, которое относится к диффузии в поровом пространстве.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе была получена в условиях созревания Виедмы хиральная неподвижная фаза на основе энантиоморфных кристаллов ретгерсита. Анализ кривой ван-Деемтера для энантиомеров камфоры показал, что тангенсы угла наклона правой ветки кривой статистически значимо различаются. Это обусловлено отличием в коэффициентах диффузии в поровом пространстве. Результаты работы показывают, что при адсорбции энантиомеров на супрамолекулярно хиральной поверхности энантиоморфных кристаллов в условиях жидкостной хроматографии наблюдаются различия не только в термодинамических параметрах, но и в коэффициентах диффузии. Полученные данные обуславливают необходимость дальнейшего изучения особенностей кинетики адсорбции энантиомеров на поверхностях с супрамолекулярной хиральностью.

Работа выполнена за счет гранта Российского научного фонда (проект № 19-73-10079).