Неподвижные и подвижные фазы

В качестве неподвижных фаз в ионообменной хроматографии используются различные ионообменники.

Ионообменниками (ионитами) называют электролиты, у которых один ион является полимерным макроионом, а ионы противоположного знака могут обмениваться на ионы, находящиеся в растворе.

По химическому строению ионообменник представляет собой полимер (полимерную матрицу), в составе которого имеются ионогенные функциональные группы.

Ионообменники могут быть твёрдыми и жидкими. В ионообменной хроматографии в большинстве случаев используют твёрдые ионообменники. Полимерная матрица, лежащая в основе структуры ионообменника, может быть неорганической или органической. Наибольшее практическое применение имеют ионообменники органической природы, главным образом, сополимеры стирола с дивинилбензолом.

Катионообменники содержат в своей структуре ионогенные группы кислотного характера, анионообменники – основного. В состав амфотерных ионообменников входят и кислотные, и основные группы. Ионообменники, имеющие только один тип функциональных групп (например, только –SO₃H), называются монофункциональными. Ионообменники, в состав которых входит более одного типа ионогенных функциональных групп (например, -SO₃H и –OH), называются полифункциональными.

Уравнение ионного обмена с участием катионообменника может иметь следующий вид

Каждый ионообменник содержит в своей структуре определённое число функциональных групп, способных к ионному обмену. Число таких групп в единице массы (или объёма) ионообменника характеризуется величиной обменной ёмкости. Практически обменную ёмкость выражают в виде количества ионов (в ммолях), поглощённых 1 г сухого или 1 мл набухшего ионообменника в Н- или Cl-форме при определённых условиях.

В качестве подвижных фаз в ионной хроматографии чаще всего используют водные растворы, поскольку вода является высокополярным растворителем и способствует ионизации вещества. Хроматографирование может проводиться при разных значениях рН в зависимости от природы разделяемых веществ и типа используемого ионообменника. С сильнокислотными и сильноосновными ионообменниками работают при рН 2 – 12, слабокислотными – 5 – 12, слабоосновными – 2 – 6.

На рис. 24.6 показан пример ионообменного разделения двух аминокислот – глутаминовой кислоты и гистидина с использованием сильнокислотного ионообменника.

Рис. 24.6. Разделение двух аминокислот методом ионообменной хроматографии с использованием сильнокислотного катионообменника (ионы Na⁺, участвующие в ионном обмене, не показаны)

Ионообменное равновесие

Процесс обмена иона А, связанного с матрицей ионообменника (R), на ион В, находящийся в растворе, можно представить в виде равновесия:

Термодинамическая константа данного равновесия характеризует способность иона В обмениваться на ион А и имеет вид:

=

На практике для описания ионообменного равновесия вместо термодинамической константы используют аналогичную концентрационную константу, называемую коэффициентом селективности(K_B/A), или смешанную константу, называемую исправленным коэффициентом селективности( ):

При обмене ионов разного заряда стехиометрические коэффициенты в уравнении ионного обмена не равны 1, поэтому активности (концентрации) входят в выражения констант в степенях, равных соответствующим стехиометрическим коэффициентам. Например, для ионообменного равновесия:

Величина коэффициента селективности зависит от размера и заряда иона, химической структуры ионообменника и условий проведения эксперимента. Например, для сильнокислотного катионообменника Dowex-50, содержащего 8% дивинилбензола:

Для описания ионообменного равновесия используют также концентрационный коэффициент распределения (D), который равен отношению равновесной концентрации иона в сорбенте к его равновесной концентрации в растворе

Практическое применение. Понятие об ионной и ион-парной хроматографии

Рис. 24.7. Определение NaCl методом ионообменной хроматографии

Ионный обмен используется для разделения различных неорганических и органических ионов, например, с целью устранения мешающего влияния одних ионов при обнаружении других, выделения определённых ионов из смеси и т.д. На рис. 24.7 показан простейший вариант использования ионообменной хроматографии для количественного определения веществ.

Современными хроматографическими методами анализа, в которых используется ионообменное разделение, являются ионная и ион-парная хроматография.

Ионной хроматографией называется колоночная ионообменная жидкостная хроматография с кондуктометрическим детектированием.

В качестве неподвижной фазы в ионной хроматографии используют поверхностно-пористые ионообменники, состоящие из твёрдого ядра, покрытого тонким слоем ионита. Для таких сорбентов характерны диаметр зёрен меньше 50 мкм, низкая ионообменная ёмкость, механическая прочность, химическая устойчивость, быстрое время установления ионообменного равновесия.

Высокочувствительное кондуктометрическое определение ионов возможно только при невысокой фоновой электропроводности потока жидкости, поступающей в детектор. По этой причине предложено два основных варианта ионной хроматографии:

Схема двухколоночной ионохроматографической системы показана на рис. 24.8.

Рис. 24.8. Схема двухколоночной ионохроматографической системы

При прохождении через подавляющую колонку фоновый электролит превращается в соединение с низкой электропроводностью, а определяемый ион – в соединение с высокой электропроводностью. Например, при разделении катионов щелочных металлов в качестве элюента используется раствор HNO₃. В разделяющей колонке, заполненной катионообменником, происходит ионный обмен и разделение катионов. В подавляющей колонке находится анионобменник в OH-форме. При прохождении через подавляющую колонку анионы разделяемых солей и нитрат-ионы, входящие в состав элюента, полностью обмениваются на гидроксид-ионы. Таким образом, HNO₃ превращается в H₂O, а соли щелочных металлов – в соответствующие гидроксиды (сильные электролиты).

Ион-парной хроматографией называется вариант жидкостной хроматографии, при котором в подвижную фазу добавляют реагент, в состав которого входит гидрофобный ион, хорошо адсорбирующийся на поверхности неподвижной фазы – силикагеля с привитыми алкильными группами (см. рис. 24.1). В качестве ион-парных реагентов при разделении катионов обычно используют алкилсульфаты или алкилсульфонаты, а при разделении анионов – ионы тетраалкиламмония.

Принято считать, что разделение и удерживание веществ в ион-парной хроматографии обусловлено двумя механизмами:

· сорбцией ион-парного реагента на поверхности неподвижной фазы и превращении её в ионообменник;

· взаимодействием разделяемых веществ и ион-парного реагента в подвижной фазе с образованием ионных пар, которые затем адсорбируются на неподвижной фазе.

Ион-парная хроматография используется для разделения ионизированных веществ, которые обладают хорошей растворимостью в полярной подвижной фазе, незначительным сродством к неполярной неподвижной фазе и не могут быть удовлетворительно разделены в условиях обычной обращённо-фазовой ВЭЖХ.

В качестве примера на рис. 24.9 показана жидкостная хроматограмма этанольного извлечения из корня барбариса, содержащая смесь алкалоидов, протобербериновой группы (пик, отмеченный значком *, соответствует берберину – см. рис. 20.10), полученная с помощью микроколоночного жидкостного хроматографа «Миллихром-4». Колонка длиной 64 мм и диаметром 2 мм. Неподвижная фаза – Separon SGX - C₁₈ (диаметр частиц сорбента 5 мкм). Подвижная фаза – смесь ацетонитрила и водного 5×10^-2 М KH₂PO₄ (40:60) c добавлением 2×10^-3 М додецилсульфата натрия. Детектор – спектрофотометрический (260 нм).

Рис. 24.9. Хроматограмма этанольного извлечения из корня барбариса