Обзор хроматографических методов определения алифатических спиртов в водных растворах

Введение

Алифатический спиртовой биообъект и его водные растворы в настоящее время обширно используются в фармацевтическом производстве и медицине. Во многих производствах спиртовые биообъекты используются в качестве растворителей.
Метанол используется непосредственно для получения формальдегида, используемого в производстве пластмасс и некоторых других органических веществ. Метанол-сильный яд, который попадает в организм даже в небольших количествах, вызывая тяжелое отравление, сопровождающееся потерей зрения.
Спирты относятся к веществам, обладающим двойственными свойствами. С одной стороны, алкильные радикалы, обладающие неполярными или слабополярными связями, придают молекулам спирта гидрофобные свойства, а с другой стороны, за счёт полярной гидроксильной группы эти вещества обладают гидрофильными свойствами. Низшие спирты — жидкости, начиная со спиртов, содержащих более 12 атомов углерода — твёрдые вещества. Спирты с низкими молекулярными массами хорошо растворимы в воде, с высокими молекулярными массами, за счёт большого по величине гидрофобного радикала, обладают низкой растворимостью. С увеличением величины алкильного радикала растворимость в воде постепенно снижается. Хорошая растворимость в воде низших спиртов связана с особенностями строения гидроксильной группы. Она обладает сильнополярной О—Н-связью и свободными электронными парами у атома кислорода, что позволяет легко образовывать водородные связи с молекулами воды и обеспечивает растворение спиртов.
Алифатический спиртовой биообъект используется непосредственно для производства ацетальдегида, хлороформа, диэтилового эфира, бутадиена, необходимых непосредственно для синтеза каучука. В медицине алифатический спиртовой биообъект применяют в качестве наружного антисептика, в аптеке, непосредственно для приготовления красителей и экстрактов.
Для проведения определения алифатических спиртов в водных растворах могут быть использованы различные варианты газовой (ГХ) и высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ), совмещенной с разными способами детектирования. В наиболее сложных вариантах это тандемы хроматографических методов (ГХ-ГХ, ГХ-ВЭЖХ) [8].
Целью работы является проведение обзора хроматографических методов определения алифатических спиртов в водных растворах.
Непосредственно для достижения поставленной цели были поставлены следующие задач
изучение научной литературы и литературоведение на ее основе;
обработка и обсуждение полученных результатов.
Структура реферата состоит из введения, основной части, заключения и списка использованных источников.

1. Хроматографические методы анализа: хронология, классификация

М.С.Цвет открыл хроматографический метод в 1903 г и опубликовал первую статью на русском языке в этом же году. В 1906 г он опубликовал две статьи в немецких журналах. В 1910 г М.С.Цвет опубликовал книгу «Хромофиллы в растительном и животном мире». По сведениям А.Эттре первым последователем М.С. Цвета был американский исследователь О.Кrаnzlin (США). Он опубликовал тезисы докторской диссертации в 1907г в Берлине с использованием хроматографического метода. Ч. Дьере в Швейцарии использовал хроматографический метод в 2011-2012 гг., его аспирант В. Роговский из Польши разделял пигменты хлорофилла на хроматографической колонке [6]. В это же время молодой ученый из Университета Миссури (США) Л. С. Пальмер начал проводить хроматографические опыты. В 1922 г он написал книгу, в которой он описал свои опыты и сослался на работы М.С.Цвета. В двадцатых годах Т.Липпма в Эстонии занимался хроматографией. Примерно в 1915 г М.С.Цвет некоторое время работал в этом университете и, по-видимому, познакомил сотрудников с методом хроматографии. Наиболее знаменательной вехой в истории развития хроматографии считается публикация в 1931 г Р.Куна, А. Винтерштейна, и Е. Ледерера, которые буквально повторили хроматографические опыты М.С.Цвета и дали им высокую оценку. В 6 нобелевских работах по химии в течение 1930-1940 гг был использован метод хроматографии. В 1937 г вышла книга Л. Цехмейстера и Л. Чолноки (авторы из Венгрии) на немецком языке по хроматографии [3]. Эта книга в 1940 г была переведена на английский язык, после чего начинается развитие хроматографии в Англии и англоязычных странах. В 1941 г Мартин Синдж [1] предложили метод жидкостно-жидкостной хроматографии, а в 1944г Мартин и Консден предложили метод бумажной хроматографии. В 1943-1944гг Тизелиус в Швеции разработал методы фронтальной и вытеснительной хроматографии. Ранее в 1938 г Измайлов и Шрайбер (СССР) предложили метод тонкослойной хроматографии. В конце тридцатых в начале сороковых годов в закрытом Манхэттенском проекте (США) широко использовалась ионообменная хроматография для выделения некоторых изотопов в чистом виде. Следующей знаковой работой была публикация Мартина и Джемса, которые предложили метод газо-жидкостной хроматографии в 1952 г. Нужно отметить, что газовая хроматография в варианте газо-адсорбционной была известна и ранее. До 1952 г были публикации по газо-адсорбционной хроматографии для разделения постоянных и углеводородных газов. Это работы Н.М.Туркельтауба, Д.А.Вяхирева, А.А.Жуховицкого в СССР, Е.Кремер в Австрии, Филипса в Англии. Однако этот метод имел узкое применение-разделение и анализ только газов. Газо-идкостная хроматография позволила анализировать и смеси летучих жидкостей, что значительно расширило возможности газовой хроматографии. Познакомившись с этой публикацией, газовая хроматография привлекла внимание многих специалистов в разных странах. Специалисты из Голландии разработали теорию размывания в хроматографических колонках. Кейлеманс опубликовал первую книгу по газовой хроматографии. В 1957-1958 гг Голей предложил капиллярную хроматографию, которая в десятки-сотни раз увеличила эффективность колонок и позволила разделять смесь из сотен компонентов. Это особенно важно для нефтехимии. В 1958 г был предложен уникальный пламенно-ионизационный детектор практически одновременно специалистами из Австралии [9] и специалистами из Южной Африки [2]. Этот детектор стал самым востребованным и широко распространенным. Эти страны показывают размах распространения хроматографии по странам мира. В 1958г Ловелок разработал один из самых чувствительных злектроно-захватный детектор. Несколько позднее были разработаны селективные детекторы - пламенно-фотометрический для сера- и фосфор-содержащих соединений, термоионный для азот- и фосфор-содержащих соединений. Быстрому распространению аналитической газовой хроматографии способствовала организация серийного производства газовых хроматографов в начале в США в 1955 г (Перкин-Эльмер), в 1957 г в Японии (фирмы Шимадзу и Хитачи), в 1957-1958гг в СССР. В газовые хроматографы был введен режим программирования температуры, что расширило возможности разделения смесей соединений с разными температурами кипения. Все вышеперечисленное способствовало тому, что уже с 1960г выходило более 2000 публикаций в год по газовой хроматографии. С этого года газовая хроматография становится одним из основных методов анализа. Хроматографией в Китае стали заниматься после 1958 г. Этому способствовали специалисты из СССР. Десятки аспирантов и сотни студентов учились в вузах СССР. Особенно много в Москве. Аспиранты из Китая, учившиеся у известных ученых Жуховицкого, Яновского, Сакодынского были первыми хроматографистами в Китае. Аспирант Жуховицкого Лу Пей Чжан стал одним ведущих хроматографистов Китая, возглавив хроматографический центр. Также развитию хроматографии во Вьетнаме способствовали студенты и аспиранты, учившиеся в СССР, в частности многие аспиранты защитили кандидатские диссертации в лаборатории адсорбции и хроматографии проф.А.В.Киселева. До семидесятых годов преобладала газовая хроматография. В аналитическую практику методы жидкостной хроматографии стали внедряться только с начала семидесятых годов. Классическая жидкостная хроматография до 1970г практически не применялась для аналитических целей. Только после разработки серийных жидкостных хроматографов они стали активно применятся в аналитической практике. Это стало возможным после разработки насосов высокого давления, проточных детекторов и механически прочных сорбентов размером 5мкм. При таких условиях жидкостная хроматография стала экспрессной и эффективной. Дальнейшие темпы развития высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) превзошли темпы развития газовой хроматографии (ГХ). Это было связано с тем, что возможности ВЭЖХ превосходят ГХ.
Методом ВЭЖХ можно анализировать смеси соединений с молекулярными массами с 50 до нескольких миллионов, в том числе и неустойчивых соединений. ГХ может разделять и анализировать смеси соединений с молекулярными массами до 500-700. Соединения с более высокими молекулярными массами либо нелетучи, либо неустойчивы.Введение

реакционных вариантов ГХ и пиролизной ГХ лишь незначительно расширяют возможности ГХ. Применение методов ГХ, ВЭЖХ и ионной хроматографии позволило определять все виды соединений. В частности, в контроле загрязнений окружающей среды, пищевых продуктов - определение летучих, нелетучих и смесей ионов. Метод ВЭЖХ способствовал прогрессу в биохимии, биологии, медицине, фармацевтике. В химии высокомолекулярных соединений, как синтетических полимеров, так и биополимеров (белков). К концу двадцатого столетия хроматография применяется во всех цивилизованных странах мира в жизненноважных сферах деятельности человека от исследований в космосе (анализ атмосферы планет) до расшифровки генома человека, а в настоящее время проведение исследований в протеомике, метаболомике, липидомике, в контроле микробиологических производств. За вклад хроматографических методов в научные исследования и обеспечения безопасности жизнедеятельности человека - контроле загрязнений окружающей среды, пищевых продуктов и лекарств - хроматографию отнесли к двадцати выдающимся открытиям двадцатого века.
Хроматография применяется для анализа сложных многокомпонентных смесей. Хроматографические методы определяют качественный и количественный состав органических веществ, включая летучие углеводороды и биологические жидкости. Фармацевтика, медицина, нефтеперерабатывающий комплекс, химическое производство и другие промышленные отрасли используют хроматографы для контроля качества сырья и готовой продукции, а также обеспечивают с их помощью соблюдение норм экологической безопасности.
Хроматографические методы анализа основаны на цикличных актах сорбции десорбции, происходящих между подвижной фазой (элюентом) с растворенной пробой и неподвижным сорбентом. Компоненты сложных смесей имеют различную сорбируемость, и проходя вдоль неподвижной фазы, поглощаются с неодинаковой скоростью и в разном количестве. Последующее изучение результатов и их сравнение с эталоном позволяет установить точный состав реактива.
В традиционном методе в качестве неподвижной фазы используется материал с развитой поверхностью, а элюентом выступает поток инертного газа или жидкости

. Фильтрация элюента через слой сорбента запускает многократное повторение сорбции и десорбции, что и отличает хроматографические методы анализа от других аналитических методик и обуславливает их эффективность.
Хроматографические методы анализа устанавливают качественный и количественный состав вещества. При качественных испытаниях пробу идентифицируют по ее хроматограмме, сравнивая полученные параметры с эталонными значениями, хранящимися в библиотеке данных.
Количественный метод анализа строится на измерении пиков, формирующихся в зависимости от концентрации примесей. Лаборант изучает хроматограмму одним из следующих методов:
Метод абсолютной градуировки. Зависимость параметров пика от концентрации разных веществ определяется экспериментально. Затем составляются графики и таблицы, с которыми в последующем и сравнивается хроматограмма. Благодаря простоте и высокой точности, метод является основным для выявления микропримесей.
Метод внутренней нормализации. Сумма выбранных пиковых параметров (например, их высота или площадь) принимается за 100%. Далее рассчитывается отношение высоты отдельного изучаемого пика к суммарному значению, благодаря чему определяется массовая доля конкретного компонента в пробе.
Метод внутреннего стандарта. В смесь вводится стандартное вещество, для которого заранее известен калибровочный график. Затем пики изучаемых компонентов сравниваются с пиками «стандарта». Метод применяют в случае исследования составов с переменным, но известным количеством анализируемых компонентов.
Методы постоянно дорабатываются и совершенствуются, что позволяет получать более точные данные при анализе сложных смесей и нивелировать шумы на хроматограммах.
Впервые хроматография была описана русским ученым Михаилом Цветом, изучавшим строение хлорофилла. Ботаник предположил, что зеленый пигмент состоит из нескольких отдельных компонентов и нуждался в методе, который позволил бы разделить вещество на составляющие. Для этого он пропустил экстракт хлорофилла через стеклянную колонку, заполненную толченым мелом. Промыв сорбент эфиром, ученый получил несколько зон разного цвета, что позволило подтвердить многокомпонентный состав пробы. Разработанный метод был назван хроматографией.
Цвет описывал принцип хроматографии следующим образом: вещество в подвижной фазе постоянно реагирует с новыми участками адсорбента и частично впитывается, но при этом адсорбированные компоненты «вымываются» свежими порциями поступающего элюента. То есть, ученый открыл только один метод взаимодействия разделяемых компонентов: молекулярную адсорбцию.
Изза этого ботаник ошибочно предположил, что основным условием для осуществления хроматографического анализа является разница в адсорбируемости отдельных компонентов. Однако в современной хроматографии помимо молекулярной адсорбции для изучения сложных смесей используются и другие физико-химические явления. В результате появилось множество хроматографических методов, и для их разграничения была разработана общепринятая классификация.
Классификация хроматографических методов анализа
Хроматографические методы разделяются на несколько групп в зависимости от сравниваемых параметров. По агрегатному состоянию фаз хроматографические методы анализа делятся на:
Газожидкостные. Подвижной фазой служит поток инертного газа, который проходит через жидкий сорбент.
Газоадсорбционные. Проба в газообразном состоянии пропускается через твердое вещество, на поверхности которого осуществляется адсорбция.
Жидкостно-жидкостные. В качестве элюента и неподвижной фазы используются жидкие среды.
Жидкостно-адсорбционные. Реагент подается вместе с растворителем и проходит через твердый пористый материал.
Жидкостно-гелевые. В этом методе неподвижная фаза представлена гелеобразным веществом.
Вторая классификация касается конструкции хроматографического оборудования. В большинстве методов применяется колоночный хроматограф: адсорбция осуществляется в колонках, заполненных неподвижной фазой. Но иногда используется плоскостная хроматография, в которой используется тонкий срез сорбента или специальная бумага. Также в последнее время получили распространение капиллярный хроматографический метод, при котором разделение происходит в пленке жидкости, и хроматография в полях, требующая для проведения анализа создания дополнительных магнитных, центробежных или иных сил.
Хроматографические методы анализа отличаются особенностями взаимодействия элюента и адсорбента. По механизмам разделения хроматография делится на:
адсорбционную — основывается на разнице в адсорбируемости компонентов пробы;
распределительную — протекает за счет различной растворимости веществ в фазах;
ионообменную — осуществляется благодаря достижению констант ионообменного равновесия;
проникающую — строится на разнице в формах и размерах молекул;
осадочную — происходит благодаря осаждению нерастворимых соединений;
адсорбционнокомплексообразовательную — выполняется за счет образования на поверхности неподвижной фазы координационных соединений разной прочности.
Следующая классификация разделяет хроматографические метода анализа на три группы по способам перемещения поглощаемых компонентов вдоль адсорбционного слоя. Выделяют проявительный (или элюентный), фронтальный и вытеснительный методы. Рассмотрим их подробнее.
К наиболее простым хроматографическим методам анализа относится фронтальный, при котором роль элюента сведена к минимуму. Предположим, что проба представляет собой растворитель Solv, в котором содержатся два компонента: A и B. Анализируемое вещество непрерывным потоком пропускается через сорбционную колонку. После прохождения через хроматографическое оборудование, измеряется концентрация A и B в выходном растворе и учитывается изначальный объем Solv. На основании полученных данных строится график зависимости, который и является выходной кривой (хроматограммой).
Изза поглощения неподвижной фазой компонентов A и B, из колонки сначала будет поступать растворитель, затем вещество с меньшим коэффициентом сорбции (допустим, A), и только потом B. В результате спустя некоторое время из хроматографического оборудования будет поступать раствор с неизменным составом (одинаковой пропорцией Solv, A и B). Данный хроматографический метод анализа применяется не только для изучения сложных веществ, но и для их очистки от примесей, при условии, что они поглощаются лучше, чем основные элементы реагента.
В лабораторных испытаниях чаще всего используется проявительный или элюентный хроматографический метод. Специалист добавляет в колонку пробу реагента Solv c растворенными в нем компонентами A и B, после чего под постоянным давлением подает подвижную фазу. Под воздействием физикомеханических сил происходит разделение состава. Вещество с лучшей сорбируемостью займет верхнюю часть колонки, с меньшей — нижнюю. На выходе из оборудования сначала появится компонент A, затем чистый Solv, потом — элемент B, что и отразится в хроматограмме. Количественный анализ проводится измерением высоты и площади пиков: чем они больше, тем выше концентрация изучаемого вещества в составе.
Главное преимущество элюентного хроматографического метода заключается в возможности разделения сложных многокомпонентных реактивов. Однако при изучении хроматограммы необходимо учитывать снижение концентрации выходящих растворов изза разбавления подвижной фазой.
Третий метод — вытеснительный. Он предполагает использование вытеснителя (препарата D), который постоянно воздействует на раствор Solv, введенный в хроматографическую колонку. Коэффициент сорбции D должен быть выше, чем у любых компонентов анализируемой пробы. Благодаря этому препарат постепенно вытесняет вещество с худшей сорбируемостью, что и фиксируется при выходе смеси из колонки. Вытеснительный метод не требует применения газаносителя, в результате чего сокращаются издержки на проведение исследований. Однако стоит помнить, что анализ полученных данных затрудняется изза наложения зон разных веществ друг на друга, поскольку они не разделяются зоной растворителя.
В аналитической химии широко используется газожидкостный хроматографический метод. Благодаря разнообразию применяемых жидких неподвижных фаз, можно создать оптимальные условия для идентификации практически любого вещества, содержащегося в исследуемой пробе в незначительной концентрации. Это обуславливает универсальность метода. Для этого необходимо правильно настроить хроматографическое оборудование и подобрать неподвижную фазу, отвечающую следующим параметрам:
высокая способность к растворению элементов, содержащихся в реактиве — в противном случае проба быстро выходит из колонки и не дает достаточный материал для проведения анализа;
низкая летучесть — во время исследования фаза не должна испаряться, поскольку это осложнит чтение хроматографического графика;
химическая инертность — адсорбент не должен вступать в реакции с компонентами пробы или газомносителем;
минимальная вязкость — в противном случае замедлится диффузия.
Также для реализации метода важна максимальная разделительная способность компонентов конкретной пробы.
Помимо выбора жидкой среды, в которой будет происходить разделение смеси на отдельные составляющие, во время подготовки хроматографического анализа необходимо подобрать носитель неподвижной фазы. В качестве носителя используется твердый и прочный материал, на котором жидкость образует тонкую однородную пленку. Чаще всего применяется силанизированный хромосорбат, фторуглеродные полимеры и гранулы из высококачественного стекла. Данные носители отличаются следующими преимуществами:
легко и равномерно смачиваются неподвижной фазой;
практически не впитывают жидкость, то есть не препятствуют нормальному протеканию реакции между жидкой и газообразной средами;
не реагируют на повышение температуры в рабочей колонке.
Хроматографические методы анализа, построенные по газожидкостному принципу, относятся к наиболее современным, и применяются в случае необходимости разделения веществ, относящихся к одному классу. Их активно используют в химической и нефтегазовой промышленности для контроля над качеством получаемой продукции. Среди ключевых преимуществ газожидкостного метода анализа можно выделить:
экспрессность;
максимальная точность;
полная автоматизация;
небольшие затраты на подготовку пробы и проведение исследования.
Для использования метода требуется подобрать не только жидкую среду и ее носитель, но и решить вопрос с непрерывной подачей элюента. Для минимизации расходов к хроматографу подключается генератор газа (например, водорода), который продуцирует нужное количество вещества и отвечает за его равномерную подачу в оборудование.
По технологии выполнения жидкостножидкостный хроматографический метод анализа похож на газожидкостную хроматографию. На твердый носитель наносится жидкая среда, выступающая в роли неподвижной фазы. Для подготовки пробы используется не инертный газ, а раствор.
Изучаемый реагент вместе с потоком жидкого растворителя движется через сорбент, на поверхности которого происходит разделение компонентов