Изучение сорбции некоторых гетероциклических соединений на сверхсшитом полистироле

Изучение сорбции некоторых гетероциклических соединений на сверхсшитом полистироле

Дипломная работа

Изучение сорбции некоторых гетероциклических соединений на сверхсшитом полистироле

Содержание

1. Введение

. Обзор литературы

.1 Получение и особенности применения полистиролов в хроматографии и в качестве адсорбентов

.2 Механизмы удерживания в условиях высокоэффективной жидкостной хроматографии

.2.1 Модель Снайдера - Сочевинского

.2.2 Модель Скотта - Кучеры

.3 Характеристики межмолекулярных взаимодействий

.4 Структурные особенности кислород- и азотсодержащих гетероциклических соединений

.5 Высокоэффективная жидкостная хроматография азотсодержащих гетероциклов

. Экспериментальная часть

.1 Объекты исследования

.2 Методы исследования

.3 Методика эксперимента

.4 Математическая обработка результатов

. Обсуждение результатов

.1 Влияние состава подвижной фазы и природы сорбента на хроматографическое удерживание

.2 Анализ моделей Снайдера-Сочевинского и Скотта-Кучеры при использовании сорбентов различной природы на примере некоторых гетероциклов

.3 Анализ моделей «хроматографическое удерживание - физико-химическое свойство»

.4 Применение двухпараметрических линейных уравнений в качественной оценке поверхностей сорбентов

.5 Влияние природы сорбента на вклад некоторых заместителей

Заключение

Список использованных источников

1. Введение

Большие успехи в химии поверхности, адсорбции и хроматографии в последние годы связаны в значительной мере с созданием новых полимерных сорбентов и появлением возможности регулировать не только химию их поверхности, но и пространственную структуру трехмерной сетки, т.е. характер их пористости. К настоящему времени создан новый класс полимерных сорбентов - сверхсшитые полистиролы, обладающие рядом уникальных свойств. Одна из перспективных областей применения сверхсшитого полистирола - использование его в качестве сорбента для хроматографии, в частности, для высокоэффективной жидкостной хроматографии.

Сверхсшитые полистирольные сорбенты были впервые синтезированы под руководством Даванкова В. А. Цюрупой М. П. еще в 1969 году [1]. В настоящее время сверхсшитые полистирольные сорбенты уже широко используются как во многих промышленных адсорбционных процессах, так и в аналитической химии.

Целью данной работы явилось выявление возможности применения сверхсшитых полистиролов в качестве сорбентов для высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ), а также сравнение хроматографических свойств различных сверхсшитых полистиролов и классического сорбента (силикагель с привитыми октадецильными группами) на примере изучения сорбции некоторых гетероциклических соединений из водно-ацетонитрильных элюентов.

2. Обзор литературы

.1 Получение и особенности применения полистиролов в хроматографии и в качестве адсорбентов

Полистирол - продукт полимеризации стирола (винилбензола). Полистирол - твердое, упругое, бесцветное вещество. Фенильные группы препятствуют упорядоченному расположению макромолекул и формированию кристаллических образований. Это жесткий, аморфный полимер с невысокой механической прочностью при растяжении и изгибе. Полистирол имеет низкую плотность, термическую стойкость, обладает отличными диэлектрическими свойствами и весьма низкой прочностью при ударе. Он легко деформируется при относительно невысоких температурах (80 °C), не обладает химической стойкостью. При контакте с жирами выделяет мономер стирола. Для улучшения свойств полистирола его модифицируют различными сополимерами и подвергают сшиванию [1].

Широкое применение полистирола (ПС) и пластиков на его основе базируется на огромном ассортименте этого продукта. Производят полистирол общего назначения, представляющий собой продукт полимеризации стирола блочным методом. Широкое промышленное значение (более 60% производства полистирольных пластиков) имеют ударопрочные полистиролы, представляющие собой сополимеры стирола с бутадиеновым и бутадиен-стирольным каучуком. В настоящее время созданы многочисленные модификации сополимеров стирола [2].

Спустя 25 лет после первого их синтеза был организован промышленный выпуск совместно с фирмой Purolite International (Wales, UK) под торговой маркой «Macronet Hypersob». В настоящее время сверхсшитые полистирольные сорбенты уже широко используются как во многих промышленных адсорбционных процессах, так и в аналитической химии [3]. В анализе объектов окружающей среды они используются в первую очередь как сорбенты для твердофазной экстракции, поскольку эффективно поглощают и концентрируют следовые количества как неполярных, так и полярных органических соединений из водных сред и воздуха [4]. Недавние эксперименты показали, что многие органические вещества могут быть сконцентрированы и из растворов в алифатических углеводородов. Микрогранулы сверхсшитого полистирола («Chromalite») оказались очень перспективным наполнителем колонок для высокоэффективной жидкостной хроматографии [5]. Поскольку сверхсшитый полистирол совместим с любой органической и водной подвижной фазой, на одной и той же колонке можно работать в различных режимах ВЭЖХ. Заслуживает упоминания также и тот факт, что нейтральные (немодифицированные) сверхсшитые сорбенты обладают уникальным сродством к ионам некоторых тяжелых металлов, таких как ртуть, свинец, серебро, которые образуют лабильные комплексы с л-системой ароматического полимера, что невероятно важно для химии окружающей среды [3].

Сверхсшитые полистирольные сорбенты получают, вводя большое количество жестких мостиков между полистирольными цепями, растворенными в органическом растворителе или в набухшем состоянии большого количества жестких сшивающих мостиков. В качестве одного из удобных бифункциональных соединений-сшивателей может служить монохлордиметиловый эфир, который в присутствии катализатора Фриделя-Крафтса образует с фенильными кольцами полистирола сшивающие мостики дифенилметанового типа с очень ограниченной конформационной подвижностью [5]. Однако сверхсшитые полимеры можно получать и другим путем. Например, путем получения гранул сверхсшитого полистирола интенсивным сшиванием соответствующих стиролдивинильных сополимеров [6].

Самой примечательной особенностью сверхсшитого полистирола является его структура. Длинные макромолекулы полистирола достаточно гибки и, растворяясь, принимают конформацию рыхлого клубка [1]. Если между макромолекулами полистирола перекинуть сшивающие мостики, то получается пространственная сетка. Такой материал уже нерастворим, но набухает, увеличивая свой объем, в тех жидкостях, в которых растворяется исходный линейный полистирол [7]. В жидкостях, в которых линейный полистирол нерастворим, он не набухает. Хорошо известна тенденция поверхности сшитых полимеров к снижению способности набухать при увеличении степени сшивания сополимера. Так, например, если в сополимере стирола с дивинилбензолом доля дивинилбензола увеличивается до 20 процентов, то материал становится жестким, ненабухающим, практически не деформируемым под нагрузкой [8-10].

Однако, оказалось, что сшивки могут не уплотнять, а, наоборот, разрыхлять полимерную сетку. Все зависит от того, каково взаимное расположение цепей и узлов сетки в пространстве (т.е. топология сетки), какова природа сшивок и в каких условиях они возникли между полимерными цепями. Связывая две полимерные цепи, мостик лишает их независимости, не дает им разойтись в пространстве под воздействием механического усилия или вклинивающихся между цепями молекул растворителя. Сшивки уплотняют материал, но только если они введены в систему, не содержащую ничего, кроме полимера. Именно таким классическим путем получают сополимеры стирола с дивинилбензолом, когда весь объем исходных мономеров количественно превращается в единый блок сополимера [13-16]. Дивинилбензол, включаясь своими двумя винильными группами в две растущие полистирольные цепи, связывает их узлом сшивки, что создает в сополимере единую пространственную сетку. Она представляет собой совокупность взаимосвязанных ячеек, отличающихся от рыболовной сети только тем, что в последней все ячейки одинаковы и плоски, а в полученной статистическим (случайным) сшиванием трехмерной сетке они имеют самые различные размеры и изломанные пространственные конфигурации. Чрезвычайно важно теперь понять еще и то обстоятельство, что в полимерной сетке, в отличие от рыболовной снасти, все ячейки взаимно пронизывают друг друга и каждая из них до отказа заполнена фрагментами других ячеек [4]. Конечно, и здесь каждый узел не позволяет связанным цепям удалиться друг от друга. Но, кроме того, в каждой замкнувшейся посредством узлов ячейке теперь оказываются захваченными множество чужих цепей и циклов, большинство из которых уже не может выпутаться [7]. Понятно, что сшивки здесь уплотнили материал, резко уменьшив его способность к деформации и набуханию [1].

Совсем по-другому выглядит система, если, кроме связываемых в сетку полимерных цепей, она (с самого начала и до конца процесса сшивания) содержит большое количество растворителя. Здесь степень взаимного переплетения ячеек оказывается малой, так как каждая ячейка охватывает больше разбавителя, чем полимерной материи. Такая сетка значительно более подвижна. При заданной постоянной степени сшивания сетки изменение количества разбавителя резко меняет топологию и, следовательно, свойства образующихся сеток [17]. В присутствии избытка растворителя вводится большое количество длинных и жестких мостиков между развернутыми цепями полимера [3]. Раствор полимера превращается в жесткий гель - пространственную сетку, заполненную растворителем. При попытке удалить его испарением, по мере уменьшения объема геля полимерные цепи начинают сближаться [7]. Их сближению, однако, препятствуют жесткие мостики-распорки. Преодолевая сопротивление распорок и накапливая большие напряжения в жесткой ажурной конструкции полимерной сетки, материя при окончательном высушивании достигает какой-то определенной, но не максимально возможной плотности. Так, плотность сверхсшитого полистирола приближается, к 0.7 г/см3, (против 1.05 г/см3 у исходного полистирола), а кажущаяся внутренняя удельная поверхность составляет 1000-1500 м2/г [2].

Итак, сшивки не уплотнили материал, а, наоборот, разрыхлили его. Около трети занимаемого образцом пространства осталось свободным, ничем не заполненным. Более того, материал оказался внутренне напряженным. В нем очень большие силы взаимного межмолекулярного притяжения фрагментов полимерных молекул уравновешены столь же значительными напряжениями искаженных сжатием ячеек сетки. При первой же возможности сетка стремится увеличить свой объем, вернуться к исходному состоянию, когда она была заполнена растворителем, а ее ячейки и узлы не испытывали напряжений. Иными словами, внутренние напряжения сетки, стремясь уменьшиться, создают ту дополнительную движущую силу, которая буквально втягивает любые молекулы внутрь сетки. Здесь вполне уместна аналогия со сжатой губкой - с той лишь разницей, что сверхсшитый полистирол прозрачен и даже электронная микроскопия не обнаруживает в материале ни трещин, ни пор: пустоты в полимере имеют нанометровые размеры, не фиксируемые этим методом[3].

Внутренняя напряженность структуры проявляется и в том ее необычном свойстве, что сверхсшитый полистирол сильно набухает в таких средах, как метанол или гексан, которые не растворяют линейный полистирол, оказываясь неспособными преодолеть взаимное притяжение полистирольных цепей друг к другу. А в сверхсшитом полистироле межмолекулярные взаимодействия ослаблены вследствие повышенных расстояний между цепями; к тому же напряженность структуры способствует расширению всей конструкции[8].

Структура считается макропористой, если диаметр пор больше 200 нм, мезопористой, если диаметр меньше 200 нм, и микропористой, если меньше 3 нм. Сополимеры стирол-дивинилбензол имеют мезопористую структуру, но, как правило, они содержат небольшое количество микропор за счет параллельно протекающей сополимеризации дивинилбензол - дивинилбензол. Сшитые макросетчатые изопористые сополимеры полистирола (Стиросорбы) могут иметь мезо- и микропористую структуру, причем мезопористые образцы могут также содержать микропоры, т. е. иметь бипористую структуру. Таким образом, к настоящему времени синтезированы полимерные адсорбенты разных структурных типов.

Исследование структуры стиросорбов методами электронной микроскопии, показало, что они являются микропористыми сорбентами, основная доля пор имеет диаметр порядка 1 мм, а удельная поверхность достигает 1000 м2/г и более (рис. 1).

Рис. 1 Поверхность стиросорба

Их структура зависит от молекулярной массы исходного полистирола, а удельная поверхность изменяетя от 300 до 600 м2/г при диаметре от 4 до 30 нм [19]. Структура считается макропористой.

Столь выдающиеся свойства сверхсшитого полистирола обусловлены полной доступностью ароматических фрагментов сетки для малых молекул [14]. Действительно, сверхсшитую сетку получают интенсивным сшиванием полистиролъных цепей в среде, которая хорошо сольватирует цепи и препятствует микрофазовому расслоению системы[17,19]. Реакция бифункционального сшивающего агента с фенильными кольцами полистиролъных цепей приводит к образованию жесткой ажурной конструкции, представляющей собой систему взаимоконденсированных конформационно жестких циклов (Рис. 1´):

 

Рис. 1´. Схема обработки сверхсшитого полистирола

Внутреннее свободное пространство в сверхсшитой сетке легко доступно молекулам газов и жидкостей, как растворяющим полистирол (толуол, дихлорэтан), так и высаждающим его из раствора (гексан, метанол). Даже вода может занимать внутренний объем в сверхсшитой сетке, не вызывая при этом ее полного сжатия [18]. Поэтому свободное пространство внутри сверхсшитой полистирольной сетки доступно для молекул, растворенных и в воде, и в любом органическом растворителе. В ней почти каждое мономерное звено полистирола вовлечено в образование одного, а то двух межмолекулярных мостиков, а материал, тем не менее, имеет низкую плотность, легко деформируется и сильно набухает в любых жидкостях[9].

На ослабление внутренних напряжений в сверхсшитой сетке при адсорбции паров органических растворителей однозначно указывает и тот факт, что объем образца начинает увеличиваться сразу же при поглощении первых порций паров, а не после того, как весь имеющийся в материале свободный объем заполнится поглощенной материей[3].

Из всего сказанного следует, что сверхсшитый полистирол, стремясь наполнить себя какой-либо материей, должен эффективно поглощать любые вещества из водных или газовых сред [10-12]. Действительно, воздух и вода наименее благоприятны для заполнения внутреннего пространства в сверхсшитой сетке: воздух имеет слишком малую плотность, а вода слишком полярна и силы сцепления молекул воды между собой слишком велики, чтобы молекулам воды было выгодно распределяться порознь между гидрофобными полистирольными цепями [13], однако любые другие органические молекулы - и неполярные, и достаточно полярные - охотно перемещаются в фазу сверхсшитого полистирола (в отличие от него, широко известные макропористые полистирольные адсорбенты ведут себя «нормально» и почти не поглощают полярные вещества) [3, 4, 6].

Механизм поглощения веществ сверхсшитым полистиролом уникален: это скорее растворение в фазе увеличивающегося в объеме полимера, чем адсорбция на его поверхности [14]. Отсюда понятна и исключительно высокая сорбционная емкость материала: он продолжает набухать в сорбате вплоть до достижения сеткой максимально растянутого ненапряженного состояния. В благоприятных случаях один грамм сорбента поглощает до двух- трех граммов сорбата [8].

Полимерные сорбенты широко применяются в газовой и жидкостной хроматографии для анализа и концентрирования органических веществ. Важными их преимуществами являются возможность в широких пределах регулировать их пористую структуру и химию.

Хроматография открывает большие возможности для создания методов тестирования поверхности, исследования межмолекулярных взаимодействий в поверхностных слоях, позволяет установить связь между параметрами хроматографического удерживания молекул и физико-химическими характеристиками сорбента [20]. Среди полимерных сорбентов такие исследования проводятся в основном для пористых полимеров, полученных на основе сополимеров стирола и дивинилбензола[1]. Чтобы объяснить применение сверхсшитых полистиролов в качестве сорбентов для хроматографии, целесообразно более подробно рассмотреть механизмы удерживания в ВЭЖХ.

2.2 Механизмы удерживания в высокоэффективной жидкостной хроматографии

Высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ) является перспективным методом исследования биологически активных соединений природного и синтетического происхождения. Выявление закономерностей удерживания этих веществ - важная и актуальная задача. Без знания механизмов удерживания практически невозможно определить эти закономерности. Однако, механизмы удерживания а, следовательно, и разделения, в высокоэффективной жидкостной хроматографии на данный момент изучены не в полном объеме [21].

В настоящее время обращенно-фазовая высокоэффективная жидкостная хроматография (ОФ ВЭЖХ) используется чаще, чем нормально-фазовая (НФ ВЭЖХ), так как имеет ряд преимуществ [22-24]:

это очень гибкий метод: изменяя состав водно-органических смесей, используемых в качестве подвижной фазы, можно на одной колонке обеспечить разделение соединений различной природы;

селективность данного метода почти всегда значительно выше, чем других вариантов хроматографии для всех соединений, кроме сильнополярных;

при использовании гидрофобизированных силикагелей быстро устанавливается равновесие между подвижной и неподвижной фазой, эти сорбенты отличаются высокой эффективностью разделения;

можно осуществлять разделение соединений, растворимых как в воде, так и в органических растворителях;

возможность использования в подвижной фазе буферных растворов может улучшить селективность и эффективность разделения ионогенных соединений.

Наиболее адекватно закономерности удерживания сорбатов в ОФ ВЭЖХ описываются сольвофобной теорией Хорвата [24]. Суть этой теории заключается в том, что существует принципиальное различие между процессами сорбции на полярных поверхностях из относительно неполярных растворителей («нормально-фазовый режим») и сорбции из воды, либо сильнополярных растворителей на неполярных поверхностях («обращенно-фазовый режим»). В первом случае, между молекулами сорбатов и неподвижных фаз образуются ассоциаты за счет кулоновских взаимодействий или водородных связей. Во втором случае, причиной ассоциации на поверхности являются так называемые «сольвофобные» взаимодействия в подвижной фазе.

Для полярных подвижных фаз, в особенности содержащих воду, характерно сильное кулоновское взаимодействие и образование водородных связей между молекулами растворителей. Все молекулы в таких растворителях связаны довольно прочно межмолекулярными силами [25]. Для того чтобы поместить в эту среду молекулу сорбата, необходимо образование полости между молекулами растворителя.

Энергетические затраты на образование такой полости лишь частично покрываются за счет взаимодействия полярных групп в молекуле сорбата с полярными молекулами растворителя. В аналогичном положении по отношению к растворителю находятся и неполярные молекулы неподвижной фазы. С энергетической точки зрения более выгодно такое положение, когда поверхность раздела между полярной средой (растворителем) и неполярными фрагментами неподвижной фазы и молекул сорбата минимальна. Уменьшение этой поверхности и достигается при сорбции.

В настоящее время существуют различные модели удерживания [26], описывающие влияние состава элюента на фактор удерживания. Для того чтобы оценить применимость данных моделей удерживания в жидкостной хроматографии к исследуемым соединениям, целесообразно рассмотреть каждую из них более подробно.

2.2.1 Модель Снайдера - Сочевинского

На практике наиболее часто для описания удерживания в жидкостной хроматографии используют модели Снайдера [15, 16] и Сочевинского [17]. Согласно этим моделям сорбцию вещества в хроматографической колонке можно представить квазихимической реакцией (1).

(1)

где    S - количество молекул сорбата; - количество молекул подвижной фазы;

а и m - относятся к неподвижной и подвижной фазам соответственно.

Снайдер [27] полагает, что однородная поверхность адсорбента полностью покрыта либо молекулами подвижной фазы, либо молекулами сорбата и для описания удерживания в этом случае применимо уравнение (1):

(1)

где    Xm - концентрация более сильно сорбирующегося компонента подвижной фазы М;

 - отношение площадей молекул адсорбата S и более сильно сорбирующегося компонента подвижной фазы М.

Сочевинский предполагает [28], что поверхность неподвижной фазы не однородна, а состоит из дискретных сорбционных центров, на которых происходит сорбция молекул из подвижной фазы с образованием комплексов 1:1. Модель Сочевинского предполагает следующую взаимосвязь фактора удерживания с составом бинарной подвижной фазы (2):

(2)

Единственная разница между двумя моделями заключается в физическом смысле углового коэффициента уравнений (5) и (6) [30]. По Снайдеру - это отношение площадей молекул адсорбата и сильно адсорбирующегося компонента подвижной фазы, по Сочевинскому - число активных центров адсорбента, участвующих в адсорбции одной молекулы сорбата.

Поскольку обе модели предполагают, что сорбент полностью покрыт адсорбционным слоем, то возможна и общая для обеих моделей формулировка физического смысла n’ и n”, как число молекул подвижной фазы, вытесняемое при адсорбции одной молекулой сорбата [29]. Стоит заметить, что данные модели не учитывают взаимодействие между молекулами сорбата и компонентами подвижной фазы.

.2.2 Модель Скотта - Кучеры

Согласно модели Скотта-Кучеры [31,32], взаимодействия сорбат - сорбент играют существенную роль только при небольших концентрациях органического модификатора, пока не завершена дезактивация им сорбента. При увеличении концентрации органического модификатора увеличиваются межмолекулярные взаимодействия между компонентами подвижной фазы. Эта модель описывается линейной зависимостью обратной величины фактора удерживания от содержания органического модификатора в подвижной фазе (3).

(3)

где    А, В - константы;- концентрация органического модификатора.

Выполнение линейной зависимости свидетельствует о выполнимости модели Скотта-Кучеры для определенных соединений и в определенном диапазоне концентраций органического модификатора. Если зависимость не выполняется, то можно говорить о наличии специфических взаимодействий в подвижной фазе.

.3 Характеристики межмолекулярных взаимодействий

Широко применяющиеся в настоящее время методы исследования количественной связи между структурой веществ и их свойствами или биологической активностью (QSPR/QSAR) основаны на описании структуры химического соединения с помощью набора числовых характеристик - дескрипторов и построении корреляций между величиной свойства (активности) и значениями дескрипторов. Решающее значение при этом имеет выбранный набор дескрипторов, отражающих все особенности молекулярной структуры, от которых может зависеть соответствующее свойство. Компьютерные модели свойств позволяют по структурной формуле легко предсказывать свойства для новых соединений, а в сочетании с программами компьютерной генерации структур осуществлять направленное конструирование новых соединений с заданным комплексом свойств. Для корректного использования сведений о молекулярной структуре в компьютерном молекулярном дизайне необходимо иметь представление дескрипторов в форме, удобной для применения в вычислительном процессе и одновременно сохраняющей большую часть информации о собственно молекулярной структуре.

В практике компьютерного молекулярного дизайна применяются тысячи различных дескрипторов, отображающих самые тонкие детали молекулярной структуры. Одновременное использование всех этих дескрипторов бессмысленно ввиду того, что между ними существуют многочисленные корреляции [33]. Отсюда ясна польза классификации дескрипторов молекулярной структуры.

Существуют различные способы классификации дескрипторов молекулярной структуры. Так, например, дескрипторы подразлеляются на «чистые», описывающие какой-либо один эффект внутри- и межмолекулярных взаимодействий, и композитные, описывающие два и более эффекта. Другой тип классификации основывается на способах оценки дескрипторов (экспериментальные или теоретические). Систематическая классификация дескрипторов дана в публикации [34]. Там приводится схема нескольких уровней дескрипторов: дескрипторы элементного уровня, дескрипторы структурной формулы, дескрипторы электронной структуры, дескрипторы молекулярной формы и дескрипторы межмолекулярных взаимодействий. При таком представлении каждый последующий уровень включает информационное содержание предыдущего. Таким образом, получается, что дескрипторы межмолекулярных взаимодействий содержат всю информацию, заключенную во всех предыдущих уровнях описания молекулярной структуры. Фактически это означает, что концепция взаимосвязи «структура - свойство (активность)» является отражением взаимосвязи молекулярных взаимодействий химических соединений между собой и с биологическими объектами. Все предыдущие уровни описания молекулярной структуры (топологические дескрипторы, дескрипторы структурной формулы, квантовохимические дескрипторы) несут только часть информации о молекулярной структуре и могут быть эффективными только для описания достаточно простых свойств простых соединений. Специфические межмолекулярные взаимодействия рассчитываются на основе предположения об аддитивном вкладе взаимодействий различных типов: стерических, электростатических контактов и образования водородной связи.

2.4 Структурные особенности гетероциклических соединений

Выбор объектов ВЭЖХ - исследования обусловлен тем, что азотсодержащие гетероциклические соединения обладают биологически активными свойствами и являются действующим веществом во многих лекарственных препаратах. Исследуемые соединения (их структурные формулы представлены в таблице 1) были впервые синтезированы на кафедре органической и биомедицинской химии Самарского государственного университета под руководством профессора П.П. Пурыгина.

Большое внимание исследователей к химии азотсодержащих гетероциклических соединений и их производных в течение десятилетий определяется, главным образом, высокой физиологической активностью многих соединений этого ряда [35]. Эти соединения и их производные различного строения представляют собой весьма важный класс органических соединений, характеризующихся широким спектром биологической активности. На их основе создано большое количество лекарственных препаратов, обладающих гипотензивным, адреноблокирующим, противомикробным и другими видами фармакологического действия [36].

Исследованные азотсодержащие гетероциклические соединения формально являются производными пиррола. Пиррол - 6π-электронная π-избыточная ароматическая система, подчиняющаяся правилу ароматичности Хюккеля. Ароматический секстет электронов образован в нем за счет π-электронов двойных связей и неподеленной электронной пары гетероатома. Шесть π-электронов приходятся в нем на пять атомов цикла, что и делает его электроноизбыточным [35].

Пиррол представляет собой слабую NH-кислоту (рКа=17,5). Величина рКа значительно уменьшается (т.е. кислотность возрастает) при введении в ядро акцепторных заместителей. Так, при переходе от пиррола к индолу, рКа уменьшается до 16,97, что доказывает акцепторное действие бензольного кольца. Также пиррол обладает очень низкой основностью: он обратимо протонируется в положения 2 и в два раза медленнее в положение 3.

Индол представляет собой систему, в которой пиррольное кольцо сконденсировано с бензольным. Это π-избыточная 10π-электронная ароматическая система, которая включает в себя неподеленную электронную пару атома азота. Индол является слабой NH-кислотой (рКа=16.97) [36].

Индол по химическим свойствам напоминает пиррол. Однако между ними имеются и существенные различия. Электронная плотность смещена в сторону бензольного кольца.

Электроноакцепторный характер бензольного кольца в индоле сказывается на увеличении кислотности последнего по сравнению с пирролом [35].

Индол легко окисляется кислородом воздуха с образованием индоксила, который способен к радикальной димеризации. Именно этими процессами обусловлена неустойчивость индолов на воздухе. Дальнейшее окисление индоксила приводит к индиго (1) - одному из первых индивидуальных органических соединений, полученных человеком еще в глубокой древности.

 

(1)

Индол входит в состав незаменимой аминокислоты - триптофана (2). Биогенный амин (вырабатываемый самим организмом) - триптамин (3) - один из важнейших метаболитов триптофана - ответственен за психическое здоровье человека. В организме животных серотонин (4) играет очень важную роль нейротрансмиттера в центральной нервной, а также сердечно-сосудистой и желудочно-кишечной системах [37]. Нарушения его метаболизма приводят к расстройству психики.

(2)                                 (3)                                 (4)

β-Индолилуксусная кислота (5) - эффективный стимулятор роста, диэтиламид лизергиновой кислоты. ЛСД (6) - печально известный галлюциноген. Индометацин (7) - широко применяется для лечения артритов [34].

  

(5)                                 (6)                        (7)

.5 Высокоэффективная жидкостная хроматография азотсодержащих гетероциклов

В качестве подвижных фаз в ОФ ВЭЖХ применяют воду, метанол, ацетонитрил, ацетон, диоксан, этанол, тетрагидрофуран. Немаловажно контролировать рН подвижной фазы, так как его значение влияет на ионное состояние функциональных групп сорбента, а, следовательно, на удерживание соединения и селективность разделения. Так как некоторые соединения способны диссоциировать в растворе, в элюентах, для подавления диссоциации применяют кислоты: уксусную, муравьиную, фосфорную. Применяют также подвижные фазы, pН которых регулируют с помощью фосфатного и цитратного буферных растворов [41].

Смеси ацетонитрил-вода являются самым распространенным элюентом. Следует отметить, что молекула ацетонитрила способны к донорно-акцепторным взаимодействиям за счет атома углерода нитрильной группы.

Таким образом, в случае ОФ ВЭЖХ удерживание соединений определяется неспецифическим дисперсионным взаимодействием сорбатов с неподвижной фазой и специфическим взаимодействием с подвижной фазой.

Для разделения и определения азотсодержащих гетероциклических соединений используют различные подвижные фазы. В частности, в работе [41] произведено исследование пятичленных азотсодержащих гетероциклических соединений в условиях линейного градиентного элюирования в режиме от 5% до 95% содержания ацетонитрила в подвижной фазе.

В работе [41] изучено хроматографическое поведение некоторых производных азолов, основным структурным фрагментом которых являлись имидазол, бензимидазол, 1,2,3- или 1,2,4-триазол, в условиях ВЭЖХ. В качестве модификатора подвижной фазы был взят ацетонитрил. Получены значения характеристик удерживания исследованных соединений (фактора удерживания, относительного удерживания, разности дифференциальных мольных энергий Гиббса) для обращенно-фазового варианта ВЭЖХ.

В случае ОФ варианта ВЭЖХ энергия взаимодействия молекул сорбента с неполярной гидрофобной поверхностью неподвижной фазы определятся, главным образом, дисперсионными силами и связаны вследствие этого с такими физико-химическими и структурными характеристиками, как поляризуемость, молекулярный объем, молекулярная рефракция, гидрофобность. Наличие полярных групп в молекуле сорбата приводит к усилению специфических межмолекулярных взаимодействий с элюентом и к уменьшению удерживания. Поэтому при исследовании закономерностей удерживания производных гетероциклов в условиях ОФ ВЭЖХ важным является выявление таких специфических межмолекулярных взаимодействий с подвижной фазой [42-44].

3. Экспериментальная часть

.1 Объекты исследования

В настоящей работе объектами исследования явились впервые синтезированные кислород - и азотсодержащие гетероциклические соединения. Данные соединения были синтезированы на кафедре органической химии Самарского государственного университета (табл.1). Структура и чистота соединений подтверждены ИК - и ЯМР - методами.

Таблица 1

Структурные формулы исследованных соединений

№	Название	Формула
1	этил5 - гидрокси -1,2 - диметил- 1Н- индол - 3 - карбоксилат
2	этил5 - гидрокси - 2 - метил -1Н - индол - 3 - карбоксилат
3	3 - ацетил - гидрокси - 2 - метил - 1 - фенил - 1Н - индол
4	этил5 - гидрокси -1,2 - диметил- 1Н-бензо[g] индол - 3 - карбоксилат
5	этил5 - гидрокси - 2 - метил - 1 - пропил - 1Н- индол - 3 - карбоксилат
6	этил5 - гидрокси - 2 - метил - 1 - фенил - 1Н - индол - 3 - карбоксилат
7	этил5 - гидрокси - 2 - метилбензофуран- 3 - карбоксилат
8	этил5 - гидрокси -1,2 - диметил- 1Н-бензо[g] индол - 3 - карбоксилат
9	4 - хлоро - 5 - этилендолин - 2,3 - дион
10	индолин - 2,3 - дион

.2 Методы исследования

Хроматографическое исследование гетероциклических кислород - и азотсодержащих соединений проводили в условиях обращенно - фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии (ОФ ВЭЖХ).

Эксперимент выполнен на жидкостном хроматографе «Цвет-Яуза» (НПО-Химавтоматика г. Москва, Россия) с насосом Аквилон-Стайер, с УФ - спектрофотометрическим детектором ЯУЗА-4Ф с диапазоном длин волн 220-284нм. Использовали хроматографические колонки со сверхсшитым полистиролом длиной 150 мм, со степенью сшивки 150%, с размером частиц 3,2 мкм и с сульфированным сверхсшитым полистиролом длиной 150 мм, со степенью сшивки 300%, с размером частиц 3,2 мкм. Для обработки результатов применяли программу “ Zlab”.

.3 Методика эксперимента

Для анализа исследуемых соединений применяли жидкостный хроматограф «Цвет-Яуза» с УФ - детектором. Хроматографирование проводили в изократическом режиме при длине волны 254 нм. В качестве подвижных фаз применяли водно - ацетонитрильные смеси в различных соотношениях. Скорость подвижной фазы составляла 500 мкл/мин. Составы элюентов, используемых в работе, представлены в таблице 2.

Таблица 2

Состав используемых подвижных фаз

Ацетонитрил/вода (АСN/H2O,об.%)
90/10	80/20	70/30

Пробы исследуемых сорбатов готовили растворением кристаллических образцов в ацетонитриле.

На основании результатов хроматографического эксперимента определяли факторы удерживания и термодинамические характеристики сорбции исследуемых соединений.

Фактор удерживания k рассчитывали по формуле:

  (4)

где tR и tM - время удерживания исследуемого соединения и несорбирующегося компонента NaNO3, соответственно.

Для оценки влияния изменения структуры на удерживание в ОФ ВЭЖХ рассчитывают величину δ(ΔG)i, st − разность изменений свободной энергии адсорбции из бесконечно разбавленных растворов вещества i по отношению к адсорбции некоторого вещества сравнения − стандартного вещества для данного ряда соединений. Эта относительная характеристика выражается уравнением [45].

(5)

где ki и kst - факторы удерживания i-го компонента и стандарта соответственно.

Установление вкладов, вносимых в термодинамические характеристики удерживания отдельными звеньями и функциональными группами молекул весьма важно, поскольку накопление и уточнение значений этих вкладов необходимо, чтобы составить экспериментальную основу развития полуэмперической теории удерживания в жидкостной хроматографии. [45]

В настоящее время методы квантовой химии и молекулярной динамики широко используются в числовом моделировании электронной и атомной структур сложных систем молекулярных, кристаллических и переходных размеров.

Квантово-химические расчеты многоатомных молекул основываются на приближенных решениях уравнения Шредингера. Выбор уровня приближения зависит от характера задачи.

Из имеющегося разнообразия вычислительных комплексов, реализующих методы квантовой химии, наибольшее распространение приобрела программа HyperChem 7. В ней реализованы неэмпирические и полуэмпирические квантово - химические методы расчета.

Некоторые современные полуэмпирические методы параметризованы таким образом, что позволяют с достаточной степенью точности предсказывать ряд свойств молекул.

Достаточно широкое распространение получил полуэмпирический метод РМ3, являющийся версией метода АМI. С его помощью возможно вычисление электронных структур, оптимизация геометрии, расчет полной энергии и теплот образования не только для органических молекул, но и переходных металлов. Этот метод дает хорошее соответствие расчетных и экспериментальных данных.

В настоящем исследовании квантово-химические расчеты осуществляли с использованием программы HyperChem 7 Professional в рамках метода РМ3 с полной оптимизацией геометрии молекул. В работе были рассчитаны значения молекулярного объема с учетом ван - дер - ваальсовых расстояний (V), поляризуемости (α), молекулярной рефракции (MR), площади поверхности молекул (S), значения дипольных моментов(µ), логарифма коэффициента распределения в системе н-октанол - вода (logP) [46]. Результаты расчета представлены в таблице 3

Таблица 3

Электронные и структурные параметры

Вещество	logP	MR, А3	Mr, г/моль	α, ų	μ, D	Sapp, А2	Sgrid, А2	V, ų
1	1,01	66,1	233	25,0	4,36	400	437	712
2	0,77	61,2	219	23,2	4,06	365	420	668
3	0,94	55,2	189	20,7	4,58	321	366	581
4	1,92	82,5	283	31,8	4,34	428	504	826
5	1,77	73,6	245	28,7	4,61	380	421	696
6	2,70	85,7	295	32,8	3,86	448	517	869
7	3,75	51,5	190	22.5	2,84	305	371	584
8	4,57	77,6	269	30,5	4,14	400	488	789
9	7,13	53,1	209	20,5	4,87	331	364	576
10	0,30	36,8	147	14,9	4,62	240	301	445

Примечание: Номера соединений в данной таблице соответствуют нумерации, приведенной в таблице 1.

.4 Математическая обработка результатов

Математическую обработку результатов проводили с помощью приемов математической статистики [47 - 49].

Рассчитанные параметры:

         среднее арифметическое значение измерений величины x из результатов n (в работе не менее 3 определений):

(6)

         среднее квадратичное отклонение, характеризующее разброс данных относительно среднего арифметического значения измеряемой величины:

(7)

         доверительный интервал среднего значения измеряемой величины:

(8)

где    t(P, f) - коэффициент нормированных отклонений (критерий Стьюдента) при числе степеней свободы f = (n-1) и степени надежности P = 0,95.

         средняя относительная случайная погрешность, являющаяся оценкой повторяемости измерений, отражающая близость друг к другу результатов последовательно проводимых измерений:

(9)

         окончательный результат для исследуемой величины:

(10)

4. Обсуждение результатов

.1 Влияние состава подвижной фазы и природы сорбента на хроматографическое удерживание

Из литературы известно [6], что сверхсшитые полистирольные сорбенты (СШ ПС), применяемые в жидкостной хроматографии могут работать как в обращено-фазовом варианте, так и в нормально-фазовом. Интересно сравнить, как влияет структура сверхсшитого полистрирола на сорбционные свойства, а также сравнить их с классическим сорбентом наиболее часто применяемым в обращено-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии (ОФ ВЭЖХ), например силикагелем с привитыми октадецильными группами (Sil С18). На трех колонках с различными сорбентами были проанализированы некоторые гетероциклические соединения. Факторы удерживания изучаемых сорбатов представлены в таблице 4.

Из таблицы видно, что для всех трех исследуемых сорбентов с увеличением объемной концентрации воды в элюенте увеличивается хроматографическое удерживания изучаемых сорбатов, что соответствует сольвофобной теории в жидкостной хроматографии. Таким образом, можно сделать вывод, что сверхсшитые полистиролы являются обращено-фазовыми сорбентами.

Таблица 4

Факторы удерживания k гетероциклов на различных сорбентах

		СШ ПС			S СШ ПС			Sil С18
		(ацетонитрил/вода, об.%)			(ацетонитрил/вода, об.%)			(ацетонитрил/вода, об.%)
№	Вещество	70/30	80/20	90/10	70/30	80/20	90/10	70/30	80/20	90/10
1	2,711,981,521,310,890,740,200,140,13
2	1,381,090,920,720,470,430,140,050,05
3	2,732,021,531,470,880,690,230,090,09
4	10,696,714,726,353,642,430,450,230,16
5	3,842,601,841,761,361,090,300,050,05
6	9,626,164,024,612,561,750,490,240,17
7	3,872,611,922,301,010,760,190,170,09
8	4,483,102,122,791,651,270,240,090,07
9	2,351,671,291,450,950,720,260,090,09
10	0,990,820,730,510,390,320,120,050,03

СШ ПС - сверхсшитый полистирол, S СШ ПС - сульфированный сверхсшитый полистирол, Sil С18 - силикагель с привитыми октадецильными группами. Номера соединений в данной таблице и в последующем параграфе соответствуют нумерации, приведенной в таблице 1.

4.2 Анализ моделей Снайдера-Сочевинского и Скотта-Кучеры на сорбентах различной природы на примере некоторых гетероциклов

В ОФ ВЭЖХ существует ряд подходов, позволяющих моделировать удерживание сорбатов в зависимости от их природы и состава подвижной фазы. По Снайдеру - Сочевинскому коэффициент n΄ показывает, сколько молекул органического модификатора вытесняется в объемную фазу с поверхности сорбента одной молекулой сорбата.

Данная модель предполагает следующую взаимосвязь фактора удерживания с составом бинарной подвижной фазы:

(11)

где    Xm - концентрация более сильно сорбирующегося компонента подвижной фазы М;

 - отношение площадей молекул сорбата S и более сильно сорбирующегося компонента подвижной фазы М.

Значения углового коэффициента и коэффициента корреляции приведены в таблице 5.

Таблица 5

Значения углового коэффициента n´ и коэффициента корреляции

№	Вещество	n´ (СШ ПС)	R2	R2	n´ (Sil С18)	R2
1	1,010,9951,150,9841,430,999
2	0,730,9920,930,8681,940,793
3	1,040,9991,220,9200,930,333
4	1,450,9921,710,9901,830,970
5	1,240,9951,490,9662,250,998
6	1,550,9991,640,9881,850,961
7	1,320,9981,330,9441,880,842
8	1,331,0001,330,9652,240,926
9	1,070,9921,240,9841,910,783
10	0,560,9820,820,9922,570,981

Сопоставляя значения n´ видно, что эти значения возрастают в следующем порядке (СШ ПС - S СШ ПС - Sil С18). Это очевидно связано с тем, что поверхность чистого СШ ПС является более гидрофобной по сравнению с сульфированной и Sil С18. Молекулы сорбата легче вытесняют молекулы ацетонитрила с неполярной поверхностью СШ ПС, чем с поверхностью Sil С18 на котором могут находиться остаточные силанольные группы и сульфогруппы на сульфированном сверхсшитом полистироле.

Согласно модели Скотта-Кучеры [31, 32], взаимодействия сорбат - сорбент играют существенную роль только при небольших концентрациях органического модификатора, пока не завершена дезактивация им сорбента. При увеличении концентрации органического модификатора увеличиваются межмолекулярные взаимодействия между компонентами подвижной фазы. Эта модель описывается линейной зависимостью обратной величины фактора удерживания от содержания органического модификатора в подвижной фазе (12).

(12)

где    А, В - константы;- концентрация органического модификатора.

Выполнение линейной зависимости свидетельствует о выполнимости модели Скотта-Кучеры для определенных соединений и в определенном диапазоне концентраций органического модификатора. Если зависимость не выполняется, то можно говорить о наличии специфических взаимодействий в подвижной фазе.

Рис.2. Зависимость фактора удерживания от мольной доли ацетонитрила в подвижной фазе (сорбент СШ ПС)

Рис.3. Зависимость фактора удерживания от мольной доли ацетонитрила в подвижной фазе (сорбент сульфированный СШ ПС)

Рис.4. Зависимость фактора удерживания от мольной доли ацетонитрила в подвижной фазе (сорбент Sil С18)

Из анализа зависимостей в координатах Скотта-Кучеры видно, что эта модель выполняется лучше для немодифицированного СШ ПС. Для сульфированного СШ ПС модель Скотта-Кучера не выполняется для соединения № 2, 7 и 3 и наклон кривых свидетельствует о том, что присутствуют сольваты модификатор - модификатор.

.3 Анализ моделей «хроматографическое удерживание - физико - химическое свойство»

Для сравнения сорбционных свойств различных сорбентов необходимо рассмотреть модели на основе корреляционных зависимостей «хроматографическое удерживание - физико - химическое свойство». Анализ этих моделей позволит качественно оценить, как влияет природа сорбента на хроматографическое удерживание изучаемых сорбатов из водно-ацетонитрильных элюентов.

Важной храктеристикой сорбатов является фактор гидрофобности, который качественно может показать сродство сорбата к подвижной и неподвижной фазе, а также показать является ли поверхность чисто гидрофобной. На рисунках представлены зависимости логарифмов факторов удерживания от гидрофобности сорбатов на трех различных сорбентах из водно-ацетонитрильных элюентов.

Рис.5. Зависимость фактора удерживания от гидрофобности изучаемых сорбатов (Состав ПФ 70:30 (ацетонитрил/вода, об.%))

Рис.6. Зависимость фактора удерживания от гидрофобности изучаемых сорбатов (Состав ПФ 80:20 (ацетонитрил/вода, об.%))

Рис.7. Зависимость фактора удерживания от гидрофобности изучаемых сорбатов (Состав ПФ 90:10(ацетонитрил/вода, об.%))

Регрессионные уравнения выше представленных зависимостей представлены в таблице 6.

Таблица 6

Уравнения регрессии (lgk= а·logP+b)

	СШ ПС		Сульфированный СШ ПС		Sil С18
Состав фазы (ацетонитрил/вода, об.%)	уравнение	R2	уравнение	R2	уравнение	R2
70/30	y=0.4384x-0.074	0.848	y=0.4257x-0.352	0.831	y=0.2506x-0.967	0.818
80/20	y=0.3447x-0.137	0.927	y=0.3203x-0.471	0.891	y=0.2983x-1.351	0.814
90/10	y=0.2932x-0.186	0.934	y=0.2782x-0.519	0.879	y=0.2602x-1.427	0.605

Анализируя корреляционные зависимости фактора удерживания от гидрофобности, можно видеть, что коэффициенты корреляции понижаются на сорбентах в следующем порядке СШ ПС - S СШ ПС - Sil С18 при всех соотношениях ацетонитрила с водой. Это связанно с тем, что поверхность СШ ПС более гидрофобна по сравнению с модифицированным СШ ПС и силикагелем с октадецильными группами из-за наличия сульфогрупп и остаточных силанольных групп соответственно, вследствие чего вклад дисперсионных взаимодействий сорбатов с поверхностью СШ ПС в процесс сорбции является превалирующим, по сравнению с другими исследуемыми сорбентами. Видно, что линейные зависимости практически параллельны на всех сорбентах и это свидетельствует о схожести механизмов удерживания изучаемых сорбатов на сверхсшитых полистиролах и на Sil С18 из водно-ацетонитрильных элюентов.

В ОФ ВЭЖХ очень большой вклад в хроматографическое удерживание вносят специфические взаимодействия сорбатов с компонентами подвижной фазы, и поэтому целесообразно рассмотреть корреляционные зависимости «хроматографическое удерживание - дипольный момент», так как дипольный момент характеризует общую полярность молекулы и, соответственно, потенциальную возможность сорбатов вступать в специфические взаимодействия с компонентами подвижной фазы.

Рис.8. Зависимость фактора удерживания от величины дипольного момента сорбатов (Состав ПФ 70:30 (ацетонитрил/вода, об.%))

Рис.9. Зависимость фактора удерживания от величины дипольного момента сорбатов (Состав ПФ 80:20 (ацетонитрил/вода, об.%))

полистирол хроматография гетероциклический

Рис.10. Зависимость фактора удерживания от величины дипольного момента сорбатов (Состав ПФ 90:10 (ацетонитрил/вода, об.%))

Регрессионные уравнения выше представленных зависимостей представлены в таблице 7.

Таблица 7

Уравнения регрессии (lgk= a·μ+b)

	СШ ПС		Сульфированный СШ ПС		Sil С18
Состав фазы (ацетонитрил/вода, об.%)	уравнение	R2	уравнение	R2	уравнение	R2
70/30	y=-0.3439x+1.9094	0.091	y=-0.321x+1.504	0.082	y=-0.1721x+0.0867	0.054
80/20	y=-0.3185x+1.6641	0.094	y=-0.32x+1.3047	0.104	y=-0.1072x-0.5172	0.013
90/10	y=-0.2774x+1.3734	0.101	y=-0.29x+1.0767	0.113	y=-0.0946x-0.6948	0.010

Из анализа данных корреляционных зависимостей видно, что значение коэффициентов корреляции невысокие для всех исследуемых неподвижных фаз, но в общем наблюдается тенденция к уменьшению факторов удерживания сорбатов с увеличением дипольного момента. Для октадецильного силикагеля эта тенденция не наблюдается в явном виде, т.е. с увеличением дипольного момента факторы удерживания уменьшаются незначительно. Коэффициент корреляции уменьшается в следующем ряду СШ ПС - S СШ ПС - Sil С18. Это связанно с тем, что поверхность СШ ПС является более гидрофобной, по сравнению с сульфированным СШ ПС. На сульфированном СШ ПС, по-видимому, могут образовываться сольваты сорбата с сульфогруппой и поэтому некоторые полярные сорбаты будут удерживаться дольше, чем менее полярные. Такая же тенденция наблюдается и для Sil С18, где на поверхности могут образовываться ассоциаты сорбатов с остаточными силанольными группами.

Из литературы известно [50], что механизм удерживания соединений на сверхсшитых полистиролах объясняется наличием взаимодействия π электронной системы полистирола с π - электронными системами сорбатов. Таким образом, можно предположить, что с увеличением числа π электронов в сорбате должно увеличиваться их удерживание на сверхсшитых полистиролах.

 

Рис.11. Зависимость фактора удерживания от числа π-электронов в молекуле сорбата (Состав ПФ 70:30 (ацетонитрил/вода, об.%))

Рис.12. Зависимость фактора удерживания от числа π-электронов в молекуле сорбата (Состав ПФ 80:20 (ацетонитрил/вода, об.%))

Рис.13. Зависимость фактора удерживания от числа π-электронов в молекуле сорбата (Состав ПФ 90:10 (ацетонитрил/вода, об.%))

Регрессионные уравнения выше представленных зависимостей представлены в таблице 8.

Таблица 8

Уравнения регрессии (lgk= a·(π-е) +b)

	СШ ПС		Сульфированный СШ ПС		Sil С18
Состав фазы(ацетонитрил/вода, об.%)	уравнение	R2	уравнение	R2	уравнение	R2
70/30	y=0.0638x-1.024	0.965	y=0.064x-1.314	0.994	y=0.0364x-1.511	0.875
80/20	y=0.0567x-0.994	0.964	y=0.057x-1.346	0.992	y=0.042x-2.0183	0.819
90/10	y=0.0474x-0.901	0.951	y=0.051x-1.303	0.997	y=0.042x-2.1735	0.815

Анализируя корреляционные зависимости фактора удерживания некоторых сорбатов от числа π - электронов, можно наблюдать, что коэффициент корреляции высокий и уменьшается в ряду S СШ ПС - СШ ПС - Sil С18. Видно, что на Sil С18 коэффициент корреляции ниже, чем на полистиролах и это доказывает, что π - π взаимодействия вносят значительный вклад в процесс сорбции данных соединений на полистиролах. На классическом сорбенте удерживание в большей мере обусловлено дисперсионными взаимодействиями.

Важно также рассмотреть корреляционные зависимости «хроматографическое удерживание - поляризуемость»

Рис.14. Зависимость фактора удерживания от величины поляризуемости сорбатов (Состав ПФ 70:30 (ацетонитрил/вода, об.%))

Рис.15. Зависимость фактора удерживания от величины поляризуемости сорбатов (Состав ПФ 80:20 (ацетонитрил/вода, об.%))

Рис.16. Зависимость фактора удерживания от величины поляризуемости сорбатов (Состав ПФ 90:10 (ацетонитрил/вода, об.%))

Регрессионные уравнения выше представленных зависимостей представлены в таблице 9.

Таблица 9

Уравнения регрессии (lgk= a·α +b)

	СШ ПС		Сульфированный СШ ПС		Sil С18
Состав фазы (ацетонитрил/вода, об.%)	уравнение	R2	уравнение	R2	уравнение	R2
70/30	y=0.0508x-0.795	0.823	y=0.0471x-1.0129	0.792	y=0.0318x-1.4204	0.792
80/20	y=0.0447x-0.784	0.814	y=0.041x-1.0609	0.769	y=0.0399x-1.9402	0.747
90/10	y=0.038x-0.737	0.811	y=0.0361x-1.043	0.773	y=0.035x-1.9454	0.565

Из таблицы 9 видно, что коэфициенты корреляции небольшие, но тенденция остается той, же что и для модели «фактор удерживания - фактор гидрофобности». Это подтверждает, что дисперсионные взаимодействия вносят больший вклад на сверхсшитом немодифицированном полистироле по сравнению с другими исследуемыми сорбентами.

.4 Применение двухпараметрических линейных уравнений в качественной оценке поверхностей сорбентов

Для качественной оценки вкладов в хроматографическое удерживания специфических и неспецифических взаимодействий сорбатов с поверхностью сорбента целесообразно рассмотреть уравнения, связывающие хроматографическое удерживание с физико-химическими параметрами качественно характеризующие данные взаимодействия. Проанализированы двухпараметрические зависимости «фактор удерживания - гидрофобность; дипольный момент» которые представлены в таблице 10.

Таблица 10

Двухпараметрические зависимости фактора удерживания от гидрофобности и дипольного момента

Фаза	Состав фазы (ацетонитрил/вода, об.%)	R2	Уравнение
СШ ПС	70/30	0,944	lgk=-0.535+0.412·logP-0.104μ
	80/20	0,934	lgk=-0.483+0.36·logP-0.075μ
	90/10	0,929	lgk=-0.460+0.306·logP-0.059μ
S СШ ПС	70/30	0,914	lgk=-0.717+0.381·logP-0.084μ
	80/20	0,901	lgk=-0.709+0.331·logP-0.052μ
	90/10	0,879	lgk=-0.552+0.279·logP-0.017μ
Sil С18	70/30	0,972	lgk=-1,606+0.279·logP+0.014μ
	80/20	0,881	lgk=-2.618+0.356·logP+0.027μ
	90/10	0,803	lgk=-1.980+0.285·logP+0.012μ

Из анализа двухпараметрических линейных уравнений видно, что на всех исследуемых сорбентах большой вклад в хроматографическое удерживание сорбатов вносят дисперсионные взаимодействия, так как коэффициент перед гидрофобностью больше чем перед дипольным моментом. Причем видно, что этот коэффициент имеет значения выше на немодифицированном сверхсшитом полистироле, чем на других исследуемых сорбентах. Это, по-видимому, связано с тем, что поверхность СШПС является более гидрофобной и сорбция обусловлена в большей степени дисперсионными взаимодействиями. Тогда как на других сорбентах сорбаты могут специфически взаимодействовать с поверхностью сорбента за счет остаточных силанольных групп и сульфогрупп на модифицированном СШ ПС. Также видно, что дипольный момент уменьшает хроматографическое удерживание на сверхсшитых полистиролах из водно - ацетонитрильных элюентов, а на Sil С18 увеличивает но не на много.

Ниже построены зависимости теоретически рассчитанных факторов удерживания по двухпараметрическому уравнению от экспериментальных значений факторов удерживания. Видно, что предсказательная способность двухпараметрических уравнений различается в зависимости от того, какой сорбент использовали в эксперименте. Наилучшей предсказательной способностью обладает уравнение, полученное на СШ ПС (коэффициент корреляции 0,92). Таким образом, предсказывать факторы удерживания легче на сорбентах у которых поверхность является более однородной и вследствие этого учитывается вклад только каких-то одних типовых взаимодействий сорбата с поверхностью сорбента, а именно дисперсионных взаимодействий исследуемых сорбатов с неполярной поверхностью немодифицированного сверхсшитого полистирола.

Рис. 17. Зависимость теоретически рассчитанных факторов удерживания по двухпараметрическому уравнению от экспериментальных значений факторов удерживания на СШ ПС (Состав ПФ 90:10 (ацетонитрил/вода, об.%))

Рис. 18. Зависимость теоретически рассчитанных факторов удерживания по двухпараметрическому уравнению от экспериментальных значений факторов удерживания на сульфированном СШ ПС (Состав ПФ 90:10 (ацетонитрил/вода, об.%))

Рис. 19. Зависимость теоретически рассчитанных факторов удерживания по двухпараметрическому уравнению от экспериментальных значений факторов удерживания на Sil С18 (Состав ПФ 90:10 (ацетонитрил/вода, об.%))

.5 Влияние природы сорбента на вклад некоторых заместителей в хроматографическое удерживание

Для оценки влияния изменения структуры на удерживание в ОФ ВЭЖХ рассчитывают величину δ(ΔG)i, st − разность изменений свободной энергии адсорбции из бесконечно разбавленных растворов вещества i по отношению к адсорбции некоторого вещества сравнения − стандартного вещества для данного ряда соединений [11] на СШ ПС, S СШ ПС и Sil С18 представлены в таблице 11. В качестве стандартного вещества для соединений № 1,5,6 выбрано вещество № 2, т.к. оно наиболее простую структуру и отличается лишь отсутствием какой-либо функциональной группы у атома азота в пиррольном кольце.

Таблица 11

Зависимость разности дифференциальных мольных свободных энергий δ(ΔG)i, st, Дж/моль (по модулю), от величины мольной доли ацетонитрила на СШ ПС, S СШ ПС и Sil С18

	СШ ПС			S СШ ПС			Sil С18
Элюент	(ацетонитрил/вода, об.%)			(ацетонитрил/вода, об.%)			(ацетонитрил/вода, об.%)
№	70/30	80/20	90/10	70/30	80/20	90/10	70/30	80/20	90/10
116661464125415001607137093924701666
5253121461729222226502317192930501515
6480339113233461042233504309239113233
7185715302768260519221430213517581414
2---------

Ниже представлены графики зависимости разность изменений свободной энергии адсорбции от мольной доли ацетонитрила в элюенте для соединений с различными функциональными группами.

Рис.20. Зависимость разности дифференциальных мольных свободных энергий от величины мольной доли на СШ ПС

Рис.21. Зависимость разности дифференциальных мольных свободных энергий от величины мольной доли на S СШ ПС

Рис.22. Зависимость разности дифференциальных мольных свободных энергий от величины мольной доли ацетонитрила на Sil С18

Проанализировав данные зависимости можно видеть, что вклад фенильного радикала в удерживания больше чем вклады метильного и изопропильного заместителей на всех трех исследуемых сорбентах. Причем на сверхсшитом полистироле с увеличением мольной доли ацетонитрила в элюенте вклад монотонно уменьшается для всех трех гидрофобных заместителей, на сульфированном ПС наблюдается нарушение линейной зависимости вклада изопропильного и метильного заместителя при максимальном значении на фазе с 80% содержанием ацетонитрила в элюенте, а для фенильного заместителя и гетероатома кислорода монотонное уменьшается. На классическом октадецильном сорбенте наблюдается экстремальная зависимость при максимальном значении на фазе с 80 % содержанием ацетонитрила в элюенте.

Видно также, что меняется порядок вкладов метильного и изопропильного заместителей на фазе с 90% содержанием ацетонитрила на октадецильном сорбенте. Наблюдается одинаковые вклады в хроматографическое удерживание изопропильного заместителя и гетероатома кислорода на СШ ПС, а на сульфированном сверхсшитом полистироле и на Sil C18 их вклады различны. Для октадецильной фазы наблюдается антибатность зависимостей, что связано с наличием на этой фазе остаточных силанольных групп с которыми может взаимодействовать гетероатом кислорода, тогда как на чистом СШ ПС таких групп нет.

Заключение

Исследована сорбция впервые синтезированных азот- и кислородсодержащих гетероциклических соединений из жидких растворов на немодифицированном сверхсшитом полистироле, сульфированном сверхсшитом полистироле и на силикагеле с привитыми октадецильными группами. Показано, что их факторы удерживания, а, следовательно, адсорбция, больше на немодифицированном СШ ПС. Этот факт можно объяснить тем, что поверхность чистого СШ ПС является более гидрофобной по сравнению с сульфированной и Sil С18. Молекуле сорбата легче вытеснить молекулу ацетонитрила с поверхностью СШ ПС, чем с поверхности Sil С18 и сульфированного СШ ПС из-за наличия у них остаточных силанольных и сульфогрупп соответственно.

Исследовано хроматографическое поведение некоторых гетероциклических соединений на немодифицированном и сульфированном сверхсшитом полистироле. Показано, что на немодифицированном сверхсшитом полистироле модели Снайдера-Сочевинского и Скотта-Кучеры описывают удерживание исследуемых соединений лучше, чем на сульфированном сверхсшитом полистироле и на классическом октадецильном сорбенте в условиях обращено-фазовой ВЭЖХ.

Изучены модели «фактор удерживания - физико-химическое свойство» для сорбатов на различных сорбентах. Показано, что данные модели могут служить для предсказания удерживания изучаемого класса соединений, особенно для немодифицированного СШ ПС, вследствие его большей гидрофобности.

Показана применимость двухпараметрических уравнений для качественной оценки поверхностей сорбентов. Выявлено, что дисперсионные взаимодействия вносят больший вклад в хроматографическое удерживание чем специфические взаимодействия сорбатов. На немодифицированном сверхсшитом полистироле вклад дисперсионных взаимодействий сорбата с поверхностью сорбента выше чем на сульфированном СШ ПС и на октадецильном силикагеле.

Список литературы

1.      А.А. Тагер. Физико-химия полимеров. - М., «Химия», 1968. - C. 761.

.        Сакодынский К.И., Панина Л.И. Полимерные сорбенты для молекулярной хроматографии. - М.: Наука, 1977. - C. 235.

.        Цюрупа M.П. Сверхсшитый полистирол - новый тип полимерных сеток: - Дис… докт. хим. наук. / М.: ИНЭОСРАН, 1985. - 45 c.

.        Даванков В.А., Цюрупа М.П., Пастухов А.В., Маслова Л.А., Ильин М.М., Павлова Л.А., Андреева А.И., Тарабаева О.Г. Сверхсшитый полистирол: чужой среди своих // Природа. 1997. - № 10. - C.51-54.

.        Davankov V.A., Tsyurupa М.Р. // Pure and Appl. Chem. 1989. - V. 61. - P. 1881.

.        Белякова Л Д. // Успехи химии. 1991. - Т. 60. - С. 374.

.        Joseph R., Ford W.T., Zhang S., Tsyurupa M.P., Pastukhov A.V., Davankov V.A. // J. Polymer Sci., Part A: Polymer Chem. 1997. - V.35. -P.695-701.

.        Davankov V., Pavlova L., Tsyurupa M., Ilyin М. // Journal of Chromatography. 2002. - A. 965 - P. 65.

.        Белякова Л Д. // Успехи химии. 1990. - Т. 60. Вып. 2. - С. 340.

.        Цюрупа М.П., Пастухов А.В., Даванков В.А. Сверхсшитый полистирол - полимер в неклассическом физическом состоянии // Доклады Академии наук. 1997. - T.352., №1. - C.72-73.

.        Davankov V. Paylova L. Tsyurupa M. // J Chromatogr. B. 2000. - V. 739 -P. 73.

.        Белякова Л.Д., Василевская O.B., Цюрупа M.П. Даванков В. А. //Журн. физ. химии. 1995 - Т. 69 - С. 696.

.        Алексиенко Н.Н., Пастухов А.В., Даванков В.А., Белякова Л.Д., Волощук А.М. Сорбционные свойства карбонизатов сверхсшитого полистирола // Журнал физической химии. 2004. - Т.78. №12. - С.2246-2253.

.        Белякова Д.Д., Василевская О.В., Цюрупа М.П., Даванков В.А. //Там же. 1996. - Т. 70 - С. 1476.

.        Пастухов А.В., Даванков В.А. Аномальный десвеллинг пористых сетчатых полимеров // Доклады Академии Наук. 2006. - T.410. №6. - C.767-770.

.        Л. Д. Глазунова, Л. И. Панина, К. И. Сакодынский. Сб. «Новые сорбенты для хроматографии», вып. 16. М., изд. НИИТЭХИМ, 1971, - 56 c.

.        Пастухов А.В., Гинзбург С.Ф., Даванков В.А. Электронный парамагнитный резонанс в системах карбонизатов сверхсшитых полистиролов с органическими растворителями // Известия РАН. Сер. хим. 2006. - №5. - C.824-831.

.        Пастухов А.В., Даванков В.А., Алексиенко Н.Н., Белякова Л.Д., Цюрупа М.П., Волощук А.М. Термодеструкция сверхсшитых полистиролов и сорбционные свойства их карбонизатов // Сб. статей, «Структура и динамика молекулярных систем», X Всероссийская конференция. 2003. - вып.X. ч.3. - Изд-во КГУ. Казань. - С.29-32.

.        Belyakova L.D., Kiselev A.V., Platonova N.P., Shevchenko T.J. // Adv. Colloid and Int. Sci. 1984. - V. 21. - P. 55.

.        Tsyurupa M.P., Tarabaeva O.G., Pastukhov A.V., Davankov V.A. Sorption of ions of heavy metals by neutral hypercrosslinked polystyrene // International Journal of Polymeric Materials. 2003. - V.52. - P.403-414.

.        Буланова А.В., Полякова Ю.Л. Хроматография в медицине и биологии. - Самара: Самарский университет, 2003. - 115 с.

.        Рудаков О.Б., Востров И.А., Федоров С.В., Филлипов А.А., Селеменев В.Ф., Приданцев А.А. Спутник хроматографиста. -Воронеж: изд-во “Водолей”, 2004. - 528 с.

.        Шаповалова Е.Н., Пирогов А.В. Хроматографические методы анализа. - М.: МГУ, 2007. - 109 с.

.        Horvath C., Melander W., Molnar I. // J. Chromatogr. 1976. - V. 125. - P. 129 - 156.

.        Стыскин Е.Л., Брауде Е.В., Ициксон Л.Б. // Практическая ВЭЖХ. -М.: Химия, 1986. - с. 288.

.        Бойченко А.П., Иващенко А.Л. // Вiсник Харкiвського нацiонального унiверситету. - Хiмiя. 2005. - Вип. 13. № 669. С. 107 - 118.

.        Snyder L.R., Glajch J.L., Kirkland J.J. // J. Chromatogr. 1981. - V. 218. № 1. - P. 299 - 326.

.        Snyder L.R., Glajch J.L. // J. Chromatogr. 1982. - V. 248. № 2. - P. 165 - 182.

.        Soczewinski E., Golkiewicz W. // Chromatographia. 1973. - V. 6. № 6. - P. 269 - 272.

.        Сахартова О.В., Шатц В.Д. // Журн. аналит. химии. 1984. - Т. 39. № 8. - С. 1496 - 1503.

.        Scott R.P.W. // J. Chromatogr. 1976. - V. 122. № 1. - P. 35 - 53.

.        Scott R.P.W., Kucera P. // J. Chromatogr. 1978. - V. 149. № 1. - P. 93 - 110.

.        Раевский О.А. // Рос. хим. ж. 2006. - Т. L. № 2. - С. 97 - 107.

.        Раевский О.А. // Успехи химии. 1999. - Т. 68. Вып. 6. - С. 555 - 576.

.        Ким А.М. Органическая химия. - Новосибирск: Сибирское университетское изд-во, 2002. - 971 с.

.        Грандберг К.И. Органическая химия. - М.: Дрофа, 2001. - 672 с.

.        Травень В.Ф. Электронная структура и свойства органических молекул. - М.: Химия, 1989. - 384 с.

.        Pasha F.A., Srivastava H.K., Singh P.P. // Bioorganic & Medicinal Chemistry. 2005. - V. 13. - P. 6823 - 6829.

.        Машковский М.Д. Лекарственные средства. В 2-х томах. М.: Медицина, 1993. - Т. 1. - 731 с.; Т. 2. - 685 с.

.        Юровская М.А., Куркин А.В., Лукашев Н.В. // Химия ароматических гетероциклических соединений. - М.: Московский университет, 2007. - 51 с.

.        Davankov V.A., Sychov C.S., Ilyin M.M., Sochilina K.O // Journal of Chromatography 2003. -V. 987. - P.67-7

.        Киселев А.В. Пошкус Д.П., Яшин Я.И. Молекулярные основы адсорбционной хроматографии. - М.: Химия. 1986. - 272 с.

.        Эльтекова Н.А., Эльтеков Ю.А. // Журн. физ. химии. 1991. - Т. 65. № 9. - С. 2573 - 2575.

.        Эльтекова Н.А., Эльтеков Ю.А. // Журн. физ. химии. 2000. - Т. 74. № 8. - С. 1468 - 1473.

.        Номенклатура в хроматографии. Основные понятия. Терминология. Термодинамические характеристики сорбционного процесса. - Самара: Самарский университет, 1999. - 36 с.

.        Блатов В. А., Шевченко А. П. Методы компьютерной химии и комплекс программ HYRERCHEM. - Самара: Самарский университет, 1999. - 54 с.

.        Харин В. Т. Введение в математическую статистику и математические методы планирования эксперимента. - М.: 1990. - 114 с.

.        Чарыков А. К. Математическая обработка результатов химического анализа. - М.: Химия. 1984. - 168 с.

.        Доерфель К. Статистика в аналитической химии. - М.: Мир, 1969. - 248 с.

.        Penner N.A., Nesterenko P.N., Ilyin M.M., Tsyurupa M.P., Davankov V.A. // Chromatographia. 1999. - V. 50. № 9/10. - P. 615 - 616.