§ 4. Распределительная хроматография

В распределительной хроматографии разделение веществ осуществляется вследствие различной и притом обратимой сорбции компонентов смеси двумя несмешивающимися жидкими фазами — подвижным и неподвижным растворителями.

Колонку наполняют носителем (силикагель, окись алюминия, кизельгур и др.)-веществом, индифферентным к хроматографируемым веществам и в отношении к применяемому растворителю. Носитель удерживает на своей поверхности жидкую фазу — неподвижный растворитель. Пробу хроматографируемого раствора, содержащего несколько компонентов, вносят в колонку и после того, как раствор впитается, промывают колонку подвижным растворителем. При этом происходит перераспределение веществ смеси между двумя несмешивающимися жидкими фазами.

Для получения четкого разделения смеси необходимо, чтобы компоненты ее не взаимодействовали с носителем и чтобы коэффициенты распределения их сильно различались между собой. Только соблюдение этих условий дает возможность получать отдельные зоны чистых веществ при промывании колонки подвижным растворителем.

Свойства подвижной и неподвижной фаз. При подборе подвижной и неподвижной фаз, а также носителя необходимо учитывать их свойства. Если носителем является гидрофильное вещество, то в качестве неподвижного растворителя применяют воду, а в качестве подвижного — органический растворитель. Например, для разделения смесей полярных веществ (аминокислот, производных пиридина и других) применяют полярный неподвижный растворитель — воду, который хорошо удерживается на таких гидрофильных носителях, как силикагель, порошок целлюлозы и др. Подвижной фазой в этом случае может служить насыщенный водный раствор фенола, -бутанол и др. Если же носитель — гидрофобное вещество, то неподвижным растворителем должно быть неполярное вещество (масло, керосин, бензол, парафин), а подвижным — полярные органические вещества и вода. Разделение происходит вследствие различной растворимости компонентов в неподвижной фазе.

Распределительная хроматография, выполняемая в колонках, по характеру происходящих процессов аналогична адсорбционной, с той разницей, что в данном случае сорбентом является неподвижный растворитель.

Изотерма распределения веществ между двумя несмешивающимися жидкими фазами, как правило, линейна. Однако в ряде случаев в распределительной хроматографии наблюдается искривление линейной изотермы распределения, что связано с процессами диссоциации и ассоциации хроматографируемых веществ в растворителях. Например, электролиты могут в той или иной мере диссоциировать в неподвижном, более полярном растворителе, а если же хроматографируемое вещество способно к ассоциации, то оно может ассоциировать в подвижном растворителе. В обоих случаях наблюдается искривление изотермы распределения, вследствие чего происходит образование «хвостов» (см. § 2) и разделение веществ оказывается неполным.

Коэффициент распределения. Распределение веществ между двумя фазами принято определять отношением количества вещества в неподвижном растворителе к количеству вещества в подвижном растворителе. Подобное отношение концентраций называется коэффициентом распределения данного вещества, характерным для рассматриваемой системы, т. е.:

где К — коэффициент распределения; концентрация определяемого компонента в неподвижной фазе, ; — концентрация того же вещества в подвижной фазе, .

Коэффициент распределения зависит от различных факторов: природы вещества, природы растворителя, температуры и способа проведения эксперимента.

Наибольшая скорость движения наблюдается у того компонента, который имеет наименьший коэффициент распределения между растворителями. Скорость движения фронта зоны можно определить по уравнению:

где — высота зоны, содержащей определяемый компонент; объем хроматографируемого раствора, ; - объем подвижного растворителя, приходящийся на колонки; - объем неподвижного растворителя, приходящийся на колонки; А — поперечное сечение колонки; К — коэффициент распределения.

Помимо скорости движения зоны приходится учитывать скорость смещения, т. е. величину смещения зоны (R) на единицу объема растворителя:

При постоянных параметрах колонки скорость смещения вещества является функцией коэффициента распределения , в соответствии с чем в колонке каждая зона двигается со своей скоростью, что и является условием разделения компонентов смеси.

Тонкослойная хроматография

Хроматография веществ в тонких слоях (ХТС) является одним из видов распределительной хроматографии. Разделение проводят на пластинках, покрытых тонким слоем носителя (окись алюминия, кизельгур, силикагель и др.), удерживающего неподвижный растворитель. Нижний край пластинки с нанесенной на нее пробой опускают в подвижный растворитель. При движении растворителя происходит перераспределение веществ между двумя растворителями и перемещение их с различной скоростью, в результате чего вещества разделяются на составные компоненты.

Бумажная хроматография

Бумажная хроматография является разновидностью распределительной хроматографии, в которой в качестве носителя неподвижной фазы применяется бумага. Для этой цели используют несколько сортов хроматографической бумаги — № 1, 2, 3, 4. С увеличением номера плотность бумаги возрастает. От плотности бумаги зависит скорость движения растворителя в ней, поэтому бумагу для хроматографирования № 1 и № 2 называют «быстрой», а № 3 и № 4 — «медленной».

Для хроматографического разделения веществ методом «обращенных фаз» иногда используют гидрофобную бумагу.

При колоночном варианте хроматографического разделения методом «обращенных фаз» в качестве носителей используют следующие гидрофобные вещества: кизельгур, стеклянный порошок, полиэтилен.

По методу получения различают следующие распределительные хроматограммы на бумаге: одномерные и двумерные (восходящие и нисходящие), круговые, электрофоретические.

Для одномерных хроматограмм используют бумажные полосы шириной см и длиной 30—50 см. Для получения двумерной хроматограммы применяют листы бумаги размером примерно 20 X 25 — 40 X 45 см. Восходящие хроматограммы получают при перемещении подвижного растворителя через поры бумаги снизу вверх, а нисходящие — сверху вниз.

Для получения круговой хроматограммы используют бумажные круги. Подвижный растворитель перемещается от центра круга к периферии.

Электрофоретические хроматограммы на бумаге получают путем сочетания распределительной хроматографии на бумаге с электрофорезом при проведении их одновременно или раздельно.

Коэффициент . Нанесенные на бумагу хроматографируемые вещества переходят в подвижную фазу и, перемещаясь с различными скоростями по капиллярам бумаги, разделяются, концентрируясь в различных участках бумажного листа. Однако в этом случае определить значение коэффициента распределения, как это было указано выше, не представляется возможным. Поэтому для количественной оценки способности разделения веществ на бумаге введен коэффициент , представляющий отношение величины смещения зоны вещества к смещению фронта растворителя :

Ноэффициент и коэффициент распределения связаны следующим соотношением:

где и — соответственно поперечные сечения бумаги, удерживающие подвижный и неподвижный растворители.

Зная содержание воды в бумаге, отношение можно определить исходя из массы абсолютно сухой бумаги и массы бумаги, пропитанной подвижным растворителем.

На величину влияют многие факторы: природа носителей, хроматографируемых веществ и растворителей, условия проведения эксперимента и др. Однако для веществ, близких по свойствам, при постоянных условиях величина является относительно постоянной и служит показателем, позволяющим определять вещества. Чем больше различие в величинах разделяемых веществ, тем лучше разделение веществ.