Ионообменная хроматография

Модуль 3. Лекция 3. Ионообменная хроматография

Ионообменная хроматография

Модуль 3. Лекция 3. Ионообменная хроматография.

1. Сущность ионообменной хроматографии.

Метод ионообменной хроматографии основан на использовании яв­ления ионного обмена между неподвижной твердой фазой ‒ ионообменником (сорбентом) и подвижной жидкой фазой ‒ раствором, содер­жащим ионы, обмениваемые с ионами сорбента.

Ионный обмен ‒ это гетерогенный процесс, при котором сорбент и находящийся с ним в контакте раствор обратимо и стехиометрически обменивается одноименно (одного и того же знака) заряженными ионами.

В качестве сорбентов используют ионообменники ‒ иониты, пред­ставляющие собой обычно нерастворимые в воде твердые фазы.

Иониты состоят из матрицы, в которой распределены ионогенные группы, включающие фиксированные, прочно связанные в матрице, ионы, и менее прочно связанные противоионы (т. е.

ионы противоположного знака), способные к отщеплению от ионита и к переходу в раствор. Эти проти­воионы могут обмениваться с одноименными (катионы ‒ с катионами, анионы ‒ с анионами) ионами раствора.

Иониты, обменивающиеся катионами раствора, называются катио­нитами (катионообменниками), а иониты, обменивающиеся анионами раствора, ‒ анионитами (анионообменниками).

Известны также амфотерные иониты (амфолиты), способные об­мениваться с раствором как катионами, так и анионами.

Разделение ионов осуществляется за счет различной способности разделяемых ионов к ионному обмену с ионитом.

Реакции ионного обмена можно схематически проиллюстрировать следующими примерами.

Катионный обмен:

ионогенная ионогенная

матрица группа матрица группа

R—SO3- H+ + M+ = R— SO3- M+ + Н+

катионит в Н-форме катионит в солевой форме

В рассматриваемом случае катионит в Н-форме (в Н+-форме, в ки­слой форме) состоит из матрицы R (основы органического полимера ‒ полимерной смолы) и ионогенной группы –SO3- H+. Отрицательно заря­женные группы –SO3- прочно связаны ковалентной связью с матрицей и в условиях ионного обмена отщепляться не могут.

Напротив, противоио­ны ‒ положительно заряженные катионы водорода Н+ ‒ могут отщеп­ляться от исходной ионогенной группы. Их замещают катионы металла М+, которые переходят из раствора в фазу сорбента и удерживаются в ионогенной группе ––SO3- M+.

В целом осуществляется катионный обмен, при котором катионы металла М+, ранее входящие в состав подвижной фазы ‒ раствора, остаются на катионите, а катионы водорода Н+ перехо­дят в раствор и уносятся подвижной фазой.

Анионный обмен:

ионогенная ионогенная

матрица группа матрица группа

R—N(CH3)3+OH – + = R— N(CH3)3+A+

анионит в основной форме анионит в солевой форме

Анионный обмен происходит аналогично. В рассматриваемом слу­чае анионит в основной форме, т. е. содержащей гидроксильные группы , состоит также из матрицы R и ионогенной группы –N(СH3)3+ОН-.

Эта группа включает положительно заряженный катион –N(СH3)3+, прочно связанный в матрице ковалентной связью и не способный к отщеплению в условиях ионного обмена, и отрицательно заряженный противоион OH-, который, напротив, способен к отщеплению от ионогенной группы и к обмену с анионами A – раствора.

В результате такого обмена анионы A – переходят в ионогенную группу анионита и удерживаются в ней, а группы OH – перешедшие в раствор в подвижную фазу, уносятся вместе с нею. В целом происходит анионный обмен.

Кроме ионитов, обладающих кислотно-основными свойствами, из­вестны также сорбенты, проявляющие окислительно-восстановительные и комплексообразующие свойства.

2. Иониты: их типы, строение, обменная емкость, регенерация ионитов.

Общая характеристика ионитов. Иониты, применяемые в ионо­обменной хроматографии, могут быть неорганическими или органиче­скими, природными или синтетическими. Наибольшее распространение получили синтетические ионообменные смолы.

Синтетические ионообменные смолы получают поликонденсацией и полимеризацией мономеров стирола, паразамещенных фенолов и других соединений. Для сшивки полимерных цепей при проведении полимери­зации прибавляют дивинилбензол. В результате получают полимерные матрицы, в которых полимерные цепи связаны поперечными связями. Такие полимерные матрицы способны к набуханию в водной фазе.

В полученные полимерные матрицы сульфированием и другими ре­акциями вводят различные ионогенные группы.

Некоторые неорганические сорбенты получают, прививая к матрице, например, из силикагеля, различные ионогенные или комплексообра­зующие группы.

Так, для получения сорбентов, способных удерживать платиновые металлы в виде их комплексных соединений, к матрице из силикагеля прививают серу-, фосфор – и азотсодержащие комплексообра­зующие группы, играющие роль лигандов, способных образовывать ком­плексы с соединениями платиновых металлов, находящимися в растворе, и тем самым удерживать их в фазе сорбента.

Предложено значительное число различных ионообменных смол для их использования в качестве ионообменников. В качестве примеров в табл. 1. кратко охарактеризованы некоторые типы ионообменных смол.

Сорбенты на основе ионообменных смол обладают высокой способ­ностью к ионному обмену, химической стойкостью, большой механиче­ской прочностью.

Обменная емкость ионитов (удельная емкость) ‒ характеризует способность ионитов к ионному обмену. Она определяется числом ммоль обмениваемых ионов, приходящихся на 1 г сухого ионита или на 1 мл (1 см3) набухшего ионита.

Объемная емкость зависит от природы и числа ионогенных групп в ионите, их способности к ионизации, температуры и не­которых других факторов. Для наиболее распространенных ионитов объ­емная емкость равна 2‒10 ммоль/г.

Таблица 1. Некоторые типы ионообменных смол

Тип сорбентаИоногенная группаПодвиж-ные ионыИнтервал pH обменаМарка сорбента*
Сильнокислотный катионит-SO3HH+0-14КУ-1, КУ-2,СДВ, Дауэкс-50
Среднекислотный катионит-PO(OH)2H+4-14КФ
Слабокислотный катионит-COOH, – OHH+7-14КБ-2, КБ-4
Сильноосновной анионит-CH2N(CH3)3+Cl-0-14AB-17, AB-18
Слабоосновной анионит-NH3+OH-0-7АН-23, АН-2Ф

* КУ ‒ катионит универсальный, СДВ ‒ стиролдивинилбензол, КФ ‒ катио­нит фосфоновокислый, КБ ‒ катионит буферный, АВ ‒ анионит высокоос­новной, АН ‒ анионит низкоосновный.

Регенерация ионитов. После завершения ионного обмена и разде­ления ионов иониты можно регенерировать ‒ снова перевести в исход­ное состояние, в котором они находились до начала проведения ионного обмена. Регенерация ионитов основана на обратимости и стехиометричности ионного обмена.

Так, катионит, перешедший в процессе ионного обмена из Н-формы в солевую форму, можно снова превратить в исходную Н-форму путем промывания его достаточно концентрированным раствором кислоты по схеме:

R-M+ +Н+ = R-H++ М+

где все обозначения — традиционные.

Аналогично проводят регенерацию анионитов, например, по схеме:

R-K++ = R-K++ (обработка раствором основания)

R-K++ = R-K+ + (обработка раствором хлоридов)

где К+ ‒ связанный катион ионогенной группы, A-‒ обменивающийся анион.

Регенерация позволяет многократно использовать ионообменники для проведения ионного обмена.

3. Ионообменное равновесие:

а) Константа ионного обмена, ее значение;

Рассмотрим основные особенности ионообменного равновесия на примере катионного обмена. Пусть при катионном обмене протекает ре­акция:

R-+ + В+ = R-+ + А+

В этой схеме обменивающиеся катионы в фазе сорбента обозначены с черточкой сверху, а в растворе ‒ только со знаком «+».

Поскольку ионообменное равновесие ‒ это гетерогенное равнове­сие, то оно, как и любое химическое равновесие, подчиняется общим термодинамическим закономерностям. Поэтому можно написать выра­жение для истинной термодинамической (выраженной через равновесные активности) константы КВ, A этого равновесия:

КВ, A , (1)

где все активности катионов ‒ равновесные.

Величина КB, А называется константой ионного обмена. Для разбавленных растворов, когда коэффициенты активности ионов приблизитель­но равны единице, вместо формулы (1) можно написать приближенно выражение (2):

КВ, A , (2)

где все концентрации катионов ‒ равновесные.

Преобразуем формулу (2) следующим образом:

КВ, A . (3)

Из уравнения (3) следует, что отношение равновесных концентраций

ионов в фазе сорбента прямо пропорцио­нально отношению равновесных концентра­ций тех же ионов в растворе, что можно представить в графической форме прямой линией, как это показано на рис. 1. Из этого рисунка следует, что величина константы ионного обмена КB, А определяется тангенсом угла наклона α прямой к оси абсцисс:

КB, А = tg α.

Рис. 1. График функции (3)

Величина константы ионного обмена зависит от природы сорбента, жидкой фазы, обменивающихся ионов, их зарядового числа и является важнейшей характеристикой ионного обмена на данном сорбенте.

Если КB, А = 1, то это означает, что сродство катионов А+ и В+ к иони­ту одинаково: ионный обмен практически не происходит.

Если КB, А > 1, то это означает, что равновесие ионного обмена сме­щено вправо: происходит обмен ионов В+ на ионы А+.

Если KB, A< 1, то равновесие ионного обмена смещено влево.

Аналогично можно провести рассмотрение и вывод формулы для константы ионного обмена и в случае анионитов.

Сродство ионов к сорбенту зависит от ряда факторов. Наибольшим сродством к иониту обладают: ионы, заряд (зарядовое число) которых наибольший; ионы, имеющие наименьший объем в гидратированном (сольватированном) состоянии; ионы, обладающие высокой поляризуе­мостью.

Установлены ряды сорбируемости ионов на ионообменниках.

Для катионитов в основном характерна следующая последователь­ность сорбируемости катионов:

Li+ < Н+ < Na+ < К+, NH4+ < Rb+ < Cs+ < Ag+ < Тl+ < Hg2+ < Cd2+

Источник: https://pandia.ru/text/80/236/20426.php

Ионообменная хроматография

Ионообменная хроматография

АБВГДЕЖЗИКЛМНОПРСТУФХЦЧШЩЭЮЯ Ионообменная хроматография, жидкостная хроматография, основанная на разл. способности разделяемых ионов к ионному обмену с фиксир. ионами сорбента, образующимися в результате диссоциации ионогенных групп последнего. Для разделения катионов используют катиониты, для разделения анионов – аниониты (см. Иониты).

Элюентом в первом случае служит р-р кислоты, во втором – р-р щелочи. Разделение ионов регулируют подбором оптим. значений рН элюента. Сильнокислотные сульфокатиониты и высокоосновные аниониты могут использоваться при любых значениях рН, слабокислотные карбоксильные катиониты – только при рН > 6; слабоосновные аниониты находятся в ионизованном состоянии при рН < 8.

Варьируя рН элюента, можно резко изменять степень ионизации компонентов разделяемой смеси (сорбатов) и, следовательно, время их удерживания, добиваясь необходимой селективности разделения. Многозарядные ионы удерживаются ионитом сильнее однозарядных. При равных величинах зарядов удерживание падает с ростом радиуса гидратир. иона. Поэтому при ионообменной хроматографии в разб.

р-рах на сульфокатионитах время удерживания катионов падает в ряду: Ва2+ > РЬ2+ > Sr2+ > Са2+ > Ni2+ > Cd2+ > Сu2+ > Со2+ > Zn2+ > Mg2+ > UO2+ > Тl+ > Ag+ > Cs+ > Rb+ > K+ > NH4+ > Na+ > H+ > Li+. Для орг. ионов на электростатич. взаимод. с фиксир. зарядами ионита накладывается еще и гидрофобное взаимод. орг. части иона с матрицей ионита. Чтобы уменьшить его вклад в удерживание орг.

ионов и добиться оптим. селективности их разделения, к водному элюенту добавляют орг. компонент (1-25% метанола, изопропанола, ацетонитрила или диоксана). Элюент в ионообменной хроматографии кроме к-ты или основания и орг. добавок может содержать нейтральный электролит, напр. NaNO3, ионы к-рого конкурируют с разделяемыми ионами за взаимод.

с сорбентом; при этом удерживание однозарядных ионов падает пропорционально концентрации соли в р-ре, двухзарядных ионов – пропорционально ее квадрату. Важна также природа нейтрального электролита: чем выше сродство его ионов к сорбенту, тем выше элюирующая сила р-ра.

В ионообменной хроматографии анионов часто используют фосфатные р-ры, к-рые обладают большой элюирующей способностью при высоких значениях рН, где фосфат приобретает заряд – 3. Мн. неорг. катионы разделяют на сульфокатионитах, используя в качестве элюента комплексообразователи (орг. к-ты или гидроксикислоты).

Разделение основано на том, что константы устойчивости образующихся комплексов, а значит и их сорбционные св-ва, даже таких близких по св-вам катионов, как лантаноиды и актиноиды, при определенных значениях рН различаются достаточно сильно; при этом заряд комплекса можно менять (вплоть до отрицательного). С помощью ионообменной хроматографии разделяют нек-рые нейтральные соед.

, если они способны превращ. в заряженные комплексы, как, напр., комплексы углеводов с борат-ионом. Удерживание разделяемых ионов в колонке пропорционально обменной емкости ионита. Для используемых в ионообменной хроматографии полимерных ионитов емкость 3-6 мг-экв/г, для ионитов на основе силикагеля с привитыми к его пов-сти функц. группами – на порядок ниже.

При равном размере зерен (обычно 5-15 мкм) иониты на основе силикагеля обладают более высокой скоростью ионного обмена, что повышает эффективность хроматографич. колонок, однако их гидролитич. устойчивость при рН / 8 недостаточна. Для увеличения эффективности (числа теоретич. тарелок) колонки с полимерными ионитами обычно используют при повыш. т-рах (50-80 °С); при этом увеличиваются коэф.

диффузии ионов в фазе ионита. В качестве сорбентов для ионообменной хроматографии могут использоваться нейтральные носители, пропитанные жидкими ионитами, т.е. несмешивающимися с водой орг. основаниями или к-тами, напр., триоктиламином, триоктилметиламмонием, алкиловыми зфирами алкилфосфорной к-ты.

Разбавленные р-ры ионогенных ПАВ в сочетании с нейтральными гидрофобными носителями находят применение в ион-парной хроматографии (см. Жидкостная хроматография), к-рая отличается высокой эффективностью и большим числом варьируемых параметров для подбора оптим. селективности разделения.

Детектирование в ионообменной хроматографии осуществляют с помощью любого детектора, применяемого в жидкостной хроматографии (см. Детекторы хроматографические). Наиб. универсален для ионных соединений кондуктометр, на применении к-рого основан вариант ионообменной хроматографии – ионная хроматография.Ионообменная хроматография применяется для разделения катионов металлов, напр.

, смесей лантаноидов и актиноидов, Zr и Hf Мо и W, Nb и Та; последние разделяют на анионитах в виде анионных хлоридных комплексов в р-рах соляной и плавиковой к-т. Щелочные металлы разделяют на катионитах в водных и водно-орг. средах, щел.-зем. и редкоземельные металлы на катионитах в присут. комплексонов. Большое значение имеет автоматич. анализ смесей прир.

аминокислот на тонкодисперсном сульфокатионите в цитратном буфере при повыш. т-ре. Аминокислоты детектируют фотометрически после их р-ции с нингидрином или флюориметрически после дериватизации фталевым альдегидом.

Высокоэффективная ионообменная хроматография (колонки, упакованные сорбентом с размером зерен 5-10 мкм, давление для прокачивания элюента до 107 Па) смесей нуклеотидов, нуклеозидов, пурияовых и пиримидиновых оснований и их метаболитов в биол. жидкостях (плазма крови, моча, лимфа и др.) используется для диагностики заболеваний.

Белки и нуклеиновые к-ты разделяют с помощью ионообменной хроматографии на гидрофильных высокопроницаемых ионитах на основе целлюлозы, декстранов, синтетич. полимеров, широкопористых силикагелей; гидрофильность матрицы ионита уменьшает неспецифич. взаимод. биополимера с сорбентом. В препаративных масштабах ионообменную хроматографию используют для выделения индивидуальных РЗЭ, алкалоидов, антибиотиков, ферментов, для переработки продуктов ядерных превращений. ===

Исп. литература для статьи «Ионообменная хроматография»: Риман В., Уолтон Г., Ионообменная хроматография в аналитической химия, пер. с англ., М., 1973; Сенявин М. М., Ионный обмен в технологии и анализе неорганических веществ, М., 1980; Мархол М., Ионообменники в аналитической химии, пер. с англ., ч. 1-2, М., 1985; Остерман Л. А., Хроматография белков и нуклеиновых кислот, М., 1985.

В. А. Даванков.

Страница «Ионообменная хроматография» подготовлена по материалам химической энциклопедии.

АБВГДЕЖЗИКЛМНОПРСТУФХЦЧШЩЭЮЯ

Источник: http://www.xumuk.ru/encyklopedia/1746.html

Vse-referaty
Добавить комментарий