eng
Содержание
Содержание
Предисловие ................................................................................................ 10
Глава 1. Комплексообразование и его роль в современной
жидкостной хроматографии .................................................................................... 12
1.1.
Основные принципы хроматографии ........................................................ 12
1.2.
Использование комплексообразования для изменения селективности
разделения металлов .................................................................................... 14
1.3.
Терминология и определения ..................................................................... 16
1.4.
История возникновения и развития метода .............................................. 17
1.5.
Эволюция комплексообразующих неподвижных фаз .............................. 21
1.6.
Современное состояние ВЭКХИ ............................................................... 23
Литература ................................................................................................. 25
Глава 2. Механизм удерживания и теория комплексообразования ...................... 27
2.1.
Введение....................................................................................................... 27
2.2.
Комплексообразование в растворе и на поверхности сорбентов ............ 27
2.2.1.
Кинетика комплексообразования..................................................... 28
2.3.
Равновесия на поверхности комплексообразующего сорбента ............... 33
2.3.1.
Коэффициент распределения при смешанном
механизме разделения ....................................................................... 35
2.3.2.
Селективность разделения в кислых элюентах
в отсутствие комплексообразования ................................................ 36
2.3.3.
Вторичные взаимодействия в подвижной фазе ............................... 39
2.4.
Температурные эффекты в ВЭКХИ ........................................................... 39
2.4.1.
Термодинамические эффекты ........................................................... 40
2.4.2.
Кинетические эффекты ..................................................................... 41
2.5.
Влияние кислотности элюентов на разделение ........................................ 42
2.6.
Влияние добавок органических растворителей в элюент ......................... 44
Литература ................................................................................................. 45
Глава 3. Комплексообразующие неподвижные фазы для ВЭКЖХ....................... 47
3.1.
Введение....................................................................................................... 47
3.2.
Типы и свойства комплексообразующих ионогенных лигандов ............. 48
3.2.1.
Адсорбция ионов металлов................................................................ 48
3.2.2.
Химическая стабильность лигандов ................................................. 49
3.2.3.
Структура координационных центров ............................................. 49
3.2.4.
Селективность функциональных групп ........................................... 50
3.2.5.
Кислотно/основные свойства и заряд поверхности сорбентов ...... 53
3.3.
Комплексообразующие сорбенты с ковалентно закрепленными
группами ...................................................................................................... 54
3.3.1.
Типы комплексообразующих сорбентов и способы
их получения ...................................................................................... 54
3.3.2.
Комплексообразующие органополимерные сорбенты ................... 58
3.3.3.
Комплексообразующие химически модифицированные
кремнеземы ........................................................................................ 65
6
Содержание
3.3.4.
Промышленно выпускаемые комплексообразующие сорбенты
для хроматографии ............................................................................ 77
3.4.
Влияние матрицы комплексообразующих сорбентов .............................. 82
3.4.1.
Распределение ковалентно закрепленных лигандов
на поверхности неподвижной фазы ................................................. 83
3.4.2.
Пористость сорбентов ....................................................................... 86
3.4.3.
Структура привитого слоя ................................................................. 88
3.4.4.
Комплексообразующие монолитные пористые колонки ............... 90
3.5.
Динамически модифицированные и импрегнированные сорбенты ....... 92
3.5.1.
Сорбенты, импрегнированные металлохромными лигандами ....... 94
3.5.2.
Динамически модифицированные сорбенты ................................ 108
Литература ................................................................................................. 121
Глава 4. Элюирование ............................................................................................ 126
4.1.
Параметры элюентов, определяющие удерживание и селективность
разделения металлов в ВЭКХИ ................................................................ 126
4.1.1.
Ионная сила элюента ....................................................................... 126
4.1.2.
Температура колонки ....................................................................... 133
4.1.3.
рН элюента ....................................................................................... 139
4.1.4.
Добавки органических растворителей ............................................ 141
4.1.5.
Добавление окислительных/восстановительных реагентов ......... 143
4.2.
Варианты элюирования ............................................................................ 144
4.2.1.
Изократическое элюирование......................................................... 144
4.2.2.
Градиентное элюирование ............................................................... 157
Литература ................................................................................................ 164
Глава 5. Методы распределительной комплексообразовательной
хроматографии .............................................................................................. 167
5.1.
Высокоскоростная противоточная хроматография ионов металлов ..... 167
5.1.1.
Экстрагенты и их селективность к ионам металлов ...................... 170
5.1.2.
Эффективность разделения металлов
в планетарно/центрифужной противоточной хроматографии ...... 176
5.1.3.
Области применения ....................................................................... 179
5.2.
Высокоэффективная экстракционная хроматография .......................... 183
5.2.1.
Неподвижные фазы.......................................................................... 184
5.2.2.
Стабильность нанесенных фаз и механизм удерживания ............. 187
5.2.3.
Типы экстрагентов ........................................................................... 187
5.2.4.
Области применения ....................................................................... 194
Литература .............................................................................................. 200
Детектирование ........................................................................................ 202
6.1.
Основные принципы ................................................................................ 202
6.2.
Послеколоночные реакции для спектрофотометрического
детектирования ионов металлов ............................................................... 203
6.2.1.
Устройство послеколоночных реакторов ....................................... 204
6.2.2.
Реагенты для послеколоночной дериватизации ............................ 210
6.2.3.
Последние достижения в области высокочувствительных
послеколоночных реакций.............................................................. 225
6.3.
Практические подходы для снижения пределов обнаружения
в жидкостной хроматографии ................................................................... 229
6.3.1.
Предел обнаружения ........................................................................ 229
6.3.2.
Типы шумов базовой линии ............................................................ 232
6.3.3.
Методы снижения соотношения сигнал/шум ............................... 233
6.4.
Другие методы детектирования с использованием
послеколоночных реакций........................................................................ 239
6.4.1.
Реакции замещения ......................................................................... 239
6.4.2.
Флуоресцентное детектирование .................................................... 240
6.4.3.
Хемилюминесцентное детектирование .......................................... 241
6.5.
Комбинированные методы ....................................................................... 243
Литература .................................................................................................. 244
Глава 7. Практическое применениe ............................................................. 248
7.1.
Области применения ВЭКХИ .................................................................. 248
7.2.
Преимущества ВЭКХИ ............................................................................. 249
7.3.
Пресная и питьевая вода ........................................................................... 255
7.4.
Воды с повышенным солевым фоном ..................................................... 263
7.4.1.
Морская вода и вода эстуариев ....................................................... 263
7.4.2.
Рассолы ............................................................................................. 269
7.4.3.
Промышленные продукты и химически чистые реактивы ........... 273
7.5.
Твердые образцы................................................................................. 280
7.5.1.
Осадочные породы, почвы и минералы.......................................... 280
7.5.2.
Биологические образцы и пищевые продукты .............................. 285
7.5.3.
Другие образцы ................................................................................ 288
Литература ................................................................................................ 290
Предметный указатель ............................................................................................ 292
Монографии по РКК Хроматографии ............................................................ 311
Предисловие
Ионообменная хроматография является принципиально важным вариантом жид
костной хроматографии и лежит в основе многих современных аналитических
методов: от твердофазной экстракции и препаративной очистки образцов, до со
временной высокоэффективной ионной хроматографии. По каждому из методов,
использующих в том или ином виде ионный обмен, опубликовано немало обзо
ров и монографий, охватывающих и детально описывающих различные аспекты
ионообменного равновесия, методологию применения, а также разнообразные
лабораторные и промышленные применения. Традиционно ионный обмен рас
сматривается как метод, основанный на обмене ионов между неподвижной и под
вижной фазами, когда удерживание в неподвижной фазе происходит преимуще
ственно за счет электростатических взаимодействий. Нередко в случае ионной
хроматографии металлов наблюдают значительные отклонения от обычного ион
ного обмена, и удерживание катионов металлов за счет электростатических взаи
модействий перестает доминировать, а вместо этого определяется способностью
функциональных групп адсорбента координировать металлы с образованием по
верхностных комплексов. В этом случае селективность и механизм разделения
подчиняются другим закономерностям, что позволяет расширить круг решаемых
аналитических задач. В настоящее время комплексообразующие сорбенты при
обретают все большую популярность при использовании в различных вариантах
высокоэффективной жидкостной хроматографии.
В монографии подробно рассмотрено разнообразие применений комплексо
образующих сорбентов или, более правильно, неподвижных фаз для высокоэф
фективных и селективных разделений металлов. Поскольку термин «ионная хро
матография» естественным образом трансформировался в собирательное назва
ние для высокоэффективных вариантов разделения ионов, то в данной работе под
названием «высокоэффективная комплексообразовательная хроматография ионов
металлов» или ВЭКХИ подразумеваются все методы, использующие комплексо
образующие неподвижные фазы для ВЭЖХ разделения ионов металлов. Понятие
ВЭКХИ не включает значительный объем работ по использованию комплексо
образующих неподвижных фаз для экстракции, адсорбции металлов в статиче
ских условиях, концентрирования в динамических условиях и в колоночной хро
матографии низкого давления, описание которых может быть найдено в иных
источниках. Данная монография предлагает читателю детальное описание тео
рии комплексообразовательного обменного механизма хроматографического раз
деления, влияния различных термодинамических и кинетических параметров на
этот процесс, рассматривает совокупность физических и химических требований
для получения высокоэффективных хроматографических разделений ионов ме
таллов, а также различные аспекты селективности разделения при использова
нии различных иммобилизованных комплексообразующих лигандов, применяе
мых в данном варианте хроматографии.
Монография представляет обобщенное мнение авторов, которые на протя
жении двух десятилетий работали, как вместе, так и по отдельности, над разра
боткой и характеристикой комплексообразующих неподвижных фаз, примене
нием ВЭКХИ для решения разнообразных аналитических задач и опубликовали
значительное количество совместных работ по теме. Несомненно, книга являет
ся полезным пособием для всех химиков аналитиков, биоаналитиков, химиков
технологов и хроматографистов, сталкивающихся с проблемами разделения и
определения ионов металлов в сложных по составу объектах.
Русское издание книги в отличие от исходной, англоязычной версии, опубли
кованной по инициативе и при поддержке Королевского химического общества
Великобритании, содержит существенное количество уточнений и исправлений.
Также авторы хотели поблагодарить кандидата химических наук Е.П. Нестеренко
за большую помощь при подготовке исходного издания монографии и за ее пере
вод с английского языка.
Павел Н. Нестеренко,
Фил Джонс,
Бретт Полл
ГЛАВА 1
Комплексообразование и его роль в современной
жидкостной хроматографии
1.1. Основные принципы хроматографии
Производительность любой хроматографической системы зависит от двух основ
ных параметров: эффективности и селективности. Как правило, высокая эффек
тивность разделения, оцениваемая по числу теоретических тарелок (ЧТТ), дости
гается за счет оптимизации размеров хроматографической колонки, структуры
адсорбента и физико химических параметров неподвижной фазы. В случае жид
костной колоночной хроматографии таковыми являются длина (L) и внутренний
диаметр хроматографической колонки, размер частиц (dP) и пористая структура
фазы, толщина привитого слоя и др. Также повышение эффективности разделе
ния достигается за счет оптимизации условий разделения, таких как температура
колонки, рабочее давление, вязкость подвижной фазы (η) и др. В то же время до
стижение более высокой или альтернативной селективности разделения является
существенно более сложной задачей, поскольку селективность связана непосред
ственно с механизмом адсорбции, который, в свою очередь, зависит от химичес
ких свойств адсорбата и адсорбента.
Для достижения максимальной селективности разделения (α) в современной
высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) используются все воз
можные комбинации специфических и неспецифических взаимодействий между
разделяемыми адсорбатами (молекулами или ионами) и различными адсорбента
ми или неподвижными фазами. Хроматографические методы, основанные на не
специфических, обычно слабых взаимодействиях (силы Ван дер Ваальса, поля
ризуемости и дисперсионных, индукционных и др.), на протяжении многих лет
известны как обращенно фазовый (ОФ) и нормально фазовый (НФ) варианты
ВЭЖХ (табл. 1.1). Однако специфические взаимодействия, такие как образова
ние водородных связей, π π взаимодействия, координационные связи и др., мо
гут обеспечить существенно более высокую селективность разделения. Приме
ром тому может служить применение сорбентов с привитым β циклодекстрином
для так называемой инклюзионной или «хозяин – гость» хроматографии, а также
в качестве сорбента для биоаффинной хроматографии. Таким образом, в разви
тии современной жидкостной хроматографии сложилась тенденция к поиску но
вых и более селективных материалов или неподвижных фаз для использования в
новых, интенсивно развивающихся вариантах ВЭЖХ, таких как хиральная, цвит
терионная хроматография, хроматография c координацией непредельных соеди
нений относительно адсорбированных ионов серебра и др.
Образование внутрикомплексных соединений (ВКС) или хелатов является от
дельной категорией специфических взаимодействий между ионами металлов и ли
гандами. Такие взаимодействия давно используются для оптимизации селективно
сти хроматографического разделения в ионообменной или ионной хроматографии
за счет добавок различных комплексообразующих реагентов в подвижную фазу.
Однако получение необходимой селективности разделения за счет образования ком
плексов на поверхности адсорбента, где комплексообразование является домини
рующим или единственным механизмом взаимодействия адсорбат–адсорбент, до
недавнего времени не получило широкого распространения в жидкостной хрома
тографии. Исторически это связано со сложностью синтеза высокоэффективных
комплексообразующих сорбентов, а также с кинетическими особенностями обра
тимого связывания ионов металлов с большинством комплексообразующих лиган
дов и, соответственно, комплексообразующих адсорбентов. К настоящему момен
ту эти затруднения хорошо изучены и поняты, что привело к существенному про
грессу в области создания новых адсорбентов, и обусловило формирование метода
высокоэффективной комплексообразовательной хроматографии ионов металлов
(ВЭКХИ), основанной на образовании комплексов (или комплексообразователь
ном ионном обмене) на поверхности адсорбентов. В настоящей монографии отра
жено развитие данного метода, причем особое внимание уделено различным мето
дам получения комплексообразующих неподвижных фаз, их свойствам и селектив
ности. В книге подробно рассмотрены теоретические аспекты взаимодействия ионов
металлов с функциональными группами на поверхности адсорбентов, особеннос
ти их хроматографического удерживания и разделения, инструментальное оформ
ление метода, а также различные аспекты практического применения комплексо
образующих неподвижных фаз для разделения и определения металлов.
1.2. Использование комплексообразования
для изменения селективности
разделения металлов
Как ранее отмечено, селективность хроматографического разделения может быть
улучшена или изменена за счет одновременного использования нескольких взаи
модействий между адсорбатом и адсорбентом или многоточечной координации
адсорбата относительного функциональных групп адсорбента. Комплексообра
зование является ярким примером таких взаимодействий, когда происходит фор
мирование двух и более ковалентных связей, разделенных в пространстве, между
полидентатным лигандом и центральным ионом металла. Соответствующий тер
модинамический «хелатный эффект» выражается в резком увеличении сродства
полидентатного лиганда к определенным ионам металлов. По этой причине ком
плексообразование на поверхности адсорбента является важным механизмом
повышения селективности разделения в различных вариантах жидкостной хро
матографии, таких как лигандообменная хроматография, аффинная хроматогра$
фия с иммобилизованными ионами металлов (Immobilised$Metal Affinity Chromatography,
IMAC) и некоторых других.
Для хроматографического разделения ионов металлов известны методы, исполь
зующие комплексообразование в подвижной фазе и одновременно в элюенте и на
поверхности адсорбента. Хроматографические системы, использующие комплек
сообразование только в подвижной фазе, значительно проще для теоретического
рассмотрения и практического применения. Добавки различных комплексооб
разующих реагентов в элюент широко используются для регулирования селек
тивности разделения ионов металлов в ионной хроматографии, а также в ОФ
ВЭЖХ, где устойчивые комплексы металлов с лигандами могут быть разделены
за счет различий в гидрофобности соответствующих комплексов или различий в их
зарядах при использовании ион парных реагентов, повышающие роль электро
статических взаимодействий в ОФ ВЭЖХ.
Ионообменная хроматография (ИОХ) основана на электростатических вза
имодействиях между ионообменником и сольватированными противополож
но заряженными ионами. Подобные взаимодействия включают ион ионные,
ион дипольные и диполь дипольные взаимодействия с энергией взаимодей
ствия 100–350 кДж/моль, 50–200 кДж/моль и 5–25 кДж/моль соответственно
(табл. 1.1). В ряде случаев взаимодействия между катионами и π орбиталями с
энергией порядка 5–80 кДж/моль также могут влиять на удерживание метал
лов в ИОХ. В случае хелатного эффекта при образовании комплексов на по
верхности комплексообразующей неподвижной фазы в оптимальных услови
ях энергия образующейся донорно акцепторной связи будет значительно выше.
В зависимости от природы лиганда и способа его закрепления на поверхности
носителя результирующая комплексообразующая неподвижная фаза может быть
незаряженной или нейтральной (например с привитыми группами β дикетона),
положительно заряженной (сорбенты с закрепленным 8 оксихинолином, раз
личными аминами) или отрицательно заряженной (сорбенты с привитой ими
нодиуксусной кислотой, различными кислотами). Несомненно, в этом случае
механизм удерживания на подобных сорбентах будет смешанным, включающим
комплексообразование и электростатические взаимодействия, соотношение
которых зависит от свойств сольватированного иона металла. В этом случае,
когда удерживание двух типов взаимодействия и однозначное доминирование
одного из них невозможно, более уместным представляется использовать тер
мин «комплексообразующий ионный обмен», чем просто «комплексообразо
вание». Известно, что при одновременном наличии нескольких типов взаи
модействий в ВЭЖХ в подавляющем большинстве случаев сложно добиться
высокой эффективности разделения. Таким образом, для комплексообразова
тельной хроматографии это возможно, но при условии, что комплексообразо
вание является доминирующим механизмом удерживания металлов. Такое ус
ловие может быть достигнуто за счет искусственного подавления электроста
тических взаимодействий между сольватированными ионами металлов и за
ряженными группами неподвижной фазы. Простым и эффективным средством
подавления электростатических взаимодействий в хроматографии является
увеличение ионной силы элюента за счет использования добавок солей ще
лочных металлов.
1.3. Терминология и определения
В подавляющем большинстве случаев методы жидкостной хроматографии полу
чили свои названия в соответствии с природой доминирующего взаимодействия
между адсорбатом и адсорбентом. Исключениями из этого правила являются хи$
ральная хроматография (Chiral Chromatography) и хроматография на искусственных
иммобилизованных мембранах (Immobilised artificial$membrane chromatography), по
лучившие свое название от природы неподвижных фаз, а также ионная хромато
графия (ИХ), которая имеет более строгое, но не очень распространенное назва
ние – «высокоэффективная ионообменная хроматография» (ВЭИОХ).
Непростая ситуация сложилась относительно происхождения названия мето
да высокоэффективной комплексообразовательной хроматографии ионов метал
лов (ВЭКХИ). Формально разделение катионов металлов на комплексообразую
щих сорбентах можно рассматривать как разновидность ионообменной хрома
тографии. Однако если в этом случае образование комплексов на поверхности
адсорбента является основным типом взаимодействий, определяющим их разде
ление в хроматографической колонке, то следует говорить о новом варианте хро
матографии. В первую очередь это связано с тем, что термин «ионный обмен» не
может быть использован для описания данного вида взаимодействий, поскольку
это противоречит рекомендации ИЮПАК [1], где ионный обмен определен как
«эквивалентный обмен ионов между двумя и более ионизированными форма
ми, расположенными в различных фазах, по крайней мере одна из которых
является ионообменником, без образования новых типов химической связи».
Наиболее близким к ВЭКХИ по принципу является метод адсорбционно комп
лексообразовательной хроматографии, который предложили советские ученые Гур
вич и Гапон в 1957 году [2]. Для разделения металлов авторы использовали сорбенты
на основе активированного угля, максимально насыщенного комплексообразующими
органическими реагентами. Было доказано, что удерживание металлов в колонке
пропорционально устойчивости комплексов металлов с реагентами, однако в боль
шинстве случаев реагент быстро вымывался из колонки, а металлы элюировались с
колонки в виде комплексов. Связанная с этим неопределенность и слабая изучен
ность механизма удерживания металлов в предложенном методе не позволяют ис
пользовать это название для описания процесса разделения, в основе которого ле
жит образование комплексов металлов с функциональными группами сорбента.
Более подробно особенности этого метода рассмотрены в разд. 1.4 данной главы.
Логичным продолжением данного направления в хроматографии явилась раз
работка более стабильных комплексообразующих сорбентов, что в свою очередь
позволило изучать механизм разделения на новом уровне. Так, в работе 1979 года [3]
для этой цели авторы использовали химическое закрепление 8 оксихинолина на
поверхности силикагеля и назвали метод разделения металлов на полученном сор
бенте металл$ионной комплексообразующей хроматографией (Metal$Ion Chelation
Chromatography). Однако этот термин не прижился, поскольку он не отделяет раз
работанный высокоэффективный хроматографический метод от его малоэффек
тивных аналогов, основанных на использовании комплексообразующих смол для
разделения ионов металлов. Таким образом, из за отсутствия подходящего назва
ния и в соответствии с правилами терминологии было предложено отметить в на
звании метода и доминирующую роль комплексообразования для разделения ме
таллов, и высокую эффективность хроматографической системы.
Похожий термин, а именно «комплексационная ионная хроматография» (Complexa$
tion ion chromatography) был предложен Тимербаевым и Бонном [4]. Этот термин
включает все возможные варианты разделения, в которых комплексообразование
протекает как в элюенте, так и на поверхности сорбентов. Очевидно, что подобная
интерпретация является слишком обширной и охватывает разношерстные похо
ды в различных областях жидкостной хроматографии, поэтому комплексацион
ную ионную хроматографию сложно назвать однозначным методом разделения.
Еще один термин «координационная ионная хроматография» (coordination ion
chromatography), предложенный авторами, тоже охватывает слишком широкую
область возможных взаимодействий в хроматографии и способен ввести в заб
луждение читателей.
Другой причиной запутанной ситуации с терминологией явилась разработка
компанией Dionex Corporation аналитической системы с названием «хелатная ион$
ная хроматография» (Chelation ion chromatography). Продукт представляет собой слож
ную автоматизированную систему ИХ анализа с функцией переключения клапанов,
которая позволяет использовать небольшие комплексообразующие колонки для кон
центрирования ионов металлов с последующим их разделением на последователь
но соединенных катионообменных колонках [5]. Очевидно, что правильным на
званием такой системы была бы «ионная хроматография металлов с автоматизиро
ванным концентрированием следовых количеств металлов», поскольку комплек
сообразующий адсорбент не задействован в хроматографическом разделении.
В названии «высокоэффективная комплексообразовательная хроматография
ионов металлов» (High$performance Chelation Ion Chromatography), или в сокращен
ном виде ВЭКХИ, есть указание как на тип взаимодействия адсорбат адсорбент,
так и на природу адсорбата как такового. Также в этом названии отражено, что
метод является высокоэффективным и разновидностью более общего метода ИХ,
применяемого для описания любого варианта жидкостной хроматографии ионов
металлов, чтобы отличать его от других методов, использующих комплексообра
зующие сорбенты для концентрирования ионов металлов с малоэффективными
сорбентами с диаметром частиц 0,2–0,3 мм.
1.4. История возникновения и развития метода
Основные принципы координационной химии были заложены более 120 лет на
зад швейцарским химиком Альфредом Вернером [6], который стал первым уче
ным, получившим Нобелевскую премию в области химии. Термин «внутрикомп$
лексное соединение» или «хелат» был предложен позднее в 1920 году [7] Морганом
и Дрю, которые дали четкое описание особому типу комплексов, образующемуся
между ионами металлов и полидентатными (то есть имеющими несколько донор
ных центров) лигандами. Само слово «хелат» происходит от латинского ‘chelate’ –
клешня, таким образом, указывая на расположение в этих соединениях функци
ональных групп, которые подобно щипцам захватывают и удерживают централь
ный атом с образованием устойчивых гетероциклов. Устойчивость таких комп
лексов описывается «правилом циклов» Льва Чугаева [8], который обнаружил,
что внутрикомплексные соединения, имеющие структуру пяти или шестичлен
ных циклов, обычно более устойчивы. Эти ранние работы положили начало ин
тенсивным исследованиям по разработке высокоселективных методов анализа,
основанных на хелатном эффекте, включая хроматографию.
В хроматографических методах, использующих в том или ином виде образо
вание хелатов, особое внимание уделяется выбору селективных реагентов, спосо
бу иммобилизации сложных по строению, по сравнению с простыми ионообмен
ными группами, лигандов и структуре комплексообразующих сорбентов. Осадоч$
ная хроматография, предложенная Эрленмейером и Даном в 1938 г. [9], явилась
одним из первых хроматографических методов, использовавшихся для разделе
ния комплексообразования в неподвижной фазе. Авторы использовали микро
кристаллический порошок 8 оксихинолина в качестве комплексообразующего на
полнителя хроматографической колонки, исключая необходимость иммобили
зации реагента на носителе. Авторы полагали, что различия в произведении ра
створимости (ПР) 8 оксихинолинатов являются основной причиной разделения
металлов на такой колонке. Однако, принимая во внимание высокую степень кор
реляции ПР 8 оксихинолинатов металлов с соответствующими константами устой
чивости и образование комплексов металлов в фазе сорбента, можно предполо
жить, что в этом случае комплексообразование играет первостепенную роль и дан
ная работа является первым примером комплексообразовательной жидкостной
хроматографии. Основы и дальнейшее развитие осадочной хроматографии изло
жены в монографии [10] и обзоре [11]. Очевидно, что использование хроматогра
фических колонок, заполненных чистыми, дорогостоящими и частично раство
римыми в элюентах органическими реагентами крайне непрактично, поэтому
впоследствии развитие метода было связано с внедрением импрегнированных или
адсорбционно модифицированных реагентами носителей. В качестве носителей ис
пользовали пористые оксиды алюминия, титана, кремния, карбоната кальция, раз
личные ионообменники и другие материалы. Использование бумаги, импрегниро
ванной органическими реагентами, такими как тиоцианаты, 8 оксихинолин, ди
метилглиоксим и другими, быстро получило распространение в осадочной хрома
тографии из за простоты использования метода и более высокой чувствительности,
связанной с наличием окрашенных хроматографических полос [12]. Одно из немно
гих доступных изображений осадочной хроматограммы представлено на рис. 1.1.
Большинство осадков, образующихся во время разделения металлов методом
осадочной хроматографии, сами по себе способны удерживаться носителем. С уче
том этого взаимодействия Гурвич и Гапон в 1954 г. [13] предложили новый способ
разделения металлов, получивший название адсорбционно$комплексообразователь$
ной хроматографии. Данный способ разделения основан на различиях в удержи
вании реагента и его комплекса или ассоциата с ионом, а также на различиях в
устойчивости образующихся комплексов. Методически способ похож на осадоч
ную хроматографию с той разницей, что в этом случае не происходит формирова
ния нерастворимых осадков. Следует отметить, что приготовление комплексооб
разующей неподвижной фазы зачастую включает иммобилизацию лигандов на
поверхность носителя путем адсорбционного нанесения или пропитки. Этот под
ход до сих пор широко используется для разделения или отделения металлов, осо
бенно в тех случаях, когда селективный реагент не может быть ковалентно иммо
билизован на поверхности носителя.
Рис. 1.1. Разделение лантанидов и урана методом бумажной осадочной хромато
графии с 8 оксихинолином (а) и радиограмма (б), полученная после облу
чения хроматограммы нейтронами с последующей экспозицией на фото
графическую пластину. Воспроизведено с разрешения Нагаи [12]. Copyright
(1964) The Chemical Society of Japan
Серьезным недостатком адсорбционно комплексообразовательной хромато
графии является постепенное вымывание комплексообразующего реагента с по
верхности носителя. Как решение этой проблемы был предложен альтернативный
способ разделения металлов, основанный на распределительной хроматографии
между двумя несмешивающимися жидкостями. Экстракционная хроматография, ос
нованная на этом принципе, быстро получила признание после появления работы
Секерский и Фиделиса в 1960 году по разделению лантанидов [14] (рис. 1.2). Не
подвижной фазой в экстракционной хроматографии является иммобилизованный
слой жидкости, содержащей органический комплексообразующий лиганд с объем
ными гидрофобными радикалами, не растворимый в воде и обеспечивающий тре
буемую селективность разделения. Этот метод широко применяется и сегодня для
разделения и выделения радионуклидов и тяжелых металлов [15, 16]. Похожий прин
цип используется в противоточной хроматографии или хроматографии со свободной
неподвижной фазой для разделения ионов металлов [17–19]. Для достижения селек
тивности разделения в обоих методах используется комплексообразование на гра
нице раздела фаз несмешивающихся жидкостей подобно многократной жидкостной
экстракции. Конечно, большой объем накопленных экспериментальных данных
по жидкостной экстракции ионов металлов различными органическими реагента
ми обеспечивает хорошую базу для выбора условий разделения металлов как в эк
стракционной, так и в противоточной хроматографии.
La (желтый)
Ce (фиолетовый)
Pr (желто зеленый)
U (оранжевый) а) б)
16 Глава 1. Комплексообразование и его роль в современной
жидкостной хроматографии
Развитие жидкостной колоночной хроматографии неразрывно связано с со
вершенствованием комплексообразующих сорбентов. Появление в 1960 х различ
ных полимерных сорбентов с ковалентно привитыми комплексообразующими
группами ускорило развитие методов, основанных на механизме комплексообра
зования, и расширило круг возможных применений. Эти материалы использова
лись не только для разделения металлов, но, что немаловажно, и для разделения
биологических макромолекул. Так, в 1961 г. Гельферих [20] предложил новый спо
соб разделения органических молекул, способных координироваться относительно
ионов металлов или лигандов, получивший название «лигандообменная хроматог$
рафия», который позднее был усовершенствован Поратом и др. [21, 22], и его раз
новидностью, известной как аффинная хроматография с иммобилизованными ионами
металлов. В обоих методах используется предварительное насыщение поверхнос
тных комплексообразующих или ионообменных групп неподвижной фазы иона
ми различных металлов (медь, никель и др.). Разделение на подобных сорбентах
происходит за счет координации биомолекул относительно адсорбированных
ионов металлов и различия в силе подобных взаимодействий. В настоящее время
этот метод широко используется для селективного разделения полярных органи
ческих молекул, таких как амины, аминоспирты, фенолы, аминокислоты, угле
воды, пептиды и белки. Однако некоторые из промышленно выпускаемых сор
бентов с поверхностными функциональными группами в исходной (ненасыщен
ной металлами) форме также могут быть использованы в ВЭКХИ.
Как было упомянуто ранее, терминология, описывающая хроматографиче
ские методы, в идеале должна отражать механизм, по которому происходит раз
Рис. 1.2. Разделения лантанидов методом экстракционной хроматографии. Колонка
длиной 100 мм и внутренним диаметром 3 мм, сорбент – кизельгур с раз
мером частиц 80 мкм, обработанный диметилдихлорсиланом, с нанесен
ным слоем трибутилфосфата. Элюент: 15,1 М азотная кислота. Воспроиз
ведено с разрешения Секерский и Фиделиса [14]. Copyright (1960) Elsevier
counts/min
2000
1000
100 200 300 400 500 600 700 800 drops
Ce
Pm
Sm
Eu
Gd
Tb
1.5. Эволюция комплексообразующих неподвижных фаз 17
деление. Однако в некоторых случаях сложно как определить, так и описать един
ственный доминирующий тип взаимодействий. Следующий метод, который час
то упоминается как комплексообразовательная хроматография или, что более пра
вильно, как хроматография с применением ионов серебра (silver ion or argentation
chromatography), является тому подтверждением. Этот метод был впервые предло
жен Моррисом [23] в 1962 г. и основан на высокоспецифичном взаимодействии,
основанном на образовании комплексов с переносом заряда, между ионами се
ребра, которыми насыщен адсорбент, и двойными связями органических моле
кул, таких как непредельные кислоты, липиды и др. Координация молекул про
исходит непосредственно в фазе адсорбента, однако в данном случае отсутствует
необходимость в использовании комплексообразующих ионообменников для
насыщения ионами серебра, поскольку в данном варианте хроматографии исполь
зуется неполярный элюент, что исключает элюирование серебра с поверхности
сульфокатионообменника, силикагеля или оксида алюминия, применяемых для
этой цели.
1.5. Эволюция комплексообразующих
неподвижных фаз
Разделение сложных по составу смесей ионов металлов невозможно без варьиро
вания селективности хроматографической системы с использованием в том или
ином виде комплексообразующих или хелатообразующих лигандов. Долгое вре
мя проблема решалась в ИОХ или ОФ ВЭЖХ путем добавок различных лигандов
в элюент, и значительно меньше внимания уделялось использованию комплек
сообразующих сорбентов. Появление ВЭКХИ как альтернативного по селектив
ности подхода к разделению ионов металлов привело к расширению возможнос
тей хроматографического анализа и стало отдельным важным направлением. Ос
новной задачей данной монографии является обобщение работ в этой области,
рассмотрение основных принципов метода и закономерностей удерживания ме
таллов, получения и различных вариантов использования комплексообразующих
неподвижных фаз, а также применение метода для разделения и определения
ионов металлов в различных объектах анализа.
Развитие ВЭКХИ было бы невозможно без интенсивных исследований в обла
сти получения и химии поверхности хелатообразующих сорбентов с разнообраз
ными функциональными группами. Значительные успехи в этой области на ран
них стадиях исследований были связаны с появлением обычных ионообменных смол
и с попытками варьирования их селективности к группам металлов или их отдель
ным представителям. Так, первичные и вторичные аминогруппы слабоосновных
анионообменников и карбоксильные группы слабокислотных катионообменников
обладают выраженными комплексообразующими свойствами, что более подробно
рассмотрено в гл. 2. Неудивительно, что вскоре после первой публикации Адамса и
Холмса в 1935 г. [24] по получению фенолформальдегидных ионообменных смол
появилась работа Гриссбаха [25] по изучению их комплексообразующих свойств.
Гриссбах использовал колонку, заполненную слабым катионообменником Wofatit C,
полученным поликонденсацией формальдегида и 3,5 диоксибензойной кислоты и
содержавшим фенольные и карбоксильные функциональные группы в соседних
ароматических кольцах (рис. 1.3а). Очевидно, что эти группы, разделенные пятью
атомами углерода, способны образовывать множественные связи с координируе
мым ионом металла с возможным хелатным эффектом при образовании восьми
членного цикла. Позже, в 1948 г. Скогсейд [26] получил ионообменник с дипикри
ламино группами (рис. 1.3б), селективный к ионам калия. Однако настоящий бум
в этой области начался в 1950 х после публикации Грегора и др. [27], синтезировав
ших ионообменник на основе м фенилендиглицина, обладавшего повышенной
селективностью к ионам тяжелых металлов. Нужно отметить, что авторы этой пуб
ликации специально идентифицировали полученный сорбент как комплексообра
зующий ионообменник, тем самым подчеркивая двойственную природу его взаи
модействия с ионами металлов.
Рис. 1.3. Структуры карбоксильной катионообменной смолы Wofatit C (а) и селек
тивного к калию ионообменника Скогсейда (б)
В 1956 году был получен, пожалуй, самый удачный на сегодняшний день тип
хелатообразующих сорбентов. Комплексообразующий сорбент с группами ими
нодиуксусной кислоты (ИДК) был получен путем реакции хлорметилированного
полистирол дивинилбензола (ПС ДВБ) с иминодиацетонитрилом с последующим
гидролизом нитрильных групп [28]. Благодаря этой пионерской работе ионооб
менные смолы с закрепленными группами ИДК стали доступны в промышлен
ных масштабах с конца 1950 х гг. и с тех пор широко применяются в аналитичес
кой практике. Успех этого сорбента ускорил разработку и получение адсорбентов
с другими типами хелатообразующих групп, таких как фосфоновая и мышьяко
вая кислоты, полиамины, 8 оксихинолин, амидоксим, аминокарбоксильные ли
ганды и др. Краткая хронология развития комплексообразующих сорбентов и
наиболее важных практических применений приведена в монографии Херинга [29]
и позднее дополнена Сахни с соавторами [30]. Важно, что Херинг впервые объе
динил сорбенты с закрепленными группами ИДК, ее аналогами, аминокислота
ми в отдельный класс хелатообразующих ионообменников. Синтез, свойства и
области применения различных комплексообразующих ионообменников, произ
веденных в основном в СССР, подробно описаны в монографии Копыловой и
OH
CH2
CH2
COOH
CH2
HO
HO
CH2
COOH
CH2
HO
COOH
CH2
OH
NH
CH
O2N NO2
O2N 2
NO2
CH2
а) б)
OH NO
Салдадзе [31], а также в более поздней обзорной статье Копыловой [32]. В этих
работах авторы рассмотрели и классифицировали различные механизмы хрома
тографического разделения металлов на колонках с вышеупомянутыми сорбен
тами. Полезная информация о комплексообразующих сорбентах содержится в
обзорах Мясоедовой и Саввина [33] и Бильба с соавт. [34] по их использованию
для селективного концентрирования следовых количеств различных металлов.
Кроме того, дополнительная информация о характеристиках и применении комп
лексообразующих ионообменников в аналитической химии может быть найдена
в монографии Мархола [35].
Обычные ионообменные и комплексообразующие смолы характеризуются
трехмерным распределением лигандов по объему органополимерных частиц, что
существенно ограничивает их использование в колоночной жидкостной хрома
тографии из за проблем, связанных с изменениями их объемов в различных ра
створах, а также в связи с низкими коэффициентами диффузии ионов внутри ча
стиц. Получение и использование сорбентов с комплексообразующими группа
ми, находящимися исключительно на поверхности химически инертных и меха
нически устойчивых носителей, является очевидным решением данной проблемы.
Подобные материалы, полученные за счет адсорбционного модифицирования
поверхности разнообразных нейтральных или заряженных субстратов органичес
кими реагентами, в настоящее время широко доступны, поскольку ранее прото
типы таких сорбентов успешно использовались в осадочной хроматографии [36],
адсорбционно комплексообразовательной хроматографии [2, 13] и в экстракци
онной хроматографии.
1.6. Современное состояние ВЭКХИ
На раннем этапе развития хроматографические разделения на комплексообразу
ющих сорбентах проводили на колонках при низких давлениях, когда элюент про
текал через колонку под силой гравитации, поэтому получить эффективные раз
деления было невозможно. В связи с этим в комплексообразовательной хрома
тографии (как, впрочем, и во всех других вариантах жидкостной хроматографии)
основные усилия в исследованиях на протяжении последних трех десятилетий
были сконцентрированы на разработке высокоэффективных адсорбентов для
ВЭКХИ. Открытие ионной хроматографии в 1975 г. [37] стимулировало интен
сивность исследований в области синтеза комплексообразующих сорбентов на
основе полимеров с повышенной механической прочностью, определяемой сте
пенью сшивки сополимеров, и диаметром частиц порядка нескольких микрон.
Так, в 1977 г. Фритц и Мойерс [38] использовали короткую набивную колонку,
заполненную 44–56 мкм сферическими частицами ПС ДВБ с ковалентно приви
тыми группами пропилендиаминотетрауксусной кислоты. Пример одного из по
лученных разделений представлен на рис. 1.4. Важно отметить, что в своей работе
авторы использовали хроматографический насос высокого давления для подачи
элюента и фотометрическое детектирование металлов в виде окрашенных комп
лексов после реакции с металлохромными индикаторами арсеназо III, или арсе
назо I, или 4 (2 пиридилазорезорцином) (ПАР) в проточном реакторе. Таким об
20 Глава 1. Комплексообразование и его роль в современной
жидкостной хроматографии
разом, эта работа, по видимому, может считаться первым примером использова
ния ВЭКХИ. Химически модифицированные кремнеземы с ковалентно закреп
ленными комплексообразующими функциональными группами представляют еще
один класс эффективных адсорбентов для ВЭКХИ, привлекших внимание иссле
дователей в то время [3].
Безусловно, также как и обычная ионообменная хроматография, ВЭКХИ нуж
дается в высокочувствительных методах детектирования разделяемых металлов,
что на первом этапе достигалось за счет использования постколоночных реакций
(ПКР) с различными реагентами [38, 39]. Впервые металлохромные реагенты были
использованы в ПКР в 1971 г. Сикафузом [39] для фотометрического детектиро
Рис. 1.4. Разделение модельной смеси металлов на колонке 28 × 6 мм внутр. диам.,
заполненной частицами ПС ДВБ размером 44–56 мкм с привитыми груп
пами пропилендиаминотетрауксусной кислоты. Скорость потока 2 мл/мин.
Объем пробы 214 мкл. Состав пробы 1,2 мМ U(VI), 4 мМ Th(IV) и 4 мМ
Zr(IV). Фотометрическое детектирование после ПКР с арсеназо III при
635 нм. Воспроизведено с разрешения Мойерс и Фритц [38]. Copyright (1977)
American Chemical Society
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
0 5 10 15 20 25
Th (IV)
U(VI)
Zr (IV)
pH 2,0
pH 1,0
4 M HCl
1 M H2SO4
Адсорбционные единицы
Минуты
Литература 21
вания металлов, и эта работа явилась важным этапом в развитии ВЭКХИ. Дей
ствительно, согласно обзору о применении ПКР в хроматографических методах
анализа [40] по популярности детектирование металлов с ПКР находится на вто
ром месте после определения аминокислот с использованием ПКР с нингидри
ном. С учетом этого факта в данной монографии особое внимание будет уделено
развитию и достижениям в области ПКР для детектирования металлов после хро
матографического разделения.
В настоящее время развитие ВЭКХИ ориентировано на одновременное улуч
шение эффективности и селективности хроматографических разделений, а также
устойчивое расширение областей применения метода с особенной востребованно
стью ВЭКХИ для разделения и определения ионов металлов в сложных по составу
образцах, как морская вода или технологические рассолы. В настоящее время про
должаются исследования по улучшению эффективности комплексообразующих
ионообменников за счет использования длинных капиллярных колонок, пористых
монолитных колонок или колонок, наполненных сорбентами с диаметром частиц
1–2 мкм. Все это указывает на то, что данный метод востребован и продолжает ди
намично развиваться в соответствии с новыми возможностями. В последнее время
больше внимания уделяется изучению возможности варьирования селективнос
ти разделения за счет использования комплексообразующих добавок в элюент,
чем только за счет выбора и оптимизации структуры привитых комплексообразу
ющих групп сорбента. Очевидно, что использование системы «комплексообразую$
щий сорбент – комплексообразующий элюент» дает больше степеней свободы для
варьирования селективности в конкретных применениях, однако в то же время
это приводит к заметному усложнению механизма разделения металлов. В заклю
чение следует отметить, что детектирование металлов в ВЭКХИ становится все
более чувствительным за счет использования ПКР в сочетании с флуоресцент
ным или хемилюминесцентным детектированием и применением электронных
систем подавления шума [41], а также за счет сопряжения ВЭКХИ с высокочув
ствительными спектроскопическими методами анализа, например масс спект
рометрией с индуктивно связанной плазмой (ИСП МС).
Литература
1. R. Harjula, J. Lehto, React. Funct. Polym., 1995, 27, 147–153.
2. А.М. Гурвич, Т.Б. Гапон. Завод. лаб. СССР, 1957, 23, 1037–1042.
3. J.R. Jezorek, H. Freiser, Anal. Chem., 1979, 51, 366–373.
4. A.R. Timerbaev, G.K. Bonn, J. Chromatogr., 1993, 640, 195–206.
5. A. Siriraks, H.M. Kingston, J. M. Riviello, Anal. Chem., 1990, 62, 1185–1193.
6. A. Werner, Z. Anorg. Chem., 1893, 3, 267–330.
7. G.T. Morgan, H.D.K. Drew, J. Chem. Soc. Trans., 1920, 117, 1456–1465.
8. L. Tschugaeff, Ber. Dtsch. Chem. Ges., 1906, 39, 3190–3209.
9. H. Erlenmeyer, H. Dahn, Helv. Chim. Acta, 1939, 22, 1369–1371.
10. К.М. Ольшанова, В.Д. Копылова, Н.М. Морозова. Осадочная хроматография. Изд.
Акад. Наук СССР, Москва, 1963, 104 с.
11. A.A. Лурье. Успехи Химии, 1968, 37, 104–129.
12. H. Nagai, Bull. Chem. Soc. Japan, 1964, 37, 1076–1078.
22 Глава 1. Комплексообразование и его роль в современной
жидкостной хроматографии
13. Т.Б. Гапон, Л.С. Александрова, К.В. Чмутов. Успехи химии, 1971, 40, 1892–1911.
14. S. Siekierski, I. Fidelis, J. Chromatogr., 1960, 4, 60–64.
15. M.L. Dietz, E.P. Horwitz, A.H. Bond, Extraction Chromatography: Progress and
Opportunities, in Metal ion Separation and Preconcentration. Progress and Opportunities,
ed. A.H. Bond, M.L. Dietz, R.D. Rogers, American Chemical Society, Washington, 1999,
Chapter 16.
16. С. Секерский, И. Фиделис. Экстракционная хроматография лантаноидов. Экстрак
ционная хроматография (под ред. Т. Брауна, Г. Гарсени). М.: Мир. 1978. С. 294–327.
17. A. Berthod, T. Maryutina, B. Spivakov, O. Shpigun, I.A. Sutherland, Pure Appl. Chem.,
2009, 81, 355–387.
18. B.Y. Spivakov, T.A. Maryutina, P.S. Fedotov, S.N. Ignatova, Different two$phase liquid
systems for inorganic separations by counter current chromatography, in Metal ion
Separation and Preconcentration. Progress and Opportunities, ed. A.H. Bond, M.L. Dietz,
R.D. Rogers, American Chemical Society, Washington, 1999, Chapter 21.
19. S. Muralidharan, H. Freiser, Fundamental aspects of metal$ion separations by centrifugal
partition chromatography, in Metal ion Separation and Preconcentration. Progress and
Opportunity, ed. A.H. Bond, M.L. Dietz, R.D. Rogers, American Chemical Society,
Washington, 1999, Chapter 22.
20. F. Helfferich, Nature, 1961, 189, 1001–1002.
21. J. Porath, J. Carlsson, I. Olsson, G. Belfrage, Nature, 1975, 258, 598–599.
22. В.А. Даванков, Д. Навратил, Х. Уолтон. Лигандообменная хроматография, М.:
Мир. 1989. 294 с.
23. L.J. Morris, Chem. Ind., 1962, 1238–1240.
24. B.A. Adams, E.L. Holmes, J. Soc. Chem. Ind., 1935, 1–6T.
25. R. Griessbach, Angew. Chem., 1939, 52, 215–219.
26. A. Skogseid, Norges Techniske Hopkole. Trondheim, 1948.
27. H.P. Gregor, M. Taifer, L. Citarel, E.I. Becker, Ind. Eng. Chem., 1952, 44, 2834–2839.
28. S.L.S. Thomas, Chem. Eng. News, 1954, 32, 1896.
29. Р. Херинг, Хелатообразующие ионообменники, М.: Мир. 1967. 279 с.
30. S.K. Sahni, J. Reedijk, Coord. Chem. Rev., 1984, 59, 1–139.
31. К.М. Салдадзе, В.Д. Копылова$Валова. Комплексообразующие иониты (комплек$
ситы). М.: Химия, Москва, 1980, 336 с.
32. V.E. Kopylova, Solvent Extr. Ion Exch., 1998, 16, 267–343.
33. G.V. Myasoedova, S.B. Savvin, CRC Crit. Rev. Anal. Chem., 1986, 17, 1–63.
34. D. Bilba, D. Bejan, L. Tofan, Croat. Chem. Acta, 1998, 71, 155–178.
35. M. Mархол. Ионообменники в аналитической химии: Свойства и применение в
неорганической химии, М.: Мир, 1985, в 2 томах.
36. Т.Б. Гапон, Е.Н. Гапон. Докл. Акад. Наук СССР, 1948, 60, 401–404.
37. H. Small, T.S. Stevens, W.S. Bauman. Anal. Chem., 1975, 47, 1801–1810.
38. E.M. Moyers, J.S. Fritz, Anal Chem., 1977, 49, 418–423.
39. J.P. Sickafoose, Inorganic separation and analysis by high speed liquid chromatography,
PhD thesis, Iowa State University, Ames, IA, 1971.
40. P.K. Dasgupta, J. Chromatogr. Sci., 1989, 27, 422–448.
41. P. Jones, Analyst, 2000, 125, 803–806.
Ионообменная хроматография является принципиально важным вариантом жид
костной хроматографии и лежит в основе многих современных аналитических
методов: от твердофазной экстракции и препаративной очистки образцов, до со
временной высокоэффективной ионной хроматографии. По каждому из методов,
использующих в том или ином виде ионный обмен, опубликовано немало обзо
ров и монографий, охватывающих и детально описывающих различные аспекты
ионообменного равновесия, методологию применения, а также разнообразные
лабораторные и промышленные применения. Традиционно ионный обмен рас
сматривается как метод, основанный на обмене ионов между неподвижной и под
вижной фазами, когда удерживание в неподвижной фазе происходит преимуще
ственно за счет электростатических взаимодействий. Нередко в случае ионной
хроматографии металлов наблюдают значительные отклонения от обычного ион
ного обмена, и удерживание катионов металлов за счет электростатических взаи
модействий перестает доминировать, а вместо этого определяется способностью
функциональных групп адсорбента координировать металлы с образованием по
верхностных комплексов. В этом случае селективность и механизм разделения
подчиняются другим закономерностям, что позволяет расширить круг решаемых
аналитических задач. В настоящее время комплексообразующие сорбенты при
обретают все большую популярность при использовании в различных вариантах
высокоэффективной жидкостной хроматографии.
В монографии подробно рассмотрено разнообразие применений комплексо
образующих сорбентов или, более правильно, неподвижных фаз для высокоэф
фективных и селективных разделений металлов. Поскольку термин «ионная хро
матография» естественным образом трансформировался в собирательное назва
ние для высокоэффективных вариантов разделения ионов, то в данной работе под
названием «высокоэффективная комплексообразовательная хроматография ионов
металлов» или ВЭКХИ подразумеваются все методы, использующие комплексо
образующие неподвижные фазы для ВЭЖХ разделения ионов металлов. Понятие
ВЭКХИ не включает значительный объем работ по использованию комплексо
образующих неподвижных фаз для экстракции, адсорбции металлов в статиче
ских условиях, концентрирования в динамических условиях и в колоночной хро
матографии низкого давления, описание которых может быть найдено в иных
источниках. Данная монография предлагает читателю детальное описание тео
рии комплексообразовательного обменного механизма хроматографического раз
деления, влияния различных термодинамических и кинетических параметров на
этот процесс, рассматривает совокупность физических и химических требований
для получения высокоэффективных хроматографических разделений ионов ме
таллов, а также различные аспекты селективности разделения при использова
нии различных иммобилизованных комплексообразующих лигандов, применяе
мых в данном варианте хроматографии.
Монография представляет обобщенное мнение авторов, которые на протя
жении двух десятилетий работали, как вместе, так и по отдельности, над разра
боткой и характеристикой комплексообразующих неподвижных фаз, примене
нием ВЭКХИ для решения разнообразных аналитических задач и опубликовали
значительное количество совместных работ по теме. Несомненно, книга являет
ся полезным пособием для всех химиков аналитиков, биоаналитиков, химиков
технологов и хроматографистов, сталкивающихся с проблемами разделения и
определения ионов металлов в сложных по составу объектах.
Русское издание книги в отличие от исходной, англоязычной версии, опубли
кованной по инициативе и при поддержке Королевского химического общества
Великобритании, содержит существенное количество уточнений и исправлений.
Также авторы хотели поблагодарить кандидата химических наук Е.П. Нестеренко
за большую помощь при подготовке исходного издания монографии и за ее пере
вод с английского языка.
Павел Н. Нестеренко,
Фил Джонс,
Бретт Полл
ГЛАВА 1
Комплексообразование и его роль в современной
жидкостной хроматографии
1.1. Основные принципы хроматографии
Производительность любой хроматографической системы зависит от двух основ
ных параметров: эффективности и селективности. Как правило, высокая эффек
тивность разделения, оцениваемая по числу теоретических тарелок (ЧТТ), дости
гается за счет оптимизации размеров хроматографической колонки, структуры
адсорбента и физико химических параметров неподвижной фазы. В случае жид
костной колоночной хроматографии таковыми являются длина (L) и внутренний
диаметр хроматографической колонки, размер частиц (dP) и пористая структура
фазы, толщина привитого слоя и др. Также повышение эффективности разделе
ния достигается за счет оптимизации условий разделения, таких как температура
колонки, рабочее давление, вязкость подвижной фазы (η) и др. В то же время до
стижение более высокой или альтернативной селективности разделения является
существенно более сложной задачей, поскольку селективность связана непосред
ственно с механизмом адсорбции, который, в свою очередь, зависит от химичес
ких свойств адсорбата и адсорбента.
Для достижения максимальной селективности разделения (α) в современной
высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) используются все воз
можные комбинации специфических и неспецифических взаимодействий между
разделяемыми адсорбатами (молекулами или ионами) и различными адсорбента
ми или неподвижными фазами. Хроматографические методы, основанные на не
специфических, обычно слабых взаимодействиях (силы Ван дер Ваальса, поля
ризуемости и дисперсионных, индукционных и др.), на протяжении многих лет
известны как обращенно фазовый (ОФ) и нормально фазовый (НФ) варианты
ВЭЖХ (табл. 1.1). Однако специфические взаимодействия, такие как образова
ние водородных связей, π π взаимодействия, координационные связи и др., мо
гут обеспечить существенно более высокую селективность разделения. Приме
ром тому может служить применение сорбентов с привитым β циклодекстрином
для так называемой инклюзионной или «хозяин – гость» хроматографии, а также
в качестве сорбента для биоаффинной хроматографии. Таким образом, в разви
тии современной жидкостной хроматографии сложилась тенденция к поиску но
вых и более селективных материалов или неподвижных фаз для использования в
новых, интенсивно развивающихся вариантах ВЭЖХ, таких как хиральная, цвит
терионная хроматография, хроматография c координацией непредельных соеди
нений относительно адсорбированных ионов серебра и др.
Образование внутрикомплексных соединений (ВКС) или хелатов является от
дельной категорией специфических взаимодействий между ионами металлов и ли
гандами. Такие взаимодействия давно используются для оптимизации селективно
сти хроматографического разделения в ионообменной или ионной хроматографии
за счет добавок различных комплексообразующих реагентов в подвижную фазу.
Однако получение необходимой селективности разделения за счет образования ком
плексов на поверхности адсорбента, где комплексообразование является домини
рующим или единственным механизмом взаимодействия адсорбат–адсорбент, до
недавнего времени не получило широкого распространения в жидкостной хрома
тографии. Исторически это связано со сложностью синтеза высокоэффективных
комплексообразующих сорбентов, а также с кинетическими особенностями обра
тимого связывания ионов металлов с большинством комплексообразующих лиган
дов и, соответственно, комплексообразующих адсорбентов. К настоящему момен
ту эти затруднения хорошо изучены и поняты, что привело к существенному про
грессу в области создания новых адсорбентов, и обусловило формирование метода
высокоэффективной комплексообразовательной хроматографии ионов металлов
(ВЭКХИ), основанной на образовании комплексов (или комплексообразователь
ном ионном обмене) на поверхности адсорбентов. В настоящей монографии отра
жено развитие данного метода, причем особое внимание уделено различным мето
дам получения комплексообразующих неподвижных фаз, их свойствам и селектив
ности. В книге подробно рассмотрены теоретические аспекты взаимодействия ионов
металлов с функциональными группами на поверхности адсорбентов, особеннос
ти их хроматографического удерживания и разделения, инструментальное оформ
ление метода, а также различные аспекты практического применения комплексо
образующих неподвижных фаз для разделения и определения металлов.
1.2. Использование комплексообразования
для изменения селективности
разделения металлов
Как ранее отмечено, селективность хроматографического разделения может быть
улучшена или изменена за счет одновременного использования нескольких взаи
модействий между адсорбатом и адсорбентом или многоточечной координации
адсорбата относительного функциональных групп адсорбента. Комплексообра
зование является ярким примером таких взаимодействий, когда происходит фор
мирование двух и более ковалентных связей, разделенных в пространстве, между
полидентатным лигандом и центральным ионом металла. Соответствующий тер
модинамический «хелатный эффект» выражается в резком увеличении сродства
полидентатного лиганда к определенным ионам металлов. По этой причине ком
плексообразование на поверхности адсорбента является важным механизмом
повышения селективности разделения в различных вариантах жидкостной хро
матографии, таких как лигандообменная хроматография, аффинная хроматогра$
фия с иммобилизованными ионами металлов (Immobilised$Metal Affinity Chromatography,
IMAC) и некоторых других.
Для хроматографического разделения ионов металлов известны методы, исполь
зующие комплексообразование в подвижной фазе и одновременно в элюенте и на
поверхности адсорбента. Хроматографические системы, использующие комплек
сообразование только в подвижной фазе, значительно проще для теоретического
рассмотрения и практического применения. Добавки различных комплексооб
разующих реагентов в элюент широко используются для регулирования селек
тивности разделения ионов металлов в ионной хроматографии, а также в ОФ
ВЭЖХ, где устойчивые комплексы металлов с лигандами могут быть разделены
за счет различий в гидрофобности соответствующих комплексов или различий в их
зарядах при использовании ион парных реагентов, повышающие роль электро
статических взаимодействий в ОФ ВЭЖХ.
Ионообменная хроматография (ИОХ) основана на электростатических вза
имодействиях между ионообменником и сольватированными противополож
но заряженными ионами. Подобные взаимодействия включают ион ионные,
ион дипольные и диполь дипольные взаимодействия с энергией взаимодей
ствия 100–350 кДж/моль, 50–200 кДж/моль и 5–25 кДж/моль соответственно
(табл. 1.1). В ряде случаев взаимодействия между катионами и π орбиталями с
энергией порядка 5–80 кДж/моль также могут влиять на удерживание метал
лов в ИОХ. В случае хелатного эффекта при образовании комплексов на по
верхности комплексообразующей неподвижной фазы в оптимальных услови
ях энергия образующейся донорно акцепторной связи будет значительно выше.
В зависимости от природы лиганда и способа его закрепления на поверхности
носителя результирующая комплексообразующая неподвижная фаза может быть
незаряженной или нейтральной (например с привитыми группами β дикетона),
положительно заряженной (сорбенты с закрепленным 8 оксихинолином, раз
личными аминами) или отрицательно заряженной (сорбенты с привитой ими
нодиуксусной кислотой, различными кислотами). Несомненно, в этом случае
механизм удерживания на подобных сорбентах будет смешанным, включающим
комплексообразование и электростатические взаимодействия, соотношение
которых зависит от свойств сольватированного иона металла. В этом случае,
когда удерживание двух типов взаимодействия и однозначное доминирование
одного из них невозможно, более уместным представляется использовать тер
мин «комплексообразующий ионный обмен», чем просто «комплексообразо
вание». Известно, что при одновременном наличии нескольких типов взаи
модействий в ВЭЖХ в подавляющем большинстве случаев сложно добиться
высокой эффективности разделения. Таким образом, для комплексообразова
тельной хроматографии это возможно, но при условии, что комплексообразо
вание является доминирующим механизмом удерживания металлов. Такое ус
ловие может быть достигнуто за счет искусственного подавления электроста
тических взаимодействий между сольватированными ионами металлов и за
ряженными группами неподвижной фазы. Простым и эффективным средством
подавления электростатических взаимодействий в хроматографии является
увеличение ионной силы элюента за счет использования добавок солей ще
лочных металлов.
1.3. Терминология и определения
В подавляющем большинстве случаев методы жидкостной хроматографии полу
чили свои названия в соответствии с природой доминирующего взаимодействия
между адсорбатом и адсорбентом. Исключениями из этого правила являются хи$
ральная хроматография (Chiral Chromatography) и хроматография на искусственных
иммобилизованных мембранах (Immobilised artificial$membrane chromatography), по
лучившие свое название от природы неподвижных фаз, а также ионная хромато
графия (ИХ), которая имеет более строгое, но не очень распространенное назва
ние – «высокоэффективная ионообменная хроматография» (ВЭИОХ).
Непростая ситуация сложилась относительно происхождения названия мето
да высокоэффективной комплексообразовательной хроматографии ионов метал
лов (ВЭКХИ). Формально разделение катионов металлов на комплексообразую
щих сорбентах можно рассматривать как разновидность ионообменной хрома
тографии. Однако если в этом случае образование комплексов на поверхности
адсорбента является основным типом взаимодействий, определяющим их разде
ление в хроматографической колонке, то следует говорить о новом варианте хро
матографии. В первую очередь это связано с тем, что термин «ионный обмен» не
может быть использован для описания данного вида взаимодействий, поскольку
это противоречит рекомендации ИЮПАК [1], где ионный обмен определен как
«эквивалентный обмен ионов между двумя и более ионизированными форма
ми, расположенными в различных фазах, по крайней мере одна из которых
является ионообменником, без образования новых типов химической связи».
Наиболее близким к ВЭКХИ по принципу является метод адсорбционно комп
лексообразовательной хроматографии, который предложили советские ученые Гур
вич и Гапон в 1957 году [2]. Для разделения металлов авторы использовали сорбенты
на основе активированного угля, максимально насыщенного комплексообразующими
органическими реагентами. Было доказано, что удерживание металлов в колонке
пропорционально устойчивости комплексов металлов с реагентами, однако в боль
шинстве случаев реагент быстро вымывался из колонки, а металлы элюировались с
колонки в виде комплексов. Связанная с этим неопределенность и слабая изучен
ность механизма удерживания металлов в предложенном методе не позволяют ис
пользовать это название для описания процесса разделения, в основе которого ле
жит образование комплексов металлов с функциональными группами сорбента.
Более подробно особенности этого метода рассмотрены в разд. 1.4 данной главы.
Логичным продолжением данного направления в хроматографии явилась раз
работка более стабильных комплексообразующих сорбентов, что в свою очередь
позволило изучать механизм разделения на новом уровне. Так, в работе 1979 года [3]
для этой цели авторы использовали химическое закрепление 8 оксихинолина на
поверхности силикагеля и назвали метод разделения металлов на полученном сор
бенте металл$ионной комплексообразующей хроматографией (Metal$Ion Chelation
Chromatography). Однако этот термин не прижился, поскольку он не отделяет раз
работанный высокоэффективный хроматографический метод от его малоэффек
тивных аналогов, основанных на использовании комплексообразующих смол для
разделения ионов металлов. Таким образом, из за отсутствия подходящего назва
ния и в соответствии с правилами терминологии было предложено отметить в на
звании метода и доминирующую роль комплексообразования для разделения ме
таллов, и высокую эффективность хроматографической системы.
Похожий термин, а именно «комплексационная ионная хроматография» (Complexa$
tion ion chromatography) был предложен Тимербаевым и Бонном [4]. Этот термин
включает все возможные варианты разделения, в которых комплексообразование
протекает как в элюенте, так и на поверхности сорбентов. Очевидно, что подобная
интерпретация является слишком обширной и охватывает разношерстные похо
ды в различных областях жидкостной хроматографии, поэтому комплексацион
ную ионную хроматографию сложно назвать однозначным методом разделения.
Еще один термин «координационная ионная хроматография» (coordination ion
chromatography), предложенный авторами, тоже охватывает слишком широкую
область возможных взаимодействий в хроматографии и способен ввести в заб
луждение читателей.
Другой причиной запутанной ситуации с терминологией явилась разработка
компанией Dionex Corporation аналитической системы с названием «хелатная ион$
ная хроматография» (Chelation ion chromatography). Продукт представляет собой слож
ную автоматизированную систему ИХ анализа с функцией переключения клапанов,
которая позволяет использовать небольшие комплексообразующие колонки для кон
центрирования ионов металлов с последующим их разделением на последователь
но соединенных катионообменных колонках [5]. Очевидно, что правильным на
званием такой системы была бы «ионная хроматография металлов с автоматизиро
ванным концентрированием следовых количеств металлов», поскольку комплек
сообразующий адсорбент не задействован в хроматографическом разделении.
В названии «высокоэффективная комплексообразовательная хроматография
ионов металлов» (High$performance Chelation Ion Chromatography), или в сокращен
ном виде ВЭКХИ, есть указание как на тип взаимодействия адсорбат адсорбент,
так и на природу адсорбата как такового. Также в этом названии отражено, что
метод является высокоэффективным и разновидностью более общего метода ИХ,
применяемого для описания любого варианта жидкостной хроматографии ионов
металлов, чтобы отличать его от других методов, использующих комплексообра
зующие сорбенты для концентрирования ионов металлов с малоэффективными
сорбентами с диаметром частиц 0,2–0,3 мм.
1.4. История возникновения и развития метода
Основные принципы координационной химии были заложены более 120 лет на
зад швейцарским химиком Альфредом Вернером [6], который стал первым уче
ным, получившим Нобелевскую премию в области химии. Термин «внутрикомп$
лексное соединение» или «хелат» был предложен позднее в 1920 году [7] Морганом
и Дрю, которые дали четкое описание особому типу комплексов, образующемуся
между ионами металлов и полидентатными (то есть имеющими несколько донор
ных центров) лигандами. Само слово «хелат» происходит от латинского ‘chelate’ –
клешня, таким образом, указывая на расположение в этих соединениях функци
ональных групп, которые подобно щипцам захватывают и удерживают централь
ный атом с образованием устойчивых гетероциклов. Устойчивость таких комп
лексов описывается «правилом циклов» Льва Чугаева [8], который обнаружил,
что внутрикомплексные соединения, имеющие структуру пяти или шестичлен
ных циклов, обычно более устойчивы. Эти ранние работы положили начало ин
тенсивным исследованиям по разработке высокоселективных методов анализа,
основанных на хелатном эффекте, включая хроматографию.
В хроматографических методах, использующих в том или ином виде образо
вание хелатов, особое внимание уделяется выбору селективных реагентов, спосо
бу иммобилизации сложных по строению, по сравнению с простыми ионообмен
ными группами, лигандов и структуре комплексообразующих сорбентов. Осадоч$
ная хроматография, предложенная Эрленмейером и Даном в 1938 г. [9], явилась
одним из первых хроматографических методов, использовавшихся для разделе
ния комплексообразования в неподвижной фазе. Авторы использовали микро
кристаллический порошок 8 оксихинолина в качестве комплексообразующего на
полнителя хроматографической колонки, исключая необходимость иммобили
зации реагента на носителе. Авторы полагали, что различия в произведении ра
створимости (ПР) 8 оксихинолинатов являются основной причиной разделения
металлов на такой колонке. Однако, принимая во внимание высокую степень кор
реляции ПР 8 оксихинолинатов металлов с соответствующими константами устой
чивости и образование комплексов металлов в фазе сорбента, можно предполо
жить, что в этом случае комплексообразование играет первостепенную роль и дан
ная работа является первым примером комплексообразовательной жидкостной
хроматографии. Основы и дальнейшее развитие осадочной хроматографии изло
жены в монографии [10] и обзоре [11]. Очевидно, что использование хроматогра
фических колонок, заполненных чистыми, дорогостоящими и частично раство
римыми в элюентах органическими реагентами крайне непрактично, поэтому
впоследствии развитие метода было связано с внедрением импрегнированных или
адсорбционно модифицированных реагентами носителей. В качестве носителей ис
пользовали пористые оксиды алюминия, титана, кремния, карбоната кальция, раз
личные ионообменники и другие материалы. Использование бумаги, импрегниро
ванной органическими реагентами, такими как тиоцианаты, 8 оксихинолин, ди
метилглиоксим и другими, быстро получило распространение в осадочной хрома
тографии из за простоты использования метода и более высокой чувствительности,
связанной с наличием окрашенных хроматографических полос [12]. Одно из немно
гих доступных изображений осадочной хроматограммы представлено на рис. 1.1.
Большинство осадков, образующихся во время разделения металлов методом
осадочной хроматографии, сами по себе способны удерживаться носителем. С уче
том этого взаимодействия Гурвич и Гапон в 1954 г. [13] предложили новый способ
разделения металлов, получивший название адсорбционно$комплексообразователь$
ной хроматографии. Данный способ разделения основан на различиях в удержи
вании реагента и его комплекса или ассоциата с ионом, а также на различиях в
устойчивости образующихся комплексов. Методически способ похож на осадоч
ную хроматографию с той разницей, что в этом случае не происходит формирова
ния нерастворимых осадков. Следует отметить, что приготовление комплексооб
разующей неподвижной фазы зачастую включает иммобилизацию лигандов на
поверхность носителя путем адсорбционного нанесения или пропитки. Этот под
ход до сих пор широко используется для разделения или отделения металлов, осо
бенно в тех случаях, когда селективный реагент не может быть ковалентно иммо
билизован на поверхности носителя.
Рис. 1.1. Разделение лантанидов и урана методом бумажной осадочной хромато
графии с 8 оксихинолином (а) и радиограмма (б), полученная после облу
чения хроматограммы нейтронами с последующей экспозицией на фото
графическую пластину. Воспроизведено с разрешения Нагаи [12]. Copyright
(1964) The Chemical Society of Japan
Серьезным недостатком адсорбционно комплексообразовательной хромато
графии является постепенное вымывание комплексообразующего реагента с по
верхности носителя. Как решение этой проблемы был предложен альтернативный
способ разделения металлов, основанный на распределительной хроматографии
между двумя несмешивающимися жидкостями. Экстракционная хроматография, ос
нованная на этом принципе, быстро получила признание после появления работы
Секерский и Фиделиса в 1960 году по разделению лантанидов [14] (рис. 1.2). Не
подвижной фазой в экстракционной хроматографии является иммобилизованный
слой жидкости, содержащей органический комплексообразующий лиганд с объем
ными гидрофобными радикалами, не растворимый в воде и обеспечивающий тре
буемую селективность разделения. Этот метод широко применяется и сегодня для
разделения и выделения радионуклидов и тяжелых металлов [15, 16]. Похожий прин
цип используется в противоточной хроматографии или хроматографии со свободной
неподвижной фазой для разделения ионов металлов [17–19]. Для достижения селек
тивности разделения в обоих методах используется комплексообразование на гра
нице раздела фаз несмешивающихся жидкостей подобно многократной жидкостной
экстракции. Конечно, большой объем накопленных экспериментальных данных
по жидкостной экстракции ионов металлов различными органическими реагента
ми обеспечивает хорошую базу для выбора условий разделения металлов как в эк
стракционной, так и в противоточной хроматографии.
La (желтый)
Ce (фиолетовый)
Pr (желто зеленый)
U (оранжевый) а) б)
16 Глава 1. Комплексообразование и его роль в современной
жидкостной хроматографии
Развитие жидкостной колоночной хроматографии неразрывно связано с со
вершенствованием комплексообразующих сорбентов. Появление в 1960 х различ
ных полимерных сорбентов с ковалентно привитыми комплексообразующими
группами ускорило развитие методов, основанных на механизме комплексообра
зования, и расширило круг возможных применений. Эти материалы использова
лись не только для разделения металлов, но, что немаловажно, и для разделения
биологических макромолекул. Так, в 1961 г. Гельферих [20] предложил новый спо
соб разделения органических молекул, способных координироваться относительно
ионов металлов или лигандов, получивший название «лигандообменная хроматог$
рафия», который позднее был усовершенствован Поратом и др. [21, 22], и его раз
новидностью, известной как аффинная хроматография с иммобилизованными ионами
металлов. В обоих методах используется предварительное насыщение поверхнос
тных комплексообразующих или ионообменных групп неподвижной фазы иона
ми различных металлов (медь, никель и др.). Разделение на подобных сорбентах
происходит за счет координации биомолекул относительно адсорбированных
ионов металлов и различия в силе подобных взаимодействий. В настоящее время
этот метод широко используется для селективного разделения полярных органи
ческих молекул, таких как амины, аминоспирты, фенолы, аминокислоты, угле
воды, пептиды и белки. Однако некоторые из промышленно выпускаемых сор
бентов с поверхностными функциональными группами в исходной (ненасыщен
ной металлами) форме также могут быть использованы в ВЭКХИ.
Как было упомянуто ранее, терминология, описывающая хроматографиче
ские методы, в идеале должна отражать механизм, по которому происходит раз
Рис. 1.2. Разделения лантанидов методом экстракционной хроматографии. Колонка
длиной 100 мм и внутренним диаметром 3 мм, сорбент – кизельгур с раз
мером частиц 80 мкм, обработанный диметилдихлорсиланом, с нанесен
ным слоем трибутилфосфата. Элюент: 15,1 М азотная кислота. Воспроиз
ведено с разрешения Секерский и Фиделиса [14]. Copyright (1960) Elsevier
counts/min
2000
1000
100 200 300 400 500 600 700 800 drops
Ce
Pm
Sm
Eu
Gd
Tb
1.5. Эволюция комплексообразующих неподвижных фаз 17
деление. Однако в некоторых случаях сложно как определить, так и описать един
ственный доминирующий тип взаимодействий. Следующий метод, который час
то упоминается как комплексообразовательная хроматография или, что более пра
вильно, как хроматография с применением ионов серебра (silver ion or argentation
chromatography), является тому подтверждением. Этот метод был впервые предло
жен Моррисом [23] в 1962 г. и основан на высокоспецифичном взаимодействии,
основанном на образовании комплексов с переносом заряда, между ионами се
ребра, которыми насыщен адсорбент, и двойными связями органических моле
кул, таких как непредельные кислоты, липиды и др. Координация молекул про
исходит непосредственно в фазе адсорбента, однако в данном случае отсутствует
необходимость в использовании комплексообразующих ионообменников для
насыщения ионами серебра, поскольку в данном варианте хроматографии исполь
зуется неполярный элюент, что исключает элюирование серебра с поверхности
сульфокатионообменника, силикагеля или оксида алюминия, применяемых для
этой цели.
1.5. Эволюция комплексообразующих
неподвижных фаз
Разделение сложных по составу смесей ионов металлов невозможно без варьиро
вания селективности хроматографической системы с использованием в том или
ином виде комплексообразующих или хелатообразующих лигандов. Долгое вре
мя проблема решалась в ИОХ или ОФ ВЭЖХ путем добавок различных лигандов
в элюент, и значительно меньше внимания уделялось использованию комплек
сообразующих сорбентов. Появление ВЭКХИ как альтернативного по селектив
ности подхода к разделению ионов металлов привело к расширению возможнос
тей хроматографического анализа и стало отдельным важным направлением. Ос
новной задачей данной монографии является обобщение работ в этой области,
рассмотрение основных принципов метода и закономерностей удерживания ме
таллов, получения и различных вариантов использования комплексообразующих
неподвижных фаз, а также применение метода для разделения и определения
ионов металлов в различных объектах анализа.
Развитие ВЭКХИ было бы невозможно без интенсивных исследований в обла
сти получения и химии поверхности хелатообразующих сорбентов с разнообраз
ными функциональными группами. Значительные успехи в этой области на ран
них стадиях исследований были связаны с появлением обычных ионообменных смол
и с попытками варьирования их селективности к группам металлов или их отдель
ным представителям. Так, первичные и вторичные аминогруппы слабоосновных
анионообменников и карбоксильные группы слабокислотных катионообменников
обладают выраженными комплексообразующими свойствами, что более подробно
рассмотрено в гл. 2. Неудивительно, что вскоре после первой публикации Адамса и
Холмса в 1935 г. [24] по получению фенолформальдегидных ионообменных смол
появилась работа Гриссбаха [25] по изучению их комплексообразующих свойств.
Гриссбах использовал колонку, заполненную слабым катионообменником Wofatit C,
полученным поликонденсацией формальдегида и 3,5 диоксибензойной кислоты и
содержавшим фенольные и карбоксильные функциональные группы в соседних
ароматических кольцах (рис. 1.3а). Очевидно, что эти группы, разделенные пятью
атомами углерода, способны образовывать множественные связи с координируе
мым ионом металла с возможным хелатным эффектом при образовании восьми
членного цикла. Позже, в 1948 г. Скогсейд [26] получил ионообменник с дипикри
ламино группами (рис. 1.3б), селективный к ионам калия. Однако настоящий бум
в этой области начался в 1950 х после публикации Грегора и др. [27], синтезировав
ших ионообменник на основе м фенилендиглицина, обладавшего повышенной
селективностью к ионам тяжелых металлов. Нужно отметить, что авторы этой пуб
ликации специально идентифицировали полученный сорбент как комплексообра
зующий ионообменник, тем самым подчеркивая двойственную природу его взаи
модействия с ионами металлов.
Рис. 1.3. Структуры карбоксильной катионообменной смолы Wofatit C (а) и селек
тивного к калию ионообменника Скогсейда (б)
В 1956 году был получен, пожалуй, самый удачный на сегодняшний день тип
хелатообразующих сорбентов. Комплексообразующий сорбент с группами ими
нодиуксусной кислоты (ИДК) был получен путем реакции хлорметилированного
полистирол дивинилбензола (ПС ДВБ) с иминодиацетонитрилом с последующим
гидролизом нитрильных групп [28]. Благодаря этой пионерской работе ионооб
менные смолы с закрепленными группами ИДК стали доступны в промышлен
ных масштабах с конца 1950 х гг. и с тех пор широко применяются в аналитичес
кой практике. Успех этого сорбента ускорил разработку и получение адсорбентов
с другими типами хелатообразующих групп, таких как фосфоновая и мышьяко
вая кислоты, полиамины, 8 оксихинолин, амидоксим, аминокарбоксильные ли
ганды и др. Краткая хронология развития комплексообразующих сорбентов и
наиболее важных практических применений приведена в монографии Херинга [29]
и позднее дополнена Сахни с соавторами [30]. Важно, что Херинг впервые объе
динил сорбенты с закрепленными группами ИДК, ее аналогами, аминокислота
ми в отдельный класс хелатообразующих ионообменников. Синтез, свойства и
области применения различных комплексообразующих ионообменников, произ
веденных в основном в СССР, подробно описаны в монографии Копыловой и
OH
CH2
CH2
COOH
CH2
HO
HO
CH2
COOH
CH2
HO
COOH
CH2
OH
NH
CH
O2N NO2
O2N 2
NO2
CH2
а) б)
OH NO
Салдадзе [31], а также в более поздней обзорной статье Копыловой [32]. В этих
работах авторы рассмотрели и классифицировали различные механизмы хрома
тографического разделения металлов на колонках с вышеупомянутыми сорбен
тами. Полезная информация о комплексообразующих сорбентах содержится в
обзорах Мясоедовой и Саввина [33] и Бильба с соавт. [34] по их использованию
для селективного концентрирования следовых количеств различных металлов.
Кроме того, дополнительная информация о характеристиках и применении комп
лексообразующих ионообменников в аналитической химии может быть найдена
в монографии Мархола [35].
Обычные ионообменные и комплексообразующие смолы характеризуются
трехмерным распределением лигандов по объему органополимерных частиц, что
существенно ограничивает их использование в колоночной жидкостной хрома
тографии из за проблем, связанных с изменениями их объемов в различных ра
створах, а также в связи с низкими коэффициентами диффузии ионов внутри ча
стиц. Получение и использование сорбентов с комплексообразующими группа
ми, находящимися исключительно на поверхности химически инертных и меха
нически устойчивых носителей, является очевидным решением данной проблемы.
Подобные материалы, полученные за счет адсорбционного модифицирования
поверхности разнообразных нейтральных или заряженных субстратов органичес
кими реагентами, в настоящее время широко доступны, поскольку ранее прото
типы таких сорбентов успешно использовались в осадочной хроматографии [36],
адсорбционно комплексообразовательной хроматографии [2, 13] и в экстракци
онной хроматографии.
1.6. Современное состояние ВЭКХИ
На раннем этапе развития хроматографические разделения на комплексообразу
ющих сорбентах проводили на колонках при низких давлениях, когда элюент про
текал через колонку под силой гравитации, поэтому получить эффективные раз
деления было невозможно. В связи с этим в комплексообразовательной хрома
тографии (как, впрочем, и во всех других вариантах жидкостной хроматографии)
основные усилия в исследованиях на протяжении последних трех десятилетий
были сконцентрированы на разработке высокоэффективных адсорбентов для
ВЭКХИ. Открытие ионной хроматографии в 1975 г. [37] стимулировало интен
сивность исследований в области синтеза комплексообразующих сорбентов на
основе полимеров с повышенной механической прочностью, определяемой сте
пенью сшивки сополимеров, и диаметром частиц порядка нескольких микрон.
Так, в 1977 г. Фритц и Мойерс [38] использовали короткую набивную колонку,
заполненную 44–56 мкм сферическими частицами ПС ДВБ с ковалентно приви
тыми группами пропилендиаминотетрауксусной кислоты. Пример одного из по
лученных разделений представлен на рис. 1.4. Важно отметить, что в своей работе
авторы использовали хроматографический насос высокого давления для подачи
элюента и фотометрическое детектирование металлов в виде окрашенных комп
лексов после реакции с металлохромными индикаторами арсеназо III, или арсе
назо I, или 4 (2 пиридилазорезорцином) (ПАР) в проточном реакторе. Таким об
20 Глава 1. Комплексообразование и его роль в современной
жидкостной хроматографии
разом, эта работа, по видимому, может считаться первым примером использова
ния ВЭКХИ. Химически модифицированные кремнеземы с ковалентно закреп
ленными комплексообразующими функциональными группами представляют еще
один класс эффективных адсорбентов для ВЭКХИ, привлекших внимание иссле
дователей в то время [3].
Безусловно, также как и обычная ионообменная хроматография, ВЭКХИ нуж
дается в высокочувствительных методах детектирования разделяемых металлов,
что на первом этапе достигалось за счет использования постколоночных реакций
(ПКР) с различными реагентами [38, 39]. Впервые металлохромные реагенты были
использованы в ПКР в 1971 г. Сикафузом [39] для фотометрического детектиро
Рис. 1.4. Разделение модельной смеси металлов на колонке 28 × 6 мм внутр. диам.,
заполненной частицами ПС ДВБ размером 44–56 мкм с привитыми груп
пами пропилендиаминотетрауксусной кислоты. Скорость потока 2 мл/мин.
Объем пробы 214 мкл. Состав пробы 1,2 мМ U(VI), 4 мМ Th(IV) и 4 мМ
Zr(IV). Фотометрическое детектирование после ПКР с арсеназо III при
635 нм. Воспроизведено с разрешения Мойерс и Фритц [38]. Copyright (1977)
American Chemical Society
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
0 5 10 15 20 25
Th (IV)
U(VI)
Zr (IV)
pH 2,0
pH 1,0
4 M HCl
1 M H2SO4
Адсорбционные единицы
Минуты
Литература 21
вания металлов, и эта работа явилась важным этапом в развитии ВЭКХИ. Дей
ствительно, согласно обзору о применении ПКР в хроматографических методах
анализа [40] по популярности детектирование металлов с ПКР находится на вто
ром месте после определения аминокислот с использованием ПКР с нингидри
ном. С учетом этого факта в данной монографии особое внимание будет уделено
развитию и достижениям в области ПКР для детектирования металлов после хро
матографического разделения.
В настоящее время развитие ВЭКХИ ориентировано на одновременное улуч
шение эффективности и селективности хроматографических разделений, а также
устойчивое расширение областей применения метода с особенной востребованно
стью ВЭКХИ для разделения и определения ионов металлов в сложных по составу
образцах, как морская вода или технологические рассолы. В настоящее время про
должаются исследования по улучшению эффективности комплексообразующих
ионообменников за счет использования длинных капиллярных колонок, пористых
монолитных колонок или колонок, наполненных сорбентами с диаметром частиц
1–2 мкм. Все это указывает на то, что данный метод востребован и продолжает ди
намично развиваться в соответствии с новыми возможностями. В последнее время
больше внимания уделяется изучению возможности варьирования селективнос
ти разделения за счет использования комплексообразующих добавок в элюент,
чем только за счет выбора и оптимизации структуры привитых комплексообразу
ющих групп сорбента. Очевидно, что использование системы «комплексообразую$
щий сорбент – комплексообразующий элюент» дает больше степеней свободы для
варьирования селективности в конкретных применениях, однако в то же время
это приводит к заметному усложнению механизма разделения металлов. В заклю
чение следует отметить, что детектирование металлов в ВЭКХИ становится все
более чувствительным за счет использования ПКР в сочетании с флуоресцент
ным или хемилюминесцентным детектированием и применением электронных
систем подавления шума [41], а также за счет сопряжения ВЭКХИ с высокочув
ствительными спектроскопическими методами анализа, например масс спект
рометрией с индуктивно связанной плазмой (ИСП МС).
Литература
1. R. Harjula, J. Lehto, React. Funct. Polym., 1995, 27, 147–153.
2. А.М. Гурвич, Т.Б. Гапон. Завод. лаб. СССР, 1957, 23, 1037–1042.
3. J.R. Jezorek, H. Freiser, Anal. Chem., 1979, 51, 366–373.
4. A.R. Timerbaev, G.K. Bonn, J. Chromatogr., 1993, 640, 195–206.
5. A. Siriraks, H.M. Kingston, J. M. Riviello, Anal. Chem., 1990, 62, 1185–1193.
6. A. Werner, Z. Anorg. Chem., 1893, 3, 267–330.
7. G.T. Morgan, H.D.K. Drew, J. Chem. Soc. Trans., 1920, 117, 1456–1465.
8. L. Tschugaeff, Ber. Dtsch. Chem. Ges., 1906, 39, 3190–3209.
9. H. Erlenmeyer, H. Dahn, Helv. Chim. Acta, 1939, 22, 1369–1371.
10. К.М. Ольшанова, В.Д. Копылова, Н.М. Морозова. Осадочная хроматография. Изд.
Акад. Наук СССР, Москва, 1963, 104 с.
11. A.A. Лурье. Успехи Химии, 1968, 37, 104–129.
12. H. Nagai, Bull. Chem. Soc. Japan, 1964, 37, 1076–1078.
22 Глава 1. Комплексообразование и его роль в современной
жидкостной хроматографии
13. Т.Б. Гапон, Л.С. Александрова, К.В. Чмутов. Успехи химии, 1971, 40, 1892–1911.
14. S. Siekierski, I. Fidelis, J. Chromatogr., 1960, 4, 60–64.
15. M.L. Dietz, E.P. Horwitz, A.H. Bond, Extraction Chromatography: Progress and
Opportunities, in Metal ion Separation and Preconcentration. Progress and Opportunities,
ed. A.H. Bond, M.L. Dietz, R.D. Rogers, American Chemical Society, Washington, 1999,
Chapter 16.
16. С. Секерский, И. Фиделис. Экстракционная хроматография лантаноидов. Экстрак
ционная хроматография (под ред. Т. Брауна, Г. Гарсени). М.: Мир. 1978. С. 294–327.
17. A. Berthod, T. Maryutina, B. Spivakov, O. Shpigun, I.A. Sutherland, Pure Appl. Chem.,
2009, 81, 355–387.
18. B.Y. Spivakov, T.A. Maryutina, P.S. Fedotov, S.N. Ignatova, Different two$phase liquid
systems for inorganic separations by counter current chromatography, in Metal ion
Separation and Preconcentration. Progress and Opportunities, ed. A.H. Bond, M.L. Dietz,
R.D. Rogers, American Chemical Society, Washington, 1999, Chapter 21.
19. S. Muralidharan, H. Freiser, Fundamental aspects of metal$ion separations by centrifugal
partition chromatography, in Metal ion Separation and Preconcentration. Progress and
Opportunity, ed. A.H. Bond, M.L. Dietz, R.D. Rogers, American Chemical Society,
Washington, 1999, Chapter 22.
20. F. Helfferich, Nature, 1961, 189, 1001–1002.
21. J. Porath, J. Carlsson, I. Olsson, G. Belfrage, Nature, 1975, 258, 598–599.
22. В.А. Даванков, Д. Навратил, Х. Уолтон. Лигандообменная хроматография, М.:
Мир. 1989. 294 с.
23. L.J. Morris, Chem. Ind., 1962, 1238–1240.
24. B.A. Adams, E.L. Holmes, J. Soc. Chem. Ind., 1935, 1–6T.
25. R. Griessbach, Angew. Chem., 1939, 52, 215–219.
26. A. Skogseid, Norges Techniske Hopkole. Trondheim, 1948.
27. H.P. Gregor, M. Taifer, L. Citarel, E.I. Becker, Ind. Eng. Chem., 1952, 44, 2834–2839.
28. S.L.S. Thomas, Chem. Eng. News, 1954, 32, 1896.
29. Р. Херинг, Хелатообразующие ионообменники, М.: Мир. 1967. 279 с.
30. S.K. Sahni, J. Reedijk, Coord. Chem. Rev., 1984, 59, 1–139.
31. К.М. Салдадзе, В.Д. Копылова$Валова. Комплексообразующие иониты (комплек$
ситы). М.: Химия, Москва, 1980, 336 с.
32. V.E. Kopylova, Solvent Extr. Ion Exch., 1998, 16, 267–343.
33. G.V. Myasoedova, S.B. Savvin, CRC Crit. Rev. Anal. Chem., 1986, 17, 1–63.
34. D. Bilba, D. Bejan, L. Tofan, Croat. Chem. Acta, 1998, 71, 155–178.
35. M. Mархол. Ионообменники в аналитической химии: Свойства и применение в
неорганической химии, М.: Мир, 1985, в 2 томах.
36. Т.Б. Гапон, Е.Н. Гапон. Докл. Акад. Наук СССР, 1948, 60, 401–404.
37. H. Small, T.S. Stevens, W.S. Bauman. Anal. Chem., 1975, 47, 1801–1810.
38. E.M. Moyers, J.S. Fritz, Anal Chem., 1977, 49, 418–423.
39. J.P. Sickafoose, Inorganic separation and analysis by high speed liquid chromatography,
PhD thesis, Iowa State University, Ames, IA, 1971.
40. P.K. Dasgupta, J. Chromatogr. Sci., 1989, 27, 422–448.
41. P. Jones, Analyst, 2000, 125, 803–806.