ximia.org - сайт о химии для химиков
РАЗДЕЛЫ САЙТА
Разная химия
Неорганическая
Органическая
Биологическая
Наглядная биохимия
Токсикологическая

База знаний
Химическая энциклопедия
Справочник по веществам
Таблица Д.И. Менделеева
Гетероциклические соед.
Теплотехника
Углеводы

Партнёры по химии
Всё об Алхимии

Химия в жизни
Каталог предприятий

Дополнительно
Лекарственные средства Фармацевтический справ.
 
Всё о Химии - Ximia.org

Алфавитный указатель: А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я


ЭКСКЛЮЗИОННАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ (ситовая хро-матография), жидкостная хроматография, основанная наразл. способности молекул разного размера проникать в поры неионогенного геля, к-рый служит неподвижной фазой. Различают гель-проникающую хроматографию (элюент - орг. р-ритель) и гель-фильтрацию (элюент - вода).
Ддя Э. х. используют макропористые неорг. или полимерные сорбенты. Для Э. х. полярных полимеров неорг. сорбенты (силикагели и макропористые стекла) модифицируют кремнийорг. радикалами, а для Э. х. гидрофильных полимеров -гидрофильными группами. Среди полимерных сорбентов наиб. распространены стирол-дивинилбензольные (для Э. х. высокополимеров и олигомеров). Для гель-фильтрации биополимеров, прежде всего белков, используют гидрофильные полимерные сорбенты (сефадексы - декстраны с поперечными сшивками, а также полиакриламидные гели) или модифицированные полисахаридами макропористые силикагели.
Э. х. эффективно применяют при разработке новых полимеров, технол. процессов их получения, контроле произ-ва и стандартизации полимеров. Э. х. используют для анализа ММР полимеров, исследования, выделения и очистки полимеров, в т. ч. биополимеров.
При Э. х. молекулы, имеющие в р-ре большой размер, или совсем не проникают, или проникают только в часть пор сорбента (геля) и вымываются из колонки раньше, чем небольшие молекулы. Соотношение эффективных размеров макромолекул и пор сорбента определяет коэф. распределения Kd, от к-рого зависит объем удерживания компонента VR в колонке:

6028-21.jpg

где V0 - объем пространства между частицами сорбента, Vp -объем пор сорбента.
Эффективным размером макромолекулы при Э. х. является ее гидродинамич. радиус R, к-рый вместе с мол. массой полимера М определяет характеристич. вязкость полимера6028-22.jpg . Универсальную калибровочную зависимость VR от произведения6028-23.jpg (ур-ние 2) впервые получил экспериментально Г. Бенуа, она имеет вид (рис. 1):

6028-24.jpg

где А и В - константы. Ур-ние (2) одинаково справедливо для линейных и разветвленных полимеров, блок- и привитых сополимеров, олигомеров. Используя ур-ние Марка-Ку-на-Хувинка:6028-25.jpg где6028-26.jpg и а - табулированные константы, учитывающие взаимод. полимера с р-рителем и степень жесткости макромолекулы, можно перейти от универсальной зависимости (2) к рабочей зависимости (3) для исследуемого образца (рис. 2):

6028-34.jpg

где6028-35.jpgС2 = B(a+1).

6028-27.jpg

Рис. 1. Универсальная калибровочная зависимость Бенуа для эксклюзионной хроматографии:6028-28.jpg - линейный полистирол;6028-29.jpg - разветвленный полистирол; (+) -звездообразный полистирол;6028-30.jpg- гетеропривитой сополимер полистирола и полиметилметакрилата;6028-31.jpg - полиметилметакрилат;6028-32.jpg- разветвленный полифенилсилоксан;6028-33.jpg -полибутадиен.

С др. стороны, получив экспериментально зависимость (2) с использованием полимерных стандартов (не менее 3 образцов), для к-рых известны М,6028-36.jpg и а, а также зависимость (3) для полимера с неизвестными константами, можно найти для него6028-37.jpg, а и константы С1 и С2. Можно определять зависимость (3) и непосредственно путем калибровки узкодисперсными (с известными М)и широкодисперсными (с известным ММР) стандартами. Располагая эксклюзионной хроматограммой и калибровочной зависимостью определяют ММР исследуемого полимера.

6028-38.jpg

Рис. 2. Рабочая калибровочная зависимость для эксклюзионной хроматографии.

В области от V0до VT (объем колонки, доступный для р-рителя и молекул ниже определенного размера, соответствующего Ммин) рабочая зависимость имеет линейный (квазилинейный) характер. Соответствующие объемам V0 и VT мол. массы представляют собой пределы исключения - Ммакс (молекулы большого размера, не проникают в поры сорбента) и Ммин, (молекулы небольшие, полностью проникают в поры сорбента). Эти величины, а также тангенс угла наклона линейной части калибровочной зависимости селективности разделения С2 = Vp/lg(Mмакс/Mмин)и степень ее линейности определяют качество сорбента для Э. х. Благодаря логарифмич. зависимости V от М селективность разделения dV/dM падает с увеличением М, поскольку С2 = (dV/dM)M. Для разделения макромолекул с близкими М требуется сорбент, работающий в узком диапазоне М и обладающий высокой селективностью С2. Сорбенты с порами одного размера теоретически способны разделять макромолекулы в пределах6028-39.jpg коммерческие сорбенты характеризуются6028-40.jpg . Ддя разделения макромолекул в большом диапазоне М нужны сорбенты с бимодальным и тримодальным распределением пор по размерам, обеспечивающие линейную мол.-массовую калибровочную зависимость в диапазоне М = 102,5 - 106,5. Селективность С2 подобного сорбента (или специально подобранной смеси сорбентов) естественно ниже, чем унимодального сорбента, но ее делают максимальной для заданного диапазона6028-41.jpg Макс. селективность достигается увеличением объема перового пространства сорбента, у бимодального и тримодального сорбентов, кроме того,-оптимальным распределением пор по размерам. Важно, чтобы при разделении смеси макромолекул их наибольшая и наименьшая М находились в пределах ММИН - ММАКС характерных для данного сорбента. Иначе по краям хроматограммы при VT и V0будут выходить из колонки макромолекулы соотв. с М6028-42.jpgММИНи М6028-43.jpgММАКС, образуя ложные хроматографич. пики.

Механизм Э. х. Макромолекулы в р-ре представляют собой статистич. ансамбль (статистич. клубок). Их распределение между пористым сорбентом и р-ром контролируется изменением энергии Гиббса при переходе макромолекулы из р-ра в поры:6028-44.jpg где6028-45.jpg- изменение энтальпии макромолекулы вследствие взаимод. ее сегментов с пов-стью сорбента (матрицей геля);6028-46.jpg- уменьшение энтропии при переходе макромолекулы из р-ра в поры; Т - абс. т-ра. Разделение макромолекул происходит в эксклюзионном режиме, когда6028-47.jpg, a Kd, зависящий от соотношения размеров макромолекул и пор, меньше 1.
В критич. условиях, когда при переходе макромолекул из р-ра в поры сорбента энергия Гиббса не изменяется6028-48.jpg происходит полная компенсация потери энтропии макромолекулы благодаря увеличению энтальпии:6028-49.jpg т.е. переход макромолекулы из р-ра в поры энергетически безразличен. При6028-50.jpg>0 и Kd> 1 наблюдается адсорбционная хроматография. В критич. условиях все макромолекулы, независимо от М, имеют Kd= 1 и, не разделяясь, выходят из колонки при VR = VТ В эксклюзионной области при6028-51.jpg макромолекулы с большей М сильнее вытесняются из пор, т. к. их энтропия при переходе из р-ра в поры уменьшается в большей степени.
На рис. 3 показаны кривые зависимости6028-52.jpg от энергии взаимод.6028-53.jpg сегментов макромолекулы (см. Макромолекула) с пов-стью сорбента. Эти кривые для макромолекул с разным числом сегментов (N)пересекаются в точке критич. энергии6028-54.jpg Кривые левее точки6028-55.jpgотносятся к режиму Э. х. Отсюда ясно, что Э. х. включает значит. область энергетич. зависимостей6028-56.jpg где6028-57.jpgимеет значения от6028-58.jpg до6028-59.jpg Чем меньше6028-60.jpg тем больше изменение6028-61.jpg при попадании макромолекулы в поры и, следовательно, разделение макромолекулы более селективно.

6028-62.jpg

Рис. 3. Зависимость6028-63.jpg и6028-64.jpg для разных N(N1 >N2>N3).

Гетерополимеры (сополимеры, функциональные олигомеры) можно анализировать как с помощью Э. х. (когда у всех компонентов6028-65.jpg ), так и в условиях, когда у одного из компонентов6028-66.jpg В этих (критических) условиях указанный компонент представляет хроматографич. "невидимку" (его Kd не зависит от М). Последнее позволяет по законам Э. х. анализировать ММР отдельных блоков блок-сополимера, ММР функциональных олигомеров (отдельно для каждого типа функциональности), а вблизи критич. условий6028-67.jpg получать с помощью Э. х. ММР олигомеров для каждого типа функциональности.
У макромолекул, несущих электрич. заряд (полиэлектролитов), наблюдаются схожие, но более сильные изменения6028-68.jpg в зависимости от рН и ионной силы элюента, Это происходит благодаря увеличению размеров молекул полиэлектролитов при их диссоциации и проявлению кулоновских взаимод. между зарядами на больших расстояниях, чем в случае действия дисперсионных или электростатич. сил. При увеличении рН выше 4 пов-сть силикагелей приобретает отрицательный заряд. Взаимод. с ней нейтральной макромолекулы остается эксклюзионным (режим Э. х.), поликатион адсорбируется благодаря ионообменной сорбции, а полианион исключается из пор по законам ионной эксклюзии значительно сильнее, чем при обычной эксклюзии.
Для подавления нежелательных для Э. х. явлений ионной эксклюзии и ионообменной сорбции модифицируют пов-сть сорбентов (для придания ей нейтрального заряда при рН > 4), увеличивают ионную силу р-рителя, ослабляя кулоновские взаимод., добавляют орг. р-рители, смещая тем самым рК полиэлектролита или изоэлектрич. точку у полиамфолитов. С др. стороны, ионообменную сорбцию и ионную эксклюзию можно использовать для разделения нейтральных макромолекул, полианионов и поликатионов одного размера. Поскольку диссоциация полиэлектролитов увеличивается с разбавлением их р-ров, то при Э. х. макромолекулы на краях хроматографич. колонки, где их концентрация мала, диссоциируют и движутся по колонке не по законам Э. х., а по законам ионообменной сорбции и ионной эксклюзии в зависимости от заряда пов-сти сорбента и макромолекулы, что приводит к искажению формы кривой зависимости V и М (рис. 4), а также позволяет диагностировать наличие того или другого процесса.

6028-69.jpg

Рис. 4. Эксклюзионная хроматография нейтральных макромолекул (а) и полиэлектролитов: ионная эксклюзия (б), ионообменная сорбция (в).

Эффекты, аналогичные ионообменной сорбции, но только в более слабой степени, могут наблюдаться при гидрофобных взаимод. макромолекулярных сегментов с модифицированной гидрофобными радикалами пов-стью сорбента или при электростатич. взаимод. поверхностных силанольных гидроксигрупп с функциональными группами полярных макромолекул. Все эти эффекты должны подавляться при проведении Э.х.

Техника Э. х. Для разделения макромолекул в режиме Э. х. используют колонки двух типов: работающие в узком6028-70.jpg = 102 и широком (6028-71.jpg= 104 — 105 диапазонах. Колонки широкого диапазона M имеют широкое распределение пор сорбента по размерам (бимодальное, тримодальное). Это распределение подбирается т. обр., чтобы при заданных степени линейности калибровочной мол.-массовой зависимости и диапазона масс обеспечивалась наиб. степень селективности С2. Можно также составлять колонки для широкого диапазона М из колонок первого типа.
Разные типы полимеров требуют спец. р-рителей для Э. х. наиб. универсальный р-ритель - ТГФ (для Э. х. полибутадиена, полистирола, полиметакрилата, полиакрилатов). ТГФ имеет низкую вязкость, однако требует очистки от пероксидов. Толуол, хлороформ и метилэтилкетон также широко используют в Э. х. полимеров. Для Э. х. полиолефинов применяют о-дихлорбензол и 1,2,4-трихлорбензол, а для полиакрилонитрила, полиэфиров и полиамидов - м-крезол, фторированные спирты и к-ты.
Калибровку колонок в диапазоне масс 5 х 102- 1,5 х 107 осуществляют с помощью стандартных узкодисперсных полистиролов. Выпускают также стандарты полиметилметакрилата, полиизопрена, полиэтилена, полиэтиленгликоля и биополимеров (декстран и др.).
Э. х. осуществляется с помощью хроматографа, детектором служит спектрофотометр или проточный рефрактометр с предельной чувствительностью 5 х 10-8 ед. рефракции, что соответствует концентрации полимера 5-10-5 %. Обычно прибор работает при комнатной т-ре, однако Э. х. полиолефинов требует повышенной т-ры, что способствует увеличению селективности разделения, эффективности колонок и скорости анализа вследствие уменьшения вязкости подвижной фазы. Совр. хроматографы комплектуются автоматич. устройством для приготовления (растворение полимера, фильтрация р-ра) и ввода пробы, компьютером для интерпретации результатов анализа ММР. Концентрацию пробы (с) следует уменьшать с ростом М полимера: для полимера с М6028-72.jpg104 с = 0,25 % по массе, 3 х 104 - 2 х 104 с = 0,1%, 4 х 105 - 2 х 106 с = 0,05%, М>2 х 106с = 0,01%.
Применение комбинации рефрактометрич. детектора и детектора многоуглового рассеяния света - фотометра позволяет определять ММР и индексы разветвленности без калибровки хроматографа по полимерным стандартам.
Э. х. применяют для исследования и выделения полимеров в диапазоне М 102 - 2 х 107. Наилучшая селективность достигнута для олигомеров - выделяют олигомергомологи с числом звеньев до 10-15. Особенность Э. х. олигомеров состоит в том, что на хроматограмме выходят пики для каждого из олигомергомологов, присутствующих в олигомере. Поэтому можно определять ММР олигомера без калибровки колонок, если известна М одного или неск. олигомергомологов.
При гель-фильтрации белков необходимо принимать меры для предотвращения их адсорбции на сорбенте и не допускать их денатурации. В отличие от Э. х. синтетич. полимеров и олигомеров, используемой гл. обр. в аналит. целях, гель-фильтрация белков - один из важнейших способов их выделения и очистки. Разрешение белков по М при гель-фильтрации ниже, чем при гель-проникающей хроматографии синтетич. полимеров, т.к. для белков R6028-73.jpgМ 1/3, а для гибкоцепных полимеров R6028-74.jpgМ 1/2. Можно повысить чувствительность определения М белков методом гель-фильтрации, если проводить ее в условиях денатурации: в о М р-ре гуанидинхлорида (R ~ М 1/2) или в р-ре додецилсульфоната Na (R ~ M).
Гель-фильтрацию открыли в 1959 Д. Порат и П. Флодин, к-рые показали возможность фракционирования водорастворимых макромолекул, в т. ч. белков, по мол. массе, в качестве сорбента они использовали сшитый декстрановый гель. В 1964 Д. Мур предложил с помощью гель-проникающей хроматографии определять ММР полимеров, фракционируя их на стирол-дивинилбензольном геле.

Лит.: Беленький Б.Г., Виленчик Л. 3., Хроматография полимеров, М., 1978; Нефедов П. П., Лавренко П. Н., Транспортные методы в аналитической химии полимеров, Л., 1979; Энтелис С.Г., Евреинов В. В., Кузаев А. И., Реакционноспособные олигомеры, М., 1985; Yau W.W., Kirkland J., Bly D., Modern size-exclusion liquid chromatog, raphy, N.Y., 1979; Belenkii B.G., Vilenchik L.Z., Modem liquid chromatognphy of macromolecules, Amst., 1983.

Б. Г. Беленький.

 

Всё о Химии для учеников, учителей, студентов и просто химиков