Пожарский А.Ф., Гулевская А.В.и др. Практикум по органической химии

Подождите немного. Документ загружается.

ществом является быстрота и применимость к очень малым количе-

ствам веществ.

Для проведения ТСХ берут прямоугольную стеклянную пластинку,

покрытую тонким слоем адсорбента, и наносят на расстоянии ~1.5 см

от края пластинки пробу анализируемого раствора. Этот край пластин-

ки погружают в растворитель, который под действием капиллярных

сил начинает продвигаться в слое адсорбента вверх. Растворитель

увлекает за собой компоненты анализируемой смеси, которые пере-

мещаются вверх с различной скоростью, что и обеспечивает разделе-

ние. Когда фронт растворителя проходит 80–90 % длины пластинки,

ее вынимают из кюветы. Полученная в результате такого разделения

картина называется хроматограммой. В зависимости от ширины пла-

стинки с адсорбентом одновременно можно анализировать несколько

проб, нанося и заведомо известные соединения – свидетели. Если

разделяемые вещества бесцветны, то они не видны на хроматограм-

ме. Чтобы их «засветить», хроматограмму в течение нескольких минут

обрабатывают парами иода или (реже) брома. Они образуют с веще-

ствами окрашенные молекулярные комплексы (подробнее о проявле-

нии хроматограмм см. ниже).

В методе ТСХ главной характеристикой соединений является ве-

личина R

. Она представляет собой отношение расстояния, пройден-

ного от линии старта веществом (d

) к расстоянию (d

), пройденному

растворителем (рис. 44) (замер величины d

ведут от центра пятна):

= d

/ d

(B) =

Рис. 44. Определение величины R

вещества

методом ТСХ:

– расстояние от линии старта до центра

пятна;

– расстояние от линии старта до линии

фронта растворителя

Величина R

зависит от активности адсорбента и применяемого

элюента, и является важной характеристикой данного соединения, ко-

торая, наряду с другими константами, приводится в публикациях.

Для эффективного разделения смесей веществ большое зна-

чение имеет надлежащая активность сорбента. Чем она выше, тем

прочнее сорбент удерживает вещества, тем меньше их величины R

и тем хуже разделение. Точно также разделению веществ может по-

мешать и слишком низкая активность сорбента, ведущая к тому, что

все вещества быстро передвигаются с фронтом растворителя. В ла-

боратории органической химии в качестве адсорбентов чаще всего

используют оксид алюминия и силикагель. Активность оксида алю-

миния уменьшается по мере роста содержания в нем воды. По шка-

ле Брокмана величины активности выражаются цифрами от Ι до V

(табл. 4). Если требуется увеличить активность оксида алюминия, его

прокаливают в фарфоровой чашке при 300–400 °С, затем охлаждают

до 100 °С и просеивают еще горячим в банку с хорошо притертой сте-

клянной пробкой.

Таблица 4

Активность оксида алюминия по Брокману

Краситель

Активность по Брокману

II III IV V

Азобензол 0.59 0.74 0.85 0.95

п-Метоксиазобензол 0.16 0.49 0.69 0.89

Желтый судан (I) 0.01 0.25 0.57 0.78

Красный судан (IV) 0.00 0.10 0.33 0.56

п-Аминоазобензол 0.00 0.03 0.08 0.19

Содержание воды, % 3 6 10 15

Для проведения ТСХ применяют пластины с незакрепленным или

закрепленным слоем адсорбента. Для получения пластинки с неза-

крепленным слоем 4 (рис. 45) берут полоску стекла длиной 15–20 см

Рис. 45. Нанесение слоя адсорбента на пластинку для ТСХ

и шириной 4–20 см (в зависимости от количества проб) и помещают

ее горизонтально или слегка наклонно на противне 2,3. Через мелкое

сито 1 (капроновая ткань) просеивают адсорбент и разравнивают его

валиком из стеклянной палочки диаметром 4–5 мм с надетыми на кон-

цы кусочками резиновой трубки. Расстояние между кусочками трубки

должно быть на 5–10 мм меньше ширины пластинки. Слой адсорбен-

та следует валиком срезать, а не раскатывать, добиваясь ровной по-

верхности и одинаковой толщины слоя по всей длине пластинки.

Для получения закрепленного слоя адсорбент вместе со свя-

зующим (гипс, крахмал) смешивают с водой. Полученную суспензию

наносят вышеописанным способом на горизонтальную пластинку

ровным слоем нужной толщины. Сушат пластинку сначала при ком-

натной температуре, затем в сушильном шкафу до нужной степени

активности. ТСХ на закрепленном слое дает более воспроизводимые

значения R

Хроматографируемый раствор вещества или смеси веществ на-

носится на пластинку тонким капилляром, пятна веществ по возмож-

ности должны быть небольшими (диаметр 2–3 мм) и находиться не

ближе 1.5–2 см от краев пластинки и на расстоянии 1–2 см друг от

друга. Для точного определения R

важно соблюдать следующие усло-

вия: проба должна быть раствором, а не суспензией вещества; все

пробы на старте необходимо располагать на одной линии; нанесение

пробы не должно разрушать слой адсорбента.

Для хроматографирования может быть использован любой гер-

метичный сосуд нужного размера, например эксикатор 1 (рис. 46).

Рис. 46. Камера для хроматографирования пластинок ТСХ

На подставку 2 ставят чашку Петри 4 с выбранным растворителем.

Пластинку ТСХ 3 устанавливают наклонно, погружая ее нижний ко-

нец в растворитель так, чтобы линия соприкосновения растворителя

с адсорбентом была параллельна линии старта и находилась на рас-

стоянии около 5 мм от нижнего края пластинки. Особой аккуратности

требует установка пластинок с незакрепленным слоем адсорбента,

важно не допускать смывания адсорбента. Пластинку выдерживают

в камере до тех пор, пока фронт растворителя не поднимется на рас-

стояние 5–10 мм от верхнего края пластинки.

Обнаружение пятен вещества не представляет трудностей, если

вещество окрашено или флюоресцирует в УФ свете (требуется ис-

точник УФ излучения со светофильтром). Для бесцветных веществ

используют химические методы проявления. Наиболее широко рас-

пространено проявление парами йода. С этой целью хроматограмму

ставят в камеру, на дно которой насыпаны кристаллы йода и постав-

лен открытый сосуд с водой. Через 3–5 мин хроматограмму вынимают

и отмечают все появившиеся пятна веществ (нередко при стоянии на

воздухе цвет пятен изменяется). Также широко (особенно в бумаж-

ной хроматографии) применяется опрыскивание хроматограммы из

пульверизатора растворами реагентов, дающих цветные реакции с

анализируемыми веществами (иногда требуется последующее нагре-

вание). Известно большое количество специальных проявителей, ха-

рактерных для каждого класса веществ. Универсальным проявителем

для ТСХ является серная кислота (концентрированная или 50 %-ная),

иногда к ней добавляют бихромат калия (10 %-ный раствор в 50 %-ной

кислоте). При любом методе проявления пластинки с незакрепленным

слоем необходимо обрабатывать влажными, иначе слой адсорбента

может легко осыпаться.

Обычно метод ТСХ используется как вспомогательный (подбор

адсорбента, растворителя и анализ фракций) при дальнейшем пре-

паративном разделении веществ на хроматографической колонке.

Однако, в последнее время тонкослойную хроматографию нередко

используют и для препаративного разделения, когда пятна разделяе-

мых веществ идут совсем близко одно от другого. В этом случае для

повышения эффективности работы берут широкие пластинки, чтобы

за один раз нанести на них как можно больше раствора. По окончании

элюирования обозначившиеся зоны веществ отсекают друг от друга и

ссыпают в отдельные емкости. Операцию повторяют до тех пор, пока

не будет прохроматографирован весь раствор, после чего вещества

из полученных зон вымывают в аппарате Сокслета и далее очищают

обычными способами. Несмотря на трудоемкость метода, с его помо-

щью иногда удается разделять 5–6 веществ при их суммарном коли-

честве в несколько грамм.

2.10.2. Колоночная хроматография

Этот чрезвычайно распространенный вид хроматографии при-

меняют для разделения смесей веществ от десятков миллиграмм до

нескольких грамм. Кроме того, он бывает необходим для разделения

термически неустойчивых, а также высококипящих соединений.

Хроматографию проводят в хроматографических колонках – вер-

тикально закрепленных стеклянных трубках (рис. 46), которые запол-

няют тонко измельченным адсорбентом (неподвижная фаза). Раствор,

подлежащий разделению или очистке (подвижная фаза), под действи-

ем силы тяжести стекает по колонке вниз, причем отдельные соедине-

ния в зависимости от их сродства к адсорбенту и растворителю про-

ходят через колонку с различной скоростью. В идеале каждое соеди-

нение занимает отдельную узкую зону. В тех случаях, когда работают

с окрашенными соединениями или когда вещества флюоресцируют,

осторожно выталкивают адсорбент с поглощенными веществами из

хроматографической колонки и, разрезав его на отдельные зоны, экс-

трагируют вещества из каждой зоны отдельно. Этот механический

способ, впрочем, применяется редко. Обычно предпочитают извле-

кать отдельные соединения, продолжая промывание колонки раство-

рителем. При такой методике более адсорбируемые вещества появ-

ляются в элюате позже, чем менее адсорбируемые.

В зависимости от количества очи-

щаемого вещества употребляют колон-

ки различных размеров (15х1, 25х2,

40х3 и 60х4) (рис. 47). В нижнюю часть

трубки вставляется неплотный там-

пон из обычной или стеклянной ваты,

в широких колонках имеется пористая

пластинка. Растворитель добавляют из

капельной воронки.

В качестве адсорбентов наиболее

часто используют окись алюминия или

силикагель. Большое значение име-

ет равномерное наполнение колонки.

Следует избегать пузырьков воздуха

и в особенности трещин в адсорбенте.

При заполнении колонки лучше всего

готовить суспензию тщательно про-

сеянного адсорбента в растворителе,

которым будет проводиться элюирова-

ние, и эту суспензию аккуратно залить

в колонку (обязательно легкое посту-

кивание по стенкам, помогающее уда-

лить пузырьки воздуха). Когда запол-

нение колонки закончено, адсорбент

покрывают сверху крупным песком или ватой. Необходимо следить за

тем, чтобы хроматографическая колонка ни на секунду не оставалась

«сухой» (без слоя растворителя над адсорбентом), так как в против-

ном случае в слое адсорбента образуются трещины.

Затем в колонку вливают как можно более концентрированный

раствор хроматографируемой смеси, причем для растворения ис-

пользуют менее полярный растворитель, стоящий в элюотропном

ряду перед растворителем, которым будут проводить элюирование

или который будут добавлять при элюировании. Соотношение коли-

Рис. 47.

Хроматографические

колонки

чества адсорбируемого вещества к адсорбенту обычно составляет

1:100, а объем хроматографируемой смеси (с учетом диаметра колон-

ки) не должен превышать 10 % от объема адсорбента.

Как только раствор впитается, начинают добавлять растворитель.

Скорость движения раствора в колонке не должна быть слишком

большой, чтобы успевало установиться равновесие (для колонки вы-

сотой 40 см примерно 3–4 мл/мин).

Элюат собирают фракциями по 0.5–10 мл. Соответствующими

аналитическими методами определяют содержание в каждой фрак-

ции хроматографируемого вещества. Удобным приемом обнаружения

«пустых» (чистый элюент) фракций является испарение капли элюата

на часовом стекле. В большинстве случаев разделение веществ кон-

тролируют с помощью ТСХ.

Если применяемый растворитель не вызывает элюирования ад-

сорбированного вещества или же после вымывания одного вещества

появляются «пустые» фракции, надо повысить элюотропную спо-

собность растворителя. Для этого постепенно добавляют (начиная

с 1–2 %) к применяемому растворителю другой, более полярный, и

контролируют, элюируется ли из колонки следующее вещество. Этот

процесс (разбавление растворителя и элюирование) продолжают до

тех пор, пока из колонки не будут извлечены все компоненты исходной

смеси. Впрочем, иногда фракция сильно полярного вещества или

смеси веществ застревает на старте. В таких случаях целесообраз-

но адсорбент аккуратно вынуть из колонки, вырезать верхний слой,

и экстрагировать из него вещество в аппарате Сокслета, используя в

качестве растворителя этанол или другой подходящий полярный рас-

творитель.

Рекомендуемая литература

Кибардин С. А., Макаров К. А. Тонкослойная хроматография в ор-1.

ганической химии. М.: Химия, 1978.

Гордон А., Форд Р. Спутник химика. М.: Мир, 1976. С. 380–413.2.

Петерс Д., Хайес Дж. , Хифтье Г. Химическое разделение и изме-3.

рение. М.: Химия, 1978. Т. 2. Гл. 16, 17.

Контрольные вопросы

Соединение 1. А прошло 7.6 см от линии старта на пластинке ТСХ,

а растворитель прошел 16.2 см: а) рассчитайте R

соединения А;

б) на идентичной пластинке фронт растворителя продвинулся

на 14.3 см от линии старта, найдите положение соединения А на

этой пластинке.

Как можно получить максимально активный адсорбент на основе 2.

оксида алюминия?

Объясните, почему однородность заполнения колонки и исполь-3.

зование частиц, размер которых колеблется в узком интервале,

являются важными факторами для получения высокой эффек-

тивности колонки?

Коэффициент распределения 4. К для вещества А в данной хрома-

тографической колонке больше, чем для вещества Б. Какое из

этих соединений будет элюироваться первым?

2.11. высушивание веществ

Высушивание – одна из самых необходимых операций в лабора-

торной практике. Многие реакции проводятся при полном отсутствии

влаги, и требуют применения тщательно высушенных исходных ве-

ществ, абсолютных растворителей и предохранения от попадания

влаги воздуха в реакционную среду.

Высушивание может быть осуществлено либо применением фи-

зических способов, либо при помощи химических высушивающих

средств. К первым относят пропускание сухого воздуха, нагревание

или высушивание в вакууме, охлаждение (вымораживание), дробную

перегонку, отгонку азеотропной смеси, адсорбцию. Химические вы-

сушивающие вещества образуют с водой гидраты (серная кислота,

хлорид кальция и др.) или реагируют с ней химически (фосфорный

ангидрид, металлический натрий, кальций, магний, карбид кальция

и др.).

При подборе наиболее эффективного высушивающего средства

необходимо учитывать его мощность, эффективность при высоких

температурах, стойкость высушиваемого вещества, содержание в

нем влаги, допустимую степень высушивания и т. д.

Максимальная эффективность осушителя определяется упруго-

стью водяных паров над ним (см. табл. 5). Так, например, перхлорат

магния, присоединив три молекулы кристаллизационной воды, обла-

дает уже гораздо меньшей осушающей мощностью.

Таблица 5

Упругость водяных паров над некоторыми осушителями

при 20 °С

Осушитель Упругость водяных паров, мм рт. ст.

0.00002

Mg(ClO

)

(ангидрон) 0.0005

Mg(ClO

)

O (дегидрит) 0.002

КОН (плавленный) 0.002

0.003

CaSO

(драйерит, ангидрит) 0.004

(95 %-ная) 0.005

силикагель 0.006

NаОН (плавленный) 0.15

СаО 0.2

СаСl

0.2

CuSO

1.3

Осушающая способность осушителя считается хорошей, если он

обладает достаточной эффективностью и может поглотить большое

количество влаги. Такие вещества, как фосфорный ангидрид, серная

кислота, хлористый кальций, сульфаты магния и натрия, удовлетво-

ряют обоим требованиям и поэтому применяются наиболее часто.

Сульфат кальция, обладающий высокой эффективностью, имеет, од-

нако, незначительную осушающую мощность.

Сушка газов. Для сушки газов твердыми осушителями применя-

ют осушительные колонки (рис. 48, а). Чтобы предотвратить забива-

ние колонки расплывающимися осушителями (фосфорный ангидрид),

колонки наполняют предварительно приготовленной смесью осушите-

ля с асбестовым или стеклянным волокном, либо с пемзой.

а б в

Рис. 48. Осушительная колонка (а); промывная склянка со стеклянной

пористой пластинкой (б); «ловушка», охлаждаемая в сосуде Дьюара (в)

Химически индифферентные газы обычно сушат, пропуская их

через промывные склянки с концентрированной серной кислотой

(рис. 48, б).

Низкокипящие газы сушат, вымораживая воду и другие конденси-

рующиеся примеси в охлаждаемой «ловушке» (рис. 48, в). При этом

достигается очень высокая степень осушения (см. табл. 6). Для охлаж-

дения применяют смесь твердой углекислоты с метиловым спиртом

или жидкий воздух.

Таблица 6

Содержание водяных паров в газах при различных

температурах

Температура, °С Парциальное давление водяных паров, мм рт. ст.

+ 20 17.5

0 4.6

–10 0.77

–70 0.002

–100 0.00001

Для защиты от атмосферной влаги приборы закрывают трубками

с хлористым кальцием, натронной известью или другими подходящи-

ми осушителями.

Обезвоживание жидкостей. Жидкости обезвоживают, помещая

в них на некоторое время измельченный осушитель (рекомендуется

жидкость с осушителем периодически взбалтывать). При большом

содержании влаги в жидкости обезвоживание целесообразно вести

ступенчато. Для этого свежие порции осушителя добавляют к жидко-

сти, слитой (декантация) с отработанного осушителя до тех пор, пока

осушитель не перестанет в заметной степени поглощать воду (кусоч-

ки хлорида кальция не должны слипаться, сульфат меди не должен

окрашиваться). Слишком большое количество осушителя вызывает

потерю вещества. Очевидно, что осушающие агенты не должны рас-

творяться в осушаемой жидкости, быть к ней химически инертными и

по возможности иметь высокую осушающую эффективность.

Осушители для определенных классов органических веществ

указаны в табл. 7. Способы очистки и обезвоживания наиболее рас-

пространенных растворителей приведены в приложении.

Таблица 7

Обезвоживание жидкостей

Жидкость Обезвоживающие вещества

Альдегиды CaCl

, Mg(ClO

)

Амины NaOH, KOH, K

(не CaCl

)

Гидразины K

Кетоны K

, CaCl

, Mg(ClO

)

Кислоты Na

Нитрилы K

, P

Нитросоединения CaCl

, Mg(ClO

)

, Na

Основания KOH, K

, BaO

Сероуглерод CaCl

, Mg(ClO

)

Спирты K

, CuSO

, CaO, Na

, BaO

Углеводороды CaCl

, Mg(ClO

)

, Na, CaC

, P

Фенолы Na

Эфиры простые CaCl

, Mg(ClO

)

, Na, CaC

, K

Эфиры сложные Na

, CaCl

, Mg(ClO

)

Галогенпроизводные CaCl

, Mg(ClO

)

, P

, H

(не Na)

Для обезвоживания растворов неизвестных веществ рекоменду-

ется пользоваться только химически индифферентными осушителями

(например, сульфатами магния или натрия). Эффективна сушка газов

и жидкостей цеолитами – кристаллическими пористыми алюмосили-

катами. Цеолиты имеют поры различной величины (в зависимости от

марки цеолита), в которые попадают небольшие молекулы и задержи-

ваются там за счет адсорбционных сил. Размеры входных отверстий

(в Å ): NaA – 4, CaA – 5, CaX – 8, NaX – 9. Вода имеет размер моле-

кулы около 3 Å и удерживается цеолитами всех марок. Необходимо

подбирать цеолит такой марки, чтобы не задерживалось осушаемое

вещество (размеры молекул вещества должны быть больше разме-

ра цеолита). Цеолиты при прокаливании до 300–350 °С в течение

нескольких часов теряют абсорбированную воду и восстанавлива-

ют свои осушающие свойства. Сушка цеолитами, как правило, дает

очень хорошие результаты, с их помощью содержание воды можно

снизить до 0.01 %. Но так как емкость цеолитов невысока (около 5 г

воды на 100 г цеолита), то лучше использовать их для обезвоживания

растворителей с невысоким (до 1 %) содержанием воды.

Металлический натрий целесообразно применять в виде натрие-

вой проволоки, которую выдавливают с помощью пресса, или в виде

тонко нарезанных пластинок. Кусочки натрия предварительно очища-

ют от покрывающей их корки (защитные очки, пинцет!). Ни в коем слу-

чае нельзя сушить натрием галогенпроизводные!

Применение фракционной и азеотропной перегонки для обезво-

живания жидкостей см. в разделе 2.5.

Высушивание твердых веществ. Перед исследованием и ана-

лизом твердых веществ из них должны быть удалены следы воды и

органических растворителей.

Из негигроскопичных веществ легколетучие примеси можно уда-

лять на воздухе, раскладывая препарат на фильтровальной бумаге

или на обожженной неглазурованной глиняной плитке. Вещества,

устойчивые термически, можно сушить также в сушильном шкафу,

но в любом случае не следует поднимать температуру выше 100–120

°С. Для удаления остатков влаги и летучих растворителей исполь-

зуют эксикаторы, а также так называемые пистолеты, в которых ве-

щество нагревается парами кипящей жидкости (рис. 49). Для ускоре-

ния высушивания в сушильных пистолетах обычно создают вакуум.

Вакуумную сушку при комнатной температуре удобно проводить в

вакуум-эксикаторе.

Иногда при работе с вакуумными эксикаторами они взрываются,

поэтому перед включением насоса их необходимо тщательно обер-

нуть полотенцем или другой плотной тканью. Между эксикатором и во-

доструйным насосом всегда надо ставить пустую предохранительную

склянку. Впускать воздух в эксикатор следует постепенно, медленно

открывая кран, иначе струя воздуха может разбросать высушиваемое

вещество или осушитель. Чтобы полностью избежать этого, осушае-

мое в эксикаторе вещество лучше предварительно накрыть чашкой

Петри или стеклянной воронкой.