液相色譜中溶質(zhì)與流動(dòng)相及固定相的相互作用
抖化學(xué) / 2022-10-04
液相色譜中溶質(zhì)與流動(dòng)相及固定相的相互作用：色譜法可定義為由物質(zhì)在流動(dòng)相和固定相兩相之間的分配作用所完成的一種分離方法。那些優(yōu)先分配到流動(dòng)相的物質(zhì)，將比優(yōu)先分配到固定相的物質(zhì)更快地通過系統(tǒng)。這定義引進(jìn)了流動(dòng)相和固定相的重要概念;定義雖然是對(duì)的，但在“分配作用”這個(gè)詞上模糊了分離過程的基本現(xiàn)象。溶質(zhì)在兩相之間的分配起因于溶質(zhì)分子和各個(gè)相分子之間的作用力的平衡。這些力可以是極性的，即由于溶質(zhì)和溶劑分子二者之間永久的或誘導(dǎo)的電場(chǎng)而產(chǎn)生，也可以是由于倫敦的彌散力(范德瓦耳力)，這種力取決于落質(zhì)和溶劑分子的相對(duì)質(zhì)量。在離子交換色譜中，作用于溶質(zhì)分子的力實(shí)質(zhì)上是離子性的，但也包括所謂的極性和非極性力。因此，色譜分離是利用每個(gè)溶質(zhì)與兩相之間可能存在的不同的分子力來完成的。為達(dá)到兩種物質(zhì)的分離所必須的這一一分子力差別的大小，與色譜儀器的效率有關(guān)，但如果流動(dòng)相和固定相分子對(duì)兩種溶質(zhì)的作用力類型相同，則無論儀器設(shè)備的效率多高，分離也永遠(yuǎn)不能實(shí)現(xiàn)，即:如果兩個(gè)溶質(zhì)在k'為1時(shí)流出，其中一個(gè)可能與流動(dòng)相和固定相都具有強(qiáng)的、但相等的相互作用力，另一個(gè)可能與兩相之間均有弱的、但相等的相互作用，但因?qū)τ诿總€(gè)溶質(zhì)兩個(gè)相的作用力比率相同，它們就都在此同一κ′值流出。
由此，色譜法也可定義為:當(dāng)溶質(zhì)在流動(dòng)相和固定相之間分配時(shí)，利用施加于溶質(zhì)上的不同的分子間力以完成的分離過程。那些更強(qiáng)烈地保持在流動(dòng)相中的物質(zhì)，較之那些更強(qiáng)烈地保持在固定相中的物質(zhì)，較快地通過系統(tǒng)。這樣，各個(gè)物質(zhì)以它們?cè)诠?/span>
定相中保持力的遞增順序遷移通過系統(tǒng)。因此可依下式來定義溶質(zhì)在色譜系統(tǒng)兩相之間的分配系數(shù)(K):
作用于固定相中溶質(zhì)的力的總量
κ=-----------------------------------------------------------
作用于流動(dòng)相中溶質(zhì)的力的總量
溶質(zhì)和固定 相之間作用力的大小×相互作用的幾率
=--------------------------------------------------------------------------------------
溶質(zhì)和流動(dòng)相之間作用力的大小×相互作用的幾率
溶質(zhì)和每個(gè)相之間的作用力，主要取決于溫度以及溶質(zhì)和兩個(gè)相的化學(xué)性質(zhì)，而相互作用的幾率則隨每個(gè)相參與相互作用部分的濃度和溫度等因素而異。
考慮液相色譜在通常實(shí)例中的情況，可能包含三種類型的分子間力，即:離子力、極性力、彌散力。于是，K的方程可取下列方式:
Fι((Pι)+Fˊp(Pˊp)+Fˊp(Pˊp)
K=---------------------------------------------
Fι(Pι) +Fp(Pp) +Fd(Pd)
式中Fι\Fˊp和Fˊd分別為溶質(zhì)分子與固定相之間的離子力、極性力和彌散力;Fι、Fp,和Fd分別為溶質(zhì)分子與流動(dòng)相之間的離子力、極性力、彌散力; Pι、Pp，、Pˊd以及Pι、Pp，、Pd則分別為溶質(zhì)分子與固定相以及流動(dòng)相的離子力、極性力、彌散力部
分之間的相互作用幾串。如果專門考慮液一固色譜的特定情況，此時(shí)用硅膠做吸附劑，并采用非離子型流動(dòng)相，則分離中就不存在離子力的作用，K的方程就變成
Fˊp(Pˊp)+Fˊd(Pˊb)
K=-----------------------------------------
Fp(Pp)+Fd(Pd)
現(xiàn)在必須合理地展開上列方程的各個(gè)函數(shù)，使之包含與液相色譜有關(guān)的變數(shù)。這樣做時(shí)應(yīng)能定量地預(yù)測(cè)變數(shù)的量值變化所導(dǎo)致的K值變化。溶質(zhì)與一個(gè)相之間相互作用的幾串將是絕對(duì)溫度的一些函數(shù)，并與該相參加相互作用部分的濃度成比例。
于是
Fˊpfι(T)Cˊp+Fˊdf?(T)cˊd
K=-------------------------------------------
Fˊpf?(T)Cp+Fdfι(T)Cp
式中
Cˊp、Cˊd和Cp、Cd分別為固定相和液相中極性部分和彌散部分的濃度，T是絕對(duì)溫度。如果假定彌散力來自質(zhì)量的相互作用，則cp將與分散介質(zhì)的密度(質(zhì)量/單位體積)成比例。
這樣
Cd∞Ad
式中A是常數(shù)，d是分散介質(zhì)的密度。
由此可得
Fˊpf?(T)Cˊp+Fˊbf?(T)cˊd
K=------------------------------------------
Fpf?(T)cp+Fdf4(T)Ad
校正保留體積VˊR等于Kφs,φs可以是固定相的體積，或固體表面活性部分的總和，這取決于所用的色譜系統(tǒng)以及確定固定相中所含溶質(zhì)濃度的方式。
這樣
Fˊpfι(T)cˊp+Fˊdf?(T)cˊd
VˊR=KφS=[------------------------------------------] φs
Fpf?(T)cp+Fdf4(T)Ad
方程(3-1)是描述一個(gè)溶質(zhì)校正保留體積的新形式，具有很大的實(shí)用價(jià)值。例如，倘能提供適當(dāng)?shù)幕鶞?zhǔn)數(shù)據(jù)，利用這種方程可對(duì)含特定濃度極性溶劑的流動(dòng)相和具有特定密度的非極性彌散溶劑預(yù)測(cè)保留體積和分離比。這一.方程的有效性可用相當(dāng)簡單的方
法，用硅膠的液一固色譜法進(jìn)行檢驗(yàn)。但在提出這些數(shù)據(jù)之前，考察一下與硅膠有關(guān)的保留力的本質(zhì)將是很有趣的。據(jù)以上論證，這些作用力可能是極性的或彌散性的，或兩者兼而有之。Scott和Kucera對(duì)Partisil 10硅膠在一定范圍內(nèi)進(jìn)行加熱改性，并測(cè)定了不同產(chǎn)品的保留特性「11]。
圖3-1中以硅膠保留的水分表示灼燒損失殘留量對(duì)改性溫度作圖。該圖也包括了每克硅膠的表面積和每個(gè)OH基的平均表面積對(duì)溫度的曲線。可看到在200到500℃之間硅膠的含水量迅速下降;然而在500到900℃之間失水的速度變慢了，500℃以后含水
量的下降與溫度的升高成線性關(guān)系。所得結(jié)果與別處報(bào)導(dǎo)的結(jié)果[2]一般相符。隨后將可發(fā)現(xiàn)，硅膠的含水 量及其改性溫度之間的這-線性關(guān)系與這樣一個(gè)區(qū)域有關(guān)，即，該區(qū)域內(nèi)
硅膠的保留特性十分穩(wěn)定，并與溫度無關(guān)。在200到750℃之間，每克硅膠的表面積只有很小的變化。但在750到900℃之間，表面積迅速下降到其初始值的35%左右。當(dāng)在200到900℃之間加熱時(shí)，由于硅膠的含水量和表面積以不相同速度改變的結(jié)果，每個(gè)OH基的平均表面積在700到800℃之間增加到最大值。然后，由于硅膠表面積的迅速下降，每個(gè)OH基的平均表面積也隨之減少。據(jù)這些結(jié)果看來，整個(gè)改性過程中硅膠表面積的變化及其含水量之間似乎并無明顯關(guān)系。
圖3-1硅膠物理性質(zhì)的變化與鈍化溫度的關(guān)系曲線
將在不同溫度下鈍化的硅膠樣品裝入長500毫米，內(nèi)徑4 .6毫米的柱內(nèi)，并測(cè)定-系列不同溶質(zhì)的校正保留體積。各種溶質(zhì)相當(dāng)于每克硅膠的校正保留體積對(duì)硅膠含水量的一-組曲線示于圖3-2。可以看到在含水量0.6%到3%之間，所有的曲線都顯示出保留值的特征性增大，隨后在含水量3到4%之間下降。由此可見，在200到400℃之間， 硅膠在保留溶質(zhì)的能力方面活化了，超過400℃之后則發(fā)生鈍化。也注意到含水量1.9%和0.6%分別代表著硅膠在600到900℃溫度之間的鈍化作用，每克硅膠的校正保留體積與含水率之間的關(guān)系是線性的。曲線的這一.部分顯示高度的線性關(guān)系，而其在水軸上的截距位于含水量0到0.15%之間的某點(diǎn)。這就表明硅膠中還留下一些與色譜過程無關(guān)的水分，對(duì)溶質(zhì)的保留不起作用。但這些僅只是有關(guān)含水量中的一小部分。也可明顯地看到，含水量為零時(shí)曲線并不截于保留體積軸，因此，殘余的硅氧基似乎很少或全然不影響溶質(zhì)的保留值，所以既不表現(xiàn)極性的，也不顯示彌散的保留作用。
圖3-2不同溶質(zhì)在硅膠上的VˊR/g對(duì)含水量的曲線圖
由此可見，硅膠的保留特性完全取決于硅膠的羥基數(shù)或含水量。此外，硅膠在600℃以上鈍化時(shí)，溶質(zhì)的保 留值與含水量呈線性關(guān)系，因此，對(duì)于存在的OH基而言，顯示為均相表面。于是，對(duì)于在600℃以上鈍化的硅膠，溶質(zhì)的校正保留體積可由下列方程一級(jí)近似地描述:
VˊR=Ag
式中A是常數(shù)，g是硅膠的總OH含量，以在1000℃灼燒的失重表示。硅膠在600到900℃之間的鈍化顯示出表面積的顯著改變，注意到這點(diǎn)是很重要的。但表面積的這一改變并不影響硅膠的保留特性，因?yàn)楹亢捅Ａ趔w積之間的線性關(guān)系指出，這僅僅與硅膠的羥基含量有關(guān)。因而表面積本身對(duì)硅膠的保留特性不起作用，看來似乎只有未改性的硅膠才表現(xiàn)出這種作用，因共表面為羥基所飽和，所以表面積直接與羥基及含水量有關(guān)。作者從這一工作得出結(jié)論，即，，硅膠象是一個(gè)理想的極性鍵合相，其活性部分是簡單的OH基，對(duì)于極性溶質(zhì)表現(xiàn)出很小或完全沒有彌散性相互作用。
已經(jīng)指出，彌散力對(duì)于硅膠在溶質(zhì)保留方面即使有作用也很不顯著(當(dāng)采用極性溶劑時(shí)尤其如此，因?yàn)闃O性力將大大超過任何可能存在的彌散力)，所以方程(3-1)可被簡化[3]。這樣，在硅膠上的分離使用極性或半極性流動(dòng)相時(shí)，固定相的彌散力可以略去。
于是
Fˊpfι(T)Cˊp
VˊR=[-----------------------------------]φs
Fpf?(T)cp＋Fdfι(T)Ad
為了實(shí)用上的方便，可用倒置的形式
1 1 Fpf?(T)cp+Fdf4(T)Ad
------=-------[-------------------------------------]
Vˊ φs Fˊpf?(T)cˊp
方程(3-2)的有效性可如下確定。
(1)使用含不同濃度的極性或半極性溶劑的一種分散介質(zhì)如庚烷，那末，只要極性溶劑的濃度保持大于3% W/V[4\5],硅膠的活性將是恒定的，方程(3-2)即簡化為
1
-----=A+Bcp
V'
此外，如果同一溶質(zhì)在恒定的條件下進(jìn)行色譜展開，但使用一系列的溶劑，每個(gè)溶劑采用組的Cp值，則每個(gè)溶劑的線性常數(shù)(B)可與所使用極性溶劑的物理性質(zhì)相聯(lián)系。同樣，如果使用同種溶劑，將系列不同Cp值的一系列不同溶質(zhì)進(jìn)行色譜展開，則所得到的每個(gè)溶質(zhì)線性常數(shù)B的值便能與每個(gè)溶質(zhì)的物理性質(zhì)相聯(lián)系。綜合溶質(zhì)和溶劑二者的相關(guān)線性常數(shù)，就可決定常數(shù)Fp的形式。
(2)使一個(gè)極性溶劑在一系列不同的分散溶劑中有恒定的濃度，并保持此濃度大于3%W/V,于是硅膠的活性將保持恒定，流動(dòng)相中的極性相互作用就是恒定的，這樣，方程(3-2)簡化為
1
-----=A+Bd
Vˊ
式中,d是分散溶劑的密度。
現(xiàn)在給出兩組實(shí)驗(yàn)，它們確證方程(3-2)的真確性，并決定常數(shù)Fp的性質(zhì);然而，常數(shù)Fd的確定尚須等待進(jìn).步工作的結(jié)果.
.jpg "圖3-1硅膠物理性質(zhì)的變化與鈍化溫度的關(guān)系曲線")
.jpg "圖3-2不同溶質(zhì)在硅膠上的VˊR/g對(duì)含水量的曲線圖")
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