543.54:547

 

Е.Ю. Купчик, канд. хим. наук

Черниговский национальный педагогический университет имени Т. Г. Шевченко, г. Чернигов, Украина

ЗОНДИРОВАНИЕ МОДИФИЦИРОВАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ С18 ИНДИКАТОРАМИ РАЙХАРДТА В УСЛОВИЯХ МЖХ

О.Ю. Купчик, канд. хім. наук

Чернігівський національний педагогічний університет імені Т. Г. Шевченка, м. Чернігів, Україна

ЗОНДУВАННЯ МОДИФІКОВАНОЇ ПОВЕРХНІ С18 ІНДИКАТОРАМИ РАЙХАРДТА В УМОВАХ МРХ

E.Yu. Kupchik, Phd in Chemical Sciences

Chernihiv National Pedagogical University named T. G. Shevchenko, Chernihiv, Ukraine

THE SONDING OF MODIFIED SURFACE OF C18 REICHARDTS INDICATORS
IN MLC CONDITIONS

Изучена полярность среды привитого силикагеля С18, модифицированного додецилсульфатом натрия (ДСН), с помощью бетаиновых красителей (II, V, VIII, XI) разной гидрофобности при температуре 25^оС и 40 ^оС. Использовано спектрофотометрическое измерение сигнала. Исследования велись в видимой части спектра. Поверхность стационарной фазы в условиях МЖХ менее полярна, чем поверхность мицелл ДСН в растворе.

Ключевые слова: октадецилсиликагель С18, додецилсульфат натрия ДСН, бетаиновые индикаторы Райхардта, мицеллярная жидкостная хроматография (МЖХ).

Вивчено полярність середовища прищепленого силікагелю С18, модифікованого додецилсульфатом натрію (ДСН), за допомогою бетаїнових барвників (II, V, VIII, XI) різної гідрофобності за температури 25^оС и 40 ^оС. Використано спектрофотометричне вимірювання сигналу. Досліди проводили у видимій частині спектру. Поверхня стаціонарної фази в умовах МРХ менш полярна, ніж поверхня міцел ДСН у розчині.

Ключові слова: октадецилсилікагель С18, додецилсульфат натрію,бетаїнові індикатори Райхардта, міцелярна рідинна хроматографія (МРХ).

Here studied polarity of environment grafted silica C18-modified sodium dodecyl sulfate (SDS) by a betaine dyes (II, V, VIII, XI) varying hydrophobicity. Used spectrophotometric measurement signal at temperature 25^оС и 40 ^оС. The research was conducted in the visible part of the spectrum. The surface of the stationary phase in terms MLC less polar than the surface of SDS micelles in solution.

Key words: octadecylsilica C18, sodium dodecyl sulfate (SDS), Reichardts betaine indicators, micellar liquid chromatography (MLC).

Постановка проблемы. Одним из показателей качества и безопасности продуктов питания является содержание в них пищевых добавок, к которым относятся: красители, консерванты, антиоксиданты, стабилизаторы, эмульгаторы, усилители вкуса и аромата, противопенные вещества. Обращенно-фазовая высокоэффективная жидкостная хроматография (ОФ ВЭЖХ) относится к наиболее распространенным методам современного химического анализа продуктов питания. Перспективным направлением совершенствования метода является поиск новых возможностей управления селективностью разделения и сокращения времени подготовки проб. Такие возможности открывает мицеллярная жидкостная хроматография (МЖХ), которая является разновидностью ОФ ВЭЖХ. При разработке новых методик важным является знание свойств и природы реакционной среды, в частности важна информация о её полярности. При изучении свойств лиофильных ультрамикрогетерогенных дисперсных систем, а также при исследовании различных поверхностей раздела фаз универсальными реагентами являются красители, обладающие ценными репортерными свойствами благодаря интенсивному поглощению света. Множество красителей применяют с этой целью в качестве _РК_а^а-проб, флуоресцентных и цветных меток, а также сольватохромных зондов [1].

Анализ последних исследований и публикаций. Ценную информацию о свойствах твердых тел (силикатов, полимерных пленок и др.) и мицеллярных систем представляет зондирование поверхностей с помощью молекулярных зондов, в качестве которых все чаще используют сольватохромные бетаиновые красители Райхардта [2]. Сольватохромний эфект бетаиновых красителей (рис. 1) регистрируется в широком диапазоне длин волн, большая часть которого припадает на видимую область спектра, что позволяет оценить полярность среды даже визуально [3].

 

Рис. 1. Графическое изображение общей формулы сольватохромних “индикаторов Райхардта”

Протонирование фенолятного кислорода превращает окрашенные формы производных 4-(2,4,6-трифенил-1-пиридиний) феноксида (В) в бесцветные катионы НВ⁺. «Кажущееся» значение _РК_а^а характеризует равновесие: НВ⁺↔В + Н⁺. Возможность выявления участков поверхности привитого силикагеля с различной кислотностью обусловлена тем, что бетаиновая форма поглощает свет в видимой области, а поглощение катиона наблюдается при длинах волн, меньших 400 нм [4].

Выбранные для исследования бетаиновые индикаторы II и V ранее использовались для зондирования поверхности мицелл додецилсульфата натрия (ДСН) [5; 6]. В мицеллярных растворах наблюдался батохромный сдвиг максимума полос поглощения по сравнению с водными растворами, свидетельствующий об уменьшении полярности микроокружения бетаинов, локализованных на мицеллярной поверхности (табл. 1).

Таблица 1

Значения λ_max бетаиновых индикаторов в воде и мицеллах ДСН

Бетаин	λmax окрашенной формы, нм
		в воде І = 0,05 моль/л	в мицеллах ДСН І = 0,05 моль/л
II	453	497 сДСН=0,01 моль/л
V	463	495 сДСН=0,02 моль/л

Сдвиг длинноволновой полосы поглощения бетаина ІІ Димрот и Райхардт предложили использовать для оценки эмпирического параметра полярности растворителей. Параметр полярности растворителя Е_Т(ккал/моль) и максимум полосы поглощения (λ_max, нм) формы В бетаина связаны выражением:

Е_Т=28591/λ_max. (1)

Нормализованный параметр растворителя E_Т^N [2; 7] не привязан к конкретной системе единиц измерения и рассчитывается по формуле:

E_Т^N=Е_Тр-ль - Е_Ттмс/Е_Твода - Е_Ттсм = E_Т – 30,7/32,4, (2)

где Е_Tр-ль – значение Е_T(30) в исследуемой среде;

Е_Tвода – значение Е_T(30) в воде как стандарте полярной среды, для которой принято E_Т^N =1;

Е_Ттсм – значение Е_T(30) в тетраметилсилане (ТМС, (СН₃)₄Si) как стандарте неполярной среды, для которой принято E_Т^N = 0.

Полученные данные позволяют рассчитать значения нормализованного параметра полярности растворителя E_Т^N, связанного с параметром E_Т по корреляционным уравнениям.

Для красителя Е_Т13:

Е_Т = 3,049+0,981 Е_Т30 (3)

для Е_ТСОО-:

Е_Т= 3,335+0,932 Е_Т30 (4)

Выделение не решенных ранее частей общей проблемы. В связи с проблемой избирательного связывания индикатора и различной глубины погружения в мицеллу или сорбент представляется важным изучить их спектры поглощения, для которых вследствие их строения характерна сильная зависимость спектров поглощения в УФ- и видимом диапазонах от природы среды.

Цель статьи. Главной целью данной работы является оценка полярности микроокружения молекулярного зонда для понимания процессов, происходящих при контакте стационарной фазы (С18) с подвижной фазой (модифицированным спиртом раствором ПАВ) в условиях МЖХ.

Изложение основного материала. Объектом исследования были суспензии, образующиеся в результате адсорбции мономеров ПАВ на наименее полярной неподвижной фазе С18. Адсорбция обусловлена взаимодействием гидрофобных углеводородных радикалов ПАВ с привитыми алкильными радикалами сорбента. Адсорбированные частицы ПАВ покрывают практически все октадецильные группы и поверхность неподвижной фазы С18 представляет собой слой адсорбированного ПАВ. Ионные (полярные) головки ПАВ сориентированы в сторону жидкой фазы, делая поверхность неподвижной фазы более гидрофильной по сравнению с исходным привитым сорбентом. Однако, при использовании пентанола в качестве органического модификатора, количество ДСН, адсорбированного на поверхности, снижается [9].

В роботе использовали додецилсульфат натрия фирмы Applichem (Германия) с содержанием основного вещества не менее 97 %, дополнительно очищенный перекристализацией с изопропанолом и высушенный при температуре 80 С, и силикагель с привитыми октадецильными группами Silasorb SPH C₁₈ (LC), 7,5 m [10]. Как модификатор использовался н-пентанол (1-PtOH, РЕАХИМ, ч.), дополнительно очищенный перегонкой при t_кип = 137,5 С [11]. Для создания щелочной реакции среды использовали защищенный от СО₂ раствор NaOH, концентрацию которого устанавливали по навескам адипиновой кислоты [12]. Исходный раствор натрий хлорида готовили взвешиванием реактива NaCl квалификации “ч.д.а.”. Бетаиновые красители II, V, VIII и XI (табл. 2) были предоставлены проф. K. Райхардтом.

Таблица 2

Название и строение бетаиновых красителей

Краситель		R1	R2	R3
II	2,6-дифенил-4-(2,4,6-трифенилпиридиний-1-ил) фенолят; ЕТ30	H	C6H5	C6H5
V	4-[4-(4-карбоксилатофенил)-2,6-дифенил-пиридиний-1-ил]-2,6-дифенилфенолят натрия	CO2-Na+	C6H5	C6H5
VIII	2,6-циклонанометилен-4-(2,4,6-трифенилпиридиний-1-ил) фенолят	H	C6H5	(-CH2-)9
XI	2,6-дипиридил-4-(2,6-дипиридил-4-фенил-1-пиридиний) фенолят; ЕТ13	H	3-пиридил	3-пиридил

Исходные растворы бетаиновых красителей готовили непосредственно в исходном растворе ДСН до разбавления его водой. Рабочие растворы готовили разбавлением исходного. Рабочие концентрации красителей при измерении индикаторного отношения варьировали в пределах (3-5)·10^-5 моль/л, рабочая концентрация ПАВ составляла 0,01 моль/л, а содержание спирта соответствовало 1 % по объёму, навеска C18 составляла 0,5 г. Значение рН = 12 создавали раствором NaOH (с⁰=0,0998 моль/л). Ионную силу растворов поддерживали постоянной, I = 0,1 моль/л.

Исходные растворы были приготовлены по точным навескам реактива, взятых на аналитических весах с погрешностью  0,2 мг. В качестве рабочей жидкости использовали дистиллированную воду. Для мерной посуды были определены поправки к номинальной емкости, которые позволили измерять объемы растворов с погрешностью не более 0,2 %.

Особенностью поведения сольватохромных индикаторов является медленное установление равновесия в суспензиях, содержащих ДСН [13]. Поэтому суспензии оставляли на один час, периодически перемешивая при термостатировании, и сравнивали при комнатной температуре.

Спектрофотометрические измерения проводились на приборе КФК-3. Спектры поглощения суспензий измеряли в интервале длин волн (λ) 400-650 нм методом гетерохроматической экстраполяции при максимальном приближении кювет к окошку детектора [14; 15]. Спектры измеряли против холостого раствора, содержащего все компоненты за исключением красителя. Длина поглощающего слоя 10,068 мм.

Бетаиновый индикатор (ІІ) не растворяется в неполярных растворителях, тем более это относится к более гидрофильным индикаторам V и ХІ. Следовательно, индикаторы не могут связываться неполярной фазой привитых радикалов С18, поэтому наблюдаемые спектры следует отнести только к поверхности С18, модифицированной частицами ДСН и 1-пентанола.

Спектры поглощения бетаинов II, V и XI в исследуемых системах (1 – раствор ДСН и 1-PtOH; 2 – суспензии С18 в растворе, содержащем ДСН и 1–PtOH; 3 – суспензии С18 в растворе ДСН) представлены на рис. 2. Для бетаина VIII были определены очень низкие результаты поглощения (в видимой обл. нет максимума), поэтому построение графика было нецелесообразно.

 

а	б	в

Рис. 2. Спектры поглощения: а – бетаина ІІ; б – бетаина V; в – бетаина ХІ

Бетаиновый индикатор II практически полностью адсорбировался на поверхности частиц С18, модифицированной компонентами мицеллярного раствора, поскольку при длительном отстаивании суспензий прозрачный слой жидкой фазы оказывался неокрашенным, а частицы суспензии — окрашенными в розово-фиолетовый цвет. Низкая же интенсивность желтых окрасок индикаторов V, VIII и ХІ в суспензиях не позволяла наблюдать, полностью ли они сорбируются на частицах суспензии. Значения длины волны, соответствующие максимумам поглощения индикаторов Райхардта, приведены в табл. 3.

Таблица 3

Характеристики спектров поглощения сольватохромных индикаторов
и нормализованные параметры полярности

Краситель	ІІ		V		ХІ
Характеристики
Мицеллы ДСН	497 [5]	0,842 [7]	495* [5]	-	-	-
Мицеллы ДСН, 1 % (v/v) 1-пентанола	512	0,776	486	0,890	481	0,824
Суспензия С18 в 0.01 моль/л ДСН	509	0,786	471	0,952	496	0,771
Суспензия С18 в 0.01 моль/л ДСН, 1 % (v/v) 1-пентанола	510	0,783	475	0,935	485	0,812

* концентрация ДСН 0,02 моль/л.

Максимум поглощения бетаина ІІ заметно смещается в длинноволновую область при переходе от мицеллярных растворов ДСН к растворам ДСН, содержащим добавки 1-пентанола, и почти в такой же степени — при переходе к суспензиям С18 в мицеллярном растворе ДСН. Добавка 1-пентанола в мицеллярный раствор ДСН сопровождается большим батохромным сдвигом, чем при добавлении 1-пентанола в суспензию С18 в мицеллярном растворе. В этом случае можно говорить о некоторой обезвоженности поверхности, небольшой гидрофобизации, по сравнению с «чистыми» мицеллами ПАВ.

Результаты зондирования микроагрегатов ДСН и модифицированной поверхности С18 с более гидрофильными индикаторами ХІ и V более противоречивы. Так уже для гибридных мицелл ДСН (содержащих 1-пентанол) сдвиг максимума поглощения в коротковолновую область по сравнению с «чистыми» мицеллами ДСН не соответствует представлениям об уменьшении полярности мицеллярной поверхности при введении 1-пентанола [16].

Исследуя свойства поверхности С18, модифицированной мицеллярным раствором ДСН с 1-пентанолом, при температуре 40 ^оС, т.е. в условиях МЖХ, мы воспользовались визуальным методом оценки полярность среды [3].

Сорбент С18 предварительно модифицировали раствором, содержащим 0,01 моль/л ДСН и 1 % (v/v) 1-пентанола, в течение 45 мин. После отстаивания суспензии осадок отделяли декантацией и прибавляли к нему 5 мл раствора бетаина II, содержащего 0,01 моль/л ДСН при рН 12. При этом раствор обесцвечивался, а сорбент С18 окрашивался в насыщенно фиолетовый цвет. Окраску суспензии визуально сравнивали с окраской суспензии, приготовленной таким же способом при температуре 25 ^оC. При поддержании соответствующей температуры вид системы не менялся по прошествии 1 ч.

Выводы и предложения. Таким образом, для зондирования модифицированной поверхности С18 стандартный индикатор Райхардта подходит лучше, чем более гидрофильные индикаторы VІІІ, ХІ и V. При комнатной температуре поверхность С18, модифицированная мицеллярным раствором ДСН, является менее полярной средой, чем поверхность мицелл ДСН в водном растворе, и близка по полярности к поверхности мицелл ДСН, содержащих 1-пентанол как ко-ПАВ. Применение сольватохромного индикатора бетаина ІІ позволило четко зарегистрировать различия в полярности поверхности октадецилсиликагеля, модифицированного компонентами мицеллярного раствора в зависимости от температуры. В условиях МЖХ модифицированный привитой слой С18 становится менее полярным, по сравнению с аналогичным при комнатной температуре, что соответствует представлениям о «плавлении» привитого слоя, вследствие чего он становится более похожим на неполярную жидкость.

Список использованных источников

1. Reichardt C. Solute/solvent interactions and their empirical determination by means of solvatochromic dyes / C. Reichardt, S. Asharin-Fard, A. Blum, M. Eschner, A.-M. Mehranpour, P. Milart, T. Niem, G. Schäfer, M. Wilk // Pure & Appl. Chem. – 1993. – Vol. 65, № 12. – P. 2593-2601.

2. Райхардт К. Растворители и эффекты среды в органической химии : [пер. с англ.] / К. Райхардт. – М. : Мир, 1991. – 763 с.

3. Водолазкая Н. А. Протолитические равновесия в мицеллярных растворах поверхностно-активных веществ : дис. … канд. хим. наук : 02.00.04 / Наталья Александровна Водолазкая. – Х., 2001. – 260 с.

4. Reichardt С. Solvent polarity – what is it and how can we measure it? / С. Reichardt // Вестник Харьк. ун-та. –1999. – № 437. – Вып. 3 (26). – С. 9-16.

5. Мчедлов-Петросян Н. О. Дифференцирование силы органических кислот в истинных и организованных растворах / Н. О. Мчедлов-Петросян. – Х. : Издательство Харьковского национального университета имени В. Н. Каразина, 2004. – 326 с.

6. Наукова бібліотека ЧНТУ © 2012