ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЙ КАЧЕСТВЕННЫЙ И КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ СМЕСЕЙ СМОЛЯНЫХ КИСЛОТ
Хроматография является физическим методом разделения, при котором вещества, подлежащие разделению, распределены между двумя фазами. Одна из этих фаз неподвижна, а другая подвижна и фильтруется сквозь слой неподвижной фазы. В современной лабораторной практике хроматографический анализ смесей занимает значительное место.
Со времени, когда М. С. Цвет впервые применил хроматографию (1903 г.), прошло несколько десятков лет, но благодаря тому, что этот метод оказался почти универсальным, пригодным для анализа трудно разделимых природных смесей, он получил широкое развитие.
Сейчас известно несколько методов хроматографического анализа. С 1931 г. метод адсорбционной хроматографии прочно вошел в лабораторную практику. С 1941 г. появилась модификация метода хроматографии в виде распределительной хроматографии, а с 1944 г. как часть метода распределительной хроматографии стала применяться хроматография на бумаге (в своей примитивной форме), первоначально называвшаяся капиллярным анализом. Кроме того, особое место занимает газораспределительная хроматография. С 1950 г. этот метод хро - мптографии, быстро развившись, оформился в один из наиболее замечательных аналитических методов. Каждый из перечисленных методов имеет многочисленные вариации. Изучение литературы по хроматографии показывает, что смеси веществ, которые еще несколько лет назад казались неразделимыми, легко разделяются современными методами хроматографического анализа. Это можно продемонстрировать и на примерах разделения компонентов живицы.
Первая попытка применить хроматографирование в виде капиллярного анализа на фильтровальной бумаге для исследования натуральных смол была сделана Штоком в 1927 г.
В 1952 г. Д. С. Миле и А. Е. Вернер {139] показали, что такие природные смолы, как тропические копалы, венецианский терпентин и канифоль, можно разделить на фракции при помощи бумажной распределительной хроматографии.
Для исследования природных смол была использована фильтровальная хроматографическая бумага, предварительно обработанная 25%-ным раствором очищенного керосина (темп. кип. 180—280° С) в диэтиловом эфире, отжатая между листами сухой фильтровальной бумаги и высушенная на' воздухе. Неподвижным растворителем была вода; подвижным растворителем— смесь 7,5 ч/изопропанола, 2,5 ч. воды и 1 ч. керосина. Около 0,2 кг смолы растворялось в ацетоне или хлороформе и наносилось на стартовую точку. Хроматографирование производилось в атмосфере паров растворителя при 21° С и заканчивалось через 24 ч, когда фронт растворителя передвигался на 25 см.
Фракции смолы проявлялись на бумажной ленте в виде «крашенных пятен (от желтых до синих) после опрыскивания •сухой хроматограммы насыщенным раствором фенола в четы - реххлористом углероде с последующей обработкой парами •брома или в виде синих и лиловый пятен после обработки парами хлористого тионила, содержащего 20% хлористого олова.
В работе дана хроматограмма тропической смолы — даммара, на которой было проявлено пять пятен. Обычно пятна на хроматограмме характеризуются величиной Rf, представляющей собой отношение расстояний, пройденных каждым компонентом, к расстоянию, пройденному фронтом растворителя от места нанесения исследуемого вещества. Авторы [139] делают •следующие выводы: пятна с наименьшим значением Rf относятся к неполярным компонентам смолы типа р-резена, со средними значениями Rf — к кетонам и спиртам, а с наивысшими значениями Rf (0,8 и 0,9) к кислотным компонентам.
В работе Б. П. Смирнова и В. С. Сидорова [85] описан оригинальный микрометод анализа смоляных кислот, разработанный на основе достижений в области распределительной хрома гографии на бумаге с использованием для анализа радиоактив пых изотопов.
Принцип предложенного метода состоит в хроматографиче- ском разделении смоляных кислот на бумаге в виде метиловых эфиров, меченных радиоактивным углеродом С14 по метальной группе с последующей радиоавтографией хроматограмм.
В качестве метилирующего агента применялся радиоактивный диазометан, полученный из нитрозометил-Си-мочевины.
Синтезированные меченые метиловые эфиры смоляных ки слот разделялись на гидрофобной хроматографической бумаге при помощи смеси этилового спирта и ацетона. Высушенные хроматограммы с разделенными, но невидимыми на них пятнами эфиров смоляных кислот закладывались в кассеты с рентгеновской пленкой на определенный срок. На проявленных пленках в местах, соответствующих фракциям эфиров смоляных кислот, появлялись черные пятна. Степень почернения этих пятен пропорциональна количеству радиоактивного вещества. Определяя степень почернения пятен при помощи регистрирующего микрофотометра, можно легко определить количественные соотношения, в которых разделенные пятна относятся друг к другу. Зная же исходное количество нанесенных на хроматограмму веществ, можно определить абсолютное количество в пятне метилового эфира смоляной кислоты.
При хроматографировании использовалась хроматографиче- ская бумага Ленинградской фабрики им. Володарского. Листы чроматографической бумаги протягивались через раствор хлороформа, содержащий 3—5% вазелина. Количество вазелина, содержавшегося в бумаге, составляло 8—12% от веса необработанной бумаги.
Для хроматографического разделения эфиров смоляных кислот применялся раствор этилового спирта и ацетона в соотношениях 1:1; 9:1; 2:9.
Техника хроматографического разделения была следующая: На полоски гидрофобизированной хроматографической бумаги шириной 2 и длиной 40—50 см на расстоянии 6 см от края ленты наносилось 0,01—0,03 мг смеси метиловых эфиров смоляных кислот, что соответствовало 450—1300 импульсов в минуту. Затем полоску бумаги помещали в камеру для нисходящей хроматографии, на дно камеры наливали растворитель и проводили разделение в течение 24—30 ч при комнатной температуре, не допуская стекания растворителя с бумаги.
Для качественной характеристики состава смоляных кислот сосны и ели было проанализировано четыре образца живицы сосны и один образец живицы ели. Один из образцов живицы сосны был собран с карры, обработанной серной кислотой. Последний образец живицы сосны был проанализирован после 3 месяцев хранения в бюксе при 0° С.
Хроматограммы кислой части живицы сосны и ели давали JРи пятна с несколько колеблющейся величиной Rj. В качестве примера можно привести хроматограмму с Rf пятен 0,71, 0,80, 0,95. Для эфира абиетиновой кислоты было определено Rf, равное 0,75. Живица, обработанная кислотой, давала также три пятна, но пятно с Rf, равное 0,71, имело более интенсивную окраску, а пятна с другими Rf — менее интенсивные окраски, чем для обычной живицы. Ясно, что интенсивность пятен С Rf 0,80 и 0,95 ослабла за счет изомеризации других смоляных кислот в абиетиновую кислоту.
Интересные результаты были получены для живицы, хранившейся 3 месяца при 0° С. Этот образец метилировали диазометаном, удельная активность которого была в 10 раз выше. Хроматографирование этого образца показало, что на радиоавтограммах проявилось 7 пятен с Rf 0,3; 0,5; 0,6; 0,7; 0,81; 0,86; 0,96. Данный опыт не был повторен, поэтому еще трудне сказать, присутствовали ли появившиеся кислотные компоненты в свежесобранной живице или же они появились при длительном стоянии смоляных кислот живицы. Кроме того, дополнительно выявлены три фракции с малыми значениями Rf вполне вероятно, что они соответствуют высшим жирным кислотам, присутствующим в живице хвойных древесных пород.
В кислой части живицы ели Picea excelsa было найдено во фракции с Rf 0,95 (левопимаровая и другие кислоты) 40,6%. во фракции с Rf 0,8—25,4%, во фракции Rf 0,75, содержащей в основном абиетиновую кислоту, 34,0% смоляных кислот.
В кислой части живицы сосны Pinus silvestris было найдено во фракции с Rf 0,95 приблизительно 39%, во фракции с Rf 0,8 — 24% и во фракции с Rf 0,75 — 37% смоляных кислот.
Первое разделение смеси смоляных кислот методом адсорбционной хроматографии на колонке относится к 1944 г. В этом году Г. Пэпс и Д. Отмер [141], применив колонку, заполненную гранулами активированного угля, произвели разделение гидрогенизированного таллового масла на две фракции.
В качестве растворителя для гидрогенизированного таллового масла применили нитропропан. Этим же растворителем производилось и проявление хроматограммы. Первой в фильтрате была выделена смесь смоляных кислот (абиетиновая кислота), второй фракцией была выделена смесь гидрогенизиро- ванных лшрных кислот.
В 1954 г. Д. С. Миле и А. Е. А. Вэрнер [139] сообщили, что применявшийся ими ранее метод бумажной распределительной хроматографии они использовали для изучения процесса распределения компонентов, составляющих смолу — даммар, при распределительной хроматографии на колонке, заполненной окисью алюминия. Было замечено, что смоляные кислоты с различной степенью ненасыщенности, такие, как дегидроабиетино - ная и декстропимаровая разделяются на колонке с кизельгуром, предварительно обработанным дихлордиамилсиланом, с использованием в качестве подвижного растворителя смеси, содержащей 75 ч. ацетона, 25 ч. воды и 0,15 ч. циклогексана. При этом отмечено, что абиетиновая и декстропимаровая кислоты в этих условиях не разделяются.
В 1955 г. В. М. Леблиху, Д. Е. Болдвину и Р. В. Лауренсу [135] удалось методом распределительной хроматографии на колонке разделить искусственную смесь смоляных кислот, а затем показать состав живицы американской сосны (P. palustris).
Разделение смеси смоляных кислот производилось на хро- матографической колонке диаметром 31 мм и высотой 1200 мм, Заполненной носителем — силнкагелем. В качестве неподвижного растворителя использовали смесь из а-аминопиридина и фурфурилового спирта, а в качестве неподвижного — изооктан. Проявителем был для первых 80 фракций изооктан, а для последних 30 фракций смесь, состоящая из 25% бензола и 75% изооктана.
Фильтрат титровался 0,01 н. едким натром. На основании данных титрования строился график, на оси ординат которого откладывалось количество миллилитров щелочи, израсходованной на титрование фракций, а на оси абсцисс — количество фракций.
Для искусственной смеси было получено 4 пика. В первом пике оказалась смесь ди - и тетрагидроабиетиновых кислот. Во втором совместно оттитровались 4 кислоты (декстропимаровая, изодекстропимаровая, левопимаровая и абиетиновая). В третьем пике находилась индивидуальная неоабиетиновая кислота, и в четвертом — дегидроабиетиновая кислота.
При титровании живицы получился график с девятью пиками. Авторы [1351 сделали вывод, что кроме 8 идентифицированных смоляных кислот в живице содержится по крайней мере пять кислот, характеристика которых еще никем не дана.
Одну из новых кислот они изолировали и назвали палю- стровой кислотой. Очищенная кислота имела темп. пл. 162— 167° С, [аЬ +71,8° и ультрафиолетовый абсорбционный максимум 265—266 Ш|х.
Следом за В. М. Леблихом и его сотрудниками, X. X. Брун, С. Госланд и Г. Лундквист [116] в 1959 г. произвели разделение живицы сосны P. silvestris и ели Picea excelsa с целью выделения палюстровой кислоты. Разделение живицы производилось методом распределительной хроматографии на колонке, заполненной силикагелем. Палюстровой кислоты в сосновой живице было найдено 15%, а в еловой —21% от общего содержания смоляных кислот.
По данным В. М. Леблиха и Р. В. Лауренса [137], в кислотной части коммерческой американской диенронорционироваиной канифоли найдено кислот (в %):
Дигидро-тетрагидроабиетиновых, дигидро - декстропимаровой и других нендентифи-
TOC o "1-3" h z цированных. . .................................................... 26—40
Дегидроабиетиновой. .... 51—59
Неидентифицироианных . 11—23
Начиная с 1960 г. И. И. Бардышев с сотр. провели серию анализов смоляных кислот живиц и канифолей [17, 82, 106]. Смесь смоляных кислот хроматографировали в колонке. Как и в работе В. М. Леблиха, Д. Е. Болдвина и Р. В. Лауренса [135J носителем служила кремниевая кислота, неподвижным растворителем— смесь а-аминопиридина и фурфурилового спирта, подвижным растворителем — изооктан. Контроль за разделением кислот проводили путем титрования фракций 0,01 н. спиртовым раствором едкого кали.
В последнее время (1963 г.) И. И. Бардышев, X. А. Черчес и Л. А. Меерсон [18] предложили усовершенствованный метод количественного хроматографирования.
Контроль за разделением проводили интерферометрически. Фракции, входящие в отдельную зону, выявленную по пику показаний интерферометра ИТР-2, объединяли и количественно осаждали циклогексиламином. Циклогексиламиновые соли различных зон хроматограммы подвергали спектрофотометриче - скому исследованию. Наконец, содержание отдельных кислот В зоне рассчитывалось по формулам, выведенным на основании различия величины коэффициента удельного поглощения света о в ультрафиолетовой части для чистых солей и их смесей. . Для циклогексиламиновой соли палюстровой кислоты максимальное поглощение света наблюдается при длине волны 266 тр., когда а равен 22,1.
Так как соль абиетиновой кислоты из последующего пика не поглощает свет при 266 тр., то процентное содержание в смеси палюстровой кислоты (Спал) может быть вычислено по очень простой формуле:
^пал — 22 і 0,-266 СМЕСИ ~ ^'"-^гвв (О
Декстропимаровая и и зодекстропимаро в а я кислоты определялись в зонах по разности.
Для циклогексиламиновой соли абиетиновой кислоты при 241 тц аМакс равно 59,7. Для соли палюстровой кислоты поглощение света при 241 Пі|і равно половине максимального поглощения света при 266 mji. Отсюда формула для вычисления процентного содержания соли абиетиновой кислоты (Сабист) будет иметь следующий вид:
Процентное содержание соли левопимаровой кислоты (Слсвопимар.) в смеси рассчитывали при сі282т так как при меньших длинах волн соль неоабиетиновой кислоты сильно поглощает свет. Содержание левопимаровой кислоты лучше рассчитывать по разности ct282—азоо - Для соли левопимаровой кислоты а2в2—«зоо^9,82, следовательно:
СЛевоп„маР. = Ю,18а282-а300. (3)
Процентное содержание абиетиновой кислоты может быть рассчитано в двух случаях: смесь содержит соли палюстровой, абиетиновой и не поглощающих свет кислот — формула (2), и смесь содержит соли левопимаровой, абиетиновой, неоаби - етиновой кислот и соли кислот, не поглощающих свет при длинах волн 230—300 Ш(і. В этом случае приходится делать довольно сложные расчеты. Во-первых, определять суммарное содержание солей абиетиновой и неоабиетиновой КИСЛОТ (Сабист. "I" + Спсоабиет.) • Эта сумма может быть определена по коэффициенту удельного поглощения смеси при 243 Ш|і. При этой длине волны соли обеих кислот обладают одинаковым поглощением (изобестическая точка).
При расчете необходимо учитывать, что для соли левопимаровой кислоты аг® равно 4,82 и поэтому коэффициент удельного поглощения, обусловленный присутствием только солей абиетиновой и неоабиетиновой кислот, будет
4.82 г
243 JQQ ' ^левопнм.
Подставив значение СЛСВошш из уравнения (3) и учитывая, что коэффициент удельного поглощения солей абиетиновой и неоабиетиновой кислот в изобестической точке равен 56,5, получаем:
Сабнет. + С„еоаС„сх. = 1 >77а243 - 0,87 (аш - аж) . (4)
Различие в значениях а солей абиетиновой и неоабиетиновой кислот при 250 Ш|х позволяет определить содержание солей этих кислот в отдельности. Для солей неоабиетиновой и
Абиетиновой кислот отношение соответственно равно
«843
1,075 и 0,675.
На основании этого можно сделать вывод, что если величина ^ 0,675 равна нулю, то в бинарной смеси солей неоабиетиновой и абиетиновой кислот СПСоабиет. равно нулю.
Если же ----------- 0,675 равно 0,4, то содержание соли неоа-
Аия
Биетиновой кислоты составляет 100%. Таким образом, процентное содержание соли неоабиетииовой кислоты в указанной смеси может быть определено из соотношения:
— 0,675
С „ ---------- 100. (4а)
Нєоабиєт. о 4 v '
После дальнейших преобразований для второго случая содержание соли абиетиновой кислоты в смеси
СаСВєт. = 4,77а2ЛЗ-4,43а250+ 0,92(а282-а300) (5)
и содержание неоабиетиповой
Сисоаб„ет. = 4,33а250 _3,00амз_ 1,79(«282-<хзсю) . (6)
Вид хвойных |
Кислоты, % |
||||||
Палюстровая |
Дикстропимаро - вая и др,, ни имеющие характерных максимумов поглощения в УФ части спектра |
Абиетиновая | |
К 03 3 О Сх Г S ас О сз о 4 |
С5 Ей О X К t - <D SS Ю Со О CD К |
| дегидроабиети - новая |
Имеющая максимум поглощения при 233 ММК | |
|
Сосиа обыкновенная (Pinus Sil- Vestris).................................................. Ель обыкновенная (Picea Excelsa Link.)................................................. Сосна Массоиова (Pinus masso- Niana)................................................. Сосиа крымская (Pinus pallasia- Na Lamb.)........................................... Сосна пицуидская (Pinus piihyu- Sa Stev.).............................................. Сосна—гибрид сосиы крымской И сосиы пицуидской.......................... Сосиа эльдарская (Pinus Eldarica Medw.)................................................ Сосиа крючковатая (Pinus Ha- Mata).................................................. Кедр сибирский (Pinus sitirica (Rypr.) Mayr.).................................... Лиственница сибирская (Larix Sibirica Lab.)......................................... |
12 17 35 16 19 21 ЗО 17 3 16 |
20 17 11 28 21 25 31 25 44 36 |
17 8 5,5 13 37 9 29 10 32 32 |
36 37 39 18 3 20 2 24 0,5'г 0,5? |
10 7 3 13 2 15 3 8 1,5 8 |
5 14 5 12 18 10 5 16 4 4 |
1.5 15 3.5 |
Дегидроабиетиновая кислота считается в своей зоне индивидуальной. Используя разработанный метод расчета, И. И. Бар - дышев, X. А. Черчес и сотр. [17, 18, 82 106] рассчитали количественный состав смесей смоляных кислот, выделенных из живиц различных хвойных (табл. 29), и количественный состав смесей смоляных кислот, выделенных из различных видов ка- нифолей (табл. 30), приведенный в %. Как видно ил таґ>л. 29 и 30, качественный состав смесей смоляных кислот одинаков, а количественный сильно варьирует. Особенно резко это различие выявляется, если сравнить состав живицы и получающейся из нее канифоли. Это становится еще более понятным, если проследить процесс изомеризации смоляных кислот при производстве канифоли. И. И. Бардышев и О. Т. Ткаченко [9] изучили изомеризацию смоляных кислот сосновой живицы при производстве канифоли на Борисовском лесохимическом заводе. Результаты анализа даны в табл. 31.
На основании данных табл. 31 можно сделать следующее заключение. Количество декстропимаровой, изодекстропимаровой и дегидроабиетиновой кислот на всех стадиях переработки живицы остается постоянным. Содержание неоабиетно - вой кислоты несколько уменьшается (на 3%), а палюстровой
"Кивичиая (Борисовский лесохимический завод)
Экстракционная, осветленная (Ново - Белицкий лесохимический комбинат)*
Экстракционная, осветленная (завод
«Вахтаи») *.........................................
Экстракционная, осветленная (Ней - во-Рудяиский лесохимический завод)*
24 16 8 |
43 39 45 |
18 19 26 |
16 13 |
10 8 |
9 19 7 |
21 13 22 |
44 33 27 |
11 11 J |
14 19 42 |
Живичная еловая, осветленная. . . Галловая (Марийский ЦБК) . . . . Смесь смоляных кислот, выделенная из сухоперегоииой сосновой смолы (смолоперегоииые заводы в БССР)
Осветление производили в лабораторных условиях.
Кислота в процессе переработки живицы почти полностью изомеризуется и переходит в основном в абиетиновую кислоту, количество которой возрастает в 2,5 раза. Особенно интенсивно этот процесс протекает на стадии варки. В настоящее время при анализе смол нельзя лбойтись без хроматографических методов анализа.