КАНИФОЛЬ

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:

Сао„сТ^67(а24,--0,5а266) (2)

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)

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)*

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.