п молекул моносахаридов—(n—1)Н2О à1 молекула полисахарида

В зависимости от молекулярной массы и свойств полисахариды делят на две группы:

1. Олигосахариды (от греческого слова олигос — немногий) — низкомолекулярные полисахариды, молекула которых при гидролизе образует небольшое число молекул моносахаридов. Они растворимы в воде, способны кристаллизоваться, часто обладают, подобно моносахаридам, сладким вкусом.

2. Высшие полисахариды — высокомолекулярные вещества, мало растворимые или совсем нерастворимыев воде, в большинстве случаев не кристаллизуются и не обладают сладким вкусом. Четкой границы между олигосахаридами и высшими полиозами не существует — все они представляют собой непрерывный ряд полимерогомологов с постепенно увеличивающейся степенью полимеризации. Обычно к олигосахаридам относят полисахариды со степенью полимеризации до 8—10.

Разделение полисахаридов на группы олигосахаридов и высших полиоз оправдано не только с позиций оценки их молекулярной массы и указанных различий свойств, но и с позиции техники их исследования. Если при изучении олигосахаридов применяются обычные классические методы органической химии, то при исследовании высших полиоз помимо названных методов используются и приемы работы с высокополимерами. (Примеры: крахмал, целлюлоза). /3/

ВЫДЕЛЕНИЕ И ОЧИСТКА УГЛЕВОДОВ /3/

Выделение и очистка высших полиоз и углеводсодержащих биополимеров представляет собой исключительно трудную задачу. В  природных условиях эти соединения находятся в виде сложных смесей с низкомолекулярными веществами, молекулами неуглеводной природы, наконец, с другими высокополимерными углеводами. Трудности возрастают в связи с тем, что, будучи весьма лабильными веществами, полисахариды под влиянием даже слабых воздействий легко подвергаются различным изменениям: часто происходят их деполимеризация, окисление и другие изменения. Факторами, вызывающими такие изменения, помимо применяемых реагентов (обычно щелочной или кислой природы) являются кислород воздуха (в связи с этим иногда выделение приходится вести в атмосфере азота), ферменты, находящиеся в клетке, часто связанные с самими полисахаридами (как, например, фэсфорилаза и амилаза, связанные с гранулами крахмала).

ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ /4/

Основные принципы физического разделения

С разделением веществ приходится сталкиваться при каждом химическом синтезе, и оно является обычной стадией анализа. Как правило, разделение должно предшествовать идентификации вещества.

Разделение относительно просто, если отдельные компоненты смеси находятся в различных фазах. В этом случае оно может быть достигнуто фильтрацией, осаждением, центрифугированием и т. д. Напротив, если несколько веществ находятся в одной фазе, то нужно добиваться либо образования новой фазы путем химического превращения (например, перевода в осадок), либо применять физические методы разделения.

Физические методы разделения основаны на использовании кинетических явлений или фазовых равновесий. Фазовые равновесия лежат в основе таких методов разделения, как дистилляция, сублимация, кристаллизация, экстракция и адсорбция из газообразной или жидкой фазы. В этих процессах молекулы разделяемых веществ переходят через границу раздела фаз в обоих направлениях, причем они стремятся к такому состоянию распределения, при котором, несмотря на продолжающееся молекулярное движение через границу, в каждой из фаз устанавливается постоянная концентрация составляющих веществ.

В других методах разделения, где используются кинетические явления (например, при молекулярной дистилляции или диализе), напротив, происходит перенос вещества через поверхность раздела фаз по меньшей мере за счет одного сорта молекул и только в одном направлении, потому что перешедшие через границу молекулы удаляются от нее. Такие методы разделения имеют незначительную эффективность.

Если разделяемые компоненты мало различаются в отношении свойств, решающих для выбранного метода (например, давление пара, растворимость, адсорбируемость или размер молекул), то концентрирования вещества практически не происходит. В этом случае достаточного разделения можно достигнуть путем многократного использования элементарного акта разделения. Наглядным примером такого процесса может служить многократная экстракция. При дистилляции в ректификационной колонне с насадкой или тарелками также осуществляется ряд последовательных равновесных состояний между жидкостью и паром. Увеличение числа элементарных актов разделения ограничивается требованиями, которые предъявляются ко времени разделения, размерам аппаратуры и соответственно к расходу веществ. Кроме того, высокого обогащения одной из равновесных фаз желательным компонентом достигают только для простых (не выше тройных) систем. В случае многокомпонентных смесей наряду с чистыми веществами всегда получаются смешанные фракции.

Основной принцип хроматографического разделения

Значительное повышение степени разделения возможно, если эффект, вызванный повторным установлением фазовых равновесий, налагается на разделяющий эффект, обусловленный кинетическими явлениями. В данном случае улавливание и удаление молекул, выходящих с поверхности раздела фаз (из неподвижной фазы), осуществляется благодаря постоянному движению одной из фаз (а именно подвижной фазы). Выходящие из неподвижной фазы молекулы, как и при фазовом равновесии, попадают в нее снова, однако при достаточно быстром движении подвижной фазы они не достигают прежнего элемента объема неподвижной фазы, а попадают в ближайший элемент объема в направлении потока.

Высокая эффективность разделения может быть достигнута только благодаря частым фазовым переходам, поэтому неподвижная и подвижная фазы должны иметь большую поверхность соприкосновения, а внешние условия должны быть выбраны так, чтобы молекулы разделяемых веществ были способны к быстрому обмену между двумя фазами. Так как эффективность разделения снижается вследствие диффузионных явлений, то обе фазы всюду должны иметь небольшую толщину слоя, а поток подвижной фазы должен быть ламинарным.

Эти требования в первом приближении проще всего осуществляются, например, если подвижная фаза протекает под действием перепада давления в трубке, наполненной мелко раздробленным сорбентом в качестве неподвижной фазы. Такая трубка, наполненная сорбентом, называется хроматографической колонкой (подобно ректификационной колонке в случае дистилляции). Подлежащая разделению смесь вводится в подвижную фазу и вместе с ней поступает в колонку. Там каждый из компонентов смеси стремится распределиться между подвижной фазой и сорбентом в определенном отношении, соответствующем его адсорбируемости. Однако еще до того, как такое распределение успеет произойти, некоторая часть компонента в подвижной фазе продвинется дальше и на другом элементе поверхности неподвижной фазы должно возникнуть уже новое соотношение концентрации. Истинное равновесие между двумя фазами достигается в тем меньшей степени, чем больше скорость подвижной фазы. Так как компоненты смеси, погло­щенные в данный момент сорбентом, не участвуют в движении подвижной фазы, то каждому из них для прохождения колонки в общем требуется больше времени, чем для любой из молекул подвижной фазы. Разделение смеси достигается, если компоненты смеси обладают различными коэффициентами распределения между обеими фазами, т. е. если неподвижная фаза по-разному препятствует их прохождению по колонке.

Разделение веществ, основанное на этом принципе, называют хроматографией (что при буквальном переводе на русский означает «цветописание»). Первое хроматографическое разделение провел русский ботаник Цвет (1903 г.), который разделил этим способом хлорофилл на отдельные окрашенные компоненты.

В настоящее время хроматография применяется со многими методическими изменениями, которые имеют одну общую основу: разделение происходит вследствие частого перехода молекул отдельных компонентов смеси между двумя фазами, из которых одна является неподвижной фазой с развитой поверхностью, а вторая фаза (подвижная) перемещается относительно нее. Благодаря различному распределению разделяемых веществ между неподвижной и подвижной фазами они испытывают разное замедление в своем движении вдоль колонки.

РАЗЛИЧНЫЕ ВИДЫ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ

Подвижная и неподвижная фазы могут быть образованы различными веществами. В зависимости от их свойств и вида воздействия на разделяемые вещества различаются и виды хроматографии. Подвижная фаза, естественно, должна быть образована только веществами малой вязкости — газами или маловязкими жидкостями, причем хроматография с газообразной или жидкой подвижными фазами имеет совершенно разное экспериментальное оформление и различается по элементарным процессам.

С этим обстоятельством связано разделение хроматографии на два основных вида. По агрегатному состоянию подвижной фазы различают газовую хромато­графию и жидкостную хроматографию.

Жидкая подвижная фаза в вертикальной колонке может протекать под действием собственного веса. Поскольку скорость диффузии разделяемых веществ в жидкости невелика по сравнению со скоростью диффузии в газе, то жидкую подвижную фазу необходимо пропускать через колонку медленно. Это влечет за собой увеличение продолжительности анализа, но позволяет также увеличить диаметр колонки и количество пробы без потери эффективности разделения. Напротив высокая скорость диффузии в случае газообразной подвижной фазы позволяет увеличить скорость потока этой фазы (можно работать с колонками с длиной более 10м) и уменьшить количество пробы и диаметр колонки. В этих условиях может быть достигнута значительно более высокая эффективность разделения, чем в случае жидкой подвижной фазы, так называемой разделяющей жидкости. Это явление аналогично экстракции, при которой  также осуществляется  распределительное  равновесие.

Преимущество распределительной хроматографии состоит, во-первых, в том, что жидких неподвижных фаз с различными свойствами намного больше, чем адсорбентов, и, во-вторых, в том, что в данном случае неподвижная фаза обладает гомогенной поверхностью, тогда как поверхность даже самых лучших адсорбентов содержит различные центры повышенной адсорбционной способности. Эта неоднородность поверхности адсорбента препятствует равномерной адсорбции или десорбции, снижая тем самым эффективность разделения колонки и, кроме того, делая почти невозможным разделение сильно адсорбируемых веществ. В случае жидкой неподвижной фазы, напротив, сильно адсорбируемые вещества могут быть разделены без труда. Так как имеются неподвижные фазы самой различной полярности, то в настоящее время хроматография может быть применена практически ко всем веществам, поскольку они в какой-то степени растворимы и летучи. Чтобы осуществить хроматографическое разделение пары веществ, доста­точно иметь подходящую неподвижную фазу, в которой данные компоненты имели бы различную растворимость.Хотя распределительная хроматография была открыта как метод жидкостной хроматографии, преимущества ее полностью проявились только при использовании в газовой хроматографии, для которой характерны высокая разделяющая способность, малая величина проб и широкая область температур. Идея распределительной хроматографии с газообразной подвижной фазой была высказана еще Мартином и Сингом в 1941 г., но эксперимен­тально развита только Джеймсом и Мартином в 1952 г.

Для специальных целей разделения представляет интерес такой вид распределительной хроматографии, при котором используется различная способность компонентов к обратимому комплексообразованию с неподвижной фазой или с добавленным к ней веществом. Этот вид хроматографии (хроматография, основанная на комплексообразовании) делает возможным селективное разделение индивидуальных веществ или классов соединений.

Как показали Кремер и Мюллер (1951г), при применении адсорбентов в качестве неподвижной фазы в некоторых случаях переход вещества про­исходит не между подвижной фазой и адсорбентом, а между подвижной фазой и адсорбционным слоем, покрывающим адсорбент (хроматография с использованием адсорбционных слоев). Розелиус (1957) добился разделения инертных газов на адсорбционном слое из двуокиси углерода. Следовательно, неподвижной фазой в данном случае был газ.

Описанные виды хроматографии почти все экспериментально осуще­ствлены как с газообразной, так и с жидкой подвижными фазами. Целесооб­разно принять следующие их названия: распределительная газовая хроматография, газоадсорбционная хроматография  на  молекулярных ситах, адсорбционно-жидкостная хроматография, обменно-жидкостная хроматография.

На практике наблюдаются многочисленные промежуточные виды хро­матографии. Хроматография, основанная на комплексообразовании, всегда связывается с распределительной хроматографией, потому что комплексообразователь находится в жидкости. Между адсорбционной и распределительной хроматографиями не существует резкого разграничения. С одной стороны, на поверхности носителя, как покрытой, так и не покрытой жидкостью, может иметь место адсорбция, с другой — адсорбционную хроматографию можно частично приблизить к распределительной путем модификации адсорбентов. Примером этого может служить хроматография на адсорбционных слоях. Наконец, при низких температурах колонок может проявиться адсорбция на поверхности жидкой неподвижной фазы.

Четкое разграничение отдельных видов хроматографии, очевидно, невозможно. Дести (1957) предложил в связи с этим классификацию только на основе агрегатного состояния обеих фаз:

хроматография газ — жидкость (ГЖХ),

хроматография газ — твердое тело  (ГТХ),

хроматография жидкость — жидкость  (ЖЖХ),

хроматография жидкость — твердое тело  (ЖТХ).

Принцип действия жидкостного хроматографа

Рис. 2 Схема жидкостного хроматографа.

Любой жидкостной хроматограф состоит из следующих частей:

1 — насос;

2 — узел ввода пробы;

3 — хроматографическая колонка;

4 — детектор;

5 — регистратор (самописец, интегратор или компьютер);

6 — термостат колонок;

7 — узел подготовки элюента с емкостями для элюента;

8 — слив элюата или коллектор фракций.

Принцип действия хроматографа заключается в следующем: раствор анализируемой смеси с помощью УЗЛА ВВОДА ПРОБЫ вводится в верхнюю часть хроматографической КОЛОНКИ. С помощь НАСОСА анализируемая смесь прокачивается элюентом через хромотографическую КОЛОНКУ, в которой происходит разделение анализируемой смеси на отдельные вещества (компоненты). Вытекающий из колонки ЭЛЮАТ, содержащий отдельные компоненты анализируемой смеси, детектируется ДЕТЕКТОРОМ, показания которого регистрируются РЕГИСТРАТОРОМ.

Рис.3. Схема  газохроматографической  установки.

1 — баллон со сжатым газом-носителем; 2 — вентиль; 3 — регулятор и измеритель скорости газа-носителя; 4 — дозатор; ,5 — проба; 6 — хроматографическая колонка; 7 — детектор; 8 — выход газа; 9 — питание детектора; 10 — преобразователь сигналов; 11 — ленточный самописец; 12 — терморегулятор; 13 — термостат.

ПРИМЕРЫ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЕ УГЛЕВОДОВ

1. Хроматография на колонках с углем/5/

Колоночная хроматография на угле была впервые описана в 1950 г.Уистлером и Дерсо. Они использовали этот метод для разделения углеводов на классы в зависимости от степени их полимеризации, т. е. моносахариды, дисахариды, трисахариды и т. д.

Согласно работе, разделение проводилось как ступенчатое элюирование углеводов водным спиртом из колонки, содержащей смесь угля с целитом. Этот метод получил распространение и особенно широко применялся для разделения серии гомологичных олигосахаридов. Однако разделения более сложных смесей, например олигосахаридов одного и того же класса, необходимо градиентное элюирование.

Хроматография на колонках с углем пригодна не только для разделения олигосахаридов, она также применялась для разделения кислых углеводов, многоатомных спиртов и их ацетатов, олигосахаридов, содержащих аминосахара, и метиловых эфиров сахаров. В каждом случае  хроматография на угольных колонках, по-видимому, превосходит все другие методы, так как позволяет добиться желаемого разделения; однако, если нужно разделить сложную смесь, обычно необходимо предварительное градиентное элюирование. Новый метод разделения дисахаридов был опубликован в 1955 г.; он основан на способности некоторых дисахаридов образовывать в мягких условиях метилфуранозиды. Эти метилглюкозиды абсорбируются сильнее свободных сахаров.

Хроматография на угольной колонке удобна еще и тем, что угольная колонка обладает высокой емкостью, а это позволяет количественно выделить компоненты и разделить большие количества материала. На эффективность разделения не влияет присутствие неорганических солей или степень разведения раствора сахара. В лабораториях некоторых исследователей для дезактивации угля применялась концентрированная соляная кислота. Элм, Вильямс и Тизелиус насыщали уголь стеариновой кислотой (1% кислоты в 96%-ном спирте). Предварительная дезактивация или насыщение увеличивает возврат введенных в колонку веществ почти до 100%, позволяет элюировать сильно адсорбирующиеся высшие олигосахариды и улучшает разрешение зон. Чтобы исключить малое количество растворенного неорганического вещества, вносимое с наполнителем, указанные авторы часто считали удобным готовить колонки без целита. Если исключить целит проведение операций значительно упрощается в том случае, когда вместе целита применяют уголь двух степеней измельчения: смесь крупнозернистого угля и обычного дарко G-60.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5