Кафедра органической химии ФЕН НГУ представляет

Сценарий:
Техника лабораторных работ по органической химии на ВИДЕО. Колоночная и
тонкослойная хроматография.
Авторы: Чуканов Н. В., Беккер К. С., Воробьев А. Ю.
Заставка:
Слайд с надписями:
" Техника лабораторных работ по органической химии на ВИДЕО. Колоночная и
тонкослойная хроматография."
" Чуканов Н. В., Беккер К. С., Воробьев А. Ю."
" Пособие разработано в рамках реализации Программы развития НИУ-НГУ "
Часть первая. Введение.
В кадре слайды презентации о хроматографии.
Голос за кадром:
Слайд 1.
Хроматография, по определению ИЮПАК, это физический метод разделения при котором
разделяемые компоненты распределяются между двумя фазами, одна из которых
стационарная, а другая (подвижная фаза) движется в определенном направлении. При
этом разделение происходит за счет различия скоростей движения компонентов пробы в
потоке подвижной фазы. Метод предложил в 1903г. русский ботаник Михаил Семёнович
Цвет для разделения окрашенных пигментов растений. Сегодня хроматография находит
широкое применение в химии для анализа состава и препаративного выделения
индивидуальных веществ из смесей.
Слайд 2.
Хроматографические
методы
классифицируются
по
агрегатному состоянию
используемых фаз: газовая, жидкостная, сверхкритическая флюидная. Кроме того можно
проводить классификацию по механизму взаимодействия веществ пробы с неподвижной
фазой: адсорбционная, ионообменная, распределительная и др.
Слайд 3.
И тонкослойная, и колоночная хроматография являются разновидностью жидкостной
адсорбционной хроматографии.
Слайд 4.
В этом случае, в качестве подвижной фазы используется жидкий растворитель, а
неподвижной фазой является твердый сорбент. Разделение достигается за счет разницы в
сорбции компонентов смеси на поверхности сорбента.
Слайд 5.
В органической химии в качестве сорбентов обычно используется силикагель или окись
алюминия.
Силикагель представляет собой гидратированную окись кремния. Он имеет большую
площадь поверхности, на которой находятся кислые Si-OH группы. Полярные вещества
хорошо адсорбируются на поверхности силикагеля за счет образования водородных
связей или диполь-дипольных взаимодействий.
Слайд 6.
Используемая в качестве сорбента окись алюминия также обладает большой площадью
поверхности. В зависимости от групп на поверхности он может иметь кислый,
нейтральный или основной характер. Кроме того, окись алюминия обладает льюисовской
кислотностью.
Стоит отметить, что активность данных сорбентов существенно зависит от наличия
сорбированной воды. Корректируя ее количество, можно влиять на качество разделения.
Часть вторая. Тонкослойная хроматография.
Сцена 2-1.
В кадре слайд, изображающий вещества до и после очистки.
Голос за кадром:
В ходе проведения химических реакций, зачастую, наряду с целевым продуктом,
образуется ряд побочных. В результате химику предстоит не только осуществлять
контроль за прохождением реакции, но и определить наличие примесей, оценить
возможность разделения смеси. Удобным и доступным методом экспресс-методом
качественного анализа как раз и является тонкослойная хроматография.
Сцена 2-2.
Демонстрация пластин для ТСХ.
Голос за кадром:
Для проведения тонкослойной хроматографии используются коммерчески доступные
пластинки с нанесенным на них сорбентом. Основой пластинок служит пластик,
алюминий или стекло, а в качестве сорбентов чаще всего используются силикагель и
окись алюминия.
Сцена 2-3.
Демонстрация необходимого оборудования и материалов. Действие в кадре совпадает с
комментариями.
Голос за кадром:
Для работы, помимо пластинок, нам потребуются: ножницы, пинцет, простой карандаш,
линейка, капилляры, фильтровальная бумага, хроматографическая камера, мерный
цилиндр и различные проявляющие агенты.
Кроме того, нам понадобятся различные растворители и хроматоскоп – прибор с
встроенной лампой ультрафиолетового света.
Сцена 2-4. Подготовка хроматографической камеры.
Демонстрация подготовки хроматографической камеры. Действие в кадре совпадает с
комментариями.
Голос за кадром:
Хроматографическая камера представляет собой стакан с вертикальными стенками
крышкой. В этот стакан мы помещаем лист фильтровальной бумаги, который должен
максимально полно закрывать изнутри стенки стакана. Затем с помощью мерного
цилиндра отмеряем необходимое количество элюента, который может быть как
индивидуальным растворителем, так и смесью двух и более веществ. Выливаем элюент в
камеру, после чего аккуратными вращательными движениями смачиваем фильтровальную
бумагу на стенках камеры. Это необходимо для равномерного заполнения камеры парами
элюента.
Высота слоя элюента на дне готовой хроматографической камеры должна составлять
около 5 мм.
Сцена 2-5. Подготовка пластинки для ТСХ.
Демонстрация подготовки пластинки для проведения ТСХ-анализа. Действие в кадре
совпадает с комментариями. В конце слайд с оптимальной разметкой пластинки.
Голос за кадром:
В продаже имеются хроматографические пластины различных размеров. Если этот размер
больше необходимого нам, следует из большого листа аккуратно вырезать подходящую
по размеру пластинку. Очень важно использовать для этого острые ножницы и делать
разрез перпендикулярно поверхности пластины – это поможет избежать осыпающихся
краев. Длина пластинки не должна превышать высоту хроматографической камеры, а
ширина выбирается исходя из количества анализируемых образцов.
Как правило, для качественного разделения хватает пластинки в 5-6 см длиной.
Далее пластинку необходимо разметить: линия старта проводится на расстоянии 1 см от
края пластинки, на ней помечаем места нанесения образцов. При этом расстояние от края
пластинки до границы крайней нанесенной пробы должно составлять 5 мм, а границы
остальных нанесенных проб не должны пересекаться между собой.
Линию финиша располагаем на расстоянии полусантиметра от другого края пластинки.
Помните, что при нанесении разметки нельзя надавливать на карандаш, так как это
приведет к повреждению сорбирующего слоя.
Сцена 2-6. Подготовка проб.
Демонстрация приготовления проб для проведения ТСХ-анализа. Действие в кадре
совпадает с комментариями.
Голос за кадром:
Для тонкослойной хроматографии достаточно 1%-ного вещества в легколетучем
органическом растворителе. Чрезмерная концентрация вещества в пробе приводит к
удлинению формы пятна в ходе хроматографирования и затрудняет интерпретацию
хроматограммы.
Сцена 2-7. Нанесение проб.
Демонстрация нанесения проб на ТСХ-пластинку. Действие в кадре совпадает с
комментариями.
Голос за кадром:
Для нанесения проб необходимо взять капилляр, опустить его в раствор анализируемого
образца, а затем прикоснуться к пластинке и подождать, пока содержимое капилляра
впитается в нее. Важно использовать чистый капилляр для каждого нового образца. Если
количество нанесенного вещества покажется малым, процедуру можно повторить. При
этом капилляр следует ставить в ту же точку, что и при первом нанесении.
Сцена 2-8. Хроматографирование.
На видио показывается как помещать пластинку с камеру, далее показан процесс
хроматографирования с комментариями. Действие в кадре совпадает с комментариями.
Голос за кадром:
Помещаем пластинку с нанесенными образцами с помощью пинцета в
хроматографическую камеру, закрываем ее и начинаем следить за фронтом элюента.
Элюент поднимается вверх под действием капиллярных сил. При этом образцы
перемещаются медленнее за счет процессов сорбции-десорбции в тонком слое сорбента.
Разница в скорости перемещения определяется величиной сродства образца к сорбенту, а
также разницей в молекулярной массе образцов.
Как только он коснется финишной линии, хроматографирование следует прекратить.
Вынимаем пластинку из камеры и сушим ее потоком сжатого воздуха.
Сцена 2-9. Определение Rf.
Слайды, демонстрирующие, как необходимо определять Rf, и объясняющие от чего он
зависит с комментариями.
Голос за кадром:
Важной характеристикой вещества является коэффициент удерживания Rf, который
постоянен при идентичных условиях хроматографирования для конкретного вещества.
Давайте посмотрим, как определять Rf применительно к тонкослойной хроматографии.
Сначала измеряем длину от линии старта до центра пятна вещества, на рисунке - В. Затем
измеряем длину от линии старта до фронта растворителя, на рисунке - A. Величина Rf
равна отношению пути, пройденным по пластинке анализируемым веществом к пути
пройденным растворителем.
А так расчет Rf выглядит для реальной пластинки.
Величина Rf зависит от множества факторов: типа и активности сорбента, строения
анализируемого вещества, элюирующей силы растворителя. В целом, можно отметить,
что неполярные вещества обычно имеют больший Rf, чем полярные. Аналогично
полярные растворители обычно обладают большей элюирующей силой и приводят к
бОльшим Rf, нежели неполярные.
Для лучшего качества разделения нужно подбирать элюент так, чтобы величина Rf
попадала в диапазон от 0.15 до 0.85.
Силу элюента можно регулировать, смешивая растворители с различной элюирующей
способностью. Обычно готовится смесь из полярного и неполярного растворителя. Так,
увеличение доли этилацетата в смеси с гексаном приводит к увеличению значений Rf.
Наибольшее распространение получили смеси на основе гексана с этилацетатом и
хлороформа с метанолом.
Сцена 2-10. Проявление хроматограмм.
Демонстрация методов проявления тонкослойных хроматограмм. Действие в кадре
совпадает с комментариями.
Голос за кадром:
Конечно, очень удобно, когда исследуемые образцы окрашены, однако такое встречается
не часто, поэтому широко используются различные методы проявления хроматограмм.
Наиболее распространенным из них является ультрафиолетовое освещение. Для этого
необходимо использовать пластины содержащими люминофор, излучающий на длине
волны 254 нм. Информацию об этом можно найти на упаковке с пластинами. При
облучении пластин ультрафиолетом люминофор на чистых участках пластины светится, а
нанесенные на нее вещества поглощают это свечение и выглядят темными.
Также применяются химические методы проявления, например смачивание пластинки
растворами окислителей, таких как KMnO4 или FeCl3. Для этого опрыскиваем пластинку
раствором окислителя из пульверизатора или просто окунаем хроматографическую
пластину в раствор окислителя, затем удаляем излишки фильтровальной бумагой. Либо
просто распыляем проявитель с помощью пульверизатора.
В некоторых случаях можно использовать метод проявления хроматограмм в йодной
камере. Камера представляет собой сосуд с плотно закрывающейся крышкой, в которую
помещены кристаллики йода. Просто опускаем хроматографическую пластинку в камеру
с помощью пинцета, закрываем ее и ждем. Через некоторое время в месте нанесения
вещества появляется характерное окрашивание.
Сцена 2-10. Применение тонкослойной хроматографии.
Демонстрация областей применения ТСХ. Показываемое в кадре совпадает с
комментариями.
Голос за кадром:
Тонкослойная хроматография – это удобный экспресс-метод анализа различных смесей.
Например, если у вас имеется набор возможных компонентов неизвестной смеси, метод
ТСХ позволит узнать, какие именно из этих компонентов входят в состав анализируемого
образца.
Так называемый, «метод свидетеля» позволяет следить за ходом протекания реакции:
можно наблюдать как исходного вещества в реакционной смеси становится все меньше, и
как увеличивается пятно продукта.
Часть Третья. Техника колоночной хроматографии
Сцена 3-1.
В кадре слайд, изображающий вещества до и после очистки.
Голос за кадром:
Часто перед химиком-исследователем возникает задаче количественного разделения
веществ, находящихся в смеси. Именно для этого и используется колоночная
хроматография.
Сцена 3-2. Оборудование и материалы для колоночной хроматографии.
Демонстрация необходимого оборудования и материалов. Действие в кадре совпадает с
комментариями.
Голос за кадром:
Для проведения колоночной хроматографии нам потребуется хроматографическая
колонка, сорбент в виде гранул, элюент, вибратор, конические колбы для собирания
фракций, пустой сосуд для образца исходной смеси, химический стакан, воронка, вата,
стеклянные палочки и пипетки для нанесения образца.
Сцена 3-3. Подготовка колонки.
Демонстрация подготовки колонки для хроматографии. Действие в кадре совпадает с
комментариями.
Голос за кадром:
В хроматографическую колонку, закрепленную строго вертикально, помещаем небольшой
кусочек ваты. С помощью длинной стеклянной палочки опускаем его вниз и немного
утрамбовываем. Вата будет служить фильтром для сорбента.
В химический стакан насыпаем силикагель и наливаем такое количество элюента, чтобы
при перемешивании могла образоваться однородная кашица.
Тщательно перемешиваем ее для полного удаления пузырьков воздуха. Важно! На
стадиях заполнения колонки и нанесения смеси веществ необходимо использовать
растворитель или смесь растворителей с наименьшей элюирующей способностью.
Под носиком колонки устанавливаем первую приемную колбу. Открываем кран.
В верхний конец колонки вставляем воронку и наливаем порцию элюента, чтобы смочить
вату.
Сразу вслед за тем переливаем в колонку кашицу из силикагеля, предварительно еще раз
помешав ее для однородности.
По мере вытекания элюента из колонки, частицы сорбента будут уплотняться. Если это
необходимо, можно добавить еще порцию кашицы.
Дополнительного уплотнения сорбента можно достичь, используя специальный вибратор.
Для этого включенным уплотнителем необходимо со средним нажимом проводить вдоль
колонки. Чем плотнее будут расположены частицы сорбента, тем качественнее будет
происходить разделение веществ. С меньшей эффективностью можно уплотнять сорбент,
похлопывая по колонке рукой.
Как только уровень элюента сравняется с уровнем сорбента – закройте кран! Важно не
допускать пересыхания верхнего слоя сорбента в течение всего хроматографирования!
Сцена 3-4. Нанесение смеси.
Демонстрация нанесения разделяемой смеси на колонку. Действие в кадре совпадает с
комментариями.
Голос за кадром:
Смесь веществ растворяем в минимальном количестве элюента. Важно приготовить
максимально насыщенный раствор.
С помощью пипетки отбираем одну каплю этого раствора в сосуд для образца исходной
смеси. По нему мы будем в дальнейшем следить за качеством разделения.
В отдельном стакане или мерном цилиндре готовим элюирующую смесь.
С помощью пипетки равномерно наносим раствор разделяемой смеси на поверхность
сорбента.
Открываем кран и позволяем лишнему элюенту стечь, а смеси впитаться в верхний слой
силикагеля.
Закрываем кран, не позволяя сорбенту высыхать, и обмываем колбу, в которой находилась
смесь, малой порцией растворителя.
С помощью пипетки наносим и эту порцию на колонку. Снова даем элюенту стечь, и
повторяем операцию обмывки еще раз.
Сцена 3-5. Хроматографирование.
Демонстрация элюирования колонки и разделения веществ. Действие в кадре совпадает с
комментариями.
Голос за кадром:
Аккуратно добавляем сверху порцию чистого элюента с помощью чистой пипетки,
смывая со стенок силикагель. Можно также добавить сверху небольшую порцию сухого
силикагеля – это предотвратит нарушение верхнего слоя сорбента при неаккуратном
нанесении дальнейших порций элюента на колонку.
Доливаем в колонку чистого элюента, оставляя незаполненным примерно 1 см от верха
колонки, открываем кран и наблюдаем за хроматографированием.
Не забываем подливать элюент по мере необходимости. Собираем различные фракции в
зависимости от наполнения приемных колб, а также для разделения веществ
переместившихся к носику колонки. Если есть сомнение, разделились ли вещества между
собой, лучше собрать несколько фракций малого объема, а потом определить качество
разделения методом ТСХ.
Сцена 3-6. Анализ образцов.
Слайд с демонстрацией ТСХ собранных фракций. С комментариями.
Голос за кадром:
В результате колоночной хроматографии получается набор нескольких фракций.
Сопоставляя образец исходной смеси и растворы в каждой колбе методом ТСХ можно
сделать вывод о качестве разделения, а затем объединить близкие по чистоте фракции.
Дальнейшее упаривание растворителя с помощью ротационного испарителя позволит
получить чистые индивидуальные вещества.
Часть четвертая. Финальные титры.