действующей интернет-конференции “Бутлеровские чтения”. http:///readings/

УДК 543.544. Поступила в редакцию 13 мая 2012 г.

Композиционные сорбенты на основе эвтектической смеси нематических жидких кристаллов и производных β-циклодекстрина

© ,+ ,*

, и

Кафедра физической химии и хроматографии. Самарский государственный университет.

Ул. Ак. Павлова, 1. г. Самара, 443011. Россия. Тел.: (846) 334-54-47. E-mail: onuchak@ssu.samara.ru

_______________________________________________

*Ведущий направление; +Поддерживающий переписку

Ключевые слова: газо-жидкостная хроматография, жидкие кристаллы, модифицированные β-циклодекстрины, структурная селективность, энантиоселективность.

Аннотация

Изучены мезоморфные, сорбционные и селективные свойства трехкомпонентных сорбентов на основе эвтектической смеси ахиральных нематических жидких кристаллов 4-метокси-4'-этоксиазо-ксибензола и 4,4'-диэтоксиазоксибензола и трех хиральных макроциклических производных β-цик-лодекстрина. Показано, что природа заместителя в молекуле β-циклодекстрина влияет на тип обра-зующейся смешанной мезофазы (N или N*). Обсуждены причины проявления композиционными сорбентами изомерселективных свойств по отношению к структурным, цис-транс- и оптическим изомерам в условиях газовой хроматографии.

Введение

В работах [1-3] показано, что эвтектические смеси нематических жидких кристаллов (ЖК) обладают более высокой структурной селективностью в условиях газовой хромато-графии, чем исходные индивидуальные ЖК. Ранее нами начаты работы по выявлению особен-ностей строения смешанных ЖК систем нового типа, содержащих добавки хиральных макро-циклических соединений (модифицированных циклодекстринов) к ахиральным ЖК, и воз-можности их применения в качестве универсальных изомерселективных сорбентов [4-5]. В связи с этим было предположено, что применение в качестве ЖК матрицы сорбента эвтек-тической смеси нематиков может способствовать получению более высокоселективного ком-позиционного сорбента.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Целью работы являлось исследование мезоморфных, сорбционных и селективных свойств композиционных сорбентов на основе эвтектической смеси ахиральных нематических ЖК 4-метокси-4'-этоксиазоксибензола (МЭАБ) и 4,4'-диэтоксиазоксибензола (АОФ) и произ-водных β-циклодекстрина.

Экспериментальная часть

В качестве матричного компонента сорбента использовали смесь нематического 4-метокси-4´-этоксиазоксибензола (МЭАБ) и 4,4'-диэтоксиазоксибензола (АОФ) состава 69:31 % масс. с температу-рой плавления tCN = 100 °С и температурой осветления tNI = 152 °С.

В качестве хиральных добавок использовались химически модифицированные β-циклодекст-рины (табл. 1): гептакис(2,3,6-три-О-метил)-β-циклодекстрин (Methyl-β-CD) фирмы Sigma-Aldrich, гептакис(2,3,6-три-О-ацетил)-β-циклодекстрин (Acetyl-β-CD) и гептакис(2,3,6-три-О-бензоил)-β-циклодекстрин (Benzoyl-β-CD), синтезированные из исходного β-CD-гидрата.

Тип образующихся смешанных мезофаз определяли методом политермической поляризацион-ной микроскопии, температуры и теплоты фазовых переходов – с помощью дифференциальной скани-рующей калориметрии на приборе DSC Q20 фирмы «TA Instruments».

Газохроматографическим методом исследовали сорбцию 30 органических соединений разных классов, в том числе оптических изомеров (камфены, лимонены, пинены, бутандиолы-2,3). Экспери-мент проводили на хроматографе ЛХМ-80 с пламенно-ионизационным детектором в интервале темпе-ратур от 85 до 170 ºС. Объемную скорость газа-носителя (азота) в колонке определяли двумя незави-симыми методами: традиционным (с помощью пленочного измерителя потока) и с использованием метода «холодной» градуировки колонки [6]. Использовали стальные колонки (1 м × 3 мм), наполнен-ные смешанным сорбентом «МЭАБ – АОФ – макроцикл» состава 62:28:10 % масс. на твердом носи-теле (хроматон NAW). Процент пропитки составлял П = 10%.

Табл. 1. Молекулярные массы и температуры плавления β-циклодекстринов

Макроциклическое соединение

-R

M, г/моль

Тпл, оС

Methyl-β-CD

-CH3

1429

170-178

Acetyl-β-CD

-СОСН3

2017

175-178

Benzoyl-β-CD

-СОС6Н5

3234

135-137

Основной экспериментально определяемой характеристикой удерживания являлся удельный объем удерживания сорбатов VgT (см3/г) при температуре исследования (колонки). На основании величины VgT сорбатов были рассчитаны их коэффициенты активности (симметричная система отсчета), характеризующие отклонение от закона Рауля при растворении малых проб сорбата в неподвижной жидкой фазе. Факторы разделения изомеров α1/2 рассчитывали как отношение их удельных объемов удерживания.

Результаты и их обсуждение

В качестве матричного компонента трехкомпонентного сорбента использовали эвтекти-ческую смесь нематических ЖК МЭАБ – АОФ (69:31 % масс.), состав которой подобрали экспериментально. На термограмме смеси МЭАБ – АОФ обнаруживается два фазовых пере-хода, соответствующих плавлению смеси состава, близкого к эвтектическому, с образованием нематической фазы (N) и переходу из нематической в изотропную фазу (N I).

Это свидетельствует об отсутствии или узости температурного интервала гетерогенной области, включающей жидкую фазу (N) и твердокристаллическую (С) фазу мезогенов.

Композиционные сорбенты содержали в качестве хиральной добавки к эвтектике МЭАБ – АОФ макроциклические Methyl-β-CD, Acetyl-β-CD и Benzoyl-β-CD (10% масс.). Произ-водные β-CD представляют собой продукты полного замещения 21 гидроксильных групп в исходном β-CD, построенном из семи остатков D-(+)-глюкопиранозы, соединенных друг с другом α-1,4-связями.

Температуры фазовых переходов и типы образующихся мезофаз исследованных сор-бентов представлены в табл. 2.

Методом термополяризационной микроскопии установлено, что при добавлении к нема-тической эвтектической смеси МЭАБ – АОФ хирального макроциклического Acetyl-β-CD образуется спиральная закрученная структура – индуцированная хиральная нематическая мезофаза N*. В системе «МЭАБ – АОФ – Methyl-β-CD» при плавлении сорбента сначала появляется гетерогенная область, состоящая из нематической мезофазы N с твердыми включениями, которая, при дальнейшем нагревании, переходит в индуцированную хиральную нематическую фазу N*.

Внесение в эвтектику Benzoyl-β-CD не приводит к изменению типа мезофазы, она оста-ется нематической (N). Следует также указать на то, что температуры переходов и типы мезо-фаз исследованных сорбентов совпадают при прямом и обратном ходе температуры, т. е. все исследованные системы обладают энантиотропным мезоморфизмом.

Табл. 2. Температуры фазовых переходов и типы

образующихся мезофаз жидкокристаллических сорбентов

ЖК система

Температура

плавления, 0C

Температура

осветления, 0C

Температуры фазовых

переходов и типы мезофаз

МЭАБ – АОФ

100

152

СNI

МЭАБ – АОФ – Methyl-β-CD

(10 % масс.)

101-115

(гетерогенная область)

153

СС+NN*I

МЭАБ – АОФ – Acetyl-β-CD

(10 % масс.)

101

152

С N*I

МЭАБ – АОФ – Benzoyl-β-CD

(10 % масс.)

95

150

СNI

Представленные на рис. 1 температурные зависимости удельного объема удерживания (-)-камфена отражают изменения фазового состояния исходной эвтектики и смешанных жидкокристаллических систем при увеличении температуры. Для эвтектики МЭАБ – АОФ и систем «МЭАБ – АОФ – Acetyl-β-CD», «МЭАБ–АОФ – Benzoyl-β-CD» наблюдаются два фазовых перехода, для системы «МЭАБ – АОФ – Methyl-β-CD» – три. Для всех исследо-ванных сорбентов наблюдается резкое возрастание удерживания при температуре плавления системы.

Рис. 1. Температурные зависимости удельного объема удерживания VgT (-)-камфена на сорбентах:

1 – «МЭАБ – АОФ – Methyl-β-CD», 2 – «МЭАБ – АОФ – Acetyl-β-CD»,

3 – «МЭАБ – АОФ – Benzoyl-β-CD», 4 – «МЭАБ – АОФ»

Из рис. 1 видно, что внесение в исходный матричный компонент сорбента (МЭАБ – АОФ) макроциклических добавок приводит к сильному возрастанию удерживания (VgT) (-)-камфена, особенно в области мезогенного состояния сорбентов. Для большинства сорбатов (в мезофазах) наблюдается аналогичная закономерность (кроме н-алканов на колонках с сорбентами «МЭАБ – АОФ – Acetyl-β-CD» и «МЭАБ – АОФ – Benzoyl-β-CD», аренов и диоксана-1,4 во всех трехкомпонентных системах).

В табл. 3 представлены экспериментальные значения удельных объемов удерживания VgT некоторых сорбатов при температуре 115 ºC (мезофазы N* и N), а также рассчитанные на их основе раулевские коэффициенты активности сорбатов, определенные с использова-нием трехкомпонентных и двухкомпонентного (МЭАБ – АОФ) сорбентов. Там же приведены величины вкладов δ в удерживание сорбатов, обусловленные внесением в исходную эвтекти-ку МЭАБ – АОФ макроциклических добавок. Значения δ-вкладов (%) рассчитаны по уравне-нию:

δ =, (1)

где , – удельные объемы удерживания сорбатов на колонках с трехкомпонентными и бинарным (эвтектика) сорбентами, соответственно.

Табл. 3. Удельные объемы удерживания VgT, коэффициенты активности

сорбатов и вклады δ в удерживание (115 ºC)

Сорбаты

МЭАБ – АОФ(N)

МЭАБ – АОФ –

Methyl-β-CD (N*)

МЭАБ – АОФ –

Acetyl-β-CD (N*)

МЭАБ – АОФ –

Benzoyl-β-CD (N*)

VgT,

см3/г

VgT,

см3/г

δ,%

VgT,

см3/г

δ,%

VgT,

см3/г

δ,%

н-Гептан

6.1

12.1

8.2

8.2

34

6.0

11.3

-2

5.9

11.3

-3

н-Октан

13.3

11.8

16.1

9.0

20

12.6

11.4

-5

12.0

11.8

-10

н-Нонан

26.5

12.7

31.1

9.9

16

25.8

11.9

-3

22.4

13.6

-16

н-Декан

51.2

13.7

59.9

10.8

15

47.1

13.6

-8

41.5

15.3

-19

Циклогексан

4.1

11.1

9.8

4.3

137

6.7

6.3

63

7.1

5.9

73

транс-Декалин

79.7

11.3

157.6

5.1

98

117.4

6.9

47

111.3

7.2

40

цис-Декалин

99.7

11.9

221.2

4.8

122

149.5

7.1

50

138.1

7.6

39

Бензол

19.5

2.3

22.1

1.8

13

19.8

2.0

2

22.9

1.7

19

Толуол

40.3

2.5

43.7

2.1

8

39.0

2.4

-3

46.2

2.0

15

Этилбензол

67.1

3.1

71.1

2.7

6

63.2

3.0

-6

75.5

2.5

13

п-Ксилол

85.4

2.6

85.3

2.4

0

78.5

2.6

-8

95.3

2.1

12

о-Ксилол

96.1

2.9

107.2

2.4

12

89.9

2.8

-7

105.2

2.4

10

м-Ксилол

77.2

3.0

83.5

2.5

8

73.0

2.9

-5

86.4

2.4

12

Метанол

7.0

3.0

9.4

2.1

35

5.4

3.6

-23

9.8

2.0

40

Этанол

5.2

6.1

8.5

3.5

63

7.4

4.0

42

9.8

3.0

89

Пропанол-1

9.3

6.6

15.6

3.6

67

14.5

3.9

56

16.5

3.4

77

Пропанол-2

5.0

7.3

8.8

3.8

75

7.8

4.0

56

9.2

3.6

84

Бутанол-1

18.3

7.1

31.8

3.7

74

28.7

4.1

57

31.5

3.7

72

2-Метил-пропанол-1

12.2

7.5

22.5

3.7

85

19.5

4.3

60

20.5

4.0

68

Пентанол-1

36.9

7.1

63.5

3.8

72

54.6

4.4

48

59.5

4.0

61

Диоксан

39.5

2.0

38.7

1.8

-2

36.7

1.9

-7

29.8

2.4

-25

Тетрагидрофуран

13.6

2.2

16.5

1.7

21

15.5

1.8

14

13.6

2.0

0

Камфен(+)

30.4

15.5

72.8

5.7

139

49.0

8.8

61

44.5

9.4

47

Камфен(-)

30.4

15.5

72.0

5.8

137

49.1

8.8

62

43.8

9.5

44

(2S,3S)-(+)-Бутандиол-2,3

135.0

11.2

162.9

8.3

21

169.9

8.1

26

113.8

14.9

-16

(2R,3R)-(-)-Бутандиол-2,3

135.0

11.2

161.7

8.4

20

170.1

8.1

26

109.7

15.4

-19

Очевидно, что макроциклическая добавка влияет на величины VgT, и сорбатов как за счет изменения типа мезофазы и ее ориентационной упорядоченности, так и вследствие обра-зования агрегатов (кавитатов) «сорбат – макроцикл».

Анализируя величины δ, можно сделать вывод о том, что мезофазы всех исследованных композиционных сорбентов хорошо сорбируют малополярные циклические соединения (циклогексан, камфен, декалин), очевидно, за счет образования соединений включения «сорбат – макроцикл», о чем свидетельствуют большие положительные значения δ.

Для аренов и полярных гетероциклических соединений (тетрагидрофуран, диоксан), напротив, существенного возрастания удерживания не наблюдается, а для системы с Acetyl-β-CD происходит даже некоторое снижение удерживания по сравнению с эвтектикой. Достаточно высокие значения δ наблюдаются для спиртов, очевидно, полученный результат связан с взаимодействиями молекул спиртов с полярными группами, расположенными вне полости макроциклов.

Для системы «МЭАБ – АОФ – Benzoyl-β-CD» отрицательные значения δ изомеров бутандиола-2,3, скорее всего, связаны с небольшим размером его молекул и наличием двух гидроксильных групп, которые затрудняют взаимодействие с компонентами трехкомпонент-ного сорбента.

Таким образом, взаимодействие протонодонорных соединений с макроциклическими производными β-CD, скорее всего, происходит с образованием водородных связей (спирты, диолы), а малополярных – по механизму «гость – хозяин» (арены, камфены, циклогексан).

Селективные свойства композиционных трехкомпонентных сорбентов по отношению к структурным изомерам рассматривали на примере тестовых пар – пара-мета-ксилолов и цис-транс-декалинов. Известно, что повышенная сорбция пара-ксилола по сравнению с мета-ксилолом в ЖК сорбентах обусловлена более анизометричной формой его молекулы.

Поэтому величина коррелирует с величиной параметра порядка [7]. Напротив, для другой тестовой пары изомеров – цис- и транс-декалинов характерно повышенное удержива-ние цис-изомера за счет более сильного взаимодействия молекул этого изомера (μ = 0.01D) с полярными молекулами ЖК сорбента. Таким образом, чем более упорядоченной является мезофаза ЖК сорбента, тем выше и ниже .

Сопоставление температурных зависимостей фактора разделения пара-мета-изомеров ксилола αп/м для трехкомпонентных и двухкомпонентного (эвтектика) сорбентов показывает (рис. 2), что в области температур 95-110 оС значения трехкомпонентных сорбентов сопоставимы с аналогичными значениями для сорбента «МЭАБ – АОФ».

Рис. 2. Зависимости пара-мета-селективности от температуры на колонках с сорбентами:

1 – «МЭАБ – АОФ», 2 – «МЭАБ – АОФ – Benzoyl-β-CD», 3 – «МЭАБ – АОФ – Acetyl-β-CD»,

4 – «МЭАБ – АОФ – Methyl-β-CD»

Значения пара-мета-селективности исследованных сорбентов при различных темпера-турах представлены в табл. 4. Максимальное значение фактора разделения для системы «МЭАБ – АОФ – Benzoyl-β-CD» наблюдается в точке фазового перехода (С N) и состав-ляет 1,128. Это значение превышает максимальную селективность αп/м исходной эвтектики, что свидетельствует о высокой упорядоченности системы «МЭАБ – АОФ – Benzoyl-β-CD», и в целом в мезофазе значения факторов разделения этой трехкомпонентной системы прибли-жаются к значениям факторов разделения исходной эвтектики.

Из рис. 3 видно, что в широком интервале температур, включающем мезофазы, значения для сорбента «МЭАБ – АОФ – Methyl-β-CD» существенно выше, чем для остальных исследованных сорбентов, что подтверждает предположение о низкой упорядоченности мезо-фазы системы «МЭАБ – АОФ – Methyl-β-CD». Сорбент «МЭАБ – АОФ – Benzoyl-β-CD», как наиболее упорядоченный из исследованных систем, обладает наименьшей цис-транс-селек-тивностью.

Однако наибольший интерес представляют результаты по исследованию сорбции энан-тиомеров. На рис. 4 представлены температурные зависимости композиционного сорбен-та «МЭАБ – АОФ – Benzoyl-β-CD» к изомерам полярного бутандиола-2,3. Из представ-ленного рисунка видно, что во всем исследованном температурном интервале сорбция (2S,3S)-(+)-бутандиола-2,3 выше, чем сорбция (2R,3R)-(–)-бутандиола-2,3, что косвенно свидетельствует о проникновении его молекул внутрь полости макроциклического Benzoyl-β-CD, образованного из D-(+)-глюкопиранозы.

Табл. 4. Пара-мета-селективность αп/м колонок с исследованными сорбентами

t,ºС

Факторы разделения αп/м

МЭАБ – АОФ

МЭАБ – АОФ

– Methyl-b-CD

МЭАБ – АОФ

– Acetyl-β-CD

МЭАБ – АОФ

– Benzoyl-β-CD

100

1.106

1.071

1.107

1.128

105

1.118

1.090

1.113

1.103

110

1.114

1.051

1.084

1.103

115

1.106

1.025

1.076

1.103

120

1.093

1.021

1.064

1.073

Температурные зависимости цис-транс-селективности (декалины) представлены на рис. 3.

Рис. 3. Зависимости цис-транс-селективности от температуры на колонках с сорбентами:

1 – «МЭАБ – АОФ – Methyl-β-CD», 2 – «МЭАБ – АОФ – Acetyl-β-CD»,

3 – «МЭАБ – АОФ» , 4 – «МЭАБ – АОФ – Benzoyl-β-CD»

Рис. 4. Зависимости оптических изомеров бутандиола-2,3 от температуры

на колонке со смешанной неподвижной фазой «АОФ – МЭАБ – Benzoyl-β-CD»

В табл. 5 представлены максимальные значения факторов разделения оптических изомеров камфена (2,2-диметил-3-метилен-бицикло[2,2,1]гептана), лимонена (1-метил-4-изо-пропенил-циклогексена-1), пинена (2,6,6-триметилбицикло[3.1.1]гепт-2-ена) и бутандиола-2,3 ((2R,3R)-(–)-бутандиола-2,3 и (2S,3S)-(+)-бутандиола-2,3).

Табл. 5. Максимальные значения фактора разделения

энантиомеров для исследованных неподвижных фаз

Неподвижная фаза

a+/-* (изомеры

камфена)

a+/-* (изомеры

лимонена)

a+/- (изомеры

α-пинена)

a+/-* (изомеры

2,3-бутандиола)

МЭАБ – АОФ –

Methyl-β-CD

1.018(110 оС)

1.017(108 оС)

1.007(115 оС)

МЭАБ–АОФ –

Acetyl-β-CD

1.022(100 оС)

1.023(100 оС)

1.013(160 оС)

МЭАБ–АОФ –

Benzoyl-β-CD

1.074(95 оС)

1.029(167 оС)

1.023(100 оС)

1.074(95 оС)

*для системы МЭАБ–АОФ–Acetyl-β-CD левовращающие изомеры удерживаются сильнее,

то есть a-/+>1.

Наличие энантиоселективности у всех исследованных трехкомпонентных сорбентов косвенно свидетельствует о том, что полости молекул модифицированных β-CD в той или иной степени доступны для молекул сорбатов, особенно тех из них, которые могут обра-зовывать большее число контактов при внедрении, например, малополярных циклических и бициклических соединений (лимонены, пинены, камфены).

Анализируя способность композиционных сорбентов к разделению оптически активных соединений в мезофазе, можно отметить, что система «АОФ – МЭАБ – Benzoyl-β-CD» проявляет наибольшую энантиоселективность как к малополярным, так и полярным энантио-мерам, очевидно, вследствие своей высокой ориентационной упорядоченности нематического (N) типа. В этом сорбенте взаимодействия ЖК – ЖК превалируют над взаимодействиями ЖК – макроцикл, поэтому полость молекулы Benzoyl-β-CD оказывается доступной для молекул сорбатов. Очень слабая энантиоселективность системы «МЭАБ-АОФ – Methyl-β-CD» обус-ловлена ее низкой упорядоченностью.

Таким образом, применение эвтектической смеси нематиков МЭАБ – АОФ в качестве матричного компонента сорбента привело к заметному увеличению структурной селектив-ности всех исследованных трехкомпонентных сорбентов по сравнению с двухкомпонентными сорбентами на основе МЭАБ с аналогичными макроциклическими добавками [8], а также позволила разработать уникальный изомерселективный сорбент «АОФ – МЭАБ – Benzoyl-β-CD» для газовой хроматографии.

Выводы

1.  Проведены структурные исследования трехкомпонентных систем на основе ахиральной эвтектической нематической смеси жидких кристаллов 4-метокси-4'-этоксиазоксибензола и 4,4'-диэтоксиазоксибензола и хиральных макроциклических соединений – гептакис(2,3,6-три-О-метил)-β-циклодекстрина (Methyl-β-CD), гептакис(2,3,6-три-О-ацетил)-β-циклодек-стрина (Acetyl-β-CD) и гептакис(2,3,6-три-О-бензоил)-β-циклодекстрин (Benzoyl-β-CD). Установлено, что при внесении Methyl-β-CD и Acetyl-β-CD в смешанном ахиральном нематике индуцируется спирально закрученная хиральная нематическая мезофаза, в то время как добавка Benzoyl-β-CD не меняет типа мезофазы.

2.  Высокоупорядоченная смешанная нематическая фаза (N) системы «4-метокси-4'-этокси-азоксибензол – 4,4'-диэтоксиазоксибензол – гептакис(2,3,6-три-О-бензоил)-β-циклодекст-рин» по сравнению с другими исследованными трехкомпонентными системами обладает высокими значениями структурной селективности (=1.13) и умеренно выраженной энантиоселективностью по отношению к оптическим изомерам малополярных и полярных соединений ( за счет образования комплексов включения (кавитатов) с хиральной макроциклической добавкой.

Благодарности

Работа выполнена при поддержке проекта 02.740.11.0650 ФЦП “Научные и научно-педагогические кадры инновационной России” на 2009-2013 годы.

Литература

[1]  H. Kelker, E. Schivizhoffen. Adv. Chromatogr. 1968. Vol.6. P.247-297.

[2]  , , Дмитриева в системе газ-жидкий кристалл. Успехи химии. 1981. Т.50. Bып.5. С.943-972.

[3]  , , Лазарева неподвижная фаза для газовой хроматографии. Авторское свидетельство 1330552. Бюл. изобр. 1987. №30.

[4]  , , Кошлец и селективные свойства композиционного жидкокристаллического сорбента на основе 4-н-октилокси-4’-цианобифенила в условиях капиллярной газовой хроматографии. Жидкие кристаллы и их практическое использование. 2008. Вып.4(26). С.43-53.

[5]  , , Спиряева сорбция органических соединений бинарным жидкокристаллическим сорбентом «МЭАБ – метилированный β-циклодекстрин». Жидкие кристаллы и их практическое использование. 2011. Вып.1(35). С.85-94.

[6]  , , Онучак способы определения объемной скорости газа-носителя в колонке и времени удерживания несорбирующегося вещества в газовой хроматографии. Журн. физ. химии. 2007. Т.81. №7. С.107-112.

[7]  , , Козак стерических факторов в механизме разделения структурных изомеров нематическими сорбентами. Изв. АН. Сер. хим. 1996. №3. С.561-567.

[8]  , , Бурматнова сорбенты для газовой хроматографии на основе жидкого кристалла и макроциклических хиральных соединений. Бутлеровские сообщения. 2011. Т.25. №6. C.13-21.