Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych

Transkrypt

1 UNIWERSYTET GDAŃSKI WYDZIAŁ CHEMII Pracownia studencka Zakład Analizy Środowiska Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych Ćwiczenie nr 7 ANALIZA JAKOŚCIOWA W CHROMATOGRAFII GAZOWEJ INDEKSY RETENCJI Pracownia dyplomowa (Chemia) Gdańsk, 2013

2 7. Pracownia dyplomowa (Chemia) Analiza jakościowa w chromatografii gazowej 2 1. CZĘŚĆ TEORETYCZNA Chromatografia gazowa nie jest idealnym narzędziem do identyfikacji rozdzielanych substancji, jednak daje pewne możliwości w analizie jakościowej. Podstawowym sposobem postępowania jest wykorzystywanie parametrów retencji i porównywanie ich z danymi dostępnymi w literaturze. Często stosuje się: względne czasy retencji, wyznaczane wobec określonej substancji indeksy retencji (patrz wzory 1, 2 w punkcie 1.1) Należy pamiętać, że wszelkie parametry retencji są, dla danego związku, charakterystyczne na określonej (lub bardzo podobnej) fazy stacjonarnej. W pewnym stopniu zależą też od warunków analizy, głównie od temperatury. Dokładniejsze dane na temat wykorzystania indeksów retencji oraz pewne ogólne wiadomości o tym, w jaki sposób struktura związku wpływa na jego retencję, można znaleźć w licznych książkach i artykułach. Związki organiczne należące do jednego szeregu homologicznego (szereg homologiczny tworzą związki różniące się w budowie jedynie kolejnymi grupami CH 2 ) wykazują ciekawą cechę. Zależność logarytmów ich zredukowanych czasów bądź objętości retencji od liczby atomów węgla lub temperatury wrzenia ma przebieg w przybliżeniu prostoliniowy, jak przedstawiono to na Rysunku 1. Jeśli mamy dane retencyjne dwóch związków z szeregu homologicznego, możemy w miarę dokładnie przewidzieć parametry retencyjne innych związków z tego szeregu. Rys. 1. Zależność logarytmów zredukowanych objętości retencji (lub zredukowanych czasów retencji) od liczby atomów węgla w cząsteczce dla związków z jednego szeregu homologicznego. Linia przerywana wskazuje na odchylenia od prostoliniowości tej zależności, istniejące dla pierwszych związków szeregu. Podobne odchylenia wykazują homologi o bardzo dużych masach cząsteczkowych.

3 7. Pracownia dyplomowa (Chemia) Analiza jakościowa w chromatografii gazowej 3 Zależność przedstawiona na Rysunku 1 ma odmienny przebieg dla każdego szeregu homologicznego, dlatego też, jeśli mamy do czynienia ze związkami o nieznanej strukturze i podejrzewamy, że mogą należeć do określonego szeregu homologicznego, celowe jest wyznaczenie dla nich zredukowanych czasów retencji i wykreślenie wspomnianej zależności. Przebieg zależności pomiędzy logarytmem ze zredukowanego czasu retencji a liczbą atomów węgla w cząsteczce dla wybranych szeregów homologicznych ilustruje Rysunek 2. Rys. 2. Zależność logarytmów zredukowanych czasów retencji od liczby atomów węgla w cząsteczce dla związków z kilku szeregów homologicznych. Stosunkowo duże możliwości daje wykorzystanie detektorów selektywnych. Użycie detektora ECD pozwala na wykrycie nawet bardzo małych ilości związków chlorowcopochodnych w mieszaninie. Podobnie detektor FPD służy do analizy związków organicznych zawierających siarkę i fosfor, a detektor termojonowy pozwala selektywnie wykrywać związki zawierające fosfor lub azot. Nieporównywalnie większe możliwości w porównaniu z wyżej wymienionymi metodami mają układy łączące chromatografię gazową z metodami spektroskopowymi. W analizie związków organicznych połączenie GC ze spektrometrią mas (GC-MS) jest obecnie rutynowo wykorzystywane we wszelkich analizach, szczególnie skomplikowanych mieszanin pochodzenia naturalnego. Możliwość zarejestrowania widm mas poszczególnych związków połączona z otrzymaniem parametrów retencyjnych substancji daje bardzo duże możliwości ustalenia struktury związku organicznego. Dodatkowe informacje, często w pełni wystarczające do identyfikacji analizowanych substancji, można otrzymać dzięki analizie różnego rodzaju pochodnych. Również

4 7. Pracownia dyplomowa (Chemia) Analiza jakościowa w chromatografii gazowej 4 cenne, chociaż rzadko wystarczające do pełnej identyfikacji związków, informacje daje połączenie GC-IR, które pozwala często na określenie przynależności badanych substancji do danej grupy związków organicznych. Obszerne informacje na temat połączeń GC-MS i GC-IR można znaleźć w literaturze poświęconej metodom spektroskopowym Indeksy retencji w chromatografii gazowej Indeks retencji Kovátsa I X wielkość charakterystyczna dla danej substancji, analizowanej na danej fazie stacjonarnej, służąca do analizy jakościowej; z definicji dla n-alkanów indeksy retencji są równe 100-krotności liczby atomów węgla w cząsteczce (np. indeks retencji dla n-heksanu wynosi 600, dla n-dekanu 1000). Indeksy retencji wyznacza się wobec dwóch n-alkanów o z oraz z+m atomach węgla w cząsteczce, z których pierwszy jest eluowany z kolumny przed badanym związkiem, a drugi po tym związku. Stosuje się wtedy wzór: I X =100z 100m gdzie: I X indeks retencji nieznanego związku log t Rx log t (1) Rz log t R z m log t Rz t Rx zredukowany czas retencji nieznanego związku t Rz zredukowany czas retencji alkanu zawierającego z atomów węgla t R(z+m) zredukowany czas retencji alkanu zawierającego z+m atomów węgla Wzór (1) można stosować w przypadku analizy w stałej temperaturze (w izotermie). Dla analiz w programowanej temperaturze stosuje się zwykle wzór Van den Doola i Kratza: I Tp =100m T Rx T Rz T R z m T Rz 100z (2) gdzie: I Tp indeks retencji nieznanego związku, T R temperatura w Kelvinach, przy której dany związek eluuje z kolumny (temperatura retencji) lub całkowity czas retencji. Pozostałe oznaczenia (indeksy x, z, m, z+m) oznaczają to samo, co we wzorze (1).

5 7. Pracownia dyplomowa (Chemia) Analiza jakościowa w chromatografii gazowej 5 2. WYKONANIE ĆWICZENIA 2.1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest izolacja frakcji węglowodorów pochodzenia roślinnego z ekstraktu wosków powierzchniowych oraz obliczenie indeksów retencji dla wybranych związków. Na podstawie uzyskanych wyników oraz danych z analizy GC-MS, należy zaproponować struktury węglowodorów obecnych w ekstrakcie Wykonanie ćwiczenia Warunki analizy chromatograficznej Chromatograf Trace 2000 Series GC z detektorem FID Kolumna chromatograficzna RTX-1 30 m, 0,18 mm średnica wewnętrzna, 0,32 mm średnica wewnętrzna, 0,25 μm grubość fazy stacjonarnej Program temperaturowy: C, narost 4 C/min Temperatura dozownika: 320 C Temperatura detektora: 320 C Dzielnik przepływu: 1:20 Gaz nośny: argon, stały przepływ 1 ml/min Powietrze: 350 kpa, wodór: 35 kpa Izolacja frakcji węglowodorów chromatografia kolumnowa PODGRUPA I: a) W kolbie stożkowej o pojemności 100 ml odważyć 4 g żelu krzemionkowego, a następnie dodać 30 ml eteru naftowego. Wymieszać i pozostawić na 5-10 min. Zamocować kolumnę w statywie i zamknąć odpływ z kolumny. Umieścić na dnie kolumny małą ilość zwiniętej waty szklanej. Wprowadzić 2 ml eteru naftowego, następnie usunąć powietrze z waty szklanej naciskając bagietką. b) Uważnie wprowadzić zawiesinę żelu krzemionkowego do kolumny poprzez lejek, otwierając jednocześnie odpływ z kolumny. Zrobić to w taki sposób, aby uzyskać w miarę płaskie dno oraz płaski wierzch fazy stacjonarnej. Od momentu wprowadzenia do kolumny

6 7. Pracownia dyplomowa (Chemia) Analiza jakościowa w chromatografii gazowej 6 żelu krzemionkowego jego powierzchnia musi być stale przykryta cieczą. Jeżeli w kolumnie będą bąble powietrza, proces należy rozpocząć od początku. c) Wyrównać poziom fazy ruchomej w kolumnie do poziomu ok. 0,5 cm nad powierzchnią złoża fazy stacjonarnej. Ostrożnie wprowadzić do kolumny około 0,5 ml ekstraktu za pomocą pipety Pasteura. Wprowadzić próbkę do fazy stacjonarnej przemywając 2 ml roztworu eteru naftowego aż do momentu, gdy cała próbka znajdzie się w fazie stacjonarnej. d) Rozpocząć zbieranie frakcji do kolb okrągłodennych o pojemności 100 ml: Frakcja I: 20 ml eteru naftowego Frakcja II: 25 ml dichlorometanu e) Frakcje odparować do objętości ok. 1 ml na wyparce obrotowej i przenieść pipetą Pasteura do zakręcanej butelki o pojemności 2 ml. Frakcję II odparować do sucha w strumieniu azotu i przeprowadzić w pochodne TMSi za pomocą mieszaniny BSTFA:TMCS (99:1), zgodnie z instrukcją do ćwiczenia nr 6 (UWAGA! Nie dodajemy wzorca!!!). PODGRUPA II: a) Do umieszczonej na statywie kolumny należy wprowadzić zwitek waty szklanej, a następnie napełnić kolumnę suchym żelem krzemionkowym (4 g). Złoże należy ułożyć, przepuszczając przez nie ok ml eteru naftowego, przyspieszając przepływ za pomocą pompki (aż do zaniku pęcherzyków powietrza). b) Kolejne punkty wykonywać zgodnie z opisem dla podgrupy I Analiza chromatograficzna frakcji węglowodorów Uzyskaną frakcję należy analizować w warunkach podanych w punkcie OPRACOWANIE WYNIKÓW Na podstawie uzyskanych wyników analizy GC-MS, należy zidentyfikować obecne w próbce n-alkany. Następnie, przyjmując dla nich wartości indeksów retencji równe IR = n*100, gdzie n oznacza liczbę atomów węgla w cząsteczce, obliczyć indeksy retencji dla pozostałych związków zgodnie ze wzorem 2. Jednocześnie, należy dla wszystkich związków obecnych w próbce wykreślić zależności zredukowanych czasów retencji od liczby atomów węgla w cząsteczce (osobne wykresy dla każdej grupy związków zgodnie

7 7. Pracownia dyplomowa (Chemia) Analiza jakościowa w chromatografii gazowej 7 ze wskazówkami prowadzącego i analizą literatury). Na podstawie wyników analiz GC-MS i GC-FID, uzyskanych wykresów i indeksów retencji oraz zaproponowanej przez prowadzącego literatury, należy podać możliwe struktury węglowodorów obecnych w próbce. 4. SZKŁO I ODCZYNNIKI ekstrakty roślinne żel krzemionkowy eter naftowy chlorek metylenu chlorek metylenu do mycia strzykawki strzykawka do GC 10 μl 1 szt. wata szklana kolumna do LC 2 szt. (+ statywy) pompka do kolumny 2 szt. bagietka szklana 2 szt. pipety Pasteura 8 szt. smoczki do pipet kolba stożkowa 100 ml 1 szt. kolba okrągłodenna 50 ml 4 szt. butelki zakręcane o pojemności 2 ml 4 szt. lejek z szeroką nóżką 2 szt.