主题:【原创】固相萃取篇03 极性相互作用

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bencen
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因为固相萃取填料有时是同时存在多种作用力的,写的时候发现表达十分困难,要是大家在看的过程发现写得不好的地方,或者有意见提出,可以联系我。谢谢各位。本文不得擅自转载,若需转载,请联系本人。
        极性相互作用因为氨基、羟基等基团的存在有时伴随离子相互作用,当存在强度较大的离子键时,单纯增大溶剂的洗脱强度未必能有效洗脱目标化合物。此外,正相机制一般以低极性溶剂上柱。所以实验人员选择正相机制时,应先确定目标化合物溶于正己烷、甲醇等有机溶剂。既有效排除离子相互作用还符合正相模式的上柱要求。由此可知,正相模式需要满足如下条件:①萃取的溶剂是有机溶剂;②分析物可溶于有机溶剂;③分析物为极性或中等极性。在正相固相萃取中,主要发挥作用的有这三种力:偶极-偶极作用力,氢键作用力,π-π共轭。极性相互作用较为复杂,有时是多种作用力共同作用。
①偶极-偶极作用力

在日常工作中,实验人员经常会听到一个词语-极性,经验上水的极性大,碳18的极性小。这里的极性大小,指的是偶极矩(μ)的大小,这是一个矢量。如果要简单的说,偶极矩实际就是分子的电荷分布是否均匀,有多不均匀,以下图为例。           


明显,水和氨的电荷分布是不均匀的,所以偶极矩不为零,是极性分子。而二氧化碳和四氯化碳尽管碳氧双键和C-Cl键的电荷分布不均,但对称的结构消去了分子的极性,可见分子的极性和分子的空间结构有很大的关系。像水、氨这样的偶极矩不为零的分子,都含有永久偶极。永久偶极不需诱导,即可与其他电荷分布不均匀的分子发生吸附作用,即偶极-偶极作用力,原理见下图。

正相固相萃取柱,均可拥有这种作用力。但正相相互作用中,更多利用的是氢键。有时氢键和偶极作用会一起发生作用。
②氢键作用力

在极性相互作用力中,还有氢键。形成条件:①拥有与电负性大且半径小的原子(F、O、N)相连的 H;②在附近有电负性大, 半径小的原子(F、O、N)。如下图所示,氢氧键的极性很强,共用电子对就会偏向氧,这时另一个水分子带部分负电荷的氧靠近,就产生了氢键。除了氧氟氮原子外,氯原子也可产生氢键。正相固相萃取中,多数情况下都是利用氢键作用。


③π-π共轭
π-π共轭等是指两个以上双键(或叁键)以单键相联结时所发生的 π电子的离位作用。(这个涉及分子轨道理论,篇幅问题大家有兴趣自行查阅)最后,极性固相萃取柱还存在诱导偶极矩及其他多种相互作用力。相比非极性相互作用,极性填料的力可谓复杂了许多。

根据以上介绍的力去推导。我们可以知道正相固相萃取柱原则上包含:羟基、氨基、羰基、巯基(偶极-偶极相互作用)、电负性原子O\N\F\S\P等(氢键)、双键(π-π共轭)。硅胶固相萃取柱、氨基柱、氰基柱(既可正相也可反相)、二醇基柱、弗罗里硅土及酸性氧化铝、中性氧化铝、碱性氧化铝等。均具备正相吸附能力。

例如上图,是二醇基柱和氰基柱的吸附作用。二醇基柱是通过氢键吸附,氰基柱是通过偶极偶极作用吸附。
知道正相作用力机制有什么用
一般情况下,非极性溶剂(正己烷、异辛烷等)能促进极性分析物在极性固相萃取柱中的保留。这是因为高极性溶剂对目标物具有一定溶解性,且与吸附剂有竞争作用,会使吸附剂与目标物之间的极性作用力被破坏,导致吸附剂无法有效吸附。而在洗脱时,通过高极性溶剂破坏吸附剂与目标化合物的极性作用力,即可完成洗脱。同时,高离子浓度也能破坏极性相互作用力,这是因为硅胶一般通过形成氢键达到吸附,高离子浓度可以抑制氢键(例如对水的氢键破坏作用:CaCl2>MgCl2>FeCl3>NaCl)。
我们通过目标物的化学结构,了解到吸附材料和目标物存在什么作用力。知道了作用力,我们自然可以通过各种手段加强或者减弱这些力,以达分离和纯化的目的。当我们的化合物拥有较多羟基或者氨基,我们是不是可以思考利用氢键作用力进行吸附呢?那么硅胶柱、氨基柱等好像是很好的选择。当目标物溶于有机溶剂、较少羟基氨基,同时极性较中等,双键较多,氰基柱是不错的选择。有时我们在优化实验时怎样也无法得到满意的回收率,是不是因为操作不当导致了离子力的吸附呢?在这种情况下,是否应该修正前处理或者另辟蹊径呢?如果不是离子力的作用,那就是吸附过强或过弱导致的。吸附过强可以通过降低吸附剂极性、轻微破坏氢键作用、增强洗脱剂强度改善。吸附过弱,就需要反向操作或更换吸附模式了,例如更换反相模式或离子模式。π-π共轭的削弱或增强可以通过衍生化反应,减少或增加π键的数量,达到目的。具体问题需要具体分析,相信广大实验人员一定能总结出自己的经验。


正相固相萃取填料的介绍


正相固相萃取柱

功能基团

保留机制

封端(+表示有,-表示无)

应用

氰基柱

氰丙基

非极性相互作用或极性相互作用

+

C18\C8\硅胶等对目标吸附过强,可以选择氰基柱

硅胶柱

硅羟基

极性相互作用

-

最强的极性材料,可用于分离异构体

氨基柱

氨丙基

极性相互作用、阴离子交换作用

-

pKa:9.8,非极性溶剂活化能与-OH\-NH\-SH形成氢键,此外能作为弱阴离子交换柱

PSA柱

乙二胺-N-丙基

极性相互作用、弱阴离子交换作用

-

pKa:10.1和10.9,非极性作用力比氨基柱强,若某强极性化合物在氨基柱无法洗脱可尝试用PSA

二醇基固相萃取柱

二醇基

非极性相互作用或极性相互作用、阴离子交换

-

特别适用于从非极性溶剂中萃取极性化合物

弗罗里硅土

硅羟基

极性相互作用

-

样品粘度大可替代硅胶柱,也可在特殊情况替代氧化铝

(酸性)氧化铝

-

极性相互作用、阴离子交换作用

-

PH约为5,主要用于吸附阴离子、极性化合物

(中性)氧化铝

-

极性相互作用、离子交换作用

-

PH约为7.5,样品中极性或非极性化合物分离

(碱性)氧化铝

-

极性相互作用、阳离子交换作用

-

PH约为10,主要用于吸附阳离子、极性化合物


正相固相萃取的注意事项:
当利用正相固相萃取极性化合物时:
首先要确定的是,样品的萃取溶剂最好是低极性溶剂,因为极性溶剂上正相柱,较难吸附。
活化:一般用低极性溶剂进行活化处理(正己烷)
上样:将低极性溶剂的样品上柱
淋洗:适当增加溶剂极性,才具备洗去杂质的能力
洗脱:中强极性有机溶剂。建议使用的洗脱溶剂(洗脱强度逐渐增大):己烷、二氯甲烷、THF、丙酮、乙腈、异丙醇。以下为溶剂正反模式洗脱强度:


正相模式下,活化→上样→淋洗→洗脱,4个步骤在建立固相萃取方法时应该合理地逐渐增加溶剂极性,以洗去杂质,保留目标物。在优化方法时,可以通过建立淋洗曲线和洗脱曲线,找出适合的淋洗溶剂和洗脱溶剂。淋洗液要求,在洗出目标物前的最大洗脱强度,以求最大限度除去杂质。而洗脱液含量要稍微大于目标化合物完全被洗脱时的溶剂体系,这是因为过强的洗脱强度会把强吸附杂质一同洗下。最后,正相模式比反相模式有更好的选择性。当使用氨基柱、PSA柱等分离结构异构体,实际是通过增加溶剂极性或洗脱剂的量完成的。

前文提要:
干货|固相萃取篇01-了解PH、PKA
干货|固相萃取篇02-非极性相互作用,碳系吸附剂选择原则。

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