166598 (Силикагель и его применение в высокоэффективной жидкостной хроматографии)

Введение

В современной промышленности и науке особое место среди сорбентов принадлежит силикагелю, представляющему собой высушенный гель кремниевой кислоты. По масштабам применения силикагель существенно превосходит активную окись алюминия и цеолиты. Химическая инертность, высокая термостойкость, легкость регулирования пористой структуры весь этот комплекс свойств дает возможность приготовления на основе силикагеля сорбентов, катализаторов и носителей с высокой удельной поверхностью при оптимальной пористости структуры.

Одним из важнейших направлений применения силикагеля в качестве сорбента является ВЭЖХ.

Благодаря высокому уровню развития экспериментальной техники и инструментальной оснащения современная ВЭЖХ позволяет с большой степенью надежности и воспроизводимости решать сложные аналитические задачи. Наряду с высоким качеством используемого оборудования, большое значение имеет правильный выбор системы разделения. Новое поколение сорбентов, полученных на основе высокочистого сферического силикагеля, обладающего инертной поверхностью и высокой химической стабильностью, позволяет найти оптимальные варианты выполнения аналитических задач и повысить эффективность многих методов.

В настоящее время в практике отечественной фармацевтической промышленности активно проводится внедрение международных стандартов и нормативов GMP (Good Manufacturing Practice) на технологию и качество продукции, в связи с чем существенно увеличивается потребность фармацевтической промышленности в системах аналитической и препаративной жидкостной хроматографии. Современные хроматографические системы для ВЭЖХ позволяют не только контролировать качество сырья и готовых лекарственных препаратов, они используются также в технологических процессах разделения и очистки многокомпонентных смесей широкого круга лекарственных веществ различного действия.

ВЭЖХ может в значительной мере помочь решить проблемы, накопившиеся в отечественном фармацевтическом производстве за последнее десятилетие, связанные с производством чистых субстанций. С одной стороны, метод ВЭЖХ позволят доводить до необходимых требований чистоты относительно дешевые, но зачастую некачественные субстанции, в частности, приобретаемые в странах Азии. С другой стороны, на применении промышленной ВЭЖХ базируются новые или воссоздаваемые технологии получения и выделения лекарственных веществ, в том числе синтетических и природных пептидов, геноинженерных продуктов.

На эффективность и экономичность процесса хроматографического разделения влияют такие факторы, как инертность поверхности сорбента, узость фракционного состава, форма частиц, доступные в промышленных масштабах количество и ассортимент фаз.

За последнее десятилетие произошли существенные изменения в качестве промышленных сорбентов для ВЭЖХ. Технология их получения аккумулирует все лучшее, что достигнуто в производстве сорбентов для аналитической ВЭЖХ. Сорбенты с частицами нерегулярной формы практически полностью вытеснены с рынка сферическими сорбентами на основе сверхчистого силикагеля.

Возрастающий в последние годы интерес отечественных производителей фармацевтических препаратов к современным хроматографическим методам анализа и получения высокочистых препаратов позволяет надеяться на широкое развитие и внедрение в практику производства и применения фармацевтических препаратов современных методов ВЭЖХ, как аналитических, так и промышленных. Практическое использование методов на основе ВЭЖХ для анализа и технологий очистки, несомненно, приведет к возрождению отечественного приборостроения, разработке новых сорбентов и колонн и дальнейшему развитию самого метода хроматографии.

1. Литературный обзор

1.1 Основные направления практического применения силикагеля

Одним из наиболее практически важных соединений кремния является двуокись кремния SiO₂. Отличительной особенностью двуокиси кремния является склонность давать коллоидные растворы и образовывать с водой гели, называемые силикагелями.

Силикагель представляет собой высушенный гель кремниевой кислоты пористого строения с сильно развитой внутренней поверхностью. Эта особенность обуславливает ценнейшие свойства силикагеля – адсорбента, носителя каталитически активного вещества и катализатора.

Силикагель находит все более широкое применение в самых разнообразных отраслях промышленности. Ввиду гидрофильных свойств поверхности силикагеля его часто используют для осушки воздуха [1–3], углекислого газа, водорода, кислорода, азота, хлора и других промышленных газов [4].

Способность силикагеля поглощать значительные количества воды существенна также для осушки различных жидкостей, в особенности в том случае, когда обезвоживаемая жидкость плохо растворяет воду (например, сушка галогенированных жидкостей типа фреона [4]). Силикагели служат также осушителями при консервации оборудования для предохранения его от коррозии.

Наряду с водой силикагель хорошо сорбирует пары многих органических веществ. Этим его свойством пользуются для улавливания (рекуперации) паров ценных органических растворителей бензина, бензола, эфира, ацетона и т.п. из воздуха, бензола из газовых коксовых печей и бензина из природных газов [1–4].

Свойство силикагеля поглощать многие вещества из жидкой фазы используют в промышленной очистке различных масел, а также при удалении из нефти высокополимерных смолистых веществ [3, 4].

Силикагель катализирует многие химические реакции. Он обнаруживает значительную каталитическую активность в тех случаях, когда реакция сопровождается образованием или потреблением воды, например в реакциях этерификации, превращения ароматических галоидпроизводных в соответствующие фенолы [4, 5–7] и т.д. В то же время он является распространенным катализатором многих других химических процессов, таких как полимеризация, конденсация, окисление, восстановление органических веществ и др. [8].

Силикагель является одним из распространенных носителей катализаторов и служит компонентом многих сложных контактов. Он используется как носитель самых различных каталитически активных веществ металлов Рt, Рd, Ni и др., окислов, кислот, оснований для процессов окисления, гидратации, гидрирования, полимеризации, конденсации и многих других реакций [7].

В последнее время силикагели широко используются как иониты для разделения радиоактивных изотопов, очистки промышленных сточных вод от ионов различных металлов и средств медицинской помощи при интоксикации радиоактивными веществами [4].

Интерес к силикагелю связан с сочетанием в нем ряда ценных качеств: высокой адсорбционной способности, избирательности адсорбционного действия, способности подвергаться многократной регенерации без потери адсорбционной активности, относительно большой прочности зерен, термостойкости, возможности получения его в гранулированном и порошкообразном состоянии и др.

Важнейшим преимуществом силикагеля по сравнению с природными пористыми материалами (пемза, асбест) является возможность изменения его структуры в процессе формирования. Это обстоятельство является особенно важным потому, что степень и характер пористости силикагеля обусловливают эффективность его применения в различных процессах. При данной пористой структуре адсорбционная активность определяется концентрацией адсорбируемого вещества и размером его молекул.

Эффективность процессов адсорбции и катализа зависит от рационального выбора пористой структуры силикагеля, которая определяется условиями его приготовления [4].

1.2 Генезис и строение силикагелей

Процесс приготовления стекловидного силикагеля состоит из получения золя кремневой кислоты и застудневания его, созревания, синерезиса, промывки и сушки геля.

Золь кремневой кислоты получают различными способами: взаимодействием щелочного силиката с кислотами или кислыми солями [4, 8]; гидролизом четыреххлористого кремния; омылением метилового или этилового эфиров кремневой кислоты; окислением силана SiH₄ озоном в водном растворе; электролизом щелочных силикатов; пропусканием водного раствора силиката натрия через колонку, заполненную катионитом в водородной форме [4]. Все эти методы, за исключением первого, применяются, главным образом, в лабораторных условиях. Мировая промышленность в основном изготовляет силикагель из растворимого стекла действием на него серной кислоты. Получение кремневой кислоты по этому методу схематически изображается реакцией

Na₂SiO₃ + Н₂SO₄ → Na₂SO₄ + Н₂SiO₃↓

Первой стадией процесса, независимо от способа приготовления, является образование истинно растворенной кремниевой кислоты SiO₂ [4, 8]. Затем простые кремниевые кислоты конденсируются до поликремневых кислот, молекулярный вес которых постепенно увеличивается. Развитие процесса полимеризации приводит к образованию коллоидного раствора (золя) [10, 11]. Общее уравнение процесса полимеризации представляется следующим образом:

nSi(ОН)₄ → (SiO₂)_n + 2nН₂O.

Рисунок 1.1. Схематическое строение глобул скелета силикагеля

Частицы золя шаровидны, состоят из неправильно упакованных кремнекислородных тетраэдров, поверхностный слой которых заканчивается гидроксилами. Схематически строение такой частицы представлено на рис. 1.1 [4].

Золь не представляет собой истинно равновесной системы, а ее стремление к уменьшению свободной энергии проявляется в самопроизвольном переходе золя в студень. Гидрогель с течением времени также претерпевает изменения в результате тех же конденсационных процессов, которые приводят к дальнейшему укрупнению и срастанию первичных частиц.

Скорость застудневания зависит от целого ряда факторов и, в первую очередь, от концентрации SiO₂ в золе, температуры, рН среды и природы минеральной кислоты.

Механизм гелеобразования кремниевой кислоты процесса полностью еще не выяснен. Наибольшее распространение и признание получила мицеллярная или фибриллярная теория [4], по которой гель образуется в результате последовательной химической конденсации низкомолекулярных кремниевых кислот, сопровождающейся выделением воды. Цепи конденсированных поликремниевых кислот, в свою очередь, соединяются между собой перекрестными связями, образуя эластичную структуру, способную, благодаря капиллярным силам, удерживать большое количество воды или разбавленного раствора силиката. По этой гипотезе структурной основой всей гелеобразной системы являются частицы высокополимера, взаимно связанные между собой.

Конденсационный механизм гелеобразования лучше других объясняет такие свойства коллоидной кремнекислоты, как нечувствительность золя к малым добавкам солей, влияние концентрации водородных ионов на скорость застудневания, необратимость геля, эластичность и др. [4, 8].

Процесс получения геля может быть изображен следующей схемой [4]:

S i(OH)₄ ^{полимеризация} коллоидные частицы (золь) ^{агрегация} сетка частиц (гель)

Н а первом этапе молекулы Si(ОН)₄ конденсируются до размеров коллоидных частиц с образованием связей.

На втором этапе такая же конденсация между первичными частицами ведет к образованию геля. Различие между этими стадиями заключается в том, что на первой из них конденсация приводит к сплошным массивным частицам кремнезема, а на второй они смыкаются только в отдельных местах. При этом получается очень открытый, но непрерывный скелет, распространяющийся по всей среде и поэтому придающий всей системе некоторую степень твердости.