RU2413936C2 - Method of analysing optical and structural isomers - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: method of analysing optical and structural isomers involves separation of the analysed mixture on a composite liquid crystal sorbent which contains a smectic-nematic liquid crystal of 4-n-octyloxy-4'-cyanobiphenyl and chiral macrocyclic modified β-cyclodextrin. The retention characteristic of the analysed substances is then determined from results of measuring chromatographic signals from obtained chromatographs. The chiral macrocyclic additive used is modified β-cyclodextrin - (heptakis-2,3,6-O-acetyl) - β-cyclodextrin in amount of 10% of the mass of the liquid crystal.

EFFECT: high enantioselectivity of analysis with retention of structural selectivity, which enables to separate optical and structural isomers in a single chromatographic analysis cycle.

1 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к газовой хроматографии, в частности к использованию композиционных жидкокристаллических сорбентов, обеспечивающих разделение близкокипящих структурных и оптических изомеров органических веществ, например изомеров пара- и мета- ксилолов, оптически активных форм камфена и лимонена, и может быть использовано при анализе различных смесей природного и техногенного происхождения в химической, фармацевтической, медицинской, пищевой и других отраслях промышленности.The invention relates to gas chromatography, in particular to the use of composite liquid crystal sorbents, which provide separation of low-boiling structural and optical isomers of organic substances, for example, isomers of para- and metaxylene, optically active forms of camphene and limonene, and can be used in the analysis of various mixtures of natural and technogenic origin in the chemical, pharmaceutical, medical, food and other industries.

Известны способы газохроматографического анализа различных структурных изомеров органических веществ, где в качестве неподвижной фазы используются нематические и смектические жидкие кристаллы (см. Вигдергауз М.С., Вигалок Р.В., Дмитриева Г.В. Хроматография в системе газ - жидкий кристалл // Успехи химии, 1981, т.50, №5, с.943-972).Known methods for gas chromatographic analysis of various structural isomers of organic substances, where nematic and smectic liquid crystals are used as the stationary phase (see Wigderhaus M.S., Vigalok R.V., Dmitrieva G.V. Chromatography in a gas-liquid crystal system // Advances in Chemistry, 1981, vol. 50, No. 5, pp. 943-972).

Известны способы хроматографического анализа оптических изомеров с использованием хиральных неподвижных фаз на основе привитых или химически модифицированных β-циклодекстринов (см. Алленмарк С. Хроматографическое разделение энантиомеров. М.: Мир, 1991, 268 С.; Шпигун О.А., Ананьева И.А., Буданова Н.Ю., Шаповалова Е.Н. Использование циклодекстринов для разделения энантиомеров // Успехи химии. 2003. - Т.72. №12. - С.1167-1180). Такие изотропные неподвижные фазы, обладая выраженной энантиоселективностью, плохо разделяют изомеры другого типа.Known methods for chromatographic analysis of optical isomers using chiral stationary phases based on grafted or chemically modified β-cyclodextrins (see Allenmark C. Chromatographic separation of enantiomers. M: Mir, 1991, 268 C .; Shpigun O.A., Ananyeva I. A., Budanova N.Yu., Shapovalova EN Use of cyclodextrins for the separation of enantiomers // Uspekhi Khimii. 2003. - T.72. No. 12. - S.1167-1180). Such isotropic stationary phases, having pronounced enantioselectivity, poorly separate isomers of another type.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является способ газохроматографического анализа структурных и оптических изомеров с использованием композиционного жидкокристаллического сорбента на основе смектико-нематического 4-н-oктилoкcи-4'-цианобифенила с добавкой 8% масс. хирального макроциклического гептакис(2,3,6-три-о-метил)-β-циклодекстрина (или метилированный β-ЦД) в условиях капиллярной газовой хроматографии (Онучак Л.А., Жосан А.И., Арутюнов Ю.И., Кошлец М.В. Сорбционные 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. №4. С.43-53).Closest to the invention in terms of essential features is a method of gas chromatographic analysis of structural and optical isomers using a composite liquid crystal sorbent based on smectic-nematic 4-n-octyloxy-4'-cyanobiphenyl with the addition of 8% of the mass. chiral macrocyclic heptakis (2,3,6-tri-o-methyl) -β-cyclodextrin (or methylated β-CD) under capillary gas chromatography (Onuchak L.A., Zhosan A.I., Arutyunov Yu.I. , MV Koshlets. Sorption and selective properties of a composite liquid crystal sorbent based on 4-n-octyloxy-4 ^/ cyanobiphenyl under capillary gas chromatography // Liquid crystals and their practical use. 2008. No. 4. P.45-53) .

Недостатком известного способа газохроматографического анализа является недостаточно высокая селективность сорбента по отношению к оптически активным изомерам.The disadvantage of this method of gas chromatographic analysis is the insufficiently high selectivity of the sorbent with respect to optically active isomers.

Задачей изобретения является повышение селективности композиционного жидкокристаллического для разделения оптически активных изомеров.The objective of the invention is to increase the selectivity of the composite liquid crystal for the separation of optically active isomers.

Эта задача решается за счет того, что в способе анализа оптических и структурных изомеров, при котором анализируемую смесь разделяют методом газожидкостной хроматографии на композиционном жидкокристаллическом сорбенте, содержащем смектико-нематический жидкий кристалл 4-н-октилокси-4'-цианобифенил и хиральный макроциклический модифицированный β-циклодекстрин, с последующим определением характеристик удерживания исследуемых веществ по результатам измерения хроматографиических сигналов из полученных хроматограмм, причем в качестве хиральной макроциклической добавки используют модифицированный β-циклодекстрин - (гептакис-2,3,6-O-ацетил)-β-циклодекстрин в количестве 10% от массы жидкого кристалла.This problem is solved due to the fact that in the method of analysis of optical and structural isomers, in which the analyzed mixture is separated by gas-liquid chromatography on a composite liquid crystal sorbent containing a smectic-nematic liquid crystal 4-n-octyloxy-4'-cyanobiphenyl and a chiral macrocyclic modified β -cyclodextrin, followed by determination of the retention characteristics of the investigated substances according to the results of the measurement of chromatographic signals from the obtained chromatograms, and as The chiral macrocyclic additive uses modified β-cyclodextrin - (heptakis-2,3,6-O-acetyl) -β-cyclodextrin in an amount of 10% by weight of the liquid crystal.

При решении поставленной задачи создается технический результат, заключающийся в следующем:When solving this problem creates a technical result, which consists in the following:

при использовании композиционного жидкокристаллического сорбента на основе жидкого кристалла 4-н-октилокси-4'-цианобифенила (8ОЦБ) и (гептакис-2,3,6-O-ацетил)-(β-циклодекстрина (или ацетилированный β-ЦД) повышается энантиоселективность по отношению к оптическим изомерам, при этом сохраняется структурная селективность. Различная сорбируемость оптических изомеров, например оптически активных форм камфена (2,2-диметил-3-метиленбицикло[2.2.1]гептана), обусловлена взаимодействиями по механизму «гость - хозяин» с макроциклическим модифицированным β-циклодкстрином, выполняющим роль хирального селектора. Для сорбента «8 ОЦБ+метилированный β-ЦД» сильно выражена ассоциация молекул жидкого кристалла с молекулами метилированного β-циклодекстрина, что затрудняет растворение сорбатов в таком композиционном сорбенте. Система «8 ОЦБ+ацетилированный β-ЦД» характеризуется более слабым взаимодействием «жидкий кристалл - макроцикл», что обусловливает увеличение взаимодействия сорбатов с композиционным сорбентом. С ростом содержания ацетилированного β-ЦД от 7 до 12% масс. в 8 ОЦБ эти взаимодействия усиливаются. Однако с увеличением количества модифицированного β-ЦД в комопзиционном жидкокристаллическом сорбенте снижается упорядоченность молекул жидкого кристалла, что приводит к снижению структурной селективности.when using a composite liquid crystal sorbent based on a liquid crystal of 4-n-octyloxy-4'-cyanobiphenyl (8OCB) and (heptakis-2,3,6-O-acetyl) - (β-cyclodextrin (or acetylated β-CD), the enantioselectivity is increased with respect to optical isomers, structural selectivity is retained, while the different adsorption of optical isomers, for example optically active forms of camphene (2,2-dimethyl-3-methylenebicyclo [2.2.1] heptane), is caused by guest – host interactions with macrocyclic modified β -cyclodactrin acting as a chiral selector. For the sorbent “8 BCH + methylated β-CD”, the association of liquid crystal molecules with the molecules of methylated β-cyclodextrin is strongly expressed, which complicates the dissolution of sorbates in such a composite sorbent. “8 BCH + acetylated β-CD ”Is characterized by a weaker interaction“ liquid crystal - macrocycle ”, which leads to an increase in the interaction of sorbates with a composite sorbent. With an increase in the content of acetylated β-CD from 7 to 12% of the mass. in 8 BCH, these interactions are amplified. However, with an increase in the amount of modified β-CD in a co-liquid liquid crystal sorbent, the ordering of liquid crystal molecules decreases, which leads to a decrease in structural selectivity.

Пример конкретного выполнения способаAn example of a specific implementation of the method

В качестве композиционного жидкокристаллического сорбента в предлагаемом способе использовали 4-н-октилокси-4'-цианобифенил с добавкой хирального (гептакис-2,3,6-O-ацетил)-β-циклодекстрина. Количество хиральной макроциклической добавки составляло 7, 10 и 12% от массы жидкого кристалла, близких к содержанию метилированного β-циклодекстрина (β-ЦД_метил.) в известном способе (8% масс.). Смектико-нематический 8 ОЦБ по данным производителя (Sigma-Aldrich) имел температуру фазового перехода в смектическую S_A фазу - 54°С, в нематическую фазу N - 67°С и температуру перехода в изотропную жидкость I - 78°С. Молярная масса 8 ОЦБ равна 307 г/моль.As a composite liquid crystal sorbent in the proposed method used 4-n-octyloxy-4'-cyanobiphenyl with the addition of chiral (heptakis-2,3,6-O-acetyl) -β-cyclodextrin. The number of chiral macrocyclic additives was 7, 10 and 12% by weight of the liquid crystal, close to the content of methylated β-cyclodextrin (β-CD _methyl. ) In the known method (8% wt.). According to the manufacturer (Sigma-Aldrich), the smectic-nematic 8 BSC had a phase transition temperature of the smectic S _A phase of 54 ° C, of the Nematic phase N of 67 ° C and a temperature of transition to the isotropic liquid I of 78 ° C. The molar mass of 8 OCB is 307 g / mol.

Пленку неподвижной композиционной жидкокристаллической фазы наносили на твердый носитель, в качестве которого использовали хроматон N-AW зернением 0,125 - 0,160 мм отмытый кислотой. Процент пропитки составил 10%.The film of the stationary composite liquid crystal phase was deposited on a solid support, which was used chromaton N-AW with a grain size of 0.125 - 0.160 mm washed with acid. The percentage of impregnation was 10%.

Было изготовлено три колонки (длиной L=100 см, внутренним диаметром d_C=0.3 см), которые перед заполнением промывали последовательно дистиллированной водой и ацетоном, затем сушили при температуре 250°С в потоке газа-носителя (азота).Three columns were made (length L = 100 cm, inner diameter d _C = 0.3 cm), which were washed successively with distilled water and acetone before filling, then dried at a temperature of 250 ° С in a stream of carrier gas (nitrogen).

Композиционные жидкокристаллические неподвижные фазы содержали жидкий кристалл (8 ОЦБ) и ацетилированный β-циклодекстрин (β-ЦД_{ацетил.}) в различных соотношениях по массе 93:7, 90:10 и 88:12 соответственно. Жидкий кристалл и β-ЦД_ацетил. растворяли в разных колбах в небольшом количестве хлороформа, затем полученные растворы смешивали и приливали к твердому носителю. Растворитель удаляли при нагревании раствора.Composite liquid crystalline stationary phases contained a liquid crystal (8 BCH) and acetylated β-cyclodextrin (β-CD _acetyl. ) In various mass ratios of 93: 7, 90:10 and 88:12, respectively. Liquid crystal and β-CD _acetyl . a small amount of chloroform was dissolved in different flasks, then the resulting solutions were mixed and poured onto a solid support. The solvent was removed by heating the solution.

Колонки заполняли приготовленным сорбентом, затем кондиционировали в потоке газа-носителя (расход 5 см³/мин) в течение трех часов при температуре термостата газового хроматографа T_C=100°С.The columns were filled with the prepared sorbent, then conditioned in a carrier gas stream (flow rate 5 cm ³ / min) for three hours at a gas chromatograph thermostat temperature T _C = 100 ° С.

Селективность исследуемых композиционных жидкокристаллических сорбентов оценивали по значениям фактора разделения для структурных и оптических изомеров:The selectivity of the studied composite liquid crystal sorbents was evaluated by the values of the separation factor for structural and optical isomers:

где t_R,1 и t_R,2 - времена удерживания исследуемых изомеров, с; t_M - время удерживания несорбирующегося вещества (метана), с.where t _{R, 1} and t _{R, 2} - retention times of the studied isomers, s; t _M - retention time of a non-absorbable substance (methane), sec.

Результаты экспериментов сведены в таблицу «Сравнительные экспериментальные данные для колонок на основе жидкого кристалла 8 ОЦБ и модифицированных β-циклодекстринов».The results of the experiments are summarized in the table "Comparative experimental data for columns based on liquid crystal 8 OCB and modified β-cyclodextrins."

Как видно из приведенных в таблице данных, предлагаемый способ обеспечивает достаточно высокую селективность при разделении как оптических, так и структурных изомеров. В смектической и нематической фазах значения фактора разделения α_-/+ энантиомеров камфена и α_n-/м- пара-, мета- ксилолов сопоставимы с известным способом. В изотропной фазе энантиоселективность сохраняется и по сравнению с известным способом увеличивается для сорбента «90% масс. 8 ОЦБ+10% масс. β-ЦД_ацетил.» на 5,5%, а для сорбента «88% масс. 8 ОЦБ+12% масс. β-ЦД_ацетил.» на 14,4%.As can be seen from the data in the table, the proposed method provides a sufficiently high selectivity in the separation of both optical and structural isomers. In the smectic and nematic phases, the values of the separation factor α _{- / +} enantiomers of camphene and α _{n- / m-} para-, metaxylene are comparable with the known method. In the isotropic phase, enantioselectivity is retained and, compared with the known method, increases for the sorbent “90% of the mass. 8 BCH + 10% of the mass. β-CD _acetyl . "by 5.5%, and for the sorbent" 88% of the mass. 8 BCH + 12% of the mass. β-CD _acetyl . ”by 14.4%.

ТаблицаTable СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ КОЛОНОК НА ОСНОВЕ ЖИДКОГО КРИСТАЛЛА 8 ОЦБ И МОДИФИЦИРОВАННЫХ β-ЦИКЛОДЕКСТРИНАCOMPARATIVE EXPERIMENTAL DATA FOR COLUMNS BASED ON LIQUID CRYSTAL 8 OCB AND MODIFIED β-CYCLODEXTRIN №No.   Предлагаемый способThe proposed method Известный способKnown method         8 ОЦБ+7%β-ЦД_{ацетил.} 8 BCH + 7% β-CD _acetyl. 8 ОЦБ+10%β-ЦД_{ацетил.} 8 BCH + 10% β-CD _acetyl. 8 ОЦБ+12%β-ЦД_{ацетил.} 8 BCH + 12% β-CD _acetyl. 8 ОЦБ+8%β-ЦД_{ацетил.} 8 BCH + 8% β-CD _acetyl.           Фактор разделенияSeparation factor                         Смектическая фазаSmectic phase 1one пара-/мета- ксилолы, α_n-/м- para- / meta-xylenes, α _{n- / m-} 1,0551,055 1,0421,042 1,0331,033 1,0511,051 22 энантиомеры камфена, α_-/+ Camphene enantiomers, α _{- / +} 1,0341,034 1,0811,081 1,1131,113 1,1701,170 Нематическая фазаNematic phase 1one пара-/мета- ксилолы, α_n-/м- para- / meta-xylenes, α _{n- / m-} 1,0341,034 1,0271,027 1,0231,023 1,0181.018 22 энантиомеры камфена, α_-/+ Camphene enantiomers, α _{- / +} 1,0391,039 1,1161,116 1,1671,167 1,1531,153 Изотропная фазаIsotropic phase 1one пара-/мета- ксилолы, α_n-/м- para- / meta-xylenes, α _{n- / m-} 1,0041.004 1,0021.002 1,0001,000 1,0011.001 22 энантиомеры камфена, α_-/+ Camphene enantiomers, α _{- / +} 1,0071.007 1,1521,152 1,2491,249 1,0741,074

Максимальное значение энантиоселективности для известного способа составляет α_-/+=1,170 в смектической фазе жидкокристаллического сорбента, а для предлагаемого способа α_-/+=1,249 в изотропной фазе ЖК сорбента с содержанием ацетилированного β-ЦД в количестве 12% от массы жидкого кристалла. Увеличение содержания добавки ацетилированного β-ЦД более чем на 12% нецелесообразно, так как это приведет к потере структурной селективности данного сорбента.The maximum value of enantioselectivity for the known method is α _{- / +} = 1.170 in the smectic phase of the liquid crystal sorbent, and for the proposed method α _{- / +} = 1.249 in the isotropic phase of the LC sorbent with acetylated β-CD in the amount of 12% by weight of the liquid crystal. An increase in the content of the additive of acetylated β-CD by more than 12% is impractical, since this will lead to a loss of structural selectivity of this sorbent.

Содержание ацетилированного β-циклодекстрина в композиционном жидкокристаллическом сорбенте в количестве 10% по массе позволяет получить универсальный сорбент, обладающий как структурной, так и энантиоселективностью. Повышение температуры колонки не приводит к понижению энантиоселективности, что позволяет проводить хроматографический анализ при программировании температуры и разделять высококипящие сложные смеси, содержащие оптические изомеры. Наилучшей энантиоселективностью обладает композиционный сорбент «8 ОЦБ+12% ацетилированный β-ЦД».The content of acetylated β-cyclodextrin in the composite liquid crystal sorbent in an amount of 10% by weight allows to obtain a universal sorbent with both structural and enantioselectivity. An increase in the temperature of the column does not lead to a decrease in enantioselectivity, which allows chromatographic analysis when programming the temperature and separation of high-boiling complex mixtures containing optical isomers. The best enantioselectivity is possessed by the composite sorbent “8 BCH + 12% acetylated β-CD”.

Использование предлагаемого способа анализа оптических и структурных изомеров методом газожидкостной хроматографии с композиционным жидкокристаллическим сорбентом «8 ОЦБ+ацетилированный β-ЦД» позволяет повысить энантиоселективность разделительной колонки по отношению к оптическим изомерам на 6,8% по сравнению с известным способом, но при этом сохраняется структурная селективность.Using the proposed method for the analysis of optical and structural isomers by gas-liquid chromatography with a composite liquid crystal sorbent “8 OCB + acetylated β-CD” can increase the enantioselectivity of the separation column relative to the optical isomers by 6.8% compared with the known method, but the structural selectivity.

Claims (1)

Способ анализа оптических и структурных изомеров путем разделения анализируемой смеси на композиционном жидкокристаллическом сорбенте, содержащем смектико-нематический жидкий кристалл 4-н-октилокси-4'-цианобифенил и хиральный макроциклический модифицированный β-циклодекстрин, с последующим определением характеристик удерживания исследуемых веществ по результатам измерения хроматографических сигналов из полученных хроматограмм, отличающийся тем, что в качестве хиральной макроциклической добавки используют модифицированный β-циклодекстрин-(гептакис-2,3,6-O-ацетил)-β-циклодекстрин в количестве 10% от массы жидкого кристалла. A method for analyzing optical and structural isomers by separating the analyzed mixture on a composite liquid crystal sorbent containing a smectic-nematic liquid crystal of 4-n-octyloxy-4'-cyanobiphenyl and a chiral macrocyclic modified β-cyclodextrin, followed by determination of the retention characteristics of the studied substances according to the results of chromatographic measurements signals from the obtained chromatograms, characterized in that modified β-qi is used as a chiral macrocyclic additive lodekstrin- (heptakis-2,3,6-O-acetyl) -β-cyclodextrin in an amount of 10% by weight of the liquid crystal.