9. Методы анализа

Все описанные эксперименты стали возможными лишь благодаря поразительным успехам в развитии методов анализа в органической химии. Без них мы были бы не в состоянии узнать, какие соединения образуются в опытах.

Старые методы анализа в органической химии были в большей или меньшей степени продолжением методов, используемых химиками-неорганиками. Применялся освященный временем принцип: исследуемую молекулу надо разрушить на более мелкие фрагменты, состав которых определить значительно легче. Анализируя природу этих фрагментов и определяя их процентное содержание, во многих случаях удавалось выяснить состав исходного соединения. Конечно, я упростил принцип, и все же подход к анализу органических веществ был раньше именно таким. Информативность этого метода ограниченна. Он позволяет определить, имеем ли мы дело, скажем, с углеводородом, сложным эфиром, жиром или углеводом. Но внутри этих классов известны различные соединения, состоящие из одних и тех же атомов или их групп. Такие соединения с одинаковым составом, но разным пространственным расположением атомов называются изомерами.

Даже у простых соединений, какими являются предельные углеводороды, или алканы, состоящие только из атомов углерода и водорода, число возможных изомеров одной молекулы возрастает до астрономических величин при удлинении углеродной цепочки. Бутан (С₄Н₁₀) - первый углеводород, имеющий два изомера. За ним идет пептан (С₅Н₁₂) - у него есть три изомера; у гексана (С₆Н₁₄) - пять; у гептана (С₇Н₁₆) - девять изомеров и т. д. У алкана с формулой С₂₀H₄₂ должно быть 366319 разных изомеров [30].

Раньше химики-органики не умели анализировать смеси таких сложных изомеров. Новые методы позволяют выделять эти соединения из смеси и анализировать их, не разрушая на фрагменты. Впрочем, старый метод разрушения исследуемого вещества также может применяться, однако только в сочетании с новейшими техническими достижениями, позволяющими определять тонкую структуру, такими, как масс-спектрометрический анализ (см. гл. XII, разд. 11).

Подробные сведения о новейших методах читатель может найти в учебниках и справочниках [42]. Некоторые из новых методов анализа были в разное время популярно описаны в журнале Scientific American [5, 18, 23, 37]. Но три метода заслуживают особого разговора. Это жидкостная адсорбционная хроматография (или, короче, просто хроматография), газовая, или парофазная, хроматография, а также масс-спектрометрия.

Метод жидкостной адсорбционной хроматографии на колонках был разработан уже давно. Он позволяет разделять сложные смеси на отдельные соединения. Смесь соединений в растворителе заливается в стеклянную колонку, заполненную специальным адсорбентом. Затем через колонку пропускаются большие объемы чистого растворителя; при этом каждый отдельный компонент смеси продвигается по колонке со скоростью, зависящей от силы его взаимодействия с адсорбентом. Время, в течение которого каждый компонент удерживается на колонке (время задержки), зависит от того, насколько трудно его "отмыть" от адсорбирующей поверхности.

Позже жидкостная адсорбционная хроматография была усовершенствована. Развиты более эффективные методы - хроматография на бумаге и тонкослойная хроматография. В них используется или особым образом обработанная бумага, или тонкий слой специального сорбента, нанесенный на стеклянную или металлическую подложку. Каплю анализируемой смеси наносят в углу на лист бумаги или пластинку, а противоположный край листа опускается в смесь растворителей. Продвигаясь по капиллярам через хроматограмму, растворитель выполняет необходимое разделение. Примеры хроматограмм показаны на фото 3 и фиг. 31. Не все пятна, появляющиеся на хроматограмме после обработки, соответствуют каждое какому-либо одному компоненту. Можно произвести дальнейшее разделение, повернув хроматограмму па 90°С и пропуская другую смесь растворителей в направлении, перпендикулярном первоначальному. Это так называемая двумерная хроматография.

Комбинируя разные системы растворителей и адсорбенты, удается разделять многие нелетучие соединения, которые раньше разделить не удавалось. Точный контроль условий эксперимента позволяет определять неизвестные соединения, сравнивая их относительную подвижность с подвижностью известных веществ.

Газовая хроматография, называемая также парофазной и газожидкостной, отличается от жидкостной тем, что подвижная газовая фаза проходит через колонку, заполненную твердыми зернами, покрытыми пленкой нелетучей в условиях опыта жидкости. Пропускаемый газ - смесь газа-носителя и анализируемого вещества. Пленка жидкости, нанесенной на зерна, должна задерживать газообразные соединения, идущие через колонку, причем задерживает она их по-разному, в зависимости от их природы. Соединения, входящие в состав смеси, при этом разделяются, и их можно регистрировать или собирать на выходе колонки.

Газовая хроматография позволяет определять малейшие количества органических веществ - до 10^-12 г, а иногда и до 10^-22 г [40]. Она сыграла главную роль в обнаружении инсектицидов в нашей пище, о чем широкая публика узнала из книги Рэйчел Карсон "Безмолвная весна". В интересующей нас области газовая хроматография была успешно применена для обнаружения молекулярных ископаемых в очень древних докембрийских породах (см. гл. XII, разд. 10-12).

Детекторы, помещенные на выходе колонки, измеряют какое-либо физическое свойство вытекающего газа; при этом на бумажной ленте печатается цифровая информация. Таким образом, вместо пятен, получаемых при жидкостном методе, газовая хроматография дает нам диаграмму, на которой разным газам соответствуют отдельные пики (фиг. 58-60). Эти газообразные соединения, четко разделенные, можно собрать для дальнейшего анализа, например с помощью масс-спектрографа (фиг. 64 и 66).

Часто применяют пламенно-ионизационный детектор. Он основан на измерении электропроводности пламени водородной горелки, в котором сжигают часть газа, выходящего из колонки. Если выходит только газ-носитель, то электропроводность пламени равна нулю. При появлении других веществ, смешанных с носителем (как говорят химики, элюированных им), в пламени появляются ионизованные частицы и на диаграмме отмечается пик проводимости. Время, через которое появляется такой пик, - очень важный параметр, часто позволяющий идентифицировать данное соединение. Площадь пика на диаграмме соответствует количеству данного компонента.

В гл. III, разд. 10 мы уже познакомились с масс-спектрометром и масс-спектрографом. Эти приборы позволяют точно определять массу данного атома или молекулы. Теперь они приобрели большое значение для органической химии, так как с их помощью можно определять молекулярные массы отдельных субъединиц органических макромолекул. Метод основан на том, что многие крупные молекулы в ионизованном состоянии нестабильны. Они распадаются на фрагменты, которые тоже можно ионизовать. Эти заряженные частицы, как обычно, ускоряются магнитным полем прибора, разделяются и идентифицируются до отношению их массы к заряду. Самописец отмечает массы различных ионизованных фрагментов и их концентрации, соответствующие пикам различной высоты (фиг. 64, 66). В конечном счете мы можем мысленно собрать разные фрагменты, узнав таким образом строение интересующей нас исходной молекулы.

Фиг. 36. Схема комбинированной установки из газо-жидкостного хроматографа с масс-спектрометром [7]. Пробу смешивают с газом-носителем и разделяют на колонке хроматографа (вверху). Пройдя затем через сепаратор и ионный источник, исследуемое вещество делится на два потока. Один (справа) идет прямо на самописец, регистрирующий ионный ток; этот самописец по техническим соображениям используется здесь вместо пламенно-ионизационного детектора. Другой поток идет в масс-спектрометр (слева), где исходные молекулы распадаются на составные части, специфичные для каждого типа молекул. Таким образом, для молекул разного типа получают разные кривые - внизу приведены четыре примера масс-спектров. Меняя напряженность магнитного поля, можно изменять путь пучка ионизованных молекул и продуктов их распада. За это ответствен блок магнитной развертки. Пучки ионизованных молекул разной массы один за другим падают на щель электронного умножителя и дают на диаграмме раздельные пики