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固相萃取篇03 极性相互作用

bencen

2019/03/03

私聊

分离/萃取

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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