Ученые, используя микроволны, синтезировали композиционные материалы для разделения и очистки многокомпонентных смесей. Предложенные наполнители для хроматографических колонок позволили ускорить процессы в десять раз, а благодаря сочетанию пор разного размера они могут использоваться для выделения самых разных органических веществ в фармацевтике, медицине, нефтехимии и химической промышленности.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Polymers.

В последние десятилетия в медицинской диагностике, экологии, нефтехимии и фармацевтике для разделения смесей широко используется высокоэффективная жидкостная хроматография. Суть метода заключается в том, что анализируемые вещества по-разному взаимодействуют с двумя компонентами, которые называются фазами. Первая из них неподвижна и чаще всего представляет собой твердый незаряженный материал на основе силикагеля или полимеров, а вторая — подвижная — жидкий водно-органический растворитель, например смесь ацетонитрила или метанола с водой.

Неподвижную фазу помещают в цилиндрические сосуды-колонки, через которые с потоком подвижной фазы пропускают разделяемые смеси. При этом неподвижная фаза избирательно «захватывает» часть молекул, которые наиболее «родственны» ей. Остальные вместе с подвижной жидкой фазой выходят из колонки. Недостаток классических неподвижных фаз состоит в том, что они не способны «узнавать», связывать и, следовательно, разделять вещества в очень сложных многокомпонентных смесях, например нефти или биологических объектах, которые могут содержать более тысячи веществ. Поэтому ученые ищут альтернативные материалы, которые будут иметь лучшую избирательность.

В качестве перспективной замены классических силикагелей и полимеров для жидкостной хроматографии рассматриваются композиционные материалы на основе металлорганических каркасных структур. Последние представляют собой трехмерную сетку из ионов металлов, связанных между собой органическими молекулами.

Благодаря тому, что оба компонента можно изменять, например, используя разные металлы или модифицируя боковые цепочки молекул, свойствами таких композитов довольно легко управлять. Кроме того, эти материалы имеют однородную структуру с равномерно распределенными порами, высокую прочность и устойчивость к нагреванию. Единственный недостаток металлорганических полимеров — неправильная форма их частиц. Они имеют вид мелкого кристаллического порошка, который засыпают в колонку. При пропускании разделяемой жидкости его частицы могут смываться, кроме того, весь процесс прохождения смеси занимает продолжительное время из-за очень мелкого размера пор наполнителя.

Ученые из Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина РАН (Москва), Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва), Института органической химии имени Н.Д. Зелинского РАН (Москва), Института элементоорганических соединений имени А.Н. Несмеянова РАН (Москва) и Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» (Москва) предложили способ, который позволил улучшить функциональные свойства металлорганических каркасных структур.

Для этого материал нанесли на наносферы бипористого кремнезема — мелкие частицы, по химическому составу аналогичные песку и имеющие поры двух размеров, до 40 раз превышающих таковые у пор в металлорганическом полимере. Исходные компоненты предварительно смешивали в подходящем растворителе и облучали микроволнами для запуска полимеризации. После этого полученные композиты выдерживали при высокой температуре для формирования максимальной пористости. Полученные частицы имели размер от 500 до 1500 нм, что примерно в 50 раз меньше диаметра волоса.

Микроструктура кремниевых наносфер (а), металлорганического координационного полимера (b) и полученного на их основе композиционного материала (с). Источник: Булат Сайфутдинов

Чтобы оценить потенциал полученных композитов как материалов для разделения методом хроматографии, их поместили в цилиндрические колонки, через которые пропустили растворы бензола в гексан-изопропанольном растворителе. Варьируя такие параметры, как скорость пропускания, температура внутри колонки и состав раствора, ученые выяснили оптимальные параметры использования полученных композитов.

Также выяснилось, что пористость материала, которая влияет на эффективность разделения, улучшилась по сравнению с чистым металлорганическим полимером за счет появления пор разного размера. В отличие от случая, когда в роли неподвижной фазы выступает чистая металлорганическая каркасная структура, использование композитов позволило эффективно разделить смесь при скорости пропускания подвижной фазы 0,5 мл/мин, и процесс разделения ускорился в десять раз.

«Компоненты, входящие в состав предложенного нами материала, дают синергетический эффект, что позволяет компенсировать недостатки, имеющиеся у каждого из них по отдельности. В дальнейшем мы планируем исследовать свойства композитов, содержащих различные металлы, чтобы понять, как с их помощью можно регулировать селективность хроматографического разделения», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Булат Сайфутдинов, кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории физико-химических основ хроматографии и хромато-масс-спектрометрии Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина РАН.