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溶剂效应:
指液相反应中,溶剂的物理和化学性质影响反应平衡和反应速度的效应。溶剂化本质主要是静电作用。对中性溶质分子而言,共价键的异裂将引起电荷的分离,故增加溶剂的极性,对溶质影响较大,能降低过渡态的能量,结果使反应的活化能减低,反应速度大幅度加快。了解溶剂效应,有助于研究有机物的溶解状况和反应历程。
对于等极性过滤态和自由基过滤态反应,溶剂效应较小;对于偶极过渡态反应,溶剂效应较大,例如非质子偶极溶剂的特点是正端藏于分子内部,负端露于分子外部,负端可以与正离子起作用,而正端却不能与负离子起作用,因此,在非质子溶剂中,用负离子作为试剂时,由于它不被溶剂分子包围,可以很容易地进行反应,成为加快反应速度的重要手段。
溶剂效应对反应的影响的关注历史悠久。不同的溶剂可以影响反应速率,甚至改变反应进程和机理,得到不同的产物。溶剂对反应速率的影响十分复杂,包括反应介质中的离解作用、传能和传质、介电效应等物理作用和化学作用,溶剂参与催化、或者直接参与反应(有人不赞成将溶剂参与反应称作溶剂效应)。
溶剂效应的模拟:
通常我们对溶剂效应的静态模拟,关心的是溶剂效应的两个方面:一是溶剂分子反应中心有键的作用,包括配位键和氢键等,这种作用属于短程作用,另一个是极性溶剂的偶极距和溶质分子偶极距之间的静电相互作用,这个属于远程作用,当然溶剂和溶质之间的色散力作用也是重要的远程作用,特别是对于非极性溶剂而言,但是色散力的描述是量子化学模拟的一个难题。
高斯计算时,考虑溶剂效应,可以采用三种策略:
对于短程作用十分重要的体系,我们采用microsolvation model,或者称为 explicit Solvation model。直接考虑溶剂分子和反应中心的作用。
对于没有短程作用的体系,我们直接用虚拟溶剂模型(Implicit Solvation Model)来模拟远程作用。这种虚拟溶剂模型通常是把溶剂效应看成是溶质分子分布在具有均一性质的连续介质(Continuum)当中,也称为反应场(Reaction Field)。
短程作用的microsolvation model和远程作用的连续介质(Continuum)模型结合起来的方法渐渐为人们所青睐。这种方法得到的结果更为可靠,因为它综合考虑的溶剂的短程作用和远程作用。
短程作用的模拟,很直观的直接采用QM的方法研究溶剂分子作用了的活性中心,考虑这种成键对反应区域和反应过渡态结构和能量的影响。远程作用需要做一些物理上的近似处理(也就是一定的物理模型)。连续介质(Continuum)模型有很多,作为常用的是PCM (极化连续介质模型,Polarized Continuum Model)。其他一些常用的连续介质模型还包括Onsager,COSMO,SMx等等。PCM最早于1981年由Tomasi教授(意大利比萨大学)提出。
涉及到三个概念cavity formation, dispersion-repulsion 和electrostatic interaction。在连续的介质中腾出空穴(cavity)以容纳溶质,会导致体系能量升高,这部分的能量称为cavity formation energy。空穴中的溶质和溶剂的作用,主要是范德华力的作用 (不包括静电作用)。这部分能量称为分散-排斥能(dispersion-repulsion energy),一般为负值(能量降低)。溶质分子的电荷分布会通过静电作用使连续介质(溶剂)产生极化,而溶剂的极化作用反过来又会影响到溶质分子的电荷分布。这就是静电的相互作用(electrostatic energy),使体系能量降低。三项能量的加和得到了溶剂化自由能(free energy of solvation),前两项的能量与空穴表面积接近成正比关系,在PCM模型中,这两项能量由表面积结合一些与原子特性相关的半经验参数计算而得。
液相色谱:
液相色谱是一类分离与分析技术,其特点是以液体作为流动相,固定相可以有多种形式,如纸、薄板和填充床等。在色谱技术发展的过程中.为了区分各种方法,根据固定相的形式产生了各自的命名,如纸色谱、薄层色谱和柱液相色谱。
经典液相色谱的流动相是依靠重力缓慢地流过色谱柱,因此固定相的粒度不可能太小(100μm~150μm左右)。分离后的样品是被分级收集后再进行分析的,使得经典液相色谱不仅分离效率低、分析速度慢,而且操作也比较复杂。直到20世纪60年代.发展出粒度小于10μm的高效固定相,并使用了高压输液泵和自动记录的检测器,克服了经典液相色谱的缺点,发展成高效液相色谱,也称为高压液相色谱。
液相色谱和气相色谱的比较:
液相色谱所用基本概念:保留值、塔板数、塔板高度、分离度、选择性等与气相色谱一致。液相色谱所用基本理论:塔板理论与速率方程也与气相色谱基本一致,但由于在液相色谱中以液体代替气相色谱中气体作为流动相,而液体和气体的性质不相同。此外,液相色谱所用的仪器设备和操作条件也与气相色谱不同,所以,液相色谱与气相色谱有一定的差别。
主要有以下几力‘面:
①操作条件及应用范围不同
对于气相色谱,是加温操作。仅能分析在操作温度下能汽化而不分解的物质,对高沸点化合物、非挥发性物质、热不稳定化合物、离子型化合物及高聚物的分离、分析较为困难,致使其应用受到一定程度的限制,据统计只有大约20%的机物能用气相色谱分析。而液相色谱是常温操作,不受样品挥发度和热稳定性的限制,它非常适合相对分子量较大,难汽化,不易挥发或对热敏感的物质、离子型化合物和高聚物的分离分析,大约占有机物的70%~80%。
②液相色谱能完成难度较高的分离工作
a.气相色谱的流动相载气是色谱惰性的,基本不参与分配平衡过程,与样品分子无亲和作用,样品分子主要与固定相相互作用。而在液相色谱中流动相液体也与固定相争夺样品分子,为提高选择性增加了一个因素。也可选择不同比例的两种或两种以上的液体做流动相,增加分离的选择性。
b.液相色谱固定相类型多,如离子交换色谱和排阻色谱等,作为分析时,选择余地大;而气相色谱并不可能。
c.液相色谱通常在室温下操作,较低的温度,一般有利于色谱分离条件的选择。
③由于液体的扩散性比气体的小105倍,因此,溶质在液相中的传质速率慢,柱外效应就显得特别重要;而在气相色谱中,由色谱柱外区域引起的扩张可以忽略不计。
④液相色谱中,制备样品简单,回收样品也比较容易,而且回收是定量的,适合于大量制备,但液相色谱尚缺乏通用的检测器,一起比较复杂,价格昂贵。在实际应用中,这两种技术是相互补充的。
综上所述,液相色谱具有柱效高,选择性高,灵敏性高,分析速度快,重复性好,应用范围广等优点,该法已成为现代分析技术的主要手段之一。目前在化学,化工,医药,生化,环保,农业等科学领域获得广泛的应用。
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