[Советы читателя] Кислотный или щелочной? При разработке метода сначала изучите структуру аналита.

На первый взгляд эти попытки кажутся логичными, но в них отсутствует нечто важное: структура аналита . Игнорирование структуры или отказ от её анализа, зная её, — это не что иное, как навлекание на себя беду. Каждый выбор в хроматографии — колонка, подвижная фаза и т. д. — должен учитывать химические свойства аналита. Хороший метод — это не результат бесконечных проб и ошибок, а целенаправленная разработка, основанная на философии QbD (качество через проектирование).

Итак, с чего же начать? Для многих аналитиков органическая химия может казаться далёким воспоминанием. Поэтому данное руководство посвящено обсуждению структур аналитов, в частности, тому, как определить, является ли аналит кислотным или основным , что важно для разработки первоначального метода.

Ка описывает, насколько легко кислота (ГА) диссоциирует в воде:
ХА + Н ₂О ⇌ Ч ₃О ⁺ + А ⁻

Для кислот более низкое значение pKa означает более высокую кислотность. Для оснований мы смотрим на pKa сопряженной кислоты: чем оно выше, тем сильнее основание.

Ниже приведена таблица некоторых распространенных соединений с их значениями pKa:

Увеличение pKa в вышеперечисленных основных соединениях указывает на увеличение щелочности. Это особенно заметно на примере анилина и бензиламина, где добавление метильной группы увеличило pKa на 4,7. В кислотных соединениях функциональные группы, связанные с карбоксильной группой, существенно влияют на кислотность.

В целом, эти структурные факторы играют огромную роль в кислотно-щелочном поведении:

Более электроотрицательные атомы сильнее притягивают электроны, что облегчает высвобождение H⁺ (более сильная кислотность). Менее электроотрицательные атомы менее прочно удерживают неподеленные пары, поэтому более склонны отдавать электроны и захватывать протон (более сильная основность).
Пример: фтор, кислород, азот и углерод имеют электроотрицательность F>O>N>C, поэтому кислотность гидридов HF, H₂O, NH₃ и CH₄ уменьшается в этом порядке. NH₃ и CH₄ практически не обладают кислотными свойствами.

Электроноакцепторные группы (например, –NO₂, –CN, –COOH, галогены) оттягивают электронную плотность, облегчая диссоциацию протонов. Это усиливает кислоты, но ослабляет основания.
Пример: трифторуксусная кислота (CF₃COOH, pKa ≈ –0,3) намного сильнее уксусной кислоты (CH₃COOH, pKa ≈ 4,76) из-за наличия трех сильно электроотрицательных атомов фтора.

Электронодонорные группы (например, –CH₃, –OCH₃) отодвигают электронную плотность, удерживая протоны от диссоциации, делая кислоты слабее, а основания сильнее.
Пример: N-метилбензиламин (pKa ≈ 9,5) немного более основный, чем бензиламин (pKa ≈ 9,3) из-за метильной группы, отдающей электроны.

Имеет значение, участвует ли неподелённая пара в сопряжении. Например, неподелённая пара азота может либо оставаться локализованной (более основной), либо делокализованной за счёт резонанса (менее основной, например, p–π-сопряжение с бензольным кольцом или карбонилом).
Пример: Анилин (pKa ≈ 4,6) гораздо слабее как основание, чем бензиламин (pKa ≈ 9,3), поскольку неподелённая пара атома азота делокализована в бензольном кольце. С точки зрения кислотности, бензойная кислота (pKa ≈ 4,20) сильнее уксусной кислоты (pKa ≈ 4,76), поскольку отрицательный заряд бензоат-аниона стабилизируется резонансом с кольцом. Именно поэтому, как обсуждалось в разделе «Отправная точка разработки метода» , фосфорная кислота работает лучше уксусной в подвижных фазах.

Объемные заместители вокруг функциональной группы могут блокировать доступ, изменяя ее кислотно-основные свойства. Эффект зависит от контекста и должен оцениваться в каждом конкретном случае.

• N-1 — третичный амин. Присоединённые к нему алкильные группы являются электронодонорными, поэтому он обладает достаточной щелочностью. Однако стерические препятствия, создаваемые тремя заместителями, делают его менее основным, чем первичный или вторичный амин. Его pKa в сопряженной кислоте составляет около 8.
• Атомы N-2 и N-3 находятся в резонансе с бензольной системой, образуя p-π сопряжения. В частности, атом N-2 соседствует с сильным электроноакцепторным атомом фтора, что делает его наиболее слабым по щелочности. Поэтому оба атома можно в значительной степени игнорировать при разработке метода.
• Молекула также содержит карбоксильную группу. В кислых условиях подвижной фазы третичный амин при атоме N-1 может вызывать размытие пика. Использование C18 с концевыми группами или C18 с полярными группами помогает улучшить форму пика.