Einführung in die Chromatographie

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1 Einführung in die Chromatographie Vorlesung WS 2007/2008 VAK AnC2-1 Johannes Ranke Einführung in die Chromatographie p.1/27

2 Programm Trennmethoden im Überblick und Geschichte der Chromatographie Thermodynamik der Stofftrennung Stofftransport und intermolekulare Wechselwirkungen Präparative Chromatographie und Dünnschichtchromatographie Kenngrößen für die Säulenchromatographie Gaschromatographie: Probenaufgabe und Trennsäulen Gaschromatographie: Detektoren und Quantifizierung Flüssigkeits-Chromatographie: Trennsäulen und Laufmittel Flüssigkeits-Chromatographie: Gradienten und Detektoren Massenspektrometrische Detektoren Ionenchromatographie Gelpermeationschromatographie Trenntechniken für die Probenvorbereitung Beispiele aus Akademie und Praxis Einführung in die Chromatographie p.2/27

3 High Performance Liquid Chromatography Einführung in die Chromatographie p.3/27

4 Literatur C. F. Poole The Essence of Chromatography Elsevier, Amsterdam (2003). G. E. Eppert Flüssigchromatographie vieweg, Braunschweig (1997). L. R. Snyder, J. W. Dolan High-Performance Gradient Elution Wiley, Hoboken (2007). Einführung in die Chromatographie p.4/27

5 Allgemeines HPLC ist besonders geeignet für: Nicht oder kaum verdampfbare Substanzen Einführung in die Chromatographie p.5/27

6 Allgemeines HPLC ist besonders geeignet für: Nicht oder kaum verdampfbare Substanzen Polare Substanzen Einführung in die Chromatographie p.5/27

7 Allgemeines HPLC ist besonders geeignet für: Nicht oder kaum verdampfbare Substanzen Polare Substanzen Voraussetzungen: Löslichkeit, Detektierbarkeit Einführung in die Chromatographie p.5/27

8 Allgemeines HPLC ist besonders geeignet für: Nicht oder kaum verdampfbare Substanzen Polare Substanzen Voraussetzungen: Löslichkeit, Detektierbarkeit Vergleich zur GC: Es sind mehr Wechselwirkungspartner zu beachten! Einführung in die Chromatographie p.5/27

9 Wechselwirkungsdreieck der HPLC gelöster Stoff i ms G i mobile Phase stationäre Phase Einführung in die Chromatographie p.6/27

10 Schema einer HPLC-Anlage Vorlesung Prof. Jastorff Einführung in die Chromatographie p.7/27

11 Warum Gradientenelution? Figure 1.1 aus Snyder and Dolan (2007), p. 2 Einführung in die Chromatographie p.8/27

12 Warum Gradientenelution? Figure 1.1 aus Snyder and Dolan (2007), p. 2 Einführung in die Chromatographie p.9/27

13 Kurzhub-Doppelkolbenpumpe Chemgapedia Einführung in die Chromatographie p.10/27

14 Eineinhalbkopfpumpe Chemgapedia Einführung in die Chromatographie p.11/27

15 Pumpenkopf Bild 7.1 aus 1: Ventileinsätze 2: Kolben 3: Dichtungen 4: Pumpenkammergehäuse 5: Kolbenhinterspülung Eppert (1997) p. 128 Einführung in die Chromatographie p.12/27

16 Hoch- und Niederdruckmischung Figures 4.1 und 4.2 aus Hochdruckmischung Niederdruckmischung Snyder and Dolan (2007), p. 134 Einführung in die Chromatographie p.13/27

17 Injektionsventil Vorlesung Prof. Jastorff Einführung in die Chromatographie p.14/27

18 HPLC Trägermaterialien Feste Träger, optional chemisch modifiziert Einführung in die Chromatographie p.15/27

19 HPLC Trägermaterialien Feste Träger, optional chemisch modifiziert Silikagel Einführung in die Chromatographie p.15/27

20 HPLC Trägermaterialien Feste Träger, optional chemisch modifiziert Silikagel Aluminiumoxid, Titandioxid, Zirkondioxid Einführung in die Chromatographie p.15/27

21 HPLC Trägermaterialien Feste Träger, optional chemisch modifiziert Silikagel Aluminiumoxid, Titandioxid, Zirkondioxid Poröser Kohlenstoff Einführung in die Chromatographie p.15/27

22 HPLC Trägermaterialien Feste Träger, optional chemisch modifiziert Silikagel Aluminiumoxid, Titandioxid, Zirkondioxid Poröser Kohlenstoff Halbfeste Träger Einführung in die Chromatographie p.15/27

23 HPLC Trägermaterialien Feste Träger, optional chemisch modifiziert Silikagel Aluminiumoxid, Titandioxid, Zirkondioxid Poröser Kohlenstoff Halbfeste Träger Vernetzte Polystyrene Einführung in die Chromatographie p.15/27

24 HPLC Trägermaterialien Feste Träger, optional chemisch modifiziert Silikagel Aluminiumoxid, Titandioxid, Zirkondioxid Poröser Kohlenstoff Halbfeste Träger Vernetzte Polystyrene Polymethacrylate Einführung in die Chromatographie p.15/27

25 Typische Trennsäulengeometrien Länge 10 bis 25 cm Einführung in die Chromatographie p.16/27

26 Typische Trennsäulengeometrien Länge 10 bis 25 cm Durchmesser 2 bis 4.6 mm Einführung in die Chromatographie p.16/27

27 Typische Trennsäulengeometrien Länge 10 bis 25 cm Durchmesser 2 bis 4.6 mm Partikelgrößen 3 bis 7 µm Einführung in die Chromatographie p.16/27

28 Typische Trennsäulengeometrien Länge 10 bis 25 cm Durchmesser 2 bis 4.6 mm Partikelgrößen 3 bis 7 µm Durchfluss 0.2 ml/min bis 1.5 ml/min Einführung in die Chromatographie p.16/27

29 Silikagel als Träger für die HPLC Hohe spezifische Oberfläche ( m 2 /g) Einführung in die Chromatographie p.17/27

30 Silikagel als Träger für die HPLC Hohe spezifische Oberfläche ( m 2 /g) Partikelgröße (< 2 bis 10µm) und -form variabel Einführung in die Chromatographie p.17/27

31 Silikagel als Träger für die HPLC Hohe spezifische Oberfläche ( m 2 /g) Partikelgröße (< 2 bis 10µm) und -form variabel Innere Porengröße variabel (4 bis 400 nm, Standard 10 nm) Einführung in die Chromatographie p.17/27

32 Silikagel als Träger für die HPLC Hohe spezifische Oberfläche ( m 2 /g) Partikelgröße (< 2 bis 10µm) und -form variabel Innere Porengröße variabel (4 bis 400 nm, Standard 10 nm) Gut chemisch modifizierbar Einführung in die Chromatographie p.17/27

33 Silikagel als Träger für die HPLC Hohe spezifische Oberfläche ( m 2 /g) Partikelgröße (< 2 bis 10µm) und -form variabel Innere Porengröße variabel (4 bis 400 nm, Standard 10 nm) Gut chemisch modifizierbar ph-bereich von 2.5 bis 8 Einführung in die Chromatographie p.17/27

34 Silikagel als Träger für die HPLC Hohe spezifische Oberfläche ( m 2 /g) Partikelgröße (< 2 bis 10µm) und -form variabel Innere Porengröße variabel (4 bis 400 nm, Standard 10 nm) Gut chemisch modifizierbar ph-bereich von 2.5 bis 8 Auch monolithisches Material Einführung in die Chromatographie p.17/27

35 Gängige Laufmittel für die HPLC Normalphase n-heptan Toluol Umkehrphase Wasser Acetonitril Methanol 2-Propanol Tetrahydrofuran Einführung in die Chromatographie p.18/27

36 Funktionelle Gruppen auf Silikagel Abbildung 4.4 aus Silanolgruppenpaare haben erhöhte Lewis-Acidität Poole (2003), p. 176 Statistische Verteilung von Silanolgruppen mit verschiedenen Bindungseigenschaften Einführung in die Chromatographie p.19/27

37 Chemische Oberflächenmodifizierung Si C Bindung Einführung in die Chromatographie p.20/27

38 Chemische Oberflächenmodifizierung Si C Bindung Si O Si C Bindung (Silikontyp) Einführung in die Chromatographie p.20/27

39 Chemische Oberflächenmodifizierung Si C Bindung Si O Si C Bindung (Silikontyp) Si O C Bindung (Estertyp, kleiner ph-bereich) Einführung in die Chromatographie p.20/27

40 Chemische Oberflächenmodifizierung Si C Bindung Si O Si C Bindung (Silikontyp) Si O C Bindung (Estertyp, kleiner ph-bereich) Vernetzte Oberflächenschicht Einführung in die Chromatographie p.20/27

41 Übliche Derivatisierungen n-butyl, n-octyl (RP 8), n-octadecyl (RP 18), Perfluoralkyl Einführung in die Chromatographie p.21/27

42 Übliche Derivatisierungen n-butyl, n-octyl (RP 8), n-octadecyl (RP 18), Perfluoralkyl 3-Phenylpropyl, 3-Pentafluorphenylpropyl Einführung in die Chromatographie p.21/27

43 Übliche Derivatisierungen n-butyl, n-octyl (RP 8), n-octadecyl (RP 18), Perfluoralkyl 3-Phenylpropyl, 3-Pentafluorphenylpropyl 3-Cyanopropyl, 3-(1,2-Dihydroxypropoxy)propyl ("Diol"phase) Einführung in die Chromatographie p.21/27

44 Übliche Derivatisierungen n-butyl, n-octyl (RP 8), n-octadecyl (RP 18), Perfluoralkyl 3-Phenylpropyl, 3-Pentafluorphenylpropyl 3-Cyanopropyl, 3-(1,2-Dihydroxypropoxy)propyl ("Diol"phase) 3-Aminopropyl, 3-Dimethylaminopropyl Einführung in die Chromatographie p.21/27

45 Übliche Derivatisierungen n-butyl, n-octyl (RP 8), n-octadecyl (RP 18), Perfluoralkyl 3-Phenylpropyl, 3-Pentafluorphenylpropyl 3-Cyanopropyl, 3-(1,2-Dihydroxypropoxy)propyl ("Diol"phase) 3-Aminopropyl, 3-Dimethylaminopropyl Ionentauscher (Sulfonat- und Trimethylaminogruppen) Einführung in die Chromatographie p.21/27

46 Übliche Derivatisierungen n-butyl, n-octyl (RP 8), n-octadecyl (RP 18), Perfluoralkyl 3-Phenylpropyl, 3-Pentafluorphenylpropyl 3-Cyanopropyl, 3-(1,2-Dihydroxypropoxy)propyl ("Diol"phase) 3-Aminopropyl, 3-Dimethylaminopropyl Ionentauscher (Sulfonat- und Trimethylaminogruppen) Chirale Substituenten (3-Punkt-Theorie) Einführung in die Chromatographie p.21/27

47 Optimierungsmöglichkeiten Partikelgeometrie Einführung in die Chromatographie p.22/27

48 Optimierungsmöglichkeiten Partikelgeometrie Vermeidung von kationischen, Lewis-sauren Metallzentren (v.a. Eisen) durch hohe Reinheit des Kieselgels Einführung in die Chromatographie p.22/27

49 Optimierungsmöglichkeiten Partikelgeometrie Vermeidung von kationischen, Lewis-sauren Metallzentren (v.a. Eisen) durch hohe Reinheit des Kieselgels Unpolare Quervernetzung der Substituenten Einführung in die Chromatographie p.22/27

50 Optimierungsmöglichkeiten Partikelgeometrie Vermeidung von kationischen, Lewis-sauren Metallzentren (v.a. Eisen) durch hohe Reinheit des Kieselgels Unpolare Quervernetzung der Substituenten Einführung von polaren Gruppen oder Etherbindungen mit dem Derivatisierungsreagenz Einführung in die Chromatographie p.22/27

51 Optimierungsmöglichkeiten Partikelgeometrie Vermeidung von kationischen, Lewis-sauren Metallzentren (v.a. Eisen) durch hohe Reinheit des Kieselgels Unpolare Quervernetzung der Substituenten Einführung von polaren Gruppen oder Etherbindungen mit dem Derivatisierungsreagenz Nachsilanisierung (endcapping) Einführung in die Chromatographie p.22/27

52 Linear Solvent Strength Model Snyder-Soczewinski Gleichung: logk = logk w Sφ logk w S φ Kapazitätsfaktor bei 100 % Wasser Schwach substanzabhängige Konstante Anteil eines organischen Lösemittels in der mobilen Phase Einführung in die Chromatographie p.23/27

53 Abhängigkeit logk vonφ Figure 1.8 aus Ähnliche Analyten Unähnliche Analyten Snyder and Dolan (2007), p. 14 Einführung in die Chromatographie p.24/27

54 Verteilung Flüssigkeit-Interphase Energiebeiträge zur freien Transferenthalpie ms G i sind durch die Differenzen der Systemkonstanten von mobiler und stationärer Phase gekennzeichnet: Lochbildung in der Flüssigkeit ("Cavity formation"): Einführung in die Chromatographie p.25/27

55 Verteilung Flüssigkeit-Interphase Energiebeiträge zur freien Transferenthalpie ms G i sind durch die Differenzen der Systemkonstanten von mobiler und stationärer Phase gekennzeichnet: Lochbildung in der Flüssigkeit ("Cavity formation"): Kohärenz der Flüssigkeit Einführung in die Chromatographie p.25/27

56 Verteilung Flüssigkeit-Interphase Energiebeiträge zur freien Transferenthalpie ms G i sind durch die Differenzen der Systemkonstanten von mobiler und stationärer Phase gekennzeichnet: Lochbildung in der Flüssigkeit ("Cavity formation"): Kohärenz der Flüssigkeit Molekülgrösse des zu lösenden Stoffes i Einführung in die Chromatographie p.25/27

57 Verteilung Flüssigkeit-Interphase Energiebeiträge zur freien Transferenthalpie ms G i sind durch die Differenzen der Systemkonstanten von mobiler und stationärer Phase gekennzeichnet: Lochbildung in der Flüssigkeit ("Cavity formation"): Kohärenz der Flüssigkeit Molekülgrösse des zu lösenden Stoffes i Zwischenmolekulare Wechselwirkungsenergien mit der Flüssigkeit Einführung in die Chromatographie p.25/27

58 Verteilung Flüssigkeit-Interphase Energiebeiträge zur freien Transferenthalpie ms G i sind durch die Differenzen der Systemkonstanten von mobiler und stationärer Phase gekennzeichnet: Lochbildung in der Flüssigkeit ("Cavity formation"): Kohärenz der Flüssigkeit Molekülgrösse des zu lösenden Stoffes i Zwischenmolekulare Wechselwirkungsenergien mit der Flüssigkeit Eventuell Strukturierung der Solvatationshülle Einführung in die Chromatographie p.25/27

59 Parametrisierung nach Abraham Summe aus Wechselwirkungsbeiträgen ms G i = vv+ee+ss+aa+bb+c vv ee ss aa bb c Lochbildung und Dispersionskräfte Dispersionskräfte durch Polarisierbarkeit von i Dipolarität/Polarisierbarkeit von i H-Brücken mit i als H-Donor H-Brücken mit i als H-Akzeptor Konstante aus der Regressionsrechnung Einführung in die Chromatographie p.26/27

60 φ und die Systemkonstanten Systemkonstanten (positive begünstigen die stationäre Phase): Abbildung 4.13 aus m: Lochbildung und Dispersion (v) r: Polarisierbarkeit von i (e) s: Dipolarität/Polarisierbarkeit von i a: H-Brückenakzeptorfunktion b: H-Brückendonorfunktion c: Regressionskonstante Poole (2003), p. 309 Einführung in die Chromatographie p.27/27

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