CHROMATOGRAPHIE

Allgemeines

Wörtliche Bedeutung: chromos (griechisch) = Farbe; graphein (griechisch) = schreiben

Farbschreibung, dieser Begriff stammt vom russischen Botaniker Tswett, der Blattfarbstoffe auftrennte

Prinzip: Chromatographie ist ein Trennprozeß, bei dem ein Substanzgemisch mit Hilfe

einer beweglichen (mobilen) sowie einer feststehenden (stationären) Phase in

seine Bestandteile zerlegt wird.

Die Auftrennung ergibt sich aufgrund unterschiedlich starker Wechselwirkungskräfte der einzelnen Probenkomponenten mit den Hilfsphasen.

Als Phase bezeichnet man einen homogenen Stoff, der durch definierte Grenzflächen von anderen Stoffen verschieden ist.

Veranschaulichung des Prinzips durch das Craemer´sche Bootsmodell (siehe "Chemisches Laborpraktikum" von Wiesinger/Wimmer)

Systematik der Chromatographie

Die Einteilung der Chromatographie erfolgt nach folgenden 3 Gesichtspunkten:

dem Aufbau der Trennstrecken

der Art der verwendeten Phase

dem Trennmechanismus

Einteilung nach dem Aufbau der Trennstrecken

Hierbei kann man folgende 2 Arten unterscheiden:

Säulenchromatographie

Schichtchromatographie

A, Säulenchromatographie

Dazu zählt man die Gaschromatographie, die Hochdruckflüssigkeitschromatographie und die Säulenchromatographie im eigentlichen Sinn.

Säulenchromatographie im eigentlichen Sinne

Als Trennstrecke werden Rohre verwendet, die mit der stationären Phase gefüllt oder ausgekleidet sind. Als Rohrmaterialien kommen Glas, Kunststoff und Edelstahl zur Anwendung. Die Säule wird üblicherweise mit festen Adsorbentien oder Gelen als stationärer Phase beschickt. Als mobile Phase verwendet man dabei Flüssigkeiten, die oben eingefüllt, aufgrund ihrer Schwerkraftwirkung die Säule durchfließen.

Gaschromatographie

Säulenchromatographie mit Gasen bezeichnet man als Gaschromatographie (GC).

Der Säulendurchmesser kann von einigen Millimeter bis zu 0,5 mm bei Kapillarsäulen variieren. Das Gas wird dabei unter Anwendung eines bestimmten Überdruckes durch die Säule gepreßt.

Hochdruckflüssigkeitschromatographie

Säulenchromatographie mit flüssiger mobiler Phase und hoher Drucke (bis 500 bar) wird als HPLC (High Perfomance Liquid Chromatography; High Pressure Liquid Chromatography) bezeichnet.

Näheres zur HPLC: siehe Anhang

B, Schichtchromatographie

Bei dieser Art der Chromatographie liegt die stationäre Phase als flächenförmige, dünne Schicht vor. Dazu zählt man die Papierchromatographie, die Dünnschichtchromatographie und die Hochleistungsdünnschichtchromatographie.

Papierchromatographie

Papierchromatographie (PC) ist die einfachste und älteste, jedoch heute kaum mehr verwendete Art der Schichtchromatographie.

Dünnschichtchromatographie

Bei dieser Art der Chromatographie (DC) wird die stationäre Phase als dünne Schicht auf Trägerplatten (z.B.: Glas, Alufolien, ) aufgebracht. Als aktive Schichten werden entweder pulverförmige Adsorbentien oder Gele verwendet.

Hochleistungs-Dünnschichtchromatographie

Diese Art der Stoffauftrennung wird auch HPTLC (High Performance Thin Layer Chromatography) genannt. Sie zeichnet sich durch hohe Trennleistungen bei gleichzeitig rascher Entwicklung aus.

Einteilung nach der Art der verwendeten Phasen

Mobile und stationäre Phase können unterschiedliche Aggregatzustände besitzen, jedoch für die Chromatographie kommen nur folgende in Frage:

Mobile Phase: flüssig oder gasförmig

Stationäre Phase: fest oder flüssig

Daraus ergeben sich 4 Kombinationsmöglichkeiten:

FLÜSSIG-FEST               = Flüssigkeitschromatographie

FLÜSSIG-FLÜSSIG        = Flüssigkeitschromatographie

GASFÖRMIG-FEST        = Gaschromatographie

GASFÖRMIG-FLÜSSIG = Gaschromatographie

Mit der Gaschromatographie können nur leicht verdampfbare Substanzen aufgetrennt werden. (z. B.: Lösungsmittelgemische, ) Mit der Flüssigkeitschromatographie lassen sich hingegegen auch Feststoffgemische mit Hilfe eines geeigneten Lösungsmittels als mobiler Phase auftrennen. (z. B.: Auftrennung von Zuckerarten, )

Einteilung nach dem Trennmechanismus

Man unterscheidet hierbei folgende 4 Möglichkeiten:

Trennung durch Adsorption

Trennung durch Verteilung

Trennung durch Ionentausch

Trennung durch Hohlraumdiffusion

A, Trennung durch Adsorption

Als Adsorption bezeichnet man die Anlagerung einer gasförmigen oder gelösten Substanz an die Oberfläche eines Feststoffes (Adsorbens).

Eine Substanz wird aus der flüssigen oder gasförmigen mobilen Phase (Lösung oder Gasgemisch) an der Oberfläche einer stationären Phase adsorbiert. Durch den Einfluß der mobilen Phase wird die adsorbierte Substanz von der Oberfläche weggelöst (eluiert), weiter transportiert und erneut adsorbiert.

Dieser Adsorptionsvorgang stellt daher ein Gleichgewicht dar, welches abhängig ist von:

Art der stationären Phase

Löslichkeit der zu trennenden Substanzen in der mobilen Phase

Der Adsorbierbarkeit der zu trennenden Substanzen

Als stationäre Phase wird ein Adsorptionsmittel eingesetzt, daß in der mobilen Phase unlöslich ist. Die Adsorptionsfähigkeit ist abhängig von der Oberfläche (je feinkörniger desto gößer ist die Adsorptionsfähigkeit, dabei nimmt jedoch die Durchflußgeschwindigkeit ab) und der Aktivität (als Maß dafür gelten die Aktivitätsstufen nach Brockmann). Beispiele für Adsorptionsmittel: Kieselgel, Zellulosepulver, Aluminiumoxid,

Die mobile Phase ist entweder flüssig oder gasförmig. Sie wird als Laufmittel oder Trägergas bezeichnet. Die mobile Phase darf die zu trennende Substanz chemisch nicht verändern. Die Wahl des Laufmittelsgemisches erfolgt aufgrund der Polaritätsreihe (siehe "Chemisches Laborpraktikum" von Wiesinger/Wimmer), wobei die Polarität des zu trennenden Gemisches und die Aktivität des Adsorptionsmittels zu beachten sind. Beispiele für Lösungsmittel: Formamid, Wasser, Aceton, Toluol, Cyclohexan,

B, Trennung durch Verteilung

Verteilt man einen Stoff zwischen zwei nicht mischbaren Phasen, so hängt die Konzentration dieses Stoffes in erster Linie von der Löslichkeit des Stoffes in der entsprechenden Phase ab. Das Verhältnis der Konzentrationen in den beiden Phasen ist immer konstant und wird als Verteilungskoeffizient bezeichnet: K = c (Phase 1) / c (Phase 2)

Diese Beziehung wurde erstmals von Nernst aufgestellt, daher spricht man vom Nernst´schen Verteilungsgesetz.

Die Löslichkeit ist stark abhängig, von der Polarität der Stoffe und Lösungsmittel, wobei gilt: polare Stoffe lösen sich in polaren Lösungsmitteln, gleiches gilt für unpolare Stoffe/Lösungsmittel.

Die mit der stationären Phase nicht oder nur teilweise mischbare mobile Phase wandert über die stationäre Phase hinweg, wobei sich das zu trennende Gemisch entsprechend seiner Löslichkeit in den beiden Phasen verteilt. Es bildet sich ein Lösungsgleichgewicht.

Die mobile Phase muß sich bezüglich der Polarität von der stationären Phase unterscheiden.

C, Trennung durch Ionentausch

Als Ionentausch wird der reversible Austausch von Ionen aus einer Lösung bezeichnet.

Man braucht dazu einen Stoff, der relativ leicht Ionen durch andere ersetzen kann, das sogenannte Ionentauscherharz. Wird eine Flüssigkeit mit diesem Harz vermischt, werden Ionen des Harzes gegen solche aus der Flüssigkeit ausgetauscht. Das Harz ist meist ein hochmolekularer Kunststoff mit dem die Ionentauschergruppen fest verbunden sind. An diese Ionentauschergruppen sind über elektrostatische (ionische) Bindungen entsprechende austauschbare Gegenionen gebunden. Je nachdem ob das Harz Kat- oder Anionen austauschen kann, spricht man von Kat- bzw. Anionaustauschern.

Die Ionenaustauschchromatographie ist der Adsorptionschromatographie sehr ähnlich. Der Unterschied besteht darin, daß die Wechselwirkung nicht durch Adsorption, sondern durch echte chemische Reaktion erfolgt.

D, Trennung durch Hohlraumdiffusion

Die Auftrennung der Stoffe erfolgt nicht durch Wechselwirkungen, sondern aufgrund der Molekülgröße.

Den Probenmolekülen, welche zu groß sind, in die Poren des Trägermaterials eindiffundieren zu können, steht nur das Volumen zwischen den einzelnen Körnern der stationären Phase zur Verfügung. Sie werden ausgeschlossen und mit der mobilen Phase auf dem schnellsten Weg durch die Säule transportiert. Moleküle, die aufgrund ihrer "Kleinheit" in alle Poren eindringen können, bewegen sich durch Diffusion fort und verlassen daher die Trennstrecke später als die großen Moleküle.

Die Trennwirkung ist einerseits abhängig von der Porengröße der stationären Phase, aber auch von der Größe bzw. der räumlichen Struktur einer Verbindung.

Man unterscheidet, anhand der stationären Phase, zwei Arten der Hohlraumdiffusion:

Molekularsiebchromatographie

Gel- oder Gelpermeationschromatographie