Eignung von metallorganischen Gerüstverbindungen
als stationäre Phase in der
Hochleistungsflüssigchromatographie (HPLC)
Der Fakultät Chemie der Universität Stuttgart zur Erlangung der Würde
eines Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.) genehmigte
Abhandlung
Vorgelegt von
Dipl.-Chem. Christian Lieder
aus Leonberg
Eignung von metallorganischen Gerüstv
erbindungen
als stat
Eignung von metallorganischen Ger ¨ustverbindungen
als station¨are Phase in der
Hochleistungsfl ¨ussigchromatographie (HPLC)
Der Fakult¨at Chemie der Universit¨at Stuttgart zur Erlangung der W ¨urde
eines Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.) genehmigte
Abhandlung
Vorgelegt von
Dipl.-Chem. Christian Lieder
aus Leonberg
Hauptberichter:
Prof. Dr.-Ing. Elias Klemm
Mitberichter:
Prof. Dr. Dr. Clemens Richert
Tag der m ¨undlichen Pr ¨ufung: 16.02.2017
Institut f ¨ur Technische Chemie der Universit¨at Stuttgart
2017
”
den Naturgesetzen wie ein Kind vor der M¨archenwelt.“
Die vorliegende Arbeit wurde vom 01. September 2009 bis zum 16. Februar 2017 am In-stitut f ¨ur Technische Chemie der Universit¨at Stuttgart durchgef ¨uhrt.
Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbstst¨andig verfasst und keine anderen als die angegebenen Hilfsmittel und Quellen benutzt habe.
Stuttgart, den 4. M¨arz 2017 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX
Danksagung
Mein Dank gilt Prof. Dr.-Ing. Elias Klemm, f ¨ur die ¨Uberlassung des interessanten und vielversprechenden Themas.
Meinen B ¨urokollegen Dr. Christof Gessner und Dipl.-Chem. Sabine Schuster m ¨ochte ich f ¨ur Diskussionen ¨uber MOFs, f ¨ur Eingebungen und Hinweise danken.
Weiterhin m ¨ochte ich Dr. Ines Kley f ¨ur die Einf ¨uhrung am Rasterelektronenmikroskop, f ¨ur gemeinsame Gespr¨ache und einen regen Austausch danken.
Auch gilt mein Dank Dr. Dominic Santi, durch gemeinsame Gespr¨ache sind viele An-regungen gekommen.
Ich m ¨ochte auch meinen Diplomanden, Dipl.-Chem. Sandra Weber, f ¨ur die gute Zusam-menfassung der Grundlagen der HPLC und Messungen sowie Dipl.-Chem. Thien Nguy-en f ¨ur die Synthese verschiedNguy-ener MOFs, MessungNguy-en und erheiternde Gespr¨ache dankNguy-en.
Mein Dank gilt auch den Forschungspraktikanten Dipl.-Chem. Andreas Wohlfarth, f ¨ur die Fortschritte bei der S¨aulenbef ¨ullung und Adsorptionsmessungen, Dipl.-Chem. Flori-an Broghammer, f ¨ur den Aufbau und die Durchf ¨uhrung der Diffusionsmessungen sowie den gemeinsam mit Prof. Dr. Michael Hunger betreuten Praktikanten Dipl.-Chem. Mi-chael Dyballa und Dipl.-Chem. Harald Henning.
erheiternde Geschichten bei der Kaffeerunde danken.
Ebenso m ¨ochte ich M.Sc. Mikołai Gierszewski, ERASMUS Student, f ¨ur Methodenent-wicklung und Verbesserungen bei den Messungen danken.
Aus der Dresdner Arbeitsgruppe der anorganischen Chemie gilt mein Dank Dr. Irena Senkovska, Dr. Kristina Gedrich, M. Sc. Philipp M ¨uller, Dr. Georg Nickerl, Dr. Ulrich St ¨ock f ¨ur die Zusammenarbeit, die MOF-Synthese, den regen Austausch und einige Ein-blicke in das Thema MOFs.
Den Mitgliedern der Dresdner Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Eike Brunner, Dr. Silvia Paasch, M.Sc. Herbert Hoffmann aus der Bioanalytische Chemie m ¨ochte ich f ¨ur die Zusammen-arbeit und den Austausch ¨uber NMR danken.
Aus der Theoretischen Chemie m ¨ochte ich Dr. Michael Neff f ¨ur die Hilfe beim Programm MOLPRO, Prof. Dr. Guntram Rauhut f ¨ur die Unterst ¨utzung in theoretisch-chemischen Fragen und Prof. Dr. Johannes K¨astner f ¨ur das Skript und Hilfe bei theoretisch-chemischen Problemen danken.
Den Mitarbeitern der organisch-chemischen Chemikalienausgabe, Ralph Linderer, Lin-da M ¨uller und Thorn Westphal, m ¨ochte ich f ¨ur nette Gespr¨ache und Anregungen Lin-danken.
Ferner gilt mein Dank allen Kolleginnen und Kollegen am Institut f ¨ur Technische Che-mie f ¨ur die gute Kommunikation, Zusammenarbeit, Unterst ¨utzung und die freundliche Atmosph¨are.
Zu guter Letzt m ¨ochte ich meinen Eltern Doris und Josef Lieder daf ¨ur danken, dass sie mir mein Studium und meine Promotion erm ¨oglicht und mich immer unterst ¨utzt haben.
Inhaltsverzeichnis
Verzeichnisse I Inhaltsverzeichnis . . . I Bildverzeichnis . . . VII Tabellenverzeichnis . . . XI Symbolverzeichnis . . . XV Abk ¨urzungsverzeichnis . . . XVIII1 Zusammenfassung 1
2 Einleitung und Motivation 5
2.1 Einleitung . . . 5
2.2 Motivation . . . 6
3 Allgemeine Grundlagen 9 3.1 Typischer Aufbau einer HPLC . . . 10
3.2 Grundlagen der HPLC . . . 11
3.2.1 Durchflusszeit t0und Retentionszeit tR . . . 11
3.2.2 Kapazit¨atsfaktor k . . . . 12
3.2.3 Selektivit¨atα . . . . 13
3.2.4 Basislinienbreite w und Halbwertsbreite w1 2 . . . 13
3.2.5 Aufl ¨osung RS . . . 16
3.2.8 Reduzierte Lineargeschwindigkeitν . . . 18
3.2.9 van-Deemter-Gleichung und van-Deemter-Plot . . . 19
3.3 Herstellen von S¨aulen . . . 21
3.3.1 S¨aulenbef ¨ullung . . . 21
3.3.2 S¨aulencharakterisierung . . . 25
3.4 Methodenentwicklung . . . 30
3.4.1 Eigenschaften der mobilen Phase . . . 30
3.4.2 Wahl und Optimierung der mobilen Phase . . . 31
3.5 Metallorganische Ger ¨ustverbindungen (MOFs) . . . 33
3.6 MOFs als station¨are Phase in der Chromatographie . . . 38
3.6.1 Konzepte der Wechselwirkung . . . 38
3.6.2 Arten der Wechselwirkung . . . 39
3.6.3 MOFs in der Gaschromatographie . . . 40
3.6.4 MOFs als Adsorbentien in fl ¨ussiger Phase . . . 41
3.6.5 MOFs in der HPLC . . . 42
3.6.6 Chirale MOFs . . . 45
3.6.7 Ans¨atze zur Synthese chiraler MOFs . . . 46
3.6.8 Chirale MOFs in der HPLC . . . 50
3.7 Theoretisch-chemische Berechnungen . . . 51
3.7.1 Theoretische Untersuchungen von Wechselwirkungen . . . 51
3.7.2 Methode, Basissatz und Funktional . . . 52
3.7.3 Basis Set Superposition Errors (BSSE) . . . 55
3.8 Verwendete Materialien . . . 57 3.8.1 MIL-53(Al) . . . 57 3.8.2 MIL-69(Al) . . . 58 3.8.3 Zink-Mandels¨aure-MOFs . . . 59 3.8.4 Mangan(II)-formiat . . . 60 3.8.5 InBTC . . . 61 3.8.6 Cobalt(II)-oxalat . . . 62 3.8.7 NH2-MIL-101 (Fe) . . . 63
3.8.8 UMCM-1 . . . 64 3.8.9 Bn-chirUMCM-1 . . . 65 3.8.10 DUT-32 . . . 66 3.8.11 chirDUT-32 . . . 67 4 Experimenteller Teil 69 4.1 Verwendete Chemikalien . . . 69 4.2 R ¨ontgenpulverdiffraktometrie . . . 71 4.3 Rasterelektronenmikroskopie . . . 71 4.4 Stickstoffadsorption . . . 71 4.5 Materialzerkleinerung . . . 72 4.6 S¨aulenbef ¨ullung . . . 72
4.7 S¨aulen und S¨aulenhardware . . . 74
4.8 Fl ¨ussigchromatographie (HPLC) . . . 74
4.9 Gaschromatographie (GC) . . . 76
4.10 UV/Vis-Spektroskopie . . . 77
4.11 Diffusionsmessungen . . . 77
4.12 Synthesen der verwendeten Materialien . . . 78
4.12.1 MIL-53 (Al) . . . 78 4.12.2 MIL-69 (Al) . . . 79 4.12.3 Zink-Mandels¨aure MOFs . . . 79 4.12.4 Mangan(II)-formiat . . . 80 4.12.5 InBTC . . . 80 4.12.6 Cobalt(II)-oxalat . . . 80 4.12.7 NH2-MIL-101 (Fe) . . . 80 4.12.8 UMCM-1 . . . 81 4.12.9 Bn-chirUMCM-1 . . . 81
4.12.10 DUT-32 und chirDUT-32 . . . 81
4.13 Kommerzielle chirale Phasen . . . 82
4.13.1 Chiralcel®OD-I und Chiralcel®OD-H . . . . 82
4.14 HPLC - Messungen . . . 83
4.14.1 Methodenentwicklung . . . 83
4.14.2 Standardbedingungen . . . 84
4.15 Theoretisch-chemische Berechnungen . . . 86
5 Ergebnisse und Diskussion 87 5.1 S¨aulenherstellung und -charakterisierung . . . 87
5.1.1 Partikelform und Partikelgr ¨oße . . . 87
5.1.2 F ¨ullen der S¨aulen . . . 91
5.1.2.1 Vergleich Trockenf ¨ullung und Slurryf ¨ullung . . . 91
5.1.2.2 Vergleich selbst bef ¨ullte S¨aule und kommerzielle S¨aule . . 94
5.1.3 Charakterisierung der S¨aulen . . . 96
5.2 Festlegung der Methode . . . 100
5.2.1 Polarit¨at . . . 101
5.2.2 Temperatur . . . 102
5.2.3 Volumenstrom . . . 105
5.2.3.1 van-Deemter-Plot . . . 106
5.2.4 Weitere Einfl ¨usse auf die Chromatographie . . . 108
5.2.4.1 Diffusionslimitierungen . . . 108
5.2.4.2 Injektionsmenge . . . 111
5.2.4.3 Verunreinigungen . . . 112
5.2.4.4 Genauigkeit und Reproduzierbarkeit . . . 113
5.3 Selektive Wechselwirkungen . . . 114 5.3.1 MIL-53(Al) . . . 115 5.3.2 UMCM-1 . . . 117 5.3.3 DUT-32 . . . 118 5.4 Enantioselektive Wechselwirkungen . . . 119 5.4.1 Bn-chirUMCM-1 . . . 119 5.4.2 chirDUT-32 . . . 123
5.4.2.2 Achirale Analyte an DUT-32 und chirDUT-32 . . . 125
5.4.2.3 Chirale Analyte an DUT-32 und chirDUT-32 . . . 127
5.4.2.4 Enantiomere an chirDUT-32 . . . 129
5.4.3 3-Punkt-Kontakt-Theorie . . . 132
5.4.3.1 Chirale Selektoren, kommerzielles Material und MOFs . . 132
5.4.4 Theoretisch-chemische Berechnungen . . . 134
5.5 Messungen an den weiteren MOFs . . . 138
5.6 Charakterisierung der Materialien . . . 140
5.6.1 Stabilit¨at in Isopropanol . . . 140
5.6.2 Spezifische Oberfl¨ache - BET und Porenvolumen . . . 141
5.6.3 R ¨ontgenpulverdiffraktometrie - XRD . . . 143
5.6.3.1 UMCM-1, Bn-chirUMCM-1 . . . 143
5.6.3.2 DUT-32, chirDUT-32 . . . 144
5.6.3.3 Charakterisierung nach S¨aulen ¨offnung . . . 146
5.6.3.4 Weitere MOFs . . . 148 5.6.4 Rasterelektronenmikroskopie . . . 157 5.6.4.1 UMCM-1, Bn-chirUMCM-1 . . . 157 5.6.4.2 DUT-32, chirDUT-32 . . . 157 5.6.4.3 Weitere MOFs . . . 158 5.7 Zusammenfassung . . . 163 5.8 Ausblick . . . 164 6 Literatur 167 A Proben und Chemikalien 183 A.1 Materialien und Proben . . . 183
A.2 Verwendete Chemikalien . . . 185
B Ubersicht der verwendeten S¨aulen¨ 191 B.1 UMCM-1 und Bn-chirUMCM-1 . . . 191
B.2 DUT-32 und chirDUT-32 . . . 192
C.1 Analyten f ¨ur Messungen an UMCM-1 . . . 195 C.2 Achirale Analyte . . . 196 C.3 Chirale Analyte . . . 197
D Erg¨anzende Messungen 199
D.1 Vergleich trockenbef ¨ullte und slurrybef ¨ullte S¨aule . . . 199 D.2 Vergleich der Analyten rac-PhEtOH und rac-TFPE . . . 200
Bildverzeichnis
3.1 Prinzipieller Aufbau einer HPLC. . . 10
3.2 Beispielchromatogramm mit eingetragenen Kennzahlen . . . 11
3.3 Schematisches Beispielchromatogramm mit eingetragenen Kennzahlen . . 15
3.4 Schematische Darstellung zur Berechnung der Asymmetrie (nach Stauffer) 17 3.5 Schematisches Darstellung eines Van-Deemter-Plots. . . 20
3.6 Selektivit¨atsdreieck nach Snyder. . . 32
3.7 Ver ¨offentlichungen auf dem Gebiet Metallorganische Ger ¨ustverbindungen. 36 3.8 Konzepte der Wechselwirkungen f ¨ur MOFs als station¨are Phase. . . 38
3.9 Chromatogramm des Komposit-Materials aus MOF und Silika-Material. . 44
3.10 Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme des Silika-MOF-Komposites. . . 44
3.11 Einbringung von Chiralit¨at in MOFs durch einen chiralen Colinker. . . 46
3.12 Konzepte zur Einbringung von Chiralit¨at in MOFs. . . 47
3.13 Veranschaulichung der 3-Punkt-Kontakt-Theorie. . . 50
3.14 Kristallstruktur des MIL-53 (Al). . . 57
3.15 Kristallstruktur des MIL-69 (Al). . . 58
3.16 Kristallstruktur der Zink-Mandels¨aure-MOFs. . . 59
3.17 Kristallstruktur des Manganformiats. . . 60
3.18 Kristallstruktur des InBTC. . . 61
3.19 Kristallstruktur des Cobaltoxalats. . . 62
3.20 Interpenetriertes Netzwerk von Cobalt(II)-oxalat. . . 62
3.23 Kristallstruktur des Bn-chirUMCM-1. . . 65
3.24 Kristallstruktur des DUT-32. . . 66
3.25 Kristallstruktur und Porengeometrie von chirDUT-32, entnommen aus [1]. 67 4.1 Schematischer Aufbau der F ¨ullstation . . . 72
4.2 Schematischer Aufbau einer chromatographischen S¨aule. . . 73
4.3 Aufbau der verwendeten HPLC. . . 75
4.4 Kommerzielle station¨are Phasen Chiralcel®OD-I und Chiralcel®OD-H. . . 82
4.5 Kommerzielle station¨are Phase Chiralpak®AD-H. . . . 83
5.1 REM-Bilder kommerzieller Silikaphasen. . . 88
5.2 REM-Bilder von UMCM-1 nach Synthese und nach Zerkleinerung. . . 89
5.3 REM-Bilder von Bn-chirUMCM-1 nach Synthese und nach Zerkleinerung. 89 5.4 REM-Bilder von chirDUT-32 nach der Synthese und nach Zerkleinerung. . 90
5.5 REM-Bild von DUT-32 nach Zerkleinerung in einer Planetenm ¨uhle. . . 90
5.6 Trockengef ¨ullte S¨aule mit dem kommerziellen Material Chiralcel®OD-I. . 92
5.7 Slurrygef ¨ullte S¨aule mit dem kommerziellen Material Chiralcel®OD-I. . . 92
5.8 Selbst slurrybef ¨ullte S¨aule mit dem kommerziellen Material Chiralcel®OD-I. 95 5.9 Kommerzielle S¨aule Maisch OM. . . 95
5.10 Chromatogramme in Abh¨angigkeit des polaren Anteils. . . 102
5.11 Chromatogramme in Abh¨angigkeit von der Temperatur. . . 104
5.12 Chromatogramme in Abh¨angigkeit des Volumenstromes. . . 105
5.13 Van-Deemter-Plot f ¨ur 1R-Phenylethanol an OD-I. . . 107
5.14 Uptakemessungen f ¨ur das System o-Xylol / MIL-53. . . 109
5.15 Chromatogramme in Abh¨angigkeit von den Injektionsvolumina. . . 111
5.16 Chromatogramme mit Coinjektionen m ¨oglicher Verunreinigungen. . . 112
5.17 Genauigkeit der Chromatogramme von 1R-Phenylethanol. . . 113
5.18 Genauigkeit der Chromatogramme von 1S-Phenylethanol. . . 114
5.19 Reproduktion der Trennung der Xylolisomere an MIL-53(Al) von Alaerts. . 115
5.21 Chromatogramme der einzelnen 1-Phenylethanol-Enantiomere am chira-len Bn-chirUMCM-1 im Vergleich mit dem nichtchirachira-len UMCM-1. . . 120 5.22 Chromatogramme der einzelnen 1-Phenylethanol-Enantiomere am
chira-len Bn-chirUMCM-1 bei erh ¨ohter Polarit¨at. . . 121 5.23 Vergleich der Molek ¨ule TFPE und PhEtOH . . . 122 5.24 Halbwertsbreiten der Enantiomere an Chiralcel®OD-H. . . 124
5.25 Kapazit¨atsfaktoren ausgew¨ahlter Enantiomere an der kommerziellen S¨aule Chiralcel®OD-H mit korrespondierenden Halbwertsbreiten. . . 124
5.26 Halbwertsbreiten ausgew¨ahlter achiraler Analyte an DUT-32 und chirDUT-32. . . 126 5.27 Kapazit¨atsfaktoren ausgew¨ahlter achiraler Analyte an DUT-32 und
chirDUT-32 mit korrespondierenden Halbwertsbreiten. . . 126 5.28 Halbwertsbreiten ausgew¨ahlter chiralen Analyten an DUT-32 und
chirDUT-32. . . 128 5.29 Kapazit¨atsfaktoren ausgew¨ahlter chiralen Analyten an DUT-32 und
chirDUT-32 mit korrespondierenden Halbwertsbreiten. . . 129 5.30 Halbwertsbreiten ausgew¨ahlter Enantiomerenpaare an chirDUT-32. . . 131 5.31 Kapazit¨atsfaktoren ausgew¨ahlter Enantiomerenpaare an chirDUT-32 mit
korrespondierenden Halbwertsbreiten. . . 131 5.32 Vergleich der chiralen Selektoren. . . 133 5.33 Energiediagramm aus der Geometrieoptimierung von 1R-Phenylethanol
am chiralen Selektor. . . 134 5.34 Energiediagramm aus der Geometrieoptimierung von 1S-Phenylethanol
am chiralen Selektor. . . 135 5.35 Optimierte Geometrie von 1R-Phenylethanol und dem chiralen Selektor. . 137 5.36 Optimierte Geometrie von 1S-Phenylethanol und dem chiralen Selektor. . . 137 5.37 Chromatogramme der einzelnen 1-Phenylethanol-Enantiomere an BMAN. 139 5.38 R ¨ontgenpulverdiffraktogramme von Bn-chirUMCM-1 as und nach der
Be-handlung mit Isopropanol. . . 140 5.39 Adsorptions- und Desorptionsisothermen von Bn-chirUMCM-1 des frischen
UMCM-1 simuliert. . . 143
5.41 DUT-32 nach 60 Minuten Mahlen in der Kugelm ¨uhle und Vergleichsdif-fraktogramm. . . 144
5.42 DUT-32 nach 60 Minuten Mahlen in der Planetenm ¨uhle und Vergleichsdif-fraktogramm. . . 145
5.43 R ¨ontgenpulverdiffraktogramm von chirDUT-32 as. . . 145
5.44 R ¨ontgenpulverdiffraktogramme des Bn-chirUMCM-1 . . . 146
5.45 R ¨ontgenpulverdiffraktogramme der MIL-53(Al)-Modifikationen. . . 149
5.46 R ¨ontgenpulverdiffraktogramm von MIL-53(Al) lt und MIL-53(Al) lt simu-liert. . . 149
5.47 R ¨ontgenpulverdiffraktogramm von MIL-69(Al) as und MIL-69(Al) simuliert.150 5.48 R ¨ontgenpulverdiffraktogramm von NMAN as und NMAN simuliert. . . . 151
5.49 R ¨ontgenpulverdiffraktogramme von NMAN as, nach der S¨aule und nach Behandlung mit n-Heptan und iso-Propanol. . . 151
5.50 R ¨ontgenpulverdiffraktogramm von BMAN as und BMAN simuliert. . . 152
5.51 R ¨ontgenpulverdiffraktogramm von MnFmt as und MnFmt simuliert. . . 153
5.52 R ¨ontgenpulverdiffraktogramm von InBTC as und InBTC simuliert. . . 154
5.53 R ¨ontgenpulverdiffraktogramm von Cobaltoxalat as und Cobaltoxalat si-muliert. . . 155
5.54 R ¨ontgenpulverdiffraktogramm von NH2-MIL-101(Fe) as und NH2-MIL-101(Fe) simuliert. . . 156
5.55 REM-Aufnahme von MIL-53 nach Kalzinierung in zwei verschiedenen Ver-gr ¨oßerungen. . . 158
5.56 REM-Aufnahme von MIL-69 nach Kalzinierung in zwei verschiedenen Ver-gr ¨oßerungen. . . 158
5.57 REM-Aufnahme von NMAN nach Synthese in zwei verschiedenen Ver-gr ¨oßerungen. . . 159
5.58 REM-Aufnahme von NMAN nach Behandlung mit verschiedenen L ¨osungs-mitteln. . . 159
5.59 REM-Aufnahme von BMAN nach Synthese in zwei verschiedenen Ver-gr ¨oßerungen. . . 160 5.60 REM-Aufnahme von MnFmt nach Synthese in zwei verschiedenen
Ver-gr ¨oßerungen. . . 160 5.61 REM-Aufnahme von InBTC nach Synthese, gezeigt sind zwei verschiedene
Kristallformen. . . 161 5.62 REM-Aufnahme von Cobaltoxalat nach Synthese in zwei verschiedenen
Vergr ¨oßerungen. . . 161 5.63 REM-Aufnahme von NH2-MIL101(Fe). . . 162
D.1 Trockengef ¨ullte S¨aule mit dem kommerziellen Material Chiralcel®OD-I. . 199
D.2 Slurrygef ¨ullte S¨aule mit dem kommerziellen Material Chiralcel®OD-I. . . 200
Tabellenverzeichnis
2.1 Enantiomere und ihre Wirkung. . . 6
2.2 Gegen ¨uberstellung der Eigenschaften von Silika-Material und MOF. . . 8
3.1 Klassifizierung der L ¨osungsmittel nach Snyder. . . 32
3.2 Legende zu den Gleichungen 3.28 bis 3.30. . . 56
4.1 Zusammenstellung der wichtigsten verwendeten Chemikalien. . . 70
4.2 Standardbedingungen f ¨ur die Messungen . . . 84
5.1 Vergleich der Kennzahlen w1 2, k,Δk und der Asymmetrie ASan trocken bef ¨ullter (d) und slurrybef ¨ullter (s) S¨aule. Messungen am kommerziellen Material Chiralcel®OD-I, Analyt 1S-Phenylethanol. . . . 91
5.2 Chromatographische Kennzahlen w1 2, k,Δk, α und RS. Vergleich trocken-bef ¨ullte (d) und slurrytrocken-bef ¨ullte (s) S¨aule, Material Chiralcel®OD-I. S¨aule 4,6 x 150 mm, Analyt trans-Stilbenoxid. . . . 93
5.3 Chromatographische Kennzahlen w1 2, k,Δk, α und RS. Vergleich zwischen selbst bef ¨ullter S¨aule (Slurrybef ¨ullung, Chiralcel®OD-I) und der kommer-ziellen S¨aule Maisch OM. S¨aule 4,6 x 150 mm, Analyt trans-Stilbenoxid. . . 94
5.4 Ubersicht der spezifischen Permeabilit¨aten. . . .¨ 96
5.5 Selektivit¨at und Aufl ¨osung der Polarit¨atsmessreihen. . . 101
5.6 Selektivit¨at und Aufl ¨osung der Temperaturmessreihen. . . 103
5.7 Selektivit¨at und Aufl ¨osung der Volumenstrommessreihen. . . 106
klassen. . . 117 5.10 Vergleich der Kapazit¨atsfaktoren k an UMCM-1 und Bn-ChirUMCM-1 von
Vertretern der zuvor genannten Verbindungsklassen. . . 119 5.11 Ergebnis der Energieberechnungen der 1-Phenylethanol Enantiomeren am
chiralen Selektor. . . 135 5.12 Zusammenfassung der Messungen der verschiedenen untersuchten MOFs. 138 5.13 Spezifische Oberfl¨achen und Porenvolumina der verwendeten Materialien 141 5.14 Ergebnisse der N2-Physisorptionsmessungen . . . 142
A.1 Bezeichnungen der pr¨aparierten Proben. . . 183 A.2 Zusammenstellung der verwendeten Chemikalien. . . 185 B.1 Ubersicht der verwendeten Bn-ChirUMCM-1- und UMCM-1-S¨aulen . . . . 191¨ B.2 Ubersicht der verwendeten chirDUT-32- und DUT-32-S¨aulen . . . 192¨ B.3 Ubersicht der S¨aulen. . . 192¨ C.1 Systeme f ¨ur Trennungsversuche. . . 195 C.2 Verwendete Analyten - Funktionelle Gruppen und deren m ¨ogliche
Wech-selwirkungen. . . 196 C.3 Verwendete Analyten - Chirale Analyten und deren m ¨ogliche
Symbolverzeichnis
Symbol Einheit Bedeutung
a Breite der aufsteigenden Peakseite
A m Streudiffusion
AS Asymmetriefaktor
Aspez. m2g−1 spezifische Oberfl¨ache
B m2s−1 Dispersion / Longitudinaldiffusion
C s Massentransferkoeffizient
A mm2 Querschnittsfl¨ache (der S¨aule)
b Breite der absteigenden Peakseite
c mol l−1 Konzentration
Dm m2s−1 Diffusionskoeffizient in der mobilen Phase
Ds m2s−1 Diffusionskoeffizient in der station¨aren Phase
dc mm S¨auleninnendurchmesser
dp μm Partikeldurchmesser
Eh H Hartree-Energie (1 H = 4,35974434⋅ 10−18J)
F ml min−1 Volumenstrom der mobilen Phase
H μm Bodenh ¨ohe
Hmin μm minimale Bodenh ¨ohe
h reduzierte Bodenh ¨ohe
IDS¨aule mm Innendurchmesser der S¨aule
k Kapazit¨atsfaktor
Δk korrespondierende Halbwertsbreite
K0 mm2 spezifische Permeabilit¨at
Lc mm L¨ange der chromatographischen S¨aule
Llab Labyrinthfaktor
m kg Masse
N Bodenzahl
p Pa Druck
Δp bar Druckverlust ¨uber die S¨aule Δk reduzierte Halbwertsbreite
RS Chromatographische Aufl ¨osung
r m Radius, Abstand
t0, tm min Durchflusszeit (Totzeit)
tR min Retentionszeit
t′R, ts min Netto-Retentionszeit
ts
tm Kapazit¨atsverh¨altnis von station¨arer und mobiler Phase
T K Temperatur
TS¨aule °C Temperatur der S¨aule
TRID °C Temperatur des RID bei der Detektion
TF Tailingfaktor
u mm s−1 lineare Fließgeschwindigkeit
uopt mm s−1 optimale lineare Fließgeschwindigkeit
VPore cm3g−1 spezifisches Porenvolumen
˙
V ml min−1 Volumenstrom
w min Basislinienbreite
w1
2 min Halbwertsbreite (Peakbreite auf halber H ¨ohe) xe Protonenakzeptoreigenschaft
xd Protonendonoreigenschaft
Symbol Einheit Bedeutung
α Selektivit¨at
Δ Differenz
ΔΔG kJ mol−1 Differenz derΔG-Werte (Adsorptionsenthalpien)
η mPa s dynamische Viskosit¨at
λ Packungsfaktor
θ ° Winkel
ν reduzierte Lineargeschwindigkeit
ρ Elektronendichte
Abk ¨urzungsverzeichnis
Abk ¨urzung Bedeutung as as synthesized aug augmented (erweitert) anh. anhydrous (wasserfrei)
avdz aug-cc-pVDZ (Basissatz f ¨ur theoretisch-chemische Berechnungen) b3lyp Becke, three-parameter, Lee-Yang-Parr
B88 Becke, 1988
BET Berechnung der spezifischen Oberfl¨ache nach Brunauer, Emmett, Teller BDC 1,4-Benzoldicarboxylat (Terephthalat)
Bn
4-Benzyl-2-oxazolidinon-BnBDC (S)-2-(4-benzyl-2-oxooxazolidin-3-yl)-Terephthalat BMAN Zn2[(bpdc)(R−man)]
Boc tert-Butyloxycarbonyl (Schutzgruppe) BPDC 4,4’-Biphenyldicarboxylat
spro-BPDC (S)-2-(1-(Tert-butoxycarbonyl)pyrrolidine-2-carboxamido)-[1,1’-biphenyl]-4,4’-dicarboxylat
BSSE Basis Set Superposition Errors (Basissatz ¨Uberlagerungsfehler) BTB 4,4’,4”-Benzol-1,3,5-triyl-tribenzoat
BTBA 4,4’,4”-(Benzoltricarbonyltris(azandiyl))tribenzoat BTC 1,3,5-Benzoltricarboxylat
c correlation (Korrelation) cc-p correlation-consistent polarized chir chiral
CSA Chiral Shift Agent (chirales Verschiebungsagens) CSP Chiral Stationary Phase (chirale station¨are Phase) CP Counterpiose
CUK Cambridge University-KRICT
DAD Diode-Array-Detector (Dioden-Matrix-Detektor) DEF N,N-Diethylformamid
DF(T) Dichte Funktionalit¨at(s Theorie) DFG Deutsche Forschungsgemeinschaft DMF N,N-Dimethylformamid
DUT Dresden University of Technology
ee enantiomeric excess (Enantiomeren ¨uberschuss) EOF electroosmotic flow (Elektroosmotischer Fluss) fmt Formiat GC Gaschromatographie H2BDC Terephthals¨aure H3BTB 1,3,5-Tris(4-carboxyphenyl)benzol H2BPDC 4,4’-Biphenyldicarbons¨aure H3BTC 1,3,5-Benzoltricarbons¨aure H2NDC 2,6-Naphthalindicarbons¨aure
HETP height equivalent to a theoretical plate (theoretische Bodenh ¨ohe) HF Hartree-Fock
HKUST Hong Kong University of Scienece and Technology HOIZA hybrid organic-inorganic zeolite analogue
(organisch-anorganischer zeolith¨ahnlicher Hybrid) HPG High Pressure Gradien (Hochdruckgradient) HPLC High Performance Liquid Chromatography
Abk ¨urzung Bedeutung
Hrsg. Herausgeber
ht high temperature (hochtemperatur) ID Innendurchmesser
IPA iso-Propanol
IR Infrarot
IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry k.A. keine Angabe
KRICT Korea Research Institute of Chemical Technology KS Kohn-Sham Theorie
lt low temperature (niedrigtemperatur)
LC liquid chromatography (Fl ¨ussigchromatographie) LDA Local-density approximation (lokale Dichten¨aherung) LPG Low Pressure Gradient (Niedrigdruckgradient) LYP Lee, Yang, Parr
(m/m) Massenverh¨altnis
Ma. Masse
R-man R-Mandels¨aure MC Monte Carlo MD Molek ¨uldynamik
MCP microporous coordination polymer (mikr ¨opor ¨oses Koordinationspolymer) MIL Mat´eriaux de l’Institut Lavoisier
MM Molek ¨ulmechanik MnFmt Mangan(II)formiat
MOF metalorganic framework (metallorganische Ger ¨ustverbindung) MS Massenspektrometer
NDC 2,6-Naphthalindicarboxylat
nHp n-Heptan
NMAN Zn2[(ndc)(R−man)]
NMR Nuclear Magnetic Resonance (Kernspinresonanz) p.a. per analysi (zur Analyse, chemischer Reinheitsgrad)
PAH Polycyclic Aromatic Hydrocarbons
(polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe)
PCN Porous Coordination Network (por ¨oses Koordinationsnetzwerk) PEEK Polyetheretherketon
PFG-NMR Pulsed-Field-Gradient NMR (Feldgradienten-NMR) PFR Plug-Flow-Reactor (Pfropfenstromreaktor)
PhEtOH 1-Phenylethanol PhMeSO Phenylmethylsulfoxid
PIZA Porphyrinic Illinois Zeolite Analogue POST Pohang University of Science and Technology PS-DVB Polystyrol-Divinylbenzol
pymo Pyrimidinolat QM Quantenmechanik
REM Rasterelektronenmikroskop(ie) RI Refractive Index (Brechungsindex)
RID Refractive-Index-Detector (Brechungsindex-Detektor)
RP reversed phase chromatography (Umkehrphasenchromatographie) SBU Secondary Building Unit
SFC Supercritical Fluid Chromatography ( ¨uberkritische Fluid-Chromatographie) sim. simuliert S/N Signal/Noise (Signal-Rausch)(-Verh¨altnis) SN Seriennummer SOS Spheres-on-sphere SPP Schwerpunktprogramm TFPE 2,2,2-Trifluor-1-phenyl-ethanol THF Tetrahydrofuran
UiO Universitetet i Oslo
UMCM University of Michigan Crystalline Material
USP United States Pharmacopeia (amerikanisches Pendant zum dt. Arzneibuch) UV/Vis ultravioletter und sichtbarer Bereich des Lichtes
Abk ¨urzung Bedeutung
VDZ Valence-only Double Zeta (v/v) Volumenverh¨altnis
WP Wendepunkt W.E. willk ¨urliche Einheit
x exchange (Austausch)
xc exchange-correlation (Austausch-Korrelation)
(p)XRD X-ray (powder) Diffraction, X-ray (powder) Diffractogram ZIF Zeolitic Imidazolate Framework
1
Zusammenfassung
Die Anwendungen von metallorganischen Ger ¨ustverbindungen (MOFs) sind vielf¨altig. Sie werden h¨aufig als Gasspeicher, f ¨ur die selektive Gasadsorption / -trennung und f ¨ur die Katalyse eingesetzt. Eine aktuelle Anwendung ist der Einsatz von MOFs als stati-on¨are Phase in der Hochleistungsfl ¨ussigchromatographie (HPLC). Die Untersuchungen von Alaerts et al. [2], die Trennung der C8-Alkylaromaten an MIL-53 (Al), dienten als Grundlage f ¨ur die vorliegende Arbeit.
Die Eigenschaften der klassischen Silika-Materialien, die Einsatz in der Chromatogra-phie finden, wurden denen der metallorganischen Ger ¨ustverbindungen gegen ¨uberge-stellt. Die Vor- und Nachteile der jeweiligen Materialien wurden verglichen sowie das Potential und die Grenzen der MOFs aufgezeigt.
Basierend auf dem Prinzip der pr¨asynthetischen Modifikation wurden neue MOFs f ¨ur den Einsatz als station¨are Phase von den Projektpartnern synthetisiert. F ¨ur diese neu ent-wickelten Materialien wurde auf bekannte Methoden zur ¨uckgegriffen, um die chroma-tographischen S¨aulen zu bef ¨ullen. Die verschiedenen Methoden wurden untereinander verglichen und entsprechend f ¨ur die MOFs angepasst.
Ausgehend von bereits ver ¨offentlichten Ergebnissen chromatographischer Trennungen wurden Methoden f ¨ur weitere Trennprobleme entwickelt. Die Einfl ¨usse der verschiede-nen Parameter wie L ¨osungsmittel, Volumenstrom, Temperatur und die Partikelgr ¨oße der station¨aren Phase auf die chromatographischen Ergebnisse wurden untersucht. Kommer-ziell erh¨altliche (chirale) station¨are Phasen dienten hierbei als Referenz.
Die chirale Erkennung kann durch die”3-Punkt-Kontakt-Theorie“ beschrieben werden. Die Wechselwirkungen der Enantiomere von 1-Phenylethanol (PhEtOH) und der stati-on¨aren Phase Bn-chirUMCM-1 wurden untersucht. Es wurde eine Bibliothek an Analyten erstellt, bestehend aus nicht-chiralen Analyten mit verschiedenen funktionellen Gruppen sowie eine weitere mit chiralen Verbindungen. Diese Bibliotheken wurden an MOFs vom Kooperationspartner aus Dresden (DUT-32 und chirDUT-32) systematisch getestet und die Wechselwirkungen der funktionellen Gruppen mit dem unmodifizierten Material so-wie die Wechselwirkungen der einzelnen Enantiomere mit dem chiral modifizierten MOF untersucht.
Abstract
The applications of MOFs are diverse. They are commonly used as material for gas sto-rage, gas selective adsorption / separation and catalysis. A recent application is the use as the stationary phase in high performance liquid chromatography (HPLC). Alaerts et al. [2] have shown the separation of the C8-alkylaromatics on MIL-53 (Al), which is basis and starting point for the present thesis.
The properties of the classical silica materials visually applied in chromatography we-re compawe-red with the properties of the metal-organic frameworks. The advantages and disadvantages of the different materials were compared as well as the potential and the limits of the MOFs were shown.
Based on the principle of presynthetic modification, new MOFs for the use as stationa-ry phase were synthesized by the project partners. For these newly developed materials, well known methods for filling chromatographic columns were used. These different me-thods were compared with each other and were adjusted for the MOFs.
Based on already published results of chromatographic separations, methods for further separation problems were developed. The impact on the chromatographic results of the different parameters like the solvent, the flow rate, the temperature and the particle si-ze of the stationary phase were investigated. Commercially available (chiral) stationary phases were used as a reference.
Chiral recognition can be described by the
”3-point contact theory“. The interaction of the enantiomers of 1-phenylethanol (PhEtOH) and the stationary phase Bn-chirUMCM-1 were examined. Libraries of analytes were created, one consisting of non-chiral analytes with various functional groups and one consisting of chiral compounds. These librari-es were tlibrari-ested systematically on MOFs from the partners from Drlibrari-esden (DUT-32 and chirDUT-32) and the interaction of the functional groups with the unmodified material and the interaction of single enantiomers with chiral modified MOF were examined.
2
Einleitung und Motivation
2.1 Einleitung
Das Wort Chromatographie setzt sich aus den griechischen Wortenχρῶμα = chroma (Far-be) undγράφειν = graphein (Schreiben) zusammen und bedeutet”Farbschreiben“. Das Prinzip geht auf den russischen Botaniker Michail Semjonowitsch Tswett (russ.Mihail Semnoviq Cvet) zur¨uck und er verwendete den Begriff im Jahre 1906 erstmals ¨offent-lich. Er untersuchte Pflanzenextrakte und isolierte unter Verwendung der Chromatogra-phie verschiedene Farbstoffe [3].
Die unterschiedlichen chromatographischen Methoden ben ¨otigen prinzipiell zwei ” Hilfs-phasen“, die station¨are Phase (das S¨aulenbett oder die S¨aulenpackung) und die fluide mobile Phase. Je nach Art der mobilen Phase kann die Chromatographie grob in drei Ka-tegorien eingeteilt werden: die Fl ¨ussigchromatographie (LC), die Gaschromatographie (GC) und die Chromatographie im ¨uberkritischen Bereich (SFC). Eine feinere Einteilung ergibt sich durch Unterteilung in verschiedene Typen station¨arer Phasen..
Heutzutage findet sich die Chromatographie als pr¨aparative Anwendung insbesondere in der industriellen Produktion wieder, um Verbindungen zu reinigen oder zu isolieren, aber auch in der Analytik zur Auftrennung von Stoffgemischen oder Bestimmung von Stoffmengengehalten.
2.2
Motivation
Die Herstellung enantiomerenreiner Produkte ist von großer Bedeutung. So dr¨angen bei-spielsweise die Arzneimittelbeh ¨orden in den USA und der EU auf h ¨ohere Enantiome-renreinheit bei Medikamenten. Wenn Wirkstoffe in zwei Enantiomeren vorliegen, soll die Zulassung nur erteilt werden, wenn in den Medikamenten nur die gew ¨unschte biologisch aktive Form enthalten ist [4]. Mehr als die H¨alfte der arzneilich verwendeten Wirkstoffe in der Pharmazie ist chiral. Nicht nur in der Pharmazie, sondern auch in der Nahrungsmit-telindustrie werden enantiomerenreine Produkte ben ¨otigt. Tabelle 2.1 zeigt ausgew¨ahlte Substanzen und ihre Effekte auf den menschlichen K ¨orper.
Tabelle 2.1:Enantiomere und ihre Wirkung.
chirale Substanz Effekt R-Thalidomid Sedativum S-Thalidomid fruchtsch¨adigend L-Dopa Mittel gegen Parkinson D-Dopa schwere Nebenwirkungen S-Ketamin Anesthetikum
R-Ketamin halluzinogene Wirkung S-Barbiturat Sedativum
R-Barbiturat krampfl ¨osend R,S-Opiat Narkotika S,R-Opiat Hustenmittel R,S-Aspartam s ¨ußer Geschmack S,R-Aspartam bitterer Geschmack S-Limonen Limonengeruch R-Limonen Orangengeruch
Der Erhalt der enantiomerenreinen Produkte kann ¨uber zwei Wege erfolgen. Der direkte Weg verl¨auft ¨uber die asymmetrische Synthese / Katalyse und der indirekte Weg geht ¨uber die Synthese und die anschließende Aufreinigung der racemischen Gemische durch z. B. chirale HPLC. Die Enantiomerentrennung dient auch als Methode zum Nachweis chiraler Wechselwirkungen, die f ¨ur die asymmetrische Katalyse ben ¨otigt werden.
2.2 Motivation Der modulare de-novo Aufbau der MOFs scheint ideal f ¨ur die Einbindung katalytisch ak-tiver chiraler Funktionen zu sein. Es besteht eine interdisziplin¨are Zusammenarbeit zwi-schen organizwi-schen Chemikern (Synthese der chiralen Linker), anorganizwi-schen Chemikern (MOF-Synthese und Strukturaufkl¨arung), physikalischen Chemikern (NMR-Charakte-risierung) und technischen Chemikern (Anwendungsrelevanz in Katalyse und HPLC). Dies bietet die notwendigen komplement¨aren Fachkenntnisse, die f ¨ur die Herstellung der hoch geordneten MOFs ben ¨otigt werden und erlaubt rationales Design, Synthese und eindeutige Charakterisierung, um maßgeschneiderte chirale MOFs f ¨ur neue Anwendun-gen zu erhalten.
Trennungen mittels HPLC sind ein h¨aufig genutztes Verfahren zur Aufreinigung ver-schiedener Produkte. Insbesondere findet die Trennung von Enantiomeren nicht nur in der Pharmaindustrie statt. Enantiomerenreine Produkte werden beispielsweise f ¨ur die Herstellung von Polymilchs¨aure ben ¨otigt. Metallorganische Ger ¨ustverbindungen als sta-tion¨are Phase in der HPLC sind vielversprechende Alternativen zu g¨angigen por ¨osen Materialien. Die MOFs zeichnen sich durch eine hohe spezifische Oberfl¨ache aus und sie k ¨onnen durch Wahl der Knoten und Linker auf spezielle Probleme angepasst werden. So ergibt sich eine breites Spektrum an Kombinationen und die MOFs zeigen ein hohes Po-tential in der Anwendung. Diese Eigenschaften k ¨onnten somit auch den Anforderungen der Industrie gerecht werden.
Die vorliegende Arbeit siedelt sich im Schwerpunktprogramm (SPP) 1362”Porous Metal-Organic Frameworks“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) an. Der Titel des Teilforschungsgebietes ist
”New Functional Metal-Organic Frameworks for (Enantio)se-lective Catalysis and Separation“ und diese Arbeit besch¨aftigt sich mit neuen Materialien f ¨ur die Anwendung in der Fl ¨ussigchromatographie.
Warum sollen nun MOFs in der HPLC verwendet werden? Das erste Argument ist das modulare strukturelle Design. Dieses erlaubt es zumindest theoretisch, f ¨ur nahezu al-le Trenn- oder Katalyseprobal-leme einen MOF bereitzustelal-len. Ein weiterer Vorteil ist das texturelle Design, da der MOF mit verschiedenen Porengr ¨oßen”maßgeschneidert“ wer-den kann (Mesoporen f ¨ur wer-den Transport, Mikroporen f ¨ur die Trennung). Dem gegen ¨uber steht als Nachteil die Morphologie, denn eine optimale station¨are Phase wie z.B. eine Silika-Phase besteht aus monodispersen sph¨arischen Partikeln. Dies kann ein MOF zur Zeit noch nicht bieten. Eine Gegen ¨uberstellung von herk ¨ommlichen Silika-Materialien und MOFs zeigt Tabelle 2.2.
Tabelle 2.2:Gegen ¨uberstellung der Eigenschaften von Silika-Material und MOF.
Silika-Material MOF Modulares strukturelles Design – +
Texturelles Design – +
Kontrolle der Morphologie + –
Metallorganische Ger ¨ustverbindungen sind bereits als station¨are Phase in der HPLC un-tersucht worden. Erste erfolgreiche Trennungen, wie die Trennung von Xylol-Isomeren an MIL-53, wurden durch Alaerts et al. [2] durchgef ¨uhrt. Das Ziel dieser Arbeit ist es, zu zeigen, ob weitere (chirale) MOFs f ¨ur den Einsatz als station¨are Phase in der HPLC geeignet sind. Das Ziel ist eine (enantio)selektive Trennung an neuen Materialien.
3
3.1
Typischer Aufbau einer HPLC
Eine typische HPLC-Anlage besteht aus einem Eluentenvorrat, der meistens ¨uber einen Entgaser mit der Pumpe verbunden ist. Je nach Aufbau der Pumpe erfolgt bei mehreren Eluenten die Mischung entweder nach dem Pumpenkopf (HPG, High Pressure Gradi-ent, meist bei einer Bin¨arpumpe) oder bereits vor dem Pumpenkopf (LPG, Low Pressu-re Gradient, meist bei einer isokratischen oder Quatern¨arpumpe). Eine Vors¨aule (Filter) vor der Injektionseinheit sorgt daf ¨ur, dass eventuelle Verunreinigungen durch Feststof-fe nicht in den eigentlichen Analysebereich geraten. Nach der Injektionseinheit (manuell oder automatisiert) fließt der Eluent mit dem Analyten durch die Trenns¨aule. Anschlie-ßend an die S¨aule erfolgt die Detektion, die auf verschiedene Weisen geschehen kann, je nach Eigenschaften der Analyten und / oder des Eluenten. Von der Detektoreinheit werden die aufgenommenen Daten an die Datenerfassung und -auswertung weitergelei-tet und die Analysemischung wird in ein Auffangbeh¨alter (Abfall, manchmal auch ein Fraktionssammler) weiter geleitet. Der prinzipielle Aufbau einer HPLC kann dem Bild 3.1 entnommen werden.
3.2 Grundlagen der HPLC
3.2 Grundlagen der HPLC
3.2.1 Durchflusszeit
t
0und Retentionszeit
t
RDie Durchflusszeit t0(fr ¨uher: Totzeit) ist die Zeit, die eine nicht retardierende Probe (keine
Wechselwirkungen mit der station¨aren Phase) ben ¨otigt, um von der Aufgabe bis zur De-tektion zu gelangen. Bei einer Wechselwirkung der Probe mit der station¨aren Phase wird die Probe verz ¨ogert und eluiert sp¨ater von der S¨aule. Die Zeit, die von der Probenaufgabe bis zur Registrierung des Peakmaximums vergeht, wird Retentionszeit tRgenannt (vgl.
Bild 3.2).
Grunds¨atzlich ist die Retentionszeit bei gleichbleibenden (chromatographischen) Bedin-gungen reproduzierbar. Diese chromatographischen BedinBedin-gungen sind die S¨aule selbst, der Volumenstrom und die Zusammensetzung der mobilen Phase sowie das Packungs-material und die Temperatur (vgl. [5–7]).
3.2.2
Kapazit¨atsfaktor
k
Um einen Vergleich zwischen verschiedenen chromatographischen Systemen (S¨aule, Elu-ent, Analyt) ziehen zu k ¨onnen, muss die Retentionszeit auf einen dimensionslosen Wert zur ¨uckgef ¨uhrt werden. Der Kapazit¨atsfaktor k (Retentionsfaktor) wird aus der Netto-Retentionszeit (t′R = tR− t0) berechnet, indem diese mit der Durchflusszeit t0normiert
wird (Gleichung 3.1).
k=tR− t0
t0 =
t′R
t0 (3.1)
Der Kapazit¨atsfaktor k bestimmt, wann die Peaks relativ zu einer nicht retardierten Probe von der S¨aule eluieren. Da er unabh¨angig von der S¨aulenl¨ange Lcund dem
Volumen-strom ˙V ist, eignet er sich gut zur Identifizierung einer Verbindung. Typische Werte f ¨ur
den Kapazit¨atsfaktor sind im Folgenden aufgef ¨uhrt [6]:
• k< 1: zu geringe Wechselwirkung mit der station¨aren Phase • 1< k < 10: optimaler Bereich
• k> 10: Zeit f¨ur die Analyse zu lang
Korrespondierende Halbwertsbreite: Im Verlauf der Arbeit hat es sich als sinnvoll er-wiesen, die Halbwertsbreite durch den Kapazit¨atsfaktor auszudr ¨ucken (korrespondie-rende HalbwertsbreiteΔk). Somit war es m¨oglich, beliebige Trennungen aus Einzelkom-ponentenmessungen durch Auftragen der k-Werte und den korrespondierenden Halb-wertsbreiten zu beurteilen. Die Berechnung hierf ¨ur ist wie folgt:
k+= (tR+12⋅ w1 2) − t0 t0 (3.2) k−= (tR−12⋅ w1 2) − t0 t0 (3.3) Δk = k+− k− (3.4)
3.2 Grundlagen der HPLC
3.2.3 Selektivit¨at
α
Unter der Selektivit¨atα (Trennfaktor) versteht man das Maß f¨ur eine Trennung zweier nacheinander eluierender Peaks. Sie berechnet sich aus dem Quotienten der Kapazit¨ats-faktoren bzw. den Netto-Retentionszeiten (Gleichung 3.5).
α =k2 k1= tR2−t0 t0 tR1−t0 t0 =tR2− t0 tR1− t0 (3.5) mit k2> k1⇒ α > 1
Ein Trennfaktor vonα = 1 bedeutet somit, dass die beiden Komponenten zur gleichen Zeit eluieren (k1= k2). Ab einer Selektivit¨at vonα ≥ 1, 02 ist eine Trennung zweier
benachbar-ter Komponenten m ¨oglich, wenn die chromatographischen Bedingungen optimiert wer-den [8]. Da sich die Selektivit¨at aus wer-den Kapazit¨atsfaktoren ergibt und diese durch die Wechselwirkungen der einzelnen Komponenten mit der mobilen und station¨aren Phase bestimmt werden, l¨asst sich somit die Selektivit¨at durch Wahl der mobilen und / oder der station¨aren Phase beeinflussen.
3.2.4 Basislinienbreite
w und Halbwertsbreite w
1 2Eine chromatische S¨aule verh¨alt sich im Idealfall wie ein ideales Str ¨omungsrohr (Plug-Flow-Reactor, PFR). Die ideale Probenaufgabe w ¨urde einer idealen Stoßmarkierung ent-sprechen (Dirac-Puls) und das Antwortsignal w¨are ebenfalls ein Dirac-Puls, d. h. ein Si-gnal mit der Basislinienbreite 0. Jedoch wird aufgrund physikalischer Effekte (Diffusions-und Str ¨omungsvorg¨ange) das Signal einer chromatographischen Messung verbreitert. Wirken diese Effekte isotrop, dann erh¨alt man Signale, die die Form einer Gaußkurve haben. Eine mathematische Beschreibung einer idealen Gaußkurve lautet wie folgt [9]:
y= hp⋅ e −[(t−tR)2 2
⋅σ2 ] (3.6)
hpist die Peakh ¨ohe undσ ist die Standardabweichung. Die Standardabweichung ergibt
sich aus dem Abstand der Wendepunkte gem¨aß:
WP2− WP1=2 ⋅ σ (3.7)
Die Basislinienbreite w ist die Breite eines chromatographischen Signals, das von den Tangenten an den Wendepunkten (gestrichelte Linie) des Signals und der Basislinie ein-geschlossen wird (vgl. Bild 3.3 auf Seite 15). Die Basislinienbreite berechnet sich zu:
w=4 ⋅ σ (3.8)
Die Halbwertsbreite w1
2ist dagegen die Breite eines Signals auf halber H ¨ohe des Peaks: w1
2=
√
8⋅ ln 2 ⋅ σ = 2, 355 ⋅ σ (3.9) Diese mathematischen Beschreibungen gelten nur f ¨ur (ann¨ahernd) symmetrische Peaks.
3.2 Grundlagen der HPLC t t t w w1/2 t’
3.2.5
Aufl ¨osung
R
SEine wichtige Gr ¨oße bei chromatographischen Trennungen ist die Aufl ¨osung RSzweier
benachbarter Peaks. Der optimale Abstand zweier Peaks ist dann erreicht, wenn beide Peaks von einander bis zur Basislinie getrennt sind. Ist der Abstand jedoch sehr groß, verl¨angert dies die Analysezeiten. Die Aufl ¨osung ist proportional zu dem Abstand der beiden Peakmaxima. Sie bestimmt sich aus der Differenz der Retentionszeiten und dem Mittelwert der Basislinienbreiten (Gleichung 3.10) bzw. Halbwertsbreiten (Gleichung 3.11).
RS= 2 ⋅
tR2− tR1 w1+ w2
(3.10)
Unter Verwendung der Gleichungen 3.8 und 3.9 erh¨alt man folgende Gleichung:
RS= 1, 18 ⋅ tR2− tR1 w1 2,1+ w 1 2,2 (3.11)
Im Folgenden sind die Bereiche f ¨ur die Aufl ¨osung aufgef ¨uhrt:
• RS< 1: ¨uberlappende Peaks bilden einen breiten Peak mit Fronting oder Tailing
• RS= 1: nahezu getrennte Peaks
• RS≥ 1, 5: basisliniengetrennte Peaks
Werte f ¨ur die Aufl ¨osung von RS≫ 1, 5 werden selten angestrebt, da bei RS= 1, 5 bereits
von einer vollst¨andigen Trennung ausgegangen wird und gr ¨oßere Werte nur zu einer Verl¨angerung der Analysenzeiten f ¨uhren w ¨urde.
3.2 Grundlagen der HPLC
3.2.6 Tailingfaktor und Asymmetrie
Wie weit ein Peak von einer idealen Gaußkurve abweicht, wird durch die Symmetrie be-schrieben. Hier gibt es zwei verschiedene Methoden zur Bestimmung. In Europa wird die Asymmetrie ASin 10 % der Peakh ¨ohe nach Gleichung 3.12 bestimmt und in den USA
wird nach Vorgaben der USP (United States Pharmacopeia) in 5 % der Peakh ¨ohe ausge-wertet und nach Gleichung 3.13 der Tailingfaktor TFbestimmt [10].
AS=ba (3.12)
TF=a+ b
2a (3.13)
% h
a b
Bild 3.4:Schematische Darstellung zur Berechnung der Asymmetrie (nach Stauffer [10]).
Ein absolut symmetrischer Peak hat einen Wert von AS= 1. Ein langsames Ansteigen und
schnelles Abfallen des Signals nennt man Fronting (AS< 1). Wenn man hingegen einen
3.2.7
Bodenzahl
N und Bodenh ¨ohe H
Eine chromatographische S¨aule l¨asst sich in ihrer Leistungsf¨ahigkeit anhand der Trenn-stufenzahl charakterisieren. Die TrennTrenn-stufenzahl N wird aus einem Chromatogramm mit-tels der Gleichungen 3.14 oder 3.15 berechnet [11]:
N= 16 ⋅ (tR w) 2 (3.14) N= 5, 54 ⋅⎛ ⎝ tR w1 2 ⎞ ⎠ 2 (3.15) tR: Retentionszeit; w: Basislinienbreite; w1 2: Halbwertsbreite.
Die Bodenh ¨ohe H wird dann mit der Bodenzahl N und der S¨aulenl¨ange L berechnet [11]:
H= L
N (3.16)
Um jetzt S¨aulen mit verschiedenen Partikeldurchmessern vergleichen zu k ¨onnen, wird die Bodenh ¨ohe mit dem Partikeldurchmesser normiert und die reduzierte Bodenh ¨ohe berechnet:
h=H
dp (3.17)
3.2.8
Reduzierte Lineargeschwindigkeit
ν
Zur besseren Vergleichbarkeit werden auch in der Chromatographie reduzierte Gr ¨oßen verwendet. Mit der Lineargeschwindigkeit des Eluenten u=Lc
t0 ergibt sich die reduzierte
Lineargeschwindigkeitν:
ν =udp
Dm =
Lcdp
3.2 Grundlagen der HPLC
3.2.9 van-Deemter-Gleichung und van-Deemter-Plot
Um den optimalen Fluss f ¨ur chromatographische Trennungen zu ermitteln, greift man auf die van-Deemter-Gleichung (Gleichung 3.19) zur ¨uck [12]:
H= HETP = A +B u+ C ⋅ u (3.19) A= 2 ⋅ λ ⋅ dp (3.20) B= 2 ⋅ Dm⋅ Llab (3.21) C= ts tm (1 +ts tm) 2⋅ d2 p Ds (3.22)
Erkl¨arung der einzelnen Terme
StreudiffusionA: Nach Gleichung 3.20 setzt sie sich aus dem Partikeldurchmesser dp
und dem Packungsfaktorλ zusammen. Der Packungsfaktor beschreibt sowohl die Par-tikelform als auch die Homogenit¨at der Packung. Sind die Partikel zu groß, wird der A-Term sowie sein Beitrag in der van-Deemter-Gleichung zu groß, so dass ein Minimum der Kurve schwer zu ermitteln ist.
LongitudinaldiffusionB: Der B-Term (Gleichung 3.21) der Gleichung ist unabh¨angig
von der Partikelgr ¨oße. Wird er alleine betrachtet, zeigt sich ein deutlich geringerer Beitrag zur van-Deemter-Gleichung bei hohen Volumenstr ¨omen.
MassentransferkoeffizientC: Hier hat der Partikeldurchmesser einen quadratischen
Beitrag zur Gleichung. Dieser Beitrag kann jedoch durch die Diffusionskonstante der station¨aren Phase Dskompensiert werden, wenn ein hochpor ¨oses Material mit geringer
Diffusionshinderung als station¨are Phase eingesetzt wird. Im Gegensatz zum zuvor ge-nannten B-Term vergr ¨oßert sich bei dem C-Term (Gleichung 3.22) der Beitrag zur Haupt-gleichung mit steigendem Volumenstrom.
Der optimale Fluss kann theoretisch aus der van-Deemter-Gleichung im Voraus berech-net werden. Das Problem ist jedoch, dass die Parameter der Gleichung nicht einfach vorherzusagen sind. Deshalb werden Messungen bei unterschiedlichen Volumenstr ¨omen
durchgef ¨uhrt, daraus die entsprechenden Bodenh ¨ohen bestimmt und diese gegen die li-neare Fließgeschwindigkeit u aufgetragen. Im Anschluss werden die Messwerte durch eine Kurve angepasst und man kann so experimentell den optimalen Fluss bestimmen. Ein van-Deemter-Plot ist in Bild 3.5 schematisch gezeigt.
uopt Hmin u / m s−1 HE TP / μ m Streudiffusion A LongitudinaldiffusionB u Massentransferkoeffizient C⋅ u Van-Deemter-Plot HETP= A +B u+ C ⋅ u
3.3 Herstellen von S¨aulen
3.3 Herstellen von S¨aulen
3.3.1 S¨aulenbef ¨ullung
Nach Synthese und Aufarbeitung werden die Materialien in die chromatographischen S¨aulen gepackt. Zur Bef ¨ullung wird die S¨aule auf einer Seite mit einer Fritte, einem Fil-ter bzw. FilFil-tersatz verschlossen und nach der Bef ¨ullung wird die zweite Seite auf glei-che Weise verschlossen. Typisglei-che Gr ¨oßen f ¨ur analytisglei-che S¨aulen liegen bei einem Innen-durchmesser zwischen 2 und 4,6 mm sowie einer S¨aulenl¨ange zwischen 100 und 250 mm (seltener L = 50 mm). Seit Beginn der Fl ¨ussigchromatographie wurden verschiedene F ¨ull-methoden entwickelt.
Trockenf ¨ullung: F ¨ur die Trockenbef ¨ullung chromatographischer S¨aulen gibt es unter-schiedliche Methoden, die in der Ver ¨offentlichung von Kirkland [13] beschrieben sind:
Bulk-Fill: ¨Uber einen Edelstahltrichter wird das Material bis zur S¨aulenoberkante
ein-gef ¨ullt, mehrfach durch Aufschlagen auf den Boden und seitliche Schl¨age mit einem Holzspatel verdichtet. Diese Prozedur wird so lange wiederholt, bis die S¨aule bis zur S¨aulenoberkante gepackt ist.
Lateral Vibration: Das Material wird wie bei der zuvor genannten Methode langsam in
die S¨aule gef ¨ullt, w¨ahrend dessen wird durch einen Motor kontinuierlich eine Vibration seitlich an der S¨aule auf H ¨ohe der Packungsoberfl¨ache erzeugt. Als letzter Schritt wird die gef ¨ullte S¨aule auf den Tisch aufgeschlagen, um eine letzte Nachpackung zu gew¨ahrleis-ten. Das entstehende Leervolumen wird nachgef ¨ullt und die S¨aule danach verschlossen.
Vertical Vibration: Die S¨aule wird lose senkrecht eingespannt, aufliegend auf einer
Vibra-tionsplatte, die vertikale Vibrationen erzeugt. Auch bei dieser Methode ist, wie zuvor genannt, der letzte Schritt ein Aufschlagen der S¨aule auf den Boden bzw. auf den Tisch, um eine letzte Nachpackung zu gew¨ahrleisten. Das dabei neu entstehende Leervolumen wird mit station¨arer Phase nachgef ¨ullt und die S¨aule wird mit Quarzwolle abgedichtet.
Tamping: Das Material wird in Aliquoten in die Leers¨aule eingef ¨ullt und jeweils mit einem
Edelstahlstempel festgedr ¨uckt, dieser dann langsam entfernt, um keine Verwirbelungen durch den Vakuumeffekt zu verursachen. Diese Prozedur wird so lange wiederholt, bis die S¨aule gef ¨ullt ist.
Tap-Fill: Diese Methode ist eine Kombination aus Bulk-Fill und Tamping, bei der das
Ma-terial in kleinen Portionen eingef ¨ullt wird, auf dem Tisch aufgeschlagen und gleichzeitig mit einem Holzspatel seitlich gegen geschlagen wird. Als Abschluss wird die S¨aule dann noch f ¨ur 5 - 10 Minuten auf den Tisch aufgeschlagen und nachgef ¨ullt, um Totvolumina zu vermeiden.
Modified Tap-Fill: Diese Methode ist identisch zur zuvor genannten, mit der einzigen
Aus-nahme, dass die S¨aule 80 - 100 mal (bei 2 - 3 Schl¨agen die Sekunde) nach jeder Portion geschlagen wird. Als Abschluss wird die S¨aule noch f ¨ur 15 - 20 Sekunden auf den Tisch geschlagen ohne die seitlichen Schl¨age.
Slurryf ¨ullung: In einem US-Patent von C. C. Siemion [14] ist eine Vorrichtung f ¨ur die Slurryf ¨ullung dargestellt. Bei diesem Verfahren wird die Suspension in Alkohol (Isopro-panol) angesetzt und in ein Vorratsgef¨aß gegeben, das mit zwei weiteren Fl ¨ussigkeiten gef ¨ullt ist, der”upper liquid phase“ (z. B. Isooctan) und der ”lower liquid phase“ (z. B. Tetrachlorkohlenstoff). Die Slurry bildet dann die sogenannte”middle liquid phase“, und diese drei Phasen werden dann mittels Druckluft durch eine Vors¨aule und schließ-lich durch die zu bef ¨ullende S¨aule gepresst (
”three-phase-method“).
Die Ver ¨offentlichung von Meyer und Hartwick [15] beschreibt verschiedene Verfahren f ¨ur eine Slurry-Packung von HPLC-S¨aulen. Zum einen die sogenannte Constant-Pressure-und zum anderen die Constant-Flow-Methode. Bei beiden Methoden wird die station¨are Phase zun¨achst in einem verschlossenen Gef¨aß mit verschiedenen Mengen L ¨osungsmit-tel gesch ¨ut¨osungsmit-telt und anschließend f ¨ur 5 Minuten in einem Ultraschallbad behandelt. Die zu bef ¨ullende S¨aule wird mit L ¨osungsmittel bef ¨ullt, anschließend wird das Vorratsgef¨aß mit einer ¨aquivalenten Menge an Suspension (30, 65 und 100 mg ml−1) bef ¨ullt und
die-3.3 Herstellen von S¨aulen se dann durch die S¨aule gepresst. Es wird ein Vergleich der F ¨ullmethoden mit konstan-tem Druck und mit konstankonstan-tem Volumenstrom gezeigt. Ebenso wird der Unterschied zwischen Aufw¨arts- und Abw¨artspacken untersucht. Die Abw¨artspackung erzielte 37% h ¨ohere Bodenzahlen. Mit der Constant-Flow-Methode wurden jedoch geringere Boden-zahlen erhalten.
Im Gegensatz zu der anfangs erw¨ahnten Ver ¨offentlichung von Kirkland [13] besch¨aftigt sich der Autor in seiner Ver ¨offentlichung von 2006 [16] nicht mit Trockenf ¨ullmethoden, sondern mit Methoden, bei denen die S¨aule mit einer Suspension bef ¨ullt wird:
Balanced density method: Die Dichte des L ¨osungsmittels der Suspension entspricht der
Dichte der station¨aren Phase, damit sich die Partikel nicht vorzeitig absetzen oder auf-schwimmen. Dem gleichen Gedanken liegt die high viscosity method zu Grunde. Hierbei soll die hohe Viskosit¨at ein Absetzen der Partikel in der Slurry verhindern. Diese Metho-de ist f ¨ur irregul¨are Partikel und solche mit einer breiten Gr ¨oßenverteilung geeignet. Im Gegensatz dazu steht die low viscosity method: F ¨ur Partikel mit einer engen Gr ¨oßenvertei-lung ist diese Methode eine M ¨oglichkeit, chromatographische S¨aulen schnell zu bef ¨ullen.
F ¨ullung von Kapillars¨aulen Eine Methode, um PEEK-Kapillars¨aulen f ¨ur die Micro-HPLC zu bef ¨ullen, ist die von Cappiello et al. [17] beschriebene Methode des Soap-Packing. Dieses Verfahren wird f ¨ur C8- und C18-Silika-Materialien angewendet. Das
S¨aulenmate-rial wird mit einer 1%-igen Natriumlaurylsulfat-L ¨osung vor dem Packungsvorgang be-handelt, um elektrostatische Effekte bei der F ¨ullung zu vermeiden.
Ebenfalls f ¨ur die Packung von Kapillars¨aulen, hier f ¨ur die Elektrochromatographie, wer-den in der Ver ¨offentlichung von Col ´on et al. [18] verschiewer-dene Methower-den vorgestellt:
Pressure packing using slurry: Dies ist eine Standardmethode, bei der eine Suspension mit
einer Konzentration von 50 - 100 mg ml−1angesetzt, in ein Vorratsgef¨aß gegeben und mit einem geeigneten L ¨osungsmittel in die S¨aule gepresst wird. Unterst ¨utzend kann eine Be-handlung im Ultraschallbad eingesetzt werden, um die Packung zu verdichten [19].
Using supercritical CO2as the carrier: Ein Verfahren, das in der HPLC und der SFC
(su-percritical fluid chromatography) angewendet wird. Hier wird die station¨are Phase in angemessener Menge trocken vorgelegt und mit einer entsprechenden Vorrichtung daf ¨ur gesorgt, dass die Bedingungen f ¨ur ¨uberkritisches CO2gew¨ahrleistet werden. Ebenso wird
hierbei unterst ¨utzend auf Ultraschall zur ¨uckgegriffen. Die S¨aule wird bei einem Druck von 200 - 300 bar bef ¨ullt und ¨uber 4 - 5 Stunden langsam entspannt, um Verwirbelungen zu vermeiden [20, 21].
Electrokinetic packing: Dieses Verfahren beruht auf dem elektroosmotischen Fluss (EOF).
In ein Vorratsgef¨aß wird eine Suspension vorgelegt, die mit einer Mischung aus L ¨osungs-mittel und Elektrolyt angesetzt wurde. Das Vorratsgef¨aß wird unter die zu bef ¨ullende S¨aule gespannt und die Oberseite wird mit einem weiteres Gef¨aß verbunden. Das untere Gef¨aß fungiert als Anode und das obere als Kathode. Anschließend wird unter Sch ¨utteln der Vorrichtung ein elektrisches Feld, welches schrittweise bis 30 kV erh ¨oht wird, ange-legt [22].
Packing by centripetal forces: Eine Suspension (10 - 50 mg ml−1) wird in einem
Vorrats-gef¨aß vorgelegt und an beiden Enden werden die zu bef ¨ullenden S¨aulen angeschlossen. Die Vorrichtung wird an einen Motor angeschlossen und die Bef ¨ullung wird bei 3000 Umdrehungen pro Minute durchgef ¨uhrt [23].
Packing by gravity: Ein Sedimentationsverfahren. In einem Vorratsgef¨aß wird eine
Sus-pension (10 mg ml−1) vorgelegt, mit der zu bef ¨ullenden S¨aule verbunden und ¨uber einen Zeitraum von 12 - 48 Stunden (abh¨angig von der Partikelgr ¨oße) setzt sich das Material in der S¨aule ab. Etwa alle 4 Stunden wird die Slurry durch eine frisch im Ultraschall behan-delte ausgetauscht [24].
Entrapped chromatographic material: Polymerisation / Synthese der station¨aren Phase
in-nerhalb der S¨aule oder Einschließen der station¨aren Phase durch einen Sol-Gel-Prozess oder durch Sintern [25, 26].
3.3 Herstellen von S¨aulen
Ein Teil der aufgef ¨uhrten Methoden f ¨ur die Kapillars¨aulenbef ¨ullung w¨aren auch f ¨ur die Bef ¨ullung von Standard-HPLC-S¨aulen denkbar. Das Verfahren, bei der sich die station¨are Phase durch Gravitation packt, wird angewendet, aber die S¨aulenbef ¨ullung dauert hier-bei etwa 48 Stunden und das S¨aulenbett muss trotzdem noch durch Druck nachgepackt werden. Ein Verfahren, das S¨aulenbett durch Polymerisation herzustellen, wurde in der Arbeitsgruppe von Prof. Buchmeiser im Jahre 2001 beschrieben [27], ein weiteres im Jahre 2006 f ¨ur Kapillars¨aulen durchgef ¨uhrt [28] und im Jahre 2007 bei gr ¨oßeren S¨aulen f ¨ur die Fl ¨ussigchromatographie eingesetzt [29].
3.3.2 S¨aulencharakterisierung
Um eine S¨aulenpackung zu bewerten, wird die spezifische Permeabilit¨at zu Rate gezo-gen. Sie beschreibt die Durchl¨assigkeit eines S¨aulenbettes. Die spezifische Permeabilit¨at berechnet sich nach folgender Formel [5]
K0=4⋅ ˙V⋅η⋅Lc d2 c⋅π⋅Δp = 21, 2 ⋅ 10 −8 ˙V⋅η⋅Lc d2 c⋅Δp (3.23)
und beinhaltet den Volumenstrom ˙V in ml min−1, die Viskosit¨at des Eluentenη in mPa s, die L¨ange Lcund den Durchmesser dceiner S¨aule in mm sowie den Druckverlust Δp
in bar. Somit werden die wichtigsten Parameter eines chromatographischen Systems ab-gedeckt. Die Werte f ¨ur eine optimale S¨aulenpackung bewegen sich zwischen 2⋅10−8und
7⋅10−8mm2. In diesem Bereich bewegen sich sowohl partikul¨are als auch monolithische
S¨aulen, wobei monolithische S¨aulen teilweise noch gr ¨oßere Permeabilit¨aten aufweisen k ¨onnen (vgl. [30, 31]). Letztere weisen jedoch einen breiteren Bereich von 0,15⋅10−8bis 8,4⋅10−8mm2(f ¨ur Polymethacrylat basierende monolithische S¨aulen) auf.
Eine ¨altere Ver ¨offentlichung der Serie
”Publikationen zu wissenschaftlichen Filmen“ [11] besch¨aftigt sich mit den Grundgleichungen der Chromatographie sowie einer anderen Art, die Permeabilit¨at einer S¨aule zu bestimmen. Sie definiert die Permeabilit¨at als
K=u⋅Lc
Δp (3.24)
Mit u=Lc
t0kann man auch schreiben
K= L2c
Δp⋅t0 (3.25)
[K] = mm2s−1bar−1
Optimale Werte der Permeabilit¨at f ¨ur HPLC-S¨aulen sollten bei 6 mm2s−1bar−1liegen.
Der Vergleich von S¨aulen, S¨aulenpackungen und Packmethoden gestaltet sich manch-mal schwierig, und ist teilweise nicht validiert, weil es zu Ungenauigkeiten bei den Test-prozeduren kommen kann. Die Ver ¨offentlichung von Bristow und Knox [32] gibt eine Zusammenfassung der Testprozeduren und schl¨agt ein Standardvorgehen vor:
I. Folgende Daten sollen aufgezeichnet werden:
(a) Betriebsbedingungen wie Temperatur, Packmethode, Zusammensetzung des Eluenten und des Testgemisches, Detektions- und Injektionsmethode. (b) Eigenschaften von Eluent und L ¨osungsmittel.
(c) S¨aulengeometrie und Partikelgr ¨oße.
(d) Chromatographische Parameter wie Retentionszeit, Volumenstrom und Druck-verlust.
II. Berechnung folgender chromatographischer Eigenschaften:
(e) Die Haupteigenschaften wie die reduzierte Bodenh ¨ohe und die reduzierte Li-neargeschwindigkeitν.
3.3 Herstellen von S¨aulen Anhand dieser Aufzeichnungen und der reduzierten Parameter lassen sich die verschie-denen S¨aulen und Packmethoden auf einfache Art miteinander vergleichen.
Im Hinblick auf die verschiedenen Packmethoden chromatographischer S¨aulen muss auch das Prinzip des monolithischen S¨aulenbetts betrachtet werden. Hier ist die Ver ¨offent-lichung von Bidlingmaier et al. [33] zu nennen, die den Vergleich zwischen einer 5-μm C18- und einer monolithischen C18-RP-S¨aule zieht. Das Ergebnis der Untersuchungen
zeigte, dass die monolithische S¨aule eine um den Faktor 4 h ¨ohere Permeabilit¨at besitzt. Dies hat zur Folge, dass die monolithische S¨aule bei einem deutlich h ¨oheren Fluss be-trieben werden kann. Trotz des hohen Flusses konnte eine bessere Performance erreicht werden. Der gr ¨oßte Vorteil einer solchen S¨aule ist ein deutlich geringerer Druckverlust
¨uber die S¨aule bei gleichen Trenneigenschaften.
Gerade im Bereich der S¨aulenpackungen zeigen sich noch Weiterentwicklungen. Dies ist auch notwendig, weil der Anwender hohen Durchsatz, hohe Aufl ¨osungen und hohe Empfindlichkeiten haben m ¨ochte. Der Artikel von Majors [34] beschreibt die historische Entwicklung der S¨aulenpackungen: Die ersten Partikel f ¨ur die Fl ¨ussigchromatographie waren mit einem por ¨osen Material beschichtete Mikroglasperlen mit einem Durchmesser von ungef¨ahr 100μm. Ende der 60er Jahre des vergangenen Jahrhunderts begann dann die HPLC mit por ¨osen Partikeln zwischen 40 und 50μm. Schon Anfang der 1970er Jah-re entwickelte sich die station¨aJah-re Phase zu einer Silika-Phase mit Partikeln kleiner als 10μm und entsprechende Packmethoden wurden etabliert [35]. Es waren vorerst noch irregul¨are Partikel, die f ¨ur die S¨aulenpackung verwendet wurden, bis in den 1970er Jah-re dann auch sph¨arische Partikelaentwickelt wurden. Weitere Entwicklungen f ¨uhrten
dann von Typ A Silika-Material (Silikagel Typ A, enth¨alt hohe Spuren von Metallen) ¨uber Silika-Material vom Typ B (Silikagel Typ B, geringe Metallspuren) bis hin zum hochrei-nen Silika-Material in den fr ¨uhen 1990er Jahren.
aTypischerweise werden die sph¨arischen Silika-Partikel aus w¨assrigem Tetrachlorsilan und Silberoxid oder aus Natriumkiesels¨aure durch Ionenaustausch hergestellt [36]. Die Porengr ¨oße und der Partikeldurch-messer sind abh¨angig von der Konzentration der Kiesels¨aure. Weitere Verfahren, die heutzutage Einsatz finden, sind die Perlpolymerisation und die Spr ¨uhtrocknung.
Neben den herk ¨ommlichen por ¨osen Materialien zeigte sich auch eine Entwicklung zu spezielleren Materialien mit einem hierarchischen Porensystem, den sogenannten Perfu-sionspartikeln. Diese bestehen aus Transportporen von 600 - 800 nm und Diffusionsporen von 80 - 150 nm Durchmesser. Der Eluent fließt ungehindert durch die Transportporen, hingegen stagniert er bei den Diffusionsporen. Der Analyt kann aber schnell in diese Po-ren hinein- und wieder herausdiffundiePo-ren. Diese Partikel haben den Vorteil, dass es zu sehr kurzen Wegen des Analyten in der station¨aren Phase kommt. Dies f ¨uhrte in den 1980er Jahren schon zu erh ¨ohter Performance in der Chromatographie [34].
Die Verwendung von unpor ¨osen oberfl¨achenbehandelten Materialien war ein weiterer Weg, den Massentransport zu verbessern. Es gibt zwei Arten von unpor ¨osen Packungen: unpor ¨oses Silika-Material und unpor ¨oses Harz. Das unpor ¨ose Silika-Material erinnerte stark an die anfangs eingesetzten por ¨osen Materialien, jedoch zeigten die unpor ¨osen Par-tikel schon durch ihre Gr ¨oße von 1 - 2μmbdeutlich bessere Performance [34].
Ende der 90er Jahre des vergangenen Jahrhunderts wurden die monolithischen Phasen entwickelt und kommerzialisiert. Neben Sol-Gel-Silika mit irregul¨arer Porengeometrie gibt es noch weitere nicht-Silika-Phasen wie Polystyrol-Divinylbenzol-(PS-DVB)-Copoly-mere, weitere organische PolyPolystyrol-Divinylbenzol-(PS-DVB)-Copoly-mere, Zirkonoxid, graphitisierte Kohle sowie Hydroxyapa-tit [34].
Eine einfache Synthese f ¨ur eine monolithische S¨aule ist in der Publikation von Bindis et al. [39] vorgestellt. Hierbei wird der polymere Monolith aus Butylmethacrylat hergestellt, welches mit Ethylenglycoldimethacrylat in einem porogenen System aus 1,4-Butandiol, 1-Propanol und Wasser vernetzt wird. Als Test wurde Toluol von Naphthalin getrennt, des Weiteren konnte Thiamin von Riboflavin getrennt werden.
Die Pr¨aparation sowie Modifikation polymerer Monoliths¨aulen wurde in einer Ver ¨offent-lichung von Svec [40] beschrieben. Mittels dieser S¨aulen konnten verschiedene Proteine sowie standardisierte aromatische Testmischungen voneinander getrennt werden.
3.3 Herstellen von S¨aulen so finden mittlerweile monolithische station¨are Phasen in der Kapillarfl ¨ussigchromato-graphie Einsatz. Der ¨Ubersichtsartikel von ˇStul´ık et al. [41] zeigt den Stand der Pr¨apara-tion und den Einsatz der Monolithen in der Fl ¨ussigchromatographie.
Monilithische S¨aulen finden haupts¨achlich Einsatz in der Trennung großer Polymere und Biopolymere. Als Beispiel hierf ¨ur k ¨onnen hierf ¨ur auch Arbeiten aus der Arbeitsgruppe von Prof. Buchmeiser aufgef ¨uhrt werden. Im Jahre 2002 wurden membranartige mono-lithische Kapillars¨aulen f ¨ur die Trennung von Biopolymeren hergestellt [42]. Die weite-re Forschung im Beweite-reich der monolithischen S¨aulen dieser Arbeitsgruppe bezieht sich haupts¨achlich auf monolithische Kapillars¨aulen sowie S¨aulen f ¨ur die Gr ¨oßenausschluss-chromatographie. Eine Ver ¨offentlichung besch¨aftigt sich jedoch mit monolithischen Tr¨a-gern f ¨ur die RP und Anionenaustauschchromatographie bei gr ¨oßeren S¨auleninnendurch-messern von 3 bis 49 mm [43].
Vergleich Core-Shell-Partikel und Monolith
Core-Shell-Materialien haben einen Durchmesser von 1,7 - 2,7μm und eine ¨außere sowie por ¨ose Schicht mit 0,25 - 0,5μm Dicke. Dank der kurzen Diffusionswege erm¨oglichen die Partikel eine rasche und effiziente Trennung. Man erh¨alt kleinere Trennstufenh ¨ohen, kann mit h ¨oheren Fl ¨ussen analysieren und erh¨alt so beispielsweise bei einer 10 cm lan-gen S¨aule bis zu 40.000 B ¨oden. Dies ist beispielsweise bei Peptid-Trennunlan-gen vorteilhaft. Jedoch k ¨onnen diese Partikel nicht ihr gesamtes Potential bei herk ¨ommlichen Anlagen zeigen, da sie aufgrund der kleinen Partikel die ben ¨otigten Dr ¨ucke von bis zu 1000 bar nicht liefern k ¨onnen [44].
Einen Ausweg aus dem zuvor genannten Druckproblem bieten die monolithischen Pha-sen. Sowohl das por ¨ose Ger ¨ust als auch die Kan¨ale haben ¨ublicherweise eine Dicke von 1μm. Monolithen bieten dank ihrer hohen Permeabilit¨at die M¨oglichkeit, das System bei niedrigen Dr ¨ucken zu betreiben. Allerdings tun sich die kommerziellen Hersteller mit der Synthese schwer, insbesondere bei den Materialien auf Silikagel-Basis [44].
