c - Organische und Bioorganische Chemie - Karl-Franzens ...

Organische und Bioorganische ChemieKarl-Franzens-Universität GrazA-8010 Graz, Heinrichstr. 28V.2013/14SEMINAR zu den LU aus ORGANISCHER CHEMIE f. LAK (CHE.145_2), 2 std.Info-SkriptumÜbersicht über Inhalt und Ablauf des SeminarsSynthesen der Praktikumspräparate: Synthesevorschriften, Benennung von Formeln und Aufstellung von chemischenNamenStoffklassenPräparateliste für Teil AMusterprotokollChemikalienbezugsscheinLiteratursuche: Handbücher und Periodika in der Bereichsbibliothek, Beilstein Crossfire etc.Praktische Demonstration in der Bibliothek und am RechnerSicherheit und Arbeitstechnik: Demonstration der organisch-chemischen Apparaturen und OperationenVorlesungsfolien für die Sicherheit und Arbeitstechnik im organisch-chemischen LaborDünnschichtchromatographie inkl. praktischem TeilSkriptum & Vorlesungsfolien zum SeminarDünnschichtchromatographie-Kurs LehramtAnalytische Gaschromatographie und HPLCEinleitungVorlesungsfolien HPLCVorlesungsfolien GCLaborübungen Teil B:Skriptum wird während der Übungen zur Verfügung gestellt30.03.2013

V.2013/14V.20131Stammsysteme und Stoffklassenorganischer Verbindungen (Biolog., LA Chemie)Karl-Franzens-Universität Graz, Institut für Chemie, Bereich Organische und Bioorganische Chemie, 2013 (larissegger)Normalschrift = IUPAC-name; Trivial- (=übliche Gebrauchs) namen = kursivOrganische Verbindungen enthalten überwiegend die Elemente C, H, O, N, S, Halogene1. StammsystemeAcyclische Verbindungen(kettenförmige und verzweigte AtomanordnungCyclische Verbindungen(ringförmige Atomanordnung)gesättigte KohlenwasserstoffeAlkane (Paraffine)CH 3CH 3CHH 3C35 36*CH 32,3,5-Trimethylhexan21ungesättigte KohlenwasserstoffeAlkeneAlkineÜberbegriff: Olefine vgl. Kap. 3CarbocyclenAlicyclen(nur C im Ring)gesättigt u. ungesättigtvgl. Kap. 4Aromatenvgl. Kap. 5HeterocyclenmitHeteroatom(en)im Ringgesättigt u. ungesättigtvgl. Kap. 4Heteroaromatenvgl. Kap. 62. Substituierte Alkane (Analoges gilt auch für ungesättigte und cyclische Stammsysteme)Stammsystem: AlkanStammsystem: Alkan + funktionelle GruppeAlkylhalogenideEtherC H 3C H 3OCl1-Chlorpropan(nicht Propylchlorid)CH 31-EthoxypropanEthyl-propyletherKap. 7Diese funktionellen Gruppenwerden (nach IUPAC-Regeln)nur als Vorsilben (Präfixes)verwendet und bilden keineStammsysteme (bei ChemicalAbstracts gibt es manchmalAbweichungen!)AlkoholeThioleAmineAldehydeKetoneC H 3*OHH 3CButan-2-olEin * (Stern) bei einemKohlenstoff zeigt an, dassdie Verbindung chiral ist.C H 3Sulfone,SulfoxideSulfonsäurenHOOH CN CH O3 3OH 3C ClCHH 3C3Trimethylaminvgl. Kap. 8HOEthanalAcetaldehydAcetylchloridEssigsäurechloridC H 3OSOOHEthansulfonsäureCarbonsäurenCarbonsäurederivateMetallorganischeVerbindungenC H 3C H 3LiButyllithiumC-analogeSilizium-VerbindungenCH 3Si OHCH 3KohlensäurederivateKohlensäureethylesterTetramethylsilanol30.03.2013

V.2013/143. Alkene und Alkine (Olefine, ungesättigte Kohlenwasserstoffe)2Stammsysteme und Stoffklassen organischer Verbindungen, Biol. + LA ChemieVerbindungen mit C=C - DoppelbindungenVerbindungen mit CC- DreifachbindungenAlkene Polyene Alkine PolyineH 3CH 2C C CH 2HCCHC CH 2 HAllen (ein Cumulen)AcetylenPropenCHH 2C2H 3C CHtrans-Buta-1,3-dienCHH 3C3 Prop-1-in(konjugiertes Dien)(2E)-But-2-enH 2C CH 2trans 2-ButenPenta-1,4-dien(isoliertes Dien)HCCHButa-1,3-diin4. Cyclische nichtaromatische KohlenwasserstoffeAlicyclenHeterocyclenCycloalkaneCyclopropanCyclopentanCycloheptanPolycyclischeAlkanecis-Decahydronaphthalencis-Decalin(Steroid-Teilstruktur)Bicyclo[2.2.1]heptanNorbornan(Teilstruktur vonTerpenen)CycloalkeneCyclohexenCycloocta-1,3,5,7-tetraenHeteroparaffineOOxiranEthylenoxidSTetrahydrothiophenz.B.in BiotinNHNHPiperidin(nicht in kond. Heterocyclenverwenden)COOHPyrrolidin (-> Prolin)(nichtin kond.Heterocyclen verwenden)Heteroolefine(Grundkörper)HORH*NHOHOHO2,4-Dihydrofuran(z.B. in derAscorbinsäure)einCONH 21,4-Dihydropyridin(z.B. in NADH)30.03.2013

V.2013/143Stammsysteme und Stoffklassen organischer Verbindungen, Biol. + LA Chemie5. Aromaten (spezielle, cyclisch konjugierte, ungesättigte Verbindungen)Benzen und Derivatekondensierte RingsystememonosubstituiertesBenzenmehrfach subst.Benzenlinear anellierte Ringeangular anellierte RingeROHNO 2R= Cl: Chlorbenzen= NH 2: Anilin= CH 3: Toluen= OH: Phenol= COOH: Benzoesäure2-NitrophenolNH 2CH=OClNaphthalenAnthracenPhenanthren4-Amino-3-chlorbenzaldehydPyren6. Heteroaromaten:Bei 5-Ringaromaten ist immer ein Elektronenpaar des Het-Atoms delokalisiert "aromatisch" , weitere "frei"5-Ringe6-Ringekondensierte HeterocyclenSOFuranwichtig: THF= Tetrahydrofuran--> FuranosenN1,3-Thiazol(z.B. in Vit B 1und in Penicillin)HN1H-Pyrrol(z.B. in Chlorophyll,Hämoglobin)HNN1H-Imidazol(z.B. in Histidin)NPyridin(z.B. in Vitamin B 6und Nicotinamid)NONPyrimidin(z.B. in Uracilund Vit. B 1)4H Pyran,kein Aromat!->inBlütenfarbstoffenNHIndolz.B. in TryptophanNHTeilstrukturenBenzen + Pyrroldaher Indol = BenzopyrrolNNNNHNPurin(z.B. in Adenin)Chinolin(z.B. in Chinin)30.03.2013

V.2013/14-CH 3Methyl-CH 2-CH 3EthylC H 37. Substituenten und funktionelle Gruppen (nur als Präfix zu verwenden)Alkyl- und ArylsubstituentenHalogen, (Thio)Ether, Nitro, Nitroso, Hydrazine und Hyroxylamine, IsocyanateFBr1-BrompropanFluorbenzenS CH 3 1-EthoxypropanN=ONH-OH4-CH 2-CH 2-CH 3 -CH 2-CH 2-CH 2-CH 3 -CH=CH 2n-Propyln-ButylVinylCH Phenyl-CH3CH 3CH3-C CH -CH 2-CH=CH 23 -CH 2CH Allyliso-Propyl3tert-ButylBenzylOO CH NH-NH 23H 3CH3CN + OMethoxybenzen H 3C OCH 3HydrazinoethanAnisolNitromethan(Ethylhydrazin)(Ethyl-propylether)MethylthiobenzenStammsysteme und Stoffklassen organischer Verbindungen, Biol. + LA ChemieNitrosobenzenHydroxylaminobenzen(Phenylhydroxylamin)1-Naphthyl2-NaphthylN=C=OIsocyanatobenzen(Phenylisocyanat)Diisocyanatewichtig fürPolyurethanherst.8. Substituenten und funktionelle Gruppenals Präfix und als Stammsystem (Suffix) verwendbar8.1 Alkohole, Thiole, AmineAlkohole Thiole Amine SalzeHO*CH 3CH 3Butan-2-olsec. ButanolPhenolOHC H 3SHMethanthiolMethylmercaptanSHBenzenthiolThiophenolH 3C NCH 3HOCH 3TriethylaminNH 22-AminoethanolH 3C O Na +NatriummethanolatH+NH 3C CH 3CH 3TriethylammoniumiodidIOHSHNH 2N +NClOHResorcinBenzen-1,3-diolNaphthalen-2-thiol2-NaphthylmercaptanBenzenaminAnilinPhenyldiazoniumchlorid30.03.2013

V.2013/148.2 Aldehyde und Ketone5Stammsysteme und Stoffklassen organischer Verbindungen, Biol. + LA ChemieHAldehydeOHMethanalFormaldehydOH 2C HPropenalAcroleinOHHOHOBenzaldehydOxaldialdehydGlyoxalKetoneCHH 3C3OButan-2-onEthylmethylketonH 3CCH 3H 3CO4-Methylpent-3-en-2-onMesityloxidO OH 3CPentan-2,4-dionAcetylacetonOCH 3O CH 3CH 3OOCH 31-Phenylethan-1-onAcetophenonChinone (engl: Quinone)OO1,4-BenzochinonTeilstruktur vonCoenzyme QO1,4-NaphthochinonTeilstruktur v. Vitamin K1Aldehyd- und Keton-DerivateH 3CH 3CHOON(E)-Benzylidenanilinein Azomethinaus Benzaldehyd + AnilinDiethoxymethylbenzenBenzaldehyd diethylacetalHOHOGlycol2,2-Dimethyl-[1,3]dioxolaneAceton glycolacetal8.3 CH-Acide Verbindungen(Abkürzungen für nicht verbindungsspezifische Gruppen sind gebräuchlich!)H 3C O MeO OEtOOOOEtNCOO EtN CC NAcetessigsäuremethylester3-OxobutansäuremethylesterMalonsäurediethylesterPropandisäureethylesterCyanessigsäureethylesterMalononitril8.4 CarbonsäurenAliphatische C.HOC H 2COOHHCH 3(S)-2-Hydroxypropansäure;L-MilchsäureOOHPropensäureAcrylsäureSalze, ResteOHFormiat OC H 3AcetatAcetylC H 3OOOR-CO- : "Acyl"Aromatische C.COOHBenzoesäureCOOHOHSalicylsäureDicarbonsäurenO OHO OHEthandisäureOxalsäureCOOHCOOHBenzen-1,2-dicarbonsäurePhthalsäure-AminosäurenCOOHH NH 2CH 3(S)-2-AminopropansäureD-AlaninN H 2L-TyrosinCOOHHOH30.03.2013

V.2013/146Stammsysteme und Stoffklassen organischer Verbindungen, Biol. + LA Chemie8.5 CarbonsäurederivateCarbonsäurechlorideCarbonsäureanhydrideCarbonsäure-ester,-nitrileCarbonsäureamideClC H 3OOOOClMalonsäuredichloridMalonylchloridClButansäurechloridButtersäurechloridClO OOH 3CCHO3HO EtOEt HPropansäureanhydridPropionsäureanhydridOFumarsäurediethylesterO OOOOTetrahydrofuran-2,5-dionBernsteinsäureanhydridSuccinanhydridOO-Butyrolacton(cyclischer Ester)C H 3CNButansäurenitrilC NOOHONH 2H HMaleinsäuremonoamidOC H 3NHNH-Propiolactam(cyclisches Amid)OEthansäureanilidAcetanilidOBenzoylchloridOPhthalsäureanhydridBenzoesäurenitrilBenzonitrilNNH 2Nicotinsäureamid8.6 Sulfoxide, SulfonsäurenC H 3OSCH 3DimethylsulfoxidC H 3OSOHOOCF 3S OOCH 3OH OC S Cl3 HOS NH 2NO2p-Toluensulfonsäurechlorid 4-AminobenzensulfonsäureamidTosylchloridTrifluormethansulfonsäuremethylesterHexansulfonsäure8.7 Kohlensäurederivate8.8 ZuckerHOC OHOKohlensäureEtH 2NOCOChlorkohlensäureethylesterCarbaminsäureethylesterein Urethan--> PolyurethaneClC OClPhosgenH 2NCNH 2HarnstoffOEtClH 2NCNH 2C OONHGuanidin(Teilstruktur von Arg)HOHHOHOH-D-RiboseNucleotidC H 2HH 2CHOHHOHHOHOOHHO-phosphatHNOH-D-Glucose --> Cellulose"Pyranose"Pyrimidinoder Purin"Furanose"30.03.2013

V.2013/146Stammsysteme und Stoffklassen organischer Verbindungen, Biol. + LA Chemie8.5 CarbonsäurederivateCarbonsäurechlorideCarbonsäureanhydrideCarbonsäure-ester,-nitrileCarbonsäureamideClC H 3OOOOClMalonsäuredichloridMalonylchloridClButansäurechloridButtersäurechloridClO OOH 3CCHO3HO EtOEtHPropansäureanhydridPropionsäureanhydridOFumarsäurediethylesterO OOOOTetrahydrofuran-2,5-dionBernsteinsäureanhydridSuccinanhydridOO-Butyrolacton(cyclischer Ester)C H 3CNButansäurenitrilC NOOHONH 2H HMaleinsäuremonoamidOC H 3NH-Propiolactam(cyclisches Amid)ONHEthansäureanilidAcetanilidOBenzoylchloridOPhthalsäureanhydridBenzoesäurenitrilBenzonitrilNNH 2Nicotinsäureamid8.6 Sulfoxide, SulfonsäurenC H 3OSCH 3DimethylsulfoxidC H 3OSHOOOCF 3S OOCH 3OH OC S Cl3 HOS NH 2NO2p-Toluensulfonsäurechlorid 4-AminobenzensulfonsäureamidTosylchloridTrifluormethansulfonsäuremethylesterHexansulfonsäure8.7 Kohlensäurederivate8.8 ZuckerHOC OHOKohlensäureEtH 2NOCOChlorkohlensäureethylesterCarbaminsäureethylesterein Urethan--> PolyurethaneClC OClPhosgenH 2NCNH 2HarnstoffOEtClH 2NCNH 2CONHOGuanidin(Teilstruktur von Arg)HOHHOHOH-D-RiboseNucleotidC H 2HH 2CHOHHOHHOHOOHHO-phosphatHNOH-D-Glucose --> Cellulose"Pyranose"Pyrimidinoder Purin"Furanose"30.03.2013

V.2013/14Synthesen in den Organ. Chemischen Laborübungen für Lehramt (Teil A)? Die genauen experimentellen Details finden sich im Skriptum zu den Laborübungen1. AcetanilidReaktionstyp: Aminolyse eines CarbonsäurederivatsAmine als Basen werden von reaktiven Carbonsäurederivaten wie Chloriden,Anhydriden oder Estern acyliertDas Anilin ist ein typischer Vertreter für die Herstellung von "Anilinfarben"(Azofarbstoffe).Acetanilide besitzen fiebersenkende Wirkung (Antifebrin, Phenacetin, Paracetamol).Lernstoff: Organikum: D.7.1.4 (Carbonsäurederivate)Reaktionsschema:Anilin Acetanhydrid Acetanilid Essigsäure2. t-ButylchloridReaktionstyp: Nucleophile Substitution am sp 3 -CSynthese von Chloralkanen aus Alkoholen durch Umsetzung mit Chlorwasserstoff.Tertiäre Alkohole reagieren monomolekular (formulieren!), primäre bimolekular.Lernstoff: Organikum, Kapitel D.2 (Nucleophile Substitution am gesättigten Kohlenstoffatom)ReaktionsschemaH 3CH 3CH 3C OH + HClH 3C ClH 3C- H 2 O H 3C74.1 36.5 92.630.03.2013

V.2013/143. ZimtsäureReaktionstyp:Reaktion von Carbonylverbindungen mit CH-aciden Verbindungen:Spezialfall der Aldolkondensation - KNOEVENAGEL-Reaktion.Man arbeitet mit Methylenkomponenten von starker CH-Acidität (z. B.Malonsäurederivate, allgemein: 1,3-Dicarbonylverbindungen) und organischen Basen.Im Falle der Malonsäure wird zur Monocarbonsäure decarboxyliert (thermischeSyn-Eliminierung)Lernstoff: Organikum, Kapitel D.7.2.1: Reaktionen von Carbonylverbindungen mit CH-acidenVerbindungen; D.7., D.7.1.1-D.7.1.3; D.7.1.6 (Carbonylverbindungen mit Basen)ReaktionsschemaCH=O+COOHCH 2COOHNNH C H CHCOOH106.1 104.1 79.1 85.2148.24. p-ChloracetophenonReaktionstyp: FRIEDEL-CRAFTS-Acylierung von Aromaten mit Säurechloriden.Katalyse mit Lewis-SäurenElektrophile (Zweit)-Substitution am AromatenSubstituenteneffekte.Lernstoff: Organikum, Kaptitel D.5.1: Elektrophile Substitution am Aromaten.Literatur: OrganikumReaktionsschemaClCl+C H 3OClAlCl 3- HClC H 3O30.03.2013

V.2013/14Anleitung zur Protokollführung(modifiziert nach Hünig, Merkel, Sauer: Integriertes Organisches Praktikum, Verlag Chemie, Weinheim 1979)Reaktion von trans - Stilben mit PyridiniumperbromidBezeichnungder ReaktionLiteratur: L.F.Fieser, J.Chem. Educ. 31, 291 (1954); R.f.Buckles,J.M.Moder und R.J. Thiermaier; J.Org.Chem. 27, 4523 (1962).Literaturstelleder Vorschrift(Autoren, Zeitschrift, Band,Seite, Jahr)Formelgleichung mitMolmassenDenkbareReaktionsprodukteDenkbare Neben- oder und Folgeprodukte:Ph-CBr=CH-Ph (cis, trans); Br 2 – Addition, HBr-EliminierungPh-CBr= CBr-Ph (cis, trans) Br 2 – Addition; HBr-ElimPh-CHBr-CBr 2 -PhBr 2 – Addition, HBr-Eliminierung,erneute Br 2 -Addition ; Elektrophile aromatische Subst.______________________________________________________________1.8 facher Literaturansatz:- trans-Stilben: 1.80g (10.0 mmol) (kl.Probe f. DC aufgehoben)- Pyridiniumperbromid: 3.20g (10.0 mmol) (kl. DC Probe oK)- Eisessig 20 mlBeginn 2.1.2013 10:15EingesetzteEdukt-MengeDatum/ZeitDurchführungder ReaktionIsolierung,- 1.80 g trans - Stilben (10.0 mmol) in einem 2-Halskolben (100 mL) in 20 ml Eisessigzuspendiert- unter kräftigem Rühren (Magnetrührer) portionsweise mit 3.20gPyridiniumperbromid (10.0 mmol) versetzt.- Orangerote Farbe des Bromierungsmittels verschwand jeweils in wenigen Minuten, derBromumsatz war also vollständig.Gegen Ende der Zugabe des Pyridiniumperbromid : fester Niederschlag gebildetFertig: 13:20*(geht langsam,grösserer wäre besser)NS nach 2 Stunden bei RT auf dem kleinen Büchnertrichter*) abgesaugt, mit etwa 7 –8 mL eiskaltem Methanol in 3 Portionen gewaschen, zur Entfernung von anhaftenderEssigsäure über festem KOH im Vakuumexsikkator über Nacht getrocknet.30.03.2013

V.2013/14DC; Fp, Ausbeute desRohprodukts3.1.2013Rohprodukt: 3.40 g blassgelbe Nadeln,Schmp. 220 – 225°C; kl. Probe f. DC aufgeh.Tol/Acet 3:1PetrEth/Essigest4:1ReinigungVorversucheUmkristalllar aus:SolvensLösl20°C RTsiedend Produktmenge u.AussehenSchmp.°CPetrolether(40-60°) schwerl. schwerl. unverändert 221 – 227Toluen schwerl. mäßig. viel. farbl. ND. 232 – 233Xylen schwerl. mäßig – gut lösl. detto. 234 - 235ReinigungAusbeuteCharakterisierungZusätzliche Analytik,SpektrenVersuchs-Ergebnisse uSchluss-FolgerungenRohprodukt aus etwa 100 mL siedendem Xylen umkristallisiert, im Vakuumexsikkatorüber Paraffinschnitzeln vom Lösungsmittel befreit:2.90 g farbloser Nadeln, Schmp. 233 – 235°C. Schmp. einer kleinen Probe änderte sichbei erneuter Umkristallisation geringf. auf 235-236°C.Flash-chromatographie auf 1 cm Fritte 1cm mit Kieselg. (15-30) gefüllt, konditioniertmit Tol/Ac 3:1, 50mg Rohprod. in 1mL LM gel, nach einsaugen mit 1;1 : 1:1 und 1:3,je 2ml eluiert.Braune Front verworfen., in 2. Fr. bfand sich etwas Edukt (DC), 3. Fr. war rein4.1.2013Das Produkt ist meso - Dibromstilben (Lit.: Schmp. 236-237°C); d,l - Dibromstilbenhätte einen Schmp. 112 – 113°C.Rohausb: 3.40g (10.0 mmol, 100%) Schmp. 215 – 218 225°C.Reinausbeute: 2.90g (8.52 mmol, 85%), Schmp. 234-235°C.Literaturausb: 84%, Schmp. 236 – 237°CZus. HPLC gemacht auf Shimadzu 125mmx4 ODS, LM n-Heptan/2-Propanol 90/10Flussrate 1ml/min : Ret 4.2 min, Verunr (Olefin) 3.5 min, etwa 10% (Olefinabsorbiert stärker, bei 254nm!) Keine sonst. Verunr.!NMR und IR wurden mit Ass. diskutiert:Die physikalischen sowie 1 H-NMR- und IR-Daten passen zur richtigen Konstitution,die Bromanlagerung hat also stereospezifisch als trans - Addition statt gefunden.Abgabe bestätigen lassenABGABE bei Pr. Lästig 7.1.201330.03.2013

V.2013/14Chemikalienbezugsschein(Bitte bei Präparatabgabe mitbringen und bestätigen lassenVerbleibt dann beim /bei der Studierenden)Name:………………………………………………………………Präparat Nr.:Bezeichnung:................................................................................................................................................................................................Begrenzender Reaktand:......................................................Menge: ...............gChemikalie Menge in g oder mL Menge in MolReferat erledigtChemikalien ausgegebenWiederholungChemikalien ausgegebenPräparat abgegebenDatumUnterschrift30.03.2013

Organisch-chemische Arbeitstechnik1. Einführung & Allgemeines2. Hilfsmittel und Methoden3. Trennverfahren4. Bestimmung physikalischerEigenschaften5. Aufbewahrung und Entsorgung vonChemikalien1a Arbeitsplatz• Inventarliste• Nützliche Kleinigkeiten und Hilfsmittel• Literatur – Bücher• Laborjournal – ProtokollClaudia Reidlinger WS11_12

Claudia Reidlinger WS11_12

1a Arbeitsplatz•Nützliche Kleinigkeiten und Hilfsmittel:Alufolie, Blumendraht, Kombizange, Flaschenbürsten,Glasschreiber, Gummihandschuhe, Einmalhandschuhe,Arbeitshandschuhe, Klebeband,Klebeetiketten, Fotohülsen, Eprouvetten mit dichtsitzenden chemikalienbeständigen Stöpseln,Pinzette,Spateln, Schere, Schlifffett, Siedesteinchen,Spülmittel, Taschenmesser, Watte, Gummiringerl,ZeitschaltuhrClaudia Reidlinger WS11_12

1a Arbeitsplatz•Literatur – BücherArbeitsvorschrift• OrganikumOrganisch-chemisches GrundpraktikumWiley VCH Verlag, 22.Auflage, 2004• Organisch-chemisches Grundpraktikum unter Berücksichtigungder GefahrenstoffverordnungEicher, Theophil und Tietze, LutzGeorg Thieme Verlag, Stuttgart 1995• Gattermann-WielandDie Praxis der organischen ChemikersWieland, Theodor und Sucrow, Wolfgangde Gruyter, Berlin, 43. Auflage 1982• Reaktionen und Synthesen im organisch-chemischen Praktikumund ForschungslaboratoriumTietze, Lutz und Eicher, TheophilGeorg Thieme Verlag, Stuttgart 2. neubearb. Auflage, 1991Claudia Reidlinger WS11_12

1a Arbeitsplatz•Laborjournal – ProtokollhandgeschriebenReaktionLiteraturstelleFormelgleichung mit MolmassenEingesetzte EduktmengeDatum, UhrzeitDurchführung der Reaktion – BeobachtungenIsolierungDc, Fp, Sp, Ausbeute ( g, % d. Th., % d. Lit.)ReinigungAusbeute ( g, % d. Th., % d. Lit.), CharakterisierungFehleranalyseClaudia Reidlinger WS11_12

Zitate - Literaturangaben‣ Bücher: VerfasserBuchtitelVerlag, Auflage,ErscheinungsjahrSeite (ev. von bis, ff)‣ Zeitschriftenartikel: Autor(en)Titel der Zeitung (abgekürzt)Bandnr. und ErscheinungsjahrSeite (von bis, ff)‣ Hausvorschrift: NameAnsatz und Ausbeute1. Molmassen und Summenformeln2. Theoretische Ausbeute Beispiel: 100%1 Mol Ausgangsverbindung ergibt 1 Mol Produkt3. Literaturausbeute Beispiel: 65% Ausbeute1 Mol Ausgangsverbindung ergibt 0.65 Mol ProduktClaudia Reidlinger WS11_12

1b Sicherheit• Besonderheiten organischer Chemikalien(Brennbarkeit, Gesundheitsschädlichkeit,Aggregatzustände, Lösungsmittel, heftige Reaktionenmit Wasser)• Generelle Richtlinien(Immer- und Niemalssätze, Abzug, Beschriftung,Arbeitskleidung, offene Zündquellen, Schutzbrillen –Kontaktlinsen)Immer:•Standort der vorhandenen Sicherheitseinrichtungenklären• Schutzbrille• Arbeitsmantel• Vor Beginn eines Experiments die genaueArbeitsvorschrift lesen und überdenken• Apparatur überprüfen – Ansatz nie alleine lassen• Möglichst genau und umsichtig arbeiten, verschütteteChemikalien sofort beseitigen• Im Zweifelsfall Fragen – es gibt keine blödenFragen!!!• Vor dem Verlassen des Labors Hände waschenClaudia Reidlinger WS11_12

Niemals:•Rauchen• Essen & trinken• Chemikalien absichtlich einatmen, schnüffeln odergar kosten• Herumlaufen oder „chemische“ Scherze machen• Alleine arbeiten im Labor ohne, dass es jemandweis• Ansatz nie alleine lassen• Unautorisiert experimentierenClaudia Reidlinger WS11_12

1c GefahrensymboleClaudia Reidlinger WS11_12

2. Hilfsmittel und Methodena. Glassorten und – verbindungenb. Arbeitsgefäßec. Kühlerd. Messgerätee. Standardapparaturenf. Rühren und Schüttelng. Einleiten von Gasenh. Heizen und Kühleni. Arbeiten unter Druckj. Arbeiten unter vermindertem Druckk. Trocknenl. Arbeiten im MikromaßstabClaudia Reidlinger WS11_12

2a Glassorten und – verbindungen• GlassortenKalknatronglas (AR-Glas)Borosilikatglas (Duran, Pyrex, Simax, Jenaer Geräteglas)Quarzglas• Verbindungen von GlasteilenGebräuchliche Schliffformen: Planschliff ( z.B. Exsikkatoren)Zylinderschliff (KPG-Rührer)Kegelschliff (sog. Normschliff NS14,NS19, NS29)Kugelschliff (z.B. Rotationsverdampfer)Kegelschliff mit Schraubverbindung (z.B.Quickfit)Claudia Reidlinger WS11_12

2b ArbeitsgefäßeArbeitsgefäße ohne SchliffReagenzgläser (Eprouvetten), Bechergläser, Erlenmeyerkolben, StehkolbenArbeitsgefäße mit Schliff• Schlifferlenmeyer• Kolbentypen: Rundkolben, Birnenkolben, Spitzkolben, Zwei-, Drei- undVierhalskolben2c KühlerAuswahl des Kühlers richtet sich nach dem Siedepunkt /derFlüchtigkeit des Lösungsmittels !RückflusskühlerProduktkühlerKühlertypen: a) Luftkühlerb) Liebigkühlerc) Kugelkühlerd) Schlangenkühlere) Dimrothkühlerf) Intensivkühlerg) KühlfingerClaudia Reidlinger WS11_12

2d Messgerätea b c d ea. Messzylinderb. Messpipettec. Messbüretted. Maßkolbene. VollpipetteClaudia Reidlinger WS11_12

2e StandardapparaturenJede Apparatur muss zum Druckausgleichan einer Stelle offen sein.Ausnahme: VakuumapparaturenDie gesamte Apparatur muss aneinem Stativ befestigt sein.Zum Aufbauen der Apparaturen benötigtman: Stativmaterial:• Stativ (wand)• Muffen• Klemmen in versch. Formen undGrößen• Ringe für Scheidetrichter• Dreifüße• SchliffklemmenClaudia Reidlinger WS11_12

2f Rühren und SchüttelnZweck: Durchmischung in heterogenen SystemenSchnelle Verteilung eines zugegebenen Stoffes verhindertörtliche Konzentrationen und ÜberhitzungVerhinderung von SiedeverzügenRührertypen:a) KPG-Rührer (kerngezogene Präzisions-Glasgeräte): Zylinderschliff alsFührung, Schmieren mit Paraffinöl, betrieben mit Elektromotoren (meistnicht explosionsgeschützt – Vorsicht), Rührer am Motor mitGummikupplung befestigt, starke Erwärmung, kein Arbeiten mitZeitschaltuhrfür starkes Rührenb) Magnetrührer: mit oder ohne Heizplatte, Rühren in „geschlossener“Apparatur möglich, gut geeignet für kleine oder niedrig viskose Ansätze.Rührstäbchen (Rührknochen) muss der Apparatur angepasst sein.Claudia Reidlinger WS11_12

2g Einleiten von GasenGasmengenmessung durch:• Strömungsmesser: Druckdifferenz prop. der Gasdurchflussmenge• Rotameter: Schwebekörper hebt sich entsprechend der Durchflussmenge• Massenzunahme des Reaktionsgefäßes bestimmen• Massenabnahme der Gasflasche bestimmen• Leicht kondensierbare Gase zur Dosierung verflüssigen ( NH 3 ,H 2 S) Vor die eigentliche Reaktionsapparatur muss ein Gefäß eingebautwerden, das die gesamte Reaktionsmischung aufnehmen kann!!! Waschflaschen haben eine Richtung!!! Gase, die gut absorbiert werden, steigen leicht zurück: nicht ein- sonderndrüberleiten. Achtung wenn sich beim Einleiten ein Festkörper bildet, da das Einleiterohrleicht verstopft. Absorptionsgeschwindigkeit lässt sich durch Fritte erhöhen.Claudia Reidlinger WS11_12

2g Einleiten von GasenKontrolle des Gasstroms:• Blasenzähler (Bubbler)• Waschflasche• Tauchung als Sicherheitsventil(Füllhöhe des Sperrflüssigkeitreguliert den Druck)Claudia Reidlinger WS11_12

2h Heizen und KühlenWärmequellen, Wärmeübertragung, WärmebäderHeizung mit Gas, Wasserdampf oder elektrischWahl der Wärmequelle richtet sich nach a) Zieltemperaturb) nach den Sicherheitserfordernissen• Bunsenbrenner• Infrarotstrahler• Heizpilz• Heizbäder mit wärmeübertragenden Medien: Luft, Wasser, Ethylenglykol,Paraffinöl, Mineralöl,Wood´sche Legierung,Graphit, Sand• Wasserdampf• Tauchsieder• Heizplatten mit oder ohne MagnetrührerZur Temperaturkontrolle wird stets ein Badthermometer angebracht (ev.Kontaktthermometer)!!!Claudia Reidlinger WS11_12

2h Heizen und KühlenVorsicht beim Erhitzen brennbarer Flüssigkeiten (besonders Ether):• Kühler aufsetzen• Elektrische Heizquellen verwenden, die jederzeit wieder entfernt werden können• Metallgefäße und Metallwannen verwenden• Keine zündfähigen Heizquellen, Installationen im Raum• Siedesteinchen (kleine, unglasierte Tonscherben) oder Siedekapillare verwenden.KühlmittelWahl des Kühlmittels richtet sich nach a) Kühltemperaturb) abzuführende Wärmemenge (bedingtBadvolumen)- Wasser- Eis/ Wasser- Eis/ Salz- Trockeneis – bis -78°C ( Dewar Gefäß) SCHUTZBRILLE- Kryomat- Flüssiger Stickstoff – bis – 196°C SCHUTZBRILLE- KühlschrankClaudia Reidlinger WS11_12

2i Arbeiten unter Druck- Reaktionen oberhalb des Siedepunktes der eingesetzten Komponenten- Hohe Gaskonzentration ist notwendig (z.B. Hydrierung)Bombenrohre sind aus starkwandigem Duranglas und halten 2-3 MPa (20-23atm) bei max. 400°C stand. Sind für kleine Ansätze.Autoklaven sind bis 350 atü und 350°C einsetzbar. Material ist V2A oderV4AStahl.Druckapparaturen müssen immer in gesonderten Räumen untergebracht sein.Bei Gasreaktionen darf der Autoklav nur bis zu zwei Dritteln gefüllt werden.Das Gas wird aus entsprechenden Druckgasflaschen aufgepresst.Druckgasflaschen: Wichtigsten Gase in Stahldruckflaschen in unterschiedlichenFarben und Verschlussgewinde im Handel. Sie sind vor Wärmeeinwirkunggeschützt, standfest aufzustellen und mit Ketten zu sichern.Gasentnahmeventile: Kegelventile und Druckminderventile (dienen zu einemkonstanten Gasfluss)Armaturen für stark oxidierende Gase dürfen nicht geschmiert werden.Claudia Reidlinger WS11_12

2i Arbeiten unter DruckKennzeichnung von DruckgasflaschenGas Farbe VerschlussgewindeWasserstoff rot linksKohlenmonoxid gelb linksSauerstoff weiß rechtsStickstoff schwarz rechtsChlor gelb rechtsSchwefeldioxid gelb rechtsKohlendioxid grau rechtsAmmoniak gelb rechtsAcetylen rotbraun SpezialverschlussClaudia Reidlinger WS11_12

2j Arbeiten unter vermindertem DruckAnwendungsbereiche:• Destillation und Sublimation• Trocknen• Filtrieren (Absaugen)• Wärmeisolation - DewarGrobvakuum: 0.1 bis 100 kPa (1 bis 760 Torr)Feinvakuum: 10 -4 bis 10 -1 kPa (0.001 bis 1 Torr)Hochvakuum: kleiner 10 -4 kPa ( kleiner 0.001 Torr)Manometer:• Verkürztes Manometer nach Bennert für ca. 1- 200 Torr,Hg, früher Standardmanometer im präp. Labor• Elektronische ManometerFür das Arbeiten unter Vakuum gelten folgende Regeln:• SCHUTZBRILLE• Gefäße mit flachem Boden dürfen nicht evakuiert werden• Stellen mit geringen Querschnitten und lange Schläuche vermeiden• Wasserstrahlpumpe nach Möglichkeit nur über eine Sicherheitsflasche an die Apparaturanschließen• Manometer im Nebenschluss bzw. Seitenzweig• Apparatur vor dem Belüften abkühlen lassen• Erst belüften, dann Pumpe abschaltenClaudia Reidlinger WS11_12

Häufigste Pumpen im Labor• Wasserstrahlpumpe verbraucht 1 Liter Wasser für 0.6 Liter gefördertesGas. Erreichbar sind 8 – 15 Torr abhängig von der Wassertemperatur.Lösungsmittelproblematik.• Membranpumpe elektrisch betrieben, erreichbares Endvakuummindestens so gut wie bei Wasserstrahlpumpe. Praktisch wartungsfrei, fürDauerbetrieb gedacht. Nachlaufen lassen!!!• Drehschieberölpumpe mit ölgedichtetem Ölschieber. Öl empfindlich aufVerunreinigungen. Kühlfalle ( mit flüssigem Stickstoff) zwischen Pumpe undVakuumbehälter, um den Dampfdruck auf hinreichend niedrige Werte zureduzieren. Einstufige Pumpen schaffen 10 -2 bis 5.10 -3 kPa. Zweistufige(zwei hintereinander) etwa 10 -4 kPa.• Quecksilber- oder Öldiffusionspumpen erlauben ein Vakuum kleiner10 -4 kPa.Claudia Reidlinger WS11_12

2k TrocknenUnter Trocknen versteht man in der organischen Chemie nicht immerdas Entfernen von Wasser, sondern auch von anderen Lösungsmitteln.Getrocknet werden Gase, Flüssigkeiten und Feststoffe.TrockenmittelEin wirksames Trockenmittel muss neben einer gutenTrocknungsintensität auch eine hohe Trocknungskapazität aufweisen.Es darf keine Reaktion des Trockenmittels mit der zutrocknenden Substanz eintreten.Die Intensität gibt an, mit welcher Geschwindigkeit Wasseraufgenommen werden kann und ist durch den Wasserdampfdrucküber dem Trockenmittel bestimmt.Je mehr Wasser ein Trockenmittel bei ausreichender Intensitätaufnehmen kann, desto größer ist seine Kapazität.Claudia Reidlinger WS11_12

Trocknen von Gasena) Mit TrockenmittelDas Gas wird durch das Trockenmittel geleitet.- Trockenturm (Stützsubstanzen wie Glaswolle oder Bimsstein- Waschflasche (mit Fritte)Indifferente Gase mit Schwefelsäure (Sicherheitswaschflaschen!!!Befestigung!!!)b) Ohne TrockenmittelDas Gas wird durch eine Kühlfalle geleitet, wobei Wasser undandere kondensierbare Verunreinigungen ausgefroren werden.Sehr hohe Trockenwirkung!!!Ausschluss von Luftfeuchtigkeit: Trockenrohr mit Trockenmittel (CaCl 2 )Claudia Reidlinger WS11_12

Trocknen von Flüssigkeitena) Trocknen von Lösungsmitteln (LM) mit TrockenmittelReagenzienanhang – HerstellerhinweiseImmer in das LM hinein geben.- Molsiebe: nach der statischen oder dynamischen Methodeverwendet, regenerierbar- Natrium als Draht in LM (Ether) eingepresstb) Trocknen von LM ohne Trockenmitteldurch (azeotrope) Destillationc) Trocknen von LösungenNur mit chem. indifferenten Trockenmitteln, wie Magnesiumsulfat oder Natriumsulfat, direkt in dieLösung hinein.Bei stark feuchtigkeitshaltigen Lösungen etappenweise mehrmalstrocken.Trocknen von Feststoffena) Mit Trockenmittel- im Exsikkator- in der TrockenpistoleZur Beschleunigung werden Exsikkatoren und Trockenpistolen normalerweise evakuiert.b) Ohne Trockenmittelim Trockenschrank mit oder ohne VakuumTemperaturbeständigkeit der Substanz beachten!!!Claudia Reidlinger WS11_12

TrockenmittelSteigende Wasseranziehungskraft von oben nach unten• Natriumsulfat, Magnesiumsulfat – Ester, Lösungen empfindlicher oder unbekannterStoffe• Calciumchlorid – billiges Trockenmittel, geeignet für KW, Olefine, Aceton, Ether,neutrale Gase, HCl; im Exsikkator. Nicht geeignet für Alkohole, Ammoniakgas, Amine• Kaliumcarbonat – für Aceton und Amine, nicht für saure Stoffe• Silikagel – Exsikkator, regenerierbar durch Trocknung bei ca. 130°C.• Schwefelsäure conc. – für neutrale und saure Gase, nicht für ungesättigteVerbindungen, Alkohole, Ketone, basische Stoffe. In Exsikkator und Waschflasche.• Kaliumhydroxid oder Natriumhydroxid (fest) – für Ammoniak, Amine, Ether, KW;nicht für Aldehyde, Ketone und saure Stoffe.• Phosphorpentoxid – für neutrale und saure Gase, Acetylen, KW, HalogenKW,Lösungen von Säuren; nicht für basische Stoffe, Alkohole, Ether, HCl und HF. InExsikkator und Trockenpistole.• Molsiebe – sind Na-Al-Silikate oder Ca-Al-Silikate, definierte Hohlräume. Fürströmende Gase bis 100°C. Hervorragend geeignet zur Lösungsmitteltrocknung;nicht geeignet für Reaktionslösungen, ungesättigte KW und polare anorganischeGase. Hohe Kapazität. Regenerierbar im Vakuum bei 150°C bis 300°CClaudia Reidlinger WS11_12

2l Arbeiten im Mikromaßstab‣ Synthesen mit Ansatzgrößen von 15 – 150mg bzw. 150 – 500mg.‣ Reaktionszeiten in der Regel deutlich kürzer.‣ Spezielle Apparaturen und Techniken:o Flüssigkeiten werden nicht gegossen, sondern mit einer Pipette(Pasteurpipette mit Gummisauger) oder Messpipetten überführt.o Rund- (5ml, 10ml) und Spitzkölbchen (3ml, 5ml) mit Schliff oderSchraubgewinde.o Liebig- und Luftkühler, Zweihalsaufsatz, Glasableitungs- und Trockenrohre,Destillationsbrücken, Spinne mit fixen Kölbchen in „Kleinformat“o Destillation mit Kugelrohrdestilleo Flüssig – Flüssigextraktion nicht im Schütteltrichter, sondern im Spitzkolbenund Pipette.o Umkristallisation in Eprouvette, absaugen mit Saugfinger und Filternutscheoder Hirsch TrichterClaudia Reidlinger WS11_12

Arbeiten im MikromaßstabPasteurpipette mit GummisaugerKugelrohrdestillleSaugfinger mit Hirsch Trichter Filternutsche MikroliterspritzeClaudia Reidlinger WS11_12

3. Trennverfahrena) Filtrieren und Zentrifugierenb) Kristallisierenc) Destillation und Rektifikationd) Sublimatione) Extraktionf) Chromatografie3a Filtrieren und Zentrifugieren• Dekantieren ist die einfachste Methode – keine vollständige Trennung• Filtrieren bei Normaldruck durch ein Faltenfilter – Filtrat• Absaugen – Feststoff= Filtrieren bei Unterdruck durch einenBüchnertrichter (passendes Filterpapier, vorher anfeuchten), Glasfilternutsche(„Fritte“) oder Hirsch Trichter in eine Saugflasche (befestigen) oder einenWittschen Topf.Größe der Nutsche, keine Risse im Filterkuchen – anpressen, ev. LM nachwaschen,Mutterlauge aufheben.• Zentrifugieren bei kleinen Mengen oder wenn der NS sehr fein ist.Zentrifugengläser – austarieren und positionierenClaudia Reidlinger WS11_12

Filtrieren und ZentrifugierenClaudia Reidlinger WS11_12

3b Kristallisieren• Umkristallisierenwichtigste Methode zur Reinigung von Feststoffen. Auswahl des richtigenLM (Ähnliches löst sich in Ähnlichem!) – auch LM- Kombinationen sindmöglich. LM darf nicht mit der Substanz reagieren!Arbeitsablauf: 1) Trockenes Rohprodukt wiegen2) eventuell Impfkristall zur Seite geben3) Faltenfilter mit heißem LM befeuchten4) Rohprodukt in möglichst wenig LM erhitzen(Aktivkohle)5) Filtrieren der Lösung6) Abkühlen lassen7) Absaugen und des Reinprodukts8) TrocknenClaudia Reidlinger WS11_12

Wahl des richtigen LMStoffklasseGut löslich in LM vom TypKohlenwasserstoffe hydrophob KW, Ether, Hal-KWHalogenkohlenwasserstoffeEtherAmineEsterEsterNitroverbindungenNitrileAlkohol, DioxanKetoneEisessigAldehydePhenoleAlkohol, WasserAmineAlkoholeCarbonsäurenSulfonsäurenSalze hydrophil WasserClaudia Reidlinger WS11_12

3c Destillation und RektifikationWichtigste Methode zur Reinigung von Flüssigkeiten.Trennungsprinzip: unterschiedliche Siedpunkte bzw. Dampfdrücke.Der Dampfdruck steigt mit der Temperatur an. Ist er gleich demäußeren Druck siedet die Flüssigkeit.Verminderung des äußeren Drucks um die Hälfte reduziert dieSiedetemperatur um etwa 15°C.Physikalische Grundlagen der Destillation: Clausius Clapeyron´scheGleichungDalton´sches GesetzRaoult´sches GesetzDestillation• Gleichstromdestillation• Gegenstromdestillation – Rektifikation• Normaldruckdestillation• Fraktionierte Destillation• Vakuumdestillation• Wasserdampfdestillation• Azeotrope DestillationClaudia Reidlinger WS11_12

Destillationen unter NormaldruckGleichstromdestillationGegenstromdestillationNormaldruckdestillation Rektifikation fraktionierte D.Claudia Reidlinger WS11_12

VakuumdestillationDestillation unter vermindertem Druck:Membran- oder Wasserstrahlpumpe für Flüssigkeiten mit Sp zwischen150°C und 250°C.Drehschieberölpumpe für höher siedende oder sehr empfindlicheFlüssigkeitenPrinzipiell unter vermindertem Druck destilliert man:• LM mit Sp über 80°C• Flüssigkeiten mit Sp über 150°C• Thermisch labile bzw. instabile VerbindungenIMMER: SchutzbrilleAbdestillieren von LM - EinengenClaudia Reidlinger WS11_12

Arbeitsablauf bei der Vakuumdestillation1. Apparatur zusammenstellen undüberprüfen2. Teile schmieren, zusammenbauen(Kolbengröße), EIN Stativ3. Heizquelle leicht entfernbaraufbauen (Laborboy).Badthermometer!!4. Pumpe mit Manometer imSeitenzweig anschließen,evakuieren – Abzugscheibeherunter5. Heizen – Destillation durchführen,Fraktionen schneiden, Druck undTemperatur mitschreiben6. Heizung entfernen, abkühlen,belüften, Pumpe abschalten.Claudia Reidlinger WS11_12

WasserdampfdestillationClaudia Reidlinger WS11_12

Azeotrope DestillationAzeotrop: Flüssigkeit undDampfphase selbeZusammensetzung• Wasser – Ethanol• Wasser – Benzen• Wasser – Toluen• Ethanol - BenzenWasserschlepper:‣ Benzen‣ Toluen‣ Xylen‣ Chloroform‣ TetrachlorkohlenstoffClaudia Reidlinger WS11_12

3d SublimationVerdampfen fester Stoffe ohne SchmelzvorgangClaudia Reidlinger WS11_12

3e ExtraktionÜberführung eines Stoffes aus einer Phase in eine andere flüssige PhaseNernst`scher Verteilungssatz:Extraktion von Feststoffen (fest/flüssig Extraktion)Einmalige einfache Extraktion - auskochenWiederholte einfache Extraktion – Kolben mit LM, Extraktionsaufsatz (Durchflussextraktor,Soxhlettextraktor) , RückflusskühlerExtraktion von Flüssigkeiten (flüssig – flüssig)• Diskontinuierliche Extraktion – Ausschütteln• Kontinuierliche Extraktion – PerforationAusschütteln:Extraktionsmittel leichter als Wasser: Ether, ToluenExtraktionsmittel schwerer als Wasser: CH 2 Cl 2 , CHCl 3 , CCl 4Wiederholt ausschütteln – öfter mit wenig LMPerforationDabei wird das LM laufend verdampft, in einem RFK kondensiert undtropft fortwährend auf das Extraktionsgut, welches in einer mit demLösungsmittel nicht mischbaren Flüssigkeit gelöst istClaudia Reidlinger WS11_12

Arbeitsablauf - Ausschütteln1. LM zugeben – höchstens 2/3 gefüllt2. Schütteln – Hahnküken und Stopfen halten3. Überdruck aufheben – belüften4. Schütteln5. Unterphase ablassen – Oberphase abgießen6. Waschen bei Bedarf7. Trocknen8. LM abziehen9. Produkt umkristallisieren oder destillierenAusschütteln – mögliche Probleme1. Mischung dunkel, Phasengrenzfläche nicht sichtbar2. Klare Lösung, Phasengrenzfläche nicht sichtbar3. Nur eine Phase4. Unlösliche Anteile5. Emulsion, keine Phasentrennung6. Nach dem Einrotieren kein ProduktClaudia Reidlinger WS11_12

3f ChromatografieTrennung von Stoffen durch Verteilung zwischen einer ruhenden (stationären) und einerdiese durchströmenden (mobilen) Phase.Die unterschiedlichen Bestandteile eines Substanzgemisches werden auf der stationärenPhase unterschiedlich stark festgehalten und wandern mit unterschiedlicherGeschwindigkeit mit der mobilen Phase und werden so getrennt.Einteilung nach den verwendeten Phase:Mobile Phase: a) flüssig - LCb) gasförmig - GCStationäre Phase: a) Feststoffb) auf Träger (fest) fixierte FlüssigkeitDie Phase befindet sich: a) feinkörnig in einer Säule – Säulenchr.b) in dünner Schicht auf einer Folie od.Platte – DC, TLC (thin layer chrom.)c) auf Papier – PapierchromClaudia Reidlinger WS11_12

ChromatografieEinteilung nach dem Trennprinzip:Verteilungschromatografie: Löslichkeitsunterschiede der Komponenten in stat.und mobiler Phase.Adsorptionschromatografie: Trennung auf Grund der unterschiedlich starkenadsorptiven Bindungen zur ruhenden Phase. Die mobile Phase ist ein mehroder weniger polares Lösungsmittel oder bei gasförmigen Stoffen einTrägergas.Ionenaustauschchromatografie: Stat. Phase ist ein fester Ionenaustauscher.Ionenaustauscher bilden zwischen den verschiedenen Ionen der mobilenPhase unterschiedlich stabile Bindungen aus.Gelpermeationschromatografie: Größenausschluß-Chromatografie.Affinitätschromatografie: Als stationäre Phase wird eine für jeden Analytenspezifische chemische Verbindung eingesetzt die auf Grund nichtkovalenterKräfte eine Trennung bewirkt.Claudia Reidlinger WS11_12

ChromatografieDC – DünnschichtchromatografieStat. Phase als feinkörniges Material (Kieselgel, Kieselgur, Aluminumoxid) aufeiner Platte.Mobile Phase (Laufmittel) ist Mischung unpolares und mäßig polaresorganisches Lösungsmittel.Über das Mischungsverhältnis kann man somitdie Polarität des Fließmittels gut steuern.Claudia Reidlinger WS11_12

ChromatografieHPLC – high performance liquid chrom.Zu untersuchende Substanz wird mit einem Laufmittel (mobile Phase) durcheine sog. Trennsäule, die die stat. Phase enthält gepumpt.Normal Phase (NP):polare stationäre Phase (z.B. Silikagele/Kieselgele)Reversed Phase (RP): unpolare stationäre Phase -Elutionskraft sinkt mitsteigender Polarität der mobilen PhaseIsokratische Trennungen – Zusammensetzung der mobilen Phase bleibtgleichGradiententrennungen - Polarität des Fließmittelgemisches verändert sichwährend der während der AnalyseGC – GaschromatografieFür Produkte die unzersetzt verdampft werden können ( oder bei derZersetzung definierte Produkte ergeben)Mobile Phase – Inertgas (H 2 , He, N 2 )1 Trägergas2 Injektion3 Säule in Ofen4 Detektor5 SignalaufzeichnungClaudia Reidlinger WS11_12

4. Bestimmung physikalischer EigenschaftenIdentifizierung eines Stoffes durch die Elementarzusammensetzung, Molmasseund physikal. Eigenschaften:• Schmelztemperatur• Siedetemperatur• Brechungsindex• Optische Aktivität - Polarimetrie• Absorption elektromagnet. Schwingungen4a SchmelztemperaturTemperatur, bei der die feste Substanz mit ihrer Schmelze im Glgw. steht.Reine Substanzen haben einen scharfen Schmelzpunkt.Verunreinigungen erniedrigen die Schmelztemp.Manche Verbindungen schmelzen unter Zersetzung – Zersetzungstemperatur.ApothekerschmelzpunktClaudia Reidlinger WS11_12

4b SiedetemperaturTemperatur, bei der die flüssige Form in die Dampfphase übergeht.Siedepunkt stark druckabhängig.Einfluss von Verunreinigungen von der Art abhängig.Verunreinigungen mit gleicher Siedetemperatur haben keinen Einfluss.4c BrechungsindexBrechungsindex ( Brechzahl) ein Begriff der Optik.Sie kennzeichnet die Brechung des Lichts beim Übergang in ein transparentes(durchsichtiges) Material und ist das Verhältnis zwischen der Phasengeschwindigkeitdes Lichts c 0im Vakuum und seiner Phasengeschwindigkeit c im jeweiligenMedium:Brechungsindex ist temperaturabhängig(nimmt um 4bis 5.10 -4 pro Grad ab)Claudia Reidlinger WS11_12

4d Optische Aktivität – PolarimetrieOptisch aktive Verbindungen drehen die Schwingungsebene von linearpolarisiertem Licht um den Drehwinkel a.Optisch aktive Verbindungen sind asymmetrisch.Polarimeter: Polarisiertes Licht aus einem Nicolschen Prisma (Polarisator) fälltdurch die Probe und ein zweites Prisma (Analysator). Aus der Phasenverschiebungwird der Drehwert bestimmt.4e Spektroskopie• UV – Vis• Infrarotspektroskopie – IR• Kernresonanzspektroskopie – NMR1H-NMR, 13 C-NMR, 15 N-NMR• Massenspektroskopie - MSClaudia Reidlinger WS11_12

5. Aufbewahrung und Entsorgung von Chemikaliena) Aufbewahrung von ChemikalienFlüssigkeiten in Glasflaschen mit eingeschliffenen Glasstopfen (Steilbrustflaschen).Lichtempfindliche Stoffe (Ether – Peroxidbildung) – dunkle Gefäße.Feststoffe in Weithalsgefäßen mit Stopfen.Giftige und Stoffe, die Dämpfe abgeben – Abzug.Vorratsflaschen – Abzug:Sämtliche Chemikalienbehälter müssen deutlich beschriftet sein!!!b) Entsorgung von ChemikalienGetrennt sammeln:‣ Laborglas‣ Halogenierte LM‣ Nicht Halogenierte LM‣ Feste Abfälle‣ Säuren‣ Na – mit Ethanol vernichten!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!‣ Hg – Abfälle, Hg - ThermometerClaudia Reidlinger WS11_12

OC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.2013Seminar: Organisch-Chemische Übungen LADünnschicht-Chromatographie1Die Lernunterlagen können über UNIGRAZonlineheruntergeladen werdenOC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.20131. Allgemeines2Rückblende: GrundpraktikumBeispiel:„SäulenchromatographievonPflanzenfarbstoffen“:Säulentrennung undDC-Untersuchung vonSpinatOC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.20132. Trennprinzipien• Mobile Phase (= Lösung eines Substanzgemisches inLösungsmittel/Gemisch)• strömt über stationäre Phase= oberflächenreicher Feststoff oder= stationäres Lösungsmittel + Substanzgemisch.• unterschiedliche Affinitätzur mobilen/stationären Phase= unterschiedliche Laufstrecken31

OC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.2013Trennprinzip ADSORPTION• an der Oberfläche der stationären Phase:• besteht aus feingepulverten polarenMaterialien, z. B. aus Kieselgel,Aluminiumoxid• Ad/Desorption durch H-Brücken und Dipol-Dipol-Wechselwirkungen4• Desaktivierung der stationären Phase:- durch Wasser oder durch- stark polare organische LösungsmittelOC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.2013Trennprinzip VERTEILUNG• zwischen 2 nicht-mischbaren Flüssigkeiten.Eine davon ist auf Träger fixiert= stationäre Phase• Träger: z.B. Cellulosepulver, Polyamid5OC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.2013Trennqualität6• Trennleistung =Zonenverbreiterung (Diffusionetc): Materialabhängig• Selektivität = R f -Wert-Unterschied für dieaufgetrennten Substanzen(Strukturabhängig)= Auflösung• Kammereinfluss2

OC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.20133. Die stationäre Phase• Kommerzielle Sorbenzien garantierengleichbleibende Qualität in Art und Aktivität= Etablierung als Routinemethoden• Polare (hydrophile) Phasen:straight / normal phases• Unpolare (hydrophobe) Phasen:Umkehrphasen, reversed phases (RP)• mittelpolare Phasen: modifizierte Sorbenzien7OC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.2013Chemische Zusammensetzung undStruktur - KieselgelCHEMISCHE Struktur beeinflusst SELEKTIVITÄTSorbenzien für dieAdsorptionschromatographie• Kieselgel (90% der Trennungen)... bildet H-Brücken• modifiziertes Kieselgel (durch Silane hydrophob)8OC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.2013Aluminiumoxid• Aluminiumoxid- neutral - basisch – sauer- Aktivitätsstufen I - V:durch Belegen (= Desaktivieren) der aktivstenStellen mit Wasser (0 - 18%)93

OC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.2013Polyamid, Cellulose• Verteilungschromatographie• Bindung von Lösungsmittelanteilen an Träger(ähnlich wie Papierchromatographie)• Typische Anwendungsbeispiele: fürAminosäuren, Kohlenhydrate• Acetylierte Cellulose (RP): für polycyclischeAromaten, Chinone, Carbonsäuren10OC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.2013Korn- und PorencharakteristikGEOMETRISCHE Struktur beeinflusst TRENNLEISTUNG• Partikeldurchmesser (klein)• Korngrößenverteilung (eng)• Porenvolumen (angepasst)• Oberfläche (groß)• Kornstruktur (sphärisch)= gute Trennleistung= hohe Adsorptionskraft11OC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.20134. Die mobile Phase12• DC - aufsteigend: Durch Kapillardruck strömtFließmittel aus Vorratsgefäß in kapillare Hohlräume.• SC (Schwerkraft, Überdruck) - absteigend• Polarität -> Elutionskraft = großer Rf-Wert derSubstanz• Solvatisierung von Substanzen = Lösung imLaufmittel• Konkurrent um aktive Adsorptionsstellen• Verteilungschrom.: unpolarer + polarer Anteil4

OC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.2013Eluotrope Reihe, Mixotrope ReiheEmpirische Ordnung nach steigender Elutionskraft13CyclohexanTetrachlormethanToluenChloroformDichlormethanAcetonitril2-PropanolEssigesterAcetonEthanolDioxanTHFMethanolPyridinWasserunpolar mittelpolar stark polarOC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.20135/6. Dünnschichtchromatographie• Substanzen: schwerflüchtig,polar und unpolar• kostengünstig• große Probenanzahl in kurzer Zeit• keine elektrische Energie notwendig• Auch Anwendung, wenn GC/LC nicht möglich:-zBProbenmaterial beschädigt Fertig-Säulen- zB Detektion ist aufwendig- zB Probenbestandteile dürfen nicht zerstört werden14OC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.2013Methoden und Anwendungsformen• Analytische Methode: qualitative bzw.quantitative Identifizierung= Prozess- und Reinheitskontrolle• Präparative Methode: Präparative Schicht-Chromatographie (PSC):= Reinigung und Isolierung durch Extraktionaus Schicht155

OC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.2013Beschreibung des Laufverhaltens - R f-Werta... Laufstrecke des Laufmittelsb.... Laufstrecke der Substanz- bis zum Mittelpunkt desSubstanzflecksbR f = ------a16bei unregelmäßigen Flecken:Angabe von R f -BereichenOC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.2013Aussagekraft von R f -Werten• Brauchbare R f-Werte liegen zwischen 0.2und 0.8 (Frontläufer und Sitzenbleiber sindunbrauchbar)• R f-Werte sind in der DC nur Richtwerte• Daher: Immer mit Standard vergleichen17OC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.2013Konzentration & Rf-Wert18• Bei der Sättigungskonzentrationder stationären Phase:‣ Gerade knickt ab‣ Laufstrecke ändert sich!‣durch nicht-lineare‣Adsorptions-isothermenDaher: Rf-Wert auch von derKonzentration abhängig6

OC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.2013Schichteigenschaften• Schichtdicke: 50 µm (HPTLC) - bis zu 2 mm (PSC)• Binder: Gips, organische Polymere• Fluoreszenzindikatorenzur Detektion mittels Fluoreszenzlöschung19OC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.20137. Laufmitteleinfluss aufTrennproblem20n-Hexan Toluen Toluen/ Chloroform AcetonChloroformOC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.2013Spot-Test zur LaufmittelwahlHexanTetrachlormethanToluen‣Auftragen des Trenngutsals kleinen Fleck‣ Laufmittel verdunstenlassen‣ Kapillare in der Mittedes Substanzflecksaufsetzen21Aceton‣zirkularesChromatogramm7

OC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.2013Standard-LaufmittelFür Kieselgel/Aluminiumoxid (Adsorption)• Unpolare Substanzen: Aceton-Toluen (1:10)• mittelpolare Substanzen: Aceton-Toluen (1:3)oder Chloroform-Aceton (7:3)22• stark polare Substanzen:Methanol - Chloroform (1:9)OC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.2013Standard-LaufmittelFür Cellulose oder Papierchrom. (Verteilung)Saure Substanzen:n-Butanol - Aceton - Eisessig - Wasser (3:3:7:2)Basische Substanzen:2-Propanol - Ammoniak - Wasser (6:3:1)23Merkregel: Säuren in sauren Laufmitteln trennenBasen in basischen Laufmitteln trennen(Similia similibus solvuntur)OC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.20138. Praktische Hinweise zurDurchführungHandhabung der Fertigschichten• Träger: meist Aluminiumfolie (zuschneiden)• Kanten versäubern .... Sonst schiefeChromatogramm-Bahnen!• Plattenmaterial nuram Rand berühren248

OC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.2013Auswahl des LösungsmittelsLösungsmittel muss wasserfrei sein (Ads.), Probevollständig lösen, ungiftig, nicht zu hoch siedendPolarität desLösungsmittels= entscheidend fürStartzone25Standard-Lösungsmittel:Adsorption: meist AcetonVerteilung: Wasser, EthanolOC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.2013Auftragen der Probe• Wichtig: Vergleichssubstanzen und Probe immeram SELBEN Chromatogramm auftragen26• Punkt- oder bandförmig (PSC),• nicht zu konzentriertsonst Schwanzbildungdurch Schicht-Übersättigung• Startpunkte mit weichem Bleistiftmarkieren (ca. 1 cm Abstand v. unten)• Beschriftung nur oberhalb der FrontOC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.2013Auftragen Auftragemethode für qualitative DC´s27• Füllen der Kapillaren:selbsttätig durch Eintauchen• Kapillaren aufsetzen -Entleerung durch Kontakt mitSorbensoberfläche ... Schichtnicht beschädigen!• Konzentration möglichst sowählen, dass einmaligesAuftragen reicht.• Startzonen vor dem nächstenAuftragen trocknen.9

OC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.2013Positionierung der ProbenBei Identitätsproblemen:Überlappende AuftragungDadurch bessererVergleich als durchnebeneinanderliegendeProbenflecken28OC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.20139. EntwickelnAufgabe des Laufmittels & Anforderung29• Lösen und Transport des Substanzgemisches;Selektivität• R f-Werte im mittleren Bereich halten• Ausreichende Reinheit (Stabilisatoren?)• Ausreichende Stabilität, keine Toxizität• β-Fronten beachten - täuschen falsche R f-WertevorOC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.2013Ansetzen & Aufbewahren der Laufmittel• Einzelkomponenten getrennt abmessen (sonstFehler durch Volumsänderung)• Gut vermischen, Vorrat gut verschließen, nicht zulange aufbewahren• Laufmittel nicht wiederverwenden: Verdunstung,chem. Reaktion, bevorzugte Adsorption„Jede DC-Platte hat das Recht auf ein frischesLaufmittel“3010

OC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.2013Aufsteigende Entwicklung- Benetzung nur unterhalbder Startpunkte- Deckel mussgeschlossen sein- Laufmittel max. 20 cmStartflecken vergrößern sich zur Front hin!31Laufmittelfront markieren (Bleistift, einritzen) -Platte gut trocknen.Temperaturkonstanz & Lichtschutz beachtenKammer NICHT bewegenOC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.201310. DC-TrennkammernGesättigteNormalkammer• R f -Werte linear ...‣ gut für große R f -Werte32OC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.2013Nichtgesättigte Normalkammer33• Verdunstung an der Front‣ mehr Lösungsmitteldurchsatz‣ mehr Trennstufen‣ kleinere R f -Werte werdenauseinandergezogen‣ bessere Trennung im unterenBereich Zusammenlaufen der großen R f -Werte).11

OC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.201311. DetektionVisuelle Detektion bei Tageslicht• Detektion bei Tageslicht: nur bei färbigenSubstanzen34OC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.2013Visuelle Detektion - Fluoreszenzlöschung• DC-Folien fluoreszieren hellgrün oderhellblau (Fluoreszenzindikatoren F254).• UV-aktive Strukturelemente (Aromaten,konjugierte C=C-Doppelbindungen...)löschen Emission‣ dunkle Flecken aufhellfluoreszierendem Hintergrund(Achtung - kurzwelliges UV-Licht, 254 nm)Intensität proportional der Konzentration35Fluoreszenz bei UV 365 nm: nicht proportional!!OC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.2013Derivatisierung• wenn Substanzen nicht färbig oder UV-aktiv sind‣Aufsprühen von Nachweisreagenzien (häufigsteTechnik)‣Tauchen von DC-Platten (umweltfreundlicher,billiger)• Bedampfen von DC-Platten - Reaktion mit Iod, Chlor,Thermo- oder Photochemische Reaktion3612

OC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.2013Derivatisierung durch Aufsprühen• Besprühen mit LaborsprüherHomogenes Benebeln, bisSchicht leicht glänzt - NICHTzuviel!• Eventuell nach dem Sprühenerwärmen37• Durchführung in Sprühbox (=giftiger, agressiver Reagenznebel,Lösungsmitteldämpfe).Handschuhe und SchutzbrillentragenOC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.2013Derivatisierung durch Tauchen38• Vorteile gegenüber Sprühen:‣ gleichmäßigere Belegung der Schicht‣ keine Geräte notwendig‣ bessere Reproduzierbarkeit‣ keine Kontamination des ArbeitsplatzesManuelles Tauchen: einfach durchführbarca. 3 sek eintauchen, Platte mit Luft abblasen undRückseite reinigenTauchlösungen weniger konzentriert alsSprühlösungenWasser meist durch Alkohol ersetztOC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.2013Derivatisierungsreagenzien - NinhydrinNinhydrin - Nachweis vonAminosäuren, Aminen,0.2% Ninhydrin in Ethanol oderButanol;Besprühen oder Tauchen, dannauf ca. 110 °C erwärmen.... Gelbe, braune, blaue undviolette Flecken.3913

OC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.2013Derivatisierungsreagenzien – V/SVanillin - Schwefelsäurefür höhere Alkohole, Steroide,etherische Öle....:0.5-1% Vanillin in konz.Schwefelsäure oder in EtOHkonz.H2 SO 4 (1:4 - 1:10);40Besprühen oder Tauchen, dannauf ca. 120 °C erhitzen.OC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.201312. AuswertungVisuelle Auswertung• Qualitativ: Kontrolle von Syntheseansätzen(Identifikation, Reinheitsprüfung):‣ R f -Werte sind nicht genau reproduzierbar, deshalb***IMMER*** Referenzsubstanzen am selbenChromatogramm• Halbquantitativ: Konzentrationsreihen, Vergleichder Fleckengröße41OC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.201313. DC-Chromatographie-KursPhotochemische Umlagerung von AzobenzenN NhνN N42trans (E) - Azobenzencis (Z) -Lehramt• Herstellung von einheitlichem (E)-Azobenzen (Thermolyse)• (E) -> (Z)-Isomerisierung von Azobenzen (Photolyse)• DC-Untersuchung (Kieselgel) der thermisch hergestelltenund der bestrahlten Probe auf die beiden Isomeren14

OC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.2013Trennung & Nachweis von AminosäurenNH 2OROH+OOONO43O• Identifizierung von Aminosäuren durch Vergleichmit bekannten Aminosäuren:• stark polare Verbindungen: NH 2 - oder COOH-Gruppe- daher: Verteilungschromatographie auf Cellulose• Detektion: viele AS im UV unsichtbar – daher- Detektion der aromatischen AS im UV- Derivatisierung durch Sprühen mit NinhydrinOHOOC-LA_Seminar / Dünnschichtchromatographie V.2013DC-Analyse eines unbekanntenSubstanzgemischesH 3 CONHOH 3 CCH 3OHOH44H 3 C CH 3• Probengemisch von 2 Substanzen mitunterschiedlicher Polarität und UV-Aktivität• DC-Vergleich (Kieselgel) mit 4 bekannten Substanzen• Detektion:- Fluoreszenzlöschung- Derivatisierung: Tauchen in Vanillin-Schwefelsäure15

V. 2013/14 Dünnschichtchromatographiekurs Lehramt Seite 1Dünnschichtchromatographie-Kurs (Lehramt)(Larissegger, Glasnov)Experiment 1: Photochemische Umlagerung von AzobenzenAzobenzen ist eine unpolare Verbindung und wird am besten durch Adsorptionschromatographiegetrennt. Beim Erhitzen und beim Bestrahlen von Azobenzen erfolgt eine E/Z-Isomerisierung. DasAzobenzen-Gemisch (E/Z) aus der Bestrahlung und das durch Erhitzen gewonnene reine (E)-Isomerwird auf Kieselgel dünnschichtchromatographisch aufgetrennt.Experiment 2: Trennung von AminosäurenAminosäuren sind stark polare Substanzen, die zumindest eine Amino- und eine Carbonsäuregruppebesitzen. Die Adsorptionschromatographie (Kieselgel, Aluminiumoxid) liefert schlechteErgebnisse. Die Aminosäuren werden daher auf einer Dünnschicht-Cellulosefolie aufgetrennt (dieCelluloseschicht verhält sich ähnlich wie ein Chromatographiepapier = Verteilungschromatographie).Da nur wenige Aminosäuren eine Eigenfarbe besitzen oder im UV-Licht durch Fluoreszenzlöschung(quenching) sichtbar gemacht werden können (Voraussetzung: aromatisches System),wird als Nachweis eine Sichtbarmachung durch entsprechende Reagenzien gewählt. Das klassischeReagens für Aminosäuren ist Ninhydrin.Experiment 3: DC-Analyse eines unbekannten SubstanzgemischesAn einem Gemisch von 2 unbekannten organischen mittelpolaren Verbindungen, die entwederdurch Fluoreszenzlöschung oder Derivatisierung am Dünnschichtchromatogramm sichtbar sind,wird durch Vergleich mit 4 bekannten Verbindungen eine Identifizierung durchgeführt.31.03.2013

V. 2013/14 Dünnschichtchromatographiekurs Lehramt Seite 2Photochemische Umlagerung von AzobenzenEinführung: Azobenzen ist die Grundsubstanz der Azofarbstoffe und besitzt den Chromophor-N=N-. Durch die Doppelbindung kann Azobenzen als Z-(cis) oder E-(trans)-Verbindung auftreten.Durch Licht wird die energieärmere (E)-Form in die energiereichere (Z)-Form umgelagert,durch Erhitzen entsteht die energieärmere (E)-Form. Beide Formen weisen unterschiedliche Polaritätauf und können chromatographisch voneinander getrennt werden.Problemstellung: Azobenzen ist eine unpolare Verbindung und wird am besten durchAdsorptionschromatographie getrennt.Beim Erhitzen und beim Bestrahlen von Azobenzen erfolgt eine E/Z-Isomerisierung. Das Azobenzen-Gemisch(E/Z) aus der Bestrahlung und das durch Erhitzen gewonnene reine (E)-Isomer wirdauf Kieselgel dünnschichtchromatographisch aufgetrennt.hN N N NTtrans (E)-Azobenzencis (Z)-AzobenzenTrennmaterial: Als stationäre Phase wird Kieselgel verwendet (Adsorptionschromatographie).Laufmitttel: Als Laufmittel wird Toluen verwendetExperimentelle Durchführung:A) Thermische Umwandlung in (E)-Azobenzen:- Eine Spatelspitze Azobenzen-Isomerengemisch (ca. 50 mg) wird im 25-mL-Schliff-Erlenmeyerkolbenin ca. 5-10 mL Toluen gelöst- Das Gefäß wird mit einem Luftkühler versehen und die Lösung ca. 5 min unter Rückfluss zumSieden erhitzt- der Luftkühler wird entfernt und das Gefäß zum Lichtschutz mit Alufolie abgedeckt und abkühlengelassen: Lösung (A)?Für ein gutes Gelingen ist entscheidend, daß diese Lösung - und während des Chromatographierensdas Chromatographiergefäß - weitgehend vor Sonnenlicht geschützt wird.Diese Menge reicht für die gesamte Arbeitsgruppe!B) Photochemische Umwandlung in (Z)-Azobenzen:31.03.2013

V. 2013/14 Dünnschichtchromatographiekurs Lehramt Seite 3- Auf einer DC-Kieselgelfolie werden die Startlinie und 2 Startpunkte mit einem weichen Bleistiftmarkiert (wie weit soll die Startlinie vom unteren Rand entfernt sein?)- mit einer Kapillare wird auf einem der beiden Startpunkte ein kleiner Tropfen der Lösung (A)aufgetragen- Dieser Fleck wird ca. 15 min dem Licht eines 300-Watt-UV-Brenners ausgesetzt.- Dann wird auf dem zweiten Startpunkt mit der Kapillare ein weiterer Tropfen der lichtgeschütztenLösung (A) aufgetragen- Man trocknet gut mit dem kalten Fön.- Man entwickelt in der zylindrischen DC-Kammer (ohne Kammersättigung) mit Toluen als Laufmittel.- Dabei wird das Gefäß durch Überstülpen mit Alufolie abgedunkelt.- Nach etwa 5-10 min hat das Toluen das knapp das Folienende erreicht- die Folie wird herausgenommen und die Laufmittelfront markiert- Wenn der Versuch richtig durchgeführt wurde, sieht man jetzt knapp unter der Laufmittelfrontzwei gelbe Flecken und außerdem etwas über dem ersten Startpunkt einen gelben Fleck.Detektion und Auswertung:- die farbigen Flecken werden mit Bleistift umrandet.- Die R f -Werte werden bestimmt (wo setzen Sie die Messpunkte?).- Zuordnung der Isomeren:=> Welche Flecken entsprechen dem (E)- bzw. dem (Z)- Isomeren des Azobenzens?Fehlermöglichkeiten, Diskussion:Haben Sie eine schieflaufende Front?Woraus resultiert das? Welche Abhilfe ist möglich?Haben Sie zu große (unscharfe) Flecken?Was ist die Ursache? Welche Abhilfe ist möglich?Beobachten Sie eine Schwanzbildung?Was ist die Ursache? Welche Abhilfe ist möglich?Warum zeigt der bestrahle Spot 2 Flecken?Diskutieren Sie mehrere Möglichkeiten (Hitze, Bestrahlung...)Woraus resultieren die R f -Wert-Unterschiede zwischen (E)- und (Z)-Form?Benennen Sie die verantwortlichen Strukturelemente und ihre Auswirkung31.03.2013

V. 2013/14 Dünnschichtchromatographiekurs Lehramt Seite4Trennung von T AminosäurenEinführung: Aminosäuren sind die Einzelbausteine der Proteine und können z.B. durch Hydrolysedaraus gewonnen werden. Sie sind stark polare Substanzen, die zumindest eine Amino- undeine Carbonsäuregruppe besitzen. Die Adsorptionschromatographie (Kieselgel, Aluminiumoxid)liefert schlechte Ergebnisse. Die Aminosäuren werden daher auf einer Dünnschicht-Cellulosefolieaufgetrennt (die Celluloseschicht verhält sich ähnlich wie ein Chromatographiepapier = Verteilungschromatographie).Problemstellung: Da nur wenige Aminosäuren eine Eigenfarbe besitzen oder im UV-Licht durchFluoreszenzlöschung (quenching) sichtbar gemacht werden können (Voraussetzung: aromatischesSystem), wird als Nachweis eine Sichtbarmachung durch entsprechende Reagenzien gewählt. Dasklassische Reagens für Aminosäuren ist Ninhydrin:N H 2OROH+OOONOOOHOAminosäure Ninhydrin FarbstoffTrennmaterial: Cellulose (Verteilungschromatographie)Laufmittel: Als Laufmittel hat sich folgende Mischung bewährt:Butanol (35) Aceton (35) Eisessig (7) Wasser (23)- Dieses Laufmittel ist bereits fertig vorhandenExperimentelle Durchführung:- Die unbekannte Aminosäure (Menge: eine Spatelspitze = ca. 3-8 mg) wird in einer Eprouvettedurch Erhitzen mit der Heißluftpistole in ca. 0.5 mL Wasser gelöst (eventuell etwas Ethanolzugeben).Die 4 Vergleichsaminosäuren (Glycin, Alanin, Hydroxyprolin, Phenylalanin) liegen bereitsgelöst vor.- Die unbekannte Probe und die 4 Vergleichsproben werden nebeneinander auf einer Cellulosefolie(ca. 7 cm hoch, ca. 5-6 cm breit) aufgetragen (wie hoch muss die Startlinie vom unteren Randentfernt sein?). Wie werden Sie die Reihenfolge anordnen, um das aussagekräftigste Ergebnis zuerhalten?- Das Chromatogramm wird mit dem Fön gut getrocknet.- Man füllt in die breite, rechteckige DC-Kammer das oben angeführte Laufmittel (wie hoch?) undchromatographiert dann (Dauer: ca. 25-30 min; ohne Kammersättigung).- Man nimmt die DC-Folie aus der Kammer, markiert die Front und trocknet gut mit dem Fön16.10.2013

V. 2013/14 Dünnschichtchromatographiekurs Lehramt Seite 5Detektion:- Das getrocknete Chromatogramm wird in der UV-Betrachtungskammer betrachtet- Welche Wellenänge wählen Sie dafür.?- Was beobachten Sie?- Was beobachten Sie nicht?- Dann wird die DC-Folie in die Sprühkammer (im kleinen Nebenlabor) gestellt und eine 0.2 proz.alkoholische Ninhydrinlösung mit einem Zerstäuber aufgesprüht (Achtung: nicht die Händebesprühen).- Dabei darf nur ein feiner Flüssigkeitsschleier (seidiger Glanz) auf dem Chromatogramm zuerkennen sein. Auf keinen Fall darf überschüssige Reagenslösung auf das Chromatogrammgelangen, da sonst die Flecken ihre scharfe Abgrenzung verlieren.- Da sich die Flecken erst nach einiger Zeit bilden, wird durch Erhitzen der DC-Platten mit derHeißluftpistole die Reaktion beschleunigt. Sobald sich die Flecken bilden, nicht mehr weitererhitzen,da sich sonst auch der Hintergrund färbtAuswertung:- Nach Ausbildung der färbigen Flecken werden diese mit Bleistift umrandet, da die Farbfleckennur einige Stunden haltbar sind.- Dann wird der Rf-Wert ermittelt- Anhand des Rf - Wertes und der Farbe wird die gesuchte Aminosäure identifiziert.Fehlermöglichkeiten, Diskussion:Haben Sie eine schieflaufende Front?Woraus resultiert das? Welche Abhilfe ist möglich?Haben Sie zu große (unscharfe) Flecken?Was ist die Ursache? Welche Abhilfe ist möglich?Beobachten Sie eine Schwanzbildung?Was ist die Ursache? Welche Abhilfe ist möglich?Die Rf-Werte sind zu klein.Was ist die Ursache? Welche Abhilfe ist möglich?Flecken sind schlecht sichtbar:Was ist die Ursache? Welche Abhilfe ist möglich?31.03.2013

V. 2013/14 Dünnschichtchromatographiekurs Lehramt Seite 6DC-Analyse eines unbekannten SubstanzgemischesProblemstellung: An einem Gemisch von 2 unbekannten Verbindungen (Substanzen, die entwederdurch Fluoreszenzlöschung oder Derivatisierung am DC sichtbar sind) wird durch Vergleichmit 4 bekannten Verbindungen (siehe Tabelle unten) eine Identifizierung durchgeführt.Vergleichssubstanzen, die durch Fluoreszenzlöschung detektiert werden können:Dibenzalaceton, AcetanilidC H 3ONHON-Phenyl-acetamideAcetanilid1,5-Diphenyl-penta-1,4-dien-3-oneDibenzalacetonVergleichssubstanzen, die durch Derivatisierung sichtbar gemacht werden müssen:1-Dodecanol, 3-MentholCH 3C H 3Dodecan-1-olOHH 3C CH 3OH(1R,2S,5R)-2-Isopropyl-5-methyl-cyclohexanolMentholTrennmaterial: Als stationäre Phase wird eine Kieselgefolie verwendet (Adsorptionschromatographie).Laufmittel:- Das Laufmittel wird anhand der eluotropen Reihe den erwarteten Moleküleigenschaften (welcheEigenschaft ist für die Chromatographie von Bedeutung?) aus den im Übungslabor vorhandenenLaufmittelgemischen selbst ausgewählt oder selbst zusammengestellt.Begründen Sie im Protokoll Ihre Auswahl.Experimentelle Durchführung:- Die Probe wird auf 2 Kieselgelfolien mit jeweils 2 zusammengehörigen Vergleichsproben aufgetragen- Diese 2 Folien werden in den zylindrischen Chromatographiekammern mit einem mittelpolarenLaufmittel entwickelt (ohne Kammersättigung).Detektion:- A: durch Betrachtung in der UV-Betrachtungskammer.- Bei welcher Wellenlänge beobachten Sie Fluoreszenzlöschung?- Wie stellen sich die getrennten Substanzflecken dar?31.03.2013

V. 2013/14 Dünnschichtchromatographiekurs Lehramt Seite 7- Was beobachten Sie, wenn Sie auf die andere Wellenlänge umschalten.- B: mittels Derivatisierung durch Tauchen in das Vanillin-Schwefelsäure-Reagens. Dieses istbereits fertig gemischt vorhanden.Zusammensetzung des Tauchreagens:150 mL Wasser 20 mL conz. Schwefelsäure 125 mL Ethanol 1.5 g Vanillin- Durchführung der Tauchung:- Die DC-Folie wird ca. 1 sek in das Gefäß mit dem Tauchreagens eingetaucht- Die Rückseite der DC-Folie wird mit Wischpapier abgestreift- DC-Folie wird mit der Heissluftpistole getrocknet, bis sich die Substanzflecken bilden (nichtverkohlen!)Auswertung:- Bestimmung der R f -Werte- Zuordnung der unbekannten Substanzen zu den identischen VergleichssubstanzenFehlermöglichkeiten, Diskussion:Haben Sie eine schieflaufende Front?Woraus resultiert das? Welche Abhilfe ist möglich?Haben Sie zu große (unscharfe) Flecken?Was ist die Ursache? Welche Abhilfe ist möglich?Beobachten Sie eine Schwanzbildung?Was ist die Ursache? Welche Abhilfe ist möglich?Die Rf-Werte sind zu klein.Was ist die Ursache? Welche Abhilfe ist möglich?Flecken sind schlecht sichtbar:Was ist die Ursache? Welche Abhilfe ist möglich?31.03.2013

Chromatographische TrennmethodenChromatographische Verfahren dienen zur Trennung von Stoffgemischen. Die getrenntenKomponenten können identifiziert und ihre Menge quantitativ bestimmt werden.Die Trennung erfolgt in der Weise, daß eine mobile Phase an einer stationären phasevorbeiströmt, mit der die Probenkomponenten unterschiedlich stark wechselwirken. Damitkommt es zu einer Verteilung der Komponenten zwischen mobiler und stationärer Phase. Jenach dem Verteilungskoeffizienten erscheinen die einzelnen Komponenten früher oder später.Die mobile Phase kann gasförmig oder flüssig sein, die stationäre Phase flüssig oder fest. Esgibt allerdings auch Methoden, bei denen die stationäre Phase fehlt oder keine mobile Phaseströmt.Damit ergeben sich folgende chromatographische Techniken:Mobile Phase Stationäre Phase MethodeGasförmig flüssig oder fest Gaschromatographie (GC)flüssig flüssig oder fest Flüssigkeitschromatographie (LC)überkritisch flüssig oder fest Supercritical Fluid Chromatography (SFC)flüssig keine Field Flow Fractionantion (FFF)keine flüssig oder fest Kapillarelektrophorese (CE)Je nach der Natur der Probe eignen sich die verschiedenen Ausführungsvariantenunterschiedlich gut:Probeverdampfbarnicht flüchtig, löslichgeladen, löslichlöslich oder unlöslichMethodeGaschromatographie (GC)Supercritical Fluid Chromatography (SFC)Flüssigkeitschromatographie (LC)Kapillarelektrophorese (CE)Field Flow Fractionation (FFF)Bei der Füssigkeitschromatographie gibt es je nach dem verwendeten Trennsystemverschiedene Ausführungsvarianten:Die stationäre Phase kann als dünne Schicht auf einem Träger (Dünnschichtchromatographie,DC oder Thin layer chromatography, TLC) oder an der inneren Oberfäche einer Kapillarevorliegen oder als gepackte Säule.Bei der Säulenchromatographie bestimmt die Größe der Partikel die Dichte der Packung, unddamit den Strömungswiderstand. Entsprechend steigt mit der Packungsdichte dererforderliche Druck, der benötigt wird, um die mobile Phase durch die Säule zu pumpen.Die gebräuchliche Abkürzung HPLC für High Performance Liquid Chromatography(=Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie) wird deshalb oft mißverstanden: der Druck(pressure) hat nichts mit der Trennleistung zu tun und ist nur eine unerwünschteBegleiterscheinung der dicht gepackten Säulen, die für hohe Trennleistung erforderlich sind !Die wichtigsten Techniken in der HPLC unterscheiden sich in der chemischen Natur derstationären und mobilen Phase bzw. durch die Art der Wechselwirkung. Damit erfolgt dieTrennung nach anderen Kriterien:

Mobile StationärePhase PhaseTrennkriterium Methodeunpolar polar polare Gruppen normal phase LC (NP-LC)polar unpolar unpolare Gruppen reversed phase LC (RP-LC)polar polarAusschlußchromatographie =SizeGesamtgröße derexclusion chromatography (SEC),Moleküle bzw.unpolar unpolarGel-Permeations-ChromatographieMolekulargewicht(GPC)Typische stationäre Phasen in der HPLC enthalten meist als Basis von Kieselgel, das an derOberfläche mit polaren oder unpolaren Gruppen modifiziert sein kann:Si OHSi, SilicaSi CH 3SiCNC1, TMS, TrimethylSi NO 2NO 2 , NitroSiC2, RP-2, DimethylCN, CPS, PCN, Cyano,Cyanopropyl, NitrileSi NH 2NH 2 , APS, AminoAminopropylsilylSiSiC3, PropylSiPhenyl, C 6 H 5C4, ButylSiSiOOHOHOH, Diol,GlycerolSiC6, HexylC8, MOS, RP-8, LC8, OctylSiCNCN, CPS, PCN, Cyano,Cyanopropyl, NitrileSiC18, ODS, RP-18, LC18, OctadecylIn der SEC werden meist vernetzte Polymere (z.B. Styrol-Divinylbenzol) verwendet.Polymer-basierende Phasen können auch in derAdsorptionschromatographie vorteilhaft sein, wennrestliche Silanolgruppen die Trennung basischerSubstanzen stören würden.Je nach Chromatographieart (Adsorption, Verteilung, Ausschluss, ...) werden also ganzspezifische funktionelle Gruppen genützt.

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC GrundlagenGrundlagen der Hochleistungs‐Flüssigchromatographie (HPLC)SE zu den LU aus Organischer Chemie1Was ist der Unterschied zwischen:Messung Analyse Interpretation ?2

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC GrundlagenHochleistungs‐FlüssigchromatographieHigh Performance Liquid Chromatography (HPLC)Was ist das?Wie geht das?Warum (wozu) brauche ich das überhaupt?3ChromatographieDefinition des BegriffesChromatographie:Unter Chromatographie versteht manphysikalische Methoden, bei denen eineStofftrennung durch Verteilung vonSubstanzen zwischen einer ruhenden(stationären) und einer sich bewegenden(mobilen) Phase erfolgt.StoffgemischTrennsystemGetrennteKomponentenQualifizierungQuantifizierung4

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC GrundlagenWas braucht manProben Hardware Software Operator54. OperatorInformationNicht cool sondernsmart!„Hausverstand“ErfahrungTheoretischer Hintergrund,Hardware, Software6

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC Grundlagen3. SoftwareAufgaben:• Steuerung• Datenbearbeitung (Auswertung)• Datenverwaltung72. HardwareMobilePhaseInjektionPumpeTrennmatrixDatasystemDetektorSamplePorösePartikelOptional:• Zus. Detektoren• Autosampler• Fraktionen Sammler8

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC GrundlagenGenerelle Anforderungen:2.1. Mobile Phase• Höchste Reinheit• Inert gegenüber Probensubstanzen• Korrosionsbeständig•Toxizität• Preis92.1.1. LösungsmittelWas muss man bei der Auswahl berücksichtigen:• Stärke ε°: Maß für Adsorptionsenergie (Elutionsstärke) eines Lösungsmittelmoleküls proFlächeneinheit des Adsorbens. ε° (Al 2O 3) = 1.3 ε° (SiO 2).• Viskosität η: angegeben in mPa s bei 20°C. Sollte

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC Grundlagen2.1.1. LösungsmittelWas muss man bei der Auswahl berücksichtigen:• Siedepunkt: Nicht zu tief da Gefahr von Dampfblasen bzw. Lsgsm.verluste beim degasen.• Dipolcharakter π*: Maß für Fähigkeit mit gelöstem Stoff über Dipol‐ u. Polarisationskräftein WW zu treten• Azidität α: Maß für die Fähigkeit mit basischen gelösten Stoff (Akzeptor) als H‐BrückenDonor in WW zu treten.• Basizität β: Gegenteil von αWarum ist das wichtig?All diese Parameter (Eigenschaften) können meineTrennung beeinflussen!!112.1.1a. Elutrope ReiheStärke Viskosität Brechungsindex UV‐Grenze K p Dipol Azidität BasizitätLösungsmittel ε° η (mPa s) n 20D (nm) (°C) π* α βFluoralkan ‐0.19 0.40 1.2670 210 50n‐Pentan 0.00 0.23 1.3575 195 36n‐Hexan 0.00 0.33 1.3749 190 69Isooctan 0.01 0.50 1,3914 200 99Cyclohexan 0.03 1.00 1.4262 200 81Cyclopentan 0.04 0.47 1.4064 200 49CCl 40.14 0.97 1.4652 265 77p‐Xylol 0.20 0.62 1.4958 290 138 0.81 0.00 0.19Diisopropylether 0.22 0.37 1.3681 220 68 0.36 0.00 0.64Toluol 0.22 0.59 1.4969 285 111 0.83 0.00 0.17Chlorbenzol 0.23 0.80 1.5248 290 132 0.91 0.00 0.09Benzol 0.25 0.65 1.5011 280 80 0.86 0.00 0.14Diethylether 0.29 0.24 1.3524 205 34.5 0.36 0.00 0.64CH 2Cl 20.30 0.44 1.4242 230 40 0.73 0.27 0.00CHCl 30.31 0.57 1.4457 245 61 0.57 0.43 0.001,2‐Dichlorethan 0.38 0.79 1.4448 230 83 1.00 0.00 0.00Triethylamin 0.42 0.38 1.4010 230 89 0.16 0.00 0.84Aceton 0.43 0.32 1.3587 330 56 0.56 0.06 0.38Dioxan 0.43 1.54 1.4224 220 101 0.60 0.00 0.40Essigsäuremethylester 0.46 0.37 1.3614 260 56 0.55 0.05 0.40THF 0.48 0.46 1.4072 220 66 0.51 0.00 0.49tert. Butylmethylether 0.48 0.35 1.3689 220 53 0.36 0.00 0.64Essigsäureethylester 0.48 0.45 1.3724 260 77 0.55 0.00 0.45DMSO 0.48 2.24 1.4783 270 189 0.57 0.00 0.43CH 3NO 20.49 0.67 1.3819 380 101 0.64 0.17 0.19CH 3CN 0.50 0.37 1.3441 190 82 0.60 0.15 0.25Pyridin 0.55 0.94 1.5102 305 115 0.58 0.00 0.42Isopropanol 0.60 2.30 1.3772 210 82 0.22 0.35 0.43EtOH 0.68 1.20 1.3614 210 78 0.25 0.39 0.36MeOH 0.73 0.60 1.3284 205 65 0.28 0.43 0.29Essigsäure groß 1.26 1.3719 260 118 0.31 0.54 0.15H 2O größer 1.00 1.3330

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC Grundlagen2.1.1b. Selektivitätsdreieck132.1.2. Mischbarkeit14

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC Grundlagen2.1.3. Vorbereiten der mobilen Phase• HPLC grade od. vergleichbare Qualität.• Gemischte mobile Phasen: z.B. pH‐Wert einstellen, Puffersalze auflösen, Additivezugeben, Mischungen herstellen (Vol.kontraktion beachten).• In geeigneten Gefäßen aufbewahren (keine Plastikflaschen, Warum?). Haltbarkeitbegrenzt!! Kontamination vermeiden!• Entgasen (Degaser): wichtig, da v.a. polare Eluenten viel Luft lösen können.Was kann passieren: Gasblasen im Detektor (Druckunterschied) – Rauschen,Geisterpeaks, Baseline‐drift, Präzision sinkt (O 2abs. im tiefen UV, löschtFluoreszenz)Kritisch bei Gradiententrennung (Gas wird freigesetzt wenn sich lufthaltigeLösungsmittel mischen!)152.2. Entgasen16

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC Grundlagen2.3. GradientensystemeÄnderung der Zusammensetzung der mobilen Phase während einer Trennung• Bei komplexen Probengemischen isokratische Trennung oft nicht möglich• Gradient: Laufmittel so ändern, dass Elutionskraft zunimmtNiederdruck Gradientensystem Hochdruck172.4. PumpenAnforderung:• Hohe Drücke ermöglichen (HPLC bis 400bar, UHPLC bis 1200bar)• Konst. Fluss unabhängig vom Gegendruck (0.1 – 10ml/min HPLC, xLiter/min beipräparativen Anwendungen, nano‐HPLC 10nl ‐ 1µl/min)• Robust und wartungsfreundlichKurzhub‐Kolbenpumpe18

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC Grundlagen2.5. ProbenaufgabeTheoretisch: unendlich kleines Volumen in der Mitte des Säulenanfangs; keineLuft• Direkt mit Injektionsspritze und Septum (geht nur bei p

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC Grundlagen2.5. ProbenaufgabeAutosampler‐Ausführungen:A: Pull‐LoopB: Push‐LoopC: Integral‐Loop1: Proben‐Vial, 2: Spritze mit Schrittmotor,3: Schlaufe, 4: von der Pumpe, 5: zur Säule,6: zum Abfall, 7: Niederdruck‐Dichtung,8: Hochdruck‐Dichtung, 9: Position d.beweglichen Schlaufe wenn das Ventilgedreht und die Probe auf die Säuletransferiert wird212.6. VorsäulenOpfersäule: grobes Silicagel od. aufSilicagel‐Basis. Ziel: mobile PhaseKonditionierenSchutzsäule: identische od. chem.ähnliche stat. Phase wie Hauptsäule.Verunreinigungen od. stark retardierteStoffe zurückgehalten22

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC Grundlagen2.7. Säulen232.7. SäulenSäulenmaterial:• Meist aus Stahl (Cr/Ni/Mo):Druck beständig, relativ inert gegen chemische Korrosion (außer Cl ‐ , Li + beitiefem pH), glatte Oberfläche (innen)• Glas (stahlummantelt): inert, korrodieren nicht• Tantal: korrosionsbeständig aber schlecht formbar, teuer!• Kunststoff: Peek, PEDimensionen:ID:• Analytische Zwecke: 2‐5mm• Präp. LC: 10‐25.4mm (bis 1m)• Kapillar‐HPLC: 5‐50µm• Mikro‐HPLC: 0.2‐1mmLänge: 5‐30cm je nach Partikeldurchmesser der stat. Phase (präp. LC bis 1m)24

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC Grundlagen2.7.1. Stationäre PhasenKorngrößenverteilung: sollte möglichst eng seinVerhältnis (Ø) 1:1.5 oder höchstens 1:2 kleinstes:größtes KornWarum: kleinstes Korn bestimmt Permeabilität, größtes die Bodenzahld.h.: kleines Korn –hoher Strömungswiederstand, großes Korn –starkeBandenverbreiterung25Theoretische Hintergründe26

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC GrundlagenTheoretische Hintergründew: Basisbreite des Peakst o: Totzeit (Durchbruchszeit) –Zeit die mobile Phase benötigt um durch die Trennsäule zuwandern. Lineare Geschwindigkeit u = L/t ot R: Retentionszeit; Zeit zwischen Einspritzen und Registrierung des Peakmaximumst‘ R: Netto Retentionszeit; „Aufenthaltszeit eines Stoffes in der stationären Phase“Retentionszeit abhängig von der Fließgeschwindigkeit d. mob. Phase und d. Länge d. Säule.Für Charakterisierung einer Substanz ungeeignet. Besser: Retentionsfaktor od. k‐WertEntspricht dem Molverhältnis derKomponente in der stat. und mob. Phase27Theoretische Hintergründek: optimal zw. 1 und 10Kleine k‐Werte: keine (ungenügende) AuftrennungGroße k‐Werte: lange Analysenzeitenk‐Wert ist mit Verteilungskoeff. verknüpfbar: k=K xV s/V Md.h. k ist dem Volumen bzw. der spez. Oberfläche der stationären Phase direkt proportional!Trennung von Komponenten nur möglich wenn sie sich in ihren k‐Werten unterscheiden!Maß dafür ist der Trennfaktor α (= Selektivität)Ist α=1: keine Trennung da beide Retentionszeiten gleich groß sind28

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC GrundlagenTheoretische HintergründeAuflösung R zweier benachbarter Peaks – definiert durch Quotient aus Abstand der beidenPeakmaxima, d.h. der Differenz der beiden Retentionszeiten und dem Mittel aus denBasisbreitenw ½: Peakbreite auf halber Höhe des PeaksBei R=1, unvollständige Trennung; R sollte mindestens 1.5 betragenTrennstufen‐ oder Bodenzahl N: Maß für die Trennleistung einer SäuleTrennstufenhöhe H(HETP): H=L/N (L=Säulenlänge)29BandenverbreiterungUrsachen:1. Eddy‐Diffusion2. StrömungsverteilungEnge Korngrößenverteilung1,2: von Strömungsgeschwindigkeit dermobilen Phase unabhängig!30

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC GrundlagenBandenverbreiterungUrsachen:3. Diffusion d. Probemoleküle in der mobilen Phase (Längsdiffusion)Ausbreitung der Probemoleküle ohne äußere EinflüsseUrsache: KonzentrationsgefälleBeeinflusst durch: kl. Teilchen der stat. Phasezu kleine Strömungsgeschwindigkeitrel. gr. Diffusionskoeff. der ProbeAbhilfe: Strömungsgeschwindigkeit so groß wählen, dassLängsdiffusion nicht störend wirktu: Strömungsgeschwindigkeit d. mob. PhaseD m : Diff.koeff. d. Probe in der mob. Phased p : Partikeldurchmesser31BandenverbreiterungUrsachen:4. Stoffaustausch: eigentliche chromatographische EffektProbemolekül dringt in Pore ein und verändertPosition nur mehr durch Diffusion. Diffusion vonViskosität der mob. Phase abhängig.Wichtig: je höher u desto größer dieBandenverbreiterung.Abhilfe: kleine Teilchen für stat. Phase,Lösungsmittel mit kleiner Viskosität.32

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC GrundlagenBandenverbreiterungViele Effekte beeinflussen sich gegenseitigOptimaler Kompromiss lässt sich dennoch finden (ist aber immer nur für die jew.Applikation gültig)H=min, N=max, u=min33OptimierungFrage: Was will ich –Was habe ich –Wie mache ich es?Versch. Ziele: besser trennen (R), schneller trennen (t R), „mehr sehen“(Nachweisgrenze), billiger trennen (Ökonomie), mehr trennen (Probendurchsatz)Verbesserung der Auflösung –Was kann (sollte) man tun:•k‐Wert: soll zwischen 1‐10 seinε°(Stärke) mobile Phase verändern•N vergrößernneue Trennsäule, längere Trennsäule, u optimierenAber: R prop. √N d.h. Verdoppelung von N ergibt nur √2 bessereAuflösung!!Und: Analysenzeit nimmt zu. η‐Mobile Phase beachten (Druck!)•α verbessernMobile Phase ändern (nicht ε° sondern WW‐Eigensch.z.B. ACN anstelle MeOH, pH‐Wert, etc.)Partikelgröße bzw. ev. auch andere stat. Phasen verwenden od.34

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC GrundlagenUnvollständige Auflösungα erhöhenk erhöhenN erhöhen35grobkörnig36

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC GrundlagenVorteil kl. InnendurchmesserDünne Säulen bieten zwei Vorteile:1.Geringerer Lsg.mittelverbrauch weil V R~d C2(d CSäulendurchmesser)Bsp.: 4.6mm Säule 10ml3.2mm Säule 4.8ml2mm Säule 1.9ml1mm Säule 0.5mlFaktor 20x weniger Lsgs.mittel!!2.Besseres Verhältnis Signalhöhe zu Probenkonzentration weil c max~ 1/d2CBsp.: 4.6mm Säule 0.1mV3.2mm Säule 0.21mV2mm Säule 0.53mV1mm Säule 2.1mVFaktor 20x höheres Signal!!372.7.1. Stationäre PhasenKorngrößenverteilung: sollte möglichst eng seinVerhältnis (Ø) 1:1.5 oder höchstens 1:2 kleinstes:größtes KornWarum: kleinstes Korn bestimmt Permeabilität, größtes die Bodenzahld.h.: kleines Korn –hoher Strömungswiederstand, großes Korn –starkeBandenverbreiterung38

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC Grundlagen2.7.1. Stationäre PhasenTypen von stat. Phasen:1.Poröse Partikel: meist verwendet; Korngröße 3, 3.5, 5, 10µm.Faustregel: 10 auf 5 auf 3µm N jew. verdoppeln aber Druck jew. 4x2.Unporöse Partikel kleiner Korngröße (1‐2µm): Kapazität 50x kleiner als bei porösenPhasen, Strömungswiederstand hoch, aber C‐Term (Stoffaustausch) wird sehr klein.Konsequenz?392.7.1. Stationäre PhasenTypen von stat. Phasen:3.Dünnschichtteilchen: eher selten verwendet (Schutzsäulen), Ø30µm4.Perfusionspartikel: hochvernetztes Styrol‐DivinylbenzolDurchflussporenDiffusionsporenGroße Durchflussporen (Ø 600‐800nm),enge Diffusionsporen (Ø 80‐150nm)Diffusionswege in engen Poren kurz,Trennung schnell, van Deemter günstigStrömungswiederstand klein, üblich20µm Phasen5. Monolithische Phasen: besteht aus einemeinzigen Stück, chrom. Bett ist poröser Stabnicht aus einzelnen Partikel. Sehr günstige vanDeemter Kurve!40

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC Grundlagen2.7.1. Stationäre PhasenTypische Materialien:1)Silicagel (Kieselgel): vielseitig verwendbar (normal phase, RP, SEC), modifizierbar!Porenweite sollte gr. als 5nm sein, Spezifische Oberfläche (100m 2 /g 30nm,300m 2 /g 10nm, 500m 2 /g 6nm), k abhängig von Oberfläche! pH‐Beständigkeit pH 1‐8412.7.1. Stationäre PhasenModifikationen: viele Möglichkeiten, spez. Eigenschaften, end‐capping zusätzliche OptionSi OHSi, SilicaSi CH 3SiCNC1, TMS, TrimethylSi NO 2NO 2 , NitroSiC2, RP-2, DimethylCN, CPS, PCN, Cyano,Cyanopropyl, NitrileSi NH 2NH 2 , APS, AminoAminopropylsilylSiSiC3, PropylSiPhenyl, C 6H 5C4, ButylSiSiOOHOHOH, Diol,GlycerolSiC6, HexylC8, MOS, RP-8, LC8, OctylSiCNCN, CPS, PCN, Cyano,Cyanopropyl, NitrileSiC18, ODS, RP-18, LC18, OctadecylNormal phaseReversed phase42

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC Grundlagen2.7.1. StationärePhasen2) Styrol‐Divinylbenzol: vernetzte polymere Phase, großer pH‐Bereich (1‐13), Packungs‐Volumen von Mobiler Phase und Ionenstärke abhängig! Unterschiedlich druckstabil,RP‐fähig, üblicherweise aber in GPC eingesetzt (wichtigste Phase) da def. Porenweiteherstellbar (Vernetzungsgrad)432.7.1. StationärePhasen3) Aluminiumoxid: an sich basisch aber umwandelbar. Neutral f. Adsorptions‐Chromatographie, sauer (schw. Anionentauscher), basisch (schw. Kationentauscher).Stabiler als Silicagel: pH 2‐12 aber kleinere Bodenzahl! Kann auch derivatisiertwerden.4) Magnesiumsilikat: für Spezialanwendungen, Vorsicht: kann viele Stoffechemisorbieren (Aromaten, Ester, Amine)5) Poröses Glas: B 2O 3, druckstabil, chemikalienbeständig (Ausnahme: starke Alkalien),lässt sich wie Silicagel modifizieren, breites Einsatzgebiet6) Hydroxy‐Methacrylat‐Gel: modifizierbar, sehr polar, hauptsächlich zur Gelfiltration7) Hydroxylapatit: hexagonal kristallines Calciumphosphat, druckbeständig bis 150bar,eignet sich besonders zur Trennung von Proteinen und anderen Biopolymeren44

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC Grundlagen2.7.1. StationärePhasen8) Agarose: vernetztes Polysaccharid, beständig pH 1‐14, vielfältig modifizierbar,Anwendung in der Affinitätschromatographie9) Poröser Grafit: ganz spezielles Material, beständig 10M Säure bis 10M Base!Besondere Umkehrphasen Eigenschaften (Elutionsreihenfolge), Temperaturstabil,für Trennung von sehr polaren und ionischen Verbindungen, großer starrerMoleküle (C 50Naturstoffe) und zur Isomerentrennung10) Titandioxid: kristallines TiO 2mit basischen OH‐Gruppen auf der Oberfläche, daherstabil bei hohem pH. Einsatz: Normal und Umkehrphase11) Zirkondioxid: ähnlich wie TiO 2, kann auch durch Ligandentausch mit Analyt in WWtreten da Lewis‐Säure45LC‐TrennverfahrenI. Adsorptions‐Chromatographie (normal phase):Silanol‐Gruppen schließen schwache „Bindung“ mit Analyten wenn folgende WWmöglich sind:• Dipol‐induzierter Dipol• Dipol‐Dipol( mit funktionellen Gruppen)• H‐Brückenbindung• π‐Komplex‐Bindung (mit Doppelbindungen)Adsorption = Bindungsknüpfung, Desorption=Lösung der VerknüpfungAdsorptionsstärke und damit die k‐Werte (Elutionsreihenfolge) nimmt zu:Gesättigte KW‘s < Olefine < Aromaten ≈ org. Halogenverb. < Sulfide < Ether < Nitroverbindungen< Ester ≈ Ketone < Alkohole ≈ Amine < Sulfone < Sulfoxide < Amide

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC GrundlagenLC‐TrennverfahrenElutionskraft (Stärke) desLsgs.mittel entscheidend fürTrennung. Oft mehrere Versuchenotwendig für optimalesGemisch. DC!Selektivität wichtig für Trennungaber unabhängig von ε°!Lokalisierung und Basizität zus.entscheidendÜblicherweise isokratisch!!47LC‐TrennverfahrenII.Umkehrphasen‐Chromatographie (reversed phase):Stationäre Phase weniger polar als mobile Phaseam häufigsten verwendet: C 18(ODS), C 8, Cyclohexyl, PhenylRetentionsreihenfolge (abnehmend): Aliphaten – induzierte Dipole (z.B. CCl 4) –permanente Dipole (z.B. CHCl 3) – schwache Lewis‐Basen (Ether, Aldehyde, Ketone) –starke Lewis‐Basen (Amine) – schwache Lewis‐Säuren (Alkohole, Phenole) –starkeLewis‐Säuren (Carbonsäuren)In homologen Reihen steigt Retention mit Kettenlänge48

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC GrundlagenLC‐TrennverfahrenRetention ist Vol.verhältnis von stat. und mobiler Phase direkt proportional d.h. dieRetention ist stärker:• Je länger die Alkylkette ist (C 18retardiert stärker als C 8)• Je größer die Bindungsdichte der Alkylketten (in Gruppen pro mm 2 derOberfläche) ist• Je höher der Grad des end‐capping ist• Je dicker die org. stat. Phase ist (polymere retardieren stärker als monomere).• Od. zus.gefasst: je höher der Kohlenstoffgehalt des Materials istStarke Retention bedeutet aber auch, dass die Analyse länger dauert oder, dass einhöherer Prozentsatz B‐Lösungsmittel notwendig ist49LC‐TrennverfahrenMobile Phase ‐ Gemisch von Wasser od. Pufferlösungen mit:MeOHCH 3CNEtOHabnehmende Polaritäti‐PrOHDMFzunehmende Elutionskraftn‐PrOHDioxanTHFMeist aber Gradient (Wasser + B)η und Reinheit der mobilen Phasebeachten!Sonderfall HIC (Hydrophobic‐Interaction‐Chromatographie): rein wässr. mobile Phase zurProteintrennung. Trennung über Änderung der Salzkonzentration bzw. pH‐Wert50

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC GrundlagenLC‐TrennverfahrenIII. Chromatographie mit chemisch gebundenen Phasen = mod. Silicagel:Vorteil: normal und reversed phase möglichGradienten auch möglichschnelle (Rück‐) Equilibrierungszeitkeine Desaktivatoren nötigBeispiele:•Diol: ähnlich wie Silicagel; WW über H‐BrückenVerwendung: Steroide, org. Säuren,Biopolymere, Tenside, Tetracycline, etc.51LC‐Trennverfahren• Nitril (Cyano): kleinere Polarität als Silicagel,jedoch kleinere Retention bei gleicher mobilenPhase. RP‐möglich. Besondere Selektivitätgegenüber Doppelbindungssystemen.• Amino: klassisch in Zucker‐ und Glykosidanalytik,kann in H‐Brücken als Protonenakzeptor undDonator wirken. Bei pH‐3 (Phosphatpuffer)anorg. und org. Anionen trennbarBeispiele: Acetat, Acrylat, Glycolat, Formiat,Nitrit, Bromid, Nitrat, Iodat, Dichloracetat.• Nitro: selektiv für Aromaten! Sehr leistungsfähig52

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC GrundlagenLC‐Trennverfahren53LC‐TrennverfahrenTypen:SAX Starker AnionenaustauscherWAX Schwacher AnionenaustauscherSCX Starker KationenaustauscherWCX Schwacher KationenaustauscherAE Aminoethyl ‐CH 2 ‐CH 2 ‐NH+3 WAXCM Carboxymethyl ‐CH 2 ‐COO ‐ WCXDEA Diethylamin ‐NH(CH 2 ‐CH 3 )+2 WAXDEAE Diethylaminoethyl ‐CH 2 ‐CH 2 ‐NH(CH 2 ‐CH 3 )+2 WAXDMAE Dimethylaminoethanol ‐O‐CH 2 ‐CH 2 ‐NH(CH 3 )+2 WAXPEI Polyethylenimin ‐(NH‐CH 2 ‐CH 2 ‐) n ‐NH+3 WAXQA Quat. Amin ‐NR + 3 (R z.B. CH 3 ) SAXQAE Quat. Aminoethyl ‐CH 2 ‐CH 2 ‐N(CH 2 ‐CH 3 )+3 SAXSA Sulfonsäure ‐SO‐3 SCX54

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC GrundlagenEinige Regeln:LC‐Trennverfahren• Erhöhung der Ionenstärke des Gegenions verkleinert die Retentionszeit• pH‐Erhöhung verkleinert Retentionszeit beim Kationenaustausch• pH‐Erniedrigung verkleinert Retentionszeit beim AnionenaustauschWahl des Gegenions: Ionenaustauscher bevorzugen• Das Ion mit höherer Ladung• Das Ion mit kleinerem Durchmesser• Das Ion mit besserer Polarisierbarkeit (Induzierbarkeit eines Dipols)Kationenaustausch: Retentionszeit steigt durch AustauschBa 2+ ‐ Pb 2+ ‐ Sr 2+ ‐ Ca 2+ ‐ Ni 2+ ‐ Cd 2+ ‐ Cu 2+ ‐ Co 2+ ‐ Zn 2+ ‐ Mg 2+ ‐ Mn 2+ ‐ UO2+2‐Te + ‐ Ag + ‐ Cs + –Rb + ‐ K + ‐ NH 4+‐ Na + ‐ H + ‐ Li +Anionenaustausch: Retentionszeit steigt durch AustauschCitrat –Sulfat–Oxalat–Tatrat–Iodid–Borat–Nitrat– Phosphat –Chromat –Bromid– Rhodanid –Cyanid–Nitrit–Chlorid–Formiat–Acetat – Fluorid –Hydroxid ‐ Perchlorat55LC‐TrennverfahrenV. Ionenpaar‐Chromatographie:Alternative zu IECVerwendung: wenn Probe aus Mischung von Säuren, Basen und NeutralstoffenbestehtPrinzip: Mobiler Phase wird org. ionischer Stoff zugesetzt, der mit entgegengesetztgeladener Probenkomponente ein Ionenpaar bildet. Dieses kann durch RPchromatographiert werden.Kationische Proben: z.B. AlkylsulfonatAnionische Proben: z.B. Tetrabutylammoniumphosphatwenn sowohl kationische als auch anionische Stoffe: eine Komponente maskieren, dieandere durch entspr. pH‐Wert unterdrückt (in undissoziierte Form überführt)56

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC GrundlagenLC‐TrennverfahrenVI. Ausschluss‐Chromatographie: SEC – GPC(org.)/GFC(wässr.)Unterschied zu allen and. Methoden. Trennung nicht nach WW sondern nachMolekülgrößeStat. Phase: poröses Material57LC‐TrennverfahrenCharakteristika:• Alle injizierten Moleküle werden eluiert• Chromatogramm mit erreichen der Totzeit beendet• Elutionsvol. (Elutionszeit) von Molekülgröße d.h. indirekt von molarer Masse abh.• Begrenzte Peakkapazität (Anzahl der Peaks die mit best. Aufl. voneinandertrennbar sind)• Trennbar: Moleküle die um mind. 10% in Molekülmasse unterscheiden• Keine Peakverbreiterung mit zunehmender Retentionszeit• Geringere Bodenzahl als sonst in der HPLC (länger Aufenthaltszeit der Moleküle instagnierender mobiler Phase ist sogar erwünscht)• Wichtig: andere van Deemter Kurve da B‐Term (Diffusion) vernachlässigbar!Trennleistung umso höher je langsamer die Trennung durchgeführt wird• Keine WW‐Gleichgewichte d.h. große Stoffmengen trennbar58

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC GrundlagenLC‐TrennverfahrenMolmassenverteilung: über Kalibration mit geeigneten Standards59LC‐TrennverfahrenPhasensysteme: nur 3 Anforderungen an mobile und stat. Phase:1. Mobile Phase soll gutes Lösungsmittel für Probe sein2. Probe soll keine WW mit stat. Phase eingehen3. Mobile Phase darf stat. Phase nicht schädigenWichtig: Säulen mit Sorgfalt behandeln (toll teuer!!), Vorsäulen! Detergenzienzusatz!Anwendung: breite Verwendungsmöglichkeit, hauptsächl. Polymer und BiopolymerAnalytik, Naturstoffe, komplexe Mischungen, biol. MaterialienVerwendung von mehreren Säulen (hintereinanderschalten) möglichTrennbereich (Masse) groß: bis 10 81Å=0.1nm!MolareMasse60

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC GrundlagenLC‐TrennverfahrenVII. Affinitätschromatographie:Methode mit der größten Spezifität –WW ist biochemischer Art z.B.:• Antigen ↔ Antikörper• Enzym ↔ Inhibitor• Hormon ↔ Träger612.8. DetektorenAufgabe: erkennen wenn sich Zus.setzung der mobile Phase ändert –diese in el. Signalumwandeln und der Datenauswertung weiterleiten. Klingt einfach ist es aber nicht(immer)!Der ideale Detektor soll:•Entw. alle Peaks gleich empf. registrieren od. nur die Stoffe die uns interessieren•Unempfindlich gegenüber Änderungen der mob. Phase (Gradiententrennung) od. Temp.•Sehr kl. Stoffmengen erfassen können (Spurenanalyse)•Kl. Zellvolumen (kein Beitrag zur Bandenverbreiterung)•Rasch reagieren (Peaks schnell erfassen)•Leicht handhabbar, robust, billigUtopie!!62

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC Grundlagen2.8. DetektorenSpezifische Detektoren• UV Detektor• Fluoreszenz Detektor• Elektrochemischer Det.• Lichtstreudetektor (ELSD)Unselektive Detektoren• RI Detektor• Dichte Detektor• LeitfähigkeitsdetektorSpezielle Detektoren• Massenselektiver Det.• (FT)IR Detektor632.8. DetektorenWichtig: jeder Detektor hat einen eigenen linearen Bereich. Nur in diesem Bereich ist dasSignal proportional der eingespritzten Menge!!!64

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC Grundlagen2.8.1. UV‐DetektorAm häufigsten verwendet da empfindlich und gr. linearer Bereich. Auch f. Grad.elution.Nachweisbar:•Hauptsächlich Aromaten und ungesättigte (konj.) Verbindungen•Doppel‐ und Mehrfachbindungen•Carbonyl‐Verbindungen (‐C=O)•‐Br, ‐I, (tlw. Schwefel‐ und Stickstoff‐Verbindungen)652.8.1. UV‐DetektorWas wird gemessen?Abschwächung des Lichtstrahls beim Durchtritt durch die DetektorzelleLambert‐Beer: E = ε c dLichtquellen:Fixwellenlänge: Niederdruck‐Hg‐Dampflampen (253.7nm), Cd‐Lampen (229nm),Zn‐Lampen (214nm)Kontinuierliche Wellenlänge: Deuterium (bis 340nm), Wolfram (340‐850nm)Vorteile UV: selektive bis unselektive Detektion möglich, großer linearer Bereich, gutgeeignet zur Gradientenelution, Substanzen werden nicht zerstörtNachteile UV: Temperaturabhängigkeit (jedoch nur gering), Sauerstoff im Eluentenabsorbiert UV‐Strahlung sehr stark und muss deshalb sorgfältig entfernt werden66

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC Grundlagen2.8.2. DAD‐DetektorPrinzip:•polychromatisches Licht (Deuterium‐ oder Wolfram‐Lampe) wird auf die Probeeingestrahlt (wellenlängenselektive Absorption durch die Bestandteile der Probe)•nach Durchstrahlung der Probe wird der polychromatische Lichtstrahl auf ein Gittergelenkt, das ihn in seine Teilstrahlen zerlegt•Anzahl der Teilstrahlen entspricht der Anzahl der Photodioden auf dem Array•Ergebnis: dreidimensionale Abhängigkeit von Zeit, Absorption und Wellenlänge672.8.2. DAD‐DetektorFür Substanzklassen wie UV‐DetektorVorteile DAD: optimale Wahl für die Einzelwellenlängenbestimmung ist leicht möglich,großer linearer Bereich, verschiedene Wellenlängen sind gleichzeitig bestimmbar,Veränderung der Wellenlänge während der chromatographischen Trennung istprogrammierbar.Nachteile DAD: siehe UV68

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC Grundlagen2.8.3. Fluoreszenz‐Detektor• Die Probe wird in der Durchflussmesszelle mitUV‐Strahlung einer bestimmten Wellenlängebestrahlt (Lichtquellen: Xenon‐, DeuteriumoderQuecksilber‐Lampen).• Verbindungen absorbieren das eingestrahlteLicht und emittieren ein längerwelligesentweder sofort (fluoreszieren) oderzeitverzögert (phosphoreszieren).• Das in alle Richtungen emittierte Licht der Probewird lediglich senkrecht zurEinstrahlungsrichtung gemessen, um zuverhindern, dass das Anregungslicht auf diePhotomesszelle (Photomultiplier) fällt.Empfindlichkeit bis 1000x höherals bei UV!!692.8.3. Fluoreszenz‐DetektorVerwendung: konj. zyklische Verbindungen, mehrkernige Aromaten, generell alle Stoffedie fluoreszieren od. von denen fluoreszierende Derivate hergestellt werden können.Vorsicht: gewisse Stoffgruppen können die Fluoreszenz löschen! (‐CO 2H, ‐SH, ‐NO 2, O 2)Vorteile: selektive Detektion, alle in der HPLC gewöhnlich verwendeten Eluenten sindkeine Fluorophore, kaum Beschränkungen bei der Auswahl, gut geeignet zurGradientenelution, Substanzen werden nicht zerstörtNachteile: Temperaturabhängigkeit (jedoch nur gering), Eluentenbestandteile können zumQuenching der emittierten Strahlung führen (auch O 2)70

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC Grundlagen2.8.4. RI‐DetektorPrinzip: Die unterschiedliche Ablenkung/Brechung eines Lichtstrahles beim zweimaligenDurchgang durch die Mess‐ und Referenzzelle verändert den räumlichen Ort, an dem derStrahl mit maximaler Intensität gemessen werden kann.• Ein Lichtstrahl (L1) wird durch die Referenzzelle undanschließend durch die Messzelle geleitet, dann aneinem Spiegel reflektiert und dringt erneut durch beideZellen.• Mit einer verstellbaren Glasplatte wird der Lichtstrahl(L2) so eingestellt, dass beim Durchgang des reinenEluenten durch die Messzelle die maximale Intensitätdie Photozelle erreicht (Nullabgleich).• Strömt ein Analyt durch die Messzelle, ändert sich derBrechungsindex im Vergleich zum Eluenten imReferenzkanal.• Der Lichtstrahl (L2) kann nicht mehr mit maximalerIntensität auf die Photomesszelle treffen.• Änderung im Stromfluss bewirken ein Peak imChromatogramm.712.8.4. RI‐DetektorWas kann detektiert werden:Alle Verbindungen, deren Brechungsindex sich von dem des Eluenten genügendunterscheidetVorteile RI: universelle Detektion, Selektivität kann durch die Wahl des Eluenten verändertwerden ‐ da relativ zu diesem bestimmt wird, Substanzen werden nicht zerstörtNachteile RI: weniger (Faktor 1000) empfindlich als z.B. der UV/VIS‐Detektor, RI‐Detektorhäufig nur als Ergänzung zu diesem; sehr starke Temperaturabhängigkeit (sehr genaueThermostatierung erforderlich) und Druckabhängigkeit; Gradienten sind schwierig(Eluentenvormischung muss erfolgen); Eluentenwechsel erfordert das Austauschen desLösungsmittels in der Referenzzelle und erneutes Thermostatieren72

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC Grundlagen2.8.5. Elektrochemischer‐DetektorDetektionsprinzip: Durch das Eluat wird Strom geleitet und bei konstantemElektrodenpotenzial gegen die Zeit gemessen. An den Elektroden wird der Analytumgesetzt (umgesetzte Stoffmenge ca. 1‐10 %) und es werden Elektronen über diePhasengrenze transportiert:Kathode: Elektronen gehen aus der Elektrode in die Lösung über (Reduktion)Anode: Elektronen kommen aus der Lösung in die Elektrode (Oxidation)Arbeitselektrode (AE) ‐ besteht aus glasartigemKohlenstoff und dient der Verfolgung derelektrochemischen VorgängeHilfselektrode (HE) ‐ transportiert den Strom aus derOxidation bzw. ReduktionReferenzelektrode (RE) ‐ Elektrode 2. Art (Ag/AgCl)ist hochohmig geschaltet und sorgt damit fürgleichmäßige Spannung an der AEDer Stromfluss wird somit zwischen AE und HEgemessen.732.8.5. Elektrochemischer‐DetektorWas kann detektiert werden?Reduzierbare Verbindungen:Oxidierbare Verbindungen:•Nitrosamine, Diazo‐Verbindungen• aromatische Phenole,•Aldehyde, KetoneHydroxylverbindungen•Olefine, Nitro‐Verbindungen, Halogene• Amine und Amide•Seltener: gelöster Sauerstoff und gelöste• MercaptaneSchwermetalle• Indole, Chinoline• AzideSelektivität kann verändert werden (Elektrodenpotential):•kleines Elektrodenpotential: hohe Selektivität•großes Elektrodenpotential: universelle Bestimmung möglich74

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC Grundlagen2.8.5. Elektrochemischer‐DetektorVorteile Leitfähigkeitsdetektor:•selektivere Detektion als mit dem UV‐Detektor, weil nur elektrochemisch aktiveSubstanzen detektierbar•einfacher Aufbau•KostengünstigNachteile:•lineare Bereich und Reproduzierbarkeit sind gering•hohes Rauschniveau•kein Gradientenbetrieb möglich•keine unpolaren Eluenten verwendbar, da der Strom geleitet werden muss (keineAdsorptionschromatographie)•stark empfindlich für die Pulsation des Flusses752.8.6. LichtstreuungsdetektorELSD (Evaporative Light Scattering Detector): Für unselektiven Nachweis von nichtflüchtigen Verbindungen.Prinzip: Eluat wird in Inertgasstrom (N 2)zerstäubt. Gebildete Tröpfchen werdenverdampft, Partikel bleiben zurück diedurch Lichtstrahl driften und ihn streuen.Streulicht wird von Fotodiode registriert.Wichtig: mobile Phase muss flüchtig sein!Probe geht verloren!76

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC Grundlagen2.8.7. Andere DetektorenLeitfähigkeitsdetektor:klassischer Detektor der IonenchromatographieFotoleitfähigkeitsdetektor:selektiv für Halogen‐ und StickstoffverbindungenInfrarotdetektor:selektiv für Vielzahl org. Verbindungen; richtige Wellenlänge wählen! Empf. wieRIRadioaktivitätsdetektor:zum Nachweis von β‐Strahler 3 H, 14 C, 32 P, 35 S und 131 I772.8.8. Massenspektrometer1. APCI: Atmospheric pressure chemicalionizaton− Ionen durch Koronaentladung (3‐6 kV) erzeugt− Liefert Molekülionen (M+H)+, neg. ionisierungmöglich− Günstig für kleine, mittel bis apolare Moleküle− Ungünstig für thermolabile Verbindungen− Für wässr. und nichtwässrige mobile Phasen− Ev. Zusätze bei wässr. Eluenten um guteIonisation zu erhalten− Stoffstromabhängiges Signal− Probe geht verloren 1) Eluat aus HPLC; 2) Zerstäubergas; 3) Heizung; 4)Nadel f. Koronaentladung; 5) Abschirmgas; 6)Skimmer; 7) Quadrupol78

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC Grundlagen2.8.8. Massenspektrometer2. ESI (APESI): (Atmospheric pressure) electrospray ionization− Ionen durch „Coulomb‐Explosion“ gel. Teilchenerzeugt− Bildung einfach od. mehrfach gel. Ionen− Günstig für thermolabile Analyten undMakromoleküle− Günstig für wässr. Analyten− Für pos. Ionisierung pH≈5 günstig. ZusätzeAmeisen‐, Essigsäure− Für neg. Ionisierung pH ≈9 günstig. ZusätzeAmmoniak, TEA, DEA− Konz.abh. Signal− Probe geht verloren!1) Eluat aus HPLC; 2) Zerstäubergas; 3)Hochspannung; 4) gel. Tröpfchen; 5)Verdampfung; 6) Coulomb Explosion; 7)Abschirmgas; 8) Skimmer; 9) Quadrupol79Nachweisgrenzen80

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC Grundlagen1. ProbeEinige Anforderungen an die Proben:• Muss vollständig löslich sein (logisch)• Muss in der mobilen Phase löslich sein (Vorsicht bei Gradienten!)• Ev. filtrieren• Konzentration richtig wählen!• Probe (wenn man etwas über sie weis) bestimmt die Trennstrategie• Vorwissen einbringen (DC, Siedepunkt, Brechungsindex, etc.)• Ev. Lit. Angaben81Trennstrategien82

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC GrundlagenTrennstrategiennein nein neink‐Werte klein? k‐Werte mittel? k‐Werte groß? Werden gar keinePeaks eluiert?isokratisch mit isokratisch mit ca. isokratisch mit ca. andere MethodeWasser eluieren, 50% Acetonitril 90% Acetonitril versuchen:verbesserte eluieren eluieren, verbesserte 1. NH2‐Phase mitAuflösung?jaoptimierenneinAuflösung?neinjaMethanol/Dioxan2. Diol‐Phase mitAcetonitril/Tetrahydrofuran3. Silicagel mitHexan/tert. Butylmethyletheroptimieren pH oder Ionenstärke optimieren Gradient mitdes Eluenten ändern,Dioxan/Wasseroder Ionenaustausch‐versuchen oderChromatographie,nicht wässrigeevtl. Ionenpaar‐Umkehrphasen‐ChromatographieChromatographiemit Acetonitril/Dichlormethan83Trennstrategien84

SE zu den LU aus Organischer ChemieHPLC GrundlagenUnd zum SchlussWoher weis ich wie viel drinnen ist?Methoden der Quantitativen Analyse85

1CHROMATOGRAFISCHE TRENNVERFAHREN IN DERORGANISCHEN CHEMIEGASCHROMATOGRAFIEM.Mittelbach, 2003EINLEITUNGDie Gaschromatografie wurde im Jahre 1997 50 Jahre alt; im Juni 1947 wurde an der UniversitätInnsbruck der erste Gaschromatograf von Erika Cremer und Fritz Prior vorgestellt. 1958 Patent wurdeGolay das Patent für Kapillartrennsäulen erteilt,1958 beschrieb Kovac den Retentionsindex.Die Gaschromatografie ist wie die HPLC eine Trennmethode zur Gewinnung reiner Stoffe sowie fürdie qualitative und quantitative Analyse von Mischungen. Sie dient sowohl zum Nachweis bekannterVerbindungen (target analysis) als auch zur Strukturaufklärung unbekannter Verbindungen (HinweisKurs: Analyse eines Parfums!), sie ist die ideale Ergänzung zur HPLC, ist auch für Automatisationgeeignet.Die mobile Phase ist immer gasförmig;Die stationäre Phase kann sein:fest: GAC oder GSC (Gasadsorptionschromatografie): Adsorptionflüssig: GLC (Gas-liquid-chromatography): Verteilung1. Theoretische Grundlagen1.1 Konzept der theoretischen Böden:Martin und Synge, Nobelpreis 1952Dynamisches System: Serie aufeinanderfolgender Verteilungsschritte, bei jeder StufeGleichgewichtseinstellung zwischen mobiler und stationärer Phase.Bei einer Vergrößerung der Trennstufenzahl befindet sich der gelöste Stoff in einem schmälerenBereich des Gesamtsystems.

2Reale Chromatografie ist kontinuierlicher Prozeß mit einer Serie von Gleichgewichtseinstellungen.Diese heißen "theoretische Böden" (Begriff aus der Destillation)Teilt man die Länge der Säule durch die Anzahl der theoretischen Böden, so erhält man die AngabedesHöhenäquivalentes eines theoretischen BodenHeight Equivalent to a Theoretical Plate (HETP)sogenannter H-WertGute GC-Säule: H ≤ 0.1 mm, bis zu 1 Mill. theoret.Böden; eine übliche Säule hat 50.000 - 150.000Böden; eine gepackte Säule hat ca. 2000 - 5000 theoretische BödenGute HPLC-Säule: H = 0.05 mm hat 20.000 theoretische BödenH = HETP = 0.18. L b 0.52 (m)t rL/H = N = 5.54 (tr / b0.5)2L ... Länge der Trennsäule in mb 0.5... Bandenbreite auf halber Höhetr ... RetentionszeitN.... BodenzahlVerteilungskoeffizient: Ki = ci (l) / ci (g)bezieht sich auf die KonzentrationKapazitätsverhältnis: k´ = ni (l) / ni (g)bezieht sich auf die Mengeni = ci . vk´ = Ki / ßß = Ki / k´ = Ci(l). ni(g) /ci (g). ni(l) = V(g) / v(l)Menge an mobiler Phase ist viel größer als Menge an stationärer Phase; deshalb muß man dieVerteilungskoeffizienten K korrigieren.Dieser Korrekturfaktor ist das Verhältnis der Volumina der mobilen Phase und der stationären Phaseund wird als Phasenverhältnis ß bezeichnet:ß = v (mobile Phase) / v (stationäre Phase)ß für gepackte Säule zwischen 5 und 35ß für Kapillarsäule zwischen 50 und 1000

3Die Retentionskapazität ist die Säuleneigenschaft, die das generelle Verzögern der Komponente inder Trennsäule bewirkt. Diese ist bei Kapillarsäulen bedeutend kleiner als bei gepackten Säulen,deshalb müssen Kapillarsäulen länger sein.1.2. Das GaschromatogrammChromatografie ist ein kontinuierlicher Vorgang, sodaß Diffusion stattfindet, welche zu einerPeakverbreiterung führt.Je länger eine Substanz in der Säule ist, umso breiter wird die eluierte Substanzzone sein. DieseBanden- oder Peakverbreiterung ist eine Funktion des chromatografischen Verteilungsprozesses undkein Diffusionsphänomen. Zusätzlich kommt es wegen der Diffusion zu einer weiterenPeakverbreiterung. Peakverbreiterung kann durch Temperaturprogrammierung in der GC oder durchGradientenelution in der HPLC in Grenzen gehalten werden.

41.3. Auflösung (Resolution):Ein Maß für die Güte einer Trennung. Die Auflösung (R = resolution) entspricht dem Abstand zweierpeak-maxima dividiert durch das arithmetische Mittel der Basisbreiten der peaks. Ein R-Wert vonmindestens 1,5 beschreibt eine befriedigende Trennung.R = 2 (t2 - t1) / (w1 + w2)w... BasisbreiteDie Auflösung wird mit der Wurzel der Säulenlänge erhöht, Säule mit 4-facher Länge liefert einedoppelte Auflösung, führt jedoch auch zu einer 4-fachen Analysenzeit.Auflösung wichtig für:a) einwandfreie Ermittlung des Peakmaximumsb) störungsfreie Ermittlung der Peakflächec) präparative isolierung reiner Komponenten

5Die Auflösung hängt von 2 Faktoren ab:Selektivität:Sie ist ein Maß für die Wechselwirkung der Probe mit der stationären Phase, deshalb gibt es fürbestimmte Substanzgruppen optimale stationäre Phasen. Bei falscher Wahl der stationären Phasekann trotz Verwendung einer Säule mit hoher Bodenzahl oft keine Trennung erzielt werden.Effizienz:Die chromatografische Wirksamkeit einer Säule (Effizienz) ist in erster Näherung unabhängig von denzu trennenden Stoffen, d.h. der H-Wert ist konstant.1.4. Van Deemter-GleichungDie Diffusion wird umso kleiner, je höher die Geschwindigkeit ist, dabei wird jedoch dieGleichgewichtseinstellung behindert. Da die beiden Forderungen gegenläufig sind, muß man einenKompromiß zwischen möglichst hoher Flußrate und bestmöglicher Gleichgewichtseinstellung suchen.Die Verknüpfung zwischen Diffusion, Gleichgewichtseinstellung und Flußrate wird durch die VanDeeter-Gleichung beschrieben:H = A + B / u + C . uu ... mittlere Geschwindigkeit der mobilen PhaseA ... Maß für die Bandenverbreiterung durch Umströmen der stationären Phase, abhängig von derGüte der Packung und der Art der Säule, aber unabhängig von der Flußrate, Eddy-Diffusion, sie trittnur bei gepackten Säulen auf.B... Bandenverbreiterung durch Longitudinal-Diffusion, mit Flußrate umgekehrt proportional

6C ... endliche Geschwindigkeit der Gleichgewichtseinstellung, abhängig von gleichmäßiger Verteilungder stationären Phase.Unterschiede bei den einzelnen Gasen beruhen darauf, daß die Diffusion in Gasen mit geringererMolmasse (geringerer Dichte) größer ist. Deshalb muß hier mit höheren Flußraten gearbeitet werden.u= L / tmu... mittlere GeschwindigkeitL... Säulenlängetm... Totzeitu ist vom Querschnitt der Säule abhängig; der Querschnitt ist eine quadratische Funktion des Radius,eine Verdoppelung des Säulendurchmessers macht eine 4 x höhere Flußrate nötig, um gleiches u zuerhalten:2 mm Säule: 20 ml/min4 mm Säule: 80 ml/min

71.5. RetentionsindexUm qualitative Aussagen aus einem Chromatogramm zu erhalten, und um Chromatogrammevergleichen zu können, werden relative Retentionsindices eingeführt:Konzept von Kovats (1958):Retention einer Verbindung wird auf die Retention von n-Alkane bezogen. Der Retentionsindex einerSubstanz ist gleich 100 x der Kohlenstoffzahl eines hypothetischen n-Paraffins mit der gleichenreduzierten Retentionszeit wie die interessierende Substanz.n-Alkane haben bei jeder Temperatur und auf allen Trennflüssigkeiten einen Index von 100 x diebetreffende Kohlenstoffanzahl, z.B. n-Pentan 500, n-Octan 800 usw.Dieser Retentionsindex ist weitgehend unabhängig von den Versuchsparametern und damit eincharakteristischer Wert für eine Verbindung bei bestimmter Trennflüssigkeit und Temperatur. Indiceswerden mit Eichsubstanzen bestimmt.

82. Voraussetzungen für GaschromatografieSubstanz muß flüchtig sein, für HPLC löslichBedingung ist nicht so einschneidend, wie es zunächst erscheint, Substanzen mit einemSchmelzpunkt bis 150°C sind chromatografierbar,Temperaturen bis 400° sind möglich, oder DerivatisierungenNachteil: kaum präparative Trennungen möglichRetentionszeit,GLC: Gas-flüssigchromatografie, Flüssigkeit als stationäre Phase, darf nicht flüchtig sein undchemisch gebunden, es gibt nur wenige PhasenVielfalt an Detektoren, hohe Empfindlichkeit (im Gegensatz zu HPLC)

9In der GC gibt es 5 wichtige Variablen:TrägergasProbenaufgabeSäule bzw. stationäre PhaseTemperaturbedingungen während der TrennungDetektor2.1. TrägergasIn HPLC mobile Phase am schwierigsten, Detektor am einfachstenNatur des Gases ist eher sekundär,wenig reaktiven kommen in Frage: Wasserstoff, Stickstoff, Helium, Argonwarum keine Luft oder Sauerstoff?Bei höheren Temperaturen nimmt Gasfluß ab, deshalb viele Geräte mit elektronischerFlußkontrolle.Hilfsgase:Make-up-Gas: Schönungsgas für Detektor bei Verwendung von Kapillarsäulen, wird vor dem Detektorzugemischt, um optimalen Fluß für Detektor zu erreichen.Detektorgase:z.B. H und Luft bei FID

102.2. ProbenaufgabeDie Probe wird mittels Spritze in den Einspritzblock des Systems gebracht, dabei wird Gummidichtung(Septum) durchstoßen. Einspritzblock muß Temperatur über der maximalen Säulentemperaturbesitzen. Probe verdampft und wird als Gas auf die Säule gespült.Hauptprobleme: Zersetzung der Proben, Zurückbleiben von nichtflüchtigen Rückständen(Geisterpeaks), zu viel Probe bei Kapillarsäulen, mit üblicher Spritze nicht so klein dosierbar, mehrereMöglichkeiten:Split-Injektion: bevor der Gasstrom mit der Probe auf die Säule kommt, wird er geteilt, das Verhältnisder Gasströme wird durch ein Nadelventil kontrolliert. Ein Gasstrom geht ins Freie, der andere in dieSäule: SplitverhältnisProbe wird in einen Glas-liner gespritzt.Splitless: kein split, für ca. 30 sec wird split ausgeschaltet, Probe geht auf Säule, dann wieder split:bewirkt Erhöhung der Empfindlichkeit. Säule soll niedrigere Temperatur als Siedepunkt desLösungsmittels haben, dann wird Probe in einer Zone aufkonzentriert.On Column-Aufgabe: Auftragung erfolgt mit Spezialspritzen direkt in die Säule, Verdampfung findetin der Säule direkt statt, alles gelangt in die Säule, keine Diskriminierung.Headspace (Kopfraum)-Technik: es wird nur der Gasraum über einer nicht vollständigverdampfbaren Probe zur GC-Trennung gebracht. Vor allem für flüchtige Komponenten. Probe wird ineine geschlossene, thermostatisierte Ampulle gebracht, Probe wird vom Gasraum entnommen.2.3 SäulenHeute werden fast ausschließlich Kapillarsäulen eingesetzt, um hohe Trennleistung zu erzielen,höhere BodenzahlMaterial ist dabei Quarz: Fused Silica-SäulenInnendurchmesser: 0.2 - 0.5 mm (Widepore-Säulen, änlich wie gepackt), Länge 10-60 m. UmFestigkeit und Biegsamkeit zu erreichen, werden sie mit einem Polyimidfilm beschichtet, machtbraune Farbe. Sie sind nur bis 350°C geeignet. Es gibt auch HT-Säulen, die bis 400° einsetzbar sind.Früher wurde stationäre Phase auf Träger aufgebracht und in Säule (aus Glas) gepackt; es wurdenviele Phasen verwendetheute hpts. Kapillarsäulen mit flüssigen, stationären Phasen, welche in LM gelöst werden, durchSäule gespült und erhitzt, WCOT (wall coated open tubular)Filmdicke ist entscheidend: 01 µm - 5.0 µm, bei dickerem Film kann mehr Probe getrennt werden.Viele Säulen besitzen bereits chemisch gebundene stationäre Phasen

11Heute kommt man mit wenigen stationären Phasen aus, welche sich nach der Polarität der Probenrichten."Gleiches löst sich in Gleichem".3 Beispiele:für unpolare Substanzen: 100 % Polydimethylsiloxanfür mittelpoare Substanzen: 50 % Dimethyl, 50 % Diphenylsiloxanfür polare Substanzen: Polyethylenglykol (Carbowax)mit mittelpolarer Säule lassen sich 90% aller chromatografischen Probleme lösenSpezialsäulen:Derivatisierte Cyclodextrine als stationäre Phasen für Enantiomerentrennungmit fester stationärer Phase: PLOT-Säulen: porous layer open tubulardas Adsorbens ist hier auf die Innenwand der Kapillare aufgebracht, poröse Polymere, aber auchMolsiebe, zur Trennung von sehr flüchtigen Stoffen oder Gasen. Problem: Austreten der Teilchen,durch Partikelfalle verhindert.Metallsäulen: für HTGC

12Behandlung von Kapillarsäulen:Säulen müssen zunächst konditioniert werden, mehrmalige Erhitzung unter Trägergasstrom mitTemperaturprogrammierung auf die maximale Arbeitstemperatur (Ausheizen der Säule, umniedermolekulare Stoffe auszutreiben und stabile Basislinie zu erhalten)Niemals Säule ohne Trägergasstrom erhitzen, da es sonst zur Zerstörung der stationären Phasekommt, niemals überhitzen, kaputte Säule erkennt man an starkem Säulenbluten: hohesGrundrauschen durch Zersetzungsprodukte der stationären Phase.Aufbewahrung von Säulen: vor dem Ausbauen Ausheizen, an beiden Enden mit Septumverschließen.2.4 TemperaturprogrammierungDie Trennung durch GC beruht auf 2 Eigenschaften der zu trennenden Substanzen: ihrer Löslichkeitund ihrem Dampfdruck. Dampfdruck hängt von Temperatur ab, die verändert werden kann.Säule befindet sich in Säulenofen, der beheizt ist; Einspritzblock- und Detektortemperatur müssenüber der maximalen Säulentemperatur liegen.Isotherme Trennung: bei gleicher Temperatur, wenn sich Substanzen gut trennen, man erkenntHomologe, welche nach regelmäßiger Retentionszeiterhöhung eluiert werden (LogarithmischerZusammenhang zwischen Retentionszeit und C-Zahl, siehe Abbildung).Temperaturprogrammierung: analog der Gradienteneluierung bei HPLC; wenn Substanzgemischestark unterschiedliche Siedetemperatur besitzen, um Analysenzeit zu verkürzen. Je länger die Probein der Säule ist, umso breiter wird der peak. Temperaturerhöhung um 30°C führt zu einer Halbierungder Retentionszeiten.Temperaturanstieg kann sein:linearstufenweisezuerst isotherm und dann linearDurch eine automatische Druckprogrammierung kann der Fluss konstant gehalten werden. BeiTemperatursteigerung wird auch der Druck erhöht.

132.5 Detektorenviele Arten für verschiedenste Zwecke, aber nur wenige UniversaldetektorenDynamischer Bereich:Bereich der Probenkonzentrationen, für welche der Detektor genaue quantitative Ergebnisse liefert,bei FID sehr groß. Bei FPD sehr klein, da bald Sättigung eintritt.Linearer Bereich (doppelte Menge, doppeltes Signal) muß vor der quantitativen Bestimmungausgetestet werden. Mit mehreren Standardkonzentrationen wird Eichkurve aufgestellt. Ist Linearitätvorhanden, kann mit einem Responsefaktor gearbeitet werden (Peakfläche pro Masse der Probe).Detektion kann beruhen auf Eigenschaft der Substanz allein:Massenabhängige Detektion: Intensität des Signals abhängig von Massenfluß (g/s): FID, FPD,ECD, GC/MS-SIM

14Detektion beruht auf Eigenschaft des Trägergas/Substanz-Gemisches:Konzentrationsabhängige Detektion: Intensität des Signals abhängig von Konzentration (g/ml):WLD, GC/FTIRhier wird das Signal kleiner bei Erhöhung des TrägergasflussesUniverselle Detektoren:sprechen auf alles an, was Säule verläßt,schlechte chromatografische Trennung kann Detektion einer Komponente stören, sprechen auch aufSäulenbluten an sowie auf Schwankungen wie Trägergasdruck und TemperaturSelektive Detektoren:können elementselektiv, strukturselektiv oder selektiv auf andere Eigenschaften sein. FID z.B. günstigfür wäßrige Proben. ECD für Umweltanalytik.

16Wärmeleitfähigkeitsdetektor (WLD, TCD)Prinzip:gab es schon vor der GC,für jede Verbindung, deren Wärmeleitfähigkeit sich von der des Trägergases unterscheidet. Gase mitgrößter Wärmeleitfähigkeit haben niedrigste Massen. Helium besitzt besonders hoheWärmeleitfähigkeit, deshalb günstig.Ein Heizdraht besitzt konstante Temperatur und konstanten Widerstand, kommt Probe durch, sinktWärmeleitfähigkeit, der Draht erhitzt sich und erhöht den Widerstand, der gemessen undaufgezeichnet wird.Heizdraht aus W oder W-Legierungen, mit Oxidschichten passiviert.Da WLD ein nicht destruktiver Detektor ist, kann man ihn mit anderen in Serie schalten und fürpräparative GC einsetzen.Heute gibt es Ein-Filament Geräte, auch nur eine Säule notwendigAnwendung:für Gasanalysen, Biogas, Mikro-WasserbestimmungFlammenionisationsdetektor:in der GC der wichtigste und am meisten verwendete Detektor,Prinzip:In einer Wasserstoff/Luft-Flamme werden organische Verbindungen verbrannt und ionisiert. EinKollektor (2 Hochspannungselektroden, 200 V) mit einer anliegenden Spannung wird in die Nähe derFlamme gebracht, Elektronen werden von ihm angezogen und produzieren einen Strom, welchereinen Spannungsabfall erzeugt und der proportional zur Probenmenge in der Flamme ist.Die in der Flamme gebildeten Radikale reagieren mit Sauerstoffatomen unter Bildung von Ionen:CH . + O CHO + + e -Voraussetzung sind C-H und C-C-Bindungen, org. Komponenten werden zunächst in der nichtoxidierenden Zone zu Radikalen pyrolysiert und dann im oxidierenden Flammensaum zuMolekülionen und Elektronen umgewandelt, welche am Kollektor (Anode) entladen werden. Das FID-Signal wird einem Verstärker zugeführt.Säuleneluat wird zuerst mit Wasserstoff gemischt und erreicht dann die Flamme. Flammenprofil istentscheidend für Empfindlichkeit, öfters putzen. Wichtig ist genaue Flußrate aller 3 verwendetenGase.Anwendung:registriert alle organischen Verbindungen, außer sie brennen oder ionisieren nicht, wie z.B.hochhalogenierte Verbindungen.nicht registriert wird Luft, Wasser, Kohlendi(mon)oxid

17Elektroneneinfangdetektor (ECD):wichtig in der Spurenanalytik, für Halogene, PestizidanalysenPrinzip:Elektronegative Spezies können thermische Elektronen einfangen und negative Ionen bilden. DasTrägergas wird mit ß-Teilchen aus einer radioaktiven Quelle ionisiert. Der entstehende Elektronenflußproduziert einen kleinen Strom, der gemessen wird. Erreichen Probenmoleküle die Zelle, fangen sieElektronen ein, die sonst vom Kollektor gesammelt werden und einen Strom ergeben würden. Dieresultierende Stromabnahme kann gemessen werden. Man arbeitet heute meist mit Spannungspuls,der Elektronen periodisch einfangt und registriert, die schwereren, negativen Ionen können in dieserkurzen Zeit nicht gefangen werden und werden durch das Trägergas entfernt.Radioaktive Quelle ist meist 63Ni, mit dem die Oberfläche der Zelle beschichtet ist.Trägergas ist Stickstoff oder Argon mit 5 % Methan, welches durch energiereduzierende Kollisionenmehr energiearme Elektronen erzeugt.Anwendung:Paraffine und einfache Kohlenwasserstoffe werden nicht detektiert.Chemische Grupperel. EmpfindlichkeitKohlenwasserstoffe 1Ether, Ester 10Alkohole, Amine 100Br-, Cl- und F-Verbindungen 100 - 1.000.000Detektor sehr empfindlich, deshalb auch schnell verunreinigt, muß vom Hersteller gereinigt werden.Thermoionischer Detektor (NPD, N,P-FID)Prinzip:ähnich aufgebaut wie FID, nur weniger Luft und Wasserstoff, um Ionisation von normalenKohlenwasserstoffen zu minimieren. Eine Alkalisalzperle (Kalium- od. Rubidiumsalze) ist um Düsepositioniert, wodurch Alkalimetallionen in die Flamme geschleust werden. Dabei werden bevorzugt N-und P-haltige organische Moleküle mit hoher Ausbeute ionisiert. Mechanismus nicht genau bekannt.Alkalimetalle haben niedriges Ei, PO auch, Elektroneneinfangreaktionen sind beteiligt.hohe Empfindlichkeit, Gefahr der Kontamination

18Flammenphotometrischer Detektor (FPD)Prinzip:Schwefel- und phosphorhaltige Kohlenwasserstoffe werden in einer Flamme angeregt, und emittierenLicht einer bestimmten Wellenlänge, das gefiltert und mit Photomultiplier verstärkt wird. Geringerlinearer BereichAnwendung:vor allem in Biochemie, aber auch für P-haltige PestizidePhotoionisationsdetektor (PID)Prinzip:Probenmoleküle werden durch Absorption von UV-Licht ionisiert, entsprechend ihrerIonisationspotentiale. Die geladenen Partikel werden zwischen 2 Elektroden gemessen. Dieverwendete Lampe bestimmt Energie der Photonen und damit auch die Verbindungen, die gemessenwerden.Anwendung:nicht destruktiv, vor allem aromatische VerbindungenFT-Infrarot-Detektor (FTIRD):Laufend wird im Gasstrom IR-Spektrum aufgenommen, für Spektrensuche geeignet, einziger Vorteilgegenüber MS: Isomere können gefunden werdenideale Kombination ist GC-MS-FTIRWasser in Probe muß vermieden werden, um Optik aus NaCl zu schonen.Atomemissionsdetektor (AED)Die Probe wird angeregt, z.B. durch mikrowelleninduziertes Plasma, beim Übergang in Grundniveauwird Licht ausgesendet, die Wellenlängen werden mit einem Spektrometer gemessen. Es könnengleichzeitig mehrere Elemente gemessen werden, z.B. C, H, Cl, BrMassenselektive Detektoren (MSD):Prinzip:schon lange bekannt, durch Einsatz von Computern bedienungsfreundlich, wurde zum Routinegerät.Unterschiede zu IR: destruktiv, aber empfindlicher, eher für Homologe als Isomere.

191. Elektronenstoßionisation (EI = electron impact)geschieht im Hochvakuum2 Prinzipien:Magnetfeldmassenspektrometer: Bruchstücke werden je nach Masse durch Magnetfeld inverschiedene Flugbahnen gelenkt, nicht als Detektor geeignet.Quadrupol-Massenspektrometer: zwischen 4 Stabmagneten wird ein elektrischesHochfrequenzwechselfeld erzeugt. Nur Ionen mit einem bestimmten Masse/Ladungs-Verhältnisbewegen sich auf geraden Bahnen zum Detektor, die anderen werden auf den Magnetstäbenentladen. Durch Variation des elektrischen Feldes können stufenweise einzelne Massen gesucht unddetektiert werden.SCAN-MODE:für qualitative Aussagen; zunächst wird meist ein scan über den gesamten Massenbereichdurchgeführt, ca.1-3 scans/sec sind möglich. Dabei erhält man ein Massenspektrum für jeden scan,welches man nachträglich mit Bibliotheken vergleichen kann, optimale Aussagen möglichauch nicht getrennte Substanzen können so identifiziert werdenSIM-MODE:für quantitative Messungen, hier wird nur auf wenige, charakteristische und intensive Ionen geschaut.Dabei kann öfter gescant werden und damit die Empfindlichkeit erhöht werden. Quantifizierung ohneTrennung ist möglich.2.Chemische Ionisation (CI):Bei EI sieht man vor allem bei labilen Verbindungen nicht die Molekülmasse, deshalb mildereIonisation notwendig.Ein sog. Reaktandgas wird kontinuierlich in die Ionenquelle eingeführt , sodaß relativ hoher Druck von0.3 mbar in der Ionenquelle entsteht, außerhalb ist Hochvakuum. Ionisation erfolgt bei ca. 200 eV,weil höherer Druck herrschtAufgrund der hohen Reaktandgaskonzentration findet Ionisation der Gasmoleüle statt, wodurchReaktandionen gebildet werden. Probenmoleküle werden dabei nicht direkt ionisiert (Positivechemische Ionisation PICI)aus Methanmolekülen werden CH4 + , CH3 + , CH5 + usw.CH4 + e - CH4 + + 2e -CH4 + + CH4CH5 + + . CH3CH5 + + M MH + + CH4Durch Reaktionen mit Probenmolekülen entstehen "Quasimolekülionen":M + RHM + R+MH+ + RMR+

20Gleiche apparative Anordnung, nur Potentiale an Linsen und Detektoren umgepoltNegative Reaktandionen können aus Probemolekülen durch Protonenentzug negative Molekülionenerzeugen : negative chemische Ionisation (NICI) Nachweisgrenze liegt sehr weit unten, deshalb fürUltraspurenanalytik.Reaktandgase: Methan, Isobutan (noch schonender) für PCISauerstoff, Wasserstoff, Chlor für NCIideal ist Kombination von CI und EI

21DerivatisierungenUm schwer flüchtige Stoffe (meist polare) in den Gasraum zu bekommen und unzersetztchromatografieren zu können, wird derivatisiert.meist für Verbindungen mit OH, NH und CarboxylgruppenSilylierung:Verbindungen mit aciden H-Atomen werden in entsprechende Trimethylsiliylderivate übergeführt.N,O-bis(Trimethylsilyl)acetamid (BSA):das gängigste, allerdings entsteht SiO2, welches sich im Detektor anlagert und den Detektorverdreckt. Die silylierten Produkte geben auch schöne Fragmentierung im Massenspektrum.N,O-bis(Trimethylsilyl)trifluoracetamid (BSTFA):ist relativ flüchtig, geht mit LM weg, es entsteht dabei flüchtige Nebenprodukte, dieablagern.sich nichtAcetylierung:für Hydroxyl- und AminogruppenEssigsäureanhydrid, TrifluoressigsäureanhydridMethylierung:hpts. für Carbonsäuren, zur Überführung in Methylester, z.B. FettsäurenDiazomethanBF3/MeOHTMAH: Trimethylanilinhydroxid, nicht toxisch