Schrift größer | Schrift kleiner

Navigation 


Aufreinigen von chemischen Verbindungen - Chromatographie


Allgemeines:
In der Chemie, Pharmazie, Medizin müssen Gemische bzw. Substanzen aufgereinigt werden, damit sie beispielsweise als Medikamente zum Einsatz kommen. Ein wichtiges Verfahren zur Trennung von Substanzgemischen ist die Chromatographie. 

Wie die Übersetzung des Begriffes "Chromatographie" (chromos = Farbe, graphein = schreiben) verdeutlicht, war die Chromatographie ursprünglich geplant, farbige Stoffe voeinander zu trennen. Heutzutage lassen sich mittels moderner Anwendungen (z.B. UV-Licht) auch farblose Substanzgemische trennen. Innerhalb der Chrmatographie unterscheidet man zwei Verfahren, einerseits Adsorptionschromatographie, andererseits Verteilungschromatographie. 
 

  • Die Adsorptionschromatographie beruht darauf, dass sich die verschiedenen organischen Verbindungen unterschiedlich stark an einem polaren Adsorbens (z.B. Silikagel oder Kohle) adsorbieren (unterschiedliche starke Wechselwirkung zwischen Silikagel und der organischen Verbindung), wobei anschließend die adsorbierten Stoffe von dem Adsorbens durch Lösungsmittel verdrängt werden. Die Adsorptionschromatographie beruht auf einer Adsorption und Desorption (jeweils reversibler Vorgang). Die Adsorptionschromatographie wird in Säulen (Säulenchromatographie) und auf Schichten (Dünnschichtchromatographie) durchgeführt.
  • Die Verteilungschromatographie beruht darauf, dass die zu trennenden Stoffe zwischen zwei Phasen verteilt und aufgrund unterschiedlicher Verteilungskoeffizienten voneinander getrennt werden können. Diese Trennung beruht darauf, dass die zwei Phasen nicht mischbar sind,der zu trennende Stoff aber in beiden Phasen löslich ist. Eine Phase dient dabei als stationäre Phase (Trägermaterial mit daran gebundener Flüssigkeit), die andere als mobilen Phase (manchmal auch als Laufmittel bezeichnet). Hierbei gilt, dass eine zu trennende Substanz (aus einem Stoffgemisch) je besser getrennt wird, je besser die Substanz von der mobilen Phase aufgenommen wird, d.h. die Trennung der Substanz zwischen den beiden Phasen beruht auf der unterschiedlichen Löslichkeit der Substanz in beiden Phasen. 


Säulenchromatographie:
Wie bereits erwähnt, beruht die Säulenchromatographie aufgrund von unterschiedlichen Wechselwirkungen einzelner Stoffe und wird in der Regel genutzt, um größere Substanzmengen zu trennen. Zu Beginn wird das Adsorbens, meist Silikagel oder Aluminiumoxid, in eine Säule (Glasrohr) gefüllt. Anschließend wird Säule mit einem Lösungsmittel gefüllt und das zu trennende Gemisch in etwas Lösungsmittel gelöst und auf die oberste Schicht des Adsorbens aufgebracht. In der gängigen Laborpraxis wird anschließend noch etwas Seesand aufgetragen, dass beim Zutropfen von weiterem Lösungsmittel das Aufwirbeln des Säulenfüllmaterials verhindern soll. 

Nach dieser Vorbereitung kann die Säulenchromatographie beginnen. Hierzu wird läufend Lösungsmittel am oberen Ende der Säule zugetropft (in dem Maße, wie am unteren Ende der Säule Lösungsmittel "abfließt"). Wichtig hierbei ist, dass die Säule während der Trennung niemals trocken laufen darf (d.h. die Säule muss immer mit Lösungsmittel gefüllt sein). Das zugetropfte Lösungsmittel verdrängt je nach Polarität die an dem Adsorbens adsorbierten Substanzen mehr oder weniger schnell von den Haftstellen. Dadurch wandern die einzelnen Substanzen des Stoffgemisches mit dem Lösungsmittel durch die Säule, 
wobei die einzelnen Substanzen je nach ihrer Adsorption an dem Silikagel (oder o.ä. Adsorbens) auseinander gezogen werden und dadurch getrennt werden.Damit alle Substanzen des Gemisches getrennt werden können, wird das Lösungsmittel bzw. Lösungsmittelgemisch während der Trennung kontinuierlich geändert (eine polare Verbindung auf dem Adsorbens könnte z.B. nie von einen unpolaren Lösungsmittel desorbiert werden). In der gängigen Laborpraxis (an Schulen) wechselt man von unpolarem zu polarem Lösungsmittel, entsprechend der eluotropen Reihe (Cyclohexan, Toluol, chlorhaltige Lösungsmittel, Ester, Ether, Alkohol). Hierdurch können alle Substanzen (polare + unpolare) eines Gemisches getrennt werden, die am Ende der Säule als gelöste Komponenten (gelöst in dem jeweiligen Lösungsmittelgemisch) erhalten werden.

Die reine Substanz erhält man schließlich durch Eindampfen des Lösungsmittels. Früher hat man -wie in der Einleitung erwähnt, farbige  Substanzen chromatographiert, die man an ihrer Farbe erkennen konnte. Heutzutage können auch farblose Substanzen nach der Trennung identifizerit werden. Die Identifizierung dieser Stoffe erfolgt durch spektroskopische Methoden wie z.B. NMR.

  • Vorteil: Mit Hilfe der Säulenchromatographie lassen sich relativ große Stoffgemische trennen. 
  • Nachteil: Die Säulenchromatographie erfordert einen hohen Zeitaufwand, sowie große Mengen an Lösungsmitteln.


Gaschromatographie:
Ähnlich wie die Säulenchromatographie basiert die Gaschromatographie auch auf der unterschiedlichen Wechselwirkung zwischen verschiedenen chemischen Substanzen. Der Unterschied zur Säulenchromatographie ist, das nur Substanzen aufgetrennt werden können, die (leicht) flüchtig sind und sich beim Erwärmen nicht zersetzen.

Zu Beginn der Gaschromatographie wird eine Säule aus Glas mit einem inerten Trägermaterial (in der gängigen Laborpraxis: Siloxane) gefüllt. Auf der Oberfläche des Trägermaterials wird als stationäre Phase eine sehr hoch siedende Flüssigkeit aufgebracht ist. Als mobile Phase dient ein inerter Gasstrom wie Helium oder Stickstoff. Anschließend wird ein Substanzgemisch mit Hilfe einer Injeketionsspritze in den Gaschromatographen gebracht.Die zu trennende Substanz verteilt sich zwischen aufgrund der unterschiedlichen Wechselwirkungen zwischen stationärer und mobiler Phase. Um den "Transport" der Substanz in der mobilen Phase (dem Gasstrom) zu ermöglichen, wird im Gaschromatograph das Trägermaterial (inkl. der zu trennenden Substanz) erhitz. Hierdurch verflüchtigen sich Lösungsmittel und das zu trennende Substanzgemisch. Anschließend wird surch den Gasstrom gasförmigen Substanzen  durch die Säule transportiert. Das Trennprinzip basiert darauf, dass je nach Polarität und der Molekülgröße die unterschiedlichen Substanzen unterschiedlich verschieden lange adsorbiert wird (Gasmoleküle wechselwirken mit der stationären Phase) und gelangen so nach unterschiedlicher "Laufzeit" ans Ende der Säule. 
Die einzelnen Verbindungen des ursprünglichen Substanzgemisches können durch die Messung der Retentionszeiten jeder einzelnen Substanz charakterisiert werden (Retentionszeit = Unterschied des zeitlichen Austrittes jeder Substanz aus der Säule im Vergleich zu einer bereits bekannten Verbindung). 
 

  • Vorteil: kann auch gringe Mengen effektiv auftrennen.

  • Nachteil: nicht alle Substanzen können aufgetrennt werden.


Dünnschichtchromatographie:
Auf einem ähnlichem Prinzip wie die Säulen- bzw. Gaschromatographie basiert Dünnschichtchromatographie.Die Dünnschichtchromatographie ist von den bisher genannten Chromatographie-Methode die schnellste, da sie ohne großen technischen Aufwand und ohne viel Substanzmengen durchgeführt werden kann. Darüber hinaus gilt wieder das gleiche Trennungsprinzip: Verschiedene Substanzen aus einem Gemisch verteilen sich aufgrund unterschiedlicher Wechselwirkungen in einem bestimmten Verhältnis auf zwei Phasen (mobile und stationäre Phase). Als stationäre Phase dient eine Schicht z.B. aus Kieselgel, Aluminiumoxid oder Cellulose, die auf Platten aufgetragen wird (als Haftmittel zw. Platte und Schicht dient oft Gips. 
                    
Zu Beginn der Dünnschichtchromatographie wird das zu trennende Substanzgemisch (in der Regel in Lösungsmittel gelöst) auf der "Platte" aufgebracht. Das Substanzgemisch wird in der Regel in Form eines Bandes oder punktförmig am
unteren Plattenrand aufgetragen. Nach Verdunsten des Lösungsmittels bleibt das Substanzgemisch haften.Anschließend wird die beschichtete Platte in einen Glaskasten gestellt, dessen Boden mit einem geeigneten Lösungsmittel bedeckt ist. Das Lösungsmittel steigt aufgrund der Kapillarkräfte in dem Trägermaterial hoch und "nimmt" die Komponenten des Gemisches mit. 
Die Komponenten wandern je nach ihrer Polarität und ihrer Wechselwirkung mit dem Lösungsmittel entsprechend unterschiedlich schnell bzw. unterschiedlich weit. Das Lösungsmittel wandert am weitesten durch die Platte (das Ende wird als Lösungsmittelfront bezeichnet). Das Verhältnis der zurückgelegten Strecken von Lösungsmittelfront und Substanz ist immer konstant und ist chrakteristisch für jede Substanz ( Rf-Wert = Retentionsfaktor). Um den Rf-
Wertes zu bestimmen, bestimmt man Länge 

  • (1) vom Startpunkt des Chromatogramms bis zur Substanz
  • (2) vom Startpunkt des Chromatogramms bis zur Lösungsmittelfront. 
Der Quotient (2) : (1) ist der Rf-Wert und liegt zwischen 0 und 1.

Für Dünnschichtchromatographie (zu Demonstrationszwecken) empfiehlt es sich immer, farbige Substanzen zu verwenden, so dass die unterschiedlichen Substanzen auf dem Chromatogramm sichtbar sind. Will man farblose Stoffe trennen, so müssen diese  z.B. durch Bestrahlung mit UV-Licht (für Stoffe, die fluoreszieren) oder durch Besprühen mit Reagenzien, die mit der jeweiligen Substanz eine farbige Verbindung bilden. 

  • Vorteil: Dünnschichtchromatographie kann sehr schnell und ohne großen technischen Aufwand durchgeführt werden, Nur eine gringe Menge an Lösungsmittel wird benötigt.
  • Nachteil: Es können nur geringe Substanzmengen getrennt werden.


Papierchromatographie:
Die Papierchromatographie wird heute fast nur zu Ausbildungszwecken verwendet. Die Papierchromatographie basiert auf dem Prinzip wie alle anderen Chromatographiemethoden, der Verteilung einer Substanz zwischen einer stationären und einer mobilen Phase. Dabei dienen die Cellulosefasern des Papiers als Trägermaterial. 

Analog zur Dünnschichtchromatographie wird das zu trennende Substanzgemisch an einem Startpunkt aufgetragen. Der Papier wird in einen Glaskasten gebracht, wichtig hierbei ist, dass das Papier die Glaswand nicht berührt. Als mobile Phase wird ein mit Wasser gesättigtes Lösungsmittelgemisch verwendet, das durch die Kapillarkräfte aufgesaugt wird. Die zu trennenden Stoffe verteilen sich zwischen der wässrigen (stationären) und der organischen (mobilen) Phase. Die Komponenten wandern je nach ihrer Polarität und ihrer Wechselwirkung mit dem Lösungsmittel entsprechend unterschiedlich schnell bzw. unterschiedlich weit. Auch bei der Papierchromatographie kann man deshalb die charakteristischen Rf-Werte für jede Substanz bestimmen.