Praktikum Organische Chemie/ Trennung und Isolierung niedermolekularer organischer Verbindungen

Vorwort

Der Kurs "Trennung und Isolierung niedermolekularer organischer Verbindungen" wurde 1975 konzipiert, um angehende Studierende der Chemie mit den einfachsten Arbeitsmethoden der organischen Chemie vertraut zu machen. In früheren Jahren sollten diese Kenntnisse im Laufe der Herstellung organischer Präparate erworben werden, welche in Deutschland traditionell im Vordergrund stand.

Später stellte sich die Aufgabe, für Studierende der Biowissenschaften zu diesem Thema ein kurzes Praktikum zu organisieren. Während Chemiestudenten aber die Grundvorlesung(en) in Physikalischer Chemie besuchten, war dies bei Biologen selten der Fall. Um das Praktikum nicht zu bloßen "Kochstunden" werden zu lassen, wurde deshalb versucht, dabei elementare Kenntnisse der physikalisch-chemische Grundlagen zu vermitteln. Sie sind in das Skript zum Praktikum integriert, welches auch danach gegliedert ist.

Um die Kosten für Materialien und Entsorgung niedrig zu halten, wurde mit relativ kleinen Mengen experimentiert. Dies spart auch Zeit ein, die im Anfängerpraktikum knapp bemessen ist.

Der Autor beabsichtigte ursprünglich, sein Skript zu einem Buch, d.h. Printmedium, auszuarbeiten. Da aber schon verschiedene Praktikumsbücher erschienen sind, allerdings meistens mit präparativer Zielsetzung, zieht es der Autor vor, seinen Text als Wikibook mit freiem Inhalt Studierenden zur Verfügung zu stellen. Er hofft, dass andere an der Chemie Interessierte dieses Wikibook erweitern und optimieren werden.

Der Autor wünscht viel Freude und Befriedigung bei dieser Arbeit!

Trennung durch Ausnutzung unterschiedlicher Löslichkeit

Extraktion von Feststoffen

Die Löslichkeit von chemischen Verbindungen ist sehr verschieden. Sie hängt ab von der Natur des zu lösenden Stoffes und dem Lösungsmittel. Zeigen Substanzen in einem Gemisch unterschiedliche Löslichkeit, so können sie häufig mit einem geeigneten Lösungsmittel selektiv herausgelöst werden. Trotzdem ist es meistens nicht so, dass eine Verbindung aus einem Gemisch allein herausgelöst wird, sondern die gewünschte Verbindung ist meistens von anderen Verbindungen begleitet. Daher müssen in der Regel weitere Trennoperationen angeschlossen werden, z. B. die Kristallisation oder die Chromatographie. Das Herauslösen von Komponenten aus einem Gemisch fester Stoffe, die sog. Fest-Flüssig-Extraktion, braucht keinen hohen Aufwand. Im einfachsten Fall wird die Substanz in der Kälte mit Lösungsmittel verrieben (digeriert). Behandelt man Pflanzenmaterial (z.B. pflanzliche Drogen) mit kaltem Wasser oder organischem Lösungsmittel, so spricht man von Mazerieren. Häufig erhitzt man jedoch mit Lösungsmittel bei aufgesetztem Rückflusskühler zum Sieden (Auskochen). Dazu benötigt man folgende Glasgeräte:

Abb. 1-1. Glasgeräte zum Kochen unter Rückfluss: Rundkolben, Rückflusskühler (Kugelkühler und Schlangenkühler). Rundkolben, im allgemeinen mit Normschliff NS 29, Rückflusskühler, im allgemeinen mit Normschliff NS 29,

Das Erhitzen des Kolbens mit dem Lösungsmittel erfolgt meistens nicht direkt, sondern durch ein Heizbad, je nach dem Siedepunkt des Lösungsmittels ein Wasserbad oder Ölbad. Für Extraktionen mit nichtbrennbaren, tiefsiedenden Lösungsmitteln (z.B. Dichlormethan) kann ein mit einem Bunsenbrenner beheiztes Wasserbad verwendet werden:

Extraktion mit Dichlormethan

Abb. 1-2. Auskochen mit Dichlormethan im Wasserbad.

Im Forschungslabor verwendet man oft Heizhauben, doch muss dabei beachtet werden, dass sich empfindliche Substanzen durch Überhitzung zersetzen können. Heizbäder sind schonender. Abbildung 1-2 zeigt den schematischen Aufbau einer Standard-Apparatur. Hier wird ein Magnetrührer mit aufgesetztem Heizbad verwendet. Durch das magnetische Rühren sollen "Siedeverzüge" verhindert werden.

Apparatur zum Auskochen eines Feststoffs

Abbildung 1-3. Apparatur zum Auskochen eines Feststoffes mit Lösungsmitteln (Aufbauschema).

Um die zu extrahierenden Stoffe in möglichst guter Ausbeute zu gewinnen, werden Extraktionen meistens mehrfach wiederholt. Kontinuierliche Fest-Flüssig-Extraktionen werden in dem sog. Soxhlet-Extraktor durchgeführt (Abb. 1-4).

Apparatur zur Fest-flüssig-Extraktion (Soxhlet)

Abb. 1-4: Apparatur zur Fest-flüssig-Extraktion (Soxhlet).

Soxhlet-Extraktor

Soxhlet-Extraktor

Abb. 1-5 Funktion von Soxhlet-Extraktoren.

Soxhlet-Extraktoren besitzen einen Heber, der in Intervallen die eben gefüllte Extraktionshülse vollständig entleert. Im Extraktionsteil des üblichen Soxhlet findet eine teilweise Aufwärmung statt, die im allgemeinen vernachlässigt werden kann. Wenn bei der fraktionierenden Extraktion ein Stoff in der Kälte selektiv löslich ist, muss jedoch kalt extrahiert werden, im Soxhlet-Kaltextraktor mit Kühlmantel. Für Extraktionen bei hoher Temperatur wird der Soxhlet-Heißextraktor verwendet, bei dem die Hülse durch den Dampf geheizt und durch den Heber wie üblich in Intervallen entleert wird.

Es sei daran erinnert, dass Extraktionen nicht nur im Labor und in der Analyse, sondern auch in der industriellen Praxis eine große Rolle spielen. Tabelle 1-1 gibt einige Beispiele

Tabelle 1-1

Extraktionen von biologischen Rohstoffen

Rohstoff	Lösungsmittel	Extrahierter Stoff
Zuckerrüben Zuckerrohr	Wasser	Saccharose
Öl- und fetthaltige Pflanzenfrüchte und –Samen, evt. vorher ausgepresst	n-Hexan u.a. KW Ethanol	Öle und Fette (Glyzeride)
Fischmehl	n-Hexan u.a. KW	Glyzeride
Carnaubapalmen-Blätter	Heptan u.a. KW	Carnaubawachs
Kaffeebohnen	Dichlormethan l,2-Dichlorethan überkritisches CO2	Coffein
Cinchona-Rinde, vorbehandelt mit NaOH und CaCO3	aromatische KW	Chinin
Coca-Blätter (Erythroxylon coca)	50%ige Essigsäure oder verd. H2SO4	Cocain

Lösungsmittel und Gelöstes. Zur Theorie der Lösungsmittel

‘‘Die Chemiker setzen das Lösungsmittel an die erste Stelle aller Hilfsmittel und rühmen sich, mit seiner Hilfe alle die wunderbaren Wirkungen ihrer Kunst ausführen zu können‘‘ (H.Boerhave (1664-1732): De menstruis dictis in chemia, in Elementa Chemiae, zit. nach Lit. 1.)

Worauf beruht die Löslichkeit? Sieht man von Erscheinungen, die auf die Lösungsentropie zurückzuführen sind, ab, so lässt sich allgemein feststellen, dass die zwischenmolekularen Kräfte zwischen Lösungsmittelmolekülen und Molekülen des gelösten Stoffes (Soluts) die gegenseitige Löslichkeit bestimmen. Eine Verbindung X (Solut) wird sich nur dann in einem Lösungsmittel S (Solvens) lösen, wenn die intermolekularen Anziehungskräfte K (X...X) und K (S...S) für die reinen Verbindungen kleiner sind als die Kräfte zwischen Solut- und Solvens-Molekülen K (X...S).

Für den Vorgang der Lösung eines Stoffes in einem Lösungsmittel kann man sich folgende einfache Modellvorstellung machen: Moleküle des Lösungsmittels müssen verdrängt werden, um Platz für das zu lösende Molekül zu schaffen. Der im Lösungsmittel gebildete Hohlraum (engl. cavity) nimmt das zu lösende Molekül auf. Bei der Hohlraumbildung müssen zwischenmolekulare Anziehungskräfte zwischen den Lösungsmittelmolekülen (Kohäsionkräfte) überwunden werden. Als ein Maß für die Energie, die nötig ist, um Lösungsmittelmoleküle voneinander zu trennen, kann die molare Verdampfungswärme dienen, welche durch das Molvolumen des Lösungsmittels dividiert wird; der Quotient wird als Kohäsionsenergiedichte bezeichnet:

$D_\text{KE}=\frac{\Delta U}{V_\text{mol}}=\frac{\Delta H_\text{vap}-RT}{M_r/\rho}$

wobei M_r die relative Molekülmasse des Lösungsmittels, ρ dessen Dichte und R die allgemeine Gaskonstante ist. Die Quadratwurzel der Kohösionsenergiedichte wurde von Hildebrand als Löslichkeitsparameter δ definiert.

$\delta=\sqrt{D_\text{KE}}$

Es wurde postuliert, dass bei nichtionischen Verbindungen dann eine hohe Löslichkeit zu erwarten sei, wenn sich die δ-Werte von Solvens und Solut nicht stark unterscheiden.

Das Hohlraum-Modell genügt zur quantitativen Erklärung von Löslichkeiten nicht; es müssen noch spezifische Wechselwirkungskräfte zwischen Molekülen des Lösungsmittels und des gelösten Stoffes sowie Entropie-Effekte berücksichtigt werden. Zwischenmolekulare Kräfte, die in Lösungsmitteln eine besonders große Rolle spielen, sind:

• van der Waals-Kräfte

Bei einem bestimmten Abstand zwischen Molekülen (der Summe der van der Waals-Radien) treten schwache, attraktive Wechselwirkungskräfte auf. Sie sind umso stärker, je leichter polarisierbar die Elektronenhülle ist.

• Dipol-Kräfte

Die meisten Moleküle sind aus Atomen verschiedener Elektronegativität aufgebaut und besitzen daher eine unsymmetrische Ladungsverteilung. Die molekularen Dipole ziehen sich gegenseitig an (Dipol-Dipol-Wechselwirkung) oder induzieren Dipolmomente in benachbarten polarisierbaren Molekülen. Die durch Dipole ausgeübten zwischenmolekularen Kräfte sind stärker als die van der Waals-Kräfte.

Beispiele für Dipol-Moleküle:

• Wasserstoffbrücken-Bindungen

Diese zwischenmolekularen Kräfte sind in der organischen Chemie in erster Linie bei Molekülen mit O-H- und N-H-Bindungen von Bedeutung. Sie sind stärker als van der Waals- oder Dipolkräfte und bestimmen daher in hohem Maße das Verhalten solcher Moleküle. Wasserstoffbrücken-Bindungen sind Valenzkräfte definierter Richtung. Man definiert als Wasserstoffbrücken-Akzeptor (HBA) ein Molekül, welches ein “freies“ Elektronenpaar zur Bindung des Protons beisteuert. Den protonenspendenden Partner nennt man Wasserstoffbrücken-Donor (HBD).

$\mathrm{X{-H} + \text{:A} \rightleftharpoons X \cdot \cdot \cdot H \cdot \cdot \cdot A}$

$\mathrm{HBD + HBA \rightleftharpoons H{-}Bruecken{-}Komplex}$

Beispiele:

Wasser, Alkohole, Carbonsäuren und Carbonsäureamide fungieren sowohl als HBDs und HBAs und können daher H-Brücken-Assoziate mit sich selbst bilden (amphiprotonische Verbindungen).

Weitere zwischenmolekulare Kräfte

Für die meisten organischen Moleküle sind die oben genannten zwischenmolekularen Kräfte entscheidend. Beim Lösen von ionogenen Verbindungen, z. B. Salzen, sind noch elektrostatische Wechselwirkungen (Coulomb-Kräfte) zwischen positiv und negativ geladenen Ionen sowie zwischen Ionen und Dipolen wichtig. Ionen können auch Komplex-Bindungen mit n- und π-Donormolekülen eingehen. Charge-Transfer-Wechselwirkungen können auftreten zwischen n- oder π-Donoren und Akzeptor-Molekülen, die relativ niedrig liegende nichtbesetzte Molekülorbitale besitzen.

Beispiele:

Hydrophobe Wechselwirkungen In wässrigen Lösungen können zwischenmolekulare Kräfte zum Phänomen der hydrophoben Wechselwirkung führen, die besonders in biologischen Systemen von großer Bedeutung ist. Die Moleküle hydrophober Substanzen, z.B. von Kohlenwasserstoffen, können von Wassermolekülen nicht solvatisiert werden; sie stoßen sich ab. Wenn man eine hydrophobe Substanz in Wasser gibt, schafft man einen unvorteilhaften Zustand, was mit einer Abnahme von Entropie einhergeht. Dies beruht darauf, dass die Wassermoleküle sich ordnen müssen, damit ein Hohlraum für die Moleküle der unpolaren Substanz ausgebildet wird (Abb.1-3)

Schematische Darstellung der Hydrophobizität

Abb. 1-6. Schematische Darstellung der Hydrophobizität.

Hydrophobe Wechselwirkungen entstehen, wenn zwei oder mehrere unpolare Komponenten in Wasser gegeben werden. Die Moleküle der unpolaren Substanz(en) aggregieren, und durch das Aneinanderlagern wird die Oberfläche verkleinert. Dadurch sind weniger hydrophobe Bereiche der polaren Umgebung ausgesetzt. Hydrophobe Wechselwirkungen beruhen also nicht auf einer Anziehungskraft zwischen den unpolaren Molekülen. Vielmehr werden hydrophobe Moleküle durch die polare Umgebung aneinandergedrängt (Abb.1-4). Es ist also die Struktur des Wassers, welche die hydrophoben Wechselwirkungen bedingt.

Hydrophobe Wechselwirkungen, schematisch

Abb.1-7. Hydrophobe Wechselwirkungen, schematisch.

In der Biologie sind hydrophobe Wechselwirkungen u.a. verantwortlich für die Lipid-Doppelschicht-Struktur von Membranen und für die Bindung von Proteinen an diese Membranen. Sie gehören auch zu den Hauptkräften, welche die dreidimensionale Struktur von Proteinen stabilisieren.

Klassifizierung von Lösungsmitteln

Die relativ starken Wasserstoffbrücken und das damit verbundene häufig besondere Verhalten der Lösungsmittel, die Wasserstoffbrücken-Donoren (HBDs) sind, machen es gerechtfertigt, dass wir

• protonische Lösungsmittel von
• aprotischen Lösungsmitteln unterscheiden.

Aprotonische Lösungsmittel Viele aprotonische Lösungsmittel bestehen aus Molekülen aliphatischer oder aromatischer monofunktioneller Verbindungen, deren zwischenmolekulare Kräfte auf van der Waals- oder/und Dipol-Anziehung zurückgeführt werden können. Wenn die Dipol-Kräfte dominieren, spricht man von polaren Lösungsmitteln. Als Maß ihrer Polarität könnte man das Dipolmoment µ (in der Gasphase!?) verwenden. In der Praxis hat es sich jedoch als günstiger erwiesen, empirische Polaritätsskalen durch vergleichende Messungen von Lösungsmitteleffekten aufzustellen (Lit.2). Verschiedene Polaritätsskalen basieren auf der durch Lösungsmittel verursachten Verschiebung der Absorptionsmaxima im UV/VIS-Spektrum von Farbstoffen (Solvatochromie), die sich experimentell leicht messen lässt. Nach den Skalen von Kosower (Z-Parameter) sowie Dimroth und Reichardt (ET-Parameter) (s. Lit.2) wurde in den 1980er Jahren die π*-Skala aufgestellt, die auf solvens-induzierten Verschiebungen der Maxima der Frequenzen der π → π*-Übergänge von sieben Indikatorfarbstoffen beruht. In der Tabelle 1-2 sind für einige aprotonische Lösungsmittel, Dipolmomente und Polaritätsparameter π* zusammengestellt (Lit.2,4,5). Die Lösungsmittel mit Dipolmomenten µ = ca. 3D, z.B. Dimethylformamid, Dimethylacetamid, Tetrahydrothiophen-S,S-dioxid (Tetramethylensulfon, “Sulfolan“), Dimethylsulfoxid, spielen in der organischen Chemie eine besondere Rolle und werden häufig als dipolare aprotonische Lösungsmittel hervorgehoben. Obwohl die Lösungsmittel Benzol und Toluol praktisch kein Dipolmoment aufweisen, ist ihr π*-Parameter relativ groß, größer als bei den gesättigten Kohlenwasserstoffen. Die größere Polarität der aromatischen Kohlenwasserstoffe ist ohne Zweifel auf die größere Polarisierbarkeit der π-Elektronen zurückzuführen. Dasselbe gilt für die mehrfach chlorierten Kohlenwasserstoffe Dichlormethan und Chloroform, die relativ kleine Dipolmomente besitzen. Perfluorhexan und -heptan haben die kleinsten (negativen!) π*-Parameter; diese Moleküle sind extrem schwer polarisierbar und damit sehr schlechte Solventien. Viele aprotische Lösungsmittel besitzen freie Elektronenpaare und sind daher Wasserstoffbrücken-Akzeptoren (HBAs). Die Akzeptorstärke eines Lösungsmittels, die sog. HBA-Basizität, korreliert nicht immer mit dem pKa-Wert in wässriger Lösung oder der Basizität in der Gasphase. Durch Messungen der Solvatochromie wurde daher eine Skala der HBA-Basizität (β-Skala) definiert, die in der Tabelle 1-2 ebenfalls aufgeführt ist.

Tabelle 1-2

Polaritätsparameter für einige aprotonische Lösungsmittel

Lösungsmittel	Dipol- moment (Debye)	π*	β
n- Hexan	0,0	-0,08	0,00
n-Heptan	0,0	-0,08	0,00
Cyclohexan	0,0	0,00	0,00
Benzol	0,0	0,59	0,10
Toluol	0,36	0,54	0,11
Tetrachlormethan	0,0	0,28	0,00
Dichlormethan	1,60	0,82	0,00
Chloroform	1,01	0,58	0,00
Perfluor-n-hexan		-0,41	0,00
Perfluor-n-heptan		-0,39	0,00
Diethylether	1,15	0,27	0,47
tert-Butylmethylether	1,32
Tetrahydrofuran	1,63	0,58	0,55
Dioxan	0,0	0,55	0,37
Pyridin	2,2	0,87	0,64
Aceton	2,88	0,71	0,48
2-Butanon	2,7	0,67	0,48
Ethylacetat	1,78	0,55	0,45
Acetonitril	3,92	0,75	0,31
N, N-Dimethylformamid	3,82	0,88	0,69
N-Methylpyrrolidon	4,1	0,92	0,77
Dimethylsulfoxid	3,96	1,00	0,76
Tetramethylensulfon	4,7	0,98
Hexamethylphosphorsäuretriamid	5,5	0,87	1,05

Protonische Lösungsmittel Protonische Lösungsmittel sind Wasserstoffbrücken-Donoren (HBDs). Die Fähigkeit eines Lösungsmittels, in einer Wasserstoff-Brücke ein Proton an einen gelösten Stoff, der als HBA fungiert, abzugeben, die HBD-Acidität, kann durch die α-Skala beschrieben werden. Die Tabelle 1-3 zeigt die α-Parameter sowie β- und π*-Werte für einige häufige protonische Lösungsmittel. Die Skala demonstriert nochmals, dass diese Lösungsmittel nicht nur Wassserstoffbrücken-Donoren, sondern auch -Akzeptoren sind (amphiprotonische Solventien). Bei den fluorierten Alkoholen 2,2,2-Trifluorethanol (TFE) und 1,1,1,3,3,3-Hexafluorisopropylalkohol (HFIP) tritt der HBA-Charakter völlig in den Hintergrund (β = Null!).

Tabelle 1-3

Polaritätsparameter für einige protonische Lösungsmittel

Lösungsmittel	Dipol- moment (Debye)	π*	β	α
Wasser	1,85	1,09	0,18	1,17
Methanol	1,70	0,60	0,62	0,93
Ethanol	1,69	0,54	0,77	0,83
2-Propanol		0,48	0,95	0,76
tert-Butylalkohol		0,41	1,01	0,68
Ethylenglykol	2,28	0,92	0,52	0,90
2,2,2-Trifluorethanol (TFE)		0,73	0,00	1,51
1,1,1,3,3,3-Hexa- fluor-2-propanol Hexafluorisopropanol (HFIP)		0,65	0,00	1,96
Phenol	1,45
Essigsäure	1,74	0,64		1,12
Formamid	3,73	0,97		0,71

Lösungsmittel zur Extraktion

Zur Extraktion von Naturstoffen werden (in der Reihenfolge absteigender Polarität) Methanol, Ethanol, Ethylacetat, Diethylether, chlorierte Kohlenwasserstoffe und Kohlenwasserstoffe selbst verwendet (Tabelle 1-4). Für anspruchsvollere analytische Arbeiten müssen diese Lösungsmittel rückstandsfrei, d.h. destilliert sein. Diethylether soll keine Peroxide enthalten. Die in der Tabelle aufgeführten Lösungsmittel haben meist relativ niedrige Siedepunkte. Das Lösungsmittel, das ja bloße Hilfsphase ist, lässt sich daher leicht durch Destillation, gegebenenfalls unter vermindertem Druck, entfernen. Aufgrund des sehr niedrigen Siedepunktes und seiner Unbrennbarkeit eignet sich Trichlorfluormethan besonders zur Extraktion leicht flüchtiger Verbindungen, wie z. B. Riechstoffen. Hierbei ist allerdings zu bedenken, dass Trichlorfluormethan, wie alle leicht flüchtigen Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs), ökologisch bedenklich ist und nicht in die Atmosphäre gelangen darf.

Tabelle 1-4

Häufig verwendete Lösungsmittel zur Extraktion von Naturstoffen

Lösungsmittel	Siedepunkt °C	Gefahrenklasse
Methanol	65	B
Ethanol	78	B
Ethylacetat	77	A1
Diethylether	35	A1
tert-Butylmethylether	53	A1
Dichlormethan Methylenchlorid	40
Trichlorfluormethan	24
Toluol	111	A1
Hexan	69	A1
Pentan	36	A1
Isopentan	28	A1
Petrolether	40 - ?	A1

Es gibt jedoch einen Ersatzstoff: Kohlendioxid lässt sich unter Druck verflüssigen. In überkritischem Zustand verhält sich CO₂ wie ein Lösungsmittel und hat als Extraktionsmittel ähnliche Eigenschaften wie Diethylether. Durch Entspannung des komprimierten Kohlendioxids lassen sich die extrahierten Substanzen sehr schonend gewinnen. Man benötigt jedoch zur Extraktion mit überkritischem CO₂ Apparaturen, die in Praktika meistens nicht zur Verfügung stehen. Auch kontinuierliche Extraktionen in Hochdruck-Soxhlet-Extraktoren sind möglich. Die sehr schonende Methode wird in steigendem Maße zur Gewinnung von empfindlichen Pflanzeninhaltsstoffen (natürliche Aromen und Gewürzextrakte, ätherische Öle) verwendet. Industrielle Anwendungen sind die Hopfenextraktion und die Entcoffeinierung von Kaffeebohnen.

Welches Lösungsmittel löst eine bestimmte Substanz am besten? Häufig wird diese Frage auf empirischem Weg, d. h. durch Probieren, gelöst. Als einfache Faustregel kann das Ähnlichkeitsprinzip definiert werden, welches besagt, dass die Löslichkeit dann hoch sein wird, wenn in der zu lösenden Substanz und dem Lösungsmittel ähnliche zwischenmolekulare Kräfte wirksam werden können. Beispielsweise lösen sich Kohlenhydrate (Zucker) in Wasser, Alkoholen (H-Brücken), auch in Dimethylsulfoxid (starker H-Brücken-Akzeptor), nicht jedoch in Hexan, Toluol, etc. (nur van der Waals-Kräfte). Fette, deren Moleküle lange Alkylketten tragen, lösen sich bekanntlich nicht in Wasser, jedoch in unpolaren Solventien wie Toluol, Petrolether oder Dichlormethan.

Mischbarkeit organischer Lösungsmittel

Nicht alle organische Lösungsmittel lösen oder mischen sich in beliebigem Verhältnis ineinander bzw. miteinander. Für die Laborpraxis, die industrielle Chemie und die Biotechnologie sind diese Phänomene wichtig. In Abbildung 1-# ist die Mischbarkeit einiger Lösungsmittel zusammengestellt.

Abb. 1-8. Mischbarkeit einiger organischer Lösungsmittel

Die Löslichkeit von Wasser in organischen Lösungsmitteln ist für die praktische Arbeit im Labor, insbesondere für die Verteilungsverfahren (Kapitel #), und in der chemischen Technik von besonderer Bedeutung (vgl. auch die Einteilung in die Klassen A und B der Verordnung über brennbare Flüssigkeiten). Betrachten Sie dazu die Beispiele in Tabelle 1-5.

Tabelle 1-5

Gegenseitige Löslichkeit (Mischbarkeit) von organischen Löungsmitteln und Wasser (in Gewichtsprozenten)

Lösungsmittel	Löslichkeit von H2O im org. Solvens	Löslichkeit in Wasser
n-Pentan	0,0120 (25 °C)	0,0038 (25 °C)
n- Hexan	0,0111 (20 °C	0,001 (25 °C)
n-Heptan	0,0091 (25 °C)	0,0003 (25 °C)
Benzol	0,063 (25 °C)	0,1780 (25 °C)
Toluol	0,0334 (25 °C)	0,0515 (25 °C)
Dichlormethan	0,198 (25 °C)	1,30 (25 °C)
Chloroform	0,072 (23 °C)	0,815 (20 °C)
Tetrachlormethan	0,010 (24 °C)	0,077 (25 °C)
Diethylether	1,468 (25 °C)	6,04 (25 °C)
tert-Butylmethylether	1,5 (20 °C)	4,8 (20 °C)
Tetrahydrofuran	∞	∞
Dioxan	∞	∞
Ethylacetat	2,94 (25 °C)	8,1 (25 °C)
Pyridin	∞	∞
Aceton	∞	∞
2-Butanon	10,00 (20 °C)	24,00 (20 °C)
Acetonitril	∞	∞
N, N-Dimethylformamid	∞	∞
Methanol	∞	∞
Ethanol	∞	∞
1-Propanol	∞	∞
2-Propanol	∞	∞
Phenol	28,72 (25 °C)	8,66 (25 °C)
Formamid	∞	∞

Die Löslichkeit von Wasser in organischen Lösungsmitteln ist für die praktische Arbeit im Labor, insbesondere für die Verteilungsverfahren (Kapitel #), und in der chemischen Technik von besonderer Bedeutung (vgl. auch die Einteilung in die Klassen A und B der Verordnung über brennbare Flüssigkeiten). Betrachten Sie dazu die Beispiele in Tabelle 1-5.

Tabelle 1-5

Trocknen von Lösungsmitteln

Wie erhält man trockene Lösungsmittel? Sie sind im Handel zu relativ hohem Preis erhältlich; Analytiker und Biowissenschaftler greifen oft auf diese Quellen zu. Billiger ist, wenn man wasserhaltige Lösungsmittel selbst reinigt. Hierfür gibt es verschiedene Methoden; viele davon können nur für spezielle Lösungsmittel benutzt werden. Im Zweifelsfall muss hierfür die Literatur zu Rate gezogen werden.. Einfach, vielseitig verwendbar und ungefährlich ist das

Trocknen mit Molekülsieben

Molekülsiebe, meist nach dem englischen (molecular sieves) im Deutschen "Molekularsiebe" genannt, sind kristalline, synthetische Zeolithe, deren Kristallgitter zahlreiche Hohlräume (Poren) enthält, welche miteinander durch Kanäle verbunden sind. Im Laborjargon wird oft die Bezeichnung "Molsieb" benutzt; aber ein Mol lässt sich schwerlich sieben, höchstens Moleküle!

Abb. 1-9. Struktur eines Zeoliths.

Der mittlere Durchmesser der Poren (300-1000 Pikometer), die Porengröße, lässt sich bei der Fabrikation reproduzierbar einstellen und wird meistens in Angstrom-Einheiten angegeben: 3, 4, 5, 10 A). Dementsprechend unterscheidet man Molekularsieb 3A bis Molekularsieb 10A.

Molekülsiebe werden als Pulver, Perlen oder Stäbchen gehandelt. Für die Lösungsmittel-Trocknung verwendet man meistens die Perlform.

In die Hohlräume können u.a. Wassermoleküle eingelagert und reversibel gebunden werden. 100 g Molekülsieb kann bei Raumtemperatur bis zu 20 g Wasser aufnehmen. Aber auch andere Moleküle, so die des Lösungsmittels, können adsorbiert werden. Damit die relativ kleinen Wassermoleküle bevorzugt eindiffundieren können, wählt man eine möglichst kleine Porengröße, 3 oder 4 Angstrom. Dies hängt auch vom Lösungsmittel ab.

Wasserhaltige Lösungsmittel lassen sich mit Molekülsieben nach zwei Verfahren trocknen:

Bei der satzweisen Trockung (Batch-Verfahren) lässt man das Lösungsmittel in einer Flasche über Molekülsieb ungefähr 24 Stunden stehen, wobei man gelegentlich umschüttelt. Im allgemeinen sind für 1 Liter Lösungsmittel mit einem Wassergehalt von etwa 1% ungefähr 100 g Molekülsieb erforderlich.

Die kontinuierliche Trocknung in einem Glasrohr (Schwerkraftsäule) ist effizienter. Man benötigt dazu ein Glasrohr mit einem angeschmolzenen kugelförmigen Oberteil und einem Hahn am Ende. Knapp oberhalb des Hahns ist eine Glasfritte eingeschmolzen. Hat man keine Säule mit Glasfritte, so stopft man etwas Glaswolle oder Watte in den Unterteil der Säule und füllt diese dann mit Molekülsieb-Perlen. Für eine 60 cm lange Säule von ca. 25 mm Durchmesser benötigt man ungefähr 250 g Molekülsieb. Man lässt nun langsam (!) das wasserhaltige Lösungsmittel auf die Füllung tropfen; dabei kann die Säule warm werden. Steht der Flüssigkeitsspiegel über der Füllung, regelt man mit dem Hahn die Fließgeschwindigkeit auf ca. 0,5 bis 0,8 ml/min ein. Das zuerst austropfende Lösungsmittel kann noch Staubanteile (wenn frisches Molekülsieb verwendet wird) und Spuren von Wasser enthalten. Man fängt daher den "Vorlauf" (ca. 250 ml) getrennt auf und lässt ihn nochmals durch die Säule sickern. Das folgende Lösungsmittelvolumen kann dann im allgemeinen ohne weitere Reinigung verwendet werden.

Wenn das getrocknete Lösungsmittel unmittelbar in das Auffanggefäß tropft, so kann ein Teil verdunsten. Dadurch wird die Umgebung abgekühlt (Verdampfungswärme!); aus der Luft kann wieder Feuchtigkeit aufgenommen werden. Dies kann verhindert werden, indem man zwischen dem Auslauf des Hahns und dem Auffanggefäß ein Verbindungsstück anbringt, welches die Luft ausschließt. Zum Druckausgleich trägt es ein mit Calciumchlorid gefülltes Trockenrohr.

Abb. 1-10. Bild suchen

Die getrockneten Lösungsmittel werden auch über Molekülsieb aufbewahrt. Pro Liter benötigt man etwa 10 g Molekülsieb. Dieses soll staubfrei oder regeneriert worden sein (s.u.).

Die kontinuierliche Arbeitsweise ist der diskontinuierlichen vorzuziehen; sie ist intensiver und insgesamt zeitsparender. Auch bei Verwendung kleinerer Säulen lassen sich ausgezeichnete Trocknungseffekte erzielen. Bei schwieriger zu trocknenden Lösungsmitteln bzw. bei höheren Anfangswassergehalten empfiehlt sich eine satzweise Vortrocknung.

Regenerierung und Aktivierung der Molekülsiebe

Die Molekülsiebe können mehrfach regeneriert werden. Gebrauchtes Molekülsieb lässt man zunächst in einer Schale im Abzug (!) stehen, so dass anhängende Lösungsmittelreste verdampfen können. Anschließend wird das Molekülsieb in einer Weithalsflasche über entmineralisiertem Wasser stehen gelassen. Das Wasser wird einige Mal erneuert. Zur Aktivierung ,d.h. vollständigen Entfernung des Wassers aus dem beladenen Zeolith, wird in einer Schale das Molekülsieb in einem Trockenofen langsam erwärmt, so dass das locker anhaftende Wasser verdampft. Dann wird mehrere Stunden auf 350 bis 400 °C erhitzt; das in den Hohlräumen adsorbierte Wasser wird dabei ausgetrieben. Man lässt die Schale mit dem Molekülsieb im Exsikkator auf Raumtemperatur abkühlen. Eine gründliche Aktivierung bzw. Regenerierung der Molekülsiebe ist unerlässlich! Warnung: Erhitzen Sie niemals Molekülsiebe, die mit organischen Chemikalien in Berührung gekommen sind, im Trockenschrank! Explosionsgefahr!

Trocknen von Extrakten

Bevor man einen organischen Extrakt weiter verarbeitet, muss man das Wasser entfernen, was man das “Trocknen“ der Extrakte nennt. Unterlässt man dies, so können Störungen im weiteren Gang der Aufarbeitung oder Ausbeuteminderungen eintreten. So kann sich beim anschließenden Abdestillieren der leichtflüchtigen Lösungsmittel das Wasser im Rückstand anreichern und die Kristallisation verzögern oder verhindern. Hydrolyseempfindliche Stoffe können beim Abdestillieren des wasserhaltigen Lösungsmittels reagieren. Im harmlosesten Fall wird der Rückstand von Wassertröpfchen durchsetzt sein, die anders schwierig zu entfernen sind. Trockenmittel für Extrakte sind wasserfrei getrocknete anorganische Salze, die Hydrate bilden: MetX_m + nH₂O → MetX_m•nH₂O.

Am häufigsten werden verwendet:

• Calciumchlorid, CaCl₂
• Natriumsulfat, Na₂SO₄,
• Magnesiumsulfat, MgSO₄,
• Calciumsulfat, CaSO₄.

Für die praktische Durchführung des Trocknens sollte man folgendes beachten:

• Verwenden Sie nur Trockenmittel einwandfreier Qualität, d.h. solche, die wirklich wasserfrei sind. In der Regel muss man Trockenmittel vor Gebrauch entwässern, was durch Ausheizen (“Glühen“) auf einem Blech oder in einer Eisenschale getan wird. Das ausgeheizte Trockenmittel sollte rasch in eine dicht verschließbare Vorratsflasche abgefüllt werden, wo man es abkühlen lässt. Selbstverständlich darf noch warmes Trockenmittel nicht in organische Lösungen gegeben werden.
• Das Trocknen braucht genügend Zeit, denn es ist ein Diffusionsprozess zwischen flüssiger und fester Phase. Gelegentliches Umschütteln oder magnetisches Rühren erhöht die Trocknungsgeschwindigkeit. Wenn nicht gerührt wird, sollte mehrere Stunden, am besten über Nacht, getrocknet werden.
• Nicht übertrieben viel Trockenmittel nehmen; durch Adsorption können Substanzverluste auftreten. Beim Abfiltrieren des Trockenmittels müsste man dieses mit einem Übermaß an getrocknetem (!) Lösungsmittel auswaschen. Am besten trocknet man den Extrakt kurze Zeit mit wenig Trockenmittel vor, dekantiert vom Trockenmittel ab und gibt dann frisches Trockenmittel zur Lösung, das man längere Zeit einwirken lässt.
• Das Trockenmittel muss abfiltriert und mit trockenem Lösungsmittel ausgewaschen werden, bevor man das Lösungsmittel abdestilliert. Sonst kann beim Destillieren Hydratwasser zum Teil reversibel freigesetzt werden.
• Calciumchlorid ist als Trockenmittel nicht für alle Stoffe geeignet. Es kann Komplexe bilden mit vielen Alkoholen, Aminen und einigen Estern und Ketonen. Das handelsübliche wasserfreie Calciumchlorid kann durch den industriellen Entwässerungsprozess etwas basische Calciumsalze enthalten, die Carbonsäuren und Phenole binden können. Im Zweifelsfalle also lieber Magnesiumsulfat oder Natriumsulfat verwenden.

Literatur

1. C. Reichardt, Lösungsmitteleffekte in der organischen Chemie, Verlag Chemie, Weinheim, 1969.
2. C. Reichardt, Solvent Effects in Organic Chemistry, Verlag Chemie, Weinheim, New York, 1979.
3. J. A. Riddick und W. B. Bunger, Organic Solvents in: Techniques of Chemistry, Vol. 2 (Hrsg. A.Weissberger), Wiley-Interscience 1970.
4. J. L.M. Abboud, M. J. Kamlet und R. W. Taft, Progr. Phys. Org. Chem. (Hrsg. R. W. Taft), Vol. 13, 485 (1981).
5. M. J. Kamlet, J. L. M. Abboud, M. H. Abraham und R. W. Taft, J. Org. Chem. 48, 2877-2887 (1983).
6. Informationsschrift der E. Merck A. G.: Trocknen im Labor , Darmstadt.

Versuche

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Trennungen durch Adsorption

Entfärben und Klären von Extrakten und Lösungen, Reinigung von Lösungsmitteln

Bei der Extraktion von Feststoffen fallen häufig trübe Lösungen an, die oft mehr oder weniger kleine Anteile von Wasser enthalten. Die Entfernung von Wasseranteilen aus Lösungen wird als "Trocknen" bezeichnet und weiter unten behandelt (Kapitel 4). Trübe Lösungen werden filtriert. Die feine Suspension, welche die Trübung verursacht, kann durch Zugabe von Filtrierhilfen leichter abgetrennt werden (Klären). Häufig verwendete Filtrierhilfen sind Cellulosepulver und Kieselgur (Diatomeenerde). Letztere besteht aus den Skeletten fossiler Kieselalgen, die aus polymerer Kieselsäure aufgebaut sind, d.h. Si-O-Si-Bindungen enthalten, und industriell von Verunreinigungen befreit werden. Im Labor wird häufig das Kieselgur-Markenprodukt Celite (geschütztes Warenzeichen) eingesetzt. Kieselgur ist resistent gegenüber den meisten Chemikalien, im Gegensatz zum Cellulosepulver, welches von stärkeren Säuren und Oxidationsmitteln angegriffen und damit unwirksam gemacht wird.

Die Ausführung kann nach zwei Methoden erfolgen:

• Einrühren

Die Lösung wird mit einer kleinen Menge Filtrierhilfsmittel wie Kieselgur oder Cellulosepulver versetzt und umgerührt. Anschließend wird die Suspension durch ein gefaltetes Papierfilter filtriert.

• Schichtfiltration

Ein Büchnertrichter (Nutsche) wird mit einem Rundfilter belegt. Man beschichtet das Papier mit dem Filtrierhilfsmittel und lässt die zu klärende Lösung vorsichtig durch die Schicht fließen. Um das Aufwirbeln der Filterschicht zu verhindern, kann man einen Glasstopfen umgekehrt auf das Filter legen und die Lösung über den Stopfen laufen lassen. Häufig wird das Filter bei dieser Prozedur verstopft werden, vor allem, wenn die Filterfläche klein ist. Um dies zu verhindern, kann man das Filtrierhilfsmittel mit dem Lösungsmittel zu einem Brei verrühren und diesen gleichmäßig auf der Filterfläche verteilen. Im Falle von Kieselgur wird empfohlen, 1 Teil mit 2 Teilen Wasser anzurühren; für 10 cm² Filterfläche rechnet man mit ca.1-2 g Kieselgur.

Entfärbung durch selektive Adsorption

Viele Extrakte enthalten farbige Begleitstoffe als Verunreinigungen. Diese lassen sich in günstigen Fällen durch Adsorption an Feststoffen entfernen. Der Adsorptionsvorgang spielt sich an der Grenzfläche zwischen einem Feststoff (Adsorbens, kurz: Sorbens) und einer Lösung (Flüssigkeit) ab. Es handelt sich um einen Gleichgewichtsprozess, bei dem Moleküle zwischen einem solvatisierten Zustand (in Lösung) und einem Zustand wechseln, in dem sie am Feststoff gebunden sind.

$\mathrm{X_\text{solv} \rightleftharpoons \ X_\text{ads}}$

Die bekannten zwischenmolekularen Wechselwirkungskräfte treten auch hier in Erscheinung. Polare Moleküle werden an polaren Sorbentien stark gebunden, oft wird dabei Wärme frei (Sorptionsenergie). Physikalisch charakterisiert man die Adsorption durch die Adsorptionsisothermen (Abb. 2-1). Man trägt auf der Ordinate die adsorbierte Substanzmenge (x_ads) in g/g Sorbens auf; auf der Abszisse wird die im Gleichgewicht (!) stehende Substanzmenge (x_mobil) in der Lösung aufgetragen.

Abb. 2-1. Lineare (A) und konvexe (B) Adsorptionsisothermen (schematisch).

Sind die aktiven Zentren der Oberfläche belegt (das Sorbens also gesättigt), so wird zusätzlich angebotene Substanz nicht mehr adsorbiert, sondern liegt in solvatisiertem Zustand vor. Die maximale Menge an adsorbierter Substanz wird durch die zu belegende wirksame Oberfläche des gewählten Feststoffs bestimmt. In der Praxis muss diese durch Vorversuche, d.h. empirisch, ermittelt werden.

Sorbentien

Als Sorbentien werden neben Cellulosepulver häufig Aktivkohle und Bleicherde verwendet. Bei Letzterer handelt es sich um ein Gemisch von Tonmineralien (Montmorillonit, Bentonit), das billig ist und daher vor allem in der Industrie genutzt wird.

Aktivkohlen werden aus Holz oder fossiler Kohle industriell hergestellt. Es gibt sie in pulverförmiger, gekörnter oder anders geformter Gestalt. Sie sind porös und haben daher eine große spezifische Oberfläche, zwischen ca.800 und 1500 m²/g. Die Porenradien sind nicht so einheitlich wie bei den Zeolithen, sondern reichen von < 1 nm (Mikroporen) bis > 25 nm (Makroporen). Mesoporen weisen Radien von 1-25 nm auf. Durch die unterschiedlich großen Poren adsorbieren die Aktivkohlen fast jede Art von Molekülen. Das Adsorptionsvermögen der Aktivkohle hängt von der Oberfläche und der Porengröße ab, denn bei der Adsorption müssen die Moleküle in die Poren hinein diffundieren. Dies braucht seine Zeit (Geduld!). Gepulverte Kohlen lassen sich schneller beladen als gekörnte.

Kieselgel Anders als Kieselgur ist Kieselgel ein durch einen chemischen Prozess industriell hergestelltes Adsorptionsmittel. Es hat eine wesentlich höhere innere Oberfläche als Kieselgur und wird vor allem für die Adsorption in Trennsäulen verwendet. Kieselgele tragen an ihrer Oberfläche freie Si-OH-Gruppen (Silanol-Gruppen), welche als Wasserstoffbrücken-Donoren gegenüber den zu adsorbierenden Molekülen fungieren können und dem Sorbens einen schwach sauren Charakter verleihen. Kieselgel wird meist in körniger Form verschiedener Größen eingesetzt. Die Körner sind ebenfalls porös; der mittlere Durchmesser der Poren wird meistens in Angstrom-Einheiten angegeben, z.B. 60-120 A).

Aluminiumoxide Diese Sorbentien, oft nach dem englischen Alumina genannt, werden ebenfalls industriell in standardisierter Form hergestellt. Neben der Korn- und Porengröße sind vor allem der Charakter und die sogenannte Aktivität des Aluminiumoxids zu beachten. Der technische Prozess, die Hydrolyse von Natriumaluminat, führt zunächst zu einem Aluminiumoxid mit basischem Charakter. Durch Nachbehandlung lassen sich auch Aluminiumoxide mit neutralem und saurem Charakter herstellen, die im Handel angeboten werden (Alumina basisch, neutral und sauer). Intensives Entwässern der Aluminiumoxide bei höherer Temperatur liefert hochaktives Aluminiumoxid (Aktivitätsstufe I oder Aktivitätsstufe Super I). Es adsorbiert geeignete Moleküle sehr stark. Daher behandelt man das hochaktive Aluminiumoxid mit definierten Mengen Wasser, wodurch es desaktiviert wird. Die Adsorptionskraft ist dann zwar geringer, aber die Adsorption ist in der Regel selektiver gegenüber verschiedenen Adsorbat-Molekülen. In der Praxis werden der Charakter und die Aktivitätsstufe von Aluminiumoxiden ermittelt, indem man Lösungen von Testfarbstoffen durch kleine Aluminiumoxid-Säulen laufen lässt. Die Farbstoffe werden selektiv adsorbiert (Aktivitätstest nach Brockmann, Versuche 2D und 2E).

Durch Adsorption können Stoffgemische oft grob aufgetrennt werden. In der Regel schließen sich jedoch Feintrennungen durch Kristallisation oder Chromatographie an. Grobe Trennungen können nach folgenden Techniken ausgeführt werden:

• Einrühr-Verfahren

Bei dieser satzweisen Methode ("Batch-Verfahren") wird das Sorbens in einmaligen Kontakt mit der Lösung gebracht. Man wartet bis sich das Adsorptionsgleichgewicht eingestellt hat; durch Erwärmen kann dies beschleunigt werden. Anschließend wird das Sorbens abfiltriert (Einrühren, "Ziehenlassen" und Abfiltrieren).

Beispiel für die Adsorption an Aktivkohle-Pulver: Gepulverte Kohle wird der zu reinigenden Lösung entweder trocken oder als Suspension im Lösungsmittel (z.B. eine 25%ige Suspension von Aktivkohle in Wasser) zugegeben. Nach ca. 30 min Rühren, möglichst unter Erwärmen (raschere Gleichgewichtseinstellung!), filtriert man. Dosierung: 0,1 bis 1 % der zu entfärbenden Lösung; Vorversuche sind zu empfehlen. Die Verwendung gepulverter Kohle wird durch Zugabe weiterer Filtrierhilfsmittel erleichtert; besonders gut hat sich Kieselgur bewährt. Um zu vermeiden, dass sehr kleine Kohlepartikel durch das Filter wandern, kann man die Lösung direkt noch mit Kieselgur versetzen oder eine Schichtfiltration (s.o.) durch Kieselgur (Celite) vornehmen.

• Adsorptive Schichtfiltration

Man schwemmt Aktivkohle mit oder ohne Kieselgur in Lösungsmittel auf, belegt damit die Filterfläche in einem Büchner-Trichter (Nutsche) möglichst gleichmäßig und filtriert die Lösung durch die vorbereitete Schicht.

• Säulenverfahren (Perkolation, Adsorptive Filtration)

Das Sorbens wird in ein Trennrohr (Säule) aus Glas eingebracht, dessen Ende mit einem Hahn (ö”glichst Teflon-Ventil) versehen ist. Eine Lösung des Gemisches wird kontinuierlich auf die Säule aufgegeben, bis diese mit allen adsorbierbaren Stoffen gesättigt ist. Die mit dem Sorbens gefüllte Säule ist möglichst senkrecht aufzustellen, damit sich beim Wandern der Lösung nach unten (Perkolieren) Kanäle weniger leicht ausbilden können. Bei diesem Verfahren wird nur die am schwächsten adsorbierte Substanz, die deshalb "an der Front" läuft, rein erhalten. Allen anderen sind die nachfließenden Anteile der vorhergehenden Fraktionen beigemischt. Das Verfahren eignet sich zur Reinigung von rohen Naturstoffen, unreinen Industriechemikalien und Syntheseprodukten von allen stärker adsorbierbaren Verunreinigungen. Als Sorbentien werden häufig Aktivkohle in gekörnter Form sowie Aluminiumoxide und Kieselgel eingesetzt.

• Reinigung von Lösungsmitteln

Für die Reinigung von Lösungsmitteln wird in erster Linie die adsorptive Filtration durch Aluminiumoxid genutzt: Entfernen von Wasser aus aprotischen organischen Lösungsmitteln (Trocknen) durch adsorptive Filtration. Die einfachste Versuchsanordnung zur Lösungsmittelreinigung besteht aus einem Glasrohr ("Säule") mit einem kugelig aufgeweiteten Oberteil und einem Hahn am Ende. Knapp oberhalb des Hahns ist eine Glasfritte eingeschmolzen. Hat man keine Säule mit Glasfritte, so bringt man etwas Glaswolle oder Watte in den Unterteil der Säule und füllt diese dann mit einem entsprechenden Adsorptionsmittel, vorzugsweise hochaktivem Aluminiumoxid (basisch) der Aktivitätsstufe I oder Super I. Das Durchmesser/Längenverhältnis der Säulen soll ungefähr 1:10 bis 1:20 betragen. Die Verdunstung und Wiederaufnahme von Feuchtigkeit aus der Luft wird dadurch verhindert, dass man zwischen dem Auslauf des Hahns und dem Auffanggefäß ein geeignetes Verbindungsstück anbringt, das zum Zwecke des Druckausgleichs ein mit Calciumchlorid oder Aluminiumoxid gefülltes Trockenrohr trägt. Das Lösungsmittel, welches gereinigt werden soll, wird anfänglich tropfenweise auf die Säule gegeben, und zwar so, dass sich die Säule möglichst wenig erwärmt (Sorptionswärme!). Sobald die Lösungsmittelfront an der Säule unten angekommen ist und die ersten Tropfen ausfließen, wird die Säule soweit gefüllt, dass ein entsprechender Flüssigkeitsspiegel sich einstellt, der dann das Lösungsmittel mit höherem Fluss durch das Bett drückt. Bei einer Säule von ungefähr 25 mm innerem Durchmesser stellt ein Durchfluss von 90 Tropfen/min eine für viele Fälle adäquate Flussgeschwindigkeit dar. Die ersten wenigen Milliliter des austretenden Lösungsmittels sollten wieder auf die Säule zurückgegeben werden: Dieser Vorlauf enthält wegen der frei werdenden Adsorptionswärme meist etwas weniger reines Lösungsmittel als die nachfolgenden Volumina. Je nach Polarität und Art der Verunreinigungen ist die nun nachfolgende Solvensfraktion sehr rein. Ihr Volumen hat für die verwendete Säule eine dem Lösungsmittel spezifische Gr”áe. Niedrig siedende polare Lösungsmittel lassen üblicherweise eine höhere, stärker polare Lösungsmittel eine niedrigere Kapazität der eingesetzten Säule erwarten. Lösungsmittel, die auf diese Art gereinigt werden, sind sowohl frei von gefärbten Verunreinigungen als auch trocken ("absolut"). In vielen Fällen ist es sehr leicht, die Belastung der Säule festzustellen, denn die Verunreinigungen konzentrieren sich anfänglich am Säulenkopf. Sie bilden einen gelben bis dunkelbraun gefärbten Ring (Zone). Dieser Ring wird durch die ebenfalls aufgenommene Feuchtigkeit langsam verdrängt und wandert in der Säule nach unten. Sobald diese Zone am Säulenausgang angekommen ist, ist die Säule "erschöpft". Es ist zweckmäßig, schon dann mit der Perkolation aufzuhören, wenn die dunkle Zone noch etwa 1 bis 2 cm über dem Säulenausgang steht. Die Tabellen 2-1 bis 2-# zeigen einige Beispiele gereinigter Lösungsmittel und geben ebenfalls ungefähre Kapazitäten der jeweils verwendeten Adsorptionsmittelsäulen an. Die adsorptive Filtration ist für die Reinigung einiger aprotischer Lösungsmittel, vor allem Kohlenwasserstoffe und Chlorkohlenwasserstoffe, im Laborbereich relativ einfach und wirtschaftlich. Die auf diese Weise hergestellten hochreinen Solventien sind besonders wertvoll, da man festgestellt hat, dass gewisse marktübliche, als "rein" deklarierte Lösungsmittel weniger stabil sind und leichter der Autoxidation unterliegen. Durch öfteres Öffnen des Vorratsgefäßes werden wieder Verunreinigungen aus der Umgebungsluft aufgenommen. Reinigt man die Lösungsmittel durch adsorptive Filtration selbst, so kann man sich auf die sofort zu verarbeitenden Mengen beschränken und hat stets die Vorteile eines frisch bereiteten Solvens. Wenn man die adsorptive Filtration von Lösungsmitteln durch aktive Aluminiumoxide mit den althergebrachten Trocknungsmethoden vergleicht, so hat die Adsorptionsmethode erhebliche Vorteile: Die verwendete Apparatur ist billig, und der Zeitaufwand für die Reinigung ist gering, sofern es sich um kleinere Lösungsmittelmengen handelt. Sehr oft sogar ist die Reinheit höher und der Restwassergehalt geringer als nach einer Lösungsmittelreinigung üblicher Art, die meistens zeitaufwendige Heiz- und Rückflussprozesse, so z.B. über Alkalimetallen (Natrium) oder Erdalkalioxiden, und nachfolgende Destillationen notwendig machen. Für Biowissenschaftler(innen) kann diese Reinigung kleinerer Mengen organischer Lösungsmittel nützlich sein, wenn diese für die Dünnschichtchromatographie (Kap. 5), Säulenchromatographie, HPLC und für die Photometrie sowie Spektroskopie (UV/VIS) benötigt werden.

Tabelle 2-1.

Es ist zu beachten, dass einige Lösungsmittel beim Perkolieren durch hochaktives basisches Aluminiumoxid teilweise zersetzt werden, wie z.B. Essigsäureester. Aceton erleidet eine Aldolreaktion (Bildung von "Diacetonalkohol").

• Reinigung spezieller Lösungsmittel

Aktive Aluminiumoxide trocknen nicht nur Flüssigkeiten, sondern sie entfernen aus ihnen weitere polare Verbindungen, die als Verunreinigungen oder Stabilisatoren darin enthalten sein können. Entfernen von Peroxiden im Diethylether: Bekanntlich werden beim Stehen des Ethers an der Luft Hydroperoxide gebildet (Autoxidation). Diese sind polarer als Ether, werden daher von basischem Aluminiumoxid selektiv adsorbiert und so aus dem Solvens entfernt. Entfernung von Alkohol aus Dichlormethan (Methylenchlorid) und Chloroform. Gewinnung des adsorbierten Stoffes durch Desorption: Durch Behandeln mit polareren Solventien, z.B. Alkoholen können in vielen Fällen adsorbierte Moleküle, d.h. Stoffe, vom Sorbens wieder "abgelöst" werden. Auf diese Weise lassen sich ebenfalls Reinigungen oder zumindest Anreicherungen erzielen. Ein die Glassäule umgebender Kühlmantel (Wasserkühlung) kann die Erwärmung verhindern, macht die Apparatur jedoch aufwendiger, so dass meistens darauf verzichtet wird.

Literatur

• G. Hesse, Chromatographisches Praktikum, Akademische Verlagsgesellschaft, Frankfurt am Main, 19 .
• Informationsschrift E. Merck AG, Darmstadt.
• Informationsschrift Woelm.

Versuche

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Trennungen durch Kristallisation

Allgemeines

Die Kristallisation aus Lösungen ist die klassische Reinigungsmethode der organischen Chemie. Sie ist apparativ außerordentlich einfach durchzuführen. Auch hier werden Lösungsmittel als Hilfsphase benutzt. Voraussetzung für eine Trennung bzw. Reinigung durch Umkristallisation ist eine möglichst ausgeprägte Temperaturabhängigkeit der Löslichkeit. Die zu reinigende Substanz soll in heißem Lösungsmittel leichter löslich sein als in kaltem, was im allgemeinen zutrifft. Eine Trennung von Substanzen kann naturgemäß nur dann erfolgen, wenn sich ihre Löslichkeiten im selben Solvens stark unterscheiden. Die schwerer lösliche Substanz kristallisiert dann aus, die leichter lösliche (z. B. die Verunreinigungen) sollen in der Mutterlauge bleiben. Das Kristallisieren wird so lange wiederholt, bis das Kristallisat rein ist. Zur Kontrolle der Reinheit dient meistens die Bestimmung des Schmelzpunktes. Verunreinigungen setzen ihn herab (Schmelzpunktsdepression). Man kristallisiert so lange um, bis der Schmelzpunkt sich nicht mehr ändert. Entscheidend für das Gelingen einer Kristallisation ist die Wahl des richtigen Lösungsmittels; sie erfolgt empirisch, d.h. durch Probieren. Lösungsmittel zur Kristallisation sollen nicht zu gut lösen. Dies gilt besonders, wenn kleine Substanzmengen kristallisiert werden sollen. Findet man kein geeignetes Lösungsmittel, so ist es oft möglich, aus Lösungsmittelgemischen umzukristallisieren (Umlösen). Das Lösungsmittelgemisch ist so beschaffen, dass eine der Lösungsmittelkomponenten gut löst, die andere schlecht. Man löst dann die umzukristallisierende Substanz in dem gut lösenden Solvens, meist in der Hitze, und tropft langsam das schlecht lösende Solvens zu. Typische Beispiele sind Umkristallisation aus dem Paar Chloroform/Petrolether oder Ethanol/ Wasser. Die durch Filtration (Absaugen mit dem Hirsch- oder Büchner-Trichter) abgetrennten Kristalle müssen mit demselben (reinen!) Lösungsmittel bzw. Lösungsmittelgemisch gewaschen werden, damit Verunreinigungen aus der Mutterlauge nicht beim Trocknen an den Kristallen haften bleiben. Auch das zum Waschen der Kristalle verwendete Lösungsmittel muss entfernt werden. Dies geschieht durch Trocknen der Kristalle an der Luft (Abzug). Meist werden jedoch die Lösungsmittel durch Abpumpen der Dämpfe im Vakuumexsikkator entfernt. Der Trocknungseffekt im Exsikkator oder in der Trockenpistole kann durch sog. Trockenmittel, das sind Stoffe, welche die Lösungsmitteldämpfe absorbieren, unterstützt und beschleunigt werden. Gebräuchliche Trockenmittel sind Kieselgel (Blaugel, für Wasser und Alkohole), Calciumchlorid, Phosphorpentoxid, vorzugsweise in Granulatform (z. B. Siccapent). Säuredämpfe, wie z. B. Essigsäure, können durch Beschickung des Exsikkators mit festen Kaliumhydroxid-Plätzchen absorbiert werden. Unpolare Lösungsmittel - wie Petrolether - werden von Hartparaffin-Schnitzeln absorbiert, die man als Exsikkatorfüllung verwendet.

Kristalline Derivate zur Charakterisierung organischer Verbindungen

Der "klassische" Weg zur Charakterisierung organischer Verbindungen mittels Schmelzpunkt ist bei flüssigen Substanzen nicht möglich. In diesen Fällen kann man durch Umsetzung mit bestimmten Reagentien kristalline Derivate herstellen, deren Schmelzpunkt bestimmt wird. Der Schmelzpunkt ist dann ein Charakteristikum der betreffenden Substanz. Außerdem lassen sich auf diese Weise funktionelle Gruppen im Molekül feststellen. Die Derivatisierungs-Technik hat an Bedeutung stark verloren, seit organische Verbindungen in erster Linie durch Spektren charakterisiert werden, die entweder nur winzige Substanzmengen benötigen, z. B. Massenspektren, oder die Substanz nicht zerstören, wie NMR, IR, UV. Eine gewisse Bedeutung haben Derivatisierungen auch heute noch zur Charakterisierung von Aminen, vor allem Alkaloiden, die verschiedene gut kristallisierende Salze (z. B. Pikrate) liefern, und zur Charakterisierung von Carbonylverbindungen, vor allem Ketonen. Diese bilden in rascher Reaktion 2,4-Dinitrophenylhydrazone und Semicarbazone (Versuch 3).

Dinitrophenylhydrazone und Semicarbazone werden nach folgenden Reaktionsgleichungen gebildet:

Versuche

In organisch-chemischen Praktika wird die Herstellung von Semicarbazonen, 4-Nitrophenylhydrazonen und 2,4-Dinitrophenylhydrazonen seit langem zur Identifizierung von Aldehyden und Ketonen geübt. Es gibt verschiedene Vorschriften für diese analytischen Reaktionen. Schon in der vermutlich ersten deutschsprachigen Praktikumsanleitung zur organischen qualitativen Analyse von Hermann Staudinger (1923) wird eine kurze Vorschrift zur Herstellung von Semicarbazonen gegeben. Ausführlichere Vorschriften findet man u.a. in

• Ralph L. Shriner und Reynold C. Fuson, The systematic identification of organic compounds, 3.Aufl., S.171, Wiley, New York u.a.O, 1948, und spätere Auflagen (1. Auflage 1935).
• Houben-Weyl, Methoden der organischen Chemie, 4. Aufl. Bd. 2, S. 446, 448, 449, Thieme, Stuttgart, 1953.
• Organikum, Organische-chemisches Grundpraktikum, 7. Aufl. VEB Deutscher Verlag der Wissenschften, Berlin, 1967 und spätere Auflagen.
• Hartmut Laatsch, Die Technik der organischen Trennungsanalyse, Thieme, Stuttgart, 1988.

Kaye und Yuska machten den Vorschlag, 2,4-Dinitrophenylhydrazone und Semicarbazone als Übungen für das Umkristallisieren und Identifizieren in organisch-chemischen Praktika herzustellen.

Einzelnachweise

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Trennungen durch Verteilung zwischen zwei flüssigen Phasen

Ausschütteln, Flüssig-Flüssig-Extraktion

Trennungen nach diesem Prinzip werden meistens in Scheidetrichtern durchgeführt. Diese enthalten zwei nichtmischbare oder nur wenig untereinander mischbare Flüssigkeiten von verschiedener Dichte. Die dichtere Flüssigkeit sinkt nach unten und bildet die Unterphase. Die Oberphase besteht aus der Flüssigkeit mit der geringeren Dichte. In der Regel ist die Unterphase Wasser oder eine wässrige Lösung von mit Wasser mischbaren organischen Solventien, z.B. niederen Alkoholen. Häufig enthält die wässrige Unterphase gelöste Salze, z. B. Natriumchlorid, wodurch deren Dichte noch erhöht wird. Als Oberphase dienen organische Lösungsmittel, wie niedere Alkane, z.B. Pentan und Hexan, Benzol, Toluol, und sehr häufig Diethylether. Dichlormethan, Trichlormethan (Chloroform) und Tetrachlormethan sind spezifisch schwerer als Wasser; sie erscheinen daher gegenüber diesem als Unterphase.

Zwei nichtmischbare flüssige Phasen in einem Scheidetrichter

Bild 1: Ein Scheidetrichter mit Oberphase (1) und Unterphase (2).

Scheidetrichter werden in verschiedenen Formen hergestellt: kugelförmige, konische, zylindrische und aus diesen Grundformen kombinierte Geräte.

Verschiedene Scheidetrichter

Bild 2: Konische und cylinderförmige Scheidetrichter.

Zum Ausschütteln kleiner Volumina, z. B. für Vorversuche oder GC und DC-Tests, kann man Reagenz- oder Zentrifugengläser verwenden, wobei man die beiden Phasen mit einer lang ausgezogenen Pipette (Pasteur-Pipette) aufsaugt.

Pasteur-Pipetten

Bild 3: Pasteur-Pipetten.

Das Nernstsche Verteilungsgesetz

Eine Trennung kann erfolgen, wenn sich die Substanzen in den beiden flüssigen Phasen unterschiedlich verteilen. Die Verteilung einer Substanz wird durch den Nernstschen Verteilungssatz beschrieben: Das Verhältnis der Konzentrationen einer Substanz in den beiden Phasen ist konstant (ideales Verhalten vorausgesetzt, Aktivitätskoeffizienten werden nicht berücksichtigt). Die Gleichgewichtskonstante wird meist als Verteilungskoeffizient bezeichnet.

$\frac{Konz. \ der \ Substanz \ A \ in \ Phase \ 1}{Konz. \ der \ Substanz \ A \ in \ Phase \ 2} = \frac{c_A1}{c_A2} = \frac{c_o}{c_u} = K_A$

c_o = Konzentration in der Oberphase, c_u = Konzentration in der Unterphase.

Das Nernstsche Verteilungsgesetz wird üblicherweise in Konzentrationen ausgedrückt. Der präparative und analytische Chemiker kann durch Wahl des Volumenverhältnisses der Ober- und Unterphase die Verteilung beeinflussen. Man definiert als Volumenverhältnis (Phasenverhältnis):

$\frac{V_o}{V_u} = V$

wobei V_o = Volumen der Oberphase, V_u = Volumen der Unterphase ist.

Die beiden Phasen enthalten die Substanzmengen x_o (in Gramm oder mg ausgedrückt) und x_u. Das Verhältnis dieser Substanzmengen im Gleichgewicht wird als Verteilungszahl definiert:

$G = \frac{x_o}{x_u}$

Ferner ist es nützlich, die relative Substanzmenge und die prozentuale Verteilung zu definieren. Die relative Substanzmenge in der Oberphase ist

$p = \frac{x_o}{x_o + x_u}$

in der Unterphase

$q = \frac{x_u}{x_o + x_u}$

Mithin ist also p + q = 1

$p + q = 1$

Multipliziert man p und q mit dem Faktor 100, so erhält man die prozentuale Verteilung der Substanz:

P = 100 p, Q = 100 q, also P + Q = 100

Damit ist die Verteilungszahl auch gegeben durch die Beziehungen

$G = \frac{p}{q} = \frac{P}{Q}$

Da P + Q = 100, gilt weiter

$G = \frac{P}{100 - P}$

oder

$P = 100\frac{G}{1 + G}$

und

$G = \frac{100 - Q}{Q}$

oder

$Q = \frac{100}{1 + G}$

Mit diesen Definitionen lässt sich der Nernstsche Verteilungssatz folgendermaßen formulieren:

Da

$c_o = \frac{x_o}{V_o}$

und

$c_u = \frac{x_u}{V_u}$

d. h. Substanzmenge/Volumen

wird aus

$K = \frac{c_o}{c_u} = \frac{x_o}{V_o}\frac{V_u}{x_u} = \frac{G}{V}$

oder

$G = KV$

Übungsaufgabe

Wässriger Tee-Extrakt (25 ml), vgl. Praktikumsversuch "Coffein aus Tee", soll mit verschiedenen Chlorkohlenwasserstoffen (spezifisch schwerere Lösungsmittel, Unterphase) einmal ausgeschüttelt werden. Wie viel Lösungsmittel benötigt man, damit 99 % des Coffeins in die organische Phase überführt werden? Folgende Werte für die Nernstschen Verteilungskoeffizienten von Coffein im System Organisches Lösungsmittel/Wasser bei 20 °C wurden ermittelt:

• Dichlormethan (Methylenchlorid): K_coffein = 8,0

• 1,2-Dichlorethan: K_coffein = 2,9

• Trichlormethan (Chloroform): K_coffein = 4,7

• Tetrachlormethan: K_coffein = 0,12

Beachten Sie, dass diese K-Werte nicht der oben gegebenen Definition entsprechen, daher sollte hier zuerst der reziproke Wert 1/K berechnet werden.

Wiederholtes Ausschütteln

Wie der Vergleich mit dem Resultat der voranstehenden Übungsaufgabe zeigt, ist es ökonomischer, anstelle eines einmaligen Ausschüttelns wiederholt mit kleineren Mengen Lösungsmittel auszuschütteln: Man braucht weniger Lösungsmittel und daher auch weniger Zeit zum anschließenden Abdestillieren der Hilfsphase.

Übungsaufgabe zum Praktikumsversuch "Coffein aus Tee"

a) Berechnen Sie die prozentuale Verteilung P und Q in der Wasserphase und Dichlormethanphase, wenn Coffein (K = 8,0) in 25 ml Wasser mit 12,5 ml Dichlormethan ausgeschüttelt wird.

b) Wie viel Prozent des ursprünglich vorhandenen Coffeins sind aus der wässrigen Phase (25 ml) extrahiert worden, wenn man diese dreimal mit je 12,5 ml Dichlormethan ausschüttelt? Vergleiche den Lösungsmittelverbrauch (3 mal 12,5 ml) mit dem der vorigen Übungsaufgabe.

Perforieren

Wenn Verteilungskoeffizienten sehr groß oder sehr klein sind, genügt mehrmals wiederholtes Ausschütteln nicht, um Substanzen zu >99 % in der spezifisch schwereren bzw. leichteren organischen Phase anzureichern. Man kann dieses dadurch erreichen, indem man die organische Hilfsphase kontinuierlich durch die wässrige Phase strömen lässt (Perforation). Es gibt Perforatoren für spezifisch leichte organische Lösungsmittel, z.B. Diethylether oder Hexan (Hilfsphase steigt nach oben) und spezifisch schwere Lösungsmittel, z. B. Methylenchlorid oder Chloroform. Abb. 5 zeigt ein Gerät für eine spezifisch leichte Extraktionsflüssigkeit.

Abb. 5. Perforator für eine spezifisch leichte Extraktionsflüssigkeit (Kutscher-Steudel-Perforator)

Beziehungen zwischen Verteilungskoeffizient und Molekülstruktur

Im organischen Laboratorium sind in erster Linie Verteilungen zwischen Wasser und organischen Lösungsmitteln, die mit Wasser eine nur beschränkte Löslichkeit zeigen ((vgl. Tab. 4, S. ), wichtig. Häufig verwendete organische Lösungsmittel zur Verteilung sind Pentan (niedriger Siedepunkt!), Hexan, Petrolether, Cyclohexan, Dichlormethan, Chloroform, Diethylether, Ethylacetat, also relativ unpolare Solventien. Was den zu verteilenden Stoff angeht, so ist es nützlich, aprotonische Moleküle von protonischen Molekülen zu unterscheiden. Die Verteilung eines aprotonischen organischen Stoffes zwischen einem unpolaren Solvens (z. B. Hexan, Cylohexan) und Wasser hängt ab:

• von der Molekülgröße des gelösten Stoffes. Je voluminöser das Molekül, desto mehr reichert es sich in der unpolaren Phase an,

• vom Dipolmoment des gelösten Stoffes. Je größer dieses ist, desto mehr reichert sich der Stoff in der Wasserphase an,

• von der Wasserstoffbrücken-Akzeptor-Basizität (HBA-Basizität) des gelösten Stoffes. Je größer diese ist, desto mehr reichert sich der Stoff in der Wasserphase an.

Der letzte Effekt ist, wenn die Voraussetzungen dazu vorliegen, bei weitem der wichtigste. Wenn der zu verteilende Stoff selbst protonisch ist, besitzt er durch seinen Wasserstoffbrücken-Donor-Charakter (HBD-Acidität) die Fähigkeit zu weiteren starken Wechselwirkungen mit organischen Phasen, die HBA-Charakter haben, z. B. Diethylether, Ethylacetat. Zum Ausschütteln sind diese Lösungsmittel daher geeigneter als Kohlenwasserstoffe. Die Beispiele in den Tabellen 6 und 7 sollen diese allgemeinen Betrachtungen illustrieren.

Tabelle 6.

Tabelle 7. Beziehungen zwischen Verteilungskoeffizient und Molekülstruktur des zu verteilenden Stoffes und Lösungsmittels

Verbindung	Formel	Hexan/Wasser	Diethylether/Wasser
Methanol	CH3OH	0,0015	0,14
1-Butanol	CH3CH2CH2CH2OH	0,31	7,7
2,3-Butandiol	CH3CH(OH)CH(OH)CH3	0,000325	0,029
Glycerin	HOCH2CH(OH)CH2OH	?	0,00066
Ameisensäure	HCOOH		0,36
Essigsäure	CH3COOH		0,48
Propionsäure	CH3CH2COOH		1,59
Buttersäure	CH3CH2CH2COOH		4,76
Pivalinsäure	(CH3)3CCOOH		12,99
Glykolsäure	HOCH2COOH		0,028

Verteilungen zwischen Wasser und lipophilen Phasen haben nicht nur für Trennungen und Analysen in der organischen Chemie, sondern auch in der Biologie, Biologischen Chemie und Medizinischen Chemie eine enorme Bedeutung. So ließ sich die narkotische Aktivität vieler einfacher organischer Moleküle mit den Verteilungskoeffizienten zwischen Olivenöl/Wasser, einem Modell für die Verteilung zwischen der Fettphase von Nervenzellen und wässriger Körperflüssigkeit, korrelieren. Auch die Fähigkeit organischer Chemikalien, Pflanzenzellmembranen zu durchdringen, lässt sich mit Verteilungskoeffizienten im System Öl/Wasser korrelieren. Corvin Hansch führte als Modell für die Verteilung in biologischen Systemen (lipophile Phase/wässrige Lösung) die Solvens-Kombination 1-Octanol/Wasser ein, für die zahlreiche Verteilungskoeffizienten bestimmt wurden. Tabelliert werden die Logarithmen der Verteilungskoeffizienten log K, von Hansch als log P (von P = partition, Verteilung) bezeichnet. Die Größe log P kann daher als empirisches Maß für die Liphophilie, manchmal auch Hydrophobie genannt, betrachtet werden. Es wurde gefunden, dass sich diese log-P-Werte im System Octanol/Wasser sogar quantitativ abschätzen ("berechnen") lassen, indem man Inkremente von Teilstrukturen und Substituenten addiert. Außerdem können die log P-Werte mit dem Hildebrandschen Löslichkeitsparameter δ und den Polaritätsparametern π* und β linear korreliert werden. Diese qualitativen Beziehungen ließen sich an einigen Beispielen auch quantifizieren: Der Logarithmus des Verteilungskoeffizienten log K im System Cyclohexan-Wasser gibt eine lineare Korrelation mit dem Molvolumen des gelösten Stoffes (V), dem Polaritätsparameter π* und dem Parameter der HBA-Basizität α (s. S. ).: log K (C₆H₁₂/H₂O) = -0.05 + 3.69 V/100 - 1.15 π* - 5.64 α

Tabelle 8 zeigt einige Beispiele für Verteilungen im System 1-Octanol/Wasser.

Der Trennfaktor

Sollen zwei Substanzen A und B durch Verteilung zwischen zwei nicht¬mischbaren flüssigen Phasen getrennt werden, so müssen ihre Verteilungskoeffizienten verschieden groß sein. Unterscheiden sie sich nur wenig, so erhält man lediglich eine Anreicherung einer Komponente gegenüber der anderen:

Die Wirksamkeit einer Trennung wird durch den Trennfaktor β beschrieben, der folgendermaßen definiert ist:

$\beta=\frac{(Konz. von A/Konz. von B) in Phase 1}{(Konz. von A/Konz. von B) in Phase 2}=\frac{c_A1/c_B1}{c_A2/c_B2}$

Da

$\frac{c_A1}{c_A2} = K_A$

und

$\frac{c_B1}{c_B2} = K_B$

ergibt sich

$\beta=\frac{c_A1 c_B2}{c_B1 c_A2}=\frac{K_A}{K_B}$

Der Trennfaktor ist also gleich dem Verhältnis der Verteilungskoeffizienten der Substanzen A und B. Ist K_A = K_B, d. h. β = 1, so ist eine Trennung durch Verteilung prinzipiell unmöglich. Durch eine einmalige Verteilung lassen sich Substanzen nur dann befriedigend trennen, wenn β > 100 ist, d. h. die Verteilungskoeffizienten müssen sich möglichst stark unterscheiden.

Im wässrig/organischen Lösungsmittelsystem ist dies mit Sicherheit der Fall, wenn die eine Komponente (A) eine aprotonische Neutralsubstanz, die andere (B) eine ionogene Verbindung (Salz) ist. So lassen sich anorganische Salze, die beim Neutralisieren von Reaktionsansätzen entstehen, von organischen Verbindungen meistens dadurch abtrennen, dass man das Gemisch zwischen Ether und Wasser verteilt: die Salze gehen in die wässrige, die organischen Verbindungen in die etherische Phase. Organische Säuren und Neutralsubstanzen lassen sich häufig dadurch trennen, dass man die ersteren mit wässrigen Basen, z. B. 5 % NaOH- oder KOH-Lösung, aus etherischer Lösung herausextrahiert. Für die selektive Extraktion von Carbonsäuren genügt die schwächere Base Natriumhydrogencarbonat. So lassen sich z. B. Phenole (pKa = ca. 10) von Carbonsäuren (pKa = ca. 4.7) trennen.

Abbildung 5

Organische Basen und Neutralsubstanzen (erstere können z. B. Amine, basische Stickstoff-Heterocyclen oder Alkaloide sein) lassen sich oft trennen, indem man zwischen Ether und verdünnter wässriger Salzsäure (ca. 5 % HCl) verteilt. Die organischen Stickstoffbasen werden am N protoniert; die entstehenden Ammoniumsalze werden durch Wasser besser solvatisiert als durch Ether und gehen daher in die wässrige Phase. Die Abbildungen 5 und 6 demonstrieren zwei charakteristische Beispiele.

Abbildung 6

Das Trocknen von Flüssig/Flüssig-Extrakten

Beim Ausschütteln (Extrahieren) oder Perforieren wässriger Lösungen wird in die organische Phase Wasser eingeschleppt. Da auch mit Wasser "nicht mischbare" Lösungsmittel mehr oder weniger große Mengen an Wasser lösen können (vgl. Tab. 4, S. ), werden diese nach einer Extraktion mit Wasser gesättigt sein. Bevor man den organischen Extrakt weiter verarbeitet, muss man das Wasser entfernen, was man das "Trocknen" der Extrakte nennt. Unterlässt man dies, so können Störungen im weiteren Gang der Aufarbeitung oder Minderung der Ausbeute eintreten. So kann sich beim anschließenden Abdestillieren der leichtflüchtigen Lösungsmittel das Wasser im Rückstand anreichern und die Kristallisation verzögern oder verhindern. Hydrolyseempfindliche Stoffe können beim Abdestillieren des wasserhaltigen Lösungsmittels reagieren. Im harmlosesten Fall wird der Rückstand von Wassertröpfchen durchsetzt sein, die anders schwierig zu entfernen sind. Trockenmittel für Extrakte sind wasserfrei getrocknete anorganische Salze, die Hydrate bilden: MetXm + nH2O MetXmùnH2O.

Am häufigsten werden verwendet:

• Calciumchlorid, CaCl₂,
• Natriumsulfat, Na₂SO₄,
• Magnesiumsulfat, MgSO₄,
• Calciumsulfat, CaSO₄.

Um Säurespuren, wenn noch vorhanden, aus Extrakten zu entfernen, kann man auch mit wasserfreiem Kaliumcarbonat (Pottasche) trocknen, einem leicht basischen Trockenmittel. Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid dienen weniger zum Trocknen von Extrakten als vielmehr von Lösungsmitteln, Pyridin oder Aminen. Die verschiedenen Trockenmittel unterscheiden sich in ihrer Aufnahmefähigkeit für Wasser und im Trocknungsgrad, den sie liefern. In Tabelle 8 sind die möglichen Hydrate der oben genannten Trockenmittel angegeben.

Die Aufnahmefähigkeit eines Trockenmittels für Wasser wird durch den Begriff der Trocknungskapazität ausgedrückt, der angibt, wie viel Gewichtsprozent Wasser das betreffende wasserfreie Trockenmittel aufnehmen kann:

Trocknungskapazität (%) = $\frac{m_{H_2O} 100}{m_{Trockenmittel}}$

Die Trocknungsintensität, d. h. wie "scharf" ein Trockenmittel trocknet, wird durch den Gleichgewichtsdampfdruck des Wassers über dem Salzhydrat bestimmt. Tabelle 8 zeigt, dass sich die üblichen Trockenmittel hierin unterscheiden: Calciumsulfat ("Drierite ") hat eine besonders hohe Trocknungsintensität, aber eine geringe Trocknungskapazität - es bindet nur 1/2 Moläquivalent H₂O. Daher kann man Lösungen mit Calciumsulfat "feintrocknen", nachdem sie - zur Entfernung der Hauptmenge an Wasser - mit einem der anderen Trockenmittel "vorgetrocknet" worden sind. Für die praktische Durchführung des Trocknens sollte man folgendes beachten: Verwenden Sie nur Trockenmittel einwandfreier Qualität, d.h. solche, die wirklich wasserfrei sind. In der Regel muss man Trockenmittel vor Gebrauch entwässern, was durch Ausheizen ("Glühen") auf einem Blech oder in einer Eisenschale getan wird. Das ausgeheizte Trockenmittel sollte rasch in eine dicht verschließbare Vorratsflasche abgefüllt werden, wo man es abkühlen lässt. Selbstverständlich darf noch warmes Trockenmittel nicht in organische Lösungen gegeben werden. Das Trocknen braucht genügend Zeit, denn es ist ein Diffusionsprozess zwischen flüssiger und fester Phase. Gelegentliches Umschütteln oder magnetisches Rühren erhöht die Trocknungsgeschwindigkeit. Wenn nicht gerührt wird, sollte mehrere Stunden, am besten über Nacht, getrocknet werden. Nicht übertrieben viel Trockenmittel nehmen; durch Adsorption kann Substanz verloren gehen. Beim Abfiltrieren des Trockenmittels müsste man dieses mit einem Übermaß an getrocknetem (!) Lösungsmittel auswaschen. Am besten trocknet man den Extrakt kurze Zeit mit wenig Trockenmittel vor, dekantiert vom Trockenmittel ab und gibt dann frisches Trockenmittel zur Lösung, das man längere Zeit einwirken lässt. Das Trockenmittel muss abfiltriert und mit trockenem Lösungsmittel ausgewaschen werden, bevor man das Lösungsmittel abdestilliert. Sonst kann beim Destillieren Hydratwasser zum Teil reversibel freigesetzt werden. Calciumchlorid ist als Trockenmittel nicht für alle Stoffe geeignet. Es kann Komplexe bilden mit vielen Alkoholen, Aminen und einigen Estern und Ketonen. Das handelsübliche wasserfreie Calciumchlorid kann durch den industriellen Entwässerungsprozess etwas basische Calciumsalze enthalten, die Carbonsäuren und Phenole binden können. Im Zweifelsfalle also lieber Magnesiumsulfat oder Natriumsulfat verwenden.

Literatur

• E. Hecker, Verteilungsverfahren im Laboratorium, Verlag Chemie, Weinheim 1955.
• R. Bock, Methoden der Analytischen Chemie, Bd. 1, Verlag Chemie, Weinheim 1973.
• Informationsschrift der E. Merck AG, Trocknen im Laboratorium, Darmstadt

Versuche

• Praktikum_Organische_Chemie/ Extraktion/ Coffein aus Tee
• Praktikum_Organische_Chemie/ Abtrennung von Benzoesäure aus autoxidiertem Benzaldehyd

Durch systematische Wiederholung von Verteilungsschritten lassen sich auch Substanzen trennen, die sich in ihren Verteilungskoeffizienten bzw. Trennfaktoren weniger unterscheiden.

Ein apparativ aufwendiges Verfahren ist die Gegenstromverteilung, welche jedoch in Praktika der Organischen Chemie keine Rolle spielt. Systematisch wiederholte Verteilungsschritte lassen sich mit einfacheren Mitteln durch die Methoden der Verteilungschromatographie realisieren, insbesondere in der Variante der Schichtchromatographie.

Verteilungs-Schichtchromatographie

Prinzip der Trennung

Die Anordnung zur Schichtchromatographie basiert auf einem Träger (Glasplatte, Aluminium- oder Kunststoff-Folie), der mit einem Sorbens beschichtet wird. Dieses dient dazu, die stationäre flüssige Phase aufzunehmen, d.h. es wird mit dieser imprägniert. Die Imprägnierung kann vor der Chromatographie oder auch während des Trennvorganges (kontinuierlich) erfolgen. Die mobile Phase, welche in der Schichtchromatographie auch als Fließmittel oder Laufmittel bezeichnet wird, strömt über die stationäre Phase.

Zur Trennung wird die zu analysierende Lösung des Stoffgemisches mit einer Mikropipette tropfenweise („Auftüpfeln“) oder als kurzer Strich“ auf die Schicht aufgetragen. Nachdem das Lösungsmittel verdunstet ist, bringt man die Platte bzw. Folie in eine Trennkammer, die vorher mit einem für die "Entwicklung" geeigneten Lösungsmittel(gemisch) beschickt wurde. Der aufgebrachte Fleck (engl. Spot) bzw. die strichförmige Zone wandert nun langsam durch die Schicht; Kapillarkräfte bewirken die Wanderung, bei der eine Trennung der Komponenten erfolgen kann.

Die am Start aufgetragene Substanzmischung (A und B, Bild #) setzt sich mit stationärer und mobiler Phase ins Verteilungsgleichgewicht. Eine bestimmte Wegstrecke entspricht einer theoretischen Trennstufe. Je weiter die mobile Phase fortschreitet, desto mehr Trennstufen lassen sich realisieren.

Bild #. Prinzip der Verteilungs-Chromatographie in einer Schicht. Auf dem Träger befindet sich die stationäre Phase (blau). Die mobile Phase (grün) in einem Vorratsgefäß wandert über die stationäre Phase. Die Verteilung der Analysensubstanz wird durch die (Halb)kreise symbolisiert.

Unterscheiden sich die Substanzen A und B in ihren intermolekularen Wechselwirkungskräften, so werden sie durch das Fließmittel mit verschiedenen Geschwindigkeiten weiter transportiert. Moleküle mit hoher Affinität zur stationären Phase werden stärker festgehalten ("retentiert"). Die Konzentrationen der Substanzen bilden im Idealfall ein kegelförmiges Profil (Berge), welche in Seitenansicht Glockenkurven entsprechen. In Aufsicht ("von oben") erscheinen die Berge als kreisrunde Flecken, im Idealfall. In der Realität sind sie jedoch häufig zu einer Ellipse "verzogen" oder bilden "Schwänze" aus (engl. tailing).

Bild #. Schichtchromatographie im Verteilungsmodus.

Man beschreibt das chromatographische Verhalten der Substanzen durch den Retentionsparameter R_f. Dazu misst man die Laufstrecke, welche das Fließmittel zurückgelegt hat, die Front der mobilen Phase (c), und die Strecken, welche die Substanzen zurückgelegt haben (a bzw. b). Der R_f-Wert ist definiert als

R_f = a/c bzw. R_f = b/c.

Im Gegensatz zu Schmelz- und Siedepunkten lassen sich die R_f-Werte jedoch nicht sehr genau definieren, da sie von verschiedenen, schwierig zu reproduzierenden Faktoren abhängen. Daher tüpfelt man meistens in einigem Abstand zum Startfleck von (A+B) oft eine Standard-Substanz auf, deren R_f-Wert ebenfalls vermessen wird. In vielen Fällen wählt man als Standard die im Gemisch nachzuweisende Substanz, z.B. Substanz A in reiner Form.

Wollte man beispielsweise Coffein in Getränken (Coca-Cola) oder "Schmerztabletten" nachweisen (Versuch #), so würde man reines Coffein als Standard auftüpfeln. Sind dann die Laufstrecken, d.h. die R_f-Werte gleich, ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass Standard und Analysensubstanz identisch sind. Die gleichen R_f-Werte könnten jedoch Zufall sein! Daher sollten mindestens zwei Versuche mit verschiedenen Fließmitteln gemacht und/oder die Substanzflecke mittels Nachweisreagentien (Sprühreagentien) weiter identifiziert werden.

Arbeitstechniken

• Horizontale Entwicklung

Die im Modell dargestellte horizontale Entwicklung wird im organischen Praktikum selten angewandt (Sandwich-Technik). Eine Ausnahme ist die Cirkular-Technik, bei der die Substanzmischung im Zentrum einer Schicht auf einem quadratischen Träger aufgebracht wird. Die mobile Phase wird kontinuierlich im Zentrum zugeführt. Bei der Entwicklung bilden die Moleküle dann in kreisförmige Zonen um den Mittelpunkt.

Gibt es ein Bild dazu?

• Aufsteigende Entwicklung

Diese Methode wird am meisten verwendet. Man benötigt dazu eine Trennkammer.

Bild #

Stationäre Phasen

Kieselgel

Cellulose(pulver)

Papier, siehe Papierchromatographie

Fließmittel

Als mobile Phasen wählt man meistens Gemische von Wasser mit Lösungsmitteln, die teilweise mit Wasser mischbar sind. Ein Standard-Fließmittel ist das System Butanol-Essigsäure-Wasser. Zur Chromatographie basischer Verbindungen wird u.a. eine Mischung von Butanol mit verdünnter wässrige Ammoniak-Lösung verwendet.

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Papierchromatographie

Eine lange Zeit in Vergessenheit geratene Methode zur Trennung von Verbindungen in analytischem Maßstab ist die Papierchromatographie. Die Methode hatte ihren Höhepunkt in den Jahren ca. 1950 bis 1960, wurde aber dann zunehmend von der Dünnschichtchromatographie verdrängt. Beide Methoden sind Varianten der schichtchromatographischen Verfahren, die apparativ geringe Anforderungen stellen. Bereits 1855 veröffentlichte der Chemiker Friedlieb Ferdinand Runge seine "Musterbilder für Freunde des Schönen", die er auf Filtrierpapier mit farbbildenden Chemikalien erzeugte.

Die Bedeutung seiner Entdeckung für die analytische Chemie erkannte er jedoch nicht. Erst 1944 wurde von Consden, Gordon und Martin die Papierchromatographie als Methode vorgestellt. Diese chromatographische Methode wird an speziellen, saugfähigen Papiersorten durchgeführt, die im Handel erhältlich sind. Einfache Trennungen zur Demonstration in der Schule lassen sich schon mit Kaffeefilterpapieren durchführen. Zur Trennung wird die zu analysierende Lösung des Stoffgemisches mit einer Mikropipette tropfenweise („Auftüpfeln“) oder als kurzer Strich“ auf das Papier aufgetragen. Nachdem das Lösungsmittel verdunstet ist, bringt man das Papier in eine Trennkammer, die vorher mit einem für die „Entwicklung“ geeigneten Lösungsmittel(gemisch) beschickt wurde. Der aufgebrachte Fleck bzw. die strichförmige Zone, wandert nun langsam durch das Papier; Kapillarkräfte bewirken die Wanderung, bei der eine Trennung der Komponenten erfolgen kann.

Trennmechanismen

Wie bei den meisten chromatographischen Methoden, sind komplexe Vorgänge für die Trennung verantwortlich. Die Cellulosefasern tragen an ihrer Oberfläche HO-Gruppen, die als Wasserstoffbrücken-Donoren wirksam werden können. Stark vereinfacht kann man jedoch die Papierchromatographie in vielen Fällen als systematisch wiederholte Verteilung betrachten. Die Cellulosefasern des Papiers enthalten nämlich stets adsorbierte Wassermoleküle. Außerdem enthalten die üblichen „Fließmittel“ („Laufmittel“) zum „Entwickeln“ des Papierchromatogramms Wasser. Damit wird während des Entwicklungsprozesses die Oberfläche der Cellulose weiter mit Wassermolekülen beladen. Die Trennung kann man daher als Verteilung der Verbindungen zwischen einer (stationären) Wasserphase und einem organischen Lösungsmittel (mobile Phase) betrachten, welche systematisch wiederholt wird. Im Modell der Verteilungs-Schichtchromatographie (Bild #) stellt das Papier sowohl die Trägerschicht als auch das Sorbens dar. Das adsorbierte Wasser bildet die stationäre Phase, über welche das Fließmittel zieht. Die am Start aufgetragene Substanzmischung (A und B) setzt sich mit stationärer und mobiler Phase ins Verteilungsgleichgewicht. Eine bestimmte Wegstrecke entspricht einer theoretischen Trennstufe. Je weiter die mobile Phase fortschreitet, desto mehr Trennstufen lassen sich realisieren.

Arbeitstechniken

• Horizontale Entwicklung

Die im Modell (Bild #) dargestellte horizontale Entwicklung wird selten angewandt. Eine Ausnahme ist die Rundfilter-Technik, bei der die Substanzmischung im Zentrum eines runden Papiers aufgebracht wird. Bei der Entwicklung wandern die Moleküle dann in kreisförmigen Zonen um den Mittelpunkt. Die erwähnten "Rungeschen Bilder" sind historische Vorläufer dieser Technik.

• Absteigende Entwicklung

Für diese Methode werden große Glaströge benötigt, in denen sich ein Gestell befindet, in das die mit dem Fließmittel gefüllte Schale eingelegt werden kann. Das lange Chromatographiepapier wird durch einen Glasstab in der Schale fixiert. Durch Kapillarkräfte und Schwerkraft wandert die mobile Phase nach unten.

Trog zur absteigenden Papierchromatographie

Absteigende Entwicklung eines Papierchromatogramms, Beginn

Absteigende Entwicklung eines Papierchromatogramms, fortgeschrittenes Stadium

• Aufsteigende Entwicklung

Diese Methode wird am meisten verwendet, da die Trennkammer kleiner sein kann als bei der Absteigenden Methode, und kein Gestell benötigt wird. Allerdings muss das Papier steif sein, damit es sich beim Aufsaugen des Fließmittels nicht durchbiegt.

Fließmittel

Als moblile Phasen wählt man meistens Gemische von Wasser mit Lösungsmitteln, die teilweise mit Wasser mischbar sind. Ein Standard-Fließmittel ist das System Butanol-Essigsäure-Wasser. Zur Chromatographie basischer Verbindungen wird u.a. eine Mischung von Butanol und verdünnter wässriger Ammoniak-Lösung verwendet.

Auswertung

Nachdem die Front des Fließmittels in der Nähe des Papierrandes angelangt ist, wird das lösungsmittelgesättigte Papier vorsichtig aus der Trennkammer genommen, und die Front mit einem Bleistift markiert. Im Abzug(!) lässt man das Papier trocknen. Darauf markiert man die Flecken mit einem Bleistift, falls sie farbig sind. Um farblose Verbindungen nachzuweisen, sprüht man Nachweisreagentien auf, lässt wiederum trocknen (Abzug(!) und markiert die Flecken. Durch Ausmessen mit dem Lineal werden die R_f-Werte ermittelt, wie im Kapitel "Verteilungs-Schichtchromatographei" beschrieben.

Trennungen durch Adsorptions-Schichtchromatographie

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Diese Variante der Schichtchromatographie unterscheidet sich apparativ kaum von der Verteilungs-Schichtchromatographie. An die Stelle der stationären Phase tritt jedoch hier ein Adsorbens, über das sich die mobile Phase bewegt. Adsorptions- und Desorptions-Schritte werden so systematisch wiederholt. Dies führt dazu, dass Substanzen, die vom Adsorbens verschieden stark gebunden werden, von der mobilen Phase (Fließmittel, Laufmittel) mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten transportiert werden. In der Praxis werden auch bei der Verteilungs-Schichtchromatographie Adsorptionsmechanismen wirksam, so dass häufig Mischmechanismen vorliegen. So hat auch eine Cellulose- bzw. Papierschicht durch die Hydroxygruppen ein gewisses Adsorptionsvermögen. Konzeptionell ist es jedoch nützlich, die Prinzipien der Adsorptions- und der Verteilungschromatographie auseinanderzuhalten.

Adsorbentien

Die mit Wasser oder Lösungsmitteln zu einem Brei angerührten pulverförmigen Adsorbentien werden auf einen Träger (z. B. Glasplatte) ausgestrichen; anschließend lässt man die Schicht langsam trocknen. In Praktika sind Objektträger für die Mikroskopie beliebt, welche – sorgfältig fettfrei gemacht – durch Eintauchen in eine Suspension von Kieselgel beschichtet werden können. Für höhere Ansprüche gibt es im Handel Geräte zum Ausstreichen, Trocknen und Lagern der Platten. Die Adsorbentien haften schlecht auf dem Träger; daher werden Bindemittel zum Fixieren des Sorbens zugesetzt, z. B. Calciumsulfat (Gips). In der analytischen Praxis wird man sich die Mühe des Bereitens der Schichten nicht mehr machen wollen und greift daher auf „Fertigplatten“ bzw. „Fertigfolien“ zurück, die von verschiedenen Herstellern angeboten werden.

Das heute bevorzugte Adsorbens ist Kieselgel, welches in verschiedenen Korngrößen und Qualitäten käuflich ist. Daneben wird Aluminiumoxid verwendet, für spezielle Trennungen Magnesiumsilikat und andere Adsorbentien.

Kieselgel besteht aus polymerer Orthokieselsäure. Die Körner tragen an ihrer Oberfläche Silanol-Gruppen (Si-OH), welche dem Kieselgel einen schwach sauren Charakter verleihen und die Oberfläche zu einem H-Brücken-Donor machen. Moleküle mit H-Brücken-Akzeptoren, z. B. Amine, werden daher besonders stark adsorbiert, wandern daher langsam oder gar nicht mit der mobilen Phase; ihr R_f-Wert (Retentionsparameter) ist klein.

Bild #. Schematisches Modell einer Kieselgeloberfläche

Beziehungen zwischen adsorbiertem Molekül und Adsorbens

Für die chromatographische Praxis wurden Reihenfolgen der "Adsorptionsstärke" wichtiger organischer Verbindungen, geordnet nach funktionellen Gruppen, ermittelt. Diese können für die Abschätzung der „Laufeigenschaften“ im Schichtchromatogramm nützlich sein:

• Für Kieselgel:

Gesättigte Kohlenwasserstoffe <aromatische Kohlenwasserstoffe < Alkylhalogenide < Ether < Aldehyde < Ketone ~ Ester ~ Nitrile < Alkohole < Carbonsäuren < prim. Amine < Carbonsäureamide.

• Für Aluminiumoxid:

Ähnliche Abstufung, jedoch werden Carbonsäuren stärker adsorbiert als Amine oder Carbonsäureamide! Aluminiumoxid ist basischer als Kieselgel, bindet daher H-Brücken-Donoren besonders stark.

Die mobile Phase (Fließmittel)

Nach dem Prinzip der systematisch wiederholten Adsorption/Desorption muss die mobile Phase die adsorbierten Moleküle von der Festphase verdrängen können. Die „Potenz“ eines Lösungmittels, dies zu tun, wurde als „Lösungsmittelstärke“ (engl. solvent strength) bezeichnet. In der Adsorptionschromatographie gängige Lösungsmittel wurden in der sog. Eluotropen Reihe angeordnet (Tabelle #).

Parameter der Lösungsmittelstärke (ε⁰, solvent strength) von mobilen Phasen für die Adsorptionschromatographie, nach Snyder

Lösungsmittel	Adsorbens		Polaritätsparameter
	Al2O3	SiO2	π*	β	α
n-Pentan	0,00	0,00
n-Hexan	0,01	0,03	–0,08	0,00
Petrolether	0,01
Cyclohexan	0,04	0,03	0,00	0,00
Tetrachlormethan	0,18	0,11	0,28	0,00
Toluol	0,29		0,54	0,11
Benzol a)	0,32	0,25	0,59	0,10
Diethylether	0,38	0,38	0,27	0,47
tert-Butylmethylether b)	0,3 – 0,4
Chloroform	0,40	0,26	0,58	0,00
Dichlormethan	0,42	0,32	0,82	0,00
Aceton	0,56	0,47	0,71	0,48
Dioxan	0,56	0,49	0,55	0,37
Tetrahydrofuran	0,57		0,58	0,55
Ethylacetat	0,58	0,38	0,55	0,45
Acetonitril	0,65	0,50	0,75	0,31
Pyridin	0,71		0,87	0,64
1-Propanol	0,82		0,52		0,78
Ethanol	0,88		0,54	0,77	0,83
Methanol	0,95	0,73	0,60	0,62	0,93
Wasser	sehr groß c)		1,09	0,18	1,17

a) Das potentiell cancerogene Benzol sollte in Praktika möglichst nicht verwendet werden. In den meisten Fällen kann es durch Toluol ersetzt werden. b) C. J. Little, J. Chromatogr. 169, 381 (1979); verhält sich chromatographisch sehr ähnlich wie Diethylether. c) Wasser verursacht die Desaktivierung des Sorbens und vom Sorptionsmechanismus her eine Annäherung an die Verteilungschromatographie.

Techniken der Schichtchromatographie

Dünnschichtchromatograhpie

Ursprünglich war die Schichtchromatographie eine analytische Methode. Die Schichten waren dünn, ca. 0.2 mm, daher die Bezeichnung „Dünnschichtchromatographie“("DC"), engl. TLC (thin layer chromatography).

Wie in Kapitel # beschrieben, wird die Analysensubstanz punktförmig oder als kurzer Strich an der Startlinie aufgetragen. Man lässt in der Trennkammer das Fließmittel „laufen“ und ermittelt die Rf-Werte. Diese am meisten angewandte Technik wird auch als „eindimensionale Entwicklung“ bezeichnet.

Bild #. Eindimensionale Entwicklung eines Dünnschichtchromatogramms.

Bei der zweidimensionalen Entwicklung verwendet man eine Platte oder Folie von quadratischem Format. Die Lösung der zu analysierenden Substanzmischung muss punktförmig in der Nähe eines Ecks aufgetragen werden. Nach Beendigung der eindimensionalen Entwicklung lässt man das Fließmittel im Abzug verdampfen. Dann dreht man die Platte (Folie) um 90° und lässt in der Trennkammer ein zweites Mal entwickeln, wobei evt. ein anderes Fließmittel gewählt wird. Die Flecke der getrennten Komponenten haben sich dann über die quadratische Schicht verteilt.

Bild #. Zweidimensionale Dünnschichtchromatographie.

Präparative Schichtchromatographie (PSC,,"Dickschichtchromatographie")

Bei dieser erst später eingeführten Technik arbeitet man mit Schichten von ca. 2 mm, die auf quadratischen oder rechteckigen Glasplatten aufgebracht sind. Man kann die Schichten selbst herstellen, aber es erfordert Übung, diese gleichmäßig und nach dem Trocknen frei von Rissen zu erhalten. Einfacher ist es, sog. Fertigplatten zu kaufen.

Das mit einem leicht verdampfbaren Lösungsmittel verdünnte, zu trennende Gemisch wird horizontal als langer Strich in einigem Abstand zur Kante der Platte aufgetragen (Bild #a). Nach Verdunsten des Lösungsmittels lässt man in einem Chromatographietrog mit dem Fließmittel entwickeln. Welches dafür geeignet ist, findet man vorher durch dünnschichtchromatographische Tests heraus.

Die (eindimensionale) Entwicklung wird in der Regel mehrfach durchgeführt; jedesmal muss aber das Fließmittel durch Verdunsten entfernt worden sein. Die getrennten Substanzen erscheinen in bandförmigen Zonen (Bild #b). Nach ihrer Lokalisierung (s.u.) werden diese mit einem Bleistift markiert und herausgeschabt. Anschließend wird die adsorbierte Substanz mit einem geeigneten (polaren) Lösungsmittel vom Kieselgel abgelöst (extrahiert).

Bild #. Präparative Schichtchromatographie auf einer quadratischen Platte (20 × 20 cm), schematisch. #a (links): Die zu trennende Substanzmischung wurde strichförmig aufgetragen (dunkle Linie). #b (rechts): Nach der aufsteigenden Entwicklung in der Trennkammer sind die Komponenten in Zonen aufgetrennt worden. Die Front der mobilen Phase wurde markiert.

Die Methode hat den Vorteil, dass die Ergebnisse der (analytischen) Dünnschichtchromatographie leicht auf die präparative Schichtchromatographie übertragen werden können, wenn auch die Trennleistung (Performance) nicht an die der DC heranreicht. Jedoch können so relativ einfach Substanzen gewonnen werden, deren Menge für eine spektroskopische Strukturaufklärung ausreicht. Mit ca. 20 mg Substanz aus der PSC können routinemäßig NMR-, IR-, UV- und Massenspektren erhalten werden.

Es besteht auch die Möglichkeit, mehrere Dickschichtplatten gemeinsam in einem Gestell in einer größeren Trennkammer zu entwickeln. So kann man die Substanzmenge erhöhen.

In Konkurrenz zur PSC treten jedoch die Methoden der präparativen Säulenchromatographie (Kapitel #).

Detektion und Nachweis der Substanzen in der Dünnschichtchromatographie

Allgemeine Methoden

Unmittelbar zu erkennen und zu lokalisieren sind die Flecke von farbigen Substanzen (vgl. 2,4-Dinitrophenylhydrazone). Substanzen mit Eigenfluoreszenz (z.B. Anthracen) können durch Betrachten der Schicht im UV-Licht erkannt werden.

Häufig wird in die Schicht der Adsorbentien (Kieselgel) noch ein Leuchtstoff (Fluoreszenzindikator) eingearbeitet. Dadurch leuchtet die Schicht, wenn man sie unter eine UV-Leuchte hält. Je nach dem Strahlungsmaximum der handelsüblichen UV-Leuchten bei 254 nm und 360 nm werden die Sorbentien mit dem Zusatz F₂₅₄ bzw. F₃₆₀ charakterisiert, z.B. Kieselgel GF₂₅₄ (G steht für das Bindemittel Gips, F für Fluoreszenzindikator).

Flecke auf der Schicht, deren Substanz selbst UV-Licht absorbiert, z. B. Benzolderivate oder konjugierte π-Elektronensysteme, können die Fluoreszenz an ihrem Ort löschen. Auf der hellblau fluoreszierenden Schicht erscheinen daher die Flecke dunkel.

Reagentien zur Detektion in der Schichtchromatographie

Substanzflecke, die nach den oben genannten Methoden nicht detektiert werden können, müssen durch Reagentien sichtbar gemacht werden. Zahlreiche Reagentien wurden dafür entwickelt; meistens werden diese auf die Schicht gesprüht. In manchen Fällen kann man die Platte bzw. Folie auch in eine Lösung des Reagens eintauchen, doch löst sich dabei manchmal die Schicht vom Träger ab.

Universalreagenzien

In vielen Fällen weiß der Analytiker zunächst nicht, zu welchen Verbindungsklassen die getrennten Substanzen gehören. Hier sind Reagentien gefragt, durch welche die Flecke in möglichst jedem Fall lokalisiert werden können. Diese Reagenzien sind „brutal“ und zerstören die Substanz durch Verkohlung oder Oxidation. Häufig erwärmt man die Schicht zur Beschleunigung des Prozesses im heißen Luftstrom (Gebläse, "Fön").

• Konzentrierte Schwefelsäure kann aufgesprüht zur Braun- oder Schwarzfärbung der Flecke führen.
• Chromschwefelsäure kann viele Substanzen oxidieren und wird dabei reduziert. Die resultierenden Chrom(II)-Salze bilden einen farblosen bis schwach grünen Fleck auf der durch überschüssiges Chromat gelb gefärbten Schicht.

• Kaliumpermanganat-Schwefelsäure ist ein sehr starkes Oxidationsmittel. Die nach Aufsprühen rosafarbene Schicht zeigt an den Stellen farblose Flecke, wo Reduktion zu Mangen(II)-Salzen eingetreten ist.
• Eine Lösung von Kaliumpermanganat in Wasser, neutral oder alkalisch, evtl. mit Silbernitrat ist angenehmer zu handhaben. In diesem Fall wird die Permanganat-Ionen nur zum Mn⁴⁺ (Braunstein) reduziert, so dass auf rosa Hintergrund braune Flecken sichtbar werden.

Generell ist jedoch der Nachweis mittels dieser Universalreagenzien nicht sehr empfindlich.

Fluoreszenzerzeugende Anfärbereagenzien

Manche Substanzen bilden Assoziate mit organischen Farbstoffen und lassen sich daher anfärben. Besonders geeignet sind dafür im sichtbaren oder ultravioletten Licht fluoreszierende Farbstoffe, wie 2',7'-Dichlorfluorescein, Rhodamin B, Rhodamin G, Ammoniumsalz der 8-Anilinonaphthalin-1-sulfonsäure (ANS-Reagens) und 6-(4-Toluidino)-naphthalin-2-sulfonsäure (TNS-Reagens). Diese Nachweise sind schon bei sehr geringen Substanzmengen wirksam, was in der analytischen Chemie für alle Fluoreszenz-Methoden gilt.

Oxidierende Reagenzien

Neben den oben genannten oxidierenden Reagenzien werden auch schwächere Oxidationsmittel benutzt, die daher nicht "universal" wirksam sein können. Aber in einigen Fällen sind sie sehr nützlich und liefern beim Redoxvorgang prächtige Farben, u.a.

• Eisen(III)chlorid - Kaliumhexacyanoferrat(III): Eisen(III) wird zu Eisen(II) reduziert und ergibt dann „Berliner Blau“ am Ort des Flecks.
• Phosphormolybdänsäure (Molybdatophosphorsäure)
• Cer(IV)ammoniumnitrat in verd. Salpetersäure

Gruppenspezifische Reagenzien

• Nachweis von Carbonsäuren: pH-Indikatoren wie Bromkresolgrün, Bromphenolblau.

• Nachweis von Carbonsäureestern: Hydroxylamin - Eisen(III)chlorid-Reagens (Hydroxamsäuretest).

• Nachweis von Aldehyden und Ketonen: 2,4-Dinitrophenylhydrazin-Reagenz

• Nachweis von primären Aminen und Aminosäuren: Ninhydrin-Reagenz

Spezialreagenzien

In diese Klasse lassen sich zahlreiche Reagenzien einordnen, die für verschiedene Verbindungsklassen mehr oder weniger spezifisch sind. Häufig verwendet werden Lösungen aromatischer Aldehyde in starken Säuren, welche - aufgesprüht - starke, bunte Färbungen der Flecke erzeugen können (Aldehyd - Säure – Reagenzien). Hierunter fallen:

• p-Methoxybenzaldehyd (= Anisaldehyd)–Schwefelsäure-Reagens
• Vanillin-Schwefelsäure-Reagens
• p-Dimethylaminobenzaldehyd-Salzsäure-Reagens (Ehrlichs Reagens)
• Diazotierte Sulfanilsäure

Eine weitere, einfach anzuwendende Detektionsmethode sind Dämpfe von Reagenzien, denen die Schicht in einer abgeschlossenen Chromatographie-Kammer ausgesetzt wird.

• Iod – Dampf kann gelblich/bräunliche Komplexe mit manchen organischen Verbindungen liefern oder sich an C=C-Doppelbindungen addieren (Nachweis in einer „Iod-Kammer“.

Literatur

Als Einführung in die theoretischen Grundlagen und für die praktische Arbeit können folgende kurze Lehrbücher dienen:

• G. Schwedt, Chromatographische Trennmethoden, 2. Auflage, Georg Thieme Verlag, Stuttgart, 1986.
• R. J. Gritter, J. M. Bobbitt und A. E. Schwarting, Einführung in die Chromatographie, Springer Verlag, Berlin - Heidelberg 1987.

Ausführliche Informationen über Dünnschicht- und Papierchromatographie findet man in folgenden Monographien:

• E. Stahl (Hrsg.), Dünnschichtchromatographie, 2.Aufl., Springer Verlag, Berlin, 1967.
• G. Hesse, Chromatographisches Praktikum, 2. Aufl. Akademische Verlagsgesellschaft, Frankfurt/Main, 1968.
• K. Randerath, Dünnschichtchromatographie, 2.Aufl., 2.Nachdruck, Verlag Chemie, Weinheim, 1975.
• J. C. Touchstone und M. Dobbins, Practice of Thin Layer Chromatography, John Wiley & Sons, New York, 1978.
• H. Wagner, S. Bladt und E. M. Zgainski, Drogenanalyse. Dünnschicht-chromatographische Analyse von Arzneidrogen, Springer Verlag, Berlin, 1983.

Trennungen durch Säulenchromatographie

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Diese Methoden können wie bei der Schichtchromatographie beschrieben, nach dem Prinzip der Verteilung oder der Adsorption durchgeführt werden. Im organischen Praktikum hat die Adsorptions-Säulenchromatographie die größere Bedeutung; daher soll hier nur auf diese Methode eingegangen werden. In diesem Fall ist ein pulverförmiges Adsorbens die stationäre Phase in einer Trennsäule. Lösungsmittel bilden die mobile Phase, welche durch die mit dem Adsorbens beschickte Säule wandert (Bild #1).

Bild #1.

Chromatographie in der Schwerkraftsäule

Bei dieser ältesten und apparativ einfachsten Methode wird ein senkrecht angeordnetes Chromatographierohr verwendet, das meistens aus Glas angefertigt ist (Bild #2).

Bild #2. Glassäulen zur Chromatographie.

Die mobile Phase bewegt sich durch die bloße Schwerkraft von oben nach unten. Die mit unterschiedlicher Stärke an das Adsorbens gebundenen (retentierten) Substanzen werden von der mobilen Phase transportiert und treten – mit dem Lösungsmittel (Eluens, Elutionsmittel) verdünnt - am Ende der Säule aus; sie werden eluiert. Diese Technik wird daher auch Elutionsverfahren genannt.

Bild #3. Arbeitsschritte bei der Chromatographie in einer Schwerkraftsäule (schematisch).

Um ein gutes Ergebnis der Trennung zu erhalten, muss die Trennsäule mit Sorgfalt "gepackt", d.h. mit dem Adsorbens gefüllt werden. Dies erreicht man durch "Einschlämmen". Je größer die Dimensionen der Säule sind, desto schwieriger wird es, gleichmäßige Packungen der Trennsäulen zu erhalten. Anfänger müssen diese Technik üben!

a) Füllung des Chromatographierohrs (Einschlämmen)

Für Praktika der organischen Chemie geeignet sind Chromatographierohre von ca. 40 cm effektiver Länge und einem Innendurchmesser von ca. 1,6 cm. Die Säule wird mit zwei Klammern vertikal an einem Stativ befestigt. Unter den Auslauf stellt man einen Erlenmeyer-Kolben. Bei geschlossenem Hahn füllt man das Rohr bis zu etwa einem Viertel mit einem Lösungsmittel, welches in der eluotropen Reihe (siehe Kapitel Adsorptions-Schichtchromatographie) weit oben steht, z.B. Petrolether. Mit Hilfe eines langen Glasstabs oder Glasrohrs stößt man einen Bausch aus Watte in die Verjüngung des Auslaufs und entfernt durch Stoßen etwa gebildete Luftblasen. Man bereitet aus dem Adsorbens, meistens Kieselgel (ca. 40 g), und dem Lösungsmittel (z.B. Petrolether, ca. 120 ml) in einem Erlenmeyer-Kolben (ca. 300 ml) durch Umschütteln eine blasenfreie Suspension und gießt diese durch einen Pulvertrichter möglichst schwungvoll in die Trennsäule. Der Absetzvorgang wird durch Klopfen mit einer Reagenzglasklammer unterstützt. Überschüssiges Lösungsmittel lässt man durch Öffnen des Hahns abtropfen. Die im Erlenmeyerkolben zurückgebliebene Suspension wird mit Lösungsmittel vollständig in die Säule gespült. Es ist darauf zu achten, dass stets eine Lösungsmittelschicht über der Füllung steht; die Säule darf nicht "trockenlaufen". Nachdem sich das Adsorbens abgesetzt hat (einige Zeit warten!), lässt man ca. 1 cm hoch Seesand einrieseln. Vor Aufgabe der zu trennenden Substanzmischung lässt man die überstehende Flüssigkeit durch Öffnen des Hahns so weit ab, dass der Seesand nur noch mit einer dünnen Lösungsmittelschicht bedeckt ist.

Das spezifisch schwere Adsorbens Aluminiumoxid (siehe unten) kann man auch direkt langsam(!) in die mit der mobilen Phase gefüllte Trennsäule einrieseln lassen, wobei aber darauf zu achten ist, dass jedesmal die Luftblasen entweichen können, bevor neues Sorbens nachgefüllt wird.

b) Ermittlung des Elutionsmittels (Eluens)

Vor der Säulenchromatographie untersucht man das zu trennende Gemisch mittels Dünnschichtchromatographie (DC, siehe Kapitel #) und ermittelt aus der eluotropen Reihe eine geeignete mobile Phase. Oft verwendet man auch Mischungen von Lösungsmitteln verschiedener Polarität, z. B. Petrolether/Ethylacetat, in verschiedenen Verhältnissen. Bei diesen Tests ist zu beachten, dass die Retention der Substanzen im DC von der in der Säule verschieden sein kann, da die Adsorbenzien für die beiden Techniken nicht ganz gleich sind. Die Trennleistung (performance) im DC ist höher. Für die Säulenchromatographie stellt man meistens eine geringere Polarität ein.

c) Trennprozess

Von dem zu trennenden Substanzgemisch wird bei Raumtemperatur(!) eine möglichst konzentrierte Lösung hergestellt, welche mit Hilfe einer Pipette vorsichtig(!) auf die Säulenfüllung ("am Kopf" der Säule) gegeben wird. Die Säulenfüllung soll dabei nicht aufgewirbelt werden. Das Lösungsmittel sollte nicht zu "polar" sein (siehe eluotrope Reihe und DC-Test). Durch vorsichtiges Öffnen des Hahns am Chromatographierohr lässt man die Lösung einsickern. Sobald dies erfolgt ist, gibt man mittels Pipette ca. 1 ml Lösungsmittel auf die Säule und lässt wiederum einsickern. Dieses "Nachwaschen" mit Lösungsmittel wird insgesamt dreimal durchgeführt. Anschließend setzt man den Tropftrichter mit dem Elutionsmittel auf und beginnt mit dem Eluieren.

Falls das Substanzgemisch nur in polaren Solventien löslich ist, kann man folgendermaßen verfahren: Man löst in einem geeigneten Solvens - ohne auf die eventuell hohe Polarität Rücksicht zu nehmen - und gibt zu der Lösung eine kleine Menge Adsorbens. Im Rotationsverdampfer entfernt man das Lösungsmittel, bis man ein trockenes Pulver erhält. Dieses mit der Analysensubstanz beladene Sorbens gibt man vorsichtig auf die gepackte Säule.

Man öffnet nun den Hahn am unteren Ende der Chromatographiesäule. Das Eluat soll mit 1-2 Tropfen pro Sekunde austreten. Es wird in einem Rundkolben (250 ml), dessen Gewicht man bestimmt hat, aufgefangen. Man eluiert durch Auftropfen der mobilen Phase. Von Zeit zu Zeit prüft man das Eluat durch Dünnschichtchromatographie. Sobald die zweite Substanz nachweisbar ist, wechselt man den Auffangkolben und fängt eine neue "Fraktion" auf. Die Elution wird abgebrochen, wenn im DC kein Fleck mehr erscheint.

Wenn die mobile Phase bei der Elution nicht verändert wird, d.h. dieselbe bleibt, bezeichnet man dieses Verfahren als

• Isokratische Elution.

In der Regel wird man jedoch die Polarität der mobilen Phase sukzessive erhöhen, damit auch stärker retentierte Komponenten rascher desorbiert werden. Dies nennt man

• Gradienten-Elution:

Dies kann stufenweise (diskontinuierlich) oder kontinuierlich erfolgen (Bild #).

Bild #4. Stufengradient (links) und kontinuierlich steigende Gradienten (rechts).

Im Forschungslabor wird man die Fraktionen nicht "von Hand" sammeln, sondern einen Fraktionssammler verwenden.

Zum Schluss überprüft man dünnschichtchromatographisch die einzelnen Fraktionen und vereinigt solche mit gleicher Zusammensetzung. Das Elutionsmittel wird abdestilliert, vorzugsweise im Rotationsverdampfer. Der Rückstand wird spektroskopisch untersucht (NMR, IR, MS) und in der Regel umkristallisiert oder im Kugelrohr destilliert.

Kieselgel zur Säulenchromatographie

Die meisten chromatographischen Trennungen in der Schwerkraftsäule dürften heute an Kieselgel durchgeführt werden. Dieses ist im Handel in verschiedenen Qualitäten erhältlich, die sich in der Korngröße, der wirksamen Oberfläche und der Größe der Poren unterscheiden. Das Adsorbens zur Chromatographie wird durch Klassieren gewonnen; die mittlere Korngröße liegt zwischen 0,05 und 0,5 mm. Für einfache Trennungen kann ein Material mit der Korngröße 0,06-0,2 mm (meistens in μm angegeben: 60-200 μm) verwendet werden. Beim Packen der Trennsäule ist die Kenntnis der Schüttdichte nützlich: sie beträgt ca. 0,5 g/ml. Je enger die Verteilung der Korngrößen ist, desto teurer ist das Adsorbens.

Kieselgel-Körner sind porös. Die mittlere Porengröße wird meistens in Angström-Einheiten angegeben und reicht typischerweise von ca. 40 Ä bis 120 Ä . Viel verwendet wird im Labor Material mit 60 Ä , welches als Kieselgel 60 gehandelt wird. Kieselgele besitzen erstaunlich große Oberflächen, typisch zwischen 200 und 800 m² pro Gramm!

Die adsorptiven Eigenschaften der Kieselgele hängen in hohem Maße auch von ihrer Vorbehandlung ab. Es wird angenommen, dass die Adsorption auf den Si-OH Gruppen an der Oberfläche beruht, und unterscheidet "freie" OH-Gruppen (A), "gebundene" OH-Gruppen (B) und "reaktive" OH-Gruppen (C). Letztere sollen besonders aktiv sein.

Bild #5. Schematisches Modell einer Kieselgel-Oberfläche.

Das Verhalten des Kieselgels bei der Adsorption kann durch Erhitzen des Materials beeinflusst werden. Das physikalisch adsorbierte Wasser kann durch Erwärmen auf Temperaturen unterhalb 150 °C entfernt werden. Hochaktives Kieselgel erhält man durch längeres Erhitzen im Trockenschrank auf 150 bis 200 °C. Bei höheren Temparaturen (> 200 °C) werden Hydroxylgruppen an der Oberfläche unter Abspaltung von Wasser in Siloxan-Gruppen (Si-O-Si) umgewandelt; diese sind weniger aktiv.

Wer also bei der Adsorptionschromatographie möglichst reproduzierbare Ergebnisse anstrebt, sollte das Kieselgel vor der Verwendung bei 150-200°C "trocknen" und anschließend im Exsikkator abkühlen lassen, damit es keine Feuchtigkeit aus der Luft aufnehmen kann.

Aluminiumoxid zur Säulenchromatographie

In den Anfängen der Säulenchromatographie war Aluminiumoxid das bevorzugte Adsorbens. Viele Erkenntnisse über die Methode wurden daher bei Studien mit diesem Material gewonnen. Heute dürften aber die meisten chromatographischen Trennungen an Kieselgel durchgeführt werden.

Beim Arbeiten mit Aluminiumoxid muss berücksichtigt werden, dass dieses in verschiedenen "Aktivitäten" eingesetzt werden kann. Die höchste Aktivitätsstufe (siehe Kapitel #, Trennungen durch Adsorption) wird nur für die Reinigung von Lösungsmitteln eingesetzt. Zur Chromatographie ist dieses Material selten geeignet, da die zu trennenden Substanzen daran zu stark gebunden werden. In manchen Fällen hat man sogar chemische Reaktionen mit dem hochaktiven Aluminiumoxid festgestellt, die bei einer Trennung selbstverständlich nicht erwünscht sind.

Zur Säulenchromatographie desaktiviert man hochaktives Aluminiumoxid, indem man dieses mit einer definierten Menge Wasser behandelt. Die Wassermoleküle werden an der Oberfläche adsorbiert. Dies führt zu Adsorbentien verschiedener "Aktivitätsstufen", die mit Hilfe des Brockmann-Tests definiert wurden. Für die Säulenchromatographie verwendet man in der Regel die Aktivitätsstufen II oder III. Die für die Trennung passende Aktivitätsstufe muss für jede Substanz(mischung) empirisch ermittelt werden. Wie bei Kieselgel ist zu beachten, dass dünnschichtchromatographische Vorversuche an Aluminiumoxid-Schichten zu etwas anderen Ergebnissen führen können. Abgesehen von der verschiedenen Korngröße lässt es sich nicht vermeiden, dass Aluminiumoxid-Schichten beim Auftüpfeln der Substanzen und in der Trennkammer mit feuchter Luft in Berührung kommen. Dadurch ist das Adsorbens der DC-Schicht weniger aktiv als das in der Trennsäule.

Einstellung der Aktivitätsstufen

Hochaktives Aluminiumoxid ist in sorgfältig verschlossenen Flaschen käuflich. Lässt man dieses Material (Aktivitätsstufe I, oder Super I) an der Luft stehen, wird es durch Adsorption von Feuchtigkeit desaktiviert. Daher müssen die geöffneten Flaschen rasch wieder verschlossen werden. Durch Feuchtigkeit desaktiviertes Aluminiumoxid erhitzt man im Trockenschrank auf 350 °C und lässt es anschließend im Exsikkator erkalten.

Um höhere Aktivitätsstufen herzustellen, versetzt man dieses Pulver in einer Flasche mit einer definierten Menge Wasser. Zunächst bilden sich Klumpen. Man verschließt die Flasche sorgfältig, schüttelt durch und lässt sie stehen, bis sich das Wasser gleichmäßig verteilt hat. Die benötigten Mengen Wasser sind in Bild # angegeben.

Bild #6. Desaktivierung von Aluminiumoxid der Aktivitätsstufe I.

Aktivitätstest nach Brockmann und Schodder

Die Aktivitätsstufe des Aluminiumoxids wird durch Chromatographie von sechs Testsubstanzen aus der Klasse der Azofarbstoffe ermittelt (Bild #7. In kleinen Trennsäulen (Teströhrchen) werden je zwei in dieser Reihe (Bild #7) aufeinanderfolgende Farbstoffe in Petrolether/Benzol-Lösung (heute durch Petrolether/Toluol ersetzt) aufgebracht und mit diesem Lösungsmittelgemisch eluiert.

Bild #7. Azofarbstoffe zum Brockmann-Test: Azobenzol (A), 4-Methoxyazobenzol (B), Sudangelb (C), Sodanrot (D), 4-Aminoazobenzol (E) und 4-Hydroxyazobenzol (F).

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Bild #8. Photographie

Niederdruck-Chromatographie (Flash-Chromatographie)

In der Schwerkraftsäule können Substanzen getrennt werden, die große Unterschiede in ihrem Retentionsverhalten (z. B. den R_f-Werten) aufweisen. Für Vortrennungen ist die relativ billige Methode besonders gut geeignet.

Schwierigere Trennungen werden mit Adsorbentien kleinerer und einheitlicherer Korngröße vorgenommen, die selbstverständlich teurer sind. Wird eine Säule mit diesen Materialien gepackt, reicht die Schwerkraft zum Transport der mobilen Phase nicht mehr aus, um die Trennung in akzeptablen Zeiten durchführen zu können. Daher muss die Flüssigkeit unter Druck durch die Trennsäule gepresst werden.

Im einfachsten Fall kann man Stickstoff aus einer Gasflasche auf die Trennsäule drücken lassen. In den meisten Laboratorien steht heute ohnehin eine Stickstoffleitung am Arbeitsplatz zur Verfügung. Das Verfahren wurde vermutlich erstmals von W. C. Still publiziert und „Flash-Chromatography“ genannt.

Da der Druck des Stickstoffs relativ niedrig ist (bis ca. 1 bar), können die Trennungen relativ gefahrlos in Glasapparaturen durchgeführt werden. Dadurch hat sich die Methode in organischen Laboratorien rasch verbreitet. In 10-15 Minuten sollen sich Substanzen in Mengen zwischen 10 mg und 10 Gramm trennen lassen.

Als Sorbens wird meistens Kieselgel der Korngröße 40-63 μm verwendet.

Literatur

• G. Schwedt, Chromatographische Trennmethoden, 2. Auflage, Georg Thieme Verlag, Stuttgart, 1986.
• R. J. Gritter, J. M. Bobbitt und A. E. Schwarting, Einführung in die Chromatographie, Springer Verlag, Berlin - Heidelberg 1987.
• G. Hesse, Chromatographisches Praktikum, 2. Aufl. Akademische Verlagsgesellschaft, Frankfurt/Main, 1968.

Versuche

• Oxidation von Phenanthren zu Phenanthren-1,4-chinon und Phenanthren-9,10-chinon. Adsorptionschromatographische Trennung der Chinone

Einzelnachweise

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