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Chromatographische Trennverfahren

Grundlagen der Chromatographie

Versuche: Demonstration von Adsorption und Verteilung; ggf. Computersimulation zur Veranschaulichung

Chromatographie ist eine physikalisch-chemische Trennmethode zur Trennung flüssiger und gasförmiger Stoffgemische.

Dabei wird das Gemisch mit Hilfe einer Flüssigkeit oder eines Gases - der beweglichen oder mobilen Phase - an einem festen oder flüssigen Stoff von großer Oberfläche - der stationären Phase - vorbeigeführt. Die einzelnen Substanzen werden von der stationären Phase in unterschiedlichem Ausmaß zurückgehalten aufgrund der Prinzipien Adsorption und Verteilung

1. Adsorption

Versuche:

- Adsorption von Methylenblau an Kieselgel

(Kieselgel mit Methylenblaulösung schütteln, absetzen lassen)

Ergebnis: Kieselgel fängt anscheinend den Farbstoff aus der Lösung heraus.

- Adsorption von Brom durch Aktivkohle

(In einen Rundkolben mit Bromdämpfen wird Holzkohlepulver gegeben und geschüttelt)

Ergebnis: Entfärbung - Der Bromdampf wurde an die Kohle adsorbiert - vergl. Gasmaskenfilter.

Bei der Adsorption werden Gase oder gelöste Stoffe auf der Oberfläche eines Feststoffes reversibel angelagert (Van-der-Waals-Kräfte, Dipol-Dipol-Wechselwirkungen, Wasserstoffbrückenbindungen).

Je größer die Oberfläche des Adsorptionsmittels, desto größer die adsorbierbare Stoffmenge.

Die Adsorption ist spezifisch, d.h. ein Adsorptionsmittel bindet verschiedene Stoffe unterschiedlich stark

Versuch: Aus Rundfilter drei Tropfen Farbstofflösung von Methylenblau, Eosin und Methylorange eintrocknen lassen, dann auf die Mitte jedes Farbflecks etwas Wasser geben.

Ergebnis? 

Auf der unterschiedlichen Adsorption verschiedener Stoffe kann man somit ein Trennverfahren aufbauen.

 Vergleich: Fluß - Ufer - Schwimmer (Tafelskizze, farbig)

 2. Verteilung:

Bei der Verteilung zwischen zwei Phasen spielt die unterschiedliche Löslichkeit eines Stoffes in zwei miteinander nicht oder nur beschränkt mischbaren Lösungsmitteln eine Rolle.

Das Verteilungsverhältnis ist (bei einer bestimmten Temperatur) konstant (Nernstscher Verteilungskoeffizient) und stoffspezifisch.

 Versuch: Verteilung von Iod zwischen Wasser und Benzin

Ergebnis: der gelöste Stoff verteilt sich auf die beiden Lösungsmittel.

Anwendung bei der Chromatographie

Durch die Summierung vieler Einzelschritte können noch Substanzen getrennt werden, die sich in ihren Lösungseigenschaften nur geringfügig unterscheiden.

 Durch Wahl geeigneter stationärer und mobiler Phasen kann die Trennung optimiert werden.

Wenn ein Stoff die Möglichkeit hat, sich zwischen zwei Phasen physikalisch zu verteilen, gilt das Nernstsche Verteilungsgesetz:

c(A)_Phase1 = Konzentration des Stoffes A in Lösungsmittel (Phase) 1 

[3. Ionenaustausch]

Ähnlichkeit mit Adsorptionschromatographie: die stationäre Phase besitzt ionisierbare Gruppen, z.B. -COOH, -SO₃H oder -NH₂. An das Festion ist ein Gegenion reversibel gebunden. Dieses Gegenion kann gegen gleichgeladene Ionen der vorbeiziehenden Lösung ausgetauscht werden.

z.B. Kationenaustauscher

[4. Molekülsiebung]

Trennung nach Molekülgröße: Kleinere Moleküle können in die Poren eines Molekülsiebs (z.B. Gel) eindringen und wandern daher langsamer als die größeren.

 
Spezielle Techniken der Chromatographie

Papierchromatographie PC (Streifen- Zylinder- Rundfiltermethode; aufsteigend, absteigend, ein- oder zweidimensional)

Dünnschichtchromatographie DC (meist Kieselgel oder Cellulose auf Alu oder Plastikfolie)

Säulenchromatographie (heute meist HPLC)

Durch Variation des Trägermaterials und der mobilen Phase gibt es kaum ein Stoffgemisch, das nicht chromatographisch getrennt werden kann.

Auswertung von Chromatogrammen

R_f-Wert zur Kennzeichnung der Wanderungsgeschwindigkeit:

 Maximalwert: 1

Abhängigkeit vom Laufmittel

Die Qualität der Trennung hängt ab von der Art der stationären Phase (Kieselgel, Cellulose, Aluminiumoxid) und von der Auswahl des geeigneten Lösungsmittels.

Die Lösungsmittelmoleküle konkurrieren mit den Probemolekülen um die Bindungsstellen an der Oberfläche der stationären Phase. Je stärker das Fließmittel selbst von der stationären Phase adsorbiert wird, desto größer ist seine Elutionskraft (Verdrängungskraft).

Ordnet man die Lösungsmittel nach steigender Polarität, so erhält man die sog. Eluotrope Reihe:

Hexan

Toluol

Dietylether

Essigester

Aceton

n-Propanol

Ethanol

Wasser

Mit den weiter unten stehenden Lösungsmitteln erhält man also höhere Rf-Werte, vorausgesetzt, der Stoff ist darin löslich. 

Verfahrensschritte für die Herstellung eines Chromatogramms:

1. Substanzprobe extrahieren
2. Extrakt auftragen  
3. Entwickeln 
4. Substanzen sichtbar machen
5. Identifizierung (Rf-Werte; Co-Chromatographie)

Dünnschicht- und Papierchromatographie - Praktikum

1. Vorbereitung des C-Papiers bzw. der DC-Platte nach folgendem Schema (mit Bleistift!):  

2. Auftragen der Substanzen: Mit einer Kapillarpipette werden auf der Startlinie (1,5 cm vom unteren Rand, 1 cm vom seitlichen Rand entfernt) in Abständen von 1 cm (Papier) bzw. 0,5 cm (DC-Platte), die Proben augetragen. Die Flecken sollen möglichst klein gehalten werden. Das erreicht man durch portionsweises Auftragen, wobei man zwischendurch die Flecke im Luftstrom trocknet.

3. Entwickeln: Das Papier wird zu einem Zylinder gerollt und in dieser Lage festgeklammert, ohne daß sich die Ränder berühren.

Das so vorbereitete Chromatogramm stellt man, ebenso wie die DC-Platten in eine vorbereitete Kammer (0,5 cm hoch mit Laufmittel gefüllt, Kammeratmosphäre gesättigt mit Laufmitteldämpfen). Das fertige Chromatogramm wird herausgenommen und nach Markieren der Frontlinie getrocknet.

4. Bestimmung der Rf-Werte der Substanzflecke und Identifizierung der Substanzen durch Co-Chromatographie, Vergleich mit Literaturergebnissen.

 Aufgaben: 

Ordnen Sie die zwei grünen Banden den beiden Chlorophyllen a und b zu und die beiden gelben Banden den Carotinoiden b-Carotin und Lutein (mit Begründung).

Berechnen Sie die R_f-Werte der vier Farbstoffe

Welches Strukturmerkmal ist für die Farbigkeit der vier Verbindungen verantwortlich?  

Carotin

Lutein

Chlorophyll a und b

Kieselgel

Abituraufgabe 1998_III_3 Aufgabe 3 mit Lösung (Prinzip, Saccharide - Detektion durch Reduktionsvermögen - Rf-Werte-Berechnung - Co-Chromatographie

3 Die Trennung und Identifizierung von Sacchariden gelingt mit Hilfe chromatografischer Verfahren.

3.1 Erklären Sie das Prinzip der Chromatografie am Beispiel der Dünnschicht- oder Papierchromatografie! [4 BE]

3.2 Voruntersuchungen eines Saccharid-Gemisches deuten daraufhin, dass es Glucose, Maltose und/oder Saccharose enthalten könnte. Das Gemisch wird chromatografisch getrennt. Das entwickelte Chromatogramm wird mit ammoniakalischer Silbernitrat-Lösung besprüht und erwärmt. Geben Sie an, welches der oben genannten Saccharide mit dieser Methode sichtbar gemacht werden kann, und begründen Sie Ihre Aussage! Stellen Sie für eine Reaktion die Gleichung auf. [5 BE]

3.3 Ein Kohlenhydrat-Gemisch unbekannter Zusammensetzung wird chromatografisch getrennt und die einzelnen Bestandteile werden mit Hilfe verschiedener Sprühreagenzien sichtbar gemacht. Die Abbildung zeigt das fertige Chromatogramm:

Ermitteln Sie mit Hilfe der gegebenen R_f-Werte, ob in dem Gemisch Fructose enthalten war, und begründen Sie Ihre Aussage! [3 BE]

3.4 Die Identifizierung von Kohlenhydraten kann auch mit Hilfe eines Co-Chromatogramms erfolgen. Beschreiben Sie die Durchführung dieses Verfahrens und legen Sie seine Vorteile gegenüber der Identifizierung mit R_f - Werten dar! [3 BE]