2.03.3.1 Kapalinová adsorpční a gradientová chromatografie
Každý typ interakční chromatografie vyžaduje mobilní fázi, která se skládá ze dvou nebo více rozpouštědel. V kapalinové adsorpční chromatografii (LAC) jsou počáteční a konečná mobilní fáze dobrými rozpouštědly pro polymer. Ve většině případů se jako stacionární fáze používá silikagel. Vzorek vstříknutý do kolony se adsorbuje na povrchu oxidu křemičitého v počáteční mobilní fázi. U vzorků s velmi nízkou molární hmotností může být adsorpce dostatečně slabá a může dojít k desorpci ve stejném složení mobilní fáze. V tomto případě probíhá eluce za izokratických podmínek.
Ve většině případů a zejména u vzorků s vyšší molární hmotností je adsorpce příliš silná. Síla mobilní fáze má dramatický vliv na retenci. Při slabé mobilní fázi retenční čas polymeru obvykle daleko přesahuje jakoukoli rozumnou dobu experimentální práce. Zvýšení eluční síly nakonec povede k náhlé změně opačného chování: polymer se vůbec nezadrží a opustí kolonu v intersticiálním objemu Vo. Malá změna elučních podmínek způsobí přechod z nulové retence do nekonečna. Toto chování „zapnuto nebo vypnuto“ lze chápat jako důsledek vícenásobné vazby.3 Syntetické polymery se skládají z velkého počtu opakujících se jednotek. V zásadě mají všechny z nich šanci se adsorbovat, ale konformace adsorbovaných polymerních cívek se obvykle skládá ze smyček a chvostů táhnoucích se v roztoku a vláken adsorbovaných opakovacích jednotek. Polymerní řetězec se udrží ve stacionární fázi tak dlouho, dokud je adsorbována alespoň jedna z jeho opakujících se jednotek. Řetězec může migrovat pouze tehdy, jsou-li všechny jeho jednotky v mobilní fázi. Za předpokladu nezávislé adsorpčně-desorpční rovnováhy pro každou jednotku je podmínka mobility makromolekuly funkcí odpovídajících pravděpodobností opakujících se jednotek a délky řetězce. U slabých eluentů a dlouhých polymerních řetězců lze předpokládat, že vždy existuje opakující se jednotka interagující s obalovým materiálem. V souladu s tím je velmi vysoká pravděpodobnost, že makromolekula zůstane zachována po velmi dlouhou dobu. Ve většině případů se proto musí použít gradienty rozpouštědel, aby se zvýšila síla rozpouštědla v mobilní fázi a vyrovnalo se adsorpčně-desorpční chování makromolekul.
LAC se široce používá pro separaci kopolymerů podle chemického složení, přičemž první práci publikovali v roce 1979 Teramachi a spol.12 Mori a další vyvinuli separační metody pro různé styren-akrylátové kopolymery, zatímco Mourey a spol. se zaměřili na různé kombinace polyakrylátů.13-17
Dalším důležitým aspektem adsorpční chromatografie polymerů je rozpustnost. Rozpustnost obecně vyžaduje zápornou změnu Gibbsovy volné energie při míchání. To je snadno splněno u rozpuštěných látek s nízkou molární hmotností díky velkému příspěvku entropie. Při procesech mísení s nízkou molekulovou hmotností je příspěvek TΔSm tak velký, že ani kladné hodnoty ΔHm nezabrání rozpouštění. Na rozdíl od nízkomolárních sloučenin mají makromolekuly v pevném stavu obvykle nízký řád. Kromě toho zůstává při rozpouštění zachováno pravidelné uspořádání opakujících se jednotek podél polymerního řetězce. Kromě toho je v roztocích o stejných hmotnostních koncentracích počet částic rozpuštěné látky u vzorků s nízkou molární hmotností mnohem větší než u polymerních systémů. Příspěvek entropie k ΔGm bude tedy malý a podmínka ΔGm < 0 vyžaduje zápornou změnu entalpie, ΔHm < 0. V souladu s tím musí být parametry rozpustnosti rozpouštědla velmi blízké parametrům polymeru. Kromě dostatečné rozpustnosti makromolekul v mobilní fázi se vyžaduje určitá síla rozpouštědla mobilní fáze. Vzhledem k separačnímu mechanismu v adsorpční chromatografii musí být síla rozpouštědla dostatečně vysoká, aby podporovala desorpci makromolekul z obalu.
Jedním typem LC, který využívá rozpustnosti makromolekul různého chemického složení, je vysoce účinná precipitační kapalinová chromatografie (HPPLC).3 Při HPPLC je počáteční mobilní fází nerozpouštědlo pro vzorek, takže vzorek nastříkaný do kolony se vysráží. Gradientní eluce se pak provádí tak, že se ke vzorku přidá dobré rozpouštědlo a frakce se začnou znovu rozpouštět a eluovat s mobilní fází. Protože rozpustnost je funkcí chemického složení, lze HPPLC použít pro separaci chemického složení kopolymerů a polymerních směsí. Příklady tohoto druhu separace uvedli Glöckner a další pro styrenové a akrylátové kopolymery.18-21
Velmi často je obtížné klasifikovat separační techniku jako LAC nebo HPPLC, protože není zcela jasné, zda se vzorek plně vysráží ve výchozí mobilní fázi (různé chemické složení makromolekul). V takových případech lze separaci klasifikovat jako kapalinovou chromatografii s normální fází (NP-LC) nebo kapalinovou chromatografii s obrácenou fází (RP-LC). V obou případech by počáteční a konečná mobilní fáze měly být dobrými rozpouštědly pro vzorek. Při NP-LC se používá polární (hydrofilní) stacionární fáze. Počáteční mobilní fáze je méně polární a síla rozpouštědla se zvýší přidáním polárního rozpouštědla. Typickými příklady jsou n-hexan-tetrahydrofuran (THF)22 a n-hexan-chloroform.23 RP-LC používá nepolární (hydrofobní) stacionární fáze a polární počáteční mobilní fázi, která je v průběhu gradientu modifikována méně polárním rozpouštědlem. Typickými příklady pro tento případ jsou ACN-THF24 a ACN-methylenchlorid.25
Typický příklad separace náhodných kopolymerů pomocí NP-LC je uveden na obr. 3. Při použití silikagelu s kyanopropylovou vazbou jako stacionární fáze a gradientu rozpouštědla isooktan-THF byly kopolymery decilmethakrylátu a methylmethakrylátu separovány podle složení26. V novější aplikaci ukázali Garcia a kol., že vysoce účinné separace RP-LC lze provádět s velmi krátkými kolonami a strmými gradienty za méně než 3 min (viz obr. 4).27
Obr. 3. Gradientové HPLC chromatogramy náhodných kopolymerů decylmethakrylátu a methylmethakrylátu. Stacionární fáze: Nucleosil 5 CN, 200 mm × 4,6 mm i.d.; mobilní fáze: gradient isooktan-THF. Složení kopolymerů je uvedeno jako DMA-MMA v mol.%.
Přetištěno z Pasch, H.; Trathnigg, B. HPLC of Polymers; Springer: Berlin-Heidelberg-New York, 1998,2 s laskavým svolením Springer Science+Business Media.
Obr. 4. Složení kopolymerů. Překrytí pěti HPLC separací kopolymerů styrenu a ethylakrylátu. Jsou uvedeny průměrné obsahy styrenu a sloupce směrodatné odchylky. Stacionární fáze: Luna C18 100 Å, 30 mm × 4,6 mm i.d.; mobilní fáze: Nominální obsah styrenu v kopolymerech: 0 mol.% (1), 20 mol.% (2), 40 mol.% (3), 60 mol.% (4), 80 mol.% (5) a 100 mol.% (6).
Přetištěno z Garcia Romero, I.; Bashir, M. A.; Pasch, H. e-Polymers 2005, 079,27 se souhlasem.
.