2.03.3.1 Flüssigkeitsadsorptions- und Gradientenchromatographie
Jede Art der Interaktionschromatographie erfordert eine mobile Phase, die zwei oder mehr Lösungsmittel umfasst. Bei der Flüssigkeitsadsorptionschromatographie (LAC) sind die erste und die letzte mobile Phase gute Lösungsmittel für das Polymer. In den meisten Fällen wird Kieselgel als stationäre Phase verwendet. Die in die Säule eingespritzte Probe adsorbiert an der Kieselgeloberfläche der anfänglichen mobilen Phase. Bei Proben mit sehr geringer Molmasse kann die Adsorption ausreichend schwach sein, so dass eine Desorption in der gleichen Zusammensetzung der mobilen Phase stattfinden kann. In diesem Fall erfolgt die Elution unter isokratischen Bedingungen.
In den meisten Fällen und insbesondere bei Proben mit höherer Molmasse ist die Adsorption zu stark. Die Stärke der mobilen Phase hat einen dramatischen Einfluss auf die Retention. Bei einer schwachen mobilen Phase übersteigt die Retentionszeit eines Polymers in der Regel bei weitem jeden vernünftigen Zeitraum für experimentelle Arbeiten. Eine Erhöhung der Elutionsstärke führt schließlich zu einer plötzlichen Änderung des gegenteiligen Verhaltens: Das Polymer wird überhaupt nicht zurückgehalten und verlässt die Säule im Zwischengittervolumen Vo. Eine kleine Änderung der Elutionsbedingungen führt zum Übergang von Nullretention zu unendlich. Dieses „An- oder Aus“-Verhalten kann als Folge der Mehrfachbindung verstanden werden.3 Synthetische Polymere bestehen aus einer großen Anzahl von Wiederholungseinheiten. Im Prinzip haben alle die Möglichkeit, adsorbiert zu werden, aber die Konformation der adsorbierten Polymerspiralen besteht in der Regel aus Schleifen und Schwänzen, die sich in die Lösung erstrecken, und aus Zügen von adsorbierten Wiederholungseinheiten. Eine Polymerkette wird so lange in der stationären Phase gehalten, wie mindestens eine ihrer Wiederholungseinheiten adsorbiert ist. Eine Kette kann nur wandern, wenn sich alle konstituierenden Einheiten in der mobilen Phase befinden. Unter der Annahme eines unabhängigen Adsorptions-Desorptions-Gleichgewichts für jede Einheit ist die Mobilitätsbedingung eines Makromoleküls eine Funktion der entsprechenden Wahrscheinlichkeiten der Wiederholungseinheiten und der Kettenlänge. Bei schwachen Elutionsmitteln und langen Polymerketten kann davon ausgegangen werden, dass es immer eine Wiederholungseinheit gibt, die mit dem Packungsmaterial in Wechselwirkung tritt. Dementsprechend ist die Wahrscheinlichkeit sehr hoch, dass das Makromolekül für eine sehr lange Zeit zurückgehalten wird. Folglich müssen in den meisten Fällen Lösungsmittelgradienten verwendet werden, um die Lösungsmittelstärke der mobilen Phase zu erhöhen und das Adsorptions-Desorptionsverhalten der Makromoleküle auszugleichen.
LAC wurde in großem Umfang für die Trennung von Copolymeren nach ihrer chemischen Zusammensetzung eingesetzt, wobei die erste Arbeit 1979 von Teramachi et al.12 veröffentlicht wurde. Mori und andere entwickelten Trennmethoden für verschiedene Styrol-Acrylat-Copolymere, während sich Mourey et al. auf verschiedene Polyacrylat-Kombinationen konzentrierten.13-17
Ein weiterer wichtiger Aspekt der Adsorptionschromatographie von Polymeren ist die Löslichkeit. Die Löslichkeit erfordert im Allgemeinen eine negative Änderung der freien Gibbs-Energie beim Mischen. Dies ist bei gelösten Stoffen mit geringer Molekülmasse aufgrund des großen Entropiebeitrags leicht zu erreichen. Bei niedermolekularen Mischprozessen ist der Beitrag TΔSm so groß, dass selbst positive Werte von ΔHm die Auflösung nicht verhindern. Im Gegensatz zu Verbindungen mit geringer Molekülmasse weisen Makromoleküle im festen Zustand normalerweise eine geringe Ordnung auf. Darüber hinaus bleibt die regelmäßige Anordnung der sich wiederholenden Einheiten entlang der Polymerkette beim Auflösen erhalten. Außerdem ist in Lösungen gleicher Gewichtskonzentration die Anzahl der gelösten Teilchen in Proben mit geringer Molmasse viel größer als in Polymersystemen. Daher ist der Entropiebeitrag zu ΔGm gering und die Bedingung ΔGm < 0 erfordert eine negative Änderung der Enthalpie, ΔHm < 0. Dementsprechend müssen die Löslichkeitsparameter des Lösungsmittels sehr nahe an denen des Polymers liegen. Neben einer ausreichenden Löslichkeit der Makromoleküle in der mobilen Phase ist auch eine bestimmte Lösungsmittelstärke der mobilen Phase erforderlich. Angesichts des Trennmechanismus in der Adsorptionschromatographie muss die Lösungsmittelstärke hoch genug sein, um die Desorption der Makromoleküle von der Packung zu fördern.
Eine Art der LC, die sich die Löslichkeit von Makromolekülen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung zunutze macht, ist die Hochleistungs-Fällungsflüssigkeitschromatographie (HPPLC).3 Bei der HPPLC ist die anfängliche mobile Phase ein Nichtlösungsmittel für die Probe, so dass die in die Säule injizierte Probe ausfällt. Dann wird eine Gradientenelution durchgeführt, indem der Probe ein gutes Lösungsmittel zugesetzt wird, und die Fraktionen beginnen sich wieder aufzulösen und mit der mobilen Phase zu eluieren. Da die Löslichkeit eine Funktion der chemischen Zusammensetzung ist, kann die HPPLC zur Trennung der chemischen Zusammensetzung von Copolymeren und Polymermischungen verwendet werden. Beispiele für diese Art der Trennung wurden von Glöckner und anderen für Styrol- und Acrylat-Copolymere vorgestellt.18-21
Sehr häufig ist es schwierig, eine Trenntechnik als LAC oder HPPLC zu klassifizieren, da nicht ganz klar ist, ob die Probe in der anfänglichen mobilen Phase vollständig ausfällt (unterschiedliche chemische Zusammensetzungen der Makromoleküle). In solchen Fällen kann die Trennung als Normalphasen-Flüssigkeitschromatographie (NP-LC) oder Umkehrphasen-Flüssigkeitschromatographie (RP-LC) klassifiziert werden. In beiden Fällen sollten die anfänglichen und endgültigen mobilen Phasen gute Lösungsmittel für die Probe sein. Bei der NP-LC wird eine polare (hydrophile) stationäre Phase verwendet. Die anfängliche mobile Phase ist weniger polar und die Lösungsmittelstärke wird durch Zugabe eines polaren Lösungsmittels erhöht. Typische Beispiele sind n-Hexan-Tetrahydrofuran (THF)22 und n-Hexan-Chloroform.23 RP-LC verwendet unpolare (hydrophobe) stationäre Phasen und eine polare anfängliche mobile Phase, die im Verlauf des Gradienten mit einem weniger polaren Lösungsmittel verändert wird. Typische Beispiele für diesen Fall sind ACN-THF24 und ACN-Methylenchlorid.25
Ein typisches Beispiel für die Trennung von statistischen Copolymeren durch NP-LC ist in Abbildung 3 dargestellt. Unter Verwendung eines cyanopropylgebundenen Kieselgels als stationäre Phase und eines Lösungsmittelgradienten aus Isooctan-THF wurden Copolymere von Decylmethacrylat und Methylmethacrylat nach Zusammensetzung getrennt.26 In einer neueren Anwendung wurde von Garcia et al. gezeigt, dass hocheffiziente RP-LC-Trennungen mit sehr kurzen Säulen und steilen Gradienten in weniger als 3 min durchgeführt werden können (siehe Abbildung 4).27
Abbildung 3. Gradienten-HPLC-Chromatogramme von statistischen Decylmethacrylat-Methylmethacrylat-Copolymeren. Stationäre Phase: Nucleosil 5 CN, 200 mm × 4,6 mm i.d.; mobile Phase: Isooctan-THF-Gradient. Copolymerzusammensetzungen sind als DMA-MMA in Mol-% angegeben.
Abgedruckt aus Pasch, H.; Trathnigg, B. HPLC of Polymers; Springer: Berlin-Heidelberg-New York, 1998,2 mit freundlicher Genehmigung von Springer Science+Business Media.
Abbildung 4. Überlagerung von fünf HPLC-Trennungen von Styrol-Ethylacrylat-Copolymeren. Angegeben sind die durchschnittlichen Styrolgehalte und die Balken der Standardabweichung. Stationäre Phase: Luna C18 100 Å, 30 mm × 4,6 mm i.d.; mobile Phase: THF-ACN-Gradient; nominaler Styrolgehalt der Copolymere: 0 Mol-% (1), 20 Mol-% (2), 40 Mol-% (3), 60 Mol-% (4), 80 Mol-% (5) und 100 Mol-% (6).
Abgedruckt aus Garcia Romero, I.; Bashir, M. A.; Pasch, H. e-Polymers 2005, 079,27 mit Genehmigung.