2.03.3.1 Liquid Adsorption and Gradient Chromatography
Ogni tipo di cromatografia di interazione richiede una fase mobile che comprende due o più solventi. Nella cromatografia ad adsorbimento liquido (LAC), le fasi mobili iniziale e finale sono buoni solventi per il polimero. Nella maggior parte dei casi, il gel di silice viene utilizzato come fase stazionaria. Il campione iniettato nella colonna si adsorbe sulla superficie della silice nella fase mobile iniziale. Per campioni di massa molare molto bassa, l’adsorbimento potrebbe essere sufficientemente debole e il desorbimento nella stessa composizione della fase mobile potrebbe avvenire. In questo caso, l’eluizione avviene in condizioni isocratiche.
Nella maggior parte dei casi e, in particolare, per i campioni di massa molare superiore, l’adsorbimento è troppo forte. La forza della fase mobile ha un effetto drammatico sulla ritenzione. Con una fase mobile debole, il tempo di ritenzione di un polimero di solito supera di gran lunga qualsiasi periodo ragionevole di lavoro sperimentale. L’aumento della forza di eluizione alla fine porterà ad un improvviso cambiamento nel comportamento opposto: il polimero non viene trattenuto affatto e lascia la colonna al volume interstiziale Vo. Una piccola alterazione delle condizioni di eluizione provoca la transizione dalla ritenzione zero all’infinito. Questo comportamento “on o off” può essere compreso come una conseguenza dell’attacco multiplo.3 I polimeri sintetici sono costituiti da un gran numero di unità ripetute. In linea di principio, tutte hanno la possibilità di essere adsorbite, ma la conformazione delle bobine polimeriche adsorbite di solito comprende loop e code che si estendono nella soluzione e treni di unità ripetute adsorbite. Una catena polimerica è trattenuta nella fase stazionaria finché almeno una delle sue unità ripetute è adsorbita. Una catena può migrare solo se tutte le unità costitutive si trovano nella fase mobile. Assumendo un equilibrio di adsorbimento-desorbimento indipendente per ogni unità, la condizione di mobilità di una macromolecola è una funzione delle corrispondenti probabilità delle unità ripetute e della lunghezza della catena. Per eluenti deboli e catene polimeriche lunghe, si può assumere che ci sia sempre un’unità ripetuta che interagisce con il materiale d’imballaggio. Di conseguenza, la probabilità è molto alta che la macromolecola sia trattenuta per un tempo molto lungo. Di conseguenza, nella maggior parte dei casi i gradienti di solvente devono essere usati per aumentare la forza del solvente della fase mobile e per bilanciare il comportamento di adsorbimento-desorbimento delle macromolecole.
LAC è stata ampiamente applicata per la separazione di copolimeri secondo la composizione chimica, con il primo articolo pubblicato nel 1979 da Teramachi et al.12 Mori e altri hanno sviluppato metodi di separazione per diversi copolimeri stirene-acrilato, mentre Mourey et al. si sono concentrati su diverse combinazioni di poliacrilato.13-17
Un altro aspetto importante della cromatografia ad assorbimento dei polimeri è la solubilità. La solubilità in generale richiede un cambiamento negativo nell’energia libera di Gibbs durante la miscelazione. Questo è facilmente realizzabile con soluti a bassa massa molare a causa del grande contributo dell’entropia. Nei processi di miscelazione a bassa massa molecolare, il contributo TΔSm è così grande che anche valori positivi di ΔHm non impediscono la dissoluzione. In contrasto con i composti a bassa massa molecolare, le macromolecole hanno normalmente un basso ordine nello stato solido. Oltre a questo, la disposizione regolare delle unità ripetute lungo la catena polimerica rimane durante la dissoluzione. Inoltre, in soluzioni di uguali concentrazioni di peso, il numero di particelle di soluto è molto maggiore nei campioni a bassa massa molare che nei sistemi polimerici. Così, un contributo di entropia a ΔGm sarà piccolo e la condizione ΔGm < 0 richiede una variazione negativa dell’entalpia, ΔHm < 0. Di conseguenza, i parametri di solubilità del solvente devono essere molto vicini a quelli del polimero. Oltre a una sufficiente solubilità delle macromolecole nella fase mobile, è necessaria una certa forza del solvente della fase mobile. In considerazione del meccanismo di separazione nella cromatografia di adsorbimento, la forza del solvente deve essere abbastanza alta da promuovere il desorbimento delle macromolecole dall’imballaggio.
Un tipo di LC che sfrutta la solubilità delle macromolecole di diversa composizione chimica è la cromatografia liquida a precipitazione ad alte prestazioni (HPPLC).3 In HPPLC, la fase mobile iniziale è un non solvente per il campione in modo che il campione iniettato nella colonna precipiti. L’eluizione a gradiente viene quindi eseguita aggiungendo un buon solvente al campione e le frazioni iniziano a ridissolversi ed eluire con la fase mobile. Poiché la solubilità è una funzione della composizione chimica, l’HPPLC può essere utilizzata per la separazione della composizione chimica di copolimeri e miscele di polimeri. Esempi di questo tipo di separazione sono stati presentati da Glöckner e altri per copolimeri di stirene e acrilato.18-21
Molto spesso è difficile classificare una tecnica di separazione come LAC o HPPLC poiché non è completamente chiaro se il campione precipita completamente nella fase mobile iniziale (composizioni chimiche diverse delle macromolecole). In questi casi, la separazione può essere classificata come cromatografia liquida in fase normale (NP-LC) o in fase inversa (RP-LC). In entrambi i casi, le fasi mobili iniziale e finale dovrebbero essere buoni solventi per il campione. Nella NP-LC, viene utilizzata una fase stazionaria polare (idrofila). La fase mobile iniziale è meno polare e la forza del solvente viene aumentata aggiungendo un solvente polare. Esempi tipici sono n-esano-tetraidrofurano (THF)22 e n-esano-cloroformio.23 RP-LC utilizza fasi stazionarie non polari (idrofobiche) e una fase mobile iniziale polare che viene modificata nel corso del gradiente con un solvente meno polare. Esempi tipici per questo caso sono ACN-THF24 e ACN-cloruro di metilene.25
Un esempio tipico per la separazione di copolimeri casuali tramite NP-LC è dato nella Figura 3. Usando un gel di silice legato al cianopropile come fase stazionaria e un gradiente di solvente di isoottano-THF, i copolimeri di metacrilato di decile e metile sono stati separati per composizione.26 In un’applicazione più recente, è stato dimostrato da Garcia et al. che separazioni RP-LC altamente efficienti possono essere condotte con colonne molto corte e gradienti ripidi in meno di 3 min (vedi Figura 4).27
Figura 3. Cromatogrammi HPLC a gradiente di copolimeri casuali di decil metacrilato-metil metacrilato. Fase stazionaria: Nucleosil 5 CN, 200 mm × 4,6 mm i.d.; fase mobile: gradiente isoottano-THF. Le composizioni dei copolimeri sono date come DMA-MMA in mol.%.
Ristampato da Pasch, H.; Trathnigg, B. HPLC of Polymers; Springer: Berlin-Heidelberg-New York, 1998,2 con gentile concessione di Springer Science+Business Media.
Figura 4. Sovrapposizione di cinque separazioni HPLC di copolimeri stirene-etil acrilato. Sono riportati i contenuti medi di stirene e le barre di deviazione standard. Fase stazionaria: Luna C18 100 Å, 30 mm × 4,6 mm i.d.; fase mobile: THF-ACN gradiente; contenuto nominale di stirene dei copolimeri: 0 mol.% (1), 20 mol.% (2), 40 mol.% (3), 60 mol.% (4), 80 mol.% (5), e 100 mol.% (6).
Ristampato da Garcia Romero, I.; Bashir, M. A.; Pasch, H. e-Polymers 2005, 079,27 con permesso.