die löslichkeitsparameter als werkzeug zum verständnis der flüssigkeitschromatographie

Die L6slichkeitsparameter als Werkzeug zum Verst indnis der FKissigkeitschromatographie

P. J. Schoenmakers*/H. A. H. B i l l i e t /L . de Galan

Laboratorium voor Analytische Scheikunde, Technische Hogeschool Delft, Jaffalaan 9, NL-2628 BX Delft, The Netherlands

Key Words

Solubility parameter Theory of liquid chromatography Retention Selectivity Specific effects

Summary

The Solubility Parameter as a Tool in Understanding Liquid Chromatography

The solubility parameter concept is Briefly discussed, i t is then used to explain some of the current features of liquid partition and adsorption chromatography. Various phase systems are discussed on the basis of three charac- teristics: retention, selectivity (the general separation power of a system) and specificity (increased separation power towards certain pairs of solutes). The emergence of two essentially different techniques, the 'normal phase' and 'reversed phase' modes, will appear as a logical consequence of simplified theory. It also becomes ob- vious why "reversed phase' applications are so much more numerous. Some suggestions are given for the development of new stationary phases and the improve- ment of existing ones. The usefulness of the solubility parameter concept to predict the solvent strength of mixed eluents in reversed phase liquid chromatography (RPLC) is demonstrated. Some practical rules for the selection and operation of stationary and mobile phase systems are formulated.

Zusammenfassung

Das Konzept des L6slichkeitsparameters wird kurz diskutiert, Danach wird es benutzt, um einige Erscheinun- gender FILissig/Fl[Jssig-Verteilungs-(LLC) und Adsorp- tions-Chromatographie (LSC) zu erkl~iren. Es werden unterschiedliche Phasensysteme bez(Jglich dreier charak- teristischer Erscheinungen besprochen: Retention, Selek- tivit~t (erh6hte Trennkraft eines Systems) und Spezifith't (erh6hte Trennkraft f~Jr bestimmte Substanzpaare). Die

Erscheinung zweier wesentlich unterschiedlicher Tech- niken, der Normalphasen- und der Umkehrphasen-Tech- nik, ergibt sich als Iogische Konsequenz der vereinfachten Theorie. Es wird auch klar, warum die Reversed Phase- Alawendungen sehr viel zahlreicher als die iJbrigen sind. Es werden einige Anregungen zur Entwicklung neuer station~rer Phasen und der Verbesserung der bereits bestehenden gegeben. Es wird dargestellt, wie niitzlich das L6slichkeitsparameter-Konzept zur Vorhersage der L6semittelst~irke von L6semittelgemischen in der Um- kehrphasen-Chromatographie ist. Zum Schlu6 werden einige praktische Regeln zurAuswahl und dem Betrieb yon station~iren und mobilen Phasensystemen formuliert.

Einleitung

WS.hrend der letzten zehn Jahre wurden mehrere Versuche unternommen, das Retentionsverhalten gel6ster Substan- zen bei der Hochleistungs-FliJssigkeitschromatographie zu besehreiben und vorherzusagen. Zwei allgemeine Vorge- hensweisen k6nnen dabei unterschieden werden. Bei der empirischen Anniiherung werden experimentelle Daten analysiert und nach systematischen Erscheinungen klassifi- ziert, um allgemeine Regeln daraus abzuleiten [1-3]. Ohne einen theoretischen Hintergrund ist es immer gef'ahrlich, eine Extrapolation auf Substanzen oder Phasensysteme aus- zudehnen, die nicht im gemessenen Datensatz vorhanden sind. Die Alternative ist die Entwicklung einer theoretischen Beschreibung der Trennprozesse in der Fliissigkeitschroma- tographie.

Beispiele for die letztere Vorgehensweise sind die Solvo- phobietheorie for die Umkehrphasen-Fliissigkeitschromato- graphie [4, 5] und das L6slichkeitsparameter-Modell [6-9] . UngliJcklicherweise waren bisher quantitative Voraussagen nach diesen Konzepten zu unzuverl~issig for den praktischen Gebrauch. Die dadurch verst~indliche Entt~iuschung scheint jedoch die Tatsache zu verdunkeln, dat~ die theoretischen Vorhersagen oft in mehr als qualitativer l~Ibereinstimmung mit den gemachten Beobachtungen stehen. Deshalb kann man sagen, d ~ solche Theorien benutzt werden kSnnen, um verschiedene Phasensysteme abzuschatzen und zu ver- gleichen und Richtungen zur weiteren Verbesserung an- zugeben.

Chromatographia Vol. 15 No. 6, June 1982 Green Pages

.0009-5893/82/6 0387-12 ~ 02.00/0 �9 1982 Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH

. 387

In dieser Arbeit wollen wir die M6glichkeiten des LSslich- keitsparameter-Konzeptes s die Fltissigkeitschromato- graphie entwickeln.

Das L6slichkeitsparameter-Konzept wurde schon in den drei6iger Jahren durch die Arbeiten von Hildebrand und Scatchard [10] eingeCtihrt. Das Originalkonzept umfa6t die regularen L6sungen, d.h. L6sungen, welche beim Mischen einen idealen Entropieeffekt aufweisen. In der Praxis sind regul~ire L6sungen selten anzutreffen [10]. AUerdings birgt das L6slichkeitsparameter-Konzept einige sehr attraktive Aussichten, welche verschiedene Arbeits- gruppen die sich mit Chromatographie befassen veranla6t haben, dieses Konzept auch au6erhalb seines engeren Berei- ches anzuwenden [6-9, 11, 12] : 1. Das L6slichkeitsparameter-Konzept beruht auf der An-

nahme, da6 Eigenschaften yon Mischungen aus denen der reinen Komponenten beschrieben werden k6nnen.

2. Die arithmetischen Ausdriicke, welche angewandt werden (Gesetz der regul~iren Mischung) sind relativ einfach.

3. Das L6slichkeitsparameter-Konzept beschreibt Fltissig- keiten und nicht molekulare Einheiten. Es ist also eine makroskopische, ph~inomenologische NLherung und verkntipft so praktische Daten anschaulicher als dies eine statistische, molekulare N~herung tun wiJrde.

In den frtiheren Diskussionen der Anwendbarkeit des L6s- lichkeitsparameter-Konzeptes auf die Fliissigkeitsehromato- graphie, hat sich die Aufmerksamkeit auf die quantitative Seite konzentriert. In dieser Hinsicht hat sich das Modell als nicht erfolgreich erwiesen. Wit glauben jedoch, da6 die M6glichkeit des L6slichkeitsparameter-Konzeptes als Hilfs- mittel zur Konstruktion eines einheitlichen Rahmens zur Beschreibung des Retentionsverhaltens in der Fliissigkeits- chromatographie bisher sehr stark unterscb_~tzt wurde. In dieser Arbeit sollen die verschiedenen Parameter, welche die Retention und die Selektivit~t in der Fltissigkeits- chromatographie bewirken, betrachtet werden.

Es soil gezeigt werden, da6 durch eine solche Diskussion das Verstiindnis des FliJssigkeitschromatographie-Prozesses stark wachsen kann.

L6slichkeitsparameterkonzept

L 6 s l i c h k e i t s p a r a m e t e r u n d P o l a r i t ~ i t

Der L6slichkeitsparameter ~ wird wie folgt definiert:

E ist die Koh~isionsenergie, die zur Oberf'tihrung eines Mols einer Substanz yon der idealen Gasphase in den fltissigen Zustand notwendig ist. Es handelt sich dabei um eine Energiemenge, die immer negativ sein wird. v ist das Mol- volumen der Fliissigkeit. Man kann den L6slichkeitspara- meter benutzen, um den Begriff Polarit~it quantitativ zu beschreiben.

Substanzen, die allgemein als unpolar bezeichnet werden (z.B. n-Alkane) haben eine geringe (jedoch nicht 0!) Ko. h~isionsenergie, welche zu einem ~-Wert um 7 cal u2 �9 cm -3/2 s

Polare Verbindungen zeigen sehr viel starkere Wechselwir- kungen in der flEssigen Phase, was zu einem Anstieg von 6 bis zu einem maximal beobaehteten Wert von 25 cal 1/2 �9 cm -a/2 s Wasser s

Einige weitere Verbindungen von speziell chromatographi- schem Interesse sind in Tabelle I zusammengestellt.

Es ist ersichtlich, da6 eine so definierte Polarit~itsskala auch mit der Erfahrung iibereinstimmt. Man beachte besonders die extrem hohe Pol,'.rifiit yon Wasser, welche, wie spiiter gezeigt wird, s die Fliissigkeitschromatographie einige sehr wichtige Konsequenzen ergibt.

Das Gesetz der reguli iren L 6 s u n g e n

Die Verbindung zwischen dem L6slichkeitsparameter und den chromatographischen Retentionsparametern wird durch den Aktivit~itskoeffizienten (7) hergestellt.

Am einfachsten ist die Beschreibung, wenn man die reine Fliissigkeit als den Standardzustand definiert, weil dann ein gel6ster Stoff in beiden chromatographischen Phasen denselben Standardzustand aufweist. Das Gesetz der regu-

Tabelle I . Ausgew~ihl te Werte fLir L6s l i chke i t sparamete r (cal 1/2 cm -3 /2 )

L6sl ich ke itspara meter

, 25

20

15

Polar i t~tsskala 5

25 ,52

~ ~ 1 6 _ 15 ,85

~ 14

13 ,14

10 ,68

10 ,65 1 0 -

5

0 -

�9 I

Substanz 6d 80 5 ind 6a Sb " L i t '

Wasser 7,2 ? ? 21,7 14,2 I -- ,

Si l icagel 10,8 9 ,8 ? 11,4 2 ,5 8

M e t h a n o l 7 ,2 3 9 0,1 ' 17,1 ' 5,4 '

P y r o k o h l e n s t o f f ~ 1 4 k le in ' kmn" ' k e r n ~ k e n ' 8 ' i J 1 I I , ]

. A c e t o n i t r i l I 7 3 5 8 0,2 " ~ 1 0 ~ 4 ' - '

E t h y l e n c h l o r i d 8 ,0 4 ,38 1,0 ' ~ 4 ~ ~1 I - -

D i o x a n ' 8 ,10 1,2 3 4 ' k le in I 2 ,0 -- i

9 ,88 T e t r a h y d r o f u r a n 8,0 [ 3 3 0 3 6 2 �9 1 5 - -

- 9 ,57 ' ' T o l u o l ' 8 ; 5 , 0 8 0 7 I 8 I 0 4 t -- ,

' 9 , 53 E thy l ace ta t 7,6 3 ,6 1,4 3 5 1 ~ --

~ 7 A l k a n e ~ 7 ! 0 ' 0 ' 0 ' 0 : - - :

~ 5 Per f luo r ie r te A l k a n e ~ 5 0 ' 0 ' 0 [ 0 . t 0

3 8 8 C h r o m a t o g r a p h i a V o l . 15 N o . 6 , J u n e 1 9 8 2 G r e e n Pages

l~iren L6sung beschreibt den Aktivit~itskoeffizienten eines gel6sten Stoffes i in der Phase f als

vi In " r ~ - ~ (6i - 6 f ) 2 , (2)

wobei die Indizes oo die unendliche Verdiinnung des Stoffes i und H die Annahme bedeuten, daft die gesamte freie Ener- gie ausschliefilich aus der Enthalpiedifferenz zwischen der Mischung und den reinen Fltissigkeiten herr0hrt. Wenn das Molvolumen v i d e r FliJssigkeit in em a ausgedrtickt wird und die Gaskonstante R in cal" moF 1 �9 K -l , ist die Dimen- sion des L6slichkeitsparameters 6 [cal u2 -cm -a/2 ]. Wenn SI-Einheiten benutzt werden, wird 6 in jU2.rn-a/2 oder Pa uz ausgedriJckt, wobei 1 cal u2 .cm -~2 = 2.05. 103pa uz ist.

In dieser Arbeit wird immer die iibliche Dimension cal u2 �9 em -a/z verwendet. Aus Vereinfachungsgrtinden wird die Einheit im allgemeinen nicht mit angegeben.

Aus GI. (2) l~igt sich schliefien, daft ein gel6ster Stoff in einer flOssigen Phase derselben Polarit~it (~i = ~f) den Akti- vit~itskoeffizienten 1 hat. Dies entspricht einer idealen L6sung, welche dem Raoult'schen Gesetz folgt. Wichtiger ist die Vorhersage aus GI. (2), daft die Aktivit~itskoeffizienten niemals kleiner als 1 sind. Dies ist gleichbedeutend mit einer positiven Mischungsw~irme, d.h. die Mischung ist energetisch weniger bevorzugt als die Kombination der einzelnen, reinen Komponenten. Das steht irn Widersprueh zur Praxis, wo das Mischen endotherm sein kann und dann der Aktivit~itskoeffizient kleiner als 1 wird.

Eine Antwort auf dieses Problem ist es, die GI. (2) durch einen Entropieterm zu erweitern, welcher von dem in G1. (2) beschriebenen Enthalpieterm v611ig unabl~ngig ist. Es wurde jedoch schon festgestellt, daft eine solehe Ausweitung for die Fliissigkeitschromatographie nur yon beschrS.nktem Wert ist [14]. Die Beitdige der Entropie und der Enthalpie sind streng korreliert, und for polare Substanzen ist der gr66te Teil des Entropieeffektes bereits in G1. (2) enthalten. Am Ende dieser Arbeit werden wir eine weitere M6glichkeit diskutieren, die Beobachtung negativer Aktivit~itskoeffizienten mit dem L6slichkeitsparameter-Konzept in Ober- einstimmung zu bringen.

Zun/ichst soll dieses Problem jedoeh vernachl~issigt und die Indizes H und ~ in G1. (2) gestrichen werden.

Retention in der FI/issigkeitschromatographie

Der Grundparameter in der Fliissigkeitschromatographie ist der Kapazit~itsfaktor k. Er kann als das Verh~iltnis der Ak- tivit~itskoeffizienten der gel6sten Substanz in den beiden chromatographischen Phasen ausgedriickt werden [14] :

'Yi, m ns ki = 7i, s " n m ' (3)

wobei die Indizes m und s die mobile und die station~ire Phase bezeichnen. Die Menge n ist die Anzahl der Mole jeder Phase in der chromatographischen S~iule.

Nun wollen wir einen drastischen Schritt machen, indem wir annehmen, daft das L6slichkeitsparameter-Konzept, das urspriinglich for reguliire L6sungen formuliert wurde, auch

auf die unterschiedlichen Phasen, welche in der Fliissigkeits- ehromatographie vorliegen (feste Adsorbentien, chemiseh gebundene Phasen) angewandt werden daft. Diese N~herung hat sich als nfitzlich erwiesen [8, 9]. Die Kombination von den Gin. (2) und (3) ergibt so einen Ausdruck ffir den Kapazit~itsfaktor des gel6sten i in Begriffen des L6slich- keitsparameters.

vi ns l n k i = ~ - ( S m + 6 s - 2 ~ i ) (&m -~s ) + In n--m (4)

Gl. (2) zeigt zwei Wege, um kleine Kapazit~itsfaktoren und somit eine sctmelle Analyse zu erreichen. Ein Weg ist es, eine mobile und eine station~ire Phase gleicher Polarit~it (Sin = 5s) zu w~alen. Ein solches System erlaubt natorlich keine chromatographische Trennung, weil ki for alle gel6- sten Substanzen gleich ist.

Die Alternative ist, die mobile und die stationfire Phase so zu w~alen, daft die ge16ste Suostanz eine mittlere Polarit~it aufweist, das heifit

1

/ii = ~(~m +~s) (5)

Wenn G1. (5) erf'tiUt ist, wird der Kapazit~itsfaktor k i = ns/n m und, da ns/nm normalerweise sehr viel kleiner als 1 ist, die Retentionszeit sehr kurz. Abgesehen vonder Tatsache, daft G1. (5) streng genommen nur for jeweils eine gel6ste Sub- stanz gilt, w~e die Elution hier viel zu schnell, um gute

Trennungen zu erreichen. Deshalb kann man versuchen, eine mobile Phase mit leicht unterschiedlicher Polarit~it zu benutzen. Auch eine kleine Veranderung von/ira hat einen grofien Einflufi, wie aus der Differenzierung yon GI. (4) nach 6 m for ein gegebenes Phasensystem hervorgeht, wobei /i s konstant bleibt und G1. (5) benutzt wird.

Aki v i k-~ = R--T- (6 m - 6 s) A~ m (6)

Wenn 8 m - ~ s = 10calU2 "cm-3/2 (Fig. 1) ist und vi in der Gr6fienordnung yon 100 cm 3 �9 moF ~ liegt, findet man mit R. T = 600 cal. mol -l

Ak - - ~ 1,5 �9 A6 m k

Daraus geht hervor, daft selbst geringe Unterschiede in der Polarit~it der mobilen Phase, einen drastischen Einflufi auf den Kapazit~itsfaktor aufweisen werden. Dies ist eine be- kannte Beobachtung an chromatographischen Systemen, welche ein bin~ires L6semittelsystem benutzen [14, 15].

Ein weiterer Schlufi, der aus G1. (4) gezogen werden kann, ist der Anstieg der Retention mit dem Molvolumen vi, oder der Molekiilgr6fie des gel6sten Stoffes ~ eine weitere be- kannte Beobachtung aus der Praxis der Fliissigkeitschroma- tographie. FOr die h6heren Glieder einer homologen Reihe ist 6 i etwa gleich. Der h~iufig beobachtete lineare Anstieg yon In k mit der Kohlenstoffzahl in einer Homologenreihe folgt dann aus G1. (4).

Man kann auch sehen, daft die relative Verschiebung der Retention durch die Polaritfit der mobilen Phase ((31.(6)) mit der Molektilgr6fie des gel6sten Stoffes steigt. Tatsache ist, daft man, falls der Wassergehalt der mobilen Phase bei

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n-Alkyl-Phosen SiLicageL FluorQtkane Pyrokohlenstoff

5 IO 15 20 25

ca! 112. c rn- a/2

Umkehrphese ormQtphccse

,5 lo / ~ , , s 2,0 2s ~i - -~

t t t ..,!ono, t AIk o, ne THF Acetonitrit Wasser

Fig, 1

Darstellung der Auswahl eines Phasensystems ffir die Fliissigkeits- chromatographie naeh GI. (5).

Eine Probe mit der Polarit~it von 12,5 (mittlere Skala) kann von Silicagel (6s= 16; obere Skala) mit einer unpolaren Phase (6rn = 9; untere Skala), oder miteinem polaren L6semittel von einem Umkehr- phasen-System eluiert werden.

Die punktierten Fl~ichen stellen den Spielraurn dar, innerhalb dessert die Zusamrnensetzung der mobilen Phase schwanken kann.

Il lustration of selection of phase systems fo r LC according to eq. (5). A sample with polari ty 12.5 (middle scale) can be eluted f rom silica (/i s = 16; top scale) with non-polar mobile phase (Srn = 9; bot tom scale), or with polar solvent in reversed-phase system, Shaded areas represent latitude with respect to 0ossible variation in mobile phase composition.

der Umkehrphasen-FliJssigkeitschromatographie erh6ht wird, normalerweise auseinanderlaufende Retentionskurven [15] beobachtet, was beweist, dai~ die starker zurtick- gehaltenen, h6hermolekularen, gel6sten Substanzen, starker dem Einflu6 dermobilen Phase unterliegen, &Is die kleinen Molekiile. Die Frage nach der chromatographischen Tren- nung bedarf jedoch noch einer eingehenden Diskussion.

Selektivitiit Aus GI. (4) la6t sich leicht ein Ausdruck for die relative Retention (a) zweier gel6ster Substanzen mit gleichem Molvolumen (V i = Vj) ableiten.

2 vi 111 O~j, i = In k j /k i = -~-(~5 i . ~ i j ) (Srn -Ss) (7)

Daraus ist zu ersehen, da6 die Trennung zwischen zwei ge- 16sten Substanzen durch zwei Faktoren beeinflu6t werden kann.

(i) Differenz derPolarit~it dergel6stenSubstanzen(Si-Si).

]e mehr Sich die beiden gel6sten Komponenten gleichen, desto mehr nahert sich 8j dem 5i und desto schwieriger wird ihre Trennung. Stark unterschiedliche Komponenten (6i - 8j >> O) sollten sich leicht trennen lassen.

(ii) Polaritatsdifferenz der mobilen und der stationaren Phase (Srn - ~ s).

Dieser Faktor ist yon den gelOsten Komponenten in der Probe unabhangig. Mann kann die Selektivitdt des chroma-

tographischen Phasensystems als die absolute Differenz der Polaritat beider Phasen definieren (I ~i m - ~sl). Je grSBer die Polarit~itsdifferenz der beiden Phasen ist, desto lei- stungsF~Jtiger ist das System far die Trennung sehr ~ihnlicher, gel6ster Stoffe (~i ~ ~j)-

Wir haben jedoch aus G1. (4) gesehen, daft eine Vergr6t~e- rung yon I~ m - 8 s l nicht nur die Trennkraft erh6ht, son- dern auch einen sehr gro6en Einflut~ auf die Retention hat, wenn man nicht die zwei Phasen so auswahlt, da6 GI. (5) erfiillt wird.

Der Zusamrnenhang wird in Fig. 1 graphisch dargestellt, wo die Polarit~iten der station~iren Phase, des gel6sten Stoffes und der mobilen Phase auf drei parallelen Achsen aufgetragen ist. Fiir jede gel6ste Substanz wird eine Gerade, welche dutch den Punkt ihrer Polaritat auf der Skala ~r die gelOsten Stoffe geht, die beiden anderen Skalen so schneiden, daft sich ein Paar mobile Phase/stationare Phase ergibt, das da G1. (5) entspricht. Die beiden gebr~iuchlichsten stationaren Phasen in der HPLC sind alkyliertes Silicagel mit 6 ~ 7 und reines Silica- gel mit einem L6slichkeitsparameter, der wahrscheinlich nahe dem yon Aluminiumoxid (5 = 16) ist [8]. Wenn man nun eine gel6ste Substanz mittlerer Polarit~it (~i = 12,5) w~thlt, findet man zwei Geraden, die einmal Silicagel mit einer mobilen Phase niedriger Polarit~it (6m = 9) verbindet und zum anderen alkyliertes Silicagel mit einem polaren Elutionsmittel (Sin = 18) kombiniert. Wie schon welter oben diskutiert wurde, sind auch noch Phasen mit einer geringFtigig verschiedenen Polaritat, also der aus GI. (5) berechneten zugelassen. Diese werden in Fig. 1 durch die punktierten Fl~chen wiedergegeben.

Die beiden in Fig. 1 gezeigten Geraden repr~sentiere n die beiden gut bekannten Trennsysteme der heutigen HPLC:

(i) FOr eine Gerade mit positiver Steigung ist nach Fig. 1 t5 s > t 5 m und gibt daher ein Normalphasen-System wieder. Entsprechend G1. (7) wird eine polare Kompo- nente (~J > ~ i ) i n diesem System st~irker zurtickgehalten als eine weniger polare.

(ii) Geraden mit negativer Steigung in Fig. 1, also 5s <Sm, reprasentieren Umkehrphasen-Systeme, wo eine starker polare Verbindung weniger stark zuriickgehalten wird und damit rascher eluiert.

Eine wichtige Beobachtung, welche man aus Fig. 1 entnehmen kann, ist der Unterschied der Steigungen der beiden Geradenscharen. Nach G1. (7) bezeichnet die Steigung 15 m - <Ssl die Selektivit~it des Phasensystems, Je steiler die Gerade wird, desto weniger selektiv ist das System. Far eine unendliche Steigung (eine Vertikale durch ~ii) erhalt man ~s = 5i =Sm und das chromatographische Phasensystem zeigt iJberhaupt keine Selektivitat mehr. Aus Fig. 1 ist der wichtige Schlu6 zu ziehen, da6 for alle Substanzen, mit Ausnah- me von extrem unpolaren Verbindungen, ein Umkehrpha- sen-System eine gr66ere Selektivitat als ein System mit Normalphasen verspricht. In Wirklichkeit ist die Situation For die Umkehrphasen-HPLC noch vorteilhafter. Wenn die gel6ste Komponente weniger polar wird, schneidet die Gerade, welche mit Kieselgel verbunden ist, die Skala far die mobile Phase bald in einem Punkt unterhalb yon/i = 7.

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Anders gesagt, es mangelt an einer mobilen Phase, die genti- gend unpolar ist, um niedrigpolare Substanzen in einem normalen Phasensystem zurtickzuhalten. Andererseits k6n- nen Substanzen, die polarer als das Beispiel in Fig. 2 sind, noch mit einem Umkehrphasen-System getrennt werden, wenn man Wasser als eine Komponente der mobilen Phase anwendet. Es ist also auf die extrem hohe Polarit/it des Wassers (/i = 25) zurilckzuf'uhren, dab die Umkehrphasen- HPLC so nutzbringend eingesetzt werden kann. Dies kann auch noch aus einem anderen Blickwinkel gesehen werden. Mit G1. (5) kann die Selektivit~it eines chromatographischen Phasensystems aus der Polarit~t der gel6sten Substanz beschrieben werden.

I~m -CSsl =2 I~ i -~s l (5a)

Wenn man eine gegebene station~ire Phase betrachtet kann man sehen, dab jede gel6ste Verbindung eine entsprechende Polarit~it der mobilen Phase und Selektivitiit aufweist. Be- obachten wir z.B. eine kohlenwasserstoffgebundene statio- n~ire Phase mit einem/is-Wert yon 7.

Far eine gel6ste Substanz mit der Polarit~it yon 7 zeigt G1. (5a), dab 8 m auch 7 sein sollte und somit die Selektivi- tat des Systems 0 wird. Nattirllch kann man die Polaritiit der mobilen Phase etwas h6her w~ihlen, was sich in einer h6heren Selektivit~it auf Kosten einer l~ingeren Retention bemerkbar macht. Obwohl in der Praxis auf diese Weise etwas zu~tzllche Selektivitiit gewonnen werden kann, kann man die Ergebnisse aus G1. (5a) als eine erste Ann/kherung annehmen.

Man erkennt, dab far eine geringfiigig st~irker polare Kom- ponente der entsprechende fim-Wert und die Selektivit~t steigt. Die beiden letzteren steigen doppelt so schnell wie /ii selbst. Aus diesem Grand kann man auf diese Weise nieht unbeschr~inkt fortfahren. Es gibt eine praktische Grenze s die Polaritiit der mobilen Phase. Wasser, mit einem 5rn-Wert yon 25,5, ist die am st/irksten polare Phase die zur Verfii-

q20

I E

i f

/ \

/ , , \,,, 5 A 10 15 20 25 W

- Potarit~t des getSsten Sl(~ffes ~i, calt/2.cnq-3/2 Fig. 2

Berechnete Selekt iv i t~ten fLir verschiedene Phasensysteme als Funk t i on der Polari t~t der gel6sten Substanz (GI. (5a)).

RPF = perf luor ier te Reversed Phase (Umkehrphase); RP = Reversed Phase (Umkehrphase); PC = Pyrokoh lensto f f ;

LSC = A lu rn in iumox id , Silicagel.

Calculated selectivities for various phase systems as func t ion of solute po la r i t y (eq. (5a)).

RPF = perf luor inated reversed-phase; RP = reversed-phase;

PC = pyrocarbon; LSC = alumina, silica.

gung steht. Dies ftihrt nach G1. (7) zu einer maximalen Po- larit~it der gel6sten Stoffe yon 16,25, wobei dann die allgemeine Selektivitiit des Systems 18,5 betdigt.

Die ermittelte Selektivit/it kann graphisch gegen die Polarit/it der eingesetzten Substanz aufgetragen werden. FOr das oben beschriebene Umkehrphasen-Material wurde dies in Fig. 2 getan. Die Gerade AT beginnt bei der Selektivit~it 0 far /ii =7 und l/iuft bis zu einer Selektivit~it yon 18,5 far 8 i = 16,25. Eine /ihnliche Argumentation kann auch fttr andere statio- n~ire Phasen gefiihrt werden. Wenn man Aluminiumoxid (/is = 16) betrachtet, kann diese mittelpolare station~ire Phase mit Wasser flit Stoffe bis 5 i = 20,75 kombiniert werden. Alternativ kann Aluminiumoxid auch mit Hexan far Stoffe, die bei 6i --- 11,5 beginnen kombiniert werden. Far irgendeine station~ire Phase betdigt der Bereich der Polarit~it der gel6sten Stoffe allgemein

7 + 8 s 25,5 + ~i s

Dies wird in Fig. 2 dargestellt, wo man im Prinzip fiir jede station~ire Phase zwei .~.ste beobachten kann. Falls/ii > / is ist, ist auch 6m >/ i s und man arbeitet im Umkehrphasen- Modus - was durch den Ast mit positiver Steigung in Fig. 2 dargestellt wird. Wenn/ii < / i s ist, wird auch/ira < ~s und der Ast mit tier negativen Steigung repdisentiert die Arbeits- weise in dem Normalphasen-Modus. Far sehr stark unpolare station~re Phasen existiert nur ein einziger Ast (AT,in Fig. 2).

Far st~irker polare station~ire Phasen sind beide .~ste m6g- lich, welche eine V-f6rmige Kurve bilden und die Achse bei ~i = 8s, wo die Selektivit~it Null ist, beriihren. Man beachte, dab alle m6glichen Aste sich innerhalb des Dreiecks ATW befinden!

Aus Fig. 2 ist zu sehen, dab station~ire Phasen mit extremer Polarit~it (z.B. Kohlenwasserstoffe) eine potentiell sehr viel gr66ere Selektivit~it als station/ire Phasen mittlerer Polarit~it (z.B. Aluminiumoxid) aufweisen. Wenn man die Gerade tar das Umkehrphasen-Material mit den V-formigen Geraden ftir das LSC-Material vergleicht, kommt man zu dem Schlu6, dab das erstere sowohl in der Selektivitiit als auch in der Anwendbarkeit das bei weitem Oberlegene ist. Bemerkens- werterweise lii6t sich als einziger Fall, wo das LSC-System eine bessere Selektivit~it verspricht, der fiir polare Substan- zen (/ii > 16) im Umkehrphasen-Modus vorhersagen. Das polare Adsorbens sollte hier mit Wasser als mobile Phase verwendet werden, um sehr polare Substanzen (Fig. 2) zu trennen, die nicht auf einer unpolaren stationaren Phase zurtickgehalten werden k6nnen.

Die Beurteilung von station~iren Phasen

Fig, 2 best/itigt die heutige Praxis, nachwelcher die Umkehr- phasen-HPLC, unter Benutzung yon alkyliertem Kieselgel, eine weitaus gr6t~ere Anwendungsbreite als die Normal- phasen-HPLC unter Verwendung von reinem Kieselgel gefunden hat. Wie schon beschrieben, riihrt die fJberlegenheit der Umkehrphasen-Systeme aus der extremen Polarit~it des Wassers als mobile Phase her. Theoretisch k6nnte die Nor- malphasen-LC ahnliche Vorz0ge aufweisen, wenn es eine


station~ire Phase g~ibe, die in ihrer Polarit/it dem Wasser vergleichbar ware. Im Augenblick ist ein solches Material nicht verffigbar, ja nicht einmal vorsteUbar. Es wurden jedoch zwei andere station~re Phasen Nr die HPLC hergestellt, die nach Fig. 2 Aufmerksamkeit erwecken sollten.

Als Versuch, die pH-BeschrLrtkungen yon Silicagel zu iiber- winden, wurde yon verschiedenen Autoren [17-19] graphi- tierte Kohle vorgeschlagen. Ein annetmabarer Weft fiir den: L6slichkeitsparameter fiir dieses Material [8] ist ~i = 14, wenn man unterstellt, d ~ Kohlenstoff nur Dispersions- Wechselwirkungen zeigt [20]. Aus Fig. 2 ergibt sich dann leicht, dal~ unmodif'tzierter Kohlenstoff nur eine begrenzte Anwendung in der HPLC finden kann. Die Situation warde sich verbessern, wenn es gel~inge, die station/ire Phase Kohlenstoff durch eine chemische Modifizierung welter zu depolarisieren. Auch dann wiirde Kohlenstoff wahrscheinlich keine bessere Selektivit/it als alkyliertes Silicagel er- m6glichen, jedoch h/itte er den Vorteil, chemisch sehr viel inerter zu sein.

Eine noch interessantere Vorhersage bietet der Einsatz yon perfluorierten station~iren Phasen [21].

Es wurde schon vor 1/ingerer Zeit festgestellt, dat~ perfluorierte Kohlenwasserstoffe extrem unpolare Verbindun- gen sind.

Ihre Polarit~t liegt deutlich unter der yon Kohlenwasser- stoffen [10]. Der Einsatz yon perfluorierten Alkanen in der Fltissigkeitschromatographie bedeutet, dat~ man das Dreieck AWT in Fig. 2 gegen die unpolare Seite ausdehnen kann, wie es durch die donne Linie angegeben wird. Die hohen Preise der perfluorierten Alkane verhindern flare Anwendung als mobile Phasen. Es ist jedoch ziemlich einfach, chemisch gebundene station~re Phasen mit perfluorierte Kohlenwas- serstoffketten zu synthetisieren [21].

Wenn man einen Wert yon 6 = 5 f0r diese Phasen ansetzt [10], kann man die entsprechende Kurve in Fig. 2 einzeich- hen und finder, d ~ yon diesen extrem niedrigpolaren Pha- sen eine h6here Selektivifiit gegentiber niedrig- und mittel- polaren gel6sten Substanzen erwartet werden kann.

Das Retentionsverhalten, das an perfluorierten station~iren Phasen beobachtet wurde [21, 34], scheint in Oberein- stimmung mit den obigen Vorhersagen zu stehen. Deshalb schliet~en wir, dai~ perfluoriertes Material meistens zu einer gr6t~eren Selektivit/it Ftthrt. Die Mehrkosten des fluorierten Materials k6nnen leicht gegen den Einsatz von kurzen S~iu- len, kfirzere Analysenzeiten und den Rfickgang des L6se- mittelverbrauchs aufgewogen werden. Der Ersatz der gegen- w~irtigen Kohlenwasserstoff-Phasen durch perfluorierte er- scheint daher als ein interessanter Vorschlag.

Mischl6semittel

W~hrend die Zahl der station~ren Phasen in der gegenw/irtigen LC begrenzt ist, kann die Polaritiit der mobilen Phase kontinuierlich durch Mischen yon zwei oder mehreren L6se- mitteln verschiedener Polarit/it variiert werden. Der L6slich- keitsparameter einer Misehung kann in erster Naherung [13] angegeben werden als

Sm = E ~bpSp (9) p

Dabei ist ~p der Volumenanteil und 8p der L6slichkeits- parameter der Mischungskomponente p.

Durch Einsetzen yon G1. (9) in G1. (4) kann man eine algebra- ische Form der Gleichungen erhalten, welche das Reten- tionsverhalten in der LC als Funktion ftir bimire [14] und terniire [22] Mischungen beschreibt.

Fttr bin~tre Elutionsmittel findet man

lnki = Ai~ 2 + Bir C (10)

wobei ~ der Volumenanteil einer der Bestandteile ist. Bei der RPLC ist es tiblich, ~ dem Volumenanteil des organischen Zusatzes, der zum Wasser gegeben wird, zuzuordnen. Die Konstanten A, B und C h~ngen yon den L6slichkeits- parametern der Komponenten der mobilen Phase und yon dem gel6sten Stoff ab. Der gesamte Ausdruck, abgeleitet vom L6slichkeitsparametermodeU zeigt, dai~ Bi stark negativ ist, w/ihrend sich A i schwach, jedoc h signifikant positiv einstellt. Als Folge f~_llt der Kapazit/itsfaktor steil und nichtlinear mit steigendem Gehalt an organischem L6se- mittel (Modifier) ~ab.

Die einfachste Gleichung f ~ Ai erh~ilt man, wenn die Entro- pie- und die Phasenverh~ltnis-Terme vernachl~issigt werden [14]:

Yi hi = ~ (Sw --~mod)2 (11)

6w ist der L6slichkeitsparameter yon Wasser und 5too d der des organischen Zusatzes (Modifier). Daraus wird eine st~r- kere KriJmmung der Kurve yon Ink gegen ~ for weniger polare organische Zus~itze erwartet. Fig. 3 zeigt die Giiltig- keit dieser Aussage, wie mit drei verschiedenen organischen Zusfitzen an einer LiChrosorb RP-18-S/iule mit Phenol ats gel6ster Komponente demonstriert wird. Die Krfimmung steigt systematisch in der Reihenfolge

Methanol (t~mo d --~ 16) < Ethanol (Smoa ~ 14)< Propanol

(~mod ~ 12).

Die obige Betrachtungsweise kann leicht auf Mischungen mit mehr als zwei L6semitteln erweitert werden. Anstelle

31 2

I o 4-

O

-I

�9 ~ .2

0 m.~ Wosser ALkohol

lO

5

Fig. 3

Zusammenhang zwischen In k und dem Volumanteil yon drei unterschiedlichen organischen Modifiern in bin~ren Mischungen mit Wasser.

�9 Methanol, o Ethanol, + Propanol;

chromatographierte Verbindung: Phenol; S~iule: LiChrosorb RP-18. Beispie l aus [14].

Relationship between In k and volume fraction of three different organic modifiers in binary mixtures with water.

�9 Methanol, o Ethanol, + n-propanol; solute Phenol; column: LiChrosorb RP-18. Taken from ref. [14] (with permission).


einer Kurve, welche das Verh~iltnis yon Kapazit~itsfaktor zum Volumenanteil eines L6semittels wiedergibt (Fig. 3), erh/ilt man eine mehrdimensionale Oberfl/iche. FOr den praktisch interessierenden Fall yon tern~iren Gemischen, 1/i6t sich eine nut schwach gekriJmmte, nichtplanare Ober- fl/iche bei der Variation der Retention rnit der Zusammen- setzung der mobilen Phase vorhersagen [22]. Ein Beispiel wird in Fig. 4 gezeigt.

Die Zusammensetzung einer tern/iren mobilen Phase, wel- the THF, Methanol und Wasser enth/ilt, wird durch das iibliche gleichseitige Dreieck als Basis dargesteUt. Der Loga- rithmus des Kapazit~itsfaktors yon o-Kresol wird senkrecht dazu aufgetragen. Die geringe Kriimmung der Oberfl/iche in Fig. 4 demonstriert die allgemeine Regel, dat~ tern/ire L6- sungen einen graduellen tYoergang zwischen den drei bin/i- ren Mischungen bilden [22].

Gradientenelut ion

Wir haben gesehen, da6 bei einer gegebenen station~iren Phase jede gel6ste Komponente eine mobile Phase bestimm- ter Polarit/it zur Elution ben6tigt (Fig. 1). Fiir eine Reihe yon Komponenten nicht allzu unterschiedlicher Polarit/it, kann eine mobile Phase gefunden werden, welche dann die ganze Reihe bei etwa optimalen k-Werten eluiert.

Falls jedoch die gel6sten Komponenten einer Probe einen weiten Polarit/itsbereich umfassen, findet man keine mobile

1

I n k

Fig. 4

. . . . . . . . 3 Zusammenhang zwischen olumzusammensetzung mobilen Phase, welche ,I und Wasser enth&lt.

nz: o-Kresol; 41 10-C 18. 2].

lationship between In k : composition of ternary nixtures containing THF, water. ~ol; !osil 10-C 18. f. [22] (with permission).

~lWQss~

-2

- -3

. (1)MeOH

(2)THF

RP 10 Ip 20 2s

cm V2. cm-3/2

2 ~ s THF MeO~ H20

Fig. 5

~m

Diagramm zur Erkl~irung der Anwendung der Gradientenelution in der RPLC.

Die Pfeile zeigen an, wie eine Ver~nderung der Polarit&t der mobilen Phase, entsprechend einem allm~ihliehen Ersatz yon Wasser, durch Methanol oder THF (untere Skala), zu einer raschen Elution von gel6sten Substanzen bis herunter zu einer Polarit~t von 12 bzw. 8 (mittlera Skala) ffihrt.

Diagram illustrating application of gradient elution in RPLC. Arrows indicate that variation in mobile phase polarity due to gradual replacement of water by methanol or THF in mobile phase (bottom scale) leads to rapid elution of solutes down to polarities 12 and 8, respectively (middle scale).

Phase mehr, welche allen Komponenten entspricht. In diesem Falle kann die Gradientenelution eine L6sung des Pro- blems darstellen.

Bei der Gradientenelution ~indert man die Zusammensetzung (und damit die Polarit/it) der mobilen Phase w/ihrend der Analyse. Das Prinzip wird in Fig. 5 dargesteUt. Aueh hier wurden, /ihnlich wie in Fig. 1, drei Polarit/itsskalen ein- gezeiehnet. Als Beispiel wird die Anwendung eines Wasser/ Methanol-Gradienten in der RPLC diskutiert. Wenn man die Saule mit Wasser eluiert sieht man, d ~ nur Komponenten mit relativ hoher Polarit/it (6 > 15) von der S/iule eluiert werden.

Eine Substanz mit einer Polarit~it yon ~ 13 jedoch, ben6tigt nach Fig. 1 eine entsprechend mobile Phase der Polaritiit yon 19 und wird daher nicht mit Wasser eluiert werden. Wenn man nun Methanol zu der mobilen Phase gibt, bewegt man sich auf der unteren Skala nach links undes beginnen Sub- stanzen mit niedrigerer Polarit~it (mittlere Skala) zu eluieren. Falls man kontinuierlich weiteres Methanol zuftigt, eluiert man immer weitere Substanzen mit fallender Polari- t/it. Wie man aus Fig. 5 sehen kann, vertr/igt sich der Wasser/Methanol-Gradient mit Substanzen, welche in ihrer Polarit/it zwischen 16 und 11 liegen. Wenn man das Metha- nol durch Tetrahydrofuran ersetzt, umfa6t der Gradient aUe Verbindungen, welche in ihrer Polarit/it von 16 bis 8 hinab reichen. Jedoch wird ftir die niedrigpolaren Sub- stanzen die Selektivit/it ziemlich schlecht (Fig. 5).

Der sekundiire Effekt: Die Spezif i t~t

Es mut~ an dieser Stelle darauf hingewiesen werden, dat~ die Betrachtung bisjetzt stark vereinfacht wurde. Das eindimen- sionale L6slichkeitsparameterkonzept diente dazu, das


Verst~indnis einiger Erscheinungen in der Fltissigkeitschro- matographie allgemein zu erleichtern. Wir sahen, wie die Retention durch die Polarit~it der gel6sten Substanz in Bezug auf die Polarit~ten der mobilen und Station~iren Phase bestimmt wird (G1. (4)). Die allgemeine Selektivit~t des chromatographischen Systems wurde auf die Polarit~its- unterschiede der beiden Phasen (G1. (7)) zurtickgeftihrt. Die Kombination beider Beziehungen hat den Vergleich yon station~iren Phasen und die Beurteriung der Wirkungen mo- brier Phasen, einschlie61ich der Gradientenelution, erlaubt.

Es ist jedoch naheliegend, da6 die molekularen Wechsel- wirkungen in der fltissigen Phase sehr vie1 komplexer sind, als dag sie durch einen einzigen Parameter beschrieben werden k6nnten. Das vereinfachte L6slichkeitsparameter- modeU hat daher seine Grenzen. Wir erinnern daran, dag G1. (2) nicht in der Lage ist, Aktivit~itskoeffizienten kleiner als Eins zu behandeln. Ein anderer Nachteri der einfachen Behandlung ist die Unm6glichkeit, so verschiedene Verbin- dungen wie Ethylacetat (6 = 9,53) und Toluol (5 = 9,57) oder Methylenchlorid (6 = 10,68) und Dioxan (~ = 10,65) zu unterscheiden. Es ist offensichtlich, dat~, wenn man von den verallgemeinerten Regeln auf spezifische Situationen iibergehen mOehte, eine Verfeinerung des L6slichkeits- parameterkonzeptes vornehmen mull Solch eine Verfeine- rung ermOglicht das Multikomponenten-L6slichkeitspara- meter-ModeU. Dieses ModeU beriicksichtigt das Vorliegen verschiedener Arten yon Wechselwirkungen in der reinen Fltissigkeit. Die verschiedenen Arten der Wechselwirkungen werden als unabhiSngig voneinander angenommen, was zu einem erweiterten Satz yon Wechselwirkungsenergien f'tihrt.

Dieselbe Annahme wird auch far L6semittelgemische vorgeschlagen. Far jeden einzelnen Wechselwirkungstyp kann man so einen eigenen L6slichkeitsparameter definieren und das Gesetz der reguliiren L6sung anwenden.

Es wurden verschiedene Multiparametermodelle vorgeschlagen, die sich hauptNchlich in der Anzahl der m6glichen einbezogenen Wechselwirkungen unterscheiden [6-9, 11, 23-28] .

TabeUe II gibt einen kurzen Oberblick tiber m6gliche Wechselwirkungen.

Tabelle I I . Obersicht fiber spezif isehe Weehselwi rkungen

A r t der Wechselwi rkung

Dispersion

Or ient ierung

Induk t ion

S~ure

Base

Die Tabelle enth~ilt ftir jede spezifische Wechselwirkung den zugeordneten Parameter, die damit verbundenen physikali- schen Daten und Ausdrticke f'ar die Wechselwirkungsener- gie in der reinen Fltissigkeit sowie in einer Mischung. Die drei letzten Spalten in TabeUe II geben an, welche Wechsel- wirkungen in Mischungen polarer (p) und unpolarer (up) Verbindungen auftreten. Die dispersiven Wechselwirkungen kommen yon der wechsel- seitigen St6rung der Elektronenwolken der sich beeinflus- senden Molekiile. Dieser Typ von Wechselwirkungen wurde yon London quantitativ erl~iutert [29, 30] und wird gele- gentlich als London-Wechselwirkung bezeichnet. Da jedes Molektri eine Elektronenwolke besitzt, kommen dispersive Wechselwirkungen in allen Mischungen, seien sie polar oder unpolar, vor.

Die Dipol-Ausrichtung beschreibt den Energiegewinn, wenn die negative Stelle eines elektrischen Dipols yon positiven Stellen dergleichen oder anderen Dipolen umgeben wird. Da hierftir ein permanentes Dipolmoment notwendig ist, k6nnen nur polare Molekiile an dieser Wechselwirkung teil- haben.

Eine Dipol-Induktion findet statt, wenn ein MolekiJl, das einen permanenten Dipol besitzt, einen zeitweriigen Dipol an einem NachbarmolekiJl, das nicht notwendigerweise einen eigenen Dipol aufweist, induziert. Die Grundlagen, sowohl der Orientierung als auch der induktiven Wechsel- wirkung, wurden yon B6ttcher [31] quantitativ beschrieben. Stiure-Base-Wechselwirkungen umfassen alle Elektronen- und Protonenaustauschvorgtinge zwischen Molekiilen. Um eine Wechselwirkung zu erhalten, mtissen immer beide Eigenschaften vorhanden sein, d.h. es ist eine basische Funktion notwendig, um mit einer sauren in Wechselwir- kung treten zu k6nnen. Aus diesem Grunde miissen alle an dieser Wechselwirkung teilnehmenden Molektile polare Eigenschaften besitzen.

Wenn man alle diese Wechselwirkungsenergien addiert, findet man ftir den gesamten L6slichkeitsparameter einer reinen Fltissigkeit (s. TabeUe II):

62 =5~ +602 + 26ind 6d +25a6b (12)

Man beachte, dafzwei verschiedene Termarten in G1. (12) erscheinen. Die quadratischen Terme beziehen sich auf die Dispersion und Orientierung, wahrend die gemischten Pro-

Parameter

' " ' ' Wechsetwirkung ' Wechselwi rkung ' A r t der Mischung in der relnen �9 irl e lnem

Bezug auf FILissigkeit L6sungsgemisch UP/UP UP/P P/P

2 2 i i i 6 d Brechungsindex 6 d (Sdi -- 6df) + + +

�9 I I I

2 ' o D i p o l m o m e n t J a o &o - - a d f I -- I -- J +

Die ektr ische , Konstante J 1

8in d , 2 6 n d 6 d 2 (~di - - ~ d f ) i I -

x -- + §

, t , (6indi -- 6 indf ) �9 .

~5 a ' Enthalp ie der I ' t 2 (6ai - - , a f ) 1 I S~ure-Base- J 2 6 a 6 b J, x - I - 4- '

Bb W e c h s e w r k u n g [ J (~b - - s b f ) J r �9


dukte aus der Induktion und der S~iure-Base-Wechselwir- kung herriJhren.

Man bezeichnet die erste Wechselwirkungsart als symme. trisch und die letztere als unsymmetrisch. Bei einer symme- trischen Wechselwirkung verhalten sich beide teilnehmende Moleldile identisch, wahrend bei einer unsymmetrischen Wechselwirkung die Molekiile mit unterschiedlicher Art teilnehmen.

In Analogie zu G1. (2) kann man nun den Aktivit~itskoeffizienten als MultikomponentenlSslichkeitsparameter aus- drticken:

vi i n " / i ' f = RT {(Sd'i--fd'f)2 + ( 5 ~ 1 7 6 +

2 (fd, i -- 5d,f) (Sind,i -- 5ind,f) + (13)

2 (sa, i - 5.,r) (~b,~- 5b,0}

Withrend GI. (2) immer positive Werte far In7 (d . h - 7 > l) ergibt, kann GI. (13) auch zu negativen Werten Far In7 ftih- ren. Dies l~i6t rich far eine Mischung aus einem sauren Stoff (gro6es 5a.i) in einer basischen Phase (grol~es fb,r) leicht verstehen. Die Mischungsw~rme kann man hier rich- tig als negativ vorhersagen. Nun ist es auch mSglich, dal~ zwei Stoffe mit gleichem Gesamtl6slichkeitsparameter vSllig verschiedene Aktivittitskoeffizienten aufweisen, Dies Iti6t sich aus den in Tabelle I aufgelisteten partieUen Polari. t~iten leicht entnehmen.

Die Kombination yon Gl. (131 mit Gin. (4) und (7) ergibt Far die relative Retention Zweier Stoffe mit gleichem Mol- volumen:

2 v i h l a j ' i -~ RT {(Sd'i--Sd'J)(Sd'm--~d's)+

(fo,i -- 5o 4) (5o,m -- 5o,s) + (Sd,i -- 5d,j) X

(5 ind,m -- 5ind, s) + (5 ind, i -- 5 ind,jX ~ d,m --5 d, s)

(5a, i - fa,j) (Sb,rn -- fb,s) + (Sb,i -- 5b,j)

(t~a,m -- fa, s)} (14)

Dieser ziemlich unhandliche Ausdruck kann auf ein hand- habbares Format reduziert werden, wenn man beachtet, da6 die relative Retention als die Differenz zweier interner Vektorprodukte in einem s Raum beschrieben werden kann (von den sechs Termen in G1. (14) sind nur s unabl~ngig). Die ftinf Koordinaten des Vek. tors der gel6sten Substanz kSnnen wie folgt angegeben werden:

X~ = fd X2 = ~o X3 = find X4 = 5 a

Xs = 5b Die Kombination einer bestimmten mobilen Phase mR einer gegebenen station~tren Phase definiert den Vektor des Phasensystems mit den Koordinaten

YI = (fd,rn + f i n d , m ) - - ( S a , s - - f i n d , s ) Y2 = 5 o , m - f o , s Y3 = 5d.m--Sd, s Y, = 5b,m--Sb, s

Y5 = 5a, m-Sa, s

und fiir GI. (14) kann man dann schreiben

R---IT �9 In % i = (Xi - Xi)" ~/ (151 2 v i

Es wurde sehon friJher festgestellt [8], da6 eine starke Xlmlichkeit zwischen G1. (15/und dem empirischen Klassi- fizierungsschema nach Rohrschneider in der Gas-Chromato- graphic besteht.

Die in dem hier vorgestellten System beschriebenen Koor- dinaten sind jedoch sehr viel weniger empirischer Art, als die Rohrschneider-Parameter.

Die Anwendbarkeit yon G1.1(151 wird nach der partiellen Dffferenzierung deutlich d.h.

RT 1 aaj, i 2vl %,i OYn Xn, i -X n , j (16)

wobei n die n-te Koordinate bedeutet.

G1. (16) sagt aus, daft die relative Abweichung yon %, i, welche aus einer ~.nderung in der n-ten Koordinate des chromatographischen Systems kommt, der Differenz des n-ten Parameters der beiden gel6sten Substanzen direkt pro- portional ist. Anders gesagt, die Koordinate, die sich zwischen den beiden gel/3sten Substanzen am starksten unter- scheidet, kann am besten dazu ausgenutzt werden, die Tren- nung zu verbessern. Hier hat man also den Schliissel, um spezifische Selektivit~it zu erforschen.

Die Trennung unpolarer Substanzen

Wir haben frOher (Tabelle II) gesehen, da6 unpolare Sub- stanzen nur dispersive Wechselwirkungen aufweisen. Daher mu6 man sich, wenn man unpolare Substanzen ~ihnlichen Molvolumens trennen mSchte, auf die Differenz ihres Dis- persionsparameters fd stiitzen. G1. (16) sagt aus, daft man versuchen sollte, den Parameter YI m6glichst grot~ zu machen. Dies kann man erreichen, wenn man die Differenz der Dispersions- oder Induktionseigenschaften der beiden chromatographischen Phasen vergr6~ert. Letzteres kann nicht getan werden, ohne da6 man alle anderen partiellen Polaritiiten ~indert, und somit die Retention in einer Weise ver~indert, die normalerweise schwer vorherzusagen ist. Die Dispersionsparameter kSnnen jedoch in einem gr66eren

Umfang ge~indert werden, ohne da6 sich dabei die anderen Parameter sehr deutlich/indern.

Eine Kohlenwasserstoffphase hat einen Dispersionspara- meter yon ungefahr 7, ist also vergleichbar mit vielen iib- lichen L6semitteln. Perfluorierte stationare Phasen, die vorher besprochen wurden, weisen einen Dispersionspara- meter yon nur ungef&hr 5 auf. Die Einfiib_rung yon Fluor- atomen in ein Kohlenwasserstoffmolekiil wird seinen Dis- persionsparameter also senken. Daher kann tar zwei Mole- Mile, welche sich lediglich durch einen Fluoratom unterscheiden (RH und RF), die Yt-Koordinate betr~ichtlich er- hSht werden, wenn man eine Kohlenwasserstoffphase durch eine station/ire Phase mit perfluoriertem Material ersetzt. Gema6 GI. (16) wirkt sich dies in einer spezifischen Verz6gerung der fluorierten MolekOle aus.

Ein solches Phanomen wurde tats~ichlich schon beobachtet [21] und als eine spezifische Fluor/Fluor-Wechselwirkung


erklart. Wir sehen nun, dag diese Beobachtungen auch sehr leicht aus G1. (16) erkl~irt werden k6nnen. Ein anderer Weg, die Dispersionseigenschaften zu beeinflussen, ohne andere Parameter der stationaren Phase zu berfihren, scheint der Ersatz einer stationgren Kohlenwasserstoff- Phase durch graphitierten Kohlenstoff zu sein (s. Tabelle I). Dies wfirde zu einem starken Abfall des Yl-Wertes fiihren. Aus diesem Grunde sollte es daher auch mSglich sein, RH- und RF-Verbindungen an einem Pyrolyse-Kohlenstoff- material unter Benutzung eines niedrig-dispersen LSse- mittels zu trennen. Die stationare Phase wiirde dann schein- bar eine spezifische Affinitat gegen Wasserstoff start gegen Fluor zeigen.

Die Beobachtungen yon Colin et al. [32] und Unger et al. [18], nach denen Graphit eine hiShere hydrophobe Selekti- vitat als konventionelle Kohlenwasserstoffmaterialien zeigt, kann demselben Effekt zugeschrieben werden.

Die Trennung polarer Substanzen

Zur Trennung yon Komponenten, welche sich in ihren polaren Eigenschaften (z.B. Dipolmoment) unterscheiden, jedoch dieselbe Hydrophobizitat (gleiches Kohlenwasser- stoffgerfist) aufweisen, scheint die LSC an Silicagel die lo. gische Wahl zu sein. Unterschiedliche funktionelle Gruppen lassen unterschiedliche Affinitaten zur Silicageloberflache erwarten, was zu einer chromatographischen Trennung fiihrt.

GI. (14) zeigt jedoch, dag es dieDifferenz der polaren Eigen- schaften der beiden Phasen ist, welche das Ausmag der Trennung bestimmt. Daher k6nnen polare Verbindungen sehr wohl an unpolaren Saulen getrennt werden, voraus- gesetzt, eine polare mobile Phase wird eingesetzt. Aus dieser Sicht ware es nicht klug, zu versuchen, die Trermung von z.B. Nitrilen dadurch zu verbessern, indem man eine stationare Phase aus Kohlenwasserstoffen durch einen Cyano- Typ ersetzt.

In Anwesenheit einer polaren mobilen Phase wfirde ein solches Experiment lediglich die Differenz der Polaritaten zwischen der stationaren und der mobilen Phase vermin- dern und die Trennung der Substanzen verschlechtern. Die Zugabe eines Bestandteils mit gro6em Dipolmoment zu der mobilen Phase ware eine schon viel bessere Wahl, weil dies die spezifische Polarit~itsdifferenz zu der stationaren Phase vergr6t~ert, und so die Trennung verbessern wfirde.

Die Ausnutzung spezifischer Effekte der mobilen Phase in der RPLC

Wir haben gesehen, daf~ jeder Stoff auf einer gegebenen stationaren Phas~ jeweils eine eigene optimale Polaritat der mobilen Phase ben6tigt. Es gibt daher in der RPLC eine optimale binare Zusammensetzung ffir jeden organischen Zu- satzstoff, um diese Polarit~it zu erreichen.

Betrachten wir z.B. zwei binare Elutionsmittel, das eine sei Methanol/Wasser, das andere THF/Wasser. Gleiche Polari- tat der beiden Elutionsmittel ist erreicht, wenn (G1.9) gilt:

CM ~M +(1 -- CM)~W =r ~T +(1 - Cr)Sw

oder

~w --~M CT = ~W --~T "~bM (17)

CT ist die Zusammensetzung einer THF/Wasser-Mischung, welche dieselbe Polaritat aufweist wie eine Methanol/Wasser- Mischung der Zusammensetzung ~M. Aus diesem Grunde wird die Retention yon gel6sten Stoffen und die allgemeine Selektivitat der beiden Systeme gleich sein. Die partiellen Polaritaten der beiden Mischungen sind jedoch verschieden (Tabelle I), und so wirkt sich der spezifische Effekt aus, welcher sich in einem unterschiedlichen Chromatogramm aufert.

FriJher haben wir diese MSglichkeit von einer empirischen Warte aus betrachtet [33].

Wir berechneten die Zusammensetzungen yon Acetonitril/ Wasser- und THF/Wasser-Mischungen aus vodiegenden Chromatogrammen einer gro6en Anzahl yon Substanzen. Das Ergebnis war ein durchschnittlicher Volumanteil an Acetonitril und THF, welcher dieselben Retentionszeiten wie ein vorgegebener Volumanteil Methanol erwarten la6t. FOr unterschiedliche Stoffe schwankten die entsprechenden Zusammensetzungen um einen Durchschnittswert, was die Anwesenheit eines spezifischen Effektes anzeigte.

In Fig. 6 werden die entsprechenden Zusammensetzungen, die sich aus G1. (17) ergeben, mit den frtther gefundenen experimentellen Kurven verglichen. Man beobachtet eine gute Obereinstimmung zwischen dem einfachen theoretischen Ergebnis und den experimentellen Werten.

Es la6t sich daher ffir ein gegebenes Substanzg6misch sowohl eine bestimmte Mischung Methanol und Wasser als auch aus Acetonitril und Wasser sowie THF und Wasser benutzen. Die spezifischen Unterschiede zwischen diesen drei Elutionsmitteln k6nnen leicht nachgewiesen werden [33].

Neben der M6glichkeit, verschiedene binare Mischungen einzusetzen, kann man auch temare Mischungen benutzen, um die Spezifitat kontinuierlich zu gndern, wobei die Re- tention (und damit allgemein die Selektivit~it) in etwa konstant gehalten wird. Dies kann leicht aus G1. (9) entnom- men werden. Wenn man zwei binare L6semittel (A und B) gleicher Polaritat mischt, wird die Mischung, unabhangig vom Verhaltnis A: B in tier Mischung, dieselbe Polarit~it aufweisen.

Wenn man z.B. zwei binare LSsungen, welche 70% Metha- nol in Wasser bzw. 55% Acetonitril in Wasser enthalten, annimmt (s. Fig. 6), weist jede Mischung von A und B eine Polarit~it yon 18,8 auf.

Dies ist in Fig. 7 graphisch dargestellt. In dieser Abbildung wurde das gleichschenklige Dreieck, welches das ternare Phasensystem Methanol/Acetonitrfl/Wasser darstellt, so an- geordnet, da6 die Scheitelpunkte den Polaritaten von Was- ser (25,52), Methanol (15,85) und Acetonitril (13,14) ent- sprechen. Auf diese Weise verbindet jede senkrechte Linie innerhalb des Dreieckes zwei biniire und eine Reihe von ternaren Mischungen gleicher Polaritat.

Man kann solche ternaren Gemische benutzen, um die Spezifit~it kontinuierlich fiber einen Bereich zu verandern, welcher durch die binaren Extreme begrenzt wird. Dies ist


1

~x - - calc,

exp. A C N / ~

= qlM

Fig. 6

Einander entsprechende Zusammensetzungen yon bin~iren mobilen Phasen in der RPLC.

Berechnete Werte aus GI. (17) unter Benutzung von L6slich- keitsparametern aus Tabelle I.

Experimentelle Daten aus [33].

Corresponding compositions of binary mobile phases in RPLC. Calculated values from eq. {17), using solubility parameters from Table I. Experimental values from ref. [33].

ACN

~sser

,/~r MeOH

MeOH

I

Potorit~t (~), call/2.crn -3/= Fig. 7

Geraden gleicher Polarit~Jt eines tern~ren Phasensystems in der RPLC.

Das System Methanol/Acetonitril/Wasser wird durch das (Jbliche gleichschenklige Dreieck dargestellt. Die Scheitelpunkte liegen auf den Polarit~hen der einzelnen Komponenten der mobilen Phase auf der waagerechten Achse. Jede senkrechte Linie stellt eine unendliche Anzahl von Mischungen mit der gleichen Polarit~t dar.

Constant polarity lines for ternary mobile phase system in RPLC. System: methanol-acetonitrile-water is represented by conventional equilateral triangle, vertices are situated at polarities of individual mobile phase components on horizontal scale. Each vertical line illustrates an infinite number of mixtures, all with the same polariW.

nicht m6glich, wenn man sich auf bin~ire Systeme beschrgnkt. Daher k6nnen Trennungen, welche unter Benutzung bin~i. rer Systeme nicht gelingen, bisweilen mit einem tern~iren System verwirklicht werden.

Schlul~folgerungen

In dieser Arbeit wurde gezeigt, wie das L6slichkeitspara- meter-Konzept benutzt werden kann, um viele Erseheinun- gender heutigen FlOssigkeitsverteilungs- und Adsorptions- Chromatographie zu erkl~iren. Der gesamte L6slichkeits- parameter gibt eine quantitative Beschreibung des Polari- t~its-Konzeptes. Auf dieser Grundlage lassen sich die folgen- den Schliisse ziehen:

1. Brauchbare Retentionszeiten werden erhalten, wenn die Polarit~it der gel6sten Substanz in etwa zwischen den Polarit~iten der mobilen und der station~iren Phase liegt.

2. FOr die h6heren Glieder einer homologen Reihe, welche ungef~hr dieselbe Polarit~it haben,/indert sich der Loga- rithmus des Kapazit~itsfaktors linear mit dem Molvolu- men oder der Kohlenstoffzahl.

3. Die absolute Differenz der Polarit~iten zwischen der mobilen Phase und der station~ren Phase kann als die allgemeine Selektivitat eines LC-Systems definiert werden.

4. Es gibt prinzipieU zwei unterschiedliche Wege, eine gegebene Substanz mit einem selektiven Phasensystem zu eluieren: der Normalphasen-Modus (6s > t~m) oder der Umkehrphasen-Modus (8 m > •s)- Umkehrphasen-Syste. me erm6glichen eine iiberlegene allgemeine Selektivit~t. Gel6ste Substanzen werden in Normalphasen-Systemen in einer Reihenfolge aufsteigender Polarit/it und in Um- kehrphasen-Systemen mit absteigender Polarit~it eluiert.

5. Obwohl station~ire Phasen mittlerer Polarit~it (Alumini- umoxid, Silicagel, Kohlenstoff) nur eine mittlere aUge- meine Selektivit~it aufweisen, sind sie am besten zur Trennung sehr polarer Substanzen, wenn im Umkehr- phasen-Modus gearbeitet wird, geeignet.

6. Perfluorierte station~ire Phasen sollten im Vergleich mit den 0blichen kohlenwasserstoffgebundenen station~iren Phasen eine 0berlegene Selektivitiit bieten.

7. Spezifische Trennwirkungen k6nnen aus der L6slichkeits- Multiparameter-Theorie als Differenz zweier Vektor- produkte in einem ftinfdimensionalen Raum verstanden werden. Spezifische Wirkungen werden fiir unpolare Verbindungen an perfluorierten station~en Phasen und an graphitiertem Kohlenstoff vorhergesagt. Spezifische Selektivitiit kann for polare Verbindungen in Umkehr- phasen-Systemen durch Zugabe yon polaren Komponen. ten in die mobile Phase erreicht werden.

8. Frtiher ausgearbeitete t2oertragungsregeln fttr bin~ire mobile Phasen in der Umkehrphasen-LC k6nnen leicht durch L6slichkeitsparameter-Ausdriicke erkl~irt werden.

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Received: Nov. 24, 1981 Accepted: Nov. 25, 1981 B


die löslichkeitsparameter als werkzeug zum verständnis der flüssigkeitschromatographie

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