einige analytische und präparative anwendungsmöglichkeiten der...

Die Angewandte Mukromolekulare Chemie 71 (1978) 67-89 ( N r . 1067)

Einige analytische und praparative Anwendungsmoglichkeiten der Hochleistungs-

flussigkeits-Chromatographie in der Polymerchemie

F. EisenbeiO*+, E. Dumont** und H. Henke***

(Eingegangen am 30. November 1977)

ZUSAMMENFASSUNG: Die GPC mit quellbaren Gelen ist z. T. recht zeitraubend. Verwendet man rigide,

inkompressible Trlger mit kleinen KorngroDen, so konnen geloste Makromolekiile in wesentlich kurzerer Zeit getrennt und charakterisiert werden.

DaD auch adsorptions- und verteilungschromatographische Methoden in der Polymer- chemie anwendbar sind, geht aus den Restmonomer-Bestimmungen und den Oligomer- trennungen an Silikagelen und den modifizierten Silikagelen hervor. Zusatze in oder auf Polymeren, wie z. B. grenzflachenaktive Substanzen, konnen ebenfalls verteilungschro- rnatographisch an neuen praparativen Reverse-Phase-Stiulen getrennt werden.

SUMMARY: The GPC with swellablegels is in some cases rather time-consuming. By using spherically

shaped porous particles of rigid, incompressible structure and small particle diameters it is possible to separate and characterize dissolved macromolecules within a considerably shorter time.

The residual monomer determinations and the separation of the oligomers on silica gels or chemically modified silicagel adsorbents show that adsorption- and partition-chro- matographic methods may also be employed in the polymer chemistry. Additives in or on polymers, such as surfactants, may also be analytically as well as preparatively separated on new preparative reverse phase columns by partition-chromatography.

+ Nach einern Vortrag anliil3lich einer Tagung der ,,Arbeitsgemeinschaft fur Pharmazeu- tische Verfahrenstechnik (A. P. V.) e. V." in Basel iiber moderne Analysenverfahren fur Kunststoffe in der Verpackung, September 1976.

* E. Merck, Darmstadt (Bundesrepublik Deutschland).

*** Enka AG., Obernburg (Bundesrepublik Deutschland). ** Rohrn GrnbH, Darmstadt (Bundesrepublik Deutschland).

67

F. EisenbeiB, E. Dumont und H. Henke

Durch die Entwicklung spezieller chromatographischer Trager mit sehr kleinen KorngroDen und hoher Kapazitat sowie leistungsfahiger Apparate hat die ilteste chromatographische Methode, die Saulenfliissigkeitschromato- graphie, seit Ende der sechziger Jahre eine beachtliche Renaissance erlebt. Der Fortschritt besteht darin, daD durch Nutzung theoretischer Erkenntnisse die Trennleistung wesentlich verbessert werden konnte' -3 .

Der Einsatz der Hochleistungsflussigkeitschromatographie (HPLC) ist iiber- all dort moglich, wo in geeigneten Trennsystemen die zu trennenden Individuen unterschiedliche Verteilungskoeflizienten aufweisen.

Die analytischen oder praparativen Trennprobleme, die in der Polymerche- mie auftreten, konnen z. B. sein: - Charakterisierung von Polymeren durch Molekulargewicht und Molekular-

- Trennung und Bestimmung von Zusltzen in oder auf Polymeren - Trennung und Bestimmung von Zusatzen in Monomeren - Bestimmung von Restmonomeren in Polymeren - Trennung und Beurteilung von Polymerhomologen und Nebenprodukten

gewichtsverteilung

Die (fliissigkeits)chromatographisch bisher am hiiufigsten in der Polymerana- lytik eingesetzte Methode ist die Gelpermeationschromatographie (GPC), die zur Charakterisierung von Polymeren nach Molekulargewicht und Molekular- gewichtsverteilung dient.

Das Trennprinzip der GPC beruht auf einer Verteilung der in der mobilen Phase gelosten Molekiile im Kornzwischenraum und dem f i r die zu trennenden Polymeren entsprechend ihrer GroRe zugiinglichen Porenanteil des Triigers. Man verwendet daher als stationiire Phasen porose Materialien geeigneter PorengroRen und Porengronenverteilungen. Danach werden alle Molekiile, denen aufgrund ihrer GroBe auch die gronten Poren nicht zugiinglich sind. nicht mehr retardiert. Ihr Elutionsvolumen V, entspricht dem Zwischenkorn- volumen (V,) der Gelmatrix. Den kleineren Molekiilen ist jeweils ein spezifi- scher Anteil des Porenvolumens zugiinglich. Sie sind mit abnehmender Grol3e durch zunehmende Elutionsvolumina charakterisiert, sofern keine spezifischen Wechselwirkungen zwischen Gelostem und Gel auftreten. Ihre maximale Ver- weilzeit entspricht der Summe des gesamten inneren Gelvolumens Vi und des Zwischenkornvolumens Vo. Triigt man log M,, von bekannten Proben

68

HPLC iii der Polymerchemie

gegen das Elutionsvolumen V, auf, so erhalt man eine Eichfunktion der Form

log M,=a-b-V,

Der Arbeitsbereich, der f i r die GPC-Trennung zur Verfugung steht, ist be- schrankt auf den Bereich zwischen Vo und Vo + Vi. Die obere Grenze Vo + Vi wird hauptsachlich durch das Porenvolurnen des entsprechenden Gels be- stirnrnt; sie entspricht bei anderen chromatographischen Prozessen etwa dern sog. Totvolurnen. Dies verdeutlicht, daB der Arbeitsbereich der GPC vergleichs- weise sehr eng ist.

Die relative Peakverbreiterung einer Probe in der Saule wird durch die theo- retische Trennstufenhohe H (oder -Zahl N) charakterisiert. die wiederum in starkem MaDe von der PartikelgroBe des Gels und der linearen Geschwindig- keit der Elution abhangt. Eine Steigerung der Trennleistung in der GPC ist nur durch Erhohen der theoretischen Trennstufenzahl N und VergroDern des inneren Voiurnens Vi rnoglich, irn Gegensatz zur Adsorptions- oder Vertei- lungschrornatographie, wo durch die Ausnutzung unterschiedlicher Verteilungs- koeffizienten zwischen rnobiler und stationiirer Phase (Selektivitiit) zur Verbes- serung der Trennung eine weitere Dimension zur Verfugung steht. Quellende Gele mit groDen Porenvolumina sind rnechanisch instabil und den notwendigen Druckbelastungen bei kleinen Partikeldurchmessern nicht gewachsen, wiihrend stabilere Polyrnergele, die bis uber 100 bar belastet werden konnen, durch ihre hohe Vernetzungsdichte relativ kleine Porenvolurnina haben.

Zur Erzielung hoher Trennleistungen bei gleichzeitiger Druckstabilit" at wurden daher anorganische permanent porose Triiger rnit relativ grofien Poren- volurnina (Abb. 1) und kleinen Korngrofien auch fur die (HP)GPC entwickelt (z. B. LiChrospher@-Reihe von Merck). Diese Materialien haben den weiteren Vorteil, dafi sie so gut wie keinen Einschrlinkungen bei der Losungsrnittelwahl unterliegen und auch bis zu hohen Temperaturen (uber 200°C) bestiindig sind. Die damit gepackten Siiulen zeigen auch bei Losungsmittelwechsel keine nachteilige Veriinderung der Porenstruktur und der Packung. Damit sind schnelle Gleichgewichtseinstellungen moglich.

Synthetische anorganische Trager konnen rnit rnittleren Porendurchinessern von 2,0 bis zu 3000 nrn hergestellt werden. An solchen Gelen ist es uns gelungen,das Prinzipder GPC aufdie Charakterisierung von Latex-Teilchen -also auf extrern hohe ,,Molekulargewichte" - auszudehnen. Dies sol1 an einem Beispiel verdeutlicht werden. Abb. 2 zeigt die Charakterisierung eines Gerni- sches von drei PMMA-Dispersionen rnit rnittleren Teilchendurchrnessern von 245, tO7bzw. 13nrn.EskonnenEichfunktionenanalogzurGPC(logr=a- b.V,)

69


= 130 A

Abb. 1. REM-Aufnahme eines synthetischen anorganischen GPC-Tragers. Sicht in das Porensystem.

A.

Abb. 2. Trennung eines Gemisches von PMMA-Dispersionen rnit mittleren Teilchenra- d i e n v o n r = 1 3 0 A ; r = 1 0 7 0 ~ u n d r = 2 4 5 0 A Saule: Glassaule 165 x 0,9 cm Trager: FractosiIO 5000; DurchnuB 6,5 ml/h Mobile Phase: 0,5% Genapol+O,O5% Polyathylenglykol in Wasser.

70

HPLC in der Polymercliemie

aufgestellt werden, wobei anstelle des Molekulargewichts die Radien der Teil- chen stehen4* 5 .

Wie an diesem Beispiel zu sehen ist, benotigt man fur die Auftrennung der Latex-Teilchen wegen ihrer kleinen Diffusionskoeffizienten relativ lange Zeit. Die Analysenzeit kann durch verschachtelte Einspritzung auf ca. 60% der Einzellaufzeit verkiirzt werden.

Die GPC geloster Makromolekule mit den neuen LiChrospher@-Tragern ist dagegen in wesentlich kiirzerer Zeit, verglichen mit der konventionellen GPC, durchzufuhren. Wie in Abb. 3 zu sehen ist, konnen durch Kombination von Tragern mit abgestuften AusschluIjgrenzen Polymere mit Molekularge- wichten iiber einen weiten Bereich in sehr kiirzer Zeit - hier in 20 min

I

3

‘0

0 1’0 20 t [min]

Abb. 3. Schnelle GPC-Trennung einer Mischung von 9 Polystyrolstandards. Molekular- gewichte: 2145000(l); 867000(2);411000(3); l73000(4); 98200(5); 51000(6); 19800 (7); So00 (8); 2100 (9). SHulen: Hibar@-Fertigshulen LiChrospher@ Si 100, LiChrospher’ Si 500, LiChrospherO Si IOOO. je 250 x 4 mm.

71

F. EisenbeiD, E. Dumont und H. Henke

iiber 9 Eichsubstanzen - charakterisiert werden. In diesern Beispiel handelt es sich urn Polystyrolstandards rnit Molekulargewichten von 2 100 bis 2,l . lo6, die an LiChrospher@-Tragern rnit rnittleren Porenweiten von 10, 50 und 100 nrn getrennt wurden.

In der GPC-Praxis geht man meist so vor, da13 man fir die Charakterisierung von Polymeren rnit breiter MG-Verteilung rnehrere Trager unterschiedlicher AusschluBgrenzen verwendet (wie im vorliegenden Beispiel) oder bei enger Verteilung rnoglichst nur ein Gel mit geeignetem Porendurchrnesser einsetzt, urn nicht Leistung dadurch zu verschenken, daO grone Teile des Trennvolumens ungenutzt bleiben. Die Trennstufenzahl hangt in starkern MaBe vom Teilchen- durchrnesser, vorn Diffusionskoeffzienten der gelosten Substanzen und der linearen Geschwindigkeit ab. Da Makrornolekule kleine Diffusionskoeflizien- ten besitzen, wird bei hohen linearen Geschwindigkeiten die Bodenhahe vie1 stiirker zunehmen als bei niedermolekularen Substanzen. Aus diesem Grunde spielt der Teilchendurchmesser in der Hochleistungs-GPC eine ausschlagge- bende Rolle fur die Trennleistung.

Es stehen Teilchen aus der LiChrospher@-Reihe mit KorngroBen bis herun- ter zu 5prn zur Verfugung. Beim Ubergnng von 10 auf 5pm-Teilchen kann die Bodenzahl urn den Faktor 3-4 erhijht werden. Einer weiteren Reduzierung der Teilchendurchmesser unter 5 prn stehen praktische Grenzen (Packungs- schwiarigkeiten, hoher Gegendruck, hohe Reibungswkirrne u. a.) gegenuber, die hier nicht niiher erortert werden sollen. Es hat sich gezeigt, daB ein KorngroBen-Optimum zwischen maximaler Leistung und sinnvollem techni- schen Aufwand bei 6-8 pm liegt. Temperaturerhohung begunstigt die Diffu- sionsgeschwindigkeit und erniedrigt die Viskositiit des Elutionsmittels, so daB damit Analysenzeitverkurzungen bis zu einer gewissen Grenze rnoglich sind. Andererseits muB aber darnit gerechnet werden, daB bei schr hohen linearen Geschwindigkeiten so starke Scherkrafte auftreten konnen. daB besonders die groljen Molekule mechanisch abgebaut werden. Darin sind der GPC Grenzen gesetzt.

Kleine KorngroBen tragen auch in der GPC zu schnellern Stoffaustausch zwischen rnobiler und stationarer Phase bei. Im Falle der Dispersionsanalysen (Abb. 2) konnen die TrZger jedoch nicht beliebig verkleinert werden, weil sehr groBe Poren (bis 1000 nm-Bereich) notwendig sind, so daB bei gleichzeitig kleiner KorngroBe schliel3lich kein eigentlich poroses Korn, sondern nur noch ein unebenes Bruchstuck ubrigbleibt, an dem keine GPC mehr rnoglich ist. Die KorngroBe-Porenweite-Verhaltnisse sind anders. wenn losliche Polyme- re getrennt werden sollen, wie z. B. bei unserern Polystyrolbeispiel. Hier

72

HPLC in der Polymerchemie

verwendeten wir Teilchen mit 10 pm KorngroBe. Die bei unseren anwenaungs- bezogenen HP-GPC-Trennungen erreichten Analysenzeiten sind, verglichen mit der konventionellen GPC, bis um den Faktor 10 kiirzer.

Bei der Trennung von Polystyrolen wurden Trager mit polarer Oberflache benutzt. Bei unseren Versuchen zur Priifung, inwieweit an solchen Triigern Polymere polarer Struktur adsorbiert werden, haben wir gefunaen, daB unter Verwendung von geeigneten Elutionsmitteln sogar relativ polare Polymere ohne Anzeichen von Adsorption eluiert werden (wie z. B. Polybutylmethacrylat in Butylacetat), nicht aber starker polare Makromolekiile.

Urn auch die HP-GPC fur diese Polymeren zuganglich zu machen, haben wir eine Reihe von Tragern mit lipophiler Oberflache enrwickelt, damit Polysty- role und Polymethacrylate untersucht und mit den Ergebnissen der konventionellen GPC verglichen. An diesen neuen Materialien werden auch relativ polare Polyrnere ohne Storung eluiert. Die Eichkurven in Abb. 4 zeigen die erwartete S-Form. Die verwendete SZulenkombination erreichte eine Aus- schlu8grenze von 2-3. lo6.

Die linke Kurve in Abb. 4 gilt fur Polystyrol, die rechte fur PMMA. Die PMMA-Eichkurve wurde mit anionisch hcrgestellten Polymethylrnethacryla- ten rnit relativ enger Verteilung errnittelt. Beide Kurven zeigen im linearen

Tab. I . Vtxqleichcndc Molekulaigewichtsbestimmungcn rnittels konventioneller GPC und Hochleistungs-GPC an Polyrnethacrylaten.

Mrthode GPC H P-G PC An;ilyscnzcit" cu. I50 niin ca. 15 min Probe N?

Mn 57.000 blw 303.000 M z 149.000 U 0.83 Mn I 17.000 Mw 180.000 Mz 340.000 U 0.5; Mn 170.000 Mw ,so.o00 Mz 410.000 U 0.65

53.000 97.000

143.000 0.82

107.000 168.000 263.000

0.65 166.000 265.000 353.000

0.59

* fur verschachtelte Einspritzungen in beiden Fiillen.

7 3

4 I lo6

lo'

lo:

10'

F. EisenbeiO, E. Dumont und H. Henke

x 5 400 000 ( b M ) I

I

3 700 OOOX ' I I I I

; + 2 500 000

1 Boo ooo x , I 1 I

I t l l

357 000

4 1 1

' I ' I '\ 1

777 ooo

\ x 599 000

\\\ \x 4 5 1 000

'\ 7

000 a

98 2 0 0

67 600

\ \ \

\ PMMA

\ 2 0 400 x, ' \ /

~

\ \ \ x 1 6 4 0 0

\ \ \ \

10

74

15 20

Abb. 4

2'5 t [min]


Bereich die gleiche Steigung. Die Abstande, d. h. die bei gleichem Molekularge- wicht resultierenden unterschiedlichen Elutionsvolumina, besagen, daB die Polystyrole im Vergleich zu den Polymethylmethacrylaten in dem verwendeten Elutionsmittel (Butylacetat) ein groBeres hydrodynamisches Knauelvolumen haben, ein Faktum, das von der konventionellen GPC her bekannt ist und daher auch hier erwartet wurde. Verglichen mit der konventionellen GPC erhielten wir gleichwertige Trennleistungen in kiirzerer Zeit und gute Uberein- stimmung der MeBwerte. Dies ist f i r drei Proben von PMMA numerisch in Tab. 1 dargestellt.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dal3 die HP-GPC, soweit uns bekannt ist, fur alle Probleme eingesetzt werden kann, wo auch die konventionelle GPC arbeitsfghig ist. Dariiber hinaus erlauben die neuen Trager das Arbeiten bei hoheren Temperaturen sowie FlieBmittelwechsel ohne Storung der Saulen- packung.

ArlsorptionschromLifographie und Umkehrphasentechnik in der Polymerchemie

In der Polymerchemie sind diese Techniken noch relativ wenig genutzt. An einigen Beispielen sollen die Moglichkeiten der Verwendung von Adsorp- tions- und Verteilungschromatographie-Methoden dargestellt werden:

Restmonomer-Bestimmiing an wigrigen Kunststoff-Dispersionen

Viele Monomere konnen mit Hilfe der Wasserdampf-Destillation aus der Matrix abgetrennt werden. Modellversuche zeigten, dal3 z. B. Styrol auch bei relativ hohen Konzentrationen bis zu 50 mg/100ml (Inhalt der Siedeblase, davon 50 ml Methanol) zu mehr als 90% in den ersten 100 ml des Wasserdampf- Destillats wiedergefunden wird. Die Bestimmung der Styrol-Konzentration, die z. B. durch G C moglich ist, kann an diesem wal3rig-methanolischen Destillat mittels der HPLC an lipophilen Tragern sehr schnell durchgefiihrt werden (Abb. 5). Wegen des Vorhandenseins der sehr polaren Losungsmittel Wasser und Methanol kommt eine Adsorptionschromatographie an polaren Tragern, z. B. Kieselgel, nicht in Frage. Das Chromatogramm zeigt, dal3 auch evtl. vorhandene (Meth)-Acrylat-Comonomere selektiv bestimmt werden konnen.

T

Abb. 4. Eichkurven Ig Mjt fur Polystyrol und Polymethylmethacrylat an LiChrospher' CH-8-Trlgern. Saulen: LiChrospher@ 100-CH-8, LiChrospher@ 500-CH-8, LiChrospher' 1000-CH-8, LiChrospher@ 4000-CH-8,10 pm, jeweils 500 x 4 mrn. Flienmittel : Butylacetat ; Temp. : 70°C.

75


1

3

2

Abb. 5. Reststyrolbestimmung in Dispersionen nach der Wasserdampfdestill ;i t ’ ion. Me- thylmethacrylat ( I ) , n-Butylacrylat (2). Styrol (3). Siiule: Mobile Phase: MethanoliWasser 60:40 DurchfluB: 142 ml/h Detektion: UV/254 nm.

LiChrosorb@ RP-8.5 pm; 100 x 4 mm

Selektiw Restmonomer-Bestinimiiny unmittelbar an der PolJmerldsiiny

Mit n-Butylchlorid als Elutionsmittel lassen sich an LiChrosorb@ Si 60, 5 pm, verschiedene (Meth)-Acrylsaureester adsorptionschromatographiscli auftrennen (vgl. Abb. 6). Butylchlorid ist ein sog. O-Losungsmittel fur PMMA

76


I

3

1

0 2 i t [min]

I

r 0 2 L 6

t [m~n]

Abb. 6. Schnelle Bestimmung von Restmonomeren in Poly(meth)-acrylaten. ( I ) Polyme- risat, (2) Butylmethacrylat, (3) Methylmethacrylat, (4) Athylmethacrylat, ( 5 ) Me- thylacrylat; S h l e : LiChrosorbn Si 60, 5 pm; l00x3mm; Mobile Phase: n-Butylchlorid; DurchfluD: 0,5 ml/min; Druck 26 bar; Detektion: UV/230 nm.

und wurde bei unseren Versuchen sowohl als Elutionsmittel als auch als Losungsmittel f i r das Polymere eingesetzt. Durch die Wahl des engporigen Kieselgels kann das Polymere bei der HPLC gelchromatographisch ausge- schlossen und auf diese Weise eine Restmonomeren-Bestimmung reaIisiert

77

F. EisenbeiI3, E. Dumont und H. Henke

werden. Dem Monomeren steht die gesamte Oberflache aller Poren des Tragers zur Verfugung, dagegen kann das Polymermolekul nicht in die engen Poren (6 nm) eindringen; ihm ist nur die geringe auI3ere Oberflache des Sorptionsmit- tels zuganglich. Polymere werden daher unter diesen Bedingungen an der Front eluiert. Die dem Polymeren zugangliche auI3ere Oberflache wird schnell durch das Polymere belegt, die Monomeren werden immer mit gleichen Reten- tionswerten ungestort eluiert. Wir haben dies am Beispiel (Abb. 6) einer schnellen und selektiven Bestimmung von Restmonomeren in verschiedenen Copolymerisaten von (Meth)-acrylaten durchgefuhrt. Der groBe Peak (1) entspricht dem Polymerisat und die mit 2-5 bezeichneten Peaks den jeweiligen Monomeren.

In Tab. 2 ist eine Gegenuberstellung von polarographisch sowie durch HPLC ermittelten Werten angegeben, die gute Ubereinstimmung zeigen. Die HPLC hat gegenuber der Polarographie den groI3en Vorteil der Selektivitat, den auch die G C besitzt, ist allerdings deutlich schneller als die letztere.

Tab. 2. Vergleichende Restmonomerenbestimmung aus Polymerisatlosungen.

Produkt Nr. Monomere Polarographie (%) HPLC (%)

1 Methylmethacrylat 1-2 2 Methy lmethacry lat 0.67 3 Methylmethacrylat 4,7

] 0 3 4 Methylmethacrylat

5 Methylmethacrylat Met hylacrylat

Bu tylmethacrylat } 0.21

I .2 O,@ 4.5 0.04 0,26 0,04 0,16

Die Reinheit des als Elutionsmittel verwandten n-Butylchlorids ist ausschlag- gebend fur die Bestimmungsgrenze, die fur Methylmethacrylat zu 0,01% in bezug auf das Polymere ermittelt wurde. Nach unseren bisherigen Erfahrungen kann n-Butylchlorid Verunreinigungen enthalten, die sowohl die optische Durchlassigkeit als auch die Polaritat entscheidend beeintrachtigen konnen.

Bestimmung des Stabilisator-Gehaltes von Monomeren

Ein Beispiel ist in Abb. 7 mit der Bestimmung des Hydrochinon-Gehaltes in (Meth)-acrylsaureestern dargestellt. Vom Mechanismus der Chromatogra- phie her handelt es sich im vorliegenden Fall um eine Verteilung mit einem

78


2

Abb. 7. Bestimmung von Hydrochinon in (Meth)-Acryldureestern. Methylmethacrylat (1 ) ; Hydrochinon (2) Siiule: Mobile Phase: DurchfluB: Detektion : UV/295 nm.

Perisorb A; 1 OOO x 2 mm Methylenchlorid,Wasser/Athanol 1 S72: 34:94 0,5 ml/min; Druck 12 bar

System H2CCI2/C2H50H/H2O an Kieselgel, das von Hesse und Hovermann6 angewandt wurde.

In diesem und vielen anderen Fallen kann man sich die Selektivitat des UV-Photometers zunutze machen. Bei 295 nm kann der Peak des zu bestim- menden Hydrochinons mit maximaler Empfindlichkeit aufgenommen werden, wahrend das in riesigem UberschuB vorhandene Monomere bei dieser Wellen- Iange nur noch einen geringen Absorptionseffekt liefert. Die Bestimmungsgren- ze lag in diesem Fall bei 1-2ppm.

Grenzjlachenaktive Substanzen

Nichtionogene, grenzflachenaktive Athylenoxid-Addukte enthalten neben den sehr unterschiedlichen athoxilierten Verbindungen noch freies Polyathylen- glykol sowie nichtathoxilierte Ausgangsprodukte. Fur die Trennung und Cha- rakterisierung solcher Gemische existierte bisher noch kein zufriedenstellendes Verfahren.

79


In Anlehnung an Arbeiten von Wickbold', Pollerberg und Heinerth', Koni- shi und Yamaguchi', Voogt'O und Turner, Mc Collough und Jakowitz" wurde mit neuen Reversed-Phase-Triigermaterialien ein relativ schnelles und univer- selles saulenchromatographisches Verfahren zur Trennung und Bestimmung

0

Abb. 8. Trennung von freiem PEG und Pthoxiliertem Nonylphenol. Freies PEG (1); athoxiliertes Nonylphenol (12 AO)* ( 2 ) Saule: Mobile Phase: Methanol/Wasser 95:5 DurchfluB: 4 ml/min. Probenmenge: 300 rng.

Lobar@-Fertigsaule LiChroprep RP-8; GroDe B

* (12 AO)=mittlere Anzahl Athoxygruppen

80


obiger Substanzen ausgearbeitet. Wie demnachst in einer weiteren Publikation gezeigt wird, kann man mit Hilfe von LiChroprep@ RP-8-Fertigsaulen im Vergleich zu den Aussalz- bzw. Extraktionsmethoden das freie Polyathylengly- kol in samtlichen Athoxylaten unter wesentlicher Zeitersparnis (ca. 1 : 10) bestimmen.

Die verwendeten chromatographischen Tragermaterialien sind in Glassaulen fertig gepackt. Man hat dadurch die Gewahr fur reproduzierbare Trennergeb- nisse und spart erheblich an Arbeitszeit fur die Herstellung der Materialien (Silianisieren) und das Packen der Saulen. Die Fertigsaulen haben gegenuber selbsthergestellten Saulen die weiteren Vorteile, daD sie mehrmals verwendbar sind und optimal hydrophobiertes Kieselgel mit sehr enger KorngroDenvertei- lung enthalten.

Diese dicken Saulen wurden u. a. auch deshalb verwendet. weil in den meisten Fallen der Wunsch bestand, die Einzelkomponenten praparativ zu isolieren, gravimetrisch zu bestimmen und z. T. spektroskopisch zu prufen.

2

Abb. 9. Auftrennung der Bestandteile eines Petroliitherextraktes von Polyamidfasern zur quantitativen Untersuchung von Oberfllchenpraparationen. Freies PEG ( I ): Caprolnctam + Caprolactamoligomere (2): athoxilierte Fettsluren

n + m SPulen :

Mobile Phase: MethanollWasser 97: 3 DurchfluB: 1.1 ml/min. Probenmenge : 150 mg

R-CO-O-( CH l-CHz-O), H( 3) ; R-CO-O-( CH 2-CHl-O), H(4):

2 Lobar@-Fertigsaulen LiChroprep@ RP-8, GroBe B (hin- tereinandergeschal tet)

81

F. EisenbeiB. E. Dumont und H. Henke

\

1

I

2

Obwohl auch hier gegenuber der 0. g. Methode' schon der Faktor 10 in der Analysenzeit gefunden wurde, kann fur die analytische Bestimmung mit einer weiteren Verkiirzung um den Faktor 5-8 gerechnet werden.

In Abb. 8 ist ein Beispiel fur eine relativ schnelle und quantitative Trennung einer groI3eren Menge (300 mg) eines athoxylierten Nonylphenols von Poly- athylenglykol (PEG) wiedergegeben. Das freie PEG mit der hoheren Polaritat erscheint als erster Peak, und das athoxilierte Nonylphenol wird als die lipophi- lere Komponente des Gemisches langer in der Saule zuruckgehalten. Die Elutionsreihenfolge ist hier umgekehrt wie bei der Adsorptionschrnm;ilogra- phie an polaren Tragern wie z. B. Kieselgel.

Nach der Veresterung von athoxiliertem Dimethylhydantoin mit Olsaure liegt eine Mischung aus athoxiliertem Dimethylhydantoin und athoxiliertem Dimethylhydantoin-mono und -dioleat sowie wenig freiem PEG vor. Unter isokratischen Bedingungen lassen sich die Bestandteile in athoxiliertes Di- methylhydantoin + freies PEG (l) , athoxiliertes Mono- (2) und Di-Oleat (3)

3

Abb. 10. Auftrennung eines Gemisches langkettiger Dicarbonsaure- und Fettsaureme- thylester. CH30-CO(CH2)7-CH =CH-(CH2)7-CD-OCH3 (1); Dicar- bonsauredimethylester (C-Zahl> 18) (2); Olsauremethylester ( 3 ) ; Fettsaureme- thylester (C-Zahl > 18) (4) Saule : 2 Lobar@-Fertigsaulen LiChroprep@ RP-8, Grol3e B

(hintereinandergeschaltet). Mobile Phase: Methanol Durchflul3: 2 ml/min. Probenmenge: 600 rng Gemisch.

82


auftrennen. Inzwischen ist aucheineTrennungvon freiem PEG vom athoxilierten Dimethylhydantoin mittels Methanolpasser-Gradienten moglich.

Ein Beispiel fur die Bestimmung des freien Polyathylenglykols in Athoxilaten ist in Abb. 9 zu sehen. Es handelt sich hierbei urn ein komplexes Gemisch aus einem Petrolatherextrakt von Polyamidfasern, das praparativ in die einzelnen Substanzklassen aufgetrennt und anschliel3end gravimetrisch bestimmt wurde. Somit konnen die athoxilierten Fettsauren (Peaks 3 und 4) vom mitex- trahierten Caprolactam und dessen Oligomeren (Peak 2) sowie vom freien PEG (Peak 1) abgetrennt und einwandfrei mit anderen Methoden identifiziert werden. Ebenso wie die bisherigen Beispiele lassen sich auch langkettige Dicarbonsauredimethylester, welche gaschromatographisch nicht oder nur schwer zu bestimmen sind, mit diesen Reversed Phased-Saulensystemen sowohl untereinander als auch von den Fettsauremethylestern gleicher C-Zahl trennen, wie in Abb. 10 gezeigt ist. Die Trennzeiten konnen bei samtlichen Beispielen rnit hoherem DurchfluB noch wesentlich verkurzt werden.

Die flussigkeitschromatographischen Systeme rnit Lobar@-Fertigsiiulen LiChroprepO RP-8 trennen unter diesen Bedingungen nach Substanzgruppen, nicht in die einzelnen Komponenten nach Anzahl der Athoxygruppen/Molekul auf. Letzteres kann, wie das folgende Kapitel zeigt, rnit Hilfe von Hochleistungs- trennsaulen erreicht werden.

Oligomerentrennung

Fur den Polymerchemiker sind die Verteilung von Polymeren, das Vorhan- densein und die Art von Nebenprodukten oder Isomeren von Bedeutung. Sie geben AufschluD uber den Reaktionsverlauf und dienen der Charakterisie- rung fur die Anwendung. Die konventionelle chromatographische Methode zur Analyse von Polymeren ist die GPC. Mit ihr werden die Polymerproben allein durch ihre unterschiedliche GroOe (MG) getrennt. Sind die Unterschiede gering, so werden wegen der begrenzten Trennleistung sehr lange Saulen zur Trennung benotigt. Meist werden Polymere als einheitliche Peaks unterschiedlicher Breite entsprechend ihrer Molekulargewichtsverteilung eluiert (s. Abb. 3). Heitz” hat rnit Hilfe der GPC Trennungen von Polymeren in moleku- lareinheitliche Oligomere rnit erstaunlicher Auflosung erhalten. Die Ausfiih- rung solcher Trennungen erfordert vie1 Sorgfalt und Erfahrung. Nachteilig erscheint uns die lange Analysenzeit.

Wie in den folgenden Beispielen gezeigt wird, sind die fur die HPLC entwik- kelten Trager in ihren Selektivitatseigenschaften so abgestuft, daD die geringen

83

F. Eisenbeifl, E. Dumont und H. Henke

Unterschiede in den Verteilungskoeffizienten der Glieder einer polymerhomologen Reihe ausreichen, urn ausgezeichnete Trennungen durch Adsorptions- oder Verteilungschromatographie in kurzer Zeit durchzufuhren. Die aufge- trennten Oligomeren werden dabei meist nach steigendem Molekulargewicht

-f- 0

9

t I I I I I I I I

2 4 6 0 10 12 14 16 t [min]

Abb. l l a

Abb. 1 1. Trennung eines Stiirkehydrolysates. Siiule: Hibar@-Fertigsaule LiChrosorb” NH2, 10 prn; 250-3 Mobile Phase: a) Acetonitrili‘Wasser 60:10

b) Acetonitril/Wasser 65: 35 Durchflun: 2 ml/min. Losungsmittel ( l) , Glucose (2); Maltose ( 3 ) ; Maltotriose (4) usw.

84


- also umgekehrt wie in der GPC - eluiert. Die HPLC ist daher f i r die sichere und schnelle Analyse von Oligomeren eine Alternativmethode zur GPC. Vorteilhaft, besonders bei der Herstellung von Standards, ist die zunehmende Auflosung der einzelnen Oligomeren mit steigendem Molekulargewicht,

1 I

5

F. EisenbeiS, E. Dumont und H. Henke

Abb. 12. Trennung eines Destillats von Dimethylpolysiloxanen in lineare und cyclische Oligomere. Saule: Mobile Phase: DurchfluB: 1,s ml/min.

Hibar@-Fertigsaule LiChrosorb@ RP-8, 5 pm, 2504 Methanol/Athanol/Wasser 70: 20: 10

mit der apparativ aufwendigeren Gradiententechnik gearbeitet wurde*. Die folgenden Beispiele konnten durch Verwendung geeigneter leistungsfahiger Trager ohne Gradienten durchgefiihrt werden.

Die Abb. 1 1 zeigt die Auftrennung eines Starkehydrolysates mit LiChrosorb@ NH2, 10pm, als Saulenfullmaterial. Abb. 11 a unterscheidet sich von Abb. 11 b durch das verwendete Eluens. Der Vergleich zeigt, da13 uber die Flieamittel-

* Nach Fertigstellung des Referates, das diesem Aufsatz zugrunde liegt, erschien eine sehr interessante Arbeit in Form einer Firmenschrift der Firma Perkin-Elmer (SR 100/17 und SR 105) uber die HPLC-Trennung von Oligomeren mit anschlieknder IR-spektroskopischer Identifizierung.

86

/

t s I S IS 20 25 *c4-

Abb. 13. Auftrennung von Polystyrol 2 100 Siiule: Mobile Phase: n-Pentan/THF 87: 13 DurchfluO: Detektion: UV/254 nm Probe: 10 pI (30 rng/ml) Styrol (1), Oligomere des Styrols (2-30).

Hibar@-Fertigsaule LiChrosorb@ Si 60, 5 prn, 250-4

1 rnl/rnin; Druck: 40 bar

zusammensetzung auf einfache Weise entweder der niedermolekulare oder der hohermolekulare Bereich der Oligomeren bevorzugt aufgetrennt werden kann. Gleichzeitig kann damit die Analysenzeit fur das Problem optimiert werden. Wird die Auftrennung vieler Oligomeren iiber einen breiten Molekular- gewichtsbereich gewiinscht, so ist eine Gradientenelution von Vorteil.

Fur die in Abb. 12 gezeigte Trennung von Polysiloxanen muBte neben der Wahl des geeigneten Tragers die Polaritat des FlieBmittels sehr fein abge- stimmt werden, um eine optimale Auflosung moglichst aller Oligomeren zu erhalten; daher der Einsatz von Methanol und Athanol neben Wasser. Mit dem in einer allgemeinen Un te r s~chung '~ als optimal gefundenen Trager LiChrosorb@ RP-8 erhielten wir eine Auftrennung* nicht nur in die Oligome-

* Vorarbeiten zu dieser Trennung wurden von Herrn Dr. Solbrig, Wacker-Chemie, durchgefuhrt.

87


ren, sondern auch in die bei der Synthese entstandenen cyclischen Polysiloxane. Die Elutionsreihenfolge verliiuft hier von niedrigem zu hohem Molekularge- wicht. Verwendet man einen polaren Trager wie LiChrosorb@ Si 60 und relativ unpolare FlieSmittel, so werden die Oligomeren mit fallendem Moleku- largewicht eluiert. Damit kann man gezielt eine homologe Reihe untersuchen und wenn notig praparativ isolieren.

Je nach Polymerisationsmechanismus konnen Polymere mit gleichen oder mit verschiedenen Endgruppen und damit eine oder mehrere polymerhomologe Reihen entstehen. Die analytische Trennung solcher Reihen gibt AufschluB uber den Verlauf der Reaktion und die Brauchbarkeit der Polymeren.

Die Trennung von Polystyrolen wurde mittels Gradiententechnik beschrie- ben' 3.15. Durch die Verwendung eines optimierten Tragers konnen jedoch die gleichen Trenneffekte schon isokratisch erreicht werden (Abb. 13). Auch bei diesem Beispiel erfolgt die Elution von niederem zu hohem Molekularge-

J U W W W V U W I I I I I -

L 6 8 10 12 1.4 Frl ;-- 0

t [min]

Abb. 14. Auftrennungvon Polystyrol600 in Oligomere und polymerhomologe Unterein- heiten. Saule: Hibar"-Fertigsaule LiChrosorb" RP-18, 5 pm, 2504 Mobile Phase: Acetonitril DurchfluB: t ,7 ml/min. Styrol (1); Oligomere des Styrols (2-8).

88

HPLC in cler Polvmercliemie

wicht. Mit einem anderen System waren bereits deutlich Untereinheiten zu erkennen. Dies bewog uns, zu iiberlegen, wie eine gleichzeitige Auftrennung von Oligomeren und moglichen weiteren polymerhomologen Reihen erreicht werden kann. Da es sich hier um lipophile Substanzen handelt, muBten durch Einsatz eines chemisch modifizierten Kieselgeltragers mit optimal abgedeckter Oberflache und hoherer Lipophilie die Wechselwirkungen verstarkt und damit die Trennleistung des Systems verbessert werden konnen.

Mit LiChrosorb@ RP-18 ist uns eine Trennung eines Polystyrols 600 in 4 polymerhomologe Reihen gelungen (Abb. 14). Analoge Trennungen hoherer Glieder werden z. Zt. bei uns an geeigneten Tragern durchgefuhrt.

Die Grenze dieser Methode ist durch die Porenweite des eingesetzten Trager- materials gegeben. Fur die Adsorptionschromatographie wird die gesamte innere Oberfliiche der Teilchen benotigt. Versucht man, Polymere zu trennen, deren Molekulargewicht in der Groknordnung des AusschluBmolekularge- wichts des verwendeten Tragers liegt, so steht mit zunehmender MolekulgroBe ein immer kleinerer Anteil des Porensystems zur Verfugung. Der Adsorptions- chromatographie iiberlagert sich ein gelchromatographischer Effekt, SO dal3 hochmolekulare Anteile der Probe an der Elutionsfront erscheinen. Die fur die in dieser Arbeit gezeigten Beispiele verwendeten Triiger LiChrosorbO RP-8 und LiChrosorbO NH2 haben AusschluBgrenzen bei Molekulargewichten von ca. 30000.

‘ J. F. K. Huber, “Comprehensive Analytical Chemistry” Vol. I1 B. Elsevier, Amsterdam 1968. S. I L. R. Snyder, G. G. Kirkland, Introduction to Modern Liquid Chromatography, J. Wiley & Sons 1974 H. Enpelhard, .,Hochdruck-Flussigkeits-Chromatographie“, Springer 1975 ’

‘ F. EisenbeiR, Kontakte (Merck) 3/1973, S. 35 ’ W. Wunderlich. K. F. Krebs. Angew. Makromol. Chem. 20 (1971) 203 ’ Chr. Hesse. W. Hovermann, Chromatographia 6 (1973) 345 ’ * I. Pollerberg. E. Heinerth: 111. Internat. KongreR fur grenzflachenaktive Stoffe, Koln

R. Wickbold, Fette Seifen Anstrichm. 74 (1972) 578

1960. 3, 89 K. Konishi, S. Yamaguchi, Anal. Chem. 40 (1968) 1920

l o P. Voogt: IV. Intern. KongreR f. grenzflachenaktive Stoffe, Brussel 1964, 1, 399 L. P. Turner, D. Mc Cullaugh, A. Jakowitz, J. Am. Oil Chem. SOC. 53 (1976) 691 W. Heitz, J. Chromatogr. 83 (1973) 223. Kontakte (Merck) 2/77 S. 29

F. EisenbeiR. Gaschromatography Discussion Group-Scandinavian Section, Meeting 1 1-12‘h of May 1976, Kopciiliagen Waters. Firmenschrift: Chromakyxphy notes Vol: 111, Nr. 4

l 3 J . J. Kirkland, Chromatographia 8 (1975) 661

89

einige analytische und präparative anwendungsmöglichkeiten der...

Documents