A: Organische Analyse – Teil 1 1. Theoretische Grundlagen Extraktion

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Extraktion
A: Organische Analyse – Teil 1
Prinzipielle Aufgabenstellung und Extraktion
In der vorliegenden Übung wird ein 3-Komponentengemisch bestehend aus zwei organischen
Neutralstoffen und einer organischen Verbindung mit sauren oder basischen Eigenschaften
ausgehändigt. Durch geeignete Wahl des wässrigen Extraktionsmittels kann der Stoff mit sauren
oder basischen Eigenschaften von den beiden Neutralstoffen abgetrennt werden. Die beiden
Neutralstoffe sollen anschließend mittels Säulenchromatographie getrennt werden. Alle drei
Stoffe werden nun isoliert und getrocknet und anschließend mittels Schmelzpunkt, IR, MS und
NMR Messung charakterisiert und identifiziert. 1 Falls für eine eindeutige Charakterisierung
erforderlich sind die kristallinen Produkte ggf. noch umzukristallisieren.
1. Theoretische Grundlagen Extraktion
1.1. Extraktion einer einzelnen Komponente
Unter Extraktion versteht man die Überführung eines Stoffs aus einer Phase, in der er gelöst
oder suspendiert ist, in eine andere flüssige Phase. Diese Überführung ist möglich, weil sich der
Stoff in einem bestimmten Verhältnis auf die beiden Phasen verteilt. In einem System, welches
aus zwei praktisch nicht mischbaren Flüssigkeiten und einem dritten, in beiden Flüssigkeiten
löslichen Stoff besteht, stellt sich bei konstanter Temperatur ein Verteilungsgleichgewicht ein.
In diesem Verteilungsgleichgewicht ist das Verhältnis der Konzentration des gelösten Stoffes
der einen Flüssigkeit cA (mol/L) zur Konzentration des gelösten Stoffes der anderen Flüssigkeit
cB (mol/L) konstant und wird durch den Nernst´schen Verteilungssatz (NVS) bestimmt:
cA
── = K
cB
Die Konstante K nennt man den Nernst’schen Verteilungskoeffizienten. Die angeführte
Beziehung gilt aber nur dann, wenn der gelöste Stoff in beiden Lösungsmitteln die gleiche
Molekülform besitzt. Zusätzlich ist K temperaturabhängig. Der NVS gilt in der gegebenen Form
für geringe Konzentration (ideale Verhältnisse) und unter der Annahme, dass der gelöste Stoff
in beiden Phasen identischen Assoziationszustand besitzt. Daraus folgt, die angeführte
Gleichung gilt in dieser Form nicht, wenn z.B. der Stoff in einem Lösungsmittel dissoziiert und
im anderen nicht. Dieser zweite Fall wird in Kapitel 3 besprochen.
Die unterschiedliche Löslichkeit wird in der Chemie zur Trennung und Reindarstellung von
Stoffen aus Gemischen herangezogen. Das entsprechende Laborverfahren nennt man
„Ausschütteln“. Der entsprechende technische Prozess wird als Flüssig-Flüssig-Extraktion
bezeichnet.
Wie aus dem NVS leicht abzuleiten ist, ist die Extraktion eines Stoffes leicht möglich wenn er
im Extraktionsmittel signifikant besser löslich ist als in der anderen Phase, d.h. K >> 1 ist.
Schon bei K < 100 reicht eine einfache Extraktion nicht aus. In diesen Fällen muss die
Extraktion mit frischem Lösungsmittel mehrmals wiederholt werden. Allgemein ist es ist beim
Ausschütteln sinnvoller, mehrere Male mit geringeren Flüssigkeitsmengen auszuschütteln als
nur einmal mit einer größeren Menge Flüssigkeit.
1 Die Messdaten sollen mit Vergleichsdaten aus der Literatur verglichen werden. Vergleichsdaten können
z.B. aus Datenbanken wie SciFinder oder Reaxys bezogen werden. Siehe hierfür das Literatursuche
Seminar.
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1.2. Trennung eines Zweikomponentengemisches
Das bisher gesagte gilt für den einfachen Fall der Extraktion einer einzelnen Komponente aus
einer flüssigen Phase. Für eine Mischung von zwei Substanzen ergibt sich ein etwas anderes
Bild. Zuallererst ist festzuhalten, dass sich die beiden Substanzen im Idealfall unabhängig
voneinander auf die beiden flüssigen Phasen verteilen. Bei genügend großem Unterschied ihrer
Verteilungskoeffizienten, ist eine Trennung der beiden Komponenten durch einfache Extraktion
möglich. Die Schwierigkeit des Trennproblems wird durch den Trennfaktor ß (ß > 1; d. h. man
dividiert den größeren Verteilungskoeffizienten durch den kleineren) bestimmt:
K1
β = ──
K2
Die beiden Substanzen lassen sich nur dann befriedigend durch einfache Extraktion trennen,
wenn ß > 100 ist. Zur Trennung von Gemischen mit ß < 100 müssen multiplikative
Verteilungsverfahren angewendet werden. 2
Der Stoffaustausch ist wie bei allen Verteilungsverfahren nur an der Phasengrenzfläche möglich
und die Phasengrenzfläche sollte daher möglichst groß sein um die Einstellung des
Gleichgewichts zu beschleunigen. Bei der Flüssig-Flüssig Extraktion werden die Flüssigkeiten
daher geschüttelt (beim Ausschütteln) oder durch Fritten fein verteilt (bei der Perforation).
2. Praktische Durchführung
Die auszuschüttelnde wässrige Lösung oder seltener die Suspension wird in einem
Scheidetrichter (siehe Abbildung rechts) mit etwa einem Fünftel bis einem Drittel ihres
Volumens an Extraktionsmittel versetzt. Dabei ist zu beachten, dass
der Scheidetrichter maximal zu zwei Drittel gefüllt sein darf. Die
Größe des Scheidetrichters ist also den entsprechenden
Flüssigkeitsmengen anzupassen! Der Scheidetrichter wird mit einem
Plastikstopfen (keine Glasstopfen verwenden!) verschlossen und
umgedreht, wobei man sowohl das Hahnküken als auch den Stopfen
festhält (siehe Abbildung). Bevor noch mit dem Schütteln begonnen
wird, wird ein erstes Mal belüftet. Dabei ist der Auslauf stets nach
oben und weg von einem selbst und anderen Personen gerichtet!
Nach Schließen des Hahns schüttelt man zunächst vorsichtig und
belüftet (langsames Öffnen des Hahns!) anschließend wieder. Durch
das Belüften soll ein sich eventuell entwickelnder Überdruck
abgeführt werden. Schütteln und Lüften müssen so lange wiederholt
werden, bis der Gasraum im Scheidetrichter mit dem
Lösungsmitteldampf gesättigt ist. Das ist der Fall wenn
kein zischendes Entweichen von Überdruck mehr
wahrgenommen wird. Erst jetzt wird etwa l Minute
kräftig geschüttelt.
Anschließend lässt man stehen, wobei sich die
Phasentrennung einstellt. Die untere Phase wird dann
nach Abnehmen des Stoppels durch den Hahn des
Scheidetrichters abgelassen, die obere Phase durch die
obere Öffnung ausgegossen. 3
Es ist festzuhalten dass beim einfachen einmaligen
2 Bei der multiplikativen Verteilung handelt es sich um eine Vielstufenextraktion, bei der die beiden flüssigen Phasen
im Gegenstrom zueinander bewegt und ständig ins Gleichgewicht gebracht werden. Das heißt, teilweise mit gelöstem
Stoff angereicherter Extrakt kommt mit frischer Substanzlösung in Berührung und teilweise extrahierte Lösung mit
frischem Extraktionsmittel.
3 In Zweifelsfällen prüft man, welches die wässrige Phase ist, indem man einer Phase einen Tropfen entnimmt und
diesen in etwas Wasser gibt
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Ausschütteln im günstigsten Fall einer vollständigen Gleichgewichtseinstellung jeweils nur die
durch den Nernst´schen Verteilungssatz und die angewandte Menge Extraktionsmittel
festgelegte Menge der zu extrahierenden Substanz in das Extraktionsmittel übergehen kann. Aus
diesem Grunde muss man im Allgemeinen wiederholt ausschütteln. Typischerweise wird 3-4mal extrahiert. Es ist allerdings ratsam mittels DC auf vollständige Extraktion zu prüfen. Dafür
genügt im Normalfall ein Tüpfel DC der letzten Extraktionsphase. 4
2.1. Praktische Tipps
 Bei in Wasser verhältnismäßig leicht löslichen Substanzen kann man die wässrige
Schicht mit Ammoniumsulfat oder Kochsalz sättigen.
 Manche Systeme neigen zur Bildung von Emulsionen. In solchen Fällen schüttelt man
den Scheidetrichter nicht, sondern schwenkt ihn nur. Entstandene Emulsionen lassen
sich brechen, wenn man etwas Antischaummittel oder Pentylalkohol zugibt, die
wässrige Phase mit Kochsalz sättigt (bei spezifisch leichteren Lösungsmitteln) oder die
gesamte Lösung filtriert. Das sicherste Mittel ist stets, längere Zeit stehenzulassen.
 Substanzen, die in Wasser schwer löslich sind, schüttelt man drei- bis viermal aus,
während die Operation bei gut wasserlöslichen Stoffen u. U. viele Male wiederholt
werden muss.
 Es ist effizienter, mit wenig Lösungsmittel mehrere Male auszuschütteln, als die ganze
Menge Extraktionsmittel auf einmal einzusetzen.
3. Trennung aufgrund unterschiedlicher Säure/Basen Eigenschaften
Das bis jetzt Gesagte gilt für Verbindungen, die in beiden flüssigen Phasen im selben
Assoziationsgrad vorliegen. Allerdings haben viele organische Verbindungen saure oder
basische Eigenschaften und können daher, abhängig vom pH Wert des Extraktionsmediums, in
den beiden Phasen unterschiedlich assoziiert vorliegen. Das kann zur Trennung von
Mehrkomponentengemischen ausgenützt werden, wie anhand einfacher Beispiele erläutert
werden soll.
Fall 1: Ein Zweikomponentengemisch aus einer organischen Säure (z.B. Benzoesäure) und
einem organischen Neutralstoff. In einem typischen organischen Lösungsmittel wie
Diethylether oder Ethylacetat werden beide Verbindungen gut löslich sein. Extraktion mit
Wasser (pH 7) wird auch zu keiner befriedigenden Trennung führen aufgrund eines K <<100. In
wässrig basischer Lösung dissoziiert allerdings die Säure zum analogen Carboxylatanion und
wird dadurch sehr gut wasserlöslich, wohingegen der Neutralstoff im organischen
Lösungsmittel verbleibt.
Fall 2: Ein Zweikomponentengemisch aus einer organischen Base (z.B. Anilin) und einem
organischen Neutralstoff. Analog zum oberen Fall wird eine wässrige neutrale Extraktion
keinen Trennerfolg bringen. Extraktion im wässrig sauren Milieu allerdings führt die organische
Base in ein Salz über, welches wiederum gut wasserlöslich sein wird.
4. Praktische Übung
In der vorliegenden Übung wird ein 3 Komponentengemisch bestehend aus 2 organischen
Neutralstoffen und einer organischen Verbindung mit sauren oder basischen Eigenschaften
ausgehändigt. Durch geeignete Wahl des wässrigen Extraktionsmittels kann der Stoff mit sauren
oder basischen Eigenschaften von den beiden Neutralstoffen abgetrennt werden. Die beiden
Neutralstoffe sollen anschließend mittels Säulenchromatographie getrennt werden. Alle drei
Stoffe werden nun isoliert und getrocknet und anschließend mittels Schmelzpunkt, IR, MS und
NMR Messung charakterisiert und identifiziert. Eine Gesamtübersicht der Übung ist im
folgenden Schema dargestellt.
4 siehe Kapitel DC
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4.1. Eprouvettenvorversuche
Am Beginn der Übung wissen Sie nicht, ob der dritte Stoff saure oder basische Eigenschaften
hat, d.h. ob er sich durch Extraktion mit 2N aq. HCl (basischer Stoff) oder 2N aq. NaOH bzw.
gesättigter aq. NaHCO3 Lösung abtrennen lässt. Um das festzustellen sollen Vorversuche in
Eprouvetten durchgeführt werden. Im Folgenden wird ein solcher Vorversuch für eine
hypothetische Probe bestehend aus zwei Neutralstoffen N1 und N2 und einer basischen
Verbindung B1 beschrieben (siehe auch Grafik).
Am Beginn der Übung soll ein geeignetes DC Laufmittel gefunden werden. Bei dem
3-Komponentengemisch haben die beiden Neutralstoffe in jedem Fall unterschiedlichen Rf Wert
(bei geeigneter Wahl des Laufmittels), die dritte Komponente kann unter Umständen den
identen Rf Wert eines der Neutralstoffe haben. Es sollten also mindestens zwei Spots auf dem
DC zu erkennen sein, idealerweise drei. Zur Optimierung des DC-Laufmittels siehe Skriptum
Grundlagen der Chemie und Kapitel B2.1.
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Extraktion
Nun können die eigentlichen Eprouvettenversuche durchgeführt werden. Hierfür lösen Sie eine
kleine Menge (ca. eine Spatelspitze) der homogenisierten Probe in einer Eprouvette in ca. 3mL
Diethylether (bei schlechter Löslichkeit kann ein polareres Lösungsmittel verwendet werden).
Nun extrahiert man diese Lösung zum Beispiel mit 2mL 2N aq. HCl. Für den Fall einer
Mischung aus N1, N2, und B1 wird B1 in die wässrige Phase übergehen (Dieser Fall ist in der
Grafik schematisch dargestellt). Neutralstoffe und Verbindungen mit sauren Eigenschaften
verbleiben in der organischen Phase (d.h. im Falle einer Mischung bestehend aus N1, N2, und
einer Säure S1, bleiben alle drei Verbindungen in der organischen Phase!). Nachdem die
organische Phase spezifisch leichter als die wässrige ist, kann man direkt aus der oberen Phase
eine DC-Probe nehmen und mit dem ursprünglichen 3-Komponentengemisch vergleichen. Um
zu überprüfen ob eine Verbindung in die wässrige Phase extrahiert wurde, trennt man zuerst die
wässrige Phase von der organischen. Die wässrige Phase wird basisch gestellt (z.B. mit 2N aq.
NaOH; pH Kontrolle!) und wieder mit Diethylether extrahiert. Man kann nun mittels DCs aus
der organischen Phase feststellen, ob sich Substanz in dieser befindet.
Im Falle einer Mischung N1, N2, und S1, wird sich zeigen dass keine Extraktion stattgefunden
hat. In diesem Fall wiederholt man nun dieselbe Prozedur, extrahiert allerdings mit einer
wässrig basischen Lösung anstelle von 2N aq. HCl. Dadurch kann S1 abgetrennt werden. Dabei
ist zu beachten, dass durch die Wahl der Base auch schon Information über die Struktur der
Verbindung gewonnen werden kann. In der vorliegenden Übung ist S1 entweder eine
Carbonsäure, oder eine phenolische Verbindung. Carbonsäuren sind natürlich deutlich acider als
Phenole, was sich aus den pKA Werten für Phenol und Benzoesäure (siehe Tabelle) ablesen
lässt. Die höhere Acidität einer Carbonsäure, wie z.B. Benzoesäure (pKA 4.2) ergibt sich aus der
größeren Stabilität der konjugierten Base (in diesem Fall des entsprechenden Carboxylat
Anions), da hier eine Verteilung der Ladung über beide Sauerstoffe der Säuregruppe möglich
ist. Beim Phenol (pKA 9.95) hingegen ist die negative Ladung des Phenolats nur an einem
Sauerstoff lokalisiert. 5 Anilin, als Beispiel einer basischen Verbindung hat natürlich nochmals
einen deutlich höheren pKA Wert von 25.
Verbindung
pKA
Phenol
9.95
Benzoesäure
4.20
Anilin
25
5 Der M-Effekt des Phenylrings hat natürlich ebenfalls einen Einfluss und bewirkt z.B. die höhere Acidität von
Phenolen im Vergleich zu aliphatischen Alkoholen.
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Dadurch kann eine Carbonsäure bereits durch eine schwache Base extrahiert werden, ein Phenol
allerdings nicht. Wenn man nun im Eprouvettenversuch zuerst mit gesättigter wässriger
NaHCO3 Lösung extrahiert, dann wird eine Carbonsäure in die wässrige Phase übergehen, ein
Phenol nicht. Hierfür wird 2N aq. NaOH nötig sein. Diese Tatsache kann man sich zu nutzen
machen, um bereits zu diesem Zeitpunkt eine Information über die Art der Verbindung zu
bekommen, noch bevor spektroskopische Methoden zum Einsatz kommen.
Erst wenn zweifelsfrei festgestellt wurde, welcher Art die vorliegenden Verbindungen sind,
wird mit der Gesamtprobe im Scheidetrichter die Trennübung durchgeführt. Das Prinzip folgt
hierbei dem bei den Eprouvettenversuchen beschriebenen.
4.2. Isolation der sauren/basischen Verbindung
Wenn die beiden Neutralstoffe abgetrennt sind, geht es daran den Stoff mit den
sauren/basischen Eigenschaften zu isolieren. Dazu wird der pH-Wert der wässrigen Lösung, die
den entsprechenden Stoff enthält invertiert, 6 um ihn wieder in ein organisches Lösungsmittel
extrahieren zu können. Man extrahiert mehrmals mit z.B. Diethylether und überprüft die
Vollständigkeit der Extraktion mittels Tüpfel-DC. Zur Vortrocknung werden die vereinigten
organischen Phasen mit gesättigter aq. NaCl Lösung einmal rückgeschüttelt und anschließend
über Na2SO4 getrocknet. Das Na2SO4 wird abfiltriert und der Filterkuchen mehrmals mit
frischem Lösungsmittel gewaschen. Anschließend wird am Rotavapor das Lösungsmittel
abgezogen 7 (Kolben tarieren; es ist über alle präparativen Arbeitsschritte eine Mengenbilanz zu
führen) und die Verbindung noch im Vakuum (Einhalsrundkolben mit Absaugstück am
Wasserbad) getrocknet. Charakterisierung erfolgt über den Schmelzpunkt, IR, NMR und MS
Spektren. Sobald der Schmelzpunkt konstant ist (d.h. die Verbindung trocken ist), kann eine
NMR Probe abgefüllt werden.
4.2.1. Umkristallisieren
Sollte der Schmelzpunkt ein großes Intervall aufweisen kann das auf eine Verunreinigung in der
Probe hindeuten. Diese ist durch Umkristallisieren zu beseitigen. Das Umkristallisieren ist eine
der wichtigsten Reinigungsoperationen für Feststoffe. Dabei wird im Allgemeinen das
Rohprodukt in einem geeigneten Lösungsmittel in der Siedehitze gelöst, wobei eine heiß
gesättigte Lösung hergestellt wird. Beim nachfolgenden, langsamen Auskühlen kristallisiert das
Produkt in reinerer Form aus, da dessen Löslichkeit in der Kälte herabgesetzt wird, die in
geringerer Menge vorhandenen Verunreinigungen aber immer noch gelöst bleiben. Es kann aber
auch vorkommen, dass sich die Verunreinigungen schlechter lösen und daher als unlöslicher
Rückstand in der heißen Lösung überbleiben. In diesem Fall müssen diese durch Abgießen oder
Heiß-Filtrieren abgetrennt werden und erst dann wird das Filtrat langsam abgekühlt. Nach
Erreichen der Raumtemperatur wird das Gemisch zur Vervollständigung der Kristallisation
noch in den Eiskasten gestellt. Die abgeschiedenen Kristalle werden dann durch Saugfiltration
von der „Mutterlauge“ abgetrennt, mit wenig vorgekühltem Lösungsmittel nachgewaschen und
nach Überführen in eine Kristallisierschale im Exsikkator getrocknet.
6
d.h. im Falle der Extraktion einer Base mit HCl wird die wässrige Phase jetzt basisch gestellt, im Falle
der Extraktion einer sauren Verbindung mit NaOH oder NHCO3 wird die wässrige Phase sauer gestellt.
7 Für das korrekte Vorgehen beim Einrotieren wenden Sie sich im Zweifelsfall an einen Saalassistenten
Extraktion
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4.2.2. Praktische Durchführung der Umkristallisation
Zuerst muss ein geeignetes Lösungsmittel zur Umkristallisation gefunden werden. Dies
geschieht wieder in Eprouvettenversuchen. Eine kleine Menge der Verbindung wird mit
Lösungsmittel versetzt. Bei Raumtemperatur soll die Verbindung im gewählten Lösungsmittel
nur wenig löslich sein, ansonsten ist es für eine Umkristallisation ungeeignet. Anschließend
wird zum Sieden erhitzt. In einem geeigneten Lösungsmittel sollte sich die Probe in der
Siedehitze lösen. Wichtig ist vor allem aber auch, dass die Substanz beim Wiederabkühlen auch
wieder kristallisiert. Häufig verwendete Lösungsmittel zur Umkristallisation sind z.B.
Diisopropylether, Ethanol, Ethylacetat, Toluol, Ligroin etc.
Ist ein geeignetes Lösungsmittel gefunden kann mit der Umkristallisation der Gesamtprobe
begonnen werden. Die rohe, trockene Substanz wird in einem Rundkolben geeigneter Größe mit
Lösungsmittel beschichtet und das Gemisch zum Sieden erhitzt. Das siedende Gemisch wird
durch den Dimrothkühler portionsweise mit weiterem Lösungsmittel versetzt, bis sich der
Feststoff vollständig gelöst hat (in kleinen Portionen zugeben). Anschließend lässt man die
Umkristallisationslösung wieder abkühlen. Wenn die abkühlende Lösung Raumtemperatur
erreicht hat, wird der Kolben noch für 30 min in den Eiskasten gestellt. Die gebildeten Kristalle
werden abgesaugt, mit wenig gekühltem Lösungsmittel nachgewaschen und in der
Glassinternutsche trocken gesaugt. Um das Wegsaugen des Lösungsmittels in die
Membranpumpe zu vermeiden, soll das Filtrat vorher aus der Saugflasche entfernt werden). Die
Kristalle werden in eine gewogene Kristallisierschale übergeführt, ausgewogen und der
Schmelzpunkt bestimmt.
4.3. Isolation des Neutralstoffgemisches
Die Etherphase, die nunmehr nur noch die beiden Neutralstoffe enthalten sollte, wird zur
Vortrocknung mit gesättigter aq. NaCl Lösung einmal rückgeschüttelt und anschließend über
Na2SO4 getrocknet. Das Na2SO4 wird abfiltriert (Papierfilter und Glastrichter) und der
Filterkuchen mehrmals mit frischem Lösungsmittel gewaschen. Anschließend wird am
Rotavapor das Lösungsmittel abgezogen (Kolben tarieren zur Bestimmung der
Gemischausbeute). Zur Trennung der beiden Neutralstoffe mittels Säulenchromatographie siehe
Teil 2 dieses Skriptums.
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Säulenchromatographie
B: Chromatographie
Dünnschicht- und Säulenchromatographie (DC und SC)
1. Grundlagen
Unter Chromatographie versteht man physikalische Methoden bei denen eine Stofftrennung
durch Verteilung von Substanzen zwischen einer ruhenden (stationären) und einer sich
bewegenden (mobilen) Phase erfolgt. Dabei kann die Verteilung zwischen den Phasen durch
verschiedene Effekte hervorgerufen werden, z.B. Adsorption, Absorption, Ionengleichgewichte,
Diffusionseffekte, etc. Für die formale Beschreibung der chromatographischen Trennung ist i.a.
die Art der Verteilung unerheblich. Im Folgenden sollen nur für das Verständnis der Übung
mindestens notwendigen Grundlagen erläutert werden, für eine umfassendere Betrachtung sei
auf einschlägige Literatur verwiesen.
Die in der Übung angewandte Chromatographie ist eine Adsorptionschromatographie. Dabei ist
die stationäre Phase fest, die mobile Phase flüssig. Man spricht daher auch von einer FestFlüssig Chromatographie (im Englischen Liquid-Solid Chromatography, LSC).
Da es sich bei den auftretenden Wechselwirkungen um adsorptive Vorgänge handelt, ist die
entscheidende Stoffeigenschaft, die es zu betrachten gilt, die Polarität der beteiligten Stoffe.
Dies umfasst stationäre Phase, mobile Phase und Analyt(en). Naturgemäß ist die adsorptive
Wechselwirkung zwischen zwei Stoffen umso größer, je höher die Polarität beider Stoffe ist.
1.1. Die stationäre Phase
Kieselgel ist die meistverwendete stationäre Phase. Das in diesen Übungen verwendete
Material hat eine Korngröße von 0.04 mm - 0.063 mm. An der Oberfläche des Kieselgels
befinden sich freie OH-Gruppen:
Si
O
Si
O
O
Si O
O
Si
O
O
H
H
Freie OH-Gruppen an der Oberfläche
Abb. 1. Struktur von Kieselgel
Diesen freien OH-Gruppen weisen eine hohe Polarität auf, treten also leicht mit polaren
Anteilen der mobilen Phase sowie mit polaren Analyten in Wechselwirkung. Dabei ist
besonders die Bildung von Wasserstoffbrücken von Bedeutung.
1.2. Die mobile Phase – die Eluotrope Reihe
Die eluotrope Reihe stellt eine Anordnung der als mobile Phasen üblichen Lösungsmittel dar.
Dabei werden die Lösungsmittel in aufsteigender Reihenfolge nach ihrer Elutionskraft bei
Kieselgel (oder Aluminiumoxid) als stationäre Phase angeordnet. Die in Tab. 1 angegeben
Zahlenwerte charakterisieren die jeweiligen Eluotionsstärken, diese ist proportional zur Polarität
des Lösungsmittels.
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Säulenchromatographie
Tab. 1 Elutionsstärkeparameter ( εo-Werte) für einige Lösungsmittel
Lösungsmittel
εo
εo
Pentan
Diisopropylether
0.00
0.28
0.00
0.21
Dichlormethan
0.42
0.32
Essigsäureethylester
Acetonitril
0.58
0.65
0.38
0.50
Methanol
0.95
0.73
Al2O3
SiO2
Man kann in erster Näherung davon ausgehen, dass die Elutionskraft bei gleichem εo -Wert
ungefähr gleich bleibt, auch dann wenn eine unterschiedliche Zusammensetzung (d.h. anderes
Lösungsmittel) der mobilen Phase vorliegt.
1.3. Der Trennvorgang
Betrachten wir nun den einfachsten Fall der Verteilung, das System aus stationärer Phase,
mobiler Phase und einem Analyten. Formal lässt sich dieser Verteilungsvorgang mit dem schon
eingeführten Nernst’schen Verteilungskoeffizienten K beschreiben, es gilt bei konstanter
Temperatur die Gleichung der Adsorptionsisothermen:
𝐾𝐾 =
𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾 𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣 𝑥𝑥 𝑖𝑖𝑖𝑖 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠ä𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 𝑃𝑃ℎ𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 [𝑥𝑥]𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠ä𝑟𝑟
=
[𝑥𝑥]𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚
𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾 𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣 𝑥𝑥 𝑖𝑖𝑖𝑖 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑃𝑃ℎ𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎
Die polaren Zentren der stationären Phase werden nun einerseits vom Analyten und andererseits
(quasi in einer Konkurrenzreaktion) von der mobilen Phase belegt. Die Belegung mit der
mobilen Phase ist entsprechend den obigen Ausführungen umso größer, je höher deren Polarität
ist, was aber andererseits heißt, dass der Anteil des Analyten auf der stationären Phase sinken
muss, der K-Wert wird kleiner. Phänomenologisch bedeutet das, dass eine Erhöhung der
Polarität der mobilen Phase eine Erhöhung der Analyten in derselben erzeugt (unabhängig
davon ob der Analyt nun polar oder unpolar ist!). Wenn nun ein Stoffgemisch aus zwei
unterschiedlich polaren Analyten vorliegt, so kann mit einigermaßen hoher Wahrscheinlichkeit
davon ausgegangen werden, dass die resultierenden K-Werte bei gegebenem Trennsystem
(Kombination aus stationärer und mobiler Phase) unterschiedlich sind. Graphisch dargestellt
ergibt sich eine Kurvenschar, welche im idealen Bereich (verdünnte Lösungen, keine
Wechselwirkungen zwischen den Analyten und keine anderen Wechselwirkungen zwischen
Analyten und stationärer bzw. mobiler Phase als die bisher betrachteten) als Geraden mit
verschiedenen Steigungen erscheint:
Cstat
Substanz A
Cstat A
Substanz B
Cstat B
Substanz C
Cstat C
Noch linearer Bereich
Cmob N
Cmob
Abb. 2, Adsorptionsisothermen dreier Stoffe A, B, C
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Säulenchromatographie
Aus diesen Ausführungen ergibt sich zwingend, dass ein Substanzpaar nur dann
chromatographisch trennbar ist, wenn es sich in den K-Werten unterscheidet (wenngleich
angemerkt werden sollte, dass auch ein sehr geringer Unterschied für eine erfolgreiche
Trennung ausreicht).
2. Durchführung
2.1. Dünnschichtchromatographie
Die Dünnschichtchromatographie ist eine (i.a.) analytische Trennmethode. Die verwendeten
DC-Platten werden vom Institut bereitgestellt und bestehen aus einem Trägermaterial aus
dünnem Aluminium mit einer Schichtdicke der stationären Phase von ca. 0.25 mm. Die Größe
der Platten beträgt für Standarddünnschichtchromatogramme ca. 2.5 cm x 5 cm für das
Auftragen von 1 bis 3 Startflecken. Für mehr als 3 Startflecke werden DC-Platten verwendet,
welche
die
Breite
der
DC-Kammer
ausnutzen.
Vor
Anfertigen
eines
Dünnschichtchromatogramms (DC) wird eine DC-Kammer mit dem Laufmittelgemisch (z.B.
PE/EE Mischung) beschickt und bei geschlossenem Deckel ca.5-10 min stehen gelassen, um
eine Konditionierung zu ermöglichen. Vor Auftragen der Probe wird in 7-10 mm Entfernung
vom unteren Rand der DC-Platte eine Startlinie mit Bleistift (!) gezogen. Punkte auf der
Startlinie kennzeichnen den genauen Ort der Probenaufgabe. Die Aufgabe des
Substanzgemisches erfolgt mittels Mikropipette, sie ist mit Aceton sauber zu halten (Die
Mikropipette wird befüllt, indem man sie in die Probelösung taucht; die Flüssigkeit wird durch
die Kapillarwirkung in die Pipette gesaugt. Sie wird entleert, indem man sie senkrecht auf eine
saugfähige Oberfläche tüpfelt; das kann die DC Platte für die Probenaufgabe oder ein
Filterpapier bei den Reinigungsvorgängen sein). Feststoffe wie auch Flüssigkeiten werden
immer in Form von Lösungen auf die DC-Platte aufgebracht. Bevor eine Platte zur Entwicklung
in die DC-Kammer gestellt wird, wird das Lösungsmittel entweder abgeföhnt (kühl) oder es
wird das Abtrocknen abgewartet (bei leicht flüchtigen Lösungsmitteln). Die so vorbereitete DCPlatte wird senkrecht in die konditionierte DC-Kammer gestellt, der Deckel der Kammer wird
geschlossen und das Aufsteigen der mobilen Phase bis etwa 5-7 mm unter den oberen Rand der
Platte abgewartet. Nach Entnehmen der DC-Platte aus der Kammer wird sofort die Front des
Laufmittels mit Bleistift markiert und anschließend das Laufmittel abgedampft. Nicht färbige
Substanzflecken werden unter der UV-Lampe sichtbar gemacht und mit Bleistift markiert. Eine
weitere Möglichkeit, farblose Substanzen auf der DC Platte sichtbar zu machen ist, die Platte
nach dem Entwickeln mit Anfärbereagenzien zu behandeln. Ein für organische Verbindungen
recht universell einsetzbares Reagenz ist Cer-Phophormolybdänsäure, welches auch im
Praktikum verfügbar ist. Die DC Platte wird in die gelbe Flüssigkeit getaucht, gleich wieder
herausgezogen und ein wenig abgestreift. Anschließend wird mit der Heißluftpistole vorsichtig
(fächelnd) bis zum Maximalkontrast erwärmt. Anfärbbare Substanzen verfärben sich blau.
Zur zahlenmäßigen Beschreibung eines Dünnschichtchromatogramms dient der Rf-Wert (Abb
3). Er ist charakteristisch für einen Analyten im jeweiligen Trennsystem, d.h. die Angabe eines
Rf-Wertes ohne Angabe des Trennsystems (stationäre und mobile Phase) ist sinnlos! Der Rf
berechnet sich wie folgt:
C
B
R fC =
c
f
Entfernung des Verbindungsfleckes vom Start
c
=
f
Entfernung der Laufmittelfront vom Start
Abb. 3 - Definition des Rf-Wertes
A
1 cm
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Säulenchromatographie
Zur Messung von c wird der optische Mittelpunkt des Fleckes (die Stelle der höchsten
Intensität) angenommen.
Für die erfolgreiche Trennung des Dreikomponentengemisches ist es zunächst nötig, eine DC
Methode zu entwickeln, die die Analyse des Gemisches bzw. dessen Komponenten ermöglicht.
Dazu löst man eine Spatelspitze des (homogenen!) Gemisches in etwa 1 mL Ethylacetat. Von
dieser Probelösung bringt man mittels Mikrokapillare eine Menge von 1-3 µL durch
wiederholtes kurzes Tüpfeln auf eine DC Platte auf (es soll ein möglichst kleiner Startfleck
entstehen) und entwickelt in einem Gemisch aus Petrolether / Ethylacetat mit mittlerer Polarität
(z.B. PE/EE=5/1). Die Trennung ist erfolgreich und als Analysenmethode gut geeignet, wenn 3
klar getrennte Substanzflecken sichtbar sind (UV Kammer bzw. Anfärben). Sollte die Trennung
nicht erfolgreich sein (Substanzen werden zu viel/zu wenig eluiert), so wird durch Änderung des
Mischungsverhältnisses die Polarität der mobilen Phase solange angepasst, bis eine brauchbare
Trennung erzielt wird. Mit dieser mobilen Phase kann nun das Ergebnis der jeweiligen
Extraktions-Eprouvetten Versuche überprüft werden. Dazu wird wie folgt vorgegangen: Es wird
ein Vergleichs-DC erstellt, d.h. man bringt auf eine DC Platte sowohl die Referenzprobe (die
Lösung des Dreikomponentengemisches) als auch die organische (!) Phase des jeweiligen
Extraktionsversuches auf. Zusätzlich wird ein dritter Punkt getüpfelt (vorzugsweise zwischen
den beiden anderen Punkten), der sogenannte Co-Spot; wie aus dem Namen hervorgeht wird
hier sowohl die Referenz als auch die Probe getüpfelt, und zwar ca. 1/1. Diese Vorgehensweise
ist zwingend nötig, wenn Referenz und Probe nicht in demselben Lösungsmittel gelöst sind oder
die Probe aus einer Aufarbeitung (z.B. Extraktion einer wässerigen Lösung!) hervorgegangen
ist. Das DC wird entwickelt und nach Visualisierung der Substanzen entschieden, ob der
Extraktionsversuch erfolgreich war.
Bei sauren oder basischen Verbindungen kommt es oft zu einem die ideale Punktform
verzerrenden Effekt, dem sogenannten Tailing. Dabei werden die Flecken kometenschweifartig
verformt. Das kommt dadurch zustande, dass die Substanzen neben den adsorptiven auch noch
Säure-Basen Wechselwirkungen mit der stationären Phase eingehen. Dem Effekt kann begegnet
werden, indem man bei sauren Analyten dem Laufmittel eine kleine Menge Säure (z.B.
Essigsäure, ca. 3 Tropfen/5mL Laufmittel) zusetzt, bei basischen Analyten eine Base (z.B.
Triethylamin). Die Flecken werden dadurch i.a. wieder rund indem der Dissoziationsgrad des
Analyten herabgesetzt und somit hauptsächlich die nicht-ionisierte (und somit apolarere) Form
vorliegt, was eine schärfere Trennung ermöglicht.
2.2. Säulenchromatographie
Die Säulenchromatographie kann sowohl als analytische als auch als präparative Methode
ausgeführt sein. Im Falle dieses Übungsbeispiels wird sie zur präparativen Trennung des
Zweiphasengemisches der Neutralstoffe verwendet.
2.2.1. Aufgabe Säulenchromatographie (Flashchromatographie)
In Abb. 4 ist die verwendete Apparatur zur Flashchromatographie abgebildet. Zwei Faktoren
beeinflussen maßgeblich die Güte der Trennung. Dies ist einerseits die Wahl eines adäquaten
Trennsystems (im Normalfall ist die stationäre Phase vorgegeben, d.h. die Frage reduziert sich
auf die Wahl des passenden Elutionsmittels; für organisch-chemische Fragestellungen im
Labormaßstab stellt Kieselgel die hauptsächlich verwendete stationäre Phase dar) und
andererseits das Verhältnis stationäre Phase zu Probe. Die besten Ergebnisse werden mit
mobilen Phasen erzielt, die in einem als Vergleich herangezogenen DC für den obersten
Substanzfleck einen Rf-Wert von ca. 0.2-0.3 ergeben. Als Faustregel gilt ein Mengenverhältnis
Probe:Kieselgel = 1:30-1:100, typische Werte sind 1:50 – 1:70.
LU Synthesechemie
Säulenchromatographie
Belüftung
PVC Schläuche
Schraubquetschhahn
zur Druckregulation
Absaugstück mit Klammer
Druckluft
ein
Vorratsbehälter
für mobile Phase
T-Stück
mobile Phase
1 cm Seesand
Schliff mit Klammer
Kieselgel
Ca. 1 cm Glaswolle
Seesand bis zum Ende der
Verengung
Hahn
Eluat
Fraktionen, werden in Eprouvetten aufgefangen
Abb. 4 Schema einer Flashchromatographiesäule
Der zeitliche Verlauf einer typischen säulenchromatographischen Trennung ist wie folgt:
LU Synthesechemie
Säulenchromatographie
Signalstärke am Detektor
tbrutto
t0
tnetto
t0 =
Durchbruchszeit
tbrutto = Gesamtretentionszeit
tnetto = Nettoretentionszeit
Peaks
Start des
Chromatogramms
k ´=
Retentionszeit
Nettoretentionszeit t netto
=
Durchbruch szeit
t0
Abb. 5 - Ermittlung des k´-Wertes aus einem Säulenchromatogramm
Die Lage eines Signales im Säulenchromatogramm wird durch den Kapazitätsfaktor
(k´-Wert) beschrieben. Dieser ist definiert nach Abb. 5. Für jeden getrennten Peak gibt es einen
bestimmten k´-Wert. Diese Definition gilt genau nur für symmetrische Peaks. Die
Durchbruchszeit t0 entspricht der Aufenthaltszeit einer Substanz in der Säule, die von der
stationären Phase nicht zurückgehalten wird. Die Gesamtretentionszeit tbrutto entspricht der
Gesamtzeit, die sich die Substanz in der Säule befindet (bis zum Maximum des Detektorsignals,
das kann sein UV-Absorption, Brechungsindex der mobilen Phase, Intensität eines getüpfelten
DC-Flecks,…). Daher ist die Nettoretentionszeit tnetto jene Zeit. die sich die Substanz nur in der
stationären Phase aufhält. Diese Nettoretentionszeit ist für die Substanz in einem bestimmten
Trennsystem charakteristisch.
3. Vorgehensweise zur Trennung des Neutralstoffgemisches (2
Komponenten)
3.1. Bestimmung der optimalen mobilen Phase
Eine geringe Menge des Substanzgemisches wird in einem organischem Lösungsmittel
(vorzugsweise Ethylacetat) gelöst und mittels DC eine geeignete mobile Phase bestehend aus
PE/EE gesucht. Dies ist dann der Fall, wenn der oberste Substanzfleck einen Rf-Wert von ca.
0.5 nicht überschreitet und ein Unterschied des Rf-Wertes von 0.2 - 0.3 zum nächsten Fleck
vorahnden ist. Das DC, das mit der optimalen mobilen Phase erstellt wurde, muss einem
Saalassistenten gezeigt werden. Dieser bestätigt das verwendete LM-Gemisch im Journal und
auf der DC Platte (diese wird dann ins Journal geklebt; mit Klebestreifen oder Buchbindefolie
LU Synthesechemie
Säulenchromatographie
überkleben, Kleber auf der Rückseite hält nicht dauerhaft). Aus ökologischen und
ökonomischen Gründen wird zur eigentlichen Trennung ein Elutionsmittel aus PE/EE
Redestillaten verwendet. Diese Gemische (ungefähre Zusammensetzung wird angegeben) sind
im Praktikum verfügbar; durch Mischen zweier dieser Destillate wird ein Elutionsmittel
hergestellt (zunächst kleine Mengen, ca. 10mL), das am DC die gleichen Elutionseigenschaften
zeigt wie das zuvor bestimmte Lösungsmittel. Auch dieses DC wird vom Saalassistenten
abgezeichnet und im Journal eingeklebt.
3.2. Befüllen der Säule mit stationärer Phase
Beim Umfüllen des Kieselgels ist unnötige Staubentwicklung zu vermeiden und die Säule im
Abzug zu befüllen, da Kieselgel lungengängig und gesundheitsschädlich ist. Vor Beginn der
Arbeiten muss kontrolliert werden, ob alle Teile vorhanden und in einwandfreiem Zustand und
trocken sind. Der Ablaufhahn muss gut geschmiert und geschlossen sein. Zuerst wird ein Stück
Glaswolle oder Watte mittels Glasstab in die Verengung der Säule oberhalb des Hahnes
gedrückt, um so den Austrag von Kieselgel und Seesand zu verhindern (Achtung: Bruchgefahr
des Glasstabes und somit Verletzungsrisiko!). Anschließend wird über einen Feststofftrichter
Seesand bis zum Ende der Verengung der Säule zugegeben. Eine ebene, waagrechte Oberfläche
des Seesandes ist durch vorsichtiges Rütteln der Säule erreichbar. Die Säule wird nun senkrecht
am Gestänge befestigt, darunter platziert man für die Dauer des Befüllens einen
Erlenmeyerkolben.
Dann wird das Kieselgel (ca. 70g) und langsam so viel von der mobilen Phase in ein 400ml
Becherglas gegeben, dass eine umfüllbare Aufschlämmung entsteht. Durch vorsichtiges
Schwenken und Rühren mit einem Glasstab können Luftblasen entfernt werden. Die
Aufschlämmung wird solange stehengelassen bis keine Wärmeentwicklung mehr stattfindet. Es
sind die Vorratsgefäße der mobilen Phase verschlossen zu halten, da die leichter flüchtige
Komponente bei längerem Stehen verdampft und sich damit die Zusammensetzung der mobilen
Phase mit der Zeit ändert. Danach befüllt man die Säule vorsichtig bei geschlossenem Hahn ca.
10 cm hoch mit mobiler Phase. Luftblasen werden durch Klopfen und sachtes Schütteln
entfernt. Nun wird das aufgeschlämmte Kieselgel möglichst in einem Guss in die Säule
eingebracht. Dann wird der Ablaufhahn geöffnet. Kieselgelreste an der Glaswand werden
mittels Pasteurpipette mit Laufmittel von der Glaswand gespült. Es sollte über dem sich
setzenden Kieselgel nun ein deutlicher Lösungsmittelüberstand (mind. 5 cm) zu erkennen sein,
sollte das nicht der Fall sein wird mittels Pasteurpipette vorsichtig (um die stationäre Phase
nicht aufzuwirbeln) Lösungsmittel zugegeben.
Achtung: Von nun an darf die Säule nicht mehr „Trockenlaufen“, d.h. das Kieselgel muss
immer von Laufmittel bedeckt sein!
Nun wird durch Anlegen von Druckluft (Vordruck wird auf max. 0.5 bar eingestellt, bei
vollständig geöffnetem Schlauchquetschhahn wird das Ausgangsventil der Pressluft vorsichtig
geöffnet, die Regulierung des Drucks erfolgt über den Schlauchquetschhahn, s. Abb.4) das
Kieselgel zusammengepackt. Sollten sich nun noch Luftblasen in der Säule befinden müssen
diese mit Laufmittel aus der Säule gedrückt werden. Dazu wird die Säule vorsichtig bis 10 cm
unter den Rand mit Solvens beschickt, das Vorratsgefäß aufgesetzt (Klemme!), mit weiterem
Solvens befüllt und die mobile Phase durch Anlegen von Druckluft durch die Säule gepresst.
Der Druck sollte nun so reguliert werden, dass die Tropfgeschwindigkeit bei ca. 2 Tropfen/s
liegt. (Das Eluat, das dabei im Erlenmeyerkolben gesammelt wird, kann und soll wieder als
Laufmittel eingesetzt werden). Die Säule ist fertig gepackt, wenn sie keine (sichtbaren)
Luftblasen und Risse enthält.
Abschließend wird ein ca. 1 cm hohes Seesandbett aufgebracht, um das Aufwirbeln von
Kieselgel während späterer Arbeitsschritte zu verhindern. Dazu wird der Lösungsmittelspiegel
bis etwa 10cm über die Kieselgeloberfläche abgesenkt. Dann wird Seesand vorsichtig
zugegeben (das Kieselgel darf nicht aufgewirbelt werden), bis eine ca. 5-10 mm hohe Schicht
entstanden ist.
LU Synthesechemie
Säulenchromatographie
3.3. Probeaufgabe
Die Probe des Zweikomponentengemisches (sollte ca. 1 g sein, abwägen und im Journal
dokumentieren!) wird in möglichst wenig mobiler Phase gelöst (5 bis max. 10 mL); sollte dies
nicht möglich sein, kann die Polarität des Lösemittels erhöht werden. Die mobile Phase in der
Säule wird bis auf Höhe des oberen Seesandbettes abgelassen, und der Hahn geschlossen. Die
gelöste Probe wird mittels Pasteurpipette auf den Seesand gleichmäßig aufgebracht (bevorzugt
über die innere Glaswand der Säule, um Aufwirbeln zu vermeiden). Man öffnet den Hahn und
wartet bis die Probelösung wieder das Niveau des Seesandbettes erreicht hat. Mit einer weiteren
kleinen Menge mobiler Phase (Pasteurpipette!) wird das zu trennende Gemisch vollständig ins
Kieselgel eingetragen (mindestens 2x wiederholen, auch um die Säuleninnenwand von der
Aufgabelösung abzuspülen). Dann wird die Säule vorsichtig (zuerst mit der Pasteurpipette, dann
unter zu Hilfenahme eines Glastrichters) mit Laufmittel befüllt (bis ca. 5 cm unter den Rand),
das Vorratsgefäß aufgesetzt, die mobile Phase bis zum Vorratsgefäß aufgefüllt und mit dem
Sammeln der Fraktionen begonnen (in Eprouvetten, ca. bis 2cm unter den Rand anfüllen).
3.4. Eluieren
Um festzustellen, ab welcher Fraktionen Produkt(e) enthalten sind, wird auf einem Standard DC
Plättchen (2.5x5cm) mit Bleistift ein Raster aus Quadraten (Seitenlänge ca. 5mm)
eingezeichnet. Man beginnt nun startend mit der 1. Fraktion fortlaugend jede Fraktion
(=Eprouvette) auf ein eigenes Quadrat zu tüpfeln (entwickelt wird nicht, man nennt diese
Vorgehensweise Tüpfel DC); durch Kontrolle im UV Licht erkennt man, ab welcher Fraktion
Produkt eluiert wurde. Beginnend mit 2 Eprouvetten vor der ersten Produktfraktion (diese
enthalten noch kein Produkt) wird nun ein DC auf der breiten Platte (es sollten mind. 10
Startpunkte Platz finden; es bietet sich an, in der Mitte als zusätzlichen Punkt das
Ursprungsgemisch aufzutragen, um einen Vergleichswert zu haben) getüpfelt und entwickelt.
Wird festgestellt, dass das erste Produkt vollständig eluiert wurde, kann man eine
Gradientenelution durchführen, d.h. man ändert die Polarität der mobilen Phase in Richtung
höherer Polarität zu mehr Ethylacetat und eluiert die zweite Substanz vollständig. Der Erfolg
der Trennung ist durch Beurteilung dieser Chromatogramme zu bewerten. Es ist das Ziel,
möglichst keine Mischfraktionen zu erhalten, sondern beide Substanzen in chromatographisch
reiner Form. Die Chromatogramme werden einem Saalassistenten gezeigt (abzeichnen lassen
und ins Journal einkleben) und mit diesem entschieden, welche Fraktionen vereinigt werden
können. Nach dem vereinigen wird über Natriumsulfat getrocknet, abfiltriert und in einem
tarierten Kolben einrotiert. Von den getrennten Substanzen (und von etwaigen Mischfraktionen)
bestimmt man die Auswaage (eine Mengenbilanz ist zu erstellen!) und fertigt noch ein DC an
(abzeichnen lassen und ins Journal einkleben). Danach kann mit den Substanzen weiter
gearbeitet werden (ggf. umkristallisieren, spektroskopische Proben, Schmelzpunkt, etc).
3.5. Entsorgung
Die Entsorgung des gebrauchten Kieselgels erfolgt nach „Trockenblasen“ der Säule in der
Feststofftonne. Alle PE/EE Gemische werden in den dafür vorgesehenen Behältern für die
Recyclierung gesammelt (hier darf kein Aceton hineingeleert werden!!!)
LU Synthesechemie
IR Spektroskopie
C: IR Spektroskopie
Probenvorbereitung, Einreichen für die Messung, Interpretation der Messdaten
1. Probenvorbereitung und Einreichen für die Messung
Substanzen müssen in gereinigter und trockener Form als Feststoff vorliegen,
um ein unverfälschtes IR Spektrum aufnehmen zu können. Auch geringe Spuren
von Restfeuchte oder Lösungsmitteln liefern mehr oder weniger intensive IRBanden, die eine Substanzidentifizierung erschweren oder verfälschen. Die
trockene Probe bitte etikettiert mit Platznummer und Beschriftung Substanz A,
B oder C in ein Eppendorfer Vial abfüllen.
2.1. Interpretation der Messdaten - allgemeines
Sämtliche Proben werden auf dem Perkin-Elmer Spectrum Two FTIR in ATR-Technik
gemessen. Wie im PS Strukturaufklärung erwähnt, bedeutet dies generell, dass die Intensitäten
der Banden oberhalb von ca. 2000 cm-1 schwächer ausfallen, als würde man in Transmission
messen.
Zuordnung der Banden: Anhand von einigen typischen Gruppenfrequenzen für organische
Moleküle sind funktionelle Gruppen bzw. Informationen über die Stoffklasse
(aromatische/aliphatische Kohlenwasserstoffverbindung) zu erhalten. Weiters ist etwaig
vorhandenes Wasser (Restfeuchte oder Kristallwasser) identifizierbar.
Tabelle einiger wichtiger Funktionalitäten und deren typische Absorptionsbereiche im IR
C≡C ca. 2200 – 1900 cm-1
CH4 2917 cm-1
CCl4 459 cm-1
C=C ca. 1900 – 1500 cm-1
CD4 2109 cm-1
CBr4 267 cm-1
C–C ca. 1500 – 1300 cm-1
CF4 909 cm-1
CJ4 178 cm-1
C≡N ca. 2200 – 1900 cm-1
O–H ca. 3600 – 3500 cm-1 (ohne H-Brücken)
O–H aus COOH 3000 – 2500 cm-1
O–H ca. 3500 – 3200 cm-1 (mit H-Brücken)
C=N ca. 1900 – 1500 cm-1
N–H ca. 3500 – 3300 cm-1
C=O ca. 1900 – 1500 cm-1
C–H ca. 3150 – 3000 cm-1 (aromatisch)
N=O ca. 1900 – 1500 cm-1
C–H ca. 3000 – 2850 cm-1 (aliphatisch)
C–O ca. 1300 – 1030 cm-1
C–H Deformation an aromatischen Ringen: 730-780 (monosubstituierter Ring)
C–H Deformation an aromatischen Ringen: 740-780 (disubstituierter Ring)
C–H Deformation an aromatischen Ringen: 750-810 (trisubstituierter Ring)
C–H Deformation an aromatischen Ringen: 850-800 (tetrasubstituierter Ring)
C–H Deformation an aromatischen Ringen: 900-800, schwach (pentasubstituierter Ring)
LU Synthesechemie
3600
O-H ohne HBrücken
3500
IR Spektroskopie
3400
3300
3200
3100
3000
2900
2800
2700
1900
1800
1700
800
700
450
400
O-H mit H-Brücken
N-H
C-H aromatisch
O-H aus -COOH
C-H aliphatisch
2600
2500
O-H aus -COOH
2400
2300
2200
2100
2000
C≡C
C≡N
C-D
C=C
C=N
C=O
N=O
1600
C=C
C=N
C=O
N=O
1500
1400
1300
1200
1100
1000
900
C-C
C-O
C-F
C-H Def. an
pentasubst.
Aromaten
850
800
750
700
650
600
550
500
LU Synthesechemie
IR Spektroskopie
C-H Def. an
tetrasubst.
Aromaten
C-H Def. an trisubst. Aromaten
C-H Def. an disubstituierten
Aromaten
C-H Def. an monosubstituierten Aromaten
C-Cl
LU Synthesechemie
IR Spektroskopie
2.2 Interpretation der Messdaten – ein Beispiel
100
90
1587
1587
3071
3071
1497
1497
80
3031
3031
2885
2885
2624
2624
1003
1003
1452
1452
1376
1376
70
3389
3389
767
767
1029
1029
2964,5
2964,5
1227
1227
60
856
856
937
937
885
885
1191
1191
%T
1284
1284
606
606
50
730
730
677
677
521
521
491
491
40
695
695
1059
1059
1706
1706
30
20
10
0
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500 450
cm-1
Beginnend mit den Banden der hohen Wellenzahlen ist prominent die Bande bei 3359 cm-1 zu
erkennen, die nur durch eine sekundäre Amin-Gruppe -NH- oder OH-Gruppe (nicht isoliertes,
sondern H-Brücken bildendes OH) erklärbar ist. Da die (schwache) –NHDeformationsschwingung zwischen 1580 cm-1 und 1490 cm-1 fehlt, kann ein sekundäres Amin
ausgeschlossen werden. Die alkoholischen oder phenolischen O-H-Deformationsschwingungen
sind jedoch prominent erkennbar (siehe 1376 cm-1 und 1284 cm-1).
Die beiden (schwachen) Banden bei 3071 cm-1 und 3031 cm-1 weisen auf C-H-Streckschwingungen eines aromatischen Ringsystems hin.
Die beiden (schwachen) Banden bei 2965 cm-1 und 2855 cm-1 weisen auf zumindest eine
aliphatische C-H-Streckschwingung hin.
Die schwache breite Bandenstruktur um 2624 cm-1 liegt im Bereich der O-H-Valenzschwingungen von Carbonsäuren (oft mir kleineren Nebenbanden wegen intramolkularen HBrücken)
Die intensive scharfe Bande bei 1706 cm-1 ist typisch für eine Carbonyl-Streckschwingung einer
Carbonsäure.
Die mittelstarke scharfe Bande um 1500 (hier 1497 cm-1) gemeinsam mit einer eher schwachen
Bande um die 1600 cm-1 ist typisch für einen aromatischen Ring, könnte also auf einen
Benzolring hinweisen. Da es im Bereich um 1580 cm-1 keine intensivere Bande gibt als die
1500er Bande, schließt das eine weitere Konjugation zum Arylring aus. Die weiteren Banden
zwischen 1225 und 950 cm-1 stellen unspezifische Kombinationsschwingungen von
aromatischen Ringen dar. Deren Existenz untermauert aber das Vorhandensein zumindest eines
aromatischen Ringsystems.
Die intensiven Banden bei 1376 cm-1 und 1284 cm-1 liegen im Bereich der alkoholischen oder
phenolischen O-H-Deformationsschwingungen (1410 – 1260 cm-1) und deutet somit auf
zumindest eine O-H-Gruppe neben einer Carbonsäure hin.
Die intensive Bande bei 730 cm-1 ist eine C-H Deformationsschwingung typisch bei 5
benachbarten aromatischen C-H (= monosubstituierter Benzolring).
LU Synthesechemie
IR Spektroskopie
Die intensive Bande bei 695 cm-1 ist eine Ring-Deformationsschwingung typisch bei 5
benachbarten aromatischen C-H (= monosubstituierter Benzolring).
Die weiteren Banden zwischen 950 und 750 cm-1 sowie unterhalb von 650 cm-1 stellen
Gerüstschwingungsmoden des gesamten Moleküls von geringem diagnostischem Wert dar.
3. Zusammenfassung
•
•
•
•
Es muss sich um ein aromatisches Ringsystem (vermutlich Benzolring) handeln, der nur
monosubstituiert ist.
Es gibt zumindest ein aliphatisches C-H (Seitenkette des Ringes).
Es gibt zumindest ein alkoholisches oder phenolisches O-H. Da ein phenolisches O-H
bei gleichzeitiger Monosubstitution keine C-H-Seitenkette mehr erlaubt, muss also ein
alkoholisches O-H vorliegen.
Es muss eine Carbonsäure sein.
Eine mögliche Lösung, auf die obige Bedingungen passen, wäre die Mandelsäure. Ein
endgültiger Beweis ist nur mit den korrespondierenden 1H-NMR Daten zu erbringen.
OH
OH
O
LU Synthesechemie
NMR Spektroskopie
D: NMR Spektroskopie
Probenvorbereitung, Einreichen für die Messung, Interpretation der Messdaten
1. Probenvorbereitung
Zunächst wird für alle Proben die Löslichkeit in Eprouvettenversuchen überprüft: ca. 15 mg
Substanz werden mit 0.5 mL CHCl3 versetzt; ist die Substanz problemlos löslich, ist CDCl3 das
für die Messung geeignete Lösungsmittel, andernfalls ist DMSO-d6 zu verwenden (Ausnahme:
für Carbonsäuren wird jedenfalls DMSO-d6 verwendet).
Die NMR-Rohre werden mit Aceton gewaschen und über Nacht im Trockenschrank getrocknet.
In diese sauberen und trockenen NMR-Rohre werden je ca. 15 mg Substanz abgefüllt (kein
Lösungsmittel einfüllen! Die deuterierten Lösungsmittel werden vom Laboranten/der
Laborantin zugegeben). Die NMR-Zettel sind jeweils mit folgenden Angaben auszufüllen:
•
•
•
•
•
Name und Platznummer des/der Studierenden
H als zu messender Kern
Präparatcode: xxx_ANA_1 bis xxx_ANA_3 (xxx ist die Platznummer; 1 bis 3 ist die
Substanznummerierung, z.B. aus der Reihenfolge der Spots im DC von oben nach unten)
Das zu verwendende Lösungsmittel (CDCl3 oder DMSO-d6, wie im Vorversuch ermittelt)
Als Kommentar wird Neutralstoff/Säure/Base angegeben.
1
Die befüllten NMR-Rohre werden gemeinsam mit den vollständig ausgefüllten NMR-Zetteln
bei der Probeneinreichung (einem eigens dafür vorgesehenen Probengestell im Bereich der
Chemikalieneinreichung) deponiert. Nach der Messung sind die NMR-Rohre an derselben
Stelle wieder abzuholen.
2. Auswertung 1H-NMR
2.1. Chemische Verschiebung
Die chemische Verschiebung der einzelnen Signale gibt Auskunft über die unmittelbare
chemische Umgebung der jeweiligen Protonen:
Der Bereich der rein aliphatischen Protonen ohne Einfluss von Funktionalitäten ist etwa 0.5 1.5 ppm. Induktive Effekte benachbarter Gruppen verschieben solche Signale entweder zu
niedrigeren ppm-Werten (+I - Substituenten wie Si oder Metalle) oder zu höheren Werten (-I Gruppen; zunächst Hs benachbart zu Mehrfachbindungen, dann zu N-, Halogen- und OAtomen); der Bereich geht dabei bis zu ca. 5 ppm bei Substitution mit einer ziehenden Gruppe
(z.B. -O-CO-R) bzw. bis 6 ppm bei zwei ziehenden Gruppen (z.B. Acetale).
Der olefinische Bereich umfasst etwa 5 - 6.5 ppm (diese Signalseparation von aliphatischen
Signalen ist eine Konsequenz von Anisotropieeffekten, wie in Vor-LVAs dargelegt), der
aromatische Bereich wird üblicherweise mit 6.5 - 8 ppm angegeben. In beiden Fällen haben
mesomere Einflüsse stärkere Wirkung als induktive; wiederum führt eine Erhöhung der
Elektronendichte durch die Substituenten zu niedrigeren ppm-Werten, eine Erniedrigung der
Elektronendichte zu höheren Werten. Auch bei Heteroaromaten gelten analoge Regeln.
Einen Sonderfall stellen an Heteroatome gebundene Protonen dar: stark saure Protonen (Säuren,
Enole, …) finden sich meist im Bereich 10 - 15 ppm, Phenol-OHs von 6 bis 9 ppm, Alkoholund Amin-Protonen sind meist im "aliphatischen" Bereich zwischen 0 und 5 ppm zu finden.
Allen diesen Signalen ist gemeinsam, dass sie meistens auffällig breit sind; unter ungünstigen
Umständen können derartige Protonen auch gar nicht im Spektrum sichtbar sein.
LU Synthesechemie
NMR Spektroskopie
Die folgende Grafik zeigt eine Übersicht über 1H-Verschiebungsbereiche; weitere Unterlagen
zur Analyse der chemischen Verschiebungen (einschließlich Inkrement-Tabellen) werden im
IChemLab zur Verfügung gestellt.
2.2. Integrale
Die Integrale über die einzelnen Signale spiegeln die relativen Intensitäten der Peaks wider.
Üblicherweise wird das kleinste zur Substanz gehörige Integral auf 1 gesetzt; sollten dann (unter
Vernachlässigung von geringfügigen Ungenauigkeiten) einige Signale nicht-ganzzahlige Werte
aufweisen, wird so mit dem kleinst-möglichen konstanten Faktor multipliziert, dass alle Werte
ganzzahlig werden. Die erhaltenen Werte geben dann die Verhältnisse der im Molekül
vorhandenen Protonenzahlen wieder - Achtung: die tatsächlichen Protonenzahlen können auch
Vielfache dieser Werte sein.
2.3. Kopplungen
Aus den Kopplungsaufspaltungen der einzelnen Signale können Informationen über
benachbarte NMR-aktive Kerne erhalten werden, wobei sich "benachbart" auf den Weg über
Bindungen bezieht und in der Regel einen Abstand von einer (kommt für Protonenspektren
selten in Betracht), zwei, drei (der Normalfall) oder vier (in Falle ungesättigter
Strukturelemente) Bindungen bedeutet. Jede einzelne dieser Kopplungs-Wechselwirkungen
zweier Kerne wird durch eine spezifische Kopplungskonstante charakterisiert, deren Größe von
der Anzahl der Bindungen zwischen den betrachteten Kernen und der jeweiligen lokalen
Struktur bestimmt wird. Typische Werte sind z.B.:
• 12-18 Hz für Kopplungen über zwei Bindungen sowie über drei Bindungen, wenn der
Diederwinkel etwa 180° beträgt (trans-ständige olefinische Hs, aliphatische Elemente mit
fixierter Konformation)
• 6-10 Hz für die meisten aliphatischen Kopplungen über drei Bindungen und cis-ständige
olefinische sowie ortho-ständige aromatische Protonen
• 1-2 Hz für Kopplungen über mehr als drei Bindungen.
Im allgemeinsten Fall müssen für die Berechnung des Kopplungsmusters auch Kerne mit
Spinquantenzahl > ½ betrachtet werden; die Anzahl der Linien ergibt sich dann als Produkt über
alle Ausdrucke (2nI+1), wobei n die Anzahl äquivalenter Kopplungspartner und I die jeweilige
LU Synthesechemie
NMR Spektroskopie
Spinquantenzahl bedeuten. Betrachtet man vereinfachend nur Kopplungen zwischen Protonen,
ergeben sich zwei relevante Möglichkeiten:
1.
alle Kopplungspartner eines betrachteten Kerns sind äquivalent, d.h. haben mit diesem
gleiche Kopplungskonstanten: in diesem einfachen Fall ist die Anzahl der Linien gleich (n+1),
und die Linienintensitäten lassen sich aus dem Pascal'schen Dreieck ableiten; z.B. also ein
Duplett (Intensität 1:1) bei einem Kopplungspartner, ein Triplett (1:2:1) bei zwei Partnern, und
ein Quartett (1:3:3:1) bei drei Partnern. Diese Form der Aufspaltung findet man meist in
aliphatischen Ketten bei freier Drehbarkeit um die C-C - Bindungen (z.B. n-Alkylgruppen).
2.
alle Kopplungspartner zeigen unterschiedliche Kopplungskonstanten: in diesem Fall ist
die Anzahl der Linien gleich 2n, und alle Linien haben im Idealfall gleiche Intensität. Solche
Muster (häufig auch als Kopplungsbäume aufgelöst) finden sich oft in starren (polycyclischen)
aliphatischen Systemen sowie in ungesättigten Strukturen (z.B. mehrfach substituierte
aromatische Verbindungen).
In der Praxis sind natürlich auch Mischformen dieser beiden Spezialfälle möglich, die dann
durch geeignete Kombinationen der beiden Regeln erklärbar sind. Auch Kopplungen mit
anderen Spin-½-Kernen (z.B. 19F, 31P) folgen diesen Gesetzmäßigkeiten.
3. Auswertung 13C-NMR
In der 13C-NMR-Spektroskopie wird im Routinefall nur die chemische Verschiebung zur
Analyse herangezogen. Wie im Fall von 1H-NMR ist auch bei 13C-Spektren die Hybridisierung
des Kohlenstoffatoms der wichtigste Faktor für die chemische Verschiebung.
• sp3-hybridisierte C-Atome geben Signale im Bereich von 5 bis etwa 80 ppm. Wie beim 1H
bewirken elektronenspendende Substituenten eine Verschiebung zu niedrigeren ppmWerten (im Falle von sehr elektropositiven Resten sind Werte <0 ppm möglich);
elektronenziehende Reste führen zu einer Erhöhung der Verschiebung (im Fall von
mehreren stark ziehenden Gruppen auch bis zu 100 ppm und darüber, z.B. Acetale/Ketale
oder CF3-Gruppen).
• sp-hybridisierte C-Atome (Alkine) erscheinen im relativ engen Bereich zwischen 70 und 90
ppm.
• bei sp2-hybridisierten C-Atomen gibt es keinen Unterschied zwischen olefinischen und
(hetero-)aromatischen Bereichen, diese Signale erscheinen im Bereich 100-150 ppm. Wie
im 1H ist auch hier der mesomere Einfluss der Substituenten (wenn vorhanden) stärker
wirksam als induktiver Einfluss; letzterer kann allerdings das Signal des direkt
substituierten C-Atoms stark verschieben (z.B. bis ca. 160 ppm im Fall eines CH3OSubstituenten). Deutlich abgesetzt vom olefinisch/aromatischen Bereich erscheinen Signale
von C=O-Gruppen; hier ist gut zu unterscheiden zwischen Aldehyden/Ketonen einerseits
(185 bis 220 ppm) und Carbonsäuren und deren Derivaten andererseits (165 bis 180 ppm).
Die im IChemLab bereit gestellten Unterlagen enthalten auch Tabellen zu 13C-NMR.
Die für die vorliegende Übung zur Verfügung gestellten 13C-Spektren wurden mit der APT-Die
für die vorliegende Übung zur Verfügung gestellten 13C-Spektren wurden mit der APT-Technik
("Attached Proton Test") aufgenommen, die eine direkte Ermittlung der Multiplizitäten der
einzelnen Signale ermöglicht. Die Differenzierung basiert dabei auf dem unterschiedlichen
Kopplungsverhalten der C-Atome in Abhängigkeit von der Anzahl der direkt gebundenen
Protonen; die Unterscheidung zwischen direkt gebundenen und weiter entfernten Protonen ist
durch die deutlich unterschiedliche Kopplungskonstante möglich. Typischerweise werden im
fertig prozessierten Spektrum Peaks von CH3- und CH-Gruppen in positiver Richtung (oberhalb
der Grundlinie) und Peaks von CH2-Gruppen und quartären Kohlenstoffatomen in
entgegengesetzter Richtung dargestellt.
Im Gegensatz zu 1H-Spektren sind im 13C die Signalintensitäten der routinemäßig
aufgenommenen Spektren nicht zur Anzahl der jeweiligen Atome proportional; es steht also
keine Integral-Information zur Verfügung.
Standard-13C-Spektren werden so aufgenommen, dass keine Kopplungen zu Protonen sichtbar
sind (andernfalls wären die Spektren sehr komplex und würden wesentlich längere
LU Synthesechemie
NMR Spektroskopie
Aufnahmedauer benötigen). Sind im Molekül allerdings andere NMR-aktive Kerne vorhanden
(z.B. 19F, 31P), dann sind die entsprechenden Kopplungen sehr wohl sichtbar; die
entsprechenden Aufspaltungen sind nach den für 1H beschriebenen Gesetzmäßigkeiten
erklärbar.