Trennmaterialien auf der Basis von Kieselgel fur die Hochleistungs-Flussigchromatographie

Peter Dietrich, Annamarie Kunath

Akademie der Wissenschaften der DDR, Zentralinstitut fur Organische Chemie, Berlin, DDR-1199

Brigitte Iioffmann

Akademie der Wissenschaften der DDlt, Yorschungsinstitut fur Aufbereitung, Freiberg, DDR-9200

Eckhardt Abmann

VEB Chemiewerk Bad Kcistritz, Kombinatsbetrieb des VEB Chemickombinat Bitterfeld, Bad Kostritz, DDR-6504

Summary A t the present time amorphous porous silica i s the mostly used adsorbent in the high performance liquid chromatography. Th i s survey report about efforts in the GDR for investigations, develop- ments and manujacturings of chemically bonded stationary phases especially of reversed phases. The quality of the stationary phases is depending on the mode of producing silica and its efficiency i s a function of particle size characteristics as well as of chemical modification art.

Einleitung

Die Hochleistungs-Flussigchromatographie (HPLC) gehort zu den wichtigsten analytischen Stofftrennungsmethoden in der Chemie und Biochemie. Das fur die Stofftrennung erforderliche Trenn- bett wird durch den Typ und die Qualitat des Trennmaterials be- stimmt. Weit verbreitet sind Trennmeteridien auf der Basis von porosem Kieselgel (Silica), das oritsprechend seinen auf der Ober- flache vorhandenen Silanolgruppcn mit polare und unpolare Gruppen enthaltenden Silanen zu relativ stabilen Materialien che- misch modifiziert werden kann. I m Vordergrund stehen dabei Umkehrphasen (reversed phases) rnit Kohlenstoffketten von C, bis C1,, an denen zu uber 80% die HPLC-Stofftrennungen durch- gefuhrt werden. Daneben werden Normalphasen, wie Did-Silica und Amino-Silica u. a., ziir Trennung spezieller Stoffklassen, wie Zucker und polycyclische Aromaten, angewendet. Seit mehreren Jahren werden in Zusammenarbeit mit dem VEB Chemiewerk Bad Kostritz und dem Porschungsinstitrit fur Auf- bereitung im Zentralinstitut fur Organische Chemie (beide AdW) HPLC-Trennphasen entwickclt und fur zahlreiche Anwender hergcstellt.

1. Herstellung des Basisgels (Silica)

Mit der Entwicklung von total porosen Kieselgelen fur chromato- graphische Zwecke stellte sich fur den V E B Chrmiewerk B a d K o s t r i t z die Aufgabe, ausgehend von den vorhandenen Produktionslinien fur technische Kiewlgele, die weit'ere Speziali- sierung auf diesem Gebiet vorzubereiten. Oie Kieselgele fur die HPLC sollen mittlere Porenradien (7,) von 6 bis G nm, spezi- fische Oberflachen (A,) von 200 bis 300 m2 g--' und spezifisclie Porenvolumine (V,) zwischen 0,8 und 1,0 ml g anfweisen. Drr Gehalt an Eisen ist so niedrig wie moglich zu halten (< 100 ppm). Als Rolistoff wird technische N2Ltronwasserglaslosung ( V E B W a s - serg las fabr ik Uehni tz ) eingesetzt und nach dem Ionen- austauschverfahren umgesetzt 1-21]. Die einzelnen Stufen der Gelherstellung folgen einem eigenen Verfahren 131. Natronwasserglas-Ldsuiig (Sorte I: Si0,-Gehalt 25-28(%, HiO,/ Na,O-Molverhaltnis 3,O-3,6) wird durch Ruhren mit cinem stark sauren Kationenaustauscher (Typ KPS; V E B Chcmiekombi- riat B i t t e r f e l d ) der H-Form in das instabile Kieselsol rnit etwa 9,5% SiO, tirid einem pH-Wert von 2,6-2,8 iiberfuhrt. Das Sol wird zur writcren Kationenabreichcrurig mit frischem Kat- ionenaustausclier nachbehandelt [Lt]. Eine entsprccliende Nnch-

behandlung mit Chelatharzen (z. B. Wofatit MC 50) bringt keine zusatzliche Erniedrigung des Gehalts an Kationen. AnschlieBend wird das Sol in einem kontinuierlich arbeitenden Mischer mit 5Y'igem waBrigem Ammoiiiak auf einen pH-Wert von etwa G,6 eingestellt und der Gelierung uberlassen, die nach 6-8 s einsetzt. Das Hydrogel wird in NulJgroBe zerschnitten, rnit entionisiertem Wasser gewaschen und bei 105°C getrocknet. Die geforderte Gel- textur wird durch Trocknung bei definierten Taupunkten erhal- ten [3]. Das hrrgestellte Xerogel (Silica) besitzt folgende Kennwerte :

rp/nm: 6,2; VJmI g-*: 0,97; AanET/m2 g-l: 228; Fe/ppm: 79.

Der Gehalt itn Eisen wurde aus dem salzsauren Ausziig des Xero- gels mittels Atomabsorptions-Spektralphotomrtrie (AAS 1N; V E B Carl Zeiss J e n a ) bestimmt. Der erniedrigte Eisengchalt von 34 ppm ist auf die zusatzliche Behandlung des Kieselsols mit Kationenaustauscher zuruckzufuhren. Durch Einhalten des Gelier- bzw. Synarese-pH-Wertes wahrend des gesamten Herstellungs- prozesses sowie das Konstanthalten der jeweiligen Trocknungs- parameter wird eine gute Reproduzierbarkeit der Geltextur er- reicht.

2. Erzeugung vun Silica niit definierter Korngrii Renverteilung

Neben den Texturdaten und der chemischen Reinheit sind granu- lometrisehe Kennwerte, insbesondere die KorngroBenverteilung der HPLC-Trennphasen, von entscheidender Bedeutung. Sic beein- flusseri in starkem MaBe den Saalenpackungsvorgang sowie solche chromatographische Eigenschaften wie chromatographische Per- meabilitat, Widerstandsfaktor, Trennimpedanz und damit schlielj- lich die chromatographische Effizienz [f]. Obgleich es nicht an Versuchen gefehlt hat, empirische 13ezie- hungen zwischen KorngroBenverteilung der stationaren Trenn- phase und der chromatogritphischen Effizienz abzuleiten [7-1 I], existiert bis heute noch keine quantitative Beziehung [LO]. Die Empfehlungen zur Anwendung eng fraktionierter Tragermateria- lien basieren allein auf theoretischen Uberlegungen. Wenngleich auch die Meinung vertreten wird, daB fur eine gute chromatographisclie Wirksamkeit eine engc KorngroBenvertei- lung kcine notwendige Bedingung ist [9, 12-14], so muB dies doch auf die groberen Produkte mit z,,-Werten um 20 pm bezogen werden (z5, = die KorngroBe, bei der die Summenhanfigkeit H, = 60% betrigt). Bei dem in der modernen HPLC angewandten Feinstkornbereich (z5, 5 10 pm) wird nach Bristow von einer wesentlich engeren KorngrijBenverteilung ausgegangen [16]. Neben dem KorngroBenwert z5, hat sich als Ma0 fur die Breite der Ver- teilung das Vcrhaltnis von x9,/zl0 (KorngroBe bei H, = 90 bzw. 10%) bewiihrt. Untcrsuchungen von Ohmacht und Haldsz zum Teilohenfo~meinflti~ zeigtrn, daB zwisclien sphitrischen und ir- regular ge brochenen Partikeln kein signifikanter Unterschied hinsichtlicli der Saulenpermeabilitit besteht. Fur die moderne HPLC sind heute Silicaprodukte im Handel, die bei einem z9,/zl,-Verhaltnis von 1,5 bis 2,0 mittlere TeilchengroBen

Werte) im Bereich von 3 bis 10 pm aufweisen. In der Eigenher- stellung werden folgende Qualitaten fur das Silica-Basismaterial angestrebt:

Typ 1: xBo = 3,5-4 pm Typ 2: xB0 = G,5-7 pm Typ 3: zs0 = 10-11 pm

Daneben gilt es, die chemische Reinheit des Ausgangsmaterials aufrechtzuerhalten und seine Texturdaten, wie spezifische Ober- flache, mittleres Porenvolumen und mittleren Porenradius, nicht zu verlndern. Die angegebenen Forderungen hinsichtlich der KorngroBenvertei- lung bedingen einerseits verschiedene Zerkleinerungsstufen bis hin zur Feinstmahlstufe, andererseits aber auch einen Klassier- prozel3 im Feinstkornbereich. Prinzipiell sind fur beide ProzeBstu- fen sowohl Trocken- als auch NaBverfahren anwendbar. Die im vorliegenden Fall angestrebte Feinheit mit einer oberen Korn- groBe von etwa 15 pm laBt sich mit einer Reihe von Miihlentypen erreichen [lG], von denen den verschleiBarm arbeitenden Strahl- muhlen [17] der Vorzug zu geben ist. Fur den KlassierprozeB, bei dem TrennkorngroBen zwischen 3 pm und 9 pm realisiert werden miissen, kommen prinzipiell Hydrozyklone, Aufstromklassierer bzw. Dekanter (NaBvariante) und Hochleistungssichter, vornehm- lich Gegenstromzentrifugalkraftsichter mit freier bzw. erzwunge- ner Wirbelstromung (Trockenvariante), in Frage [MI. Die Mahlung und Klassierung des Kieselgels (Silica) ergaben, daB das Material in einer Gegenstrahlmuhle, Stiftmiihle oder Ruhrwerkskugelmuhle relativ leicht trocken oder naB auf die ge- wunschte Peinheit zu zerkleinern ist (Tab. l) und sich anschlieBend

290/x10 = 1,5-2,0 1

Tabelle 1 in verschiedenen Mahlaggregaten (Bahco-Sichteranalysen)

Korngrobenverteilungen von Kieselgel nach Mahlung

KorngroBe x/ Anteill% Elm Ruhrwerks- Gegenstrahl- Feinprall-

kugelmuhle miihle muhle 3 min 8 kglh 1 kglh

12,4 21 23 10

4,9 - 2,8 18 15 21

12,4 - 7,9 22 25 29 7,9 - 4,9 28 24 27

2,8 11 13 13

mit einem Abweiseradsichter in enge Kornklassen mit den oben- genannten Parametern fur Silica Typ 1, 2 und 3 klassieren 1LBt. Die Texturdaten des Ausgangsmaterials werden dabei, unabhan- gig vom gewiihlten Maschinentyp und damit der Beanspruchungs- art, nur wenig veriindert. Schwierigkeiten ergeben sich bei der Klassierung allerdings bei der Einstellung der richtigen Trenn- korngroBe wegen der ungenauen Kenntnis der wirksamen Dichte der Silica. AuBerdem reichen die bei der Sichtung herrschenden Kriifte aus, um eine weitere Zerkleinerung des Materials herbei- zufiihren. Durch Aufstellen eines Nomogramms, das den Zusam- menbang zwischen analytisch ermittelten und bei der Sichtung vorgegebenen KorngroBenwerten xBo beinhaltet, ist es moglich, die zur Herstellung eines bestimmten Silicatyps erforderliche TrennkorngroBe anzugeben. Um hinsichtlich der KorngroBen- verteilung qualitatsgerechte HPLC-Silica-Basismaterialien her- zustellen, sind die TrennkorngroBen am Sichter moglichst nahe dem z,,-Wert zu wiihlen. Von den angewandten Verfahren zur granulometrischen Beurtei- lung der erzeugten HPLC-Silicatypen - Bahco-Sichtanalyse, Sedimentationsanalyse mittels des Sedigraphen D (Prinzip der Rontgenstrahlenabsorption) und Sartorius-Waage, Bildanalyse mittels Linearanalysators Epiquant durch direkte Analyse am Objekt (Auswertung nach [19] und [ Z O ] ) - erscheint die Bild- analyse als geeignetste Methode, um die KorngroBenwerte wider- zuspiegeln, die beim Fullen von HPLC-Saulen wirksam werden

und den Packungsvorgang bestimmen. Gerade im Falle der hoch- porosen Silica ist es unerlablich, die stoffspezifischen Eigenschaf- ten bei der KorngroBenanalyse zu berucksichtigen [all. Das gilt insbesondere fur solche MeBverfahren, bei denen die Dichte in die Berechnung der TeilchengroBe eingeht. Dieser Umstand wurde bisher von vielen Autoren nicht beachtet und fuhrt einerseits zu fehlerhaften Ergebnissen, andererseits zu grol3en Diskrepanzen beim Vergleich von MeBwerten, die nach ein und demselben Ver- fahren erhalten wurden (s. Bild 3). Durch Berucksichtigung der wirksamen Dichte sowie durch Dispergatoren verursachte Ande- rung der Viskositat der Sedimentationsflussigkeit und durch Ver- minderung der Feststoffkonzentration gelingt es, die Ergebnisse der Sedimentationsanalyse mittels Sedigraphen denen der Sar- torius-Waage und der Bildanalyse anzunahern (Bild 1). Die noch vorhandenen Abweichungen von der bildanalytisch ermittelten KorngroBenverteilung diirften auf methodische Unterschiede, insbesondere in der Bewertung der DispersitlitsgroBe, zuriickzu- fuhren sein.

1---- 1 100

1 % "3

0

---I

25 4,O 10 pn 25 X -

Bild 1 Parameter: MeBmethode und MeBbedingungen;

Signatur e/g cm-1 c/Vol.-% vim Pa s

-0- 2,lO 3,G 0,80 -0- 1,92 3,6 0,80 -A- 1,92 14 0,80 -A- 1,92 1,s 1,73

Kornverteilung von Kieselgel V 7 (G,2-9,9 pm);

Bild 2 Irreguliires HPLC-Silica

Die durch Zerkleinerung und Klassierung hergestellten Silica - HPLC-Basismaterialien weisen einen Formfaktor nahe 1 auf - sind also weitgehend isometrisch geformt, wie aus den mikroskopischen Aufnahmen hervorgeht. Bild 2 zeigt ein Beispiel fur ein derartiges irregulLr gebrochenes Silica. Die Bestimmung der spezifischen Oberflache erfolgte nach der Einpunktmethode mittels eines Differential-Areameters und Stick- stoffs als Adsorptiv. Die Porositat der Silica wurde mittels Ar- gon-Gasadsorption nach der Theorie der Kapillarkondensation uber die Kelvin-Gleichung bestimmt [22].

z. Cliem., 2 8 . J ~ . (1988) Heft 12 429

Im Ergebnis der angewandten Mahl- und Sichtverfahren konnte festgestellt werden, dalj weder die spezifische Oberflache der Silica noch die Porositat der Piirtikeln durch die mechanische Beanspruchung wesentlich verhdert werden. Die Anderung der spezifischen Oberflache liegt fast im Schwankungsbereich der Einzelproben; die Verteilung der Porenradien wird etwas breiter, der haufigste Porenradius etwas groRer und das Porenvolumen geringfiigig kleiner (Tab. 2). Diese unwesentlichen Anderungen wirken sich nicht auf die Qualitiit der HPLC-Silica aus.

Tabelle 2 Zerkleinerung und Klassierung

Beeinflussung der Texturdaten von Kieselgel durch

Proben- Aufberei- Yplnm v,/ A,,/ material tungs- cm3g-* mzg-'

maschinen

Vorzerklei- nertes Ausgangs- produkt

Gesichtetes Mahlprodukt

Gesichtetes Mahlprodu k t

Walzen- G 0,89 247 f 5 brecher, StoUel- schwingsieb

miihle/Zick- zacksichter

Gegenstrahl- 8 0,72 2 42

Schwing- 7,6 O,G8 238 miihle/Zick- zacksichter

Hinsichtlich der Kontamination des Materials zeigte sich, daU bei der Mahlung in der Strahlmuhle nur eine geringe Erhohung des Fe-Gehaltes verursacht wird, die Fe-Gehalte liegen nahe dem Streubereich der Ausgangsprobe. Gleiches gilt fur die Mahlung in der rnit Hartmetallstiften ausgeriisteten Feinprallmiihle. Da- gegen konnte in den Sichtprodukten, d. 11. in den korngroljenmaUig als HPLC-Trennphase geeigneten Produkten, keine weitere Erho- hung des Fe-Gehaltes festgestellt werden. Bei Verwendnng eines besonders Fe-armen Ausgangsmaterials (46 ppm Fe) zeigt sich dagegen bei jedem Zerkleinerungsschritt eine eindeutige Zunahme des Fe-Gehaltes (Tab. 3). Wenn es erforderlich ist und die Trenn- phasen vor ihrer Modifizierung nicht ohnehin einer HC1-Reinigung

Tabelle 3 bereitungsstufen

Eisengehalte von Kieselgel nach verschiedenen Anf-

Aufbereitnngsstufe Fe-Gehaltlppm Mischcharge Mischcharge M1 MR (Reingel)

Keine (Ausgangsmaterial) 79 413 Walzenbrecherl StoDelschwingsieb 135 f 10 56') (1) I + Gegenstrahlmiihle 144 98 I + I1 + Ziekzack- sichter :

Grobgut Feingut

112 -

174

I) Vorzerkleinerung rnit Porzellan-Walzenmiihle, Absiebung

unterzogen werden, kann der MaschinenverschleiD durch Verwen- dung ausgekleideter bzw. beschichteter Mahl- und Sichtaggregate, beispielsweise mit PUR, weiter vermindert werden. Die OberflLche der Silica reagiert aufgrund des Silanolgruppengehaltes in Wasser mehr oder weniger sauer, der pK,-Wert liegt bei 9,8 (erste Stnfe der ortho-Kieselsaure). Wahrend die spharischen Kieselgele je nach Herstellungsart pH-Werte im sauren (pH 3,9-5,7) und im basischen Bereich (pH 8,l-9,8) aufweisen, sollte das irregulare

Kieselgel in lO%iger Suspension pH-Werte zwischen F und 7 an- zeigen [23]. Das betrachtete Silica (Charge M 1) ergibt einen pH- Wert von 6,2.

3. Entwicklung und Herstellung stationarer Trennmaterialien

Die rasche Verbreitung der HPLC stimulierte den Geratebau und vor allem die Entwicklung von stationaren Trennphasen [24, 251. Die Verwendung von Umkehrphasen (C,-C,,-Alkylsilyl-Silica) (engl.: reversed phases = RP) ermoglicht eine vielseitige Anwen- dung der HPLC. Als mobile Phasen werden waUrige Eluenten mit oder ohne Pufferlosungen (pH 2-8) und einem organischen Modifizierer, z. B. Methanol oder Acetonitril, verwendet. Keben den loslichen organischen Verbindungen bis zu Molgewichten von 1500 werden vor allem pharmazeutische und biochemische Substanzen rnit Molmassen bis zu 100 K D (z.B. Wirkstoffe, Proteine, Peptide) getrennt und analysiert. Anorganische Metallionen lassen sich in Gegenwart von Ionenaustauschern analytisch trennen und be- stimmen [%]. Der Anteil der Umkehrphasen an den HPLC- Analysen betragt heute etwa 80% und mehr [27]. Weltweit werden iiber 90 verschiedene Umkehrphasen, bedingt durch unterschied- liche Herstellung der Basis-Kieselgele und chemische Modifizie- rung, angeboten [28]. Zunehmend werden spezielle Trennphasen fur schwierige chromatographische Trennungen, z. B. basischer Wirk- stoffe [29] oder gegen Si-0-Si-C-hydrolysefordernde Eluenten bei pH 2 oder >pH 8 [30, 311, angeboten. Ein Wettstreit zwischen der Anwendung von Trennphasen auf der Basis von Kieselgel und den iiber einen weiten pH-Bereich stabileren rein organischen Trennphasen [32] hat begonnen. Aufgrund besserer chromato- graphischer Eigenschaften und besonders beim Einsatz in der praparativen HPLC aus Kostengrunden stehen heute noch die Trennphasen auf der Basis von Kieselgel an erster Stelle. Es hat sich 1979 als niitzlich erwiesen, in der DDR die Einfiihrung und Entwicklung der HPLC durch Synthesearbeiten iiber sta- tionare Trennphasen zu fordern. Seither werden in groRerem Umfang Einrichtungen des Hoch- und Fachschulwesens, der Akademien und teilweise der Industrie mit bestimmten HPLC- Trennphasen aus dem ZIOC versorgt. Die Herstellung der stationaren HPLC-Trennphasen erfolgt durch Oberflachenreaktion der Kieselgele mit entsprechenden Silanen unter Aufbau von Si-0-Si-C-Bindungen [33]. Die Silane wer- den synthetisiert (I, 11, V-VII) oder vom V E B Chemiewerk Niinchri tz (VEB CWN; I11 = NB 1114; IV = NB 1116) be- zogen (Bild 3).

Si-OH

SlliC3 modifiziert

X Y R

I c1 CHI -n-Cg H17

II CI

Iu OCzH5 OC2H5 - C H Z C H Z C H ~ N H ~

E OCzHs OC2H5 -CH2CH,CH2CH20CH2CH CH2

CH3 -n-Cd+

Y CI CHI -CHzCHzCN '0'

PI OCzI is OC2H5 - C H ~ C H Z C H ~ N H C ~ H ~ I N O ~ I ~

nn CI cti3 -CH2CH2[CF2]7CF3

Bild 3 Formelschemata ohne Legende

Die Hauptmenge an eingesetzten Silanen teilt sich in n-Ocbyl- und n-Octadecyl-methyl-dichlorsilan (I, IJ). Sie werden aus den entsprechenden n-Alk-1-enen (SHOP, SHELL) durch radikalischc Addition von Methyl-dichlor-H-silan (VIII; VEB CWN) in Gegen- wart von Hexachloro-platinsaure synthetisiert (I, 11). Das 2-

430

Cyanoethyl-methyl-dichlor-silan (V) wird aus Acrylnitril und VIII in Gegenwart von N,N,N',N'-Tetramethyl-ethylendiamin-Tri- n-butylamin und Kupfer(1)-chlorid als Katalysatorsystem erhalten [34]. Das Heptadecafluordecyl-dichlorsilan (VII) ent- steht aus Heptadecafluor- 1 , 1,Z-H-dec-1-en und VIII in Gegen- wart von Hexachloroplatinsaure [35]. Fur das Pikramido-propyl- triethoxysilan (VI) [36] wurde eine verbesserte Synthese, die frei von Ammoniumverbindungen ist, erprobt. Ausgehend von aqui- molekularen Mengen Pikrylchlorid und 111, wird die Umsetzung in Diethylenglycoldimethyl-ether (getrocknet uber Natrium) bei 160 "C vorgenommen und der freigesetzte Chlorwasserstoff vor dern Abdestillieren des Losemittels im Vakuum bei lo3 Pa ab- gezogen [37]. Die Reaktion der Silane mit dem Kieselgel geht davon Bus, daB auf der Oberflache des total porosenKieselgels 8 ymol m-2 oder 4,8 Silanolgruppen (Si-OH) je nm2 fur die Reaktion zur Ver- fiigung stehen. Aus sterischen Grunden werden nur etwa 50% der erreichbaren Silanolgruppen zur Reaktion mit dem SiIan ausge- nutzt [38]. Die eingesetzten substituierten Halogen(a1koxy)- silane konnen mono-, di- oder trifunktionell sein. Bei der Reaktion reagieren unter entsprechenden Bedingungen die di- und trifunk- tionellen Silane aus sterischen Grunden zu etwa 50% mono- funktionell und zu 50% difunktionell[39]. Die nicht abreagierten funktionellen Gruppen werden zielgerichtet hydrolysiert oder gehen bei trifunktionellen Silanen, besonders in Gegenwart von Wasser, in Polymere uber [40]. Der Silanisierungsgrad des Kieselgels wird durch chromatographische Erfordernisse bestimmt. Allgemein wird eine moglichst hohe Bedeckung der Kieselgeloberfliiche ange- strebt. Im Falle der Umkehrphasen ist auch eine teilweise Be- deckung moglich, wenn eine besondere chromatographische Wech- selwirkung mit den freien Silanolgruppen (Silanophilie) bzw. eine geringere Hydrophobizitat der Phase gewiinscht wird. Vielfach wird nach der Belegung mit langkettigen Alkylsilylgruppen eine Nachsilanisierung mit TrimethylsilyIgruppen enthaltenden Rea- genzien angeschlossen. Auf diese Weise werden chromatographisch erreichbare Silanolgruppen blockiert. Letztlich bleiben aber immer noch uber 45% freie Silanole, die zwar durch Alkylgruppen abge- deckt sind, ubrig und verursachen bei der Chromatographie stark basischer Stoffe storende Adsorptionseffekte. Diesem Verhalten begegnet man mit der Erzengung von Polymerphasen [41] auf der Kieselgeloberflache, um die Silanolgruppen vollig zu blockie- ren und abzudecken. Lange Zeit wurde die Bildung von Polymer- phasen und deren Verhinderung heftig diskutiert [41]. Fur die Synthese der langkettigen Umkehrphasen im ZIOC werden vor- zugsweise die difunktionellen Silane I und 11 eingesetzt. Dafur waren die Ergebnisse von Engelhardt, Dreyer und Schmidt [42] ausschlaggebend. I n der Folgezeit wurden die Herstellungsvor- schriften mehrfach variiert und verbessert. Somit ergibt sich fol- gende charakteristische Herstellungsweise :

Zunachst wird das Kieselgel einer Reinigung durch einstundiges Erhitzen mit 10yoiger Salzsiure von anhaftenden Verunreinigungen, vor allem Eisen (bis etwa 300 ppm) aus dem Aufbereitungspro- zeB, unterzogen. Der ursprungliche (im Ausgangskieselgel) nied- rige Eisengehalt von 30-80ppm stellt sich wieder ein. Das mit bidestilliertem Wasser gut gewaschene Kieselgel wird bei 150°C zur Beseitigung des physiosorbierten Wassers 24 h bei lo5 Pa getrocknet und noch warm in eine vorbereitete Losung des Silans Toluen (uber Natrium getrocknet) eingebracht. Die Menge des eingesetzten Silans betragt je nach dem gewunschten Bedeckungs- grad bis zu 4 pmol m-2. Die basenkatalysierte Reaktion des Halo- genalkylsilans mit dem Kieselgel wird durch langsame Zugabe von einer aquimolekularen Menge Triethylamin (TEA; uber Natrium getrocknet) zum Reaktionsgemisch beschleunigt [43, 441. AnschlieDend wird 4 h lang bei 106OC weitergeruhrt. Fur die Blok- kierung noch freier zuganglicher Silanolgruppen (engl. : endcapping) wird dem Reaktionsgemisch eine 10yoige Hexamethyldisilazan- Losung (HMDS, VEB CWN) in Toluen (uber Natrium getrocknet) zugegeben und bei gleicher Temperatur weitere 4 h lang geruhrt.

Die so erzeugten Umkehrphasen werden filtriert und mit wasser- freiem Toluen, Methanol (getrocknet uber Molsieb 4A) Methanol/ Wasser (l:l, V / V ) und Methanol z.A. gewaschen. Alle Losungs- mittel mussen partikelfrei destilliert sein. SchlieBlich werden die Umkehrphasen bei 110°C 1 h lang getrocknet. Zur allgemeinen Charakterisierung der Trennphasen wird ele- mentar-analytisch der Gehalt an Kohlenstoff, Wasserstoff und gegebenenfalls Stickstoff bestimmt, die Oberflachenbedeckung (pmol m-2) errechnet und Testchromatogramme angefertigt. Eine hochbelegte Silica-100-RP-18-Trennphase z. B. tragt etwa 17% Kohlenstoff und weist einen Bedeckungsgrad von 3,5 ymol m-2 auf. Die Herstellung der Aminphase (Amino-Silica) erfolgt durch Umsatz des Kieselgels in wasserhaltigem Toluen (750 ppm Wasser) mit dem Silan I11 in Gegenwart von TEA als Katalysator [45, 461. Sie wird zur chromatographischen Analyse von Zuckern [47,48], Kohlenwasserstoffen [49] und anderen polaren Aromaten [50] eingesetzt. Gegeniiber wasserhaltigen Eluenten zeigen die Amin- phasen geringe Hydrolysestabilitiit [51]; bei der Analyse von Car- bonylverbindungen, z. B. Zuckern, kann es wegen der Bildung Xchiffscher Basen zu einer Kapazitatsverminderung der Amin- phase kommen [5%]. Die Phase Diol-Silica wird in einer wiiIjrigen Losung von 0,l M Natriumacetat (pH 545) aus Kieselgel und dem Silan IV in einer mehrstiindigen Reaktion bei 90°C erzeugt. Die offnung des Epoxidringes zur Diolgruppe in IV erfolgt durch einstiindiges Erhitzen mit verdiinnter Schwefelsaure bei pH 3 [53]. Ein besonders hydrolysestabiles Diol-Silica wird auf der Basis eines mit Zirconiumoxidchlorid stabilisierten Kieselgels er- halten [54]. Diol-Silica wird eingesetzt z. B. bei der Trennung von Halogen- und Nitrophenolen [55] sowie von Alkoholen, Phenolen und Proteinen [56]. Die Herstellung von Nitril-Silica verlauft analog den Umkehrphasen aus Kieselgel und Silan V in Toluen in Gegenwart von TEA. In einem zweiten Arbeitsgang erfolgt die Nachsilanisierung mit HMDS. Das chromatographische Verhalten der Nitril-Silica ist dem des nackten Kieselgels iihnlich, doch ist der storende Adsorptionseffekt seitens der Silanolgruppen unterdriickt [57]. Das Pikramido-Silica wird ebenfalls durch Re- aktion von uberschiissigem Silan IV mit dem Kieselgel in Toluen erhalten. Es wird vor allem zur Stoffklassentrennung von hoch- siedenden Aromaten (polycyclische Aromaten) eingesetzt [58-601. Durch Reaktion von Kieselgel rnit berechneten Mengen Silan VII in Toluen in Gegenwart einer aquivalenten Menge TEA werden Fluoralkan-Silicas hergestellt. Die Fluoralkan-Silica-Phase ist weniger polar als die RP-18-Silica-Phase [Gl]. Sie wird in bezug auf Hydrophob-Silanophil-Wechselwirkung angewandt, z.B. bei der Trennung von polycyclischen Aromaten und Cholesterinen [62, 631.

4. Chromatographische Testung Die Leistungsfahigkeit einer Trennphase kann sich erst bei der Chromatographie erweisen. Es ist zu beurteilen, ob Permeabilitiit und Trennleistung der NennkorngroBe entsprechen und die che- mische Modifizierung so verlaufen ist, da13 der Massenaustausch den chromatographischen Anforderungen entspricht, die Elutions- reihenfolge und die Kapazitatsfaktoren (k'-Werte) einer Auswahl von Testsubstanzen reproduzierbar erreicht werden. Am Beispiel ausgewahlter RP-Materialien wird das chromatographische Test- verfahren beschrieben. Die Saulen fur die chromatographischen Messungen werden aus der Suspension bei einem Druck von 50MPa gefiillt. Als Suspensionsfliissigkeit hat sich Tetrachlorethylen, als Druckfliissigkeit Methanol oder Ethanol bewiihrt. Die Test- gemische enthalten Verbindungen unterschiedlicher Polaritiit und basische Verbindungen. Als Elutionsmittel werden Metha- nol-Wasser-Mischungen verwendet. I n den Bildern 4, 5, G sind Chromatogramme mit den Testbedingungen dargestellt. Die k'- Werte der Testsubstanzen (Bild 4) streuen bei unterschiedliclier Silanisierung des gleichen Basis-Kieselgels um etwa 5%, die der basischen Verbindungen bis zu 10%. 1st die Abweichung der k'- Werte bei basischen Verbindungen groder, wird ein erneutes

2

I

3

4

9

u 0 2 4 min 6

t - Bild 4 Saule 140x4mm, Lxi .D. ; stationare Phase: Silica RP 18, d,, 9,7 pm; Eluent: Methanol/Wasser, 65/35, V / V ; FluB- geschwindigkeit: 1,l ml min-l; Druck: 4,5 P a ; Dosiervolumen 5 pl, Detektion: UV, 254 nm; Substanzen: 1 Uracil, 2 Benzamid, 3 Phenol, 4 1-Phenyl-ethanol, 5 Verunreinigung aus Ethylben- Zen, 6 Nitrobenzen, 7 Benzoesiiuremethylester, 8 Benzen, 9 Ben- zoesaureethylester, 10 Toluen, 11 Ethylbenzen

4

A

U 1 2 3 m i n 4 t -

Bild 5 Saule: 1 4 0 ~ 4 mm, Lxi .D. ; stationare Phase: Silica RP 8, d,, 6, l pm; chromatographische Bedingungen und Sub- stanzen wie im Bild 4; Druck: 8,8 MPa

,,endcapping" der Trennphase vorgenommen. Dadurch werden nicht nur die k'-Werte, sondern auch die Peakform verandert, d. h., die Asymmetrie wird geringer. Ein gutcr Massenaustausch in der stationaren Phase 1LBt sich nach [GI an einem flachen Verlauf der H/u-Kurve crkennen. In Bild 7 sind H/u-Kurven, die rnit R P 18-Saulen erhalten wurden, darge- stellt. Es zeigt sich, da13 bei den RP-18-Saulen, die rnit Partikeln der durchschnittlichen Korngriik von 5,l pm und 8,4 pm ge- packt sind, auch bei hiiherer FlieRgeschwindigkeit die Trennleistung nur wenig abnimmt; der Massenaustausch wird offenbar schnell

432

- , I

0 7 2 3 m i n 4 t -

Bild 6 SLule und chromatographische Bedingungen wie im Bild 4; Substanzen: 1 Anilin, 2 2,6-Dimethyl-pyridin, 3 2,4 ,6- Trime thyl-pyridin

100

I H

50

0 0 2 4 ti rnms-' 0

Bild 7 Abhiingigkeit der theoretischen Trennstufenhohe von der linearen FlieRgeschwindigkeit ; Slulen: 1 0 0 ~ 4,5 mm, L x i.D.; stationare Phasen: 1 Silica RP 18, d,, 13,5 pm, 2 dto., d,, 8,4 pm, 3 dto., d,, 6,1 pm; Probe : Benzen; Eluent: Acetonitril/Wasser, 70130, V / V

U-

erreicht. Bei der mit 13,3 pm groBen Partikeln gepackten SIiule ist dagegen mit wachsender E'lieRgeschwindigkeit ein dentlicher Trennleistungsverlust zu erkennen. Die erzielte Trennleistung ist auch im Zusammenhang rnit dem Saulenwiderstand zu sehen. Wie eingangs gesagt wurde, ist cine enge KorngriiRenverteilung eine Voraussetzung fiir eine gutc Permeabilitat der Saule. Besonders darf kein Feinstkorn vorhan- den sein. Nach [(;I sol1 fur eine gut gefiillte Siule der Saulenwider- standsfaktor rp nicht wesentlich groRer als 600 scin. Der Faktor rp wird berechnet nach

(1) dP . to . a,

11 * L pl = 10

Dabei ist A, Druckabfall in der Saule (MPa); to Totzeit (s); d, mittlerer Korndurchmesser ( z ~ ~ ) (pm); 17 Viskositat (mN . s . m-z) und L Lange der Sanle (mm).

%. C I l C ! ! l . : 2s. .Ig. (luss; lIPJl 1'

Aus den in den Bildern 4 und 5 dargestellten Daten errechnen sich fur die RP-18-Siiule (9,7 pm) q~ = 810 und fur die RP-8- Siiule (6,l pm) q~ = 626. Diese Werte liegen etwas hoher, als ge- fordert, und lassen den SchluB zu, daB ein Feinstkornanteil im Trennmaterial vorhanden ist. Haldsz u.a. [64, 651 berechnen nach folgender Formel eine ,,chro- matographische KorngroBe" :

F * ) I . L 1 0 - n r 2 * A p ' d p = 41

dabei ist F = FluBgeschwindigkeit (cms s-l); r = Saulenradius (mm) und L = Saulenliinge (em). 11 und A p haben die gleichen MaBeinheiten wie in GI. (1). Bei gut klassierten Trennphasen mussen NennkorngroBen und aus chromatographischen Daten berechnetes d, ubereinstimmen. Fur die angefuhrten Beispiele ergibt sich ein d, von 8,6 pm fur die RP-18-Saule und ein d , von 6,l pm fur die RP-8-Siiule.

L i t e r a t u r

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