Silicium und Siliciumverbindungen bei physikalisch-chemischen Trennmethoden (DC, LC, GC)

Chromatographie

• Drei Bestandteile: mobile Phase, stationäre Phase, zu analysierendes Substrat

• Auftrennung des durchfließenden Substrats erfolgt durch Wechselwirkung des Substrats mit mobiler/stationärer Phase

• Detektor vermerkt das Auftreffen und liefert dadurch das Chromatogramm, aus dem sich Rückschlüsse auf die Zusammensetzung des Substrats ziehen lassen

Analogie Chromatographie ↔ Fluss

1. Das Flusswasser — mobile Phase

2. Das Flussbett — stationäre Phase

3. Treibgut — zu analysierendes Substrat

4. Schweres Treibgut sinkt zu Boden, leichtes wird schnell mittransportiert

Systematik der Chromatographie

• Einteilung nach dem Aggregatzustand der mobilen Phase, anschließend nach dem der stationären Phase (GSC = Gas-Solid-C. , GLC = Gas-Liquid-C. , LC = Liquid-C.)

• Einteilung nach dem verwendeten Trennmechanismus:

  • Adsorptionschromatographie.    Die unterschiedliche Affinität des Substrats zur mobilen und stationären Phase verursacht die Auftrennung

  • Verteilungschromatographie. Die Löslichkeit in der stationären Phase ist maßgeblich für die Trennung

  • Affinitätschromatographie.Die Trennung erfolgt durch zeitweise Verbindungen nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip

  • Gelfiltrationschromatographie (Molekularsieb). Auftrennung nach der Molekülgröße

Gaschromatographie (GC)

• Gasförmige mobile Phase strömt durch Säule

• Die Säule ist gefüllt mit der stationären Phase (gepackte Säule) oder an den Innenwänden mit der Phase beschichtet (Kapillarsäule)

• Stationäre Phase ist entweder ein Feststoff, eine Flüssigkeit oder ein fester Träger mit Flüssigkeitsfilm

• Durch die Wechselwirkung zwischen den Substratbestandteilen, der mobilen Phase und der stationären Phase entsteht eine charakteristische Verteilung in Abhängigkeit von der Zeit, der Strömungsgeschwindigkeit, der Temperatur, etc.

Dünnschichtchromatographie (DC)

• Plättchen mit fester stationärer Phase beschichtet

• Durch Hineinstellen des DC-Plättchens in die flüssige mobile Phase (→ LC) wird die mobile Phase mit dem zu analysierenden Substrat nach oben transportiert. Das unterschiedliche Verhalten der Substratbestandteile zu mobiler und stationärer Phase bewirkt eine charakteristische Verteilung dieser auf dem Plättchen in Abhängigkeit von der Zeit.

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Silicium und Siliciumverbindungen in der Chromatographie

Silicium (Si), auch Silizium geschrieben, ist ein Halbmetall mit der Masse 28,08u. Sein Oxid ist Silciumdioxid SiO₂, welches der Grundbaustein für diverse Verbindungen ist.

Verwendung von Si und Si-Verbindungen als Säulenmaterial

• Die Säulen bestehen aus hochreinem SiO₂, dem »fused silica«, also Quarzglas

• Dieses ist bei dem kleinen Säulenradius sehr flexibel und bis zu einem gewissen Grad biegsam

• Damit es nicht bricht, ist es zusätzlich außen mit Polyamid beschichtet, welches sowohl die Biegsamkeit fördert, als auch eine Reaktion der Quarzglas mit dem Wasser in der Luft verhindert, wodurch die Säule porös würde

Verwendung von Si und Si-Verbindungen als stationäre Phase

Folgende Eigenschaften sollte eine stationäre Phase besitzen:

• Chemische, thermische und mechanische Stabilität

• Hohe Durchlässigkeit für die mobile Phase

• Gleichmäßiger Partikeldurchmesser

• Enge Verteilung des Porendurchmessers

Poröses Kieselgel eignet sich hervorragend

• Sphärische Silicapartikel aus einem Sol aus Polysilanolen

• Außen Silanol- und Silandiol-Gruppen → polar, innen Siloxan-Ketten → weit mehr Siloxan-Ketten als andere → wichtig für die Eigenschaftenmodifizierung

• Für Wechselwirkung sollte eine große Reaktionsfläche zur Verfügung stehen, äußere Oberfläche: 1-4 m²/g innere Oberfläche: bis zu 800 m²/g, weshalb die Siloxan-Gruppen von großer Bedeutung sind

• Diese lassen sich durch eine Reihe von Modifikationen in ihren Eigenschaften stark verändern

• Durch Substitution der OH-Gruppen der Silanole lässt sich die Polarität maßgeblich ändern

• Sobald Kieselgel in seiner Polarität soweit beeinflusst wurde, dass es unpolar ist, spricht man von Reversed-Phase-Chromatography (RPC)

• RPC-Kompononten sind Cyclohexane, Phenyle und aliphatische Kohlenwasserstoffe mit 2 bis 18 Kohlenstoffatomen

• In der Verteilungschromatographie verwendet man aufgrund seiner vielen sehr aktiven Poren Kieselgur, Diatomeenerde aus amorphen Kieselsäuren, welches aufgrund der Neutralität nicht in der Adsorptionchromatographie hergenommen werden kann

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Ausblick

• Schneller, billiger, präziser

• Monolithische Phasen

• Vereinfachung der Verfahren

Lukas Rinke