DD300078A5 - Verfahren zur Herstellung von Packungsmaterial für die Chromatographie - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Packungsmaterial fuer die Chromatographie. Hierbei wird auf Traegermaterial auf SiO2-Basis, Kohlenstoffbasis oder PTFE bzw. PTFE-Kombinationen, als Stationaere Phase ein Silikon-Additionskautschukgemisch aufgebracht und immobilisiert. Das Packungsmaterial wird fuer Saeulenpackungen oder fuer gepackte Trennsaeulen eingesetzt und ist in der Gaschromatographie, der Hochleistungs-Fluessigkeits-Chromatographie, der superkritischen Fluid-Chromatographie, der Prozeszchromatographie, bei der Spurenanalyse sowie bei der Praeparativen Chromatographie anwendbar. Gegenueber nach herkoemmlichen Herstellungsmethoden erhaltenem, weist das erfindungsgemaesze Packungsmaterial bis zu mehr als 2,5fache Trennleistungen auf, die auch nach haeufigem Saeulentemperaturwechsel erhalten bleiben. Als Traegermaterial werden u. a. eingesetzt Kieselgur, Silicagel, Quarzpulver, Glaspulver, poroese Mikroglaskuegelchen, Aktivkohle, graphitierter Rusz, C-Molekularsiebe, PTFE oder PTFE-Kombinationen.{Packungsmaterial; Saeulenpackung; Stationaere Phase; Immobilisierung; Trennleistung; Prozeszchromatographie; Gaschromatographie; Hochleistungs-Fluessigkeits-Chromatographie; superkritische Fluid-Chromatographie}

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Packungsmaterial mit immobilisierten Stationär η Phasen für die Chromatographie. Auf Trägermaterial auf SiO₂-BaSiS, Kohlenstoff basis oder auf PTFE bzw. PTFE-Kombinationen wird eine festhaftende Stationäre Phase aufgebra< ht und immobilisiert, die hohe Trennleistungen aufweist, die auch nach häufigem Säulentempereturwechsel nicht vermindert werden. Zum Einsatz kommt das Packungsmaterial als Säulenpackung und als gepackte Trennsäulen in der Gasc'nromatographie (GC), Hochleistungsflüssigkeits-Chromatographie (HPLC) oder ihren Sonderformen, zur Prozeßchromatographie, bai der Spurenanalyse und auch zur präparation Chromatographie.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

In der Chromatographie, einem weltweit in großem Umfang angewendeten Verfahren zur Stofftrennung und zur Analyse, erfolgt die Stofftrennung durch Aufteilung der zu trennenden Substanzen innerhalb von Trennsäulen auf zwei Phasen, eine Stationäre Phase und eine Mobile Phase, die an der Stationären Phase vorbeiströmt.

Zwei Arten von Säulen stehen zur Verfügung: Gepackte Säulen und Kapillarsäulen. Mit letzteren (Innendurchmesser unter 0,5mm) sind zwar viel höhere Trennleistungen erzielbar, mil ihnen können aber nur extrem kleine Mengen an Stoffgemischen aufgetrennt werden und erfordern zu ihrer Herstellung und bei der Belegung mit einer Stationären Phase einen sehr hohen technischen Aufwand.

Deshalb sind in den vergangenen Jahrzehnten in der Prozeßchromatographie, bei der Spurenanalyse, bei der präparativen Chromatographie und in vielen analytischen Laboratorien vorwiegend gepackte Säulen eingesetzt worden und werden auch in Zukunft eine breite Anwendung finden.

Die entsprechenden Packungsmaterialien wurden hergestellt, in dem man die Trennflüssigkeit (= Stationäre Phase) in einem geeigneten Lösungsmittel löst, in dieser Lösung das Trägermaterial, meist auf Kieselgurbasis, suspendiert und das Lösungsmittel in geeigneter Weise abdampft; dabei scheidet sich die Stationäre Phase auf dem Trägermaterial als mehr oder wenigergleichmäßiger Film ab (s. Handbuch der Gaschromatographie, III.Aufl., 1984, Akademische Verlagsges., Geest u. Portig, KG, Leipzig, S. 193-204). Eine weitere Methode zur Herstellung von Packungsmaterial für Säulenpackungen besteht darin, die Trennflüssigkeit oder organische oder siliciumorganische Reste mit dem Trägermaterial chemisch zu verknüpfen, indem man reaktive organische oder siliciumorganische Verbindungen mit Oberf lächensilanolgruppen des Trägermaterials zur Reaktion bringt (s.o. Handbuch, S. 204-210). Beide Typen von Packungsmaterial wurden in der Gaschromatographie (GC, bevorzugt die erste Methode), und in der Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie (HPLC, bevor? igt die zweite Methode) in

großem Umfang angewendet, wobei im zweiten Falle die Reaktion mit Triorganochlorsilanen im Vordergrund stdht. Während die Analyse von urbaren und wenio polaren Komponenten in Substanzgemischen in bezug auf an den Packungsmaterialien auftretende Adsorptionseffekte, die das Analysenergebnis verfälschen, relativ problemlos ist, besteht, sofern polare und reaktive Komponenten im zu trennenden Substanzgemisch enthalten sind, stets die Gefahr, qualitativ und quantitativ völlig falsche Ergebnisse zu erlisten.

Aus diesem Grund wurden Packungsmaterialien entwickelt, die einen höheren Grad an Inertheit aufweisen, die aber immer noch se viel aktive Zentren haben, daß reaktive und polare Analysen'xomponenten, vor allem in Spuren, meist sogar irreversibel adsorbiert und festgehalten werden und ein falsches Analysenergebnis nicht zu vermeiden ist (z. B. Chromosorb W AW/DMC3, Chromosorb G AVWDMCS, von Johns-Manville, USA;

Gas Chrom Q von Appl. Science Laboratories, USA; Volaspher A2 von Merck AG, BRD; sh. Handbuch.., S. 168-184). Beispielsweise wurde durch Behandlung von Kieselgur mit Octamethylcyclotelrasiloxan und Methyldichlcrsilan bei 350°C und anschließend mit Methanol bei 250°C (SU 489894) ein weniger aktives Mnterial hergestellt, auf das dann din Stationäre Phase aufgebracht wird.

Eine weitere Möglichkeit zur Desaktivierung silikatischer Materialien besteht in einer, allerdings mehrfach zu wiederholenden aufwendigen Folge von chemischen Reaktionen mitChlorsllanen, Wasserdampf und Silanolen (US 4242227 u. 4276061). Auch hier wird anschließend die Stationäre Phase wie üblich aufgetragen.

Es wurde auch beschrieben, auf die Oberflächen von Trägermaterialien polymere Siloxanmoleküle mit chemischer Bindung aufzubringen (US 3722181; Aux et al., J. Chromatogr. Sei., 42 [1969] 319; Hastings et al., J. Chromatogr. 60 [1971] 329; Grushka et al., Anal. Chem., 49 [1977] 1005). In solchen Fällen bedecken die Siloxanmoleküle jedoch die Oberfläche des Trägermaterials nicht einheitlich und weisen deshalb nicht die optimalen chromatographischen Eigenschaften auf (US 4 242 227). Auch die Herstellung von Packungsmaterial für Säulenpackungen, das nicht aus einem inerten Trägermaterial und einer chemisch oder physikalisch gebundenen Stationären Phase besteht, sondern aus einem kompakten Organosiliciummaterial ohne at organische Trägermatrix (Dt-OS 17 73665) führt nicht zu qualitativ befriedigendem Ergebnis, weil nur Trennleistungen von unter 400 theoretischen Böden pro Meter erreicht werden, jedoch Trennleistungen von weit über 1000 theoretischen Böden pro Meter dio allgemeine Norm darstellen.

Ein aussichtsreicherer Weg ist das Immobilisieren einer auf herkömmliche Weise auf das Trägermaterial aufgebrachten Stationären Phase durch Vernetzungsreaktionen mit Hilfe von Peroxiden oder Ozon (Ghaoui, L, et al., Chromatographia 18 [1984] 11; Chuang, C. H., et al., Chrcmatographia ;;3 [1987] 169). Diese Verfahren haben aber die wesentlichen Nachteile, daß die Stationäre Phase stets teilweise unkontrollierbaren chemischen Veränderungen unterliegt und daß eine Vernetzung polarer Stationärer Phasen auf diesem Wege zu keinem Erfolg führt.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist ein Packungsmaterial für Säulenpackungen, ;ur Anwendung in der Chromatographie, das auf herkömmlichen chromatographischen Trägermaterialien eine unpolare, mäßig polare oder stark polare immobilisierte Stationäre Phase aufweist, die mit den in der Chromatographie üblichen Lösungsmitteln unter Einsatzbedingungen nicht heruntergewaschen werden kann.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, das es ermöglicht, mit relativ einfachen Mitteln auf der Oberfläche von herkömmlichen chromatogriiphischen Trägermaterialien eine festhaftende, ebene und geschlossene Stationäre Phase aufzubringen. Es wurde gefunden, daß man Packungsmaterial mit verbesserten Trennleistungen erhfilt, wenn auf herkömmliches chromatographische Trägermaterial ein vernetzbares Silikon-Additionskautschuk-Gemisch aufgebracht und immobilisiert wird. Das Silikon-Additionskauischuk-Gemisch besteht aus einem Poly(diorganosiloxan) mi'i Si-gebundenen olefinischen Organogruppen, aus einem Poly(diorganosiloxan) mit Si-gebundenen Wasserstoffatomen und aus einem Katalysator-System mit unter 10 ppm Platin, bezogen auf das gesamte Gemisch. Die Polydiorganosiloxana werden, bezogen auf die Si-gebundenen olefinischen Organogruppen zu den Si-gebundenen Wasserstoffatomen, in einem Verhältnis von 1 zu 0,9 bis 1 zu 10 eingesetzt. Überraschenderweise wi/d die Trennleistung durch den geringen Platingehalt auch bei der Trennung von empfindlichen Substanzgemischen nicht beeinträchtigt. Das nach der erfindungsgemäßen Verfahrensweise hergestellte Packungsmaterial weist eine Reihe von überraschenden Vorzügen auf, die das auf herkömmliche Weise imprägnierte Trägermaterial nicht besitzt. Die aufgebrachte Stationäre Phase haftet so fest auf dem Trägermaterial, daß sie unter normalen Einsatzbedingungen mit den in der Chromatographie üblicherweise verwendeten Lösungsmitteln nicht wieder heruntergewaschen werden kann.

Als Trägermaterial eignen sich sowohl Stoffs auf SiO₂-Basis, wie z. B. Kieselgur, Silicagel, Quarzpulver, Glaspulver, poröse Mikroglaskügelchen, als auch solche auf Kohlenstoffbasis wie z. B. Aktivkohle, graphitierter thermischer Ruß, C-Molekularsieb oder PTFE bzw. PTFE-Kombinationen. Die Poly(diorganosiloxane) enthalten neben den Si-gebundenen olefinischen Organogruppen bzw. den Si-gebundenen Wasserstoffatomen weitere ggf. substituierte Alkyl- und/oder Arylreste, z. B. Methyl-, oder Ethyl-, auch Octadecyl-, Phenyl-, Trifluorpropyl-, Cyanoalkyl-, Polyalkylenoxide Carboxyalkyl-, Carboxyaryl-, Carboxyalkylenoxid-, subst. Aminoalkyl- sowie chirale und/oder mesomorphe Gruppen. Das vernetzbare Silikon-Additionskautschukgemisch wird in einem organischen Lösungsmittel, z. B. Methylenchlorid, Pentan oder R113 (1,1,2-Trifluor-1,2,2-trichlorethan) gelöst und in dieser Lösung das zu imprägnierendeTrägermateria! suspendiert. Die Suspension wird wenige Minuten gerührt, evakuiert und das Lösungsmittel unter vermindertem Druck abgedampft. Der Rückstand, das erhaltene Packungsmaterial, wird anschließend Ibis 5 Stunden im Trockenschrank auf etwa 150⁰C erhitzt. Nach Abkühlung wirddamit die Säulenpackung realisiert. Da der auf das Trägermaterial aufgebrachte Film von Lösungsmitteln nicht abgelöst wird, ist es möglich, das Packungsmaterial mit Hilfe der Suspension-/slurry-Technik in die chromatographischen Trennsäulen einzufüllen.

Οίο Anwendbarkeit dieser Technik ist Voraussetzung für das Füllen von Trennsäulen mit feinstkörnigem Packungsmaterial (Korngröße kleiner als 15Mm), um hohe Trennleistungen zu gewährleisten. Damit können die erfindungsgemäßen Packungsmaterialien auch in der Hochleistungs-Flüssigkeits-Chromatographie (HPLC) eingesetzt werden, was bisher nur mit Adsorbention wie Silicagel oder mit sogenannten Umkehrphasen (lipophil modifizierte Silicagele) möglich war. Mit dem erfindungsgemäßen Packungsmaterial können Säulen für alle Gebiete der Chromatographie erhalten werden. Ein weiterer wesentlich /orteil besteht darin, daß durch das leicht zu realisierende, beliebig und gezielt einzustellende Verhältnis von Silikon-Additionskautschuk-Gemisch zu Trägermaterial oder Adsorbens, beliebige Filmdicken der Stationären Phase auf der Oberfläche des Trägermaterials erzeugt werden können. Dadurch sind Kapazität und Restaktivität für den jeweiligen Einsatzfall problemlos optimierbar. Außerdem kann auf einer sehr dünnen Schicht immobilisierten Silikon-Additionskautschuks gegebenenfalls eine weitere flüssige oder feste Stationäre Phase aufgebracht werden, wodurch Trägermaterialien, die mit herkömmlichen polaren Stationären Phasen ungenügend benetzbar sind, noch vorteiinaft eingesetzt werden können. Einer der wichtigsten Vorteile ist die Möglichkeit, Poly(diorganosiloxane) mit verschieden funktioneilen Organogruppen, in Form des Silikon-Additions-Kautschuk-Gemisches einzusetzen und so Packungsmaterialien mit festhaftenden, immobilisierten Stationären Phasen unterschiedlicher Polarität und Selektivität für alle Arten der Chromatographie herzustellen. Das konnte bisher mit einer Herstellungsmethode in dieser Breito nicht realisiert werden.

Ausführungsbetspiele Beispiel 1 Ein Poly(dimethylsiloxan) mit Si-H-Gruppen und ein solches mit Si-Vinylgruppen werden im Verhältnis 1 zu 1, bezogen auf Si-H-

zu Si-Vinyl-Gruppengehalt, und 8ppm Platin (in Form von Hoxachloroplatinsäure) vermischt. Diese Mischung wird in

Methylenchlorid gelöst und in dieser Lösung als Trägermaterial die 7fache Menge an Volaspher (Fa. Merck AG; Korngrößenbereich 180-200Mm) suspendiert. Die erhaltene Suspension wird wenige Minuten gerührt, evakuiert und unter

vermindertem Druck das Lösungsmittel abgedampft. Das imprägnierte Trägermaterial (= Packungsmaterial) wird anschließend in einem Trockenschrank 3 Stunden auf 15O⁰C erhitzt und nach dem Erkalten in die Trennsäule gefüllt. Die Trennsäule weist gegenüber he. jmmlichen Imprägnierungsmethoden eine mehr als 2,5fache Trennleistung auf (2500 theoretische Böden pro m; etwa das 7fache gegenüber einer Säulenfüllung entsprechend DE-OS 1773665*.

Die Säulenfüllung zeigte auch nach 6monatigem Dauergebrauch (ca. 10OO-Säulentemperaturwechsel) keinerlei Minderung der Trennleistung. Mit Chromosorb WAW/DMCS (Johns-Manville) wurden gleich gute Trennleistungen und Stabilität erreicht. Beispiel 2

Es wurde zunächst ein Si ikon-Additionskautschuk-Gemisch entsprechend Beispiel 1 in R113 (1,1,2-Trifluor-1,2,2-trichlorethan) gelöst und darin als Adsorbens Silicagel mit einer Korngröße von 10Mm suspendiert. Verhältnis Silikon zu Adsorbens 1 zu 10. Nach guter Durchmischung wurde das Lösungsmittel unter vermindertem Druck abgedampft und das erhaltene Packungsmaterial (= imprägniertes Adsorbens) 3 Stunden in einem Trockenschrank auf 15O⁰C erhitzt. Der Silikonfilm haftet auf der Adsorbensoberfläche so fest, daß er von Lösungsmitteln nicht mehr abgelöst wird. Aus diesem Grunde konnte das Packungsmaterial, suspendiert in R113, mit Hilfe der slurry-Technik in eine Trennsäule eingeschwemmt werden. Die Trennleistung betrug für eine 25cm lange HPLC-Trennsäule 5100 theoretische Böden.

Beispiel 3

In Abhängigkeit von der spezifischen Oberfläche des zu imprägnierenden Materials wurde das Verhältnis von Silikon zu Adsorbens bzw. Trägermaterial bis 1 zu 1000 variiert. Zum Einsatz kam ein Silikon-Additionskautschuk-Gemisch auf Basis Poly(methylphenyl-siloxan), Verhältnis Methyl zu Phenyl 10zu 1, Si-Vinyl zu SiH 1 zu 1,2. Damit wurde das Trägermaterial wie in Beispiel 1 beschrieben behandelt. Die Trennleistung wurde mit der auf herkömmliche Weise behandeltem Trägermaterial verglichen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 sowie in Bild 1 und Bild 2 dargestellt. Die starke Verringerung der Restadsorptionsaktivität des Trägermaterials ist an der Verbesserung der Peaksymmetrie deutlich erkennbar.

Tabelle 1 Steigerung dar Trennleistung durch erfindungsgemäße Behandlung, (Trennleistung nach herkömmlicher Behandlung = 1,0).

Trägermaterial	spez.	Verhältnis	mittlerer
	Oberfl.	Silikon zu	Steigerungs
	(m2 · g-1)	Trägermat.	faktor
Quarzpulver	0,2	1:500	3,5
Quarzpulver	0,2	1:300	3,9
Mikroglsskügelchen	0,1	1:1000	2,6
poröse Mikro-
glasküf,elchen	46	1:40	2,7

Bild 1 zeigt das Adsorptionsverhalten von 0,2 μΙ Ethanol bei 30°C an Quarzpulver in Trennsäulen gleicher Dimensionen und Packungsdichte: a) Stationäre Phasen 0,2% Methylphenylsiliconöl, 1000Pa · s; b) Stationäre Phase 0,2% erfindungsgemäße Beschichtung, immobilisiert, reduzierte Empfindlichkeit (Faktor 4).

Bild 2 zeigt das Adsorptionsverhalten von 1 μΙ Aceton bei 30°C an Quarzpulver in Trennsäulen gleicher Dimensionen und Packungsdichte: a) Stationäre Phase 0,2% Methylphenylsiliconöl, 1000Pa s; b) Stationäre Phase0,2% erfindungsgemäße fJeschichtung, immobilisiert, reduzierte Empfindlichkeit, (Faktor 16). Im Vergleich mit einem entsprechenden Chromatogramm, aufgenommen bei 5O⁰C, wurde eine etwa 10fache Steigerung der Trennleistung ermittelt.

Beispiel 4

Entsprechend den Beispielen 1,2 oder 3 wurde schwer benetzbares Quarzpulver mit einem dünnen Film überzogen und dieser immobilisiert. Dazu wurden als Silikonkomponenten Polymethylcyanopropyls<loxane mit Si-H- und Si-Vinyigruppen eingesetzt. Das Quarzpulver hatte eine Korngröße von 100 bis 125μηι und wurde in einem Verhältnis von Silikon/Quarzpulver von 1 zu 9000 eingesetzt. Nach der Immobilisierung des Silikon-Additionskautschuk-Gemisches (entspr. Bsp. 1 bzw. 2) bei 150°C wurde das modifizierte Quarzmaterial anschließend mit einem handelsüblichen Methyl-trifluorpropylsiliconöl SP2401 (50% Trifluorpropylgruppen) modifiziert. Die nach der erfindungsgemäßen Behandlung mit Additionskautschuk mit dem Fluorsillconöl modifizierte Säulenpackung brachte eine Trennleistungserhöhung auf das Achtfache.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung von Packungsmaterial für Trennsäulen für die Chromatographie, dadurch gekennzeichnet, daß auf Trägermaterial als Stationäre Phase ein vernetzbares Silikon-Additionskautschuk-Gemisch aufgebracht und durch Temperaturerhöhung immobilisiert wird.

2. Verfehren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Silikon-Additionskautschuk-Gemisch ein Gemisch aus

a) fiinem Poly(diorganosiloxan) mit Si-gebundenen olefinisch ungesättigten Organogruppen,

b) einem Poly(diorganosiloxan) mit Si-gebundenen Wasserstoffatomen und

c) einem Katalysator-System mit 1 bis 10 ppm Platin, bezogen auf das gesamte Gemisch, aufgebracht und immobilisiert wird.

3. Vorfahren gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Poly(diorganosiloxane) a) und b) mit einem Verhältnis der Si-gebundenen olefinisch ungesättigten Gruppen zu den Si-gebundenen Wasserstoffatomen von 1 zu 0,9 bis 1 zu 10 eingesetzt werden.

4. Verfahren gemäß Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Poly(diorganosiloxane) a) und b) weiterhin als Organogruppen Methyl-, Ethyl-, Octadecyl-, Phenyl-, Trifluorpropyl-, Cyanoalkyl-, Polyalkylenoxide Carboxyalkyl-, Carboxyaryl-, Carboxyalkylenoxid-, Aminoalkyl-, subst. Aminoalkyl sowie chirale und/oder mesomorphe Gruppen enthalten.

5. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Silikon-Additionskautschuk-Gemisch in Fctm einer Lösung in einem organischen Lösungsmittel aufgebracht, das Lösungsmittel unter vermindertem Druck abgezogen und durch Temperaturerhöhung das Silikon-Additionskautschuk-Gemisch immobilisiert wird.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als organische Lösungsmittel Kohlenwasserstoffe, Halogenkohlenwasserstoffe, Ether, Ketone oder Ester eingesetzt werden.

7. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägermaterial Stoffe auf SiOvBasis, auf Kohlenstoff basis oder PTFE-/PTFE-Kombinationen eingesetzt werden.

8. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine immobilisierte Stationäre Phase eine weitere flüssige oder feste Stationäre Phase aufgebracht wird.