Organisch-Chemisches Grundpraktikum Praxisseminar II 23. April 2010 Inhalt: Wiederholung Chromatographie Trockenes Arbeiten Grundlagen der Reinigungstechniken – zur Vertiefung in weiterführende Inhalte empfiehlt sich ein Blick in die Fachliteratur 1 1

4. Chromatographie Definition: Unter dem Schlagwort Chromatographie werden alle Trennverfahren zusammengefasst, deren Trennwirkung auf der Verteilung eines Stoffes zwischen einer mobilen und einer stationären Phase beruht. Beispiele: Mobile Phase stationäre Phase Chromatographische Technik gasförmig fest Gaschromatographie flüssig Adsorptionschromatographie Verteilungschromatographie 2 2

Verteilungskoeffizient Theorie: Verhältnis der Konzentrationen in der stationären (cs) und mobilen (cs) Phase  abhängig von der Polarität des Lösungsmittels und der Art der stationären Phase Verteilungskoeffizient Volumenverhältnis der mobilen (Vs) und der stationären (Vs) Phase Phasenverhältnis Kapazitätsfaktor vgl. Nernst`sches Verteilungsgesetz !! Der Kapazitätsfaktor ist ein systemunabhängiges Maß (Säulenlänge, Fließ-geschwindigkeit) für die Wanderungsgeschwindigkeit in einem chromatographischen System. Je größer k‘ desto größer die Retention. 3 3

Take-home-Messages I: … alles klar?? Take-home-Messages I: Silica oder Aluminium-Oxid (die beiden Standard-Stationärphasen) sind hochgradig polare Phasen Je nach Wechselwirkung des zu reinigenden Stoffs mit dieser polaren Phase benötigt man eine mehr oder weniger polare mobile Phase (= Laufmittel) unpolarer Stoff – wenig Wechselwirkung mit der stationären Phase  unpolares Laufmittel – (Cyclo-)Hexan (seltener Dichlormethan) polarer Stoff – starke Wechselwirkung mit der stationären Phase  polares Laufmittel – Ether, Ethylacetat, Methanol Eluotrope Reihe (Lösungsmittel sortiert nach ansteigender Polarität) Hexan < Toluol < Diethylether < Essigester < Aceton < Propanol < Ethanol 4 4

Dünnschicht-Chromatographie Rf = 3,6 cm : 6 cm = 0,5666 = 0,57

UV: typischerweise zwei Wellenlängen: 254 nm und 366 nm Detektion UV: typischerweise zwei Wellenlängen: 254 nm und 366 nm Oxidative Färbung Schwefelsaure Cer(IV)-Ammoniummolybdat-Lösung Basische Kaliumpermanganat-Lösung ACHTUNG: Alle drei Methoden erlauben KEINE Quantifizierung Fluoreszenz-Intensität ist deutlich weniger übertragbar als Absorption Färbung ist abhängig von Oxidierbaren funktionellen Gruppen (prim. Sek. Alkohole, Amine, Aromaten, etc.) 6 6

Dünnschicht-Chromatographie (sehr) schnelles (~ 5 min.) und (hoch-)empfindliches chromatographisches Verfahren Nachweisgrenze abhängig von der Detektierbarkeit etwa oberer ng bis mittlerer µg Bereich DIE Standardmethode zur Reaktionskontrolle (vulgo tüpfeln) kaum geeignet zur präparativen Gewinnung der getrennten Komponenten die einzige Methode eine präparative Säulenchromatographie vorzubereiten/optimieren 7 7

Säulen-Chromatographie Sand auf die Fritte geben und mit Laufmittel überschichten Eine Suspension des Adsorbens im Laufmittel in die Säule gießen, ohne den Sand aufzuwirbeln Die Suspension absetzen lassen und das überstehende Lösungsmittel ablassen Die gesetzte Suspension mit Sand bedecken Das zu trennende Gemisch in möglichst wenig Lösungsmittel gelöst gleichmäßig verteilen Die Säule (anfangs sehr) vorsichtig mit Laufmittel auffüllen 8 8

Systematische Optimierung einer Säulenchromatographie Angemessene Adsorbens-Menge nicht zu wenig (schlechte Trennleistung) Nicht zu viel (hoher Lösungsmittelverbrauch, schlechte Detektierbarkeit wegen niedriger Konzentration im Eluat Faustregel: ca. 25 – 100 g Silica pro Gramm Rohprodukt Laufmittel nicht zu polar (schlechtere Trennung, alles in den ersten Reagenzgl.) nicht zu unpolar (hoher Lösungsmittelverbrauch, schlechte Detektierbar- keit wegen sehr breiter – und damit flacher – Banden Faustregel: Der Rf-Wert der ERSTEN zu isolierenden Komponente sollte bei ca. 0.3 liegen – bei einem dicht folgenden Spot etwas niedriger Bei mehreren Spots über einen breiten Rf-Bereich Laufmittel unter-schiedlicher Polarität verwenden (Gradient) 9 9

Typische, reale Chromatogramme – Tailing 10 10

Typische, reale Chromatogramme – zu polares Laufmittel bei Trennproblem 11 11

5. Trockenes Arbeiten Unter „trockenem Arbeiten“ versteht man das Arbeiten unter Wasser- und meist auch Sauerstoff-Ausschluss. Hintergrund: Wasser kann sowohl als Nucleophil/(Lewis-)Base als auch als Elektrophil/(Lewis-)Säure Reaktionen stören. Beispiele: 12 12

Destillation: Meist azeotrope Entfernung des enthaltenen Wassers Konsequenz: Alle Reagenzien und vor allem (alle) Lösungsmittel müssen in wasserfreier Form vorliegen Trocknungsmethoden: Physikalisch Destillation: Meist azeotrope Entfernung des enthaltenen Wassers Benzol oder Toluol (die ersten 10% des Destillats werden verworfen) Technisch trockenes Ethanol (Azeotropierung mit Cyclohexan) Adsorption an hochgradig getrockneten Adsorbentien Aluminiumoxid Molsiebe (v. a. 3 und 4 Å) seltener: wasserfreie Salze (Na2SO4, MgSO4, NaCO3, etc.) oder wasserfreie Oxide/Hydroxide (CaO, NaOH, KOH) Chemisch: Wasser reagiert mit dem Trocknungsmittel und wird zusammen mit dem entstehenden Nebenprodukt abgetrennt Alkalimetalle (Na, K, Na/K) Hydride (CaH2, seltener LiAlH4) seltener: P2O5 13 13

Chemische Trocknungsmethoden – einige Details Grundlegende Reaktionen: Indikator (bei Trocknung mit Natrium farblos tiefblau 14 14

Alkohole: Na oder bei niedrigem Wassergehalt Mg Anwendungsbereiche Ether (Diethylether, Tetrahydrofuran): klassisch Na, Na/K; modern: Molsiebe Benzol/Toluol: Vortrocknung durch Destillation, Trocknung über Na/K oder Alox Halogenierte Lösungsmittel: klassisch CaH2; modern: Molsiebe !!! NIEMALS über Alkalimetall !!! Amine, Pyridin: CaH2 Alkohole: Na oder bei niedrigem Wassergehalt Mg Sonderfall Alkohole / Na 15 15

Praxis – Physikalische Trocknungsmethoden Trocknung einer kleineren Menge Chlorbenzol über Aluminiumoxid 1 Stickstofffritte 2 zu trocknendes Lösungsmittel 3 Aluminiumoxid 4 Schlenkkolben 1 2 3 4 das Lösungsmittel wird wie bei einer Chromatographie durch das Adsorptionsmittel gedrückt Unterschied: das ganze wird mit/unter Inertgas (N2 oder Ar) durchgeführt Für die gängigen Lösungsmittel werden derartige Trocknungen mit Hilfe von Lösungsmitteltrocknungsanlagen getrocknet (SPS = solvent purification system oder vulgo Grubbs-Anlage) 16 16

Praxis – Chemische Trocknungsmethoden Trocknung von Tetrahydrofuran über Natrium 1 Metallwendelkühler 2 Tropftrichter mit Druckausgleich und Entnahme-Möglichkeit 3 Rundkolben mit Natrium-Blättern 4 Heiz-Pilz 1 2 das im Lösungsmittel enthaltene Wasser reagiert zu Natriumhydroxid und Wasserstoff die Destillation erfolgt nach Bedarf – wenn Lösungsmittel benötigt wird, wird der Hahn des Tropftrichters geschlossen. Damit wird nicht mehr unter Rückfluss erhitzt sondern das Destillat aufgefangen und über einen seitlich angebrachten Hahn entnommen 3 4 17 17

… und damit es trocken bleibt – klassisch trockenes Arbeiten wenn Sauerstoff nicht stört Die Apparatur wird im Trockenschrank auf ~80 °C erwärmt und dann zügig zusammengebaut (Stativ- material vorher einrichten). Man lässt dann im Stickstoffstrom abkühlen und setzt dann ein Trocken-rohr (Füllung „Orangegel“ oder CaCl2) auf. Wenn die Anwesenheit von Sauerstoff stört Vorgehen wie oben aber an Stelle des Trockenrohres einen Kern mir Olive und aufgesetztem Luftballon ein-setzen In beiden Fällen stellt man den Stickstoffstrom ab !! 18 18

… bei höheren Anforderungen – Schlenk-Technik die Apparatur wird evakuiert (Hochvakuum, <0.1 mbar) und anschließend mit dem Heißluftgebläse („heat-gun“) stark erhitzt (Lufttemperatur > 500 °C) Man lässt im evakuierten Zustand abkühlen und flutet die Apparatur anschließend mit Schutzgas (Stickstoff oder Argon) mit leichtem Überdruck An Stelle von Schliffstopfen kommen Gummi-Septen zum Einsatz durch die unter Wahrung der Schutzgas-atmosphäre Reagenzien und Lösungsmittel über Spritzen/Kanülen zugegeben werden können 19 19