Säulenchromatographie

Guten Tag und herzlich willkommen, dieses Video heißt Säulenchromatographie. Der Film gehört zur Reihe der chromatographischen Verfahren und ist vorgesehen für die Kursphase in den Gymnasien. Für die nötigen Vorkenntnisse solltest du bereits das Video Dünnschichtchromatographie gesehen haben. Mein Ziel ist es, dir in diesem Video das Verständnis der grundlegenden Säulenchromatographie zu vermitteln.

Der Film ist in 7 Abschnitte unterteilt: 1. das Trennproblem 2. das Trennprinzip 3. die Chromatographiesäule 4. der Trennvorgang 5. Vereinigung der Fraktionen 6. Stoffgewinnung und 7. Zusammenfassung

1. Das Trennproblem Nehmen wir einmal an, wir haben eine chemische Reaktion durchgeführt und haben jetzt in einem Dreihalskolben ein Reaktionsgemisch vorliegen. Welche Stoffe enthält es, und wie können wir sie voneinander trennen? Eine analytische Information über den Kolbeninhalt liefert die Dünnschichtchromatographie, DC. Zu Beginn der Reaktion haben wir ein Chromatogram aufgenommen. Der einzige Stoff, der im DC zu erkennen ist, ist der Ausgangsstoff. Das Edukt. Nach 20 Stunden Reaktionsdauer bietet sich uns dieses Bild. Im Reaktionsprodukt ist das Produkt enthalten. Außerdem nicht umgesetztes Edukt. Und was das Schlimmste ist, wir haben auch ein Nebenprodukt erhalten. Hinzu kommt, dass Produkt und Nebenprodukt nicht destillierbar sind, da sie sich beim Erwärmen zersetzen. Das sind wahrlich trübe Aussichten für eine Stofftrennung. Wir haben es hier mit einem echten Trennproblem zu tun. Hilfe schafft die Säulenchromatographie. Gehen wir nun vom Trennproblem zum Trennprinzip über.

2. Das Trennprinzip Für die Säulenchromatographie benötigt man eine Chromatographiesäule, kurz, Säule genannt. Dabei handelt es sich um eine Glassäule, die unten eng geschmolzen ist. Diese Säule wird mit einer stationären Phase aufgefüllt. Populär für diesen Zweck ist Kieselgel. Oben auf die Säule wird das Stoffgemisch, in unserem Fall das Reaktionsgemisch, aufgetragen. Darauf gibt man vorsichtig die mobile Phase. Das Lösungsmittel, den Eluenten. Häufig werden dafür Lösungsmittelgemische aus Dichlormethan und Hexan verwendet. Wir beginnen mit Situation 1. Durch die Schwerkraft verläuft die mobile Phase langsam die stationäre Phase. Die im Gemisch enthaltenen Stoffe werden adsorbiert und desorbiert, und jeder unterschiedlich stark. Dynamische Gleichgewichte bilden sich heraus. Betrachten wir nun Situation 2. Alle 3 im Gemisch enthaltenen Stoffe wurden durch die Säule aufgetrennt. Die mobile Phase bewegt sich durch die Schwerkraft weiter nach unten und wir kommen zu Situation 3. Die rot markierte Substanz hat das Ende der Säule erreicht, und tropft zusammen mit der mobilen Phase heraus. Es handelt sich dabei um das Hauptprodukt der betrachteten chemischen Reaktion. Und weiter geht es, wir erreichen Situation 4. Die mobile Phase schiebt die beiden verbliebenen Stoffe weiter Richtung Säulenausgang. Und endlich ist es so weit, der 2. Stoff, hier Grün markiert, verlässt zusammen mit der mobilen Phase die Säule. Es handelt sich dabei um das Nebenprodukt der chemischen Reaktion. Die Chromatographie ist damit noch nicht abgeschlossen. Das Eluierungsmittel schiebt entlang der stationären Phase auch den 3. Stoff aus der Säule heraus. Bei der blau markierten Substanz handelt es sich um nicht umgewandeltes Edukt der chemischen Reaktion. Nachdem alle 3 Stoffe die Säule verlassen haben, kommen wir jetzt zur Situation 6. Es ist nun soweit, dass nur noch die reine mobile Phase die Säule verlässt. Die mobile Phase, das ist das Laufmittel. Vor Austritt des 1. Stoffes aus der Säule, Situation 2, sollte auch Laufmittel die Säule verlassen. Daher zeichne ich es ein.

Nach dem Trennprinzip kommen wir nun zur Chromatographiesäule. Wichtig bei der Chromatographiesäule ist nicht nur ihr Aufbau, sondern vor allem Ihre Vorbereitung für die Durchführung der Chromatographie. Bei der Chromatographiesäule handelt es sich zunächst einmal um ein Glasrohr. Dies ist unten eng geschmolzen und mit einem Einwegehahn bestückt. Direkt auf den Einwegehahn wird Glaswatte aufgesetzt. Dadurch wird verhindert, dass die stationäre Phase aus der Säule herausfällt. Als stationäre Phase wird meistenteils Kieselgel verwendet. Es ist wichtig, vor der Verwendung das Kieselgel sorgfältig zu trocknen. Das Kieselgel wird nicht in pulverisierter Form in die Säule eingegeben. Es wird eine Aufschlämmung aus Kieselgel und einem wenig polaren Lösungsmittel zubereitet. Dieses Gemisch wird in die Säule eingetragen. Durch Öffnung des Einwegehahns wird überschüssiges Lösungsmittel bis zur Feuchte an der Oberfläche des Kieselgels abgelassen. Eine der wichtigsten Chromatographieregeln besteht darin, dass die Säule niemals trocken laufen darf. Anschließend wird eine dünne gleichmäßige Schicht von Sand auf die Säule aufgetragen. Auf die Sandschicht wird nun die konzentrierte Lösung des Reaktionsgemisches vorsichtig aufgetragen. Damit das gleichmäßig und vorsichtig geschieht, verwendet man dafür eine Spritze. Jetzt kommt der verantwortungsvollste Augenblick der gesamten Chromatographie, bei der man fast alles versauen kann. Man öffnet den Einwegehahn, damit die aufgetragene Substanz, das Stoffgemisch leicht einziehen kann. Und dann erst wird die mobile Phase, nämlich das Laufmittel, ganz ganz vorsichtig oben aufgetragen und dann nachgegossen. Das Laufmittel war die letzte Komponente, um eine vollständige Chromatographiesäule zu erhalten. Die Säule ist somit bereit für die Trennung des Stoffgemischs. Das Ergebnis muss in etwa so aussehen, wie wir das Dünnschichtchromatogramm auf dem Kopf vor uns haben. Rot kommt zuerst, dann verlässt Grün die Säule und als Letztes können wir mit Blau rechnen.

Wir verlassen den Abschnitt Chromatographiesäule und kommen zum Trennvorgang. Eine Übersicht über den Trennvorgang wurde bereits in Abschnitt 2 gegeben. An dieser Stelle möchte ich die Voraussetzungen für eine saubere Trennung aufzählen. Als erstes ist eine sorgfältig vorbereitete Säule, wie ich es gezeigt habe, zu nennen. Länge zu Durchmesser muss relativ groß sein, um eine gute Trennwirkung zu erzielen. Es muss eine richtige Dimensionierung vorliegen. Je mehr Stoff man zu trennen hat, umso größer muss die Säule sein. Wichtig ist prinzipiell eine geringe Tropfgeschwindigkeit. Interessant ist, wenn ein Druck auf das Laufmittel ausgeübt wird. Man bezeichnet dieses Verfahren als Flash-Chromatographie. Bei dieser Methode wird die Trennleistung gesteigert. Mit bloßem Auge ist in der Regel nicht zu erkennen, welcher Stoff gerade die Säule verlässt. Daher wird das Eluat in viele Reagenzgläser fraktioniert. Eine starke Erleichterung bei der Fraktionierung bilden mechanische Fraktionssammler, mit Geräten für die Zeitvorgabe oder Tropfenzähler. Die einzelnen Reagenzgläser, die einzelnen Fraktionen, werden anschließend mit Dünnschichtchromatographie untersucht.

Gehen wir nun über vom Trennvorgang zur Vereinigung der Fraktionen. Nach der Untersuchung mit DC bietet sich uns folgendes Bild. Wir haben Fraktionen, die den Stoff enthalten, den wir als rot markiert haben. Dann haben wir Fraktionen, die den Stoff enthalten, den wir als grün markiert haben. Und schließlich haben wir Fraktionen, die den Stoff enthalten, den wir als blau markiert haben. Fraktionen mit gleichen Inhaltsstoffen werden jeweils in einem Rundkolben gesammelt. Rot ist das Hauptprodukt. Bei Grün handelt es sich um das Nebenprodukt. Blau ist das Edukt.

Und schließlich kommen wir von der Vereinigung der Fraktionen zur Stoffgewinnung. Jetzt findet das Abdestillieren des Lösungsmittels statt. Diesen Vorgang bezeichnet man auch als Einengen. In der Laborpraxis verwendet man dafür den Rotationsverdampfer. Hier wird schonend eingeengt, weil unter vermindertem Druck.

Kommen wir nun von der Stoffgewinnung zur Zusammenfassung des Videos. Die Säulenchromatographie ist ein präparatives, meist in der organischen Chemie genutztes Trennverfahren. Wichtig ist die sorgfältige Vorbereitung einer geeigneten Chromatographiesäule. Beim Trennvorgang wird das unterschiedliche Sorbtionsverhalten verschiedener Stoffe an einer stationären Phase ausgenutzt. Da die Stoffe mit bloßem Auge nicht unterscheidbar sind, werden sie zunächst durch einen Fraktionssammler in viele kleine Portionen, viele kleine Fraktionen, fraktioniert. Die Fraktionen werden dann mit Dünnschichtchromatographie untersucht. Anschließend werden Fraktionen, die gleiche Inhaltsstoffe besitzen, in Rundkolben vereinigt. Nach Einengen, vorzugsweise mit einem Rotationsverdampfer, erhält man dann die reinen Stoffe.

Ich danke für die Aufmerksamkeit, alles Gute, auf Wiedersehen.