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Säule für die Säulenchromatographie Die Chromatographie ist eine Methode
zur Untersuchung, Bestimmung und Isolierung von anorganischen und vor allem organischen
Verbindungen.
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Man unterscheidet hauptsächlich vier Arten der Chromatographie: Papier-,
Dünnschicht-, Säulen- und Gaschromatographie. Sie arbeiten alle im wesentlichen
nach dem gleichen Prinzip. Deshalb sei das Wesen der Chromatographie hier allgemein
am Beispiel der Säulenchromatographie erklärt: Als Säule bezeichnet man ein Glasrohr,
das an einem Ende sich verjüngt und dort durch einen sich anschließenden Glashahn
verschlossen werden kann.
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Die Dimensionen der Säule können sehr verschieden sein. Eine praktikable
Säule hat z. B. etwa eine Länge von 100 cm und einen Durchmesser von etwa 5 cm.
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Diese Säule wird an einem Stativ befestigt, so daß sie senkrecht
steht und der Hahn nach unten zeigt.
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In die Säule wird ein kleiner Bausch aus Glaswatte gegeben, so daß
dieser unmittelbar über dem Glashahn zu liegen kommt. Dann wird die Säule mit einem
pulverförmigen Material, auch stationäre Phase genannt, gefüllt. Als solches können
je nach Erfordernis Calciumsulfat, Talkum, Kohlepulver, Kieselgel, Kieselgur, Aluminiumoxid,
Polyamid, Zellulosepulver u. a. m. dienen.
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Man denke sich nun, um ein beliebiges Beispiel zu nehmen, ein Lösungsmittel
(Chloroform, Aceton), in dem drei Substanzen gelöst sind, und zwar die rote Substanz
1, die gelbe Substanz II und die blaue Substanz III. In der Lösung sind diese drei
Substanzen natürlich nicht voneinander zu unterscheiden, die Lösung hat eine Mischfarbe.
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Diese Lösung wird oben auf das Füllmaterial in der Säule aufgetropft.
Man wartet, bis die Lösung (man nimmt in der Regel nur wenige Kubikzentimeter) vollständig
vom Füllmaterial aufgesogen ist.
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Von nun an tropft man weiteres, aber reines Lösungsmittel (auch mobile
Phase genannt) ohne gelöste Substanzen nach. Dieses weitere Zutropfen des reinen
Lösungsmittels erfolgt während des ganzen im folgenden beschriebenen Vorganges.
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Das Lösungsmittel wandert nun langsam durch das Füllmaterial hindurch
abwärts, bis es am anderen Ende der Säule aus dem Glashahn heraustropft.
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Wichtig ist nun während dieses Durchlaufens des Lösungsmittels das
Verhalten der drei Substanzen zu dem Füllmaterial. Dieses besitzt ganz spezifische
Adsorptionskräfte, d. h., jedes Füllmaterial adsorbiert jede durchlaufende Substanz
verschieden stark. Die Stärke und Art der Adsorption hängt von den chemischen Strukturen
der Substanz und des Füllmaterials und von den Eigenschaften des Lösungsmittels
ab.
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Gesetzt den Fall, daß die Substanz I sehr stark durch das Füllmaterial
adsorbiert wird, daß die Substanz II nur wenig und daß die Substanz III überhaupt
nicht adsorbiert wird. Dann verweilt die rote Substanz I wegen der starken Adsorption
am oberen Ende der Säule (am sogenannten Start) und die blaue Substanz III wandert
ebenso schnell wie das Lösungsmittel durch die Säule. Man sagt, die Substanz III
wandert mit der Front des Lösungsmittels. Die gelbe Substanz II dagegen wandert
langsamer als Substanz III irgendwo zwischen Substanz I und III durch die Säule.
Es bilden sich in der Säule oben eine rote Zone, in der sich Substanz I befindet,
in der Mitte eine gelbe Zone mit Substanz II und unten eine blaue Zone mit Substanz
III.
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Beim Austropfen des Lösungsmittels aus der Säule wird nun Substanz
III als erste aus der Säule herausgelöst (eluiert). Man fängt diesen Teil des Lösungsmittels
gesondert auf, bis alle Substanz III aus der Säule eluiert worden ist. Dann wechselt
man das Auffanggefäß und fängt das weiter austropfende Lösungsmittel auf. Nun wird
die langsamer laufende Substanz II aus der Säule eluiert. Nachdem auch Substanz
II gesondert mit dem Lösungsmittel aufgefangen worden ist, eluiert man noch so lange,
bis auch die nur sehr langsam wandernde Substanz I vollständig aus der Säule entfernt
ist. Erst jetzt beendet man das neue Zutropfen von reinem Lösungsmittel auf den
oberen Teil des Füllmaterials.
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Das ganze Verfahren wird Säulenchromatographie genannt. Die Vorteile
sind, daß man auch kleine Substanzmengen mit geringem apparativem Aufwand auftrennen
kann und vor allem, daß man überhaupt erst seit der Einführung dieser Methode chemisch
sehr nahe verwandte Verbindungen voneinander trennen konnte.
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Die Nachteile sind jedoch, daß man bis zur vollständigen Eluierung
aller zu trennenden Substanzen meist sehr viel Zeit, unter Umständen mehrere Tage,
benötigt. Diese spielt dann eine große Rolle, wenn es gilt, empfindliche Stoffe
schnell zu trennen. Ein wei-
terer Nachteil ist, daß man während
der langen Eluierzeit große Mengen an Lösungsmitteln verbraucht. Vor allem bei der
Verwendung von großdimensionierten Säulen für die Gewinnung von größeren Substanzmengen,
z. B. in der Industrie, spielt diese Kostenfrage eine bedeutende Rolle. Zum dritten
sinkt bei langer Eluierung, besonders wenn eine größere Zahl von Verbindungen zu
trennen ist, die Genauigkeit der Trennung vor allem bei den zuletzt eluierten Substanzen;
denn je länger man eluiert, desto mehr ziehen sich die einzelnen Zonen auseinander
und gehen unter Umständen ineinander über.
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Angesichts der Notwendigkeit, daß man heute die Methode der Säulenchromatographie
in Ermangelung besserer Trennverfahren vielerorts in der oben beschriebenen Art
und Weise anwenden muß, ist es Aufgabe dieser Erfindung, die Nachteile der Säulenchromatographie,
nämlich den zeitlichen Aufwand und den hohen Lösungsmittelverbrauch, zu beheben
und nach Möglichkeit noch die Genauigkeit der Trennung zu erhöhen.
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Diese Chromatographiesäule von beliebigen Dimensionen, mit rundem
oder anderem Querschnitt, aus Glas oder anderem Material, mit oder ohne Hahn, ist
erfindungsgemäß gekennzeichnet durch einen abhebbaren oder abziehbaren seitlichen
Rohrteil des Säulengefäßes, der sich über die gesamte oder einen Teil der nutzbaren
Höhe des Trennraumes der Säule ausdehnt und als »Deckel« genau in die Längsöffnung
der Säule paßt.
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Bei der erfindungsgemäßen Säule wird ein Glasrohr parallel zur Rohr-Längsachse
eingeschnitten.
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Dieser Schnitt erfolgt zweckmäßigerweise genau in der Längsachse des
Rohres, kann aber auch außerhalb der Achse parallel zu ihr geführt werden. Der Schnitt
wird bis kurz (in der Regel genügen 2 bis 3 cm) vor den Ansatz einer Rohrverjüngung
C herabgeführt, an die sich ein Glashahn D anschließt. Nach einem nun folgenden,
senkrecht zur Rohrachse geführten QuerschnittE genau bis zum Ende des Längsschnittes
kann der eine Rohrteil A des Rohres wie ein Deckel abgehoben oder abgezogen werden.
Die restliche Säule besteht dann noch aus dem anderen Rohrteil B mit der unteren,
kurzen Rohrverjüngung C und dem anschließenden Hahn D.
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Zum Gebrauch der Säule werden beide Rohrteile A und B durch ein geeignetes
Mittel (z. B. Dichlordimethylsilan) an der Innenseite wasserabstoßend gemacht, die
Schnittflächen unter Umständen mit etwas Vaseline eingefettet, die beiden Rohrteile
und B zusammengefügt und aneinander befestigt. Diese Befestigung kann durch kleine
Glashaken erfolgen, die an beiden RohrteilenA und B angeschmolzen und mit Spiralfedern
auf die übliche Weise miteinander verbunden werden. Man kann aber auch die beiden
Rohrteiles und B durch einfaches Überkleben der Trennfugen mit einem Klebeband oder
auf eine andere geeignete Weise miteinander verbinden.
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Dann wird wie üblich bei senkrechter Säulenstellung ein Glaswollebausch
eingeführt, ein erforderliches Füllmaterial eingefüllt, die zu trennende Sub-
stanzmischung
in Lösung auf das obere Ende der Säulenfüllung aufgetropft und ein für die Trennung
benötigtes reines Lösungsmittel nachgetropft. Man tropft aber diesmal nur so lange
neues Lösungsmittel nach, bis die Lösungsmittelfront das untere Ende der Säule fast
erreicht hat. Dann läßt man die Front ohne weiteres Zutropfen weiterwandern, notfalls
unter Anlegung eines leichten Vakuums an den Hahn D. Dadurch wird erreicht, daß
die gesamte Säulenfüllung nur wenig mit dem Lösungsmittel durchtränkt wird und eine
ziemlich feste Konsistenz behält.
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Man legt nun die Säule flach hin, nimmt die Halterungsspiralen ab
bzw. entfernt die Klebestreifen und zieht vorsichtig den Rohrteil A in Längsrichtung
ab, wobei man eventuell gleichzeitig mit einem Glasstab, den man gegen das obere
Ende der Säulenfüllung drückt, verhindert, daß sich diese beim Abziehen des Rohrteiles
A löst.
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Nach dem Abziehen des Rohrteiles A liegt der ganze Säuleninhalt offen
da.
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Falls die in der Säule getrennten Substanzen sich durch ihre natürliche
Färbung deutlich voneinander abgrenzen, kann man nun die betreffenden Zonen mit
den Einzelsubstanzen aus der Füllung herausschneiden und die Einzelsubstanzen direkt
aus diesem Füllmaterial mit einem geeigneten Lösungsmittel extrahieren. Handelt
es sich um farblose, aber fluoreszierende Stoffe, so können diese durch ultraviolettes
Licht sichtbar gemacht und ebenfalls herausgeschnitten und extrahiert werden. Bei
farblosen und nicht fluoreszierenden Substanzen kann man die offen daliegende Säulenfüllung
mit einem geeigneten Reagenz besprühen, die betreffenden substanzhaltigen Zonen
dadurch anfärben und sichtbar machen. Man markiert dann diese Zonen, kratzt vorsichtig
die angefärbte Oberschicht ab, schneidet das darunterliegende ungefärbte Füllmaterial
heraus und extrahiert ebenfalls die Einzelsubstanzen.
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Die Stoffe, für die die erfindungsgemäße Säule geeignet ist, sind
vor allem organische Naturstoffe, die in tierischen Organen und in Pflanzen enthalten
sind, wie z. B. ätherische Öle, Balsame, Harze, Fette, Fettsäuren, Gallensäuren,
Glykoside, Alkaloide, Aminosäuren, Farbstoffe, Zucker u. a. m. Diese Säule eignet
sich aber auch für die Untersuchung von synthetischen Farbstoffen, Arzneimitteln,
Lebensmitteln u. a. m.