2D-Chromatographie zur Bestimmung von Mehrfachverteilungen

(Funktionalität-Molmasse, chemische Heterogenität-Molmasse)

Weshalb 2D-LC?

• Heterogenität von Polymeren
  • Polymere besitzen im Gegensatz zu niedermolekularen organischen Substanzen die Eigenschaft von Molekül zu Molekül geringfügig unterschiedlich sein zu können. Dabei ändern sich in den meisten Fällen die makroskopischen Eigenschaften der Polymeren nicht oder nur wenig.
  • Der einfachste Fall der Uneinheitlichkeit kommt bei nahezu allen synthetischen Homopolymeren vor. Dabei handelt es sich um die Tatsache, daß die Polymerketten unterschiedlich lang sind, weshalb man für ein Polymeres keine exakte Molmasse angeben kann, sondern nur einen Mittelwert der Molmasse. Verursacht wird diese Verteilung des Molekulargewichts durch verschiedene Prozesse. Zum einen starten und beenden nicht alle Ketten gleichzeitig ihr Wachstum, zum anderen können Kombinationsreaktionen zwischen wachsenden Ketten die Kettenlänge sprunghaft erhöhen. In jedem Fall sind die entstehenden Ketten aber chemisch einheitlich, da nur eine Monomersorte bei der Polymerisation verwendet wurde.
  • Eine zweite Art der Heterogenität findet man bei Polymeren, wenn zum Starten einer Polymerisation verschiedene Initiatoren eingesetzt wurden. Dadurch können sich an den Kettenenden unterschiedliche Initiatorendgruppen befinden; die Polymere unterscheiden sich daher in ihrer chemischen Struktur.

• Ebenfalls chemisch heterogen sind Blockcopolymere, die aus mehr als einer Monomersorte hergestellt werden. Die bei diesen Blockcopolymeren zugrunde liegende Verteilung besteht in der unterschiedlichen Kettenlänge der einzelnen Homopolymerblöcke. Dadurch wird die chemische Bruttozusammensetzung des Copolymeren beeinflußt.
• Neben den Unterschieden in der chemischen Struktur oder in der Kettenlänge bietet die Gestalt der Makromoleküle ebenfalls Möglichkeiten zur Variation. Je nach Reaktionsmechanismus können bei einer Polymerisation lineare Ketten wachsen, Verzweigungen entlang einer Kette auftreten oder gar mittlere Ringe oder Makrocyclen entstehen.

Analysemethoden zur Charakterisierung der Heterogenität

Die grundlegende Problematik bei der Analyse von Polymeren liegt in der Tatsache, daß keine der zuvor erläuterten Verteilungen für sich alleine vorkommt. Stets sind synthetische Polymere molekulargewichtsverteilt; hinzu kommt in den meisten Fällen noch mindestens eine der drei anderen oben erwähnten Verteilungen.

Um Polymere hinsichtlich all dieser Heterogenitäten selektiv zu charakterisieren bedarf es geeigneter Methoden. Die Flüssigchromatographie kann hierbei ein wertvolles Werkzeug bei der Aufklärung von Fragen zur Heterogenität sein.

Zur Bestimmung von Molekulargewichten und Molekulargewichtsverteilungen ist seit langer Zeit die Gelpermeationschromatographie (GPC) oder, etwas allgemeiner ausgedrückt, die Größenausschlußchromatographie (SEC) eine etablierte Methode. Bei diesem chromatographischen Trennverfahren ist die für die Trennung maßgebliche Größe das hydrodynamische Volumen des gelösten Polymerknäuels. Für chemisch homogene Homopolymere korreliert das hydrodynamische Volumen sehr gut mit dem Molekulargewicht, sodass dessen Bestimmung sehr exakt durchgeführt werden kann.

Bei jeder anderen Form der Heterogenität versagt ein selektiver Trennversuch jedoch. Das liegt in vielen Fällen an der Tatsache, daß der Einfluß der chemischen Hetrogenität auf das hydrodynamische Volumen zu gering ist, um eine vollständige Trennung zu erzielen, so z. B. bei unterschiedlichen Endgruppen. Für die Trennung nach der chemischen Hetrogenität müssen daher andere Verfahren eingesetzt werden.

Als ausgezeichnete Methode hat sich dabei die Flüssigchromatographie am kritischen Punkt der Adsorption herausgestellt. Mit ihr ist es möglich Polymere hinsichtlich einer ausgewählten Heterogenität zu trennen und damit auch gleichzeitig zu charakterisieren. Durch Anpassung des Trennphasensystems kann dabei nach den gewünschten Kriterien getrennt werden.

Um mehrfach verteilte Polymere in den Koordinaten all ihrer Heterogenitäten zu charakterisieren wird für jede Verteilung ein separates Verfahren benötigt. Da eine simultane Bestimmung aller Strukturparameter nicht möglich ist, muß die Kopplung selektiver Methoden eingesetzt werden, um mehrdimensionale Informationen zu erhalten.

Die Technische Realisierung der 2D-LC

Die Durchführung einer zweidimensionalen Trennung erfolgt anhand einer online-Kopplung von HPLC mit anschließender Injektion der HPLC-Fraktionen in die Gelchromatographie. Den experimentellen Aufbau einer 2-dimensionalen Chromatographie zeigt die nachfolgende Abbildung:
Die Anlage besteht aus einer isokratischen HPLC-Pumpe bzw. HPLC-Gradientenpumpensystem, HPLC-Trennsäule, elektronisches Transferventil mit doppelter Probenschleife, GPC-Trennsäule, GPC-Pumpe, UV-Detktor, Verdampfungslichtsteudetektor (ELSD), sowie Hardware und Software zur Steuerung und Meßdatenerfassung. Die Kopplung wird durch ein Software-gesteuertes Injektionsventil realisiert, durch das permanent HPLC-Eluat fließt.
Das Ventil befindet sich im Normalzustand in Ladeposition und wird dann mit der Software nach einen definierten Zeitintervall geschaltet, wenn eine interessierende Fraktion die HPLC-Säule verläßt. Dieses Injektionsventil besteht aus zwei Speicherschleifen, die abwechselnd zum Sammeln der chromatographischen Fraktionen aus der ersten Dimension und zum Injizieren in die zweite Dimension (SEC-Tennsäule) eingesetzt werden.
Während in der Stellung Inject die Speicherschleife 1 mit den ersten chromatischen System verbunden ist, ist die 2. Speicherschleife mit dem SEC-System verbunden und wird mit dem dafür vorgesehenden Eluenten durchspült.
Wenn die Speicherschleife 1 vollständig gefüllt wurde, wird das Schaltventil betätigt (Load Stellung) und die beiden Speicherschleifen tauschen ihre Funktionen aus.
Die in Speicher-schleife 1 befindliche Fraktion wird in die SEC injiziert und Speicherschleife 2 wird mit der nächsten Fraktion aus dem ersten chromatographischen System gefüllt.
Wenn diese gefüllt ist, wird wieder in Inject-Stellung zurückgeschaltet. Der Fluß der mobilen Phase in der ersten und zweiten Phase richtet sich nach der Dimension der Speicherschleifen.
Der Vorteil des Doppelschleifen-Verfahrens ist der geringe Materialaufwand, eine gute Automatisierbarkeit und ein vollständiger Transfer in die 2. Dimension.

Was kann man mit 2D-LC untersuchen?

• Schonende Desorptions- und Ionisationstechnik für die massenspektrometrische Untersuchung von Makromolekülen.
  • Funktionelle Homopolymere
  • Blockcopolymere
  • Pfopfcopolymere
  • Polymerblends
  • Technische Produkte
• Als Anwendungsbeispiel wurde folgende Compounds untersucht:
  • I). Polystyrol-Polymethylmethacrylat-Blockcopolymeres (PS-b-PMMA)
  • II). EPDM-Methylmethacrylat-Pfropfcopolymeres (EPDM-g-PMMA)
• Folgende Ergebnisse wurden erhalten:
  • I). Aus der Chromatographie am kritischen Punkt der Adsorbtion für Polystyrol wird folgendes Chromatogramm erhalten:

Hier erfolgt die Trennung nach der Kettenlänge des PMMA-Blockes.

Die Bestimmung der Molmassen des Blockcopolymeren erfolgt mit der SEC. In der nachfolgenden Abbildung ist das entsprechende SEC-Chromatogramm des Blockcopolymeren zu sehen.

Mit der 2-dimensionalen Chromatographie ist nun eine Trennung des Blockcopolymeren in den Koordinaten chemische Heterogenität und Molmasse möglich. Die Trennung nach chemischer Heterogenität erfolgt in der ersten Dimension, wobei die chromatographischen Bedingungen dem kritischen Punkt der Adsorption für Polystyrol entsprechen. In der zweiten Dimension wird mittels SEC nach der Gesamtmolmasse getrennt.

• II). Für das Pfropfcopolymere am kritischen Punkt von Methylmethacrylat erhält man folgendes Chromatogramm:

Hier erfolgt eine Trennung zwischen den Homopolymeren PMMA und dem Propfcopolymeren.

Nachfolgende Abbildung zeigt das SEC-Chromatogramm dieser Probe.

Eine entsprechende 2-dimensionale Chromatographie des Propfcopolymeren sieht dann wie folgt aus