Kieselgel-Packungsmaterial: Grundlegende Terminologie

Dieser Artikel erklärt grundlegende Terminologie, die sich auf Kieselgel-Füllmaterial bezieht, das für die HPLC verwendet wird. Er sammelt Begriffe, die häufig in Bedienungsanleitungen für Säulen und Benutzerhandbüchern für HPLC verwendet werden.

Kieselgel ist ein amorpher Siliciumdioxid-Polymer, das als SiO2-nH2O dargestellt wird. Auf der Oberfläche des Kieselgels finden sich Silanolgruppen (Si-OH), von denen drei bekannte Typen existieren: isoliert, vicinal (wasserstoffgebunden mit einer benachbarten Silanolgruppe) und geminal (Abb. 1). Silanolgruppen zeigen im Allgemeinen eine schwache Säure, obwohl die Stärke je nach individuellem Zustand der Gruppe variieren kann.

Silanolgruppen dienen als adsorptionaktive Stellen in der Adsorptionschromatographie. Sie sind essentielle Gruppen, die verwendet werden, um durch chemische Bindung funktionelle Gruppen der stationären Phase hinzuzufügen, was im Folgenden beschrieben wird.

Chemisch gebundenes Kieselgel ist ein Packungsmaterial, dem chemisch eine funktionelle Gruppe der stationären Phase (durch kovalente Bindung) hinzugefügt wurde. Chemisch gebundenes Kieselgel wird normalerweise hergestellt, indem eine Organosilanverbindung, die verschiedene funktionelle Gruppen enthalten kann, mit den Silanolgruppen auf der Oberfläche des Kieselgels reagiert (eine Reaktion, die Silylierung genannt wird). ODS ist ein Akronym ein Füllmaterial, das in der Umkehrphasen-Chromatographie weit verbreitet ist. Es handelt sich um Kieselgel, dem die n-Octadecylsilyl-funktionelle Gruppe hinzugefügt wurde. Eine Beispielmethode zur Herstellung von ODS wird in Abb. 2 gezeigt.

Bei der Herstellung von chemisch gebundenem Kieselgel reagiert das Organosilan-Molekül, wenn es eine einzige reaktive funktionelle Gruppe enthält, wie in Abb. 1 dargestellt (in diesem Fall eine Cl-Gruppe), mit einer einzelnen Silanolgruppe. Dies erzeugt eine sogenannte monomerische stationäre Phase. Wenn das Organosilan-Molekül zwei oder drei reaktive funktionelle Gruppen enthält, reagiert es mit anderen zusätzlichen Silanolgruppen oder Organosilan-Molekülen. Dadurch entsteht eine polymerische stationäre Phase. Chemisch gebundene Phasen können je nach Synthesebedingungen variieren. Ein Beispiel für ODS, das aus einem Organosilan mit drei funktionellen Gruppen (Octadecyltrichlorosilan) hergestellt wurde, ist in Abb. 3 dargestellt. Neben diesem Beispiel gibt es andere polymerische stationäre Phasen, die noch mehr Silylgruppen enthalten und funktionelle Gruppen besitzen, die an drei Stellen an Kieselgel anbinden. Chemisch gebundenes Kieselgel, das polymerische Bindungen enthält, die wiederum mit monomerischen Bindungen an eine einzelne Silanolgruppe gemischt sind, existiert ebenfalls, wie in Abb. 2 gezeigt. (Wenn dies geschieht, werden die verbleibenden zwei Cl-Gruppen zu OH-Gruppen.)

Im Allgemeinen sind monomerische stationäre Phasen leicht zu synthetisieren und ihre Synthese ist hoch reproduzierbar, während ihre Nachteile eine schlechte Haltbarkeit und eine geringe Retentionskapazität umfassen. Polymerische stationäre Phasen sind hingegen sehr schwierig zu synthetisieren, aber es können viele verschiedene Formen und funktionelle Gruppen der stationären Phase eingeführt werden, je nach Synthesebedingungen. Darüber hinaus haben polymerische stationäre Phasen eine gute Retentionskapazität und sind sehr langlebig.
Es ist jedoch nicht gesagt, dass die eine Art besser ist als die andere, da die am besten geeignete Art von der durchgeführten Analyse abhängt. Auch zwischen den Herstellern bestehen charakteristische Unterschiede, und die Auswahl des Verpackungsmaterials erfordert ein gewisses Maß an Tests und Experimenten sowie die Verwendung von technischen Materialien und Daten, die vom Hersteller bereitgestellt werden.

Die Herstellung von chemisch gebundenem Kieselgel hinterlässt immer nicht aktivierte Silanolgruppen, aufgrund von räumlichen Hindernissen und anderen Ursachen (die als verbleibende Silanolgruppen bezeichnet werden, eine ist rot umrandet in Abb. 3). Während verbleibende Silanolgruppen einen positiven Einfluss auf die Trennung haben können, verursachen sie in den meisten Fällen ein Tailing der Peaks bei basischen Verbindungen. Daher werden nach der Einführung der funktionellen Gruppen der stationären Phase die verbleibenden Silanolgruppen silyliert. Dieser Prozess der Silylierung wird als Endverkappung (engl.: Endcapping) bezeichnet. Es ist schwierig, jede verbleibende Silanolgruppe auch mit Endverkappung zu entfernen, und jeder Hersteller hat seine eigene Methode, um mit diesem Problem umzugehen.



Referenz:
1) JIS K 0214:2013 Technische Begriffe der analytischen Chemie (Teil Chromatographie)