Die Makromolekulare Chemie 107 (1967) 104-111 (Nr. 2456)

Aus dem Institut fur makromolekulare Chemie der Universitat Freiburg i. Br.

Bemerkung zur Molekulargewichtsbestimmung nach TRAUTMAN

Von W. SUTTER und W. BURCHARD

(Eingegangen am 8. November 1966)

ZUSAMMENFASSUNG: An verschiedenen Systemen werden Messungen rnit Hilfe des TRAUTMAN-Verfahrens

vorgenommen und die Ergebnisse mit denen von Sedimentationsgleichgewichts- und Sedi- mentationsgeschwindigkeitsmessungen verglichen. Wahrend die Ergebnisse der YPHANTIS- und der Sedimentationsgeschwindigkeitsmethode gut iibereinstimmen, ergeben sich nach dem TRAUTMAN-Verfahren grol3e Unterschiede sowohl im Molekulargewicht als auch in der Konzentrationsabhangigkeit des scheinbaren Molekulargewichts.

SUMMARY: Various systems have been investigated by means of the “TRAUTMAN-method”. The

results were compared with those received by sedimentation equilibrium and sedimentation velocity measurements. The results of the YPHANTIS- and the sedimentation velocity- method agree well. The TRAUTMAN-method, however, results in large divergences in both the molecular weight and the concentration dependence of the apparent molecular weight.

Molekulargewichte lassen sich mit Hilfe der Ultrazentrifuge nach drei prinzipiell verschiedenen Verfahren bestimmen. Welchem dieser Verfah- ren man den Vorzug gibt, hangt gewohnlich von dem untersuchten Mole- kulargewichtsbereich ab.

I m Bereich hoher Molekulargewichte sind Sedimentationsgeschwindig- keiten am genauesten zu messen; entsprechend wird hier allgemein das Verfahren kombinierter Sedimentations- und Diffusionsmessungen nach SVEDBERG~) zur Molekulargewichtshestimmung verwendet.

Fur die Bestimmung niedriger und mittlerer Molekulargewichte sind, besonders nach Einfuhrung der ,,YPHANTIS-Zelle’’2), die das zeitsparende Arbeiten mit geringen Fiillhohen erlaubt, Sedimentationsgleichgewichts- messungen geeignet l93).

Formal ebenfalls eine Gleichgewichtsmethode, wenn auch experimen- tell wesentlich verschieden von der YPHANTIs-Methode, ist ein von ARCHI- BALD entwickeltes 4) und von TRAUTMAN modifiziertes 5 ) Verfahren, das in neuerer Zeit fur die Untersuchung mittel- und niedrigmolekularer Sub- stanzen breitere Verwendung findet. Eine tfbersicht s. 6).

Bei unseren Untersuchungen an carbanilierten Cellulosen und Amy- losen hatten wir Gelegenheit, die drei Methoden jeweils in den fiir sie ge-

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eigneten Molekulargewichtsbereichen anzuwenden. Interessant war dabei ein Vergleich der Ergebnisse, die mit den drei voneinander unabhangigen Verfahren fur mittlere Molekulargewichte erhalten wurden.

Es ergaben sich z. T. erhebliche Diskrepanzen zwischen den nach TRAUT- MAN einerseits und nach der Sedimeptationsgeschwiiidigkeits- bzw. Gleich- gewichtsmethode andererseits gewonneneii Werten, wie im folgenden ge- zeigt werden soll.

Experimentelles

Die untersuchten Amylosecarbanilate waren durch polymerhomologe Umsetzung enzy- rnatisch synthetisierter Amylose7) rnit Phenylisocyanat hergestellt worden*). Als Losungs- mittel diente iiber Na destilliertes p-Dioxan. Die Ultrazentrifugenversuche wurden rnit Hilfe einer Spinco UZ (Modell E) ausgefiihrt. Wir benutzten dabei 3-, 12- und 30-mm- Zellen und (fur die Gleichgewichtslaufe) eine YPHANTIS-Zeh2). Die fur die Aufnahmen verwendete Schlierenoptik enthalt als Diaphragma eine Phasenkante.

Zur Auswerturtg

Die Photoplatte mit den Schlierenbildern wurde nach einem Solarisa- tionsverfahren *) derart entwickelt, dal3 sicli auf der Gradientenkurve bzw. dem Meniskus ein ,,Kernschatten" bildete, der der jeweiligen Mit- tellinie entspricht (s. Abb. 1). Dadurch wird beim Abzeichnen der ver- grol3erten Bilder das Auffinden der Mittellinie und iizsbesondere des Schnittpunktes der Gradientenkurve mit dem Meniskus erleichtert.

I n Ermangelung einer geeigneten Unterschichtungsfliissigkeit wurden nur die Daten vom Meniskus verwertet. Die genane Lage des Meniskus

Abb. 1. Schlierenaufnahme eines UZ-Versuchs nach TRAUTMAN

(a) Amylosecarbanilat (M, = 1,2.105) in p-Dioxan bei 2OoC, 30 mm Zelle, 0: = SOo, 20410 UpM, c = 2,69 gll; solarisierte Photoplatte rnit ,,Kernschatten", Aufnahme nach 30 Min. Meniskus ,,verbreitert". (b) wie (a), Aufnahme nach 152 Min., Meniskus ,,normal"

*) Nach normaler Entwicklungsdauer wurde die Photoplatte, noch im Entwickler, einer Zweitbelichtung ausgesetzt, die ausreichte, in den vorher unbelichteten Zonen einen Kernschatten erscheinen zu lassen (SABATTIER-Effekt). Fixieren und wissern wie iiblich.

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wurde aus den jeweils letzten Bildern eines Versuchs entnommen und auf die ubrigen Bilder iibertragen, da besonders bei den ersten Aufnahmen oft ein ,,unendlicher Gradient” einen breiteren Meniskus vortauscht (vgl. Abb. l a u. lb ) .

Bei der Auswertung der Schlierenbilder eines Zentrifugenlaufes nach TRAUTMAN wurde yln/w2rm gegen F m aufgetragen (fur y m und F, S . Abb.2, rln = Radialabstand des Meniskus, 0 ) = Winkelgeschwinhgkeit, alles in cgs-Einheiten ).

,4bb. 2. Schlierenbild eines TRAUT- MAN-Versuchs

Die bei dieser Auftragung mit Hilfe der einzelnen Bilder erhaltenen Punkte lagen in guter Naherung auf einer Geraden. Nur die jeweils letzten Aufnahmen eines Laufes, bei denen sich der Peak bereits weitgehend vom Meniskus gelost hatte, lieferten zu kleine Fm-Werte. Die Abweichun- gen entsprachen aber grofienordnungsmafiig dem Verdunnungseffekt

Die so erhaltenen Geraden wurden his zu ihrem Schnittpunkt mit der Ordinate verlangert. Aus dem Ordinatenabschnitt yo errechnet sich dann nlit Hilfe der der Ausgangskonzentration entsprechenden Flache F, (s. u.) das Gewichtsmittel des scheinbaren Molekulargewichtes (Mw)app

(1-2 %I.

nach Yo RT

(MW)app = - . - * E . m,; yo = lim (ym/ozrm) F c (1-OP) Fm+O

R = Gaskonstante T = Temperatur in OK (I-Pp) = Auftriebsterm der SVEDBERG-Gleichung. E, m, = Vergrogerung des Projektionsapparates bzw. der Schlierenoptik in x-Echtung, F, = Peakflache der jeweiligen Konz. aus Uberscbichtungsversuchen*) bei gleichem

Diaphragmawinkel.

*) Die fiir ym = 0 extrapolierten Flachen unter den Gradientenkurven waren regelmaig l0-15% kloiner als die Flachen, die mit jeweils den gleichen Konzentrationen bei Uberschichtungslaufen erhalten wurden, was nach TRAUTMAN~) auf Polymolekularit5t hindeutet. Tatsachlich aher sind die untersuchten Substanzen sehr einheitlich (Mw/Mn -1,05), wie a.a.0. gezeigt wurde7). Die Ursache fiir die zu kleinen Flachen konnte bis- her noch nicht gekliirt werden.

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Bemerkung zur Molekulargewichtsbestirnmung nach TRAUTMAN

Ergebnisse und Diskussion

Abb. 3 zcigt die nach den drei verschiedenen Verfahren gewonnenen Ergebnisse fur ein Amylosecarbanilat mittleren Molekulargewichts.

.- 16 2 0 24 g/I 0 4 8 12

- c Abb. 3. Amylosecarbanilat M, = l,2.105 in p-Dioxan, 20 O C

Nach den 3 verschiedenen Verfahren bestimmte Konzentrationsabhangigkeit des rezipro- ken scheinbaren Molekulargewichts: Y = YPHANTIS, s,D = Sedimentation u. Diffusion,

T = TRAUTMAN

Auffallend ist die sehr geringe Konzentrationsabhangigkeit der nach TRAUTMAN bestimmten scheinbaren Molekulargewichte im untersuchten Konzentrationsbereich und ein, verglichen mit den nach den beiden an- deren Verfahren erhaltenen Werten, zu groBes Molekulargewicht M,.

Um in Erfahrung zu bringen, inwieweit die beobachteten Abweichungen von dem untersuchten System abhangen, fuhrten wir eine Reihe weiterer Versuche durch, bei denen wir die Systemparameter Substanz, Einheit- lichkeit der Substanz und Losungsmittel systematisch anderten.

Es wurden untersucht :

Fraktioniertes und unfraktioniertes Polymethylmethacrylat (PMMA!, und PMMA,,-) in Aceton bei 20 "C und in n-Butylchlorid bei 35 "C. Polystyrol (PST) in Toluol bei 20 "C und in Cyclohexan bei 35 "C.

Die Substanzen PMMA und PST wurden durch Blockpolymerisation bis zu etwa 20-proz. Umsatz mit

Benzoyiperoxid bzw. AIBN als Initiatoren gewonnen. Das PMMAf, ist eine Mittelfraktion des durch AcetonlWasser-Fraktionienmg in 18 Fraktionen zerlegten Ausgangspol ymeri- sats (Einfachfraktionierung).

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Die Losungsmittel

Aceton und Toluol waren Mercksche p.a. Reagenzien, n-Butylchlorid und Cyclohexan waren Riedel-de-Haen-Praparate. Die beiden letzteren waren vor dem Gebrauch getrock- net und destilliert worden.

Bei den Systemen PMMAfr/Aceton und PMMA,,r,/n-BuCl, d. h. einem den Fraktionierbedingungen entsprechend einheitlichem Polymeren in gutem Losungsmittel und einem polydispersen Polymeren in schlechtem Losungsmittel, wurde besonders auf den Kurvenverlauf geachtet, der sich bei der TRAuTMAiY-Auftragung ym/w2 r gegen F m ergab.

Wie TRAUTMAN zeigte 5), sollte bei einheitlichem Polymeren eine mit der Gute des Losungsmittels zunehmende konkave Krummung gegen die F,-Achse auftretcn, wahrend sich bei polydispersen Polymeren in schlech- ten Losun gsniitteln eine dem Fraktioniereffekt entsprechende Kriiinmung in entgegengesetzter Richtung ergeben sollte. Bei einem pol)-dispersen Polymeren in gutem Losungsmittel konnen sich danach beide Effekte mehr oder wenigcr kompensieren.

Bei den untersuchten Systemen lieSen sich aber weder in der einen noch in der anderen Richtung signifikante Effekte feststellen. Die Punkte lagen in allen Fallen ohne systematische Abweichung jeweils auf einer Geraden. DEr Fehler, der evtl. durch die Schwierigkeit entsteht, Punkte in unmittelbarer Nahe der Ordinate zu erhalten, wurde durch Wieder- holung der Messungen der einzelnen Proben bei verschiedenen UpM nach Moglichkeit ausgeschlossen.

In Tab. 1 sind die nach den verschiedenen Verfahren erhaltenen Mole- kulargewichte zusammengestellt.

AuSer bei dem untersuchten Amylosecarbanilat in Dioxan tauchen bei PST/Cyclohexan und PMMAfr/Aceton noch einmal griiBere Abweichun- gen der ,,TRAUTMAN-Werte” von deli beiden anderen nach hiiheren Mole- kulargewichten auf.

Die Konzentrationsabhangigkeit der nach TRAUTMAN bestimmten Mo- lekulargewichte zeigt bei den untersuchten PMMA- und PST-Liisungen einen prinzipiell ahnlichen Verlauf wie bei dem Amylosecarbanilat in Dioxan (s. Abb. 4 und Abb. 3). Die mit wachsender Konzentration zu- nehmende Aufwartskrummung der Kurven, die man im Falle der guten Liisungsmittel bei der Auftragung l/Mapp gegen c erhalt, steht im Ein- klang mit den Ergebnissen, die andere Autoren mit Hilfe des ARCHIBALD- Verfahrens erzielten69lO). Aber nur G. KEGELES und Mitarbeiter lo) geben fur ihre Versuche mit PVC in Tetrahydrofuran MeBpunkte bei niedrigeren

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Bernerkung zur Molekulargewichtsbestirnrnung nach TRAUTMAN

Tab. 1. Vergleich der nach den 3 verschiedenen Verfahren bestimmten Molekulargewichte

System

Amylosecarb./Dioxan Polystyrol/Toluol Polystyrol/Cyclohexan PMMAr,/Aceton PMMAf,/Butylchlorid PMMAunfr/Butylchlorid PMMA,,n/Aceton

Temp.

CC)

20 20 35 20 35 35 20

Molekulargewicht

M w h

7,03

8,2 *)

7,O *)

6,8 * )

12,o

7,o

7,a *)

M,

9,5 *)

9,5 *)

a,2 * )

8,2 *)

M T ~ = Molekulargewicht aus ARCHIRALD-Versuchen in der Modifiation nach TRAUTMAN M s , ~ -- - aus Sedimentations- und Diffusions-Messungen **)

Myph = - aus Gleichgewichtsmessungen mit der yPHANTIS-Zelk Mq - aus Viskositatsmessungen *).

Konzentrationen als 0,s-proz. an. Tatsachlich scheint auch hier das Mole- kulargewicht fur Konzentrationen c < 0,5 yo in der Fehlergrenze kon- stant zu bleibeii.

Zusamnienfassend ergibt sich, daB nach den drei verschiecienenverfahren zur Molekulargewichtsbestimmung entgegen der bisher entwickelten Theoriell) unterschiedliche Ergebnisse erzielt werden. Hierbei liefern die in dieser Arbeit referierten Messungen im Falle der Gleichgewichtsme- thode (YPHANTIS) und der Geschwindigkeitsmethode (s,D) annahernd ubereinstimmende Resultate, von denen die Ergebnisse nach TRAUTMAN teilweise stark abweichen. Ein theoretisch zu erwartender Unterschied zwischen M,- und Ms,D-Werten wird von der Fehlergrenze der Methoden iiberdeckt. Die Kurvenkrunimung bei der Auftragung der TRAUTMAN- Werte fur l /Mapp gegen c wurde formal eincn von Null verschiedenen 3. Virialkoeffizienten bedeuten. Wenn eine Ursache fur den Unterschied der Resultate in dem hydrodynamischen Anteil der Virialkoeffizienten zu suchen ist, wie INAGAKI vermutet 12), laBt sich die verhaltnismallig gute Ubereinstimmung der ,,s,D-Werte” mit den ,,yPHANTISwerten” schwer verstehen. Eine theoretische Erklarung steht noch aus.

* ) Bei samtlichen PMMA-Messungen mit der YPHANTIS-Zeh wurden u m 1 0 - 2 0 ~ o zu niedrige M, gefunden. Als Grund kame Absorption des Polymereu am Zellenmaterial in Frage. Versuche d a m sind noch irn Gange. Die Molekulargewichte waren von der Drehzahl unabhangig, so da13 eine Verfalschung des aI,-Wertes in der Zellenmitte durch ,,Heraussedirnentieren” der hochmolekularen Anteile ausgeschlossen werden kann. Als drittes unabhangiges Verfahren verwendeten wir in diesern Fall Viskositats- messungen. Die Eichkurve wurde einer Arbeit von G. MEYERHOFF’) entnornmen.

* *) Die Diffusionsmessungen wurden uach der Flachenmethode ausgewertet.

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2.0

- . 10 M

apv. 1,6-

1 12-

1 5 - .10 M a w .

Polystyrol in Cyclohexan, 35°C

I I 1 0-.- Y

I 0- . . I I . T ,.* .

0 2 4 6 8 10 12 Qll

0,8 -I I

1 - -10

app.

u

0.8

5 PMMA in Aceton , 20°C

-*-•

0 2 6 8 10 12

-I

PMMA in Aceton , 20°C

-*-•

Q 2 4 6 8 10 12

- c Abb. 4. Vergleichende Messungen in 3 verschiedenen Systemen

(Indiziemng wie in Abb. 3)

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Bemerkung zur Molekulargewichtsbestimmung nach TRAUTMAN

Frau Prof. Dr. E. HUSEMANN danken wir fur die freundliche Unter- stutzung der Arbeit.

Fur anregende Diskussionen danken wir Herrn Prof. Dr. H.-J. CANTOW. Der FORSCHUNGSGEMEINSCHAFT danken wir fur die finanzielle Unter-

stutzung dieser Arbeit.

l ) THE SVEDBERC und K. 0. PETERSEN, Die Ultrazentrifuge, 1940. 2, D. YPHANTIS, Ann. New York Acad. Sci. 88 (1960) 586. 3, H. K. SCHACHMAN, Ultrazentrifugation in Biochemistry, 1959. 4, W. J. ARCHIBALD, J. physic. Colloid Chem. 51 (1947) 1204. 6, R. TRAUTMAN, J. physic. Chem. 60 (1956) 1211. 6, T. KOTAKA und H. INAGAKI, Bull. Inst. chem. Res., Kyoto Univ. 42 (1964) 176. 7, E. HUSEMANN, Makromolekulare Chem. 35 (1960) 239; E. HUSEMANN, B. FRITZ, R.

LIPPERT und B. PFANNEM~LLER, Makromolekulare Chem. 26 (1958) 199. 8, W. BURCHARD und E. HUSEMANN, Makromolekulare Chem. 44 (1961) 358. 9, G. MEYERHOFF, Makromolekulare Chem. 7 (1954) 294.

lo) G. KEGELES, S. M. KLAINER und W. J. SALEM, J. physic. Chem. 61 (1957) 1286. 11) H. FUJITA, H. INAGAKI, R. KOTAKA und H. UTIYAMA, J. physic. Chem. 66 (1962) 4. le) H. INAGAKI und S. KAWAI, Makromolekulare Chem. 79 (1964) 42.

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