0ber die Herstellung einer Aluminiumoxids~iule mit stetig zunehmender Aktivit~it

On the Production Alumina Column with continuously increasing Acticity

Formation d'une colonne d'oxyde d'aluminium dont I'activit6 croit d'une maniere continue

G. Hesse / G. Roscher x)

Institut f~ir organische Chemie an der Universitht Erlangen-NiJrnberg D-852

Summary: A column with alumina of activity level I (according to H. Brockmann) can be inactivated by in- jecting the appropriate quantity of water with an air flow, so that its activity continuously increases from the lowest level V to the originan level I. Such columns permit separations of nonpolar fluids in an extended range and with fairly sharp zones.

Die Anwendung von L6sungsmittelgemischen mit stetig ver~inderter Elutionswirkung ist in der Chromatographie aus L6sungen schon lange fiblich [ 1 ]. Dagegen wurde die Verwendung einer Gradientensfiule mit nach unten lain zunehmender Sorptionsaffinit~it unseres Wissens bisher noch nicht beschrieben. Wo die Notwendigkeit auftrat, Gemische mit sehr weit streuender Adsorbierbarkeit der Komponenten zu trennen, hat man gelegentlich verschie- dene Adsorptionsmittel iibereinander in das gleiche Trenn- rohr gepackt, zum Beispiel fiir die Trennung der Blatt- farbstoffe [2]. J. Porath hat Erbsenwurzelextrakte in einer S~iule getrennt, die 6 verschiedene Desaktivierungsstufen von Aktivkohle fibereinander verwendet [3]. Sp~iter hat E. Stahl [4] Gradientenschichten flit die Diinnschicht- chromatographie beschrieben, die rnit Hilfe eines modi- fizierten Streichgeriits aus zwei verschieden aktiven Ad- sorptionsmitteln erhalten wurden.

Die Anwendung solcher Gradienten - sei es in der Saulen- ffillung oder im Elutionsmittel - leistet aber wesentlich mehr als nur die Dehnung des Anwendungsbereichs. Sie wirkt der Verbreiterung der Zonen entgegen, da sich ihre Front stets in einem strengeren Sorptionsmilieu befindet als das hintere Ende. Aut~erdem treten St6rungen durch die Adsorptionsw~irme [5] kaum in Erscheinung, weil ihre Freisetzung sich zeitlich und r~iumlich verteilt und daher die Ableitung leichter erfolgen kann. Deshalb werden sehr

x) Diplomarbeit. Univ. Erlangen-Niirnberg, 1957

viele Flfissig-Trennungen heute mit Gradient-Elution aus- geffihrt. Seit der Einfiihrung registrierender Detektoren ist aber die Ver~inderung des Fliet~mittels w~hrend der Ana- lyse h~iufig unerwiinscht. Deshalb schien es uns zweckrniit~ig, den Gradienten in die TrennNule zu verlegen.

In Analogie zu der Arbeit von Porath [3] wurden zun~chst die ftinf yon Brockmann [6] definierten Aktivit~itsstufen von Aluminiumoxid iibereinander in ein Trennrohr gepackt. Von Stufe I (unten) wurde etwas mehr genommen, urn ehae Verschleppung yon Wasser in den Auslauf des Trennrohrs w~trend der Anaylse zu vermeiden [7]; die iibrigen wurdea zu gleiehen Teilen verwendet. An einer solchen S~iule las- sen sich alle 6 Testfarbstoffe in einem Versuch vollst~indig trennen. In der Abbildung geben die ausgezogenen StreckeO links neben der Ordinate die Lage und LLuge der Farbstoff" zonen auf der S~ule an, die treppenftirmige Kurve ihre Ak- tivit~it. Man iiberzeugt sich leicht, dat~ die Breite der Start- zone (ca 12 cm) fttr die sp~iteren Zonenbreiten nicht marl- gebend ist (Fig. 1).

Um eine stufenlose Abnahme der Aktivit~it zu verwirkli- chen, wurde angestrebt, die Desaktivierung des Aluminiur~" oxids (Akt. I) in der bereits gepackten S~iule vorzunehrnen. Die Menge Wasser, die bei Verteilung auf die ganze Menge Alurniniumoxid die mittlere Aktivit~it III ergeben wiirde, sollte vom Kopfende her eingetragen werden und dadurch eine nach unten hin stetig abnehmende Desaktivierung er- reichen lassen.

Zunfichst wurde das Wasser in schwach polaren organischela L6stmgsmitteln gel6st auf die S~iule gegeben. Damit hatte~ wir aber keinen Erfolg, weil es fast vollst~indig im oberen Teil festgehalten wird. Dieses Ergebnis war nach Versuchea fiber die Trocknung organischer Flfissigkeiten mit Alumi- niumoxid vorauszusehen [8]. Auch mittelpolare L6sungs" mittel sind nicht geeignet. Aus Essigester verteilt es sich fast gleichm~it~ig fiber die gesamte Packung, die dann prak- tiseh iiberall die Aktivit~it III hat. Die L6sung in :~ther gab zwar einen Gradienten, der aber nur etwa bis zur Mitre der S~iule reicht und entsprechend steil abf'~llt. Besser wur- de es, werm der wasserhaltige :4ther mit Pret~luft m6glichst rasch durch die Packung hindurchgedriickt wurde.

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l~ig, 1 nach B rockmann

Q A2tlmina: 75 g Tube diameter: 1.6 cm Solution of dyestuff: 10 ml, 4 mg each Flushing liquid: 140 ml 1. step column 2. gradient column 3. gradient column, 12 days aged

�9 Aluminiumoxid: 75 g Rohrweite: 1,6 cm Farbstoffl6sung: 10 ml, je 4 mg ~aschfliissigkeit: t40 mi I. Stufens~iule 2. Gradientens~iule 3. Gradientens~iule, 12 Tage gealtert

�9 OxYde d'aluminium: 75 g Largeur flu tube: 1,6 cm Solution de colorants: 10 ml, 4 nag de chacun Liquide de lavage: 140 ml 1. Colonne <<fi degr6s~ 2. Colonne ~<a gradient~ 3. Colonne ~ gradients>, ~g6e de 12 jour begr6s d'activit6 selon Brockmann

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Urn eine gr6f~ere Str6mungsgeschwindigkeit zu erreichen, WUrde dann ein Luftstrom zum Transport des Wassers ver- Wendet. Damit hatten wit Erfolg. Es ist aber notwendig, die Beliiftung gleich nach dem Einblasen des letzten Was- Sers zu beenden. Andernfalls nimmt die Aktivit~it am S~iu- lenkopf wieder zu, weft trockene Luft dem befeuchteten Aluminiumoxid Wasser entzieht. Um den richtigen Zeit- punkt zur Versuchsbeendigmag sichtbar zu machen, wird der Wattebausch am S~iulenkopf (vergl. Versuchsbe schrei- bung) mit Kobalt-Ibchlorid als Feucktigkeitsindikator an-

gef&bt. Die blaue Watte wird zu Versuchsbeginn rosa und an seinem Ende wieder blau. Die gestrichelten Strecken der Abbildung zeigen die Verteflung der 6 Farbstoffe nach Chromatographie mater gleichen Bedingungen wie bei 1, jedoch an der Gradientens~iule. Wieder sind alle Kompo- nenten vollst~dig getrennt und ihre Verteilung ist ahnlich wie in der Stufens~iule. Der Verlauf des Aktivit~tsgradien- ten lfif~t sich absch/itzen, wenn man die Oberkante jeder Zone rnit der zugehOrigen Aktivit/itsstufe identifiziert (vergl. Kurve 1). Auf diese Weise wurde die gestrichelte Kurve 2 erhalten.

Man mug natilrlich damit rechnen, dal~ die ungleichf6rmi- ge Verteilung des Wassers auf dem Aluminiumoxid sich athn~2flich durch isotherme Destiltation ausgleicht. Des- halb wurde eine genau wie f ~ 2 hergesteUte Gradienten- s~ule 12 Tage gelagert und dann erst zur Trennung der Farbstoffe benutzt. Das Ergebnis ist in der Abbildung durch punktierte Linien dargestellt, Der Unterschied ist sehr gering und fitr praktische Zwecke zu vernachl~ssigen. Er liegt jedoch in der erwarteten Richtung. In der oberen H/rifle sind die Aktivit~iten etwas gestiegen und in der un- teren etwas geringer geworden.

Die Befeuchtung einer Saule nach dem unten beschriebe- nen Verfahren dauert ]e nach L~inge und Dichte der Pak- kung 10-30 Stunden. Durch Erw/irmen des eingemesse- nen Wassers mit einem Ringofen l~if~t sich diese Zeit bei kurzen S~iulen auf ca. anderthalb Stunden abkiLrzen. Pak- kungen yon mehr als 40 cm Lfinge gaben dann abet nicht mehr zuverlfissig einen Gradienten fiber die ganze Linage ; oft trat eine starke Desaktivierung in langer Zone am An- fang der S/iule ein, worauf ein entsprechend kiirzeres StOck mit Aktivifiitsgradient folgt. Es ist etwa die gleiche Ver- teilung, die mit feuchtem ~,ther erreicht wurde. Vermut- lich reicht die gefingere Str6nmngsgeschwindigkeit der Luft dutch lange Packungen nicht mehr aus, um das Was- set m der kurzen Zeit riehtig zu verteilen. Ohne Erw~irmen trat diese Schwierigkeit nicht auf; die S/iulenlange wurde zwischen 20 und 80 cm variiert. Auch die Verandermag des Saulenquerschnitts zwischen 0,4 mad 1,6 crn machte keinen Unterschie6.

Die L6sungsmittelabh/ingigkeit des Gradienten wurde nicht eingehend untersucht. Es ist aber zu erwarten, dat~ nur unpolare Fliet~mittel (his DK 2,5) verwertdet werden dOrfen. Andere werden im oberen Tell der Saule Wasser vom Aluminiumoxid abl6sen und nach unten versctdep- pen, wodurch sich das Aktivit~itsgef~[lle verringert.

HersteUung der Gradientens~ule: Ein Trennrohr (60 cm lang, 1,6 cm Durchmesser) wird mit 75 g Aluminiumoxid (Woelm, bas., Akt. 1) trocken gef'tillt. Darauf wird ei~ Wattepfropf so test aufgepret~t, dal~ sich die FOllung beim sp/iteren Umkehren der R6hre nicht verschiebt. Die Watte wurde vorher nfit einer L6sung yon Kobald-II-chlorid in Wasser getfiinkt und danach scharf getrocknet. In das freie Rohrende (ca. 25 cm) wird noch ein zweiter, grofer Wat- tepfropf eingeschoben, der vom ersten etwa 15 cm ent- fernt sein soU. Darauf wetden 4,6 ml Wasser aufpipettiert.

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Dann wird das Rohr umgedreht, senkrecht eingespannt und mit einer Wasserstrahlpumpe vonder nun oben be- findlichen Ausfluf~seite her Luft durchgesaugt. Die unten eintretende Luft wird mit P2 0s scharf getrocknet. Bei kur- zen ROhren kann der Bereich des zweiten Wattebauschs durch einen kurzen Heizmantel oder R6hrenofen erwiirmt werden. Wenn der die Packtmg haltende Wattebausch wie- der blau zu werden beginnt, rnuf~ das Durchsaugen von Luft beendet werden. Die R6hre wird dann wieder herum- gedreht, beide Wattepfropfen n-tit einem Spatel entfernt, die Packung geebnet und mit Sand abgedeckt.

Literatur

[1] R. S. Aim. R. J. P. Williams undA. T~'selius, Acta chem. scan& 6 (1952), 826

[2] Gattermann-Wieland, Die Praxis des organischen Chcmi- kers, 36. Aufl., S. 359, W. de Gruyter, Berlin 1954

[3] s Porath, Ark. Kemi 7, 535 (1954)

[4] E. Stahl, Chemie-Ing.-Techc. 36 (1964). 941 [5] G. Hesse und H, Engelhardt, J. Chromatogr. 21,223 0966) [6] 1t. Brockmann und tt. Schodder, Ber. dtsch, chem. Ges.

74, 73 (1941) [7] G. Hesse, B. P. Engelbrecht, 11. Engethardt und S. Nitsch,

Z. analyt. Chem. 241, 91 (1968) [8J G. Wohlleben, Angew. Chem. 67, 741 (1955)

Received: Sept. 8, 1969 Accepted: Sept. 10, 1969

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