Chromatographie

Definierte lineare und zyklische Oligomere mittels Recycling-GPC

Bei der Recycling-GPC passiert die Probe mehrmals dieselbe Säulenkombination, womit sich die effektive Säulenlänge bei konstantem Arbeitsdruck verlängert. In diesem Beitrag werden kurz zwei Anwendungen vorgestellt, bei denen der Einsatz der Recycling-GPC die Arbeit deutlich erleichtert bzw. erst ermöglicht hat.
Bild 4: Strukturformel des molekularen Speicherrades 2 (Durchmesser = 8 nm). Es konnte im letzten Schritt mit präparativer recGPC aufgereinigt werden (Bild 5).

π-konjugierte Oligomere definierter Länge haben in den letzten Jahren in einem immer stärker zunehmenden Maß an Aufmerksamkeit gewonnen. Sie sind nicht nur Modelle für die entsprechenden Polymere, sondern stellen selbst auch interessante Materialien dar, zum Beispiel für elektrooptische Anwendungen [1]. Oligomere sind im Prinzip defektfrei und mittels chromatographischer Techniken in sehr guten Reinheiten darstellbar. Gerade Letzteres ist nicht nur für die direkte Anwendung, sondern auch für das Verständnis der komplexen Vorgänge in elektronischen Bauelementen von fundamentaler Bedeutung [2].

Ein Zugang zu definierten Oligomeren ist deren gezielte Synthese. Dabei wird das Oligomer mittels geeigneter Schutzgruppentechnik und Kupplungsreaktionen schrittweise aus den entsprechenden Monomeren aufgebaut. Verlaufen die Reaktionen glatt, sind auf diese Weise präparativ nutzbare Mengen darstellbar, die in anschließenden Reaktionen weiter umgesetzt werden können.

Polymerisation – ein einziger Reaktionsschritt

Die gezielte Synthese wurde und wird für eine Vielzahl von konjugierten Systemen beschritten, jedoch leidet sie an dem teilweise beträchtlichen Syntheseaufwand, der sehr zeit- und kostenintensiv sein kann. Eine Alternative dazu ist die (im Umsatz begrenzte) Polymerisation mit anschließender Auftrennung des gebildeten Oligomer- und Polymergemisches. Die so zugänglichen Mengen eines bestimmten Oligomers sind begrenzt und die Möglichkeiten mehrstufiger Folgereaktionen eingeschränkt. Der Charme dieses Vorgehens liegt jedoch darin, dass in einem einzigen, einfach durchzuführenden Reaktionsschritt eine ganze Oligomerenserie zugänglich ist, mit der sich die Antworten auf bestimmte Fragestellungen (optische Eigenschaften, thermisches Verhalten, Elutionsvolumina, etc.) ermitteln lassen. Auch kann aus den Struktur-Eigenschafts-Beziehungen polymerhomologer Reihen eine Extrapolation auf das Verhalten des reinen, defektfreien Polymers vorgenommen werden.

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Die Trennung der Oligomere einer Polymerisationsreaktion ist prinzipiell mittels Gelpermeations-Chromatographie (GPC) möglich. Da jedoch die Oligomerenpeaks oft auch dann noch nicht basisliniengetrennt sind, wenn mehrere Chromatographiesäulen in Reihe verwendet werden, geht das Schneiden der Fraktionen mit einem erheblichen Substanzverlust einher. Da mit jeder zusätzlichen Säule der Vordruck vor der ersten Säule ansteigt, sind der Verlängerung der Trennstrecke Grenzen gesetzt (der Vordruck nimmt etwa linear mit der Säulenlänge zu, die Auflösung dagegen nur mit der Wurzel der Säulenlänge).

recGPC – ein einfaches Prinzip

Eine einfache und elegante Lösung zu diesem Dilemma stellt die so genannte Recycling-GPC (recGPC) dar. Bei dieser Methode passiert die Probe mehrmals dieselbe Säulenkombination, womit sich die effektive Säulenlänge bei konstantem Arbeitsdruck verlängert [3, 4]. Trotz der Einfachheit dieses Prinzips und der Tatsache, dass mit dieser Methode in den letzten Jahren große Erfolge erzielt wurden, ist sie – besonders im deutschen Raum – nur wenig verbreitet.

Hier werden kurz zwei Anwendungen vorgestellt, bei denen der Einsatz der Recycling-GPC die Arbeit deutlich erleichtert bzw. erst ermöglicht hat. Dabei kommt die in Bild 1 aufgezeigte Gerätekonfiguration zum Einsatz. Getrennt wurde an einem Satz von drei präparativen GPC-Säulen (103 Å, 5 µm, 20 x 300 mm, PSS, Mainz) mit THF (Tetrahydrofuran) als Eluent. Pro Injektion wurde in den hier vorgestellten Arbeiten zwischen 10 und 25 mg Substanzgemisch aufgetragen. Die getrennten Fraktionen wurden einrotiert und die Produkte durch Zugabe von Methanol ausgefällt. Nochmaliges Umfällen dient der Beseitigung letzter Reste des im THF enthaltenen Stabilisators. Die Analyse der Reaktionsrohprodukte sowie der reinen Fraktionen erfolgte je nach Fragestellung mittels analytischer Methoden wie GPC (PS-Eichung), NMR-Spektroskopie, Massenspektrometrie sowie UV/VIS- und Fluoreszenzspektroskopie.

Ergebnisse

Phenylen-Butadiinylen-Oligomere 1 wurden durch oxidative Glaser-Kupplung der entsprechenden Bisacetylene erhalten. Bild 2 zeigt die Struktur der Oligomere und das Elutionsdiagramm des bei der Polymerisation erhaltenen Oligomerengemisches. Da die GPC eine Relativmethode zur Molmassenbestimmung darstellt, ist eine direkte Aussage über den tatsächlichen Polymerisationsgrad nicht möglich. Die Zuordnung der im Elugramm aufgelösten Peaks erfolgte daher durch den Vergleich des Elutionsvolumens mit einem gezielt mehrstufig hergestellten Tetramer (n = 4). Bild 3 zeigt, wie sich die Elugramme der einzelnen Läufe im Recycling-Verfahren entwickeln. Nach jedem Durchlauf konnten zwei Oligomere abgetrennt werden und nach etwas mehr als drei Stunden standen die einzelnen getrennten Oligomere bis zum 17-mer rein zur Verfügung. Die bei dieser Trennung erhaltenen Mengen sind zwar gering, erlaubten aber die Eichung der analytischen GPC und sogar eine Extrapolation der Molekulargewichtsüberschätzung der PS-Eichung zu hohen Molmassen. Auf diese Weise konnten nun die tatsächlichen Molmassen und Polydispersitäten für diese Polymere bestimmt werden. Ebenso konnten Aussagen über die Entwicklung der optischen Eigenschaften mit steigender Molmasse gemacht werden [5].

recGPC und rigide organische Strukturen

Die recGPC eignet sich aber auch hervorragend dazu, präparative Mengen zu reinigen. Seit geraumer Zeit beschäftigen wir uns mit der Synthese und Untersuchung zweidimensionaler rigider organischer Strukturen mit lateralen Abmessungen von mehr als 5 nm. Derartige Verbindungen sind nicht nur von Bedeutung für die Grundlagenforschung, sondern sie können auch helfen, Kompositmaterialien besser zu verstehen. Bei der intramolekularen Zyklisierung eines offenen Vorläufermoleküls zum molekularen Speichenrad 2 konnte auch unter optimierten Reaktionsbedingungen die Bildung geringer Anteile an Dimeren und Oligomeren nicht verhindert werden [6].

Zwar sollte in diesem Fall auch eine Trennung mittels gewöhnlicher GPC möglich sein, doch der mit dem Schneiden der nicht basisliniengetrennten Peaks einhergehende Substanzverlust wäre in Anbetracht der mehrstufigen Vorläufersynthese nicht akzeptabel. Mittels recGPC konnten dagegen in einem Trennungslauf (sechs Zyklen) 25 mg des nanoskaligen Speichenrads rein erhalten werden, so dass genügend große Mengen für anschließende Untersuchungen an diesen Verbindungen zur Verfügung standen.

Fazit

Die recGPC ist eine äußerst wertvolle Methode, um Substanzen aus schwer trennbaren Reaktionsgemischen in reiner Form zu isolieren, wobei sowohl analytische als auch präparative Trennungen möglich sind. Damit werden Synthesen durchführbar, die früher aufgrund erwarteter Trennprobleme gar nicht ins Auge gefasst wurden. Darüber hinaus ist die recGPC auch als ergänzende Methode der Reinheitsbestimmung von großem Nutzen, da manche Verunreinigungen mehrere Durchläufe benötigen, um sich deutlich vom Hauptprodukt abzusetzen. Diese Technik ist nicht nur auf die GPC beschränkt, sie kann auch auf andere flüssigchromatographische Trenntechniken (zum Beispiel Reversed Phase) angewandt werden.
(Nachdruck aus Shimadzu NEWS 2/2010)

Autoren: Prof. Dr. Sigurd Höger*), Dr. Dennis Mössinger**)

*)Kekulé-Institut für Organische Chemie und Biochemie, Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, Gerhard-Domagk-Str. 1, D-53121 Bonn.

**)CORDENKA GmbH, Industrie Center Obernburg, D-63784 Obernburg.

Literatur

  1. K. Müllen, G. Wegner, Electronic Materials: The Oligomer Approach, Wiley-VCH, Weinheim,1998.
  2. M. Wolffs, P. A. Korevaar, P. Jonkheijm, O. Henze, W. J. Feast, A. P. H., J. Schenning, E. W. Meijer, Chem. Commun. 2008, 4613.
  3. J. Porath, H. Bennich, Arch. Biochem. Biophys., Supp. 1, 1962, 152.
  4. A. M. Striegel, W. W. Yau, J. J. Kirkland, D. D. Bly, Modern Size-Exclusion Liquid Chromatography, 2nd Ed.; J. Wiley & Sons, Inc., Hoboken, 2009.
  5. D. Mössinger, S.-S. Jester, E. Sigmund, U. Müller, S. Höger, Macromolecules 2009, 42, 7974.
  6. D. Mössinger, D. Chaudhuri, T. Kudernac, S. Lei, S. De Feyter, J. M. Lupton, S. Höger, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 1410.
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