Retention und Polarität an Normal- und Umkehrphasen
Wie die Polarität von Analyt, Sorbens und Fließmittel die Lage der Flecken an Kieselgel und an RP-Phasen bestimmt und wie man Reihenfolgen aus Strukturformeln vorhersagt.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Retention an Normal- und Umkehrphasen folgt der Polarität: Ein Analyt hält sich bevorzugt in der Phase auf, die ihm in der Polarität ähnelt.
- An Kieselgel hat eine polarere Substanz einen kleineren \(R_f\), ein polareres Fließmittel erhöht alle \(R_f\)-Werte.
- Der Retentionsbeitrag an Kieselgel steigt etwa von Methyl über Halogene, Nitril, Nitro, Hydroxy und Amino bis Carboxy. Bei gleichen polaren Gruppen trennt der unpolare Molekülteil.
- Salicylsäure läuft tiefer als Diflunisal, Gallussäure tiefer als Propylgallat. Mit Ethanol/Toluen gilt Estriol < Progesteron < Pregnan, und Hydrocortisonacetat ist weniger polar als Hydrocortison.
- In der RP-DC steigt der \(R_f\) mit der Polarität des Analyten und sinkt mit polarerem Fließmittel und längerer Alkylkette. Methyl- und Ethylparaben trennen sich an RP-18 mit Methanol-Wasser-Essigsäure.
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Worum es geht
Ob ein Fleck auf der DC-Platte nahe am Start oder nahe an der Front liegt, hängt von der Polarität ab. Sie betrifft den Analyten, das Sorbens und das Fließmittel. Wer die funktionellen Gruppen eines Arzneistoffs lesen kann, sagt die Reihenfolge der Flecken vorher, etwa bei Steroiden oder Gallaten.
Polarität und \(R_f\) an Kieselgel
Kieselgel ist eine polare Normalphase. Seine Oberfläche trägt viele Silanolgruppen (\(\ce{Si-OH}\)). Polare Analyten binden über Wasserstoffbrücken und Dipolkräfte an diese Gruppen. Sie halten sich länger an der Schicht auf und wandern langsamer. Ihr \(R_f\)-Wert ist deshalb klein. Je unpolarer eine Substanz ist, desto höher steigt ihr \(R_f\).
Das Fließmittel konkurriert mit den Analyten um dieselben Silanolgruppen. Ein polareres Fließmittel besetzt sie stärker und verdrängt die Analyten. Alle Flecken wandern dann höher. Mit einem unpolareren Fließmittel sinken die \(R_f\)-Werte. Wie man Gemische gezielt einstellt, zeigt die Seite zu Fließmitteln und Zusätzen.
Die Richtung der \(R_f\)-Änderung an Kieselgel wird im Examen gerne gefragt: Eine polarere Substanz hat einen kleineren \(R_f\), ein polareres Fließmittel führt zu größeren \(R_f\)-Werten. Achte darauf, ob nach der Polarität des Analyten oder des Fließmittels gefragt ist.
Funktionelle Gruppen
Wie stark ein Molekül an Kieselgel haftet, hängt vor allem an seinen funktionellen Gruppen. Gruppen, die Wasserstoffbrücken bilden oder Protonen abgeben, binden am stärksten an die Silanolgruppen.
Der Anteil, den eine einzelne funktionelle Gruppe zur Haftung eines Moleküls an der stationären Phase beiträgt. An Kieselgel wächst er mit der Fähigkeit der Gruppe zu Wasserstoffbrücken und Dipolwechselwirkungen.
Für Kieselgel mit einem unpolaren Fließmittel wie n-Pentan ergibt sich etwa diese Reihenfolge:
| Gruppe | Wechselwirkung mit \(\ce{Si-OH}\) | Retention |
|---|---|---|
| Methyl \(\ce{-CH3}\) | nur Van-der-Waals-Kräfte | sehr schwach |
| Fluor, Chlor | schwacher Dipol | schwach |
| Nitril \(\ce{-CN}\), dann Nitro \(\ce{-NO2}\) | starker Dipol, H-Brücken-Akzeptor | mittel |
| Hydroxy \(\ce{-OH}\) | H-Brücken-Donor und -Akzeptor | stark |
| Amino \(\ce{-NH2}\) | H-Brücken, basisch | stärker |
| Carboxy \(\ce{-COOH}\) | H-Brücken, sauer | am stärksten |
Die polaren Gruppen legen die grobe Reihenfolge fest, aber nicht allein. Tragen zwei Stoffe dieselben polaren Gruppen, entscheidet der unpolare Molekülteil. Ein großer lipophiler Rest schwächt die Haftung insgesamt und hebt den \(R_f\). Man kann ihn sich wie einen Schwimmring vorstellen, der das Molekül vom polaren Untergrund weg ins Fließmittel zieht. So lassen sich auch Stoffe mit gleichen polaren Gruppen trennen.
Arzneistoffe im Vergleich
Mit diesen Regeln liest man Reihenfolgen direkt aus Strukturformeln ab. Salicylsäure und Diflunisal tragen beide eine Carboxy- und eine Hydroxygruppe am selben Ring. Diflunisal hat zusätzlich einen lipophilen Difluorphenylrest. Er verringert die Retention, Diflunisal läuft höher. Salicylsäure hat also den kleineren \(R_f\).
Bei Gallussäure und Propylgallat liegt der Unterschied an der Carboxygruppe. Im Propylgallat ist sie mit Propanol verestert. Die stark haftende freie Säure fehlt, dazu kommt eine Propylkette. Propylgallat hat deshalb den höheren \(R_f\).
Steroide teilen ein unpolares Grundgerüst. Ihre Polarität hängt daher fast nur an den Substituenten. Mit Ethanol/Toluen an Kieselgel bleibt Estriol mit drei OH-Gruppen am tiefsten. Progesteron mit zwei Ketogruppen läuft in der Mitte. Das unfunktionalisierte Pregnan wandert am höchsten.
Auch hier wirkt die Veresterung: Hydrocortisonacetat trägt an C-21 einen Acetylester statt der freien OH-Gruppe. Es ist weniger polar als Hydrocortison und läuft an Kieselgel höher. Wie das Arzneibuch solche Paare prüft, steht unter DC-Prüfungen nach Arzneibuch.
Für jede Strukturformel hilft dasselbe Vorgehen:
- Polare Gruppen finden: Carboxy, Amino, Hydroxy, Keto und Ester markieren.
- Gewichten: Freie Säure und OH zählen mehr als Ester oder Keto. Die Anzahl zählt mit.
- Unpolare Reste vergleichen: Bei gleichen polaren Gruppen hebt der größere lipophile Rest den \(R_f\).
- Phase berücksichtigen: An Kieselgel läuft der polarere Stoff tiefer, an RP-Phasen höher.
Ein deutlicher Polaritätsunterschied wie zwischen Hydrocortison und seinem Ester genügt für eine Trennung an Kieselgel. Ebenso eignet sich eine Umkehrphase, nur kehrt sich dort die Reihenfolge um.
Umkehrphasen-DC
In der Umkehrphasen-DC (RP-DC) trägt das Kieselgel chemisch gebundene Alkylketten, etwa \(C_8\) (RP-8) oder \(C_{18}\) (RP-18). Die stationäre Phase ist nun unpolar, das Fließmittel polar, meist Methanol-Wasser. Polare Analyten bleiben lieber im Fließmittel und wandern weit. In der RP-DC steigt der \(R_f\) daher mit der Polarität des Analyten.
Auch die Fließmittelregel dreht sich. Mehr Wasser macht das Fließmittel polarer und für lipophile Analyten ungünstiger. Sie ziehen sich stärker in die Alkylschicht zurück, die \(R_f\)-Werte sinken. Längere Alkylketten verstärken die hydrophoben Wechselwirkungen. An RP-18 liegen die \(R_f\)-Werte deshalb tiefer als an RP-8.
| Merkmal | Kieselgel (Normalphase) | RP-18 (Umkehrphase) |
|---|---|---|
| Stationäre Phase | polar, \(\ce{Si-OH}\) | unpolar, \(C_{18}\)-Ketten |
| Polarerer Analyt | kleinerer \(R_f\) | größerer \(R_f\) |
| Polareres Fließmittel | größere \(R_f\) | kleinere \(R_f\) |
| Längere Alkylkette | entfällt | kleinere \(R_f\) |
Methyl- und Ethylparaben unterscheiden sich nur um eine \(\ce{CH2}\)-Gruppe. An RP-18 mit Methanol-Wasser-Essigsäure lassen sie sich trotzdem trennen. Ethylparaben ist etwas lipophiler, wird stärker festgehalten und läuft tiefer als Methylparaben.
Gleiches hält Gleiches fest: Polares bleibt am Kieselgel, Lipophiles an der Alkylkette. Wer die Phase kennt, kennt die Reihenfolge.
Dieselben Prinzipien gelten für Normal- und Umkehrphasen in der HPLC.
Quiz
Aussage 1
Diflunisal zeigt in der Normalphasen-DC an Kieselgel einen kleineren \(R_f\)-Wert als Salicylsäure.
Der lipophile Difluorphenylrest verringert die Retention von Diflunisal. Diflunisal läuft höher, Salicylsäure hat den kleineren \(R_f\).
Aussage 2
An Kieselgel mit Ethanol/Toluen bleibt Estriol am tiefsten, während das unfunktionalisierte Pregnan am höchsten wandert.
Estriol trägt drei OH-Gruppen und ist am polarsten, Pregnan hat keine polare Gruppe. Progesteron mit zwei Ketogruppen liegt dazwischen.
Aussage 3
An Kieselgel mit n-Pentan hält ein Chlorsubstituent ein Molekül stärker zurück als eine primäre Aminogruppe.
Die Aminogruppe bildet Wasserstoffbrücken und ist basisch. Sie retiniert deutlich stärker als ein schwach polarer Chlorsubstituent.
Aussage 4
In der RP-DC sinken die \(R_f\)-Werte, wenn man den Wasseranteil im Methanol-Wasser-Fließmittel erhöht.
Mehr Wasser macht das Fließmittel polarer. Lipophile Analyten ziehen sich stärker in die Alkylschicht zurück, die \(R_f\)-Werte sinken.
Aussage 5
Erhöht man an Kieselgel die Polarität des Fließmittels, wandern die Analyten weiter und ihre \(R_f\)-Werte steigen.
Polare Fließmittelmoleküle besetzen die Silanolgruppen und verdrängen die Analyten. Dadurch steigen alle \(R_f\)-Werte.
Aussage 6
Wechselt man in der RP-DC von einer RP-8- zu einer RP-18-Phase, steigen die \(R_f\)-Werte der Analyten.
Längere Alkylketten verstärken die hydrophoben Wechselwirkungen. An RP-18 sind die \(R_f\)-Werte daher kleiner als an RP-8.
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