Praktikum Organische Chemie/ Trennung und Isolierung niedermolekularer organischer Verbindungen/ Trennungen durch Adsorption

Entfärben und Klären von Extrakten und Lösungen, Reinigung von Lösungsmitteln

Bei der Extraktion von Feststoffen fallen häufig trübe Lösungen an, die oft mehr oder weniger kleine Anteile von Wasser enthalten. Die Entfernung von Wasseranteilen aus Lösungen wird als "Trocknen" bezeichnet und weiter unten behandelt (Kapitel 4). Trübe Lösungen werden filtriert. Die feine Suspension, welche die Trübung verursacht, kann durch Zugabe von Filtrierhilfen leichter abgetrennt werden (Klären). Häufig verwendete Filtrierhilfen sind Cellulosepulver und Kieselgur (Diatomeenerde). Letztere besteht aus den Skeletten fossiler Kieselalgen, die aus polymerer Kieselsäure aufgebaut sind, d.h. Si-O-Si-Bindungen enthalten, und industriell von Verunreinigungen befreit werden. Im Labor wird häufig das Kieselgur-Markenprodukt Celite (geschütztes Warenzeichen) eingesetzt. Kieselgur ist resistent gegenüber den meisten Chemikalien, im Gegensatz zum Cellulosepulver, welches von stärkeren Säuren und Oxidationsmitteln angegriffen und damit unwirksam gemacht wird.

Die Ausführung kann nach zwei Methoden erfolgen:

• Einrühren

Die Lösung wird mit einer kleinen Menge Filtrierhilfsmittel wie Kieselgur oder Cellulosepulver versetzt und umgerührt. Anschließend wird die Suspension durch ein gefaltetes Papierfilter filtriert.

• Schichtfiltration

Ein Büchnertrichter (Nutsche) wird mit einem Rundfilter belegt. Man beschichtet das Papier mit dem Filtrierhilfsmittel und lässt die zu klärende Lösung vorsichtig durch die Schicht fließen. Um das Aufwirbeln der Filterschicht zu verhindern, kann man einen Glasstopfen umgekehrt auf das Filter legen und die Lösung über den Stopfen laufen lassen. Häufig wird das Filter bei dieser Prozedur verstopft werden, vor allem, wenn die Filterfläche klein ist. Um dies zu verhindern, kann man das Filtrierhilfsmittel mit dem Lösungsmittel zu einem Brei verrühren und diesen gleichmäßig auf der Filterfläche verteilen. Im Falle von Kieselgur wird empfohlen, 1 Teil mit 2 Teilen Wasser anzurühren; für 10 cm² Filterfläche rechnet man mit ca.1-2 g Kieselgur.

Entfärbung durch selektive Adsorption

Viele Extrakte enthalten farbige Begleitstoffe als Verunreinigungen. Diese lassen sich in günstigen Fällen durch Adsorption an Feststoffen entfernen. Der Adsorptionsvorgang spielt sich an der Grenzfläche zwischen einem Feststoff (Adsorbens, kurz: Sorbens) und einer Lösung (Flüssigkeit) ab. Es handelt sich um einen Gleichgewichtsprozess, bei dem Moleküle zwischen einem solvatisierten Zustand (in Lösung) und einem Zustand wechseln, in dem sie am Feststoff gebunden sind.

$\mathrm {X_{\text{solv}}\rightleftharpoons \ X_{\text{ads}}}$

Die bekannten zwischenmolekularen Wechselwirkungskräfte treten auch hier in Erscheinung. Polare Moleküle werden an polaren Sorbentien stark gebunden, oft wird dabei Wärme frei (Sorptionsenergie). Physikalisch charakterisiert man die Adsorption durch die Adsorptionsisothermen (Abb. 2-1). Man trägt auf der Ordinate die adsorbierte Substanzmenge (x_ads) in g/g Sorbens auf; auf der Abszisse wird die im Gleichgewicht (!) stehende Substanzmenge (x_mobil) in der Lösung aufgetragen.

Abb. 2-1. Lineare (A) und konvexe (B) Adsorptionsisothermen (schematisch).

Sind die aktiven Zentren der Oberfläche belegt (das Sorbens also gesättigt), so wird zusätzlich angebotene Substanz nicht mehr adsorbiert, sondern liegt in solvatisiertem Zustand vor. Die maximale Menge an adsorbierter Substanz wird durch die zu belegende wirksame Oberfläche des gewählten Feststoffs bestimmt. In der Praxis muss diese durch Vorversuche, d.h. empirisch, ermittelt werden.

Sorbentien

Als Sorbentien werden neben Cellulosepulver häufig Aktivkohle und Bleicherde verwendet. Bei Letzterer handelt es sich um ein Gemisch von Tonmineralien (Montmorillonit, Bentonit), das billig ist und daher vor allem in der Industrie genutzt wird.

Aktivkohlen werden aus Holz oder fossiler Kohle industriell hergestellt. Es gibt sie in pulverförmiger, gekörnter oder anders geformter Gestalt. Sie sind porös und haben daher eine große spezifische Oberfläche, zwischen ca. 800 und 1500 m²/g. Die Porenradien sind nicht so einheitlich wie bei den Zeolithen, sondern reichen von < 1 nm (Mikroporen) bis > 25 nm (Makroporen). Mesoporen weisen Radien von 1-25 nm auf. Durch die unterschiedlich großen Poren adsorbieren die Aktivkohlen fast jede Art von Molekülen. Das Adsorptionsvermögen der Aktivkohle hängt von der Oberfläche und der Porengröße ab, denn bei der Adsorption müssen die Moleküle in die Poren hinein diffundieren. Dies braucht seine Zeit (Geduld!). Gepulverte Kohlen lassen sich schneller beladen als gekörnte.

Kieselgel

Anders als Kieselgur ist Kieselgel ein durch einen chemischen Prozess industriell hergestelltes Adsorptionsmittel. Es hat eine wesentlich höhere innere Oberfläche als Kieselgur und wird vor allem für die Adsorption in Trennsäulen verwendet. Kieselgele tragen an ihrer Oberfläche freie Si-OH-Gruppen (Silanol-Gruppen), welche als Wasserstoffbrücken-Donoren gegenüber den zu adsorbierenden Molekülen fungieren können und dem Sorbens einen schwach sauren Charakter verleihen. Kieselgel wird meist in körniger Form verschiedener Größen eingesetzt. Die Körner sind ebenfalls porös; der mittlere Durchmesser der Poren wird meistens in Ångström-Einheiten angegeben, z.B. 60-120 Å)

Aluminiumoxide

Diese Sorbentien, oft nach dem englischen ’Alumina‘ genannt, werden ebenfalls industriell in standardisierter Form hergestellt. Neben der Korn- und Porengröße sind vor allem der Charakter und die sogenannte Aktivität des Aluminiumoxids zu beachten. Der technische Prozess, die Hydrolyse von Natriumaluminat, führt zunächst zu einem Aluminiumoxid mit basischem Charakter. Durch Nachbehandlung lassen sich auch Aluminiumoxide mit neutralem und saurem Charakter herstellen, die im Handel angeboten werden (Alumina basisch, neutral und sauer). Intensives Entwässern der Aluminiumoxide bei höherer Temperatur liefert hochaktives Aluminiumoxid (Aktivitätsstufe I oder Aktivitätsstufe Super I). Es adsorbiert geeignete Moleküle sehr stark. Daher behandelt man das hochaktive Aluminiumoxid mit definierten Mengen Wasser, wodurch es desaktiviert wird. Die Adsorptionskraft ist dann zwar geringer, aber die Adsorption ist in der Regel selektiver gegenüber verschiedenen Adsorbat-Molekülen. In der Praxis werden der Charakter und die Aktivitätsstufe von Aluminiumoxiden ermittelt, indem man Lösungen von Testfarbstoffen durch kleine Aluminiumoxid-Säulen laufen lässt. Die Farbstoffe werden selektiv adsorbiert (Aktivitätstest nach Brockmann, Versuche 2D und 2E).

Durch Adsorption können Stoffgemische oft grob aufgetrennt werden. In der Regel schließen sich jedoch Feintrennungen durch Kristallisation oder Chromatographie an. Grobe Trennungen können nach folgenden Techniken ausgeführt werden:

• Einrühr-Verfahren

Bei dieser satzweisen Methode ("Batch-Verfahren") wird das Sorbens in einmaligen Kontakt mit der Lösung gebracht. Man wartet bis sich das Adsorptionsgleichgewicht eingestellt hat; durch Erwärmen kann dies beschleunigt werden. Anschließend wird das Sorbens abfiltriert (Einrühren, "Ziehenlassen" und Abfiltrieren).

Beispiel für die Adsorption an Aktivkohle-Pulver: Gepulverte Kohle wird der zu reinigenden Lösung entweder trocken oder als Suspension im Lösungsmittel (z.B. eine 25%ige Suspension von Aktivkohle in Wasser) zugegeben. Nach ca. 30 min Rühren, möglichst unter Erwärmen (raschere Gleichgewichtseinstellung!), filtriert man. Dosierung: 0,1 bis 1 % der zu entfärbenden Lösung; Vorversuche sind zu empfehlen. Die Verwendung gepulverter Kohle wird durch Zugabe weiterer Filtrierhilfsmittel erleichtert; besonders gut hat sich Kieselgur bewährt. Um zu vermeiden, dass sehr kleine Kohlepartikel durch das Filter wandern, kann man die Lösung direkt noch mit Kieselgur versetzen oder eine Schichtfiltration (s.o.) durch Kieselgur (Celite) vornehmen.

• Adsorptive Schichtfiltration

Man schwemmt Aktivkohle mit oder ohne Kieselgur in Lösungsmittel auf, belegt damit die Filterfläche in einem Büchner-Trichter (Nutsche) möglichst gleichmäßig und filtriert die Lösung durch die vorbereitete Schicht.

• Säulenverfahren (Perkolation, Adsorptive Filtration)

Das Sorbens wird in ein Trennrohr ("Säule") aus Glas eingebracht, dessen Ende mit einem Hahn (möglichst Teflon-Ventil) versehen ist. Eine Lösung des Gemisches wird kontinuierlich auf die Säule aufgegeben, bis diese mit allen adsorbierbaren Stoffen gesättigt ist. Die mit dem Sorbens gefüllte Säule ist möglichst senkrecht aufzustellen, damit sich beim Wandern der Lösung nach unten (Perkolieren) nicht so leicht Kanäle ausbilden können.

Bei diesem Verfahren wird nur die am schwächsten adsorbierte Substanz, die deshalb "an der Front" läuft, rein erhalten. Allen anderen sind die nachfließenden Anteile der vorhergehenden Fraktionen beigemischt. Das Verfahren eignet sich zur Reinigung von rohen Naturstoffen, unreinen Industriechemikalien und Syntheseprodukten von allen stärker adsorbierbaren Verunreinigungen. Als Sorbentien werden häufig Aktivkohle in gekörnter Form sowie Aluminiumoxide und Kieselgel eingesetzt.

• Reinigung von Lösungsmitteln

Für die Reinigung von Lösungsmitteln wird in erster Linie die adsorptive Filtration durch Aluminiumoxid genutzt: Entfernen von Wasser aus aprotischen organischen Lösungsmitteln (Trocknen) durch adsorptive Filtration. Die einfachste Versuchsanordnung zur Lösungsmittelreinigung besteht aus einem Glasrohr mit einem kugelig aufgeweiteten Oberteil und einem Hahn am Ende. Knapp oberhalb des Hahns ist eine Glasfritte eingeschmolzen.

Kugelsäule zur Lösungsmittelreinigung

Hat man keine Säule mit Glasfritte, so bringt man etwas Glaswolle oder Watte in den verjüngten Unterteil der Säule und füllt diese dann mit einem entsprechenden Adsorptionsmittel, vorzugsweise hochaktivem Aluminiumoxid (basisch) der Aktivitätsstufe I oder Super I. Das Durchmesser/Längenverhältnis der Säulen soll ungefähr 1:10 bis 1:20 betragen. Die Verdunstung und Wiederaufnahme von Feuchtigkeit aus der Luft wird dadurch verhindert, dass man zwischen dem Auslauf des Hahns und dem Auffanggefäß ein geeignetes Verbindungsstück anbringt, das zum Zwecke des Druckausgleichs ein mit Calciumchlorid oder Aluminiumoxid gefülltes Trockenrohr trägt. Das Lösungsmittel, welches gereinigt werden soll, wird anfänglich tropfenweise auf die Säule gegeben, und zwar so, dass sich die Säule möglichst wenig erwärmt (Sorptionswärme!). Sobald die Lösungsmittelfront an der Säule unten angekommen ist, und die ersten Tropfen ausfließen, wird die Säule soweit gefüllt, dass ein entsprechender Flüssigkeitsspiegel sich einstellt, der dann das Lösungsmittel mit höherem Fluss durch das Bett drückt. Bei einer Säule von ungefähr 25 mm innerem Durchmesser stellt ein Durchfluss von 90 Tropfen/min eine für viele Fälle adäquate Flussgeschwindigkeit dar. Die ersten wenigen Milliliter des austretenden Lösungsmittels sollten wieder auf die Säule zurückgegeben werden: Dieser Vorlauf enthält wegen der frei werdenden Adsorptionswärme meist etwas weniger reines Lösungsmittel als die nachfolgenden Volumina. Je nach Polarität und Art der Verunreinigungen ist die nun nachfolgende Solvensfraktion sehr rein. Ihr Volumen hat für die verwendete Säule eine dem Lösungsmittel spezifische Größe. Niedrig siedende polare Lösungsmittel lassen üblicherweise eine höhere, stärker polare Lösungsmittel eine niedrigere Kapazität der eingesetzten Säule erwarten. Lösungsmittel, die auf diese Art gereinigt werden, sind sowohl frei von gefärbten Verunreinigungen als auch trocken ("absolut"). In vielen Fällen ist es sehr leicht, die Belastung der Säule festzustellen, denn die Verunreinigungen konzentrieren sich anfänglich am Säulenkopf. Sie bilden einen gelben bis dunkelbraun gefärbten Ring (Zone). Dieser Ring wird durch die ebenfalls aufgenommene Feuchtigkeit langsam verdrängt und wandert in der Säule nach unten. Sobald diese Zone am Säulenausgang angekommen ist, ist die Säule "erschöpft". Es ist zweckmäßig, schon dann mit der Perkolation aufzuhören, wenn die dunkle Zone noch etwa 1 bis 2 cm über dem Säulenausgang steht.

Neben Verunreinigungen im Lösungsmittel wird auch Wasser vom Adsorbens gebunden. Feuchte Lösungsmittel können mit dieser Methode getrocknet werden. So kann der Wassergehalt von wassergesättigtem Diethylether (1,28 Gewichtsprozent H₂O) durch adsorptive Filtration über basisches Aluminiumoxid der Aktivitätsstufe I auf 0,01% reduziert werden. Aus wassergesättigtem Chloroform (0,09% H₂O) erhielt man das Solvens mit 0,005% Restwassergehalt.

Die adsorptive Filtration ist für die Reinigung einiger aprotischer Lösungsmittel, vor allem von Kohlenwasserstoffen und Chlorkohlenwasserstoffen, im Laborbereich relativ einfach und wirtschaftlich. Die auf diese Weise hergestellten hochreinen Solventien sind besonders wertvoll, da man festgestellt hat, dass gewisse marktübliche, als "rein" deklarierte Lösungsmittel weniger stabil sind und leichter der Autoxidation unterliegen. Durch öfteres Öffnen des Vorratsgefäßes werden wieder Verunreinigungen aus der Umgebungsluft aufgenommen. Reinigt man die Lösungsmittel durch adsorptive Filtration selbst, so kann man sich auf die sofort zu verarbeitenden Mengen beschränken und hat stets die Vorteile eines frisch bereiteten Solvens. Wenn man die adsorptive Filtration von Lösungsmitteln durch aktive Aluminiumoxide mit den althergebrachten Trocknungsmethoden vergleicht, so hat die Adsorptionsmethode erhebliche Vorteile: Die verwendete Apparatur ist billig, und der Zeitaufwand für die Reinigung ist gering, sofern es sich um kleinere Lösungsmittelmengen handelt. Sehr oft sogar ist die Reinheit höher und der Restwassergehalt geringer als nach einer Lösungsmittelreinigung üblicher Art, die meistens zeitaufwendige Heiz- und Rückflussprozesse, so z.B. über Alkalimetallen (Natrium) oder Erdalkalioxiden, und nachfolgende Destillationen notwendig machen. Für Biowissenschaftler(innen) kann diese Reinigung kleinerer Mengen organischer Lösungsmittel nützlich sein, wenn diese für die Dünnschichtchromatographie (Kap. 5), Säulenchromatographie (Kap. 8), HPLC und für die Photometrie sowie Spektroskopie (UV/VIS) benötigt werden. So lässt sich "spektralreines" Hexan oder Cyclohexan auf einfache Weise herstellen.

Aber nicht alle Lösungsmittel können durch adsorptive Filtration gereinigt werden. Einige Lösungsmittel werden beim Perkolieren durch hochaktives basisches Aluminiumoxid teilweise zersetzt, wie z.B. Essigsäureester. Aceton erleidet eine Aldolreaktion (Bildung von "Diacetonalkohol"). Protonische Lösungsmittel, z. B. Alkohole, werden naturgemäß selbst stark adsorbiert und können daher so nicht getrocknet oder gereinigt werden.

• Reinigung spezieller Lösungsmittel

Aktive Aluminiumoxide trocknen nicht nur Flüssigkeiten, sondern sie entfernen aus ihnen weitere polare Verbindungen, die als Verunreinigungen oder Stabilisatoren darin enthalten sein können.

• Entfernen von Peroxiden im Diethylether

Bekanntlich werden beim Stehen des Ethers an der Luft durch Autoxidation Hydroperoxide gebildet. Diese sind polarer als Ether, werden daher von basischem Aluminiumoxid selektiv adsorbiert und so aus dem Solvens entfernt.

• Entfernung von Alkohol aus Dichlormethan (Methylenchlorid) und Chloroform

Um diese Chlorkohlenwasserstoffe lagerbeständig zu machen, wird zur Stabilisierung meistens etwas Ethanol zugesetzt. Stört dies bei Versuchen, kann es leicht durch adsorptive Filtration über basisches Aluminiumoxid entfernt werden.

• Gewinnung des adsorbierten Stoffes durch Desorption

Durch Behandeln mit polareren Solventien, z.B. Alkoholen, können in vielen Fällen adsorbierte Moleküle, d.h. Stoffe, vom Sorbens wieder "abgelöst" werden. Auf diese Weise lassen sich ebenfalls Reinigungen oder zumindest Anreicherungen erzielen. Ein die Glassäule umgebender Kühlmantel (Wasserkühlung) kann die Erwärmung verhindern, macht die Apparatur jedoch aufwendiger, so dass meistens darauf verzichtet wird.

Literatur

• Gerhard Hesse, Chromatographisches Praktikum, 2. Aufl., Akademische Verlagsgesellschaft, Frankfurt am Main, 1972.
• Informationsschrift E. Merck AG, Darmstadt.
• Chromatographie mit Aluminiumoxyden "WOELM", 2. Aufl., Woelm-Mitteilungen AL 7, M. Woelm, Eschwege, 1958.

Versuche

• Aktivitätstest nach Brockmann und Schodder
• Adsorptive Filtration von unreinem Anthracen