NORGES TEKNISK- NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR ORGANISK KJEMI LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN I FAG SIK3038/MNK KJ 253 KROMATOGRAFI (TOTAL 91p) Onsdag 3. juni 2009 Tid: kl. 9.00-13.00 Oppgave 1. Indikér hvorvidt følgende kromatografiske metoder er i) hhv. fordelings- eller adsorpsjons-kromatografi og ii) GLC, GSC, LLC eller LSC: Kromatografisk metode i) ford./ads. ii) GLC/GSC/LLC/LSC Papirkrom. (PC) Ford. LLC Tynnskikt (TLC, silica) Ads. LSC HPLC (normal fase) Ads. LSC Gasskrom.(pakket kolonne, Stasjonær fase: silicon) Gasskrom.(kapillær kolonne, Stasjonær fase: zeolitt sieve) Ford. Ads. GLC GSC Kolonnekrom. (CC, silica) Ads. LSC (12p) Oppgave 2. Innen kromatografisk teori opererer man med begrepene/forkortelsene: k, a, t R, R S, N, N eff og H (HETP). (10p) - Hva er minimumsverdien for α og R S? α min = 1; R s, min = 0, - Hvilke av begrepene over angir kun egenskapene ved kolonna uavhengig av substansene som kromatograferes? - N og HETP - Hvilke av parametrene over kan økes for å gi en økning av R S? - α, k eller N - Hva er sammenhengen mellom k, t R og t 0? k = t R -t 0 /t 0 eller t R = t 0 (1+k)
- Hva kalles hver av disse begrepene/forkortelsene; forklar kort hva de uttrykker. k = retensjonsfaktor = kapasitetsfaktor, en retensjonsparameter, angir forholdet mlm. ant. molekyler i SF/MF; n SF /n MF, α = separasjonsfaktor, selektivitetsfaktor, realtiv retensjon; α = k 2 /k 1 ; et mål for separasjonens selektivitet (α >1) t R = retensjonstid, den tid det tar for forbindelsen å vandre gjennom kolonna, R s = oppløsningsevne (resolution) et kvantitativt mål for relativ separasjon mellom to stoffer; R s = t R2 -t R1 /0,5(t w1 +t w2 ) eller R s = ¼(α-1) N(k/1+k) N = antall teoretiske plater; et nyttig mål for kolonnas effektivitet / grad av båndspredning; N = 5,54(t R /t w 0,5 ) 2 eller N = 16(t R /t w ) 2 H = HETP = Høydeekvivalent pr. teoretisk plate, et utrykk for kolonnas effektivitet pr. lengdeenhet; H = L/N Oppgave 3. (14p) a) Hvilke tre typer gradienter kan benyttes for SFC (superkritisk fluid kromatografi)? (3p) 1) tetthets-gradient, 2) modifikator-gradient, 3) temperatur-gradient b) Hvilke tre typer forbindelser kan SFC særlig anvendes for? (3p) 1) polare forbindelser 2) termisk ustabile forbindelser 3) forbindelser med høy mw. c) Nevn fire detektorer som kan benyttes for SFC. Angi for hver av dem plassering av restriktor i forhold til detektoren. Forklar årsaken til plasseringen. (8p) 1) FID; restriktor før det. 2) ECD; restriktor før det. 3) MS; restriktor før det. 4) UV/vis-det.; restriktor etter detektor; 5) fluorescens-det.; restriktor etter detektor De tre første detektorene er GC detektorer som må opereres ved atm. trykk (eller vakuum, eks. MS). De to siste er HPLC detektorer som må opereres på en væske strøm; følgelig må det.cella være satt under arbeidstrykket for SFC.
Oppgave 4. Tegn en representativ del-struktur for: a) en typisk stasjonær fase (SF) som benyttes i RP-HPLC, b) som a), men tilsvarende end-capped SF, c) cyano eller nitril SF for HPLC, d) en typisk upolar SF for GLC, e) en medium polar SF for GLC, f) silica, g) en sterk anionebytter funksjon, h) en sterk kationebytter funksjon, i) en PEG / Carbowax SF for GLC, j) en SF brukt i normal fase HPLC. (20p) Oppgave 5. (15p) a) Hvilke ønskede egenskaper (nevn 3) bør en stasjonær fase for GLC ha? (3p) 1) lite flyktig, lavt damptrykk (for å unngå blødning) 2) inert (ikke reagere med prøven, termisk, kjemisk stabil) 3) gode løselighetsegenskaper b) Hvilke bæregasser vil egne seg for GLC analyse av propanon og propan-2-ol? (3p) - Alle vanlige bæregasser brukt for GLC vil egne seg for denne analysen; nemlig N 2, H 2 og He. c) Hvorfor egner ikke GSC seg for vanlige organisk kjemiske formål? (1p) SF = ads.middel gir for sterk ads. i forhold til flyktighet (løselighet i gass = MF); gir derfor for stor ret., t R ikke lineære ads. isotermer vanskelig å standardisere ads.midlet SF kan fungere som katalysator for uønskede reaksjoner. d) Hvorfor benyttes andre injeksjons-systemer for kapillær GC (HRGC) enn for pakkede kolonner? (3p) - Kapasiteten til en kapillær kolonne er mye mindre enn en pakket kolonne; derfor må injisert prøvemengde være mye mindre; derfor kreves spesielle injeksjons-systemer for kap.kol. e) Skissér et typiske GLC kromatogram ved bruk av hhv. en pakket og en kapillær kolonne slik at forskjellen fremkommer tydelig. Hva skyldes forskjellen? (3p) Kapillær kolonner gir nålformete skarpe, tynne topper i forhold til pakkede kolonner. Dette skyldes at kapillær kolonnene har mye større effektivitet (større N) og båndspredningen er derfor mindre. f) Hva er, generelt, fordeler og ulemper med bruk av N 2 som bæregass? (2p)
N 2 brukes ofte for pakkede kolonner; er billig, ikke brannfarlig, gir størst effektivitet, men ved lavere flow (gir lengre analysetider) enn de øvrge. Effektiviteten er mer sårbar (skarpere, smalere Van Deempter kurve) for økning i lin. bæregasshastighet enn de alternative bæregassene (H 2 og He). Oppgave 6. (20p) Kommenter følgende uttalelser med eller : Ja/Nei 1. Båndspredning er generelt et uttrykk for en kolonnes effektivitet. 2. Diastereomere derivater av enantiomere forbindelser må analyseres på en kiral GLC eller HPLC kolonne for å kunne separeres. 3. Generelt er en universell detektor mindre følsom enn en selektiv detektor. 4. En av fordelene med såkalte narrow-bore kolonner i HPLC er at høyere effektivitet kan oppnås. 5. Silica-baserte materialer kan benyttes som stasjonær fase både i ionebytter- og i gelfiltrerings kromatografi (SEC). 6. Små molekyler elueres ut før større molekyler i SEC. 7. Typisk lengde på en GLC kapillær kolonne er ca 2 m. 8. Det er en generell regel at polare forbindelser eluerer ut etter upolare forbindelser på en upolar GLC kolonne. 9. GLC kromatografering av flyktige forbindelser krever tykke filmer (d f ) av SF. 10. Tynne filmer SF i GLC har ulempen med stor grad av blødning. 11. Dersom forbindelse A eluerer ut med retensjonstid t R,A = 1,12 min og t 0 = 0.32 min, betyr det at ca 28 % av stoffet foreligger i mobil fase (MF). 12. Dersom forbindelse B eluerer ut med retensjonstid t R,B = 1,98 min og t 0 = 0.32 min, betyr det at ca 8 % av stoffet foreligger i mobil fase (MF). 13. Løseligheten til en superkritisk fluid øker med øket trykk. 14. Viskositeten til en superkritisk fluid er sammenlignbbar med en væske. 15. Tetteheten til en superkritisk fluid er sammenlignbbar med en gass. 16. Papirkromatografi er basert på adsorpsjonskromatografi. 17. En fordel med fluoresens-detektoren er høy følsomhet. 18. TCD detektoren er en selektiv detektor og særlig egnet for halogenerte forbindelser.
19. H 2 og He er generelt godt egnede gasser ved bruk av TCD detektor. 20. Analyse av en blanding av N 2 ; CO 2 og CH 4 kan utføres på en GC kolonne pakket med adsorpsjonsmateriale.