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Flash Chromatographie

von Oliver Genz

Die Flash-Chromatographie ist eine seit vielen Jahren eingesetzte, kostengünstige und bequeme Trennmethode, die in den Laboren für chemische Synthese, Pharmakokinetik und kombinatorische Chemie gerne angewendet wird. Sie ist sozusagen die „Quick-and-dirty“-Methode zur einfachen Gewinnung eines Rohextraktes, allerdings mit oft stark eingeschränkter Leistung. Was beeinflusst die Trennung? Wodurch kann man die Trenneffizienz steigern?
Was ist heute machbar? Das sind die Fragen, mit denen sich der Autor, Dr. Oliver Genz (Grace), nachfolgend auseinandersetzt.

Im Wesentlichen werden in der Flash-Chromatographie organische Substanzgemische auf Normalphasen – häufig Kieselgel – unter Anwendung geringen Drucks (meist 2–25 bar) getrennt. Das Kieselgel ist im analytischen Maßstab in Kunststoffkartuschen (4-800 g), im
präparativen Maßstab aber auch in gepackten Metallkartuschen erhältlich. Die Flash-Kartuschen werden in Systeme eingespannt, die allgemein aus Pumpe, Online-UVDetektor und Fraktionssammler bestehen und teilweise das Arbeiten mit mehreren Kartuschen parallel oder im Hochdurchsatz ermöglichen. Die Dünnschicht-Chromatographie auf Platten, die mit dem identischen Kieselgel wie in der Flash-Kartusche beschichtet sind, eignet sich als hervorragendes Detektionsverfahren, wenn die Substanzen nicht durch UV-Detektion nachweisbar sind.
Um bei annehmbaren Flussraten bzw. Analysenzeiten eine aus- reichende Trenneffizienz zu erzielen, gelangen meist Kieselgele mit einer Partikel-größenverteilung von 40-60 ?m zum Einsatz. Parameter, welche die Performance von Kieselgelen und damit auch die der Flash-Kartuschen maßgeblich beeinflussen, sind neben der Partikelgrößenverteilung die Reinheit des Kieselgels, die Poren-größenverteilung und die Packungsweise der Kartusche. Die meisten auf dem Markt befindlichen Flash-Kartuschen sind mit sehr einfach hergestellten irregulären, d. h. gebrochenen Kieselgelen gepackt. Diese Kartuschen enthalten oft Kieselgele mit hohen und schwankenden Metallionenkonzentrationen sowie großen Partikelgrößenverteilungen mit relativ hohem Feinanteil. Daraus resultiert eine nur mäßige Auflösung von komplexen Proben mit geringer Ausbeute – meist nicht mehr als 3-4 g (bei einer 40 g Kartusche). Oft muss für eine bessere Trennung eine kostenintensivere und zeitaufwändigere Trennung auf einer präparativen HPLC-Anlage durchgeführt werden.

Kieselgele mit einer kleineren und engeren Partikelgrößenverteilung weisen eine stark verbesserte Auflösung auf. Geringe Feinanteile machen sich durch reduzierten Rückdruck positiv bemerkbar. Leider ist die Partikelgrößenverteilung nicht aus der Bezeichnung der Kieselgele ersichtlich. Da die Hersteller die Partikelgröße außerdem mit unterschiedlichen Methoden messen, sind die Angaben untereinander meistens nicht einmal vergleichbar.
Metallionen, die in den meisten Flash-Kieselgelen aus dem Produktionsprozess, nämlich Vermahlen und Sichten, in teilweise recht hohen Konzentrationen enthalten sind, sind für eine Substanztrennung – je nach Applikation – nicht generell schlecht. Sie können jedoch durch unspezifische Adsorptionen eine Peakverbreiterung und Asymmetrie der Peaks erzeugen. Außerdem kann die Konzentration dieser Ionen bei der Herstellung der Kieselgele deutlichen Schwankungen unterliegen, was sich negativ auf die Reproduzierbarkeit einer Trennung auswirkt. Deswegen haben sich im Bereich der HPLC mit sphärischen Kieselgelen auch die hochreinen Säulenmaterialien durchgesetzt, weil diese vielseitiger einsetzbar sind und verlässlichere Ergebnisse hervorbringen. Durch moderne Produktionsverfahren gelingt es heute, die Metallionenkonzentration von irregulären Kieselgelen um über 50 % zu reduzieren und damit auch in der Flash- Chromatographie Trennergebnisse zu erzielen, die nahe an die von sphärischen Kieselgelen heranreichen.
Die Zugänglichkeit der Poren in einem Kieselgelpartikel und deren Größenverteilung sind zwei weitere für die Effizienz wichtige Eigenschaften. Idealerweise sollte die Morphologie der Pore einem zylindrischen Schlauch mit gleichbleibendem Durchmesser ähnlich sein. Der Durchmesser aller Poren und deren Länge sollte – ähnlich dem Partikeldurchmesser – möglichst geringe Variabilität aufweisen, um durch unterschiedlich lange Diffusionszeiten der Zielsubstanz verursachte Peakverbreiterungen zu vermeiden. Letztendlich ist auch die Packung des Kieselgels in die Kartusche von entscheidender Bedeutung. Die speziellen Eigenschaften jedes Kieselgels erfordern unterschiedliche Packmethoden (z. B. Trocken- oder Slurrypackung), um Hohlräume und Kanalbildung in der Kartusche und damit eine schlechte Auflösung infolge des Totvolumens zu vermeiden. In diesem Bereich hilft nur eine lange Erfahrung im Umgang mit Kieselgelen und permanente Qualitätskontrolle, um eine gleichbleibend hohe Effizienz der Flash-Kartuschen zu gewährleisten. Das Kieselgel der neu auf dem Markt befindlichen Grace-ResolvTM Kartuschen, basiert auf einem ultrareinen Kieselgel, das durch ein spezielles Verfahren für die Flash-Chromatographie veredelt wird. Sowohl bei der Partikelgrößenverteilung wie der Porengrößenverteilung und insbesondere der Reinheit setzen die GraceResolvTM Kartuschen Maßstäbe und erreichen Ergebnisse, die bisher in der Flash-Chromatographie nicht möglich gewesen sind.

So kann z.B. auf diesen Kartuschen oft die doppelte Menge Probe ohne Verlust der Basislinientrennung aufgegeben werden. Diese erhöhte Kapazität ermöglicht es, mehr Probe bei gleicher Kartuschengröße zu reinigen (z.B. 9,6 g gegenüber 3,8 g) bzw. bei gleicher Probenmenge kleinere, günstigere Kartuschen zu verwenden. Dementsprechend wird auch der Lösemittelverbrauch deutlich reduziert, was auch unter ökologischen Gesichtspunkten begrüßenswert ist. Das führte in Vergleichsuntersuchungen insgesamt zu Kosteneinsparungen.
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Um bei der Detektion der Proben flexibel zu sein, steht das spezielle GraceResolvTM Flash Silika auch in Form von Dünnschicht-Platten und als loses Material zur Verfügung. Die DC erfährt hier eine Renaissance: sowohl als Pilotverfahren zur Methodenentwicklung als auch zum Nachweis nicht UV-aktiver Substanzen. Die neuen GraceResolv™ Flash-Kartuschen sind das Ergebnis der jahrzehntelangen Erfahrung der Herstellung von Kieselgelen. Damit wird maximale Leistung aus den heutigen Flash-Systemen herausgeholt und zugleich oftmals eine kosten- und zeitintensive präparative HPLCTrennung überflüssig.

Foto: © Oliver Genz