Das gelchromatographische trennverhalten von polystyrolgel für kohlenwasserstoffe, amine und phenole

JOURNAL .OF CHROMATOGRAPHY

299

5879 ,‘. , ;. .‘,1. ,: .,, D&5 ~kELCH’kOMATOGRAI?I-IISCWE TRENN,VERHALTkN ;6N POLYSTYROLGEL I+oR KOHLENWASSERST0FFE, ,AMINE UND PI-IENOLE’ ’ ’ CEIROM;

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PRA~TIONIERUNG +GARETTE~RAu~-x~NDE~S~T,

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Sepfations of cab and pevi-condensed,aromatic pydrocarbons; 1of,: atkanes, alken&; 1phenbls, afbmatic :am’ines; ,N-heterocycles;..:terpenes! and 921,tty ,:acid; esters -were: achieved.,on a: colunin!with .,tliei polystyrene0 g&l;Bio-,Beads : SX-8 in:-.tetrihydro-’ fur-an: .A molecular sieving effect’ was’ the :predominantftictor in the separation;> In addition, the separation was influenced by interactions ,with- theT:gel,imatrix or reactions with the solvent, depending on the structure of the compounds. The loading capacity was determined by the use of radioactive-labelled compounds. A fraction of cigarette smoke condensate ‘was separated into three subfractions; :one of them containing polycyclic aromatic hydrocarbons composed of up to six rings. ,,.:.

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.,(.Die Trennleistung der ,Gel-Permeationschromatographie (GPG) ist ‘in ..neuerer Zeit- tierstlrkt i,ur Trennung kleinerer ‘“Molektile fherangezogen worden.: uber : prfiparative YAnwendungen rbei der,, &uftrennung :komplexer. Stoffgemi.sche :vonI~.iAminen, Phenolen, aliphatischen un’d polyzyklischen aromatischen JWhlenw~sse~stoffen ; ist bis]!$ ]&joch q,&ni& bet-&t& word&, .; j .,i : 1 :’,;.‘,, ,: ‘-. : : ‘, i : ‘i I) I ! ; -:, ; : ,; .:.;. (1’j I,.1J,, .J1~:), 1::$Vahl,;des Ge)tr%~ers und~des~Lijsungsniittels baben:neben.strukturellen~Eigenschafteri der Substanzen entscheiden’den Einfluss darauf, ob Molekularsieb- oderA& &rptio’nseflekte .das ~Trennprinzip~:~vorwiegend~ :beeinflussenii’, So :rkijrinen;! 2%. die ,.

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forencc,, Louisville,

Ky., V.S.A,‘, ‘6-8.

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N.-J’. KLIMISCX, Da REESE

390

biologisch wirksamen polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAW) nach zwei unterschiedlichen Prinzipien aufgetrennt werden : (I) in der Reihenfolge zunehmender Ringg&sse i’ die ‘Trennung ‘,erfolgt in stark. polaren’ Lasungsmittdln unter Elektronenwechselwirkungen ‘mit dem GeltrBge+? ; : (2) sin der .Reihenfolge, abnehmender Ringgrijsse : die Trennung erfolgt in weniger polaren LBsungsmitte1.n nach gelchromatographischem Prinzip2J. Wir suchten nach einem Trennsystem, dssdie genannten,Substanzklassen .und insbesondere ,d,ie PAH vorwiegend .nach Prinzip 2 gelchromatographisch auftrennt. EDSTROM 'UND PE?RO~ ‘haben eine Reihe PAN: mit einer Styragel-Saule untersucht. An Stelle von Styragel verwandten wir ein weniger Starr vernetztes Polystyrol, RioBeads SX-8, das in Tetrahydrofuran (THF) als Lijsungsmittel einen htiheren Quellfaktor und damit ein grgsseres Separationsvolume~~&esitzt. Urn’ das Trennverhalten des Systems kennenzulernen, testeten wir ‘in der vorliegenderi Arbeit die %i.ule zun%chst mit 43 Subsfanzen verschiedener Verbindungsklas’sen. Die so gewonnenen Ergebnisse Ubertrugen wir anschliessend auf die pr¶tive Fraktionierung einer Cigarettenrauchkondensatfraktionfi, die neben PAH ei.ne Vielzahl anderer Verbindungen wie Paraffine; N-Heterozyklen, Terpene und Pigmentstoffe enth<. Urn Beziehungen zwischen der chemischen Zusammensetzung von Cigarettenrauchkondensat und dessen biologischer Aktivitst an der Mtiusehaut nachtieisen iu dk. w+amen ~ Sub: l+men,,, ,,wjy$~, ,.&laqg ~~l$-ei~~~,, Yqsuc$ .; .$ter,yqmen, .“, ,.,s:an.zen:.in ein,er ~m’rj~ii~~.st kleinen Fraktion a~,@eichern, ,In let++ Zeit &i&ff+it~ hcki~B

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matdgraphischen, :‘Srennsystemen .ein. Verlust an .biologischer Aktivitat durch che~mische~Ver&nderung des Kondensatesoder, durch:irreversible ,Absorption am Tr&ger-, m&torial~eirigeti-&en: sein,,k6mite ?s;..Daher wurde ,die;GPC,! deren Trennleistung’vor‘wiegend, auf Ausschlusseffekten und weniger auf ;Adsorptionswirkungen .beruht, zur ‘:, :, :. ,; ,?, .: .) weit’eren, ;i;raktionierung angewandt,. I .‘:.: ; ‘.,. ,_‘,i i :‘,.,a , .,: .,‘.( ;’

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SX-8, 200-400 mesh (Bio-Rad Laboratories), Ausschlussgrenze 1000, wurde in THF (frisch tiber KOH destilliert und unter Stickstoffbegasung,,gehalten) gequollen. ““: :‘:.Q::: .:I1 t, i !, : ,, ; . ‘!: ,, : . , .,,,,,; ;. , i I . Ais, Detektoren wurden tin Spektralphototieter PMQ:II @a.: Zeiss) mit, Durch? I ,fluss~Uvc~teF~u~d~~d~‘. ~Differentialrefraktometer :Lami,dur (:W,inopal-Forsckung) eifi-, ,::i,.‘,‘:;:,2,:, :,:,,i ,, ,. ,;: ..: ‘1 ,+.: 1~1,::.,>: i ,:, !F...2 l,T,,.,,, ;:.:; :‘::, I: :;,! ;:,.,: ~~:.,i.: ; :&es&j++ :.)::!:‘~.:‘i.:.;,:;,,.~:;:i~~.T,, .,,;:?.., .‘i:‘~Die~~S~ulen~..‘:uuurden.:;~it : ridioaktiv-markierten ‘ Substanzen ,geeicht; die, :;imi :‘I., .‘,’ .,‘:;,. II. .:’ ,,yl$asigkelts-Scintillator *Ansitron’ II (PicfcerYYyuclear) vermessen wurden. . c;i,.:.I:: ‘. .,,sr;.:),,,,..I:.I,, A,,:, .I 9: ,!, Bio-Beads

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GPC-

VON

KOI-ILENWASSERSTOFFEN,

AMINEN

UND

3.01

PRENOLEN

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zlon Testsubstanzeh Zur Priifung des TrennvermBgens der S&ule bestimmten wir das Elutionsvolumen (V,) der in Tabelle I genannten Substanzen, die gel&t in TWF nacheinander aufgetragen und eluiert wurden,

Tre~nucrltalten

BcJastbar&it

Die Belastbarkeit der SBulen wurde auf zwei Rrten bestimmt : (I) das Elutionsvolumen (V,) der Eichsubstanz I,z,5,6-Dibenzanthracen wurde allein und ‘unter Zusatz von steigenden Mengen Naphthalin als Belastsubstanq ermittelt ; (2) die Elutionsvolumina (V,) der Lijsungen von [g-W]Anthracen bzw. [3H]Benzo[a]pyren in je 10 ml THF wurden einzeln und unter Zusatz von.4 g Hexanfraktion VII eines . Ci.garettenrauchkondensa.tesa gemessen. F~alztionierzcng

van Ci~aratte~zmz~clzIzoutde?zsat

Als Eichstandard wurde x,2,5,6-Dibenzanthracen, gel&t in THF, aufgetragen und der Beginn der Elution von der Saule a’ mit ‘925 ml bestimmt. Dies& Eichwert wurde jeweils als Fraktionierungsschnitt, festgelegt. Danach wurde die ’ SWle mit einer 50 o/o Lijsung von 4.2 “g Hexanfraktion VIP in THF auf die S&ule gegeben. ,Mit einem Schnitt bei gz3 ml und einem Endvolumen von i300 ml wurd.en. zwei I?r,aktionen eluiert und die, Ausbeuten nach dem :Einengen gravimetrisch :bestimr& Die zweite Schnittfraktion wurde ‘noch zweimal als 50% Liisung in TEE17unter gleichen I ,,, . Bedingungen aufgetrennt uncl die Ausbeuten ermittelt’. ,. 8 ,‘,, .:‘.

. ERGEBNISSE

UND

DISKUSSION

Das ausgew5hlte Trennsystem Bio-Beads SX-8/&D? sollte die gem&ten Inhaltsstof~e des Cigarettenrauchkondensates nach gelchromatographischen Prin: ThlsELLE BLUTION

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H.-J. ICLIUISCH, D. REESE

302 TABHLLE

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Substanz

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302 252

-

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228

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Benzo[~,h,i]pcrylcn

I>efy+n

Mctirjl-kata-Aromaten Toluol I-Mcthylnnphth,zlin g-Mcthylanthraccn

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202

219

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105.6 141.9 162.G

263 259 249

IOG 156

ZOG

120.5 153*1

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253 249 239 ,

93 143 193

91.8 i4f.5 241 ;h

238, 230 225

142

79 129 179 279

80 118.0 -

270 261 251 234

CaTbnzol Dibenzo[a,p]ctirbazol

16.7 267

151.5 -

230 215

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Pyridin Chinolin Acridin Di,benx[aJt]il,acriclin

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Symbol

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271 266 261

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234 228 214 200

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GPC

VON

KOHLENWASSERSTOPFEN,

AMINEN

UND

PHENOLEN

303

I

Fig. I~ &og ~olecplarg&i& vi. Eiutionsvol&nen von Tcstsubsttlnzcn de; T&elle I. x (Kurvo A (Kurvo IV). = j!& I) = Alkane ; ‘0 (Ktirvc, II)’ S’ Alkend: q (Kurve III) -4 I&a-Aroms,tcn; ,’ .‘;. Aromaten; .O (Kurve, V) = kala-jwi-Aromsctcn. : . Fig; 2. Log Mdlvoluticn ZJS.Eltitiorisvolumc~ ‘v&n T&tsubst&nzon cler Tabellc I. x (Kurve I) 1 Alkane; 0 (Kurvc II) = Alkcnc; I (Kurvc III) = izala-Aromatcn ; A (Kurvc IV) = +evihromicten; 0 (Kurve V) = Izada-@vi-Aromaten.

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Molckulctrgcwicht vs;~.Elutionsvolumen von l &stsubstanzon’ der ,Tabollo; I. q (Kurvei VI.1) rd, &hyl-kqld-i III) ‘A’ Izala&hromntcn ; *. (KurGo VI) = .Methyl-kala-Aromrctcn;‘: 0: (Kuryo I,’ I- ., ,;.. : ,;. ‘I..: (1 ,, ,,‘,,,’ I:, ,‘) ,, P’,‘. ,. a, :*,. :/ ,;I $:.:I ) ,I ,, i ] ).,;.-‘L_’ Aromntcn,

304

H.-J.

I
13: REISE

einen zu hijlzeren Elutionsvolumina verschobenen Kurvenvcrlauf. Ahnlich ‘den Befunden an quervernetztem Dextran als Geltr2i.ger” diirften such hier energetische Wechselwirkungen an der Matrix fur eine VerzBgerung der Elution verantwcrtli,chsein. Ftir eine solche Annahme sprechen die Untersuchungen an Methyl- (Kur,ve VI) und ,Atkyl-Aromaten (Kurve VII), die in Fig. 3 in Relation zum unsubstituierten Aromsten dargestellt worden sind. Beide Beziehungen nghern sic11 wieder mehr cler Alkanfunktion, was einer Verminderung energetischer Wechselwirkungen unter dem Einfluss .einer Alkylkette entspricht. Pevi-kondensierte Aromaten (Kurve IV, Fig. I, 2) unterliegen wie in anderen Trennsystemeno dem tiberwiegenden Einfluss energetischer gegentiber geometrischen Faktoren. Der Kurvenverlauf zeigt daher einen Anstieg des Elutionsvolumens mit zunehmendem Molekulargewicht bzw. Molvolumen. Dei Verbindungen mit kataund peri-Kondensation ergibt sich bei den ausgewahlten Beispielen (Kurve V, Fig. ,x,.2) ein zunehmender Einfluss des fieri-Strukturtyps, gekennzeichnet durch eine Krummung,der Kurve von der Izata- zur $c+Funktion. Im Vergl,eich zu den unsubstituierten Aromaten liegt das Elutionsvolumen der:,Phenole”(Kurve ,VIII, Fig, 4). zu niedrig und zeigt keine linearen ZusammenhLnge;~~Ahnliche Beobachtungen sind in der LiteraturloJr bei Alkoholen, aliphatischen ,Arninen_und C,arbon&uren beschrieben worden Der ,Grund liegt in der Au%.-, bildung’ Gon..As~oziationsl;omplexen durch ..Wasserstoff brtickenbindung der: Phenole: mit dem Lijsungsmittel THE. Damit vergrijssert sich, das Molvolumen. qtihlt man dem :%Idlvolumen der phenolischen Verbindung je nach Anzahl der, : Phenolfunktipn: .’ i ,a:

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das &ache’ Moivolunien des THP’s hinzu, so ‘liegen die’ Werte (Kurve VIII; Fig; 4) in der ,N&he der ,zugrundeliegenden Aromatenkurve; Dieselbe’-‘Erkl%rung~ gilt such : fiir die aromatischen Amine (Kurve 1X;~Fig. 4) mid’ fur N-Heterozyklen .des CarbaA. zoltypes (Kurve X;.Fig.’ 5),: die nach’ Korrektur lihrer ‘Molvolumina ‘bzw;“Molekularge’wichte in, der N&he der Kurven: Lfiir Aromatenstrukturen (Kurve 111) bzw; NHe\erbzjlklcn (Ku&e XI.; 3C;i~;,~)‘lieg;en;‘.,““:,-,, ,a ,‘n. ‘. -a,:’ :’ .’ c’,!‘., ; ,,, ;_ : ; ’ ” : Die Kurven ‘der ,N-Heterozyklen ‘(XI)‘,und der Alkylaroinaten (VE, VII) sind’ inr Vergleicli ,zu den tihhlich kondensierten li&&Arotiaten alle in Richtung;.zu den_. Wahrscheinlich %erden’~‘niit abnehmend., Alkanen (Kurve ,I) “parallelverschoben”. aromatischem Charakter au& hier~die”Einfltis& energetischer :Wechsdlwirkunge’n zum Geltrgger und damit ‘die Ufiterschiede: zu den Alkanen”geringer.’ ‘Testuntersuchungen’ van’ l Terpenen ( und ‘Petts&ureestern (Tabelle I) zeigen in 1der, Beziehurig ; ‘Elutionsvdlumen/Molekulargewicliti keine Unterschiede zu Alkanen,” !: e’ 1’ :r /., i’: I.. ( ,.i.;,‘J’ s ‘, :’ ,Das Systeti ,Bi&Beads SX-B/TH,F ‘trennt ! also :.die. in der 5Cigarettenrauchk; kondensat-Hetianfraktion, VII lnachgewiesehen Substanzgruppen -irorwiegeiid nach gelchrdmatogra$iischen Rrinzipien, wobei energetische’~Wechselivirkungen’ ‘beteiligt sein’ k&men. :Es wurcle ‘zur’ ,weiteren ,Auftrennung einer Kon’densatfraktion heran-’ ,. .,; b /’ ,: ., ,,I,, ,#. ,; gezogen;, :: .I “., ,:I,. .I, .’ ,: ,‘! .’ ! ::. .; : I’ Untersuchungen bei der Umstellung ,‘auf den : ,prZi$arativen Masstab galten ‘der Belastbarkeit ides Stiulensystems. Dabei zeigte es sich; dass sic11 das ~j3lut~omdMmti von ,1:,2,5.,G-Dibenzanthracen (Tabelle ~II) bei, ‘der Zugabe van’ ,:‘. ‘I ,. (,; ‘8 .,, :,’ ,. ., ,I_, : 1’. ,... a_!‘. ‘I’ I! :, ,o’ (,.,I ,’ :,,:.. * 1 : ‘Entscheidende

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H.-J.

KLIMISCR,

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REESE

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Naphthalin nicht jinderte. ‘Die Konstanz im Elutionsvolumen blicb such dann erhalten, wenn die Siule~bmit 4 g der Cigarettenrauchkondensatfraktion belastet war. Wie, ‘die Elutionstierte in Tabelle III’zeigen, schwanken die Werte fur den Elutionsbeginn oder das Elutionsmaximum, von [%I]Benzo[a]pyren und [gJ%]Anthracen mit und ohne Kondensatbelastung urn’ c)l-g8°/0. Die, Stiule dtirfte ,also noch ~Idlier I belastbar sein. Aus der, aufgetragenen Kondensatmenge errechnet sich’ eine Belast~ barkeit van 7 mg,Substanz auf I g Trockengel. Im Vergleich zu adsorptionschromato-,, graphischen Trennverfahren ist diese hohe Konstanz im Elutionsvolumen einer Subst~na charakteristisch fur das gelchromatographische .Trennprinzip und durch die damit gegebene hohe Reproduzierbarkeit von grossem Vorteil ftir die Fraktionierung von komplexen Stoffgemischen wie Cigarettenrauchkondensat. Ziel der anschliessenden Auftrennung einer Cigarettenrauchkondcnsatfraktion sol1te:e.s se& eine:Trennung unter J3ezug auf :d@ biologisch aktiven. PAR .so festzu: legen, d+ss;, PAW bis zu; einem ,katc+Kondensationsgrad van,, sechs Ringen von Sub-. , .. .,., stanzen. .mit &$sserem .Molvolumen abgetrennt werden’. ., ; . :.: j Als:.:Kichsubstan,z ,der 6rRingYPAH,. die .das kleinste, Elutionsvolumen ,,zeigte, verwandten svir :I j2j5;6-Dibenzanthracen,~ Auf Grund .der nachgewiesenen, Konstanz im &&onsvohmien such bei Kondensatbelastung bestimmten ,‘wir den, Beginn. ,der Eluti$n ;;dieser; Testsubst,anz :mit 925 ,ml und legten, mit; .diesem; Wert, ,.die Schnittgrenze,:!d$r :beg,den:Fraktionen .fest, -Nach 1300 ,ml ist h..eine Verbesserung ,der. .Trennung erbrachte, blieb das -VerhBltnis beim. d&ten ,,Ma1 fast. gleich. Dass bei der nachgewiesenen Konstanz im Elutionsvolumen iiberhaupt noch, eine; :Nachtrennung erfolgt; liegt: :wahrscheinlich an:, einem: reduzierten Trennverrn6gen. +‘on,: Substanzen &it.: gresserem ,;Molvolum.en,. Mit : abnehmendem .Diff usions-: koeffizienten steht.: diesen, Ver,bindungen rein, kleineres. Separationsvolumen zur:.Ver-,. ftigung.’ Dies&, Effekt kijnnte zu einer Bandenverbreiterung fur griissere Molektile ftihren. Die Tiennschtirfe des Systems liesse sich durch Verhingerung der SBule oder I I. : .,,i durch ein Recycle-Verfahren vergr6ssern. ., :1 ,pBei.Tftinf,,,Tkstfraktionierungen erwies sich die Reproduzierbarkeit des< ,gel-, chromitographiachen: Trennverfahrens ,bei. einer Standardabweichung von 0.9 o/o als giinstig. Die Variitionsbreite lag bei ,R =.,2%. ,,,’ /‘, .: ZUSAMMENFASSUNG

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GPC

VON KOWLENWASSERSTOFFEN,

AMLNEN

UND

PEIENOLEN

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nach Strukturtyp der Verbindung energetiscbe Wechselwirkungen mit dem Geltrager oder Reaktionen mit dem Lijsungsmittel die Trennung beeinflussen. Mach Belastbarkeitsprtifungen, des Fystems z.T. mit radioaktiv markierten Substanzen wurde eine Cigarettenrauchkondensatfraktion so aufgetrennt, dass eine Fraktion die polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe bis zu eineni .Kondensationsgrad von sechs Ringen enthMt. LITERhTUR

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