Voraussage des Verteilungskoeffizienten in der Flüssigchromatographie mittels COSMO-RS
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im abgeschlossenen Forschungsvorhaben wurde die auf Quantenchemie und statistischer Thermodynamik beruhende Vorhersagemethode COSMO-RS, deren Anwendung für die Vorhersage von Dampf-FIüssig-Gleichgewichten bzw. Flüssig-Flüssig-Gleichgewichten Stand der Forschung ist, erstmalig für die Vorhersage von flüssigchromatographischen Verteilungskoeffizienten erweitert. In den mit COSMO-RS durchgeführten Berechnungen wird nicht nur die mobile Phase, sondem auch die stationäre Phase als flüssig angenommen. Die Betrachtung der stationären Phase als ein „Pseudofluid" birgt somit den Kerngedanken des Projektes. Der entscheidende Fortschritt dieser Vorhersagemethode liegt in der geringen Zahl an notwendigen anpassbaren Parametern. Bei bisherigen Methoden, die auf dem Konzept des „quantitative structure-property relationship (QSPR)" beruhen, sind zur Beschreibung der mobilen bzw. stationären Phase mehrere empirische Parameter notwendig. Diese müssen systemspezifisch über Regression von experimentellen Daten gewonnen werden. Aufgrund dieses Defizits sind QSAR-Methoden nicht weit verbreitet und somit erfolgt die Auswahl der stationären Phasen meist empirisch. In der ersten Projektphase wurde das Vorhersagekonzept erfolgreich auf Umkehrphasen Systeme (C4, C8 und C18) angewendet und anhand von experimentellen Daten Schritt für Schritt weiterentwickelt. In Projektphase 2 wurde das „Pseudoflüssigphasenmodell" erfolgreich auf Umkehrphasen mit aktiven Gruppen erweitert. Wie bereits in der ersten Projektphase konnte auch hier auf ein großes Spektrum an Daten aus Literatur und eigenen Messungen zurückgegriffen werden, um die Validität der Rechnungen zu bestätigen. Durchgeführte FIüssig-NMR-Untersuchungen an stationären Umkehrphasen weisen auf eine flüssigkeitsähnliche Mobilität der Oberflächenliganden hin, was die Gültigkeit der Arbeitshypothese bestätigt. Die angestrebte Erweiterung der Vorhersagemethode auf Normalphasensysteme blieb ohne Erfolg. Für diese Systeme ließ sich keine Korrelation zwischen experimentellen und berechneten Werten herstellen, was vermutlich auf das Fehlen mobiler, pseudo-flüssiger Oberflächenliganden zurückzuführen ist. Somit wird im Umkehrschluss die Gültigkeit des Projektkerngedankens einer pseudo-flüssigen stationären Phase untermauert. Prinzipiell wurde damit eine Möglichkeit eröffnet, für die untersuchten Systeme eine a priori Auswahl geeigneter stationärer Phasen im Hinblick auf ein bestimmtes Trennproblem treffen zu können. Damit wurde das Ziel des Antrages voll erreicht. Im Zuwendungsschreiben hatte sich einer der Gutachter skeptisch geäußert, ob eine universelle Strategie möglich ist. Im Gegensatz zu der Annahme des Gutachters ist die Vorhersage ohne „umfangreiche Parametrisierung" geglückt. Das im dargestellten Forschungsvorhaben beschriebene COSMO-RS Modell berücksichtigt keine dreidimensionale Raumstruktur. Mit Hilfe von COSMOmic, einer Erweiterung des COSMO-RS Modells, hätte man in einer künftigen Arbeit die Möglichkeit, die Struktur der stationären Phase in einer Raumdimension zu berücksichtigen. Eine solche Modellerweiterung würde zu einer weiteren Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit führen. Für das COSMOmic Modell notwendige molekulardynamischen Rechnungen könnten weiterhin zu einen verbesserten Einblick in das Migrationsverhalten des Solutes führen. Die Anwendungsmöglichkeiten des Vorhersagemodells erstrecken sich sowohl auf die analytische als auch auf präparative Chromatographie. Eine Reduzierung des Laboraufwands durch rechnergestützte Optimierung eines Trennsystems hat das Potential zu einer deutlichen Zeit- und Kostenreduzierung.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- "Thermodynamik-Kolloquium" und "Ingenieurdaten" (Erlangen, 2008): Prediction of the partition coefficient in reversed phase HPLC
- "Thermodynamik-Kolloquium" und "Ingenieurdaten" (Berlin, 2009): Prediction of the partition coefficient in reversed phase HPLC
- 8th World Congress of Chemical Engineering (Montreal 2009): Prediction of the partitioning coefficient in liquid-solid chromatography using COSMO-RS
