Allen Wissenschaften ist gemeinsam, dass sie neues Wissen schaffen. Die präparative anorganische und organische Chemie unterscheiden sich aber von allen anderen Wissenschaften. Sie schaffen nicht nur neues Wissen, sondern auch chemische Strukturen die nie zuvor erschaffen wurden. In jedem präparativen Labor der Heinrich-Heine-Universität gibt es Verbindungen, die es nirgendwo sonst auf der Welt gibt.
Daher ist die anorganische und organische Synthese auch ein kreativer Prozess!

Leider fallen chemische Verbindungen bei Reaktionen fast nie in reiner Form an. Sie sind mit Edukten, Katalysatorrückständen, Nebenprodukten usw. verunreinigt. Häufig ist die Isolierung des gewünschten Produktes aus der Reaktionsmischung aufwendiger als die Synthese selbst.
Auch wenn sich ein Wissenschaftler mit der Isolierung von Naturstoffen aus Bakterien, Pilzen, Pflanzen, Tieren, usw. befasst, fallen zunächst nur Stoffmischungen an. Hier ist es meist noch schwieriger, einzelne Komponenten rein zu isolieren, weil es sich um Mischungen aus vielen Stoffen handelt und jede Substanz nur in kleinen Mengen enthalten ist.

Daher sind Methoden zur Stofftrennung extrem wichtig im täglichen Leben eines präparativen Chemikers.

Alle Trennmethoden nutzen die unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften von unterschiedlichen Molekülen. Dabei kann zwischen Methoden unterschieden werden, die einen Trenneffekt einmal ausnutzen, und Methoden, die einen Trenneffekt mehrmals ausnutzen.

1. Einfacher Trenneffekt
   1. Filtration
   2. Kristallisation
   3. einfache Destillation
   4. Sublimation
   5. Verteilung zwischen zwei Phasen
   6. Extraktion
2. Wiederholter Trenneffekt
   1. Kolonnendestillation
   2. Chromatographie
      1. Dünnschichtchromatographie
      2. Papierchromatographie
      3. Säulenchromatographie
      4. Gaschromatographie
      5. Verteilungschromatographie

Wenn man einen Feststoff von einer Flüssigkeit trennen möchte, geschieht dies durch Filtration. Diese kann einfach unter Ausnutzung der Schwerkraft erfolgen (einfache Filtration, Filtration unter Normaldruck, Schwerkraftfiltration, ...), oder unter Anlegen eines Vakuums (Filtration unter verminderten Druck, Vakuumfiltation, ...). Durch Anlegen eines Vakuums kann der Prozess beschleunigt werden.

Die Löslichkeit von Feststoffen in einem Lösungsmittel steigt mit steigender Temperatur. Bei der Kristallisation erhitzt man eine Substanzmischung in wenig Lösungsmittel bis zum Siedepunkt. Dabei sollte die Lösungsmittelmenge so knapp bemessen sein, dass die Substanzmischung sich auch in der Hitze nicht vollständig löst. Nun gibt man langsam weiteres Lösungsmittel hinzu, bis die Substanzmischung vollständig gelöst ist.
Nun lässt man die Lösung wieder abkühlen und die Substanz fällt wieder aus, wohingegen geringer konzentrierte Verunreinigungen in Lösung bleiben. Anschließend wird das ausgefallene Produkt abfiltriert.
Die Umkristallistation ist eine wertvolle Methode, um Verunreinigungen von einem Substrat abzutrennen. Häufig ist die Kristallisation aber schwierig, wenn mehrere Substanzen in gleichen/ähnlichen Teilen enthalten sind.

Abhängigkeit der Löslichkeit von der Temperatur für Natriumchlorid und Kaliumnitrat.

Rechts ist die Löslichkeit von Natriumchlorid und Kaliumnitrat in g/100 g Wasser gegen die Temperatur aufgetragen. Die Löslichkeit von Natriumchlorid ändert sich mit der Temperatur nur wenig (ca. 50 g/100 g Wasser), die Löslichkeit von Kaliumnitrat steigt dagegen zwischen 0 °C und 100 °C von gut 10 g auf fast 250 g.

In einem Gedankenexperiment erhitzen wir 500 g Kaliumnitrat, welches mit 10 g Natriumchlorid verunreinigt ist, in wenig Wasser zum Rückfluss. Wir geben langsam Wasser hinzu, bis eine klare Lösung entstanden ist. Bei 100 °C und ca. 200 ml Wasser erhalten wir die klare Lösung. Nun lassen wir abkühlen. Kaliumnitrat fällt aus, weil das Löslichkeitsprodukt unterschritten wird. Natriumchlorid bleibt hingegen in Lösung. Daher fällt reines Kaliumnitrat aus, welches durch Filtration abgetrennt werden kann (siehe A1).

Schematischer Aufbau einer einfachen Destillationsapparatur

In der Abbildung rechts ist eine einfache Destillationsapparatur gezeigt. Als Heizquelle dient ein Magnetrührer, auf dem sich ein Wasserbad, Ölbad oder ein Poyethylenglykolbad (allgemein Heizbad) befindet.
Mit diesem Heizbad wird der Destillationskolben und dessen Inhalt langsam erwärmt, bis die Mischung zu Sieden beginnt. Wenn die Trennung bei der einfachen Destillation hinreichend ist, geht fast ausschließlich die leichter flüchtige Verbindung in die Gasphase über. Diese steigt dann über den Destillationsaufsatz bis in den Liebig-Kühler, um dort zu kondensieren. Von dort läuft diese Komponente dann über der Vorstoß in die Vorlage.
Das Thermometer am Kopf des Destillationsaufsatzes muss dabei ständig beobachtet werden. Dieses Thermometer mißt die Temperatur der destillierenden Komponente an diesem Punkt. Da an der Thermometerspitze ein flüssig/Gas-Gleichgewicht herscht, entspricht dies dem Siedepunkt der destillierenden Komponente. Änderungen der Temperatur zeigen an, dass eine andere Komponente übergeht. Dann muss die Vorlage gewechselt werden.

Beim Betrieb eines Liebigkühlers ist auf den richtigen Anschluß des Kühlwassers zu achten. Dieses tritt unten in den Liebigkühler ein und oben wieder aus.
Nur so ist eine effiziente Kühlung möglich.

Vakuumdestillation: Liegen die Siedepunkte der Komponenten sehr hoch, kann es sinnvoll sein, am Vorstoß eine Vakuumpumpe anzuschließen. Dadurch kann der Druck in der Destillationsapparatur reduziert werden, und damit gleichzeitig auch die Siedepunkte der Komponenten.

Mayer fragen: Trennung und Temperatur

Konzeptionell sind sich die Sublimation und die Destillation sehr ähnlich. Bei der Destillation wird eine Flüssigkeit in den gasförmigen Zustand überführt, wandert im gasförmigen Zustand vom Destillationskolben in Richtung Vorlage und kondensiert im Kühler wieder, um dann in die Vorlage zu tropfen.
Bei der Sublimation liegt ein Feststoff vor. Dieser sublimiert in die Gasphase, resublimiert dann am Kühlfinger und schlägt sich dort als Feststoff nieder.
Wie bei der Destillation werden unterschiedliche Dampfdrücke als Trennprinzip ausgenutzt.

Hier fehlt das Bild einer Sublime

Scheide- trichter

Die Reinigung einer Substanz durch "Verteilung zwischen zwei Phasen" soll am Beispiel der Herstellung von Benzoesäuremethylester aus Benzoesäure und Methanol unter Schwefelsäurekatalyse erklärt werden.

Nachdem die Reaktion beendet wurde, enthält die Mischung das Lösungsmittel Benzol, das Produkt, nicht umgesetzte Edukte (Benzoesäure und Methanol) und den Katalysator (Schwefelsäure). Diese Mischung wird bei der Aufarbeitung auf Natriumhydrogencarbonat-Lösung gegossen. Dabei müssen die Mengen so dimensioniert sein, dass die Natriumhydrogencarbonat-Lösung auch nach der Zugabe der Reaktionsmischung basisch bleibt.
Die dabei erhaltene Mischung wird in einen Scheidetrichter überführt und mit Ether überschichtet. Das erhaltene zweiphasige Gemisch wird kräftig geschüttelt. Dabei lösen sich die beiden Säuren in Form ihrer Salze in der wässrigen Phase - Methanol, Benzol und der Ester lösen sich im Ether.
Durch Öffnen des unteren Hahnes kann man nun die wässirige Phase nach unten ablassen. Meist gibt man dann noch mindestens zweimal Wasser hinzu, schüttelt kräftig, wartet bis die Phasen separiert sind, und lässt die wässrigen Phasen nach unten ab. Auf diese Weise werden Spuren der Base entfernt.
Anschließend gießt man die etherische Lösung in einen Kolben. Vor dem Einengen der Lösung wird ein wenig wasserfreies Natriumsulfat, wasserfreies Calciumchlorid oder ein ähnliches Trockenmittel zugegeben. Dieses bindet das Wasser, so dass die etherische Lösung nicht mehr feucht ist. Dieses Trockenmittel wird wieder abfiltriert und anschließend werden die leichtflüchtigen Bestandteile der Lösung (in erster Linie Ether, aber auch Methanol und Benzol) abdestilliert (meist am Rotationsverdampfer).
Häufig erhält man so das Produkt ohne weitere Reinigung in hochreiner Form.

Bild und Erklärung Roti

Die Verteilung zwischen zwei Phasen ist häufig die schnellste, einfachste und billigste Methode, um eine Substanz in Reinform zu isolieren.
Wichtig ist, dass man sich über das Löslichkeitsverhalten (Löslichkeit im sauren und im basischen, Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln) Gedanken macht.

Im obigen Beispiel wurden Ether und Natriumhydrogencarbonat-Lösung benutzt. Es können aber auch stärker basische wässrige oder saure wässrige Phasen genutzt werden. Anstelle Ether wird auch häufig Chloroform (dies hat eine höhere Dichte als Wasser und bildet dann die untere Phase) verwendet.

Bei der im vorherigen Kapitel diskutierten "Verteilung zwischen zwei Phasen" handelt es sich um die Extraktion eines Stoffes aus der einen flüssigen Phase in eine andere flüssige Phase. Dies ist hier unter der Überschrift "Extraktion" nicht gemeint.

Vielmehr geht es in diesem Kapitel um die Extraktion eines Feststoffes aus einer Feststoffmischung mit Hilfe einer flüssigen Phase als Extraktionsmittel. Die Feststoffmischung wird mit einem organischen Lösungsmittel gerührt. Die Komponenten der Feststoffmischung, die in der flüssigen Phase löslich sind, gehen dabei langsam in Lösung. Durch Filtration kann dann die flüssige Phase von der festen Phase abgetrennt werden.

Idealerweise ist die gewünschte Substanz nach der Extraktion entweder in der flüssigen Phase oder der festen Phase in reiner Form enthalten.
Liegt das gewünschte Produkt in der flüssigen Phase vor, muss im letzten Schritt noch das Lösungsmittel entfernt werden.

Schematischer Aufbau einer Glockenboden- kolonne

Glockenbodenkolonnen haben bei der praktischen Arbeit im Labor nur eine geringe Bedeutung, es gibt aber einige technische Anwendungen. Dennoch soll die Glockenbodenkolonne hier vorgestellt werden, weil das Funktionsprinzip der Kolonnendestillation an der Glockenbodenkolonne besonders gut erklärt werden kann.

Der Aufbau einer Glockenbodenkolonne mit vier Glockenböden ist rechts schaamtisch gezeigt. Aus dem Kolben verdampft die Mischung und steigt nach oben (grauer Pfeil). Der Dampf kondensiert unter der ersten Glocke auf dem ersten Glockenboden. Ein Teil der kondensierten Phase läuft zurück in den Kolben (blaue Pfeile), der andere Teil verdampft erneut und kondensiert auf dem zweiten Glockenboden.

Ein Teil der kondensierten Phase auf Glockenboden 2 läuft zurück zu Glockenboden 1 (blaue Pfeile), ein anderer Teil verdampft, um auf Glockenboden 3 erneut zu kondensieren.

Dieser Prozess wiederholt sich auf jedem Glockenboden. Am oberen Ende der Glockenbodenkolonne tritt die gasförmige Phase aus, tritt in den Kühler ein und gelangt von dort zur Vorlage.

Mit Hilfe einer solchen Glockenbodenkolonne ist eine bessere Trennung als mit einer einfachen Destillation möglich. Dies ist in der nächsten Abbildung erklärt.

Der Molenbruch einer Mischung in der Gasphase und in der flüssigen Phase

In der Abbildung rechts ist auf der x-Achse der Molenbruch der leichterflüchtigen Komponente eines binären Gemisches in der flüssigen Phase angegeben, auf der y-Achse der Molenbruch der leichterflüchtigen Komponete in der Gasphase. Die durchgezogene blaue Linie zeigt in diesem Diagramm die Zusammensetzung der gasförmigen Phase in Abhängigkeit der Zusammensetzung der flüssigen Phase. Die gestrichelte blaue Linie ist die Winkelhalbierende.

Diskutieren wir nun ein einfaches Beispiel: Im Kolben liegen die beiden Komponenten des Gemisches im Verhältnis 1:1 vor, dass heißt der Molenbruch ist 0.5. Gehen wir von diesem Punkt auf der x-Achse senkrecht nach oben, landen wir in diesem Fall bei einer Zusammensetzung der Gasphase von 0.7 (Punkt P1). Diese Phase kondensiert auf dem ersten Boden und da sie vollständig kondensiert, muss die flüssige Phase hier die gleiche Zusammensetzung haben, wie die Gasphase, aus der sie entstanden ist (P2).
Verdampft die erhaltene kondensierte Phase so entsteht im Gleichgewicht eine Gasphase mit einem Molenbruch von 0.85 (P3). Diese kondensiert wieder (P4) und verdampft erneut (P5). In P5 ist dann schon ein Molenbruch von ca. 0.94 für die leichter flüchtige Komponente in der obigen Abbildung erreicht.

Mit jedem zusätzlichen Glockenboden wird die Trennung besser!

Wichtig:

• Die exakte Form der blauen Kurve und daher auch die Position der Punkte P1 bis P5 hängt von den Eigenschaften beider Komponenten des Gemisches ab.
  Die Krümmung der Kurve ist für jede Mischung anders.
• Bei der obigen Diskussion wird die Tatsache vernachlässigt, dass sich die Zusammensetzung der flüssigen Phase im Kolben und auf allen Glockenböden ständig verändert. Dadurch wird die Situation komplexer.
  Die allgemeine Aussage bleibt aber erhalten!

Destillation über eine Vigreux-Kolonne

Im typischen Laboralltag wird eher über eine Vigreux-Kolonne destilliert. Ein entsprechender Aufbau ist rechts gezeigt. Eine Vigreux-Kolonne hat keine tatsächlich existierenden Böden, die physikalischen Effekte sind aber ähnlich. An den Glasspitzen, die in die Kolonne hineinragen, bilden sich Tropfen, an denen die Gasphase und die flüssige Phase im Gleichgewicht stehen.
Die Trennleistung einer Vigreux-Kolonne kann mit der Trennleistung einer Glockenbodenkolonne verglichen werden. Entspricht die Trennleistung einer Vigreux-Kolonne der Trennleistung einer Glockenkolonne mit vier Böden, so sagt man, die Vigreux-Kolonne hat vier theoretische Böden.

kann man hier Wechselbilder (aktuelles Bild und Foto von Vigreux) einfügen

Die Chromatographie ist ein Sammelbegriff für eine Vielzahl an verwandten Methoden. Dies würde den Rahmen an dieser Stelle sprengen. Daher werden diese Methoden im nächsten Unterkapitel getrennt bearbeitet.