Online-Kopplung von Größenausschluss- Chromatographie und Chromatographie unter kritischen Bedingungen mit NMR-Spektroskopie zur Charakterisierung und Molmassenbestimmung von Copolymeren
Creators: name: Hehn, Mathias Bernhard
Publisher: name: Technische Universität Dortmund
Year: 2012
Subjects: subject: Chromatographie unter schwierigen Bedingungen
subject: Größenausschluss-Chromatographie
subject: HPLC-NMR
subject: LCCC-NMR
subject: NMR-Spektroskopie
subject: Polymeranalytik
subject: SEC-NMR
subject: 540

description: The present thesis deals with the online-coupling of size exclusion chromatography (SEC) and liquid chromatography at critical conditions (LCCC) with NMR spectroscopy in order to characterize polymers and determine their molar masses. In this regard it was the aim to establish the coupled techniques that way that they were working with common chromatographic conditions, e. g. sample concentration, flow rate and solvents. The measurements should result in quantitative characterizations. The difficulty with NMR measurements on the flowing medium (onflow) was that nuclei only have a limited residence time in the detection cell, while NMR spectroscopy has to wait for relaxation of the nuclei during accumulation of the spectra. Conclusively, NMR measurement parameters should fulfill the given contrary conditions. To find a suitable set of NMR parameters, the behaviour of nuclei in the magnetic field under flow conditions was evaluated, especially regarding T1 relaxation and its influence on signal intensities. By varying the flow rate, the pulse repetition time and the pulse angle it was found that quantitative results were obtainable only by using uncommon chromatographic conditions or not useful NMR parameters. However, based on these results a method was developed to evaluate and correct the errors in not quantitative NMR data. Therefore, it was possible to quantify data from SEC-NMR and LCCC-NMR measurements although they were performed with not quantitative conditions. Thus, the evaluation of the reciprocal influences of chromatographic and NMR spectroscopic parameters resulted in a new method in HPLC-NMR applications. In the following, a new onflow SEC-NMR coupling was developed and presented by characterizing a number of polystyrene-polymethyl methacrylate (PS-b-PMMA) and polyisopren-polymethyl methacrylate (PI-b-PMMA) block copolymers. In all cases, THF was used as solvent at a flow rate of 0.8 mL . min-1. In the onflow NMR spectra, signals of all blocks could be identified over the entire elution period: PS blocks were quantified by the signals of the aromatic protons, PMMA blocks by the signals of the a-CH3 group and PI by the signals of the olefinic protons. Thus, SEC chromatograms could be obtained directly from the SEC-NMR data for all blocks of the PS-b-PMMA and PI-b-PMMA copolymers as well as for the copolymers themselves. In addition, the microstructure of PMMA blocks could be analyzed in dependence on retention time, while for PI the different isomeric species of isoprene units in the polymer chains could by characterized. For the copolymers, chemical heterogeneities could be calculated directly from the chromatograms. Calibration of the SEC-NMR system with defined polymer standard samples allowed for molar mass determination. For one of the PI-b-PMMA copolymers a method was developed to separate coeluting fractions of co- and homopolymers by a mathematical procedure. For this, knowledge of the chemical heterogeneity of the sample was essential. The possibility to distinguish between the different species in copolymers is a significant advantage of NMR spectroscopy. As an alternative, a series of different detectors can be used (multiple detection, e. g. combined UV and refractive index detection). However, multiple detection is time consuming due to additional calibrations and mathematical efforts. The use of NMR spectroscopy is furthermore beneficial when the distinction of different species by multiple detection is impossible (e. g. microstructure heterogeneities). With respect to copolymer molar masses, a good agreement between onflow SEC-NMR and SEC-RI-UV was found. However, number average molar masses Mn determined by onflow SEC-NMR were smaller due to the influence of the large detection cell. The new onflow SEC-NMR method uses calibrations for molar mass determinations as it is common in SEC and is therefore a relative procedure. By NMR detection, molar masses can be calculated also in an absolute way, when NMR signals of end or linking groups of the polymers can be identified over the elution period. This was possible for four short PI-b-PMMA copolymers which were linked by a diphenylethylene (DPE) group each. The corresponding NMR signals could be used as an internal reference for direct block length calculation. The resulting absolute molar masses were smaller than those determined by the relative method. The interpretation of this finding was that the hydrodynamic volumes of the blocks did not contribute simply additive to the block copolymer volumes but that additional repulsive effects result in increased hydrodynamic volumes of the block copolymers. Another new online-SEC-NMR method developed and presented in this thesis was called fractionated SEC-NMR. Hereby, SEC peaks were identified with a UV detector and then directed to a number of capillary loops for fractionation. After the chromatography was finished, the pump was used to transfer each collected fraction sequentially to the NMR flow probe where measurements were performed without a flowing mobile phase. Consequently, the nuclei had sufficient time for full relaxation during accumulation of a NMR spectrum. The fractionated SEC-NMR had all advantages of the onflow method and additionally provided correct Mn values. Moreover, it also allowed for the detection of insensitive nuclei which was proved with a deuterated PS-b-PMMA copolymer (2H detection). The coupling of LCCC and NMR was applied to separate and characterize blends of different PI samples. This work continued and extended a work which was presented in a former thesis by Pritish Sinha (TU Darmstadt, Germany, 2009). The blends contained PI samples which were dominated by 1,4-isoprene units as well as samples which were built mainly by 3,4-isoprene. Critical conditions for PI(1,4) samples were used which simultaneously led to SEC elution of the PI(3,4) samples. This allowed for the separation and characterization of the mixtures. The NMR signals of the olefinic protons were used to obtain chromatograms for all isomeric species of the isoprene units in the polymer chains as well as the isomeric compositions in dependence on retention time. The separation could be further improved by a mathematical procedure. In this way, the compositions of the mixtures of samples could be efficiently calculated via the isomer amounts. Molar mass determination for the PI(3,4) samples could be performed on the basis of a calibration curve. It was found in all cases that the resulting Mn values were significantly to small. This was caused by the 1,4-isomers in the PI(3,4) samples which stretched the chromatograms in the direction of the PI(1,4) critical retention time. Due to this finding, molar mass determination from LCCC-NMR data is limited. In the last chapter the short PI-b-PMMA copolymers have been analyzed by LCCC-NMR with PI eluting in critical mode and PMMA in SEC regime. Molar masses for the PMMA blocks were calculated on the basis of a calibration curve. Alternatively, molar mass determination was possible from direct block length calculation by using the DPE signals as internal reference. The resulting values from the calibration method were too small especially in case of Mn. The chromatographic effect causing this was also found and discussed for the PI blends. In contrast to that finding, the internal referencing procedure by the DPE signals was not influenced by that effect and hence resulted in realistic molar masses. Furthermore, very good accordance was found to the molar masses determined absolutely from SEC-NMR measurements. Consequently, effects leading to peak shape deformation or retention time shift have no influence on the absolute molar mass determination method. This can be explained by the fact that it does not rely on calibration curves which are not necessarily influenced in the same way as the samples. For using the absolute method it is essential to detect signals of end or linking groups which for small polymers is possible by using NMR detection. Finally, an electronic reference signal was implemented in the LCCC-NMR spectra which allowed for conversion of the chromatograms to molar amount and to mass related curves. It was seen that for depiction of LCCC-NMR chromatograms substance amounts in the order of 10-8 mol to 10-7 mol and 10-6 g to 10-5 g, respectively, per onflow spectrum were sufficient.
description: Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der online-Kopplung von Größenausschluss- Chromatographie (SEC) und Chromatographie unter kritischen Bedingungen (LCCC) mit der NMR-Spektroskopie zum Zwecke der Charakterisierung und Molmassenbestimmung von Polymeren. Dabei wurde besonders darauf Wert gelegt, die Kopplungen so auszulegen, dass SEC-NMR- und LCCC-NMR-Messungen hinsichtlich der Probenkonzentration, der Flussrate und der Lösungsmittel unter chromatographisch üblichen Bedingungen durchgeführt werden konnten. Die erhaltenen Resultate sollten quantitativ verwertbar und interpretierbar sein. Die Schwierigkeit bei NMR-Messungen am fließenden Medium (onflow) bestand dabei darin, dass sich Kerne nur für eine begrenzte Zeit innerhalb der Detektionszelle befanden, die NMR-Spektroskopie bei der Akkumulation von Messdaten jedoch die zur Kernrelaxation benötigte Zeit berücksichtigen musste. NMR-Messparameter sollten folglich den genannten konträren Voraussetzungen gerecht werden können. Um die geforderten Messparameter festlegen zu können, wurde zunächst untersucht, wie sich Kerne unter Flussbedingungen im Magnetfeld verhalten, insbesondere hinsichtlich der T1-Relaxation und deren Auswirkung auf die gemessene Signalintensität. Durch Variation der Flussrate, der Wartezeit zwischen zwei Auslenkungen und dem Auslenkungswinkel wurde festgestellt, dass quantitative Ergebnisse auf direktem Weg nur unter Verwendung untypischer chromatographischer Bedingungen oder nicht sinnvoller NMR-Messparameter erhalten werden können. Allerdings wurde auf Basis dieser Untersuchungen eine Methode entwickelt, mit der die Fehler in nicht quantitativen Messdaten bestimmt und korrigiert werden konnten. Mithilfe dieses Ergebnisses war es in der Folge möglich, SEC-NMR und LCCC-NMR-Messungen durchzuführen, die trotz fehlerbehafteter Rohdaten quantitativ ausgewertet und interpretiert werden konnten. Insofern führte die Evaluierung der wechselseitigen Einflüsse von chromatographischen und NMR-spektroskopischen Parametern zu einer neuen Messmethodik in HPLC-NMR-Kopplungen. Mit den gewonnenen Kenntnissen wurde eine neue onflow SEC-NMR-Kopplung präsentiert. Als Proben standen dabei verschiedene Block-Copolymere zur Verfügung. Es wurden Polystyrol-Polymethylmethacrylat- (PS-b-PMMA) und Polyisopren-Polymethylmethacrylat- Block-Copolymere (PI-b-PMMA) untersucht. Als Lösungsmittel wurde in beiden Fällen THF bei einer Flussrate von 0,8 mL . min-1 eingesetzt. In den onflow NMR-Spektren konnten Signale aller Blöcke identifiziert und über den Retentionszeitverlauf verfolgt werden: PS-Blöcke wurden durch die Signale der aromatischen Protonen, PMMA-Blöcke durch die Signale der a-CH3-Gruppe und PI-Blöcke durch die Signale der olefinischen Protonen quantifiziert. Infolge dessen waren SEC-Chromatogramme für alle Blöcke der PS-b-PMMAund der PI-b-PMMA-Copolymere sowie für die Copolymere selbst aus den Messdaten direkt zugänglich. Für die PMMA-Blöcke konnte außerdem die Mikrostruktur in Abhängigkeit von der SEC-Retentionszeit untersucht werden, während bei den PI-Blöcken die verschiedenen isomeren Formen der Isopren-Einheiten charakterisierbar waren. Weiterhin konnten die chemischen Heterogenitäten der Copolymere, also die Veränderungen der molaren Copolymer-Zusammensetzungen in Abhängigkeit von den Copolymer-Molmassen, direkt aus den Chromatogrammen ermittelt werden. Durch Kalibrierung des SEC-NMR-Systems mit definierten Polymerstandards war es schließlich möglich, die Molmassen der Copolymere zu bestimmen. Für ein PI-b-PMMA-Copolymer wurde ferner eine Möglichkeit aufgezeigt, coeluierende Fraktionen von Copolymeren und Homopolymeren mathematisch zu trennen. Für diese Prozedur war die Kenntnis über die chemische Heterogenität der Probe unverzichtbar. Die Möglichkeit, verschiedene Polymer-Spezies mit nur einem Detektor voneinander zu unterscheiden, ist ein bedeutender Vorteil der NMR-Spektroskopie. Alternativ bietet sich zur Bestimmung der chemischen Heterogenität die Verwendung verschiedener in Reihe geschalteter Detektoren an (multiple Detektion, z. B. UV- und Brechungsindex- Detektoren), die jedoch aufgrund weiterer Kalibrierungen und mathematischer Prozeduren einen höheren Aufwand erfordert. Weiterhin ist die NMR-Detektion vorteilhaft, wenn mittels multipler Detektion die Unterscheidung verschiedener Spezies nicht möglich ist (wie häufig bei mikrostrukturellen Heterogenitäten). In Bezug auf die Copolymer-Molmassen zeigte sich eine gute Übereinstimmung zwischen onflow SEC-NMR und SEC-RI-UV; allerdings wurden die zahlenmittleren Molmassen Mn durch onflow SEC-NMR zu klein bestimmt, was auf den Einfluss der Flusszelle im NMR-Probenkopf zurückgeführt wurde. Die beschriebene neue onflow SEC-NMR-Methode nutzte wie in der SEC üblich Kalibrierungen zur Molmassenbestimmung und war somit eine relative Methode. Durch die NMR-Detektion können Molmassen allerdings auch absolut bestimmt werden, wenn das NMR-Signal einer End- oder Brückengruppe des Polymers über den Retentionszeitverlauf verfolgt werden kann. Dies war für vier kurze PI-b-PMMA-Copolymere möglich, deren Blöcke durch je eine Diphenylethylen-Einheit miteinander verbunden waren. Die zugehörigen Signale konnten als interne Referenz verwendet werden, um die Blocklängen der PI- und PMMA-Blöcke direkt zu berechnen. Die daraus erhaltenen Molmassen waren im Vergleich zu denen aus der Relativ-Methode kleiner. Die Interpretation dieses Vergleichs führte zu dem Schluss, dass sich die hydrodynamischen Volumina der PI-b-PMMA-Copolymere nicht additiv aus den Volumina seiner Blöcke zusammensetzt, sondern dass zusätzlich abstoßende Effekte für eine Volumensvergrößerung sorgen müssen. Eine weitere neu entwickelte und in dieser Arbeit vorgestellte online-Kopplung von SEC und NMR ist die fraktionierte SEC-NMR. Hierbei wurden SEC-Peaks von PS-b-PMMACopolymeren zunächst mittels UV-Detektion identifiziert und im Anschluss in Kapillarschleifen fraktioniert. Nach Abschluss der Chromatographie wurde die Pumpe dazu eingesetzt, die einzelnen Fraktionen nacheinander in den NMR-Flussprobenkopf zu transferieren, wo sie ohne Fluss gemessen werden konnten. Aus diesem Grund konnte auch auf die T1-Relaxationszeit der Kerne Rücksicht genommen werden. Für die fraktionierte SEC-NMR galten alle Vorteile der onflow-Methode; zusätzlich gab sie Mn- Werte korrekt wieder und ließ auch die Detektion unempfindlicher Kerne zu, wie anhand eines vollständig deuterierten PS-b-PMMA-Copolymers gezeigt werden konnte. Die Kopplung von LCCC mit NMR wurde zunächst zur Trennung und Charakterisierung von PI-Mischungen angewendet. Damit wurde eine bereits vorher in der Dissertationsschrift von Pritish Sinha (TU Darmstadt, Deutschland, 2009) vorgestellte Arbeit fortgesetzt und vertieft. Die Mischungen enthielten sowohl PI-Proben, die durch das 1,4-Isomer dominiert wurden als auch solche, die mehrheitlich durch das 3,4-Isomer gebildet waren. Kritische Bedingungen galten für PI(1,4)-Proben, während die PI(3,4)-Proben gleichzeitig im SEC-Modus eluierten. Dadurch konnten die Mischungen getrennt und mittels NMR-Detektion charakterisiert werden. Die Signale der olefinischen Protonen konnten genutzt werden, um Chromatogramme für alle vorkommenden isomeren Formen des PI darzustellen und den Verlauf der Zusammensetzung in Abhängigkeit von der Retentionszeit zu verfolgen. Die Trennung der Mischungen konnte mathematisch optimiert werden. So konnte die molare Zusammensetzung der Mischungen über die Isomerenanteile effizient bestimmt werden. Für die PI(3,4)-Proben wurde eine Molmassenbestimmung mithilfe einer Kalibrierkurve durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass Mn in allen Fällen deutlich zu klein bestimmt wurde. Dies konnte auf die 1,4-Isopren-Einheiten in den PI(3,4)-Proben zurückgeführt werden, welche die Elution der Proben in Richtung der kritischen Retentionszeit verbreiterten. Dieser Effekt führte zu der Erkenntnis, dass eine Molmassenbestimmung aus LCCC-NMR-Daten nur eingeschränkt möglich ist. Schließlich wurden auch die kurzkettigen PI-b-PMMA-Copolymere mittels LCCC-NMR untersucht. PI eluierte dabei kritisch und PMMA im SEC-Modus. Molmassen für die PMMABlöcke konnten durch Kalibrierung bestimmt werden. Alternativ bot sich hier auch wieder die direkte Berechnung der Blocklängen mithilfe des Signals der Diphenylethylen-Einheit an. Die aus der Kalibrierkurve berechneten Molmassen der PMMA-Blöcke zeichneten sich insbesondere für Mn durch zu kleine Werte und daraus resultierende hohe Polydispersitäten aus. Der zugrunde liegende chromatographische Effekt war bereits bei den PI-Mischungen festgestellt worden. Im Gegensatz dazu zeigte sich die Auswertung auf Basis der DPE-Referenz gegenüber dem chromatographischen Effekt unempfindlich und lieferte realistische Molmassen und kleine Polydispersitäten. Ferner ergaben sich sehr gute Übereinstimmungen der absolut bestimmten Molmassen zu den SEC-NMR-Messungen. Aus den Messergebnissen von SEC-NMR und LCCC-NMR konnte weiterhin gefolgert werden, dass Effekte, die Einflüsse auf die Peakformen oder die Retentionszeiten ausüben, für die Absolut-Methode keine Rolle spielen. Dies liegt insbesondere daran, dass die Absolut- Methode ohne Kalibrierungskurven auskommt, welche nicht zwangsläufig den gleichen Effekten unterliegen. Die Auswertung mit der Absolut-Methode erfordert, dass Signale von End- oder Brückengruppen detektierbar sind, was die NMR-Spektroskopie ermöglichen kann. Schließlich konnte mithilfe eines elektronisch erzeugten Referenzsignals gezeigt werden, dass die Intensitätsachsen der Chromatogramme sowohl in Stoffmengen- als auch in Massenachsen umgerechnet werden konnten. Daher konnte letztlich festgehalten werden, dass zur Darstellung von LCCC-NMR-Chromatogrammen bereits Substanzmengen in der Größenordnung von 10-8 mol bis 10-7 mol bzw. Substanzmassen in der Größenordnung von 10-6 g bis 10-5 g pro onflow-Spektrum hinreichend waren.