Overview
מקור: המעבדה של ד"ר ג'ימי פרנקו - מכללת מרימק
כרומטוגרפיה של עמודה היא אחת הטכניקות השימושיות ביותר לטיהור תרכובות. טכניקה זו משתמשת בשלב נייח, אשר ארוז בעמודה, ושלב נייד העובר דרך העמודה. טכניקה זו מנצלת את ההבדלים בקוטביות בין תרכובות, ומאפשרת להפריד בין המולקולות בקפדנות. 1 שני השלבים הניויים הנפוצים ביותר לכרומטוגרפיה של העמוד הם ג'ל סיליקה (SiO2)ואלומינה (Al2O3), כאשר השלבים הניידים הנפוצים ביותר הם ממיסים אורגניים. 2 הממסים שנבחרו לשלב הנייד תלויים בקוטביות של המולקולות המטוהרות. בדרך כלל יותר תרכובות קוטב דורשות יותר ממיסים קוטביים על מנת להקל על המעבר של המולקולות דרך השלב הנייח. לאחר השלמת תהליך הטיהור ניתן להסיר את הממס מהשברים שנאספו באמצעות מאייד סיבובי כדי להניב את החומר המבודד.
Principles
תערובת המדגם ממוקמת על החלק העליון של העמודה ונספגת על החלק העליון של השלב הנייח. לאחר מכן, השלב הנייד מוחל על העמודה ומשמש כדי לחמוק מהתערובת דרך השלב הנייח. כרומטוגרפיה של העמוד מנצלת את הקוטביות של המולקולה כדי להפריד בין התרכובות. ההבדל בקוטביות מוביל לשונות בקצב שבו המולקולות נעות דרך הטור, מה שמפריד ביעילות בין התרכובות זו לזו. השלב הנייד נאסף בשברים קטנים במבחנות כשהוא חומק מהעמודה, ובכך מאפשר בידוד וטיהור של התרכובות. לבסוף, הממס מוסר באמצעות מאייד סיבובי כדי להניב את התרכובות המבודדות.
הרבגוניות והנוחות של כרומטוגרפיה עמודה הפכו אותה לאחת הטכניקות הנפוצות ביותר לטיהור תרכובות. שלא כמו recrystallization (עוד טכניקת טיהור נפוץ) תרכובות מטוהר עם כרומטוגרפיה עמודה לא צריך להיות מוצק. כרומטוגרפיה עמודה הוא גם מסוגל לבודד מספר תרכובות מתערובת. יתרון נוסף של כרומטוגרפיה עמודה הוא כי מעט מאוד צריך להיות ידוע על המאפיינים הפיזיים של המתחם על מנת להשתמש בשיטת טיהור זו, מה שהופך טכניקה זו יקר מאוד בעת סינתזה או בידוד תרכובות רומן, שבו מעט ידוע על המתחם(ים).
הממס
הקצב שבו תרכובת עוברת דרך העמודה תלויה מאוד בשלב הנייד המנוצל. בדרך כלל, ככל שהממס קוטבי יותר, כך התרכובות יעברו מהר יותר דרך העמודה. ממיסים קוטביים יש זיקה גדולה יותר לשלב מוצק, הגבלת האינטראקציות בין התרכובות לבין השלב המוצק, ומאפשר את התרכובות לחמוק מהר יותר. יש לנקוט זהירות כדי להבטיח כי מערכת הממס שנבחר עבור הכרומטוגרפיה עמודה יש את הקוטביות המתאימה כדי ליצור הפרדה בין התרכובות בתערובת. בחירת הממס חיונית להפרדה מוצלחת באמצעות כרומטוגרפיה של עמודות. כדי לזהות מערכת ממס אופטימלית, יש לבצע סדרה של ניסויים כרומטוגרפיה שכבה דקה (TLC) לפני ביצוע הניסוי כרומטוגרפיה עמודה. במקרים מסוימים ייתכן שיהיה צורך להשתמש במערכת ממס בינארית.
בחירת מערכת ממס
- זהה מערכת ממס המייצרת גורם פיגור (Rf ) בין 0.2-0.3 עבור המתחם הרצוי על צלחת TLC.
- התחל עם אתיל אצטט או דיכלורומתאן כשלב הנייד לניסוי TLC.
- אם ה- Rf גדול מ- 0.3, נסה פחות ממס קוטבי, כגון הקסאן. אם ה- Rf קטן מ- 0.2, נסה להוסיף כמות קטנה של ממס קוטבי כגון מתנול.
- מערכת הממס האופטימלית עשויה לדרוש תערובת של שני ממיסים.
- היזהר לא להשתמש ביותר מ 10% מתנול כמו השלב הנייד עבור עמוד סיליקה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
1. סיליקה ג'ל סלברי
- יוצקים את ג'ל הסיליקה לבקבוק ארלנמייר. המשקל של חומר האריזה צריך להיות בערך 50x מזה של המדגם המופרד. אם התרכובות המופרדות יש ערכי Rf דומים מאוד, אז זה עשוי לדרוש באמצעות כמות גדולה יותר של סיליקה לכל מדגם, שהוא המקרה בדוגמה זו.
- מניחים 10 גרם של סיליקה בבקבוק ארלנמאייר, שכן 50 מ"ג של מדגם (45 מ"ג פלואורנון ו 5 מ"ג של טטרפנילפורפירין) מבודדים.
- הוסף את מערכת הממס (hexane /dichloromethane, 70%: 30%) לבקבוק ארלנמאייר המכיל את ג'ל סיליקה. הוסף מספיק ממס כדי להבטיח כי כל ג'ל סיליקה הוא מפוף היטב. הסיליקה לא תתמוסס, אבל התערובת תהיה מורגשת חזותית כאשר פתיר. לאחר הממס נוספה מערבולת את בקבוק Erlenmeyer כדי להבטיח כי כל סיליקה הוא פתיר היטב.
2. הכנת הטור
- בחר את העמודה בגודל המתאים. בדרך כלל יש למלא את העמודה בערך באמצע הדרך עם רפת ג'ל סיליקה. ככל שהדגימה מטוהרת גדולה יותר, כך העמודה הנדרשת גדולה יותר.
- חבר את החלק התחתון של העמודה עם חתיכת צמר זכוכית. בעזרת מוט ארוך, ודאו שהצמר תקוע היטב בתחתית העמוד ממש מעל הסטופקוק.
- ברגע שהצמר נמצא במקומו, יש למרוח שכבה דקה של חול על צמר הזכוכית.
הערה: אם העמודה מצוידת בפריט זכוכית מעל הסטופקוק, יש להשמיט שלב זה. - מהדק את העמודה במיקום האנכי למעמד טבעת.
- בעזרת משפך, יוצקים בעדינות את הבוץ המוכן של ג'ל סיליקה לתוך העמוד. ייתכן שיהיה עליך להוסיף ממס נוסף כדי להעביר את העגמה מבקבוק Erlenmeyer לעמודה. באמצעות פיפטה, לשטוף את כל ג'ל סיליקה שנדבק לצדי העמוד.
- כאשר ג'ל הסיליקה מתיישב בעמודה, הקש בעדינות על צידי העמוד כדי להבטיח שג'ל סיליקה ייארז בחוזקה ולא יכלול בועות אוויר.
- פתח את stopcock ולאפשר ממס לנקז לתוך בקבוק Erlenmeyer נקי עד ממש לפני ג'ל סיליקה ואת חזית ממס נפגשים. ג'ל סיליקה לא צריך להתייבש עד ההליך הושלם.
- מניחים שכבה דקה של חול על גבי ג'ל הסיליקה(איור 1). באמצעות פיפטה, לשטוף כל חול שאולי נדבק לצדי העמוד.
- מסננים כל ממס נוסף עד שהחול יבש, אך לא לשכבת ג'ל הסיליקה.
איור 1. ההגדרה המתאימה לניסוי כרומטוגרפיה של עמודה לפני הוספת המדגם.
3. הוספת הדוגמה לעמודה
- להמיס את המדגם בכמות הקטנה ביותר של ממס אפשרי (באמצעות אותו ממס ששימש כדי להפוך את סיליקה ג'ל slurry).
- בעזרת פיפטה, הוסיפו בעדינות את הדגימה לראש העמודה.
- לאחר המדגם הוחל על החלק העליון של העמודה, לפתוח את stopcock ולאפשר ממס לנקז דרך שכבת החול אבל לא שכבת ג'ל סיליקה. השתמש בכמות קטנה מאוד של ממס לשטוף כל מדגם שאולי נצמד לצדי העמודה. לנקז ממס נוסף זה דרך שכבת החול גם כן.
4. ללוטן את המדגם דרך העמודה
- באמצעות פיפטה, בעדינות רבה להוסיף 4-5 מ"ל של ממס באופן כזה שאינו מפריע שכבת החול.
- מניחים משפך בחלק העליון של העמודה וממלאים לאט ובעדינות את שארית העמודה בממס.
- פתח את stopcock ולאפשר לממס לנקז דרך העמודה.
- התחל לאסוף את השלב הנייד כפי שהוא מתנקז מהעמוד לתוך מבחנות.
- מבחנות צריכות להיות ממוקמות בארון מבחנה באופן רציף.
- הוסף ממס נוסף לראש העמודה לפי הצורך עד שכל התרכובות הרצויות יתבהרו מהעמודה.
5. השבת הבוחרים
- אם התרכובות צבועות, אז הם יכולים להיות מזוהים חזותית. עם זאת, אם התרכובות חסרות צבע, יהיה יהיה לזהות אותם באמצעות אור ulta-גלוי (UV) (אם התרכובות מכילות הטיות) או עם הכתם המתאים. טוהר התרכובות ניתן לאמת באמצעות כרומטוגרפיה שכבה דקה.
- זהה את המבחנות המכילות את התרכובות הרצויות.
- מזג את כל השברים המכילים את התרכובות המבודדות הרצויות לבקבוקון עגול (RB) ששוקל מראש. עשה זאת עבור כל מתחם מבודד.
- לאדות את הממס על ידי הצבת בקבוקון RB על המאייד הסיבובי.
- לאחר כל הממס הוסר, לשקול את RB עם המוצר היבש ולהפחית את המשקל הראשוני של RB כדי להשיג תשואה.
כרומטוגרפיה של עמודה היא שיטת טיהור רב-תכליתית המשמשת להפרדת תרכובות בפתרון. תערובת פתרון נישאת על ידי ממס דרך עמודה המכילה מוצק ספיח, הנקרא שלב נייח. תערובת הממסים והדגימה המשולבת נקראת השלב הנייד.
מולקולות בשלב הנייד עוברות דרך הטור בקצבים שונים בהתבסס על תכונותיהן הכימיות ועל זיקתן לשלב הנייח. לכן, כל מתחם יוצא מהעמודה בזמן אחר. לאחר התרכובות הופרדו וטוהרו הם יכולים להיות מעובדים עוד יותר או מוכנים להפצה. וידאו זה יציג את היסודות של כרומטוגרפיה עמודה, ולאחר מכן להדגים את הטכניקה עם טיהור של תרכובות אורגניות.
בכרומטוגרפיה של העמודות, מולקולות סוחפות באופן הפיך לשלב הנייח כשהן זורמות דרך הטור, ובכך מאטות את התקדמותן. תרכובות אינטראקציה חלשה עם השלב הנייח הם מהירים יותר לצאת מהעמודה, או לחמוק. תרכובות אינטראקציה חזקה עם השלב הנייח הם איטיים יותר לחמוק. השלב הנייח הוא אבקה או ג'ל ספיח כגון ג'ל סיליקה או אלומינה. ג'ל סיליקה ואלומינה הם קוטביים מאוד ולכן הם אינטראקציה חזקה עם תרכובות קוטב וממסים, וחלש עם מולקולות לא קוטביות. השלב הנייח נטען לתוך העמודה כמו ריר עם הממס ולאחר מכן ארוז על ידי ממס זורם דרך השלב הנייח. כאשר ארוז כראוי, השלב הנייח הוא הומוגני מלמעלה למטה ואינו מכיל בועות אוויר או כתמים יבשים, כמו זרימה לא אחידה הנגרמת על ידי אי סדרים אלה מפריעה הפרדת תרכובות. הממס, או האלם, הוא בדרך כלל ממס אורגני המסופק ממאגר. באופן כללי, ממיסים לא קוטביים רק לחמוק תרכובות שאינן קוטביות, ואילו ממסים קוטביים לחמוק הן תרכובות קוטביות ולא קוטביות. אם תערובת מכילה תרכובות של קוטביות שונה באופן משמעותי, סדרה של ממיסים קוטביים יותר ויותר עשוי לשמש כדי לחמוק מכל תרכובות העניין. קצב זרימת הפאזה הנייד נשלט בדרך כלל על-ידי עצירה בתחתית העמודה. השהיות בזרימה נשמרות למינימום כדי למנוע דיפוזיה של התרכובות. השלב הנייד עוזב את העמודה, הנקרא eluate, נאסף בשברים כדי לשמר את ההפרדה של תרכובות. עכשיו שאתם מבינים את העקרונות של כרומטוגרפיה של העמודות, בואו נעבור הליך לטיהור תערובת של תרכובות אורגניות.
כדי להתחיל בהליך, השג את הציוד כפי שצוין בטקסט. שקול בקבוקון עגול לתרכובת להיות מבודד ולתעד את המסה. לאחר מכן, לשקול את המדגם ולהמיס אותו בנפח המינימלי של ממס הדרוש. הממס המתאים צריך להיות קבוע מראש באמצעות כרומטוגרפיה שכבה דקה. ערך Rf צריך להיות בין 0.2-0.3. לאחר מכן, לקבוע את כמות ג'ל סיליקה הנדרש עבור השלב הנייח בהתבסס על המשקל היבש של המדגם ואת ההבדל במרחק ההגירה של תרכובות עניין בהתבסס על TLC טרום הקרנה. יוצקים את הכמות המתאימה של ג'ל סיליקה לתוך בקבוקון Erlenmeyer. מוסיפים את הממס לג'ל הסיליקה עד שהבוץ שקוף ונע בחופשיות כאשר הבקבוק מסתחרר. לאחר מכן, בחר עמודה גדולה מספיק כדי שג'ל סיליקה ימלא אותו באמצע הדרך. אם בעמוד אין פריט זכוכית, מניחים צמר זכוכית בעמודה ולחצו עליו בחוזקה לתחתית עם מוט ארוך. לכסות את צמר הזכוכית עם כ 2 ס"מ של חול כדי למנוע סיליקה לעבור דרך צמר הזכוכית. במכסה המנוע אדים מהדקים את העמוד לעמדת טבעת, ומאפשרים מספיק מקום למטה כדי להכיל את המבחנות.
מקם משפך בעמודה וודא שהתחנה סגורה. יוצקים את התסיסה לתוך העמוד, מקיש בעדינות על הצדדים כמו ריר מתיישב כדי לא לכלול בועות אוויר. לשטוף את המשפך, הבקבוק, ואת הקירות של העמודה עם ממס להעביר את כל הג'ל לתוך העמודה.
הנח בקבוקון ארלנמייר מתחת לעמודה. פתח את stopcock ולאפשר לממס לנקז לתוך הבקבוקון עד רמת הממס הוא ממש מעל ג'ל סיליקה, ולאחר מכן לסגור את stopcock. יוצקים כ-2 ס"מ חול על הג'ל. יש לשטוף בעדינות כל חול הדבוק לצדי העמוד בממס. מסננים את הממס לפי הצורך כך שהחול יבש ברובו, אך הסיליקה נשארת מכוסה לחלוטין.
כדי להתחיל את ההפרדה, הוסף את הדוגמה לעמודה מבלי להפריע לחול. השתמש בחלקים קטנים של ממס כדי לשטוף כל מדגם ההצמדה לקירות העמוד ולשטוף את מיכל הדגימה. בזהירות לנקז את הממס עד הרמה היא ממש מעל סיליקה. לאחר מכן, עם פיפטה, בעדינות להוסיף 4-5 מ"ל של ממס מבלי להפריע שכבת החול. מניחים משפך לתוך העמודה ולאט לאט למלא עם ממס. הסר את הבקבוק והחלף עם מבחנה מסומנת. עם המבחנה הראשונה במקום, לפתוח את stopcock ולאסוף את eluate עד המבחנה היא כמעט מלאה.
המשך לאסוף שברים עד שכל התרכובות הרצויות יתבהרו, ממשיכים ברצף דרך המבחנות המסומנות. כשתסיים, סגור את העצירה.
עבור כל תרכובת מבודדת, שלבו את השברים הטהורים בבקבוקון עגול ששוקל מראש. הסר את הממס מן הבקבוקון על מאידה סיבובי ולאחר מכן לשקול את הבקבוקון העגול המכיל את המתחם היבש. לקבלת מידע נוסף, עיין בסרטון הווידאו של אוסף זה על אידוי סיבובי.
מדגם זה הכיל תערובת של טטרפנילפורפירין, או TPP, ופלואורנון. TPP אדמדם-סגול כהה היה eluted הראשון, ואחריו פלואורנון צהוב. הטוהר של כל תרכובת מבודדת אושר על ידי ספקטרוסקופיית NMR.
כרומטוגרפיה של העמוד משמשת לטיהור וניתוח במגוון תחומים מדעיים.
כרומטוגרפיה נוזלית בעלת ביצועים גבוהים, או HPLC, היא צורה של כרומטוגרפיה של עמודות המספקת הפרדה מצוינת בין תרכובות ויכולה לשלב גלאים מיוחדים כגון גלאי קרינה למולקולות עם כבל רדיו. באמצעות HPLC, פוספוליפיד radiolabeled יכול בקלות להיות מבודד מתערובת של רבים אחרים גם אם זה מהווה אחוז קטן של התערובת. מידע זה יכול לעזור לברוח את הייצור, הרגולציה, פונקציות של ביומולקולים חשובים רבים.
כרומטוגרפיה של פלאש היא גרסה של כרומטוגרפיה של העמודים שבה השלב הנייד נע דרך העמודה תחת לחץ אוויר או גז ולא על ידי זרימת הכבידה בלבד.
זה יוצר קצב זרימה מהיר יותר, ממזער את ההתפזרות להפרדה טובה יותר. התרכובת הרצויה נאספה בכמה שברים טהורים ומרוכזים, כפי שמוצג בכרומטוגרפיה של שכבה דקה, וכתוצאה מכך תשואה וטוהר מעולים לאחר הטיהור.
מנגנון העמודות הרגיל אינו מתאים להפרדת אמצעי אחסון קטנים, אך תערובות מסוימות אינן תואמות לטכניקות מיוחדות כגון HPLC. טיהור בקנה מידה קטן מבוצע עם עמודי פיפטה זכוכית, עם נורת פיפטה המשמשת כרומטוגרפיה פלאש בקנה מידה קטן. זה שימושי במיוחד בעת הכנת מדגם לטכניקות טיהור מיוחדות או כצעד אחרון בעקבות טיהור בקנה מידה גדול.
הרגע צפית בהקדמה של ג'וב לכרומטוגרפיה של הטור. עכשיו אתה צריך להכיר את העקרונות של כרומטוגרפיה עמודה, הליך עבור כרומטוגרפיה עמודה ג'ל סיליקה, וכמה יישומים של הטכניקה.
תודה שצפיתם!
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
המדגם המכיל תערובת של טטרפנילפורפירין (TPP, 5 מ"ג) ופלואורנון (45 מ"ג) הופרדו בהצלחה וכל תרכובת בודדה. ה-TPP חמקה תחילה מהטור כלהקה סגולה-אדמדמה כהה, והפלואורנון התחמק לאחר מכן מהטור כפס צהוב (איור2). השברים הנבהרים נאספו במבחנות וזוהו בצבעים הייחודיים שלהם(איור 3). השברים המכילים את התרכובות המבודדות מוזגו ל- RBs נפרדים והממס הוסר באמצעות מאייד סיבובי כדי להרשות לעצמו TPP ופלואורנון טהורים מאוד. טוהר התרכובות הכרומטוגרפיות אומת על ידי ספקטרוסקופיית תהודה מגנטית גרעינית (NMR). תרכובות ניתן גם לאמת על ידי נקודת התכה, אבל רק אם נקודת ההיתוך עבור תרכובות הרצויות נקבעה בעבר.
איור 2. כאשר התרכובות עוברות דרך השלב הנייח הן מתחילות להיפרד. בניסוי זה TPP (להקה סגולה-אדמדם כהה) נוסע דרך הטור קצת יותר מהר מאשר פלואורנון (רצועה צהובה).
איור 3. כשהתרכובות חומקות מהעמוד הן נאספות במבחנות. התרכובות המופרדות בניסוי זה צבועות, כך שניתן לזהותן חזותית.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
תקציר
כרומטוגרפיה של העמודים היא שיטה נוחה ורב-תכליתית לטיהור תרכובות. שיטה זו מפרידה בין תרכובות המבוססות על קוטביות. על ידי ניצול הבדלים בקוטביות של מולקולות, כרומטוגרפיה של העמודים יכולה להפריד בקלות תרכובות לפי הקצב שבו התרכובות עוברות דרך השלב הנייח של העמודה. אחד היתרונות של כרומטוגרפיה עמודה (במיוחד בהשוואה recrystallization) הוא כי מעט מאוד על תרכובות צריך להיות ידוע לפני תהליך הטיהור. היתרון השני בשימוש בכרומטוגרפיה של העמודות הוא שניתן להשתמש בו כדי לטהר הן מוצקים והן שמנים, בעוד שניתן להשתמש ב- recrystallization רק כדי לטהר מוצקים. טכניקה זו יכולה לשמש גם כדי לבודד מספר תרכובות מתערובת.
יישומים
כרומטוגרפיה של עמודה היא אחת השיטות הנוחות ביותר בשימוש נרחב לטיהור תרכובות. לעתים קרובות, תגובות סינתטיות יפיקו מוצרים מרובים כרומטוגרפיה עמודה יכול לשמש כדי לבודד כל אחת מהתרכובות לבדיקה נוספת. כרומטוגרפיה של העמודים היא בעלת ערך רב בעת סינתזה או בידוד של תרכובות חדשניות, שכן מעט מאוד צריך לדעת על תרכובת ועל תכונותיה הפיזיות לפני תהליך הטיהור.
תעשיית התרופות משתמשת באופן שגרתי בכרומטוגרפיה של טורים כדי לטהר תרכובות כחלק מתהליך פיתוח התרופה בשלב מוקדם שלה. 3 לעתים קרובות בשלבים ראשוניים אלה חוקרים יבנו ספריות של תרכובות סביב תרכובת עופרת, ולאחר מכן להשתמש כרומטוגרפיה עמודה כדי לטהר את התרכובות המסונתזות החדשות. 4 השימוש הרב-תכליתיות הנרחבים בטכניקת טיהור זו גרמו למחנכים לשלב את הטכניקה בתוכנית הלימודים לתואר ראשון. 5,6
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
References
- Mayo, D. W.; Pike, R. M.; Forbes, D. C., Microscale organic laboratory : with multistep and multiscale syntheses. 5th ed.; J. Wiley & Sons: Hoboken, NJ; p xxi, 681 p (2011).
- Armarego, W. L. F.; Chai, C. L. L., Purification of laboratory chemicals. 5th ed.; Butterworth-Heinemann: Amsterdam; Boston; p xv, 609 p (2003).
- Silverman, R. B.; Holladay, M. W., The organic chemistry of drug design and drug action. Third edition / ed.; Elsevier/AP, Academic Press, is an imprint of Elsevier: Amsterdam ; Boston; p xviii, 517 pages (2014).
- Mortensen, D. S.; Perrin-Ninkovic, S. M.; Shevlin, G.; Elsner, J.; Zhao, J.; Whitefield, B. et. al. Optimization of a Series of Triazole Containing Mammalian Target of Rapamycin (mTOR) Kinase Inhibitors and the Discovery of CC-115. Journal of Medicinal Chemistry (2015).
- Davies, D. R.; Johnson, T. M., Isolation of Three Components from Spearmint Oil: An Exercise in Column and Thin-Layer Chromatography. Journal of Chemical Education,84 (2), 318 (2007).
- Taber, D. F.; Hoerrner, R. S., Column chromatography: Isolation of caffeine. Journal of Chemical Education, 68 (1), 73 (1991).
