Mass transfer characteristics and thermodynamic properties of new generation porous particles for ultrafast, high-efficient separations in chiral and achiral liquid chromatography

Durante gli ultimi anni, il campo della cromatografia liquida ad alta prestazione (HPLC) è stato caratterizzato da una continua evoluzione alla ricerca di nuovi metodi di separazione efficienti, selettivi e veloci. L’efficienza di una separazione è influenzata dalle proprietà chimico-fisiche e geometriche delle particelle che compongono il letto impaccato della colonna. Pertanto, lo studio delle proprietà cinetiche e termodinamiche di questi materiali porosi è fondamentale per lo sviluppo di nuove fasi stazionarie e nuove applicazioni. È noto che l’efficienza di una separazione è influenzata da fattori cinetici, mentre la termodinamica (equilibri di adsorbimento) giocano un ruolo fondamentale per la ritenzione e la selettività, anche se molto spesso questi due aspetti sono strettamente collegati fra di loro. Diverse tecniche cromatografiche (analisi frontale o metodo delle perturbazioni) consentono di indagare gli equilibri di adsorbimento. Recentemente, però, è stato introdotto un nuovo approccio (”Metodo Inverso”) che consente di stimare l’isoterma di adsorbimento di un analita su qualunque fase stazionaria mediante poche misure sperimentali, basate sull’acquisizione di alcuni profili in overloading. I fattori cinetici, invece, sono stati a lungo stimati attraverso il fitting nonlineare della curva sperimentale di van Deemter. Tuttavia, questo metodo porta alla stima di parametri molto spesso privi di senso fisico, pertanto oggi si preferiscono approcci più moderni che consentono la stima indipendente di tutti i contributi al trasferimento di massa. Dal punto di vista sperimentale, i coefficienti di diffusione nella fase mobile e nel mezzo effettivo vengono stimati attraverso la tecnica del ”peak parking”, in cui le molecole di analita vengono lasciate libere di diffondere approssimativamente al centro della colonna in assenza di flusso e i risultati vengono, poi, interpretati mediante un modello di diffusione nei mezzi porosi. I processi di trasferimento di massa in cromatografia possono essere, inoltre, predetti attraverso simulazioni CFD, che mimano accuratamente l’allargamento di banda in una sezione del letto impaccato. Grazie alla combinazione dei risultati derivanti da queste tecniche con quelli di ricostruzione della fase stazionaria, recentemente sono stati rivisitati alcuni concetti come, ad esempio, l’indipendenza dei flussi dentro e fuori dalle particelle. Questa tesi è volta allo studio delle performance cinetiche e termodinamiche di diversi tipi di fasi stazionarie. Inizialmente, la cinetica di trasferimento di massa è stata studiata all’interno di colonne per cromatografia a fase inversa composte da particelle C18 sub-2μm caratterizzate da una distribuzione delle particelle molto stretta. In seguito, sono state studiate le performance cinetiche di nuove fasi stazionarie chirali per cromatografia ultrafast, confrontando colonne impaccate in-house con particelle core-shell e sub-2μm totalmente porose, funzionalizzate con lo stesso selettore chirale. I risultati riportati in questa tesi riguardano due diversi studi effettuati con due diversi tipi di selettore chirale (Whelk-O1 e teicoplanina). Grazie all’utilizzo di colonne corte impaccate con queste nuove fasi stazionarie chirali e alte velocità di flusso, sono state ottenute separazioni di enantiomeri in meno di un secondo. Dall’altro lato, sono stati studiati gli equilibri di adsorbimento di alcuni derivati del benzene su una fase stazionaria perfluorurata attraverso misure di cromatografia nonlineare, allo scopo di investigare la ben nota capacità di queste fasi di riconoscere selettivamente altre molecole perfluorurate (”fluorofilicità”) che contengano almeno 6 atomi di carbonio sp3 perfluorurati. I risultati di questa indagine hanno dimostrato, però che anche un singolo gruppo CF3 è in grado di indurre un drastico cambio negli equilibri di adsorbimento delle molecole sulla fase stazionaria.

During the last years, there has been a continuous evolution in high performance liquid chromatography (HPLC) aimed at developing high efficient, selective and fast separation methods. One of the main factors affecting the efficiency of a separation is the type of adsorbent used to pack the column since both physico-chemical and geometrical characteristics of packing particles play a key role on column performance. The investigation of kinetic and thermodynamic properties of porous materials used as stationary phases in LC is of fundamental importance for future developments in column design and new applications. It is well known that the efficiency of separation is strongly influenced by kinetic factors while thermodynamics (adsorption equilibria) affects retention and selectivity. Anyhow, these aspects are very often strictly interconnected to each other. Adsorption equilibria can be investigated through several chromatographic techniques (e.g. frontal analysis, perturbation method). However, new approaches (”Inverse Method”) allow to estimate the adsorption isotherm of any analyte on a stationary phase by means of only few experimental overloading measurements. Kinetic factors have been estimated for a long time through the nonlinear fitting of the experimental van Deemter curve. Recently, this approach has been demonstrated to lead to parameters whose physical meaning is debatable. Accordingly, it has been substituted by a more advanced approach which allows to independently estimate each mass transfer contribution. Experimentally, the effective diffusion coefficient of the analyte in the porous medium is calculated by means of stop-flow techniques (peak parking), where analyte molecules are left free to diffuse in the middle of the column when the flow is switched off. The results of peak parking experiments must be then interpreted in the light of a proper model ofdiffusion in porous media. Mass transfer processes in liquid chromatography can be predicted through CFD simulations. These studies accurately mimic the band broadening in specific sections of packed beds. Combined to sophisticated reconstruction of stationary phase structures and the calculation of transport properties in the reconstructed materials, these approaches have permitted to revise some concepts traditionally accepted in the field of diffusion through porous media (such as, for instance, the independence of mass fluxes outside and inside porous particles). In this thesis, kinetic performance and thermodynamic properties of different types of stationary phases have been explored. Mass transfer kinetics has been firstly investigated in recently introduced sub-2μm monodisperse C18 FPPs for reversed-phase separations characterized by a narrow particle size distribution (nPSD). Then, kinetic performance of new chiral stationary phases (CSPs) for ultrafast separations have been studied by comparing columns in-house packed with both SPPs and sub-2μm FPPs functionalized with the same chiral selector. The results reported in this thesis concern two different studies carried out with two different types of chiral selectors (Whelk-O1 and teicoplanin). Sub-second enantioseparations have been obtained with very short columns packed with these CSPs operated at high flow rates, being an extraordinary result in the field of enantioseparations, unimaginable only few years ago. On the other hand, the adsorption properties of benzene derivatives on a perfluorinated adsorbent have been studied by means of nonlinear chromatography measurements in order to investigate the well-known capacity of perfluorinated stationary phases to selectively recognize perfluorinated molecules (”fluorophilicity”), which is usually referred to be active when the molecule contains at least six sp3 perfluorinated carbon atoms. The results of this study, however, showed that even a single CF3 group induce a drastic change in the adsorption properties of molecules.