AT359980B - Verfahren zur herstellung von neuen vernetzten hydrophilen polymer-gelen - Google Patents

Description

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   Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von neuen vernetzten hydrophilen Polymer-Gelen mit kupplungsfähigen Diazoniumgruppen. 



   Dreidimensional vernetzte und damit unlösliche, nur noch quellbare Polymer-Gele mit reaktiven Gruppen bieten als Reaktionspartner bei chemischen Umsetzungen eine Reihe bedeutender Vorteile ; der wichtigste liegt in der völligen Unlöslichkeit solcher Gele sowohl in Wasser als auch in allen organischen Lösungsmitteln. Dadurch sind sie einfach und quantitativ von den Umsetzungsprodukten abtrennbar, die so ohne Ausbeuteverluste in reiner Form isolierbar sind. Solche Gele können daher-ohne dass Aufarbeitungsschwierigkeiten resultieren-in beliebigem Überschuss eingesetzt werden, wodurch wieder weitgehend quantitative Umsetzungen zu erzielen sind.

   Als praktische Beispiele für den vielseitigen erfolgreichen Einsatz von Polymer-Gelen dieser Art kann man   u. a.   die Ionenaustauscherharze, die   Merrifield 1 sche   Polypeptidsynthese, die Immobilisierung von Enzymen, aber auch die "Polymeren Reagentien" sowie die Affinitätschromatographie-Gele anführen. 



   Die Bedeutung der Affinitätschromatographie-Gele nimmt nicht zuletzt im Zusammenhang mit Problemen des Umweltschutzes laufend an Bedeutung zu. Dabei ist es grundsätzlich von grundsätzlich von grossem Vorteil, dass man den Quellungsgrad solcher Gele sehr einfach durch die Menge an   Vernetzermolekülen - gegebenenfalls   in Gegenwart von Extendern, welche die mittlere Porengrösse festlegen-in sehr weiten Grenzen variieren kann. Die schwach vernetzten und damit stark quellenden Gele eignen sich naturgemäss besonders für das batch-Verfahren, die stark vernetzten und damit nur noch schwach quellenden festen Gele - insbesondere auch die mit Hilfe von Extendern erhältlichen makroporösen Gele - eignen sich dagegen besonders für den Einsatz in Durchlaufsäulen.

   Von entscheidender Bedeutung für die praktische Gebrauchstüchtigkeit von solchen Gelen ist einmal die Kapazität, zum andern die Zugänglichkeit der reaktiven Gruppen, die dafür verantwortlich ist, in welchem Zeitraum die gewünschte Umsetzung abläuft. 



   Bisher sind Polymer-Gele mit Diazonium-Gruppen nur auf Basis von Styrol-Divinylbenzol-Copolymeren und Cellulosefasern bekannt geworden (R. Hering, Chelatbildende Ionenaustauscher, 
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 benzol-Gele völlig hydrophob und quellen dementsprechend nicht in Wasser. Das bedeutet, dass beim Arbeiten in wässerigem Reaktionsmedium, wie es bei Umsetzungen von Diazoniumsalzen ganz bevorzugt üblich ist, sehr lange Reaktionszeiten erforderlich sind und ausserdem keine hohen Umsetzungsgrade zu erzielen sind. Im Gegensatz hiezu quellen die diazotierten Cellulosefasern zwar in Wasser, innerhalb der kristallinen Bereiche jedoch nur in begrenztem Umfang. Daraus resultieren zwar kurze Reaktionszeiten, allerdings bei nur geringen Kapazitäten um zirka 0, 5 mval/g.

   Die zudem nur schwer in Säulen einsetzbaren faserigen Celluloseträger, deren Kapazitäten und Porenstrukturen vorgegeben und daher nicht variiert werden können, sind ausserdem chemisch, biochemisch und auch photochemisch relativ leicht abbaubar, was zur Zerstörung der Faserstruktur führt. 



   Es ist daher Aufgabe der Erfindung, vernetzte hydrophile Polymer-Gele mit kupplungsfähigen Diazoniumgruppen zu entwickeln, deren Quellungsgrad in Wasser innerhalb weiter Bereiche variierbar ist und die bei Umsetzungen kurze Reaktionszeiten bei gleichzeitig hohen Kapazitäten ermöglichen und gegenüber chemischen, biochemischen und photochemischen Einflüssen relativ inert sind. 



   Gegenstand der Erfindung ist nunmehr ein Verfahren zur Herstellung von neuen vernetzten hydrophilen Polymer-Gelen auf der Basis von   Polyacrylsäure- oder   Polymethacrylsäureestern der Glukose, ihrer Glukoside oder der Saccharose, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man vernetzte   Polyacrylsäure- oder   Polymethacrylsäureester der Glukose, ihrer Glukoside oder der Saccharose mit der allgemeinen Formel 

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 und die restlichen X Wasserstoff bedeuten, mit Gemischen aus salpetriger Säure und Salzsäure oder Schwefelsäure diazotiert. 



   An Stelle der leicht zugänglichen und daher preislich günstigen Glukose bzw. ihrer Glukoside und Saccharose können prinzipiell auch alle andern bekannten Kohlenhydrate eingesetzt werden. 



   Die Einführung der ungesättigten   (Meth) acryloxy-Gruppen,   die erfindungsgemäss auch beide nebeneinander vorliegen können, kann durch sauer oder alkalisch katalysierte Veresterung von Glukose bzw. ihrer Glukoside oder von Saccharose mit (Meth) acrylsäure, durch Umsetzung mit Estern der (Meth) acrylsäure, durch Umsetzung mit (Meth) acrylsäurechlorid oder durch Umsetzung mit (Meth) acrylsäureanhydrid erfolgen,   u. zw.   zweckmässigerweise in Gegenwart von Inhibitoren der radikalischen Polymerisation, z. B. Hydrochinon oder Schwefel. Überraschenderweise entstehen auch bei einem relativ grossen Überschuss an Kohlenhydrat von bis zu 300% immer Gemische von ein-und mehrfach (meth) acryloylierten Derivaten, neben der entsprechenden Menge an nichtumgesetzter Glukose bzw. Glukosid oder Saccharose.

   Daher eignen sich diese Gemische ohne Trennung oder Reinigung direkt für eine anschliessende vernetzende Polymerisation mit radikalischen Initiatoren. 



   Je nach der in den eingesetzten Gemischen enthaltenen Menge an mehrfach ungesättigten Derivaten-die wieder durch das Molverhältnis zwischen Kohlenhydrat und (Meth) acrylsäure-Derivat in sehr weiten Grenzen eingestellt werden kann-entstehen bei der Polymerisation schwach vernetzte und daher stark quellende und wenig feste Gele, die sich für den Einsatz im batch-Verfahren eignen. Etwa ab einem Gehalt von zirka 15% an mehrfach ungesättigten Derivaten - und ge-   bebenenfalls   in Gegenwart eines Extenders, beispielsweise Äthanol oder Methanol - resultieren dagegen stark vernetzte und daher wenig quellende und feste Gele mit gegebenenfalls makroporöser Struktur, die sich besonders für den Einsatz in Durchlaufsäulen anbieten.

   Zwischen diesen beiden Extremen sind alle andern Möglichkeiten realisierbar, so dass sich nach dem Verfahren in Wasser leicht quellbare Gele mit Quellungsgraden von 1, 5 bis 50 ergeben, wobei insbesondere die Quellungsgrade von 1, 5 bis 30 für weitere Umsetzungen besonders geeignet sind. Im Gegensatz zu üblichen Estern sind insbesondere die Polymethacrylsäureester gegen saure und alkalische Hydrolyse extrem beständig ; dies zeigt sich auch bei den erfindungsgemässen vernetzten Gelen, die bei PH-Werten von 1 bis 10 nicht zerstört werden und auch keine Gewichtsabnahme erleiden. 



   Sowohl die verwendeten monomeren Estergemische als auch die resultierenden vernetzten Gele sind neue Substanzen. Bekannt waren bisher nur die monofunktionellen reinen stellungsisomeren (Meth) acrylester der Glukose und Saccharose, die durch Veresterung der entsprechend geschützten Derivate mit nachfolgender Abspaltung der Schutzgruppen erhalten worden waren. 

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   In die so erhaltenen Polymer-Gele werden gegebenenfalls nach Extraktion mit Wasser, mit Hilfe geeigneter Partner ätherartig gebundene Nitrophenyl-Gruppen eingeführt, wobei es nicht darauf ankommt, ob die Nitro-Gruppe in o-, m-oder p-Stellung steht, so dass gegebenenfalls auch die Isomerengemische verwendet werden können. Zur Einführung dieser Nitrophenylgruppen werden bevorzugt. Nitrophenylglycidyläther bzw. N-Nitrophenylacrylamid verwendet. 



   Der grosse Vorteil dieser ätherartigen Verknüpfung besteht darin, dass sie bei allen Folgereaktionen gegen saure und alkalische Hydrolyse auch unter Extrembedingungen völlig beständig ist. 



   Der Umsetzungsgrad wird bevorzugt so eingestellt, dass jeder Baustein mindestens eine Nitrophenyl-Gruppe im Mittel enthält, höchstens jedoch soviel, dass bei den Glukose-Gelen noch mindestens zwei, bei den Saccharose-Gelen noch mindestens drei freie Hydroxyl-Gruppen übrig bleiben, 
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 Tabelle 1 
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<tb> 
<tb> Molverhältnis <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> %
<tb> Glukose <SEP> : <SEP> Meth- <SEP> nicht <SEP> umge- <SEP> Mono- <SEP> Di- <SEP> Tri- <SEP> Tetra- <SEP> Penta- <SEP> 
<tb> acrylsäurechlorid <SEP> setzte <SEP> ester <SEP> ester <SEP> ester <SEP> ester <SEP> ester
<tb> Glukose
<tb> 3 <SEP> : <SEP> 1 <SEP> 76, <SEP> 8 <SEP> 22, <SEP> 1 <SEP> 1, <SEP> 1 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 
<tb> 2 <SEP> : <SEP> 1 <SEP> 60, <SEP> 6 <SEP> 30, <SEP> 1 <SEP> 6, <SEP> 8 <SEP> 2, <SEP> 3 <SEP> - <SEP> - <SEP> 
<tb> 1 <SEP> :

   <SEP> 1 <SEP> 47, <SEP> 4 <SEP> 35, <SEP> 6 <SEP> 12, <SEP> 3 <SEP> 4, <SEP> 7 <SEP> - <SEP> - <SEP> 
<tb> 1 <SEP> : <SEP> 3 <SEP> 9, <SEP> 2 <SEP> 25, <SEP> 9 <SEP> 35, <SEP> 8 <SEP> 24, <SEP> 3 <SEP> 4, <SEP> 8 <SEP> - <SEP> 
<tb> 1 <SEP> : <SEP> 5 <SEP> 5, <SEP> 5 <SEP> 13, <SEP> 5 <SEP> 32, <SEP> 6 <SEP> 33, <SEP> 8 <SEP> 14, <SEP> 5 <SEP> - <SEP> 
<tb> 1 <SEP> : <SEP> 7 <SEP> 1, <SEP> 1 <SEP> 2, <SEP> 5 <SEP> 2, <SEP> 4 <SEP> 25, <SEP> 5 <SEP> 50, <SEP> 1 <SEP> 18, <SEP> 2 <SEP> 
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Die Umsetzung lässt sich auch mit sämtlichen dazwischenliegenden Molverhältnissen durchführen. 



   2.17 g (0, 05 Mol) Saccharose werden in 500 ml wasserfreiem Pyridin gelöst und bei Zimmer- temperatur mit 15, 4 g (0, 1 Mol) Methacrylsäureanhydrid versetzt. Das Reaktionsgemisch wird 15 bis 20 h stehen gelassen, das Pyridin im Vakuum abdestilliert und der Rückstand direkt zur Polymerisation eingesetzt. Das   Molverhältnis Saccharose :   Methacrylsäurean- hydrid kann analog wie bei der Umsetzung mit Glukose variiert werden. Zusammensetzung des Monomerengemisches : 21,3% nicht umgesetzte Saccharose, 44,2% Monoester, 34,4% hö- here Ester. 



  3. Herstellung von Saccharosemethacrylat durch Umesterung : In einem Rundkolben mit Rührer,
Thermometer und 25 cm-Vigreux-Kolonne werden 34 g Saccharose in 150 ml wasserfreiem
Dimethylformamid suspendiert und mit 50 g Methylmethacrylat, 0,5 g geglühtem Kalium- carbonat und 0, 1 g Hydrochinon versetzt. Die Apparatur wird bis zu einem Vakuum von etwa 130 mbar evakuiert und das Reaktionsgemisch wird unter Rühren auf   80 C   erhitzt. 



   Dabei löst sich die Saccharose langsam auf und über die Kolonne destilliert ein Gemisch von Methanol, Methylmethacrylat und Dimethylformamid ab. Nach 6 h Reaktionszeit wird mit Essigsäure neutralisiert und das Dimethylformamid wird bei 20 mbar abdestilliert. 



   Der Rückstand besteht aus einem Gemisch von 11, 8% nicht umgesetzter Saccharose, 30, 5%
Saccharosemonomethacrylat und 57,7% höheren Saccharosemethacrylaten. Dieser Rückstand kann direkt zur Polymerisation eingesetzt werden. 



  4.   19, 4   g (0, 1 Mol) Methylglukosid werden in zirka 200 ml wasserfreiem Pyridin gelöst und bei 0 bis   5 C   werden unter Rühren 10, 5 g (0, 1 Mol) Methacrylsäurechlorid langsam zuge- 
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20 h bei Zimmertemperatur stehen gelassen. Dann wird das Pyridin im Vakuum bei mög- lichst niedriger Temperatur abdestilliert und der Rückstand direkt zur Polymerisation eingesetzt. Die Reaktion kann gegebenenfalls auch in Gegenwart eines Polymerisationsinhi- bitors durchgeführt werden. Das   Molverhältnis Methylglukosid : Methacrylsäurechlorid   kann analog wie bei der Umsetzung mit Glukose variiert werden. Zusammensetzung des Monomerengemisches : 41% nicht umgesetztes Methylglukosid, 39, 2% Monoester,   19, 8% höhere Ester.   



  Herstellung der Gele : A Polymerisation a) Der nach 1., 2., 3-oder 4. erhaltene Rückstand wird in zirka 500 ml Äthanol gelöst und nach Zugabe von 0,2 bis 0,5 g Azoisobutyronitril oder Dibenzoylperoxyd bei 70 bis   800C   unter Rühren 8 h lang polymerisiert. Das so erhaltene Gel wird abfiltriert, mit Alkohol, Wasser und Aceton gewaschen und im Vakuum bei 50 bis 600C getrocknet. 



   Ausbeute mit dem Monomerengemisch nach 1. = 14,2   g.   

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   Je nach dem Vernetztergehalt im Monomerengemisch erhält man Gele mit verschiedenen
Quellungsgraden in Wasser. Der Quellfaktor des Gels aus dem Monomerengemisch aus
1. beträgt in Wasser 2, 8 bis 3, der des Saccharose-Gels aus 2. beträgt 2, 5 bis   2, 7.   b) Der nach   1. 2. 3.   oder 4. erhaltene   Rückstand wird   mit 0, 2 bis 0, 5 g Azoisobutyronitril oder Dibenzoylperoxyd versetzt und 8 h bei 70 bis   80. C   in Substanz polymerisiert. Das so erhaltene Gel wird zerkleinert, mit Alkohol, Wasser und Aceton gewaschen und im
Vakuum bei 50 bis   60 C   getrocknet. 



   Der Quellfaktor des Gels aus dem Monomerengemisch aus 1. beträgt 2, 7 bis 2, 9, der des Saccharose-Gels aus 2. beträgt 2, 5 bis   2, 7.   



  B-1 : Umsetzung mit 4-Nitrophenylglycidyläther a) mit alkalischem Katalysator
2 g Saccharosemethacrylat-Gel,   2, 9   g 4-Nitrophenylglycidyläther und 0, 5 ml 25%ige Tetra- äthylammoniumhydroxyd-Lösung werden in 40 ml Dimethylformamid unter Rühren 3 h 
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 grad an 4-Nitrophenyl-Gruppen von   1, 5.   b) mit saurem Katalysator
2 g Saccharosemethacrylat-Gel,   4, 7   g 4-Nitrophenylglycidyläther und 0, 5 ml Bortri- 
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 der Stickstoffanalyse ergibt sich ein Substitutionsgrad an 4-Nitrophenyl-Gruppen von   2, 4.    



    B-2 :   Umsetzung mit   N- (4-Nitrophenyl)-acrylamid  
1 g Saccharosemethacrylat-Gel,   4,   7   g N- (4-Nitrophenyl)-acrylamid   und 0, 2 g Natrium- 
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 der Stickstoffanalyse ergibt sich ein Substitutionsgrad an 4-Nitrophenyl-Gruppen von   3, 2.    



    C-l :   Reduktion
2 g des nach B-la) erhaltenen Saccharosemethacrylat-Gels mit 4-Nitrophenyl-Gruppen werden in 20 ml Pyridin suspendiert und eine Lösung von 10 g Natriumdithionit in
20 ml Wasser zugesetzt. Das Reaktionsgemisch wird 3 h lang unter Rühren und Rückfluss erhitzt. Das so erhaltende Gel mit 4-Aminophenyl-Gruppen wird filtriert, mit Wasser gewaschen und im Wasserstrahlvakuum bei   60 C   getrocknet. 



   Auf Grund der Titration der Amino-Gruppen mit 1/10 n Natriumnitrit-Lösung ergibt sich, dass mehr als 90% der Nitrogruppen zu Aminogruppen reduziert worden sind. 



    C-2 :   Reduktion
2 g des nach B-2 erhaltenen Gels werden in 20 ml Pyridin suspendiert und eine Lösung von 10 g Natriumdithionit in 20 ml Wasser wird zugegeben. Das Reaktionsgemisch wird
3 h lang unter Rühren und Rückfluss erhitzt und das erhaltene Gel mit 4-Amino-phenyl-
Gruppen wird abfiltriert, mit Wasser gewaschen und im Vakuum bei   60 C   getrocknet. 



   Auf Grund der Titration der Amino-Gruppen mit 1/10 n Natriumnitritlösung ergibt sich, dass mehr als 90% der Nitro-Gruppen zu Amino-Gruppen reduziert worden sind. 



  D : Diazotierung
1 g des nach   C-l   oder C-2 erhaltenen Gels mit 4-Aminophenyl-Gruppen wird in 10 ml
1 n Salzsäure suspendiert. Das Reaktionsgemisch wird auf 0 bis   5 C   abgekühlt und unter Rühren mit 5%iger wässeriger Natriumnitrit-Lösung diazotiert. Die Nitrit-Lösung wird solange zugetropft, bis kein Nitrit mehr verbraucht wird. Dies ist dann der Fall, wenn 15 min nach der letzten Nitrit-Zugabe Kaliumjodid-Stärkepapier noch immer blau gefärbt wird. Das so erhaltene Gel mit Diazonium-Gruppen wird abfiltriert, mit Eiswas- ser gewaschen und kann direkt für weitere Reaktionen eingesetzt werden. 



   Der quantitative Verlauf der Diazotierung kann dadurch gezeigt werden, dass man eine
Probe des Aminophenyl-Gruppen enthaltenden Gels mit 1/10 molarer Natriumnitritlösung 

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 titriert. Analog können aus Glukose-Gele und Methylglukosid-Gele mit Aminophenyl-Grup- pen diazotiert werden. 



   PATENTANSPRÜCHE : 
Verfahren zur Herstellung von neuen vernetzten hydrophilen Polymer-Gelen auf der Basis von   Polyacrylsäure-oder   Polymethacrylsäureestern der Glukose, ihrer Glukoside oder der Saccharose, dadurch gekennzeichnet, dass man vernetzte   Polyacrylsäure- oder   Polymethacrylsäure- 
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Claims (1)

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