CH619244A5

CH619244A5 -

Info

Publication number: CH619244A5
Application number: CH142575A
Authority: CH
Inventors: Petr Strop; Jiri Coupek; Otakar Dr Mikes
Original assignee: Ceskoslovenska Akademie Ved
Priority date: 1974-02-13
Filing date: 1975-02-06
Publication date: 1980-09-15
Also published as: JPS5913522B2; AT337108B; SE7501331L; ATA101975A; CS173201B1; GB1499134A; CA1048692A; NL7501617A; AU7814775A; FR2260589B1; NL182566B; JPS50115684A; US4111859A; DE2505892A1; NL182566C; SE424079B; FR2260589A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Ionenaustauschern auf Basis von Acrylat- und Methacrylatgelen.

Beschrieben werden chemische Nachfolgereaktionen, welche ionogene Gruppen oder ihre Präcursoren, die sich in hydrophilen, chromatographischen Gelen befinden, modifizieren. Durch diese Umsetzung kann man hydrophile Träger von ionogenen Gruppen mit veränderten Eigenschaften herstellen und die Anwendungsmöglichkeiten dieser Gele verbreiten.

Synthetische hydrophile makroporöse Ionenaustauscher nach den CS Patentschriften 171 962,171 963 und 187 563 weisen im Vergleich zu anderen Typen von Ionenaustauschern eine Reihe bedeutender Eigenschaften auf, welche ihre Verwendung, besonders auf dem Gebiet der Sorption und Chromatographie von Biopolymeren und ihren hochmolekularen Degradationsprodukten, vorteilhaft erscheinen lassen. Es sind dies vor allem ihre grosse mechanische Stabilität, ihre chemische Beständigkeit sowie ihr konstantes Volumen der Ionenaustauschersäule bei Änderung von Ionenstärke der wässrigen Lösungen. Ebenso bedeutend ist auch ihre Fähigkeit, hohe Drücke bei erhöhten Durchflüssen und bei hoher Porosität des Gels zu ertragen.

Die Bedingung für die Funktion dieser Präparate bei der Sorption und bei Chromatographie stellen geeignete ionogene Gruppen dar, welche in das Gel schon bei dessen Herstellung durch ternäre Mischpolymerisation von hydrophilem Monomeren mit ionogenem Monomeren und mit Vernetzungsmittel eingegliedert wurden. Dieser Weg ist aber nicht immer das vorteilhafteste Verfahren zur Herstellung von Ionenaustauschern mit optimalen Eigenschaften für ein gegebenes spezifisches Trennproblem. In einigen Fällen ist es zweckmässig, gebundene funktionelle Gruppen nachträglich chemisch zu modifizieren, um Derivate mit erwünschten Eigenschaften herzustellen. Dies kommt besonders in den Fällen vor, in welchen die Polymerisation mit unveränderter Monomeren-gruppe vorteilhafter ist als die Mischpolymerisation von Monomeren mit der schon in der endgültigen Form enthaltenden Gruppe. Weiter gilt dies auch in Fällen, in denen effektive funktionelle Gruppen eine hemmende Wirkung auf die radikalische Polymerisation ausüben, oder wenn eine nachträgliche modifizierende Umsetzung ökonomischer wird als die Herstellung von Monomeren mit der endgültigen funktionellen Gruppe und dessen Mischpolymerisation.

Die modifizierenden Umsetzungen betreffen besonders solche Reaktionen, durch welche sich der chemische Charakter, die Dissoziationskonstante oder die Kapazität von ionogenen Gruppen, der Grad ihrer Hydrophilität oder ihre Entfernung von der Matrix und der Charakter der Mikroumgebung, sowie auch die Beseitigung von Resten von unerwünschten ionogenen im Ionenaustauscher anwesenden Gruppen ändert. Modifizierende Umsetzungen, welche die Ionenaustauschergruppen aus dem Präcursor generieren, sind manchmal vorteilhafter als die direkte Herstellung des Ionenaustauschers.

Durch die geeignete Wahl des Präcursors kann man erreichen, dass die aktiven Gruppen in gegenseitig vorteilhaften räumlichen Beziehungen (alternierende Mischpolymerisation), welche für spätere Funktion bei der Sorption oder Chromatographie von Bedeutung sind, vorliegen. Durch eine einfache Umwandlung der primären Aminogruppe in sekundäre oder tertiäre Gruppe erhöht sich die in der Regel massige Basizität der Gruppe, durch die Umwandlung in die quartäre Gruppe erhöht sich die Basizität sehr stark, und diese Eigeschaften äussern sich beträchtlich in den Sorptionseigenschaften des Gels. Wenn man statt einer Substitution der Aminogruppe die Alkylierung durch Hydroxyalkylierung durchführt, erhöht sich gleichzeitig die Hydrophilität der Funktionsgruppe, was in den chromatographischen Eigenschaften zum Ausdruck kommt. Durch die Substitution der Aminogruppe durch Aminoalkylie-rung oder Alkylaminoalkylierung erhöht sich gleichzeitig ihre Basizität, durch Erhöhung der Anzahl von basischen Gruppen nimmt die Kapazität des Materials zu und zusätzliche funktionelle Gruppen können eine von der Gelmatrix mehr entfernte Position einnehmen. Durch die Wahl von geeigneten Substitu-enten kann man die Anzahl von Funktionsgruppen erhöhen und ihre entferntere Position von den inneren Oberflächen in Porenhöhlen erreichen; dadurch wird die nützliche Kapazität natürlicher Polymere gesteigert. Ausgebreitete Formen von Ketten erzielt man durch das natürliche gegenseitige Abstos-sen von gleich geladenen Funktionsgruppen. Durch ähnliche Umsetzungen kann man die Eigenschaften von Anionenaus-tauschergruppen ändern, ihre Molekülgrösse verlängern und nach Bedarf die Gelkapazität erhöhen.

Die Aufbereitung des lonenaustauschergels kann man durch modifizierende Umsetzungen oft billiger durchführen, als es durch direkte Mischpolymerisation möglich wäre, die Aufbereitung führt oft zu der Form, welche für den erwünschten Zweck optimal ist. Die Änderung der Dissoziationskonstante beeinflusst vorteilhaft die Sorptionscharakteristik, so sorbiert z.B. die sehr schwach basische primäre Aminogruppe im Ami-noäthylderivat praktisch keine Eiweisstoffe (Hämoglobin, Serumalbumin), wogegen die durch ihre nachträgliche Diäthy-lierung hergestellte Verbindung besser sorbiert. Wenn aber Diäthylaminoäthylmethacrylat durch eine Mischpolymerisation hergestellt wird, so wird Hämoglobin nicht, Serumalbumin nur schwach und Pepsin gut adsorbiert.

Durch eine nachträgliche Modifizierung von hydrophilen Gelen bei der Diäthylaminoäthylierung entstehen zusätzliche funktionelle Gruppen, die die Gelkapazität für die Eiweisstoffe mit einem isoelektrischen Punkt in alkalischem Gebiet erhöhen. Das bestätigt auch die Analyse von Titrierkurven und die thermische Analyse von hergestellten Derivaten. Es wurde nachgewiesen, dass das Mischpolymerisat des Diäthylamino-äthylmethacrylats mit hydrophilem Comonomeren und Vernetzungsmittel nur die Gruppe —CH2CH2—N(CH2CH3)2 enthält, wogegen alle gebräuchlichen hydrophilen Ionenaustauscherderivate, welche durch polymeranalogische Diäthylaminoäthylierung von Stärke, Polydextrane oder Cellulose hergestellt wurden, ausser der schwach basischen Diäthylami-noäthylgruppe noch quartäre Ammoniumgruppen, welche die Sorption von Eiweisstoffen erhöhen, enthalten. Das Gel, welches nur tertiäre Aminogruppen enthält, ist von sich aus zur s

10

15

20

25

3»

35

40

45

50

55

60

65

3

619 244

Sorption von Eiweisstoffen mit isoelektrischem Punkt in saurem Gebiet, wie z.B. Pepsin, gut geeignet. Man kann es also zur selektiven Sorption aus der Lösung von den Eiweisstoffen, die sich durch den isoelektrischen Punkt prägnant unterscheiden, verwenden. Aus dem Angeführten geht hervor, dass eine Nachfolgemodifizierung der ionogenen Funktionsgruppe vom Anionenaustauscher einen wesentlichen Einfluss auf seine Wirkung beim Trennen ausüben kann.

Das Verfahren zur Herstellung von Ionenaustauschern auf Basis von Acrylat- und Methacrylatgelen gemäss der Erfindung ist in den Patentansprüchen spezifiziert.

Zur Modifizierung wird die Wirkung von Alkylhalogeniden, Alkylestern der p-Toluolsulfonsäure, Alkylsuîfaten und Epoxi-den, die zu alkylierten oder hydroxyalkylierten Produkten führt, ausgenützt. Solche Gele, die durch eine Umsetzung mit Polyaminen oder oligomeren Polyadditionsprodukten des Äthylenimins modifiziert sind, also derart entstandene Anionenaustauscher, werden leicht durch eine Alkylierungsre-aktion quaternisiert, wobei ausserordentlich hohe Werte der Austauschkapazität erreicht werden können. Durch die Alky-lierung der Carboxylgruppe durch Einwirkung von Diazover-bindungen kann man den Gehalt an unerwünschten amonogenen Gruppen im Anionenaustauscher wesentlich vermindern.

Im weiterenwird die Erfindung in den Beispielen erklärt.

Beispiel 1

2 g Mischpolymerisat des Diäthylaminoäthylmethacrylats mit 2-Hydroxyäthylmethacrylat und Äthylendimethacrylat mit der Ausschlussgrenze des Molekulargewichtes 700 000 wurden in 10 ml N,N-Dimethylformamid suspendiert. Zum Gemisch wurden 8 ml Butylbromid zugegeben. Unter periodischem Durchschütteln wurde das Gemisch auf 150°C 18 Stunden erhitzt. Danach wurde das Gel abfiltriert, mit Methanol, Aceton, Wasser, 20% HCl, Wasser, 10% NaOH, Wasser, 10% HCl, Wasser, Methanol, Aceton und Äther durchgewaschen. Reaktion mit Phenolphthalein hat gezeigt, dass ursprüngliche tertiäre funktionelle Aminogruppen quaternisiert wurden. Durch Titration wurde quantitativer Umsatz verifiziert.

Beispiel 2

2 g Mischpolymerisat aus dem Beispiel 1, welches 15 Mol-% N,N-Diäthylaminoäthylfunktionsgruppen enthält, wurden unter den im Beispiel 1 angeführten Bedingungen mit Äthyl-bromid in eingeschmolzener Ampulle erhitzt. Quaternisiertes Polymerisat wurde nach Durchwaschen für Bestimmung des Gehaltes an Ammoniumfunktionsgruppen titriert.

Beispiel 3

2 g Mischpolymerisat des Äthylendimethacrylats mit 2-Hydroxyäthylmethacrylat wurden mit Bromcyan aktiviert und weiter mit Äthylendiamin unter den in der tschechoslowakischen Patentanmeldung PV 2106-72, Beispiel 17, angeführten Bedingungen umgesetzt. Das Gel mit gebundenen primären Aminogruppen wurde nach Durchwaschen und Austrocknen in die Ampulle gebracht, es wurden 5 ml Dioxan und 2 ml Äthylenoxid zugegeben. Nach dem Einschmelzen wurde die Ampulle auf die Temperatur 100°C 5 Stunden erhitzt. Das Reaktionsprodukt, welches hydroxyalkylierte tertiäre Aminogruppen enthält, wurde auf analoge Weise wie im Beispiel 2 quaternisiert.

Beispiel 4

2 g Mischpolymerisat des 2-Hydroxyäthylmethacrylats und Äthylendiacrylats mit der Ausschlussgrenze des Molekulargewichtes 100 000 wurden durch die Umsetzung mit

Thionylchlorid (analog wie in der tschechoslowakischen Patentanmeldung PV 896-74, Beispiel 7) modifiziert. Das Produkt wurde im Gemisch von 5 ml N,N-Dimethylformamid und 3 ml oligomere Polyäthylenimine mit durchschnittlichem Molekulargewicht 370 auf 150°C innerhalb von 30 Stunden erhitzt. Nach Abkühlen und vollkommenem Durchwaschen wurde das Produkt auf analoge Weise wie im Beispiel 2 quaternisiert. Das quaternisierte Produkt wurde mit Methanol, Aceton, Wasser, 10% HCl, Wasser, 10% NaOH, Wasser, Methanol, Aceton und Äther durchgewaschen und seine Austauschkapazität (6,5 mval/g) bestimmt.

Beispiel 5

p-Toluolsulfochlorid wurde zunächst aus Wasser kristallisiert, danach in Chloroform aufgelöst, die Chloroformlösung mit wasserfreiem MgS04 ausgetrocknet und mit Molekularsieb Nelsit A4 nachgetrocknet. p-Toluolsulfochlorid wurde anschliessend unter Zugabe von Aktivkohle aus Chloroform und aus dem Gemisch Chloroform-Heptan kristallisiert.

In 250 ml getrocknetes Äther wurden 100 g p-Toluolsulfochlorid aufgelöst, das Gemisch wurde auf 10°C ausgekühlt und zum Gemisch wurde eine Lösung aus 80 g 1-Butanol und 100 ml Pyridin so zugegeben, dass die Reaktionstemperatur 25 °C nicht überstieg. Danach wurde das Gemisch bei Raumtemperatur noch 5 Stunden gerührt. Durch die Dünnschichtchromatographie (Silufol UV) wurde der Umsatz verfolgt. Nach 5-stündigem Rühren, wenn der Umsatz fast vollkommen ist, wurde das Gemisch noch mit 700 ml Äther verdünnt, ausgefällter Niederschlag wurde abfiltriert, ätherische Lösung auf ca. 400 ml konzentriert und mit Wasser vom pH-Wert 3 so lange ausgeschüttelt, bis der pH-Wert des wässrigen Extraktes ohne Änderung blieb, dann wurde die ätherische Lösung nochmals mit 2x200 ml Wasser, 2x200 ml 4% NaHC03 und wiederum mit 2x200 ml Wasser ausgeschüttelt, ausgetrocknet, durch die mit Silicagel gefüllte Säule durchgegossen und abgedampft. 20 g vom Produkt, desen Herstellung in vorhergehendem Absatz beschrieben wurde, wurden zu 2 g von hydrophilem makroporösem Gel mit 15 % N,N-Diäthylaminoäthylmeth-acrylat im Polymerisationsansatz zugegeben. Zum Gemisch wurden 15 ml N,N-Dimethylformamid, welches durch Molekularsiebe Nelsit A4 ausgetrocknet wurde, zugefügt. Das Gemisch wurde auf 95 °C 5 Stunden erhitzt. Das Gel wurde danach abfiltriert, mit Dioxan, Aceton, Benzol, Aceton, Methanol und Wasser durchgewaschen. Dann wurde 0,5 g Anteil durchgewaschen und mit 10% NaOH äquilibriert, mit Wasser durchgewaschen und die Gegenwart von stark basischen Gruppen mit Phenolphthalein nachgewiesen. Zweiter Anteil wurde noch mit Methanol, Aceton und Äther durchgewaschen. Durch Elementaranalyse wurde der Gehalt an Schwefel bestimmt.

Beispiel 6

Ausgekühlte Lösung aus 3 g KOH und 10 ml Wasser wurde mit 20 ml ausgekühltes Äther (unter 5° C) überschichtet, und zu dieser Lösung wurden stufenweise 1,5 g N-Methylnitroharn-stoff so zugegeben, dass die Temperatur 10°C nicht überstieg. Ätherische Lösung wurde dann abgetrennt, und zur Lösung wurden 5 g Mischpolymerisat des 2-Hydroxyäthylmethacrylats und Äthylendimethacrylats, welches restliche Carboxylfunk-tionsgruppen (Austauschkapazität 0,25 mval/g) enthielt, zugefügt. Die Lösung wurde mit dem Gel 30 Minuten gerührt,

dann wurde Äther abfiltriert, das Gel mit Methanol, Wasser, 10% HCl, Methanol, Aceton und Äther durchgewaschen.

Nach Austrocknen wurde das Gel abgewogen und im Wasser quellen gelassen. Durch Titration wurde die Austauschkapazität von Carboxylgruppen (0,019 mval/g) bestimmt.

s

10

IS

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

B

Claims

619 244 2 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Herstellung von Ionenaustauschern auf Basis von Acrylat- und Methacrylatgelen, dadurch gekennzeichnet, dass man hydrophile Gele, welche durch Mischpolymerisation von Monomeren aus der Gruppe der Aminoalkyl-acrylate, Aminoalkylmethacrylate, Aminoalkylacrylamide oder Aminoalkylmethacrylamide hergestellt wurden, oder Gele, welche aus einer hydrophilen Matrix von Hydroxyacrylat- oder Hydroxymethacrylatmischpolymerisaten bestehen, in welche nachträglich Aminogruppen durch Umsetzung mit Reaktionsprodukten von halogenierten Acrylat- oder Methacrylatgelen mit Polyaminen oder oligomeren Polyadditionsprodukten des Äthylenimins eingeführt worden sind, mit Alkylierungsmitteln aus der Gruppe Alkylhalogenide, Alkylester von p-Toluolsul-fonsäure, Alkylsulfate oder mit Epoxiden an den Aminogruppen zur Reaktion bringt.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man Carboxylgruppen im Gel, die aus Verunreinigungen der Monomeren mit freier Acryl- oder Methacrylsäure stammen, durch Einwirkung von Alkyldiazoverbindungen verestert.