CH619245A5

CH619245A5 -

Info

Publication number: CH619245A5
Application number: CH967878A
Authority: CH
Inventors: Otakar Mikes; Petr Strop; Jiri Coupek
Original assignee: Ceskoslovenska Akademie Ved
Priority date: 1974-02-12
Filing date: 1978-09-15
Publication date: 1980-09-15
Also published as: DE2505870C2; FR2260588B1; JPS5833018B2; GB1504117A; JPS58132004A; NL7501616A; CS177507B1; AU7814675A; CA1045291A; ATA101875A; JPS58132005A; NL181807B; NL181807C; CS200353B1; JPS50115185A; SE7501330L; JPS5851006B2; SE409330B; GB1493986A; US4097420A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von 25 hydrophüen polymeren Ionenaustauschern, welche in ihrer Struktur gleichzeitig kationische und anionische funktionelle Gruppen oder dipolare Ionen enthalten.

Die Ionenaustauscher aus hydrophilen polymeren Gelen mit regulierbarer Porosität, welche nach bekannten Vor- 30 Schlägen hergestellt werden, enthalten in ihrer Struktur entweder anionische (Kationenaustauscher) oder kationische funktionelle Gruppen (Anionenaustauscher). Es wurde nachgewiesen, dass diese Materialien durch ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften bisher gebräuchliche Kat- 33 ionen- und Anionenaustauscher mit Cellulose- oder Poly-dextranmatrix bei Sorption und Chromatographie von verschiedenen Biopolymeren übertreffen.

Neben gebräuchlichen Kationen- und Anionenaustau-schern wurden aber schon früher synthetische organische 40 Polystyrol-Divinylbenzolionenaustauscher, welche in ihrer Struktur gleichzeitig basische und saure funktionelle Gruppen enthalten, hergestellt, auf den Anionenaustauscher aus Polystyrol wurde durch Ionenaustausch eine saure Komponente (z. B. Acrylsäure) sorbiert, welche nach Eindringen in das 4S Netz des Anionenaustauscherteilchens vorwiegend durch Hineinkeilen ihrer makromolekularen Kette, einpolymerisiert wurde. Auf ähnliche Weise kann man basische Komponenten an Kationenaustauscher binden. Durch diese Verfahren wurden handelsübliche amphotere Ionenaustauscher, z. B. 5() vom Retardion-Typ, hergestellt, die besonders in dem als «Ionenbremsen» genannten Prozess zur Geltung kamen.

Dieses Trennverfahren setzt sich sowohl im Labor als auch im Produktionsmassstab durch.

Die neuere Entwicklung der Chromatographie von Bio- 5J polymeren zeigt die grosse Bedeutung von amphoteren Ionenaustauschern, wenn ihre funktionellen Gruppen an die die Penetration von Makromolekülen erlaubende Matrix, wie z. B. Polydextran, gebunden werden (J. Porath, I. Fryklund: Natine 226 (1970) 1169; J. Porath, N. Fornstadt: J. Chroma-6o togr. 51 (1970) 479). Durch die vorteilhaften chemischen und mechanischen Eigenschaften von hydrophilen Hydroxy-acrylat- und Hydroxymethacrylatgelen, welche nach der CS-PS 148 828 und 150 819 hergestellt werden und welche in manchen Hinsichten Derivate von Polysacchariden übertreffen, sind diese synthetischen polymeren Gele als Träger auch65 für amphotere oder dipolare ionogene Gruppen sehr geeignet.

Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung von hydrophilen, makroporösen Ionenaustauschern von amphoterem Charakter ist dadurch gekennzeichnet, dass man vernetzte Mischpolymerisate von Acrylat-, Methacrylat-, Acrylamid- und Methacrylamidmonomeren, welche Hydroxylgruppen enthalten, an den Hydroxylgruppen mit polyfunktionellen Verbindungen, die ihrerseits jeweils mindestens eine Gruppe aufweisen, die mit den OH-Gruppen reagieren kann, zur Reaktion bringt und an frei gebliebene Gruppen der polyfunktionellen, chemisch an das Polymer gebundenen Verbindungen Reaktanten anlagert, welche in ihrem Molekül sowohl kationogene als auch anionogene Gruppen aufweisen, wobei diese Gruppen, wie z. B. bei Aminosäuren beim isoelektrischen Punkt, auch als innere Salze vorhegen können.

Dieses Verfahren kann man so durchführen, dass man die oben angeführten vernetzten Mischpolymerisate, welche Hydroxylgruppen enthalten, mit zwei oder mehrere reaktive Gruppen enthaltenden Verbindungen, wie z. B. Phosgen, Epichlorhydrin, Diepoxide, Polyepoxide, Diisocyanate und Polyisocyanate reagieren lässt und dass man nach der Reaktion verbliebene reaktive Gruppen zur Bindung von Molekülen, welche durch Dissoziation Anionen und Kationen liefern, beispielsweise gleichzeitig von Diamin und Aminosäure oder Hydroxysäure oder Dicarbonsäure und Aminosäure, ausnützt. Eine ähnliche Wirkung erreicht man durch die chemische Bindung von Aminosäuren, welche durch Dissoziation dipolare Ionen liefern. Für die Bindung von Aminen und Aminosäuren auf Gel, welches Hydroxylgruppen trägt, verwendet man vorteilhaft die Aktivierung mit Brom-cyan.

Wenn man zur Bindung von ionogenen Molekülen von Halogenalkansäuren eine Quaternisierungsreaktion der Alkyl-amingruppe anwendet, so entsteht auch ein amphoterer Ionenaustauscher.

Bei der Herstellung von amphoteren Ionenaustauschern spielt es oft eine grosse Rolle zu bewirken, dass verschiedene geladene Gruppen nicht nur im stöchiometrischen Äquivalent vorliegen, sondern auch sterisch so angeordnet werden, dass sie infolge freier Drehbarkeit von Ketten deren unabhängiges Kreisen in der Lösung und Einnehmen jeder Lage in dem durch die Länge ihrer freien Arme bestimmten Raum zu erlauben. Dabei ist es wünschenswert, dass sie an einer Stelle zusammentreffen und eine Ionenbindung ausbilden können.

Amphotere hydrophile Ionenaustauschergele haben grosse Bedeutung für die Entwicldung von feinen Fraktionierungs-methoden. Sie werden zum Trennen der Gemische von Ei-weissstoffen und Nucleinsäuren schon bei linearer Chromatographie verwendet, ohne die Anwendungsmöglichkeit von Elutionsgradienten auszuscheiden. Durch die erreichten Resultate übertrifft die Trennung auf amphoteren Ionenaustauschern das Trennen auf üblichem monofunktionellen Ionenaustauscherderivaten (J. Porath: Chromatographie Methods in Fractionation of Enzymes (in Biotechnology and Bioengineering Symp. No. 3,145—166,1972). Zu diesen Zwecken bisher verwendete Derivate der Polydextrane von Sephadex oder Sepharose (geschützte Wortmarken) besitzen im Vergleich mit hydrophilen Derivaten der Hydroxyacrylat-und Hydroxymethacrylatgele wesentlich geringere chemische und mechanische Stabilität. Überdies quellen die neuen Ionenaustauscher, die nach vorliegender Erfindung hergestellt werden, nur sehr wenig auf; bei höheren Durchflussraten kommt es nicht zum Verstopfen der Säulen, welche mit diesen Materialien gefüllt werden. Gele sind gegen microbielle Infektion beständig und man kann sie im Bedarfsfall durch Kochen sterilisieren.

Die unten angeführten Beispiele illustrieren Herstellungsverfahren von amphoteren Ionenaustauschern nach dieser Er

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findung, ohne dadurch den Schutzumfang zu beschränken. Die oben angeführten Monomeren kann man z. B. auch durch weitere bekannte kationenaktive und anionenaktive Monomeren wie Äthylensulfonsäuren, Styrolsulfonsäuren, quaternisierte Aminoalkylstyrole u. dgl. ergänzen. 5

Beispiel 1

1 g Mischpolymerisat von 2-Hydroxyäthylmethacrylat und Äthylendiacrylat mit einem Molekulargewicht bis

300 000 wurde durch Erhitzen mit Epichlorhydrin in alkali- 10 schem Milieu modifiziert. Das Produkt wurde in 5 ml 40 °/o NaOH suspendiert. Zum Gemisch wurden 1,5 g Arginin in 5 ml 20 o/o NaOH zugefügt. Das Gemisch wurde gründlich durchgerührt und 5 Stunden auf 65° C erhitzt. Das Gel wurde abfiltriert, mit Wasser, Methanol, 10 % HCl, Wasser, 15 5 ®/o NaOH, Wasser, 10 fl/o HCl, Wasser, Methanol, Aceton und Äther gewaschen, an der Luft getrocknet und im Vakuum nachgetrocknet. Der Gehalt an Stickstoff im Produkt wurde nach der Kjeldahlmethode bestimmt.

Das Endprodukt enthält Aminogruppen, Guanidogruppen 20 und Carboxylgruppen:

COO- NH2+

.... —CH2—NH—CH—CH2CH2CH2—NH—C—NH2 «

Beispiel 2

2 g Mischpolymerisat von 2-Hydroxyäthylmethacrylat und Äthylendimethacrylat mit einem Molekulargewicht bis 3Q 200 000 wurden in 10 ml kalter 40 fl/oiger wässeriger NaOH suspendiert; die überschüssige NaOH-Lösung wurde abgesaugt. Das Gel wurde mit 2,5 g Diepoxybutan versetzt und das Gemisch wurde gründlich durchgerührt. Dann wurde unter Kühlen 30 «/oige wässerige KOH zugetropft; nach jeder Zugabe wurde das Gemisch gründlich durchgerührt. Dann wurde es abgekühlt, überschüssige Lauge abgesaugt und eine Lösung von 2 g Arginin in 10 ml 30 ®/o NaOH zugegeben. Das Gemisch wurde dann gründlich durchgerührt, auf 60° C erhitzt und bei dieser Temperatur 4 Stunden gehalten. An- 4o schliessend wurde das Gel abfiltriert, mit Wasser, Methanol, Aceton, Wasser, Chlorwasserstoffsäure, Wasser, 5,0/o NaOH, Wasser, 10 %> HCl, Wasser, Methanol, Aceton und Äther gewaschen. Das Produkt wurde luftgetrocknet und im Vakuum nachgetrocknet. Der Gehalt an Stickstoff wurde nach Kjeldahl bestimmt. Das Endprodukt enthält die gleichen Gruppen wie dasjenige von Beispiel 1.

Beispiel 3

1 g Mischpolymerisat von Diäthylenglykolmonomethacry-50 lat und Äthylendiacrylat mit einem Molekulargewicht bis 100 000 wurde mit 10 ml einer 25 »/oigen Lösung von Hexa-methylendnsocyanat in Benzol vermischt. Das Gemisch wurde unter Feuchtigkeitsausschluss 2 Stunden bei 20° C gerührt. Danach wurde das Gel abfiltriert, mit getrocknetem 55 Dioxan, Benzol und Aceton gewaschen. Das Gel wurde dann mit einem Gemisch von 3 ml Pyridin, 7 ml H2O und 1 g 1-Arginin vermischt. Das Gemisch wurde 3 Minuten auf 50° C erwärmt, danach wurde das Erwärmen unterbrochen und das Gemisch noch 4 Stunden gerührt. Das Gel wurde 60 abfütriert und mit 15 % HCl, Methanol, Dioxan und Aceton gewaschen. Der Gehalt an gebundenem Arginin wurde aus dem Unterschied des Stickstoffgehaltes vor und nach der Umsetzung bestimmt. (Der Unterschied betrug 1 °/o N). Das Endprodukt enthält die gleichen Gruppen wie dasjenige der Beispiele 1 und 2.

Beispiel 4

Getrocknetes Mischpolymerisat von 2-Hydroxyäthyl-methacrylat und Äthylendimethacrylat mit einem Molekulargewicht bis 100 000 wurde mit einem mässigen Überschuss von Butyllithium in Tetrahydrofuranlösung vermischt. Die ' Umsetzung wurde unter Rühren und Kühlen 30 Minuten in Stickstoffatmosphäre durchgeführt. Das Gel wurde danach mit getrocknetem Tetrahydrofuran gewaschen. In den Kolben wurden 7 g dieses Gels gebracht und 27 g Butandiepoxid (durch Molekularsieb Petasit A3 getrocknet) zugegeben. Der Kolben wurde auf 70° C erhitzt und bei dieser Temperatur unter periodischem Durchrühren und unter Feuchtigkeitsausschluss 3 Stunden gehalten und dann über Nacht stehen gelassen. Dann wurde das Gemisch unter Rückflusskühlung 10 Minuten auf 100° C erhitzt. Die Innentemperatur stieg auf 130° C; nach dem Erreichen dieser Temperatur wurde sie 5 Minuten beibehalten, dann wurde das Gemisch abgekühlt, mit Aceton, Äther, Aceton, schnell mit kaltem Wasser und mit grossem Überschuss von Aceton, mit Äther, CHCh und Äther gewaschen. Das Gel wurde im Vakuum getrocknet.

0,3 g auf solche Weise durch Butandiepoxid modifiziertes Gel wurden mit 0,25 g Taurin, das in 1,6 ml Wasser gelöst wurde, vermischt. Danach wurde das Gemisch eine Stunde stehen gelassen, anschliessend 4 Stunden auf 95° C erhitzt und schliesslich 2 Tage bei Raumtemperatur stehen gelassen. Das Gel wurde abfiltriert und mit Wasser, Äthanol, Aceton und Äther gewaschen, getrocknet. Bei der Elementaranalyse wurden 0,71 ■% S und nach Kjeldahl 0,45 '%> N gefunden.

Das Endprodukt enthält Aminogruppen und Sulfogrup-pen (1:1):

.... —CH2—NH2—CH2CH2—SO3 -

Beispiel 5

0,3 g nach Beispiel 4 durch Butandieopxid modifiziertes Gel wurden mit 0,25 g L-Arginin in 1 ml destilliertem Wasser vermischt. Danach wurde das Gemisch eine Stunde bei Raumtemperatur stehen gelassen, dann bei einer Badtemperatur von 85° C 4 Stunden erhitzt. Anschliessend wurde es bei Raumtemperatur 2 Tage stehen gelassen. Das Gel wurde mit destilliertem Wasser, Äthanol, Aceton und Äther gewaschen. Es wurden 3,38 % N nach Kjeldahl bestimmt.

Das Endprodukt enthält die gleichen Gruppen wie dasjenige der Beispiele 1, 2 und 3.

Beispiel 6

Eine Reaktion mit s-Aminocapronsäure (0,3 g s-Amino-capronsäure, 1 ml H2O) wurde unter analogen Bedingungen wie im Beispiel 5 durchgeführt. Es wurden 0,68 % N gefunden.

Das Endprodukt enthält Aminogruppen und Carboxylgruppen (1:1):

... —CH2—NH2—CH2CH2CH2CH2CH2COO -

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Claims

619 245 2 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Herstellung von hydrophilen, makroporösen Ionenaustauschern von amphoterem Charakter, dadurch gekennzeichnet, dass man vernetzte Mischpolymerisate von Acrylat-, Methacrylat-, Acrylamid- und Methacrylamid- 5 monomeren, welche Hydroxylgruppen enthalten, an den Hydroxylgruppen mit polyfunktionellen Verbindungen, die ihrerseits jeweils mindestens eine Gruppe aufweisen, die mit den OH-Gruppen reagieren kann, zur Reaktion bringt und an frei gebliebene Gruppen der polyfunktionellen, chemisch io an das Polymer gebundenen Verbindungen Reaktanten anlagert, welche in ihrem Molekül sowohl kationogene als auch anionogene Gruppen aufweisen, wobei diese Gruppen auch als innere Salze vorliegen können.

2. Verfahren gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekenn- 15 zeichnet, dass man die nachfolgende Modifizierung der Gele nach der Aktivierung durch die mehrfunktionelle Verbindung gleichzeitig durch ein Diamin gemeinsam mit einer Aminosäure oder einer Hydroxysäure, oder durch eine Dicarbon-säure gemeinsam mit einer Aminosäure, durchführt. 20