CS243336B1

CS243336B1 - Process for preparing silica gel with a chemically bonded epoxy group

Info

Publication number: CS243336B1
Application number: CS851042A
Authority: CS
Inventors: Bedrich Porsch; Jirina Novakova
Original assignee: Bedrich Porsch; Jirina Novakova
Priority date: 1985-02-14
Filing date: 1985-02-14
Publication date: 1986-06-12
Also published as: CS104285A1

Abstract

Způsob přípravy silikagelového sorbentu, jehož povrch je modifikován chemicky vázanou 3-glycidyloxypropylovou skupi-' nou, při kterém se na silikagel působí ve vodném prostředí po zvolenou dobu 1,5 až 20% roztokem 3-glycidyloxypropyl/trialkoxy/silanu, s výhodou 3-glycidyloxypropyltrimethoxysilanu, při teplotě v rozmezí 15 až 45 °C, s výhodou při 25 °C, a pH roztoku sílánu se upraví na hodnoty v rozmezí 7 až 9,5. Tímto způsobem připravený sorbent má podstatně vyšší obsah epoxidových skupin vztažený na l g oxidu siřičitého /SÍO2/, než se dosahuje dosud známými postupy» to má značný význam zejména při vazbě ligandů pro afinitní ohromatografii, kde je třeba co nejvyšší pokrytí funkčními skupinami. Hydrolýzou epoxidového kruhu vznikne ze silikagelu, připraveného podle vynálezu s vysokým obsahem epoxidových skupin, sorbent pokrytý hydroxylovými skupinami» vzhledem k podstatně vyššímu obsahu hydroxylovýoh skupin se ve srovnání s dosud známými polyhydroxylovanými silikagely podstatně sníží sorpční efekty při gelové permeační ohromatografii bílkovin ve vodných prostředích.A method for preparing a silica gel sorbent, the surface of which is modified by a chemically bound 3-glycidyloxypropyl group, in which the silica gel is treated in an aqueous medium for a selected period of time with a 1.5 to 20% solution of 3-glycidyloxypropyl/trialkoxy/silane, preferably 3-glycidyloxypropyltrimethoxysilane, at a temperature in the range of 15 to 45 °C, preferably at 25 °C, and the pH of the silane solution is adjusted to values in the range of 7 to 9.5. The sorbent prepared in this way has a significantly higher content of epoxy groups relative to 1 g of sulfur dioxide (SiO2) than is achieved by previously known methods. This is of considerable importance, especially in the binding of ligands for affinity chromatography, where the highest possible coverage with functional groups is required. Hydrolysis of the epoxy ring results in a sorbent covered with hydroxyl groups from the silica gel prepared according to the invention with a high content of epoxy groups. Due to the significantly higher content of hydroxyl groups, the sorption effects during gel permeation chromatography of proteins in aqueous media are significantly reduced compared to previously known polyhydroxylated silica gels.

Description

Vynález se týká způsobu přípravy a,, íkagelového sorbentu s chemicky vázanou epoxidovou skupinou.The invention relates to a process for the preparation of a chemically bonded epoxy group sorbent.

Mikropartikulární silikagelové sorbenty modifikované řadou různých funkčních skupin nalezly v posxední době velmi široké použití, jak při moderní vysokotlaké kapalinové chromatografii, tak i při u -vé chromatografii. Při jejich přípravě se vychází většinou z vhodného trihalogen- nebo rrialkoxysilanu, který nese příslušnou funkční skupinu a reaguje se se silikagelem ze tvorby stabilní Si-O-Si-C vazby.Microparticular silica gel sorbents modified with a number of different functional groups have found very widespread use in recent high-pressure liquid chromatography as well as in the first chromatography. In their preparation, they are usually based on a suitable trihalogen or rialialkoxysilane which carries the appropriate functional group and reacts with silica gel to form a stable Si-O-Si-C bond.

Možnost vazby funkční skupiny je tedy víceméně dána možností přípravy výchozího silanu.Thus, the functionality of the functional group is more or less determined by the possibility of preparing the starting silane.

Ze skupiny silanů, které jsou k dispozici, mají specifické postavení 3-aminopropyl/triethoxy/silan, který umožňuje zavést na povrch silikagelu reaktivní primární aminoskupinu a zvláště 3-glycidyloxypropyltrimethoxysilan, kterým se zavede na povrch silikagelu reaktivní epoxidový kruh.Of the available silanes, 3-aminopropyl / triethoxy / silane has a specific position which makes it possible to introduce a reactive primary amino group on the silica gel surface and in particular 3-glycidyloxypropyltrimethoxysilane which introduces a reactive epoxy ring onto the silica gel surface.

V obou případech vzniknou reakcí se silikagelem materiály, které dovolují přípravu sorhentň, například pro afinitní chromatografii, reakcemi aminové nebo epoxidové skupiny s vhodnými látkami Λ které obsahují jednak funkční skupinu požadovanou z hlediska chromatografického, jednak skupinu, která reaguje s primární aminoskupinou nebo se skupinou epoxidovou. Tím se dosáhne daleko větší variability χ možnostech vazby funkčních skupin.In both cases, materials which allow the preparation of sorbents, for example affinity chromatography, by reaction of an amine or epoxy group with suitable substances are formed by reaction with silica gel, containing both a functional group required from the chromatographic point of view and a group reacting with the primary amino group or epoxy group. . This results in much greater variability χ for functional group bonding.

Silikagel s visící epoxidovou skupinou je kromě možnosti chemické vazby různých ligandů významný i proto, že hydrolýzou epoxidového kruhu za vzniku diolu lze dospět k hydrofilnímu materiálu nesoucímu vázané hydroxylové skupiny, který nalezl široké použití při analytické i preparativní vysokotlaké gelové chromatografii bílkovin ve vodných prostředcích.In addition to the possibility of chemical bonding of various ligands, the epoxy-group-containing silica gel is important because the hydrolysis of the epoxy ring to form a diol yields a hydrophilic material bearing bonded hydroxyl groups, which has found widespread use in analytical and preparative high pressure gel chromatography of proteins in aqueous compositions.

Zavedením hydrofilních organických hydroxylových skupin na povrch sorbentu se do značné míry potlačí negativní vlivy silanolových skupin základní silikagelové matrice, takže přestane docházet k silné adsorpci, která je pro nemodifikovaný silikagel typická. Je patrné, že zde bude záležet na kvalitě pokrytí silikagelu; čím rovnoměrnější bude pokrytí povrchu, tím lépe budou reziduální silanoly stíněny, a tím lepší budou vlastnosti výsledného materiálu při chromatografii.By introducing hydrophilic organic hydroxyl groups onto the sorbent surface, the negative effects of the silanol groups of the basic silica gel matrix are largely suppressed, so that the strong adsorption typical of unmodified silica gel ceases. It will be appreciated that the quality of silica gel coverage will depend here; the more uniform the surface coverage, the better the residual silanols will be shielded, and the better the chromatographic properties of the resulting material.

Dosud známé způsoby přípravy silikagelu s chemicky vázanou epoxidovou skupinou jsou založeny buá na reakci 3-glycidyloxypropyltrimethoxysilynu se silikagelem při teplotě, bodu varu bezvodého prostředí /toluen/ nebo na reakci silikagelu s tímto silanem ve vodném prostředí při teplotě kolem 90 °C při pH roztoku upraveném na hodnotu cca 5. Druhý postup dává většinou poněkud vyšší obsahy epoxidových skupin; maximální hodnoty jsou v těchto případech 0,5 až 0,6 mmol/g kysličníku křemičitého /SiO^/.»Tó jsou stále hodnoty dosti nízké /pro srovnání uveáme, že při vazbě primární aminoskup’iny lze'·dospět k hodnotám přes 1 mmol/g kysličníku křemičitého /SiOj//.Hitherto known methods for preparing a chemically bonded epoxy group silica gel are based either on the reaction of 3-glycidyloxypropyltrimethoxysilyne with silica gel at a temperature, anhydrous boiling point (toluene) or on reaction of silica gel with this silane in aqueous medium at about 90 ° C at pH adjusted to a value of about 5. The second procedure usually gives somewhat higher epoxy group contents; the maximum values in these cases are 0.5 to 0.6 mmol / g silica (SiO 2). However, these values are still fairly low (for comparison we can say that values of over 1 can be obtained when the primary amino group is bound). mmol / g silica (SiO 2).

Vzhledem k tomu, že vazba ligandu, jako polymeranalogioká reakce, pak neproběhne většinou s vysokou konversi, je výsledné vázané množství ligandu často menší, než je žádoucí.Since ligand binding, such as a polymer-analogue reaction, does not usually occur with a high conversion, the resulting bound amount of ligand is often less than desired.

Tato nevýhoda dosud známých materiálů s visící epoxidovou skupinou se přenese i do obchodních produktů s polyhydroxylovaným povrchem /typu diolu/, které vykazují stále ještě značné reziduální sorpce bílkovin při gelové permeační chromatografii ve vodném prostředí.This disadvantage of the previously known epoxy-hanging materials is also transferred to commercial polyhydroxylated surface (diol type) products which still exhibit considerable residual protein sorption in gel permeation chromatography in aqueous media.

Podle vynálezu tyto nedostatky odstraňuje způsob přípravy silikagelu s chemicky vázanou epoxidovou skupinou ve vodném prostředí, jehož podstata spočívá v tom, že se na silikagel působí 2,5 až 20% roztokem S-glycidyloxypropyl/ťřiálkoXy/silanu, s výhodou 3-glyoidyloxypropyltrimethoxysilanu, při teplotě 15 až 40 °C, s výíiodóu piíL. 25 °c, a pH roztoku silanu se upraví na hodnoty v rozmezí 7 až 9,5.According to the present invention, a process for the preparation of silica gel with a chemically bonded epoxy group in an aqueous medium by treating the silica gel with a solution of 2.5 to 20% S-glycidyloxypropyl / trisylsilane, preferably 3-glyoidyloxypropyltrimethoxysilane, 15 ° C to 40 ° C, with an app. 25 ° C, and the pH of the silane solution is adjusted to values between 7 and 9.5.

Výhodné je, jestliže se reakce provádí ve vakuu tak, abý vznikající alkohol při zvolené teplotě oddestilovával.Preferably, the reaction is carried out under vacuum such that the alcohol formed distills off at the selected temperature.

Výchozí silikagely jsou běžně dostupné, 'pro reakci podle vynálezu lze použít kterýkoli z produktů určených pro kapalinovou, zejména vysokotlakou chromatografii, přičemž rozměry a tvar částic nijak nerozhodují.Starting silica gels are commercially available, any of the products for liquid, especially high pressure chromatography, may be used in the reaction of the present invention, and the size and shape of the particles are not critical.

S výhodou lze vycházet ze silikagelu podle čs. autorských osvědčení č. 179184 nebo č. 200997. 3-glvcidyloxypropyl/alkoxy/silany jako například 3-glycidyloxypropyltrimethoxysilan jsou komerčně dostupné.Preferably, starting from silica gel according to U.S. Pat. 3-glycidyloxypropyl / alkoxy / silanes such as 3-glycidyloxypropyltrimethoxysilane are commercially available.

Pro úpravu pH reakce se zpravidla použije zředěný roztok hydroxydu draselného /KOH/ nebo hydroxydu sodného /NaOH/ ve vodě. Vhodným prostředím je zpravidla roztok příslušného silanu ve vodě s upraveným pH;. lze však přidat i organická rozpouštědla mísitelná s vodou v množství, které nesráží rozpuštěný silan. Pro reakci se výsledný sorbent promyje, aby se odstranily zbytky nezreagovaného silanu a suší se při zvýšené teplotě.A dilute solution of potassium hydroxide (KOH) or sodium hydroxide (NaOH) in water is generally used to adjust the pH of the reaction. As a rule, a suitable medium is a solution of the appropriate silane in pH adjusted water. however, water miscible organic solvents may be added in an amount that does not precipitate the dissolved silane. For the reaction, the resulting sorbent is washed to remove unreacted silane residues and dried at elevated temperature.

Dále uvedené příklady charakterizují předmět vynálezu, aniž by jej omezovaly.The following examples characterize the invention without limiting it.

Příklad 1 g silikagelu s měrným povrchem 450 m /g a měrným objemem póru 1,8 ml/g o střední velikosti částic 10 um se aktivuje varem v 10% kyselině chlorovodíkové /HCl/ po dobu 30 minut. Po promytí destilovanou vodou se silikagel suší po dobu 20 h při 150 °C. Tento silikagel se vnese do vodného roztoku 3-glycidyloxypropyltrimethoxysilanu, který se připraví tak, že ke 300 ml destilované vody se přidá 15 ml 3-glycldyloxypropyltrimethoxysilanu a současně se přikapává 0,1 N roztok hydroxidu draselného /KOH/; pH se přitom kontroluje pH-metrem tak, aby výsledný roztok silanu měl pH - 7,5.Example 1 g of silica gel having a specific surface area of 450 m / g and a specific pore volume of 1.8 ml / g with a mean particle size of 10 µm was activated by boiling in 10% hydrochloric acid (HCl) for 30 minutes. After washing with distilled water, the silica gel is dried for 20 h at 150 ° C. This silica gel was added to an aqueous solution of 3-glycidyloxypropyltrimethoxysilane which was prepared by adding 15 ml of 3-glycldyloxypropyltrimethoxysilane to 300 ml of distilled water while dropwise adding 0.1 N potassium hydroxide solution (KOH); The pH is controlled with a pH meter so that the resulting silane solution has a pH of 7.5.

Směs se ponechá reagovat při laboratorní teplotě 2 h. Po ukončení reakce se modifikovaný silikagel odsaje, promyje 3 x destilovanou vodou, 3 x l,4-dioxanem, 3 x éterem a suší 3 hod při 85 °C.The mixture is allowed to react at room temperature for 2 h. After completion of the reaction, the modified silica gel is suction filtered, washed 3 times with distilled water, 3 times 1,4-dioxane, 3 times with ether and dried at 85 ° C for 3 hours.

Výsledný 3-glycidyloxypropylovaný silikagel obsahoval 7,1 % uhlíku a 1,31 % vodíku; titračně stanovený obsah epoxidových skupin /titrací 0,1 N kyselinou chloristou /HCIO^/ v přítomnosti tetraethylamoniumbromidu v prostředí bezvodé kyseliny octové na krystalovou violeť/ byl 0,91 mmol/g oxidu křemičitého /SiO₂/.The resulting 3-glycidyloxy-propyl silica gel contained 7.1% carbon and 1.31% hydrogen; the titration content of the epoxide groups (titration with 0.1 N perchloric acid (HClO4) in the presence of tetraethylammonium bromide in anhydrous acetic acid to crystal violet) was 0.91 mmol (g silica) (SiO2 ₎ .

Příklad 2Example 2

Postup shodný s příkladem 1 s tím rozdílem , že v baňce s reakční směsí bylo vodní vývěvou s manostatem udržováno vakuum 9,6 kPa.The procedure of Example 1 was followed except that a vacuum of 9.6 kPa was maintained in the flask with the reaction mixture by a water pump with a manostat.

Výsledný produkt obsahoval 7,45 % uhlíku a 1,42 % vodíku; obsah epoxidových skupin byl 0,96 mmol/g oxidu křemičitého /SiOj/.The resulting product contained 7.45% carbon and 1.42% hydrogen; the epoxy group content was 0.96 mmol / g silica (SiO 2).

Příklad 3Example 3

Postupovalo se shodně s příkladem 1 s tím rozdílem, že pH roztoku 3-glycidyloxypropyltrimethoxysilanu bylo nastaveno na hodnotu 9,0 a doba reakce byla 10 hodin.The procedure of Example 1 was followed except that the pH of the 3-glycidyloxypropyltrimethoxysilane solution was adjusted to 9.0 and the reaction time was 10 hours.

Výsledný produkt obsahoval 8,31 % uhlíku a 1,51 % vodíku a měl obsah epoxidů 0,98 mmol/g oxidu křemičitého /SiO₂/.The resulting product contained 8.31% carbon and 1.51% hydrogen and had an epoxide content of 0.98 mmol / g silica (SiO ₂ ).

Příklad 4Example 4

Postupovalo se shodně s příkladem 1 s tím rozdílem, že pH roztoku 3-glycidyloxypropyltrimethoxysilanu bylo nastaveno na hodnotu 8,5 a doba reakce byla 96 hodin.The procedure of Example 1 was followed except that the pH of the 3-glycidyloxypropyltrimethoxysilane solution was adjusted to 8.5 and the reaction time was 96 hours.

Výsledný produkt měl obsah epoxidových skupin 1,06 mmol/g oxidu křemičitého a obsahoval 9,95 % uhlíku a 1,81 % vodíku.The resulting product had an epoxy group content of 1.06 mmol / g silica and contained 9.95% carbon and 1.81% hydrogen.

Příklad 5Example 5

Při práci se postupovalo shodně s příkladem 4 s tím rozdílem, že doba reakce byla 192 hodin. Výsledný produkt obsahoval 10,81 % uhlíku a 1,93 % vodíku a 1,16 mmol epoxidů na na 1 g oxidu křemičitého /S10.,/.The procedure of Example 4 was followed except that the reaction time was 192 hours. The resulting product contained 10.81% carbon and 1.93% hydrogen and 1.16 mmol epoxides per 1 g of silica (S10.).

Příklad 6Example 6

Postup byl shodný s příkladem 4 s tím rozdílem, že doba reakce byla 288 hodin. Výsledný produkt obsahoval 17,38 % uhlíku, 2,84 % vodíku a 1,67 mmol epoxidů na 1 g oxidu křemičitého /SiO₂/.The procedure was identical to Example 4 except that the reaction time was 288 hours. The resulting product contained 17.38% carbon, 2.84% hydrogen and 1.67 mmol of epoxides per g of silica (SiO ₂ ).

Claims

OBJECT OF THE INVENTION:

Process for preparing a chemically bonded epoxy group silica gel in an aqueous medium, characterized in that the silica gel is treated with a 1.5 to 20% solution of 3-glyoidyloxypropyltri / alkoxy / silane, for example 3-glycidyloxypropyltrimethoxysilane, at a temperature of 15 to 45 ° c. for example at 25 ° C, and the pH of the silane solution is adjusted to a value in the range of 7 to 9.5.

2. The process of claim 1 wherein the reaction is carried out in vacuo to distill off the alcohol formed at the selected temperature.