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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von neuen vernetzten hydrophilen Polymer-Gelen mit chelatbildenden Gruppen, die sich insbesondere zur spezifischen Anlagerung von Metallionen aus wässeriger Lösung eignen.
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'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 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.
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Akademie-Verlag Berlin, 1967 ; P. Burka, K. A. Lieser, Angew. Makrom. Chem. 50 [1976], 151 ; ibid.
64 [1977], 197). Beide Systeme haben jedoch gravierende Nachteile. So sind die Styrol-DivinylbenzolGele völlig hydrophob und quellen dementsprechend nicht in Wasser. Das bedeutet, dass beim Arbeiten mit Metallsalzlösungen in Wasser, das ein ganz bevorzugtes Reaktionsmedium bei der Ausbildung von Chelaten ist, sehr lange Reaktionszeiten erforderlich sind, d. h., dass nur sehr langsame Austauschgeschwindigkeiten erzielt werden können.
Entsprechend gering sind deshalb innerhalb vernünftiger Reaktionszeiten die erzielbaren Umsetzungsgrade. Im Gegensatz hiezu quellen die. durch chelatbildende Gruppen substitutierten Cellulosefasern zwar in Wasser, innerhalb der kristallinen Bereiche jedoch nur in begrenztem Umfang.
Selbst für den Fall, dass sich dort chelatbildende Gruppen befinden, sind diese nur schwer oder gar nicht für die Metallionen zugänglich. Daraus resultieren zwar kurze Reaktionszeiten, allerdings bei nur relativ geringen Kapazitäten von 0, 3 bis 0, 9 mval/g. Die zudem nur schwer in Säulen einsetzbaren faserigen Celluloseträger, deren Kapazitäten und Porenstrukturen vorgegeben sind und daher nicht variiert werden können, sind ausserdem chemisch, biochemisch und auch photochemisch relativ leicht abbaubar, was zur Zerstörung der Faserstruktur und damit des Trägers führt.
Dies spielt besonders beim üblichen Aufbewahren in gequollenem Zustand und beim mehrmaligen Regenerieren der mit Metallionen beladenen Gele eine Rolle, vor allem dann, wenn man dazu im sauren Milieu, arbeiten muss, was häufig der Fall ist.
Es war daher Aufgabe der Erfindung, vernetzte hydrophile Polymer-Gele mit spezifischen chelatbildenden Gruppen zu entwickeln, deren Quellungsgrad in Wasser innerhalb weiter Bereiche variierbar ist und die bei Umsetzungen mit wässerigen Metallsalzlösungen hohe Austauschgeschwindigkeiten bei gleichzeitig hohen Kapazitäten ermöglichen und gegenüber chemischen, biochemischen und photochemischen Einflüssen möglichst inert sind.
Gegenstand der Erfindung ist nunmehr ein Verfahren zur Herstellung von neuen vernetzten hydrophilen Affinitätschromatographie-Gelen auf der Basis von Poly acrylsäure- oder Polymethacryl- säureestern der Glucose, ihrer Glucoside oder der Saccharose, das dadurch gekennzeichnet ist,
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<tb> verwendet, <SEP> worin <SEP> beispielsweise
<tb> R4= <SEP> H <SEP> R1 <SEP> = <SEP> COOH, <SEP> R2 <SEP> = <SEP> OH, <SEP> R3 <SEP> = <SEP> H <SEP> (Salicylsäure)
<tb> R"= <SEP> H <SEP> R1 <SEP> = <SEP> COOH, <SEP> R2 <SEP> = <SEP> NH2, <SEP> R2 <SEP> = <SEP> H <SEP> (Anthranilsäure)
<tb> R4 <SEP> = <SEP> H <SEP> R1 <SEP> = <SEP> OH, <SEP> R2 <SEP> = <SEP> OH, <SEP> R3 <SEP> = <SEP> H <SEP> (Brenzkatechin)
<tb> R4 <SEP> = <SEP> H <SEP> R1 <SEP> = <SEP> OH, <SEP> R2 <SEP> = <SEP> OH, <SEP> R3 <SEP> = <SEP> OH <SEP> (Pyrogallol)
<tb> R4 <SEP> = <SEP> H <SEP> R1 <SEP> = <SEP> -NH-NH-CS-N=N-C4H5, <SEP> R2 <SEP> = <SEP> H, <SEP> R3 <SEP> = <SEP> H <SEP> (Dithizon)
<tb> R4 <SEP> = <SEP> OH <SEP> R'= <SEP> H, <SEP> R <SEP> 2 <SEP> und <SEP> R <SEP> 3 <SEP> zusammen <SEP>
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erhaltenen Produkt liegen 47, 4% nicht umgesetzte Glucose, 35, 6% Monoester', 12, 3% Diester und 4, 7% Triester vor.
Beispiel 2 : Der nach Beispiel 1 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 60 C getrocknet. Ausbeute mit dem Monomerengemisch nach Beispiel 1 =14, 2 g.
Je nach dem Vernetzergehalt im Monomerengemisch erhält man Gele mit verschiedenen Quellungsgraden in Wasser. Der Quellfaktor des Gels aus dem Monomerengemisch von Beispiel 1 beträgt in Wasser 2, 8 bis 3.
Beispiel 3 : 5 g (etwa 0, 02 Mol) des nach Beispiel 2 erhaltenen Glucose-Gels werden in zirka 70 ml wasserfreiem Pyridin suspendiert und 18, 6 g (0, 1 Mol) 4-Nitrobenzoylchlorid zugegeben. Das Reaktionsgemisch wird zirka 7 h unter Rückfluss und Rühren erhitzt, das Gel abfiltriert, mit Aceton, Wasser und Methanol gewaschen und im Vakuum bei 50 bis 60 C getrocknet. Ausbeute : 9, 5 g Glucose-Gel. Auf Grund der Gewichtszunahme, vor allem aber des Stickstoffgehaltes von 4, 1%, beträgt der Substitutionsgrad etwa 1, 5. Die Reaktion kann auch mit 2-oder 3-Nitrobenzoylchlorid oder einem Isomerengemisch durchgeführt werden.
Beispiel 4 : 11, 3 g eines gemäss Beispiel 3 hergestellten Glucose-Gels mit Nitrogruppen werden in etwa 70 ml Pyridin suspendiert und eine wässerige Lösung von 50 g Natriumdithionit wird zugegeben. Das Reaktionsgemisch wird zirka 7 h unter Rückfluss und Rühren erhitzt. Das Gel wird abfiltriert, mit Wasser und Aceton gewaschen und bei 50 bis 60 C im Vakuum getrocknet. Ausbeute : 9, 8 g. Der Gehalt an Amino-Stickstoff kann durch Titration mit 1/10 molarer Natriumnitritlösung ermittelt werden. Der Endpunkt der Titration wird durch Blaufärbung von Kaliumjodid-Stärkepapier erkannt.
Bei dem beschriebenen Beispiel ergibt sich ein Gehalt von 2, 95 mMol Aminogruppen pro Gramm Gel, was einem Substitutionsgrad von zirka 1, 3 entspricht. Aus dem Gehalt an Amino-Stickstoff ergibt sich, dass zirka 90% der Nitrogruppen reduziert worden sind. Bei Gelen mit andern Gehalten an Nitrophenylgruppen ergeben sich analoge Umsetzungsgrade. Der Quellfaktor dieses Glucose-Gels mit Aminophenylgruppen beträgt in Wasser 1, 7 bis 2.
Beispiel 5 : 2 g des nach Beispiel 4 hergestellten Glucose-Gels mit primären aromatischen Aminogruppen werden in 20 ml ln-Salzsäure oder ln-Schwefelsäure suspendiert und auf 0 bis 5 C abgekühlt. Dann wird unter Rühren so lange eine wässerige 10%ige Natriumnitritlösung zugetropft, bis kein Nitrit mehr verbraucht wird. Dies ist dann der Fall, wenn 15 min nach der letzten NitritZugabe Kaliumjodid-Stärkepapier noch immer blau gefärbt wird. Das so erhaltene Gel mit Diazoniumgruppen wird abfiltriert, mit Eiswasser gewaschen und kann direkt für weitere Reaktionen eingesetzt werden.
Der quantitative Verlauf der Diazotierung kann dadurch gezeigt werden, dass man eine Probe des Aminophenylgruppen enthaltenden Gels mit 1/10 molarer Natriumnitritlösung titriert, wobei sich der erwartete Wert ergibt (2, 95 mMol Diazoniumgruppen/g Gel).
Beispiel 6 : 2 g hydrophiles Glucose-Gel, das analog zu der Arbeitsweise gemäss den Beispielen 1 bis 5 hergestellt werden kann und einen Diazoniumgruppengehalt von 2, 6 bis 2, 8 mMol/g Gel aufweist, werden bei 0 bis 5 C mit einer Lösung von 3 g 8-Hydroxychinolin in 50 ml Eisessig 24 h bis zur Beendigung der Kupplungsreaktion gerührt. Das Hydroxychinolin-Gel wird abfiltriert,
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salzlösung (Konzentration zirka 80 ppm) mit dem doppelten Überschuss an Hydroxychinolin-Gel liegt die Cu'-Konzentration unterhalb 12 ppm.
Das mit Cu-Ionen beladene Gel kann durch Behandlung mit In-Salzsäure quantitativ regeneriert werden. Nach 20 Regenerierungszyklen mit derselben Gelprobe war keine messbare Verringerung der Kapazität des Gels festzustellen.
Durch Einstellung bestimmter PH-Werte kann die Selektivität des Gels variiert werden. Beispielsweise werden bei einem PH-Wert von 2, 8 Cu'+ -Ionen vom Gel zurückgehalten, während Co Ni'+, Hg'+ und Zn'+nicht fixiert werden.
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Beispiel 7 : 1 g Saccharose-Gel (Herstellung analog zu der Arbeitsweise gemäss den Beispielen 1 bis 5) mit einem Diazoniumgruppengehalt von 2, 8 bis 3 mMol/g werden bei 0 bis 5 C mit einer Lösung von 3 g 8-Hydroxychinolin in 50 ml Eisessig 24 h bis zur Beendigung der Kupplungsreaktion gerührt. Das Hydroxychinolin-Gel wird abfiltriert, mit Wasser, ln-Salzsäure und Aceton gewaschen und im Vakuum bei 50 bis 600e getrocknet. Ausbeute : 1, 38 g. Die Kapazität, beispielsweise für Cu2+, beträgt 1, 6 mval/g.
Beispiel 8 : 1 g Glucose-Gel mit einem Diazoniumgruppengehalt von 2, 6 bis 2, 8 mMol/g wird bei 0 bis 5 C mit einer Lösung von 2 g Pyrogallol in 30 ml Pyridin 24 h lang bis zur Beendigung der Kupplungsreaktion gerührt. Das Pyrogallol-Gel wird abfiltriert, mit Wasser und In-Salzsäure gewaschen und im Vakuum bei 50 bis 60 C getrocknet.. Ausbeute : 1, 2 g. Die Kapazität, beispielsweise für Bi, beträgt 0, 6 mval/g.
Beispiel 9 : 1 g Glucose-Gel mit einem Diazoniumgruppengehalt von 2, 6 bis 2, 8 mMol/g wird bei 0 bis 50C mit einer alkalischen wässerigen Lösung von Salicylsäure (4 g in 50 ml Wasser,
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gerührt. Das Salicylsäure-Gel wird abfiltriert, mit Wasser und In-Salzsäure gewaschen und im Vakuum bei 50 bis 600C getrocknet. Ausbeute : 1, 25 g. Die Kapazität, beispielsweise für Fe3+, beträgt 1, 2 mval/g.
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säure und Aceton gewaschen und bei 50 bis 600C im Vakuum getrocknet. Ausbeute : 1, 3 g. Die Kapazität, beispielsweise für Cru2+, beträgt 1, 4 mval/g.
Beispiel 11 : 1 g Glucose-Gel mit einem Diazoniumgruppengehalt von 2, 6 bis 2, 8 mMol/g wird bei 0 bis 50C mit einer Lösung von 3 g Dithizon in 30 ml Pyridin 24 h lang bis zur Beendigung der Kupplungsreaktion gerührt. Das Dithizon-Gel wird abfiltriert, mit Wasser gewaschen und bei 50 bis 60 C im Vakuum getrocknet. Ausbeute : 1, 3 g. Die Kapazität, beispielsweise für Cu2+, beträgt 1, 2 mMol/g.
Beispiel 12 : 1 g Glucose-Gel mit einem Diazoniumgruppengehalt von 2, 6 bis 2, 8 mMol/g wird bei 0 bis 50C mit einer Lösung von 4 g Brenzkatechin in 50 ml Pyridin 24 h lang bis zur Beendi-
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säure und Aceton gewaschen und im Vakuum bei 50 bis 60 C getrocknet. Ausbeute : 1, 2 g. Die Kapazität, beispielsweise für Fe 2+, beträgt 1, 3 mval/g.
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Beispiel 14 : 1 g Glucose-Gel mit einem Diazoniumgruppengehalt von 2, 6 bis 2, 8 mMol/g wird bei 0 bis 5 C mit einer Lösung von 3 g Chinalizarin in 50 ml Pyridin 24 h bis zur Beendigung der Kupplungsreaktion gerührt. Das Chinalizarin-Gel wird abfiltriert, mit Wasser, ln-Salzsäure und Aceton gewaschen und im Vakuum bei 50 bis 600C getrocknet.
Ausbeute : 1, 4 g. Die Kapazi- tät, beispielsweise für Al, beträgt 1, 1 mval/g.
Beispiel 15 : 2 g Methylglucosid-Gel (Herstellung analog zu der Arbeitsweise gemäss den Beispielen 1 bis 5) mit einem Diazoniumgruppengehalt von 2, 5 bis 2, 7 mMol/g werden mit einer Lö-
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ser und Aceton gewaschen und im Vakuum bei 50 bis 600C getrocknet. Ausbeute : 2, 4 g. Die Kapazität, beispielsweise für Cu 2+, beträgt 1, 3 mval/g.