AT357982B

AT357982B - Verfahren zur herstellung von neuen vernetzten hydrophilen polymer-gelen

Info

Publication number: AT357982B
Application number: AT726878A
Authority: AT
Inventors: Gerhard Dr Ing Dipl Ing Greber; Heinrich Dipl Ing Dr Te Gruber
Original assignee: Oesterr Zuckerfab Evidenz
Priority date: 1978-10-10
Filing date: 1978-10-10
Publication date: 1980-08-11
Also published as: ATA726878A

Description

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 Vortei-
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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 Aufarbeitsschwierigkeiten 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 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, Akademie-Verlag Berlin, 1967 ; P. Burka, K. A. Lieser, Angew. Makrom. Chem. 50 [1976], 151 ; ibid.

[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 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 sind, 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 rasche 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 Poly acrylsäure- oder Polymethacrylsäureestern der Glucose, ihrer Glucoside oder der Saccharose, das durch gekennzeichnet ist, dass man vernetzte Polyacrylsäure- oder Polymethacrylsäureester der Glucose, ihrer Glucoside oder der Saccharose mit der allgemeinen Formel
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1 fürtiert.

Polymethacrylsäureester der Glucose, ihrer Glucoside oder der Saccharose, die durch esterartig gebundene Aminophenyl-Gruppen substituiert sind, in an sich bekannter Weise mit Gemischen aus salpetriger Säure und Salzsäure oder Schwefelsäure diazotiert.

An Stelle der leicht zugänglichen und daher preislich günstigen Glucose bzw. ihrer Glucoside 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
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acrylsäure,(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 Glucose bzw. Glucosid 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
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tieren 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 vorliegenden 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.

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 Glucose und Saccharose, die durch Veresterung der entsprechend geschützten Derivate mit nachfolgender Abspaltung der Schutzgruppen erhalten worden waren.

In die so erhaltenen Polymer-Gele werden gegebenenfalls nach Extraktion mit Wasser, mit Hilfe geeigneter Partner esterartig 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 Nitrophenyl-Gruppen werden bevorzugt die Nitrobenzoesäuren, ihre aktivierten Ester, Säurechloride oder Anhydride sowie das 3-oder 4-Nitrophthalsäureanhydrid bzw. das Isomerengemisch verwendet. Zweckmässigerweise arbeitet man hiebei in Gegenwart von Pyridin als Reaktionsmedium.

Der Umsetzungsgrad wird bevorzugt

so eingestellt, dass jeder Baustein mindestens eine Nitrophenyl-Gruppe im Mittel enthält, höchstens jedoch soviel, dass bei den Glucose-Gelen noch mindestens zwei, bei den Saccharose-Gelen noch mindestens drei freie Hydroxyl-Gruppen übrig bleiben, welche die notwendige Hydrophilie gewährleisten.

Für den späteren Einsatz solcher Gele ist es besonders wichtig, dass jeder Baustein - auch der Vernetzerbaustein - eine reaktive Gruppe trägt, da nur so eine ausreichende Kapazität erreicht werden kann.

Die Nitrophenyl-Gruppen werden dann zu Aminophenyl-Gruppen reduziert, wobei man, vorzugsweise nach Quellung mit Wasser, beispielsweise Natriumdithionit oder Wasserstoff in Gegenwart von bekannten Hydrierkatalysatoren als Reduktionsmittel verwendet. Überraschenderweise erfolgt hiebei keine Hydrolyse der an sich relativ empfindlichen Nitrophenyl-Gruppen.

Sowohl die Gele mit Nitrophenyl-Gruppen als auch die Gele mit Aminophenyl-Gruppen sind neue Substanzen.

Nach Auswaschen mit Wasser werden die Gele anschliessend unter den üblichen Bedingungen mit Gemischen aus salpetriger Säure und Salzsäure oder Schwefelsäure diazotiert, wobei überraschenderweise ebenfalls keine Hydrolyse von Aminophenyl-Gruppen oder Phenyldiazonium-Gruppen erfolgt. Dies zeigt ein Vergleich der Stickstoffwerte der eingesetzten, Aminophenyl-Gruppen enthaltenden Gele mit dem Gehalt an Diazoniumgruppen, der durch Titration mit einer 0, 1-molaren NaNO, - Lösung erhalten wurde. Der Vergleich dieser Werte lässt auch erkennen, dass die Diazotierung der Arninophenyl-Gruppen praktisch quantitativ abgelaufen ist.

Erfindungsgemäss sind vernetzte hydrophile Polymer-Gele mit Quellungsgraden von 1, 5 bis 50 (in Wasser) zugänglich, die einen Gehalt an kupplungsfähigen Diazonium-Gruppen zwischen 2, 7 und 3, 2 mval/g aufweisen. Die Gele können auch in polaren Lösungsmitteln, wie Dimethylformamid, Dimethylsulfoxyd oder Methanol, nicht aber in unpolaren Lösungsmitteln gequollen werden. Die erfindungsgemäss herstellbaren Polymer-Gele können beispielsweise mit kupplungsfähigen aromatischen Phenolen oder Aminen umgesetzt werden, die eine chelatbildende Gruppe enthal-
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zifisch auf ein bestimmtes Metallion sind.

In den nachfolgenden Beispielen wird die Erfindung näher erläutert.

Beispiel 1 : 18 g (0, 1 Mol) D-Glucose werden in 400 ml wasserfreiem Pyridin unter Rühren gelöst und auf 0 bis 5 C abgekühlt. Dann wird unter Rühren 10, 5 g (0, 1 Mol) Methacr lsäurechlo- rid langsam zugetropft, so dass die Temperatur nicht über 5 C steigt. Sobald die gesamte Menge Methacrylsäurechlorid zugegeben ist, wird noch 2 h bei 0 bis 5 C gerührt und dann 15 bis 20 h bei Zimmertemperatur stehen gelassen. Dann wird das Pyridin im Vakuum bei möglichst niedriger Temperatur abdestilliert und der Rückstand direkt zur Polymerisation eingesetzt. Die Reaktion kann gegebenenfalls auch in Gegenwart eines Polymerisationsinhibitors durchgeführt werden.

Die Zusammensetzung des Reaktionsgemisches kann durch gaschromatographische Analyse der Trimethylsilyläther ermittelt werden.

Für verschiedene Molverhältnisse Glucose : Methacrylsäurechlorid ergaben sich die in Tabelle 1 angegebenen Werte für die Zusammensetzung des Monomerengemisches.

Tabelle 1
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<tb>
<tb> Molverhältnis <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> % <SEP> %
<tb> Glucose <SEP> : <SEP> Meth- <SEP> nicht <SEP> umge-Mono-Di-Tri-Tetra-Pentaacrylsäurechlorid <SEP> setzte <SEP> ester <SEP> ester <SEP> ester <SEP> ester <SEP> ester
<tb> Glucose
<tb> 3 <SEP> : <SEP> 1 <SEP> 76, <SEP> 8 <SEP> 22, <SEP> 1 <SEP> 1, <SEP> 1 <SEP>
<tb> 2 <SEP> : <SEP> 1 <SEP> 60, <SEP> 8 <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>
<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> :

Die Umsetzung lässt sich auch mit sämtlichen dazwischenliegenden Molverhältnissen durchführen.

Beispiel 2a : 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 Kaliumcarbonat 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 800C 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% höhereren Saccharosemethacrylaten. Dieser Rückstand kann direkt zur Polymerisation
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bei Zimmertemperatur 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 : Methacrylsäureanhydrid kann analog wie bei der Umsetzung mit Glucose variiert werden.

Beispiel 3 : 19, 4 g (0, 1 Mol) Methylglucosid 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 zugetropft, so dass die Temperatur nicht über 5 C steigt. Sobald die gesamte Menge Methacrylsäurechlorid zugegeben ist, wird noch 2 h bei 0 bis 5 C gerührt und dann 15 bis 20 h bei Zimmertemperatur stehengelassen. Dann wird das Pyridin im Vakuum bei möglichst niedriger Temperatur abdestilliert und der Rückstand direkt zur Polymerisation eingesetzt. Die Reaktion kann gegebenenfalls auch in Gegenwart eines Polymerisationsinhibitors durchgeführt werden. Das Molverhältnis Methylglucosid : Methacrylsäurechlorid kann analog wie bei der Umsetzung mit Glucose variiert werden.

Beispiel 4 : Der nach Beispiel 1, 2,2a oder 3 erhaltene Rückstand wird in zirka 500 ml Äthanol gelöst und nach Zugabe von 0, 2 bis 0, 5 g Azoisobutyronitril oder Dibenzoylperoxyd bei
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hol, Wasser und Aceton gewaschen und im Vakuum bei 50 bis 600C 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, der des Saccharose-Gels aus Beispiel 2 beträgt 2,5 bis 2, 7.

Beispiel 5 : Der nach Beispiel 1, 2,2a oder 3 erhaltene Rückstand wird mit 0, 2 bis 0, 5 g Azoisobutyronitril oder Dibenzoyiperoxyd 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 600C getrocknet.

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

Beispiel 6 : 5 g (etwa 0, 02 Mol) des nach Beispiel 4 erhaltenen Glucose-Gels werden in zirka
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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 7 : In der in Beispiel 6 angegebenen Weise werden 5 g (etwa 0, 02 Mol) des nach Beispiel 4 erhaltenen Glucose-Gels mit 14, 8 g (0, 08 Mol) 4-Nitrobenzoylchlorid umgesetzt. Ausbeute : 7,6 g Glucose-Gel. Bei einem Stickstoffgehalt von 2,7% entspricht dies einem Substitutionsgrad von etwa 0, 8.

Durch Änderung des Molverhältnisses von Gel : 4-Nitrobenzoylchlorid können die Substitutionsgrade eingestellt werden, u. zw. bei Gelen aus Glucose bis etwa 1, 7, bei Gelen aus Methylglucosid bis etwa 1, 5 und bei Gelen aus Saccharose bis etwa 2, 5.

Beispiel 8 : 5 g (0, 019 Mol) des nach Beispiel 4 erhaltenen Methylglucosid-Gels werden in der in Beispiel 6 angegebenen Weise mit 18, 6 g (0, 1 Mol) 4-Nitrobenzoylchlorid umgesetzt. Aus-
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: 8, 63, 7% berechnet sich der Substitutionsgrad zu etwa 1, 3.

Beispiel 9 : 5 g des nach Beispiel 4 erhaltenen Glucose-Gels werden in 50 bis 100 ml wasserfreiem Pyridin suspendiert und 19, 3 g (0, 1 Mol) 3-Nitrophthalsäureanhydrid werden zugegeben.

Das Reaktionsgemisch wird 24 h bei 50 bis 30 C gerührt, das Gel wird abfiltriert, mit Aceton, Wasser und Methanol gewaschen und im Vakuum bei 50 bis 600e getrocknet. Ausbeute : 8, 5 g Glucose-Gel. Bei einem Stickstoffgehalt von 3% entspricht dies einem Substitutionsgrad von etwa 1. Die Umsetzung kann auch mit 4-Nitrophthalsäureanhydrid oder einem Isomerengemisch durchgeführt werden. An Stelle von Pyridin können auch protonenfreie Lösungsmittel in Gegenwart von katalytischen Mengen H'''verwendet werden.

Beispiel 10 : 11, 3 g eines gemäss Beispiel 6 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
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pier 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 AminoStickstoff 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 11 : Analog zu Beispiel 10 werden in einem Saccharose-Gel die Nitrophenyl-Gruppen zu Aminophenyl-Gruppen reduziert. Dabei ergibt sich ein Gel mit einem Gehalt von 3, 0 mMol AminoGruppen/g, was einem Substitutionsgrad von zirka 1, 9 entspricht.

Beispiel 12 : Analog zu Beispiel 10 werden in 10 g gemäss Beispiel 8 erhaltenem MethylglucosidGel die Nitrogruppen mit 50 g Natriumdithionit reduziert. Ausbeute : 8, 9 g Methylglucosid-Gel mit Aminophenylgruppen, Substitutionsgrad etwa 1, 1.

Beispiel 13 : 2 g des nach Beispiel 10 hergestellten Glucose-Gels mit primären aromatischen Aminogruppen werden in 20 ml ln-Salzsäure oder In-Schwefelsäure suspendiert und auf 0 bis 50C
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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 Aminophenyl-Gruppen enthaltenden Gels mit 1/10 molarer Natriumnitritlösung titriert, wobei sich der erwartete Wert ergibt (2, 95 mMol Diazoniumgruppen/g Gel). Analog können auch SaccharoseGele und Methylglucosid-Gele mit Aminophenyl-Gruppen diazotiert werden.

Claims

PATENTANSPRUCH : Verfahren zur Herstellung von neuen vernetzten hydrophilen Polymergelen auf der Basis von Polyacrylsäure- oder Polymethacrylsäureestern der Glucose, ihrer Glucoside oder der Saccharose, dadurch gekennzeichnet, dass man vernetzte Polyacrylsäure- oder Polymethacrylsäureester der Glucose, ihrer Glucoside oder der Saccharose mit der allgemeinen Formel <Desc/Clms Page number 6> EMI6.1 worin X1 für X, CH3, C2H5 oder EMI6.2 EMI6.3 eine Gruppe -CO-C6H4-NH2 oder für eine Gruppe -CO(COOH)C6H3-NH2 steht und die restlichen X Wasserstoff bedeuten, mit Gemischen aus salpetriger Säure und Salzsäure oder Schwefelsäure diazotiert.