CN102614845A - 一种强阳离子交换色谱固定相及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及液相色谱固定相，其特征在于配基为烷基和磺酸基表面共聚键合相，其结构式如下：其中SiO2为硅胶，R1是碳数为1～6的烷基中的一种，R2是碳数为1～8的烷基或者苯环中的一种。本发明还提供了上述液相色谱固定相的制备方法，通过硅胶表面水平聚合方法将烷基硅烷和磺酸基硅烷共聚到硅胶表面。本发明提供的固定相结构新颖，表面带有负电荷，而且表面电荷密度可调控，十分适合作为强阳离子交换色谱固定相，可广泛用于各类阳离子化合物的分离分析。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型液相色谱固定相及其制备方法，具体地说是一种配基为烷基和磺酸基表面共聚键合相为功能基团的新型强阳离子交换色谱固定相。
技术背景
离子交换色谱是被广泛应用于离子型物质(涵盖从生物大分子到无机小离子等各种类型的物质)的分离分析和纯化制备。离子交换色谱分离介质的研发是离子交换色谱发展和应用的基础。树脂等有机聚合物分离介质在离子交换色谱中使用较为广泛，具有pH适用范围广、稳定性好等优点[Nair，L.M.et al，J.Chromatogr.A，1996，739，99]。但是，有机聚合物离子交换固定相存在机械强度差、分离效率低、容易发生溶胀等缺陷。另外，有机聚合物基质还具有较强的疏水性，容易导致分子体积较大的离子发生极化，使其难以洗脱和峰形展宽、变形。硅胶基质作为最常用的色谱分离介质，具有粒径和孔径分布均匀、机械强度好、分离效率高、表面亲水性好、硅醇基容易修饰改性等优点，能很好的克服聚合物基质的缺陷。然而，由于硅胶表面修饰方法和硅胶的化学稳定性等问题，硅胶基质在离子交换色谱方面应用较少。
阳离子交换色谱作为一种离子交换色谱模式，主要是通过静电作用实现带正电的离子型化合物或者容易离子化的中性化合物的分离。Zhu等报道了基于Polysulfoethyl Aspartamide阳离子交换色谱柱用于带正电荷的多肽的分离分析[Zhu，B.Y.et al，J.Chromatogr.1991，548，13-24]，不同的多肽所带的净电荷不同，随着所带正电荷的增加，离子交换作用增强，多肽的保留增强。
Wirth等发展了一种利用硅烷试剂在水合硅胶进行水平聚合反应制备色谱固定相的方法[Peter Fairbank，R.W.et al，Anal.Chem.1995，67，3879]。该方法被用于制备丙基/十八烷基混合反相固定相和甲基/十八烷基混合固定相[PeterFairbank，R.W.et al，J.Chromatogr.A，1999，830，285]。另外，该方法还被用于制备3-氯丙基硅胶[Hughes，M.A.et al，Ind.Eng.Chem.Res.2006，45，6538；美国专利：专利号为5，695，882]。该方法为进行硅胶表面共聚反应提供了可能。但是，当前尚未出现使用此方法制备离子交换色谱固定相的技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型强阳离子交换色谱固定相及其制备方法。该固定相为烷基和磺酸基表面共聚键合硅胶固定相。该固定相的制备方法简单，用途广泛。
本发明的技术方案是：强离子交换色谱固定相，其特征在于结构为：
其中SiO2为硅胶，R1是碳数为1～6的烷基中的一种，R2是碳数为1～8的烷基或者苯环中的一种。
本发明还提供了上述固定相的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
a.硅胶预处理：硅胶加入浓度为1％～38％的盐酸或硝酸溶液中，加热回流搅拌1～48小时，过滤，水洗至中性，于100～160℃下干燥至恒重。所得干燥硅胶置于湿度为20％～80％的气氛中24～72小时，使硅胶吸水增重0.5％～10％。
b.硅胶表面共聚：将步骤a所得水合硅胶置于玻璃或者聚四氟乙烯反应容器中，在氮气氛围下加入有机溶剂，搅拌均匀，滴加烷基硅烷和磺酰氯基硅烷混合物，保持温度为20～200℃条件下搅拌2～48小时。反应体系冷却至室温，减压过滤并用甲苯、二氯甲烷、甲醇、水、四氢呋喃、甲醇洗涤，固体产品在60～100℃条件下干燥12～24小时。
所用有机溶剂为与水不互溶的有机溶剂，包括甲苯、乙苯、二甲苯、正己烷、正庚烷、正戊烷、正辛烷、环己烷等苯系物和烷烃。有机溶剂的使用量为每克水合硅胶使用2mL～100mL有机溶剂。
所用的烷基硅烷试剂是碳数为1～6的烷基三氯硅烷。所用的磺酰氯基硅烷试剂是碳数为1～8的烷基或者包含苯环的磺酰氯基三氯硅烷，结构如下：Cl3Si-R-SO2Cl或者
(R为碳数为1～8的烷基)。烷基硅烷和磺酰氯基硅烷的摩尔比为1/100～100/1；烷基硅烷和磺酰氯基硅烷总的使用量为每克水合硅胶使用0.5mmol～5mmol。
c.水解反应：将步骤b所得的键合固定相置于玻璃或者聚四氟乙烯反应容器中，加入2～20wt％的NaHCO3水溶液和乙醇或者2～20wt％的NaHCO3水溶液和甲醇，保持温度为20～200℃条件下搅拌2～48小时。反应体系冷却至室温，减压过滤并用甲醇、水、甲醇洗涤，固体产品在60～100℃条件下干燥12～24小时即得强阳离子交换色谱固定相。
所用溶剂碳酸氢钠水溶液和乙醇(或碳酸氢钠水溶液和甲醇)的体积比为1∶10～10∶1。混合溶剂的使用量为每克键合硅胶使用1mL～100mL。
本发明具有如下优点：
1.结构新颖。本发明首次提出以硅胶表面烷基和磺酸基表面共聚键合相为强阳离子交换色谱固定相。该固定相结构中含有磺酸基团，因而带有表面负电荷中心，十分适合作为阳离子交换色谱固定相。
2.表面电荷可调控。本发明提供的硅胶表面烷基和磺酸基表面共聚键合相可以通过调整共聚硅烷试剂的比例实现表面电荷的调控，从而实现离子交换容量的控制和优化。
3.本发明提供的强阳离子固定相是一种普适型的强阳离子交换色谱固定相，对绝大部分阳离子化合物都具有很好的分离选择性，可广泛用于各类样品分离。
4.制备过程简单可靠，有利于实现产业化。
附图说明
图1为使用实施例2固定相用于季铵型小檗碱类生物碱的分离分析色谱图。
具体实施方式
下面结合实例，对本发明做进一步说明。实例仅限于说明本发明，而非对本发明的限定。
实施例1
称取10g球形硅胶(粒径为5μm，孔径为10nm，比表面积305m2/g)，置于250mL玻璃烧瓶中，加入150mL体积浓度为10％的盐酸溶液，加热回流12小时，冷却至室温，过滤，水洗至中性，150℃干燥24小时。将干燥后的硅胶置于150mL三口玻璃瓶中，连续通入相对湿度为50％的氮气48小时，得到水合硅胶10.5g。在通入干燥的氮气的条件下，往水合硅胶中加入80mL干燥的正己烷，搅拌均匀，然后滴加3mL甲基三氯硅烷和3.8mL 4-磺酰氯苯乙基三氯硅烷混合物，50℃下搅拌反应24小时。反应体系过滤，依次用甲苯、二氯甲烷、甲醇、水、四氢呋喃、甲醇洗涤，产物在60℃条件下干燥12小时即得水平共聚键合硅胶。取10g上述键合硅胶，置于250mL玻璃烧瓶中，加入100ml 5％NaHCO3水溶液和100mL甲醇，50℃条件下搅拌12小时，反应体系冷至室温，减压过滤并用水、甲醇洗涤，固体产品在70℃条件下干燥12小时即得强阳离子交换色谱固定相I。
实施例2
称取10g球形硅胶(粒径为5μm，孔径为10nm，比表面积305m2/g)，置于250mL玻璃烧瓶中，加入120mL体积浓度为20％的硝酸溶液，加热回流12小时，冷却至室温，过滤，水洗至中性，150℃干燥12小时。将干燥后的硅胶置于150mL三口玻璃瓶中，连续通入相对湿度为70％的氮气48小时，得到水合硅胶10.6g。在通入干燥的氮气的条件下，往水合硅胶中加入50mL干燥的甲苯，搅拌均匀，然后滴加3.2mL甲基三氯硅烷和2.6mL 4-磺酰氯苯乙基三氯硅烷混合物，室温下搅拌反应24小时。冷至室温，反应体系过滤，依次用甲苯、二氯甲烷、甲醇、水、四氢呋喃、甲醇洗涤，产物在80℃条件下干燥12小时即得烷基化硅胶。取10g上述键合硅胶，置于250mL玻璃烧瓶中，加入70ml10％NaHCO3水溶液和140mL乙醇，常温下搅拌4小时，减压过滤并用水、甲醇洗涤，固体产品在80℃条件下干燥12小时即得强阳离子交换色谱固定相II。
实施例3
与实施例1不同之处在于使用己基三氯硅烷代替甲基三氯硅烷。
实施例4
与实施例1不同之处在于使用3-(磺酰氯)丙基三氯硅烷代替4-磺酰氯苯乙基三氯硅烷。
实施例5
与实施例1不同之处在于使用4-磺酰氯苯丙基三氯硅烷代替4-磺酰氯苯乙基三氯硅烷。
实施例6
称取10g球形硅胶(粒径为5μm，孔径为30nm，比表面积70m2/g)，置于150mL玻璃烧瓶中，加入80mL体积浓度为10％的盐酸溶液，加热回流8小时，冷却至室温，过滤，水洗至中性，150℃干燥12小时。将干燥后的硅胶置于150mL三口玻璃瓶中，连续通入相对湿度为80％的氮气48小时，得到水合硅胶10.3g。在通入干燥的氮气的条件下，往水合硅胶中加入80mL干燥的正庚烷，搅拌均匀，然后滴加0.8mL甲基三氯硅烷和0.7mL 4-磺酰氯苯乙基三氯硅烷混合物，室温下搅拌反应12小时。反应体系过滤，依次用甲苯、二氯甲烷、甲醇、水、四氢呋喃、甲醇洗涤，产物在80℃条件下干燥12小时即得烷基化硅胶。取10g上述键合硅胶，置于250mL玻璃烧瓶中，加入100ml 10％NaHCO3水溶液和100mL乙醇，60℃条件下搅拌24小时，减压过滤并用水、甲醇洗涤，固体产品在80℃条件下干燥12小时即得强阳离子交换色谱固定相III。
实施例7
使用实施例2所得强阳离子交换色谱固定相II装填10×150mm色谱柱，用于季铵型小檗碱类生物碱的分离分析。如图1所示，5种小檗碱类似物得到了很好的分离。色谱条件为：
色谱柱：10×150mm
流动相：50％乙腈，50％高氯酸钠水溶液(25mM，pH 3.0)；
流速：1.0mL/min；
柱温：30℃；
检测波长：210nm。
本发明通过硅胶表面水平聚合方法将烷基硅烷和磺酸基硅烷共聚到硅胶表面。本发明提供的固定相结构新颖，表面带有负电荷，而且表面电荷密度可调控，十分适合作为强阳离子交换色谱固定相，可广泛用于各类阳离子化合物的分离分析。
Claims (7)
1.一种强阳离子交换色谱固定相，其特征在于：以硅胶为基质，配基为烷基和磺酸基表面共聚键合相，其结构式如下，
其中SiO2为硅胶，R1是碳数为1～6的烷基中的一种，R2是碳数为1～8的烷基或者苯环中的一种；
2.一种权利要求书1所示固定相的制备方法，其特征在于：
a.硅胶预处理：硅胶加入浓度为1～38wt％的盐酸或硝酸溶液中，加热回流搅拌1～48小时，过滤，水洗至中性，于100～160℃下干燥至恒重；所得干燥硅胶置于湿度为20％～80％的氮气或氩气气氛中24～72小时，使硅胶吸水增重原重量的0.5％～10％，得水合硅胶；
b.硅胶表面共聚：将步骤a所得水合硅胶置于玻璃或者聚四氟乙烯反应容器中，在氮气氛围下加入有机溶剂，搅拌均匀，滴加烷基硅烷和磺酰氯基硅烷混合物，保持温度为20～200℃条件下搅拌2～48小时；反应体系冷却至室温，减压过滤并依次用甲苯、二氯甲烷、甲醇、水、四氢呋喃、甲醇洗涤，固体产品在60～100℃条件下干燥12～24小时，得键合固定相；
c.水解反应：将步骤b所得的键合固定相置于玻璃或者聚四氟乙烯反应容器中，加入2～20wt％的碳酸氢钠水溶液和乙醇或者2～20wt％的碳酸氢钠水溶液和甲醇，保持温度为20～200℃条件下搅拌2～48小时，反应体系冷却至室温，减压过滤并用甲醇、水、甲醇洗涤，固体产品在60～100℃条件下干燥12～24小时，即得强阳离子交换色谱固定相。
3.按照权利要求书2所述制备方法，其特征在于：步骤b中有机溶剂为与水不互溶的有机溶剂，包括苯系物和烷烃中的一种；
步骤b中有机溶剂的使用量为每克水合硅胶使用2mL～100mL有机溶剂。
4.按照权利要求书3所述制备方法，其特征在于：步骤b中有机溶剂甲苯、乙苯、二甲苯、正己烷、正庚烷、正戊烷、正辛烷、环己烷中的一种。
5.按照权利要求书2所述制备方法，其特征在于：
步骤b中所用的烷基硅烷试剂是碳数为1～6的烷基三氯硅烷；
步骤b中所用的磺酰氯基硅烷试剂是碳数为1～8的烷基或者包含苯环的磺酰氯基三氯硅烷，结构如下：
或者R为碳数为1～8的烷基；
烷基硅烷和磺酰氯基硅烷的摩尔比为1/100～100/1。
6.按照权利要求书2或5所述制备方法，其特征在于：
步骤b中烷基硅烷和磺酰氯基硅烷总的使用量为每克水合硅胶使用0.5mmol～5mmol。
7.按照权利要求书2所述制备方法，其特征在于：
步骤c中碳酸氢钠水溶液和乙醇、碳酸氢钠水溶液和甲醇的体积比皆为1∶10～10∶1；
步骤c中混合溶剂的使用量为每克键合硅胶使用1mL～100mL。
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