CN103212386A - 一种高纯全多孔硅胶键合色谱固定相的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高纯全硅胶键合色谱固定相的制备方法，属于高效液相色谱填料的制备技术领域。以自制的高纯多孔球形硅胶为原料，通过对硅胶进行表面活化等预处理，使得多孔硅胶微球的表面呈现出低活性、低酸性及良好的均匀性；在活化后的硅胶表面首先键合十八烷基二甲基甲氧基硅烷，然后再通过硅烷偶联剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）的连接作用把碘甲烷键合到硅胶表面，最后使用三甲基氯硅烷进行封端处理即得全多孔球形硅胶键合色谱固定相。本发明方法能够提高键合硅胶填料的色谱分离性能，使得固定相具有分离速度快，峰形较好、分离范围宽等优点。

Description

一种高纯全多孔硅胶键合色谱固定相的制备方法

技术领域

本发明属于高效液相色谱填料的制备技术领域，涉及一种新型高纯全多孔硅胶键合色谱固定相的制备方法及其作为高效液相色谱填料的应用。 

背景技术

商品色谱填料如硅胶、键合硅胶、氧化铝、有机聚合物微球（包括离子交换树脂）、多孔碳等，其粒度一般为3～10um等，理论柱效可达1~16万塔板数/米。其中，由于硅胶材料具有上述所说的机械强度良好、表面易于改性等一系列的优点，是目前应用最为广泛的色谱填料材料。但是，基于矿物原料的传统硅胶反相柱填料都含有一定量的金属杂质铁和铝等，这些杂质会导致硅胶表面活性增加，填料表面的残余硅羟基的酸性增强，硅胶表面因而带有负电。在通常的分离条件下，碱性分析物质因质子化而带正电，其色谱保留既有正常的疏水作用，又有离子交换作用；后者使得碱性化合物和螯合物的色谱峰严重拖尾。这不仅加大了此类物质HPLC方法的开发难度，而且会影响分析结果的准确度和重现性。因此，高纯的硅胶基质填料对色谱柱的制备及分离分析都是至关重要的。如今，以高纯（金属杂质〈50ppm）多孔硅胶为基质的色谱填料已逐步代替传统的由水玻璃制造的硅胶色谱填料成为国际色谱行业的主流产品。 

硅胶表面改性可制得选用于不同分离模式的色谱填料，这种改性与修饰一般通过三种方法实现：表面的化学修饰、整体修饰和聚合物包覆。表面的化学修饰是通过化学反应将不同的有机基团键合到硅胶表面的游离硅羟基上对硅胶进行改性，是目前应用最为广泛的改性方法。目前，商品色谱填料多采用烷基改性的多孔质硅胶，其中十八烷基硅胶键合相（C18）是最常用的，还有辛基（C8）、丁基（C4）等硅胶键合相。但是，由于硅胶制备所需的高温烧结会造成孔表面的不均匀性和高活性，从而会导致极性化合物在键合后硅胶分离色谱峰拖尾;此外，硅胶表面的硅醇基不能完全与有机物分子反应，残存的硅醇基会对分离效果产生影响，特别是在分离一些易离解化合物和碱性物质时，常使色谱峰拖尾，即使对填料进行封尾处理，也不能完全消除残存硅醇基的影响。为解决硅胶基质在色谱分离中所存在的这些问题，色谱工作者做了一系列的尝试工作。Kirkland等人报导了采用对表面进行酸处理，可增加表面硅羟基密度，在一定程度上降低了表面活性，但仍无法解决表面非均匀性造成的碱性化合物拖尾问题；Ohstu等人采用三甲基氯硅烷对键合相进行封端处理可以在C18或C8相的 覆盖率不太高时有效地降低未反应的硅羟基，随之有很多新试剂和新方法被用于封端技术，如Sudo报导的高温硅烷化封端技术等，但由于空间阻碍，封端反应不完全，所以此方法也不能彻底消除硅羟基；包覆技术是另一种使硅醇基失活，并在高pH值时稳定硅胶性能而发展起来的新方法，Ohstu等制备了聚合物涂敷的C18硅胶包覆相，Engelhardt等采用乙烯基三氯硅烷和丙烯酸衍生物聚合方法，常建华等在硅胶上先涂上一层聚胺，再与环氧化物反应制备包覆相，经涂敷和固化制备的固定相，其中心硅胶稳定、残留硅醇基活性被抑制，但是，涂敷的聚合层必须很薄，否则会影响传质，这在技术上很难。而目前国内使用的高性能色谱柱填料又基本依赖进口，因此，制备出性能优良的色谱填料对实现色谱填料的国产化具有十分重要的理论及现实意义。 

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种新型高纯全多孔球形硅胶键合色谱固定相的制备方法及其作为反相高效液相色谱填料的应用。 

一种高纯全多孔球形硅胶键合色谱固定相的制备方法，它是以自制的高纯多孔球形硅胶为原料（其制备方法见CN201110194238.9高纯、单分散硅胶基质色谱填料的制备方法），通过对硅胶进行表面活化等预处理，使得多孔硅胶微球的表面呈现出低活性、低酸性及良好的均匀性；在活化后的硅胶表面首先键合十八烷基二甲基甲氧基硅烷，然后再通过硅烷偶联剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）的连接作用把碘甲烷键合到硅胶表面，最后使用三甲基氯硅烷进行封端处理即得全多孔球形硅胶键合色谱固定相。 

具体制备方法，包括以下步骤： 

A、取高纯多孔球形硅胶于锥形瓶中，按10~30ml硝酸：1g硅胶的比例加入体积分数为10~30%硝酸，超声1-2个小时后进行抽滤，水洗至中性，80~100℃烘干备用； 

B、取一定量步骤A中酸化后的硅胶加入带有冷凝装置的反应容器中，在不断搅拌下按20~40ml甲苯：1g硅胶的比例加入干燥甲苯溶剂，110℃下加热回流2-4个小时后，按0.2~1.0g对甲苯磺酸：1g硅胶的比例加入对甲苯磺酸催化剂，搅拌10-15分钟后，按0.1~0.2g十八烷基二甲基甲氧基硅烷（C18）：1g硅胶的比例加入硅烷化试剂，加热回流6-10个小时，停止加热，搅拌下冷却30分钟，依次使用甲苯、甲醇进行洗涤，80~120℃真空干燥10-12小时备用； 

C、取一定量步骤B中的硅胶加入带有冷凝装置的反应容器中，按20~40ml甲苯：1g硅胶的比例加入干燥甲苯溶剂，110℃下加热回流2-4个小时后，在不断搅拌下按0.2~0.5g对甲 苯磺酸：1g硅胶的比例加入对甲苯磺酸催化剂，按0.5~1molKH550：1g硅胶的比例加入KH550，加热回流6-10个小时，停止加热，搅拌下冷却30分钟，依次使用甲苯、丙酮、甲醇进行洗涤，80~120℃真空干燥10-12小时备用； 

D、取一定量步骤C中的硅胶加入到反应容器中，按20~50ml乙酸乙酯：1g硅胶的比例加入乙酸乙酯溶剂，并在不断搅拌下按0.3~0.5mol碘甲烷：1g硅胶的比例加入碘甲烷，常温下反应2-4个小时，依次使用甲苯、丙酮进行洗涤，80~120℃真空干燥10-12小时备用； 

E、取一定量步骤D中的硅胶加入到反应容器中，按20~40ml甲苯：1g硅胶的比例加入干燥甲苯溶剂，110℃下加热回流2-4个小时后，在不断搅拌下按0.2~0.8ml三甲基氯硅烷：1g硅胶的比例加入三甲基氯硅烷，加热回流反应4-6个小时，使用干燥二氯甲烷洗涤数次后，80~120℃真空干燥10-12小时得最终产物。 

上述步骤A中的高纯多孔球形硅胶的制备方法见专利申请201110194238.9公开的内容。 

步骤B、C、D、E各步骤中所用的甲苯、甲醇、二氯甲烷的溶剂都是经过除水干燥的。 

步骤D中键合碘甲烷的反应为常温反应，加入的碘甲烷要过量，最后洗涤要多次大量洗涤。 

步骤B与C的键合步骤不能对调，须在键合完C18后才能键合KH550并进一步的键合碘甲烷。 

对得到的全多孔型球形硅胶键合色谱固定相进行表征，结果如下（见实施例）： 

1、表1为键合硅胶的元素分析测试，从C、N、H测试结果可知，步骤B中C18的键合及步骤C中KH550的键合均已成功； 

2、图1为未键合硅胶（a）及键合后硅胶(b)的红外测试谱图。从谱图（b）中可知，2925.43cm^-1、2855.12cm^-1及1466.82cm^-1处为甲基、亚甲基特征峰，图(a)中3429.96cm^-1处的宽峰为二氧化硅中的硅羟基的特征峰，而在图（b）中此峰消失表明硅胶表面硅羟基已基本都参与了反应，可推断出反应依据设计步骤进行； 

3、图2为未键合硅胶（a）与键合硅胶（b）的固体²⁹Si-MAS NMR谱图。其中，图（a）中的δ为-100.8ppm及-109.8ppm处的峰分别归属于硅胶中的Si-(OSi)₄代表的Q₄及（HO）1-Si-(OSi)₃所代表的Q₃；图（b）中δ为14.1ppm处的峰应为C18与硅胶结合后的Si-C结合位点，δ为-66.9ppm的峰应为RSi(OSi)_x(OH)_3-x(其中，x=1、2、3)中的Si-C结合位点，此为 KH550与硅胶反应所得，其具体的结合方式无法准确判断。由硅胶的固体²⁹Si-MAS NMR谱图我们也可得出反应依据设计步骤进行； 

4、图3为所得键合硅胶的色谱分析图，其以甲醇-水作为流动相，对尿嘧啶、苯酚、对氯硝基苯及萘四种物质的混合标样进行了分析，图中1、2、3、4四个峰代表的物质分别为尿嘧啶、苯酚、对氯硝基苯及萘。由图可见所得键合硅胶具有分离速度快、峰形较好的优点，且分离度在3.5以上，以萘所计算的色谱柱的柱效为9638塔板数/m。 

本发明的有益效果是： 

1、本发明所用硅胶为自制高纯硅胶，有效地避免引入金属杂质(如钠、铁、铝等)或残留的酯醇，能够提高键合硅胶填料的色谱分离性能。 

2、采用本发明的方法制备的键合硅胶填料，即含有C18反相色谱分离作用，同时又具有离子交换的特点，其在色谱分离分析方面存在很大的潜在应用价值，具有分离速度快，峰形较好、分离范围宽等优点。 

3、由于所得的聚合物的分子体积和分子量都很大，空间位阻也很大，在进行色谱分离测试时会遮蔽了反应时残留的硅羟基，使其无法与被测物发生氢键作用，这会减少色谱分离时的拖尾现象；硅胶表面键合十八烷基二甲基甲氧基硅烷及通过硅烷偶联剂与碘甲烷的多层键合也会使得硅胶表面的残留硅羟基减少；此外，固定相上除键合具有反相色谱分离性能的C18外，同时键合了具有离子交换性能的季铵盐，使得所制备的色谱固定相具有反相及离子交换双重色谱分离性能，这大大扩展了此固定相的分离范围，具有较好的应用前景。 

附图说明

图1是本发明实施例二得到的FT-IR红外谱图； 

图2是本发明实施例三得到的固体²⁹Si-MAS NMR谱图； 

图3是本发明实施例三得到的色谱分析图。 

具体实施方式

下面以实施例进一步说明本发明，但本发明并不限于以下实施例。本发明步骤（A）采用的高纯多孔球形硅胶的制备方法（采用CN201110194238.9方法制备），如下： 

1、在装有回流装置的反应器中加入氨水，升温至50-60℃时打开搅拌，按15-30ml氨水：1g硅粉的比例加入硅粉，继续升温至70-80℃时，向反应器中滴加氨水保持反应液的pH值 11-12，半小时后，通入氨气，4-6小时后结束反应，得到质量浓度为8～20%氧化硅水溶胶； 

2、向步骤A的二氧化硅水溶胶中加入盐酸调节其pH=1～3，再向其中加入尿素，调节混合液温度为10-15℃，加入甲醛溶液，其中尿素与甲醛的摩尔比例为1:1.3-1.9，尿素与甲醛的总质量与二氧化硅的质量比为1:1-5间；快速搅拌3-8min，静置12-15小时，反复洗涤得到脲醛树脂/二氧化硅复合微球； 

3、把步骤2的脲醛树脂/二氧化硅复合微球转移到连接有分水装置的反应器中，按照脲醛树脂/二氧化硅复合微球与去离子水的比例为10-14g/100ml加入去离子水，再加入与去离子水等体积的乙酸异戊酯，升温到95-97℃时，分水器中会出现明显分层，将下层的水溶液分离出来，继续升温至110℃以上停止分水；经过滤后将复合微球置于真空干燥箱中，于110-120℃干燥10-15h，再于180-200℃干燥20-25h；在马弗炉中分段焙烧，室温-200℃以3-10℃/分钟速率升温，200-300℃以1-4℃/分钟速率升温，并在300℃时保温2-4小时；300-400℃以3-10℃/分钟速率升温，400-500℃1-3℃/分钟速率升温，并在500℃保温3-5小时；500-700℃以4-6℃/分钟速率升温，并在700℃时2-3小时，最后得到高纯全多孔球形硅胶。 

实施例一 

A、取一定量自制的高纯多孔球形硅胶于锥形瓶中，按30ml硝酸：1g硅胶的比例加入体积分数为10%硝酸，超声1小时后进行抽滤，水洗至中性，100℃烘干备用； 

B、取一定量步骤A中酸化后的硅胶加入带有冷凝装置的反应容器中，在不断搅拌下按40ml甲苯：1g硅胶的比例加入干燥甲苯溶剂，110℃下加热回流2小时后，按0.8g对甲苯磺酸：1g硅胶的比例加入对甲苯磺酸催化剂，搅拌10分钟后，按0.2g十八烷基二甲基甲氧基硅烷：1g硅胶的比例加入硅烷化试剂，加热回流9小时，停止加热，搅拌下冷却30分钟，依次使用甲苯、甲醇进行洗涤，120℃真空干燥10小时备用； 

C、取一定量步骤B中的硅胶加入带有冷凝装置的反应容器中，按40ml甲苯：1g硅胶的比例加入干燥甲苯溶剂，110℃下加热回流4小时后，在不断搅拌下按0.5g对甲苯磺酸：1g硅胶的比例加入对甲苯磺酸催化剂，按1molKH550：1g硅胶的比例加入KH550，加热回流10小时，停止加热，搅拌下冷却30分钟，依次使用甲苯、丙酮、甲醇进行洗涤，120℃真空干燥10小时备用； 

D、取一定量步骤C中的硅胶加入到反应容器中，按50ml乙酸乙酯：1g硅胶的比例加 入乙酸乙酯溶剂，并在不断搅拌下按0.5mol碘甲烷：1g硅胶的比例加入碘甲烷，常温下反应4小时，依次使用甲苯、丙酮进行洗涤，120℃真空干燥10小时备用； 

E、取一定量步骤D中的硅胶加入到反应容器中，按40ml甲苯：1g硅胶的比例加入干燥甲苯溶剂，110℃下加热回流4小时后，在不断搅拌下按0.8ml三甲基氯硅烷：1g硅胶的比例加入三甲基氯硅烷，加热回流反应6个小时，使用干燥二氯甲烷洗涤数次后，120℃真空干燥10小时得最终产物。 

表1是本发明实施例一得到的元素分析测试结果； 

实施例二 

A、取一定量自制的高纯多孔球形硅胶于锥形瓶中，按20ml硝酸：1g硅胶的比例加入体积分数为20%硝酸，超声1.5小时后进行抽滤，水洗至中性，90℃烘干备用； 

B、取一定量步骤A中酸化后的硅胶加入带有冷凝装置的反应容器中，在不断搅拌下按30ml甲苯：1g硅胶的比例加入干燥甲苯溶剂，110℃下加热回流3个小时后，按0.5g对甲苯磺酸：1g硅胶的比例加入对甲苯磺酸催化剂，搅拌12分钟后，按0.15g十八烷基二甲基甲氧基硅烷：1g硅胶的比例加入硅烷化试剂，加热回流8小时，停止加热，搅拌下冷却30分钟，依次使用甲苯、甲醇进行洗涤，100℃真空干燥11小时备用； 

C、取一定量步骤B中的硅胶加入带有冷凝装置的反应容器中，按30ml甲苯：1g硅胶的比例加入干燥甲苯溶剂，110℃下加热回流3小时后，在不断搅拌下按0.4g对甲苯磺酸：1g硅胶的比例加入对甲苯磺酸催化剂，按0.8molKH550：1g硅胶的比例加入KH550，加热回流8小时，停止加热，搅拌下冷却30分钟，依次使用甲苯、丙酮、甲醇进行洗涤，100℃真空干燥11小时备用； 

D、取一定量步骤C中的硅胶加入到反应容器中，按40ml乙酸乙酯：1g硅胶的比例加入乙酸乙酯溶剂，并在不断搅拌下按0.4mol碘甲烷：1g硅胶的比例加入碘甲烷，常温下反应3小时，依次使用甲苯、丙酮进行洗涤，100℃真空干燥11小时备用； 

E、取一定量步骤D中的硅胶加入到反应容器中，按30ml甲苯：1g硅胶的比例加入干燥甲苯溶剂，110℃下加热回流3小时后，在不断搅拌下按0.6ml三甲基氯硅烷：1g硅胶的比例加入三甲基氯硅烷，加热回流反应5小时，使用干燥二氯甲烷洗涤数次后，100℃真空干燥11小时得最终产物。 

实施例三 

A、取一定量自制的高纯多孔球形硅胶于锥形瓶中，按10ml硝酸：1g硅胶的比例加入体积分数为30%硝酸，超声1小时后进行抽滤，水洗至中性，80℃烘干备用； 

B、取一定量步骤A中酸化后的硅胶加入带有冷凝装置的反应容器中，在不断搅拌下按20ml甲苯：1g硅胶的比例加入干燥甲苯溶剂，110℃下加热回流4小时后，按0.3g对甲苯磺酸：1g硅胶的比例加入对甲苯磺酸催化剂，搅拌15分钟后，按0.1g十八烷基二甲基甲氧基硅烷：1g硅胶的比例加入硅烷化试剂，加热回流9小时，停止加热，搅拌下冷却30分钟，依次使用甲苯、甲醇进行洗涤，80℃真空干燥12小时备用； 

C、取一定量步骤B中的硅胶加入带有冷凝装置的反应容器中，按20ml甲苯：1g硅胶的比例加入干燥甲苯溶剂，110℃下加热回流4小时后，在不断搅拌下按0.3g对甲苯磺酸：1g硅胶的比例加入对甲苯磺酸催化剂，按0.5molKH550：1g硅胶的比例加入KH550，加热回流6小时，停止加热，搅拌下冷却30分钟，依次使用甲苯、丙酮、甲醇进行洗涤，80℃真空干燥12小时备用； 

D、取一定量步骤C中的硅胶加入到反应容器中，按30ml乙酸乙酯：1g硅胶的比例加入乙酸乙酯溶剂，并在不断搅拌下按0.3mol碘甲烷：1g硅胶的比例加入碘甲烷，常温下反应4小时，依次使用甲苯、丙酮进行洗涤，80℃真空干燥12小时备用； 

E、取一定量步骤D中的硅胶加入到反应容器中，按20ml甲苯：1g硅胶的比例加入干燥甲苯溶剂，110℃下加热回流4小时后，在不断搅拌下按0.4ml三甲基氯硅烷：1g硅胶的比例加入三甲基氯硅烷，加热回流反应4小时，使用干燥二氯甲烷洗涤数次后，80℃真空干燥12小时得最终产物。 

Claims (5)

1.一种高纯全多孔硅胶键合色谱固定相的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、取高纯多孔球形硅胶于锥形瓶中，按10~30ml硝酸：1g硅胶的比例加入体积分数为10~30%硝酸，超声1-2个小时后进行抽滤，水洗至中性，80~100℃烘干备用；

B、取一定量步骤A中酸化后的硅胶加入带有冷凝装置的反应容器中，在不断搅拌下按20~40ml甲苯：1g硅胶的比例加入干燥甲苯溶剂，110℃下加热回流2-4个小时后，按0.2~1.0g对甲苯磺酸：1g硅胶的比例加入对甲苯磺酸催化剂，搅拌10-15分钟后，按0.1~0.2g十八烷基二甲基甲氧基硅烷（C18）：1g硅胶的比例加入硅烷化试剂，加热回流6-10个小时，停止加热，搅拌下冷却30分钟，依次使用甲苯、甲醇进行洗涤，80~120℃真空干燥10-12小时备用；

C、取一定量步骤B中的硅胶加入带有冷凝装置的反应容器中，按20~40ml甲苯：1g硅胶的比例加入干燥甲苯溶剂，110℃下加热回流2-4个小时后，在不断搅拌下按0.2~0.5g对甲苯磺酸：1g硅胶的比例加入对甲苯磺酸催化剂，按0.5~1molKH550：1g硅胶的比例加入KH550，加热回流6-10个小时，停止加热，搅拌下冷却30分钟，依次使用甲苯、丙酮、甲醇进行洗涤，80~120℃真空干燥10-12小时备用；

D、取一定量步骤C中的硅胶加入到反应容器中，按20~50ml乙酸乙酯：1g硅胶的比例加入乙酸乙酯溶剂，并在不断搅拌下按0.3~0.5mol碘甲烷：1g硅胶的比例加入碘甲烷，常温下反应2-4个小时，依次使用甲苯、丙酮进行洗涤，80~120℃真空干燥10-12小时备用；

E、取一定量步骤D中的硅胶加入到反应容器中，按20~40ml甲苯：1g硅胶的比例加入干燥甲苯溶剂，110℃下加热回流2-4个小时后，在不断搅拌下按0.2~0.8ml三甲基氯硅烷：1g硅胶的比例加入三甲基氯硅烷，加热回流反应4-6个小时，使用干燥二氯甲烷洗涤数次后，80~120℃真空干燥10-12小时得最终产物。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤A中所用的高纯多孔球形硅胶，其制备方法为：以单质硅粉作为硅源，在氨水与氨气的催化下，首先合成了单分散、高纯的纳米级二氧化硅水溶胶；然后利用聚合诱导胶体凝聚法（PICA）制备出单分散脲醛/二氧化硅复合微球，再对复合微球进行热处理，最终得到高纯多孔球形硅胶基质。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所用的甲苯、甲醇、二氯甲烷的溶剂都是经过除水干燥的。

4.根据权利要求1所述的新型高纯硅胶键合色谱固定相的制备方法，其特征是步骤D中键合碘甲烷的反应为常温反应，加入的碘甲烷要过量，最后洗涤要多次洗涤。

5.根据权利要求1所述的新型高纯硅胶键合色谱固定相的制备方法，其特征是步骤B与C的键合步骤不能对调，须在键合完C18后才能键合KH550并进一步的键合碘甲烷。

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