CN105960281B - 色谱材料及其合成方法 - Google Patents

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Abstract

提供了用于色谱用途的包含二氧化硅颗粒的微粒材料，所述二氧化硅颗粒具有含有倍半硅氧烷笼形部分的骨架结构。所述材料适用作色谱材料，例如在HPLC中。二氧化硅颗粒可以是混合有机二氧化硅颗粒，其中所述倍半硅氧烷部分包含硅原子定位在笼角处的笼形结构，其中定位在笼角处的一个或多个硅原子带有有机基团。制备所述微粒材料的优选方法包含使倍半硅氧烷作为水解混合物的共组分发生水解，特别是在或改进的方法中。

Description

色谱材料及其合成方法
技术领域
本发明涉及包括液相色谱和固相萃取的色谱样品分离领域，并且具体来说，其涉及在色谱样品分离中用作固定相的材料及材料合成。
背景技术
液相色谱(Liquid chromatography；LC)(例如HPLC与UHPLC)和固相萃取(solidphase extraction；SPE)通常用于分析型和制备型色谱应用两者中。在这些色谱技术中，通过将液体流动相中的样品输送通过柱中的固定相，从而由于每种组分在流动相和固定相之间不同的分配(即组分具有不同的分配系数)使得样品分成其组分来实现包含组分混合物的样品的分离。固定相通常以颗粒床的形式填充在柱内，或者以整体材料的形式保持在柱中。
无孔颗粒床具有相对低的样品容量。因此，通常使用多孔颗粒，其含有孔隙网络以增加固定相的表面积并由此提高分离的容量。多孔颗粒可以是充分多孔的，其中孔隙在整个颗粒主体中延伸。作为充分多孔颗粒的替代方案，最近已经使用所谓的熔合核心颗粒，其也被称为表面多孔颗粒。这些颗粒是具有无孔核心(也被称为熔合或固体核心)的颗粒并且仅在围绕无孔核心的外层或区域中是多孔的。
二氧化硅颗粒通常用作固定相，作为无孔、完全多孔或表面多孔颗粒中的任一者。
自从等人在1968年通过在氨、醇和水的混合溶液中水解硅酸烷基酯(如正硅酸四乙酯)(也称为四乙氧基硅烷(TEOS))合成二氧化硅球，已经广泛使用基于溶胶-凝胶的湿法化学路线制备二氧化硅球。约30年后，Unger的团队(Grun,M,；Lauer,I.；Unger,K.K.；先进材料(Adv.Mater.)1997，9，254)在相同体系中通过引入烷基铵卤化物表面活性剂(例如，C16TAB)成功地制备有序介孔二氧化硅球，所述烷基铵卤化物表面活性剂已经开始并不断地用作合成有序介孔二氧化硅材料的牺牲孔模板。在该方法中，在形成胶束的点处将表面活性剂添加至水解溶液中。随后，二氧化硅前体的添加促进胶束周围的二氧化硅源的水解和缩合。胶束的去除/萃取产生在颗粒内的多孔网络。后一方法已经被指定为“改良的方法”。当所获得的所谓的MCM-41类型球用作高效液相色谱(HPLC)中的柱填充剂材料时，其已经显示出比非-球形MCM-41颗粒更优良的性能。
混合二氧化硅材料(其中有机官能团(例如烷基)结合在二氧化硅的主体和表面两者中)也如在US 4,017,528和US 6,686,035中所述是已知的。此类方法包含四乙氧基硅烷(TEOS)和有机三乙氧基硅烷(如烷基三乙氧基硅烷)的混合物的聚缩合。在此方法中，小的前体分子被反应以形成二氧化硅骨架。
也已经良好建立了用于制备非极性固定相的二氧化硅颗粒的表面改性。这包含使二氧化硅的羟基化表面与表面改性剂(如例如单官能化有机氯硅烷、双官能化有机氯硅烷或三官能化有机氯硅烷)反应。
考虑到通过此些方法形成的二氧化硅颗粒，存在提高用作色谱材料的二氧化硅颗粒在一系列条件下的稳定性的需要，举例来说提高pH耐受性和耐化学性以及提高热稳定性和机械强度。提高的热稳定性允许使用减小流动相粘度的更高的温度，这导致更宽范围的流动相组分，以及减小分析时间的更快的流动速率。固定相或固体载体的更宽范围的pH稳定性允许使用更高的pH以抑制胺质子化并且使用较低的pH以抑制酸性溶质的电离。在没有pH控制的情况下，这两种方法可导致固定相上的溶质的不可逆滞留。
相对于该背景技术，作出本发明。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种包含具有含倍半硅氧烷部分的骨架结构的颗粒的微粒材料。
所述颗粒优选为具有含倍半硅氧烷部分的骨架结构的二氧化硅颗粒。倍半硅氧烷部分具有笼形结构。
根据本发明的另一方面，提供了一种制备微粒材料的方法，所述方法包含缩合至少倍半硅氧烷以产生颗粒。所述方法包含在缩合反应中水解倍半硅氧烷以产生具有含倍半硅氧烷部分的骨架结构的二氧化硅颗粒，所述倍半硅氧烷部分具有笼形结构。优选地，在此类方面中的本发明在于使用倍半硅氧烷用作水解混合物的共组分以产生颗粒。
所述颗粒优选为二氧化硅颗粒。优选地，制备微粒材料的方法包含使倍半硅氧烷和硅烷共缩合以产生颗粒。
在本发明的又一方面中，提供了例如用于液相色谱或固相萃取的填充有微粒材料的色谱柱。
因此，本发明涉及使用纳米级部分(以商标POSS市售的倍半硅氧烷(也称为多面体寡聚倍半硅氧烷))以制备用于色谱应用(例如作为固定相)的多孔或无孔微粒材料。相比于已知的色谱材料，所形成的材料展现出优异的pH耐受性、高的机械强度以及极大提高的热稳定性。材料包含二氧化硅或混合有机二氧化硅颗粒。不受任何理论限制，增强的热、机械和pH稳定性(例如在pH 1-11中)可以归因于在二氧化硅中刚性纳米级的倍半硅氧烷笼或核心的合并。
附图说明
图1示意性地示出了用于形成根据本发明的无机二氧化硅颗粒的示例性无机倍半硅氧烷-硅烷醇的结构。
图2示意性地示出了用于产生混合有机二氧化硅颗粒的合适的有机倍半硅氧烷-硅烷醇的实例1-6(R为有机取代基)。
图3A和图3B示出了在以下实例1中获得的颗粒的SEM图像(分别×7k和×10k)。
图4A和图4B示出了在以下实例4中获得的颗粒的SEM图像(分别×4k和×10k)。
图5A和图5B示出了在以下实例7中获得的颗粒的SEM图像(分别×4k和×9k)。
图6A和图6B示出了在以下实例9a中获得的颗粒的SEM图像(分别×5k和×10k)。
图7A和图7B示出了在以下实例12.5中获得的颗粒的SEM图像(分别×5k和×10k)。
图8示出了使用5％三硅烷醇异辛基POSS的对于以下实例13中获得的增加孔径的颗粒由压汞法获得的Log示差压汞与孔径直径的等温线。
图9示出了使用5％三硅烷醇苯基POSS的对于以下实例13中获得的增加孔径的颗粒的BJH解吸附等温线。
图10A和图10B示出了在以下实例28a中获得的颗粒的SEM图像(分别×5k和×10k)。
图11A和图11B示出了在以下实例29a中获得的颗粒的SEM图像(分别×2.5k和×10k)。
具体实施方式
在本发明中使用的倍半硅氧烷(还称为多面体寡聚倍半硅氧烷)的基本结构可以看作是分子二氧化硅的笼状结构，所述分子二氧化硅包含以有序方式与氧原子键联在一起的一定数目的硅原子。因此，本发明的优选的“笼形”倍半硅氧烷为具有笼状结构(一般是立方笼形结构)的化合物。硅原子定位在笼形的角处。所述笼形通常包含与氧原子键联在一起的定位在笼角处的八个硅原子。在一些实施例中，小于或大于八个硅原子可以存在于笼形中，例如七个硅原子或六个硅原子。在此类实施例中，笼形的一个或多个角可以从另外完美的笼形结构中“缺失”。一般来讲，笼形倍半硅氧烷可以是完美的笼形或具有一个或多个缺角和任选地一个或多个(通常是一个)缺边。本文中，笼可以称为8-硅笼、7-硅笼、6-硅笼等。
优选地，定位在笼角处的一个或多个硅原子带有选自以下的取代基：羟基、氢和有机基团(特别是烃类，例如烷基或芳基)。更优选地，在笼形的每个硅角处优选为可以是羟基、氢或有机基团(特别是烃类，例如烷基)的取代基。优选地，定位在角处的一个或多个硅原子，特别是多个硅原子带有羟基(硅烷醇)基团。在此类实施例中，在角处的硅原子的其余部分优选地带有有机基团。在笼形的硅角处的有机取代基可以选自烃基(例如烷基、芳基，其在本文中包括烯烃、炔烃等)。有机取代基可含有S、OH、卤素、酰胺基、磺酰胺基、酯基、羧酸酯基或磺酸酯基等。以下更细详定义此类有机取代基。
其中角硅原子仅带有羟基取代基(即硅烷醇基团)的笼形倍半硅氧烷可用于制备无机(“纯”或“非混合”)二氧化硅。举例来说，在每个角处具有硅烷醇基团的8-硅笼形倍半硅氧烷可用于制备为非混合(即不含有有机基团)的笼形组成的二氧化硅材料。对于缩合(聚缩合)反应需要羟基(硅烷醇)基团。
无孔、非混合颗粒也可以通过煅烧和/或烧结混合有机二氧化硅颗粒来制备。
相反地，本发明中的混合有机二氧化硅材料由具有至少一个带有有机取代基的角硅原子以及至少一个带有羟基的硅原子的笼形倍半硅氧烷制备。更优选地，定位在角处的一个或多个硅原子，特别是多个硅原子带有羟基，其中在角处的硅原子的至少其余部分带有有机基团。在此类实施例中，笼形结构优选包含七个或六个角硅原子并且每个角硅原子均带有有机基团。因此，进一步优选地，在角处的所有硅原子均带有有机基团，并且一个或多个角硅原子，特别是多个角硅原子还带有羟基。举例来说，在角部处具有有机基团的笼形通常还具有一个或多个角缺失(即7-硅或6-硅笼)以提供用于缩合反应必需的硅烷醇基团。最优选地，在混合有机二氧化硅材料中，倍半硅氧烷包含其中每个角硅原子带有有机基团并且多个硅角原子还带有羟基的笼形。此类倍半硅氧烷优选为7-硅笼形或6-硅笼形(最优选为7-硅笼形)。
大量的纳米级笼形倍半硅氧烷分子可以使用公认的技术制备并且许多该分子可易于以商标POSS商购自Hybrid Plastics。
在本发明中，纳米级分子(即多面体寡聚倍半硅氧烷)用于制备用于色谱应用的多种新型多孔或无孔材料。不同于其中小分子(如烷氧硅烷和烷基烷氧硅烷)用于制备用于色谱应用的二氧化硅或混合二氧化硅/有机颗粒的现有技术，本发明在颗粒-制备方法中采用纳米级倍半硅氧烷分子，以使得倍半硅氧烷部分包含在二氧化硅的骨架或内部结构中以及在表面上。因此，颗粒的骨架单元优选含有Si-倍半硅氧烷-Si键。相比于通过已知方法制备的那些材料，所得材料提供优良的性能，特别在pH、温度和/或机械稳定性中的一个或个的方面。
多面体寡聚倍半硅氧烷先前已经在色谱材料的合成中使用过但不是以本发明方式。在一种情况下，倍半硅氧烷已经用作固定相表面改性剂，如在US 2012/0205315A1中所述。然而，没有提出其中倍半硅氧烷可以用于形成二氧化硅颗粒自身。相比之下，在本发明中，倍半硅氧烷部分包含在二氧化硅的骨架或内部结构中，而不仅仅在表面上。
倍半硅氧烷也已经用作用于制备无机-有机混合整体材料的交联剂，如描述于Wu等人，多面体寡聚倍半硅氧烷作为用于制备无机-有机混合整体柱的交联剂(PolyhedralOligomeric Silsesquioxane as a Cross-linker for Preparation of Inorganic-Organic Hybrid Monolithic Columns)，《分析化学(Analytical Chemistry)》(2010)，82(13)，5447-5454)中。在此情况下，倍半硅氧烷与有机单体共聚合以形成聚合物状整体材料。相比之下，本发明合成无孔或多孔、纯二氧化硅或混合二氧化硅颗粒。整体和颗粒的合成是非常不同的并且用于制备一者的技术通常不能被转变成制备另一者。在Wu等人中所描述的方法经设计以产生用于窄的毛细管柱的材料并且此类体系例如由于附壁的问题通常不可以按比例放大。本发明不限于毛细管柱。举例来说，根据本发明的材料可以用于HPLC应用或SPE应用中，在HPLC应用中柱直径为1mm或更大，例如范围为1mm至10mm，更具体地说2mm至5mm，如常规的HPLC直径柱为2.1mm至4.6mm，在SPE应用中柱直径例如为至多10mm。然而，没有具体限制用于本发明申请的柱尺寸，其可以从纳米级至制备级使用。在本发明中的材料的色谱性能不同于现有技术整体，并且相比于现有技术整体可以得到控制。
硅倍半硅氧烷通过聚合有机三烷氧硅烷而合成。所述聚合通过有机三烷氧硅烷的水解和缩合进行。聚合导致具有最稳定八元环的许多硅氧烷环的形成。另外聚合产生多面寡聚结构。现今，硅倍半硅氧烷可用作市售的起始材料获得。
基本的硅倍半硅氧烷结构可以看作是由与氧原子以有序方式键联在一起的限定数目的硅原子组成的分子二氧化硅的笼形。在每个角处为可以是羟基或有机化学中已知的几乎任何化学基团的取代基。已经发现其三维维度、高对称性和尺寸使得倍半硅氧烷用于构建在形成根据本发明的二氧化硅颗粒中的模块。可能官能团与它们在三维空间中控制的取向的多样性允许在所有三个维度中高度调节的纳米-纳米构造。倍半硅氧烷笼形期望地赋予硬度和热稳定性，这提供超过典型有机二氧化硅混合材料的机械性能和热性能。使稳固的笼形或核心与连接有机取代基的官能团结合也可以改变化合物的物理性能，从而允许比典型陶瓷更容易处理。有机官能团和无机官能团的混合可导致产生展现出比传统材料的那些更优良的性能的新型材料。通过变化有机官能团，实际上存在无限数目的倍半硅氧烷变体。因此，根据本发明的混合有机二氧化硅颗粒包含键联到倍半硅氧烷部分的硅原子的有机基团或部分。有机部分优选为烃类部分并且特别是如下文描述的烷基或芳基部分。如下文所描述，此类烃类部分可以是经取代的烃类部分。
在优选实施例中，本发明包含将倍半硅氧烷分子合并至或改良的方法中，即经由与硅烷(如四烷氧基硅烷(例如TEOS)的共缩合方法以产生多种具有本文中所描述的有吸引力的物理性能的多孔或无孔的二氧化硅或混合二氧化硅颗粒。除该方法之外，可以使用其它常规的二氧化硅颗粒制备方法。另一方法的实例包括例如通过相同的共缩合将硅倍半硅氧烷部分合并至已知分子量的聚乙氧基硅烷(PEOS)中。然后，将所得混合聚乙氧基硅烷(混合硅倍半硅氧烷-聚乙氧基硅烷)悬浮至含水介质中并且优选地在碱催化剂存在下胶化成多孔颗粒。另一实例涉及具有硅倍半硅氧烷部分的二氧化硅溶胶的官能化以形成混合溶胶，接着用表面活性剂对在非极性有机溶剂中的混合溶胶乳化以形成乳化的珠粒。然后，所述乳化的珠粒可以使用酸性催化剂胶化以形成颗粒。
现将描述本发明的各种优选的特征。
在共缩合倍半硅氧烷和硅烷中使用的硅烷优选为四烷氧基硅烷，更优选为四乙氧基硅烷(TEOS)。从而，二氧化硅颗粒中的倍半硅氧烷部分优选经由硅氧烷键而键联。
倍半硅氧烷和硅烷的缩合优选发生在水解溶液中并且更优选发生在碱性介质中。因此，水解溶液优选含有碱(该术语也包括碱的混合物)并且更优选含有氢氧化铵或碱金属氢氧化物(例如，氢氧化钠或氢氧化钾)，最优选含有氢氧化铵。然而，应理解，尽管在本发明中优选使用碱性条件，但是二氧化硅也可以在如本领域中已知的酸性条件下形成。
水解溶液优选包含水和有机溶剂。有机溶剂优选包含醇更优选包含乙醇。因此，水和乙醇的水解溶液是优选的。
水解溶液优选含有用于提供多孔结构的模板。水解溶液优选含有表面活性剂模板(该术语也包括表面活性剂模板的混合物)。表面活性剂充当致孔剂模板，其一经去除(例如燃烧)就提供多孔结构。表面活性剂优选为水溶性的。表面活性剂在该方法的水解和缩合条件下优选形成胶束。表面活性剂可以是离子型或非离子型，但是优选为离子型并且更优选为阳离子型。优选的表面活性剂为阳离子型季铵表面活性剂，更优选地具有溴抗衡离子或氯抗衡离子中任一者，其中更优选的实例为化学式：(R4)(R5)(R6)(R7)(N)+X-，其中每个R4、R5、R6、R7独立地选自H、烷基、烯基、炔基、苄基和芳基(特别是烷基)，其中的每个可以是未经取代或经取代的(优选地每个R4、R5、R6独立地为烷基并且R7为烷基或苄基(特别是烷基))，并且X为Br或Cl。特别地，R4、R5、R6、R7中的至少一个为C8-20烷基(未经取代或经取代)。更特别地，每个R4、R5、R6独立地为C1-2烷基(特别是甲基)，并且R7为C8-20烷基。特别地，优选的实例为烷基三甲基溴化或氯化铵，更特别是(C8-20烷基)三甲基溴化铵或氯化铵，其中月桂基(C12)、肉豆蔻基(C14)和鲸蜡基(十六烷基)(C16)和十八烷基(C18)和二癸基(C20)类似物是最优选的，其中鲸蜡基三甲基溴化铵(CTAB)和/或鲸蜡基三甲基氯化铵(CTAC)为特别好的实例。
倍半硅氧烷和硅烷的共缩合通常起初导致溶胶的形成。然后，溶胶可以(例如通过搅拌)胶化以形成可以从溶液中分离的二氧化硅颗粒的沉淀物。有利地，溶胶和凝胶的形成以形成颗粒可以在单锅中进行，即如一锅式方法。可以可选地洗涤并干燥所分离的二氧化硅沉淀物。表面活性剂可以例如通过酸萃取和/或通过加热燃烧从二氧化硅颗粒中去除。在色谱用途之前可以煅烧二氧化硅颗粒。
试剂的添加和/或混合次序不受特别限制。然而，在优选的方案中，表面活性剂可选地与碱一起溶解于包含水和有机溶剂的溶液中，或者将碱在表面活性剂之后添加至溶液中，并且然后将倍半硅氧烷和硅烷的混合物添加至溶液以形成溶胶。该混合物通常搅拌(例如)2小时至48小时，或10小时至30小时或约24小时。在倍半硅氧烷/硅烷混合物添加至水解溶液之前，其可以溶解于有机溶剂如乙醇中。
在一个实例中，该方法包括(i)制备水、有机溶剂(例如乙醇)和表面活性剂(例如十六烷基三甲基溴化铵)的含表面活性剂的水解溶液，(ii)在所述表面活性剂溶液中提供碱(例如氢氧化铵)，(iii)制备四烷氧基硅烷(例如TEOS)和倍半硅氧烷的混合物的前体溶液，以及(iv)将前体溶液添加至水解溶液从而共缩合四烷氧基硅烷和倍半硅氧烷并且形成颗粒。可以洗涤并干燥该颗粒，并且可将表面活性剂从二氧化硅颗粒中去除以使多孔结构留在颗粒中。当倍半硅氧烷带有有机取代基时，则形成混合有机二氧化硅颗粒。当倍半硅氧烷不带有有机取代基时，则形成纯的无机二氧化硅颗粒。调节TEOS与倍半硅氧烷的比例(其中倍半硅氧烷带有有机取代基)可在形成的颗粒中得到一系列％碳(％C)。示例倍半硅氧烷为二硅烷醇烷基倍半硅氧烷或三硅烷醇烷基倍半硅氧烷，例如三硅烷醇异辛基倍半硅氧烷。在分子上的硅烷醇基团使得所述部分可用于反应中的共缩合。调节水解溶液浓度和缩合反应温度可提供一系列粒度。
从所描述的反应条件中可以看出，本发明优选利用用于制备(无孔)颗粒的方法并且优选利用促进产生多孔颗粒的改良的方法。此类方法可以按照一锅式方法进行。
所形成的二氧化硅颗粒可以进行一种或多种进一步的处理，例如孔扩展、煅烧和/或烧结。孔扩展步骤(例如在未-煅烧的颗粒上)优选可包含对颗粒进行热液处理。孔扩展的颗粒可以随后被煅烧和/或烧结。
用于本发明的倍半硅氧烷不受特别限制。可以选择不同的倍半硅氧烷以对二氧化硅颗粒赋予不同的性能。一种倍半硅氧烷分子可以用于本发明中以形成所述颗粒，或者可以使用两种或更多种不同种类的倍半硅氧烷分子。
一般来讲，可以使用能够与水解混合物的共组分(例如烷氧基硅烷)反应的任何倍半硅氧烷。
多孔和无孔二氧化硅颗粒可以使用作为方法中共组分的倍半硅氧烷-硅烷醇分子形成。在倍半硅氧烷-硅烷醇分子中，硅原子中的一个或多个(优选硅原子中的两个或更多个或三个或更多个)带有羟基取代基。以此方式，倍半硅氧烷可参与共缩合反应以形成溶胶。在某些优选的实施例中，硅角原子中的一个或多个从倍半硅氧烷立方笼形结构中缺失，即笼形包含七个或更少的硅原子。具有缺失硅角并且具有七个硅原子的此类倍半硅氧烷，适当地具有在将以其它方式连接至缺角的硅原子的硅原子上的硅烷醇取代基。其它硅原子可具有羟基取代基或者其中期望形成混合二氧化硅的有机取代基。应了解，倍半硅氧烷-硅烷醇可以用作形成其的盐。
多孔和无孔纯(即无机)二氧化硅颗粒可以使用在硅原子上未带有有机取代基的倍半硅氧烷-硅烷醇分子来形成。多孔和无孔混合二氧化硅/有机颗粒可以使用在倍半硅氧烷的硅原子中的一个或多个上具有有机取代基的纳米级的倍半硅氧烷-硅烷醇分子来形成。以此方式，本发明提供一种将不同化学部分引入至二氧化硅颗粒的骨架或子结构中的改良其化学、热和pH稳定性的方法。
倍半硅氧烷-硅烷醇为优选的起始材料，作为以通过与烷氧硅烷共缩合结合至二氧化硅颗粒中的部分。对于无机二氧化硅颗粒的产生，可以使用没有有机取代基的倍半硅氧烷-硅烷醇(“无机倍半硅氧烷-硅烷醇”)。用于形成无机二氧化硅颗粒的示例性无机倍半硅氧烷-硅烷醇的结构在图1中示出。所示出的分子在笼形结构中具有八个硅原子，每个硅带有羟基。其它无机倍半硅氧烷-硅烷醇可具有七个硅原子或更少。倍半硅氧烷-硅烷醇可以以其盐的形式被提供或使用，例如如其铵盐或其它盐，如图1中示出的八硅烷醇倍半硅氧烷的四甲基铵(TMA)盐。
对于混合有机/二氧化硅颗粒的产生，可以使用具有有机取代基的倍半硅氧烷-硅烷醇(“有机倍半硅氧烷-硅烷醇”)。在图2中，示出合适的有机倍半硅氧烷-硅烷醇的实例：
1二硅烷醇-异丁基-倍半硅氧烷，R＝异丁基(C32H74O13Si8)
2四硅烷醇-苯基-倍半硅氧烷，R＝苯基(C48H44O14Si8)
3三硅烷醇-乙基-倍半硅氧烷，R＝乙基(C14H38O12Si7)
4三硅烷醇-异丁基-倍半硅氧烷，R＝异丁基(C28H26O12Si7)
5三硅烷醇-苯基-倍半硅氧烷，R＝苯基(C42H38O12Si7)
6三硅烷醇-异辛基-倍半硅氧烷，R＝异辛基
本发明可采用一种倍半硅氧烷种类或两种或更多种倍半硅氧烷种类的混合物，即颗粒在其骨架结构中可包含两种或更多种不同的倍半硅氧烷部分。
在起始材料和/或最终颗粒中烷氧基硅烷与倍半硅氧烷的摩尔比的范围可为1:x，即1摩尔的烷氧基硅烷比x摩尔的倍半硅氧烷，其中x为0.01至3，优选为0.02至2，更优选为0.1至1.5，特别是0.1至1或0.3至1。
在倍半硅氧烷或倍半硅氧烷-硅烷醇上的有机基团或取代基优选为烃类并且更优选地选自以下基团：烷基和芳基。
除非另外说明，否则本文中单独或作为另一取代基的一部分的术语“烷基”意指直链或分支链或环烃基团或其组合，其可以是完全饱和、单多不饱和或多不饱和并且可包括具有指定数目的碳原子(即，C1-C10意指一个至十个碳)二价基团和多价基团。饱和烃类基团的实例包括(但不限于)以下基团：如甲基，乙基，正丙基(例如，-CH2-CH2-CH3、-CH2-CH2-CH2-)，异丙基，正丁基，叔丁基，异丁基，仲丁基，环己基，(环己基)甲基，环丙基甲基，例如正戊基、正己基、正庚基、正辛基等的同系物和异构体。不饱和烷基是具有一个或多个双键或三键的烷基。不饱和烷基的实例包括(但不限于)乙烯基、2-丙烯基、巴豆基、2-异戊烯基、2-(丁二烯基)、2,4-戊二烯基、3-(1,4-戊二烯基)、乙炔基、1-丙炔基和3-丙炔基、3-丁炔基以及高级同系物和异构体。除非另外指出，否则术语“烷基”还意指包括以下更详细定义的那些烷基衍生物，例如“杂烷基”。限于烃基的烷基称为“均烷基(homoalkyl)”。在其中烷基为二价基团的那些情况下，术语“烷基”也可意指“亚烷基”或“烷基二基”以及次烷基。
本文中，单独或作为另一取代基的一部分的术语“亚烷基”或“烷基二基”意指衍生自烷基的二价基团，如例如但是不限于-CH2CH2CH2-(丙烯或丙烷-1,3-二基)，并且进一步包括以下所述的那些基团，如“亚杂烷基”。通常，烷基(或亚烷基)将具有1个至约30个碳原子，优选1个至约25个碳原子，更优选1个至约20个碳原子，甚至更优选1个至约15个碳原子并且最优选从1个至约10个碳原子。“低碳数烷基”、“低碳数亚烷基”或“低碳数烷基二基”为较短链的烷基、亚烷基或烷基二基，一般具有约10个或更少的碳原子、约8个或更少的碳原子、约6个或更少的碳原子或约4个或更少的碳原子。
本文中，单独或作为另一取代基的一部分的术语“次烷基”意指衍生自烷基的二价基团，如例如但是不限于CH3CH2CH2＝(亚丙基)。通常，次烷基将具有1个至约30个碳原子，优选1个至约25个碳原子，更优选1个至约20个碳原子，甚至更优选1个至约15个碳原子并且最优选1个至约10个碳原子。“低碳数烷基”或“低碳数次烷基”为较短链烷基或次烷基基团，一般具有约10个或更少的碳原子、约8个或更少的碳原子、约6个或更少的碳原子或约4个或更少的碳原子。
本文中，术语“烷氧基”、“烷氨基”和“烷硫基”(或硫代烷氧基)用于其常规的含义，并且是指分别经由氧原子、氨基或硫原子连接至分子的其余部分的那些烷基。
本文中，除非另外说明，否则单独或与其它术语组合的术语“杂烷基”意指由所陈述数目的碳原子和选自由O、N、Si、S和B组成的群组中的至少一种杂原子组成的稳定直链或分支链、或环烃基团或其组合，并且其中可以可选地氧化氮原子和硫原子并且可以可选地季铵化氮杂原子。(一或多个)杂原子O、N、B、S和Si可位于杂烷基的任何内部位置处或在烷基连接至分子的其余部分的位置处。实例包括(但不限于)-CH2-CH2-O-CH3、-CH2-CH2-NH-CH3、-CH2-CH2-N(CH3)-CH3、-CH2-S-CH2-CH3、-CH2-CH2、-S(O)-CH3、-CH2-CH2-S(O)2-CH3、-CH＝CH-O-CH3、-Si(CH3)3、-CH2-CH＝N-OCH3和-CH＝CH-N(CH3)-CH3。至多两个杂原子可以是连续的，如(例如)-CH2-NH-OCH3和-CH2-O-Si(CH3)3。类似地，单独或作为另一取代基的一部分的术语“亚杂烷基”意指衍生自杂烷基的二价基团，例如(但不限于)-CH2-CH2-S-CH2-CH2-和-CH2-S-CH2-CH2-NH-CH2-。对于亚杂烷基，杂原子也可占据链末端(例如，亚烷氧基、亚烷二氧基、亚烷氨基、亚烷二氨基等)中的任一者或两者。可选地，对于亚烷基和亚杂烷基键联基团，键联基团的化学式的书写方向并不表示键联基团的取向。举例来说，化学式-CO2R'-可选地表示两个-C(O)OR'和-OC(O)R'。
本文中，除非另外陈述，否则单独或与其它术语组合的术语“环烷基”和“杂环烷基”分别表示“烷基”和“杂烷基”的环状形式。另外，对于杂环烷基，杂原子可以占据杂环附接到分子的其余部分的位置。环烷基的实例包括(但不限于)环戊基、环己基、1-环己烯基、3-环己烯基、环庚基等。杂环烷基的实例包括(但不限于)：1-(1,2,5,6-四氢吡啶基)、1-哌啶基、2-哌啶基、3-哌啶基、4-吗啉基、3-吗啉基、四氢呋喃-2-基、四氢呋喃-3-基、四氢噻吩-2-基、四氢噻吩-3-基、1-哌嗪基、2-哌嗪基等。
本文中，除非另有说明，否则独单独或作为另一取代基的一部分的术语“卤”或“卤素”，意指氟、氯、溴或碘原子。此外，术语如“卤烷基”意指包括单卤烷基和多卤烷基。举例来说，术语“(C1-C4)卤烷基”意指包括(但不限于)三氟甲基、2,2,2-三氟乙基、4-氯丁基、3-溴丙基等。
本文中，除非另外说明，否则术语“芳基”意指可以是单环或稠合在一起或共价键联的多个环(优选1个至3个环)的多不饱和芳族基取代基。术语“杂芳基”是指含有选自N、O、S、Si和B中的一个至四杂原子的芳基(或环)，其中可选地氧化氮原子和硫原子，并且可选地季铵化氮原子。杂芳基可以通过杂原子连接到分子的剩余部分。芳基和杂芳基的非限制性实例包括苯基、1-萘基、2-萘基、4-联苯基、1-吡咯基、2-吡咯基、3-吡咯基、3-吡唑基、2-咪唑基、4-咪唑基、吡嗪基、2-恶唑基、4-恶唑基、2-苯基-4-恶唑基、5-恶唑基、3-异恶唑基、4-异恶唑基、5-异恶唑基、2-噻唑基、4-噻唑基、5-噻唑基、2-呋喃基、3-呋喃基、2-噻吩基、3-噻吩基、2-吡啶基、3-吡啶基、4-吡啶基、2-嘧啶基、4-嘧啶基、5-苯并噻唑基、嘌呤基、2-苯并咪唑基、5-吲哚基、1-异喹啉基、5-异喹啉基、2-喹喔啉基、5-喹喔啉基、3-喹啉基和6-喹啉基。对于以上所指出的芳基和杂芳基环体系中的每一者的取代基选自下文所述的可接受取代基的群组。
为简洁起见，当本文中术语“芳基”与其它术语(例如，芳氧基、芳基硫氧基、芳基烷基)组合使用时，其包括如上定义的芳基和杂芳基环两者。因此，术语“芳烷基”意指包括其中芳基连接至烷基的那些基团(例如，苄基、苯乙基、吡啶基甲基等)，所述烷基包括其中碳原子(例如，亚甲基)已经被(例如)氧原子取代的那些烷基(例如，苯氧基甲基、2-吡啶氧基甲基、3-(1-萘氧基)丙基等)。
上述术语(例如，“烷基”、“杂烷基”、“芳基”和“杂芳基”)中的每个意指包括所指示基团的经取代和未经取代的形式两者。以下提供用于各类基团的优选取代基。
用于烷基和杂烷基(包括通常称为亚烷基、烯基、亚杂烷基、杂烯基、炔基、环烷基、杂环烷基、环烯基和杂环烯基)的取代基一般称为“烷基取代基”，并且它们可以是多种基团中的一者或多者，所述多种基团选自(但不限于)：在零至(2m'+1)范围内数目的经取代或未经取代的芳基、经取代或未经取代的杂芳基、经取代或未经取代的杂环烷基、-OR'、＝O、＝NR'、＝N-OR'、-NR'R”、-SR'、-卤素、-SiR'R”R”'、-OC(O)R'、-C(O)R'、-CO2R'、-CONR'R”、-OC(O)NR'R”、-NR”C(O)R'、-NR'-C(O)NR”R”'、-NR”C(O)2R'、-NR-C(NR'R'R”')＝NR””、-NR-C(NR'R”)＝NR”'、-S(O)R'、-S(O)2R'、-OS(O)2R'、-S(O)2NR'R”、-NRSO2R'、-CN和-NO2，其中m'为在此类基团中的碳原子总数。R'、R”和R”'各自优选独立地指氢、经取代或未经取代的杂烷基、经取代或未经取代的芳基(例如，用1个至3个卤素取代的芳基)、经取代或未经取代的烷基、烷氧基或硫代烷氧基或芳烷基。当本发明的化合物包括一个以上R基团时，举例来说，R基团中的每一个独立地选择为当存在R、R'、R”、R”'和R””基团中的一个以上时的每个R'、R”、R”'和R””基团。当R'和R”连接到相同氮原子时，它们可以与该氮原子组合以形成5-元环、6-元环或7-元环举例来说，-NR'R”意指包括(但不限于)1-吡咯烷基和4-吗啉基。从以上取代基的论述，本领域的技术人员将理解，术语“烷基”意指包括包括结合到除氢基之外基团的碳原子的基团，如卤烷基(例如，-CF3和-CH2CF3)和酰基(例如，-C(O)CH3、-C(O)CF3、-C(O)CH2OCH3等)。
类似于用于烷基基团所描述的取代基，用于芳基和杂芳基的取代基一般称为“芳基取代基”。所述取代基选自(例如)：在芳环体系上的零至开放价态总数范围内的数目的经取代或未经取代的烷基、经取代或未经取代的芳基、经取代或未经取代的杂芳基、经取代或未经取代的杂环烷基、-OR'、＝O、＝NR'、＝N-OR'、-NR'R”、-SR'、-卤素、-SiR'R”R”'、-OC(O)R'、-C(O)R'、-CO2R'、-CONR'R”、-OC(O)NR'R”、-NR”C(O)R'、-NR'-C(O)NR”R”'、-NR”C(O)2R'、-NR-C(NR'R”R”')＝NR””、-NR-C(NR'R”)＝NR”'、-S(O)R'、-S(O)2R'、-S(O)2NR'R”、-NRSO2R'、-CN和-NO2、-R'、-N3、-CH(Ph)2、氟基(C1-C4)烷氧基和氟基(C1-C4)烷基；并且其中R'、R”、R”'和R””优选独立地选自氢、经取代或未经取代的烷基、经取代或未经取代的杂烷基、经取代或未经取代的芳基和经取代或未经取代的杂芳基。当本发明化合物包括一个以上R基团时，举例来说，R基团中的每一个独立地选择为当存在R、R'、R”、R”'和R””基团中的一个以上时的，每个R'、R”、R”'和R””基团。
在本发明中，倍半硅氧烷部分包含在二氧化硅的骨架结构中，而不仅仅在二氧化硅的表面上，尽管倍半硅氧烷部分也可以存在于表面处。
根据本发明的无机(纯)二氧化硅颗粒优选具有化学式：
SiO2/[SiO3/2]n，其中n＝0.01-3，优选地n＝0.02-1。
根据本发明的混合有机二氧化硅颗粒优选具有选自由以下各者组成的群组的化学式：
SiO2/[RSiO10/8]n
SiO2/[RSiO11/8]n
SiO2/[RSiO11/7]n
其中n＝0.01-3，优选地n＝0.02-1；R为在倍半硅氧烷部分(的(一或多个)角)上的有机(优选烃类)部分。
优选的倍半硅氧烷部分具有缺角或缺边。
从本文中的描述中可以看出，通过本发明设想了许多优选的方法。方法1：使用仅在角处具有硅烷醇基团而没有有机基团的笼形倍半硅氧烷，例如八-倍半硅氧烷(八个硅烷醇基团在角处)作为制备多孔二氧化硅颗粒的添加剂或共组分，优选使用TEOS作为共组分。方法2：使用仅在角处具有硅烷醇基团而没有有机基团的笼形倍半硅氧烷，例如八-倍半硅氧烷(八个硅烷醇)作为制备无孔二氧化硅颗粒的添加剂或共组分，优选使用TEOS作为共组分。从方法1和方法2中所得材料将是具有增强的机械、热和化学稳定性的“纯”(即无机)二氧化硅。方法3：使用二-、三和/或四硅烷醇烃类倍半硅氧烷作为制备多孔二氧化硅颗粒的添加剂或共组分，优选使用TEOS作为共组分。方法4：使用二、三-和/或四硅烷醇烃类倍半硅氧烷作为制备无孔有机二氧化硅颗粒的添加剂或共组分，优选使用TEOS作为共组分。从方法3和方法4中所得材料将是具有增强的机械、热和化学稳定性的有机-二氧化硅混合材料。
混合二氧化硅颗粒具有用于许多应用的期望的性能，即在混合二氧化硅中有机(特别是烷基)官能团结合至二氧化硅的骨架结构，和可选地结合至二氧化硅的表面中。
本发明的微粒材料为用于(例如)LC或SPE应用中的期望的色谱材料。所述材料可以用于纳米-LC、分析-LC或制备级LC中。在各种实施例中，多种颗粒设置在填充床中。举例来说，塑料或金属柱填充有该颗粒。
二氧化硅或混合二氧化硅颗粒通常且优选大体上为球形，但是在一些实施例中可以是不规律形状。二氧化硅或混合二氧化硅颗粒优选具有窄的尺寸分布。
在某些实例中，二氧化硅颗粒基本上为“单分散”或基本上“均分散”，这表明大部分颗粒(例如，80％、90％或95％的颗粒)的粒度在中值粒径(D50)以下或以上基本上没有变化(例如，不大于10％)。在示例性单分散颗粒群中，90％的颗粒的平均粒度在约0.9×D50与1.1×D50之间。这有利于色谱应用。尽管优选为单分散颗粒，但是具有更广粒度分布的颗粒可以用于许多应用中。
二氧化硅颗粒通常为微米颗粒，优选地直径为0.1μm或更大，优选地中值粒径为至多1000μm。更优选地颗粒的直径为1μm至1000μm、或0.1μm至500μm或1μm至500μm、或更优选地直径为0.1μm至100μm或1μm至100μm、或甚至更优选地直径为0.2μm至50μm，特别是直径为0.1μm至10μm或1μm至10μm并且最优选1.5μm至5μm。
颗粒可以是多孔(包括部分多孔、全部多孔或表面多孔)颗粒或无孔颗粒。该颗粒可以用于制备固体核心色谱材料。
当多孔颗粒形成时，颗粒的孔可以是任何尺寸。标称孔径通常以埃(10-10m，)为单位测量。使用BJH(Barrett Joyner-Halenda)方法从吸附数据中计算孔径分布(PSD)并且平均孔径(WBJH)被定义为PSD的最大值。在一个实例中，孔的平均尺寸或直径在约与约之间。在另一实例中，孔的体积平均直径在约与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约 之间、约与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约约与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约约与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约之间、约 与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约之间、约与约之间或约与约之间。平均孔径优选在约与约之间，更优选在约与约之间。最优选地，平均孔径在约与约之间。
微粒材料的(BET)比表面积通常在约0.1m2/g与约2,000m2/g之间。举例来说，微粒材料的比表面积在约1m2/g与约1,000m2/g之间、约1m2/g与约800m2/g之间、约1m2/g与约600m2/g之间、约1m2/g与约500m2/g之间、约1m2/g与约400m2/g之间、约1m2/g与约200m2/g之间或约1m2/g与约100m2/g之间。在另一实例中，材料的比表面积在约10m2/g与约1,000m2/g之间、约10m2/g与约800m2/g之间、约10m2/g与约600m2/g之间、约10m2/g与约500m2/g之间、约10m2/g与约400m2/g之间、约10m2/g与约200m2/g之间或约10m2/g与约100m2/g之间。在另一实例中，材料的比表面积在约50m2/g与约1,000m2/g之间、约50m2/g与约800m2/g之间、约50m2/g与约600m2/g之间、约50m2/g与约500m2/g之间、约50m2/g与约400m2/g之间、约50m2/g与约200m2/g之间或约50m2/g与约100m2/g之间。优选地，微粒材料的比表面积在约1m2/g与约500m2/g之间或在约10m2/g与约500m2/g之间(特别是在约50m2/g与约500m2/g之间)。在另一实例中，所述比表面积更优选在约10m2/g与约100m2/g之间。
对于无孔颗粒，比表面积优选在约0.5m2/g与10m2/g之间。对于无孔颗粒，中值粒径优选为0.1μm至5μm。
应了解，使用对用作固定相材料的二氧化硅颗粒表面改性的已知方法，对所产生的二氧化硅或混合二氧化硅颗粒进行表面改性是可能的。二氧化硅或混合二氧化硅颗粒(例如)可以被C18表面改性。在某些实施例中，二氧化硅或混合二氧化硅颗粒甚至可以使用倍半硅氧烷部分表面改性，如US 2012/0205315 A1中所描述的。相同或不同的倍半硅氧烷可用作如用于形成二氧化硅颗粒骨架的表面改性剂。因此，这些分子可以用于将新特征引入到用于色谱应用的颗粒的主体和表面两者中，以便提供更高的热稳定性、更高的pH稳定性、提高的机械稳定性和化学稳健性。
根据本发明的材料的优点可包括：坚固的化学稳定性、提高的温度稳定性、高物理强度、高pH稳定性以及更环保的合成方法(例如使用挥发性和毒性较低的硅烷试剂)。所述材料为多种高性能分离介质提供了平台。
实例的描述
为了能够进一步理解本发明，而不限制其范围，现将参考附图描述本发明的各种示例性实施例。
材料和方法
在实例中，正硅酸四乙酯(也称为四乙氧基硅烷(TEOS))、乙醇(无水无防腐剂)、乙酸酐(试剂级)和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB，98％)，所有均购自西格玛阿尔德里奇(Sigma Aldrich)(英国)。氢氧化铵溶液(35wt％NH3)和甲苯(试剂级)购自费希尔(Fisher)(英国拉夫堡(Loughborough,UK))。异辛基三硅烷醇倍半硅氧烷、异丁基三硅烷醇倍半硅氧烷、苯基二硅烷醇倍半硅氧烷、苯基三硅烷醇倍半硅氧烷和八TMA倍半硅氧烷(商品名POSS)，所有均购自Hybrid Plastics(Hattlesburg,US)。所有化学品、溶剂和试剂按得到的使用而不需进一步纯化。去离子(DI)水内部提供。
在Micromeritics ASAP 2020体积分析仪上执行氮吸附测量。在测量之前，将样品在200℃下脱气12h。使用BET(Brunauer Emmett-Teller)方法计算比表面积。使用BJH(Barrett Joyner-Halenda)方法由吸附数据计算孔径分布。所述平均孔径(WBJH)被定义为PSD的最大值。扫描电子显微镜(Hitachi TM-100)用于获得二氧化硅微球的图像。
粒度分布(PSD)使用Beckmann Multisizer 3Coulter计数器上的电感测区(ESZ)技术测量以及经由离心粒度(CPS)技术分析。D10被定义为在10％的累积粒度分布处的粒径；D90被定义为在90％的累积粒度分布处的粒径。D90/10被定义为D90值与D10值的比例。通过使用LECO CS230碳/硫分析器的微量分析测定％C组成。
多孔二氧化硅颗粒的合成
改良的 方法
一般程序1
介孔二氧化硅微球在室温下在简单分批法中合成。首先，在室温(22℃)下在2L圆底烧瓶中将0.785g表面活性剂(CTAB)溶解于含有250mL DI水和400mL无水乙醇的溶液中。通过缓慢磁性搅拌(200rpm)1小时使悬浮液混合。将10mL的NH4OH(25％)添加至混合物中并且搅拌另外15分钟以制备水解溶液，之后一步添加3.56mL TEOS和x mL(x＝0.44mL或2mL中任一者)POSS的预混溶液，产生具有以下摩尔比的溶胶：1摩尔TEOS:0.022-0.3摩尔POSS:0.12摩尔CTAB:754摩尔H2O:372摩尔EtOH:7.3摩尔NH3。一般来讲，在起始物质和/或颗粒中烷氧基硅烷与倍半硅氧烷(POSS)的摩尔比可以在1:x范围内，其中x为0.01至3，优选0.02至2，更优选0.1至1.5，特别是0.1至1或0.3至1。使溶胶在300rpm下搅拌24h。二氧化硅沉淀物通过离心(3700rpm-5分钟)分离，用甲醇洗涤(5次)并且在80℃下(加热速率0.2℃/min)干燥16小时。通过包括将1g二氧化硅球添加到150mL无水乙醇和1.7mL浓HCl的溶液中的酸萃取去除表面活性剂。将所述酸溶液加热至60℃并且使其反应24个小时。将该步骤另外重复两次。不同的POSS分子用于不同的实例中，例如三硅烷醇异辛基POSS、或三硅烷醇苯基POSS、或三硅烷醇乙基POSS或三硅烷醇丁基POSS等。
实例1
反应遵循以上描述的一般程序但是具有微小变化。在TEOS和三硅烷醇异辛基POSS添加至水解溶液之前，将其溶解于乙醇中。为此，使用等于所合并前体四倍体积的乙醇体积(即将3.56mL TEOS和0.44mL POSS(4mL总计)溶解于16mL乙醇中)，其取自总乙醇含量(即384mL替代400mL的乙醇与250mL DI H2O混合以构成水解溶液)。
实例2
在实例2中，遵循实例1的步骤但是改变了前体的量以使得获得1:1混合物。因此，实例2的组合物为2mL TEOS和2mL POSS。实例1和实例2两者均产生通常具有在改良的条件下获得的二氧化硅颗粒相关的更宽粒度分布的球形颗粒。实例1和实例2两者在合成之后均产生具有高％C组成的二氧化硅(参见以下结果)。
实例3-实例6
实例3-实例6关注于改善所得粒度分布。实验方案返回至以上首先描述的一般程序，即在这些情况下未执行前体的预稀释。将TEOS试剂和POSS试剂在玻璃瓶中混合在一起并且进行超声波混合2分钟。在这之后，将混合前体溶液添加至反应烧瓶中。这些实例产生具有非常窄的粒度分布和～1.5μm平均粒径的颗粒。不受任何理论限制，据信在这些实例中，当POSS化合物中的烷基、异辛基链添加至反应混合物时，其有助于稳定反应介质，从而使稳定乳液形成并且防止严重的颗粒聚集。％碳组成与从实例1获得的结果一致。
实例6a(煅烧)
将来自实例6的回收材料的1g部分放入炉中并且加热至560℃(速率1K/min)，维持24小时(煅烧)。执行该步骤，是由于通过Coulter技术测量的粒度具有实际限制。当在SEM下观察时，从实例1-实例6中回收的颗粒具有～1.4μm-1.5μm的平均直径，并且该尺寸在Coulter仪器的检测下限处.这些样品的报告的D90/10比也看起来大于在SEM下观察到的。CPS技术具有显著更宽的检测范围并且在此实例中提供更精确的结果。然而，所述技术使用水性蔗糖溶液以提供用于分析的悬浮液梯度。以混合有机二氧化硅形式的二氧化硅颗粒具有过多的疏水性关联，由于在没有去除有机官能团的情况下不可以分析回收颗粒的共缩合的POSS包含物。煅烧促进这一情况，并且还指示，若加热温度增加至烧结温度(>800℃)，则可以产生无孔颗粒。经由该方法制备的颗粒应该具有相较于正常硅氧烷(Si-O-Si)键的Si-(SiO1.5)-Si键。
实例7
实例7用于研究增加该回收的平均粒径同时维持窄的粒度分布。该研究使用传统反应的已知参数尝试并且实现这一目的。如较低反应温度和反应物浓度的参数变化可改变最终的粒度。该实验涉及使到体系中的NH3催化剂的浓度减少50％。来自该实验的结果使最终粒度从1.4μm增加至1.8μm同时维持最终粒度分布。
结果
实例1-实例7的所选择的测量示出在表1中。术语SSA、MPV和MPD分别表示比表面积、中值孔体积和中值粒径。
表1
*通过Coulter计数器测量
**通过离心粒径分析仪(CPS)测量
在实例1中获得的颗粒的SEM图像示出在图3A(×7k)和图3B(×10k)中。示出10μm标尺以指示粒度并且颗粒为清晰的球形形状。在实例4中获得的颗粒的SEM图像示出在图4A(×4k)和图4B(×10k)中。示出20μm或10μm标尺以指示粒度并且颗粒再次为清晰的球形形状。在实例7(减少的NH3催化剂)中获得的球形颗粒的SEM图像示出在图5A(×4k)和图5B(×9k)中。从SEM图像清楚地看出窄的粒度分布。
颗粒可以进行进一步的处理。现将描述许多方案。
实例1-实例7的官能性混合二氧化硅颗粒的孔扩展
将非煅烧的颗粒添加至预先制备的水:二甲基十二胺(DMDA 3.3v％)乳液体系。在混合1小时之后，将内含物转移至高压釜并且水热加热至130℃，维持3天。使孔扩展的颗粒冷却到室温并且用甲醇、甲醇:水(50％)、甲醇和丙酮反复地洗涤，接着在80℃下干燥过夜。
在不去除有机官能团的情况下去除表面活性剂模板
通过使用酸性乙醇溶液反复萃取来去除表面活性剂模板。在添加浓盐酸(1.7mL)之后，将2g孔扩展的倍半硅氧烷混合二氧化硅颗粒悬浮于无水乙醇(150mL)中。将该悬浮液回流过夜。通过离心来收集颗粒并且用乙醇反复洗涤。将该萃取方法重复3次，接着在80℃下的烘箱中干燥。
孔扩展2
可通过将颗粒添加至DI水和三(羟基甲基)氨基甲烷(TRIS)的混合物进行第二孔扩展程序。典型的实例如下：将1.5g表面活性剂模板萃取的颗粒溶解于TRIS(0.4g)和DI水(10mL)的溶液中，并然后在135℃下水热处理24小时，接着在DI水、甲醇和丙酮中洗涤。将该颗粒在80℃下干燥过夜。
制备混合全部多孔颗粒的其它实例也包括在本发明的范围内。此类方法可需要分级以产生窄的粒度分布。
改进的 方法
一般程序2
类似于一般程序1的另一一般程序用于另一系列的实例。以下首先描述在没有POSS化合物(即仅有TEOS)的情况下的一般程序2，其形成非混合二氧化硅。随后，用代替TEOS的一部分的不同量的POSS描述该程序(以下实例8至实例12)。POSS化合物的wt％的添加作为总TEOS添加的wt％给出。
仅使用TEOS的一般程序2
在一个典型制备中，首先将3.2g CTAB溶解于由1000mL水和1600mL无水乙醇组成的混合物中。将15mL氢氧化铵溶液(25wt％NH3)添加至该混合物并且搅拌15分钟，随后单步添加16mL TEOS。使悬浮液在250rpm下搅拌24小时。将该二氧化硅颗粒通过离心分离并且用甲醇、水和丙酮反复洗涤，随后在60℃下干燥过夜，并然后在560℃下煅烧24小时以去除模板。
从经由一般程序2所产生的颗粒获得的一组结果示出在以下表2中：
表2
实例8和实例9
用POSS合成的混合多孔二氧化硅微球
使用上述一般程序2，不同量的POSS化合物用于代替TEOS的一部分以形成混合介孔二氧化硅微球。(使用三硅烷醇异辛基POSS或三硅烷醇苯基POSS)改变POSS化合物的化学性质，并且添加量以在一般程序2中使用的二氧化硅前体(TEOS)的总重量百分比计。
实例8-添加三硅烷醇异辛基POSS
在一个典型制备中，首先将3.2g(3.3mmol)CTAB溶解于由1000mL水和1600mL无水乙醇组成的混合物中。将15mL氢氧化铵溶液(25wt％NH3)添加至该混合物并且搅拌15分钟，随后单步添加15.84mL TEOS和0.149g三硅烷醇异辛基POSS的预混溶液(实例8a)。使悬浮液在250rpm下搅拌24小时。将该二氧化硅颗粒通过离心分离并且用甲醇、水和丙酮反复洗涤，随后在60℃下干燥过夜。
模板经由在回流下用酸性乙醇溶液重复萃取而去除。在一个典型实例中，在添加浓盐酸(2.5wt％)之后将从孔溶胀程序回收的颗粒悬浮于乙醇(1.5wt％)中。使该悬浮液回流24小时并且颗粒通过离心回收，接着用乙醇洗涤直至达到中性pH。将该过程重复三次。
实验研究显示，包括于制备中的POSS的量可以增加至多10％的初始总TEOS重量，而不会破坏最终的粒度分布或颗粒形态。平均粒径的增加由于包括POSS而发生。
对于多个实验操作(实例8a至实例8e)的细节在表3中列出，其中三硅烷醇异辛基POSS添加的wt％作为总TEOS添加的wt％给出。所获得结果在表4中给出。由所述方法产生的颗粒的SEM图像一般来讲与图4A和图4B中示出的相同。
表3
表4-使用三硅烷醇异辛基POSS的结果
实例9-添加三硅烷醇苯基POSS
重复在实例8中描述的合成方案但是将POSS分子的类型改变成三硅烷成苯基POSS(实例9a和实例9b)。所获得的结果在表5中给出。由包括5wt％三硅烷醇苯基POSS产生的颗粒的SEM图像的实例示出在图6A(×5k)和图6B(×10k)中。
表5-使用三硅烷醇苯基POSS的结果
实例10-增加表面活性剂浓度以促进产生具有更大孔体积的颗粒
一般方法
在实例8和实例9中描述的实验方法产生具有窄粒度分布的有机二氧化硅微球。然而，合成材料的物理性能的分析显示，获得相对低的值(<0.4cm3/g)的孔体积。因此，一系列实验经设计以增加孔体积而不破坏最终的粒度分布或颗粒形态。这通过逐渐地增加在反应混合物中的表面活性剂CTAB的量来实现。4.6mmol的最终最大的CTAB浓度被测定为最优的，以产生具有大孔体积>0.4cm3/g的窄颗粒分布的球形介孔微球。
在一个典型制备中，首先将4.4g(4.6mmol)CTAB溶解于由1000mL水和1600mL无水乙醇组成的混合物中。将15mL氢氧化铵溶液(25wt％NH3)添加至该混合物并且搅拌15分钟，随后单步骤添加16mL TEOS。使悬浮液在250rpm下搅拌24小时。二氧化硅颗粒通过离心分离并且用甲醇、水和丙酮反复洗涤，随后在60℃下干燥过夜。结果示出在表6中。
表6-用增加的CTAB的结果
实例11-增加表面活性剂浓度以促进使用POSS(例如三硅烷醇异辛基POSS或三硅 烷醇POSS)产生具有增加孔体积的混合颗粒
基于实例10中使用的一般方法产生更大孔体积的混合二氧化硅微球。反应条件在表7中列出并且结果在表8中给出。
表7
表8-具有增加CTAB的混合有机二氧化硅的结果
实例12-增加粒径
在所述反应中通过调节氢氧化铵的体积可以控制最终粒径。反应条件和获得的最终粒径示出在表9中。由包括5wt％三硅烷醇异辛基POSS和降低的NH4OH体积(实例12.5)产生的颗粒的SEM图像的实例示出在图7A(×5k)和图7B(×10k)中。
表9
实例13-增加孔径
期望增加用于色谱分离的颗粒的孔径。多种方法可用于增加孔宽度。紧接在合成已经发生之后典型的方法涉及模板溶胀方法。然后，需要经由煅烧去除模板，用于非混合材料或溶剂萃取。一旦该过程已经发生，蚀刻程序可进一步将孔径扩宽至色谱分离通常所需要的域中，即实例13基于Sayari等人的工作，并且所述方法在以下给出。
将在水中的DMDA乳液(3％)剧烈搅拌(400rpm)一个小时。如将合成的二氧化硅粉末(2.5％w/w)添加至乳液并且在300rpm的降低速度下进一步搅拌一个小时，然后在110℃下在高压釜中的自生压力下静态处理48小时。通过离心回收二氧化硅，在65℃下干燥16小时，并然后在560℃下煅烧24小时以去除模板。
为了增加孔径，另外将从上述热处理获得的颗粒悬浮于水(10％w/w)中，将其超声处理以帮助充分分散。将氢氧化铵溶液(25％w/w)添加至这些颗粒中，以调节pH至11，然后在轻轻搅拌下使其在室温下反应六小时。
结果示出在表10中。
表10
用于在上述表10中列出5％三硅烷醇异辛基POSS的实例的由压汞法获得的Log示差压汞与孔径直径等温线在图8中示出。
用于含有5％三硅烷醇苯基POSS的在表10中列出的实例的BJH解吸附等温线在图9中示出。
两个孔扩展程序清晰地示出孔宽度的扩宽。
实例14-经由混合POSS聚乙氧基硅烷(PES)产生多孔混合二氧化硅
混合二氧化硅颗粒的更大量成批生产可以经由混合聚乙氧基硅烷的乳化而产生。混合聚乙氧基硅烷(PES)最初由TEOS与POSS的共缩合产生。然后将混合PES乳化以产生球形珠粒。可以由混合PES的制备或通过引入至乳化的添加剂控制表面积、孔体积和孔径的控制。
方法的实例如下。
聚乙氧基硅烷(PES)的制备
将233mL四乙氧基硅烷和15g三硅烷醇异辛基POSS在烧瓶中混合。添加445mL无水、无防腐剂、200标准酒精度的乙醇，接着将50mL 0.01M HCl溶液缓慢添加至该混合物中，然后将所述混合物在氮气氛围下回流16小时。在真空下蒸馏所述混合物以去除任何过量的乙醇，接着在氮气下在125℃的高温下进一步加热2小时。获得混合聚乙氧基硅烷的棕色粘性液体。
乳化聚乙氧基硅烷以产生多孔二氧化硅颗粒
使用Silverson LSM匀浆器(8000rpm，15mins)将900mL DI水和300mL乙醇的混合物在烧杯中混合。单独地制备330mL mL混合PES、20mL mL甲苯和30mL DMF的悬浮液。在搅拌15分钟之后，将PES/甲苯/DMF混合物添加至水/乙醇分散体中。使混合物反应20分钟。在搅拌另外3分钟下，将40mL氢氧化铵溶液(25wt％)添加至乳液以凝胶球形珠粒，在这之后停止搅拌。然后，将颗粒悬浮液在50℃下加热16小时，并且通过过滤来收集颗粒并且用甲醇、甲醇:水(60:40v:v)、甲醇和丙酮反复洗涤。然后，该颗粒在80℃下的真空烘箱中干燥24小时。结果在表11中给出。
表11
以下给出可以用于产生根据本发明的颗粒的各种程序的其它实例。
实例15-添加三硅烷醇烷基POSS(异丁基或异辛基POSS形式)至PEOS方法以制备介 孔颗粒
15.1聚乙氧基硅烷(PEOS)的制备
将无水、无防腐剂、200标准酒精度的乙醇(445mL)和四乙氧基硅烷(233mL)在烧瓶中混合。将0.01M HCl溶液缓慢添加至混合物中，然后在氮气氛围下回流16小时。在真空下蒸馏混合物以去除任何过量的乙醇，接着在氮气下在125℃的高温下进一步加热2小时。得到无色粘性的聚乙氧基硅烷液体，其具有约800的分子量。
15.2对聚乙氧基硅烷进行乳化以产生多孔二氧化硅颗粒.
使用Silverson LSM匀浆器(4700rpm)将DI水(480mL)和异丙醇IPA(160mL)的混合物在烧杯中混合。在单独的烧杯中，将三硅烷醇烷基POSS(118.4g)添加至聚乙氧基硅烷(120mL)和二甲基甲酰胺(40mL)中。使混合物反应20分钟，随后将其添加至搅拌的水/IPA溶液中并且混合5分钟。在搅拌另外3分钟下，将25％氢氧化铵溶液(50mL)添加至乳液中以使球形珠粒发生胶凝，随后停止搅拌。然后，将颗粒悬浮液在50℃下加热16小时，并且通过过滤来收集颗粒并且用甲醇、甲醇:水(60:40v:v)、甲醇和丙酮反复洗涤。然后，颗粒在真空烘箱中在80℃下干燥24小时。
实例16-添加三硅烷醇烷基POSS(异丁基或异C8形式)至一般溶胶凝胶方法，接着 进行孔扩大
16.1用于形成多孔POSS二氧化硅球的一般溶胶凝胶乳液方法
将OctaTMA POSS(8g)添加至由27wt％SiO2组成的80mL水性二氧化硅溶胶，并且使其混合30分钟。通过将1.08g表面活性剂Span 80和1.08g硬脂酸溶解在甲苯(250mL)中制备油相。Silverson LM匀浆器用于制备乳液。使搅拌器在6000rpm下旋转并且将二氧化硅/POSS溶胶添加至油相并搅拌15分钟。
该二氧化硅溶胶变成直径为1μm至30μm的球形液滴。在30秒内将乙酸酐(10mL)添加至乳液中，并且使该颗粒静置过夜。
以该方式制备的硅胶浆液分散于甲醇中并且再次使其静置过夜。先前添加的甲苯和乳化剂通过重复倾析上清液甲醇溶液而去除。
实例17-使用(任何类型的)三硅烷醇POSS改良的 反应，接着进行孔扩展和 煅烧
可以通过以下方法获得在框架内含有倍半硅氧烷笼形而没有任何有机官能团的全部多孔纯二氧化硅颗粒。
介孔二氧化硅微球在室温下在简单分批方法中合成。首先，在室温(22℃)下在2L圆底烧瓶中将0.785g表面活性剂(CTAB)溶解于含有250mL DI水和400mL无水乙醇的溶液中。通过缓慢磁性搅拌(200rpm)1小时使悬浮液混合。将10mL NH4OH(25％)添加至该混合物中并且搅拌另外15分钟以制备水解溶液，随后一步添加3.56mL TEOS和x mL(x＝0.44mL或2mL中的任一者)POSS的预混溶液，产生具有以下摩尔比的溶胶：1摩尔TEOS:0.022-0.3摩尔POSS:0.12摩尔CTAB:754摩尔H2O:372摩尔EtOH:7.3摩尔NH3。使溶胶在300rpm下搅拌24h。通过离心(3700rpm-5分钟)分离二氧化硅沉淀物，用甲醇洗涤(5次)并且在80℃下(加热速率0.2℃/min)干燥16小时。
17.1孔扩展1
然后将非煅烧的颗粒添加至预先制备的水：二甲基十二胺(DMDA 3.3v％)乳液体系。在混合1小时之后，将该内含物转移至高压釜并且水热加热至130℃，维持3天。使孔扩展的颗粒冷却到室温并且用甲醇、甲醇：水(50％)、甲醇和丙酮反复地洗涤，接着在80℃下干燥过夜。
17.2去除表面活性剂模板和有机官能团。
在干燥之后，将颗粒进行煅烧以去除所使用的POSS化合物的表面活性剂模板和有机官能团。可以通过使材料在560℃下的合适的烘箱中加热(加热速率1℃/min)24小时进行煅烧。
17.3孔扩展2
可以通过将颗粒添加至DI水和三(羟基甲基)氨基甲烷(TRIS)的混合物进行第二孔扩展程序。典型实例如下：将1.5g表面活性剂模板萃取的颗粒溶解于TRIS(0.4g)和DI水(10mL)的溶液中，并然后在135℃下水热处理24小时，接着在DI水、甲醇和丙酮中洗涤。该颗粒在80℃下干燥过夜。
实例18-将倍半硅氧烷(POSS)(三硅烷醇)合并至PEOS中，接着进行煅烧
18.1聚乙氧基硅烷的制备
将无水、无防腐剂、200标准酒精度的乙醇(445mL)和四乙氧基硅烷(233mL)混合在烧瓶中。混合将0.01M HCl溶液缓慢添加至混合物中，所述混合物然后在氮气氛围下回流16小时。在真空下蒸馏所述混合物以去除任何过量的乙醇，接着在氮气下在125℃的高温下进一步加热2小时。无色粘性液体的聚乙氧基硅烷结果具有约800的分子量。
18.2乳化聚乙氧基硅烷以产生多孔二氧化硅颗粒.
使用Silverson LSM匀浆器(4700rpm)将DI水(480mL)和异丙醇IPA(160mL)的混合物在烧杯中混合。在单独的烧杯中，将三硅烷醇POSS(118.4g)添加至聚乙氧基硅烷(120mL)和二甲基甲酰胺(40mL)。使混合物反应20分钟，在这之后将其添加至搅拌的水/IPA溶液并且使其混合5分钟。在搅拌另外3分钟下，将25％氢氧化铵溶液(50mL)添加至乳液以凝胶球形珠粒，在这之后停止搅拌。然后，将颗粒悬浮液在50℃下加热16小时，并且通过过滤来收集颗粒并且用甲醇、甲醇:水(60:40v:v)、甲醇和丙酮反复洗涤。然后，该颗粒在80℃下的真空烘箱中干燥24小时。
18.3有机官能团的煅烧去除。
在干燥之后，将颗粒进行煅烧以去除所使用的POSS化合物的有机官能团。通过使材料在560℃下的合适的烘箱中加热(加热速率1℃/min)24小时进行煅烧。
实例19-将POSS(OctaTMA)合并至一般溶胶凝胶方法中，接着进行煅烧
19.1用于产生多孔混合球的一般溶胶凝胶乳液方法。
将OCTMA POSS(8g)添加至由27wt％SiO2组成的80mL水性二氧化硅溶胶，并且使其混合30分钟。通过将1.08g表面活性剂Span 80和1.08g硬脂酸溶解在甲苯(250mL)中制备油相。Silverson LM匀浆器用于制备乳液。使搅拌器在6000rpm下旋转并且将二氧化硅/POSS溶胶添加至油相并搅拌15分钟。
二氧化硅溶胶变成直径为1μm至30μm的球形液滴。在30秒内将乙酸酐(10mL)添加至乳液中，并且使该颗粒静置过夜。
以该方式制备的硅胶浆液分散于甲醇中并且再次使其静置过夜。先前添加的甲苯和乳化剂通过重复倾析上清液甲醇溶液而去除。
19.2有机官能团的煅烧/去除。
在干燥之后，将颗粒进行煅烧以去除所使用的POSS化合物的有机官能团。通过使材料在560℃下的合适的烘箱中加热(加热速率1℃/min)24小时进行煅烧。
实例20-在不需烧结的情况下结合三硅烷醇POSS(任何类型)的 方法
可以通过以下方法获得保持结合POSS有机官能团的无孔二氧化硅颗粒。将无水、无防腐剂、200标准酒精度的乙醇(23mL)和氢氧化铵溶液(25％，5mL)在圆底烧瓶中混合。在单独的瓶中，将TEOS(0.49mL)和三硅烷醇POSS(0.1mL)混合(超声处理，2分钟)，在这之后添加2mL乙醇并且再次超声处理该溶液。在快速搅拌下，将TEOS/POSS/乙醇混合物添加至乙醇/氢氧化铵溶液中。使该反应继续进行16小时。通过离心(3700rpm，5分钟)来收集颗粒并且用甲醇和丙酮反复洗涤，接着在80℃下干燥过夜。
实例21-不需要烧结的情况下具有TEOS/三硅烷醇POSS(任何类型)的 纳米 颗粒的晶种生长
该方法的典型实例如下。在室温下在快速搅拌下，将无水、无防腐剂、200标准酒精度的乙醇(750mL)和氢氧化铵溶液(25％，200mL)在2升圆底烧瓶中混合15分钟。将正硅酸四乙酯(TEOS)(57mL)添加至乙醇(228mL)并充分地混合。然后，将TEOS:乙醇溶液添加至乙醇/氢氧化铵溶液并且使混合物反应16小时。将新形成的颗粒(600nm)转移至3升3颈圆底烧瓶并且加热至40℃。
由去离子(DI)水(360mL)、乙醇(400mL)和氢氧化铵溶液(25％，240mL)组成的水解溶液在1L硼硅酸盐HPLC瓶中制备并且密封。在第二硼硅酸盐瓶中将TEOS(140mL)和三硅烷醇POSS(60mL)经由超声处理混合并且添加至800mL乙醇中。
分别制备的水解溶液和TEOS/POSS溶液连接至连续流注射泵(Altas注射泵，Syrris)并且各自以5mL/min的流动速率供应到先前制备的二氧化硅颗粒悬浮液中。在一段时间内使生长试剂添加之后，可以实现最终的粒度。举例来说，连续添加3小时，促进D90/D10比例为1.11的1μm POSS混合球的产生。在完成添加后，使该颗粒搅拌过夜，通过离心收集并悬浮于水/甲醇溶液50v％中2天，在这之后该颗粒被收集并且用甲醇和丙酮反复洗涤。然后该颗粒在80℃下干燥过夜。
实例22-在框架中具有POSS笼形但没有有机官能团的纯二氧化硅无孔颗粒
22.1在烧结的情况下结合三硅烷醇(任何类型)的 方法
可以经由将POSS化合物合并至反应中制备无孔颗粒。典型的实例(其不以任何方式限制本发明)如下。
将无水、无防腐剂、200标准酒精度的乙醇(23mL)和氢氧化铵溶液(25％，5mL)在圆底烧瓶中混合。在单独的瓶中，将TEOS(0.49mL)和三硅烷醇POSS(0.1mL)混合(超声处理，2分钟)，在这之后添加2mL乙醇并且再次超声处理该溶液。在快速搅拌下，将TEOS/POSS/乙醇混合物添加至乙醇/氢氧化铵溶液中。使该反应继续进行16小时。通过离心(3700rpm，5分钟)来收集颗粒并且用甲醇和丙酮反复洗涤，接着在80℃下干燥过夜。该颗粒可以以回收的形式使用或在高温下进行烧结。烧结将去除关联到POSS化合物的有机官能团中的任一者，而化合物的笼形结构将保持在二氧化硅框架内。
22.2烧结程序.
将'如产生的'POSS 颗粒的一部分放入炉(Carbolite 1100℃快速加热箱式炉)中并且以1℃/min的加热速率加热至1000℃。将颗粒在此温度下保持2小时，然后使其冷却至室温。这促进了通过具有1.10的D90/D10比例、4m2/g的比表面积(BET)的400nm离心颗粒尺寸确定的粒径的形成。
实例23-具有TEOS/POSS(三硅烷醇POSS)混合物的 纳米颗粒的晶种生长，接 着进行烧结
800nm或更大的平均粒径的无孔颗粒可以经由晶种生长方法产生。首先制备二氧化硅颗粒的晶种溶液，并然后经由连续控制的晶种成长程序生长至期望的最终粒度，其中至多30％前体体积被适当的POSS分子替换，所述适当的POSS分子在此实例中为三硅烷醇异辛基POSS或三硅烷醇苯基POSS。
典型的实例如下。在室温下在快速搅拌下，将无水、无防腐剂、200标准酒精度的乙醇(750mL)和氢氧化铵溶液(25％，200mL)在2升圆底烧瓶中混合15分钟。将正硅酸四乙酯(TEOS)(57mL)添加至乙醇(228mL)并充分地混合。然后，将TEOS:乙醇溶液添加至乙醇/氢氧化铵溶液并且使混合物反应16小时。将新形成的颗粒(600nm)转移至3升3颈圆底烧瓶并且加热至40℃。
由去离子(DI)水(360mL)、乙醇(400mL)和氢氧化铵溶液(25％，240mL)组成的水解溶液在1L硼硅酸盐HPLC瓶中制备并且密封。在第二硼硅酸盐瓶中将TEOS(140mL)和三硅烷醇POSS(60mL)经由超声处理混合并且添加至800mL乙醇中。
分别制备的水解溶液和TEOS/POSS溶液连接至连续流注射泵(Altas注射泵，Syrris)并且各自以5mL/min的流动速率供应到先前制备的二氧化硅颗粒悬浮液中。在一段时间内使生长试剂添加之后，可以实现最终的粒度。举例来说，连续添加3小时，促进D90/D10比例为1.11的1μm POSS混合球的产生。
在添加完成后，使该颗粒搅拌过夜，通过离心收集并悬浮于水/甲醇溶液50v％中2天，在这之后该颗粒被收集并且用甲醇和丙酮反复洗涤。然后该颗粒在80℃下干燥过夜。然后将干燥的颗粒进行如在实例15中的烧结。
实例24-用三硅烷醇烷基-POSS(异丁基或异C8形式)改良的 方法，接着进行 烧结
24.1改良的 方法
通常，介孔二氧化硅微球在室温下在简单分批方法中合成。通常，在室温(22℃)下在2L圆底烧瓶中将0.785g表面活性剂(CTAB)溶解于含有250mL DI水和400mL无水乙醇的溶液中。通过缓慢磁性搅拌(200rpm)1小时使悬浮液混合。将10mL的NH4OH(25％)添加至混合物中并且搅拌另外15分钟以制备水解溶液，随后一步添加3.56mL TEOS和x mL(x＝0.44mL或2mL中任一者)POSS的预混溶液，产生具有以下摩尔比的溶胶：1摩尔TEOS:0.022-0.3摩尔POSS:0.12摩尔CTAB:754摩尔H2O:372摩尔EtOH:7.3摩尔NH3。使溶胶在300rpm下搅拌24h。通过离心(3700rpm-5分钟)分离二氧化硅沉淀物，用甲醇洗涤(5次)并且在80℃下(加热速率0.2℃/min)干燥16小时。
24.2多孔改良的 混合POSS颗粒的烧结。
然后，将回收的颗粒放入炉(Carbolite高温箱式炉)中并且以1℃/min的加热速率加热至1000℃。获得的颗粒通常将具有1.2μm的平均粒径与1.16的D90/D10以及4m2/g的比表面积。
实例25-将POSS(任何类型)添加至PEOS方法以制备介孔颗粒，接着进行烧结
将无水、无防腐剂、200标准酒精度的乙醇(445mL)和四乙氧基硅烷(233mL)在烧瓶中混合。将0.01M HCl溶液缓慢添加至该混合物中，所述混合物然后在氮气氛围下回流16小时。在真空下蒸馏所述混合物以去除任何过量的乙醇，接着在氮气下在125℃的高温下进一步加热2小时。无色粘性液体的聚乙氧基硅烷结果具有约800的分子量。
25.1乳化聚乙氧基硅烷以产生多孔二氧化硅颗粒.
使用Silverson LSM匀浆器(4700rpm)将DI水(480mL)和异丙醇IPA(160mL)的混合物在烧杯中混合。在单独的烧杯中，将三硅烷醇异辛基POSS(118.4g)添加至聚乙氧基硅烷(120mL)和二甲基甲酰胺(40mL)。使混合物反应20分钟，在这之后将其添加至搅拌的水/IPA溶液并且使其混合5分钟。在搅拌另外3分钟下，将25％氢氧化铵溶液(50mL)添加至乳液以凝胶球形珠粒，在这之后停止搅拌。然后，将颗粒悬浮液在50℃下加热16小时，并且通过过滤来收集颗粒并且用甲醇、甲醇:水(60:40v:v)、甲醇和丙酮反复洗涤。
25.2多孔混合PEOS/POSS颗粒的烧结。
然后，将回收的颗粒放入炉(Carbolite高温箱式炉)中并且以1℃/min的加热速率加热至1000℃。获得的颗粒通常具有1.2μm的平均粒径、1.16的D90/D10以及4m2/g的比表面积。
实例26-将POSS(任何类型)添加至一般溶胶-凝胶用于制备，接着进行烧结
将OCTMA POSS(8g)添加至由27wt％SiO2颗粒组成的80mL水性二氧化硅溶胶，并且使其混合30分钟。通过将1.08g表面活性剂Span 80和1.08g硬脂酸溶解在甲苯(250mL)中制备油相。Silverson LM匀浆器用于制备乳液。使搅拌器在6000rpm下旋转并且将二氧化硅/POSS溶胶添加至油相并搅拌15分钟。
二氧化硅溶胶变成直径为1μm至30μm的球形液滴。在30秒内将乙酸酐(10mL)添加至乳液中，并且使该颗粒静置过夜。
以该方式制备的硅胶浆液分散于甲醇中并且再次使其静置过夜。先前添加的甲苯和乳化剂通过重复倾析上清液甲醇溶液而去除。
26.1烧结
然后，将回收的颗粒放入炉(Carbolite高温箱式炉)中并且以1℃/min的加热速率加热至1000℃。
实例27-无孔混合二氧化硅纳米颗粒的产生。
根据对已知反应的改良形成无孔混合二氧化硅球。
一般程序-无孔二氧化硅纳米颗粒
用制备无孔、非混合二氧化硅球的实例示出了所遵循的一般程序。
在预先清洁的圆底烧瓶中，添加200mL氢氧化铵溶液(25wt％)和750mL乙醇，并使其混合15分钟(200rpm)。在搅拌下将54mL TEOS溶单独地溶解于216mL乙醇中，并且迅速转移至含有氨/乙醇混合物的烧瓶中。搅拌持续一小时，在这之后形成了直径为～650nm的具有非常窄的粒度分布的二氧化硅颗粒。
实例28-无孔混合二氧化硅球。
改良在实例27一般程序中所描述的方法以合并各种形式的POSS。用于包括POSS化学品的实验方案根据在一般程序中总TEOS重量的多个重量％的替代。表12示出了用于本实例的试剂的量。
表12
实例 实例编号 NH4OH/mL 乙醇/mL 乙醇/mL TEOS/mL POSS/g
1wt％异辛基 28a 200 750 216 53.46 0.504
2wt％异辛基 28b 200 750 216 53.46 1.01
1wt％苯基 28c 200 750 216 53.46 0.504
2wt％苯基 28d 200 750 216 52.92 1.01
5wt％苯基 28e 200 750 216 51.3 2.52
在表12中列出的试剂的添加如在实例27的一般程序中所述。在TEOS/POSS混合物添加至水解溶液中之前，将该混合物超声处理10分钟。通过由乙醇和水反复离心纯化并分离该颗粒。然后，该颗粒在65℃下干燥16小时。通过燃烧分析确定碳含量；结果示出在表13中。在实例28a中产生的颗粒的SEM图像示出在图10A(5K放大倍数)和图10B(10K)中。
表13
实例 ％C 粒度/nm 球形
27 0.01 650 y
28a 0.8 630 y
28b 0.9 730 N不规则
28c - 660 y
28d - 650 y
28e - 650 y
通过SEM检测显示出，在大于1的重量百分比处，当使用三硅烷醇异辛基POSS时，产生不规则形状的颗粒并且增加集群的群体。当用三硅烷醇苯基POSS替换三硅烷醇异辛基POSS时，这一现象不会发生直至使用大于5％的重量百分比。
当相比于在一般程序中产生的颗粒时，经由该方法产生的颗粒通过具有显著量的碳官能团具有增强的物理性能。这些材料可以用作制备或进一步生长以促进具有甚至更多量有机官能团的更大微球的产生。
实例29-无孔混合二氧化硅微粒的产生.
为了促进产生更大直径的无孔混合二氧化硅球，使用了生长程序。涉及的方法为多步方法：(1)使用TEOS和POSS制备混合晶种；(2)使用TEOS和POSS生长核心；(3)颗粒纯化；以及(4)颗粒分级。
一旦混合晶种颗粒已经形成，然后通过二氧化硅前体和水解溶液的连续进料，它们生长成更大的颗粒直径。在此实例中，用于生长步骤的由TEOS组成的二氧化硅前体与多个量的POSS混合并且经由泵供应到晶种溶液中。对于晶种的生长方法而言，用于颗粒生长的机制极大地不同；因此，在该步骤期间更大量的POSS可以与前体混合。该水解溶液由已知浓度的乙醇、水和氨的混合物组成。测定该浓度以在生长步骤进行时最小化颗粒聚集。最终的粒径为反应时间的函数。
实例29a-借助生长和随后增加最终官能团浓度产生含有具有1重量％POSS的核心 的无孔混合二氧化硅颗粒
在预先清洁的圆底烧瓶中，添加200mL氢氧化铵溶液(25wt％)和750mL乙醇，并且在室温下使其混合15分钟(200rpm)。在搅拌下将53.46mL TEOS和0.504g三硅烷醇异辛基POSS单独地溶解于216mL乙醇中，并且迅速转移至含有氨/乙醇混合物的烧瓶中。搅拌继续一小时，在这之后形成了含有～1％C的具有直径为～650nm的非常窄的粒度分布的二氧化硅颗粒。
在一小时的反应之后，然后将混合晶种转移至定位于具有磁性搅拌器(300rpm)的5L陶瓷加热板中的5L圆底烧瓶中。将加热板的温度增加至55℃并且使混合晶种悬浮液平衡一个小时的时间。在一升硼硅酸盐瓶中，制备含有1wt％三硅烷醇异辛基POSS的TEOS的溶液。在第二2L硼硅酸盐瓶中，以14/80/7的体积比制备由水、乙醇和氨组成的水解溶液。这些溶液经由自动分配器分别以100μl/min和800μl/min的流动速率供应到混合晶种悬浮液中。继续该添加直至已经获得期望的粒度，在这之后该颗粒通过反复离心和用乙醇、水和丙酮洗涤分离并纯化，接着在65℃下干燥16小时。
执行了其中增加量的POSS添加至生长溶液中的其它方法。含有1wt％和5wt％三硅烷醇异辛基POSS的生长溶液的结果示出在表14中。在实例29a中产生的颗粒的SEM图像示出在图11A(2.5K放大倍数)和图11B(10K)中(即含有1％三硅烷醇异辛基POSS的颗粒接着用1wt％三硅烷醇异辛基POSS/TEOS生长72hr)。
表14
这些材料可以用作制备在色谱装置内用于包括官能化的无孔二氧化硅颗粒的分离。有可能的是，这些材料在由逐层沉积制备的核-壳型颗粒的产生中还可以用作具有增强性能的起始核心颗粒。这些材料的其它用途为作为起始晶种以经由合成后假晶转换方法产生全部多孔的二氧化硅颗粒。
实例30-由用POSS制备的混合介孔二氧化硅颗粒产生无孔二氧化硅颗粒的方法
制造含有POSS的混合介孔二氧化硅颗粒的实例产生具有优异粒度分布的材料。这些材料还可以提供在没有关联有机官能团的情况下产生无孔二氧化硅颗粒的便利方法。
该方法涉及混合POSS介孔二氧化硅颗粒的标准产生并且使材料在一段延伸的时间内经受高烧结温度。紧接在合成之后施加的高烧结温度将除去表面活性剂模板并且封闭任何所得的孔网络。将维持初始的粒度分布。
以下给出方法的实例。
在室温下经由在简单分批法中经由如上所述的改良的类型体系合成具有窄粒度分布的介孔二氧化硅微球。首先将3.2g(3.3mmol)CTAB溶解于由1000mL水和1600mL无水乙醇组成的混合物中。将15mL氢氧化铵溶液(25wt％NH3)添加至该混合物并且搅拌15分钟，随后单步添加15.84mL TEOS和0.149g三硅烷醇异辛基POSS的预混溶液。使悬浮液在250rpm下搅拌24小时。二氧化硅颗粒通过离心分离并且用甲醇、水和丙酮反复洗涤，随后在60℃下干燥过夜。
将所产生的含有颗粒的POSS的一部分放入炉(Carbolite 1100℃快速加热箱式炉)中并且以1℃/min的加热速率加热至1000℃。将颗粒在此温度下保持18小时，然后使其冷却至室温。
由该方法产生的颗粒通常具有在表15中示出的物理性能。
表15
实例31-由混合PES乳化制备的颗粒产生的无孔二氧化硅颗粒
可以通过由混合PES乳化制备的混合多孔二氧化硅在1000/1100℃下的空气隔焰炉中热处理24小时来制备无孔颗粒。
聚乙氧基硅烷的制备
将233mL四乙氧基硅烷和15g三硅烷醇异辛基POSS在烧瓶中混合。添加445mL无水、无防腐剂、200标准酒精度的乙醇，接着将50mL 0.01M HCl溶液缓慢添加至混合物中，所述混合物然后在氮气氛围下回流16小时。在真空下蒸馏所述混合物以去除任何过量的乙醇，接着在氮气下在125℃的高温下进一步加热2小时。获得了混合聚乙氧基硅烷的棕色粘性液体。
乳化聚乙氧基硅烷以产生多孔二氧化硅颗粒
使用Silverson LSM匀浆器(8000rpm，15mins)将900mL DI水和300mL乙醇的混合物在烧杯中混合。单独地制备330mL混合PES、20mL甲苯和30mL DMF的悬浮液。在搅拌15分钟之后，将PES/甲苯/DMF混合物添加至水/乙醇分散体中。使混合物反应20分钟。在另外搅拌3分钟下，将40mL氢氧化铵溶液(25wt％)添加至乳液以凝胶球形珠粒，在这之后停止搅拌。然后，将颗粒悬浮液在50℃下加热16小时，并且通过过滤收集颗粒并且用甲醇、甲醇:水(60:40v:v)、甲醇和丙酮反复洗涤。然后，该颗粒在80℃下的真空烘箱中干燥24小时。
将所产生的含有颗粒的POSS的一部分放入炉(Carbolite 1100℃快速加热箱式炉)中并且以1℃/min的加热速率加热至1000℃。将颗粒在此温度下保持18小时，然后使其冷却至室温。
色谱柱的结果
通过将来自实例1的颗粒填充在柱(50×2.1mm)中并且在流动相(50:50MeCN:H2O)中溶解RP-5标准分析物混合物(茶碱、p-硝基苯胺、苯乙醚、邻二甲苯和苯甲酸甲酯)，确认上述制备的颗粒在HPLC应用中的效果。
可以看出，使用本发明的方法已经形成具有非常窄的粒度分布的混合二氧化硅颗粒。因此，由于需要极少或无分级的颗粒，该方法可大幅度减小总的合成时间。所测量的二氧化硅颗粒的表面积非常高并且孔体积可以通过表面活性剂模板在反应介质中的浓度来控制。粒度可以通过改变碱(例如NH4OH)在反应介质中的体积来调节。此外，已知的孔扩展方法可以用于颗粒材料，举例来说合成后水热处理和/或包括在反应介质中的孔溶胀剂以增加孔径。所有的N2等温线显示，具有H4滞后的典型类型1等温线对于从MCM-41类型材料获得的那些是典型的。
如在本文中(包括在权利要求书中)所用，除非上下文另外指示，否则本文中的单数形式的术语应理解为包括复数形式，反之亦然。举例来说，除非上下文另外指示，否则例如“一”或“一个”等单数引用意指“一或多个”。
贯穿本说明书的描述及权利要求书，词“包含”、“包括”、“具有”及“含有”以及这些词的变体(例如“包含(comprising)”及“包含(comprises)”等)意味着“包括(但不限于)”，且并不旨在(且并不)排除其他组分。
应了解，可以对本发明的上述实施例作出变化，但这些变化仍落入本发明的范围内。除非另外说明，否则本说明书中所公开的各特征可以用相同、等效或类似目的的替代性特征替换。因此，除非另外说明，否则所公开的每个特征仅是一系列通用等效或类似特征的一个实例。
本文中提供的任何及所有实例或示例性语言(“举例而言”、“如”、“举例来说”、“例如”及类似语言)的使用仅旨在更好地说明本发明，且并不指示本发明的范围上的限制，除非另外要求。本说明书中的语言不应被解释为指示任何未要求保护的元素对于本发明的实施是必不可少的。
本说明书中描述的任何步骤可按任何次序执行或同时执行，除非另外规定或上下文另外要求。
本说明书中所公开的全部特征可以任何组合形式组合，但此些特征和/或步骤中的至少一些会互斥的组合除外。具体地说，本发明的优选的特征适用于本发明的所有方面且可以任何组合形式使用。同样，可单独地(不以组合形式)使用以非必需组合形式描述的特征。

Claims (24)

1.一种用于液相色谱或固相萃取的微粒色谱材料，所述微粒材料包含二氧化硅颗粒，其中，所述二氧化硅颗粒呈球形并且是单分散的，所述二氧化硅颗粒的中值粒径是0.2μm至50μm，所述二氧化硅颗粒具有内部的骨架结构和表面，其中，具有笼形结构的倍半硅氧烷部分包含在骨架结构中。
2.根据权利要求1所述的微粒色谱材料，其中所述二氧化硅颗粒是混合有机二氧化硅颗粒，其中所述倍半硅氧烷部分包含具有定位在笼形的角处的硅原子的笼形结构，其中定位在所述笼形的所述角处的一个或多个硅原子带有有机基团。
3.根据权利要求2所述的微粒色谱材料，其中所述有机基团是烃基。
4.根据权利要求3所述的微粒色谱材料，其中所述烃基是烷基或芳基。
5.根据权利要求2所述的微粒色谱材料，其中所述笼形结构具有一个或多个缺角和一个或多个缺边。
6.根据权利要求5所述的微粒色谱材料，其中所述笼形结构包含七个或六个角硅原子并且每个角硅原子带有有机基团。
7.根据权利要求2所述的微粒色谱材料，其中所述混合有机二氧化硅颗粒具有选自由以下各者组成的群组的化学式：SiO2/[RSiO10/8]n、SiO2/[RSiO11/8]n和SiO2/[RSiO11/7]n，其中n＝0.01-3；R是所述倍半硅氧烷部分上的有机基团。
8.根据权利要求1所述的微粒色谱材料，其中所述二氧化硅颗粒是无机二氧化硅颗粒。
9.根据权利要求8所述的微粒色谱材料，其中所述无机二氧化硅颗粒具有化学式：SiO2/[SiO3/2]n，其中n＝0.01-3。
10.根据权利要求1所述的微粒色谱材料，其中所述二氧化硅颗粒是多孔的。
11.根据权利要求1所述的微粒色谱材料，其中所述二氧化硅颗粒是无孔的并且具有0.1μm至5μm的中值粒径。
12.根据权利要求1所述的微粒色谱材料，其中所述倍半硅氧烷笼形结构包含八个硅原子，或包含七个硅原子或更少。
13.根据权利要求1所述的微粒色谱材料，其中所述骨架结构含有两个或更多个不同的倍半硅氧烷部分。
14.根据权利要求1所述的微粒色谱材料，其中所述二氧化硅颗粒具有约与之间的平均孔径，并具有约1m2/g与约500m2/g之间的BET比表面积。
15.根据权利要求1所述的微粒色谱材料，其中所述二氧化硅颗粒已进行表面改性以便用作色谱固定相。
16.一种色谱柱，其填充有根据权利要求1所述的微粒色谱材料，用于液相色谱或固相萃取。
17.一种制备微粒色谱材料的方法，所述方法包含使倍半硅氧烷在碱性条件下的一步式缩合反应中水解以产生二氧化硅颗粒，其中，所述二氧化硅颗粒呈球形并且是单分散的，所述二氧化硅颗粒的中值粒径是0.2μm至50μm，所述二氧化硅颗粒具有内部的骨架结构和表面，其中，具有笼形结构的倍半硅氧烷部分包含在骨架结构中。
18.根据权利要求17所述的制备微粒色谱材料的方法，其中所述倍半硅氧烷是产生所述颗粒的水解混合物的共组分，所述方法包含使所述倍半硅氧烷与硅烷共缩合。
19.根据权利要求18所述的制备微粒色谱材料的方法，其中所述方法包含使倍半硅氧烷在或改进的方法中缩合。
20.根据权利要求19所述的制备微粒色谱材料的方法，其中所述方法包含使所述倍半硅氧烷与四烷氧基硅烷共缩合，
其中所述方法包含使所述倍半硅氧烷与所述四烷氧基硅烷在包含水、有机溶剂和碱的碱性水解混合物中共缩合。
21.根据权利要求20所述的制备微粒色谱材料的方法，其中所述水解混合物另外包含用作致孔剂的表面活性剂。
22.根据权利要求21所述的制备微粒色谱材料的方法，其中倍半硅氧烷和四烷氧基硅烷的所述共缩合引起溶胶形成并且所述方法包含使所述溶胶中的颗粒发生胶凝以形成二氧化硅颗粒沉淀物，可选地洗涤以及干燥所述二氧化硅沉淀物，以及可选地煅烧所述二氧化硅颗粒，随后用于色谱用途。
23.根据权利要求18所述的制备微粒色谱材料的方法，其中所述倍半硅氧烷包含倍半硅氧烷-硅烷醇。
24.根据权利要求18所述的制备微粒色谱材料的方法，其中所述倍半硅氧烷包含具有定位在笼形的角处的硅原子的笼形结构，其中定位在笼形的角处的一个或多个硅原子带有有机基团。
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