CN109557196A - 一种弱酸强碱型两性离子整体柱及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种弱酸强碱型两性离子整体柱及其制备方法，包括以下步骤：将毛细管进行预处理使其内壁表面带有烯键；将偶联剂、卤代羧酸、交联剂、多元致孔剂及引发剂混合得到预聚液，其中偶联剂含有烯键和叔胺基，交联剂含有多个聚合结构，聚合结构含有烯键；使预聚液进入毛细管内，并将毛细管的两端密封，交联剂与毛细管的内壁和偶联剂发生烯键聚合反应形成骨架结构，然后偶联剂的叔胺基和卤代羧酸发生开环反应，得到弱酸强碱型两性离子整体柱。该制备方法利用偶联剂和卤代羧酸季铵化引入了弱酸强碱型甜菜碱基团，并通过交联剂直接在毛细管内形成柱床，制得弱酸强碱型两性离子整体柱。得到的弱酸强碱型两性离子整体柱亲水性强、机械强度高。

Description

一种弱酸强碱型两性离子整体柱及其制备方法

技术领域

本发明涉及物质分离技术领域，特别是涉及一种弱酸强碱型两性离子整体柱及其制备方 法。

背景技术

在化学物质分离技术领域，作为分离的核心，色谱柱起着关键性的作用。目前最为常用 的色谱柱可分为正相和反向色谱两大类。反相色谱中固定相的极性小于流动相的极性，反相 色谱广泛应用于中等极性和弱极性化合物的分离分析，但是对于一些强极性和离子型化合物， 反相色谱往往不能提供很好的保留和分离选择性。正相色谱中固定相的极性大于流动相的极 性，正相色谱能够很好地保留和分离极性化合物，然而强极性化合物样品在其流动相(如正 己烷、氯仿、乙酸乙酯等)中溶解性很差，使得色谱重现性不好，限制了正相色谱在极性化 合物分离中的应用。

作为反相色谱和正相色谱的杂交色谱类型，亲水色谱(HILIC)采用极性固定相和含水极性 有机溶剂(主要为乙腈和甲醇，体积含量大于60％)为流动相，给强极性和离子型化合物包 括氨基酸、极性药物以及多肽等的分离分析提供了一个很好的选择。HILIC克服了正相色谱 中极性化合物在流动相中溶解难和反相色谱中极性化合物保留不好的不足，且其流动相用的 高比例有机溶剂也能很好的与质谱兼容，尤其是在电喷雾离子模式(ESI)下，因此，HILIC 作为一种新型的色谱分离手段受到了很多研究者的关注，其在天然产物、医药等研究领域都 有很好的发展前景。然而目前亲水色谱的应用还存在一些不足，比如固定相材料的亲水性不 够强，亲水整体柱制备过程复杂、重现性差等问题。

整体柱(monolith)被认为是新一代固定相，它是由单体、交联剂、致孔剂以及引发剂的混 合溶液在毛细管柱内通过原位热引发或光引发聚合得到的具有双连续多孔结构的柱体。整体 柱具有制备简单、结构均匀、通透性好等特点，从而得到很高的分离效率。

有机-无机杂化整体柱首次由邹汉法课题组报道，通过同时采用有机单体和无机单体进行 聚合，使得得到整体柱既能获得足够的刚性也能保证拥有足够多的有机官能团，从而实现使 用寿命和分离能力的统一。两性离子型两性离子在高浓度酸、碱、盐等条件下都具有良好的 稳定性和强亲水性，近几年在亲水整体柱的制备中备受研究者们的重视。陈应庄等以磺酸基 甜菜碱单体(3-(甲基乙烯酰胺)丙基)二甲基-(3-磺酸)铵(DMMPPS)为有机功能单体、 PEG20000/脲为致孔剂、V50为引发剂，用一锅法制备了有机-无机杂化整体柱，成功分离了 碱性、酸性小分子及复杂样品蛋白酶水解物。然而DMMPPS的合成过程需要消耗大量的有 机溶剂，这无疑增加了环境压力。此外，陈应庄在专利CN 201611074463.8中报道了一种磺 酸基甜菜碱杂化整体柱制备方法，但该方法仅仅适用于强酸强碱型两性离子杂化整体柱制备， 分离过程中能提供较强的静电相互作用和部分离子交换相互作用，但是并不能很好的提供氢 键相互作用。

发明内容

基于此，有必要提供一种制备方法简单、重现性好且环保性好的能提供氢键相互作用力 的弱酸强碱型两性离子整体柱及其制备方法。

本发明第一方面涉及一种弱酸强碱型两性离子整体柱的制备方法，包括以下步骤：

A、将毛细管进行预处理使其内壁表面带有烯键官能团；

B、将偶联剂、卤代羧酸、交联剂、多元致孔剂及引发剂混合，得到预聚液，其中所述偶联剂含有烯键和叔胺基，所述交联剂含有多个聚合结构，所述聚合结构含有烯键；

C、将经过预处理的毛细管置于所述预聚液中且使所述预聚液进入所述毛细管内，并将 所述毛细管的两端密封，所述交联剂与所述毛细管的内壁和所述偶联剂发生烯键聚合反应形 成骨架结构，然后所述偶联剂的叔胺基和所述磺酸内酯发生开环反应，得到所述弱酸强碱型 两性离子整体柱。

本发明弱酸强碱型两性离子整体柱的制备方法，利用偶联剂和卤代羧酸季铵化引入了羧 酸基团，并通过交联剂直接在毛细管内形成柱床，制得弱酸强碱型两性离子整体柱。得到的 弱酸强碱型两性离子整体柱亲水性强、机械强度高，而且本方法操作简单，重现性好。

在其中一个实施例中，将所述毛细管在50～80℃下与所述预聚液作用4～24h，以使所述预 聚液发生所述烯键聚合反应及所述季铵化反应。

在其中一个实施例中，所述偶联剂选自甲基丙烯酸二甲氨乙酯、甲基丙烯酸二乙氨乙酯、 乙烯基吡啶、乙烯基咪唑和2-乙烯基哌嗪中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述聚合结构包括丙烯酸酯基结构和苯乙烯基结构中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述交联剂选自二甲基丙烯酸乙二醇酯、二乙烯苯和POSS-MA 中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述卤代羧酸选自氯乙酸和溴乙酸中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述多元致孔剂包括第一致孔剂和第二致孔剂，所述第一致孔剂 为乙腈，所述第二致孔剂为聚乙二醇，选自聚乙二醇200、聚乙二醇400和聚乙二醇600中 的至少一种。

在其中一个实施例中，所述第一致孔剂与所述第二致孔剂的质量比为1：1～4。

在其中一个实施例中，所述多元致孔剂的质量与所述交联剂、所述卤代羧酸及所述偶联 剂三者总质量之比为2～5：1。

本发明第二方面涉及一种弱酸强碱型两性离子整体柱，其根据本发明第一方面所述的弱 酸强碱型两性离子整体柱的制备方法制备得到。

该弱酸强碱型两性离子整体柱，采用上述制备方法制得，其亲水性强、机械强度高，产 品的重现性好；此外其制备方法简单，环保性好。

附图说明

图1为实施例的反应机理图；

图2为实施例得到的弱酸强碱型两性离子整体柱截面的扫描电镜图；

图3为实施例得到的弱酸强碱型两性离子整体柱的柱床材料(B)和甲基丙烯酸二甲氨乙酯 甜菜碱单体(A)的红外谱图；

图4为实施例得到的弱酸强碱型两性离子整体柱的柱背压与线性流速的关系图。

图5为核苷类化合物在实施例得到的弱酸强碱型两性离子整体柱上分离色谱图。

图6碱基类化合物在实施例得到的弱酸强碱型两性离子整体柱上分离色谱图。

图7酚类化合物在实施例得到的弱酸强碱型两性离子整体柱上分离色谱图。

图8酰胺类化合物在实施例得到的弱酸强碱型两性离子整体柱上分离色谱图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了 本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述 的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

本发明较佳实施例的弱酸强碱型两性离子整体柱，其由弱酸强碱型两性离子整体柱的制 备方法制备得到。该制备方法包括以下步骤。

步骤S100：将玻璃毛细管进行预处理使其内壁表面带有烯键官能团。

步骤S100是通过引入双官能团试剂3-甲基丙烯酸氧丙基三甲氧基硅烷(γ-MAPS)。 γ-MAPS的一端含有硅氧基团，与石英毛细管壁的硅羟基反应，另一端含有烯键官能团。

在其中一个实施例中，步骤S100的步骤具体包括：用NaOH溶液、水、盐酸、水和甲醇依次通过毛细管洗涤8～14h，吹干。将γ-MAPS溶液装入毛细管中并将毛细管的两端密封。 将装有硅烷混合液的毛细管置于60～70℃下反应8～14h。用甲醇通过毛细管洗涤，吹干，得到 经过预处理的毛细管。

其中将毛细管内壁经NaOH溶液处理后，毛细管的内壁带有硅羟基。γ-MAPS的烯键活 性较高，容易与自由基发生聚合以及其他表面衍生反应。

具体的，NaOH溶液的浓度为1mol/L。具体的，盐酸的浓度为1mol/L。具体的，γ-MAPS 溶液为体积比为1:1的γ-MAPS和甲醇的混合溶液。具体的，步骤S100中吹干均为氮气吹干。

优选的，将装有硅烷混合液的毛细管置于60℃下反应12h。

步骤S200：将偶联剂、卤代羧酸、交联剂、多元致孔剂及引发剂混合，得到预聚液，其 中偶联剂含有烯键和叔胺基，交联剂含有多个聚合结构，聚合结构含有烯键。

其中，偶联剂含有烯键和叔胺基，烯键官能团能与交联剂的聚合结构发生烯键共聚反应， 而其叔胺基能与卤代羧酸发生开环反应生成弱酸强碱型两性离子，从而引入可提高材料亲水 性和稳定性的两性离子基团。

偶联剂的胺基为叔胺基。优选的，偶联剂选自甲基丙烯酸二甲氨乙酯(DMAEMA)、甲基 丙烯酸二乙氨乙酯、乙烯基吡啶、乙烯基咪唑(VIDZ)和2-乙烯基哌嗪中的至少一种。更优选 的，偶联剂的氨基为叔胺基，偶联剂选自甲基丙烯酸二甲氨乙酯(DMAEMA)、甲基丙烯酸二 乙氨乙酯、乙烯基吡啶、乙烯基咪唑(VIDZ)中的至少一种。

优选的，卤代羧酸选自氯代乙酸和溴代乙酸中的至少一种。更优选的，卤代羧酸和偶联 剂的叔胺基的摩尔量比不小于1:1，以使偶联剂的叔胺基完全反应，以得到尽量多的两性离子 基团，进而得到性能较好的整体柱。

优选的，偶联剂为乙烯基吡啶，卤代羧酸为氯乙酸，交联剂为POSS-MA时，偶联剂、氯乙酸和交联剂的质量比为1：0.5～2：0.5～2。更优选的，偶联剂为乙烯基咪唑，卤代羧酸为 氯乙酸，交联剂为POSS-MA时，的质量比为1.2：1：1。

优选的，聚合结构包括丙烯酸酯基结构和苯乙烯基结构中的至少一种。丙烯酸酯基结构 和苯乙烯基结构中含有烯键。

优选的，交联剂选自二甲基丙烯酸乙二醇酯、二乙烯苯和POSS-MA中的至少一种。

其中多元致孔剂包括第一致孔剂和第二致孔剂。第一致孔剂为乙腈，第二致孔剂选自乙 腈、正十二烷醇、二甲基甲酰胺及正丙醇中的至少一种。其中第一致孔剂为弱溶剂，第二致 孔剂为强溶剂，采用强溶剂和弱溶剂混合，进而控制多元致孔剂的极性，以达到较好的致孔 效果。

优选的，多元致孔剂中，第一致孔剂与第二致孔剂的质量比为1：1.5～4。更优选的，第 一致孔剂为乙腈(ACN)，第二致孔剂为聚乙二醇600(PEG600)，第一致孔剂和第二致孔剂 的质量比为1：0.1～0.5。

更优选的，偶联剂为乙烯基咪唑时，乙腈和聚乙二醇600的质量比为1：0.375。

优选的，多元致孔剂的质量与所述交联剂、所述氯乙酸及所述偶联剂三者总质量之比为 1：3～5。优选的，多元致孔剂与偶联剂的质量比为1：3.8。

优选的，引发剂为偶氮二异丁腈(AIBN)。更优选的，引发剂与偶联剂的质量比为1～2： 10。更优选的，引发剂与偶联剂的质量比为1：10。

在其中一个实施例中，步骤S200混合的条件为冰浴下超声5～10min，形成澄清的预聚液。

步骤S300：将经过预处理的毛细管置于预聚液中且使预聚液进入毛细管内，并将毛细管 的两端密封，交联剂与毛细管的内壁和偶联剂发生烯键聚合反应形成骨架结构，然后偶联剂 的叔胺基和氯乙酸发生季铵化反应，得到弱酸强碱型两性离子整体柱。

优选的，将毛细管在60～80℃下与所述预聚液作用4～24h，以使预聚液发生所述烯键聚合 反应及所述季铵化反应。更优选的，预聚液于75℃作用12h以促进烯键聚合反应进行。

步骤S300中“将经过预处理的毛细管置于预聚液中且使预聚液进入毛细管内，并将毛细 管的两端密封”具体为：将经过预处理的毛细管切取一定长度，置于预聚液中利用毛细现象使 预聚液自发进入毛细管内；预聚液灌满毛细管后，将毛细管的两端采用硅橡胶密封。

步骤S300中得到弱酸强碱型两性离子整体柱之前还包括洗涤步骤。优选的，洗涤的条件 为依次用甲醇、水依次通过毛细管冲洗，吹干。洗涤的作用是去除毛细管中残余的反应物和 多元致孔剂，以得到多孔的弱酸强碱型两性离子整体柱。

本发明弱酸强碱型两性离子整体柱的制备方法，利用偶联剂和卤代羧酸季铵化引入了羧 酸基团，并通过交联剂直接在毛细管内形成柱床，制得弱酸强碱型两性离子整体柱。得到的 弱酸强碱型两性离子整体柱亲水性强、机械强度高，而且本方法操作简单，重现性好，由于 引入了羧酸，因此可以在适当的条件下通过氢键与分析物进行相互作用，当然同时也能提供 静电相互作用和离子交换作用，从而丰富了固定相的多重保留机理。

以下为具体实施例。

用1mol/L的NaOH溶液、水、1mol/L的盐酸、水和甲醇依次通过毛细管洗涤12h，用氮气吹干。将γ-MAPS溶液(体积比为1:1的γ-MAPS和甲醇)装入毛细管中并用硅橡胶将毛细管的两端密封。将装有硅烷混合液的毛细管置于60℃下水浴反应12h。用甲醇通过毛细管洗涤30min，用氮气吹干，得到经过预处理的毛细管。

将单体氯乙酸的含量24.0mg、乙烯基咪唑的体积为30μL、交联剂POSS的含量为26.5 mg、91μL PEG 600、232μL乙腈和2mg AIBN混合并于冰浴中超声5min形成澄清的预聚液。

将经过预处理的毛细管切取30cm，将预聚液吸入毛细管中；预聚液灌满毛细管后，将 毛细管的两端采用硅橡胶密封。

将装有预聚液的毛细管置于75℃下水浴反应12h，依次用甲醇、水依次通过毛细管冲洗， 吹干，得到弱酸强碱型两性离子整体柱。

实施列原理图如图1所示。

结构表征(1)

对实施例得到的弱酸强碱型两性离子整体柱的截面进行扫描电镜试验，得到的实施例的 扫描电镜图如图2所示。

实施例得到的弱酸强碱型两性离子整体柱，其柱床连续均匀，且具有多孔结构，说明其 通透性好。

结构表征(2)

将实施例得到的弱酸强碱型两性离子整体柱的柱床材料(曲线B)和氯乙酸(曲线A) 分别进行傅立叶红外光谱分析，得到红外谱图3，其中横坐标为Wavenumber波数，单位为cm^-1，纵坐标为Transmittance透光率，单位为％，如图3所示。

对比A和B可知，该杂化整体柱基质在3420cm-1处的是羧酸的特征峰，在950cm-1和1720cm-1有两处较明显的红外特征吸收峰(氯乙酸中的羰基峰)，表明了羧基已经成功地接在硅胶骨架上。而在3119cm-1和1650cm-1处比较尖锐的峰为乙烯基咪唑中仲氨基的特征红外峰。由此说明，弱酸强碱型两性离子整体柱制备成功。

性能表征

整体柱的机械强度影响着它的使用时间和分离效果。以95％乙腈-水溶液为流动相，柱长 为10cm的杂化整体柱，采用纳升液相色谱的方法，考察了弱酸强碱型两性离子整体柱的柱 背压(Back-pressure，单位为psi)与线性流速(Flow rate，单位为μL/min)的关系图，如图 4所示。在测试条件下，弱酸强碱型两性离子整体柱的柱压随着流速的增加呈线性增长，柱 压与具线性流速有良好的线性关系(R²＝0.9999)，表明该弱酸强碱型两性离子整体柱具有良好 的机械强度和稳定性。

分离能力是衡量整体柱的最终新能的指标，为了考察所得到的弱酸强碱型两性离子整体 柱亲水分离能力，采用95％乙腈水溶液最为流动相分别对核苷类、酚类化合物、碱基类、酰 胺类化合物对其进行了分离评价。如图5～8所示，分别为核苷类、酚类化合物、碱基类、酰 胺类分离结果，结果表明，四类化合物在所得整体柱上具有很好的保留能力，且分离效果良 好，峰型对称。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中 的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾， 都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因 此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不 脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因 此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种弱酸强碱型两性离子整体柱的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、将毛细管进行预处理使其内壁表面带有烯键官能团；

B、将偶联剂、卤代羧酸、交联剂、多元致孔剂及引发剂混合，得到预聚液，其中所述偶联剂含有烯键和叔胺基，所述交联剂含有聚合结构；

C、将经过预处理的毛细管置于所述预聚液中且使所述预聚液进入所述毛细管内，并将所述毛细管的两端密封，所述交联剂与所述毛细管的内壁和所述偶联剂发生烯键聚合反应形成骨架结构，然后所述偶联剂的叔胺基和所述卤代羧酸发生季铵化反应，得到所述弱酸强碱型两性离子整体柱。

2.根据权利要求1所述的弱酸强碱型两性离子整体柱的制备方法，其特征在于，将所述毛细管在40～70℃下与所述预聚液作用4～24h，以使所述预聚液发生所述烯键聚合反应及所述季铵化反应。

3.根据权利要求1所述的弱酸强碱型两性离子整体柱的制备方法，其特征在于，所述偶联剂为选自乙烯基吡啶、乙烯基咪唑、甲基丙烯酸二甲氨乙酯、甲基丙烯酸二乙氨乙酯中的至少一种的含有烯键的叔胺类化合物。

4.根据权利要求1所述的弱酸强碱型两性离子整体柱的制备方法，其特征在于，所述聚合结构包括丙烯酸酯基结构和苯乙烯基结构中的至少一种。

5.根据权利要求4所述的弱酸强碱型两性离子整体柱的制备方法，其特征在于，所述交联剂选自二甲基丙烯酸乙二醇酯、二乙烯苯和POSS-MA中的至少一种；所述引发剂选自偶氮二异丁腈。

6.根据权利要求1所述的弱酸强碱型两性离子整体柱的制备方法，其特征在于，所述卤代羧酸选自氯乙酸和溴乙酸中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的弱酸强碱型两性离子整体柱的制备方法，其特征在于，所述多元致孔剂包括第一致孔剂和第二致孔剂，所述第一致孔剂为乙腈，所述第二致孔剂为聚乙二醇，选自聚乙二醇200、聚乙二醇400和聚乙二醇600中的至少一种，所述第一致孔剂与所述第二致孔剂的质量比为1：1～4。。

8.根据权利要求1所述的弱酸强碱型两性离子整体柱的制备方法，其特征在于，其中步骤A通过包括以下步骤的方法来实施：

A1、用NAOH溶液和盐酸溶液依次处理玻璃毛细管的内壁表面，使其内壁表面带有硅羟基；然后，

A2、用双官能团试剂3-甲基丙烯酸氧丙基三甲氧基硅烷处理所述内壁表面，其中三甲氧基硅烷基团与毛细管内壁表面上的硅羟基发生缩合反应，从而使所述内壁表面带有烯键官能团。

9.根据权利要求7所述的弱酸强碱型两性离子整体柱的制备方法，其特征在于，所述多元致孔剂的质量与所述交联剂、所述卤代羧酸及所述偶联剂三者总质量之比为2～5：1。

10.一种弱酸强碱型两性离子整体柱，其特征在于，其根据权利要求1～9任一项所述的弱酸强碱型两性离子整体柱的制备方法制备得到。