CN1116319C - 液相色谱用的交联聚乙烯吡啶微球及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一系列交联聚乙烯吡啶微球及其制备方法，这些交联聚乙烯吡啶微球为：多孔与非多孔的乙烯吡啶-二甲基丙烯酸乙二醇酯交联共聚物微球、多孔与非多孔的乙烯吡啶-二乙烯苯交联共聚物微球、以及以粒度单分散交联聚苯乙烯为内核的表面包覆聚乙烯吡啶共聚层的微球。不同结构的微球在可调控的5-20μm范围内，粒度均已呈现单分散。所合成产品可用作高效液相色谱分离填料。

Description

液相色谱用的交联聚乙烯吡啶微球及其制备方法

本发明涉及一类颗粒度分布呈现单分散的、可用作高效液相色谱(HPLC〕分离填料的、亲水性高聚物微球的制备方法。特别涉及到具有不同物理—化学结构的一系列粒度单分散交联聚乙烯吡啶微球及其制备方法。

交联聚乙烯吡啶微球是一类呈现阴离子交换性能的亲水性树脂。以其作为HPLC填料，对于许多类型化合物〔包括它们的一些异构体〕，具有良好的分离作用。

J.Chromatogr.，294〔1984〕185；354(1986)211；366(1986)412；472(1989)357介绍了交联聚乙烯吡啶树脂型HPLC填料的制备方法，这类经典聚合方法及其所合成的树脂仍为目前所采用，由于合成产物是多分散的，粒度分布范围宽，经过筛选后只能达到10-15μm。

Eur.Pat.0003905(1979)；U.S.Pat 4530956(1985)；J.Chromatogr.，535(1990)147，中国专利公开号CN1132213A等报道了基于种子溶胀聚合制备粒度单分散交联聚苯乙烯微球的方法，所合成的树脂已用作HPLC填料；J.Appl.Polym.Sci.，46(1992)1436；J.Liquid Chromatogr.，17(1994)891等介绍了基于种子溶胀聚合制备粒度单分散交联聚甲基丙烯酸环氧丙酯微球的方法，所合成的树脂也已用作HPLC填料。目前这类颗粒单分散的合成方法，还只限于疏水性树脂的制备，使用的单体原料和所合成的产物都呈现一定的疏水性特征。

至今为止，关于粒度单分散的并具有良好亲水性的交联聚乙烯吡啶微球(无论是作为HPLC填料还是作为其他用途)及其制备方法，还从来未见有专利和文献报道过。

本项发明旨在制备粒度单分散的交联聚乙烯吡啶微球，为此针对这类典型亲水性高聚物，建立了一套有效的合成方法。该方法主要依据种子溶胀聚合原理，并利用溶胀聚合过程中相似结构的相容性作用，特性反应的诱导作用、盐析效应的降低单体溶解度作用，以及溶胀聚合体表面的吸附-聚合作用等。合成方法主要包括：有机介质的分散聚合制备粒度单分散的线型聚合物种子，水相介质的种子溶胀聚合制备粒度单分散的交联共聚物微球，以及溶胀聚合体表面包覆共聚层树脂的制备等步骤。所建立的合成方法可制备一系列不同结构的粒度单分散树脂，包括多孔与非多孔结构的聚乙烯吡啶-二乙烯苯微球、多孔与非多孔结构的聚乙烯吡啶-二甲基丙烯酸己二醇酯微球、非多孔结构的以交联聚苯乙烯为内核表面包覆聚乙烯吡啶共聚层的微球。合成树脂的粒度参数是利用扫描电镜的测定结果，并经过平均粒度(d)、标准偏差(δ)的统计、求得其颗粒的分散系数〔ε〕： $d=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{di}/n---\left(1\right)$ $\mathrm{\δ}={[\underset{i-1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(\mathrm{di}-d)}^2/(n-1)]}^{1/2}---\left(2\right)$ $\mathrm{\ϵ}=\mathrm{\δ}/d---\left(3\right)$ 式中di和n分别为所测微球的粒径和数目。分散系数ε值越小，树脂的粒度均匀性越高。一般认为ε值接近于2％时，就达到粒度单分散。本项发明合成树脂的粒度在5-20μm范围内可以调控，其产物的粒度分散系数ε为2-4％，其粒度的均匀性指标已达到和接近单分散。

合成所使用的原料：单体为4-乙烯吡啶(4VP)或2-乙烯吡啶(2VP)、苯乙烯(St)、甲基丙烯酸环氧丙酯(GMA)；交联剂为二乙烯苯(DVE)和二甲基丙烯酸乙二醇酯(EDMA)；引发剂为过氧化苯甲酰(BPO)，偶氮异丁腈〔AIBN〕或偶氮二异戊腈(AIHN)；稳定剂为聚乙烯醇〔PVA〕、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)；乳化剂为十二烷基磺酸钠(SDS)；助稳定剂为Na₂SO₄等盐类；稀释剂为甲苯、邻苯二甲酸二丁酯、环己醇等；有机介质为醇类如甲、乙、丙、丁、戊醇，芳烃类如甲苯等；调节剂为含氮、含氧、含氯的烃类衍生物等。

不同结构粒度单分散交联聚乙烯吡啶微球的合成方法与主要步骤：

一、粒度单分散的乙烯吡啶-二甲基丙烯酸乙二醇酯交联高聚物(F4VPEDMA)微球的合成方法与主要步骤

(1)用有机介质的分散聚合方法制备粒度单分散的聚甲基丙烯酸环氧丙酯(PGMA)微球，以其作为下一步合成用的线性聚合物种子。

将单体GMA、引发剂AIBN、稳定剂PVP、以及单体量的0-0.5％的调节剂等组份溶于醇类和甲苯的混合介质中，其原料配比是：引发剂AIBN在单体GMA中的浓度为0.005-0.04g/ml；单体GMA与介质之体积比为1∶9-7∶3；混合介质中甲苯与醇类之体积比为1∶9-3∶7；稳定剂PVP在介质中的浓度为0.01-0.04g/ml。原料的混合物体系呈现为均相状态。聚合反应是在一个带有旋转和加热的装置中进行。聚合温度为50-75℃。当反应进行到一定程度时，所生成的聚合物微粒就与介质产生了相分离，体系就变成了非均相状态。随着反应的进行，聚合物微粒不断吸收溶于介质中的单体而聚合，使颗粒不断增长，直至单体被消耗完。聚合反应持续10-36小时，聚合反应结束后用沉降、洗涤、过滤等方法除掉介质与其他组份，这样就制得颗粒单分散的线性聚合物微球。聚合物在可以调控的1-7μm范围内，粒度的均匀性呈现为单分散，其分散系数为2％。

(2)用水相介质的种子溶胀聚合方法，制备粒度单分散的多孔与非多孔结构的P4VP-EDMA微球。

首先在含有乳化剂SDS、稳定剂PVA和助稳定剂Na₂SO₄的水溶液介质中，对于单体4VP、交联剂EDMA、引发剂BPO(也可用AIBN或AIHN〕、以及稀释剂等组份的混合物进行乳化。然后将乳化液加入到前一步所制备的PGMA种子中，形成悬浮体系，在搅拌下对种子进行溶胀。溶胀过程的原料配比：引发剂BPO在单体4VP和交联剂EDMA混合液中的浓度为0.005-0.04g/ml；单体与交联剂之体积比为9∶1-2∶8，单体和交联剂的总体积为种子PGMA体积的1-70倍；反应介质中乳化剂SDS、稳定剂PVA、助稳定剂Na₂SO₄的浓度分别为0.05-0.15％、0.2-1.5％、0.5-1.5％。制备多孔结构的树脂时，需在原料中配加稀释剂，其配比范围是：单体加交联剂的总体积与稀释剂的体积之比为8∶2-3∶7。制备非多孔树脂时，则无需配加稀释剂。在溶胀过程中，借助于单体吡啶环上氮原子容易与种子中所含环氧基发生反应，而这一特性反应对于体系中单体具有诱导作用，使后者容易向种子聚拢而被吸附和吸收，加之体系的盐析作用会尽可能地降低单体在介质中的溶解性，所有这些都有利于种子溶胀的发生和进行。种子溶胀是在25℃下进行2-6小时。

溶胀完毕后溶胀体被快速加热进行聚合，聚合反应是在50-90℃下进行10-36小时。聚合产物经沉降、反复洗涤、过滤等一系列后处理，充分除掉其他组份并用溶剂进行抽提，最后得到颗粒单分散的交联共聚物，即P4VD-EDMA微球。在制备中配加了稀释剂的最终聚合产物是多孔结构的P4VP-EDMA树脂，而未加稀释剂的产物是非多孔结构的P4VP-EDMA树脂。两种结构的聚合产物，在可以调控的5-20μm范围内，粒度均匀性都呈现单分散，其分散系数为2-4％。

二、粒度单分散的乙烯吡啶-二乙烯苯交联共聚物(P4VP-DVB〕微球的合成方法与主要步骤

(1)用有机介质的分散聚合方法制备粒度单分散的聚苯乙烯(PS〕微球，以其作为下一步合成用的线性聚合物种子。

将单体St、引发剂AIBN、稳定剂PVP、以及单体量的0-0.5％的调节剂等组份溶于醇类介质中，其原料配比是：引发剂AIBN在单体St中的浓度为0.005-0.04g/ml；单体St与醇类介质之体积比为1∶9-7∶3；稳定剂PVP在醇类介质中的浓度为0.01-0.04g/ml。原料的混合物体系呈现为均相状态。聚合反应是在一个带有旋转和加热的装置中进行。聚合温度为50-75℃。当反应进行到一定程度时，所生成的聚合物微粒就与介质产生了相分离，体系就变成了非均相状态。随着反应的进行，聚合物微粒不断吸收溶于介质中的单体而聚合，使颗粒不断增长，直至单体被消耗完。聚合反应持续10-36小时，聚合反应结束后用沉降、洗涤、过滤等方法除掉介质与其他组份，这样就制得颗粒单分散的线性聚合物PS微球。聚合物在可以调控的1-7μm范围内，粒度的均匀性呈现为单分散，其分散系数＜2％。

(2)用水相介质的种子溶胀聚合方法，制备粒度单分散的多孔与非多孔结构的P4VP-DVB微球。

首先在含有乳化剂SDS、稳定剂PVA和助稳定剂Na₂SO₄的水溶液介质中，对于单体4VP、交联剂DVB、引发剂BPO(也可用AIBN或AIHN〕、以及稀释剂等组份的混合物进行乳化。然后将乳化液加入到前一步所制备的PS种子的悬浮体系中，在搅拌下对种子进行溶胀。溶胀过程的原料配比：引发剂BPO在单体4VP和交联剂DVB混合液中的浓度为0.005-0.04g/ml；单体4VB与交联剂DVB之体积比为9∶1-2∶8，单体和交联剂的总体积为种子PS体积的1-70倍；反应介质中乳化剂SDS、稳定剂PVA、助稳定剂Na₂SO₄的浓度分别为0.05-0.15％、0.2-1.5％、0.5-1.5％。制备多孔结构的树脂时，需在原料中配加稀释剂，其配比范围是：单体加交联剂的总体积与稀释剂的体积之比为8∶2-3∶7。制备非多孔树脂时，则无需配加稀释剂。在溶胀过程中，由于单体上吡啶环与种子和交联剂上的苯环之间相似结构的相容性，加之体系中高盐浓度的盐析作用有效地降低单体在水中的溶解度，促使了单体对种子溶胀的发生和进行。种子溶胀是在25℃下进行2-6小时。

溶胀完毕后，溶胀体系被快速加热进行聚合，聚合反应是在50-90℃下进行10-36小时。聚合产物经沉降、反复洗涤、过滤等一系列后处理，充分除掉其他组份，并用溶剂进行抽提，，最后得到颗粒单分散的交联共聚物，即P4VP-DVB微球。在制备中配加了稀释剂的最终聚合产物是多孔结构的P4VP-DVB微球，而未加稀释剂的产物是非多孔结构的P4VP-DVB微球。两种结构的聚合产物，在可以调控的5-20μm范围内，粒度均匀性都呈现单分散，其分散系数为2-3％。

三、粒度单分散的以交联聚苯乙烯为内核、表面包覆聚乙烯吡啶共聚层的微球即(PS-DVB)-P4VP树脂的合成方法与主要步骤

(1)粒度单分散的线性聚苯乙烯种子PS微球的合成，与前述二(1)的方法相同。

(2)用水相介质的种子溶胀聚合和聚合体表面共聚反应相结合的方法，制备粒度单分散非多孔型〔PS-DVB〕-P4VP微球。

首先将单体St、交联剂DVB、引发剂BPO〔或AIBN、AIHN〕混合物在含有乳化剂SDS、稳定剂PVA和助稳定剂Na₂SO₄的水溶液介质中进行乳化，然后将乳化液加入到含PS种子的水相悬浮体系中进行溶胀。溶胀结束后再向体系中加入单体4VP，并在搅拌下加热聚合。溶胀过程的原料配比：引发剂BPO在单体St和交联剂DVB混合液中的浓度为0.005-0.04g/ml；单体St与交联剂DVB之体积比为9∶1-2∶8；单体St和交联剂DVB的总体积为种子PS体积的1-70倍；反应介质中乳化剂SDS、稳定剂PVA和助稳定剂Na₂SO₄的浓度分别为0.05-0.15％、0.2-1.5％、0.5-1.5％。溶胀结束后加入单体4VP的量为St和DVB总体积的10-40％。溶胀是在25℃下进行2-6小时。

聚合反应是在溶胀完毕并加入了单体4VP之后，在50-90℃下进行10-36小时。自由基聚合反应首先在溶胀体“液珠”内部被引发而进行聚合。伴随聚合反应的发生与进行，分散在介质中的4VP单体也被溶胀聚合体所吸附，并在后者的表面被引发而聚合。由于单体4VP与溶胀聚合体之间的结构相容性，加之高盐浓度体系能有效地降低单体在介质中的溶解性，所以有利于单体向聚合体聚拢而被后者所吸附，并在后者的表面进行共聚。聚合产物经沉降、洗涤、过滤等一系列后处理，充分除掉其他组份，这样就制得了一种以交联聚苯乙烯(PS-DVB〕微球为内核的表面包覆聚乙烯吡啶共聚层的非多孔结构的树脂，即(PS-DVB〕-P4VP微球。微球在可以调控的5-20μm范围内，粒度均匀性呈现单分散，其分散系数为2-3％。

本项发明的特点在于，提出并建立了一套适合于制备粒度单分散的亲水性树脂的合成方法。该方法主要依据种子溶胀聚合原理，并利用相近结构的相容性作用、特性反应的诱导作用、反应介质的盐析作用以及溶胀聚合体表面的反应作用等，在优化反应条件的基础上，制备出一系列的5-20μm范围内粒度均匀的交联聚乙烯吡啶微球，包括多孔与非多孔的乙烯吡啶-二乙烯苯交联共聚物微球；多孔与非多孔的乙烯吡啶-二甲基丙烯酸乙二醇酯交联共聚物微球；以交联聚苯乙烯为内核、表面包覆了聚乙烯吡啶共聚层的微球。所合成的树脂作为HPLC填料，其相关参数指标和主要性能特征已达到使用要求。本项发明所介绍的合成方法，其步骤简单、操作方便、容易控制、容易放大制备，合成不需要特殊复杂的设备就可获得所需要的产品。

实施例1 ①取GMA7ml、乙醇50ml、甲苯13ml、AIBN0.21g、PVP0.7g，这些原料混合均匀后加入到烧瓶中，用分散聚合方法在50-75℃下进行反应10-24小时，聚合产物为3μm粒度单分散的PGMA微球。分离出产品作为种子备用。②取4VP 5.5ml、EDMA 3.5ml、BPO 0.14g，混合后加入到70ml 1％PVA-0.1％SDS溶液中超声乳化，将乳化液与前面所制备的0.7mlPGMA微球混合，在室温下搅拌溶胀聚合6小时。然后又加入1％Na₂SO₄-1％PVA-0.1％SDS溶液80ml，在70℃下搅拌聚合36小时。反应产物经充分洗涤即可得到8μm粒度的交联聚乙烯吡啶微球。③取4VP 12.5ml、EDMA 5.5ml、BPO 0.35g、甲苯6ml、环己醇6ml，将其混合物在200ml 1％PVA-0.1％SDS溶液中乳化，乳化液与前面所制备的3mlPGMA微球混合，在室温和搅拌下溶胀6小时，然后加入1％Na₂SO₄-1％PVA-0.1％SDS溶液200ml，在70℃搅拌聚合36小时。聚合产物经充分洗涤并用溶剂抽提，最后得到10μm粒度均匀的多孔结构交联聚乙烯吡啶树脂。上述两种树脂的合成，其4VP单体的转化率〔即聚合到树脂颗粒上的单体量〕均已超过70％以上。

实施例2 取St 7.5ml，PVP 0.5g，AIBN 0.15g，乙醇17.5ml，将这些原料混合均匀后加入到烧瓶中，并置于加热50-75℃的旋转装置上进行分散聚合，在70℃下反应10-20小时，所得到的沉淀物即为4μm粒度单分散的线性聚苯乙烯PS微球，以其作为种子分离出备用。取4VP2.7ml、DVB1.8ml、AIHN0.1g、甲苯1.8ml、正庚烷2.7ml，混合物加入到160ml 0.5％Na₂SO₄-1％PVA-0.1％SDS溶液中进行乳化，并与0.7ml PS种子混合，在室温下搅拌聚合6小时，然后加热到50℃聚合17小时，在升温到70℃聚合24小时。反应产物经充分洗涤并用溶剂抽提后，即可获得9.5μm粒度均匀的多孔交联聚乙烯吡啶微球。同样的合成方法，不用配加稀释剂，只要将4VP、DVB和AIHN的用量按比例加倍，而其他物料配比不变，在同样的条件下反应，可获得粒度均匀的非多孔微球。

实施例3 取St 3ml、DVB6ml、BPO 0.15g，将混合液加入到70ml1％Na₂SO₄-1％PVA-0.1％SDS溶液中进行乳化。乳化液与实施例2中所制得的0.75ml的PS种子混合，在室温搅拌下溶胀6小时。然后加入3ml4VP与30ml1％Na₂SO₄-1％PVA-0.1％SDS溶液所得到的乳化液，加热到70℃下聚合36小时。聚合产物经充分洗涤后，得到一种10μm粒度单分散的、在交联聚苯乙烯表面包覆聚乙烯吡啶共聚层的微球。

Claims (4)

1.交联聚乙烯吡啶微球，其特征在于所述的微球为：多孔与非多孔的乙烯吡啶-二甲基丙烯酸乙二醇酯交联共聚物微球；多孔与非多孔的乙烯吡啶-二乙烯苯交联共聚物微球；以交联聚苯乙烯为内核表面包覆聚乙烯吡啶共聚层的微球，上述交联聚乙烯吡啶微球，粒度分布为单分散，其分散系数为2-4％，其可调控粒径为5-20μm。

2.根据权利要求1所述的交联聚乙烯吡啶微球的制备方法，其特征在于所述乙烯吡啶-二甲基丙烯酸乙二醇酯微球的制备方法，是按下列顺序进行：

(1)将单体甲基丙烯酸环氧丙酯、引发剂偶氮二异丁腈、稳定剂聚乙烯吡咯烷酮组份溶于醇类和甲苯的混合介质中，在50-75℃下聚合10-36小时，制得粒度单分散的聚甲基丙烯酸环氧丙酯微球，以其作为线性聚合物种子，所述引发剂在单体中的浓度为0.005-0.04g/ml；单体与介质之体积比为1∶9-7∶3；混合介质中甲苯与醇类之体积比为1∶9-3∶7；稳定剂在介质中的浓度为0.01-0.04g/ml，

(2)在含有乳化剂十二烷基磺酸钠、稳定剂聚乙烯醇和助稳定剂Na₂SO₄的水溶液介质中，对于单体4-乙烯吡啶、交联剂二甲基丙烯酸乙二醇酯、引发剂过氧化苯甲酰以及稀释剂组份的混合物进行乳化，制得乳化液，

(3)然后将乳化液加入到前一步所制备的聚甲基丙烯酸环氧丙酯种子中，在25℃和搅拌条件下，对种子进行溶胀2-6小时，所述引发剂在单体和交联剂混合液中的浓度为0.005-0.04g/ml；单体与交联剂之体积比为9∶1-2∶8，单体和交联剂的总体积为种子体积的1-70倍；反应介质中乳化剂、稳定剂、助稳定剂的浓度分别为0.05-0.15％、0.2-1.5％、0.5-1.5％；配加稀释剂的比例是单体加交联剂的总体积与稀释剂的体积之比为8∶2-3∶7，或不要配加稀释剂，

(4)将上述的溶胀体系，在50-90℃下聚合10-36小时，聚合产物经沉降、反复洗涤、过滤和抽提处理，最后得到颗粒单分散的多孔或非多孔的乙烯吡啶-二甲基丙烯酸乙二醇酯交联共聚物微球。

3.根据权利要求1所述的交联聚乙烯吡啶微球的制备方法，其特征在于所述乙烯吡啶-二乙烯苯交联共聚物微球的制备方法，是按下列顺序进行：

(1)将单体苯乙烯、引发剂偶氮二异丁腈、稳定剂聚乙烯吡咯烷酮组份溶于醇类介质中，在50-75℃下聚合10-36小时，制得粒度单分散的聚苯乙烯微球，以其作为线性聚合物种子，所述引发剂在单体中的浓度为0.005-0.04g/ml；单体与介质之体积比为1∶9-7∶3；稳定剂在介质中的浓度为0.01-0.04g/ml，

(2)在含有乳化剂十二烷基磺酸钠、稳定剂聚乙烯醇和助稳定剂Na₂SO₄的水溶液介质中，对于单体4-乙烯吡啶、交联剂二乙烯苯、引发剂过氧化苯甲酰以及稀释剂组份的混合物进行乳化，制得乳化液，

(3)然后将乳化液加入到前一步所制备的聚苯乙烯种子中，在25℃和搅拌条件下，对种子进行溶胀2-6小时。所述引发剂在单体和交联剂混合液中的浓度为0.005-0.04g/ml；单体与交联剂之体积比为9∶1-2∶8，单体和交联剂的总体为种子体积的1-70倍；反应介质中乳化剂、稳定剂、助稳定剂的浓度分别为0.05-0.15％、0.2-1.5％、0.5-1.5％；配加稀释剂的比例是单体加交联剂的总体积与稀释剂的体积之比为8∶2-3∶7，或不要配加稀释剂，

(4)将上述的溶胀体系，在50-90℃下聚合10-36小时，聚合产物经沉降、反复洗涤、过滤和抽提处理，最后得到颗粒单分散的多孔或非多孔的乙烯吡啶-二乙烯苯交联共聚物微球。

4.根据权利要求1所述的交联聚乙烯吡啶微球的制备方法，其特征在于所述以交联聚苯乙烯为内核表面包覆聚乙烯吡啶共聚层的微球，是按下列顺序进行制备的：

(1)将单体苯乙烯、引发剂偶氮二异丁腈、稳定剂聚乙烯吡咯烷酮组份溶于醇类介质中，在50-75℃下聚合10-36小时，制得粒度单分散的聚苯乙烯微球，以其作为线性聚合物种子，所述引发剂在单体中的浓度为0.005-0.04g/ml；单体与介质之体积比为1∶9-7∶3；稳定剂在介质中的浓度为0.01-0.04g/ml，

(2)将单体苯乙烯、交联剂二乙烯苯、引发剂过氧化苯甲酰混合物，在含有乳化剂十二烷基磺酸钠、稳定剂聚乙烯醇和助稳定剂Na₂SO₄的水溶液介质中进行乳化，制得乳化液，

(3)然后将乳化液加入到前一步所制备的聚苯乙烯种子中，在25℃和搅拌条件下，对种子进行溶胀2-6小时，所述引发剂在单体和交联剂混合液中的浓度为0.005-0.04g/ml；单体与交联剂之体积比为9∶1-2∶8，单体和交联剂的总体积为种子体积的1-70倍；反应介质中乳化剂、稳定剂、助稳定剂的浓度分别为0.05-0.15％、0.2-1.5％、0.5-1.5％，

(4)溶胀结束后加入单体4-乙烯吡啶，4-乙烯吡啶的加入量为上述苯乙烯和二乙烯苯总体积的10-40％，

(5)将上述的溶胀体系在加入了4-乙烯吡啶后，在50-90℃下聚合10-36小时，聚合产物经沉降、反复洗涤、过滤和抽提处理，最后得到粒度单分散的非多孔的以交联聚苯乙烯为内核表面包覆聚乙烯吡啶共聚层的微球。