CN114699799B - 一种具有离子交换特征的氨基甲酸酯色谱填料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有离子交换特征的氨基甲酸酯色谱填料的制备方法，通过醇与N,N’‑羰基二咪唑反应转化为高活性酯，而后与氨基硅烷反应得到氨基甲酸酯功能化硅烷，再将该硅烷其与另外一种特定硅烷共同键合到硅胶上，最后用封尾剂进行封尾得到具有离子交换特征的氨基甲酸酯功能化液相色谱填料。本发明所述的方法中，不涉及高毒性的光气及异氰酸酯，反应条件温和，试剂使用量少，目标产率高，副产物仅为咪唑，广泛适用于叔醇以外的各种醇。本发明所制备的液相色谱填料具有多重作用机理，表现出优异的选择性，对多种组合化合物具有良好的分离效果。

Description

一种具有离子交换特征的氨基甲酸酯色谱填料的制备方法

技术领域

本发明属于高效液相色谱填充材料技术领域，具体涉及一种具有离子交换特征的氨基甲酸酯色谱填料的制备方法。

背景技术

烷基键合硅胶具有优良的化学惰性和稳定性，其制备工艺便捷成熟，是反相色谱中应用最广泛的填料。作为常规烷基键合硅胶的延伸，极性基团嵌入型烷基键合固定相进一步扩展了反相色谱固定相的种类和应用范围，大大改善了极性分析物，尤其是碱性分析物的分离。极性基团还能增强固定相的亲水性，甚至兼容100%水作流动相。目前，商品化极性嵌入色谱填料通常嵌入了酰胺或脲基，例如Waters的RP-Amide和Agilent的RP-BonusC14-Amide，还存在一类利用氨基甲酸酯的极性嵌入型烷基填料。

氨基甲酸酯基团在现代药物开发中具有重要地位，也频频出现在农药和精细化工中。从化学结构上来看，氨基甲酸酯相当于酯/酰胺的混合体，具有优异的稳定性，更强的亲水性和电负性。将氨基甲酸酯嵌入烷基填料中获得的新型填料无疑会继承该基团的各种特性，如与不同结构的分子之间形成氢键供体-氢键受体作用、卤-氢键供体作用、羰基-羰基亲和作用，从而有望为结构复杂和成份多样的样品分离提供多重作用机制。尽管氨基甲酸酯嵌入的烷基填料确实可以充实反相色谱填料的种类，为分离分析任务提供更多的选择，但其合成方法不似酰胺和脲那般容易。目前，经典的氨基甲酸酯填料合成方法主要有两种：（1）氯甲酸酯与胺反应；（2）异氰酸酯与醇反应。第一种方法需要使用光气（或三光气）在零度甚至更低的低温下将特定的醇转化为氯甲酸酯，然后在缚酸剂的存在下与胺反应得到氨基甲酸酯，这种方法中氨基甲酸酯中间体必须经过硅氢化反应才能得到硅烷，后续再与硅胶反应后得到目标填料，反应过程中需要使用强腐蚀性、高毒性、高水敏感的光气和氯硅烷。公布号为CN 103041792 A，公布时间为2013年4月17日的中国发明专利，公开了使用异氰酸酯与特定的醇进行反应，得到氨基甲酸酯型液相色谱固定相的方法，但该反应使用高毒性的异氰酸酯，缩合反应需要较高的温度，也需要催化剂，对底物醇的位阻非常敏感。另外尽管氨基甲酸酯基团不论在结构还是功能上均表现出优良的特性，但作为一个中性且不可解离的有机基团，它是无法参与离子交换作用的，但是离子交换能力又是离子色谱中分离物质的基本作用机制，综合来看，设计出一种不使用强腐蚀性、高毒性原料，操作简单的方法得到既具有氨基甲酸酯功能化又具有离子交换作用液相色谱填料具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的高效、环保、经济、简便的具有离子交换特征的氨基甲酸酯功能化液相色谱填的制备方法，通过嫁接技术，先使用N，N’-羰基二咪唑活化醇为活性咪唑甲酸酯，然后与氨基烷基硅烷反应得到氨基甲酸酯硅烷，再将其与另外一种特定硅烷共同键合至硅胶，制得目标色谱填料，解决通过氯甲酸酯与胺反应或者异氰酸酯与醇反应得到氨基甲酸酯型液相色谱过程中必须使用强腐蚀性、高毒性光气或原料的问题，本发明使用的制备方法反应条件温和，转化率及产率高，副产物仅为咪唑，广泛适用于叔醇以外的各种醇。

本发明所述的一一种具有离子交换特征的氨基甲酸酯色谱填料的制备方法，具体包括以下步骤：

A．将醇与N,N’-羰基二咪唑在非质子溶剂中反应，再加入氨基硅烷进行选择性反应，得到氨基甲酸酯功能化硅烷；

B. 将上述氨基甲酸酯功能化硅烷和带有氨基或者酯的硅烷共同与硅胶进行键合反应，得到具有离子交换特征的氨基甲酸酯改性硅胶；

C. 将氨基甲酸酯改性硅胶用封尾剂进行封尾处理，得到氨基甲酸酯功能化液相色谱填料。

步骤A具体为：将醇溶于非质子溶剂中，机械搅拌下加热至60-80摄氏度，加入N,N’-羰基二咪唑，反应1小时，再加入氨基硅烷，温度不变继续反应2小时得到氨基甲酸酯功能化硅烷。

步骤B具体为：将硅胶和带有氨基或者酯的硅烷加入步骤A制得的反应液中，在机械搅拌下加热回流24-48小时，然后趁热真空抽滤，再依次用沸腾的步骤A中的非质子溶剂、乙醇、75%乙醇、甲醇洗涤，然后真空干燥，得到氨基甲酸酯改性硅胶。

步骤C具体为：将步骤B制得的氨基甲酸酯改性硅胶置于芳香烃溶液中，加热至100-110摄氏度，依次滴入封尾剂、吡啶，反应24小时，过滤除去溶剂，再用甲醇洗涤，经过干燥，得到氨基甲酸酯功能化液相色谱填料。

所述步骤A中，醇为为叔醇以外的醇，包括甲醇、乙醇、辛醇、十四醇、十六醇、十八醇、二十二醇、三十醇、苄醇、9-蒽甲醇、1-芘甲醇、β-苯乙醇、乙二醇、己二醇、丙三醇、异丙醇、异丁醇、仲丁醇、α-苯乙醇、胆固醇、1,2-环己醇、1,4-环己醇、环十二醇。

所述步骤A、步骤B中，非质子溶剂为苯、甲苯、二甲苯、乙腈、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、四氢呋喃、1,4-二氧六环。

所述步骤A中，N,N’-羰基二咪唑的摩尔当量为醇的98-100%，氨基硅烷的摩尔当量为醇的96-98%。

所述步骤A中，氨基硅烷为末端至少带有一个氨基的硅烷，符合如下结构式：

，其中X至少有一个为烷氧基，n为大于等于1的自然数，R为氢原子或芳香基、烷基、芳香烷基取代基。

所述步骤B中，带有氨基或者酯的硅烷不同于A步骤中的氨基硅烷，符合如下结构式：

，其中X为至少一个烷氧基，n为大于等于1的自然数。

所述步骤C中，芳香烃为甲苯、二甲苯、乙苯或苯。

所述步骤C中，封尾剂为三甲基硅咪唑、三甲基硅基二甲胺、N,O-双三甲硅基三氟乙酰胺、六甲基二硅氮烷、三甲基氯硅烷。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

1、本发明采用的制备方法不涉及高毒性的光气及异氰酸酯，转化率及产率高，反应条件温和，试剂使用量少，目标产率高，副产物仅为咪唑，广泛适用于叔醇以外的各种醇。

2、本发明采用嫁接技术，在微米尺寸硅球的表面均匀共价固载烷基氨基甲酸酯基团，制备的液相色谱填料具有表面化学均一性。

3、本发明所制备的氨基甲酸酯功能化液相色谱填料具有多重作用机理，不仅可以在色谱分离过程中参与氢键、偶极-偶极、电子转移和π-π作用，增强固定相与高水含量流动相的兼容性，还可以有效地屏蔽硅胶表面的残余硅羟基，降低固定相的硅羟基活性，离子交换基团可以通过离子交换作用改善带有酸碱基团的化合物的保留，这是一般反相色谱填料所不具备的优势，对共轭多组分化合物、多组分化合物、强极性化合物等具有良好的分离效果。

附图说明

图1为具有离子交换特征的烷基氨基甲酸酯键合硅胶填料合成图。

图2为本发明所描述的实施例2的填料分离十六种多环芳烃标准物（SRM 1647e）的色谱图。色谱柱规格：150×4.6 mm，流动相为95%甲醇/5%水，柱温25°C，UV检测波长254 nm。该图可以说明具有阴离子交换功能的三十烷基氨基甲酸酯固定相具有优异的立体选择性，适用于共轭化合物的分离。

图3为本发明所描述的实施例2的填料分离芳香酸（酸根阴离子）的色谱图（下部），并与常规C18固定相（上部）进行了对比。色谱柱规格：250×4.6 mm，流动相为60%甲醇/40%磷酸氢二钾水溶液（20 mM），柱温25°C，UV检测波长254 nm。分析物：苯甲酸（1），4-甲基苯甲酸（2），4-硝基苯甲酸（3），3,5-二甲基苯甲酸（4），4-溴苯甲酸（5），4-苯基苯乙酸（6），4-苯基苯甲酸（7），3,5-二硝基苯甲酸（8）。该图可以说明具有阴离子交换功能的三十烷基氨基甲酸酯固定相具有良好的阴离子交换特性，适用于极性酸性化合物的分离。

图4为本发明所描述的实施例1的填料分离取代脲除草剂的色谱图。色谱柱规格：150×4.6 mm，流动相为70%甲醇/30%水，柱温30°C，UV检测波长254 nm。该图说明具有阳离子交换功能的十八烷基氨基甲酸酯填料对多组分分析物具有良好的应用能力，满足常规基于疏水作用力的分离任务要求。

图5为本发明所描述的实施例1的填料以纯水为流动相分离核苷的色谱图。色谱柱规格：250×4.6 mm，流动相为100%水，柱温30°C，UV检测波长254 nm。该图说明具有阳离子交换功能的十八烷基氨基甲酸酯填料可以兼容纯水作为流动相，从而实现强极性化合物（通常在高比例有机相的反相色谱模式下保留很弱，或无保留）的有效保留，进而实现此类混合物的高效分离。

图6为本发明所描述的实施例1的填料对季铵盐苄基三甲基氯化铵的高效保留，并与同类别氨基甲酸酯嵌入的C18填料和常规十八烷基键合填料进行了对比。色谱柱规格：250×4.6 mm，流动相为50%甲醇/50%水（含有0.1%三氟乙酸），柱温30°C，UV检测波长254nm。仅带有氨基甲酸酯的C18键合填料和常规十八烷基填料对季铵盐无有效保留，分析物在死时间洗脱下来。此色谱图说明具有阳离子交换功能的十八烷基氨基甲酸酯填料可以通过阳离子交换作用和其他极性相关作用对强碱型季铵化合物实现有效保留。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，通过实施例进行说明。

实施例1：具有阳离子交换功能的氨基甲酸酯嵌入型十八烷基键合硅胶的制备

步骤A：18.94 g十八醇溶于100 mL甲苯中，机械搅拌下加热至60°C，向其内快速小批量地投入N,N’-羰基二咪唑11.35 g，5 min完成，保持温度不变反应1小时，再滴入3-氨基丙基三乙氧基硅烷15.50 g，温度不变继续反应2小时。

步骤B：将活化硅胶（平均直径5 μm，比表面积350m2 g-1）50.0 g与150 mL甲苯混合，机械搅拌成为浆状物，再加入N-三甲氧基硅基丙基草酰胺单甲酯5 g，一起加入步骤A制得的反应液中，在机械搅拌下加热回流24小时，然后趁热真空抽滤，再依次用沸腾的甲苯、乙醇、75%乙醇、甲醇洗涤，真空干燥5 h。

步骤C：将步骤B制得的氨基甲酸酯改性硅胶置于甲苯溶液中，加热至100°C，依次滴入三甲基氯硅烷、吡啶，回流条件下反应24小时，过滤除去溶剂，填料用甲醇洗涤，真空干燥5 h。

元素分析测得上述产物的碳含量为17.20%，氮含量为3.12%。

实施例2：具有阴离子交换功能的氨基甲酸酯嵌入型三十烷基键合硅胶的制备

步骤A：9.22 g正三十醇溶于40 mL乙腈中，机械搅拌下加热至80°C，向其内快速小批量地投入N,N’-羰基二咪唑3.40 g，5 min完成，保持温度不变反应1小时，再滴入3-氨基丙基三甲氧基硅烷3.78 g，温度不变继续反应2小时。

步骤B：将活化硅胶（平均直径5 μm，比表面积350m2 g-1）20.0 g与60 mL甲苯混合，机械搅拌成为浆状物，再加入N-三甲氧基硅基丙基乙二胺4 g一起加入步骤A制得的反应液中，在机械搅拌下加热回流48小时，然后趁热真空抽滤，再依次用沸腾的乙腈、乙醇、75%乙醇、甲醇洗涤，真空干燥5 h。

步骤C：将步骤B制得的氨基甲酸酯改性硅胶置于二甲苯溶液中，加热至110°C，依次滴入三甲基氯硅烷、吡啶，回流条件下反应24小时，过滤除去溶剂，填料用甲醇洗涤，真空干燥5 h。

元素分析测得上述产物的碳含量为20.11%，氮含量为1.78%。

实施例3：具有阴离子交换功能的双氨基甲酸酯嵌入型己基双齿键合硅胶的制备

步骤A：11.83 g的1,6-己二醇在100 mL甲苯中，机械搅拌下加热至60°C，向其内快速小批量地投入N,N’-羰基二咪唑16.2 g，5 min完成，保持温度不变反应1小时，再滴入3-氨基丙基三甲氧基硅烷35.8 g，温度不变继续反应2小时。

步骤B：将活化硅胶（平均直径10 μm，比表面积350m2 g-1）70.0 g与250 mL甲苯混合，机械搅拌成为浆状物，再加入N-三甲氧基硅基丙基二乙烯三胺5 g一起加入步骤A制得的反应液中，在机械搅拌下加热回流24小时，然后趁热真空抽滤，再依次用沸腾的甲苯、乙醇、75%乙醇、甲醇洗涤，真空干燥5 h。

步骤C：将步骤B制得的氨基甲酸酯改性硅胶置于二甲苯溶液中，加热至100°C，依次滴入三甲基氯硅烷、吡啶，回流条件下反应24小时，过滤除去溶剂，填料用甲醇洗涤，真空干燥5 h。

元素分析测得上述产物的碳含量为15.02%，氮含量为3.64%。

实施例4：具有阴离子交换功能的氨基甲酸酯嵌入型蒽甲基键合硅胶的制备

步骤A：5.83 g的9-蒽甲醇溶于50 mL二甲基甲酰胺，升温至60°C，向其内快速投入N,N’-羰基二咪唑4.54 g，5 min完成，然后保持温度不变反应1 h，将3-氨基丙基三甲氧基硅烷5.02 g滴入反应体系中，保持温度不变继续反应2小时。

步骤B：将活化硅胶（平均直径5 μm，比表面积350 m2 g-1）20.0 g与50 mL二甲基甲酰胺混合，机械搅拌成为浆状物，再加入3-氨基丙基三甲氧基硅烷2.51 g，一起投入A的反应体系，在机械搅拌下加热回流24小时，然后趁热抽滤，再依次用沸腾的二甲基甲酰胺、乙醇、75%乙醇、甲醇洗涤，真空干燥5 h，得到具有阴离子交换功能的氨基甲酸酯嵌入型蒽甲基键合硅胶。

步骤C：然后将步骤B制得的氨基甲酸酯改性硅胶置于乙苯中进行封尾，加热至110°C，依次滴入三甲基硅咪唑、吡啶，回流条件下反应24小时，过滤除去溶剂，填料用甲醇洗涤，真空干燥5 h。

元素分析测得上述产物的碳含量为17.02%，氮含量为2.78%。

实施例5：具有阴离子交换功能的氨基甲酸酯嵌入型胆固醇基键合硅胶的制备

步骤A:5.41 g的胆固醇溶于30 mL二甲基乙酰胺，升温至80°C，向其内快速投入N,N’-羰基二咪唑2.27 g，5 min完成，然后保持温度不变反应1 h，将N-三甲氧基硅基丙基乙二胺3.11 g滴入反应体系中，保持温度不变继续反应2小时。

步骤B：将活化硅胶（平均直径5 μm，比表面积350 m2 g-1）20.0 g与50 mL二甲基乙酰胺混合，机械搅拌成为浆状物，再加入3-氨丙基三甲氧基硅烷0.63 g，投入A的反应体系，在机械搅拌下加热回流24小时24 h，然后趁热抽滤，再依次用沸腾的二甲基乙酰胺、乙醇、75%乙醇、甲醇洗涤，真空干燥5 h，得到具有阴离子交换功能的氨基甲酸酯嵌入型胆固醇键合硅胶。

步骤C：然后将步骤B中制得的氨基甲酸酯改性硅胶置于苯中进行封尾，加热至110°C，依次滴入六甲基二硅氮烷、吡啶，回流条件下反应24小时，过滤除去溶剂，填料用甲醇洗涤，真空干燥5 h。

元素分析测得上述产物的碳含量为19.48%，氮含量为2.03%。

Claims (8)

1.一种具有离子交换特征的氨基甲酸酯色谱填料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.将醇溶于非质子溶剂中，机械搅拌下加热至60-80摄氏度，加入N,N’-羰基二咪唑，反应1小时，再加入氨基硅烷，温度不变继续反应2小时得到氨基甲酸酯功能化硅烷；

B.将硅胶和带有氨基或者酯的硅烷加入步骤A制得的反应液中，在机械搅拌下加热回流24-48小时，然后趁热真空抽滤，再依次用沸腾的步骤A中的非质子溶剂、乙醇、75％乙醇、甲醇洗涤，然后真空干燥，得到氨基甲酸酯改性硅胶；

C.将步骤B制得的氨基甲酸酯改性硅胶置于芳香烃溶液中，加热至100-110摄氏度，依次滴入封尾剂、吡啶，继续反应24小时，过滤除去溶剂，再用甲醇洗涤，经过干燥，得到氨基甲酸酯功能化液相色谱填料。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述醇为叔醇以外的醇，包括甲醇、乙醇、辛醇、十四醇、十六醇、十八醇、二十二醇、三十醇、苄醇、9-蒽甲醇、1-芘甲醇、β-苯乙醇、乙二醇、己二醇、丙三醇、异丙醇、异丁醇、仲丁醇、α-苯乙醇、胆固醇、1,2-环己醇、1,4-环己醇、环十二醇。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于非质子溶剂为苯、甲苯、二甲苯、乙腈、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、四氢呋喃、1,4-二氧六环。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述N,N’-羰基二咪唑的摩尔当量为醇的98-100％，氨基硅烷的摩尔当量为醇的96-98％。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述氨基硅烷为末端至少带有一个氨基的硅烷，符合如下结构式：(X)₃-Si-CH2-(CH2)_n-NH-R，其中X至少有一个为烷氧基，n为大于等于1的自然数，R为氢原子或芳香基、烷基、芳香烷基取代基。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述带有氨基或者酯的硅烷不同于A步骤中的氨基硅烷，符合如下结构式：(X)₃-Si-CH2-(CH2)_n-NH-C(＝O)-C(＝O)-O-CH₃，其中X为至少一个烷氧基，n为大于等于1的自然数。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述芳香烃为甲苯、二甲苯、乙苯或苯。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述封尾剂为三甲基硅咪唑、三甲基硅基二甲胺、N,O-双三甲硅基三氟乙酰胺、六甲基二硅氮烷、三甲基氯硅烷。

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