DD237841A1 - Verfahren zur herstellung von ionenaustauschern - Google Patents

Abstract

Ziel ist es, einen Ionenaustauscher fuer molekularbiologische Arbeiten herzustellen, der eine hohe Bindungskapazitaet bei schonender Elution aufweist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, tertiaere Amine so an Trihalogen-s-triazin enthaltende Polymere zu binden, dass wenig oder keine Hydrolyseprodukte entstehen. Die Loesung der Aufgabe erfolgt dadurch, dass das polymere Material mit einem oder mehreren tertiaeren Aminen in Gegenwart von im wesentlichen wasserfreien organischen Loesungsmitteln bei Temperaturen zwischen 20 und 100C innerhalb von 1-180 min umgesetzt wird. Der mit Hilfe der Erfindung hergestellte Ionenaustauscher wird fuer analytische und praeparative Arbeiten in der Mikrobiologie, Biochemie und Gentechnologie eingesetzt.

Description

verwendet werden, in der R¹, R² und R³ einen ggf. durch OH-Gruppen oder Halogen, Schwefel, Phosphor und/oder Silizium enthaltende Gruppen substituierten, ungesättigten, gesättigten, geradkettigen oder verzweigten aliphatischen Rest mit 1-25 C-Atomen, einen cycloaliphatischen Rest, einen ggf. substituierten, aromatischen Rest oder einen heterozyklischen Rest bedeuten.

3. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß tertiäre zyklische Amine, in denen mindestens 1 Stickstoffatom einem Ring angehört, verwendet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß bicyklische Amine, in denen mindestens ein Stickstoffatom 2 Ringen angehört, verwendet werden.

5. Verfahren nach Punkt 1,3 und 4, gekennzeichnet dadurch, daß als tertiäres Amin Diazabicyclooktan verwendet wird.

6. Verfahren nach Punkt 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß mindestens eine am Stickstoff substituierte Gruppe weiterhin durch eine Hydroxylgruppe substituiert ist.

7. Verfahren nach Punkt 1-6, gekennzeichnet dadurch, daß afs Polymere Cellulose, Cellulosederivate, modifizierte Cellulose, Cellulose-Copolymere, gepfropfte Cellulose, Acrylat-Polymefe und -Copolymere, Polyurethane, Polyamide, Polyimide, Polysiloxane, Polysulfone, Polystyren und -Copolymere, in Form von Pulvern, Granulaten, Fasern, Kurzfasern, Fasergebilden, Geweben, Papieren, Vliesen, Folien, Hohlfasern, Membranen, Schleuchen und Schäumen verwendet werden.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Ionenaustauschern aus Polymeren und Triazinen, die für analytische und präparative Verfahren in der Mikrobiologie, Biochemie und in der Gentechnologie angewandt werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Ionenaustauscher auf der Basis von Polymeren unterschiedlichster Art sind bekannt. Von diesen werden eine Vielzahl technischer Produkte auf Basis Polystyren und Cellulose hergestellt. Andere Polymere und Copolymere sind ebenfalls beschrieben, haben jedoch nicht die Bedeutung dieser beiden Massen erreicht.

Ionenaustauscher auf Cellulosebasis werden z.B. nach der DE-OS 2908185 durch Umsetzung mit Iminodiessigsäure oder Iminodipröpionsäure hergestellt. In der DE-OS 3130178 wird ein Verfahren zur Herstellung von faserigen Ionenaustauschern durch Agglomerisation mit einem hydrophoben Polymeren beschrieben. Nach der US-PS 3823133 wird DEAE-Cellulose durch Derivatisierung von Cellulose mit Diethylaminoethylchlorid hergestellt, um einen Anionenaustauscherzu erhalten. Nach diesem Verfahren erhält man Kationen-oder Anionenaustauscher mit sehr fester Bindung der zu bindenden Spezies und oftmals sehr geringer mechanischer Stabilität.

In dem DD-WP 148955 wird die Umsetzung von Cellulose (Papier) mit Cyanurchlorid zum Zwecke der Aktivierung beschrieben. Nach diesem Verfahren lassen sich keine Ionenaustauscher herstellen, auch das Hydrolyseprodukt weist keine lonenaustauschereigenschaften auf. Ein analog der DEAE-Cellulose hergestelltes Anionenaustauscherpapier hat eine geringe mechanische Stabilität und ist daher in seinem Anwendungsbereich in der Biochemie begrenzt.

Die Umsetzung von 2,4,6-Trihalogen-1,3,5-triazinen mit Aminen ist bekannt. Bei Verwendung von tertiären Aminen erhält man hauptsächlich Hydrolyseprodukte. Bei der Umsetzung von Cyanurchlorid mit Pyridin in Gegenwart von wenig Wasser erhält man nach SAU RE, Chem. Ber. 83,335 (1950) farblose Kristalle des Dipyridyl-dihydrochlorids, bei Anwesenheit von mehr Wasser erhält man hauptsächlich das 2,4-Dihydroxy-6-(4-pyridyl-)1,3,5-triazin, d. h. ein Produkt ohne lonenaustauscherfähigkeiten. Nach FOYE und BUCKPITT (J. Amer. Pharmaceut. Assoc. Vol. 41, Nr.7, S.385,1952) werden aus 2-substituierten-4,6-dihalogen,1,3,5-triazinen und aus Cyanurchlorid in Gegenwarttertiäre Amine nur die Hydroylseprodukte erhalten, d. h. Cyanursäure im Falle des Cyanurchlorids Cyanursäure und bei den 2-substituierten Verbindungen 2-substituierte-4,6-dihydroxy-1,3,5-triazine, jedoch in keinem Fall Additionsprodukte der tertiären Amine oder anionenaktive Produkte.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung hat das Ziel, auf einfache Weise Ionenaustauscher herzustellen, die insbesondere für molekularbiologische Arbeiten geeignet sind, d. h. die eine hohe Bindungskapazität bei schonender Elution aufweisen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, tertiäre Amine so an Trihalogen-s-triazin enthaltende Polymere, die das Triazin kovalent gebunden und/oder als Füllstoff enthalten, zu binden, daß wenig oder keine Hydrolyseprodukte entstehen.

Die Lösung der Aufgabhe erfolgt dadurch, daß das polymere Material mit einem oder mehreren tertiären Aminen in Gegenwart von im wesentlichen wasserfreien organischen Lösungsmitteln bei Temperaturen zwischen —20⁰C und 100°C innerhalb von 1-180 min umgesetzt und anschließend getrocknet oder ggf. mit Lösungsmitteln, Wasser, Salzlösungen und/oder verdünnten Säuren gewaschen und getrocknet wird.

Überraschend wurde nämlich gefunden, daß bei der Umsetzung tertiärer Aminogruppen mit an polymere Materialien gebundenem 2,4,6-Trihalogen-1,3,5-triazin eine Substitution desTriazinringes unter Bildung quarternärer Ammoniumgruppen erzielt wird, wenn die Reaktion in Lösungsmitteln durchgeführt wird, die praktische kein Wasser oder dieses nur in geringen, in der Laborpraxis üblichen Mengen enthalten. Der Reaktionsverlauf kann dann formal folgendermaßen beschrieben werden:

In einer Parallelreaktion reagieren freies und gebundenes 2,4,6-Trichlor-1,3,5-triazin mit dem tertiären Amin. Auf Grund seiner höchsten Reaktivität wird zunächst das erste Chloratom des freien Trichlortriazins reagieren, damit gleichzeitig und danach die zweiten Chloratome sowohl des an den polymeren Träger substituierten als auch des freien Trichlortriazins. Unter diesen Reaktionsbedingungen ist eine Substitution des dritten Chloratoms möglich, so daß im Endprodukt neben dem in Lösung gehenden und dort verbleibenden substituierten Triazin sowohl durch das tertiäre Amin mono- als auch disubstituierte, an den Träger fixierte Triazinreste hergestellt werden.

Geeignete Lösungsmittel für die Reaktion sind Benzen, Toluen, Xylen, Ethylbenzen, Mesitylen, Dioxan, Chloroform, Aceton, Methylethylketon, Dekalin, Tetralin, Cyclohexanon, Cyclohexan, Trichlorethylen usw.

Geeignete tertiäre Amine sind Verbindungen der allgemeinen Formel

R—

(3)

in der R¹, R² und R³ jeweils unabhängig voneinander einen aliphatischen Rest mit 1 bis 25 C-Atomen, einen cycloaliphatischen Rest, einen, ggf. substituierten, aromatischen Rest, einen heterozyklischen oder Alkenylrest bedeuten. Von Bedeutung sind ferner zyklische Amine, z. B. substituierte Pyrimidine, Piperidine, Piperazine, ferner Diazabicyclooctan, Diazabicycloundecan, Imidazol, N-substituierte Morpholine usw. Außerdem können die Amine wiederum substituiert sein, z.B. können ω-Hydroxyalkylgruppen, durch tertiäre Amine substituierte Phenole, durch Carbonsäuregruppen, Sulfonsäuregruppen oder Phosphorsäuregruppe substituierte tertiäre Phenylamine eingesetzt werden. Durch die Möglichkeit der direkten Umsetzung z.B. von tertiären Aminen mit Säuregruppen und den an polymere Materialien gebundenen 2,4,6-Trihalogen-1,3,5-triazinen kann man schnell Kationenaustauscher erhalten.

Von besonderem Interesse für bestimmte biochemische Arbeiten sind die Umsetzungsprodukte des Diazabicyclooctans, bei dem zwei tertiäre Stickstoffatome in einem gespannten Ringsystem mit frei liegenden freien Elektronenpaaren an den Stickstoffatomen vorliegen:

- ό - £.Ο I Ot I

Diese Reaktion wird vorteilhaft in Aceton oder Dioxan durchgeführt. Nach der relativ schnell ablaufenden Reaktion (d.h. innerhalb von 1 bis 10 Minuten) läßt sich durch Waschen mit verdünnten Mineralsäuren auch das zweite Stickstoffatom quarternisieren.

Bedeutung hat zur Einstellung der Hydrophilie und die Abspaltbarkeit in wäßrigem Medium die Verwendung substituierter Amine und ihre Umsetzbarkeit unter schonenden Reaktionsbedingungen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich in einem schnellen Schritt anionenaktive Ionenaustauscher mit endständigen hydrophilen Gruppen z. B. Hydroxylgruppen, herstellen, wobei die Hydroxylgruppen unter diesen Bedingungen praktisch nicht reagieren. Hierfür geeignete Amine sind z. B. Alkanolamine unterschiedlichen Substitutionsgrades, z. B. Dimethylethano'lamin, Diethylethanolamin, Methyldiethanolamin, Dimethylpropanolamin, 4-(Dimethylaminomethyl-)phenol, 2,4,6-Tris-(dimethylaminomethyl-)phenol usw. Je nach Zahl der verwendeten Hydroxylgruppen und der Länge der Alkylketten bzw. der Anzahl der Aromaten ergibt sich eine unterschiedliche Hydrophilie des Trägers. Weiterhin sind für diese Reaktion N-(a>-Hydroxyalkyl-)heterozyklen geeignet, z. B. N-(2-Hydroxyethyl-)piperidin, N-Bis-(2-Hydroxylethyl-)piperazin, N-(2-Hydroxylethyl-)N'-ethylpiperanzin usw. Für diese Reaktion können mit Wasser mischbare und mit Wasser nicht mischbare Lösungsmittel eingesetzt werden, vorausgesetzt, daß der Wassergehalt niedrig gehalten wird.

Als polymere Materialien lassen sich praktisch alle die Polymere einsetzen, die 2,4,6-Trihalogen-1,3,5-Triazin kovalent gebunden und/oder als Füllstoff enthalten. Solche Polymere sind Cellulose, Cellulosederivate, modifizierte Cellulose, Acrylat-Polymere und -Copolymere, Polyurethane, Polyamide, Polyimide, Cellulose-Copolymere, Polysiloxane, Polysulfone usw. Diese Polymeren können in Form von Pulvern, Granulaten, Fasern Kurzfasern, Fasergebilden, Geweben, Vliesen, Papieren, Folien, Hohlfasern, Membranen, Schläuchen und Schäumen vorliegen.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden lonenaustauschermaterialien in verschiedener geometrischer Form aus üblichen Rohstoffen durch eine einfache Reaktion zur Verfügung gestellt, die eine hohe Bindungskapazität für biologische und medizinische Materialien bei Normalbedingungen aufweisen, und durch einfache Operationen diese biologischen Stoffe wieder zurückgewonnen werden können. Sie eignen sich daher nicht nur für.analytische, sondern auch für präparative Trennverfahren und für Reaktionen mit biologischen Materialien, während diese fixiert sind. Darüber hinaus sind durch die Verwendung speziell substituierter AmineTrägermaterialien für spezifische Reaktionen und auch fürquantitativarbeitendeTeststreifen herstellbar.

Ausführungsbeispiele

In den Ausführungsbeispielen werden Trägermaterialien verwendet, nämlich Basisträger A: ein flächigerTräger auf Cellulosebasis, der nach DD-WP-Anm. C 08 C/262 265/7 mit 2,4,6-Trichlor-1,3,5-triazin

umgesetzt wurde und auf der Oberfläche noch freies 2,4,6-Trichlor-1,3,5-triazin und Natriumchlorid aufweist Basisträger B: ein flächiger Träger aus einem Kopolymeren aus mikrokristalliner Cellulose, Polyamidkurzfasern, Polyacrylat und Carboxymethylcellulose, der nach DD-WP-Anm. C 08 C/262 265/7 mit 2,4,6-Trichlor-1,3,5-triazin

umgesetztwurde

Basisträger C: ein körniger Träger aus einem Copolymeren aus mikrokristalliner Cellulose und Polystyren, der nach

DD-WP-Anm. C 08 L/262 265/7 mit 2,4,6-Trichlor-1,3,5-triazin umgesetzt wurde. Basisträger D: ein schaumförmiger Träger auf Basis Polyurethan (ausGlucosepolyetheralkohol,Aminpolyetheralkohol, Wasser und Diphenylmethandiisocyanat) mit 3 Gew.-% mikrokristalliner Cellulose als Füllstoff, der nach

DD-WP-Anm. C 08 L/262 265/7 mit 2,4,6-Trichlor-1,3,5-triazin umgesetztwurde. Bindungskapazität:

0,5cm² des aktivierten Trägers werden mit 100μ.Ι einer Lösung versetzt, die 250/xg DNS aus Kalbsthymus enthält und danach 12 Stunden bei Zimmertemperatur stehengelassen. Danach wird die überstehende Lösung abpipettiert und 3 x mit je 1ml Wasser gewaschen. Nach der letzten Wäsche wird der Träger zwischen Filterpapier getrocknet. Anschließend wird die gebundene Menge DNS (als ³²P-markiert) gemessen. Aus dem Ausgangswert und dem gemessenen Wert wird die Bindungskapazität errechnet nach:

Rinrhinn^^nnr-itTi· gemessener IVert „_. _ . , 2> oxndungsxapazitat = ώ-___ . 2oO . 2 (/Ug/ciO

Stabilität der Bindung:

0,5cm² des aktivierten Trägers werden mit etwa 2% ihrer Kapazität mit einem ³²P-markierten Oligonucleotid versetzt und trocknen gelassen. Nach dem Trocknen wird jeweils in 1 ml Wasser der vorbestimmten Temperatur behandelt und die noch gebundene Menge an Oligonucleotid gemessen und in % der Ausgangsmenge angegeben.

Beispiel 1

Eine Probe von 50cm² des Basisträgers A wird mit 19g Xylol und 1 g Triethylamin in einer Glasschale 10 min bei Zimmertemperatur geschüttelt. Danach wird 4x je 30 ml Wasser gewaschen und bei Zimmertemperatur in der Luft getrocknet.

Nach dem Trocknen werden die Tests durchgeführt und folgende Werte erhalten:

Bindungskapazität: 200μg/cm²

Stabilität: nach 30 min/22 °C 71%

nach 30 min/40 ⁰C 69%

nach 60 min/60 ⁰C 62%

-4- Ζ,ύΙ ötl

Beispiel 2

50cm² Basisträger A werden mit 1 g Dimethylethanolamin und 19g Toluen 10 Minuten bei Zimmertemperatur geschüttelt.

Danach wird 4 χ mit je 30 ml Wasser gewaschen und getrocknet (Probe a). Der Versuch wird wiederholt, jedoch außerdem noch

mit 30ml einer 0,25%igen HCI gewaschen (b).

Bindungskapazität: (a)216/xg/cm² (b)230^g/cm²

Stabilität: ' nach 60 min/22 ⁰C 100% 100%

nach 60 min/40 °C 90% 95%

nach16Std./60°C 74% 88%.

Beispiel 3

50cm² Basisträger A werden mit einer Lösung von 1,25g 2,4,6-Tris-(dimethylaminomethyl-)phenol in 19g Xylen 20min bei Zimmertemperatur in einer Glasschale geschüttelt. Danach wird 5x mit je 30 ml Wasser einmal mit einer 1%igen NaCI-Lösung g'ewaschen.

Bindungskapazität: 186/*m/cm²

Stabilität: nach 1Std7/22°C~ 99%

nach 1Std./40°C 98%

nach 3Std./60°C 92%

nach 10 min/90 ⁰C 45%

Beispiel 4

50 cm² Basisträger A werden mit einer Lösung von 1,5 g Diazabicyclooctan in 18,5 g Aceton 30 min bei Zimmertemperatur in einer Glasschale geschüttelt. Danach wird4x mit je 30 ml Wasser gewaschen und an der Luft getrocknet. Bindungskapazität: 288/xg/cm² ,

Stabilität: nach 1Std./22°C 99%

nach 1Std./40°C 60%

nach 1Std./60°C 45%

nach 30 min/90 ⁰C 15%

Beispiel 5

50 cm² Basisträger A werden mit einer Lösung von 1 g Methyldiethanolaminin 19g Aceton 30 min bei Zimmertemperatur in einer Glasschale geschüttelt. Danach wird 4x mit je 40 ml Wasser gewaschen und an der Luft getrocknet. Bindungskapazität: T60/xg/cm²

Stabilität: nach 45 min/22 ⁰C 89%

nach 60 min/40 ⁰C 80%

nach 60 min/60 ⁰C 50%

nach 30 min/90 ⁰C 20%

Beispiel 6

50 cm² Basisträger B werden mit einer Lösung von 1 g Dimethylethanolamin in 19g Toluen 15 min bei Zimmertemperatur in einer Glasschale geschüttelt. Danach wird mit 30 ml 1:1 Aceton-Wasser-Gemisch,3x mit je 30 ml Wasser gewaschen und getrocknet.

Bindungskapazität: 268/j.g/cm²

Stabilität: nach 1 Std./22°C 96%

nach1Std./40°C 95%

nach3Std./60°C 91%

Beispiel 7

5g Basisträger C werden in 50 ml Aceton suspendiert und dazu 10 ml einer 10%igen Lösung von Dimethylethanolamin in Toluen gegeben. Das Gemisch wird 1 Stunde bei Zimmertemperatur gerührt, abgesaugt, abgepreßt, mit 2 x 20 ml Wasser gewaschen und auf Filterpapier getrocknet

Bindungskapazität: 4mg/g

Beispiel 8

Eine Glassäule von 20cm Länge und 40 mm Durchmesser wird mit Basisträger D gefüllt. Danach wird mit Toluen vorgequollen und anschließend mit einer 1%igen Lösung von Dimethylethanolamin in Toluen langsam eluiert, bis der pH-Wert des Eluates konstant ist. Danach wird zunächst mit Aceton und danach bis zum Neutralpunkt mit Wasser gewaschen.

Claims (2)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Verfahren zur Herstellung von Ionenaustauschern auf der Basis natürlicher und/oder synthetischer Polymeren, gekennzeichnet dadurch, daß Polymere mit kovalent gebundenem 2,4,6-Trihalogen-s-triazinen und/oder mit 2,4,6-Trihalogen-s-triazinen als Füllstoff mit einem oder mehreren tertiären Aminen in Gegenwart von im wesentlichen wasserfreien Lösungsmitteln bei Temperaturen zwischen —20⁰C und 100⁰C innerhalb von 1 bis 180 Minuten umgesetzt und anschließend getrocknet oder ggf. mit Lösungsmitteln, Wasser, Salzlösungen und/oder verdünnten Säuren gewaschen und getrocknet wird.
2. 2. Verfahren nach Punkt !,gekennzeichnet dadurch, daß tertiäre Amine der allgemeinen Formel