DD247458A1 - Verfahren zur herstellung von aktiven traegermaterialien - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf neue, aktive Traegermaterialien fuer die Molekularbiologie, die durch Modifikation der Oberflaeche von OH- und/oder NH-Gruppen enthaltenden Polymeren in ihrer Hydrophilie, ihren Ionenaustauscheigenschaften und ihrer chemischen Aktivitaet eingestellt werden. Erfindungsgemaess erfolgt die Aktivierung durch Umsetzung an der Oberflaeche des Polymeren mit Oxirangruppen enthaltenden siliziumorganischen Verbindungen und mindestens eine Aminfunktion im Molekuel enthaltenden Verbindungen ggf. in Gegenwart von als Lewis-Saeure wirkenden Metallverbindungen oder schwachen Alkalibasen in einem oder mehreren organischen Loesungsmitteln bei 0 bis 160C innerhalb von 1 Minute bis 100 Stunden.

Description

wobei R = OR⁵,-NR⁶R⁷,-SR⁸, R⁹;

R¹ = -(CH₂L-, O, S, NH, NR¹⁰,-O(CH₂)_mNR¹⁰-,-O(CH₂)_m-,-OAr-,-SAr-,-OArC(R⁶R⁷JAr-,-OAr-C(R⁶R⁷I-Ar-O-, heterozyklische Reste;

R², R³ = Wasserstoff, C₁-C₈-AIlCyI, Alkenyl, Aryl oder Halogen;

R¹ und R³ zusammen einen Ring mit 4 bis 8 C-Atomen;

R⁴ = Wasserstoff, C_rC₈-Alkyl, Alkenyl, Aryl oder Halogen;

R⁵, R⁶, R⁷ = gleich oder verschieden C₁-C₈-Alkyl, Aryl, Alkenyl, substituiertes Aryl; R^ R⁹, R¹⁰ = gleich oder verschieden C₁-C₁₈-AIkYl, Alkenyl, Aryl oder substituiertes Aryl; Ar = Phenyl oder substituiertes Phenyl;

η = 1,2 oder 3 und

m = 1 bis 18

bedeutende Mol Hydroxyl- und/oder.Aminfunktion und gleichzeitig oder in einen zweiten Schritt mit 0,01 bis 9 Mol an Verbindungen mit mindestens einem Stickstoffatom und ggf. zusätzlich Silizium im Molekül in Gegenwart von 0 bis 10 Mol-%, bezogen auf 1 Mol Hydroxyl- und/oder Aminfunktion des/der Polymeren als Lewis-Säure wirkende Metallverbindungen oder schwacher Alkalibasen bei Temperaturen von 0°C bis 160⁰C innerhalb von 1 Minute bis 100 Stunden umgesetzt wird. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß Cellulose, Cellulosederivate und/oder Pfropfcopolymere der Cellulose in mindestens einem organischen Lösungsmittel mitOxiranverbindungen derallgemeinen Formel (I) innerhalb von 1 Minute bis acht Stunden bei 20⁰C bis 9O⁰C mit einer Verbindung, die mindestens ein primäres, sekundäres oder tertiäres Stickstoffatom und ggf. zusätzlich Silizium enthält in Gegenwart von 0,01 bis 1 Mol-% einer als Lewis-Säure wirkenden Metallverbindung oder einer schwachen Alkalibase, bezogen auf die funktionellen Gruppen des/der Polymeren, umgesetzt werden.

Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß Cellulose in Form von Papier, Perlpolymerisat oder Pulver mit einer Verbindung der allgemeinen Formel (I) in aromatischen Kohlenwasserstoffen und/oder Ethern mit einem Amin, das mindestens ein primäres und ein tertiäres Stickstoffatom enthält und/oder einer Verbindung der Formel

worin ReineCi-Ce-Alkylgruppe, R' eine Alkylengruppe mit 1 bis 18 Kohlenstoffatomen, R" und R'" unabhängig voneinander Wasserstoff, ggf. substituierte Alkylgruppen mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen oder ggf. substituierte Arylgruppen bedeuten, in Gegenwart von 0,001 bis 0,1 Mol-%, bezogen auf die funktionellen Gruppen des Polymeren, einer zinnorganischen Verbindung innerhalb von 10 bis 180 Minuten umgesetzt wird.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von aktiven Trägermaterialien aus natürlichen oder künstlichen Polymeren in Form von Pulver, Granulat, Kugeln, Fasern oder Flächengebilden für die Molekularbiologie, medizinische Diagnostik, Chromatographie, Mikrobiologie, Biotechnologie und Gentechnik.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Für den Einsatz in der Molekularbiologie sind eine Vielzahl von Trägern auf der Basis synthetischer oder natürlicher Polymerer entwickelt worden. Es sind in der Regel Derivate dieser Polymere, die durch verschiedenartige Modifizierungen hergestellt werden. Übliche Aktivierungsverfahren für die Polymere werden mit Halogen enthaltenden Verbindungen, Aldehyden, Säurehalogeniden, durch Diazotierung usw. durchgeführt. Außerdem ist die Umsetzung mit Epoxiden möglich, wie sie z. B. von L.G. Moss, J. P.Moore und L.Chan in J. Biol. Chem. 256 (24), S. 12655-12658 (1981) beschrieben wurde. Nach diesem Verfahren werden Diepoxyverbindungen mit Cellulosepulver in wäßriger Natronlauge in Gegenwart von Natriumborhydrid umgesetzt.

Der so erhaltene Träger weist eine relativ niedrige Kapazität zur kovalenten Bindung von Biomolekülen auf. lonenaktive Trägermaterialien auf Cellulosebasis sind nach dem DD-WP 228.461 bekannt. Die Herstellung dieses Materials erfordert jedoch einen hohen Aufwand, es ist in seinen Eigenschaften nicht einstellbar und weist bei hoher Hydrophilie ausschließlich Anionenaustauschereigenschaften auf.

Weiterhin ist die Behandlung von textlien Fasern und Papier mit Epoxiden und siliziumorganischen Verbindungen bekannt. So wird z.B. in der US-PS 3.655.420 ein Behandlungsmittel für Fasern aus 0,3 bis 20Gew.-% Epoxysilan und 1 Gew.-% einer Aminverbindung mit mehr als zwei Aminogruppen im Molekül beschrieben. Zur Haftvermittlung beim Färben von Fasern werden diese nach der US-PS 3.545.909 mit Polyaminosilanen oder Aminoalkylsilanen behandelt. Ein weiteres Verfahren zur ' Faserbehandlung wird in der DE-OS 2335751 (= GB-PS 1.434.017) gelehrt; danach können Fasern in nicht-wäßriger Lösung mit Polysiloxanen und Aminoalkyl-alkoxysilanen umgesetzt werden. In der DE-OS 3301 667 wird ein Verfahren'zur antistatischen Ausrüstung von Fasern durch Erzeugung kationischer Verbindungen auf Cellulosefasern beschrieben, wobei eine Umsetzung von Alkalizeilulose, Glycid und organischen Ammoniumverbindungen durchgeführt wird. Schließlich wird in der DE-PS 2505742 ein Behandlungsmittel für Füllfasern aus Aminosilah und einem molaren Überschuß an Epoxysilan beschrieben. In Analogie zu der Behandlung der Fasern mit siliziumorganischen Verbindungen und/oder Epoxiden wird die Behandlung von Papier mit dieser Gruppe von Verbindungen gelehrt. So wird in der US-PS 3.061.567 z.B. die Verbesserung von Papieren durch Zusatz von Aminosilanen beschrieben. Nach der DE-OS 1696267 wird Papier zum Verleimen mit Epoxysilanen bei erhöhter Temperatur umgesetzt. In den GB-PS 804.198,875.605 und 908.988 werden Haftmittel auf Silanbasis für Papiere beschrieben. Alle diese nach dem Stand der Technik bekannt gewordenen Verfahren beziehen sich auf die Beeinflussung der Trageeigenschaften von Fasermaterialien oder die Verbesserung von Scheibpapier. Sie haben jedoch keine Zielstellung in Hinblick auf die Bindung von anderen Makromolekülen, insbesondere von Biomolekülen. Folglich läßt sich kein Bezug zwischen der Verbesserung z. B. der Färbeeigenschaften oder der Antistatik von Fasern und der Bindung von Biomolekülen herstellen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein technologisch einfaches und billig durchzuführendes Verfahren zur Aktivierung von OH- und/oder NH-Gruppen enthaltenden Polymeren zur Verfügung zu stellen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, die Oberfläche von OH- und/oder NH-Gruppen enthaltenden Polymere in ihrer Hydrophilie, ihren lonenaustauschereigenschaften und ihrer chemischen Aktivität einzustellen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Oberfläche von festen natürlichen oder synthetischen Polymeren oder Gemischen davon mit Hydroxyl- und/oder Amingruppen an, in der Hauptkette oder an Seitengruppen in organischen Lösungsmitteln oder Gemischen mit 0,1 bis 10 Mol mindestens eine Oxirangruppierung enthaltenden siliziumorganischen Verbindungen der allgemeinen Formel

\ 4

wobei R = -OR⁵, -NR⁶R⁷, -SR⁸, R⁹;

R¹ = -(CH₂L-, O, S, NH, NR¹⁰,-O(CH₂)_mNR¹⁰-,-O(CH₂)_m-,-OAr-,-SAr-,-OArC(R⁶R⁷)Ar,-OAr-C(R⁶R⁷I-Ar-O-, heterozyklische Reste;

R² = Wasserstoff, Ci-C₈-AIkVl, Alkenyl, Aryl oder Halogen;

R³ = Wasserstoff, Ci-Cg-Alkyl, Alkenyl, Aryl oder Halogen;

R¹ und R³ zusammen einen Ring mit 4 bis 8 C-Atomen;

R⁴ = Wasserstoff, C₁-C₃-AIkYl, Alkenyl, Aryl oder Halogen;

R⁶, R⁶, R⁷ = gleich oder verschieden C₁-C₃-AIkYl, Aryl, Alkenyl, substituiertes Aryl; R^a,.,R⁹, R¹⁰ = gleich oder verschieden C₁-C₁₈-AIkVl, Alkenyl, Aryl oder substituiertes Aryl;

Ar ^ phenyl oder substituiertes Phenyl;

η = 1,2, 3 und

m'= 1 bis 18

bedeuten, je Mol Hydroxyl- und/oder Aminfunktion und gleichzeitig oder in einem zweiten Schritt mit 0,01 bis 9 Mol an Verbindungen mit mindestens einem Aminstickstoff und ggf. zusätzlich Silizium im Molekül in Gegenwart von 0 bis 10 Mol-%, bezogen auf 1 Mol Hydroxyl- und/oder Aminfunktion des/der Polymeren als Lewis-Säure wirkende Metallverbindungen oder schwacher Alkalibasen bei Temperaturen von 0 bis 160⁰C innerhalb von 1 Minute bis 100 Stunden umgesetzt wird. Als geeignete Polymere für das erfindungsgemäße Verfahren kommen Cellulose und deren Derivate, einschließlich der Ether, Ester und Copolymeren, Polyamide, Polyurethane, funktionalisierte Homo- oder Copolymere von Olefinverbindungen, z. B. hochmolekulare, hydroxylgruppenhaltige Polybutadiene, Polyetheramine, Polyester, Polyetherester und Verbünde z. B. aus Cellulose- und Polyamidfasern, aus Cellulose und Polyesterfasern, aus Cellulosepulver und Polyesterharz, aus Polyamidfasern und Polyepoxiden, Pulvergemische aus Cellulose und Polyamid, Cellulose und Polystyren, Perlpolymerisate aus Cellulose, aus Cellulose und Polyamid usw. in Betracht. Bevorzugt umgesetzt wird Cellulose in Form von Fasern, Granulaten, Pulver, Perlpolymerisat, Papier oder Verbunden mit anderen Fasern, z. B. Polyamidfasern oder Glasfasern, die durch Cellulosederivate und/oder Polymerdispersionen behandelt sein können.

Diese Polymeren werden in der gewünschten Form in einem organischen Lösungsmittel, z. B. in Ether, Aceton, Benzen, Toluen, Xylen, Naphthalin, Dekalin, Tetrachlorethan, Tetrahydrofuran, Dibutylether, Acetonitril, Benzonitril, Nitrobenzol usw. suspendiert oder damit getränkt und entweder zusammen mit dem Lösungsmittel oder danach die Oxiran-Verbindung und ggf. die als Katalysator wirksame Metal !verbindung und ggf. die Am inverbind u ng zugesetzt. Die Reaktion kann in Gegenwart von als Lewis-Säure wirkenden Metallverbindungen, z. B. Zinkchlorid, Zinknitrat, Zinkacetylacetonat, Titantetrachlorid, Titanalkoxyverbindungen, Bleinaphthenat, Bleidioctoat, Kobaltnaphthenat, Kobaltchlorid, Bis-(tributylzinn)-oxid, Bis-(trichlorzinn)-oxid, Zinndioctoat, Dibutylzinndiacetat, Dibutylzinndilaurat, Dioctylzinnbis-(thioglykolsäureester), Dibutylzinndimaleat usw. sowie in Gegenwart schwacher Alkalibasen wie Kaliumcarbonat, Trinatriumphosphat oder Natriumcarbonat durchgeführt werden. Von diesen Verbindungen können bis zu 10 Mol-% bezogen auf ein Mol einer Funktion des Polymeren eingesetzt werden, bevorzugt werden jedoch Mengen von 0,01 bis 1 Mol-%.

Gleichzeitig mit der Oxiranverbindung wird eine mindestens ein Aminstickstoffatom enthaltende Verbindung eingesetzt. Es ist jedoch ebenso möglich, diese Verbindung nach einer Zeit von einer Minute bis zu drei Stunden nach der Zugabe der Oxiranverbindung zuzugeben, wobei die Zeit von der Reaktionstemperatur und der Reaktivität der Oxiranverbindung abhängt. Als Aminstickstoff enthaltende Verbindungen kommen solche mit mindestens einem primären, sekundären oder tertiären Aminstickstoffatom in Frage. Diese Verbindungen können jedoch auch mehrere verschiedene oder gleiche Aminstickstoffatome enthalten. Beispiele für diese Verbindungen sind z. B. Diethylamin, Di-n-butylamin, Dimethylaethanolamin, Diethanolamin, Methyl-cyclohexylamin, Ν,Ν-Diemethylaminopropylamin, Diethylentriamin, Dipropylentriamin, Ethylendiamin, Polymere des Ethylenimins usw. Im Anschluß an diese Reaktion kann eine Quarternisierung durch Säure oder durch Alkylhalogenide nach bekannten Methoden durchgeführt werden.

Darüber hinaus können diese Aminverbindungen ebenfalls Silizium enthalten, jedoch soll das Siliziumatom nicht direkt an dem Stickstoffatom gebunden sein, so daß Silylamine ausgenommen werden. Als Amino-siliziumverbindungen sind für das erfindungsgemäße Verfahren z. B. geeignet 3-Aminopropyl-triethoxysilan,4-AminobutyltrimethoxysilanBis-(3-aminopropyl-)-diethoxysilan,4-Amino-phenyltriphenoxysilanusw.

Neben den bereits aufgeführten Aminoverbindungen können auch Polymere mit NH- bzw. NH₂-Gruppen im Molekül angewendet werden, z.B. Polyetheramine mit Mol massen zwischen 400 und 5000 und zwei bis vier Aminogruppen im Molekül oder Polyesteramine, wie sie aus Aminocarbonsäuren und Glykolen erhalten werden.

Beispiele für Oxiranverbindungen sind z. B. (2,3-Epoxypropyl-)triethoxysilan, (2,3-Epoxy-propoxy-)triethoxysilan, (3,4-EpoxybutyO-trimethoxysilan, Bis-(2,3-epoxy-propoxy-)dimethoxysilan,4-(Epoxy-ethyl-)phenyl-triethoxysilan, 4,5-Epoxycyclohexyl-trimethoxysilan usw.

Die Reaktion kann bei Zimmertemperatur und bei erhöhter Temperatur bis zu 160⁰C durchgeführt werden, wobei Reaktionstemperaturen zwischen 20 und 80⁰C bevorzugt werden. Die Reaktion kann unter Normaldruck und Überdruck, bei Normalatmosphäre und unter Schutzgas ausgeführt werden. Es ist z. B. möglich, in einem Kreislaufsystem das Polymere ständig mit dem Reaktionsgemisch zu durchströmen und so zu aktivieren.

Nach diesem Verfahren werden aktivierte Trägermaterialien erhalten, bei denen nicht alle Oxirangruppen mit anderen Reaktionspartnern umgesetzt wurden. Von den ursprünglich eingesetzten Oxirangruppen sind noch zwischen 10 und 90% in Abhängigkeit von den Reaktionsbedingungen erhalten. Durch das Nebeneinanderbestehen von Oxirangruppen und ggf, quarternisierten Aminogruppen auf dem Träger ist sowohl eine chemische Reaktion mit Biomolekülen unter Ausbildung einer kovalenten Bindung als auch die Bindung dieser Moleküle über ionische Bindungen wie bei einem Ionenaustauscher möglich. Besonders vorteilhaft ist dabei, daß die ionische Bindung relativ schnell, d. h. in einer bis zu 30 Minuten, erfolgt, während die chemische Bindung langsamer, meistens innerhalb mehrerer Stunden, z.B. in 10 bis 20 Stunden, vorsieh geht. Ein besonderer Vorteil der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Träger ist, daß auf ihm sowohl hydrophile als auch hydrophobe Bereiche vorhanden sind. Dadurch können die speziellen Wechselwirkungen, z. B. von Proteinen, mit hydrophoben Bereichen und eine zeitweil ige Fixierung an diese Bereiche erzielt werden. Beider Bindung von Nucleinsäuren oder Nucleotiden haben diese hydrophoben Bereiche den Vorteil, daß sie eine Verbreitung der aufgegebenen Menge verhindern und durch die Konzentration des Aufgabefleckes eine höhere Empfindlichkeit und damit eine zu kleineren Mengen verschobene Einsatzgrenze erreicht werden.

Ausführungsbeispiele Beispiel 1

Aus 8,5g (2,3-Epoxy-propoxy-)triethoxysilan und 48g Toluen wird in einer Glasschale von 6 χ 14cm eine Mischung hergestellt. In dieses Gemisch wird ein Blatt Filterpapier von 12 χ 5cm Größe gelegt. Nach fünf Minuten werden 5,8g Dimethylaminopropylamin hinzugefügt, die Glasschale verschlossen und drei Stunden bei Zimmertemperatur leicht geschüttelt. Danach wird das Blatt entnommen, abtropfen lassen und an der Luft getrocknet.

Bindungstest für Desoxyribonucleinsäure (DNS), etwa 300 bp: aus 100/xl Lösung mit etwa 8000 cpm radioaktiv markierter Probe auf 0,5cm²Träger, leichtes Schütteln: . .

nach 1 Stunde: 285^g/cm²

nach 12Stunden: 400yu,g/cm² weitere Eigenschaften: siehe Tabelle 1.

Beispiel 2

Aus 4,1 g (2,3-Epoxy-propoxy-)triethoxysilan und 30 g Toluen wird in einer Glasschale von 6 x 14cm eine Mischung hergestellt. In diese Mischung wird ein Blatt Filterpapier von 12 χ 5cm gelegt. Danach werden 1,3g (3-Aminopropyl-)triethoxysilan zugegeben, die Glasschale verschlossen und drei Stunden bei Zimmertemperatur leicht geschüttelt. Danach wird das Blatt entnommen, abtropfen lassen und an der Luft getrocknet

DNS-Bindungstest:

nach 1 Stunde: 390/xg/cm²

nach 12 Stunden: 475/j.g/cm² _ .

weitere Eigenschaften siehe Tabelle 1.

Beispiel 3

Aus 6,6g (2,3-Epoxypropyl-)triethoxysilan und 53g Toluen wird in einer Glasschale von 6 x 14cm Größe eine Mischung hergestellt. In dieses Gemisch wird ein Blatt Filterpapier von 12 χ 5cm Größe gelegt, die Glasschale verschlossen und drei Stunden leicht geschüttelt. Danach wird das Blatt entnommen, abtropfen lassen und in eine weitere Wanne mit einem Gemisch aus 1,1 g Ν,Ν-Dimethyl-aminopropylamin und 21 g Toluen gegeben. In diesem Gemisch wird das so vorbehandelte Blatt eine Stunde geschüttelt. Danach wird abtropfen lassen und an der Luft getrocknet. DNS-Bindungstest:

nach 1 Stunde: 126μg/cm² nach 12 Stunden: 298/j.g/cm²

Vergleichsbeispiele Es wurden unter den gleichen Versuchsbedingungen zwei Vergleichsbeispiele durchgeführt. Dazu wurden folgende Mischungen verwendet:

Vergleichsbeispiel 1: 6,6g (3-Aminopropyl-)triethoxysilan und 53g Toluen

Vergleichsbeispiel 2: 6,6g (2,3-Epoxypropoxy-)triethoxysilan und 53g Toluen. ~\_^

Es wurden Filterpapiere der gleichen Größe wie oben drei Stunden bei Zimmertemperatur umgesetzt.

DNS-Bindungstest:

	nach 1 Stunde	nach 12 Stunden
V-Bsp. 1	233 /Ltg/cm2	300 Mg/cm2
V-Bsp. 2	20μg/cm2	25μ9/οΐη2

Tabelle 1 Temperaturabhängigkeit der DNS-Bindung (in % vom Ausgangswert)

T(0C)	20	40	60	75	90	100
Nr.	100	95	94	95	95	95
Β.Ί	100	95	90	90	80	70
B. 2	100	94	92	89	82	65
B. 3	100	88	71	54	44	32
V. 1	100	80	50	44	29	19
V. 2

bei jeder Temperatur nach jeweils einer Stunde in 2ml Wasser unter leichtem Schütteln.

Claims (1)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Verfahren zur Herstellung von aktiven Trägermaterialien auf der Basis natürlicher und/oder künstlicher Polymerer und siliziumorganischer Verbindungen, gekennzeichnet dadurch, daß die Oberfläche von festen natürlichen oder synthetischen Polymeren oder Gemischen davon mit Hydroxyl- und/oder Amingruppen an, in der Hauptkette oder an Seitengruppen in organischen Lösungsmitteln oder Gemischen mit 0,1 bis 10 Mol mindestens eine Oxirangruppierung enthaltenden siliziumorganischen Verbindungen der allgemeinen Formel