DE102017009236A1

DE102017009236A1 - Oberflächenporöse Trägermaterialien sowie das Verfahren zu deren Herstellung

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Publication number: DE102017009236A1
Application number: DE102017009236.2A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Dr Albin Maisch High Performance Lc GmbH
Current assignee: Dr Albin Maisch High Performance Lc GmbH
Priority date: 2017-10-04
Filing date: 2017-10-04
Publication date: 2019-04-04

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von teilporösen Silicapartikeln für die Flüssigkeitschromatographie (High-Performance-Liquid-Chromatography, HPLC). Diese Partikel bestehen aus einem festen Kern und einer äußeren porösen Oberfläche (oberflächenporöse Silicapartikel, OP). Der nicht poröse Kern und die poröse Oberfläche (Hülle) sind irreversibel aneinander gebunden. Zur Herstellung dieser Silicapartikel werden nichtporöse Partikel zuerst chemisch so vorbehandelt, dass ihre Oberfläche anschließend entweder über eine Hydrolyse und Kondensation von Silicaprecursoren, oder durch ein Einlagern von Nanopartikeln erheblich aufgeraut und / oder vergrößert werden kann. Die Vorbehandlung der nichtporösen Partikel besteht im Wesentlichen darin, dass an ihre Oberfläche organische Polymerketten angebunden werden. Die Anbindung von Polymerketten kann mittels einer Behandlung mit für die Polymerisation notwendigen funktionellen Gruppen, mit einem funktionalisierten Silan oder in einem Adsorptionsprozess erfolgen. Im nächsten Schritt werden auf der Oberfläche der nichtporösen Partikel durch Hydrolyse und Kondensationsprozesse entsprechender Silicaprecursoren oder durch Adsorption von Silica-Nanopartikeln feste poröse SiO/SiOR Schichten aufgebaut, wobei R ein Wasserstoffatom, ein Alkyl, ein Aryl oder ein Vinyl sein kann. Anschließend werden die an der Oberfläche der nichtporösen Partikel angebundenen organischen Polymerketten durch Tempern entfernt, wodurch eine fest gebundene poröse Hülle aus SiO/SiOR zurückbleibt. Die so hergestellten Silicapartikel bestehen aus einem festen, nichtporösen Kern und einer porösen Hülle mit der Dicke von 10 bis 100 nm, die den Kern umschließt, vollständig an diesen gebunden ist und aus molekularen Silicaprecursoren oder aus einer Vielzahl von Nanopartikeln aufgebaut ist. Die Silicapartikel weisen eine Oberfläche von 10 bis 80 m/g auf.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von teilporösen Silicapartikeln für die Flüssigkeitschromatographie (High-Performance-Liquid-Chromatography, HPLC). Diese Partikel bestehen aus einem festen Kern und einer äußeren porösen Oberfläche (oberflächenporöse Silicapartikel, OP). Der nicht poröse Kern und die poröse Oberfläche (Hülle) sind irreversibel aneinander gebunden. Die poröse Oberfläche auf dem nicht porösen Silicakern wird entweder durch einen Hydrolyse- und Kondensationsprozess von Silicaprecursoren oder durch nachträgliches Einlagern von Nanopartikeln aufgebaut.
Silicapartikel mit einer vergrößerten Oberfläche haben diverse praktische Anwendungen. In der Chemie, Pharmazie und Biochemie dienen sie oft als Trägermaterialen für Katalysatoren, Wirkstoffe und Biomoleküle. Des Weiteren bilden Silicaträgermatrizes in der Flüssigkeitschromatographie (HPLC) als Packungsmaterial den Hauptbestandteil des Säulentrennmaterials.
Bei der vorliegenden Erfindung werden im Speziellen neuartige oberflächenporöse Silicapartikel mit positiven chromatographischen Eigenschaften bereitgestellt, jedoch sind die Anwendungsgebiete dieser Partikel nicht auf die Chromatographie beschränkt.
Die Flüssigkeitschromatographie dient der Separation von Stoffgemischen in ihre einzelnen Komponenten. Für gewöhnlich werden feste Stoffe in Flüssigkeiten gelöst und anschließend in einer chromatographischen Apparatur getrennt. Sowohl durch die Wahl des Elutionsmittels (Lösungsmittels) als auch durch die Wahl des Silicaträges können die Trenneigenschaften gesteuert werden.
Das Herzstück der chromatographischen Anlage ist die HPLC-Säule. Diese besteht im Wesentlichen aus einem Metallrohr, welches mit partikulärem Material dicht gepackt ist. Während für analytische Anwendungen in der Regel Säulen mit kleinen Durchmessern die Hauptrolle spielen, werden bei präparativen Applikationen Säulen mit größeren Durchmessern eingesetzt.
Die partikulären Materialien liegen meist als Granulate vor, die an ihrer aktiven Oberfläche (Silanol-Gruppen und / oder chemisch modifizierte Aryle oder Alkyle) durch verschiedene Adsorptionsmechanismen die zu trennenden Stoffe separieren. Beim Hindurchleiten des Probengemisches durch die Säule wird durch wiederholte Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Komponenten der Probe und der chromatographisch aktiven Oberfläche der Silicapartikel eine Auftrennung erreicht. Verschiedene Stoffe wandern mit unterschiedlicher Geschwindigkeit durch die Säule, da jeder Stoff mit der Oberfläche anders interagiert. Die aufgetrennten Stoffe werden anschließend durch einen Analysator geleitet, wie z.B. einen UV-Detektor, und so bestimmt. Die Proben können sowohl identifiziert als auch quantifiziert werden.
Ein wichtiger Parameter für eine gute chromatographische Trennung ist das Strömungsprofil in der Säule durch das Säulenbett hindurch. Der Einsatz von nahezu gleich großen (monodispersen) sphärischen Partikeln gewährleistet ein gleichmäßiges Durchströmen des Fluides durch das Bett. Im Idealfall werden sehr schlanke Peaks, die bis zur Basislinie aufgetrennt sind, erhalten.
Kleine Partikel bewirken, vereinfacht ausgedrückt, aufgrund kleinerer Diffusionswege innerhalb und außerhalb der Partikel schlankere Peaks. Jedoch erzeugen kleine Partikel beim Durchfließen des Trennungsgemisches einen höheren Gegendruck, der nur durch ein aufwendiges Pumpensystem kompensiert werden kann. Alternativ kann die Trennleistung auch durch eine Vergrößerung der aktiven Partikeloberfläche durch mehr oder längere Poren, wie sie in total porösen Partikeln (TP) vorkommen, gesteigert werden (1). Die langen Retentionszeiten führen zu sehr langen Trennzeiten und machen die HPLC uneffektiv. Längere Poren sind in der Regel zudem noch verwinkelter, was einen weiteren großen Nachteil mit sich bringt: Die Probenmoleküle kommen bei der Trennung nur mit unterschiedlicher Verzögerung wieder aus den Poren heraus, was die Peaks verbreitert. Je länger die Poren sind, desto stärker ausgeprägt ist dieser Effekt.
Bei nichtporösen Partikeln (NP) dagegen ist dieser negative Effekt nicht vorhanden. Nicht poröse Partikel (NP) haben jedoch auf Grund ihrer sehr kleinen äußeren Oberflächen (nur ca. 1 % im Vergleich zu total porösen Partikel) einen großen Nachteil: Die Trennungen erfolgen, bedingt durch die sehr kleinen Kontakt-Oberflächen zwischen Probe und Partikel, sehr schnell und überfordern oft die Leistungsfähigkeiten der chromatographischen Geräte (1).
Mit den bereits zahlreich auf dem Markt erhältlichen „Superficial Porous Particle“ Materialien (SPP-Phasen) wurde ein guter Kompromiss zwischen den TP- und NP-Partikeln gefunden, während die nichtporösen Partikel auf Grund der erwähnten Nachteile an Bedeutung zu verlieren scheinen. Die SPP-Phasen bestehen aus Core-Shell-Partikeln, die einen festen nichtporösen Kern aufweisen der von einer großen porösen Hülle umgeben ist (1).
Mit der Entwicklung einer Synthesestrategie zur Herstellung von nichtporösen sphärischen Silicapartikeln im Jahre 1968 legten Stöber et. al (Stöber, W.; Fink, A.; Bohn, E. J. Coll. and Interface Sci., 1968, 26, 62) den Grundstein für teilporöse HPLC-Träger. Sogenannte Stöber-Partikel sind dichte unporöse SiO₂ Partikel, die eine sehr schmale Größenverteilung aufweisen. Die Oberflächenbeschaffenheit zeichnet sich durch eine glatte gleichmäßige Struktur aus. 1986 publizierten K.K Unger et. al. (Unger, K. K.; Jilge, O.; Kinkel, J. N.; Hearn, M. T. W. J. Chromatogr. A 1986, 359, 61) die Anwendung von 1,5 µm nichtporösen sphärischen Siliziumdioxidpartikeln (NP) als HPLC Trennmaterialien zur Separation von Proteinen (1).
Durch die nichtporösen Silicapartikel ist ein schneller Massentransport gewährleistet. Gleichzeitig wird durch die schmale Größenverteilung der Partikel ein einheitliches Säulenbett erhalten, da sich die Partikel in dicht gepackten Strukturen anordnen, was für ein gleichmäßiges Strömungsprofil sehr wichtig ist. Durch diese Kombination können extrem schmale Peaks, hohe Trenneffizienzen und schnelle Analysezeiten erreicht werden. Jedoch steigt der Gegendruck in der Säule aufgrund des kleinen Partikeldurchmessers drastisch an.
Bereits 1967 wurde ein Verfahren zu Darstellung von Siliziumdioxidpartikel mit einem festen Kern und einer porösen Außenhülle beschrieben ( US3505785 ) (1, SPP). Bei diesem Verfahren wurden Partikel synthetisiert, welche im Größenbereich von 5 bis 500 µm liegen. Durch abwechselndes schrittweises Beschichten mit Monolagen geladener organischer Polymere und kleinen Silica-Nano-Partikeln konnten vergrößerte Oberflächen erreicht werden. Die kleineren Silica-Nano-Partikel wurden durch elektrostatische Anziehungskräfte zwischen Polymer und Nano-Partikel an die großen Stöber-Partikel adsorbiert. Abschließend wird durch einen Sinterprozess das organische Polymer entfernt und gleichzeitig eine chemische Verbindung zwischen den kleinen adsorbierten Nano Partikeln aufgebaut. Kommerziell waren diese 30 µm große Partikel, die mit einer 1 µm dicken porösen Hülle ummantelt waren, unter dem Handelsnamen „Zipax“ von DuPont erhältlich.
Ein ähnliches Verfahren wurde in US6479146 beschrieben. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass der Kern hier aus einem Polystyrol-Polymer aufgebaut ist.
Eine andere Methode zum Aufbau solcher Kern-Schalen SPP Partikel wurde in US7846337 beschrieben (1). Bei diesem Ein-Topf-Verfahren wird in der Reaktionslösung ein Harnstoff-Formaldehyd Polymer um die Stöber-Partikel aufgebaut, welches die kleineren Nano-Partikel schrittweise an der Oberfläche adsorbiert. Dadurch können dicke poröse Schichten um feste Kernpartikel aufgebaut werden. Auch hier wird das organische Polymer durch einen Sinterprozess abschließend entfernt. Kommerziell sind diese Partikel mit einer 0,2-0,5 µm dicken Schicht unter dem Handelsnamen „Poroshell“ von Agilent Technologies (Wilmington, Delaware) erwerblich.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Silicapartikel für die Flüssigkeitschromatographie sowie ein Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen, mit denen eine im Vergleich zum Stand der Technik verbesserte chromatographische Trennung möglich ist.
Bei den Silicapartikeln handelt es sich in der vorliegenden Erfindung um monodisperse oberflächenporöse Siliziumdioxid-Mikropartikel (OP) (1 und 2). Die OP (10) bestehen aus einem festen, nichtporösen Kern (100). Umgeben ist dieser mit einer Hülle (200), die den Kern umschließt und vollständig an diesen gebunden ist. Die oberflächenaktive Hülle um den Kern (200) kann aus molekularen Silicaprecursoren oder aus einer Vielzahl von Nanopartikeln aufgebaut werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass eine poröse Hülle auf der Oberfläche der vorgefertigten nichtporösen Silica-Partikel schrittweise aufgebaut wird. Im ersten Schritt des Herstellungsverfahrens werden auf der Partikeloberfläche organische Polymerketten tentakelartig angebunden. Diese Polymertentakel bilden das organische Templat. Danach wird innerhalb der Polymertentakel entweder über die Hydrolyse und Kondensation von Silicaprecursoren oder durch das nachträgliche Einlagern von Nanopartikeln eine Hülle aufgebaut. Anschließend wird durch Tempern der organische Teil der Hülle entfernt, wodurch eine poröse Hülle zurückbleibt. Dieser Prozess erlaubt es eine dünnere Hülle (Dicke: ungefähr 10-100 nm) als bei den herkömmlichen Core-Shell-Phasen (Hüllendicke ca. 1 µm) zu erzeugen.
Im Einzelnen können die nichtporösen Kerne auf drei verschiedenen Wegen chemisch vorbehandelt werden, um die Polymertentakel an der Oberfläche zu generieren:

1. Der nichtporöse Kern wird an der Oberfläche mit Initiatorfunktionen modifiziert, um über Polymersiationen Polymere auf der Oberfläche aufzubauen. Die Länge und die Polarität der Polymere können über die Menge und Art der mit charakteristischen funktionellen Gruppen versehenen Polymerprecursoren gesteuert werden.
2. Der nichtporöse Kern wird im ersten Schritt an der Oberfläche mit einem funktionalisierten Silan oberflächenfunktionalisiert. In einem weiteren Schritt werden mit Hilfe dieser Funktionen in einer Polymerisation die Polymere an der Oberfläche aufgebaut. Die Länge und die Polarität der Polymere können über die Menge und Art der mit charakteristischen funktionellen Gruppen versehenen Polymerprecursoren gesteuert werden.
3. Der nichtporöse Kern wird mit einem Polymer gecoatet. Das Polymer wird adsorptiv auf die Oberfläche aufgebracht. Die Menge an Adsorbens wird über die Konzentration der Polymerlösung und über die Coatingzyklen gesteuert.

Auf allen drei so vorbereiteten Oberflächen können entweder durch Hydrolyse und Kondensationsprozesse entsprechender Silicaprecursoren oder durch Adsorption der Silica-Nanopartikel feste, poröse SiO₂/SiOR Schichten aufgebaut werden. Nach dem Entfernen der Polymertemplate durch Tempern verbleibt eine fest gebunden poröse Hülle auf den Partikeln.
Unter dem Begriff „fester, unporöser Kern“ wird in der vorliegenden Erfindung ein Kern verstanden, der in einem festen Zustand ist und keine Porosität aufweist, jedoch aus den verschiedensten Materialen bestehen kann. Als anorganische Kerne kommen sowohl Nebengruppen- als auch Hauptgruppenoxide in Frage. Als organische Kerne kommen nichtporöse Polymerpartikel in Frage, wie z.B. Polystyrol, Acryl, Vinyl, Nitrile.
Der Begriff „funktionelle Gruppen“ am Polymer bezieht sich auf die Polymere die auf den festen Kern aufgepfropft werden. Als funktionelle Gruppen kommen in Frage: R-COOH, R-COOOH, R-CS-OH, R-SO₂-OH, R-SO-OH, R-S-OH, R¹-SO-R², R-COO-M+, R-SO₂-O-M+, R-SO-O-M+, R-S-O-M+, R¹-CO-O-CO-R², R¹-CO-O-R², R¹-SO₂-O-R², R-O-NO₂, R-CO-X, R-SO₂-X, R-CO-NH₂, R-CO-NR¹H, R-CO-NR¹R², R-SO₂-NH₂, R-CO-NH-NH₂, R-C=N, R-CO-H, R-CS-H, R¹-CO-R², R¹-CS-R², R¹R²-C=N-OH, R¹R²-C=N-NH₂, R-OH, R-SH, R-NH₂, R¹R²-C=N-R³, R-NH-NH₂, R¹-O-R², R¹-S-R², R¹-CO-S-R², wobei R, R¹, R² und R³ unabhängig voneinander ein Wasserstoffatom, ein Alkyl, ein Aryl oder ein Vinyl sein können.
Als „Silicaprecursoren“ zum Aufbau der Hülle können Moleküle mit der Summenformel Na₂SiO₃ ((RO)₄Si, (RO)₃-Si-R¹, (RO)₂-Si-R¹R², (RO)-Si-R¹R²R³, (Cl)₄-Si, (Cl)₃-Si-R¹, (Cl)₂-Si-R¹R², (Cl)-Si-R¹R²R³, (RO)₃-Si-R¹-Si-(RO)₃, wobei R, R¹ und R² unabhängig voneinander ein Wasserstoffatom, ein Alkyl, ein Aryl oder ein Vinyl sein können, verwendet werden.
Der Begriff „Nanopartikel“ bezieht sich auf anorganische oder organische kolloidale Partikel oder Mischungen daraus im Größenbereich von 2-500 nm. Diese Nanopartikel lassen sich in geeigneten Medien suspendieren und dann an der Kernpartikel anlagern. In einer speziellen Ausführung der Erfindung handelt es sich dabei um Silica-Nanopartikel.
Aufgrund der speziellen Darstellungsweise der Kern-Mikropartikel haben diese eine hochbeladene, fest definierte funktionelle Amin-Oberfläche, die mit geeigneten Reagenzien (COOH, CO-X (X=Hal), COR, ROR) umgesetzt werden kann. Durch die glatte und gleichmäßige Oberflächenmorphologie lassen sich die zu Verfügung stehenden funktionellen Gruppen genau bestimmen bzw. berechnen. Somit wird es im Folgeschritt möglich, genau definierte Polymerinitiator-Oberflächen aufzubauen.
In der vorliegenden Erfindung wurde ein neuer Kompromiss zwischen den nichtporösen NP- und den teilporösen SPP-Partikeln gefunden, der zu einer weiteren Verbesserung der chromatographischen Trennung führt. Die Oberflächen dieser neuen Partikel sind größer als die der nichtporösen (ca. 10-80 m²/g statt ca. 3 m²/g), aber kleiner als bei den typischen Core-Shell (SPP) Partikeln (ca. 100 m²/g) (1).
Vergleich der Oberflächen:

NP von 2-4 m²/g (Stand der Technik)
OP von 10-80 m²/g (vorliegende Erfindung)
SPP von 80-120 m²/g (Stand der Technik)
TP von 120-500 m²/g (Stand der Technik)

Aufgrund der sehr engen Partikelgrößenverteilung und der sehr guten Säulenpackbarkeit weisen die erfindungsgemäßen Partikel im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Mikropartikeln eine Reihe von Vorteilen auf. So zeichnen sich die erfindungsgemäßen oberflächenporösen Mikropartikel (OP) durch extrem hohe theoretische Bodenanzahlen bei chromatographischen Trennungen aus. Gleichzeitig erzeugen diese Partikel beim Durchleiten eines Trenngemisches einen vergleichbar niedrigen Gegendruck. Auch bei wiederholter Entleerung und Packung bleiben diese neuen Partikel extrem leistungsfähig und robust. So bleibt der Druckabfall bei wiederholten Packversuchen gleich. Diese herausragenden Verbesserungen lassen sich auf die außergewöhnliche Oberflächenbeschaffenheit der Partikel zurückführen.
Monodisperse Silicapartikel finden auch zunehmend Anwendung als Plattform für funktionalisierte Silicapartikel in der medizinischen Diagnostik, der pharmazeutischen Industrie und Biotechnologie, der Molekularbiologie, der Analytik sowie in der Baustoffindustrie als Füllmaterialien.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung werden nachstehend anhand der unten beschriebenen Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Figuren beschrieben.

1: Veränderung der Retentionszeit (NP= nicht poröse, OP = erfindungsgemäße oberflächenporöse, SPP= superficial porous particle, TP=total poröse Partikel). Den Partikeln unterschiedlicher Porosität sind ihre Chromatogramme gegenübergestellt. Es wird deutlich, dass die Retentionszeiten der Signale bei den total porösen Partikeln (TP) aufgrund der guten Substrat-Oberflächen-Wechselwirkung sehr lang sind. Demgegenüber zeigen die nicht-porösen Partikel (NP) sehr kurze Retentionszeiten, weil hier die Substrat-Oberflächen-Wechselwirkung sehr schlecht ist. Die kommerziell weit verbreiteten SPP stellen einen guten Kompromiss zwischen zu schneller Trennung und langen Retentionszeiten dar. Die in dieser Erfindung vorgestellten oberflächenporösen Partikel (OP) ordnen sich zwischen den TP und SPP-Materialien ein. Durch die Verkleinerung der porösen Schicht werden die Retentionszeiten nochmal stark verkürzt, bleiben aber noch lang genug, um von kommerziell verfügbaren Geräten erfasst zu werden.
2: Aufbau der erfindungsgemäßen Partikel (10= Gesamtpartikel, 100= Kern, 200= raue Oberfläche)
3: REM Aufnahmen der kalzinierte oberflächenporösen Silicapartikel (OP). In 3A-C kann die sehr enge Größenverteilung der OP-Materialien beobachtet werden. Bei der Synthese entstehen somit monodisperse sphärische Partikel. Durch Kalzinieren bei 600 °C werden die Polymertentakel vollständig aus der äußeren, dichten Schicht entfernt. Es bildet sich eine gleichmäßige SiO₂-Hülle um den gesamten Kern, welcher kovalent mit diesem verbunden ist (3D).
4A-L: Ergebnisse einer Testreihe, die mit den erfindungsgemäßen Partikeln der Größe 1,4 µm OP-C18 unter folgenden Bedingungen: Laufmittel: Wasser / Acetonitril / THF (70/22/8); Säulendimension: 33 × 4,6 mm; Druck: 190 bar; Fluss: 0,9 ml/min durchgeführt wurde. Aus allen Chromatogrammen geht hervor, dass die Analyten Uracil, Nitrobenzol und Biphenyl Basislinien-getrennt wurden. Die Versuchsreihe lieferte reproduzierbare Ergebnisse. Die neuentwickelten oberflächenporösen Partikel zeichnen sich durch sehr hohe theoretische Bodenzahlen (N) und folglich sehr kleine reduzierte Bodenhöhen (h) aus. Für Uracil wurden bis zu 153101, für Nitrobenzol bis zu 266576 und für Biphenyl sogar bis zu 497994 theoretische Böden pro Meter gemessen (4I). Reduzierte Bodenhöhen (h) unter 2 werden bei länger retardierenden Substanzen erreicht (Biphenyl) (4I).

Ausführungsbeispiele
Kernpartikel von 1 - 2 µm Durchmesser werden durch einen selbstentwickelten modifizierten Stöber-Prozess dargestellt (Stöber, W.; Fink, A.; Bohn, E. J. Coll. and Interface Sci., 1968, 26, 62). Die Partikel werden durch Fritten vom Medium getrennt, gewaschen und isoliert.
Synthese der Aminoproply- Silicapartikel (APTES-Partikel)
In einem Kolben werden 225 mL Butanol, 90 mL Isopropanol und 30 mL konz. Ammoniak (28-30%iger) vorgelegt. 30 mL Tetraethoxysilan werden unter Rühren bei Raumtemperatur über 1 h gleichmäßig zudosiert. Das Reaktionsgemisch wird 30 min weiter konstant gerührt. Anschließend werden 1,5 mL Aminopropyltriethoxysilan zugegeben. Die Suspension wird weitere 2,5 h bei Raumtemperatur gerührt, gefrittet, gründlich mit Ethanol und Diethylether gewaschen und schließlich über Nacht bei 70 °C unter Vakuum getrocknet. Die Ausbeute war 8 g.
Anbindung der ATRP Initiators (α-Bromoisobutyryl bromid) (BIBB-Stöberpartikel)
In einem inertisierten Kolben werden 8 g APTES-Partikel (1,1) in 100 mL trockenem DCM suspendiert und gründlich homogenisiert. Anschließend werden unter Argongegenstrom 14,45 mmol Triethylamin zugegeben. Die Reaktionssuspenion wird auf 0 °C gekühlt. Unter kräftigem Rühren werden 13,75 mmol α-Bromoisobutyrylbromid durch ein Septum unter Argongegenstrom dazugegeben. Das Reaktionsgemisch wird 3 h bei 0 °C gehalten und nachfolgend 13 h bei RT gerührt. Die Partikel werden abgefrittet, gründlich mit DCM und Aceton gewaschen und über Nacht bei 70 °C im Vakuum getrocknet. Die Ausbeute war 8 g.
Atom Transfer radikalische Polymerisation (Polymerhybridpartikel)
In einen inertisierten Kolben werden 6,5 g BIBB-Stöberpartikel mit 105 mL einer Mischung aus entgastem Methanol und entgastem Wasser (5:3) suspendiert und für mindestens 30 min im Ultraschallbad homogenisiert. Unter kräftigem Rühren werden 0,24 mmol CuBr und 0,48 mmol Bipyridin (BiPy) zugegeben. Es bildet sich eine tief rote Suspension. Anschließend werden 9,45 mmol Dimethylaminoethylmethacrylat (DMAEMA) zugegeben. Das Reaktionsgemisch wird 15 h bei RT gerührt und anschließend mit Wasser die Reaktion gestoppt. Zur Aufreinigung werden die Partikel abwechselnd mit Wasser und Methanol gewaschen, bei jeweils bei 2500 u/min 10 min zentrifugiert und im Ultraschallbad suspendiert. Die Polymerhybridpartikel werden an Luft über 48 h getrocknet. Die Ausbeute war 6,9 g
Aufbau der Hülle
In einem Kolben werden 3 g Polymerhybridpartikel mit 120 mL Methanol im Ultraschallbad homogenisiert. Unter Rühren werden 120 mL Wasser zugegeben. 6 ml TEOS werden über 1 min langsam zugetropft und 12 h bei RT gerührt. Anschließend werden die Partikel abgefrittet und mit Ethanol und Diethylether gründlich gewaschen. Das Präzipitat wird im Trockenschrank bei 70 °C über Nacht getrocknet.
Kalzinieren der Partikel
2 g der Partikel werden in ein Quarzrohr überführt und an Luft bei 550°C 12 h getempert.
Rehydroxylieren
1,6 g werden in 20 mL einer 3,7% igen HCl Lösung 1 h bei 130 °C unter Rückfluss rehydroxyliert. Die Partikel werden solange mit Wasser gewaschen bis der Überstand pH 6-7 erreicht. Abschließend mit Ethanol und Diethylether waschen und über Nacht bei 70°C getrocknet.
C-18 Silanisierung (OC-C18)
1 g der Partikel wird in einem Teflon-ummantelten Kolben in 10 mL trockenem Toluol suspendiert. 50 µL Triethylamin werden als Katalysator zugegeben. 1 ml Octadecylmethyldiethoxysilan wird bei RT unter Rühren schnell zugegeben. Anschließend wird auf 130 °C erhitzt. Unter Druck wird 4 h bei 130°C silanisiert. Abschließend werden die Partikel abgefrittet und gründlich mit Ethanol und Diethylether gewaschen.
Packen einer HPLC Säule
1g C-18 modifizierte Partikel OC-C18 werden in 8 ml eines Gemisches aus Tetrachlorethylen und Aceton (2/1 v/v) suspendiert. Die Säule wird mit einem Druck von 700 bar gepackt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3505785 [0013]
US 6479146 [0014]
US 7846337 [0015]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Stöber, W.; Fink, A.; Bohn, E. J. Coll. and Interface Sci., 1968, 26, 62 [0011]
K. K.; Jilge, O.; Kinkel, J. N.; Hearn, M. T. W. J. Chromatogr. A 1986, 359, 61 [0011]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Silicapartikel für die Flüssigkeitschromatographie, dadurch gekennzeichnet, dass nichtporöse Partikel chemisch so vorbehandelt werden, dass ihre Oberfläche anschließend entweder über eine Hydrolyse und Kondensation von Silicaprecursoren, oder durch ein Einlagern von Nanopartikeln erheblich aufgeraut und / oder vergrößert werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Vorbehandlung der nichtporösen Partikel an ihre Oberfläche organische Polymerketten angebunden werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Anbindung von organischen Polymerketten die Oberfläche der nichtporösen Partikel mit den für die Polymerisation notwendigen funktionellen Gruppen behandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Anbindung von organischen Polymerketten die Oberfläche der nichtporösen Partikel mit Aminopropyltriethoxysilan und anschließend mit einem Säurebromid oder mit Organoalkoxy/Chlorsilan behandelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Anbindung von organischen Polymerketten die Oberfläche der nichtporösen Partikel mit einem funktionalisierten Silan oberflächenfunktionalisiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Anbindung von organischen Polymerketten auf die Oberfläche der nichtporösen Partikel ein Polymer adsorptiv aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anbindung von Polymerketten auf die Oberfläche der nichtporösen Partikel in einer lebenden Polymerisation erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge und die Polarität der Polymerketten über die Menge und die Art der zur Polymerisation verwendeten, mit charakteristischen funktionellen Gruppen versehenen Polymerprecursoren gesteuert werden können.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche der nichtporösen Partikel durch Hydrolyse und Kondensationsprozesse entsprechender Silicaprecursoren oder durch Adsorption von Silica-Nanopartikeln feste poröse SiO₂/SiOR Schichten aufgebaut werden, wobei R ein Wasserstoffatom, ein Alkyl, ein Aryl oder ein Vinyl sein kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass Silicaprecursoren aus folgenden Substanzgruppen ausgewählt sind: Na₂SiO₃ ((RO)₄Si, (RO)₃-Si-R¹, (RO)₂-Si-R¹R², (RO)-Si-R¹R²R³, (Cl)₄-Si, (Cl)₃-Si-R¹, (Cl)₂-Si-R¹R², (Cl)-Si-R¹R²R³, (RO)₃-Si-R¹-Si-(RO)₃, wobei R ein Wasserstoffatom, ein Alkyl, ein Aryl oder ein Vinyl sein kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die an der Oberfläche der nichtporösen Partikel angebundenen organischen Polymerketten durch Tempern entfernt werden, wodurch eine fest gebundene poröse Hülle aus SiO₂/SiOR zurückbleibt, wobei R ein Wasserstoffatom, ein Alkyl, ein Aryl oder ein Vinyl sein kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtporösen Partikel entweder aus anorganischem Material, insbesondere Oxiden der Elemente der Nebengruppen und / oder der Hauptgruppen, oder aus organischem Material, insbesondere Polystyrol, Acryl, Vinyl oder Nitril, bestehen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die charakteristischen funktionellen Gruppen der Polymerprecursoren aus folgenden Substanzgruppen ausgewählt sind: R-COOH, R-COOOH, R-CS-OH, R-SO₂-OH, R-SO-OH, R-S-OH, R¹-SO-R², R-COO-M+, R-SO₂-O-M+, R-SO-O-M+, R-S-O-M+, R¹-CO-O-CO-R², R¹-CO-O-R², R¹-SO₂-O-R², R-O-NO₂, R-CO-X, R-SO₂-X, R-CO-NH₂, R-CO-NR¹H, R-CO-NR¹R², R-SO₂-NH₂, R-CO-NH-NH₂, R-C≡N, R-CO-H, R-CS-H, R¹-CO-R², R¹-CS-R², R¹R²-C=N-OH, R¹R²-C=N-NH₂, R-OH, R-SH, R-NH₂, R¹R²-C=N-R³, R-NH-NH₂, R¹-O-R², R¹-S-R², R¹-CO-S-R², wobei R, R¹, R² und R³ unabhängig voneinander ein Wasserstoffatom, ein Alkyl, ein Aryl oder ein Vinyl sein können.
Silicapartikel, hergestellt oder herstellbar nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bestehend aus einem festen, nichtporösen Kern und einer porösen Hülle mit der Dicke von ungefähr 10 bis 100 nm, die den Kern umschließt, vollständig an diesen gebunden ist und aus molekularen Silicaprecursoren oder aus einer Vielzahl von Nanopartikeln aufgebaut ist, wobei die Silicapartikel eine Oberfläche von ungefähr 10 bis 80 m²/g aufweisen.