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Verfahren zur Herstellung von optisch-aktiven Kationenaustauschern
Es ist bekannt, daß man Acrylsäure und seine Derivate mit geeigneten Zusätzen so
polymerisieren kann, daß dabei feste harzartige Produkte entstehen, die als Kationenaustauscher
mit schwach sauren Eigenschaften verwendet werden können (vgl. USA.-Patentschrift
2340 111).
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Es ist ferner bekannt, daß sich derartige Polyacrylsäureharze durch
nachträgliche Veränderung der Carboxylgruppen, insbesondere durch deren Verknüpfung
mit den OH- oder NHO-Gruppen von optisch-aktiven Substanzen von der Art der Alkaliode,
beispielsweise des Chinins, oder der Aminosäuren, beispielsweise des L(- )-Leucinäthylesters,
so verändern lassen, daß Ionenaustauscherharze mit optisch-aktiven Zentren dabei
entstehen (vgl. erstens N. Grubhofer und L. Schleith, Z. physiol.
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Chem., 296, 262 [1957]; zweitens R. C. Schulz und Mitarbeiter, Chimia,
13, 235 [19593).
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Aus der Patentschrift 20 475 des Amtes für Erfindungs- und Patentwesen
der sowjetischen Besatzungszone Deutschlands ist ein Verfahren bekannt, bei dem
solche optisch-aktive Ionenaustauscher durch Umsetzung von chlormethylierten Polystyrolharzen
mit optisch-aktiven, basische Gruppen tra--genden Substanzen, wie z. B. Aminosäuren,
hergestellt werden. Solche Ionenaustauscher eignen sich vorzugsweise zur Trennung
von Racematen oder beliebigen Gemischen von Substanzen mit entgegengesetzter optischer
Aktivität.
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Die vorstehenden bekannten Verfahren zur Herstellung optisch-aktiver
Kationenaustauscher weisen einige wesentliche Nachteile auf. Sie sind mehrstufig
und daher umständlich und kostspielig, ferner besteht die Gefahr, daß während der
Umsetzung teilweise oder völlig Racemisierung der einzuführenden optisch-aktiven
Komponente oder aber auch des schon entstandenen optisch-aktiven Austauschers stattfindet.
Der schwerwiegendste Nachteil aber besteht darin, daß die im Ausgangsaustauscherharz
vorhandenen austauschfähigen Carboxylgruppen niemals quantitativ mit den ~ Aminogruppen
der optischaktiven Substanz, die man einführen will, umgesetzt werden kann. Es verbleibt
unter allen Umständen eine gewisse Anzahl ursprünglicher austauschfähiger Carboxylgruppen,
die sich z. B. bei Verwendung des optisch-aktiven Kationenaustauschers zur Racematspaltung
basischer Substanzen wie der Diaminocarbonsäuren vom Typ des Lysins störend bemerkbar
machen.
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Es wurde nun gefunden, daß sich die angeführten Schwierigkeiten vermeiden
lassen, wenn die optischaktive Komponente nicht erst nachträglich in einen
an sich
schon fertigen Ionenaustauscher eingeführt wird, sondern, wenn ein monomeres, polymerisierbares
Derivat aus Acrylsäure und einer optisch-aktiven Aminocarbonsäure (a) oder deren
Estern (b) mit Divinylbenzol in Gegenwart von Peroxydkatalysatoren unter Rühren
in wäßriger Emulsion unter Zusatz von Diisopropyläther in Gegenwart von Verteilungsmitteln
polymerisiert und im Falle (b) anschließend in an sich bekannter Weise mit Säure
verseift wird.
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Überraschenderweise tritt bei der Polymerisation keine Beeinträchtigung
der optischen Aktivität auf.
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Als Aminocarbonsäuren werden z. B. Derivate aus Glutamin- und Asparaginsäure
bzw. deren Ester mit Acrylsäure eingesetzt. So werden als für das erfindungsgemäße
Verfahren als gut geeignete polymerisierbare Derivate der Acrylsäure der N-Acrylyl-L
- Glutaminsäure - di - n - propylester, der entsprechende Di-iso-propylester sowie
der N-Acrylyl-L-Asparaginsäure-di-iso-propylester verwendet, die alle mit Hilfe
der Schotten-Baumannschen Reaktion aus Acrylylchlorid und den Propylestern der L-Glutamin-
und L-Asaparaginsäure leicht zugänglich sind. Ihre Herstellung ist nicht Gegenstand
der Erfindung.
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Die Polymerisation dieser monomeren Acrylsäure-Derivate erfolgt nach
Art der Emulsionspolymerisation in Wasser in einem Gefäß, das mit einem gutwirkenden
Rührer und einem Thermometer versehen
ist. Zur Erreichung des gewünschten
»Vernetzungsgrades« des Ionenaustauschers wird die monomere Acrylsäureverbindung
mit der berechneten Menge Divinylbenzol handelsüblicher Qualität (55 ovo Divinylbenzol-Isomerengemisch,
35 0/o Sithylvinylbenzol, wenig Diäthylbenzol) vermischt und in einem großen Überschuß
Wasser bei 70 bis 1000 C, insbesondere bei 90 bis 950 C, in Gegenwart von organischen
oder anorganischen Peroxyden, insbesondere Dibenzoylperoxyd und Kaliumpersulfat,
polymerisiert.
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Als Maß für den »Vernetzungsgrad« wird der Gewichtsprozentgehalt
des Polymerisationsgemisches an Divinylbenzol genommen, da nur Divinylbenzol allein
»Vernetzung« bewirkt, so daß also z. B. ein Produkt aus 11,4 g N-Acrylsäure-L-Glutaminsäure-di-iso-propylester
und 1,35 g Divinylbenzol-Isomeren-Gemisch mit 55 Olo Gehalt an Divinylbenzol dem
»Vernetzungsgrad« 6 entspricht.
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Als Verteilungsmittel zur Homogenisierung des Reaktionsgemisches
eignen sich ionogene und nichtionogene Detergenzien, besonders aber Magnesiumsilikat,
Polyäthylenoxyd und Isopropyl-naphthalinsulfosäure. Zur Verhinderung vorzeitigen
Verklumpens erwies sich ein Zusatz von geringen Mengen Diisopropyläther zu dem Monomerengemisch
als zweckmäßig.
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Die Polymerisationsdauer beträgt je nach Art des eingesetzten Monomeren
5 bis 60 Minuten, im allgemeinen sind jedoch Zeiten von 10 bis 20 Minuten am günstigsten.
Sie wird durch Zugabe von Methanol bei gleichzeitiger Abkühlung der Mischung unterbrochen,
sobald die entstehenden Harzperlen, die anfänglich klar und durchsichtig sind, sich
deutlich trüben und dazu neigen, sich zu größeren Klumpen zu verkleben. Das Wasser-Methanol-Gemisch
wird dann sofort von Polymerisat getrennt und durch reines, kaltes Methanol ersetzt.
Dabei trennen sich eventuell verklebte Perlen wieder, und die nicht polymerisierten
bzw. niedermolekularen Anteile werden extrahiert, wodurch die Perlen erheblich an
Festigkeit gewinnen. Die Größe der durch die Polymerisation erhaltenen Harzkügelchen
läßt sich durch die Rührgeschwindigkeit sowie die Form der verwendeten Rührer variieren.
Sehr starkes Rühren führt zur Bildung kleiner und kleinster Perlen. Da in den so
erhaltenen Polymerisationspartikeln die den Ionenaustausch bewirkenden Carboxylgruppen
der Glutamin- bzw. Asparaginsäurereste noch in Form der Propylester vorliegen, muß
der Austauscher vor der Ingebrauchnahme noch aktiviert, d. h. die Estergruppen durch
mehrstündiges Erhitzen mit Säure, z. B. mit einem Gemisch von Salzsäure und Eisessig,
verseift werden. Erstaunlicherweise findet dabei nicht gleichzeitig eine hydrolytische
Spaltung der Co-NH-Bindung statt. Nach anschließender Spülung des nun gebrauchsfertigen
Austauschers zeigt dieser eine Kapazität von 1,9 bis 2,1 Milliäquivalent/ml feuchten
Austauschers, d. h. 1 ml feuchter Austauscher benötigt zur Überführung aus der H+-Form
in die Na+-Form 1,9 bis 2,1 Milliäquivalent Natronlauge.
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Nach der Aktivierung, in der H+-Form und wassergesättigt, bildet
der erfindungsgemäß hergestellte Kationenaustauscher hellcremefarbene, feste, durch
Druck verformbare Kügelchen. Bei Beladung mit Metallionen bzw. basischen organischen
Substanzen vergrößern die Partikeln ihren Umfang teilweise beträchtlich. Der Austauscher
ist unlöslich in Wasser
sowie den gebräuchlichen organischen Lösungsmitteln.
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Beispiel 1 1,4 g (0,04 Mol) N-Acryl-L-Glutaminsäure-di-isopropylester
(Fp.56 bis 570 C; [<D22,6=32,95 in Methanol) werden mit 1,35 g Divinylbenzol
(550/oiges Isomergemisch, entsprechend Vernetzungsgrad 6) sowie 3 ml Diisopropyläther
vermischt. Durch leichtes Erwärmen ergibt sich eine homogene Lösung, der 0,1 g Dibenzoylperoxyd
hinzugesetzt wird, worauf die Gesamtmischung in 75 ml Wasser, dem vorher 0,16 g
Carbowachs zugefügt worden sind, unter starkem Rühren gegeben wird. Die Temperatur
des Wassers beträgt zu Beginn der Substanzzugabe 950 C, nach beendeter Zugabe ist
sie auf 900 C gefallen.
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Nach 15 Minuten bilden sich bei dieser Temperatur einzelne durchsichtige
Kügelchen, die nach weiteren 5 Minuten undurchsichtig werden und sich vereinzelt
zu größeren Aggregaten zusammenballen. Die Heizung wird dann abgestellt und 75 ml
kaltes Methanol der Polymerisationsmischung unter weiterem Rühren zugesetzt.
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Nach 1 Minute wird das Wasser-Methanol-Gemisch von den Harzperlen
abgegossen und durch 75 ml reines Methanol ersetzt. Nach einer weiteren Minute wird
auch dieses Methanol abdekantiert und durch Wasser ersetzt. 11 ml Harzperlen mit
einem mittleren Durchmesser von 0,8 mm verbleiben nach der Methanolextraktion als
Rückstand.
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Zur Nachpolymerisation wird der Austauscherester noch 1 Stunde mit
Wasser, anschließend zur Verseifung der Estergruppen mit einem Gemisch von 100 ml
100/obiger Salzsäure und 100 ml Eisessig 3 Stunden am Rückflußkühler erhitzt. Aus
der Verseifungslösung lassen sich nach dem Eindampfen zur Trockne 0,16 g Rückstand
isolieren, d. h., eine Spaltung der CO-NH-Bindung hatte praktisch nicht stattgefunden.
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Die Kapazität des Austauschers beträgt 1,9 bis 2,1 Milliäquivalent/ml
im feuchten Zustand.
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Beispiel 2 10,05 g N-Acrylyl -L-Asparaginsäure-di-iso-propylester
(Fp. 59,610 C; [dl D 20: 15,00 in Methanol), 1,3 g Divinylbenzol (55 0/o Isomerengemisch,
»Vernetzungsgrad« 6) und 3 ml Diisopropyläther werden unter vorsichtigem Erwärmen
vermischt, mit etwa 0,1 g Dibenzylperoxyd versetzt und unmittelbar anschließend
in eine kräftig gerührte Lösung von 0,16 g Polyäthylenoxyd in 75 ml Wasser von 950
C gegeben. Nach 9 bis 11 Minuten trüben sich die entstandenen Harzkügelchen und
beginnen miteinander zu verkleben. Sie werden gemäß der im Beispiel 1 geschilderten
Methode weiterbehandelt. Es werden 12 ml Harzkügelchen mit einem mittleren Durchmesser
von 0,8 mm erhalten. Nach der Verseifung der Estergruppen zeigt der fertige Austauscher
eine Kapazität von 0,9 Milliäquivalent/ml.
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Beispiel 3 11,4 g N-Acrylyl-L-Glutaminsäure-di-n-propylester ([di
D 18,4: 33,80) 1,8 g Divinylbenzol (550/0 Isomerengemisch, entsprechend »Vernetzungsgrad«
8) und 3 ml Diisopropyläther werden unter vorsichtigem Erwärmen vermischt, mit etwa
0,1 g Dibenzylperoxyd versetzt und unmittelbar anschließend in eine kräftig gerührte
Lösung von 0,3 g Magnesiumsilikat
in 75 ml Wasser von 900 C gegeben.
Nach 7 bis 8 Minuten trüben sich die entstandenen Harzkügelchen und beginnen miteinander
zu verkleben.
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Sie werden gemäß der im Beispiel 1 geschilderten Methode weiterbehandelt.
Es werden 8 ml Harzkügelchen mit einem mittleren Durchmesser von 0,5mm erhalten.
Nach der Verseifung der Estergruppen zeigt der fertige Austauscher eine Kapazität
von 1,92 Milliäquivalentlml.