DE1900517A1

DE1900517A1 - Poroese unloesliche Polyacrylamide und ihre Verwendung

Info

Publication number: DE1900517A1
Application number: DE19691900517
Authority: DE
Inventors: Acuff Robert Dale
Original assignee: Dow Chemical Co
Current assignee: Dow Chemical Co
Priority date: 1968-01-08
Filing date: 1969-01-07
Publication date: 1969-08-28
Also published as: BE726596A; NL6900292A; NO129887B; FR1605399A; GB1242661A

Description

4. Januar 1969 The Dow Chemical Company, Midland, Michigan, U.S.A» H/He

(62) DC 13,010-F Poröse unlösliche Polyacrylamide und ihre Verwendung

Diese Erfindung betrifft ein poröses, im wesentlichen nichtquellendes Acrylamidharz, das für die Trennung von wasserlöslichen Materialien nach ihrer Molekülgröße aus wäßrigen Lösungen und insbesondere für die Trennung von hochmolekularen, wasserlöslichen Polymeren nach ihrer Molekülgröße geeignet ist. Die Erfindung betrifft auch Verfahren zur Herstellung der porösen Harze und Verfahren für ihre Anwendung.

Es ist bekannt, daß wasserlösliche Verbindungen voneinander in wäßriger Lösung durch Gel-FiItrationsverfahren getrennt werden können. Dabei werden in Wasser quellbare, leicht vernetzte Polymere, die in Wasser oder in Pufferlösungen leicht quellen, dazu verwendet, um die wasserlöslichen Materialien aus wäßriger Lösung zu trennen und dabei gegebenenfalls auch eine Trennung nach der Molekülgröße durch eine anschließende Eluierung des Harzes vorzunehmen. Da die Diffusionsgeschwindigkeit in das und aus dem gequollenen Harz durch die Molekülgröße bestimmt werden, werden die eluierten Materialien nach der Größe fr akt i oni e rt ο

Ein gegebenes in Wasser quellbares Harz besitzt eine obere Grenze für die Größe der Moleküle, die in das gequollene Gel diffundieren. Im allgemeinen wird diese obere Grenze in umgekehrter Beziehung variieren mit der Menge des für die Herstellung des in Wasser quellbaren Gels verwendeten Vernetzungsmittel s .

Es int ebenfalls bekannt, daß man poröse Harze, die manchmal als malero-retikulare Harze bezeichnet werden, erhält, wenn man

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monoäthyleniseiie ungesättigte Monomere mit Polyvinvliden— Monomeren polymerisiert in Gegenwart von Lösungsmitteln, die das Monomere lösen, aber auf die Mischpolymeren im-wesentlichen keine Lösungs- oder Quellungswirkung ausüben. Von die^ sen Harzen ist es "bekannt, daß sie zur Trennung-von organisehen Stoffen aus wäßrigen Lösungen, bei denen die organischen Stoffe eine molekulare Dimension von weniger als 500 Angstrom besitzen, verwendet werden können. Diese Harze werden als porös bezeichnet, d.h_o daß sie eine Porösität für Moleküle unterhalb einer bestimmten Größe besitzen.

Gemäß dieser Erfindung wird ein heteroporöses chromatographisches Adsorptionsmittel erhalten, das besonders geeignet für die chromatographische Analyse von wasserlöslichen Polymeren ist. Das Adsorptionsmittel nach der Erfindung besteht aus einem vernetzten Polymeren, das in mischpolymerisierter Form 0,5 bis 2,5 Mol-Anteile eines Alkylidenbisacrylamids, dessen Alkylidengruppe 1 bis 2 Kohlenstoff atome besitzt und 1 Mol-Anteil Acrylamid, Methacrylamid oder eine Mischung davon enthalte Die bevorzugten Adsorptionsmittel enthalten 1 bis 2 Mol-Anteile von ΕΓ,ΪΡ-Methylenbisacrylamid für Jeden Mol-Anteil Acrylamid, Methacrylamid oder eine Mischung dieser Amide.

Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren für die Verwendung des heteroporösen chromatographischen Adsorptionsmittels bei der Analyse von wasserlöslichen Polymeren, wobei eine wäßrige Lösung des Polymeren mit dem heteroporösen Polymeren in bekannter Weise in Berührung gebracht wird. Dabei wird ; durch eine selektive Adsorption und Eluierung von dem Adsorptionsmittel eine Trennung der Polymeren von verschiedenen . Molekulargewichten erreicht. Man erhält das heteroporöse polymere Adsorptionsmittel nach der Erfindung in zweckmäßiger

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Weise in kl eint eiliger 3?orm, wenn man die monomeren Amide in einem Lösungsmittel löst, in dem das Polymere nicht löslich ist_? Diese Lösung wird in form von kleinen Tröpfchen unter Rühren in einem mit ihr nicht mischbaren flüssigen Medium verteilt und die Polymerisation unter Anregung durch Strahlung oder durch einen Polymerisationskatalysator durchgeführt. Das Polymere wird dabei in der Regel in Form von im wesentlichen kugelförmigen Teilchen erhalten, deren Größe weitgehend von der Bandgeschwindigkeit abhängig ist. Gute Ergebnisse werden erzielt, wenn die Monomeren in Dimethylsulfolxid, Dimethylformamid, einem Alkanol mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen oder in einer Mischung dieser Lösungsmittel gelöst werden. Torteilhafterweise wird die Lösung der Monomeren in einem aliphatischen alpha Olefinfconlenwasserstoff mit 16 bis 20 Kohlenstoffatomen dispergiert.

Im allgemeinen hängt die Porosität des Harzes oder seine Permeabilität für diffundierbare Verbindungen von dem Lösungsvermögen des Lösungsmediums, das für das Monomere bei der Synthese des Polymeren verwendet wurde, ab. Je schlechter die Lösungseigenschaften dieses Mediums für das Polymere sind, desto höher wird die erhaltene Porosität des hergestellten Harzes sein. Das Polymere sollte aber nicht vollständig unbeeinflußt von dem Lösungsmittel für das Monomere bleiben, da es sonst möglich ist, daß das Polymere ausfällt, bevor ein Harz mit einer vernetzten Struktur erhalten wird. Ein gegebenes Lösungsmittel kann durch Zugabe von Wasser zu dem Lösungsmittel für das Monomere, z.B. bis zu 65 Gew.$, so eingestellt werden, daß es die gewünschte Porengröße ergibt. Durch die Zugabe dieses Wassers wird das Lösungsmittel für das Monomere dahingehend verändert, daß es ein besseres Lösungsmittel für das Polymere wird, wodurch die Größe der

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Poren in dem erhaltenen Harz herabgesetzt wird»

Als Beispiele für Lösungsmittel, in denen das Monomer-System löslich, das Mischpolymere aber nicht löslich ist, wurden bereits Dimethylsulfoxid und Dimethylformamid genannt. Im allgemeinen sind auch Alkanole mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, wie Methanol, Äthanol und 1-Propanol geeignete !lösungsmittel bei der Polymerisation. Andexe Lösungsmittel für Acrylamid und Alkylidenbisacrylamid sind in der Technik bekannte Da jedes Lösungsmittel ein verschiedenes Lösungsvermögen für das Monomere besitzt, wird auch jedes einen verschiedenen Bereich für die Porosität oder die Durchlässigkeit besitzen» Zwischenbereiche kann man durch Verwendung von Mischungen der Lösungsmittel oder durch Zugabe von Wasser erhalten.

Es ist vorteilhaft, die Polymerisation in einem Suspendieroder Wärmeübertragungsmedium durchzuführen, um die vernetzten porösen Polymeren in Form von Perlen zu erhalten» Dieses wird erreicht, indem man die Lösung des Monomeren in einem organischen Lösungsmittel in einem zweiten organischen Lösungsmittel, das mit dem Lösungsmittel für das Monomere nicht mischbar ist, dispergiert. Eine derartige Dispersion kann mechanisch hergestellt werden, bessere Ergebnisse werden aber erzielt, wenn zusätzlich ein Suspensionsmittel verwendet wird, um die Suspension der Monomer-Lösung in dem zweiten organischen Lösungsmittel zu erleichtern,.

Eine Voraussetzung für eine derartige Arbeitsweise besteht darin, daß,· wie bereits angegeben wurde, das inerte Suspensionsmedium mit dem speziellen organischen Lösungsmittel, -das als Polymerisationsmedium verwendet wird, nicht mischbar ist. Im allgemeinen kann dies dadurch sichergestellt werden,

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daß als Suspensionsmedium organische Verbindungen mit einer sehr niedrigen Polarität verwendet weiden, wie flüssige Kohlenwasserstoffe, ZoB. Heptan, höhere aliphatisch^ Kohlenwasserstoffe, Benzol und Toluol. Die Suspension der Monomer-Lösung in dem Suspensionsmedium wird leicht durch Verwendung eines öllöslichen obeflächenaktiven Mittels gefördert»

Obwohl die Suspensionspolymerisation die bevorzugte Arbeitsweise ist, kann das poröse Polymere auch durch eine einfache lösungspolymerisation hergestellt werden. Dabei wird Z₀B. Acrylamid und Alkylidenbisacrylamid in Lösung polymerisiert, vorzugsweise bei einer Monomerenkonzentration innerhalb des Bereiches von etwa 20 bis etwa 50 Gew.$ bezogen auf das Polymerisationssystem.

Unabhängig von dem verwendeten Polymerisationsverfahren wird jedoch die Reaktion durch die üblichen Initiatoren für die Polymerisation von Vinylverbindungen angeregt. Im allgemeinen sind gut wirksam peroxidische organische Verbindungen, die in organischen Lösungsmitteln löslich sind, organische Verbindungen, die freie Radikale bilden, wie alpha,alpha¹-» Azobisisobutyronitril, Benzoylperoxid,;Persäuren und Persalze, wie Kaliumpersulfato Die Polymerisationsreaktion kann auch durch ionische Katalysatoren und die verschiedenen formen von chemisch wirksamer und energiereicher ionisierender .Strahlung angeregt werden.

Die porösen Harze werden leicht aus dem Polymerisationssystem isoliert, z.B. durch bekannte Arbeitsweisen für die Abtrennung eines Feststoffes aus einer flüssigen Phase« So ist es •A.B. möglich, den porösen Harzfeststoff durch Absetzen, Zen-

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trifugieren oder filtrieren abzutrennen, wobei diese Arbeitsweisen einzeln oder auch, in Verbindung miteinander verwendet werden können. Die abgetrennten Polymerfeststoffe werden gereinigt, ZoB. in einfacher Weise durch Waschen mit Wasser oder mit Mischungen aus Alkohol und Wasser.

Wenn die Produkte als Packungen für chromatographische Schichten verwendet werden, werden die Polymerperlen ausgesiebt, um

w ein Optimum an Teilchengröße!! zu erhalten. Zu kleine Teilehen, ZoB. solche, die durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,04 mm (350 mesh screen U.S. Standard Series) hindurch·* gehen, "oder zu große Teilchen., Z₀B. Teilchen, die auf einem Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,076 mm (200 mesh screen U.S. Standard Series) zurückbleiben, setzen entweder die Strömungsgeschwindigkeit durch die Schicht auf ein derartig niedriges Niveau herab, daß dieses für normale Vorgänge nicht mehr brauchbar ist, oder sie erlauben im Falle der großen Teilchen eine derartig hohe Strömungsgeschwindigkeit, daß die Trennungseffizienz zu niedrig ist« Wie es in der Technik gut bekannt ist, erreicht man desto wirksamere Trennungen, je ein-

k heitHoher die Perlen sind.

Die folgenden Beispiele erläutern die polymeren Stoffe nach dieser Erfindung und die Verfahren für ihre Herstellungo Die Anwendung derartiger Harze für die Permeationschromatographie von .Gelen wird ebenfalls erläutert.

Beispiele für die Herstellung der Harze

Etwa 90 Gramm,einer Mischung aus Ν,Ν'-Methylenbisacrylamid (NMBA) und Acrylamid (Am) in ungefährem Molyerhältnis 1:1 werden in 225 Gramm Dimethylsulfoxid gelöst. Mit dieser ·

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Lösung wird ein verschließbares Rea kfc ionsgefäß "beschickt und auf einen Temperaturbereich von etwa 50 - 60° C erwärmt· Eine kleine Menge eines Azokatalysators (0,24 Gramm alpha,alpha'-Azobisisobutyronitril) wird in einer kleiner Menge von Dimethyl sulfoxid gelöst land der Monomerlösung zugegeben. Zu der Monomerlösung werden dann 550 ml einer flüssigen aliphatischen Kohlenwasserstoffmischung von alpha-Olefinen mit 16 bis 20 Kohlenstoffatomen zugegeben, die 14 ml Sorbitanmono-oleat als oberflächenaktives Suspendiermittel enthalte

Der Ansatz wird mit hoher Geschwindigkeit etwa 1 Minute gerührt, um eine Suspension der Monomerenlösung in der Kohlenwasserst off phase zu bilden. Das Rühren wird mit einer ausreichenden Geschwindigkeit fortgesetzt, um die Suspension aufrecht zu erhalten. Durch das Reaktionssystem wird Stickstoff durchgeblasen und die eintretende Polymerisation 24 Stunden fortgesetzt. Die Polymerisationstemperaturen lagen zwischen etwa 55 bis 65° C. Am Ende der Polymerisation wurden harte, poröse Polymerteilchsa erhalten, die im wesentlichen eine kugelförmige Gestalt hatten,, Sie wurden durch Filtrieren der Suspension abgetrennt und durch Waschen mit Isopropanol und »Yasser frei von Dimethyl sulf oxid und aliphatischen Kohlenwasserstoffen gewaschen« Die Polymerteilchen wurden auf die gewünschte Größe zerkleinert und gesiebt, um klassierte Fraktionen der Teilchen zu erhaltene

Die Polymerperlen hatten eine milchig weiße Farbe und waren uiilL'slichlich in den üblichen organischen Lösungsmitteln und in V/asser. Säuren und E^asen hydrolisierten das Polymere langsam» aber nur bei höheren Konzentrationen und Temperaturen. Die ^uellbarkeit der Perlen in den üblichen polaren Lösungsmitteln, z.B. Wasser, Essigsäure, Triäthanolamin und

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BAD

Mmethylsulfoxid, betrug weniger als 5 VoI*# und schwankte nur um etwa 1-2 VoI «# von Lösungsmittel zu Lösungsmittel,, Solange das gleiche Lösungsmittel für das Beladen und Bluieren verwendet wird, ist keine beachtenswerte Änderung in der Wirksamkeit der Kolonne zu beobachten.

In ähnlicher Weise würden andere poröse Polymere hergestellt« wobei Methanol, Dimethylformamid und Mischungen von Lösungen ψ mitt.eln_f wie Äthanol-Dimethylsulfoxid, anstelle von Dimethyl« : sulfoxid verwendet wurden. Auch die Konzentration der Monomeren wurde geänderte Die so hergestellten Polymeren hatten ähnliche Eigenschaften wie die vorstehend beschriebenen. Die Porosität der Polymeren, die in erster Linie maßgeblich für ihre Verwendung in der Chromatographie ist, wird nachstehend beschrieben.

Verwendung der porösen Harze in der Chromatographie

Die Porosität von jedem der verwendeten Harze wurde bestimmt durch Eichen der Harze mit einigen Proben von handelsüblichen . Sextranen von bekanntem Molekulargewicht.

Dabei wurde eine Kolonne aus Edelstahl mit einer Länge von 1,22 ι und einem äußeren Durchmesser von 0,95 om mit dem porösen Harz, das geprüft werden sollte, gefüllte Die Füllung wurde durchgeführt, indan eine Aufschlämmung des Harzesj, das in einer Trägerflüssigkeit suspendiert war, unter dem Druck eines Gases in die Kolonne eingebracht wurde, Während ■ i des Füllvorganges wurde der Gasdruck allmählich bis auf etwa 14 kg/cm² (2OQ peig) gesteigert. Die für die Füllung verwendeten Harzteilchen hatten'eine ©röße im Bereich von 0_f0?6 -* - 0*044 mm entsprechend den lichten. Weiten, von Sieben (200 325 mesh. U-.S₉ Standard Series)« Sobald"etwa 525 ml der

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Trägerflüssigkeit durch die Kolonne hindurchgegangen waren, wurde diese als gefüllt angesehen. Zu diesem Zeitpunkt wurde der Druck abgestellt und die Kolonne in üblicher Weise an jedem Ende für die Verwendung in der Flüssig-Chromatographie mit Kappen versehen.

Um die Porengröße des Harzes zu eichen, wurden Dextrane von verschiedenem Molekulargewicht in Wasser aufgelöst und nacheinander durch die Kolonne fließen gelassen. Der Abfluß der Kolonne wurde durch ein Differenz-Refraktometer überwacht. Eine derartige Messung des Abflusses der Kolonne zeigte die Grenze der Durchlässigkeit des Harzes an, d_oh. die Moleküle von so hohem Molekulargewicht, daß sie nicht in das poröse Harz diffundierten. Mit anderen Worten ausgedrückt heißt das, daß das gelöste Dextran-Polymere durch die Kolonne in dem die Zwischenräume füllenden Volumen der Flüssigkeit hindurchging, ohne in die Poren des Harzes einzutreten.

Die Ergebnisse dieser Porenmessungen und auch die verwendeten Polymerisationsbedingungen für die Herstellung der Harze sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt.

Tabelle I Beispiel

Monomer-Ansatz

NMBA
(κ)

Am

Ie)

Monomer-Lö sung smittel

1 61,6 28,4 Dimethyl-

sulfoxid

2 61,6 28,4 Äthanol

Dime t hy 1-sulfoxid

Lösungsmittel
menge
T

225

90
135

Porositätsbereich (Mol.-Gewicht in Tausenden)

150-200 300-400

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1900SI

- ίο -

3	30,8	14,2	Äthanol Dimethyl- sulfoxid
4	30,8	14,2	Äthanol Dimethyl- sulfoxid
5	61,6	28,4	Dimethyl formamid
6	61,6	28,4	Methanol

67,5	400-500
67,5
90,0	500-600
67,5
225	600-750
270	600-750

" Der Porosität s"bereich ist entsprechend dem PermeabilitätsbereicJh. der Harzporen für die Dextranpolymeren mit den angegebenen Molekulargewichten wiedergegeben.

Aus den in der Tabelle zusammengestellten Werten geht hervor, daß die besondere Zusammensetzung des Lösungsmittels, in der das Polymere hergestellt wurde, einen wesentlichen Einfluß auf den Porositätsbereieh besitzt. Die Beispiele 2-4 erläutern, wie eine besondere Lösungsmittelkombination dazu verwendet werden kann, um die Porosität in Abhängigkeit von den relativen Anteilen der einzelnen Lösungsmittelkomponenten zu variieren.

Im allgemeinen können die einmal geeichten porösen Harze nach der Erfindung dazu verwendet werden, um jedes beliebige von einer Vielzahl von hochmolekularen, wasserlöslichen Materialien zu trennen, z*B. wasserlösliche Polymere«, Geeignete flüssige Träger für derartige Materialien schließen polare Lösungsmittel wie Wasser, wäßrige Salzlösungen, Natriumacetat-Essigsäure-Mischungen, Triäthanolamin-Essigsäure-Mischungen und Diäthyl ent ri amin-E ssigsäure-Mischungen ein. Die Mischungen mit Essigsäure bilden gepufferte Träger, die wirkungsvoll das pH als Variable ausschalten.

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- li -

In Abhängigkeit von den besonderen gelösten Material, das in Fraktionen nach dem Molekulargewicht getrennt werden soll, kann es erforderlich werden, das pH der Trägerflüssigkeit einzustellen, um die Möglichkeit der Adsorption des Gelösten auf dem Harz herabzusetzen· Die besondere Trägerflüssigkeit, die sieh am besten bei einer vorgegebenen chromatographischen Trennung eignen wird, wird in großem Ausmaß von der chemischen Natur des Polymeren oder anderen hochmolekularen Materialien, die fraktioniert werden sollen, abhängen,. So wurde z.B. gefunden, daß Polyalkylenimine sehr gut von porösem Harz adsorbiert wurden, wenn Wasser als Trägerflüssigkeit verwendet wurde. Gute Ergebnisse werden erhalten beim Trennen von Polyäthylenimin und einem porösen Harz der vorstehend beschriebenen Art, wenn als flüssiger Träger eine Mischung aus Diäthylentriamin und Essigsäure verwendet wird, die so gepuffert ist, daß ein pH von 8 aufrecht erhalten wird. Diese besondere Tragerflüssigkeit wurde aus 9 Yolumteilen 0,2-n Essigsäure und 10 Yolumteilen einer l^igen Diäthylentriamiii-Lösung in Wasser hergestellt.

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BAD ORIGINAi

Claims

P at ent ans prü cha '

1. Bin heteroporöses chromatographisches Adsorptionsmittel, dadurch gekennzeichnet, daß es ein vernetztee Polymeres ist, das in mischpolymerisierter Form G,5 - 2,5 Mol-Anteile eines Alkylidenbisacrylamids, dessen Alkylidengruppe 1-2 Kohlenstaffatome besitzt, und 1 Mol-Anteil Acrylamid, Methacrylamid oder eine Mischung dieser Amide enthält.

2. Ein Adsorptionsmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es in mischpolymerisierter Porm 1-2 Mol-Anteile !!.,N'-Methylenbisacrylamid und 1 Mol-Anteil Acrylamid, Methacrylamid oder eine Mischung dieser Amide enthält.

3_t Verfahren für die chromatographische Analyse von lösliGhen Polymeren durch selektive Adsorption auf eimern und Elulerung von einem kleinteiligen heteroporösen vernetzten Polymeren, dadurch gekennzeichnet, daß wasserlösliche Polymere in wäßriger Lösung in Berührung gebracht werden mit einem kleinteiligen heteroporösen Polymeren, das in mischpolymerisiert ter Form 0,5 - 2,5 Mol-Anteile eines Alkylidenbisacrylamids, dessen Alkylidengruppe 1-2 Kohlenstoffatome besitzt, und 1 Mol-Anteil Acrylamid, Methacrylamid oder «ine Mischung dieser Amide enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 3_f dadurch gekennzeichnet, daß das kleinteilige heteroporöse Polymere erhalten wurde duroh Auflösen der monomeren Amide in einem Lösungsmittel, das ein Nichtlöser für das Polymere ist, Suspendieren der Lösung in Trörfonenform in einem mit ihr nicht mischbaren flüssigen Sui-pensionsmedium, Polymerisieren der Monomeren und Abtrennen des kleinteiligen .Polymeren.

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BAD ORIGINAL

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daS die monomeren Amide in Dimethylsulf oxid, Dimethylformamid, einem Alkohol mit 1-4 Kohlenstoffatomen oder einer Mischung von zwei oder mehreren dieser Lösungsmittel gelöst wurden.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 4 oder 5, daduroh gekennzeichnet, daß die Lösung der monomeren Amide unter Rühren in einem aliphatischen alpha-Olefinkohlenwasserstoff mit 16 - 20 Kohlenstoffatomen dispergiert wurde.

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