DE2503774A1

DE2503774A1 - Verfahren zur herstellung von ionenaustauschern aus hydrophilen polymeren gelen

Info

Publication number: DE2503774A1
Application number: DE19752503774
Authority: DE
Inventors: Jiri Dipl Ing Coupek; Miroslava Dipl Ing Krivakova; Otakar Dipl Ing Dr Mikes; Petr Dipl Ing Strop
Original assignee: Czech Academy of Sciences CAS
Current assignee: Czech Academy of Sciences CAS
Priority date: 1974-02-01
Filing date: 1975-01-30
Publication date: 1975-08-07
Also published as: FR2259850B1; JPS585202B2; US4139684A; JPS50114391A; NL183297C; SE7500958L; AT346583B; NL183297B; NL7501199A; CS171962B1; SE409463B; FR2259850A1; GB1493985A; DE2503774C2; ATA67275A; CH615362A5; AU7804075A

Description

Die Erfindung betrifft die Ionenaustauscher, welche durch Mischpolymerisation von hydrophilen, nicht ionogenen Monomeren mit ionogenen Monomeren unter Entstehung des Ionenaustauschers aus hydrophilem Gel, das besonders zur Isolation und Chromatographie von empfindlichen Stoffen vorwiegend biologischer Herkunft, wie z.B. von Eiweissstoffen, Polypeptiden, Antigenen, Enzymen, Nucleinsäuren und deren hochmolekularen Fragmenten, geeignet sind, hergestellt werden, wodurch die Verwendungsmöglichkeiten der Ionenaustauschergele nicht erschöpft werden»

Die Isolierung gehört zu einer der elementarsten und sehr wichtigen chemischen Operationen, wobei das Ausnützen des Materials mit den zum Ionenaustausch fähigen Gruppen eine von den zu diesen Zwecken wichtigsten Operationen gehörte. Ionenaustauscher besitzen noch eine Reihe von weiteren bedeutsamen Anwendungsmöglichkeiten, Die bisher hergestellten Ionenaustauschermaterialien werden den Verwendungsanforderungen, obwohl schon sehr viele entwickelt wurden, nicht immer gerecht. Es sind einerseits Materialien natürlichen Ursprungs (verschiedene Alumosilikate, z.B. Zoolite), andererseits durch einfache Umsetzung von natürlichen Stoffen hergestellte Materialien (z.B. sulfonierte Kohle, besonders aber synthetische, anorganische und organische Materialien. Von den anorganischen synthetischen Ionenaustauschern verwendet man eine nicht

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zu hohe Anzahl; neben synthetischen Zeoliten sind heute Phosphate, Molybdenate und Wolframate des Thoriums, Titans und besonders des Zirkoniums von Bedeutung. Von organischen synthetischen Ionenaustauschern wurde große Menge von Materialien - anfänglich von ältesten Phenol-Formaldehyd-Harzen und Karbamidharzen bis zu modernen Mischpolymerisaten von Acrylsäure und derer Derivaten mit Divinylbenzol und Styrol-Mvinylbenzol-Ionenaustäuschern hergestellt und erzeugt.

Für die Isolierung und Chromatographie von empfindlichen Stoffen biologischer Herkunft, welche einen komplizierten Molekularaufbau (primäre, sekundäre und tertiäre Struktur, wie z. B₄, Eiweissstoffe und Polypeptide,· Nucleinsaure und deren Fragmente) aufweisen, sind die angeführten Ionenaustauschertypen in der Mehrzahl nicht geeignet. Sie besitzen entweder ungeeignete ionogene Eigenschaften (anorganische Ionenaustauscher), oder es erfolgen an den Oberflächen der hydrophoben aromatischen Matrizen starke hydrophobe Wechselwirkungen, die die höheren Strukturen empfindlicher biologischer Produkte zerstören und sie denaturieren (organische Ionenaustauscher)· Bei Verwendung von diesen ionenaustauschern werden deshalb übermäßige Mengen der wertvollen Materialien verloren oder deren Verwendung wird überhaupt unmöglich« Es wurden deshalb ■"-". hydrophile Ionenaustauscher, welche die natürlichen PoIy-

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merisate nicht denaturieren und die für Makromoleküle zugänglicher sind, hergestellt. Es sind besonders Ionenaustauscherderivate der Cellulose (z.B. Carboxymethylcellulose, Diathylaminoäthylcellulose e.a.) und Ionenaustauscherderivate des Polydextrans (z.B_e Carboxymethylderivate, Diäthylaminpäthylderivat, Sulfoäthyl- oder Sulfopropylderivat und quartärnisiertes Aminoäthylderivat des Polydextrans. Bei diesen Ionenaustauschern ist es vorteilhaft, wenn sie eine polysaccharidartige Struktur der Ketten mit vielen hydrophilen Hydroxygruppen, mit sehr wenigen Querbindungen (bei Polydextränen) oder wenn sie fibrillförmige Cellulosestruktur aufweisen; große Poren ermöglichen bei diesen Ionenaustauschern die Pene« trierung von Makromolekülen zu Funktionsgruppen,, Diese Produkte werden heute auf dem Markt von einigen Firmen zum Zwecke der Sorption und Chromatogi?phie von Eiweissstoffen, Polypeptiden, Nucleinsäuren, deren Fragmente und von anderen Stoffen geliefert und sie werden nicht nur Im Labor sondern auch in Betrieb angewendet.

Der Rachteil dieser Produkte, bei deren Herstellung man von den mechanisch nur wenig widerstandsfähigen und wenig chemisch beständigen Materialien biologischer Herkunft (Cellulose, Polydextran) ausgeht, liegt in ihrer relativ kleinen mechanischen Festigkeit und ihrer geringen chemischen Beständigkeit. Einen weiteren Nachteil bilden

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Form und Eigenschaften der Partikel. Fibrillenbündel der Cellulose kann man nicht in kugeliger Form herstellen, obwohl man heute für die Herstellung von Ionenaustauschern natürliche Fäden verkürzte Die Partikel in der Säule erreichen "bei höheren Drücken die Form eines gepreßten Filzes, wodurch die Säulen verstopft werden; deswegen sind diese Materialien bei der modernen Flüssigkeit schromatographie, wo man immer höhere Durchflußgeschwindigkeiten und Drücke verwendet und kugelförmige Partikel fordert, nicht anzuwenden. Auch für den praktischen Betrieb ist eine solche Form der Partikel nicht geeignet.

Polydextrane werden zwar in Form von Perlen hergestellt, sind aber sehr weich und verändern ihr Volumen in Abhängigkeit von der Ionenstärke des Lösungsmittels. Sie erlauben deshalb nicht das Regenerieren und Durchwaschen mit Wasser in den Säulen. Für jede Anwendung ist es nötig, die Kolonne wiederum zu füllen, was die Labor- und besonders Betriebsanwendungen erschwert. Außerdem kommt es bei erhöhten Durchflußgeschwindigkeiten und höheren Drücken zu Deformationen der weichen Sphäroiden und zum Verstopfen der Säulen. Aus diesem Grund ist auch dieser Typ von Ionenaustauschern für die moderne Flüssigkeitschromatographie wenig geeignet. Beide Typen von Ionenaustauschern auf del? Basis von Cellulose und Polydextran

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sind gegen extreme pH-Werte, besonders bei erhöhter Temperatur und gegen Oxidations- und andere chemische Mittel empfindlich. Außerdem werden sie durch einige hydrolytische Enzyme zersetzt und sie sind durch Mikroorganismen leicht angreifbar.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Ionenaustauschermaterialien durch ternäre Mischpolymerisation von synthetisch hergestellten hydrophilen Monomeren mit ionogenen Monomeren und geeigneten Vernetzern. Das entstandene Produkt weist einen hydrophilen Charakter, erwünschte ionogene Eigenschaften, in breiten Grenzen regulierbare Porosität und gute chemische und mechanische Stabilität auf« Diese Eigenschaften erreicht man durch ternäre Mischpolymerisation, welche auf die im folgenden geschilderte Weise durchgeführt wird.

Die ternäre Mischpolymerisation in Suspension wird in wässrigem Disperzionsmilieu in Gegenwart von Stabilisatoren der Suspension, zu welchem Polyvinylpyrrolidon, Polyvinylalkohol, teilweise hydrolysiertes Polyvinylacetat oder einige natürliche polymere Stoffe wie z.B. Stärke und Pektine dienen, hergestellt. Als hydrophiles Monomere, das nicht ionigene Hydroxy- und Amid-Gruppe enthält, dienen Hydroxyalkylacrylate, Hydroxyalkylmethacrylate, Oligo- oder Polyglykolacrylate, Oligo- oder

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Polyglykolmethacrylate, Acrylamide, Methacrylamide, N-substituierte Acrylamide und Methacrylamide. Monomere, die ionogene Funktion enthalten, werden durch Acrylsäure, Methacrylsäure und Monomeren der allgemeinen Formel

R
I

CH₂ = C - COX, dargestellt, .

wobei R = H, CH₅,

R₂ R₁ ist Alkyl oder Alkylen,

X = -OR₁-N^ _R^ _R^ sind Alkyle, Hydroxyalkyle,

Aminoalkyle oder Wasserstoffatom

-OR₁-SO₅H

Rp

Yernetzungsmittel sind dann Monomere mit zwei oder mehreren Acryl oyl- oder Methacryloyl-Funktionsgruppen wie· z_eB_# Alkylendiacrylate, Alkylendimethacrylate, Oligoglykol-

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und Polyglykoldimethacrylate, Alkylenbisacrylamide, Alkylenbismethacrylamide und Diviny !benzol. Die Polymerisation wird in Gegenwart von inerten organischen Komponenten, deren Charakter und Konzentration die Porenverteilung der gewonnenen Produkte beeinflußt, durchgeführt.

Der hergestellte Typ der makroporösen und semimakroporösen Matrix des hybriden Aero-xerogels gibt dem Ionenaustauscher gute mechanische Stabilität, Druckbeständigkeit und chemische Stabilität. Die entstandenen Derivate sind resistent gegen fcäure und alkalische Hydrolyse, oxidationsbeständig und widerstandsfähig gegen den Einfluß organischer Lösungsmittel· Weil die Ausgangsmonomeren nicht zu den Stoffen biologischer Herkunft gehören, die geeignete Substrate für Mikroorganismen bilden können, sind die entstandenen Gele auch gegen den Angriff von Bakterien und Schimmelpilze beständig. In wässrigen Lösungen quellen die Mischpolymerisate nur wenig und die Partikel ändern keinesfalls ihre Größe in Abhängigkeit von der Ionenstärke auch bei hohen Ionenaustauschkapazitäten, Deshalb werden sie leicht regeneriert. Eine leichte Eegulierung der Porengröße in breitem Ausmaß bei d er Darstellung erlaubt das Durchdringen natürlicher makromolekularer Polymerisate bis zur Molekulargewichtgröße von Millionen von Molekulargewichtseinheiten beim Erhalten aller Vorteile. So wird die Herstellung von Materialen ermöglicht, die zum gegebenen

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Zweck optimal angepaßt werden«, Überdies kann durch die Auswahl geeigneter Porosität die Selektivität für verschieden große Moleküle erreicht werden.

Diese Eigenschaften erlauben die Anwendung des erfindungsgemäßen Ionenaustauschers im Labor- und Betrieb in normalen Behältern oder in Druckgefäßen, ermöglichen ihre Verwendung in der sich entwickelnden Flüssigkeitsehromatographie und bei der preparativen Sorption zu Herstellungszwecken in Säulen und in Chargen, Weil die Ionenaustauscher die Biopolymeren nicht denaturieren, sind diese Materialien zu ihrer Sorption und Chromatographie geeignet. Ihre praktische Verwendung wird dadurch nicht begrenzt. Diese Ionenaustauscher kann man in der Form von kugelförmigen Sphäroiden, aber auch von Blöcken oder Schrot, Membranen, Röhren, Fäden oder Folien oder Bändern herstellen. Fäden oder Saiten kann man in die Form von Ionenaustauschertextilien zum Zwecke einer kontinuierlichen Sorption und Desorption auf einem Laufband fertigweben.

Das Verfahren zur Herstellung dieser Ionenaustauscher wird in weiterem in Beispielen erläutert, ohne das Patentbegehren darauf zu beschränken,

Beispiel 1 -

In einem gläsernen Autoklav von einem Volumen von 1 Liter,

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der mit einem rostfreien Ankerrührer mit kontinuierlich regulierbaren Umdrehungen, Thermometer und Temperaturmantel versehen ist, wurden innerhalb von 12 Stunden bei 80° G in Suspension 32«7 Gew.-Teile 2-Hydroxyäthylmethacrylat, 24,5 Gew_#-Teile Äthylendimethacrylat, 24,5 Gew.-Teile Ν,ΐί-Diathylaminoathylmethaorylat, 88,8 Gew.-Teile Cyclohexanol und 19,5 Gew.-Teile Dodecylalkohol in 600 Gewo-Teilen Wasser mischpolymerisiert. Die Suspension wurde mit 6 Gew.-Teilen Polyvinylpyrrolidon )BASF M = 750.000) stabilisiert« Als Auslöser der radikalischen Polymerisation diente Azobisisobutyronitril (0,8 Gew„-Teile). Nach dem Polymerisationsende wurde das Gel vollkommen mit Wasser nach Aethanol durchgewaschen, nach Teilchengröße fraktioniert und seine Austauschkapazität wurde in üblicher Weise titrimetrisch bestimmt (1,28 mäquiv./g). Ähnlich wurde die ternäre Mischpolymerisation mit verschiedenen Anfangskonzentrationen vqn N,N-Diäthylaminoäthylmethacrylat durchgeführt. In Fig. 1 wird die Abhängigkeit der Austauschkapazität der ternären Mischpolymerisate von der Anfangskonzentration des ionogenen Monomeren veranschaulicht. Auf der Y-Achse werden die Austauschkapazitäten der Produkte in Miliäquivalenten HC1 auf 1 g des trockenen Polymerisats bezogen, auf der X-Achse die Konzentration (in ^) von Ν,Ν-Diäthylaminoäthylmethacrylat im Ausgangsgemisch der Monomeren aufgetragen.

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Beispiel 2

Die Herstellung von stark saurem Eationenaustausoher wurde auf ähnlicher Weise wie im Beispiel I mit dem Unterschied durchgeführt, daß als ionogenes Monomeres 2-Sulfoäthylmethacrylat verwendet wurde. Nach der Fraktionierung der sphärischen Partikel des Produktes wurde analog wie im Beispiel 1 die Austauschkapazität (1,39 mäquiv,/g) bestimmt.

Beispiel 3 .

41,6-Gew.-Teile 2-Hydroxyäthylacrylat, 32 Gew.-Teile Diäthylenglykoldimethacrylat und 8,2 Gew.-Teile N,N-Diäthylaminoäthylmethacrylat wurden in Gegenwart von 90 Tln_e Gyclohexanol und 10 TIn₄, Laurylalkohol in derselben Einrichtung wie im Beispiel 1 mischpolymerisiert· Nach der Isolation und dem Durchwaschen des Produktes wurde seine Austauschkapazität bestimmt,

Beispiel 4

Das Polymerisat mit makroporöser Struktur wurde auf ähnliche Weise wie im Beispiel 1 mit dem Unterschied hergestellt, daß als ionogenes Monomere Ν,Ν-Diäthylaminoäthylmethacrylamid verwendet wurde»

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Beispiel 5

33|5 Gew.-Teile Diäthylenglykolmonomethacrylat, 32 Gew.-.Teile Aethylenglykoldimethacrylat und 16,5 Gew.-Teile 2-Sulfoäthylmethacrylamid wurden in Gegenwart von 100 Gew.-Teilen Cycklohexanol in der im Beispiel 1 beschriebenen Einrichtung mischpolymerisiert. Das makroporöse in Form von sphärischen Partikeln gewonnene Polymerisat wurde nach dem Durchwaschen mit Wasser und !ethanol nach Teilchengröße auf den Sieben fraktioniert. Die Fraktion von 100 - 200 fm. wurde zur Bestimmung der Austauschkapazität verwendet (0.73 mäquiv./g).

Beispiel 6

Das Kopolymere wurde analog wie im Beispiel 1 hergestellt, mit dem Unterschied, daß als das ionogene Monomere Methacrylsäure verwendet wird und die ternäre Mischpolymerisation mit 35 Gew.-Teilen 2-Hydroxyäthylmethacrylat und 32 Gew_e-Teilen Aethylendimethacrylat in Gegenwart von 92,6 Gew.-Teilen Cyclohexanol und.10 Gew.-Teilen Dodecylalkohol durchgeführt wurde. Das entstandene Polymerisat wurde nach dem Durchwaschen fraktioniert und als schwach saure Kationenaustauscher verwendet.

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Beispiel 7

33 Gew.-Teile Aethyienglykolmonoacrylat, 32 Gew.-Teile Methylenbisacrylamid und 18 Gew.-Teile Diäthylaminoäthylacrylat wurden in Gegenwart von 100 Gew_e-Teile Hexanol ähnlich wie im Beispiel 1 mischpolymerisiert. Das in der Form von sphärischen Partikeln gewonnene Polymerisat wies eine Austauschkapazität 0,7 mäquiv./g auf.

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Claims

PATENTANWALT - 250377A

29. Januar 1975 Anw,~Äktei ?5^;;

PATENTAIMELDUIG

Anmelder; Ceskoslovenska akademie ve"d., Prag 1

Titel; Verfahren zur Herstellung von Ionenaustauschern aus hydrophilen polymeren Gelen

PATENTANSPRÜCHE: ^;

Verfahren zur Herstellung von makroporösen Ionenaustauschermaterialen, welche besonders für die Isolation von biologisch wirksamen Stoffen bestimmt sind, dadurch gekennzeichnet, daß man die Materialien durch ternäre Mischpolymerisation von hydrophilen Monomeren, welche nichtionogene Gruppen enthalten, mit den ionogene Gruppen enthaltenden Monomeren und mit Vernetzungsmitteln in wässrigem Dispersionsmilieu in Gegenwart von inerten Eomponenttn und Stabilisatoren der Suspension hergestellt.

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2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hydrophilen Monomeren, welche nichtionogene Gruppen enthalten, zu Verbindungen der Gruppe von Hydroxyalkylacrylaten, Hydroxyalkylmethacrylaten, Oligo- und Polyglykolacrylaten, Oligo- und Polyglykolmethacrylaten, Acrylamid, Methacrylamid, N-substituierten Acrylamiden und Methacrylamiden gehören.

3· Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch g e k e ή η zeichnet, daß als ionogene Gruppen enthaltende Monomeren die Verbindungen der allgemeinen Formel

R
I

CH₂ = C-- COX

wo R = CH₅ oder H

X = OR₁-N ^_Ό ,-OR₁SO_xH, -NIMl₁-N^p ,-NB-R₁-SO^H

R- β Akylen, Rp, R_x = Wasserstoffatom, Alkyl, Hydroxyalkyl oder Aminoalkyl,
weiter dann Acryl- und Methacrylsäure verwendet werden,

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_. 3 —

4. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch g e■'- ■ = kennzeichnet, daß man als Vernetzungsmittel die Monomeren verwendet, die aus der Gruppe von Diaerylaten und Dirnethacrylaten,,wie z.B_# Alkylendiacrylate, Alkylendimethacrylate, Oligoglykol- und Polyglykoldiacrylate, Oligo- und POlyglykoldimethacrylate, AlkylenlDisacrylamide, Alkylenbismethacryamide, DiYinylbenzol oder aus der Gruppe der Verbindungen die drei oder mehrere Acryloyl- oder Methacryloylgruppen enthalten, welche durch ester¹sehe oder amidische Bindung gebunden werden, gewählt sind.

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