DE2505892A1

DE2505892A1 - Verfahren zur herstellung von ionenaustauschern durch alkylierung und hydroxyalkylierung von polymeren hydrophilen anionenaustauschern

Info

Publication number: DE2505892A1
Application number: DE19752505892
Authority: DE
Inventors: Jiri Dipl Ing Coupek; Otakar Dr Mikes; Petr Dipl Ing Strop
Original assignee: Czech Academy of Sciences CAS
Current assignee: Czech Academy of Sciences CAS
Priority date: 1974-02-13
Filing date: 1975-02-13
Publication date: 1975-08-14
Also published as: CA1048692A; NL182566C; FR2260589B1; SE7501331L; GB1499134A; US4111859A; NL7501617A; SE424079B; FR2260589A1; CH619244A5; CS173201B1; AU7814775A; NL182566B; JPS50115684A; ATA101975A; AT337108B; JPS5913522B2

Description

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PATENTANWALT £0U O QvJ A

26. März 1974 ' Anw.-Akte: 75.79t ^:

Aktenz.: P 25 05 892. 8

PATENTANMELDUNG

Anmelder: Ceskoslovenska akademie f§d., Praha 1

Titel: Verfahren zur Herstellung von Ionenaustauschern durch Alkylierung und Hydroxylalkylierung von polymeren hydrophilen Anionenaustauschern

Die Erfindung betrifft chemische Nachfolgereaktionen, welche ionogene Gruppen oder ihre Präcursere, die sich in hydrophilen chromatographischen Gelen befinden, modifizieren. Durch diese Umsetzungen kann man hydrophile Träger von ionogenen Gruppen mit veränderten Eigenschaften herstellen und die Herstellungsmöglichkeiten und Ausnutzung von diesen Gelen erweitern.

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Synthetische hydrophile makroporöse Ionenaustauscher nach den CS-Patentanmeldungen PV 703-74, PV 704-74 und PV 896-74 weisen im Vergleich zu anderen Typen von Ionenaustauschern eine Reihe von bedeutenden Eigenschaften auf, welche ihre Verwendung, besonders auf dem Gebiet der Sorption und Chromatographie von Biopolymeren und ihren hochmolekularen Degradationsprodukten, wesentlich erweitern und vorteilhafter machen. Es ist vor allem ihre große mechanische Stabilität und chemische Beständigkeit, sowie ein konstantes Volumen der Ionenaustauschersäule bei der Änderung der Ionenstärke in wässrigen Lösungen., Gleichbedeutend ist auch die Fähigkeit, hohe Drücke bei erhöhten Durchflüssen und bei hoher Porosität des Geles auszuhalten«

Eine Bedingung für die Funktion dieser Präparate bei der Sorption und bei der Chromatographie stellen geeignete lonogene Gruppen dar, welche in das Gel schon bei dessen Herstellung durch ternäre Mischpolymerisation von hydro-

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philen Monomeren mit ionogenem Monomeren und mit Vernetzungsmitteln eingegliedert wurden. Dieser Weg ist aber nicht immer das vorteilhafteste Verfahren zur Herstellung von Ionenaustauschern mit optimalen Eigenschaften für ein gegebenes spezifisches Trennpröblem. In einigen Fällen ist es zweckmäßig, gebundene funktionelle Gruppen nachträglich chemisch zu modifizieren, um Derivate mit den erwünschten Eigenschaften herzustellen«, Dieses kommt besonders in den Fällen vor, in welchen eine Polymerisation mit unveränderter Monomerengruppe vorteilhafter als die Mischpolymerisation vom Monomeren mit der schon in endlicher effektiver Form enthaltenden Gruppe wird, weiter in Fällen, wenn die effektive funktioneile Gruppe eine hemmende Wirkung auf die radikalische Polymerisation ausübt, oder wenn eine nachträgliche modifizierende Umsetzung oekonomischer wird als die Herstellung vom.Monomeren mit der fertigen fränktionellen Gruppe und seine Mischpolymerisation,

Die modifizierenden Umsetzungen betreffen besonders solche Regelungen, durch welche sich der chemische Charakter, die Disoziationskonstante oder die Kapazität der ionogenen Gruppen, der Grad ihrer Hydrophilität oder ihre Entfernung von der Matrix und dem Charakter der Mikroumgebung, sowie auch die Beseitigung von Resten der unerwünschten ionogenen im Ionenaustauscher anwesenden Gruppe ändert. Modifizierende Umsetzungen, welche die Ionenaustauschergruppen aus dem Präcursor generieren, sind manchmal vorteilhafter hinsicht-

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lieh der eigenen Herstellung der Ionenaustauscher. Durch eine geeignete Wahl des Präcursors kann man erreichen, entstandene Gruppen in gegenseitig vorteilhafte räumliche Beziehungen zu "bringen (Alternierende Mischpolymerisation), welche für die eigene Funktion bei der Sorption oder Chromatographie von Bedeutung sind, Durch eine einfache Umwandlung der primären Aminogruppe in die sekundäre oder tertiäre Gruppe erhöht sich in der Regel die Bäsizität der Gruppe etwas, durch die Umwandlung in die quartäre Gruppe erhöht sich die Basizität bedeutend und diese Eigenschaften äußern sich bei den Sorptionseigenschaften ganz beträchtlich. Wenn man eine Substitution der Aminogruppe anstelle einer Alkylierung durch Hydroxyalkylierung durchführt, erhöht sich gleichzeitig die Hydrophilität der Funktionsgruppe, was in chromatographischen Eigenschaften zum Ausdruck kommt. Durch die Substitution der Aminogruppe durch Aminoalkylierung oder Alkylaminoalkylierung erhöht sich gleichzeitig ihre Basizität, durch die Erhöhung der Anzahl der basischen Gruppen nimmt die Kapazität des Materials zu und überdies können die hinzugegebenen funktionellen Gruppen eine mehr entfernte Position in der Gelmatrix einnehmen. Durch die Wahl von geeigneten Substituenten kann man die Anzahl der Funktionsgruppen um ein Vielfaches erhöhen und ihr Einnehmen der entfernten Position von den inneren Oberflächen in Porenhöhlen ermöglichen und dadurch ihre nütz*

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liehe Kapazität für natürliche Polymeren steigern;' Ausgedehnte Formen dieser Ketten erzielt man durch natürliches gegenseitiges Abstoßen von übereinstimmend geladenen Funktionsgruppen, Durch ähnliche Umsetzungen kann man die Eigenschaften von Amionenaustauschergruppen ändern, ihre Arme verlängern und nach Bedarf die Gelkapazität erhöhen.

Die Aufbereitung des Ionenaustauschergeles kann man durch modifizierende Umsetzungen oft billiger durchführen, als es durch direkte Mischpolymerisation möglich wäre; die Aufbereitung führt oft zu der Form, welche für den erwünechten Zweck optimal ist. Die Änderung der Dissoziationskonstante beeinflußt vorteilhaft die Sorptionscharakteristik, so z. B, sorbiert eine sehr schwach basische primäre Aminogruppe im Aminoäthylderivat praktisch keine Eiweißstoffe fHaemoglobin, Serumalbumin), wogegen das durch ihre nachträgliche Diäthylierung hergestellte Präparat besser sorbiert. Wenn aber Diäthy'laminoäthylmethacrylat durch eine Mischpolymerisation hergestellt wird, so wird Haemoglobin nicht adsorbiert, aber Serumalbumin nur schwach und Pepsin gut adsorbiert.

Durch eine nachträgliche Modifizierung von hydrophinelen Gelen bei der Diäthylaminoäthylierung entstehen hinzugegebene funktioneile Gruppen, die die Gelkapazität für

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die Eiweißstoffe mit einem isoelektrischem Punkt in alkalischem Gebiet erhöhen. Das bestätigt auch die Analyse der Titrierkurven und die termische Analyse der hergestellten Derivaten.. Es wurde nachgewiesen, daß der Mischpolymerisat des Diäthylaminoäthylmethacrylats mit hydrophilen Comonomeren und Vernetzungsmittel nur die Gruppe «CELCH^-NCCHpCH,^ enthält, wogegen alle gebräuchlichen hydrophilen Ionenaustauscherderivate, welche durch polymeranalogische Diäthylaminoäthylierung der Stärke, Polydextrane oder Cellulose hergestellt wurden, außer der schwach basischen Diäthylaminoäthylgruppe noch quartäre Aiaoniumgruppen, welche die Sorption der Eiweißstoffe erhöhen, enthalten«, Das Gel, welches nur tertiäre Aminogruppen enthält, ist von sich selbst zur Sorption von Eiweißstoffen mit isoelektrischem Punkt in saurem Gebiet, wie z.B. Pepsin, sehr geeignet« Man kann es also zur selektiven Sorption aus der Lösung von den Eiweißstoffen, die sich durch denbisoelektrischen Punkt prägnant unterscheiden, verwenden. Aus dem angeführten geht hervor, daß eine Nachfolgemodifizierung der ionogenen Funktionsgruppe von Anionenaustauscher einen wesentlichen Einfluß auf seine Wirkung beim Trennen ausüben kann.

Die Erfindung betrifft modifizierende Umsetzungen von hydrophilen polymeren Anionenaustauschern auf der Basis von Gelen, welche durch Mischpolymerisation von Acrylat-

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und Methacrylatraonomeren, die aus der Gruppe von Aminoalkylacrylaten, Aminoalkylmethacrylaten, Aminoalkylacrylamiden, Aminoalkylmethacryl amiden ausgewählt wurden, hergestellt wurden, oder auf der Basis von den durch chemische Bindung der Aminogruppen an eine hydrophile Matrix der Hydroxyacrylat- oder Hydroxymethacrylatmischpolymerisate (CS-Patente 148 828, und 150 819) dargestellten Gelen. Zur Modifizierung wird die Wirkung von Alkylhalogeniden, Alkylestern der p-Toluolsulfonsäure, Alkylsulfaten und Epoxiden, was zu alkylierten oder hydroxyalkylierten Produkten führt, ausgenützt. Wenn man Gele durch eine Umsetzung mit Polyaminen oder oligomeren Produkten der Polyaddition von Aethylenimin modifiziert, kann man dann die entstandenen Anionenaustauscher leicht durch Alkylierungsreaktionen quartärnisieren und außerordentlich hohe Werte der Austauschkapazität erreichen. Durch die Alkylierung der Carboxylgruppe durch Y/irkung von Diazoverbindungen kann man wesentlich den Gehalt an unerwünschten anionogenen Gruppen im Anionenaustauscher vermindern.

Im weitersm wird die Erfindung in Beispielen erklärt, ohne sie auf diese zu beschränken«

Beispiel 1

2 g Mischpolymerisat des Diäthylaminoäthylmethacrylats mit 2-Hydroxyäthylmethacrylat und Aethylendimethacrylat

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mit der Ausschlußgrenze des Molekulargewichtes 700.000 wurden in 10 ml Ν,Ν-Dimethylformamid suspendiert. Zum Gemisch wurden 8 ml Butylbromid zugegeben. Unter periodischem Durchschütteln wurde das Gemisch auf 150° C in 18 Stunden erhitzt. Danach wurde das Gel abfiltriert mit Methanol, Aceton, Wasser, 20 # HCl, Wasser, 10 % NaOH, Wasser, 10 f» HCl, Wasser, Methanol, Aceton und Aether durchgewaschen. Die Reaktion mit Phenolphthalein hat gezeigt, daß die ursprünglichen tertiären funktionellen Aminogruppen quartarnisiert wurden. Durch Titration wurde ein quantitativer Umsatz verifiziert.

Beispiel 2

2 g Mischpolymerisat aus dem Beispiel 1, welches 15 Mol.-# Ν,Ν-Diäthylaminoäthylfunktionsgruppen enthält, wurden unter den im Beispiel 1 angeführten Bedingungen mit Aethylbromid in einer eingeschmolzenen Ampulle erhitzt« Quartäinisiertes Polymerisat wurde nach dem Durchwaschen für die Bestimmung des Gehaltes an Ammoniumfunktionsgruppen titriert.

Beispiel 3

2 g Mischpolymerisat des Aethylendimethacrylais mit 2-Hydroxyäthylmethacrylat wurden mit Bromcyan aktiviert und weiter mit Aethylendiamin unter den in der CS-Patentanmeldung PV 2106-72, Beispiel 17 angeführten Bedingungen umgesetzt.

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Das Gel mit gebundenen primären Aminogruppen wurde nach dem Durchwaschen und Austrocknen in die Ampulle gebracht, dabei wurden 5 ml Dioxan und 2 ml Aethylenoxid zugegeben/^ Nach dem Einschmelzen wurde die Ampulle auf eine Temperatur von 100° C 5 Stunden erhitzt. Das Reaktionsprodukt, welches hydroxyalkylierte tertiäre Aminogruppen enthält, wurde auf analoge Weise wie im Beispiel 2 quartärnisiert·

Beispiel 4

2 g Mischpolymerisat des 2-Hydroxyäthylmethacrylats und Aethylendiacrylats mit der Ausschlußgrenze des Molekulargewichtes 100.000 wurden durch die Umsetzung mit Thionylchlorid (analog wie in der CS-Patentanmeldung PV-896-74j Beispiel 7) modifiziert. Das Produkt wurde im Gemisch von 5 ml Ν,Ν-Dimethylfprmamid und 3 ml oligomere Polyäthylenimine mit durchschnittlichem Molekulargewicht 370 auf 150 C innerhalb von 30 Stunden erhitzt. Nach dem Abkühlen und vollkommenen Durchwaschen wurde das Produkt auf analoge Weise wie im Beispiel 2 quartärnisiert. Das (Juartärnisierte Produkt wurde mit Methanol, Aceton, Wasser, 10 # HCl, Wasser, 10 9^ NaOH, Wasser, Methanol, Aceton und Aether durchgewaschen und seine Austauschkapazität (6, 5 ÄTal/g) bestimmt.

Beispiel 5

p-Toluolsulfochlorid wurde zunächst aus Wasser kristalli-

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siert, danach in Chloroform aufgelöst, die Chloroformlösung mit wasserfreiem MgS(L ausgetrocknet und mit einem Molekularsieb Nalsit A 4 nachgetrocknet. Das p-Toluolsulfochlorid wurde anschließend unter Zugabe von Aktivkohle aus Chloroform und aus dem Gemisch Chlorofora-Heptan kristallisiert.

In 250 ml getrocknetem Aether wurden 100 g p-Toluolsulfochlorid aufgelöst, das Gemisch wurde auf 10° C ausgekühlt und zum Gemisch wurde eine Lösung aus 80 g 1-Butanol und 100 ml Pyridin so zugegeben, damit' die Reaktionstemperatur 25° nicht überstieg. Nachdem wurde das Gemisch bei Raumtemperatur noch 5 Stunden gerührte Durch die Dünnschichtchromatographie (Silufol UV) wurde der Umsatz verfolgt. Nach 5stündigem Rühren, wenn der Umsatz fast vollkommen ist, wurde das Gemisch noch mit 700 ml Aether verdünnt, der ausgefällte Niederschlag wurde abfiltriert, die aetherische Lösung auf etwa 400 ml konzentriert und mit Wasser vom pH-Wert 3 so lange ausgeschüttelt, bis der pH-Wert das wässrigen Extraktes ohne Änderung bliebe Dann wurde die aetherische Lösung nochmals mit 2 χ 200 ml Wasser, 2 χ 200 ml 4 ^ NaHOC* und wiederumg mit 2 χ 200 ml Wasser ausgeschüttelt, ausgetrocknet, durch die mit SiIicagel gefüllte Säule gegossen und abgedampft, 20 g des Produktes, dessen Herstellung im vorhergehenden Absatz beschrieben wurde, wurden zu 2 g hydrophilen makroporösem

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Gel mit 15 1° Ν,ΐί-Diäthylaminoäthylmethacrylat im Polymerisationsansatz zugegeben. Zum Gemisch wurden 15 ml U₁U-Di-methylformamid, welches durch Molekularsiebe Ualsit A4 ausgetrocknet wurde, zugefügt» Das Gemisch wurde auf 95 C während 5 Stunden erhitzt. Das Gel wurde danach abfiltriert, mit Dioxan, Aceton, Benzol, Aceton, Methanol und Wasser durchgewaschen· Dann wurde 0,5 g Anteil durehgewasehen und mit 10 $> UaOH äquilibriert, mit Wasser durchgewaschen und die Gegenwart von stark basischen Gruppen mit Phenolphthalein nachgewiesen. Der zweite Anteil wurde noch mit Methanol, Aceton und Aether durchgewaschen. Durch Elementaranalyse wurde der Gehalt an Schwefel bestimmt.

Beispiel 6

Eine ausgekühlte Lösung aus 3 g KOH und 10 ml Wasser wurde mit 20 ml ausgekühltem Aether (unter 5° C) überschichtet und zu dieser Lösung wurden stufenweise 1,5g U,-Methylnitrosoharnstoff so zugegeben, daß die Temperatur 10° C nicht überstieg. Die aetherische Lösung wurde dann abgetrennt und zur Lösung wurden 5 g Mischpolymerisat des 2-Hydroxyäthylmethacrylats und Aethylendimethacrylats, welches restliche Carboxylfunktionsgruppen (Austauschkapazität 0,25 mval/g) enthielt, zugefügt. Die Lösimg wurde mit dem Gel 30 Minuten gerührt, dann wurde der Aether abfiltriert, das Gel mit Methanol, Wasser, 10 $> HCl, Methanol,

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Aceton und Aether durchgewaschen. Nach dem Austrocknen wurde daw Gel abgewogen und im Wasser quellen gelassen. Durch Titration wurde die Austauschkapazität der Carboxylgruppen (0,019 mval/g) bestimmte

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Claims

NACHQERfclCHT

PATENTANSPRÜCHE:

Verfahren zur Herstellung von Ionenaustauschern aus hydrophilen polymeren Anionenaustauschern auf der Basis von Acryl- und Methacrylatgelen, dadurch
gekennzeichnet , daß man Aminogruppen von Gelen, welche durch Mischpolymerisation von
den aus der Gruppe der Aminoalkylacrylate, Aminoalkylmethacrylate, Aminoalkylacrylamide oder Aminoalkylmethacrylamide ausgewählten Monomeren, oder von Gelen, welche durch chemische Bindung von Aminogruppen auf einer hydrophilen Matrix von Aurylat- oder Methacrylatmischpolymerisation hergestellt werden,
durph Wirkung von Alkylierungsmitteln wie Alkylhalogenide, Alkylester von p-Telephthalsäure, Alkylsulfate oder Epoxide alkyliert, oder hydroxyalkyliert,
2. Verfahren zur Herstellung von Ionenaustauschern aus Gelen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man anwesende unerwünschte
Carboxylfunktionsgruppen im Gel durch die Wirkung von Alkyldiazovertindungen alkyliert.

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NACHOU .,

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3. Verfahren zur Herstellung von modifizierten Anionenaustauschern nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man halogenierte Acrylat- oder Methacrylatgele mit Polyaminen oder oligomeren Produkten der Polyaddition von Aethylenimin umsetzen läßt.

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