DE3875287T2

DE3875287T2 - Verbundpolymere, ihre herstellung und verwendung in der fluessigkeitschromatographie.

Info

Publication number: DE3875287T2
Application number: DE8888401424T
Authority: DE
Inventors: Egisto Boschetti; Pierre Girot
Original assignee: I B F
Current assignee: I B F
Priority date: 1987-06-11
Filing date: 1988-06-10
Publication date: 1993-04-15
Anticipated expiration: 2008-06-11
Also published as: FR2616437B1; JP2839144B2; US5075371A; US5053135A; EP0296926A1; EP0296926B1; ATE81521T1; CA1302614C; GR3005982T3; DE3875287D1; JPS6479247A; ES2052756T3; FR2616437A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft neue homogene Verbundpolymere auf Basis von Siliciumdioxid und dreidimensional vernetzten Copolymeren, die für die Flüssigkeitschromatographietechniken, speziell zur Trennung biologischer Verbindungen, brauchbar sind.
Um industriell brauchbar sein zu können, müssen die Träger für die Flüssigkeitschromatographie zahlreiche physikalisch-chemische Eigenschaften besitzen. Insbesonders müssen sie hydrophil, chemisch inert, stabil gegenüber üblichen chemischen und physikalischen Mitteln, mechanisch fest, biologisch nicht abbaubar, durch Pfropfen von Molekülen chemisch modifizierbar, von bekannter, zum Zeitpunkt der Synthese steuerbarer Porosität, in Form von Kugeln mit geringer Durchmesserstreuung herstellbar und wenig kostspielig sein.
Bis zu diesem Zeitpunkt entspricht kein bekannter Träger vollkommen allen diesen Forderungen.
Erfindungsgemäß wurden nun neue Verbundpolymere gefunden, deren physikalisch-chemische Eigenschaften vollkommen den industriellen Forderungen entsprechen.
Die erfindungsgemäßen Verbundpolymere sind homogene Polymere, die in gegenseitiger Durchdringung 20 bis 80 Gew.-% Siliciumdioxid und 80 bis 20 Gew.-% eines dreidimensional vernetzten Acryl-, Vinyl- und/oder Allylcopolymers enthalten, das in copolymerisierter Form 70 bis 98 Gew.-% zumindest eines monofunktionellen Acryl-, Vinyl- oder Allylmonomers und 2 bis 30 Gew.-% eines vernetzenden bifunktionellen Acryl- oder Allylmonomers enthält.
Die bevorzugten Verbundpolymeren sind jene, die 20 bis 50 Gew.-% Siliciumdioxid und 50 bis 80 Gew.-% dreidimensional vernetztes Acryl-, Vinyl- und/oder Allylcopolymer enthalten.
Als monofunktionelle Acrylmonomere kann man nennen Acrylamid, Methacrylamid, N-[Tris(hydroxymethyl)methyl]acrylamid, N- [Tris(hydroxymethyl)methyl]methacrylamid, Methylolacrylamid, Polyäthylenglykolacrylat, N-Acryloyl- oder N-Methacryloyl-2- amino-2-hydroxymethyl-1,3-propandiol, Morpholinoäthylacrylamid, Diäthylaminoäthylacrylamid, Diäthylaminoäthylmethacrylamid, Triäthylaminoäthylacrylamid, Trimethylaminopropylmethacrylamid, Acrylsäure, Methacrylsäure, 6-Acrylamidohexansäure, Acryloylglycin, Acryloyl-β-alanin, Acrylamidomethylpropansulfonsäure, Acryloylphosphocholamin und Acrolein.
Als monofunktionelle Vinyl- und Allylmonomere kann man Vinylpyrrolidon und Allylamin nennen.
Als bifunktionelle vernetzende Acryl- und Allylmonomere kann man nennen, N,N'-Diallyltartradiamid, N,N'-Methylen-bis-acrylamid, N,N'-Hexamethylen-bis-acrylamid, N,N'-Methylen-bis- hydroxymethylacrylamid, Glyoxal-bis-acrylamid, Äthylendiacrylat und Polyäthylenglykoldiacrylat.
Die bevorzugten Acryl- und Vinylmonomeren sind N-[Tris(hydroxymethyl)methyl]acrylamid, N-[Tris(hydroxymethyl)methyl]methacrylamid, Diäthylaminoäthylacrylamid und Vinylpyrrolidon. Das bevorzugte vernetzende Monomer ist N,N'- Methylen-bis-acrylamid.
Die erfindungsgemäßen Verbundpolymeren können hergestellt werden durch gleichzeitige oder sequentielle Polymerisation von Natriumsilicat, einem oder mehreren monofunktionellen Vinyl-, Acryl- oder Allylmonomeren und einem bifunktionellen vernetzenden Acryl- oder Allylmonomeren in Gegenwart eines Polymerisationsmittels in wässerigem Milieu.
Das Verfahren besteht darin, daß man einer wässerigen Lösung des oder der Vinyl-, Acryl- oder Allylmonomeren und des vernetzenden Monomeren bei pH 4-5 eine wässerige Lösung von Natriumsilicat zusetzt. Diesem Milieu, das 2 bis 3 Stunden bei Umgebungstemperatur stabil ist, wird das Polymerisationsmittel zugesetzt. Die Polymerisation wird bei einer Temperatur von 10ºC bis 80ºC und vorzugsweise bei 20ºC bis 50ºC ausgeführt.
Die Lösung des oder der Vinyl-, Acryl- oder Allylmonomeren wird mittels einer organischen oder anorganischen Säure, z.B. Essigsäure oder Schwefelsäure, auf pH 4-5 angesäuert.
Die Konzentration der der Polymerisation unterworfenen Natriumsilicatlösung variiert zwischen 20 g/l und 200 g/l und vorzugsweise zwischen 30 g/l und 150 g/l.
Die Konzentration der der Polymerisation unterworfenen wässerigen Lösung an Acryl-, Vinyl- und/oder Allylmonomeren variiert zwischen 20 g/l und 250 g/l und vorzugsweise zwischen 80g/l und 160 g/l.
Das Gewichtsverhältnis des oder der Acryl-, Vinyl- oder Allylmonomeren zum vernetzenden Monomer liegt zwischen 50 und 3 und vorzugsweise zwischen 20 und 5.
Die Konzentration der Polymerisationsmittel in der der Polymerisation unterworfenen wässerigen Lösung variiert zwischen 1 g/l und 200 g/l.
Das Polymerisationsmittel ist ein üblicherweise bei der Radikalpolymerisation verwendetes Mittel. Als solche kann man die Redox-Systeme nennen wie Alkalipersulfat + N,N,N',N'-Tetramethyläthylendiamin, Alkalipersulfat + Dimethylaminopropionitril und Azo-2,2'-bis-isobutyronitril.
Die Polymerisation kann eine Block- oder Emulsionspolymerisation sein. Im Fall der Blockpolymerisation wird die das Natriumsilikat, die verschiedenen Monomeren und das Polymerisationsmittel enthaltende Lösung einer Polymerisation in homogener Phase unterworfen. Der erhaltene wässerige Gelblock wird dann auf klassische Physikalische Weise in Körner zerteilt, mit Wasser und/oder organischen Lösungsmitteln gewaschen und dann bis zur Erzielung eines Pulvers getrocknet.
Die Emulsionspolymerisation, die die bevorzugte Ausführungsform ist, da sie direkt das Polymer in Form sphärischer Körner mit bestimmter Größe liefert, kann ausgeführt werden, indem man die wässerige Lösung von Natriumsilicat und den Monomeren vor der Polymerisation in einer nicht mischbaren organischen Flüssigkeit, die gegebenenfalls ein Emulgiermittel enthält, und unter Rühren emulgiert. Die Rührgeschwindigkeit wird derart geregelt, daß man eine Emulsion der wässerigen Phase in der organischen Phase erhält, die die gewünschte Tröpfchengröße hat. Sobald die Rührgeschwindigkeit geregelt ist, bringt man in die Emulsion das Polymerisationsmittel ein, das die Polymerisation in Gang setzt. Die sphärischen Polymerteilchen werden abdekantiert, neutralisiert, filtriert und dann mit Wasser gewaschen.
Der der Polymerisation unterworfenen Lösung kann man gegebenenfalls ein Produkt zusetzen, das eine Erhöhung der Viskosität des Reaktionsmilieus erlaubt, z.B. Glycerin.
Als verwendbare nicht mischbare organische Flüssigkeit kann man z.B. die Pflanzenöle (Sojaöl, Erdnußöl, Sonnenblumenöl usw.), Mineralöle (Paraffinöl, Siliconöl usw.), Produkte der fraktionierten Destillation von Erdöl (Benzol, Toluol usw.), die chlorierten Kohlenwasserstoffe (Tetrachlorkohlenstoff, Methylenchlorid usw.) und die Mischungen dieser verschiedenen Verbindungen nennen.
Die organische Phase kann gegebenenfalls ein Emulgiermittel wie die unter der Handelsbezeichnung "Arlacel C", "Spans" oder "Tweens" bekannten Produkte in einer Konzentration von 0,05 bis 5 Vol.-% enthalten.
Die beim Emulsionspolymerisationsverfahren erhaltenen Perlen haben einen Teilchendurchmesser, der entsprechend den Arbeitsbedingungen zwischen 5 um und 500 um variiert.
Es ist auch möglich, Polymere verschiedener Form, z.B. Filter, Platten oder Folien unter der Bedingung zu erhalten, daß man die Lösung vor der Polymerisation vorformt oder formt.
Die erfindungsgemäßen Polymeren sind thermisch stabil und unempfindlich gegenüber bakteriellem oder enzymatischem Angriff. Sie sind außerdem chemisch stabil in Gegenwart von chaotropen Mitteln, Detergenzien und Spaltungsmitteln und können in einem ausgedehnten pH-Bereich eingesetzt werden.
Die erfindungsgemäßen Polymere können für die Techniken der Flüssigkeitschromatographie speziell zur Abtrennung biologischer Verbindungen wie Zucker, Aminosäuren, Nukleotide, Polysaccharide, Proteine, Nukleinsäure und zur Trennung organischer Moleküle unterschiedlicher Größe, einschließlich der Polymere, verwendet werden.
Sie ermöglichen die Trennung dieser Verbindungen entweder durch molekulare Siebung (ionogene Monomere) durch Ionenaustausch (ionisierbare Monomere) oder durch Spezifität (spezifische funktionalisierte Monomere).
Die folgenden Beispiele, die nicht einschränkend zu verstehen sind, zeigen, wie die Erfindung in die Praxis umgesetzt werden kann.
BEISPIEL 1: 200 ml einer Lösung, enthaltend 150 mg/ml N- [Tris(hydroxymethyl)methyl]acrylamid und 30 mg/ml Methylen-bis- acrylamid in entmineralisiertem Wasser, setzt man 50 ml Eisessig und dann 5 g Ammoniumpersulfat zu. Der so erhaltenen Lösung setzt man 200 ml einer 8,8 %igen wässerigen Natriumsilicatlösung, 10ºBé, zu. Diese neue Lösung ist 2 bis 3 Stunden bei Umgebungstemperatur stabil.
40 ml N,N,N',N'-Tetramethyläthylendiamin (TEMED) werden in die organisch-mineralische Lösung unter leichtem Rühren eingebracht. Nach einigen Sekunden beobachtet man eine Erwärmung des Reaktionsmilieus und eine rasches Dickwerden. Man erhält so einen Block elfenbeinweißen, steifen, wässerigen Gels, das an der Luft oder im Ofen bei einer Temperatur zwischen Umgebungstemperatur und 120ºC getrocknet werden kann.
Dieser Block wird nach klassischen Verfahren zu Körnern verarbeitet.
BEISPIEL 2: Die nach dem in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren hergestellte organisch-mineralische Lösung wird in 2 Litern sanft gerührtem Paraffinöl dispergiert, dem man zuvor 1 ml Emulgiermittel, bekannt unter dem Handelsnamen "Arlacel C", zugesetzte hatte.
Die Rührgeschwindigkeit wird derart geregelt, daß man eine stabile Emulsion erhält, deren Tröpfchen einen Durchmesser zwischen 5 um und 500 um haben.
Dieser Emulsion setzt man eine Mischung, zusammengesetzt aus 50 ml TEMED, 5 ml "Arlacel C" und 150 ml Paraffinöl, zu.
Nach einigen Sekunden beobachtet man einen Temperaturanstieg um etwa 10ºC. Nach Rückkehr auf Umgebungstemperatur dekantiert man, die ölige Phase wird abgesaugt und die erhaltenen Perlen werden mit entmineralisiertem Wasser gewaschen. Die Perlensuspension wird durch Zusatz von n-Natriumhydroxid auf pH 6, 5-7 gebracht und dann über Nacht unter leichtem Rühren gehalten.
Die Perlen werden gesiebt und dann getrocknet.
Diese Perlen sind brauchbar bei chromatographischen Fraktionierungen durch Molekularsiebung.
BEISPIEL 3: 8 Litern einer Lösung, enthaltend 300 g/l N-[Tris(hydroxymethyl)methyl]acrylamid, und 30 g/l Methylen-bis-acrylamid in entmineralisiertem Wasser setzt man 1,6 l Eisessig und 160 g Ammoniumpersulfat zu. Nach dessen Auflösung setzt man 8 Liter einer aus 2,7 l Glycerin, 2,7 l entmineralisiertem Wasser und 2,7 l 35%igem Natriumsilicat in Wasser (40ºBé) hergestellten Lösung zu.
Die so erhaltene organisch-mineralische Lösung wird unter Rühren in 20 Liter Paraffinöl und 10 ml Emulgiermittel, bekannt unter dem Handelsnamen "Arlacel C", gegossen.
Die Rührgeschwindigkeit wird derart geregelt, daß man eine stabile Emulsion erhält, deren Tröpfchen einen Durchmesser zwischen 5 um und 500 um haben.
Wenn die Suspension homogen ist, gießt man 2,3 l einer Lösung von 1,3 Liter TEMED, 256 ml "Arlacel C" und 3,2 l Paraffinöl zu. Eine halbe Stunde nach dieser Zugabe setzt man noch 2,3 l dieser gleichen Lösung von TEMED zu. Man beobachtet bei jeder dieser Zugaben von TEMED einen Temperaturanstieg; das Reaktionsmilieu gelangt so von 25ºC auf 41ºC.
Nach Rückkehr auf Umgebungstemperatur dekantiert man. Die ölige Phase wird abgesaugt, und die erhaltenen Perlen werden mit entmineralisiertem Wasser gewaschen. Die Perlensuspension wird durch Zugabe von n-Natriumhydroxid auf pH 6, 5-7 eingestellt und dann über Nacht unter Rühren gehalten.
Diese Perlen können nach Trocknen und Rehydration bei chromatographischen Fraktionierungen durch Molekularsiebung verwendet werden.
BEISPIEL 4: 200 ml einer Lösung, enthaltend 150 mg/ml N-[Tris(hydroxymethyl)methyl]acrylamid, und 30 mg/ml Methylen-bis- acrylamid in entmineralisiertem Wasser, setzt man 70 ml Eisessig und 5 g Ammoniumpersulfat zu. Nach Auflösung des letzteren setzt man 200 ml einer 17,5 %igen Natriumsilicatlösung (20ºBé) zu.
Die so erhaltene organisch-mineralische Lösung wird unter Rühren in 2 Liter Paraffinöl und 1 ml Emulgiermittel, bekannt unter dem Handelsnamel "Arlacel C", gegossen.
Die Rührgeschwindigkeit wird derart geregelt, daß man eine stabile Emulsion erhält, deren Tröpfchen einen Durchmesser zwischen 5 um und 500 um haben.
Wenn die Suspension homogen ist, setzt man eine Mischung von 70 ml TEMED, 120 ml Paraffinöl und 5 ml "Arlacel C" zu.
Die Perlen wurden genau so wie in den vorhergehenden Beispielen gewonnen.
Dieses Produkt ist brauchbar als chromatographischer Träger für die Gelfiltration.
BEISPIEL 5: Einer Lösung, erhalten durch Erwärmen von 30 g N- [Tris(hydroxymethyl)methyl]acrylamid, 2 g Dimethylaminoäthylacrylamid und 6 g Methylen-bis-acrylamid, ergänzt mit entmineralisiertem Wasser auf 80 ml, auf 55ºC, zurückgekehrt auf Umgebungstemperatur, setzt man 34 ml Essigsäure, 80 ml einer 17,5 %igen Natriumsilicatlösung und 2 g Ammoniumpersulfat zu.
Die so erhaltene organisch-mineralische Lösung wird unter Rühren in 1 Liter Paraffinöl und 3 ml Emulgiermittel, bekannt unter der Handelsbezeichnung "Arlacel C", gegossen.
Die Rührgeschwindigkeit wird derart geregelt, daß man eine stabile Emulsion erhält, deren Tröpfchen einen Durchmesser zwischen 5 um und 500 um haben.
Wenn die Suspension homogen ist, setzt man eine Mischung von 70 ml TEMED und 70 ml Paraffinöl zu.
Die Perlen werden nach der in den Beispielen 2 und 3 beschriebenen Methode gewonnen.
Dieses Produkt ist verwendbar für die Durchführung einer Ionenaustausch-Chromatographie.
BEISPIEL 6: Man arbeitet wie im Beispiel 2, ersetzt jedoch das N-[Tris(hydroxymethyl)methyl]acrylamid durch eine gleiche Menge N-[Tris(hydroxymethyl)methyl]methacrylamid.
Die erhaltenen Perlen sind für chromatographische Fraktionierungen durch Molekularsiebung brauchbar.
BEISPIEL 7: 200 ml einer Lösung, enthaltend 230 mg/ml Acrylamid und 23 mg/ml Methylen-bis-acrylamid in entmineralisiertem Wasser, setzt man 25 ml Eisessig und dann 5 mg Ammoniumpersulfat zu.
Der so erhaltenen Lösung setzt man 200 ml einer 10 %igen wässerigen Lösung von Natriumsilicat zu.
Die so erhaltene organisch-mineralische Lösung wird unter Rühren in 2 Liter Paraffinöl gegossen, das 1 ml Emulgiermittel, bekannt unter der Handelsbezeichnung "Arlacel C", enthält.
Die Rührgeschwindigkeit wird derart geregelt, daß man eine stabile Emulsion erhält, deren Tröpfchen einen Durchmesser zwischen 5 um und 500 um haben.
Wenn die Suspension homogen ist, setzt man eine Mischung von 25 ml TEMED, 120 ml Paraffinöl und 5 ml "Arlacel C" zu.
Die so erhaltenen Polymerperlen werden auf gleiche Weise aufgearbeitet wie in den vorhergehenden Beispielen.
Dieses Produkt ist als chromatographischer Träger für die Gelfiltration brauchbar.
BEISPIEL 8: 200 ml einer wässerigen Lösung, enthaltend 150 mg/ml Vinylpyrrolidon und 50 mg/ml Methylen-bis-acrylamid, setzt man 80 ml Eisessig und dann 5 mg Ammoniumpersulfat zu.
Der so erhaltenen Lösung setzt man 200 ml einer 14 %igen Natriumsilicatlösung zu.
Die so erhaltene organisch-mineralische Lösung wird in 2 Liter Paraffinöl gegossen, das 1 ml Emulgiermittel, bekannt unter der Handelsbezeichnung "Arlacel C", enthält.
Die Rührgeschwindigkeit wird derart geregelt, daß man eine stabile Emulsion erhält, deren Tröpfchen einen Durchmesser zwischen 5 um und 500 um haben.
Wenn die Suspension homogen ist, setzt man eine Mischung von 50 ml TEMED, 120 ml Paraffinöl und 5 ml "Arlacel C" zu.
Die so erhaltenen Polymerperlen werden auf ähnliche Weise aufgearbeitet wie in den vorhergehenden Beispielen.
Dieses Produkt ist als chromatographischer Träger für die Gelfiltration brauchbar.
BEISPIEL 9: In eine Glassäule mit 1,6 cm Innendurchmesser und 50 cm Höhe bringt man 90 ml des gemäß Beispiel 3 erhaltenen Gels ein, dessen Teilchen einen Durchmesser zwischen 40 um und 80 um haben.
Sobald die Polymerperlen im Chromatographierohr dicht gepackt und mittels einer Pufferlösung Tris(hydromethyl)aminomethan/HCl 50 mM, NaCl 0,15 M 7,4, gewaschen sind, bringt man oben in die Säule die die zu trennenden Substanzen enthaltende Probe ein.
Diese Probe besteht aus 1 ml der obigen Pufferlösung, die 10 mg Rinderalbumin, 10 mg Z-Lactoglobulin, 10 mg Myoglobin und 5 mg Zytochrom C enthält. Man eluiert mit der obigen Pufferlösung unter einem Durchsatz von 6,6 ml/h. Man trennt so die vier in der Probe enthaltenen Substanzen.

Claims

1. Homogene Verbundpolymere, die in gegenseitiger Durchdringung 20 bis 80 Gew.-% Siliciumdioxid und 80 bis 20 Gew.-% eines dreidimensional vernetzten Acryl-, Vinyl- und/oder Allylcopolymers enthalten, das in copolymerisierter Form 98 bis 70 Gew.-% zumindest eines monofunktionellen Acryl-, Vinyl- oder Allylmonomers und 2 bis 30 Gew.-% eines vernetzenden bifunktionellen Acryl- oder Allylmonomers enthält.

2. Polymere nach Anspruch 1, enthaltend 20 bis 50 Gew.-% Siliciumdioxid und 50 bis 80 Gew.-% dreidimensional vernetztes Acryl-, Vinyl- und/oder Allylcopolymer

3. Polymere nach einem der Ansprüche 1 und 2, worin das monofunktionelle Acryl-, Vinyl- oder Allylmonomer Acrylamid, Methacrylamid, N-[Tris(hydroxymethyl)methyl]acrylamid, N- [Tris(hydroxymethyl)methyl]methacrylamid, Methylolacrylamid, Polyäthylenglykolacrylat, N-Acryloyl- oder N-Methacryloyl-2- amino-2-hydroxymethyl-1,3-propandiol, Morpholinoäthylacrylamid, Diäthylaminoäthylacrylamid, Diäthylaminoäthylmethacrylamid, Triäthylaminoäthylacrylamid, Trimethylaminopropylmethacrylamid, Acrylsäure, Methacrylsäure, 6-Acrylamidohexansäure, Acryloylglycin, Acryloyl-β-alanin, Acrylamidomethylpropansulfonsäure, Acryloylphosphocholamin, Acrolein, Vinylpyrrolidon oder Allylamin ist.

4. Polymere nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das vernetzende Monomer N,N'-Diallyltartradiamind, N,N'-Methylen-bis- acrylamid, N,N'-Hexamethylen-bis-acrylamid, N,N'-Methylen-bis- hydroxymethylacrylamid, Glyoxal-bis-acrylamid, Äthylendiacrylat und Polyäthylenglykoldiacrylat ist.

5. Verfahren zur Herstellung von Verbundpolymeren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man gleichzeitig oder sequentiell in wässerigem Milieu bei einem pH-Wert von 4 bis 5, gegebenenfalls in Gegenwart einer nicht mischbaren organischen Flüssigkeit und/oder eines Mittels, das es ermöglicht, die Viskosität des Milieus zu erhöhen, Natriumsilicat oder ein oder mehrere monofunktionelle Vinyl-, Acryl- oder Allylmonomere und ein vernetzendes bifunktionelles Acryl- oder Allylmonomer polymerisiert.

6. Verwendung der Verbundpolymeren nach einem der Ansprüchen 1 oder 2 bei den Techniken der Flüssigkeitschromatographie.