DE69007769T2

DE69007769T2 - Metallchelatierendes, hydrophiles Polymer.

Info

Publication number: DE69007769T2
Application number: DE69007769T
Authority: DE
Inventors: Jerker Porath
Original assignee: Exploaterings TBF AB
Current assignee: Exploaterings TBF AB
Priority date: 1989-12-19
Filing date: 1990-12-05
Publication date: 1994-11-10
Anticipated expiration: 2010-12-06
Also published as: EP0437875B1; JP3296827B2; SE8904258A; SE8904258D0; DE69007769D1; JPH05261280A; EP0437875A1; SE465155B; US5141966A

Description

Die Erfindung betrifft ein Polymer zum Verankern von Metallionen in einem hydrophilen Polymer und schließt freie oder an das hydrophile Polymer gebundene Liganden zur Adsorption und/oder Immobilisieren von den meisten di- und polyvalenten Metallionen ein.
Aus vielen Gründen ist von großem Interesse, Metallionen an Liganden, die an unlösliche oder wasserlösliche Polymere, besonders hydrophile, gebunden sein können, sicher zu verankern. Solche Polymere sind in einigen Patenten des Erfinders selbst beschrieben.
Hydrophile Polymere werden von C. A. Finch in Speciality Polymers, Blackie, Glasgow and London 1987, Seite 65 definiert:
"Hydrophile Polymere sind solche Polymere, die sich auflösen in oder durch Wasser gequollen werden".
Die Erfindung schließt solche hydrophilen Polymere ein, die in Wasser unlöslich, aber quellbar sind oder die in Wasser in einer definierbaren Weise aufgelöst werden, z. B. ≥ 1 Gew.-% sind in Wasser bei Umgebungstemperatur von 20ºC gelöst.
Die hydrophilen Polymere können in drei Hauptgruppen unterteilt werden,
a) natürliche Polymere, von denen im wesentlichen alle auf Kohlehydraten oder Proteinen basieren,
b) semisynthetische Polymere, die hauptsächlich auf Cellulosen, Papiermasse oder Baumwoll-Linters basieren, die mit funktionellen Chemikalien petrochemischen Ursprungs, Epoxiden, Vinylsulfonen, Isocyanaten etc. umgesetzt worden sind,
c) synthetischen Polymeren, die durch Polymerisation von Monomeren petrochemischen Ursprungs hergestellt wurden.
Untergruppen können diesen Hauptgruppen hinzugefügt werden, d) zwischen c) und a) oder b) als auch a), b) oder d) an feste Materialien wie Silicate oder hydrophobe Polymere absorbiert oder chemisch gebunden.
Das hydrophile Polymer kann sein
1) wasserlöslich
2) wasserunlöslich, aber quellbar in Wasser.
Das wasserunlösliche Polymer 2) kann unterschiedliche physikalische Formen haben, z. B. als
2a) Teilchen
2b) Fasern, isoliert oder als ein Tuch oder Papier,
2c) Membranen, z. B. aus substituierter Cellulose,
2d) Röhrchen, z. B. Kapillaren,
2e) Oberflächenschichten auf Wänden,
2f) schwammartige Massen etc.
Das hydrophile Polymer kann unterschiedliche chemische Struktur haben, ein Polyhydrat sein
3) d. h. eine große Anzahl von Hydroxylgruppen enthalten, z. B. wenigstens eine Hydroxylgruppe pro Monomereinheit. Ein polyhydrisches Polymer, das für die Erfindung verwendbar ist, ist
3a) ein Polysaccharid oder ein vernetztes Polysaccharid
I Cellulose oder Cellulosederivate
II Stärke oder Stärkederivate
III Agar oder Agarose
IV vernetztes Dextran oder Dextranderivate
V Polyethylenglykol
3b) Polyvinylalkohol oder Derivate davon
4) Polyacrylate oder Polyacrylamide einschließlich vernetzte Derivate
5) gemischte Polymere eines oder mehrerer der Gruppen 1-4,
6) Kieselgel, hydrophilisiert durch Epoxysilane.
Die Chemie des Polymers ist so angepaßt, daß es und/oder seine Derivate gemäß der Erfindung
a) zu wenigstens 1 Gew.-% bei Umgebungstemperatur in Wasser aufgelöst oder gequollen sein kann und in Wasser mit wenigstens der Hälfte des Gewichtes des Polymers aufgenommen werden kann,
b) funktionelle Gruppen enthält, woran Liganden gemäß der Erfindung direkt oder indirekt gekuppelt werden können.
Das direkte Kuppeln kann geschehen, z. B. wenn das Polymer Epoxygruppen oder primäre Aminogruppen enthält, und indirektes Kuppeln, wenn die reaktiven Gruppen über funktionelle Gruppen in das Polymer eingefügt werden können, z. B. Hydroxyl- oder Aminogruppen. Um löslich oder in Wasser quellbar zu sein, muß das Polymer eine große Anzahl an polaren Gruppen, z. B. Hydroxylgruppen, Amino-Carbaminogruppen oder weniger wirksame Ethergruppen enthalten.
Polysaccharide, Polyacrylate, Polyvinylalkohol, Polyacrylamide, Polyalkylenglykole, besonders Polyethylenglykol gehören zu diesen Klassen.
Die Form des Produktes gemäß der Erfindung kann abhängig von der gewünschten Verwendung optional ausgewählt werden, z. B. Teilchen für die Chromatographie, gepreßte Filtermassen, Papier, Membranen oder Teilchen für die diskontinuierliche Adsorption, lösliche Polymere für Flüssig-Flüssig-Extraktion, Oberflächenbeschichtung aus einer festen undurchlässigen Phase.
Teilchen, die gegenüber Metallionen etc. undurchlässig sind und über einen Gelfilm oder Polymer gemäß der Erfindung beschichtet werden, sind für Analytiker und für medizinische Diagnostik von Interesse.
Gemäß einer Form des Produktes wird ein fester, hydrophiler oder hydrophober Kern mittels eines mono- oder multimolekularen Films umgeben, und der Ligand wird an diesem Film fixiert. Durch das Verwenden von Metallionen als Vernetzungsmittel kann Material aus der umgebenden Lösung gebunden werden, wenn dieses Material eine Affinität an Metallionen hat. Als ein Beispiel für die Verwendung kann das folgende Schema einer Wand in einem Röhrchen oder einem Gefäß in einem extrakorporalen Shunt genannt werden. Figur 1 Hydrophiler Film mit auf die Oberfläche beschichteten metallbindenden Liganden wie in der Erfindung ist z. B. Heparin, an das eine einzelne metallbindende Gruppe gebunden worden ist Wand (Nucleus) undurchlässig für Heparin
Abwandlungen sind möglich, i. a. für diagnostische Reagenzien, wobei A ein Antikörper oder ein Antigen- Antikörper-Komplex sein kann.
Eine Variante der Erfindung ist wasserlöslich. Der charakteristische gabelförmig verzweigte oder makrozyklische Ligand ist dann kovalent an ein Hydropolymer, z. B. Dextan, Dextrin, lösliche Derivate von Cellulose oder Stärke, nicht vernetzten Polyvinylalkohol, etc. gebunden. Ein Beispiel eines geeigneten Liganden ist Cyclam, 1,4,8,11-Tetraazacyclotetradecan.
Ein weiteres Beispiel ist 1,5,9-Triazacyclododecan.
Polyetherglykole und Polypropylenglykole
HO-(CH&sub2;-CH&sub2;-O)n-H
HO-(CH&sub2;-CH&sub2;-CH&sub2;-O)n-H
als auch Poly-(2-Methylpropylen)-glykolether
besitzen begrenzte Wasserlöslichkeit mit zwei therminalen Hydroxylgruppen, wo die Substitution des Moleküls auftreten kann. Aus Polyethylenglykol wird es möglich sein, monoterminal substituierte oder diterminal substituierte Derivate mit metallbindenden Gabelliganden oder makrozyklischen Liganden herzustellen, z. B. mit einem monosubstituierten makrozyklischen Liganden
oder mit diterminal substituierten Gabelliganden, z. B.
Solche löslichen Derivate gemäß der Erfindung haben andere Verwendungen als die wasserunlöslichen nur quellbaren Derivate. Sie können z. B. als Modifizierungsmittel in Polymerphasen-systemen verwendet werden, um eine Metallionenaffinität als Trennprinzip für Extraktion einzubauen, als Konstriktoren mittels Adsorption und zum Beschichten von Oberflächen mit gebundenen Metallionen.
Die Erfindung ist dadurch charakterisiert, daß die Liganden wenigstens drei Heteroatome umfassen, z. B. Aminogruppen, die durch aliphatische Ketten-(R&sub2;)n-, wobei R H oder Alkyl ist, vorzugsweise H, und n 2 oder 3 ist, wodurch das Verankern in einem Polymer geschieht, wobei ein gabelartig gebildeter Ligand gebildet wird:
Alle die N-Atome N¹, N&sup4; können Übergangsmetalle der Art Cu²&spplus;, Ni²&spplus;, Co²&spplus;, Zn²&spplus; und darüber hinaus Hg²&spplus;, Platinmetalle, Ag&spplus; etc. koordiniert binden, jedoch haben die endständigen Stickstoffatome aus sterischen Gründen die stärkste Neigung zum Koordinieren.
Gemäß der Erfindung wird die Neigung zum Koordinieren um N¹ und N² auf zwei Arten über eine Brücke R&sup5;, gebildet zwischen N¹ und N², um ein Ringsystem zu bilden, oder dadurch, daß man Gruppen R mit wenigstens einem koordinierenden Atom O, N oder S in N¹ und/oder N² substituiert, gestärkt werden.
In den zuerst erwähnten Ringsystemen werden Metalle stark an die Stickstoffatome und andere koordinierende Atome (O, N, S) in der Brücke zwischen N¹ und N² gebunden.
Gemäß einere Variante der Erfindung wird der Ligand durch erschöpfende Alkylierung die Struktur erhalten
wobei R für Substituenten mit wenigstens einem koordinierenden N-, O- oder S-Atom steht, ein Beispiel von R ist CH&sub2;-COOH.
Entsprechend gibt es hier eine sterisch sehr vorteilhaft gebildete Gruppe von koordinierenden Atomen der gleichen Art wie in EDTA, Ethylendiaminotetraessigsäure, wobei der bindende Effekt auch durch N³ und N&sup4; und durch die Carboxymethylgruppe an N&sup4; gestärkt wird. Ein Produkt, hergestellt durch Kuppeln von Tris-(2-aminoethyl)-amin an Agarose und andere Polymere gefolgt von Behandlung von Bromacetat bei pH 10, hat zu einem Produkt geführt, das Kupferionen sehr fest bindet.
Ein Produkt mit größerer Spezifizität der Metallaffinität kann hergestellt werden, wenn andere Substituenten als R gewählt werden, und viele Verbindungen mit bekannten Metallbindungscharakteristika sind als Substituenten geeignet.
Die gabelartig verzweigte Struktur des Liganden führt hier auch zu einer Stärkung der Metallionenbindungen. Der Unterschied der Bindungsstärke zwischen freien und gebundenen Ligandengruppen wird anhand der folgenden Näherungsrechnung deutlich.
Aus einem zweizähnigen Liganden und einem hexavalenten Metallion kann ein "Trikomplex" in einer freien Lösung hergestellt werden.
worin x und y elektrophiles N, O oder S sind.
Dann wird III sein:
Wenn in einem Polymer verankert wird, kann nur gebildet werden.
Wenn die Bildungskonstante von III z. B. 10¹&sup8; beträgt, wird es annähernd ³ 10¹&sup8;, d. h. 10&sup6; für V sein. Dies ist eine Abschwächung von 10¹², d. h. eine trillionmal.
Mit einem gabelartig gebildeten kompositartigen Liganden mit zwei wird eine immobilisierte Chelatstruktur erhalten.
Hier ist die Bildungskonstante annähernd ( 3 10¹&sup8;)² = 10¹², d. h. eine Verstärkung von V von einer millionmal. Über eine Gabel mit drei Zweigen ist es entsprechend möglich, eine Bildungskonstante von 10¹&sup8; oder sogar mehr zu erzielen. Dies ist nur eine übertrieben ungenaue Schätzung, jedoch könnte die Bindung des Polymers infolge der Entropieänderung die Bindungs- oder Komplexkonstanten steigern, was die Relevanz der Argumentation beweist. Das betont die Wichtigkeit der Ligandenbindung und die einzigartigen Qualitäten des Metallimmobilisierenden Produktes.
Das obige ist natürlich auf alle Arten der gabelartig verzweigten Liganden übertragbar.
Ein Vorteil der Aldehyd- bzw. Ketonkondensation ist eine genaue Kontrolle des Reaktionsproduktes. Mit RCHO ist es möglich, zu erhalten
Wir möchten b) und nicht a) oder eine Mischung von a) und b) erhaltene. Durch Verwenden eines großen Überschusses RCHO können wir die Menge an hergestelltem b) steigern.
Wir können auch die NH-Gruppen durch eine Substanz mit einer "elektrophilen" Gruppe, z. B. eine Epoxygruppe, ein aktives Halogen usw. substituieren. Mit Bromacetat werden wir z. B. erhalten
Wir wollen f) erhalten, und daher behandeln wir den ursprünglichen Aminoliganden mit einem großen Überschuß an Bromacetat in alkalischer Umgebung.
Aus einem einfachen Aldehyd oder Keton wird ein Produkt gemäß der "Gabel-Variante" z. B. mit Salicylaldehyd gebildet.
Bei dem "Salenliganden", der eine Schiff'sche Base darstellt, können die Doppelbindungen mit Natriumborhydrid weg reduziert werden.
Mit 8-Hydroxy-chinolincarbaldehyd wird erhalten
Diese "Doppel-Oxin" Ligandenvariante der Erfindung wird als ein Metalladsorbenz verwendet.
Die Erfindung betrifft ein Produkt, wo der Ligand an das Polymer während der Synthese über eine saure Ether- und/oder eine Amino- oder Iminogruppe und, wenn notwendig, auch eine Thioethergruppe fixiert worden ist, und sie ist auf ein Ausgangsmaterial gestützt, das einfach synthetisiert werden kann und auch adsorptionssteigernde Strukturen (z. B. Amino N) enthalten kann. Es ist auch möglich, Aminoderivate über Isocyanat, Isothiocyanat oder Cyanamid an N-endständig Gruppen zu kuppeln.
aber höchstwahrscheinlich wird in diesen Fällen ein Ringschluß auftreten.
Die gebildeten Metallkomplexe werden mit nur 8 Atomen im Ring schwächer sein, können jedoch durch Carboxymethylierung beträchtlich verstärkt werden.
Ein geeignetes Syntheseverfahren für das Produkt gemäß der Erfindung umaßt 1, 2 oder 3 Stufen, ausgehend von einem hydrophilen Gel mit reaktiven Gruppen z. B. Epoxygruppen, Isocyanat, Vinylsulfon, aktivem Halogen.
Eine vorgeformte makrozyklische Verbindung mit wenigstens drei aliphatisch gebundenen Aminogruppen wird z. B. mit dem Epoxypolymer umgesetzt. Der an das Polymer gebundene makroheterozyklischen Ligand kann entsprechend alkyliert, carboxyliert, etc. werden, um die Adsorptionskapazität des Produktes weiter zu steigern.
Gemäß einem weiteren Syntheseverfahren kann das Tris-(2- aminoethyl)-amin zu einem Polymer mit Aldehydgruppen kondensiert werden, z. B. mit Perjodat oxidierte Stärke, "Aldehydstärke" und danach zur Stabilisierung reduziert werden. Dies kann schematisch beschrieben werden. Stärke Reduktion
wonach die zwei primären Aminogruppen substituiert sind.
Ein gabelartig gebildeter Ligand kann zusätzliche Verzweigungen enthalten. Eine solche sollte als Variante der Erfindung betrachtet werden. Ein Beispiel ist einfach
aber es ist schwierig, drei Verzweigungen vom gleichen Gabelpunkt zu erhalten. Theoretisch kann dieses vom Stickstoff geschehen, jedoch wird dann eine +Ladung erhalten.
Es ist möglich, diese Struktur über bestimmte Reaktionsbedingungen mit kleinen Mengen an Tris-(2-aminoethyl)-amin (in einer stark alkalischen Umgebung) zu erhalten.
Daß gerade die Struktur
so herausragend ist, hängt von der Zugänglichkeit des symmetrischen Tri-(2-aminoethyl)-amins mit drei symmetrisch angeordneten primären Aminogruppen ab.
Die primären Aminogruppen sind die Reaktionsorte ("nucleophil") zur Reaktion mit dem mit Epoxygruppen, etc. aktivierten Polymer. Wenn die aktiven Gruppen nicht so nahe zueinander im Polymer angeordnet sind, wie es gewöhnlich ist, reagiert nur eine Aminogruppe, und die Verbindung wird an dem Polymer über eine Seitenkette verankert und einen gabelartig verzweigten Liganden mit dem tertiären Stickstoff als Gabelpunkt und den nicht umgesetzten primären Aminogruppen als Endgruppen bilden. Entsprechend wird ein Zwischenprodukt erhalten
mit 4 Heteroatomen, Stickstoffatomen, die ein Schwermetall, z. B. Cu²&spplus; koordinieren können. Die Metallbindung ist jedoch zu schwach und wird von vielen löslichen, relativ schwachen chelatbildenden Substanzen aufgehoben, und die Metallbindung muß daher gestärkt werden. Der Ringschluß steigert die Kapazität der Stickstoffatome, die zusammen binden und bestimmte Metallatome wie Ni²&spplus;, Cu²&spplus;, Zn²&spplus; und andere fixieren. Ein weiteres Verfahren, um die Metallbindungskapazität zu steigern, ist das "Aufbauen" der Zweige durch Anknüpfen von Substituenten mit geeignet plazierten "nucleophilen" Heteroatomen, N, O und S. Diese Vergrößerung kann mit verschiedenen Reaktionen, z. B. durch Kondensieren der Aminogruppen mit Aldehyden oder Ketonen, wobei sogenannte Schiff'sche Basen gebildet werden, erreicht werden. Es ist sehr einfach und besonders wirksam, nur eine Art Aldehyd oder Keton in der Reaktionsmischung vorliegen zu haben, wodurch symmetrische Zweige erhalten werden, was die Entwicklung von starken Metallkomplexen (symmetrisch) erleichtert. Das Kondensationsprodukt enthält Doppelbindungen und führt zu einem Gleichgewicht mit dem Ausgangs-Zwischenprodukt. Es kann durch Reduktion stabilisiert werden, wodurch die Doppelbindung verschwindet und das Metallbindevermögen etwas verringert wird. In den angegebenen Beispielen ist jedoch die Fähigkeit, z. B. Kupferionen zu binden, sehr stark, oft so stark, daß das Metallion nicht durch den starken löslichen Komplexbildner EDTA, Ethylenaminotetraacetat, eluiert werden kann.
Ein weiteres Verfahren, um Gabelliganden mit N und phenolischem OH in der richtigen Position zu bilden, hat sich als wirksam erwiesen. Alkali 2-Nitroso-1-naphtol (1-Nitroso-2-naphthol ist auch möglich) eine Bis-Azoverbindung wird nach Reduktion die entsprechende Hydrazoverbindung ergeben.
Diese Gele werden außerordentlich starke grüne Kupferkomplexe ergeben. Diese Substanzen liegen dahingehend außerhalb des Rahmens der anderen Verbindungen, da zwei Stickstoffatome jedem Zweig nicht voneinander durch zwei oder mehr C-Atome getrennt sind, sondern benachbart sind. Andere ähnliche Nitrosoverbindungen ergeben ähnliche Komplexe, z. B. o- Nitrosophenol.
Andere Ausgangsmaterialien sind auch für die gleichen oder ähnlichen gabelartig gebildeten Liganden möglich, z. B. kann mit primären Aminen kondensiert werden
Dafür muß zugänglich sein
wahrscheinlich mit den Aldehydgruppen während des Kuppelns blockiert, wonach sie (in einer starken Säure) vor der Kondensation entblockt werden. Soweit bekannt ist die Substanz A nicht im Handel erhältlich.
Eine weitere Möglichkeit ist
Das ist das sogenannte Senfgas, ein stark wirkendes Zellgift. Hier muß B) mit einem chelierenden Mittel vor dem Kuppeln des Produktes zum Polymer umgesetzt werden, z. B. zukünftiger Gabelpunkt
wonach C) in das Polymer gekuppelt wird. Dies ist eine praktizierbare, aber komplizierte Methode und Abwandlungen sind möglich.
Es ist auch denkbar, jedoch nicht praktisch, ein trifunktionelles Reagenz, z. B. Trisepoxid zu verwenden, das aus Glycerol und Epochlorhydrin hergestellt werden kann.
In einigen der folgenden Formeln wird die hypothetisch angenommene Metallkoordinierung gezeigt. E)+ geeignetes Chelierungsmittel, z. B.
Hier liegt auch eine Gabel vor, jedoch ist der Gabelpunkt ein Kohlenstoffatom.
Es ist auch möglich, ein weiteres Verfahren zu verwenden, um den "Gabelarm" zu erhalten, z. B. Reduktion
oder Makrozyklus, z. B. Kondensation Reduktion Beispiele von Liganden
R=(CH&sub2;)&sub2;-COOH, n vorzugsweise 1 und 2. Pyridinkern (und reduzierte Formeln) mögliche Bindungsstellen an ein mehrfach koordiniertes Metallion Oxin (8-Hydrochinolingruppe) Epichlorhydrinkuppeln an exozyklische Aminogruppe
Gemäß einer Variante der Erfindung enthält das Produkt makrozyklische Liganden. "Doppelte" Chelierungsmittel sind zuvor nicht beschrieben worden, jedoch sind auf der anderen Seite polymere Produkte mit makrozyklischen Liganden, wobei das Polymer ausgesprochen hydrophob ist (Polystyrol), von Cram und anderen beschrieben worden. Der hydrophile Charakter ist jedoch ein essentielles Charakteristikum des Produktes der Erfindung, das hydrophile Polymere mit Hydroxyl-, Amino-, Amido-, Carboxyl- oder Ethergruppen in den Monomereinheiten enthält, die das Polymer aufbauen und es dadurch löslich oder quellbar in Wasser machen. Das Produkt gemäß der Erfindung, das unlöslich in Wasser ist, kann so mehr als 50 Gew.-% Wasser, vorzugsweise mehr als 79 Gew.-% aufnehmen.
Cyclodextrine können sowohl als Polymere als auch als makrozyklische Liganden verstanden werden. Cyclodextrine sind ausreichend durch Phthalocyanine und Hemin-artige Liganden substituiert worden. Diese Produkte sind hydrophil, jedoch zu der vorliegenden Erfindung inherent unterschiedlich, i. a. durch das Molekulargewicht, da das Produkt gemäß der Erfindung in allen seinen Ausführungsformen ein Molekulargewicht von mehr als 3000 Dalton besitzt. Wenn solche Cyclodextingekuppelten Metallchelierungsmittel wiederum an hydrophile Polymere mit Molekulargewichten von mehr als 3000 gekuppelt werden, werden sie als Varianten des Produktes gemäß der vorliegenden Erfindung eingeschlossen.
Das Molekulargewicht 3000 Dalton ist willkürlich, jedoch ist es in bezug auf die Eigenschaften des unsubstituierten Polymers, das dem Produkt Eigenschaften verleihen soll, die es besonders geeignet für Trennzwecke basierend auf selektiver Extraktion oder Adsorption machen, in dem Produkt gemäß der Erfindung gewählt. Es ist daher wichtig, die Konzeption "hydrophiles Polymer" neben der Molekulargröße zu definieren.
Gemäß einer Variante der Erfindung werden Epoxypolymere, Vinylsulfonpolymere oder Aldehyd enthaltende Polymere mit Tris-(2-aminoethyl)amin, z. B. in einer alkalischen Lösung umgesetzt, und das gebildete Produkt wird dann mit einem Diketon kondensiert.
In allen auftretenden Fällen können die Doppelbindungen z. B. durch Natriumborhydrid reduziert werden.
Wenn der Aminoligand mit einem bifunktionellen "Aktivator" wie Epichlorhydrin, Epibromhydrin, Bisepoxid, Bisisocyanat, Divinylsulfon etc. behandelt wird, werden viele Endprodukte erhalten.
Wenn das bifunktionelle Reagenz in einer niedrigen Konzentration hinzugegeben wird und die Ligandenfunktion des Polymers gering ist, wird die Reaktion hauptsächlich zu einem "Kurzschluß" zwischen den zwei an der Gabel ganz außen befindlichen Aminogruppen gesteuert, d. h. ein Ring wird gebildet. Ein Ring wird auch gebildet, wenn die Kondensation mit einem Dialdehyd, Diketon oder Chinon durchgeführt wird. Das einfachste Chinon kann entsprechend kondensiert werden:
Diese Gruppe ist in anderen Zusammenhängen besonders herausragend interessant. Sie wird einfach oxidiert zu: und vielleicht zu
von denen alle zurückreduziert werden können. Alle Formen sind in der Lage, Cu²&spplus; zu binden. Ein stark gefärbtes Ligandensystem zum Chelieren von Metallen wird mit Naphtarazin erhalten.
Ein Ring kann über heteroaromatische Dialdehyde geschlossen werden, wobei die Aldehydgruppen, die dem Heteroatom am nächsten sind, substituiert sind, z. B.
wobei eines oder mehrere koordinierende Atome in dem chelierenden System erhalten werden. beziehungsweise
und nach der Reduktion Reduktion
Der makrozyklische Ligand kann mit einem "Griff" versehen werden, z. B. einem Seitenarm mit einer primären Aminogruppe oder einer Thiolgruppe, z. B.
wobei X NH&sub2; oder SH ist und n 1, 2, ist.
Ein solcher Makrozyklus ähnelt mehr den Liganden, die dadurch erhalten werden, daß man den Abstand zwischen den primären Aminogruppen in dem "Gabelliganden" überbrückt, als den bevorzugten Makrozyklen, die über den Stickstoff im Ring direkt in dem Polymer verankert sind. Beispiele der Liganden der Ring kann sein cyclohexyl Polymer mit Divinylsulfon gekuppelt und auch über Divinylsulfon zu einem Ring geschlossen
Makrozyklischer Ring, hergestellt aus Cystin, 18-Ring mit 6 Heteroatomen, wovon 4 Schwefel sind. Mit Epichlorhydrin gekuppelt und mit Epichlorhydrin zu einem Ring geschlossen 14-Ring mit 2S und 2 N
> S bildet ziemlich starke Komplexe nur mit sogenannten weichen Metallen, Hg²&spplus;, Platinmetallen, Silber und Gold. Polymerkette
Bisepoxid direkt gekuppelt an den Stickstoff eines makrozyklischen Rings. Kuppeln mit Epichlorhydrin (Epibromhydrin)
Seitenketten im Ring können auftreten, z. B.
wobei COOH und NH&sub2; die Metallbindungen stärken können.

Beispiel 1.

10 g Teilchen aus epoxidiertem Polyacrylamid wurden in 30 ml 33 % Ethylenglycol suspendiert, 5 ml Tris(2-aminoethyl)amin wurden zugegeben, und die Mischung wurde über eine Stunde geschüttelt.
Die Gelteilchen wurden in einem Büchner-Trichter mit einer groben Glasplatte gesammelt und mit großen Mengen an Wasser alternierend mit 0,1 M Essigsäure gewaschen. Eine kleine Menge des Produktes wurde in ein 1 x 5 cm-Bett gegeben, in das 0,05 M Kupfersulfatlösung hinzugegeben wurde. Die Frontanalyse zeigte eine Aufnahme des Gels von 60 uMol Cu pro ml Bettvolumen.

Beispiel 2.

Zu 620 g Agarose Gel (Sephadex 6B) wurden 130 ml Wasser, 750 ml 2 M Na&sub2;CO&sub3;, 0,6 g NaBH&sub4; und 75 ml Divinylsulfon gegeben. Die Suspension wurde über Nacht bei Raumtemperatur gerührt. Das aktivierte Produkt wurde mit Wasser gewaschen.
Zu 150 ml des aktivierten Produktes wurden 150 ml destilliertes Wasser und 20 ml Tris(2-aminoethyl)amin gegeben, der pH wurde auf 9,0 eingestellt, und die Mischung wurde bei Raumtemperatur über 80 Stunden geschüttelt. Das Produkt wurde mit großen Mengen Wasser gewaschen.
Zu 50 g des aminogekuppelten Gels wurden 2 Salicylaldehyd und 50 ml 0,1 M molares Natriumphosphat gegeben, und es wurde über Nacht geschüttelt. Nach dem Waschen wurde die Kapazität des Produktes zum Aufnehmen von Cu²&spplus;, Fe²&spplus; und Ni²&spplus; untersucht. Alle Ionen wurden sicher adsorbiert, und nur eine kleine Menge wurde mit 1 M Glycin ausgewaschen.

Beispiel 3.

50 g Divinylsulfon gemäß Beispiel 2 wurden mit 50 ml 0,2 M Natriumcarbonatpuffer, eingestellt auf pH 9, gemischt, 2,45 g Cyclam wurde hinzugegeben, und man ließ die Suspension über 7 Tage stehen, wonach das Gel über einen Filter abgesaugt wurde und mit Wasser alternierend mit 0,1 M Essigsäure gewaschen wurde. Das Gel ergab einen purpurfarbenen fixierten Kupferkomplex.

Beispiel 4.

10 g Baumwolle wurden mit 100 ml 0,6 M NaOH und 30 g Butandioldiglycidylether über 18 Stunden aktiviert. Dann wurde die Baumwolle mit Wasser gewaschen und danach mit 0,1 M Natriumcarbonat auf pH 11,0 eingestellt. Die Baumwolle wurde in 50 ml dieses Puffers suspendiert, 1 g Cyclam wurde hinzugegeben und nach 3 Tagen wurde das Gel gewaschen. Kleine Proben wurden mit Cu²&spplus;, Fe³&spplus; und Ni²&spplus; untersucht. Die Baumwolle war jeweils purpurfarben, gelb und grün gefärbt, und die Farbe war gegen 1 M Glycin und 0,01 M EDTA resistent.

Beispiel 5.

5 g hydroxyproyliertes Kieselgel wurden mit 5 ml Divinylsulfon in 100 ml 0,1 M NaNCO&sub3; über 18 Stunden unter Rühren bei Raumtemperatur aktiviert. Das Produkt wurde mit Wasser gewaschen und dann mit 2 ml Tris-(2-aminoethyl)amin in 20 ml Wasser umgesetzt.
Nach 15 Stunden wurde das Kieselgel mit Wasser gewaschen und danach mit 0,1 M Natriumphosphatpuffer. Das Gel wurde in 20 ml des Puffers suspendiert, und 1 ml Glutaraldehyd wurde hinzugegeben. Nach der Reaktion von 1 Stunde wurde das Gel mit großen Mengen an Wasser gewaschen.
Das Gel adsorbierte Kupfer-, Eisen-, Nickel- und Kobaltionen stärker als das Aminogel, das nicht mit Glutaraldehyd behandelt worden war.

Beispiel 6.

25 g Tris-(2-aminoethyl)amin gekuppelte Agarose gemäß Beispiel 1 wurden mit 8-Hydroxychinolin-2-carbaldehyd über 2 Tage bei 50ºC in einem 0,2 M Natriumphosphatpuffer, pH 7,0, behandelt. Das Produkt wurde gewaschen und in bezug auf die Kapazität, Kupfer und Nickelionen zu adsorbieren, getestet, und es wurde eine sehr starke Adsorption nachgewiesen.

Beispiel 7.

2 g Polyvinylalkohol mit einem Durchschnittsmolekulargewicht von 49000 wurden in 50 ml 0,1 M Natriumbicarbonat gelöst und 0,5 ml Divinylsulfon wurden hinzugegeben. Nach 1 Stunde wurde die Lösung neutralisiert und gegen 4 l Wasser in 2 Läufen und einem dritten Lauf gegen Natriumhydrogencarbonat dialysiert.
Zu einer Hälfte der Lösung a) wurden 0,2 g Cyclam hinzugegeben, und zu der anderen Hälfte b) wurden 2 ml Tris(2-aminoethyl)amin hinzugegeben. Nach einem Tag wurde die Lösung a) gegen destilliertes Wasser dialysiert und b) gegen 0,1 M Phosphat. Zu b) wurden 0,5 g Salicylaldehyd hinzugegeben, und nach 5 Stunden wurde die Lösung gegen destilliertes Wasser dialysiert. Zu den Lösungen a) und b) wurden dann 2 ml 0,1 M Kupfersulfatlösung hinzugegeben, und sie wurden erneut dialysiert. Nach wiederholter Dialyse blieb der Gehalt in den Dialysebeuteln gefärbt, was zeigte, daß die Kupferionen an das hochpolymere Polyvinylalkoholderivat komplexgebunden worden sind.

Beispiel 8.

Ein Gabelligand mit zwei Aminogruppen wurde mit 8- Hydroxychinolincarbaldehyd in einer Mischung von Ethylenglykol und 0,1 M NaHCO&sub3; mit und ohne Erwärmen behandelt. Dieser Ligand mit der vermutlichen Formel X wird sehr starke Komplexe mit Kobalt, orangerote Farbe, Nickel, orangerot, Kupfer, olivgrün und Eisen, dunkelbraun, erzeugen.

Beispiel 9.

Aus der Reaktion des einfachen Gabelliganden mit 2-Nitroso- 1-naphthol in 0,1 M Na&sub2;CO&sub3; wurde ein gelbes Produkt erhalten, das olivgrüne Komplexe bildete. Durch die Reaktion mit NaBH&sub4; verschwand die gelbe Farbe, und es wurde ein weißes oder farbloses Gel erhalten. Dieses Gel bildete auch einen dunkelgrünen Komplex mit 2 Valenzen Kupfer. Wahrscheinlich hat der Ligand die Struktur
d. h. stellt einen Azoliganden dar, der durch Reduktion in einen Hydrazoliganden umgewandelt wird. Sogar hier gibt es entsprechend zwei sterisch ähnliche Chelatbildner, die zusammen ein starkes, immobilisiertes Chelat bilden. Wenn das Cu-Gel durch eine neutralee 0,1 M ECDTA-Lösung sedimentiert wird, bleibt die Lösung ungefärbt, was zeigt, daß die sehr starken Komplexe nicht zerbrochen werden.

Claims

1. Hydrophiles Polymerprodukt zur Metallionenbindung, Adsorption, etc., dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur P-X-A-Q ist,

wobei P ein hydrophiles, lösliches oder unlösliches Polymer mit einem Molekulargewicht von mehr als 3000 Dalton ist und zu wenigstens 1 Gew.-% in Wasser bei 20ºC löslich ist,

X ein Heteroatom O, S oder N ist,

A ein Atomsequenz mit wenigstens 3 Kohlenstoffatomen ist, und

Q eine Gruppe mit wenigstens zwei Verzweigungen mit terminalen, Metallchelat-bildenden substituenten ist, wobei jede Verzweigung wenigstens zwei Heteroatome N, O oder S enthält, die voneinander durch zwei oder höchstens drei Kohlenstoffatome in einer Folge getrennt sind, oder wobei Q ein makrocyclischer Ring mit wenigstens 8 und höchstens 30 Atomen, von denen wenigstens 3 Stickstoffatome sind, in einer Folge im Ring ist.

2. Produkt nach Anspruch 1, dadurchkennzeichnet, daß das hydrophile Polymer mit gabelförmig verzweigten Liganden substituiert ist, wobei jeder wenigstens drei aliphatisch gebundene Aminogruppen mit den Stickstofatomen N¹, N² und N³ enthält, wobei N¹ und N² substituiert sind mit zwei oder mehr R¹, R², R³ und R&sup4; mit der Formel:

wobei R¹ und R², die gleich. sein können, Substituenten mit wenigstens einem koordinierendem N-, O- oder S-Atom, die von N² oder N³ durch zwei oder drei Kohlenstoffatome in einer Kette oder einem Ring getrennt sind, bedeuten, R³ Alkyl, Carboxyalkyl oder Carboxyalken bedeutet, R&sup4; Wasserstoff oder Carboxyalkyl ist und n und m 2, 3, 4 oder 5 sind.

3. Produkt nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß R¹ und R² Carboxylgruppen -COOH sind und R&sup4; eine Carboxymethylgruppe ist.

4. Produkt nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei den gabelförmigen Liganden R¹ und/oder R² einen aromatischen oder heteroaromatischen Kern mit Carboxyl oder Phenolsauerstoff, oder mit einer Aminogruppe, getrennt von dem nächsten Stickstoffatom durch zwei oder drei Kohlenstoffatome enthalten.

5. Produkt nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der gabelförmige Ligand die Stuktur besitzt

wobei R ein aromatisches oder heterocyclisches Ringsystem mit wenigstens einem Heteroatom im Ring oder wenigstens einer phenolischen OH oder NH&sub2;-Gruppe ist, wo diese Gruppen oder Ringheteroatome in ortho-Position zu dem Kohlenstoffatom zwischen dem Stickstoff in der Kette und dem Ring substituiert sind.

6. Produkt nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gabelförmigen Liganden zu einem geschlossenen Ring über ein bifunktionelles Reagenz zu einem makrocyclischen Liganden mit 8 bis 30 Kohlenstoffatomen und wenigstens drei Stickstoffatomen, wovon wenigstens eines eine NH&sub2;-Gruppe im Ring ist, durch Umsetzen mit einem Epoxy- oder Vinylsulfonpolymer geschlossen werden zu

wobei R&sup5; ein Alken, Azaalken, Oxaalken oder Thiaalken oder Derivate davon enthält.

7. Produkt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hydrophile, wasserlösliche oder vernetzte Polymer polyhydrisch ist und zu der Gruppe der Polysaccharide oder Polyvinylalkohol gehört.

8. Produkt nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das polyhydrische Polymer Agarose oder ein Agarosederivat ist.

9. Produkt nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das polyhydrische Polymer Cellulose oder ein Derivat davon ist.

10. Produkt nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das polyhydrische Polymer Polyalkylenglykol, vorzugsweise Polyethylenglykol ist.

11. Produkt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hydrophile, wasserlösliche oder vernetzte Polymer ein Polyacrylat oder ein Polyacrylamid ist.

12. Produkt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt aus Teilchen, Filtergewebe, Papier oder Gewebe für die Aufnahme von Metallionen aus Lösungen in Adsorptionsbetten besteht.

13. Produkt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hydrophile Polymer ein unlösliches Trägermaterial wie Kieselgel, ein Polystyrrolteilchen, eine Glaswand oder ähnliches umgibt oder daran durch Adsorption oder kovalente Bindung oberflächenfixiert ist.

14. Verfahren zur Herstellung eines Produktes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein hydrophiles Polymer, das ein Molekulargewicht von mehr als 3000 Dalton besitzt und das in Wasser bei 20ºC mit wenigstens 1 Gew. % löslich ist, durch Epoxy- oder Vinylsulfongruppen oder durch den Einbau von Aldehydgruppen aktiviert ist, mittels Tris-(2-Aminoethyl)amin gekuppelt wird und dann mit Reagenzien umgesetzt wird, die aus den Gruppen α-Haloalkanoat, α-Haloalkanoylhalogenid, ortho-Amino- oder Hydroxysubstituiertem aromatischen oder heteroaromatischen Aldehyd, Dialdehyd oder Diketon ausgewählt werden, und zum Ringschluß des gebildeten gabelförmigen Liganden wenigstens zwei terminale N über eine Brücke zu einem makrocyclischen Liganden aneinander gebunden werden.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringschlußbrücke durch ein bifunktionelles Reagenz gebildetwird, das zu den folgende Kategorien gehört: Bisepoxid, Halohydrin, Divinylsulfon, α,α¹-Haloketon, α-Haloacylhalogenid, Ortho- und Parachinon, Dialdehyd, Diketone, gegebenenfalls gefolgt von Reduktion und Alkylierung.