KR950003417B1 - 친수성의 약염기성 음이온 교환수지의 제조방법 - Google Patents

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Description

친수성의 약염기성 음이온 교환수지의 제조방법

본 발명은 친수성의 약염기성 음이온 교환수지의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이온 교환 크로마토그래피에서 단백질 등의 생체에 관련된 물질을 분리함에 있어서 단백질에 대한 소수결합에 기인하는 물리적인 흡착이 없고, 이온형에 따른 체적변화가 적은 친수성의 약염기성 음이온 교환수지를 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 단백질, 효소, 항생물질 등의 생체관련 수용성 물질의 분리 정제에 이온 교환 크로마토그래피가 중요한 방법으로 사용되고 있으며, 이온 교환수지로는 스티렌 디비닐벤젠 공중합체, 친수성의 덱스트란겔, 아가로즈 겔, 폴리아크릴 아마이드겔, 폴리메타 아크릴레이트 겔 등에 이온 교환 관능기를 도입한 이온 교환수지들이 이용되고 있다.

그러나 스티렌-디비닐벤젠 공중합체는 단백질에 대한 소수결합에 기인하는 물리적 흡착과 함께 단백질 변성의 원인이 되며, 덱스트란 겔, 폴리 아크릴 아마이드 겔 등은 기계적 강도가 낮고, 화학 결합형 실리카겔은 알칼리에 취약함을 나타내어 이온 교환 크로마토그래피의 분리제로는 부적합하다. 따라서 기계적 강도가 우수하고, 대상 물질에 대한 낮은 흡착특성, 내 알칼리성, 고 분리능을 갖는 폴리메타 아크릴레이트 겔에 이온 교환 관능기를 도입한 이온교환수지들이 분석 및 분취용 이온 교환 크로마토그래피의 분리제로 이용되어지고 있다.

종래에 친수성 폴리 메타아크릴레이트를 이용한 약염기성 음이온 교환수지의 제조방법에 대한 선행기술로는 일본 특개 소58-24354에서는 아미노기를 함유하거나 또는 함유하지 않는 다가 알콜의 폴리(메타) 아크릴레이트와 가교제로 에틸렌글리콜 디메타아크릴레이트를 모노머에 대해 20중량% 이상 사용하여 현탁 중합하므로써, 글리세린 에스테르 구조를 갖는 친수성 공중합체를 합성하거나, 아미노기를 함유하지 않는 공중합체에는 일급 또는 이급 아민으로 아민화시켜 이온교환 용량 0.1~3meq/g, 이온형에 따른 체적변화가 Cl/OH형=1.01~1.05인 약염기성 음이온 교환수지를 제조하였으나, 액체 크로마토그래피 특히 고속 액체 크로마토그래피에 이용하기 위해 30~60중량%의 고 가교도가 됨으로써 수지의 팽윤성이 낮아지고 그러므로써 이온 교환용량이 낮고, 수지의 친수성이 저하되는 결과를 나타낸다.

또한, 일본 특개 소64-56149에서는 친수성 모노머로서 글리시딜 메타아크릴레이트 20~40중량%와 가교제로서 에틸렌글리콜 디메타아크릴레이트 60~80중량%를 사용하여 현탁중합방법으로 공중합체를 합성한 후 에폭시기를 개환하여 아민화 반응으로 음이온 관능기를 도입함으로써 생체 고분자 분리용 분리제로 이용될 겔형 약염기성 음이온 교환수지를 제조하였으나 한정된 관능기 도입부와 함께 분리대상물질의 내부확산을 막기위해 다공성을 배제하므로써 이온교환용량이 0.05~0.5meq/g 정도로 낮게 나타난다.

본 발명자들은 이온교환 수지에 있어 이온형의 변화 및 가교도의 고저에 따른 체적변화를 관찰하고, 친수성 모노머들에 대해 이온 교환관능기 도입에 따른 교환 용량 및 체적변화를 예의 주시한 결과 음이온 교환기를 도입할 수 있는 수산기를 다량 포함하는 친수성 모노머를 사용하여 현탁중합하므로써 고 가교도에서도 친수성을 유지하고, 이온형에 따른 체적변화를 최소화(Cl/OH형=1.01~1.03)하며, 높은 이온교환 용량(0.3~6meq/g)을 갖는 폴리(메타)아크릴레이트계 친수성의 약 염기성 음이온 교환수지를 제조하는데 성공하여 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 친수성이 우수하여 분리대상 물질에 대한 물리적인 흡착이 없고, 이온형에 따른 체적변화가 적어서 크로마토그래피의 분리제로 유용한 약염기성 음이온 교환수지를 제공하는데 있다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 이온 교환 크로마토그래피의 분리제로 사용되는 친수성의 약 염기성 음이온 교환수지를 제조함에 있어서, 다음 일반식(I)로 표시되는 친수성 메타아크릴레이트 모노머를 가교제와 함께 현탁 중합하여 얻은 공중합체에 할로겐화 아민염을 반응시키는 것을 특징으로 한다.

상기식에서, R₁는 -H 또는 -CH₃이다.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 친수성 악염기성 음이온 교환수지의 제조방법으로서 아미노기를 도입 가능한 수산기를 갖는 상기 일반식(I)로 표시되는 친수성 비닐 모노머와 가교제를 현탁제와 현탁 보조제, 수소이온 농도 조절제, 무기염 등을 적절히 혼합하여 용해시킨 수용액에서 라디칼 개시제를 이용하여, 미반응성 유기용매를 사용하거나(다공형) 또는 사용않는(겔형) 상태에서 기지의 널리 알려진 수성현탁중합 방법으로 현탁중합하여 공중합체를 생성한 후 공중합체가 아미노기를 도입하는 제조방법이다.

이러한 본 발명에서 사용된 친수성의 모노머는 펜타에리트리톨과 글리시딜 메타아크릴레이트 또는 아크릴산과의 반응으로 펜타에리트리톨 모노(메타) 아크릴레이트를 합성한 후 이것을 에피클로로히드린과의 산촉매 반응과 가수분해 반응으로 다가알콜의 모노머를 제조한다. 이때 생성물중에서 펜타에리트리톨 모노(메타) 아크릴레이트에 있는 3개의 수산기중 1개 또는 2개의 수산기와 에피클로로히드린이 반응한 생성물의 혼합물이 존재하게 되는데, 이들 혼합물의 비는 Chromosorb W에 실리콘 OV-1을 5중량% 코팅시킨 GLC로 분석하여 2개의 수산기와의 반응물이 10중량%를 넘지않는 범위에서 조절하여 사용하며, 이 비가 10중량% 이상의 경우에는 모노머의 과도한 친수성으로 인해 물을 용매로 하는 현탁중합 방법으로는 구상의 입자 제조가 어렵다.

또한 중합방법은 일반적인 수성현탁중합 방법을 사용하고 현탁계로는 일반적으로 사용되는 현탁제 외에 현탁용매인 물에 대해 친수성 반응물의 용해도를 줄이기 위해 염석제로서 무기금속염을 사용하였고 현탁보조제로 셀루로오즈계 화합물, 수소이온 농도조절제로서 나트륨과 칼슘의 1, 2, 3 염기성 인산염을 단독 또는 혼합 사용하였다.

가교제로는 에틸렌글리콜 디메타아크릴레이트, 디 또는 트리 에틸렌글리콜 디메타아크릴레이트, 펜타에리트리톨 디 또는 트리 메타아크릴레이트, 트리메틸올프로판 트리메타아크릴레이트중에서 선택된 하나 또는 둘이상을 사용하였고, 가교제의 사용량은 친수성 모노머에 대해 10~90중량%를 사용하는데, 가교제의 사용량이 적은 경우 특히 분석용으로 사용시 컬럼 충진중에 일어나는 분리제의 압밀화에 의해 컬럼내부압 및 용매 송압이 크게 상승하고, 물리적 내구성이 약하며 가교제의 사용량이 많은 경우에는 물리적 내구성은 증가하는 반면 분리제의 소수성이 증가하며 교환 용량의 저하가 현저하게 나타난다.

또한 입도와 기공의 형성은 그 용도에 따라 입도의 대소 및 기공형성의 정도를 현탁계 반응물, 교반속도등을 조절함으로써 해결할 수 있다.

이상과 같이 제조한 수산기를 갖는 가교 공중합체 입자에 음이온 교환기를 도입하는 방법은 알칼리 촉매하에서 할로겐화 아민염을 반응시켜 제조하였으며 사용된 할로겐화 아민염들로는 2-디에틸 아미노에틸 크로라이드, 2-크로로에틸아민, 2-디메틸 아미노에틸크로라이드 중에서 선택된 하나 또는 둘이상을 사용하였고, 사용된 반응물들의 양은 공중합체 입자중량애 대해 30~100중량% 사용시에 높은 교환용량을 갖는 이온교환수지를 얻을 수 있고, 30중량% 이하의 사용량에서는 낮은 이온교환 용량을 갖는 이온교환수지를 얻게 된다.

반응온도는 25~90℃에서 반응시키고, 반응시간은 2~24시간 반응시킬 경우 이온교환수지 입자의 착색현상이 적고, 높은 이온 교환용량을 갖는 이온교환수지를 얻을 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의해 제조된 약염기성 음이온 교환수지는 친수성이 우수하여 분리 대상물질에 대한 물리적인 흡착이 없고 이온형에 따른 체적 변화가 적기때문에 특히 단백질, 효소, 항생물질 등의 생체 관련 수용성 물질의 분취, 정제 및 분석에 쓰이는 이온교환 크로마토그래피의 분리제로서 매우 유용하다.

본 발명에 의해 생성된 음이온 교환수지의 교환용량과 수지형에 따른 체적변화는 다음과 같은 방법으로 측정하였다.

교환용량의 측정방법

제조한 음이온 교환수지 습윤품 25ml를 취하여 수지탑에 채운후 1N 염산 용액 200ml를 공간속도 5㎡/hr로 흘린후 탈염수로 세척, 다음에 1N 수산화나트륨 용액 200ml를 공간속도 5㎡/hr로 흘리고 탈염수로 용액중에 페놀프탈레인 지시약을 가하여 알칼리성이 확인되지 않을때까지 세척한다(기준형 수지 조정).

조정한 기준형 수지 200ml를 채취하여 원심분리하여 부착수분을 제거한 후 5g을 정확히 달아 50±1.5℃로 조절한 진공건조기 속에서 10±2mmHg로 8시간 건조하여 무게를 달아 감량분으로 수분을 측정한다. 다음에 250ml 매스플라스크에 0.2N 염산을 표선까지 채우고 수분을 제거한 수지 3g을 정확하게 달아 넣는다. 24시간 방치후 상층액 25ml를 취하여 페놀프탈레인을 지시약으로 하여 0.1N 수산화나트륨(농도계수 f)으로 적정한다(A ml). 동시에 25ml 염산용액에 대해서도 0.1N 수산화나트륨으로 적정한다(B ml).

중화적정은 자동 적정장치(Metron사, 모델-682)로 행하였다.

수지형에 따른 체적 변화

기준형으로 조정한 수지를 과잉의 1N 염산용액으로 처리하여 Cl형으로 만든 후 탈염수로 충분히 세정하고 그 수지를 10ml의 메스실린더에 정확히 채취한다.

채취한 10ml의 수지에 1N 수산화나트륨 용액을 흘려 OH형으로 변환시킨 후 탈염수로 충분히 세정한 후 10ml의 메스실린더에서 수지의 체적(γ ml)을 정확히 측정한다.

이와 같은 본 발명에 의해 얻은 친수성의 약염기성 음이온 교환수지는 기계적 강도가 우수하고 친수성이 높아 수용성의 단백질, 효소, 다당류, 항생물질 등 생체 관련 물질의 분석 및 분리, 정제에 이용되는 이온교환 크로마토그래피에 적용할 경우 매우 효과적인 바, 본 발명에서 제조된 수지입자의 평균 입경이 5~10㎛의 것은 분석용 이온교환 크로마토그래피에 이용할 수 있고, 평균입경이 20~150㎛의 것은 분취용 및 대형 공업적 분취용 이온교환 크로마토그래피에 이용할 수 있다.

이하 본 발명을 실시예를 따라 더욱 상세히 설명하겠는바, 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

반응장치는 2L, 4구 둥근 플라스크에 온도계, 질소 유입관을 설치하고 교반날개는 패들형을 사용하고 교반속도는 500rpm으로 반응하였다.

제조한 친수성 모노머인 4-옥시-2,2-디하이드록시 메틸-6,7-디하이드록시 헵틸메타아크릴레이트 60g, 에틸렌 글리콜 디메타아크릴레이트, 40g, 벤조일 퍼옥사이드 2.5g, 노말 부틸 알콜 150g에 용해시킨 후, 폴리비닐 피롤리돈(분자량 40,000) 30g, 카르복시 메틸셀룰로오즈 나트륨 1g, 3염기성 칼슘 인산염 0.5g, 염화나트륨 20g을 1L의 증류수에 용해시킨 후 수용액상에 서서히 부가하여 질소 기류하에서 반응온도 70℃에서10시간 반응시킨 후, 생성된 공중합체 입자의 부유물(0.5~1중량%)을 걸러낸후 뜨거운물과 아세톤으로 3회 세척하여 입도 10~20㎛의 다공성 입자를 얻었다.

생성된 친수성 입자 50g을 2N 수산화나트륨 수용액 100ml 중에 투입하고 상온에서 60분간 교반시킨후 2-디메틸 아미노에틸 크로라이드 30g을 가하여 60℃에서 5시간 반응시킨다.

반응물을 여과한후 탈염수와 1N-염산수용액 100ml로 세정하여 디메틸 아미노 에틸기를 관능기로 하는 친수성의 약 염기성 음이온 교환수지를 얻었다.

이 수지의 교환용량을 측정한 결과 5.6meq/g, Cl/OH의 체적비는 1.02이었다.

[실시예 2]

공중합체 제조시 가교제로서 펜타에리트리톨 트리메타아크릴레이트 40g을 사용한것 외에는 실시예 1과 같이 반응시킨 결과 약염기성 음이온 교환수지를 얻었으며 이온교환수지의 교환용량은 5.1meq/g, Cl/OH의 체적비는 1.01이었다.

[실시예 3]

실시예 1에서 얻은 공중합체 50g을 3N-수산화나트륨 수용액 100ml 중에 투입하여 상온에서 1시간 교반시킨후 2-클로로 에틸아민 30g을 가하여 70℃에서 6시간 반응시킨 결과 2-에틸아민을 관능기로 하는 친수성의 약염기성 음이온 교환수지를 얻었으며 교환용량은 3.8meq/g, Cl/OH의 체적비는 1.02이었다.

[실시예 4]

공중합체 제조시 가교제로서 펜타에리트리톨 트리메타아크릴레이트 40g, 모노머로 4-옥시-2,2-디하이드록시메틸-6,7-디하이드록시 헵틸메타아크릴레이트 70g을 사용하고, 음이온 교환시 도입 반응시 알칼리 촉매를 1N-수산화나트륨 수용액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 3과 같이 반응시킨 결과 이온 교환용량은 2.5meq/g, Cl/OH의 체적비는 1.02이었다.

[실시예 5]

음이온 교환기 도입반응시 할로겐화 아민염으로서 2-디메틸아미노에틸 크로라이드 40g을 사용한 것을 제외하고는 실시예 3과 같이 반응시킨 결과 2-디메틸아미노 에틸기를 관능기로 하는 친수성의 약염기성 음이온 교환수지를 얻었으며 측정된 교환용량은 5.8meq/g, Cl/OH의 체적비는 1.01이었다.

[비교예 1]

공중합체 제조시 가교제로서 에틸렌글리콜 디메틸아크릴레이트 70g을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 같이 반응시킨 결과 이온교환 용량은 1.1meq/g으로 저하되었으며 Cl/OH의 체적비는 1.01이었다.

[비교예 2]

음이온 교환기 도입 반응시 할로겐화 아민염으로써 2-디메틸 아미노 에틸 크로라이드 10g을 반응온도 25℃로 반응시킨 것을 제외하고는 실시예 3과 같이 반응시킨 결과 이온 교환용량은 0.4meq/g으로 저하되었으며 Cl/OH의 체적비는 1.02이었다.

[비교예 3]

음이온 교환기 도입 반응시 반응온도를 95℃로 한것을 제외하고는 실시예 3과 같이 반응시킨 결과 이온교환수지의 깨짐이 다량(50% 이상) 발생하였다.

[비교예 4]

글리시딜 메타아크릴레이트 210g을 에틸렌글리콜 디메타아크릴레이트 90g을 사용하여 현탁 중합하여 얻은 공중합체 입자 50g을 250ml의 메탄올 중에 교반하여 디에틸아민 18g을 가하여 60℃에서 6시간 반응시킨 결과 음이온 교환수지를 얻었으며 이온 교환용량은 1.79meq/g, Cl/OH 체적비는 1.05이었다.

상기와 같이 실시예 1~5과 비교예 1~4로부터 제조된 친수성의 약염기성 음이온 교환수지들의 이온교환 용량 및 이온형에 따른 Cl/OH 체적비를 다음 표 1에 나타내었는바, 실시예의 경우가 비교예에 비하여 특성이 우수함을 알 수 있다.

[표 1]

A : 4-옥시-2,2-디하이드록시메틸-6,7-디하이드록시 헵틸메타아크릴레이트

B : 에틸렌글리콜 디메타아크릴레이트

C : 노말 부틸 알콜

D : 펜타에리트리톨 트리메타아크릴레이트

E : 글리시딜 메타아크릴레이트

F : 톨루엔

a : 2-디에틸 아미노에틸 크로라이드

b : 2-클로로 에틸 아민

c : 2-디메틸 아미노에틸 크로라이드

d : 디에틸 아민

Claims (6)

1. 이온교환 크로마토그래피의 분리제로 사용되는 친수성의 약 염기성 음이온 교환수지를 제조함에 있어서, 다음 일반식(I)로 표시되는 친수성 메타아크릴레이트 모노머를 가교제와 함께 현탁 중합하여 얻은 공중합체에 할로겐화아민염을 반응시키는 것을 특징으로 하는 친수성의 약염기성 음이온 교환수지의 제조방법.

   상기식에서, R₁는 -H 또는 -CH₃이다.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 가교제로는 에틸렌글리콜 디메타아크릴레이트, 디 또는 트리에틸렌글리콜 디메타아크릴레이트, 펜타에리트리톨 디 또는 트리메타아크릴레이트, 트리메틸올프로판 트리메타아크릴레이트 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상을 사용함을 특징으로 하는 친수성의 약염기성 음이온 교환수지의 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 가교제는 친수성 모노머에 대해 10~90중량% 반응시키는 것을 특징으로 하는 친수성의 약염기성 음이온 교환수지의 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 할로겐화 아민염으로 2-디메틸 아미노에틸크로라이드, 2-크로로에틸아민, 2-디메틸아미노 에틸크로라이드 중에서 선택된 하나 또는 둘이상을 사용함을 특징으로 하는 친수성의 약염기성 음이온 교환수지의 제조방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 할로겐화 아민염은 공중합체 입자에 대해 30~100중량%을 사용함을 특징으로 하는 친수성의 약염기성 음이온 교환수지의 제조방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 할로겐화 아민염을 반응시킬때 반응온도는 25~90℃이고, 반응시간은 2~24시간임을 특징으로 하는 친수성의 약염기성 음이온 교환수지의 제조방법.