WO2000072960A1 - Oberflächenderivatisierung von sorbentien mit überkritischem co¿2? - Google Patents

Oberflächenderivatisierung von sorbentien mit überkritischem co¿2? Download PDF

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WO2000072960A1
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sorbents
derivatization
supercritical
solvents
separation
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Karin Cabrera
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Merck Patent Gmbh
Lubda, Dieter
GÜGEL, Andreas
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Definitions

  • the invention relates to the surface derivatization and cleaning of sorbents with supercritical CO 2 .
  • the quality of the derivatized 5 sorbents can be greatly improved by the process according to the invention.
  • a number of support materials for example SiO 2 , Al 2 O 3 or organic polymers, can be used immediately
  • sorbent 1 ⁇ sorbent can be used. However, these materials more frequently serve as base material, which is modified in a suitable manner. In this way, the adsorptive properties of the sorbent are changed, so that a variety of different separation methods are possible.
  • the connection of long hydrocarbon chains to is particularly common
  • sorbents such as After the reaction with the modification reagent, silica gels are washed with different solvents. As a rule, this cleaning is carried out by washing several times on a filter chute and with various solvents, e.g. Toluene, tetrahydrofuran, dichloromethane, methanol,
  • Suitable for derivatization of unmodified sorbents M. Robson et al., GVC Technical Committee “High Pressure Chemical Engineering” March 3-5, 1999, Düsseldorf, Germany, describe the modification of silica gel with alkylsilanes with supercritical CO 2 as solvent. Silica gel and silanes are first used in pentane premixed better distribution of the silane, stripped off the pentane and then subjected the silica gel to treatment with supercritical CO 2. Thus, the use of organic solvents is not avoided in this process either.
  • Solvents (alcohols, pentane, toluene etc.) carried out under subcritical conditions.
  • the object of the invention was therefore to develop a process for the derivatization of sorbents which enables rapid and effective derivatization and the subsequent removal of physisorbed reaction reagents and at the same time avoids the use of large amounts of partially toxic solvents. Furthermore, a uniform covering of the entire surface of the sorbent, including the pores, should be made possible.
  • the invention therefore relates to a process for the derivatization of sorbents with supercritical CO 2 as a solvent.
  • the invention further relates to a method in which, in addition to derivatization, cleaning is carried out using supercritical CO 2 as a solvent.
  • Figures 1-7 show chromatograms of separations which were carried out using sorbents derivatized according to the invention. A measure of the extinction (ordinate) versus the retention time in minutes (abscissa) was plotted. Further explanations can be found in Examples 1-3.
  • a pure substance is in the supercritical state when its critical pressure and its critical temperature are exceeded.
  • the density of the substance is in the range of the liquid density
  • the viscosity in the range of the viscosity of the gas phase and the diffusion coefficient is very high compared to that of the liquid.
  • These properties in turn can be varied by changing the density. This is of great importance in the process according to the invention, since the dissolving power of CO 2 can be varied in this way. For example, the solubility of reactants in CO 2 can be increased to a certain extent by increasing the pressure.
  • CO 2 is preferably used as the solvent for the synthesis according to the invention.
  • Solvents that can be used for cleaning are, for example, CO 2 , propane, ethane or N 2 O, particularly preferably CO 2 .
  • the choice of solvent depends on the pressure / temperature range in which work is to be carried out and on the type of derivatization or Cleaning.
  • the solvents can be used individually or in a mixture with one another.
  • the solvents used can be used in their supercritical or critical range.
  • the exact data on temperature and pressure can be found in the phase diagrams of the solvents.
  • a range in which T / T cp is between 1 and 3 is preferred (T cp is the temperature at the critical point).
  • Preferred temperature range for CO 2 is 30 to 250 ° C
  • preferred pressure range is 50 to 400 bar. But pressures of more than 400 bar can also be advantageous for some applications.
  • the inventive method for derivatization of carrier materials can be applied to particulate porous and non-porous inorganic materials such as SiO 2, Al 2 O 3, ZrO 3, TiO 2, but also to particulate porous and non-porous synthetic polymers such as Fractogel ® (Merck KGaA) or Eupergit ® (Röhm) and on particulate, porous and non-porous natural materials such as starches, celluloses or proteins.
  • particulate porous and non-porous inorganic materials such as SiO 2, Al 2 O 3, ZrO 3, TiO 2
  • particulate porous and non-porous synthetic polymers such as Fractogel ® (Merck KGaA) or Eupergit ® (Röhm)
  • particulate, porous and non-porous natural materials such as starches, celluloses or proteins.
  • porous monolithic materials can be derivatized on an inorganic or organic basis.
  • the process according to the invention is particularly suitable for the “in-batch derivatization”.
  • larger quantities for example 50, 100 or 200 moldings, are impregnated with the derivatization reagents and treated with CO 2 in a reaction autoclave . This contrasts with the “in situ
  • EP 0 565 978 describes hydroxyl group-containing sorbents with epichlorohydrin or with (meth) acrylic acid derivatives which are an oxirane or Wear azlactone group, be derivatized.
  • activated carrier materials for binding for example, affinity ligands for metal chelate chromatography or protein adsorption can then be produced.
  • oxirane-activated supports are derivatized with alkyl or aryl residues.
  • the process according to the invention for surface derivatization proceeds particularly effectively in the derivatization of sorbents based on inorganic oxides using the silanes customary in silica gel chemistry, such as, for example, mono- or trifunctional alkoxy- or chlorosilanes. More precise information on the reagents is known to the person skilled in the art and can be found, for example, in K.K. Unger,
  • RP Reverse phase
  • reagents such as, for example, silanes, which are used in the process for surface derivatization according to the invention, are referred to as derivatization reagents.
  • inorganic materials such as silica gels
  • silanes The derivatization of inorganic materials, such as silica gels, with silanes is described in more detail below:
  • the materials are used to carry out the process according to the invention initially soaked with the pure silane. A previous suspension in organic solvents is not necessary.
  • To derivatize particulate sorbents they are typically mixed with the pure silane in a ratio of 1: 1 to 1: 5, preferably about 1: 2.5, in the reaction vessel.
  • Monolithic moldings are first immersed in the silane and soaked. Then the rods soaked in silane are added to the reactor for further reaction.
  • the sorbents are then mixed with supercritical CO 2 in an autoclave.
  • a reactor is typically used for this
  • Glass insert used in the autoclave. During the incubation with the CO 2 as a solvent, it transports the reactants into the interior of the pores.
  • the solution behavior of the CO 2 can be varied accordingly by varying the temperature and pressure.
  • the duration of the incubation can be between one minute and 24 hours, preferably between 1 and 12 hours.
  • the sorbent can, as has been customary to date, be freed from the physisorbed reactant residues with organic solvents or, preferably, with supercritical ones
  • the end-capping usually follows after the purification in order to derivatize unreacted silanol groups, i.e. to implement in a second silanization step with short-chain silanes.
  • the end capping can also be carried out after the method according to the invention.
  • the endcapping can be carried out according to known methods or under supercritical conditions.
  • the sorbents prepared by the process according to the invention show very good even without end-capping Separation properties, so that the derivatization according to the invention preferably takes place without subsequent end capping.
  • the process according to the invention is particularly suitable for the derivatization and cleaning of ceramic shaped bodies or monolithic sorbents. Particularly long diffusion paths occur in these materials. While the inner pore system can hardly be reached with conventional methods, these sorbents can now be modified uniformly over their entirety with the method according to the invention.
  • the sorbents for chromatography produced by the process according to the invention are distinguished by good separation performance, for example in the chromatography of basic compounds.
  • the tailing decreases significantly.
  • a process has thus been developed which enables sorbents to be derivatized in very good yields and short reaction times and then to be purified effectively.
  • the use of non-toxic C0 2 which can be reused, saves large amounts of expensive and toxic solvents.
  • the derivatization and extraction conditions can be precisely adapted to the relevant material.
  • Example RP 18 derivatization of particulate Purospher ® Si, 5 microns
  • the particles were filled into an HPLC column (125x4 mm, LiChroCart ® ) using customary methods and tested chromatographically.
  • Figure 1 shows the separation (1.): Thiourea (1), pyridine (2) and phenol (3) are eluted, 2,2-bipyridine is not.
  • Pyridine as a strongly basic component, is eluted before the phenol under neutral eluent conditions (i.e. without ionic additives such as buffers) on the sorbent modified according to the invention (RP material, without end-capping). This is a sign that there are hardly any unreacted silanol groups in the sorbent. Residual silanol groups have slightly acidic properties and therefore act particularly strongly as non-specific interaction centers with basic compounds. For this reason, pyridine is normally eluted after phenol on incompletely derivatized surfaces under the chosen conditions.
  • Figure 2 shows the separation (2.): uracil (1), butylbenzene (2), o-terphenyl (3), amylbenzoi (4) and triphenylene (5) are separated.
  • the material used for this separation has a very uniform surface structure with few residual silanol groups. This is shown on the one hand in the selectivity for two substances that differ only in one methylene group (butylbenzene and amylbenzoi). The material also shows good selectivity for sterically different substances with the same number of carbon atoms: O-terphenyl (spatially demanding) is separated from the planar triphenylene. The reason for this is a dense covering of the surface with C- ⁇ 8 chains. Planar molecules penetrate between the chains and are therefore retained more than voluminous molecules that are excluded.
  • Figure 3 shows the separation (3.): uracil (1), caffeine (2) and phenol (3) are separated. As in separation (1.), a basic compound (caffeine) is eluted before phenol.
  • FIG 4 shows the separation (4.): ortho-terphenyl (oTP), triphenylene
  • TPh phenanthro (3,4) phenanthrene
  • PhPh phenanthrene
  • benzo a) pyrene (BaP) and tetrabenzonaphthalene (TBN) are separated.
  • Figure 5 shows the separation (5.): thiourea (1), aniline (2), phenol (3), o-ethyl aniline (4), m-ethyl aniline (5), p-ethyl aniline (6), N, N- Dimethylaniline (7), ethylbenzoate (8), toluene (9) and ethylbenzene (10) are separated.
  • This separation is an example of the separation of a mixture of basic and neutral compounds.
  • the basic compounds are eluted without taiying through a uniform and dense surface derivatization without many residual silanol groups.
  • a monolithic SilicaROD ® column (83x7.2 mm) is first impregnated with pure N, N-diethylamine-dimethyloctadecylsilane. The rod column is then placed in an autoclave and with CO 2 (220 bar)
  • Injection volume 10 ⁇ l mobile phase: acetonitrile / water 60/40 (v / v)
  • a monolithic SilicaROD ® column (83x7.2 mm) is first impregnated with pure with chloro-dimethyloctadecylsilane. The molded body is then placed in an autoclave and treated with CO 2 (220 bar) at 130 ° C. for 6 hours. After completion of the reaction was washed 3 times with 75 ml of CO 2 .
  • the column was placed in a suitable holder and tested chromatographically.
  • the column shows excellent hydrophobic properties, recognizable by the baseline separation of 6 different alkylbenzenes.
  • Figure 7 shows the separation of benzene (1, 70), toluene (2.13), ethylbenzene (2.73), propylbenzene (3.79), butylbenzene (5.43) and

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Oberflächenderivatisierung und Reinigung von Sorbentien mit überkritischen Lösungsmitteln offenbart. Durch dieses Verfahren gelangen die Reaktanden besser in die inneren Poren der Sorbentien. Zudem lassen sich in der Porenstruktur der Sorbentien physisorbierte Rückstände sehr effektiv und ohne großen Lösungsmittelverbrauch entfernen.

Description

Oberflächenderivatisierung von Sorbentien mit überkritischem CO2
Die Erfindung betrifft die Oberflächenderivatisierung und Reinigung von Sorbentien mit überkritischem CO2. Die Qualität der derivatisierten 5 Sorbentien kann durch das erfindungsgemäße Verfahren stark verbessert werden.
Für chromatographische Trennungen können eine Reihe von Trägermaterialien, z.B. SiO2, AI2O3 oder organische Polymere unmittelbar als
1^ Sorbens verwendet werden. Häufiger dienen diese Materialien jedoch als Basismaterial, das in geeigneter Weise modifiziert wird. Auf diese Weise werden die adsorptiven Eigenschaften des Sorbens verändert, so daß eine Vielzahl unterschiedlicher Trennmethoden möglich wird. Besonders gebräuchlich ist die Anbindung langer Kohlenwasserstoffketten zur
*° Darstellung von beispielsweise Umkehrphasen-Kieselgel (Reversed Phase). Die Anbindung der Alkanketten kann über verschiedene Reaktionen erfolgen. So sind Umsetzungen mit Alkyl-Chlorsilanen oder Alkoxysilanen beschrieben. Weiterhin können monofunktionelle, di- oder trifunktionelle Liganden zur Umsetzung mit dem Sorbens verwendet 0 werden. Monofunktionelle Liganden reagieren gut und reproduzierbar mit dem Sorbens, werden aber leicht abhydrolysiert. Di- und trifunktionelle Liganden zeigen höhere Hydrolysestabilität, können aber nur schlechter reproduzierbar an das Sorbens gebunden werden. Alle Reaktionen werden in organischen Lösungsmitteln, wie z.B. Toluol oder Pentan, oder in einem ^ sehr großen Überschuß des Silans durchgeführt. Neben der gewünschten kovalenten Bindung der Ketten an die Matrix findet auch eine adsorptive Bindung statt. Diese adsorptiv gebundenen Gruppen können während eines chromatographischen Einsatzes von der Silicamatrix desorbieren und zu Produktverunreinigungen führen. Zusätzlich kommt es zu einem Abfall
30 der Trennleistung. Eine wesentliche Qualitätsforderung für ein modifiziertes Sorbens besteht daher in der Stabilität der Bindung zwischen Sorbens und Modifizierung. Ein Ausbluten nur physiosorbierter Umsetzungsreagenzien im chromatographischen Betrieb muß minimiert werden.
Aus diesem Grund werden Sorbentien wie z.B. Kieselgele nach der Umsetzung mit dem Modifizierungsreagenz mit unterschiedlichen Lösungsmitteln gewaschen. In der Regel erfolgt diese Reinigung durch mehrmaliges Waschen auf einer Filtemutsche und mit verschiedenen Lösungsmitteln, wie z.B. Toluol, Tetrahydrofuran, Dichlormethan, Methanol,
Isopropanol, Pentan.
Da viele dieser Lösungsmittel toxische Eigenschaften aufweisen und zudem in großen Mengen eingesetzt werden müssen, ist sowohl Derivatisierung wie auch Reinigung der Sorbentien aus ökonomischen und ökologischen Gesichtspunkten verbesserungsbedürftig. Zudem wird durch den drucklosen Kontakt des Sorbens mit den Lösungsmitteln zwar die Oberfläche erreicht, nicht jedoch das innere Porensystem des Sorbens. Dieses macht jedoch den Großteil der für die Chromatographie zur Verfügung stehenden Oberfläche aus. Aus diesem Grund ist die
Trennleistung der Sorbentien aufgrund uneinheitlicher Oberflächenderivatisierung häufig mangelhaft.
T. Yarita et al., (Journal of Chromatography A, 724 (1996) 373-377), beschreiben die in situ Silylierung von vormodifiziertem Kieselgel in überkritischem CO2. Die Autoren modifizieren das Kieselgel zunächst nach herkömmlichen Verfahren in organischen Lösungsmitteln und erhöhen dann in einem zweiten Schritt den Beladungsgrad durch Nachsilylierung in überkritischem CO2. Aufgrund der schlechten Löslichkeit der Silane in CO2 ist die beschriebene nachträgliche Silylierung nicht zur direkten RP-
Derivatisierung von unmodifizierten Sorbentien geeignet. M. Robson et al., GVC-Fachausschuß „High Pressure Chemical Engineering" 3.-5. März 1999, Karlsruhe, Deutschland, beschreiben die Modifikation von Kieselgel mit Alkylsilanen mit überkritischen CO2 als Lösungsmittel. Kieselgel und Silane werden zunächst in Pentan zur besseren Verteilung des Silans vorgemischt, das Pentan abgezogen und dann das Kieselgel der Behandlung mit überkritischem CO2 unterzogen. Somit wird auch in diesem Verfahren der Einsatz organischer Lösungsmittel nicht umgangen.
In beiden Ansätzen wird zudem der Waschschritt mit den vorgenannten
Lösungsmitteln (Alkohole, Pentan, Toluol etc.) bei unterkritischen Bedingungen durchgeführt.
Aufgabe der Erfindung war es deshalb, ein Verfahren zur Derivatisierung von Sorbentien zu entwickeln, das eine schnelle und effektive Derivatisierung und die anschließende Entfernung physisorbierter Umsetzungsreagenzien ermöglicht und zugleich die Verwendung großer Mengen teilweise toxischer Lösungsmittel umgeht. Weiterhin soll eine gleichmäßige Belegung der gesamten Oberfläche des Sorbens inklusive der Poren ermöglicht werden.
Es wurde gefunden, daß die direkte Derivatisierung eines Sorbens mit Silanen in überkritischem CO2 gelingt, ohne das Silan vorher in Lösungsmitteln wie Pentan zu lösen.
Es wurde weiterhin gefunden, daß sich eine sehr effiziente Auswaschung durch Extraktion des modifizierten Sorbens in einem Druckautoklaven mittels überkritschem CO2 durchführen läßt.
Der große Vorteil beider Verfahrensschritte liegt in der gründlichen
Durchdringung des Sorbens mit dem CO2, so daß auch das Porensystem erreicht wird. Das eingesetzte CO2 ist nicht toxisch und kann darüber hinaus wiederverwendet werden. Hierdurch wird eine große Menge teurer und toxischer Lösungsmittel eingespart.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Derivatisierung von Sorbentien mit überkritischem CO2 als Lösungsmittel.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren, bei dem zusätzlich zur Derivatisierung die Reinigung mit überkritischem CO2 als Lösungsmittel durchgeführt werden.
Die Abbildungen 1-7 zeigen Chromatogramme von Trennungen, die mit erfindungsgemäß derivatisierten Sorbentien durchgeführt wurden. Es wurde jeweils ein Maß für die Extinktion (Ordinate) gegen die Retentions- zeit in Minuten (Abszisse) aufgetragen. Nähere Erläuterungen finden sich in den Beispielen 1-3.
Ein Reinstoff befindet sich im überkritischen Zustand, wenn sein kritischer Druck und seine kritische Temperatur überschritten sind. Im überkritischen Zustand liegt die Dichte des Stoffes im Bereich der Flüssigkeitsdichte, die Viskosität im Bereich der Viskosität der Gasphase und der Diffusionskoeffizient ist im Vergleich zu dem der Flüssigkeit sehr hoch. Diese Eigenschaften wiederum lassen sich über Dichteänderungen variieren. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist dies von großer Bedeutung, da so das Lösevermögen des CO2 variiert werden kann. Somit kann beispiels- weise die Löslichkeit von Reaktanden in CO2 durch Druckerhöhung in gewissem Umfang vergrößert werden.
Zur erfindungsgemäßen Synthese wird als Lösungsmittel bevorzugt CO2 eingesetzt. Zur Reinigung einsetzbare Lösungsmittel sind beispielsweise CO2, Propan, Ethan oder N2O, besonders bevorzugt CO2. Grundsätzlich hängt die Wahl des Lösungsmittels von dem Druck/Temperatur-Bereich ab, in dem gearbeitet werden soll und von der Art der Derivatisierung bzw. Reinigung. Die Lösungsmittel können einzeln oder auch im Gemisch miteinander eingesetzt werden.
Die verwendeten Lösungsmittel können in ihrem überkritischen oder kritischen Bereich eingesetzt werden. Die genauen Daten über Temperatur und Druck ergeben sich aus den Phasendiagrammen der Lösungsmittel. Bevorzugt ist ein Bereich, in dem T/Tcp zwischen 1 und 3 liegt (Tcp ist die Temperatur am kritischen Punkt). Bevorzugter Temperaturbereich für CO2 ist 30 bis 250°C, bevorzugter Druckbereich ist 50 bis 400 bar. Aber auch Drücke von mehr als 400 bar können für manche Anwendungen vorteilhaft sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Derivatisierung von Trägermaterialien kann auf partikuläre poröse und nicht poröse anorganische Materialien, wie beispielsweise SiO2, AI2O3, ZrO3, TiO2, aber auch auf partikuläre poröse und nicht poröse synthetische Polymere, wie z.B. Fractogel® (Merck KGaA) oder Eupergit® (Röhm) und auf partikuläre, poröse und nicht poröse natürliche Materialien, wie Stärken, Cellulosen oder Proteine angewendet werden. Genauso können poröse monolithische Materialien auf anorganischer oder organischer Basis derivatisiert werden.
Besonders geeignet ist das erfindungsgemäße Verfahren für die „in-batch Derivatisierung". Bei der „in-batch Derivatisierung" von monolithischen Formkörpern werden größere Stückzahlen, beispielsweise 50, 100 oder 200 Formkörper, mit den Derivatisierungsreagenzien getränkt und in einem Reaktionsautoklaven mit CO2 behandelt. Demgegenüber steht das „in-situ-
Verfahren", bei dem ein einzelner Formkörper im Durchfluß derivatisiert wird. Das letztgenannte Verfahren ist wesentlich teurer.
Für die Oberflächenderivatisierung von Trägermaterialien sind verschiedene Verfahren bekannt. So können beispielsweise, wie in
EP 0 565 978 beschrieben, Hydroxylgruppen-haltige Sorbentien mit Epichlorhydrin oder mit (Meth)acrylsäurederivaten, die eine Oxiran- oder Azlactongruppe tragen, derivatisiert werden. In einem weiteren Schritt können dann aktivierte Trägermaterialien zur Bindung von beispielsweise Affinitätsliganden für die Metall-Chelat-Chromatographie oder Proteinadsorption dargestellt werden. In WO 95/02820 werden Oxiran- aktivierte Träger mit Alkyl- oder Aryl-Resten derivatisiert.
Genauso können andere Oberflächenderivatisierungen, wie z.B. kovalent oder adsorptiv gebundene oder quervernetzende Derivatisierungen, die z.B. radikalisch aber auch ionisch gestartet werden, vorgenommen werden. Beispiele finden sich in Y. Shen et al., Journal of Chromatography A, 866
(2000) Seite 1-14, oder J.P. Blitz und C.B. Little „Fundamental and Applied Aspects of Chemically Modified Surfaces", The Royal Society of Chemistry, 1999.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Oberflächenderivatisierung verläuft besonders effektiv bei der Derivatisierung von Sorbentien auf der Grundlage anorganischer Oxide unter Verwendung der in der Kieselgelchemie üblichen Silane, wie beispielsweise mono- di- oder trifunktionellen Alkoxy- oder Chlorsilanen. Genauere Angaben zu den Reagenzien sind dem Fachmann bekannt und finden sich beispielsweise in K.K. Unger,
Porous Silica, Elsevier Scientific Publishing Company, 1979. Auf diese Weise lassen sich bevorzugt Reversed Phase (RP)-Materialien herstellen. Genauso können mittelpolare Phasen, wie beispielsweise Diol- oder Amino-Phasen über die korrespondierenden Silane dargestellt werden.
Erfindungsgemäß werden alle Reagenzien, wie beispielsweise Silane, die in dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Oberflächenderivatisierung eingesetzt werden, als Derivatisierungsreagenzien bezeichnet.
Im folgenden wird die Derivatisierung von anorganischen Materialien, wie beispielsweise Kieselgelen, mit Silanen näher beschrieben: Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Materialien zunächst mit dem reinen Silan getränkt. Eine vorherige Suspension in organischen Lösungsmitteln ist nicht notwendig. Zur Derivatisierung von partikulären Sorbentien werden diese mit dem reinen Silan typischerweise im Verhältnis 1 :1 bis 1 :5, bevorzugt ca. 1 :2,5 im Reaktionsgefäß gemischt. Monolithische Formkörper werden zunächst in das Silan getaucht und vollgesogen. Dann werden die mit Silan getränkten Stäbe zur weiteren Umsetzung in den Reaktor gegeben.
Anschließend werden die Sorbentien in einem Autoklaven mit über- kritischem CO2 versetzt. Typischerweise wird dazu ein Reaktor mit
Glaseinsatz in dem Autoklav verwendet. Während der Inkubation mit dem CO2 transportiert dieses als Lösungsmittel die Reaktanden in das Innere der Poren. Durch Variation von Temperatur und Druck kann das Lösungsverhalten des CO2 entsprechend variiert werden. Die Dauer der Inkubation kann zwischen einer Minute und 24 Stunden, bevorzugt zwischen 1 und 12 Stunden, betragen.
Im Anschluß an die Derivatisierung kann das Sorbens, wie bislang üblich, mit organischen Lösungsmitteln von den physisorbierten Reaktanden- rückständen befreit werden oder, bevorzugterweise, mit überkritischem
CO2 gewaschen werden. Auch in diesem Verfahrensschritt dringt das CO2 in die Poren des Materials vor und entfernt die Rückstände wesentlich effektiver als bei einer Reinigung unter üblichen Bedingungen.
Üblicherweise schließt sich nach der Reinigung das End-Capping an, um nicht umgesetzte Silanol-Gruppen zu derivatisieren, d.h. in einem zweiten Silanisierungsschritt mit kurzkettigen Silanen umzusetzen. Das End- Capping kann auch im Anschluß an das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden. Das Endcapping kann nach bekannten Methoden, oder aber unter überkritischen Bedingungen durchgeführt werden.
Allerdings zeigen die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dargestellten Sorbentien auch ohne End-Capping sehr gute Trenneigenschaften, so daß die erfindungsgemäße Derivatisierung bevorzugt ohne anschließendes End-Capping erfolgt.
Besonders geeignet ist das erfindungsgemäße Verfahren für die Derivatisierung und Reinigung keramischer Formkörper bzw. monolithischer Sorbentien. In diesen Materialien treten besonders lange Diffusionswege auf. Während mit herkömmlichen Verfahren das innere Porensystem kaum zu erreichen ist, können diese Sorbentien mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nun über ihre Gesamtheit gleichmäßig modifiziert werden.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sorbentien für die Chromatographie zeichnen sich durch gute Trennleistung, beispielsweise bei der Chromatographie von basischen Verbindungen, aus. Das Tailing nimmt stark ab.
Somit wurde ein Verfahren entwickelt, das es ermöglicht, Sorbentien in sehr guten Ausbeuten und kurzen Reaktionszeiten zu derivatisieren und anschließend effektiv zu reinigen. Zudem werden durch den Einsatz des nicht toxischen C02, das wiederverwendet werden kann, große Mengen teurer und toxischer Lösungsmittel gespart. Durch Variation von Druck und Temperatur können die Derivatisierungs- und Extraktionsbedingungen genau auf das entsprechende Material angepasst werden.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren notwendigen Apparaturen und deren Bestandteile, wie beispielsweise Autoklav, Extraktor, Pumpen, Ventile oder Wärmetauscher sind dem Fachmann bekannt und können je nach Anwendung und Ansatzgröße variiert werden.
Auch ohne weitere Ausführungen wird davon ausgegangen, daß ein Fachmann die obige Beschreibung im weitesten Umfang nutzen kann. Die bevorzugten Ausführungsformen und Beispiele sind deswegen lediglich als beschreibende, keineswegs als in irgendeiner Weise limitierende Offenbarung aufzufassen.
Die vollständige Offenbarung aller vor- und nachstehend aufgeführten Anmeldungen, Patente und Veröffentlichungen, sowie der korrespondierenden Anmeldung DE 199 23 836, eingereicht am 26.05.1999, ist durch Bezugnahme in diese Anmeldung eingeführt.
Beispiele
1. Beispiel RP 18 Derivatisierung von partikulärem Purospher® Si, 5 μm
1 ,75 g Purospher® Si wurden mit 4,25 g Dimethoxy-methyl-octadecylsilan versetzt. Anschließend wurde das Gemisch im Autoklaven bei 130 °C über 6,5 Stunden mit CO2 (220 bar) behandelt. Nach Beendigung der Reaktion wurde 3 mal mit je 75 ml CO2 gewaschen.
Die Partikel wurden nach üblichen Methoden in eine HPLC-Säule (125x4 mm, LiChroCart®) gefüllt und chromatographisch getestet.
Chromatographische Bedingungen: Detektion: 254 nm
Fluß: 1 ml/min
Injektionsvolumen: 10 μl
Mobile Phase:
(1.) Acetonitril/Wasser 30/70 (v/v) Temperatur: 30 °C (2.) Methanol/Wasser 80/20 (v/v) Temperatur: 30 °C (3.) Methanol/Wasser 30/70 (v/v) Temperatur: 30 °C (4.) Acetonitril/Wasser 90/10 (v/v) Temperatur: 30 °C (5.) Methanol/Wasser 49/51 (w/w) Temperatur: 40 °C
Abbildung 1 zeigt die Trennung (1.): Thiohamstoff (1), Pyridin (2) und Phenol (3) werden eluiert, 2,2-Bipyridin nicht.
Pyridin, als stark basische Komponente, wird unter neutralen Eluenten- bedingungen (d.h. ohne ionische Zusätze wie z.B. Puffer) auf dem erfindungsgemäß modifizierten Sorbens (RP-Material, ohne End-Capping) vor dem Phenol eluiert. Dies ist ein Zeichen dafür, daß kaum unumgesetzte Silanolgruppen im Sorbens vorhanden sind. Restsilanolgruppen haben leicht saure Eigenschaften und wirken deshalb als nicht spezifische Wechselwirkungszentren besonders stark mit basischen Verbindungen. Aus diesem Grund wird Pyridin unter den gewählten Bedingungen auf nicht vollständig derivatisierten Oberflächen normalerweise nach Phenol eluiert.
Abbildung 2 zeigt die Trennung (2.): Uracil (1), Butylbenzol (2), o-Terphenyl (3), Amylbenzoi (4) und Triphenylen (5) werden getrennt.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Derivatisierung besitzt das für diese Trennung eingesetzte Material eine sehr einheitliche Oberflächenstruktur mit wenigen Restsilanolgruppen. Dies zeigt sich zum einen in der Selektivität für zwei Substanzen, die sich nur durch eine Methylengruppe unterscheiden (Butylbenzol und Amylbenzoi). Außerdem zeigt das Material eine gute Selektivität für sterisch unterschiedliche Substanzen mit gleicher Anzahl von C-Atomen: O-Terphenyl (räumlich anspruchsvoll) wird von dem planaren Triphenylen getrennt. Grund dafür ist eine dichte Belegung der Oberfläche mit C-ι8-Ketten. Planare Moleküle penetrieren zwischen die Ketten und werden daher stärker zurückgehalten als voluminöse Moleküle, die ausgeschlossen werden.
Abbildung 3 zeigt die Trennung (3.): Uracil (1), Coffein (2) und Phenol (3) werden getrennt. Wie in Trennung (1.) wird eine basische Verbindung (Coffein) vor Phenol eluiert.
Abbildung 4 zeigt die Trennung (4.): ortho-Terphenyl (oTP), Triphenylen
(TPh), Phenanthro(3,4)phenanthren (PhPh), Benzo(a)pyren (BaP) und Tetrabenzonaphthalin (TBN) werden getrennt.
Wie in Trennung (2.) zeigt sich auch hier die gute sterische Selektivität des Trennmaterials.
Abbildung 5 zeigt die Trennung (5.): Thioharnstoff (1), Anilin (2), Phenol (3), o-Ethylanilin (4), m-Ethylanilin (5), p-Ethylanilin (6), N,N-Dimethylanilin (7), Ethylbenzoat (8), Toluol (9) und Ethylbenzol (10) werden getrennt.
Diese Trennung ist ein Beispiel für die Trennung einer Mischung von basischen und neutralen Verbindungen. Durch eine einheitliche und dichte Oberflächenderivatisierung ohne viele Restsilanolgruppen werden die basischen Verbindungen ohne Taiiing eluiert. Außerdem resultiert eine starke Retention der hydrophoben neutralen Verbindungen.
2. Beispiel Derivatisierung von monolithischen SilicaROD®-Säulen mit N,N-Diethylamin-dimethyloctadecylsilan
Eine monolithische SilicaROD®-Säule (83x7,2 mm) wird zunächst mit reinem mit N,N-Diethylamin-dimethyloctadecylsilan getränkt. Anschließend wird die Rod-Säule in einen Autoklaven gegeben und mit CO2 (220 bar) bei
130 °C über 6 Stunden behandelt. Nach Beendigung der Reaktion wurde 3 mal mit je 75 ml C02 gewaschen. Die Säule wurde in eine geeignete Halterung eingebracht und chromatographisch getestet. Die Säule zeigt ausgezeichnete hydrophobe Eigenschaften, zu erkennen durch die Basislinientrennung von 6 verschiedenen Alkylbenzolen. Abbildung 6 zeigt die Trennung von Benzol (Retentionszeit 1 ,70), Toluol
(2,13), Ethylbenzol (2,71), Propylbenzol (3,75), Butylbenzol (5,35) und Pentylbenzol (7,85).
Chromatographische Bedingungen: Detektion: 254 nm
Fluß: 3ml/min
Injektionsvolumen: 10 μl Mobile Phase: Acetonitril/Wasser 60/40 (v/v)
3. Beispiel Derivatisierung von monolithischen SilicaROD®-Säulen mit Chlor-dimethyloctadecylsilan
Eine monolithische SilicaROD®-Säule (83x7,2 mm) wird zunächst mit reinem mit Chlor-dimethyloctadecylsilan getränkt. Anschließend wird der Formkörper in einen Autoklaven gegeben und mit CO2 (220 bar) bei 130 °C über 6 Stunden behandelt. Nach Beendigung der Reaktion wurde 3 mal mit je 75 ml C02 gewaschen.
Die Säule wurde in eine geeignete Halterung eingebracht und chromato- graphisch getestet. Die Säule zeigt ausgezeichnete hydrophobe Eigenschaften, zu erkennen durch die Basislinientrennung von 6 verschiedenen Alkylbenzolen.
Abbildung 7 zeigt die Trennung von Benzol (1 ,70), Toluol (2,13), Ethylbenzol (2,73), Propylbenzol (3,79), Butylbenzol (5,43) und
Pentylbenzol (8,04). Chromatographische Bedingungen:
Detektion: 254 nm
Fluß: 3ml/min
Injektionsvolumen: 10 μl
Mobile Phase: Acetonitril/Wasser 60/40 (v/v)

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Derivatisierung von Sorbentien, dadurch gekennzeichnet, daß die Sorbentien ohne Einsatz von organischen Lösungsmitteln mit den Derivatisierungsreagenzien und überkritischem C02 als Lösungsmittel derivatisiert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Sorbentien zusätzlich durch Spülen mit überkritischem CO2 gereinigt werden.
PCT/EP2000/004347 1999-05-26 2000-05-15 Oberflächenderivatisierung von sorbentien mit überkritischem co¿2? WO2000072960A1 (de)

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