矽膠基質化學鍵合相填料的製作方法

2023-08-08 10:01:51 3

專利名稱：矽膠基質化學鍵合相填料的製作方法
技術領域：
本發明涉及液相色譜中矽膠基質化學鍵合相填料的製備方法。
技術背景高效液相色譜(HPLC)是利用化合物在流動相和固定相之間分配係數的 差異對多組分混合物進行分離的技術。自上世紀七十年代問世以來，HPLC方 法以其快速、高效、易於實現操作自動化和高通量樣品處理的特點，在化學、 製藥、臨床、生物、環境、質檢等領域獲得廣泛應用，是目前痕量分析、過 程控制、製備分離純化等技術領域中最主要的手段。液相色譜儀由輸液泵、 色譜柱和檢測器組成。其中色譜柱是液相色譜的核心部件，也是需要經常更 換和維護的易耗件。按照液相色譜分離的規模和色譜柱的幾何參數，液相色 譜柱可以分為製備柱，分析柱和微徑柱三種類型。製備柱用於亳克級至千克 級高純度醫藥產品的製備，柱內徑從十亳米到幾十釐米不等，是生物製藥行 業中的關鍵設備。而柱內徑為4. 6 ,的色譜柱，主要應用於生物、製藥、環 境、化工等領域中的生產過程監測和產品質量控制，佔據了分析儀器相關產 品巿場的較大份額。近年來，隨著液相色譜/質譜聯用技術的快速發展和普及， 巿場對柱內徑小於4 mm的微徑柱的需求急劇增長，是目前色譜柱產品市場崛起的新軍。液相色譜柱主要是由玻璃或不鏽鋼柱管和填充其中的多孔顆粒狀 介質組成。其中多孔介質的性能是決定色譜分離效能的主要因素。根據所用 基質材料的性質，液相色譜填料可分為有機和無機基質兩大類。目前，以多 孔矽膠為代表的無機基質填料是液相色譜耗材市場上的主流產品。多孔矽膠 由於其強度高，表面積大，孔徑可控，表面矽羥基豐富，化學穩定性好等優 點，而獲得了廣泛的應用，其巿場份額約佔所有的基質色譜填料的90%。矽膠基質化學鍵合相色譜填料是通過共價鍵將一些功能基團結合到矽膠 表面，具有良好的色譜熱力學和動力學性能。矽膠基質化學鍵合相填料應用較為廣泛，主要應用於反應產物分離分析、手性化合物製備、合成多肽純化、 天然藥物柱層析、生物分離等領域。其中在高效液相色譜領域應用最為廣泛, 主要應用於反相、正相、手性、離子交換及空間排阻色譜中。據統計，鍵合 相色譜在高效液相色譜的整個應用中佔80%左右。矽膠的化學表面修飾技術大 體上分為三種，即液相法，自組裝法和氣固相反應法。液相法是以液相溶劑 為反應介質的矽膠鍵合技術，根據反應介質是否有水的存在，又可分為水體 系法和液相有機溶劑法。水體系法，即矽膠進行矽烷化時是在含水的介質中 進行的，其反應是矽烷化試劑中的滷素或烷氧基首先水解，自身縮合後覆蓋 到矽膠表面，水解生成的羥基與矽醇基形成氫鍵，在加熱的條件下使氫鍵脫 水即得到烷基鍵合相。該反應存在過程難控制，覆蓋層厚度重複性差的缺點。 液相有機溶劑法是以有機溶劑作為反應介質，在加熱條件下，矽烷化試劑中 的滷素或烷氧基直接與矽醇基反應。該法需消耗大量有機溶劑且具有汙染性， 反應耗時長，後處理繁瑣，且批次間重複性較差。自組裝法是利用Langmuir-Blodgett成膜技術，使一些極性較大的分子在與其不互溶的溶劑表 面上形成一層高度有序的液膜，然後把底物插入或浸入溶劑中，則單分子層 液膜自動吸附在底物上形成一層緻密的單分子膜。用自組裝方法得到的填料 具有很好的色譜性能，且在酸性和鹼性條件下穩定，但如果引入的烷基鏈太 長時，由於含碳量過高，會導致色譜選擇性下降，並且該方法過程難以操作。 傳統氣固相反應法對置於安培瓶中的矽膠進行加熱，利用矽烷試劑蒸汽與矽 膠表面的矽羥基的反應，從而製得矽膠基質化學鍵合相填料。這一方法的缺 點是搡作不便，難於放大。由於在安培瓶中不能對反應物攪拌，導致表面反 應不均勻，表面功能基團鍵合量低。我們在研究氣固相反應方法應用於矽膠基質化學鍵合相填料製備的過程 中發現，將酸化矽膠基質、矽烷試劑和三乙胺混合後，置於高壓釜中，在惰 性氣氛中對反應物進行高溫處理，可以方便地獲得矽膠基質化學鍵合相填料。 與上述傳統方法相比，本方法具有操作安全簡便，反應耗時短，功能團表面 鍵合量高，易於放大生產等優勢。更為重要的是，本方法完全排除了有機溶 劑或者超臨界流體等反應介質，不僅簡化了產品的後處理，降低了色譜填料的生產成本，而且有利於降低勞動強度，改善環境質量，為矽膠基質化學鍵 合相填料的生產開闢了一條節能降耗，環境友好的綠色途徑。發明內容本發明的目的在於提供一種新型的矽膠基質化學鍵合相填料的製備方 法，以獲得表面鍵合量高的矽膠基質化學鍵合相填料並且具有良好的批次間 的製備重複性，為矽膠基質化學鍵合相填料的生產開闢一條節能降耗，環境 友好的綠色途徑。為了實現上述目的，本發明釆用下述製備路線首先將矽膠基質進行酸 化預處理。然後把乾燥酸化矽膠轉移到一定容積的高壓釜中，加入一定量的 矽烷化試劑，鹼性催化劑，密封高壓釜，充入惰性氣體。在適當的溫度下反 應數小時。反應結東後，取出並洗滌乾燥反應產物，最終得到矽膠基質化學 鍵合相填料。上述製備方法的具體操作步驟如下矽膠基質的預處理稱取一定量球形或無定形矽膠，放入三口燒瓶中， 安裝冷凝管，加入一定量的10%鹽酸，機械攪拌下加熱回流12h,用去離子水 反覆洗滌至濾液呈中性，乾燥得到表面富含羥基的酸化矽膠基質。化學鍵合相矽膠填料的製備'.稱取一定量的乾燥酸化矽膠，置於一定容 積的高壓釜中，加入一定量的矽烷試劑和鹼性催化劑，混合均勻，密封高壓 釜，通人乾燥惰性氣體。攪拌下將反應釜升溫到100 - 350C之間，開始計時 反應，反應進行O. 5-10h。停止加熱，待反應體系冷卻至室溫，將所得的矽 膠基質化學鍵合相填料取出，依次用甲醇-水(l:l, v/v)、丙酮洗滌，60'C真 空乾燥12 h以上。化學鍵合相矽膠填料的封端處理稱取一定量的化學鍵合相矽膠填料， 置於一定容積的高壓釜中，加入一定量的小分子矽烷試劑，混合均勻，密封 高壓釜，通入乾燥惰性氣體。攪拌下將反應釜升溫到100-35(TC之間，開始 計時反應，反應進行O. 5-10h。停止加熱，待反應體系冷卻至室溫，將封端處理過的化學鍵合相矽膠填料取出，依次用甲醇-水(l:l, v/v)、丙酮洗滌，真空6(TC下乾燥12 h。本發明所用的矽膠基質是帶有羥基的多孔、耐壓、粒度均勾分布的顆粒, 可以是無定形的、球形的矽膠，其表面積在50 - 500 mVg，顆粒直徑在2 - 50—。 化學鍵合反應所用矽烷改性劑可以是所有的矽烷化反應試劑，如烷基矽烷試 劑中碳鏈長度在d-C4。之間的所有矽垸化試劑，三甲基氯矽烷，六甲基二矽 氮烷，六甲基環三矽氧烷，3-巰丙基三乙氧基矽烷，Y-氨丙基三乙氧基矽烷, 乙烯基三乙氧基矽烷，Y-(2， 3環氧丙氧)丙基三甲氧基矽烷，甲基三甲氧基 矽烷，苯基三甲氧基矽烷等。矽烷化試劑與矽羥基反應的官能團為氯或烷氧 基，反應官能團可以從1個變化到3個，烷氧基可以是甲氧基或乙氧基。所用 惰性氣體可以是氮氣、氫氣、氬氣、氖氣、氬氣、氪氣、氙氣、氡氣等。反 應器的容積可以從IO ml變化到10000 ml，溫度控制範圍為室溫到350°C 。化學鍵合相矽膠填料惰性化處理所用封端試劑為小分子低沸點矽烷化試劑，如 三甲基氯矽烷(TMCS)、六甲基二矽氮烷(HMDS)、六甲基環三矽氧烷(D3)、 二甲基二氯矽烷(DMDCS)、 一甲基三氯矽烷(MTCS)、八甲基環四矽氧烷(D4)、 十甲基環五矽氧烷(D5)等。所用鹼性催化劑可以為吡啶、三乙胺、二乙胺、 咪唑、2, 6-二甲基吡嚏、2, 4-二甲基吡啶等。按上述本發明的製備路線，首先對矽膠基質進行酸化，然後釆用高壓釜 反應裝置，在一定溫度下，以氣化了的矽烷化試劑本身作為化學鍵合反應試 劑，通過擴散-表面吸附-表面化學鍵合反應-解吸過程的氣固相反應歷程，與 酸化矽膠表面的矽羥基發生化合作用，從而直接鍵合具有分離選擇性的功能 基團，以製備矽膠基質化學鍵合相鎮料。通過進一步封端處理，製備出具有 合適選擇性功能基團、對鹼性化合物具有惰性的化學鍵合相矽膠填料。按照 本發明，高壓釜中氣固相反應法具有反應耗時短，不需要消耗大量昂貴且具 有汙染性的有機溶劑，處理量大，操作安全可靠，後處理工作簡單，批次間 製備重複性好等優點。更為重要的是，本方法所製得的化學鍵合相矽膠填料 較傳統有機溶劑法表面功能團鍵合率高，從而提高了樣品分離分析的選擇性 和分離度。


圖1是實施例4中數據分析圖；3.0g酸化層析矽膠，固定Y-巰丙基三甲 氧基矽垸試劑用量為l. 5 ml,三乙胺O. 3 ml,反應時間6h，反應溫度對矽膠 表面鍵合量的影響；橫坐標為反應溫度單位為t:;縱坐標為表面鍵合量，單 位為mmol/g。圖2是實施例5中的數據分析圖；3. Og酸化層析矽膠，固定反應溫度150 °C,三乙胺O. 3ml，反應時間6h,所用Y-巰丙基三甲氧基矽烷試劑對矽膠表 面鍵合量的影響；橫坐標為巰基矽烷試劑用量，單位為mL;縱坐標為表面 鍵合量，單位為mmol/g。圖3是實施例6中的數據分析圖；3.0g酸化層析矽膠，固定反應溫度150 。C,三乙胺O. 3 ml, Y-巰丙基三甲氧基矽烷試劑用量為1.5 ml,反應時間對 矽膠表面鍵合量的影響；橫坐標為反應時間，單位為h;縱坐標為表面鍵合 量，單位為mmol/g。圖4是實施例7中的數據分析圖；傳統有機溶劑法和氣固相發應法在最優反應條件下製備化學鍵合矽膠填料矽膠表面鍵合量的比較；縱坐標為表面鍵 合量，單位為mmol/g。
具體實施方式
下面通過實施例對本發明的技術給予進一步的說明。 實施例l採用傳統液相有機溶劑反應法合成矽膠基質化學鍵合相填料。稱取20. 0 g柱層析矽膠(青島海洋化工廠分廠，粒度200 - 30目)，放 入到三口瓶中，安裝冷凝管，加入200！111 10%鹽酸水溶液，10^C機械攪拌回 流12 h，用去離子水反覆洗滌至濾液呈中性，9(TC真空乾燥12 h。稱取6. G g酸化預處理過的矽膠，9(TC真空乾燥12 h，冷卻後置入三口瓶 中，安裝冷凝管和乾燥管。加入脫水甲苯60ml (活化分子篩處理12 h以上)、 三乙胺0.6ml、 Y-巰丙基三甲氧基矽烷3 ml。機械攪拌，通入乾燥氮氣並加 熱至甲苯回流。11(TC恆溫反應12h。停止反應，所得矽膠基質化學鍵合相填 料依次用甲苯、甲醇、甲醇-水(l:l, v/v)、甲醇、丙酮洗滌。6(TC真空乾燥 12 h以上。實施例2釆用氣固相反應法合成矽膠基質化學鍵合相填料。稱取3. 0 g的乾燥酸化預處理過的柱層析矽膠，置入250 ml的高壓釜中， 然後加入l. 5ml Y-巰丙基三甲氧基矽烷和O. 3ml的三乙胺，攪拌均勾，密封 高壓釜，通人乾燥惰性氣體，然後將反應釜升溫到25(TC，反應進行3 h。停 止加熱，待反應體系冷卻至室溫，所得矽膠基質化學鍵合相填料依次用甲醇-水，丙酮洗滌，真空6(TC下乾燥12 h。稱取3. Og乾燥巰基化學鍵合相填料，置入250 ml的高壓釜中，加入3. Offll 六甲基二矽氮烷(HMDS),攪拌均勻，密封高壓釜，通入惰性氣體，將反應釜 升溫到25(TC,反應3 h,停止加熱，冷卻至室溫，依次用甲醇-水，丙酮洗 滌，6(TC真空乾燥12 h,得到封端處理過的巰基化學鍵合相填料。實施例3巰基矽膠填料表面鍵合率的測定 .1、 精確秤取O. 1 g左右鍵合了巰基的矽膠填料2、 精確配製l mol/L的H2S04標準溶液精確量取14. 21 ml的濃H2S0"溶 解在去離子水中，250 ml容量瓶定容3、 精確配製O. 2 mol/L KMn04-1 mol/L 1^04標準溶液:精確秤取8. 3158 g KMn04,精確量取14. 21 ml濃H2S(V溶解在去離子水中，250 ml容量瓶定容4、 將精確秤取的O. 1 g左右鍵合巰基的矽膠填料分散在20 ml 1 mol/L的H2S(U示準溶液中，超聲1-5 min，用精確配製的O. 2 mol/L KMn04-1 mol/L H2S04 標準溶液進行滴定，滴定至溶液呈粉紅即為終點，精確測定所用0.2 mol/L KMn04-1 mol/L 112304標準溶液的量5、計算5Si-SH + 9H2S04 + 6KMn04——^ 5Si-S03H + 3K2S04 + 6MnS04 + 9H20通過計量關係計算矽膠表面巰基功能基團鍵合量，每個樣品每次平行測 定3次，取平均值。實施例4以3. 0 g酸化柱層層析矽膠填料為反應基質材料，固定-巰丙基三甲氧 基矽烷試劑用量l. 5 ml, 0. 3ml三乙胺，反應時間為6h,考察反應溫度對矽 膠表面鍵合量矽膠表面巰基鍵合量的影響從10(TC-25(TC間隔25t:選擇一個 溫度，IO(TC, 125°C， 150°C, 175°C， 200°C, 225°C， 250°C。圖l為矽膠表 面鍵合巰丙基功能基團的量隨反應溫度的變化曲線。實施例5以3. Og酸化柱層層析矽膠為反應基質材料，固定反應溫度15(TC， 0.3 ml 三乙胺，反應時間為6 h,考察-巰丙基三甲氧基矽烷試劑用量對矽膠表面 鍵合率的影響0. 5ml， l.Oml， 1.5 ml, 2. Oml， 2. 5ml。圖2為矽膠表面 鍵合巰丙基功能基團的量隨矽烷試劑用量的變化關係曲線。實施例6以3. 0 g酸化柱層層析矽膠為反應基質材料，固定反應溫度15(TC, -巰丙基三甲氧基矽垸試劑用量為l.5 ml, 0.3ml三乙胺，考察l h, 3 h， 5 h， 6h, 8 h等不同的反應時間對矽膠表面鍵合率的影響。圖3為矽膠表面鍵合巰 丙基功能基團的量隨反應時間的變化關係曲線。實施例7將實施例l的有機溶劑法製備巰基功能基團矽膠填料的化學鍵合反應重複三次，每次所得矽膠基質化學鍵合相填料分別進行表面鍵合量的測定，取平均值，為l. Ommol/g。在如下條件下進行三次實施例2的氣固相化學鍵合反應 3. Og酸化矽膠，Y-巰丙基三甲氧基矽烷l. 5 ml， 0. 3ml三乙胺，15(TC反應 3h。分別測定每次所得矽膠基質化學鍵合相填料，取平均值，為L 34誦ol/g。 兩種製備方法的鍵合量如圖4所示。實施例8實施例2方法所製得巰基化學鍵合相矽膠填料能從稀溶液中定量地吸附 某些金屬離子，在分離分析、富集和回收微量金屬離子方面顯示出優異的性 能，故在分析、冶金、水質處理和海洋資源利用等領域具有廣泛的應用價值。實施例9釆用實施例2方法製備以球型矽膠(BaseLine Sil,球型矽膠，粒徑5 Mm,比表面積250 mVg,孔徑100 A )為基質封端處理過的巰基化學鍵合 相矽膠填料，並釆用實施例3方法對封端處理過的巰基化學鍵合相矽膠填料 進行氧化處理，從而製得表面為磺酸基的化學鍵合相矽膠填料，可用於強陽 離子交換色譜分離分析。
權利要求
1、一種矽膠基質化學鍵合相填料的製備方法，其特徵在於，包括下述過程步驟一矽膠基質填料的酸化預處理，得到富含羥基的矽膠基質顆粒；步驟二矽膠基質填料的鍵合，把乾燥的帶有羥基的矽膠基質顆粒轉移到一定容積的高壓釜中，加入一定量的矽烷化試劑，鹼性催化劑，密封高壓釜，充入惰性氣體；在適當的溫度下反應數小時，反應結束後，取出並洗滌乾燥反應產物，得到矽膠基質的化學鍵合相填料；步驟三矽膠基質化學鍵合相填料的惰性化處理，把乾燥的矽膠基質化學鍵合相填料轉移到一定容積的高壓釜中，加入一定量的封端試劑，混合均勻，密封高壓釜，通入乾燥惰性氣體，在適當的溫度下反應數小時，反應結束後，取出並洗滌乾燥反應產物，獲得惰性化的矽膠基質化學鍵合相填料。
2、 根據權利要求1所述的一種矽膠基質化學鍵合相填料的製備方法，其 特徵在於，所述矽膠基質顆粒可以是無定型及球型的矽膠。
3、 根據權利要求l所述的一種矽膠基質化學鍵合相填料的製備方法，其 特徵在於，所述矽膠基質的粒徑可以從2pm變化到50^m。
4、 根據權利要求l所述的一種矽膠基質化學鍵合相填料的製備方法，其 特徵在於，所述矽膠基質的比表面積可以從50 m7g變化到500 mVg。
5、 根據權利要求1或2所述的一種矽膠基質化學鍵合相填料的製備方法， 其特徵在於，所述顆粒進行酸化預處理，是將基質顆粒中加入一定量的10% 的鹽酸溶液，在三口瓶中105。C機械攪拌回流12 h，用去離子水反覆洗滌至 濾液呈中性，得到表面羥基均勻分布的高純矽膠填料。
6、 根據權利要求l所述的一種矽膠基質化學鍵合相填料的製備方法，其 特徵在於，所述矽烷化試劑是含烷基鏈的單、雙或三官能團的化合物。
7、 根據權利要求l所述的一種矽膠基質化學鍵合相填料的製備方法，其 特徵在於，所述的矽烷化試劑與矽羥基反應的官能團為氯或烷氧基，烷氧基可以是甲氧基或乙氧基。
8、 根據權利要求l所述的一種矽膠基質化學鍵合相填料的製備方法，其特徵在於，所述高壓釜為具有溫度控制的高壓釜，反應器的容積可以從10mL 變化到10000mL，溫度控制範圍為室溫到35(TC。
9、 根據權利要求1所述的一種矽膠基質化學鍵合相填料的製備方法，其 特徵在於，矽膠基質化學鍵合相填料製備反應是在惰性氣體中進行，惰性氣 體至少是以下氣體中的一種氮氣、氫氣、氬氣、氖氣、氬氣、氪氣、氙氣、 氡氣。
10、 根據權利要求1所述的一種矽膠基質化學鍵合相填料的製備方法， 其特徵在於，置於高壓釜中的矽膠基質化學鍵合相填料製備反應是在攪拌條 件下進行的。
11、 根據權利要求1所述的一種矽膠基質化學鍵合相填料的製備方法， 其特徵在於，所述矽烷改性劑可以是碳鏈長度在C「C4。之間的所有矽烷化試 劑；例如三甲基氯矽烷、六甲基二矽氮烷、六甲基環三矽氧烷、3-巰丙基 三乙氧基矽烷、Y-氨丙基三乙氧基矽烷、乙烯基三乙氧基矽垸、Y- (2， 3 環氧丙氧)丙基三甲氧基矽烷、甲基三甲氧基矽烷、苯基三甲氧基矽烷。
12、 根據權利要求1所述的一種矽膠基質化學鍵合相填料的製備方法， 其特徵在於，所用矽膠基質化學鍵合相填料製備反應是氣固相化學反應。
13、 根據權利要求1所述的一種矽膠基質化學鍵合相填料的製備方法，其特徵在於，所用鹼性催化劑至少是以下一種吡啶、三乙胺、二乙胺、咪 哇、2, 6-二甲基吡P定、2, 4-二甲基吡啶。
14、 根據權利要求1所述的一種矽膠基質化學鍵合相填料的製備方法，其特徵在於，化學鍵合相矽膠填料惰性化處理所用封端試劑至少是以下一種 三甲基氯矽烷(TMCS)、六甲基二矽氮烷(HMDS)、六甲基環三矽氧烷(D3)、 二甲基二氯矽烷(DMDCS)、 一甲基三氯矽烷(MTCS)、八甲基環四矽氧烷(D4)、 十甲基環五矽氧烷(D5)。
全文摘要
本發明涉及一種矽膠基質化學鍵合相填料的製備方法，屬於高效液相色譜技術領域。該方法包括下述過程步驟一矽膠基質填料的酸化預處理，得到富含羥基的矽膠基質顆粒；步驟二矽膠基質填料的鍵合；步驟三矽膠基質化學鍵合相填料的惰性化處理。本方法所製得的化學鍵合相矽膠填料較傳統有機溶劑法表面功能團鍵合率高，從而提高了樣品分離分析的選擇性和分離度。
文檔編號B01J20/286GK101234339SQ20071015017
公開日2008年8月6日 申請日期2007年11月14日 優先權日2007年11月14日
發明者萬謙宏, 郭志強, 磊 陳 申請人:天津大學