专利名称：硼酸基具核吸附剂及其制备方法
技术领域：
本发明属于吸附分离材料合成技术领域，涉及用于工业制备色谱分离含顺式二羟基的糖类的吸附剂，尤其是涉及一种硼酸基具核吸附剂以及该吸附剂的制备方法。
背景技术：
功能性低聚糖作为基本生命物质糖的一类，具有抑制癌细胞生长、抗抑郁、提高人体免疫力和记忆力以及改善人体微生态环境的作用，在预防和治疗癌症、抑郁症和老年痴呆症等疾病上显示出巨大的潜力。由于单糖与低聚糖的特殊结构以及高度的亲水性能，使得至今仍然没有找到一种经济的从单糖和低聚糖混合物中分离高纯度低聚糖技术。在现代分离科学与技术领域中，制备色谱技术(包括吸附色谱、离子交换色谱和配位色谱等)具有高分辨分离能力，并能在相对温和的条件下操作，是当今广泛应用于从多组分混合物中分离生化制剂、手性体或同分异构体等的有效手段，在糖分离领域也显示出巨大的潜力。研究开发高选择性和高传递特性的吸附剂是实现色谱分离技术在低聚糖分离领域应用的关键。
要开发高效的低聚糖色谱分离技术，首先需要解决的问题就是高选择性吸附剂的开发。现有工业固体吸附剂的结构都是均一固相的，它们的选择性通常由吸附剂表面的化学和物理性质所决定。因此，表面改性是提高吸附剂选择性的主要手段之一。例如，J.Padin等(J.Padin and R.T.Yang，New Sorbents forOlefin-Paraffin Separations by Adsorption via-ComplexationSynthesis and Effects ofSubstrates，Chem.Eng.Sci.，55，2607(2000))用Ag+对y-Al2O3、SiO2和MCM-41进行表面改性，利用碳碳双键与Ag+之间的络合π键，形成对烯烃的选择吸附性能，应用与烯烃和烷烃混和气体的分离。李忠等(李忠，黄培泉，罗文宪等，大型液相色谱分离甘露醇和山梨醇的热力学及动力学参数辨识，离子交换与吸附，11，109(1995))通过使用不同的金属离子交换凝胶型和大孔型阳离子交换树脂，得到一种对甘露醇山梨醇同分异构体有较好的分离效率的Ca型吸附剂。有研究(钱国强，林雪，何柄林，硼酸与多羟基化合物的反应及硼选择性树脂，离子交换与吸附，10，375(1994))表明硼酸能与具有顺式二羟基的多元醇形成1∶1和1∶2的多元醇络和物。糖也是多元醇的一类，如果将硼酸固化在吸附剂载体表面上，就有可能形成一种对具有顺式二羟基的糖类高度选择性的吸附剂。然而，除了吸附选择性能，吸附剂的传质性能是影响制备色谱分离效率的另一个重要因素。如果吸附剂的传质系数很小，色谱流出峰既宽又矮，分离操作周期时间长，导致其分离效率低，很难满足工业化分离的要求。一般说来，吸附剂侧的传质系数与吸附剂颗粒半径的平方是成反比的。但是，如果试图使用直径很小的颗粒吸附剂以提高吸附剂侧的传质系数，会导致吸附剂床层压力降迅速增大，使得分离过程的动力消耗急剧上升。此外，对于多组分分离，吸附剂的吸附容量并非越大越好，吸附剂吸附容量偏大，就会引起吸附质在色谱柱内的停留时间偏长和色谱峰变宽，导致吸附剂分离效率的降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种对于含有顺式二羟基的糖类既具有高度选择性、又具有较高传质性能和适当吸附容量的吸附剂，可用于配位吸附或制备液相配位色谱分离含顺式二羟基的糖类，从而使低聚糖的高效制备色谱分离过程成为可能。
本发明所述的硼酸基具核吸附剂，是一种具有惰性内核的球形配位吸附剂，其内核为不具有吸附能力的惰性小球；外部为具有一定厚度的、对带顺式二羟基糖类具有高度配位选择吸附能力的硼酸基活性多孔介质外壳结构。如果该配位吸附剂颗粒的直径为dp，内核惰性球体直径为do时，那么配位吸附活性层的厚度为(dp-do)/2，有效吸附体积为π(dp3-do3)/6。因此，当do/dp在0.2＜do/dp＜0.9范围内调节，与均相吸附剂(整个球体都为具有吸附活性的多孔介质)比，本吸附剂的理论吸附容量为均相吸附剂吸附量的99.2％～27.1％；若以传质系数与半径平方成反比计算，固相传质系数为均相吸附剂传质系数的1.5～100倍。
本发明还提供了所述的硼酸基具核吸附剂的制备方法。
本发明所述的硼酸基具核吸附剂的制备方法，包括以下步骤A)具核基体的制备将过氧化苯甲酰作引发剂和甲苯作致孔剂溶于苯乙烯单体和二乙烯苯混合液中，加入7倍体积的已溶0.5％的聚乙烯醇的无离子水，快速搅拌并升温进行交联共聚反应；将球体滤出，用热水洗涤，将所得混合物过滤，固相离心分离，洗涤，在65℃下进行真空干燥，得到不具吸附活性的聚苯乙烯基体均匀小球，粒径分布在1.2-1.5mm左右；B)具核基体胺基化将步骤A制得的具核基体置于预冷至10℃以下的体积比为6∶7的HNO3-H2SO4混酸中，在冰浴环境下搅拌，控制反应温度不超过10℃，通过控制反应时间来进行硝化反应或部分硝化反应，将硝化产物取出洗净至pH＞5.5，加入到0.2g/mL的SnCl2的盐酸溶液中，在搅拌下加热至回流，反应不少于2.5小时，温度为115℃，将反应产物取出，用去离子水洗至pH＞5.5；C)硼酸基具核配位吸附剂的制备称取步骤B制得的胺基化具核基体，用10倍体积的预冷至0℃的1mol儿HCl溶液浸泡振摇，于30分钟内滴加等体积的同样预冷的5％NaNO2，整个反应用冰浴控制温度低于5℃；滴加完毕后用预冷的蒸馏水清洗载体，然后将该载体加入到过量的饱和胺基苯硼酸水溶液中，振摇30分钟，反应12小时，再用去离子水清洗，在真空干燥箱中干燥即得。
本发明与现有固体吸附剂相比，具有以下优点(1)本发明所述的硼酸基具核吸附剂对含顺式二羟基的糖类具有高选择性能和高传质性能；可通过改变合成工艺条件来控制吸附剂合理的吸附容量。
(2)本发明所述的吸附剂是一种具核吸附剂，内核为对分离组分无吸附功能惰性固相，而外壳为对含顺式二羟基的糖类具有高度选择性能的配位吸附剂固相；通过调整外壳的尺寸，在可明显地降低吸附剂侧的固相传质阻力，在提高吸附传质速率的同时，又可适量地调整吸附剂的吸附容量，把提高传质速率与调整和控制吸附剂吸附容量有机结合起来。固相传质系数的理论值与普通均质吸附剂相比可增加1.5倍至100倍。
(3)本发明所述的硼酸基具核配位吸附剂，为解决吸附容量与分离效率之间的平衡问题，提供了更好的解决方案，从而优于均相吸附剂。
(4)本发明所述的硼酸基具核配位吸附剂，其制备方法技术路线合理，工艺较简单，易操作，易于工业化。
综上所述，将本发明所述的硼酸基具核吸附剂用于配位制备色谱分离糖类过程，可解决使用均相吸附剂因其固相传质系数较小而难于工业化应用问题，以及色谱分析用的吸附剂中因吸附剂吸附容量小而无法工业化应用的问题，将大大提高配位制备色谱分离糖类混合物的产率，特别是为解决工业化规模上去除功能性低聚糖中杂质单糖提供了可能。
图1为使用均相硼酸基树脂分离葡萄糖/麦芽三糖分离流出曲线；横坐标t为流出时间，min；纵坐标C为葡萄糖和麦芽三糖的出口浓度，g·mL-1；实验条件如下L＝30cm为色谱柱长，u＝0.4cm/min为流体线速，Qin＝24ml为进料量，分离周期时间约为300min。
图2为使用本发明所述的硼酸基具核吸附树脂分离葡萄糖/麦芽三糖色谱分离流出曲线；横坐标t为流出时间，min；纵坐标C为葡萄糖和麦芽三糖的出口浓度，g·mL-1；实验条件如下L＝30cm为色谱柱长，u＝0.4cm/min为流体线速，Qin＝24ml为进料量，分离周期时间约为200min。
图3为使用均相硼酸基树脂分离果糖/麦芽三糖分离流出曲线；横坐标t为流出时间，min；纵坐标C为果糖和麦芽三糖的出口浓度，g·mL-1；实验条件如下L＝30cm为色谱柱长，u＝0.4cm/min为流体线速，Qin＝24ml为进料量，分离周期时间约为300min。
图4为使用本发明实施制备的硼酸基具核吸附树脂分离果糖/麦芽三糖色谱分离流出曲线。横坐标t为流出时间，min；纵坐标C为果糖和麦芽三糖的出口浓度，g·mL-1；实验条件如下L＝30cm为色谱柱长，u＝0.4cm/min为流体线速，Qin＝24ml为进料量，分离周期时间约为225min。
具体实施例方式
实施例一本发明所述的吸附剂的制备本发明所述的吸附剂的制备方法，包括以下步骤A)聚苯乙烯基体的制备将0.6g过氧化苯甲酰作引发剂和100ml的甲苯作致孔剂溶于99g苯乙烯单体和45g二乙烯苯(作为交联剂，其含量为55％)混合液中，加入700ml已溶0.5％的聚乙烯醇的无离子水，快速搅拌并升温进行交联共聚反应。在1小时内将温度升至80℃，并维持2小时；然后升至90℃，维持2小时；最后在96℃再反应5小时。将球体滤出，用热水洗涤，将所得混合物过滤，固相离心分离，洗涤，在65℃下进行真空干燥，得到不具吸附活性的聚苯乙烯基体均匀小球，粒径分布在1.2-1.5mm左右。
B)聚苯乙烯基体部分胺基化在500mL三颈瓶中加入步骤A制得的聚苯乙烯基体10g和250mL预冷至10℃以下的HNO3-H2SO4混酸(体积比6∶7)，在冰浴环境下搅拌，控制反应温度不超过10℃，进行部分硝化反应，使聚苯乙烯小球外部部分硝化，内核保持为惰性的聚苯乙烯内核(硝化时间不可过长，否则聚苯乙烯小球全部被硝化)。控制硝化反应时间在0-360min变化，可得具不同尺寸聚苯乙烯惰性内核的硝化产物。将硝化产物取出洗净至pH＞5.5，重新放入三颈瓶中，并加入SnCl2的盐酸溶液(40g SnCl2溶于200mL浓HCl中)，在机械搅拌下加热至回流，反应3.5小时，温度约为115℃，出料，洗至pH＞5.5。
C)硼酸基具核配位吸附剂的制备称取步骤B制得的胺基化具核基体约10g，用100mL预冷至0℃的1mol/LHCl溶液浸泡振摇，于30min内滴加100mL同样预冷的5％NaNO2，整个反应用冰浴控制温度低于5℃。滴加完毕后用预冷的蒸馏水清洗载体，然后将该载体加入到过量的饱和胺基苯硼酸水溶液中，振摇30min，反应12小时，再用去离子水清洗，在真空干燥箱中干燥即得。
实施例二本发明所述的吸附剂的制备本发明所述的吸附剂的制备方法，包括以下步骤A)具核基体的制备将0.6g过氧化苯甲酰作引发剂和100ml的甲苯作致孔剂溶于99g苯乙烯单体和45g二乙烯苯(作为交联剂，其含量为55％)混合液中，加入700ml已溶0.5％的聚乙烯醇的无离子水，然后再加入直径约为1.0-1.5mm、表面经过粗化处理的玻璃或石英小球(50g)，快速搅拌并升温进行交联共聚反应。在1小时内将温度升至80℃，并维持2小时；然后升至90℃，维持2小时；最后在96℃再反应5小时(通过调节反应时间，可以在惰性球体表面上得到不同厚度的聚苯乙烯，经过后续处理，可以得到不同厚度活性吸附层的具核吸附剂)。将球体滤出，用热水洗涤，将所得混合物过滤，固相离心分离，洗涤，在65℃下进行真空干燥，所得具核基体粒径分布在1.2-1.5mm左右。
B)具核基体胺基化在500mL三颈瓶中加入步骤A制得的具核基体15g和250mL预冷至10℃以下的HNO3-H2SO4混酸(体积比6∶7)，在冰浴环境下搅拌，控制反应温度不超过10℃，硝化反应4.5小时后，将硝化产物取出洗净至pH＞5.5，重新放入三颈瓶中，并加入SnCl2的盐酸溶液(40g SnCl2溶于200mL浓HCl中)，在机械搅拌下加热至回流，反应2.5小时，温度约为115℃，出料，洗至pH＞5.5。
C)硼酸基具核配位吸附剂的制备与实施例一的步骤C相同。
实施例三葡萄糖/麦芽三糖、果糖/麦芽三糖制备色谱分离实验(一)实验材料1、硼酸基具核配位吸附剂由实施例一与实施例二所述的制备方法制得；2、硼酸基均相配位吸附剂由实施例一所述的步骤B中，硝化时间足够长，聚苯乙烯小球全部被硝化，经步骤C的后续处理，得到硼酸基均相配位吸附剂；3、分析纯葡萄糖华凯实业有限公司(上海)；
4、果糖华凯实业有限公司(上海)；5、麦芽三糖Sigma公司(美国)(二)实验过程取上述硼酸基具核配位吸附剂或硼酸基均相，湿法装填于内径为1cm的吸附柱中，装填高度为30cm。取分析纯葡萄糖、果糖和麦芽三糖分别配制浓度为0.3g/mL、0.3g/mL和0.2g/mL的葡萄糖、果糖和麦芽三糖溶液。以柱内线流速为0.4cm/min，各自分别进料24mL，然后用一定pH值的稀酸冲洗，采用液相色谱示差折光检测法检测流出浓度。
(三)结果分析实验结果如图1至图4所示。图1、图2分别为葡萄糖和麦芽三糖在均相和具核吸附剂填充柱上的色谱流出曲线。图3、图4分别为果糖和麦芽三糖在均相和具核吸附剂填充柱上的色谱流出曲线。
图1与图2相比较，麦芽三糖流出曲线没有变化，这是因为麦芽三糖分子中不存在顺式二羟基，所以它在均相硼酸基树脂和具核硼酸基吸附剂上均无吸附能力。而图2中的葡萄糖流出曲线的峰形相对较高且较窄，表明葡萄糖流出浓度较高，色谱分离操作周期较短(缩短约100分钟)，说明具核吸附剂的传质性能要优于均相吸附剂，这使得在相同操作条件下本发明所述的具核吸附剂的分离产率比均质固相吸附剂分离产率提高约30％以上。
图3与图4相比较，麦芽三糖流出曲线同样没有变化。而图4中的果糖流出曲线的峰形相对图3中果糖流出曲线高且窄，表明图4过程果糖流出浓度较高，色谱分离操作周期较短(缩短约75分钟)，这使得相同操作条件下本发明所述的具核吸附剂的分离产率比均质固相吸附剂分离产率提高约25％以上。
结论本发明所述的硼酸基具核吸附剂对具有顺式二羟基的糖类(如葡萄糖和果糖)有良好的吸附选择性能，而对不具顺式二羟基的低聚糖(如麦芽三糖)基本没有选择吸附能力。本发明的硼酸基具核吸附剂与硼酸基均相吸附剂相比，具有较高的吸附传质性能和适当的吸附容量，能够较大幅度地提高制备色谱分离具顺式二羟基糖类的生产能力。
权利要求
1.一种硼酸基具核吸附剂，其特征在于是一种具有惰性内核的球形配位吸附剂，其内核为不具有吸附能力的惰性小球；外部为具有一定厚度的、对带顺式二羟基糖类具有高度配位选择吸附能力的硼酸基活性多孔介质外壳结构。
2.根据权利要求1所述的硼酸基具核吸附剂，其特征在于所述的惰性小球为交联聚苯乙烯球体或者具有玻璃或石英内核的交联聚苯乙烯球体。
3.如权利要求1所述的硼酸基具核吸附剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤A)具核基体的制备将过氧化苯甲酰作引发剂和甲苯作致孔剂溶于苯乙烯单体和二乙烯苯混合液中，加入7倍体积的已溶0.5％的聚乙烯醇的无离子水，快速搅拌并升温进行交联共聚反应；将球体滤出，用热水洗涤，将所得混合物过滤，固相离心分离，洗涤，在65℃下进行真空干燥，得到不具吸附活性的聚苯乙烯基体均匀小球，粒径分布在1.2-1.5mm；B)具核基体胺基化将步骤A制得的具核基体置于预冷至10℃以下的体积比为6∶7的HNO3-H2SO4混酸中，在冰浴环境下搅拌，控制反应温度不超过10℃，通过控制反应时间来进行硝化反应或部分硝化反应，将硝化产物取出洗净至pH＞5.5，加入到0.2g/mL的SnCl2的盐酸溶液中，在搅拌下加热至回流，反应不少于2.5小时，温度为115℃，将反应产物取出，用去离子水洗至pH＞5.5；C)硼酸基具核配位吸附剂的制备称取步骤B制得的胺基化具核基体，用10倍体积的预冷至0℃的1mol/LHCl溶液浸泡振摇，于30分钟内滴加等体积的同样预冷的5％NaNO2，整个反应用冰浴控制温度低于5℃；滴加完毕后用预冷的蒸馏水清洗载体，然后将该载体加入到过量的饱和胺基苯硼酸水溶液中，振摇30分钟，反应12小时，再用去离子水清洗，在真空干燥箱中干燥即得。
4.根据权利要求3所述的硼酸基具核吸附剂的制备方法，其特征在于在步骤A的交联共聚反应中，加入直径为1.0-1.5mm的表面经过粗化处理的玻璃或石英小球，得到具有玻璃或石英内核的交联聚苯乙烯球体。
全文摘要
本发明涉及一种硼酸基具核吸附剂以及该吸附剂的制备方法。该硼酸基具核吸附剂的内核为玻璃、石英或聚苯乙烯惰性小球，不具有吸附能力；外壳为具有一定厚度的、对带顺式二羟基糖类具有高度配位选择吸附能力的活性多孔介质结构。它是由具有玻璃或石英内核的交联聚苯乙烯球体，经硝化、还原和后处理得到；或者由交联聚苯乙烯球体经不完全硝化、还原和后处理得到。本发明制备的对带顺式二羟基糖类具有高度配位选择吸附能力的具核吸附剂，能在一定程度上解决现有色谱分离糖类选择性差、传质速率低的问题。实验表明，使用本具核吸附剂进行葡萄糖/麦芽三糖或果糖/麦芽三糖的分离，比均相吸附剂的分离效率提高25％以上。
文档编号B01J20/281GK1919450SQ20061003675
公开日2007年2月28日 申请日期2006年7月28日 优先权日2006年7月28日
发明者李湘, 郭海福, 吴燕妮 申请人:肇庆学院