一种单分散多孔氯丙基杂化硅胶微球的制备方法与流程

本发明涉及一种单分散多孔杂化硅胶微球的制备方法。

背景技术：

杂化硅胶微球在近几十年的研究中被认为比单一有机或无机组分的微球具有更好的物理化学稳定性，兼具无机材料的抗氧化性，高机械强度和有机材料的耐腐蚀和耐酸碱的性能。在各种不同的制备方法中，有机硅烷一步水解法制备得到的硅胶微球单分散性好，粒径大小可控，且分布均匀，官能团浓度高。Yong-Geun Lee等人采用一步法制备得到了均一的巯丙基和正辛基硅胶微球。但为无孔结构，比表面积非常低；Chul Oh等人对一步法制备得到的巯丙基硅胶微球进行了孔结构表征，发现比表面积仅有2.7m²/g，难以作为色谱填料用于分离领域。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种单分散多孔球形杂化硅胶基质色谱填料的制备方法，以获得粒径大小可控、碳载量高，孔结构可控且能满足液相色谱分离要求的单分散多孔杂化硅胶微球。为达到预期目标，本发明采用下述制备技术方案：

一种单分散多孔氯丙基杂化硅胶微球的制备方法，包括下列步骤:

(1)水解-缩聚反应：按照氯丙基三甲氧基硅烷CPTMS和四乙氧基硅烷TEOS的摩尔比例为7:3～9:1的配比或者按照氯丙基三甲氧基硅烷CPTMS与甲基三甲氧基硅烷MTMS的摩尔比例为2:8～4:6的配比准备原料，将原料在20～70℃温度条件下充分水解；待反应溶液澄清后得到母液，再按照体积比为0.01％到0.1％的配比加入作为催化剂的25％wt浓氨水，混合均匀后静置；

(2)老化反应：使母液静置4～24h，微球固化得到氯丙基杂化硅胶微球；

(3)对所得到的氯丙基杂化硅胶微球进行溶剂热处理；

(4)进行碱热处理，再进行洗涤和干燥处理。

作为优选实施方式，步骤(1)中，按照原料与水0.04:1的摩尔比，将原料在20～70℃温度条件下充分水解。

对于由氯丙基三甲氧基硅烷CPTMS和四乙氧基硅烷TEOS作为原料制备的氯丙基杂化硅胶微球，在步骤(3)中，以十二烷基硫酸钠SDS水溶液作为溶剂；对于由氯丙基三甲氧基硅烷CPTMS与甲基三甲氧基硅烷MTMS作为原料制备的氯丙基杂化硅胶微球，在步骤(3)中，以25～75％(v/v)乙醇溶液作为溶剂。

本发明选用的硅烷化试剂分别为氯丙基三甲氧基硅烷和四乙氧基硅烷或者甲基三甲氧基硅烷，杂化摩尔比例为：7:3～9:1(CPTMS:TEOS),2:8～4:6(CPTMS:MTMS)，为保证批次间的可重复性，控制反应温度，溶液的pH以及老化时间；采用一步法制备得到的氯丙基杂化硅胶微球的粒径范围为1μm到6μm，粒径大小可控，分布均一。采用氮气吸附脱附曲线及孔径分布曲线对无机-有机杂化硅胶微球的孔结构参数进行测定，结果如图4所示。可以看出所制备硅胶微球的氮气吸附脱附曲线成IV型，并出现回滞环，说明该微球具备了介孔结构。从孔径分布图上来看，孔径分布较宽，在1～10nm均有分布。

所获得的无机-有机杂化硅胶微球的比表面积虽然比文献报道的有所增加，达到10m²/g，但还是相对较低，色谱分离能力受到限制，而由不同有机硅氧烷试剂组成的有机-有机杂化硅胶微球比表面积却有大幅增加，可以高达491.4m²/g，(如图8所示)。标准化合物在由其装填的色谱柱上获得了完全的基线分离。更加显著的是该色谱柱与传统的无机硅胶色谱柱相比，金属离子含量更低，对碱性化合物显示出更好的分离效果。

附图说明

图1本发明的制备方法的工艺路线；

图2不同的CPTMS和TEOS摩尔比例下制备得到的杂化硅胶微球的透射电镜,(a)为7:3，(b)为8:2，(c)为9:1；

图3实施例1获得的杂化硅胶微球的傅里叶变换红外谱图，图中的曲线a为7:3，b为8:2,c为9:1,d为100％；

图4(a)和(b)分别为实施例1获得的杂化硅胶微球的氮气吸附脱附曲线及孔径分布曲线；

图5实施例1获得的杂化硅胶微球为填料装填色谱柱的流速压力曲线，曲线a为7:3,b为8:2,c为9:1；

图6实施例1获得的不同杂化比例色谱填料对苯酚，对氯硝基苯和萘的分离谱图，曲线a为7:3,b为8:2,c为9:1；

图7实施例2获得的杂化硅胶微球的傅里叶变换红外谱图，曲线a为2:8,b为4:6,c为6:4,d为8:2,e为100％；

图8(a)和(b)分别为实施例2获得的杂化硅胶微球的氮气吸附脱附曲线及孔径分布曲线；

图9实施例2获得的杂化硅胶微球为填料装填色谱柱的流速压力曲线，曲线a为2:8,b为4:6；

图10实施例2获得的不同杂化比例色谱填料对标准样品的分离谱图；

图11实施例2获得的不同杂化比例色谱填料的色谱柱的评价，峰1为尿嘧啶，峰2为甲苯，峰3为乙基苯，峰4为1,4-二羟基蒽醌，峰5为阿米替林的分析色谱图：色谱图a为氯丙基-甲基(2:8)色谱柱，色谱图b为Baseline C₁₈色谱柱。

具体实施方式

本发明采用下述制备技术方案：首先利用氯丙基三甲氧基硅烷与不同的硅烷试剂在过量水溶液中发生充分水解，得到水溶性的杂化硅源产物，然后在碱性催化剂的作用下通过自组装作用，水溶性的硅源首先缩合形成低聚物，再进一步缩合形成纳米级别的初级粒子，初级粒子相互间受到有机侧链疏水作用力的吸引，逐渐堆积形成微米级别的硅胶微球。通过不同的后处理过程，如将一定量的杂化硅胶微球分散于一定比例的醇溶液中进行热处理，或加入一定量的氨水进行碱热处理，对上述杂化硅胶微球进行进一步的扩孔，以期对孔结构参数进行优化，使其满足色谱分离的需求。

为了更好地理解本发明，下面以实施例进一步说明本发明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1氯丙基-四乙氧基硅烷杂化硅胶微球的制备

(1)氯丙基-四乙氧基硅烷杂化硅胶微球的制备

取250mL干净且干燥的三口烧瓶，将其固定在机械搅拌仪上，向瓶中加入100mL超纯水，搅拌转速500rpm，称取0.2238mol的氯丙基三甲氧基硅烷和四乙氧基硅烷(氯丙基三甲氧基硅烷与四乙氧基硅烷的摩尔比例分别为9:1，8:2和7:3)，缓慢加入三口瓶中，再加入0.4g pH 1的盐酸溶液，20℃搅拌2h至溶液澄清透明。量取16μL浓氨水(25％wt)加入混合溶液中，继续搅拌1min后停止搅拌，将溶液静置老化12h，得到白色沉淀。用蒸馏水和乙醇反复洗涤，得到有机-无机杂化的氯丙基硅胶微球。

将上述获得的硅胶微球进行的透射电镜检测，结果如图1所示，从图中可以看出，获得的杂化硅胶微球形貌规整，单分散性良好。

(2)氯丙基-四乙氧基硅烷杂化硅胶微球的后处理

将硅胶微球按1:10(w/v)的比例分散到0.2％的十二烷基硫酸钠SDS的水溶液中，密封条件下放置于70℃水浴震荡12h，再用蒸馏水和乙醇洗涤。具体方法如下：用索氏提取器将硅胶微球在甲苯溶液中回流8h，温度设为150℃。将硅胶微球按1:10(w/v)的比例分散到0.2％的SDS溶液中，加入10％的浓氨水(v/v)，混合均匀后密封条件下放置于70℃水浴中震荡12h。再用蒸馏水和乙醇反复洗涤后于50℃真空干燥。得到最终产物。

(3)氯丙基-四乙氧基硅烷杂化硅胶微球的红外光谱检测

取一定量溴化钾粉末压片制成薄膜，使用傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)测定单通道背景吸收值。固体样品是与溴化钾粉末研细后压片制成薄膜，进行红外扫描，扣除背景吸收后经过气氛补偿，平滑等处理得到红外光谱图。实验测试温度为25℃，扫描范围为4000～400cm^-1进行红外扫描。结果如图3所示，3600cm^-1处的宽峰为硅羟基的伸缩振动峰，2900cm^-1处的峰为-CH₂-的伸缩振动峰，而1037cm^-1和798cm^-1处的峰分别为Si-O-Si的不对称伸缩振动峰和对称伸缩振动峰，700cm^-1处为C-Cl键的伸缩振动峰。

(4)以氯丙基-四乙氧基硅烷杂化硅胶微球为填料，装柱后的压力流速曲线测定

取干燥后的杂化硅胶微球装填色谱柱，色谱柱规格为：100×4.6mm。使用Agilent 1100系列高效液相色谱仪对所装填的色谱柱进行评价。液相色谱条件如下：柱温：30℃；流速分别设为0.5，0.75，1.0，1.25，1.5mL/min，测定不同流速条件下的色谱柱压。结果如图5所示，线性相关系数都在0.9900以上，具有良好的线性相关，说明硅胶微球具有良好的机械强度。

(5)氯丙基-四乙氧基硅烷杂化硅胶微球色谱柱的评价

取干燥后的杂化硅胶微球装填色谱柱，色谱柱规格为：100×4.6mm。使用Agilent 1100系列高效液相色谱仪对所装填的色谱柱进行评价。液相色谱条件如下：柱温：30℃；流速：1mL/min；UV检测波长：254nm；进样量：10μL；采用80％甲醇/水二元流动相进行洗脱，所用标准样品为苯酚，对氯硝基苯，萘。结果如图6所示，苯酚保留能力较弱，首先被洗脱出来，对氯硝基苯和萘则没有完全分离。

实施例2氯丙基-甲基杂化硅胶微球的制备

(1)氯丙基-甲基杂化硅胶微球的制备

取250mL干净且干燥的三口烧瓶，将其固定在机械搅拌仪上，向瓶中加入100mL超纯水，搅拌转速500rpm，称取0.2238mol氯丙基三甲氧基硅烷和甲基三甲氧基硅烷(摩尔比例2:8,4:6)，缓慢加入三口瓶中，20℃搅拌2h至溶液澄清透明。量取10L浓氨水(25％wt)加入混合溶液中，继续搅拌1min后停止搅拌，将溶液静置老化12h，得到白色沉淀。用蒸馏水和乙醇反复洗涤，得到有机-有机杂化的氯丙基硅胶微球。

(2)氯丙基-甲基杂化硅胶微球的后处理

将硅胶微球分散到75％的乙醇溶液中，密封条件下放置于70℃水浴震荡12h。再用蒸馏水和乙醇洗涤。具体方法为：将硅胶微球分散到75％的乙醇溶液中，加入10％的浓氨水(v/v)，混合均匀后密封条件下放置于70℃水浴中震荡12h。再用蒸馏水和乙醇反复洗涤后于50℃烘箱中干燥。得到最终产物。

(3)氯丙基-甲基杂化硅胶微球的红外光谱测定

步骤同实施例1中杂化硅胶微球的制备过程(3)。结果如图7所示，图中3600cm^-1处较宽的吸收峰为Si–OH的伸缩振动峰，700cm^-1处为碳氯键的伸缩振动峰，2980cm^-1左右为-CH₃、–CH₂–的伸缩振动峰，1023cm^-1和774cm^-1处分别为Si–O–Si的反对称伸缩振动峰和对称伸缩振动峰。

(4)以氯丙基-甲基杂化硅胶微球为填料，装柱后的压力流速曲线测定

步骤同实施例1中杂化硅胶微球的制备过程(4)，结果如图9所示。流速压力曲线的线性相关系数都在0.9900以上，表明该色谱填料机械强度高，耐压性能良好。

(5)氯丙基-甲基杂化硅胶色谱柱的分离检测

步骤同实施例1中杂化硅胶微球的制备过程(5)。以苯酚，对氯硝基苯和萘作为标准品，检测其在氯丙基-甲基杂化硅胶色谱柱上的分离效果，结果如图10所示。从图中可知，苯酚，对氯硝基苯和萘分离度 大于1.5，均可以获得基线分离。

(6)氯丙基-甲基杂化硅胶微球色谱柱的色谱评价

取干燥后的氯丙基-甲基杂化硅胶微球装填色谱柱，色谱柱规格为：100×4.6mm。使用Agilent 1100系列高效液相色谱仪对所装填的色谱柱进行评价。液相色谱条件如下：柱温：30℃；流速：1mL/min；UV检测波长：254nm；进样量：10μL；采用甲醇/缓冲液(8:2，v/v)二元流动相进行洗脱，缓冲液为20mM的磷酸二氢钾和磷酸氢二钾水溶液(pH＝7)，所用标准样品为尿嘧啶，甲苯，乙基苯，1,4-二羟基蒽醌和阿米替林，结果如图11所示。尿嘧啶的保留显示了色谱柱的死时间；甲苯和乙基苯用来评价色谱柱的柱效，同时显示乙基的选择性；从1,4-二羟基蒽醌峰型的对称性，可以评价填料中金属离子的含量；而阿米替林则用来评价色谱填料残留的硅羟基的含量。色谱柱的残留硅羟基会使得色谱柱在分离碱性化合物时产生拖尾，降低色谱柱的分离效果，实验采用阿米替林作为标样，结果显示它在C₁₈色谱柱上拖尾严重，拖尾因子达到了2.67，而在氯丙基-甲基杂化色谱柱上仅有1.09，说明有机-有机杂化体系下的填料表面含有较少的残留硅羟基，更加适合应用于碱性化合物的检测。

本发明在一步法制备高纯单分散单官能团硅胶微球的基础上，将氯丙基三甲氧基硅烷(CPTMS)与四乙氧基硅烷(TEOS)或甲基三甲氧基硅烷(MTMS)通过共水解的方式得到混合水解液，在碱催化作用下其发生缩聚反应，一步形成氯丙基-四乙氧基或氯丙基-甲基杂化硅胶微球。所制备的微球球形圆整，单分散性良好，碳含量高，表面官能团分布均匀，并采用不同的后处理方法对杂化硅胶微球进行扩孔处理，使其可以作为反相填料用于色谱分离。这种方法制备得到的氯丙基杂化硅胶微球利用氯原子的反应活性通过亲核取代进行衍生化后，可以应用于诸如离子色谱，手性色谱及凝胶渗透色谱等多个领域。与传统制备杂化硅胶的方法相比，其制备方法简单，硅胶微球单分散性高，生产周期短，转化率高，具有较高的商业价值。采用一步水解缩聚法制备的氯丙基杂化硅胶微球，以氯丙基三甲氧基硅烷与有机硅氧烷作为反应试剂，通过一步杂化共水解缩聚法获得单分散的杂化硅胶微球。这种硅胶微球球形圆整，比表面积和孔径可控，可满足高效液相色谱分离的需求，特别适合于碱性化合物的分离检测。

通过改变两种硅烷化试剂的用量比例可以实现对杂化填料碳载量的控制。此外，催化剂除了无机碱还可以采用多种有机碱进行催化，如乙二胺和四甲基氢氧化铵等。