专利名称：一种手性分离用中空纤维膜及其制备方法
技术领域：
本发明属于功能高分子材料领域，特别涉及一种具有选择性分离手性分子的手性分离用中空纤维膜及其制备方法。该膜可应用于苯丙氨酸手性分离领域。
背景技术：
许多手性物质广泛存在于药物中，与我们的生活密切相关。由于手性物质中不同的对映体分子具有不同的旋光性，在药理活性、代谢作用以及毒副作用等会产生显著差异，药物临床表现为其中一种对映体分子具有一定的药效作用，但另一种对映体分子不具有药理作用，甚至会造成不利的负面作用。因此，在药物制备过程中手性分离具有重要的意义。近年来，膜分离技术在手性分离领域的研究和应用日趋火热，其中手性拆分膜通过手性识别点对不同对映体的选择性吸附来分离手性物质，具有能耗低、易于连续操作等优点，被认为是进行大规模手性分离非常有潜力的方法之一，成为分离膜研究的新热点手性拆分膜按膜的形态可分为手性拆分液膜和手性拆分固膜。手性拆分液膜具有较高的选择性和经济性(使用手性选择剂较少)，但稳定性较差，其应用受到了很大的限制。手性拆分固膜能够克服液膜的不足，因而倍受该领域研究者的关注。但是，手性拆分固膜的最大缺陷是拆分过程为非稳态，当吸附点达到饱和后膜不再具有拆分能力，需进行解吸，而解吸过程控制起来麻烦，导致分离效率较低，且很难同时具备高通量和高选择性。为了提高手性拆分固膜的分离效率及可应用性，智能型手性分离膜的开发和研究倍受关注。智能手性分离膜可对温度、PH值、离子浓度、电场等外界刺激产生响应，可以通过改变外界环境条件来调控材料内部孔隙大小，实现膜的高选择性、高通量，提高分离效率。由于外界环境条件中温度控制相对较容易，利用温敏高分子材料具有低临界溶解温度(LCST)的特点，研究和开发温敏手性分离膜则更具现实意义。但是，目前研究和开发的温敏手性分离膜存在以下几大需解决的问题(I)温敏手性分离膜的制备方法主要是对基膜材料的接枝改性修饰，存在改性制备过程复杂，改性后材料稳定性变差、接枝层易于脱落等缺陷，难于实现工业化生产。(2)温敏手性分离膜的温敏性不够明显，温度对手性识别和拆分的智能化调控作用以及调控稳定性有待进一步提闻。(3)膜的手性选择性、分离效率、通量等不高，实现稳态分离较为困难。苯丙氨酸是α -氨基酸的一种，是人体必需氨基酸之一，具有生物活性的光学异构体为L-苯丙氨酸(L-Phe)。L-Phe人体不能合成，广泛用于医药和阿斯巴甜的主要原料。苯丙氨酸可通过微生物发酵、蛋白质水解、以及有机合成的方法制备。合成法制备苯丙氨酸的收率低，通常从天然产物中提取，但手性分离效率是目前制约L-Phe产量的主要问题。
发明内容
针对温敏手性分离膜存在的上述问题，以及手性分离膜的潜在应用和苯丙氨酸手性分子的分离难题，本发明拟解 决的技术问题是提供一种对苯丙氨酸手性分子具有良好吸附和分离功能的氨基酸手性分离用中空纤维膜及其制备方法。本发明一方面以L-Phe作为拆分对象，通过改性合成手性氨基酸单体，进而与温敏单体N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)共聚，合成温敏手性共聚物微凝胶P (NIPAAm-co-AAc-L-PheEt)。另一方面，采用自由基共聚法将NIPAAm单体与聚偏氟乙烯(PVDF)接枝共聚，合成温敏膜成膜基质PVDF-g-PNIPAAm。最后，将温敏手性共聚物微凝胶与PVDF-g-PNIPAAm共聚物溶液共混配成纺丝料液，采用干-湿法纺丝工艺制备具有手性识别和拆分功能，且可通过控制环境温度变化实现L-Phe高效分离的氨基酸手性分离用中空纤维膜。本发明所述一种氨基酸手性分离用中空纤维膜及其制备方法包括如下步骤(I)手性温敏共聚物微凝胶的合成将L-Phe酯化生成L-苯丙氨酸乙酯盐酸盐(L-PheEt)，进而与丙烯酰氯酰化反应合成手性单体N- (L-1-乙氧甲酰基_2_苯基)丙烯酰胺(AAc-L-PheEt)。搭三口烧瓶装置，加入50ml经除水处理的四氢呋喃(THF)冷凝回流，在三口烧瓶中加入NIPAAm单体，控制NIPAAm浓度为O.1 O. 18mol/L。按质量比r为O. 2加入手性单体AAc-L-PheEt，以及O. 05 O. 20g交联剂MBAA后，在20 30°C下通氮气搅拌30 60分钟，缓慢升温至50 70°C，稳定20 40分钟，加入O. 04 O. 08g引发剂偶氮二异丁腈(AIBN)，恒温反应6 10小时。反应结束后，向反应液加入石油醚沉淀，抽滤得到手性温敏共聚物微凝胶P (NIPAAm-co-AAc-L-PheEt)，干燥后置于阴冷处保存。所述质量比r = AAc-L-PheEt/ (AAc-L-PheEt+NIPAAm),即 AAc-L-PheEt 的质量与AAc-L-PheEt和NIPAAm质量之和的比值。(2)温敏成膜物质的合成取IOg碱处理后的PVDF粉末加入三口烧瓶中，通氮气，加入PVDF质量6 12倍的溶剂N，N- 二甲基甲酰胺(DMF)，于50 80°C水浴下加热条件下搅拌溶解，在通氮气的情况下添加NIPAAm，控制PVDF粉末与NIPAAm的质量比为1: (O. 5 1.25)，加入PVDF质量I % 2. 5 %的引发剂AIBN，完全溶解后，再通氮气10 20分钟，继续搅拌反应8 12小时，反应结束后，将反应液冷却后加入甲醇沉淀，抽滤，用蒸馏水反复冲洗，然后抽干得温敏成膜物质PVDF-g-PNIPAAm，放入烘箱60°C干燥至恒重待用。(3)手性分离用中空纤维膜的制备将成膜物PVDF-g-PNIPAAm加入盛有DMF的容器中，质量百分比浓度控制在15 % 20 %，加入微凝胶P (NIPAAm-co-AAc-L-PheEt)，控制微凝胶与PVDF-g-PNIPAAm的质量比为1: 3 10，最后加入致孔剂聚乙二醇(PEG)，使PEG占混合液的质量百分比浓度为5% 10%。在30 60°C条件下加热、搅拌直至完全溶解，然后将纺丝料液倒入纺丝机料釜内，密封，加热纺丝机料釜，使纺丝料液温度为25 50°C，真空脱泡20 60分钟。纺丝料液脱泡处理完毕后，打开料釜出口开关，向釜内通入氮气加压，打开计量泵开关，调整转速8 20转/分钟，开始纺丝，将从喷丝板中挤出的中空纤维通过20 30°C的凝固浴后卷绕到卷绕辊上，控制卷绕辊转速10 25转/分钟，卷绕装置停机，取下纤维，将纺出的中空纤维膜在蒸馏水中浸泡一周，每天换水2次，然后浸泡到甘油水溶液中I 2天，用蒸馏水洗净晾干即得氨基酸手性分离用中空纤维膜。所述步骤(I)中，所述L-PheEt合成过程如下搭建实验装置，包括球形冷凝管、IOOml三口烧瓶、恒温水浴、温度计。在三口烧瓶中加入55ml无水乙醇，放入冰浴恒温在O0C，用滴管缓慢滴入5ml氯化亚砜，始终保持温度在5°C之下，搅拌I小时，加入IOg L-Phe粉末，撤去冰浴，自然升温至室温，继而逐步升温至65°C，恒温搅拌3小时，停止搅拌。反应结束后，在85°C水浴温度下，蒸馏出部分溶剂，冷却结晶，抽滤，用少量乙醇洗漆，烘干，得到L-PheEt 固体。所述步骤(I)中，所述AAc-L-PheEt合成过程如下先将去水后30ml的THF加入到IOOml三口烧瓶中，称取6g L-PheEt加入烧瓶中。将预制好的冰盐块捣碎,制作冰盐浴放在三口烧瓶周围，达到液面高度即可，降温至0°C。保持体系温度在0°C缓慢滴加7. 5ml三乙胺，缓慢滴加4ml丙烯酰氯，滴加完毕后，在冰盐浴中恒温一段时间后逐步升温至室温，搅拌I小时，再升温至60°C反应3小时。反应结束后，向反应液加入30mL蒸馏水，溶解未反应的盐酸盐与丙烯酰氯，同时稀释溶液，用30mL氯仿萃取三次，加入无水硫酸钠干燥，蒸去溶剂，得到暗黄色油状物AAc-L-PheEt，置于阴冷处待用。所述步骤(2)中，所述碱处理的PVDF粉末制备过程如下向ILNaOH溶液中加入150g的PVDF粉末，随后加入30ml的无水乙醇并搅拌，使得PVDF在溶液中充分分散。将混合溶液反应体系置于60°C恒温水浴中，反应10分钟。抽滤所得产物，用蒸馏水不断洗涤，以除去产物中的氟化物和乙醇。洗涤后所得碱处理PVDF粉末产物放入烘箱中60 V干燥至恒重。有益效果本发明在中空纤维膜制备过程中，采用水作凝固浴相转化法成膜，成膜过程中亲水性使P(NIPAAm-C0-AAC-L-Phe)高聚物手性分离基团向膜和膜孔表面富集，有利于对手性D-Phe的吸附和解吸。因此，本发明制备的共混中空纤维膜，通过控制分离液温度的高低可实现对D-Phe的吸附和解吸，且通过控制分离液温度的高低可实现膜孔尺寸的变化。高温下(T > LCST)，膜材料的手性吸附性使D-Phe被大量吸附，而L-Phe则被顺利通过膜孔分离，由于此时 膜孔变小，膜通量降低，故有利于对D-Phe对映体的吸附，提高了 L-Phe的分离效率。降低分离液温度(T < LCST)，膜对D-Phe的吸附能力降低，从而释放出吸附的D_Phe，此时膜孔增大，膜通量升高，有利于提高D-Phe解吸附效率，最终将两种对映体分开。这种分离过程可通过外界温度的刺激进行调控，吸附量大，可高效选择性吸附和解吸，且可交替重复连续进行，解决了传统吸附选择型手性拆分膜的缺陷，本发明的氨基酸手性分离用中空纤维膜选择过载量(e.e% )可达15% -25%，分离系数(α)可达到1. 5_1· 8。本发明通过将智能材料的环境响应性与吸附选择型手性拆分固膜相结合，利用手性高聚物的手性识别特性实现对手性分子的有选择性高效吸附和解吸，从而实现手性拆分。本发明集手性温敏共聚物和温敏成膜基质的温敏性于一体，强化了膜的温敏性，提高了手性分离效率和温度对手性分离的智能化调控作用。另外，本发明制备的手性分离膜利用成膜基质和手性聚合物结构上的共性，解决了共混手性分离膜制备过程中两相分散和相容性等问题。本发明所制备的手性分离中空纤维膜采用目前市场上成熟的PVDF作原料，功能单体为常规的温敏单体原料NIPAAm，膜制备方法简单、不需要特殊设备、生产成本低、适于工业化应用。另外，本发明所制备的手性分离中空纤维膜较平板膜具有耐压性能好、无需支撑体，膜组件可做成任意大小和形状，在膜组件内的装填密度大，单位体积的膜面积大、通量大等优点。选择过载量和分离系数的测定
通过选择过载量(e. e. % )以及分离系数(α )来表征共混膜的手性识别以及拆分
能力，其计算公式如下
权利要求
1.一种氨基酸手性分离用中空纤维膜的制备方法，包括如下步骤 (1)手性温敏共聚物微凝胶的合成JfL-Phe酯化生成L-苯丙氨酸乙酯盐酸盐(L-PheEt)，进而与丙烯酰氯酰化反应合成手性单体N- (L-1-乙氧甲酰基_2_苯基)丙烯酰胺(AAc-L-PheEt):搭三口烧瓶装置，加入50ml经除水处理的四氢呋喃(THF)冷凝回流，在三口烧瓶中加入NIPAAm单体，按质量比r为O. 2加入手性单体AAc-L-PheEt，然后加入交联剂MBAA后，在20 30°C下通氮气搅拌30 60分钟，缓慢升温至50 70°C，稳定20 40分钟，加入引发剂偶氮二异丁腈(AIBN)，恒温反应6 10小时，反应结束后，向反应液加入石油醚沉淀，抽滤得到手性温敏共聚物微凝胶P (NIPAAm-co-AAc-L-PheEt)，干燥后置于阴冷处保存； (2)温敏成膜物质的合成取IOg碱处理后的PVDF粉末加入三口烧瓶中，通氮气，加入PVDF质量6 12倍的溶剂N，N-二甲基甲酰胺(DMF)，于50 80°C水浴下加热条件下搅拌溶解，在通氮气的情况下添加NIPAAm和引发剂AIBN，完全溶解后，再通氮气10 20分钟，继续搅拌反应8 12小时，反应结束后，将反应液冷却后加入甲醇沉淀，抽滤，用蒸馏水反复冲洗，然后抽干得温敏成膜物质PVDF-g-PNIPAAm，放入烘箱60°C干燥至恒重待用； (3)手性分离用中空纤维膜的制备将成膜物PVDF-g-PNIPAAm加入盛有DMF的容器中，加入微凝胶P (NIPAAm-co-AAc-L-PheEt)，最后加入致孔剂聚乙二醇(PEG)，在30 60°C条件下加热、搅拌直至完全溶解，然后将纺丝料液倒入纺丝机料釜内，密封，加热纺丝机料釜，使纺丝料液温度为25 50°C，真空脱泡20 60分钟，纺丝料液脱泡处理完毕后，打开料釜出口开关，向釜内通入氮气加压，打开计量泵开关，调整转速8 20转/分钟，开始纺丝，将从喷丝板中挤出的中空纤维通过20 30°C的凝固浴后卷绕到卷绕辊上，控制卷绕辊转速10 25转/分钟，卷绕装置停机，取下纤维，将纺出的中空纤维膜在蒸馏水中浸泡一周，每天换水2次，然后浸泡到甘油水溶液中I 2天，用蒸馏水洗净晾干即得氨基酸手性分离用中空纤维膜。
2.根据权利要求1一种氨基酸手性分离用中空纤维膜的制备方法，其特征在于所述步骤(I)中加入NIPAAm单体，控制NIPAAm浓度为O.1 O. 18mol/L。
3.根据权利要求1一种氨基酸手性分离用中空纤维膜的制备方法，其特征在于所述步骤(I)中交联剂MBAA的添加量为O. 05 O. 20g。
4.根据权利要求1一种氨基酸手性分离用中空纤维膜的制备方法，其特征在于所述步骤(I)中引发剂偶氮二异丁腈(AIBN)的添加量为O. 04 O. 08g。
5.根据权利要求1一种氨基酸手性分离用中空纤维膜的制备方法，其特征在于所述步骤(2)中PVDF粉末与NIPAAm的质量比为I (O. 5 1. 25)。
6.根据权利要求1一种氨基酸手性分离用中空纤维膜的制备方法，其特征在于所述步骤⑵中引发剂AIBN的添加量为PVDF质量的I % 2.5%。
7.根据权利要求1一种氨基酸手性分离用中空纤维膜的制备方法，其特征在于所述步骤(3)中将成膜物PVDF-g-PNIPAAm加入盛有DMF的容器中，质量百分比浓度控制在15% 20%。
8.根据权利要求1一种氨基酸手性分离用中空纤维膜的制备方法，其特征在于所述步骤⑶中微凝胶与成膜物PVDF-g-PNIPAAm的质量比为1: 3 10。
9.根据权利要求1一种氨基酸手性分离用中空纤维膜的制备方法，其特征在于所述步骤(3)中加入致孔剂聚乙二醇(PEG)，使PEG占混合液的质量百分比浓度为5% 10%。
10.根据权利要求1-9任意一项一种氨基酸手性分离用中空纤维膜的制备方法制得的氨基酸手性分离用中空纤维膜，其特征在于所述氨基酸手性分离用中空纤维膜的制备方法包括如下步骤 (1)手性温敏共聚物微凝胶的合成JfL-Phe酯化生成L-苯丙氨酸乙酯盐酸盐(L-PheEt)，进而与丙烯酰氯酰化反应合成手性单体N- (L-1-乙氧甲酰基_2_苯基)丙烯酰胺(AAc-L-PheEt):搭三口烧瓶装置，加入50ml经除水处理的四氢呋喃(THF)冷凝回流，在三口烧瓶中加入NIPAAm单体，按质量比r为O. 2加入手性单体AAc-L-PheEt，然后加入交联剂MBAA后，在20 30°C下通氮气搅拌30 60分钟，缓慢升温至50 70°C，稳定20 40分钟，加入引发剂偶氮二异丁腈(AIBN)，恒温反应6 10小时，反应结束后，向反应液加入石油醚沉淀，抽滤得到手性温敏共聚物微凝胶P (NIPAAm-co-AAc-L-PheEt)，干燥后置于阴冷处保存； (2)温敏成膜物质的合成取IOg碱处理后的PVDF粉末加入三口烧瓶中，通氮气，加入PVDF质量6 12倍的溶剂N，N- 二甲基甲酰胺(DMF)，于50 80°C水浴下加热条件下搅拌溶解，在通氮气的情况下添加NIPAAm和引发剂AIBN，完全溶解后，再通氮气10 20分钟，继续搅拌反应8 12小时，反应结束后，将反应液冷却后加入甲醇沉淀，抽滤，用蒸馏水反复冲洗，然后抽干得温敏成膜物质PVDF-g-PNIPAAm，放入烘箱60°C干燥至恒重待用； (3)手性分离用中空纤维膜的制备将成膜物PVDF-g-PNIPAAm加入盛有DMF的容器中，加入微凝胶P (NIPAAm-co-AAc-L-PheEt)，最后加入致孔剂聚乙二醇(PEG)，在30 60°C条件下加热、搅拌直至完全溶解，然后将纺丝料液倒入纺丝机料釜内，密封，加热纺丝机料釜，使纺丝料液温度为25 50°C，真空脱泡20 60分钟，纺丝料液脱泡处理完毕后，打开料釜出口开关，向釜内通入氮气加压，打开计量泵开关，调整转速8 20转/分钟，开始纺丝，将从喷丝板中挤出的中空纤维通过20 30°C的凝固浴后卷绕到卷绕辊上，控制卷绕辊转速10 25转/分钟，卷绕装置停机，取下纤维，将纺出的中空纤维膜在蒸馏水中浸泡一周，每天换水2次，然后浸泡到甘油水溶液中I 2天，用蒸馏水洗净晾干即得氨基酸手性分离用中空纤维膜。
全文摘要
本发明公开了一种手性分离用中空纤维膜及其制备方法，首先以L-苯丙氨酸(L-Phe)作为拆分对象，通过改性合成手性氨基酸单体，进而与温敏单体N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)共聚，合成温敏手性共聚物微凝胶P(NIPAAm-co-AAc-L-PheEt)。其次采用自由基共聚法将NIPAAm单体与聚偏氟乙烯(PVDF)接枝共聚，合成温敏膜成膜基质PVDF-g-PNIPAAm。最后将温敏手性共聚物微凝胶与温敏膜成膜基质溶液共混配成纺丝料液，采用干-湿法纺丝工艺制备具有手性识别和拆分功能，且可通过控制环境温度变化实现L-Phe高效分离的氨基酸手性分离用中空纤维膜，该膜选择过载量(e.e％)可达15％-25％，分离系数(α)可达到1.5-1.8。本发明所制备的手性分离用中空纤维膜集手性温敏共聚物和温敏成膜基质的温敏性于一体，强化了膜的温敏性，提高了手性分离效率和温度对手性分离的智能化调控作用，较平板膜具有耐压性能好、无需支撑体，膜组件可做成任意大小和形状，在膜组件内的装填密度大，单位体积的膜面积大、通量大等优点。
文档编号C07C229/36GK103055710SQ20121056216
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月20日 优先权日2012年12月20日
发明者赵义平, 张强, 申向, 李金苓, 王霞, 陈莉, 冯霞 申请人:天津工业大学