专利名称：硅胶基质化学键合相填料的制作方法
技术领域：
本发明涉及液相色谱中硅胶基质化学键合相填料的制备方法。
技术背景高效液相色谱(HPLC)是利用化合物在流动相和固定相之间分配系数的 差异对多组分混合物进行分离的技术。自上世纪七十年代问世以来，HPLC方 法以其快速、高效、易于实现操作自动化和高通量样品处理的特点，在化学、 制药、临床、生物、环境、质检等领域获得广泛应用，是目前痕量分析、过 程控制、制备分离纯化等技术领域中最主要的手段。液相色谱仪由输液泵、 色谱柱和检测器组成。其中色谱柱是液相色谱的核心部件，也是需要经常更 换和维护的易耗件。按照液相色谱分离的规模和色谱柱的几何参数，液相色 谱柱可以分为制备柱，分析柱和微径柱三种类型。制备柱用于亳克级至千克 级高纯度医药产品的制备，柱内径从十亳米到几十厘米不等，是生物制药行 业中的关键设备。而柱内径为4. 6 ,的色谱柱，主要应用于生物、制药、环 境、化工等领域中的生产过程监测和产品质量控制，占据了分析仪器相关产 品巿场的较大份额。近年来，随着液相色谱/质谱联用技术的快速发展和普及， 巿场对柱内径小于4 mm的微径柱的需求急剧增长，是目前色谱柱产品市场崛起的新军。液相色谱柱主要是由玻璃或不锈钢柱管和填充其中的多孔颗粒状 介质组成。其中多孔介质的性能是决定色谱分离效能的主要因素。根据所用 基质材料的性质，液相色谱填料可分为有机和无机基质两大类。目前，以多 孔硅胶为代表的无机基质填料是液相色谱耗材市场上的主流产品。多孔硅胶 由于其强度高，表面积大，孔径可控，表面硅羟基丰富，化学稳定性好等优 点，而获得了广泛的应用，其巿场份额约占所有的基质色谱填料的90%。硅胶基质化学键合相色谱填料是通过共价键将一些功能基团结合到硅胶 表面，具有良好的色谱热力学和动力学性能。硅胶基质化学键合相填料应用较为广泛，主要应用于反应产物分离分析、手性化合物制备、合成多肽纯化、 天然药物柱层析、生物分离等领域。其中在高效液相色谱领域应用最为广泛, 主要应用于反相、正相、手性、离子交换及空间排阻色谱中。据统计，键合 相色谱在高效液相色谱的整个应用中占80%左右。硅胶的化学表面修饰技术大 体上分为三种，即液相法，自组装法和气固相反应法。液相法是以液相溶剂 为反应介质的硅胶键合技术，根据反应介质是否有水的存在，又可分为水体 系法和液相有机溶剂法。水体系法，即硅胶进行硅烷化时是在含水的介质中 进行的，其反应是硅烷化试剂中的卤素或烷氧基首先水解，自身缩合后覆盖 到硅胶表面，水解生成的羟基与硅醇基形成氢键，在加热的条件下使氢键脱 水即得到烷基键合相。该反应存在过程难控制，覆盖层厚度重复性差的缺点。 液相有机溶剂法是以有机溶剂作为反应介质，在加热条件下，硅烷化试剂中 的卤素或烷氧基直接与硅醇基反应。该法需消耗大量有机溶剂且具有污染性， 反应耗时长，后处理繁瑣，且批次间重复性较差。自组装法是利用Langmuir-Blodgett成膜技术，使一些极性较大的分子在与其不互溶的溶剂表 面上形成一层高度有序的液膜，然后把底物插入或浸入溶剂中，则单分子层 液膜自动吸附在底物上形成一层致密的单分子膜。用自组装方法得到的填料 具有很好的色谱性能，且在酸性和碱性条件下稳定，但如果引入的烷基链太 长时，由于含碳量过高，会导致色谱选择性下降，并且该方法过程难以操作。 传统气固相反应法对置于安培瓶中的硅胶进行加热，利用硅烷试剂蒸汽与硅 胶表面的硅羟基的反应，从而制得硅胶基质化学键合相填料。这一方法的缺 点是搡作不便，难于放大。由于在安培瓶中不能对反应物搅拌，导致表面反 应不均匀，表面功能基团键合量低。我们在研究气固相反应方法应用于硅胶基质化学键合相填料制备的过程 中发现，将酸化硅胶基质、硅烷试剂和三乙胺混合后，置于高压釜中，在惰 性气氛中对反应物进行高温处理，可以方便地获得硅胶基质化学键合相填料。 与上述传统方法相比，本方法具有操作安全简便，反应耗时短，功能团表面 键合量高，易于放大生产等优势。更为重要的是，本方法完全排除了有机溶 剂或者超临界流体等反应介质，不仅简化了产品的后处理，降低了色谱填料的生产成本，而且有利于降低劳动强度，改善环境质量，为硅胶基质化学键 合相填料的生产开辟了一条节能降耗，环境友好的绿色途径。发明内容本发明的目的在于提供一种新型的硅胶基质化学键合相填料的制备方 法，以获得表面键合量高的硅胶基质化学键合相填料并且具有良好的批次间 的制备重复性，为硅胶基质化学键合相填料的生产开辟一条节能降耗，环境 友好的绿色途径。为了实现上述目的，本发明釆用下述制备路线首先将硅胶基质进行酸 化预处理。然后把干燥酸化硅胶转移到一定容积的高压釜中，加入一定量的 硅烷化试剂，碱性催化剂，密封高压釜，充入惰性气体。在适当的温度下反 应数小时。反应结東后，取出并洗涤干燥反应产物，最终得到硅胶基质化学 键合相填料。上述制备方法的具体操作步骤如下硅胶基质的预处理称取一定量球形或无定形硅胶，放入三口烧瓶中， 安装冷凝管，加入一定量的10%盐酸，机械搅拌下加热回流12h,用去离子水 反复洗涤至滤液呈中性，干燥得到表面富含羟基的酸化硅胶基质。化学键合相硅胶填料的制备'.称取一定量的干燥酸化硅胶，置于一定容 积的高压釜中，加入一定量的硅烷试剂和碱性催化剂，混合均匀，密封高压 釜，通人干燥惰性气体。搅拌下将反应釜升温到100 - 350C之间，开始计时 反应，反应进行O. 5-10h。停止加热，待反应体系冷却至室温，将所得的硅 胶基质化学键合相填料取出，依次用甲醇-水(l:l, v/v)、丙酮洗涤，60'C真 空干燥12 h以上。化学键合相硅胶填料的封端处理称取一定量的化学键合相硅胶填料， 置于一定容积的高压釜中，加入一定量的小分子硅烷试剂，混合均匀，密封 高压釜，通入干燥惰性气体。搅拌下将反应釜升温到100-35(TC之间，开始 计时反应，反应进行O. 5-10h。停止加热，待反应体系冷却至室温，将封端处理过的化学键合相硅胶填料取出，依次用甲醇-水(l:l, v/v)、丙酮洗涤，真空6(TC下干燥12 h。本发明所用的硅胶基质是带有羟基的多孔、耐压、粒度均勾分布的颗粒, 可以是无定形的、球形的硅胶，其表面积在50 - 500 mVg，颗粒直径在2 - 50—。 化学键合反应所用硅烷改性剂可以是所有的硅烷化反应试剂，如烷基硅烷试 剂中碳链长度在d-C4。之间的所有硅垸化试剂，三甲基氯硅烷，六甲基二硅 氮烷，六甲基环三硅氧烷，3-巯丙基三乙氧基硅烷，Y-氨丙基三乙氧基硅烷, 乙烯基三乙氧基硅烷，Y-(2， 3环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷，甲基三甲氧基 硅烷，苯基三甲氧基硅烷等。硅烷化试剂与硅羟基反应的官能团为氯或烷氧 基，反应官能团可以从1个变化到3个，烷氧基可以是甲氧基或乙氧基。所用 惰性气体可以是氮气、氢气、氩气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气等。反 应器的容积可以从IO ml变化到10000 ml，温度控制范围为室温到350°C 。化学键合相硅胶填料惰性化处理所用封端试剂为小分子低沸点硅烷化试剂，如 三甲基氯硅烷(TMCS)、六甲基二硅氮烷(HMDS)、六甲基环三硅氧烷(D3)、 二甲基二氯硅烷(DMDCS)、 一甲基三氯硅烷(MTCS)、八甲基环四硅氧烷(D4)、 十甲基环五硅氧烷(D5)等。所用碱性催化剂可以为吡啶、三乙胺、二乙胺、 咪唑、2, 6-二甲基吡嚏、2, 4-二甲基吡啶等。按上述本发明的制备路线，首先对硅胶基质进行酸化，然后釆用高压釜 反应装置，在一定温度下，以气化了的硅烷化试剂本身作为化学键合反应试 剂，通过扩散-表面吸附-表面化学键合反应-解吸过程的气固相反应历程，与 酸化硅胶表面的硅羟基发生化合作用，从而直接键合具有分离选择性的功能 基团，以制备硅胶基质化学键合相镇料。通过进一步封端处理，制备出具有 合适选择性功能基团、对碱性化合物具有惰性的化学键合相硅胶填料。按照 本发明，高压釜中气固相反应法具有反应耗时短，不需要消耗大量昂贵且具 有污染性的有机溶剂，处理量大，操作安全可靠，后处理工作简单，批次间 制备重复性好等优点。更为重要的是，本方法所制得的化学键合相硅胶填料 较传统有机溶剂法表面功能团键合率高，从而提高了样品分离分析的选择性 和分离度。
图1是实施例4中数据分析图；3.0g酸化层析硅胶，固定Y-巯丙基三甲 氧基硅垸试剂用量为l. 5 ml,三乙胺O. 3 ml,反应时间6h，反应温度对硅胶 表面键合量的影响；横坐标为反应温度单位为t:;纵坐标为表面键合量，单 位为mmol/g。图2是实施例5中的数据分析图；3. Og酸化层析硅胶，固定反应温度150 °C,三乙胺O. 3ml，反应时间6h,所用Y-巯丙基三甲氧基硅烷试剂对硅胶表 面键合量的影响；横坐标为巯基硅烷试剂用量，单位为mL;纵坐标为表面 键合量，单位为mmol/g。图3是实施例6中的数据分析图；3.0g酸化层析硅胶，固定反应温度150 。C,三乙胺O. 3 ml, Y-巯丙基三甲氧基硅烷试剂用量为1.5 ml,反应时间对 硅胶表面键合量的影响；横坐标为反应时间，单位为h;纵坐标为表面键合 量，单位为mmol/g。图4是实施例7中的数据分析图；传统有机溶剂法和气固相发应法在最优反应条件下制备化学键合硅胶填料硅胶表面键合量的比较；纵坐标为表面键 合量，单位为mmol/g。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明的技术给予进一步的说明。 实施例l采用传统液相有机溶剂反应法合成硅胶基质化学键合相填料。称取20. 0 g柱层析硅胶(青岛海洋化工厂分厂，粒度200 - 30()目)，放 入到三口瓶中，安装冷凝管，加入200！111 10%盐酸水溶液，10^C机械搅拌回 流12 h，用去离子水反复洗涤至滤液呈中性，9(TC真空干燥12 h。称取6. G g酸化预处理过的硅胶，9(TC真空干燥12 h，冷却后置入三口瓶 中，安装冷凝管和干燥管。加入脱水甲苯60ml (活化分子筛处理12 h以上)、 三乙胺0.6ml、 Y-巯丙基三甲氧基硅烷3 ml。机械搅拌，通入干燥氮气并加 热至甲苯回流。11(TC恒温反应12h。停止反应，所得硅胶基质化学键合相填 料依次用甲苯、甲醇、甲醇-水(l:l, v/v)、甲醇、丙酮洗涤。6(TC真空干燥 12 h以上。实施例2釆用气固相反应法合成硅胶基质化学键合相填料。称取3. 0 g的干燥酸化预处理过的柱层析硅胶，置入250 ml的高压釜中， 然后加入l. 5ml Y-巯丙基三甲氧基硅烷和O. 3ml的三乙胺，搅拌均勾，密封 高压釜，通人干燥惰性气体，然后将反应釜升温到25(TC，反应进行3 h。停 止加热，待反应体系冷却至室温，所得硅胶基质化学键合相填料依次用甲醇-水，丙酮洗涤，真空6(TC下干燥12 h。称取3. Og干燥巯基化学键合相填料，置入250 ml的高压釜中，加入3. Offll 六甲基二硅氮烷(HMDS),搅拌均匀，密封高压釜，通入惰性气体，将反应釜 升温到25(TC,反应3 h,停止加热，冷却至室温，依次用甲醇-水，丙酮洗 涤，6(TC真空干燥12 h,得到封端处理过的巯基化学键合相填料。实施例3巯基硅胶填料表面键合率的测定 .1、 精确秤取O. 1 g左右键合了巯基的硅胶填料2、 精确配制l mol/L的H2S04标准溶液精确量取14. 21 ml的浓H2S0"溶 解在去离子水中，250 ml容量瓶定容3、 精确配制O. 2 mol/L KMn04-1 mol/L 1^04标准溶液:精确秤取8. 3158 g KMn04,精确量取14. 21 ml浓H2S(V溶解在去离子水中，250 ml容量瓶定容4、 将精确秤取的O. 1 g左右键合巯基的硅胶填料分散在20 ml 1 mol/L的H2S(U示准溶液中，超声1-5 min，用精确配制的O. 2 mol/L KMn04-1 mol/L H2S04 标准溶液进行滴定，滴定至溶液呈粉红即为终点，精确测定所用0.2 mol/L KMn04-1 mol/L 112304标准溶液的量5、计算5Si-SH + 9H2S04 + 6KMn04——^ 5Si-S03H + 3K2S04 + 6MnS04 + 9H20通过计量关系计算硅胶表面巯基功能基团键合量，每个样品每次平行测 定3次，取平均值。实施例4以3. 0 g酸化柱层层析硅胶填料为反应基质材料，固定-巯丙基三甲氧 基硅烷试剂用量l. 5 ml, 0. 3ml三乙胺，反应时间为6h,考察反应温度对硅 胶表面键合量硅胶表面巯基键合量的影响从10(TC-25(TC间隔25t:选择一个 温度，IO(TC, 125°C， 150°C, 175°C， 200°C, 225°C， 250°C。图l为硅胶表 面键合巯丙基功能基团的量随反应温度的变化曲线。实施例5以3. Og酸化柱层层析硅胶为反应基质材料，固定反应温度15(TC， 0.3 ml 三乙胺，反应时间为6 h,考察-巯丙基三甲氧基硅烷试剂用量对硅胶表面 键合率的影响0. 5ml， l.Oml， 1.5 ml, 2. Oml， 2. 5ml。图2为硅胶表面 键合巯丙基功能基团的量随硅烷试剂用量的变化关系曲线。实施例6以3. 0 g酸化柱层层析硅胶为反应基质材料，固定反应温度15(TC, -巯丙基三甲氧基硅垸试剂用量为l.5 ml, 0.3ml三乙胺，考察l h, 3 h， 5 h， 6h, 8 h等不同的反应时间对硅胶表面键合率的影响。图3为硅胶表面键合巯 丙基功能基团的量随反应时间的变化关系曲线。实施例7将实施例l的有机溶剂法制备巯基功能基团硅胶填料的化学键合反应重复三次，每次所得硅胶基质化学键合相填料分别进行表面键合量的测定，取平均值，为l. Ommol/g。在如下条件下进行三次实施例2的气固相化学键合反应 3. Og酸化硅胶，Y-巯丙基三甲氧基硅烷l. 5 ml， 0. 3ml三乙胺，15(TC反应 3h。分别测定每次所得硅胶基质化学键合相填料，取平均值，为L 34誦ol/g。 两种制备方法的键合量如图4所示。实施例8实施例2方法所制得巯基化学键合相硅胶填料能从稀溶液中定量地吸附 某些金属离子，在分离分析、富集和回收微量金属离子方面显示出优异的性 能，故在分析、冶金、水质处理和海洋资源利用等领域具有广泛的应用价值。实施例9釆用实施例2方法制备以球型硅胶(BaseLine Sil,球型硅胶，粒径5 Mm,比表面积250 mVg,孔径100 A )为基质封端处理过的巯基化学键合 相硅胶填料，并釆用实施例3方法对封端处理过的巯基化学键合相硅胶填料 进行氧化处理，从而制得表面为磺酸基的化学键合相硅胶填料，可用于强阳 离子交换色谱分离分析。
权利要求
1、一种硅胶基质化学键合相填料的制备方法，其特征在于，包括下述过程步骤一硅胶基质填料的酸化预处理，得到富含羟基的硅胶基质颗粒；步骤二硅胶基质填料的键合，把干燥的带有羟基的硅胶基质颗粒转移到一定容积的高压釜中，加入一定量的硅烷化试剂，碱性催化剂，密封高压釜，充入惰性气体；在适当的温度下反应数小时，反应结束后，取出并洗涤干燥反应产物，得到硅胶基质的化学键合相填料；步骤三硅胶基质化学键合相填料的惰性化处理，把干燥的硅胶基质化学键合相填料转移到一定容积的高压釜中，加入一定量的封端试剂，混合均匀，密封高压釜，通入干燥惰性气体，在适当的温度下反应数小时，反应结束后，取出并洗涤干燥反应产物，获得惰性化的硅胶基质化学键合相填料。
2、 根据权利要求1所述的一种硅胶基质化学键合相填料的制备方法，其 特征在于，所述硅胶基质颗粒可以是无定型及球型的硅胶。
3、 根据权利要求l所述的一种硅胶基质化学键合相填料的制备方法，其 特征在于，所述硅胶基质的粒径可以从2pm变化到50^m。
4、 根据权利要求l所述的一种硅胶基质化学键合相填料的制备方法，其 特征在于，所述硅胶基质的比表面积可以从50 m7g变化到500 mVg。
5、 根据权利要求1或2所述的一种硅胶基质化学键合相填料的制备方法， 其特征在于，所述颗粒进行酸化预处理，是将基质颗粒中加入一定量的10% 的盐酸溶液，在三口瓶中105。C机械搅拌回流12 h，用去离子水反复洗涤至 滤液呈中性，得到表面羟基均匀分布的高纯硅胶填料。
6、 根据权利要求l所述的一种硅胶基质化学键合相填料的制备方法，其 特征在于，所述硅烷化试剂是含烷基链的单、双或三官能团的化合物。
7、 根据权利要求l所述的一种硅胶基质化学键合相填料的制备方法，其 特征在于，所述的硅烷化试剂与硅羟基反应的官能团为氯或烷氧基，烷氧基可以是甲氧基或乙氧基。
8、 根据权利要求l所述的一种硅胶基质化学键合相填料的制备方法，其特征在于，所述高压釜为具有温度控制的高压釜，反应器的容积可以从10mL 变化到10000mL，温度控制范围为室温到35(TC。
9、 根据权利要求1所述的一种硅胶基质化学键合相填料的制备方法，其 特征在于，硅胶基质化学键合相填料制备反应是在惰性气体中进行，惰性气 体至少是以下气体中的一种氮气、氢气、氩气、氖气、氩气、氪气、氙气、 氡气。
10、 根据权利要求1所述的一种硅胶基质化学键合相填料的制备方法， 其特征在于，置于高压釜中的硅胶基质化学键合相填料制备反应是在搅拌条 件下进行的。
11、 根据权利要求1所述的一种硅胶基质化学键合相填料的制备方法， 其特征在于，所述硅烷改性剂可以是碳链长度在C「C4。之间的所有硅烷化试 剂；例如三甲基氯硅烷、六甲基二硅氮烷、六甲基环三硅氧烷、3-巯丙基 三乙氧基硅烷、Y-氨丙基三乙氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅垸、Y- (2， 3 环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷。
12、 根据权利要求1所述的一种硅胶基质化学键合相填料的制备方法， 其特征在于，所用硅胶基质化学键合相填料制备反应是气固相化学反应。
13、 根据权利要求1所述的一种硅胶基质化学键合相填料的制备方法，其特征在于，所用碱性催化剂至少是以下一种吡啶、三乙胺、二乙胺、咪 哇、2, 6-二甲基吡P定、2, 4-二甲基吡啶。
14、 根据权利要求1所述的一种硅胶基质化学键合相填料的制备方法，其特征在于，化学键合相硅胶填料惰性化处理所用封端试剂至少是以下一种 三甲基氯硅烷(TMCS)、六甲基二硅氮烷(HMDS)、六甲基环三硅氧烷(D3)、 二甲基二氯硅烷(DMDCS)、 一甲基三氯硅烷(MTCS)、八甲基环四硅氧烷(D4)、 十甲基环五硅氧烷(D5)。
全文摘要
本发明涉及一种硅胶基质化学键合相填料的制备方法，属于高效液相色谱技术领域。该方法包括下述过程步骤一硅胶基质填料的酸化预处理，得到富含羟基的硅胶基质颗粒；步骤二硅胶基质填料的键合；步骤三硅胶基质化学键合相填料的惰性化处理。本方法所制得的化学键合相硅胶填料较传统有机溶剂法表面功能团键合率高，从而提高了样品分离分析的选择性和分离度。
文档编号B01J20/286GK101234339SQ20071015017
公开日2008年8月6日 申请日期2007年11月14日 优先权日2007年11月14日
发明者万谦宏, 郭志强, 磊 陈 申请人:天津大学