多乙烯多胺接枝改性聚苯乙烯-二乙烯基苯离子色谱填料的制备方法

摘要

本发明公开了一种2,3-环氧丙基三甲基氯化铵修饰的多乙烯多胺接枝改性聚苯乙烯-二乙烯基苯离子色谱填料的制备方法以聚苯乙烯-二乙烯基苯微球为载体基质，通过甲基丙烯酸缩水甘油酯对聚苯乙烯-二乙烯基苯微球进行改性，得到具有环氧基团的改性聚苯乙烯-二乙烯基苯微球，再将二乙烯三胺或三乙烯四胺或四乙烯五胺等多乙烯多胺类分子接枝到改性的聚苯乙烯-二乙烯基苯微球上，接枝后的改性微球以2,3-环氧丙级三甲基氯化铵进行功能化修饰。本发明用甲基丙烯酸缩水甘油酯改性聚苯乙烯-二乙烯基苯微球，使微球载体具有环氧基团，再将二乙烯三胺或三乙烯四胺等多烯多胺类接枝到改性后的微球上，使微球表面修饰上大量的胺基。

说明书

技术领域

本发明涉及一种色谱填料的制备方法，具体地说，是一种2,3-环氧丙基三甲基氯化铵修饰的多乙烯多胺接枝改性聚苯乙烯-二乙烯基苯离子色谱填料的制备方法。

背景技术

离子色谱(IC)是高效液相色谱(HPLC)的一个重要分支，在色谱分析领域中是应用最广、发展最快的分支之一，是各类阴阳离子分析的首选手法。离子色谱具有优越的灵敏度、选择性，尤其在分析常规阴、阳离子、有机酸、脂肪胺、芳香胺以及糖类、氨基酸等生物分子发挥着极其重要的作用。离子色谱最初应用于环境监测中水中痕量阴、阳离子的分析，随着离子色谱分离技术的不断发展成熟和检测水平的提高，目前离子色谱也广泛应用于电力和能源行业、电子行业、食品饮料行业、制药行业、化学工业和生命科学领域。

离子色谱最通用的分离方式是离子交换法，固定相为离子交换树脂填料。固定相由不溶性的基质载体和功能基团组成。基质载体决定了填料的大小和分布，填料颗粒的抗压强度，孔径大小和分布，填料结构的刚性和稳定性等，基质的结构性质也决定了化学修饰方法的实施。离子交换树脂填料的基质载体包括硅胶和高分子聚合物两类。功能基团与基质载体的结合包括共价键结合，如在表面进行直接离子化修饰；表面附聚是指带有功能基团的单层乳胶以静电作用力附着在基质微球表面离子键结合；表面接枝型是将化合物通过化学反应与基质键合，然后通过接枝上的分子进行修饰。

硅胶型的阴离子交换色谱填料是有硅胶颗粒外层涂上一层含有季胺基的十二烷基甲基丙烯酸酯聚合物(相对分子量500)。一般的离子交换容量为0.012mmol/g，可允许的pH范围为4～9，不耐强酸强碱。高分子聚合物树脂耐受很宽的H范围(pH0～14)，可用强酸或强碱作淋洗液，较为通用的有聚苯乙烯-二乙烯基苯树脂(PSt-DVB)，乙基乙烯基苯-二乙烯基苯共聚物(EVB-DVB)、聚甲基丙烯酸酯和聚乙烯聚合物等基质，其中PSt-DVB是重要的阴离子交换固定相基质材料。PSt-DVB型离子交换树脂是由苯乙烯和二乙烯基苯单体悬浮聚合得到，具有网状结构。根据二乙烯基苯的含量不同可以控制树脂的交联度，二乙烯基苯含量越高，交联度大，形成大孔型树脂具有刚性结构，树脂内部有一定的孔隙。在基质载体微球上引入功能基团，阴离子交换树脂的功能基团主要是季铵基团。

发明内容

本发明针对现有技术的不足之处作出改进，提供了一种2,3-环氧丙基三甲基氯化铵修饰的多乙烯多胺接枝改性聚苯乙烯-二乙烯基苯离子色谱填料的制备方法，将2,3-环氧丙基三甲基氯化铵修饰的二乙烯三胺、三乙烯四胺等多乙烯多胺类以“接枝到”方式接枝改性的聚苯乙烯-二乙烯基苯的阴离子色谱填料的制备方法，以及活性阳离子试剂2,3-环氧丙级三甲基氯化铵(EPTAC)，二乙烯三胺、三乙烯四胺等多乙烯多胺类在色谱填料制备合成中的应用方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明公开了一种2,3-环氧丙基三甲基氯化铵修饰的多乙烯多胺接枝改性聚苯乙烯-二乙烯基苯离子色谱填料的制备方法，以聚苯乙烯-二乙烯基苯微球为载体基质，通过甲基丙烯酸缩水甘油酯对聚苯乙烯-二乙烯基苯微球进行改性，得到具有环氧基团的改性聚苯乙烯-二乙烯基苯微球，再将二乙烯三胺或三乙烯四胺或四乙烯五胺等多乙烯多胺类分子接枝到改性的聚苯乙烯-二乙烯基苯微球上，接枝后的改性微球以2,3-环氧丙级三甲基氯化铵(EPTAC)进行功能化修饰，最终得到对阴离子具有保留效果的季铵型阴离子交换色谱填料，用匀浆法装柱。

作为进一步地改进，本发明所述的具体制备步骤为：

1)、采用分散聚合法合成单分散的线性聚苯乙烯微球种子，以苯乙烯为单体，聚乙烯吡咯烷酮作为稳定剂，偶氮二异丁腈为引发剂，在乙醇溶液为反应介质中通过自由基引发聚合反应生成单分散的聚苯乙烯种子；

2)、采用单步种子溶胀法合成高交联度的聚苯乙烯-二乙烯基苯基质载体微球。取适量聚苯乙烯种子，加入领苯二甲酸二丁酯对种子进行活化，种子活化后加入苯乙烯单体、二乙烯基苯单体、乳化剂十二烷基磺酸钠、稳定剂聚乙烯醇、引发剂过氧化苯甲酰、致孔剂甲苯，搅拌使反应体系充分溶胀12到24小时，加热引发聚合反应，反应生成单分散聚苯乙烯-二乙烯基苯微球；

3)、采用甲基丙烯酸缩水甘油酯对聚苯乙烯-二乙烯基苯微球进行改性；

4)、采用二乙烯三胺或三乙烯四胺等多乙烯多胺类对改性微球进行超支化修饰，使微球具有胺基；

5)、采用2,3-环氧丙基三甲基氯化铵(EPTAC)功能化修饰经过步骤4)处理的微球，最终得到对阴离子具有保留效果的季铵型阴离子交换树脂；

6)、洗涤干燥后的色谱填料用匀浆法装柱。

作为进一步地改进，本发明所述的步骤1)中种子种子的粒径在2.5～3.5μm，粒径分布均匀，反应介质为95％乙醇。

作为进一步地改进，本发明所述的步骤2)中微球的粒径在5～7μm，粒径分布均匀，稳定剂为聚乙烯吡咯烷酮，引发剂为偶氮二异丁腈。

作为进一步地改进，本发明所述的步骤4)中，反应介质为1,4-二氧六环：甲苯混合溶液，反应温度80～90℃，反应时间10～12小时。

作为进一步地改进，本发明所述的所述的步骤5)中，2,3-环氧丙基三甲基氯化铵的用量为8倍及以上当量的二乙烯三胺或三乙烯四胺等多乙烯多胺类分子，反应温度50～60℃，反应时间2～4小时。

作为进一步地改进，本发明所述的步骤4)中，接枝到改性微球上的多乙烯多胺类分子可以是乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺、五乙烯六胺、六乙烯七胺以及衍生物二丙烯三胺分子。

作为进一步地改进，本发明所述的季铵根官能基团的含量可以通过控制2,3-环氧丙基三甲基氯化铵环氧基的开环反应程度来控制，多余的2,3-环氧丙基三甲基氯化铵通过洗涤抽滤等操作即可除去。

作为进一步地改进，本发明所述的阴离子交换色谱填料季铵化的程度可以通过接枝的多乙烯多胺类分子的链长进行控制，链长越长，所含胺基越多，最终季铵化的程度就会越高。链长由短及长依次为二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺、五乙烯六胺、六乙烯七胺、七乙烯八胺。本发明公开了一种二乙烯三胺、三乙烯四胺等多乙烯多胺类接枝改性的聚苯乙烯-二乙烯基苯微球，再以2,3-环氧丙基三甲基氯化铵(EPTAC)功能化修饰接枝后的微球，从而合成对阴离子具有强保留效果的季铵型阴离子色谱填料的制备方法。以聚苯乙烯-二乙烯基苯微球为载体基质，通过甲基丙烯酸缩水甘油酯对聚苯乙烯-二乙烯基苯微球进行改性，得到具有环氧基团的改性聚苯乙烯-二乙烯基苯微球，再将二乙烯三胺或三乙烯四胺或四乙烯五胺等多乙烯多胺类分子接枝到改性的聚苯乙烯-二乙烯基苯微球上，接枝后的改性微球以2,3-环氧丙级三甲基氯化铵(EPTAC)进行功能化修饰，最终得到对阴离子具有保留效果的季铵型阴离子交换色谱填料，用匀浆法装柱。

作为进一步的改进，本发明所述的具体步骤为：

1)、采用分散聚合法合成单分散的线性聚苯乙烯微球种子，以苯乙烯为单体，聚乙烯吡咯烷酮作为稳定剂，偶氮二异丁腈为引发剂，乙醇溶液为反应介质，通过自由基引发聚合反应生成单分散的聚苯乙烯种子，种子的粒径在2.5～3.5μm，粒径分布均匀；

2)、采用单步种子溶胀法合成高交联度的聚苯乙烯-二乙烯基苯基质载体微球。取适量聚苯乙烯种子，加入领苯二甲酸二丁酯对种子进行活化，种子活化后加入苯乙烯单体、二乙烯基苯单体、乳化剂十二烷基磺酸钠、稳定剂聚乙烯醇、引发剂过氧化苯甲酰、致孔剂甲苯，搅拌使反应体系充分溶胀12到24小时，加热引发聚合反应，反应生成单分散聚苯乙烯-二乙烯基苯微球，微球的粒径在5～7μm，粒径分布均匀；

3)、采用甲基丙烯酸缩水甘油酯对聚苯乙烯-二乙烯基苯微球进行改性；

4)、采用二乙烯三胺或三乙烯四胺等多乙烯多胺类对改性微球进行超支化修饰，使微球具有胺基；

5)、采用2,3-环氧丙基三甲基氯化铵(EPTAC)功能化修饰经过4)处理的微球，最终得到对阴离子具有保留效果的季铵型阴离子交换树脂。

6)、洗涤干燥后的色谱填料用匀浆法装柱。

作为进一步地改进，本发明所述的步骤1)中反应介质为95％乙醇。

作为进一步地改进，本发明所述的步骤2)中的稳定剂为聚乙烯吡咯烷酮，引发剂为偶氮二异丁腈。

作为进一步地改进，本发明所述的步骤4)中，用1,4-二氧六环：甲苯(4:1)作为溶剂，反应温度80～90℃，反应时间10～12小时。

作为进一步地改进，本发明所述的步骤5)中，2,3-环氧丙基三甲基氯化铵的用量为8倍及以上当量的二乙烯三胺或三乙烯四胺等多乙烯多胺类，反应温度50～60℃，反应时间2～4小时。

作为进一步地改进，本发明所述的多乙烯多胺类包括乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺、五乙烯六胺、六乙烯七胺以及衍生物二丙烯三胺等对改性微球进行接枝。

作为进一步地改进，本发明所述的季铵根官能基团的含量可以通过控制2,3-环氧丙基三甲基氯化铵环氧基的开环反应程度来控制，多余的2,3-环氧丙基三甲基氯化铵通过洗涤抽滤等操作即可除去。

本发明的优点如下：

本发明用甲基丙烯酸缩水甘油酯改性聚苯乙烯-二乙烯基苯微球，使微球载体具有环氧基团，再将二乙烯三胺或三乙烯四胺等多烯多胺类接枝到改性后的微球上，使微球表面修饰上大量的胺基。通过改变甲基丙烯酸缩水甘油酯的用量可以改变聚苯乙烯二乙烯基苯改性程度，即环氧基的含量。通过选择不同的多烯多胺类分子，如二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺等可以改变微球表面接枝上的胺基量。再通过2,3-环氧丙基三甲基氯化铵(EPTAC)对微球表面的胺基进行季铵化功能修饰。通过接枝不同链长的多乙烯多胺，对季铵化程度进行控制改变，从而制得对阴离子具有不同保留效果的阴离子交换色谱填料。如以二乙烯三胺及三乙烯四胺为接枝分子的色谱填料对阴离子都有较强且不同的保留效果，能够有效分离常规无机阴离子和乳酸、草酸等多种有机酸。

附图说明

图1是二乙烯三胺-改性聚苯乙烯-二乙烯基苯--EPTAC色谱填料的化学结构模型；

图2是三乙烯四胺-改性聚苯乙烯-二乙烯基苯--EPTAC色谱填料的化学结构模型；

图3是四乙烯五胺-改性聚苯乙烯-二乙烯基苯--EPTAC色谱填料的化学结构模型；

图4二乙烯三胺-改性聚苯乙烯-二乙烯基苯--EPTAC色谱填料对六种常规阴离子的色谱图；1-F^-(1ppm)，2-Cl^-(2ppm)，3-NO₂^-(5ppm)，4-Br^-(5ppm)，5-SO₄^2-(6ppm)，6-NO₃^-(5ppm)；

图5三乙烯四胺-改性聚苯乙烯-二乙烯基苯--EPTAC色谱填料对常规阴离子和有机酸的混合样品的色谱图；

1-F^-(1ppm)，5-SO₄^2-(6ppm)，7-乙酸根(15ppm)，8-丙酸根(15ppm)，9-溴酸根(5ppm)，10-一氯乙酸根，11-草酸根(20ppm)。

具体实施方式

本发明公开了一种改性的聚苯乙烯-二乙烯基苯基质微球接枝二乙烯三胺等多乙烯多胺类分子，再以2,3-环氧丙基三甲基氯化铵修饰功能化制备阴离子色谱填料的方法。以聚苯乙烯-二乙烯基苯为基质微球，用甲基丙烯酸缩水甘油酯对微球进行环氧基改性；以二乙烯三胺、三乙烯四胺或四乙烯五胺等多乙烯多胺类分子接枝改性聚苯乙烯-二乙烯基苯微球；以2,3-环氧丙基三甲基氯化铵对接枝后的微球进行季铵功能团修饰，从而得到对阴离子具有保留效果的阴离子交换色谱填料，用匀浆法装柱。具体实施步骤如下：

1)、采用分散聚合法合成单分散的线性聚苯乙烯微球种子。以苯乙烯为单体，聚乙烯吡咯烷酮作为稳定剂，偶氮二异丁腈为引发剂，在95％乙醇为反应介质中通过自由基引发聚合反应生成单分散的聚苯乙烯种子，种子的粒径在3μm左右，粒径均匀。

2)、采用单步种子溶胀法合成高交联度的聚苯乙烯-二乙烯基苯基质载体微球。取适量聚苯乙烯种子，加入领苯二甲酸二丁酯对种子进行活化，种子活化后加入苯乙烯单体、二乙烯基苯单体、乳化剂十二烷基磺酸钠、稳定剂聚乙烯醇、引发剂过氧化苯甲酰、致孔剂甲苯，搅拌使反应体系充分溶胀，再加热引发聚合反应，反应生成单分散聚苯乙烯-二乙烯基苯微球，微球的粒径在5～7μm，粒径分布均匀；

3)、采用甲基丙烯酸缩水甘油酯对聚苯乙烯-二乙烯基苯微球进行改性，使微球具有大量环氧基；

4)、采用二乙烯三胺或三乙烯四胺或四乙烯五胺等多乙烯多胺类对改性微球进行超支化修饰，使微球具有胺基；

5)、采用2,3-环氧丙基三甲基氯化铵(EPTAC)功能化修饰经过4)处理的微球，最终得到对阴离子具有保留效果的季铵型阴离子交换树脂；

6)、洗涤干燥后的色谱填料用匀浆法装柱。

本发明改性聚苯乙烯-二乙烯基苯微球环氧基的含量可以通过加入的甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)的量进行控制，接枝多乙烯多胺类分子的反应介质为1,4-二氧六环：甲苯(4:1)混合溶液，微球表面的胺基为多乙烯多胺上的胺基，对微球表面胺基的季铵化方法采用的试剂是2,3-环氧丙基三甲基氯化铵(EPTAC)。

下面通过具体实施例子对本发明的技术方案作进一步的说明：

实施例1

2,3-环氧丙基三甲基氯化铵修饰的二乙烯三胺接枝改性聚苯乙烯-二乙烯基苯的离子色谱柱的制作过程如下，其步骤为：

(1)先通过分散聚合法合成1.8μm单分散线型聚苯乙烯种子，然后通过种子溶胀法制备得到交联的单分散聚苯乙烯-二乙烯基苯(PSt-DVB)微球。用甲基丙烯酸缩水甘油酯对聚苯乙烯-二乙烯基苯微球进行改性，使微球具有大量环氧基；

(2)采用二乙烯三胺对改性微球进行超支化修饰，使微球具有胺基，反应介质为1,4-二氧六环：甲苯(体积比4:1)，反应温度为80℃。

(3)采用活性阳离子化试剂2,3-环氧丙基三甲基氯化铵(EPTAC)对接枝到改性微球上的胺基进行季铵化功能化修饰，反应温度50℃。图1为二乙烯三胺-改性聚苯乙烯-二乙烯基苯--EPTAC色谱填料的化学结构模型。洗涤干燥后得到具有保留效果的阴离子色谱填料，用匀浆法装柱。

(4)采用10mmol/L的氢氧化钠溶液作为淋洗液，流速为1.00ml/min，采用抑制电导检测器对常规阴离子以及有机酸进行检测。

图1为二乙烯三胺-改性聚苯乙烯-二乙烯基苯--EPTAC色谱填料的化学结构模型。

实施例2

2,3-环氧丙基三甲基氯化铵修饰的三乙烯四胺接枝改性聚苯乙烯-二乙烯基苯的离子色谱柱的制作过程如下，其步骤为：

(1)先通过分散聚合法合成1.8μm单分散线型聚苯乙烯种子，然后通过种子溶胀法制备得到交联的单分散聚苯乙烯-二乙烯基苯(PSt-DVB)微球。用甲基丙烯酸缩水甘油酯对聚苯乙烯-二乙烯基苯微球进行改性，使微球具有大量环氧基；

(2)采用三乙烯四胺对改性微球进行超支化修饰，使微球具有胺基，反应介质为1,4-二氧六环：甲苯(体积比4:1)，反应温度为85℃。

(3)采用活性阳离子化试剂2,3-环氧丙基三甲基氯化铵(EPTAC)对接枝到改性微球上的胺基进行季铵化功能化修饰，反应温度55℃。图2为三乙烯四胺-改性聚苯乙烯-二乙烯基苯--EPTAC色谱填料的化学结构模型。洗涤干燥后得到具有保留效果的阴离子色谱填料，用匀浆法装柱。

(4)采用10mmol/L的氢氧化钠溶液作为淋洗液，流速为1.00ml/min，采用抑制电导检测器对常规阴离子以及有机酸进行检测。

图2为三乙烯四胺-改性聚苯乙烯-二乙烯基苯--EPTAC色谱填料的化学结构模型。

实施例3

2,3-环氧丙基三甲基氯化铵修饰的四乙烯五胺接枝改性聚苯乙烯-二乙烯基苯的离子色谱柱的制作过程如下，其步骤为：

(1)先通过分散聚合法合成1.8μm单分散线型聚苯乙烯种子，然后通过种子溶胀法制备得到交联的单分散聚苯乙烯-二乙烯基苯(PSt-DVB)微球。用甲基丙烯酸缩水甘油酯对聚苯乙烯-二乙烯基苯微球进行改性，使微球具有大量环氧基；

(2)采用四乙烯五胺对改性微球进行超支化修饰，使微球具有胺基，反应介质为1,4-二氧六环：甲苯(体积比4:1)，反应温度为90℃。

(3)采用活性阳离子化试剂2,3-环氧丙基三甲基氯化铵(EPTAC)对接枝到改性微球上的胺基进行季铵化功能化修饰，反应温度60℃。图3为四乙烯五胺-改性聚苯乙烯-二乙烯基苯--EPTAC色谱填料的化学结构模型。洗涤干燥后得到具有保留效果的阴离子色谱填料，用匀浆法装柱。

(4)采用10mmol/L的氢氧化钠溶液作为淋洗液，流速为1.00ml/min，采用抑制电导检测器对常规阴离子以及有机酸进行检测。

图3为四乙烯五胺-改性聚苯乙烯-二乙烯基苯--EPTAC色谱填料的化学结构模型。

实施例4

二乙烯三胺-改性聚苯乙烯-二乙烯基苯--EPTAC色谱柱性能测试

仪器：DionexICS-2000离子色谱仪配有DS6电导池、ASRS-4mm阴离子抑制器、EG50淋洗液发生器、自制离子色谱柱

试样：F^-，Cl^-，NO₂^-，Br^-，SO₄^2-，NO₃^-(均为分析纯)

淋洗液：10mM/molKOH溶液

分离柱：自制的填料填装于4.6×150mm不锈钢柱

流速：1.00ml/min

图4为六种常规阴离子样品的色谱图

色谱图中1-F^-(1ppm)，2-Cl^-(2ppm)，3-NO₂^-(5ppm)，4-Br^-(5ppm)，5-SO₄^2-(6ppm)，6-NO₃^-(5ppm)。

图4中的六种常规阴离子能够完全彻底地分离，各阴离子的保留时间各不相同，说明该色谱填料柱对阴离子具有优良的分析效果，是有效的阴离子交换色谱柱。

实施例5

三乙烯四胺-改性聚苯乙烯-二乙烯基苯--EPTAC色谱柱性能测试

仪器：DionexICS-2000离子色谱仪配有DS6电导池、ASRS-4mm阴离子抑制器、EG50淋洗液发生器、自制离子色谱柱

试样：F^-，SO₄²，乙酸根，丙酸根，溴酸根，一氯乙酸根，草酸根

淋洗液：15mM/molKOH溶液

分离柱：自制的填料填装于4.6×150mm不锈钢柱

流速：1.00ml/min

图5为常规无机阴离子和有机酸混合样品的色谱图

色谱图中1-F^-(1ppm)，5-SO₄^2-(6ppm)，7-乙酸根(15ppm)，8-丙酸根(15ppm)，9-溴酸根(5ppm)，10-一氯乙酸根，11-草酸根(20ppm)。

图5中的无机阴离子和有机酸根离子能完全分离，保留时间各不相同，说明该色谱填料柱对有机酸和无机阴离子具有优良的分离效果。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。