專利名稱：一種用于兩水相體系的pH敏感型可再生兩性離子聚合物及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于兩水相分離體系的水溶性聚合物，尤其涉及一種用于兩水相分離體系、可回收再利用的PH敏感型甲基丙烯酸酯類聚合物及其制備方法。
背景技術(shù)：
兩水相體系一般是指高聚物—高聚物之間或高聚物與無機(jī)鹽之間在水中以適當(dāng)?shù)臐舛热芙馑纬傻幕ゲ幌嗳艿膬蓚€(gè)水相體系。由于兩水相體系具有界面張力低，分離過程溫和，設(shè)備投資少，能耗小，操作簡(jiǎn)單，易于放大，且不存在有機(jī)溶劑殘留問題，因此在生物質(zhì)及藥物分離與提取中具有極具潛力的應(yīng)用前景。但是，由于生物成本及環(huán)境原因，成相聚合物需要回收，循環(huán)再生利用。如何制備溶解可逆的高聚物，使其適用于兩水相萃取或生物轉(zhuǎn)化便成為兩水相分離技術(shù)的關(guān)鍵。過去幾十年，人們進(jìn)行了各種努力，但始終未完全解決問題，這種狀況阻礙了兩水相萃取技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用。近十幾年，關(guān)于兩水相體系的成相聚合物回收利用問題成為研究熱點(diǎn)。
其中一個(gè)引入注目的聚合物是環(huán)氧乙烷(EO)和環(huán)氧丙烷(PO)的無規(guī)共聚物EOPO，它是一種熱促相分離的聚合物。Tjerneld等人將EO-PO兩端用憎水基團(tuán)(C14H29)修飾，單獨(dú)用這種修飾過的共聚物(HM-EO-PO)就可形成兩水相體系，上相幾乎含100％水分，下相含5-7％的HM-EO-PO。成相高聚物可通過溫度誘導(dǎo)來回收(Johansson H.O.，Persson J.，TjeneldF，Biotechnol.Bioeng.，1999，66(4)247-257)。之后，Tjerneld等人又將這種修飾的HM-EO-PO與EO-PO組成兩水相體系，則可使兩種高聚物均得到回收，其中，EO-PO在兩相中的回收率是73％，HM-EO-PO的回收率是97.5％(Persson J，Johansson H.O.，Tjerneld F.J.Chromatogr.A，1999，86431-48)。這樣組成的兩水相體系由于兩種高聚物在物化性質(zhì)上十分相似，很難使生物分子在兩相中有明顯的分配差別，且生物分子大都不耐熱，通過加溫來實(shí)現(xiàn)高聚物的回收會(huì)造成生物分子失活，其應(yīng)用受到限制。在其他研究方面，Berlo等利用揮發(fā)性鹽類進(jìn)行相體系回收(Mos V.B.，Karel C.A.M.L.，Lunk A.M.V.D.W.，J.Chromatogr.B.，1998，71161-68)。將PEG加入到含蛋白質(zhì)的水溶液中，通入CO2和NH3使之形成氨基甲酸銨(NH4NH2CO2)，在其到達(dá)一定濃度時(shí)可形成兩水相。進(jìn)行相分離后，解除壓力使NH4NH2CO2揮發(fā)分解并加以重新回收。但這種靠壓力變化來生成兩水相體系在操作上并不方便，且另一相高聚物仍無法回收。Toboada等人將PEG與硫酸鈉組成兩水相，采用蒸發(fā)水分，獲得結(jié)晶硫酸鈉的方法來回收下相的無機(jī)鹽，但這種方法蒸發(fā)耗能大，帶來額外操作成本(Persson J，Johansson H.O.，Galaev I.，Mattiasson B.，Tjerneld F.Bioseparation，2000，9105-116)。Asorf等人則以N，N-dially-N-carboethoxy-methylammoniumChloride為單體，用常規(guī)的方法合成了聚陰離子高聚物，這種聚合物在0.1M HCl中溶解度幾乎為零，并可與PEG35000組成兩水相體系，則可通過PH調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)這種聚合物的回收。但回收需在強(qiáng)酸下進(jìn)行(Hasan A.，Muallem A.，Mohamed I.M.W.，Asrof A.S.K.Polymer，2002，431041-1050)。
關(guān)于PH敏感型的可回收兩水相體系，Patrickios等人利用甲基丙烯酸，甲基丙烯酸甲酯，甲基丙烯酸-2-(二甲氨基)乙酯，甲基丙烯酸苯乙酯為單體通過接枝聚合得到ABC三聚體，與聚乙烯醇(PVA)形成兩水相體系(Patrickios C.S.，Hertler W.R.，Hatton T.A.Fluid PhaseEquilibria，1995，108243-245)。
上述方法是解決聚合物的回收問題的各種嘗試。但由于生物活性物質(zhì)對(duì)過熱、極端PH、壓力非常敏感，劇烈改變這些條件，對(duì)生物活性物質(zhì)破壞很大。因此，研發(fā)一種用于兩水相分離體系、既能保持生物質(zhì)活性又可回收再利用的聚合物成為本領(lǐng)域亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于，提供一種可用于兩水相分離體系、既能保持生物質(zhì)活性又可通過簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)兩性離子等電點(diǎn)的方法回收聚合物及其制備方法。
本發(fā)明的發(fā)明人經(jīng)廣泛且深入的研究，首次合成了一種可用于兩水相分離體系且在溫和PH值下沉淀并回收利用的共聚物。實(shí)現(xiàn)了既能保持生物質(zhì)活性又可回收再利用的聚合物之目的。
本發(fā)明所說的聚合物，其由單體化合物(1)、單體化合物(2)和單體化合物(3)經(jīng)無規(guī)共聚而得，單體化合物(1)、單體化合物(2)與單體化合物(3)均屬于甲基丙烯酸酯類單體化合物。三種單體化合物的優(yōu)選摩爾比為a∶b∶c＝3～6∶1～3∶1。得到的無規(guī)聚合物等電點(diǎn)為7.5-9.0，由凝膠滲透色譜法(GPC)測(cè)得該高聚物的分子量約為5×103-1×104，多分散性指數(shù)約為1.1。
其中
其中R1、R2分別選自H或C1～C6的烷基；R3為C1～C6的烷基；R4為H或C1～C3的烷基。
優(yōu)選方案是R1、R2分別選自C1～C3的烷基；R3為C3～C6的烷基；R4為C1～C3的烷基。
最佳方案為R1、R2均為CH3；R3為異丙基；R4為CH3。
在本發(fā)明中單體化合物(1)是以甲基丙烯酰氯為起始原料，與相應(yīng)的二烷基氨乙醇，單體化合物(2)是以甲基丙烯酰氯為起始原料，與相應(yīng)的醇經(jīng)酯化反應(yīng)制得，單體化合物(3)為市售品。
本發(fā)明提供的制備聚合物的方法主要包括如下步驟以四氫呋喃為溶劑，以三種單體總質(zhì)量的0.5％-2％偶氮二異丁腈(AIBN)為引發(fā)劑，將單體化合物(1)、單體化合物(2)及單體化合物(3)按摩爾比為a∶b∶c＝3～6∶1～3∶1(優(yōu)選配比為4∶2∶1)加入三種單體總體積4-6倍的溶劑中，在有惰性氣體(N2)存在下于50～70℃反應(yīng)12～24小時(shí)，然后加入到上述聚合物溶液體積15-20倍的石油醚中，將聚合物沉淀析出，所得沉淀物去除上層清液后真空干燥即為本發(fā)明所說的共聚物。
本發(fā)明合成的高聚物為一種兩性聚合物，即大分子鏈上同時(shí)帶有陰、陽離子基團(tuán)的高分子。在從酸性環(huán)境過渡到堿性環(huán)境時(shí)，在一定的PH值時(shí)正負(fù)電荷基團(tuán)的數(shù)目相等，分子內(nèi)相互靜電作用使大分子鏈凈電荷為零。此時(shí)兩性高分子所處的PH值稱為等電點(diǎn)(PI)。在等電點(diǎn)下，兩性聚合物的溶解度最小，可通過加入適量堿液調(diào)節(jié)溶液PH值使聚合物沉淀回收。
兩性聚合物的等電點(diǎn)由其等離子點(diǎn)決定。本發(fā)明的甲基丙烯酸酯類三聚體的等離子點(diǎn)測(cè)定方法為將中性的聚合物粉末(不含鹽，酸，堿)溶于去離子水中，濃度為10％(w/w)達(dá)到平衡，測(cè)量其PH值即為等離子點(diǎn)。通過濁度計(jì)測(cè)量和理論計(jì)算均表明，等電點(diǎn)的PH與測(cè)得的等離子點(diǎn)的PH相似。經(jīng)測(cè)量，本發(fā)明設(shè)計(jì)的聚合物的等電點(diǎn)穩(wěn)定在7.5-9.0之間，最佳等電點(diǎn)為PI＝8.4。
本發(fā)明設(shè)計(jì)并合成的可用于兩水相分離體系的PH敏感型聚合物，在等電點(diǎn)(PI＝7.5～9.0)(最佳等電點(diǎn)PI＝8.4)處可以沉淀并回收利用(回收率達(dá)到95％以上)。與現(xiàn)有的用于兩水相分離體系的聚合物相比，本發(fā)明的聚合物既能保持生物質(zhì)活性又可回收再利用，其相應(yīng)的制備方法簡(jiǎn)便可行。
具體實(shí)施例方式
下面通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，其目的僅在于更好理解本發(fā)明的內(nèi)容而非限制本發(fā)明的保護(hù)范圍實(shí)施例1 ABC三聚體的合成在具塞三角燒瓶中加入33.7ml(0.2mol)甲基丙烯酸-2-甲氨基乙酯、16.2ml(0.1mol)甲基丙烯酸叔丁酯、5.3ml(0.05mol)甲基丙烯酸甲酯，在200ml四氫呋喃攪拌下充分溶解，加入三種單體總質(zhì)量的2％的偶氮二異丁腈AIBN作為引發(fā)劑，充氮除氧15分鐘。密封反應(yīng)容器，于60℃，250rpm轉(zhuǎn)速下水浴振蕩反應(yīng)24小時(shí)。反應(yīng)結(jié)束，產(chǎn)物以石油醚沉淀，沉淀物干燥至恒重，得到最終產(chǎn)物。測(cè)定其等電點(diǎn)PI＝8.4。該聚合物在234nm處有最大紫外吸收。
實(shí)施例2將質(zhì)量比為5％ABC三聚體水溶液PABC與質(zhì)量比10％聚乙二醇20000(PEG20000)水溶液配制成兩水相，PABC與PEG20000溶液的最適體積比為3∶2，混勻，離心促進(jìn)分相。上下相分別加入適量0.1M NaOH水溶液調(diào)節(jié)溶液PH值，使聚合物在等電點(diǎn)下沉淀。離心，取上清液在234nm處測(cè)定PABC的吸光度，通過標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算得聚合物的總回收率為94.5％。理論上可以使用40次以上。
實(shí)施例3配制兩水相體系，上相為PABC(5％w/w)3ml，下相為PEG20000(10％w/w)2ml，加入Na2SO4固體，最終濃度為200mM，分配溶質(zhì)BSA(牛血清白蛋白)，初始濃度為0.6mg/ml，混勻后低速離心以促進(jìn)兩相形成，在280nm處分別測(cè)定BSA在上、下相中的吸光度，計(jì)算得BSA的分配系數(shù)為12.5。證明該聚合物應(yīng)用于兩水相萃取可以實(shí)行。
實(shí)施例4兩水相體系保持酶活性實(shí)例，以胰蛋白酶為溶質(zhì)，將其溶解于兩水相中(上相PABC3ml，下相PEG 2ml)。經(jīng)過7.5小時(shí)，測(cè)得上下相胰蛋白酶的活性與加入時(shí)的酶活性保持一致，上相依然為350U/mg，下相依然為180U/mg。
權(quán)利要求
1.一種用于兩水相體系的PH敏感型可再生兩性離子聚合物，其特征在于，所述的聚合物，由單體化合物(1)、單體化合物(2)和單體化合物(3)經(jīng)無規(guī)共聚而得，三種單體化合物的摩爾比為a∶b∶c＝3～6∶1～3∶1，得到的無規(guī)聚合物等電點(diǎn)為7.5-9.0，該高聚物的分子量為5×103-1×104，多分散性指數(shù)為1.1； 化合物1 化合物2 化合物3其中R1、R2分別選自H或C1～C6的烷基；R3為C1～C6的烷基；R4為H或C1～C3的烷基。
2.如權(quán)利要求1所述的聚合物，其特征在于，R1、R2分別選自C1～C3的烷基；R3為C3～C6的烷基；R4為C1～C3的烷基。
3.如權(quán)利要求1或2所述的聚合物，其特征在于，R1、R2均為CH3；R3為異丙基；R4為CH3。
4.一種如權(quán)利要求1所述聚合物的制備方法，其特征在于，以四氫呋喃為溶劑，以三種單體總質(zhì)量0.5％-2％偶氮二異丁腈(AIBN)為引發(fā)劑，將單體化合物(1)、單體化合物(2)及單體化合物(3)按摩爾比為a∶b∶c＝3～6∶1～3∶1，加入三種單體總體積4-6倍的溶劑中，在有惰性氣體(N2)存在下于50～70℃反應(yīng)12～24小時(shí)，然后加入到上述聚合物溶液體積15-20倍的石油醚中，將聚合物沉淀析出，所得沉淀物去除上層清液后真空干燥得到本發(fā)明所說的共聚物。
5.如權(quán)利要求4所述的聚合物的制備方法，其特征在于，三種單體化和物的配比為a∶b∶c＝4∶2∶1。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于雙水相分離系統(tǒng)、可回收并循環(huán)使用的pH敏感性聚合物及其制備方法，由單體化合物(1)、單體化合物(2)和單體化合物(3)經(jīng)無規(guī)共聚而得，三種單體化合物的摩爾比為a∶b∶c＝3～6∶1～3∶1，得到的無規(guī)聚合物等電點(diǎn)為7.5－9.0，該高聚物的分子量為5×10
文檔編號(hào)C08F220/00GK1693325SQ200510025520
公開日2005年11月9日 申請(qǐng)日期2005年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月28日
發(fā)明者曹學(xué)君, 秦偉 申請(qǐng)人:華東理工大學(xué)