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摘要 题名：热敏性聚合物改性硅胶填充色谱柱的制备及其性能测试 研究生：朱毅 导师：倪才华教授 专业：材料学 摘要 本文通过两种不同的硅烷偶联剂y 一甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷( m p t ) 、巯丙 基- - 7 , 氧基硅烷( m p s ) ，将n 一异丙基丙烯酰胺( n w a m ) 在超细硅胶粒子表面进行接枝聚合， 制备了以聚n 一异丙基丙烯酰胺为壳，超细二氧化硅粒子为核的复合粒子，从而在硅胶表面 引入温敏性的聚合物。研究了稳定剂种类和用量、引发剂的量、接枝聚合物的分子量、 单体浓度以及反应溶液的配比等因素对接枝率的影响通过扫描电镜观察复合粒子的形 态，发现硅胶粒子表面几乎完全被聚n _ 异丙基丙烯酰胺所包覆；d s c 分析表明复合粒子 具有较强的温度敏感性；将制备的复合粒子作为高效液相色谱柱的固定相填料，灌制到 色谱柱中，以不同配比水甲醇的混合溶液作为流动相，通过控制柱温，成功地对三种萘 的衍生物以及两种多氨基酸进行了色谱分离，表现了良好的分离性能。 用末端带有巯基的硅烷偶联剂n i p s 代替m p t ，利用m p s 末端的巯基与n i p a m 进行调 聚反应，形成具有一定分子量并且末端带有硅氧基团的功能性大分子产物。然后将带有 硅氧基团齐聚物与硅胶表面的硅羟基进行水解缩合反应，合成了表面具有可控分子量的 温敏性的p n i p a m s i 0 2 复合颗粒，讨论了分子量等因素对接枝率的影响，以该复合粒子 作为高效液相色谱固定相的填料，通过粒子表面的p n i p a m 对温度响应所产生的极性变 化，从而可以通过柱温的控制来实现对有机混合物的有效地分离。 通过与以s i l i c a - m p t 为固定相的分离效果进行比较发现，由于m p t 没有温敏性，以 s i l i c a - m p t 为固定相的色谱柱不能达到较好的分离效果，比较表明分离机理主要是由于 硅胶表面的p n i p a m 在经历相变温度( l c s t ) 时，p n i p a m 分子链段构象会发生变化，聚合 物链从亲水状态转变到疏水状态，硅胶表面发生由极性到非极性的转变，从而在相转变 温度前后对溶质分子产生不同的作用力，达到分离的效果。这就在原有的通过改变流动 相为主要分离手段的基础上引入了新的分离方法，具有较高的应用价值。 此外流动相中甲醇水的配比对色谱柱的温敏性有着重要的影响，当甲醇浓度达到一 定值的时候，甲醇和水能够形成一定配比的复合结构，对聚合物的相转变温度有着较为 显著的影响，从而影响着色谱柱对聚合物的分离效果。 因为流动相以水为主，因此该方法具有污染小，成本低，容易控制，分离效率高等 优点。如果该体系用于多肽以及蛋白质的分离，还有利于保持被分离物质的生物活性。 关键词：硅胶；n 一异丙基丙烯酰胺：分离：热敏性：高效液相色谱法 江南大学硕士学位论文 s u b j e o t ：t h ep r e p a r a t i o no fc o m p o s i t e so fp o l y 小- i s o p r o p y l a c r y l a m i d e ) w i t hs i l i c aa n d i t sa p p h c a t i o ni nh p l c p o s t g r a d u a t e ：z h uy i n t o r ：n ic a i h u a m a j o r ：p o l y m e r a b s t r a c t i nt h i s s t u d y t h e r m o s e n s i t i v e c o m p o s i t e s w e f e p r e p a r e dt h r o u g hg r a f t i n g c o p o l y m e r i z a t i o n o f n i s o p r o p y l a c r y l a m i d e w i t h 3 - ( m e t h a c r y l o y l o x y ) p r o p y l 】 t r i m e t h o x y s i l a n e ( m p t ，as i l i c o nc o u p l i n ga g e n t ) a n d7 - m e r c a p t o p r o p y lt r i e t h o x y s i l a n e , ( m p s ，as i l i c o nc o u p l i n ga g e n t ) c o u p l e do nt h es u r f a c eo f u l t r a f i n es i l i c ab e a d s t h ee f f e c t s o fs o m es y n t h e t i cc o n d i t i o n ss u c ha ss t a b i l i z e r s , s o l v e n t s ，i n i t i a t o r , f e e dr a t i oo nt h eg r a f t i n g y i e l d sw e r ei n v e s t i g a t e d t h es t r u c t u r e so ft h ec o m p o s i t e sw e r ec h a r a c t e r i z e db yi n f r a r e d s p e c t r a , d i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t r y , a n ds c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p e t h e t h e r m o s e n s i t i v ec o m p o s i t ew a su s e da sap a c k i n gm a t e r i a li nh i g hp e r f o r m a n c el i q u i d c h r o m a t o g r a p h y ( h p l c ) f o rs e p a r a t i n gn a p h t h a l e n ed e r i v a t i v e s t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a t s a t i s f a c t o r ys e p a r a t i o nw a sa c h i e v e db yc o n t r o l l i n gt e m p e r a t u r eo ft h ee o l m n n a sa c o m p a r i s o nt h ep a c k i n gm a t e r i a lo fs i l i c a - m o p th a sn ot h i ss e p a r a t i n ge f f i c i e n c yd u et o a b s e n c eo ft h e r m o s e n s i t i v e t y t h em e c h a n i s mf o rt h et e m p e r a t u r e - c o n t r o l l e ds e p a r a t i o ni s a t t r i b u t e dt op o l a r i t yc h a n g eo ft h ep n i p a mo ns i l i c as n l f a e ew h e np n i p a mu n d e r g o e s v o l u m ep h a s et r a n s i t i o n a d d i t i o n a l l yt h em o b i l ep h a s ec o m p o s i n gh a sl a r g ee f f e c t o ns e p a r a t i o n b e c a u s ea c o m p l e xs t r u c t u r ei sf o r m e db e t w e e nm e t h a n o la n dw a t e rm o l e c u l e s 鹊m e t h a n o li n c r e a s e st o ac e r t a i nc o n t e n ti nt h em i x t u r e m e t h a n o l w a t e rs o l u t i o ni sap o o rs o l v e n tf o rp n i p a t h e t h e r m o s e n s i t i v i t yo fp n i p a mi so b v i o u so n l yi na q u c o u ss o l u t i o n b e c a u s ew a t e ri sm a i n c o m p o n e n to ft h em o b i l ep h a s e ，t h em e t h o do fs e p a r a t i o nh a sm a n ys t r o n g p o i n t so fl e s s p o l l u t i o n , l o w e rc o s ta n dh i g he f f i c i e n c yo f s e p a r a t i o n i f t h em e t h o di su s e di nt h es e p a r a t i o n o fb i o a c t i v em a t e r i a l ss u c ha sp o l y p e p t i d e sa n dp r o t e i u s ，i td o e sn o tk i l lt h ea c t i v i t yo ft h e s e p a r a t e dm a t e r i a l s b c c a u s ot h em a i nc o m p o n e n to fm o b i l ep h a s ei sw a t e r , s ot h em e t h o dh a v et h em e r i to f l e s sp o l l u t i o n , l o wc o s t h i g he f f i c i e n c yi ns e p a r a t i o n i f t h es y s t e mw a su s e di ns e p a r a t i n gt h e a m i n oa c i da n dp r o t e i n ，i tw o u l db ep r o p i t i o u st ok e e pt h ea c t i v i t yo ft h e m k e y w o r d s ：s i l i c a ；n i s o p r o p y l a c r y l a m i d e ；s e p a f a t i o n ；t h e r m o s e n s i t i v i t y ；h p l c l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：率鲞垒日期：矽沔莎月- t e t 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：丝导师签名： 日期：弘刁 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 水溶性、温度敏感性聚合物即热敏性水凝胶是近年来十分引人注目的功能高分子材 料。自上十几7 0 年代末发现轻度离子化的聚丙烯酰胺在特定的介质中具有体积相转变 现象后人们对引起其体积相转变的一系列因素，如：温度、压力、溶剂组成、p h 值以 及离子强度等都进行了深入的研究。 聚 l 异丙基丙烯酰胺( p n i p a m ) 是一种典型的温敏性聚合物，其低临界溶解温度 ( l c s t ) 约为3 2 。当温度上升到其l c s t 时，p n i p a m 分子链段构象会发生变化，聚 合物链会发生从亲水状态到疏水状态的转变利用这一性质，近年来这类温敏性聚合物 凝胶已在药物控制释放，物质的分离，固定化酶等领域显示出广阔的应用前景1 有关温敏性聚合物和无机物如复合材料的合成及性能研究已有文献报道，但所用无 机物多为蒙脱土、无机盐或纳米无机材料【5 - ；q 硅胶是目前应用最为广泛的高效液相色 谱固定相。这是由于硅胶除了具有良好的机械强度、容易控制的孔结构和比表面积、较 好的化学稳定性和热稳定性以及专一的表面化学反应等优点以外。还有一个突出的优 点就是其表面含有丰富的硅羟基，这是硅胶可以进行表面化学键合或改性的基础。有关 在硅胶表面接枝改性已经有了一些研究睁”】。但是将热敏性水凝胶接枝到超细硅胶表面， 作为液相色谱柱填料，尚鲜见报道。在这里我们主要是将温敏性聚合物引入到硅胶表面 作为高效液相色谱的固定相从而对不同的物质组成进行纯化和分离。 1 2 热敏性水凝胶 1 2 1 热敏性水凝胶简介 水溶性、温度敏感性聚合物( w a t e rs o l u b l et e m p e r a t u r es e n s i t i v ep o l y m e r ) l i p 燕敏性水 凝胶是近年来十分引人注目的功能高分子材料。 热敏性水凝胶也可称为温度响应高分子凝胶，它对环境的温度变化能产生响应，即 当周围环境温度发生变化时，凝胶自身的性质随之改变。 水凝胶是一种能显著地溶胀于水但在水中并不能溶解的亲水性聚合物凝胶，有一些 水凝胶随着温度升高到某一温度以上时会发生从溶胀的软的透明状态到消溶胀的不透 明状态的变化，在这一温度附近的溶胀比变化往往可达几倍到几十倍。如果将溶胀温度 降到这一温度以下时，凝胶状态将发生可逆变化，这一温度称为该水凝胶最低临界共溶 温度( l o wc r i t i c a ls o l u t i o nt e m p e r a t u r e ，l c s t ) 。具有这种性质的水凝胶被称为温 度敏感性水凝胶( t h e r m a l l y r e v e r s i b l e h y d r o g e l ) 。具有上述性质的水凝胶统称为环境敏 感性水凝胶( e n v i r o n m e n t a ls e n s i t i v eh y d r o g e l ) 。目前研究得最多的敏感性水凝胶体系是 聚丙烯酸丙烯酰胺体系以及聚n - 异丙基丙烯酰胺和它的共聚物。 江南大学硕七学位论文 除了溶胀体积有这种突跃性变化之外，凝胶的其他性质( 如相互作用参数、模量、折 射率、介电常数、光学各向异性等) 也会同时发生突跃性变化，这些性质的变化往往都 具有可逆性【。 首先观察到水凝胶热敏性的是t a n a k a 等人【，”，用n ，n 一次甲基双丙烯酰胺交联的 聚丙烯酰胺的水凝胶的溶胀性能在某一临界温度附近，随温度的微小变化，其体积变化 可达几十至几百倍。有关这种相转变的物理机理和本质现在仍不清楚，最初人们认为交 联网上离子化电荷的静电相互作用是凝胶发生热敏性相转变的根本原因。但1 9 8 4 年 h i r o k a w a 等在非离子水凝胶中也发现了这种相变，h o f f m a n 和f r e l t a s 等也证实了非离 子性的聚( n ，n 一二乙基丙烯酰胺) 水凝胶和聚( n 一异丙基丙烯酰胺) 水凝胶的热敏性 相转变【3 2 出l 。故水凝胶的敏感性相转变具有一定的普遍性。热敏性水凝胶的这种相转 变过程无法用传统的高分子理论，如f l o r y - h u g g i n s 模型来解释，而只能用相转变过程 中水凝胶骨架上亲水基团，憎水基团以及水之间的相互作用来解释。目前较容易被人接 受的观点是水凝胶的敏感性相转变是由交联网络的亲水一缩水性平衡受外界条件变化 而变化引起的。定性上来看，水凝胶的溶胀过程是水分子向凝胶内部扩散与凝胶侧链上 亲水基团形成氢键的过程，当温度升高时，氢键振动能增加，破坏氢键的束缚，使之断裂， 水凝胶溶胀比则明显减少。这是一个吸热过程，因为大量的结合水从高分子骨架上脱离 出来，使水凝胶一水体系熵增加。 许多研究者通过各种热力学理论对水凝胶的各种敏感性进行了解释f 1 0 1 “i ，其中与 实验现象符合较好的是i l a v s k y 等人修改的由f l o r y 提出的平均场理论，但这一理论不 能预测发生敏感性相转变时的温度、p h 值、盐浓度、介质组成浓度等。t a n a k a 等通过 测定聚合物链的持续长度b 和有效半径a 之比( 即代表聚合物链刚性的度量) 与敏感性 之间的关系，提出了下面的半经验参数s 作为有无敏感性的判定依据： s = ( b a ) 4 ( 2 f + 1 ) 4 ( 1 ) 式中，f 代表单位有效链上可离子化基团的数目。s 2 9 0 时，水凝胶会发生敏感性相 转变。这一理论的半经验公式中虽然涉及了交联网的结构因素，但仍未能很好地解释敏 感性机理。 目前水凝胶敏感机理仍处在不断的发展和完善中，这一问题的解决无疑将为敏感性 水凝胶的研究开拓到分子设计的领域打下基础。 1 2 2 热敏性水凝胶的作用机理研究发展 有关这种相转变的物理机理和本质现在仍不清楚，最初人们认为交联网上离子化电 荷的静电相互作用是凝胶发生热敏性相转变的根本原因，但1 9 8 4 h i r o k a w a 等在非离子水 凝胶中也发现了这种相转变，h o f f m a n 和f r e l t a s 等也证实了非离子性的聚( n ，n 一二乙基丙 烯酰胺) 水凝胶和聚( n ，n - 异丙基丙烯酰胺) 水凝胶的热敏性相转变。故水凝胶的敏感性 相转变具有一定的普遍性。热敏性水凝胶的这种相转变过程无法用传统的高分子理论， 如f l o r y h u g g i n s 模型来解释，而只能用相转变过程中水凝胶骨架上亲水基团、僧水基团 以及水之间的相互作用来解释，目前较容易被人接受的观点是水凝胶的敏感性相转变是 由交联网络的亲水缩水性平衡受外界条件变化而变化引起的。定性上来看，水凝胶的溶 2 第一章绪论 胀过程是水分子向凝胶内部扩散与凝胶侧链上亲水基团形成氢键的过程，当温度升高时。 氢键振动能增加，破坏氢键的束缚，使之断裂，水凝胶溶胀比则明显减少。这是一个吸热 过程，因为大量的结合水从高分子骨架上脱离出来，使水凝胶一水体系熵增加，这一过程 可用f i g u r e l - 1 表示出来： 格 害 毒下 oon ol i y ( h o g * t t - i ) c a m t mh b 哪螂，、- jl e s t 砷i m “e a a l n f i g l 1 t h ep h a s et r a n s i t i o no f t h e r m a l s e n s i t i v eh y d r o g e l 目前水凝胶敏感机理仍处在不断的发展和完善中，这一问题的解决无疑将为敏感性 水凝胶的研究开拓到分子设计的领域打下基础。 1 2 3 热敏性水凝胶的应用 由于热敏性水凝胶随温度的变化能快速吸收和释放水而体现其开关性能，因此在生 物化学、机械、医学等许多领域上具有广泛的应用前景。 将热敏性水凝胶应用于生物医用材料是一个很有前途的研究方向。将具有生物活性 的分子或细胞通过物理的或者化学的方法包埋于敏感性水凝胶中，如将干的水凝胶浸泡 于药液中而使药液渗入水凝胶( 物理方法) ，或者通过酶与水凝胶骨架上的活性基团之间 的反应而将酶固定于水凝胶中( 化学方法) 。这种水凝胶可用于疾病的诊断和治疗，并可 重复使用，在实际运用中有很多优越性。 具有各种功能的生物制剂、化学药品，如酶、药物、农药、化肥等的传统使用方法 有许多缺点，利用率低且易造成环境污染。可控释放技术就是制成一个特定的系统( 通常 用固定化的方法) 使该系统内包埋的活性制剂可在一定的时间内按原先设定的速度释放， 通过改变环境的温度、p h 值等条件还可关闭释放，这样行成了一个。关闭一释放”系统， 这是目前d d s 体系研究的主要方向。d d s 体系在生物医学中主要是用作生物感知触头、 缓释开关等。比如包埋有胰岛素的水凝胶可通过体内糖的升降自动地调节胰岛素的释 放。 敏感性水凝胶在化学工业方面主要是用于分离。分离过程是化学工业的一个关键过 程，以往这个过程都是通过蒸馏、结晶方法来实现的。尽管膜分离和超滤等技术也广泛 应用到这一领域，但存在着设备复杂、成本高等缺点尤其表现在分离有机物质或生物 物质的稀溶液上。如用敏感性水凝胶来分离，则有如下优点： ( 1 ) 容易再生。 ( 2 ) 耗能少，不必高温高压，也不会使蛋白质中毒，有利于生物物质的分离以及稀溶 3 江南大学碘士字位论文 液的分离。 ( 3 ) 可根据要求浓缩和分离的生物物质的分子尺寸或分子性质来设计凝胶的交联密 度和单体单元结构。 由此可见，当我们用热敏性水凝胶来分离物质时，只需在水凝胶的最低相转变温度 ( l e s t ) 附近反复升温或降温，使水凝胶反复选择性吸收和释放就可以达到分离目的。 敏感性水凝胶还可以用来控制化学反应速度，其原理是将具有催化活性的热敏性水 凝胶放在需要催化的体系中，利用热反馈原理来控制反应速度。此外，热敏性水凝胶在机 械方面可用来制作记忆原件开关、传感器、力化学转换器等。 1 3 高效液相色谱 作为色谱分析法的一个分支，高效液相色谱法是在本世纪6 0 年代末期，在经典液相色 谱法和气相色谱法的基础上，发展起来的新型分离分析技术。 高效液相色谱法和经典液相色谱法没有本质的差别，但由于它采用了新型高压输液 泵、高灵敏度检测器和高效微粒固定相，而使经典的液相色谱法焕发出新的活力。经过 近3 0 年的发展。现在高效液相色谱法在分析速度、分离效能、检测灵敏度和操作自动化 方面，都达到了和气相色谱法相媲美的程度，并保持了经典液相色谱对样品使用范围广、 可供选择的流动相种类多和便于用作制备色谱等优点。至今高效液相色谱法已经在生物 工程、制药工业、食品工业、环境监测、石油化工等领域获得广泛的应用。 1 3 1 高效液相色谱的分类 高效液相色谱法可依据溶质( 样品) 在固定相和流动相分离过程的物理化学原理分 类，也可按照溶质在色谱柱中洗脱的动力学过程分类。 一、按溶质在两相分离过程的物理化学原理分类 ( 1 ) 吸附色谱( a d s o r p t i o nc h r o m a t o g r a p h y ) 用固体吸附剂作固定相，以不同极性溶 剂作流动相，依据样品中各组分在吸附剂上吸附性能的差别来实现分离。 ( 2 ) 分配色谱( p a r t i o nc h r o m a t o g r a p h y ) 用载带在固相基体上的固定液作固定相，以 不同极性溶剂作流动相，依据样品中各组分在固定液上分配性能的差别来实现分离。根 据固定相和液体流动相相对极性的差别，又可分为正相分配色诺相反相分配色谱。当固 定相的极性大干流动相的极性时，可称为正相分配色诺或简称正相色谱( n o r m a lp h a s e c h r o m a t o g r a p h y ) ；若固定相的极性小于流动相的极性时，可称为反相分配色谱或简称反 相色谱( r e v e r s e dp h a s ec h r o m a t o g r a p h y ) ( 3 ) 离子色谱( i o nc h r o m a t o g r a p h y ) 用高效微粒离子交换剂作固定相，以具有一定 p h 值的缓冲溶液作流动相，依据离子型化合物中各离子组分与离子交换剂上表面带电 荷基团进行可逆性离子交换能力的差别而实现分离。 ( 4 ) 体积排阻色谱( s i s ee x c l u s i o nc h r o m a t o g r a p h y ) 用化学惰性的多孔性凝胶作固定 相，按固定相对样品中各组分分子体积阻滞作用的差别来实现分离。以水溶液作流动相 的体积排阻色潜法，称为凝胶过滤色谱( g df i t r a t i o nc h r o m a t o g r a p h y ) ；以有机溶剂作流 4 笙二兰堡丝 动相的体积排阻色谱法，称为凝胶渗透色谱法( g e lp e r m e a t i o nc h r o m a t o g r a p h y ) 。 ( 5 ) 亲和色谱( a f f i n i t yc h r o m a t o g r a p h y ) 以在不同基体上，键合多种不同特性的配位 体作固定相，用具有不同p h 值的缓冲溶液作流动相，依据生物分子( 氨基酸、多肽、蛋 白质、核碱、核苦、核苦酸、核酸、酶等) 与基体上键联的配位体之间存在的特异性亲 和作用能力的差别，而实现对具有生物活性的生物分子的分离。 1 3 2 高效液相色谱法的分析原剐1 7 1 色谱法是一种以分配平衡为基础的分离方法。液相色谱以液一固平衡为主。利用不 同组分在这两相上的分配差异达到组分之间的分离。固定相和流动相是液相色谱的主要 组成部分。在色谱柱中将待分离物溶于流动相，在高压输液泵的作用下它们随流动相移 动通过色谱柱，如某一组分在在两相间的分配作用( 一般为分子间的作用力) 有利于固 定相时，该组分在色谱柱中停留的时间较长。以高灵敏度的监测器( 如：紫外、荧光、 示差折光监测器等) 对流出液进行检测，利用停留时间差异从而达到分离的效果。 1 3 3 液相色谱固定相 色谱柱填料可谓是色谱仪的“核心”。它不仅能反映色谱方法的水平，而且也是一 个量大面广的消耗品。因此，高效液相色谱柱填料方面的研究一直十分活跃。 这一领域虽已开发了多种色谱填料，如有机高分子、石墨化碳及无机氧化物等材料， 但硅胶作为柱填料仍具有不可替代的地位。这不仅是由于硅胶具良好的机械强度、容易 控制的孔结构和比表面积、较好的化学稳定性，更重要的是因为其表面含有丰富的硅羟 基；这是硅胶可以进行表面化学键合或改性的基础，并由此制成各种各样的硅胶键合固 定相，广泛用于高效液相色谱的分离操作中。 键合相色谱法是通过化学反应将不同的有机官能团共价键台到硅胶( 载体) 表面的游 离烃基上，而生成化学键合固定相。根据键合固定相与流动相相对极性的强弱，可将键 合相色谱法分为正相键合相色谱法和反相键合相色谱法。在正相键合相色谱法中，利 用硅胶表面的活性羟基与含有胺基( 一n h 2 ) 、腈基( 一c n ) 、醚基( _ 叫的硅烷化试剂反 应，生成表面具有胺基、脂基、醚基的极性固定相。溶质在此类固定相上的分离机理属 于分配色谱： s i 0 2 r - n h ，m + x m ；兰s i 0 2 r - n h ，x + 2 m ，i q r n h ：x i 岛2 1 瓦可一 式中，s i 0 2 r - n h 2 为胺基键合相、m 为溶剂分子x 为溶质分子 s i 0 2 r - n h 2 m 为溶剂化后的胺基键合固定相，x m 为溶剂化后的溶质分子。 在反相键合相色谱法中使用的是非极性键合固定相。它是将硅胶表面的活性羟基与 含烷基链或苯基的硅烷化试剂反应，生成表面且有烷基( c 4 、c 1 8 ) 或苯基的非极性固 定相。 关于反相键合相的分离机理有两种论点，一神认为属于分配色谱、另一种认为属于 吸附色谱。 s 分配色谱的作用机制中假设在由水相有机溶剂组成的混合溶剂流动相中，极性弱的 有机溶剂分子中的烷基官能团会被吸附在非极件固定相表面的烷基基团，而溶质分子在 流动相中被溶剂化，并与吸附在固定相表面的弱极性溶剂分子进行置换从而构成溶质 在固定相和流动相中的分配平衡。其机理和正相键合相色谱法相似。 吸附色谱的作用机制认为当溶质分子进入极性流动相后即占据流动相中相应的空 问、而排挤一部分溶剂分子；当溶质分子被流动相推动与团定相接触时，溶质分子的非 极性部分( 或非极性分子) 会将非极性固定相上附着的溶剂膜排挤开，而直接与非极性固 定相上的烷基官能团相结合( 吸附) 形成缔合络合物，构成单分子吸附层。这种疏溶剂的 斥力作用是可逆的，当流动相极性减少时，这种疏溶剂斥力下降会发生解缔，并将溶 质分子释放而被洗脱下来。 一、键合固定相的制备及分类 用于制备键含合固定相的化学反应可分为三种类型： il 1 形成ii 键 这类是首先用米制备键含相的化学反应，利用硅胶的酸性特性，使硅胶表面的硅羟 基与正辛醇、聚乙二醇4 0 0 等醇类进行酯化反应： s i i - - o h + h o r ! ：! 竺-2 卜o h r + h ，o i3 - 8 hi 一 此时，在硅胶表面形成单分子层的硅酸酯。此类固定相有良好的传质持性和高柱效， 但其易水解、醇解、热稳定性差，当用水或醇作流动相时，s i o c 键易断裂，一般只能 使用极性弱的有机溶剂作流动相，用于分离极性化合物。这些使它的应用范围受到限制。 _ s i 卜占一一卜 2 形成 i l 键或 i 、键 如使硅胶表面的硅烃基先与磺酰氯反应，生成的氯化硅胶， i i s i - - - o h + s 0 2 c 1 ，- - 一s 卜c l + h o s 0 2 c 1 i l 可与格氏试剂( c 2 h 5 m g b r ) 或烷基锂反应，生成具有硅碳键的苯基或烷基键合固定 相” 幸c - + o 一一一o + m 则 氯化硅胶也可与伯胺( 7 , - - 胺) 反应，生成具有硅氮键的胺基键合固定相。 i i 墨卜c l + n h 2 c h 2 c h 2 n h 广。鼍卜n h c h 2 c h 2 n h 2 + h c i 上述两类键合相中的硅碳键和硅氮键要比s i o - c 键稳定，其耐热、抗水解能力优于硅 6 ( 1 ) 1 卜o h + x s i r 3 1 卜0 1 卜r + h x r m 火r o + x 2 s i o si-si-oh- - s i - o z h x ii ， ( 2 ) 憋+ ， + z h ii 一 k i i r喝strl裂ro o i-si-oho x ii 、一， ， ( 3 ) 。+ x 3 s i r ，s 十j n - 一 蛋 一 t i 江南大学硕士学位论文 1 4 硅烷偶联剂 由于热敏性水凝胶和硅胶都具有良好的性能，所以考虑将两者的优点结合起来，将 热敏性水凝胶接枝到硅胶的表面。联接二者的桥梁就是硅烷偶联剂。 1 4 1 硅烷偶联剂简介 2 0 - 2 1 1 有机硅烷偶联剂是本世纪四十年代才开始开发应用的，最早把它用在玻璃纤维增强 塑料上作为玻璃纤维表面处理而开发的。之后，由于其独特的性能以及新产品的不断问 世，使得应用领域不断扩大，逐渐形成了有机硅工业的一个重要分支。近四十年来有机 硅烷偶联剂已经得到了迅速发展。目前已经知道结构的有机硅烷就有1 0 0 多种，其中l 3 的品种已经褥到实际应用。 有机硅烷偶联剂是因复合材料的进展而发展起来的，但是，它的应用已经远超出了 复合材料领域，其作用效果与有机硅胶粘剂有不少类似之处。但是更有趣的是不少有机 硅烷偶联剂可以有机硅胶粘剂的胶粘剂，增稠剂和底漆。有机硅烷偶联剂乙硅单体为主， 它除了用于非交联树脂，使其交联而固化，或使材料表面改形一赋予材料防静电。防霉。 防臭。抗凝血和生物惰行等性能外，其最大应用领域主要是用于改善两种性质不同的材 料之间的粘结性，使之在两界面之间形成硅烷弹性桥，从而提高制品的机械。电绝缘及 抗老化等综合性能。 硅烷偶联剂是一种具有特殊结构的有机硅化合物。在它的分子中，同时具有能与无 机材料( 如玻璃、水泥、金属等) 结合的反应性基团和与有机材料( 如合成树脂等) 结合的 反应性基团。因此通过硅烷偶联剂可使两种性能差异很大的材料界面偶联起来，以提高 复合材料的性能和增加粘接强度，从而获得性能优异、可靠的新型复合材料。硅烷偶联 剂广泛用于橡胶、塑料、胶粘剂、密封剂、涂料、玻璃、陶瓷、金属防腐等领域。事实 上，硅烷偶联剂已成为材料工业必不可少的助剂之一。 1 4 2 有机硅烷偶联剂的结构特征 有机硅烷偶联剂的分子式一般可用r n s i x t 铀“n 4 ) 的通式表示。其特点是分予中具有 两种以上不同的反应基团，其中r 基团是非水解的可与有机物反应的基团，如乙烯基、烯 丙基、环氧基等。x 基团是可水解的基团，它是与无机材料反应不可或缺的基团，如甲氧 基、乙氧基、酰氧基、芳氧基等。它们水解以后生成s i o h 基，而易于与无机材料缩合。 1 4 3 有机硅烷偶联剂的偶联机理 以x 基团是甲氧基为例来说明有机硅烷偶联剂的偶联机理 其反应过程可以分为5 步： ( 1 ) 与硅相联的3 个x 基团水解成相应的硅醇 3 h ，o r s i ( o c h 3 ) 3 _ = + r s i ( o h ) 3 + 3 m e o h ( m e ：c h 3 ) ( 2 ) 硅醇缩合成齐聚物 第一章绪论 子ff 3 r s ( o h ) f 。h o 一 卜o k 卜。一 卜o h + 2 h 2 0 o ho ho h ( 3 ) 齐聚物与基材上的0 h 形成氢键 r 1r 1r i - h o 彭h o ；i - o 一：i - o 一：卜o h 胁辩意一扩撼受基材- 式弋孓 七忒弋弋弋基材 ff乎f乎 乎 h o - s i - o - s i - o - s i o hh o - - s i - o - s i - o s i - o h i ii iiii 热爱 n ! i 飘i qoq li丫 1 弋弋- 悬弋弋弋基材弋o c 弋弋弋： 弋弋弋弋基材 1 5 立题依据 基材 睁i - - 罐 伽r 辩萋毒甚二鼢垂 在高效液相色谱中，其分离的机理主要是通过改变流动相的组成或者固定相的结构 来实现对物质的分离。在以往的报道中已经出现了通过其它外界环境的改变比如，光强、 电场、压力、温度等，来实现对混合物质的分离。这些外界因素主要利用高效液相色谱 的固定相对外界环境的响应，从而改变固定相的结构达到既定的分离效果，而在h p l c 中，柱温是最容易控制的因素，因此可以通过聚合反应将温敏性物质引入硅胶表面，这 样就可以通过改变柱温达到较好的分离效果。 本课题就是以硅胶为载体通过两种不同的硅烷偶联剂y 一甲基丙烯酰氧基丙基三甲 9 旺需大掌坝士字位诧丈 氧基硅烷( m p t ) 、巯丙基三乙氧基硅烷( m p s ) ，将n 一异丙基丙烯酰胺( n i p a m ) 接枝到硅 胶表面，制备了以聚n 一异丙基丙烯酰胺为壳，硅胶粒子为核的复合粒子，并以其为高效 液相色谱的固定相填充到色谱柱中。由于p n i p a m 为典型的温敏性聚合物，这样就可以 在硅胶表面形成由一层由温敏性聚合物组成的覆盖层，从而在硅胶表面引入温敏性的聚 合物，这样就可以通过改变柱温达到理想的分离效果。 其中以m p s 为偶联剂的接枝聚合反应还可以利用m p s 末端的巯基对聚合物的调聚 作用，聚合生成一定分子量的并且末端带有硅烷偶联剂功能基团的大分子物质，再与超 细硅胶表面的活性羟基反应，这样可以通过改变偶联剂的用量来实现对硅胶表面 p n i p a m 分子链长度的控制。 以这些复合粒子作为固定相填料可以通过控制温度或者通过控制温度与改变流动 相组成相结合，作为调节手段使分离达到较好效果。此外该固定相主要以纯水作为流动 相从而可以避免传统的以有机溶剂作为流动相的污染以及对于大分子蛋白、多肽等活性 物质的失活问题。 1 0 第二章n 一异丙基丙烯酰胺在超细硅胶表面接枝及其在h p l c 上的应用 第二章n 一异丙基丙烯酰胺在超细硅胶表面接枝及其在h p l c 上的 应用 2 1 引言 聚 l 异丙基丙烯酰胺( p n i p a m ) 是一种典型的温敏性聚合物【2 2 1 ，其低临界溶解温度 ( l c s t ) 约为3 3 。当温度上升到其l c s t 时，p n i p a m 分子链段构象会发生变化， 聚合物链会发生从亲水状态到疏水状态的转变。这一相分离温度称为低临界溶解温度 ( l o w e rc r i t i c a ls o l u t i o nt e m p e r a t u r e ，简称l c s t ) 或浊点( c l o u dp o i n t ，简称c p ) 。它 与通常物质随温度变化而溶解度发生变化不同，前者的变化是突变性的，而后者的变化 是渐进性的。这种间断性变化可以从其化学结构式来解释，其化学结构式为： c h f - c h - - c h 3 p n i p a m 其中，酰胺键中的羰基和亚胺基可以与水分子形成氢键，而聚合物主链与侧基中的 异丙基是疏水的，这样亲水和疏水两者之间就存在了一个平衡。低温时氢键作用比较强， 平衡倾向于亲水方向。高温对氢键的形成是不利的，温度升高会破坏氢键作用，而对疏 水作用影响不大，因此疏水作用由次要地位逐渐上升为主导地位，平衡向疏水方向移动。 在l c s t 附近氢键的形成与断裂引起亲水疏水平衡的移动，聚合物的亲水性疏水性发生 急剧变化，从而导致聚合物的溶解与凝聚。p n i p a m 的l c s t 为3 2 ，在该温度附近它可 响应很小的温度变化而迅速产生可逆的水合一脱水变化。这种特殊的温度敏感特性具有 了智能的雏形，可以通过加以改进和利用制备智能材料。h o f f m a n 2 3 】把具有这类性能的 聚合物归为“智能”型高分子。利用这一性质，近年来这类温敏性聚合物凝胶已在药物 控制释放，物质的分离，固定化酶等领域显示出广阔的应用前景2 纯5 】 有关温敏性聚合物和无机物如复合材料的合成及性能研究已有文献报道，但所用无 机物多为蒙脱土、无机盐或纳米无机材料硅胶是目前应用最为广泛的高效液相色谱固 定相。这是由于硅胶除了具有良好的机械强度、容易控制的孔结构和比表面积、较好的 化学稳定性和热稳定性以及专一的表面化学反应等优点以外，还有一个突出的优点就是 其表面含有丰富的硅羟基，这是硅胶可以进行表面化学键合或改性的基础。有关在硅胶 表面接枝改性已经有了一些研究 2 6 - 3 ”。但是将热敏性水凝胶接枝到超细硅胶表面，进行 萘的衍生物的分离，尚鲜见报道。本章利用硅胶表面的硅羟基与硅烷偶联剂反应，在s i 0 2 粒子的表面引入双键功能基团，然后在h 2 0 环己醇的混合溶剂中使之与n 一异丙基丙烯酰 胺进行接枝共聚，合成了具有温敏性的p n i p a m s i 0 2 复合颗粒。以该复合粒子作为高效 p-萋。 厂 l口 七 翌壹查竺堡主兰垒堡塞 液相色谱固定相的填料，通过粒子表面的p n i p a m 对温度响应所产生的极性变化，从而 可以通过柱温的控制来实现对有机混合物的有效地分离。 2 2 实验部分 2 2 1 主要试剂 n 异丙基丙烯酰胺( n i 队m ) ：a c r o so r g a n i c s ，经正己烷中重结晶提纯 偶氮二异丁腈( a i b n ) ：上海化学试剂有限公司，经乙醇中重结晶提纯 超细二氧化硅，粒径3t u n ( 青岛美高化工有限公司) ； y 一甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷( m p t ) ( 天津市圣滨化工有限公司) a 萘乙酸：分析纯，国药集团化学试剂有限公司 a 萘胺：分析纯，国药集团化学试剂有限公司 a 一萘酚：分析纯，国药集团化学试剂有限公司 无水乙醇：分析纯，上海振兴化工一厂 聚乙烯醇( p v a ，聚合度5 0 0 ) ，中国医药集团上海化学试剂有限公司 二甲苯：分析纯，中国医药集团上海化学试剂有限公司 n n 二甲基甲酰胺( d m f ) ：分析纯，宜兴市化学试剂厂 无水氯化钙：分析纯，上海泗联化工厂 无水乙醚：分析纯，上海马陆制药厂，经无水氯化钙干燥后蒸馏提纯 氮气：工业用普氮，中国华晶电子集团公司动力工厂 2 2 2 实验仪器及设备 台式水浴恒温振荡器：s h z - 8 8 ，江苏太仓市实验设备厂 循环水多用真空泵：s h z 一3 ，河南省巩义市光亚仪器厂 台式高速离心机：t g l 1 6 ，上海医用分析仪器厂 电热鼓风干燥箱：n c l 0 1 1 ，南京干燥设备厂 真空干燥箱：z k - 8 2 a ，上海市实验仪器总厂 磁力加热搅拌器：7 9 1 ，常州国华电器有限公司 上皿电子天平：j a 2 0 0 3 ，上海天平仪器厂 凝胶渗透色谱( g p c ) ：a g i l e n t1 1 0 0 ，a g i l e n t 公司 紫外可见分光光度计：u v _ 1 1 0 0 ，北京瑞利分析仪器公司 傅立叶变换红外光度计( f t i r ) ：f r r l a2 0 0 0 1 0 4 ，a b b 示差扫描量热仪( d s c ) ：8 2 2 e ，m e t t l e rt o l e d o 公司 扫描电子显微镜( s e m ，q u a n t a - 2 0 0 ) 用热重分析仪( t g 。u r t - 3 p ) 2 2 3 实验步骤 2 2 3 1二氧化硅表面接枝聚合反应 称取2 0g 超细二氧化硅加入到3 0m l 的二甲苯溶液中在