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
技術領域：
本發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：
兩水相體系一般是指高聚物—高聚物之間或高聚物與無機鹽之間在水中以適當的濃度溶解所形成的互不相溶的兩個水相體系。由于兩水相體系具有界面張力低，分離過程溫和，設備投資少，能耗小，操作簡單，易于放大，且不存在有機溶劑殘留問題，因此在生物質及藥物分離與提取中具有極具潛力的應用前景。但是，由于生物成本及環境原因，成相聚合物需要回收，循環再生利用。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化便成為兩水相分離技術的關鍵。過去幾十年，人們進行了各種努力，但始終未完全解決問題，這種狀況阻礙了兩水相萃取技術在工業上的應用。近十幾年，關于兩水相體系的成相聚合物回收利用問題成為研究熱點。
其中一個引入注目的聚合物是環氧乙烷(EO)和環氧丙烷(PO)的無規共聚物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(C14H29)修飾，單獨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，通過加溫來實現高聚物的回收會造成生物分子失活，其應用受到限制。在其他研究方面，Berlo等利用揮發性鹽類進行相體系回收(Mos V.B.，Karel C.A.M.L.，Lunk A.M.V.D.W.，J.Chromatogr.B.，1998，71161-68)。將PEG加入到含蛋白質的水溶液中，通入CO2和NH3使之形成氨基甲酸銨(NH4NH2CO2)，在其到達一定濃度時可形成兩水相。進行相分離后，解除壓力使NH4NH2CO2揮發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，采用蒸發水分，獲得結晶硫酸鈉的方法來回收下相的無機鹽，但這種方法蒸發耗能大，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調節實現這種聚合物的回收。但回收需在強酸下進行(Hasan A.，Muallem A.，Mohamed I.M.W.，Asrof A.S.K.Polymer，2002，431041-1050)。
關于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對過熱、極端PH、壓力非常敏感，劇烈改變這些條件，對生物活性物質破壞很大。因此，研發一種用于兩水相分離體系、既能保持生物質活性又可回收再利用的聚合物成為本領域亟待解決的問題。
發明內容
本發明目的在于，提供一種可用于兩水相分離體系、既能保持生物質活性又可通過簡單調節兩性離子等電點的方法回收聚合物及其制備方法。
本發明的發明人經廣泛且深入的研究，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。實現了既能保持生物質活性又可回收再利用的聚合物之目的。
本發明所說的聚合物，其由單體化合物(1)、單體化合物(2)和單體化合物(3)經無規共聚而得，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選摩爾比為a∶b∶c＝3～6∶1～3∶1。得到的無規聚合物等電點為7.5-9.0，由凝膠滲透色譜法(GPC)測得該高聚物的分子量約為5×103-1×104，多分散性指數約為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。
在本發明中單體化合物(1)是以甲基丙烯酰氯為起始原料，與相應的二烷基氨乙醇，單體化合物(2)是以甲基丙烯酰氯為起始原料，與相應的醇經酯化反應制得，單體化合物(3)為市售品。
本發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，以三種單體總質量的0.5％-2％偶氮二異丁腈(AIBN)為引發劑，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12～24小時，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明所說的共聚物。
本發明合成的高聚物為一種兩性聚合物，即大分子鏈上同時帶有陰、陽離子基團的高分子。在從酸性環境過渡到堿性環境時，在一定的PH值時正負電荷基團的數目相等，分子內相互靜電作用使大分子鏈凈電荷為零。此時兩性高分子所處的PH值稱為等電點(PI)。在等電點下，兩性聚合物的溶解度最小，可通過加入適量堿液調節溶液PH值使聚合物沉淀回收。
兩性聚合物的等電點由其等離子點決定。本發明的甲基丙烯酸酯類三聚體的等離子點測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)達到平衡，測量其PH值即為等離子點。通過濁度計測量和理論計算均表明，等電點的PH與測得的等離子點的PH相似。經測量，本發明設計的聚合物的等電點穩定在7.5-9.0之間，最佳等電點為PI＝8.4。
本發明設計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(PI＝7.5～9.0)(最佳等電點PI＝8.4)處可以沉淀并回收利用(回收率達到95％以上)。與現有的用于兩水相分離體系的聚合物相比，本發明的聚合物既能保持生物質活性又可回收再利用，其相應的制備方法簡便可行。
具體實施例方式
下面通過實施例對本發明作進一步說明，其目的僅在于更好理解本發明的內容而非限制本發明的保護范圍實施例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，加入三種單體總質量的2％的偶氮二異丁腈AIBN作為引發劑，充氮除氧15分鐘。密封反應容器，于60℃，250rpm轉速下水浴振蕩反應24小時。反應結束，產物以石油醚沉淀，沉淀物干燥至恒重，得到最終產物。測定其等電點PI＝8.4。該聚合物在234nm處有最大紫外吸收。
實施例2將質量比為5％ABC三聚體水溶液PABC與質量比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，離心促進分相。上下相分別加入適量0.1M NaOH水溶液調節溶液PH值，使聚合物在等電點下沉淀。離心，取上清液在234nm處測定PABC的吸光度，通過標準曲線計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兩相形成，在280nm處分別測定BSA在上、下相中的吸光度，計算得BSA的分配系數為12.5。證明該聚合物應用于兩水相萃取可以實行。
實施例4兩水相體系保持酶活性實例，以胰蛋白酶為溶質，將其溶解于兩水相中(上相PABC3ml，下相PEG 2ml)。經過7.5小時，測得上下相胰蛋白酶的活性與加入時的酶活性保持一致，上相依然為350U/mg，下相依然為180U/mg。
權利要求
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)經無規共聚而得，三種單體化合物的摩爾比為a∶b∶c＝3～6∶1～3∶1，得到的無規聚合物等電點為7.5-9.0，該高聚物的分子量為5×103-1×104，多分散性指數為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，以三種單體總質量0.5％-2％偶氮二異丁腈(AIBN)為引發劑，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12～24小時，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明所說的共聚物。
5.如權利要求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
本發明涉及一種用于雙水相分離系統、可回收并循環使用的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)經無規共聚而得，三種單體化合物的摩爾比為a∶b∶c＝3～6∶1～3∶1，得到的無規聚合物等電點為7.5－9.0，該高聚物的分子量為5×10
文檔編號C08F220/00GK1693325SQ200510025520
公開日2005年11月9日 申請日期2005年4月28日 優先權日2005年4月28日
發明者曹學君, 秦偉 申請人:華東理工大學