Наногибридные функциональные сепарационные материалы на основе модифицированных наночастиц металлов и способ их получения

Наногибридные функциональные сепарационные материалы на основе модифицированных наночастиц металлов и способ их получения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области органической и аналитической химии, а также материаловедению и может быть использовано как в хроматографии для разделения рацематов оптически активных соединений, так и для выделения индивидуальных изомеров и контроля энантиомерной чистоты (например, аминокислот, пестицидов и биологически активных соединений).

Известны функциональные сепарационные материалы для разделения рацемических смесей, получаемые иммобилизацией путем адсорбции на минеральном носителе гидрофобных производных оптически активных аминокислот (US 4851382, B01J 20/22, 1989). В качестве носителя используют SiO₂. Модифицирование происходит в динамическом режиме, последовательно производным аминокислоты, с последующей координацией иона металла (меди) на поверхности носителя. Максимальный коэффициент селективности (α) наблюдался при разделении смеси энантиомеров глутаминовой кислоты и составил 1.64.

Однако такие сорбенты нестабильны в водно-органических и органических подвижных фазах, а способы их получения достаточно сложны.

Наиболее близким является наногибридный функциональный сепарационный материал, содержащий наночастицы золота, полученные на неорганическом носителе после реакции восстановления соли золота на предварительно модифицированном солями олова силикагеле (US 6277489, 08.21.2001). Полученные наночастицы золота, закрепленные на силикагеле, первоначально модифицировали органическими лигандами, которые в дальнейшем модифицировали другими более сложными органическими молекулами.

Недостатком сорбентов является их низкая стабильность, за счет отсутствия ковалентной связи между используемым носителем и хиральными лигандами. Последние легко вымываются из хроматографической колонки органическими растворителями, и потому колонка может использоваться только в водных средах и для разделения только водорастворимых рацематов, что, в свою очередь, свидетельствует о достаточно узкой области применения описываемых материалов. Кроме того, сам синтез этих материалов является многостадийным процессом.

Задачей настоящего изобретения является разработка стабильных сепарационных материалов, позволяющих проводить разделение широкого круга соединений, повышение их селективности и обеспечение воспроизводимого получения и упрощения технологии.

Поставленная задача решается способом получения наногибридного сорбента для разделения органических веществ, включающим получение адсорбированных на носителе наночастиц металлов и их модификацию серосодержащими органическими соединениями, отличающимся тем, что наночастицы металла адсорбированы на носителе путем перемешивания раствора упомянутых частиц с носителем, с последующей фильтрацией и промывкой, в качестве серосодержащих органических соединений используют тиолы и дисульфиды.

Наиболее стабильные результаты он проявляет, когда в качестве серосодержащих соединений он содержит тиолы и дисульфиды, а также серосодержащие аминокислоты, например цистеин, и их производные.

В качестве носителя он может содержать как органический носитель, например полистирол, так и неорганический носитель, например оксид кремния или оксид алюминия.

Наивысшая селективность проявляется при использовании в качестве наночастиц металла наночастиц золота, серебра, меди или палладия.

Еще одним аспектом изобретения является способ получения наногибридного функционального сепарационного материала, описанного выше, включающий получение последовательно соединенных носителя, наночастиц металла и лигандов, новизна которого заключается в том, что предварительно наночастицы металла адсорбируют на носителе, а затем к ним присоединяют лиганд, модификацией их серосодержащими органическими соединениями.

Осуществление вышеописанной последовательности операций приводит к образованию ковалентных связей между органическим серосодержащим лигандом и наночастицами золота, что значительно увеличивает стабильность получаемых материалов. При этом наночастицы металла, предварительно адсорбированные на поверхности носителя, являются одним из центров взаимодействия энантиомеров (оптические изомеры) с поверхностью сорбента, что усиливает взаимодействие определяемого вещества с наногибридным материалом, и, следовательно, увеличивает удерживание соединений друг с другом.

Техническим результатом, получаемым при осуществлении предлагаемого изобретения являются:

- стабильность сорбента (в процессе работы сорбент не теряет своих свойств);

- простота синтеза сорбента (сорбент получен в две препаративно удобные стадии);

- коммерческая доступность реагентов для синтеза;

- повышение их селективности (в среднем коэффициент разделения составил 1.7) и обеспечение воспроизводимого получения.

На фиг.1 приведена общая схема закрепления низкомолекулярных селекторов на носителях (схема получения предложенного наногибридного материала на основе модифицированных наночастиц металла, адсорбированных на поверхности носителя).

1) носитель;

2) носитель с адсорбированными наночастицами металла;

3) носитель с адсорбированными наночастицами металла, модифицированными низкомолекулярным селектором.

На фиг.2 приведены схема получения наногибридного материала на основе модифицированных наночастиц золота, адсорбированных на поверхности оксида кремния (а), изображение поверхности оксида кремния с адсорбированными наночастицами золота, полученное методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) (б).

На фиг.3 приведена хроматограмма рацемической смеси фенопрофена. Колонка 100×4,6. Подвижная фаза: гексан/изопропанол (70/30). Скорость потока 2 мл/мин, λ=254 нм.

На фиг.4 приведена хроматограмма рацемической смеси пиндолола. Колонка 150×4,6. Подвижная фаза: ацетонитрил/метанол/уксусная кислота/триэтиламин (60/40/0,2/0,2). Скорость потока 2 мл/мин, λ=230 нм.

Приведенные ниже примеры подтверждают, но не исчерпывают предлагаемое изобретение.

Пример 1. Способ получения модифицированного оксида алюминия

Получение модифицированного оксида алюминия проводили по схеме, представленной на фиг.1. Навеску оксида алюминия (2 г) (носитель) с диаметром частиц 10-40 мкм суспензируют в 20 мл раствора наночастиц золота при медленном перемешивании (30-40 об/мин) на магнитной мешалке при комнатной температуре. Смесь перемешивают в течение 1 часа, фильтруют и промывают последовательно водой и этиловым спиртом, получая, таким образом, оксид алюминия с адсорбированными наночастицами золота. В другую колбу помещают раствор серосодержащего органического соединения, являющегося аминокислотой, относящейся к группе тиолов, в качестве которого был взят L-цистеин (10^-3 М, 25 мл), в воде и модифицируют им полученный оксид алюминия с адсорбированными наночастицами золота, для чего смесь перемешивают 1 час, фильтруют, промывают водой и спиртом. В результате получают наногибридный функциональный сепарационный материал, содержащий в качестве носителя оксид алюминия с адсорбированными наночастицами золота, которые ковалентно закреплены с лигандами на основе серосодержащего органического соединения, являющегося аминокислотой, относящейся к группе тиолов, - L-цистеина.

Полученным сорбентом набивают хроматографическую колонку размером 4,6×150 мм под давлением 200-300 Бар. Разделение на сорбентах, модифицированных полученным наногибридным функциональным сепарационным материалом, осуществляют в неводных подвижных фазах, т.е. в нормально-фазовом или полярно-органическом вариантах хроматографии. Таким образом, авторам удалось найти новый удобный способ модификации поверхности оксида алюминия, который превосходит описанные ранее по простоте приготовления, устойчивости и коммерческой доступности.

Энантиомеры пиндолола разделяли на колонке с оксидом алюминия (4,6×150 мм) в полярно-органическом варианте ВЭЖХ с использованием подвижной фазы ацетонитрил/метанол и добавкой уксусной кислоты и триэтиламина (60/40/0,2/0,2), скоростью потока 2 мл/мин. Время удерживания первого изомера t_R1'=2,75, второго t_R2'=3,32. Коэффициент селективности разделения α=1,21. При многократном повторении анализа сорбент не терял своих хроматографических свойств. Детектирование проводили спектрофотометрическим детектором при длине волны 230 нм.

Пример 2. Способ получения модифицированного оксида кремния

Получение модифицированного оксида кремния проводили по схеме, представленной на фиг.1. Навеску оксида кремния (2 г) с диаметром частиц 5 мкм суспензируют в 20 мл раствора наночастиц золота при медленном перемешивании (30-40 об/мин) на магнитной мешалке при комнатной температуре. Смесь перемешивают в течение 1 часа, фильтруют и промывают последовательно водой и этиловым спиртом. В другую колбу помещают раствор серосодержащего органического соединения, являющегося аминокислотой, относящейся к группе тиолов, - L-цистеина (10^-3 М, 25 мл), в воде и модифицированный оксид кремния, смесь перемешивают 1 час, фильтруют, промывают водой и спиртом. В результате получают наногибридный функциональный сепарационный материал, содержащий в качестве носителя оксид кремния с адсорбированными наночастицами золота, которые ковалентно закреплены с лигандами на основе серосодержащего органического соединения, являющегося аминокислотой, относящейся к группе тиолов, - L-цистеина (фиг.2).

Полученным сорбентом набивают хроматографическую колонку размером 4,6×150 мм и 4,6×100 мм под давлением 200-300 Бар. Разделение на сорбентах, модифицированных низкомолекулярным селектором, осуществляют в неводных подвижных фазах, т.е. в нормально-фазовом или полярно-органическом вариантах хроматографии (фиг.3 и фиг.4). Энантиомеры фенопрофена разделяли на колонке (4,6×100 мм) с силикагелем в нормально-фазовом варианте ВЭЖХ с использованием подвижной фазы гексан/изопропанол (70/30), скоростью потока 2 мл/мин. Время удерживания первого изомера t_R1'=1,05, второго t_R2'=1,79. Коэффициент селективности разделения α=1,7. При многократном повторении анализа сорбент не терял своих хроматографических свойств. Детектирование проводили спектрофотометрическим детектором при длине волны 254 нм. Энантиомеры пиндолола разделяли на колонке с силикагелем (4,6×150 мм) в полярно-органическом варианте ВЭЖХ с использованием подвижной фазы ацетонитрил/метанол и добавкой уксусной кислоты и триэтиламина (60/40/0,2/0,2), скоростью потока 2 мл/мин. Время удерживания первого изомера t_R1'=1,58, второго t_R2'=1,82. Коэффициент селективности разделения α=1,15. При многократном повторении анализа сорбент не терял своих хроматографических свойств. Детектирование проводили спектрофотометрическим детектором при длине волны 230 нм.

Пример 3. Способ получения модифицированного оксида кремния

Получение модифицированного оксида кремния проводили по схеме, представленной на фиг.1. Навеску оксида кремния (2 г) с диаметром частиц 5 мкм суспензируют в 20 мл раствора наночастиц меди при медленном перемешивании (30-40 об/мин) на магнитной мешалке при комнатной температуре. Смесь перемешивают в течение 1 часа, фильтруют и промывают последовательно водой и этиловым спиртом. В другую колбу помещают раствор серосодержащего органического соединения, являющегося аминокислотой, относящейся к группе тиолов, - L-цистеина (10^-3 М, 25 мл), в воде и модифицированный оксид кремния, смесь перемешивают 1 час, фильтруют, промывают водой и спиртом. В результате получают наногибридный функциональный сепарационный материал, содержащий в качестве носителя оксид кремния с адсорбированными наночастицами меди, которые ковалентно закреплены с лигандами на основе серосодержащего органического соединения, являющегося аминокислотой, относящейся к группе тиолов, - L-цистеина.

Пример 4. Способ получения модифицированного оксида кремния

Получение модифицированного оксида кремния проводили по схеме, представленной на фиг.1. Навеску оксида кремния (2 г) с диаметром частиц 5 мкм суспензируют в 20 мл раствора наночастиц серебра при медленном перемешивании (30-40 об/мин) на магнитной мешалке при комнатной температуре. Смесь перемешивают в течение 1 часа, фильтруют и промывают последовательно водой и этиловым спиртом. В другую колбу помещают раствор серосодержащего органического соединения, являющегося аминокислотой, относящейся к группе тиолов, - L-цистеина (10^-3 М, 25 мл), в воде и модифицированный оксид кремния, смесь перемешивают 1 час, фильтруют, промывают водой и спиртом. В результате получают наногибридный функциональный сепарационный материал, содержащий в качестве носителя оксид кремния с адсорбированными наночастицами серебра, которые ковалентно закреплены с лигандами на основе серосодержащего органического соединения из группы тиолов, - L-цистеина.

Пример 5. Способ получения модифицированного оксида кремния

Получение модифицированного оксида кремния проводили по схеме, представленной на фиг.1. Навеску оксида кремния (2 г) с диаметром частиц 5 мкм суспензируют в 20 мл раствора наночастиц палладия при медленном перемешивании (30-40 об/мин) на магнитной мешалке при комнатной температуре. Смесь перемешивают в течение 1 часа, фильтруют и промывают последовательно водой и этиловым спиртом. В другую колбу помещают раствор серосодержащего органического соединения, являющегося аминокислотой, относящейся к группе тиолов, - L-цистеина (10^-3 М, 25 мл), в воде и модифицированный оксид кремния, смесь перемешивают 1 час, фильтруют, промывают водой и спиртом. В результате получают наногибридный функциональный сепарационный материал, содержащий в качестве носителя оксид кремния с адсорбированными наночастицами палладия, которые ковалентно закреплены с лигандами на основе серосодержащего органического соединения, являющегося аминокислотой, относящейся к группе тиолов, - L-цистеина.

Аналогично были получены наногибридные функциональные сепарационные материалы, содержащие в качестве носителя оксид алюминия с адсорбированными наночастицами серебра, меди, палладия, которые ковалентно закреплены с лигандами на основе серосодержащего органического соединения.

Пример 6. Способ получения модифицированного полистирола

Получение модифицированного полистирола проводили по схеме, представленной на фиг.1. Навеску полистирола (2 г) с диаметром частиц 5 мкм суспензируют в 20 мл раствора наночастиц золота при медленном перемешивании (30-40 об/мин) на магнитной мешалке при комнатной температуре. Смесь перемешивают в течение 1 часа, фильтруют и промывают последовательно водой и этиловым спиртом. В результате получают наногибридный функциональный сепарационный материал, содержащий в качестве носителя полистирол с адсорбированными наночастицами золота, которые ковалентно закреплены с лигандами на основе серосодержащего органического соединения, являющегося аминокислотой, относящейся к группе тиолов, - L-цистеина.

Пример 7. Способ получения модифицированного оксида кремния

Получение модифицированного оксида кремния проводили по схеме, представленной на фиг.1. Навеску оксида кремния (2 г) с диаметром частиц 5 мкм суспензируют в 20 мл раствора наночастиц золота при медленном перемешивании (30-40 об/мин) на магнитной мешалке при комнатной температуре. Смесь перемешивают в течение 1 часа, фильтруют и промывают последовательно водой и этиловым спиртом. В другую колбу помещают раствор серосодержащего органического соединения, являющегося аминокислотой, относящейся к группе тиолов, - L-цистеамина (10^-3 М, 25 мл), в воде и модифицированный оксид кремния, смесь перемешивают 1 час, фильтруют, промывают водой и спиртом. В результате получают наногибридный функциональный сепарационный материал, содержащий в качестве носителя оксид кремния с адсорбированными наночастицами золота, которые ковалентно закреплены с лигандами на основе серосодержащего органического соединения из группы дисульфидов - цистеамина.

Таким образом, разработаны стабильные сепарационные материалы, позволяющие проводить разделение широкого круга соединений, в том числе разделение изомеров оптически активных соединений, в частности относящиеся к классу N-гидроксипропиламинов (β-блокаторов), профенов, широко использующихся в фармакологии и медицине.

Разработан способ получения сорбентов, позволяющий обеспечить его воспроизводимое получение и упрощение технологии, позволяющий многократно уменьшить время и стоимость синтеза сорбентов.

1. Способ получения наногибридного сорбента для разделения органических веществ, включающий получение адсорбированных на носителе наночастиц металлов и их модификацию серосодержащими органическими соединениями, отличающийся тем, что наночастицы металла адсорбируют на носителе путем перемешивания раствора упомянутых частиц с носителем с последующей фильтрацией и промывкой, в качестве серосодержащих органических соединений используют тиолы и дисульфиды.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что носитель выбирают из ряда: оксид кремния, оксид алюминия, полистирол.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что наночастицы выбирают из ряда: золото, серебро, медь.

4. Наногибридный сорбент для разделения органических веществ, содержащий носитель с адсорбированными наночастицами металла и ковалентно присоединенные к наночастицам серосодержащие лиганды, отличающийся тем, что он получен способом, охарактеризованным в п.1.