專利名稱：兩種溫度敏感可逆溶解成相聚合物、其制備方法及形成的再生型兩水相體系的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及成相聚合物技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及溫度敏感可逆溶解成相聚合物 技術(shù)領(lǐng)域，特別是指兩種溫度敏感可逆溶解成相聚合物、其制備方法及形成的再生型兩水 相體系。
背景技術(shù)：
兩水相體系(aqueous two-phase systems，簡稱ATPS)是基于液-液萃取理論并 考慮保持生物活性而開發(fā)的一種新型液-液萃取分離技術(shù)，該技術(shù)在生物化工分離領(lǐng)域有 極好的應(yīng)用前景。與傳統(tǒng)的有機溶劑萃取相比，兩水相萃取技術(shù)具有分離條件溫和、易操 作、可調(diào)節(jié)因素多以及可借助傳統(tǒng)溶劑萃取的成功經(jīng)驗等優(yōu)點，被認(rèn)為是生物下游工程中 一種極有前途的初級分離單元操作，具有非常廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。然而，由于現(xiàn)有的兩水 相體系成相聚合物存在著難以回收的問題，從而阻礙了兩水相體系的應(yīng)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。解決兩 水相體系成相聚合物循環(huán)使用問題成為研究熱點。Josefine和Tjerneld研究小組將Ε0-Ρ0 (是環(huán)氧乙烷(EO)和環(huán)氧丙烷(PO)的無 規(guī)共聚物)兩端用憎水基團(tuán)(C14H29)修飾，單獨用這種修飾過的共聚物(HM-EO-PO)就可形 成水兩相體系，上相幾乎含100%水分，下相含5-7%的ΗΜ-Ε0-Ρ0。并用該體系純化溶菌酶、 牛血清蛋白及Apolopoprotein-Ι，通過控制pH或鹽濃度來調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的分配系數(shù)，被分離 的蛋白相可用水反萃取，而成相高聚物可通過溫度誘導(dǎo)來回收。但這個體系屬于表面活性 劑水膠束體系。該小組又將這種修飾的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%，ΗΜ-Ε0-Ρ0的回收率是97. 5%。但 這樣組成的兩水相體系中有一個成相聚合物的回收率太低，沒有應(yīng)用意義。之后，該小組又 合成了聚(N-異丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)、聚乙烯己內(nèi)酰胺(poly-VCL)以及NIPAM與帶有 乙烯咪唑(VI)的VCL共聚物(poly-NIPAM-VI)，以期獲得更理想的熱促相分離兩水相體系。 在其實驗中，用poly-NIPAM-VI與HM-EO-PO組成兩水相時，其回收率分別是poly-NIPAM-VI 為53%而ΗΜ-Ε0-Ρ0為92%。Poly-NIPAM-VI的回收率較低是由于該聚合物具有高的濁點 和高的溶解度。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 Α. Μ. V. D. W.，J. Chromatogr. B.，1998，711 :61_68)。通過 CO2 和 NH3 在含蛋白質(zhì)的 PEG 的水 溶液形成氨基甲酸銨(NH4NH2CO2)，達(dá)一定濃度時可形成兩水相。之后，解除壓力使NH4NH2CO2 揮發(fā)分解并加以重新回收。但這種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。上述方法是解決聚合物的回收問題的各種嘗試。但均沒有獲得高回收率的溶解可 逆聚合物。因此，研發(fā)高回收率(大于95%)的兩水相成相聚合物成為本領(lǐng)域亟待解決的 問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的就是針對以上存在的問題與不足，提供兩種溫度敏感可逆溶解 成相聚合物、其制備方法及形成的再生型兩水相體系，該兩種成相聚合物溫度敏感可逆溶 解，由此形成的再生型兩水相體系為溫敏性，兩成相聚合物可以高效回收，大大降低了使用 成本，且回收簡便，適于大規(guī)模推廣應(yīng)用。為了實現(xiàn)上述目的，在本發(fā)明的第一方面，提供了 一種溫度敏感可逆溶解成相聚 合物I，其特點是，所述溫度敏感可逆溶解成相聚合物I的分子量為IO5 106，由式⑴所示 化合物、式(2)所示化合物和式(3)所示化合物經(jīng)無規(guī)共聚而得到，其中所述式(1)所示化 合物、所述式(2)所示化合物和所述式(3)所示化合物的摩爾比為90 80 4 2 1，
(1)R2 (2)⑶其中，R” R2分別選自H或C1 C6的烷基；R3為OH0較佳地，所述R1、所述R2分別選自H或C1 C3的烷基。更佳地，所述R1為異丙基，所述R2為亞甲基。較佳地，所述式(1)所示化合物、所述式(2)所示化合物和所述式(3)所示化合物 的摩爾比為90 80 3 1。更佳地，所述式(1)所示化合物、所述式(2)所示化合物和所述式(3)所示化合物 的摩爾比為84 3 1。在本發(fā)明的第二方面，提供了一種制備上述的溫度敏感可逆溶解成相聚合物I的 方法，其特點是，將所述式(1)所示化合物、所述式(2)所示化合物和所述式(3)所示化合 物按摩爾比90 80 4 2 1加入溶劑中，以偶氮二異丁腈為引發(fā)劑，在惰性氣體存在 下，于50°C 70°C進(jìn)行聚合反應(yīng)得到。較佳地，所述溶劑為苯、無水乙醚、四氫呋喃或甲醇，所述惰性氣體為氮氣。較佳的，所述式(1)所示化合物、所述式(2)所示化合物和所述式(3)所示化合 物按摩爾比84 3 1，引發(fā)劑占三種化合物總質(zhì)量0.5%-2%，溶劑為三種單體總體積 10-40倍，聚合反應(yīng)進(jìn)行12 24小時。反應(yīng)結(jié)束后，取出除去溶劑，然后產(chǎn)物以少量丁酮溶解將溶液傾入攪拌的15-20 倍的正己烷中，將得到的聚合物于真空干燥箱中干燥至恒重，得最終聚合物。所得固體物 即為本發(fā)明所說的一對可構(gòu)成全回用兩水相體系的成相聚合物中的一種，簡記為共聚物 Pnbm共聚物Pma為一種溫度敏感型共聚物，即通過升高溫度可將其從兩水相體系中回收。在本發(fā)明的第三方面，提供了一種種溫度敏感可逆溶解成相聚合物II，其特點是， 所述溫度敏感可逆溶解成相聚合物II的分子量為IO4 105，由式(4)所示化合物、式(5) 所示化合物和式(6)所示化合物經(jīng)無規(guī)共聚而得到，其中所述式(4)所示化合物、所述式 (5)所示化合物和所述式(6)所示化合物的摩爾比為15 20 3 5 4 2， 其中，R4、R5分別選自H或C1 C6的烷基；R6為H或C1 C4的烷基。 較佳地，所述R4為H或C1 C3的烷基，R5為H或C1 C3的烷基，R6為C3 C6的焼基。更佳地，所述R4為甲基，所述R5為乙基，所述R6為二甲氨基。較佳地，所述式(5)所示化合物、所述式(6)所示化合物和所述式(7)所示化合物 的摩爾比為17 4 3。在本發(fā)明的第四方面，提供了一種制備上述的溫度敏感可逆溶解成相聚合物II 的方法，其特點是，將所述式(4)所示化合物、所述式(5)所示化合物和所述式(6)所示化 合物按摩爾比15 20 3 5 4 2加入溶劑中，以偶氮二異丁腈為引發(fā)劑，在惰性氣 體存在下，于50°C 70°C進(jìn)行聚合反應(yīng)得到。較佳地，所述溶劑為苯、無水乙醚、四氫呋喃或甲醇，所述惰性氣體為氮氣。較佳的，所述式(4)所示化合物、所述式(5)所示單體化合物和所述式(6)所示化 合物按摩爾比17 4 3，引發(fā)劑占三種單體總質(zhì)量0.5%-2%，溶劑為三種單體總體積 10-40倍，聚合反應(yīng)進(jìn)行12 24小時。反應(yīng)結(jié)束后，將產(chǎn)物傾入15-20倍的石油醚中沉淀產(chǎn)物，將得到的聚合物于真空 干燥箱中干燥至恒重，得最終聚合物。所得固體物經(jīng)干燥后即為本發(fā)明所說的一對可構(gòu)成 全回用兩水相體系的成相聚合物中的一種，簡記為共聚物P·。共聚物P·為另外一種溫度 敏感型共聚物，即通過提高溫度可將其從兩水相體系中回收。在本發(fā)明的第五方面，提供了一種再生型兩水相體系，其特點是，由上述的或上述 方法制備的溫度敏感可逆溶解成相聚合物I和上述的或上述方法制備的溫度敏感可逆溶 解成相聚合物II配制而成。將上述的聚合物PNBAa或由上述方法制備的聚合物PNBAa與上述的聚合物Pndb或由 上述方法制備的聚合物Pndb在水或緩沖溶液中以一定的濃度配伍即可構(gòu)成全回用兩水相體 系，即上述的再生型兩水相體系。本發(fā)明設(shè)計并合成的可用于兩水相分離系統(tǒng)的兩種共聚 物，均為溫度敏感型共聚物，30°C 50°C加以回收，回收率均在95%以上。在本發(fā)明的第六方面，提供了上述的再生型兩水相體系在分離生物產(chǎn)品中的應(yīng) 用。在本發(fā)明中式(1)所示化合物和式(4)所示化合物是以丙烯酸為起始原料，首先 經(jīng)酰氯化試劑酰氯化獲得丙烯酰氯，然后再與相應(yīng)胺反應(yīng)后制得；式(5)所示化合物是由 丙烯酸與相應(yīng)的醇經(jīng)酯化反應(yīng)制得；式(2)所示化合物、式(3)所示化合物以及式(6)所示 化合物為市售品。本發(fā)明的有益效果具體為本發(fā)明的設(shè)計并合成的可用于兩水相分離系統(tǒng)的兩種 共聚物聚合物I和聚合物II，均為溫度敏感型共聚物，溫度敏感可逆溶解，由此形成的再 生型兩水相體系為溫敏性，兩成相聚合物可以在30°c 50°C高效回收，回收率均高達(dá)95%
6以上，因此可以通過提高溫度回收兩個成相聚合物，大大降低了兩水相體系分離生物產(chǎn)品 或進(jìn)行相轉(zhuǎn)移生物催化反應(yīng)的使用成本，回收操作簡便，適于大規(guī)模推廣應(yīng)用。


圖1是本發(fā)明的溫度敏感可逆溶解成相聚合物I和溫度敏感可逆溶解成相聚合物 II構(gòu)成水相的相圖。圖2是本發(fā)明的溫敏性兩水相體系的一具體實施例的溫度敏感可逆溶解成相聚 合物I和溫度敏感可逆溶解成相聚合物II的五次回收率圖。
具體實施例方式為更好的理解本發(fā)明的內(nèi)容，下面結(jié)合具體實施例作進(jìn)一步說明。實施例1溫度敏感型共聚物PNBAa制備將3. OgN-異丙基丙烯酰胺(NIPA)(根據(jù)上述方法自制)、0. 12mL甲基丙烯酸丁 酯(BMA)(上海凌峰化學(xué)試劑有限公司，AR)、0. 05mL丙烯醇(Aa)(上海菲達(dá)工貿(mào)有限公司， AR)加入具塞三角燒瓶中，以50mL苯作為反應(yīng)溶劑，引發(fā)劑為1.0% mol的偶氮二異丁腈 (AIBN)，攪拌下使其充分溶解并充氮除氧15min。在60°C，120rpm轉(zhuǎn)速下密封反應(yīng)容器水浴 振蕩反應(yīng)24小時。結(jié)束后除去溶劑，然后以20ml 丁酮溶解產(chǎn)物，并按1 4比例將產(chǎn)物溶 液傾入正己烷中。所得產(chǎn)物經(jīng)過重結(jié)晶處理后置于真空干燥箱中，干燥至恒重，得最終產(chǎn)物 聚合物，由烏氏粘度計測得其粘均分子量為3. 49X IO40 P—最低臨界溫度為26. 8°C。實施例2溫度敏感型共聚物Pndb制備將3. OgN-異丙基丙烯酰胺(NIPA)(根據(jù)上述方法自制)、0. 6mL 2_甲基丙烯酸二 甲氨基乙酯(DMAEMA或者DM)(上海菲達(dá)工貿(mào)有限公司，AR)、0. 4mL甲基丙烯酸丁酯(BMA) 加入具塞三角燒瓶中，溶劑為50mL四氫呋喃(THF)，引發(fā)劑為1.0% mol的偶氮二異丁腈 (AIBN)，攪拌下充分溶解并進(jìn)行15min充氮除氧。在60°C，ISOrpm轉(zhuǎn)速下密封反應(yīng)容器水 浴振蕩反應(yīng)24小時。以大量石油醚沉淀產(chǎn)物，然后將產(chǎn)物置于真空干燥箱中，室溫下真空 干燥至恒重，所得產(chǎn)物為最終聚合物，由烏氏粘度計測得其粘均分子量為2. BOXlO40 Pndb最 低臨界溫度為30. 1°C。實施例3溫敏性再生型兩水相體系的配制將分別由實施例1和2制得的聚合物Ρ,-與聚合物Pndb按圖1所示的相圖進(jìn)行配 制，聚合物Pma和聚合物Pndb在水中濃度達(dá)到圖1中雙結(jié)線以上時，可形成兩水相。兩相中 兩種聚合物的濃度可以通過排阻層析的方法測量得到。PNBAa_PNDB的回收率可以通過熱回收 的沉淀蒸干至恒重而得。通過上述方法計算得聚合物PNBAa的回收率可達(dá)97%以上，聚合物 Pndb的回收率分別為96. 0%以上，理論上可以循環(huán)使用至少60次。實施例4溫敏性再生型兩水相體系的配制、使用和回收配制兩水相體系，上相為Iml 10wt%&PNBAa(由實施例1制得)，下相為2ml IOwt %的Pndb分配溶質(zhì)去甲基金霉素，初始濃度為1. Omg/mL,混勻后低速離心以促進(jìn)兩相 形成，分別吸出Iml下相溶液，稀釋至10ml，通過紫外分光光度法在363nm處測量上下相溶 液的吸光值，通過去甲基金霉素的標(biāo)準(zhǔn)曲線，計算出下相中去甲金霉素的濃度，從而計算出 去甲基金霉素在兩水相中的分配系數(shù)為2. 29。證明該聚合物應(yīng)用于兩水相萃取可以實行。
利用聚合物溫度敏感的特性，Ρ,-最低臨界溫度為26. 8°C，聚合物Pndb最低臨界溫 度為30. 1°C，分別將聚合物進(jìn)行溶解、在高于臨界溫度10°C時加熱回收，反復(fù)循環(huán)回收五 次，五次回收率見圖2，可以看出兩種聚合物均能多次回收，且回收率很高，其中聚合*PNBAa 的回收率明顯優(yōu)于聚合物PNDB，五次回收率均能保持在97%以上，聚合物Pndb前兩次回收率 較低，為94. 2%左右，但是隨著回收次數(shù)的增加，回收率也顯著增加，達(dá)到96%以上，聚合 物PNBAa回收率隨著回收次數(shù)的增加回收率也有所增加，可能是由于多次回收對聚合物有提 純的效果，這也是該兩水相系統(tǒng)的優(yōu)勢所在。綜上所述，本發(fā)明的兩種溫度敏感可逆溶解成相聚合物均溫度敏感可逆溶解，由 此形成的再生型兩水相體系為溫敏性，兩成相聚合物可以高效回收，大大降低了使用成本， 且回收簡便，適于大規(guī)模推廣應(yīng)用。在此說明書中，本發(fā)明已參照其特定的實施例作了描述。但是，很顯然仍可以做出 各種修改和變換而不背離本發(fā)明的精神和范圍。因此，說明書和附圖應(yīng)被認(rèn)為是說明性的 而非限制性的。
權(quán)利要求
一種溫度敏感可逆溶解成相聚合物I，其特征在于，所述溫度敏感可逆溶解成相聚合物I的分子量為105～106，由式(1)所示化合物、式(2)所示化合物和式(3)所示化合物經(jīng)無規(guī)共聚而得到，其中所述式(1)所示化合物、所述式(2)所示化合物和所述式(3)所示化合物的摩爾比為90～80∶4～2∶1，其中，R1、R2分別選自H或C1～C6的烷基；R3為OH。FSA00000188967500011.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度敏感可逆溶解成相聚合物I，其特征在于，所述R1、所述 R2分別選自H或C1 C3的烷基。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的溫度敏感可逆溶解成相聚合物I，其特征在于，所述R1為異 丙基，所述R2為亞甲基。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度敏感可逆溶解成相聚合物I，其特征在于，所述式(1)所 示化合物、所述式(2)所示化合物和所述式(3)所示化合物的摩爾比為90 80 3 1。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的溫度敏感可逆溶解成相聚合物I，其特征在于，所述式(1)所 示化合物、所述式(2)所示化合物和所述式(3)所示化合物的摩爾比為84 3 1。
6.一種制備權(quán)利要求1所述的溫度敏感可逆溶解成相聚合物I的方法，其特征在于， 將所述式(1)所示化合物、所述式(2)所示化合物和所述式(3)所示化合物按摩爾比90 80 4 2 1加入溶劑中，以偶氮二異丁腈為引發(fā)劑，在惰性氣體存在下，于50°C 70°C 進(jìn)行聚合反應(yīng)得到。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述溶劑為苯、無水乙醚、四氫呋喃或甲 醇，所述惰性氣體為氮氣。
8.一種溫度敏感可逆溶解成相聚合物II，其特征在于，所述溫度敏感可逆溶解成相聚 合物II的分子量為IO4 105，由式(4)所示化合物、式(5)所示化合物和式(6)所示化合 物經(jīng)無規(guī)共聚而得到，其中所述式(4)所示化合物、所述式(5)所示化合物和所述式(6)所 示化合物的摩爾比為15 20 3 5 4 2， 其中，R4、R5分別選自H或C1 C6的烷基；R6為H或C1 C4的烷基。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的溫度敏感可逆溶解成相聚合物II，其特征在于，所述R4為H 或C1 C3的烷基，R5為H或C1 C3的烷基，R6為C3 C6的烷基。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的溫度敏感可逆溶解成相聚合物II，其特征在于，所述R4為 甲基，所述R5為乙基，所述R6為二甲氨基。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的溫度敏感可逆溶解成相聚合物II，其特征在于，所述式(5) 所示化合物、所述式(6)所示化合物和所述式(7)所示化合物的摩爾比為17 4 3。
12.—種制備權(quán)利要求8所述的溫度敏感可逆溶解成相聚合物II的方法，其特征在于， 將所述式(4)所示化合物、所述式(5)所示化合物和所述式(6)所示化合物按摩爾比15 20 3 5 4 2加入溶劑中，以偶氮二異丁腈為引發(fā)劑，在惰性氣體存在下，于50°C 70°C進(jìn)行聚合反應(yīng)得到。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述溶劑為苯、無水乙醚、四氫呋喃或 甲醇，所述惰性氣體為氮氣。
14.一種再生型兩水相體系，其特征在于，由權(quán)利要求1 5任一所述的或權(quán)利要求 6 7任一所述的方法制備的溫度敏感可逆溶解成相聚合物I和權(quán)利要求8 12任一所述 的或權(quán)利要求13 14任一所述的方法制備的溫度敏感可逆溶解成相聚合物II配制而成。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的再生型兩水相體系在分離生物產(chǎn)品中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及溫度敏感可逆溶解成相聚合物I和II，聚合物I的分子量為105～106，由式(1)所示化合物、式(2)所示化合物和式(3)所示化合物經(jīng)無規(guī)共聚而得，摩爾比90～80∶4～2∶1，R1、R2分別選自H或C1～C6的烷基；R3為OH；聚合物II的分子量為104～105，由式(4)所示化合物、式(5)所示化合物和式(6)所示化合物經(jīng)無規(guī)共聚而得，摩爾比15～20∶3～5∶4～2，R4、R5分別選自H或C1～C6的烷基；R6為H或C1～C4的烷基，還涉及相關(guān)制備方法以及形成的再生型兩水相體系，本發(fā)明的兩種成相聚合物溫度敏感可逆溶解，由此形成的再生型兩水相體系為溫敏性，兩成相聚合物可以高效回收，大大降低了使用成本，且回收簡便，適于大規(guī)模推廣應(yīng)用。
文檔編號C08F220/54GK101906185SQ20101022606
公開日2010年12月8日 申請日期2010年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月13日
發(fā)明者曹學(xué)君, 李艷杰, 陳金鵬 申請人:華東理工大學(xué)