Brevet FR2028220A1 — publié le 19701009

-1- 2028220 La présente invention concerne un nouveau matériau de garnissage pour des colonnes de chromatographie. Les propriétés physiques remarquables des macroparticules superficiellement poreuses, associées aux propriétés du fluoropolymère sulfoné décrit 5 dans le présent exposé, donnent un matériau de garnissage exerçant une activité de sorption et qui donne d'excellents résultats dans des séparations'de chromatographie. Des séparations chromatographiques effectuées à l'aide d'un garnissage contenant une résine d'échange des ions sont bien con-10 nues. Des séparations à l'aide de résines d'échange des ions contenant des groupes actifs à leur surface seulement sont présentées par E. W. Pepper in Chemistry Research» Her Majesty's Stationery Office, Londres, England (1952) et par J. R. Parrish dans Nature, 207, 402 (1965). L'utilisation de perles de verre revêtue de ré-15 sines d'échange des ions a été décrite par C. G. Horvath, B. A. Preiss et S. R. Lipsky dans Analvtical Chemistry. 39» 1422 (1967)» Un garnissage chromatographie composé de noyaux imperméables revêtus d'une matière exerçant une activité de sorption est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 3.340.085. Cependant, 20 aucun de ces enseignements antérieurs ne décrit des garnissages chromâtographiques composés d'un fluoropolymère sulfoné revêtant des macroparticules ayant une surface superficiellement poreuse composée de monocouches distinctes de microparticules successivement adsorbées. L'utilisation de ces macroparticules augmente 25 l'efficacité et la reproductibilité des séparations chromatogra-phiques par suite de la grande porosité de surface et de la grande uniformité des dimensions des particules et des dimensions des pores. Dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 30 647.506 du 20 Juin 1967 déposée par Joseph Jack Eirkland, on décrit les résultats améliorés obtenus à l'aide de colonnes de chromatographie comportant comme matériau de garnissage des macroparticules superficiellement poreuses, qui y sont décrites. Il a été trouvé que de telles macroparticules donnent de façon inattendue 35 des résultats supérieurs dans des séparations chromatographiques d'échange de cations lorsque ces macroparticules sont revêtues d'un polymère du composé : 70 01045 _2. 2028220 CT=CF0CF2CK)CF2Cr2SCLH. I Ce polymère est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique 5 N° 3.282.875, où. sa structure et ses propriétés sont également indiquées. Sa stabilité chimique et son pouvoir élevé de sorption permettent la préparation d'un matériau de garnissage hautement effectif et durable pour des colonnes de chromatographie. Des résines d'échange d'ions du commerce sont chimiquement et mécani-10 quement bien moins stables, ce qui n'en justifie pas économiquement l'utilisation sur des perles de verre superficiellement poreuses comme décrit dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 647-506 précitée. En outre, la stabilité mécanique accrue du matériau de garnissage de la présente invention permet 15 l'utilisation de fortes pressions à l'entrée de la colonne, pressions auxquelles des garnissages classiques tendent à s'affaisser. On obtient des résultats améliorés dans les séparations chromatographiques à l'aide d'un nouveau matériau de garnissage comprenant des macroparticules superficiellement poreuses présen-20 tant des noyaux imperméables, ces macroparticules étant revêtues d'un fluoropolymère sulfoné contenant le motif répété caractérisé par la formule : -CFg-CE- I 25 0CP2CP0CP2CP2S05H. I CP5 Les macroparticules superficiellement poreuses comprennent des noyaux imperméables comme des perles de verre qui sont revê-30 tus de plusieurs monocouches distinctes, adsorbées successivement, de microparticules. La structure, la préparation et l'utilité en chromatographie des macroparticules sont décrites dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 647.506 précitée. 35 Le fluoropolymère sulfoné peut être un homopolymère ou un copolymère du composé répondant à la formule : 70 01045 -3- 2028220 CP2=CP0CT2CÎ,0CI,2CP2S05H I CF5 Lorsqu'on utilise un copolymère, des comonomères appropriés sont 5 des éthylènes fluorés comme le tétrafluoroéthylène, le fluorure de vinyle et le trifluoroéthylène. La nouvelle combinaison de ce copolymère et de ces macroparticules fournit un matériau perfectionné pour le garnissage chromatographique. 10 L'invention se comprendra mieux par référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une représentation schématique d'une macroparticule selon la présente invention ; la figure 2 est un chromatogramme montrant les résultats 15 supérieurs d'une séparation des bases des acides nucléiques provenant de l'acide ribonucléique (ARN) en utilisant le garnissage chromatographique selon la présente invention. Le nouveau matériau de garnissage chromatographique selon la présente invention s'obtient en revêtant des macroparticules 20 superficiellement' poreuses à l'aide du fluoropolymère sulfoné décrit . Les macroparticules peuvent être produites par le procédé décrit dans le brevet canadien N° 729.581 q.ui consiste à revêtir des noyaux de macroparticules imperméables à l'aide d'une série de monocouches successivement adsorbées de microparticules col-25 loïdales identiques, ces couches présentant des charges différentes et opposées. (Par "particules identiques" on entend que les particules de toute monocouche - donnée sont de charge similaire, et de préférence, bien que ce ne soit pas nécessaire, que ces particules aient la même composition chimique). Le procédé 30 de revêtement provoque une jonction irréversible du revêtement à la macroparticule au moyen de forces électrostatiques de la nature d'une liaison de valence chimique ou partielle. Comme décrit dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 647.506 précitée, on effectue le revêtement en mettant 35 en contact des macroparticules portant une charge superficielle avec une dispersion colloïdale de matière qui présente une charge opposée. Ces particules colloïdales vont être attirées par les 70 01045 -4- 2028220 macroparticules présentant une charge opposée et elles deviennent électrostatiquement liées à ces macroparticules. La surface de la macroparticule va alors porter une charge électrique qui est maintenant opposée de celle que la surface présentait à l'origine. 5 La raison en est qu'une fois que la particule colloïdale colle à la macroparticule, les charges superficielles sont neutralisées de façon que le point ainsi revêtu ne semble plus présenter une charge opposée à celle des particules colloïdales restant dans la dispersion. Par conséquent, de nouvelles particules colloïda-10 les ne vont plus être attirées, et il ne va plus y avoir accumulation de particules en ce point. On enlève l'excès de colloïde par rinçage, et l'on immerge ensuite la macroparticule ainsi revêtue dans une seconde dispersion colloïdale de microparticules présentant une charge opposée à celle de la première dispersion. 15 La répétition de ce processus par des immersions alternées entre des dispersions de microparticules chargées positivement et négativement aboutit à lfedsorption de nouvelles monocQuches successivement. Chaque monocouche va être constituée d'une matière différente de la monocouche adjacente. Après accumulation du nom-20 bre voulu de monocouches de microparticules, on lave les macroparticules, on les rince et on les sèche sous vide. La figure 1 est une représentation de la section d'une miacrcparticule,• montrant le noyau imperméable 11 (dont le diamètre est représenté par la. ligne A) et les couches des microparticules 13 (voir les flèches 25 B) . Le revêtement de fluoropolymère sulfoné, non représenté, est appliqué à la macroparticule présentée par la figure 1 (et dont le diamètre est indiqué en C) de façon à recouvrir non seulement l'extérieur de la macroparticule mais aussi la surface intérieure des pores créés par les espaces se trouvant entre les micropar-30 ticules. Le mode opératoire suivant donne un exemple de revêtement des macroparticules décrites ci-dessus et représentées à la figure 1 à l'aide du polymère de la présente invention : On place 20 g de macroparticules superficiellement poreuses, 35 ayant une surface spécifique de contact efficace d'environ 0,65 2 m /g, dans un entonnoir de Buchner comportant un verre fritté, et l'on ajoute un excès de solution à 1 i° de "Chlorhydrol" (une alumine basique fournie par Reheis Co., Berkeley Heights, N. J. 70 01045 -5- 2028220 Etats-Unis d'Amérique). On laisse le mélange reposer durant 5 minutes en l'agitant de temps à autre. On sépare par filtration l'excès de liquide et on lave le lit à deux reprises avec des portions de 50 ml chacune d'eau distillée. On sèche à l'air le lit 5 ainsi traité sur le filtre et on le chauffe durant 1 heure à 115°C dans une étuve à air. (Ce traitement des macroparticules à l'aide de "Chlorhydrol" laisse une monocouche de microparticules de charge positive sur la surface. Un traitement subséquent de la surface à l'aide du fluoropolymère sulfoné, qui présente une char-10 ge négative en solution, aboutit à une couche uniforme et étroitement fixée de polymère sur la surface). On prépare le garnissage d'échange d'ions en mettant les macroparticules traitées par du "Chlorhydrol" en suspension dans une solution à 0,5 f<> du fluoropolymère sulfoné dans l'éthanol. 15 On enlève l'éthanol-par evaporation tout en agitant doucement le mélange sous un courant d'azote sec et en chauffant doucement sur un bain-marie bouillant. On sèche ensuite le mélange sec résultant durant une heure à 150°C dans une étuve à vide (environ 1 mm de mercure). 20 Ainsi qu'il ressort du mode ^'opératoire ci-dessus décrit, les macroparticules de garnissage chromatographique selon la présente invention consistent en des noyaux imperméables présentant des croûtes poreuses, les couches de microparticules constituant les croûtes poreuses. La surface de la croûte de chaque macropar-25 ticule est recouverte d'une pellicule du polymère de la présente invention. Puisque la croûte est poreuse, non seulement l'extérieur de la macroparticule mais également une partie de l'intérieur de la croûte poreuse assurent une surface de contact permettant le contact avec un fluide. Donc, le terme "surface" lorsqu'on 30 l'utilise propos des macroparticules de la présente invention signifie la surface efficace totale de la macroparticule ce qui comprend la surface spécifique de contact de l'intérieur de la croûte poreuse qui est disponible pour le contact avec un fluide. Les macroparticules ont un diamètre moyen de 5 à 500 microns 35 alors que les microparticules ont un diamètre moyen de 0,005 à 1 micron. Les noyaux imperméables constituent la plupart du volume de la macroparticule, le volume de ces microparticules représen 01045 -6- 2028220 tant de 0,002 à 25 ^ du volume d'une macroparticule. Les noyaux imperméables peuvent consister en du verre, du sable, de l'alumine ou une matière céramique. Le fluoropolymère sulfoné de la présente invention a un 5 motif répété caractérisé par la formule : -ŒF2-CF- i 0Cî'2CP0CI,2CP2S05H t 0 CF^ Ce polymère convient remarquablement bien pour servir sur des macroparticules de garnissage chromatographique, comme décrit, puisqu'il ne se décompose pas facilement comme le font de nombreuses autres résines d'échange d'ions. Le fluoropolymère a une 15 capacité très élevée d'échange des ions en raison de la polarité du groupe sulfonyle, et, puisque, contrairement à d'autres résines hydrocarbonées d'échange d'ions contenant des groupes sulfonyle comme du polystyrène sulfoné, ce fluoropolymère est soluble dans des solvants organiques polaires comme des alcools. La solu-20 bilité du polymère, qui constitue un de ses aspects les plus intéressants, permet le revêtement d'une mince pellicule sur la totalité de la surface efficace d'une macroparticule puisque la solution de polymère peut pénétrer dans la croûte poreuse. Le polymère peut être un homopolymère de : 25 Cî,2=CP0CT2CP0CP2CP2S05H I ciy ou un de ses copolymères. Dans le cas d'un copolymère, les éthy-lènes fluorés constituent des comonomères préférés. Des exemples 30 des éthylènes fluorés comprennent ceux de formule : xcf=cf2 où X est Cl,F ou CFj. La préparation des fluorures de sulfonyle, leur polymérisation comprenant la copolymérisation avec des éthylènes fluorés, 35 et la transformation du groupe fluorure de sulfonyle en la forme acide (c'est-à-dire -so^h) sont décrites dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique N° 3.301.893, N° 3.041.317 et N° 3-282.875 70 01045 -7- 2028220 et dans les demandes de brevet des Etats-Unis d'Amérique H0 779.235 du 26 Novembre 1968 déposée par Monsieur RESNICK et la demande N° 779.273 du 26 Novembre 1968 déposée par Monsieur G-ROT. Dans le copolymère de la présente invention, les motifs j 5 contenant des groupes sulfonyle constituent au moins 14 moles $ du copolymère. Un copolymère préféré est : CF2=ct2/CP2=cpogp2CPOCÎ,2CF2SO3H l CF3 10 ayant un poids d'équivalent de 960 (17 moles % de l'acide). 10 g de ce copolymère peuvent se dissoudre dans- iû9g de n-b££fcanol à la température ambiante pour donner une solution limpide génératrice d'une pellicule. La gamme des poids préférés pour les équivalents du copolymère se situe entre 600 et 2000. 15 Un exemple de la supériorité du matériau de garnissage pour l'échange de cations à grande vitesse selon la présente invention est montré à la figure 2 des dessins. Une séparation des bases des acides nucléiques (Adénine (A), Cytosine (C), Guanine (G) et Uracile (U)) à partir de l'acide ribonucléique est obtenue en 20 environ 5 minutes, en utilisant une colonne de 1000 mm et de 2,1 mm de diamètre intérieur, fonctionnant à 63°0 avec de l'acide nitrique 0,01 N comme véhicule à un dépit de 2,00 cm^/minute. Cette séparation se compare à la durée supérieure à 60 minutes nécessaire pour la séparation des mêmes composés par le mode, opératoi-25 re le plus rapide décrit dans la littérature (G. Goldstein, Anal. Biochem. 20, 477» 1967). La capacité d'échange du matériau du garnissage pour l'échange des cations a été déterminée par un mode opératoire selon lequel on a laissé l'ion zinc s'échanger sur les sites ac-30 tifs. Après avoir enlevé l'excès d'ion zinc du matériau d'échange des ions et de garnissage, on a élué l'ion zinc échangé à l'aide d'acide chlorhydrique concentré et l'on a effectué une mesure par spectrophotométrie d'adsoprtion atomique. Le garnissage d'échange de cations produit de la manière décrite ci-dessus pré-35 sente une capacité d'échange de 3»5 micro-équivalents par gramme. Cela se compare au^$,3 micro-équivalents par gramme d'équivalent d'acide du polymère qui a été pesé et placé à la surface par dépôt 70 01045 -8- 2028220 du polymère acide en solution éthanolique. Ces données indiquent, par conséquent, qu'environ deux tiers de la totalité des groupes acide sulfonique fortement acide sont disponibles pour l'échange des ions. 5 Le garnissage d'échange de cations présente une stabilité chimique remarquable. Des colonnes de ce matériau ont servi durant des mois sans changement de leurs caractéristiques chromatographiques. Ce garnissage peut également servir avec une large variété de véhicules pour la phase mobile sans dégradation des 10 propriétés. Cela fait contraste avec les matériaux d'échange de cations à base de résines classiques qui ont une application limitée pour certaines séparations chromatographiques où. certains réactifs doivent servir pour faire partie de la phase mobile. Le garnissage cationique ici décrit a servi à des températures al-15 lant jusqu'à 80°C avec des véhicules aqueux sans aucun changement notable des propriétés. L'excellente stabilité mécanique du garnissage permet son utilisation dans les colonnes présentant des pressions élevées à leur entrée. Par exemple, dans la séparation présentée à la fi-20 gure 2, la pression d'entrée était de 52,45 bars. Des pressions d'entrée de cette amplitude ne peuvent servir avec des résines gélifiées classiques pour l'échange des ions en raison des médiocres propriétés mécaniques de ces résines gélifiées. Aux pressions élevées d'entrée, des garnissages effectué^ à l'aide de 25 résines gélifiées classiques pour l'échange des ions tendent à s'affaisser, ce qui rend le garnissage impropre à des fins chromatographiques. Des colonnes comportant le garnissage de la présente invention ont servi jusqu'à des pressions de 350 bars sans difficultés, et il semblerait possible d'appliquer des pressions 30 bien plus élevées. En raison de l'uniformité, de la rigidité mécanique, et de la densité relativement élevée du garnissage d'échange d'ions ici décrit, les colonnes chromatographiques peuvent être préparées facilement et de façon reproductible à l'aide de ce garnissage 35 en utilisant des techniques simples de garnissage à sec normalement associées avec la fabrication de colonnes de chromatographie en phase gazeuse. Cela se compare aux techniques relativement 70 01045 -9- 2028220 laborieuses et demandant du temps pour le garnissage à l'aide de suspensions, qu'il faut utiliser avec des résines gélifiées classiques finement divisées pour l'échange des ions, afin de préparer des colonnes chromatographiques de haute qualité. 5 Certaines matières relatives à la présente invention, y compris la préparation des macroparticules et des fluoropolymères sulfonés, sont plus amplement décriteç/dans la littérature et dans les brevets cités, auxquels on pourra se référer pour plus de détails» 70 01045 -10- 2028220 10 revendications 1. Matériau de garnissage pour une colonne chromatographique, caractérisé par le fait que ce matériau comprend plusieurs macroparticules superficiellement poreuses, chaque macroparticule consistant en un noyau imperméable revêtu de plusieurs monocouches de microparticules et que cette macroparticule comporte un revêtement superficiel en un polymère ayant au moins 14 moles % de motifs répétés de formule : -cf2-cf- t 0cp2cp0cf2cî'2s05h 1 CF, 0 2. Matériau de garnissage selon la revendication, caracté-15 risé par le fait que le revêtement est un homopolymère d'un fluorure de sulfonyle de formule : cf2=cfocf2cfocf2cf2so5h t cf5 20 3• Matériau de garnissage selon la revendication 1, caracté risé par le fait que le revêtement est un copolymère d'un fluorure sulfoné de formule : cf2=cfocf2cfocf2cf2so5h r 25 cf^ et d'un composé éthylénique fluoré de formule où X est Cl, F ou CF. xcf=cf2 r 4. Matériau de garnissage selon l'une quelconque des reven-30 dications 1 à 3, caractérisé par le fait que les macroparticules ont un diamètre moyen de 5 à 500 microns. 5. Matériau de garnissage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que les microparticules ont un diamètre moyen de 0,005 à 1 micron. 35 6. Matériau de garnissage selon l'une quelconque des reven dications 1 à 5, caractérisé par le fait que les microparticules constituent de 0,002 à 25 °f° du volume d'une macroparticule. 70 01045 -11- 2028220 7. Matériau de garnissage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que le noyau imperméable des macroparticules consiste en verre, sable, alumine, ou en une matière céramique.