Brevet FR2549072A1 — publié le 19850118

La présente invention concerne un procédé de préparation en une seule étape de copolymères en grains,porteurs de groupes fonctionnels très réactifs. Les applications de tels polymères réactifs,sur lesquels pourront se fixer selon le cas des produits chimiques,biochimiques ou des cellules, sont multiples, mais jusqu'à présent ces polymères (réticulats ou gels) en grains ne pouvaient etre prépares qu'en deux étapes En effet,dans les conditions connues de polymérisation radicalaire en suspension, 13 on opérait soit avec les monomères comrme le styrène-en solution organique et en émulsion dans l'eau,soit avec les monomères plus polaires comme des acrylamides en solution aqueuse et en emulsion dans une huile minérale,et à des températures allant de 30 à SOOC pour des durées de réaction 15 de 4 à 30 heures Dans de telles conditions pratiquement aucun groupe fonctionnel suffisamment réactif pour étre susceptible de fixer ultérieurement,selon le cas, un produit chimiique,bioci mique ou une cellule, n'est assez stable et il n'était pas possible d'introduire dans le milieu de polymé20 risation des monomères porteurs du groupe souhaité sans que celui-ci ne soit, au moins partiellementdétruit par hydrolyse. Aussion a préconisé qu'en une première étape,on prépare un polymère ou un copolymère porteur de fonctions latérales stables en milieu aqueux mais susceptibles de réagir ultérieu25 rement,avec des entités divalentes qui en se fixant créent les sites réactifs recherchés et que lors d'une deuxième etape dite "d'activation",on introduis ces fonctions reactives; cette étape étant même fréquemment réalisée seulement par l'utilisateur, avee toutes les difficultés que cela compor30 te On peut citer à titre d'exemple la chlorométhylation de gels de polystyrène,la formylation de copolymères d'acrylamides utilisée pour fixer des amines chirales et donner des resines convenant pour le remplissage de colonnes de chromatographie liquide sous haute pression qui permettent la sé35 paration d'énantiomères (J Liquid Chromatog 1 67, p 761 ( 1978) ou encore l'activation de copolymères d'acrylamides 2 2549072 par le bromure de cyanogène pour obtenir des gels fixant des macromolécules biologiques (FR A -2 398 762) Le procédé selon l'invention consiste à réaliser la polymérisation radicalaire dans un milieu constitué de deux li5 quides organiques non miscibles, formant une émulsion de l'un dans l'autre, l'une des phases appelée dispersée étant le solvant des monomères et agent initiateur,l'autre -ou phase dispersante assurant la dispersion de cette solution pour que les gels soient obtenus sous forme de -grains,perles, 10 ou billes Dans le cas o un monomère est liquide,il peut être utilisé comme un solvant. Lorsque le procédé est appliqué, outre au monomère porteur de la fonction réactive, à des monomères polaires, pour obtenir des gels réticulés en grains hydrophiles, on utili15 sera pour la phase dispersée,un liquide polaire pour que la solubilité des monomères soit suffisante -et inerte vis-àvis des radicaux libres tandis que l'autre phase organique non miscible sera une huile aux liaisons saturées pour qu'elle ne participe pas à la réaction de polymérisation. Des monomères polaires sont par exemple l'acrylamide,les N-(hydroxyalkyl) acrylamides,lacide acrylique,l'acrylonitrile ou leurs mélanges; le liquide polaire peut être l'un quelconque des solvants polaires utilisés en chimie, stablesen présence de radicaux libres et notamment le diméthylformamide ou le 25 diméthylacétamide, la N-méthylpyrrolidone,ou autres amides, l'hexaméthylphosphotriamide, le diméthylsulfoxyde ou le sulfolanne,des carbonates d'éthylène ou de propylène, l'acétonitrile et autres nitriles, les polyéthylèneglycols et leurs éthers et esters Quant à la seconde phase liquide non miscible avec ces solvants polaires,elle sera avantageusement choisie parmi les huiles minérales,telle que l'huile de vaseline,l'huile de paraffine,les huiles de silicone ou les huiles végétales saturées. Lorsque le procédé est appliqué,outre au monomère porteur de la fonction réactive, à des monomères peu polaires ou apolaires, tels le styrène et dérivés,laphase dissolvant les monomeres sera moins polaire que la phase dispersante Ainsi,comme 3 2549072 solvant du monomère,on utilisera des hydrocarbures aliphatiques ou aromatiques comme le benzène purs ou en mélanges. La phase dispersante pourra être alors un glycol non miscible ou l'un de ses éthers ou esters,tel l'éthylène-ou le 5 propylène glycol,le polyéthylène-ou polypropylèneglycol, le triméthylolpropane et leurs dérivés. Une forme préférée de mise en oeuvre de l'invention consiste à utiliser un mélange de trois monomères pour obtenir un copolymère réticulé tridimensionnel insoluble dans l'eau 10 et réactif L'un des monomères donnera le squelette du gel (ou rêticulat) et diverses propriétés du gel dont l'hydrophilie,la polarité,la polarisabilité,etc dépendront de sa structure. Le second monomère permet la réticulation et comporte 15 par conséquent au moins 2 doubles liaisons susceptibles de s'ouvrir pour donner des chadnes ou des cycles enfin le dernier monomere est celui porteur de la fonction réactive que portera le gel final;la structure chimique de ce mnonomère qualifié de réactif,dépend donc de i'utili20 sation ultérieure du gel réacotif Lorsque celui-ci doit fixer des amino acidesdes peptides ou des protéines, c'est le groupe amino de ces composés qui réagit avec le gel reactif et on conçoit que celui-ci peut porter toute fonction acylante tels un groupe ester activé,chlorure d'acide, isothiocyanate, chlorocarbonateou isocyanate ou une fonction alkylante telle un radical halogénomnthylène,comme dans les bromo et chloroniéthylstyrènes Selon l'invention sont. notamment préconisés comme monomères réactifs:les chlorures d'acides acryliques et méthacryliques,le chloroformiate de vinyle,les dithioesters styréniques,les thioacétates de vinyles, les halogénoalkylstyrènes dont les bromométhyl et chlorométhyl styrènes mais aussi,pour obtenir des gels réagissant sur d'autres groupements qu'aminodes vinyl pyridines, les dérivés de l'aminostyrlne,la N-vinylacétamide ou tous autres composés porteurs d'un groupe réactif et polymérisables par les radicaux libres Pour obtenir des gels hydrophiles,le procédé de polymérisation selon l'invention est applicable aux dérivés acryliques,en tant que monomères de squelette; on peut citer plus particulièrement les acrylamides et notamment 5 l'acrylamide et le méthacrylamide et leurs dérivés mono et dialkyl,hydroxyalkyle ou polyhydroxyalkyle purs ou en mélange choisis suivant le degré d'hydrophilie souhaité pour le gel final;ou encore les acides et esters acryliques et méthacryliques,et les esters acryliques de mono ou poly10 alcools,les esters et amides acryliques des amino-alcools tels que les mono et polyéthanolamines, les aminopropanol et butanol ou encore les acrylo et méthacrylonitriles et cyanoacrylates Mais des dérivés éthyléniques,tel l'acétate et autres esters de vinyle et le styrène peuvent aussi 15 être utilisés Le monomère,porteur d'au moins deux doubles liaisons polymérisables et qui permet donc la réticulation, peut être un bis-acrylamide -tel que méthylène ou polyméthylène bis acrylamide,un bisacrylate tels ceux de glycols-un polyacrylate de polyalcools un tris-allylmellitate-,ou 20 encore du divinylbenzène ( 1,4 ou mélange d'isomères). Outre les trois monomères,et les deux liquides non miscibles,le milieu réactionnel contiendra un agent initiateur générateur de radicaux libres, choisi pari ceux généralement utilisés en polymérisation radicalaire comme les peroxydes, 25 les peresterseles percarbonates,les dérivés azoiques ou un système red-ox soluble dans le milieu(peracide et thioamide tel l'urée) La polymérisation selon l'invention peut avantageusement être réalisée en présence d'un agent porogèneldont la nature est fonction de celle des monomères 30 et qui permet de moduler la surface spécifique du réticulat et son volume poreux-on sait que certains acides et alcools aliphatiques et leurs amides ou estersainsi que des polyéthers sont utilisables. Enfin,selon un mode préféré de réalisation de l' invention, 35 un agent tensio-actif sera ajouté au milieu pour faciliter la formation de la suspension et la stabiliser;on préfère 2549072 des agents tensio-actifs non ioniques,les liquides utilisés étant de mauvais solvants des ions,tel que lesesters gras dedissacharides (Span R). Le procédé selon l'invention est particulièrement avanta5 geux dans les nombreux cas ou les monomères "réactifs" polymérisent moins vite que les monomères donnant le squelette En effet les premiers sont incorporés plutôt à la fin de la réaction de polymérisation et se retrouvent ainsi à la surface des grains I 1 en résulte une excellente accessi10 bilité,dans le réticulat finalde presque toutes les fonctions réactives introduites, c'est par exemple ce qui est constaté avec les gels d'acrylamides et d'hydroxyalkylacrylamides et les monomères réactifs porteurs d'une fonction pouvant réagir sur les amines. La mise en oeuvre du procédé de polymérisation en suspension selon l'invention est effectuée en une seule étape réactionnelle qui comporte: (a) la mise en solution dans le solvant approprié polaire pour un gel hydrophiles d'un meélange: 1 )du monomère qui formera le squelette en une quantité telle qu'il represente au moins 50 % en poids de la totalité des solutes (monomères e-t divers agents). ) du monomère de réticulation qui peut constituer 3 à % en poids des solutés et de préférence de 5 à 25 %'1 inso25 lubilité dans l'eau du réticulat n'apparaissant que pour des quantités suffisantes de ce composé; la rigidité des grains de réticulat dépend de la quantité du monomère introduites 3 )du monomère réactif qui constitue 0,5 à 10 % en poids des solutés et de préférence de 3 a 5 %,et l'addition à cette solution de l'agent initiateur ( de 0,1 à 5 % en poids de l'ensemble des solutés) ainsi quesi necessairela dissolution dans la phase dispersive convenablement choisie,si nécessaire d'un Peu d'agent tensio-actifainsi que de l'agent porogène,ce dernier en quantité telle qu'il représente de 0 à 50 % en poids de tous les solutés, 6 2549072 b)l'introduction de la solution des monomères dans la phase dispersive pour obtenir sous une forte agitation une émulsion d'une phase dans l'autre, c)le maintien du mélange à la température voulue,soit vers 60 C, dans le cas d'amorçage par des azoiques,sous agitation jusqu'à fin de la réaction de polymérisation,ce qui nécessite en général de 15 à 30 heures et de préférence sous atmosphère inerte; puis la séparation des grains de réticulat du milieu réactionnel par tout moyen approprié, 10 tel une décantation ou un essorage et le traitement de ces grains,de façon classique,pour en éliminer les solvants et monomères résiduels. Les grains de réticulat obtenus en appliquant le procédé de polymérisation selon l'invention ont une taille qui est 15 principalement fonction de l'intensité d'agitation et de la quantité d'agent tensio- actif introduit dans le milieu mais aussi de la quantité d'agent porogène au moins si celle-ci est élevée,étant donné les propriétés tensio-actives faibles de ces agents En général,on obtient des grains de 0,1 à 3 mm dans leur plus grande dimension, ce qui permet d'utiliser les gels réactifs pour de nombreuses applications. EXEMPLE 1 Copolymère d'acrylamides porteur de la fonction dithiobenzoate de carboxyméthyle P -3 f I-S CH 2 CO O H S On dissout dans 100 ml de Nméthylpyrrolidone 2,38 g de vinyl30 4 dithiobenzoate de carboxyméthyle, préparé par exemple selon Makro-mol chem 182,2409-19 ( 1981),10,48 g de Nrtris-hydroxyméthyl)méthylacrylamide, 8,1 g d'acrylamide et 2,16 g de N-N'-méthylène bis(acrylamide) puis 2 g d'azo-bis-isobutyronitrile. 7 Z 2549072 Cette solution est introduite dans un réacteur en verre de 1 litre, contenant 800 ml d'huile de vaseline R et 40 gouttes de SPAN 80 R On balaye soigneusement à l'azote puis on agite l'ensemble par rotation d'un arbre vertical porteur de deux hélices de pas inverses,ayant au moins chacune deux pales,l'ensemble étant en verre résistant PYREXR par exemple; on porte à 600 C et on maintient cette température pendant 20 heures,sous surpression d'azote. On isole alors les grains de reticulatgonflés 10 de solvant,formés,soit par dêcantation,soit par essorage; les traces d'huile sont éliminées par lavage des grains à l'hexane et le solvant par des lavages avec le chlorure de meéthylène Pour utiliser ces grains de polymère réticulé comme support,avant leur emploi on les gonfle à l Veau,puis 15 effectue un lavage à l'eau suivi d'un séchage soit à l'air soit sous pression réduite, s'il est nécessaire délaiminer toute l'eau. Le rendement en produit sec est de 75 à 80 % en poids des monomères introduits. Les groupes acides COOH de la fonction réactive CH 2 COOH sont dosés par raise en suspension du réticulat dans une solution de Na Ci à 1 mole/l Iet suivi de l'évolution du p H de la solution lors de l'addition progressive d'une 25 solution aqueuse de Na OH 1/20 N On détermine ainsi que ce polymère contient 0,047 meq/A par gramme de fonctions acides accessibles au réactif employé,cee quicompte tenu du résultat de l'analyse élémentaire donnant le pourcentage de 5 dans le polymère montre bien que les fonctions réactives sont en 30 -grande majorité à la surface des grains Le taux de gonflement de la resineen quantité d'eau en g retenus par g de gel sec,est de 3,5. EXEMPLE 2 Copolymère d'acrylamides porteurs de la fonction dithio35 benzoate de carboxyméthyle (autres conditions opératoires). On dissout dans 120 ml de N-méthylpyrrolidone, 2,14 g de vinyl-4 dithiobenzoate de carboxyméthyle, 16,8 g de N-ltrishydroxyméthyl) méthylacrylamide, 12,34 g d'acrylamide et 3,24 g de N-N'-méthylène bis(acrylamide)puis 3 g d'azo-bis-isobutyronitrile et verse la solution dans 800 ml d'huile de vaseliR ne contenant 40 gouttes de SPAN 80 R Le mélange est maintenu sous azote 27 heures à 60 C sous forte agitation. Dans ces conditions le rendement en réticulat est de %; le dosage de la fonction réactive acide donne un taux de 0,035 meq /v d'acide par gramme de polymère. Le taux de gonflement dans l'eau est voisin de 3. EXEMPLE 3: Copolymère d'acrylamides porteur de la fonction dithiobenzoate de carboxyméthyle préparé en présence d'agent porogène. On dissout dans 100 ml de N-méthylpyrrolidone, 3 g de vinyl-4 dithiobenzoate de carboxyméthyle, 12,5 g de N-(tris-hydroxyméthyl)méthylacrylamide, 9 g d'acrylamide, 1,9 g de méthylènebis-acrylamide et 2,5 g d'azo-bisisobutyronitrile Cette solution est versée dans 850 ml d'huile de vaseline contenant 20 g de monométhyléther du triéthylèneglycol et 20 gouttes de SPAN 80 R Le mélange est maintenu sous forte agitation,pendant 27 heures, à 600 C sous azote. Le rendement de cette opération est de 85 % pour un copolymère présentant 0,052 meq/v de fonction acide dosable par 25 gramme et ayant un taux de gonflement de 218. EXEMPLE 4: copolymère d'acrylamides porteur de fonctions chlorure d'acide: O COC 1. On dissout dans 75 ml de N-méthylpyrrolidone 6,7 g d'acrylamide, 15,2 g de N(hydroxy-l-butyl)-2 acrylamide, 3,2 g de N-N'-méthylène-bis- acrylamide, 2 g d'azo-bis-isobutyronitrile puis 4,6 g de chlorure d'acryloyle Cette solution est versée dans 750 ml d'huile de vaseline contenant 50 gouttes de SPAN 80 On maintient le mélange, sous azote, à 60 C pendant 35 22 heures Les grains de réticulat sont alors isolés,mais ne peuvent être purifiés par lavage à l'eau,étant donné la sensibilité de la fonction chlorure d'acide à l'eau;aussi,on 9 2549072 augmente le nombre de lavages par un solvant organique, tel que le chlorure de méthylène,on dose les fonctions chlorure d'acide du polymère obtenu en faisant une hydrolyse alcaline de 5 COC 1 par un excès de base et en dosant en retour la base non employée;on détermine en outre le pourcentage total du chlore Les résultats obtenus montrent que pratiquement tout le chlorure d'acide a été incorporé et reste réactif dans le polymère, ce type de gel est utilisable de preférenee en milieu anhydre,mais l'hydrolyse 10 étant plus ou moins lente,il peut servir à immobiliser en milieu aqueux des molécules plus nucléophiles que l'eau. EXEMPLE 5: Copolymère d'acrylamide à fonction réactive isocyanate: î CH 2-r H 2 =C=O On opere comme dans l'exemple 4 mais en utilisant 5,5 g d'isocyanatoéthylstyrène au lieu des 4,6 g de chlorure d'a-cryloyle,la fonction étant relativement stable en milieu aqueux, contrairement au cas précédent,on peut terminer les lavages par un lavage rapide à l'eau avant l'emploi de ce gel 20 comme agent d'immobilisation. EXEMPLE 6 Copolymnère de styrène et divinylbenzène porteur de la fonction dithiobenzoate de méthyle. // \ v C-S-CH 3 S On dissout 33,2 g de styrène,4,2 g de divinyl-l,4 benzène et 4,2 g de vinyl-4 dithiobenzoate de méthyle dans un mélan30 ge de 70 ml de benzène et 30 ml de triméthyl-2,2,4 pentane. On verse cette solution,dans laquelle on ajoute 3,5 g d'azo-bisisobutyronitrile dans 550 mi d'éthylèneglycol anhydre contenant 30 gouttes de SPAN 80 Le mélange est maintenusous forte agitation,à 75 C pendant 20 heures Les 35 grains de polystyrène fonctionnel réticulé sont alors séparés,laves au méthanol puis avec un solvant chloré,tel que le chloroforme,et séchés. 2549072 Le rendement en polymère par rapport au poids de monomère introduit est de 75 %; tout le monomère fonctionnel a été incorporé. EXEMPLE 7: Copolymères de styrène et de divinyl benzène porteur de la fonction chlorocarbonate 0 'o%e CH 2-CH 2-9-C-Cl i O On dissout 30,5 g de styrène, 4,2 g de divinyl -1,4 benzène et 2,2 g de chloroformiate de vinyle dans un melange de 80 ml de benzène et 18 ml de triméthyl-2,2,4 pentane. On ajoute 3,1 g d'azo-bis-isobutyronitrile à-cette solution que l'on disperse dans 520 ml de triéthylèneglycol anhydre R contenant 30 gouttes de SPAN 80 La suite est réalisée comme dans l'exemple 6 pour donner des grains de polystyrène réticulé (rendement 73 %)contenant % des fonctions réactives introduites sous forme de chloroformiate de vinyle. EXEMPLE 8: Copolymère de styréne,de chlorométhylstyrène et de divinylbenzene. Z'\ CH 2 C 11 On dissout 35,2 g de styrène, 4,g de divinylbenzène Km 61 ange d'Isomères) et 2,5 g de chlorom 6thylstyrène(mélange d'isomères'dans un mélange de ml de benzène et de 15 ml de triméthyl-2,2,4 pentane On ajoute 3 e 4 g d'azo-bis-isobutyronitrile à cette solution qui 30 est ensuite ajoutée à 550 ml de triéthylène glycol anhydre. On opère ensuite comme dans les exemples 6 et 7 pour obtenir des grains de polystyrène réticulé chlorométhylé (rendement 83 %)contenant 78 % des fonctions chlorométhylbenzène introduites dans le milieu réactionnel sous forme de chloromé35 thylstyrène. il 2549072 REVENDICATIONS 1 Procédé de préparation de copolymères réticulés en grains, porteurs de fonctions réactives, caractérisé en ce que l'on réalise la polymérisation radicalaire des monomè5 res précurseurs incluant un ou plusieurs monomères porteurs de fonctions réactives, dans un milieu composé de deux liquides organiques non miscibles, émulsionnés, l'une des phases servant de solvant aux monomères et agent initiateur, l'autre assurant la dispersion de cette solution pour obte10 nir le copolymère en grains, le solvant pouvant être l'un des imonomères lui-même, lorsque c'est un liquide. 2 Procédé selon la revendication 1, pour la préparation de polymères hydrophiles 2 caractérisé en ce qu'il est appliqué à des monomères polaires en mélange avec le mono15 mère con'venable porteur de la fonction réactive et effectué dans un milieu réactionnel constitué d'un solvant polaire stable en présence de radicaux libres et d'une huile saturée minérale ou végétale. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce 20 que lesdits monomères polaires comportent des monomères qui formeront le squelette choisis parmi les acides, esters, nitriles ou amides acryliques ou méthacryliques, et des monomères de réticulation choisis parmi des dérivés bis-acryliqcue et en ce que le solvant polaire utilisé est choisi parmi 25 le diméthylformamide, la N-méthylpyrrolidone, 1 ' hexaméthylphosphotriamide, le diméthylsulfoxyde, un polyéthylène glycol ou l'un de ses dérivés, un carbonate d'alkylène, un nitrile alipihatique ou tout autre solvant des monomères non miscible aux huiles. 4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est appliqué à des monomères peu polaires ou apolaires en mélange avec le monomère convenable porteur de la fonction réactive et effectué dans un milieu réactionnel tel que l'une des phases est un solvant apolaire choisi parmi les hydrocarbures aromatiques ou non et l'autre un glycolyses 35 esters ou éthers. Procédé selon la revendication 4,caractérisé en ce que les monomères peu polaires ou apolaires comportent un monomère de squelette choisi parmi le styrène et ses dérivés, et un monomère de réticulation, consistant en un divinylbenzène. 6.Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on ajoute un agent tensio-actif au milieu réactionnel. 7.Procédé selon l'une quelconque des revendications précé5 dentes, caractérisé en ce qu'on effectue la polymérisation en presence d'un agent porogène. 8.Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le monomère porteur de la fonction réactive est un dithioester-styrénique,commne le vinyl10 4 dithiobenzoate de méthyle ou de carboxyméthyle ou un thioester vinylique. 9.Procédé selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que le monomère porteur de la fonction réactive est un chlorure d'acide acrylique,méthacrylique ou un chlorofor15 miate vinylique. 10.Procédé selon l'une des revendications 1 à 7,caractérisé en ce que le monomère porteur de la fonction réactive est un halogénoalkylstyrène, ou un isocyanatoalkylstyrène. i 1 l Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le monomère porteur de la fonction réactive est une amine polymérisable comme la vinylpyridine ou l'aminostyrène et ses dérivés ou une N-vinyl amide dont la N-vinylacétamide.