(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スチレンを骨格とする粒子径単分散ポリマー充填剤において、下記式(Ｉ)で表される構造の単位及び下記式(II)で表される構造の単位を含み、該ポリマー充填剤の細孔内に存在する微細孔の内部を親水性化させたことを特徴とするポリマー充填剤。
【化１】
0003657436.tif 000006
（Ｒは、２−エチルヘキシル基を表す）
【請求項２】
二段階膨潤重合法により得られたポリマー充填剤において、下記式(Ｉ)で表される構造の単位及び下記式(II)で表される構造の単位を含み、該ポリマーの細孔内に存在する微細孔の内部を親水性化させたことを特徴とするポリマー充填剤。
【化２】
0003657436.tif 000007
（Ｒは、２−エチルヘキシル基を表す）
【請求項３】
二段階膨潤重合法により、架橋剤のグリセリンジメタクリレート、モノマーの２−エチルヘキシルメタクリレートを重合させることにより得ることを特徴とするポリマー充填剤の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は液体クロマトグラフィー用充填剤、特に二段階膨潤重合法により得られる液体クロマトグラフィー用ポリマー充填剤およびその製造方法の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）用充填剤は無機担体を基材とするものと有機担体を基材とするものに大別することができる。しかし実際には無機担体であるシリカゲルを基材とした充填剤の使用頻度が高く、ＨＰＬＣの全分離モードの６０％以上を占める逆相液体クロマトグラフィーではシリカゲル担体表面を化学修飾したアルキルシリル化シリカゲルが主に用いられている。これらシリカゲル基材の充填剤は優れた分離性能を示し、また機械的強度も良好であるが、その反面化学的安定性が低く、また表面に残存するシラノール基あるいはシリカゲル基材の金属不純物などによる好ましくない二次的保持効果の発現などの欠点を有している。
【０００３】
これに対して有機ポリマー充填剤は化学的に安定であり、従来サイズ排除クロマトグラフィーおよびイオン交換クロマトグラフィー用充填剤としてシリカゲル用充填剤と同等以上に使用されてきた。また、逆相クロマトグラフィーにおいてシリカゲル充填剤の使用できない分離条件下においても使用可能で、近年その分離特性の理解も進み、シリカゲルを上回る分離特性が示された分離例なども見られるようになってきている。
【０００４】
ポリマー充填剤は天然高分子から架橋を経て調製されるものとビニルモノマーの重合で得られる架橋高分子によるものに大別される。前者の代表としてはアガロース、デキストラン、マンナンなどの多糖誘導体から合成された充填剤が挙げられるが、一般に耐圧性が低くＨＰＬＣ用充填剤としては用いることはできない場合もある。一方合成ポリマー充填剤にはポリスチレンジビニルベンゼンおよびその誘導体、ポリメタクリレート系ゲル、ポリアクリルアミド系ゲルがある。この中でポリスチレンジビニルベンゼン、ポリメタクリレート系ゲルは逆相クロマトグラフィー充填剤として利用され、化学的にも安定であり、シリカゲル系充填剤と比べて幅広いｐＨ領域での使用が可能であり、金属不純物による悪影響を受けることがない。合成ポリマー充填剤はモノマーおよび架橋剤を希釈剤に混合して重合し、多孔質化を図る方法で合成されることが多い。合成する高分子に対して良溶媒を用いると小さな細孔がまた、逆に貧溶媒を用いるとより大きな細孔が形成され、この希釈剤を使用するモノマーとの組み合わせによって細孔径の制御が可能であることから、操作が簡便な懸濁重合法と組み合わせることにより球状多孔性ポリマー充填剤が合成されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このポリマー充填剤にはポリマー粒子の細孔の分布に関する構造上の問題があった。すなわち、ポリマー充填剤はシリカゲル充填剤と異なりいわゆる細孔（メソポア）とは別にポリマーの架橋構造に由来するミクロポアと呼ばれる微細孔（通常２ｎｍ以下とされる）を持つ二重細孔構造を有している。そのため一般にポリマー充填剤においては溶質分子の浸透できる範囲が大きくなる場合がある。これらをクロマトグラフィー用カラムに充填して試料の分離に用いると、シリカゲル充填剤を使用した場合と大きく異なる分離特性を示すことになる。そしてこのような微細孔の存在による分離能の影響の制御が困難であるため、その影響は分析試料に対する分離能の低下として現れていた。
【０００６】
実際のＨＰＬＣの分析においてこの微細孔の悪影響は、充填剤への分析試料の保持が強く、立体構造のおおきなものほど顕著に現れ、クロマトグラムにおいてはピークの幅を広くし理論段数を低下させる。対象物質の構造による影響は、微細孔内を分析試料が通過する時、この微細孔空間より十分小さな分子は保持の影響をあまり受けないが、大きな分子はこの空間内での疎水性相互作用により保持が起こるためである。
【０００７】
この微細孔によるクロマトグラフィーにおける悪影響はポリマーの重合・架橋の状態を変えることにより低くすることができる。すなわち重合によってできるポリマーの直鎖部分を同一の長さにし、架橋点間の距離を長くすれば、微細孔空間が大きくおおよそ同程度の大きさをもつ微細孔となり、充填剤性能の低下を押さえることが可能である。架橋点間の距離を長くするには、架橋の割合を小さくすることにより可能であるが、単に架橋の割合を少なくしただけでは強度面で弱い粒子となってしまうためＨＰＬＣ用の充填剤として使用できない。そのため重合・架橋の方法、条件を制御することにより充填剤の調製を行う必要がある。例えばこの制御法の一つとしてモノマーの重合法として低温下で重合を行う酸化還元重合を用いる方法がある。酸化還元重合は通常粒子調製に用いられ熱重合に比較して、微細孔の空間を大きくし、ポリマー充填剤のクロマトグラフィーにおける理論段数の低下を押さえることが可能である。この方法は微細孔制御という点で極めて有用であるが、微細孔内の化学的性質は変化していないので充填剤性能の向上にはある程度の限界があった。
【０００８】
したがって、未だ微細孔の問題を解決し、その性質を活かしたポリマー充填剤は得られていない。
本発明の目的は、この微細孔の問題を解決し、その性質を活かした優れた分離性能をもつ液体用クロマトグラフィー用ポリマー充填剤およびその製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、発明者らが鋭意検討した結果、ポリマー充填剤において微細孔内の化学的性質の改変を行い、粒子径単分散の系にすると、クロマトグラフィー用カラムの分離性能の向上が可能な液体クロマトグラフィー用ポリマー充填剤が得られることがわかった。そして、その適切な製造方法も開発した。
【００１０】
すなわち、微細孔の化学的性質を決定しているのは、ポリマーを構成するモノマーまたは架橋剤の種類によるところが大きい。また先に述べたように逆相クロマトグラフィー用充填剤において、微細孔における分離性能の低下は試料と微細孔内との疎水性相互作用による。そこで逆相クロマトグラフィー充填剤としての保持力を維持しつつ、微細孔内の親水性を高めることで試料と微細孔の疎水性相互作用を弱くさせることにした。
【００１１】
しかしながら、微細孔を親水性化するだけでは、その性質を充分に発揮した本発明にかかるポリマー充填剤とはならなかった。本発明者らはその原因がポリマー充填剤の粒子径の分布に関する問題であることをさらにつきとめた。そしてこれはポリマー充填剤の製造方法に由来するところが大きい。ポリマー充填剤の合成には主に懸濁重合法が利用されるが、この方法で得られた粒子の粒子径分布は極めて広く、この粒子をそのままカラムに充填しても、使用に望まれるカラム性能は得ることができない。粒子径の分布に大きな幅があるため理論段数の低下を引き起こすのである。また目的の粒径に比べかなり小さな粒子は分析中のカラム圧力の上昇を引き起こし、機械的強度の弱いといわれるポリマー充填剤を破損する可能性がある。一方粒子径は小さなものほど分離性能を引き上げるため目的粒子径よりも大きな粒子の混合は結果としてカラム性能を低下させることになる。
【００１２】
そこで通常は得られたポリマー粒子を分級作業によってクロマトグラフィー用充填剤として適当な粒子径をもつ部分のみに分けて使用することが行われている。しかし分級作業は大きな設備を必要とし作業的に困難であり、分級を行うにも事実上限界がありどうしてもある程度の分布が生じる。また分級精度を上げるとはじめに得られたポリマー粒子のごく一部のみを使用することになり、充填剤としての収量を低くし、高コストとなってしまう。
【００１３】
そこで、本発明者らは粒子径単分散ポリマー充填剤とするために、公知の二段階膨潤重合法を採用することにした。
具体的な製造方法としては、架橋剤に親水性のあるグリセリンジメタクリレートを用い、モノマーには疎水性の２−エチルヘキシルメタクリレートを用い、架橋重合を二段階膨潤重合法を用いて逆相系ポリマー充填剤の調製を行った。
【００１４】
すなわち、本発明にかかるポリマー充填剤は、スチレンを骨格とする粒子径単分散ポリマー充填剤において、下記式(Ｉ)で表される構造の単位及び下記式(II)で表される構造の単位を含み、該ポリマー充填剤の細孔内に存在する微細孔の内部を親水性化させたことを特徴とする。
【００１５】
【化３】
0003657436.tif 000002
（Ｒは、２−エチルヘキシル基を表す）
【００１７】
また、本発明にかかるポリマー充填剤は、二段階膨潤重合法により得られたポリマー充填剤において、下記式(Ｉ)で表される構造の単位及び下記式(II)で表される構造の単位を含み、該ポリマーの細孔内に存在する微細孔の内部を親水性化させたことを特徴とするポリマー充填剤である。
【００１８】
【化４】
0003657436.tif 000003
（Ｒは、２−エチルヘキシル基を表す）
【００２１】
また、本発明にかかるポリマー充填剤の製造方法は、二段階膨潤重合法により、架橋剤のグリセリンジメタクリレート、モノマーの２−エチルヘキシルメタクリレートを重合させることにより得ることを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本発明は、粒子径単分散の充填剤において、該充填剤粒子の細孔内に存在する微細孔の内部を親水性化させたポリマー充填剤を提供するものであるが、その説明図を図１に示す。通常のポリマー充填剤においては、細孔（メソポア）以外にポリマーの架橋構造に由来する微細孔（ミクロポア：通常２ｎｍ以下）が存在するが、本発明においては親水性基（図１中の−ＯＨ）により親水性化し、その悪影響を少なくすることができる。
【００２３】
本発明にかかるポリマー充填剤をつくる際に用いられる微細孔に親水性を付与する具体的な架橋剤としては、グリセリンジメタクリレートが挙げられる。
本発明のポリマー充填剤において用いられるグリセリンジメタクリレートは、例えばグリシジルメタクリレートとメタクリル酸の付加反応から合成可能である。グリセリンジメタクリレートは、これと共重合可能な疎水性モノマーと混合して重合する。この割合により、ポリマーの微細孔の親水性、疎水性のバランスを制御することができる。
【００２４】
疎水性モノマーとしては、例えばメチルメタクリレート、エチルメタクリレート、ブチルメタクリレート、２−エチルヘキシルメタクリレート、プロピルメタクリレートなどの炭素数５〜２２のメタクリレート類が挙げられる。
【００２５】
これらモノマー中、メチルメタクリレート、ブチルメタクリレート、２−エチルヘキシルメタクリレートが好適であり、特に２−エチルヘキシルメタクリレートが好適である。また、グリセリンジメタクリレートとメチルメタクリレートを共重合させる場合、これらのモル比は１：９〜９：１であることが好適であり、グリセリンジメタクリレートと２−エチルヘキシルメタクリレートを共重合させる場合、これらのモル比は１：９〜９：１であることが好適である。
【００２６】
したがって、本発明にかかるポリマー充填剤においては、架橋剤としてグリセリンジメタクリレートを用いたものは、その構造中に
【化９】
0003657436.tif 000004
の単位をもつことになる。
したがって、この構造単位をもつポリマー充填剤は、親水性基である水酸基で微細孔を親水性化したものとなる。
【００２７】
また、モノマーとして、炭素数５〜２２のメタクリレート類を用いたものはその構造中に
【化１０】
0003657436.tif 000005
（Ｒは、炭素数１〜１８の炭化水素基を表す）
の単位をもつことになる。なお、上記炭化水素基Ｒの炭素数としては１８まで可能である。
【００２８】
本発明の粒子径単分散系のクロマトグラフィー用ポリマー充填剤は、これらグリセリンジメタクリレート等の架橋剤およびモノマーを用いて公知の二段階膨潤重合法を用いることによって製造することができる。
【００２９】
二段階膨潤重合法は、ソープフリーシード重合により得られた１μｍ程度の極めて均一な粒子径を持つ種粒子に、膨潤助剤およびモノマーおよび架橋剤を二段階の工程で膨潤させ粒子径を拡大し、その後重合することによって均一な粒子径のポリマー粒子を得る方法である。この場合膨潤工程で粒子径の均一性は損なわれることはなく、また高度に架橋された粒子合成も可能であり、種粒子をモノマーと共に希釈剤を用いて膨潤すれば多孔性の粒子とすることもできる。この方法によって得られた粒子の単分散性は種粒子の粒子分布に従い、非常に良好なものであり、全く分級作業を行うことなく、容易に粒子径単分散の充填剤を調製可能とする。これは従来一般的に用いられている懸濁重合法による調製の後、分級操作を繰り返したものに比べてはるかに粒子径の均一性が高い。
【００３０】
上記二段階膨潤重合法において、核となる種粒子にはスチレンが用いられ、ポリマー充填剤において骨格をつくる。また、膨潤助剤としてはフタル酸ジブチル、希釈剤としてはシクロヘキサノール、トルエン、重合開始剤としてはベンゾイルパーオキサイド、アゾビスイソブチロニトリル等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。
【００３１】
また、本発明充填剤を充填したクロマトグラフィー用カラムは粒子径の均一性が高いので、圧力を抑制することができる。そのため機械的強度の弱いポリマー充填剤にも問題なく使用できる。カラム圧力を抑制することが可能であれば、より高性能化が図れる粒子径の小さな充填剤も容易に用いることができ、分離性能の向上、高速化を可能とする。
【００３２】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。
実施例  液体クロマトグラフィー用ポリマー充填剤
（架橋剤  ）  グリセリンジメタクリレート
（モノマー）  ２−エチルヘキシルメタクリレート
（モル比  ）  架橋剤：モノマー  ＝５：５
（製造方法）  二段階膨潤重合法
【００３３】
ソープフリーシード重合により得られた１μｍ程度の極めて均一な粒子径をもつスチレン種粒子に、膨潤助剤であるフタル酸ジブチルにて１段階目の膨潤を行った。次いで２−エチルヘキシルメタクリレート、グリセリンジメタクリレート、シクロヘキサノールおよびアゾビスイソブチロニトリルからなる混合液を添加して撹拌後２段階目の膨潤を行った。そして、７０℃に加熱して２４時間重合を行った。
【００３４】
反応終了後、重合反応器室温まで冷却し、生成物を分離した。生成物を十分に水洗し、アセトンを用いてシクロヘキサノールを除去した後、乾燥して微小のスチレンを骨格とする多孔質球状ゲルを得た。
こうして得られたポリマー充填剤により液体クロマトグラフィーを行った結果を図２に示す。なお、試料はベンゼン、ナフタレン、アントラセン、ピレン、トリフェニレンの単素環化合物５種の混合物を用いた。
図より明らかなように、単素環化合物５種のピークがシャープに出ており、理論段数（Ｎ）が高く極めて分離能に優れていることがわかる。
【００３５】
比較例  液体クロマトグラフィー用ポリマー充填剤
（架橋剤  ）  グリセリンジメタクリレート
（モノマー）  ２−エチルヘキシルメタクリレート
（モル比  ）  架橋剤：モノマー  ＝５：５
（重合方法）  懸濁重合
【００３６】
重合反応器に、ポリビニルアルコールを溶解した水溶液を仕込んだ。次いでこの水溶液中に純度９５％グリセリンジメタクリレート、シクロヘキサノールおよびアゾビスイソブチロニトリルからなる混合溶液を添加し、攪拌しつつ、７０℃に加熱して２４時間重合反応を行った。
【００３７】
反応終了後、重合反応器を室温まで冷却し、生成物を分離した。生成物を十分に水洗し、アセトンを用いてシクロヘキサノールを除去した後、乾燥して微小の多孔質球状ゲルを得、分級して粒子径１５〜２０μｍのものを比較例の充填剤とした。
【００３８】
こうして得られたポリマー充填剤により液体クロマトグラフィーを行った結果を図３に示す。なお、試料は実施例と同様単素環化合物５種の混合物を用いた。図より明らかなように、分子量の小さいベンゼンは比較的溶出ピークがシャープにでているが、分子量が大きくなるにつれてピークが広がり分離能が落ちていることがわかる。
【００３９】
したがって、実施例と比較例を比較すると、同じ架橋剤およびモノマーを用いて重合した充填剤であっても、充填剤の粒子径が極めて均一でなければ、微細孔を親水性化した効果が得られないことがわかる。また、本発明にかかるポリマー充填剤の製造方法は、二段階膨潤重合法により重合させるのが好適であることがわかる。
【００４０】
本発明にかかる液体クロマトグラフィー用ポリマー充填剤は、スチレンを骨格とした粒子径単分散のポリマー充填剤において、上記式(Ｉ)で表される構造の単位及び上記式(II)で表される構造の単位を含み、該ポリマー充填剤の細孔内に存在する微細孔の内部を親水性化させたので、優れた分離能を得ることができる。
また、本発明にかかる液体クロマトグラフィー用ポリマー充填剤は、二段階膨潤重合法により得られたポリマー充填剤において、上記式(Ｉ)で表される構造の単位及び上記式(II)で表される構造の単位を含み、該ポリマーの細孔内に存在する微細孔の内部を親水性化させたので、優れた分離能を得ることができる。
また、二段階膨潤重合法により、架橋剤のグリセリンジメタクリレート、モノマーの２−エチルヘキシルメタクリレートを重合させることにより得るポリマー充填剤の製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるポリマー充填剤の説明図である。
【図２】実施例で得られたポリマー充填剤をカラムに充填して、単素環化合物混合物を試料とし、逆相系での分配クロマトグラフィーを行った結果得られた溶出パターンである。
【図３】比較例で得られたポリマー充填剤をカラムに充填して、単素環化合物混合物を試料とし、逆相系での分配クロマトグラフィーを行った結果得られた溶出パターンである。
【図１】
0003657436.tif 000008
【図２】
0003657436.tif 000009
【図３】
0003657436.tif 000010