JP2009292938A - 液体クロマトグラフィーカラム充填剤用シリカゲル - Google Patents

Abstract

【課題】数ミクロンまたはそれ以下の平均粒径を有することにより分離能に優れる、実用可能な液体クロマトグラフィーカラム充填剤用シリカゲルを提供する。
【解決手段】水より極性の低い有機溶媒と水との混合溶媒中で、アルコキシシラン化合物又はその誘導体を、触媒の存在下、加水分解し、得られた反応混合物にマイクロ波を照射することにより得られるシリカゲル粒子を備える液体クロマトグラフィーカラム充填剤用シリカゲル。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体クロマトグラフィーカラム充填剤用シリカゲルに関するものである。

球状シリカゲルは、高速液体クロマトグラフィーカラム充填剤、樹脂成形体用や電子材料封止剤用の充填剤、スペーサー、ギャップ剤などの様々な用途で使用されている。
その製造方法としては、アルコキシドで代表される有機物を含有する酸化物を原料として使用し、ゾルゲル反応により無機多孔体を得る方法が知られている。具体的には、酸存在下で、アルコキシシランを水又は水／アルコール混合溶液中で加水分解し、シリカゾルを形成する。得られたシリカゾルをベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン等の芳香族炭化水素と長鎖有機カルボン酸又は界面活性剤等の乳化剤とからなる油性分散媒中に添加して、ホモミキサー等の撹拌装置により撹拌し、この乳化液をゲル化させて微小シリカゲル粒子を製造するものである。この製造法は最も容易に実施できる方法の一つであるため、好ましく実施されている。この方法によって製造されたシリカゲルは、特徴的な表面物性を持つことから高速液体クロマトグラフィー充填剤として利用されてきた。

近年、液体クロマトグラフィーの性能として、特に分析時間の短縮化、及びそれによる溶媒量の削減と、分離性の向上とが要求されるようになってきた。これらの要求に応える充填物として、微粒子化された数ミクロンからサブミクロン級のシリカゲルが充填剤として提案されている（特許文献１参照）。今後は、高速液体クロマトグラフィーカラム充填剤として粒径２μｍ以下、さらには１μｍ級のシリカゲルが要求されると考えられている。
しかし、一般に、このような粒径の小さいシリカゲルをカラム充填剤として使用すると、カラム内に密に充填されるため、移動相の移送に大きな圧力がかかり、従来の機器では測定が困難であった。
なお、非特許文献１には、粒子化された数ミクロンからサブミクロン級のシリカゲルを製造する方法として、マイクロ波を用いたシリカゲルの製造方法が開示されている。
特開２００５−１９４１２１号公報 ＣＨＥＭＩＳＴＲＹ ＬＥＴＴＥＲＳ Ｖｏｌ．３３，Ｎｏ．１１、１５０４〜１５０５（２００４）

本発明は、数ミクロンまたはそれ以下の平均粒径を有することにより分離能に優れる、実用可能な液体クロマトグラフィーカラム充填剤用シリカゲルを提供することを課題とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ね、以下の知見を得た。
(i) 水より極性の低い有機溶媒と水との混合溶媒中で、アルコキシシラン化合物及び／又はその誘導体を、触媒の存在下、加水分解し、得られた反応混合物にマイクロ波を照射することにより得られるシリカゲル粒子は、平均粒径が数ミクロン又はそれ以下の非常に小径の粒子であり、このシリカゲル粒子は液体クロマトグラフィーカラム充填剤として使用する場合に、非常に高い分離能を示す。
(ii) また、このシリカゲル粒子を充填した液体クロマトグラフィーカラムは、従来の平均粒径３〜１０μｍ程度の液体クロマトグラフィーカラム充填剤を使用する場合と同程度の移送圧力で移動相を移送させることができる。
本発明は、上記知見に基づき完成されたものであり、以下の液体クロマトグラフィーカラム充填剤用シリカゲルを提供する。
項１． 水より極性の低い有機溶媒と水との混合溶媒中で、アルコキシシラン化合物及び／又はその誘導体を、触媒の存在下、加水分解し、得られた反応混合物にマイクロ波を照射することにより得られるシリカゲル粒子を備える液体クロマトグラフィーカラム充填剤用シリカゲル。

本発明のシリカゲルは、平均粒径が数μｍ又はそれ以下と小さいため、液体クロマトグラフィー充填剤として使用する場合に、極めて優れた分離特性を示す。また、このように粒子が小さいため、高充填することによりカラムサイズを小さくすることができ、その分、分析時間が短縮され、ひいては溶媒使用量が大幅に減少する。
また、一般に、微小な充填剤をカラムに充填すると、移動相の移送圧力を大きくせざるを得ず、従来の高速液体クロマトグラフィー用機器では測定が困難である。この点、本発明のシリカゲルは、カラムに充填できるにもかかわらず、通常の移送圧力で移動相を移送させることができ、その結果、極めて高い分離能を示す。

以下、本発明を詳細に説明する。
（１）シリカゲルの製造方法
本発明の液体クロマトグラフィーカラム充填剤用シリカゲルは、水より極性の低い有機溶媒と水との混合溶媒中で、アルコキシシラン化合物及び／又はその誘導体を、触媒の存在下、加水分解し、得られた反応混合物にマイクロ波を照射することにより得られるシリカゲルを備えるものである。

アルコキシシラン化合物・その誘導体
アルコキシシラン化合物は下記式（１）

（式中、Ｒ^１は炭素数１〜９のアルキル基を示す。）
で表される化合物である。Ｒ^１は、直鎖状又は分岐状の何れのアルキル基であってもよい。また、Ｒ^１のアルキル基の炭素数は１〜４であることがより好ましく、このようなアルキル基として、メチル基、エチル基、n-プロピル基、i-プロピル基、n-ブチル基、i-ブチル基、sec-ブチル基、tert-ブチル基が挙げられる。
式（１）のアルコキシシラン化合物の誘導体としては、式（１）の化合物を部分的に加水分解して得られる低縮合物、並びに式（１）で表されるアルコキシシラン化合物の一部が飽和炭化水素基、不飽和炭化水素基、及び芳香族基からなる群より選ばれる少なくとも１種の官能基で架橋された化合物が挙げられる。

上記の低縮合物としては、下記式（２）
Ｓｉ_ｎＯ_ｎ−１（ＯＲ^１）_２ｎ＋２ （２）
（式中、Ｒ^１は炭素数１〜９のアルキル基を示し、ｎは２〜２０の整数を示す。）で表される化合物が挙げられる。
飽和炭化水素基としては、炭素数１〜１８の直鎖又は分岐鎖状のアルキレン基、炭素数３〜７のシクロアルキレン基、炭素数３〜７のシクロアルキル基で置換された炭素数１〜６の直鎖又は分岐鎖状のアルキレン基（シクロアルキルアルキレン基）などが挙げられる。
不飽和炭化水素基としては、炭素数１〜１８の直鎖又は分岐鎖状のアルケレン基、炭素数３〜７のシクロアルケレン基、炭素数３〜７のシクロアルケレン基で置換された炭素数１〜６の直鎖又は分岐鎖状のアルケレン基（シクロアルケレン基）などが挙げられる。

芳香族基としては、置換基を有していてよい１〜４個の環を有する芳香環又は複素環を有する２価の官能基が挙げられる。芳香環又は複素環としては、ベンゼン、ナフタレン、ビフェニルのようにベンゼン環だけで環構造を形成している化合物；ピロール、フラン、チオフェン、イミダゾール、オキサゾール、チアゾール、ピラゾール、イソチアゾール、ピリジン、ピリダジン、ピリミジン、ピラジンのような複素環だけで環構造を形成している化合物；ベンゾチアゾール、ベンゾキサゾール、ベンズイミダゾール、キノリン、キノキサリン、クロマン、インドール、アントラキノンのようにベンゼン環と複素環とが縮合している化合物などが挙げられる。
置換基は特に限定されず、例えば、炭素数１〜９のアルキル基、フェニル基、炭素数７〜１２のフェニルアルキル基、炭素数１〜６のアルコキシ基、ハロゲン原子、水酸基、アミノ基、置換アミノ基、ホルミル基、アシル基、カルボキシル基、シアノ基、ニトロ基、スルホ基、アゾ基、アジド基等が挙げられる。
式（１）で表されるアルコキシシラン化合物、及びその誘導体は、これらからなる群より、１種を単独で、又は２種以上を組み合わせて使用できる。

触媒
加水分解触媒としては、公知の酸触媒、アルカリ触媒を使用できる。酸触媒としては、塩酸、硝酸、硫酸、ホウ酸、リン酸のような鉱酸；ギ酸、酢酸、蓚酸のような有機酸を例示することができる。塩基触媒としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、アンモニア水、塩化アンモニウム等のアンモニウム塩などが挙げられる。中でも、酸触媒が好ましく、有機酸がより好ましい。
酸触媒及び塩基触媒は、それぞれ１種を単独で、又は２種以上組み合わせて使用できる。
触媒濃度は、加水分解反応を促進させることができる濃度であれば、特に限定されないが、反応媒体に対して約０．０５〜５Ｍ（ｍｏｌ／Ｌ）が好ましい。上記範囲であれば、加水分解反応を促進できるとともに、比表面積が広いシリカゲルを製造でき、その結果高い分離性を示す。
反応媒体とは、加水分解反応に供するアルコキシシラン化合物及び／又はその誘導体、水よりも極性の低い有機溶媒、水、及び触媒を含む反応溶液の全体を指す。

有機溶媒
有機溶媒は、水よりも極性の低いものであれば制限なく使用できる。
このような有機溶媒として、例えば、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、ウンデカン、ドデカンなどの脂肪族炭化水素類；シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、デカリンなどの脂環式炭化水素類；ベンゼン、トルエン、キシレン、ドデシルベンゼン、メチルナフタレンなどの芳香族炭化水素類；ジブチルエーテル、ジペンチルエーテル、ジヘキシルエーテル、ジヘプチルエーテル、ジオクチルエーテルなどのエーテル類；ナフサ、白灯油、エチレングリコールなどの石油留分類などが挙げられる。中でも、石油留分類が好ましく、エチレングリコールがより好ましい。
有機溶媒の使用量は、反応媒体に対して、約５０〜９９容量％が好ましく、約８５〜９９容量％がより好ましい。

水
使用される水の量は、形成されるシリカゲルの粒子径、及び表面特性に大きな影響を与える。有機溶媒、並びにアルコキシシラン化合物及び／又はその誘導体の合計量に対して水の量が相対的に増加すれば、シリカゲルの粒子径を大きくすることができ、水の量が相対的に減少すれば、シリカゲルの粒子径を小さくすることができる。
従って、水と有機溶媒、並びにアルコキシシラン化合物及び／又はその誘導体の合計量との使用比率を調整することにより、得られるシリカゲルの粒子径を任意に調整することができる。水の量は、反応媒体に対して約０．１〜１０容量％が好ましく、約０．５〜５容量％がより好ましい。上記範囲であれば、シリカゲルの粒径を十分小さくできる。また、上記範囲であれば、マイクロ波照射による効果を十分に得ることができる。

加水分解反応
アルコキシシラン化合物、及びその誘導体の加水分解反応は、約２０〜１２０℃で行えばよい。特に、還流しながら反応させることが好ましい。この場合の反応温度は、使用する有機溶媒の種類や使用量により異なる。
また、反応は常圧下で行えばよいが、加圧下で行ってもよい。
反応時間は、約６時間以下とすればよい。

マイクロ波照射
加水分解により得られる反応混合物にマイクロ波を照射する。
マイクロ波は、３００ＭＨｚ〜３０ＧＨｚの周波数を有する電磁波であり、工業用マイクロ波照射機では２,４５０ＭＨｚが使用されているため、通常はそれを使用すればよい。照射時間は仕込み量、マイクロ波照射装置のワット数などによって異なるが、約０．４〜１０ｋＷで、約１〜６０分とすればよい。
マイクロ波照射実験装置は、例えば四国計測工業（株）、ミクロ電子（株）、マイルストーンゼネラル社、ＣＥＭ社等により製作、販売されているものを使用すればよい。
反応混合物にマイクロ波を照射することにより、加水分解物がゲル化してシリカゲルが得られる。
マイクロ波照射により得られるシリカゲルは、水で洗浄し、乾燥させた後、シリカゲル表面に有機基を結合させることができる。表面に有機基、例えば脂肪族炭化水素基などの官能基を結合させることにより、シリカゲルの熱安定性や、物性安定性を向上させることができる。

（２）シリカゲル
次に、上記の製造方法で得られたシリカゲルについて述べる。
上記のようにして得られるシリカゲルは球形又は略球形である。
シリカゲルの平均粒径は、通常、約０．１〜１０μｍであり、約０．１〜５μｍが好ましく、約０．１〜３μｍがより好ましく、約０．３〜２μｍがさらにより好ましい。
本発明において、平均粒径は堀場製作所製のレーザー回折式粒度分布測定装置「ＬＡ−９２０」を使用して測定した値である。
シリカゲルの表面の細孔径は、平均粒径の約１／１０００〜１／５が好ましく、約１／５００〜１／８がより好ましく、約１／３３３〜１／１３がさらにより好ましい。本発明において、細孔径は、島津製作所製の表面積測定装置「Ｔｒｉｓｔａｒ３０００」を使用して測定した値である。

シリカゲルの平均球形度は、約０．８５以上が好ましく、約０．９０以上がより好ましく、約０．９３以上がさらにより好ましい。本発明において、平均球形度は、シスメックス社製のフロー式粒子像分析装置「ＦＰＩＡ-１０００」を使用して測定した値である。以下、詳細な測定方法を記載する。
粒子像から粒子の投影面積（Ａ）と周囲長（ＰＭ）を測定する。周囲長（ＰＭ）に対応する真円の面積を（Ｂ）とすると、その粒子の球形度はＡ/Ｂとして表示できる。そこで試料粒子の周囲長（ＰＭ）と同一の周囲長を持つ真円を想定すると、ＰＭ＝２πｒ、Ｂ＝πｒ^２であるから、
Ｂ＝π×（ＰＭ／２π）^２となり、
個々の粒子の球形度は、円形度＝Ａ/Ｂ＝Ａ×４π／（ＰＭ）^２
として算出できる。これを任意に選ばれた１００個以上の粒子について測定し、その平均値を２乗したものを平均球形度とした。測定溶液はサンプル０．１ｇに蒸留水２０ｍｌとプロピレングリコール１０ｍｌを加え、３分間超音波分散処理を行い調製した。

（３）シリカゲルの用途
上記説明したシリカゲルは、液体クロマトグラフィーカラム充填剤として使用するのに特に適している。
このシリカゲルを充填した液体クロマトグラフィー用カラムは、シリカゲルを充填できるため、サイズを小さくすることができる。例えば、約０．１ｍＬ〜１０の範囲の低容量のカラムでも実用可能なものとなる。
また、前述したように、このシリカゲル充填剤は、平均粒子径が非常に小さいにもかかわらず、従来の平均粒径３〜１０μｍ程度の充填剤を使用する場合と同程度の移送圧力（約１０〜２００kgf/cm²）を採用することができる。一般的には、粒径約１μｍの球状ゲルのカラムに移動相を０．５ml/minで移送する場合２００kgf/cm²を超える圧力が生じるため、流速を０．５ml/minより低く設定して分析しなければならなかった。しかし、本発明のシリカゲルは、粒径が約１μｍの球状ゲルである場合にも、低圧で移送が可能となる。その結果、本発明のシリカゲルを充填した液体クロマトグラフィーカラムを用いて、移動相を０．５ml/min以上で流速を設定することができる。即ち、本発明のシリカゲルを充填したカラムを用いた液体クロマトグラフィーにおいて、圧力約１０〜２００kgf/cm²で移動相を移送させる方法も本発明に包含される。また、この液体クロマトグラフィーにおいて、流速０．５ml/min以上で移動相を移送させる方法も本発明に包含される。

実施例
以下、本発明を実施例を示してより具体的に説明する。但し、本発明はこれらに限定されるものではない。
実施例１
出発原料である有機シリケートは公知の方法に従って次のように溶液を調整した。テトラメトキシシラン1.02g、0.1M HCl0.5gをジエチレングリコールジメチルエーテル37gに加え室温下で1時間攪拌した。続いてその溶液に、マイルストーンゼネラル社製のマイクロ波照射装置を用いて、0.5kWで、30分間マイクロ波(2.45GHz)を照射した。照射終了後、溶液を冷却し析出したシリカゲルをろ取した。シリカゲルをテトラヒドロフランで洗浄後、乾燥し球状シリカゲルを得た。

実施例2
出発原料である有機シリケートは公知の方法に従って次のように溶液を調整した。テトラメトキシシラン0.5g、0.1M HCl0.2gをジエチレングリコールジメチルエーテル37gに加え室温下で1時間攪拌した。続いてその溶液に、マイルストーンゼネラル社製のマイクロ波照射装置を用いて、0.5kWで、30分間マイクロ波(2.45GHz)を照射した。照射終了後、溶液を冷却し析出したシリカゲルをろ取した。シリカゲルをテトラヒドロフランで洗浄後、乾燥し球状シリカゲルを得た。

実施例3
出発原料である有機シリケートは公知の方法に従って次のように溶液を調整した。テトラメトキシシラン0.3g、0.1M HCl0.1gをジエチレングリコールジメチルエーテル37gに加え室温下で1時間攪拌した。続いてその溶液に、マイルストーンゼネラル社製のマイクロ波照射装置を用いて、0.5kWで、30分間マイクロ波(2.45GHz)を照射した。照射終了後、溶液を冷却し析出したシリカゲルをろ取した。シリカゲルをテトラヒドロフランで洗浄後、乾燥し球状シリカゲルを得た。
下記の表１に、実施例１、２、３で製造したシリカゲルの平均粒径、平均球形度、細孔径を示す。

実施例１で作製した充填剤を内径２mm、長さ５０mmの液体クロマトグラフィー用ステンレスカラムに充填した。この作製したカラムを用いてトルエン（２０ｍｇ／ｍｌ）、ニトロベンゼン（０．４ｍｇ／ｍｌ）、ｍ-ジニトロベンゼン（０．８ｍｇ／ｍｌ）の混合物の分離状況を調べた。移動相はヘキサン/IPA=100/1を流速0.1ml/minで送液し、検出はUV254nmで行った。溶媒の移送圧力は10kgf/cm²であった。
結果を図1に示す。図１から分るように、保持時間２．１６min(トルエン)、２．４９min（ニトロベンゼン）、３．７１min(ｍ−ジニトロベンゼン)の３本のピークが検出され、分離特性があることが分った。

本発明のシリカゲルは、数ミクロン又はそれ以下の平均粒径を有する微粒子であり、また非常に粒径分布がシャープであることから、分離特性が優れている。また、このような小さな微粒子であるにもかかわらず通常の移送圧力を採用できるため、液体クロマトグラフィーカラム充填剤として非常に優れている。

実施例で行った液体クロマトグラフィーのクロマトグラムを示す図である。

Claims (1)

1. 水より極性の低い有機溶媒と水との混合溶媒中で、アルコキシシラン化合物及び／又はその誘導体を、触媒の存在下、加水分解し、得られた反応混合物にマイクロ波を照射することにより得られるシリカゲル粒子を備える液体クロマトグラフィーカラム充填剤用シリカゲル。

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