Hacettepe Üniversitesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, 06532, Beytepe, ANKARA

EŞBOYUTLU, GÖZENEKLİ VİNİLASETAT-DİVİNİLBENZEN BAZLI KOLON DOLGU MATERYALİ SENTEZ KOŞULLARININ TERS FAZ SIVI KROMATOGRAFİSİNDE KOLON PERFORMANSINA ETKİSİ MONOMER/ÇAPRAZ BAĞLAYICI ORANI B. ÇAĞLAYAN, E. ÜNSAL, Ş. T. ÇAMLI * ve A. TUNCEL Hacettepe Üniversitesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, 06532, Beytepe, ANKARA * Hacettepe Üniversitesi, Kimya Bölümü, 06532, Beytepe, ANKARA bernac@hacettepe.edu.tr, enderu@hacettepe.edu.tr, tcamli@hacettepe.edu.tr, atuncel@hacettepe.edu.tr Özet Poli(vinilasetat-co-divinilbenzen) (poli(vac-co-dvb)) partiküller, Çok Basamaklı Mikrosüspansiyon Polimerizasyonu yöntemi ile yaklaşık 9 µm boyutunda sentezlenmiş ve Yüksek Performanslı Sıvı Kromatografisi (HPLC) kolon dolgu materyali olarak Ters Faz Sıvı Kromatografisi (Reversed Phase Choromatography, RPC) ve Büyüklükçe Ayırma Kromatografisinde (Size-exclusion Choromatography, SEC) kullanılmak amacıyla geliştirilmiştir. Monomer karışımındaki vinilasetat (VAc) derişimi değiştirilerek, bu değişimin sonuç partikül boy ve gözeneklilik özelliklerine ve kromatografik performansa etkileri incelenmiştir. Partiküllerin doldurulmasıyla elde edilen kolonlar, hareketli faz olarak seçilen farklı asetonitril-su oranlarında ve değişik akış hızlarında denenerek alkil benzenlerin ayrılması için en uygun çalışma koşulları belirlenmiştir. Elde edilen partiküllerin yapısal özelliklerini belirlemek amacıyla Fourier Transfer Infrared spektrofotometre (FTIR) kullanılmıştır. Gözeneklilik ve partikül boyutu analizleri Büyüklükçe Ayırma Kromatografisi (SEC-GPC) ile tetrahidrofuran (THF) ortamında ve UV dedektör kullanılarak saptanmıştır. Anahtar kelimeler: Çok Basamaklı Mikrosüspansiyon Polimerizasyonu, poli(vinilasetat-codivinilbenzen), eşboyutlu mikroküre, HPLC 1. GİRİŞ HPLC kolon dolgu materyali olarak uygun olan eşboyutlu yapıdaki gözenekli polimerik partiküllerin üretimi için pek çok yöntem kullanılmaktadır. Bunlardan ilki aktif çok basamaklı şişme ve polimerleşme yöntemidir ve bu yöntemle 1-20µm boyut aralığında gözenekli eşboyutlu partiküller geliştirilmiştir. Bununla birlikte 10µm boyutunda eşboyutlu ve gözenekli yapıda poli(stiren-codivinilbenzen) partiküller çıkış emülsiyon polimerizasyonu yöntemi kullanılarak elde edilmiştir. Başka bir çok basamaklı polimerizasyon yöntemi olan stage shape template polimerizasyonu ile ise poli(glisidil-co-etilendimetakrilat) partiküller eşboyutlu olarak üretilmiştir. Polistiren çıkış partiküllerinin dispersiyon polimerizasyonu ile üretimi sonucu Ogino ve arkadaşları tek basamaklı şişme ve polimerizasyon ile 4.1-7.5µm boyut aralığında poli(stiren-co-divinilbenzen) küreleri ve 5.5-9.7µm boyut aralığında oligo(etilen glikol) dimetakrilat küreleri sentezlemişlerdir. Bu partiküller kolon dolgu materyali olarak Büyüklükçe Ayırma Kromatografisinde kullanılmış ve iyi bir performans sergilemişlerdir. HPLC uygulamalarında dolgu materyalinin partikül boyutunun azalmasıyla kolon verimi artar. Bu sayede daha kısa sürede ve daha az hareketli faz hacmi ile kromatografik analiz yapmak mümkündür. Çok basamaklı polimerizasyon yötemiyle sentezlenen yaklaşık 4µm boyutundaki poli(2-etilhekzil metakrilat-co-gliserol dimetakrilat) kürelerin alkilbenzenlerin ayrılmasındaki kromatografik performanslarına bakılmış ve

15x2.1 mm kolon ile kolon veriminin 13.000 tabaka sayısının üzerinde olduğu saptanmıştır. Tek basamaklı disperisyon polimerizasyonuyla elde edilen 3µm boyutundaki poli(glisidil metakrilat-codivinilbenzen) küreler ile de HPLC analizleri gerçekleştirilmiştir(1,2). Yaptığımız çalışmalarda eşboyutlu partiküllerin sentezi için modifiye çıkış polimerizasyonu çok basamaklı olarak gerçekleştirilmiştir. Poli(stiren) partiküller dispersiyon polimerizasyonu ile üretilmiş, gözenekli partiküllerin üretiminde direk çıkış lateksi olarak kullanılmıştır. Böylece farklı kimyasal yapıdaki eşboyutlu partiküller, porojenin polimerik kısmının sentezi için ayrıca şişme basamağı gibi ek bir uygulama olmaksızın sentezlenmiştir. Ayrıca bu yöntemle gözenekli monodisper partiküller üzerine hidroksil, karboksil, epoksipropil ve boronik asit gibi farklı fonksiyonel gruplar da eklenmiştir. Üretilen 7.5µm boyutundaki poli(stiren-co-divinilbenzen) eşboyutlu gözenekli küreler ile kromatografik analizler gerçekleştirilmiştir(1,2). Bu çalışmada kromatografik ayırmada yüksek kolon verimi sağlamak amacıyla poli(vinilasetat-co-divinilbenzen) kürelerin üretim koşullarının incelenmesi amaçlanmıştır. 2. DENEYSEL 2.1. Materyaller Eşboyutlu gözenekli kürelerin hazırlanmasında, toluen ve dibütilftalat (DBF) diluent olarak kullanılmıştır. Divinilbenzen (DVB, %55 para ve meta-divinilbenzen izomerleri, Aldrich Chem. Co.), %5 (w/w) NaOH çözeltisiyle ekstrakte edilerek monomer olarak kullanılmıştır. Benzoil peroksit (BPO, Aldrich Chem. Co.) şişmiş çıkış partiküllerin monomer fazında tekrar polimerleşmesinde başlatıcı olarak kullanılmıştır. Sodyum dodesil sülfat (SDS, Sigma Chem. Co.) partiküllerin şişmesi için sulu emülsiyon ortamı hazırlanırken emülsifiye edici olarak kullanılmıştır. Asetonitril (ACN) ve tetrahidrofuran (THF) (Aldrich Chem. Co.) HPLC analizlerinde hareketli faz olarak kullanılmıştır. Çıkış lateksinin hazırlanmasında kullanılan materyaller ise verilen kaynaklardaki gibidir(1,2). 2.2. Polistiren (PS) Çıkış Lateksinin Sentezi Stirenin dispersiyon polimerizasyonuyla elde edilen 4.4µm boyutundaki polistiren (PS) çıkış latekslerinin sentezi için, stiren (20mL), PVP K-30 (2.1g) ve AIBN (0.44g), etanol (72mL) ve 2-metoksietanol karışımı içinde çözülmüştür. Polimerizasyon, 70C sıcaklıkta 120 cpm çalkalama hızında 24 saat süreyle silindirik polimerizasyon reaktöründe (hacim:410ml) çalkalamalı su banyosu kullanılarak gerçekleştirilmiştir. 2.3. Eşboyutlu Gözenekli Partiküllerin Sentezi Eşboyutlu gözenekli yapıdaki poli(vac-co-dvb) partiküllerin sentezi için, diluent olarak seçilen DBPtoluen karışımı (3ml), %0.25 (w/w) SDS içeren 30ml su ortamında emulsifiye edilmiştir ve 30dk süreyle soniklenmiştir. Bu karışım içine PS çıkış partiküller (0.6ml, katı partikül içeriği 0.15g) eklenerek manyetik karıştırıcıda (karıştırma hızı:400rpm) 24 saat süreyle çıkış partiküllerinin diluenti absorplaması için karıştırılmıştır. Bunu takiben sırasıyla Tb8 ve Tb11 için monomer faz olarak seçilen Vac (0 ve 1.6ml), DVB (3.2 ve 1.6ml) ve BPO (0.12g), %0.25 (w/w) SDS içeren 30ml su ortamında 5dk soniklenerek emulsifiye edilmiştir. Elde edilen bu monomer emülsiyonu diluentle-şişirilmiş çıkış partiküllerinden elde edilen emülsiyona eklenerek oda sıcaklığında 24 saat süreyle 400rpm karıştırma hızında manyetik karıştırıcıda diluentle-şişirilmiş çıkış partiküllerinin monomer fazını absorplaması amacıyla karıştırılmıştır. Son olarak 0.35g PVA içeren sulu (3.5ml) çözelti de bu karışıma eklenerek şişmiş çıkış partiküllerinin içindeki monomer fazın polimerizasyonu için küreler 70C sıcaklıkta 120cpm çalkalama hızında 24 saat süreyle su banyosunda çalkalanmıştır. Polimerizasyon sonunda ürün olarak yaklaşık 9µm boyutunda eşboyutlu gözenekli partiküller elde edilmiş ve birkaç kere su ve etanolle yıkandıktan sonra THF ekstraksiyonuna tabi tutulmuştur. 2.4. Kromatografik Çalışma Partiküller 100mm x 4.6mm I.D. paslanmaz çelik HPLC kolona dolum prosedürü kaynakta belirtildiği gibi doldurulmuştur(1,2). Kromatografik analizler, SPD-10 AVVP UV dedektörlü Shimadzu gradient sıvı kromatografisinde (LC-10 ADVP) gerçekleştirilmiştir. Büyüklükçe ayırma kromatografisi (SEC) için

0.75ml/dk akış hızında ve oda sıcaklığında hareketli faz olarak THF kullanılmıştır. Kromatogramlar 254nm de UV dedektör ile elde edilmiştir. Dağılım katsayısı K o kaynaklarda verildiği gibi hesaplanmıştır (1,2). Ters faz ayırma yöntemiyle alkilbenzen karışımının(benzen, toluen, etilbenzen, propilbenzen, bütilbenzen ve pentilbenzen) ayrılması için hareketli faz olarak izokratik koşullarda asetonilril-su karışımı kullanılmıştır. Sıvı kromatogramlar UV-dedektör ile 254nm de 0.5-2ml/dk aralığında değişen akış hızlarında kaydedilmiştir. Pik çözünürlükleri ve teorik tabaka sayıları kaynaklarda verildiği gibi hesaplanmıştır (1,2). 3. SONUÇLAR 3.1. Partiküllerin Karakterizasyonu Sentezlenen poli(stiren) çıkış lateksinin SEM analizi sonucu elde edilen özellikleri Tablo 1 de verilmiş. Çıkış lateksinin eşboyutlu yapısı Şekil 1 de verilen SEM fotoğrafında görülmektedir. Tablo 1. Polistiren çıkış lateksinin özellikleri Polimerizasyon verimi (%w/w) 69 Ortalama partikül boyutu (D n, µm) 4.4 Değişim katsayısı (%) 2.0 Sayıca ortalama molekül ağırlığı (M w ) 2.16x10 4 Şekil 1. Poli(stiren) çıkış lateksinin SEM fotoğrafı Şekil 2. Eşboyutlu gözenekli partiküllerin FTIR spektrumları, (A) Tb11, (B) Tb8

Eşboyutlu gözenekli partiküllerin FTIR analizi sonucu olan Şekil 2 de görüldüğü gibi A spektrumundan farklı olarak B spektrumunda 1750 cm -1 de gözlenen pik C=O gerilme piki, 1280 cm -1 de gözlenen pik ise C-O pikidir ve yapıya vinilasetatın katılımını göstermektedir. Partiküllerin vinilasetatın yapıya katılması ile gözenek çapının, gözenek hacminin ve gözenekliliğinin arttığı fakat yüzey alanın azaldığı görülmüştür (Tablo2). Tablo 2. Partiküllerin GPC analizi sonucunda belirlenen gözeneklilik özellikleri Partikül kodu Monomer/çapraz bağlayıcı oranı (V/V) Gözenek çapı (nm) Gözenek hacmi (cm 3 /g) Yüzey alanı (m 2 /g) Gözeneklilik (%) Tb8 %50VAc-%50DVB 26.2 1.14 174.31 68.4 Tb11 %0VAc-%100DVB 16.1 1.01 251.43 59.3 3.2. Partiküllerin Kromatografik Performansı 3.2.1. Partiküllerin Büyüklükçe Ayırma Kromatografisinde Kullanımı Şekil 3a da görüldüğü gibi sabit bir akış hızı için kolon geri basınç değerleri yapıya vinilasetatın katılımı ile azalmaktadır. Tb 11 daha yüksek geri basınç değerlerine sahip olduğundan daha düşük gözenekliliğe sahiptir. Bu sonucu Tablo 2 den de görmek mümkündür. Molekül ağırlıkları 2100-1460000 arasında değişen poli(stiren) standartlarla yapılan analizler sonucu elde edilen kalibrasyon grafiği Şekil 3b de görüldüğü gibi bu kolonlarla geniş bir molekül ağırlığı bölgesinde çalışmak mümkündür. 2500 2000 Tb8 Tb11 7 tb8 tb11 6 Geri basınç, psia 1500 1000 500 log MA 5 4 3 2 0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Akış hızı, ml/dk 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 K 0 (a) (b) Şekil 3. Eşboyutlu gözenekli partiküllerle doldurulmuş kolonlarda (a)hareketli faz akış hızıyla geri basıncın değişimi (b) Büyüklükçe ayırma kromatografisi kalibrasyon eğrileri 3.2.2. Partiküllerin Ters Faz Sıvı Kromatografisinde Kullanımı 3.2.2.1. Hareketli Faz Asetonitril (AcN) Konsantrasyonunun Etkisi Eşboyutlu gözenekli partiküller Tb11 ve Tb8 içeren kolonlarda alkilbenzenlerin izokratik ayrılması için farklı AcN konsanrasyonlarında elde edilmiş sıvı kromatogramları Şekil 4 de, kromatogramlardan elde edilen çözünürlük değerleri ise Tablo 3 de verilmiştir. Çözünürlük ve teorik tabaka değerlerine bakıldığında vinilasetat içeren Tb8 partiküller ayırma için daha uygundur. Çözünürlük değerlerinden de anlaşıldığı gibi Tb8 partiküllerde en iyi ayrılma %50 (hacim) asetonitril-su oranında gerçekleşmiştir. Buna karşın en yüksek teorik tabaka sayısı %70 asetonitril-su oranında elde edilmiştir (Şekil 5).

(a) Şekil 4. Eşboyutlu gözenekli partiküller içeren kolonlarda alkilbenzenlerin izokratik ayrılması için farklı AcN konsanrasyonlarında elde edilmiş sıvı kromatogramları, kromatografi koşulları:100x4.6mm ID, akış hızı 0.75ml/dk, UV dedektör, 254nm (a) Tb11 (b) Tb8. Tablo 3. Farklı AcN besleme konsantrasyonlarında elde edilmiş kromatogramlardan elde edilen çözünürlük değerleri (hareketli faz akış hızı: 0.75 ml/dk) (b) Kolon: Tb8 Çözünürlük AcN%(v/v) R(2/1) R(3/2) R(4/3) R(5/4) R(6/5) 50 2.25 2.18 2.55 2.63 2.84 60 1.67 1.49 1.83 2.14 2.63 70 1.33 1.39 1.43 1.69 1.71 80 0.97 0.83 1.05 1.25 1.28 Kolon:Tb11 60 1.20 1.05 1.41 1.62 1.80 70 1.08 0.94 1.05 1.33 1.32 80 0.88 0.87 1.04 1.15 1.32

Teorik Tabaka Sayısı, N/m 10000 8000 6000 4000 2000 benzen toluen etil benzen propil benzen bütil benzen pentil benzen Teorik tabaka sayısı, N/m 10000 benzen toluen etil benzen 8000 propil benzen bütil benzen pentilbenzen 6000 4000 2000 0 50 55 60 65 70 75 80 AcN konsantrasyonu, %v/v 0 60 65 70 75 80 AcN konsantrasyonu, %v/v (a) (b) Şekil 5. Eşboyutlu gözenekli partiküllerle doldurulmuş kolonların teorik tabaka sayılarına hareketli faz AcN konsantrasyonunun etkisi a) tb8 b) tb11. 3.2.2.2. Akış Hızının Etkisi Eşboyutlu gözenekli Tb8 partikülleri içeren kolonda alkilbenzenlerin ayrılması için farklı hareketli faz akış hızlarında elde edilmiş sıvı kromatogramları Şekil 6 da, kromatogramlardan elde edilen çözünürlük değerleri ise Tablo 4 de verilmiştir. Tb11 partiküller ile çözünürlük değerleri yüksek akış hızlarında(0.75 ml/dk nın üzerindeki değerler) çok düşük ve düşük akış hızlarında ise analiz süresi çok uzun olduğundan akış hızı taraması yapılmamıştır. Çözünürlük değerlerinden de anlaşıldığı gibi Tb8 partiküllerde çözünürlük değerleri tüm akış hızlarına yklaşık aynıdır. Buna karşın en yüksek teorik tabaka sayısı 0.75ml/dk da elde edilmiştir (Şekil 7). Şekil 6. Eşboyutlu gözenekli partiküller(tb8) içeren kolonda alkilbenzenlerin izokratik ayrılması için farklı hareketli faz akış hızlarında elde edilmiş sıvı kromatogramları, kromatografi koşulları:100x4.6mm ID, AcN konsantrasyonu:%70 v/v, UV dedektör, 254nm. Tablo 4. Farklı hareketli faz akış hızlarında elde edilmiş kromatogramlardan hesaplanmış çözünürlük değerleri(acn/su:70/30 v/v) Kolon: Tb8 Çözünürlük Akış hızı (ml/dk) R(2/1) R(3/2) R(4/3) R(5/4) R(6/5) 0.50 1.36 1.32 1.53 1.71 1.89

0.75 1.33 1.39 1.43 1.69 1.71 1.00 1.27 1.16 1.31 1.59 1.70 2.00 1.24 1.10 1.34 1.56 1.61 Kolon:Tb11 0.75 1.08 0.94 1.05 1.33 1.32 11000 10000 benzen toluen etil benzen propil benzen bütil benzen pentil benzen Teorik Tabaka Sayısı, N/m 9000 8000 7000 6000 5000 4000 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Akış Hızı, ml/dk Şekil 7. Eşboyutlu gözenekli partiküllerle(tb8) doldurulmuş kolonların teorik tabaka sayılarına hareketli faz akış hızının etkisi. Sonuç olarak alkilbenzenlerin ayrılmasında vinilasetat içeren Tb8 partiküllerin çözünürlük ve teorik tabaka sayısı değerlerine bakılarak daha uygun partiküller olduğu saptanmıştır. En uygun çalışma koşullarının ise 0.75 ml/dk akış hızı ve %70 AcN konsantrasyonu olduğu görülmüştür. 1. E. Unsal, S. T. Camli, S. Senel, A. Tuncel. Chromatographic performance of monodispersemacroporous particles produced by modified seeded polymerization I: The effect of monomer/ seed latex ratio. Journal of Applied Polymer Science, 2004, vol. 92, 607-618. 2. S. T. Camli, E. Unsal,, S. Senel, A. Tuncel. Chromatographic performance of monodispersemacroporous particles produced by modified seeded polymerization II: The Effect of diluent /seed latex ratio. Journal of Applied Polymer Science, 2004, vol. 92, 3685-3696.