DE19516323A1 - Verfahren zur Herstellung von magnetisierbaren Dispersionen und deren Verwendung - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von magnetisierbaren Dispersionen und deren Verwendung

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von magnetisierbaren Disperionen aus feinverteilten Teilchen in Wasser, bei denen die Teilchen ausschließlich oder hauptsächlich aus Fe₃O₄ und/oder γ-Fe₂O₃ bestehen, eine Größe von 5 bis 50 nm aufweisen und deren Oberflächen nur mit einer monomolekularen Adsorptionsschicht aus organischen Substanzen versehen werden, die mindestens über eine funktionelle Gruppe wie Carboxyl-, Sulfonat-, Sulfat-, Thiol-, Phosphat- oder Phosphonatgruppe verfügen, über die die Bindung an der Teilchenoberfläche erfolgt, und mindestens eine weitere funktionelle Gruppe vorliegt, an der weitere chemische Reaktionen zur Oberflächenmodifizierung durchführbar sind.
Die Erfindung betrifft ferner auch die Verwendung dieser Dispersionen.
Magnetisierbare Teilchen im hier interessierenden Größenbereich von 5 bis 50 nm sind bekanntlich thermodynamisch nicht stabil. Durch Adsorption organischer Moleküle auf den Teilchenober­ flächen lassen sich in Abstimmung mit der Trägerflüssigkeit konzentrierte, sedimentationsstabile, magnetisierbare Dispersionen herstellen, deren Sedimentationsneigung auch in niedrig viskosen Trägerflüssigkeiten wie Wasser oder bei starker Verdünnung gering ist. Moleküle mit Carboxyl-, Sulfon­ säure oder Phosphorsäuregruppen zeigen eine besonders hohe Affinität zu Eisenoxidteilchen und sind daher als primäre Überzugssubstanzen besonders gut geeignet. Durch die Anwendung weiterer, nicht an Eisenoxid gebundener funktioneller Gruppen im Adsorptionsschichtsystem lassen sich die chemischen und physikalischen Eigenschaften dieser wäßrigen Dispersionen verändern, so daß Anwendungen wie die magnetohydrostatische Dichtetrennung oder die Separationen von bioaktiven Substanzen im Magnetfeldgradienten möglich werden (J. SHIMOIIZAKA et al, "Sink and Float Separation with Magnetic Fluid", J. Mining and Metallurgical Institute of Japan 93 (1977) 1067, 23 bis 26; S. ROATH, "Biological and biomedical aspects of magnetic fluid technology", Journal of Magnetism and Magnetic Materials 122 (1993) 329-334). Je nach dem verwendeten Trägerflüssigkeit, oft auch als Dispersionsmittel bezeichnet, werden monomolekulare oder biomolekulare Schichten geeigneter Substanzen (Dispergatoren) verwendet.
Die Wirkung der Adsorptionsschicht/Adsorptionsschichten beruht im wesentlichen auf der elektrostatischen, sterischen und der Born′schen Abstoßung der Teilchen. Die Summe dieser Energien muß größer als die Anziehungsenergie der Teilchen sein, welche sich aus der van-der-Waals- und der magnetischen Wechselwirkung zusammensetzt (R.E. ROSENSWEIG, "Fluid Dynamics and Science of Magnetic Liquids", Advances in Electronics and Electron Physics, 48, S. 108-111; R.E. ROSENSWEIG, "Ferrohydrodynamics", Cambridge University Press, Cambridge 1985, S. 33-54).
Aus der Patentliteratur sind zahlreiche Zusammensetzungen und Herstellungsverfahren von sedimentationsstabilen, wäßrigen magnetisierbaren Eisenoxid-Dispersionen mit 5 bis 50 nm großen Teilchen bekannt, bei denen die Eisenoxidteilchen durch eine erste Adsorptionsschicht, bestehend aus Fettsäuren, und eine zweite Adsorptionsschicht, bestehend aus ethoxylierten Fettalkoholen, Sulfonsäuren, Fettsäuren oder Zuckertensiden, stabilisiert sind (US 4 094 804, US 4 208 294, DE 43-25 386 A1). Die erste und zweite Adsorptionsschicht sind durch physikalische Adsorptionswirkungen miteinander verknüpft. Intensive van-der-Waals-Wechselwirkungen der Alkylketten sind die Hauptursache für den Zusammenhalt der beiden Adsorptionsschichten.
Die Substanzen in der äußeren Adsorptionsschicht haben die Funktion, für die Teilchenabstoßung und für die Verträglichkeit (Lösungsvermittlung) mit der Trägerflüssigkeit zu sorgen. Im Vergleich zu den entsprechenden Dispersionen auf Basis organischer Trägerflüssigkeiten, für die nur eine Adsorptionsschicht oberflächenaktiver Substanzen nötig ist, sind bei den Doppelschichtsystemen nicht so hohe Sättigungspolarisationen erreichbar. Der Grund dafür ist, daß bei Doppelschichtsystemen nicht so hohe Volumenkonzentra­ tionen an magentisierbaren Partikeln in der Dispersion erreicht werden können, da der Anteil organischer nichtmagnetischer Moleküle höher ist.
Deshalb ist es wünschenswert, geeignete Dispergatoren an den Eisenoxidteilchen zu adsorbieren, die einerseits mit einer funktionellen Ankergruppe adsorbiert werden können und ein Molekülteil besitzen, der eine ausreichende Adsorptionsschicht­ dicke gewährleistet (CH₂-Ketten) und die andererseits einen hydrophilen polaren Molekülteil aufweisen.
Diesen Bedingungen würden beispielsweise langkettige Dicarbon­ säuren oder bedingt ω-Hydroxy- oder ω-Aminocarbonsäuren genügen. Die Dicarbonsäuren führen jedoch bei der Adsorption zu einem großen Teil an verbrückten Teilchen, die um so schneller sedimentieren und nicht die erwünschten Dispersionen ergeben.
Die Polarität von Hydroxy- oder Aminogruppen, die geringe Wasserlöslichkeit von Carbonsäuren, die diese Gruppen enthalten und deren Carboxylgruppe an Eisen gebunden ist, und vor allem die zu geringe Moleküllänge dieser Substanzen reichen zur Dispersionsstabilierung nur bedingt aus. Die erreichbaren Abstoßungskräfte, insbesondere die sterische Abstoßung, sind für die Erzielung von sedimentationsstabilen Dispersionen in Wasser zu gering. Die Teilchen der resultierenden Disper­ sionen sind innerhalb von 2 Tagen zu über 80% sedimentiert und damit für viele Anwendungen unbrauchbar.
In der DE 37 09 852 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung stabiler magnetischer Flüssigkeitszusammensetzungen beschrieben, bei dem man zu den Magnetteilchen ein niedrig­ viskoses Lösungsmittel und ein Gemisch von oberflächenaktiven Substanzen gibt und durch Einhaltung bestimmter Parameter, wie Druck, Temperatur und Katalysatorkonzentration, eine chemische Bindung der oberflächenaktiven Substanzen auf der Oberfläche der Magnetteilchen herstellt, wobei nach erfolgter Reaktion entweder das niedrigviskose Lösungsmittel abgedampft und der entstehende Feststoff im Dispersionsmittel dispergiert oder das Dispersionsmittel zur magnetischen Lösungsmittel­ dispersion gegeben und das Lösungsmittel abdestilliert wird. Bei diesem Stand der Technik sind keine definierten monomeren Substanzen mit freien funktionellen, am Eisenoxid adsorbierbaren Gruppen, verbindenden Kohlenwasserstoffketten und nicht endständig alkylverschlossenen, funktionellen hydrophilen Gruppen (speziell Hydroxylgruppen) kommerziell erhältlich oder beschrieben, die zu einer sedimentationsstabilen magnetisierbaren Dispersionen von Eisenoxidteilchen auch in Wasser führen.
Der Grund dafür liegt darin, daß beim Umsatz von zwei mindestens bifunktionalisierten geeigneten Ausgangsstoffen zum größten Teil ein breites Spektrum an nicht erwünschten Verbindungen entsteht, wenn man nicht mit sogenannten abspaltbaren Schutzgruppen arbeitet. Die herkömmliche Schutzgruppentechnik ist sehr aufwendig und rechtfertigt sich beispielsweise für Peptidsynthesen (S. HAUPTMANN, "Organische Chemie", VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1985, 2. Auflage, S. 661-663), jedoch nicht zur Herstellung von Betriebsflüssigkeiten, die zur magnetohydrostatischen Wertstofftrennung eingesetzt werden sollen.
Werden andererseits ethoxylierte aromatische Carbonsäuren oder Sulfonsäuren (US 4 855 079) als Dispergatoren eingesetzt, und sind diese nicht alkylverschlossen, so tritt der Nachteil auf, daß aufgrund der chemisch/physikalischen Eigenschaften der Alkoxygruppen eine einfache Aufkonzentration der vom Trenngut abgespülten, stark verdünnten Dispersionen durch pH-Änderung nicht möglich ist.
Die reversible Änderung der Sedimentationsstabilität durch pH-Änderung läßt sich nur zur Flockung, Abtrennung der Trägerflüssigkeit und Redispergierung nutzen (SHIMOIIZAKA, J. et. al., "Coagulation and Redispersion of Water Base Magnetic Fluid", J. Mining and Metallurgical Institute of Japan 93 (1977) 1068, S. 83-86), falls in der (äußeren) Adsorptionsschicht geeignete funktionelle Gruppen wie beispielsweise Carboxyl- oder Sulfonsäuregruppen vorliegen.
Für viele Anwendungen wäßriger Eisenoxid-Dispersionen in der Medizin und Biologie sind doppelt beschichtete Eisenoxidteilchen durchaus geeignet (M. De COUYPER, M. JONIAU, "Immobilization of memorane enzymes into magnetizable phospholipid bilayer-coated inorganic Colloids", Progress in Colloid & Polymer Science, 82 (1990) 353-359).
Desorptionserscheinungen der äußeren Adsorptionsschicht durch Zugabe von unpolaren Lösungsmitteln zur Trägerflüssigkeit lassen sich allerdings nicht verhindern.
Im Hinblick auf chemische Reaktionen an den funktionellen Gruppen der äußeren Adsorptionsschicht zur Ankopplung bioaktiver Substanzen schränkt diese Tatsache die Verwendungsfähigkeit derartig hergestellter Dispersionen in der Biologie und Medizin nachhaltig ein.
Deshalb werden magnetisierbare, wäßrige Dispersionen für diesen Anwendungsbereich oft unter Verwendung von Makromolekülen auf Kohlehydratbasis (WO 90/073380) hergestellt. Die Dispersionsstabilität (Sedimentation) liegt nur im Bereich von Tagen (WO 90/15666) und ist damit unbefriedigend.
Auch die Anwendung von synthetisch hergestellten Makromolekülen bzw. Polyelektrolyten (Polykondensate, Polymere, Latices) ist möglich und beispielsweise in der US 4 230 685 und WO 85/04330 oder für andere Anwendungen in der DE 41 15 608 A1 beschrieben.
Das Problem der niedrigen Sedimentationsstabilität aufgrund zu geringer Schichtdicken und Polarität läßt sich aber auch auf diese Weise jedoch nicht befriedigend lösen.
Ein weiterer Nachteil der Verwendung derartiger Makromoleküle besteht darin, daß diese in fast allen Fällen keine freien funktionellen Gruppen besitzen, die zur direkten chemischen Reaktion mit bioaktiven Stoffen wie beispielsweise Peptiden, Proteinen oder ganzer Zellen geeignet sind. Solche Dispersionen sind für die meisten biologischen/medizinischen Separationen nur geeignet, wenn eine nachträgliche Funktionalisierung mit sehr gefährlichen Stoffen wie Bromcyan vorgenommen wird (WO 90/07380).
Aus der DD 1 60 532 ist ein Verfahren zur Herstellung magnetischer Flüssigkeiten auf der Basis von z. B. Fe₃O₄, γ-Fe₂O₃, Fe, Co, Ni in organischen oder anorganischen Dispersionsmitteln bekannt. Es werden adsorptionsstabilisierte Magnetteilchen mit organischen reaktionsfähigen Substanzen zur Reaktion gebracht, die eine oder mehrere reaktionsfähige Gruppen besitzen, wobei mindestens eine Gruppe mit der Oberfläche der Magnetteilchen eine chemische Bindung eingeht und andere Gruppen zur weiteren chemischen Reaktion fähig sind.
Dieses bekannte Verfahren hat den Nachteil, daß es auf wäßrige Systeme nicht anwendbar ist, weil die Polarität und Hydrophilie der funktionellen Gruppen für eine Langzeitdispergierung der Trägerflüssigkeit in Wasser nicht ausreicht.
Bei dem gegenwärtigen Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von magnetisierbaren Dispersionen aus feinverteilten Teilchen in Wasser anzugeben, mit dem es möglich wird, eine Aufkonzentration der Dispersionen ohne Wasserabdampfung durchzuführen, wobei die Dispergatoren am Eisenoxid selbst synthetisierbar sind, das Eisenoxid als Schutzgruppe fungiert und die rückgewonnene Dispersion eine hohe Sättigungspolarisation, eine reversible Sedimentationsstabilität aufweist und biologisch aktive Substanzen bei ausreichender Sedimentationsstabilität ankoppelbar sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Ansprüchen 1, 11, 12 und 13 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Verfahrensführungen sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
Der Einsatz von monomeren chemischen Substanzen, die bei der Adsorption an Eisenoxidteilchen hydrolisiert werden und/oder nach der Adsorption mit weiteren chemischen Substanzen umgesetzt werden, ermöglicht die erfindungsgemäße Teilchendispergierung und Funktionalisierung für spezielle Anwendungen.
Die Adsorption an den Eisenoxidteilchen führt bekanntlich zur Blockierung einer funktionellen Gruppe der adsorbierten Substanzen.
Werden nun gezielte Veränderungen durch chemische Reaktionen an den anderen Gruppen vorgenommen, so wurde überraschenderweise gefunden, daß die Dispergatoren zur Erzielung von monomolekularen Adsorptionsschichten an den Eisenoxidteilchen selbst synthetisiert werden können.
Dabei fungiert das Eisenoxid als Schutzgruppe. Am anderen Ende des Moleküls befindet sich eine primäre funktionelle Gruppe, die oder deren Abstand zum Eisenoxidteilchen nicht ausreicht, um zu sedimentationsstabilen Dispersionen in Wasser zu führen. An der funktionellen Gruppe führen chemische Reaktionen wie Bindungsspaltung, -knüpfung oder Umlagerungen, die das adsorbierte Molekül - ggf. auch schrittweise - verändern, zu sedimentationsstabilen Dispersionen.
Dadurch entstehen monomolekulare Adsorptionsschichten, bestehend aus Substanzen, die in dieser Form als Dispergatoren nicht oder nur als Produktgemisch herstellbar und außerdem nur sehr aufwendig zu trennen sind.
Die chemischen Reaktionen an den adsorbierten und ggf. hydrolisierten Substanzen führen auch zu Veränderungen, die eine reversible Beeinflussung der Sedimentationsstabilität infolge der Änderung des pH-Wertes ermöglichen und/oder zur chemischen Bindung von Peptiden, Proteinen und Proteiden nutzbar sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auch mit der üblichen Methode der Adsorption/Chemisorption von zur Erzielung der Dispersionen geeigneten Substanzen kombinieren.
Eine bevorzugte Variante einer Bindungsspaltung als mögliche chemische Reaktion ist die Hydrolyse von adsorbierten Halbestern höherer Dicarbonsäuren mit niederen Alkoholen. Vorzugsweise werden Sebacinsäuremonomethyl- oder -ethylester eingesetzt, da der Siedepunkt der entstehenden Alkohole niedrig liegt und sich diese leicht entfernen lassen:
Fe₃O₄-⁻OOC(CH₂)₈COOCH₃ (OH⁻/H₂O) ⇒ Fe₃O₄-⁻OOC(CH₂)₈COOH
Bevorzugte Varianten einer Bindungsknüpfung sind ferner O-Alkylierungen nach der Williams′schen Ethersynthese, S-Alkylierungen oder N-Alkylierungen von Nucleophilen, die mit einer weiteren funktionellen Gruppe am Eisenoxid adsorbiert sind. Die Reaktionspartner sind in allen Fällen Verbindungen mit einer nucleophilen Abgangsgruppe und mit mindestens einer polaren, hydrophilen Gruppe, die die Wechselwirkung mit dem Dispersionsmittel Wasser ermöglicht. Die Abgangsgruppe wird, falls erforderlich, protoniert, um die Reaktion zu ermöglichen.
Fehlender Elektronendruck des Nucleophils kann mit Elektronenzug an der Abgangsgruppe durch Zugabe von Lewissäuren, vorzugsweise Eisen(III)chlorid, ausgeglichen werden.
Auch umgekehrte Verhältnisse lassen sich nutzen. Die am Eisenoxid adsorbierten Verbindungen tragen die Abgangsgruppen und die Nucleophile stellen die Verbindungen mit dem polaren, hydrophilen Rest dar, die mit der Trägerflüssigkeit wechselwirken.
In allen Fällen können unerwünschte Nebenprodukte unterdrückt werden, wenn die polare, hydrophile Gruppe, die mit der Trägerflüssigkeit wechselwirken soll, nicht stärker nucleophil als das -OH, -SH oder -NH₂-Reaktionszentrum ist.
Über die Nucleophilie der verschiedenen Reaktionszentren entscheiden vor allem das Lösungsmittel, elektronische und Mesomerieeffekte. Als Reaktionspartner werden vorzugsweise Substanzen mit primären funktionellen Gruppen eingesetzt. Bevorzugte Reaktanden sind adsorbierte aliphatische oder aromatische Carbonsäuren mit primärer bzw. in 4-Stellung befindlicher -OH, -SH oder -NH₂-Gruppe wie 6-Hydroxycapronsäure, 6-Aminocapronsäure, 3-(4-Hydroxyphenyl)-propionsäure, die mit Monochlor(poly)ethylenoxiaddukten, Chloressigsäure bzw. Chloressigsäuremethy- oder -ethylester umgesetzt werden. Ebenso läßt sich die Reaktion mit 4-Hydroxybenzoesäure und adsorbierter 11-Bromundecylensäure durchführen.
Zwei bevorzugte Varianten stellen die folgenden Gleichungen dar:
Fe₃o₄-⁻OOC(CH₂)₂C₆H₄OH + Cl(CH₂CH₂O)₃H(FeCl₃)
⇒ Fe₃O₄-⁻OOC(CH₂)₂C₆H₄O(CH₂CH₂O)₃H
Fe₃O₄-⁻OOC(CH₂)₂C₆H₄O(CH₂CH₂O)₃H + Cl(CH₂CH₂O)₃H(FeCl₃)
⇒ Fe₃O₄-⁻OOC(CH₂)₂C₆H₄O(CH₂CH₂O)₆H
Fe₃O₄-⁻OOC(CH₂)₆NH₂ + 2Cl(CH₂CH₂O)₃H(FeCl₃)
⇒ Fe₃O₄-⁻OOC(CH₂)₆NH(CH₂CH₂O)₆H + Fe₃O₄-⁻OOC(CH₂)₆N((CH₂CH₂O)₃H)₂
Eine besonders bevorzugte Variante einer Bindungsknüpfung ist der Einsatz von CH-aciden Verbindungen als nichtadsorbiertes Nucleophil. Dafür eignen sich vor allem niedere Malonester wie Dimethylmalonester, der mit adsorbierter 11-Bromundecylensäure reagiert:
Fe₃O₄-⁻OOC(CH₂)₁₀Br + H₂C(COOCH₃)₂(NaOEt) ⇒ Fe₃O₄-⁻OOC(CH₂)₁₀CH(COOCH₃)₂
Fe₃O₄-⁻OOC(CH₂)₁₀CH(COOCH₃)₂(OH⁻/H₂O) ⇒ Fe₃O₄-⁻OOC(CH₂)₁₀CH(COOH)₂
Fe₃O₄-⁻OOC(CH₂)₁₀CH(COOH)₂ Decarbonyl. ⇒ Fe₃O₄-⁻OOC(CH₂)₁₀CH₂COOH
Eine andere bevorzugte Variante ist die schrittweise Reaktionsführung bzw. die Kombination mehrerer Umsetzungen. Dabei wird beispielsweise Chloressigsäure an ein oben erläutertes System addiert.
Durch die endständigen Carboxylgruppen entstehen pH-abhängige flockbare bzw. redispergierbare Dispersionen in Wasser:
Fe₃O₄-⁻OOC(CH₂)₆O(CH₂CH₂O)₆H + ClCH₂COOH ⇒ Fe₃O₄-⁻OOC(CH₂)₆O(CH₂CH₂O)₆CH₂COOH
Eine bevorzugte Verfahrensführung ist ebenso die Umlagerung, vorzugsweise nach dem Prinzip der Hofmann′schen Säureamidumlagerung.
Damit erschließt das erfindungsgemäße Verfahren auch Systeme, die für die Separation von peptidhaltigen biologischen Systemen eingesetzt werden.
Für diese Anwendung ist es ausreichend, wenn nur an einem Teil der adsorbierten oder am Eisenoxid aufgebauten Substanzen derartige Veränderungen vorgenommen werden, d. h. die chemischen Umsetzungen ,müssen nicht quantativ erfolgen. Dies trifft auch schon für die Stufe der Einführung der Chloressigsäure zu. Nachstehende Verfahrensvariante zeigt die Aminfunktionalisierung nach den oben beschriebenen Verfahren hergestellten Dispersionen über die Säureamidherstellung:
Fe₃O₄-⁻OOC(CH₂)₆N((CH₂CH₂O)₃CH₂COOH)₂ + 2O=C(NH₂)₂
⇒ Fe₃O₄-⁻OOC(CH₂)₆N((CH₂CH₂O)₃CH₂CONH₂)₂ (Br₂/NAOH/H₂O) Uml.
⇒ Fe₃O₄-⁻OOC(CH₂)₆N((CH₂CH₂O)₃CH₂NH₂)₂
Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß durch die Verwendung der magnetisierbaren Teilchen als Schutzgruppe und der nachfolgenden chemischen Modifizierung der gebundenen Substanzen monomolekulare Adsorptionsschichten mit Molekülen erzeugt werden, die in dieser Form als Dispergatoren nicht, nur mit sehr schlechten Ausbeuten oder nicht rein verfügbar sind.
Im Zusammenhang mit der wäßrigen Trägerflüssigkeit werden ökologisch unbedenkliche, für die Wertstoffsortierung und für die medizinisch/biologische Anwendungen sehr gut geeignete magnetisierbare Dispersionen geschaffen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auch rückgewinnbar sind.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen wäßrigen magnetisierbaren Dispersionen soll nachfolgend anhand von Beispielen näher erläutert werden.
Die magnetisierbaren Teilchen werden beispielsweise aus Eisenoxidgemischen, welche zum größten Teil aus Fe₃O₄ und/oder γ-Fe₂O₃ bestehen, durch alkalische Fällung aus Eisensalzlösungen hergestellt. Als Eisensalze können Eisenchloride, -sulfate, -nitrate oder -oxalate eingesetzt werden. Die alkalische Komponente kann eine wäßrige Kalium-, Natrium-, Ammonium- oder Kalziumhydroxydlösung sein. Die Fällungsreaktionen und -bedingungen sind dem Fachmann hinreichend bekannt und brauchen deshalb nicht näher beschrieben werden.
Alle hergestellte Dispersionen wurden 30 Minuten in der Zentrifuge bei 3000 g von gröberen Aggregaten gereinigt. Danach wurde die Sedimentationsrate über einen Permanentmagneten im Bereich des Flüssigkeitsspiegels in einem 60 mm hoch gefüllten Reagenzglas durch Messung der Sättigungspolarisation bestimmt.
Beispiel 1
In eine Lösung, die aus 12 g Eisen(II)chlorid, 26 g Eisen(III)chlorid und 110 ml Wasser besteht, wird 50 ml konzentrierte Ammoniumhydroxydlösung innerhalb von 30 Sekunden unter Rühren gegeben. Dann wird 10 Minuten bei 50°C gerührt und durch Waschen mit Wasser die Elektrolyte entfernt. In das letzte Waschwasser werden 1,5 g KOH gegeben. 2,5 g Sebacinsäuremonomethylester werden bei 90°C adsorbiert und hydrolisiert, wobei der Alkohol gleichzeitig abdestilliert wird.
Die Hydrolyse ist nach etwa 30 Minuten beendet.
Die resultierende Dispersion besitzt eine Sättigungspolarisation von 26 mT (20°C). Im Basischen liegt die Dispersionsrate bei einem Magnetfeldgradienten von 5 mT/cm nach 30 Tagen unter 3 Prozent.
Die konzentrierte Dispersion wird zur Demonstration mit 10 Teilen Wasser verdünnt. Danach wird der pH-Wert mit HCl auf 5 eingestellt.
Über einen Permanentmagneten wird nun die Dispersion sedimentiert und das elektrolythaltige Wasser abdekantiert. Nach Zurückstellen des pH-Wertes mit festem KOH auf mindestens 8,5 wird 10 Minuten bei 50°C gerührt.
Die redispergierte Eisenoxiddispersion weist die gleichen Eigenschaften wie die konzentrierte Ausgangsdispersion auf.
Beispiel 2
In 80 ml konzentrierte Ammoniumhydroxydlösung wird eine Lösung, die aus 12 g Eisen(II)chlorid, 26 g Eisen(III)chlorid und 100 ml Wasser besteht, innerhalb von 30 Sekunden unter Rühren gegeben.
Dann wird 10 Minuten bei 50°C gerührt und durch Waschen mit Wasser die Elektrolyte entfernt und 1,2 g 3-(4-Hydroxyphenyl)-propionsäure bei 80°C adsorbiert. Nach 20 Minuten wird mehrmals mit Wasser und mit 0,001 molarer Salzsäure gewaschen bis der pH-Wert höchstens 6 beträgt. Anschließend werden unter Rühren bei 80°C innerhalb von 30 Minuten 1 g 4-Chlorbuttersäure zugegeben und HCl ausgetrieben.
Über einen Permanentmagneten wird sedimentiert, die darüberstehende Lösung abdekantiert und mit 1 molarer KOH auf einen pH-Wert von 9 eingestellt.
Die resultierende Dispersion besitzt eine Sättigungskonzentration von 20 mT (20°C). Im Basischen liegt die Dispersionsrate bei einem Magnetfeldgradienten von 5 mT/cm nach 30 Tagen unter 3 Prozent.
Beispiel 3
Die Eisenoxidteilchen werden entsprechend Beispiel 1 hergestellt und mit Wasser gewaschen.
Danach werden 4 g Hydroxybenzensulfonsäure-7-Ethylenoxid-addukt, hergestellt durch Sulfonierung von MARLOPHEN P7 (Handelsname der Hüls AG), bei 80°C adsorbiert. Nach 20 Minuten wird zweimal mit Aceton gewaschen und 1,5 g KOH sowie 50 ml Ethylenglycoldimethylether zugesetzt und unter Rühren auf 50°C erwärmt. Dann werden 1,4 g Bromessigsäuremethylester zugegeben und 60 Minuten gerührt. Anschließend werden 50 ml Wasser zugesetzt und der Rest Lösungsmittel bzw. Alkohol abdestilliert.
Die resultierende Dispersion besitzt eine Sättigungspolarisation von 26 mT (20°C). Die (verdünnte) Dispersion läßt sich in der in Beispiel 1 angegebenen Weise flocken und redispergieren.
Beispiel 4
Die Eisenoxidteilchen werden entsprechend Beispiel 1 hergestellt und mit Wasser elektrolytfrei gewaschen. 1,5 g ε-Caprolacton werden zusammen mit 0,7 g KOH zugegeben, hydrolisiert und bei 80°C adsorbiert. Nach 30 Minuten wird mehrmals mit Wasser und mit 0,001 molarer Salzsäure gewaschen bis der pH-Wert höchstens 6 beträgt. Anschließend werden unter Rühren bei 80°C innerhalb von 30 Minuten 1,25 g 4-Chlorbuttersäuremethylester zugegeben und HCl ausgetrieben.
Über einem Permanentmagneten wird sedimentiert, die darüberstehende Lösung abdekantiert, mit 2 ml konzentrierter Ammoniaklösung versetzt und bei 80°C eine Stunde gerührt. Dabei werden Alkohol und überschüssiges Ammoniak ausgetrieben. Anschließend wird nach Zugabe von 0,6 g NaOBr in 10 ml Wasser vier Stunden bei Raumtemperatur gerührt, bis zu einem pH-Wert von höchstens 4 mit HCl angesäuert und 10 Minuten gerührt. Nach Sedimentation über einen Permanentmagneten wird abdekantiert und mit 50%iger KOH auf einen pH-Wert von mindestens 8,5 eingestellt.
Die Dispersion besitzt eine Sättigungspolarisation von 12 mT (20°C). Im Basischen liegt die Dispersionsrate bei einem Magnetfeldgradienten von 5 mT/cm nach 30 Tagen unter 3 Prozent.
Diese Dispersion eignet sich besonders gut für die Kopplung mit Glutaraldehyd an Peptide, die auf diese Art und Weise im Magnetfeldgradienten separiert werden können.

Claims (13)

1. Verfahren zur Herstellung von magnetisierbaren Dispersionen aus feinverteilten Teilchen in Wasser, bei denen die Teilchen ausschließlich oder hauptsächlich aus Fe₃O₄ und/oder γ-Fe₂O₃ bestehen, eine Größe von 5 bis 50 nm aufweisen und deren Oberfläche nur mit einer monomolekularen Adsorptionsschicht aus organischen Substanzen versehen werden, die mindestens über eine funktionelle Gruppe wie Carboxyl-, Sulfonat-, Sulfat-, Thiol-, Phosphat- oder Phosphonatgruppe verfügen, über die die Bindung an der Teilchenoberfläche erfolgt, und mindestens eine weitere funktionelle Gruppe vorliegt, an der weitere chemische Reaktionen zur Oberflächenmodifizierung durchführbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die chemischen Reaktionen derart geführt werden, daß die Sedimentationsstabilität mittels pH-Wert-Verschiebung reversibel einstellbar ist, indem der pH-Wert zunächst soweit in den sauren Bereich verschoben wird bis keine Dispergierung im wäßrigen System erfolgt, danach das Wasser abgetrennt und anschließend der pH-Wert bis zu einem ausreichenden Wert der Polarität und Wasserlöslichkeit der polaren hydrophilen Gruppen rückgestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der pH-Wert in einem Bereich von 4,0 bis 9,5 verschoben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die chemischen Reaktionen Bindungsspaltungen und/oder Bindungsknüpfungen und/oder Umlagerungen darstellen, die ggf. schrittweise ausgeführt und/oder kombiniert werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß die Bindungsspaltung durch Hydrolyse von Estern erfolgt und dadurch eine anionische Gruppe entsteht.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Ester vorzugsweise ein Sebacinsäuremonomethyl- oder -ethylester verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bindungsknüpfung mit polare hydrophile Gruppen enthaltenden Substanzen, ggf. mehrfach durch O- und/oder S- und/oder N-Alkylierung oder durch Addition von Malonestern an adsorbierten Substanzen mit abspaltbarem Halogen erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, da durch gekennzeichnet, daß als adsorbierte Substanzen 11-Bromundecylensäure und/oder 5-Chlorvaleriansäure verwendet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, da durch gekennzeichnet, daß als polare hydrophile Gruppen Monochlor(poly)ethylenoxidaddukte, Brom- oder Chloressigsäure, Brom- oder Chloressigsäuremethy- oder -ethylester, 4-Hydroxybenzoesäure oder Di(m)ethylmalonester verwendet werden.
9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß die Bindungsknüpfung zur Bildung von Carbonsäureamidgruppen aus Carbonsäure- oder Carbonsäureestergruppen führt.
10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlagerungsreaktionen die Bildung von Aminogruppen aus Carbonsäureamidgruppen darstellen.
11. Verwendung der magnetisierbaren Dispersionen nach einem der vorhergenannten Ansprüche zur Wert- und Rohstofftrennung nichtmagnetischer Materialien.
12. Verwendung der magnetisierbaren Dispersionen gemäß einem der vorhergenannten Ansprüche zur Separation von Zellen, Peptiden, Proteinen oder Proteiden und/oder in der medizinischen Therapie zur Anwendung der magnetischen Resonanz.
13. Verwendung der magnetisierbaren Dispersionen nach einem der vorhergenannten Ansprüche zur Fixierung und Abtrennung der Katalysatoren homogen enzymkatalytischer Reaktionen vom Zielprodukt.
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