METAL SCAVENGER

SilicaOne CleanM
重金属吸附硅胶

重金属吸附方案 — SilicaOne CleanM 四款键合相脱除 Pd、Pt、Cd、Hg、Cu 等催化剂残留,金属—官能团匹配矩阵与用量计算,内附 23 章技术全景。

重金属吸附清除

SilicaOne CleanM 重金属吸附硅胶

金属催化剂广泛用于有机合成,反应后残留的重金属必须有效去除。SilicaOne CleanM 系列以高纯硅胶为基质,键合不同配位能力的官能团,以络合 / 螯合机理特异吸附残留金属离子,对钯、镉、汞、铅、砷等具有高选择性与高靶向性,满足从实验室小试到吨级生产的净化需求。

ZJ-SH 巯基型(除钯首选)

硅胶键合巯基(—SH),对软金属亲和力极强。金属载量 ≥1.25 mmol/g,对 Pd、Ru、Hg、Pt、Ag、Rh 高效吸附,是制药 API 除钯、贵金属捕捉最常用的键合相,封端处理、白色外观。

Pd / Pt / Hg / Ag ≥1.25 mmol/g 已封端
>97.5%Pd(0) / Pd(II) 双价态去除率 深入阅读 · 第 6 章 →

ZJ-DA 乙二胺型(高载量)

键合乙二胺基,双氮配位提供强螯合能力。金属载量 ≥1.32 mmol/g,为四款中最高,适用于 Pd、Pt、W、Zn、Ni、Ru 的去除,对过渡金属残留量大的体系尤为适合,封端、米黄色外观。

Pd / Pt / W / Zn / Ni ≥1.32 mmol/g 最高载量
>95%二胺型的 Pd 解吸回收率 深入阅读 · 第 7 章 →

ZJ-NH 氨丙基型

键合氨基(—NH₂),提供路易斯碱配位位点。金属载量 ≥1.12 mmol/g,对 Pd、Cd、Cr、Rh 有良好吸附选择性,未封端、橙色外观,适合含镉、铬等特定金属残留的净化场合。

Pd / Cd / Cr / Rh ≥1.12 mmol/g 未封端
≈1.60 µmol/m²表面覆盖度,位点最疏松 深入阅读 · 第 7 章 →

ZJ-THU 硫脲型(广谱)

键合硫脲基,兼具硫、氮双配位。金属载量 ≥1.25 mmol/g,吸附谱最广,覆盖 Pd、Ru、Rh、Ag、Cu、Fe,适合含铜、铁等多种金属残留的复杂体系一步净化,封端、米黄色外观。

Pd / Ru / Rh / Ag / Cu / Fe ≥1.25 mmol/g 广谱吸附
12 种硫脲族 Good 档金属数,全表最宽 深入阅读 · 第 6 章 →
键合相官能团适用金属金属载量
ZJ-SH巯基(—SH)Pd, Ru, Hg, Pt, Ag, Rh≥ 1.25 mmol/g
ZJ-DA乙二胺基Pd, Pt, W, Zn, Ni, Ru≥ 1.32 mmol/g
ZJ-NH氨基(—NH₂)Pd, Cd, Cr, Rh≥ 1.12 mmol/g
ZJ-THU硫脲基Pd, Ru, Rh, Ag, Cu, Fe≥ 1.25 mmol/g
注:适用于所有有机溶剂(DMF、DMSO、THF、丁酮、醇、醚、氯代溶剂等)与水溶液;两种使用方式——搅拌混合法、过柱法,均适合实验室小试与药物生产。

四款键合相详细规格

硅胶基质参数四款通用;结构式由 RDKit 从 SMILES 精确渲染。移动端可左右滑动查看完整对比。

参数ZJ-SHZJ-DAZJ-NHZJ-THU
硅胶基质高纯多孔硅胶,纯度 ≥ 99.9%
粒径45 ~ 105 μm
孔容1.00 ± 0.10 mL/g
孔径6.0 ± 1.0 nm
比表面积700 ± 50 m²/g
键合相结构式四款键合相分子结构式(RDKit 从 SMILES 精确渲染)
官能团巯基乙二胺基氨基硫脲基
金属载量≥ 1.25 mmol/g≥ 1.32 mmol/g≥ 1.12 mmol/g≥ 1.25 mmol/g
封端处理是是否是
颜色白色米黄色橙色米黄色
摇实密度约 0.7 g/mL
溶剂适用性所有有机溶剂及水溶液
储存 / 保质期干燥条件下,2 年

金属清除推荐配置

按残留金属种类选型,支持搅拌混合法与过柱法双工艺

ZJ-SH(Pd/Pt 除钯首选) ZJ-DA(高载量过渡金属) ZJ-NH(Cd/Cr 特定金属) ZJ-THU(Cu/Fe 广谱) 克级至吨级供应
获取方案 →
以上四款键合相的化学依据,写在下方《硅胶基质金属吸附剂技术全景》里。 六大部分 · 23 章 · 18 幅 RDKit 精确结构式 · 4 幅工艺与决策图, 按官能团化学而非商品牌号组织,含金属—官能团匹配矩阵与用量算例,可直接用作选型与工艺开发的起点。
技术全景全文

硅胶基质金属吸附剂:按官能团化学重排的全景解析

从 ICH Q3D 的法规限度出发,先界定"要除到多少",再回到配位化学回答"该用什么除"。 全文按配位原子把 13 个接枝官能团族归为硫系、氮系、氧系多齿与磺酸四大类, 逐族给出结构式、载量与元素含量、表面覆盖度与金属谱,并横向汇总跨溶剂实测容量、 去除率、动力学与解吸回收数据,最后落到用量计算、四变量优化与选型决策路径。

版本2026-08 技术综述
主线官能团化学 × 金属谱 × 工艺实施
图件18 幅 RDKit 结构式 · 4 幅工艺与决策图
证据分级行业共识 / 厂商数据 / 法规 / 存疑

摘要十条核心结论

Pd 注射剂日暴露限
10 µg/日
ICH Q3D(R2) 2B 类元素 PDE;按 1 g/日剂量折算即 10 ppm
接枝官能团族
13 族
按配位原子归为硫系、氮系、氧系多齿、磺酸四大类
Pd(II) 平衡时间
≈10 min
Pd(0) 约 30 min,Ni(II) 约 10 min;动力学通常不是瓶颈
Pd 解吸回收率
>95%
二胺型柱,2% 硫脲 / 1 M HCl / MeOH 洗脱;巯基型不洗脱
1
第一决策不是选牌号,是选配位原子。 软酸金属(Pd、Pt、Au、Ag、Hg)认硫,交界金属(Ni、Cu、Zn、Co、Pb)认氮,硬酸金属(Fe、Al、Ti、稀土、Zr)认氧。 把这条 HSAB 原则放在最前面,13 个官能团族立刻收敛成 3 个候选。行业共识
2
巯丙基是除钯的性价比基准,但它几乎不可逆。 载量 1.20 mmol/g、表面覆盖约 2.4 µmol/m²,对 Pd、Ag、Hg、Os、Ru 均为 Excellent; 代价是结合过强——在 2% 硫脲 / 1 M HCl / MeOH 条件下不洗脱。需要回收贵金属的项目不要从巯基起步。厂商规格
3
多金属混合体系走 S+N 双配位。 硫脲丙基(S ≥3.41%,载量 ≥1.07 mmol/g)与三嗪二硫醇(Excellent 覆盖 15 种金属)是全谱最宽的两族, 一步处理含 Pd、Ru、Cu、Fe 的复杂料液,省掉串联柱。厂商规格
4
高载量不等于高去除率——氧化态才是分水岭。 乙二胺型载量最高(≥1.28 mmol/g),但对 Pd(0) 去除率只有 >85%; 巯基型载量更低,对 Pd(0)/Pd(II) 都是 >97.5%。反应体系里钯以何种价态存在,必须先问清楚。厂商实测
5
溶剂能改写结论。 同一款二胺型吸附 Pd(II):THF 中 0.82 mmol/g,甲苯 0.74,CHCl₃ 0.64,跨度 28%。 Ni(II) 更极端——巯基型在 THF 0.09、DMSO 0.04,几乎失效。筛选必须在真实工艺溶剂里做,不能借用文献条件。厂商实测
6
动力学很少是瓶颈。 Pd(II) 约 10 min、Pd(0) 约 30 min、Ni(II) 约 10 min 即达平衡。 批式接触 1 h 基本到顶,再延长时间收益有限;残留不达标时,加量或换官能团比延长搅拌有效得多。厂商实测
7
金属回收有成熟路径。 二胺型柱以 2% 硫脲 / 1 M HCl / MeOH 洗脱,钯回收率 >95%。 贵金属价格高企时,"吸附—洗脱—精炼"的经济性往往优于当危废处置。厂商实测
8
元素分析可以反算载量,这是免费的到货验收手段。 13 族中 12 族的 N%/S% 与标称载量自洽(见第 10 章交叉验算列); 唯独三嗪二硫醇要按 5 个氮折算才对得上 0.50 mmol/g,而公开结构只有 4 个氮——本文如实标注为存疑。存疑
9
基质有三条工程路线,不是一条。 不规则 40–63 µm / 60 Å / 480–550 m²/g(配套卡式柱,1 cm 到 100 cm 全阶梯); 球形 100 µm / 100 Å(压降低,适合大流量流通); CleanM 走 45–105 µm / 60 Å / 700 ± 50 m²/g 的高比表面路线,批式与柱式兼顾。厂商规格
10
验收线设在限度的 30%,不是 100%。 放大后的搅拌效率、料液浓度波动、滤饼夹带都会吃掉余量。 以 ICP-MS 验证残留 ≤ ICH Q3D 限度的 30%,并同步核查产品回收率、配体浸出与硅胶残留。行业共识
第一部分 问题定义:为什么必须除,为什么用接枝硅胶

1金属残留的法规限度与浓度换算

金属催化剂是现代有机合成的主力——偶联、氢化、复分解、不对称催化几乎都离不开过渡金属。 反应结束后,这些金属会以离子、配合物、纳米胶体、吸附态等多种形式残留在产品里, 必须降到法规限度以下才能进入下一步或放行。判断"要除到多少"的唯一依据是 ICH Q3D(R2) 的元素杂质允许日暴露量(PDE)。

元素ICH 分类口服 PDE(µg/日)注射 PDE(µg/日)注射剂限度(ppm)
按 1 g/日剂量
注射剂限度(ppm)
按 10 g/日剂量
Pd, Pt, Ru, Rh, Ir, Os2B10010101.0
Ni2A20020202.0
Cu3300030030030
Co2A50550.5
V2A10010101.0
Cd15220.2
Pb15550.5
As11515151.5
Hg130330.3

换算关系:浓度限度(ppm)= PDE(µg/日)÷ 日剂量(g/日),适用于日剂量 ≤10 g/日的品种。 剂量越大,允许的 ppm 越低——大剂量原料药的除金属压力被系统性低估,这是常见的项目风险点。法规

三个容易踩空的点
  • 钯的注射限度是 10 µg/日,不是 100。口服与注射差一个数量级,同一个 API 走不同给药途径,工艺目标完全不同。
  • "总残留"要算催化剂以外的来源。不锈钢反应釜带入 Fe/Cr/Ni、硅胶脱落带入 Al、试剂夹带 Cu,都会计入元素杂质总账。
  • 限度是放行标准,不是工艺目标。工艺应对准限度的 30% 以内,把余量留给放大与批间波动。

2五类脱金属技术的定位对比

接枝硅胶金属吸附剂不是唯一选择,也不总是最优选择。把它放回技术全景里,才能判断什么时候该用它。

技术作用机理选择性产品损失放大性典型适用场景
活性炭非特异物理吸附 + 部分化学吸附低——同时吸附产品与色素大,5–20% 常见好,成本极低粗除色 + 粗除金属;对残留要求宽松的中间体
结晶 / 重结晶母液带走金属取决于金属的溶解行为受收率限制,多次重结晶损失叠加好金属主要以可溶形式存在、且产品结晶性好
液液萃取水相络合剂(EDTA、半胱氨酸、硫脲)转移中,可通过 pH 调相间夹带损失中,需处理乳化与大量废水水溶性金属种;已有萃取单元的连续工艺
聚合物离子交换树脂离子交换 / 螯合中—高小好水相体系;对有机溶剂的溶胀与相容性是主要约束
接枝硅胶吸附剂表面配位 / 螯合高,按官能团定制小,通常 <2%好,批式与柱式皆可有机溶剂体系、低残留要求、需要选择性的 API 精制
接枝硅胶的三个真实优势
  • 不溶胀。硅胶骨架刚性,在 DMF、DMSO、THF、氯代溶剂中体积不变,柱床稳定,压降可预测——这是聚合物树脂做不到的。
  • 选择性可设计。换官能团就换配位原子,能在 Cu 存在下选择性抓 Pd,而不是把所有金属一网打尽。
  • 产品损失小。官能团只与金属配位,对中性有机分子几乎无保留,回收率通常 >98%。
它的三条硬边界
  • pH 窗口窄。硅胶骨架在 pH >8 长时间接触会溶解,强碱性水相体系不适用(典型窗口 pH 2–12,长时间操作建议 2–8)。
  • 成本高于活性炭。吨级用量时单位成本敏感,必须靠用量优化把当量数压下来。
  • 废吸附剂是含金属固废。要么回收金属,要么按危废处置,两条路都要提前规划。
第二部分 化学基础:载体、接枝与配位

3载体:硅胶表面化学与接枝反应

所有接枝金属吸附剂都是同一套化学:硅胶表面硅羟基 + 三烷氧基硅烷偶联剂 → 硅氧烷共价键, 再在末端引出配位官能团。理解这套化学,就能理解为什么载量有上限、为什么要封端、为什么会浸出。

3.1 表面硅羟基的三种形态

  • 孤立硅羟基(isolated)——反应活性最高,是接枝的主要位点。
  • 相邻硅羟基(vicinal)——彼此氢键作用,活性次之。
  • 孪生硅羟基(geminal)——同一硅原子上两个 OH,空间拥挤,接枝后残留未反应 OH。

全羟基化硅胶表面硅羟基密度约 4.6–8 µmol/m²(通常取 4.6 个 OH/nm²)。 接枝后实测表面覆盖度普遍落在 0.7–3.0 µmol/m²,说明硅羟基永远用不完—— 限制载量的是配体的空间体积与偶联剂的水解缩合效率,不是位点数量。

3.2 接枝与封端

接枝反应(示意)

≡Si–OH + (RO)₃Si–(CH₂)₃–X → ≡Si–O–Si(OR)₂–(CH₂)₃–X + ROH

X = SH、NH₂、咪唑、硫脲、氨基多羧酸等配位头基;R 一般为甲基或乙基。 实际表面是单齿、双齿、三齿混合的硅氧烷网络,并伴随硅烷之间的自缩合。

封端反应(示意)

≡Si–OH + (CH₃)₃Si–Cl → ≡Si–O–Si(CH₃)₃ + HCl

用小体积三甲基硅烷把残余硅羟基盖掉。封端与否直接改变行为: 未封端产品(如氨丙基型、氨基多羧酸型)保留大量游离硅羟基, 对碱性 API 有额外的离子交换保留——既可能提升某些金属的捕捉,也可能造成产品损失。

本文的结构式画法约定

下文所有接枝结构式,锚定端统一画作 (HO)₃Si–,这是示意画法。 真实材料中该硅原子通过 1–3 个 Si–O–Si 键连接到硅胶表面网络,不存在游离的三羟基硅烷。 所有结构式均由 RDKit 从 SMILES 精确渲染,原子数与环数已逐一校验。

4七个关键物性参数与三条技术路线

选型时真正要盯的基质参数只有七个。它们共同决定了容量上限、传质速度、压降与工程可放大性。

参数它决定什么北美路线日本路线CleanM(麦可旺志)
粒径压降与传质距离;粒径越小柱效越高、压降越大40–63 µm 不规则
<40 µm ≤5%,>63 µm ≤5%
100 µm 球形45–105 µm
孔径大分子能否进孔;孔径过小则内表面对配合物无效55–65 Å70 Å(磺酸型)
100 Å(其余)
60 ± 10 Å
比表面积可接枝的总面积 → 载量天花板480–550 m²/g未公开700 ± 50 m²/g
孔容与孔径、比表面积互相约束0.70–0.85 mL/g未公开1.00 ± 0.10 mL/g
官能团载量理论金属容量的上限0.30–1.28 mmol/g未公开1.12–1.32 mmol/g
表面覆盖度配位位点的拥挤程度,影响可及性0.66–3.03 µmol/m²—1.60–1.89 µmol/m²
pH 与温度窗口工艺相容性与骨架寿命pH 2–12,多数 ≤150 °C—全有机溶剂 + 水溶液
载量与覆盖度是两个不同的指标,别混用

载量(mmol/g)按质量算,决定"每克吸附剂能抓多少金属"; 覆盖度(µmol/m²)按面积算,反映"位点有多挤"。二者的桥梁是比表面积:

覆盖度(µmol/m²)= 载量(mmol/g)÷ 比表面积(m²/g)× 1000

举例:CleanM ZJ-SH 载量 1.25 mmol/g ÷ 700 m²/g ≈ 1.79 µmol/m²; 北美路线巯丙基 1.20 ÷ 515(均值)≈ 2.33 µmol/m²。 前者靠更大的比表面积拿到更高的克载量,同时位点更疏松——理论上位阻更小、大体积金属配合物更易接近; 后者位点密集,单位面积能力强,但对空间要求高的配合物可能出现可及性折损。两种设计各有取舍,没有单向优劣。

5配位化学:HSAB 与三条实操推论

软硬酸碱(HSAB)原则是全篇的地基:软酸偏爱软碱,硬酸偏爱硬碱。 金属离子是酸,配位原子是碱。按软硬把二者对上,选型就从 13 选 1 变成 3 选 1。

图 1HSAB 软硬分类 → 配位原子 → 官能团族的对应关系
HSAB 软硬酸碱与配位原子、官能团族的对应关系图
推论一 除钯先看价态

Pd(II) 与 Pd(0) 都是软酸,但 Pd(0) 常以纳米胶体或膦配合物形式存在, 配位竞争更强。实测中巯基型对两种价态都是 >97.5%,单胺型对 Pd(0) 掉到 <85%。 先做价态判断,再选官能团。

推论二 混合金属选双配位

硫脲(S + 2×N)、三嗪二硫醇(2×S + N 环)、半胱氨酸(S + N + O)同时提供软硬两种配位原子, 因此金属谱最宽。一次要除三种以上金属,直接从这三族起步。

推论三 硬酸用硫基是白费

Fe(III)、Al(III)、Ti(IV)、稀土是硬酸,对 S 几乎无亲和。 实测巯基型对 Fe(III) 容量仅 0.04–0.06 mmol/g。 这类金属必须走 O 配位:氨基多羧酸、氨基甲基膦酸、大环四羧酸。

5.1 游离配体与接枝版本:为什么效果不能直接照搬

下面三个是最常被引用的游离螯合剂。它们的接枝版本保留了配位化学,但有三处系统性差异: ① 一个配位臂被用来连接载体,齿数下降;② 位点被固定,无法自由包裹金属;③ 局部浓度极高,协同配位与位阻同时增强。 因此游离配体的稳定常数只能作为方向参考,不能直接外推到接枝材料。

游离 EDTA 分子结构式
游离 EDTA(C₁₀H₁₆N₂O₈)
六齿:2 个氮 + 4 个羧酸氧。接枝后通常改造成三氮四羧酸型,齿数与几何都变了。
游离三嗪三硫醇分子结构式
游离三嗪三硫醇(C₃H₃N₃S₃)
三个硫醇 + 三嗪环氮,重金属沉淀剂的经典分子。接枝时用掉一个硫位点连接载体。
游离 L-半胱氨酸分子结构式
游离 L-半胱氨酸(C₃H₇NO₂S)
S + N + O 三配位原子,是最"广谱"的天然配体,也是萃取法常用的水相络合剂。
第三部分 官能团全景:13 个接枝族

本部分按配位化学而非厂商牌号组织。同一类官能团在不同供应商处名称各异, 但只要配位原子、齿数与连接臂相同,行为就基本一致。 每族给出:结构式、片段式、载量与元素含量、表面覆盖度、金属谱、以及最容易踩的坑。

6硫系配体族:除贵金属的主力

巯丙基接枝硅胶分子结构式
巯丙基型
片段式 –C₃H₇S|单齿 S|载量 1.20 mmol/g
硫脲丙基接枝硅胶分子结构式
硫脲丙基型
片段式 –C₄H₉N₂S|S+N 双配位|≥1.07 mmol/g
三嗪二硫醇接枝硅胶分子结构式
三嗪二硫醇型
片段式 –C₆H₉N₄S₂|2S + 环 N|≥0.50 mmol/g
半胱氨酸接枝硅胶分子结构式
半胱氨酸型
片段式 –C₆H₁₂NO₂S|S+N+O 三配位|≥0.30 mmol/g
巯丙基型 —SH
  • Excellent:Ag、Hg、Os、Pd、Ru
  • Good:Cu、Ir、Pb、Rh、Se、Sn
  • 载量 1.20 mmol/g,表面覆盖约 2.4 µmol/m²(由比表面积推算),振实密度 0.682 g/mL,已封端
  • 水相与有机相通用,室温干燥储存
  • 坑:结合过强,常规硫脲/酸/醇体系不洗脱;且硫醇易在空气中缓慢氧化成二硫键而失活,开封后要控制暴露
硫脲丙基型 —NH–C(=S)–NH₂
  • Excellent:Ag、Au、Ir、Pd、Rh
  • Good:Cu、La、Mn、Ni、Os、Pb、Pt、Ru、Sc、Se、Sn、Zn
  • 载量 ≥1.07 mmol/g,S ≥3.41%,覆盖 ≥2.56 µmol/m²,振实 0.767 g/mL,已封端
  • 水相与有机相通用,室温干燥储存
  • 优势:Good 档覆盖 12 种金属,是全表最"宽"的一族,适合成分不明的复杂料液首轮筛选
三嗪二硫醇型
  • Excellent(15 种):Ag、Co、Ir、La、Mn、Ni、Os、Pb、Pd、Pt、Rh、Ru、Se、U、Zn
  • Good:Cr、Cu、Fe、Sc、Sn、W
  • 载量 ≥0.50 mmol/g,N ≥3.50%,覆盖 ≥1.13 µmol/m²,振实 0.732 g/mL,已封端,浅棕色
  • 坑:载量只有巯基的四成,用量要按比例放大;氮含量与载量的折算关系存疑(见第 10 章)
半胱氨酸型 S + N + O
  • Excellent(20 种):Ag、Au、Cd、Co、Cs、Cu、Fe、Ir、La、Mg、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Ru、Sc、Sn、U、Zn
  • Good:Ca、Cr、Hg、Li、Pb、Rh、Se、W
  • 载量 ≥0.30 mmol/g(全表最低),S ≥0.96%,覆盖 ≥0.66 µmol/m²,振实 0.665 g/mL
  • 坑:仅限有机溶剂,且需 8 °C 以下氩气保护储存——它是全表使用条件最苛刻的一族,橙色外观

7氮系配体族:交界金属与高载量路线

氨丙基接枝硅胶分子结构式
氨丙基型
片段式 –C₃H₈N|单齿 N|≥1.20 mmol/g
乙二胺型接枝硅胶分子结构式
乙二胺型
片段式 –C₅H₁₃N₂|双齿 N|≥1.28 mmol/g
二乙烯三胺型接枝硅胶分子结构式
二乙烯三胺型
片段式 –C₇H₁₈N₃|三齿 N|≥1.11 mmol/g
咪唑丙基接枝硅胶分子结构式
咪唑丙基型
片段式 –C₆H₉N₂|芳香 N|≥0.96 mmol/g
氨丙基型 —NH₂
  • 载量 ≥1.20 mmol/g,N ≥1.68%,覆盖 ≥2.67 µmol/m²,已封端,水相与有机相通用
  • 实测吸附谱以 Ni、Cu、Pd 为主;对 Pd(0) 明显弱于双齿与硫系(去除率 <85%)
  • 定位:单齿氮,螯合效应缺失,通常作为成本基准而非首选;亦是最常见的"顺手可得"官能团
乙二胺型 双齿 N
  • Excellent(17 种):Ag、Co、Cr、Fe、La、Mn、Ni、Os、Pb、Pd、Pt、Rh、Ru、Se、Sn、W、Zn
  • Good:Cd、Cu、Hg、Ir、Mg
  • 载量 ≥1.28 mmol/g(全表最高),N ≥3.57%,覆盖 ≥3.03 µmol/m²(全表最密),振实 0.728 g/mL
  • 优势:唯一被验证可高效解吸回收 Pd 的一族(>95%)
  • 坑:仅限有机溶剂,需 8 °C 以下储存
二乙烯三胺型 三齿 N
  • Excellent(15 种):Ag、Co、Cr、Fe、La、Mn、Ni、Os、Pb、Pd、Pt、Se、Sn、W、Zn
  • Good:Ca、Cd、Cu、Hg、Mg、Rh、Ru
  • 载量 ≥1.11 mmol/g,N ≥4.65%,覆盖 ≥2.73 µmol/m²,振实 0.736 g/mL
  • 兼职身份:同时是亲电试剂清除剂(酰氯、醛、酸酐、氯甲酸酯、异氰酸酯、酮、磺酰氯)与酸/酸性酚清除剂——一步同时除金属和活性杂质
咪唑丙基型 芳香 N
  • Excellent(13 种):Ag、Au、Co、Cu、Mn、Ni、Os、Pd、Rh、Se、U、W、Zn
  • Good:Cr、Cs、Fe、Ir、La、Pb、Pt、Sc、Sn
  • 载量 ≥0.96 mmol/g,N ≥2.70%,覆盖 ≥2.22 µmol/m²,振实 0.658 g/mL,已封端,水/有机通用
  • 特点:咪唑的 π 体系使其碱性弱于脂肪胺,对酸性料液更耐受,且可室温储存——是脂肪胺族的稳健替代

8氧系多齿族:硬酸金属与稀土的唯一解

氨基多羧酸(酸式)接枝硅胶分子结构式
氨基多羧酸型(酸式)
片段式 –C₁₅H₂₆N₃O₈|3 个氮 + 4 个羧酸|≥0.41 mmol/g|未封端
氨基多羧酸钠盐接枝硅胶分子结构式
氨基多羧酸型(钠盐)
片段式 –C₁₅H₂₂N₃O₈Na₄|羧酸根预先去质子|≥0.41 mmol/g
大环四羧酸 DOTA 型接枝硅胶分子结构式
大环四羧酸型(DOTA 型)
大环预组织腔穴|载量厂商未公开
氨基甲基膦酸接枝硅胶分子结构式
氨基甲基膦酸型
片段式 –C₄H₁₁NO₃P|膦酸 O + N|0.80 mmol/g
二乙醇胺型接枝硅胶分子结构式
二乙醇胺型
片段式 –C₇H₁₆NO₂|醇羟基 + N|≥0.85 mmol/g
氨基多羧酸型(酸式 / 钠盐)
  • 酸式 Excellent:Cs、Cu、Fe、La、Ni、Sc、U
  • 钠盐 Excellent(22 种):Ag、Au、Bi、Ca、Co、Cs、Cu、Fe、Ir、La、Li、Mo、Mn、Ni、Pb、Pd、Rh、Ru、Sc、Sn、Zn、Zr
  • 两者载量同为 ≥0.41 mmol/g,N ≥1.70%;覆盖度 ≥0.97(酸式)/ ≥1.01(钠盐)µmol/m²
  • 关键差异:钠盐把羧酸预先去质子,不需要料液自带碱来激活配位,因此谱宽从 7 种扩到 22 种。中性或酸性体系一律优先钠盐式。
  • 坑:两者均未封端,残留硅羟基会对碱性化合物产生额外保留;且仅限有机溶剂
大环四羧酸型(DOTA 型)
  • Excellent:As、Ca、Cu、Gd、La、Ni、Se、Zn
  • Good:Co、Fe、Mg、Pd、Pt、Rh
  • 载量厂商未公开——规格书与产品页均无数据,物料衡算无法闭合信息缺口
  • 定位:大环的预组织腔穴对离子半径高度选择,是钆、镧系分离与放射性药物残留控制的对口选择,但用量必须靠实测反推
氨基甲基膦酸型
  • Excellent:Al、Ce、Gd、La、Ni、Sb、V
  • Good:Co、Cu、Fe、Mn、Zn
  • 载量 0.80 mmol/g,覆盖约 1.6 µmol/m²(推算),已封端,水/有机通用
  • 定位:膦酸的 P–O 是比羧酸更硬的碱,对 Al、V 与稀土的亲和力在全表中最高,是硬酸金属的专用解
二乙醇胺型
  • Excellent:Fe、Os、Se、Ti、Zn,以及硼酸
  • Good:Ag、Au、Cu、Pd、Pt
  • 载量 ≥0.85 mmol/g,N ≥1.19%,覆盖 ≥1.81 µmol/m²,振实 0.691 g/mL,需 8 °C 以下储存
  • 唯一能除硼的一族——二醇与硼酸形成环状硼酸酯。含硼试剂(如 Suzuki 偶联的硼酸/硼酸酯)残留控制的对口选择

9磺酸族:离子交换与"清除剂"双重身份

丙磺酸型接枝硅胶分子结构式
丙磺酸型(脂肪链)
片段式 –C₃H₇O₃S|强酸型阳离子交换|孔径 70 Å 体系
芳基磺酸型接枝硅胶分子结构式
芳基磺酸型
片段式 –C₈H₉O₃S|≥0.54 meq/g|纯度 ≥99.95%

磺酸型与前面各族的机理不同:它不靠配位,靠电荷。磺酸在几乎全 pH 范围完全解离, 以强阳离子交换的方式捕捉金属阳离子,因此对不形成稳定配合物的"裸"金属离子更有效。

金属吸附能力
  • 脂肪族磺酸实测吸附 Fe、Co、Ru;对 Fe(III) 在 MeCN / THF / 甲苯中容量 0.18–0.20 mmol/g, 是三种含氮/含硫官能团中对 Fe(III) 表现最好的(对比:二胺 0.03–0.05,巯基 0.04–0.09)
  • 芳基磺酸载量 ≥0.54 meq/g,振实 0.743 g/mL,已封端,全溶剂适用,纯度 ≥99.95%
另一半用途:有机杂质清除
  • 芳基磺酸的 Excellent 谱包含"胺类"与"硼氢化物",以及 Ni、Ag
  • 用途:把过量的胺类试剂、还原剂残留一并抓掉,与除金属同批完成
  • 与三胺/二胺族的"亲电试剂清除剂"身份互补——一酸一碱,覆盖两类反应性杂质
"清除剂"思路:把三个纯化步骤合成一个

典型的偶联反应后处理里,往往同时存在三类要除的东西:金属催化剂、过量亲电试剂、过量胺或酸。 三胺型同时是金属吸附剂 + 亲电试剂清除剂 + 酸清除剂;芳基磺酸型同时是金属吸附剂 + 胺清除剂 + 硼氢化物清除剂。 合理组合可以把三步柱操作压缩成一次批式处理,这是接枝硅胶相对活性炭最被低估的价值。

10关键参数汇总表与元素含量交叉验算

下表把 13 族的全部公开规格并到一起。最后一列是本文做的交叉验算: 用厂商公布的元素含量(N% 或 S%)除以原子量,再除以分子中该元素的个数,反算出理论载量, 与标称载量比对。这是到货验收时最省钱的一致性检查——只需一次元素分析。

官能团族配位原子载量
mmol/g
元素含量表面覆盖
µmol/m²
振实密度
g/mL
封端溶剂储存元素含量交叉验算
巯丙基S1.20未公开≈2.4(推算)0.682是水 + 有机室温干燥缺 S% 数据,无法验算
硫脲丙基S, N≥1.07S ≥3.41%≥2.560.767是水 + 有机室温干燥3.41÷32.06 = 1.064,1 个 S → 1.07 ✓
三嗪二硫醇S, N≥0.50N ≥3.50%≥1.130.732是水 + 有机室温干燥3.50÷14.007 = 2.50;÷5 N = 0.50,但公开结构只有 4 N(÷4 = 0.62)⚠ 不符
半胱氨酸S, N, O≥0.30S ≥0.96%≥0.660.665是仅有机<8 °C 氩气0.96÷32.06 = 0.30,1 个 S → 0.30 ✓
氨丙基N≥1.20N ≥1.68%≥2.67—是水 + 有机干燥1.68÷14.007 = 1.20,1 个 N → 1.20 ✓
乙二胺型N≥1.28N ≥3.57%≥3.030.728是仅有机<8 °C3.57÷14.007 = 2.55;÷2 N → 1.28 ✓
二乙烯三胺型N≥1.11N ≥4.65%≥2.730.736是仅有机<8 °C4.65÷14.007 = 3.32;÷3 N → 1.11 ✓
咪唑丙基N≥0.96N ≥2.70%≥2.220.658是水 + 有机室温干燥2.70÷14.007 = 1.93;÷2 N → 0.96 ✓
氨基多羧酸(酸式)N, O≥0.41N ≥1.70%≥0.970.635否仅有机室温干燥1.70÷14.007 = 1.21;÷3 N → 0.41 ✓
氨基多羧酸(钠盐)N, O≥0.41N ≥1.70%≥1.010.712否仅有机室温干燥同酸式 → 0.41 ✓
氨基甲基膦酸O, N0.80未公开≈1.6(推算)—是水 + 有机室温干燥缺元素数据,无法验算
二乙醇胺型O, N≥0.85N ≥1.19%≥1.810.691是水 + 有机<8 °C1.19÷14.007 = 0.85,1 个 N → 0.85 ✓
大环四羧酸(DOTA 型)N, O未公开未公开—————全部数据缺失
芳基磺酸离子交换≥0.54 meq/g纯度 ≥99.95%—0.743是全溶剂干燥惰性按交换容量标定,不适用元素法
唯一一处对不上的数据,如实标注

三嗪二硫醇型:厂商标称载量 ≥0.50 mmol/g,氮含量 ≥3.50%。 3.50% ÷ 14.007 = 2.50 mmol N/g,要得到 0.50 mmol/g 必须按每分子 5 个氮折算; 但公开的结构式(三嗪环 3 个 N + 连接臂 1 个 NH)只有 4 个氮,按 4 折算应为 0.62 mmol/g。

两种可能:① 实际连接臂多含一个氮(例如经乙二胺连接到三嗪环);② 厂商取了保守下限, 即真实载量高于 0.50 而标称值留了余量。

工程建议:物料衡算一律按 0.50 mmol/g 取值(保守方向安全); 若能拿到厂商结构示意图或对应专利,应优先核实这一点。存疑

11金属—官能团匹配矩阵

把各族的金属谱转置,就得到"我要除某个金属,该看哪几族"的速查矩阵。 ● = 厂商标注 Excellent,○ = Good,空白 = 未列入该族谱。 矩阵按 HSAB 软→硬的顺序排列元素,可以直观看出对角线趋势。

金属HSAB巯丙基硫脲三嗪
二硫醇
半胱氨酸咪唑丙基乙二胺二乙烯
三胺
氨基多羧酸
酸式
氨基多羧酸
钠盐
二乙醇胺氨基甲基
膦酸
Pd 钯软●●●●●●●○●○·
Pt 铂软·○●●○●●○○○·
Au 金软·●·●●··○●○·
Ag 银软●●●●●●●○●○·
Hg 汞软●··○·○○····
Ru 钌软●○●●·●○○●··
Rh 铑软○●●○●●○○●··
Ir 铱软○●●●○○··●··
Os 锇软●○●●●●●○○●·
Cu 铜交界○○○●●○○●●○○
Ni 镍交界·○●●●●●●●·●
Co 钴交界··●●●●●○●·○
Zn 锌交界·○●●●●●○●●○
Cd 镉交界···●·○○····
Pb 铅交界○○●○○●●○●··
Sn 锡交界○○○●○●●○●··
Mn 锰交界·○●●●●●○●·○
Se 硒交界○○●○●●●○○●·
Cr 铬硬··○○○●●○○··
W 钨硬··○○●●●○○··
Fe 铁硬··○●○●●●●●○
La 镧硬·○●●○●●●●·●
Al 铝硬··········●
V 钒硬··········●

● Excellent ○ Good · 未列入该族金属谱。数据来自厂商规格书的金属谱分级,"未列入"不等于"无效",只是厂商未做标注。

读法:看行不看列。先定位你的金属,横向找到有 ● 的族,再回到第 6–9 章看它的载量、溶剂与储存约束是否与工艺兼容。 若一行有多个 ●,优先选载量高、溶剂宽、可室温储存的那一族。 大环四羧酸型与芳基磺酸型的谱系与其余各族口径不同(前者偏稀土/放射性核素,后者含有机杂质清除),未并入本矩阵,见第 8、9 章。

第四部分 实测性能:容量、动力学与解吸

12跨溶剂、跨金属的吸附容量

规格书上的"载量"是官能团载量,不是金属容量。 一个配位位点未必抓一个金属离子——双齿配体可能两臂抓一个金属,也可能两个位点桥连一个金属。 真正有工程意义的是在真实溶剂里实测的金属容量。下面这组数据来自球形 100 µm 路线的公开实测。

图 2三类官能团在 THF 体系中对五种金属种的吸附容量对比
二胺型、单胺型、巯基型在 THF 中对 Pd(II)、Pd(0)、Ni(II)、Cu(II)、Fe(III) 的吸附容量条形图

12.1 钯与镍:溶剂改写排序

官能团Pd(II) / Pd(OAc)₂Pd(0) / Pd(dba)₂Ni(II) / Ni(acac)₂
CHCl₃THF甲苯CHCl₃THF甲苯THFDMFDMSO
二胺型0.640.820.740.180.270.310.410.410.61
单胺型0.420.630.550.090.210.150.240.100.08
巯基型0.600.740.640.230.270.310.090.060.04

单位 mmol 金属/g 吸附剂。测定条件:20 mL 200 mg/L 溶液 + 100 mg 吸附剂,室温。 Pd(II) 容量大,原测试改用 50 mL 溶液。厂商实测

12.2 铜与铁:硫系失灵的地方

官能团Cu(II) / Cu(OAc)₂Cu(I) / CuClFe(III) / Fe(acac)₃
MeCNTHFDMFDMFDMSOMeCNTHF甲苯
二胺型0.500.510.400.150.130.050.030.03
单胺型0.410.470.350.150.150.080.020.09
巯基型0.240.240.190.050.100.060.040.09
磺酸型—————0.190.180.20

Cu(I)/CuCl 溶解度低,测试浓度改为 100 mg/L。厂商实测

从这两张表能读出三件事
  • Fe(III) 是含氮/含硫官能团的盲区。三族容量都在 0.02–0.09,只有磺酸型做到 0.18–0.20——高出 3–6 倍。除铁不要用胺或硫。
  • Ni(II) 的溶剂效应与钯相反。二胺型在 DMSO 中最高(0.61),而巯基型在 DMSO 中最低(0.04)。同一个溶剂对不同官能团是加分还是减分,无法外推。
  • Pd(0) 普遍只有 Pd(II) 的 1/3。零价钯的胶体化与膦配位使其难抓,这是"钯洗不干净"最常见的化学原因。
用这些数字时的三条纪律
  • 这是平衡容量,不是工艺可达容量。真实体系里 API 与配体会竞争配位,实际能用的通常是 40–70%。
  • 数据来自单一金属源。换成 PdCl₂(PPh₃)₂、Pd₂(dba)₃ 等其他前体,结果会变。
  • 不同基质路线之间不可直接比较:本表基质为 100 µm 球形硅胶,与 40–63 µm 不规则或 CleanM 的 700 m²/g 体系不同。

13去除率与吸附动力学

容量回答"最多能抓多少",去除率回答"实际能降到多低"。后者才是放行指标。

官能团Pd(II) CHCl₃ / THF / 甲苯Pd(0) CHCl₃ / THF / 甲苯结论
二胺型>97.5% / >97.5% / >97.5%>85.0% / >85.0% / >85.0%Pd(II) 优秀,Pd(0) 需加量或串联
单胺型>85.0% / >85.0% / >85.0%<85.0%(三种溶剂均是)单齿氮不足以对付零价钯
巯基型>97.5%(三种溶剂均是)>97.5%(三种溶剂均是)唯一对两种价态都稳定的一族

测定条件:25 mL 含 Pd 5 mg 的 200 mg/L 溶液 + 250 mg 吸附剂,室温 30 min。厂商实测

动力学:接触时间怎么定
  • Pd(II) 约 10 min 达平衡
  • Pd(0) 约 30 min 达平衡
  • Ni(II) 约 10 min 达平衡
  • 工程取值:批式接触 1 h 已有 2–6 倍安全系数;黏稠体系或低温操作可延长到 2–4 h,但收益递减
残留不达标时的排查顺序
  • ① 先查价态——是不是 Pd(0) 被当成 Pd(II) 处理了
  • ② 再查竞争配位——料液里有没有膦配体、氰、强螯合的 API 官能团
  • ③ 然后加量——从 2 当量提到 5 当量
  • ④ 最后才是延长时间——平衡早已达到,延长通常无效
  • 若 ①–④ 都无效,换官能团族或改用两族串联

14解吸与金属回收

钯、铑、铱的现货价格使"回收"在很多项目里不是环保动作,而是经济决策。 可回收性由结合强度决定,而结合强度恰恰与"好用"正相关——这是一对必须提前权衡的矛盾。

可回收路线:二胺型
  • 洗脱液:2% 硫脲 / 1 M HCl / MeOH
  • 钯回收率 >95%,以柱式操作实施
  • 机理:硫脲是比接枝胺更强的软配体,高浓度下把钯从固相竞争下来;HCl 同时质子化胺基,进一步削弱配位
  • 洗脱液可直接送精炼,或经沉淀/还原就地回收金属钯
不可回收路线:巯基型
  • 同样条件下不洗脱——Pd–S 键太强,硫脲无法竞争
  • 后果:废吸附剂只能送第三方精炼(按含钯固废计价,回收周期长、折价大)或按危废处置
  • 决策提示:若料液含钯量高(>0.5% w/w API)或年用量大,宁可牺牲一点去除率选二胺型,把回收通道打开
回收路线的三个隐性成本
  • 洗脱液处理:硫脲/盐酸/甲醇混合废液本身是危废,处理成本要计入回收收益。
  • 吸附剂再生:洗脱后的吸附剂理论上可复用,但配体氧化、硅胶溶蚀与残留金属累积会使容量逐批下降,GMP 环境下多数项目不复用。
  • 交叉污染风险:复用意味着上一批的金属与有机残留可能带入下一批,需要额外的清洁验证。
第五部分 工艺实施:批式、柱式、用量与优化

15批式搅拌法与柱式流通法

图 3批式搅拌法与柱式流通法的工艺要素对比
批式搅拌法与柱式流通法工艺对比示意图

两种方式的化学完全相同,差别在接触级数。批式是一级平衡,柱式是多级平衡—— 同样的去除率,柱式所需吸附剂通常比批式少 30–50%;但柱式对料液澄清度的要求近乎苛刻。

规模柱长典型用途配套形式
实验室1 / 10 / 25 cm官能团筛选、小试验证、穿透曲线测定一次性卡式柱,即插即用
中试12.5 / 25 cm工艺参数放大、工程批可拆卸卡式柱
商业化50 / 100 cm常规生产工业级流通柱

柱长阶梯来自配套卡式柱体系;实际选型还需按流速、床层压降与单批处理量核算。厂商规格

16用量计算:公式与算例

两步计算

第一步 金属物质的量  n(金属)[mmol] = 金属质量[mg] ÷ 原子量[g/mol]

第二步 吸附剂质量  m(吸附剂)[g] = n(金属)[mmol] × 当量数 E ÷ 载量 L[mmol/g]

当量数 E 是安全系数,不是化学计量。 批式取 3–5,柱式取 1.5–3;竞争配位强(含膦、含氰、强螯合 API)时再上浮。

16.1 算例:10 kg 原料药,钯残留 500 ppm

金属质量 = 10 kg × 500 ppm = 5 g Pd;n = 5000 mg ÷ 106.42 g/mol = 47 mmol。取 E = 3,则需 141 mmol 配位位点。

候选官能团载量 mmol/g所需质量相对 API 用量床体积(按振实密度)说明
巯丙基1.20118 g11.8 g/kg≈173 mL(0.682 g/mL)成本基准;不可回收
CleanM ZJ-SH1.25113 g11.3 g/kg≈161 mL(0.70 g/mL)同族,载量略高
乙二胺型1.28110 g11.0 g/kg≈151 mL(0.728 g/mL)可洗脱回收钯
硫脲丙基1.07132 g13.2 g/kg≈172 mL(0.767 g/mL)谱最宽,适合混合金属
三嗪二硫醇0.50282 g28.2 g/kg≈385 mL(0.732 g/mL)载量低,用量 2.4 倍——成本敏感项目慎选
这个算例说明的问题

同一批料,选不同官能团,吸附剂用量能差 2.5 倍,床体积差 2.4 倍。 载量是选型时最被忽视、却对成本影响最直接的参数。 先用金属谱把候选缩到 2–3 族,再用载量做经济性排序,这个顺序不要颠倒—— 用一个便宜但抓不住目标金属的官能团,返工成本远高于材料差价。

17四变量优化与筛选策略

四个可调变量,按影响力排序
  • ① 官能团族——影响最大,可以决定成败(1–2 个数量级)
  • ② 用量(当量数)——1 / 2 / 3 / 5 当量四点扫描,通常 3 当量后收益明显递减
  • ③ 溶剂——同一官能团跨溶剂容量可差 30%,但溶剂通常由前道工艺锁定,可调空间小
  • ④ 温度与时间——40–60 °C 可加速传质,但对平衡容量提升有限;时间在平衡后无意义
筛选套装的用法
  • 典型筛选套装包含 8 种官能团:半胱氨酸、三嗪二硫醇、咪唑、三胺、氨基多羧酸(酸式)、氨基多羧酸(钠盐)、巯丙基、硫脲
  • 这 8 种覆盖了 S / N / O 三类配位原子与单齿到多齿的全部齿数,是一次实验拿到全景的最小集合
  • 做法:相同料液、相同当量(建议 3)、相同时间(1 h)、相同温度平行 8 管,ICP-MS 测残留
  • 读法:先看残留绝对值,再看产品回收率——两者都合格才进入放大

18风险与局限:七项必须提前评估

① 配体浸出

硅氧烷键在含水、酸性或高温条件下会缓慢水解,把接枝配体释放到料液里,成为新的有机杂质。 未封端产品与长时间水相操作风险最高。需在放行方法中确认该配体不会共洗脱到产品峰。

② 硅胶骨架溶解

pH >8 时二氧化硅溶解度快速上升,长时间碱性操作会造成硅残留与床层塌陷。 标称窗口 pH 2–12,但工程上建议限制在 pH 2–8,碱性体系应改用聚合物基材。

③ 产品吸附损失

含胺、含硫、含羧酸的 API 本身就是配体,会与目标金属竞争位点,也会被吸附剂保留。 未封端产品对碱性 API 的离子交换保留尤其明显。每次筛选都必须同时测产品回收率。

④ 金属再释放

过滤后若滤饼长时间与滤液接触、或后续加入更强的竞争配体(如洗涤用的螯合剂), 已吸附的金属可能部分回到液相。吸附完成后应尽快分离,并对滤液做二次确认。

⑤ 批间差异

载量、覆盖度、封端程度都是"≥"型指标,批间可以有明显波动。 同一牌号不同批次的实际容量差 10–20% 并不罕见。关键工艺应做进厂批次确认(元素分析 + 小试容量)。

⑥ 溶剂与储存约束

半胱氨酸型、乙二胺型、二乙烯三胺型、氨基多羧酸型仅限有机溶剂; 前三者还需 8 °C 以下储存,半胱氨酸型更要氩气保护。选型时先查这一栏,再谈性能。

⑦ 成本与固废

吨级用量时材料成本敏感,而废吸附剂是含金属固体废物: 要么走精炼回收(需要可洗脱的官能团),要么按危废处置(需要合规通道与预算)。 这条应在工艺定型前而不是验证批之后确定。

第六部分 选型决策、路线对照与速查

19选型决策路径

图 4从"待除金属是什么"到"工艺定型"的完整决策路径
金属吸附剂官能团选型决策流程图

图中"首选"是经验起点,不替代小试。多金属共存体系建议直接从三嗪二硫醇或半胱氨酸型起步; 若目标金属是 Pd(0),无论哪条分支都应把巯基型纳入对照组。

20两条工程路线的八维度对照

维度北美路线(不规则硅胶)日本路线(球形硅胶)
颗粒形貌与粒径不规则,40–63 µm球形,100 µm
孔径55–65 Å70 Å(磺酸型)/ 100 Å(其余)
官能团数量13 族以上,谱系最全4 族(巯基、磺酸、二胺、单胺),聚焦主流需求
数据公开度规格详尽:载量、元素含量、覆盖度、振实密度、金属谱分级公开跨溶剂实测容量、去除率与动力学曲线
数据类型偏材料表征——告诉你材料是什么偏应用实测——告诉你材料能做到什么
配套工程卡式柱阶梯完整(1 cm → 100 cm),另有筛选套装以散装填料为主
压降特性不规则颗粒堆积紧密,压降偏高球形 100 µm,压降低,适合大流量流通
选型时更适合需要在多族之间做精细比较、需要完整放大阶梯的项目目标金属明确(Pd/Ni/Cu/Fe)、追求工程稳定性的项目
两条路线的数据不能混用

北美路线公布的是官能团载量(mmol 官能团/g),日本路线公布的是金属容量(mmol 金属/g)。 前者是理论上限,后者是实测结果,两者相差 2–10 倍不等。 看到 mmol/g 先确认单位含义,否则会把 1.20 mmol/g 的巯丙基与 0.74 mmol/g 的实测钯容量当成同类指标比较。

21CleanM 四款键合相在全景中的位置

前面的全景是"化学地图",这一章把地图上的坐标对到本页顶部介绍的 SilicaOne CleanM 四款产品上——它们分别落在硫系与氮系的四个族里, 基质走的是第三条路线:45–105 µm / 60 Å 孔径 / 700 ± 50 m²/g 高比表面。

图 5CleanM 四款键合相的分子结构式(RDKit 从 SMILES 精确渲染)
CleanM ZJ-SH、ZJ-DA、ZJ-NH、ZJ-THU 四款键合相分子结构式
CleanM 型号官能团对应本文族载量
mmol/g
覆盖度
µmol/m²
封端首选金属可否洗脱回收
ZJ-SH巯基 —SH硫系 · 巯丙基族(第 6 章)≥1.25≈1.79是Pd、Ru、Hg、Pt、Ag、Rh否——巯基结合过强
ZJ-DA乙二胺基氮系 · 乙二胺族(第 7 章)≥1.32≈1.89是Pd、Pt、W、Zn、Ni、Ru可——2% 硫脲 / 1 M HCl / MeOH
ZJ-NH氨基 —NH₂氮系 · 氨丙基族(第 7 章)≥1.12≈1.60否Pd、Cd、Cr、Rh部分
ZJ-THU硫脲基硫系 · 硫脲丙基族(第 6 章)≥1.25≈1.79是Pd、Ru、Rh、Ag、Cu、Fe部分

覆盖度按"载量 ÷ 700 m²/g × 1000"计算,为本文推算值,非厂商标称。

高比表面路线带来的两个后果
  • 克载量更高。硫脲族 1.07 → 1.25 mmol/g(+17%),巯基族 1.20 → 1.25(+4%),乙二胺族 1.28 → 1.32(+3%)。同样除 5 g 钯,用量更省。
  • 位点更疏松。覆盖度 1.60–1.89 µmol/m²,低于北美路线的 2.4–3.0。位阻更小,理论上对体积较大的金属配合物(如含膦钯配合物)可及性更好。
需要如实说明的两点
  • 氨丙基族是例外:ZJ-NH 载量 ≥1.12,低于同族的 ≥1.20,且未封端——残留硅羟基对碱性 API 会有额外保留,用于碱性产品前应先做回收率试验。
  • 孔径 60 Å 是权衡结果:高比表面积必然对应小孔径。对小分子金属配合物没有影响,但若料液中金属以大体积聚集体或胶体形式存在,进孔受限,应通过小试确认而非按理论容量估算。

22一页速查:场景 → 首选官能团

场景首选备选 / 对照组关键提示
Suzuki / Heck 偶联后除 Pd(II),不回收巯丙基硫脲丙基成本最优;确认不需要回收钯
需要回收钯乙二胺型硫脲丙基避开巯基;洗脱液 2% 硫脲 / 1 M HCl / MeOH
Pd(0) / 胶体钯巯丙基三嗪二硫醇唯一对两种价态都 >97.5% 的一族
含膦配体的强竞争体系三嗪二硫醇硫脲丙基当量提到 5,并延长接触到 2 h
金属种类不明的复杂料液硫脲丙基8 种筛选套装Good 谱覆盖 12 种金属,首轮命中率最高
Ru 复分解催化剂残留巯丙基三嗪二硫醇Ru 是软酸,硫系优先
Ni 催化偶联残留乙二胺型二乙烯三胺型DMSO 体系容量最高(0.61 mmol/g)
Cu 点击化学残留咪唑丙基半胱氨酸型咪唑对 Cu 为 Excellent 且可室温储存
Fe(acac)₃ 等铁残留磺酸型三嗪二硫醇胺与硫对 Fe(III) 基本无效,容量差 3–6 倍
硼酸 / 硼酸酯残留二乙醇胺型—全表唯一能除硼的一族
稀土 / Gd / Al / V氨基甲基膦酸大环四羧酸型硬酸金属必须走 O 配位
水相体系,pH 6–8巯丙基 / 硫脲 / 咪唑氨基甲基膦酸只有这几族标注"水 + 有机"通用
同时要除过量胺或硼氢化物芳基磺酸—金属 + 有机杂质一步清除
同时要除酰氯 / 醛 / 异氰酸酯二乙烯三胺型乙二胺型兼作亲电试剂与酸清除剂

23信息缺口与存疑项

项目现状影响建议
三嗪二硫醇的氮数按 5 个氮才对得上标称载量,公开结构只有 4 个存疑物料衡算可能偏差 24%物料衡算按 0.50 mmol/g 保守取值;向厂商索取结构示意图或专利核实
大环四羧酸型载量规格书与产品页均未公开信息缺口无法做用量计算只能靠小试反推实际容量;采购前先索要数据
巯丙基的硫含量只给载量 1.20 mmol/g,未给 S%无法做元素法验收到货自测 S%,按 1 个 S 反算核对
氨基膦酸的表面覆盖度≈1.6 µmol/m² 为本文推算值不影响用量计算,仅影响机理讨论如需精确值,索取比表面积实测数据
定量浸出数据各厂商均未公开配体浸出的定量结果杂质控制策略缺少依据在放行方法中加入配体特征离子的确认;必要时自行做浸出研究
日本路线的基质参数仅公开粒径与孔径,无比表面积、孔容、载量无法与北美路线做同口径比较比较时只用实测金属容量,不用材料参数

附录主要来源类别与证据分级

来源类别
  • 厂商规格书与产品页——载量、元素含量、振实密度、封端状态、溶剂与储存条件、金属谱的 Excellent / Good 分级
  • 厂商公开应用数据——跨溶剂吸附容量、去除率、动力学曲线、解吸回收条件
  • ICH Q3D(R2)——元素杂质分类与允许日暴露量(PDE)
  • 配位化学通用原理——HSAB 软硬酸碱原则、螯合效应、硅胶表面化学
  • 本文自行计算——元素含量↔载量交叉验算、表面覆盖度推算、用量算例
证据分级图例
  • 行业共识——教科书级原理或普遍接受的工程惯例
  • 厂商规格 厂商实测——来自公开规格书或应用数据,单一来源,未经第三方复现
  • 法规——ICH / 药典等法规文件的明确条款
  • 存疑 信息缺口——数据自相矛盾或缺失,已在正文中如实标注

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