DD299313A5

DD299313A5 - Verfahren zur herstellung von wasserloeslichen sulfaten der cellulose und verwandter polysaccharide

Info

Publication number: DD299313A5
Application number: DD33479289A
Authority: DD
Inventors: Armin Stein; Wolfgang Wagenknecht; Burkhart Philipp; Dieter Klemm; Matthias Schnabelrauch
Original assignee: Friedrich-Schiller-Universitaet Jena,De; Institut F. Technologie Der Polymere,De
Priority date: 1989-11-23
Filing date: 1989-11-23
Publication date: 1992-04-09

Abstract

Verfahren zur Herstellung wasserloeslicher Sulfate der Cellulose und verwandter Polysaccharide, beispielsweise fuer Anwendungen als Verdickungsmittel, Gelbildner und Symplexkapselungskomponente in der Biotechnologie, Pharmazie und Medizin. Das erfindungsgemaesze Verfahren beruht auf der Umsetzung von Trimethylsilylcellulose bzw. Trimethylsilylpolysacchariden mit Sulfatierungsmitteln wie SO3, HSO3Cl, SO2Cl2 in aprotischen organischen Loesungsmitteln unter Homogenbedingungen und anschlieszender Abspaltung der Trimethylsilylgruppen sowie Neutralisation der gebildeten Schwefelsaeurehalbester vorzugsweise zur Na-Salzform. Die bei vorherbestimmbarem Substitutionsgrad in einfacher Weise und hoher Reinheit isolierten Sulfate sind beispielsweise im Falle der Na-Cellulosesulfate ab DS0,25 vollstaendig wasserloeslich.{wasserloesliche Cellulosesulfate; wasserloesliche Polysaccharidsulfate; Verdickungsmittel; Gelbildner; Symplexkapselkomponente; Trimethylsilylcellulose; Trimethylsilylpolysaccharide; aprotische Loesungsmittel; Sulfatierungsmittel}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von wasserlöslichen Sulfaten der Cellulose und verwandter Polysaccharide, die als Viskositätssteigerer, Verdickungsmittel, gelbildende Zusätze sowie als Komponenten zur Herstellung von Membranen und zur Mikrokapselung oder als biologisch aktive Polymere, z.B. als Antikoagulanzien auf den verschiedensten Anwendungsgebieten in dor Nahrungsgüterwirtschaft, der Biotechnologie, der Pharmazie und der Medizin eingesetzt werden können.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Zur Herstellung von Sulfaten der Cellulose und anderer Polysaccharide sind zahlreiche Verfahren bekannt, bei denen das Polymer zumeist unter heterogenen Reaktionsbedingungen oder unter Übergang vom heterogenen zum homogenen Reaktionssystem mit Schwefelsäure, deren Anhydrid oder einem Säurechlorid der Schwefelsäure in einem nichtwäßrigen Medium umgesetzt wird. Hierbei werden in den meisten Fällen Produkte erhalten, die entweder nicht oder erst bei einem hohen Substitutionsgrad von S 1,5 vollständig in Wasser löslich sind und bei ihrer Herstellung einem erheblichen Kettenlängenabbau unterliegen, so daß sie für eine Reihe der eingangs genannten Anwendungsgebiete ungeeignet sind. Umfassende Zusammenstellungen der Herstellungsmethoden einschließlich der Patentliteratur zu Cellulosesulfaten werden in „Methoden

der organischen Chemie" (Houben-Weyl) G.Thleme-Verlag Stuttgart 1987, BdE 20/3 S.2119-2121 und von B.Philipp u. W. Wagenknecht, CeIIuI. Chem. Technol. 17 (1983) 443-459 gegeben. Entsprechende Übersichten für Sulfate der Stärke finden sich in »Methoden der organischen Chemie" (Houben-Weyl) C.Thleme-Verlag Stuttgart 1987, Bd. E 20/3 S. 2161-2163 und für verschiedene weitere Polysaccharide bei K.B.Guiseley, Sulfatation of Polysaccharides, ACS Symp. Ser. 77 (1978) 148-162, Technische Relevanz kommt aus technisch-ökonomischer Sicht vor allem den Syntheseverfahren auf Cellulose- oder Stärkebasis zu.

Zur Erzielung wenig abgebauter und schon bei niedrigem Substitutionsgrad (S 0,2) völlig wasserlöslicher Sulfate der Cellulose ist es (R.G.Schweiger, Carbohydrate Sulfates, ACS Symp. Ser. 77 [1978] 163) vielmehr erforderlich, die Cellulose zunächst in einem dafür geeigneten Medium aufzulösen und unter homogenen Reaktionsbedingungen zu sulfatieren. Eine Auflösung der Cellulose in verschiedenen nicht derivatisierenden Lösungsmittelsystemen wie z. B. N-Methylmorpholin-N-oxid, Dimethylacetamid/LICI oder SO₂/aliphatisches Amin/polare organische Flüssigkeit erwies sich für den angestrebten Zweck als ungeeignet, da die Systeme bei der anschließenden Sulfatierung z.T. koagulieren bzw. infolge exothermer Nebem eaktionen stark abgebaute und/oder stark verunreinigte Produkte erhalten werden (W. Wagenknecht, B.Philipp, H.Schleicher, Acta Polymerica 30 [1979] 108; W. Wagenknecht, B.Philipp u. M. Kock, Acta Polymerica 36 [1985] 697). Die Sulfatierung von Stärke kann bei Verwendung entsprechend stabiler Trialkylamin/SOs-Komplexe auch im wäßrigalkalischen System vorgenommen werden (US-PS 2786833 und US-PS 2967178). Auf diesem Wege sind jedoch ausschließlich niedrig substituierte Produkte zugänglich. Außerdem bleibt die Methode zur Herstellung wasserlöslicher Polysaccharid-Sulfate ohne gravierenden hydrolytischen Polymerabbau auf bereits weitgehend wasserlösliche Polysaccharide beschränkt. Schon bei niedrigem Substitutionsgrad wasserlösliche Cellulosesulfate mit hoher Lösungsviskosität wurden bisher ausschließlich nach Auflösung der Cellulose im NjOj/Dimethylformamid-System erhalten, wobei die Sulfatierung des primär gebildeten DMF-Iö suchen Nitritesters der Cellulose (R. G. Schweiger, Tappi 57 (1974] 86) während oder nach erfolgter Auflösung η it Schwefeltrioxid (US-PS 4035569, DE-OS 2120964, D-OS 2530541), mit Schwefeldioxid (DD-WP 152565, DD-WP 211688), mit Nitrosylhydrogensulfat (Cellulose Chem. Techn. 17 [1983], 443-459), mit Acetylschwefelsäura (US-PS 4480091) oder mit Sulfaminsäuresalzen (SU-PS 1150 253) vorgenommen werden kann. Nach allen genannten Verfahrensvarianten werden Produkte erhalten, deren Eigenschaftsbild für die eingangs genannten Anwendungsgebiete geeignet erscheint. Die Herstellungsweise solcher Produkte beinhaltet jedoch eine Reihe technologischer Probleme, die eine Synthese im technischen Maßstab nur mit einem unverhältnismäßig hohen Aufwand gestatten, wenn reproduzierbare Produktparameter gewährleistet sein sollen und der Herstellungsprozeß den Forderungen des Gesundheits- und Umweltschutzes Rechnung tragen soll. Unter diesen technologische Nachteile und Schwierigkeiten bedingenden Problemen sind folgende besonders hervorzuheben:

- Das Arbeiten mit N₂O₄ impliziert komplizierte Redoxvorgänge bei der Bildung und Zersetzung des Cellulosenitritesters in einem stark aciden Medium, wobei dieser Redoxprozeß und ein damit im Zusammenhang stehender hydrolytischer Celluloseabbau im technischen Maßstab nur schwierig und mit großem Aufwand reproduzierbar geführt werden kann.

- Die unter Abspaltung der Nitritestergruppen erfolgende Isolierung des Cellulosesulfats gestaltet sich schwierig, da entweder eine Verunreinigung des Endproduktes Na-Cellulosesulfat durch große Mengen anorganischer Salze in Kauf genommen werden muß, die sich nur mit großem Aufwand vollständig entfernen lassen oder im Falle der Isolierung der sauren Halbesterform (H⁺-Form) des Cellulosesulfats ein unkontrollierter Kettenlängenabbau schwer zu vermeiden ist, und um gut handhabbare Fällungen zu erhalten, z. B. aus einer Emulsion mit zwei Flüssigphasen gefällt werden muß, was den Prozeß wesentlich verteuert.

- Bei der Herstellung von Cellulosesulfat nach dem Nitritverfahren treten im Laufe des Prozesses stark toxische Nebenprodukte auf, von denen hier vor allem Dimethylnitrosamin genannt sei, das aus dem im DMF stets vorhandenen Dimethylamin durch Umsetzung mit N₂O₄ entsteht und dessen gefahrlose Handhabung und Beseitigung einen unverhältnismäßig hohen Aufwand erfordert und in keinem Falle völlig risikolos ist.

Zusammenfassend läßt sich der heutige Stand der Technik dahingehend umreißen, daß zwar Verfahren bekannt sind, die zu Cellulosesulfat^ und Sulfaten anderer Polysaccharide mit den geforderten Anwendungseigenschaften führen, daß aber diese bisher bekannten Verfahren für eine technische Realisierung einen sehr hohen Aufwand erfordern und gleichzeitig Umweltrisiken beinhalten.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist ein technisch einfaches Verfahren zur Herstellung wasserlöslicher Sulfate der Cellulose und verwandter Polysaccharide mit einem einstellbaren, dem Verwendungszweck anpaßbaren Substitutionsgrad unter Vermeidung toxischer Nebenprodukte, wobei ein ausreichend geringer Fremdsalzgehalt bei vergleichsweise einfacher Aufarbeitung erreicht werden soll.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, das es gestattet, Cellulose und verwandte Polysaccharide unter Vermeidung toxischer Nebenprodukte in einem homogenen System bis zu gezielt einstellbaren Substitutionsgraden weitgehend abbaufrei zu sulfatieren, dabei vollständige Wasserlöslichkeit der Produkte schon bei niedrigen Sulfatierungsgraden zu erreichen und diese Produkte bei vergleichsweise einfacher Aufarbeitung in hoher Reinheit zu erhalten. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in aprotisch organischen Lösungsmitteln lösliche O-Trimethylsilylceliulose bzw. trimethylsilylierte Polysaccharide mit einem geeigneten Sulfatierungsmittel in Gegenwart von aprotischen organischen Lösungsmitteln bis zum gewünschten Sulfatierungsgrad umgesetzt, die erhaltenen Produkte ggf. ausgefällt bzw. von nicht umgesetztem Sulfatierungsmittel befreit und nach oder während der Abspaltung der vorhandenen Triinethylsilylgruppen in eine stabile Salzform des Schwefelsäurehalbesters überführt werden.

Als Ausgangspolymere für die Sulfatierung kommen organolösllche, partiell oder vollständig trimethylsilylierte Cellulose bzw.

verwandte Polysaccharide wie z. B. Stärke oder Xylan mit Silylierungsgraden von 10% bis 100%, vorzugsweise von 30% bis 90%der enthaltenen Hydroxylgruppen, in Frage.

Geeignete Lösungsmittel sind z. B. Dimethylformamid (DMF) für Trimethylsilylcellulose (DG ~ 1,6) oder Tetrahydrofuran (THF)

für Trimethylsilylcellulose (DS ^ 2,0). Als Sulfatierungsmittel dient Schwefeltrioxid oder Chlorsulfonsäure oder Sulfurylchlorid,vorzugsweise in komplexierter Form, z. B. mit DMF oder Dimethylsulfoxid, vorzugsweise als 3· bis 20%ige Lösung, z. B. in DMFoder THF.

Öle silylierten Polysaccharide liegen dabei zu Beginn oder während der gesamten Umsetzung als homogene Phase vor. Dadurch

wird eine gleichmäßige Verteilung des Sulfatierungsmittels im Reaktionsgemisch und eine gute Durchmischbarkeit desselbengewährleistet, was für die Ausprägung der Vorzüge des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere einer hohen

Gleichmäßigkeit der Substituentenverteilung entlang und zwischen den Polymerketten wesentlich ist. Je nach angestrebtem Sulfatierungsgrad und verwendetem Ausgangspolymer werden 0,1 bis 9,0 mol, vorzugsweise 0,4 bis

4,0 mol Sulfatierungsmittel pro mol silyiertem Monomerbaustein des Polysaccharide eingesetzt.

Die Dosierung des Sulfatierungsmittels erfolgt unter ständiger Durchmischung des Reaktionssystems innerhalb von 5min bis

2 h, vorzugsweise innerhalb von 15min bis 1 h. Eine raschere Zugabe kann insbesondere bei unverdünntem Sulfatierungsmittelzur Koagulation des Systems führen.

Als Reaktionszeiten sind 20min bis 16h, vorzugsweise 30mlnbls 3h und als Reaktionstemnoimuren -10°C bis 40⁰C,

vorzugsweise O⁰C bis 25°C, geeignet. Alle Operationen bis zum Ende der Sulfatierung werden unter Ausschluß von Feuchtigkeitvorgenommen (Restwassergehalt der verwendeten Lösungsmittel max. 0,02%). Unter den genannten Bedingungen tretenpraktisch keine störenden Nebenreaktionen oder Polymerabbau auf.

Die Aufarbeitung und Reinigung der Reaktionsprodukte erfolgt je nach Wahl der eingesetzten trimethylsily lierten Polysaccharide

und Lösungsmittel nach verschiedenen Varianten. Die gebildeten Schwefeisäurehalbester der trimethylsilylierten

Polysaccharide liegen dabei entweder als Lösung vor, z. B. bei Einsatz von Trimethylsilylcellulose (DS ~ 1,5) in DMF oder aber

fallen im Verlaufe der Reaktion als Fällung an, z. B. bei Einsatz von Trimethylsilylcellulose (DS δ 2,0) in THF.

Im erstgenannten Falle wird das Polymer z. B. mit Tetrahydrofuran oder Aceton oder Ethanol in gut filtrierbarer Form ausgefällt,

abgesaugt oder zentrifugiert und gründlich mit Fällungsmittel gewaschen, bis sich kein überschüssiges Sulfatierungsmittel als

SO₄ ²' bzw. Cl" mehr nachweisen läßt. Im anderen Fall kann das Polymer sofort ve η der Reaktionslösung abgetrennt und

gewaschen werden.

Erfolgt die Fällung bzw. Wäsche in Gegenwart protischer MediGn, z. B. 96% Ethanol, wird zugleich ein gioßer Teil der Trimethylsilylgruppen vom sulfatierten Polysaccharid abgespalten und das dabei gebildete Hexamethyldisiloxan entfernt. Die Umsetzung der nach den verschiedenen Varianten erhältlichen, noch hydrolyseempfindlichen H⁺-Form des Polysaccharidsulfates zum stabilen Endprodukt, vorzugsweise zum entsprechenden Na-SaIz, erfoglt durch Neutralisation z.B.

mit in Ethanol gelöster NaOH (ca. 1%ige Lösung) unter heterogenen Bedingungen. Bei diesem Neutralisterungsschritt findetzugleich die Abspaltung noch vorhandener Trimethylsilylgruppen statt. Zur Entfernung anhaftender niedermolekularer

Reaktionsprodukte, in erster Linie von Hexamethyldisiloxan, wird anschließend nochmals mit 96%lgem Ethanol gewaschen, bis

eine Probe des Präparates in kaltem Wasser klar löslich ist. Anschließend wird das Na-Polysaccharidsulfat bei einer Temperaturvon z. 8.60⁰C im Vakuumtrockenschrank getrocknet.

Bei sachgerechter Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt das Endprodukt ein rein weißes, geruchloses Pulver

dar, das in Wasser mit neutraler Reaktion klar löslich ist, wobei bei Einsatz einer Trimethylsilylcellulose ausgehend von

Baumwoll-Linters (DP_CuOx - 1400) Na-Cellulosesulfate mit einem DS zwischen 0,3 und 1,0 erhalten werden, deren 1%ige wäßrige Lösungen eine Lösungsviskosität bis zu SOOOmPas aufweisen und sich Produkte mittlerer Lösungsviskosität für die Symplex- Mikrokapselung eignen. Ausführungsbeispiele

Beispiel 1 ' ,

5,5g (0,02 mol) Triemthylsilylcellulose (DS 1,55) werden in 200ml trockenem Dimethylformamid gelöst. Unter Feuchtigkeitsausschluß wird bei 20°C innerhalb von 30 min unter Rühren eine frisch bereitete Lösung, bestehend aus 0,8 g (0,01 mol) SO₃, in 25 ml Dimethylformamid zugetropft. Danach wird noch 1 h gerührt. Im Anschluß wird mit Tetrahydrofuran ausgefällt und gewaschen, bis sich kein Sulfat mehr in der Waschlösung nachweisen läßt. Die erhaltene THF-feuchte Fällung wird mit ethanolischer Natronlauge (1 % NaOH in 90%igem wäßrigen Ethanol) neutralisiert und 30min unter Luftabschluß gerührt. Das Produkt wird mit 96%igem Ethanol gewaschen und im Vakuumtrockenschrank bei 13,3Pa, 6O⁰C getrocknet. Das Polymer ist vollständig löslich in Wasser

Ausbeute: 3,6 g, S 5,40%, DS = 0,33

Beispiel 2 EineTrimethylsilylcellulose-Lösung nach Bsp.1 wird nach Zudosierung von 6,4 g (0,08 mol) SO₃ in 100 ml Dimethylformamid

analog Bsp. 1 umgesetzt und weiterverarbeitet. Das erhaltene Polymer ist vollständig löslich in Wasser.

Ausbeute: 5,8g, S 15,97%, DS = 1,64 Beispiel 3

7g (0,02 mol) Trimethylsilylcellulose (DS 2,64) werden in 300ml trockenem Tetrahydrofuran gelöst. Unter Feuchtigkeitsausschluß wird bei Raumtemperatur innerhalb von 30min unter Rühren eine frisch bereitete Lösung, bestehend aus 4,8g (0,06 mol) SO₃ in 75ml Dimethylformamid zugetropft. Danach wird noch 30min gerührt, die entstandene Fällung abgesaugt und mit 96%igem Ethanol gewaschen, bis sich kein Sulfat mehr in der Waschflüssigkeit nachweisen läßt. Die erhaltene Fällung wird mit ethanolischer Natronlauge, entsprechend Beispiel 1, neutralisiert. Das Produkt wird mit 96%igem Ethanol gewaschen und im Vakuumtrockenschrank bei 13,3Pa, 6O⁰C getrocknet. Das Polymer ist vollständig löslich in Wasser. Ausbeute: 5,0g, S 12,51%, DS = 1,05

Beispiel 4 Eine Trimethylsilylcellulose-Lösung nach Bsp. 1 wird nach Zudoslerung von 1,2 g (0,02 moi) Chlorsulfonsäure in 25 ml Dimethylformamid analog Bsp. 1 umgesetzt. Das Reaktionsprodukt wird mit 96%igem Ethanol gefällt und gewaschen, bis sich in

der Waschflüssigkeit kein Sulfat bzw. Chlorid mehr nachweisen läßt. Die ethanoifeuchte Fällung wird wie In Bsp.1 neutralisiertund weiterverarbeitet. Das Produkt ist vollständig wasserlöslich.

Ausbeute: 3,6g, S 6,61 %, DS = 0,42 Beispiel S Eine Lösung von Trlmethysilylcellulose nach Bsp. 1 wird mit 1,35g (0,02 moi) Sulfurylchlorid In 25ml Dimethylformamid analog Bsp. 4 umgesetzt und weiterverarbeitet. Das Produkt Ist vollständig wasserlöslich. Ausbeute: 3,5g, S 5,65%, DS = 0,35 Beispiel 6 Zu 5,4g (0,02 moi) Trimethylsilylstärke (DS 1,46), gelöst in 200ml trockenem Dimethyiformamid, wird unter Feuchtigkeitsausschluß und Rühren bei 20⁰C innerhalb von 30min eine frisch bereitete Lösung aus 3,2g (0,04 moi) SO₃ in 50ml Dimethylformamid zugetropft. Nach 1 h Rühren wird mit Aceton ausgefällt und gewaschen, bis sich kein Sulfat mehr In der Weschlösung nachweisen läßt. Die erhaltene Fällung wird mit ethanolischer Natronlauge neutralisiert und analog Bsp. 1

gewaschen und getrocknet. Das Polymer ist vollständig löslich in Wasser.

Ausbeute: 4,8g, S 12,35%, DS = 1,03

Claims

1. Vorfahren zur Herstellung von wasserlöslichen Sulfaten der Cellulose und verwandter Polycaccharide, dadurch gekennzeichnet, daß in aprotischer organischen Lösungsmitteln lösliche O-Trimethylsilylcellulose bzw. trimethylsilylierte Polysaccharide, mit einem Sulfatierungsmittel in Gegenwart von aprotischen organischen Lösungsmitteln umgesetzt, die erhaltenen Produkte ggf. ausgefällt, von nicht umgesetztem Sulfatierungsmittel befreit und nach oder während der Abspaltung der vorhandenen Trimethylsilylgruppen in eine stabile Salzform des Schwefelsäurhalbesters überführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als trimethylsilylierte Polysaccharide die O-Trimethylsilylether von der Cellulose verwandten Polysacchariden, insbesondere der Stärke oder des Xylan, verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Silylierungsgrad der eingesetzten O-Trimethylsilylcellulose bzw. dertrimethylsilylierten Polysaccharide 10% bis 100%, vorzugsweise 30% bis 90%, der enthaltenen Hydroxylgruppen beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Sulfatierungsmittel Schwefeltrioxid oder Chlorsulfonsäure oder Sulfurylchlorid, vorzugsweise in Form eines Komplexes mit einer aprotischen Komponente wie z. B. Dimethylsulfoxid oder Dimethylformamid, vei wendet werden.

5. Verfahren nach Anspru 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Sulfatierungsmittel in einer Menge von 0,1 bis 9,0 mol, vorzugsweise 0,4-4,0 mol, pro mol silyliortem Monomerbaustein des Polysaccharides ggf. in aprotischen organischen Lösungsmitteln gelöst verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als aprotische organische Lösungsmittel vorzugsweise Tetrahydrofuran, Dimethylformamid oder Mischungen dieser Lösungsmittel verwendet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zudosierung des Sulfatierungsmittels zum silylierten Polysaccharid innerhalb von 5 min bis 2h, vorzugsweise innerhalb von 15 min bis 1 h, durchgeführt wird und die Reaktionszeit insgesamt 20 min bis 16 h, vorzugsweise 30 min bis 3 h, bei Temperaturen zwischen -10⁰C und 4O⁰C, vorzugsweise zwischen 0⁰C und 25°C, beträgt.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß überschüssiges Sulfatierungsmittel vom ggf. mit einem geeigneten Fällungsmittel wie z. B. THF, Aceton oder Ethanol ausgefällten polymeren Reaktionsprodukt vorder Überführung in eine stabile Salzform des Schwefelsäurehalbesters, vorzugsweise durch Auswaschen, abgetrennt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die polymeren Reaktionsprodukte durch Neutralisation mit einer Base, vorzugsweise NaOH, in Gegenwart protischer Medien, vorzugsweise Ethanol, Methanol, Wasser oder deren Mischungen, nach oder während der Abspaltung der vorhandenen Trimethylsilylgruppen in eine stabile Salzform des Schwefelsäurehalbesters, vorzugsweise das Natriumsalz, überführt werden, das ggf. zu einem trockenen Produkt verarbeitet wird.