DE10037293A1 - 1,3-Dioxol-2-on-Copolymer - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird ein Copolymer, enthaltend einpolymerisierte Einheiten wenigstens eines 1,3-Dioxol-2-ons der Formel (I) oder eines Hydrolyseprodukts davon DOLLAR F1 und wenigstens eines Vinylethers der Formel (II) DOLLAR F2 worin R·1· und R·2· unabhängig voneinander für Wasserstoff oder C¶1¶-C¶4¶-Alkyl stehen, DOLLAR A R·3· für Wasserstoff oder C¶1¶-C¶6¶-Alkyl und DOLLAR A R·4· für Wasserstoff, C¶1¶-C¶18¶-Alkyl oder C¶2¶-C¶18¶-Alkenyl steht, DOLLAR A m für eine ganze Zahl von 2 bis 4 und DOLLAR A n für eine ganze Zahl von 1 bis 20 steht. DOLLAR A Hydrogele, die durch Hydrolyse der Copolymere erhalten werden, zeigen ein hohes Quellvermögen und sind weitgehend elektrolytstabil.

Description

Die Erfindung betrifft ein 1,3-Dioxol-2-on-Copolymer, das zur Herstellung hydrophiler Gele geeignet ist und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Hydrophile Gele, kurz Hydrogele genannt, haben zahlreiche Anwen­ dungen auf verschiedenen Gebieten gefunden, z. B. als Wundver­ bände, Hygieneartikel, Komponenten für Anstrichmittel oder Kleb­ stoffe, kosmetische Mittel, als Wasserrückhaltemittel in der Landwirtschaft, Trennmembranen, Kontaktlinsen und Arzneimittelde­ potsysteme. Bei den meisten Hydrogelen handelt es sich um ioni­ sche Netzwerke, die anionische Gruppen, z. B. Carbonsäuren und Sulfonsäuren, oder kationische Gruppen, z. B. Amine und deren Salze, aufweisen, welche chemisch an das Polymergerüst gebunden sind. Das Quellvermögen der ionischen Hydrogele ist bekanntlich empfindlich gegenüber der Gegenwart von Elektrolyten, und geringe Mengen bestimmter Salze können ein gequollenes ionisches Hydrogel zum Kollabieren bringen. Bei der Suche nach Elektrolyt-stabilen Hydrogelen wurden daher verschiedene nichtionische Netzwerke her­ gestellt, z. B. auf der Basis von Poly(N-vinylpyrrolidon), Poly(acrylamid), Poly(ethylenglykol) und Poly(2-hydroxyethyl­ methacrylat).

Die DE 32 43 591 offenbart Polymerisate, die aus Einheiten von Vinylencarbonat und mindestens einem weiteren damit copolymeri­ sierbaren Monomeren, wie N-Vinylpyrrolidon, Acrylamid, Vinylace­ tat oder Methacrylsäuremethylester, bestehen. Die Polymerisate dienen als Trägermaterial für biologisch aktive Substanzen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, weitere nichtionische Hydrogele zur Verfügung zu stellen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Copolymer gelöst, das einpolymerisierte Einheiten wenigstens eines 1,3-Dioxol-2-ons der Formel (I) oder eines Hydrolyseprodukts davon

und wenigstens eines Vinylethers der Formel (II)

enthält, worin R¹ und R² unabhängig voneinander für Wasserstoff oder C₁-C₄-Alkyl stehen,
R³ für Wasserstoff oder C₁-C₄-Alkyl und
R⁴ für Wasserstoff, C₁-C₁₈-Alkyl oder C₂-C₁₈-Alkenyl steht,
m für eine ganze Zahl von 2 bis 6, vorzugsweise 2 bis 4, und
n für eine ganze Zahl von 1 bis 20, vorzugsweise 2 bis 12, steht.

Im 1,3-Dioxol-2-on der Formel (I) steht vorzugsweise wenigstens einer der Reste R¹ und R² für Wasserstoff; insbesondere stehen so­ wohl R¹ als auch R² für Wasserstoff. Die Verbindung der Formel (I), in der R¹ = R² = Wasserstoff ist, ist auch unter dem Namen Vinylencarbonat bekannt.

Im erfindungsgemäßen Copolymer können die einpolymerisierten Ein­ heiten des 1,3-Dioxol-2-ons der Formel (I), d. h. die 1,3-Dioxo­ lan-2-on-Einheiten der Formel (III)

ganz oder teilweise durch das Hydrolyseprodukt davon, d. h. durch Einheiten der Formel (IIIa)

ersetzt sein.

Im Vinylether der Formel (II) steht R³ vorzugsweise für Wasser­ stoff. Die Vinylether der Formel (II) weisen eine oder mehrere C₂-C₆-Alkylenoxyeinheiten, vorzugsweise C₂-C₄-Alkylenoxyeinheiten, auf. Bevorzugte Alkylenoxyeinheiten leiten sich von 1,2-Ethylen, 1,2-Propylen, 1,3-Propylen, 1,2-Butylen, 1,4-Butylen ab. Die Vi­ nylether der Formel (II) können an ihrem der Vinylgruppe abge­ wandten Ende eine freie OH-Gruppe aufweisen oder durch eine Al­ kyl- oder Alkenylgruppe, vorzugsweise eine C₁-C₈-Alkyl- oder C₂-C₈-Alkenylgruppe, insbesondere eine C₁-C₄-Alkylgruppe, termi­ niert sein. Geeignete Vinylether der Formel (II) sind z. B. Ethy­ lenglykolmonovinylether, Diethylenglykolmonovinylether, Triethy­ lenglykolmonovinylether, Tetraethylenglykolmonovinylether, Methylethylenglykolvinylether, Methyldiethylenglykolvinylether, Methyltriethylenglykolvinylether, Ethylethylenglykolvinylether, Ethyldiethylenglykolvinylether, Ethyltriethylenglykolvinylether, Ethyltetraethylenglykolvinylether, Propylenglykolmonovinylether, und dergleichen. Ethylenglykolmonovinylether ist aufgrund mögli­ cher Nebenreaktionen, z. B. der Umlagerung zu 2-Methyl-1,3-dioxo­ lan, in der Regel nicht bevorzugt.

Das erfindungsgemäße Copolymer kann neben den Einheiten des 1,3-Dioxol-2-ons der Formel (I) und des Vinylethers der Formel (II) Einheiten weiterer Comonomere, vorzugsweise hydrophiler Co­ monomere, enthalten. Hierzu zählen α,β-ethylenisch ungesättigte Mono- und Dicarbonsäuren, insbesondere solche mit 3 bis 6 Kohlen­ stoffatomen, wie Acrylsäure, Methacrylsäure, Crotonsäure, Fumar­ säure, Maleinsäure, 2-Methylmaleinsäure oder Itaconsäure; (Meth)acrylamide und Alkyl-substituierte (Meth)acrylamide, wie Acrylamid, Methacrylamid, N-tert-Butylacrylamid, N-Methyl(meth)acrylamid; C₁-C₄-Alkylester von ethylenisch ungesät­ tigten C₃-C₆-Mono- oder Dicarbonsäuren, wie Methyl(meth)acrylat, Ethyl(meth)acrylat, N-tert-Butyl(meth)acrylat, C₁-C₄-Hydroxyal­ kylester von ethylenisch ungesättigten C₃-C₆-Mono- oder Dicarbon­ säuren, insbesondere der Acrylsäure, Methacrylsäure oder Malein­ säure, oder deren mit 2 bis 50 Mol Ethylenoxid, Propylenoxid, Bu­ tylenoxid oder Mischungen davon alkoxylierte Derivate, oder Ester von mit 2 bis 50 Mol Ethylenoxid, Propylenoxid, Butylenoxid oder Mischungen davon alkoxylierten C₁-C₁₈-Alkoholen mit den erwähnten Säuren, wie z. B. Hydroxyethyl(meth)acrylat, Hydroxypro­ pyl(meth)acrylat, Butandiol-1,4-monoacrylat, Ethyldiglykolacry­ lat; (Meth)acrylsäureester von C₂-C₆-alkoxylierten C₁-C₁₆-Alkano­ len mit z. B. 2 bis 50 Alkoxyeinheiten, wie Methylpolyglykolacry­ lat (11 EO), (Meth)acrylsäureester von mit 3, 5, 7, 10 oder 30 Mol Ethylenoxid umgesetzten C₁₃/C₁₅-Oxoalkohol bzw. deren Mi­ schungen; Alkylaminoalkyl(meth)acrylate oder Alkylaminoal­ kyl(meth)acrylamide oder deren Quaternisierungsprodukte, wie z. B. 2-(N,N-Dimethylamino)ethyl(meth)acrylat, 3-(N,N-Dimethyla­ mino)propyl(meth)acrylat, 2-(N,N-trimethylammo­ nium)ethyl(meth)acrylat-chlorid, 2-Dimethylaminoethyl(meth)acry­ lamid, 3-Dimethylaminopropyl(meth)acrylamid, 3-Trimethylammonium­ propyl(meth)acrylamid-chlorid; Vinylestern gesättigter C₂-C₈-Car­ bonsäuren, wie Vinylacetat oder Vinylpropionat; N-Vinylamide, wie N-Vinylformamid, N-Vinyl-N-methylformamid, N-Vinylpyrrolidon, N- Vinylcaprolactam; und vinylsubstituierte stickstoffhaltige Hete­ rocyclen, wie N-Vinylimidazol, 1-Vinyl-2-methylimidazol, 1-Vi­ nyl-2-methylimidazolin, Vinylcarbazol, 2-Vinylpyridin und 4-Vi­ nylpyridin.

In bevorzugten Ausführungsformen enthalten die erfindungsgemäßen Copolymere einpolymerisierte Einheiten wenigstens eines Vernet­ zers. Solche Vernetzer sind Verbindungen mit zwei oder mehreren ethylenisch ungesättigten Gruppen, wie beispielsweise Diacrylate oder Dimethacrylate von mindestens zweiwertigen gesättigten Alko­ holen, wie z. B. Ethylenglykoldiacrylat, Ethylenglykoldimethacry­ lat, 1,2-Propylenglykoldiacrylat, 1,2-Propylenglykoldimethacry­ lat, Butandiol-1,4-diacrylat, Butandiol-1,4-dimethacrylat, Hexan­ dioldiacrylat, Hexandioldimethacrylat, Neopentylglykoldiacrylat, Neopentylglykoldimethacrylat, 3-Methylpentandioldiacrylat und 3-Methylpentandioldimethacrylat, sowie Diethylenglykoldiacrylat, Diethylenglykoldimethacrylat, Triethylenglykoldiacrylat, Triethy­ lenglykoldimethacrylat, Tetraethylenglykoldiacrylat oder Tetrae­ thylenglykoldimethacrylat.

Eine besonders bevorzugte Klasse von Vernetzern sind Divinylether der Formel (IV)

worin R³ für Wasserstoff oder C₁-C₄-Alkyl, vorzugsweise Wasser­ stoff, m für eine ganze Zahl von 2 bis 6 und n für eine ganze Zahl von 1 bis 20, vorzugsweise 2 bis 12, steht. Geeignete Ver­ treter von Divinylethern der Formel (IV) sind z. B. Ethylengly­ koldivinylether, Diethylenglykoldivinylether sowie Tetraethylen­ glykoldivinylether.

Die erfindungsgemäßen Copolymere enthalten einpolymerisierte Ein­ heiten von 1,3-Dioxol-2-onen der Formel (I) (bzw. eines Hydroly­ seprodukts davon) und von Vinylethern der Formel (II) vorzugs­ weise in einem molaren Verhältnis von 20 : 1 bis 1 : 20, insbesondere 3 : 1 bis 1 : 3, besonders bevorzugt etwa 1 : 1. Eine besondere Ausfüh­ rungsform der erfindungsgemäßen Copolymere sind lineare alternie­ rende Copolymere, in denen Einheiten des 1,3-Dioxol-2-ons der Formel (I) und des Vinylethers der Formel (II) abwechseln. Diese werden dann insbesondere erhalten, wenn R⁴ in der Formel (II) von Wasserstoff verschieden ist. Werden Vernetzer mitverwendet, ins­ besondere Divinylether der Formel (IV), dann werden diese vor­ zugsweise in einer Menge von 0,05 bis 5 Mol-%, insbesondere 0,1 bis 2 Mol-%, bezogen auf die Gesamtmenge der Monomeren der Formel (I) und (II), eingesetzt.

Die erfindungsgemäßen Copolymere können nach üblichen Polymerisa­ tionsverfahren hergestellt werden, wie Suspensionspolymerisation, Lösungspolymerisation oder Substanzpolymerisation, insbesondere durch Lösungs- oder Substanzpolymerisation, besonders bevorzugt durch Substanzpolymerisation. Es können die üblichen Apparaturen, wie Rührkessel, Autoklaven, Rohrreaktoren oder Kneter, verwendet werden.

Geeignete Lösungsmittel für die Lösungspolymerisation sind bei­ spielsweise Aceton, Dioxan, N,N-Dimethylformamid, N,N-Dimethyl­ acetamid, N-Methylpyrrolidon oder Acetonitril.

Die Polymerisation wird vorzugsweise in Gegenwart von Radikale bildenden Verbindungen (Initiatoren) durchgeführt. Man benötigt von diesen Verbindungen vorzugsweise 0,05 bis 10, besonders be­ vorzugt 0,2 bis 5 Gew.-%, bezogen auf die bei der Polymerisation eingesetzten Monomeren.

Geeignete Polymerisationsinitiatoren sind beispielsweise Per­ oxide, Hydroperoxide, Percarbonate, Peroxoester, Wasserstoff­ peroxid und Azoverbindungen. Beispiele für Initiatoren sind Was­ serstoffperoxid, Dibenzoylperoxid, Dicyclohexylperoxodicarbonat, Dilauroylperoxid, Methylethylketonperoxid, Di-tert-Butylperoxid, Acetylacetonperoxid, tert-Butylhydroperoxid, Cumolhydroperoxid, tert-Butylperneodecanoat, tert-Amylperpivalat, tert-Butylperpiva­ lat, tert-Butylperneohexanoat, tert-Butylper-2-ethylhexanoat, tert-Butylperbenzoat, Azodisobutyronitril, 2-Carbamoyl(azo)isobu­ tyronitril und 4,4-Azobis(4-cyanovaleriansäure). Auch die bekann­ ten Redox-Initiatorsysteme, wie z. B. H₂O₂/Ascorbinsäure können als Polymerisationsinitiatoren verwendet werden.

Die Polymerisation in Gegenwart der erwähnten Polymerisationsini­ tiatoren erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur von 40 bis 180°C, insbesondere 50 bis 90°C.

Erfolgt die Herstellung durch Lösungs- oder Substanzpolymerisa­ tion, können die Copolymere durch Präzipitation oder Extraktion des Reaktionsgemischs mit einem Lösungsmittel, in dem die verwen­ deten Monomeren löslich und die Copolymeren unlöslich oder schwer löslich sind, z. B. einem Ether, wie Methyl-tert-butylether, oder Alkohol, z. B. Isopropanol, isoliert werden. Die Copolymere wer­ den dann zweckmäßigerweise getrocknet.

Zur Herstellung von Hydrogelen werden die primär erhaltenen Copo­ lymere z. B. mit wässriger Base hydrolysiert, wobei die einpoly­ merisierten Einheiten des 1,3-Dioxol-2-ols der Formel (I) zu vi­ cinalen Hydroxylgruppen hydrolysiert werden. Zur Hydrolyse sind insbesondere wässrige Lösungen von Alkalimetallhydroxiden, wie Natrium- oder Kaliumhydroxid, z. B. in einer Konzentration von 1 bis 15 Gew.-%, geeignet. Die Hydrolyse kann bei Raumtemperatur oder leicht erhöhter Temperatur, z. B. 20 bis 50°C, über z. B. 0,5 bis 24 Stunden, erfolgen. Anschließend wird die überschüssige Base vorzugsweise durch Waschen des Hydrogels mit Wasser ent­ fernt.

Die erfindungsgemäß erhaltenen Hydrogele zeichnen sich durch ein hohes Quellvermögen aus, das durch die Gegenwart von Elektrolyten weitgehend unbeeinflusst ist.

Man findet, dass bei der Polymerisation auch in Abwesenheit von Vernetzern in gewissem Umfang vernetzte Produkte, d. h. solche, die in Lösungsmitteln wie Aceton oder Dimethylformamid unlöslich sind, erhalten werden, insbesondere wenn Vinylether der Formel (II) verwendet werden, in denen R⁴ für Wasserstoff steht. Der An­ teil der vernetzten Fraktion nimmt mit der Menge an eingesetztem Polymerisationsinitiator zu. Offensichtlich erfolgen in gewissem Umfang Kettentransferreaktionen, die zur Bildung vernetzter Pro­ dukte führen. Vermutlich beruht dies auf einer Abstraktion von Wasserstoffatomen in Nachbarstellung zur Hydroxylgruppe der Bei­ tenkette einpolymerisierter Reste des Vinylethers der Formel (II). Die dadurch entstehenden Radikalzentren können weitere Mo­ nomere anlagern.

Die erfindungsgemäßen Copolymere weisen gegenüber den 1,3-Dio­ xol-2-on-Homopolymeren, z. B. Polyvinylencarbonat, bzw. deren Hy­ drolyseprodukten erniedrigte Glasübergangstemperaturen auf. Die Einheiten des Vinylethers der Formel (II) bewirken vermutlich eine innere Weichmachung.

Erfindungsgemäße Copolymere oder erfindungsgemäß erhaltene Hydro­ gele eignen sich zur Anwendung auf verschiedenen Gebieten, wie z. B. in Wundverbänden, Hygieneartikeln, als Bestandteile für An­ strichmittel oder Klebstoffe, kosmetische Mittel, Wasserrückhal­ temittel in der Landwirtschaft, zur Immobilisierung von Biomole­ külen, wie Enzymen, zur Herstellung von Trennmembranen, zur Her­ stellung von Kontaktlinsen, Wirkstoffdepots und dergleichen.

Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher veran­ schaulicht.

Materialien

Ethylenglykolmonovinylether (EMVE), Diethylenglykolmonovinylether (DMVE), Methyltriethylenglykolvinylether (MTVE), Diethylenglykol­ divinylether (DDVE), Tetraethylenglykoldivinylether (TDVE) wurden von der BASF AG, Ludwigshafen, Deutschland bezogen und vor der Verwendung im Vakuum destilliert. Vinylencarbonat (VCA) wurde von Aldrich bezogen und durch Destillation unter vermindertem Druck gereinigt. 2,2'-Azoisobutyronitril (AIBN) wurde aus Methanol um­ kristallisiert.

Polymerisation von VCA und Vinylethern

Die Copolymere von VCA und Vinylethern wurden durch Substanzpoly­ merisation bei 60°C über 18 Stunden in Gegenwart unterschiedli­ cher Mengen AIBN erhalten (siehe Tabelle 1 bzw. 2). Hierzu mischte man unterschiedliche Mengen beider Monomere und AIBN und gegebenenfalls Vernetzer in Glasröhrchen, spülte die Glasröhrchen nach vollständiger Auflösung des Initiators im Monomerengemisch mit Stickstoff, verschloss die Glasröhrchen und erwärmte sie 18 Stunden lang in einem Ölbad auf 60°C. Die erhaltenen Produkte wurden mit Methyl-tert-butylether präzipitiert bzw. damit extra­ hiert und im Vakuum bei 70°C getrocknet.

Hydrogelsynthese

Die Copolymere wurden in Stücke von etwa 1 mm Dicke geschnitten und mit einer 5 gew.-%igen wässrigen NaOH-Lösung bei Raumtempera­ tur 12 Stunden zur Hydrolyse behandelt. Anschließend wurde die Probe zur Entfernung restlicher NaOH mehrfach in einem großen Überschuss destilliertes Wasser getaucht, bis das Waschwasser neutral war. Die Hydrogele wurden dann unter vermindertem Druck bei 70°C auf konstantes Gewicht getrocknet.

Quellungsmessungen

Man stellte eine Reihe wässriger Lösungen verschiedener Elektro­ lytsalze, d. h. CaCl₂, LiCl, KCl, NH₄Cl, N(CH₃)₃BzCl (Trimethyl­ benzylammoniumchlorid), Na₂SO₄ und Natriumacetat, sowie von HCl und NaOH mit verschiedenem pH-Wert her. In jede wässrige Lösung wurde eine trockene Hydrogelprobe gegeben und bis zum Gleichge­ wicht quellen lassen. Dann wurde die Gewichtszunahme der Hydro­ gele gemessen. Der Quellgrad S_wt wurde gemäß der folgenden Glei­ chung berechnet:

S_wt = W_e/W_o,

worin W_e und W_o für das Gewicht des gequollenen Hydrogels im Gleichgewicht bzw. für das Gewicht der ursprünglichen Probe ste­ hen.

Die Ergebnisse der Quellungsmessungen an erfindungsgemäßen Hydro­ gelen sind in der rechten Spalte der Tabelle 1 (Wasser pH = 7) sowie in den Tabellen 3 und 4 zusammengefasst.

Tabelle 1

Tabelle 2

Tabelle 3

Tabelle 4

Es zeigt sich, dass das Quellvermögen der erfindungsgemäßen Hy­ drogele durch die Gegenwart von Elektrolytsalzen nicht nennens­ wert beeinflusst wird. Es zeigt sich weiter, dass aus Ethylengly­ kolmonovinylether und VCA auch bei Mitverwendung eines Vernetzers säurelösliche Hydrogele erhalten werden (E-2). Dies beruht ver­ mutlich auf der Ausbildung säure-labiler Strukturen im Copolymer­ gerüst aufgrund von Kettentransferreaktionen bei der Polymerisa­ tion. Es zeigt sich weiter, dass unvernetzte Hydrogele, die aus Copolymeren von Diethylenglykolmonovinylether und VCA erhalten werden, säurelöslich sind (D-1), während vernetzte Hydrogele da­ von säurestabil sind (D-6).

Die Glasübergangstemperaturen verschiedener Copolymere von VCA und Vinylethern sind in Tabelle 5 angegeben.

Tabelle 5

Claims (7)

1. Copolymer, enthaltend einpolymerisierte Einheiten wenigstens eines 1,3-Dioxol-2-ons der Formel (I) oder eines Hydrolyse­ produkts davon
und wenigstens eines Vinylethers der Formel (II)
worin R¹ und R² unabhängig voneinander für Wasserstoff oder C₁-C₄-Alkyl stehen,
R³ für Wasserstoff oder C₁-C₆-Alkyl und
R⁴ für Wasserstoff, C₁-C₁₈-Alkyl oder C₂-C₁₈-Alkenyl steht,
m für eine ganze Zahl von 2 bis 4 und
n für eine ganze Zahl von 1 bis 20 steht.

2. Copolymer nach Anspruch 1, worin n für eine ganze Zahl von 2 bis 12 steht.

3. Copolymer nach Anspruch 1 oder 2, worin R⁴ für C₁-C₄-Alkyl steht.

4. Copolymer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zusätzlich enthaltend einpolymerisierte Einheiten wenigstens eines ver­ netzers.

5. Copolymer nach Anspruch 4, wobei es sich bei dem Vernetzer um einen Divinylether der allgemeinen Formel (IV) handelt
worin R³ unabhängig für Wasserstoff oder C₁-C₄-Alkyl, m für eine ganze Zahl von 2 bis 6 und n für eine ganze Zahl von 1 bis 20 steht.

6. Verfahren zur Herstellung eines Copolymers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem man wenigstens ein 1,3-Dio­ xol-2-on der Formel (I)
und wenigstens einen Vinylether der Formel (II)
worin die Variablen R¹, R², R³, R⁴, m und n die in Anspruch 1 angegebene Bedeutung haben, und gegebenenfalls einen Vernet­ zer in Gegenwart eines radikalischen Polymerisationsinitia­ tors erwärmt und das erhaltene Copolymer gegebenenfalls mit wässriger Base hydrolysiert.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Polymerisation in Ab­ wesenheit eines Lösungs- oder Dispergiermittels erfolgt.