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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung mehrfach
Carbonat-terminierter Urethane.
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Für
eine Vielzahl von Materialien und Anwendungen ist die dauerhafte
Funktionalisierung von Oberflächen von Bedeutung. Materialoberflächen
können zum Beispiel durch Beschichtung mit Heparin biokompatibel
gemacht werden. Andere Anwendungen sind schmutzabweisende und bakteriostatische
Ausrüstungen und die Verbesserung der Haftung von Klebstoffen
und Lacken.
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Auch
die gezielte Modifizierung von Biomolekülen ist in vielen
Fällen wünschenswert. So ist es beispielsweise
bekannt, dass die biologische Halbwertszeit verschiedener Wirkstoffe
durch Anfügen von Polyoxyalkylenresten verbessert werden
kann.
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Aus
EP-A-1 541 568 sind
beispielsweise reaktive cyclische Carbonate der allgemeinen Formel
1 bekannt,
wobei R' für C
1-C
12 Alkylen steht
und R'' verschiedenste organische Reste darstellen kann. Diese reaktiven
cyclischen Carbonate lassen sich mit Nukleophilen, z. B. Hydroxy-
oder primären oder sekundären Aminogruppen von
Biomolekülen, Polymeren oder an Substratoberflächen
umsetzen, wobei es zur Öffnung des cyclischen Carbonatrings
kommt unter gleichzeitiger kovalenter Anbindung an das Biomolekül,
das Polymer oder sonstige Substratoberflächen.
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Die
Herstellung der reaktiven cylischen Carbonate der Formel (1) erfolgt
dabei durch Umsetzung der phenylsubstituierten cyclischen Carbonate
der allgemeinen Formel (2),
mit Aminen der allgemeinen
Formel (3)
H2N-R (3)
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Nachteilig
ist bei dieser Synthese die Freisetzung von Phenol als Nebenprodukt
der Substitution mit dem Amin in äquimolaren Mengen. Je
nach erhaltenem Reaktionsprodukt der Formel (1) ist die Abtrennung des
toxikologisch problematischen Phenols mit hohem Aufwand verbunden.
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Die
US-A-5,115,045 betrifft
Isocyanat-reaktive Zusammensetzungen, die zur Herstellung von Polyurethanen
eingesetzt werden. Diese Isocyanat-reaktiven Zusammensetzungen basieren
auf dem Umsetzungsprodukt von (a) einem Di- oder Polychlorformiatester
des Typs Q-[X-COY]
n, wobei X Sauerstoff
und Y Chlor bedeuten kann, n mindestens 2 ist und Q einen organischen
Rest darstellt, mit (b) einer mehrfach-funktionellen Verbindung,
die neben den funktionellen Gruppen, welche mit dem Di- oder Polychlorformiatester
(a) abreagieren, zwingend mindestens eine Imino- oder Enaminogruppe
enthalten muss. Es werden keine Di- oder Polychlorformiatester (a)
beschrieben, die cyclische Carbonatgruppen aufweisen. Die Herstellung
der Di- oder Polychlorformiatester erfolgt durch Umsetzung von Polyolen
mit Acylierungsmitteln wie Phosgen. Aus den Info- und/oder Enaminogruppen,
die in der mehrfach-funktionellen Verbindung (b) enthalten sind,
kann später durch Hydrolyse eine gegenüber Isocyanaten
reaktive Aminogruppe erhalten werden.
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Aus
DE-A-26 095 02 ist
ein Verfahren bekannt, in dem ein bifunktionelles Isocyanat mit
einem Polyoxyalkylenpolyamin umgesetzt werden kann. Dabei werden
Koppelprodukte erhalten, die über Harnstoffgruppen miteinander
verbunden sind.
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Aus
EP-A-0 328 150 ist
ein Verfahren bekannt, dass die Umsetzung von Cyclocarbonatterminierten Alkoholen
mit Carbonsäureanhydriden beschreibt. Dabei werden Cyclocarbonatterminierte
Ester erhalten, die für vielfältige weitere Reaktionen
verwendet werden können. Beschrieben wird ferner in Beispiel
18 die Umsetzung von Hexamethylendiisocyanat mit Glycerincyclocarbonat
in Dimethoxyethan. Hierbei wird ein deutlicher Überschuss
von 3 Äquivalenten Hexamethylendiisocyanat bezogen auf
1 Äquivalent Glycerincyclocarbonat eingesetzt. Die Entfernung
des nach der Umsetzung zurückbleibenden Hexamethylendiisocyanats
ist ein wirtschaftlich und auch ökologisch unerwünschter
Zusatzschritt.
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Da
ein hoher Bedarf nach reaktiven cyclischen Carbonaten zur Oberflächenbehandlung
besteht, lag dieser Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes
Herstellverfahren bereitzustellen.
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Gegenstand
der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Verbindungen
der allgemeinen Formel (I),
worin
R
1 für
C
1-C
12-Alkylen steht,
k
eine ganze Zahl von größer 1 steht und
R
2 für einen k-valenten aliphatischen,
cycloaliphatischen, aromatischen oder araliphatischen Kohlenwasserstoff-Rest
steht, der gegebenenfalls ein oder mehrere Heteroatome enthält,
durch
Umsetzung einer Verbindung der allgemeinen Formel (II)
worin R
1 die
für die allgemeine Formel (I) genannte Bedeutung hat, mit
einer Verbindung der allgemeinen Formel (III),
worin k und R
2 die
für die allgemeine Formel (I) genannten Bedeutungen haben,
wobei
1–2 Äquivalente der Verbindung der allgemeinen
Formel (II) bezogen auf 1 Äquivalent der Verbindung der
allgemeinen Formel (III) eingesetzt werden.
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Ein
Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht
in der Vermeidung von Phenol als Nebenkomponente. Insbesondere vorteilhaft
ist, dass es sich bei dieser Reaktion um eine Additionsreaktion
handelt, bei der prinzipiell keine weiteren Nebenkomponenten entstehen.
Es handelt sich somit um ein Verfahren, welches atomökonomisch
eine vollständige Ausbeute liefert. Darüber hinaus
ist es nicht erforderlich, das Di- oder Polyisocyanat der allgemeinen
Formel (III) in einem Überschuss einzusetzen. Eine Abtrennung überschüssigen Di-
oder Polyisocyanats nach der erfindungsgemäßen
Umsetzung ist daher meistens nicht erforderlich. Nichtsdestotrotz
werden exzellente Ausbeuten an der gewünschten Verbindung
der allgemeinen Formel (I) erhalten.
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Die
Isocyanate der allgemeinen Formel (III) können durch Umsetzung
der entsprechenden Amine der allgemeinen Formel (IV) mit Phosgen
hergestellt werden,
worin k und R
2 die
für die allgemeine Formel (I) genannten Bedeutungen haben,
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Sofern
in dieser Anmeldung der Begriff „substituiert" verwendet
wird, so bedeutet dies im Sinne dieser Anmeldung, dass ein Wasserstoff-Atom
an einem angegebenen Rest oder Atom durch eine der angegebenen Gruppen
ersetzt ist, mit der Maßgabe, dass die Wertigkeit des angegebenen
Atoms nicht überschritten wird und die Substitution zu
einer stabilen Verbindung führt.
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Im
Rahmen dieser Anmeldung und Erfindung können alle zuvor
genannten und im Folgenden genannten, allgemeinen oder in Vorzugsbereichen
genannten Definitionen von Resten, Parameter oder Erläuterungen untereinander,
also auch zwischen den jeweiligen Bereichen und Vorzugsbereichen
in beliebiger Weise kombiniert werden.
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Im
erfindungsgemäßen Verfahren werden bevorzugt Verbindungen
der allgemeinen Formel (II) eingesetzt, worin R1 einen
C1-C6-Alkylen-Rest,
besonders bevorzugt einen Methylen-, Ethylen-, n-Propylen, n-Butylen-
oder n-Hexamethylenrest darstellt.
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Geeigneterweise
werden im erfindungsgemäßen Verfahren Verbindungen
der allgemeinen Formel (III) eingesetzt, worin
k eine ganze
Zahl größer 1, insbesondere 2 oder 3 ist,
R2 für einen k-valenten, insbesondere
di- oder trivalenten, aliphatischen, cycloaliphatischen, aromatischen oder
araliphatischen Kohlenwasserstoff-Rest steht, der gegebenenfalls
ein oder mehrere Heteroatome enthält.
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Bevorzugt
werden Verbindungen der allgemeinen Formel (III) eingesetzt, bei
denen
k 2 oder 3 ist,
R2 für
einen di- oder trivalenten, aliphatischen, cycloaliphatischen, aromatischen
oder araliphatischen Kohlenwasserstoff-Rest steht, der ausschließlich
ein oder mehrere Sauerstoffatome als Heteroatome enthält.
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Besonders
bevorzugt werden ferner Verbindungen der allgemeinen Formel (III)
eingesetzt, bei denen
k 2 ist,
R2 für
eine -[(C2-C6-Alkylen-O-)x-(C2-C6-Alkylen)]-Gruppe,
worin die beiden Alkyleneinheiten gleich oder verschieden sind und
x = 1–50 ist, bevorzugt x = 1–40, steht oder für
eine
-[(C2-C6-Alkylen-O-)x-(C2-C6-Alkylen-O-)y-(C2-C6-Alkylen-O-)z-C1-C6Alkylen]-Gruppe
steht, wobei die drei Alkyleneinheiten verschieden sind bzw. die
erste mit der dritten identisch sein kann, und wobei x = 0–50,
insbesondere x = 1–40, y = 1–50, insbesondere
y = 1–40, und z = 1–50, insbesondere z = 1–40
ist.
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Als
Amine der allgemeinen Formel (IV), die zur Herstellung der Verbindungen
der allgemeinen Formel (III) eingesetzt werden können,
sind beispielsweise die folgenden geeignet: Polyetherdiamine, Ethylendiamin, Propylendiamin,
Butylendiamin, Hexamethylendiamin, MDA, TDA, Diaminobenzol, Diaminocyclohexan,
Diaminomethylcyclohexan, TCD-Diamin, 1,4-Bis-(3-aminopropyloxy)butan,
Tris-(2-aminoethyl)amin, 1,4-Bis-(3-aminopropyl)piperazin, Bis-(3-aminopropyl)amin
und Triethylentetramin.
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Als
Polyetherdiamine der allgemeinen Formel (IV), die zur Herstellung
der Verbindungen der allgemeinen Formel (III) einsetzbar sind, können
beispielsweise Handelsprodukte der Huntsman Corporation wie Jeffamin
D-230, Jeffamin D-400, Jeffamin D-2000, Jeffamin D-4000, Jeffamin
ED-600, Jeffamin ED-2003 und Jeffamin EDR-148 verwendet werden.
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Im
erfindungsgemäßen Verfahren werden 1 bis 2 Äquivalente
der Verbindung der allgemeinen Formel (II) bezogen auf 1 Äquivalent
der Verbindung der allgemeinen Formel (III) eingesetzt. Bevorzugt
werden 1 bis 1,5 Äquivalente, besonders bevorzugt 1 bis
1,2 Äquivalente und insbesondere 1 Äquivalent
der Verbindung der allgemeinen Formel (II) bezogen auf 1 Äquivalent
der Verbindung der allgemeinen Formel (III) eingesetzt.
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Das
erfindungsgemäße Verfabren wird üblicherweise
bei einer Temperatur im Bereich von 0°C bis 220°C
durchgeführt. Bevorzugt wird das erfindungsgemäße
Verfahren bei einer Temperatur im Bereich von 10°C bis
200°C und besonders bevorzugt im Bereich von 20°C
bis 150°C durchgeführt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren kann so durchgeführt
werden, dass die Verbindung der allgemeinen Formel (III), gegebenenfalls
gelöst in einem inerten Lösungsmittel, vorgelegt
wird und anschließend die Verbindung der allgemeinen Formel
(II), gegebenenfalls ebenfalls gelöst in dem gleichen oder
in einem verschiedenen inerten Lösungsmittel, zu dem Isocyanat
gegeben wird.
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In
einer alternativen Ausführungsform wird die Verbindung
der allgemeinen Formel (II) vorgelegt und anschließend
die Verbindung der allgemeinen Formel (III) zugegeben, wobei beide
Substanzen gegebenenfalls mit dem gleichen oder verschiedenen inerten
Lösungsmittel verdünnt sein können.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren kann auch kontinuierlich
betrieben werden. Dabei erfolgt die Zugabe des Di- oder Polyisocyanats
der allgemeinen Formel (III) gleichzeitig mit der Zugabe der Verbindung
der allgemeinen Formel (II) in eine geeignete Apparatur.
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Es
sei ausdrücklich erwähnt, dass beide vorgenannten
Ausführungsformen auch in Abwesenheit von Lösungsmitteln
durchgeführt werden können.
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Geeignete
Lösungsmittel sind beispielsweise Toluol, Xylole, Chlorbenzol,
1,2-Dichlorbenzol, Tetrahydrofuran, Diethylether, Dioxan, Methyltetrahydrofuran,
Cyclopentylmethylether, Dibutylether, 1,2-Dichlorethan, Dichlormethan,
Chloroform, Dimethoxyethan, Acetonitril, Cylohexan, Methylcyclohexan,
Cyclopentan, Heptan, Hexan, Diethylenglycoldimethylether, Ethylbenzol
und Methyl-tert-butylether.
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Die
Isolierung der Verbindungen der allgemeinen Formel (I) kann durch
Destillation, Kristallisation, Chromatographie oder Gefriertrocknung
erfolgen.
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Die
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen
Verbindungen der allgemeinen Formel (I) lassen sich mit funktionellen
Gruppen wie z. B. Hydroxygruppen oder primären oder sekundären
Aminogruppen umsetzen, die in Biomolekülen, Polymeren oder
Substratoberflächen enthalten sind. Hierbei kommt es zur Öffnung
des cyclischen Carbonatrings unter kovalenter Anbindung an das Biomolekül,
das Polymer oder die Substratoberfläche. Auf diese Weise
ist es möglich, die oben definierte Vielzahl von Resten
R2 und R3 in Biomoleküle
oder Polymere einzuführen oder an Substratoberflächen
zu binden.
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Der
Begriff „Biomolekül" soll dabei alle Moleküle
umfassen, die aus biologischen Systemen isoliert werden können
und/oder mit biologischen Systemen oder Teilen davon in Wechselwirkung
treten können. Hierzu zählen vor allem Peptide,
Proteine, Proteoglykane, Enzyme, Markierungsstoffe, Antikörper,
Rezeptormoleküle, Antigene und Wirkstoffe. Spezielle Beispiele
sind Heparin, Gewebeplasminogenaktivator, Streptokinase und Prostaglandine.
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Als
Polymere sind beispielsweise Polyamine oder Polyole einsetzbar.
Beispiele für Polyamine sind Polyvinylamin, Polyallylamin,
Polyethylenimine, Chitosan, Polyamid-Epichlorhydrin-Harze, (Erhältlich
als „Hercosett®" Produkte),
Polyaminostyrol, Peptide oder Proteine, wie Gelatine.
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Als
Oberflächen, die nach diesem Verfahren behandelt werden
können, sind z. B. die Oberflächen von Materialien
geeignet, die Amino- und/oder Hydroxygruppen aufweisen, oder Oberflächen,
die nach an sich bekannten Verfahren mit Aminosilanen behandelt
wurden.
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Insbesondere
lassen sich die nach dem erfindungsgemäßen Verfabren
erhaltenen Verbindungen der allgemeinen Formel (I) mit Diaminen
zu sogenannten Blockcopolymeren umsetzen. Geeignete Diamine sind z.
B. Polyetherdiamine oder Diaminopolysiloxane. Die letztere Umsetzung
wird in einer am gleichen Tag von der Momentive Performance Materials
eingereichten deutschen Patentanmeldung offenbart.
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BEISPIELE
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Beispiel
1 (Herstellung des Diisocyanats)
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In
einem 1-Liter Reaktor mit Rührer, Kühler (0°C)
Tropftrichter und Gaseinleitrohr werden 300 ml Chlorbenzol vorgelegt
und auf –10°C gekühlt. In das gekühlte
Lösungsmittel werden 121 g Phosgen einkondensiert. In 42
Minuten wird zu dieser Mischung eine Lösung aus 150 g Jeffamin
ED-600 in 150 g Chlorbenzol so zugegeben, dass die Temperatur von
+3°C nicht überschritten wird. Nach beendeter
Zugabe wird die Mischung innerhalb von 2 Stunden kontinuierlich
auf 130°C erhitzt. Dabei wird bei der Temperatur von 20°C
begonnen ein Phosgenstrom von 55 g/h einzuleiten. Nach Erreichen
der Temperatur von 130°C wird noch eine Stunde bei dieser
Temperatur unter Phosgeneinleiten gerührt. Insgesamt werden
dabei 160 g Phosgen zudosiert. Zur Entfernung des Phosgenüberschuss
wird der Kühler jetzt mit einer Temperatur von 20°C
betrieben und es wird ein Stickstoffstrom von 25 l/h durch die Reaktionsmischung
geleitet. Anschließend wird die Mischung auf 80°C
gekühlt und bei verringertem Druck (20 mbar) wird Chlorbenzol
abdestilliert bis kein Destillat mehr aufgefangen werden kann. Es
werden 162,5 g Diisocyanat (100% der Theorie) erhalten. Beispiel
2 (erfindungsgemäss)
![Figure 00080002](https://patentimages.storage.googleapis.com/f0/fe/ae/822141b9595bcd/00080002.png)
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In
einem 0,5-Liter Reaktor mit Rührer, Kühler (9°C)
und Tropftrichter werden 27,6 g Glycerolcarbonat (90%ig) in 50 g
Chlorbenzol vorgelegt. Über den Tropftrichter werden 70,0
g des Diisocyanats aus Beispiel 1 gelöst in 60 g Chlorbenzol
bei 20°C zugetropft. Anschließend wird die Mischung
auf Rückfluss (134°C) erhitzt. Der Umsatz wird
mittels IR-Spektroskopie verfolgt. Nach 38 Stunden Reaktionszeit
ist keine NCO-Bande mittels IR-Spektroskopie mehr nachweisbar. Der
Ansatz wird auf 130°C temperiert und alle flüchtigen
Bestandteile werden bei vermindertem Druck (2 mbar) entfernt. Es
werden 93,5 g (98% der Theorie) des gewünschten Produkts
erhalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1541568
A [0004]
- - US 5115045 A [0007]
- - DE 2609502 A [0008]
- - EP 0328150 A [0009]