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Die
Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von
wasserlöslichen, regioselektiv substituierten, nebenproduktfreien
Cellulosesulfaten, im Speziellen Alkalicellulosesulfat, wie Natriumcellulosesulfat
(NaCS), unter homogenen Reaktionsbedingungen durch Umsetzung von
Cellulose in Ionischen Flüssigkeiten (IL = ionic liquids).
Das aufwandgeringe Verfahren kann unter anderem zur Präparation
von Werkstoffen für biomedizinische Anwendungen, z. B.
für die Herstellung von sphärischen Symplexmembranen,
genutzt werden.
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NaCS
hat in den letzten Jahren großes Interesse gefunden, da
es heparinoide und antivirale Eigenschaften besitzt (T.
Heinze, T. Liebert, A. Koschella: Esterification of Polysaccharides,
Buch, Springer Verlag 2006). Überdies ist das
Polysaccharidderivat besonders gut als anionisches Polyelektrolyt
für den Strukturaufbau geeignet. So können beispielsweise durch
die Wechselwirkung mit Polykationen- wie Poly(diallyldimethylammoniumchlorid)-Symplexmembranen
gebildet werden, die bei geeigneter Präparation die Gestalt
von Hohlkugeln besitzen. Sie finden Anwendung zur Immobilisierung
sowie Verkapselung von biologischen Objekten wie Enzymen, Zellen
oder Mikroorganismen. Für derartige Applikationen werden
folgende Anforderungen an die NaCS gestellt:
- – möglichst
geringer Substitutionsgrad (< 0,7)
- – vollständige Löslichkeit der NaCS
in Wasser
- – einstellbare Viskosität der wässrigen
NaCS-Lösungen.
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Für
die Darstellung von NaCS sind grundsätzlich verschiedene
Verfahren bekannt, die entweder ohne Auflösung des Polymers
(heterogen) oder unter Auflösung des Polymers vor der Reaktion
(homogen) bzw. während der Reaktion (quasihomogen) durchgeführt
werden können. Unter heterogener Reaktionsführung
gelingt die Herstellung von NaCS durch Umsetzung von Cellulose in
einem Gemisch aus Isopropanol und konzentrierter Schwefelsäure (
DE 40 19 116 A1 ,
DD 29 58 58 A5 ,
DE 40 21 049 A1 ,
B.
Lukanoff, H. Dautzenberg: Natriumcellulosesulfat als Komponente
für die Erzeugung von Mikrokapseln durch Polyelektrolytkomplexbildung,
Das Papier 48, 1994, 287–296). Die Sulfatierung
wird dabei vorzugsweise bei Temperaturen von etwa –10°C
bis +10°C durchgeführt. Trotz dieser verhältnismäßig
geringen Reaktionstemperaturen kommt es zu einem beträchtlichen
Kettenabbau während der Sulfatierung. Die so erhaltenen
NaCS zeigen daher eine geringe Lösungsviskosität
und sind zum Beispiel für die Herstellung von mechanisch
stabilen Symplexmikrokapseln wenig geeignet.
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Ein
weiterer gravierender Nachteil besteht darin, dass die Sulfatierung
in heterogener Phase in einer ungleichmäßigen
Verteilung der Substituenten entlang sowie zwischen der Polymerkette
resultiert, was insbesondere bei geringen Substitutionsgraden (< 0,8) zu partieller
Wasserunlöslichkeit der NaCS führt.
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Für
die Herstellung höher substituierter NaCS (1 ≤ DS
Sulfat ≥ 3) werden heterogene Sulfatierungsreaktionen
in Pyridin (
US 5,378,828 ,
EP 0053473 ) und DMF (
US 4,389,523 ,
US 3,624,069 ,
US 4,064,342 ,
US 3,528,963 ,
US 3,609,377 ,
DE 15 43 120 ) beschrieben. Auch diese
Synthesen lassen sich nicht für die Gewinnung niedrig substituierter, wasserlöslicher
NaCS adaptieren.
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Zur
Präparation wenig abgebauter und schon bei geringen Substitutionsgraden
wasserlöslicher NaCS ist es daher erforderlich, die Cellulose
in einem geeigneten Medium zu lösen und anschließend
unter homogenen Reaktionsbedingungen zu sulfatieren. Obwohl nichtderivatisierende
Lösemittel, wie N,N-Dimethylacetamid/LiCl oder N-Methylmorpholin-N-oxid,
sich für eine große Zahl von Derivatisierungsreaktionen
der Cellulose eignen, sind sie für die Sulfatierung nicht
nutzbar, da die Systeme mitunter koagulieren bzw. als Folge von
exothermen Nebenreaktionen die erhaltenen NaCS stark abgebaut werden
(W. Wagenknecht, B. Philipp, H. Schleicher: Zur Veresterung
und Auflösung der Cellulose mit Säureanhydriden
und Säurechloriden des Schwefels und Phosphors, Acta Polymerica
30, 1979, 108–112; W. Wagenknecht, B.
Phillip, M. Keck: Zur Acylierung von Cellulose nach Auflösung
in O-basischen Lösemittelsystemen, Acta Polymerica 36,
1985, 697–698).
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Wenig
abgebaute und gut wasserlösliche NaCS, die insbesondere
für die Herstellung von Symplexmikrokapseln geeignet sind,
werden bei der Sulfatierung von Cellulose in einer Mischung aus
toxischem NO
2 oder N
2O
4 mit N,N-Dimethylformamid (DMF) erhalten
(
I. Nehls, W. Wagenknecht, B. Philipp: 13C-NMR-spektroskopische
Untersuchungen zur Auflösung von Cellulose im System N2O4/DMF und
anschließende Sulfatierung unter Homogenbedingungen, Acta
Polymerica 37, 1986, 610–613;
W. Wagenknecht,
I. Nehls, B. Philipp: Studies an the regioselectivity of cellulose
sulfation in an N2O4-N,N-dimethylformamide-cellulose system, Carbohydr.
Res. 240, 1993, 245–252). Dabei wird der beim
Auflösen gebildete Nitritester der Cellulose z. B. mit
Schwefeldioxid (
DD 15 25 65 ,
DD 21 16 88 ), Schwefeltrioxid
(
US 4,177,345 ,
US 4,141,746 ,
DE 21 20 964 ,
DE 25 30 541 ), Acetylschwefelsäure
(
US 4,480,091 ) oder
Sulfaminsäure (
SU 1150253 )
umgesetzt. Die so hergestellten NaCS zeigen zwar gute Produkteigenschaften
für die Mikroverkapselung biologischer Systeme, beim Auflösen
von Cellulose in dem N
2O
4/DMF-System
können jedoch als Folge von Nebenreaktionen stark toxische
Verbindungen und cancerogene Nitrosamin entstehen. Der gefahrlose Umgang
mit diesen Nebenprodukten sowie deren Entsorgung lassen sich – wenn überhaupt – nur
unter unverhältnismäßig hohem Aufwand
realisieren. Die homogene Sulfatierung von Cellulose in N
2O
4/DMF ist daher
nicht für die Herstellung von NaCS in einem technischen
Maßstab geeignet.
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Es
sind verschiedene organlösliche Cellulosederivate bekannt,
die homogen sulfatiert werden können und durch anschließende
Aufarbeitung mit wässriger Natronlauge NaCS ergeben. Die
so hergestellten NaCS zeigen gute Wasserlöslichkeit (klar wasserlöslich
bei geringem DS) im Gegensatz zu Produkten welche durch heterogene
Umsetzungen erhalten werden. So reagieren Trimethylsilylether der Cellulose
(TMS-Cellulose), gelöst in DMF, mit Sulfatierungsreagenzien,
wie z. B. Schwefeltrioxid, Chlorsulfonsäure oder Sulforylchlorid,
zu wasserlöslichen NaCS (
DD 29 93 13 A5 ,
DD 29 86 43 A5 ). Da die Reaktion über
eine Insertion von SO
3 in die Si-O-Bindung
verläuft, wird das Substitutionsmuster der Sulfatgruppe
dabei durch die Verteilung der TMS-Funktionen der TMS-Cellulose
bestimmt. Der Substitutionsgrad der so hergestellten NaCS wird durch
die Zahl der TMS-Substituenten limitiert (
W. Wagenknecht,
I. Nehls, A. Stein, D. Klemm, B. Philipp: Synthesis and substituent
distribution of Na-cellulose sulphates via O-trimethylsilyl cellulose
as intermediate, Acta Polymerica 43, 1992, 266–269).
Durch den Verbleib geringer Mengen an TMS-Gruppen wird ein toxisches
Produkt erhalten.
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Auch
Celluloseacetate, welche in verschiedenen dipolar aprotischen Lösemitteln
löslich sind, eignen sich für die Synthese von
NaCS, da sich die Acetylgruppe nach der Sulfatierung relativ leicht durch
Behandlung mit wässriger Natronlauge abspalten lässt.
So wurden durch Sulfatierung von Cellulose-2,5-acetat, welches kommerziell
verfügbar ist, wasserlösliche NaCS mit Substitutionsgraden
von etwa 0,3 hergestellt (
DE
44 35 180 ). Durch selektive Deacetylierung sowie die Wahl
des Sulfatierungsreagenzes lässt sich hierbei eine gewisse
Regioselektivität an C2/C3-Position oder C6-Position erreichen (
DE 44 35 180 ,
DE 44 35 082 ,
W. Wagenknecht:
Regioselektive Cellulosederivate durch Modifizierung technischer
Celluloseacetate, Das Papier 12, 1996, 712–720;
DD 29 87 90 ). Ein Nachteil
dieses Verfahrens ist, dass der Polymerisationsgrad des NaCS durch
den relativ geringen Polymerisationsgrad der eingesetzten, kommerziellen
Celluloseacetate begrenzt wird und daher die erhaltenen Produkte
eine geringe Lösungsviskosität aufweisen.
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Acylierung
und Sulfatierung von Cellulose lassen sich parallel durchführen.
Die Bildung der Cellulosemischester erfolgt dabei etwa durch Umsetzen von
Cellulose mit Acetanhydrid und Schwefelsäure (
US 2,969,355 ,
US 3,075,963 ,
US 3,086,007 ,
US 4,005,251 ), Chlorsulfonsäure
(
US 2,862,922 ) oder SO
3-Pyridin-Komplex (
GB 2 317 182 ) sowie durch Reaktion
von Cellulose mit einem Gemisch aus Essig- und Schwefelsäure
(
US 2,714,591 ). Als
Reaktionsmedium wurden hierfür vor allem Essigsäure
sowie Propionsäure eingesetzt. Aufgrund der stark sauren
Reaktionsbedingungen und der notwendigen Entfernung der intermediär
eingeführten Acetylgruppen sind derartige Umsetzungen für
die Herstellung hochmolekularer NaCS jedoch nicht geeignet.
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Wird
Cellulose in DMF mit einem Gemisch aus Acetanhydrid und Chlorsulfonsäure
bzw. Acetanhydrid und Schwefeltrioxid umgesetzt, so verläuft
die Acetosulfatierung unter Auflösung des sich bildenden Celluloseacetatsulfates
(
W. Wagenknecht: Regioselektive Cellulosederivate durch
Modifizierung technischer Celluloseacetate, Das Papier 12, 1996, 712–720,
WO 2006/095021 A1 ,
DE 10 2005 011 367 A1 ).
Die anschließende Aufarbeitung zu NaCS erfordert hierbei
mehrere Fällungs-, Wasch- und Neutralisationsschritte mit
unterschiedlichen Medien.
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Entscheidender
Nachteil der Umsetzung von Cellulosederivaten zur Herstellung von
NaCS sind der Einsatz zusätzlicher Reagenzien für
die Darstellung der Zwischenstufen, die eingeschränkten
Möglichkeiten zum Recycling und die damit verbundenen hohen
Produktionskosten.
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Da
für viele Anwendungen, insbesondere im medizinischen Bereich,
ein hohes Maß an Reinheit der Produkte gefordert wird,
muss gewährleistet werden, dass die zusätzlichen
Substituenten nach der Sulfatierung quantitativ abgespaltet und
die dabei anfallenden Nebenprodukte vollständig aus dem
Produkt entfernt werden. Dies erfordert nicht selten sehr zeitaufwendige
und kostenintensive Wasch- und Neutralisationsschritte. Daher ist
die Sulfatierung von Cellulosederivaten ökonomisch und ökologisch
unattraktiv.
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Zusammenfassend
lässt sich feststellen, dass die nach dem aktuellen Stand
der Technik bekannten Verfahren aufgrund der aufgelisteten Nachteile,
wie hoher Chemikalienverbrauch, wenig selektive Umsetzung und ungeeignete
Produktspezifika, nicht oder nicht vorteilhaft für die
Herstellung niedrigsubstituierter, hochmolekularer, wasserlöslicher NaCS
geeignet sind.
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Ferner
sind Ionische Flüssigkeiten bekannt, die in der Lage sind,
selbst hochmolekulare Cellulosen, z. B. Baumwoll-Linters, Bakteriencellulose
(
K. Schlufter, H. -P. Schmauder, S. Dorn, T. Heinze: Efficient
homogeneous chemical modification of bacterial cellulose in the
ionic liquid 1-N-butyl-3-methylimidazolium chloride, Macromol. Rapid
Commun. 27, 2006, 1670–1676), ohne Abbau der Polymerkette und
in hohen Konzentrationen zu lösen (
WO 03/029329 A2 ,
CN 1417407 ,
CN 1491974 ,
R. P. Swatloski,
S. K. Spear, J. D. Holbrey, R. D. Rogers: Dissolution of Cellose
with Ionic Liquids, J. Am. Chem. Soc. 124 (18), 2002, 4974–4975).
Derartig präparierte Celluloselösungen eignen
sich z. B. für die Herstellung von Celluloseformkörpern,
wie Fasern oder Folien (
DE
10 2004 031025 ,
CN 1851063 ,
CN 1818160 ), sowie Polymerblends
(
WO 2005/098546
A2 ). Als Derivatisierungsreaktionen an Cellulose in Ionischen
Flüssigkeiten, wie 1-N-Butyl-3-methylimidazoliumchlorid
und 1-N-Ethyl-3-methylimidazoliumacetat (
T. Heinze, K. Schwikal,
S. Barthel: Ionic liquids as reaction medium for cellulose functionalization,
Macromol. Biosci. 5, 2005, 520–525;
K.
Schlufter, H. -P. Schmauder, S. Dorn, T. Heinze: Efficient homogeneous
chemical modification of bacterial cellulose in the ionic liquid
1-N-butyl-3-methylimidazolium chloride, Macromol. Rapid Commun.
27, 2006, 1670–1676;
S. Barthel, T. Heinze:
Acylation and carbanilation of cellulose in ionic liquids, Green
Chem. 8, 2006, 301–306) sowie 1-N-Allyl-3-methylimidazoliumchlorid
(
CN 1417407 ),
Jin Wu,
Jun Zhang, Hao Zhang, Jiasong He, Qiang Ren, Meili Guo: Homogeneous
Acetylation of Cellulose in a New Ionic Liquid, Biomacromolecules.
5 (2), 2004, 266–268), sind lediglich die Acylierung,
die Carbanilierung sowie die Carboxymethylierung beschrieben (
WO 2005/054298 A1 ).
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Eine
Sulfatierung in Ionischen Flüssigkeiten ist aus der Fachwelt
jedoch nicht bekannt geworden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, wasserlösliche,
niedrig substituierte NaCS möglichst aufwandgering und
in reiner Form herzustellen.
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Die
NaCS sollen insbesondere für biomedizinische Anwendungen
ohne störende Nebenwirkungen geeignet sein. Aus diesen,
wie auch aus ökologischen und ökonomischen Gründen,
soll die Synthese der besagten Cellulosesulfate ohne toxische und/oder
aggressive Chemikalien sowie ohne erforderliche zusätzliche
Substituenten (z. B. Silyl- oder Acetatgruppen) möglich
sein.
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Überraschend
wurde festgestellt, dass mit Verwendung einer an sich bekannten
Ionischen Flüssigkeit als Reaktionsmedium auf verblüffend
einfache Weise wasserlösliche, niedrig substituierte NaCS synthetisiert
werden können, ohne dass zusätzliche Reaktionsmittel,
wie Silyl- oder Acetatgruppen, zur Sulfatisierung der Cellulose
erforderlich sind. Als Sulfatierungsmittel sind grundsätzlich
alle nach dem aktuellen Stand der Technik bekannten Sulfatierungsreagenzien,
wie z. B. Schwefeltrioxid-Komplexe, Chlorsulfonsäure, Acetylschwefelsäure
oder Sulfaminsäure, geeignet.
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Durch
die unmittelbare Sulfatierungsmöglichkeit werden bisher
zusätzlich erforderliche Substituenten überflüssig,
welche aggresive und/oder toxische Wirkungen zeigten, und/oder welche,
insbesondere für biomedizinische Anwendungen, ungewollte und
nachteilige Nebenwirkungen zeigten. Nicht zuletzt ergibt sich dadurch
auch eine wesentlich höhere Umweltverträglichkeit.
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Durch
Variation der Cellulosekonzentration, vorzugsweise 5% bis 10%, sowie
mit Hilfe eines weiteren Lösungsmittels, beispielsweise
unter Zugabe von DMF, kann zweckmäßig die Viskosität
des Reaktionsmediums eingestellt werden. Damit lässt sich die
Durchmischung der Reagenzien während der Sulfatierung verbessern,
was zu einer gleichmäßigeren Verteilung der Sulfatgruppen
entlang der Polymerkette führt. Ebenfalls vorteilhaft ist,
dass mit der Wahl der Temperatur des Reaktionsmediums auf sehr einfache
Weise die Lösungsviskosität des herzustellenden
NaCS eingestellt werden kann. Während geringe Reaktionstemperaturen
von vorzugsweise 25°C NaCS mit hohen Lösungsviskositäten
ergeben, werden bei erhöhten Reaktionstemperaturen von
vorzugsweise 60°C bis 80°C NaCS mit deutlich geringeren
Lösungsviskositäten erzielt. Darüber
hinaus kann die Ionische Flüssigkeit nach der Herstellung
NaCS aus dem Fällungsmedium zurückgewonnen und
wiederverwendet werden, ein weiterer Vorteil für die Umsetzung
des Verfahrens, insbesondere im großen technischen Maßstab.
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Zur
Durchführung des Verfahrens wird zunächst Cellulose
(beispielsweise mikrokristalline Cellulose, Fichtensulfitzellstoff,
Holzzellstoffe, Baumwoll-Linters oder Bakteriencellulose) bei entsprechender
Temperatur in einer Cellulose-lösenden Ionischen Flüssigkeit
(z. B. 1-N-Butyl-3-methylimidazoliumchlorid, 1-N-Ethyl-3-methylimidazoliumchlorid, 1-N-Allyl-3-methyl-imidazoliumchlorid)
gelöst. Danach wird die Celluloselösung auf eine
Reaktionstemperatur von vorzugsweise 25°C bis 60°C
abgekühlt und gegebenenfalls die Viskosität der
Lösung durch Zugabe eines inerten, aprotischen Lösemittels (beispielsweise
N,N-Dimethylformamid, Dimethylsulfoxid, N,N-Dimethylacetamid) eingestellt,
die eine gute Durchmischung des Reaktionsgemisches erlaubt, um eine
Uneinheitlichkeit der Substitutenverteilung zu verhindern.
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Die
Umsetzung zum Cellulosesulfat ist mit verschiedenen Sulfatierungsreagenzien
möglich, vorzugsweise jedoch mit SO3-Pyridin-
bzw. SO3-Dimethylformamid-Komplex oder Chlorsulfonsäure. Die
Reaktion verläuft vollständig homogen.
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Nach
einer Reaktionszeit von 0,5 bis 3 Stunden, vorzugsweise 2 Stunden,
wird die Reaktion beendet und das sulfatierte Produkt isoliert.
Dies erfolgt vorzugsweise durch Zugabe von wässriger Natronlauge
und anschließendes Fällen der NaCS-Lösung in
einem Fällungsmedium, vorzugsweise Isopropanol oder Methanol,
oder ein Alkohol/Wasser-Gemisch, vorzugsweise Isopropanol/Wasser-Gemisch.
Die Isolation des hergestellten Produktes kann auch ohne vorhergehende
Neutralisation durch Ausfällen des protonierten Cellulosesulfates
erfolgen, wobei das erhaltene sulfatierte Produkt nach dem Ausfällen in
Wasser gelöst und mittels Natronlauge neutralisiert werden
muss, um das stabile Natriumsalz des Cellulosesulfates zu erhalten.
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Die
Reinigung der so hergestellten NaCS erfolgt durch Umfällen
aus wässriger Lösung. Dabei erweist sich das Umfällen
aus einer 2%igen Natriumchloridlösung als besonders geeignet,
um ein vollständiges Abtrennen der Ionischen Flüssigkeit
zu gewährleisten. Es erfolgt hierbei auch ein Austausch von
eventuell an den Sulfatgruppen anhaftenden Kationen der Ionischen
Flüssigkeit durch Natriumionen.
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Die
gereinigten NaCS werden entweder durch Gefriertrocknung oder im
Vakuum bei 60°C getrocknet. Auf dem erläuterten
Weg gelingt die Herstellung gut wasserlöslicher NaCS (vgl. 1)
mit einer einstellbaren Lösungsviskosität von
2%igen Lösungen von NaCS in 0,9%iger Kochsalzlösung
im Bereich von 15,1 bis 374,6 mPas. Nur für Synthesen, die
bei Temperaturen von über 80°C durchgeführt wurden
sinkt die Viskosität einer 1%igen Lösung unter
2 mPas.
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Die
Ergebnisse in der Tabelle von 1 zeigen,
dass sich der Substitutionsgrad durch die Menge sowie die Art des
Sulfatierungsreagenzes steuern lässt. Der Grenz-DS der
Wasserlöslichkeit liegt bei 0,4. Die Umsetzung mit dem
SO3-Pyridinkomplex ist effizienter als die
Sulfatierung mit dem SO3-N,N-Dimethylformamid-Komplex.
Besonders einheitliche Substituentenverteilungen und gute Wasserlöslichkeit,
sowie hohe Umsetzungsgrade und hohe Lösungsviskositäten
von NaCS-Lösungen werden erhalten, wenn eine gute Durchmischung
des Reaktionsgemisches gewährleistet wird. Dies gelingt
z. B. durch Verringerung der Viskosität der Celluloselösung,
durch Variation der Cellulosekonzentration sowie vorzugsweise durch
Zugabe eines inerten, aprotischen Lösemittels, wie DMF
und durch die Verwendung von Reaktionsgefäßen
mit angepassten mechanischen Rührern. Bei kleineren Ansatzmengen (unter
0,5 g Cellulose) ist eine entsprechende gute Durchmischung schwer
zu realisieren und führt daher zu verminderten Funktionalisierungsgraden.
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Mittels
FTIR-, 1H-NMR und 13C-NMR
Spektroskopie (vgl. 3 bis 6) kann
nicht nur die Struktur der erhaltenen NaCS belegt werden, sondern
auch das Auftreten von Nebenreaktionen ausgeschlossen werden. Aus 13C-NMR spektroskopischen Untersuchungen
wird eine hohe Regioselektivität der Sulfatierung an der
C-6-Position geschlussfolgert (vgl. 3 sowie 2 für
eine Nummerierung der Kohlenstoffatome). In den Spektren wird ein Signal
für die Sulfatierung der C-6-Position bei 66,5 ppm, aber
kein Hinweis auf eine Funktionalisierung an den sekundären
OH-Gruppen gefunden. 1H-NMR Spektren (vgl. 4)
zeigen Signale für eine modifizierte Anhydroglucoseeinheit
und liefern keinerlei Hinweise auf eine Verunreinigung der Proben
mit Ionischer Flüssigkeit oder den Verbleib der Imidazolium-Kationen
am Polymer. Daraus kann auf eine nebenproduktfreie Synthese geschlossen
werden.
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Das
Recycling der eingesetzten Ionischen Flüssigkeiten ist
ein wichtiger ökologischer sowie ökonomischer
Aspekt des vorgeschlagenen Herstellungsverfahrens. Hierzu wird zunächst
nach dem Ausfällen des NaCS das Filtrat, in dem u. a. die
Ionische Flüssigkeit enthalten ist, eingeengt und in einem unpolaren
Lösemittel, vorzugsweise Chloroform, aufgenommen. Die anorganischen
Verunreinigungen, wie etwa Natriumsulfat und Natriumhydroxid, können danach
durch Filtration abgetrennt werden. Durch geeignete Methoden, wie
beispielsweise Extraktion, Rektifikation, oder vorzugsweise durch
Vakuumdestillation erfolgt das Abtrennen von DMF sowie anderen organischen
Lösemitteln. Reste von Wasser werden durch Vakuumdestillation
oder Extraktion, vorzugsweise jedoch durch Gefriertrocknung, entfernt.
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Auf
die hier beschriebene Weise gelingt es mehr als 80% der eingesetzten
Ionischen Flüssigkeit zurückzugewinnen. Wie durch
NMR-spektroskopische Untersuchungen deutlich wird (vgl. 8 und 9 sowie 7 für
die in den Spektren verwendete Zuordnung der Atome), zersetzt sich
die eingesetzte Ionische Flüssigkeit bei der Sulfatierung
nicht. Das 1H-NMR-Spektrum zeigt, dass auf
dem beschriebenen Weg alle bei der Herstellung von NaCS anfallenden
Nebenprodukte und Löse- sowie Fällmittel nahezu
vollständig abgetrennt werden können.
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Die
gereinigten Ionischen Flüssigkeiten lassen sich für
die vorgeschlagene Herstellung von NaCS erneut verwenden. Wie sich
zeigt, stören auch geringe Mengen an DMF, die sich nur
unter erhöhtem Aufwand aus den Ionischen Flüssigkeiten
entfernen lassen, weder den Löseprozess noch die darauf
folgende Sulfatierung von Cellulose in der recycelten Ionischen
Flüssigkeit an sich.
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Die
Eignung der synthetisierten NaCS für die Präparation
von sphärischen Symplexmembranen kann durch Wechselwirkung
einer 1%igen oder 2%igen NaCS-Lösung mit einer 1%igen oder
2%igen Poly(diallyldimethylammoniumchlorid)-Lösung belegt
werden. Wird die Cellulosederivatlösung als Tropfen in
die Polykationen-Lösung gegeben formt sich sofort eine
entsprechende sphärische Hohlkugel. Der Durchmesser dieser
Kugel wird dabei maßgeblich durch den Durchmesser der für
die Tropfenbildung verwendeten Kanülen bestimmt. Durch
Verwendung von Spritzen mit einem Kanülendurchmesser von
0.41 mm konnten Kapseln mit einem Durchmesser von etwa 1–2
mm erhalten werden. Durch Mischen der NaCS-Lösung mit Farbstoffen,
wie etwa β-Naptholorange oder Ruß, konnten entsprechend gefärbte
Mikrokapseln erhalten werden. Dieses Anfärben belegt die
Möglichkeit der Beladung der Kapseln während der
Präparation.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand von Abbildungen und Ausführungsbeispielen
näher erläutert werden, ohne den Schutzanspruch
auf diese zu beschränken.
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Es
zeigen:
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1: Übersicht über
die gewählten Synthesebeispiele für die Herstellung
wasserlöslicher NaCS
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2:
Wiederholungseinheit des NaCS mit Nummerierung der Kohlenstoffatome
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3: 13C-NMR-Spektrum eines NaCS (Ausführungsbeispiel
2; DSSulfat = 0,49), aufgenommen in D2O (Zuordnung der Signale zu den Kohlenstoffatomen
C-1 bis C-6 der Wiederholungseinheit des NaCS entsprechend der Ziffern
in 2)
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4: 1H-NMR-Spektrum eines NaCS (Ausführungsbeispiel
2; DSSulfat = 0,49), aufgenommen in D2O
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5: 13C-NMR-Spektrum eines NaCS (Ausführungsbeispiel
4; DSSulfat = 0,61), aufgenommen in D2O
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6:
FT-IR-Spektrum (KBr-Technik) eines NaCS (Ausführungsbeispiel
4; DSSulfat = 0,61)
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7:
Struktur von 1-N-Butyl-3-methylimidazoliumchlorid mit Nummerierung
der Kohlenstoffatome
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8:
1H-NMR-Spektrum von zurückgewonnenem 1-N-Butyl-3-methylimidazoliumchlorid (Zuordnung
der Signale im Spektrum zu den Kohlenstoffatomen C-2 bis C-10 der
Verbindung entsprechend der Ziffern in 7)
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9: 13C-NMR-Spektrum von zurückgewonnenem
1-N-Butyl-3-methylimidazoliumchlorid (Zuordnung der Signale im Spektrum
zu den Kohlenstoffatomen C-2 bis C-10 der Verbindung entsprechend
der Ziffern in 7)
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Ausführungsbeispiel 1:
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In
einem 250 ml-Doppelwandreaktor, der durch einen Thermostat beheizt
wird, werden zunächst 95,3 g 1-N-Butyl-3-methylimidazoliumchlorid (BMIMCl)
bei einer Temperatur von 80°C und unter Schutzgas geschmolzen.
Unter Rühren werden dann portionsweise 10 g Fichtensulfitzellstoff
(DPCuen = 561) zugegeben. Die Lösung
wird 24 Stunden bei 80°C gerührt, danach auf Raumtemperatur
abgekühlt und anschließend in einem luftdichten
Gefäß aufbewahrt.
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Ausführungsbeispiel 2:
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3,16
g (entspricht 300 mg Fichtensulfitzellstoff) der im Ausführungsbeispiel
1 hergestellten Celluloselösung werde auf 80°C
erwärmt und mit 3 ml N,N-Dimethylformamid (DMF) versetzt.
Das Gemisch wird danach solange gerührt, bis eine homogene
Lösung entsteht; anschließend wird auf Raumtemperatur
abgekühlt.
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Zu
dieser Lösung werden 396 mg (Molverhältnis AGU:SO3-Komplex: 1:1,4) SO3-DMF-Komplex
gegeben. Nach 2 Stunden Rühren bei einer Reaktionstemperatur
von 25°C werden zunächst 3 ml 1 N NaOH-Lösung
zugetropft und nach 5 Minuten 17 ml Wasser hinzugegeben. Das Reaktionsgemisch wird
gerührt, bis eine homogene Lösung entsteht, und
danach in 100 ml Methanol gefällt. Das erhaltene Produkt
wird abgesaugt und zweimal in jeweils 30 ml einer 2%igen NaCl-Lösung
gelöst und in je 150 ml Methanol ausgefällt. Im
Anschluss wird das Produkt viermal in jeweils 30 ml Wasser gelöst
und in je 150 ml Methanol ausgefällt. Der erhaltene Feststoff
wird im Vakuum bei 60°C getrocknet. Das so hergestellte NaCS
löst sich vollständig in Wasser und besitzt einen
Schwefelgehalt von 7,41% (entspricht einem DSSulfat von
0,49). Zur Strukturbestimmung wurden 1H- und 13C-NMR-Spektren aufgenommen, die in 3 und 4 abgebildet
sind. Diese Spektren belegen das Vorliegen eines reinen Natrium
Cellulosesulfates. So werden im 13C-NMR-Spektrum (3)
nur Signale für die Kohlenstoffatome 1 bis 6 (vgl. 2) der
Wiederholungseinheit des NaCS gefunden. Die Viskosität
einer 2%igen NaCS-Lösung in 0,9%iger Kochsalzlösung
(bestimmt mittels eines Rotationsrheometers) beträgt 15,1
mPas.
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Ausführungsbeispiel 3:
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Zu
einer Lösung von 3 g Fichtensulfitzellstoff in 37 g BMIMCl
(Herstellung siehe Ausführungsbeispiel 1) werden bei 80°C
langsam und unter Rühren 60 ml DMF gegeben. Das Gemisch
wird gerührt bis eine homogene Lösung entsteht
und anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt.
Zu dieser Lösung werden 2,65 g SO3-Pyridin
Komplex (AGU:SO3-Komplex: 1:0,9), gelöst
in 20 ml DMF, gegeben. Nach 2 Stunden Rühren bei einer
Reaktionstemperatur von 25°C werden zunächst 30
ml 1 N NaOH-Lösung zugetropft und nach 5 Minuten 90 ml
Wasser hinzugegeben. Das Reaktionsgemisch wird gerührt,
bis eine homogene Lösung entsteht, und danach in 1 l Isopropanol/Wasser
(9:1) gefällt. Das erhaltene Produkt wird abgesaugt und
zweimal in jeweils 200 ml einer 2%igen NaCl-Lösung gelöst
und in je 1 l Isopropanol/Wasser (9:1) ausgefällt. Im Anschluss
wird das Produkt zweimal in jeweils 200 ml Wasser gelöst
und in je 1 l Isopropanol/Wasser (9:1) gefällt. Nach jedem Filtrationsschritt
wird das Produkt mit jeweils 150 ml einer Lösung aus Isopropanol/Wasser
(8:2) gewaschen. Der erhaltene Feststoff wird abschließend
gefriergetrocknet.
-
Das
so hergestellte NaCS löst sich vollständig in
Wasser und besitzt einen Schwefelgehalt von 7,21% (entspricht einem
DSSulfat von 0,47). Die Struktur kann mittels
FTIR-, 1H- und 13C-NMR-Spektroskopie
belegt werden. Die Messungen zeigen Signale analog den in 3 bis 6 abgebildeten
repräsentativen Spektren. Die Viskosität einer
2%igen NaCS-Lösung in 0,9%iger Kochsalzlösung
(bestimmt mittels eines Rotationsrheometers) beträgt 374,6 mPas.
-
Ausführungsbeispiel 4:
-
Zu
einer Lösung von 3 g Fichtensulfitzellstoff in 37 g BMIMCl
(Herstellung siehe Ausführungsbeispiel 1) werden bei 80°C
langsam und unter Rühren 40 ml DMF gegeben. Das Gemisch
wird danach solange gerührt, bis eine homogene Lösung
entsteht, und danach auf Raumtemperatur abgekühlt. Zu dieser
Lösung werden 3,53 g SO3-Pyridin
Komplex (AGU:SO3-Komplex: 1:1,2) gegeben.
Nach 2 Stunden Rühren bei einer Reaktionstemperatur von
25°C wird das Reaktionsprodukt wie in Ausführungsbeispiel
3 beschrieben isoliert und aufgearbeitet.
-
Das
so hergestellte NaCS löst sich vollständig in
Wasser und besitzt einen Schwefelgehalt von 8,71% (entspricht einem
DSSulfat von 0,61). Die Struktur kann mittels
FTIR-, 1H- und 13C-NMR-Spektroskopie
belegt werden. Die Messungen zeigen Signale analog den in 3 bis 6 abgebildeten
repräsentativen Spektren. Die Viskosität einer
2%igen NaCS-Lösung in 0,9%iger Kochsalzlösung
(bestimmt mittels eines Rotationsrheometers) beträgt 320,7 mPas.
-
Ausführungsbeispiel 5:
-
Zu
einer Lösung von 5 g Fichtensulfitzellstoff in 45 g BMIMCl
(Herstellung siehe Ausführungsbeispiel 1) werden bei 80°C
langsam und unter Rühren 70 ml DMF gegeben. Das Gemisch
wird gerührt bis eine homogene Lösung entsteht
und anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt.
Zu der Lösung werden 6,87 g SO3-Pyridin
Komplex (AGU:SO3-Komplex: 1:1,4) gegeben.
Nach 2 Stunden Rühren bei einer Reaktionstemperatur von
25°C werden zunächst 70 ml 1 N NaOH-Lösung
zugetropft und nach 5 Minuten 130 ml Wasser hinzugegeben. Das Reaktionsgemisch
wird gerührt, bis eine homogene Lösung entsteht
und danach in 1,51 Isopropanol/Wasser (9:1) gefällt. Das
erhalte Produkt wird abgesaugt und das Filtrat für ein
späteres Recycling (siehe Ausführungsbeispiel
8) zurückbehalten. Die weitere Aufarbeitung erfolgt analog
zu der in Ausführungsbeispiel 3 beschriebenen Vorgehensweise.
-
Das
NaCS löst sich vollständig in Wasser und besitzt
einen Schwefelgehalt von 10,49% (entspricht einem DSSulfat von
0,80). Die Struktur kann mittels FTIR-, 1H-
und 13C-NMR-Spektroskopie belegt werden.
Die Messungen zeigen Signale analog den in 3 bis 6 abgebildeten
repräsentativen Spektren. Die Viskosität einer
2%igen NaCS-Lösung in 0,9%iger Kochsalzlösung
(bestimmt mittels eines Rotationsrheometers) beträgt 93,1
mPas.
-
Ausführungsbeispiel 6:
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3,33
g (entspricht 317 mg Fichtensulfitzellstoff) der im Ausführungsbeispiel
1 hergestellten Celluloselösung werden auf 80°C
erwärmt. Zu der Lösung werden 404 mg SO3-Pyridin Komplex (AGU:SO3-Komplex:
1:1,3) gegeben. Nach einer Stunde Rühren bei einer Reaktionstemperatur
von 80°C werden zunächst 3 ml 1 N NaOH-Lösung
zugetropft und nach 5 Minuten 17 ml Wasser hinzugegeben. Das Reaktionsgemisch
wird gerührt, bis eine homogene Lösung entsteht,
und danach in 100 ml Methanol gefällt. Die weitere Aufarbeitung
erfolgt analog zu der in Ausführungsbeispiel 2 beschriebenen
Vorgehensweise. Das NaCS löst sich vollständig
in Wasser und besitzt einen Schwefelgehalt von 7,78% (entspricht
einem DSSulfat von 0,52). Die Struktur kann mittels
FTIR-, 1H- und 13C-NMR-Spektroskopie
belegt werden. Die Messungen zeigen Signale analog den in 3 bis 6 abgebildeten
repräsentativen Spektren. Die dynamische Viskosität
einer 1%igen Lösung (bestimmt mittels eines Kappilarviskosimeters)
beträgt 1,47 mPas.
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Ausführungsbeispiel 7:
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Zu
einer Lösung von 0,5 g Fichtensulfitzellstoff in 4,5 g
BMIMCl (Herstellung siehe Ausführungsbeispiel 1) werden
bei 80°C langsam und unter Rühren 5 ml DMF gegeben.
Das Gemisch wird gerührt bis eine homogene Lösung
entsteht und anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt.
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Zu
der Celluloselösung wird ein Gemisch aus 0,2 ml Chlorsulfonsäure
und 1 ml DMF gegeben. Nach 3 Stunden Rühren bei einer Reaktionstemperatur
von 25°C werden unter starkem Rühren zunächst 5
ml 1 N NaOH-Lösung zugetropft und nach 5 Minuten Rühren
15 ml Wasser hinzugegeben. Nachdem sich das Gemisch vollständig
gelöst hat, wird es in 100 ml Isopropanol/Wasser (9:1)
gefällt; der Niederschlag wird abgesaugt. Die weitere Aufarbeitung
erfolgt analog zu der in Ausführungsbeispiel 3 beschriebenen
Vorgehensweise.
-
Das
NaCS löst sich vollständig in Wasser und besitzt
einen Schwefelgehalt von 7,46% (entspricht einem DSSulfat von
0,49). Die Struktur kann mittels FTIR-, 1H-
und 13C-NMR-Spektroskopie belegt werden.
Die Messungen zeigen Signale analog den in 3 bis 6 abgebildeten
repräsentativen Spektren. Die Viskosität einer
2%igen NaCS-Lösung in 0,9%iger Kochsalzlösung
(bestimmt mittels eines Rotationsrheometers) beträgt 46,7
mPas.
-
Ausführungsbeispiel 8:
-
Das
Recycling der für die Reaktion als Lösungsmittel
eingesetzten Ionischen Flüssigkeit (IL) wird folgendermaßen
durchgeführt: Das Filtrat, das man nach Fällung
des Reaktionsgemisches aus Ausführungsbeispiel 5 in einer
Lösung Isopropanol/Wasser und Abfiltrieren des NaCS erhält,
wird zunächst im Vakuum bei 60°C eingeengt. Danach
werden 50 ml Chloroform zugegeben und die erhaltene Suspension filtriert.
Das Filtrat wird anschließend zunächst im Vakuum
bei 60°C eingeengt und danach im Hochvakuum (< 10–2 mbar)
bei 80°C getrocknet. Im Anschluss wird die zähe
Flüssigkeit gefriergetrocknet. Dabei wird ein weißlicher
hygroskopischer Feststoff erhalten. (Schmelzpunkt: 67,1°C).
Die Struktur und die Reinheit der so wiedergewonnen Ionischen Flüssigkeit
(IL) kann durch 1H- und 13C-NMR-Spektren belegt
werden (8 und 9). In beiden NMR-Spektren
finden sich alle Signale für die in 7 dargestellte
Ionische Flüssigkeit 1-N-Butyl-3-methylimidazoliumchlorid.
Die Ziffern an den Spektren entsprechen den Signalen für
die Kohlenstoffatome (9) der in 7 gezeigten
Verbindung bzw. den Signalen für Wasserstoffatome (8),
die an diese Kohlenstoffatome gebunden sind. Neben diesen Signalen
sind in den Spektren nur noch kleine Peaks für das Lösungsmittel
DMF zu finden.
-
Ausführungsbeispiel 9:
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40
mg NaCS mit einem DS von 0.47 werden in 2 ml Wasser gelöst.
Die NaCS-Lösung wird mit Hilfe einer Spritze (Kanülendurchmesser
0,41 mm) aus einer Höhe von ca. 10 cm in ein Fällungsbad,
bestehend aus 20 ml einer 2%igen wässrigen Poly(diallyldimethylammoniumchlorid)-Lösung
(Mw = 200.000–350.000 g/mol), getropft.
Dabei bilden sich weiße kugelförmige Mikrokapseln
mit einem Durchmesser von etwa 1–2 mm.
-
Ausführungsbeispiel 10:
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20
mg NaCS mit einem DS von 0.61 werden in 2 ml Wasser gelöst
und mit β-Naptholorange versetzt. Die Natriumcellulosesulfatlösung
wird mit Hilfe einer Spritze (Kanülendurchmesser 0,41 mm)
aus einer Höhe von ca. 10 cm in ein Fällungsbad,
bestehend aus 20 ml einer 1%igen wässrigen Poly(diallyldimethylammoniumchlorid)-Lösung
(Mw = 200.000–350.000 g/mol), getropft.
Dabei bilden sich orange gefärbte kugelförmige
Mikrokapseln mit einem Durchmesser von etwa 1–2 mm.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 4019116
A1 [0003]
- - DD 295858 A5 [0003]
- - DE 4021049 A1 [0003]
- - US 5378828 [0005]
- - EP 0053473 [0005]
- - US 4389523 [0005]
- - US 3624069 [0005]
- - US 4064342 [0005]
- - US 3528963 [0005]
- - US 3609377 [0005]
- - DE 1543120 [0005]
- - DD 152565 [0007]
- - DD 211688 [0007]
- - US 4177345 [0007]
- - US 4141746 [0007]
- - DE 2120964 [0007]
- - DE 2530541 [0007]
- - US 4480091 [0007]
- - SU 1150253 [0007]
- - DD 299313 A5 [0008]
- - DD 298643 A5 [0008]
- - DE 4435180 [0009, 0009]
- - DE 4435082 [0009]
- - DD 298790 [0009]
- - US 2969355 [0010]
- - US 3075963 [0010]
- - US 3086007 [0010]
- - US 4005251 [0010]
- - US 2862922 [0010]
- - GB 2317182 [0010]
- - US 2714591 [0010]
- - WO 2006/095021 A1 [0011]
- - DE 102005011367 A1 [0011]
- - WO 03/029329 A2 [0015]
- - CN 1417407 [0015, 0015]
- - CN 1491974 [0015]
- - DE 102004031025 [0015]
- - CN 1851063 [0015]
- - CN 1818160 [0015]
- - WO 2005/098546 A2 [0015]
- - WO 2005/054298 A1 [0015]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - T. Heinze,
T. Liebert, A. Koschella: Esterification of Polysaccharides, Buch,
Springer Verlag 2006 [0002]
- - B. Lukanoff, H. Dautzenberg: Natriumcellulosesulfat als Komponente
für die Erzeugung von Mikrokapseln durch Polyelektrolytkomplexbildung, Das
Papier 48, 1994, 287–296 [0003]
- - W. Wagenknecht, B. Philipp, H. Schleicher: Zur Veresterung
und Auflösung der Cellulose mit Säureanhydriden
und Säurechloriden des Schwefels und Phosphors, Acta Polymerica
30, 1979, 108–112 [0006]
- - W. Wagenknecht, B. Phillip, M. Keck: Zur Acylierung von Cellulose
nach Auflösung in O-basischen Lösemittelsystemen,
Acta Polymerica 36, 1985, 697–698 [0006]
- - I. Nehls, W. Wagenknecht, B. Philipp: 13C-NMR-spektroskopische
Untersuchungen zur Auflösung von Cellulose im System N2O4/DMF und
anschließende Sulfatierung unter Homogenbedingungen, Acta
Polymerica 37, 1986, 610–613 [0007]
- - W. Wagenknecht, I. Nehls, B. Philipp: Studies an the regioselectivity
of cellulose sulfation in an N2O4-N,N-dimethylformamide-cellulose
system, Carbohydr. Res. 240, 1993, 245–252 [0007]
- - W. Wagenknecht, I. Nehls, A. Stein, D. Klemm, B. Philipp:
Synthesis and substituent distribution of Na-cellulose sulphates
via O-trimethylsilyl cellulose as intermediate, Acta Polymerica
43, 1992, 266–269 [0008]
- - W. Wagenknecht: Regioselektive Cellulosederivate durch Modifizierung
technischer Celluloseacetate, Das Papier 12, 1996, 712–720 [0009]
- - W. Wagenknecht: Regioselektive Cellulosederivate durch Modifizierung
technischer Celluloseacetate, Das Papier 12, 1996, 712–720 [0011]
- - K. Schlufter, H. -P. Schmauder, S. Dorn, T. Heinze: Efficient
homogeneous chemical modification of bacterial cellulose in the
ionic liquid 1-N-butyl-3-methylimidazolium chloride, Macromol. Rapid
Commun. 27, 2006, 1670–1676 [0015]
- - R. P. Swatloski, S. K. Spear, J. D. Holbrey, R. D. Rogers:
Dissolution of Cellose with Ionic Liquids, J. Am. Chem. Soc. 124
(18), 2002, 4974–4975 [0015]
- - T. Heinze, K. Schwikal, S. Barthel: Ionic liquids as reaction
medium for cellulose functionalization, Macromol. Biosci. 5, 2005,
520–525 [0015]
- - K. Schlufter, H. -P. Schmauder, S. Dorn, T. Heinze: Efficient
homogeneous chemical modification of bacterial cellulose in the
ionic liquid 1-N-butyl-3-methylimidazolium chloride, Macromol. Rapid
Commun. 27, 2006, 1670–1676 [0015]
- - S. Barthel, T. Heinze: Acylation and carbanilation of cellulose
in ionic liquids, Green Chem. 8, 2006, 301–306 [0015]
- - Jin Wu, Jun Zhang, Hao Zhang, Jiasong He, Qiang Ren, Meili
Guo: Homogeneous Acetylation of Cellulose in a New Ionic Liquid,
Biomacromolecules. 5 (2), 2004, 266–268 [0015]