DE102009032298A1 - Thiol-funktionalisierte copolymere Polyester durch enzymkatalysierte Veresterungsreaktionen - Google Patents

Thiol-funktionalisierte copolymere Polyester durch enzymkatalysierte Veresterungsreaktionen Download PDF

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Abstract

Die Erfindung beschreibt die Herstellung von thiol-funktionalisierten copolymeren Polyestern durch lipase-katalysierte Veresterung und Umesterung von bifunktionellen Alkandicarbonsäuren oder deren Estern mit polyfunktionellen Mercaptoalkanolen, wobei die Reaktionspartner ohne Lösungsmittel in Gegenwart von Lipasen reagieren und die dabei gebildeten niedermolekularen flüchtigen Nebenprodukte im Vakuum entfernt werden. Thiol-funktionalisierte copolymere Polyester können als optische Werkstoffe sowie wegen ihrer antioxidativen und bioziden Eigenschaften als Coatings, Additive für Schmiermittel, Zusätze zu Körperpflegemitteln und migrationsbeständige Komponenten von Polymergemischen eingesetzt werden. $F1

Description

  • Die Erfindung ist charakterisiert durch die lipase-katalysierte Veresterung und Umesterung von bifunktionellen Alkandicarbonsäuren bzw. deren kurzkettigen Alkylestern mit polyfunktionellen Mercaptoalkanolen zu Poly(alkandicarbonsäure-co-mercaptoalkanpolyolen) bzw. Poly(dialkyl-alkandioat-co-mercaptoalkanpolyolen) [Poly(alkandicarbonsäure-dialkylester-co-mercaptoalkanpolyolen)], wobei vornehmlich die Hydroxy-Gruppen der Mercaptoalkanpolyole verestert werden, sodass bevorzugt Polyester (Polyoxoester) mit Methylenthiol-Verzweigungen gebildet werden ( ). Solche thiol-funktionalisierten Polyester können im technischen und medizinisch-technischen Bereich Anwendung finden, vor allem als antioxidative Additive für Körperpflegemittel, Kosmetika und Schmiermittel, als migrationsbeständige Zusätze für Polymere, als Bestandteile von Beschichtungen (Coatings) mit antibakteriellen und antioxidativen Eigenschaften oder als Werkstoffe für optische Zwecke.
  • Figure 00010001
  • . Thiol-funktionalisierte lineare copolymere Polyester, beispielsweise Poly(1,12-dodecandisäure-co-1-thioglycerin) (R = H; R' = H) und Poly(diethyl-1,12-dodecandioat-co-1-thioglycerin) [Poly(1,12-dodecandisäure-diethylester-co-1-thioglycerin)] (R = C2H5; R' = H), die durch Novozym 435-katalysierte Polyveresterung und Polyumesterung von 1,12-Dodecandisäure bzw. Diethyl-1,12-dodecandioat (1,12-Dodecandisäure-diethylester) mit 1-Thioglycerin entstehen (n, Anzahl der Monoester-Einheiten)
  • Stand der Technik
  • Bekannterweise werden Carbonsäureester in unterschiedlicher Weise durch Übertragung von Acyl-Resten auf Alkanole und andere Hydroxyverbindungen hergestellt. Chemische Verfahren zur Herstellung von Carbonsäureestern beruhen dabei vor allem auf Reaktionen von Carbonsäure-halogeniden, -anhydriden oder -tosylaten mit Alkanolen. Solche Verfahren eignen sich in gleicher Weise zur Herstellung von homo- und copolymeren Polyestern. Bei technischen Verfahren zur direkten Veresterung von Carbonsäuren mit Hydroxyverbindungen wird eine Aktivierung der Carboxy-Gruppe durch Säuren, üblicherweise Schwefelsäure oder heterogene saure Katalysatoren bevorzugt. Technische Umesterungen werden häufig in Gegenwart von Natrium-methylat oder metallischem Natrium durchgeführt. Ein Nachteil solcher chemischer Verfahren zur Darstellung von Carbonsäure-estern und Carbonsäure-polyestern ist die Verwendung meist teurer und/oder teuer zu entsorgender, in der Regel auch toxischer Reagenzien, wie zum Beispiel Dibutylzinnoxid, das bei der Herstellung von thiol-funktionalisierten aliphatischen Polyoxaestern eingesetzt wird (A. S. Kulshrestha, K. Cooper and W. R. Laredo, Absorbable polyoxaesters containing pendant functional groups. US Patent 20070225452 [27.09.2007]).
  • Neben den erwähnten chemisch-technischen Verfahren sind auch biotechnische Verfahren zur Herstellung von ”Biopolyestern” (Homo- und Copolymerisate aus 3-Hydroxybuttersäure und anderen Hydroxycarbonsäuren) bekannt. Diese beruhen auf der Biotransformation von Hydroxycarbonsäuren durch eine Reihe von Mikroorganismen (A. Steinbüchel, PHB and other polyhydroxyalkanoic acids. In: H. J. Rehm, G. Reed, A. Pühler and P. Stadler, Eds., Biotechnology, 2nd Edition, Vol. 6, pp. 403–464 [1996]; A. Steinbüchel and B. Füchtenbusch, Bacterial and other biological systems for polyester production. Trends in Biotechnology 16, 419–427 [1998]; B. H. A. Rehm, Genetics and biochemistry of polyhydroxyalkanoate granule self-assembly: The key role of polyester synthases. Biotechnology Letters 28, 207–213 [2006]). Verschiedene andere biotechnische Verfahren nutzen gentechnisch veränderte Organismen wie Bakterien (A. Steinbüchel and B. Füchtenbusch, Bacterial and other biological systems for polyester production. Trends in Biotechnology 16, 419–427 [1998]; S. Y. Lee and J.-I. Choi, Production of microbial polyester by fermentation of recombinant microorganisms. Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology 71, 183–207 [2001]) oder Pflanzen (Y. Poirier, Production of polyesters in transgenic plants. Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology 71, 209–240 [2001]) zur Gewinnung von homopolymeren Polyestern aus Hydroxycarbonsäuren.
  • Enzymkatalytische Verfahren zur Herstellung von Polyestern wurden ebenfalls entwickelt. Sie gehen etwa von α,ω-Dicarbonsäuren (Veresterung) bzw. α,ω-Dicarbonsäureestern (Umesterung, Alkoholyse) und bi- oder polyfunktionellen Hydroxyverbindungen aus, die in Gegenwart von Lipasen oder Esterasen als Biokatalysatoren umgesetzt werden. Auch lipase-katalysierte Ringöffnungspolymerisationen von Lactonen sind bekannt (H. Uyama, S. Namekawa and S. Kobayashi, Mechanistic studies on the lipase-catalyzed ring-opening polymerization of lactones. Polymer Journal 29, 299 [1997]). Bisherige enzymatische Veresterungs- und Umesterungsverfahren (vgl. M. Lämsä, Y.-Y. Linko, P. Linko und E. Uosukainen, Enzymatischer Prozess zur Herstellung eines synthetischen Esters aus einem pflanzlichen Öl. Deutsches Patent 69524260 [18.07.2002]; A. Taylor und F. Binns, Enzymatische Synthese von Polyester. Deutsches Patent 69324158 [22.07.1999]; N. Lindner, J. Bosley, A. Macrae und I. Svensson, Polymer enthaltende Einheiten ungesättigter Polyester sowie daraus hergestellte pharmazeutische und kosmetische Zusammensetzungen. Deutsches Patent 69810772 [03.07.2003]; R. J. Kazlauskas and U. T. Bornscheuer, Biotransformations with lipases. In: H.-J. Rehm and G. Reed, Eds., Biotechnology. 2nd Edn., Vol. 8a, Wiley-VCH, Weinheim 1998, pp. 37–191) beschreiben die lipase-katalysierte Veresterung von polyfunktionellen organischen Carbonsäuren mit ebensolchen Alkanolen in organischen Lösungsmitteln wie zum Beispiel Heptan, Methyl-tert-butylether, tert-Butanol, Aceton und anderen. In einer Reihe von Publikationen wird die Synthese von kurzkettigen, als Aromastoffe geeigneten Carbonsäureestern sowie von langkettigen Wachsestern in organischen Lösungsmitteln unter Verwendung von Molekularsieb oder anderen Trockenmitteln im Reaktionsansatz zur Entfernung des als Nebenprodukt gebildeten Wassers oder kurzkettigen Alkohols beschrieben (A. Zaks and A. M. Klibanov, Enzyme-catalyzed processes in organic solvents. Proceedings of the National Academy of Science USA 82, 3192–3196 [1985]; A. L. Margolin, J.-Y. Crenne and A. M. Klibanov, Stereoselective oligomerizations catalyzed by lipases in organic solvents. Tetrahedron Letters 28, 1607–1609 [1987]; J. S. Wallace and C. J. Morrow, Biocatalytic synthesis of polymers. II. Preparation of [AA-BB]x polyesters by porcine pancreas lipase catalyzed transesterification in anhydrous, low polarity organic solvents. Journal of Polymer Science A: Polymer Chemistry 27, 3271–3284 [1989]). Leistungsfähige enzymkatalytische Verfahren zur Herstellung von Carbonsäureestern, die ohne Lösungsmittel und zum Teil unter vermindertem Druck arbeiten, sind ebenfalls bekannt (N. Weber und K. D. Mukherjee, Enzymatisches Umesterungsverfahren zur Herstellung von Diglyceriden und Diglycerid-Konzentraten. Deutsche Offenlegungsschrift 10 2004 007 795 [22.09.2005]; N. Weber und K. D. Mukherjee, Enzymatisches Verfahren zur Herstellung von Carbonsäure-sterylestern. Deutsche Offenlegungsschrift 10018787 [03.05.2001]; R. Rosu, M. Yasui, Y. Iwasaki and T. Yamane, Enzymatic synthesis of symmetrical 1,3-diacylglycerols by direct esterification of glycerol in solvent-free system. Journal of the American Oil Chemists' Society 76, 839–843 [1999]; J. J. Han and T. Yamane, Enhancement of both reaction yield and rate of synthesis of structured triacylglycerol containing eicosapentaenoic acid under vacuum with water activity control. Lipids 34, 989–995 [1999]; N. Weber, E. Klein und K. D. Mukherjee, Enzymatisches Verfahren zur Herstellung von Carbonsäure-thioestern. Deutsche Offenlegungsschrift 19905962 [02.09.1999]; N. Weber, E. Klein, K. D. Mukherjee und K. Vosmann, Enzymatisches Verfahren zur Herstellung sterisch einheitlicher ungesättigter Carbonsäure-thioester und isomerer gesättigter S-Alkylcarbonsäure-thioester. Deutsche Offenlegungsschrift 19936549 [02.03.2000]).
  • Neben einfachen monomeren Carbonsäureestern, die durch Umsetzung von mono- bzw. bifunktionellen Carbonsäuren mit mono- bzw. bifunktionellen Alkanolen gebildet werden, können auch Polykondensate durch enzymkatalysierte Veresterung oder Umesterung von bi- oder polyfunktionellen Carbonsäuren oder deren kurzkettigen Alkylestern mit bi- oder polyfunktionellen Alkanolen hergestellt werden. Die beschriebenen Verfahren laufen mit oder ohne Lösungsmittel und zum Teil unter vermindertem Druck ab (Y.-Y. Linko, Z.-L. Wang and J. Seppälä, Lipase-catalyzed linear aliphatic polyester synthesis in organic solvent. Enzyme and Microbial Technology 17, 506–511 [1995]; S. Kobayashi and H. Uyama, In vitro biosynthesis of polyesters. Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology 71, 241–262 [2001]; C. J. Morrow and J. S. Wallace, Synthesis of polyesters by lipase-catalyzed polycondensation in organic media. In: D. A. Abramowicz, Ed., Biocatalysis. 1st Edn., van Nostrand-Reinhold, New York 1990, S. 25 ff; C. J. Morrow, Biocatalytic synthesis of polyesters using enzymes. Materials Research Society [MRS] Bulletin 17 (11), 43–48 [1992]; C. J. Morrow, J. S. Wallace, G. M. Bybee, K. B. Reda and M. E. Williams, Biocatalytic synthesis of polyesters by enzyme-catalyzed transesterification in organic media. Materials Research Society [MRS] Proceedings 174, 197 [1990]; V. D. Athawale and S. R. Gaonkar, Enzymatic synthesis of polyesters by lipase catalyzed polytransesterification. Biotechnology Letters 16, 149–154 [1994]; X. Y. Wu, J. Seppälä and Y.-Y. Linko, Lipase-catalyzed polyester synthesis. Biotechnology Technics 10, 793–798 [1996]; A. K. Chaudhary, J. Lopez, E. J. Reckmann and A. J. Russel, Biocatalytic solvent-free polymerization to produce high molecular weight polyester. Biotechnology Progress 13, 318 [1997]; F. Binns, P. Harffey, S. M. Roberts and A. Taylor, Studies leading to the large scale synthesis of polyesters using enzymes. Journal of the Chemical Society [London], Perkin Transactions 1, 1999, 2671–2676). Dagegen sind enzymkatalytische Verfahren zur Herstellung von thiol-funktionalisierten Polyesterndurch Umsetzung von Alkandicarbonsäuren mit polyfunktionellen Mercaptoalkanolen kaum bekannt.
  • Thiol-Verbindungen werden seit langem als Antioxidantien verwendet (S. M. Deneke, Thiol-based antioxidants. Current Topics in Cell Regulation 36, 151–180 [2000]). In der Natur kommen bekanntlich sog. Thiol-Antioxidantien als physiologische Verbindungen vor, beispielsweise Cystein, Glutathion und α-Liponsäure. Mercaptoalkanole wie zum Beispiel 1-Thioglycerin (3-Mercaptopropan-1,2-diol) oder 1,4-Dimercaptobutan-2,3-diole wie Dithiothreitol (DTT), Dithioerythritol (DTE) und andere Mercaptoalkanpolyole werden ebenfalls schon lange als Antioxidantien für biochemische und technische Zwecke eingesetzt (W. Kurze und F. Raschig, Antioxidantien. In: Ullmanns Encyclopädie der technischen Chemie, 4. Aufl., Bd. 8: Antimon und Antimon-Verbindungen – Brot und andere Backwaren, Verlag Chemie, Weinheim 1974, S. 19–45; K. S. Cottman, Phenolic ester antioxidants containing thiol groups. GB Patent 1510410 [10.05.1978]). Bestimmte Mercaptoalkanole werden in einigen Ländern als „flavouring agents” für Lebensmittel verwendet und von der Codex Alimentarius Commission (CAC) als solche diskutiert (Codex Alimentarius Commission, ALINORM 08/31/12 Appendix XIII [May 2008], CX 4/30.2; WHO Food Additives Series: 59, Safety evaluation of certain food additives and contaminants, Prepared by the sixty-eighth meeting of the Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives (JECFA), World Health Organization, Geneva 2008). 1-Thioglycerin und andere Thiol-Verbindungen werden auch als optionale antioxidative Zusätze zu Tierfutter empfohlen (P. Pibarot, A. Waterlain and P. Reynes, Pet food and processes of producing the same. WO Patent 2007073903 [05.07.2007]) oder dienen als Bestandteile von medizinisch-pharmazeutischen Zubereitungen (G. Crivellaro and B. Crestani, Stable aqueous steroid phosphate solutions. US Patent 3696195 [03.10.1972]; D. L. Gibbs, Single dose intramuscular treatment of chlamydia trachomatis infections. Eur. Patent 0337733 [11.04.1989]; J. Bruss, J. McCarty and B. West, Epinephrine formulations. US Patent 20080269347 [30.10.2008]; A. Gogia, S. B. Roy and R. Malik, Stable aqueous solutions of risperidone and methods for their preparation. US Patent 20060148826 [06.07.2006]; R. C. Rowe, P. J. Sheskey and S. C. Owen, Eds., Handbook of Pharmaceutical Excipients. Pharmaceutical Press and American Pharmacists Association, 2006; K. A. Connors and G. L. Amidon, Eds., Chemical Stability of Pharmaceuticals: A Handbook for Pharmacists. Wiley-IEEE, 1986, p. 102; E. Odermatt, I. Berndt, J. Tiller, C. H. Ho and P. It, Antimicrobial medical product, method for manufacture and application thereof. WO Patent 2007028607 [15.03.2007]). Ferner werden Fettsäure-ester von 1-Thioglycerin als kalorienreduzierte Fette vorgeschlagen (L. P. Klemann, J. W. Finley and A. Scimone, Thioester derivatives as low calorie fat mimetics. US Patent 4992293 [12.02.1991]). Schließlich ist Thioglycerin in der ”List of Acceptable Non-medicinal Ingredients” aufgeführt, die von Health Canada herausgegeben wird (www.hc-sc.gc.ca).
  • Der antioxidative Effekt von 1-Thioglycerin und anderen Mercaptoalkanolen beruht vor allem auf der Peroxid zersetzenden Wirkung der Thiol-Gruppen. Diese führen ferner zum Abbruch radikalischer Kettenreaktionen unter Ausbildung von Disulfid-Brücken. Thiol-funktionalisierte Polyester können in gleicher Weise als polymer-gebundene Antioxidantien Verwendung finden (R. E. MacLeay and T. N. Myers, Process for preparing polymer bound antioxidant stabilizers. US Patent 4981917 [22.06.1989]), da freie Thiol-Gruppen ihre antioxidativen Eigenschaften auch in thiol-funktionalisierten Polymeren behalten (J. K. S. Wan and M. C. Depew, Some mechanistic insights in the behaviour of thiol containing antioxidant polymers in lignin oxidation processes. Research on Chemical Intermediates 22, 241–253 [1996]). Aufgrund ihres hohen Brechungsindexes eignen sich schwefelhaltige Polymere außerdem als Werkstoffe für den optischen Bereich (Y. Takashima, H. Tamura, T. Hikosaka and M. Takehana, Sulfur-containing compound, method for producing same, sulfur-containing polymer, and optical material. US Patent 2008/0146759 [19.06.2008]; N.-H. You, Y. Suzuki, D. Yorifuji, S. Ando and M. Ueda, Synthesis of high refractive index polyimides derived from 1,6-bis(p-aminophenylsulfanyl)-3,4,8,9-tetrahydro-2,5,7,10-tetrathiaanthracene and aromatic dianhydrides. Macromolecules 41, 6361–6366 [2008]).
  • Bekannterweise werden Poly(oxo)ester – im Gegensatz zu Polythioestern – in der Natur durch die Einwirkung von Mikroorganismen leicht abgebaut, wie es in einer Reihe von Publikationen beschrieben ist (Y.-Y. Linko and J. Seppälä, Producing high molecular weight biodegradable polyesters. Chemtec 26, 25–31 [1996]; Y.-Y. Linko, M. Lämsä, X. Wu, E. Uosukainen, J. Seppälä and P. Linko, Biodegradable products by lipase biocatalysis. Journal of Biotechnology 66, 41–50 [1998]; D. Jendrossek, Microbial degradation of polyesters. Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology 71, 293–325 [2001]). Diese Angaben werden durch Veröffentlichungen zum enzymatischen Abbau von Copolyestern aus α,ω-Alkandicarbonsäuren und α,ω-Alkandiolen komplettiert (E. Marten, Korrelationen zwischen der Struktur und der enzymatischen Hydrolyse von Polyestern, Dissertation, Technische Universität Braunschweig, Braunschweig 2000; E. Rantze, I. Kleeberg, U. Witt, R.-J. Müller and W.-D. Deckwer, Aromatic components in copolyesters: Model structures help to understand biodegradability. Die Makromolekulare Chemie – Macromolecular Symposia 130, 319–326 [1998]; R.-J. Müller, U. Witt, E. Rantze and W.-D. Deckwer: Architecture of biodegradable copolyesters containing aromatic constituents. Polymer Degradation and Stability 59, 203–208 [1998]). Solche umweltverträglichen Eigenschaften werden auch für thiol-funktionalisierte Polyester erwartet, zumal deren Hydrolyseprodukte – Alkandicarbonsäuren und Mercaptoalkanpolyole – ebenfalls nicht als Gefahr für die Umwelt angesehen werden. So ist die Toxizität von Alkandicarbonsäuren wie zum Beispiel Adipinsäure, Azelainsäure und Sebacinsäure bekanntermaßen sehr gering (A. Enders, Verträglichkeit und Ausscheidungsverhältnisse von Dicarbonsäuren. Naunyn-Schmiedeberg's Archives of Pharmacology 197, 597–610 [1941]). Zudem sind Alkandicarbonsäuren in verschiedenen Ländern als Säuerungsmittel und Säureregulatoren, ihre Salze als Kochsalzersatzmittel zugelassen (World Health Organization [WHO], Food Additives. Series 12, Geneva, WHO 1978). Mercaptoalkandiole wie zum Beispiel 1-Thioglycerin und 1,4-Dimercaptobutan-2,3-diole sind zumindest bei oraler Aufnahme als chemische Verbindungen geringer Toxizität bekannt (L. Wlodek, Beneficial and harmful effects of thiols. Polish Journal of Pharmacology 54, 215–223 [2002]) und werden daher verbreitet als Antioxidantien im technischen, biochemischen und medizinischen Bereich eingesetzt.
  • Biologische Abbaubarkeit und toxikologische Sicherheit von Polyestern – wie etwa Poly(alkandicarbonsäure-co-mercaptoalkanpolyole) und Poly(alkandicarbonsäure-dialkylester-co-mercaptoalkanpolyole) –, die durch enzymkatalysierte Veresterung oder Umesterung von bifunktionellen gesättigten aliphatischen Alkandicarbonsäuren und deren kurzkettigen Alkylestern mit polyfunktionellen Mercaptoalkanolen entstehen, sind daher gewährleistet. In Tierversuchen wurde allerdings über das Auftreten von Kontaktdermatitiden nach häufigen Kontakten mit Thiol-Verbindungen, z. B. aus Haarpflegemitteln, berichtet (E. V. Buehler, Delayed contact hypersensitivity in the guinea pig. Archives of Dermatology 91, 171–175 [1965]).
  • Aufgabenstellung
  • Im Unterschied zu den bekannten, oben erwähnten enzymatischen Verfahren zur Herstellung von Polyestern werden bei der im Folgenden ausführlich beschriebenen Synthese Alkandicarbonsäuren und andere Dicarbonsäuren oder deren kurzkettige Alkylester und polyfunktionelle Mercaptoalkanole eingesetzt, so dass copolymere Polyester mit freien Thiol-Funktionen, beispielsweise Poly(alkandicarbonsäure-co-mercaptoalkanpolyole), durch enzymkatalysierte Veresterung oder Umesterung (Alkoholyse) entstehen. Die Gemische der Reaktionspartner, das sind bifunktionelle Alkandicarbonsäuren oder deren kurzkettige Alkylester sowie polyfunktionelle Mercaptoalkanole, werden dabei in Gegenwart von Lipasen oder Esterasen bei moderaten Temperaturen zu copolymeren Polyoxoestern mit freien Thiol-Funktionen umgesetzt ( ), da Lipasen primäre und sekundäre Hydroxy-Gruppen – verglichen mit Thiol-Gruppen – bevorzugt verestern bzw. umestern. Als Nebenprodukt entstandenes Wasser bzw. kurzkettiger Alkohol werden durch Destillation im Vakuum aus dem Reaktionsgemisch entfernt.
  • Figure 00080001
  • : Lipase-katalysierte Herstellung von thiol-funktionalisierten copolymeren Polyestern durch Veresterung von bifunktionellen Alkandicarbonsäuren oder Umesterung (Alkoholyse) von bifunktionellen Alkandicarbonsäure-dialkylestern mit polyfunktionellen Mercaptoalkanolen, wobei R einen Alkyl-Rest mit vorzugsweise 1 bis 4 Kohlenstoffatomen darstellt. Die Anzahl der Methylen-Gruppen von bifunktionellen gesättigten Alkandicarbonsäuren und deren Estern bzw. polyfunktionellen Mercaptoalkanolen wird mit x und y angegeben. Die Summe der Methylen-Gruppen (x + y) beträgt vorzugsweise zwischen 5 und 29 pro Monoester-Einheit. Die Anzahl der Monoester-Einheiten der copolymeren thiol-funktionalisierten Polyester ist mit n bezeichnet.
  • Das Verfahren lässt sich auf eine große Anzahl von Reaktionen von bifunktionellen Alkandicarbonsäuren mit gerad- und verzweigtkettiger oder cyclischer Struktur der Kettenlängen C2 bis C26 anwenden. Bevorzugt werden bifunktionelle gesättigte aliphatische Alkandicarbonsäuren, zum Beispiel die kommerziell erhältlichen 1,4-Butandisäure (Bernsteinsäure), 1,6-Hexandisäure (Adipinsäure), 1,8-Octandisäure (Korksäure), 1,10-Decandisäure (Sebacinsäure) oder 1,12-Dodecandisäure, und andere Alkandicarbonsäuren verwendet; der Einsatz von aromatischen Dicarbonsäuren wie zum Beispiel Terephthalsäure ist ebenfalls möglich.
  • Als Alkandicarbonsäure-diester, die für die Synthese von copolymeren Polyester mit freien Thiol-Funktionen durch Umesterung (Alkoholyse) Verwendung finden, dienen vor allem kurzkettige Dialkylester der oben genannten bifunktionellen gerad- und verzweigtkettigen oder cyclischen aliphatischen Alkandicarbonsäuren, wie zum Beispiel die im Handel erhältlichen Methyl- oder Ethylester von 1,6-Hexandisäure, 1,8-Octandisäure oder 1,12-Dodecandisäure, aber auch kurzkettige Alkyl-terephthalate. In gleicher Weise können auch die Monoester (Halbester) dieser Dicarbonsäuren eingesetzt werden. Sowohl die freien Dicarbonsäuren als auch deren kurzkettige Mono- und Diester werden mit polyfunktionellen Mercaptoalkanolen, wie zum Beispiel 1-Mercaptopropan-2,3-diol (1-Thioglycerin; α-Thioglycerin), 1,4-Dimercaptobutan-2,3-diolen und anderen, in Gegenwart von Lipasen oder Esterasen zu Poly(alkandicarbonsäure-co-mercaptoalkan[poly]olen) und Poly(dialkyl-alkandioat-co-mercaptoalkan[poly]olen) umgesetzt.
  • Für die Herstellung von Poly(alkandicarbonsäure-co-mercaptoalkan[poly]olen) und Poly(dialkyl-alkandioat-co-mercaptoalkanpolyolen) dienen vor allem gerad- oder verzweigtkettige polyfunktionelle Mercaptoalkanole der Kettenlänge C3 bis C26. Beispielsweise können Mercaptoalkandiole wie 1-Thioglycerin (3-Mercaptopropan-1,2-diol), 1,4-Dimercaptobutan-2,3-diole wie Dithiothreitol oder Dithioerythritol und weitere Mercaptoalkanpolyole eingesetzt werden.
  • Für die oben genannten Veresterungs- und Umesterungsreaktionen können alle bekannten Lipasen und Esterasen als Enzymkatalysatoren verwendet werden, vor allem Lipasen aus Mikroorganismen, wie zum Beispiel Rhizopus arrhizus, Candida antarctica, Rhizomucor miehei und Geotrichum candidum, aber auch Pankreaslipasen aus verschiedenen Tierspezies sowie Lipasen aus Pflanzen wie zum Beispiel Papaya, Raps, Rizinus, Reis, Vernonia und Ananas. Bevorzugt werden an Träger gebundene Lipasen und Esterasen verwendet.
  • Die enzymkatalysierten Synthesen der Poly(alkandicarbonsäure-co-mercaptoalkanpolyole) und Poly(dialkyl-alkandioat-co-mercaptoalkanpolyole) können bei unterschiedlichen Reaktionsbedingungen durchgeführt werden, die insbesondere von den ausgewählten Lipasen und Esterasen abhängen. Im Allgemeinen werden Temperaturen zwischen 20 und 100°C angewendet, bevorzugt solche zwischen 40 und 80°C. Carboxy- und Hydroxy-Gruppen liegen in den als Reaktionspartner eingesetzten Alkandicarbonsäuren (bzw. deren Alkylestern) und Mercaptoalkanpolyolen bevorzugt im gleichen molaren Verhältnis vor; prinzipiell unterliegen die molaren Anteile der Reaktionspartner aber keinen Einschränkungen. Die Anteile der zugesetzten Lipasen oder Esterasen und die Reaktionszeit sind ebenfalls nicht beschränkt.
  • Über die Reaktionszeit lässt sich die Molmasse der Polyester am einfachsten einstellen. Für die Synthese von Poly(alkandicarbonsäure-co-mercaptoalkanpolyolen) und deren Alkylester-Derivaten werden üblicherweise längere Reaktionszeiten benötigt, während Oligomere unterschiedlicher Kettenlänge innerhalb vergleichsweise kurzer Reaktionszeiten entstehen. Erhöhung der Enzymmenge im Versuchsansatz, Anstieg der Temperatur, Verminderung des Drucks und Rühren des Reaktionsgemisches steigern die Reaktionsgeschwindigkeit und beschleunigen die Bildung der genannten thiol-funktionalisierten Polyester. Wiederholte Verwendung der in einem Reaktionsansatz benutzten Lipase oder Esterase in einem neuen Ansatz ist meist ohne nennenswerten Leistungsverlust des Biokatalysators möglich. Unterdrücke zwischen 90 und 0,01 kPa können für die Reaktion verwendet werden; üblicherweise werden Drücke zwischen 80 und 10 kPa eingehalten, um den Verlust der Reaktionspartner durch Destillation gering zu halten.
  • Es kann von Vorteil sein, die Reaktionspartner in geringen Volumina organischer Lösungsmittel, beispielsweise Diethylether, Methyl-tert-butylether, Dichlormethan, tert-Butanol, Tetrahydrofuran und anderen, oder Gemischen dieser Lösungsmittel zu dispergieren, um eine bessere Vermischung insbesondere der relativ schwerlöslichen Dicarbonsäuren mit den polyfunktionellen Mercaptoalkanolen zu gewährleisten. Vor Beginn der Reaktion werden organische Lösungsmittel im Vakuum wieder aus dem Reaktionsgemisch entfernt.
  • Die Reinigung der Poly(alkandicarbonsäure-co-mercaptoalkanpolyole) und deren Alkylester kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Nach der Umsetzung wird der Enzymkatalysator vom Reaktionsgemisch durch mehrmalige Extraktion mit einem organischen Lösungsmittel oder einem Lösungsmittelgemisch, vorzugsweise geringer bis mittlerer Polarität, und anschließende Zentrifugation oder Filtration abgetrennt. Nach Verdampfen der Lösungsmittel werden niedermolekularen Bestandteile, vor allem die nicht umgesetzten Edukte Alkandicarbonsäuren oder deren kurzkettige Dialkylester und Mercaptoalkanpolyole, vorzugsweise durch Extraktion mit einem organischen Lösungsmittel geringer Polarität aus dem Reaktionsgemisch abgetrennt. Eine Abtrennung der niedermolekularen Verbindungen durch Destillation im Hochvakuum oder Ultrafiltration ist ebenfalls möglich.
  • Ausführungsbeispiele
  • Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele gegeben für die Herstellung von Poly(alkandicarbonsäure-co-mercaptoalkanpolyolen) und Poly(dialkyl-alkandioat-co-mercaptoalkanpolyolen), die in beheizbaren Rührgefäßen im Vakuum durchgeführt wird:
  • Beispiel 1
  • Herstellung von Poly(1,12-dodecandisäure-co-1-thioglycerin)
    • Dicarbonsäure: 1,12-Dodecandisäure 460 mg (2 mmol)
    • Hydroxyverbindung: 1-Thioglycerin (3-Mercaptopropan-1,2-diol) 216 mg (2 mmol)
    • Lipase: Candida antarctica, immobilisierte Lipase B (Novozym 435®) 100 mg
    • Temperatur: 80°C
    • Druck: 80 kPa
    • Dauer: 24 bis 480 Std.
    • Aufarbeitung: Nach der Umsetzung wird der Enzymkatalysator vom Reaktionsgemisch durch dreimalige Extraktion mit Tetrahydrofuran bei 50°C sowie anschließende Zentrifugation und Filtration durch ein PTFE-Filter (Porendurchmesser 1 μm) abgetrennt. Nach Verdampfen des Lösungsmittels im Stickstoffstrom bei 40–50°C werden Lösungsmittelreste im Vakuum (2 kPa) bei einer Temperatur von etwa 60°C entfernt. Ein Teil des Reaktionsgemisches wird zur Bestimmung des Umsatzes und des Molekulargewichts durch Gelpermeationschromatographie/Size Exclusion Chromatography (GPC/SEC) verwendet.
    • Umsatz: 69% Polyester (Mw > 600 Da) nach 24 Std.
  • Die Analyse des Endproduktes (nach einer Reaktionszeit von 360–480 Std.) erfolgt wie in Beispiel 2, die Anreicherung der höhermolekularen Bestandteile wie in Beispiel 8 beschrieben. Die Charakterisierung der Polyester nach einer Reaktionszeit von 360 Std. unter Verwendung von GPC/SEC – wie in Beispiel 2 beschrieben – ergibt: Mn (mittlere Molmasse, Zahlenmittel), 2048 Da; Mw (mittlere Molmasse, Gewichtsmittel) 9,9 × 103 Da; Mw/Mn (Polydispersität) 4,9. Molekulargewichte und Anteile der höhermolekularen Bestandteile (Mw > 600 Da) der thiol-funktionalisierten copolymeren Polyester im Reaktionsgemisch sind in Beispiel 9 zusammengestellt.
  • Beispiel 2
  • Analyse der thiol-funktionalisierten copolymeren Polyester
  • Gaschromatographie (GC)
  • Der Verlauf der Reaktion wird gaschromatographisch durch die Abnahme der Edukte und die Zunahme verschiedener niedermolekularen Oligomere im Reaktionsgemisch verfolgt. Dazu werden Proben zu bestimmten Zeitpunkten aus dem Reaktionsgemisch entnommen, in Methyl-tert-butylether bei 50°C gelöst und die immobilisierten Lipasen durch Zentrifugation in einer Laborzentrifuge und Filtration des Überstands durch ein PTFE-Spritzenfilter (1 μm Porenweite) abgetrennt. Unveresterte Dicarbonsäure und weitere Carbonsäure-Derivate im Reaktionsgemisch werden durch Derivatisierung mit Diazomethan in die entsprechenden Methylester überführt. Mercaptoalkanole werden durch Zugabe von N-methyl-N-trimethylsilylheptafluoro-butyramide (MSHFBA) bei etwa 60°C silyliert. Das resultierende Gemisch aus Dicarbonsäure-dimethylester, silyliertem polyfunktionellen Mercaptoalkanol und verschiedenen derivatisierten Oligomeren wird gaschromatographisch analysiert. Die Trennung erfolgt an einer 15 m × 0,25 mm i. D. DB-5HT Kapillar-Gaschromatographiesäule (Agilent Technologies), 0,1 μm Filmdicke, mit Wasserstoff als Trägergas (Säulendruck 80 kPa) unter Verwendung des folgenden Temperaturprogramms: 60°C (4 min isotherm) gefolgt von einem linearen Temperaturanstieg mit 20°C/min auf 400°C (2 min isotherm). Die Auswertung erfolgt mit einer Agilent GC ChemStation Software.
  • Derivatisierung durch basische Transmethylierung
  • Carboxy-Endgruppen von Poly(1,12-dodecandisäure-co-1-thioglycerol) werden zunächst durch Zugabe einer etherischen Diazomethan-Lösung in die Methylester umgewandelt. Zur Feststellung der chemischen Grundstruktur werden die gereinigten Polymerfraktionen, etwa 10 mg, in 0,5 mL wasserfreiem Benzol gelöst oder suspendiert, mit 2 mL einer Lösung von 0,5 M Natrium-methylat in wasserfreiem Methanol versetzt und etwa 15–20 min auf 50–60°C erhitzt. Die abgekühlte Lösung wird durch Zugabe von 75 μL Essigsäure und anschließend einiger Tropfen gesättigter wässriger Natriumhydrogencarbonat-Lösung neutralisiert. Die Suspension wird im Stickstoffstrom konzentriert und getrocknet, anschließend silyliert und gaschromatographisch analysiert wie oben beschrieben. Auf diese Weise entstehen aus den Carboxyester-Gruppen der Polyester die entsprechenden Methylester, während Hydroxy- und Thiol-Gruppen in die entsprechenden silylierten Derivate überführt werden.
  • Verbindungen im Reaktionsgemisch werden anhand der Retentionszeiten und Vergleich mit Standards identifiziert. Beispielsweise werden bei der basischen Transmethylierung von Poly(1,12-dodecandisäure-co-1-thioglycerin) und Poly(diethyl-1,12-dodecandioat-co-1-thioglycerin) mit anschließender Silylierung vor allem folgende Spaltprodukte gefunden: 1,12-Dodecandisäure-dimethylester sowie silyliertes 1-Thioglycerin und silyliertes Disulfid des 1-Thioglycerins.
  • Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS)
  • Die chemischen Strukturen der Ausgangsprodukte sowie der Spaltprodukte der alkalischen Transmethylierung werden – nach Derivatisierung mit Diazomethan und anschließender Silylierung – durch GC-MS identifiziert (0,1 μm DB-1HT ”fused silica” Kapillarsäule [J&W Scientific], 15 m × 0,25 mm i. D., EI-Modus). Helium dient als Trägergas bei einer Flussrate von 1 mL/min. Folgendes Temperaturprogramm wird für die gaschromatographische Trennung verwendet: 60°C (2 min isotherm), dann programmierter Temperaturanstieg von 60 bis 400°C mit 20°C/min, 400°C (9 min isotherm). Die Temperaturen von Injektor und Interface betragen 400°C, die Temperatur der Ionenquelle 250°C.
  • Fourier Transform Infrared (FTIR)-Spektrometrie
  • FTIR-Spectra der Polyester-Präzipitate aus Beispiel 8 werden zum Nachweis von Carbonsäure-ester-Gruppen und freien Thiol-Funktionen aufgenommen. Die Absorption wird mit einer Auflösung von 1 cm–1 bei insgesamt 30 Scans bestimmt. Es werden KBr-Presslinge mit etwa 1,5% Polymer verwendet. Die charakteristische Thiol-Bande (v, S-H, schwach) erscheint bei 2571 cm–1, die Carbonyl-Bande (v, C=O, stark) der Esterbindung bei 1740 cm–1.
  • 1H- and 13C-NMR-Spektrometrie
  • 1H- und 13C-NMR-Analysen (1H, 599.6 MHz; 13C, 150.8 MHz) werden mit etwa 50 mg der Polyesterpräzipitate aus Beispiel 8, gelöst in ca. 1 mL d8-Tetrahydrofuran, bei 298 K aufgenommen. DEPT, gCOSY, gHSQC and gHMBC Experimente werden ebenfalls durchgeführt. Charakteristische 1H- and 13C-NMR-Resonanzen von thiol-funktionalisierten copolymeren Polyoxoestern sind in Beispiel 9 aufgeführt.
  • Gelpermeationschromatographie/Size Exclusion Chromatography (GPC/SEC)
  • Proben des Reaktionsgemisches werden, wie in Beispiel 1 beschrieben, aufgearbeitet. Die Molmassen der thiol-funktionalisierten copolymeren Polyester werden durch GPC/SEC an 100, 1.000 und 10.000 Å PLgel Säulen (Polymer Laboratories) in Serie mit Brechungsindex-Detektion bestimmt. Tetrahydrofuran, stabilisiert mit 0,25% BHT, dient als mobile Phase bei einer Flussrate von 1 mL/min. Zur Kalibrierung des Systems dienen kommerzielle Polystyrol-Kalibrier-Standards. Die Charakterisierung des Reaktionsgemisches durch GPC/SEC liefert Mn (mittlere Molmasse, Zahlenmittel) und Mw (mittlere Molmasse, Gewichtsmittel). Diese Parameter sowie die Molekulargewichtsbereiche werden mit einer GPC-Software (PL Caliber, Polymer Laboratories) berechnet. Die Polydispersität wird als Mw/Mn angegeben.
  • Bestimmung der Enzymaktivitäten
  • Eine Veresterungs- bzw. Umesterungseinheit wird definiert als die Menge Enzym (g), die 1 μmol Monoester-Äquivalent/min produziert (unabhängig von der Position der veresterten Hydroxy-Gruppe am Glycerin-Molekül). Kleine Anteile Thioester, die ebenfalls entstehen, werden zu den Veresterungseinheiten hinzu addiert. Veresterungseinheiten werden mit Hilfe von GPC/SEC-Daten (Anteile von Oligo- und Polymeren, Mw > 600 Da) aus den anfänglichen (24 Std.) Veresterungs- bzw. Umesterungsraten bestimmt.
  • Beispiel 3
  • Herstellung von Poly(1,12-dodecandisäure-co-1-thioglycerin)
  • Die Umsetzung wird ähnlich wie in Beispiel 1 beschrieben durchgeführt. Vor Zugabe der Lipase wird dem Reaktionsansatz jedoch ein kleines Volumen organisches Lösungsmittel, beispielsweise etwa 0.5 mL Methyl-tert-butylether (MTBE), zugesetzt und für einige Minuten erwärmt und gerührt. Das Lösungsmittel wird im Vakuum wieder entfernt und die Reaktion anschließend durch Zugabe der Lipase gestartet (vgl. Beispiel 6).
    • Dicarbonsäure: 1,12-Dodecandisäure 460 mg (2 mmol)
    • Hydroxyverbindung: 1-Thioglycerin (3-Mercaptopropan-1,2-diol) 216 mg (2 mmol)
    • Lipase: Candida antarctica, immobilisierte Lipase B (Novozym 435®) 100 mg
    • Temperatur: 80°C
    • Druck: 80 kPa
    • Dauer: 24 bis 480 Std.
    • Umsatz: 89% Polyester (Mw > 600 Da) nach 24 Std.
  • Die Aufarbeitung des Produktes erfolgt wie in Beispiel 1, die Analyse wie in Beispiel 2 und die Anreicherung der höhermolekularen Bestandteile wie in Beispiel 8 beschrieben. Die Charakterisierung der Polyester nach einer Reaktionszeit von 360 Stunden unter Verwendung von GPC/SEC – wie in Beispiel 2 beschrieben – ergibt: Mn (mittlere Molmasse, Zahlenmittel), 1967 Da; Mw (mittlere Molmasse, Gewichtsmittel) 95 × 103 Da; Mw/Mn (Polydispersität) 47. Molekulargewichte und Anteile der höhermolekularen Bestandteile (Mw > 600 Da) der thiol-funktionalisierten copolymeren Polyester im Reaktionsgemisch sind in Beispiel 9 zusammengestellt.
  • Beispiel 4
  • Herstellung von Poly(diethyl-1,12-dodecandioat-co-1-thioglycerin)
    • Dicarbonsäure-ester: Diethyl-1,12-dodecandioat 592 mg (2 mmol)
    • Hydroxyverbindung: 1-Thioglycerin (3-Mercaptopropan-1,2-diol) 216 mg (2 mmol)
    • Lipase: Candida antarctica, immobilisierte Lipase B (Novozym 435®) 50 mg
    • Temperatur: 80°C
    • Druck: 80 kPa
    • Dauer: 24 bis 480 Std.
    • Umsatz: 42% Polyester (Mw > 600 Da) nach 24 Std.
  • Die Aufarbeitung des Produktes erfolgt wie in Beispiel 1, die Analyse wie in Beispiel 2 und die Anreicherung der höhermolekularen Bestandteile wie in Beispiel 8 beschrieben. Die Charakterisierung der Polyester nach einer Reaktionszeit von 360 Stunden unter Verwendung von GPC/SEC – wie in Beispiel 2 beschrieben – ergibt: Mn (mittlere Molmasse, Zahlenmittel), 1006 Da; Mw (mittlere Molmasse, Gewichtsmittel) 3,5 × 103 Da; Mw/Mn (Polydispersität) 3,5. Molekulargewichte und Anteile der höhermolekularen Bestandteile (Mw > 600 Da) der thiol-funktionalisierten copolymeren Polyester im Reaktionsgemisch sind in Beispiel 9 zusammengestellt.
  • Beispiel 5
  • Herstellung von Poly(diethyl-1,12-dodecandioat-co-1-thioglycerin)
  • Die Umsetzung wird ähnlich wie in Beispiel 4 beschrieben durchgeführt. Vor Zugabe der Lipase wird dem Reaktionsansatz jedoch ein kleines Volumen organisches Lösungsmittel, beispielsweise etwa 0.5 mL Methyl-tert-butylether (MTBE), zugesetzt und für einige Minuten erwärmt und gerührt. Das Lösungsmittel wird im Vakuum wieder entfernt und die Reaktion anschließend durch Zugabe der Lipase gestartet (vgl. Beispiel 6).
    • Dicarbonsäure-ester: Diethyl-1,12-dodecandioat 592 mg (2 mmol)
    • Hydroxyverbindung: 1-Thioglycerin (3-Mercaptopropan-1,2-diol) 216 mg (2 mmol)
    • Lipase: Candida antarctica, immobilisierte Lipase B (Novozym 435®) 50 mg
    • Temperatur: 80°C
    • Druck: 80 kPa
    • Dauer: 24 bis 480 Std.
    • Umsatz: 64% Polyester (Mw > 600 Da) nach 24 Std.
  • Die Aufarbeitung des Produktes erfolgt wie in Beispiel 1, die Analyse wie in Beispiel 2 und die Anreicherung der höhermolekularen Bestandteile wie in Beispiel 8 beschrieben. Die Charakterisierung der Polyester nach einer Reaktionszeit von 360 Stunden unter Verwendung von GPC/SEC – wie in Beispiel 2 beschrieben – ergibt: Mn (mittlere Molmasse, Zahlenmittel), 1015 Da; Mw (mittlere Molmasse, Gewichtsmittel) 4,7 × 103 Da; Mw/Mn (Polydispersität) 4,6. Molekulargewichte und Anteile der höhermolekularen Bestandteile (Mw > 600 Da) der thiol-funktionalisierten copolymeren Polyester im Reaktionsgemisch sind in Beispiel 9 zusammengestellt.
  • Beispiel 6
  • Einfluss der Vorbehandlung des Reaktionsgemisches mit organischen Lösungsmitteln auf Polyveresterung und Polyumesterung
  • Enzymaktivitäten der immobilisierten Lipase B aus Candida antarctica (Novozym 435), die für Veresterungs- und Umesterungsreaktionen von 1,12-Dodecandisäure bzw. deren Diethylester mit 1-Thioglycerin ohne und mit vorheriger Lösungsmittel-Behandlung ermittelt werden
    Edukte/Substrate Lösungsmittel Lipase-Aktivität [units/g ± SEM] (n = x)c)
    1,12-Dodecandisäure + 1-Thioglycerin 1,12-Dodecandisäure + 1-Thioglycerin ohne mit 30,0a) ± 5.4 (n = 4) 193,1b) ± 13.2 (n = 8)
    Diethyl-1,12-dodecandioat + 1-Thioglycerin Diethyl-1,12-dodecandioat + 1-Thioglycerin ohne mit 18,3a) ± 1.8 (n = 2) 31,6b) ± 3.6 (n = 2)
    • a) Reaktionsbedingungen: 2 mmol 1,12-Dodecandisäure oder Diethyl-1,12-Dodecandioat + 2 mmol 1-Thioglycerin; Novozym 435, 100 mg; 80°C; 80 kPa; 24 Std.
    • b) Reaktionsbedingungen wie unter a), aber Edukte werden ca. 10 min bei 50–60°C in 0.5 mL Methyl-tert-butylether (MTBE) suspendiert bzw. gelöst. Vor dem Start der Reaktion wird das Lösungsmittel wieder im Vakuum (2 kPa) entfernt.
    • c) SEM = Standard Error of Mean; n = Anzahl der Tests
  • Beispiel 7
  • Einfluss der Reaktionszeit auf das Molekulargewicht der durch Veresterung oder Umesterung gebildeten thiol-funktionalisierten Polyestera)
    Thiol-funktionalisierte Polyester Zeit (Tage) Mw b) (Da) Mn c) (Da)
    Poly(1,12-dodecandisäure-co-1-thioglycerin) 4 21 × 103 2353
    8 44 × 103 2392
    15 94 × 103 1967
    Poly(diethyl-1,12-dodecandioat-co-1-thioglycerin) 4 1,3 × 103 701
    8 2,1 × 103 945
    15 4,1 × 103 1011
    • a) Die mittleren Molmassen wurden durch Gelpermeationschromatographie/Size Exclusion Chromatography (GPC/SEC) bestimmt, wie in Beispiel 2 beschrieben.
    • b) mittlere Molmasse/Gewichtsmittel; Rohprodukt nach Extraktion und Filtration
    • c) mittlere Molmasse/Zahlenmittel; Rohprodukt nach Extraktion und Filtration
  • Beispiel 8
  • Reinigung von Poly(1,12-dodecandisäure-co-1-thioglycerin) und Poly(diethyl-1,12-dodecandioat-co-1-thioglycerin) durch Lösungsmittel-Fraktionierung
  • Der Gesamtextrakt aus verschiedenen Ansätzen (0,1 g) der Poly(1,12-dodecandisäure-co-1-thioglycerin)-Synthese wird nach Aufarbeitung – wie in Beispiel 1 beschrieben – in etwa 5 mL Tetrahydrofuran unter Erwärmen auf ca. 45°C gelöst und anschließend mit etwa 7,5 mL iso-Hexan gemischt. Beim Abkühlen auf –20°C bildet sich ein weißer Niederschlag des thiol-funktionalisierten Polyesters (0,06 g), der nach etwa 4 Stunden Kühlung abzentrifugiert wird. Der Überstand (0,04 g) enthält vor allem niedermolekulare Bestandteile. Der Niederschlag, in dem die höhermolekularen Bestandteile (Mw > 600 Da) angereichert sind, wird im Vakuum (2 kPa) bei 50°C getrocknet. Die Anteile der niedermolekularen (Mw < 600 Da), mittelmolekularen (Mw > 600–< 1.500 Da) und höhermolekularen (Mw > 1.500 Da) Bestandteile des thiol-funktionalisierten Polyesters werden unter Verwendung von GPC/SEC bestimmt. In gleicher Weise liefert der Gesamtextrakt aus verschiedenen Ansätzen (ca. 0,2 g) der Poly(diethyl-1,12-dodecandioat-co-1-thioglycerin)-Herstellung nach Lösungsmittel-Fraktionierung mit Methyl-tert-butylether – iso-Hexan (1:4) 0,17 g dieses Polyesters.
  • Zusammensetzung der thiol-funktionalisierten copolymeren Polyester:
  • Poly(1,12-dodecandisäure-co-1-thioglycerin), Präzipitat: Mw < 600 Da, 2,1%; Mw > 600–< 1.500 Da, 1,8%; Mw > 1.500 Da, 96,1%; Mw 160.400 Da; Mn 4.200 Da; Mw/Mn (Polydispersität) 38,2; maximale Molmasse ca. 1 × 107 Da; weißer fester Polyester mit Thiol-Funktionen, der durch NMR-Spektrometrie charakterisiert wird (siehe Beispiel 10). Poly(diethyl-1,12-dodecandioat-co-1-thioglycerin), Präzipitat: Mw < 600 Da, 4,7%; Mw > 600–< 1.500 Da, 13,3%; Mw > 1.500 Da, 82,0%; Mw 7.000 Da; Mn 2.500 Da; Mw/Mn (Polydispersität) 2,7; maximale Molmasse ca. 8 × 104 Da; farbloser plastischer Polyester mit Thiol-Funktionen, der durch NMR-Spektrometrie charakterisiert wird (siehe Beispiel 10).
  • Beispiel 9
  • GPC/SEC-Analysen der thiol-funktionalisierten Polyester aus Veresterungs- und Umesterungsreaktionen Mittlere Molmassen (Mw) und Anteile der höhermolekularen Bestandteile (> 600 Da) von thiol-funktionalisierten copolymeren Polyestern in den Reaktionsgemischena)
    Edukte/Substrate GPC/SEC-Analysen der höhermolekularen Bestandteile
    Mittlere Molmassen (Mw) Anteile (%) im Reaktionsgemisch
    1,12-Dodecandisäure 1-Thioglycerin ohne MTBE 13,0 × 103 99b )
    1,12-Dodecandisäure 1-Thioglycerin mit MTBE 160,4 × 103 98c)
    Diethyl-1,12-dodecandioat 1-Thioglycerin ohne MTBE 4,4 × 103 92d)
    Diethyl-1,12-dodecandioat 1-Thioglycerin mit MTBE 7,0 × 103 95e)
    • a) Reaktionsbedingungen: 2 mmol 1,12-Dodecandisäure oder Diethyl-1,12-dodecandioat + 2 mmol 1-Thioglycerin; Novozym 435, 100 mg; 80°C; 80 kPa.
    • b) Rohprodukt aus Veresterungsreaktion nach 480 Std.
    • c) Polyester-Präzipitat aus Veresterungsreaktion nach Lösungsmittel-Fraktionierung aus Tetrahydrofuran – iso-Hexan (2:3) bei –20°C
    • d) Rohprodukt aus Umesterungsreaktion nach 480 Std.
    • e) Polyester-Präzipitat aus Umesterungsreaktion nach Lösungsmittel-Fraktionierung aus Methyl-tert-butylether (MTBE) – iso-Hexan (1:4) bei –20°C
  • Beispiel 10
  • NMR-Spektrometrie der beiden thiol-funktionalisierten Polyester copolymeren Poly(1,12-dodecandisäure-co-1-thioglycerin) und Poly(diethyl-1,12-dodecandioat-co-1-thioglycerin)
  • Als Beispiel werden 1H- und 13C-NMR-Resonanzen von Poly(1,12-dodecandisäure-co-1-thioglycerin) gegeben. Folgende charakteristische Signale werden für diesen thiol-funktionalisierten Polyester gefunden: 333
    1H-NMR: δH 5,01 (m, [CH2]2-CH-O); 4,32 (dd, 2J = 11,9 Hz 3J = 3,7 Hz, O-CH2-CH); 4,15 (dd, 2J = 11,9 Hz, 3J = 5,5 Hz, O-CH2-CH); 2,7 (m, CH2-SH); 2,28 (m, CO-CH2); 1,89 (tr, 3J = 9,0 Hz, CH2-SH; 1,58 (m, CO-CH2-CH2); 1,30 (m, [-CH2]n-).
    13C-NMR: δC 197,7 (-CO-S-); 173,5-172,6 (-CO-O-); 73,24 ([CH2]2-CH-O); 63,78 (O-CH2-CH); 34,5 (CO-CH2); 30 ([-CH2-]n); 25,78 (CO-CH2-CH2); 25,22 (CH2-SH).
  • Die Resonanzen des durch lipase-katalysierte Umesterung hergestellten Poly(diethyl-1,12-dodecandioat-co-1-thioglycerin) sind den oben aufgeführten sehr ähnlich. Allerdings werden noch zusätzliche Signale der terminalen Carboxyethyl-Grupppe beobachtet bei δH 4,04 (O-CH2-CH3) und 1,19 (O-CH2-CH3) sowie δC 60,4 (O-CH2-CH3) und 14,58 (O-CH2-CH3). Eine niedrige Intensität der Kohlenstoff-Resonanzen bei δC 197,7 ppm weist auf geringe Anteile von Thioester-Bindungen im Polycondensat hin, eine niedrige Intensität der Signale bei δC 44,5 auf geringe Anteile von Disulfid-Brücken.
  • Beispiel 11
  • Verarbeitung der thiol-funktionalisierten copolymeren Polyester sowie daraus hergestellter Lösungen
  • Die durch Lösungsmittel-Fraktionierung – wie in Beispiel 8 beschrieben – gereinigten thiol-funktionalisierten copolymeren Polyester Poly(1,12-dodecandisäure-co-1-thioglycerin) und Poly(diethyl-1,12-dodecandioat-co-1-thioglycerin) können als thermoplastische optische Werkstoffe direkt verarbeitet oder anderen Polymeren und Polymergemischen sowie Rezepturen für Kosmetika und andere Körperpflegemittel zugemischt werden. Für die Verwendung im Oberflächenschutz werden Poly(1,12-dodecandisäure-co-1-thioglycerin) und Poly(diethyl-1,12-dodecandioat-co-1-thioglycerin) beispielsweise in Tetrahydrofuran, Methyl-tert-butylether, Dichlormethan oder anderen Lösungsmitteln sowie Gemischen dieser Lösungsmittel unter Erwärmen gelöst. Lösungen mit Anteilen von je etwa 5 bis 25% der beiden copolymeren Polyester flocken bei Raumtemperatur nicht aus und können als antioxidativ und antibakteriell wirkende Schutzfilme zum Beispiel durch Tauchen, Sprühen oder andere Applikationsverfahren auf Oberflächen etwa von Holz, Kunststoff oder Metall aufgebracht werden. Eine anschließende besonders aktive antibakterielle Ausstattung durch Dotierung mit Silber- oder anderen Schwermetallionen ist ebenfalls möglich.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (6)

  1. Enzymatisches Verfahren zur Herstellung von thiol-funktionalisierten copolymeren Polyester ausgehend von bifunktionellen Alkandicarbonsäuren und Mercaptoalkandiolen, die in Gegenwart von Lipasen unter Rühren bei erhöhter Temperatur im Vakuum umgesetzt werden.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die bifunktionellen Alkandicarbonsäuren durch entsprechende mit kurzkettigen Alkanolen veresterte Alkandicarbonsäuremonoester oder Alkandicarbonsäurediester ersetzt werden.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 2, bei dem die bifunktionellen Alkandicarbonsäuren oder deren Alkylester durch entsprechende aromatische Dicarbonsäuren oder Phenylendialkansäuren bzw. deren Alkylester ersetzt werden.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 3, bei dem die Mercaptoalkandiole durch polyfunktionelle Mercaptoalkanole ersetzt werden.
  5. Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 4, bei dem die Reaktionspartner zunächst in einem organischen Lösungsmittel oder einem Lösungsmittelgemisch gelöst oder partiell gelöst und die Lösungsmittel vor Beginn der Reaktion wieder entfernt werden.
  6. Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 5, bei dem die höhermolekularen copolymeren thiol-funktionalisierten Polyester angereichert werden, indem man die niedermolekularen Bestandteile des Reaktionsgemisches durch Fraktionierung mit organischen Lösungsmitteln oder Gemischen von Lösungsmitteln entfernt.
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