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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.
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. 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)
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Stand der Technik
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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]).
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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.
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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]).
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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.
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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).
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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]).
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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.
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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]).
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Aufgabenstellung
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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.
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: 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ausführungsbeispiele
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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:
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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
Polyester
a)
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 (M
w)
und Anteile der höhermolekularen Bestandteile (> 600 Da) von thiol-funktionalisierten copolymeren
Polyestern in den Reaktionsgemischen
a)
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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