DE102010043228A1

DE102010043228A1 - Cyclodextrin-Carbamate, ihre Herstellung und ihre Verwendung

Info

Publication number: DE102010043228A1
Application number: DE201010043228
Authority: DE
Inventors: Dr. Amann Manfred; Dr. Bortenschlager Martin; Wolfgang Hecht
Original assignee: Wacker Chemie AG
Current assignee: Wacker Chemie AG
Priority date: 2010-11-02
Filing date: 2010-11-02
Publication date: 2011-11-10

Abstract

Die Erfindung betrifft Cyclodextrin-Carbamat vorzugsweise gekennzeichnet durch die Formel (I)wobei n 6, 7 oder 8 bedeutet und die Reste R1 gleich oder verschieden sind und Wasserstoffrest, Alkylrest, Hydroxyalkylrest oder Carbamatrest der allgemeinen Formel -C(=O)NR2R3 bedeuten, wobei mindestens ein Rest R1 pro Molekül ein Carbamatrest ist und die Reste R2 und R3 gleich oder verschieden sind und Wasserstoffrest, Alkylrest oder Hydoxyalklrest bedeuten.

Description

Die Erfindung betrifft Cyclodextrin-Carbamate, ihre Herstellung und ihre Verwendung.
Cyclodextrine sind cyclische Oligosaccharide, die aus 6, 7 oder 8 α(1-4)-verknüpften Anhydroglukoseeinheiten aufgebaut sind. Die durch enzymatische Stärkekonversion hergestellten α-, β- oder γ-Cyclodextrine unterscheiden sich im Durchmesser ihrer hydrophoben Kavität und eignen sich generell zum Einschluß zahlreicher lipophiler Substanzen.
Die natürlichen Cyclodextrine (α, β, γ) sind in Wasser unterschiedlich gut lösliche Moleküle, welche sich biologisch vollständig abbauen lassen. Eine Erweiterung der technischen Verwendbarkeit der Cyclodextrine kann durch geeignete chemische Derivatisierung erreicht werden, wodurch sich das physikalisch-chemische Verhalten der Cyclodextrine verändert. Von speziellem Interesse ist die Veränderung der Löslichkeit in Wasser und Lösungsmitteln sowie die veränderte chemische Reaktivität, welche eine kovalente Ankopplung eines derivatisierten Cyclodextrins an geeignete Partnermoleküle bzw. Materialien erlaubt.
Die Derivatisierung von Cyclodextrinen ist bekannt und es ist eine Vielzahl unterschiedlicher Cyclodextrinderivate beschrieben. Die verfügbaren Cyclodextrinderivate sind allerdings teure Feinchemikalien. Kostengünstige Derivate nativer Cyclodextrine sind am Markt nicht erhältlich. Die Derivatisierung von Cyclodextrin (CD) beeinflußt in vielen Fällen die biologische Abbaubarkeit derart, dass das resultierende Derivat nicht mehr als biologisch abbaubar bezeichnet werden kann. Während veresterte Cyclodextrine noch häufig biologisch abbaubar sind, können die meisten Cyclodextrinether biologisch nicht abgebaut werden. Zu letzteren gehören die technisch in großen Mengen verwendeten Methyl- und Hydroxypropylether.
Ein Cyclodextrinderivat, welches sich kovalent an verschiedene Oberflächen binden lässt, beschreibt US5728823 Es handelt sich um ein Cyclodextrinderivat mit einem Monochlortriazinylrest. Dieses Monochlortriazin-Derivat (MCT-CD) hat eine Reihe von Nachteilen verbunden mit seiner Herstellung und seiner Anwendung:
Zu seiner Herstellung wird das teuere Edukt NHDT (2-Natriumhydroxy-4,6-dichlor-1,3,5-triazin) benötigt. Bei seiner Synthese entsteht eine hohe Salzfracht die entfernt werden muss. MCT-CD ist chloridhaltig, was bei vielen Anwendungen unerwünscht ist. Die Kopplungsausbeuten sind niedrig, da der Substitutionsgrad gering gehalten werden muss. Die Kopplungsgruppe ist räumlich sehr anspruchsvoll und erschwert dadurch die erwünschten Wechselwirkungen, beispielsweise die Komplexierreaktionen des Cyclodextrins.
Aufgabe der Erfindung war es, ein Cyclodextrinderivat zur Verfügung zu stellen, welches chemisch kovalent an verschiedene Oberflächen gekoppelt werden kann und welches nicht die Nachteile der Materialien des Stands der Technik aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein CD-Carbamat.
Das CD-Carbamat hat vorzugsweise die Formel (I)
wobei n 6, 7 oder 8 bedeutet und
die Reste R¹ gleich oder verschieden sind und Wasserstoffrest, Alkylrest, Hydoxyalklrest oder Carbamatrest der allgemeinen Formel -C(=O)NR²R³ bedeuten, wobei mindestens ein Rest R¹ pro Molekül ein Carbamatrest ist und die Reste R² und R³ gleich oder verschieden sind und Wasserstoffrest, Alkylrest oder Hydoxyalklrest bedeuten.
Beispiele für Alkylreste sind Methyl-, Ethyl-, Propyl-, Butylrest. Beispiele für Hydoxyalklreste sind Hydroxymethyl-, Hydroxyethyl-, Hydroxypropyl-, Hydroxybutylrest.
Bevorzugt sind die Reste R¹, R² und R³ gleich oder verschieden und bedeuten Wasserstoffrest, Methyl-, Ethyl-, Hydroxymethyl- oder Hydroxypropylrest, wobei R¹ wie oben ausgeführt zudem mindestens einmal pro Molekül Carbamatrest bedeutet. In einer besonders bevorzugten Ausführung handelt es sich bei R² und R³ um Wasserstoffreste oder bei R² um einen Wasserstoffrest und bei R³ um einen Hydroxymethylrest.
Die erfindungsgemäße Verbindung der Formel (I) enthält mindestens einen Carbamatrest pro Molekül, kann aber auch mehrere Carbamatreste pro Molekül enthalten. Der Substitutionsgrad der erfindungsgemäßen Verbindungen liegt zwischen 0,125 und 1, bevorzugt liegt er im Bereich von 0,3 bis 0,7, besonders bevorzugt zwischen 0,4 und 0,6.
Unter Substitutionsgrad (D. S. degree of substitution) versteht man dabei die Anzahl der in das Molekül eingeführten Carbamatreste bezogen auf einen Anhydroglucoserest des Cyclodextrins.
Die erfindungsgemäßen CD-Carbamate besitzen eine höhere Wasserlöslichkeit als die entsprechenden nativen Cyclodextrine, sie sind vollständig biologisch abbaubar und zu ihrer Herstellung werden keine toxikologisch oder ökotoxikologisch kritischen Edukte benötigt. Während natives Cyclodextrin üblicherweise in wässriger Lösung verarbeitet wird, da es nur in wenigen anderen Lösungsmitteln löslich ist, zeigen Cyclodextrinderivate in vielen Fällen sehr gute Löslichkeit in vielen polaren und unpolaren Lösungsmitteln. Im Gegensatz dazu zeigt das erfindungsgemäße CD-Carbamat ein differenzierteres Löslichkeitsverhalten.
Gute Lösungsmittel (Löslichkeit > 20 Gew.%) sind Wasser oder Glykole wie Ethylenglycol oder Propylenglycol. In vielen anderen Lösungsmitteln wie Methanol, Ethanol, 2-Propanol, Aceton, Anilin, Tetrahydrofuran (THF), Tetraethoxysilan (TEOS), Methoxypropylacetat (MPA), Ethylacetat, Acetonitril ist das CD-Carbamat hingegen unlöslich. Diese differenzierte Löslichkeit ist von Vorteil, da sie Anwendungen in sensiblen Bereichen wie Kosmetik oder Pharmakologie/Medizin ermöglicht, welche Derivaten mit undifferenziert hoher Löslichkeit in polaren und unpolaren Lösungsmitteln versperrt sind.
Die Funktionalität des Cyclodextrins als Komplexbildners ist im Cyclodextrin-Carbamat nicht beeinträchtigt. Erst bei sehr hohen Substitutionsgraden (D. S. > 0,8) wird die Kavität sterisch soweit behindert, dass große Gastmoleküle nicht mehr in der veränderten Cavität komplexiert werden können.
Die Herstellung des erfindungsgemäßen Cyclodextrinderivats erfolgt durch ein Verfahren, bei dem α-, β-, oder γ-Cyclodextrin einzeln oder in einer beliebigen Mischung in einer Harnstoffschmelze zu einem erfindungsgemäßen Carbamat umgesetzt wird, wobei Harnstoff sowohl Lösungsmittel als auch Reaktionspartner ist.
Die Synthese von Cyclodextrin-Carbamat wird vorzugsweise in einer Schmelze von Harnstoff durchgeführt. Harnstoff ist dabei das Lösungsmittel und liefert bei erhöhter Temperatur den Reaktionspartner Isocyansäure. Pro Mol Harnstoff wird ein Mol Ammoniak gebildet, welcher aus der Schmelze unter unterschiedlich heftiger Blasenbildung entweicht und in der Regel einfach beispielsweise durch Wäscher in der Abluft aufgefangen werden kann.
Die Verwendung von Harnstoff ist sehr vorteilhaft, handelt es sich doch um einen weißen, kristallinen, ungiftigen und hygienisch unbedenklichen Feststoff. Als weitere günstige Eigenschaft erweist sich die gute Wasserlöslichkeit (1080 g/l – 20°C) von Harnstoff, welche dazu führt, dass Mischungen aus Cyclodextrin, welches immer molekular gebundenes Wasser enthält (ca. 6–10%), und Harnstoff in der Schmelze stets homogene einphasige Lösungen bilden, in welchen alle Reaktionspartner gelöst vorliegen.
Vorzugsweise werden Harnstoff (Molgewicht 60) und Cyclodextrin (Molgewichte: α-CD 972 g/mol, β-CD 1135 g/mol, γ-CD 1297 g/mol) in einem Gewichtsverhältnis von 10:1 bis 1:1, besonders bevorzugt von 5:1 bis 1:1, insbesondere bevorzugt im Gewichtsverhältnis 2:1 eingesetzt.
Beispielsweise wird eine Harnstoffschmelze (150°C) vorgelegt und natives Cyclodextrin unter Rühren als Feststoff zugegeben. Das Cyclodextrin löst sich schnell. Die Reaktion des Harnstoffs kann an dem gebildeten Ammoniak qualitativ abgelesen werden. Cyclodextrin ist unter den Reaktionsbedingungen stabil. Der Fortschritt der Reaktion kann nach Entnahme von Proben z. B. chromatographisch mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) verfolgt werden.
Da je nach verwendetem Cyclodextrin jeweils mehrere chemisch gleichwertige Substitutionsorte am Cyclodextrin gegeben sind, werden mehrfach substituierte Reaktionsprodukte erhalten. Die reaktiveren primären OH-Gruppen (6, 7 oder 8 je nachdem, ob α-, β- oder γ-CD eingesetzt wird) reagieren bevorzugt vor den sekundären OH-Gruppen.
Eine genaue Identifizierung der entnommenen Proben bzw. des erhaltenen Produktes lässt sich massenspektroskopisch durchführen. Mittels MALDI-TOF Methode (Matrix Assisted Laser Desorption/Ionisation – Time Of Flight) kann der Substitutionsgrad bestimmt werden. Der Substitutionsgrad steigt mit zunehmender Reaktionsdauer.
Die Bildungsgeschwindigkeit kann durch Zugabe von Lauge (0,1 bis 3,5 Gew.%) beschleunigt werden, was aber in der Regel nicht vorteilhaft ist, da eine zu heftige Bildung von Ammoniakblasen im Ansatz technisch oft nicht wünschenswert ist. Der Gesamtumsatz wird durch die zugegebene Laugenmenge nicht signifikant erhöht.
Der Umsatz an Cyclodextrin beträgt 80–90% des eingesetzten Cyclodextrins. Nicht umgesetztes Cyclodextrin kann im Ansatz verbleiben und stört die Verwendung des Produkts in der Regel nicht.
Die Reaktionstemperatur ist durch die physiko-chemischen Eigenschaften des Harnstoffs bestimmt. Bei einem Schmelzpunkt von knapp 135°C darf diese Temperatur nicht unterschritten werden, wenn nur Harnstoff im Reaktionsansatz vorhanden ist. Beschleunigt werden kann die Umsetzung, wenn noch höhere Temperaturen verwendet werden, beispielsweise 180°C. Bevorzugt findet die Reaktion daher bei 135 bis 150°C statt.
Die hohen Synthesetemperaturen in der Harnstoffschmelze können reduziert werden, wenn nicht in reinem Harnstoff, sondern in harnstoffhaltigen Lösungen gearbeitet wird. Die in wässrigen Harnstofflösungen oder eutektischen Harnstoffmischungen (bsp. Cholinchlorid/Harnstoff) erzielbaren Umsätze sind allerdings deutlich schlechter als die Umsetzungen in reinem Harnstoff. Das Verfahren benötigt somit kein zusätzliches Lösungsmittel, kann aber 1 bis 50 Gew.% Wasser oder 1–50 Gew.% Cholinchlorid enthalten. Dann findet die Umsetzung vorzugsweise bei einer Temperatur von 60 bis 100°C statt.
Nicht umgesetzter Harnstoff bzw. die wässrige Harnstofflösung kann für die erfindungsgemäße Reaktion wieder verwendet werden.
Ein harnstofffreies CD-Derivat kann aus dem Reaktionsansatz wie folgt isoliert werden: Dem Reaktionsansatz wird Wasser zu gegeben, um die nachfolgende Fällung des Reaktionsprodukts zu erleichtern. Die Zugabe von Wasser erfolgt im Volumenverhältnis von 0,5:1 (Volumen Wasser:Volumen Reaktionsansatz) bis 5:1, vorzugsweise im Verhältnis 1:1. Anschließend wird durch Zugabe von Alkohol (beispielsweise Ethanol (EtOH) oder 2-Propanol (2-PrOH)) das CD Derivat ausgefällt.
Die Menge an zugegebenem Alkohol beträgt dabei vorzugsweise das 5- bis 10-fache des mit Wasser verdünnten Reaktionsansatzes.
Im technischen Maßstab ist es vorteilhafter, den Harnstoff aus der CD-Carbamatlösung durch geeignete Filtrationsverfahren abzutrennen. Als Lösungsmittel wird dabei vorzugsweise Wasser verwendet, da es für alle Edukte und Produkte ein gutes Lösungsmittel darstellt. Die verwendbaren Verfahren sind technisch etabliert und ermöglichen eine vollständige Abtrennung von Harnstoff. Es handelt sich um Filtrationsverfahren, welche in der Lage sind, die kleinen Harnstoffmoleküle (60 g/mol) von den großen Cyclodextrinen (> 972 g/mol) bzw. Cyclodextrinderivaten (>> 1000 g/mol) abzutrennen. Solche Verfahren (Ultrafiltration, Nanofiltration, Umkehrosmose) sind in der Technik gut eingeführt und werden beispielsweise in der Wasseraufbereitung in großem Maßstab verwendet (Umkehrosmose, reverse Osmose). Als Produkt einer solchen Harnstoffabtrennung aus der wässrigen Produktlösung wird eine wässrige CD-Carbamatlösung erhalten. Die CD-Carbamat-Konzentration wird dadurch eingestellt, dass Wasser im gewünschten Ausmaß zugegeben oder abgetrennt wird.
Die Anbindung des erfindungsgemäßen CD-Carbamats an geeignete Moleküle/Oberflächen kann auf verschieden Weise erfolgen. Es können als Reaktionspartner Moleküle/Oberflächen verwendet werden, welche selbst eine geeignete Reaktivität besitzen. Solche Oberflächen können auf vielen Materialien durch entsprechende Aktivierung erzeugt werden. Beispielsweise können primäre Alkohole, wie sie auf textilen Oberflächen oft vorliegen, einfach mit Formaldehyd zu reaktiven Hydroxymethylgruppen umgesetzt werden. Zur Anbindung des CD-Carbamats können zahlreiche bekannte Kopplungsreagenzien verwendet werden. Als weitere Möglichkeit kann das CD-Carbamat in geeigneter Weise aktiviert werden, um an unterschiedliche Moleküle/Oberflächen kovalent angebunden zu werden.
Das erfindungsgemäße CD-Carbamat kann nach einfacher Aktivierung mit Formaldehyd an Moleküle/Oberflächen kovalent gebunden werden. Diese weitere Derivatisierung des CD-Carbamats erfolgt vorzugsweise mit Formaldehyd. Das resultierende methylolierte (= hydroxymethylierte) CD-Carbamat kann einfach und stabil an geeignete Verbindungen oder Materialien gebunden werden. Die Erfindung betrifft somit besonders bevorzugt auch ein hydroxymethyliertes CD-Carbamat der Formel (I), in der der. Carbamatrest -C(=O)NH-CH₂-OH bedeutet.
Die Herstellung von hydroxymethyliertem CD-Carbamat gelingt durch Inkubation einer alkalisch eingestellten wässrigen Lösung (beispielsweise mit Na₂CO₃) des Carbamats mit Formaldehyd. Die analytische Identifizierung dieses Derivats gelingt beispielsweise mittels Massenspektroskopie. Eine entsprechende Derivatisierung eines nativen Cyclodextrins ist auf diesem Weg nicht möglich. Nicht umgesetzter Formaldehyd wird aus dem Formaldehyd/Wasser-Gemisch bei einer Temperatur von 15 bis max. 50°C abgezogen. Die erhaltene wässrige Lösung von hydroxymethyliertem CD-Carbamat kann direkt verwendet werden oder sie kann beispielsweise mittels Gefriertrocknung in ein Pulver überführt werden.
Das methylolierte CD-Carbamat kann an verschiedene funktionelle Gruppen wie z. B. -NH₂, -OH, -CHO, -SH, -O-C(=O)-NH-CH₂-OH unter milden Bedingungen gekoppelt werden. Moleküle mit diesen Funktionalitäten sind Bestandteil zahlreicher natürlicher und synthetischer Verbindungen. Derartige Verbindungen sowie alle Materialien und zusammengesetzte Materialien, welche diese Verbindungen enthalten, stehen somit als Reaktionspartner für das methylolierte CD-Carbamat zur Verfügung. Beispiele für derartige natürlich vorkommende Verbindungen sind zuckerhaltige Moleküle, das Cyclodextrin selbst, Biopolymere wie Proteine und Nukleinsäuren und Polysaccharide wie beispielsweise Stärke und Cellulose. Da geeignete funktionelle Gruppen bekanntermaßen ebenso in zahlreichen synthetischen Polymeren vorkommen, können diese Verbindungen ebenso als Kopplungspartner verwendet werden. Es spielt dabei keine Rolle, wo im Molekül die funktionelle Gruppe vorliegt. Beispiele für derartige Verbindungen sind wasserlösliche Polymere wie Polyvinylalkohole und Copolymere davon, aber auch in Wasser nicht lösliche oder nur emulgierbare Polymere mit geeigneten Modifikationen, wie z. B. Aminderivate oder Carbinolderivate von Siliconölen.
Die stabile Anbindung von Cyclodextrin-Carbamat an derartige Verbindungen, im folgenden auch Zielmolekül genannt, führt dazu, dass diese Verbindungen mit neuen Eigenschaften ausgestattet werden können, wie z. B. einer Möglichkeit zur selektiven Bindung oder den Möglichkeiten zur kontrollierten Freisetzung von Wirkstoffen.
Die kovalente Anbindung an ein Zielmolekül geschieht typischerweise durch Mischung des hydroxymethylierten CD-Carbamats mit dem Zielmolekül. Erfolgt die Mischung mit dem Zielmolekül in einem Lösungsmittel, so ist darauf zu achten, dass ein Lösungsmittel gewählt wird, welches selbst nicht mit dem hydroxymethylierten CD-Carbamat reagieren kann oder aus dem Ansatz entfernt werden kann.
Bei dem Lösungsmittel handelt es sich vorzugsweise um Wasser, welches vor Anbindung des hydroxymethylierten CD-Carbamats auf eine Restgehalt unter 1 Gew.%. reduziert wird
Zur Ausbildung einer kovalenten Bindung ist ein niedriger Gehalt an Wasser wichtig. Bei zu hohen Gehalten (> 1 Gew.%) kann keine stabile Bindung ausgebildet werden. Üblicherweise wird nach Mischung der Reaktionsteilnehmer das Lösungsmittel, welches oft Wasser ist, mit den üblichen Verfahren entfernt (Aufheizen auf 50–100°C). Die Bindung wird durch Anlegen einer höheren Temperatur, worunter vorzugsweise eine Temperatur von 70 bis 180°C, vorzugsweise 130 bis 160°C, über einen Zeitraum von 0,1 bis 60 Minuten, vorzugsweise von 2 bis 15 Minuten, zu verstehen ist, fixiert. Die stabile Fixierung (kovalente Verknüpfung) gelingt auch durch Aufbügeln mit einem haushaltsüblichen Bügeleisen. Der Nachweis der stabilen Anbindung kann mit spektroskopischen Methoden (NMR) geführt werden, die funktionelle Zugänglichkeit des Cyclodextrins kann mit Komplexiertests mit z. B. Phenolphthalein gezeigt werden.
Textilien sind für die Anbindung des hydroxymethylierten CD-Carbamats besonders geeignet, da sie zum einen oft Fasern enthalten, welche sich gut derivatisieren lassen (Baumwolle, Baumwoll-Mischgewebe), zum anderen, weil vielfältige Anforderungen an Textilien gestellt werden, welche sich meist nur mit speziellen Ausrüstungen realisieren lassen. Die Verwendung von Cyclodextrinderivaten (MCT-CD Derivate) zur Textilausrüstung wurde bereits beschreiben. Die erzielbaren Ausbeuten (Anteil des eingesetzten CD-Derivats, welcher sich kovalent fixieren lässt) reichen bis zu 40% des eingesetzten Derivats. Auch die Ausrüstung von Papier ist bekannt, auch hier ist Cellulose das Polymer, welches derivatisiert wird. Die Fixierausbeuten liegen bei Papier allerdings meist deutlich unter 20 Gew.%.
Versuche mit dem methylolierten CD-Carbamat zeigen im Vergleich zum MCT-CD Derivat deutlich höhere Bindungsausbeuten im Bereich von 60–80%.
Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung:
Beispiel 1
Synthese und Isolierung von Cyclodextrin-Carbamat (Harnstoffschmelze)
Die Synthese ist exemplarisch für das γ-CD beschrieben. Die Synthese von α- und β-Cyclodextrin-Carbamat erfolgt ganz entsprechend mit jeweils 50 g α-CD (51 mmol) bzw. 50 g β-CD (44 mmol) in der Harnstoffschmelze (100 g).
50 g γ-CD (39 mmol) wurden in eine Schmelze (150°C) aus 100 g Harnstoff (1,67 mol) gegeben. Der Ansatz wurde mehrere Stunden (üblicherweise 5 h) gerührt. Die Reaktion war von Blasenbildung (Ammoniak) begleitet. Das Fortschreiten der Reaktion konnte durch Analyse kinetisch entnommener Proben bestimmt werden (HPLC; MALDI). Die Umsetzung konnte durch Abkühlen unterbrochen werden. Kühlte die Schmelze ab, entstand ein trüber Festkörper, welcher wieder aufgeschmolzen werden konnte. Um eine nicht mehr kristallisierende Produktlösung zu erhalten, welche aufgearbeitet werden kann, wurde der heiße Ansatz bei Reaktionsende (kein weiterer Umsatz mehr nachweisbar) vorsichtig in das doppelte Volumen Wasser eingeleitet.
Zu Isolierung von reinem Produkt wurde die produkthaltige Harnstoff-Wasser-Lösung mit dem 7-fachen Volumen iso-Propanol (iPrOH) versetzt. Der resultierende Produktniederschlag wurde wiederholt (ein bis 6 mal) mit iPrOH gewaschen. Da Harnstoff deutlich besser als das Carbamat in Lösung geht, erhielt man nach mehrmaligem Auswaschen ein harnstofffreies Produkt. Die Restmenge an nicht umgesetztem CD betrug ca. 5–10 Gew.% des eingesetzten Cyclodextrins. Die isolierte Carbamatausbeute betrug ca. 70 Gew.% bezogen auf das eingesetzte Cyclodextrin.
Der Harnstoffgehalt des Produkts wurde im 1H-Kernspinresonanz-Spektroskopie (1H-NMR in deuteriertem DMSO) aus dem Verhältnis des Cyclodextrinsignals (4,86 ppm – 7 Protonen bei β-CD) in Relation zum Harnstoffsignal (5,50 ppm – 4 H von Harnstoff) bestimmt.
Beispiel 2
Fixierung von CD-Carbamat auf hydroxymethylierten Oberflächen (Textilien)
Gasförmiger Formaldehyd (aus Paraformaldehyd) wurde im Gasstrom (Argon) durch eine gasdichte Kammer geleitet. In die veischlie?bare Kammer wurde ein mit α-CD-Carbamat imprägnierter Stoff (Baumwolle)eingebracht. Die Imprägnierung erfolgte durch Tränken des Stoffs (Baumwolle 20 × 20 cm²) in einer 5%igen wässrigen Lösung von α-CD-Carbamat. Überschüssige Lösung wurde ausgepresst und das feuchte Baumwolltuch bei 50°C getrocknet. Die Gewichtszunahme des feuchten Stoffs nach der Imprägnierung betrug 100%.
Der getrocknete imprägnierte Stoff wurde auf eine temperierbare Heizplatte gelegt. Im Formaldehydstrom fixierte das Cyclodextrinderivat auf den Stoff. Die Versuche wurden mit 16 mg/min Formaldehyd bei einer Kammerbreite von 20 cm gemacht. Die Temperatur der Heizplatte in der Bedampfungskammer wurde auf 150°C eingestellt. Das Verfahren ist mit allen Materialien möglich, welche sich mit Formaldehyd zu den entsprechenden reaktiven Methylolderivaten umsetzen lassen.
Beispiel 3:
Hydroxymethylierung von CD-Carbamat
Beschrieben ist ein Ansatz mit einem zehnfachen Überschuss (molar) von Formaldehyd (CH₂O) gegenüber dem Cyclodextrincarbamat. Die Bestimmung des Derivatisierungsgrads des Carbamats erfolgte über MALDI-TOF.
In einem 250 ml Kolben wurden 50 g CD-Carbamat in alkalischer wässriger Lösung (2 g Na₂CO₃ in 100 ml Wasser) gelöst und 24,7 g wässrige Formaldehydlösung (37%-ig) zugegeben. Der Ansatz wurde 24–48 h bei Raumtemperatur (entspricht 23°C) gerührt, bevor der nicht umgesetzte Rest an CH₂O am Rotationsverdampfer abgezogen wurde. Die Temperatur überschritt dabei nicht 50°C. Die wässrige Produktlösung konnte direkt verwendet oder z. B. durch Gefriertrocknung in ein Pulver überführt werden.
Beispiel 4:
Fixierung von hydroxymethyliertem CD-Carbamat (Methylolderivat) auf Oberflächen (Textilien)
Stoffstücke aus Baumwolle von ca. 4 cm × 4 cm Größe wurden in eine saure 10%ige wässrige Lösung von hydroxymethyliertem α-CD (mit 1 mol/l HCl auf pH 4,0 eingestellt) eingetaucht. Der Stoff wurde dabei vollständig von Flüssigkeit bedeckt und 30 min inkubiert. Die Flüssigkeit wurde abgepresst (Gewichtszunahme des feuchten Stoffs ca. 100%) und das Stoffstück 20 Minuten bei 40°C im Trockenschrank getrocknet (alternativ auch 12 h bei Raumtemperatur). Die Fixierung des Cyclodextrins erfolgte anschließend bei 150°C im Trockenschrank für 15 Minuten. Nicht gebundenes Cyclodextrin wurde aus dem Stoff unter fließendem vollentsalztem Wasser ausgespült (3 mal Waschen), wobei ein Waschschritt jeweils aus Spülen und Auspressen bestand. Abschließend wurde der Stoff getrocknet und auf gebundenes und funktionelles Cyclodextrin hin untersucht.
Die Gewichtszunahme des Stoffs durch die Menge an gebundenem CD-Carbamat betrug 4% (gravimetrisch). Das gebundene Cyclodextrin zeigte volle Funktionalität (Komplexierungstest mit Jod-Stärke). Die stabile Fixierung gelang auch durch Aufbügeln mit einem haushaltsüblichen Bügeleisen.
Beispiel 5:
Nachweise von kovalent gebundenem Cyclodextrin
Die Menge an gebundenem Cyclodextrin erfolgte gravimetrisch. Die Funktionalität des gebundenen Cyclodextrins wurde je nach Cyclodextrin nach unterschiedlichen Methoden untersucht:
Für α-CD wurde die Komplexbildungsreaktion mit Jod verwendet. Jod bildet mit Stärke einen stabilen Jod-Stärke-Komplex, welcher durch die Delokalisation der Valenzelektronen von Polyiodidketten, welche in die Stärkehelix eingelagert sind, blauschwarz erscheint. Der Komplex mit dem ringförmigen α-CD ist farblos. Wird das zur Komplexierung verwendete Jod in Form des blauen Jod-Stärke Komplexes zugegeben, kann α-CD das Jod binden, wobei sich die gefärbte Lösung entfärbt.
Für β-CD und γ-CD wurde die Komplexbildung mit dem pH Indikator Phenolphthalein herangezogen.
Phenolphthalein ist ein pH Indikator und zeigt in alkalischen Lösungen eine intensive pinkrote Färbung. Durch Komplexbildung mit β- und γ-CD wird das Elektronensystem des Phenolphthaleins soweit verschoben, dass die Lösungen farblos erscheinen. Die Entfärbung im Alkalischen zeigt das Vorliegen von intaktem funktionellen Cyclodextrin.
Der funktionelle Nachweis kann neben diesen einfachen Farbtests auch auf vielerlei andere Weise geführt werden. Es können Gastmoleküle verwendet werden, welche sich einfach und empfindlich nachweisen lassen (Bsp. Geruch oder GC mit Limonen), oder es können alle Effekte ausgewertet werden, welche nur durch die intakte Cyclodextrinfunktionalität bedingt sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5728823 [0005]

Claims

Cyclodextrin-Carbamat
Cyclodextrin-Carbamat gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Formel (I)
wobei n 6, 7 oder 8 bedeutet und die Reste R¹ gleich oder verschieden sind und Wasserstoffrest, Alkylrest, Hydroxyalkylrest oder Carbamatrest der allgemeinen Formel -C(=O)NR²R³ bedeuten, wobei mindestens ein Rest R¹ pro Molekül ein Carbamatrest ist und die Reste R² und R³ gleich oder verschieden sind und Wasserstoffrest, Alkylrest oder Hydoxyalklrest bedeuten.
Cyclodextrin-Carbamat gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reste R¹, R² und R³ gleich oder verschieden sind und Wasserstoffrest, Methyl-, Ethyl-, Hydroxymethyl- oder Hydroxypropylrest bedeuten, wobei R¹ zudem mindestens einmal pro Molekül Carbamatrest bedeutet und es sich in einer bevorzugten Ausführung bei R² um einen Wasserstoffrest und bei R³ um einen Wasserstoffrest oder einen Hydroxymethylrest handelt.
Cyclodextrin-Carbamat gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Substitutionsgrad zwischen 0,125 und 1, bevorzugt von 0,3 bis 0,7, besonders bevorzugt zwischen 0,4 und 0,6 aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Cyclodextrin-Carbamats gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Cyclodextrin in einer Harnstoffschmelze zu einem Cyclodextrin-Carbamat umgesetzt wird, wobei Harnstoff sowohl Lösungsmittel als auch Reaktionspartner ist.
Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Harnstoff und Cyclodextrin in einem Gewichtsverhältnis von 10:1 bis 1:1, besonders bevorzugt von 5:1 bis 1:1, insbesondere bevorzugt im Gewichtsverhältnis 2:1 eingesetzt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Reaktionsansatz nach Umsetzung Wasser im Volumenverhältnis von 0,5:1 (Wasser:Reaktionsansatz) bis 5:1, vorzugsweise im Verhältnis 1:1 zugegeben wird und anschließend durch Zugabe von Alkohol das Cyclodextrin-Carbamat ausgefällt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Harnstoff aus der Cyclodextrin-Carbamatlösung durch ein Filtrationsverfahren abgetrennt wird.
Verfahren zur kovalenten Anbindung eines Cyclodextrin-Carbamats gemäß Anspruch 2 bis 4, bei dem R¹ gleich oder verschieden ist und Wasserstoffrest, Alkylrest, Hydroxyalkylrest oder Carbamatrest der allgemeinen Formel -C(=O)NR²R³ bedeutet und R² Wasserstoffrest bedeutet und R³ Hydroxymethylrest bedeutet, an eine Verbindung mit einer funktionellen Gruppe, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe -NH₂, -OH, -CHO, -SH, -O-C(=O)-NH-CH₂-OH, dadurch gekennzeichnet, dass das Cyclodextrin-Carbamat mit der Verbindung gemischt wird und durch Temperaturerhöhung auf 70 bis 180°C über einen Zeitraum von 0,1 bis 60 Minuten eine Verknüpfung des CD-Carbamats mit der Verbindung erfolgt.
Material, vorzugsweise textiles Material oder Papier, dadurch gekennzeichnet, dass ein hydroxymethyliertes CD-Carbamat kovalent angebunden ist.