DE102015216415A1

DE102015216415A1 - Silikonisierte, w/o Pickering Emulsionen bildende Partikel

Info

Publication number: DE102015216415A1
Application number: DE102015216415.2A
Authority: DE
Inventors: Marion Ansorge-Schumacher; Christoph Plikat
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2015-08-27
Filing date: 2015-08-27
Publication date: 2017-03-02
Also published as: WO2017032887A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft silikonisierte Partikel, zur Bildung und Stabilisierung von w/o Pickering Emulsionen sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Außerdem betrifft die Erfindung mit diesen Partikeln gebildete w/o Pickering Emulsionen und deren Verwendung für chemische Reaktionen in mehrphasigen Lösungsmittelsystemen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch silikonisierte, w/o Pickering Emulsionen bildende Partikel gelöst, wobei die Partikel aus organischen oder anorganischen Materialien oder lyophilisierten Mikroorganismen bestehen, die eine vollständige oder partielle Silikonbeschichtung aufweisen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft silikonisierte Partikel, zur Bildung und Stabilisierung von w/o Pickering Emulsionen sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Außerdem betrifft die Erfindung mit diesen Partikeln gebildete w/o Pickering Emulsionen und deren Verwendung für chemische Reaktionen in mehrphasigen Lösungsmittelsystemen.
Unter einer Emulsion versteht man ein fein verteiltes Gemisch zweier normalerweise nicht mischbarer Flüssigkeiten, wie z.B. Wasser (hydrophil) und Öl (hydrophob). Um die Koaleszenz der in der hydrophilen Phase fein dispergierten Tröpfchen der hydrophoben Phase zu verhindern, d.h. um die Emulsion zu stabilisieren, wurden bisher meist grenzflächenaktive Stoffe wie Tenside oder Emulgatoren verwendet. Diese Verbindungen enthalten sowohl hydrophobe als auch hydrophile funktionelle Einheiten und stabilisieren die Grenzfläche zwischen dispergierter und kontinuierlicher Phase, indem sie die Grenzflächenspannung herabsetzen. Tenside finden breiten Einsatz in der Lebensmittel- und Kosmetikindustrie. Entscheidende Nachteile dieser Verbindungen sind allerdings eine hohe Umweltbelastung, relative Toxizität und geringe Biokompatibilität. Durch Desorption der Tenside von der Phasengrenze können unerwünschte Produktverunreinigungen entstehen. Ausserdem weisen die meisten durch Tenside stabilisierten Emulsionen nur relativ geringe Lagerstabilität auf.
Feststoff-stabilisierte Emulsionen sind seit längerem bekannt. Nach ihrem Entdecker S. U. Pickering werden diese Pickering Emulsionen genannt. Pickering Emulsionen (PE) sind Emulsionen zweier nicht mischbarer Flüssigkeiten, die durch Nano- oder Mikropartikel thermodynamisch stabilisiert werden. Diese Partikel sind nicht grenzflächenaktiv, sondern bilden eine mechanische Barriere um die Tröpfchen der inneren Phase und verhindern so deren Koaleszenz. Da eine hohe Kraft aufgewendet werden muss, um die Partikel wieder von der Phasengrenzfläche zu entfernen, gelten sie als irreversivel angelagert. Die daraus resultierende hohe Lagerstabilität kennzeichnet einen entscheidenden Vorteil der Pickering Emulsionen gegenüber herkömmlichen, tensid-stabilisierten Emulsionen. Außerdem weisen sie eine höhere Resistenz gegen Änderungen des chemischen Milieus, geringe Toxizität und damit hohe Biokompatibilität auf.
Pickering Emulsionen werden bereits u.a. in kosmetischen Präparaten, in der Lebensmittelindustrie, als pharmazeutische Hilfsmittel („drug delivery“) und als Template in der Materialsynthese eingesetzt.
Technisch etabliert sind bisher aber vor allem Emulsionen des Typs o/w (oil in water), d.h. die von Partikeln umgebene dispergierte Phase besteht aus einer hydrophoben Flüssigkeit, während die kontinuierliche Phase durch eine hydrophile Flüssigkeit gebildet wird. Stabilisiert werden diese o/w PE durch Partikel mit hydrophiler Oberfläche. Diese sind technisch leicht zu realisieren und finden deshalb breite Anwendung.
PE des Typs w/o (water in oil) sind dagegen bisher wenig beschrieben. Grund dafür sind die schwierig zu realisierenden, meist hydrophoben Oberflächeneigenschaften, die die Partikel zur Herstellung dieser PE aufweisen müssen.
Realisiert wurde dies bisher durch Einsatz von Nano- oder Mikropartikeln, die von Natur aus hydrophobe Eigenschaften besitzen oder deren Oberfläche aufwändig chemisch so modifiziert wurde, dass sie anschließend hydrophob vorliegt.
In der Literatur wurden von Rousseau [1] oder Gosh [2] Pickering Emulsionen beschrieben, die durch Nanopartikel, bestehend aus verfestigten Fetten, stabilisiert werden. Hikima und Nonomura [3] berichteten 2011 den Einsatz von Keratinpartikeln für die Erzeugung von w/o PE. Lattuda und Hatton [4] sowie Xu [5] nutzten Janus-Partikel-artige Grundmaterialien zur Bildung von w/o PE.
JP 2011-178972 A beschreibt die Stabilisierung von w/o/w Pickering Emulsionen durch Partikel aus organischem Silikon. Diese enthalten einen kugelförmigen Hohlraum und lagern sich an der Grenzschicht zwischen Öl- und Wasserphase an.
Auch amphiphile Partikel werden zur Stabilisierung von w/o Pickering Emulsionen eingesetzt. US 6,585,983 B1 beschreibt die Beschichtung von Metalloxiden mit Sauerstoffverbindungen von Silizium oder Aluminium für die Herstellung der Emulsionen und die zusätzliche Stabilisierung durch Elektrolyte.
Den überwiegenden Teil hydrophobisierter Partikel bilden silanisierte Silicate (siehe Literatur von Midmore [6], Arditty et al. [7], Motornov et al. [8], Liu et al. [9], Qi et al. [10], Scott et al. [11], Zhang et al. [12, 13]. Nur wenige andere Materialien kamen bislang zum Einsatz, wie z.B. durch Anhydride modifizierte Stärke, beschrieben von Rayner [14] und Eliasson [15].
Eine Publikation von Wu et al. [16] beschreibt die Stabilisierung von w/o Pickering Emulsionen durch hydrophobierte Siliziumdioxid-Nanopartikel, erhältlich durch Behandlung der Partikeloberfläche mit Trimethoxy(octadecyl)silan. Erstmals wurde dabei auch die Nutzung von Pickering Emulsionen zur Durchführung biokatalysierter Reaktionen in zweiphasigen Lösungsmittelsystemen beschrieben.
Keine der bisherigen Ansätze bietet eine generelle und einfach anzuwendende Methode zur Oberflächenmodifikation um ein breites Spektrum an Nano- oder Mikropartikeln für die Stabilisierung von w/o Pickering Emulsionen zugänglich zu machen. Es werden lediglich individuelle, auf die jeweiligen Partikel zugeschnittene Modifizierungen beschrieben, welche oftmals nur unter erheblichem finanziellen und technischen Aufwand realisiert werden können.
Bisher ist eine industrielle Anwendung von w/o Pickering Emulsionen durch diese Schwierigkeiten erheblich beschränkt.
EP 2011865 B1 und EP 2163617 B1 beschreiben neue Enzympräparate, die in biokatalysierten Reaktionssystemen im industriellem Maßstab zum Einsatz kommen. Dabei werden Enzyme oder Enzyme enthaltende Mikroorganismen auf inerten Trägermaterialien immobilisiert, um chemische Reaktionen, bevorzugt in wässrigem Milieu, zu katalysieren. Um eine höhere Stabilität der Träger gegenüber mechanischen Kräften zu gewinnen und die Desorption der Enzyme vom Trägermaterial zu verhindern, werden sie von einer Silikonschicht ummantelt, die durch eine Hydrosilylierungsreaktion erhältlich ist. Um die Enzympräparate nach Reaktionsende wieder aus dem System abtrennen zu können, sind Trägergrößen im Millimetermaßstab notwendig. Während in EP 2011865 B1 das Silikonmaterial ausschließlich aus Siloxanen hergestellt wird, setzt es sich in EP 2163617 B1 aus Polysiloxanen und Polyethern zusammen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Partikel, sowohl organischen als auch anorganischen Ursprungs, zur Bildung von w/o Pickering Emulsionen bereitzustellen. Dies erfordert eine einfach anzuwendende, generelle Methode der Oberflächenmodifizierung von Mikro- oder Nanopartikeln, die unabhängig von der Beschaffenheit und Struktur der Partikeloberfläche eingesetzt werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch silikonisierte, w/o Pickering Emulsionen bildende Partikel gelöst,

– wobei die Partikel aus organischen oder anorganischen Materialien oder lyophilisierten Mikroorganismen bestehen,
– wobei die Partikel einen Durchmesser von 1 nm bis 10 µm aufweisen,
– wobei die silikonisierten Partikel eine vollständige oder partielle Silikonbeschichtung aufweisen
– wobei der Massenanteil an Silikon 1–30% der Gesamtmasse der beschichteten Partikel beträgt

Die Partikel können sowohl aus organischen als auch aus anorganischen Materialien bestehen. Außerdem kann es sich bei den Partikeln um lyophilisierte Mikroorganismen handeln. Bevorzugt umfassen die anorganischen Materialien Metalle, Metalloxide, Mineralien, anorganische Polymere, metallhaltige Tonmaterialien, Zeolithe, Silikate, Hydrogele, Ambigele, Xerogele. Bevorzugt umfassen die organischen Materialien synthetische Polymere oder natürliche Polymere, beispielsweise Gelatine. Die lyophilisierten Mikroorganismen umfassen Enzyme enthaltende Einzeller.
Die Partikel weisen einen Durchmesser von 1 nm bis 10 µm, bevorzugt von 10 nm bis 700 nm, besonders bevorzugt 20 bis 250 nm auf.
Die silikonisierten Partikel weisen eine vollständige oder partielle Beschichtung aus Silikon auf.
Silikon ist ein synthetisches Material, das u.a. durch Vulkanisierung von Siloxanen in 0Gegenwart eines Pt Katalysators („Hydrosilylierung“) erzeugt werden kann. Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung von Silikonen besteht in der Metallsalz-katalysierten Kondensation von Silikaten und Silanolen.
Silikone sind für hervorragende Biokompatibilität und geringe Toxizität bekannt. Siloxane unterschiedlichster Funktionalität sind einfach und kostengünstig kommerziell erhältlich. Durch individuelle Auswahl der an der Netzwerkbildung beteiligten Siloxane kann man die physiochemischen Eigenschaften der Silikone, inklusive der Hydrophobizität bestimmen und regulieren. Da es sich bei der erfindungsgemäßen Beschichtung nicht um eine kovalent an den Partikel gebundene Beschichtung handelt, stellt dies eine generelle Methode der Oberflächenmodifizierung von Mikro- und Nanopartikeln dar, die völlig unabhängig von Beschaffenheit und Struktur der Partikeloberfläche einsetzbar ist. Damit ist sie für ein breites Spektrum an Mikro- und Nanopartikeln zugänglich.
Bevorzugt weisen die einzelnen silikonisierten Partikel eine nur partielle Beschichtung aus Silikon auf. Grund dafür ist die extrem hohe spezifische Oberfläche der ursprünglichen Nanopartikel, wodurch diese stark zu Agglomeration neigen, das heisst, die Partikel liegen stets als Cluster/ Agglomerate vor. Während der Polymerisationsreaktion werden diese Agglomerate mit Silikon umhüllt und es bilden sich deshalb zunächst silikonisierte Aggregate der Partikel. Erst während des Dispersionsvorgangs zur Herstellung der w/o Pickering Emulsion werden diese Aggregate mechanisch zerstört und in die einzelnen Partikel zerlegt. Die Silikonschicht wird dabei zerrissen und auf der Oberfläche der einzelnen Partikel bleiben nur jeweils „Inseln“ aus Silikon zurück. Mit der unvollständigen Beschichtung erhöht sich die Amphiphilie der Partikel, das heißt, die Oberfläche weist sowohl hydrophobe als auch hydrophile Bereiche auf. Damit gewinnen die Partikel zusätzlich stabilisierenden Charakter für die w/o Pickering Emulsion.
Bevorzugt beträgt der Anteil an Silikon 0.5 bis 50% der Gesamtmasse der silikonisierten Partikel, besonders bevorzugt 1 bis 40% der Gesamtmasse, ganz besonders bevorzugt 1 bis 25% der Gesamtmasse der silikoniserten Partikel. Der Massenanteil an Silikon an der Gesamtmasse kann über die eingesetzten Mengen an Monomeren während der Hydrosilylierungsreaktion eingestellt werden.
Zudem weisen die erfindungsgemäßen Partikel eine äußerst hohe Biokompatibilität und geringe Toxizität auf, welches ein klarer Vorteil gegenüber den bisher eingesetzten grenzflächenaktiven Substanzen, wie Tensiden und Emulgatoren, ist.
Bevorzugt handelt es sich bei dem zur Silikonisierung eingesetzen Silikon um ein Polyethersiloxan. Dieses wird hergestellt durch Hydrosilylierung Si-H-funktioneller Polysiloxane bei welcher als olefinischer Baustein ein mindestens zwei terminal ungesättigte Gruppen tragender Polyether eingesetzt wird.
Ferner kann es sich auch um Silikon handeln, das durch eine Metallsalz-katalysierte Kondensation von Siloxanen und Silanolen hergestellt wird.
Das erfindungsgemäß zur Silikonisierung verwendete Silikon weist einen Phasenkontaktwinkel θ von 0° bis 180°, bevorzugt von 20° bis 90°, besonders bevorzugt von 50° bis 60°, ganz besonders bevorzugt von 55° bis 59° auf und trägt damit eher hydrophile Eigenschaften.
Die Hydrophilie oder Hydrophobie der Oberfläche der Partikel spielt bei der Stabilisierung von Pickering Emulsionen eine entscheidende Rolle. Eine Orientierung wie die Oberfläche sich diesbezüglich verhält, bietet der Phasenkontaktwinkel θ. Der Phasenkontakwinkel θ ist der Winkel, der sich zwischen kontinuierlicher (äusserer) Phase und dispergierten Tropfen auf der Oberfläche der Partikel ausbildet und wird durch goniometrische Messungen verifiziert. Wenn θ<90°, d.h. bei hydrophilen Partikeloberflächen, bilden sich meist o/w Pickering Emulsionen aus. Bei Phasenkontaktwinkeln von >90°, das heisst, bei besonders hydrophoben Oberflächen der Partikel, sollten, laut Literatur, bevorzugt w/o Pickering Emulsionen ausgebildet werden.
Überraschend und entgegen der vorherrschenden Meinung der Fachwelt, bilden sich mit den erfindungsgemäß silikonisierten Partikeln trotz eines Phasenkontraktwinkels des Silikons von θ < 90°, stabile w/o Pickering Emulsionen aus.
Erfindungsgemäß werden zur Herstellung der Polyethersiloxanbeschichtung die Si-H funktionellen Polysiloxane der allgemeinen Formel (I) M_aD_bD’_cT_dQ_e (I) eingesetzt wobei
M = [R¹ ₂R^2aSiO_1/2]
D = [R¹ ₂SiO_2/2]
D’ = [R¹R^2bSiO_2/2]
T = [R¹SiO_3/2]
Q = [SiO_4/2]
a = 2 bis 10,
b = 1 bis 800,
c = 0 bis 400,
d = 0 bis 10,
e = 0 bis 10,
R¹ unabhängig voneinander gleich oder verschieden, ausgewählt aus der Gruppe umfassend: gesättigte oder ungesättigte, gegebenenfalls verzweigte Alkylgruppen mit 1 bis 30 C-Atomen, Alkarylreste mit 7 bis 30 C-Atomen, Arylreste mit 6 bis 30 C-Atomen, vorzugsweise Alkylgruppen mit 1 bis 4 C-Atomen oder Phenyl, insbesondere Methyl, R^2a unabhängig voneinander Wasserstoff oder R¹ und R^2b unabhängig voneinander Wasserstoff oder R¹, sind.
Erfindungsgemäß werden für die Herstellung der Polyethersiloxanbeschichtung mindestens zwei terminal ungesättigte Gruppen tragende Polyether der allgemeinen Formel (II) eingesetzt
wobei x₁ = 0 bis 200, vorzugsweise 1 bis 200, insbesondere 3 bis 100,
x₂ = 0 bis 100, vorzugsweise 1 bis 100, insbesondere 3 bis 100,
z = 0 bis 500, vorzugsweise 0 bis 100,
W = Wasserstoff oder Methyl, bevorzugt Wasserstoff,
R⁵ ein gegebenenfalls verzweigter, gegebenenfalls substituierter, gegebenenfalls Doppelbindungen tragender Alkylenrest mit 1 bis 30 C-Atomen,
R⁶ unabhängig voneinander ein Rest ausgewählt aus der Gruppe umfassend H, Methyl, Ethyl oder Phenyl,
ist, mit der Maßgabe, dass wenn z = 0, x₂ = 0 ist.
Weiterhin umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von silikonisierten, w/o Pickering Emulsionen bildenden Partikeln mit folgenden Schritten:

– Benetzung der unbeschichteten Partikel mit Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch,
– Herstellen einer Reaktionsmischung, enthaltend Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch, Si-H-funktionelles Polysiloxan der Formel (I) und mindestens zwei terminal ungesättigte Gruppen tragender Polyether der Formel (II) sowie einen die Hydrosilylierung katalysierenden Katalysator,
– Inkontaktbringen der benetzten Partikel mit der Reaktionsmischung unter Hydrosilylierungsbedingungen, bei Temperaturen von 0–100°C, bevorzugt 0–50°C, besonders bevorzugt 0–10°C, insbesondere 4°C,
– Durchmischung des Reaktionsansatzes bei 0–20°C, bevorzugt 0–10°C, besonders bevorzugt 0–5°C für 0,5–10 h, bevorzugt 1–7 h, besonders bevorzugt 2–5 h, insbesondere 4 h,
– Verdampfen des Lösungsmittels und Inkubation bei 20–200°C.

Erfindungsgemäß werden die Partikel vor der eigentlichen Reaktion mit einem geeigneten organischen Lösungsmittel beispielsweise Cyclohexan oder Toluol oder einem Lösungsmittelgemisch, beispielsweise aus Isopropanol und Hexan, benetzt. Dies geschieht unter Rühren der Partikel im Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch über 1 bis 48 h, bevorzugt 1 bis 24 h, besonders bevorzugt 1 bis 12 h.
In einem zweiten Reaktionsgefäß wird eine Reaktionsmischung, aus Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch, Si-H-funktionellem Polysiloxan der Formel (I) und mindestens zwei terminal ungesättigte Gruppen tragendem Polyether der Formel (II) sowie einem die Hydrosilylierung katalysierenden Katalysator hergestellt.
Die Hydrosilylierung kann in Gegenwart oder in Abwesenheit von Lösungsmittel durchgeführt werden. Die Reaktion wird jedoch bevorzugt in geeigneten Lösungsmitteln, wie beispielsweise aliphatischen oder aromatischen Kohlenwasserstoffen, cyclischen Oligosiloxanen, Alkoholen, Estern, durchgeführt. Geeignete Lösungsmittel sind insbesondere CPME oder Toluol.
Als Si-H-funktionelle Polysiloxane werden vorzugsweise Si-H-Polysiloxane der allgemeinen Formel (I) eingesetzt, M_aD_bD’_cT_dQ_e (I) wobei
M = [R¹ ₂R^2aSiO_1/2]
D = [R¹ ₂SiO_2/2]
D’ = [R¹R^2bSiO_2/2]
T = [R¹SiO_3/2]
Q = [SiO_4/2]
N¹ = a + b + c + d + e = 3 bis 850, vorzugsweise 6 bis 160,
a = 2 bis 10, vorzugsweise 2 bis 4, insbesondere 2,
b = 1 bis 800, vorzugsweise 2 bis 150,
c = 0 bis 400, vorzugsweise 2 bis 75,
d = 0 bis 10, vorzugsweise 0,
e = 0 bis 10, vorzugsweise 0,
R¹ unabhängig voneinander gleich oder verschieden, ausgewählt aus der Gruppe umfassend: gesättigte oder ungesättigte, gegebenenfalls verzweigte Alkylgruppen mit 1 bis 30 C-Atomen, Alkarylreste mit 7 bis 30 C-Atomen, Arylreste mit 6 bis 30 C-Atomen, vorzugsweise Alkylgruppen mit 1 bis 4 C-Atomen oder Phenyl, insbesondere Methyl,
R^2a unabhängig voneinander Wasserstoff oder R¹ und
R^2b unabhängig voneinander Wasserstoff oder R¹, sind.
Es ist dem Fachmann geläufig, dass die Verbindungen in Form eines Gemisches mit einer im Wesentlichen durch statistische Gesetze geregelten Verteilung vorliegen bzw. vorliegen können. Die Werte für die Indices a, b, c, d und e stellen deshalb üblicherweise Mittelwerte dar.
Erfindungsgemäß werden als mindestens zwei terminal ungesättigte Gruppen tragende Polyether solche der allgemeinen Formel (II): eingesetzt,
wobei
x₁ = 0 bis 200, vorzugsweise 1 bis 200, insbesondere 3 bis 100,
x₂ = 0 bis 100, vorzugsweise 1 bis 100, insbesondere 3 bis 100,
z = 0 bis 500, vorzugsweise 0 bis 100,
W = Wasserstoff oder Methyl, bevorzugt Wasserstoff,
R⁵ ein gegebenenfalls verzweigter, gegebenenfalls substituierter, gegebenenfalls Doppelbindungen tragender Alkylenrest mit 1 bis 30 C-Atomen,
R⁶ unabhängig voneinander ein Rest ausgewählt aus der Gruppe umfassend H, Methyl, Ethyl oder Phenyl
ist, mit der Maßgabe, dass wenn z = 0, x₂ = 0 ist.
Es ist dem Fachmann geläufig, dass die Verbindungen in Form eines Gemisches mit einer im Wesentlichen durch statistische Gesetze geregelten Verteilung vorliegen bzw. vorliegen können. Die Werte für die Indices x₁ und x₂ stellen deshalb üblicherweise Mittelwerte dar.
Es ist bevorzugt, dass ein Polyether der allgemeinen Formel (II) eingesetzt wird, wobei x₁ + x₂ größer als 1, besonders bevorzugt größer als 3 ist.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass ein Polyether der allgemeinen Formel (II) eingesetzt wird, wobei z = 0 ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Einsatzes von Polyethern als olefinischer Reaktionspartner wird ein Polyether der allgemeinen Formel (II) mit z = 0 eingesetzt, wobei
R⁵ ein Alkylenrest mit 1 bis 30 C-Atomen, bevorzugt mit 1 bis 9 C-Atomen, besonders bevorzugt mit 1 bis 4 C-Atomen, insbesondere Methylen ist.
Erfindungsgemäß können auch Mischungen von Polyethern, die mindestens zwei terminal ungesättigte Gruppen tragen, als olefinische Reaktionspartner eingesetzt werden.
Zur Hydrosilylierung werden vorzugsweise Si-H-funktionelle Polysiloxane in Gegenwart von Katalysatoren, vorzugsweise Übergangsmetallkatalysatoren, mit Polyethern, die mindestens zwei terminal ungesättigte Kohlenwasserstoff-Gruppen tragen, umgesetzt.
Die Hydrosilylierung kann nach etablierten Methoden in Gegenwart eines Katalysators durchgeführt werden.
Dabei können beispielsweise Katalysatoren verwendet werden, die üblicherweise für Hydrosilylierungen eingesetzt werden, wie beispielsweise Platin-, Rhodium-, Osmium-, Ruthenium-, Palladium-, Iridium-Komplexe oder ähnliche Verbindungen bzw. die entsprechenden reinen Elemente oder deren auf Silica, Aluminiumoxid oder Aktivkohle oder ähnlichen Trägermaterialien immobilisierte Derivate. Bevorzugt wird die Hydrosilylierung in Gegenwart von Pt-Katalysatoren wie Cis-Platin oder Karstedt-Katalysator [Tris(divinyltetramethyldisiloxan)bis-platin] durchgeführt.
Vorzugsweise beträgt die eingesetzte Menge an Katalysator 10^–7 bis 10^–1 mol pro mol Olefin bzw. pro mol endständiger Kohlenstoff-Kohlenstoff Doppelbindung, bevorzugt 1 bis 100 ppm.
Erfindungsgemäß werden bezogen auf die Masse der eingesetzten Partikel vorzugsweise 0.5 bis 50 Massen%, bevorzugt 1 bis 40 Massen-%, besonders bevorzugt 1 bis 25 Massen-% an Siloxan- und Polyetherkomponenten eingesetzt. Die Siloxan- und Polyetherkomponenten setzen sich insbesondere aus der Summe der Verbindungen der Formel (I) und (II) bzw. aus deren Reaktionsprodukten zusammen.
Die Hydrosilylierung kann unter Verwendung verschiedener Verhältnisse der Verbindungen der Formeln (I) zu Verbindungen der Formeln (II) durchgeführt werden. Vorzugsweise erfolgt die Hydrosilylierung bei einem molaren Verhältnis bezogen auf die reaktiven Gruppen von 1:10 bis 10 zu 1, bevorzugt von 1:5 bis 5:1, besonders bevorzugt von 1:1,5 bis 1,5:1 und ganz besonders bevorzugt von 1:1 bis 1:1.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich auch dadurch aus, dass die Hydrosilylierung bei besonders tiefen Temperaturen stattfindet, sodass eine homogenere Stuktur des Polymernetzwerks entsteht.
Die Hydrosilylierung wird vorzugsweise bei Temperaturen von 0 bis 100 °C, bevorzugt 0 bis 50°C, besonders bevorzugt 0–20°C, insbesondere 4°C durchgeführt.
Erfindungsgemäß wird die Hydrosilylierung bei vergleichsweise tiefen Temperaturen durchgeführt. Die dadurch verlangsamte Reaktionsgeschwindigkeit ermöglicht vorteilhaft eine stärkere Durchmischung der Hydrosilylierungskomponenten, sodass hydrophile und hydrophobe Komponenten homogener innerhalb des Polymernetzwerks verteilt werden, als es bei hohen Temperaturen der Fall wäre. Vorteilhaft ist dabei auch die gleichmässigere Beschichtung der Partikelaggregate innerhalb der Polymerisationsreaktion. Höhere Temperaturen und daraus resultierende höhere Polymerisationsgeschwindigkeiten führen zu unvorteilhafter Verklumpung und Vergrösserung de Aggregate.
Zu Beginn der Hydrosilylierung werden zunächst die benetzten Partikel mit der Reaktionsmischung, enthaltend Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch, Si-H-funktionelles Polysiloxan der Formel (I) und mindestens zwei terminal ungesättigte Gruppen tragender Polyether der Formel (II) sowie einen die Hydrosilylierung katalysierenden Katalysator bei Temperaturen von 0 bis 100°C, bevorzugt 0 bis 50°C, besonders bevorzugt 0–20°C, insbesondere 4°C in Kontakt gebracht.
Während der anschließenden Durchmischung des Reaktionsansatzes erfolgt die Vernetzung der Polymere. Die Durchmischung findet bevorzugt bei Temperaturen von 0–20°C, besonders bevorzugt 0–10°C, ganz besonders bevorzugt 0–5°C statt. Durch die milden Reaktionsbedingungen bildet sich ein homogenes Polymernetzwerk aus. Damit ist gewährleistet, dass die Silikonbeschichtung in allen Bereichen ähnliche bis gleiche Hydrophobie bzw. Hydrophilie aufweist. Der Durchmisschungsprozess wird bei diesen Temperaturen für 0,5–10 h, bevorzugt 1–7 h, besonders bevorzugt 2–5 h, insbesondere 4 h durchgeführt.
Ein Großteil des Lösungsmittel(-gemischs) wird anschließend durch bei Temperaturen von 0 bis 200°C, bevorzugt 20 bis 100°C, besonders bevorzugt 50 bis 60°C über einen Zeitraum von – je nach Lösungsmittel – 0.1 bis 4h entfernt, wobei die Vernetzung der Polymere fortschreitet.
Um das Lösungsmittel komplett zu entfernen und die Polymerisation abzuschliessen, werden die silikonisierten Partikel(-aggregate) bei 20 bis 200°C, bevorzugt 30–100°C, besonders bevorzugt 50–60°C inkubiert, wobei das Silikon aushärtet und die silikonisierten Partikel(aggregate) liefert.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine bestimmte Menge Partikel zunächst mit einem geeigneten Lösungsmittel, beispielsweise Cyclohexan oder Toluol, oder einem Lösungsmittelgemisch, beispielsweise aus Isopropanol und Hexan unter Rühren über 12 bis 24 h benetzt. Parallel dazu werden bei tiefen Temperaturen von beispielsweise 4°C die Silikonreagenzien (Verbindungen der Formeln (I) und (II) plus Katalysator) in einem geeigneten Lösungsmittel beispielsweise Cyclohexan, Toluol oder einem anderen organischen Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch, beispielsweise aus Isopropanol und Hexan gelöst. Anschließend wird bei beispielsweise 4°C die Partikel-Suspension mit der Reaktionsmischung der Silikonreagenzien versetzt. So werden z. B. zu 1 g der jeweiligen Partikel eine Mischung von Verbindungen der Formel (I) und (II) im molaren Mischungsverhältnis von 1:1 sowie Karstedt-Kat, bspw. 50 ppm bezogen auf die vorhandene Menge an Siliconkomponenten, gegeben und die Hydrosilylierung findet bei tiefen Temperaturen von beispielsweise 4°C statt. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, nach Zugabe der Reaktionsmischung zu den Partikeln diese Mischung für ca. 4h bei beispielsweise 4°C stark zu rühren, z. B. durch einen Magnetrührer und die Temperatur dann über mindestens 30 min langsam auf 50 bis 60°C zu erhöhen. Anschließend werden die erhaltenen silikonisierten Partikelaggregate im Trockenschrank bei 50°C beispielsweise für 12 Stunden getrocknet, bzw. gehärtet.
Die Erfindung präsentiert damit eine kostengünstige und einfach anzuwendende, generelle Methode der Oberflächenmodifizierung von Mikro- oder Nanopartikeln, unabhängig von der Beschaffenheit und Struktur der Partikeloberfläche. Ausserdem stellt das Verfahren w/o Pickering Emulsion bildende Partikel geringer Toxizität und hoher Biokompatibilität bereit
Die Erfindung umfasst auch w/o Pickering Emulsionen enthaltend die erfindungsgemäß silikonisierten Partikel, eine kontinuierliche Phase sowie eine dispergierte Phase (1)

– wobei die kontinuierliche Phase der w/o Pickering Emulsion ausgewählt ist aus Lösungsmitteln, die eine Wasserlöslichkeit von ≤ 200g/l H₂O aufweisen,
– wobei die dispergierte Phase der w/o Pickering Emulsion ausgewählt ist aus Wasser, wässrigen Lösungen von organischen oder anorganischen Salzen, Hydrogelen oder stark eutektischen Lösungsmitteln
– wobei das Mischungsverhältnis der dispergierte Phasen zur kontinuierlichen Phase in der w/o Pickering Emulsion 1:1 bis 1:100 beträgt.

Pickering Emulsionen sind Feststoff-stabilisierte Emulsionen, in denen Partikel einen mechanisch stabilen Feststoffilm um die dispergierte (innere) Phase bilden. Die Partikel gelten als irreversibel angelagert, woraus eine hohe Lagerstabilität und hohe Toleranz gegenüber Änderungen des chemischen Milieus resultiert.
Für die erfindungsgemäß hergestellten w/o Pickering Emulsionen bevorzugte Lösungsmittel der kontinuierlichen Phase sind alle Lösungsmittel, die eine Wasserlöslichkeit von ≤ 200g/l H₂O, bevorzugt ≤ 175g/l H₂O, besonders bevorzugt ≤ 150g/l H₂O aufweisen, bevorzugt ausgewählt aus

– verzweigten, cyclischen oder aliphatischen C5- bis C18-Kohlenwasserstoffen (z.B. Methylcyclohexan, Cyclohexan, Pentan, Hexan, Heptan),
– aromatischen Kohlenwasserstoffen (z.B. Toluol, Xylen),
– aliphatischen und verzweigten Dialkylethern, insbesondere C4- bis C10-Dialkylether (z.B. Methyl-tert-butylether (MTBTE), Diethylether, Dibutylether, Diisopropylether),
– aromatischen Ethern (z.B. Anisol)
– cyclischen Ethern (z.B. Cyclopentylmethylether (CPME)),
– alicyclischen Ethern (z.B. Tetrahydrofuran (THF), 2-Methyltetrahydrofuran (MTHF)
– verzweigten und unverzweigten Alkylketonen, insbesondere C2- bis C10 Ketonen (z.B. 2-Pentanon, 2-Hexanon, Methylisobutylketon (MIBK))
– aliphatischen und verzweigten Dialkylestern, insbesondere C4- bis C20-Dialkylester,
– langkettigen aliphatischen Alkoholen, bevorzugt C5- bis C20-Alkoholen sowie aliphatische Etheralkohole wie bspw. Methoxypropanol,

Die in den erfindungsgemäßen w/o Pickering Emulsionen verwendeten Lösungsmittel für die dispergierte Phase umfassen:

– Wasser und wässrige Lösungen von organischen und anorganischen Salzen, insbesondere Puffersysteme (z.B. Kaliumphosphatpuffer, Triethylaminpuffer),
– Hydrogele z.B. 0.5 bis 3% Agarosegel, 5 bis 30% Gelatine,
– Stark eutektischen Lösungsmitteln (z.B. Cholinchlorid:Urea, Cholinchlorid:Glycerin).

Die Mischungsverhältnisse von dispergierter Phase zu kontinuierliche Phase werden ausgewählt aus 1:1 bis 1:100, bevorzugt aus 1:2 bis 1:50, besonders bevorzugt aus 1:5 bis 1:20, vorzugsweise 1:10.
Bevorzugt geht zur erfindungsgemäßen Herstellung der w/o Pickering Emulsion der Emulsionsbildung die Benetzung der erfindungsgemäß silikonisierten Partikelaggregate mit Lösungsmittel der kontinuierlichen Phase voraus. Dies geschieht zunächst für 5 bis 120 s, bevorzugt 10 bis 90 s, besonders bevorzugt 20 s mittels Vortexmischer, auf dem die Suspension durch Vibration gut durchmischt wird und die Partikelaggregate bereits teilweise aufgebrochen werden. Anschliessend erfolgt die Inkubation der Partikel(-aggregate) für 5 bis 60 min, bevorzugt 10 bis 40 min, besonders bevorzugt 20 min, gefolgt von nochmaliger Durchmischung mittels Vortexmischer für 5 bis 120 s, bevorzugt 10 bis 90 s, besonders bevorzugt 20 s.
Damit ist gewährleistet, dass die Partikel(-aggregate) ausreichend mit kontinuierlicher Phase benetzt sind, um sich dann an der Grenzfläche zur dispergierten Phase anzulagern, ohne von dieser eine zu starke Benetzung zu erfahren.
Zur Bildung der Emulsion wird der o.g. Suspension aus Partikel(-aggregaten) in kontinuierlicher Phase die Lösung der zu dispergierenden Phase zugegeben und die Mischung mittels Homogenisator bei Geschwindigkeiten von 1000 bis 40.000 rpm, bevorzugt 5000 bis 30.000 rpm, besonders bevorzugt 8.000 rpm bis 25.000 rpm für 0,5 bis 10 min, bevorzugt 0,6 bis 5 min, besonders bevorzugt 1 bis 2 min homogenisiert. Die dabei auftretenden mechanischen Kräfte sorgen dafür, dass die Partikelaggregate vollständig aufgebrochen werden und die Stabilisierung der dispergierten Phase durch die einzelnen, silikonisierten Partikel stattfindet.
In einer weiteren Ausführungsform wird zunächst die Benetzung der silikonisierten Partikel (aggregate) mit Lösungsmittel der dispergierten Phase erfolgen und das / die Lösungsmittel der kontinuierlichen Phase erst vor dem Homogenisieren zugegeben werden.
In einer weiteren Ausführungsform werden die Lösungsmittel der dispergierten Phase und der kontinuierlichen Phase zunächst mittels Vortexer durchmischt und anschliessend die erfindungsgemäßen Partikelaggregate zugegeben, die dann durch starkes Dispergieren in die einzelnen silikonisierten Partikel aufgebrochen werden.
Ferner umfasst die Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäßen w/o Pickering Emulsion für chemische Reaktionen in mehrphasigen Lösungsmittelsystemen, bevorzugt im Rahmen enzymatisch katalysierter chemischer Reaktionen.
Enzymatisch katalysierte Reaktionen sind vor allem bei der Herstellung von enantiomerenoder diastereomerenreinen chemischen Bausteinen oder pharmazeutischen Wirkstoffen von großer Bedeutung. Während die Reagenzien dafür meist ausschliesslich in organischen Lösungsmitteln löslich sind, müssen die zur Katalyse eingesetzten Enzyme in wässrigen Lösungsmitteln vorgelegt werden, was die Reaktionsdurchführung stark einschränkt. Die technische Nutzung erfolgte bislang unter Einsatz von Emulsionen, speziell w/o Mikroemulsionen, wobei die Enzyme in der dispergierten, wässrigen Phase vorgelegt werden, während in der kontinuierlichen Phase Edukte und Produkte gelöst werden. Nachteil dieser Mikroemulsionen ist jedoch die schwierige Abtrennung der Enzyme für die ökonomisch erforderliche mehrfache bzw. kontinuierliche Anwendung. Ausserdem erfolgte die Stabilisierung dieser Emulsionen bisher unter Verwendung von grenzflächenaktiven Substanzen wie Tensiden, welche, wie bereits oben beschrieben, sowohl durch ihre geringe Biokompatibilität und relativ hohe Toxizität, als auch durch die geringe Stabilisierung die Möglichkeiten der Nutzung erheblich einschränken.
W/o Pickering Emulsionen, die mit erfindungsgemäß hergestellten, silikon-beschichteten Partikeln stabilisiert werden, stellen eine kostengünstige und technisch einfach umzusetzende Alternative zu den o.g. Tensid-stabilisierten Mikroemulsionen dar. Die in der kontinuierlichen Phase vorgelegten Edukte diffundieren dabei durch die Partikel-Membran in die dispergierte Phase, wo sie von den jeweiligen Enzymen katalytisch umgesetzt werden. Aufgrund der geringen Wasserlöslichkeit der Reaktionsprodukte werden diese wieder in die kontinuierliche Phase entlassen und die Enzyme einem erneuten Katalysezyklus zugeführt. Nach Beendigung der Reaktion können die Enzyme durch Filtration oder Sedimentation einfach abgetrennt, aufgereinigt und wiederverwendet werden.
Vorteilhaft werden erfindungsgemäße w/o Pickering Emulsionen für die stereoselektive Reduktion von Acetophenon zu enantiomerenreinem (S)-1-Phenylethanol mittels Alkoholdehydrogenase (ADH) genutzt. Die Reaktion wird dabei in einer mit erfindungsgemäßen Partikel stabilisierten w/o Pickering Emulsion mit CPME als kontinuierliche Phase und wässriger Pufferlösung als dispergierter Phase durchgeführt.
Vorteilhaft werden auch w/o Pickering Emulsionen, die erfindungsgemäss mit silikonisierten lyophilisierten Zellen von Mikroorganismen, z.B. E.coli enthaltend katalytisch wirksame Enzyme, stabilisiert werden, im Rahmen einer enzymkatalysierten chemischen Reaktion eingesetzt.
Dabei werden lyophilisierte Zellen von E.coli erfindungsgemäß silikonisiert und zur Stabilisierung einer w/o Pickering Emulsion aus Methylisobutylketon als kontinuierliche Phase und einer wässrigen Kaliumphosphat Pufferlösung als dispergierte Phase eingesetzt. Der Emulsion kann als zusätzlicher Stabilisator Casein zugefügt werden, ein eher hydrophobes Protein, welches u.a. die Tertiärstruktur des eigentlichen Enzyms stabilisieren soll.
In diesem System konnte beispielsweise enantiomerenrein R-2,2‘-Furoin aus Furaldehyd synthetisiert werden. Dabei wird Furaldehyd in der kontinuierlichen Phase vorgelegt und gelangt durch Diffusion in die nur partiell silikonisierten Zellen. Dort wird es katalytisch von der Benzaldehydlyase (BAL) umgesetzt und das Produkt wieder in die kontinuierliche Phase abgegeben. Ein Teil der Zellen wird durch die dispergierte Phase rehydratisiert und wird davon aufgenommen. Daher kann auch ein Teil des Edukts in die dispergierte Phase diffundieren, um von den Enzymen der dort gelösten Zellen umgesetzt zu werden und wieder in die kontinuierliche Phase zu diffundieren. Die Produkt enthaltende kontinuierliche Phase kann nach Sedimentation der dispergierten Phase abdekantiert werden und das Produkt nach Entfernung des Lösungsmittels über präparative HPLC oder andere allgemeine Isolierungsmethoden gewonnen werden
Anhand beigefügter Darstellungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1: schematischer Aufbau einer w/o Pickering Emulsion
2a: REM Aufnahme eines unbeschichteten Montmorillonite-Nanopartikels
2b: REM Aufnahme eines Ausschnitts der Oberfläche eines silikonisierten Montmorillonite-Nanopartikels
3a: REM Aufnahme eines unbeschichteter lyophilisierter Zellen von E.coli
3b: REM Aufnahme der Oberfläche einer silikonisierten lyophilisierten E.coli Zelle
4: lichtmikroskopische Aufnahme einer w/o Pickering Emulsion aus Wasser/Toluol 1:5, stabilisiert durch silikonisierte Montmorillonite-Nanopartikel
5: lichtmikroskopische Aufnahme einer w/o Pickering Emulsion aus Wasser/Ethylacetat 1:5, stabilisiert durch mit Silikon beschichtete lyophilisierten E.coli Zellen
6: Reaktionsverlauf der stereoselektiven Reduktion von Acetophenon zu enantiomerenreinem (S)-1-Phenylethanol
7: Reaktionsverlauf der stereoselektiven Reaktion von Furaldehyd zu R-2,2‘-Furoin in einer w/o Pickering Emulsion, stabilisiert durch silikonisierte lyophilisierte E.coli Zellen. (• = Konzentrationsverlauf von Furaldehyd in Abhängigkeit von der Zeit,
= Konzentrationsverlauf von R-Furoin in Abhängigkeit von der Zeit)
Ausführungsbeispiel 1 a
Herstellung silikonisierter Montmorillonite-Nanopartikel
0,5 g der Montmorillonite-Nanopartikel (d < 100 nm, BET >14.0 m²/g von Sigma-Aldrich) werden bei 4°C mit 5 ml eines Lösungsmittelgemischs aus Isopropanol:Hexan (10:1) in einem Erlenmeyerkolben mittels Vortexer bei 1000 rpm zunächst gut durchmischt und anschliessend bei 4°C für 12 h zur ausreichenden Benetzung stehen gelassen.
Parallel dazu werden in einem separaten Kolben 91 mg C3-PEG400 (Polyetherkomponente (II)) und 20 mg D-Siloxan (Polysiloxankomponente (I)) vermischt. Dazu werden 10 ml eines auf 4°C temperierten Lösungsmittels aus Isopropanol:Hexan (10:1) gegeben und mittels Vortexer gut durchmischt. Zu dieser Mischung werden die o.g. benetzten Partikel gegeben und wiederum mittels Vortexer gut durchmischt. Nach der Zugabe von 5 µl Karstedt Katalysator wird erneut gut durchmischt.
Die Reaktionsmischung wird anschließend auf einem Magnetrührwerk bei 4°C zunächst mit einer Rührgeschwindigkeit von 1000 rpm für 30 min und dann mit einer Rührgeschwindigkeit von 500 rpm für 3,5 h gerührt. Nach beendeter Reaktionszeit wird das Lösungsmittelgemisch bei 50–60°C innerhalb von 0,5–1 h durch Verdampfen entfernt.
Für die abschließende Polymerisation wird das Reaktionsgemisch für 12 h bei 50–60 °C inkubiert. Man erhält gummi-artig pulverige Partikel oder Partikelaggregate, die eine volle oder mindestens teilweise Bedeckung mit Silikon aufweisen.
2a zeigt eine REM Aufnahme unbeschichteter Montmorillonite-Nanopartikel. Nach der erfindungsgemäßen Beschichtung mit Silikon erhält die Oberfläche der Partikel eine himbeerartige Struktur. (2b)
Ausführungsbeispiel 1 b
Herstellung silikonisierter lyophilisierter Zellen von E.coli
91 mg C3-PEG400 (Polyetherkomponente (II)) und 20 mg D-Siloxan (Polysiloxankomponente (I)) werden mit 3 ml CPME vermischt und auf 4°C gekühlt. Zu dieser Mischung werden 5 µl Karstadt-Katalysator gegeben. Parallel dazu werden in einem separaten Kolben 0.5 g E.coli Pulver vorgelegt, anschließend das gekühlte Monomer/Katalysator-Gemisch zugefügt und vermischt. Das Gemisch wird unter starkem Rühren langsam auf 40°C erwärmt, wobei das Lösungsmittel verdampft und das Gemisch wieder trocken erscheint. Man erhält silikonisierte, zu Aggreagaten zusammengeschlossene E.coli Zellen, die bei –20°C gelagert werden können.
In 3a wird eine REM Aufnahme der unbeschichteten, lyophilisierten Zellen von E.coli dargestellt. 3b zeigt eine dieser Zellen nach der erfindungsgemäßen Beschichtung. Man erkennt deutlich die raue und unregelmäßige Struktur der Oberfläche, die eine unvollständige Bedeckung anzeigt.
Ausführungsbeispiel 2 a
Herstellung einer Pickering Emulsion mit silikonbeschichteten Montmorillonite-Nanopartikeln
15 mg der nach Anwendungsbeispiel 1a silikonisierten Montmorillonite-Nanopartikel Aggregate werden in einem 50ml Falcon Tube in 16 ml Cyclopentylmethylether (CPME) suspendiert. Die Suspension wird mittels Vortexer für 20 s gut durchmischt, dann 20 min zur Inkubation stehen gelassen und nochmals 20 s mittels Vortexer durchmischt. Anschliessend werden 3 ml der wässrigen Phase zugegeben und die Mischung mittels Homogenisator (z.B. IKA Ultraturrax T25) für 1 min bei 8000 rpm homogenisiert.
4 zeigt lichtmikroskopische Aufnahmen der w/o Pickering Emulsion aus CPME/Wasser 5:1, stabilisiert durch erfindungsgemäß silikonisierte Montmorillonite-Nanopartikel. Die regelmäßige Verteilung der dispergierten Tropfen belegt die Stabilität der Emulsion und die verhinderte Koaleszenz der dispergierten Phase.
Ausführungsbeispiel 2 b
Herstellung einer Pickering Emulsion mit silikonisierten lyophilisierten Zellen von E.coli
15 mg der nach Anwendungsbeispiel 1b beschichteten lyophilisierten Zellen von E.coli werden in einem 50ml Falcon Tube in 16 ml Methylisobutylketon suspendiert. Die Suspension wird mittels Vortexer für 20 s gut durchmischt, dann 20 min zur Inkubation stehen gelassen und nochmals 20 s mittels Vortexer durchmischt. Anschließend werden 4 ml der wässrigen Phase zugegeben und die Mischung mittels Homogenisator (z.B. IKA Ultraturrax T25) für 1 min bei 8000 rpm homogenisiert.
5 zeigt eine lichtmikroskopische Aufnahme der w/o Pickering Emulsion mit Methylisobutylketon/Wasser 5:1, stabilisiert durch silikonbeschichtete lyophilisierte Zellen von E.coli. Die regelmäßig verteilten dispergierten Tropfen belegen, dass die Koaleszenz der dispergierten Phase stark eingeschränkt bzw. ganz verhindert wird.
Ausführungsbeispiel 3
Verwendung einer nach Ausführungsbeispiel 2a hergestellten w/o Pickering Emulsion als Reaktionssystem für die stereoselektive Reduktion von Acetophenon zu enantiomerenreinem (S)-1-Phenylethanol
0.540 g (250 mmol) Acetophenon werden in einem Gemisch aus 0.9 ml Isopropanol und 14,8 mL Cyclopentylmethylether (CPME):Heptan (1:2) gelöst und mittels Vortexer gut durchmischt.
Parallel dazu werden 240 mg der nach Anwendungsbeispiel 1a beschichteten Montmorillonite-Nanopartikel in einen Falkon eingewogen und auf 0°C gekühlt. Dazu gibt man zunächst die obig genannte Acetophenon-Lösung und fügt dann 4 ml einer Lösung von aufgereinigter Alkoholdehydrogenase (ADH-Proteingehalt: 15 mg/ mL) in KPi-Pufferlösung (50 mM, pH 7,55 in H₂O) mit NADH-Cofaktor (1 mM) hinzu. Die Mischung wird mittels Homogenisator bei 0°C für 1 min bei 8000 rpm homogenisiert. Anschließend wird die Reaktionsmischung im Thermoschrank für 48 h bei 40°C und 30 rpm inkubiert. Der Reaktionsverlauf wird durch Bestimmung der Konzentration von Edukt und Produkt mittels HPLC verfolgt. 6 zeigt die Zunahme der Konzentration von (S)-1-Phenylethanol über die Zeit und entsprechend die Abnahme der Konzentration an Acetophenon bis zur Einstellung des Gleichgewichts.
Ausführungsbeispiel 4
Verwendung einer nach Ausführungsbeispiel 2b hergestellten w/o Pickering Emulsion als Reaktionssystem für die stereoselektive Reaktion von Furaldehyd zu R-2,2‘-Furoin
Zur Herstellung der dispergierten Phase werden 120 mg der nach Anwendungsbeispiel 1b silikonisierten, lyophilisierten Zellen von E.coli in 4 ml KPi-Puffer suspendiert. Dazu werden 16 ml einer 312 mM Lösung Furaldehyd in Methylisobutylketon (MIBK) gegeben, die Mischung auf 0°C gekühlt und mittels Vortexer bei 8000 rpm für 1 min gut durchmischt. Anschließend wird die Reaktionsmischung für 24 h bei 37°C im Thermoschrank inkubiert. Die Reaktionskontrolle erfolgt über die Bestimmung der Konzentrationen von Substrat und Produkt. Nach beendeter Reaktion wird die dispergierte Phase durch Zentrifugation von der kontinuierlichen Phase getrennt. Das Produkt wird durch bekannte Aufreinigungsprozesse aus der kontinuierlichen Phase gewonnen.
7 zeigt den Verlauf der Konzentration an Substrat (Furaldehyd •) und Produkt (R-2,2‘-Furoin
) in Abhängigkeit von der Zeit.
Literatur

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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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US 6585983 B1 [0010]
EP 2011865 B1 [0015, 0015]
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Rayner [0011]
Eliasson [0011]
Wu et al. [0012]

Claims

Silikonisierte, w/o Pickering Emulsionen bildende Partikel dadurch gekennzeichnet, – dass die Partikel aus organischen oder anorganischen Materialien oder lyophilisierten Mikroorganismen bestehen, – dass die Partikel einen Durchmesser von 1 nm bis 10 µm aufweisen, – dass die Partikel eine partielle oder vollständige Beschichtung aus Silikon aufweisen, wobei der Anteil an Silikon 10 bis 30 % der Gesamtmasse der beschichteten Partikel beträgt, – dass die Partikel als silikonisierte Aggregate vorliegen, die bei Emulsionsbildung aufgebrochen werden können.
Partikel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass die organischen Materialien synthetische oder natürliche Polymere umfassen, – dass die anorganischen Materialien Metalle, Metalloxide, Mineralien, anorganische Polymere, metallhaltige Tonmaterialien, Zeolithe, Silikate, Hydrogele, Ambigele, Xerogele umfassen, – dass die lyophilisierten Mikroorganismen Enzyme enthaltende Einzeller umfassen.
Partikel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, – dass die Silikonbeschichtung eine Polyethersiloxanbeschichtung ist, – dass die Silikonbeschichtung einen Phasenkontaktwinkel θ von 1 bis 180° gegenüber Wasser aufweist.
Partikel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet dass die Polyethersiloxanbeschichtung aus hydrosilylierten Si-H-funktionellen Polysiloxanen und mindestens zwei terminal ungesättigte Gruppen tragenden Polyethern besteht, wobei die Si-H funktionellen Polysiloxane der allgemeinen Formel (I) M_aD_bD’_cT_dQ_e (I) entsprechen, mit M = [R¹ ₂R^2aSiO_1/2] D = [R¹ ₂SiO_2/2] D’ = [R¹R^2bSiO_2/2] T = [R¹SiO_3/2] Q = [SiO_4/2] a = 2 bis 10, b = 1 bis 800, c = 0 bis 400, d = 0 bis 10, e = 0 bis 10, wobei R¹ unabhängig voneinander gleich oder verschieden, ausgewählt aus der Gruppe umfassend: gesättigte oder ungesättigte, gegebenenfalls verzweigte Alkylgruppen mit 1 bis 30 C-Atomen, Alkarylreste mit 7 bis 30 C-Atomen, Arylreste mit 6 bis 30 C-Atomen, vorzugsweise Alkylgruppen mit 1 bis 4 C-Atomen oder Phenyl, insbesondere Methyl, R^2a unabhängig voneinander Wasserstoff oder R¹ und R^2b unabhängig voneinander Wasserstoff oder R¹ ist.
Partikel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet dass die mindestens zwei terminal ungesättigte Gruppen tragenden Polyether der Formel (II)
entsprechen, mit x₁ = 0 bis 200, x₂ = 0 bis 100, z = 0 bis 500, W = Wasserstoff oder Methyl wobei R⁵ ein gegebenenfalls verzweigter, gegebenenfalls substituierter, gegebenenfalls Doppelbindungen tragender Alkylenrest mit 1 bis 30 C-Atomen, R⁶ unabhängig voneinander ein Rest ausgewählt aus der Gruppe umfassend H, Methyl, Ethyl oder Phenyl ist, mit der Maßgabe, dass wenn z = 0, x₂ = 0 ist.
Verfahren zur Herstellung von silikonisierten, w/o Pickering Emulsionen bildenden Partikeln nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit folgenden Schritten: – Benetzung der unbeschichteten Partikel mit Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch, – Herstellen einer Reaktionsmischung, enthaltend Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch, Si-H-funktionelle Polysiloxane der Formel (I) und mindestens zwei terminal ungesättigte Gruppen tragende Polyether der Formel (II) sowie einen die Hydrosilylierung katalysierenden Katalysator, – Inkontaktbringen der benetzten Partikel unter Hydrosilylierungsbedingungen bei Temperaturen von 0–100°C mit der Reaktionsmischung, – Durchmischung des Reaktionsansatzes bei 0–100°C, – Verdampfen des Lösungsmittels und Inkubation bei 20–200°C.
w/o Pickering Emulsion enthaltend Partikel nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einer kontinuierlichen und einer dispergierten Phase, – wobei die kontinuierliche Phase der w/o Pickering Emulsion ausgewählt ist aus Lösungsmitteln, die eine Wasserlöslichkeit von ≤ 200g/l H₂O aufweisen, – wobei die dispergierte Phase der w/o Pickering Emulsion ausgewählt ist aus Wasser, wässrigen Lösungen von organischen oder anorganischen Salzen, Hydrogelen oder stark eutektischen Lösungsmitteln, – wobei das Mischungsverhältnis der dispergierte Phasen zur kontinuierlichen Phase in der w/o Pickering Emulsion 1:1 bis 1:100 beträgt.
Verwendung einer w/o Pickering Emulsion nach Anspruch 7 für chemische Reaktionen in mehrphasigen Lösungsmittelsystemen.
Verwendung einer w/o Pickering Emulsion nach Anspruch 8, wobei die chemischen Reaktionen enzymatisch katalysierte Reaktionen in mehrphasigen Lösungsmittelsystemen sind.