DE1270287B - Verfahren zur Herstellung von als amphotere Ionenaustauscher dienenden Copolymerisaten von AEthyleniminverbindungen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von als amphotere Ionenaustauscher dienenden Copolymerisaten von AEthyleniminverbindungen

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DE1270287B
DE1270287B DE19651270287 DE1270287A DE1270287B DE 1270287 B DE1270287 B DE 1270287B DE 19651270287 DE19651270287 DE 19651270287 DE 1270287 A DE1270287 A DE 1270287A DE 1270287 B DE1270287 B DE 1270287B
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acid
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copolymers
amphoteric ion
ethyleneimine
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DE19651270287
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Dr-Ing Georg Manecke
Dipl-Chem Dr Peter Gergs
Dipl-Chem Hans-Peter Aurich
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Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
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Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08GMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G73/00Macromolecular compounds obtained by reactions forming a linkage containing nitrogen with or without oxygen or carbon in the main chain of the macromolecule, not provided for in groups C08G12/00 - C08G71/00
    • C08G73/02Polyamines
    • C08G73/0206Polyalkylene(poly)amines
    • C08G73/0213Preparatory process

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
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  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Addition Polymer Or Copolymer, Post-Treatments, Or Chemical Modifications (AREA)

Description

  • Verfahren zur Herstellung von als amphotere Ionenaustauscher dienenden Copolymerisaten von Athyleniminverbindungen Es ist bekannt, amphotere Ionenaustauschharze durch Polykondensation von Formaldehyd mit Aminocarbonsäuren, beispielsweise Anthranilsäure, gegebenenfalls unter Verwendung besonders leicht kondensierbarer Zusätze, wie Resorcin, darzustellen.
  • Ferner ist es bekannt, amphotere Ionenaustauscher aus Polyäthylenimin, Acrylsäure und Epichlorhydrin herzustellen.
  • Kondensationsharze dieser Art weisen zwar ein selektives, stark pH-abhängiges Absorptionsvermögen für Schwermetallionen auf; sie zeigen indessen nur eine sehr geringe praktisch verwertbare Austauschkapazität von 0,5 bis 2,5 Milliäquivalenten pro Gramm, die meist weit unter der theoretisch zu erwartenden Kapazität liegt.
  • Polymerisationsharze mit a-Aminocarbonsäuregruppen wurden durch Umsetzungen an vernetztem, chlormethyliertem Polystyrol dargestellt. In der Regel wurde das substituierte Polystyrol zunächst mit einem geeigneten Amin und anschließend mit Chloressigsäure umgesetzt. So wurden Harze mit der Iminodiessigsäuregruppierung und dem Athylendiamino-triessigsäurerest aufgebaut. Vernetztes, chlormethyliertes Polystyrol wurde andererseits auch mit Iminodiacetonnitril, Aminocarbonsäuren und Acetaminomalonsäureester umgesetzt. Die Reaktionsprodukte wurden gegebenenfalls verseift.
  • Diese Polyampholytharze ähneln in ihrer Selektivität weitgehend den oben beschriebenen Kondensationsharzen, soweit dies aus den bisher vorliegenden Untersuchungsergebnissen ersichtlich ist. Die Säure- und Basenaustauschkapazität dieser Harze beträgt maximal 1 bis 3 Milliäquivalente pro Gramm ferner liegt ihre Austauschgeschwindigkeit sehr niedrig, verglichen mit derjenigen stark saurer Kationenaustauscher.
  • Eine Reihe von amphoteren lonenaustauscherharzen vom Aminophosphonsäuretyp ist durch die Einwirkung von Estern der phosphorigen Säure auf Schiffsche Basen dargestellt worden. Man erhält hierbei stets am Stickstoff substituierte .l-Aminophosphonsäureester, die sich zu den freien Säuren verseifen lassen.
  • Die genannten Aminophosphonsäureharze sind erst wenig untersucht worden. Da zu ihrer Synthese in jedem Falle von bereits vernetzten Hochpolymeren ausgegangen wurde, war zu erwarten. daß die Kapazität der einzelnen Harze infolge unvollständiger Umsetzung der Komponenten verhältnismäßig niedrig sein würde.
  • Sie beträgt auch nur etwa 1 bis 2,5 Milliäquivalente Cti pro Gramm Harz in der Na-Form. Die Harze zeigen eine größere Affinität gegenüber den zweiwertigen Ubergangselementen. Nachteilig macht sich bei einigen dieser Harze insbesondere eine gewisse Verseifungsempfindlichkeit bemerkbar.
  • Es ist ebenfalls bekannt, daß man als amphotere Ionenaustauscher dienende Copolymerisate von Athyleniminverbindungen herstellen kann, indem man verseifbare Sithylenimino - alkylcarbonsäurederivate mit Verbindungen, die mindestens zwei Athyleniminringe aufweisen, in Gegenwart von neutralen Schwefelsäure- oder Sulfonsäureestern als Katalysatoren copolymerisiert und die erhaltenen Copolymerisate verseift.
  • Es wurde nun gefunden, daß man als amphotere Ionenaustauscher dienende Copolymerisate durch Polymerisieren von verseifbaren Athyleniminoalkyl carbonsäurederivaten mit Verbindungen, die zwei Äthyleniminringe aufweisen, in Gegenwart von neutralen Schwefelsäure- oder Sulfonsäureestern und Verseifen der erhaltenen Copolymerisate herstellen kann, indem man als Verbindungen, die zwei Äthyleniminringe enthalten, Verbindungen der allgemeinen Formeln oder verwendet, in denen Y einen Rest - (CH').? -, R einen Alkylrest mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen und x eine Zahl im Wert von 1 bis 4 bedeutet.
  • Die Verwendung von Vernetzersubstanzen, die neben zwei Athyleniminringen zwei veresterte Carboxylgruppen im Molekül enthalten, erbringt im Vergleich zu den bisherigen Vernetzungsverfahren mit Verbindungen, die mindestens zwei Athylenimingruppen, jedoch keine veresterten Carboxylgruppen enthalten, den Vorteil, daß der amphotere Charakter des vernetzten Harzes und damit auch die Einheitlichkeit des Harzes unabhängig von der Höhe des Vernetzungsgrades gewahrt bleibt. Diese Tatsache ist von Bedeutung für die Verwendungsfähigkeit der Harze.
  • Verseifbare Äthylenimino - alkylcarbonsäurederivate, die beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden können, sind Athylenimino-essig säuremethyl- oder -äthylester, p-Athylenimino-propionsäuremethylester, ,i-Athylenimino- buttersäuremethylester und Äthylenimino-bernsteinsäurediäthylester oder p-Athylenimino-propionsäureamid, p-Athylenimino-buttersäureamid oder p-Athylenimino-propionsäurenitril.
  • Beispiele für geeignete Verbindungen der Formeln (I) bis (III) sind 2,4- bzw. 2,3-Bis-(äthylenimino)-glutarsäurediäthylester und 1.4-Bis-[2{äthylenimino'-1 -carbmethoxyäthyl-(2)] -benzol.
  • Die Verbindungen der allgemeinen Formel (I) bzw.
  • (II) können nach eignen älteren Vorschlägen hergestellt werden, indem man die Dibromverbindungen der Formeln bzw. mit Äthylenimin bei Temperaturen zwischen -50 und 0 C in Gegenwart eines Säureakzeptors umsetzt.
  • Bevorzugt als Säureakzeptor ist Triäthylamin.
  • Die Verbindungen der allgemeinen Formel (II) können nach einem eignen älteren Vorschlag herge- stellt werden, indem man ungesättigte Verbindungen der Formel mit Athylenimin auf Rückflußtemperatur erhitzt.
  • Alkylenimine, die für eine solche Anlagerungsreaktion verwendbar sind, stellen neben Äthylenimin das 1,2-Propylenimin, das 1,2- sowie das 2,3-Butylenimin und andere dar.
  • Als Polymerisationskatalysatoren für das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich neutrale Schwefelsäureester und Sulfonsäureester; beispielhaft seien hierfür genannt: Diäthylsulfat, Dipropylsulfat, Dibutylsulfat, Alkylester der Methansulfonsäure sowie der Benzolsulfonsäure oder Toluolsulfonsäure. Diese Katalysatoren können zur besseren Dosierung auch mit neutralen Lösungsmitteln verdünnt werden.
  • Das Verfahren wird vornehmlich in der Weise ausgeführt, daß eine der oben angeführten Ester mit einer der obigen polyfunktionellen Athyleniminverbindungen, vorzugsweise im Verhältnis von 1 Mol Ester zu etwa 0,1 bis 0,5 Mol polyfunktioneller Äthyleniminverbindung in einer möglichst kleinen Menge eines inerten organischen Lösungsmittels, z. B. Benzol, gelöst wird, wonach gegebenenfalls der Katalysator zugefügt und die Mischung auf Temperaturen bis etwa 120-C erhitzt wird.
  • Grundsätzlich können selbstverständlich die Komponenten in jeder Weise miteinander copolymerisiert werden. Es werden 0,01 bis 5 Gewichtsprozent von einem der genannten Katalysatoren unter Rühren und eventueller Kühlung des Reaktionsgefäßes der Mischung hinzugefügt. Nach beendeter Polymerisation werden die entstandenen Produkte zerkleinert, zur Verseifung der Carbonsäureestergruppen enthaltenden Polymerisate starke Laugen (beispielsweise 7normale) verwendet und die Reaktionsprodukte anschließend neutral gewaschen.
  • Die nach diesem Verfahren dargestellten amphoteren lonenaustauscher zeichnen sich gegenüber den bisher beschriebenen Austauschern vom Aminocarbonsäuretyp bzw. Aminophosphonsäuretyp durch eine wesentlich größere mechanische Stabilität sowie durch ihr wesentlich größeres Säuren- und Basenbindungsvermögen aus, das 6 bis 9 Milliäquivalente Säure bzw. Base pro Gramm Trockensubstanz beträgt. Außerdem sind die so gewonnenen Polymerisate von einheitlicher Struktur und enthalten nur saure Carboxylsäuregruppen sowie tertiäre basische Stickstoffatome, wohingegen die bisher bekannten Austauscher desselben Typus infolge möglicher Nebenreaktionen bei der Darstellung oder Unvollständigkeit des Umsatzes stets uneinheitlich aufgebaut waren und überdies an den Vernetzungsstellen keinen amphoteren Charakter hatten (Fehlen der korrespondierenden Carboxylgruppen}. Ein weiterer- Vorzug der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Polymerisate besteht darin, daß bei dieser Vernetzungsart keine quaternären Arnmoniumgruppen entstehen.
  • Beispiel 1 a.a -Bis-(äthylenimino)-glutarsäurediäthylester und Äthyleniminobernsteinsäurediäthylester werden im Molverhältnis 1: 2 gut vermischt und in einem Eisbad abgekühlt. Dann wird 1 Gewichtsprozent Diäthylsulfat hinzugefügt und die Mischung im offenen Reagenzglas vorsichtig erwärmt (etwa 1°C/Minute).
  • Bei etwa 65"C ist das Reaktionsgemisch zu einem festen Harz erstarrt, das bei 50 C einen Tag lang nachgehärtet wird. Das dabei entstehende Harz ist mechanisch fest und nahezu farblos.
  • Die Verseifung erfolgt durch 2stündiges Kochen in 2 n-Natronlauge.
  • Das Basenbindungsvermögen wurde zu 8,42 Milliäquivalente pro Gramm trockenes Harz ermittelt.
  • Messungen des lonenbindungsvermögens ergaben folgende Werte: Cu2- 7,3 Milliäquivalente pro Gramm; Zu2- 6,8 Milliäquivalente pro Gramm; Ni2 6,7 Milliäquivalente pro Gramm; Mg2 -4,0 Milliäquivalente pro Gramm (jeweils pro Gramm lufttrockenes Harz in der Zwitterionenform). Die hier angegebenen Werte wurden mit m/100-Metallsalzlösungen in Biphthalatpuffer bei einem Gleichgewichts-pH-Wert von etwa 5,5 ermittelt. Die Messung des Basenbindungsvermögens erfolgte mit nllO-KOH in 1 n-KC1-Lösung.
  • Die oben angegebenen Werte wurden nach dem Batch-Verfahren ermittelt. Die Harze wurden in der Zwitterionenform eingesetzt. Die Gleichgewichtseinstellung war nach 2 Tagen praktisch erreicht.
  • Beispiel 2 1 g 14 - Bis - [2 - äthylenimino- - 1 - carbmethoxyäthyl-(2)]-benzol und 900 mg /S-Athyleniminopropionsäuremethylester (30.3 Molprozent) werden in 1.5 ml trockenem Benzol bei etwa 80 C gelöst. Dazu werden 10 Tropfen Initiatorlösung gegeben (Diäthylsulfat 1: 5 mit Benzol verdünnt). Die Mischung wird in einem offenen Reagenzglas etwa 14 Stunden bei 120 C gehalten. Danach ist die Mischung zu einem harten gelb bis bräunlich verfärbten Polymerisat erstarrt.
  • Die Verseifung erfolgt durch 3stündiges Kochen mit '0"'0iger methanolischer Kalilauge.
  • Das Basenbindungsvermögen des verseiften Copolymerisats wurde zu etwa 6.0 Milliäquivalente pro Gramm lufttrockenes Harz ermittelt.
  • Messungen des lonenbindungsvermögens ergaben folgende Werte: Cu 5.0 Milliäquivalente pro Gramm; Ni2 - 3.4 Milliäquivalente pro Gramm: Zn2 3.2 Milliäquivalente pro Gramm und Mg 1.1 Milliäquivalente pro Gramm (jeweils pro Gramm lufttrockenes Harz in der Zwitterionenform). Die hier angegebenen Werte wurden in Biphthalatpuffer bei Gleichgewichts-pH-Werten zwischen 5.6 und 5.9 ermittelt.
  • Die Gleichgewichtseinstellung erfolgte relativ rasch. obwohl für die Messungen das Harz in der gering gequollenen Zwitterionenform eingesetzt wurde. Nach 3 Tagen änderten sich die Werte für die Ionenaufnahme nur noch äußerst geringfügig.
  • Die oben angegebenen Werte für das Ionenbindungsgemögen wurden mit m/100-Metallsalzlösungen in Biphthalatpuffer nach dem Batch-Verfahren ermittelt. Das Harz wurde in der Zwitterionenform eingesetzt. Die Messung des Basenbindungsvermögens erfolgte mit n/10-KOH.

Claims (1)

  1. Patentanspruch: Verfahren zur Herstellung von als amphotere lonenaustauscher dienenden Copolymerisaten von .Rthyleniminverbindungen durch Polymerisieren von verseifbaren Athyleniminoalkylcarbonsäurederivaten mit Verbindungen, die zwei Athyleniminringe aufweisen, in Gegenwart von neutralen Schwefelsäure- oder Sulfonsäureestern und Verseifen der erhaltenen Copolymerisate, d a -durch gekennzeichnet, daß man als Verbindungen, die zwei Athyleniminringe enthalten, Verbindungen der allgemeinen Formeln oder verwendet, in denen Y einen Rest - (CHr),, R einen Alkylrest mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen und x eine Zahl im Wert von 1 bis 4 bedeutet.
    In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1160183.
DE19651270287 1965-09-27 1965-09-27 Verfahren zur Herstellung von als amphotere Ionenaustauscher dienenden Copolymerisaten von AEthyleniminverbindungen Pending DE1270287B (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7387836B2 (en) 2002-04-17 2008-06-17 Genzyme Corporation Aziridine compounds and their use in medical devices

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1160183B (de) * 1960-02-04 1963-12-27 Bayer Ag Verfahren zur Herstellung von als amphotere Ionenaustauscher dienenden Copolymerisaten von AEthyleniminverbindungen

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