DE19604180A1 - Biopolymere mit verbesserter Tensidlöslichkeit - Google Patents
Biopolymere mit verbesserter TensidlöslichkeitInfo
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Description
Die Erfindung betrifft neue Biopolymere mit verbesserter Löslichkeit in Tensiden, die man erhält, indem
man kationische Biopolymere vom Chitosantyp mit Dicarbonsäureanhydriden derivatisiert, ein Verfah
ren zur Herstellung der Derivate sowie deren Verwendung zur Herstellung von kosmetischen und/oder
pharmazeutischen Zubereitungen.
Bei der Herstellung moderner Hautpflegemittel werden vielfach Stoffe mitverwendet, deren Aufgabe es
ist, den Feuchtigkeitsverlust der Haut zu vermindern bzw. zu regulieren. Typische Beispiele für kos
metische Zusatzstoffe dieser Art sind Hyaluronsäure und insbesondere Chitosan, ein kationisches
Biopolymer, das aus maritimem Chitin gewonnen wird. Neben den Feuchtigkeitsregulatoren können die
Formulierungen weitere Inhaltsstoffe und in aller Regel anionische und/oder nichtionische Tenside bzw.
Emulgatoren enthalten. In diesen Fällen kann es zu einer Wechselwirkung zwischen Tensiden und
Chitosanen kommen, was zu einer unerwünschten Trübung oder Ausfällungen in der ansonsten klaren
Formulierung führt und die Vermarktung der Produkte erschwert bzw. unmöglich macht.
Die Aufgabe der Erfindung hat somit darin bestanden, Chitosane in einer solchen Weise zu deriva
tisieren, daß sie in Tensidlösungen auch unter alkalischen Bedingungen klar löslich und tensidstabil
sind, ohne daß sich das Eigenschaftsbild der Polymere dabei nachteilig verändert.
Gegenstand der Erfindung sind Biopolymere mit verbesserter Tensidlöslichkeit, die man erhält, indem
man Chitosane mit cyclischen Dicarbonsäureanhydriden umsetzt.
Überraschenderweise wurde gefunden, daß die Anlagerung von cyclischen Dicarbonsäureanhydriden
an die kationischen Biopolymere deren Klarlöslichkeit in anionischen und nichtionischen Tensiden auch
unter alkalischen Bedingungen ermöglicht, ohne daß dadurch die anwendungstechnischen Eigenschaf
ten der Polymeren nachteilig beeinflußt werden.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Biopolymeren mit
verbesserter Tensidlöslichkeit, bei dem man Chitosane mit cyclischen Dicarbonsäureanhydriden um
setzt.
Kationische Biopolymere vom Typ der Chitosane werden zur Gruppe der Hydrokolloide gezählt.
Chemisch betrachtet handelt es sich um partiell deacetylierte Chitine unterschiedlichen Molekularge
wichtes, die den folgenden - idealisierten - Monomerbaustein enthalten:
Im Gegensatz zu den meisten Hydrokolloiden, die im Bereich biologischer pH-Werte negativ geladen
sind, stellen Chitosane unter diesen Bedingungen kationische Biopolymere dar. Die positiv geladenen
Chitosane können mit entgegengesetzt geladenen Oberflächen in Wechselwirkung treten und werden
daher in kosmetischen Haar- und Körperpflegemitteln sowie pharmazeutischen Zubereitungen einge
setzt (vgl. Ullmann′s Encyclopedia of Industrial Chemistry, 5th Ed., Vol. A6, Weinheim, Verlag
Chemie, 1986, S. 231-332). Übersichten zu diesem Thema sind auch beispielsweise von B. Gesslein et
al. in HAPPI 27, 57 (1990), O. Skaugrud in Drug Cosm. Ind. 148, 24 (1991) und E. Onsoyen et al. in
Seifen-Öle-Fette-Wachse 117, 633 (1991) erschienen.
Zur Herstellung der Chitosane geht man von Chitin, vorzugsweise den Schalenresten von Krustentieren
aus, die als billige Rohstoffe in großen Mengen zur Verfügung stehen. Das Chitin wird dabei in einem
Verfahren das erstmals von Hackmann et al. beschrieben worden ist, üblicherweise zunächst durch
Zusatz von Basen deproteiniert, durch Zugabe von Mineralsäuren demineralisiert und schließlich durch
Zugabe von starken Basen deacetyliert, wobei die Molekulargewichte über ein breites Spektrum verteilt
sein können. Entsprechende Verfahren sind beispielsweise aus Makromol. Chem. 177, 3589 (1976)
oder der französischen Patentanmeldung FR-A 27 01 266 bekannt. Die Herstellung von mikrokristal
linem Chitosan wird in den Druckschriften WO 91105808 (Firextra Oy) und EP-B1 0382150 (Hoechst)
beschrieben. Vorzugsweise werden Chitosane eingesetzt, die ein durchschnittliches Molekulargewicht
im Bereich von 800.000 bis 1.200.000 und insbesondere von etwa 1.000.000 Dalton sowie einen De
acetylierungsgrad im Bereich von 75 bis 95 und insbesondere 82 bis 88% aufweisen.
Die cyclischen Dicarbonsäureanhydride, die im Sinne der Erfindung für die Derivatisierung in Betracht
kommen, leiten sich vorzugsweise von linearen oder verzweigten, gesättigten oder ungesättigten,
aliphatischen oder aromatischen Dicarbonsäuren mit 2 bis 12 Kohlenstoffatomen ab. Typische Bei
spiele sind Anhydride auf Basis von Maleinsäure, Bernsteinsäure, Glutarsäure, Citraconsäure, Itacon
säure, Methylbernsteinsäure, Phthalsäure, 1,2-Cyclopentandicarbonsäure und 1,2-Cyclohexandicar
bonsäureanhydrid. Bevorzugt ist der Einsatz von Malein-, Bernstein- und Glutarsäureanhydrid sowie
deren Mischungen.
Für die Umsetzung werden die Chitosane vorzugsweise in 0,1 bis 5 und insbesondere 0,5 bis 3 gew.-%iger
Lösung vorgelegt, wobei sich als Lösungsmittel beispielsweise wäßrige Salzsäure, Essigsäure,
Bernsteinsäure oder Glycolsäure bewährt haben. Das molare Einsatzverhältnis der Chitosane - bezo
gen auf den Monomerbaustein - und der Dicarbonsäureanhydride kann 1 : 0,1 bis 1 : 1,5 und insbeson
dere 1 : 0,5 bis 1 : 1,0 betragen. Vorzugsweise wird die Reaktion bei einem pH-Wert im Bereich von 6,0
bis 6,5 durchgeführt. Dazu empfiehlt es sich, den pH-Wert durch Zugabe von wäßrigen Alkali- und/oder
Erdalkalihydroxiden, -carbonaten und/oder -hydrogencarbonaten einzustellen. Eine weitere, abwei
chende Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß man beim pH-Wert
der sauren Chitosanlösung (pH= 3,0 bis 4,0) das Anhydrid zugibt. Unter diesen Bedingungen ändert
sich der pH-Wert des Endproduktes nur unwesentlich, die Viskosität wird jedoch signifikant abgesenkt.
Die cyclischen Anhydride können in Substanz eingesetzt werden, es ist jedoch bevorzugt, Lösungen in
einem wassermischbaren Lösungsmittel wie beispielsweise Aceton, Tetrahydrofuran, 1,2-Dimeth
oxyethan, 2-Butanon, Ethylendiglycoldimethylether, N-Methylpyrrolidon oder dergleichen zu verwen
den. Die Reaktion kann bei Temperaturen im Bereich von 0 bis 100 durchgeführt werden. Bevorzugt ist
jedoch ein Bereich von 20 bis 50°C und eine Reaktionszeit von 0,5 bis 3 h. Wird ein leicht flüchtiges
Lösungsmittel mitverwendet, empfiehlt es sich, dieses nach Abschluß der Reaktion im Vakuum wieder
abzutrennen.
Die neuen Biopolymere verfügen über ausgezeichnete feuchtigkeitsregulierende und filmbildende
Eigenschaften und eignen sich daher zur Herstellung von kosmetischen und/oder pharmazeutischen
Zubereitungen, speziell Haut- und Haarpflegemitteln, in denen sie in Mengen von 0,1 bis 5 und
vorzugsweise 0,5 bis 2 Gew.-% - bezogen auf die Mittel - enthalten sein können.
Die Zubereitungen können mit den anderen Inhaltsstoffen kompatible Tenside enthalten. Typische
Beispiele sind Fettalkoholpolyglycolethersulfate, Monoglyceridsulfate, Mono- und/oder Dialkylsulfo
succinate, Fettsäureisethionate, Fettsäuresarcosinate, Fettsäuretauride, Ethercarbonsäuren, Alkyloligo
glucoside, Fettsäureglucamide, Alkylamidobetaine und/oder pflanzliche Eiweißfettsäurekondensate.
Als weitere Hilfs- und Zusatzstoffe kommen Emulgatoren, Überfettungsmittel, Verdickungsmittel,
Kationpolymere, Siliconverbindungen, biogene Wirkstoffe, Filmbildner, Konservierungsmittel, Farb- und
Duftstoffe in Betracht.
Als Emulgatoren bzw. Co-Emulgatoren können nichtionogene, ampholytische und/oder zwitter
ionische grenzflächenaktive Verbindungen verwendet werden, die sich durch eine lipophile, bevorzugt
lineare Alkyl- oder Alkenylgruppe und mindestens eine hydrophile Gruppe auszeichnen. Diese hydro
phile Gruppe kann sowohl eine ionogene als auch eine nichtionogene Gruppe sein. Nichtionogene
Emulgatoren enthalten als hydrophile Gruppe z. B. eine Polyolgruppe, eine Polyalkylenglycolether
gruppe oder eine Kombination aus Polyol- und Polyglycolethergruppe.
Bevorzugt sind solche Mittel, die als O/W-Emulgatoren nichtionogene Tenside aus mindestens einer
der folgenden Gruppen enthalten: (a1) Anlagerungsprodukte von 2 bis 30 Mol Ethylenoxid und/ oder 0
bis 5 Mol Propylenoxid an lineare Fettalkohole mit 8 bis 22 C-Atomen, an Fettsäuren mit 12 bis 22 C-
Atomen und an Alkylphenole mit 8 bis 15 C-Atomen in der Alkylgruppe; (a2) C12/18-Fettsäuremono- und
-diester von Anlagerungsprodukten von 1 bis 30 Mol Ethylenoxid an Glycerin; (a3) Glycerinmono- und
-diester und Sorbitanmono- und -diester von gesättigten und ungesättigten Fettsäuren mit 6 bis 22
Kohlenstoffatomen und deren Ethylenoxidanlagerungsprodukte; (a4) Alkylmono- und -oligoglycoside
mit 8 bis 22 Kohlenstoffatomen im Alkylrest und deren ethoxylierte Analoga und (a5) Anlage
rungsprodukte von 15 bis 60 Mol Ethylenoxid an Ricinusöl und/oder gehärtetes Ricinusöl; (a6) Polyol-
und insbesondere Polyglycerinester wie z. B. Polyglycerin-polyricinoleat oder Polyglycerinpoly-12-
hydroxystearat. Ebenfalls geeignet sind Gemische von Verbindungen aus mehreren dieser Substanz
klassen. Die Anlagerungsprodukte von Ethylenoxid und/oder von Propylenoxid an Fettalkohole, Fett
säuren, Alkylphenole, Glycerinmono- und -diester sowie Sorbitanmono- und -diester von Fettsäuren
oder an Ricinusöl stellen bekannte, im Handel erhältliche Produkte dar. Es handelt sich dabei um
Homologengemische, deren mittlerer Alkoxylierungsgrad dem Verhältnis der Stoffmengen von Ethylen
oxid und/oder Propylenoxid und Substrat, mit denen die Anlagerungsreaktion durchgeführt wird,
entspricht. C12/18-Fettsäuremono- und -diester von Anlagerungsprodukten von Ethylenoxid an Glycerin
sind aus DE-PS 20 24 051 als Rückfettungsmittel für kosmetische Zubereitungen bekannt. C8/18-Alkyl
mono- und -oligoglycoside, ihre Herstellung und ihre Verwendung als oberflächenaktive Stoffe sind
beispielsweise aus US 3,839,318, US 3,707,535, US 3,547,828, DE-OS 19 43 689, DE-OS 20 36 472
und DE-A1 30 01 064 sowie EP-A 0 077 167 bekannt. Ihre Herstellung erfolgt insbesondere durch
Umsetzung von Glucose oder Oligosacchariden mit primären Alkoholen mit 8 bis 18 C-Atomen. Bezüg
lich des Glycosidrestes gilt, daß sowohl Monoglycoside, bei denen ein cyclischer Zuckerrest glycosi
disch an den Fettalkohol gebunden ist, als auch oligomere Glycoside mit einem Oligomerisationsgrad
bis vorzugsweise etwa 8 geeignet sind. Der Oligomerisierungsgrad ist dabei ein statistischer Mittelwert,
dem eine für solche technischen Produkte übliche Homologenverteilung zugrunde liegt. Weiterhin
können als Emulgatoren zwitterionische Tenside verwendet werden. Als zwitterionische Tenside wer
den solche oberflächenaktiven Verbindungen bezeichnet, die im Molekül mindestens eine quartäre Am
moniumgruppe und mindestens eine Carboxylat- und eine Sulfonatgruppe tragen. Besonders geeig
nete zwitterionische Tenside sind die sogenannten Betaine wie die N-Alkyl-N,N-dimethyl
ammoniumglycinate, beispielsweise das Kokosalkyl-dimethylammoniumglycinat, N-Acyl-aminopropyl-
N,N-dimethylammoniumglycinate, beispielsweise das Kokosacylaminopropyldimethylammoniumglyci
nat, und 2-Alkyl-3-carboxylmethyl-3-hydroxyethylimidazoline mit jeweils 8 bis 18 C-Atomen in der Alkyl-
oder Acylgruppe sowie das Kokosacylaminoethylhydroxyethylcarboxymethylglycinat. Besonders bevor
zugt ist das unter der CTFA Bezeichnung Cocamidopropyl Betaine bekannte Fettsäureamid-Derivat.
Ebenfalls geeignete Emulgatoren sind ampholytische Tenside. Unter ampholytischen Tensiden werden
solche oberflächenaktiven Verbindungen verstanden, die außer einer C8/18-Alkyl- oder -Acylgruppe im
Molekül mindestens eine freie Aminogruppe und mindestens eine -COOH- oder -SO₃H-Gruppe enthal
ten und zur Ausbildung innerer Salze befähigt sind. Beispiele für geeignete ampholytische Tenside sind
N-Alkylglycine, N-Alkylpropionsäuren, N-Alkylaminobuttersäuren, N-Alkyliminodipropionsäuren, N-
Hydroxyethyl-N-alkylamidopropylglycine, N-Alkyltaurine, N-Alkylsarcosine, 2-Alkylaminopropionsäuren
und Alkylaminoessigsäuren mit jeweils etwa 8 bis 18 C-Atomen in der Alkylgruppe. Besonders bevor
zugte ampholytische Tenside sind das N-Kokosalkylaminopropionat, das Kokosacylaminoethylamino
propionat und das C12/18-Acylsarcosin.
Als W/O-Emulgatoren kommen in Betracht: (b1) Anlagerungsprodukte von 2 bis 15 Mol Ethylenoxid an
Ricinusöl und/oder gehärtetes Ricinusöl; (b2) Partialester auf Basis linearer, verzweigter, ungesättigter
bzw. gesättigter C12/22-Fettsäuren, Ricinolsäure sowie 12-Hydroxystearinsäure und Glycerin, Polygly
cerin, Pentaerythrit, Dipentaerythrit, Zuckeralkohole (z. B. Sorbit) sowie Polyglucoside (z. B. Cellulose);
(b3) Trialkylphosphate; (b4) Wollwachsalkohole; (b5) Polysiloxan-Polyalkyl-Polyether-Copolymere bzw.
entsprechende Derivate; (b6) Mischester aus Pentaerythrit, Fettsäuren, Citronensäure und Fettalkohol
gemäß DE-PS 11 65 574 sowie (b7) Polyalkylenglycole.
Als Überfettungsmittel können Substanzen wie beispielsweise polyethoxylierte Lanolin-derivate,
Lecithinderivate, Polyolfettsäureester, Monoglyceride und Fettsäurealkanolamide verwendet werden,
wobei die letzteren gleichzeitig als Schaumstabilisatoren dienen. Geeignete Verdickungsmittel sind
beispielsweise Polysaccharide, insbesondere Xanthan-Gum, Guar-Guar, Agar-Agar, Alginate und Ty
losen, Carboxymethylcellulose und Hydroxyethylcellulose, ferner höhermolekulare Polyethylengly
colmono- und -diester von Fettsäuren, Polyacrylate, Polyvinylalkohol und Polyvinylpyrrolidon, Tenside
wie beispielsweise Fettalkoholethoxylate mit eingeengter Homologenverteilung oder Alkyloligoglucoside
sowie Elektrolyte wie Kochsalz und Ammoniumchlorid.
Geeignete kationische Polymere sind beispielsweise kationische Cellulosederivate, kationische
Stärke-, Copolymere von Diallylammoniumsalzen und Acrylamiden, quaternierte Vinylpyrrolidon/ Vinyl
imidazol Polymere wie z. B. Luviquat® (BASF AG, Ludwigshafen/ FRG), Kondensationsprodukte von
Polyglycolen und Aminen, quaternierte Kollagenpolypeptide wie beispielsweise Lauryldimonium
hydroxypropyl hydrolyzed collagen (Lamequat® L, Grünau GmbH), Polyethylenimin, kationische Sili
conpolymere wie z. B. Amidomethicone oder Dow Corning, Dow Corning Co./US, Copolymere der
Adipinsäure und Dimethylaminohydroxy-propyldiethylentrimamin (Cartaretine®, Sandoz/CH), Poly
aminopolyamide wie z. B. beschrieben in der FR-A 22 52 840 sowie deren vernetzte wasserlöslichen
Polymere, kationische Chitinderivate wie beispielsweise quaterniertes Chitosan, gegebenenfalls mikro
kristallin verteilt, kationischer Guar-Gum wie z. B. Jaguar® CBS, Jaguar® C-17, Jaguar® C-16 der
Celanese/US, quaternierte Ammoniumsalz-Polymere wie z. B. Mirapol® A-15, Mirapol® AD-1, Mira
pol® AZ-1 der Miranol/US.
Geeignete Siliconverbindungen sind beispielsweise Dimethylpolysiloxane, Methylphenylpolysiloxane,
cyclische Silicone sowie amino-, fettsäure-, alkohol-, polyether-, epoxy-, fluor- und/oder alkylmodifizierte
Siliconverbindungen. Unter biogenen Wirkstoffen sind beispielsweise Pflanzenextrakte und Vita
minkomplexe zu verstehen. Gebräuchliche Filmbildner sind beispielsweise Polyvinylpyrrolidon, Vinyl
pyrrolidon-Vinylacetat-Copolymerisate, Polymere der Acrylsäurereihe, quaternäre Cellulose-Derivate,
Kollagen, Hyaluronsäure bzw. deren Salze und ähnliche Verbindungen. Als Konservierungsmittel
eignen sich beispielsweise Phenoxyethanol, Formaldehydlösung, Parabene, Pentandiol oder Sorbin
säure. Als Perlglanzmittel kommen beispielsweise Glycoldistearinsäureester wie Ethylenglycol
distearat, aber auch Fettsäuremonoglycolester in Betracht. Als Farbstoffe können die für kosmetische
Zwecke geeigneten und zugelassenen Substanzen verwendet werden, wie sie beispielsweise in der
Publikation "Kosmetische Färbemittel" der Farbstoffkommission der Deutschen Forschungsge
meinschaft, Verlag Chemie, Weinheim, 1984, S. 81-106 zusammengestellt sind. Diese Farbstoffe
werden üblicherweise in Konzentrationen von 0,001 bis 0,1 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Mi
schung, eingesetzt.
Der Gesamtanteil der Hilfs- und Zusatzstoffe kann 1 bis 50, vorzugsweise 5 bis 40 Gew.-% - bezogen
auf die Mittel - betragen.
Zu einer gerührten klaren Lösung von 10 g (46, 2 mmol) Chitosan (Hydagen® CMF, Molgewicht ca.
1.000.000 Dalton, Deacetylierungsgrad: 82%) in 600 ml Wasser und 23,1 ml 2n Salzsäure wurden bei
30°C 4,65 g Natriumhydrogencarbonat in 400 ml Wasser gegeben, wobei sich ein pH-Wert von 6,1
einstellte und die Lösung austrübte. In die gerührte Mischung wurden 5,1 g (50,8 mmol) Bernstein
säureanhydrid in 20 ml Aceton langsam zugetropft, wobei der pH-Wert in einem Bereich von 6,1 bis 6,4
gehalten wurde. Die allmählich klar werdende Mischung wurde noch 1,5 h bei 30°C gerührt und das
Lösungsmittel dann im Vakuum entfernt. Es wurde eine gelig viskose, klare Masse erhalten.
Beispiel 1 wurde wiederholt, die Menge an Bernsteinsäureanhydrid jedoch halbiert. Es wurde ein
schwach trübes, viskoses, gelartiges Produkt erhalten, das bei pH-Werten oberhalb von 7 klar wurde.
Beispiel 1 wurde wiederholt, jedoch anstelle des Bernsteinsäureanhydrids 51 mmol Maleinsäure
anhydrid eingesetzt. Es wurde eine gelig viskose, klare Masse erhalten.
Beispiel 1 wurde wiederholt, jedoch anstelle des Bernsteinsäureanhydrids 51 mmol Phthalsäureanhy
drid eingesetzt. Es wurde eine gelig viskose, klare Masse erhalten.
Jeweils 0,5 g der nach den Herstellbeispielen 1 bis 4 erhaltenen Biopolymeren (Beispiele 5 bis 8) sowie
0,5 g eines handelsüblichen Chitosans (Vergleichsbeispiel V1) wurden in 100 ml einer 25 gew.-%igen
Lösung von Kokosfettalkohol+ 2 EO-sulfat-Natriumsalz (Texapon® NSO, Henkel KGaA) bzw. einer 20
gew.-%igen Lösung von Kokosalkylglucosid (Plantaren® 1200, Henkel KGaA) gelöst. Im Fall der
erfindungsgemäßen Dicarbonsäureanhydridderivatisierten Biopolymere wurden klare Lösungen erhal
ten, die auch im alkalischen Bereich nicht austrübten. Im Fall des Handelsproduktes resultierten in
beiden Fällen trübe Lösungen.
Claims (8)
1. Biopolymere mit verbesserter Tensidlöslichkeit, dadurch erhältlich, daß man Chitosane mit
cyclischen Dicarbonsäureanhydriden umsetzt.
2. Verfahren zur Herstellung von Biopolymeren mit verbesserter Tensidlöslichkeit, bei dem man
Chitosane mit cyclischen Dicarbonsäureanhydriden umsetzt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man Chitosane einsetzt, die ein
durchschnittliches Molekulargewicht im Bereich von 800.000 bis 1.200.000 Dalton und einen
Deacetylierungsgrad im Bereich von 75 bis 95% einsetzt.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß man cyclische
Dicarbonsäureanhydride einsetzt, die sich von linearen oder verzweigten, gesättigten oder unge
sättigten, aliphatischen oder aromatischen Dicarbonsäuren mit 2 bis 12 Kohlenstoffatomen ablei
ten.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Chitosane -
bezogen auf den Monomerbaustein - und die Dicarbonsäureanhydride im molaren Verhältnis von
1 : 0,1 bis 1 : 1,5 einsetzt.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die Reaktion bei
einem pH-Wert im Bereich von 6,0 bis 6,5 durchführt.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die Reaktion bei
einem pH-Wert im Bereich von 3,0 bis 4,0 durchführt.
8. Verwendung der Biopolymere nach Anspruch 1 zur Herstellung von kosmetischen und/oder phar
mazeutischen Zubereitungen.
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