DE2715502C2 - - Google Patents

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DE2715502C2
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Description

Die Umsetzung von Orthoestern mit Glykolen, die zur Bildung von nicht polymeren Produkten führt, ist bekannt, z. B. aus Ind. J. Appl. Chem. Band 28, Nr. 2, Seiten 53 bis 58 (1965). Mehrota et al. beschrieben dort die Herstellung von Monoethoxymonoglykolat und Triglykoxybisorthoformiat durch Umsetzung von Orthoformiat mit Hexamethylenglykol in molaren Verhältnissen von 1 : 1 und 2 : 3. Crank et al. beschreiben in Aust. J. Chem., Band 17, Seiten 1392 bis 1394 (1964) die Umsetzung von Triolen mit Orthoestern einschließlich Ethylorthoformiat mit Butan-1,2,4- triol, Pentan-1,2,5-triol und Pentan-1,3,5-triol unter Bildung von monomeren bicyclischen Verbindungen. Bailey berichtete in Poly. Prepr. Amer. Chem. Soc. Div. Polym. Chem., Band 13, Nr. 1, Seiten 281 bis 286 (1976), daß die Polymerisation von Spiroorthoestern bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen zu Polyestern und Polycarbonaten der Strukturen
[-CH₂CH₂CH₂COOCH₂CH₂O-] n und [-OCH₂OCOOCH₂CH₂CH₂-] n
führte.
Die Erfindung betrifft polymere Orthoester, die gekennzeichnet sind durch die allgemeine Formel (I)
in der R₁ ein Wasserstoffatom, eine Alkylgruppe mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, eine Alkenylgruppe mit 2 bis 20 Kohlenstoffatomen, eine monocycloaliphatische Kohlenwasserstoffgruppe mit 3 bis 8 annularen Kohlenstoffatomen, die gegebenenfalls substituiert ist durch Alkyl mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, Alkylen mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, Alkenyl mit 2 bis 20 Kohlenstoffatomen oder Alkoxy mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen oder einen Arylrest mit 6 bis 10 annularen Kohlenstoffatomen gegebenenfalls substituiert mit Alkyl mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, Alkenyl mit 2 bis 20 Kohlenstoffatomen, Alkoxy mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen oder Alkylen mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, bedeutet, R₂ ein Alkylenrest mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, Alkenyl mit 2 bis 20 Kohlenstoffatomen, eine 2-wertige monocycloaliphatische Kohlenwasserstoffgruppe mit 3 bis 8 annularen Kohlenstoffatomen, gegebenenfalls substituiert mit Alkyl mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, Alkylen mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, Alkenyl mit 2 bis 20 Kohlenstoffatomen oder Alkoxy mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen oder eine 2-wertige Arylgruppe mit 6 bis 10 annularen Kohlenstoffatomen, gegebenenfalls substituiert mit Alkyl mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, Alkylen mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, Alkenyl mit 2 bis 20 Kohlenstoffatomen oder Alkoxy mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, a=2 oder 3 und n eine ganze Zahl von mindestens 10 und weniger als 100 000 ist.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung von polymeren Orthoestern der angegebenen allgemeinen Formel (I), das dadurch gekennzeichnet ist, daß man ein Polyol der allgemeinen Formel (II)
(CH₂OH) a R₂(OH)₃-a (II)
in der R₂ und a die angegebene Bedeutung haben, in inerter Atmosphäre bei 60 bis 150°C 1 bis 96 Stunden umsetzt mit einem Orthoester der allgemeinen Formel (III)
R₁C(OR₃)₃ (III)
in der R₁ die oben angegebene Bedeutung hat und R₃ eine Alkylgruppe mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, eine Alkenylgruppe mit 2 bis 20 Kohlenstoffatomen, eine Cycloalkylgruppe mit 3 bis 8 Kohlenstoffatomen oder eine Arylgruppe mit 6 bis 10 Kohlenstoffatomen bedeutet unter Bildung eines Monomers der allgemeinen Formel (IV)
und das Monomer zunächst bei 90 bis 180°C 1½ bis 24 Stunden in Gegenwart einer Lewissäure, eines Brønstedtkatalysators oder eines Organotitankatalysators polymerisiert und anschließend die Polymerisation bei 60 bis 180°C unter einem Druck von 0,0133 bis 0,000133 mbar unter kontinuierlichem Mischen des Reaktionsgemisches 2 bis 96 Stunden fortsetzt.
Der Ausdruck "Alkyl", wie er hier verwendet wird, umfaßt gradkettige und verzweigtkettige Alkylreste, wie die Methyl-, Ethyl-, n-Propyl-, n-Butyl-, n-Amyl-, n-Hexyl- und Dodecylgruppe und die verschiedenen Stellungsisomeren davon. Der Ausdruck "Alkylen" bezeichnet grad- oder verzweigtkettige 2-wertige Alkylenreste, wie eine Ethylen-, 1,3-Propylen-, 1,4- Butylen-, 1,5-Pentylen-, 1,6-Hexylen- und 1,10-Decylengruppe (bzw. 1,12 Dodecylengruppe). Der Ausdruck "Alkenyl" umfaßt grad- und verzweigtkettige Alkenylreste, wie die 1-Propenyl-, 2-Propenyl-, 1-Butenyl-, 2-Butenyl-, 1-Pentenyl-, Ethylengruppe und die entsprechenden Stellungsisomeren. Der Ausdruck "Alkenylen" bezeichnet eine ungesättigte, grad- oder verzweigtkettige 2-wertige Gruppe, wie eine 1,3-Propyl-1-en-, 1,4-But-2-enylen-, 1,5-Pent-2-enylen- und 1,6-Hex-3-enylengruppe. Der Ausdruck "Alkoxy" umfaßt die grad- und verzweigtkettigen Alkoxygruppen, wie die Methoxy-, Ethoxy-, Propoxy-, Butoxy-, n-Pentoxy-n- Hexoxy-, Isopropoxy-, 2-Butoxy-, Isobutoxy- und 3-Pentoxygruppe.
Die monocycloaliphatischen Kohlenwasserstoffreste, die angegeben sind durch R₁ und R₂ umfassen jeweils Cycloalkyl- und Cycloalkenylreste, wie oben definiert und Cycloalkylen- und Cycloalkenylengruppen, wie angegeben.
Der Ausdruck "Cycloalkyl", wie er hier verwendet wird, umfaßt monocyclische Reste, wie die Cyclopropyl-, Cyclobutyl-, Cyclopentyl-, Cyclohexyl- und Cyclooctylgruppe. Der Ausdruck "Cycloalkylen" umfaßt monocyclische Reste, wie die Cyclopropylen-, Cyclobutylen-, Cyclopentylen-, Cyclohexylen- und Cyclooctylengruppe. Der Ausdruck "Cycloalkenyl" umfaßt monocyclische Reste, wie Cyclopent-2-enyl-, Cyclopent-3-enyl-, Cyclohex-2-enyl- und Cyclohex-3-enylgruppe. Der Ausdruck "Cycloalkenylen" umfaßt monocyclische Reste, wie die 1,4-Cyclopent-2-enylen-, 1,5- Cyclopent-3-enylen, 1,6-Cyclohex-2-enylen- und 1,6-Cyclohex- 3-enylengruppe.
Die Ausdrücke "Aryl" und "Arylen" umfassen von Benzol und Naphthalin abgeleitete Reste.
Beispielhafte Polyole, die zur Herstellung der erfindungsgemäßen Polymeren angewandt werden können, umfassen grad- und verzweigtkettige Triole, wie 1,2,3-Propantriol, 1,3,4-Butantriol, 1,4,5-Pentantriol, 1,5,6-Hexantriol, 1,2,5-Pentantriol, 1,3,5-Pentantriol, 1,2,4-Butantriol, 2-Methyl-1,2,3-propantriol, 2-Ethyl-1,2,3-propantriol, 2-Methoxy-1,3,4-butantriol, 3-Phenyl- 1,4,5-pentantriol, 2-Isopropyl-3-methyl-1,4,5-pentantriol, β-Methylglycerin, 2-Hydroxymethyl-1,4-butandiol, 2-Hydroxy­ methyl-1,4-butandiol, 2-Hydroxymethyl-1,5-pentadiol, 2-Hydroxy­ methyl-1,6-hexandiol, 1-(1′,2′-Dihydroxyethyl)-4-hydroxymethyl- benzol, 2-Hydroxymethyl-1,4-butandiol, 2-Hydroxymethyl-1,5- pentadiol, 1,2,8-Trihydroxyoct-5-en und 1-Hydroxymethyl-4- (2′,3′-dihydroxy-n-propyl)-benzol.
Beispielhafte Orthoester, die angewandt werden können zur Herstellung der Polymeren, umfassen einfache und gemischte Orthoester, wie Trimethylorthoformiat, Triethylorthoformiat, Tri-n-butyl-orthoformiat, Tri-n-hexylorthoformiat, Dibutylmonoethyl­ orthoformiat, sec-Butyldiethylorthoformiat, Methyl­ diethylorthoformiat, Ethyldiisopropylorthoformiat, Diisopropylbutylorthoformiat, Ethylorthoacetat, Methylorthoacetat, Ethylorthopropionat, Methylorthopropionat, sec-Butylorthopropionat, Propylorthopropionat, Tricylclohexylorthoformiat, Triphenylorthoformiat, Dimethylethenylorthoformiat, Diethyl­ propenylorthoformiat, Diisopropylethenylorthoformiat, Dimethylisobutenylorthoformiat, 1,1,1-Trimethoxy-prop-2-en, α,α,a-Trimethoxytoluol, 1-Methyl-2-(trimethoxymethyl)-benzol, Trimethylorthoacetat, Trimethylorthopropionat und Trimethylorthobutyrat.
Die erfindungsgemäßen Polymere werden synthetisiert, indem man zunächst ein Polyol der allgemeinen Formel (II) mit einem Orthoester der allgemeinen Formel (III) unter Bildung eines Monomeren der allgemeinen Formel (IV) umsetzt. Dann wird das Monomer (IV) unter Bildung des entsprechenden Polymers polymerisiert. Allgemein wird die Monomerbildung durch Umsetzung von 1 bis 10 Mol Polyol mit 1 bis 10 Mol Orthoester durchgeführt. Das Polyol und der Orthoester werden in inerter Atmosphäre, üblicherweise unter Stickstoff oder Argon, bei 60 bis 150°C während 1 bis 96 Stunden umgesetzt. Der bei der Reaktion gebildete Alkohol wird abdestilliert. Das Monomer (IV) wird durch fraktionierte Vakuumdestillation über ein Trocknungsmittel, z. B. CaO gereinigt. Anschließend wird das Monomer (IV) in einen Kolben gegeben, der mit einem inerten Gas gespült worden ist. Ein Polymerisationskatalysator wird zugegeben und die Temperatur 1 bis 24 Stunden, vorzugsweise 1,5 bis 24 Stunden auf 90 bis 180°C gehalten. Das gebildete Kondensat wird in einem Kolben gesammelt. Dann wird der Druck vermindert und die Polymerisation bei 60 bis 180°C unter einem Druck von 0,0665 bis 0,000133 mbar, vorzugsweise 0,0133 bis 0,000133 mbar fortgesetzt. Diese Temperaturen und Drücke werden unter kontinuierlichem Mischen des Reaktionsgemisches 2 bis 96 Stunden aufrechterhalten. Das gebildete Polymer wird unter wasserfreien Bedingungen aus dem Reaktionsgefäß durch übliche Isolierungs- und Gewinnungsverfahren erhalten. Zum Beispiel wird das Polymer heiß durch Extrudieren oder Ausgießen gewonnen, oder es wird gewonnen nach Abkühlen und Lösen in einem trockenen organischen Lösungsmittel, wie Benzol, Tetrachlorkohlenstof, Methylenchlorid, Dioxan, Toluol oder Xylol und anschließender Zugabe einer organischen Flüssigkeit, in der das Polymer unlöslich ist oder eine begrenzte Löslichkeit besitzt, ausgefällt. Organische Flüssigkeiten für diesen zuletzt genannten Zweck umfassen Ether, Hexan, Pentan, Petrolether und Hexan-Heptan-Gemische. Das Polymer wird durch Abfiltrieren und Trocknen unter wasserfreien Bedingungen isoliert. Ein anderes Verfahren zur Gewinnung des Polymers stellt die Lyophilisation aus einem Lösungsmittel dar.
Katalysatoren zur Durchführung der Polymerisationsreaktion sind Lewissäuren, Brønstedtkatalysatoren und Organotitanatkatalysatoren, wie Bortrifluorid, Bortrichlorid, Bortrichlorid­ etherat, Bortrifluoridetherat, Zinn-4-oxychlorid, Phosphoroxychlorid, Zinkchlorid, Phosphorpentachlorid, Calciumacetat, ein Gemisch von Antimonoxiden, Antimonpentachlorid, Ammoniumpentafluorid, Zinn-2-octoat, Zinn-4-chlorid, Diethylzink, n-Butyllithium, p-Toluolsulfonsäure, Polyphosphorsäure, vernetzte Polystyrolsulfonsäure, saures Silicagel, Tetrabutyl­ titanat und Titannatriumhydrogen-hexabutoxid. Die angewandte Katalysatormenge beträgt ungefähr 1 Teil Katalysator auf ungefähr 500 Teile Monomer (IV). Kleinere oder größere Mengen können ebenfalls angewandt werden, wie 0,005 bis 2,0 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Monomers (IV).
Die Polymerisation kann gegebenenfalls in Gegenwart eines inerten organischen Lösungsmittels durchgeführt werden, das die Reaktion nicht negativ beeinflußt. Die Reaktion kann jedoch auch in Abwesenheit eines zusätzlichen Lösungsmittels ablaufen. Im letzteren Falle dient zunächst einer der Reaktionspartner, z. B. das Polyol, als Lösungsmittel. Mit fortschreitender Polymerisation wird ein Lösungsmittelnebenprodukt von der Reaktion durch übliches Abdestillieren, azeotropes Abdestillieren oder durch Abdestillieren unter Vakuum entfernt. Geeignete azeotrope Lösungsmittel umfassen Toluol, Benzol, m-Xylol, Cumol, Pyridin und n-Heptan.
Die Erfindung wird durch die folgenden nicht einschränkenden Beispiele näher erläutert:
Beispiel 1
Zu 59,72 g (0,655 Mol) wasserfreiem 1,2,3-Propantriol in einem 500-ml-Dreihals-Borsilicat-Kolben, der mit einem Rührer, einem Stickstoffeinlaß und einer Vigreaux-Kolonne versehen war, wurden unter konstantem Rühren unter Stickstoffatomosphäre 97,9 g (0,660 Mol) wasserfreies Triethylorthoformiat gegeben und die Reaktionspartner 6 Stunden lang umgesetzt. Die Reaktion wurde bei Atmosphärendruck und bei 130°C±2°C durchgeführt. Während der Umsetzung wurde ungefähr eine stöchiometrische Menge Ethanol aus dem Reaktionsgefäß abdestilliert. Anschließend wurde das Produkt in einen 250-ml-Kolben zur Vakuumfraktionierung über CaO gegeben, wobei die Hauptfraktion bei 67 bis 85°C unter einem Druck von 0,665 mbar erhalten wurde. Die Fraktion besaß eine Reinheit von 90% und enthielt sowohl das cis- als auch das trans-Isomere. Die Infrarotanalyse zeigte keine Carbonylbanden. Schließlich wurde das Produkt in Triethylamin gelöst und destilliert, wobei man das reine Monomer (2-Ethoxy-4-hydroxymethyl-1,3-dioxolan) erhielt.
Anschließend wurden zu 6,3 g (0,043 Mol) des Monomers in einem Polymerisationsreaktor 5 mg p-Toluolsulfonsäure gegeben und das Gefäß 1 Stunde unter Abtrennen von etwaigem gebildeten Kondensat bei 130°C erhitzt. Dann wurde unter Aufrechterhaltung dieser Temperatur der Druck auf 0,0665 mbar reduziert und bei diesem verminderten Druck die Temperatur langsam auf 135°C erhöht. Die Selbstkondensationspolymerisation des Monomers wurde unter diesen Bedingungen 4 Stunden lang unter Bildung des Polymers durchgeführt. Das Polymer wurde aus dem Reaktionsgefäß isoliert und besaß die folgende Struktur, wobei n den Polymerisationsgrad angibt der bei dieser Arbeitsweise 177 betrug.
Beispiele 2 bis 12
Entsprechend dem Beispiel 1 wurden unter Verwendung unterschiedlicher Reaktionsteilnehmer die in Tabelle (I) angegebenen Polymere hergestellt. Dabei bedeutet "Me" die Methyl-, "Et" die Ethyl-, "Pr" die Propyl- und "Bu" die n-Butylgruppe und PG den Polymerisationsgrad.
Die erfindungsgemäßen Orthoesterpolymere sind geeignet als abbaufähige Überzüge für Wirkstoffe wie Pesticide, Herbicide, Germicide, Biocide, Algicide, Rodenticide, Fungicide, Insecticide, Pflanzenwachstumsbeschleuniger, Pflanzenwachstumshemmstoffe, Konservierungsmittel, Desinfektionsmittel, Kosmetika, Arzneimittel, Pflanzennährstoffe, Vitamine, Sterilisationsmittel, Pflanzenhormone, Fruchtbarkeitshemmstoffe, fruchtbarkeitsfördernde Mittel, Luftreiniger, mikroorganismenschwächende Mittel und Nährstoffe.
Zum Beispiel sind die erfindungsgemäßen Orthoester geeignet zur Herstellung von Arzneimittel enthaltenden Mitteln, die biologisch in wäßrige Körperflüssigkeiten unter Freisetzung des Arzneimittels abgebaut werden. Zum Beispiel kann solch ein Mittel durch Erhitzung des Polymers des Beispiels 1 auf 90 bis 140°C bis es biegsam wird und anschließend Zugabe von feinstteiligem Hydrocortison zu dem Polymer hergestellt werden. Anschließend werden das Polymer und das Hydrocortison gründlich unter Bildung einer guten Dispersion für das Arzneimittel vermischt, wobei man ein Polymer, enthaltend 5% Hydrocortison erhält. Nach Abkühlung der Arzneimittelzubereitung mit dem Polymer auf Raumtemperatur kann diese Masse in Formen gebracht werden, die geeignet sind, um das Mittel an eine bestimmte Stelle des Körpers zu bringen, z. B. zur Behandlung von Entzündungen und Schleimbeutelentzündungen (bursitis).

Claims (4)

1. Polymere Orthoester, gekennzeichnet durch die allgemeine Formel (I) in der R₁ ein Wasserstoffatom, eine Alkylgruppe mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, eine Alkenylgruppe mit 2 bis 20 Kohlenstoffatomen, eine monocycloaliphatische Kohlenwasserstoffgruppe mit 3 bis 8 annularen Kohlenstoffatomen, die gegebenenfalls substituiert ist durch Alkyl mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, Alkylen mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, Alkenyl mit 2 bis 20 Kohlenstoffatomen oder Alkoxy mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen oder einen Arylrest mit 6 bis 10 annularen Kohlenstoffatomen gegebenenfalls substituiert mit Alkyl mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, Alkenyl mit 2 bis 20 Kohlenstoffatomen, Alkoxy mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen oder Alkylen mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, bedeutet, R₂ ein Alkylenrest mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, Alkenyl mit 2 bis 20 Kohlenstoffatomen, eine 2-wertige monocycloaliphatische Kohlenwasserstoffgruppe mit 3 bis 8 annularen Kohlenstoffatomen, gegebenenfalls substituiert mit Alkyl mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, Alkylen mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, Alkenyl mit 2 bis 20 Kohlenstoffatomen oder Alkoxy mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen oder eine 2-wertige Arylgruppe mit 6 bis 10 annularen Kohlenstoffatomen, gegebenenfalls substituiert mit Alkyl mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, Alkylen mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, Alkenyl mit 2 bis 20 Kohlenstoffatomen oder Alkoxy mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, a=2 oder 3 und n eine ganze Zahl von mindestens 10 und weniger als 100 000 ist.
2. Orthoester nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß R₁ ein Wasserstoffatom, R₂ eine Methylengruppe und a=2 bedeuten.
3. Verfahren zur Herstellung der Orthoester nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Polyol der allgemeinen Formel (II) (CH₂OH) a R₂(OH)₃-a (II)in der R₂ und a die oben angegebene Bedeutung haben, in inerter Atmosphäre bei 60 bis 150°C 1 bis 96 Stunden umsetzt mit einem Orthoester der allgemeinen Formel (III)R₁C(OR₃)₃ (III)in der R₁ die oben angegebene Bedeutung hat und R₃ eine Alkylgruppe mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, eine Alkenylgruppe mit 2 bis 20 Kohlenstoffatomen eine Cycloalkylgruppe mit 3 bis 8 Kohlenstoffatomen oder eine Arylgruppe mit 6 bis 10 Kohlenstoffatomen bedeutet unter Bildung eines Monomers der allgemeinen Formel (IV) und das Monomer zunächst bei 90 bis 180°C 1 bis 24 Stunden in Gegenwart einer Lewissäure, eines Brønstedkatalysators oder eines Organotitankatalysators polymerisiert und anschließend die Polymerisation bei 60 bis 180°C unter einem Druck von 0,0665 bis 0,000133 mbar unter kontinuierlichem Mischen des Reaktionsgemisches 2 bis 96 Stunden fortsetzt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man als Lewissäure p-Toluolsulfonsäure verwendet.
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