DE60009332T2

DE60009332T2 - Synthese von Copolymeren mit Anhydrofructosederivaten

Info

Publication number: DE60009332T2
Application number: DE60009332T
Authority: DE
Inventors: Anke GLÜMER; Klaus Buchholz; Shukun Yu
Original assignee: Danisco AS
Current assignee: DuPont Nutrition Biosciences ApS
Priority date: 1999-11-04
Filing date: 2000-10-12
Publication date: 2005-02-17
Anticipated expiration: 2020-10-13
Also published as: ATE262545T1; DE60009332D1; AU770827B2; CN1192045C; BR0014322A; US20030088039A1; DK1226194T3; JP2003514038A; PT1226194E; CA2376778A1; EP1226194A1; KR20020046274A; AU7939500A; CN1368984A; EP1226194B1; WO2001032728A1; NZ515755A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Copolymere von Anhydrofructosederivaten und wenigstens einer weiteren Monomereinheit. Speziell betrifft die vorliegende Erfindung Copolymere von 3,6-Di-O-acetyl-1,5-anhydro-4-deoxy-D-glycerohex-3-enopyranose-2-ulose, eines acylierten Derivates von 1,5-Anhydro-D-fructose und Vinylacetat oder Vinylbutylether.
Polymere, die Homopolymere und Copolymere einschließen, werden umfangreich in der Industrie verwendet. Typischerweise beruhen die Polymeren auf Erdölprodukten und -derivaten. Ein Beispiel eines solchen bekannten Polymers ist Polystyrol. Die Synthese von Polystyrol wird im Schema 1 von 1 erläutert.
Polymere auf Erdölbasis sind typischerweise nicht-biologisch abbaubar oder biologisch kompatibel. Als solche wurde ihre Verwendung weniger annehmbar, am wenigsten für Verbraucher, und es wurden biologisch abbaubare oder biologisch verträgliche Alternativen gesucht.
Der Stand der Technik beschreibt einige Versuche, Biopolymere zu synthetisieren. Beispielsweise beschreibt die US-A-5,618,933 und die US-A-5,854,030 das Verfahren nach Schema 2, worin ein Zucker, wie Glukose, enzymatisch derivatisiert wird, um eine polymerisierbare Gruppe zu tragen. Die polymerisierbare Gruppe wird dann unter Bildung eines Homopolymers polymerisiert. Diese Verfahren versuchen, ein gut definierbares Halb-Biopolymer zu synthetisieren. Bei diesen Synthesen sind anstelle der Phenylgruppe als die daranhängende Gruppe beim Schema 1 die in diesen Halb-Biopolymeren hängenden Gruppen Zuckerreste. Die US-A-5,618,933 und die US-A-5,854,030 berichten, daß das Vorhandensein der Zuckerreste in dem Polymer zu einem Hydrogel führt. Es wird gelehrt, daß das Hydrogel Wasser bis zum 1100-fachen seines Eigengewichtes absorbiert.
Der Stand der Technik liefert auch Informationen über Polymere, die ungesättigte Zucker im Grundgerüst des Polymers (siehe Buchholz et al., 1994, Synthese neuer "Saccharidpolymere" aus ungesättigten Monosacchariden in: "Kohlenhydrate als organische Rohmaterialien", III (herausgegeben von H. Bekkum, N. Röper und A.G.J. Voragen), VCH-Publishers, Inc., New York (USA), ISBN 3-527-30079-1 und WO-A-99/00436). Ein Problem mit diesen Synthesen und den beschriebenen Polymeren waren jedoch die hohen Kosten der ungesättigten Zucker in dem Polymer. Beispielsweise erfordert die Herstellung eines ungesättigten Glukosederivates ein mehrstufiges Verfahren. Als ein Ergebnis hiervon sind der Preis der ungesättigten Zucker und daher die Kosten der Polymeren, die mit den Zuckerderivaten hergestellt wurden, hoch.
Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit den Problemen nach dem Stand der Technik.
Nach einem ersten Aspekt liefert die vorliegende Erfindung eine Zusammensetzung, die wenigstens zwei unterschiedliche, polymerisierbare Monomere umfaßt, wobei (i) die erste Monomereinheit ein polymerisierbares Derivat von Anhydrofructose und (ii) die zweite Monomereinheit etwas anderes als ein polymerisierbares Derivat von Anhydrofructose ist.
Vorzugsweise ist wenigstens ein Ring des polymerisierbaren Anhydrofructosederivats ungesättigt.
Stärker bevorzugt ist das polymerisierbare Anhydrofructosederivat ein solches der allgemeinen Formel A:
oder ein Derivat hiervon, worin
R¹ und R² unabhängig voneinander unter -OH oder =O ausgewählt sind, worin
R³ ein Substituent mit einer -OH-Gruppe ist, und worin
R⁴ und R⁵ unabhängig voneinander unter -OH und =O ausgewählt sind oder eine Bindung mit einem benachbarten Atom in dem Ring der zyklischen Verbindung wiedergeben, wobei wenigstens eine der Gruppen R⁴ und R⁵ eine Bindung mit einem benachbarten Atom in dem Ring der zyklischen Verbindung bedeutet.
Vorzugsweise ist R³ der allgemeinen Formel A eine -CH₂OH-Gruppe oder umfaßt eine solche.
In dieser Hinsicht wird vorzugsweise die erste Monomereinheit aus Ascopyron M, Ascopyron P, Ascopyron T₂ und Derivaten derselben ausgewählt.
Vorzugsweise wird die erste Monomereinheit geschützt. Bevorzugt wird die erste Monomereinheit durch eine Acylgruppe oder eine Benzoylgruppe (C₆H₅CO-) geschützt. Die erste Monomereinheit umfaßt vorzugsweise eine Acylgruppe. Es ist verständlich, daß der Begriff Acyl eine Gruppe R-C(=O)- meint.
Nach einem bevorzugten Aspekt ist wenigstens ein Ring des polymerisierbaren Anhydrofructosederivates ein solches der allgemeinen Formel A (stärker bevorzugt wird es unter Ascopyron M, Ascopyron P und Ascopyron T₂ ausgewählt), und umfaßt das polymerisierbare Derivat einer Acylgruppe. So besitzt bei einem bevorzugten Aspekt die erste Monomereinheit die allgemeine Formel B:
oder ein Derivat hiervon,
worin R¹ und R² unabhängig voneinander unter -OH, =O ausgewählt sind;
worin R³ ein Substituent ist, der eine -OH-Gruppe umfaßt, und
worin R⁴ und R⁵ unabhängig voneinander unter -OH, =O ausgewählt sind oder eine Bindung mit einem benachbarten Atom an dem Ring der zyklischen Verbindung wiedergeben,
worin wenigstens eine der Gruppen R⁴ und R⁵ eine Bindung mit einem benachbarten Atom an dem Ring der zyklischen Verbindung bedeutet und
worin wenigstens eine Gruppe R¹ bis R⁵ eine Acylgruppe ist.
Stärker bevorzugt besitzt die erste Monomereinheit die Formel:
Noch mehr bevorzugt besitzt die erste Monomereinheit die Formel:
Die zweite Monomereinheit kann irgendein geeignetes Monomer sein, vorausgesetzt, daß es von der ersten Monomereinheit verschieden ist. Vorzugsweise umfaßt die zweite Monomereinheit eine Vinylgruppe. Stärker bevorzugt wird die zweite Monomereinheit unter Vinylacetat, Vinylbutylether, Styrol, Derivaten hiervon und Gemischen hiervon ausgewählt.
In einem weiteren Aspekt liefert die vorliegende Erfindung ein Polymer, das die Einheit:
umfaßt.
Bei einem besonders bevorzugten Aspekt liefert die vorliegende Erfindung ein Polymer mit der Einheit:
Nach weiteren Aspekten liefert die vorliegende Erfindung ein Polymer, das die unter den folgenden ausgewählte Einheit umfaßt:
Anhydrofructose kann für die Verwendung der vorliegenden Erfindung durch irgendein geeignetes Mittel hergestellt werden. Nach einem Aspekt kann Anhydrofructose direkt aus Stärke hergestellt werden, wie es in S. Yu et al. (1999) beschrieben ist. α-1,4-Glucanylasen, die 1,5-Anhydro-D-fructose aus Stärke und Glycogen produzieren, haben eine Sequenzähnlichkeit zu alpha-Glucosidasen: "Biochem. Biophys. Acta", 1433 (1–2): S. 1–15.
Wenn die erste Monomereinheit 3,6-Di-O-acetyl-1,5-anhydro-4-deoxy-D-glycerohex-3-enopyranose-2-ulose(3,6-acyliertes Ascopyron M) ist, kann das Monomer aus Anhydrofructose gemäß S. Freimund und S. Köpper, 1998, hergestellt werden: "Dimere Strukturen von 1,5-Anhydro-D-fructose". "Kohlenhydrat Res.", 308: S. 195–200 oder S. M. Andersen et al. Die Struktur von 1,5-Anhydro-D-fructose: "Röntgenstrahlenanalyse kristalliner, acetylierter, dimerer Formen"; "Zeitschrift für Kohlenhydratchemie", 17 (7): S. 1027–1035, 1998.
Bei einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein Polymer dann durch Copolymerisation von 3,6-acetyliertem Ascopyron M mit einem Co-Monomeren, wie Vinylacetat, Vinylbutylether, erhalten werden. Die durch diese Polymerisation erhaltenen Copolymere sind dargestellt in Schema 3. Die neuen Copolymeren auf Zuckerbasis lieferten Copolymer I bzw. Copolymer II.
Die Polymerisation der vorliegenden Erfindung kann unter Verwendung von Polymerisationsbedingungen durchgeführt werden, die einem Fachmann bekannt sind. Die verwendete Methode zur Herstellung von Copolymer I und Copolymer II ist jene, die von Buchholz et al. beschrieben wurde und die WO-A-99/00436.
Wenn die erste Monomereinheit der Zusammensetzung nach der vorliegenden Erfindung eine Acylgruppe umfaßt, kann die Acylgruppe nach Polymerisation der Zusammensetzung hydrolysiert werden. Bei diesem Aspekt ist es möglich, die Hydrophobizität des Polymers durch diese Hydrolyse zu modifizieren. Beispielsweise können die Acetylgruppen an Copolymer I und Copolymer II hydrolysiert werden, um eine Reihe von Copolymeren mit unterschiedlichem Acetylierungsgrad und daher unterschiedlichem Hydrophobizitätsgrad zu bilden.
Die Polymere der vorliegenden Erfindung können in irgendeiner Anwendung benutzt werden, wo ein Hydrogel erforderlich ist. Beispielsweise kann das Polymer in Absorbensprodukten, wie Windeln (Servietten), sowie in Verpackungsmaterialien, Arzneimittelabgabepolymeren, medizinischen Einrichtungen, wie Ophthalmieeinrichtungen und in einer Vielzahl anderer, handelsüblicher Anwendungen verwendet werden. Die vorliegenden Polymere können besonders vorteilhaft als biologisch verträgliche Polymere benutzt werden. Solche Polymere können für die Herstellung örtlich aufgebrachter Stoffe, wie Kosmetika, Verbandstoffe oder pharmazeutischer Zusammensetzungen verwendet werden, die nicht die Haut reizen.
BEISPIELE
Vier Copolymerisationen wurden durchgeführt. Acetyliertes Anhydrofructosederivat (AnF) wurde jeweils mit Vinylacetat (Vac) und Vinylbutylether (VBE) copolymerisiert. Jede Polymerisation wurde in Lösung und in Substanz durchgeführt.
BEISPIEL 1
Herstellung von Poly-(acetyl-anhydro-fructose)-co-(vinylacetat)
0,5 g (0,00218 mol) 3,6-Di-O-acetyl-1,5-anhydro-4-deoxy-D-glycero-hex-3-enos-2-ulopyranose wurde in einem druckbeständigen Polymerisationsreaktor angeordnet, welcher mit einem Thermometer, einer Heizeinrichtung, einer Dosiereinrichtung und einem Argoneinlaß und -auslaß ausgestattet war.
Zu diesem flüssigen Sirup wurden 0,242 ml (0,226 g) Vinylacetat (Saccharid : Vinylacetat (1 : 1)) und 8 mg Dibenzoylperoxid zugemischt. Das Gemisch wurde nach der Gefrier-Abtaumethode entgast. Das Gemisch wurde bei 80°C in dem dicht verschlossenen Reaktor für 48 Stunden polymerisiert. Nach Beendigung der Reaktion hatte man einen fahlgelben Feststoff mit 14 gew.-%iger Ausbeute erhalten. Die Analyse durch GPC-MALLS ergab ein mittleres Molekulargewicht (Gewichtsmittel) von 210.000 g/mol.
¹H-NMR(400,1 MHz; CDCl₃): δ = 1,6–2,3(11H, 9H-acetyl und H-4'); 2,4–3,2(1H, eventuell H-4); 3,2–5,2(6H, H–1/4/5/6 und H–3'):
¹³C-NMR(100,6 MHz, CDCl₃: δ = 20–22(2 × CH₃-Acetyl und C–2'); 37–38(C–4'); 52–54(C–4); 63–80 (C–1/3/5/6 und C–3'); 165–173(-COO-Acetyl und C-1'); 200(C–2).
FT-IR(KBr): ν ~(cm^–1) = 2962(CH₂, CH₃); 1743(C=O); 1432(C–H, Acetyl; 1234(CH₂-Def., Ester); 1045(C-O-Valenz).
[α] 20 / D = –13,1(CHCl₃, C = 0,655 g/100 ml).
(C₁₀H₁₂O₆)_0,5(C₄H₆O₂)_0,5 (314,29)_n:
berechnet: C: 53,50 H: 5,73;
gefunden: C: 53,13 H: 5,59.
BEISPIEL 2
Beispiel 1 wurde in Lösung (Toluol) wiederholt. Spuren von Polymer wurden durch TLC sichtbar.
BEISPIEL 3
Herstellung von Poly-(acetyl-anhydro-fructose)-co-(vinylbutylether)
0,5 g (0,00218 Mol) 3,6-Di-O-acetyl-1,5-anhydro-4-deoxy-D-glycero-hex-3-enos-2-ulopyranose wurden in einem druckbeständigen Polymerisationsreaktor angeordnet, der mit einem Thermometer, einer Heizung, einer Dosiereinrichtung und Argoneinlaß- und -auslaßöffnungen versehen war.
Zu diesem flüssigen Sirup wurden 0,281 ml (0,286 g) Vinylbutylether (Saccharide : Vinylbutylether (1 : 1) und 8 mg Dibenzoylperoxid zugemischt, und das Gemisch wurde nach der Gefrier-Auftau-Methode entgast. Das Gemisch wurde bei 80°C in dem abgedichteten Reaktor während 48 Stunden polymerisiert. Nachdem die Reaktion beendet war, hatte man einen dunkelgelben Feststoff mit 11 Gew.-% Ausbeute erhalten. Die Analyse durch GPC-MALLS ergab eine 1 gew.-%ige Ausbeute, die erhalten wurde. Die Analyse der GPC-MALLS ergab ein Gewichtsmittel (Molekulargewicht) von etwa 950.000 g/mol.
¹H-NMR(400,1 MHz; CDCl₃): δ = 0,8–1,0(3H, H–4'); 1,2–1,6(4H, H–2'/3'); 1,7–2,3(8H, CH₃, Acetyl, H–6'); 2,4–3,7(4H, H–1'/5' und H-4); 3,8–5,1(5H, H-1/5/6).
¹³C-NMR(100,6 MHz, CDCl₃: δ = 14,0(C–4'); 19(C–3'); 21(C-Acetyl); 32(C–2'); 39(C–6'); 41 (C–4); 45(C–1'); 50–52(C–5'); 65(C–6); 70–80(C–1/3/5/6); 168–171(-COO-Acetyl); 200(C–2).
FT-IR (KBr): ν ~(cm^–1) = 2962; 2938; 2875(CH₂,CH₃); 1745(C=O); 1453; 1436(C–H, Acetyl); 1371; 1234(CH₂-Def., C-O, Ester); 1177, 1068, 1027(C-O-Valenz, Ether).
[α] 20 / D = –28,11(CHCl₃, C = 1,11 g/100 ml).
Charakterisierung von Poly-(acetyl-anhydro-fructose)-co-(vinylacetat) (AnF-Vac) und Poly-(acetyl-anhydro-fructose)-co-vinylbutylether (AnF-VBE)
Polymerisationsbedingungen: Temperatur 80°C, Verweilzeit 48 Stunden, Konzentration der Monomeren 0,00218 Mol, Initiator: Dibenzoylperoxid, 1 Mol.-%.
^a) Mittleres Molekulargewicht (Gewichtsmittel), bestimmt mit Hilfe von GPC-online mit MALLS.
^b) Spezielle optische Rotationen, gemessen in CHCl₃-Lösung.
^c) Isolierte Produkte.
BEISPIEL 4
Beispiel 4 wurde in Lösung (Toluol) wiederholt. Spuren von Polymer wurden durch TLC feststellbar.
BEISPIEL 5
Hydrolyse von Polymeren – das feste Polymer der obigen Beispiele wurde mit einer Kugelmühle pulverisiert, in 1–2N Natriumhydroxid-Lösung aufgelöst und einige Tage gerührt. Wenn erforderlich, wurde die Lösung auf 50°C erwärmt, bis alles Polymer aufgelöst war. Das Lösungsmittel wurde konzentriert und der pH-Wert auf 10–11 eingestellt. Die Lösung wurde durch Dialyse entsalzt (Dialysemembran MWCO 3500). Die entsalzte Lösung wurde gefriergetrocknet.
BEISPIEL 6
Das Polymer des Beispiels 1 wird in die Auskleidung einer Kinderwindel eingearbeitet. Die Absorptionsfähigkeit der Windel wird getestet, indem 50 ml Wasser auf der Innenoberfläche der Windel verteilt werden. Das Wasser wird von dem Polymer der vorliegenden Erfindung absorbiert, und bei Anlegen von Druck an die Oberfläche einer Windel wird das Wasser nicht von dem Polymer abgegeben.
Alle in Verbindung mit der obigen Beschreibung erwähnten Publikationen sind hier durch Bezugnahme eingearbeitet. Verschiedene Modifikationen und Abwandlungen der beschriebenen Methoden und des Systems der Erfindung werden dem Fachmann ohne Verlassen des Erfindungsgedankens offenbar. Obwohl die Erfindung in Verbindung mit speziell bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, ist doch zu verstehen, daß die Erfindung nicht ungebührlich auf solche speziellen Ausführungsformen beschränkt werden soll. Tatsächlich sind verschiedene Abwandlungen der beschriebenen Arbeitsweisen für die Durchführung der Erfindung verfügbar, welche für den Fachmann auf der Hand liegen oder auf verwandten Gebieten innerhalb des Gedankens der folgenden Ansprüche bestimmt sind.

Claims

Zusammensetzung mit wenigstens zwei verschiedenen, polymerisierbaren Monomeren, wobei: (i) die erste Monomereinheit ein polymerisierbares Derivat von Anhydrofructose und (ii) die zweite Monomereinheit kein polymerisierbares Derivat von Anhydrofructose ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei wenigstens ein Ring des Anhydrofructose-Derivats ungesättigt ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das polymerisierbare Derivat von Anhydrofructose die allgemeine Formel A hat:
oder ein Derivat davon ist, wobei: R¹ und R² unabhängig voneinander unter -OH und =O ausgewählt sind; R³ ein Substituent mit einer OH-Gruppe ist, und R⁴ und R⁵ unabhängig voneinander unter -OH und =O ausgewählt sind oder eine Bindung mit einem benachbarten Atom an dem Ring der zyklischen Verbindung darstellen, wobei wenigstens eines von R⁴ und R⁵ eine Bindung mit einem benachbarten Atom an dem Ring der zyklischen Verbindung darstellt.
Zusammensetzung nach Anspruch 3, wobei R³ eine -CH₂OH-Gruppe ist oder aufweist.
Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Monomereinheit unter Ascopyron M, Ascopyron P, Ascopyron T₂ und Derivaten davon ausgewählt ist.
Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste Monomereinheit ein acyliertes oder benzoyliertes Derivat von Anhydrofructose ist.
Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die erste Monomereinheit die allgemeine Formel B hat:
oder ein Derivat davon ist, wobei: R¹ und R² unabhängig voneinander unter -OH und =O ausgewählt sind; R³ ein Substituent mit einer OH-Gruppe ist, und R⁴ und R⁵ unabhängig voneinander unter -OH und =O ausgewählt sind oder eine Bindung mit einem benachbarten Atom an dem Ring der zyklischen Verbindung darstellen, wobei wenigstens eines von R⁴ und R⁵ eine Bindung mit einem benachbarten Atom an dem Ring der zyklischen Verbindung darstellt und wobei wenigstens eines von R¹ bis R⁵ durch eine Azylgruppe geschützt ist.
Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die erste Monomereinheit die folgende Formel hat:
Zusammensetzung nach Anspruch 8, wobei die erste Monomereinheit die folgende Formel hat:
Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die zweite Monomereinheit eine Vinylgruppe aufweist.
Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die zweite Monomereinheit unter Vinylacetat, Vinylbutylether, Styren, Derivaten und Gemischen davon ausgewählt ist.
Polymerisationsprodukt einer Zusammensetzung, wie sie in einem der Ansprüche 1 bis 11 definiert ist.
Polymer, welches die folgende Einheit enthält:
Polymer, welches die folgende Einheit enthält: