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Die
Erfindung bezieht sich auf spezielle quartäre Ammoniumverbindungen, die
wenigstens eine stickstoffgebundene Struktureinheit mit wenigstens
einer Esterfunktion aufweisen (Esterquats), auf Zwischenstufen für die Herstellung
solcher Esterquats, auf Zusammensetzungen, die eine oder mehrere
dieser Esterquats umfassen, auf ein Verfahren zu ihrer Herstellung
und auf die Verwendung der Esterquats als Textilstoff-Weichmacher.
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Quartäre Ammoniumverbindungen,
die am Stickstoffatom einen Substituenten mit zwei Estergruppen aufweisen,
sind bekannt. Auch Zusammensetzungen, die solche Ammoniumverbindungen
umfassen, sind bekannt. WO 97/47588 offenbart zum Beispiel, wie
2,3-Dihydroxypropyltrimethylammoniumchlorid mit Laurinsäure umgesetzt
wird, wobei eine Zusammensetzung entsteht, die die entsprechende
quartäre
Diesterverbindung, ein Propyldiesterquat (PDQ), umfasst.
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Die
Verwendung von PDQ als Textilstoff-Weichmacher führt bekanntermaßen zu einer
sehr guten Weichmacherleistung. Die Herstellung dieser Verbindungen
ist jedoch aufwändig,
und der Rohstoff N,N-Dimethyl-1-aminopropan-2,3-diol ist teuer.
Außerdem
ist das Epichlorhydrin, das typischerweise zur Herstellung dieses
Rohstoffs für
PDQ verwendet wird, unter ökologischen
Gesichtspunkten weniger wünschenswert.
Weiterhin wird angemerkt, dass die Herstellung von PDQ typischerweise
die Verwendung eines Lösungsmittels,
wie Isopropanol, in der Quaternisierungsreaktion erfordert. Ein
solches Lösungsmittel
kann jedoch eine Umesterung mit dem PDQ eingehen, was zur Bildung
eines Kontaminanten (des Fettsäurederivats
des Lösungsmittels)
und zur Reduktion der Weichmacherleistung des PDQ-haltigen Produkts
(da weniger Diesterverbindung vorhanden ist) führt. Daher besteht ein Bedürfnis nach
alternativen Verbindungen mit einem besseren Preis/Leistungs-Verhältnis, die
nach einem Verfahren hergestellt werden können, das die Umwelt weniger stark
belastet. Vorzugsweise erfordert dieses Verfahren nicht die Verwendung
von Lösungsmittels,
die eine Umesterung mit Fettsäureestern
eingehen können.
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Unsere
Untersuchungen haben uns zu einem neuen und überraschend einfachen Verfahren
zur Herstellung neuer Typen von quartären Verbindungen, bei denen
wenigstens einer der Stickstoffsubstituenten wenigstens eine Estergruppe
enthält,
und zu neuen Zwischenstufen geführt.
Diese Verbindungen und Zusammensetzungen, die diese Verbindungen
umfassen, bieten eine gute Textilstoff-Weichmacherleistung und ein besseres
Preis/Leistungs-Verhältnis
als die herkömmlichen
Textilstoff-Weichmacher. Es sei angemerkt, dass die Zwischenstufen
auch selbst als Textilstoff-Weichmacher verwendet werden können. Außerdem bietet
das neue Verfahren Vorteile unter einem ökologischen Gesichtspunkt,
da kein Epichlorhydrin verwendet wird. Weiterhin wird der Schritt
der Quaternisierung des Amins in einer der bevorzugten Ausführungsformen
nicht zum Ende der Synthese der grenzflächenaktiven Verbindung hin
durchgeführt,
sondern schon mit dem niedermolekularen Amin. Das Verfahren wird
dadurch verbessert, da es viel einfacher ist, das niedermolekulare
quaternisierte Amin abzutrennen und zu reinigen, als solche Schritte
mit der resultierenden grenzflächenaktiven
Verbindung durchzuführen,
falls dies gewünscht
wird. Insbesondere besteht während
der Verarbeitung/des Waschens einer grenzflächenaktiven Verbindung die
Neigung, dass die Verbindung dispergiert wird. In einer anderen
bevorzugten Ausführungsform
wird ein Trialkylamin in Gegenwart einer Säure mit einem Epoxyalken umgesetzt,
um eine quartäre
Zwischenstufe herzustellen. Das Verfahren dieser bevorzugten Ausführungsform umgeht
die Verwendung von Epichlorhydrin sowie die Verwendung von unerwünschten
Lösungsmitteln.
Die quartäre
Zwischenstufe kann verestert werden, was die bevorzugten Diesterquat-Textilstoff-Weichmacher
ergibt. Das gebildete Monoesterquat kann jedoch ebenfalls als Textilstoff-Weichmacher
nützlich
sein.
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Die
neuen quartären
Verbindungen gemäß der Erfindung
haben die Formel:
R
4[R
5R
6N
+Z]
nX
–,
wobei Z kovalent an das Stickstoffatom gebunden ist und ausgewählt ist
aus den folgenden Formeln (I–IV):
oder deren
Isomeren mit den Formeln:
wobei
R
1 und R
2 unabhängig aus
linearem oder verzweigtem, gesättigtem
oder ungesättigtem
C
6–22-Hydrocarbyl
ausgewählt
sind;
R
3 nichts oder C
1–20-Hydrocarbyl
ist;
R
4 C
1–6-Alkyl,
C
1–6-Alkylen
oder unabhängiges
Z ist;
R
5 H, C
1–6-Alkyl,
unabhängiges
Z oder der Rest des Quaternisierungsmittels, wie C
1–30-Alkyl
oder -Alkenyl, vorzugsweise C
1–6-Alkyl oder -Alkenyl,
ist;
R
6 C
1–6-Alkyl
oder unabhängiges
Z ist;
n = 1, 2 oder 3 ist; und
X
– ein
Ion ist, das aus Cl
–, Br
–,
I
–,
F
–,
CH
3SO
4 –,
C
2H
5SO
4 –,
H
2PO
4 –,
HPO
4 2–, PO
4 3–,
H
2PO
3 –,
HPO
3 2–, H
2PO
2 –, HPO
2 2–,
Nitrat, Formiat, Acetat, Propionat, Tartrat und Benzoat ausgewählt ist,
wobei die Gesamtladung der Anionen gleich der Gesamtladung der Kationen
ist. Die Verbindungen können
nach Reinigung und/oder Isolierung verwendet werden. Vorzugsweise
bilden sie einen Bestandteil einer Zusammensetzung, die mehr als eine
der Verbindungen der Formeln I–IV
und ihrer Isomeren umfasst, da dann auf ausgedehnte Isolierungsschritte
für die
einzelnen Verbindungen verzichtet werden kann. Die Reinigung kann
einen Bleich- und/oder Adsorptionsschritt umfassen, um Chemikalien,
die eine Verfärbung
verursachen, umzusetzen und/oder zu entfernen.
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Bevorzugt
sind Verbindungen der Formel (I), die unten vollständig angegeben
ist
oder Isomere davon, wobei
R
1–R
6 die oben angegebene Bedeutung haben.
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Besonders
bevorzugt haben die Verbindungen der obigen Formeln I–IV oder
ihre Isomeren die Formel, bei der R1 und
R2 unabhängig
aus linearem oder verzweigtem, gesättigtem oder ungesättigtem
C12–18-Alkyl ausgewählt sind.
Ganz besonders bevorzugt haben R1 und R2 eine Kohlenstoffverteilung innerhalb des
Bereichs, wie sie bei kommerziellen Fettsäuren zu finden ist. Bevorzugte
Verbindungen der Formeln I–IV
oder Isomere davon sind auch solche der Formel, bei der R4 und R6 Methyl oder
Ethyl sind.
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Weitere
bevorzugte Verbindungen der Formeln I–IV oder Isomere davon sind
solche der Formel, bei der R5 Methyl oder
Ethyl ist.
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Vorzugsweise
ist n = 1.
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Weitere
bevorzugte Verbindungen der Formeln I–IV oder Isomere davon sind
solche der Formel, bei der X– Chlorid, Methylsulfat
oder Ethylsulfat ist.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung betrifft das Verfahren zur Herstellung der Verbindungen gemäß den Formeln
I–IV und/oder
ihrer Isomere. Dieses Verfahren beinhaltet die Reaktion eines ungesättigten Epoxids
mit einem Amin, vorzugsweise einem Dialkylamin oder Trialkylamin,
woraufhin die ungesättigte,
hydroxygruppensubstituierte Zwischenstufe mit im Durchschnitt 1–2 mol Fettsäuregruppen
pro Mol Hydroxygruppe der Zwischenstufe umgesetzt wird, wobei ein
Ester entsteht. Die Verwendung dieses Verhältnisses von Fettsäuregruppen
gewährleistet,
dass wenigstens einige der ungesättigten
Bindungen so weit umgesetzt werden, dass die bevorzugten Diester
entstehen.
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Es
sei angemerkt, dass F.F. Blicke und J.H. Biel in J. Am. Chem. Soc.
79, 5508-5512 (1957),
offenbaren, dass 1,2-Epoxy-3-buten mit wässrigem Dimethylamin-Hydrochlorid umgesetzt
werden kann, wobei 1-Dimethylamino-2-hydroxy-3-buten entsteht. Es ist jedoch nicht
offenbart, dass eine solche Verbindung weiter mit 1–2 mol Fettsäure pro
Mol dieses Produkts umgesetzt werden kann, wobei die Verbindungen
gemäß der Erfindung
mit guter Textilstoff-Weichmacherleistung entstehen.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung betrifft Amine, die als Zwischenstufen gebildet werden können, indem
man ein Dialkylamin mit einem ungesättigten Epoxid umsetzt und
anschließend
verestert. Diese Zwischenstufen haben die Formel R4[R6NZ]n, wobei R4, R6, n und Z die
oben angegebene Bedeutung haben. Diese Zwischenstufen können selbst
als Textilstoff-Weichmacher verwendet werden. Vorzugsweise jedoch
werden sie in herkömmlicher
Weise mit Mitteln der Formel R5X quaternisiert,
um die bevorzugten Produkte der Formeln I–IV und Isomere davon zu erhalten.
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Zwischenprodukte,
die durch Umsetzen eines Trialkylamins mit einem ungesättigten
Epoxid in Gegenwart einer Säure
gebildet werden, haben vorzugsweise die Formel
oder die Isomere davon mit
der Formel
wobei R
3–R
6 und X
– die oben angegebene
Bedeutung haben.
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Diese
Zwischenstufen lassen sich durch direkte Veresterung oder Umesterung
leicht in die gewünschten
Verbindungen der Formeln I–IV
umwandeln. Die Produkte der Formel VI oder ihre Isomeren können selbst als
Textilstoff-Weichmacher verwendet werden. Daher kann eine Zusammensetzung,
die die Verbin dungen I–IV
umfasst, auch Zwischenstufen der Formel VI enthalten, ohne dass
die Textilstoff-Weichmacher-Eigenschaften beeinträchtigt werden.
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Eine
weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung der Verbindungen gemäß den Formeln
I–VI oder
ihrer Isomere als Textilstoff-Weichmacher. Vorzugsweise handelt
es sich bei den Verbindungen um Verbindungen der Formel I oder deren
Isomere. Die Produkte sind wegen ihrer erwarteten biologischen Abbaubarkeit
aufgrund der zwei Esterfunktionen im Molekül und wegen ihrem Preis/Leistungs-Verhältnis für diese
Verwendung gut geeignet. Es sei angemerkt, dass es in der Technik
bekannt ist, die Leistungsfähigkeit
von Textilstoff-Weichmacher-Zusammensetzungen weiter zu verbessern,
indem man die Textilstoff-Weichmacher-Verbindungen mit einem Leistungsverstärker kombiniert,
der aus der Gruppe ausgewählt
ist, die aus kationischen und nichtionischen Tensiden besteht. Wenn
sie in dieser Weise verwendet werden, lassen sich die Textilstoff-Weichmacher-Verbindungen
noch effektiver auf dem Textilstoff ablagern.
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Das
Amin, das mit dem ungesättigten
Epoxid umgesetzt wird, hat die Struktur R4[R5R6N]n oder
die protonierte Form davon mit der Struktur R4[R5R6N+H]nX–, wobei R4,
R5, R6, n und X– die
oben angegebene Bedeutung haben. Vorzugsweise wird ein Dialkylamin
oder Trialkylamin mit dem ungesättigten
Epoxid umgesetzt. Vorzugsweise ist n = 1. Von den Aminen mit n =
2 ist Ethylendiamin bevorzugt.
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Die
ungesättigten
Epoxide, die verwendet werden können,
sind vorzugsweise 1,2-Epoxyalkene der Formel
wobei R
3 die
oben angegebene Bedeutung hat. Bevorzugte 1,2-Epoxyalkene sind 1,2-Epoxy-3-buten,
1,2-Epoxy-4-penten,
1,2-Epoxy-5-hexen, 1,2-Epoxy-6-hepten, 1,2-Epoxy-3-penten, 1,2-Epoxy-3-hexen,
1,2-Epoxy-3-hepten und 1,2-Epoxy-4-hexen. Besonders bevorzugte 1,2-Epoxyalkene
sind 1,2-Epoxy-3-buten, 1,2-Epoxy-3-penten, 1,2-Epoxy-3-hexen und 1,2-Epoxy-3-hepten.
Am meisten bevorzugt ist 1,2-Epoxy-3-buten.
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Wenigstens
n mol 1,2-Epoxyalkylen ist gemäß der Erfindung
mit einem Mol R4[R5R6N]n oder der protonierten
Form davon mit der Struktur R4[R5R6N+H]nX– umzusetzen. Wenn zur
Herstellung des angegebenen Dialkylamins oder Trialkylamins jedoch
ein Monoalkylamin oder Ammoniak in situ verwendet wird, indem man es
zuerst mit 1,2-Epoxyalken umsetzt, können bis zu vier mol 1,2-Epoxyalken
pro Mol Amin umgesetzt werden.
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Die
Esterfunktionen in den Verbindungen der Erfindung sind typischerweise
von gesättigten
oder ungesättigten,
linearen oder verzweigten C6–30-, vorzugsweise C8–22-,
besonders bevorzugt C12–18-, am meisten bevorzugt
natürlich
vorkommenden, Fettsäuren
abgeleitet, die gegebenenfalls mit z.B. einer oder mehreren Hydroxygruppen
substituiert sind. Zu den bevorzugten Fettsäuren, die bei der Herstellung
der Verbindungen der Erfindung verwendet werden, gehören Kokosnuss-,
Palm-, Palmkern-, Soja-, Olein-, Talg-, Raps-, Canola-, Behen-,
Eruca-Fettsäuren und
Gemische davon. Vorzugsweise wird ein Fettsäuregemisch verwendet, das wenigstens
50 Gew.-% C12–18-Fettsäuren umfasst.
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Die
Säuren
können
als solche in einem herkömmlichen
direkten Veresterungsverfahren verwendet werden, aber es können auch
Derivate verwendet werden, wie die entsprechenden Säurechloride
oder (gemischten) Anhydride. In Umesterungsreaktionen wird typischerweise
ein Fettsäureester
verwendet. In solchen Umesterungsreaktionen werden vorzugsweise
die Methyl-, Ethyl- und/oder Glycerinester der Säuren verwendet. Am meisten
bevorzugt sind Mono-, Di- und/oder
Triglyceride der Säuren.
In dem Veresterungsverfahren wird vorzugsweise ein herkömmlicher
Um- oder Veresterungskatalysator verwendet, wie Phosphinsäure.
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Vorzugsweise
werden 50–100
Prozent, auf einer molaren Basis, der Hydroxyfunktionen der nach
der Umsetzung von Amin und 1,2-Epoxyalken gebildeten 1-Amino-2-hydroxyalken-Zwischenstufe
verestert. Besonders bevorzugt werden 75–100 Molprozent der Hydroxygruppen
verestert. Außerdem
werden vorzugsweise 50–100
Prozent, auf einer molaren Basis, der ungesättigten Funktionen der 1-Amino-2-hydroxyalken-Zwischenstufe
mit Fettsäure
unter Bildung einer Esterfunktion umgesetzt. Besonders bevorzugt
werden 75–100 Molprozent
der Alkenfunktionen verestert.
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Wenn
bei der Reaktion mit dem 1,2-Epoxyalken ein Dialkylamin verwendet
wird, ist das resultierende diestertragende Amin zu quaternisieren,
um die bevorzugten Textilstoff-Weichmacher-Verbindungen gemäß der Erfindung
zu erreichen. Der Quaternisierungsschritt wird in herkömmlicher
Weise durchgeführt,
wobei man Agentien der Formel R5X verwendet,
wobei R5 und X die oben definierte Bedeutung
haben. Beispiele für
herkömmliche
Quaternisierungsmittel sind unter anderem Dimethylsulfat, Diethylsulfat,
Methylchlorid, Methylbromid, Methyliodid, Benzylchlorid, Benzylbromid,
Allylchlorid und Allylbromid.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist der Rohstoff jedoch kein Dialkylamin, sondern ein
Trialkylamin. Wenn solche Trialkylamine in Gegenwart eines herkömmlichen
Aktivators für
die Ringöffnung von
Epoxiden, typischerweise einer Säure,
wie Chlorwasserstoffsäure,
Schwefelsäure,
Hydrochloriden von Aminen, dem Hydrochlorid von Pyridin und dergleichen,
mit dem nicht umgesetzten Epoxid umgesetzt werden, entsteht der
entsprechende, quartäre
Ammoniumgruppen tragende ungesättigte
Alkohol. Diese Alkohole können
durch geeignete Veresterung in die entsprechenden quartären Mono-
und/oder Diesterammonium-Verbindungen umgewandelt werden. Die Veresterung
kann eine direkte Veresterung oder eine Umesterung sein, wobei beide
Verfahren in der Technik für
herkömmliche
Veresterungsverfahren bekannt sind. Vorzugsweise werden C6–22-Fettsäuregruppen
in das Veresterungsverfahren eingeführt, da solche Gruppen benötigt werden,
um den gewünschten
Textilstoff-Weichmacher-Effekt
zu erhalten.
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Die
resultierenden quartären
Ammoniumverbindungen, die einen Stickstoffsubstituenten mit wenigstens
einer Estergruppe aufweisen, können
so, wie sie sind, oder nach der Reinigung und/oder Isolierung verwendet
werden. Die Verbindungen, vorzugsweise die diestertragenden Verbindungen,
sind für
die Verwendung als biologisch abbaubarer Textilstoff-Weichmacher
hervorragend geeignet.
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Die
Erfindung wird durch die folgenden nichtoptimierten Beispiele erläutert.
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Verwendete Materialien:
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- Phosphinsäure
von Aldrich
Stearinsäure
von Merck
Dimethylaminobutenol von Eastman
Butadienmonoxid
(1,2-Epoxy-3-buten) von Aldrich
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Verfahren
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Ein
Gemisch von N-(2-Hydroxy-3-en-1-yl)-N,N,N-trimethylammoniumchlorid
und N-(1-Hydroxybut-3-en-2-yl)-N,N,N-trimethylammoniumchlorid wurde
hergestellt, indem man einen mit einem Rührer ausgestatteten 10-ml-Kolben
mit einem Gemisch von 2,55 g (26,7 mmol) Trimethylamin-Hydrochlorid,
0,06 g (0,5 mmol) 47,7-Gew.-%igem Trimethylamin in Wasser und 2
g Wasser füllte
und das Gemisch auf 10 °C
abkühlte. Dann
wurden 2,09 g (29,9 mmol) 1,2-Epoxybuten
während
1 Stunde tropfenweise hinzugefügt,
während
die Temperatur auf 10 °C
gehalten wurde. Danach wurde das Gemisch auf 40 °C erhitzt und weitere 2 Stunden lang
umgesetzt. Anschließend
wurde 1 ml 1 M HCl hinzugefügt,
und danach wurde das Wasser unter Atmosphärendruck verdampft. Das gewünschte Gemisch
blieb zurück.
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Beispiel 1
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In
einem 100-ml-Einhals-Kolben, der mit Rührer und Wasserabscheider ausgestattet
war, wurden 1,58 g (10,2 mmol) eines Gemischs von N,N-Dimethyl-1-aminobut-3-en-2-ol-Hydrochlorid
und N,N-Dimethyl-2-aminobut-3-en-1-ol-Hydrochlorid mit einer Reinheit von
97,5 Gew.-% mit 6,07 g (21,4 mmol) Stearinsäure kombiniert. Zu dem Gemisch
wurde 1 ml 50-Gew.-%ige Phosphinsäure in Wasser als Katalysator
gegeben. Das Gemisch wurde 4 Stunden lang bei 160°C unter einem
reduzierten Druck von 1 mbar gerührt.
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Ein
Gemisch von 2,3-Di(stearoyloxy)but-1-yldimethylamin-Hydrochlorid
und 1,3-Di(stearoyloxy)but-2-yldimethylamin-Hydrochlorid
wurde mit einer Ausbeute von 24 Mol-% gebildet, bezogen auf die
Aminoverbindung.
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Das
Produkt kann in herkömmlicher
Weise quaternisiert werden.
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Beispiel 2
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In
einem 100-ml-Einhals-Kolben, der mit Rührer und Wasserabscheider ausgestattet
war, wurde 1 ml 50-Gew.-%ige Phosphinsäure in Wasser zu einem Gemisch
von 1,71 g (10,3 mmol) N-(2-Hydroxybut-3-en-1-yl)-N,N,N-trimethylammoniumchlorid/N-(1-Hydroxybut-3-en-2-yl)-N,N,N-trimethylammoniumchlorid
und 5,96 g (21,0 mmol) Stearinsäure
gegeben. Unter Rühren
wurde das Gemisch bei 160 °C
4 Stunden lang unter Vakuum unter einem Druck von 1,33 mbar umgesetzt.
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Ein
Gemisch von 2,3-Di(stearoyloxy)but-1-yltrimethylammoniumchlorid
(oder 1-N,N,N-Trimethylammoniumchloridbutan-2,3-distearat)
und 1,3-Di(stearoyloxy)but-2-yltrimethylammoniumchlorid wurde mit
einer Ausbeute von 49 Mol-% gebildet, bezogen auf die Ammoniumverbindung.
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Das
Produkt hat gute Textilstoff-Weichmacher-Eigenschaften.