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Technisches
Gebiet
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Diese
Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Erzeugung eines quaternären Ammoniumsalzes
mit einer Ester-Gruppe im Molekül
davon, das als Tensid und als Weichmacher für textile Stoffe, Haar, etc.
nützlich ist.
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Hintergrund
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Im
allgemeinen beinhaltet ein konventionelles Verfahren zur Erzeugung
eines quaternären
Ammoniumsalzes mit einer Ester-Gruppe,
das als Weichmacher für
textile Stoffe, Haar, etc. nützlich
ist, die Veresterung eines tertiären
Amins mit einer Hydroxyl-Gruppe mit einer Fettsäure oder einem Fettsäureester,
unter Erhalt eines tertiären
Amins mit einer Ester-Gruppe, und die anschließende Quaternisierung der erhaltenen Amin-Verbindung
mit einer Ester-Gruppe mit einem Quaternisierungsmittel wie einem
Alkylhalogenid oder Dialkylsulfat in der Gegenwart eines Lösungsmittels.
Bei diesem Verfahren ist jedoch die Temperatur für die Veresterungsreaktion
150°C oder
mehr und ein Katalysator wie eine Säure oder eine Base wird im
allgemeinen verwendet, so daß Befürchtungen
bezüglich
der Verschlechterung der Qualitäten
(Farbe, Geruch) aufgrund der Temperatur und des Katalysators auftreten,
und somit sind Additive wie ein Antioxidans häufig notwendig. Bei der Quaternisierung
wird die Reaktionsrate durch Elektronenabzug der Ester-Gruppe vermindert,
und weiterhin vermindert sich die Reinheit des quaternären Ammoniumsalzes
aufgrund der Bildung eines Aminsalzes, das von der Zersetzung des
Quaternisierungsmittels resultiert. Zur Lösung dieser Probleme ist ein
Verfahren zum Quaternisieren in der Co-Existenz eines Alkali bekannt, aber
es gibt den Nachteil, daß dann,
wenn die Ester-Gruppe vorhanden ist, deren Hydrolyse abläuft, so
daß das
Verfahren nicht anwendbar wird.
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Zur
Erzeugung eines quaternären
Ammoniumsalzes mit einer Ester-Gruppe gibt es daher ein Bedürfnis für ein Verfahren,
das die obigen Nachteile nicht aufweist.
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Ein
vorgeschlagenes Verfahren beinhaltet die Quaternisierung eines tertiären Amins
mit einer Hydroxyl-Gruppe mit einem Quaternisierungsmittel wie einem
Alkylhalogenid oder Dialkylsulfat, unter Erhalt eines quaternären Ammoniumsalzes
mit einer Hydroxyl-Gruppe, und die anschließende Veresterung des erhaltenen quaternären Ammoniumsalzes,
unter Erzeugung eines quaternären
Ammoniumsalzes mit einer Ester-Gruppe. Zum Beispiel beschreibt JP-W
2000-512287 ein Verfahren, das die Veresterung eines quaternären Ammoniumsalzes
mit einer Hydroxyl-Gruppe mit einer Fettsäure in einem großen Überschuß in bezug
auf das quaternäre
Ammoniumsalz mit einer Hydroxyl-Gruppe
durch Verwendung von Phosphoroxysäure oder einem Derivat davon
beinhaltet. Bei diesem Verfahren verbleibt jedoch eine große überschüssige Menge
der Fettsäure
in dem Produkt nach der Reaktion, sollte jedoch in einigen Fällen durch
einen Filmdestillator entfernt werden. Es ist darüber hinaus
notwendig, den Katalysator zuzugeben, und nach der Reaktion diesen
durch Neutralisieren, etc. zu inaktivieren, und das Wasser bei vermindertem
Druck zu entfernen. Eine solche Veresterung ist bezüglich der
Vorgehensweise zu kompliziert. Demzufolge gibt es ein Bedürfnis für ein Produktionsverfahren,
worin weder ein Katalysator noch ein verminderter Druck notwendig
sind, bei dem eine einfache Arbeitsanlage verwendet werden kann
und dann die Menge der nach der Reaktion verbleibenden Fettsäure minimiert
werden kann.
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Offenbarung
der Erfindung
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Das
Ziel dieser Erfindung liegt darin, ein Verfahren zur Erzeugung eines
quaternären
Ammoniumsalzes mit einer Ester-Gruppe
leicht mit geringen Nebenprodukten zu erzeugen.
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Diese
Erfindung gibt ein Verfahren zur Erzeugung eines quaternären Ammoniumsalzes
an, bei dem alle oder ein Teil der Hydroxyl-Gruppen des unten gezeigten
quaternären
Ammoniumsalzes (1) verestert sind, umfassend die Umsetzung eines
quaternären
Ammoniumsalzes (quaternäres
Ammoniumsalz (1)) der Formel (1):
worin X
– ein
Anion ist, R
1 eine C
1–6-Alkyl-Gruppe
oder eine Benzyl-Gruppe ist, R
2 eine C
1–6-Alkyl-Gruppe
oder -(C
nH
2nO)
q-H ist, R
3 -(C
mH
2mO)
r-H
ist, R
4 -(C
pH
2pO)
s-H oder C
tH
2t-Y-COR
5 ist, worin n, m, p und t gleich oder verschieden
voneinander sind und jeweils eine ganze Zahl von 2 bis 4 sind, q,
r und s jeweils eine ganze Zahl von 1 bis 5 sind, Y -O- oder -NH-
ist und R
5 eine lineare oder verzweigte
C
7–35-Alkyl- oder -Alkenyl-Gruppe
ist,
mit einem Fettsäureanhydrid
(Fettsäureanhydrid
(2)) der Formel (2):
worin die Gruppen R
6 gleich oder verschieden sind und jeweils
eine lineare oder verzweigte C
7–35-Alkyl-
oder -Alkenyl-Gruppe
sind.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Bei
dem quaternären
Ammoniumsalz (1) ist R1 bevorzugt eine C1–3-Alkyl-Gruppe
oder Benzyl-Gruppe, besonders bevorzugt eine Methyl-Gruppe. R2 ist bevorzugt eine C1–3-Alkyl-Gruppe,
Hydroxyethyl-Gruppe oder Hydroxypropyl-Gruppe, besonders bevorzugt
eine Methyl-Gruppe oder Hydroxyethyl-Gruppe. R3 ist
bevorzugt -(C2H4O)-H
(r ist 1 bis 5), besonders bevorzugt eine Hydroxyethyl-Gruppe. R4 ist bevorzugt -CtH2t-Y-COR5, worin
t bevorzugt 2 und Y -NH- oder -O- ist. R5 ist
bevorzugt eine lineare oder verzweigte C7–35-Alkyl-
oder Alkenyl-Gruppe,
mehr bevorzugt eine C11–22-Alkyl- oder -Alkenyl-Gruppe, besonders
bevorzugt ein Rest von Talgfettsäure,
Palmfettsäure,
Palmkernölfettsäure, Palmstearinsäure oder
gehärteter
Fettsäure
davon, von der eine Carboxyl-Gruppe entfernt ist.
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Das
quaternäre
Ammoniumsalz (1) ist bevorzugt eine Verbindung mit der Formel (3):
worin X
–,
R
1, R
2, m, r t und
R
5 die gleichen Bedeutungen wie oben definiert
aufweisen.
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Bevorzugte
Beispiel der Verbindung mit der Formel (3) umfassen:
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Es
ist ebenfalls bevorzugt, daß das
quaternäre
Ammoniumsalz (1) eine Verbindung (3') mit der obigen Formel (1) ist, worin
X– ein
Anion, R1 eine C1–6-Alkyl-Gruppe
oder Benzyl-Gruppe ist, R2 -(CnH2nO)q-H, R3 -(CmH2mO)r-H, R4 -(CpH2pO)s-H
oder -CtH2tOCOR5, n, m, p und t gleich oder verschieden
sind und jeweils eine ganze Zahl von 2 bis 4 sind und q, r und s
jeweils eine ganze Zahl von 1 bis 5 sind.
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Bevorzugte
Beispiele der Verbindungen (3')
werden durch die folgenden Formeln dargestellt:
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In
den oben gezeigten Formeln sind die RCO-Gruppen beispielsweise Reste
von gehärteter
Talgfettsäure,
Talgfettsäure,
Palmfettsäure,
Palmkernölfettsäure, Palmstearinsäure, Oleinsäure oder
industrieller Stearinsäure,
von der eine Hydroxyl-Gruppe entfernt ist, oder C17H35CO, C11H23CO oder Mischungen davon.
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In
dem erfindungsgemäß verwendeten
Fettsäureanhydrid
(2) sind zwei R6-Gruppen gleich oder verschieden
und bedeuten jeweils eine lineare oder verzweigte C7–35-Alkyl-
oder -Alkenyl-Gruppe,
bevorzugt eine C11–22-Alkyl- oder -Alkenyl-Gruppe,
insbesondere bevorzugt ein Rest von Talgfettsäure, Palmfettsäure, Palmkernölfettsäure, Palmstearinsäure oder
gehärteter
Fettsäure
davon, von der eine-Carboxyl-Gruppe entfernt ist.
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Das
Fettsäureanhydrid
(2) kann beispielsweise durch thermisches Dehydratisieren der entsprechenden
Fettsäure
oder durch Zugabe eines Dehydratisierungsmittels wie Essigsäureanhydrid
zu der Fettsäure
erhalten werden.
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Das
quaternäre
Ammoniumsalz mit einer Ester-Gruppe, das erfindungsgemäß erzeugt
ist, ist eine Verbindung, bei der eine oder mehrere Hydroxyl-Gruppen
in dem quaternärem
Ammoniumsalz (1) verestert sind, und die Veresterung aller Hydrierungsgruppen
ist nicht immer notwendig. Wenn eine Vielzahl von Hydroxyl-Gruppen
vorhanden ist, tritt das veresterte Produkt als Mischung auf. Das
heißt,
wenn 3 Hydroxyl-Gruppen in dem quaternären Ammoniumsalz (1) vorhanden
sind, kann die resultierende veresterte Verbindung eine Mischung
aus Triester, Diester, Monoester und Nicht-Ester sein.
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Bevorzugte
Beispiele des quaternären
Ammoniumsalzes mit einer Ester-Gruppe, das erfindungsgemäß erzeugt
ist, umfassen:
worin
RCO-Gruppen beispielsweise solche Reste von gehärteter Talgfettsäure, Talgfettsäure, Palmfettsäure, Palmkernölfettsäure, Palmstearinsäure, Oleinsäure oder
industrieller Stearinsäure,
von der eine Hydroxyl-Gruppe entfernt ist, oder C
17H
35CO, C
11H
23CO oder Mischungen davon sind.
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Die
Veresterung des quaternären
Ammoniumsalzes (1) mit dem Fettsäureanhydrid
(2) wird bevorzugt bei einer Temperatur im Bereich von der Temperatur,
bei der das quaternäre
Ammoniumsalz (1) im geschmolzenen Zustand vorliegt, dem Schmelzpunkt
von (1) bis 150°C
angesichts der Verhinderung der Zersetzung des gebildeten Esters
und des quaternären
Ammoniumsalzes (1) als Ausgangsmaterial durchgeführt.
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Ein
Lösungsmittel
kann zur Verminderung des Schmelzpunktes des quaternären Ammoniumsalzes
(1) verwendet werden, aber es muß nicht immer verwendet werden.
wenn das Lösungsmittel
verwendet wird; ist es bevorzugt für das Fettsäureanhydrid (2) inert. Ein
Lösungsmittel,
das keine Hydroxyl-Gruppe oder primäre Amino-Gruppe oder sekundäre Amino-Gruppe
aufweist, ist besonders bevorzugt. Wenn ein Lösungsmittel verwendet wird,
kann das Lösungsmittel
unter vermindertem Druck während
oder nach der Reaktion abdestilliert werden oder wenn das quaternäre Ammoniumsalz
(1) mit dem Fettsäureanhydrid
(2) reagiert ist, wird Wasser oder ein niedriger Alkohol wie Methanol,
Ethanol oder Propanol zugegeben, zum vollständigen Umwandeln des nicht-reagierten
Fettsäureanhydrides
(2) in die entsprechende Fettsäure
oder den niedrigen Alkoholester, und danach kann das Lösungsmittel
mit Wasser oder dem niedrigen Alkohol abdestilliert werden. Bei
dieser Reaktion kann die Fettsäure,
die durch Veresterung des quaternären Ammoniumsalze (1) mit dem
Fettsäureanhydrid
(2) gebildet ist, als Lösungsmittel
zur Verbesserung der Handhabungseigenschaften des quaternären Ammoniumsalzes
mit einer gebildeten Ester-Gruppe agieren.
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Das
molare Verhältnis
des Fettsäureanhydrides
(2) zu dem quaternären
Ammoniumsalz (1), d.h. [(2)/(1)] ist bevorzugt 0,5 bis 2,5, mehr
bevorzugt 0,5 bis 1,5. Durch Durchführen der Reaktion in einem
solchen molaren Verhältnis
kann der Veresterungsgrad 0,5 bis 2,5, bevorzugt 0,5 bis 1,5 sein.
Wenn die Zahl der Hydroxyl-Gruppen in dem quaternären Ammoniumsalz
(1) n ist, kann das molare Verhältnis
des Fettsäureanhydrides
(2) zu dem quaternären
Ammoniumsalz (1), d.h. [(2)/(1)] n oder weniger sein, zur Minimierung
der als Nebenprodukt gebildeten Fettsäure.
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Die
Reaktion kann durch gleichzeitiges Einführen des quaternären Ammoniumsalzes
(1) und des Fettsäureanhydrides
(2) oder durch Einfügen
einer der beiden Verbindungen und anschließende tropfenweise Zugabe der
anderen Verbindung durchgeführt
werden. Wenn ein Teil der Hydroxyl-Gruppen in dem quaternären Ammoniumsalz
(1) verestert werden soll, ist es bevorzugt, daß das quaternäre Ammoniumsalz
(1) zunächst eingefügt und dann
das Fettsäureanhydrid
(2) zugegeben wird. Ein hoher Schmelzpunkt des quaternären Ammoniumsalzes
(1) macht die Reaktion schwierig, so daß es bevorzugt ist, ein Lösungsmittel
zuzugeben, um das quaternäre
Ammoniumsalz (1) in die Form einer Lösung umzuwandeln, und dann
das Fettsäureanhydrid (2)
dazuzugeben, was vorteilhaft ist, weil die Reaktionstemperatur leicht
gesteuert werden kann. Das Lösungsmittel
kann falls erforderlich wie oben beschrieben abdestilliert werden,
aber der Destillationsschritt ist nicht immer erforderlich.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann ein quaternäres
Ammoniumsalz mit einer Hydroxyl-Gruppe in einem hohen Umwandlungsgrad
verestert werden, unter Erzeugung eines quaternären Ammoniumsalzes mit einer
Ester-Gruppe mit geringeren Nebenprodukten wie Fettsäure.
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Beispiele
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In
den Beispielen und Vergleichsbeispielen wurden die Reaktionsprodukte
durch 1H-NMR (Lösungsmittel CDCl3)
zur Bestimmung des molaren Verhältnisses
des quaternären
Ammoniumsalzes (1) als Ausgangsmaterial zu dem veresterten Produkt
analysiert. Andere Nebenprodukte wurden ebenfalls analysiert.
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Synthesebeispiel 1
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Ein
Vierhalskolben, ausgerüstet
mit einem Rührer,
Thermometer, Kondensator und Dehydratisierungsrohr, wurde mit gehärteter Talgfettsäure (500
g, 0,1822 mol) beladen und unter Rühren auf 100°C erwärmt. Dann
wurde Essigsäureanhydrid
(158,1 g, 1,549 mol) zugegeben und die Mischung wurde unter Erwärmen für 2,5 Stunden
bei bis zu 200°C
unter Durchleiten von Stickstoff reagiert, und dann 2 Stunden gealtert.
Das destillierte Fluid (Essigsäure
und Essigsäureanhydrid)
wurde kontinuierlich entfernt. Danach wurde das gehärtete Talgfettsäureanhydrid
durch Destillation bei 100°C
unter vermindertem Druck von 0,4 kPa gesammelt. Als Ergebnis der
Analyse des Reaktionsproduktes durch 1H-NMR
war die Reinheit des gehärteten Talgfettsäureanhydrides
95 %.
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Beispiel 1
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Ein
Vierhalskolben, ausgerüstet
mit einem Rührer,
einem Thermometer, Kondensator und Dehydratisierungsrohr, wurde
mit (2-Hydroxyethyl)dimethyl(2-gehärtetem Talgalkanoylamidethyl)ammoniumchlorid (nachfolgend
als quaternäres
Ammoniumsalz (4) bezeichnet)) (71,2 g, 0,161 mol) mit der unten
gezeigten Formel (4), Toluol (54,8 g) und gehärtetem Talgfettsäureanhydrid
(87,8 g, 0,164 mol) beladen, und die Mischung unter Rühren auf
123°C erwärmt. Nach
Erreichen von 123°C
wurde die Reaktionslösung
6 Stunden gealtert und dann auf 100°C gekühlt und Toluol wurde 3,5 Stunden
bei vermindertem Druck von 0,4 kPa abdestilliert, unter Erhalt von
Dimethyl(2-gehärtetem
Alkanoylamindethyl)(2-gehärtetem Talgalkanoyloxyethyl)ammoniumchlorid
(nachfolgend mit quaternärem
Ammoniumsalz (5) bezeichnet), mit der unten gezeigten Formel (5).
Als Ergebnis der
1H-NMR-Analyse des Reaktionsproduktes
war das molare Verhältnis
des quaternären
Ammoniumsalzes (4)/quaternären
Ammoniumsalzes (5) 0/100.
worin RCO ein Rest von gehärteter Talgfettsäure ist,
von der eine Hydroxyl-Gruppe entfernt ist.
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Beispiel 2
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Ein
Vierhalskolben, ausgerüstet
mit einem Rührer,
Thermometer, Kondensator und Dehydratisierungsrohr, wurde mit dem
quaternären
Ammoniumsalz (4) (71,2 g, 0,161 mol), Toluol (54,8 g) und gehärtetem Talgfettsäureanhydrid
(87,8 g, 0,164 mol) beladen, und die Mischung auf bis zu 123°C unter Rühren erwärmt. Nach
Erreichen von 123°C
wurde die Reaktionslösung
6 Stunden gealtert, unter Erhalt des quaternären Ammoniumsalzes (5). Als
Ergebnis der 1H-NMR-Analyse des Reaktionsproduktes war das
molare Verhältnis
des quaternären
Ammoniumsalzes (4)/quaternären
Ammoniumsalzes (5) 0/100.
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Vergleichsbeispiel 1
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Ein
Vierhalskolben, ausgerüstet
mit einem Rührer,
Thermometer, Kondensator und Dehydratisierungsrohr, wurde mit dem
quaternären
Ammoniumsalz (4) (120 g, 0,118 mol) und gehärteter Talgfettsäure (64,6
g, 0,235 mol) belagen und die Mischung unter Rühren auf 130°C erwärmt. Nach
Erreichen von 130°C wurde
der Druck in dem Kolben auf 0,5 kPa vermindert und die Reaktionslösung wurde
6 Stunden gealtert, unter Erhalt des quaternären Ammoniumsalzes (5). Als
Ergebnis der 1H-NMR-Analyse des Reaktionsproduktes
war das molare Verhältnis
des quaternären
Ammoniumsalzes (4)/quaternären
Ammoniumsalzes (5) 85/15.
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Vergleichsbeispiel 2
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Ein
Vierhalskolben, ausgerüstet
mit einem Rührer,
Thermometer, Kondensator und Dehydratisierungsrohr, wurde mit dem
quaternären
Ammoniumsalz (4) (80,3 g, 0,182 mol), Toluol (103,2 g) und gehärteter Talgfettsäure (100,0
g, 0,346 mol) beladen und die Mischung wurde auf 130°C unter Rühren erwärmt. Dann wurde
Phosphorsäure
(1,8 g) zugegeben und der Druck in dem Kolben auf 0,4 kPa reduziert.
Weiterhin wurde die Reaktionslösung
auf bis zu 150°C
erwärmt
und 6 Stunden gealtert. Als Ergebnis der 1H-NMR-Analyse
des Reaktionsproduktes wurde festgestellt, daß diese Probe aus einer Mischung
aus dem quaternären
Ammoniumsalz (5), dem quaternären
Ammoniumsalz (4) (quaternäres
Ammoniumsalz (4)/quaternäres
Ammoniumsalz (5) = 45/55 als molares Verhältnis) und einer großen Menge
an Verbindungen mit unbekannten Strukturen (tertiären Amin-Verbindungen)
bestand.
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Synthesebeispiel 2
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Ein
1 1-Autoklav wurde mit 116,0 g Dimethylacetamid und 240,0 g (0,584
mol) eines Dehydratisierungsreaktionsproduktes mit äquimolaren
Mengen Triethanolamin und gehärteter
Talgfettsäure
beladen und dann wurden 35,4 g (0,701 mol) Methylchlorid in den
Autoklaven gepreßt.
Die Mischung wurde bei 90°C
6 Stunden reagiert, dann gekühlt
und entfernt. Der Hydroxylwert des Reaktionsproduktes war 171,3.
Es wurde bei der Analyse mit 1H-NMR festgestellt,
daß Tri(2-hydroxyethyl)methylammoniumchlorid
(6)/Di(2-hydroxyethyl)methyl(2-gehärtetes Talgalkanoyloxyethyl)ammoniumchlorid
(7)/(2-Hydroxyethyl)methyldi(2-gehärtetes Talgalkanoyloxyethyl)ammoniumchlorid
(8)/Methyltri(2-gehärtetes Talgalkanoyloxyethyl)ammoniumchlorid
(9) in einem molaren Verhältnis
von 36,6/50,2/13,2/0,0 vorhanden waren.
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Beispiel 3
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Ein
Vierhalskolben, ausgerüstet
mit einem Rührer,
Thermometer und Kondensator, wurde mit dem Reaktionsprodukt (40,7
g, 0,124 mol) von Synthesebeispiel 2 und gehärtetem Talgfettsäureanhydrid
(Reinheit 96,4 o, 68,3 g, 0,124 mol) beladen und die Mischung wurde
unter Rühren
auf 90°C
erwärmt.
Nach Erreichen von 90°C
wurde die Reaktionslösung
6 Stunden gealtert. Als Ergebnis der Analyse des Reaktionsproduktes durch 1H-NMR waren (6)/(7)/8)/(9) in dem molaren
Verhältnis
von 0,0/4,8/17,9/77,3 vorhanden.
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Vergleichsbeispiel 3
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Ein
Vierhalskolben, ausgerüstet
mit einem Rührer,
Thermometer und Dehydratisierungsrohr, wurde mit dem Reaktionsprodukt
(40,7 g, 0,124 mol) in Synthesebeispiel 2 und gehärteter Talgfettsäure (166,5
g, 0,610 mol) beladen und die Mischung unter Rühren auf 90°C erwärmt. Nach Erreichen von 90°C wurde der Druck
in dem Kolben auf 0,8 kPa reduziert, die Reaktionslösung wurde
6 Stunden gealtert. Als Ergebnis der Analyse des Reaktionsproduktes
durch 1H-NMR wurde die Bildung von Methyltri(2-gehärtetem Talgalkanoyloxyethyl)ammoniumchlorid
(9) nicht festgestellt.