DE945986C - Verfahren zur Herstellung von gallertbildenden Alginsaeurederivaten - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von gallertbildenden Alginsaeurederivaten

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DE945986C
DE945986C DEH19797A DEH0019797A DE945986C DE 945986 C DE945986 C DE 945986C DE H19797 A DEH19797 A DE H19797A DE H0019797 A DEH0019797 A DE H0019797A DE 945986 C DE945986 C DE 945986C
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alginic acid
gelatinous
ester
ammonia
alginic
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DEH19797A
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Dr Wolfgang Dierichs
Dr Rudolf Koehler
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Henkel AG and Co KGaA
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Henkel AG and Co KGaA
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08BPOLYSACCHARIDES; DERIVATIVES THEREOF
    • C08B37/00Preparation of polysaccharides not provided for in groups C08B1/00 - C08B35/00; Derivatives thereof
    • C08B37/006Heteroglycans, i.e. polysaccharides having more than one sugar residue in the main chain in either alternating or less regular sequence; Gellans; Succinoglycans; Arabinogalactans; Tragacanth or gum tragacanth or traganth from Astragalus; Gum Karaya from Sterculia urens; Gum Ghatti from Anogeissus latifolia; Derivatives thereof
    • C08B37/0084Guluromannuronans, e.g. alginic acid, i.e. D-mannuronic acid and D-guluronic acid units linked with alternating alpha- and beta-1,4-glycosidic bonds; Derivatives thereof, e.g. alginates

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Description

  • Verfahren zur Herstellung von gallertbildenden Alginsäurederivaten Es wurde gefunden, daß man gallertbildende Alginsäurederivate erhält, wenn man Ester der Alginsäure mit flüssigem Ammoniak umsetzt.
  • Die Alginsäure und ihre Herstellung aus Meeresalgen sind bekannt. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich Ester verwenden, die aus Alginsäuren beliebiger Reinheitsgrade gewonnen wurden. Die Polymerisatlonsgrade der Alginsäuren, aus denen die erfindungsgemäß zu verarbeitenden Ester hergestellt werden, können in weiten Grenzen schwanken. Vorzugsweise geht man von Alginsäuren mittlerer Polymerisationsgrade aus. Als besonders geeignet haben sich Alginsäuren erwiesen, deren Molekulargewicht bei viskosimetrischer Abschätzung nach Donnan und Rose (»Canadian Journal Research«, Bd. 28 B, S. I05 bis II3, Jg. I950), zwischen 30000 und I50000 liegt. Jedoch ist die Erfindung nicht auf die Verarbeitung von Estern aus Alginsäuren dieser Polymerisationsgrade beschränkt.
  • Die Veresterung der Alginsäure ist z. B. von A. B. Steiner (Industrial and Engineering Chemistry, Bd. 43, S.2073, Jg. I95I) beschrieben worden. Ester von Alginsäuren erhält man z. B. durch Umsetzen der freien Alginsäuren mit Alkyherungsmitteln, wie Diazomethan oder Alkylen- oxyden. Als besonders zweckmäßig haben sich die letzteren erwiesen, deren praktisch wichtigste Vertreter Äthylenoxyd, Propylenoxyd oder Glycid sind. Es empfiehlt sich, die Veresterung so durchzuführen, daß man zu hohen Veyesterungsgraden kommt, d. h. daß mindestens 40, vorzugsweise mehr als 6o0/o der vorhandenen Carboxylgruppen in Ester umgewandelt wurden. Die Bestimmung des Veresterungsgrades nach den bei nicht makromolekularen Substanzen üblichen Methoden liefert völlig unbrauchbare Werte, vermutlich, weil die Alkalilauge bei den üblichen Verseifungsbedingungen das Alginsäuremolekül zerstört. Eine für die Zwecke des erfindungsgemäßen Verfahrens ausreichende Bestimmung des Veresterungsgrades ist nach- folgender Methode möglich: I g getrockneter Alginsäureester wird im Meßkolben (100 cm3) in 50 cm3 Wasser suspendiert und mit 25 cm3 o,5 n-NaOH versetzt. Nach Auffüllen bis zur Marke wird gut umgeschüttelt und nach einstündigem Stehen bei Zimmertemperatur unter Verwendung von Phenolphthalein als Indikator zurücktitriert. -Aus dem Laugeverbrauch errechnet sich der Veresterungsgrad.
  • Zur Herstellung der erfindungsgemäßen gallertbildenden Alginsäurederivate bringt man den Alginsäureester mit flüssigem Ammoniak zusammen. Obwohl sich auch wasserfeuchte Ester verarbeiten lassen, so empfiehlt es sich doch, das Wasser soweit wie möglich aus dem Ester zu entfernen, was durch Auswaschen mit wasserlöslichen organischen Lösungsmitteln, insbesondere mit Alkoholen, geschehen kann. Die zu verarbeitenden feuchten Alginsäureester sollen vorzugsweise nicht mehr als 50Gewichtsprozent und nicht weniger als 10 Gewichtsprozent an Flüssigkeit enthalten. Man kann den Ester auch trocknen, z. B: durch 10 Stunden langes Erwärmen auf 400. Völlige Trocknung bewirkt im allgemeinen Verhornung des Esters und eine Verminderung oder sogar ein völliges Verschwinden der Reaktionsfähigkeit.
  • Die anzuwendende Menge flüssigen Ammoniaks beträgt meist mehr als das Ifache, vorzugsweise das I,5- bis 5fache des trockenen Alginsäureesters..
  • Der bei der Reaktion im Reaktionsgefäß auftretendeDruck ist höchstens gleich dem Sättigungsdruck des Ammoniaks, bei 200 etwa 8 Atm., und kann je nach der in dem Alginsäureester enthaltenen Flüssigkeitsmenge bis zu etwa 3 Atm. bei 200 beliebige Zwischenwerte annehmen. Vorzugsweise arbeitet man aber unter Bedingungen, bei denen der Ammoniakpartialdruck dem des reinen, flüssigen Ammoniaks möglichst nahekommt.
  • Die Reaktionstemperatur kann in weiten Grenzen schwanken. Bei - 100 verläuft die Reaktion sehr langsam. Bei +500 ist mit Störungen durch Abbau und Nebenreaktionen zu rechnen.
  • Vorzugsweise arbeitet man bei Temperaturen zwischen o und +. 300. Die Dauer der Reaktion kann 0,5 bis 24 Stunden betragen.
  • Die Umsetzung der Estergruppen mit Ammoniak unter Bildung von Säureamidgruppen und Alkohol tritt wahrscheinlich nicht an allen Estergruppen ein, sondern es wird ein gewisser Teil der Estergruppen unter Bildung des Ammoniumsalzes der Alginsäure verseift. Die Annahme, daß die Esterbindung bei der Durichführung der erfindungsgemäßen Reaktion unter Bildung von Carbonsäureamidgruppen aufgespalten wird, findet ihre Stütze darin, daß man aus dem Umsetzungsprodukt von Alginsäureestern mit Ammoniak die theoretische Menge an Alkohol isolieren kann. Besonders leicht läßt sich dies bei Alginsäureestern durchführen, die als Alkoholkomponente den Rest eines wenig flüchtigen Alkohols, z. B. des Glykols, enthalten.
  • Bei. der Aufarbeitung der erfindungsgemäßen Produkte ist eine Behandlung mit Säure nicht zweckmäßig. Ein saures Auswaschen des Reaktionsproduktes, z. B. mit säurehaltigem Alkohol, führt zu Produkten, die in heißem Wasser quellen, aber nicht löslich sind. Behandelt man jedoch derartige, in heißem Wasser nicht lösliche Produkte vor dem Trocknen wieder mit Alkalien, wie geringen Mengen an Ammoniak, Natronlauge, Kalilauge oder Triäthanolamin, so sind die Produkte in heißem Wasser lösLich und geben beim Abkühlen Gallerten.
  • Die erfindungsgemäßen Präparate können je nach der Beschaffenheit des Ausgangsmaterials und den Arbeitsbedingungen mit Ammoniak neutralisierte Carboxylgruppen enthalten, deren Menge aber sehr klein sein kann. Eine Bestimmung der Carbonsäureamid-Gruppen ist nach dem von G. H. Joseph (Food Technology, Bd. 3, S. 780, I949) angegebenen Verfahren möglich. Die erfindungsgemäß erhältlichen Alginsäurederivate quellen in kaltem Wasser, lösen sich aber erst beim Erwärmen und lifi ern beim Abkühlen Gallerten, deren Festigkeit von der Konzentration des Alginsäurederivates abhängt Die warme Lösung gelatiniert beim Abkühlen sehr schnell. Die Mindestkonzentration beträgt etwa 0,40/0, liegt also tiefer als bei handelsüblicher Gelatine. 2- bis 30/oige Gallerten haben eine höhere Festigkeit als Gelatinegallerten gleicher Konzentration. Aus Alginsäureamiden hergestellte GallertenSzeigen im Gegensatz zu solchen aus Agar-Agar keine Synärese und trüben sich auch nicht. Der Zusatz von Fremdsubstanzen, der bei manchen Stoffen erst die Gelierfähigkeit herbeiführt, ist nicht notwendig, stört aber auch nicht, sofern die Substanzen gegenüber den Carbonsäureamidgruppen inert sind. Der Schmelzpunkt der Gallerten läßt sich in weiten Grenzen variieren. Er kann weit über dem der Gelatinegallerten liegen.
  • Die Erstarrungszeit ist gering. Während Gelatinegallerten auch bei höherer Konzentration erheblichte Zeit zur Gelatinierung benötigen, die bis zu vielen Stunden betragen kann, erstarren die neuen Gallerten sehr bald nach dem Abkühlen. Beim Eintrocknen ergeben die neuen Gallerten zähe und feste, klare Filme. Die erfindungsgemäßen gallertbildenden Alginsäurederivate sind im Vergleich zu bisher bekannten gallertbildenden Stoffen verhältnismäßig temperaturunempfindlich. Man kann eine Gallerte durch Erwärmen beliebig oft aufsckmelzen und die Lösung bis zum Sieden erhitzen; nach dem Abkühlen erhält man immer wieder eine Gallerte der ursprünglichen Festigkeit. Diese neuen gallertbildenden Stoffe sind daher mit großem Vorteil für alle Anwendungsgebiete zu verwenden, für die man bisher Gelatine-, Pektin-, Agar-Agar oder Carragheen-Gallerten verwendet hat Die erfindungsgemäßen gallertbildenden Alginsäurederivate können auch zum Gelatinieren schwach sauret oder schwach alkalischer wäßriger Flüssigkeiten verwandt werden.
  • Es ist verständlich, daß auch Variationen des erfindungsgemäßen Verfahrens Produkte mit gallertbildenden Eigenschaften liefern, sofern diese Produkte neutralisierte Carboxylgruppen und Carbonsäureamidgruppen enthalten. Geht man z. B. von unvollständig veresterten Alginsäuren aus, deren freie Carboxylgruppen mit wasserlösliche Alginate bildenden Kationen neutralisiert sind, so erhält man gallertbildende Alginsäurederivate. Auch eine unvollständige Umsetzung der Alginsäureester durch nur kurze Zeit dauernde Behandlung mit flüssigem Ammoniak führt zu gallertbildenden Substanzen.
  • Es ist zwar bekannt, Ester von Pektinen, d. h. von Polygalakturonsäuren, durch Behandeln mit flüssigem Ammoniak in Amide umzuwandeln.
  • Diese Verbindungen besitzen aber nur in Gegenwart von Zucker oder von Kalksalzen Gallertbildungsvermögen. Daher war nicht zu erwarten, daß man bei der entsprechenden Umsetzung von Estern der Alginsäure, d. h. einer Polymannuronsäure, ohne derartige Zusätze gallertbildende Stoffe erhält.
  • Es ist in der Literatur ein Alginsäureamid beschrieben, das durch Umsetzung von Alginsäurernethylester mit konzentriertem wäßrigem Ammoniak hergestellt wurde, wobei in geringem Maße eine Verseifung der Estergruppen zu neutralisierten Carboxylgruppen eingetreten sein soll.
  • Beim Nacharbeiten dieses Verfahrens wurde festgestellt, daß die so erhaltenen Produkte bereits in kaltem Wasser gut löslich sind und keine gallertbildenden Eigenschaften besitzen. Es ist anzunehmen, daß hierbei gar kein Amid gebildet wird, sondern daß der Alginsäureester vollständig zum Ammoniumsalz verseift wurde. Dies erklärt sich leicht daraus, daß konzentriertes wäßriges Ammoniak nur etwa 25 0/o N H3 enthält, während man mit wesentlich größerer NH3-Konzentration arbeiten muß, wenn man bei Verarbeitung wasserfeuchter Alginsäureester zu gallertbildenden Produkten kommen will.
  • Beispiel I Zur Herstellung des Ausgangsstoffes werden 695 g einer mit 8o0/&igem Alkohol ausgewaschenen Alginsäure (durch Trocknen festgestellter Flüssigkeitsgehalt: 53 °/o) mit 3 kg Athylenoxyd 96 Stunden in Autoklaven mit 10 1 Inhalt bei 20 bis 250 sich selbst überlassen. Durch diese Behandlung werden etwa 750/a der Carboxylgruppen der Alginsäure verestert. 40 g des mit Alkohol ausgewaschenen feuchten Alginsäureglykolesters, der etwa goO/o Festsubstanz enthält, werden im Autoklav mit IOOg flüssigem, wasserfreiem Ammoniak versetzt und bei Temperaturen von I8 bis 250 2+ Stunden sich selbst überlassen, wobei sich ein Druck von etwa g Atm. einstellt. Nach Abdampfen des Ammoniaks wird das Produkt mit 800/obigem Athylalkohol ausgewaschen und bei 400 getrocknet. Aus dem Waschalkohol lassen sich etwa IO g Glykol zurückgewinnen. Der Stickstoffgehalt des in einer Menge von 32 g erhaltenen Reaktionsproduktes beträgt 5,6. Das erhaltene Produkt quillt in kaltem Wasser stark auf und löst sich in warmem Wasser; beim Erkalten der Lösung entsteht eine Gallerte.
  • Beispiel 2 885 g einer 700/algen. aus einer Alginatlösung durch Salzsäurezusatz ausgefällten, feuchtenAlginsäure, die durch die Aufarbeitung noch geringe Menge Salzsäure enthält (PH = 3,2) werden in einem Autoklav von IO 1 Inhalt mit 4 kg flüssigem Äthylenoxyd befeuchtet und 96 Stunden bei 20 bis 250 sich selbst überlassen. Der erhaltene, als Ausgangssubstanz dienende Ester ist in Wasser unlöslich. 62 g des etwa 500/0 Wasser enthaltenden Alginsäureglykolesters werden, wie im Beispiel 1 beschrieben, mit 150 g wasserfreiem flüssigem Ammoniak behandelt. Man erhält 28 g eines Reaktionsproduktes, das 7,5 0/o Stickstoff enthält. Das Produkt ist in warmem Wasser löslich. Die Lösung gelatiniert beim Erkalten.
  • Beispiel 3 Verarbeitet man einen Alginsäureglykolester gemäß den im Beispiel l gegebenen Vorschriften und setzt man die Einwirkungszeit des flüssigen Ammoniaks auf. 2 Stunden herab, so erhält man bei gleicher Aufarbeitung ein Produkt, das weichere Gallerten als die nach Beispiel 1 und 2 erhaltenen Produkte liefert. Es enthält 60/o Stickstoff.
  • Beispiel 4 Alginsäure wird durch Behandlung mit einer ätherischen Lösung von Diazomethan in einen Alginsäuremethylester umgewandelt. Das angewandte Verfahren ist von F. Micheel und E. Mill e': »Zeitschrift für physiologische Chemie«, Bd.2g3, S. I2I, Jg. I933, beschrieben. Das Produkt hat einen Methoxygehalt von I8,IO/o. Da der theoretische Methoxylgehalt eines Alginsäuremethylesters I6,30/o beträgt, ist anzunehmen, daß völlige Veresterung der Carboxylgruppen der Alginsäure vorliegt und daß darüber hinaus noch eine geringe Ätherbildung an den Hydroxylgruppen der Alginsäure stattgefunden hat. 4 g des trockenen Alginsäuremethylesters werden mit der doppelten Gewichtsmenge flüssigen Ammoniaks I8 Stunden im Autoklav bei Temperaturen von 200 sich selbst überlassen. Nach Auswaschen mit 800/obigem Alkohol und Trocknen bei 400 erhält man ein Produkt, das in kaltem Wasser quillt, sich beim Erwärmen auflöst und beim Abkühlen auf Temperaturen unter I60 Gallerten liefert.
  • Beispiel5 260 g einer wasserfeuchten Alginsäure (durch Trocknen festgestellter Feuchtigkeitsgehalt: 53 0/o) werden mit 1 kg flüssigem Äthylenoxyd in einem Autoklav von 5 1 Inhalt 370 Stunden bei oO stehengelassen. Der entstandene als Ausgangssubstanz dienende Alginsäureglykolester ist zu goO/o verestert und in Wasser unlöslich.
  • 20g dieses Esters werden mit 60 g flüssigem Ammoniak im Autoklav 20 Stunden bei Zimmertemperatur stehengelassen. Das erhaltene Produkt quillt in kaltem Wasser und löst sich beim Erwärmen. Beim Abkühlen bildet sich eine klare, feste Gallerte. Das Produkt hat einen Stickstoffgehalt von 5,4°/o.
  • PÄTENTANSPRÜCHE: I. Verfahren zur Herstellung von gallertbildenden Alginsäurederivaten aus Alginsäureestern und Ammoniak, dadurch gekennzeichnet, daß man die Ester der Alginsäuren bei Temperaturen zwischen - 10 und + 500, vorzugsweise zwischen o und +300,, im Autoklav mit flüssigem Ammoniak, vorzugsweise beim Sättigungsdruck des Ammoniaks, umsetzt.

Claims (1)

  1. 2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß IO bis 500/0. wasser- bzw. alkoholfeuchte Alginsäureester . mit einem großen Überschuß von flüssigem Ammoniak behandelt werden.
    3. Verfahren nach Anspruch I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man mittels Alkylenoxyden veresterte Alginsäuren als Ausgangsstoffe verwendet.
DEH19797A 1954-03-28 1954-03-28 Verfahren zur Herstellung von gallertbildenden Alginsaeurederivaten Expired DE945986C (de)

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