EP0205626B1 - Neue Sulfobetaine von Ammoniocarbonsäureamiden und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents
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Classifications
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C11—ANIMAL OR VEGETABLE OILS, FATS, FATTY SUBSTANCES OR WAXES; FATTY ACIDS THEREFROM; DETERGENTS; CANDLES
- C11D—DETERGENT COMPOSITIONS; USE OF SINGLE SUBSTANCES AS DETERGENTS; SOAP OR SOAP-MAKING; RESIN SOAPS; RECOVERY OF GLYCEROL
- C11D1/00—Detergent compositions based essentially on surface-active compounds; Use of these compounds as a detergent
- C11D1/88—Ampholytes; Electroneutral compounds
- C11D1/92—Sulfobetaines ; Sulfitobetaines
Definitions
- the invention relates to new sulfobetaines derived from ammoniocarboxamides, processes for their preparation and their use as surfactants.
- a process for the preparation of ammoniosulfobetaines which contain a carbonamide group in a substituent of the quaternary N atom is already known.
- the carbonamide group is contained in the reverse order of -CO- and -NH.
- They are derivatives of 1,2- or 1,3-diamines and have the general formula II, in which R 6 is alkyl, R 7 and R 8 are methyl or hydroxyalkyl and n is 2 or 3.
- Surfactants of the general formula II have, for example, the best lime soap dispersing power of the known compounds (WM Linfield et al., J. Amer. Oil Chem. Soc. 55 (1978) 87; 55 (1978) 741).
- antistatic agents for polyvinyl chloride and polyvinyl chloride-containing plastics which contain sulfobetaines, in the formula of which a quaternary ammonium group is linked to a sulfo group via an alkylene part. These agents have surfactant properties.
- the invention is based on the object of specifying a new type of sulfobetaines, a process for their preparation which avoids the disadvantages mentioned and does not require unsymmetrical diamines as an intermediate product of the synthesis, and their use.
- Sulfopropylated ammoniocarboxamides are to be prepared, the sulfo group being introduced by homogeneously catalytic hydrogen sulfite addition to allylammonium salts in accordance with DD-A-154443 and the use of propane sultone being avoided.
- the application properties of the new sulfobetaines should reach or exceed those of the known products.
- the inner salts of the general formula I can generally be used to increase the conductivity, for example as an antistatic coating agent. If one of the substituents R 1 , R 2 or R s is long-chain (8 to 22 C atoms), these sulfobetaines also have valuable surfactant properties which enable them to be used as a constituent of detergents and cleaning agents, as flotation agents or as emulsifiers.
- the process according to the invention for the preparation of the sulfobetaines of the formula I is characterized in that dialkylallylamines of the formula III with halocarboxylic acid esters of the formula IV quaternized and the resulting quaternary ammonium compounds of formula V with ammonia or primary or secondary amines of the formula VIII and hydrogen sulfite are implemented.
- reaction of the quaternary ammonium compounds can both first with hydrogen sulfite to reactive intermediates of formula VII which are then reacted with amines of the formula VIII, and also first with an amine of the formula VIII via the intermediate of an amide of the formula VI followed by hydrogen sulfite addition.
- dialkylallylamines and halogen fatty acid esters, alkylamines and hydrogen sulfites which are easily accessible according to DD-A 136 497 are used as starting substances for the synthesis.
- the intermediate of formula V can also be obtained in individual cases from N, N-dialkylamino acid alkyl esters, the intermediate VI from dialkylamino acid amides by reaction with allyl halides. It is possible without disadvantage to carry out the process steps up to the amide of the formula VI without solvent and without isolation of the intermediate stages, if appropriate also continuously. Water, alcohols and water-alcohol mixtures are predominantly used as possible reaction media. The formation of the quaternary ammonium salts generally requires reaction temperatures between 20 and 100 ° C; the acid amide bond is produced in the same temperature range.
- the hydrogen sulfite addition to the alkylammonium salt of the formula VI to the sulfobetaines of the formula I takes place under the simultaneous catalytic action of atmospheric oxygen and transition metals, preferably ions of iron, copper or manganese in the pH range from 4 to 8.
- transition metals preferably ions of iron, copper or manganese
- the optimum reaction temperatures are in the range from 20 to 50 ° C; however, the temperature can be increased if the solubility ratios so require.
- additive sulfite anion radicals can also be initiated with other oxidizing agents instead of the atmospheric oxygen / transition metal system;
- oxidizing agents instead of the atmospheric oxygen / transition metal system
- salts of peroxodisulfuric acid, alkyl peroxides, acyl peroxides or hydrogen peroxide are suitable.
- the action of several oxidizing agents as free radical formers can also be advantageous.
- the sulfobetaines of the formula I according to the invention have excellent surfactant properties. They outperform the previously known compounds of formula II in their lime soap dispersing capacity, in which the acid amide bond -CO-NH- is arranged in reverse order. These unexpectedly favorable properties advantageously distinguish the new sulfobetaines from the known representatives of this class of compounds.
- the process according to the invention can be carried out on a technical scale as a one-pot process, because the amines of the formula III which have not hitherto been technically available are now cheaply available according to DD-A-136 497.
- the subsequent synthesis steps surprisingly run with each quantitative yield; it is therefore possible to work without isolating intermediate stages, which represents a valuable process advantage over the known prior art.
- Another advantage of the procedure according to the invention is that a large number of sulfobetaines with carbonamide groups are accessible via the intermediates of formula V without the carcinogenic propane sultone having to be used.
- 850 g (10 mol) of dimethylallylamide are placed in a reaction vessel.
- 1085 g (10 mol) of methyl chloroacetate (free of chloroacetic acid) are added dropwise at room temperature with stirring. The temperature slowly rises during the dropping; the reacting mixture becomes cloudy and constantly begins to excrete the quaternization product as a thick, viscous oil.
- the reaction temperature is kept in the range between 60 and 70 ° C. by occasional cooling, so that the chloroacetic acid methyl ester is added after about 30 minutes.
- the reaction is allowed to continue for a short time in this temperature range until the pH of the reaction product drops to 7.
- the conversion at this point in time is quantitative, since only the target product can be detected by H-NMR spectroscopy, which is obtained as a homogeneous, clearly transparent liquid.
- the methyl ester chloride thus obtained is added dropwise with 1853 g (10 mol); Dodecylamine (cososamine) added in such a way that the exothermic reaction of amide formation can be kept at a reaction temperature of 70 to 80 ° C. The reaction is complete after about 30 minutes, and a highly viscous product is obtained in quantitative yield with pH 7.
- Example 2 The procedure is as in Example 2, using a C 16 / C 18 fatty amine mixture. Melting point of this sulfobetaine mixture: mp 81-86 ° C.
- the ethyl ester bromide solution obtained above is reacted with 370.6 g (2 mol) of n-dodecylamine (cocosamine) as described in Example 2 at 70 to 80 ° C., stirring being carried out at this temperature for a further 2 h to complete the conversion.
- the homogeneously catalyzed hydrogen sulfite addition is carried out in the presence of n-butanol at 50 to 60 ° C. to improve the solubility.
- the sulfobetaine precipitates and can be recrystallized from ethanol; Melting point: mp 108 to 114 ° C.
- Lime soap dispersing power is defined as the ability to prevent lime soap from flocculating or agglomerating and to keep it in such a fine dispersion for a certain time that it does not deposit on textile or other surfaces.
- the limit of the resistance of soap solutions to hard water is determined by adding varying amounts of the product to be tested. The calculation is based on the found quantity of the product to be tested.
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Description
- Die Erfindung betrifft neue Sulfobetaine, die sich von Ammoniocarbonsäureamiden ableiten, Verfahren zu ihrer Herstellung sowie ihre Verwendung als Tenside.
- Es ist bereits ein Verfahren zur Herstellung von Ammoniosulfobetainen bekannt, die in einem Substituenten des quartären N-Atoms eine Carbonamidgruppe enthalten. In diesen bekannten Verbindungen ist die Carbonamidgruppe allerdings mit umgekehrter Rihenfolge von -CO- und -NHenthalten. Sie sind Derivate von 1,2- oder 1,3-Diaminen und haben die allgemeine Formel II,
- Das genannte Verfahren zur Herstellung der Verbindungen der allgemeinen Formel II hat für den technischen Einsatz erhebliche Nachteile: Es benötigt unsymmetrisch dialkylierte 1,2- oder 1,3-Diamine als Ausgangsstoffe und verwendet zum Aufbau der quartären Ammoniumstruktur das hochgradig cancerogene Propansulton.
- Aus DE-A-22 07 251 und DD-A-154 443 sind antistatisch wirksame Mittel für Polyvinylchlorid und Polyvinylchlorid enthaltende Kunststoffe bekannt, die Sulfobetaine enthalten, in deren Formel eine quatäre Ammoniumgruppe über einen Alkylenteil mit einer Sulfogruppe verbunden ist. Diese Mittel besitzen Tensideigenschaften.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Sulfobetaine eines neuen Typs, ein Verfahren zu ihrere Herstellung, das die genannten Nachteile vermeidet und keine unsymmetrischen Diamine als Zwischenprodukt der Synthese erfordert, sowie ihre Verwendung anzugeben. Es sollen sulfopropylierte Ammoniocarbonsäureamide hergestellt werden, wobei die Einführung der Sulfogruppe durch homogen katalytische Hydrogensulfit-Addition an Allylammoniumsalze nach DD-A-154443 erfolgt und die Verwendung von Propansulton vermieden werden kann. Die anwendungseigenschaften der neuartigen Sulfobetaine sollen die der bekannten Produkte erreichen oder übertreffen.
- Diese Aufgabe wird gemäß den Patentansprüchen 1, 2 bzw. 5 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen.
-
- R, und R2 Wasserstoff, geradkettiges oder verzweigtes C1-22-Alkyl,
- R3 und R4 zugleich oder unabhängig C'-4-Alkyl oder C2-3-Hydroxyalkyl,
- Rs H, C1-22-Alkyl oder Alkylaminocarbonyl und
- n 0, 1, 2 oder 3,
wobei mindestens einer der Substituenten R,, R2 und R5 8 bis 22 C-Atome aufweist. - Die inneren Salze der allgemeinen Formel I können allgemein zur Erhöhung der Leitfähigkeit verwendet werden, z.B. als antistatische Beschichtungsmittel. Wenn einer der Substituenten R1, R2 oder Rs langkettig ist (8 bis 22 C-Atome), haben diese Sulfobetaine darüber hinaus wertvolle Tensideigenschaften, die ihre Anwendung als Bestandteil von Wasch- und Reinigungsmitteln, als Flotationsmittel oder als Emulgatoren ermöglichen.
- Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der Sulfobetaine der Formel I ist dadurch gekennzeichnet, daß Dialkylallylamine der Formel III
- Die Substituenten R, bis Rs und n haben dabei stets die zu Formel I angegebene Bedeutung.
- Die Umsetzung der quartären Ammoniumverbindungen kann sowohl zuerst mit Hydrogensulfit zu reaktionsfähigen Zwischenstufen der Formel VII
- Die nach DD-A 136 497 leicht zugänglichen Dialkylallylamine und Halogenfettsäureester, Alkylamine und Hydrogensulfite werden als Ausgangssubstanzen für die Synthese verwendet.
- Die zwischenstufe der Formel V kann in Einzelfällen auch aus N,N-Dialkylaminosäurealkylestern, die Zwischenstuffe VI aus Dialkylaminosäureamiden durch Umsetzung mit Allylhalogeniden erhalten werden. Es ist ohne Nachteil möglich, die Verfahrensschritte bis zum Amid der Formel VI ohne Lösungsmittel und ohne Isolierung der Zwischenstufen durchzuführen, ggfs. auch kontinuierlich. Als mögliche Reaktionsmedien kommen vorwiegend Wasser, Alkohole und Wasser-Alkohol-Gemische zur Anwendung. Die Bildung der quartären Ammoiumsalze erfordert in der Regel Reaktionstemperaturen zwischen 20 und 100°C; die Herstellung der Säureamidbindung erfolgt im gleichen Temperaturbereich. Die Hydrogensulfit-Addition an das Alkylammoniumsalz der formel VI zum Sulfobetaine der Formel I erfolgt unter der gleichzeitigen katalytischen Wirkung von Luftsauerstoff und Übergangsmetallen, vorzugsweise Ionen von Eisen, Kupfer oder Mangan im pH-Bereich von 4 bis 8. Die optimalen Reaktionstemperaturen liegen im Bereich von 20 bis 50°C; die Temperatur kann jedoch erhöht werden, wenn die Löslichkeitsverhältnisse es erfordern.
- Die Bildung additionfähiger Sulfitanionradikale kann anstelle des Systems Luftsauerstoff/ Übergangsmetall auch mit anderen Oxidationsmitteln eingeleitet werden; beispielsweise sind Salze der Peroxodischwefelsäure, Alkylperoxide, Acylperoxide oder Wasserstoffperoxid geeignet. Auch die Einwirkung mehrerer Oxidationsmittel als Radikalbildner kann vorteilhaft sein.
- Die erfindungsgemäßen Sulfobetaine der Formel I zeigen hervoragende Tensideigenschaften. Sie übertreffen in ihrem Kalkseifendispergiervermögen die bisher bekannten Verbindungen der Formel II, bei denen die Säureamidbindung -CO-NH- in umgekehrter Reihenfolge angeordnet ist. Diese unerwartet günstigen Eigenschaften unterscheiden die neuen Sulfobetaine vorteilhaft von den bekannten Vertretern dieser Verbindungsklasse.
- Das erfindungsgemäße Verfahren ist in technischem Maßstab als Eintopfverfahren durchführbar, weil die bisher nicht technisch verfügbaren Amine der Formel III jetzt nach DD-A-136 497 wohlfeil zur Verfügung stehen. Die nachfolgenden Syntheseschritte Verlaufen überraschenderweise jeweils mit quantitativer Ausbeute; deshalb kann ohne Isolierung von Zwischenstufen gearbeitet werden, was gegenüber dem bekannten Stand der Technik einen wertvollen Verfahrensvorteil darstellt.
- Als weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Verfahrensweise ist anzusehen, daß über die Zwischenprodukte der Formel V eine Vielzahl von Sulfobetainen mit Carbonamidgruppen zugänglich sind, ohne daß das cancerogene Propansulton eingesetzt werden muß.
- Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
-
- 850 g (10 mol) Dimethylallylamid werden in einem Reaktionsgefäß vorgelegt. Dazu tropft man unter Rühren zunächst bei Raumtemperatur 1085 g (10 mol) Chloressigsäuremethylester (frei von Chloressigsäure) zu. Während des Zutropfens steigt die Temperatur langsam an; die reagierende Mischung trübt sich und beginnt ständig das Quaternisierungsprodukt als dickes, viskoses Öl auszuscheiden Durch gelegentliches Kühlen wird die Reaktionstemperatur im Bereich zwischen 60 und 70°C gehalten, so daß nach etwa 30 min der Chloressigsäuremethylester zugesetzt ist.
- Man laßt kurzzeitig in diesem Temperaturbereich nachreagieren, bis der pH-Wert des Reaktionsprodukts auf 7 abfällt. Der Umsatz ist zu diesem Zeitpunkt quantitativ, da'H-NMR- spektroskopisch nur noch das Zielprodukt nachweisbar ist, welches als homogene, klar durchsichtige Flüssigkeit anfällt.
- Das so erhaltene Methylesterchlorid wird durch Zutropfen mit 1853 g (10 mol); Dodecylamin (Cososamin) in der Weise versetzt, daß die exotherme Reaktion der Amidbildung bei einer Reaktionstemperatur von 70 bis 80°C gehalten werden kann. Nach ca. 30 min ist die Reaktion beendet, und man erhält ein hochviskoses Produkt in quantitativer Ausbeute vom pH-Wert 7.
- 3788 g des Dodecylamidchlorids werden mit 11,36 kg Leitungswasser zu einer 25-%igen Lösung verdünnt (Lösung 1). Dann werden 950 g (5 mol) Natriummetabisulfit Na2S20, und 126 g (1 mol) Natriumsulfit Na2S03 in 14,07 kg Leitungswasser gelöst (Losung 11).
- 126 g NA2S03 (1 mol) werden in 5 Liter Wasser gelöst und in einem Rührgefäß mit Lufteinleitungsrohr vorgelegt. Bei Raumtemperatur tropft man nun unter Rühren und gleichzeitigem Lufteinleiten die Lösungen I und 11 simultan zu. Da das Reaktionsgemisch hierbei stark schäumt, wird die Schaumbildung durch Zusatz von ca. 1,5 I Isopropanol gemäßigt. Nach einer Zutropfzeit von ca. 90 min erhöht sich die Temperatur des Reaktionsgemisches um 10°C; der pH-Wert hält sich während der Umsetzung um 7. Nach Abfallen der Temperatur wird noch etwa 30 min unter intensivem Belüften stark gerührt. Der Umsatz des eingesetzten Dodecylamidchlorids ist nun quantitativ. Die schwach gelbliche Sulfobetainlösung enthält noch Salze (NaCI, Na2SO:3 und Na2S04), von denen durch Einengen und Extraktion des Produkts mit Ethanol getrennt werden kann. F. > 164°C (Zersetzung).
-
- Es wird wie in Beispiel 2 verfahren, wobei ein C16/C18-Fettamingemisch eingesetzt wird. Schmelzpunkt dieses Sulfobetaingemisches: F. 81-86°C.
-
- 85 g (1 mol) Dimethylallylamid werden in 200 ml Ethanol gelöst. Zu dieser Lösung tropft man unter Rühren bei 30°C 239,1 g (1 mol) Brommalonsäurediethylester und rührt noch 2 h bei 80°C nach.
- Die vorstehend erhaltene Ethylesterbromid-Lösung wird mit 370,6 g (2 mol) n-Dodecylamin (Cocosamin) wie in Beispiel 2 beschreiben bei 70 bis 80°C umgesetzt, wobei zur Vervollständigung des Umsatzes noch 2 h bei dieser Temperatur gerührt wird. Die homogen katalysierte Hydrogensulfit-Addition wird zur Verbesserung der Löslichkeit in Gegenwart von n-Butanol bei 50 bis 60°C vorgenommen.
- Nach Abkühlen des Reaktionsgemisches fällt das Sulfobetain aus und kann aus Ethanol umkristallisiert werden; Schmelzpunkt: F. 108 bis 114°C.
- Die Bestimmung erfolgte nach DDR-Standard TGL 22254 Blatt 1 (Gruppe 482) von Juli 1967 (Determination of Lime-Soap Dispersing Property).
- Das Kalkseifendispergiervermögen ist definiert als die Fähigkeit, das Ausflocken oder Zusammenballen von Kalkseife zu verhindern und diese für eine bestimmte Zeite in so feiner Dispersion zu halten, daß sie sich nicht auf textilen oder anderen Oberflächen niederschlägt. Die Grenze der Beständigkeit von Seifenlösungen gegen hartes Wasser wird durch Zugabe von variierenden Mengen des zu prüfenden Produktes festgestellt. Der Berechnung wird die gefundene Menge des zu prüfenden Produktes zugrundegelegt. Die Angabe des Kalkseifendispergiervermögens K erfolgt in % Produkt, bezogen auf als Standardbezugssubstanz eingesetztes Natriummoleat (Kalkseifendispergiervermögen K = 100%):
- Die Bestimmung erfolgte bei einer Wasserhärte von 30°dH.
-
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