EP2265648A1 - Hydrolytically decomposable ionic copolymers - Google Patents

Hydrolytically decomposable ionic copolymers

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Publication number
EP2265648A1
EP2265648A1 EP09733031A EP09733031A EP2265648A1 EP 2265648 A1 EP2265648 A1 EP 2265648A1 EP 09733031 A EP09733031 A EP 09733031A EP 09733031 A EP09733031 A EP 09733031A EP 2265648 A1 EP2265648 A1 EP 2265648A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
mol
copolymers
dmaema
methacrylic acid
methylene
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09733031A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Andreas Greiner
Seema Agarwal
Thomas Kissel
Liqun Ren
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BASF SE
Original Assignee
Philipps Universitaet Marburg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102008018905A external-priority patent/DE102008018905A1/en
Priority claimed from DE102008028146A external-priority patent/DE102008028146A1/en
Application filed by Philipps Universitaet Marburg filed Critical Philipps Universitaet Marburg
Publication of EP2265648A1 publication Critical patent/EP2265648A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L101/00Compositions of unspecified macromolecular compounds
    • C08L101/16Compositions of unspecified macromolecular compounds the macromolecular compounds being biodegradable
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08FMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F220/00Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical or a salt, anhydride ester, amide, imide or nitrile thereof
    • C08F220/02Monocarboxylic acids having less than ten carbon atoms; Derivatives thereof
    • C08F220/10Esters
    • C08F220/34Esters containing nitrogen, e.g. N,N-dimethylaminoethyl (meth)acrylate
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08FMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F8/00Chemical modification by after-treatment
    • C08F8/44Preparation of metal salts or ammonium salts
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08FMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F216/00Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by an alcohol, ether, aldehydo, ketonic, acetal or ketal radical
    • C08F216/38Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by an alcohol, ether, aldehydo, ketonic, acetal or ketal radical by an acetal or ketal radical
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08FMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F220/00Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical or a salt, anhydride ester, amide, imide or nitrile thereof
    • C08F220/02Monocarboxylic acids having less than ten carbon atoms; Derivatives thereof
    • C08F220/10Esters
    • C08F220/12Esters of monohydric alcohols or phenols
    • C08F220/14Methyl esters, e.g. methyl (meth)acrylate
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08FMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F2800/00Copolymer characterised by the proportions of the comonomers expressed
    • C08F2800/10Copolymer characterised by the proportions of the comonomers expressed as molar percentages

Definitions

  • the present invention provides novel, hydrolytically degradable ionic copolymers.
  • These copolymers are composed of a cyclic ketene acetal, an anionic or cationic Methacryl Acidehvat and optionally another Methacryl Acidehvat.
  • These ionic di- and terpolymers are prepared by radical polymerization of the starting monomers in the presence of a radical initiator under a protective gas atmosphere.
  • the present invention relates to the fields of macromolecular chemistry, polymer chemistry, biopharmacy and materials science.
  • the present invention relates to hydrolytically degradable copolymers of cyclic ketene acetals and methacrylic acid derivatives.
  • the copolymers according to the invention contain ester groups in the polymer backbone as well as ionic groups in the side chains.
  • polymers whose carbon backbone is interrupted by functional groups such as ester, amide, carbonate, urethane or ether groups and whose hydrocarbon moieties between the functional groups are predominantly aliphatic in nature can be degraded by microorganisms. This is described, for example, in SH Huang, Encyclopaedia of Polymer Sciences Vol. 2, 220-242. Polyolefins with a pure carbon backbone however, are resistant to microbial attack. An exception is, for example, polyvinyl alcohol which, after oxidative cleavage, is completely degraded to carbon dioxide and water (T. Suzuki et al., J Appl Polym Sci, Polym Symp. 35 (1973), 431). Polyvinyl acetate, on the other hand, is only degraded with difficulty because it must first of all be hydrolyzed to polyvinyl alcohol.
  • DE 39 30 097 A1 describes UV-crosslinkable copolymers of cyclic olefinically unsaturated ring-opening polymerizing monomers, olefinically unsaturated monomers, preferably olefinically unsaturated esters, and copolymerizable olefinically unsaturated acetophenone or benzophenone derivatives. These polymers are suitable as coating, impregnating and adhesive agents, in particular as pressure-sensitive adhesives.
  • US 6,534,610 B1 discloses biodegradable copolymers of a first monomer from the group of olefins and a second monomer which contains a hydrolytically cleavable group, for example an acetal, a ketal, an ester or an imide.
  • a hydrolytically cleavable group for example an acetal, a ketal, an ester or an imide.
  • the hydrolyzable groups of the copolymer according to the invention are exclusively in the main chain and never in a side chain.
  • copolymers are more readily degradable if the hydrolytically cleavable groups are located exclusively in the main chain.
  • the copolymers are prepared by transition metal-catalyzed polymerization, preferably in the presence of metallocene or Brookhart catalysts.
  • EP 1 267 953 B1 describes compositions of crosslinkable prepolymers for biodegradable implants.
  • the invention relates in particular to crosslinked polyester, polyorthoesters and polyacetal prepolymers which are suitable as in situ implants for bone and periodontal cavities.
  • Copolymers of cyclic, ring-opening ketene acetals and acrylic acid derivatives are known in the art. However, so far there are no such copolymers, which also contain ionic groups.
  • the present invention provides novel copolymers having biodegradable ester moieties in the polymer backbone and ionic groups in the side chains.
  • the starting point is the known process of introducing ester groups into a polyvinyl polymer backbone by means of a combination of free-radical polymerization and free-radical ring-opening polymerization.
  • the novel introduction of ionic groups into the side chains surprisingly ionic copolymers have been found with new properties:
  • the ionic copolymers of the invention are very readily biodegradable, and by the ionic groups in the side chains they have compared to the known copolymers of dioxepans and Acrylklaredehvaten new, surprising Properties. task
  • the object of the present invention is to provide hydrolytically degradable polyionic compounds which have ionic groups in the side chains and ester groups in the polymer backbone and in the side chains, as well as processes for the preparation of these hydrolytically degradable polyionic compounds.
  • polyionic Copolymehsate which are composed of a) 10 to 55 mol% of a cyclic ketene acetal A, b) 4 to 90 mol% of a methacrylic acid derivative B, c) 0 to 80% Mol% of a methacrylic acid derivative C, wherein the sum of the components A, B and C is 100 mol%, and wherein
  • the cyclic ketene acetal A is selected from
  • R 1 and R 2 independently of one another represent a linear or branched alkyl group having 1 to 12 carbon atoms
  • methacrylic acid derivative B is selected from 2-methyl-methacrylate (VII)
  • M + represents a lithium, sodium, potassium, ammonium or tetraalkylammonium cation and the polyionic copolymer is an anionic copolymer
  • DMAEMA N, N-Dimethylaminoethylmethacrylic acid
  • R 3 is a linear or branched alkyl group having 1 to 12 carbon atoms or a benzyl group of the formula (XI)
  • methacrylic acid derivative C is selected from compounds of the formula (XII)
  • R is selected from
  • the copolymers according to the invention which have ionic groups in the side chains and ester groups in the polymer backbone and in the side chains are hydrolytically degradable.
  • the ionic groups may be cationic or anionic groups.
  • copolymer is understood to mean those polymers which contain a plurality of types of monomer Accordingly, the products of the reaction of several types of monomer are referred to as “copolymers”.
  • hydrolytically degradable is meant that the ionic copolymers of the present invention contain a hydrolyzable moiety in the polymer backbone that allows the copolymers to be broken down into smaller degradation products when exposed to water.
  • cationic moieties are meant organic cations, in the present invention they are quaternary ammonium moieties.
  • Ammonium moieties refer analogously to organic anions, which in the context of the present invention are methacrylates, sulfonates and phosphonates.
  • the ionic groups are based on uncharged amino, methacrylic acid, sulfonic acid or phosphonic acid groups. These groups are ionizable, i. they can be converted into the corresponding cations or anions.
  • the ionic and / or ionizable groups are located in the side chain of the copolymers according to the invention.
  • ionic groups it is meant that the methacrylic acids, sulfonic acids, phosphoric acids or amino groups are present in the form of their corresponding salts
  • these corresponding salts are tetraalkylamines, lithium, sodium and potassium
  • DMAEMA N-dimethylaminoethyl methacrylic acid
  • the corresponding ionic groups are quaternary ammonium salts of the formula (Xb).
  • ionisable groups are uncharged methacrylic acid, sulfonic acid, phosphonic acid and N, N-dimethylaminomethacrylic acid groups.
  • Copolymers according to the invention which contain ionic groups as defined above are also referred to below as “ionic copolymers”, and in an analogous manner hereinafter also referred to as “ionic copolymers”.
  • the copolymers or copolymers are referred to as "cationic copolymers” or "cationic copolymers". If the ionic and / or ionizable groups are methacrylic acids, sulfonic acids or phosphoric acid or their corresponding salts, the copolymers or copolymers are referred to as "anionic copolymers” or “anionic copolymers”.
  • the polyionic copolymers of the invention are electrically neutral to the outside, since the charge of the ionic groups is compensated by oppositely charged ions.
  • the counterions are preferably halides selected from fluoride, chloride and bromide.
  • the counterions are preferably lithium, sodium, potassium, ammonium and tetraalkylammonium ions.
  • Cyclic ketene acetals A are selected from 2-methylene-1,3-dioxepane (MDO) (I), 4,5-dialkyl-2-methylene-1,3-dioxolane (VI), 5,6-benzo-2-methylene -1, 3 dioxepane (BMDO) (II), 5,6-dialkyl-2-methylene-1,3-dioxepane (IV), 2-methylene-1,3-dioxane (III) and 2-methylene-1,3-dioxolane ( V).
  • MDO 2-methylene-1,3-dioxepane
  • VI 4,5-dialkyl-2-methylene-1,3-dioxolane
  • BMDO 5,6-benzo-2-methylene -1, 3 dioxepane
  • IV 5,6-dialkyl-2-methylene-1,3-dioxepane
  • V 2-methylene-1,3-dioxolane
  • R 1 and R 2 are independently a linear or branched alkyl group having 1 to 12 carbon atoms.
  • the linear or branched alkyl group having 1 to 12 carbon atoms is selected, for example, from methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, 1-butyl, 2-butyl, tert-butyl, 1-pentyl, 1-hexyl, 1-heptyl , 1-octyl, 1-nonyl, 1-decyl, 1-undecyl, 1-dodecyl.
  • the proportion of the cyclic ketene acetal A in the hydrolytically degradable polyionic copolymer according to the invention is at least 10 mol%. In this case, 2-methylene-1, 3-dioxepane (MDO) and 5,6-benzo-2-methylene-1, 3-dioxepane are preferred.
  • the hydrolytically degradable polyionic copolymers according to the invention contain from 4 to 90 mol% of a methacrylic acid derivative B.
  • Methacrylic acid derivatives B are selected from 2-methylmethacrylate (VII), 2- (2-methyl-1-methylene-allyloxy) -ethanesulphonic acid (VIII) and [2- (2-methyl-1-methylene-allyloxy) ethyl] -phosphonic acid ( IX), if the biodegradable copolymers according to the invention are anionic copolymers:
  • M + is a tetraalkylammonium, ammonium, lithium, sodium or potassium cation.
  • the four alkyl groups independently of one another are linear or branched alkyl groups having 1 to 12 carbon atoms.
  • the linear or branched alkyl group having 1 to 12 carbon atoms is selected, for example, from methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, 1-butyl, 2-butyl, tert-butyl, 1-pentyl, 1-hexyl, 1-heptyl, 1 Octyl, 1 -nonyl, 1-decyl, 1-undecyl, 1-dodecyl.
  • the methacrylic acid derivative B is a derivative of N, N-dimethylaminoethyl methacrylic acid (DMAEMA) of the formula (Xa)
  • R 3 is a linear or branched alkyl group having 1 to 12 carbon atoms or a benzyl group of the formula (XI)
  • n 0-12 and X "is fluoride, chloride or bromide, bromides being preferred over fluorides and chlorides
  • the linear or branched alkyl group having 1 to 12 carbon atoms is selected from, for example, methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl , 1-butyl, 2-butyl, tert -butyl, 1-pentyl, 1 -hexyl, 1 -heptyl, 1-octyl, 1 -nonyl, 1-decyl, 1-undecyl, 1 -dodecyl.
  • the hydrolytically degradable polyionic copolymers according to the invention contain 0 to 80 mol% of a methacrylic acid derivative C.
  • the methacrylic acid derivative C is selected from compounds of the formula
  • R 4 is selected from -OCH 3 , -N (CH 3 ) 2 , an oligoethylene glycol of the general formula -O- (CH 2 -CH 2 -O) m H and a co-methoxy-oligoethylene glycol of the general formula -O- (CH 2 -CH 2 -O) m -CH 3 , where m represents a natural number between 1 and 12.
  • the methacrylic acid derivative C is preferably selected from oligoethylene glycol methacrylate (to be more specific: nonaethylene glycol methacrylate) OEGMA, 2- (2-methoxyethoxy) ethyl methacrylate (MEO 2 MA), methyl methacrylate (MMA), N, N, 2-trimethylacrylamide and 2- Methylacryl Textre- (2-hydroxyethyl) ester:
  • the hydrolytically degradable copolymers of the invention have a number average molecular weight M n of 10,000 to 100,000. This applies to both dipolymers and terpolymers.
  • the ionic copolymers are composed of a) 10 to 55 mol% of a cyclic ketene acetal A selected from MDO and BMDO b) 4 to 90 mol% of a methacrylic acid derivative B, c) 0-80 mol% of a methacrylic acid derivative C, wherein the Sum of components A, B and C is 100 mol%.
  • MDO, BMDO, B and C are as defined above.
  • the ionic copolymers are composed of a) 10 to 55 mol% of a cyclic ketene acetal A, b) 4 to 90 mol% of a methacrylic acid derivative B, c) 0-80 mol% of a methacrylic acid derivative C, selected from oligoethylene glycol methacrylate OEGMA, 2- (2-methoxyethoxy) ethyl methacrylate (MEO 2 MA), methyl methacrylate (MMA), N, N, 2-thmethylacrylamide and 2-methylacrylic acid (2-hydroxyethyl) ester wherein the sum of components A, B and C is 100 mol%.
  • A, B, OEGMA, MEO 2 MA and MMA are as defined above.
  • the ionic copolymers are composed of a) 10-55 mol% of a cyclic ketene acetal A, b) 4-90 mol% of the methacrylic acid derivative DMAEMA, in which 45% to 95% ionized in the form of a quaternary amine C) 0-80 mol% of a methacrylic acid derivative C, wherein the sum of the components A, B and C is 100 mol%.
  • A, DMAEMA and C are as defined above.
  • the ionic copolymers are composed of a) 10-55 mol% of a cyclic ketene acetal A, b) 4-90 mol% of 2-methyl methacrylate of the formula (VII), c) 0-80 Mol% of a methacrylic acid derivative C, wherein the sum of the components A, B and C is 100 mol%.
  • a and C are as defined above.
  • the ionic copolymers are composed of a) 10-55 mol% of a cyclic ketene acetal A, b) 4-90 mol% of [2- (2-methyl-1-methylene-allyloxy) -ethyl] -ethanesulfonate according to formula (VIII), c) 0-80 mol% of a methacrylic acid derivative C, where the sum of the components A, B and C is 100 mol%.
  • a and C are as defined above.
  • the ionic copolymers are composed of a) 10-55 mol% of a cyclic ketene acetal A, b) 4-90 mol% of [2- (2-methyl-1-methylene-allyloxy) ethyl] c) 0-80 mol% of a methacrylic acid derivative C, wherein the sum of the components A, B and C is 100 mol%.
  • a and C are as defined above.
  • the ionic copolymers are composed of a) 10 to 55 mol% of a cyclic ketene acetal A, b) 4 to 90 mol% of a methacrylic acid derivative B, c) 0 mol% of a methacrylic acid derivative C, wherein the Sum of the components A and B is 100 mol%, so that it is a dipolymer.
  • A, B and C are as defined above.
  • the ionic copolymers are composed of a) from 10 to 55 mol% of a cyclic ketene acetal A selected from MDO and BMDO, b) from 4 to 90 mol% DMAEMA, which contains from 45% to 95% in the form of a quaternary amine c) 0 to 80 mol% of a methacrylic acid derivative C, wherein the sum of the components A, B and C is 100 mol%, and wherein the quaternary amine of the DMAEMA and the methacrylic acid derivative C are as defined above.
  • the ionic copolymers are composed of a) 10 to 55 mol% of a cyclic ketene acetal A, selected from MDO and BMDO, b) 4 to 90 mol% DMAEMA, which is 45% to 95% in The form of a quaternary amine is c) 0 to 80 mol% MMA, the sum of components A, B and C being 100 mol% and the quaternary amine of DMAEMA being as defined above.
  • All ionic copolymers of the invention - both cationic and anionic - are hydrolytically degradable as defined above.
  • ionic copolymers of the present invention containing at least 40 mole% ester moieties in the polymer backbone have been evaluated for biodegradability.
  • the copolymers also contained a maximum of 20% cationic groups, i. not more than 20 mol% of the cationic copolymer was accounted for by quaternary amines from DMAEMA. It has been found that these abovementioned ionic copolymers according to the invention are biodegradable, for example by admixing them with conventional comopters.
  • biodegradable it is meant that a compound (here: a copolymer according to the invention is decomposed by enzymes and / or microorganisms into smaller degradation products, preferably those enzymes and microorganisms which can be found in composts.
  • a compound here: a copolymer according to the invention is decomposed by enzymes and / or microorganisms into smaller degradation products, preferably those enzymes and microorganisms which can be found in composts.
  • the antimicrobial activity of the cationic copolymers according to the invention was investigated. It has been found that the cationic copolymers according to the invention are antimicrobial if they contain at least 50 mol% of component B, ie a quaternary amine of DMAEMA according to the above definition of component B.
  • component B ie a quaternary amine of DMAEMA according to the above definition of component B.
  • q is the chain length of component B
  • r is a natural number between 1 and 1.
  • Antimicrobial is understood to mean that a substance (in this case a cationic copolymer according to the invention) reduces the ability to multiply or infect microorganisms or kills or inactivates them.
  • cationic copolymers for cationic copolymers, it should be noted that a) cationic copolymers containing at least 40 mol% A and at the same time a maximum of 20 mol% B are biodegradable,
  • cationic copolymers containing at least 50 mole% B are antimicrobial, regardless of how many mole% of component A they contain. This applies to both cationic dipolymers and cationic terpolymers.
  • the novel anionic copolymers are prepared by polymerizing components A, B and C in the presence of a free-radical initiator under a protective gas atmosphere and subsequently purifying the resulting ionic copolymer.
  • Component B is selected from a methacrylate (I), a sulfonate (II) and a phosphonate (III) as defined above.
  • the cationic copolymers of the invention are prepared by a process comprising the following steps: a) free radical copolymerization of components A, DMAEMA and C in the presence of a radical initiator under a protective gas atmosphere, b) purification of the resulting neutral copolymer, c) reaction of the neutral copolymer with a quaternization reaction genz, so that 45 to 95% of the DMAEMA are quaternized, d) purification of the ionic copolymer thus obtained.
  • Component B is DMAEMA (Xa).
  • the copolymer obtained in this way is neutral because non-quaternized DMAEMA is used.
  • the reaction of the neutral copolymer to the ionic copolymer according to step c) is carried out by reaction with a quaternizing reagent selected from
  • t 0 to 12
  • X is a halogen atom and the halogen is selected from fluoro, chloro and bromo in both the case of the primary haloalkane and in the case of the benzyl halide. Bromalkanes and benzyl bromides are preferred.
  • the neutral copolymer obtained after carrying out step b) is dissolved in an aprotic solvent and then reacted with a haloalkane or benzyl halide as defined above. If the boiling point of the quaternizing reagent is above 60 ° C., the quaternization reaction advantageously takes place at temperatures between 40 ° C. and 45 ° C.
  • the quaternization reaction is carried out at room temperature.
  • the degree of quaternization can be controlled by the reaction time. For a given combination of neutral copolymer and quaternizing agent, lengthening the reaction time leads to a higher degree of quaternization. For a given combination of neutral copolymer and reaction time, the use of shorter chain quaternization reagents results in higher quaternization levels.
  • One skilled in the art by means of his expertise and without departing from the scope of the claims, may determine by routine experimentation which combination of neutral copolymer, quaternizing reagent and reaction time will result in which degree of quaternization.
  • cationic copolymers of the present invention can be prepared by first quaternizing DMAEMA and then radically polymerizing the quaternized DMAEMA with components A and C in the presence of a radical initiator under a protective gas atmosphere.
  • the free radical Copolymehsation of components A, B and C is carried out in all the above cases by A, B and C are presented together with a free radical initiator in a reaction vessel under a protective gas atmosphere. Any oxygen present is removed by one-time freezing and thawing of this reaction mixture.
  • Suitable radical initiators are, for example, azobisisobutyronitrile (AIBN), dibenzoyl peroxide (DBPO) and di-tert-butyl-hyponitrite (DTBHN).
  • Suitable shielding gases are, for example, argon, nitrogen, carbon dioxide and mixtures thereof.
  • the free-radical copolymerization is preferably carried out at temperatures between 70 ° C. and 120 ° C.
  • the preferred temperature depends on the initiator.
  • a temperature of about 70 ° C. is preferred, while polymerization is preferably carried out at about 120 ° C. when using di-tert-peroxides.
  • the person skilled in the art knows which temperature ranges should be chosen for which initiator.
  • the neutral or ionic copolymer is purified by dissolving it in a first organic solvent and reprecipitating it by adding a second solvent.
  • a second solvent for dissolving the neutral copolymer, for example, chloroform and DMF are suitable. If a short-chain alkyl bromide BrC p H 2p + i, p ⁇ 4, is chosen for the quaternization, the solvent used is preferably a mixture of chloroform and an alcohol, for example methanol.
  • the neutral copolymers dissolve well in chloroform, but the ionic copolymers formed during quaternization no longer readily dissolve in pure chloroform, so that the solution becomes cloudy with increasing quaternization of the copolymer. In this case you should add an alcohol, eg methanol, until the solution is clear again.
  • an alkane for example, n-pentane or n-hexane is suitable.
  • the ketene acetal (component A) is reacted to about 40-60%, so that the amount of ketene acetal used is about twice as high as the proportion of ketene acetal in the product.
  • the polymerization reaction is complete after 5 hours. This applies to the entire temperature range of the process according to the invention, ie between 70 ° C and 120 ° C, regardless of whether a dipolymer or a terpolymer is prepared (see Embodiments 4 and 6).
  • the proportion of ketene acetal in the educt mixture is more than 50 mol%, the polymerization preferably takes place at a temperature of 120.degree. There- it is advantageous to extend the reaction time to about 12-16 hours. It is known to the person skilled in the art that an increase in the reaction temperature and / or an extension of the reaction time increase the yield of a reaction.
  • the ionic copolymers according to the invention contain 30-70 mol% of ester units.
  • the water solubility can be controlled and targeted by controlling the proportion of the ester units and the length of the alkyl groups. In this way, a wide variety of cationic copolymers can be prepared from very hydrophobic to very hydrophilic.
  • the ionic copolymers of the invention have a random structure, i. the monomer units of the individual components A, B and optionally C are randomly distributed in the copolymer.
  • ionic copolymers with block structure can also be prepared.
  • the monomers alternate in blocks, i. a section of polymer of a pure monomer component A alternates with a section of a pure monomer component B or C.
  • the ionic copolymers according to the invention can be used as hydrolytically degradable ionomers.
  • ionomer is understood to mean a macromolecule in which a small but nevertheless significant proportion of the constitutional units have ionizable or ionic groups.
  • a constitutional unit is an atom or group of atoms (optionally with other atoms or groups attached thereto) which contains part of the essential structure of a macromolecule, an oligomer, a block or a chain.
  • the ionic copolymers according to the invention are suitable for numerous biomedical and material science applications.
  • Ionic copolymers of the present invention are particularly advantageous because each of the components contained in them imparts particular properties to the polymer:
  • the cyclic ketene acetals provide ester bonds in the backbone of the polymer which are the cause of hydrolytic degradability.
  • the cationic or anionic moieties provide binding sites for other molecules, such as biomolecules.
  • the water solubility can be adjusted in a targeted manner with the aid of the methacrylic acid derivatives C, for example with the aid of methoxy-oligo- (ethylene glycol) -methacrylates.
  • Methoxy-oligo- (ethylene glycol) methacrylates may also serve to camouflage the terpolymers of the invention in biomedical applications to the immune system.
  • the glass transition temperature of the ionic copolymers according to the invention can furthermore be adjusted in a targeted manner.
  • the thermoresponsive properties can be deliberately changed, so that copolymers containing methacrylate according to the invention are suitable as injectable biodegradable polyions for biomedical applications, e.g. for the drug release.
  • Both anionic and cationic copolymers are suitable for the production of nanoparticles.
  • Such nanoparticles have, for example, a higher efficiency in the encapsulation of pharmaceutical active ingredients and, in the field of materials science, a higher stability to shear forces than previous materials.
  • Cationic copolymers are suitable, for example, as superhydrophobic materials and antibacterial transparent coatings, for example for wood.
  • the suitability of the cationic copolymers as adhesives It has been shown that, for example, they create a durable, water- and temperature-stable adhesive bond between wood and metal, glass or another piece of wood, and metal and glass bond together just as well.
  • the adhesive properties occur with cationic dipolymers and terpolymers containing at least 4 mole percent quaternized DMAEMA based on the total polymer.
  • Anionic copolymers are suitable, for example, as biodegradable thermoplastic elastomers, biodegradable ionomers, vehicles for drug delivery, as transfection agents, and as carriers for aerosol therapy and gene therapy.
  • BMDO 5,6-dibenzo-1, 3-dioxepane
  • DMAEMA N, N-dimethylaminoethyl methacrylate
  • the reaction mixture was diluted with CHCl 3 and precipitated with about 200 ml of n-hexane.
  • the copolymers were purified by dissolution in CHCl 3 and reprecipitation from n-hexane.
  • the copolymers were dried in vacuo at 40 ° C to constant mass.
  • the microstructure of the copolymers was characterized by 1D and 2D NMR. By varying the molar ratio of the two monomers BMDO and DMAEMA in the educt mixture, various copolymers were prepared. The reaction was carried out under the reaction conditions described above.
  • Table 1 shows the results of the free radical copolymerization of 5,6-dibenzo-2-methylene-1,3-dioxepane (BMDO) and N, N-dimethylaminoethyl methacrylate
  • BMDO 5,6-dibenzo-2-methylene-1,3-dioxepane
  • N N-dimethylaminoethyl methacrylate
  • B BMDO
  • D DMAEMA
  • Embodiment 2 is a diagrammatic representation of Embodiment 1:
  • a representative example is given below: 500 mg of the neutral copolymer were dissolved at 25 ° C. in 50 ml of chloroform. Then, 15 ml of 1-bromododecane (BrCl 2 H 2 S) was added. The quaternization reaction was carried out for 3 days by stirring and heating to 40 ° C. in an oil bath. Thereafter, the solvent was removed. The reaction product was purified by dissolving the obtained ionic copolymer twice in chloroform and dropping from n-hexane. The degree of quaternization was determined by elemental analysis, comparing the amounts of bromine and nitrogen.
  • Various cationic copolymers were prepared by changing the molar ratio of the three starting components (BMDO, DMAEMA and 1-bromododecane.
  • Table 2 shows the quaternization with Ci 2 H 2S Br and the physical properties of the quaternized copolymers of BMDO (B) and DMAEMA (D).
  • Table 3 shows reaction times and degrees of quaternization when using different bromoalkanes and at different quaternization times. "Conversion” refers to the percentage of DMAEMA units in the polymer that were quaternized.
  • the cationic copolymers obtained from Example 2 were applied to glass by electrospinning / electrospray or filmcoating as a coating.
  • a solution of 10 to 20 wt .-% of the respective inventive cationic copolymer was used in DMF.
  • Copolymers of the invention having a degree of quaternization of at least 4%, which had been quaternized by means of BrCpH 2p + 1 (p> 8), were dissolved in CHCl 3 to a 10% solution. Each 100 ⁇ l of such a solution was poured onto a glass slide for microscopy (7.5 cm x 2.5 cm). After complete drying of the coating, the contact angle was determined to be about 90 degrees.
  • Cycloketene acetals such as 5,6-benzo-2-methylene-1,3-dioxepane (BMDO), N, N-dimethylaminoethyl methacrylate (DMAEMA) and a third comonomer, such as methyl methacrylate (MMA), became the hydrolytically degradable neutral copolymer by free radical polymerization terpolymerized.
  • BMDO 5,6-benzo-2-methylene-1,3-dioxepane
  • DMAEMA N, N-dimethylaminoethyl methacrylate
  • MMA methyl methacrylate
  • BMDO 1135g 7mmol
  • MMA 0.250g 2.5mmol
  • DMAEMA 0.079g 0.5mmol
  • the reaction was started by immersing the reaction tube in a preheated oil bath at 70 ° C. After a reaction time of 20 hours, the reaction mixture was diluted with CHCl 3 and precipitated with about 200 ml of n-hexane.
  • the copolymers were purified by dissolution in CHCl 3 and reprecipitation from n-hexane. The copolymers were dried in vacuo at 40 ° C to constant mass. The microstructure of the copolymers was characterized by 1 D and 2 D NMR. By varying the molar ratio of the comonomers in the educt mixture, various terpolymers of BMDO, MMA and DMAEMA were prepared.
  • reaction conditions were chosen essentially as described above.
  • Table 4 shows the educt mixtures used in this embodiment, the yield, the composition of the resulting terpolymers and their respective Quaternmaschinesgrad.
  • Embodiment 6 is a diagrammatic representation of Embodiment 6
  • the neutral precursor terpolymers of Example 4 were quaternized with alkyl bromide. This gave rise to the hydrolytically degradable cationic copolymers according to the invention.
  • Embodiment 7 is a diagrammatic representation of Embodiment 7:
  • Embodiment 8 is a diagrammatic representation of Embodiment 8
  • Embodiment 9 Adhesive Properties of the Cationic Copolymers
  • Various cationic copolymers of the invention were prepared. As dioxepan, BMDO or MDO was used. BMDO or MDO were free-radically polymethylated with DMAEMA and optionally with MMA. The precursor copolymers (dipolymers or terpolymers) obtained in this way were quaternized with 1-bromoalkanes. The cationic copolymers thus obtained contained at least 4 mol% of cationic groups, ie, at least 4 mol% of the cationic copolymer was accounted for by quaternary amines of DMAEMA.
  • Embodiment 10 is a diagrammatic representation of Embodiment 10:
  • Cationic copolymers containing at least 40% backbone ester moieties and not more than 20 mole% cationic groups were processed into films. Films of these copolymers (10 cm x 2 cm x 0.1 mm) were buried in the compost. After two weeks, clear holes were visible in the films. This showed that cationic copolymers were already degraded by enzymes and microorganisms within this short time, whereby the composting rate is known to depend on the soil moisture, the temperature and also the type of soil.

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Abstract

The present invention provides novel hydrolytically decomposable ionic copolymers. These ionic copolymers are made up of a cyclic ketene acetal A, an anionic or cationic methacrylic acid derivative B selected from 2-methyl-methacrylate, [2-(2-methyl-1-methylen-allyloxy)-ethane sulfonate, [2-(2-methyl-1-methylen-allyloxy)ethyl]-phosphonate or a quaternary amine of N,N-dimethylaminoethylmethacrylic acid (DMAEMA) and optionally a neutral methacrylic acid derivative C. According to the invention, hydrolytically decomposable ionic copolymers are produced by polymerizing the components A, B and C in the presence of a radical starter under a protective gas atmosphere, followed by purification. All copolymers according to the invention are hydrolytically decomposable. Copolymers containing a maximum of 40 mol-% of ester groupings in the backbone are also biodegradable, wherein in the case of cationic copolymers a maximum of 20 mol-% quaternized DMAEMA may be present. Cationic copolymers containing at least 50 mol-% of component B are antimicrobial. Both anionic as well as cationic copolymers are suitable for the production of nanoparticles. Cationic copolymers can be used a superhydrophobic materials as well as adhesives. Anionic copolymers are suitable as biodegradable thermoplastic elastomers and as biodegradable ionomers.

Description

Patentanmeldung Patent application
Hydrolytisch abbaubare ionische CopolymerisateHydrolytically degradable ionic copolymers
Die vorliegende Erfindung stellt neue, hydrolytisch abbaubare ionische Copolymerisate bereit. Diese Copolymerisate sind aufgebaut aus einem cyclischen Keten- acetal, einem anionischen oder kationischen Methacrylsäuredehvat und optional einem weiteren Methacrylsäuredehvat. Hergestellt werden diese ionischen Di- und Terpolymere durch radikalische Polymerisation der Ausgangsmonomere in Ge- genwart eines Radikalstarters unter Schutzgasatmosphäre.The present invention provides novel, hydrolytically degradable ionic copolymers. These copolymers are composed of a cyclic ketene acetal, an anionic or cationic Methacrylsäuredehvat and optionally another Methacrylsäuredehvat. These ionic di- and terpolymers are prepared by radical polymerization of the starting monomers in the presence of a radical initiator under a protective gas atmosphere.
Beschreibung und Einleitung des allgemeinen Gebietes der ErfindungDescription and introduction of the general field of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft die Gebiete makromolekulare Chemie, Polymerchemie, Biopharmazie und Materialwissenschaften.The present invention relates to the fields of macromolecular chemistry, polymer chemistry, biopharmacy and materials science.
Stand der TechnikState of the art
Die vorliegende Erfindung betrifft hydrolytisch abbaubare Copolymere aus cyclischen Ketenacetalen und Methacrylsäurederivaten. Die erfindungsgemäßen Copolymere enthalten Estergruppierungen im Polymerrückgrat sowie ionische Grup- pen in den Seitenketten.The present invention relates to hydrolytically degradable copolymers of cyclic ketene acetals and methacrylic acid derivatives. The copolymers according to the invention contain ester groups in the polymer backbone as well as ionic groups in the side chains.
Es ist bekannt, dass Polymere, deren Kohlenstoffrückgrat durch funktionelle Gruppen wie Ester-, Amid-, Carbonat-, Urethan- oder Ether-Gruppen unterbrochen ist und deren Kohlenwasserstoffanteile zwischen den funktionellen Gruppen vorwiegend aliphatischer Natur sind, durch Mikroorganismen abgebaut werden können. Dies ist beispielsweise in S. H. Huang, Encyclopedia of Polymer Sciences Vol. 2, 220-242, beschrieben. Polyolefine mit einem reinen Kohlenstoffrückgrat hingegen sind gegen einen mikrobiellen Befall resistent. Eine Ausnahme bildet beispielsweise Polyvinylalkohl, der nach oxidativer Spaltung vollständig zu Kohlendioxid und Wasser abgebaut wird (T. Suzuki et al., J Appl Polym Sei, Polym Symp. 35 (1973), 431 ). Polyvinylacetat wird hingegen nur schwer abgebaut, da dieses zunächst zu einem großen Teil zu Polyvinylalkohol hydrolysieren muss.It is known that polymers whose carbon backbone is interrupted by functional groups such as ester, amide, carbonate, urethane or ether groups and whose hydrocarbon moieties between the functional groups are predominantly aliphatic in nature can be degraded by microorganisms. This is described, for example, in SH Huang, Encyclopaedia of Polymer Sciences Vol. 2, 220-242. Polyolefins with a pure carbon backbone however, are resistant to microbial attack. An exception is, for example, polyvinyl alcohol which, after oxidative cleavage, is completely degraded to carbon dioxide and water (T. Suzuki et al., J Appl Polym Sci, Polym Symp. 35 (1973), 431). Polyvinyl acetate, on the other hand, is only degraded with difficulty because it must first of all be hydrolyzed to polyvinyl alcohol.
Aus der JP 02214719 A sind Polymerisate von Olefinen, Acrylestern, Vinylestern und Styrolen mit 2-Methylen-1 ,3-Dioxepan als hydrolysierbare Polymerisate zur Verwendung in Schiffsfarben bekannt.From JP 02214719 A polymers of olefins, acrylic esters, vinyl esters and styrenes with 2-methylene-1, 3-Dioxepan are known as hydrolyzable polymers for use in marine paints.
Die DE 39 30 097 A1 beschreibt UV-vernetzbare Copolymehsate aus cylischen olefinisch ungesättigten ringöffnend polymehsierenden Monomeren, olefinisch ungesättigten Monomeren, bevorzugt olefinisch ungesättigten Estern, und copolyme- risierbaren olefinisch ungesättigten Acetophenon- oder Benzophenondehvaten. Diese Polymere eignen sich als Überzugs-, Imprägnier- und Klebemittel, insbesondere als Haftklebemittel.DE 39 30 097 A1 describes UV-crosslinkable copolymers of cyclic olefinically unsaturated ring-opening polymerizing monomers, olefinically unsaturated monomers, preferably olefinically unsaturated esters, and copolymerizable olefinically unsaturated acetophenone or benzophenone derivatives. These polymers are suitable as coating, impregnating and adhesive agents, in particular as pressure-sensitive adhesives.
Die DE 43 07 759 C1 beschreibt biologisch abbaubare Copolymerisate von Vinylestern mit cyclischen Ketenacetalen. Die Copolymerisate sind jedoch nicht io- nisch.DE 43 07 759 C1 describes biodegradable copolymers of vinyl esters with cyclic ketene acetals. However, the copolymers are not ionic.
Die US 6,534,610 B1 offenbart biologisch abbaubare Copolymere aus einem ersten Monomer aus der Gruppe der Olefine und einem zweiten Monomer, welches eine hydrolytisch spaltbare Gruppe enthält, beispielsweise ein Acetal, ein Ketal, einen Ester oder ein Imid. Dabei befinden sich die hydrolysierbaren Gruppen des erfindungsgemäßen Copolymers ausschließlich in der Hauptkette und niemals in einer Seitenkette. Gemäß der Lehre der US 6,534,610 B1 sind Copolymere besser abbaubar, wenn sich die hydrolytisch spaltbaren Gruppen ausschließlich in der Hauptkette befinden. Die Herstellung der Copolymere erfolgt durch Übergangsme- tall-katalysierte Polymerisation, bevorzugt in Gegenwart von Metallocen- oder Brookhart-Katalysatoren.US 6,534,610 B1 discloses biodegradable copolymers of a first monomer from the group of olefins and a second monomer which contains a hydrolytically cleavable group, for example an acetal, a ketal, an ester or an imide. In this case, the hydrolyzable groups of the copolymer according to the invention are exclusively in the main chain and never in a side chain. According to the teaching of US Pat. No. 6,534,610 B1, copolymers are more readily degradable if the hydrolytically cleavable groups are located exclusively in the main chain. The copolymers are prepared by transition metal-catalyzed polymerization, preferably in the presence of metallocene or Brookhart catalysts.
Die EP 1 267 953 B1 beschreibt Zusammensetzungen von vernetzbaren Präpolymeren für bioabbaubare Implantate. Die Erfindung betrifft insbesondere vernetz- bare Polyester, Polyorthoester und Polyacetal-Vorpolymere, die als in situ- Implantate für Knochen- und Periodontal-Kavitäten geeignet sind.EP 1 267 953 B1 describes compositions of crosslinkable prepolymers for biodegradable implants. The invention relates in particular to crosslinked polyester, polyorthoesters and polyacetal prepolymers which are suitable as in situ implants for bone and periodontal cavities.
Copolymere aus cyclischen, ringöffnenden Ketenacetalen und Acrylsäurederiva- ten sind im Stand der Technik bekannt. Allerdings gibt es bislang keine derartigen Copolymere, die außerdem ionische Gruppen enthalten.Copolymers of cyclic, ring-opening ketene acetals and acrylic acid derivatives are known in the art. However, so far there are no such copolymers, which also contain ionic groups.
So beschreiben Wickel et al. in Macromolecules 2003, 36, 2397-2403 Homopoly- mere und Random-Copolymere aus 5,6-Benzo-2-methylen-1 ,3-dioxepan und Me- thylmethacrylat. Ren und Agarwal beschreiben in Macrom Chem Phys 2007,208, 245-253 Coester aus 5,6-Benzo-2-methylen-1 ,3-dioxepan und N- isopropylacrylamid. Der hydrolytische und enzymatische Abbau von Terpolymeren aus zwei verschiedenen PEG-Methacrylaten und 5,6-Benzo-2-methylen-1 ,3- dioxepan wird in Lutz et al., Macromolecules 2007, 40, 8540-8543 beschrieben. In allen drei genannten Arbeiten werden jedoch keine ionischen Copolymere be- schrieben.Thus, Wickel et al. in Macromolecules 2003, 36, 2397-2403 homopolymers and random copolymers of 5,6-benzo-2-methylene-1, 3-dioxepan and methyl methacrylate. Ren and Agarwal in Macrom Chem Phys 2007,208, 245-253 describe coesters of 5,6-benzo-2-methylene-1,3-dioxepan and N-isopropylacrylamide. The hydrolytic and enzymatic degradation of terpolymers of two different PEG methacrylates and 5,6-benzo-2-methylene-1,3-dioxepane is described in Lutz et al., Macromolecules 2007, 40, 8540-8543. However, in all three works mentioned no ionic copolymers are described.
Die vorliegende Erfindung stellt dagegen neuartige Copolymere bereit, die biologisch abbaubare Estergruppierungen im Polymerrückgrat sowie ionische Gruppen in den Seitenketten aufweisen. Dabei wird vom bekannten Verfahren des Einfüh- rens von Estergruppen in ein Polyvinyl-Polymerrückgrat mittels Kombination von freier radikalischer Polymerisation und radikalisch ringöffnender Polymerisation ausgegangen. Durch die neuartige Einführung von ionischen Gruppen in die Seitenketten wurden überraschend ionische Copolymere mit neuen Eigenschaften gefunden: Die erfindungsgemäßen ionischen Copolymere sind sehr gut biologisch abbaubar, und durch die ionischen Gruppen in den Seitenketten haben sie gegenüber den bekannten Copolymeren aus Dioxepanen und Acrylsäuredehvaten neue, überraschende Eigenschaften. AufgabeIn contrast, the present invention provides novel copolymers having biodegradable ester moieties in the polymer backbone and ionic groups in the side chains. The starting point is the known process of introducing ester groups into a polyvinyl polymer backbone by means of a combination of free-radical polymerization and free-radical ring-opening polymerization. The novel introduction of ionic groups into the side chains surprisingly ionic copolymers have been found with new properties: The ionic copolymers of the invention are very readily biodegradable, and by the ionic groups in the side chains they have compared to the known copolymers of dioxepans and Acrylsäuredehvaten new, surprising Properties. task
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, hydrolytisch abbaubare polyionische Verbindungen bereitzustellen, die ionische Gruppen in den Seitenketten sowie Estergruppierungen im Polymerrückgrat und in den Seitenketten aufweisen, sowie Verfahren zur Herstellung dieser hydrolytisch abbaubaren polyionischen Verbindungen.The object of the present invention is to provide hydrolytically degradable polyionic compounds which have ionic groups in the side chains and ester groups in the polymer backbone and in the side chains, as well as processes for the preparation of these hydrolytically degradable polyionic compounds.
Lösung der AufgabeSolution of the task
Die Aufgabe der Bereitstellung hydrolytisch abbaubarer polyionischer Verbindungen wird erfindungsgemäß gelöst durch polyionische Copolymehsate, die aufgebaut sind aus a) 10 bis 55 Mol-% eines cyclischen Ketenacetals A, b) 4 bis 90 Mol-% eines Methacrylsäurederivats B, c) 0 bis 80 % Mol-% eines Methacrylsäurederivats C, wobei die Summe der Komponenten A, B und C 100 Mol-% beträgt, und wobeiThe object of providing hydrolytically degradable polyionic compounds is inventively achieved by polyionic Copolymehsate which are composed of a) 10 to 55 mol% of a cyclic ketene acetal A, b) 4 to 90 mol% of a methacrylic acid derivative B, c) 0 to 80% Mol% of a methacrylic acid derivative C, wherein the sum of the components A, B and C is 100 mol%, and wherein
das cyclische Ketenacetal A ausgewählt ist aus the cyclic ketene acetal A is selected from
2- Methyl en- 1 , 3-dioxan2-methylene-1,3-dioxane
2-M ethylen-1 ,3-dioxepan (III) (MDO)2-M ethylene-1, 3-dioxepane (III) (MDO)
5,6-Benzo-2-methylen-1 ,3-dioxepan5,6-Benzo-2-methylene-1,3-dioxepane
(I) (BMDO)(I) (BMDO)
("I)(I ")
2-Methylen-1 ,3-dioxolan2-methylene-1,3-dioxolane
4,5-Dialkyl-2-methylen-4,5-dialkyl-2-methylene
5,6-Dialkyl-2-methylen- 1 ,3-dioxolan 1 ,3-dioxepan (V)5,6-dialkyl-2-methylene-1,3-dioxolane 1,3-dioxepane (V)
(VI)(VI)
(IV)(IV)
worin R1 und R2 unabhängig voneinander für eine lineare oder verzweigte Alkylgruppe mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen stehen,wherein R 1 and R 2 independently of one another represent a linear or branched alkyl group having 1 to 12 carbon atoms,
und das Methacrylsäurederivat B ausgewählt ist aus - 2-Methyl-methacrylat (VII)and the methacrylic acid derivative B is selected from 2-methyl-methacrylate (VII)
MM
- [2-(2-Methyl-1 -methylen-allyloxy)]-ethansulfonat (VIII)[2- (2-methyl-1-methylene-allyloxy)] ethanesulfonate (VIII)
[2-(2-Methyl-1 -methylen-allyloxy)ethyl]-phosphonat (IX)[2- (2-Methyl-1-methylene-allyloxy) ethyl] -phosphonate (IX)
wobei M+ ein Lithium-, Natrium-, Kalium-, Ammonium- oder Tetraalkyl- ammonium-Kation darstellt und es sich bei dem polyionischen Copoly- merisat um ein anionisches Copolymerisat handelt, where M + represents a lithium, sodium, potassium, ammonium or tetraalkylammonium cation and the polyionic copolymer is an anionic copolymer,
N,N-Dimethylaminoethylmethacrylsäure (DMAEMA) gemäß Formel (Xa)N, N-Dimethylaminoethylmethacrylic acid (DMAEMA) according to formula (Xa)
wobei 45% bis 95% des DMAEMA ionisiert in Form eines quaternären Amins der Formel (Xb) vorliegen, so dass es sich bei polyionischen Copolymerisat um ein kationisches Copolymehsat handelt, wobei wherein 45% to 95% of DMAEMA is ionized in the form of a quaternary amine of formula (Xb), so that it is a cationic Copolymehsat polyionic copolymer, wherein
R3 eine lineare oder verzweigte Alkylgruppe mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen oder eine Benzylgruppe der Formel (Xl)R 3 is a linear or branched alkyl group having 1 to 12 carbon atoms or a benzyl group of the formula (XI)
mit n = 0 - 12 darstellt und X" für Fluorid, Chlorid oder Bromid steht, with n = 0-12 and X "is fluoride, chloride or bromide,
und wobei das Methacrylsäurederivat C ausgewählt ist aus Verbindungen gemäß Formel (XII)and wherein the methacrylic acid derivative C is selected from compounds of the formula (XII)
worin R ausgewählt ist aus wherein R is selected from
-OCH3, -N(CH3)2, einem Oligoethylenglykol der allgemeinen Formel -O-(CH2-CH2-O)mH, einem co-Methoxy-oligoethylenglykol der allgemeinen Formel -O-(CH2-CH2-O)m-CH3, wobei m eine natürliche Zahl zwischen 1 und 12 darstellt, Vinylacetat, Acrylnitril, 2-Hydroxyethylmethacrylat, N-Vinylformamid, N- Vinylacetamid, N-Methyl-N-vinylacetamid, N-Vinylcaprolactam, N- Vinylpyrrolidon, N-2-Hydroxypropylmethacrylamid, N-3-Hydroxypropylmeth- acrylamid, N,N-Dimethylacrylamid, Styrol, N,N-Dimethylaminostyrol.-OCH 3 , -N (CH 3 ) 2 , an oligoethylene glycol of the general formula -O- (CH 2 -CH 2 -O) m H, a co-methoxy-oligoethylenglykol the general formula -O- (CH 2 -CH 2 -O) m -CH 3 , where m is a natural number between 1 and 12, Vinyl acetate, acrylonitrile, 2-hydroxyethyl methacrylate, N-vinylformamide, N-vinylacetamide, N-methyl-N-vinylacetamide, N-vinylcaprolactam, N-vinylpyrrolidone, N-2-hydroxypropylmethacrylamide, N-3-hydroxypropylmethacrylamide, N, N Dimethylacrylamide, styrene, N, N-dimethylaminostyrene.
Überraschend wurde gefunden, dass die erfindungsgemäßen Copolymerisate, welche ionische Gruppen in den Seitenketten sowie Estergruppierungen im Polymerrückgrat und in den Seitenketten aufweisen, hydrolytisch abbaubar sind. Bei den ionischen Gruppierungen kann es sich um kationische oder anionische Grup- pierungen handeln.Surprisingly, it has been found that the copolymers according to the invention which have ionic groups in the side chains and ester groups in the polymer backbone and in the side chains are hydrolytically degradable. The ionic groups may be cationic or anionic groups.
Unter „Copolymer" werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung solche Polymere verstanden, die mehrere Monomersorten enthalten. Dementsprechend werden die Produkte der Reaktion mehrerer Monomersorten als „Copolymerisate" be- zeichnet.In the context of the present invention, "copolymer" is understood to mean those polymers which contain a plurality of types of monomer Accordingly, the products of the reaction of several types of monomer are referred to as "copolymers".
„Hydrolytisch abbaubar" bedeutet, dass die erfindungsgemäßen ionischen Copo- lymere eine hydrolysierbare Komponente im Polymerrückgrat enthalten, die es ermöglicht, dass die Copolymere in kleinere Abbauprodukte zerlegt werden, wenn sie Wasser ausgesetzt werden.By "hydrolytically degradable" is meant that the ionic copolymers of the present invention contain a hydrolyzable moiety in the polymer backbone that allows the copolymers to be broken down into smaller degradation products when exposed to water.
Unter „kationischen" Gruppierungen werden organische Kationen verstanden; in der vorliegenden Erfindung sind dies quaternäre Ammoniumgruppierungen. „Anionische" Gruppierungen bezieht sich analog auf organische Anionen, wobei es sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung um Methacrylate, Sulfonate und Phosphonate handelt.By "cationic" moieties are meant organic cations, in the present invention they are quaternary ammonium moieties. "Anionic" moieties refer analogously to organic anions, which in the context of the present invention are methacrylates, sulfonates and phosphonates.
Den ionischen Gruppierungen liegen ungeladene Amino-, Methacrylsäure-, SuI- fonsäure- oder Phosphonsäuregruppen zu Grunde. Diese Gruppen sind ionisierbar, d.h. sie lassen sich in die entsprechenden Kationen bzw. Anionen überfüh- ren.The ionic groups are based on uncharged amino, methacrylic acid, sulfonic acid or phosphonic acid groups. These groups are ionizable, i. they can be converted into the corresponding cations or anions.
Erfindungsgemäß befinden sich die ionischen und/oder ionisierbaren Gruppen in der Seitenkette der erfindungsgemäßen Copolymere. Unter „ionischen Gruppen" wird dabei verstanden, dass die Methacrylsäuren, SuI- fonsäuren, Phosphorsäuren oder Aminogruppen in Form ihrer korrespondierenden Salze vorliegen. Im Falle der Methacrylsäuren, Sulfonsäuren und Phosphon- säuren sind diese korrespondierenden Salze Tetraalkylamine, Lithium-, Natrium-, Kalium- oder Ammoniumsalze der entsprechenden Methacrylate, Sulfonate und Phosphonate. Im Falle von N,N-Dimethylaminoethylmethacrylsäure (DMAEMA) handelt es sich bei den korrespondierenden ionischen Gruppen um quaternäre Ammoniumsalze gemäß Formel (Xb).According to the invention, the ionic and / or ionizable groups are located in the side chain of the copolymers according to the invention. By "ionic groups" it is meant that the methacrylic acids, sulfonic acids, phosphoric acids or amino groups are present in the form of their corresponding salts In the case of methacrylic acids, sulfonic acids and phosphonic acids, these corresponding salts are tetraalkylamines, lithium, sodium and potassium In the case of N, N-dimethylaminoethyl methacrylic acid (DMAEMA), the corresponding ionic groups are quaternary ammonium salts of the formula (Xb).
„lonisierbare Gruppen" sind dementsprechend ungeladene Methacrylsäure-, SuI- fonsäure-, Phosphonsäure- und N,N-Dimethylaminomethacrylsäuregruppen.Accordingly, "ionisable groups" are uncharged methacrylic acid, sulfonic acid, phosphonic acid and N, N-dimethylaminomethacrylic acid groups.
Erfindungsgemäße Copolymerisate, die ionische Gruppen gemäß obiger Definition enthalten, werden nachfolgend auch kurz als „ionische Copolymerisate" bezeichnet, und in analoger Weise wird nachfolgend auch von „ionischen Copolyme- ren" gesprochen.Copolymers according to the invention which contain ionic groups as defined above are also referred to below as "ionic copolymers", and in an analogous manner hereinafter also referred to as "ionic copolymers".
Handelt es sich bei den ionischen und/oder ionisierbaren Gruppen um Aminogruppen bzw. deren korrespondierende quaternäre Amine, so werden die Copolymerisate bzw. Copolymere als „kationische Copolymerisate" bzw. „kationische Copolymere" bezeichnet. Handelt es sich bei den ionischen und/oder ionisierbaren Gruppen um Methacrylsäuren, Sulfonsäuren oder Phosphorsäure bzw. deren korrespondierende Salze, so werden die Copolymerisate bzw. Copolymere als „anionische Copolymerisate" bzw. „anionische Copolymere" bezeichnet.If the ionic and / or ionizable groups are amino groups or their corresponding quaternary amines, the copolymers or copolymers are referred to as "cationic copolymers" or "cationic copolymers". If the ionic and / or ionizable groups are methacrylic acids, sulfonic acids or phosphoric acid or their corresponding salts, the copolymers or copolymers are referred to as "anionic copolymers" or "anionic copolymers".
Die erfindungsgemäßen polyionischen Copolymerisate sind nach außen elektrisch neutral, da die Ladung der ionischen Gruppierungen durch gegensinnig geladene Ionen ausgeglichen wird. Im Falle von quaternären Ammoniumgruppierungen sind die Gegenionen bevorzugt Halogenide, ausgewählt aus Fluorid, Chlorid und Bro- mid. Im Falle von Methacrylsäuren, Sulfonsäuren oder Phosphonsäuren sind die Gegenionen bevorzugt Lithium-, Natrium-, Kalium-, Ammonium und Tetraalky- lammoniumionen.The polyionic copolymers of the invention are electrically neutral to the outside, since the charge of the ionic groups is compensated by oppositely charged ions. In the case of quaternary ammonium moieties, the counterions are preferably halides selected from fluoride, chloride and bromide. In the case of methacrylic acids, sulfonic acids or phosphonic acids, the counterions are preferably lithium, sodium, potassium, ammonium and tetraalkylammonium ions.
Cyclische Ketenacetale A werden ausgewählt aus 2-Methylen-1 ,3-dioxepan (MDO) (I), 4,5-Dialkyl-2-methylen-1 ,3-dioxolan (VI), 5,6-Benzo-2-methylen-1 ,3- dioxepan (BMDO) (II), 5,6-Dialkyl-2-methylen-1 ,3-dioxepan (IV), 2-Methylen-1 ,3- dioxan (III) und 2-Methylen-1 ,3-dioxolan (V).Cyclic ketene acetals A are selected from 2-methylene-1,3-dioxepane (MDO) (I), 4,5-dialkyl-2-methylene-1,3-dioxolane (VI), 5,6-benzo-2-methylene -1, 3 dioxepane (BMDO) (II), 5,6-dialkyl-2-methylene-1,3-dioxepane (IV), 2-methylene-1,3-dioxane (III) and 2-methylene-1,3-dioxolane ( V).
2-Methylen-1 ,3-dioxan2-methylene-1,3-dioxane
2-M ethylen-1 ,3-dioxepan (IM) (MDO)2-M ethylene-1, 3-dioxepane (IM) (MDO)
5,6-Benzo-2-methylen-1 ,3-dioxepan5,6-Benzo-2-methylene-1,3-dioxepane
(I) (BMDO)(I) (BMDO)
("I)(I ")
2-Methylen-1 ,3-dioxolan2-methylene-1,3-dioxolane
4,5-Dialkyl-2-methylen-4,5-dialkyl-2-methylene
5,6-Dialkyl-2-methylen- 1 ,3-dioxolan 1 ,3-dioxepan (V)5,6-dialkyl-2-methylene-1,3-dioxolane 1,3-dioxepane (V)
(VI)(VI)
(IV)(IV)
Im Falle von 5, -6-Dialkyl-2-methylen-1 ,3-dioxepan (IV) und 4,5-Dialkyl-2-methylen- 1 ,3-dioxolan (VI) stehen R1 und R2 unabhängig voneinander für eine lineare oder verzweigte Alkylgruppe mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen. Die lineare oder verzweigte Alkylgruppe mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen ist bei- spielsweise ausgewählt aus Methyl, Ethyl, n-Propyl, Isopropyl, 1 -Butyl, 2-Butyl, tert.-Butyl, 1 -Pentyl, 1 -Hexyl, 1 -Heptyl, 1 -Octyl, 1 -Nonyl, 1 -Decyl, 1 -Undecyl, 1 -Dodecyl. Der Anteil des cyclischen Ketenacetals A im erfindungsgemäßen hydrolytisch abbaubaren polyionischen Copolymerisat beträgt mindestens 10 Mol-%. Dabei sind 2-Methylen-1 ,3-dioxepan (MDO) und 5,6-Benzo-2-methylen-1 ,3-dioxepan bevorzugt.In the case of 5, -6-dialkyl-2-methylene-1, 3-dioxepan (IV) and 4,5-dialkyl-2-methylene-1, 3-dioxolane (VI) R 1 and R 2 are independently a linear or branched alkyl group having 1 to 12 carbon atoms. The linear or branched alkyl group having 1 to 12 carbon atoms is selected, for example, from methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, 1-butyl, 2-butyl, tert-butyl, 1-pentyl, 1-hexyl, 1-heptyl , 1-octyl, 1-nonyl, 1-decyl, 1-undecyl, 1-dodecyl. The proportion of the cyclic ketene acetal A in the hydrolytically degradable polyionic copolymer according to the invention is at least 10 mol%. In this case, 2-methylene-1, 3-dioxepane (MDO) and 5,6-benzo-2-methylene-1, 3-dioxepane are preferred.
Die erfindungsgemäßen hydrolytisch abbaubaren polyionischen Copolymerisate enthalten 4 bis 90 Mol-% eines Methacrylsäurederivats B.The hydrolytically degradable polyionic copolymers according to the invention contain from 4 to 90 mol% of a methacrylic acid derivative B.
Methacrylsäuredehvate B werden ausgewählt aus 2-Methylmethacrylat (VII), 2-(2- Methyl-1 -methylen-allyloxy)-ethansulfonsäure (VIII) und [2-(2-Methyl-1 -methylen- allyloxy)ethyl]-phosphonsäure (IX), falls es sich bei den erfindungsgemäßen biologisch abbaubaren Copolymerisaten um anionische Copolymerisate handelt:Methacrylic acid derivatives B are selected from 2-methylmethacrylate (VII), 2- (2-methyl-1-methylene-allyloxy) -ethanesulphonic acid (VIII) and [2- (2-methyl-1-methylene-allyloxy) ethyl] -phosphonic acid ( IX), if the biodegradable copolymers according to the invention are anionic copolymers:
(VIII)(VIII)
(IX)(IX)
Dabei ist M+ ein Tetraalkylammonium-, Ammonium-, Lithium-, Natrium- oder Kaliumkation.M + is a tetraalkylammonium, ammonium, lithium, sodium or potassium cation.
Im Falle, dass M+ ein Tetraalkylammoniumkation ist, handelt es sich bei den vier Alkylgruppen unabhängig voneinander um lineare oder verzweigte Alkylgruppen mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen. Die linearen oder verzweigten Alkylgruppe mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen ist beispielsweise ausgewählt aus Methyl, Ethyl, n-Propyl, Isopropyl, 1 -Butyl, 2-Butyl, tert.-Butyl, 1 -Pentyl, 1 -Hexyl, 1 -Heptyl, 1 -Octyl, 1 -Nonyl, 1 -Decyl, 1 -Undecyl, 1 - Dodecyl. Handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen hydrolytisch abbaubaren Copolyme- risat um ein kationisches Copolymehsat, so ist das Methacrylsäurederivat B ein Derivat der N,N-Dimethylaminoethylmethacrylsäure (DMAEMA) gemäß Formel (Xa)In the case where M + is a tetraalkylammonium cation, the four alkyl groups independently of one another are linear or branched alkyl groups having 1 to 12 carbon atoms. The linear or branched alkyl group having 1 to 12 carbon atoms is selected, for example, from methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, 1-butyl, 2-butyl, tert-butyl, 1-pentyl, 1-hexyl, 1-heptyl, 1 Octyl, 1 -nonyl, 1-decyl, 1-undecyl, 1-dodecyl. If the hydrolytically degradable copolymer according to the invention is a cationic copolymerate, the methacrylic acid derivative B is a derivative of N, N-dimethylaminoethyl methacrylic acid (DMAEMA) of the formula (Xa)
worin 45% bis 95% des DMAEMA ionisiert in Form eines quaternären Amins der Formel (Xb) vorliegen,wherein 45% to 95% of DMAEMA ionizes in the form of a quaternary amine of formula (Xb),
wobei in which
R3 eine lineare oder verzweigte Alkylgruppe mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen oder eine Benzylgruppe der Formel (Xl)R 3 is a linear or branched alkyl group having 1 to 12 carbon atoms or a benzyl group of the formula (XI)
mit n = 0 - 12 darstellt und X" für Fluorid, Chlorid oder Bromid steht. Hierbei sind Bromide gegenüber Fluoriden und Chloriden bevorzugt. Die lineare oder verzweigte Alkylgruppe mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen ist beispielsweise ausgewählt aus Methyl, Ethyl, n-Propyl, Isopropyl, 1 -Butyl, 2-Butyl, tert.-Butyl, 1 -Pentyl, 1 -Hexyl, 1 -Heptyl, 1 -Octyl, 1 -Nonyl, 1 -Decyl, 1 -Undecyl, 1 -Dodecyl. where n = 0-12 and X "is fluoride, chloride or bromide, bromides being preferred over fluorides and chlorides The linear or branched alkyl group having 1 to 12 carbon atoms is selected from, for example, methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl , 1-butyl, 2-butyl, tert -butyl, 1-pentyl, 1 -hexyl, 1 -heptyl, 1-octyl, 1 -nonyl, 1-decyl, 1-undecyl, 1 -dodecyl.
Bevorzugt sind solche quaternären Amine gemäß Formel Xl, bei denen R3 ausgewählt ist aus Ethyl, n-Butyl, n-Hexyl, n-Octyl, n-Dodecyl.Preference is given to those quaternary amines according to formula XI in which R 3 is selected from ethyl, n-butyl, n-hexyl, n-octyl, n-dodecyl.
Die erfindungsgemäßen hydrolytisch abbaubaren polyionischen Copolymerisate enthalten 0 bis 80 Mol-% eines Methacrylsäurederivats C.The hydrolytically degradable polyionic copolymers according to the invention contain 0 to 80 mol% of a methacrylic acid derivative C.
Das Methacrylsäurederivat C wird ausgewählt aus Verbindungen gemäß FormelThe methacrylic acid derivative C is selected from compounds of the formula
(XII)(XII)
worin R4 ausgewählt ist aus -OCH3, -N(CH3)2, einem Oligoethylenglykol der allgemeinen Formel -O-(CH2-CH2-O)mH und einem co-Methoxy-oligoethylenglykol der allgemeinen Formel -O-(CH2-CH2-O)m-CH3, wobei m eine natürliche Zahl zwi- sehen 1 und 12 darstellt.in which R 4 is selected from -OCH 3 , -N (CH 3 ) 2 , an oligoethylene glycol of the general formula -O- (CH 2 -CH 2 -O) m H and a co-methoxy-oligoethylene glycol of the general formula -O- (CH 2 -CH 2 -O) m -CH 3 , where m represents a natural number between 1 and 12.
Das Methacrylsäurederivat C wird bevorzugt ausgewählt aus Oligoethylenglycol- methacrylat (genauer: Nonaethylenglycol-methacrylat) OEGMA, 2-(2- Methoxyethoxy)ethyl-methacrylat (MEO2MA), Methylmethacrylat (MMA), N, N, 2- Trimethylacrylamid und 2-Methylacrylsäure-(2-hydroxyethyl)-ester: The methacrylic acid derivative C is preferably selected from oligoethylene glycol methacrylate (to be more specific: nonaethylene glycol methacrylate) OEGMA, 2- (2-methoxyethoxy) ethyl methacrylate (MEO 2 MA), methyl methacrylate (MMA), N, N, 2-trimethylacrylamide and 2- Methylacrylsäure- (2-hydroxyethyl) ester:
OEGMA OEGMA
MEOoMAMEOoMA
Die erfindungsgemäßen hydrolytisch abbaubaren Copolymere weisen ein zahlenmittleres Molekulargewicht Mn von 10.000 bis 100.000 auf. Dies gilt sowohl für Dipolymere als auch für Terpolymere.The hydrolytically degradable copolymers of the invention have a number average molecular weight M n of 10,000 to 100,000. This applies to both dipolymers and terpolymers.
Die ionischen Copolymerisate sind aufgebaut aus a) 10 bis 55 Mol-% eines cyclischen Ketenacetals A, ausgewählt aus MDO und BMDO b) 4 bis 90 Mol-% eines Methacrylsäurederivats B, c) 0-80 Mol-% eines Methacrylsäurederivats C, wobei die Summe der Komponenten A, B und C 100 Mol-% beträgt. Dabei sind MDO, BMDO, B und C wie oben definiert. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die ionischen Copolymerisa- te aufgebaut aus a) 10 bis 55 Mol-% eines cyclischen Ketenacetals A, b) 4 bis 90 Mol-% eines Methacrylsäurederivats B, c) 0-80 Mol-% eines Methacrylsäurederivats C, ausgewählt aus Oligoethy- lenglycol-methacrylat OEGMA, 2-(2-Methoxyethoxy)ethyl-methacrylat (MEO2MA), Methylmethacrylat (MMA), N,N,2-Thmethylacrylamid und 2- Methylacrylsäure-(2-hydroxyethyl)-ester wobei die Summe der Komponenten A, B und C 100 Mol-% beträgt. Dabei sind A, B, OEGMA, MEO2MA und MMA wie oben definiert.The ionic copolymers are composed of a) 10 to 55 mol% of a cyclic ketene acetal A selected from MDO and BMDO b) 4 to 90 mol% of a methacrylic acid derivative B, c) 0-80 mol% of a methacrylic acid derivative C, wherein the Sum of components A, B and C is 100 mol%. MDO, BMDO, B and C are as defined above. In a further preferred embodiment, the ionic copolymers are composed of a) 10 to 55 mol% of a cyclic ketene acetal A, b) 4 to 90 mol% of a methacrylic acid derivative B, c) 0-80 mol% of a methacrylic acid derivative C, selected from oligoethylene glycol methacrylate OEGMA, 2- (2-methoxyethoxy) ethyl methacrylate (MEO 2 MA), methyl methacrylate (MMA), N, N, 2-thmethylacrylamide and 2-methylacrylic acid (2-hydroxyethyl) ester wherein the sum of components A, B and C is 100 mol%. Here, A, B, OEGMA, MEO 2 MA and MMA are as defined above.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die ionischen Copolymerisa- te aufgebaut aus a) 10 - 55 Mol% eines cyclischen Ketenacetals A, b) 4 - 90 Mol-% des Methacrylsäurederivats DMAEMA, worin 45 % bis 95 % ionisiert in Form eines quaternären Amins der Formel (Xb) vorliegen, c) 0-80 Mol-% eines Methacrylsäurederivats C, wobei die Summe der Komponenten A, B und C 100 Mol-% beträgt. Dabei sind A, DMAEMA und C wie oben definiert.In a further preferred embodiment, the ionic copolymers are composed of a) 10-55 mol% of a cyclic ketene acetal A, b) 4-90 mol% of the methacrylic acid derivative DMAEMA, in which 45% to 95% ionized in the form of a quaternary amine C) 0-80 mol% of a methacrylic acid derivative C, wherein the sum of the components A, B and C is 100 mol%. A, DMAEMA and C are as defined above.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die ionischen Copolymerisa- te aufgebaut aus a) 10 - 55 Mol-% eines cyclischen Ketenacetals A, b) 4 - 90 Mol-% 2-Methyl-methacrylat gemäß Formel (VII), c) 0 - 80 Mol-% eines Methacrylsäurederivats C, wobei die Summe der Komponenten A, B und C 100 Mol-% beträgt. Dabei sind A und C wie oben definiert.In a further preferred embodiment, the ionic copolymers are composed of a) 10-55 mol% of a cyclic ketene acetal A, b) 4-90 mol% of 2-methyl methacrylate of the formula (VII), c) 0-80 Mol% of a methacrylic acid derivative C, wherein the sum of the components A, B and C is 100 mol%. Here, A and C are as defined above.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die ionischen Copolymerisa- te aufgebaut aus a) 10 - 55 Mol-% eines cyclischen Ketenacetals A, b) 4 - 90 Mol-% [2-(2-Methyl-1 -methylen-allyloxy)-ethyl]-ethansulfonat gemäß Formel (VIII), c) 0 - 80 Mol-% eines Methacrylsäurederivats C, wobei die Summe der Komponenten A, B und C 100 Mol-% beträgt. Dabei sind A und C wie oben definiert.In a further preferred embodiment, the ionic copolymers are composed of a) 10-55 mol% of a cyclic ketene acetal A, b) 4-90 mol% of [2- (2-methyl-1-methylene-allyloxy) -ethyl] -ethanesulfonate according to formula (VIII), c) 0-80 mol% of a methacrylic acid derivative C, where the sum of the components A, B and C is 100 mol%. Here, A and C are as defined above.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die ionischen Copolymerisa- te aufgebaut aus a) 10 - 55 Mol-% eines cyclischen Ketenacetals A, b) 4 bis 90 Mol-% [2-(2-Methyl-1 -methylen-allyloxy)ethyl]-phosphonat gemäß Formel (IX), c) 0-80 Mol-% eines Methacrylsäurederivats C, wobei die Summe der Komponenten A, B und C 100 Mol-% beträgt. Dabei sind A und C wie oben definiert.In a further preferred embodiment, the ionic copolymers are composed of a) 10-55 mol% of a cyclic ketene acetal A, b) 4-90 mol% of [2- (2-methyl-1-methylene-allyloxy) ethyl] c) 0-80 mol% of a methacrylic acid derivative C, wherein the sum of the components A, B and C is 100 mol%. Here, A and C are as defined above.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die ionischen Copolymerisa- te aufgebaut aus a) 10 bis 55 Mol-% eines cyclischen Ketenacetals A, b) 4 bis 90 Mol-% eines Methacrylsäurederivats B, c) 0 Mol-% eines Methacrylsäurederivats C, wobei die Summe der Komponenten A und B 100 Mol-% beträgt, so dass es sich um ein Dipolymer handelt. Dabei sind A, B und C wie oben definiert.In a further preferred embodiment, the ionic copolymers are composed of a) 10 to 55 mol% of a cyclic ketene acetal A, b) 4 to 90 mol% of a methacrylic acid derivative B, c) 0 mol% of a methacrylic acid derivative C, wherein the Sum of the components A and B is 100 mol%, so that it is a dipolymer. A, B and C are as defined above.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die ionischen Copolymerisa- te aufgebaut aus a) 10 bis 55 Mol-% eines cyclischen Ketenacetals A, ausgewählt aus MDO und BMDO, b) 4 bis 90 Mol-% DMAEMA, welches zu 45 % bis 95 % % in Form eines quaternären Amins vorliegt c) 0 bis 80 Mol-% eines Methacrylsäurederivats C, wobei die Summe der Komponenten A, B und C 100 Mol-% beträgt und wobei das quaternäre Amin des DMAEMA sowie das Methacrylsäurederivat C wie oben definiert sind.In a further preferred embodiment, the ionic copolymers are composed of a) from 10 to 55 mol% of a cyclic ketene acetal A selected from MDO and BMDO, b) from 4 to 90 mol% DMAEMA, which contains from 45% to 95% in the form of a quaternary amine c) 0 to 80 mol% of a methacrylic acid derivative C, wherein the sum of the components A, B and C is 100 mol%, and wherein the quaternary amine of the DMAEMA and the methacrylic acid derivative C are as defined above.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die ionischen Copolymeri- sate aufgebaut aus a) 10 bis 55 Mol-% eines cyclischen Ketenacetals A, ausgewählt aus MDO und BMDO, b) 4 bis 90 Mol-% DMAEMA, welches zu 45 % bis 95 % in Form eines qua- ternären Amins vorliegt c) 0 bis 80 Mol-% MMA, wobei die Summe der Komponenten A, B und C 100 Mol-% beträgt und wobei das quaternäre Amin des DMAEMA wie oben definiert ist.In a particularly preferred embodiment, the ionic copolymers are composed of a) 10 to 55 mol% of a cyclic ketene acetal A, selected from MDO and BMDO, b) 4 to 90 mol% DMAEMA, which is 45% to 95% in The form of a quaternary amine is c) 0 to 80 mol% MMA, the sum of components A, B and C being 100 mol% and the quaternary amine of DMAEMA being as defined above.
Alle erfindungsgemäßen ionischen Copolymere - sowohl die kationischen als auch die anionischen - sind hydrolytisch abbaubar gemäß obiger Definition.All ionic copolymers of the invention - both cationic and anionic - are hydrolytically degradable as defined above.
Des Weiteren wurden solche erfindungsgemäßen ionischen Copolymere, die mindestens 40 Mol-% Estergruppierungen im Polymerrückgrat enthalten, im Hinblick auf ihre biologische Abbaubarkeit untersucht. Im Falle von kationischen erfindungsgemäßen Copolymeren enthielten die Copolymere außerdem maximal 20 % kationische Gruppen, d.h. maximal 20 Mol-% des kationischen Copolymers entfielen auf quaternäre Amine von DMAEMA. Es wurde gefunden, dass diese genannten erfindungsgemäßen ionischen Copolymere biologisch abbaubar sind, beispielsweise, indem man sie üblichen Kom- posten beimischt.Furthermore, such ionic copolymers of the present invention containing at least 40 mole% ester moieties in the polymer backbone have been evaluated for biodegradability. In the case of cationic copolymers of the invention, the copolymers also contained a maximum of 20% cationic groups, i. not more than 20 mol% of the cationic copolymer was accounted for by quaternary amines from DMAEMA. It has been found that these abovementioned ionic copolymers according to the invention are biodegradable, for example by admixing them with conventional comopters.
Unter biologisch abbaubar wird dabei verstanden, dass eine Verbindung (hier: ein erfindungsgemäßes Copolymer durch Enzyme und/oder Mikroorganismen in klei- nere Abbauprodukte zerlegt wird. Bevorzugt handelt es sich dabei um solche Enzyme und Mikroorganismen, die in Komposten zu finden sind. Außerdem wurde die antimikrobielle Wirkung der erfindungsgemäßen kationischen Copolymere untersucht. Es wurde gefunden, dass die erfindungsgemäßen kationischen Copolymere antimikrobiell sind, wenn sie mindestens 50 Mol-% der Komponente B enthalten, also ein quaternäres Amin von DMAEMA gemäß obiger Definition der Komponente B. Es handelt sich beispielsweise um Komponenten B gemäß Formel (XIII):By biodegradable it is meant that a compound (here: a copolymer according to the invention is decomposed by enzymes and / or microorganisms into smaller degradation products, preferably those enzymes and microorganisms which can be found in composts. In addition, the antimicrobial activity of the cationic copolymers according to the invention was investigated. It has been found that the cationic copolymers according to the invention are antimicrobial if they contain at least 50 mol% of component B, ie a quaternary amine of DMAEMA according to the above definition of component B. These are, for example, components B according to formula (XIII):
dabei steht q für die Kettenlänge der Komponente B, und r ist eine natürliche Zahl zwischen 1 und 1 1. where q is the chain length of component B, and r is a natural number between 1 and 1.
Die antimikrobielle Wirkung wurde sowohl für Dipolymere als auch für Terpolyme- re an Eschericia coli gezeigt.The antimicrobial effect has been demonstrated for both dipolymers and terpolymers on Eschericia coli.
Unter antimikrobiell wird verstanden, dass ein Stoff (hier: ein erfindungsgemäßes kationisches Copolymer) die Vermehrungsfähigkeit oder Infektiosität von Mikroorganismen reduziert oder sie abtötet beziehungsweise inaktiviert.Antimicrobial is understood to mean that a substance (in this case a cationic copolymer according to the invention) reduces the ability to multiply or infect microorganisms or kills or inactivates them.
Zusammengefasst ist für kationische Copolymere festzuhalten, dass a) kationische Copolymere, die mindestens 40 Mol-% A und gleichzeitig ma- ximal 20 Mol-% B enthalten, biologisch abbaubar sind,In summary, for cationic copolymers, it should be noted that a) cationic copolymers containing at least 40 mol% A and at the same time a maximum of 20 mol% B are biodegradable,
b) kationische Copolymere, die mindestens 50 Mol-% B enthalten, antimikrobiell sind, unabhängig davon, wie viel Mol-% der Komponente A sie enthalten. Dies gilt sowohl für kationische Dipolymere als auch für kationische Terpolymere. Die erfindungsgemäßen anionischen Copolymehsate werden hergestellt, indem die Komponenten A, B und C in Gegenwart eines Radikalstarters unter Schutzgasatmosphäre polymehsiert und das erhaltene ionische Copolymer anschließend gereinigt wird. Dabei ist die Komponente B ausgewählt aus einem Methacrylat (I), einem Sulfonat (II) und einem Phosphonat (III) gemäß obiger Definition.b) cationic copolymers containing at least 50 mole% B are antimicrobial, regardless of how many mole% of component A they contain. This applies to both cationic dipolymers and cationic terpolymers. The novel anionic copolymers are prepared by polymerizing components A, B and C in the presence of a free-radical initiator under a protective gas atmosphere and subsequently purifying the resulting ionic copolymer. Component B is selected from a methacrylate (I), a sulfonate (II) and a phosphonate (III) as defined above.
Die erfindungsgemäßen kationischen Copolymehsate werden hergestellt durch ein Verfahren umfassend folgende Schritte: a) freie radikalische Copolymehsation der Komponenten A, DMAEMA und C in Gegenwart eines Radikalstarters unter Schutzgasatmosphäre, b) Reinigung des erhaltenen neutralen Copolymers, c) Reaktion des neutralen Copolymers mit einem Quaternisierungsrea- genz, so dass 45 bis 95 % des DMAEMA quaternisiert werden, d) Reinigung des so erhaltenen ionischen Copolymers. Dabei handelt es sich bei Komponente B um DMAEMA (Xa).The cationic copolymers of the invention are prepared by a process comprising the following steps: a) free radical copolymerization of components A, DMAEMA and C in the presence of a radical initiator under a protective gas atmosphere, b) purification of the resulting neutral copolymer, c) reaction of the neutral copolymer with a quaternization reaction genz, so that 45 to 95% of the DMAEMA are quaternized, d) purification of the ionic copolymer thus obtained. Component B is DMAEMA (Xa).
Das auf diese Weise erhaltene Copolymer ist neutral, da nicht quaternisiertes DMAEMA eingesetzt wird. Die Reaktion des neutralen Copolymers zum ionischen Copolymer gemäß Schritt c) erfolgt durch Umsetzung mit einem Quaternisierungs- reagenz, ausgewählt ausThe copolymer obtained in this way is neutral because non-quaternized DMAEMA is used. The reaction of the neutral copolymer to the ionic copolymer according to step c) is carried out by reaction with a quaternizing reagent selected from
- einem primären Halogenalkan mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen, wobei die Kohlenstoffkette linear oder verzweigt sein kann, unda primary haloalkane of 1 to 12 carbon atoms, which carbon chain may be linear or branched, and
- einem Benzylhalogenid der allgemeinen Formela benzyl halide of the general formula
mit t = 0 bis 12, wobei X für ein Halogenatom steht und das Halogen sowohl im Falle des primären Halogenalkans als auch im Falle des Benzylhalogenids ausgewählt ist aus Fluor, Chlor und Brom. Dabei sind Bromalkane und Benzylbromide bevor- zugt. Hierzu wird das nach Durchführung von Schritt b) erhaltene neutrale Copolymer in einem aprotischen Lösungsmittel gelöst und anschließend mit einem Halogenal- kan oder Benzylhalogenid gemäß obiger Definition umgesetzt. Liegt der Siedepunkt des Quaternisierungsreagenzes über 60 °C, so erfolgt die Quaternisierungsreaktion vorteilhaft bei Temperaturen zwischen 40 °C und 45 °C. Liegt der Siedepunkt des Quaternisierungsreagenzes jedoch unter 60 °C, so erfolgt die Quaternisierungsreaktion bei Raumtemperatur. Der Grad der Quaternisierung kann durch die Reaktionszeit kontrolliert werden. Bei einer gegebenen Kombination aus neutralem Copolymer und Quaternisie- rungsmittel führt eine Verlängerung der Reaktionszeit zu einem höheren Quater- nisierungsgrad. Bei einer gegebenen Kombination aus neutralem Copolymer und Reaktionszeit führt die Verwendung von kürzerkettigen Quaternisierungsreagen- zien zu höheren Quaternisierungsgraden. Der Fachmann kann mit Hilfe seines Fachwissens und ohne den Schutzbereich der Patentansprüche zu verlassen durch Routineversuche feststellen, welche Kombination aus neutralem Copolymer, Quaternisierungsreagenz und Reaktionszeit zu welchem Quaternisierungsgrad führt. where t = 0 to 12, where X is a halogen atom and the halogen is selected from fluoro, chloro and bromo in both the case of the primary haloalkane and in the case of the benzyl halide. Bromalkanes and benzyl bromides are preferred. For this purpose, the neutral copolymer obtained after carrying out step b) is dissolved in an aprotic solvent and then reacted with a haloalkane or benzyl halide as defined above. If the boiling point of the quaternizing reagent is above 60 ° C., the quaternization reaction advantageously takes place at temperatures between 40 ° C. and 45 ° C. However, if the boiling point of the quaternizing reagent below 60 ° C, the quaternization reaction is carried out at room temperature. The degree of quaternization can be controlled by the reaction time. For a given combination of neutral copolymer and quaternizing agent, lengthening the reaction time leads to a higher degree of quaternization. For a given combination of neutral copolymer and reaction time, the use of shorter chain quaternization reagents results in higher quaternization levels. One skilled in the art, by means of his expertise and without departing from the scope of the claims, may determine by routine experimentation which combination of neutral copolymer, quaternizing reagent and reaction time will result in which degree of quaternization.
Alternativ können erfindungsgemäße kationische Copolymehsate hergestellt werden, indem zuerst DMAEMA quaternisiert wird und das quaternisierte DMAEMA anschließend mit den Komponenten A und C in Gegenwart eines Radikalstarters unter Schutzgasatmosphäre radikalisch polymerisiert wird.Alternatively, cationic copolymers of the present invention can be prepared by first quaternizing DMAEMA and then radically polymerizing the quaternized DMAEMA with components A and C in the presence of a radical initiator under a protective gas atmosphere.
Die freie radikalische Copolymehsation der Komponenten A, B und C wird in allen genannten Fällen durchgeführt, indem A, B und C gemeinsam mit einem Radikalstarter in einem Reaktionsgefäß unter Schutzgasatmosphäre vorgelegt werden. Eventuell vorhandener Sauerstoff wird durch einmaliges Einfrieren und Auftauen dieser Reaktionsmischung entfernt. Geeignete Radikalstarter sind beispielsweise Azobisisobutyronitril (AIBN), Diben- zoylperoxid (DBPO) und Di-tert.butyl-hyponitrit (DTBHN). Weitere Radikalstarter sind dem Fachmann bekannt und können, ohne den Schutzbereich der Patentansprüche zu verlassen, angewendet werden. Geeignete Schutzgase sind beispielsweise Argon, Stickstoff, Kohlendioxid und Gemische davon.The free radical Copolymehsation of components A, B and C is carried out in all the above cases by A, B and C are presented together with a free radical initiator in a reaction vessel under a protective gas atmosphere. Any oxygen present is removed by one-time freezing and thawing of this reaction mixture. Suitable radical initiators are, for example, azobisisobutyronitrile (AIBN), dibenzoyl peroxide (DBPO) and di-tert-butyl-hyponitrite (DTBHN). Other free-radical initiators are known to the person skilled in the art and can be used without departing from the scope of the patent claims. Suitable shielding gases are, for example, argon, nitrogen, carbon dioxide and mixtures thereof.
Die radikalische Copolymehsation wird bevorzugt bei Temperaturen zwischen 70 °C und 120 °C durchgeführt. Die bevorzugte Temperatur hängt vom Initiator ab. So ist bei Verwendung von AIBN eine Temperatur von eta 70 °C bevorzugt, während man bei Verwendung von di-tert.-Peroxiden bevorzugt bei etwa 120 °C polymerisiert. Dem Fachmann ist bekannt, welche Temperaturbereiche bei welchem Initiator gewählt werden sollten.The free-radical copolymerization is preferably carried out at temperatures between 70 ° C. and 120 ° C. The preferred temperature depends on the initiator. Thus, when AIBN is used, a temperature of about 70 ° C. is preferred, while polymerization is preferably carried out at about 120 ° C. when using di-tert-peroxides. The person skilled in the art knows which temperature ranges should be chosen for which initiator.
Das neutrale bzw. ionische Copolymer wird gereinigt, indem es in einem ersten organischen Lösungsmittel gelöst und durch Zugabe eines zweiten Lösungsmittels umgefällt wird. Zum Lösen des neutralen Copolymers sind beispielsweise Chloroform und DMF geeignet. Wird für die Quaternisierung ein kurzkettiges Alkylbromid BrCpH2p+i, p ≤ 4, ge- wählt, so als Lösungsmittel bevorzugt eine Mischung aus Chloroform und einem Alkohol, beispielsweise Methanol verwendet. Die neutralen Copolymere lösen sich gut in Chlorofom, doch die während der Quaternisierung entstehenden ionischen Copolymere lösen sich nicht mehr gut in reinem Chloroform, so dass die Lösung mit zunehmender Quaternisierung des Copolymers trüb wird. In diesem Fall sollte man einen Alkohol, z.B. Methanol, zugeben, bis die Lösung wieder klar ist.The neutral or ionic copolymer is purified by dissolving it in a first organic solvent and reprecipitating it by adding a second solvent. For dissolving the neutral copolymer, for example, chloroform and DMF are suitable. If a short-chain alkyl bromide BrC p H 2p + i, p ≦ 4, is chosen for the quaternization, the solvent used is preferably a mixture of chloroform and an alcohol, for example methanol. The neutral copolymers dissolve well in chloroform, but the ionic copolymers formed during quaternization no longer readily dissolve in pure chloroform, so that the solution becomes cloudy with increasing quaternization of the copolymer. In this case you should add an alcohol, eg methanol, until the solution is clear again.
Zum Umfallen des ionischen Copolymers eignet sich ein Alkan, beispielsweise n- Pentan oder n-Hexan.For dropping the ionic copolymer, an alkane, for example, n-pentane or n-hexane is suitable.
Das Ketenacetal (Komponente A) wird etwa zu 40-60 % umgesetzt, so dass die Menge des eingesetzten Ketenacetals etwa doppelt so hoch ist wie der Anteil des Ketenacetals im Produkt.The ketene acetal (component A) is reacted to about 40-60%, so that the amount of ketene acetal used is about twice as high as the proportion of ketene acetal in the product.
Beträgt der Anteil des Ketenacetals (Komponente A) im Eduktgemisch bis zu 50 Mol-%, so ist die Polymerisationsreaktion nach 5 Stunden beendet. Dies gilt für den gesamten Temperaturbereich des erfindungsgemäßen Verfahrens, also zwischen 70 °C und 120 °C, und zwar unabhängig davon, ob ein Dipolymer oder ein Terpolymer hergestellt wird (siehe Ausführungsbeispiele 4 und 6). Beträgt der Anteil des Ketenacetals im Eduktgemisch jedoch mehr als 50 Mol-%, so findet die Polymerisation bevorzugt bei einer Temperatur von 120 °C statt. Da- bei ist es vorteilhaft, die Reaktionszeit auf etwa 12-16 Stunden zu verlängern. Dem Fachmann ist bekannt, dass eine Erhöhung der Reaktionstemperatur und/oder eine Verlängerung der Reaktionszeit die Ausbeute einer Reaktion steigern.If the proportion of ketene acetal (component A) in the educt mixture is up to 50 mol%, the polymerization reaction is complete after 5 hours. This applies to the entire temperature range of the process according to the invention, ie between 70 ° C and 120 ° C, regardless of whether a dipolymer or a terpolymer is prepared (see Embodiments 4 and 6). However, if the proportion of ketene acetal in the educt mixture is more than 50 mol%, the polymerization preferably takes place at a temperature of 120.degree. There- it is advantageous to extend the reaction time to about 12-16 hours. It is known to the person skilled in the art that an increase in the reaction temperature and / or an extension of the reaction time increase the yield of a reaction.
Die erfindungsgemäßen ionischen Copolymere enthalten 30-70 Mol-% Estereinheiten.The ionic copolymers according to the invention contain 30-70 mol% of ester units.
Im Falle von erfindungsgemäßen kationischen Copolymeren kann die Wasserlös- lichkeit durch die Kontrolle des Anteils der Estereinheiten sowie die Länge der Alkylgruppen kontrolliert und zielgerichtet eingestellt werden. Auf diese Weise können verschiedenste kationische Copolymere von sehr hydrophoben bis hin zu sehr hydrophilen hergestellt werden.In the case of cationic copolymers according to the invention, the water solubility can be controlled and targeted by controlling the proportion of the ester units and the length of the alkyl groups. In this way, a wide variety of cationic copolymers can be prepared from very hydrophobic to very hydrophilic.
Die erfindungsgemäßen ionischen Copolymere weisen eine Random-Struktur auf, d.h. die Monomereinheiten der einzelnen Komponenten A, B und ggf. C sind statistisch im Copolymer verteilt. Alternativ können auch ionische Copolymere mit Blockstruktur hergestellt werden. In solchen Block-Copolymeren wechseln sich die Monomere blockweise ab, d.h. ein Abschnitt Polymer aus einer reinen Monomerkomponente A wechselt ab mit einem Abschnitt aus einer reinen Monomerkomponente B oder C.The ionic copolymers of the invention have a random structure, i. the monomer units of the individual components A, B and optionally C are randomly distributed in the copolymer. Alternatively, ionic copolymers with block structure can also be prepared. In such block copolymers, the monomers alternate in blocks, i. a section of polymer of a pure monomer component A alternates with a section of a pure monomer component B or C.
Die erfindungsgemäßen ionischen Copolymere können als hydrolytisch abbaubare lonomere verwendet werden. Unter lonomer wird dabei gemäß IUPAC ein Makromolekül verstanden, bei dem ein kleiner, aber dennoch signifikanter Anteil der konstitutionellen Einheiten ionisierbare oder ionische Gruppen aufweist. Eine konstitutionelle Einheit ist ein Atom oder eine Gruppe von Atom (mit ggf. weiteren daran gebundenen Atomen oder Gruppen), welche einen Teil der wesentlichen Struktur eines Makromoleküls, eines Oligomers, eines Blocks oder einer Kette enthält. Die erfindungsgemäßen ionischen Copolymere sind für zahlreiche biomedizinische und materialwissenschaftliche Anwendungen geeignet.The ionic copolymers according to the invention can be used as hydrolytically degradable ionomers. According to IUPAC, ionomer is understood to mean a macromolecule in which a small but nevertheless significant proportion of the constitutional units have ionizable or ionic groups. A constitutional unit is an atom or group of atoms (optionally with other atoms or groups attached thereto) which contains part of the essential structure of a macromolecule, an oligomer, a block or a chain. The ionic copolymers according to the invention are suitable for numerous biomedical and material science applications.
Erfindungsgemäße ionische Copolymere sind besonders vorteilhaft, da jede der in ihnen enthaltenen Komponenten dem Polymer besondere Eigenschaften verleiht: Die cyclischen Ketenacetale stellen Esterbindungen im Rückgrat des Polymers bereit, die der Grund für die hydrolytische Abbaubarkeit sind. Die kationischen bzw. anionischen Gruppierungen stellen Bindungsstellen für andere Moleküle bereit, beispielsweise für Biomoleküle. Handelt es sich um erfindungsgemäße ioni- sehe Terpolymere, so lässt sich mit Hilfe der Methacrylsäurederivate C die Wasserlöslichkeit gezielt einstellen, beispielsweise mit Hilfe von Methoxy-oligo- (ethylenglycol)-methacrylaten. Methoxy-oligo-(ethylenglycol)-methacrylate können ferner dazu dienen, die erfindungsgemäßen Terpolymere in biomedizinischen Anwendungen gegenüber dem Immunsystem zu tarnen. Mit Hilfe von Methacryla- ten lässt sich ferner die Glastemperatur der erfindungsgemäßen ionischen Copolymere gezielt einstellen. Ebenso können durch Methacrylate die thermoresponsi- ven Eigenschaften gezielt verändert werden, so dass Methacrylat enthaltende erfindungsgemäße Copolymere sich als injizierbare bioabbaubare Polyionen für biomedizinische Anwendungen eignen, z.B. für die Drug Release.Ionic copolymers of the present invention are particularly advantageous because each of the components contained in them imparts particular properties to the polymer: The cyclic ketene acetals provide ester bonds in the backbone of the polymer which are the cause of hydrolytic degradability. The cationic or anionic moieties provide binding sites for other molecules, such as biomolecules. In the case of ionic terpolymers according to the invention, the water solubility can be adjusted in a targeted manner with the aid of the methacrylic acid derivatives C, for example with the aid of methoxy-oligo- (ethylene glycol) -methacrylates. Methoxy-oligo- (ethylene glycol) methacrylates may also serve to camouflage the terpolymers of the invention in biomedical applications to the immune system. With the aid of methacrylates, the glass transition temperature of the ionic copolymers according to the invention can furthermore be adjusted in a targeted manner. Likewise, by means of methacrylates, the thermoresponsive properties can be deliberately changed, so that copolymers containing methacrylate according to the invention are suitable as injectable biodegradable polyions for biomedical applications, e.g. for the drug release.
Sowohl anionische als auch kationische Copolymere eignen sich für die Herstellung von Nanopartikeln. Derartige Nanopartikel weisen beispielsweise eine höhere Effizienz bei der Verkapselung von pharmazeutischen Wirkstoffen auf und sowie im materialwissenschaftlichen Bereich eine höhere Stabilität gegenüber Scher- kräften als bisherige Werkstoffe.Both anionic and cationic copolymers are suitable for the production of nanoparticles. Such nanoparticles have, for example, a higher efficiency in the encapsulation of pharmaceutical active ingredients and, in the field of materials science, a higher stability to shear forces than previous materials.
Kationische Copolymere sind beispielsweise als superhydrophobe Werkstoffe sowie antibakterielle transparente Beschichtungen, z.B. für Holz, geeignet. Besonders hervorzuheben ist jedoch die Eignung der kationischen Copolymere als Kleb- Stoffe. Es konnte gezeigt werden, dass sie beispielsweise eine dauerhafte, was- ser- und temperaturstabile Klebverbindung zwischen Holz und Metall, Glas oder einem weiteren Holzteil schaffen, ebenso gut lassen sich Metall und Glas miteinander verkleben. Die Klebstoffeigenschaften treten bei kationischen Dipolymeren und Terpolymeren auf, die mindestens 4 Mol-% quaternisiertes DMAEMA enthalten, bezogen auf das gesamte Polymer.Cationic copolymers are suitable, for example, as superhydrophobic materials and antibacterial transparent coatings, for example for wood. Of particular note, however, is the suitability of the cationic copolymers as adhesives. It has been shown that, for example, they create a durable, water- and temperature-stable adhesive bond between wood and metal, glass or another piece of wood, and metal and glass bond together just as well. The adhesive properties occur with cationic dipolymers and terpolymers containing at least 4 mole percent quaternized DMAEMA based on the total polymer.
Anionische Copolymere eignen sich beispielsweise als bioabbaubare thermoplas- tische Elastomere, bioabbaubare lonomere, Vehikel für die Drug Delivery, als Transfektionsagenzien, sowie als Träger für die Aerosoltherapie und die Gentherapie. Anionic copolymers are suitable, for example, as biodegradable thermoplastic elastomers, biodegradable ionomers, vehicles for drug delivery, as transfection agents, and as carriers for aerosol therapy and gene therapy.
Ausführungsbeispieleembodiments
Ausführungsbeispiel 1 : Herstellung von neutralen Copolymerisaten aus BMDO und DMAEMAEMBODIMENT 1 Preparation of Neutral Copolymers of BMDO and DMAEMA
Schematische Darstellung der Copolymerisation von BMDO und DMAEMA; dabei stehen v und w für die Kettenlängen von BMDO und DMAEMA im fertigen Dipolymer.Schematic representation of the copolymerization of BMDO and DMAEMA; where v and w are the chain lengths of BMDO and DMAEMA in the final dipolymer.
Zunächst wurden 5,6-Dibenzo-1 ,3-dioxepan (BMDO) und N,N-Dimethyl- aminoethylmethacrylat (DMAEMA) durch frei radikalische Polymerisation copoly- mehsiert, um die hydrolytisch abbaubaren Polymethacrylsäureamin-Vorläufer her- zustellen. Anschließend wurden die Vorläufer mit Hilfe von Alkylbromid quaterni- siert, um die erfindungsgemäßen hydrolytisch abbaubaren Polykationen zu erhalten.First, 5,6-dibenzo-1, 3-dioxepane (BMDO) and N, N-dimethylaminoethyl methacrylate (DMAEMA) were copolymerized by free radical polymerization to prepare the hydrolytically degradable polymethacrylic acid amine precursors. Subsequently, the precursors were quaternized with the aid of alkyl bromide in order to obtain the hydrolytically degradable polycations according to the invention.
Alle Copolymerisationen wurden unter Argonatmosphäre in vorgetrockneten Schlenkrohren durchgeführt. Als Initiator für die freie radikalische Polymerisation wurde Azobisisobutyronitril (AIBN) verwendet. In einer typischen Polymerisationsreaktion wurden zwei Monomere - BMDO (0,571 g 5mmol) und DMAEMA (0.786g 5mmol) mit 1 Mol-% des Initiators (bezogen auf die Gesamtkonzentration der Monomere) in einem Schlenkrohr unter Argonatmosphäre vorgelegt. Geringe Reste von Sauerstoff wurden durch einmaliges Einfrieren und Wiederauftauen aus dem Rohr entfernt. Die Reaktion wurde durch Eintauchen des Reaktionsrohrs in ein vorgeheiztes Ölbad bei 70 °C gestartet. Nach 5 h Reaktionszeit wurde das Reaktionsgemisch mit CHCI3 verdünnt und mit etwa 200 ml n-Hexan ausgefällt. Die Copolymere wurden durch Lösen in CHCI3 und Umfallen aus n-Hexan gereinigt. Die Copolymere wurden im Vakuum bei 40 °C bis zur Massekonstanz getrocknet. Die Mikrostruktur der Copolymere wurde durch 1 D- und 2D-NMR charakterisiert. Durch Verändern des molaren Verhältnisses der beiden Monomere BMDO und DMAEMA in der Eduktmischung wurden verschiedene Copolymere hergestellt. Dabei wurde unter den oben beschriebenen Reaktionsbedingungen gearbeitet.All copolymerizations were carried out under an argon atmosphere in predried Schlenk tubes. Azobisisobutyronitrile (AIBN) was used as the initiator for the free radical polymerization. In a typical polymerization reaction two monomers - BMDO (0.571 g 5 mmol) and DMAEMA (0.786 g 5 mmol) were charged with 1 mol% of the initiator (based on the total concentration of the monomers) in a Schlenk tube under an argon atmosphere. Small residues of oxygen were released by freezing and thawing once Tube removed. The reaction was started by immersing the reaction tube in a preheated oil bath at 70 ° C. After a reaction time of 5 hours, the reaction mixture was diluted with CHCl 3 and precipitated with about 200 ml of n-hexane. The copolymers were purified by dissolution in CHCl 3 and reprecipitation from n-hexane. The copolymers were dried in vacuo at 40 ° C to constant mass. The microstructure of the copolymers was characterized by 1D and 2D NMR. By varying the molar ratio of the two monomers BMDO and DMAEMA in the educt mixture, various copolymers were prepared. The reaction was carried out under the reaction conditions described above.
Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse der freien radikalischen Copolymehsation von 5,6- Dibenzo-2-methylen-1 ,3-dioxepan (BMDO) und N,N-Dimethylaminoethyl- methacrylat B = BMDO; D = DMAEMA Table 1 shows the results of the free radical copolymerization of 5,6-dibenzo-2-methylene-1,3-dioxepane (BMDO) and N, N-dimethylaminoethyl methacrylate B = BMDO; D = DMAEMA
Ausführungsbeispiel 2:Embodiment 2:
Quaternisierung der neutralen Copolymere aus BMDO und DMAEMAQuaternization of the neutral copolymers of BMDO and DMAEMA
Zuletzt wurden die neutralen Copolymere quaternisiert:Finally, the neutral copolymers were quaternized:
Schematische Darstellung der Quaternisierung des Dipolymers aus von BMDO und DMAEMA; dabei stehen v und w für die Kettenlängen von BMDO und DMAEMA im fertigen Dipolymer.Schematic representation of the quaternization of the dipolymer from BMDO and DMAEMA; where v and w are the chain lengths of BMDO and DMAEMA in the final dipolymer.
Im Folgenden wird hierfür ein repräsentatives Beispiel angegeben: 500 mg des neutralen Copolymers wurden bei 25 °C in 50 ml Chloroform gelöst. Dann wurden 15 ml 1 -Bromdodecan (BrCi2H2S) hinzugegeben. Die Quaternisie- rungsreaktion wurde während 3 d durch Rühren und Erwärmen auf 40 °C im Ölbad durchgeführt. Danach wurde das Lösungsmittel abgezogen. Das Reaktionsprodukt wurde durch zweimaliges Lösen des erhaltenen ionischen Copolymers in Chloroform und Umfallen aus n-Hexan gereinigt. Der Quaternisierungsgrad wurde mittels Elementaranalyse bestimmt, wobei die Mengen von Brom und Stickstoff miteinander verglichen wurden.A representative example is given below: 500 mg of the neutral copolymer were dissolved at 25 ° C. in 50 ml of chloroform. Then, 15 ml of 1-bromododecane (BrCl 2 H 2 S) was added. The quaternization reaction was carried out for 3 days by stirring and heating to 40 ° C. in an oil bath. Thereafter, the solvent was removed. The reaction product was purified by dissolving the obtained ionic copolymer twice in chloroform and dropping from n-hexane. The degree of quaternization was determined by elemental analysis, comparing the amounts of bromine and nitrogen.
Verschiedene kationische Copolymere wurden hergestellt, indem das molare Verhältnis der drei Ausgangskomponenten (BMDO, DMAEMA und 1 -Bromdodecan verändert wurde.Various cationic copolymers were prepared by changing the molar ratio of the three starting components (BMDO, DMAEMA and 1-bromododecane.
Tabelle 2 zeigt die Quaternisierung mit Ci2H2SBr und die physikalischen Eigenschaften der quaternisiertern Copolymere aus BMDO (B) und DMAEMA (D). Table 2 shows the quaternization with Ci 2 H 2S Br and the physical properties of the quaternized copolymers of BMDO (B) and DMAEMA (D).
Ausführungsbeispiel 3: Embodiment 3
Quaternisierung von neutralen Copolymeren aus BMDO (B) und DMAEMAQuaternization of neutral copolymers of BMDO (B) and DMAEMA
(D) mit verschiedenen 1-Brom-n-Alkanen(D) with different 1-bromo-n-alkanes
a) Quaternisierung mit BrCpH2p+i (p > 4)a) Quaternization with BrC p H 2p + i (p> 4)
500 mg des poly(BMDO-DMAEMA-Co-Esters) wurden bei Raumtemperatur in 50 ml Chloroform gelöst. Dann wurden etwa 60 mmol des Alkylbromids zur Reaktionsmischung gegeben, also beispielsweise 14 ml 1 -Bromdodecan oder 8,5 ml 1 -Bromhexan). Die Quaternisierungsreaktion wurde während 3 Tagen durch Rühren und Erwärmen auf 40 °C im Ölbad durchgeführt. Anschließend wurde das Rohprodukt durch Abdestillieren des Lösungsmittels am Rotationsverdampfer isoliert. Die Reinigung des erhaltenen ionischen Copolymers erfolgte duch zweimaliges Lösen in Chloroform und Wiederausfällen aus n- Hexan.500 mg of the poly (BMDO-DMAEMA co-ester) was dissolved in 50 ml of chloroform at room temperature. Then, about 60 mmol of the alkyl bromide was added to the reaction mixture, that is, for example, 14 ml of 1-bromododecane or 8.5 ml of 1-bromohexane). The quaternization reaction was carried out for 3 days by stirring and heating to 40 ° C in an oil bath. Subsequently, the crude product was isolated by distilling off the solvent on a rotary evaporator. The purification of the obtained ionic copolymer was carried out by dissolving it twice in chloroform and reprecipitating from n-hexane.
b) Quaternisierung mit BrCpH2p+i (2 < p < 4)b) Quaternization with BrC p H 2p + i (2 <p <4)
500 mg des poly(BMDO-DMAEMA-Co-Esters) wurden bei Raumtemperatur in 40 ml Chloroform gelöst. Dann wurden etwa 60 mmol des Alkylbromids, d.h. 4,5 ml Bromethan, zur Reaktionsmischung gegeben. Die Quaternisierungsreaktion wurde bei Raumtemperatur durchgeführt. So bald die Lösung anfing, trüb zu werden, wurde so viel Methanol zugegeben, bis sie wieder klar wurde. Nach 3 Tagen Reaktionszeit wurde das Rohprodukt zunächst durch Abdestillieren des Lösungsmittels am Rotationsverdampfer isoliert. Die Reinigung des erhaltenen ionischen Copolymers erfolgte duch zweimaliges Lösen in Chloroform/Methanol und Wiederausfällen aus n-Hexan.500 mg of the poly (BMDO-DMAEMA co-ester) was dissolved at room temperature in 40 ml of chloroform. Then, about 60 mmol of the alkyl bromide, ie, 4.5 ml of bromoethane, was added to the reaction mixture. The quaternization reaction was carried out at room temperature. As soon as the solution started to become cloudy, so much methanol was added until it became clear again. After 3 days reaction time, the crude product was first isolated by distilling off the solvent on a rotary evaporator. The cleaning of the obtained ionic copolymer was carried out by twice dissolving in chloroform / methanol and reprecipitation from n-hexane.
Tabelle 3 zeigt Reaktionszeiten und Quaternisierungsgrade bei Verwendung ver- schiedener Bromalkane und bei verschiedenen Quaternisierungszeiten. „Umwandlung" steht dabei für den Prozentsatz von DMAEMA-Einheiten im Polymer, die quaternisiert wurden.Table 3 shows reaction times and degrees of quaternization when using different bromoalkanes and at different quaternization times. "Conversion" refers to the percentage of DMAEMA units in the polymer that were quaternized.
Ausführungsbeispiel 4:Embodiment 4
Verwendung der quaternisierten Copolymere aus BMDO und DMAEMA alsUse of the quaternized copolymers of BMDO and DMAEMA as
Beschichtungencoatings
Die aus Ausführungsbeispiel 2 erhaltenen kationischen Copolymere wurden mittels Elektrospinnen / Elektrosprayen oder mittels Filmcoating als Beschichtung auf Glas aufgebracht. Dabei wurde eine Lösung von 10 bis 20 Gew.-% des jeweiligen erfindungsgemäßen kationischen Copolymers in DMF verwendet.The cationic copolymers obtained from Example 2 were applied to glass by electrospinning / electrospray or filmcoating as a coating. In this case, a solution of 10 to 20 wt .-% of the respective inventive cationic copolymer was used in DMF.
a) Beschichtung von Glas mit einem ionischen Polymer durch Filmcoatinga) coating of glass with an ionic polymer by film coating
Erfindungsgemäße Copolymere mit einem Quaternisierungsgrad von mindestens 4 %, die mit Hilfe von BrCpH2p+1 (p > 8) quaternisiert worden waren, wurden in CHCI3 zu einer 10%-igen Lösung gelöst. Je 100 μl einer solchen Lösung wurden auf einen gläsernen Objektträger für die Mikroskopie (7,5 cm x 2,5 cm) gegossen. Nach vollständiger Trockung der Beschichtung wurde der Kontaktwinkel zu etwa 90 Grad bestimmt.Copolymers of the invention having a degree of quaternization of at least 4%, which had been quaternized by means of BrCpH 2p + 1 (p> 8), were dissolved in CHCl 3 to a 10% solution. Each 100 μl of such a solution was poured onto a glass slide for microscopy (7.5 cm x 2.5 cm). After complete drying of the coating, the contact angle was determined to be about 90 degrees.
b) Beschichtung von Glas mit einem ionischen Polymer durch Electros- pinningb) Coating of glass with an ionic polymer by electrospinning
Es wurden verschiedene 10- bis 20%-ige Lösungen von kationischen Copolyme- ren in einem geeigneten Lösungsmittel wie beispielsweise CHCI3 hergestellt und anschließend elektroversponnen. Die Spannung betrug beim Electrospinning etwa 55 kV, der Abstand zwischen Kapillare und Substratelektrode 12 cm und der Nachschub an Polymerlösung 1 ml/h. Das Electrospinning wurde bei 20 °C durchgeführt. Die erhaltenen Fasern wurden auf Aluminiumfolien gesammelt. Der Kontaktwinkel der Fasern wurde zu etwa 120 Grad bestimmt. Ausführungsbeispiel 5:Various 10 to 20% solutions of cationic copolymers were prepared in a suitable solvent such as CHCl 3 and then electrospun. The voltage was about 55 kV in electrospinning, the distance between capillary and substrate electrode 12 cm and the supply of polymer solution 1 ml / h. The electrospinning was carried out at 20 ° C. The obtained fibers were collected on aluminum foils. The contact angle of the fibers was determined to be about 120 degrees. Embodiment 5:
Herstellung von neutralen Terpolymeren aus BMDO, DMAEMA und MMAPreparation of neutral terpolymers of BMDO, DMAEMA and MMA
Cycloketenacetale, wie 5,6-Benzo-2-methylen-1 ,3-dioxepan (BMDO), N, N- Dimethylaminoethylmethacrylat (DMAEMA) und ein drittes Comonomer wie beispielsweise Methylmethacrylat (MMA) wurden mittels freier radikalischer Polymerisation zum hydrolytisch abbaubaren neutralen Copolymer terpolymerisiert. Im Allgemeinen wurden alle Terpolymerisierungsreaktionen unter Argonatmosphäre in vorgetrockneten Schlenkkolben durchgeführt. Als Radikalstarter wurde AIBN verwendet.Cycloketene acetals, such as 5,6-benzo-2-methylene-1,3-dioxepane (BMDO), N, N-dimethylaminoethyl methacrylate (DMAEMA) and a third comonomer, such as methyl methacrylate (MMA), became the hydrolytically degradable neutral copolymer by free radical polymerization terpolymerized. In general, all terpolymerization reactions were carried out under an argon atmosphere in predried Schlenk flasks. As a radical starter AIBN was used.
In einer typischen Polymerisationsreaktion werden drei Monomere, BMDO (1.135g 7mmol), MMA(0.250g 2.5mmol) und DMAEMA (0.079g 0.5mmol) in einem Verhältnis von 70:25:5 zusammen mit einem Mol-% AIBN, bezogen auf die Gesamt- menge der Monomere, unter Argonatmosphäre in einem Schlenkrohr vorgelegt. Geringe Reste von Sauerstoff wurden durch einmaliges Einfrieren und Wiederauftauen aus dem Rohr entfernt. Die Reaktion wurde durch Eintauchen des Reaktionsrohrs in ein vorgeheiztes Ölbad bei 70 °C gestartet. Nach 20 h Reaktionszeit wurde das Reaktionsgemisch mit CHCI3 verdünnt und mit etwa 200 ml n-Hexan ausgefällt. Die Copolymere wurden durch Lösen in CHCI3 und Umfallen aus n- Hexan gereinigt. Die Copolymere wurden im Vakuum bei 40 °C bis zur Massekonstanz getrocknet. Die Mikrostruktur der Copolymere wurde duch 1 D- und 2D-NMR charakterisiert. Durch Verändern des molaren Verhältnisses der Comonomere in der Eduktmi- schung wurden verschiedene Terpolymere aus BMDO, MMA und DMAEMA hergestellt.In a typical polymerization reaction, three monomers, BMDO (1135g 7mmol), MMA (0.250g 2.5mmol) and DMAEMA (0.079g 0.5mmol) in a ratio of 70: 25: 5 together with one mole% AIBN, based on the Total amount of monomers, submitted under argon atmosphere in a Schlenk tube. Small residues of oxygen were removed from the tube by one-time freezing and thawing. The reaction was started by immersing the reaction tube in a preheated oil bath at 70 ° C. After a reaction time of 20 hours, the reaction mixture was diluted with CHCl 3 and precipitated with about 200 ml of n-hexane. The copolymers were purified by dissolution in CHCl 3 and reprecipitation from n-hexane. The copolymers were dried in vacuo at 40 ° C to constant mass. The microstructure of the copolymers was characterized by 1 D and 2 D NMR. By varying the molar ratio of the comonomers in the educt mixture, various terpolymers of BMDO, MMA and DMAEMA were prepared.
Dabei wurden die Reaktionsbedingungen im Wesentlichen wie oben beschrieben gewählt.The reaction conditions were chosen essentially as described above.
Tabelle 4 zeigt die in diesem Ausführungsbeispiel verwendeten Eduktmischungen, die Ausbeute, die Zusammensetzung der erhaltenen Terpolymere sowie deren jeweiligen Quaternisierungsgrad.Table 4 shows the educt mixtures used in this embodiment, the yield, the composition of the resulting terpolymers and their respective Quaternisierungsgrad.
Ausführungsbeispiel 6:Embodiment 6:
Quaternisierung der Terpolymere aus BMDO, DMAEMA und MMAQuaternization of terpolymers of BMDO, DMAEMA and MMA
Die neutralen Vorläufer-Terpolymere aus Ausführungsbeispiel 4 wurden mit Al- kylbromid quaternisiert. Dabei entstanden die erfindungsgemäßen hydrolytisch abbaubaren kationischen Copolymere.The neutral precursor terpolymers of Example 4 were quaternized with alkyl bromide. This gave rise to the hydrolytically degradable cationic copolymers according to the invention.
500 mg des jeweiligen Terpolymers aus Ausführungsbeispiel 4 wurden bei Raumtemperatur in 50 ml Chloroform gelöst. Dann wurden 15 ml 1 -Bromdodecan (BrCi2H2S) zu dieser Lösung gegeben. Die Quaternisierungsreaktion wurde über 3 Tage unter Rühren und Heizen auf 40 °C im Ölbad durchgeführt. Das quaterni- sierte Terpolymer wurde durch zweimaliges Lösen des kationischen Terpolymers in Chloroform und Umfallen aus n-Hexan gereinigt. Der Quaternisierungsgrad wurde mittels Elementaranalyse bestimmt, wobei die Mengen von Brom und Stickstoff miteinander verglichen wurden.500 mg of the respective terpolymer of Example 4 were dissolved at room temperature in 50 ml of chloroform. Then 15 ml of 1-bromododecane (BrCl 2 H 2 S) was added to this solution. The quaternization reaction was carried out for 3 days with stirring and heating to 40 ° C in an oil bath. The quaternized terpolymer was purified by dissolving the cationic terpolymer twice in chloroform and repopulating from n-hexane. The degree of quaternization was determined by elemental analysis comparing the amounts of bromine and nitrogen.
Ausführungsbeispiel 7:Embodiment 7:
Herstellung von neutralen Terpolymeren aus MDO, DMAEMA und MMAPreparation of neutral terpolymers of MDO, DMAEMA and MMA
Verschiedene neutrale Vorläufer-Terpolymere aus MDO, DMAEMA und MAA wurden wie für das entsprechende Terpolymer aus BMDO / DMAEMA / MAA beschrieben hergestellt. Tabelle 5 zeigt die Ergebnisse der freien radikalischen Terpolymehsation von MDO, DMAEMA und MMA. Various neutral precursor terpolymers of MDO, DMAEMA and MAA were prepared as described for the corresponding terpolymer from BMDO / DMAEMA / MAA. Table 5 shows the results of free radical terpolymerization of MDO, DMAEMA and MMA.
Ausführungsbeispiel 8:Embodiment 8:
Quaternisierung der Terpolymere aus MDO, DMAEMA und MMAQuaternization of terpolymers of MDO, DMAEMA and MMA
Es wurden verschiedene neutrale Vorläufer-Terpolymere aus MDO, DMAEMA und MMA hergestellt und anschließend mit 1 -Bromdodecan quaternisiert, wobei alle Terpolymere für lonomere dieselbe Menge an MDO enthielten (40 Mol-%, siehe Tabelle 4). Polymerisation und Quaternisierung erfolgten wie beim entsprechenden Terpolymer aus BMDO / DMAEMA / MAA beschrieben. Tabelle 6 zeigt die Ergebnisse der Quaternisierung. Several neutral precursor terpolymers of MDO, DMAEMA and MMA were prepared and then quaternized with 1-bromododecane, all terpolymers for ionomers containing the same amount of MDO (40 mole%, see Table 4). Polymerization and quaternization were carried out as described for the corresponding terpolymer from BMDO / DMAEMA / MAA. Table 6 shows the results of quaternization.
Ausführungsbeispiel 9: Klebeeigenschaften der kationischen CopolymereEmbodiment 9: Adhesive Properties of the Cationic Copolymers
Es wurden verschiedene erfindungsgemäße kationische Copolymere hergestellt. Als Dioxepan wurde BMDO oder MDO verwendet. BMDO bzw. MDO wurden mit DMAEMA und optional mit MMA radikalisch polymehsiert. Die auf diese Weise erhaltenen Vorläufer-Copolymere (Dipolymere oder Terpolymere) wurden mit 1 - Bromalkanen quaternisiert. Die so erhaltenen kationischen Copolymere enthielten mindestens 4 Mol-% kationische Gruppen, d.h. mindestens 4 Mol-% des kationischen Copolymers entfielen auf quaternäre Amine von DMAEMA. Anschließend wurden Lösungen je eines erfindungsgemäßen kationischen Copo- lymers in Chloroform hergestellt (10 Gew.-% Copolymer). Diese Lösungen wurden erfolgreich verwendet, um Holz an Holz, Metall bzw. Glas sowie Glas an Metall zu kleben. Die Klebkraft blieb auch nach 24-stündiger Behandlung der so verbundenen Teile in 60 °C heißem Wasser unverändert.Various cationic copolymers of the invention were prepared. As dioxepan, BMDO or MDO was used. BMDO or MDO were free-radically polymethylated with DMAEMA and optionally with MMA. The precursor copolymers (dipolymers or terpolymers) obtained in this way were quaternized with 1-bromoalkanes. The cationic copolymers thus obtained contained at least 4 mol% of cationic groups, ie, at least 4 mol% of the cationic copolymer was accounted for by quaternary amines of DMAEMA. Subsequently, solutions of each of a cationic copolymer according to the invention were prepared in chloroform (10 wt .-% copolymer). These solutions have been successfully used to glue wood to wood, metal or glass and glass to metal. The bond strength remained unchanged even after 24 hours of treatment of the parts thus joined in 60 ° C hot water.
Ausführungsbeispiel 10:Embodiment 10:
Bioabbaubarkeit der kationischen CopolymereBiodegradability of the cationic copolymers
Kationische Copolymere, die mindestens 40 % Estergruppierungen im Rückgrat und nicht mehr als 20 Mol-% kationische Gruppen enthielten, wurden zu Filmen verarbeitet. Filme dieser Copolymere (10 cm x 2 cm x 0,1 mm) wurden im Kompost vergraben. Nach zwei Wochen waren deutliche Löcher in den Filmen erkennbar. Dies zeigte, dass kationische Copolymere bereits innerhalb dieser kurzen Zeit von Enzymen und Mikroorganismen abgebaut wurden, wobei die Kompostiergeschwindigkeit bekanntermaßen von der Bodenfeuchtigkeit, der Tempera- tur und auch der Art des Bodens abhängt. Cationic copolymers containing at least 40% backbone ester moieties and not more than 20 mole% cationic groups were processed into films. Films of these copolymers (10 cm x 2 cm x 0.1 mm) were buried in the compost. After two weeks, clear holes were visible in the films. This showed that cationic copolymers were already degraded by enzymes and microorganisms within this short time, whereby the composting rate is known to depend on the soil moisture, the temperature and also the type of soil.

Claims

Ansprüche claims
1. Hydrolytisch abbaubare polyionische Copolymerisate, die aufgebaut sind aus d) 10 bis 55 Mol-% eines cyclischen Ketenacetals A, e) 4 bis 90 Mol-% eines Methacrylsäurederivats B, f) 0 bis 80 % Mol-% eines Methacrylsäurederivats C, wobei die Summe der Komponenten A, B und C 100 Mol-% beträgt, und wobei1. Hydrolytically degradable polyionic copolymers which are composed of d) 10 to 55 mol% of a cyclic ketene acetal A, e) 4 to 90 mol% of a methacrylic acid derivative B, f) 0 to 80% mol% of a methacrylic acid derivative C, wherein the sum of the components A, B and C is 100 mol%, and wherein
das cyclische Ketenacetal A ausgewählt ist austhe cyclic ketene acetal A is selected from
2-Methylen-1,3-dioxan2-methylene-1,3-dioxane
2-M ethylen-1 ,3-dioxepan (IM) (MDO)2-M ethylene-1, 3-dioxepane (IM) (MDO)
5,6-Benzo-2-methylen-1 ,3-dioxepan5,6-Benzo-2-methylene-1,3-dioxepane
(I) (BMDO)(I) (BMDO)
("I)(I ")
2-Methylen-1 ,3-dioxolan2-methylene-1,3-dioxolane
4,5-Dialkyl-2-methylen-4,5-dialkyl-2-methylene
5,6-Dialkyl-2-methylen- 1 ,3-dioxolan 1 ,3-dioxepan (V)5,6-dialkyl-2-methylene-1,3-dioxolane 1,3-dioxepane (V)
(VI)(VI)
(IV) worin R1 und R2 unabhängig voneinander für eine lineare oder verzweigte Al- kylgruppe mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen stehen, und das Methacrylsäurederivat B ausgewählt ist aus(IV) in which R 1 and R 2 independently of one another represent a linear or branched alkyl group having 1 to 12 carbon atoms, and the methacrylic acid derivative B is selected from
- 2-Methyl-methacrylat (VII)2-methyl-methacrylate (VII)
MM
- [2-(2-Methyl-1 -methylen-allyloxy)]-ethansulfonat (VIII)[2- (2-methyl-1-methylene-allyloxy)] ethanesulfonate (VIII)
[2-(2-Methyl-1 -methylen-allyloxy)ethyl]-phosphonat (IX)[2- (2-Methyl-1-methylene-allyloxy) ethyl] -phosphonate (IX)
wobei M+ ein Lithium-, Natrium-, Kalium-, Ammonium- oder Tetraalkyl- ammonium-Kation darstellt und es sich bei dem polyionischen Copoly- merisat um ein anionisches Copolymerisat handelt, where M + represents a lithium, sodium, potassium, ammonium or tetraalkylammonium cation and the polyionic copolymer is an anionic copolymer,
N,N-Dimethylaminoethylmethacrylsäure (DMAEMA) gemäß Formel (Xa)N, N-Dimethylaminoethylmethacrylic acid (DMAEMA) according to formula (Xa)
wobei 45% bis 95% des DMAEMA ionisiert in Form eines quaternären Amins der Formel (Xb) vorliegen, so dass es sich bei polyionischen Copolymerisat um ein kationisches wherein 45% to 95% of DMAEMA is ionized in the form of a quaternary amine of formula (Xb), so that it is a cationic in polyionic copolymer
Copolymehsat handelt, wobeiCopolymehsat acts, wherein
R3 eine lineare oder verzweigte Alkylgruppe mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen oder eine Benzylgruppe der Formel (Xl)R 3 is a linear or branched alkyl group having 1 to 12 carbon atoms or a benzyl group of the formula (XI)
mit n = 0 - 12 darstellt und X" für Fluorid, Chlorid oder Bromid steht, with n = 0-12 and X "is fluoride, chloride or bromide,
und wobei das Methacrylsäurederivat C ausgewählt ist aus Verbindungen gemäß Formel (VI)and wherein the methacrylic acid derivative C is selected from compounds according to formula (VI)
worin R ausgewählt ist aus wherein R is selected from
-OCH3, -N(CH3)2, einem Oligoethylenglykol der allgemeinen Formel -O- (CH2-CH2-O)mH, einem co-Methoxy-oligoethylenglykol der allgemeinen Formel -O-(CH2-CH2-O)m-CH3, wobei m eine natürliche Zahl zwischen 1 und 12 darstellt, Vinylacetat, Acrylnitril, 2-Hydroxyethylmethacrylat, N-Vinylformamid, N- Vinylacetamid, N-Methyl-N-vinylacetamid, N-Vinylcaprolactam, N- Vinylpyrrolidon, N-2-Hydroxypropylmethacrylamid, N-3-Hydroxypropylmeth- acrylamid, N,N-Dimethylacrylamid, Styrol, N,N-Dimethylaminostyrol.-OCH 3 , -N (CH 3 ) 2, an oligoethylene glycol of the general formula -O- (CH 2 -CH 2 -O) m H, a co-methoxy-oligoethylenglykol of the general formula -O- (CH 2 -CH 2 - O) m -CH 3 , where m is a natural number between 1 and 12, Vinyl acetate, acrylonitrile, 2-hydroxyethyl methacrylate, N-vinylformamide, N-vinylacetamide, N-methyl-N-vinylacetamide, N-vinylcaprolactam, N-vinylpyrrolidone, N-2-hydroxypropylmethacrylamide, N-3-hydroxypropylmethacrylamide, N, N Dimethylacrylamide, styrene, N, N-dimethylaminostyrene.
2. Hydrolytisch abbaubare ionische Copolymerisate gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das cyclische Ketenacetal A ausgewählt ist aus 5,6- Benzo-2-methylen-1 ,3-dioxepan (BMDO) und 2-Methylen-1 ,3-dioxepan (MDO).2. Hydrolytically degradable ionic copolymers according to claim 1, characterized in that the cyclic ketene acetal A is selected from 5,6-benzo-2-methylene-1, 3-dioxepan (BMDO) and 2-methylene-1, 3-dioxepan ( MDO).
3. Hydrolytisch abbaubare ionische Copolymerisate gemäß einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Methacrylsäurederivat C ausgewählt ist aus3. Hydrolytically degradable ionic copolymers according to one of claims 1 and 2, characterized in that the methacrylic acid derivative C is selected from
OEGMA OEGMA
MEOoMAMEOoMA
4. Hydrolytisch abbaubare ionische Copolymerisate gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Methacrylsäurederivat B um N,N-Dimethylaminomethylmethacrylsäure handelt, worin 45 % bis 95 % des DMAEMA ionisiert in Form eines quaternären Amins der Formel (X b) vor- liegen4. Hydrolytically degradable ionic copolymers according to one of claims 1 to 3, characterized in that the methacrylic acid derivative B is N, N-dimethylaminomethylmethacrylic acid, in which 45% to 95% of the DMAEMA ionized in the form of a quaternary amine of the formula (X b) are available
wobei in which
R3 eine lineare oder verzweigte Alkylgruppe mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen oder eine Benzylgruppe der Formel (Xl)R 3 is a linear or branched alkyl group having 1 to 12 carbon atoms or a benzyl group of the formula (XI)
mit n = 0 - 12 darstellt und X" für Fluorid, Chlorid oder Bromid steht. where n = 0-12 and X "is fluoride, chloride or bromide.
5. Hydrolytisch abbaubare ionische Copolymerisate gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Methacrylsäurederivat B um 2-Methyl-methacrylat gemäß Formel (VII)5. Hydrolytically degradable ionic copolymers according to one of claims 1 to 3, characterized in that the methacrylic acid derivative B is 2-methyl methacrylate of the formula (VII)
handelt, wobei M+ ein Lithium-, Natrium-, Kalium-, Ammonium- oder Tetraalky- lammonium-Kation darstellt. where M + represents a lithium, sodium, potassium, ammonium or tetraalkylammonium cation.
6. Hydrolytisch abbaubare ionische Copolymerisate gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das es sich beim dem Methacrylsäure- derivat B um [2-(2-Methyl-1 -methylen-allyloxy)ethyl]-ethansulfonat gemäß Formel (VIII)6. Hydrolytically degradable ionic copolymers according to one of claims 1 to 3, characterized in that it is in the derivative B of the methacrylic [02- (2-methyl-1-methylene-allyloxy) ethyl] -ethansulfonat according to formula (VIII )
handelt, wobei M+ ein Lithium-, Natrium-, Kalium-, Ammonium- oder Tetraalky- lammonium-Kation darstellt. where M + represents a lithium, sodium, potassium, ammonium or tetraalkylammonium cation.
7. Hydrolytisch abbaubare ionische Copolymerisate gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das es sich bei dem Methacrylsäurede- rivat B um [2-(2-Methyl-1 -methylen-allyloxy)ethyl]-phosphonat gemäß Formel (IX)7. Hydrolytically degradable ionic copolymers according to one of claims 1 to 3, characterized in that it is in the methacrylic acid derivative B to [2- (2-methyl-1-methylene-allyloxy) ethyl] phosphonate according to formula (IX )
handelt, wobei M+ ein Lithium-, Natrium-, Kalium-, Ammonium- oder Tetraalky- lammonium-Kation darstellt. where M + represents a lithium, sodium, potassium, ammonium or tetraalkylammonium cation.
8. Hydrolytisch abbaubare ionische Copolymerisate gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie aufgebaut sind aus a) 10 bis 55 Mol-% eines cyclischen Ketenacetals A, b) 4 bis 90 Mol-% eines Methacrylsäurederivats B, c) 0 Mol-% eines Methacrylsäurederivats C, wobei die Summe der Komponenten A und B 100 Mol-% beträgt, so dass es sich um ein Dipolymer handelt, und wobei A, B und C wie oben definiert sind.8. Hydrolytically degradable ionic copolymers according to one of claims 1 to 7, characterized in that they are composed of a) 10 to 55 mol% of a cyclic ketene acetal A, b) 4 to 90 mol% of a methacrylic acid derivative B, c) 0 Mole% of a methacrylic acid derivative C, wherein the sum of components A and B is 100 mole%, so that it is a dipolymer, and wherein A, B and C are as defined above.
9. Hydrolytisch abbaubare ionische Copolymerisate gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie aufgebaut sind aus a) 10 bis 55 Mol-% eines cyclischen Ketenacetals A, ausgewählt aus MDO und BMDO, b) 4 bis 90 Mol-% DMAEMA, welches zu 45 % bis 95 % in Form eines qua- ternären Amins vorliegt c) 0 bis 30 Mol-% eines Methacrylsäurederivats C, wobei die Summe der Komponenten A, B und C 100 Mol-% beträgt und wobei das quaternäre Amin des DMAEMA sowie das Methacrylsäurederivat C wie oben definiert sind.9. Hydrolytically degradable ionic copolymers according to one of claims 1 to 6, characterized in that they are composed of a) 10 to 55 mol% of a cyclic ketene acetal A, selected from MDO and BMDO, b) 4 to 90 mol% DMAEMA c) from 0 to 30 mol% of a methacrylic acid derivative C, the sum of components A, B and C being 100 mol%, and wherein the quaternary amine of DMAEMA is from 45 to 95% in the form of a quaternary amine and the methacrylic acid derivative C are as defined above.
10. Hydrolytisch abbaubare ionische Copolymerisate gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie aufgebaut sind aus a) 10 bis 55 Mol-% eines cyclischen Ketenacetals A, ausgewählt aus MDO und BMDO, b) 4 bis 90 Mol-% DMAEMA, welches zu 45 % bis 95 % in Form eines qua- ternären Amins vorliegt c) 0 bis 80 Mol-% MMA, wobei die Summe der Komponenten A, B und C 100 Mol-% beträgt und wobei das quaternäre Amin des DMAEMA wie oben definiert ist. 10. Hydrolytically degradable ionic copolymers according to one of claims 1 to 6, characterized in that they are composed of a) 10 to 55 mol% of a cyclic ketene acetal A, selected from MDO and BMDO, b) 4 to 90 mol% DMAEMA which is 45% to 95% quaternary amine; c) 0 to 80 mole% MMA, wherein the sum of components A, B and C is 100 mole%, and wherein the quaternary amine of DMAEMA is as above is defined.
11. Verfahren zur Herstellung von kationischen Copolymerisaten gemäß Anspruch 4, umfassend folgende Schritte: a) freie radikalische Copolymerisation der Komponenten A, DMAEMA und C in Gegenwart eines Radikalstarters unter Schutzgasatmosphäre, b) Reinigung des erhaltenen neutralen Copolymers, c) Reaktion des neutralen Copolymers mit einem Quaternisierungsreagenz, so dass 45 % bis 95 % des DMAEMA quaternisiert werden, d) Reinigung des so erhaltenen ionischen Copolymers.11. A process for the preparation of cationic copolymers according to claim 4, comprising the following steps: a) free radical copolymerization of components A, DMAEMA and C in the presence of a radical initiator under a protective gas atmosphere, b) purification of the resulting neutral copolymer, c) reaction of the neutral copolymer with a quaternization reagent so that 45% to 95% of the DMAEMA are quaternized; d) purification of the ionic copolymer thus obtained.
12. Verfahren zur Herstellung von kationischen Copolymerisaten gemäß Anspruch 11 , dadurch qekennzeichent, dass zuerst DMAEMA gemäß Schritt c) quaternisiert wird und das quaternisierte DMAEMA anschließend gemäß Schritt a) mit den Komponenten A und C in Gegenwart eines Radikalstarters unter Schutzgasatmosphäre radikalisch polymehsiert wird.12. A process for the preparation of cationic copolymers according to claim 11, characterized qekennzeichent that first DMAEMA is quaternized according to step c) and the quaternized DMAEMA then in step a) with the components A and C in the presence of a radical initiator under a protective gas atmosphere free-radical polymehsiert.
13. Verfahren zur Herstellung von anionischen Copolymerisaten gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten A, B und C in Gegenwart eines Radikalstarters unter Schutzgasatmosphäre polymehsiert und das erhaltene ionische Copolymer anschließend gereinigt wird.13. A process for preparing anionic copolymers according to any one of claims 5 to 7, characterized in that the components A, B and C polymehsiert in the presence of a radical initiator under a protective gas atmosphere and the resulting ionic copolymer is subsequently purified.
14. Verwendung von hydrolytisch abbaubaren ionischen Copolymeren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Herstellung von Nanopartikeln.14. Use of hydrolytically degradable ionic copolymers according to any one of claims 1 to 10 for the preparation of nanoparticles.
15. Verwendung von hydrolytisch abbaubaren kationischen Copolymeren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 und 8 bis 10 als Klebstoffe.15. Use of hydrolytically degradable cationic copolymers according to any one of claims 1 to 4 and 8 to 10 as adhesives.
16. Verwendung von hydrolytisch abbaubaren kationischen Copolymeren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 und 8 bis 10 als superhydrophobe Werkstoffe.16. Use of hydrolytically degradable cationic copolymers according to any one of claims 1 to 4 and 8 to 10 as superhydrophobic materials.
17. Verwendung von hydrolytisch abbaubaren anionischen Copolymeren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 und 5 bis 8 als bioabbaubare thermoplastische Elastomere oder bioabbaubare lonomere. 17. The use of hydrolytically degradable anionic copolymers according to any one of claims 1 to 3 and 5 to 8 as biodegradable thermoplastic elastomers or biodegradable ionomers.
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