NL1004153C2 - Nieuwe fructaan-derivaten. - Google Patents

Description

NIEUWE FRUCTAAN-DERIVATEN

De uitvinding heeft betrekking op nieuwe fructaanderivaten, in het bijzonder op nieuwe kationische derivaten van inuline.

Kationische polysachariden hebben interessante eigenschappen, die de poly-5 sachariden bij voorbeeld geschikt maken als additief voor de papierfabricage. Dergelijke kationische polysachariden bevatten aan zuurstof gebonden zijketens met een amino-groep of een quatemaire ammoniumgroep. De bereiding en toepassing van kationisch zetmeel zijn beschreven, bij voorbeeld door M.E. Carr en M.O. Bagby (Starch/Starke 33 (1981) 310-312) en in het Amerikaanse octrooischrift 4088600. De substitutiegraden io (DS: gemiddeld aantal kationische groepen per anhydroglucose-eenheid) van zetmeel zijn in het algemeen laag (kleiner dan 0,06).

Door McAfee c.s. (J. Nucl. Med. 27 (1986) 513-520) is de bereiding van DTPA-conjugaten (DTPA = diëthyleentriamine-penta-azijnzuur) van inuline als complexanten voor metalen (In111) voor medische diagnose beschreven; de conjugaten 15 werden bereid via aminoethylinuline dat, ondanks toepassing van meer dan 5 equivalenten broomethyl-ammoniumbromide in DMSO (dimethylsulfoxide) met natrium-methoxide, een DS van slechts 0,095 had.

Er is behoefte aan kationische polysachariden met verbeterde eigenschappen ten opzichte van kationisch zetmeel, cellulose en guaraan, zoals een verhoogde belading met 20 kationische groepen.

Gevonden is nu dat van fructanen, waaronder inuline, kationische derivaten kunnen worden bereid, welke derivaten een betere oplosbaarheid, een hogere substitutie-graad, een lagere viscositeit en/of een betere biologische afbreekbaarheid hebben dan de bekende kationische polysachariden.

25 De derivaten volgens de uitvinding worden gedefinieerd door de hoofdconclusie.

Nadere voorkeuren zijn weergegeven in de onderconclusies. De derivaten hebben bij voorkeur een substitutiegraad (d.w.z. een gehalte aan kationische groepen per mono-sacharide-eenheid) (DS) van 0,1-2,5, in het bijzonder van 0,3-2,0.

Onder kationische verbindingen worden hier verstaan stikstofverbindingen die 30 intrinsiek kationisch zijn (quatemaire ammoniumverbindingen) dan wel die alleen in zuur milieu kationisch zijn (primaire, secundaire of tertiaire amineverbindingen). De met 1004153 2 de ammoniumverbindingen overeenkomende neutrale aminen vallen derhalve steeds onder hetzelfde begrip.

Onder fructanen worden hier alle oligo- en polysachariden verstaan die een meerderheid aan anhydrofructose-eenheden hebben. De fructanen kunnen een poly-S disperse ketenlengte verdeling hebben en kunnen al dan niet vertakt zijn. De fructanen omvatten zowel direct uit plantaardige of andere bron verkregen producten, als wel de producten waarbij door fractionering, enzymatische synthese of hydrolyse de gemiddelde ketenlengte is gewijzigd (verhoogd of verlaagd). De fructanen hebben een gemiddelde ketenlengte (= polymerisatiegraad, DP) van ten minste 3, oplopend tot circa 60. Bij 10 voorkeur bedraagt de gemiddelde ketenlengte ten minste 8, in het bijzonder ten minste 15 of zelfs ten minste 25 monosacharide-eenheden. Bij voorkeur bevat het fructaan voornamelijk β—2,1 -bindingen zoals in inuline. Inuline kan worden verkregen uit bij voorbeeld cichorei, dahlia en aardpeer.

Fractionering van fructanen zoals inuline kan worden bewerkstelligd door bij 15 voorbeeld koelkristallisatie (zie WO 96/01849), kolomchromatografische scheiding (zie WO 94/12541), membraanfiltratie (zie EP-A-440074 en EP-A-627490) of selectieve precipitatie met een alcohol. Ook andere fructanen, zoals kortketenige fructanen die bij voorbeeld zijn verkregen bij kristallisatie, fructanen waaruit mono- en disachariden zijn verwijderd en fructanen waarvan de ketenlengte enzymatisch is verlengd, kunnen in 20 kationische derivaten worden omgezet. Voorafgaande hydrolyse tot kortere fructanen kan bij voorbeeld enzymatisch (endoinulinase), chemisch (water plus zuur) of heterogeen-katalytisch (zure kolom) geschieden.

Ook gereduceerde fructanen komen in aanmerking. Gereduceerde fructanen zijn fructanen waarvan reducerende eindstandige groepen (gewoonlijk fructose-groepen) zijn 25 gereduceerd, bij voorbeeld met natriumboorhydride of met waterstof in aanwezigheid van een overgangsmetaalkatalysator.

Verder kunnen gehydroxyalkyleerde, gecarboxymethyleerde en geoxideerde fructanen als basis voor kationische derivaten dienen. Gehydroxyalkyleerde en gecarboxymethyleerde fructanen kunnen worden verkregen door reactie van het fructaan 30 met respectievelijk ethyleenoxide of een ander alkyleenoxide (zie EP-A-638589) en chloorazijnzuur, bij voorkeur in waterig medium met een base. Geoxideerde fructanen zijn fructanen die door behandeling met bij voorbeeld hypochloriet of peijodaat en/of 1004153 3 chloriet zijn omgezet in derivaten die carboxyl- en/of aldehydgroepen bevatten. De invoering van kationische groepen in carboxylgroepen houdende fructaanderivaten leidt tot amfotere verbindingen die interessante eigenschappen hebben. Een gemodificeerd inuline dat bijzonder geschikt in een kationisch derivaat kan worden omgezet, is een 5 gereduceerd dialdehydinuline. Wanneer dialdehydinuline wordt gereduceerd, bij voorbeeld met waterstof in aanwezigheid van een overgangsmetaal of met natriumboor-hydride, ontstaat een polyol (poly-a-hydroxymethyl-a-[2-hydroxy-l-(hydroxy-methyl)ethoxy]ethyleenoxide) die veel primaire hydroxylgroepen bevat. Deze polyolen kunnen worden omgezet in kationische derivaten.

10 Voorbeelden van al of niet vertakte C>-C6-alkyleengroepen die eventueel door een of twee zuurstofatomen of al of niet gealkyleerde en/of geprotoneerde imino-groepen zijn onderbroken en die eventueel met een of twee hydroxylgroepen of amine-groepen of een carboxyl- of carbamoylgroep zijn gesubstitueerd, zijn ethyleen, 1,2-propyleen, 1,3-propyleen, 2-hydroxy-l,3-propyleen, tetramethyleen, hexamethyleen, 15 2,2-dimethyl- 1,3-propyleen, 2-butenyleen, 2-butynyleen, 2,4-hexadienyleen, cyclo- hexyleen, N-methyliminodiethyleen, diiminotriethyleen, oxydiethyleen, oxydipropyleen, ethyleeniminocarbonylmethyleen, carbamoylethyleen en carboxyethyleen. Derivaten met een 3-aminopropylgroep behoren ook tot de uitvinding maar zijn beschreven in de niet-voorgepubliceerde internationale octrooiaanvrage PCT/NL96/00187.

20 De uitvinding heeft eveneens betrekking op een werkwijze ter bereiding van de bovengenoemde kationische derivaten. De omzetting kan op verschillende, op zichzelf bekende wijzen worden uitgevoerd. Derivaten met de groepen met formule -A-N+R1R2R3 waarin A ethyleen of 1,2-propyleen voorstelt, kunnen bij voorbeeld worden verkregen door reactie van het - eventueel gemodificeerde - fructaan met een 25 op de juiste wijze op stikstof gesubstitueerd ethyleenimine (aziridine) resp. 1,2-propyleenimine of aminoethylhalogenide resp. 2-aminopropylhalogenide met base in een organisch oplosmiddel of liever in water. Wanneer A 2-hydroxy-1,3-propyleen voorstelt, kan de omzetting plaatsvinden met een glycidylamine of een 3-halogeen-2-hydroxypropylamine of een overeenkomstig ammoniumzout. Wanneer A als substituent 30 een carbamoyl- of carboxylgroep bevat, kan worden omgezet met een 2-dialkylamino-3-halogeenpropionamide resp. -zuur. Wanneer A 2-butenyleen voorstelt kan een eventueel gesubstitueerd 4-chloor-2-butenylamine worden toegepast. Andere geschikte 1004153 4 reagentia zijn 2-chloorpropyldimethylamine, N-(2-chloorethyl)morfoline, 3-broom-propyltrimethylammoniumbromide, chloorethyldiethylamine, 4-chloor-l-methyl-piperidine, e.d..

Derivaten waarin A een met zuurstofatomen of iminegroepen onderbroken 5 aikyleengroep voorstelt kunnen op analoge wijze worden verkregen bij voorbeeld met een reagens met formule X-CH2-CH2-[Y-CH2-CH211-N+R1R2R3 (X = Cl, Br e.d., Y = O, NH, NCH3, n = 1 of 2). Bij Y = O en n = 1 kan het derivaat ook worden verkregen door reactie van het fructaan met een alkyleenoxide tot een hydroxyalkylfructaan met hoge substitutiegraad, gevolgd door reactie met een β-halogeenamine met de 10 formule X-CHi-CHj-N^R^R3. Derivaten waarin A de formule -C(=NR4)-NR1R2 (iminocarbamoyl) heeft, kunnen worden verkregen door reactie van het fructaan met cyaanamide of een N-gesubstitueerd cyaanamide. Een van de stikstofatomen van imino-carbamoylgroep kan zijn geprotoneerd of bij voorbeeld met methyl zijn gequatemiseerd.

Derivaten met de bovengenoemde formules waarin R3 -A-Fruc voorstelt zijn 15 verknoopte derivaten die kunnen worden verkregen door reactie van het fructaan met een amine met twee of drie koppelingsfuncties zoals Ν,Ν-bis- of N,N,N-tris(2-chloor-ethyl)amine, Ν,Ν-bis- of N,N,N-tris(3-chloor-2-hydroxypropyl)amine en N,N’-bis(2-chloorethyl)piperazine. Eventueel na de koppelingsreactie overblijvende 2-chloorethyl-resp. 3-chloor-2-hydroxypropylgroepen kunnen eenvoudig worden gehydrolyseerd tot 20 2-hydroxyethyl- resp. 2,3-dihydroxypropylgroepen.

Een overzicht van synthesemethoden van kationische derivaten van zetmeel is te vinden in Hoofdstuk 8, "Preparation of Cationic starches" van D.B. Solarek in "Modified Starches: Properties and Uses", Ed. O.B. Wurzburg, CRC PRess, 1986, biz. 114-121, welke methoden in het algemeen voor de bereiding van de onderhavige 25 derivaten bruikbaar zijn.

In het algemeen heeft het de voorkeur de bereiding van de fructaanderivaten volgens de uitvinding uit te voeren in een waterig milieu, eventueel in aanwezigheid van een base. Afhankelijk van de gewenste substitutiegraad kan daarbij bijvoorbeeld 0,1-10 equivalenten van het desbetreffende amine-reagens worden toegepast, in het bijzonder 30 0,2-5 equivalenten, welke equivalenten zijn betrokken op het aantal monosacharide- eenheden (anhydrofructose-eenheden) van het fructaan. De reactie kan bij kamertemperatuur worden uitgevoerd, maar bij voorkeur bij een hogere temperatuur, van 40- 1004153 5 150°C. De reactietijden liggen, afhankelijk van de temperatuur, gewoonlijk tussen enkele minuten en enkele uren. Na afloop van de reactie wordt het reactiemengsel geneutraliseerd en, mede afhankelijk van de beoogde toepassing, opgewerkt. Indien het derivaat voor de beoogde toepassing vrij moet zijn van zouten en resten reagens of hydrolyse-5 producten daarvan (zoals hydroxyalkylaminen), kunnen bekende zuiveringstechnieken worden toegepast, zoals elektrodialyse, nanofiltratie en precipitatie met een alcohol, zoals ethanol.

Een bijzonder voordelige werkwijze voor de bereiding van de onderhavige derivaten betreft een reactie uitgevoerd onder omstandigheden van verhoogde 10 temperatuur, intensief kneden en een geringe hoeveelheid oplosmiddel, zoals die heersen in een extrusiereactor. Een voorbeeld van dergelijke omstandigheden voor de bereiding van zetmeelderivaten is beschreven door Meuser c.s., Starch/Starke 42 (1990), 330-360. Voor de bereiding van de onderhavige derivaten kunnen daarbij bijvoorbeeld het fructaan in vaste vorm en daarnaast base (natronloog) en aminereagens (bijvoorbeeld 3-15 chloor-2-hydroxypropyltrimethylammoniumchloride) in geconcentreerde oplossing in de extruder worden gedoseerd. Het droge-stofgehalte is daarbij bij voorkeur hoger dan 25%, in het bijzonder hoger dan 50% tot dicht bij 100%. De temperatuur kan bij voorbeeld tussen 60 en 150°C worden gekozen. Onder deze omstandigheden wordt een belangrijke verkorting van de reactieduur bereikt en wordt tevens een hoge efficiëntie 20 gehaald.

Indien gewenst, kunnen de kationische derivaten vervolgens verder worden gemodificeerd. Zoals al vermeld kunnen de neutrale aminen worden omgezet in de zuuradditiezouten, zoals hydrochloriden, hydrobromiden, sulfaten, fosfaten, acetaten e.d. Derivaten met een primaire, secundaire of tertiaire aminegroep kunnen in verder ge-N-25 alkyleerde, en eventueel quatemaire derivaten worden omgezet met gangbare alky-leringsmiddelen zoals dimethylsulfaat, ethylbromide, chloorethanol, allylchloride, benzylchloride e.d.

Ook andere modificaties van de derivaten volgens de uitvinding zijn mogelijk, zoals oxidatie met bij voorbeeld hypochloriet, peijoodzuur of waterstofperoxide, waarbij 30 carboxylgroepen worden gevormd. Ook kunnen de derivaten worden ge-carboxymethy-leerd met bij voorbeeld chloorazijnzuur of ge-sulfoalkyleerd met bij vooorbeeld propyleensulton. Dergelijke modificaties worden bij voorkeur zodanig uitgevoerd dat de 1004153 6 substitutiegraad met de aldus ingevoerde groepen zoals carboxylgroepen lager is dan de substitutiegraad met amine resp. ammoniumgroepen.

De kationische derivaten volgens de uitvinding kunnen voor diverse doeleinden worden toegepast. Kationische fructaanderivaten met een hoge substitutiegraad kunnen 5 worden toegepast als desinfectiemiddel. De kationische derivaten, zijn verder bruikbaar als hairconditioner, doordat zij de overmaat negatieve lading op de haarlamellen neutraliseren. Verder zijn de derivaten uitstekend geschikt als additief bij de papierfabricage. Zij kunnen daarbij onder meer dienen als "Anionic trash catchers" (ATC), d.w.z. middelen die de schadelijke elementen bij de papierfabricage wegvangen. De 10 kationische fructaanderivaten hebben daarbij een voordeel ten opzichte van kationisch zetmeel door hun lage viscositeit.

Een andere toepassing van de kationische fructaanderivaten volgens de uitvinding is als kleischalieremmer ("shale inhibitor") bij de oliewinning. De derivaten worden daartoe in de boorspoeling opgenomen en schermen de negatieve lading in de 15 kleilagen waarlangs de boorvloeistof wordt geleid af. Het kationische derivaat heeft voor deze toepassing bij voorkeur een hoge substitutiegraad (¾ 1,0). Eventueel kan het kationische derivaat in combinatie met een kaliumzout worden gebruikt.

Ander toepassingsgebieden van de kationische fructaanderivaten volgens de uitvinding zijn als vlokmiddel en corrosieremmer bij de behandeling van afvalwater en 20 proceswater, als demulgator in de metaalverwerkende en petrochemische industrie, als textieladditief (wasverzachter, antikrimpmiddel, kleurvastheid bevorderend middel), als hechtmiddel, en als hulpstof voor de bouw- en keramiekindustrie.

Voorbeeld 1

Aan 20 ml koud water wordt een mengsel van 20 g cichorei-inuline (Frutafit®) 25 met een gemiddelde DP van 10 (123,5 mmol) plus 3,1 g NaOH (77,2 mmol) bij 80°C toegevoegd. Na afkoelen van het mengsel tot 60°C wordt in 20 min. 17,8 g van een 65%-ige oplossing van 3-chloor-2-hydroxypropyltrimethylammoniumchloride (CHPTA) (61,7 mmol) toegevoegd. Na 24 uur bij 60°C wordt de pH met HC1 verlaagd tot 7,0. De heldere oplossing wordt tot kamertemperatuur afgekoeld en met 250 ml water 30 aangevuld. De oplossing wordt 45 min. geelektrodialyseerd (Pl-Aqualyzer van EIVS-Coming, 20 celparen van ieder 69 cm2, membraanset AMC/CSV, 30 V, 1% NaCl).

1004153 7

De gezuiverde oplossing van kationisch inuline wordt gedroogd met een rota-vapor (70°C) en 24 uur nagedroogd in een stoof van 70°C. Opbrengst: 26,3 g kationisch inuline (96%) met een stikstofgehalte van 2,52% (DS 0,40); de reactie-efficiëntie bedraagt 80%.

5 Voorbeeld 2

Aan 600 ml koud water wordt een mengsel van 600 g via koelkristallisatie gefractioneerde cichorei-inuline (Frutafit®) met een gem. DP van 25 (3,70 mol) en 416 g NaOH (10,41 mol) toegevoegd. Bij 60°C wordt in 45 min. 2412 g van een 25%-ige oplossing van CHPTA (8,33 mol) toegevoegd. Na 24 uur reactie bij 60°C wordt pH met 10 HC1 op de 7,0 gebracht. De heldere oplossing wordt afgekoeld en met 6 1 water aangevuld en 24 uur geëlektrodialyseerd met de in voorbeeld 1 genoemde apparatuur. De gezuiverde kationische inuline wordt gedroogd (rotavapor 70°C).

Opbrengst: 1385 g kationisch inuline (95%) met een stikstofgehalte van 5,44°C (DS 1,53); de reactie-efficiëntie bedraagt 68%. Het produkt is lichtbruin gekleurd.

15 Voorbeeld 3

Aan 400 ml koud water wordt een mengsel van 400 g met natriumboorhydride gereduceerd cichorei-inuline (Frutafit®) met een gem. DP van 10 (2,47 mol) plus 61,7 g NaOH (1,54 mol) toegevoegd. Bij 60°C wordt vervolgens 357,3 g van een 65%-ige oplossing van CHPTA (1,23 mol) toegevoegd. Na 24 uur reactie bij 60°C wordt de pH

20 met HC1 op 7,0 gebracht. De heldere oplossing wordt afgekoeld en met 2,5 1 water aangevuld en gedurende 24 uur aan nanofiltratie onderworpen (Labnanofiltratie-unit type PSS 2TZ van Amafilter; 90 mm vlakmembraan, 44 cm2, polyamide ATF 50 van Membracon Filtration, druk 325 bar, pompsnelheid 300 1/uur). De aldus gezuiverde oplossing wordt gedroogd.

25 Opbrengst: 509,6 g kleurloos kationisch inuline (93%) met een stikstofgehalte van 2,47% (DS 0,39). Ten opzichte van het vóór nanofiltratie verkregen ruwe reactieproduct blijkt het gemiddelde molecuulgewicht te zijn verhoogd door verwijdering van laag-moleculaire derivaten, zoals is weergegeven in de bijgaande figuur.

1004153

Claims (12)

1. Fructaanderivaat met het kenmerk dat het per monosacharide-eenheid gemiddeld ten minste 0,1 kationische groep met de formule: -A-N+R1R2R3 of -C(=NR4)-NR1R2 5 bevat, welke groep via een zuurstofatoom van de monosacharide-eenheid is gebonden, in welke formule: A een al of niet vertakte, eventueel door een of twee zuurstofatomen of imino- of alkylimino-groepen onderbroken en eventueel met een of twee hydroxylgroepen of aminegroepen of een carboxyl- of carbamoylgroep gesubstitueerde C2-C6-alkyleengroep 10 voorstelt; R1 en R2 elk waterstof, methyl, carboxymethyl, fosfonomethyl, ethyl, hydroxyethyl, propyl, isopropyl, allyl, hydroxypropyl of dihydroxy propyl voorstellen of tezamen met het stikstofatoom een pyrrolidino-, piperidino-, piperazino-, N'-alkylpiperazino-, N'-(hydroxyalkyl)piperazino-, N'-(aminoalkyl)piperazino-, morfolino- of hexa-15 methyleenamino-groep vormen; R3 waterstof, Q-Qg-alkyl, C3-C18-alkenyl, -alkynyl of -cycloalkyl, C4-C18-cyclo-alkyl-alkyl, Q-C^-aralkyl of een groep met de formule -A-Fruc voorstelt, waarbij A de bovengenoemde betekenis heeft en Fruc een via zuurstof gebonden rest van een fructaan voorstelt;

20 R4 waterstof, methyl, ethyl, hydroxyethyl, hydroxypropyl of dihydroxypropyl voorstelt; waarbij de amine-stikstofatomen ongeladen dan wel geprotoneerd of met methyl, ethyl, hydroxyethyl, hydroxypropyl of dihydroxypropyl gequatemiseerd kunnen zijn; met dien verstande dat indien A een 1,3-propyleengroep voorstelt, R1 en/of R2 een andere groep dan waterstof of carboxymethyl voorstellen.

2. Fructaanderivaat volgens conclusie 1, met het kenmerk dat het per mono sacharide-eenheid gemiddeld 0,3-2,0 kationische groep bevat.

3. Fructaanderivaat volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk dat het een gemiddelde ketenlengte van ten minste 8 anhydrofructose-eenheden heeft.

4. Fructaanderivaat volgens een der voorgaande conclusies, waarbij R1 en R2 ieder 30 methyl of ethyl voorstellen. 1 0041 53

5. Fructaanderivaat volgens een der voorgaande conclusies, waarbij A ethyleen of 2-hydroxypropyleen voorstelt.

6. Fructaanderivaat volgens een der voorgaande conclusies, waarbij R1, R2 en R3 ieder methyl of ethyl voorstellen en A een 2-hydroxy-l,3-propyleen-groep voorstelt.

7. Fructaanderivaat volgens een der voorgaande conclusies, waarbij het fructaan inuline is.

8. Werkwijze ter bereiding van een kationisch fructaanderivaat volgens een der conclusies 1-7, waarbij men het fructaan of een derivaat daarvan laat reageren met een verbinding met de formule X-A-N+R!R2R3 (X = chloor of broom) of X-A-NR2R3 of 10 een na verwijdering van HX daarmee overeenkomend epoxide, resp. met NC-NR'R2R.

9. Werkwijze volgens conclusie 8, waarbij men de reactie uitvoert bij een temperatuur van 40-150°C in een waterige alkalische oplossing.

10. Werkwijze volgens conclusie 9, waarbij men de reactie uitvoert in een extrusieinrichting.

11. Werkwijze volgens een der conclusies 8-10, waarbij men het fructaan laat reageren met 3-chloor-2-hydroxypropyltrimethylammoniumchloride of het daarmee overeenkomende epoxide.

12. Toepassing van een kationisch fructaanderivaat volgens een der conclusies 1-7 als hulpmiddel bij de papierfabricage, bij de waterbehandeling, in de kosmetica, of als 20 desinfectiemiddel, hairconditioner, vlokmiddel, schalieremmer, corrosieremmer, demulgator, kleefstof of textielhulpstof. 1004153