DE60107833T2

DE60107833T2 - Veresterte polysaccharidprodukte, beta-lacton ringgeöffnete ketendimer-produkte enthaltende zusammensetzungen und verfahren zur deren herstellung

Info

Publication number: DE60107833T2
Application number: DE60107833T
Authority: DE
Inventors: N. H. Cheng; Ming Qu GU
Original assignee: Hercules LLC
Current assignee: Hercules LLC
Priority date: 2000-05-05
Filing date: 2001-04-20
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2021-04-21
Also published as: DE60107833D1; US6624298B2; ATE284901T1; AR033670A1; TW546306B; AU2001253766A1; EP1278780B1; EP1278780A2; US20020106747A1; JP2003532410A; WO2001085800A2; ES2228850T3; WO2001085800A3; CA2406686A1; US6528643B1; MXPA02010784A

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft die Veresterung von Polysacchariden mit einem Ketendimer unter Verwendung enzymatischer Verfahren. Diese Erfindung betrifft ebenfalls Zusammensetzungen, die durch Lipase-katalysierte β-Lacton-Ringöffnung und Alkoholisierung von Ketendimeren mit Poly(ethylenglykol) erhalten werden, und ein Verfahren zu ihrem Erhalt. Die Zusammensetzung dieses β-Lactonringgeöffneten Ketendimers kann zur Herstellung eines veresterten Polysaccharids verwendet werden.
2. Beschreibung des Hintergrunds und Stand der Technik
Ester von Polysacchariden, wie Celluloseether, werden gewöhnlich durch Umwandeln von Polysacchariden zu den Monoestern durch verschiedene chemische Syntheseverfahren unter Verwendung von Carboxylanhydriden hergestellt (C.J. Malta, Anal. Chem., 25(2), 245–249, 1953; C.J. Malta, Industrial and Engineering Chemistry 49(1), 84–88, 1957). Unterschiedliche Typen von gemischten Monocarboxylestern von Cellulose und Celluloseethern wurden chemisch synthetisiert, wie Celluloseacetatsuccinat (J. of Pharm. Sci. 51, 484, 1962) und Hydroxypropylcelluloseacetatsuccinat ( EP 0 219 426 , 10. Juni 1986).
Die Wirkung von Alkylketendimer (AKD) bei der Leimung von Papier wird offenbart in S.H. Nahm, J. Wood Chem. Technol., 6(1), 89–112, 1986; K.J. Bottorff, Tappi J., 77(4), 105–116, 1994 und Nord. Pulp Pap. Res. J., 8(1), 86–95, 1993. Die Reaktion von AKD mit kleinen organischen Verbindungen wurde von Balkenhohl et al. angegeben ( DE 43 29 293 A1 ) und die Reaktion von AKD mit cellulosischen Ethern von Lahteenmaki et al. (WO 99/61478).
AKDs haben eine aktivierte Lactonfunktionalität, die mit Hydroxyl- und Amingruppen unter milden Bedingungen reagiert, was die Notwendigkeit der Verwendung eines Acylchlorids oder Anhydrids vermeidet. AKD-Ausgangsstoffe sind kostengünstig, und es gibt wenige oder keine Nebenprodukte nach der Reaktion.
Deshalb wäre es vorteilhaft, Ketendimere als einen der Ausgangsstoffe zur Herstellung veresterter Polysaccharide zu verwenden.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines veresterten Polysaccharids bereit, das einen Schritt der Zugabe einer wirksamen Menge von Enzym zu einer Polysaccharid-Reaktionsmischung einschließt. Die Reaktionsmischung umfaßt organische Lösungsmittel, Polysaccharide und ein Ketendimer. Das organische Lösungsmittelmedium ist wenigstens eines, das aus polaren aprotischen Lösungsmitteln ausgewählt ist. Die polare aprotische Verbindung ist wenigstens eine, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus N,N-Dimethylacetamid, N,N-Dimethylformamid und Dimethylsulfoxid besteht. Das organische Lösungsmittelmedium ist in einer Menge von 10 bis 95 Gew.% auf Basis des Gesamtgewichts der Reaktionsmischung vorhanden. Das Polysaccharid in diesem Verfahren ist in einer Menge von 1 bis 75 Gew.% auf Basis des Gesamtgewichts der Reaktionsmischung vorhanden. Das Ketendimer ist in einer Menge von 0,10 bis 10 Gew.% auf Basis des Gesamtgewichts der Reaktionsmischung vorhanden. Das Produkt weist 80 bis 100 Gew.% verestertes Polysaccharid auf und enthält 0,10 bis 10 Gew.% des umgesetzten Ketendimers. Die Temperatur der Reaktionsmischung wird zwischen 20 und 100°C während der Reaktion gehalten, bevorzugt zwischen 40 und 60°C. Die Reaktionsdauer beträgt zwischen 1 und 72 Stunden, bevorzugt zwischen 6 und 24 Stunden. Das Verfahren umfaßt ferner das Deaktivieren des Enzyms am Ende der Reaktion. Das Verfahren umfaßt ferner das Waschen des Reaktionsprodukts mit Isopropylalkohol. Das Verfahren umfaßt ferner das Trocknen des gewaschenen Reaktionsprodukts.
In spezifischen bevorzugten Ausführungsformen schließt das Verfahren ein: Zugeben von Enzym in einer Menge von 0,013 bis 13 Gew.% auf Basis des Gewichts des Polysaccharids zu einer Reaktionsmischung, worin die Reaktionsmischung (A) Celluloseether oder Guarether, (B) ein Alkyl- oder Alkenylketendimer und (C) ein organisches Lösungsmittel umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus N,N-Dimethylacetamid, N,N-Dimethylformamid und Dimethylsulfoxid besteht, Erwärmen der Reaktionsmischung für 6 bis 24 Stunden auf 40 bis 60°C, Deaktivieren des Enzyms nach Beendigung der Reaktion, Waschen des Reaktionsprodukts mit einem Alkohol, wie Isopropylalkohol, und Trocknen des Reaktionsprodukts.
Die veresterten Polysaccharide besitzen viele Anwendungen. Sie können in Anstrichmitteln als Verdicker und Stabilisatoren, in Baustoffen zur Verleihung von Scher- oder Zugfestigkeit oder für Körperpflegeanwendungen als polymere Emulgatoren verwendet werden. Sie können ebenfalls zur Verkapselung, als Exzipienten für pharmazeutische Tabletten und als Antilichthofbildungsbeschichtungen verwendet werden. Sie können ebenfalls als Bestandteile in Detergenzien verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung stellt ebenfalls eine Zusammensetzung aus modifiziertem Ketendimer mit der folgenden allgemeinen Formel bereit: [R-O]-CO-CH(R₁)-CO-CH₂-R₁ worin R Poly(ethylenglykol) ist und R₁ eine lineare oder verzweigte, aliphatische oder olefinische Kette mit 2 bis 20 Kohlenstoffen ist, in Kombination mit einem Enzym, das die Bildung des modifizierten Ketendimers katalysieren kann.
Spezifisch umfaßt die Zusammensetzung β-Lacton-ringgeöffnetes und alkoholisiertes Ketendimer, das ein enzymatisches Reaktionsprodukt zwischen Poly(ethylenglykol) und einem Ketendimer ist, in Gegenwart von 0,13 bis 13 Gew.% Enzym auf Basis des Gewichts des Poly(ethylenglykols). Das Ketendimer ist eine Aliphatyl- oder Olefinylketendimer. Das Enzym ist eine Lipase, die aus Pseudomonas sp. oder aus Pseudomonas fluorescens erhalten wird.
Diese Erfindung stellt ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines β-Lacton-ringgeöffneten und alkoholisierten Ketendimers bereit durch: Zugeben von Enzym in einer Menge von 0,1 bis 100 Gew.% auf Basis des Gewichts des Ketendimers zu einer Reaktionsmischung, worin die Reaktionsmischung Polyethylenglykol, (B) ein Alkyl- oder Alkenylketendimer und (C) ein polares aprotisches Lösungsmittel umfaßt, Erwärmen der Reaktionsmischung für 24 bis 72 Stunden auf circa 50°C, Deaktivieren des Enzyms nach Beendigung der Reaktion und Waschen des Reaktionsprodukts mit Hexan.
Kurze Beschreibung der Figur
Die Figur zeigt die Brookfield-Viskosität als Funktion des AKD/HEC-Verhältnisses.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Wie hier verwendet:
"Molekulargewicht" wird durch Größenausschlußchromatografische (SEC) Analyse gemessen, und die Einheiten sind Dalton. SEC-Analyse wird an Größenausschluß-Säulen (Eichrom CATSEC 4000, 1000, 300, 100 in Reihe, 5–10 μm Teilchengröße) unter Verwendung von chromatografischer Ausrüstung der Waters 515-Reihe mit einer Mischung aus wäßriger Lösung (1 % Natriumnitrat, 0,1 % Trifluoressigsäure) und Acetonitril (50:50, V/V) als mobile Phase durchgeführt. Der Detektor ist ein Hewlett Packard 1047A Differentialrefraktometer. Der Durchschnitt des Molekulargewichts wird unter Verwendung von Waters Millenium-32 Datenverarbeitungssoftware aus der Kalibrierung gegen ein gewerbliches standardmäßiges Poly(2-vinylpyridin) berechnet. Abschätzungen des Zahlenmittelwerts und Gewichtsmittelwerts des Molekulargewichts, Mn und Mw, der Produktmischungen werden unter Verwendung des gleichen Systems mit dem Computer erzeugt.
Die "Viskosität" wird unter Verwendung eines DV-I-Viskosimeters gemessen (Brookfield Viscosity Lab, Middleboro, MA). Eine ausgewählte Spindel (Nummer 2) wird an das Instrument angebracht, das auf eine Geschwindigkeit von 30 U/min eingestellt wird. Die Spindel für die Brookfield-Viskosität wird vorsichtig in die Lösung eingeführt, um keine Luftbläschen einzufangen, und dann mit der oben genannten Geschwindigkeit für 3 Minuten bei 24°C rotiert. Die Einheiten sind Centipoise (mPa·s).
Der Begriff "molare Substitution" bedeutet die durchschnittliche molare Anzahl einer Verbindung, die auf einen Monomerrest eines Polymers gepfropft wurde.
Die Dünnschichtchromatografie (DC) wird an einer SiO₂-DC-Platte durchgeführt. 1 bis 2 μl der Probe werden auf die DC-Platte getüpfelt. Die Platte wird dann durch Ethylacetat/Hexan (1:9) eluiert. Die DC-Platte wird I₂-Dampf ausgesetzt oder in 15 %ige H₂SO₄-Lösung getränkt. Die Probe wird durch ihre unterschiedliche Farbe zum Hintergrund detektiert, und der R_f-Wert wird aufgezeichnet.
Der Begriff "Flash-Chromatografie" bezeichnet eine schnelle Chromatografie, und sie wird unter einem geringen Luft- oder Stickstoffdruck durchgeführt.
Der Begriff "R_f" bezeichnet die Position einer spezifischen Verbindung auf einer DC-Platte nach Lösungsmittelelution. Er variiert von 0 bis 1,0, wobei 0 keine Bewegung mit der Lösungsmittelelution bedeutet und 1,0 eine maximale Bewegung bedeutet.
1. Enzymatische Synthese veresterter Polysaccharide
Veresterte Polysaccharide dieser Erfindung können durch die nachfolgend gezeigte allgemeine Struktur dargestellt werden: [R-O]-CO-CH(R₁)-CO-CH₂-R₁ worin R ein Polysaccharid ist und der Rest der Struktur aus der Ringöffnung eines Ketendimers herrührt. Die Gruppe R₁ stellt eine lineare oder verzweigte, aliphatische oder olefinische Kette mit 2 bis 20 Kohlenstoffen dar. Die Veresterung von Polysacchariden durch ein Ketendimer führt dazu, daß die Polysaccharide hydrophober werden.
In einer typischen Synthese veresterter Polysaccharide wird das Polysaccharid, das 1 bis 75 Gew.% der Reaktionsmischung bildet, in einem organischen Lösungsmittel und einem Ketendimer suspendiert. Die bevorzugte Menge des Polysaccharids beträgt 5 bis 60 %. Die am meisten bevorzugte Polysaccharidmenge beträgt ca. 10 %. Das Ketendimer ist in einer Menge von 0,1 bis 10 Gew.% der Reaktionsmischung vorhanden. Die bevorzugte Ketendimermenge beträgt 0,1 bis 2 Gew.%. Die am meisten bevorzugte Ketendimermenge beträgt circa 0,2 Gew.%. Ein Enzym wird zur Reaktionsmischung gerade vor dem Beginn der Reaktion hinzugegeben. Die verwendete Enzymmenge beträgt 0,010 bis 10 Gew.% der Reaktionsmischung. Die bevorzugte Enzymmenge beträgt 0,10 bis 5 Gew.%. Die am meisten bevorzugte Enzymmenge beträgt circa 0,5 Gew.%. Das Enzym öffnet den β-Lacton-Ring des Ketendimers und bildet eine kovalente Zwischenstufe ("Acyl-Enzym-Zwischenstufe"), die weiter mit den Hydroxylgruppen von Polysacchariden unter Bildung der Esterbindung reagiert. Somit werden Ketendimere auf das Polysaccharid gepfropft.
Die Reaktionstemperatur ist optimal zwischen 20 und 100°C, bevorzugt zwischen 40 und 60°C. Die Reaktionsdauer beträgt 1 bis 72 Stunden. Die bevorzugte Dauer beträgt 6 bis 24 Stunden. Es wird festgestellt, daß das Produkt am Ende der Reaktion 80 bis 100 Gew.% veresterte Polysaccharide und 0,10 bis 10 Gew.% des umgesetzten Ketendimers enthält. Am Ende der Reaktion werden Enzyme unter Verwendung von Wärme deaktiviert. Das Produkt wird mit einem organischen Lösungsmittel, wie Isopropylalkohol oder anderen ähnlichen Lösungsmitteln, gewaschen und dann an der Luft getrocknet.
Die Löslichkeit des Produkts in Wasser variiert, wenn unterschiedliche Arten von Ausgangsstoffen verwendet werden. Einige Produkte sind wasserlöslich, und einige sind es nicht. Es wird festgestellt, daß die Viskosität einer wäßrigen Lösung des Produkts viel höher als diejenige des Polysaccharids als Ausgangsstoff mit der gleichen Konzentration ist. Einige Produkte haben eine circa 300-fach höhere Viskosität. Die meisten Produkte haben eine 20- bis 300-fach höhere Viskosität als die Polysaccharide als Ausgangsstoff. Die höhere Viskosität des Produkts bleibt im wesentlichen unverändert für wenigstens drei Tage, wenn das Produkt bei pH 6,5 bis 8,5 gelagert wird.
Die so synthetisierten veresterten Polysaccharidprodukte besitzen ein Molekulargewicht von 1.000 bis 3.000.000.
Viele unterschiedliche Polysaccharide können in dieser Erfindung verwendet werden. Diese schließen Celluloseether, Hydroxyethylcellulose (HEC), Hydroxypropylcellulose (HPC), Carboxymethylcellulose und Guarderivate, wie kationisches Guar und Hydroxypropylguar, ein. Die bevorzugten Polysaccharide schließen Celluloseether, HEC und HPC ein. Das am meisten bevorzugte Polysaccharid ist HEC. Das HEC hat gewöhnlich eine molare Substitution von 2,0 bis 4,0. Die bevorzugte molare Substitution von HEC beträgt circa 2,5.
Viele unterschiedliche Ketendimere können in dieser Reaktion verwendet werden. Diese schließen Alkylketendimere (AKD), wie Aquapel^® von Hercules, Alkenylketendimere, wie Precis^® von Hercules, und verschiedene Ketendimere gemischter Fettsäuren ein. Die bevorzugten Ketendimere sind Aliphatyl- oder Olefinylketendimer mit 8 bis 44 Kohlenstoffen und 0 bis 6 Doppelbindungen. Besonders bevorzugte Ketendimere sind diejenigen, worin die Alkyl- oder Alkenylgruppen aus Stearyl-, Palmityl-, Oleyl-, Linoleylgruppen und Mischungen daraus ausgewählt sind. Einige der Fettsäureketendimere sind bekannte Stoffe, die durch die 2+2-Additionsreaktion der Alkylketene hergestellt werden. Ein exemplarischen Reaktionsschema ist nachfolgend gezeigt:
Der β-Lacton-Ring des Ketendimers reagiert mit einem Teil der Hydroxylfunktionalität im Polysaccharid (z.B. mit dem obigen ROH) unter bestimmten Reaktionsbedingungen, um einen Alkyl- β-ketonester des Polysaccharids, ein verestertes Polysaccharid, durch eine Ringöffnungsreaktion zu bilden.
Geeignete organische Lösungsmittel sind polare aprotische Verbindungen. Die am meisten bevorzugten Lösungsmittel sind N,N-Dimethylacetamid, N,N-Dimethylformamid und Dimethylsulfoxid. Die organischen Lösungsmittel sind in einer Menge von 10 bis 95 Gew.% der gesamten Reaktionsmischung vorhanden.
Das Verfahren verwendet ein Enzym, bevorzugt Lipase, unter milden Bedingungen in organischen Lösungsmitteln. Das Enzym wird als Katalysator zur Synthese von Polysaccharid und Ketendimeren verwendet. Das verwendete Enzym ist eine Hydrolase. Besonders bevorzugt ist es eine Lipase oder Protease. Solche Enzyme können aus Tier, Pflanze, Bakterien, Virus, Hefe, Pilzen oder Mischungen darauf erhalten werden. Bevorzugt ist das Enzym eine Lipase, die aus Pseudomonas sp. oder Pseudomonas fluorescens, Candida antarctica, Candida rugosa, Candida cylindracea, Schweinepankreas, Rhizopus delemar, Rhizopus niveus oder Mischungen daraus erhalten wird. Am meisten bevorzugt ist das Enzym eine Lipase, die aus Pseudomonas sp. oder aus Pseudomonas fluorescens erhalten wird. Ein ähnliches Enzym aus einer synthetischen Quelle kann ebenfalls verwendet werden.
Ohne weitere Ausführung wird angenommen, daß ein Fachmann unter Verwendung der vorhergehenden Beschreibung die vorliegende Erfindung in ihrem vollsten Ausmaß verwenden kann.
Die folgenden bevorzugten spezifischen Ausführungsformen sind deshalb allein als veranschaulichend aufzunehmen und nicht beschränkend für den Rest der Offenbarung in irgendeiner Weise. In den folgenden Beispielen sind alle angegebenen Temperaturen unkorrigiert in Grad C; wenn nichts anderes angegeben ist, sind alle Teile und Prozentwerte gewichtsbezogen.
Beispiel 1
Eine HEC-Probe (Natrosol^®HX, Hercules, 5 g, 0,25 mol) mit einer molaren Substitution von 2,5 wird in 100 ml N,N-Dimethylacetamid (DMAc) suspendiert. 0,8 g AKD (Aquapel^®36H, Hercules) werden hinzugegeben, gefolgt von 0,4 g Lipase aus Pseudomonas sp. (von Amano). Die Reaktionsmischung wird bei 50°C für 24 Stunden inkubiert und dann mit Isopropylalkohol (IPA) behandelt. Die resultierende Ausfällung wird mit IPA gewaschen und getrocknet. Die Ausbeute beträgt circa 5,1 g. Das Produkt ist nicht wasserlöslich. IR-Analyse zeigt die Absorption bei 1.715 und 1.740 cm^–1, entsprechend der funktionellen Keton- bzw. Estergruppe. ¹³C-NMR zeigt einen Peak bei 14,0 ppm, entsprechend -CH₃, und Peaks bei 23 und 30 ppm, entsprechend der CH₂-Gruppe der langkettigen Fettsäure. Die kombinierten Daten von IR und NMR zeigen, daß die AKD-Addition an HEC erreicht wird.
Beispiel 2
Eine HEC-Probe (HEC 250GR, Hercules, 10 g, 0,5 mol) mit einer molaren Substitution von 2,5 wird in 200 ml N,N-Dimethylformamid (DMF) suspendiert. 2 g AKD (Aquapel^®36H, Hercules) werden hinzugegeben, gefolgt von 1 g Lipase aus Pseudomonas sp. (Amano). Die Reaktionsmischung wird bei 50°C für 48 Stunden inkubiert. Die Mischung wird dann mit IPA behandelt, und die resultierende Ausfällung wird mit IPA gewaschen und getrocknet. Das Produkt ist ein wasserunlösliches Material, und die Ausbeute beträgt circa 9,8 g.
Beispiel 3
Eine HEC-Probe (HEC 250GR, Hercules, 10 g, 0,5 mol) mit einer molaren Substitution von 2,5 wird in 200 ml DMF suspendiert. 2 g Alkenylketendimer (Precis^®, Hercules) werden hinzugegeben, gefolgt von 1 g Lipase aus Pseudomonas sp. (Amano). Die Reaktionsmischung wird bei 50°C für 24 Stunden inkubiert und mit IPA behandelt. Die resultierende Ausfällung wird mit IPA gewaschen und getrocknet. Das Produkt ist teilweise in Wasser löslich. Die Ausbeute beträgt circa 10,3 g. IR-Analyse zeigt die Absorption bei 1.715 und 1.740 cm^–1, entsprechend der funktionellen Keton- bzw. Estergruppe. ¹³C-NMR zeigt Peaks bei 14, 23 und 30 ppm, entsprechend den Fettsäuregruppen, und bei circa 142 ppm, was den -CH=CH-Kohlenstoffen der Fettsäure an Precis^® entspricht. Die IR- und NMR-Ergebnisse zeigen, daß die Addition von AKD an HEC erreicht wird.
Beispiel 4
Eine HEC-Probe (HEC 250GR, Hercules, 10 g, 0,5 mol) mit einer molaren Substitution von 2,5 wird in 200 ml DMF suspendiert, und 0,2 g Alkylketendimer (Aquapel^®36H, Hercules) werden hinzugegeben, gefolgt von 0,5 g Lipase aus Pseudomonas sp. (Amano). Die Reaktionsmischung wird bei 50°C für 24 Stunden inkubiert und zu IPA gegeben. Das Produkt, das ausfällt, wird mit IPA gewaschen und getrocknet. Dieses Produkt ist ein wasserlösliches Material, und die Ausbeute beträgt circa 10,0 g. IR-Absorption bei 1.715 und 1.740 cm^–1 ist nicht nachweisbar. Jedoch zeigt die Messung der Brookfield-Viskosität eine circa 120-fach zunehmende Viskosität im Vergleich mit der Viskosität der unbehandelten HEC, was die Gegenwart von kovalenter Pfropfung von AKD auf HEC anzeigt. Als Kontrollexperiment zeigt das einfache Vermischen von HEC und AKD unter Verwendung des gleichen Verhältnisses (ohne Enzym) keinerlei Viskositätszunahme.
Die erfindungsgemäßen Produkte haben interessante und nützliche Eigenschaften. Die Brookfield-Viskositäten des veresterten Polysaccharids sind mehr als 100-fach erhöht, wenn die Fettsäure des Fettsäureketendimers mehr als 16 Kohlenstoffe aufweist (siehe 1 für mit Precis^® verestertes HEC). Es wird ebenfalls festgestellt, daß Alkylketendimer zur Pfropfung auf einige Polysaccharide unter Erzeugung von Polysaccharidestern mit weniger (oder sogar keinem) Enzym gezwungen werden kann, wenn die Reaktionsbedingungen intensiver werden (wie höhere Temperaturen und höhere AKD/Polysaccharid-Verhältnisse).
Die Eigenschaften dieser veresterten Polysaccharide können durch Auswahl unterschiedlicher Typen von Estergruppen und/oder durch Variieren der molaren Substitution dieser Substituenten verändert werden. Obwohl die Reaktion für Alkylketendimere und Alkenylketendimere optimiert ist, funktioniert sie gleich gut für Fettsäureketendimere allgemein. Die Fettsäuren können Stearinsäure, Palmitinsäure, Ölsäure, Linolsäure oder Mischungen daraus sein.
Beispiel 5
Die Viskositäten der wäßrigen Lösung der AKD-modifizierten HEC-Ester werden in 1 %iger Konzentration bei pH 6,5 und Raumtemperatur gemessen. Ein Brookfield-Viskosimeter vom ALV-Typ wird zur Messung mit einer Spindelgeschwindigkeit von 30 U/min verwendet.
Precis® von Hercules wird als AKD in diesem Experiment verwendet. Die Viskosität von HEC/Precis^®-Estern hängt vom Gewichtsverhältnis von HEC zu Precis^® ab, das in der Reaktion verwendet wird. Wie in 1 gezeigt wird, erhöht sich die Viskosität des HEC/Precis^®-Esters signifikant (100-bis 300-fach), wenn das Gewichtsverhältnis zwischen 50 und 100 ist.
Beispiel 6
Verschiedene AKD(Precis^®)-modifizierte HEC-Ester werden auf Basis des in Beispiel 4 beschriebenen Verfahrens synthetisiert. In allen Fällen (siehe nachfolgende Tabelle I) sind die Viskositäten von Precis^®/HEC signifikant verbessert im Vergleich zum Ausgangs-HEC. Es wird festgestellt, daß die Viskositäten im wesentlichen unverändert nach 3 Tagen bei einem pH von 6,5 bis 8,5 bleiben.
Tabelle I HEC/AKD-Ester und ihre Viskositäten
Beispiel 7
Eine kationische Guarprobe (N-Hance^®3000, Hercules, 10 g) wird in 100 ml t-Butylmethylether suspendiert. 2 9 Alkylketendimer (Aquapel^®36H, Hercules) werden hinzugegeben, gefolgt von 0,4 g Novozym 435 (Lipase aus Candida antarctica, Novo Nordisk). Die Mischung wird bei 50°C für 24 Stunden gerührt. Das Produkt wird durch Filtration gewonnen und mit IPA und Hexan gewaschen. Nach Lufttrocknung beträgt die Ausbeute circa 10,5 g. Das Produkt ist wasserlöslich. IR-Analyse zeigt die Absorption bei 1.680 und 1.735 cm^–1, entsprechend der funktionellen Keton- bzw. Estergruppe. Ein Kontrollexperiment wird in Abwesenheit des Enzyms durchgeführt. Das Produkt zeigt keine nachweisbare Extinktion bei 1.735-1.750 cm^–1, was anzeigt, daß die Keton- und Esterbildung gering oder vernachlässigbar ist.
Aus der vorhergehenden Beschreibung kann ein Fachmann leicht die wesentlichen Eigenschaften dieser Erfindung sicherstellen und kann ohne Abweichen von ihrem Umfang verschiedene Veränderungen und Modifikationen der Erfindung vornehmen, um sie an verschiedene Verwendungen und Bedingungen anzupassen.
2. Chemische Synthese veresterter Polysaccharide
Die veresterten Polysaccharide können ebenfalls chemisch ohne Gegenwart eines Enzyms als Katalysator hergestellt werden. Jedoch ist die Effizienz eines solchen Verfahrens nicht so gut wie die enzymkatalysierte Reaktion. Im Vergleich zum enzymatischen Verfahren treffen die gleichen Selektionen des Ausgangsstoffes und Verfahren für das chemische Verfahren mit den nachfolgend hervorgehobenen Unterschieden zu.
In der Reaktionsmischung beträgt das Gewichtsverhältnis zwischen Ketendimer und Polysaccharid zu Beginn der Reaktion 0,0013 bis 0,13. Am Ende der Reaktion enthält das Produkt gewöhnlich mehr als 5 Gew.%& verestertes Polysaccharid. Dieses chemisch hergestellte Produkt hat gewöhnlich eine Viskosität vom 2- bis 1.000-fachen derjenigen des Polysaccharids vor der Veresterung. Die Reaktion wird gewöhnlich durch Erwärmen der Reaktionsmischung auf eine Temperatur von 40 bis 120°C für 4 bis 72 Stunden durchgeführt.
In den folgenden Beispielen sind alle dargestellten Temperaturen unkorrigiert in Grad C; wenn nichts anderes angegeben ist, sind alle Teile und Prozentwerte gewichtsbezogen. Diese Beispiele werden allein als Referenz angegeben.
Beispiel 8
Eine Hydroxyethylcellulose (HEC 250MR, Hercules, 10 g, 0,5 mol) mit einer molaren Substitution von 2,5 wird in 200 ml DMF suspendiert. 2 g Alkenylketendimer (Precis^®, Hercules) werden hinzugegeben. Die Mischung wird bei 50°C für 24 Stunden inkubiert und dann mit Isopropylalkohol (IPA) behandelt, um das modifizierte HEC auszufällen. Die Ausfällungen werden mit IPA gewaschen und getrocknet. Das Produkt ist ein wasserlösliches Material mit einer 5-fachen Zunahme der Brookfield-Viskosität bei einer Konzentration von 1 % im Vergleich mit dem unmodifizierten HEC. Die Ausbeute beträgt circa 9,8 g. IR-Analyse zeigt Signale bei 1.715 und 1.740 cm^–1. ¹³C-NMR zeigt ebenfalls Signale bei 14, 23, 30 und 130 ppm, was anzeigt, daß die Addition von AKD an HEC in Abwesenheit eines Enzyms ebenfalls erfolgreich ist, aber mit weniger Effizienz.
Beispiel 9
Eine Hydroxyethylcellulose (HEC 250G, Hercules, 10 g, 0,5 mol) mit einer molaren Substitution von 2,5 wird in 200 ml DMF gelöst. 1 g Alkylketendimer (Hercules) wird hinzugegeben. Die Reaktionsmischung wird bei 50°C für 24 Stunden inkubiert und dann mit Isopropylalkohol (IPA) behandelt, um das modifizierte HEC auszufällen. Die Ausfällungen werden mit IPA gewaschen und getrocknet. Das Produkt ist in Wasser mit einer 25-fachen Zunahme der Viskosität bei einer Konzentration von 1 % im Vergleich zum unmodifizierten HEC löslich. Die Ausbeute beträgt circa 9,5 g. IR-Analyse zeigt Signale bei 1.715 und 1.740 cm^–1. ¹³C-NMR zeigt ebenfalls Peaks bei 14, 23 und 30 ppm, was die Bildung des veresterten HEC anzeigt.
3. β-Lacton-ringgeöffnetes und alkoholisiertes Ketendimer
Es wird ebenfalls in dieser Erfindung festgestellt, daß der β-Lacton-Ring von Ketendimeren durch Alkoholyse von Poly(ethylenglykol) geöffnet werden kann, wenn Enzym als Katalysator vorhanden ist. Die Zusammensetzung dieses β-Lacton-ringgeöffneten Ketendimers kann zur Herstellung von verestertem Polysaccharid verwendet werden.
Die Zusammensetzung der Reaktion gemäß dieser Erfindung kann durch die nachfolgend gezeigte allgemeine Struktur dargestellt werden: [R-O]-CO-CH(R₁)-CO-CH₂-R₁ worin R Poly(ethylenglykol) ist und R₁ eine lineare oder verzweigte, aliphatische oder olefinische Kette mit 2 bis 20 Kohlenstoffen darstellt. Die Zusammensetzung enthält 10 bis 100 Gew.% von β-Lacton-ringgeöffnetem Ketendimer und Poly(ethylenglykol), wie Methyl-2,4-dialkyl-acetoacetat, das ein Reaktionsprodukt zwischen Poly(ethylenglykol) und einem Ketendimer in Gegenwart eines Enzyms als Katalysator ist.
In einer typischen Reaktion wird Poly(ethylenglykol), 1 bis 75 Gew.% der Reaktionsmischung, mit einem organischen Lösungsmittel und einem Ketendimer vermischt. Die organischen Lösungsmittel und das Ketendimer sind in einer Menge von 10 bis 95 Gew.% bzw. 0,1 bis 10 Gew.% der Reaktionsmischung vorhanden. Ein Enzym wird zur Reaktionsmischung gerade vor dem Beginn der Reaktion hinzugegeben. Die Menge von verwendetem Enzym beträgt 0,01 bis 10 Gew.% der Reaktionsmischung. Das Enzym öffnet den β-Lacton-Ring des Ketendimers und bildet eine kovalente Zwischenstufe ("Acyl-Enzym-Zwischenstufe"), die weiter mit den Hydroxylgruppen von Poly(ethylenglykol) reagiert.
Die Temperatur der Reaktion beträgt optimal 20 bis 100°C, bevorzugt 40 bis 60°C. Die am meisten bevorzugte Temperatur ist circa 50°C. Die Reaktionsdauer beträgt 1 bis 72 Stunden. Die bevorzugte Reaktionsdauer beträgt 24 bis 72 Stunden.
Am Ende der Reaktion können Enzyme unter Verwendung von Wärme deaktiviert werden. Die gesamte Zusammensetzung wird mit einem organischen Lösungsmittel gewaschen, wie Hexan oder anderen ähnlichen Lösungsmitteln.
Viele verschiedene hydroxylhaltige Polymere können in dieser Erfindung verwendet werden. Das bevorzugte hydroxylhaltige Polymer ist Polyethylenglykol.
Viele verschiedene Ketendimere können in dieser Reaktion verwendet werden. Diese schließen Alkylketendimere (AKD), wie Aquapel^® von Hercules, Alkenylketendimer, wie Precis^® von Hercules, und verschiedene Ketendimere von gemischten Fettsäuren ein. Die bevorzugten Ketendimere sind Aliphatyl- oder Olefinylketendimer mit 8 bis 44 Kohlenstoffen und 0 bis 6 Doppelbindungen. Besonders bevorzugte Ketendimere sind diejenigen, worin Alkyl- oder Alkenylgruppen aus Stearyl-, Palmityl-, Oleyl-, Linoleylgruppen und Mischungen daraus ausgewählt sind. Einige der Fettsäureketendimere sind bekannte Stoffe, die durch die 2+2-Additionsreaktion der Alkylketene hergestellt werden. Diese Reaktion wird schematisch wie folgt veranschaulicht.
Geeignete organische Lösungsmittel sind polare aprotische Verbindungen. Das am meisten bevorzugte Lösungsmittel ist N,N-Dimethylformamid.
Das Verfahren verwendet ein Enzym, bevorzugt Lipase, unter milden Bedingungen in organischen Lösungsmitteln. Das Enzym wird hier als Katalysator zur Reaktion zwischen Poly(ethylenglykol) und Ketendimeren verwendet. Das verwendete Enzym ist eine Hydrolase. Besonders bevorzugt ist es eine Lipase oder Protease. Solche Enzyme können aus Tier, Pflanze, Bakterien, Virus, Hefe, Pilzen oder Mischungen daraus erhalten werden. Bevorzugte ist das Enzym eine Lipase, die aus Pseudomonas sp. oder Pseudomonas fluorescens, Candida antarctica, Candida rugosa, Candida cylindracea, Schweinepankreas, Rhizopus delemar, Rhizopus niveus oder Mischungen darauf erhalten wird. Am meisten bevorzugt ist das Enzym eine Lipase, die aus Pseudomonas sp. oder aus Pseudomonas fluorescens erhalten wird. Ähnliches Enzym aus synthetischen Quellen kann ebenfalls verwendet werden.
Ohne weitere Ausführung wird angenommen, daß ein Fachmann unter Verwendung der vorhergehenden Beschreibung die vorliegende Erfindung in ihrem vollsten Ausmaß nutzen kann.
Die folgenden bevorzugten spezifischen Ausführungsformen sind deshalb als allein veranschaulichend aufzufassen und nicht als Beschränkung des Restes der Offenbarung in irgendeiner Weise. Im folgenden Beispiel sind alle angegebenen Temperaturen unkorrigiert in Grad C; wenn nichts anderes angegeben ist, sind alle Teile und Prozentwerte gewichtsgezogen.
Beispiel 10
Eine Polyethylenglykolprobe (Fluka, Molekulargewicht 8.000, 7 g) wird in 20 ml DMF gelöst. 0,7 g Alkylketendimer (Aquapel^®36H, Hercules) werden hinzugegeben, gefolgt von 0,5 g Lipase AK (aus Pseudomonas sp., Amano). Die Reaktionsmischung wird bei 50°C für 72 Stunden gerührt. Das Lösungsmittel wird entfernt, und die Rückstände werden mit Hexan dreimal gewaschen, um nicht umgesetztes AKD zu entfernen. Nach Trocknen an der Luft beträgt die Ausbeute für die Reaktion circa 7,2 g. Das Produkt ist teilweise wasserlöslich. IR-Analyse zeigt die Absorption bei 1.710 und 1.740 cm^–1, entsprechend der funktionellen Keton- bzw. Estergruppe.
Es folgen Reaktionen zwischen AKD und kleinen organischen Verbindungen, die hier als Verweis eingeschlossen sind.
Beispiel 11
AKD (Aquapel^®36H, Hercules, 0,2 g) wird in 4 ml t-Butylmethylether gelöst, der 0,2 ml Methanol enthält. 0,05 g Lipase P (aus Pseudomonas fluorescens, Amano) werden hinzugegeben. Die Reaktionsmischung wird bei 50°C für 72 Stunden gerührt. DC-Analyse zeigt einen neuen Fleck bei R_f 0,3 (SiO₂, EtOAc/Hex, 1:9, detektiert durch I₂-Dampf oder H₂SO₄; R_f von AKD = 0,45), der durch ¹H- und ¹³C-NMR-Analyse bestätigt wird. Dieses Produkt wird durch Flash-Chromatografie (Kieselerde, EtOAc/Hex = 10:1) isoliert. Die Ausbeute beträgt 1,6 g. Es wird als Methyl-2,4-dialkylacetoacetat identifiziert: ¹H-NMR (CDCl₃, 300 Hz): 3,73 (s, 3H, CH₃O-), 3,59–3,34 (t, 1H, CH-COOR), 2,50–2,20 (m, 2H, -COCH2-), 1,76 (m, 2H, CH₂-C-COO-), 1,18 (m, 60H, -CH₂-), 0,81–0,78 (t, 6H, -CH₃) ; 13C (CDCl₃, 75, 5 Hz) : 205, 5 (-CO-) , 170,4 (-COOR), 51,4 (CH₃O-).
Beispiel 12
AKD (Aquapel^®36H, Hercules, 0,2 g) wird in 4 ml t-Butylmethylether gelöst, der 0,2 ml Methanol enthält. 0,05 g Lipase werden hinzugegeben. Die Reaktionsmischung wird bei 50°C für 48 Stunden gerührt. Der Fortschritt der Reaktion wird durch DC-Analyse überwacht (SiO₂, EtOAc/Hex, 1:9, detektiert durch I₂-Dampf oder H₂SO₄). Der R_f-Wert von AKD beträgt 0,45, und der R_f-Wert von Methyl-2,4-dialkyl acetoacetat beträgt 0,3. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt.
Tabelle II Abgeschätzte Umwandlung der Lipase-katalysierten Alkoholyse von AKD
Lipase aus Candida antarctica wird von Novo Nordisk erhalten; Lipase aus Schweinepankreas wird von Sigma erworben. Der Rest wird von Amano erhalten.
Diese gewerblichen Lipasen werden auf die β-Lacton-Ringöffnungsreaktion unter den gleichen solvolytischen Bedingungen untersucht. Moderate Reaktionsgeschwindigkeiten werden sowohl für Lipase aus Schweinepankreas (PPL) als auch für immobilisierte Lipase aus Candida antarctica (Novozym 435) beobachtet. Es ist bemerkenswert, daß die AKD-Ringöffnungsreaktion mit sowohl PPL als auch Novozym 435 fast vollständig angehalten hat, nachdem circa 50 % AKD zu Methyl-2,4-dialkyl-acetoacetat umgewandelt sind. Diese Ergebnisse legen nahe, daß beide Enzyme die Alkoholyse von AKD enantioselektiv katalysieren.
4. Anwendungen
Das veresterte Polysaccharid, das unter Verwendung der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, kann in vielen Anwendungen verwendet werden, in denen eine hohe Viskosität und hydrophobe Wechselwirkung die gewünschten Eigenschaften sind. Solche Anwendungen umfassen die Verwendung als Anstrichmittelverdicker, Anstrichmittelstabilisator, Baustoffe und Emulgator in Körperpflegeprodukten. Sie können ebenfalls Anwendungen als Antilichthofbeschichtungen und als Exzipient für Tabletten finden. Zum Beispiel wird aus der vorliegenden Erfindung hergestelltes veresteres Polysaccharid zu Anstrichmittel gegeben, um gewöhnliche Anstrichmittelverdicker zu ersetzen, und es wird erwartet, daß es effektiv als Anstrichmittelverdicker mit den gewünschten Eigenschaften verwendet werden kann. Dieses Produkt wird ebenfalls zu Baustoffen hinzugegeben. Es wird erwartet, daß die Scher- und Zugfestigkeit des Baustoffs merklich verbessert wird. Dieses Produkt wird ebenfalls zu einer Lösung hinzugegeben, um Körperpflegeprodukte wie Lotion und Handcreme herzustellen. Es wird erwartet, daß eine hohe Viskosität in diesen Körperpflegeprodukten erreicht wird und eine solche hohe Viskosität im wesentlichen unverändert nach Monaten bleibt.
Aus der vorhergehenden Beschreibung kann ein Fachmann leicht die wesentlichen Eigenschaften dieser Erfindung sicherstellen und kann, ohne von ihrem Umfang abzuweichen, verschiedene Veränderungen und Modifikationen der Erfindung vornehmen, um sie an verschiedene Verwendungen und Bedingungen anzupassen. Zum Beispiel werden die Produkte in den Beispielen 1 bis 4 ausgefällt und mit IPA gewaschen. Aber andere ähnliche Lösungsmittel, wie Hexan, können ebenfalls zum Waschen der Produkte verwendet werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines veresterten Polysaccharids, umfassend das Zugeben einer wirksamen Menge von Enzym zu einer Polysaccharid-Reaktionsmischung, worin die wirksame Menge von Enzym 0,01 bis 10 Gew.% auf Basis des Gewichts der Polysaccharid-Reaktionsmischung ist und die Reaktionsmischung ein Reaktionsmedium, ein Polysaccharid und ein Ketendimer umfaßt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, worin das Enzym eine Lipase oder eine Protease ist.
Verfahren gemäß Anspruch 2, worin das Enzym eine Lipase ist, die aus einer Quelle erhalten wird, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Pseudomonas sp., Pseudomonas fluorescens, Candida antarctica, Candida rugosa, Candida cylindracea, Schweinepankreas, Rhizopus delemar und Rhizopus niveus besteht.
Verfahren gemäß Anspruch 3, worin die Lipase aus Pseudomonas sp. oder aus Pseudomonas fluorescens erhalten wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, worin das Reaktionsmedium ein organisches Lösungsmittelmedium ist.
Verfahren gemäß Anspruch 5, worin das organische Lösungsmittelmedium eine polare aprotische Verbindung ist.
Verfahren gemäß Anspruch 6, worin die polare aprotische Verbindung wenigstens eine ist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus N,N-Dimethylacetamid, N,N-Dimethylformamid und Dimethylsulfoxid besteht.
Verfahren gemäß Anspruch 5, worin das organische Lösungsmittelmedium in einer Menge von 10 bis 95 Gew.% auf Basis des Gesamtgewichts der Reaktionsmischung vorhanden ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, worin das Polysaccharid wenigstens eines ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Hydroxyethylcellulose, Hydroxypropylcellulose, Carboxymethylcellulose, Guar, kationischem Guar und Hydroxypropylguar besteht.
Verfahren gemäß Anspruch 9, worin das Polysaccharid Hydroxyethylcellulose ist.
Verfahren gemäß Anspruch 9, worin das Polysaccharid in einer Menge von 1 bis 75 Gew.% auf Basis des Gesamtgewichts der Reaktionsmischung vorhanden ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, worin das Ketendimer eines aus Alkylketendimer, Alkenylketendimer und Ketendimer von gemischten Fettsäuren ist.
Verfahren gemäß Anspruch 12, worin die Alkyl- oder Alkenylgruppe des Ketendimers 8 bis 44 Kohlenstoffatome aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 13, worin die Alkyl- oder Alkenylgruppe eine ist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Stearyl, Palmityl, Oleyl, Linoleyl und Mischungen daraus besteht.
Verfahren gemäß Anspruch 12, worin das Ketendimer in einer Menge von 0,10 bis 10 Gew.% auf Basis des Gesamtgewichts der Reaktionsmischung vorhanden ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, worin die Temperatur der Reaktionsmischung während der Reaktion auf 20 bis 100°C gehalten wird.
Verfahren gemäß Anspruch 16, worin die Reaktionstemperatur zwischen 40 und 60°C beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 16, worin die Reaktionsdauer zwischen 1 und 72 Stunden beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 18, worin die Reaktionsdauer zwischen 6 und 24 Stunden beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 18, das ferner das Deaktivieren des Enzyms am Ende der Reaktion umfaßt.
Verfahren gemäß Anspruch 20, das ferner das Waschen des Reaktionsprodukts mit Isopropylalkohol umfaßt.
Verfahren gemäß Anspruch 21, das ferner das Trocknen des gewaschenen Reaktionsprodukts umfaßt.
Verfahren zur Herstellung eines veresterten Polysaccharids, umfassend: Zugeben von Enzym in einer Menge von 0,013 bis 13 Gew.% auf Basis des Gewichts der Polysaccharid-Reaktionsmischung; wobei die Reaktionsmischung umfaßt: (A) Celluloseether oder Guarether; (B) ein Alkyl- oder Alkenylketendimer in einer Menge von 0,10 bis 10 Gew.% auf Basis des Gesamtgewichts der Reaktionsmischung; und (C) ein organisches Lösungsmittel, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus N,N-Dimethylacetamid, N,N-Dimethylformamid und Dimethylsulfoxid besteht; Erwärmen der Reaktionsmischung für 6 bis 24 Stunden auf 40 bis 60°C; Deaktivieren des Enzyms am Ende der Reaktion; Waschen des Reaktionsprodukts mit Isopropylalkohol; und Trocknen des Reaktionsprodukts.
Zusammensetzung aus modifiziertem Ketendimer mit der allgemeinen Formel: [R-O]-CO-CH(R₁)-CO-CH₂-R₁ worin R Poly(ethylenglykol) ist und R₁ eine lineare oder verzweigte, aliphatische oder olefinische Kette mit 2 bis 20 Kohlenstoffatomen ist; in Kombination mit einem Enzym, das die Bildung des modifizierten Ketendimers katalysieren kann.
Zusammensetzung aus Enzym-katalysiertem β-Lactonringgeöffnetem und alkoholisiertem Ketendimer, das ein enzymatisches Reaktionsprodukt zwischen Poly(ethylenglykol) und einem Ketendimer in Gegenwart von 0,13 bis 13 Gew.% Enzym auf Basis des Gewichts der hydroxylgruppenhaltigen Verbindung ist, wobei das enzymatische Reaktionsprodukt die allgemeine Formel: [R-O]-CO-CH(R₁)-CO-CH₂-R₁ hat, worin R Poly(ethylenglykol) ist und R₁ eine lineare oder verzweigte, aliphatische oder olefinische Kette mit 2 bis 20 Kohlenstoffatomen ist; worin das Ketendimer ein Aliphatyl- oder Olefinylketendimer ist; worin das Enzym eine Lipase ist, die aus Pseudomonas sp. oder aus Pseudomonas fluorescens erhalten wird.
Verfahren zur Herstellung eines β-Lacton-ringgeöffneten und alkoholisierten Ketendimers, umfassend: Zugeben von Enzym in einer Menge von 0,1 bis 100 Gew.% auf Basis des Gewichts von Ketendimer zu einer Reaktionsmischung; wobei die Reaktionsmischung umfaßt: (A) Polyethylenglykol; (B) ein Alkyl- oder Alkenylketendimer; und (C) ein polares aprotisches Lösungsmittel; Erwärmen der Reaktionsmischung für 24 bis 72 Stunden auf ca. 50°C; Deaktivieren des Enzyms nach Beendigung der Reaktion; und Waschen des Reaktionsprodukts mit Hexan.