DE102007035322A1

DE102007035322A1 - Verfahren zur Herstellung wasserlöslicher, niedrig substituierter Cellulosesulfate

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Publication number: DE102007035322A1
Application number: DE102007035322A
Authority: DE
Inventors: Tim Dr. Rer. Nat. Liebert; Thomas Univ.-Prof. Dr. Habil. Heinze; Martin Dipl.-Chem. Gericke
Original assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Current assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Priority date: 2007-07-25
Filing date: 2007-07-25
Publication date: 2009-01-29
Anticipated expiration: 2027-07-26
Also published as: DE102007035322B4

Abstract

Aufgabe war es, wasserlösliche, niedrig substituierte Cellulosesulfate möglichst aufwandgering und in reiner Form herzustellen.
Erfindungsgemäß wird die Cellulose in einer ionischen Flüssigkeit gelöst, wobei diesem Reaktionsmedium lediglich ein erforderliches Sultatierungsreagenz zugegeben werden muss.
Die hergestellten Cellulosesulfate können unter anderem zur Präparation von Werkstoffen für biomedizinische Anwendungen, z. B. für die Herstellung von sphärischen Symplexmembranen, genutzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von wasserlöslichen, regioselektiv substituierten, nebenproduktfreien Cellulosesulfaten, im Speziellen Alkalicellulosesulfat, wie Natriumcellulosesulfat (NaCS), unter homogenen Reaktionsbedingungen durch Umsetzung von Cellulose in Ionischen Flüssigkeiten (IL = ionic liquids). Das aufwandgeringe Verfahren kann unter anderem zur Präparation von Werkstoffen für biomedizinische Anwendungen, z. B. für die Herstellung von sphärischen Symplexmembranen, genutzt werden.
NaCS hat in den letzten Jahren großes Interesse gefunden, da es heparinoide und antivirale Eigenschaften besitzt (T. Heinze, T. Liebert, A. Koschella: Esterification of Polysaccharides, Buch, Springer Verlag 2006). Überdies ist das Polysaccharidderivat besonders gut als anionisches Polyelektrolyt für den Strukturaufbau geeignet. So können beispielsweise durch die Wechselwirkung mit Polykationen- wie Poly(diallyldimethylammoniumchlorid)-Symplexmembranen gebildet werden, die bei geeigneter Präparation die Gestalt von Hohlkugeln besitzen. Sie finden Anwendung zur Immobilisierung sowie Verkapselung von biologischen Objekten wie Enzymen, Zellen oder Mikroorganismen. Für derartige Applikationen werden folgende Anforderungen an die NaCS gestellt:

– möglichst geringer Substitutionsgrad (< 0,7)
– vollständige Löslichkeit der NaCS in Wasser
– einstellbare Viskosität der wässrigen NaCS-Lösungen.

Für die Darstellung von NaCS sind grundsätzlich verschiedene Verfahren bekannt, die entweder ohne Auflösung des Polymers (heterogen) oder unter Auflösung des Polymers vor der Reaktion (homogen) bzw. während der Reaktion (quasihomogen) durchgeführt werden können. Unter heterogener Reaktionsführung gelingt die Herstellung von NaCS durch Umsetzung von Cellulose in einem Gemisch aus Isopropanol und konzentrierter Schwefelsäure ( DE 40 19 116 A1 , DD 29 58 58 A5 , DE 40 21 049 A1 , B. Lukanoff, H. Dautzenberg: Natriumcellulosesulfat als Komponente für die Erzeugung von Mikrokapseln durch Polyelektrolytkomplexbildung, Das Papier 48, 1994, 287–296). Die Sulfatierung wird dabei vorzugsweise bei Temperaturen von etwa –10°C bis +10°C durchgeführt. Trotz dieser verhältnismäßig geringen Reaktionstemperaturen kommt es zu einem beträchtlichen Kettenabbau während der Sulfatierung. Die so erhaltenen NaCS zeigen daher eine geringe Lösungsviskosität und sind zum Beispiel für die Herstellung von mechanisch stabilen Symplexmikrokapseln wenig geeignet.
Ein weiterer gravierender Nachteil besteht darin, dass die Sulfatierung in heterogener Phase in einer ungleichmäßigen Verteilung der Substituenten entlang sowie zwischen der Polymerkette resultiert, was insbesondere bei geringen Substitutionsgraden (< 0,8) zu partieller Wasserunlöslichkeit der NaCS führt.
Für die Herstellung höher substituierter NaCS (1 ≤ DS_Sulfat ≥ 3) werden heterogene Sulfatierungsreaktionen in Pyridin ( US 5,378,828 , EP 0053473 ) und DMF ( US 4,389,523 , US 3,624,069 , US 4,064,342 , US 3,528,963 , US 3,609,377 , DE 15 43 120 ) beschrieben. Auch diese Synthesen lassen sich nicht für die Gewinnung niedrig substituierter, wasserlöslicher NaCS adaptieren.
Zur Präparation wenig abgebauter und schon bei geringen Substitutionsgraden wasserlöslicher NaCS ist es daher erforderlich, die Cellulose in einem geeigneten Medium zu lösen und anschließend unter homogenen Reaktionsbedingungen zu sulfatieren. Obwohl nichtderivatisierende Lösemittel, wie N,N-Dimethylacetamid/LiCl oder N-Methylmorpholin-N-oxid, sich für eine große Zahl von Derivatisierungsreaktionen der Cellulose eignen, sind sie für die Sulfatierung nicht nutzbar, da die Systeme mitunter koagulieren bzw. als Folge von exothermen Nebenreaktionen die erhaltenen NaCS stark abgebaut werden (W. Wagenknecht, B. Philipp, H. Schleicher: Zur Veresterung und Auflösung der Cellulose mit Säureanhydriden und Säurechloriden des Schwefels und Phosphors, Acta Polymerica 30, 1979, 108–112; W. Wagenknecht, B. Phillip, M. Keck: Zur Acylierung von Cellulose nach Auflösung in O-basischen Lösemittelsystemen, Acta Polymerica 36, 1985, 697–698).
Wenig abgebaute und gut wasserlösliche NaCS, die insbesondere für die Herstellung von Symplexmikrokapseln geeignet sind, werden bei der Sulfatierung von Cellulose in einer Mischung aus toxischem NO₂ oder N₂O₄ mit N,N-Dimethylformamid (DMF) erhalten (I. Nehls, W. Wagenknecht, B. Philipp: 13C-NMR-spektroskopische Untersuchungen zur Auflösung von Cellulose im System N2O4/DMF und anschließende Sulfatierung unter Homogenbedingungen, Acta Polymerica 37, 1986, 610–613; W. Wagenknecht, I. Nehls, B. Philipp: Studies an the regioselectivity of cellulose sulfation in an N2O4-N,N-dimethylformamide-cellulose system, Carbohydr. Res. 240, 1993, 245–252). Dabei wird der beim Auflösen gebildete Nitritester der Cellulose z. B. mit Schwefeldioxid ( DD 15 25 65 , DD 21 16 88 ), Schwefeltrioxid ( US 4,177,345 , US 4,141,746 , DE 21 20 964 , DE 25 30 541 ), Acetylschwefelsäure ( US 4,480,091 ) oder Sulfaminsäure ( SU 1150253 ) umgesetzt. Die so hergestellten NaCS zeigen zwar gute Produkteigenschaften für die Mikroverkapselung biologischer Systeme, beim Auflösen von Cellulose in dem N₂O₄/DMF-System können jedoch als Folge von Nebenreaktionen stark toxische Verbindungen und cancerogene Nitrosamin entstehen. Der gefahrlose Umgang mit diesen Nebenprodukten sowie deren Entsorgung lassen sich – wenn überhaupt – nur unter unverhältnismäßig hohem Aufwand realisieren. Die homogene Sulfatierung von Cellulose in N₂O₄/DMF ist daher nicht für die Herstellung von NaCS in einem technischen Maßstab geeignet.
Es sind verschiedene organlösliche Cellulosederivate bekannt, die homogen sulfatiert werden können und durch anschließende Aufarbeitung mit wässriger Natronlauge NaCS ergeben. Die so hergestellten NaCS zeigen gute Wasserlöslichkeit (klar wasserlöslich bei geringem DS) im Gegensatz zu Produkten welche durch heterogene Umsetzungen erhalten werden. So reagieren Trimethylsilylether der Cellulose (TMS-Cellulose), gelöst in DMF, mit Sulfatierungsreagenzien, wie z. B. Schwefeltrioxid, Chlorsulfonsäure oder Sulforylchlorid, zu wasserlöslichen NaCS ( DD 29 93 13 A5 , DD 29 86 43 A5 ). Da die Reaktion über eine Insertion von SO₃ in die Si-O-Bindung verläuft, wird das Substitutionsmuster der Sulfatgruppe dabei durch die Verteilung der TMS-Funktionen der TMS-Cellulose bestimmt. Der Substitutionsgrad der so hergestellten NaCS wird durch die Zahl der TMS-Substituenten limitiert (W. Wagenknecht, I. Nehls, A. Stein, D. Klemm, B. Philipp: Synthesis and substituent distribution of Na-cellulose sulphates via O-trimethylsilyl cellulose as intermediate, Acta Polymerica 43, 1992, 266–269). Durch den Verbleib geringer Mengen an TMS-Gruppen wird ein toxisches Produkt erhalten.
Auch Celluloseacetate, welche in verschiedenen dipolar aprotischen Lösemitteln löslich sind, eignen sich für die Synthese von NaCS, da sich die Acetylgruppe nach der Sulfatierung relativ leicht durch Behandlung mit wässriger Natronlauge abspalten lässt. So wurden durch Sulfatierung von Cellulose-2,5-acetat, welches kommerziell verfügbar ist, wasserlösliche NaCS mit Substitutionsgraden von etwa 0,3 hergestellt ( DE 44 35 180 ). Durch selektive Deacetylierung sowie die Wahl des Sulfatierungsreagenzes lässt sich hierbei eine gewisse Regioselektivität an C2/C3-Position oder C6-Position erreichen ( DE 44 35 180 , DE 44 35 082 , W. Wagenknecht: Regioselektive Cellulosederivate durch Modifizierung technischer Celluloseacetate, Das Papier 12, 1996, 712–720; DD 29 87 90 ). Ein Nachteil dieses Verfahrens ist, dass der Polymerisationsgrad des NaCS durch den relativ geringen Polymerisationsgrad der eingesetzten, kommerziellen Celluloseacetate begrenzt wird und daher die erhaltenen Produkte eine geringe Lösungsviskosität aufweisen.
Acylierung und Sulfatierung von Cellulose lassen sich parallel durchführen. Die Bildung der Cellulosemischester erfolgt dabei etwa durch Umsetzen von Cellulose mit Acetanhydrid und Schwefelsäure ( US 2,969,355 , US 3,075,963 , US 3,086,007 , US 4,005,251 ), Chlorsulfonsäure ( US 2,862,922 ) oder SO₃-Pyridin-Komplex ( GB 2 317 182 ) sowie durch Reaktion von Cellulose mit einem Gemisch aus Essig- und Schwefelsäure ( US 2,714,591 ). Als Reaktionsmedium wurden hierfür vor allem Essigsäure sowie Propionsäure eingesetzt. Aufgrund der stark sauren Reaktionsbedingungen und der notwendigen Entfernung der intermediär eingeführten Acetylgruppen sind derartige Umsetzungen für die Herstellung hochmolekularer NaCS jedoch nicht geeignet.
Wird Cellulose in DMF mit einem Gemisch aus Acetanhydrid und Chlorsulfonsäure bzw. Acetanhydrid und Schwefeltrioxid umgesetzt, so verläuft die Acetosulfatierung unter Auflösung des sich bildenden Celluloseacetatsulfates (W. Wagenknecht: Regioselektive Cellulosederivate durch Modifizierung technischer Celluloseacetate, Das Papier 12, 1996, 712–720, WO 2006/095021 A1 , DE 10 2005 011 367 A1 ). Die anschließende Aufarbeitung zu NaCS erfordert hierbei mehrere Fällungs-, Wasch- und Neutralisationsschritte mit unterschiedlichen Medien.
Entscheidender Nachteil der Umsetzung von Cellulosederivaten zur Herstellung von NaCS sind der Einsatz zusätzlicher Reagenzien für die Darstellung der Zwischenstufen, die eingeschränkten Möglichkeiten zum Recycling und die damit verbundenen hohen Produktionskosten.
Da für viele Anwendungen, insbesondere im medizinischen Bereich, ein hohes Maß an Reinheit der Produkte gefordert wird, muss gewährleistet werden, dass die zusätzlichen Substituenten nach der Sulfatierung quantitativ abgespaltet und die dabei anfallenden Nebenprodukte vollständig aus dem Produkt entfernt werden. Dies erfordert nicht selten sehr zeitaufwendige und kostenintensive Wasch- und Neutralisationsschritte. Daher ist die Sulfatierung von Cellulosederivaten ökonomisch und ökologisch unattraktiv.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die nach dem aktuellen Stand der Technik bekannten Verfahren aufgrund der aufgelisteten Nachteile, wie hoher Chemikalienverbrauch, wenig selektive Umsetzung und ungeeignete Produktspezifika, nicht oder nicht vorteilhaft für die Herstellung niedrigsubstituierter, hochmolekularer, wasserlöslicher NaCS geeignet sind.
Ferner sind Ionische Flüssigkeiten bekannt, die in der Lage sind, selbst hochmolekulare Cellulosen, z. B. Baumwoll-Linters, Bakteriencellulose (K. Schlufter, H. -P. Schmauder, S. Dorn, T. Heinze: Efficient homogeneous chemical modification of bacterial cellulose in the ionic liquid 1-N-butyl-3-methylimidazolium chloride, Macromol. Rapid Commun. 27, 2006, 1670–1676), ohne Abbau der Polymerkette und in hohen Konzentrationen zu lösen ( WO 03/029329 A2 , CN 1417407 , CN 1491974 , R. P. Swatloski, S. K. Spear, J. D. Holbrey, R. D. Rogers: Dissolution of Cellose with Ionic Liquids, J. Am. Chem. Soc. 124 (18), 2002, 4974–4975). Derartig präparierte Celluloselösungen eignen sich z. B. für die Herstellung von Celluloseformkörpern, wie Fasern oder Folien ( DE 10 2004 031025 , CN 1851063 , CN 1818160 ), sowie Polymerblends ( WO 2005/098546 A2 ). Als Derivatisierungsreaktionen an Cellulose in Ionischen Flüssigkeiten, wie 1-N-Butyl-3-methylimidazoliumchlorid und 1-N-Ethyl-3-methylimidazoliumacetat (T. Heinze, K. Schwikal, S. Barthel: Ionic liquids as reaction medium for cellulose functionalization, Macromol. Biosci. 5, 2005, 520–525; K. Schlufter, H. -P. Schmauder, S. Dorn, T. Heinze: Efficient homogeneous chemical modification of bacterial cellulose in the ionic liquid 1-N-butyl-3-methylimidazolium chloride, Macromol. Rapid Commun. 27, 2006, 1670–1676; S. Barthel, T. Heinze: Acylation and carbanilation of cellulose in ionic liquids, Green Chem. 8, 2006, 301–306) sowie 1-N-Allyl-3-methylimidazoliumchlorid ( CN 1417407 ), Jin Wu, Jun Zhang, Hao Zhang, Jiasong He, Qiang Ren, Meili Guo: Homogeneous Acetylation of Cellulose in a New Ionic Liquid, Biomacromolecules. 5 (2), 2004, 266–268), sind lediglich die Acylierung, die Carbanilierung sowie die Carboxymethylierung beschrieben ( WO 2005/054298 A1 ).
Eine Sulfatierung in Ionischen Flüssigkeiten ist aus der Fachwelt jedoch nicht bekannt geworden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, wasserlösliche, niedrig substituierte NaCS möglichst aufwandgering und in reiner Form herzustellen.
Die NaCS sollen insbesondere für biomedizinische Anwendungen ohne störende Nebenwirkungen geeignet sein. Aus diesen, wie auch aus ökologischen und ökonomischen Gründen, soll die Synthese der besagten Cellulosesulfate ohne toxische und/oder aggressive Chemikalien sowie ohne erforderliche zusätzliche Substituenten (z. B. Silyl- oder Acetatgruppen) möglich sein.
Überraschend wurde festgestellt, dass mit Verwendung einer an sich bekannten Ionischen Flüssigkeit als Reaktionsmedium auf verblüffend einfache Weise wasserlösliche, niedrig substituierte NaCS synthetisiert werden können, ohne dass zusätzliche Reaktionsmittel, wie Silyl- oder Acetatgruppen, zur Sulfatisierung der Cellulose erforderlich sind. Als Sulfatierungsmittel sind grundsätzlich alle nach dem aktuellen Stand der Technik bekannten Sulfatierungsreagenzien, wie z. B. Schwefeltrioxid-Komplexe, Chlorsulfonsäure, Acetylschwefelsäure oder Sulfaminsäure, geeignet.
Durch die unmittelbare Sulfatierungsmöglichkeit werden bisher zusätzlich erforderliche Substituenten überflüssig, welche aggresive und/oder toxische Wirkungen zeigten, und/oder welche, insbesondere für biomedizinische Anwendungen, ungewollte und nachteilige Nebenwirkungen zeigten. Nicht zuletzt ergibt sich dadurch auch eine wesentlich höhere Umweltverträglichkeit.
Durch Variation der Cellulosekonzentration, vorzugsweise 5% bis 10%, sowie mit Hilfe eines weiteren Lösungsmittels, beispielsweise unter Zugabe von DMF, kann zweckmäßig die Viskosität des Reaktionsmediums eingestellt werden. Damit lässt sich die Durchmischung der Reagenzien während der Sulfatierung verbessern, was zu einer gleichmäßigeren Verteilung der Sulfatgruppen entlang der Polymerkette führt. Ebenfalls vorteilhaft ist, dass mit der Wahl der Temperatur des Reaktionsmediums auf sehr einfache Weise die Lösungsviskosität des herzustellenden NaCS eingestellt werden kann. Während geringe Reaktionstemperaturen von vorzugsweise 25°C NaCS mit hohen Lösungsviskositäten ergeben, werden bei erhöhten Reaktionstemperaturen von vorzugsweise 60°C bis 80°C NaCS mit deutlich geringeren Lösungsviskositäten erzielt. Darüber hinaus kann die Ionische Flüssigkeit nach der Herstellung NaCS aus dem Fällungsmedium zurückgewonnen und wiederverwendet werden, ein weiterer Vorteil für die Umsetzung des Verfahrens, insbesondere im großen technischen Maßstab.
Zur Durchführung des Verfahrens wird zunächst Cellulose (beispielsweise mikrokristalline Cellulose, Fichtensulfitzellstoff, Holzzellstoffe, Baumwoll-Linters oder Bakteriencellulose) bei entsprechender Temperatur in einer Cellulose-lösenden Ionischen Flüssigkeit (z. B. 1-N-Butyl-3-methylimidazoliumchlorid, 1-N-Ethyl-3-methylimidazoliumchlorid, 1-N-Allyl-3-methyl-imidazoliumchlorid) gelöst. Danach wird die Celluloselösung auf eine Reaktionstemperatur von vorzugsweise 25°C bis 60°C abgekühlt und gegebenenfalls die Viskosität der Lösung durch Zugabe eines inerten, aprotischen Lösemittels (beispielsweise N,N-Dimethylformamid, Dimethylsulfoxid, N,N-Dimethylacetamid) eingestellt, die eine gute Durchmischung des Reaktionsgemisches erlaubt, um eine Uneinheitlichkeit der Substitutenverteilung zu verhindern.
Die Umsetzung zum Cellulosesulfat ist mit verschiedenen Sulfatierungsreagenzien möglich, vorzugsweise jedoch mit SO₃-Pyridin- bzw. SO₃-Dimethylformamid-Komplex oder Chlorsulfonsäure. Die Reaktion verläuft vollständig homogen.
Nach einer Reaktionszeit von 0,5 bis 3 Stunden, vorzugsweise 2 Stunden, wird die Reaktion beendet und das sulfatierte Produkt isoliert. Dies erfolgt vorzugsweise durch Zugabe von wässriger Natronlauge und anschließendes Fällen der NaCS-Lösung in einem Fällungsmedium, vorzugsweise Isopropanol oder Methanol, oder ein Alkohol/Wasser-Gemisch, vorzugsweise Isopropanol/Wasser-Gemisch. Die Isolation des hergestellten Produktes kann auch ohne vorhergehende Neutralisation durch Ausfällen des protonierten Cellulosesulfates erfolgen, wobei das erhaltene sulfatierte Produkt nach dem Ausfällen in Wasser gelöst und mittels Natronlauge neutralisiert werden muss, um das stabile Natriumsalz des Cellulosesulfates zu erhalten.
Die Reinigung der so hergestellten NaCS erfolgt durch Umfällen aus wässriger Lösung. Dabei erweist sich das Umfällen aus einer 2%igen Natriumchloridlösung als besonders geeignet, um ein vollständiges Abtrennen der Ionischen Flüssigkeit zu gewährleisten. Es erfolgt hierbei auch ein Austausch von eventuell an den Sulfatgruppen anhaftenden Kationen der Ionischen Flüssigkeit durch Natriumionen.
Die gereinigten NaCS werden entweder durch Gefriertrocknung oder im Vakuum bei 60°C getrocknet. Auf dem erläuterten Weg gelingt die Herstellung gut wasserlöslicher NaCS (vgl. 1) mit einer einstellbaren Lösungsviskosität von 2%igen Lösungen von NaCS in 0,9%iger Kochsalzlösung im Bereich von 15,1 bis 374,6 mPas. Nur für Synthesen, die bei Temperaturen von über 80°C durchgeführt wurden sinkt die Viskosität einer 1%igen Lösung unter 2 mPas.
Die Ergebnisse in der Tabelle von 1 zeigen, dass sich der Substitutionsgrad durch die Menge sowie die Art des Sulfatierungsreagenzes steuern lässt. Der Grenz-DS der Wasserlöslichkeit liegt bei 0,4. Die Umsetzung mit dem SO₃-Pyridinkomplex ist effizienter als die Sulfatierung mit dem SO₃-N,N-Dimethylformamid-Komplex. Besonders einheitliche Substituentenverteilungen und gute Wasserlöslichkeit, sowie hohe Umsetzungsgrade und hohe Lösungsviskositäten von NaCS-Lösungen werden erhalten, wenn eine gute Durchmischung des Reaktionsgemisches gewährleistet wird. Dies gelingt z. B. durch Verringerung der Viskosität der Celluloselösung, durch Variation der Cellulosekonzentration sowie vorzugsweise durch Zugabe eines inerten, aprotischen Lösemittels, wie DMF und durch die Verwendung von Reaktionsgefäßen mit angepassten mechanischen Rührern. Bei kleineren Ansatzmengen (unter 0,5 g Cellulose) ist eine entsprechende gute Durchmischung schwer zu realisieren und führt daher zu verminderten Funktionalisierungsgraden.
Mittels FTIR-, ¹H-NMR und ¹³C-NMR Spektroskopie (vgl. 3 bis 6) kann nicht nur die Struktur der erhaltenen NaCS belegt werden, sondern auch das Auftreten von Nebenreaktionen ausgeschlossen werden. Aus ¹³C-NMR spektroskopischen Untersuchungen wird eine hohe Regioselektivität der Sulfatierung an der C-6-Position geschlussfolgert (vgl. 3 sowie 2 für eine Nummerierung der Kohlenstoffatome). In den Spektren wird ein Signal für die Sulfatierung der C-6-Position bei 66,5 ppm, aber kein Hinweis auf eine Funktionalisierung an den sekundären OH-Gruppen gefunden. ¹H-NMR Spektren (vgl. 4) zeigen Signale für eine modifizierte Anhydroglucoseeinheit und liefern keinerlei Hinweise auf eine Verunreinigung der Proben mit Ionischer Flüssigkeit oder den Verbleib der Imidazolium-Kationen am Polymer. Daraus kann auf eine nebenproduktfreie Synthese geschlossen werden.
Das Recycling der eingesetzten Ionischen Flüssigkeiten ist ein wichtiger ökologischer sowie ökonomischer Aspekt des vorgeschlagenen Herstellungsverfahrens. Hierzu wird zunächst nach dem Ausfällen des NaCS das Filtrat, in dem u. a. die Ionische Flüssigkeit enthalten ist, eingeengt und in einem unpolaren Lösemittel, vorzugsweise Chloroform, aufgenommen. Die anorganischen Verunreinigungen, wie etwa Natriumsulfat und Natriumhydroxid, können danach durch Filtration abgetrennt werden. Durch geeignete Methoden, wie beispielsweise Extraktion, Rektifikation, oder vorzugsweise durch Vakuumdestillation erfolgt das Abtrennen von DMF sowie anderen organischen Lösemitteln. Reste von Wasser werden durch Vakuumdestillation oder Extraktion, vorzugsweise jedoch durch Gefriertrocknung, entfernt.
Auf die hier beschriebene Weise gelingt es mehr als 80% der eingesetzten Ionischen Flüssigkeit zurückzugewinnen. Wie durch NMR-spektroskopische Untersuchungen deutlich wird (vgl. 8 und 9 sowie 7 für die in den Spektren verwendete Zuordnung der Atome), zersetzt sich die eingesetzte Ionische Flüssigkeit bei der Sulfatierung nicht. Das ¹H-NMR-Spektrum zeigt, dass auf dem beschriebenen Weg alle bei der Herstellung von NaCS anfallenden Nebenprodukte und Löse- sowie Fällmittel nahezu vollständig abgetrennt werden können.
Die gereinigten Ionischen Flüssigkeiten lassen sich für die vorgeschlagene Herstellung von NaCS erneut verwenden. Wie sich zeigt, stören auch geringe Mengen an DMF, die sich nur unter erhöhtem Aufwand aus den Ionischen Flüssigkeiten entfernen lassen, weder den Löseprozess noch die darauf folgende Sulfatierung von Cellulose in der recycelten Ionischen Flüssigkeit an sich.
Die Eignung der synthetisierten NaCS für die Präparation von sphärischen Symplexmembranen kann durch Wechselwirkung einer 1%igen oder 2%igen NaCS-Lösung mit einer 1%igen oder 2%igen Poly(diallyldimethylammoniumchlorid)-Lösung belegt werden. Wird die Cellulosederivatlösung als Tropfen in die Polykationen-Lösung gegeben formt sich sofort eine entsprechende sphärische Hohlkugel. Der Durchmesser dieser Kugel wird dabei maßgeblich durch den Durchmesser der für die Tropfenbildung verwendeten Kanülen bestimmt. Durch Verwendung von Spritzen mit einem Kanülendurchmesser von 0.41 mm konnten Kapseln mit einem Durchmesser von etwa 1–2 mm erhalten werden. Durch Mischen der NaCS-Lösung mit Farbstoffen, wie etwa β-Naptholorange oder Ruß, konnten entsprechend gefärbte Mikrokapseln erhalten werden. Dieses Anfärben belegt die Möglichkeit der Beladung der Kapseln während der Präparation.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Abbildungen und Ausführungsbeispielen näher erläutert werden, ohne den Schutzanspruch auf diese zu beschränken.
Es zeigen:
1: Übersicht über die gewählten Synthesebeispiele für die Herstellung wasserlöslicher NaCS
2: Wiederholungseinheit des NaCS mit Nummerierung der Kohlenstoffatome
3: ¹³C-NMR-Spektrum eines NaCS (Ausführungsbeispiel 2; DS_Sulfat = 0,49), aufgenommen in D₂O (Zuordnung der Signale zu den Kohlenstoffatomen C-1 bis C-6 der Wiederholungseinheit des NaCS entsprechend der Ziffern in 2)
4: ¹H-NMR-Spektrum eines NaCS (Ausführungsbeispiel 2; DS_Sulfat = 0,49), aufgenommen in D₂O
5: ¹³C-NMR-Spektrum eines NaCS (Ausführungsbeispiel 4; DS_Sulfat = 0,61), aufgenommen in D₂O
6: FT-IR-Spektrum (KBr-Technik) eines NaCS (Ausführungsbeispiel 4; DS_Sulfat = 0,61)
7: Struktur von 1-N-Butyl-3-methylimidazoliumchlorid mit Nummerierung der Kohlenstoffatome
8: 1H-NMR-Spektrum von zurückgewonnenem 1-N-Butyl-3-methylimidazoliumchlorid (Zuordnung der Signale im Spektrum zu den Kohlenstoffatomen C-2 bis C-10 der Verbindung entsprechend der Ziffern in 7)
9: ¹³C-NMR-Spektrum von zurückgewonnenem 1-N-Butyl-3-methylimidazoliumchlorid (Zuordnung der Signale im Spektrum zu den Kohlenstoffatomen C-2 bis C-10 der Verbindung entsprechend der Ziffern in 7)
Ausführungsbeispiel 1:
In einem 250 ml-Doppelwandreaktor, der durch einen Thermostat beheizt wird, werden zunächst 95,3 g 1-N-Butyl-3-methylimidazoliumchlorid (BMIMCl) bei einer Temperatur von 80°C und unter Schutzgas geschmolzen. Unter Rühren werden dann portionsweise 10 g Fichtensulfitzellstoff (DP_Cuen = 561) zugegeben. Die Lösung wird 24 Stunden bei 80°C gerührt, danach auf Raumtemperatur abgekühlt und anschließend in einem luftdichten Gefäß aufbewahrt.
Ausführungsbeispiel 2:
3,16 g (entspricht 300 mg Fichtensulfitzellstoff) der im Ausführungsbeispiel 1 hergestellten Celluloselösung werde auf 80°C erwärmt und mit 3 ml N,N-Dimethylformamid (DMF) versetzt. Das Gemisch wird danach solange gerührt, bis eine homogene Lösung entsteht; anschließend wird auf Raumtemperatur abgekühlt.
Zu dieser Lösung werden 396 mg (Molverhältnis AGU:SO₃-Komplex: 1:1,4) SO₃-DMF-Komplex gegeben. Nach 2 Stunden Rühren bei einer Reaktionstemperatur von 25°C werden zunächst 3 ml 1 N NaOH-Lösung zugetropft und nach 5 Minuten 17 ml Wasser hinzugegeben. Das Reaktionsgemisch wird gerührt, bis eine homogene Lösung entsteht, und danach in 100 ml Methanol gefällt. Das erhaltene Produkt wird abgesaugt und zweimal in jeweils 30 ml einer 2%igen NaCl-Lösung gelöst und in je 150 ml Methanol ausgefällt. Im Anschluss wird das Produkt viermal in jeweils 30 ml Wasser gelöst und in je 150 ml Methanol ausgefällt. Der erhaltene Feststoff wird im Vakuum bei 60°C getrocknet. Das so hergestellte NaCS löst sich vollständig in Wasser und besitzt einen Schwefelgehalt von 7,41% (entspricht einem DS_Sulfat von 0,49). Zur Strukturbestimmung wurden ¹H- und ¹³C-NMR-Spektren aufgenommen, die in 3 und 4 abgebildet sind. Diese Spektren belegen das Vorliegen eines reinen Natrium Cellulosesulfates. So werden im 13C-NMR-Spektrum (3) nur Signale für die Kohlenstoffatome 1 bis 6 (vgl. 2) der Wiederholungseinheit des NaCS gefunden. Die Viskosität einer 2%igen NaCS-Lösung in 0,9%iger Kochsalzlösung (bestimmt mittels eines Rotationsrheometers) beträgt 15,1 mPas.
Ausführungsbeispiel 3:
Zu einer Lösung von 3 g Fichtensulfitzellstoff in 37 g BMIMCl (Herstellung siehe Ausführungsbeispiel 1) werden bei 80°C langsam und unter Rühren 60 ml DMF gegeben. Das Gemisch wird gerührt bis eine homogene Lösung entsteht und anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt. Zu dieser Lösung werden 2,65 g SO₃-Pyridin Komplex (AGU:SO₃-Komplex: 1:0,9), gelöst in 20 ml DMF, gegeben. Nach 2 Stunden Rühren bei einer Reaktionstemperatur von 25°C werden zunächst 30 ml 1 N NaOH-Lösung zugetropft und nach 5 Minuten 90 ml Wasser hinzugegeben. Das Reaktionsgemisch wird gerührt, bis eine homogene Lösung entsteht, und danach in 1 l Isopropanol/Wasser (9:1) gefällt. Das erhaltene Produkt wird abgesaugt und zweimal in jeweils 200 ml einer 2%igen NaCl-Lösung gelöst und in je 1 l Isopropanol/Wasser (9:1) ausgefällt. Im Anschluss wird das Produkt zweimal in jeweils 200 ml Wasser gelöst und in je 1 l Isopropanol/Wasser (9:1) gefällt. Nach jedem Filtrationsschritt wird das Produkt mit jeweils 150 ml einer Lösung aus Isopropanol/Wasser (8:2) gewaschen. Der erhaltene Feststoff wird abschließend gefriergetrocknet.
Das so hergestellte NaCS löst sich vollständig in Wasser und besitzt einen Schwefelgehalt von 7,21% (entspricht einem DS_Sulfat von 0,47). Die Struktur kann mittels FTIR-, ¹H- und ¹³C-NMR-Spektroskopie belegt werden. Die Messungen zeigen Signale analog den in 3 bis 6 abgebildeten repräsentativen Spektren. Die Viskosität einer 2%igen NaCS-Lösung in 0,9%iger Kochsalzlösung (bestimmt mittels eines Rotationsrheometers) beträgt 374,6 mPas.
Ausführungsbeispiel 4:
Zu einer Lösung von 3 g Fichtensulfitzellstoff in 37 g BMIMCl (Herstellung siehe Ausführungsbeispiel 1) werden bei 80°C langsam und unter Rühren 40 ml DMF gegeben. Das Gemisch wird danach solange gerührt, bis eine homogene Lösung entsteht, und danach auf Raumtemperatur abgekühlt. Zu dieser Lösung werden 3,53 g SO₃-Pyridin Komplex (AGU:SO₃-Komplex: 1:1,2) gegeben. Nach 2 Stunden Rühren bei einer Reaktionstemperatur von 25°C wird das Reaktionsprodukt wie in Ausführungsbeispiel 3 beschrieben isoliert und aufgearbeitet.
Das so hergestellte NaCS löst sich vollständig in Wasser und besitzt einen Schwefelgehalt von 8,71% (entspricht einem DS_Sulfat von 0,61). Die Struktur kann mittels FTIR-, ¹H- und ¹³C-NMR-Spektroskopie belegt werden. Die Messungen zeigen Signale analog den in 3 bis 6 abgebildeten repräsentativen Spektren. Die Viskosität einer 2%igen NaCS-Lösung in 0,9%iger Kochsalzlösung (bestimmt mittels eines Rotationsrheometers) beträgt 320,7 mPas.
Ausführungsbeispiel 5:
Zu einer Lösung von 5 g Fichtensulfitzellstoff in 45 g BMIMCl (Herstellung siehe Ausführungsbeispiel 1) werden bei 80°C langsam und unter Rühren 70 ml DMF gegeben. Das Gemisch wird gerührt bis eine homogene Lösung entsteht und anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt. Zu der Lösung werden 6,87 g SO₃-Pyridin Komplex (AGU:SO₃-Komplex: 1:1,4) gegeben. Nach 2 Stunden Rühren bei einer Reaktionstemperatur von 25°C werden zunächst 70 ml 1 N NaOH-Lösung zugetropft und nach 5 Minuten 130 ml Wasser hinzugegeben. Das Reaktionsgemisch wird gerührt, bis eine homogene Lösung entsteht und danach in 1,51 Isopropanol/Wasser (9:1) gefällt. Das erhalte Produkt wird abgesaugt und das Filtrat für ein späteres Recycling (siehe Ausführungsbeispiel 8) zurückbehalten. Die weitere Aufarbeitung erfolgt analog zu der in Ausführungsbeispiel 3 beschriebenen Vorgehensweise.
Das NaCS löst sich vollständig in Wasser und besitzt einen Schwefelgehalt von 10,49% (entspricht einem DS_Sulfat von 0,80). Die Struktur kann mittels FTIR-, ¹H- und ¹³C-NMR-Spektroskopie belegt werden. Die Messungen zeigen Signale analog den in 3 bis 6 abgebildeten repräsentativen Spektren. Die Viskosität einer 2%igen NaCS-Lösung in 0,9%iger Kochsalzlösung (bestimmt mittels eines Rotationsrheometers) beträgt 93,1 mPas.
Ausführungsbeispiel 6:
3,33 g (entspricht 317 mg Fichtensulfitzellstoff) der im Ausführungsbeispiel 1 hergestellten Celluloselösung werden auf 80°C erwärmt. Zu der Lösung werden 404 mg SO₃-Pyridin Komplex (AGU:SO₃-Komplex: 1:1,3) gegeben. Nach einer Stunde Rühren bei einer Reaktionstemperatur von 80°C werden zunächst 3 ml 1 N NaOH-Lösung zugetropft und nach 5 Minuten 17 ml Wasser hinzugegeben. Das Reaktionsgemisch wird gerührt, bis eine homogene Lösung entsteht, und danach in 100 ml Methanol gefällt. Die weitere Aufarbeitung erfolgt analog zu der in Ausführungsbeispiel 2 beschriebenen Vorgehensweise. Das NaCS löst sich vollständig in Wasser und besitzt einen Schwefelgehalt von 7,78% (entspricht einem DS_Sulfat von 0,52). Die Struktur kann mittels FTIR-, ¹H- und ¹³C-NMR-Spektroskopie belegt werden. Die Messungen zeigen Signale analog den in 3 bis 6 abgebildeten repräsentativen Spektren. Die dynamische Viskosität einer 1%igen Lösung (bestimmt mittels eines Kappilarviskosimeters) beträgt 1,47 mPas.
Ausführungsbeispiel 7:
Zu einer Lösung von 0,5 g Fichtensulfitzellstoff in 4,5 g BMIMCl (Herstellung siehe Ausführungsbeispiel 1) werden bei 80°C langsam und unter Rühren 5 ml DMF gegeben. Das Gemisch wird gerührt bis eine homogene Lösung entsteht und anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt.
Zu der Celluloselösung wird ein Gemisch aus 0,2 ml Chlorsulfonsäure und 1 ml DMF gegeben. Nach 3 Stunden Rühren bei einer Reaktionstemperatur von 25°C werden unter starkem Rühren zunächst 5 ml 1 N NaOH-Lösung zugetropft und nach 5 Minuten Rühren 15 ml Wasser hinzugegeben. Nachdem sich das Gemisch vollständig gelöst hat, wird es in 100 ml Isopropanol/Wasser (9:1) gefällt; der Niederschlag wird abgesaugt. Die weitere Aufarbeitung erfolgt analog zu der in Ausführungsbeispiel 3 beschriebenen Vorgehensweise.
Das NaCS löst sich vollständig in Wasser und besitzt einen Schwefelgehalt von 7,46% (entspricht einem DS_Sulfat von 0,49). Die Struktur kann mittels FTIR-, ¹H- und ¹³C-NMR-Spektroskopie belegt werden. Die Messungen zeigen Signale analog den in 3 bis 6 abgebildeten repräsentativen Spektren. Die Viskosität einer 2%igen NaCS-Lösung in 0,9%iger Kochsalzlösung (bestimmt mittels eines Rotationsrheometers) beträgt 46,7 mPas.
Ausführungsbeispiel 8:
Das Recycling der für die Reaktion als Lösungsmittel eingesetzten Ionischen Flüssigkeit (IL) wird folgendermaßen durchgeführt: Das Filtrat, das man nach Fällung des Reaktionsgemisches aus Ausführungsbeispiel 5 in einer Lösung Isopropanol/Wasser und Abfiltrieren des NaCS erhält, wird zunächst im Vakuum bei 60°C eingeengt. Danach werden 50 ml Chloroform zugegeben und die erhaltene Suspension filtriert. Das Filtrat wird anschließend zunächst im Vakuum bei 60°C eingeengt und danach im Hochvakuum (< 10^–2 mbar) bei 80°C getrocknet. Im Anschluss wird die zähe Flüssigkeit gefriergetrocknet. Dabei wird ein weißlicher hygroskopischer Feststoff erhalten. (Schmelzpunkt: 67,1°C). Die Struktur und die Reinheit der so wiedergewonnen Ionischen Flüssigkeit (IL) kann durch ¹H- und ¹³C-NMR-Spektren belegt werden (8 und 9). In beiden NMR-Spektren finden sich alle Signale für die in 7 dargestellte Ionische Flüssigkeit 1-N-Butyl-3-methylimidazoliumchlorid. Die Ziffern an den Spektren entsprechen den Signalen für die Kohlenstoffatome (9) der in 7 gezeigten Verbindung bzw. den Signalen für Wasserstoffatome (8), die an diese Kohlenstoffatome gebunden sind. Neben diesen Signalen sind in den Spektren nur noch kleine Peaks für das Lösungsmittel DMF zu finden.
Ausführungsbeispiel 9:
40 mg NaCS mit einem DS von 0.47 werden in 2 ml Wasser gelöst. Die NaCS-Lösung wird mit Hilfe einer Spritze (Kanülendurchmesser 0,41 mm) aus einer Höhe von ca. 10 cm in ein Fällungsbad, bestehend aus 20 ml einer 2%igen wässrigen Poly(diallyldimethylammoniumchlorid)-Lösung (M_w = 200.000–350.000 g/mol), getropft. Dabei bilden sich weiße kugelförmige Mikrokapseln mit einem Durchmesser von etwa 1–2 mm.
Ausführungsbeispiel 10:
20 mg NaCS mit einem DS von 0.61 werden in 2 ml Wasser gelöst und mit β-Naptholorange versetzt. Die Natriumcellulosesulfatlösung wird mit Hilfe einer Spritze (Kanülendurchmesser 0,41 mm) aus einer Höhe von ca. 10 cm in ein Fällungsbad, bestehend aus 20 ml einer 1%igen wässrigen Poly(diallyldimethylammoniumchlorid)-Lösung (M_w = 200.000–350.000 g/mol), getropft. Dabei bilden sich orange gefärbte kugelförmige Mikrokapseln mit einem Durchmesser von etwa 1–2 mm.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims

Verfahren zur Herstellung wasserlöslicher, niedrig substituierter Cellulosesulfate, bei dem die Cellulose in Ionischer Flüssigkeit gelöst und diesem Reaktionsmedium ein Sulfatierungsreagenz zugegeben wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung der Viskosität des Reaktionsmediums ein weiteres Lösungsmittel, beispielsweise N,N-Dimethylformamid (DMF), zugegeben wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Wahl der Temperatur des Reaktionsmediums die Viskosität des herzustellenden Cellulosesulfats eingestellt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionische Flüssigkeit nach der Herstellung des Cellulosesulfats aus dem Reaktionsmedium zurückgewonnen und wiederverwendet wird.