Ethylenimineinheiten enthaltende Aminoalkylvinylether, Verfahren zu ihrer Herstellung und ihre Verwendung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft Ethylenimineinheiten enthaltende Aminoalkylvinylether der Formel
H2C = CH - O - X - NH - [Al-]n - H (I), worin
[Al-]n für eine lineare oder verzweigte Oligoalkyleniminkette mit n Alkylenimin- einheiten steht, n eine Zahl von mindestens 1 bedeutet und X für eine geradkettige oder verzweigte C2- bis Cβ-Alkylengruppe steht,
sowie Salze und Quaternierungsprodukte der Monomeren I, Verfahren zu ihrer Herstellung und ihre Verwendung als Monomere zur Herstellung von Polymeren für den Einsatz in der Papierindustrie, als antimikrobielle Beschichtungsmittel, in Detergentien und zur Behandlung von Metalloberflächen.
Aus der WO-A-01/36500 sind Alkylenimineinheiten enthaltende Monomere der Formel
R O
H2C=C C O [AI-]mH • nHY
bekannt, worin
R für Wasserstoff oder d- bis C4-AIkVl steht,
[Al-]m eine lineare oder verzweigte Oligoalkyleniminkette mit m Alkylenimineinheiten bedeutet, m für eine ganze Zahl im Bereich von 1 bis 20 steht, und das Zahlenmittel m in den Oligoalkyleniminketten wenigstens 1 ,5 beträgt, Y das Anionäquivalent einer Mineralsäure bedeutet und n für eine Zahl von 1 <_ n 5 m steht.
Monomere bzw. Monomergemische, bei denen in der oben angegebenen Formel das Zahlenmittel von m wenigstens 2,1 , meistens 2,1 bis 8 beträgt, sind bevorzugt. Sie sind dadurch erhältlich, dass man eine ethylenisch ungesättigte Carbonsäure mit einem Oligoalkylenimin, vorzugsweise in Form eines Oligomerengemisches, umsetzt. Das dabei anfallende Produkt kann gegebenenfalls mit einer Mineralsäure HY in das Säu- readditionssalz überführt werden. Solche Monomere können in einem wässrigen Medi-
um in Gegenwart eines Initiators, der eine radikalische Polymerisation auslöst, zu Homo- und Copolymerisaten polymerisiert werden, die als Hilfsmittel bei der Papierherstellung verwendet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, weitere Alkylenimineinheiten aufweisende Monomere zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit Alkylenimineinheiten enthaltenden Ami- noalkylvinylethern der Formel H2C = CH - O - X - NH - [AI-Jn - H (I), worin
[Al-]n für eine lineare oder verzweigte Oligoalkyleniminkette mit n Alkylenimineinheiten steht, n eine Zahl von mindestens 1 bedeutet und
X für eine geradkettige oder verzweigte C2- bis Cβ-Alkylengruppe steht,
sowie Salze der Monomeren I mit Mineralsäuren oder organischen Säuren und Qua- ternierungsprodukte der Monomeren I mit Alkylhalogeniden oder Dialkylsulfaten.
Lineare Oligoalkyleniminketten [Al-Jn können beispielsweise mit Hilfe folgender Formel
-[CHR'- CHR" - NH -]n-H (II),
beschrieben werden, worin n eine Zahl von mindestens 1 hat und R'und R" für monovalente organische Reste wie d- bis C4-AIkVl, Phenyl oder Wasserstoff stehen. R'und R" stehen vorzugsweise für Wasserstoff.
Verzweigte Oligoalkyleniminstrukturen [Al-]n können z.B. mit Hilfe folgender Formel
[CHR'-CHR"-NH]q-H
-[CHR'-CHR"-NH]p-CHR-CHR'-N (III)
-[CHR'-CHR"-NH-]r-H
charakterisieren, worin p für 0 oder eine von 0 verschiedene ganze Zahl 1 , 2, 3 usw. steht, q und r unabhängig voneinander für von 0 verschiedene ganze Zahlen stehen
und die Summe p+q+r+1 =n ist. Die Formel III symbolisiert eine einfach verzweigte ON- goalkylenimineinheit [Al-]n, es sind jedoch auch Mehrfachverzweigungen möglich.
Bevorzugt sind Alkylenimineinheiten enthaltende Aminoalkylvinylether der Formel I, worin
[Al-]n für n Ethylenimineinheiten steht, n eine Zahl von 2 bis 20 bedeutet und X für eine C3- bis C4-Alkylengruppe steht.
Besonders bevorzugt sind Alkylenimineinheiten enthaltende Aminoalkylvinylether der Formel I, worin
[Al-]n für n Ethylenimineinheiten steht, n eine Zahl von 3 bis 15 bedeutet und
X für die Gruppe - CH2 - CH2 - CH2 - steht.
Im Fall der Salze der Monomeren I mit Mineralsäuren oder mit organischen Säuren liegt wenigstens eines der darin enthaltenen Stickstoffatome, vorzugsweise mehrere oder alle (d.h. n+1 in Formel I) der darin enthaltenen Stickstoffatome in protonierter Form vor. Sie können daher partiell oder vollständig neutralisiert sein. Zur Salzbildung kommen beispielsweise Mineralsäuren wie Salzsäure, Schwefelsäure, Phosphorsäure, Phosphonsäure oder Salpetersäure oder organische Säuren wie Ameisensäure, Essigsäure, Propionsäure, Benzolsulfonsäure, Amidosulfonsäure oder p-Toluol- sulfonsäure in Betracht.
Die Quaternierungsprodukte der Monomeren I sind durch Umsetzung der Monomeren I mit Quaternierungsmitteln wie d- bis Cis-Alkylhalogeniden oder Dialkylsulfaten zugänglich. Mindestens ein Stickstoffatom der in den Monomeren I enthaltenen Stick- stoffatome liegt in den Quaternierungsprodukten in quaternierter Form vor. Quaternier- te Monomere I enthalten beispielsweise 2 bis maximal n+1 quaternierte Stickstoffatome, wobei n die oben in Formel I angegebene Bedeutung hat. Als Quaternierungsmittel eignen sich beispielsweise Methylchlorid, Ethylchlorid, n-Propylchlorid, Isopropylchlo- rid, n-Butylchlorid, sec.-Butylchlorid, n-Hexylchlorid, Cyclohexylchlorid, Benzylchlorid, Methylbromid, Methyljodid, Ethylbromid, Ethyljodid, Dimethylsulfat und Diethylsulfat.
Alkylenimineinheiten enthaltende Aminoalkylvinylether der Formel I sind dadurch erhältlich, dass man an Amino-C2- bis Cβ-alkylvinylether mindestens ein Alkylenimin addiert, wobei man pro Mol des Vinylethers mindestens 1 Mol eines Alkylenimins ein- setzt, und die Additionsprodukte zur Herstellung der Salze mit einer Mineralsäure oder einer organischen Säure neutralisiert und sie zur Herstellung der Quaternierungsprodukte mit d- bis Cis-Alkylhalogeniden oder Dialkylsulfaten umsetzt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens addiert man an Amino-C3- bis C4-alkylvinylether Ethylenimin, wobei man pro Mol des Vinyl- ethers 2 bis 20 Mol Ethylenimin anlagert.
Besonders bevorzugt sind die Reaktionsprodukte von Aminopropylvinylether mit Ethylenimin im Molverhältnis 1 : 3 bis 15. Sie zeigen im 1H NMR-Spektrum ein Multiplet bei 2,54 bis 2,78 ppm, das die Signale der Protonen, die zur Aminogruppe im Aminoalkyl- vinylether benachbart sind (-CH2-NH2) und die Signale der Protonen dieser Gruppe in der mit Ethylenimin oligomerisierten Form. Der mit Ethylenimin oligomerisierte Aminopropylvinylether hat beispielsweise bei einem Oligomerisierungsgrad von n = 6,8 eine kationische Ladungsdichte von 9,0 meq/g (gemessen in wässriger Lösung bei einem pH-Wert von 8, einer Konzentration von 0,1 g/kg und einer Temperatur von 20 0C.
Die Umsetzung von Alkylvinylethern mit Alkyleniminen wird vorzugsweise in wässrigem Medium in Gegenwart eines Katalysators, beispielsweise einer Mineralsäure, durchgeführt. Vorzugsweise verwendet man Schwefelsäure als Katalysator. Man lässt beispielsweise ein Mol eines Katalysators wie Schwefelsäure zunächst mit 60 bis 85 Mol, vorzugsweise 70 bis 75 Mol eines Aminoalkylvinylethers reagieren und lagert dann Ethylenimin an den Aminoalkylvinylether an, der partiell als Ammoniumsalz vorliegt. Der pH-Wert des Reaktionsgemisches liegt beispielsweise in dem Bereich von >_6,5, vorzugsweise bei 8 bis 1 1. Die Reaktionstemperatur beträgt beispielsweise 55 bis 105 0C. Sie liegt meistens in dem Temperaturbereich von 60 bis 80 0C, insbesondere 65 bis 75 0C.
Die Addition von Alkyleniminen, vorzugsweise von Ethylenimin an Aminoalkylvinylether wird beispielsweise so durchgeführt, dass man bei Raumtemperatur mindestens einen Aminoalkylvinylether in Wasser löst, zu der wässrigen Lösung einen Katalysator wie Schwefelsäure zugibt, die Mischung dann unter Rühren auf die Reaktionstemperatur erhitzt und das Alkylenimin kontinuierlich oder portionsweise unter ständigem Rühren so in die Vorlage dosiert, dass das Alkylenimin kontrolliert abreagieren und die Reaktionstemperatur geregelt werden kann. Die dafür erforderliche Reaktionszeit beträgt im Labormaßstab in Abhängigkeit von der Größe des Ansatzes beispielsweise 10 Minuten bis 3 Stunden. Der Endpunkt der Reaktion, d.h. der Zeitpunkt, an dem im Reaktionsgemisch kein Alkylenimin mehr nachgewiesen werden kann, wird mit Hilfe der Reaktion von Ethylenimin mit 4-(4-Nitrobenzyl)pyridin ermittelt, vgl. R. Preussmann, H. Schneider und F. Epple, Arzneimittel-Forschung Band 19, 1059-1073 (1969). Ethylenimin wird bei dem genannten Test mit 4-(4-Nitrobenzyl)pyridin aufgrund einer intensiven violet- ten Färbung erkannt. Sofern dieser Test negativ ausfällt, ist die Reaktion beendet. Das Reaktionsgemisch kann direkt verwendet werden. Es ist jedoch auch möglich, das Ad-
ditionsprodukt von Ethylenimin an den Aminoallkylvinylether aus dem Reaktionsgemisch zu isolieren, z.B. durch Entfernen des Wassers.
Die erfindungsgemäßen Alkylenimineinheiten enthaltenden Aminoalkylvinylether sind Monomere, die mit Hilfe von Radikale bildenden Initiatoren polymerisiert werden können. Sie werden daher als Monomere zur Herstellung von Polymeren für den Einsatz in der Papierindustrie verwendet. Polymere mit Molmassen Mw bis zu 30 000 eignen sich beispielsweise als Fixiermittel für Störstoffe und Feinstoffe bei der Papierherstellung. Polymerisate von Monomeren der Formel I können außerdem als antimikrobielle Be- Schichtungsmittel, in Detergentien und zur Behandlung von Metalloberflächen verwendet werden.
Beispiel 1
In einem Vierhalskolben, der mit Rührer, Thermometer und einer Dosiervorrichtung ausgestattet war, wurden 30 g (0,296 mol) Aminopropylvinylether (CH2=CH-O-CH2- CH2-CH2-NH2) in 16 g entionisiertem Wasser gelöst und mit 5 g konzentrierter Schwefelsäure (0,051 mol) gemischt. Der pH-Wert betrug 8,5. Die Mischung wurde in einer Stickstoffatmosphäre unter Rühren auf eine Temperatur von 65 0C erwärmt. Sobald diese Temperatur erreicht war, dosierte man innerhalb von einer Stunde 161 ml einer 60 %igen wässrigen Lösung von Ethylenimin (89,4 g, 2,079 mol). Die Mischung wurde anschließend noch 4 Stunden bei einer Temperatur in dem Bereich von 65 bis 70 0C gerührt. Nach dieser Zeit konnte mit Hilfe des obengenannten Preussmann-Tests kein Ethylenimin mehr im Reaktionsgemisch nachgewiesen werden. Nach Abschluss der Umsetzung betrug der pH-Wert des Reaktionsgemisches 11.
Beispiel 2
In einem Vierhalskolben mit Intensivrührer, Rückflußkühler und Thermometer wurden 78,2 g (0,772 mol) Aminopropylvinylether (CH2=CH-O-CH2-CH2-CH2-NH2) in 41 ,7 g entionisiertem Wasser gelöst und mit 10 % konzentrierter Schwefelsäure langsam auf einen pH-Wert von 1 1 eingestellt. Die Mischung wurde in einer Stickstoffatmosphäre unter Rühren auf eine Temperatur von 65 0C erwärmt. Sobald diese Temperatur er- reicht war, dosierte man innerhalb von einer Stunde 360 ml einer 60 %igen wässrigen Lösung von Ethylenimin (199,7 g, 4,644 mol) zu. Die Mischung wurde dann noch eine Stunde bei 65 0C gehalten, und anschließend noch vier Stunden bei 85 0C gerührt. Abschließend wurde die Mischung noch drei Stunden unter Rückfluss erhitzt. Nach dieser Zeit konnte mit Hilfe des obengenannten Preussmann-Tests kein Ethylenimin mehr im Reaktionsgemisch nachgewiesen werden.
Beispiel 3
In einem Vierhalskolben mit Intensivrührer, Rückflußkühler und Thermometer wurden 180 g (1 ,776 mol) Aminopropylvinylether (CH2=CH-O-CH2-CH2-CH2-NH2) in 25 g entio- nisiertem Wasser gelöst und mit 10 % konzentrierter Schwefelsäure langsam auf einen pH-Wert von 1 1 eingestellt. Die Mischung wurde in einer Stickstoffatmosphäre unter Rühren auf eine Temperatur von 65 0C erwärmt. Sobald diese Temperatur erreicht war, dosierte man innerhalb von einer Stunde 276 ml einer 60 %igen wässrigen Lösung von Ethylenimin (153,3 g, 3,565 mol) zu. Die Mischung wurde anschließend für 30 Minuten bei 70 0C gerührt. Abschließend wurde die Mischung noch fünf Stunden unter Rückfluss erhitzt. Nach dieser Zeit konnte mit Hilfe des obengenannten Preuss- mann-Tests kein Ethylenimin mehr im Reaktionsgemisch nachgewiesen werden.