DE3722289C2 - Verfahren zur Herstellung eines Polyactons einer Poly-Alpha-Hydroxyacrylsäure - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines Polyactons einer Poly-Alpha-HydroxyacrylsäureInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Polylactons (PLAC), das einer
Poly-α-hydroxyacrylsäure entspricht. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung
eines einer Poly-α-hydroxyacrylsäure entsprechenden Polyactons aus einem Ester einer α,β-Dichlorpropionsäu
re in einer normalen Vorrichtung und nach einer relativ einfachen Arbeitsweise mit erhöhter Ausbeute und
verminderten Kosten.
Es ist bekannt, daß Polylactone, die einer Poly-α-hydroxyacrylsäure entsprechen, in der Industrie als Aus
gangspolymer für das Natriumsalz von Poly-α-hydroxyacrylsäure (HAS) von Nutzen ist, die als Sequestriermit
tel und als Builderstoffe für Detergentien Verwendung finden.
Zum ersten Male wurde das Polylacton von C.S. Marvel et al. synthetisch erzeugt. Marvel et al. beschreiben in J.
Amer. Chem. Soc., Bd. 62, 3459 bis 3498 (1940), daß das Polylacton durch Bestrahlen einer Lösung von α-Chlor
acrylsäure in einem organischen Lösungsmittel mit Licht einer Quecksilberdampflampe, durch nachfolgendes
Abscheiden der erhaltenen festen Poly-α-chloracrylsäure, durch Abtrennen des abgeschiedenen Polymers aus
der Lösung, durch Auflösen des Polymers in Wasser und durch Kochen der erhaltenen wäßrigen Lösung des
Polymers unter Bildung des entsprechenden Polylactons hergestellt werden kann.
Im belgischen Patent Nr. 7 96 531, Beispiel 1, ist eine Weiterentwicklung des Verfahrens von Marvel et al.
offenbart. Bei dieser Weiterentwicklung wird α-Chloracrylsäure in Benzol als Lösungsmittel bei erhöhter
Temperatur in Gegenwart von Benzoylperoxid als Katalysator polymerisiert, die erhaltene Poly-α-chloracryl
säure wird aus dem Lösungsmittel abgeschieden, das abgeschiedene Polymer wird abgetrennt und in Wasser
gelöst, die erhaltene wäßrige Lösung wird erhitzt unter Abscheidung des sich bildenden entsprechenden Polylac
tons. und das abgeschiedene Polylacton wird aus dem Wasser isoliert und getrocknet.
Die erwähnten Verfahren, bei denen eine α-Halogenacrylsäure in einem organischen Lösungsmittel polymeri
siert und die erhaltene Poly-α-halogenacrylsäure
in Wasser bei erhöhter Temperatur zum entsprechenden
Polylacton umgewandelt wird, haben den Nachteil, daß
sie eine unerwünscht hohe Anzahl von Schritten umfassen,
daß die Notwendigkeit des organischen Lösungsmittels die
Verwendung einer teuren Reaktionsanlage erfordert, daß
die Arbeitsweisen kostspielig und das erhaltene Produkt
ebenfalls kostspielig sind.
Bei den kürzlich entwickelten Verfahren wird
demgemäß eine α-Halogenacrylsäure in wäßriger Phase
polymerisiert, und die erhaltene wäßrige Lösung der
Poly-α-halogenacrylsäure wird zur Umwandlung des Poly
mers in das entsprechende Polylacton erhitzt. Dieses
Reaktionsverfahren in wäßriger Phase wird nun als das
wichtigste Verfahren zur Herstellung von Polylacton an
gesehen.
Die geprüfte japanische Patentveröffentlichung
(Kokoku) Nr. 57-39249 (Solvay) offenbart beispielsweise
ein Verfahren zur Herstellung des Polylactons durch die
Hydrochlorierung einer α,β-Dichlorpropionsäure oder ei
nes ihrer Alkylderivate in einer Gasphase in Gegenwart
eines Katalysators, beispielsweise Tonerde, wonach man
die erhaltene α-Chloracrylsäure in Wasser in Berührung
mit einem Polymerisationskatalysator bringt, um das
Polylacton zu erhalten.
Als weiteres Beispiel offenbart die geprüfte
japanische Patentveröffentlichung (Kokoku) Nr. 54-5839
(Solvay) ein Verfahren zur Herstellung des Polylactons
durch Erhitzen einer Lösung von α,β-Dichlorpropionsäure
in Wasser bei einer Temperatur von 100°C oder darüber
zur Bildung einer α-Chloracrylsäure, wonach die erhalte
ne Polymerlösung in Berührung mit einem Polymerisations
katalysator gebracht wird.
Die geprüfte japanische Patentveröffentlichung
(Kokoku) Nr. 57-27882 (Hoechst) beschreibt als weiteres
Beispiel ein Verfahren zur Herstellung des Polylactons,
bei dem man eine wäßrige Lösung von α-Chloracrylsäure
in Berührung mit einem Polymerisationskatalysator
bringt, der eine radikale Polymerisation einleitet, und
die erhaltene Poly-α-chloracrylsäure auf eine Temperatur
von 80°C bis 100°C eine Stunde lang oder länger erwärmt,
ohne daß man die Poly-α-chloracrylsäure aus dem Poly
merisationsgemisch isoliert.
Die oben beschriebenen klassischen Verfahren
haben aber den Nachteil, daß das Auftreten eine De
hydrochlorierung der α,β-Dichlorpropionsäure die Verwen
dung spezieller Reaktionsapparate erfordert, beispiels
weise einen Autoklav oder aber ein spezielles Kataly
satorbett, und der Reaktionsapparat muß mit speziellen
Vorrichtungen zur Regelung der Reaktionstemperatur ver
sehen sein. Daher wird die Reaktionsapparatur sehr teuer
und demgemäß auch das erhaltene Produkt.
Bei den üblichen Verfahren beträgt außerdem
die Ausbeute am Endprodukt am Polylacton etwa 70%, bezo
gen auf die Menge an α,β-Dichlorpropionsäure als Aus
gangssubstanz. Diese Ausbeute ist unbefriedigend. Überdies
finden sich sämtliche nichtumgesetzten Stoffe und
Nebenprodukte in einer Gesamtmenge von 30% in einer Ab
fallflüssigkeit der Reaktion. Diese Abfallflüssigkeit
muß daher vor dem Ablassen mit hohen Kosten behandelt
und gereinigt werden.
Üblicherweise wird α,β-Dichlorpropionsäure
durch Zugabe von Chlor zu Acrylsäure hergestellt. Diese
Chlorzugabe wird in Form einer Photochlorierung oder in
Gegenwart eines Katalysators ausgeführt.
Beim großtechnischen Ausführen einer Photo
chlorierung besteht der Nachteil, daß die Reaktionsap
paratur mit speziellen Lampen, Sicherheitsvorrichtungen
und Überwachungselementen ausgerüstet sein muß, und es
bilden sich trichlorierte Verbindungen als unerwünschte
Nebenprodukte, beispielsweise 2,3,3-Trichlorpropion
säure.
Wenn man zur Chlorierung von Acrylsäure einen
Katalysator verwendet, wobei die Acrylsäure als solche
sehr leicht polymerisierbar ist und auch bei der Chlo
rierung leicht polymerisiert, ist es schwierig, die ge
wünschte α,β-Dichlorpropionsäure mit hohen Ausbeuten zu
erhalten.
Wie schon oben erwähnt wurde, besitzen die
üblichen Verfahren zur Herstellung des Polylactons
mehrere Schwierigkeiten, nicht nur bei der Herstellung
des Endproduktes, nämlich des Polylactons, sondern eben
falls bei der Herstellung der Ausgangssubstanz, nämlich
α,β-Dichlorpropionsäure.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE-OS 20 61 584
(Henkel & Co.) offenbart ein Verfahren zur Herstellung
eines wasserlöslichen Salzes von Poly-α-hydroxyacryl
säure. Bei diesem Verfahren wird α,β-Dihalogenacrylsäure
oder einer ihrer Ester zusammen mit einer basischen Sub
stanz lange Zeit in Wasser gekocht. Bei diesem Kochver
fahren scheidet sich aus dem Reaktionsgemisch ein Zwi
schenprodukt mit unbekannter chemischer Struktur ab.
Dieses Zwischenprodukt, welches im wesentlichen aus ei
nem Lacton mit Halogenresten besteht, wird abgetrennt,
mit Wasser gewaschen und dann in einer heißen wäßrigen
Lösung von Natriumhydroxid aufgelöst. Die erhaltene
Lösung wird abgekühlt und in Methylalkohol eingegossen,
um die erhaltene Poly-α-hydroxyacrylsäure abzuscheiden.
Das Henkel-Verfahren hat jedoch den Nachteil,
daß die Zielverbindung nur dann mit hoher Ausbeute ge
bildet wird, wenn α,β-Dibrompropionsäure, welche teuer
ist, als Ausgangssubstanz eingesetzt wird. Wenn man die
billige α,β-Dichlorpropionsäure im Henkel-Verfahren ver
wendet, kann das gewünschte Polylacton nicht mit hoher
Ausbeute erhalten werden.
In Beispiel 3 der genannten Offenlegungs
schrift von Henkel wird 1,0 mol α,β-Dibrompropionsäure
methylester mit 1,15 mol Natriumacetat in Wasser ver
mischt und das erhaltene wäßrige Gemisch gekocht, wobei
sich ein wasserunlösliches Zwischenprodukt bildet. Bei
der Reaktion eines Esters einer α,β-Dihalogen
propionsäure mit einer Base in einer Menge des
1,15fachen der Molarenmenge des Esters enthält das Re
aktionsprodukt hauptsächlich einen α-Halogenacrylsäure
ester. Erhitzt man das Reaktionsgemisch in Abwesenheit
eines katalytischen Initiators, so wird der gebildete
α-Halogenacrylsäureester, der eine ölige Substanz ist,
lediglich im Wasser dispergiert, und das gewünschte
Polylacton bildet sich nicht. Auch wenn man einen ka
talytischen Initiator verwendet, ist das erhaltene
Polymer ein Poly-α-halogenacrylsäureester, der in einer
kalten wäßrigen Lösung von Natriumhydroxid unlöslich
ist und eine ganz unterschiedliche chemische Struktur
verglichen mit dem Polylacton aufweist.
Nach dem oben genannten Verfahren kann man
daher nicht das gewünschte Polylacton herstellen. Wegen
der gleichen Gründe, wie sie oben schon ausgeführt
wurden, kann eine Reaktion des α,β-Dichlorpropionsäure
methyl
esters mit Natriumacetat das gewünschte Polylacton nicht liefern.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung eines Polylactons, daß
einer Poly-α-hydroxyacrylsäure entspricht, aus einem Ausgangsmaterial, daß man zu einem niedrigen Preis
leicht erhalten kann.
Ein zweites Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung eines Polylac
tons, welches einer Poly-α-hydroxyacrylsäure entspricht, in hohen Ausbeuten unter Verwendung einer üblichen
einfachen Apparatur, ohne das Erfordernis einer besonderen Reaktionsausrüstung.
Die genannten Ziele werden durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 erreicht.
Dabei kann der Reaktionsschritt (B) vor dem Polymerisationsschritt (C) vervollständigt werden, oder man
kann ihn gleichzeitig mit der Polymerisation (Stufe C) ausführen.
Im Verfahren der vorliegenden Erfindung wird ein Ester der α,β-Dichlorpropionsäure als Ausgangsmaterial
verwendet. Der Ester der α,β-Dichlorpropionsäure ist bevorzugt ein Ester dieser Säure mit einem niederen
aliphatischen Alkohol mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen. Normalerweise handelt es sich bei diesem Ester um den
Methylester der α,β-Dichlorpropionsäure.
Der Ester der α,β-Dichlorpropionsäure kann durch Chlorierung eines entsprechenden Acrylsäureesters leicht
hergestellt werden. Beispielsweise erhält man α,β-Dichlorpropionsäuremethylester in einer Ausbeute von 85%
oder darüber durch Einblasen von Chlorgas in eine Lösung von Acrylsäuremethylester in Methanol bei einer
Temperatur von 40°C oder darunter, siehe J. Org. Chem., Bd. 62, Seite 3495 (1940).
Der Ester der α,β-Dichlorpropionsäure kann nach einem neuen Verfahren, welches von den Erfindern der
vorliegenden Erfindung entwickelt wurde, in sehr hohen Ausbeuten hergestellt werden, indem man einen
entsprechenden Acrylsäureester mit Chlor in Gegenwart mit einer besonderen Stickstoffverbindung um setzt.
Im Reaktionsschritt (A) des Verfahrens der vorliegenden Erfindung besteht die basische Substanz im wesentli
chen aus mindestens einer basischen Verbindung, vorzugsweise ausgewählt aus Natriumhydroxid, Kaliumhydro
xid, Natriumcarbonat, Natriumhydrogencarbonat, Calciumhydroxid, Natriumacetat, Ammoniak und niederen
Alkylaminen, beispielsweise Methylamin, Dimethylamin und Diethylamin. Als übliche basische Verbindung wird
Natriumhydroxid verwendet.
Die basische Substanz wird in molaren Mengen zwischen dem 1,9/n-fachen bis 3,0/n-fachen, vorzugsweise
zwischen dem 2,0/n-fachen bis 2,4/n-fachen, der molaren Menge des verwendeten Esters der α,β-Dichlorpro
pionsäure im Reaktionsschritt (A) eingesetzt, wobei n die Säurewertigkeit (Anzahl an Akzeptoren für Protonen,
bezogen auf ein Molekül der basischen Substanz)
eine basische Substanz aus einer basischen Verbindung besteht, deren Acidität 1 beträgt, beispielsweise Natri
umhydroxid, so wird diese basische Substanz in Mengen zwischen dem 1,9fachen bis zum 3,0fachen der molaren
Menge des Esters der α,β-Dichlorpropionsäure eingesetzt. Wenn eine andere basische Substanz eine Acidität
von 2 besitzt, beispielsweise Hydrazin, so wird sie in molaren Mengen zwischen dem 0,95fachen bis zum
1,5fachen der molaren Menge des Esters α,β-Dichlorpropionsäure verwendet.
Falls das Molverhältnis der basischen Substanz zum α,β-Dichlorpropionsäureester unter dem Wert von
1,0/n:1 liegt. So besteht das im Reaktionsschritt (A) gebildete Zwischenprodukt hauptsächlich aus einem
α-Chloracrylsäureester, und wenn man dieses Zwischenprodukt daher im Zugabeschritt (B) und im Polymerisa
tionsschritt (C) einsetzt, so besteht das Endprodukt hauptsächlich aus einem Pola-α-chloracrylsäureester, der in
kalter wäßriger Natronlauge unlöslich ist, und nicht aus dem gewünschten Polylacton.
Wenn das Molverhältnis oberhalb 3,0/n:1 beträgt, so sinkt die Ausbeute am erhaltenen Polylacton.
Zur Erzeugung des gewünschten Polylactons mit befriedigender Ausbeute ist es demgemäß sehr wichtig, daß
die basische Substanz und der α,β-Dichlorpropionsäureester im spezifischen Bereich der Molverhältnisse von
1,9/n:1 bis 3,0/n: 1 eingesetzt werden. Die Reaktion des α,β-Dichlorpropionsäureesters mit der basischen
Substanz wird in wäßriger Phase ausgeführt, beispielsweise in Wasser. Bei dieser Reaktion beträgt die Konzen
tration der basischen Substanz vorzugsweise 10 bis 30 Gew.-%.
Die Reaktion des α,β-Dichlorpropionsäureesters mit der basischen Substanz in der wäßrigen Phase wird
vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 0°C bis 80°C ausgeführt, insbesondere zwischen 20°C und
40°C.
In der Stufe (A) kann die vorbestimmte Menge der basischen Substanz auf einmal zur Lösung des α,β-Di
chlorpropionsäureesters zugegeben werden. Es kann aber auch die Zugabe der basischen Substanz in zwei oder
nehreren Anteilen erfolgen. Beispielsweise kann man die basische Substanz in einem ersten Anteil in einer
molaren Menge, von 0,8/n bis 1,2/n der molaren Menge des α,β-Dichlorpropionsäureesters zugeben, um den
α,β-Dichlorpropionsaureester zu dehydrochlorieren und den entsprechenden α-Chloracrylsäureester zu erzeu
gen. Daher wird die anfallende Phase, welche den α-Chloracrylsäureester enthält, von der wäßrigen Phase des
Reaktionsgemisches getrennt.
Im Verlaufe einer zweiten Zugabestufe wird die basische Substanz mit einer molaren Menge entsprechend
dem 0,7/n bis 2,2/n-fachen molaren Menge des α,β-Dichlorpropionsäureesters zu einer Lösung des α-Chloracryl
säureesters weiter zugegeben.
Wenn die basische Substanz mit dem
α,β-Dichlorpropionsäureester in einem Molverhältnis von
etwa 1/n : 1 reagiert, tritt im allgemeinen eine selek
tive und vorrangige Dehydrochlorierungsreaktion des
α,β-Dichlorpropionsäureesters ein unter Bildung des ent
sprechenden α-Chloracrylsäureesters. Dies bedeutet,
daß es bei einem Molverhältnis von etwa 1/n : 1 schwie
rig ist, die Esterbindung des α,β-Dichlorpropionsäure
esters zu spalten. Die Spaltung der Esterbindung kann
nur bei einem Molverhältnis von 1,9/n : 1 oder darüber
erzielt werden.
Wenn aber die basische Substanz in einem
ersten Zugabeschritt mit einem Molverhältnis von etwa
1/n : 1 zugegeben wird, ist es leicht, den entstehenden
α-Chloracrylsäureester, der in Wasser unlöslich ist, von
einem Nebenprodukt (NaCl), das wasserlöslich ist, abzu
trennen.
Dies bedeutet, daß beim ersten Schritt der
oben genannten schrittweisen Zugabe der basischen Sub
stanz das entstehende Nebenprodukt (NaCl) sich in wäßriger
Phase befindet, wo es von der den
α-Chloracrylsäureester enthaltenden Phase getrennt ist.
Die abgetrennte kochsalzhaltige wäßrige Fraktion kann
leicht von der α-chloracrylsäureester-haltigen Fraktion
abgetrennt werden. Die Abtrennung des NaCl ist für eine
Erhöhung der Konzentration des Salzes der α-Dichlor
acrylsäure im Polymerisationsgemisch sehr wirksam, und
sie erhöht ebenfalls die Volumenausbeute der Polymeri
sationsapparatur. Weiterhin bewirkt die Entfernung des
NaCl, welches sich in der Reaktionsstufe (A) bildet,
eine Verringerung des NaCl-Gehaltes im Endprodukt, d. h.
dem Polylacton.
Bei der Reaktionsstufe (A) wird das Molver
hältnis der basischen Substanz zum α,β-Dichlorpropion
säureester auf einen Wert zwischen 1,9/n : 1 bis 3,0 : 1
mindestens in der zweiten Stufe eingestellt. Dieser Be
reich des Molverhältnisses ist notwendig, um den
α,β-Dichlorpropionsäureester in ein entsprechendes Salz
der α-Chloracrylsäure mit hoher Ausbeute umzuwandeln.
Die Umsetzung des α,β-Dichlorpropionsäure
esters mit der basischen Substanz ergibt ein weiteres
Nebenprodukt, nämlich den entsprechenden Alkohol, der
mit der α,β-Dichlorpropionsäure verestert war. Dieser
Alkohol kann auf folgende Arten abgetrennt werden:
- (1) Das Reaktionsgemisch aus Stufe (A), wel ches den Alkohol enthält, wird weiterhin den Stufen (B) und (C) zugeführt, und der Alkohol wird anschließend beim Sammeln des gebildeten Polylactons durch Waschen entfernt.
- (2) Der Alkohol wird aus dem Reaktionsgemisch abdestilliert, und zwar mindestens vor der Polymeri sation (C).
- (3) Während der Polymerisation (C) wird der Alkohol durch Destillation entfernt, welche gleichzeitig mit der Polymerisation des Reaktionsgemisches ausgeführt wird, das man in Stufe (B) erhalten hat.
Die Entfernung des Alkohols wird vorzugsweise
aber auf die oben genannten Arten (2) oder (3) durchge
führt, und zwar vor oder während der Polymerisation (C).
Diese Arten gestatten auch die Verringerung des Gehaltes
der aus NaCl bestehenden Verunreinigung des gebildeten
Polylactons. Weiterhin sind die Arten (2) und (3) des
halb vorteilhaft, weil eine Abfallflüssigkeit aus dem
Verfahren bequem behandelt werden kann.
Bei der Entfernung des Alkohols nach Möglich
keit (2) kann die alkoholhaltige Flüssigkeit bei einem
beliebigen pH-Wert destilliert werden. In einem stark
alkalischen Milieu könnte aber das Salz der α-Chlor
acrylsäure in der Flüssigkeit sich zersetzen. Daher wird
die alkoholhaltige Flüssigkeit vorzugsweise vor der De
stillation auf ein pH von 5,0 bis 8,0 neutralisiert. Die
Destillation kann unter Atmosphärendruck ausgeführt
werden. Es ist jedoch vorteilhaft, verminderten Druck
bei der Destillation anzuwenden.
Die Möglichkeit (3) der Alkoholentfernung ist
großtechnisch vorteilhaft, weil die notwendige Zeit
dauer und Energie zur Vervollständigung des Gesamtver
fahrens der vorliegenden Erfindung vermindert werden
kann, denn die Entfernung des Alkohols wird gleichzeitig
mit der Polymerisation vorgenommen, und dies ist für die
Industrie von praktischem Nutzen.
Beim Zugabeschritt (B) wird die wäßrige Lö
sung des Salzes der α-Chloracrylsäure mit einer sauren
Substanz vermischt, nämlich mit mindestens einer Säure
der folgenden Liste: anorganische Säuren wie Salzsäure,
Schwefelsäure, Perchlorsäure, Salpetersäure und orga
nische Säuren wie Essigsäure, Propionsäure und Ameisen
säure. Im Hinblick auf die Schwierigkeiten bei der Be
handlung von Abfallflüssigkeiten aus dem Verfahren wird
vorzugsweise eine anorganische Säure benutzt, insbeson
dere Salzsäure.
Der Zugabeschritt (B) kann vor der Polymeri
sation (C) ausgeführt werden, indem man die Gesamtmenge
an Säure zur Lösung des Salzes der α-Chloracrylsäure auf
einmal zugibt oder aber tropfenweise. Anderenfalls kann
die Säurezugabe gleichzeitig mit der Polymerisation (C)
erfolgen, indem man die saure Substanz der Polymerisa
tionsmischung zugibt, während die Polymerisation im
Gange ist.
Die Entfernung des Alkohols, der ein Nebenpro
dukt der Reaktionsstufe (A) ist, kann zu irgendeinem
Zeitpunkt bei der Säurezugabe (B) und der Polymerisation
(C) erfolgen, beispielsweise vor oder nach der Zugabe
der sauren Substanz oder während der Polymerisation (C).
Die Säurezugabe (B) ist ein erforderlicher
Abschnitt des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, und
zwar zur Herstellung des Polylactons mit erhöhter Aus
beute. Bei diesem Schritt (B) wird die saure Substanz in
einer Menge zwischen 0,02 und 3,0 Äquivalenten,
vorzugsweise 0,05 bis 1,0 Äquivalent, pro Äquivalent
der basischen Substanz eingesetzt, die in der Reaktions
stufe (A) verwendet wurde, damit das pH der Polymeri
sationsgemisches auf das bevorzugte Niveau von 2,5 oder
darunter gelangt.
Wenn man die saure Substanz in einer Menge von
weniger als 0,02 Äquivalenten pro Äquivalent der ba
sischen Substanz einsetzt, oder wenn man gar keine
sauren Substanzen zugibt, geliert das Polymerisations
gemisch und verfestigt sich zu einem Gel, man erhält
kein Polylacton oder nur kleine Ausbeuten davon, und das
erhaltene Polylacton kann man nur sehr schwierig abfil
trieren.
Die Polymerisation der Stufe (C) wird in Anwe
senheit eines Katalysators ausgeführt, der mindestens
ein Glied der folgenden Liste umfaßt: organische Per
oxide, beispielsweise Benzoylperoxid und Cumylperoxid,
anorganische Peroxide, beispielsweise Wasserstoff
peroxid, Natriumperborat, Kaliumpersulfat, Ammoniumper
sulfat und Natriumpersulfat, Redox-Initiatoren, bei
spielsweise Wasserstoffperoxid/Eisen(2)-Salz und Dia
zoverbindungen, beispielsweise 2,2-Azobis-(isobutyro
nitril).
Die Polymerisation wird bei einer Temperatur
im Bereich von 40°C bis 200°C ausgeführt, bevorzugt zwi
schen 40°C und 110°C.
In mindestens einer Stufe der Schritte (B) und
(C) wird die notwendige Menge der sauren Substanz zur
wäßrigen Lösung des Salzes der α-Chloracrylsäure zuge
geben, welche den Katalysator enthält, und das so
erhaltene Gemisch wird der Polymerisation unterworfen,
indem man es auf eine vorbestimmte Polymerisationstem
peratur erwärmt.
Als Variante wird die in Stufe (A) erhaltene
wäßrige Lösung des Salzes der α-Chloracrylsäure nach
und nach zu einer wäßrigen Lösung zugegeben, welche
eine saure Substanz und einen Katalysator enthält,
während man die Mischung auf einer vorbestimmten
Polymerisationstemperatur hält.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung hat
in der Industrie den Vorteil, daß man einen
α,β-Dichlorpropionsäureester, der zu niedrigen Preisen
leicht erhältlich ist, als Ausgangsmaterial benutzen
kann, daß das Verfahren in einer normalen Reaktion ab
läuft und in einer üblichen Polymerisationsapparatur
ausgeführt werden kann, ohne daß es erforderlich ist,
spezielle Apparate zu verwenden, und daß das Endpro
dukt, Polylacton, mit verbesserten Ausbeuten erhältlich
ist.
Die vorliegende Erfindung wird mittels spezi
fischer Beispiele weiter erläutert, welche jedoch nur
erläuternde Wirkung haben und den Schutzbereich der Er
findung in keiner Weise einschränken.
Bei allen Beispielen 1 bis 13 und den Ver
gleichsbeispielen 1 bis 4 wird ein 500 ml fassender Vier
halskolben verwendet, der mit einem Rührer und einem
Thermometer ausgerüstet ist und mit einer 10%igen wäßrigen
Lösung der basischen Substanz der in Tabelle 1
angegebenen Art mit der ebenfalls angegebenen Menge be
schickt wird. 0,5 Mole eines α,β-Dichlorpropionsäure
esters mit der Esterstruktur der Formel -COOR, worin R
Alkyl gemäß Tabelle 1 darstellt, wurden bei einer Tem
peratur von 30°C bis 40°C in die wäßrige Lösung der
basischen Substanz eingetropft. Das erhaltene Gemisch
wurde bei der abgegebenen Temperatur eine Stunde lang
gerührt.
Die erhaltene Reaktionsmischung wurde folgendermaßen
zwecks Entfernung des Alkohols (Nebenprodukt)
behandelt.
A: Der Alkohol wurde aus dem Reaktionsgemisch
bei einer Temperatur von 30°C bis 60°C unter einem re
duzierten Druck von 20 mmHg abdestilliert.
B: Der Alkohol wurde aus dem Reaktionsgemisch
unter Atmosphärendruck abdestilliert.
C: Der Alkohol wurde nicht abdestilliert.
Danach wurde das Reaktionsgemisch mit Säure
versetzt und auf die unten beschriebene Weise einer
Polymerisation unterworfen. Bei der Polymerisation wur
den 13,5 g einer 5%igen wäßrigen Lösung von Kaliumper
sulfat verwendet.
D: Das Reaktionsgemisch wurde mit Salzsäure,
deren Menge in Tabelle 1 angegeben ist, versetzt und das
erhaltene Gemisch bei einer Temperatur von 90°C bis 95°C
4 Stunden lang einer Polymerisation unterzogen.
E: Das Reaktionsgemisch wurde mit den in Ta
belle 1 angegebenen Mengen Salzsäure versetzt und das
erhaltene Gemisch bei einer Temperatur zwischen 90°C und
104°C 4 Stunden lang einer Polymerisation unterworfen,
während der Alkohol gleichzeitig aus dem Gemisch ab
destilliert wurde.
Nach Vervollständigung der Polymerisation wur
de das erhaltene Gemisch abgekühlt, unter vermindertem
Druck filtriert und mit 300 ml reinem Wasser gewaschen.
Der so erhaltene feuchte Kuchen des Polymerisationspro
duktes wurde bei einer Temperatur von 105°C 4 Stunden
lang getrocknet, und man erhielt einen getrockneten Ku
chen des Polylactons.
Der chemische Aufbau des erhaltenen Poly
lactons wurde durch Infrarotspektroskopie untersucht. Es
wurde bestätigt, daß die chemische Struktur vollständig
mit derjenigen des Polylactons übereinstimmte, welches
in der geprüften japanischen Patentveröffentlichung
(Kokoku) Nr. 54-5839 (Solvay Co.) angegeben ist. Es wur
de auch bestätigt, daß das erhaltene Polylacton prak
tisch kein an der chemischen Struktur gebundenes Chlor
enthielt. Der Gehalt an Chlor im erhaltenen Polylacton
betrug nämlich 0,5 Gew.-% oder weniger.
Weiterhin wurde der Gehalt des erhaltenen
Polylactons an restlichem Alkohol durch Gaschromato
graphie bestimmt.
Weiterhin wurde die Ausbeute an Polylacton
folgendermaßen berechnet.
Die Menge an reinem Polylacton wurde berech
net, indem die Menge an NaCl von der Gesamtmenge des
erhaltenen Polylactons abgezogen wurde. Die Ausbeute an
reinem Polylacton wurde unter der Annahme bestimmt, daß
der Umwandlungsgrad zum Lacton 2/3 betrug, und auf der
Grundlage, daß das Molekulargewicht der sich wieder
holenden Lactongruppe im Polylacton 76 beträgt.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefaßt.
Ein Vierhalskolben mit einem Inhalt von
300 ml, ausgerüstet mit Rührer und Thermometer, wurde
mit 200 g einer 10%igen wäßrigen Natronlauge beschickt
(0,50 mol NaOH), und dann wurden zur Natronlauge bei
einer Temperatur von 30°C 78,5 g (0,5 mol)
α,β-Dichlorpropionsäureethylester zugetropft.
Man ließ das Gemisch 30 Minuten lang stehen
und trennte dann die ölige Phase von der wäßrigen Phase
ab. Die abgetrennte Ölphase wurde in einen Reaktions
kolben überführt und dort in 110 g einer 20%igen wäßrigen
Natronlauge (0,55 mol NaOH) bei einer Temperatur
von 30°C gelöst.
Die erhaltene Lösung wurde zur Entfernung des
Nebenproduktes Methanol unter einem verminderten Druck
von 20 mmHg destilliert. Der Destillationsrückstand ent
hielt 120 g Natrium-α-chloracrylat und 0,6% Methylal
kohol. Der Grad der Entfernung des Methylalkohols betrug
also 95,5%.
Die Lösung wurde mit 100 g Wasser und 10,0 g
35%iger wäßriger Salzsäure vermischt. Zum Gemisch wur
den 13,5 g einer 5%igen wäßrigen Natriumpersulfatlösung
getropft, während eine Temperatur von 90°C bis 95°C auf
rechterhalten wurde.
Das Reaktionsgemisch wurde bei einer Tempera
tur von 90°C bis 95°C 4 Stunden lang polymerisiert. Das
erhaltene Polymerprodukt wurde abfiltriert, gewaschen
und auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 erwähnt ge
trocknet. Man erhielt 37,9 g trockenes Polymer. Dieses
enthielt 0,01% NaCl. Die Menge und Ausbeute (%) an rei
nem Polylacton betrugen 37,9 g bzw. 99,9%.
Dieses Vergleichsbeispiel wurde in Übereinstimmung
mit dem Verfahren gemäß DE-OS 20 61 584
(Henkel) ausgeführt.
Ein Vierhalskolben mit einem Inhalt von
500 ml, ausgerüstet mit Rührer und Thermometer, wurde
mit 82,0 g (1 mol) wasserfreiem Natriumacetat und 250 g
Wasser beschickt. Die erhaltene Lösung wurde mit 137 g
(0,87 mol) α,β-Dichlorpropionsäuremethylester vermischt,
und das Gemisch wurde unter Rühren zum Siedepunkt er
wärmt. Das Molverhältnis von basischer Substanz zum
α,β-Dichlorpropionsäureester betrug 1 : 1,15. Das Erhitzen
unter Rühren wurde 3 Stunden lang fortgesetzt, und im
Reaktionsgemisch befand sich kein festes Produkt. Nach
Beendigung des Rührens und Erwärmens trennte sich eine
ölige Phase von der wäßrigen Phase ab. Die Ergebnisse
einer HPLC-Analyse der öligen und wäßrigen Phase sind
in Tabelle 2 aufgeführt.
Tabelle 2 zeigt klar, daß kein Polylacton
erhalten wurde.
Dieses Vergleichsbeispiel wurde gemäß dem
Verfahren des Beispiels 3 der DE-OS 20 61 584 (Henkel)
ausgeführt.
Ein Kolben mit einem Inhalt von 2 Litern wurde
mit 429 g (1,74 mol) α,β-Dibrompropionsäuremethylester,
500 ml Wasser und 272 g (2,0 mol) Natriumacetat-Tri
hydrat beschickt. Das Reaktionsgemisch wurde 4 Stunden
im Kolben unter Rühren gekocht. Die Reaktionsmischung
hatte einen Siedepunkt von 102°C.
Nach dem Sieden wurde gefunden, daß sich im
Reaktionsgemisch kein festes Produkt befand. Beim Anhal
ten des Rührens trennte sich das Reaktionsgemisch in
eine ölige Phase und eine wäßrige Phase.
Die Ergebnisse der HPLC-Analyse der beiden
Fraktionen sind in Tabelle 3 zusammengefaßt.
Dieses Vergleichsbeispiel wurde gemäß dem in
DE-OS 20 61 584 (Henkel) beschriebenen Verfahren ausge
führt.
Es wurde wie in Vergleichsbeispiel 5 gear
beitet, wobei jedoch die Polymerisation in Gegenwart
eines Katalysators ausgeführt wurde, der aus 13,5 g
einer 5%igen wäßrigen Kaliumpersulfatlösung bestand,
und zwar bei der Siedetemperatur des Polymerisations
gemisches während 3 Stunden unter Rühren des Gemisches.
Nach der halben Polymerisationszeit fanden sich unlös
liche feste Körner im Polymerissationsgemisch und
setzten sich an den Rührblättern und am Thermometer ab.
Nach Abkühlen der Polymerisationsmischung wurden die
festen Körner gesammelt und 4 Stunden lang bei einer
Temperatur von 105°C getrocknet. Man erhielt 85,0 g
trockene feste Körner.
Das Infrarotspektrum der festen Körner unter
scheidet sich von demjenigen eines Polylactons gemäß
geprüfter japanischer Patentveröffentlichung (Kokoku)
Nr. 54-5839 und zeigte einen spezifischen Peak bei
1750 cm-1, der einer Carbonylbindung in einer Ester
gruppe entspricht.
Durch Elementaranalyse wurde gefunden, daß
die festen Körner 28,7% Chlor enthielten. Es wurde wei
terhin gefunden, daß die festen Körner in kalter wäßriger
Natronlauge unlöslich waren, während Polylacton in
dieser kalten wäßrigen Natronlauge löslich ist.
Demgemäß sind die in diesem Vergleichsbei
spiel erhaltenen festen Körner kein Polylacton. Es wird
angenommen, daß die festen Körner hauptsächlich aus
Methyl-poly-α-chloracrylat bestehen.
Claims (12)
1. Verfahren zur Herstellung eines Polylactons einer Poly-α-hydroxyacrylsäure, gekennzeichnet durch die
folgenden Schritte:
- (A) Umsetzung einer basischen Substanz mit einem Ester der α,β-Dichlorpropionsäure im Molverhält nis 1,9/n:1 bis 3,0/n: 1, worin n die Säurewertigkeit bedeutet (Anzahl an Akzeptoren für Protonen, bezogen auf ein Molekül der basischen Substanz), in wäßriger Phase unter Bildung einer wäßrigen Lösung eines Salzes der α-Chloracrylsäure;
- (B) Zugabe einer sauren Substanz in Äquivalentmengen des 0,02- bis 3fachen der Äquivalentmenge der in Stufe (A) eingesetzten basischen Substanz, zur Lösung des Salzes der α-Chloracrylsäure; und
- (C) Anwendung eines Polymerisationsverfahrens auf die erhaltene Mischung in Gegenwart eines Polymerisationskatalysators bei einer Temperatur im Bereich von 40°C bis 200°C.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in Stufe (A) erhaltene wäßrige Lösung von
α-Chloracrylsäure einer Destillation unterworfen wird, um als Nebenprodukt in Stufe (A) gebildeten
Alkohol vor der Stufe (B) zu eliminieren.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Polymerisation ausführt, während ein
in Stufe (A) gebildetes Nebenprodukt, das aus einem Alkohol besteht, durch Destillation entfernt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionsschritt (A) derart ausgeführt
wird, daß in einer ersten Stufe die basische Substanz in molaren Mengen von 0,8/n bis 1,2/n, bezogen auf die
molaren Mengen an α,β-Dichlorpropionsäureester zugegeben wird, um diesen Ester zum entsprechenden
α-Chloracrylsäureester zu dehydrochlorieren, daß der erhaltene α-Chloracrylsäureester aus der wäßrigen
Reaktionsmischung abgetrennt wird, und daß dann in einer zweiten Stufe die basische Substanz zusätzlich
in einer molaren Menge von 0,71n bis 2,2/n, bezogen auf diejenige des α,β-Dichlorpropionsäureesters, zu
einer wäßrigen Lösung des gesammelten α-Chloracrylsäureesters gegeben wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der α,β-Dichlorpropionsäureester ein Alkyl
ester der α,β-Dichlorpropionsäure ist, worin die Alkylgruppe 1 bis 3 Kohlenstoffatome aufweist.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die basische Substanz mindestens eine der
folgenden ist: Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid, Natriumcarbonat, Natriumhydrogencarbonat, Calcium
hydroxid, Natriumacetat, Ammoniak und niedere Alkylamine.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung des α,β-Dichlorpropionsäuree
sters mit der basischen Substanz in Stufe (A) bei einer Temperatur zwischen 0°C und 80°C ausgeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als saure Substanz mindestens eine der
folgenden verwendet wird: Salzsäure, Schwefelsäure, Perchlorsäure, Salpetersäure, Essigsäure, Propionsäu
re und Ameisensäure.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Polymerisationskatalysator mindestens
eine der folgenden Substanzen ist: Benzoylperoxid, Cumylperoxid, Wasserstoffperoxid, Natriumperborat,
Kaliumpersulfat, Ammoniumpersulfat und Natriumpersulfat.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (B) vor der Polymerisation (C)
beendet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabe (B) gleichzeitig mit der Polymeri
sation (C) ausgeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Zugabe (B) der pH-Wert des Reaktionsgemi
sches auf einem Wert von 2,5 oder darunter gehalten wird.
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