DE3820785A1 - Herstellung von polylactonen - Google Patents

Herstellung von polylactonen

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Description

Es wurde befunden, daß aus Acryl- und/oder Crotonsäurealkylestern auf überraschend einfache und rasche Weise und in hoher Ausbeute Polylactone der Poly-[α-hydroxy-(acryl- bzw. -croton)säure] und die entsprechenden Poly-(α-hydroxy-acrylate bzw. -crotonate) hergestellt werden können.
Gegenstand der Erfindung ist also ein Verfahren zur Herstellung von Polylactonen von Poly-[α-hydroxy-(acrylsäure und/oder -crotonsäure)] das dadurch gekennzeichnet ist, daß man Acryl- und/oder Crotonsäurealkyl­ ester zu 2,3-Dichlorpropion- bzw. -buttersäurealkylester chloriert, die hergestellten 2,3-Dichlorpropion- und/oder -buttersäure-alkylester durch Behandlung mit einer wäßrigen Base dehydrochloriert und in das entspre­ chende carbonsaure Salz überführt, dann das wäßrige Reaktionsgemisch sauer stellt und unter sauren Bedingungen polymerisiert und zum Polylac­ ton der Poly-[α-hydroxy-(acryl und/oder croton)säure] umsetzt, wobei alle Umsetzungen ohne Isolierung der Zwischenprodukte durchgeführt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht insbesondere aus den folgenden Reaktionsschritten: Chlorierung von Acrylsäure- und/oder Crotonsäure­ alkylester, Dehydrochlorierung und Esterhydrolyse mit einer Base zum α-chloracryl- bzw. -crotonsauren Salz, dann Sauerstellen, Polymerisation zu Poly-[α-chlor(acryl- bzw. -croton)säure] (gegebenenfalls teilweise in Salzform), Hydrolyse des zur Carboxygruppe α-ständigen Chlors im Polyme­ ren und Lactonisierung (diese Lactonisierung kann teilweise oder voll­ ständig sein), wobei alle diese Reaktionsschritte ohne Isolieren der Zwischenprodukte durchgeführt werden und insbesondere in einem einzigen Arbeitsgang (insbesondere nach einem Eintopfverfahren), durchgeführt werden können.
Die eingesetzten Alkylester sind vorteilhaft Butyl-, Propyl-, Aethyl­ oder Methylester, wovon die Aethyl- und Methylester bevorzugt sind.
Die Chlorierung erfolgt vorteilhaft in Abwesenheit von Lösungsmitteln (auch von Wasser) durch einfaches Einleiten von gasförmigem Chlor, zweckmäßig in Gegenwart eines Chlorierungskatalysators, welcher vor­ teilhaft ein N-substituiertes Carbonsäureamid ist. Vorteilhaft ist dieses das Amid einer aliphatischen Monocarbonsäure mit 1-9, vorzugs­ weise 1-4, Kohlenstoffatomen und am Stickstoff sind 1 oder 2 Kohlen­ wasserstoffreste mit 1-12, vorzugsweise 1-4, Kohlenstoffatomen als Substituenten vorhanden; die niedriger-molekularen aliphatischen Mono­ carbonsäureamide, insbesondere Essigsäure- und Ameisensäureamid sind dabei bevorzugt, und die Kohlenwasserstoffreste am Amidstickstoff sind vorzugsweise niedrig-molekular, insbesondere Aethyl oder Methyl; beson­ ders bevorzugt ist Dimethylformamid. Die Konzentration Chlorierungska­ talysator, bezogen auf den zu chlorierenden Ester, liegt vorteilhaft im Bereich von 0,01 bis 5 Gew.%, vorzugsweise 0,5 bis 5 Gew.%. Die Chlorie­ rung erfolgt vorteilhafterweise, unter Lichtausschluß, im Temperaturbe­ reich von 0 bis +70°C, vorzugsweise im Temperaturbereich von 15 bis 50°C; obwohl auch ein Überschuß an Chlor verwendet werden kann (z.B. bis 10 Mol%), ist in der geschlossenen Apparatur die stöchiometrische Menge Chlor ausreichend um optimale Chlorierungen zu erhalten.
Der erhaltene 2,3-Dichlor-propion- bzw. -buttersäurealkylester wird sodann, ohne Isolierung, durch Behandlung mit einer wäßrigen Base dehydrochloriert und verseift, so daß das entsprechende α-chloracryl­ bzw. α-chlorcrotonsaure Salz entsteht. Als Base wird vorteilhaft ein Alkalimetallhydroxyd (LiOH, NaOH, KOH) oder Ammoniumhydroxyd eingesetzt, worunter Ammoniumhydroxyd und vor allem Natriumhydroxyd bevorzugt sind. Dehydrochlorierung und Esterverseifung erfolgen praktisch gleichzeitig, vorteilhaft bei Temperaturen im Bereich von -10°C bis +60°C, vorzugs­ weise 0 bis 60°C, insbesondere 20 bis 40°C. Die Zugabe der Base erfolgt zweckmäßig in solchen Mengen und in solcher Weise, das während der ganzen Dauer der Dehydrochlorierung und der Verseifung basische Bedin­ dungen eingehalten werden; so kann die Base in stöchiometrischer Menge oder auch im Überschuß über die stöchiometrische Menge (z.B. bis zu 70 Mol% Überschuß pro Mol Ester) eingesetzt werden und kann auf ein­ mal, portionenweise oder kontinuierlich zugegeben werden. Diese Umset­ zungen und auch die weiteren Umsetzungen werden vorteilhaft in wäßri­ gem, salzhaltigem Medium durchgeführt; wird als Base Ammoniak verwendet, dann wird vorteilhaft dem wäßrigen Medium ein Alkalimetallhalogenid, vorzugsweise NaCl, zugegeben; besonders vorteilhaft wird eine möglichst hochkonzentrierte Salzsole verwendet, z.B. eine 20-30 Gew.%ige, vorzugs­ weise 20-26 Gew.%ige Natriumchloridlösung. Die Konzentration des dichlo­ rierten Esters in der wäßrigen Salzlösung beträgt vorteilhaft 5-70 Gew.%, vorzugsweise 5-20 Gew.%, insbesondere 7 bis 15 Gew.%. Nach erfolgter Dehydrochlorierung und Verseifung wird das Reaktionsgemisch durch Säurezugabe sauer gestellt, d.h. auf pH < 7, vorzugsweise auf pH-Werte im Bereich von pH 1 bis pH 5; die Temperatur wird dabei vor­ teilhaft im Bereich von -10°C bis +60°C, vorzugsweise 0°C bis 40°C gehalten. Es können übliche starke Säuren verwendet werden, z.B. anor­ ganische Säuren, insbesondere Schwefelsäure, Salzsäure oder Phosphor­ säure, oder organische Säuren, insbesondere aromatische Sulfonsäuren, z.B. Paratoluolsulfonsäure; darunter ist die Salzsäure bevorzugt. Für die weitere Umsetzung ist es von Vorteil den pH nur soweit herabzu­ setzen, daß Gemische der freien Säure und der entsprechenden Alkali­ metall- oder Ammoniumsalze vorliegen. Dabei wird zweckmäßig soviel Säure verwendet, daß sie ausreicht, um allfällige überschüssige Base zu neutralisieren und darüber hinaus nur einen Teil des α-chloracrylsauren oder α-chlorcrotonsauren Salzes in die freie Säureform überzuführen. Im allgemeinen werden vorteilhaft pro Mol Alkylester 0,4 bis 2, vorzugswei­ se 0,4 bis 1 Mol Säure (insbesondere Salzsäure) eingesetzt.
Will man das Monomere in Lösung lagern ohne es sofort zu polymerisieren, dann kann es von Vorteil sein, einen üblichen Polymerisationsinhibitor zuzugeben, vorzugsweise Hydrochinon oder Hydrochinonmonomethyläther; die Konzentration des Inhibitors beträgt vorteilhaft 30 bis 100 ppm bezogen auf das Monomere.
Die Polymerisation (Homo- oder Copolymerisation) der α-Chloracylsäure bzw. α-Chlorcrotonsäure erfolgt in wäßrigem Medium, unter sauren Bedin­ dungen, vorteilhaft bei pH 1-5, vorzußsweise 1-3, 5, u.zw. im selben wäßrigen Medium, in welchem ihre Herstellung stattgefunden hat, vor­ teilhaft unter Verwendung üblicher Polymerisationskatalysatoren. Geeig­ nete Polymerisationskatalysatoren sind vornehmlich Azoverbindungen, ins­ besondere 4,4′-Azo-bis-(4-cyanpentansäure) oder Azo-bis-iso-butyroni­ tril, oder Perverbindungen, insbesondere Cumolhydroperoxyd, Natriumper­ borat, Wasserstoffperoxyd oder Kaliumperoxydisulfat, oder noch Redox­ systeme (z.B. Oxydationsmittel: Perverbindungen wie oben erwähnt, und Reduktionsmittel: Natriumdithionit oder Natriumbisulfit). Unter den genannten Katalysatoren sind die Perverbindungen, vor allem Wasserstoff­ peroxyd, bevorzugt. Das Wasserstoffperoxyd kann als solches oder als H2O2-abgebende Verbindung eingesetzt werden, z.B. als Kaliumperoxyd; vorzugsweise wird aber direkt Wasserstoffperoxyd eingesetzt. Die Poly­ merisationskatalysatoren können in üblichen Konzentrationen verwendet werden, vorteilhaft werden pro Mol Monomer mindestens 0,0001 Mol Kata­ lysator eingesetzt. Wird eine Azoverbindung als Katalysator eingesetzt, dann werden vorteilhaft 0,0001 bis 0,005, vorzugsweise 0,0002 bis 0,003 Mol davon pro Monomer eingesetzt; wird eine Perverbindung als Katalysa­ tor eingesetzt (insbesondere Wasserstoffperoxyd), dann werden vorteil­ haft 0,005 bis 3,25 Mol davon pro Mol Monomer eingesetzt; zur Herstel­ lung von Polymeren mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht der Na-Salze Mw im Bereich von 2000 bis 10 000 (worunter diejenigen mit durchschnittlichem Molekulargewicht 3000-10 000, insbesondere 4000-8000 bevorzugt sind) werden vorteilhaft 0,1 bis 3,25, vorzugsweise 0,2 bis 3 Mol Perkatalysator pro Mol Monomer eingesetzt. Die Polymerisation kann im allgemeinen bei Temperaturen Raumtemperatur durchgeführt werden, wobei je nach eingesetztem Katalysator geeignete bzw. optimale Tempera­ turbereiche gewählt werden können: Bei Verwendung von Redoxsystemen als Katalysatoren beträgt die Polymerisationstemperatur vorteilhaft minde­ stens 20°C; bei Verwendung von Peroxyverbindungen als Katalysatoren beträgt die Polymerisationstemperatur vorteilhaft mindestens 40°C, vor­ zugsweise mindestens 50°C; bei Azoverbindungen als Katalysatoren beträgt die Polymerisationstemperatur vorteilhaft mindestens 60°C, vorzugsweise mindestens 70°C. Vorteilhaft werden für die Polymerisation Temperaturen 150°C gewählt; erforderlichenfalls kann im Autoklaven verfahren wer­ den. Bevorzugt ist der Temperaturbereich von 80 bis 105°C bei Azoverbin­ dungen als Katalysatoren und 70 bis 90°C, vorzugsweise < 80°C bei Per­ verbindungen als Katalysatoren.
Gewünschtenfalls können vor der Polymerisation übliche Polymerisations­ regler (radikalübertragende Verbindungen) insbesondere Thioglykolsäure, Thioglykolsäuremethylester, SH2, n-Merkaptane(C2-4) oder wasserlösliche Alkohole in katalytischen Mengen zugegeben werden.
Die Chlorhydrolyse, d.h. der Austausch des Chlors gegen die Hydroxy­ gruppe, erfolgt vorteilhaft im gleichen Temperaturbereich und unter gleichen pH-Bedingungen wie für die Polymerisation, und insbesondere praktisch gleichzeitig. Sobald das Chlor durch die Hydroxygruppe ersetzt ist, findet die Lactonbildung mit einer sterisch verfügbaren freien Car­ boxygruppe statt, so daß im gleichen Verfahrenszug das Polylacton ent­ steht. Dieses kann als festes Produkt vom wäßrigen Reaktionsmedium getrennt werden (z.B. durch Filtrieren oder Zentrifugieren).
Die erhaltenen Polylactone können gewünschtenfalls in Gegenwart wäßri­ ger Basen zu den entsprechenden Poly-[α-hydroxy(acrylaten bzw. -croto­ naten)] aufgespalten werden; dazu eignen sich insbesondere Ammoniak, Amine (z.B. Tri-(C2-3-alkanol)amine) und vorzugsweise Alkalimetallhy­ droxyde, z.B. Lithium-, Kalium- oder Natriumhydroxyd, vorzugsweise Na­ triumhydroxyd; gewünschtenfalls kann aber auch die Base, insbesondere ein Alkalimetallhydroxyd, ohne Isolierung des Polylactons dem wäßrigen Präparat zugegeben werden, wodurch ebenfalls das entsprechende Poly-(α-hydroxycarboxylat) entsteht.
Besondere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen darin, daß die gesamte Reihenfolge der Umsetzungen in einem einzigen Reak­ tionsgefäß, ohne die Zwischenprodukte zu isolieren, durchgeführt wird, daß das entstandene Polylacton in sehr hoher Ausbeute anfällt und außerdem, daß direkt ein Acrylsäure bzw. Crotonsäurealkylester als Ausgangsprodukt eingesetzt werden kann. Vorzugsweise wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren das Polylacton der Poly-(α-hydroxy-acryl­ säure) bzw. das entsprechende Alkalimetall-poly-(α-hydroxy-acrylat) hergestellt.
Die Poly-(α-hydroxycarboxylate), insbesondere Poly-(α-hydroxyacrylate), sowie entsprechende Polylactone, sind im allgemeinen bekannte Verbin­ dungen und werden z.B. als Sequestriermittel oder als Hilfsmittel in alkalischen Peroxybleichbädern oder als Dispergiermittel eingesetzt; deren durchschnittliche Molekulargewichte (in Form der Na-Salze) betra­ gen z.B. 1000 bis 1 000 000, vorzugsweise 1000 bis 500 000, insbesondere 2000 bis 140 000.
In den folgenden Beispielen sind die Prozente, wenn nicht anders angege­ ben, Gewichtsprozente. Die Temperaturen sind in Celsiusgraden angegeben.
Beispiel 1
In einem Sulfierkolben werden bei Raumtemperatur 86 g (1 Mol) Acrylsäure­ methylester und 2,58 g Dimethylformamid vorgelegt. Nachdem der Reaktions­ kolben mit Stickstoff gespült wurde, leitet man unter Lichtausschluß und bei Raumtemperatur 71 g Chlor so ein, daß die Temperatur 30° nicht überschreitet. Man erhält 2,3-Dichlorpropionsäuremethylester mit einer Reinheit 94%.
Zu dem so erhaltenen 2,3-Dichlorpropionsäuremethylester wird eine Lösung von 50 g Natriumhydroxid in 285 ml Wasser innert 2½ Stunden so zugetropft, daß die Temperatur zwischen -5 und 0° liegt. Nach weiteren 2½ Stunden wird noch eine Lösung von 50 g Natriumhydroxid in 70 ml Wasser dem Reak­ tionsgemisch so zugetropft, daß die Temperatur 0° nicht überschreitet. Man rührt weiter während 5 Stunden bei 0° und läßt danach über Nacht bei 0 bis 15° stehen. Das so erhaltene α-Chloracrylsäurenatriumsalz wird durch Zusatz von 100 g 35-36%iger Salzsäure bei 0° in die α-Chloracryl­ säure umgesetzt. Der pH des Reaktionsgemisches beträgt 2,5.
Ohne die α-Chloracrylsäure zu isolieren, heizt man das Reaktionsgemisch auf 95-98 und tropft während 15 Stunden unter Rühren 0,34 g 4,4-Azo- bis-(4-cyanpentansäure), gelöst in 60 ml Wasser mit einigen Tropfen 2N Natriumhydroxid, zu, wobei sich ein festes Produkt abscheidet. Danach wird das Reaktionsgemisch noch während 3 Stunden am Rückfluß gekocht. Man läßt abkühlen, filtriert und wäscht mit Wasser. Man erhält nach dem Trocknen 81,4 g Lacton der Poly-(a-hydroxyacrylsäure); nach den Mikroana­ lyseergebnissen entspricht es einer Ausbeute von 90%.
Beispiel 2
Man verfährt analog zu dem Beispiel 1, mit folgender Variante:
Zu dem 2,3-Dichlorpropionsäuremethylester gibt man 440 g einer 26%igen Natriumchloridlösung zu. Man kühlt auf 0° und tropft innert einer Stunde 163,2 g einer 25%igen Ammoniaklösung (als NH3 berechnet) zu, wobei die Temperatur unter 0° gehalten wird. Anschließend rührt man während 5 Stunden bei 0° weiter und läßt dann über Nacht bei 0-15° stehen. Die weiteren Umsetzungsstufen bis zum Lacton werden analog zu Beispiel 1 durchgeführt.
Beispiel 3
In einem 750 ml Vierhalssulfierkolben werden 258 g Acrylsäuremethylester vorgelegt und mit 7,7 g Dimethylformamid versetzt. Der Reaktionskolben wird mit Stickstoff inertisiert. Anschließend läßt man unter Licht­ ausschluß 213 g Chlorgas einleiten. Die Temperatur steigt von 20° auf 40-45°. Während der ganzen Chlorierung läßt man die Temperatur nicht über 45° ansteigen. Nach beendetem Einleiten des Chlors läßt man 30 Minuten bei 45° ausreagieren, erhitzt auf 50° und evakuiert so lange, bis kein Chlorgas mehr entweicht. Die Reinheit des so erhaltenen Dichlorpropionsäuremethylesters beträgt mindestens 97%. Die Aubeute liegt mit 477 g bei 99,6% der Theorie.
159 g des so hergestellten Dichlorpropionsäuremethylesters werden in einem 750 ml Vierhalssulfierkolben mit 239 g Wasser versetzt. Unter gutem Rühren läßt man bei maximal 40° 266 g Natriumhydroxidlösung 30%ig zum heterogenen Gemisch eintropfen. Nach 3 Stunden Eintropfzeit ist eine klare Lösung des Natrium α-Chloracrylats entstanden. Zu dieser Lösung läßt man 50 g Salzsäurelösung (38%ig) so zutropfen, daß die Temperatur 40° nicht übersteigt. Dies erfordert ca. 60 Minuten, der pH berägt nun 2,5. Man erwärmt den Kolbeninhalt auf 95° und tropft innerhalb einer Stunde 0,113 g 4,4′-Azo-bis-(4-cyanpentansäure) gelöst in 20 ml Wasser zu. Nach beendeter Katalysatorzugabe läßt man eine Stunde bei 95° ausrea­ gieren, kühlt auf Raumtemperatur (=20°) ab, nutscht den Niederschlag ab, wäscht ihn chloridfrei und trocknet ihn bei 50° unter Vacuum. Während der Katalysatorzugabe erfolgen nach und nach Polymerisation, Chlorhydro­ lyse und Lactonbildung; nach dem Ausreagieren ist die Ausfällung des Polylactons der Poly-(4a-hydroxyacrylsäure) praktisch vollständig.
Ausbeute: 73,5 g weißes Pulver mit einem C-Gehalt von 45%.
Beispiel 4
Man verfährt wie im Beispiel 3, setzt jedoch anstelle von 0,113 g 4,4′- Azo-bis-(4-cyanpentansäure) als Katalysator 1 g Wasserstoffperoxyd 37%ig ein. Die Ausbeute, die C-Analyse und das Aussehen des Polymerisats ent­ sprechen denjenigen des Produktes von Beispiel 3.
Beispiel 5
Man verfährt wie im Beispiel 4, polymerisiert aber bei 75° in Gegenwart von 5 g Wasserstoffperoxyd 40 Vol.%ig [statt bei 95° in Gegenwart von 4,4′-Azo-bis-(4-cyanpentansäure)] und läßt eine Stunde bei 75° ausrea­ gieren. Ausbeute, C-Analyse und Aussehen sind ähnlich wie für das Pro­ dukt von Beispiel 4.
Beispiel 6
Man verfährt wie im Beispiel 5, gibt aber 0,003 g Thioglykolsäure vor dem Zusatz des Wasserstoffperoxyds zu. Ausbeute, C-Analyse und Aussehen sind ähnlich wie für das Produkt von Beispiel 5.
Beispiel 7
In einem mit Rührer versehenen 2,5 l-Sulfierkolben werden 258 g Methyl­ acrylat vorgelegt und mit 7,7 g Dimethylformamid versetzt. Unter Licht­ ausschluß werden nun 213 g Chlor so eingeleitet, daß die Innentempera­ tur 40° nicht überschreitet. Nach beendeter Reaktion wird das überschüs­ sige Chlor durch Vakuum entfernt.
Das erhaltene Produkt wird mit 503 g entmineralisiertem Wasser so ver­ rührt, daß eine gute Verteilung der organischen Phase im Wasser statt­ findet. Dann beginnt man mit dem Zutropfen von 800 g 30%iger Natriumhy­ droxid-Lösung. Die Temperatur steigt dabei von 20 auf 40° und wird bei diesem Wert durch leichtes Kühlen gehalten. Die gesamte Eintropfzeit beträgt ca. 2½ Stunden. Man läßt 30 Minuten bei 40° nachreagieren und tropft anschließend innerhalb von einer halben Stunde bei dieser Tem­ peratur 180 g 30%ige Salzsäure dazu. Der pH-Wert der Reaktionslösung be­ trägt nach der Salzsäurezugabe ca. 2,5. Alsdann gibt man innerhalb von 5 Minuten 75 g 35%iges Wasserstoffperoxyd zu, wobei das Reaktionsgut sich stark vertrübt. Anschließend wird innerhalb einer Stunde kontinuierlich von 40 auf 75° aufgeheizt und während 3 Stunden bei 75° weitergerührt. Der Ansatz wird nun auf Raumtemperatur gekühlt, die erhaltene Polylac­ ton-Suspension wird abgenutscht und mit 9000 g entmineralisiertem Wasser gewaschen. Man erhält 632 g beigen Filterkuchen mit einem Trockenstoff­ gehalt von 27%. Dieser Filterkuchen wird bei 110° getrocknet.
Beispiel 8
Man verfährt wie im Beispiel 7 beschrieben bis zu Herstellung der Poly­ lactonsuspension; diese wird aber nicht abgenutscht, sondern direkt mit 450 g einer 30%igen Natriumhydroxydlösung bei 50-60° versetzt. Die erhal­ tene, leicht trübe, rotbraune Lösung wird mit 7 g 35%iges Wasserstoffper­ oxyd versetzt und 30 Minuten bei 60° nachgerührt.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung von Polylactonen von Poly-[α-hydroxy­ (acrylsäure und/oder crotonsäure)] dadurch gekennzeichnet, daß man Acryl- und/oder Crotonsäurealkylester zu 2,3-Dichlorpropion- bzw. -buttersäurealkylester chloriert, und die hergestellten 2,3-Dichlor­ propion- und/oder -buttersäure-alkylester durch Behandlung mit einer wäßrigen Base dehydrochloriert und in das entsprechende carbonsaure Salz überführt, dann das wäßrige Reaktionsgemisch sauer stellt und unter sauren Bedingungen polymerisiert und zum Polylacton der Poly­ [α-hydroxy-(acryl- und/oder -croton)säure] umsetzt, wobei alle Um­ setzungen ohne Isolierung der Zwischenprodukte durchgeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man für die Chlorierung des Acryl- und/oder Crotonsäurealkylesters minen Chlo­ rierungskatalysator eingetzt, welcher ein N-Substituiertes Carbon­ säureamid ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wäßrige Medium salzhaltig ist.
4. Verfahren nach Ansprüchen 1-3 dadurch gekennzeichnet, daß man das Polylacton in Gegenwart einer wäßrigen Base zum entsprechenden Poly-α-hydroxy-acrylat und/oder -crotonat aufspaltet.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man das Polylacton verseift, ohne es von dar Mutterlauge zu isolieren.
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