DE3939264A1 - Verfahren zur nachbehandlung amphoterer oder zwitterionischer tenside - Google Patents
Verfahren zur nachbehandlung amphoterer oder zwitterionischer tensideInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erniedrigung des Restgehaltes
an freiem Alkylierungsmittel in wäßrigen Lösungen amphoterer
oder zwitterionischer Tenside durch Nachbehandlung der
Lösungen mit Ammoniak, einer Aminosäure mit 2 bis 8 Kohlenstoffatomen
oder einem Oligopeptid.
Amphotere und zwitterionische Tenside sind durch eine molekulare
Struktur gekennzeichnet, die zwei funktionelle Gruppen unterschiedlicher
Polarität, in der Regel eine kationische Ammoniumgruppe
und eine anionische Carboxylat- oder Sulfonatfunktion enthalten.
Tenside mit amphoterer oder zwitterionischer Struktur
verbinden ein ausgezeichnetes Reinigungsvermögen mit guter dermatologischer
Verträglichkeit. Da sie ferner in wäßriger Lösung
einen dichten, stabilen Schaum bilden, der auch in Gegenwart von
Seife nicht zusammenbricht, stellen diese Klassen von Tensiden
wertvolle Rohstoffe für die Herstellung von Körperreinigungsmitteln,
insbesondere Haarshampoos und Duschbädern dar.
Zur Synthese amphoterer oder zwitterionischer Tenside geht man von
primären, sekundären oder tertiären Aminoverbindungen aus, die mit
einem geeigneten Alkylierungsmittel umgesetzt werden [J. Falbe
(ed.), "Surfactants in cosumer products", Springer Verlag, Berlin-
Heidelberg, 1987, S. 114f].
So erhält man z. B. aus der Quaternierung von tertiären Aminen
[Seifen-Öle-Fette-Wachse, 108, 373 (1982)] oder Fettsäureamidoaminen
[Parf. Kosm. Arom. 75, 67 (1968)] mit Halogencarbonsäuren,
Alkylbetaine bzw. Alkylamidobetaine mit amphoterer Struktur. Von
besonderer technischer Bedeutung sind zwitterionische Tenside auf
Basis von Alkylimidazolinen, die mit Halogencarbonsäuren [DE 36 39 752 A1]
oder Acrylsäure [Seifen-Öle-Fette-Wachse, 109, 20 (1983)]
alkyliert werden. Von untergeordneter Wichtigkeit ist hingegen die
Reaktion von tertiären Aminen mit 3-Chlor-2-hydroxypropan-sulfonsäure
zu amphoteren Tensiden des Sulfobetain-Typs, wie sie z. B. in
der britischen Patentanmeldung GB 15 41 427 beschrieben ist.
Alle genannten technischen Verfahren haben den Nachteil, daß die
Umsetzung der Stickstoffkomponente mit dem Alkylierungsmittel
nicht vollständig verläuft und die Reaktionsprodukte somit zwischen
0,1 und 3 Gew.-% nichtumgesetzte Ausgangsstoffe aufweisen.
Da es zur Erzielung geruchlich einwandfreier und toxikologisch
unbedenklicher Produkte erforderlich ist, den Gehalt an freien
Aminen sowie nicht verbrauchtem Alkylierungsmittel auf ein möglichst
niedriges Niveau herabzusenken, hat es in der Vergangenheit
nicht an Versuchen gemangelt, dieses Ziel durch Wahl geeigneter
Reaktionsbedingungen oder Aufarbeitung der Reaktionsprodukte zu
erreichen.
Während die Reduzierung des Gehaltes an freien Aminen in der Lösung
amphoterer oder zwitterionischer Tenside z. B. durch Verwendung
des Alkylierungsmittels im Überschuß, Reaktionsführung bei pH=
8 bis 10 [DE 29 26 479 A1], destillative Abreicherung oder oxidative
Zerstörung des Amins [DE 20 63 422 A1] weitgehend als gelöst
angesehen werden kann, führt selbst ein mehrstündiges Erhitzen
der Tensidlösungen unter alkalischen Bedingungen nur zu
einer geringfügigen Abnahme des Restgehaltes an Alkylierungsmittel.
Das zu lösende technische Problem bestand somit darin, ein Verfahren
zu entwickeln, mit dessen Hilfe der Restgehalt an Alkylierungsmittel
in Lösungen amphoterer oder zwitterionischer
Tenside auf Werte kleiner 0,01 Gew.-% bezogen auf 100 Gew.-%
Feststoffgehalt der Tensidlösungen herabgesetzt werden kann.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Erniedrigung des
Restgehaltes an freiem Alkylierungsmittel in wäßrigen Lösungen
amphoterer oder zwitterionischer Tenside durch Nachbehandlung mit
Ammoniak, einer Aminosäure mit 2 bis 8 Kohlenstoffatomen oder einem
Oligopeptid.
Unter amphoteren bzw. zwitterionischen Tensiden sind solche Produkte
zu verstehen, die unter alkalischen Bedingungen durch
Alkylierung von primären, sekundären oder tertiären Aminen sowie
Imidazolinen mit einer Verbindung aus der Gruppe der Halogencarbonsäuren,
Halogenhydroxyalkansulfonsäuren und 1,2-ungesättigten
Carbonsäuren sowie deren Estern erhältlich sind. Typische
Vertreter der stickstoffhaltigen Komponente sind beispielsweise
technisches Kokosalkylamin, technisches Kokosfettsäure-amidopropyl-
dimethylamin oder 1-Hydroxyethyl-2-undecylimidazolin. Unter
einem Kokosalkylrest ist dabei ein solcher Rest zu verstehen, der
eine C-Kettenverteilung von durchschnittlich 2 Gew.-% C₁₀, 57 Gew.-%
C₁₂, 23 Gew.-% C₁₄, 11 Gew.-% C₁₆ und 7 Gew.-% C₁₈ aufweist.
Typische Beipiele für die zum Einsatz gelangenden Alkylierungsmittel
sind 3-Chlor-2-hydroxypropansulfonsäure, Propansulton,
Malein- und Crotonsäure sowie deren Ester, insbesondere jedoch
Chloressigsäure und Acrylsäure.
Die Nachbehandlung der wäßrigen Lösungen amphoterer oder zwitterionischer
Tenside kann durch Zusatz von 0,2 bis 10 Gew.-%,
vorzugsweise jedoch 0,5 bis 3,0 Gew.-% (bezogen auf die Tensidlösung)
Ammoniak, einer Aminosäure mit 2 bis 8 Kohlenstoffatomen
oder einem Oligopeptid bevorzugt unter Erwärmen erfolgen.
Ammoniak kommt bei der Nachbehandlung bevorzugt in Form einer 25-
bis 55-gew.-%igen wäßrigen Lösung zum Einsatz.
Typische Beispiele für Aminosäuren mit 2 bis 8 Kohlenstoffatomen
sind Alanin, Arginin, Asparagin, Cystein, Cystin, Dibromtyrosin,
Diiodtyrosin, Glutaminsäure, Histidin, Hydroxylysin, Hydroxyprolin,
Isoleucin, Leucin, Lysin, Methionin, Phenylalanin, Prolin,
Serin, Threonin, Thyroxin, Tryptophan, Tyrosin und Valin. Der
Einsatz von Glycin und Glutamin ist dabei bevorzugt.
Geeignet sind auch Oligopeptide, deren Oligomerisierungsgrad
niedrig genug ist, um unter Anwendungsbedingungen und in der Anwendungskonzentration
vollständig wasserlöslich zu sein. Ferner
können auch solche wasserlöslichen Produkte eingesetzt werden, wie
sie z. B. bei der partiellen Hydrolyse von Eiweißen, z. B. Gelatine
oder Kollagen anfallen [Angew. Chem. 90, 187, (1978)].
Die Nachbehandlung der wäßrigen Lösungen amphoterer oder zwitterionischer
Tenside erfolgt, indem man die Tensidlösung mit dem
Nachbehandlungsmittel über 0,5 bis 8 h, vorzugsweise 1 bis 4 h
bei einem pH-Wert von 7,2 bis 11,5, vorzugsweise 7,5 bis 9,5 auf
eine Temperatur von 50 bis 100°C, vorzugsweise 70 bis 95°C erwärmt.
Allgemein gilt, daß die Senkung des Restgehaltes an
Alkylierungsmittel um so rascher erfolgt, je höher die Temperatur
bei der Nachbehandlung gehalten wird. Es ist ferner möglich, die
Nachbehandlung auch bei einem Druck von 1 bis 2 bar und einer
Temperatur bis zu 120°C im Druckautoklaven durchzuführen.
Durch die Nachbehandlung wird der Restgehalt an freiem Alkylierungsmittel,
insbesondere an Chloressigsäure oder Acrylsäure
innerhalb von 0,5 bis 8 h auf Werte unterhalb von 0,01 Gew.-%
(bezogen auf den Feststoffgehalt) herabgesenkt. Sowohl die zum
Einsatz gelangenden Nachbehandlungsmittel, als auch die im Verlauf
der Nachbehandlung entstehenden Verbindungen sind toxikologisch
unbedenklich und führen weder zu einer anwendungstechnischen, noch
zu einer geruchlichen Beeinträchtigung der amphoteren bzw. zwitterionischen
Tensidlösungen.
Die nachfolgenden Beispiele sollen den Gegenstand der Erfindung
näher erläutern.
130,4 g (1,1 Mol)
Natriumchloracetat wurden in einer mit Thermometer, pH-Elektrode,
Tropftrichter und Rückflußkühler versehenen Rührapparatur
in 679 g Wasser vorgelegt, mit 235 g (1 Mol) Dimethylkokosalkylamin
(C-Kettenverteilung des Kokosalkylrestes: 2 Gew.-% C₁₀, 57 Gew.-%
C₁₂, 23 Gew.-% C₁₄, 11 Gew.-% C₁₆, 7 Gew.-% C₁₈) versetzt
und auf 80°C erwärmt. Nach ca. 2.5 h Reaktionszeit wurde die
anfänglich trübe Reaktionsmischung klar. Durch Zusatz
20-gew.-%iger Natriumhydroxidlösung wurde der pH-Wert der Lösung
auf 8,0 bis 8,5 gehalten und die Reaktion solange fortgesetzt, bis
der Restgehalt an freiem Amin weniger als 0,3 Gew.-% betrug. Nach
8,5 h Reaktionszeit wurde die Umsetzung durch Abkühlen beendet.
Feststoff: 34,8 Gew.-%
Natriumchlorid: 6,0 Gew.-%
Freies Amin: 0,28 Gew.-%=1,2 mMol/100 g
Chloressigsäure: 0,23 Gew.-%
entsprechend 0,67 Gew.-% bezogen auf Feststoff
Natriumchlorid: 6,0 Gew.-%
Freies Amin: 0,28 Gew.-%=1,2 mMol/100 g
Chloressigsäure: 0,23 Gew.-%
entsprechend 0,67 Gew.-% bezogen auf Feststoff
Beispiel 1
wurde unter Verwendung von 204,4 g (1,73 Mol) Natriumchloracetat
in 1232 g Wasser und 459,0 g (1,5 Mol) eines Amidierungsproduktes
aus 1-Aminopropyl-3-N,N-dimethylamin und gehärteter Kokosfettsäure
(C-Kettenverteilung: 7 Gew.-% C₈, 6 Gew.-% C₁₀, 49 Gew.-% C₁₂, 19 Gew.-%
C₁₄, 9 Gew.-% C₁₆, 10 Gew.-% C₁₈) bei 90°C wiederholt.
Durch Zusatz von 20-gew.-%iger Natronlauge zu der bei Erreichen
der Reaktionstemperatur klaren Lösung wurde der pH-Wert auf 7.5
bis 8 gehalten. Nach 2 h Reaktionszeit wurde die Umsetzung durch
Abkühlen beendet.
Feststoff: 35,3 Gew.-%
Natriumchlorid: 5,2 Gew.-%
Freies Amin: <0,1 Gew.-%
Chloressigsäure: 0,84 Gew.-%
entsprechend 2,4 Gew.-% bezogen auf Feststoff
Natriumchlorid: 5,2 Gew.-%
Freies Amin: <0,1 Gew.-%
Chloressigsäure: 0,84 Gew.-%
entsprechend 2,4 Gew.-% bezogen auf Feststoff
Beispiel 2 wurde unter Verwendung von 123,8 g (1,05 Mol) Natriumchloracetat
in 750 g Wasser und 306 g (1 Mol) des Amidierungsproduktes wiederholt.
Feststoff: 34,5 Gew.-%
Natriumchlorid: 4,8 Gew.-%
Freies Amin: 0,6 Gew.-%
Chloressigsäure: 0,39 Gew.-%
entsprechend 1,1 Gew.-% bezogen auf Feststoff
Natriumchlorid: 4,8 Gew.-%
Freies Amin: 0,6 Gew.-%
Chloressigsäure: 0,39 Gew.-%
entsprechend 1,1 Gew.-% bezogen auf Feststoff
1155,9 g (0,5 Mol) eines Aminoethylethanolamin
und gehärteter Kokosfettsäure (C-Ketten-Verteilung
analog Beispiel 2) erhaltenen Imidazolins mit 11,7 Gew.-% Diamid
als Nebenprodukt wurden gemäß der DE 30 18 201 A1 mit 6,1 g 50-gew.-%iger
Natriumhydroxidlösung und 15,3 g Wasser in einer
Apparatur analog Beispiel 1 vorgelegt und 1 h bei 90°C gerührt.
Danach wurde eine Lösung von 136,3 g (1,15 Mol) Natriumchloracetat
in 423 Wasser so zugesetzt, daß die Temperatur auf 60°C abfiel
und 30 min weitergerührt. Anschließend wurde die Reaktionsmischung
mit 46 g 50-gew.-%iger Natriumhydroxidlösung versetzt und die
Lösung unter Rühren 3 h bei 60°C gehalten. Nach Erwärmung auf 80°C
und Zugabe weiterer 46 g 50-gew.-%iger Natriumhydroxidlösung
wurde noch 1,5 h gerührt und die Lösung anschließend abgekühlt.
Feststoff: 39,5 Gew.-%
Natriumchlorid: 7,8 Gew.-%
Chloressigsäure: 0,57 Gew.-%
entsprechend 1,4 Gew.-% bezogen auf Feststoff
Natriumchlorid: 7,8 Gew.-%
Chloressigsäure: 0,57 Gew.-%
entsprechend 1,4 Gew.-% bezogen auf Feststoff
1155,9 g (0,5 Mol) eines aus Aminoethylethanolamin
und gehärteter Kokosfettsäure (C-Ketten-Verteilung analog
Beispiel 2) erhaltenen Imidazolins mit 11,7 Gew.-% Diamid als
Nebenprodukt wurden in 284,4 g Wasser gelöst. Zu der Mischung
wurden bei 50 bis 60°C innerhalb von 0,5 h 36,5 g (0,51 Mol)
Acrylsäure zugetropft. Anschließend wurde 5 h bei 90°C weitergerührt
und danach abgekühlt.
Feststoff: 41,6 Gew.-%
Acrylsäure: 1,8 Gew.-% bezogen auf den Feststoff
Acrylsäure: 1,8 Gew.-% bezogen auf den Feststoff
Zur Bestimmung des Feststoffgehaltes wurden die Tensidlösungen in
einem Trockenschrank bei einer Temperatur von 110°C über 2 h getrocknet
und der unter diesen Bedingungen vollständige Wasserverlust
durch Differenzwägung ermittelt.
Zur Bestimmung des Gehaltes an freiem Amin wurde die Lösung zunächst
mit Salzsäure auf pH=3,0 eingestellt und das gebildete
Aminhydrochlorid mit Natriumhydroxidlösung potentiometrisch titriert.
Die Bestimmung des Gehaltes an Chloressigsäure und Acrylsäure erfolgte
ionenchromatographisch über eine Anionenaustauschsäule. Die
Detektion wurde mit einem Leitfähigkeitsdetektor nach Suppressorreaktion
durchgeführt. Die Identifizierung wurde über die Rententionszeiten
der Komponenten vorgenommen, die quantitative Auswertung
erfolgte im Vergleich zu Eichstandards über die Integration
der Peakflächen.
Nachbehandlung der amphoteren und zwitterionischen Tenside. Jeweils
200 g der nach A, B, C, D und E erhaltenen Produkte wurden
ohne bzw. mit 0,5 bis 1,8 Gew.-% (bezogen auf 100 Gew.-% Tensidlösung)
Ammoniak (25-gew.-%ig), einer Aminosäure mit 2 bis 8
Kohlenstoffatomen oder einem Oligopeptid bei 90°C und einem pH-
Wert von 8,5 bis 9,0 nachbehandelt. In Abständen von 1 h wurde der
Gehalt an Chloressigsäure bzw. Acrylsäure ionenchromatographisch
ermittelt. Die Ergebnisse sind in Tab. 1 und Tab. 2 zusammengefaßt.
Claims (4)
1. Verfahren zur Erniedrigung des Restgehaltes an freiem Alkylierungsmittel
in wäßrigen Lösungen amphoterer oder zwitterionischer
Tenside, dadurch gekennzeichnet, daß man die Lösungen
mit Ammoniak, einer Aminosäure mit 2 bis 8 Kohlenstoffatomen
oder einem Oligopeptid nachbehandelt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die
Nachbehandlung mit 0,5 bis 3,0 Gew.-% (bezogen auf die Tensidlösung)
einer 25- bis 55-gew.-%igen Ammoniaklösung, Glycin oder
Glutamin durchführt.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Restgehalt der Alkylierungsmittel Chloressigsäure
und Acrylsäure auf Werte kleiner 0,01 Gew.-% bezogen
auf den Feststoffanteil in der Tensidlösung erniedrigt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß man die Nachbehandlung über 1 bis 4 h bei einem
pH-Wert von 7,5 bis 9,5 und einer Temperatur von 70 bis 98°C
durchführt.
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