KR101337124B1 - 에폭시화 지방산 에스테르를 갖는 레불린산 유도체의부가물 및 그의 용도 - Google Patents

에폭시화 지방산 에스테르를 갖는 레불린산 유도체의부가물 및 그의 용도 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레불린산 에스테르와 에폭시화 불포화 지방산 에스테르의 반응으로부터 생성되는 화합물의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 화합물은 다양한 폴리머에 대한 재생가능한 바이오매스계 가소제로서 유용하다. 레불린산의 알킬 에스테르와 식물성 오일 유래의 에폭시화 불포화 지방산 에스테르 간의 반응으로 형성되는 모노-, 디- 및 트리-케탈 부가물 또한 개시되어 있다.

Description

에폭시화 지방산 에스테르를 갖는 레불린산 유도체의 부가물 및 그의 용도{ADDUCTS OF LEVULINIC DERIVATIVES WITH EPOXIDIZED FATTY ACID ESTERS AND USES THEREOF}
본 발명은 2005년 11월 22일자로 출원된 미국 가특허 출원 제US60/739,022호(발명의 명칭: 에폭시화 지방산 에스테르를 갖는 레불린산 유도체의 부가물 및 그의 용도)에 대한 우선권을 주장하며, 그 내용 전체는 인용에 의해 본 명세서에 포함되어 있다.
본 발명은 레불린산 에스테르와 에폭시화 불포화 지방산 에스테르 유래의 화합물의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 화합물은 다양한 폴리머에 대한 재생가능한 바이오매스(biomass)계 가소제로서 유용하다.
다양한 폴리머용 가소제가 기술분야에 잘 알려져 있다. 대부분의 가소제 화합물은 고가이고 재생이 불가능한 석유 유래의 공급원으로부터 제조된다. 어떤 가소제 화합물은 전형적으로 불포화 지방산 절편(fragment)의 에폭시화에 의해 식물성 오일의 트리글리세라이드와 같은 재생가능한 원료로부터 제조된다. 그러나, 에 폭시화 트리글리세라이드는 상당한 한계가 있어 주된 가소제로는 만족스럽게 사용될 수 없는데, 그 이유는 폴리(비닐 클로라이드)(PVC) 폴리머와의 상용성이 제한되기 때문이다.
세바신산 및 아젤라인산의 에스테르와 같은 지방족 디카르복시산의 어떤 에스테르는 다양한 불포화 지방산 화합물로부터 제조된다. 이러한 디카르복시산은 뛰어난 가소화 특성을 갖는다. 그러나, 합성 방법의 복잡성 및 원료의 비용으로 인해 이러한 디카르복시산은 상대적으로 고가이며, 저온에서 사용되기 위한 용도로 적용되는 프리미엄 제품으로 사용된다.
인산 및 알킬화 페놀의 에스테르와 같이 실제 공업에서 사용되는 어떤 공지된 가소제 화합물은 환경에 유해하고, 최종 제품에 불쾌한 냄새가 나며, 유해한 공기 오염을 초래한다.
PVC의 가소제로 일반적으로 사용되는 프탈산의 에스테르는 최근 동물 및 인간에서의 유해한 생식 효과, 특히 인간 남성에서의 생식 독성을 초래하는 내분비계 교란물질로 연루되어 왔다.
따라서, 저가이고, 무독성이며, 재생가능한 풍부한 원료로부터 제조되는 가소제 화합물을 제공하고, 실질적으로 유해한 효과가 없는 환경 분해 제품을 갖는 것이 바람직하다.
발명의 요약
많은 폴리머와 양호한 상용성을 갖는 다용도의 가소제인 에스테르 화합물이 개시되어 있다. 상기 에스테르 화합물은 불포화 지방산 에스테르 및 레불린산 에스테르와 같은 풍부하고 저가인 재생가능한 물질로부터 제조된다. 모노에폭시화 불포화 지방산 에스테르의 에폭시드기는 적합한 촉매, 전형적으로는 양성자산 또는 루이스산의 존재하에 레불린산 에스테르와 반응하여 디히드록시화 지방산 에스테르의 레불린산 에스테르의 케탈(ketal)을 형성한다. 유사하게, 레불린산 에스테르는 2 또는 3개의 이중결합을 갖는 불포화 지방산 에스테르로부터 유래된 비스-에폭시드화 및 트리스-에폭시드화 불포화 지방산 에스테르와 반응하여 대응하는 비스-케탈 및 트리스-케탈을 생성한다. 아울러, 레불린산 및 안젤리카락톤은 조합으로 사용되거나, 에폭시화 불포화 지방산 에스테르와 반응함에 있어서 레불린산 에스테르 대신에 사용될 수 있다. 레불린산 에스테르와 에폭시화 불포화 지방산의 부가물은 공업적인 범위의 폴리머에 대한 가소제로 유용하다.
레불린산 에스테르, 레불린산 및/또는 안젤리카락톤과 에폭시화 불포화 지방산으로부터 제조되는 화합물의 예로는 하기 식의 화합물:
Figure 112008043996586-pct00001
및 하기 식의 화합물을 포함할 수 있다:
Figure 112008043996586-pct00002
상기에서, X는 다음으로부터 선택되고:
Figure 112008043996586-pct00003
R1 및 R3은 독립적으로 C1-C10의 선형 또는 분지형 알킬 또는 알콕시알킬; A 또는 B 중 하나는 수소이고, 다른 하나는 에스테르화 카르복시기이며; n 및 m은 독립적으로 0 내지 20의 정수이고, m+n의 값은 8 내지 21 범위이다.
상기 반응 생성물은 또한 하기 식을 가질 수 있다:
Figure 112008043996586-pct00004
상기에서, R1 및 R2는 독립적으로 C1-C10의 선형 또는 분지형 알킬 또는 알콕시알킬이다.
레불린산 에스테르, 레불린산 및/또는 안젤리카락톤이 비스-에폭시화 또는 트리스-에폭시화 불포화 지방산 에스테르와 반응할 때, 결과물인 화합물의 예로는 다음을 포함할 수 있다:
Figure 112008043996586-pct00005
상기에서, R1 및 R2는 독립적으로 C1-C10의 선형 또는 분지형 알킬 또는 알콕시알킬이다. 어떤 구현예에서, R1 및 R2는 메틸, 에틸, n-부틸, 이소부틸, 이소아밀 또는 2-에틸헥실일 수 있다.
상기 화합물은 또한 가소화 폴리머 조성물에서 베이스 폴리머와 함께 가소제로 사용될 수 있다. 베이스 폴리머는 비닐 클로라이드 폴리머, 폴리(3-히드록시알카노에이트), 폴리(락테이트) 및 폴리사카라이드 폴리머를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 구현예의 상세한 설명이 첨부된 도면 및 하기 상세한 설명에 개시되어 있다. 본 발명의 다른 형태, 목적 및 이점들은 상세한 설명, 도면 및 청구항으로부터 자명할 것이다.
상세한 설명
하기 용어들이 적용된다:
불포화 지방산은 10 내지 24개의 탄소 원자와 적어도 하나의 이중결합을 갖는 선형 모노카르복시산을 의미한다. 상기 이중결합은 임의의 위치에서 서로 컨쥬게이트(conjugated)되거나 비-컨쥬게이트될 수 있으나, 알렌성 배열(allenic arrangement)은 아니며, 임의의 이중결합은 독립적으로 시스(cis) 또는 트랜스(trans)일 수 있다. 바람직하게는, 불포화 지방산은 1 내지 3개의 이중결합을 갖는다. 또한, 지방산은 예를 들면 다양한 식물성 오일, 어유(fish oil) 및 팜유의 트리글리세라이드에서와 같은 다양한 불포화 및 포화 지방산의 혼합물로 이루어질 수 있다.
불포화 지방산의 에스테르는 모노히드릭(monohydric) 또는 폴리히드릭 알코올을 갖는 전술한 지방산의 에스테르를 의미한다.
모노히드릭 알코올은 1 내지 12개의 탄소 원자를 갖는 선형 또는 분지형의 1차 또는 2차 알칸올 또는 알콕시알칸올이다. 알칸올의 바람직한 예는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올, 2차 부탄올, 이소부탄올, 이소아밀 알코올, 2-에틸헥산올이다. 바람직한 알콕시알칸올은 3 내지 12개의 탄소 원자를 갖는 1차 또는 2차 알코올이며, 이때 1 내지 8개의 탄소 원자를 갖는 선형, 분지형 또는 환형 알콕시기가 히드록시기에 인접한 곳에 위치한다. 이러한 알콕시알칸올은 전형적으로 알킬 옥시란(oxirane)을 알칸올로 개환시킴으로써 유도된다. 알콕시알칸올의 다른 적합한 예는 푸르푸랄(furfural)의 수소화를 통해 즉시 얻을 수 있는 테트라히드로푸르푸릴(tetrahydrofurfuryl) 알코올이다. 이용가능성, 비용 및 그 에스테르의 만족스러운 안정성으로 인해 모노히드릭 알코올이 가장 바람직하다.
폴리히드릭 알코올은 1 내지 6개의 히드록시기를 갖는 선형 또는 분지형 폴리히드록시화 알칸이다. 전형적인 예는 에틸렌 글리콜, 프로필렌 1,2- 및 1,3-디올, 부틸렌 글리콜 이성질체, 글리세롤, 1,2,4-트리히드록시부탄, 펜타에리트리톨, 자일리톨, 리비톨, 소르비톨, 만니톨 및 갈락티톨이다. 폴리히드릭 알코올은 선택적으로 하나 이상의 에테르 결합을 포함할 수 있으며, 이러한 폴리히드릭 알코올의 적합한 예는 이소소르바이드, 소르비탄 이성질체 및 디글리세롤이다.
폴리히드릭 알코올의 실질적으로 모든 히드록시기가 불포화 지방산기로 에스테르화되는 것이 바람직하다. 실제 공업에서는 완전한 에스테르화를 얻는 것은 실용적이지 않을 수 있다는 것이 이해된다. 또한, 혼합 지방산 조성물이 사용되는 실제 공업에서는 모든 지방산기가 불포화될 수는 없으며, 일부 완전히 포화된 지방산기가 존재할 수 있다는 것도 이해된다. 사실, 전형적인 식물성 오일(예를 들면, 대두유, 아마인유, 카놀라유, 홍화유, 해바라기유, 옥수수유, 피마자유 및 이들의 블렌드물 등)의 트리글리세라이드에서 존재하는 것과 같은 불포화 및 포화 지방산 에스테르의 혼합물을 사용하는 것이 비용면에서 유리하다. 그러나, 상기 혼합 지방산 에스테르는 불포화 지방산 에스테르를 우세하게 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 고(高)올레산 카놀라유에서 발견되는 조성물과 같이 모노-불포화 지방산 에스테르의 함량이 높은 지방산 에스테르가 사용되는 것이 바람직하다. 또한, 10-운데실렌산의 에스테르도 바람직하다. 다른 바람직한 출발 물질은 식물성 오일(예를 들면, 다양한 바이오디젤 연료의 공업적인 생산에 일반적으로 사용되는 대두유, 카놀라유 및 다른 불포화 트리글리세라이드)의 트랜스-에스테르화에 의해 유도되는 지방산의 메틸 에스테르 혼합물이다.
다양한 불포화 지방산 에스테르가 선택적으로 블렌드, 혼합, 부분적인 수소화 또는 다른 방법으로 이성질체화되어 이중결합의 위치 및 입체화학을 변경시킬 수 있다.
에폭시화 불포화 지방산 에스테르는 불포화 지방산 에스테르의 적어도 하나의 이중결합이 산화되어 에폭시기가 된 것을 의미한다. 이러한 산화는 기술분야에 잘 알려져 있으며, 과산화수소와 카르복시산(예를 들면, 포르메이트 및 아세테이트)을 사용하거나, 할로히드린 방법을 사용함으로써 공업적인 규모로 즉시 수행될 수 있다. 그러나, 불포화 지방산 에스테르에 존재하는 이중결합의 대부분 또는 전부의 에폭시화가 일어나는 것이 바람직하다. 실제로, 에폭시화 지방산 에스테르는 에폭시드의 가수분해 또는 재배열이나 지방산 사슬의 가교결합으로부터 유래되는 다양한 양의 부산물을 포함할 수 있음이 이해된다. 적은 양의 에폭시화 부산물 및 에폭시드 분해 부산물을 포함하는 에폭시화 지방산 에스테르를 사용하는 것은 본 발명의 범위 내에 온전히 포함된다.
레불린산 에스테르는 레불린산(4-옥소펜타논산)과 모노히드릭 알코올의 에스테르이다. 그러나, 레불린산 에스테르 내의 모노히드릭 알코올 절편은 불포화 지방산 에스테르의 모노히드릭 알코올 절편으로부터 독립적으로 선택되며, 따라서 동일하거나 다를 수 있다. 레불린산 에스테르는 선택적으로 하나 이상의 모노히드릭 알코올을 갖는 레불린산 에스테르의 혼합물일 수 있다.
폴리머. 폴리(비닐 클로라이드) 폴리머인 PVC는 비닐 클로라이드의 호모폴리머 또는 코폴리머이다. 다양한 중합도, 가교도 및 코폴리머 조성을 갖는 많은 PVC 화합물이 기술분야에 알려져 있으며, 공업적으로 제조된다.
폴리(3-히드록시알카노에이트)인 PHA는 3-히드록시알칸산의 폴리에스테르 호모폴리머 또는 코폴리머이다. 바람직하게는, PHA는 3 내지 18개의 탄소 원자를 갖는 선형 3-히드록시알칸산 절편으로 이루어져 있다. 폴리(3-히드록시부티레이트)인 PHB는 예를 들면 다양한 미생물에 의해 생물학적으로 제조되는 호모폴리머이다. 정제된 PHB 폴리머는 좁은 범위의 가공 온도를 갖는 취성(brittle) 폴리머이며, 그 녹는점보다 단지 20-30℃ 높은 온도에서 즉시 분해된다.
폴리(락테이트) 또는 폴리(락타이드)인 PLA는 다양한 입체화학의 젖산 반복 단위를 포함하는 공지된 폴리에스테르 호모폴리머이다.
폴리사카라이드는 글리코실 결합을 통해 연결된 헥소오스 또는 펜토오스 절편을 포함하는 선형의 또는 분지된 호모폴리머 또는 코폴리머이다. 폴리사카라이드는 선택적으로 아실아미도기, 설페이트 에스테르기, 카르복시산 에스테르기, 알킬 및 히드록시알킬 에테르기 등과 같은 다양한 추가 기를 포함할 수 있다. 이러한 추가 기는 천연 공급원 유래의 폴리사카라이드 내에 존재하거나, 또는 인공적으로(즉, 셀룰로오스의 아실화에 의해) 도입될 수 있다. 폴리사카라이드의 예로는 셀룰로오스 및 전분의 아실화 유도체뿐만 아니라 천연의 또는 아실화된 키틴 및 펙틴을 포함한다.
가소제는 하나 이상의 상기 폴리머를 포함하는 베이스 조성물에 상기 폴리머 조성물의 유리전이온도를 낮출 목적으로 첨가되는 화합물이며, 이로부터 상기 조성물을 보다 유연하고, 예를 들면 용융 압출 또는 성형에 의해 가공되기 쉽도록 한다. 가소제는 전형적으로 다양한 유효 농도에서 사용되며, 사용되는 폴리머 및 복합 폴리머 제형의 원하는 특성에 따라, 가소제는 가소제가 없는 폴리머 중량의 1 내지 80% 사이의 농도에서 사용될 수 있다. 사용되는 폴리머 및 가소제에 따라, 가소제는 또한 상기 복합 폴리머의 물리적 및 기계적 특성의 변화뿐만 아니라 다양한 가스, 물, 수증기 또는 유기 화합물의 투과성에 대한 상기 복합 폴리머의 배리어 특성의 변화도 부여될 수 있음이 이해된다. 또한, 하나 이상의 다른 가소제가 압출가능한 또는 성형가능한 폴리머 조성물을 제조하기 위한 추가 화합물과 함께 다양한 블렌드(blend)에서 사용될 수 있음이 이해된다. 이러한 추가 화합물은 다양한 무기 및 유기 충전제 화합물, 나무분진, 강화 섬유, 염료, 안료, 안정제, 윤활제, 항균 첨가제 등을 포함할 수 있다.
상기 가소제는 전형적으로 상기 폴리머의 녹는점보다 높거나 낮은 온도에서 기술분야에서 잘 알려진 다양한 복합 장치에서 혼합함으로써 폴리머 및 베이스 조성물의 다른 선택적인 성분과 혼합된다. 또한, 상기 가소제는 선택적인 휘발성 용매의 도움으로 도입될 수 있다.
레불린산의 케탈 유도체는 에폭시화 불포화 지방산 에스테르와 충분한 양의 레불린산 에스테르를 적합한 촉매의 존재하에 반응시킴으로써 제조되며, 그 결과 지방산 에스테르 절편과 레불린산 절편 사이의 공유결합성 부가물인 다양한 화합물이 생성된다.
이러한 한 반응에 따르면, 식 (3)의 케탈 에스테르 화합물이 즉시 형성된다:
Figure 112008043996586-pct00006
상기에서, (2)는 레불린산 에스테르이고, (1)은 에폭시기를 갖는 에폭시화 불포화 지방산 에스테르이며, (3)은 케탈 에스테르 부가물이고, R1은 C1-C10의 선형 또는 분지형 알킬 또는 알콕시알킬이다.
예를 들면, 상기 반응에 따르면, 9,10-에폭시화 올레산 에스테르의 즉시 이용가능한 에스테르는 식 (4)의 케탈로 변환된다:
Figure 112008043996586-pct00007
상기에서, R1 및 R2는 각각 독립적으로 C1-C10의 선형 또는 분지형 알킬 또는 알콕시알킬이다.
전형적으로, 다양한 에폭시드와 케톤을 반응시키기 위한 촉매로는 다양한 산을 포함한다. 이러한 조건은 일반적으로 레불린산 에스테르와 에폭시화 불포화 지방산 에스테르의 반응에 적용가능하다. 이러한 촉매의 비제한적인 예로는 황산, 염산, 붕불산, 붕산, p-톨루엔술폰산, 캠포로술폰산, 메탄술폰산 등과 같은 강한 광산(mineral acid)을 포함한다. 양자화 술폰산기를 포함하는 다양한 수지 또한 유용한데, 그 이유는 이들이 반응 종료 후에 용이하게 회수될 수 있기 때문이다. 산의 예로는 또한 루이스산을 포함한다. 예를 들면, 삼불화붕소 및 BF3의 다양한 착물, 예컨대 BF3 디에틸 에테레이트 또한 유용하다. 실리카, 산성 알루미나, 티타니아, 지르코니아, 다양한 산성 클레이, 혼합 알루미늄 또는 마그네슘 옥사이드 또한 사용될 수 있다. 광산, 황산 또는 루이스산 유도체를 포함하는 활성탄 유도체 또한 사용될 수 있다. 기술분야의 당업자는 본 명세서에 개시된 화합물의 제조에 사용되는 촉매 조성물의 부분 또는 양에 대해 다양한 변화를 실행할 수 있다.
반응성이 덜한 촉매와의 반응을 가속화시키기 위해 온도를 증가시킬 수 있다. 그러나, 반응성이 덜한 촉매로도 반응이 여전히 진행되어 원하는 화합물을 생성할 수 있으므로, 반응 혼합물의 온도는 다량의 레불린산 케탈 생성물을 성공적으로 만드는데 결정적이지는 않다. 촉매의 양과 유형은 반응에서 사용되는 에폭시드 및 레불린산 에스테르의 특정 화학적 조성에 의존하며, 기술분야의 당업자에 의해 즉시 확립될 수 있다. 상기 반응은 반응 조건하에서 불활성이고, 전형적으로 반응이 끝날 때 증류에 의해 제거되는 선택적인 공용매의 존재하에 수행될 수 있다. 전형적으로, 충분한 양의 공용매(또는 충분한 과량의 레불린산 에스테르)를 사용하여 에테르 결합 형성을 통한 에폭시화 지방산 에스테르의 가교결합을 최소화하는 것이 바람직하다. 적합한 공용매의 비제한적인 바람직한 예로는 포화 탄화수소, 에테르, 및 단순 알칸올과 알칸산의 카르복시산 에스테르를 포함한다.
모노-에폭시드와 유사하게, 불포화 지방산 에스테르의 비스-에폭시드는 레불린산 에스테르의 비스-케탈을 포함하는 입체이성질체의 혼합물로 변환된다.
불포화 지방산 에스테르의 모노- 또는 비스-에폭시드가 에틸 레불리네이트와 반응할 때, 지방산의 비스-에폭시드의 반응은 다른 경쟁 반응과 동반될 수 있다. 이들 경쟁 반응은 유용한 화합물을 제조함에 있어 이점이 있는 것으로 알려져 왔다. 특히, 특정량의 자유 알칸올이 존재할 때, 및/또는 트랜스-에스테르화 반응을 선호하는 양자성 산성 촉매가 사용될 때, 불포화 지방산 에스테르의 알콕시알칸올 유도체 형성이 케탈 형성에 비해 선호된다. 에폭시드 개환 후에 알칸올을 제거하도록 하는 조건을 사용하면, 식 (5)의 레불리노일화된 트랜스에스테르화 생성물이 형성된다:
Figure 112008043996586-pct00008
상기에서, R3은 C1-10의 선형 또는 분지형 알킬 또는 알콕시알킬일 수 있다; A 또는 B 중 하나는 수소이고, 다른 하나는 에스테르화 카르복시기이다; n 및 m은 각각 0 내지 20의 값을 갖는 정수이고, m+n의 값은 8 내지 21 범위이다.
변화로서, 에폭시화된 불포화 지방산 에스테르의 에폭시드기를 알칸올로 개환시킴으로써 불포화 지방산 에스테르의 공지된 알콕시알칸올 유도체가 제조될 수 있다. 이후, 상기 알콕시알칸올 유도체의 히드록시기는 레불린산 에스테르 또는 자유 레불린산, 또는 감마-안젤리카락톤으로 에스테르화되어 불포화 지방산 에스테르의 인접한 알콕시-레불리노일 유도체를 제공한다:
Figure 112008043996586-pct00009
상기에서, (6)은 에폭시화된 불포화 지방산 에스테르이다; (7)은 알콕시알칸올 유도체이다; (5a)는 알콕시-레불리노일 유도체이다; R3은 C1 -10의 선형 또는 분지형 알킬 또는 알콕시알킬일 수 있다; A 또는 B 중 하나는 수소이고, 다른 하나는 에스테르화 카르복시기이다; n 및 m은 각각 0 내지 20의 값을 갖는 정수이고, m+n의 값은 8 내지 21 범위이다.
서로 매우 근접하게 위치하는 에폭시기를 갖는 불포화 지방산 에스테르의 비스-에폭시드 또는 트리스-에폭시드가 사용될 때, 분자내 에폭시드 개환 반응 또한 일어나서, 그 결과 연속하는 지방산 탄소 사슬의 2개의 탄소 원자를 서로 연결하는 하나 이상의 에테르 결합이 형성된다. 전형적으로, 이러한 에테르 결합은 테트라히드로푸란(주성분) 및 테트라히드로피란(종성분) 고리를 형성한다. 이후, 불포화 지방산 에스테르 산소화 유도체의 입체이성질체의 복합 혼합물이 형성된다. 예를 들면, 메틸렌기에 의해 떨어져 있는 2개의 이중결합을 갖는 디-불포화 지방산으로부터 유도되는 비스-에폭시드 유래의 이러한 생성물의 대표적인 이성질체는 식 (8a) 및 (8b)를 가질 수 있다:
Figure 112008043996586-pct00010
상기에서, R3, A, B, n 및 m은 상기에서 정의된 바와 같다.
전형적으로, 촉매의 제거 또는 중화 후에, 전형적으로는 감압하의 증류에 의해 임의의 과량의 레불린산 에스테르, 용매, 및 적용가능한 곳에서는 에폭시화 지방산 에스테르 출발 물질 내의 불순물로 존재할 수 있는 임의의 포화 지방산 에스테르가 제거되어서, 그 결과 순수하고, 투명하며, 실질적으로 냄새가 없는 안정한 액체가 형성된다. 사용되는 특정한 조건에 따라, 상기 액체는 불포화 지방산 에스테르의 인접 디히드록시 유도체의 레불린산 케탈 및/또는 알킬옥시-레불리노일 화합물의 혼합물을 포함한다. 이들 후자의 화합물은 불포화 지방산 사슬의 2개의 탄소 원자를 연결하는 에테르 결합을 포함할 수 있다(이로부터 테트라히드로푸란 또는 테트라히드로피란 고리를 형성함).
상기 레불린산 부가물은 PVC, 폴리(3-히드록시알카노에이트), 폴리(락테이트) 및 다양한 폴리사카라이드 폴리머를 위한 가소제 화합물로 유용하다. 이들은 넓은 농도 범위에서 이들 폴리머와 상용성이 있다. 이들 부가물 합성에서 사용되는 반응물 내에 존재하는 다양한 알칸올 절편들을 선택함으로써, 최적의 가소화 특성 및 최적의 상용성 측면에서뿐만 아니라 수분, 가스, 용매, 수침출(water leaching), 및 냄새의 투과성과 착색 유지(stain retention)와 같은 결과물인 폴리머의 배리어 특성에 대해서도 미세조정할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 자유 카르보닐기가 실질적으로 없고, 따라서 본 명세서에서 개시되는 레불리노일 유도체와 블렌드되어 원하는 가소화 폴리머 조성물을 제공할 수 있는 유사한 가소제 화합물 세트가 제공된다. 유용한 가소제 화합물은 레불린산 에스테르 대신 저급 알칸산의 에스테르를 사용함으로써 제조된다. 본 구현예에서, 알콕시알칸올 유도체(7)의 자유 히드록시기는 저급 알칸산 또는 트랜스-에스테르화에 의한 그의 무수물로 아실화되어 알칸올과 저급 알칸산의 에스테르를 생성한다. 본 구현예에서 사용되는 알칸산은 2 내지 8개의 탄소 원자를 갖는 선형 또는 분지형 모노카르복시산이다. 이러한 산의 바람직한 예는 아세트산, 프로피온산, 부티르산, 2-에틸헥사논산이다. 본 구현예에서의 트랜스-에스테르화 반응을 위한 바람직한 에스테르는 상기 알칸산과 1 내지 4개의 탄소 원자를 갖는 선형 또는 분지형의 1차 또는 2차 알칸올의 에스테르이다. 상기 알코올 절편은 전형적으로 반응 과정에서 알코올이 형성될 때 증류에 의해 용이하게 제거될 수 있도록, 트랜스-에스테르화 반응에서 방출되는 알코올의 끓는점이 낮은 것을 고려해 선택된다. 트랜스-에스테르화는 전형적으로 기술분야에서 잘 알려진 통상의 조건하에 달성되며, 산 또는 염기 촉매를 사용하는 것을 포함한다. 결과물인 모노-불포화 지방산 에스테르의 모노-에폭시드 유래의 알킬옥시 아실옥시 유도체는 식 (9)를 갖는다:
Figure 112008043996586-pct00011
상기에서, R3은 C1 -10의 선형 또는 분지형 알킬 또는 알콕시알킬일 수 있다; R4는 C1-C7의 선형 또는 분지형 알킬일 수 있다; A 또는 B 중 하나는 수소이고, 다른 하나는 에스테르화 카르복시기이다; n 및 m은 각각 0 내지 20의 값을 갖는 정수이고, m+n의 값은 8 내지 21 범위이다.
식 (8a) 및 (8b)의 레불린산 유도체와 유사하게, 결과물인 메틸렌기와 떨어져 있는 이중결합을 갖는 디엔성(dienoic) 지방산 에스테르의 비스-에폭시드 유래 지방산 에스테르의 알킬옥시 아실옥시 유도체는 대표적으로 (10a) 및 (10b)의 구조를 갖는다:
Figure 112008043996586-pct00012
상기에서, R3, R4, A, B, n 및 m은 상기에서 정의된 바와 같다.
결과물인 지방산 에스테르와 저급 알칸논산 에스테르의 알킬옥시 아실옥시 유도체는 전술한 레불린산 에스테르 부가물과 유사한 뛰어난 가소화 특성을 갖는다. 따라서, 이들은 폴리머를 형성하기 위해 1차 가소제, 또는 본 명세서에서 개시된 레불리노일 유도체와의 혼합물과 실질적으로 유사한 방식으로 사용되어서, 가소화 폴리머 조성물 내의 자유 카르보닐기의 존재를 조절할 수 있다.
다양한 PVC 함유물에서 사용하기 위한 가소제 조성물을 제공하는 다른 구현예에서, 레불린산 에스테르와 에폭시화된 불포화 지방산 에스테르 부가물의 합성은 에폭시화된 불포화 지방산 에스테르와 18개 탄소 원자가 연속하는 탄소 사슬을 갖는 전형적인 지방산 에스테르를 사용함으로써 수행될 수 있다. 이러한 부가물은 식 (4)의 케탈을 우세하게 포함하는 화합물을 포함할 수 있으며, 불포화 지방산 에스테르의 비스-에폭시드 및 트리스-에폭시드가 출발 물질 내에 존재한다면, 이들은 또한 식 (11)의 비스-케탈 및 식 (12)의 트리스-케탈로 예시화된 레불린산 에스테르 케탈 부가물로 변환될 수 있다:
Figure 112008043996586-pct00013
상기에서, R1 및 R2는 C1-C10의 선형 또는 분지형 알킬 또는 알콕시알킬일 수 있다.
이러한 구현예에서, 다른 반응 생성물이 형성되어서 다양한 양으로 존재할 수 있음이 이해된다. 이러한 다른 반응 생성물은, 예를 들면 식 (13a) 및 (13b)의 에폭시-케탈의 입체이성질체를 포함할 수 있다:
Figure 112008043996586-pct00014
반응 생성물은 또한 식 (5) 내지 (10)의 화합물의 조합을 포함할 수 있다. 추가적으로, 불포화 지방산 에스테르의 2 이상의 연속하는 탄소 결합이 에테르 결합을 통해 연결되어 있는 다양한 양의 가교성 변형 불포화 지방산 에스테르 유도체 또한 존재할 수 있다. 존재할 수 있는 다른 화합물은 레불린산 에스테르와 실질적으로 반응하지 않아 결과물인 생성 혼합물에서 변화되지 않고 남아 있는 다양한 양의 포화 지방산 에스테르를 포함한다.
다른 구현예에서, 레불린산 에스테르와 에폭시화된 불포화 지방산 에스테르로부터 제조되는 케탈 부가물(전형적으로는 케탈 부가물 (4), (11), (12) 및 (13)으로 예시됨), 및 하나 이상의 포화 지방산 에스테르(전형적으로는 헥사데칸산 또는 옥타데칸산과 모노히드릭 알코올인 R3-OH의 에스테르로 예시됨)의 임의의 조합을 포함하는 생성 혼합물이 추가로 처리되어, 상기 케탈 부가물의 혼합물로부터 포화 지방산 에스테르가 부분적으로 또는 실질적으로 완전히 제거되도록 한다. 이러한 제거는 전형적으로 상기 케탈 부가물은 증류하지 않지만 상기 포화 에스테르는 증류하기에 충분한 감압 및 승온 하에서 포화 지방산의 에스테르를 증류해 제거함으로써 달성된다. 이러한 증류 조건은 사용되는 온도 및 진공뿐만 아니라 기술분야에 공지된 증류 장치의 유형에 따라 다양할 수 있다. 화합물 (4), (11), (12) 및 (13)과 같은 케탈 부가물은 전형적으로 대응하는 포화 지방산 에스테르보다 25-100℃ 높은 끓는점을 가지며, 이러한 큰 끓는점 차이는 폴링 필름(falling film) 칼럼 또는 상대적으로 적은 이론단(theoretical plate) 수를 갖는 다른 증류 칼럼과 같은 단순한 증류 장치를 사용하여 포화 지방산 에스테르를 효율적으로 제거할 수 있도록 한다는 것이 알려져 있다. 레불린산 에스테르와 에폭시화 불포화 지방산 에스테르 부가물 혼합물로부터 포화 지방산 에스테르를 부분적으로 또는 상당량 제거하면, 개선된 가소화 특성, 개선된 상용성 및 최소화되거나 무시할 수 있는 삼출액을 가지고, 냄새가 감소되거나 없는 케탈 부가물의 혼합물이 형성된다는 것이 알려져 있다. 레불린산 에스테르와 에폭시화된 불포화 지방산 에스테르의 모노케탈 부가물(전형적으로는 식 (4)의 케탈로 예시됨)은 비스- 및 트리스-케탈 부가물(전형적으로는 식 (11)-(13)의 케탈로 예시됨)을 포함하는 반응 혼합물로부터 효과적으로 증류되어 나올 수 있다는 것 또한 알려져 있다. 이러한 증류는 전형적으로 진공 또는 감압하에 수행되며, 실용적으로 무색 무향인 형태의 고순도 모노케탈 화합물을 제공할 수 있다. 정제된 식 (4)의 케탈은 기술분야에 알려진 세바신산과 아젤라인산 에스테르의 PVC-가소화 특성에 필적하는 뛰어난 PVC 가소제인 것으로 나타났다.
상기 가소제 화합물은 단독으로 사용되거나, 디카르복시산, 구연산의 에스테르 및 방향족 디카르복시산의 에스테르(예를 들면, 프탈산 에스테르)와 같은 기술분야에 알려진 많은 다른 가소제를 포함하는 다양한 혼합물로 사용될 수 있다. 특히 유용한 것은, PVC를 가소화하기 위해 에폭시화 트리글리세라이드를 이용하여 제조된 에폭시화도가 높은 가소제 화합물을 포함하는 혼합물이다. 이러한 에폭시화 트리글리세라이드는 전형적으로 에폭시화 대두유 및 에폭시화 아마인유로 예시될 수 있으며, 다른 에폭시화 식물성 오일 또한 유용하다. 이러한 제형에서, 상기 에폭시화 지방산 절편은 산성의 폴리머 분해 생성물의 제거자(scavenger)로 작용함으로써 원하는 안정화 효과를 제공한다. 상기 가소제 화합물은 바닥 재료, 건물 내외부용 미끄럼 부재, 창틀, 유연하고 단단한 파이프, 튜브, 강화 호스, 인조가죽, 소비 물품의 포장재, 자동차의 내외부 부품, 전기 장치 케이스, 다양한 단층 및 다층 필름, 비닐 사무용품 등을 포함하는 다양한 공업 물품 또는 소비 물품을 제조하는데 유용하다.
도 1a 및 도 1b는 실시예 6에서 GC-MS 분석 중에서 얻어진 화합물(4)(도 1a) 및 화합물(11)(도 1b)의 대표적인 EI 질량-스펙트럼을 나타낸 것이다(70 eV에서의 전자 이온화).
도 2a는 실시예 7(샘플 B)에서 GC-MS 분석 중에서 얻어진 화합물(4)(도 2a의 1) 및 화합물(11)(도 2a의 2)의 대표적인 EI 질량-스펙트럼이다.
도 2b는 에폭시 케탈 화합물(13a 및 13b) 이성질체의 혼합물의 대표적인 IE 질량-스펙트럼이다.
도 3a는 R1 및 R2가 에틸(실시예 24)인 모노케탈 화합물(4) 이성질체의 혼합물의 대표적인 IE 질량-스펙트럼을 나타낸 것이고, 도 3b는 R1 및 R2가 에틸(실시예 24)인 디케탈 화합물(11) 이성질체의 혼합물의 대표적인 IE 질량-스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 4a는 R1 및 R2가 n-부틸(실시예 25)인 모노케탈 화합물(4) 이성질체의 혼합물의 대표적인 IE 질량-스펙트럼이고, 도 4b는 R1 및 R2가 n-부틸(실시예 25)인 디케탈 화합물 이성질체의 혼합물의 대표적인 IE 질량-스펙트럼이다.
본 발명의 다수의 구현예가 개시되어 있다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변형이 수행될 수 있음이 이해될 것이다. 따라서, 다른 구현예도 하기 청구항의 범위 내에 포함된다.
실시예 1A
506.2 g의 완전히 에폭시화된 대두유(Vicoflex 7170 브랜드, Arkema)를 2.1 g의 나트륨 메톡사이드를 포함하는 무수 메탄올성 용액 1 ℓ와 혼합하고, 결과물인 혼합물을 실온(18℃)에서 6시간동안 자석으로 교반시켰다. 시간에 따른 트랜스-에스테르화 진행을 가스 크로마토그래피로 추적하였다. 트랜스-에스테르화 반응이 실질적으로 완료된 것으로 나타난 후, 반응 혼합물을 12.8 g의 미세분말화된 무수 인산 2수소 칼륨을 첨가하여 중화시키고, 밤새(12시간) 교반하였다. 결과물인 혼합물을 여과하였고, 40℃로 세팅된 수조가 장착된 회전형 증발기를 이용하여 감압하에 메탄올을 증발시켰다. 결과물인 오일을 1 ℓ의 헥산에 용해시키고, 여과하였으며, 상기 헥산을 회전형 증발기를 이용하여 감압하에 증류시켜 제거했다. 이로부터 약한 기름 냄새를 갖는 맑은 투명한 생성물(485 g)을 얻었으며, GC-MS (gas-chromatography-mass-spectrometry)로 분석하였다. TIC 적분법(integration method)을 이용할 때, 상기 오일은 대략 9%의 메틸 헥사데카노에이트, 5%의 메틸 옥타데카노에이트, 42%의 메틸-9,10-에폭시-9-옥타데세노에이트, 40%의 메틸 9,10,12,13-비스에폭시-9,12-옥타데세노에이트 이성질체 및 소량의 다른 포화 및 에폭시화 불포화 지방산 에스테르를 포함하는 것으로 나타났다.
실시예 1B
다른 한편으로, 에폭시화된 대두유 지방산을 트랜스-에스테르화 및 에폭시화 반응에 의해 식용 대두유(Archer Daniels Midland Company로부터 구입)로부터 제조하였다. 0.950 ㎏의 대두유를 6 g의 수산화나트륨을 포함하는 메탄올 0.5 ℓ와 40-45℃에서 약 6시간동안 교반하였다. 미세분말화된 무수 인산 2수소 칼륨 40 g을 첨가함으로써 반응 혼합물을 중화시킨 후, 실온에서 10시간동안 교반하였다. 메탄올은 회전형 증발기를 이용하여 감압하에 결과물인 혼합물로부터 증류해 제거하였고, 잔여 용액을 1 ℓ의 헥산과 혼합한 후 분별깔때기에 2시간동안 놓아두었다. 아래층(조(crude) 글리세롤)은 버렸다. 위층(헥산 용해성 물질을 포함)을 수집 및 여과하였고, 헥산을 회전형 증발기를 이용하여 감압하에 증류해 제거하였다. 결과물인 지방산 메틸 에스테르 혼합물(922 g, 약한 기름 냄새를 갖는 옅은 노란색의 투명한 오일)을 GC-MS로 분석하였으며, 전형적인 대두유 지방산 조성물과 부합하는 것으로 나타났다. 상기 오일을 0.5 ℓ 헥산에 재용해시키고, 500 ㎎의 트윈 80 계면활성제를 포함하는 10% 포름산 수용액 100 g과 혼합하였으며, 자석 교반기를 이용하여 강하게 교반시켰다. 상기 혼합물을 계속 교반하면서, 헥산의 끓는점 이하 온도에서 발열반응 혼합물이 유지되도록 하기 위해 50% 수성 과산화수소(총 380 ㎖)를 8시간에 걸쳐 소량(20-40 ㎖)씩 조심스럽게 도입하였다. 에폭시화의 진행을 GC-MS로 모니터링하였다. 에폭시화가 끝난 것으로 나타난 후, 반응 혼합물을 분별깔때기에서 분리하고, 수성의 아래층은 버렸다. 헥산층을 무수 황산나트륨으로 건조시키고, 여과한 후, 헥산을 감압하에 증류해 제거하였다. 결과물인 오일(1.06 ㎏)을 GC-MS로 분석하였으며, 실시예 1A에서 얻어진 것과 실질적으로 동일한 것으로 나타났다.
실시예 2 내지 실시예 5
대두유 대신 지역 식료품 가게에서 구입한 올리브유, 카놀라유, 또는 옥수수유 샘플을 이용하여 실시예 1B에 따라 수행하거나, 에폭시화 대두유 대신 에폭시화 아마인유(Vicoflex 7170 브랜드, Arkema)를 이용하여 실시예 1A에 따라 수행하여 에폭시화 지방산 에스테르를 합성하였다. 모든 실시예는 실시예 1에 개시된 과정의 25% 규모로 수행하였고, 다른 모든 물질들도 이에 따라 규모를 줄였다.
실시예 6
실시예 1에 따라 대두유로부터 제조된 0.2 g의 에폭시화 대두유 지방산 메틸 에스테르와 1 g의 무수 에틸 레불리네이트를 5 ㎖의 tert-부틸 메틸 에테르에 용해시켰다. 상기 반응 혼합물을 실온에서 자석 교반기로 교반하면서, 0.01 ㎖의 3불화 붕소 에테레이트를 반응액에 첨가하였고, 부드러운 발열반응 효과를 관찰하였다. 20분간 교반한 후, 반응 혼합물의 온도를 실온(18℃)으로 되돌렸고, 0.01 ㎖ 의 3불화 붕소 에테레이트를 추가로 첨가하였으며, 반응 혼합물을 추가로 30분간 교반한 후, 반응 결과물을 GC-MS로 분석하였다. 반응 혼합물은 식 (4) 및 (11)의 레불린산 케탈의 입체이성질체를 주된 반응 생성물로 포함하는 것으로 나타났다:
Figure 112008043996586-pct00015
상기에서, R1은 메틸이고, R2는 에틸이다.
이성질체의 대표적인 질량-스펙트럼은 도 1a 및 도 1b에 나타나 있다.
상기 반응 혼합물은 또한 과량의 미반응 에틸 레불리네이트 및 대두유로부터 유래하여 출발 물질 내에 존재하는 비변성 포화 지방산 에스테르를 포함하는 것으로 나타났다.
반응 혼합물은 또한 소량의 화합물 (12)를 포함하는 것으로 나타났다:
Figure 112008043996586-pct00016
상기에서, R1은 메틸이고, R2는 에틸이다.
실시예 7
1 ㎖의 에폭시화된 대두유 지방산 에스테르(실시예 1에 따라 제조됨)를 4 ㎖의 건조 메틸 레불리네이트에 용해시켰고, 반응 혼합물을 질소 분위기 하에 자석으로 교반시켰다. 상기 용액을 교반하면서, 0.02 ㎖의 3불화 붕소 에테레이트를 첨가함으로써 반응을 개시하였다(발열 효과가 관찰됨). 반응의 진행은 GC-MS에 의해 추적하였다. 30분 후, GC-MS 분석을 위해 샘플(샘플 A)을 취하고, 0.02 ㎖의 3불화 붕소 에테레이트를 추가로 첨가하였다. 30분간 추가로 교반한 후, GC-MS 분석을 위해 다른 샘플(샘플 B)을 취하였다.
샘플 A의 GC-MS 분석 결과, 주된 반응 생성물은 화합물 (4)와, 식 (13a) 및 (13b)를 갖는 에폭시드-케탈 화합물의 입체이성질체인 것으로 나타났다:
Figure 112008043996586-pct00017
Figure 112008043996586-pct00018
상기에서, R1 및 R2는 메틸이다. 샘플 B의 GC-MS 분석 결과, 주된 반응 생성물은 화합물 (4) 및 (11)이고, (13a) 및 (13b) 화합물은 단지 미량만이 관찰되었으며, 이는 화합물 (13a) 및 (13b)는 출발 물질 내에 존재하는 비스-에폭시드에 레불린산 에스테르를 단계적으로 첨가함으로써 얻어지는 화합물 (4) 형성시의 중간체라는 것을 나타낸다.
본 실시예에서 형성된 화합물 (4), (11), (13)의 대표적인 질량-스펙트럼이 도 2a 및 도 2b에 나타나 있다.
실시예 8 내지 실시예 12
3불화 붕소 대신 하기 촉매 중 하나가 사용된 것을 제외하고는, 실시예 7에 개시된 대로 반응을 수행하였다: 무수 SnCl2 (50 ㎎), SnCl4 (50 ㎎), TiCl4 (50 ㎎), 또는 p-톨루엔 술폰산 (20 ㎎). 상기 반응을 60-80℃에서 3시간동안 수행하였다. 본 실시예에서 관찰된 생성물의 GC 특성 및 MS-스펙트럼은 모든 면에서 실시예 7에서 관찰된 것과 동일하였다.
실시예 13
실시예 1의 에폭시화 지방산 대신 1.2 g의 에폭시화 대두유(Vicoflex 7170, Arkema)를 사용한 것과, 사용된 3불화 붕소 에테레이트 촉매의 양을 0.05 ㎖로 한 것(모두 한번에 도입함)을 제외하고는, 실시예 7에 개시된 대로 반응을 수행하였 다. 반응이 종료된 후, 메틸 레불리네이트를 감압하에 증류하였다. 결과물인 오일을 50 ㎖의 헥산에 용해시키고, 10 ㎖의 1% 수성 불화나트륨으로 1회 세척한 후, 20 ㎖의 물로 2회 세척하였다. 헥산 용액을 무수 황산나트륨으로 건조시키고, 여과한 후, 감압하에 용매를 제거하였다. 메틸 레불리네이트와 에폭시화 오일의 케탈 부가물을 포함하는 옅은 노란색 오일(1.32 g)을 얻었다. 상기 오일의 절반(0.66 g)을 0.2% w/w의 나트륨 메톡사이드를 포함하는 10 ㎖의 메탄올에 용해시켰고, 전체를 2시간동안 교반시켰다. 이후, 반응 혼합물을 0.8 g의 미세분말화된 무수 인산 2수소 칼륨으로 3시간동안 교반시킴으로써 중화시켰고, 여과한 후, 감압하에 메탄올을 증류해 제거하였다. 잔여물을 10 ㎖의 헥산에 용해시키고 여과하였다. 상기 헥산을 감압하에 제거하였고, 결과물인 오일(0.46 g)을 GC-MS로 분석하였다. 상기 오일의 조성은 실시예 7에서 얻어진 것과 실질적으로 동일한 것으로 나타났다.
실시예 14 내지 실시예 17
실시예 1의 에폭시화 에스테르 대신 실시예 2 내지 실시예 5에 따라 제조된 에폭시화 에스테르가 사용된 것을 제외하고는 실시예 7에 따라 합성을 수행하였다. 모든 생성물은 출발 물질 내의 많은 양의 에폭시화 메틸-9-옥타데세노에이트 및 메틸 9,12-옥타데칸디에노에이트를 반영하여 비례적으로 화합물 (4) 및 (11)(이때, R1 및 R2는 메틸임)을 다양한 양으로 포함하고 있는 것으로 나타났다. 아울러, 에폭시 화 아마인유 지방산의 메틸 에스테르로부터 얻어진 생성물은 트리케탈 화합물 (12)(이때, R1 및 R2는 메틸임)을 풍부한 양(대략 35-45%)으로 포함하는 것으로 나타났다.
실시예 18
252 g의 대두유 지방산의 에폭시화 에스테르를 745 g의 건조 메틸 레불리네이트에 용해시켰고, 전체를 질소 분위기 하에 자석으로 교반시켰으며, 이후 오일조(oil bath)에서 70℃로 가열하였다. 상기 반응을 자석으로 교반하고, 오일조에서 65-70℃로 유지하면서, 3불화 붕소 에테레이트(1.2 ㎖)를 20분 간격으로 4회(각각 0.3 ㎖) 도입하였다. 반응의 진행은 GC-MS로 모니터링하였다. 모든 촉매를 도입한 후 70℃에서 1시간동안 교반을 계속하였고, 다시 실온에서 1시간동안 교반하였다.
최종 6 ㎜의 진공을 제공할 수 있는 진공 펌프를 사용하여 105-110℃로 세팅된 가열조가 장착된 회전형 증발기로 감압하에 메틸 레불리네이트를 증류해 제거하였다. 결과물인 오일을 600 ㎖의 헥산에 용해시키고, 100 ㎖의 2% 수성 불화나트륨으로 세척한 후, 150 ㎖의 물로 2회 세척하였다. 이후, 세척된 헥산 용액을 무수 황산나트륨으로 건조시키고 여과하였다. 여과물을 수집하였고, 일정한 중량에 도달할 때까지 헥산을 감압하에 증류해 제거하였다. 결과물인 점성 오일(336 g)은 옅은 노란-호박(amber)색이었고, 전형적인 메틸 헥사데카노에이트의 옅은 기름 냄 새가 났다. 상기 오일을 GC-MS로 분석하였으며, 실시예 6에 따라 얻어진 생성물과 그 조성이 실제적으로 동일한 것으로 나타났다.
실시예 19 내지 실시예 22
실시예 18에서 얻어진 생성물 75 g을 쿠겔로형(Kugelrohr-type) 회전 장치가 장착된 500 ㎖의 둥근 바닥 플라스크에 넣고, 0.1 밀리바(millibar)의 최종 진공을 제공할 수 있는 펌프를 이용하여 진공을 도입하였다. 출발 물질을 포함하는 상기 회전형 플라스크는 250℃에서 가열된 공기의 흐름을 제공하도록 세팅된 열풍기(heat gun)로 부드럽게 가열하여, 메틸 헥사데카노에이트 및 메틸 옥타데카노에이트의 증류를 즉시 개시하도록 하였다. 대략 5-10 g의 메틸 헥사데카노에이트 및 메틸 옥타데카노에이트를 수용 플라스크(receiving flask)에 수집한 후 증류를 중지하였고, 잔류 메틸 헥사데카노에이트 및 메틸 옥타데카노에이트가 존재하는지 확인하기 위해 증류되지 않은 물질의 함량을 평가하였다. 매번 신선한 배치(batch)의 출발 물질과 함께 메틸 헥사데카노에이트 및 메틸 옥타데카노에이트를 제거하는 과정을 수회 반복하였다. 결과 물질은 주된 양의 모노케탈(4) 및 디케탈(11)과 소량의 트리케탈(12)(이때, R1 및 R2는 메틸)의 입체이성질체를 포함하는 것으로 나타났다. 결과 화합물의 혼합물은 또한 소량의 메틸 헥사데카노에이트와 메틸 옥타데카노에이트를 다양한 비율로 포함하는 것으로 나타났다. 메틸 헥사데카노에이트와 메틸 옥타데카노에이트의 총 함량은, 모두 합쳐 0.1 중량% 이하(실시예 19), 대략 1.5 중량%(실시예 20), 대략 2.9 중량%(실시예 21) 및 대략 5.1 중량%(실시예 22)인 것으로 나타났다.
실시예 23
주로 케탈 (4) 및 (11)(이때, R1 및 R2는 메틸임)을 포함하는 실시예 19에 따라 제조된 화합물의 혼합물 96 g을 쿠벨로형의 회전형 장치가 부착된 500 ㎖의 둥근 바닥 플라스크에 넣고, 0.1 밀리바의 최종 진공을 제공할 수 있는 펌프를 이용하여 진공을 도입하였다. 출발 물질을 포함하는 회전형 플라스크를 350℃에서 가열된 공기의 흐름을 제공하도록 세팅된 열풍기로 부드럽게 가열하였다. 부드럽게 증류를 시작하였고, 대략 32 g의 증류물을 수용 용기에 수집하였으며, 열공급을 중단하여 증류를 중지하였고, 물질을 진공 하에 실온까지 냉각되도록 하였다. 증류물(실시예 23A)은 실질적으로 무색·무향인 오일이었다. 이를 GC-MS로 분석하였으며, 96%의 정제된 모노케탈 화합물 (4)(이때, R1 및 R2는 메틸)인 것으로 나타났다. 화합물 (11), (13a) 및 (13b)도 미량 발견되었다(실시예 23A).
증류 플라스크에 남아있는 잔류 오일성 물질(실시예 23B)을 GC-MS로 분석하였으며, 대략 80%의 디케탈 화합물 (11)의 입체이성질체, 12%의 모노케탈 (4) 및 소량의 트리케탈 (12)(이때, R1 및 R2는 메틸)을 포함하는 것으로 나타났다.
실시예 24 내지 실시예 28
주된 동종체(congener)로서 실시예 19에 따라 제조된 케탈 (4) 및 디케탈 (11)(이때, R1 및 R2는 메틸임)을 포함하는 혼합물 16 g을 하기 중 한 물질 40 ㎖에 용해시켰다:
(24) 대략 0.2% w/w의 나트륨 에톡사이드를 포함하는 무수 에탄올,
(25) 대략 0.2% w/w의 나트륨 n-부톡사이드를 포함하는 무수 n-부탄올,
(26) 대략 0.4%의 나트륨 이소부톡사이드를 포함하는 무수 이소부탄올,
(27) 0.3%의 나트륨 3-메틸부톡사이드를 포함하는 무수 이소아밀 알코올,
(28) 0.3%의 나트륨 2-에틸헥스옥사이드를 포함하는 2-에틸헥실 알코올.
상기 용액을 실온(26℃)에서 자석 교반기로 12시간동안 교반하였다. 트랜스-에스테르화의 진행은 적은 당량의 반응 혼합물을 GC-MS에 의해 분석함으로써 모니터링하였다. R1 또는 R2가 각각 메틸이거나, R1 또는 R2 중 하나가 메틸이고 다른 하나가 에틸, n-부틸, 이소부틸, 이소아밀 또는 2-에틸헥실인 화합물 (4) 및 (11)의 혼합물이 검출되었다.
실시예 24 및 실시예 25에서 제조 및 관찰된 모노케탈 (4) 및 디케탈 (11)의 대표적인 질량-스펙트럼이 각각 도 3a, 도 3b 및 도 4a, 도 4b에 개시되어 있다.
GC-MS 분석으로 판단하여 상기 트랜스-에스테르화 반응이 실질적으로 완료된 후, 0.4-0.5 g의 분말형 무수 인산 2수소 칼륨을 첨가하고 실온에서 24시간동안 격렬하게 교반함으로써 상기 반응 혼합물을 중화시켰다. 이후, 상기 용액을 여과하였고, 각 샘플이 일정한 중량에 도달할 때까지 각 샘플로부터 과량의 알코올을 회 전형 증발기로 감압하에 증류해 제거하였다. 결과물인 오일성 생성물을 GC-MS로 분석하였으며, 주로 화합물 (4) 및 (11)(이때, R1 및 R2는 동일하고, R1 및 R2는 에틸, n-부틸, 이소부틸, 이소아밀, 2-에틸헥실로부터 선택됨)을 포함하는 것으로 나타났다.
실시예 29 내지 실시예 40
레불린산 케탈 부가물 (4) 및 (11)을 포함하는 출발 물질을 실시예 18, 20, 21, 22, 23A 및 23B에 따라 제조하고, 결과물인 생성 혼합물의 R1 및 R2가 에틸 또는 n-부틸로부터 선택되며, 트랜스-에스테르화하기 전 출발 물질 내의 함량에 부합되는 양으로 헥사데칸산 또는 옥타데칸산의 에틸 또는 n-부틸 에스테르를 다양한 소량으로 포함하는 것을 제외하고는, 실시예 24 및 실시예 25에 따라 트랜스-에스테르화 반응을 수행하였다.
실시예 41
화합물 (4) 및 (11)을 포함하는 가소화된 PCV 조성물을 제조하였다. 실시예 18 내지 실시예 40에 따라 제조된 다양한 양의 케탈 (4) 및 (11)을 포함하는 순수한 가소제 화합물의 혼합물 샘플을, 최종 가소제 함량 20 중량%, 40 중량% 또는 60 중량%를 제공하는데 비례하여 건조 PCV 분말(평균 Mn ca. 55,000, 평균 Mw 97,000, 내재점도(inherent viscosity) 0.92, 상대점도 2.23, 시그마-알드리치사, Cat. No. 34,677-2)을 넣은 20 ㎖ 유리 바이알에서 완전히 미리 혼합하였다. 비스-(2-에틸헥실) 프탈레이트, 비스-(2-에틸헥실) 세바케이트 및 에폭시화 대두유(Vicoflex 브랜드, Arkema)를 참고 가소제로 사용하였다. 각각의 결과 혼합물을 미리 청소한 Daca Microcompounder (Daca Instruments)의 소형 2축 혼합-압출기 챔버 내로 질소 분위기 하에 개별적으로 공급하였으며, 이때 혼합 챔버는 160℃로 가열하였고, 모터 속도는 100 rpm으로 세팅하였다. 이후, 상기 혼합물을 약 5분간 혼합하였다. 이어서, 결과물인 용융물을 유연한 막대(직경 3 ㎜) 형태로 혼합 챔버로부터 압출해 내었고, 이를 주위 공기에서 실온까지 즉시 냉각시켰다.
상기 압출된 막대로부터 자른 가소화된 PVC 표본을 이용하여 유리전이온도 데이터(시차 주사 열량계에 의함) 및 가소제 삼출 데이터를 수집하였다.
가소화되지 않은 폴리머와 비교할 때 유리전이온도가 낮게 관찰되는 것으로부터 판단할 때, 화합물 (4) 및/또는 (11)을 포함하는 모든 화합물의 혼합물은 만족스러운 가소화 특성을 갖는 것으로 나타났다. 상기 화합물은 또한 뛰어난 폴리머 상용성 특성을 가지며, 스트레스 삼출 테스트에서 삼출액이 최소 또는 무시할 수 있는 정도인 것으로 나타났다. 실시예 18 내지 실시예 40에 따라 제조된 화합물의 혼합물의 가소화 효능은 비스-(2-에틸헥실) 프탈레이트와 필적하거나 더 뛰어난 것으로 나타났다. PVC 상용성 및 삼출 특성 또한 시험된 가소제 농도에서 에폭시화 대두유 및 비스-(2-에틸헥실) 프탈레이트보다 뛰어난 것으로 나타났다.
상기 가소화 효능과 상용성의 최적의 조합은 시험된 조건하에서 상기 가소제 화합물의 혼합물이 주로 모노케탈 (4) 및/또는 디케탈 (11)(이때, R1 및 R2는 에틸 또는 n-부틸임)을 포함할 때 관찰되었다. 아울러, 알킬 헥사데카노에이트 및 알킬 옥타데카노에이트의 농도가 상기 가소제 중량의 약 5% 이하인 모노케탈 (4) 및 디케탈 (11)을 포함하는 가소제 혼합물의 샘플은 PVC와의 가소제 상용성이 보다 뛰어난 것으로 나타났고, 알킬 헥사데카노에이트 및 알킬 옥타데카노에이트의 농도가 약 5%를 초과하는 샘플과 비교할 때 실질적으로 삼출이 없는 것으로 나타났다.
실시예 42
혼합 챔버의 온도를 180℃로 세팅하고, 혼합 시간을 3분으로 세팅하고, 케탈 (4) 및 (11)을 포함하는 실시예 18 내지 실시예 40의 가소제 화합물의 혼합물을 5, 10, 20 및 30 중량%로 시험한 것을 제외하고는, 실시예 41에 따라 가소화된 PHB (폴리(3-히드록시부티레이트), 천연에서 유래, Tm 172℃, 시그마-알드리치사의 Cat. No. 36,350-2)의 샘플을 제조하였다. 가소제의 농도가 약 20% 이하이고, 대응하는 알킬 헥사데카노에이트 및 알킬 옥타데카노에이트의 함량이 가소제 중량의 약 1.5% 이하일 때, 시험된 조건하에서, R1 및 R2가 메틸 또는 에틸인 가소제 화합물의 혼합물은 만족스러운 가소화 효능 및 상용성을 갖는 것으로 나타났다.
실시예 43
39.8% 아세틸 함량 및 Mn ca. 30,000을 갖는 셀룰로오스 아세테이트 폴리머 (시그마-알드리치사의 Cat. No. 18,095-5)를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 42에 따라 가소제 폴리머 조성물을 제조하였다. 얻어진 결과는 실시예 42에서 사용된 PHB 폴리에스테르를 이용하여 얻어진 것과 유사하였다.

Claims (14)

  1. 하기 식을 갖는 화합물:
    Figure 112013033419660-pct00019
    상기에서, R1은 C1-C10의 선형 또는 분지형 알킬 또는 알콕시알킬이고;
    A 또는 B 중 하나는 수소이고, 다른 하나는 -COOR2의 에스테르화 카르복시기로서, 상기 R2는 C1-C10의 선형 또는 분지형 알킬 또는 알콕시알킬이며; 및
    m 및 n은 독립적으로 0 내지 20의 정수이고, m+n의 합은 8 내지 21 범위이다.
  2. 하기 식을 갖는 화합물:
    Figure 112013033419660-pct00020
    상기에서, X는 하기 화합물이고:
    Figure 112013033419660-pct00021
    상기에서, R3은 C1-C10의 선형 또는 분지형 알킬 또는 알콕시알킬이고;
    A 또는 B 중 하나는 수소이고, 다른 하나는 -COOR2의 에스테르화 카르복시기로서, 상기 R2는 C1-C10의 선형 또는 분지형 알킬 또는 알콕시알킬이며; 및
    m 및 n은 독립적으로 0 내지 20의 정수이고, m+n의 합은 8 내지 21의 범위이다.
  3. 하기 식을 갖는 화합물:
    Figure 112013033419660-pct00022
    상기에서, X는 하기 화합물로부터 선택되고:
    Figure 112013033419660-pct00023
    상기에서, R3은 C1-C10의 선형 또는 분지형 알킬 또는 알콕시알킬이고;
    A 또는 B 중 하나는 수소이고, 다른 하나는 -COOR2의 에스테르화 카르복시기로서, 상기 R2는 C1-C10의 선형 또는 분지형 알킬 또는 알콕시알킬이며; 및
    m 및 n은 독립적으로 0 내지 20의 정수이고, m+n의 합은 8 내지 21 범위이다.
  4. 하기 식을 갖는 화합물:
    Figure 112008043996586-pct00024
    상기에서, R1 및 R2는 독립적으로 C1-C10의 선형 또는 분지형 알킬 또는 알콕시알킬이다.
  5. 하기 식을 갖는 화합물:
    Figure 112008043996586-pct00025
    상기에서, R1 및 R2는 독립적으로 C1-C10의 선형 또는 분지형 알킬 또는 알콕시알킬이다.
  6. 하기 식을 갖는 화합물:
    Figure 112008043996586-pct00026
    상기에서, R1 및 R2는 독립적으로 C1-C10의 선형 또는 분지형 알킬 또는 알콕시알킬이다.
  7. 하기 식을 갖는 화합물:
    Figure 112008043996586-pct00027
    상기에서, R1 및 R2는 독립적으로 C1-C10의 선형 또는 분지형 알킬 또는 알콕시알킬이다.
  8. 하기 식을 갖는 화합물:
    Figure 112008043996586-pct00028
    상기에서, R1 및 R2는 독립적으로 C1-C10의 선형 또는 분지형 알킬 또는 알콕시알킬이다.
  9. 청구항 4 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 R1 및 R2는 독립적으로 메틸, 에틸, n-부틸, 이소부틸, 이소아밀 및 2-에틸헥실로 구성된 군으로부터 선택되는 화합물.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 R1 및 R2는 독립적으로 메틸, 에틸 및 n-부틸로 구성된 군으로부터 선택되는 화합물.
  11. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항의 화합물의 제조 방법으로서, 상기 방법은
    a) 에폭시화 지방산 에스테르, 및 레불린산 에스테르, 레불린산 및 안젤리카락톤으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 화합물을 제공하는 단계; 및
    b) 산 촉매의 존재하에 a)의 화합물들을 반응시키고, 그 결과 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항의 화합물을 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  12. a) 베이스 폴리머; 및
    b) 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항의 화합물을 포함하는 가소화 폴리머 조성물.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 베이스 폴리머는 비닐 클로라이드 폴리머, 폴리(3-히드록시알카노에이트) 폴리머 및 폴리사카라이드 폴리머로 구성된 군으로부터 선택되는 가소화 폴리머 조성물.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 베이스 폴리머는 비닐 클로라이드 폴리머인 가소화 폴리머 조성물.
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