Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung silikonisierter Partikel, zur Bildung und Stabilisierung von w/o Pickering Emulsionen. Außerdem betrifft die Erfindung mit diesen Partikeln gebildete w/o Pickering Emulsionen und deren Verwendung für chemische Reaktionen in mehrphasigen Lösungsmittelsystemen.

Unter einer Emulsion versteht man ein fein verteiltes Gemisch zweier normalerweise nicht mischbarer Flüssigkeiten, wie z.B. Wasser (hydrophil) und Öl (hydrophob). Um die Koaleszenz der in der hydrophilen Phase fein dispergierten Tröpfchen der hydrophoben Phase zu verhindern, d.h. um die Emulsion zu stabilisieren, wurden bisher meist grenzflächenaktive Stoffe wie Tenside oder Emulgatoren verwendet. Diese Verbindungen enthalten sowohl hydrophobe als auch hydrophile funktionelle Einheiten und stabilisieren die Grenzfläche zwischen dispergierter und kontinuierlicher Phase, indem sie die Grenzflächenspannung herabsetzen. Tenside finden breiten Einsatz in der Lebensmittel- und Kosmetikindustrie. Entscheidende Nachteile dieser Verbindungen sind allerdings eine hohe Umweltbelastung, relative Toxizität und geringe Biokompatibilität. Durch Desorption der Tenside von der Phasengrenze können unerwünschte Produktverunreinigungen entstehen. Außerdem weisen die meisten durch Tenside stabilisierten Emulsionen nur relativ geringe Lagerstabilität auf.

Feststoff-stabilisierte Emulsionen sind seit längerem bekannt. Nach ihrem Entdecker S. U. Pickering werden diese Pickering Emulsionen genannt. Pickering Emulsionen (PE) sind Emulsionen zweier nicht mischbarer Flüssigkeiten, die durch Nano- oder Mikropartikel thermodynamisch stabilisiert werden. Diese Partikel sind nicht grenzflächenaktiv, sondern bilden eine mechanische Barriere um die Tröpfchen der inneren Phase und verhindern so deren Koaleszenz. Da eine hohe Kraft aufgewendet werden muss, um die Partikel wieder von der Phasengrenzfläche zu entfernen, gelten sie als irreversivel angelagert. Die daraus resultierende hohe Lagerstabilität kennzeichnet einen entscheidenden Vorteil der Pickering Emulsionen gegenüber herkömmlichen, tensid-stabilisierten Emulsionen. Außerdem weisen sie eine höhere Resistenz gegen Änderungen des chemischen Milieus, geringe Toxizität und damit hohe Biokompatibilität auf.

Pickering Emulsionen werden bereits u.a. in kosmetischen Präparaten, in der Lebensmittelindustrie, als pharmazeutische Hilfsmittel („drug delivery") und als Template in der Materialsynthese eingesetzt.

Technisch etabliert sind bisher aber vor allem Emulsionen des Typs o/w (oil in water), d.h. die von Partikeln umgebene dispergierte Phase besteht aus einer hydrophoben Flüssigkeit, während die kontinuierliche Phase durch eine hydrophile Flüssigkeit gebildet wird. Stabilisiert werden diese o/w PE durch Partikel mit hydrophiler Oberfläche. Diese sind technisch leicht zu realisieren und finden deshalb breite Anwendung.

PE des Typs w/o (water in oil) sind dagegen bisher wenig beschrieben. Grund dafür sind die schwierig zu realisierenden, meist hydrophoben Oberflächeneigenschaften, die die Partikel zur Herstellung dieser PE aufweisen müssen.

Realisiert wurde dies bisher durch Einsatz von Nano- oder Mikropartikeln, die von Natur aus hydrophobe Eigenschaften besitzen oder deren Oberfläche aufwändig chemisch so modifiziert wurde, dass sie anschließend hydrophob vorliegt.

In der Literatur wurden von Rousseau [1] oder Gosh [2] Pickering Emulsionen beschrieben, die durch Nanopartikel, bestehend aus verfestigten Fetten, stabilisiert werden. Hikima und Nonomura [3] berichteten 201 1 den Einsatz von Keratinpartikeln für die Erzeugung von w/o PE. Lattuda und Hatton [4] sowie Xu [5] nutzten Janus-Partikel-artige Grundmaterialien zur Bildung von w/o PE.

JP 201 1 -178972 A beschreibt die Stabilisierung von w/o/w Pickering Emulsionen durch Partikel aus organischem Silikon. Diese enthalten einen kugelförmigen Hohlraum und lagern sich an der Grenzschicht zwischen Öl- und Wasserphase an.

Auch amphiphile Partikel werden zur Stabilisierung von w/o Pickering Emulsionen eingesetzt. US 6,585,983 B1 beschreibt die Beschichtung von Metalloxiden mit Sauerstoffverbindungen von Silizium oder Aluminium für die Herstellung der Emulsionen und die zusätzliche Stabilisierung durch Elektrolyte.

Den überwiegenden Teil hydrophobisierter Partikel bilden silanisierte Silicate (siehe Literatur von Midmore [6], Arditty et al. [7], Motornov et al. [8], Liu et al. [9], Qi et al. [10], Scott et al.

[1 1], Zhang et al. [12, 13]. Nur wenige andere Materialien kamen bislang zum Einsatz, wie z.B. durch Anhydride modifizierte Stärke, beschrieben von Rayner [14] und Eliasson [15].

Eine Publikation von Wu et al. [16] beschreibt die Stabilisierung von w/o Pickering Emulsionen durch hydrophobierte Siliziumdioxid-Nanopartikel, erhältlich durch Behandlung der Partikeloberfläche mit Trimethoxy(octadecyl)silan. Erstmals wurde dabei auch die Nutzung von Pickering Emulsionen zur Durchführung biokatalysierter Reaktionen in zweiphasigen Lösungsmittelsystemen beschrieben. Die Dokumente DE 19842732 A1 , DE 19842787 A1 , DE 19842730 A1 sowie DE 19842786 A1 beschreiben kosmetische Zusammensetzungen mit den Hauptkomponenten Öl und Wasser, enthaltend w/o oder o/w Pickering Emulsionen, welche durch mikrofeine Partikel stabilisiert werden. Diese Partikel können u.a. Bornitrid-Partikel oder Farbpigmente sein, die mit Dimethylpolysiloxan oder Polydimethylsiloxan beschichtet werden, um die Oberfläche amphiphil zu gestalten. Zur zusätzlichen Stabilisierung werden Emulgatoren und Detergenzien eingesetzt.

In der DE 19842732 A1 werden der Zusammensetzung zusätzlich nicht amphiphile Metalloxidpigmente zugesetzt.

In der DE 19842787 A1 enthalten die Zusammensetzungen zusätzlich einen Elektrolyten.

Die Zusammensetzungen nach DE 19842730 A1 enthalten zusätzlich mindestens ein Wachs oder ein Ölverdickungsmittel.

In der DE 19842786 A1 enthält die Ölphase mindestens eine Ölkomponente mit einer Viskosität kleiner als 30 mPa ^* s.

Keine der bisherigen Ansätze bietet eine generelle und einfach anzuwendende Methode zur Oberflächenmodifikation um ein breites Spektrum an Nano- oder Mikropartikeln für die Stabilisierung von w/o Pickering Emulsionen, insbesondere ohne weitere Zusätze, zugänglich zu machen. Es werden lediglich individuelle, auf die jeweiligen Partikel oder auf die jeweiligen Zusammensetzungen zugeschnittene Modifizierungen beschrieben, welche oftmals nur unter erheblichem finanziellen und technischen Aufwand realisiert werden können.

Bisher ist eine industrielle Anwendung von w/o Pickering Emulsionen durch diese Schwierigkeiten erheblich beschränkt.

EP 201 1865 B1 und EP 2163617 B1 beschreiben neue Enzympräparate, die in biokatalysierten Reaktionssystemen im industriellem Maßstab zum Einsatz kommen. Dabei werden Enzyme oder Enzyme enthaltende Mikroorganismen auf inerten Trägermaterialien immobilisiert, um chemische Reaktionen, bevorzugt in wässrigem Milieu, zu katalysieren. Um eine höhere Stabilität der Träger gegenüber mechanischen Kräften zu gewinnen und die Desorption der Enzyme vom Trägermaterial zu verhindern, werden sie von einer Silikonschicht ummantelt, die durch eine Hydrosilylierungsreaktion erhältlich ist. Um die Enzympräparate nach Reaktionsende wieder aus dem System abtrennen zu können, sind Trägergrößen im Millimetermaßstab notwendig. Während in EP 201 1865 B1 das Silikonmaterial ausschließlich aus Siloxanen hergestellt wird, setzt es sich in EP 2163617 B1 aus Polysiloxanen und Polyethern zusammen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, um Partikel, sowohl organischen als auch anorganischen Ursprungs zu silikonisieren, das heißt mit einer Silikonbeschichtung zu versehen um diese zur Bildung von w/o Pickering Emulsionen einzusetzen. Dies erfordert eine einfach anzuwendende, generelle Methode der Oberflächenmodifizierung von Mikro- oder Nanopartikeln, die unabhängig von der Beschaffenheit und Struktur der Partikeloberfläche eingesetzt werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung silikonisierter, w/o Pickering Emulsionen bildender Partikel nach Methode a) oder b).

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung silikonisierter, w/o Pickering Emulsionen bildender Partikel nach Methode a) entspricht einer Hydrosilylierung umfassend die Schritte: i) Benetzung der unbeschichteten Partikel mit einem organischen Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch,

ii) Herstellen einer Reaktionsmischung A, enthaltend ein Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch, mindestens ein Si-H-funktionelles Polysiloxan der Formel (I) und mindestens einen mindestens zwei terminal ungesättigte Gruppen tragenden Polyether der Formel (II) sowie einen die Hydrosilylierung katalysierenden Katalysator,

iii) Inkontaktbringen der benetzten Partikel mit der Reaktionsmischung A unter Hydrosilylierungsbedingungen, bei Temperaturen von 0 - 100°C, bevorzugt 0 - 50°C, besonders bevorzugt 0 - 10°C, insbesondere 4°C,

iv) Durchmischung des Reaktionsansatzes bei 0 - 20°C, bevorzugt 0 - 10°C, besonders bevorzugt 0 - 5°C für 0,5 - 10 h, bevorzugt 1 - 7 h, besonders bevorzugt 2 - 5 h, insbesondere 4 h,

v) Verdampfen des Lösungsmittels oder Lösungsmittelgemischs und Inkubation bei 20 - 200°C für 1 bis 24 h.

wobei (I) = M _a D _b D' _c T _d Qe entspricht

mit

M = [R ¹ ₂ R ^2a SiOi _/2 ]

D' = [R ¹ R ^2b Si0 _2/2 ]

T = [R ¹ Si0 _3/2 ]

Q = [Si0 _4/2 ]

a = 2 bis 10,

b = 1 bis 800,

c = 0 bis 400, d = 0 bis 10,

e = 0 bis 10,

wobei R ¹ unabhängig voneinander gleich oder verschieden, ausgewählt aus der Gruppe umfassend: gesättigte oder ungesättigte, gegebenenfalls verzweigte Alkylgruppen mit 1 bis 30 C-Atomen, Alkarylreste mit 7 bis 30 C-Atomen, Arylreste mit 6 bis 30 C-Atomen, vorzugsweise Alkylgruppen mit 1 bis 4 C-Atomen oder Phenyl, insbesondere Methyl,

R ^2a unabhängig voneinander Wasserstoff oder R ¹ und

R ^2b unabhängig voneinander Wasserstoff oder R ¹ ist und wobei (II) =

(Ii)

entspricht, mit

x ₂ = 0 bis 100,

z = 0 bis 500,

W = Wasserstoff oder Methyl

wobei R ⁵ ein gegebenenfalls verzweigter, gegebenenfalls substituierter, gegebenenfalls Doppelbindungen tragender Alkylenrest mit 1 bis 30 C-Atomen,

R ⁶ unabhängig voneinander ein Rest ausgewählt aus der Gruppe umfassend H,

Methyl, Ethyl oder Phenyl ist,

mit der Maßgabe, dass wenn z = 0, x ₂ = 0 ist.

Es sei an dieser Stelle klargestellt, dass R ⁵ ein verzweigter oder unverzweigter, substituierter oder unsubstituierter, Doppelbindungen oder keine Doppelbindungen tragender Alkylenrest mit 1 bis 30 C-Atomen ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung silikonisierter, w/o Pickering Emulsionen bildender Partikel nach Methode b) entspricht einer Vulkanisierung, umfassend die Schritte: i) Benetzung der unbeschichteten Partikel mit einem organischen Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch,

ii) Herstellen einer Reaktionsmischung B, enthaltend ein Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch und 10 bis 80 m% einer Vulkanisierungsmischung, bezogen auf die Gesamtmasse der Reaktionsmischung B, wobei die Vulkanisierungsmischung 20 bis 60 m% aliphatische und napthenische Kohlenwasserstoffe, 2 bis 7 m% Aminosilan und 0,1 bis 2 m% N-(3- (Trimethoxysilyl)propyl)ethylendiamin, bezogen auf die Gesamtmasse an Vulkanisierungsmischung, umfasst,

iii) Inkontaktbringen der benetzten Partikel mit der Reaktionsmischung B, bei Temperaturen von 0 - 100°C,

iv) Durchmischung des Reaktionsansatzes bei 0 - 80°C, für 10 min - 10 h, v) Verdampfen des Lösungsmittels oder Lösungsmittelgemischs und Inkubation bei 0 - 200°C für 1 bis 24 h.

Definitionsgemäss bedeuten m% Masseprozent, v% Volumenprozent und w% Gewichtsprozent.

Der Begriff silikonisierte Partikel bezeichnet Partikel, die vollständig oder partiell von einer Silikonschicht bedeckt sind.

Der Begriff Lösungsmittel bezeichnet, wenn nicht anders angegeben, sämtliche polare und unpolare organische Lösungsmittel.

Erfindungsgemäß werden unbeschichtete Partikel zur Herstellung der silikonisierten, w/o Pickering Emulsionen stabilisierenden Partikel eingesetzt.

In einer Ausführungsform der Erfindung bestehen die unbeschichteten Partikel aus organischen oder aus anorganischen Materialien oder aus getrockneten, beispielsweise lyophilisierten Mikroorganismen .

In einer Ausführungsform der Erfindung umfassen die anorganischen Materialien Metalle, Metalloxide, Mineralien, anorganische Polymere, metallhaltige Tonmaterialien, Zeolithe, Silikate, Hydrogele, Ambigele, Xerogele, beispielsweise Silicagel.

In einer Ausführungsform umfassen die organischen Materialien synthetische Polymere oder natürliche Polymere, beispielsweise Gelatine sowie Hydrogele, Ambigele, Xerogele, beispielsweise aus organischen Polymeren.

In einer Ausführungsform umfassen die getrockneten Mikroorganismen Enzyme enthaltende Einzeller. In einer Ausführungsform weisen die unbeschichteten Partikel einen Durchmesser von 1 nm bis 10 μηη, bevorzugt von 10 nm bis 700 nm, besonders bevorzugt 20 bis 250 nm auf.

Erfindungsgemäß erfolgt die Herstellung der silikonisierten Partikel entweder nach Methode a), welche einer Hydrosilylierung entspricht oder nach Methode b) welche einer Vulkanisierung entspricht.

Die Herstellung nach Methode a) erfolgt durch Hydrosilylierung Si-H-funktioneller Polysiloxane bei welcher als olefinischer Baustein ein mindestens zwei terminal ungesättigte Gruppen tragender Polyether eingesetzt wird. Das dabei entstehende Silikon entspricht einem Polyethersiloxan.

Erfindungsgemäß werden die Partikel vor der eigentlichen Reaktion mit einem organischen Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch benetzt.

In einer Ausführungsform ist das organische Lösungsmittel ausgewählt aus polaren und/ oder unpolaren Lösungsmitteln, beispielsweise Cyclohexan oder Toluol oder Isopropanol.

In einer Ausführungsform ist das Lösungsmittelgemisch ein Gemisch verschiedener unpolarer Lösungsmittel oder es ist ein Gemisch polarer und unpolarer Lösungsmittel oder es ist ein Gemisch verschiedener polarer Lösungsmittel.

In einer Ausführungsform beträgt die Menge an Partikeln im Lösungsmittel während der Benetzung 20 bis 200% (w/v), bevorzugt 40 bis 100% (w/v), besonders bevorzugt 50 bis 70% (w/v).

Die Benetzung erfolgt unter Rühren der Partikel im Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch über 10 min bis 24 h, bevorzugt 10 min bis 10 h, besonders bevorzugt 10 min bis 1 h.

In einem zweiten Reaktionsgefäß wird eine Reaktionsmischung A, aus einem Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch, mindestens einem Si-H-funktionellem Polysiloxan der Formel (I) und mindestens einem, mindestens zwei terminal ungesättigte Gruppen tragendem Polyether der Formel (II) sowie einem die Hydrosilylierung katalysierenden Katalysator hergestellt.

Die Hydrosilylierung kann in Gegenwart oder in Abwesenheit von Lösungsmittel durchgeführt werden. Die Reaktion wird jedoch bevorzugt in geeigneten Lösungsmitteln, wie beispielsweise aliphatischen oder aromatischen Kohlenwasserstoffen, cyclischen Oligosiloxanen, Alkoholen, Estern, durchgeführt. Geeignete Lösungsmittel sind insbesondere CPME oder Toluol.

In einer Ausführungsform ist die Konzentration der Silylierungsreagenzien im Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch 0,1 bis 9% (w/v), bevorzugt 0,5 bis 5% (w/v), besonders bevorzugt 1 bis 3 % (w/v).

Als Si-H-funktionelle Polysiloxane werden vorzugsweise Si-H-Polysiloxane der allgemeinen Formel (I) eingesetzt,

M _a D _b D' _c T _d Q _e (I) wobei

M = [R ¹ ₂ R ^2a SiOi _/2 ] D' = [R ¹ R ^2b Si0 _2/2 ] T = [R ¹ Si0 _3/2 ] Q = [Si0 _4/2 ]

N ¹ = a + b + c + d + e = 3 bis 850, vorzugsweise 6 bis 160, a = 2 bis 10, vorzugsweise 2 bis 4, insbesondere 2, b = 1 bis 800, vorzugsweise 2 bis 150, c = 0 bis 400, vorzugsweise 2 bis 75, d = 0 bis 10, vorzugsweise 0, e = 0 bis 10, vorzugsweise 0,

R ¹ unabhängig voneinander gleich oder verschieden, ausgewählt aus der Gruppe umfassend: gesättigte oder ungesättigte, gegebenenfalls verzweigte Alkylgruppen mit 1 bis 30 C-Atomen, Alkarylreste mit 7 bis 30 C-Atomen, Arylreste mit 6 bis 30 C-Atomen, vorzugsweise Alkylgruppen mit 1 bis 4 C-Atomen oder Phenyl, insbesondere Methyl,

R ^2a unabhängig voneinander Wasserstoff oder R ¹ und

R ^2b unabhängig voneinander Wasserstoff oder R ¹ , sind. Es ist dem Fachmann geläufig, dass die Verbindungen in Form eines Gemisches mit einer im Wesentlichen durch statistische Gesetze geregelten Verteilung vorliegen bzw. vorliegen können. Die Werte für die Indices a, b, c, d und e stellen deshalb üblicherweise Mittelwerte dar.

Erfindungsgemäß werden als mindestens zwei terminal ungesättigte Gruppen tragende Polyether solche der allgemeinen Formel (II): eingesetzt,

(Ii) wobei

Xi = 0 bis 200, vorzugsweise 1 bis 200, insbesondere 3 bis 100, x ₂ = 0 bis 100, vorzugsweise 1 bis 100, insbesondere 3 bis 100, z = 0 bis 500, vorzugsweise 0 bis 100, W = Wasserstoff oder Methyl, bevorzugt Wasserstoff,

R ⁵ ein gegebenenfalls verzweigter, gegebenenfalls substituierter, gegebenenfalls Doppelbindungen tragender Alkylenrest mit 1 bis 30 C-Atomen,

R ⁶ unabhängig voneinander ein Rest ausgewählt aus der Gruppe umfassend H, Methyl, Ethyl oder Phenyl ist, mit der Maßgabe, dass wenn z = 0, x ₂ = 0 ist.

Es ist dem Fachmann geläufig, dass die Verbindungen in Form eines Gemisches mit einer im Wesentlichen durch statistische Gesetze geregelten Verteilung vorliegen bzw. vorliegen können. Die Werte für die Indices Xi und x ₂ stellen deshalb üblicherweise Mittelwerte dar.

In einer Ausführungsform wird ein Polyether der allgemeinen Formel (II) eingesetzt, wobei Xi + x ₂ größer als 1 , besonders bevorzugt größer als 3 ist.

In einer weiteren Ausführungsform wird ein Polyether der allgemeinen Formel (II) eingesetzt, wobei z = 0 ist. In einer bevorzugten Ausführungsform des Einsatzes von Polyethern als olefinischer Reaktionspartner wird ein Polyether der allgemeinen Formel (II) mit z = 0 eingesetzt, wobei

R ⁵ ein Alkylenrest mit 1 bis 30 C-Atomen, bevorzugt mit 1 bis 9 C-Atomen, besonders bevorzugt mit 1 bis 4 C- Atomen, insbesondere Methylen ist.

In einer Ausführungsform können auch Mischungen von Polyethern, die mindestens zwei terminal ungesättigte Gruppen tragen, als olefinische Reaktionspartner eingesetzt werden.

Zur Hydrosilylierung werden vorzugsweise Si-H-funktionelle Polysiloxane in Gegenwart von Katalysatoren, vorzugsweise Übergangsmetallkatalysatoren, mit Polyethern, die mindestens zwei terminal ungesättigte Kohlenwasserstoff-Gruppen tragen, umgesetzt.

Die Hydrosilylierung kann nach etablierten Methoden in Gegenwart eines Katalysators durchgeführt werden.

Dabei werden beispielsweise Katalysatoren verwendet ,die üblicherweise für Hydrosilylierungen eingesetzt werden, wie beispielsweise Platin-, Rhodium-, Osmium-, Ruthenium-, Palladium-, Iridium-Komplexe oder ähnliche Verbindungen bzw. die entsprechenden reinen Elemente oder deren auf Silica, Aluminiumoxid oder Aktivkohle oder ähnlichen Trägermaterialien immobilisierte Derivate.

In einer Ausführungsform wird die Hydrosilylierung in Gegenwart von Pt-Katalysatoren wie Cis-Platin oder Karstedt-Katalysator [Tris(divinyltetramethyldisiloxan)bis-platin] durchgeführt.

In einer Ausführungsform beträgt die eingesetzte Menge an Katalysator 10 ^"7 bis 10 ^"1 mol pro mol Olefin bzw. pro mol endständiger Kohlenstoff-Kohlenstoff Doppelbindung, bevorzugt 1 bis 100 ppm.

In einer Ausführungsform werden, bezogen auf die Masse der eingesetzten Partikel 0.5 bis 50 m%, bevorzugt 1 bis 40 m%, besonders bevorzugt 1 bis 25 m-% an Siloxan- und Polyetherkomponenten eingesetzt. Die Siloxan- und Polyetherkomponenten setzen sich insbesondere aus der Summe der Verbindungen der Formel (I) und (II) bzw. aus deren Reaktionsprodukten zusammen.

Die Hydrosilylierung kann unter Verwendung verschiedener Verhältnisse der Verbindungen der Formeln (I) zu Verbindungen der Formeln (II) durchgeführt werden.

In einer Ausführungsform erfolgt die Hydrosilylierung bei einem molaren Verhältnis der Verbindungen (I) und (II) bezogen auf die reaktiven Gruppen von 1 : 10 bis 10 : 1 , bevorzugt von 1 : 5 bis 5 : 1 , besonders bevorzugt von 1 : 1 ,5 bis 1 ,5 : 1 und ganz besonders bevorzugt von 1 : 1 bis 1 : 1. Das erfindungsgemäße Verfahren nach Methode a) zeichnet sich auch dadurch aus, dass die Hydrosilylierung bei besonders tiefen Temperaturen stattfindet, sodass eine homogenere Stuktur des Polymernetzwerks entsteht.

Die Hydrosilylierung wird vorzugsweise bei Temperaturen von 0 bis 100 °C, bevorzugt 0 bis 50°C, besonders bevorzugt 0 - 20°C, insbesondere 4°C durchgeführt.

Vorteilhaft wird die Hydrosilylierung bei vergleichsweise tiefen Temperaturen durchgeführt. Die dadurch verlangsamte Reaktionsgeschwindigkeit ermöglicht vorteilhaft eine stärkere Durchmischung der Hydrosilylierungskomponenten, sodass hydrophile und hydrophobe Komponenten homogener innerhalb des Polymernetzwerks verteilt werden, als es bei hohen Temperaturen der Fall wäre. Vorteilhaft ist dabei auch die gleichmäßigere Beschichtung der Partikelaggregate innerhalb der Polymerisationsreaktion. Höhere Temperaturen und daraus resultierende höhere Polymerisationsgeschwindigkeiten führen zu unvorteilhafter Verklumpung und Vergrößerung der Aggregate.

Zu Beginn der Hydrosilylierung werden zunächst die benetzten Partikel mit der Reaktionsmischung A, enthaltend ein Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch, Si-H- funktionelles Polysiloxan der Formel (I) und mindestens zwei terminal ungesättigte Gruppen tragender Polyether der Formel (II) sowie einen die Hydrosilylierung katalysierenden Katalysator bei Temperaturen von 0 bis 100°C, bevorzugt 0 bis 50°C, besonders bevorzugt 0 - 20°C, insbesondere 4°C in Kontakt gebracht.

Während der anschließenden Durchmischung des Reaktionsansatzes erfolgt die Vernetzung der Polymere. Die Durchmischung findet bevorzugt bei Temperaturen von 0 - 20°C, besonders bevorzugt 0 - 10°C, ganz besonders bevorzugt 0 - 5°C statt. Durch die milden Reaktionsbedingungen bildet sich ein homogenes Polymernetzwerk aus. Damit ist gewährleistet, dass die Silikonbeschichtung in allen Bereichen ähnliche bis gleiche Hydrophobie bzw. Hydrophilie aufweist. Der Durchmisschungsprozess wird bei diesen Temperaturen für 0,5 - 10 h, bevorzugt 1 - 7 h, besonders bevorzugt 2 - 5 h, insbesondere 4 h durchgeführt.

Ein Großteil des Lösungsmittel (-gemischs) wird anschließend durch bei Temperaturen von 0 bis 200°C, bevorzugt 20 bis 100°C, besonders bevorzugt 50 bis 60°C über einen Zeitraum von - je nach Lösungsmittel - 0.1 bis 4h entfernt, wobei die Vernetzung der Polymere fortschreitet.

Um das Lösungsmittel komplett zu entfernen und die Polymerisation abzuschließen, werden die silikonisierten Partikel (-aggregate) bei 20 bis 200°C, bevorzugt 30 - 100°C, besonders bevorzugt 50 - 60°C inkubiert, wobei das Silikon aushärtet und die silikonisierten Partikel (- aggregate) liefert.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Methode a) werden die Partikel zunächst mit einem geeigneten Lösungsmittel, beispielsweise Cyclohexan oder Toluol, oder einem Lösungsmittelgemisch, beispielsweise aus Isopropanol und Hexan unter Rühren über 12 bis 24 h benetzt.

In einer Ausführungsform beträgt die Menge an Partikeln im Lösungsmittel während der Benetzung 20 bis 200% (w/v), bevorzugt 40 bis 100% (w/v), besonders bevorzugt 50 bis 70% (w/v).

Parallel dazu werden bei tiefen Temperaturen von beispielsweise 4°C die Silikonreagenzien (Verbindungen der Formeln (I) und (II) plus Katalysator) in einem geeigneten Lösungsmittel beispielsweise Cyclohexan, Toluol oder einem anderen organischen Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch, beispielsweise aus Isopropanol und Hexan gelöst.

In einer Ausführungsform ist die Konzentration der Silikonreagenzien bzw. Silylierungsreagenzien im Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch 0,1 bis 9% (w/v), bevorzugt 0,5 bis 5% (w/v), besonders bevorzugt 1 bis 3 % (w/v).

Anschließend wird bei beispielsweise 4°C die Partikel-Suspension mit der Reaktionsmischung der Silikonreagenzien versetzt. So werden z. B. zu 1 g der jeweiligen Partikel eine Mischung von Verbindungen der Formel (I) und (II) im molaren Mischungsverhältnis von 1 :1 sowie Karstedt-Kat, bspw. 50 ppm bezogen auf die vorhandene Menge an Siliconkomponenten, gegeben und die Hydrosilylierung findet bei tiefen Temperaturen von beispielsweise 4°C statt. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, nach Zugabe der Reaktionsmischung zu den Partikeln diese Mischung für ca. 4h bei beispielsweise 4°C stark zu rühren, z. B. durch einen Magnetrührer und die Temperatur dann über mindestens 30 min langsam auf 50 bis 60°C zu erhöhen. Anschließend werden die erhaltenen silikonisierten Partikelaggregate im Trockenschrank bei 50°C beispielsweise für 12 Stunden getrocknet bzw. gehärtet.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung silikonisierter, w/o Pickering Emulsionen bildender Partikel nach Methode b) entspricht einer Vulkanisierung, umfassend die Schritte: i) Benetzung der unbeschichteten Partikel mit einem organischen Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch,

ii) Herstellen einer Reaktionsmischung B, enthaltend Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch und 10 bis 80 m% einer Vulkanisierungsmischung, bezogen auf die Gesamtmasse der Reaktionsmischung B, wobei die Vulkanisierungsmischung 20 bis 60 m% aliphatische und napthenische Kohlenwasserstoffe, 2 bis 7 m% Aminosilan und 0,1 bis 2 m% N-(3- (Trimethoxysilyl)propyl)ethylendiamin, bezogen auf die Gesamtmasse an Vulkanisierungsmischung, umfasst

iii) Inkontaktbringen der benetzten Partikel mit der Reaktionsmischung B, bei Temperaturen von 0 - 100°C,

iv) Durchmischung des Reaktionsansatzes bei 0 - 80°C, für 10 min - 10 h, v) Verdampfen des Lösungsmittels und Inkubation bei 0 - 200°C für 1 bis 24 h.

Erfindungsgemäß werden die Partikel vor der eigentlichen Reaktion mit einem organischen Lösungsmittel benetzt.

In einer Ausführungsform ist das organische Lösungsmittel ausgewählt aus polaren und/ oder unpolaren Lösungsmitteln, beispielsweise Cyclohexan oder Toluol oder Isopropanol.

In einer Ausführungsform ist das Lösungsmittelgemisch ein Gemisch verschiedener unpolarer Lösungsmittel oder es ist ein Gemisch polarer und unpolarer Lösungsmittel oder es ist ein Gemisch verschiedener polarer Lösungsmittel.

Die Benetzung erfolgt unter Rühren der Partikel im Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch über 10 min bis 24 h, bevorzugt 10 min bis 10 h, besonders bevorzugt 10 min bis 1 h.

In einer Ausführungsform beträgt das Massenverhältnis Partikel zu Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch während der Benetzung 1 :6 bis 1 :1 , bevorzugt 1 :4 bis 1 :1 , besonders bevorzugt 1 :3 bis 1 :1 , insbesondere 1 :2.

In einem zweiten Reaktionsgefäß wird eine Reaktionsmischung B, enthaltend Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch und eine Vulkanisierungsmischung hergestellt.

Erfindungsgemäß beträgt der Anteil an Vulkanisierungsmischung an der Reaktionsmischung B 10 bis 80 m% bezogen auf die Gesamtmasse der Reaktionsmischung B.

Bevorzugt beträgt der Anteil an Vulkanisierungsmischung an der Reaktionsmischung 20 bis 70 m%, besonders bevorzugt 30 bis 50 m%, bezogen auf die Gesamtmasse der Reaktionsmischung B. Erfindungsgemäß enthält die Vulkanisierungsmischung 20 bis 60 m%, bevorzugt 25 bis 55 m%, besonders bevorzugt 25 bis 50 m% aliphatische und napthenische Kohlenwasserstoffe, bezogen auf die Gesamtmasse der Vulkanisierungsmischung.

Erfindungsgemäß enthält die Vulkanisierungsmischung 2 bis 7 m%, bevorzugt 2 bis 6 m%, besonders bevorzugt 3 bis 5 m% Aminosilan, bezogen auf die Gesamtmasse der Vulkanisierungsmischung.

In einer Ausführungsform ist das Aminosilan Methyl-tris-n-butyl-aminosilan.

Erfindungsgemäß enthält die Vulkanisierungsmischung 0,1 bis 2 m%, bevorzugt 0,2 bis 1 ,5 m%, besonders bevorzugt 0,3 bis 1 m% N-(3-(Trimethoxysilyl)propyl)ethylendiamin, bezogen auf die Gesamtmasse an Vulkanisierungsmischung.

Aber auch andere Zusammensetzungen der Vulkanisierungsmischung, die der Herstellung von Silikon durch Vulkanisierung dienen, sind von der Erfindung umfasst.

Die Vulkanisierung kann in Gegenwart oder in Abwesenheit von Lösungsmittel durchgeführt werden. Die Reaktion wird jedoch bevorzugt in organischen Lösungsmitteln oder Lösungsmittelgemischen durchgeführt. In einer Ausführungsform sind die Lösungsmittel ausgewählt aus aliphatischen oder aromatischen Kohlenwasserstoffen, cyclischen Oligosiloxanen, Alkoholen, Estern und/oder Ethern. Geeignete Lösungsmittel sind insbesondere CPME oder Toluol.

In einer Ausführungsform beträgt das Massenverhälnis der eingesetzten Partikel zu Vulkanisierungsmischung 6:1 bis 1 :1 , bevorzugt 5:1 bis 1 :1 .

Im nächsten Schritt werden die benetzten Partikel mit der Reaktionsmischung in Kontakt gebracht und durchmischt.

Erfindungsgemäß erfolgt dies bei Temperaturen von 0 - 100°C, bevorzugt 10 - 50°C, besonders bevorzugt 15 - 35°C, insbesondere bei Raumtemperatur.

Erfindungsgemäß erfolgt die Durchmischung der Partikel und der Reaktionsmischung bei Temperaturen von 0 - 80°C, bevorzugt 10 - 70°C, besonders bevorzugt 30 - 70°C für 0,5 - 10 h, bevorzugt 1 - 7 h, besonders bevorzugt 2 - 5 h, insbesondere 4 h.

In einer Ausführungsform handelt es sich bei den Partikeln um getrocknete Mikroorganismen, und Inkontaktbringen und Durchmischung der Partikel mit der Reatktionsmischung erfolgen bevorzugt bei 35 bis 40°C. Dabei findet die Vernetzung der Komponenten der Vulkanisierungsmischung statt und die Partikel werden von dem gebildeten Silikon beschichtet.

Erfindungsgemäß erfolgt nach abgeschlossener Reaktion das Verdampfen des Lösungsmittels und die Inkubation des Reaktionsansatzes bei 0 bis 200°C, bevorzugt 20 bis 100°C, besonders bevorzugt 30 bis 60°C statt für 1 bis 24 h.

In einer Ausführungsform weisen die erfindungsgemäß silikonisierten Partikel eine vollständige oder partielle Beschichtung aus Silikon auf.

In einer Ausführungsform weisen die Partikel eine partielle Beschichtung aus Silikon auf.

Silikone sind für ihre hervorragende Biokompatibilität und geringe Toxizität bekannt. Siloxane unterschiedlichster Funktionalität sind einfach und kostengünstig kommerziell erhältlich. Durch individuelle Auswahl der an der Netzwerkbildung beteiligten Siloxane kann man die physiochemischen Eigenschaften der Silikone, inklusive der Hydrophobizität bestimmen und regulieren.

Da es sich bei der erfindungsgemäßen Beschichtung nicht um eine kovalent an den Partikel gebundene Beschichtung handelt, stellt dies eine generelle Methode der Oberflächenmodifizierung von Mikro- und Nanopartikeln dar, die völlig unabhängig von Beschaffenheit und Struktur der Partikeloberfläche einsetzbar ist. Damit ist sie für ein breites Spektrum an Mikro- und Nanopartikeln zugänglich.

In einer Ausführungsform weisen die einzelnen silikonisierten Partikel eine nur partielle Beschichtung aus Silikon auf. Grund dafür ist die extrem hohe spezifische Oberfläche der ursprünglichen Nanopartikel, wodurch diese stark zu Agglomeration neigen, das heißt, die Partikel liegen stets als Cluster/ Agglomerate vor. Während der Polymerisations- oder Vulkanisationsreaktion werden diese Agglomerate mit Silikon umhüllt und es bilden sich deshalb zunächst silikonisierte Aggregate der Partikel.

Erst während des Dispersionsvorgangs zur Herstellung der w/o Pickering Emulsion werden diese Aggregate mechanisch zerstört und in die einzelnen Partikel zerlegt. Die Silikonschicht wird dabei zerrissen und auf der Oberfläche der einzelnen Partikel bleiben nur jeweils „Inseln" aus Silikon zurück. Mit der unvollständigen Beschichtung erhöht sich die Amphiphilie der Partikel, das heißt, die Oberfläche weist sowohl hydrophobe als auch hydrophile Bereiche auf. Damit gewinnen die Partikel zusätzlich stabilisierenden Charakter für die w/o Pickering Emulsion.

In einer Ausführungsform beträgt der Anteil an Silikon 0.5 bis 70% der Gesamtmasse der silikonisierten Partikel, besonders bevorzugt 1 bis 50% der Gesamtmasse, ganz besonders bevorzugt 1 bis 30% der Gesamtmasse der silikoniserten Partikel. Der Massenanteil an Silikon an der Gesamtmasse kann über die eingesetzten Mengen an Monomeren während der Hydrosilylierungsreaktion eingestellt werden.

Zudem weisen die erfindungsgemäßen Partikel eine äußerst hohe Biokompatibilität und geringe Toxizität auf, welches ein klarer Vorteil gegenüber den bisher eingesetzten grenzflächenaktiven Substanzen, wie Tensiden und Emulgatoren, ist.

Neben den erfindungsgemäßen Methoden a) und b) kann die Silikonbeschichtung auch durch Metallsalz-katalysierte Kondensation von Siloxanen und Silanolen hergestellt werden.

Das erfindungsgemäß hergestellte Silikon weist einen Phasenkontaktwinkel Θ von 0° bis 180°, bevorzugt von 20° bis 90°, besonders bevorzugt von 50° bis 60°, ganz besonders bevorzugt von 55° bis 59° auf und trägt damit eher hydrophile Eigenschaften.

Die Hydrophilie oder Hydrophobie der Oberfläche der Partikel spielt bei der Stabilisierung von Pickering Emulsionen eine entscheidende Rolle. Eine Orientierung wie die Oberfläche sich diesbezüglich verhält, bietet der Phasenkontaktwinkel Θ. Der Phasenkontakwinkel Θ ist der Winkel, der sich zwischen kontinuierlicher (äußerer) Phase und dispergierten Tropfen auf der Oberfläche der Partikel ausbildet und wird durch goniometrische Messungen verifiziert. Wenn θ<90°, d.h. bei hydrophilen Partikeloberflächen bilden sich meist o/w Pickering Emulsionen aus. Bei Phasenkontaktwinkeln von >90°, das heißt, bei besonders hydrophoben Oberflächen der Partikel, sollten, laut Literatur, bevorzugt w/o Pickering Emulsionen ausgebildet werden.

Überraschend und entgegen der vorherrschenden Meinung der Fachwelt, bilden sich mit den erfindungsgemäß silikonisierten Partikeln trotz eines Phasenkontraktwinkels des Silikons von Θ < 90°, stabile w/o Pickering Emulsionen aus.

Die Erfindung präsentiert damit eine kostengünstige und einfach anzuwendende, generelle Methode der Oberflächenmodifizierung von Mikro- oder Nanopartikeln, unabhängig von der Beschaffenheit und Struktur der Partikeloberfläche. Außerdem stellt das Verfahren w/o Pickering Emulsion bildende Partikel geringer Toxizität und hoher Biokompatibilität bereit

Gegenstand der Erfindung sind auch silikonisierte Partikel, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Diese Partikel eignen sich hervorragend zur Stabilisierung von w/o Pickering Emulsionen. Die Erfindung umfasst auch w/o Pickering Emulsionen, enthaltend die erfindungsgemäß oder nach dem Stand der Technik hergestellten silikonisierten Partikel, eine kontinuierliche Phase sowie eine dispergierte Phase (Fig.1 ) vi) wobei die kontinuierliche Phase der w/o Pickering Emulsion ausgewählt ist aus Lösungsmitteln, die eine Wasserlöslichkeit von <200g/l H ₂ 0 aufweisen, wobei die dispergierte Phase der w/o Pickering Emulsion ausgewählt ist aus Wasser, wässrigen Lösungen von organischen oder anorganischen Salzen, Hydrogelen oder stark eutektischen Lösungsmitteln wobei das Mischungsverhältnis der dispergierte Phasen zur kontinuierlichen Phase in der w/o Pickering Emulsion 1 :1 bis 1 :100 beträgt

wobei silikonisierte Partikel aus einem Partikel-Material oder aus einer Mischung von Partikeln verschiedener Partikel-Materialien verwendet werden können

Pickering Emulsionen sind Feststoff-stabilisierte Emulsionen, in denen Partikel einen mechanisch stabilen Feststoffilm um die dispergierte (innere) Phase bilden. Die Partikel gelten als irreversibel angelagert, woraus eine hohe Lagerstabilität und hohe Toleranz gegenüber Änderungen des chemischen Milieus resultiert.

Für die erfindungsgemäß hergestellten w/o Pickering Emulsionen bevorzugte Lösungsmittel der kontinuierlichen Phase sind alle Lösungsmittel, die eine Wasserlöslichkeit von <200g/l H ₂ 0, bevorzugt <175g/l H ₂ 0, besonders bevorzugt <150g/l H ₂ 0 aufweisen, bevorzugt ausgewählt aus verzweigten, cyclischen oder aliphatischen C5- bis C18-Kohlenwasserstoffen (z.B. Methylcyclohexan, Cyclohexan, Pentan, Hexan, Heptan), aromatischen Kohlenwasserstoffen (z.B. Toluol, Xylen), aliphatischen und verzweigten Dialkylethern, insbesondere C4- bis C10-Dialkylether (z.B. Methyl-tert-butylether (MTBTE), Diethylether, Dibutylether, Diisopropylether), aromatischen Ethern (z.B. Anisol) cyclischen Ethern (z.B. Cyclopentylmethylether (CPME)), alicyclischen Ethern (z.B. Tetrahydrofuran (THF), 2-Methyltetrahydrofuran (MTHF) verzweigten und unverzweigten Alkylketonen, insbesondere C2- bis C10 Ketonen (z.B. 2-Pentanon, 2-Hexanon, Methylisobutylketon (MIBK)) aliphatischen und verzweigten Dialkylestern, insbesondere C4- bis C20- Dialkylester, langkettigen aliphatischen Alkoholen, bevorzugt C5- bis C20- Alkoholen sowie aliphatische Etheralkohole wie bspw. Methoxypropanol, und Mischungen davon.

Die in den erfindungsgemäßen w/o Pickering Emulsionen verwendeten Lösungsmittel für die dispergierte Phase umfassen:

Wasser und wässrige Lösungen von organischen und anorganischen Salzen, insbesondere Puffersysteme (z.B. Kaliumphosphatpuffer, Triethylaminpuffer),

Hydrogele z.B. 0.5 bis 3% Agarosegel, 5 bis 30% Gelatine,

Stark eutektische Lösungsmittel (z.B. Cholinchlorid:Urea, Cholinchlorid:Glycerin).

Die Mischungsverhältnisse von dispergierter Phase zu kontinuierlicher Phase werden ausgewählt aus 1 :1 bis 1 :100, bevorzugt aus 1 :2 bis 1 :50, besonders bevorzugt aus 1 :5 bis 1 :20, vorzugsweise 1 :10.

Die zur Herstellung der erfindungsgemäßen Pickering Emulsion verwendeten silikonisierten Partikel bestehen entweder aus einem Material oder es handelt sich um eine Mischung von Partikeln verschiedener Materialien. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Pickering Emulsion ausschließlich durch silikonisierte Montmorillonite-Nanopartikel stabilisiert werden. Die Stabilisierung kann aber auch beispielsweise durch eine Mischung silikonisierter Montmorillonite-Nanopartikel und silikonisierter Titanoxid-Nanopartikel erfolgen.

In einer Ausführungsform erfolgt die Herstellung der erfindungsgemäßen Pickering Emulsion mit den Schritten

Benetzung der mit Silikon beschichteten Partikel mit Lösungsmittel der kontinuierlichen Phase, wobei eine Suspension aus kontinuierlicher Phase und Partikeln gebildet wird

- Zugabe der zu dispergierenden Phase zu der Suspension

Homogenisierung der Mischung aus dispergierter Phase, kontinuierlicher Phase und Partikeln

Bevorzugt geht der Herstellung der erfindungsgemäßen w/o Pickering Emulsion der Emulsionsbildung die Benetzung der erfindungsgemäß silikonisierten Partikelaggregate mit Lösungsmittel der kontinuierlichen Phase voraus. Dies geschieht zunächst für 5 bis 120 s, bevorzugt 10 bis 90 s, besonders bevorzugt 20 s mittels Vortexmischer, auf dem die Suspension durch Vibration gut durchmischt wird und die Partikelaggregate bereits teilweise aufgebrochen werden. Es bildet sich eine Suspension aus Partikeln und kontinuierlicher Phase.

In einer Ausführungsform beträgt der Anteil an Partikeln im Lösungsmittel 0,1 bis 10% (w/v), bevorzugt 0,2 bis 2% (w/v), besonders bevorzugt 0,5 bis 1 ,5 % (w/v).

Anschließend erfolgt die Inkubation der Partikel (-aggregate) in der kontinuierlichen Phase für 5 bis 60 min, bevorzugt 10 bis 40 min, besonders bevorzugt 20 min, gefolgt von nochmaliger Durchmischung mittels Vortexmischer für 5 bis 120 s, bevorzugt 10 bis 90 s, besonders bevorzugt 20 s.

Damit ist gewährleistet, dass die Partikel (-aggregate) ausreichend mit kontinuierlicher Phase benetzt sind, um sich dann an der Grenzfläche zur dispergierten Phase anzulagern, ohne von dieser eine zu starke Benetzung zu erfahren.

Zur Bildung der Emulsion wird der o.g. Suspension aus Partikel (-aggregaten) in kontinuierlicher Phase die Lösung der zu dispergierenden Phase zugegeben und die Mischung mittels Homogenisator bei Geschwindigkeiten von 1 .000 bis 40.000 rpm, bevorzugt 5.000 bis 30.000 rpm, besonders bevorzugt 8.000 rpm bis 25.000 rpm für 0,5 bis 10 min, bevorzugt 0,6 bis 5 min, besonders bevorzugt 1 bis 2 min homogenisiert. Die dabei auftretenden mechanischen Kräfte sorgen dafür, dass die Partikelaggregate vollständig aufgebrochen werden und die Stabilisierung der dispergierten Phase durch die einzelnen, silikonisierten Partikel stattfindet.

In einer weiteren Ausführungsform erfolgt zunächst die Benetzung der silikonisierten Partikel (-aggregate) mit Lösungsmittel der dispergierten Phase. Das Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch der kontinuierlichen Phase wird dann erst vor dem Homogenisieren zugegeben.

In einer weiteren Ausführungsform werden die Lösungsmittel der dispergierten Phase und der kontinuierlichen Phase zunächst mittels Vortexer durchmischt und anschließend die erfindungsgemäßen Partikelaggregate zugegeben, die dann durch starkes Dispergieren in die einzelnen silikonisierten Partikel aufgebrochen werden. Dabei bildet sich wiederum die erfindungsgemäße w/o Pickering Emulsion. Gegenstand der Erfindung ist ebenfalls die Verwendung der erfindungsgemäßen w/o Pickering Emulsion für chemische Reaktionen in mehrphasigen Lösungsmittelsystemen

Chemische Reaktionen müssen oftmals in mehrphasigen Lösungsmittelsystemen durchgeführt werden. Notwendig wird dies durch den Einsatz von Reaktanden unterschiedlicher Polarität, die sich entweder nur in polaren bzw. wässrigen Lösungsmitteln oder in organischen, unpolaren Lösungsmitteln lösen lassen. Die Reaktion zwischen den unterschiedlich polaren Reaktanden findet dann an der Grenzfläche zwischen polarem und unpolarem Lösungsmittel statt.

Unter mehrphasigen Lösungsmittelsystemen versteht man eine Zusammensetzung mindestens zweier, nicht miteinander mischbarer, beispielsweise polarer und unpolarer Lösungsmittel. Werden diese, beispielsweise unter mechanischer Einwirkung, miteinander vermengt, so bilden sich Dispersionen oder Emulsionen. Damit vergrößert sich die Grenzfläche zwischen den einzelnen Phasen um ein Vielfaches und wesentlich mehr Reaktanden können an diesen Grenzflächen miteinander reagieren.

Mehrphasige Lösungsmittelsysteme würden sich jedoch ohne stabilisierende Agenzien oder Partikel sofort wieder in die einzelnen Phasen auftrennen, was die Grenzfläche zwischen den einzelnen Phasen wieder enorm verkleinert und eine vollständige Reaktion aller Reaktanden stark behindert.

Eine Stabilisierung mehrphasiger Lösungmittelsysteme für deren Einsatz in chemischen Reaktionen ist deshalb für solche Reaktionssysteme unabdingbar. Idealerweise sollten sich die Stabilisatoren dabei chemisch inert verhalten und keinen Einfluss auf den Reaktionsverlauf nehmen, wenn dies nicht ausdrücklich gewünscht ist.

Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung der erfindungsgemäßen w/o Pickering Emulsionen für die Durchführung von chemischen Reaktionen in mehrphasigen Lösungsmittelsystemen.

In einer Ausführungsform sind die chemischen Reaktionen biologisch oder enzymatisch katalysierte Reaktionen in mehrphasisgen Lösungsmittelsystemen.

Enzymatisch katalysierte Reaktionen sind vor allem bei der Herstellung von enantiomeren- oder diastereomerenreinen chemischen Bausteinen oder pharmazeutischen Wirkstoffen von großer Bedeutung. Während die Reagenzien dafür meist ausschließlich in organischen Lösungsmitteln löslich sind, müssen die zur Katalyse eingesetzten Enzyme überwiegend in wässrigen Lösungsmitteln vorgelegt werden, was die Reaktionsdurchführung stark einschränkt. Die technische Nutzung erfolgte bislang unter Einsatz von Emulsionen, speziell w/o Mikroemulsionen, wobei die Enzyme in der dispergierten, wässrigen Phase vorgelegt werden, während in der kontinuierlichen Phase Edukte und Produkte gelöst werden. Nachteil dieser Mikroemulsionen ist jedoch die schwierige Abtrennung der Enzyme für die ökonomisch erforderliche mehrfache bzw. kontinuierliche Anwendung. Außerdem erfolgte die Stabilisierung dieser Emulsionen bisher unter Verwendung von grenzflächenaktiven Substanzen wie Tensiden, welche, wie bereits oben beschrieben, sowohl durch ihre geringe Biokompatibilität und relativ hohe Toxizität, als auch durch die geringe Stabilisierung die Möglichkeiten der Nutzung erheblich einschränken.

W/o Pickering Emulsionen, die mit erfindungsgemäß oder nach dem Stand der Technik silikonisierten oder silikon-beschichteten Partikeln stabilisiert werden, stellen eine kostengünstige und technisch einfach umzusetzende Alternative zu den o.g. Tensid- stabilisierten Mikroemulsionen dar.

In einer Ausführungsform werden die Edukte in der kontinuierlichen Phase vorgelegt. Sie diffundieren dabei durch die Partikel-Membran in die dispergierte Phase, in der das oder die Enzyme vorgelegt wurden und wo die Edukte von den jeweiligen Enzymen katalytisch umgesetzt werden. Aufgrund der geringen Wasserlöslichkeit der Reaktionsprodukte werden diese wieder in die kontinuierliche Phase entlassen und die Enzyme einem erneuten Katalysezyklus zugeführt. Nach Beendigung der Reaktion können die Enzyme durch Filtration oder Sedimentation einfach abgetrennt, aufgereinigt und wiederverwendet werden.

In einer Ausführungsform ist die enzymatisch katalysierte Reaktion für die stereoselektive Reduktion von Acetophenon zu enantiomerenreinem (S)-I -Phenylethanol mittels Alkoholdehydrogenase (ADH). Die Reaktion wird dabei in einer erfindungsgemäß stabilisierten w/o Pickering Emulsion mit CPME als kontinuierliche Phase und wässriger Pufferlösung als dispergierter Phase durchgeführt.

In der kontinuierlichen, unpolaren Phase werden die ebenfalls unpolaren Edukte, hier Acetophenon, gelöst. In der wässrigen Pufferlösung wird hingegen das Enzym, hier ADH, vorgelegt.

Die beiden Lösungen werden zusammen mit den silikonisierten Partikeln homogenisiert und es bildet sich eine stabile w/o Pickering Emulsion, in der die Reaktion ablaufen kann.

Vorteilhaft bedarf es zur Stabilisierung des Lösungsmittelsystems keiner Detergenzien oder Tenside, die den Reaktionsablauf beeinflussen könnten oder toxisch bzw. hemmend auf die katalysierenden Enzyme wirken.

In einer Ausführungsform wird die erfindungsgemäße Pickering Emulsion für enzymatisch katalysierte Reaktionen in mehrphasigen Lösungsmittelsystemen verwendet, wobei die Pickering Emulsion teilweise oder ausschließlich durch silikonisierte, getrocknete Mikroorganismen, enthaltend katalytisch wirksame Enzyme, stabilisiert wird.

Es erfolgt beispielsweise die enzymatisch katalysierte Reaktion in einer erfindungsgemäßen Pickering Emulsion, wobei die Partikel silikonisierte lyophilisierte Zellen von Mikroorganismen, z.B. E. coli, enthaltend katalytisch wirksame Enzyme umfassen.

Dazu werden getrocknete, beispielsweise lyophilisierte Zellen der katalytisch wirksame Enzyme enthaltenden Mikroorganismen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren silikonisiert und zur Stabilisierung einer w/o Pickering Emulsion aus unpolarer kontinuierliche Phase und einer polaren oder wässrigen Lösung als dispergierte Phase eingesetzt.

In einer Ausführungsform werden lyophilisierte Zellen von E. coli nach dem erfindungsgemäßen Verfahren silikonisiert und zur Stabilisierung einer w/o Pickering Emulsion aus Methylisobutylketon als kontinuierliche Phase und einer wässrigen Kaliumphosphat Pufferlösung als dispergierte Phase eingesetzt.

In einer Ausführungsform wird der er Emulsion als zusätzlicher Stabilisator Casein zugefügt, ein eher hydrophobes Protein, welches u.a. die Tertiärstruktur des eigentlichen Enzyms stabilisieren soll.

In einer Ausführungsform wird in einem solchen System enantiomerenrein R-2,2'-Furoin aus Furaldehyd synthetisiert.. Dabei wird Furaldehyd in der kontinuierlichen Phase vorgelegt und gelangt durch Diffusion in die nur partiell silikonisierten Zellen. Dort wird es katalytisch von einer überexprimierten Benzaldehydiyase (BAL) umgesetzt und das Produkt wieder in die kontinuierliche Phase abgegeben. Ein Teil der Zellen wird durch die dispergierte Phase rehydratisiert und wird davon aufgenommen. Daher kann auch ein Teil des Edukts in die dispergierte Phase diffundieren, um von den Enzymen der dort gelösten Zellen umgesetzt zu werden und wieder in die kontinuierliche Phase zu diffundieren. Die Produkt enthaltende kontinuierliche Phase kann nach Sedimentation der dispergierten Phase abdekantiert werden und das Produkt nach Entfernung des Lösungsmittels über präparative HPLC oder andere allgemeine Isolierungsmethoden gewonnen werden

Für einen kontrollierten und langsamen Verlauf der Reaktion ist die Menge an silikonisierten lyophilisierten Mikroorganismen, die zur Bildung einer stabilen w/o Pickering Emulsion nötig ist, im Normalfall zu groß, da zu viele Enzyme durch die Zellen eingebracht werden. Dann ist es möglich, die Menge an silikonisierten Zellen zu reduzieren und diese zusammen mit nicht biologischen, silikonisierten Partikeln zur Stabilisierung einzusetzen.

Wird die Pickering Emulsion hingegen ausschließlich oder nahezu nur durch silikonisierte lyophilisierte Mikroorganismen stabilisiert, ist es möglich, die Umsetzung der Edukte innerhalb von Minuten oder wenigen Stunden vollständig abzuschließen. Damit ist es möglich, auch in großtechnischen Verfahren enzymkataysierte Reaktionen in kürzester Zeit und mit geringstem Aufwand an Material durchzuführen, was bisher im Stand der Technik nicht denkbar war.

Anhand beigefügter Darstellungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindungen näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 : Schematischer Aufbau einer w/o Pickering Emulsion

Fig. 2a: REM Aufnahme eines unbeschichteten Montmorillonite - Nanopartikels

Fig. 2b: REM Aufnahme eines Ausschnitts der Oberfläche eines silikonisierten Montmorillonite -Nanopartikels

Fig. 3a: REM Aufnahme unbeschichteter lyophilisierter Zellen von £ coli

Fig: 3b: REM Aufnahme der Oberfläche einer silikonisierten lyophilisierten £ coli Zelle

Fig. 4: Lichtmikroskopische Aufnahme einer w/o Pickering Emulsion aus Wasser/Toluol 1 :5, stabilisiert durch silikonisierte Montmorillonite -Nanopartikel

Fig. 5: Lichtmikroskopische Aufnahme einer w/o Pickering Emulsion aus Wasser/Ethylacetat 1 :5, stabilisiert durch mit Silikon beschichtete lyophilisierten £ coli Zellen

Fig. 6: Reaktionsverlauf der stereoselektiven Reduktion von Acetophenon zu enantiomerenreinem (S)-1 -Phenylethanol

Fig. 7: Reaktionsverlauf der stereoselektiven Reaktion von Furaldehyd zu R-2,2'-Furoin in einer w/o Pickering Emulsion, stabilisiert durch silikonisierte lyophilisierte £. coli Zellen. (· = Konzentrationsverlauf von Furaldehyd in Abhängigkeit von der Zeit, ▲ = Konzentrationsverlauf von (R)-Furoin in Abhängigkeit von der Zeit)

Ausführungsbeispiel 1 a

Herstellung silikonisierter Montmorillonite-Nanopartikel nach Methode a)

0,5 g der Montmorillonite-Nanopartikel (d < 100 nm, BET > 14.0 m ² /g von Sigma-Aldrich) werden bei 4°C mit 5 mL eines Lösungsmittelgemischs aus Isopropanol : Hexan (10:1 ) in einem Erlenmeyerkolben mittels Vortexer bei 1000 rpm zunächst gut durchmischt und anschließend bei 4°C für 12 h zur ausreichenden Benetzung stehen gelassen. Parallel dazu werden in einem separaten Kolben 91 mg C3-PEG400 (Polyetherkomponente (II)) und 20 mg D-Siloxan (Polysiloxankomponente (I)) vermischt. Dazu werden 10 ml_ eines auf 4°C temperierten Lösungsmittels aus Isopropanol : Hexan (10:1 ) gegeben und mittels Vortexer gut durchmischt. Zu dieser Mischung werden die o.g. benetzten Partikel gegeben und wiederum mittels Vortexer gut durchmischt. Nach der Zugabe von 5 μί Karstedt Katalysator wird erneut gut durchmischt.

Die Reaktionsmischung wird anschließend auf einem Magnetrührwerk bei 4°C zunächst mit einer Rührgeschwindigkeit von 1000 rpm für 30 min und dann mit einer Rührgeschwindigkeit von 500 rpm für 3,5 h gerührt. Nach beendeter Reaktionszeit wird das Lösungsmittelgemisch bei 50-60°C innerhalb von 0,5 - 1 h durch Verdampfen entfernt.

Für die abschließende Vernetzung wird das Reaktionsgemisch für 12 h bei 50 - 60 °C inkubiert. Man erhält gummi-artig pulverige Partikel oder Partikelaggregate, die eine volle oder mindestens teilweise Bedeckung mit Silikon aufweisen.

Fig. 2a zeigt eine REM Aufnahme unbeschichteter Montmorillonite-Nanopartikel. Nach der erfindungsgemäßen Beschichtung mit Silikon erhält die Oberfläche der Partikel eine himbeerartige Struktur. (Fig. 2b)

Ausführungsbeispiel 1 b

Herstellung silikonisierter lyophilisierter Zellen von E. coli nach Methode a)

91 mg C3-PEG400 (Polyetherkomponente (II)) und 20 mg D-Siloxan (Polysiloxankomponente (I)) werden mit 3 mL CPME vermischt und auf 4°C gekühlt. Zu dieser Mischung werden 5 μί Karstadt-Katalysator gegeben. Parallel dazu werden in einem separaten Kolben 0.5 g £ coli Pulver vorgelegt, anschließend das gekühlte Monomer/ Katalysator - Gemisch zugefügt und vermischt. Das Gemisch wird unter starkem Rühren langsam auf 40°C erwärmt, wobei das Lösungsmittel verdampft und das Gemisch wieder trocken erscheint. Man erhält silikonisierte, zu Aggreagaten zusammengeschlossene £ coli Zellen, die bei -20°C gelagert werden können.

In Fig. 3a wird eine REM Aufnahme der unbeschichteten, lyophilisierten Zellen von £. coli dargestellt. Fig 3b zeigt eine dieser Zellen nach der erfindungsgemäßen Beschichtung. Man erkennt deutlich die raue und unregelmäßige Struktur der Oberfläche, die eine unvollständige Bedeckung anzeigt. Ausführungsbeispiel 2 a

Herstellung einer Pickering Emulsion mit silikonbeschichteten Montmorillonite-Nanopartikeln

15 mg der nach Anwendungsbeispiel 1 a silikonisierten Montmorillonite-Nanopartikel Aggregate werden in einem 50ml_ Falcon Tube in 16 mL Cyclopentylmethylether (CPME) suspendiert. Die Suspension wird mittels Vortexer für 20 s gut durchmischt, dann 20 min zur Inkubation stehen gelassen und nochmals 20 s mittels Vortexer durchmischt. Anschließend werden 3 mL der wässrigen Phase zugegeben und die Mischung mittels Homogenisator (z.B. IKA Ultraturrax T25) für 1 min bei 8000 rpm homogenisiert.

Fig. 4 zeigt lichtmikroskopische Aufnahmen der w/o Pickering Emulsion aus CPME/Wasser 5:1 , stabilisiert durch erfindungsgemäß silikonisierte Montmorillonite-Nanopartikel. Die regelmäßige Verteilung der dispergierten Tropfen belegt die Stabilität der Emulsion und die verhinderte Koaleszenz der dispergierten Phase.

Ausführungsbeispiel 2 b

Herstellung einer Pickering Emulsion mit silikonisierten lyophilisierten Zellen von E. coli

15 mg der nach Anwendungsbeispiel 1 b beschichteten lyophilisierten Zellen von E. coli werden in einem 50mL Falcon Tube in 16 mL Methylisobutylketon suspendiert. Die Suspension wird mittels Vortexer für 20 s gut durchmischt, dann 20 min zur Inkubation stehen gelassen und nochmals 20 s mittels Vortexer durchmischt. Anschließend werden 4 mL der wässrigen Phase zugegeben und die Mischung mittels Homogenisator (z.B. IKA Ultraturrax T25) für 1 min bei 8000 rpm homogenisiert.

Fig 5 zeigt eine lichtmikroskopische Aufnahme der w/o Pickering Emulsion mit Methylisobutylketon/Wasser 5:1 , stabilisiert durch silikonbeschichtete lyophilisierte Zellen von E. coli. Die regelmäßig verteilten dispergierten Tropfen belegen, dass die Koaleszenz der dispergierten Phase stark eingeschränkt bzw. ganz verhindert wird.

Ausführungsbeispiel 3

Verwendung einer nach Ausführungsbeispiel 2a hergestellten w/o Pickering Emulsion als

Reaktionssystem für die stereoselektive Reduktion von Acetophenon zu enantiomerenreinem (S)-1 -Phenylethanol 0.540 g (250 mmol) Acetophenon werden in einem Gemisch aus 0.9 ml_ Isopropanol und 14,8 ml_ Cyclopentylmethylether (CPME) : Heptan (1 :2) gelöst und mittels Vortexer gut durchmischt.

Parallel dazu werden 240 mg der nach Anwendungsbeispiel 1 a beschichteten Montmorillonite-Nanopartikel in einen Falkon eingewogen und auf 0°C gekühlt. Dazu gibt man zunächst die obig genannte Acetophenon - Lösung und fügt dann 4 ml_ einer Lösung von aufgereinigter Alkoholdehydrogenase (ADH - Proteingehalt: 15 mg/ mL) in KPi- Pufferlösung (50 mM, pH 7,55 in H ₂ 0) mit NADH-Cofaktor (1 mM) hinzu. Die Mischung wird mittels Homogenisator bei 0°C für 1 min bei 8000 rpm homogenisiert. Anschließend wird die Reaktionsmischung im Thermoschrank für 48 h bei 40°C und 30 rpm inkubiert. Der Reaktionsverlauf wird durch Bestimmung der Konzentration von Edukt und Produkt mittels HPLC verfolgt. Fig. 6 zeigt die Zunahme der Konzentration von (S)-I -Phenylethanol über die Zeit und entsprechend die Abnahme der Konzentration an Acetophenon bis zur Einstellung des Gleichgewichts.

Ausführungsbeispiel 4

Verwendung einer nach Ausführungsbeispiel 2b hergestellten w/o Pickering Emulsion als Reaktionssystem für die stereospezifische Carboligation von Furaldehyd zu (R)-2,2'-Furoin

Zur Herstellung der dispergierten Phase werden 120 mg der nach Anwendungsbeispiel 1 b silikonisierten, lyophilisierten Zellen von E. coli in 4 mL KPi-Puffer suspendiert. Dazu werden 16 mL einer 312 mM Lösung Furaldehyd in Methylisobutylketon (MIBK) gegeben, die Mischung auf 0°C gekühlt und mittels Vortexer bei 8000 rpm für 1 min gut durchmischt. Anschließend wird die Reaktionsmischung für 24 h bei 37°C im Thermoschrank inkubiert. Die Reaktionskontrolle erfolgt über die Bestimmung der Konzentrationen von Substrat und Produkt. Nach beendeter Reaktion wird die dispergierte Phase durch Zentrifugation von der kontinuierlichen Phase getrennt. Das Produkt wird durch bekannte Aufreinigungsprozesse aus der kontinuierlichen Phase gewonnen.

Fig. 7 zeigt den Verlauf der Konzentration an Substrat (Furaldehyd ·) und Produkt (R-2,2 ¹ - Furoin▲) in Abhängigkeit von der Zeit. Ausführungsbeispiel 5a

Herstellung silikonisierter Eisen (II, IIQoxid-Nanopartikel nach Methode b)

Ein 15 ml Falcon Tube wird mit 900 mg Vulkanisierungsmischung, enthaltend > 25 bis <50 m% aliphatische und naphtenische Kohlenwasserstoffe, > 3 bis <5 m% Methyl-tris-n- butylaminosilan, > 0,3 bis <1 m% N-(3-(Trimethoxysilyl)propyl)ethylendiamin und > 0,1 bis < 0,3 m% Toluol, beispielsweise Elastosil A316 (Wacker Chemie AG) befüllt, auf 4.0 ml Volumen mit einer Mischung von Hexan:lsopropanol (9:1 ) aufgefüllt und mittels Vortexer stark durchmischt.

1 g Eisen(ll, lll)oxid-Nanopartikel werden in einem zweiten 15ml Falcon Tube vorgelegt und mit 2 ml einer Lösungsmittelmischung aus Hexan:lsopropanol (9:1 ) durch 20 min Durchmischen vorbenetzt.

Anschliessend werden 4 ml der gelösten Vulkanisierungsmischung (Reaktionsmischung B) zu der Partikelsuspension gegeben und 30 s mittels Vortexer stark durchmischt. Der Partikel- Reaktionsmischungs-Ansatz wird in eine Schale gegeben und mittels Magnetrührer oder manueller Durchmischung mit Spatel bei 50 bis 60°C durchmischt.

Wenn das Lösungsmittelgemisch verdampft ist, und die Partikel flockig und gummiartig silikonisiert sind, gibt man die Mischung in ein kleines Becherglas und lässt über Nacht bei 50°C auspolymerisiseren.

Man erhält gummi-artig pulverige Partikel oder Partikelaggregate, die eine volle oder mindestens teilweise Bedeckung mit Silikon aufweisen.

Ausführungsbeispiel 5 b

Herstellung silikonisierter, lyophilisierter E. coli Zellen nach Methode b)

Ein 15 ml Falcon Tube wird bei Raumtemperatur mit 225 mg Vulkanisierungsmischung, enthaltend > 25 bis <50 m% aliphatische und naphtenische Kohlenwasserstoffe, > 3 bis <5 m% Methyl-tris-n-butylaminosilan, > 0,3 bis <1 m% N-(3- (Trimethoxysilyl)propyl)ethylendiamin und > 0,1 bis <0,3 m% Toluol, beispielsweise Elastosil A316 (Wacker Chemie AG), befüllt, auf 4.0 ml Volumen mit Cyclopentylmethylether (CPME) aufgefüllt und mittels Vortexer stark durchmischt.

0,5 g lyiphilisierte E. coli Zellen werden in einem zweiten 15 ml Falcon Tube vorgelegt und mit 2 ml CPME durch 20 min Durchmischen vorbenetzt.

Anschliessend werden bei Raumtemperatur 4 ml der gelösten Vulkanisierungsmischung (Reaktionsmischung B) zu der Zellsuspension gegeben und 30 s mittels Vortexer stark durchmischt. Der Zell-Reaktionsmischungs-Ansatz wird in eine Schale gegeben und mittels Magnetrührer oder manueller Durchmischung mit Spatel bei 40°C durchmischt. Wenn das Lösungsmittelgemisch verdampft ist, und die Partikel flockig und gummiartig silikonisiert sind, gibt man die Mischung in ein kleines Becherglas und lässt über Nacht bei 40°C auspolymerisiseren.

Man erhält gummi-artig pulverige Partikel oder Partikelaggregate, die eine volle oder mindestens teilweise Bedeckung mit Silikon aufweisen.

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