Rudolf, Hickmann
Eckhard, Ebel
Klaus, G�nther
Wolfgang, Rath
Hans
Peter, Schwahn
Harald
Rudolf, Hickmann
Eckhard, Ebel
Klaus, G�nther
Wolfgang, Rath
Hans
Peter, Schwahn
Harald
| 1. | Umsetzungsprodukte aus Polyisobutenen des mittleren Poly merisationsgrades P = 10 bis 100 mit einem Anteil E = 60 bis 90 % an Doppelbindungen, die mit Maleinsäureanhydrid umsetz¬ bar sind, wobei E = 100 % dem rechnerischtheoretischen Wert für den Fall entspräche, daß jedes Molekül des Polyisobutens eine derartige reaktive Doppelbindung hätte, mit Stickoxiden oder Gemischen aus Stickoxiden und Sauerstoff. |
| 2. | Umsetzungsprodukte aus Polyisobutenen und Stickoxiden oder Gemischen aus Stickoxiden und Sauerstoff nach Anspruch 1, wobei die Polyisobutene bis zu 20 Gew.% anderer C4Monomerer als Isobuten und/oder C3Monomerer und/oder Ethylen als poly¬ merisatbildende Einheiten enthalten. |
| 3. | Umsetzungsprodukte aus Polyisobutenen und Stickoxiden oder Gemischen aus Stickoxiden und Sauerstoff nach Anspruch 1 oder 2 in Form einer Mischung verschiedener Nitrogruppen ent¬ haltender Alkane, wobei diese Mischung als Hauptkomponenten die Verbindungen der Formeln I und II mit dem oben genannten Polymerisationsgrad P enthält. |
| 4. | Verfahren zur Herstellung von Umsetzungsprodukten aus Poly isobutenen des mittleren Polymerisationsgrades P = 10 bis 100 mit einem Anteil E = 60 bis 90 % an Doppelbindungen, die mit Maleinsäureanhydrid umsetzbar sind, wobei E = 100 % dem rechnerischtheoretischen Wert für den Fall entspräche, daß jedes Molekül des Polyisobutens eine derartige reaktive Doppelbindung hätte, mit Stickoxiden oder Gemischen aus Stickoxiden und Sauerstoff, dadurch gekennzeichnet, daß man die beschriebenen Polyisobutene mit den Stickoxiden im Mol Verhältnis von 1:2 bis 1:4 bei Temperaturen von 30 bis 150°C umsetzt. |
| 5. | Umsetzungsprodukte aus Polyisobutenen und Stickoxiden oder Gemischen aus Stickoxiden und Sauerstoff nach Anspruch 1 oder 2, welche im Anschluß an ihre Bildung durch Eliminierung mit Basen in Nitrogruppen enthaltende Alkene umgewandelt worden sind. |
| 6. | Umsetzungsprodukte aus Polyisobutenen und Stickoxiden oder Gemischen aus Stickoxiden und Sauerstoff nach Anspruch 1 oder 2, welche im Anschluß an ihre Bildung durch Eliminierung mit Basen in Nitrogruppen enthaltende Alkene umgewandelt wor¬ den sind, welche hauptsächlich die Strukturen XVII und/oder XVIII N02 R CH2 C = CH N02 R C = C CH3 I I CH3 CH3 (XVII) (XVIII) in denen R für den PolyisobutylRest der Formel mit dem oben genannten Polymerisationsgrad P steht, auf¬ weisen. |
| 7. | Verfahren zur Herstellung von Nitrogruppen enthaltenden Alkenen, dadurch gekennzeichnet, daß man Umsetzungsprodukte aus Polyisobutenen und Stickoxiden oder Gemischen aus Stick¬ oxiden und Sauerstoff gemäß Anspruch 1 oder 2 im Anschluß an ihre Bildung einer Eliminierung mit Basen unterwirft. |
| 8. | Umsetzungsprodukte aus Polyisobutenen und Stickoxiden oder Gemischen aus Stickoxiden und Sauerstoff nach Anspruch 1 oder 2, welche im Anschluß an ihre Bildung durch Hydrierung in Aminoalkane umgewandelt worden sind. |
| 9. | Umsetzungsprodukte aus Polyisobutenen und Stickoxiden oder Gemischen aus Stickoxiden und Sauerstoff nach Anspruch 1 oder 2, welche im Anschluß an ihre Bildung durch Hydrierung hauptsächlich in eines oder mehrere Aminoalkane der Struk¬ turen XIX bis XXVI NH2 OH R CH2 C CH2 NH2 R CH2 C CH2 NH2 CH3 CH3 (XIX) (XX) NH2 OH I R CH2 C CH2 NH2 R CH2 C CH2 NH2 CH2 NH2 CH2 NH2 (XXI) (XXII) NH2 NH2 NH2 OH R CH C CH3 R CH C CH3 CH3 CH3 (XXIII) (XXIV) NH2 NH2 NH2 OH R CH C CH2 NH2 R CH C CH NH2 CH3 CH3 (XXV) (XXVI) in denen R für den PolyisobutylRest der Formel mit dem oben genannten Polymerisationsgrad P steht, umge¬ wandelt worden sind. |
| 10. | Verfahren zur Herstellung von Aminoalkanen, dadurch gekenn 5 zeichnet, daß man Umsetzungsprodukte aus Polyisobutenen und Stickoxiden oder Gemischen aus Stickoxiden und Sauerstoff gemäß Anspruch 1 oder 2 im Anschluß an ihre Bildung hydriert. |
| 11. | Umsetzungsprodukte aus Polyisobutenen und Stickoxiden oder 10 Gemischen aus Stickoxiden und Sauerstoff nach Anspruch 1 oder 2, welche im Anschluß an ihre Bildung durch Eliminierung mit Basen in Nitrogruppen enthaltende Alkene und danach durch Hydrierung in Aminoalkane umgewandelt worden sind. |
| 12. | 15 12. Umsetzungsprodukte aus Polyisobutenen und Stickoxiden oder Gemischen aus Stickoxiden und Sauerstoff nach Anspruch 1 oder 2, welche im Anschluß an ihre Bildung durch Eliminierung mit Basen in Nitrogruppen enthaltende Alkene und danach durch Hydrierung hauptsächlich in Aminoalkane der Strukturen XXVII 20 und/oder XXVIII NH2 (XXVII) (XXVIII) in denen R für den PolyisobutylRest der Formel *& 30. |
| 13. | mit dem oben genannten Polymerisationsgrad P steht, umge¬ wandelt worden sind.*& 40. |
| 14. | Verfahren zur Herstellung von Aminoalkanen, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß man Umsetzungsprodukte aus Polyisobutenen und Stickoxiden oder Gemischen aus Stickoxiden und Sauerstoff nach Anspruch 1 oder 2 im Anschluß an ihre Bildung einer 45 Eliminierung mit Basen unterwirft und die gebildeten Nitro¬ gruppen enthaltenden Alkene danach hydriert. |
| 15. | Umsetzungsprodukte aus Polyisobutenen und Stickoxiden oder Gemischen aus Stickoxiden und Sauerstoff nach Anspruch 1 oder 2, welche im Anschluß an ihre Bildung durch Eliminierung mit Basen in Nitrogruppen enthaltende Alkene und danach durch 5 Addition von Aminen oder Alkoholen und nachfolgende Hydrie¬ rung oder durch Spaltung zu Aldehyden und Addition von Aminen an diese Aldehyde und nachfolgende Hydrierung in Aminoalkane umgewandelt worden sind. |
| 16. | 10 15. Umsetzungsprodukte aus Polyisobutenen und Stickoxiden oder Gemischen aus Stickoxiden und Sauerstoff nach Anspruch 1 oder 2, welche im Anschluß an ihre Bildung durch Eliminierung mit Basen in Nitrogruppen enthaltende Alkene und danach durch Addition von Aminen der Formel HNR1R2 oder Alkoholen der. |
| 17. | Formel R1—OH und nachfolgende Hydrierung der durch Spaltung zu Aldehyden und Addition von Aminen der Formel HNRXR2 an diese Aldehyde und nachfolgende Hydrierung in Aminoalkane umgewandelt worden sind, welche hauptsächlich eine oder mehrere der Strukturen XXIX bis XXXIV 20 NRlR2 R CH2 CH3 25 (XXIX) (XXX) CH3 NH2 R!R 30 R CH2 C CH2 NH2 R CH C CH3 iR2 CH3 (XXXI) (XXXII; *& 35. |
| 18. | 40 (XXXIII) (XXXIV) in denen R für den PolyisobutylRest der Formel *& 45. |
| 19. | mit dem oben genannten Polymerisationsgrad P steht sowie R1 und R2 Ci bis C30Alkylreste, C2 bis C30Alkenylreste, C5 bis CβCycloalkylreste, C7 bis CiβAralkylreste oder gegebenenfalls substituierte Cζ bis Cι4Arylreste bezeichnen, wobei R2 auch für Wasserstoff stehen kann, aufweisen. |
| 20. | 16 Verfahren zur Herstellung von Aminoalkanen, dadurch gekenn zeichnet, daß man Umsetzungsprodukte aus Polyisobutenen und Stickoxiden oder Gemischen aus Stickoxiden und Sauerstoff nach Anspruch 1 oder 2 im Anschluß an ihre Bildung einer Eliminierung mit Basen unterwirft und die gebildeten Nitro¬ gruppen enthaltenden Alkene danach durch Addition von Aminen oder Alkoholen und nachfolgende Hydrierung oder durch Spal¬ tung zu Aldehyden und Addition von Aminen an diese Aldehyde und nachfolgende Hydrierung in Aminoalkane umwandelt. |
| 21. | 17 Verwendung von Umsetzungsprodukten aus Polyisobutenen und Stickoxiden oder Gemischen aus Stickoxiden und Sauerstoff gemäß den Ansprüchen 1 bis 16 als Additive für Kraft und Schmierstoffe. |
| 22. | Kraftstoffe für Ottomotoren, enthaltend wirksame Mengen von Umsetzungsprodukten aus Polyisobutenen und Stickoxiden oder Gemischen aus Stickoxiden und Sauerstoff gemäß den Ansprüchen 1 bis 16. |
| 23. | Schmierstoffe, enthaltend wirksame Mengen von Umsetzungs Produkten aus Polyisobutenen und Stickoxiden oder Gemischen aus Stickoxiden und Sauerstoff gemäß den Ansprüchen 1 bis 16. |
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft Umsetzungsprodukte aus Poly¬ isobutenen des mittleren Polymerisationsgrades P = 10 bis 100 mit einem Anteil E = 60 bis 90 % an Doppelbindungen, die mit Malein¬ säureanhydrid umsetzbar sind, wobei E = 100 % dem rechnerisch¬ theoretischen Wert für den Fall entspräche, daß jedes Molekül des Polyisobutens eine derartige reaktive Doppelbindung hatte, mit Stickoxiden oder Gemischen aus Stickoxiden und Sauerstoff.
Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung dieser Umsetzungsprodukte als Kraft- und Schmierstoffadditive sowie diese Umsetzungsprodukte enthaltende Kraftstoffe für Ottomotoren und Schmierstoffe.
Vergaser und Einlaßsystem von Ottomotoren, aber auch Einspritz¬ systeme für die Kraftstoffdosierung in Otto- und Dieselmotoren, werden durch Verunreinigungen belastet, die durch Staubteilchen aus der Luft, unverbrannte Kohlenwasserstoffreste aus dem Brenn- räum und die in den Vergaser geleiteten Kurbelwellengehäuse- entlüftungsgase verursacht werden.
Die Rückstände verschieben das Luft-Kraftstoffverhältnis im Leer¬ lauf und im unteren Teillastbereich, so daß das Gemisch fetter, die Verbrennung unvollständiger und wiederum die Anteile unver¬ brannter oder teilverbrannter Kohlenwasserstoffe im Abgas größer werden und der Benzinverbrauch steigt.
Es ist bekannt, daß zur Vermeidung dieser Nachteile Kraftstoff- additive zur Reinhaltung von Ventilen und Vergaser bzw. Einspritzsystemen verwendet werden (M. Rossenbeck in Katalysatoren, Tenside, Mineralöladditive, Hrsg. J. Falbe, U. Hasserodt, S. 223 f., G. Thieme Verlag, Stuttgart, 1978).
Je nach Wirkungsweise, aber auch nach dem bevorzugten Wirkort solcher Detergents-Additive unterscheidet man heute zwei Genera¬ tionen derartiger Hilfsmittel.
Die erste Additiv-Generation konnte nur die Bildung von Ablage- rungen im Ansaugsystem verhindern, nicht aber bereits vorhandene Ablagerungen wieder entfernen, wohingegen die Additive der zweiten Generation beides bewirken können (*keep-clean- β und
"clean-up-Effekt") und zwar aufgrund ihrer hervorragenden Thermo- stabilität, insbesondere auch an Zonen höherer Temperaturen, nämlich an den Einlaßventilen.
Das molekulare Bauprinzip von Kraftstoff-Detergentien kann ver¬ allgemeinernd abgegeben werden als Verknüpfung polarer Strukturen mit meist höhermolekularen, unpolaren oder lipophilen Resten.
Vertreter der zweiten Additiv-Generation sind oft Produkte auf der Basis von Polyisobutenen im unpolaren Molekülteil. Hier wieder sind Additive von Polyisobutylamin-Typ besonders hervor¬ zuheben.
In der 1968 eingereichten und 1971 erteilten US-A 3 576 742 (1) werden Umsetzungsprodukte aus verzweigten langkettigen aliphati- schen Olefinen, beispielsweise Polypropylen, Polyisobutylen oder Copolymeren aus Ethylen und Isobutylen, und Stickoxiden als Detergentien für Schmierstoffe beschrieben. Diese Olefine werden nach konventionellen Polymerisationsmethoden aus niederen Ole- finen mit 2 bis 6 C-Atomen hergestellt. Bei den erhaltenen Nitro- gruppen enthaltenden Umsetzungsprodukten sind das Vorliegen von weiteren funktioneilen Gruppen wie Hydroxyl, Nitroso, Nitrat, Nitrit oder Carbonyl sowie deren relative Anteile unbekannt. Die Struktur und Zusammensetzung dieser Olefine ist somit undefi- niert.
in der 1978 publizierten DE-C 27 02 604 (2) wird ein Herstell¬ verfahren für Polyisobutene mit einem mittleren Polymerisations¬ grad von 10 bis 100 beschrieben, mit dem erstmals hochreaktive Polyisobutene, d.h. solche mit überwiegend endständigen Doppel¬ bindungen, erhalten werden. Die nach konventionellen Polymeri¬ sationsmethoden wie bei (1) hergestellten Polyisobutene weisen dagegen einen nur geringen Anteil an endständigen Doppelbindungen auf.
Die aus (1) bekannten Nitrogruppen enthaltenden Umsetzungs¬ produkte auf der Basis von konventionellem Polyisobuten zeigen zwar eine gewisse Wirkung als Schmierstoffadditive, jedoch ist diese Wirkung noch verbesserungsbedürftig. Weiterhin sollen die Mittel auch als Additive für Ottomotoren-Kraftstoffe einsetzbar sein.
Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, Kraft- und Schmierstoffadditive mit verbesserter Wirkung bereit- zustellen.
Dabei sollte insbesondere ausgehend von einem Polyolefin in einer einfachen, möglichst einstufigen Reaktion ein Polyolefin-Derivat hergestellt werden, das als Kraft- und Schmierstoffadditiv verwendet werden kann und das hauptsächlich aus Gründen der Kontrollierbarkeit und der Reproduzierbarkeit eine definierte Struktur und Zusammensetzung aufweist.
Demgemäß wurden die eingangs definierten Umsetzungsprodukte aus hochreaktiven Polyisobutenen und Stickoxiden bzw. Stickoxid- Sauerstoff-Gemischen gefunden.
Es war überraschend, daß die genannte Umsetzung der beschriebenen Polyisobutene ein Produkt ergibt, das hervorragende Eigenschaften als Kraft- und Schmierstoffadditiv besitzt, obwohl das Produkt keine basische N-Gruppe enthält. Ein Vorteil gegenüber den bis¬ herigen zweistufigen Verfahren zur Herstellung von (aminhaltigen) Kraftstoffadditiven auf Basis von Polyolefinen ist die einfache, einstufige Darstellungsweise. Darüber hinaus war es überraschend, daß das Polyolefin vollständig abreagiert und ein Reaktions- ge isch ergibt, dessen Hauptbestandteile in ihrer chemischen Struktur und in ihrem Verhältnis genau definiert werden können.
Aus (2) ist bekannt, die beschriebenen hochreaktiven Polyiso¬ butene, welche für die vorliegende Erfindung als Ausgangsmaterial dienen, mittels Bortrifluorid unter speziellen Reaktionsbedingun¬ gen herzustellen. Diese hochreaktiven Polyisobutene haben gene¬ rell Bedeutung als Zwischenprodukte für Mineralölhilfsmittel. Setzt man diese Polyisobutene (man müßte sie zutreffender als Oligoisobutene bezeichnen, jedoch ist dieser Begriff im Schrift- turn weniger gebräuchlich) mit Maleinsäureanhydrid um, bilden sich Additionsverbindungen, aus denen man durch Umsetzung mit Aminen hochwertige Schmieröladditive erhält.
Diese Additionsreaktion tritt praktisch allerdings nur zwischen dem Maleinsäureanhydrid und einer endstandigen (α-ständigen) Doppelbindung im Polyisobuten, die vom Kettenabbruch herrührt, ein. Auch ß-ständige Doppelbindungen vermögen noch bis zu einem gewissen Grade mit Maleinsäureanhydrid zu reagieren, wogegen mit innerständigen Doppelbindungen so gut wie keine Umsetzung statt- findet. Bezeichnet man den Anteil der reaktionsfähigen, über¬ wiegend endständigen Doppelbindungen im Polyisobuten mit E, so wäre die relative Wirksamkeit W des Schmieröladditives 100 %, wenn alle theoretisch möglichen Doppelbindungen endständig wären, also E ebenfalls den Wert 100 % hätte. Dies trifft aber für die Praxis nicht zu, in der man mit konventionellen Polyisobutenen in der Regel nur Werte von E = w = 20 bis 50 % erzielt. Dement¬ sprechend muß man größere Mengen eines derartigen Polyisobuten/
Maleinsäureanhydrid-Umsetzungsgemisches anwenden, als theoretisch bei E = 100 % erforderlich wären. Das in dem Mittel vorhandene Polyisobuten, welches sich nicht mit dem Maleinsäureanhydrid umgesetzt hat, verhält sich im Mineralölhilfsmittel bestenfalls inert; größere Mengen muß man sogar entfernen.
Der mittlere Polymerisationsgrad P liegt bei 10 bis 100, vorzugs¬ weise 15 bis 40. Wie stets bei derartigen Polymerisationen erhält man Polymere mit einem bestimmten Polymerisationsgradspektrum. Die Streuung ist jedoch im Hinblick auf die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Umsetzungsprodukte mit Stickoxiden bzw. Stick¬ oxid-Sauerstoff-Gemischen ohne erkennbaren Einfluß, so daß es nur auf den mittleren Polymerisationsgrad P ankommt, der beispiels¬ weise durch Viskositatsmessungen auch während der Polymerisation laufend ermittelt und gesteuert werden kann.
In Korrelation mit dem mittleren Polymerisationsgrad P weisen die beschriebenen hochreaktiven Polyisobutene Kohlenstoffzahlen von 36 bis 400, vorzugsweise 54 bis 160 und mittlere Molekular- gewichte (zahlengemittelt) von 500 bis 5600, vorzugsweise 750 bis 2250 auf.
Unter dem Begriff Polyisobutene sind als Ausgangsmaterialien für die vorliegende Erfindung nicht nur die Homopolymerisate des Isobutens, sondern auch dessen Copolymerisate mit mindestens 80 % Isobutenanteil zu verstehen. Als Comonomere kommen in erster Linie die übrigen olefinisch ungesättigten C 4 -Kohlenwasserstoffe in Betracht, so daß man, was von besonderer technischer Bedeutung ist, unmittelbar von den sogenannten C 4 -Schnitten ausgehen kann. Diese erhalten neben 12 bis 14 % Butanen, 40 bis 55 % Butenen und bis zu 1 % Butadien zwar nur 35 bis 45 % Isobuten, jedoch bedingt die weitgehend selektive Polymerisierbarkeit des Isobutens, daß die übrigen Monomeren unter den Polymerisationsbedingungen nur zu etwa 2 bis 20 % in das Polymere eingebaut werden. Die Monomeren, die nicht reagiert haben, können für andere Zwecke verwendet werden. Als weitere Comonomere kommen noch C 3 -Monomere wie Propen sowie Ethylen oder Mischung hieraus oder mit C 4 -Monomeren in Betracht.
Nach diesem Verfahren erhält man Isobutene mit einem Anteil E an Doppelbindungen, die sich mit Maleinsäureanhydrid umsetzen lassen, von 60 bis 90 Prozent, in vielen Fällen von 75 bis 90 Prozent. Der rechnerisch-theoretische Wert von E = 100 % würde hiernach bedeuten, daß jedes Polyisobutenmolekül eine derart reaktionsfähige Doppelbindung enthielte. E ist in einfacher Weise und am zuverlässigsten unmittelbar aus der Säurezahl des Poly- isobuten/Maleinsäureanhydrid-Adduktes zu ermitteln.
Für die Umsetzung zu den erfindungsgemäßen Produkten kommen als Stickoxide vor allem Stickstoffmonoxid (NO) , Stickstoffdioxid (N0 ), Distickstofftrioxid (N 2 0 3 ), Distickstofftetroxid ( 2 0 ), Gemische dieser Stickoxide untereinander sowie Gemische dieser Stickoxide mit Sauerstoff, insbesondere NO mit Sauerstoff und N0 2 mit Sauerstoff, in Betracht. Bei MitVerwendung von Sauerstoff macht dieser im Gemisch mit den Stickoxiden 1 bis 70 Vol.-%, insbesondere 5 bis 50 Vol.-%, aus. Das Stickoxid-Sauerstoff- Gemisch kann auch noch Inertgase, z.B. Stickstoff, enthalten; dies tritt beispielsweise auf, wenn man Stickoxid-Luft-Gemische verwendet.
Die Umsetzung zu den erfindungsgemäßen Produkten kann drucklos oder unter Druck, diskontinuierlich oder kontinuierlich durchge- führt werden.
Um einen quantitativen Umsatz zu erzielen, werden die Stickoxide im Molverhältnis Polyisobutene zu Stickoxiden von 1:2 bis 1:4, vorzugsweise 1:2,2 bis 1:3,3, zugegeben. Ein größerer Oberschuß schadet nicht.
Die Temperatur ist unkritisch. Sie kann im Bereich von -30°C bis 150°C variiert werden. Bevorzugt arbeitet man bei -10°C bis 100°C, insbesondere bei 25°C bis 80°C.
Die Umsetzung wird in vorteilhafter eise in einem inerten organischen Lösungsmittel durchgeführt. Dafür eignen sich bei¬ spielsweise aliphatische Kohlenwasserstoffe wie Isooctan oder ein n-Alkan-Gemisch (z.B. C 10 -C 13 ), chlorierte Kohlenwasserstoffe wie Methylenchlorid, Tetrachlorkohlenstoff oder Chlorbenzol, Ether wie Diethylether, Tetrahydrofuran, Dioxan oder tert. -Butylmethyl- ether, Ester wie Essigsaureethylester oder Benzoesäuremethyl- ester, Amide wie Dimethylformamid oder N-Methylpyrrolidon sowie Säuren wie Essigsäure. Wenn die Reaktionsprodukte als Kraftstoff- additive Verwendung finden sollen, arbeitet man zweckmäßigerweise im gleichen Lösungsmittel, in dem es auch dem Kraftstoff zuge¬ setzt wird. Im allgemeinen betragen die Lösungsmittelmengen 50 bis 90 Gew.-% des Gesamtansatzes. Es kann aber auch ohne Lösungs¬ mittel gearbeitet werden.
Der Zusatz einer geringen Menge Wasser (etwa 0,2 bis 1 Gew.-%, bezogen auf eingesetztes Polyisobuten) , um eventuell gebildeten Nitritester zu hydrolysieren, schadet nicht.
Die Aufarbeitung eines Reaktionsansatzes geschieht meist in der Weise, daß entweder kurz im Vakuum auf 40 bis 50°C erhitzt oder mit Wasser gerührt und anschließend eine Phasentrennung vorgenom¬ men wird. Beide Maßnahmen haben das Ziel, Reste von Stickoxiden aus dem Reaktionsgemisch zu entfernen.
In der Regel fällt das erfindungsgemäße Umsetzungsprodukt, ins¬ besondere wenn N0 2 als Stickoxid eingesetzt oder mitverwendet wurde, in Form einer Mischung verschiedener Nitrogruppen ent- haltender Alkane an, wobei diese Mischung als Hauptkomponenten die Verbindungen der Formeln I und II
mit dem oben genannten Polymerisationsgrad P enthält.
Als weitere definierte Komponenten werden hierbei oft Verbindungen der Formeln III und IV gefunden:
N0 2 OH
R CH 2 C CH 2 N0 2 R CH 2 C CH 2 N0 2
CH 2 N0 2 CH 2 N0 2
(III) (IV)
wobei R hier und im folgenden als Abkürzung für den Polyisobutyl- Rest
stehen soll.
Als Nebenprodukte lassen sich in einigen Fällen - je nach ein¬ gesetzten Stickoxiden oder Stickoxid-Sauerstoff-gemischen - die folgenden Verbindungen V bis VIII nachweisen:
O NO 0 N0 2
I I
CH 2 C CH 2 N0 2 R CH 2 C CH 2 N0 2
CH 3 CH 3
(V) (VI)
O 0 N0 NO
I R CH 2 CH 2 N0 2
(VII) (VIII)
Die Verbindungen I bis IV bilden die wesentlichen Komponenten des erfindungsgemäßen Umsetzungsproduktes. Diese Mischung aus den Verbindungen I bis IV hat üblicherweise einen Anteil von 50 bis 90 Gew.-%, insbesondere 60 bis 85 Gew.-%, am erfindungsgemäßen Umsetzungsprodukt. Den Rest bilden im wesentlichen die
Verbindungen V bis VIII sowie die zu den Verbindungen I bis VIII analogen Strukturen IX bis XVI, welche auf den in geringen Mengen in den beschriebenen Polyisobutenen mit enthaltenen Polyiso¬ butenen mit ß-ständiger Doppelbindung basieren:
NO? N0 2 N0 OH
I I R CH C CH 3 CH C CH 3
CH 3 CH 3
(IX) (X)
N0 2 N0 2 N0 2 OH
I
CH C CH 2 N0 2 • CH- C CH 2 N0 2
I
CH 3 CH 3
(XI) (XII)
N0 2 O NO N0 2 O N0 2
(XIII) (XIV)
(XV) (XVI)
Die Verbindungen I bis IV bilden sich in der Regel in folgendem Verhältnis zueinander:
I 25 bis 70 Gew.-%, insbesondere 35 bis 60 Gew.-%
II 3 bis 30 Gew.-%, insbesondere 5 bis 25 Gew.-%
III 0 bis 30 Gew.-%, insbesondere 5 bis 25 Gew.-%
IV 0 bis 25 Gew.-%, insbesondere 2 bis 15 Gew.-%
wobei die Prozentangaben sich auf die Menge der Verbindungen I bis IV beziehen (Summe 100 Gew.-%).
Enthalten die eingesetzten Polyisobutene - wie oben erwähnt - noch andere polymerisatbildende Einheiten als Isobuten, hat der Rest R in den Strukturen III bis XVI und in analoger Weise auch der in den Formeln I und II den Rest R entsprechende Molekülteil eine dementsprechende Bedeutung.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch Umsetzungs- Produkte aus den beschriebenen hochreaktiven Polyisobutenen und Stickoxiden oder Gemischen aus Stickoxiden und Sauerstoff, welche im Anschluß an ihre Bildung durch Eliminierung mit Basen in Nitrogruppen enthaltende Alkene umgewandelt worden sind.
Als Strukturen für solche Folgeprodukte kommen insbesondere die Verbindungen XVII und XVIII
N0 2
R CH 2 C = CH N0 2 R C = C CH 3 | |
CH 3 CH 3
(XVII ) (XVIII )
in Betracht, wobei XVII ursprünglich aus einem Polyisobuten mit endständiger Doppelbindung und XVIII ursprünglich aus einem Poly¬ isobuten mit ß-ständiger Doppelbindung entstanden ist. Auch die Hydroxylgruppen enthaltenden Verbindungen II, IV, X und XII können Nebenprodukte solcher nachgeschobenen Eliminierungsreak- tionen sein. In der Regel liegt als Produkt der Eliminierungs- reaktion eine Mischung verschiedener Species vor, in der XVII die Hauptkomponente bildet und XVIII nur in geringen Mengen oder gar nicht vorkommt.
Derartige Eliminierungsreaktionen werden unter den hierfür übliche Bedingungen durchgeführt. Als Basen setzt man beispiels¬ weise Alkalimetallhydroxide wie NaOH oder KOH, Alkalimetall- alkoholate wie Natriummethanolat, Natriu ethanolat, Natrium- isopropylat oder Kalium-tert.-butylat oder insbesondere Alkali- metallcarbonate oder -hydrogencarbonate wie Natrium- oder Kalium- carbonat oder Natrium- oder Kaliumhydrogencarbonat ein.
Die so erhaltenen Nitrogruppen enthaltenden Alkene eignen sich als Zwischenprodukte zur Herstellung entsprechender als Kraft- und Schmierstoffadditive wirksamer Polyisobutenamine oder sind selbst als Kraft- und Schmierstoffadditive wirksam.
Die erfindungsgemäßen Umsetzungsprodukte aus Polyisobutenen und Stickoxiden oder Stickoxid-Sauerstoff-Gemischen werden aufgrund ihrer Eigenschaften als Detergentien und Dispergatoren in Kraft¬ stoffen, insbesondere in Kraftstoffen von Ottomotoren, ein¬ gesetzt. Sie können jedoch auch in Schmierstoffen als Additive Verwendung finden.
Werden die erfindungsgemäßen Umsetzungsprodukte, die Nitroalkane darstellen, nach üblichen Methoden zu den entsprechenden Amino- alkanen hydriert, erhält man ebenfalls als Kraft- und Schmier¬ stoffadditive wirksame Verbindungen. Derartige Aminoalkane weisen hauptsächlich die folgenden Strukturen XIX bis XXVI auf:
NH 2 OH
I I
R CH 2 C CH 2 NH 2 R CH 2 C CH 2 NH2 I |
CH 3 CH 3
(XIX) (XX)
NH 2 OH
R CH 2
(XXI) (XXII)
NH NH 2 NH 2 OH
R CH C CH 3 R CH C CH 3
CH 3 CH 3
(XXIII) (XXIV)
NH 2 NH 2 NH 2 OH
R CH C CH 2 NH 2 R CH C CH 2 NH
CH 3 CH 3
(XXV) (XXVI)
Auch aus den Folgeprodukten XVII und XVIII lassen sich ent¬ sprechende Aminoalkane der Strukturen XXVII und XXVIII her¬ stellen:
NH 2
(XXVII) (XXVIII)
Durch geeignete Funktionalisierung der Doppelbindung in XVII bzw. XVIII wie Addition von Aminen HNR : R 2 oder Alkoholen R 1 —OH oder Spaltung zu Aldehyden und Addition von Aminen HNR 1 R 2 an diese Aldehyde und nachfolgende Hydrierung sind auch die folgenden Strukturen XXIX bis XXXIV zugänglich:
NR i R 2
R CH 2 CH CH 2 NR J -R 2 CH CH CH 3
CH 3 CH 3
(XXIX) (XXX)
CH 3 NH 2 NR i R 2
I I
R CH 2 C CH 2 NH R CH C CH 3 R i R 2 CH 3
(XXXI) (XXXII)
CH 3 NH 2 OR 1
R CH 2 C CH 2 NH 2 I I
R CH C CH 3
OR 1 CH 3
(XXXIII) (XXXIV)
R 1 und R 2 bezeichnen hierbei organische Reste allgemein, wobei R 2 auch für Wasserstoff stehen kann. Insbesondere sind hier Ci- bis C 3 o-Alkylreste, C 2 - bis C 3 o-Alkenylreste, C 5 - bis Cβ-Cycloalkyl- reste, C 7 - bis Ciβ-Aral ylreste und gegebenenfalls substituierte Cζ- bis Ci 4 -Arylreste gemeint.
Werden die erfindungsgemäßen Umsetzungsprodukte in Kraftstoffen eingesetzt, so gibt man sie bevorzugt in einer Menge von 10 bis 5000 pp , insbesondere 50 bis 1000 ppm zu. In Schmierstoffen muß in der Regel höher additiviert werden, die Mengen können hier 0,1 bis 6 Gew.-%, insbesondere 0,5 bis 5 Gew.-%, betragen.
Sollen in erster Linie die dispergierenden Eigenschaften der erfindungsgemäßen Stoffe genutzt werden, so kann man sie auch mit herkömmlichen Detergentien als zusätzlichen Additiven kombi- nieren.
Als Detergents-Komponente in der Mischung mit den erfindungs¬ gemäßen Stoffen als Dispergatoren kann prinzipiell jedes bekannte der hierfür geeigneten Produkte eingesetzt werden, wie sie z.B. bei J. Falbe, U. Hasserodt, Katalysatoren, Tenside und Mineralöl¬ additive, G. Thieme Verlag Stuttgart, 1978, S. 223 f., oder bei
K. Owen, Gasoline and Diesel Fuel Additives, John Wiley & Sons, 1989, S. 23 ff., beschrieben sind.
Vorzugsweise verwendet man N-haltige Detergentien, z.B. Ver- bindungen, die eine Amin- oder Amid-Gruppe enthalten. Ins¬ besondere geeignet sind Polyisobutylamine gemäß EP-A 0 244 616, Ethylendiamintetraessigsäureamide und/oder -imide gemäß EP-A 0 356 725, wobei auf die Definitionen in diesen Literatur¬ stellen Bezug genommen wird. Die dort beschriebenen Produkte ver- fügen herstellungsbedingt ebenfalls - wie die erfindungsgemäßen Umsetzungsprodukte - über den Vorteil, chlor- bzw. chloridfrei zu sein.
Soll in erster Linie die Detergents-Wirkung der erfindungsgemäßen Umsetzungsprodukte genutzt werden, so können diese Stoffe auch mit Tragerölen kombiniert werden. Derartige Trägeröle sind be¬ kannt, insbesondere eignen sich Trägeröle auf Polyglykolbasis, z.B. entsprechende Ether und/oder Ester, wie sie in der US-A 5 004 478 oder der DE-A 38 38 918 beschrieben sind. Auch Polyoxyalkylenmonoole mit Kohlenwasserstoffendgruppen
(US-A 4 877 416) oder Trägeröle, wie sie in der DE-A 41 42 241 offenbart sind, können eingesetzt werden.
Als Kraftstoffe für Ottomotoren kommen verbleites und ins- besondere unverbleites Normal- und Superbenzin in Betracht. Die Benzine können auch andere Komponenten als Kohlenwasserstoffe, z.B. Alkohole wie Methanol, Ethanol oder tert.-Butanol sowie Ether, z.B. Methyl-tert.-butylether, enthalten. Neben den erfindungsgemäßen Umsetzungsprodukten enthalten die Kraftstoffe in der Regel noch weitere Zusätze wie Korrosionsinhibitoren, Stabilisatoren, Antioxidantien und/oder weitere Detergentien.
Korrosionsinhibitoren sind meist Ammoniumsalze organischer Carbonsäuren, die durch entsprechende Struktur der Ausgangs- Verbindungen zur Filmbildung neigen. Auch Amine zur Absenkung des pH-Wertes finden sich häufig in Korrosionsinhibitoren. Als Buntmetallkorrosionsschutz werden meist heterocyclische Aromaten eingesetzt.
Die Prüfung der Produkte auf Eignung als Kraftstoffadditive erfolgte mittels Motorentests; in PrüfStandsversuchen gemäß CEC-F-04-A-87 wurde die keep-clean-Wirkung bei Einlaßventilen (1,2 1-Opel-Kadett-Motor) getestet.
Herstellungsbeispiele
Die Zuordnung der Strukturen I bis IV und die Berechnung des Gewichtsanteils der jeweiligen Verbindung I bis IV erfolgte mittels J-H-NMR-Spektroskopie (Messungen in CDC1 3 , Werte in ppm) :
CH 2 -N0 2 in I: 4,65 (d, 1 H) ; 5,20 (d, 1 H) ; AB-System
CH 2 -N0 2 in II: 4,35 (d, 1 H) ; 4,50 (d, 1 H); AB-System
CH 2 -N0 2 in III: 5,30 (d, 2 H) ; 5,42 (d, 2 H) ; AB-System CH 2 -N0 2 in IV: 4,71-4,74 (S, 4 H)
Sämtliche Prozentangaben in den Beispielen mit Ausnahme der E-Werte beziehen sich auf das Gewicht.
Beispiel 1
In einem Rührkolben wurden 722 g hochreaktives Polyisobuten (Glissopal® ES 3250) mit einem mittleren Molgewicht von 1017 und einem Wert E von 85 % und 787 g Mihagol® M (n-Paraffin-Gemisch, Cιo-Cι 3 ) gemischt. Bei einer Heizmanteltemperatur von 40°C wurden innerhalb 3 h 85 g (1,85 Mol) Stickstoffdioxid eingeleitet. Dabei stieg die Innentemperatur auf 43°C. Nach dem Strippen des über¬ schüssigen N0 2 mit Stickstoff wurden 500 g Wasser zugesetzt und es wurde 2 h bei 50 bis 60°C gerührt. Anschließend wurde die Phasentrennung durchgeführt und die organische Schicht im Vakuum andestilliert, um Restmengen von Wasser zu entfernen.
Man erhielt 1515 g Reaktionslösung, die zu ca. 52 % aus Reakti¬ onsprodukten bestand. Mittels präparativer Chromatographie wurde vollständiger Umsatz ermittelt. Das 1 H-NMR-Spektrum ergab eine Produktzusammensetzung von 57 % I, 23 % II, 12 % III und 8 % IV, bezogen auf die Menge von I bis IV.
Die Elementaranalyse der Produktlösung lieferte folgendes Ergebnis.
81,5 % C; 14,3 % H; 2,7 % 0; 1,0 % N.
Beispiel 2
Arbeitete man wie in Beispiel 1, behandelte jedoch das Reaktions¬ gemisch nicht mit Wasser, sondern erwärmte es 1 h auf 40 bis 50°C bei 1 mbar, so erhielt man 1537 g Reaktionslösung mit einer Ele¬ mentaranalyse von:
81,8 % C; 13,4 % H; 2,7 % 0; 1,1 % N.
Die ca. 50 % Reaktionsprodukte in der Reaktionslösung setzten sich nach dem J-H-NMR-Spektrum wie folgt zusammen: 58 % I, 22 % II, 12 % III und 8 % IV, bezogen auf die Menge von I bis IV.
Beispiel 3
Arbeitete man wie in Beispiel 2, setzte jedoch dem Reaktions¬ ansatz 2,6 g Wasser zu, so erhielt man nach dem Erwärmen im Vakuum 1564 g Reaktionslösung mit einer Elementaranalyse von:
81,8 % C; 14,2 % H; 2,7 % 0; 1,5 % N.
Nach der 1 H-NMR-Analyse besaß das Reaktionsprodukt eine Zusammen¬ setzung von: 55 % I, 24 % II, 13 % III und 8 % IV, bezogen auf die Menge von I bis IV.
Beispiel 4
200 g des hochreaktiven Polyisobutens aus Beispiel 1 und 225 g tert.-Butyl-methyl-ether wurden in einer Rührapparatur bei 60°C innerhalb 2 h mit 30 g Stickstoffdioxid behandelt. Nach dem
Abkühlen wurde mit Stickstoff überschüssiges N0 2 ausgetrieben und die Reaktionslösung mit 120 g Wasser 3 h bei 60°C gerührt. Nach der Phasentrennung wurde aus der organischen Phase im Vakuum das Lösungsmittel abdestilliert. Es verblieben 218 g Reaktionsprodukt mit einer Elemtaranalyse von: 79,1 % C, 13,0 % H; 5,2 % 0; 2,1 % N.
Das 1 H-NMR-Spektrum zeigt folgende Zusammensetzung: 59 % I, 22 % II, 12 % III und 7 % IV, bezogen auf die Menge von I bis IV.
Beispiel 5
Man arbeitete wie in Beispiel 4, jedoch wurde das Stickstoff¬ dioxid bei -8°C bis -5°C eingeleitet. Man erhielt 215 g Produkt.
Das iH-NMR-Spektrum ergab folgende Zusammensetzung: 52 % I,
21 % II, 18 % III und 9 % IV, bezogen auf die Menge von I bis IV.
Beispiel 6
200 g des hochreaktiven Polyisobutens aus Beispiel 1 und 225 g tert.-Butyl-methyl-ether wurden in einer Rührapparatur bei 0°C innerhalb 2 h mit 17,1 g Stickstoffmonoxid, dem in Volumen- verhältnis 1:1 Luft zugemischt wurde, behandelt. Nach 3stündigem Nachrühren bei 20°C wurde das Gemisch mit 150 g Wasser versetzt und 3 h auf 50 bis 60°C erwärmt. Anschließend wurde abgekühlt, die Phasentrennung vorgenommen und aus der organischen Phase das Lösungsmittel abdestilliert. Es verblieben 218 g Rückstand, der nach ! H- R 42 % I, 10 % II, 8 % III und 4 % IV, bezogen auf die Gesamtmenge des Rückstandes, enthielt.
Beispiel 7 (zum Vergleich)
In einem Rührkolben wurden 720 g Polyisobuten mit nur geringem Anteil an endständigen Doppelbindungen (Indopol® H 100; mittleres Molgewicht 930; Bromzahl 22,4; E = 10 %) und 820 g Mihagol ® M (n-Paraffin-Gemisch, Cι 0 -Cι 3 ) gerührt und bei 40°C innerhalb 4 h mit 115 g Stickstoffdioxid behandelt. Nach dem Strippen des über¬ schüssigen Stickstoffdioxids mit Stickstoff wurde das Reaktions- produkt mit 350 g Wasser versetzt und 3 h bei 60°C gerührt. Nach der Phasentrennung wurde nochmals mit Wasser gerührt und anschließend die organische Phase in Vakuum kurz andestilliert. Man erhielt 1570 g Produkt als klare Lösung. Mittels präparativer Chromatographie wurde ein Umsatz des eingesetzten Polyisobutens von 94 % ermittelt.
Die Elementaranalyse zeigte folgendes Ergebnis:
81 % C; 14,1 % H; 3,0 % 0; 1,2 % N.
Wurde die Reaktion in tert.-Butyl-methyl-ether ausgeführt und nach der Aufarbeitung das Lösungsmittel abdestilliert, dann zeigte das lösungsmittelfreie Produkt folgende Analyse:
80,0 % C; 13,4 % H; 4,7 % 0; 2 % N.
Die iH-NMR-Spektren lieferten bei 4,2 bis 5,4 ppm ein nichtstruk¬ turiertes Multiplett, dem keine definierten Strukturen zugeordnet werden konnten.
Beispiel 8
Aus Beispiel 4 wurden 400 g Reaktionslösung vor dem Abdampfen des Lösungsmittels ter .-Butyl-methyl-ether mit 600 g Wasser und 20 g Natriumcarbonat 20 h bei 25°C gerührt. Zwecks besserer Phasen- trennung wurde das Reaktionsgemisch mit 140 g 10 %iger Salzsäure versetzt und anschließend die organische Oberphase abgetrennt und eingeengt. Es verblieben 197 g Reaktionsprodukt mit einer Elementaranalyse von: 81,6 % C; 13,5 % H; 3,3 % O; 1,3 % N.
Das iH-NMR-Spektrum zeigt neben Resten von Verbindung II haupt¬ sächlich Verbindung XVII in eis- und trans-Form; erkennbar an 2 Singuletts bei 6,9 und 7 ppm.
Anwendungsbeispiele
Keep-clean-test bei Einlaßventilen
Die Motorversuche wurden mit einem Opel-Kadett 1,2 1-Motor (nach CEC-F-04-A-87) durchgeführt. Eingesetzter Kraftstoff: Euro-Super bleifrei Dosierung des Additivs: jeweils 200 ppm
Bei¬ spiel Additiv aus Einlaßventilablagerungen [mg] *) Nr. Beispiel Nr.
Ventil 1 Ventil 2 Ventil 3 Ventil 4
9 4 4 0 0 1 (210) (150) (154) (200)
10 1 3 3 6 5 (277) (175) (183) (337)
11 2 1 1 0 3 (277) (175) (183) (337)
*) Werte ohne Additiv (Blindversuch) in Klammern
Die Ergebnisse zeigen deutlich die ventilreinigende Wirkung der erfindungsgemäßen Additive.