Verfahren zur Herstellung von mehrfach Carbonat-terminierten Urethanen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung mehrfach Carbonat-terminierter Urethane.

Für eine Vielzahl von Materialien und Anwendungen ist die dauerhafte Funktionalisierung von Oberflächen von Bedeutung. Materialoberflächen können zum Beispiel durch Be Schichtung mit Heparin biokompatibel gemacht werden. Andere Anwendungen sind schmutzabweisende und bakteriostatische Ausrüstungen und die Verbesserung der Haftung von Klebstoffen und Lacken.

Auch die gezielte Modifizierung von Biomolekülen ist in vielen Fällen wünschenswert. So ist es beispielsweise bekannt, dass die biologische Halbwertszeit verschiedener Wirkstoffe durch Anfügen von Polyoxyalkylenresten verbessert werden kann.

Aus EP-A-I 541 568 sind beispielsweise reaktive cyclische Carbonate der allgemeinen Formel 1 bekannt,

wobei R ^' für Ci-Ci ₂ Alkylen steht und R" verschiedenste organische Reste darstellen kann. Diese reaktiven cychschen Carbonate lassen sich mit Nukleophilen, z.B. Hydroxy- oder primären oder sekundären Aminogruppen von Biomolekülen, Polymeren oder an Substratoberflächen umsetzen, wobei es zur öffnung des cyclischen Carbonatrings kommt unter gleichzeitiger kovalenter Anbindung an das Biomolekül, das Polymer oder sonstige Substratoberflächen.

Die Herstellung der reaktiven cyhschen Carbonate der Formel (1) erfolgt dabei durch Umsetzung der phenylsubstituierten cychschen Carbonate der allgemeinen Formel (2),

mit Aminen der allgemeinen Formel (3) H ₂ N-R ^" (3)

Nachteilig ist bei dieser Synthese die Freisetzung von Phenol als Nebenprodukt der Substitution mit dem Amin in äquimolaren Mengen. Je nach erhaltenem Reaktionsprodukt der Formel (1) ist die Abtrennung des toxikologisch problematischen Phenols mit hohem Aufwand verbunden.

Die US-A-5,115,045 betrifft Isocyanat-reaktive Zusammensetzungen, die zur Herstellung von

Polyurethanen eingesetzt werden. Diese Isocyanat-reaktiven Zusammensetzungen basieren auf dem Umsetzungsprodukt von (a) einem Di- oder Polychlorformiatester des Typs Q- [X-CO Y] _n , wobei X Sauerstoff und Y Chlor bedeuten kann, n mindestens 2 ist und Q einen organischen Rest darstellt, mit (b) einer mehrfach-funktionellen Verbindung, die neben den funktionellen Gruppen, welche mit dem Di- oder Polychlorformiatester (a) abreagieren, zwingend mindestens eine Immo- oder

Enammogruppe enthalten muss. Es werden keine Di- oder Polychlorformiatester (a) beschrieben, die cyclische Carbonatgruppen aufweisen. Die Herstellung der Di- oder Polychlorformiatester erfolgt durch Umsetzung von Polyolen mit Acylierungsmitteln wie Phosgen. Aus den Imino- und/oder Enaminogruppen, die in der mehrfach-funktionellen Verbindung (b) enthalten sind, kann später durch Hydrolyse eine gegenüber Isocyanaten reaktive Aminogruppe erhalten werden.

Aus DE-A-26 095 02 ist ein Verfahren bekannt, in dem ein bi funktionelles Isocyanat mit einem Polyoxyalkylenpolyamin umgesetzt werden kann. Dabei werden Koppelprodukte erhalten, die über Harnstoffgruppen miteinander verbunden sind.

Aus EP-A-O 328 150 ist ein Verfahren bekannt, dass die Umsetzung von Cyclocarbonat- terminierten Alkoholen mit Carbonsäureanhydriden beschreibt. Dabei werden Cyclocarbonat- termimerte Ester erhalten, die für vielfältige weitere Reaktionen verwendet werden können. Beschrieben wird ferner in Beispiel 18 die Umsetzung von Hexamethylendiisocyanat mit Glycerincyclocarbonat in Dimethoxyethan. Hierbei wird ein deutlicher überschuss von 3

äquivalenten Hexamethylendiisocyanat bezogen auf 1 äquivalent Glycerincyclocarbonat eingesetzt. Die Entfernung des nach der Umsetzung zurückbleibenden Hexamethylendiisocyanats ist ein wirtschaftlich und auch ökologisch unerwünschter Zusatzschritt.

Da em hoher Bedarf nach reaktiven cyclischen Carbonaten zur Oberflächenbehandlung besteht, lag dieser Erfindung die Aufgabe zugrunde, em verbessertes Herstellverfahren bereitzustellen.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Verbindungen der allgemeinen Formel (I),

woπn

R ¹ für d-C -Alkylen steht, k eme ganze Zahl von größer 1 steht und

R für einen k-valenten alrphatischen, cycloaliphatischen, aromatischen oder araliphati sehen Kohlenwasserstoff-Rest steht, der gegebenenfalls ein oder mehrere Heteroatome enthält, durch Umsetzung einer Verbindung der allgemeinen Formel (II)

worin R ¹ die für die allgemeine Formel (I) genannte Bedeutung hat, mit einer Verbindung der allgemeinen Formel (III),

[ ° ^CN i FT (III)

worin k und R ² die für die allgemeine Formel (I) genannten Bedeutungen haben, wobei 1-2 äquivalente der Verbindung der allgemeinen Formel (II) bezogen auf 1 äquivalent der

Verbindung der allgemeinen Formel (IH) eingesetzt werden.

Em Vorteil des erfmdungsgemäßen Verfahrens besteht in der Vermeidung von Phenol als Nebenkomponente. Insbesondere vorteilhaft ist, dass es sich bei dieser Reaktion um eine Additionsreaktion handelt, bei der prinzipiell keine weiteren Nebenkomponenten entstehen Es handelt sich somit um ein Verfahren, weiches atomökonomisch eine vollständige Ausbeute liefert. Darüber hinaus ist es nicht erforderlich, das Di- oder Polyisocyanat der allgemeinen Formel (III) m einem Uberschuss einzusetzen. Eine Abtrennung überschüssigen Di- oder Polyisocyanats nach der erfmdungsgemäßen Umsetzung ist daher meistens nicht erforderlich. Nichtsdestotrotz werden exzellente Ausbeuten an der gewünschten Verbindung der allgemeinen Formel (I) erhalten

Die Isocyanate der allgemeinen Formel (III) können durch Umsetzung der entsprechenden Amme der allgemeinen Formel (FV) mit Phosgen hergestellt werden,

worin k und R die für die allgemeine Formel (I) genannten Bedeutungen haben,

Sofern in dieser Anmeldung der Begriff „substituiert" verwendet wird, so bedeutet dies im Sinne dieser Anmeldung, dass ein Wasserstoff-Atom an einem angegebenen Rest oder Atom durch eine der angegebenen Gruppen ersetzt ist, mit der Maßgabe, dass die Wertigkeit des angegebenen Atoms nicht überschritten wird und die Substitution zu einer stabilen Verbindung fuhrt

Im Rahmen dieser Anmeldung und Erfindung können alle zuvor genannten und im Folgenden genannten, allgemeinen oder m Vorzugsbereichen genannten Definitionen von Resten, Parametern oder Erläuterungen untereinander, also auch zwischen den jeweiligen Bereichen und Vorzugsbereichen in behebiger Weise kombiniert werden.

Im erfindungsgemäßen Verfahren werden bevorzugt Verbindungen der allgemeinen Formel (II) eingesetzt, worin R ¹ einen Ci-C ₆ -Aikylen-Rest, besonders bevorzugt einen Methylen-, Ethylen-, n-

Propylen, n-Butylen- oder n-Hexamethylenrest darstellt.

Geeigneterweise werden im erfindungsgemäßen Verfahren Verbindungen der allgemeinen Formel

(πi) eingesetzt, worin k eine ganze Zahl größer 1, insbesondere 2 oder 3 ist,

R ² für einen k-valenten, insbesondere dl- oder trivalenten, ahphatischen, cycloahphatischen, aromatischen oder araliphatischen Kohlenwasserstoff-Rest steht, der gegebenenfalls ein oder mehrere Heteroatome enthält.

Bevorzugt werden Verbindungen der allgemeinen Formel (III) eingesetzt, bei denen k 2 oder 3 ist,

R ² für einen di- oder trivalenten, ahphatischen, cycloaliphaüschen, aromatischen oder araliphatischen Kohlenwasserstoff-Rest steht, der ausschließlich ein oder mehrere Sauerstotfatome als Heteroatome enthält.

Besonders bevorzugt werden ferner Verbindungen der allgemeinen Formel (III) eingesetzt, bei denen k 2 ist,

R ² für eine -[(C ₂ -C ₆ -Alkylen-O-)χ-(C ₂ -C ₆ -Alkylen)]- Gruppe, worin die beiden

Alkylenemheiten gleich oder verschieden sind und x = 1-50 ist, bevorzugt x = 1- 40, steht oder für eine

-[(C ₂ -C ₆ -Alkylen-O-) _x -(C ₂ -C ₆ -Alkylen-O-) _y -(C ₂ -C ₆ -Alkylen-O-) _z -C _r C ₆ AIkylen]- Gruppe steht, wobei die drei Alkylenemheiten verschieden smd bzw die erste mit der dritten identisch sein kann, und wobei x = 0-50, insbesondere x = 1-40, y = 1- 50, insbesondere y = 1-40, und z = 1-50, insbesondere z = 1-40 ist.

Als Amme der allgemeinen Formel (IV), die zur Herstellung der Verbindungen der allgemeinen Formel (III) eingesetzt werden können, sind beispielsweise die folgenden geeignet:

Polyetherdiamme, Ethylendiamm, Propylendiamm, Butylendiamm, Hexamethylendiamm, MDA, TDA, Diarmnobenzol, Diammocyclohexan, Diammomethylcyclohexan, TCD-Diamm, l,4-Bis-(3- ammopropyloxy)butan, Tπs-(2-ammoethyl)amm, l,4-Bis-(3-ammopropyl)prperazm, Bis-(3- ammopropyl)amm und Tπethylentetramm.

Als Polyetherdiamme der allgemeinen Formel (IV), die zur Herstellung der Verbindungen der allgemeinen Formel (III) einsetzbar sind, können beispielsweise Handelsprodukte der Huntsman Corporation wie Jeffamm D-230, Jeffamm D-400, Jeffamm D-2000, Jeffamm D-4000, Jeffamm ED-600, Jeffamm ED-2003 und Jeffamm EDR-148 verwendet werden.

Im erfϊndungsgemäßen Verfahren werden 1 bis 2 äquivalente der Verbindung der allgemeinen Formel (II) bezogen auf 1 äquivalent der Verbindung der allgemeinen Formel (III) eingesetzt. Bevorzugt werden 1 bis 1,5 äquivalente, besonders bevorzugt 1 bis 1,2 äquivalente und insbesondere 1 äquivalent der Verbindung der allgemeinen Formel (IT) bezogen auf 1 äquivalent der Verbindung der allgemeinen Formel (III) eingesetzt.

Das erfmdungsgemäße Verfahren wird üblicherweise bei einer Temperatur im Bereich von 0 ⁰ C bis 22O ⁰ C durchgeführt. Bevorzugt wird das erfmdungsgemäße Verfahren bei einer Temperatur im Bereich von 10 ⁰ C bis 200 ⁰ C und besonders bevorzugt im Bereich von 20 ⁰ C bis 15O ⁰ C durchgeführt

Das erfindungsgemäße Verfahren kann so durchgeführt werden, dass die Verbindung der allgemeinen Formel (III), gegebenenfalls gelöst in einem inerten Lösungsmittel, vorgelegt wird und anschließend die Verbindung der allgemeinen Formel (II), gegebenenfalls ebenfalls gelöst in dem gleichen oder m einem verschiedenen inerten Lösungsmittel, zu dem Isocyanat gegeben wird.

In einer alternativen Ausführungsform wird die Verbindung der allgemeinen Formel (η) vorgelegt und anschließend die Verbindung der allgemeinen Formel (III) zugegeben, wobei beide Substanzen gegebenenfalls mit dem gleichen oder verschiedenen inerten Lösungsmittel verdünnt sein können..

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch kontinuierlich betrieben werden. Dabei erfolgt die

Zugabe des Di- oder Polyisocyanats der allgemeinen Formel (III) gleichzeitig mit der Zugabe der Verbindung der allgemeinen Formel (H) in eine geeignete Apparatur.

Es sei ausdrücklich erwähnt, dass beide vorgenannten Ausführungsformen auch in Abwesenheit von Lösungsmitteln durchgeführt werden können.

Geeignete Lösungsmittel sind beispielsweise Toluol, Xylole, Chlorbenzol, 1,2-DichIorbenzol, Tetrahydrofuran, Diethylether, Dioxan, Methyltetrahydrofuran, Cyclopentylmethylether, Dibutylether, 1 ,2-Dichlorethan, Dichlormethan, Chloroform, Dimethoxyethan, Acetonitπl, Cylohexan, Methylcyclohexan, Cyclopentan, Heptan, Hexan, Diethylenglycoldimethylether,

Ethylbenzol und Methyl-tert-butylether.

Die Isolierung der Verbindungen der allgemeinen Formel (I) kann durch Destillation, Kristallisation, Chromatographie oder Gefriertrocknung erfolgen.

Die nach dem erfmdungsgemäßen Verfahren erhaltenen Verbindungen der allgemeinen Formel (I) lassen sich mit funktionellen Gruppen wie z.B. Hydroxygruppen oder primären oder sekundären Aminogruppen umsetzen, die in Biomolekülen, Polymeren oder Substratoberflächen enthalten sind Hierbei kommt es zur öffnung des cyclischen Carbonatrings unter kovalenter Anbindung an das Biomolekül, das Polymer oder die Substratoberfläche. Auf diese Weise ist es möglich, die oben definierte Vielzahl von Resten R ² und R ³ in Biomoleküle oder Polymere einzuführen oder an Substratoberflächen zu binden.

Der Begriff „Biomolekül" soll dabei alle Moleküle umfassen, die aus biologischen Systemen isoliert werden können und/oder mit biologischen Systemen oder Teilen davon in Wechselwirkung treten können. Hierzu zählen vor allem Peptide, Proteine, Proteoglykane, Enzyme, Markierungsstoffe, Antikörper, Rezeptormoleküle, Antigene und Wirkstoffe. Spezielle Beispiele sind Heparin, Gewebeplasminogenaktivator, Streptokinase und Prostaglandine.

Als Polymere sind beispielsweise Polyamine oder Polyole einsetzbar. Beispiele für Polyamine sind

Polyvinylamin, Polyallylamm, Polyethylemrmne, Chitosan, Polyamid-Epichlorhydnn-Harze, (Erhältlich als „Hercosett®" Produkte), Polyammostyrol, Peptide oder Proteine, wie Gelatine.

Als Oberflächen, die nach diesem Verfahren behandelt werden können, sind z.B. die Oberflächen von Materialien geeignet, die Ammo- und/oder Hydroxygruppen aufweisen, oder Oberflachen, die nach an sich bekannten Verfahren mit Ammosilanen behandelt wurden

Insbesondere lassen sich die nach dem erfind vsngs gemäßen Verfahren erhaltenen Verbindungen der allgemeinen Formel (I) mit Diammen zu sogenannten Blockcopolymeren umsetzen. Geeignete Diamme sind z.B. Polyetherdiamme oder Diammopolysiloxane. Die letztere Umsetzung wird m einer am gleichen Tag von der Momentive Performance Mateπals eingereichten deutschen Patentanmeldung offenbart.

BEISPIELE

Beispiel 1 (Herstellung des Diisocyanats')

In einem 1 -Liter Reaktor mit Ruhrer, Kühler (0 ⁰ C) Tropftrichter und Gaseinleitrohr werden 300 ml Chlorbenzol vorgelegt und auf -10 ⁰ C gekühlt. In das gekühlte Lösungsmittel werden 121 g Phosgen einkondensiert. In 42 Minuten wird zu dieser Mischung eine Lösung aus 150 g Jeffamin ED-600 in 150 g Chlorbenzol so zugegeben, dass die Temperatur von +3°C nicht überschritten wird. Nach beendeter Zugabe wird die Mischung innerhalb von 2 Stunden kontinuierlich auf 130 ⁰ C erhitzt. Dabei wird bei der Temperatur von 20 ⁰ C begonnen ein Phosgenstrom von 55 g/h einzuleiten. Nach Erreichen der Temperatur von 130 ⁰ C wird noch eine Stunde bei dieser Temperatur unter Phosgeneinleiten gerührt. Insgesamt werden dabei 160 g Phosgen zudosiert. Zur Entfernung des Phosgenüberschuss wird der Kuhler jetzt mit einer Temperatur von 2O ⁰ C betrieben und es wird ein Stickstoffstrom von 25 l/h durch die Reaktionsmischung geleitet. Anschließend wird die Mischung auf 80 ⁰ C gekühlt und bei verringertem Druck (20 mbar) wird Chlorbenzol abdestilliert bis kern Destillat mehr aufgefangen werden kann Es werden 162,5 g Dπsocyanat (100% der Theorie) erhalten.

Beispiel 2 (erfindungsgemäss)

In einem 0,5-Liter Reaktor mit Rührer, Kühler (9°C) und Tropftrichter werden 27,6 g Glycerolcarbonat (90%ig) in 50 g Chlorbenzol vorgelegt. über den Tropftrichter werden 70,0 g des Diisocyanats aus Beispiel 1 gelöst in 60 g Chlorbenzol bei 20 ⁰ C zugetropft. Anschließend wird die

Mischung auf Rückfluss (134°C) erhitzt. Der Umsatz wird mittels IR-Spektroskopie verfolgt. Nach 38 Stunden Reaktionszeit ist keine NCO-Bande mittels IR-Spektroskopie mehr nachweisbar. Der Ansatz wird auf 13O ⁰ C temperiert und alle fluchtigen Bestandteile werden bei vermindertem Druck (2 mbar) entfernt. Es werden 93,5 g (98% der Theorie) des gewünschten Produkts erhalten.