DE1768798B2

DE1768798B2 - Verfahren zur herstellung von dihalogen-s-triazinyl-reste enthaltenden polymeren

Info

Publication number: DE1768798B2
Application number: DE19681768798
Authority: DE
Inventors: Kay London Garth
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1967-07-03
Filing date: 1968-07-02
Publication date: 1976-04-22
Also published as: FR1571242A; DE1768798A1; GB1183258A; US3557073A; SE372533B

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Dihalogen-s-triazinyl-Reste enthaltenden Polymeren gemäß vorstehenden Patentansprüchen.

Häufig ist es gewünscht, eine Verbindung mit freien Amino-Gruppen, z. B. einen Farbstoff, mit einem Polymeren mit nukleophilen Gruppen, z. B. Cellulose, zu verbinden. Hierzu verwendet man in der Regel ein Kupplungsmittel, das zunächst mit einem der Ausgangsstoffe, d. h. mit dem Polymeren oder der anzulagernden Verbindung, umgesetzt wird, wobei ein Zwischenprodukt entsteht, das dann mit dem anderen Ausgangsstoff umgesetzt wird. Handelt es sich bei der Verbindung, die mit dem Polymeren verbunden werden soll, um eine instabile Verbindung, so sollte das Kupplungsmittel zunächst mit dem Polymeren umgesetzt werden. Die instabile Verbindung wird also möglichst wenigen chemischen Umsetzungen unterworfen. Als Kupplungsmittel ist auch schon Cyanurchlorid verwendet worden. Man kann z. B. Cyanurchlorid mit einem Farbstoff umsetzen und die entstandene Verbindung dann weiter mit Cellulose umsetzen. Bei dieser Umsetzung werden aber keine guten Endprodukte erhalten, weil man nicht Dichlortriazinylderivate mit Erfolg herstellen kann. Derartige Umsetzungen werden so ausgeführt, daß man zunächst die Cellulose mit einem Alkali vorbehandelt, das überschüssige Alkali dann entfernt und schließlich die Cellulose mit einer Lösung von Cyanurchlorid in einem organischen Lösungsmittel behandelt. Das organische Lösungsmittel ist erforderlich, da Cyanurchlorid in Wasser unlöslich ist. Bei einer Analyse der so erhaltenen Derivate wurde festgestellt, daß das molare Verhältnis von Chlor zu Triazin 1 : 1 oder weniger ist. Dieses Ergebnis zeigt, daß wenigstens eines der beiden Chloratome, die in dem Triazinring nach ihrer Umsetzung mit dem Polymeren verblieben waren, entfernt ist. Diese Entfernung oder Abspaltung wird bewirkt entweder durch eine Hydrolyse, wobei anstelle eines Chloratoms ein negativ geladenes Sauerstoffatom gelangt, oder durch Vernetzung. Beide Umsetzungen verringern die Aktivität des verbleibenden Chloratoms sehr weitgehend.

Es wurde nun festgestellt, daß diese Hydrolyse sehr viel langsamer in einem sauren oder neutralen Medium verläuft als in einem alkalischen Medium. Man kann also die Hydrolyse und Vernetzung des Polymeren weitgehend verhindern, wenn das Umsetzungsmedium nach der Umsetzung des Cyanurchlorids mit der Cellulose sauer oder neutral ist. Man kann das Polymer dann abfiltrieren und z. B. mit Aceton und destilliertem.Wasser auswaschen.

Zu den Polymeren, die erfindungs£emäß verarbeitet werden können, gehören natürliche oder syntl etische Polymere, insbesondere hydrophile Polymere, also mit freien Hydroxyl-Gruppen, wie Cellulose, substituierte Cellulosen, Stärke, lösliches Dextran, verschiedene vernetzte Dextrane, Proteine, wie Wolle, und PoIyvinylakohol. Ebenso kann man auch andere polymere Stoffe verwenden, wie Nylon, Kondensationsprodukte aus Terephthalsäure und Äthylenglykol und Celluloseacetate.

Das bevorzugte Cyanurhalogenid ist Cyanurchlorid. In manchen Fällen kann aber man auch das entsprechende Fluorid oder Bromid verwenden.

In einem alkalischen Medium ist die Menge des Cyanurhalogenide, die sich mit dem Polymeren verbindet, größer als in einem neutralen oder sauren Medium, Bei einer Umsetzung in einem sauren oder neutralen Medium enthält das gewonnene Derivat zwar auch erhebliche Mengen von Dihalogen-s-triazinyl-Resten. Man erhält aber ein weitgehend substituiertes Endprodukt, wenn man die Lösung des Cyanurchlorids mit dem Polymeren in einem alkalischen Medium in Berührung bringt und den pH-Wert möglichst schnell nach dem Stattfinden der Umsetzung herabsetzt. Das Ausmaß der Hydrolyse und des Vernetzens der Dihalogen-s-triazinyl-Reste wird in gewissem Ausmaße bei niedriger Temperatur ver-

-jngert. Wenn man also die Umsetzung bei einer lieferen Temperatur, z.B. hei 2^CC, durchführt, so traucht man den pH-Wert des Mediums nicht so schnell herabzusetzen, als wenn man beispielsweise lei Raumtemperatur arbeitet. In jedem Falle sollte <|ie Umsetzung vorzugsweise bei einer Temperatur «nter35^cC durchgeführt werden.

Cen erforderlichen sauren oder neutralen pH-Wert fcann man auch dadurch einstellen, daß man mit überschüssigem Cyanurhalogenid arbeitet. In situ findet eine Umsetzung des Cyanurhalogenids mit Wasser in dem Reaktionsmedium statt, wobei Halo-•enwasserstoffsäure entsteht. Man kann aber auch eine Säure, z. B. Essigsäure, zusetzen. Der pH-Wert sollte innerhalb des Bereiches von 0 bis 7, insbesondere von 3 0 bis 5,5, beispielsweise bei 4,5, gehalten werden.

Das Pol>mere wird vorzugsweise so vorbehandelt, daß seine Struktur geöffnet wird, damit das Cyanurhalogenid soweit wie möglich eindringen kann. Das lann geschehen durch Einweichen des Polymers in Wasser. Dem Wasser kann ein alkalisch wirkender Stoff, wie Natriumhydroxyd oder Natriumcarbonat, »ugesetzt werden. Wenn das Cyanurhalogenid mit dem Polymeren in Berührung kommt, so ist der pH-Wert an der Oberfläche des Polymers alkalisch.

Die Gegenwart von Wasser ist wesentlich für die Umsetzung. Da Cyanurhalogenide in Wasser unlöslich sind, muß die Reaktion in einem Lösungsmittelcemisch durchgeführt werden. Der wäßrige Anteil des Lösungsmittelgemisches wird von dem Polymeren ancezogen, während der organische Anteil das Cyanurhalogenid zurückbehält. Dadurch wird das Cyanurhalogenid von dem Polymeren getrennt gehalten. Diese Schwierigkeit wird verringert, wenn man zu einer Lösung des Cyanurhalogenids in einem organischen Lösungsmittel zuerst das Polymere und dann das Wasser zugibt. Daf Wasser bringt dabei sowohl das Cvanurhalogenid wie das organische Lösungsmittel in das Polymere ein. Nach der beschriebenen Vorbehandlane des Polymeren sollte das Wasser, das zum öffnen der Struktur des Polymeren verwendet wurde, entfernt werden, bevor man das Polymere der organischen I ösune des Cvanurhalogenids zugibt. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform dieses Verfahrens besteht in folgender Arbeitsweise:

Man behandelt das Polymere in einer wäßrigen LöVung eines Alkali, z. B. in einer O.lnormalen oder lnormalen Lösung von Natriumhydroxyd. Dann fixiert man die überschüssige Lösung ab und erhält Sa Polymere, durch Absaugen auf einer Nutsche, in feuchtem Zustand. Das so vorbehandelte Polymer gibt man dann zur organischen Lösung des Cyanur-Knids, rührt und setzt Wasser zu, sobald das gleichmäßig in der Lösung verteilt ist. Das Handelt es sich aber um ein Polymeres, das größere Mengen von Wasser absorbiert, z.B. um vernetztes Dextran, so wird das absorbierte Wasser durch das organische Lösungsmittel extrahiert, und das vorgenannte Verfahren ist nicht anwendbar. In diesem Falle gibt man deshalb die Lösung des Cyanurhalog?nids~ langsam zu einer Suspension von vernetztem Dextran in einem Wasser und ein organisches Lösungsmittel enthaltendem Medium. Der pH-Wert wird hierbei alkalisch gehalten, und zwar durch Zugabe von wäßrisem Natriumhydroxyd, bis die Reaktion beendet ist. Man führt die Umsetzung bei tieferer Temperatur, z.B. bei 2°C, durch. Dadurch wird die Geschwindigkeit des Vernetzens und der Hydrolyse herabgesetzt, und das Cyanurhalogenid hat genügend Zeit, um in das Polymer einzudringen.

Geeignete, mit Wasser mischbare organische Lösungsmittel für Cyanurhalogenid sind beispielsweise Ketone, wie Aceton und Dioxan.

Die Substitution nimmt zu mit der Menge des dem Reaktionsgemisch zugesetzten Wassers. Verwendet man aber größere Mengen von Wasser, so ist es schwieriger, das Cyanurhalogenid zu lösen, und die Hydrolyse des Cyanurhalogenids nimmt ebenfalls zu. Es muß also in jedem einzelnen Falle ein Kompromiß angestrebt werden. In allen nachfolgenden Beispielen wurden volumgleiche Teile von Wasser und organischem Lösungsmittel verwendet.

Die erfindungsgemäß erhaltenen Derivate sind deshalb besondeis gut verwendbar, weil die Halogenatome des Triazinringes genügend aktiv sind und weil J«^weils eines der beiden Halogenatome befähigt ist, ein MoIekül eines Enzyms oder einer anderen biologisch aktiven Substanz anzugreifen. Man kann also ^mi"^els. ^a^^r erfindungsgemäß hergestellten Derivate biologische Stoffe mit einer polymeren Matrix verbinden, wie es

beispielsweise in den britischen Patentscnniten 11 83 257, 11 83 259 und 11 83 260 beschrieben ist.

Die Menge der Triazinringe, die an das 1 oiymere gebunden waren, wurde so bestimmt, daß man aas Umsetzungsprodukt einer sauren Hydrolyse unterwart Hierbei entsteht Cyanursäure, die spektroskopisch1 mit einer Lösung von Cyanursäure bekannter Konzemrdtion verglichen wird. Die Ergebmsse sind in Molprozent angegeben, d.h. in der Zahl der Moie ucr Substituenten je 100 Mol von Anhydroglucose-E η heilen der Cellulose. Im einzelnen wurde das Verfahren wie folgt durchgeführt:

Eine kleine Menge des

Cellulosederivats etwa 01g, in Ag«^ SubstitutionsgradL wurde 2 Stunden lang in 5 ml einer 0,2normalen Schwefe saure bei 100 C auf _ einem Wasserbad gerührt. Man filtrierte d|e Flüssigkeit ab und wusch den Ruckstand m,t weiterer Wnonnate

S=T

Chloratomen an hydrolisierten oder vernetzten Gruppen reagiert. Hierbei entsteht das nachstehende Derivat:

NH-CH₂-COO-

N = C

Cell —O —C N (I)

N — C
i
Hai

Dieses Derivat wird einer sauren Hydrolyse unterworfen, wobei ein N-substituit/tes Ammelid entsteht, dessen Menge dann spektroskopisch bestimmt wird im Vergleich mit einem Ammelid, das durch saure Hydrolyse von 2₎4-Diha.logen-6-carboxymethyl-aminos-triazin erhalten wurde. Das Verfahren ist identisch mit dem oben beschriebenen, mit dem Unterschied, daß kein Boratpuffer zugesetzt werden muß, um den pH-Wert des Hydrolysate vor dem Ablesen der optischen Dichte einzustellein und daß diese bei 2240 A-Einheiten abgelesen wurde.

Als Bestätigung dafür, daß Verbindungen der nachstehenden Formel zugegen waren,

Hai

N = C

Cell —O —C

(II)

N-C

Hai

wurde durch Analyse festgestellt, daß ein Verhältnis von Gesamthalogen zu Triazin von 2: 1 vorlag und daß die Umsetzungsgeschwindigkeit des Polymeren mit Glycin fast identisch war mit der Umsetzungsgeschwindigkeit von 2,4-Dihalogen-6-carboxymethoxy- $-triazin mit Glycin. Vergleichsweise wurden 9,41 Mol"¹ Sek.-¹ gegen 13 1 Mol"¹ Sek.-¹ festgestellt. Die Um- »etzungsgeschwindigkeit von 2-Halogen-4,6-methoxys-triazin mit Glycin beträgt vergleichsweise 0,231 MoI-' Sek."¹.

Ein anderes Verfahren zum Messen des aktiven Halogens ist abhängig von der Tatsache, daß während der Umsetzung des Dihalogen-s-triazinylderivats mit Glycin Säure freigesetzt wird, so daß die Umsetzung durch Titrieren in üblicher Weise verfolgt werden kann, und daß man nach der Gesamtmenge der freigesetzten Säure feststellen kann, wieviel aktives Halogen in der Probe enthalten ist.

Die Ergebnisse sind wieder in Molprozent angegeben und bedeuten die Zahl von aktiven Halogenatomen je 100 Mo! von Anhydro-Glucose-Einheiten der Cellulose.

Ein Verhältnis des aktiven Halogens zum Triazin von 1 : 1 würde bedeuten, daß lediglich Dihalogens-triazinyl-Reste zugegen sind. Ein niedrigeres Verhältnis würde anzeigen, daß eine gewisse Hydrolyse oder ein Vernetzen stattgefunden hat.

Aus der oben angegebenen Reaktion von Glycin mit Dihalogen-s-triazinyl-Resten, die an das Polymere gebunden sind, ist ersichtlich, daß gebundene Triazinyl-Reste mit zwei Halogenatomen für bestimmte Reaktionen eine höhere Reaktionsbereitschaft aufweisen, als solche Triazinyl-Reste, an die lediglich ein Halogenatom gebunden ist. Dieser Sachverhalt wird mit dem Begriff »aktives Halogen« ausgedrückt; in einem Polymeren mit gebundenen Dihalogen-s-triazinyl-Resten entsprechend dem Produkt (II) beträgt somit das Verhältnis von aktivem Halogen zu Triazin 1:1, trotz einem Verhältnis von Halogenatomen zu Triazin von 2: 1.

Für die Verwendung der erfindungsgemäß hergestellten Produkte ist der Anteil an aktivem Halogen von besonderer Bedeutung, denn unter bestimmten Reaktionsbedingungen, etwa bei der schonenden Umsetzung mit einem Enzym oder anderem biologisch aktivem Material, weist oft nur eines der beiden ao Halogenatome die erforderliche Reaktionsbereitschaft auf.

In der französischen Patentschrift 12 34 869 wird die Umsetzung von freie Hydroxylgruppen enthaltenden Polymeren (Baumwoll-Cellulose) mit Cyanurtri- »5 halogenid (2,4,6-Trichloro-l,3,5-triazin) beschrieben und für das Reaktionsprodukt gemäß Beispiel 1 ein Stickstoffgehalt von 0,4% und ein Chlorgehalt von 0,26% angegeben; entsprechend weist das Reaktionsprodukt gemäß Beispiel 2 einen Stickstoffgehalt von 0,2% und einen Chlorgehalt von 0,1 % auf. Für beide Produkte liegt somit der Chlorgehalt deutlich unterhalb des Stickstorfgehalts. Berücksichtigt man das Molekulargewicht von 42 für die drei Stickstoffatome des Triazinringes und ein Molekulargewicht von 35,4 für Chlor, so folgt aus der Analyse der bekannten Produkte, daß diese durchschnittlich weniger als 1 Chloratom pro Triazin enthalten, woraus auf einen sehr geringen Anteil an aktivem Halogen geschlossen werden muß. Demgegenüber liegt bei erfindungsgemäß hergestellten Produkten, wie die folgenden Beispiele belegen, das Verhältnis von Triazin zu aktivem Halogen zumeist oberhalb 1:0,5. Wegen des wesentlich höheren Anteils an aktivem Halogen sind die erfindungsgemäß hergestellten Produkte deshalb in der Lage, größere Mengen von Enzym oder anderen biologisch aktiven Substanzen, welche unter schonenden Bedingungen umgesetzt werden müssen, zu binden. Die nachstehenden Beispiele erläutern die Erfindung.

B e i s ρ i e 1 1

3 g Cyanurchlorid wurden in 15 ml Aceton gelöst. Man gab 3 g Natriumbicarbonat und 3 g Cellulose zu. Man rührte die Mischung, bis die Cellulose gleichmäßig im Lösungsmittel verteilt war. Dann gab man 5 ml Eisessig zu und gleich anschließend darauf 15 ml Wasser. Der pH-Wert des Mediums betrug 3,0 ± 0,3. Nach 10 Minuten wurde die Cellulose abfiltriert, mit Aceton und Wasser gewaschen und in einem Exsikkator im Vakuum über Silicagel getrocknet. Die Analyse zeigte, daß weniger als 0,01 Molprozent s-Triazin und weniger als 0,01 Molprozent aktives Chlor zugegen waren.

Beispiel 2 ⁶5

3 g Cyanurschlorid wurden in 15 ml Aceton gelöst. Man gab 3 g Natriumbicarbonat und 3 g Cellulose zu. M;in rührte die Mischung, bis die Cellulose nleich-

mäßig verteilt war. Dann gab man 15 ml Wasser zu. 15 ml Aceton, gab die vorbehandelte Cellulose zu der

Durch die Mischung wurde Stickstoff geleitet, um Lösung und rührte, bis sie gleichmäßig dispergiert war.

Kohlendioxyd zu entfernen. Der pH-Wert blieb bei 8. Dann gab man 15 ml Wasser zu, wobei nach 10 Se-

3 Minuten nach der Zugabe des Wasser wurde der künden der pH-Wert durch Zugabe von 15 ml 20%-

pH-Wert durch Zugabe von 25 ml 20 %ige Essigsäure 5 iger Essigsäure herabgesetzt wurde. Die Cellulose

herabgesetzt. Dann filtrierte man die Cellulose ab, wurde abfiltriert, mit Aceton und Wasser gewaschen

wusch sie mit Aceton und Wasser und trocknete sie und im Vakuum in einem Exsikkator über Silicagel

im Vakuum in einem Exsikkator über Silicagel. getrocknet.

Die Analyse ergab 0,047 bzw. 0,043 Molprozent Die Analyse ergab 2,04 bzw. 2,01 Molprozent

s-Triazin und 0,028 bzw. 0,027 Molprozent aktives io s-Triazin, 1,21 bzw. 1,17 Molprozent aktives, durch

Chlor. Umsetzung festgestelltes Chlor und 1,34 Molprozent

η . · _e ι 3 durch Titration festgestelltes Chlor.

Man verfuhr wie im Beispiel 1, mit dem Unter- Beispiel 5

schied, daß das Natriumbicarbonat durch Natrium- 15 5 g Cellulose wurden vorbehandelt durch Rühren

carbonat ersetzt wurde und daß kein Stickstoff hin- in 50 ml lnormaler NaOH während 15 Minuten und

durchgeleitet wurde. Der pH-Wert der Reaktions- auf einer Nutsche abgesaugt. Man löste 5 g Cyanur-

mischung lag bei etwa 10. Essigsäure wurde 1 Minute chlorid in 75 ml Aceton, gab die vorbehandelte Cellu-

nach der Zugabe von Wasser zugesetzt. lose zu der Lösung und rührte, bis sie gleichmäßig

Die Analyse ergab 0,380 bzw. 0,389 Molprozent 20 dispergiert war. Dann wurden 75 ml Wasser mit 5 ml

s-Triazin und 0,268 bzw. 0,269 Molprozent aktives Essigsäure und 5 g Natriumbicarbonat zugegeben.

Chlor. Nach 10 Minuten filtrierte man die Cellulose ab, wusch

■n ■ · , λ sie mit Aceton und Wasser und trocknete im Vakuum

P in einem Exsikkator über Silicagel.

3 g Cellulose wurden durch 15minütiges Rühren in as Die Analyse ergab 2,04 Molprozent s-Triazin,

50 ml lnormaler NaOH vorbehandelt und auf einer 1,0 Molprozent aktives Chlor, und 1,5 Molprozent

Nutsche abfiltriert. Man löste 3 g Cyanurchlorid in aktives Chlor, bestimmt durch Titration.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Dihalogens-triazinyl-Reste enthaltenden Polymeren durch Umsetzung von freie hydroxylgruppenenthaltenden Polymeren mit einem Cyanurtrihalogenid in Gegenwart eines inerten, mit Wasser mischbaren, organischen Lösungsmittels und Wasser bei einem alkalischen pH-Wert, dadurch gekennzeichnet, daß man

a) das Ausgangspolymere zu einer Lösung des verwendetenCyanurtrihalogenids in einem obengenannten organischen Lösungsmittel zugibt, dann Wasser zusetzt und gleichzeitig oder kurze Zeit danach (in Abhängigkeit von der Umsetzungstemperatur) in der Mischung einen sauren oder neutralen pH-Wert einstellt oder

b) im Falle der Verwendung von Ausgangspolymeren, die größere Mengen von Wasser absorbieren, die vorgenannte Lösung des Cyanurtrihalogenids langsam zu einer Suspension des Ausgangspolymeren in einem obengenannten organischen Lösungsmittel und Wasser bei alkalischem pH-Wert gibt und anschließend wie unter a) arbeitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man ein mit alkalisch reagierendem Wasser vorbehandeltes und von überschüssigem Wasser befreites Ausgangspolymeres als Ausgangsstoff einsetzt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den erforderlichen sauren oder neutralen pH-Wert mittels der Halogenwasserstoffsäure einstellt, die in situ durch Hydrolyse von überschüssig eingesetztem Cyanurtrihalogenid entsteht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den erforderlichen sauren oder neutralen pH-Wert durch Zusatz von Essigsäure zu dem Umsetzungsgemisch einstellt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man den pH-Wert des sauer gestellten Umsetzungsgemisches bei 3,0 bis 5,5 hält.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Umsetzung im Falle von Methode a) in Gegenwart von Natriumcarbonat oder Natriumbicarbonat durchführt.

7. Verfahren r.ach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man gleiche Volumenanteile Wasser und organisches Lösungsmittel verwendet.