Lipidmodifizierte Naturstoffe - neuartige Tenside und Emulgatoren

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1 Abschlussergebnisse der Nachwuchsgruppe Berlin, Lipidmodifizierte Naturstoffe - neuartige Tenside und Emulgatoren BMVEL FKZ: 05N256 Dr. Bernd Jakob / bjakob@uni-wuppertal.de Bergische Universität Wuppertal Fachbereich C / rganische Chemie Gaußstraße Wuppertal 1

2 Inhalt: 1. Konzept 2. Synthese der Key-Intermediate 3. Synthese von Kombinationsprodukten auf Äpfel- und Weinsäurebasis 4. Synthese von Kombinationsprodukten auf Citronensäurebasis 5. Bestimmung der Produkteigenschaften 6. Zusammenfassung / Ausblick 2

3 1. Konzept Fettsäuren Hydroxycarbonsäuren - Äpfelsäure - Weinsäure - Citronensäure Key-Intermediate: -acylierte Hydroxycarbonsäureanhydride - Amine, Aminosäuren, Aminoalkohole - Kohlenhydrate, Zucker - Alkohole, Polyole, Phenole - Wirkstoffe (pharmazeutische, Geruchstoffe, ) neuartige Kombinationsprodukte - Tenside - Emulgatoren - Verdicker - Polymere - Puffer - konservierend - komplexierend - biologisch aktiv 3

4 2. Synthese der Key-Intermediate mittels Fettsäurechloriden H H Äpfelsäure H -Acyläpfelsäureanhydrid H H H H Weinsäure H C 2 H H H Citronensäure CCl Fettsäurechlorid C - HCl - C 2 H,`-Diacylweinsäureanhydrid C 2 H -Acylcitronensäureanhydrid Lange K., Schneider M., DE A1 4

5 2. Synthese der Key-Intermediate mittels Fettsäurechloriden Vorteile: vollständiger Umsatz der Hydroxycarbonsäure zum Produkt sehr reine, farblose und kristalline Produkte nach Umkristallisation ideale Labormethode Nachteile: spezielle eaktoren erforderlich, da Säurechloride und HCl korrosiv wirken Preis der Fettsäurechloride überschüssige Säurechloride und Fettsäuren müssen abgetrennt werden 5

6 2. Synthese der Key-Intermediate mittels Fettsäureanhydriden 3 Ac 2 90 C-120 C + 6 C 2 H - 6 AcH H H H H C + 4 C 2 H Vorteile: preiswertes, nichtkorrosives Verfahren + 2 Ac 2-4 AcH Nachteile: Produktisolierung ist schwierig lange eaktionszeiten (24-48h) 6

7 2. Synthese der Key-Intermediate mittels Acidolyse H H H H 3 Ac C - 4 AcH H 3 C H 3 C Kat. + 2 C 2 H 130 C - 2 AcH (65%) Vorteile: preiswertes, nichtkorrosives Verfahren vergleichsweise kurze eaktionszeiten (ca. 5 h) Nachteile: gelingt nicht mit Äpfelsäurederivaten (Eliminierung) Produkte dunkel gefärbt Patent angemeldet

8 3. Synthese von Kombinationsprodukten auf Äpfel- und Weinsäurebasis -Acyläpfelsäureanhydrid,`-Diacylweinsäureanhydrid - Amine, Aminosäuren - Kohlenhydrate, Zucker - Alkohole, Polyole, Phenole - Wirkstoffe (pharmazeutische, Geruchstoffe, ) neuartige Kombinationsprodukte 8

9 3. eaktion mit Alkoholen (PEG-Derivate) H 3 CHCl 3 ; 60 C Molekularsieb H 3 = C 7 H 15 ; C 9 H 19 ; C 11 H 23 ; C 13 H 27 ; C 15 H 31 ; C 17 H 35 i. xalylchlorid DMF, CHCl 3 ii. 2 Äq. H N iii. CH 3 I, EtH, MW N 3 I Altenbach H.J., Ihizane., Jakob B., Lange K., Nandi S., Schneider M.P. and Yilmaz Z; J.Surfact.Deterg.;13; (2010);

10 3. eaktion mit Alkoholen (PEG-Derivate) 2 H H 3 CHCl 3 ; 60 C Molekularsieb H 2 H H H 3 H H 2 CHCl 3 ; 60 C Molekularsieb 2 = C 7 H 15 ; C 9 H 19 ; C 11 H 23 ; C 13 H 27 ; C 15 H 31 ; C 17 H 35 10

11 3. eaktion mit Polyolen: Selektivität Glycerin (Überschuss) C H H H weitere Polyole: H H H H H H H H H H H H H H H H Mannitol Sorbitol Pentaerythrit Altenbach H.J., Ihizane., Jakob B., Lange K., Nandi S., Schneider M.P.; Patent DE A1 11

12 3. eaktion mit Kohlenhydraten und Aminozuckern H H H H H D-Glucose DMF / Pyridin / 0-20 C H H H H H weitere Kohlenhydrate: H H H H H D-Galactose H CH 2 H H H CH 2 H H CH 2 H H Saccharose H H H NH 2 H D-Glucosamin Patent angemeldet

13 3. eaktion mit Aminosäuren H 2 N H 1 HAc / C H NH 1 H Aminosäuren: NH H NH 2 Glycin H 2 N N H H NH 2 Arginin H H NH 2 Asparaginsäure HS NH 2 Cystein H H NH 2 Tyrosin H H H 2 N H H H S H H H NH 2 Isoleucin NH 2 Lysin NH 2 Glutaminsäure NH 2 Methionin NH 2 Serin Altenbach, H.J. Ihizane,, Jakob B, Lange K, Nandi S, Schneider MP; PCT Patent W 2009/ A1 13

14 3. eaktion mit Duft- und Wirkstoffen H Salicylsäure C 2 H H C2 H Duft- und Wirkstoffe: H H H H N CH 3 H H H H Citronellol (-)-Menthol Paracetamol L-Ascorbinsäure H H H N H Geraniol (Z)-3-Hexenol Capsaicin 14

15 4. Synthese von Kombinationsprodukten auf Citronensäurebasis C 2 H -Acylcitronensäureanhydrid - Amine - Aminosäuren - Alkohole neuartige Kombinationsprodukte uneinheitliche Produkte! 15

16 4. Synthese von Kombinationsprodukten auf Citronensäurebasis C 2 ` C 2 H C 2 H H C 2 ` C 2 H C 2 H C 2 ` C 2 ` C 2 H C 2 H C 2 ` H C 2 ` C 2 H C 2 H C 2 H + `H H C 2 ` C 2 H C 2 ` C 2 ` C 2 H C 2 H C 2 ` C 2 ` H C 2 ` C 2 ` C 2 ` C 2 ` C 2 ` H C 2 H C 2 ` C 2 ` 16

17 4. Synthese von Kombinationsprodukten auf Citronensäurebasis Zielverbindungen 4 H 2 C 2 H selektive Derivatisierung H CX C 2 H (X =, NH) H 2 C 1 C 2 H 3 C 2 H C 2 H H CX C 2 H CX H C 2 H Synthese der Zielverbindungen durch direkte Derivatisierung oder mittels Mehrstufenprozesse CX C 2 ` C 2 ` C 2 ` -Acylcitronensäuretriester 17

18 4. Synthese von Kombinationsprodukten auf Citronensäurebasis H C 2 H C 2 H C 2 H H C H C 2 C 2 H C 2 H C 2 H C 2 C 2 + H C 2 + H C 2 H + H C 2 + H C 2 H C 2 C 2 H C 2 C 2 C 2 Citronensäure Citronensäuremonoester Citronensäurediester Triester Tenside, Emulgatoren Emulgatoren Bei der technischen Synthese fallen Gemische aus Mono-Di- und Triestern an, die Verhältnisse zueinander sind nur schwer zu steuern und beeinflussen maßgeblich die Produkteigenschaften. 18

19 4. Synthese von Kombinationsprodukten auf Citronensäurebasis - Literaturbeispiele H H 2 C C 2 H C 2 H (CH 2 ) n 145 C (ca. 50%) C 2 H C 2 H Anhydromethylencitronensäure H / NEt 3 (35-60%) C 2 H H C 2 C 2 H symmetrische Monoester Ac 2 / 110 C (87%) i. H / 110 C ii. verd. NaH / 100 C (15-27%) C 2 H C 2 H C 2 H unsymmetrische Monoester Lit.: M. P. Kotick, Elkhart: egioselective synthesis of mono-alkyl citric acid esters 1991 US Patent

20 4. Synthese von Kombinationsprodukten auf Citronensäurebasis - Literaturbeispiele H H 2 C C 2 H C 2 H Ac 2 / 38 C (ca. 50%) H C 2 H H / C (65-80%) H C 2 H C 2 C 2 H + H C 2 C 2 H C 2 H Citronensäureanhydrid (75%) (25%) Die in der Literatur beschriebenen Verfahren eignen sich nur bedingt zur Herstellung von Kombinationsprodukten auf Citronensäurebasis und Fettderivaten. Die Synthesen führen entweder zu Produktgemischen oder es werden aufwendige Verfahren zur Synthese regioisomerenreiner Produkte benötigt, bei bislang moderaten Ausbeuten. Fazit: neue Verfahren sind gefordert! A. J. epta, T. Higuchi J. Pharm. Chem. 1969, 58(9), I. Weil: Method for synthesizing a salt of monoester of citric acid 1989 US Patent

21 4. Synthese von Kombinationsprodukten auf Citronensäurebasis - Citronensäureanhydrid H C 2 H C 2 H C 2 H SCl 2 oder H C 2 H kat. Zn(Ac) 2 (50-80%) Citronensäureanhydrid H C 2 H + H kat. DMAP (50-75%) H C 2 H C 2 C 2 H ca. 95% egioselektivität = Benzyl; C 12 H 25 ; C 16 H 33 ; C 18 H 35 ; bzw. H = Monooleoylglycerid 21

22 4. Synthese von Kombinationsprodukten auf Citronensäurebasis - Borsäurekatalyse H C 2 H C 2 H C 2 H H H C 2 C 2 H + H C 2 C2 H C 2 H C 2 Monoester Diester 50-75% bei doppeltem Citronensäureüberschuss 65-80% H im Überschuss = Benzyl; C 12 H 25 ; C 16 H 33 ; C 18 H 35 ; bzw. H = Monooleoylglycerid oder C 12 H 25 (CH 2 CH 2 ) n H Patent angemeldet

23 4. Synthese von Kombinationsprodukten auf Citronensäurebasis - Borsäurekatalyse C H 2 C 2 H H C 2 H B H 3 B 3 H 2 C C 2 H H H 2 C 2 H C 2 H H 2 C B - C 2 H H H C 2 H acider Komplex + NaH / - 4 H 2 H 2 C C 2 H B - Na + C 2 H C 2 H quantitativ in aprotischen Lösungsmitteln Frage: geeigneter Synthesebaustein? 23

24 4. Synthese von Kombinationsprodukten auf Citronensäurebasis - Borsäureschutzgruppe H 2 C C 2 H Ac 2 B - Na + B - Na + C 2 H C 2 H H (50-60%) H C 2 H C 2 C 2 H NH 2 (55%) egioselektivität > 95% H CNH C 2 H C 2 H = PhCH 2 ; C 8 H 17 ; C 12 H 25 ; C 18 H 35 ; -(CH 2 ) 10 - Monique Bötzer Masterarbeit: Selektive Syntheseverfahren zur Derivatisierung von Citronensäure unter Einsatz von Borsäure, Wuppertal, März

25 5. Bestimmung der Produkteigenschaften Einteilung mittels HLB-Wert HLB* (hydrophilic lipophilic balance): *Griffin, W. C.: Classification of surface active agents by HLB, J. Soc. Cosmet. Chem. 1,

26 5. Bestimmung der Produkteigenschaften Tenside Tensideigenschaften: C 20 CMC: kritische Mizellbildungskonzentration γ CMC : berflächenspannung bei der CMC C 20 : Tensideffizienz: berflächenspannung [mn/m] CMC 63 um 20mN/m gesenkt E-4 1E-3 0,01 0, C[g/l] Schaumverhalten DIN : Schaumvermögen: Schaumhöhe nach 30s Schaumstabilität: Schaumhöhe nach 300s 26

27 5. Bestimmung der Produkteigenschaften: Tenside Tenside auf Weinsäurebasis Struktur - X + - X + = C m H 2m+1 CMC (mmol/l) γ CMC (mn/m) C 20 (mmol/l) C 7 H 15 * * * C 9 H 19 1,2 25 0,001 C 11 H 23 0,4 23 0,003 C 13 H 27 0, ,001 C 15 H C 17 H CMC (SDS) = 8 mmol/l; C 20 (SDS) = 3 mmol/l; - Löslichkeit zu gering γ cmc (SDS) = 29 mn/m; X+ = NH(CH 2 CH 2 H) 3 + ; *: nicht feststellbar; 27

28 5. Bestimmung der Produkteigenschaften: Tenside Tenside auf Weinsäurebasis - Schaumverhalten ml - X + - X + = 28

29 5. Bestimmung der Produkteigenschaften: Tenside PEG-Tenside auf Weinsäurebasis Struktur = C m H 2m+1 CMC (mmol/l) γ CMC (mn/m) C 20 (mmol/l) C 7 H 15 2,1 27 0,03 C 9 H 19 0,3 26 0,001 - X + C 11 H 23 0, , C 13 H 27 0, ,02 C 15 H 31 * * * C 17 H 35 0, ,0002 CMC (SDS) = 8 mmol/l; C 20 (SDS) = 3 mmol/l; γ cmc (SDS) = 29 mn/m; X+ = NH(CH 2 CH 2 H) 3 + ; *: nicht feststellbar 29

30 5. Bestimmung der Produkteigenschaften: Tenside PEG-Tenside auf Weinsäurebasis - Schaumverhalten ml = 30

31 5. Bestimmung der Produkteigenschaften ausgewählte Beispiele kationische Tenside auf Weinsäurebasis Struktur = C m H 2m+1 CMC (mmol/l) γ CMC (mn/m) C 20 (mmol/l) N 3 I C 9 H 19 0, ,0005 C 11 H 23 0, ,0026 C 13 H 27 0, ,0035 C 15 H 31 * * * C 17 H 35 0, ,0009 CMC (SDS) = 8 mmol/l; C 20 (SDS) = 3 mmol/l; γ cmc (SDS) = 29 mn/m; X+ = NH(CH 2 CH 2 H) 3 + ; *: nicht feststellbar 31

32 5. Bestimmung der Produkteigenschaften ausgewählte Beispiele kationische Tenside auf Weinsäurebasis - Schaumverhalten ml N 3 I = 32

33 5. Bestimmung der Produkteigenschaften: Tenside PEG-Tenside auf Äpfelsäurebasis Struktur = CMC (mmol/l) γ CMC (mn/m) C 20 (mmol/l) C 7 H 15 0, ,05 C 9 H 19 0, ,004 - X X - C 11 H 23 0, ,002 C 13 H 27 0, ,008 C 15 H 31 0, ,02 C 17 H 35 0, ,02 CMC (SDS) = 8 mmol/l; C 20 (SDS) = 3 mmol/l; γ cmc (SDS) = 29 mn/m; X+ = NH(CH 2 CH 2 H)

34 5. Bestimmung der Produkteigenschaften: Tenside PEG-Tenside auf Äpfelsäurebasis - Schaumverhalten ml - X + + X - 2 = 34

35 5. Bestimmung der Produkteigenschaften: Tenside Tenside auf Saccharosebasis Acyl H H H CH 2 H H CH 2 H H Acyl- CMC (mmol/l) γ CMC (mn/m), -Dilauroylweinsäure- 0, , -Dimyristoylweinsäure- 0, , -Dipalmitoylweinsäure- 0, Lauroyläpfelsäure- 0, Myristoyläpfelsäure- 0, Palmitoyläpfelsäure- 0, SDS

36 5. Bestimmung der Produkteigenschaften: Tenside Tenside auf Saccharosebasis Acyl H H H CH 2 H H CH 2 H H Acyl- Schaumvermögen (ml) Schaumstabilität (ml), -Dilauroylweinsäure , -Dimyristoylweinsäure , -Dipalmitoylweinsäure Lauroyläpfelsäure Myristoyläpfelsäure Palmitoyläpfelsäure SDS

37 5. Bestimmung der Produkteigenschaften Emulgatoren Emulsionsvergleichsmethode (DE A1/ Sandoz / 1981) Vergrößerung: 100 x Verwendung verschiedener Öle Öl in Wasser Emulsion (/W) 20:80 Konzentration des Emulgatorengemisches : 2% Bewertung der Stabilität nach 24h bzw. 48h rhlb = w 1 x HLB 1 + w 2 x HLB 2 Öl rhlb Triglyceride 7 Paraffin- 10 Mineral- 11 Silicon- 9 37

38 5. Bestimmung der Produkteigenschaften: Emulgatoren auf Glycerin und Aminosäurebasis Verbindung HLB (±1) apsöl Paraffin Öl Mineral Öl Silicon Öl (M5) Silicon Öil (M350),-Dipalmitoylweinsäure-1-glycerinester N-Glycin-,-dilauroylweinsäureamid ,-Dilauroylweinsäure-1-glycerinester (+) + - N-Glycin--palmitoyläpfelsäureamid N-Tyrosin-,-dilauroylweinsäureamid (+) (+) N-Cystein-,-dilauroylweinsäureamid (+) - - N-Methionin-,-dilauroylweinsäureamid N-Arginin-,-dilauroylweinsäureamide (+) - - -Palmitoyläpfelsäure-1-glycerinester Lauroyläpfelsäure-1-glycerinester Na-N-Glycin-,-dilauroylweinsäureamid 20 + (+) K--Lauroyläpfelsäure-1-glycerinester

39 5. Bestimmung der Produkteigenschaften: Emulgatoren auf Citroenesäurebasis Substanz Kommentar HLB-Wert (apsöl) Citronensäure-1(3)-palmitylester eindickend 8-18 Citronensäure-1(3)-oleylester eindickend 8-13 Citronensäure-1(3)-oleylester-Na 2 nicht eindickend 14 Citronensäure-2-oleylester nicht eindickend 9-10 Citronensäure-2-oleylester-Na 2 nicht eindickend 11 Citronensäure-1(3)-monooleoylglyceridester nicht eindickend 10 Citronensäure-1(3)-monooleoylglyceridester-Na 2 nicht eindickend - 39

40 5. Bestimmung der Produkteigenschaften: Emulgatoren auf Citronensäurebasis C 2 H 2 C 18 H 35 H C 2 C 18 H 35 C 2 C 18 H 35 H C 2 H C 2 H kat. H 3 B 3 H C 2 H + H C 2 H C 2 H C 2 C 18 H 35 Monoester Diester + C 18 H 35 H leylakohol ohprodukt (ca. 1:1:1) Substanz HLB-Wert (apsöl) Citronensäure-1(3)-oleylester 8-13 Citronensäure-1,3-dioleylester 10 ohprodukt 12 Das ohprodukt der borsäurekatalysierten Umsetzung von Citronensäure und leylalkohol eignet sich als Emulgator für Triglyceride (auch für andere Öle) 40

41 5. Bestimmung der Produkteigenschaften Gele Eigenschaften von Gelen: MGC Minimale Gelbildungskonzentration (MGC) DSC Thermogramme (T Gel ) Elektronenmikroskopaufnahmen SEM/TEM DSC /(mw/mg) exo T Gel Glasübergang: nset: 68.2 C Mittl: 68.9 C Wendepunkt: 68.7 C Ende: 69.4 C Delta-Cp*: J/(g*K) [1] SEM Konzentration Wert: 60.2 C, mW/mg 0.35 Wert: 53.2 C, mw/mg Hau ptansicht :44 Nutzer: Administrator Gerät : NETZSCH DSC 204 Datei : C:\ngbwin\ta\data5\JH\ocsnGluT-16W sdd Projekt : Versuchs-ID : Datum/Zeit : Labor: perator : Probe : ocsnglut-16w :18:05 JH JH Temperatur / C ocsnglut-16w , mg eferenz: Material : Korr./Temp.kal : Empf.Datei : Bereich : Probentr./TC : Pan Al / Kalibrierung April2009.tdd Emfindlichkeit edd 10/2.0(K/min)/90 DSC 204 t-sensor / E Modus /Messtyp : Segmente : Tiegel : Atmosphäre : Korr./M.Bereich : [1] ocsnglut-16w sdd DSC DSC / Probe 1/1 Pan Al, open ---/--- / N2/10 / ---/ /500 µv 41

42 5. Bestimmung der Produkteigenschaften ausgewählte Beispiele H H Hydrogele auf Ascorbinsäurebasis H H H H H H Acyl- MGC T Gel -Lauroyläpfelsäure- 10% 5 C -Myristoyläpfelsäure- 5.2% 17 C -Palmitoyläpfelsäure- 0.9% 33 C, -Dilauroylweinsäure- 10.4% 18 C, -Dimyristoylweinsäure- 4.5% 36 C, -Dipalmitoylweinsäure- 1.7% 49 C S. Nandi, HJ. Altenbach, B. Jakob, K. Lange,. Ihizane and M. P. Schneider rg. Lett., 2011, 13 (8), pp

43 5. Bestimmung der Produkteigenschaften mikrobielle Aktivität (Hemmhofmethode) Gram negative Bakterien: Pseudomonas putida mt2 Echerichia coli Enterobacter aerogenosa Gram positive Bakterien: Staphylococcus aureus Mikrococcus luteus Pilz: Aspergillus niger Hefe: Candida albicans Qualitative Bewertung: +++ = Hemmhof ohne Bewuchs; ++ = Hemmhof mit geringem Bewuchs; + = Hemmhof mit Bewuchs; - = ohne Effekt 43

44 5. Bestimmung der Produkteigenschaften: mikrobielle Aktivität kationische Tenside auf Weinsäurebasis 3 N I = Ps. Putida E. coli Enterob. aer. S. aureus M. luteus Asp. niger Ca. albicans C 9 H C 11 H C 13 H C 15 H (+) C 17 H (+)

45 5. Bestimmung der Produkteigenschaften: mikrobielle Aktivität - Emulgatoren Produkt Ps. pudida E. Coli Enterob. aer. S. aureus Asp. niger N-Glycin-, -dilauroylweinsäureamid N-Glycinamid-, -dilauroylweinsäureamid Ca. albicans N-Tyrosin--lauroyläpfelsäureamid N-Tyrosin-, -dilauroylweinsäureamid N-Cystein--lauroyläpfelsäureamid N-Cystein-, -dilauroylweinsäureamid N-Methionin--lauroyläpfelsäureamid N-Methionin-, -dilauroylweinsäureamid N-Isoleucin--lauroyläpfelsäureamid N-Isoleucin-, -dilauroylweinsäureamid

46 6. Zusammenfassung / Ausblick Die Herstellung von -acylierten Anhydriden der Äpfel- und Weinsäure gelingt durch Umsetzung der Hydroxycarbonsäure mit Fettsäurechloriden (alternativ: Fettsäure und Essigsäureanhydrid). Es wurden neue Verfahren zur selektiven Derivatisierung von Citronensäure entwickelt und zum Patent angemeldet. Die erhaltenen Produkte sind ebenfalls für den Einsatz als Tenside und Emulgatoren geeignet und zudem preiswert herzustellen. Zudem sind für viele der aufgeführten Produkte folgende Vorteile gegeben/zu erwarten: Synthese ökologisch unbedenklich ( green Chemistry ) nicht Hautreizend (Einsatz im Kosmetikbereich) ungiftig (Einsatz im Lebensmittelbereich) mikrobiell aktiv vollständig biologisch abbaubar 46

47 6. Zusammenfassung / Ausblick Verwertung des Projektes: - 6 Patente - 4 Publikationen - 2 Dissertationen - 1 Diplomarbeit - 1 Masterarbeit 47

48 Firmenkontakte Evonik (Goldschmidt) in Essen L real Deutschland Cognis in Düsseldorf / ohstoffe Croda Europe Ltd. U.K. / ohstoffe Beiersdorf in Hamburg / Kosmetikprodukte Bechem GmbH in Hagen / Schmiermittelhersteller Ercros GmbH in ecklinghausen / Hersteller: Dispersionen Tanatex GmbH in Leverkusen / Hersteller: Hilfsstoffe Deutsche Institut für Lebensmitteltechnik e.v. in Quakenbrück 48

49 Danke für die finanzielle Unterstützung Projekt: Lipidmodifizierte Hydroxycarbonsäureanhydride Neuartige Bausteine für Tenside, Kosmetika und Polymere Prof. Dr. H.J. Altenbach Prof. Dr. M.P. Schneider Dr. Bernd Jakob Dr. Karsten Lange Dr. achid Ihizane Dipl. Chem. Zeynep Yilmaz M. Sc. Sukhendu Nandi M. Sc. Monique Bötzer Boris Ihmenkamp 49