Фосфонометилированные хитозаны, способ их получения и применения - RU2158741C2

Описание

Настоящее изобретение касается фосфонометилированных хитозанов, получения этих соединений, и их использования в качестве секвестрантов, комплексообразователей и увлажнителей кожи. Указанные соединения могут также найти применение в качестве стабилизаторов отбеливающих агентов, отбеливающего раствора для процесса отбелки целлюлозных волокнистых материалов, волокнистого материала, а также для предотвращения адгезии и/или образования твердых отложений на неорганических или органических субстратах.

Фосфонометилирование известно из публикации (J.Org.Chem. 31, 1503 - 1607 (1966). Оно происходит по аналогии с реакцией Манниха при взаимодействии аминов, которые содержат, по меньшей мере, одну NH- группу, в кислом интервале pH с фосфорной кислотой и формальдегидом. В этой реакции из NH-группы амина образуется группа формулы

Продукты, содержащие такие группы, применяются в качестве секвестрантов поливалентных ионов металлов.

В основу настоящего изобретения положена задача получения новых фосфонометилированных соединений из легкодоступного материала, имеющегося в природе, обладающих ценными свойствами
Цель достигается посредством фосфонометилированных хитозанов, которые содержат звенья формулы I

где R₁ - водород или радикал формулы Ia

R₂ - радикал формулы (Ia),
X₁ и X₂ - каждый независимо друг от друга - водород, C₁-C₅ алкил или ион щелочного металла или ион аммония и n = 50 - 4000.

Предпочтительными соединениями являются соединения, содержащие звенья формулы II

где X₁ и X₂ - каждый независимо друг от друга - водород, C₁-C₅-алкил или ион щелочного металла или ион аммония и n = 50 - 4000.

Наиболее предпочтительными являются соединения формулы (I) или (2), где X₁ и X₂ - каждый независимо друг от друга являются щелочным металлом и n = 200 - 2000.

Способ получения фосфонометилированного хитозана, согласно изобретению, включает взаимодействие соединения, содержащего звенья формулы Ib

где n = 50 - 4000, с формальдегидом и фосфорной кислотой в кислой среде, при pH 0-4, в интервале температур от 80 до 120^oC и при времени реакции от 5 до 24 ч.

Заявляемый фосфонометилированный хитозан является секвестрантом ионов щелочноземельных металлов и комплексообразователем ионов металлов. Он также является увлажнителем кожи и слизистых мембран и находит применение в косметических средствах.

Косметический состав, согласно изобретению, включает по меньшей мере один фосфонометилированный хитозан формулы (I) вместе с косметически приемлемыми носителями или присадками.

Фосфонометилирование хитозана проводится по существу известным методом при взаимодействии соединения, содержащего звенья формулы Ib

с формальдегидом и фосфорной кислотой в кислой среде, предпочтительно в среде, содержащей соляную кислоту. pH реакционной смеси составляет 0 - 4, предпочтительно 0 - 2. Реакция может проводиться с заметным преимуществом при температуре в интервале от 80 до 120^oC. Время протекания реакции - от 5 до 24 ч, предпочтительно от 10 до 20 ч. После завершения реакции pH полученного раствора доводится до 6-9, предпочтительно до 7-8, сильным основанием, предпочтительно разбавленным водным раствором гидроксида натрия. Очистка продукта реакции обычно производится обратным осмосом и последующей лиофилизацией полученного таким образом концентрата фосфонометилированных хитозанов.

Полученные новые производные хитозана являются полиамфолитами с пленкообразующими и хелатирующими свойствами даже в присутствии ионов щелочноземельных металлов. Благодаря их резковыраженному комплексообразующему действию по отношению к ионам тяжелых металлов даже при низких концентрациях продукты могут использоваться для удаления таких катионов из загрязненной воды, могут быть пригодны для удаления ионов железа или меди из водопроводной воды. Кроме того, они могут использоваться в качестве секвестрантов в пищевой, фармацевтической и текстильной промышленности, а также как детергенты, самостоятельно или в сочетании с анионоактивными, катионоактивными или нейтральными детергентами. Новые производные хитозанов имеют неожиданно значительную емкость к комплексообразующим ионам металлов, посредством чего можно соответствующим образом влиять на осаждение полимерных солей металлов, особенно в случае поливалентных катионов или предотвращать его. Кроме того, они оказывают модулирующее действие на процессы кристаллизации, особенно на образование затравочных кристаллов, рост и морфологию получающихся кристаллов и распределение частиц по размерам, а также на способность к агрегации и адгезии. Следовательно, они подходят для обработки воды для предотвращения образования отложений в системах водоснабжения (станций очистки воды), например, на стенках резервуаров, фильтрах или трубах. Они могут также использоваться для обработки тканей, в частности хлопка.

Новые фосфонометилированные хитозаны могут также предотвращать образование отложений неорганических и/или органических компонентов. Они, следовательно, могут подходить для использования в качестве присадок к продуктам стоматологической помощи для предотвращения образования зубного налета, а также как присадки к составам детергента.

Далее новые фосфонометилированные хитозаны могут найти применение в качестве стабилизаторов отбеливателей, например, в составах детергентов или в отбеливателях текстильного, целлюлозного сырья или бумажной пульпы. При таком применении хелатирующие агенты связывают ионы кальция, магния, железа, меди или марганца, присутствующие в отбеливающих растворах, и одновременно предотвращают образование осадка карбонатов или гидроксидов щелочноземельных металлов и разложение персоединения.

Процесс отбелки волокнистых целлюлозных материалов может включать обработку волокнистого материала водным раствором, который содержит, по меньшей мере, новый фосфонометилированный хитозан, гидроксид щелочного металла, водорастворимую соль магния и персоединение. Персоединения могут соответственно выбираться из группы, состоящей из пероксидисульфатов щелочных металлов и предпочтительно пероксосульфатов щелочных металлов. Предпочтительным персоединением является пероксид водорода, который из-за своей высокой стабильности обычно используется в виде концентрированного раствора (30 - 60% по весу).

Особенно подходящими гидроксидами щелочных металлов являются гидроксиды калия или лучше натрия, предпочтительно в виде концентрированного раствора с концентрацией 30% по весу или как твердые гидроксид калия, или предпочтительно натрия.

Кроме указанных гидроксида щелочного металла и персоединения отбеливающие растворы могут также включать необязательный компонент, выбранный из группы, состоящей из увлажнителей или поверхностно-активных веществ, пеногасителей или деаэраторов и/или флюоресцентных (оптических) отбеливающих веществ.

Увлажнитель или поверхностно-активное вещество (ПАВ) обычно добавляется к отбеливающим растворам в качестве необязательного компонента, если целлюлозный компонент целлюлозного волокнистого материала, который будет обрабатываться, находится в необработанном состоянии или предпочтительно состоит из неочищенного хлопка. Подходящим увлажнителем или ПАВ является анионное или неионное ПАВ, но предпочтительно их смесь. Предпочтительными анионными ПАВ являются обычно алкиларилмоносульфонаты, конденсаты жирных кислот, продукты протеолиза или соли и наиболее предпочтительно алкилмоносульфонаты и алкилбензенмоносульфокислоты, содержащие 12- 22 атомов углерода в цепи алкила. Предпочтительными неионными ПАВ обычно являются полиаддукты оксидов алкенов, предпочтительно пропиленоксида и особенно этиленоксида, с алкилфенолами, содержащими 4-12 атомов углерода в алкильной цепи, предпочтительно амидами жирных кислот и, особенно, алифатическими спиртами или концевыми алифатическими спиртами. Полиаддукты этиленоксида с алифатическими спиртами являются особенно предпочтительными и являются очень предпочтительными в смеси с алкилмоносульфонатами указанного типа. Кроме этого, подходящими компонентами этих смесей являются также силиконовые ПАВ.

Добавление пеногасителей или деаэраторов в качестве необязательного компонента отбеливающего раствора требуется главным образом тогда, когда вышеуказанный раствор содержит увлажнители или ПАВ. Пеногасителем или деаэратором обычно является высший спирт, предпочтительно изооктанол, но предпочтительно соединение на основе силикона, наиболее предпочтительно силиконовая масляная эмульсия.

Флюоресцентные отбеливатели, которые могут также добавляться к отбеливающему раствору в качестве необязательного компонента для того, чтобы придать особенно сильную белизну обрабатываемому материалу, принадлежат к группе стирила и стильбена, обычно включающей дистириларилены, диаминостильбены, дитриазолилстильбены, фенилбензоксазолилстильбены, стильбеннафтотриазолы и дибензоксазолилстильбены. Предпочтительными флюоресцентными отбеливателями являются отбеливатели дистирилбифенилового или бис-(триазинил)аминостильбенового типа, которые содержат группы сульфокислоты, например сульфированные бис(стирил)бифенил) и бис(триазинил) производные, предпочтительно бис (фениламиноморфолино-s-триазинил)стильбенсульфокислоты, существующие в форме солей цепочных металлов, предпочтительно как калиевые или предпочтительно натриевые соли. Эти флюоресцентные отбеливатели предпочтительно используются как коммерческие водные составы с концентрацией 20 - 30% по весу.

Процесс отбелки целлюлозных волокнистых материалов с применением нового отбеливающего состава проводится известными способами. Здесь представлена разница между обработкой при использовании растворов длительного пользования методом холодного пропитывания и методом погружения.

При использовании растворов длительного пользования материал подвергается обработке в растворе при соотношении раствора к материалу приблизительно 1: 3, например, в джигере приблизительно 1:40, например на винчбеке, около 1 - 3 ч при повышенной температуре. Температура обработки поддерживается в интервале от 40 до 140^oC, предпочтительно от 60 до 100^oC, при нормальных условиях, то есть при атмосферном давлении, или около 100^oC, предпочтительно в интервале от 105 до 140^oC, при так называемых НТ-условиях (НТ - высокая температура). Отбелка методом погружения проводится при тех же условиях, за исключением того, что концентрация персоединения и щелочи выше.

При холодном пропитывании материал, который нужно обработать, пропитывается при погружении в пропитывающий раствор и затем отжимается. Пропитывающий раствор обычно имеет температуру 20 - 95^oC. Пропитка проводится предпочтительно при комнатной температуре. Поскольку химические соединения, применяемые при пропитке, затем воздействуют на тканый материал, время обработки, температура и концентрация химических веществ находятся в непосредственной связи друг с другом, и выбранные условия зависят от природы волокнистого материала и, в частности, от используемого аппарата. После этого пропитанный и предпочтительно скрученный материал оставляется при комнатной температуре (15 - 30^oC) на 3 - 24 ч, время обработки зависит от типа ванны для отбелки. Волокнистый материал потом тщательно промывается сначала горячей водой 90 - 98^oC, затем теплой и, наконец, холодной водой, при необходимости проводится нейтрализация, например, уксусной кислотой, и затем центрифугируется и высушивается предпочтительно при повышенной температуре, например 150^oC.

Водные отбеливающие растворы могут составляться как указано в зависимости от того, являются ли они растворами длительного пользования, растворами для погружения или отбеливающими растворами для холодной пропитки. Отбеливающие растворы длительного пользования могут включать 0,5-5 г/кг, предпочтительно 0,5-2 г/кг, нового водного фосфонометилированного хитозана,
0,1-1%, предпочтительно 0,2 - 0,5%, водорастворимой соли магния,
1 - 6 мл/кг, предпочтительно 2 - 5 мл/кг персоединения, 1 - 5 г/кг, предпочтительно 0,1 -2 г/кг, гидроксида щелочного металла,
0,2-2 г/кг, предпочтительно 0,5-1 г/кг, увлажнителя или ПАВ, 0-0,5 г/кг или 0,05 - 0,5 г/кг пеногасителя или деаэратора, и
0 - 5 г/кг, предпочтительно 1,5-4 г/кг, флюоресцентного отбеливателя
Отбеливающий раствор для погружения может включать 0,5-5 г/кг, предпочтительно 0,5 - 2 г/кг, нового фосфонометилированного хитозана, 0,5-1,5%, предпочтительно 0,2-1%, водорастворимой соли магния, 2-12 мл/кг, предпочтительно 4-10 мл/кг, персоединения,
1 - 5 г/кг, 1,5-4 г/кг гидроксида щелочного металла, 0-2 г/кг, предпочтительно 0,5 - 1 г/кг, увлажнителя или ПАВ, 0-0,5 г/кг, предпочтительно 0,05 - 0,5 г/кг, пеногасителя или деаэратора, и
0 - 30 г/кг, предпочтительно 2-10 г/кг, флюоресцентного отбеливателя.

Отбеливающий раствор холодной пропитки может включать 5-15 г/кг, предпочтительно 8-12 г/кг, нового фосфонометилированного хитозана 0,5 - 2,5%, предпочтительно 1 - 1,5%, водорастворимого соединения магния,
30 - 60 мл/кг, предпочтительно 50 - 60 мл/кг, персоединения,
20 - 50 г/кг, предпочтительно 25 - 40 г/кг, гидроксида щелочного металла,
1 - 6 г/кг, предпочтительно 3-6 г/кг, увлажнителя или ПАВ, 0 - 2 г/кг, предпочтительно
0,05 - 1 г/кг, пеногасителя или деаэратора, и
0 - 6 г/кг, предпочтительно 2 - 6 г/кг, флюоресцентного отбеливателя.

Целлюлозный волокнистый материал, который будет подвергаться обработке, может находиться в любой форме, обычно в виде рыхлого материала, пряжи, тканого или трикотажного материала. Он обычно всегда состоит из текстильных материалов, которые изготавливаются из чистых текстильных волокон целлюлозы или из смеси текстильных волокон целлюлозы с синтетическими текстильными волокнами.

Целлюлозными волокнами являются волокна из регенерированной целлюлозы, такие как искусственный шелк или вискоза, волокна из натуральной целлюлозы, такие как пенька, лен, джут и рами и, в частности, хлопок. Соответствующими синтетическими волокнами являются волокна, изготовленные из полиакрилонитрила и, в частности, из полиэфиров и полиамида.

Особенно подходят для осуществления на практике этого изобретения хлопок или материал из регенерированной целлюлозы или смеси хлопка с полиэфиром или хлопка с полиамидом. Предпочтительны хлопчатобумажные тканые или трикотажные материалы. Также подходят материалы, которые предварительно были промыты ПАВ. Также возможно отбеливать клеевые хлопчатобумажные материалы, в таком случае отбелку проводят до или предпочтительно после проклеивания.

Волокнистые материалы, обработанные новыми отбеливающим составом, будут характеризоваться отсутствием шелухи, низким содержанием золы и в особенности своей превосходной белизной. Целлюлоза или целлюлозный компонент отбеленного материала не будет иметь никаких повреждений или существенного снижения степени полимеризации целлюлозы (DP = средняя степень полимеризации). Следовые количества тяжелых металлов, особенно ионов трехвалентного железа, которые могут вызывать спонтанное разложение персоединений, присутствующие в отбеливающем растворе, эффективно нейтрализуются. Из этого следует, что исходное содержание активного кислорода в отбеливающем растворе сохранится в течение значительного промежутка времени (например, до 5 дней) или незначительно снизится не больше чем на 10%.

Тем не менее может достигаться превосходный отбеливающий эффект. Таким образом, растворы являются стабильными в отношении активного кислорода и могут использоваться в течение некоторого времени. Более того, новый состав подавляет кристалличность по отношению к жесткости воды. Материал, обработанный новым составом, обладает отличной смачиваемостью. Значительным преимуществом нового состава является его хорошая биодеградация.

Новые фосфонометилированные хитозаны могут быть применены также для предотвращения адгезии и образования твердых отложений на неорганических и органических субстратах. Отложения, которые часто имеют плотную консистенцию, могут состоять из неорганических и/или органических компонентов, обычно солей и полимеров, а также иметь биологическое происхождение. Субстратами могут служить неорганические и/или органические материалы или биологические материалы, например стекло, керамика, пища и сплавы, природные или синтетические пластические материалы, бумага, ткани, кожа или растительные или животные органы или ткани.

Процесс предотвращения адгезии и/или образования твердых отложений на неорганических или органических субстратах может включать добавление к жидкости или смеси, находящейся в контакте с неорганическим или органическим субстратом нового фосфонометилированного хитозана, предпочтительно в количестве 0,01 - 20% по весу, наиболее предпочтительно 0,1 - 10% по весу.

Новые фосфонометилированные хитозаны обладают пленкообразующими свойствами. Выпаривание водных растворов приводит к образованию прозрачных твердых и водосодержащих пленок, которые проницаемы для воздуха и воды. Благодаря этому свойству и гидропектическому действию они также подходят для использования в качестве увлажнителей кожи или слизистых мембран в косметических и фармацевтических составах, особенно в средствах ухода за кожей и волосами и дезодорантах.

Новые фосфонометилированные хитозаны способны связывать ионы железа на коже и поэтому могут заменять ЭДТА, которая обычно используется в кремах, особенно в защитном креме от солнца.

Заявляемый косметический состав включает по меньшей мере одно соединение, имеющее звенья формулы (I), а также косметически приемлемые носители или присадки.

Новый косметический состав включает, например, 0,001-15% по весу, например,
0,1 - 15% по весу, предпочтительно 0,001 - 10% по весу, и наиболее предпочтительный
0,002 - 5% по весу, основываясь на общей массе состава, вещества, которое содержит звенья формулы (I), а также косметически приемлемые носители или присадки.

Косметический состав может быть приготовлен физическим смешиванием вещества, которое содержит звенья формулы (I), с присадками стандартными методами, обычно простым перемешиванием двух компонентов.

Новый косметический состав может быть представлен в виде эмульсии типа "вода в масле" или "масло в воде", спиртового раствора "масло в масле", в виде пузырьковой дисперсионной системы ионного или неионного амфифилического липида, в виде геля, твердой плитки или аэрозольного состава.

В новых косметических составах может быть использован любой стандартный эмульгатор, обычно один или более этоксилированный эфир природных производных, например полиэтоксилированный эфир гидрогенизированного касторового масла, или силиконовая масляная эмульсия, такая как силикона полиол, жирная кислота или мыло из этоксилированной жирной кислоты, этоксилированный алифатический спирт, сорбитанэфир или этоксилированный сорбитанэфир, этоксилированная жирная кислота или этоксилированный глицерид.

Косметический состав может также включать дополнительные компоненты, такие как мягчители, стабилизаторы эмульсии, промоторы загара, загустители, удержатели влаги, такие как глицерин, консервирующие средства, отдушки и красящие вещества.

Новые фосфонометилированные хитозаны также обладают повышенной вязкостью, диспергирующим действием в водных растворах. Таким образом, они могут подходить для использования в качестве присадок в суспензиях, эмульсиях и водных растворах, например, в производстве продуктов питания или концентратов активных веществ, а также составах красителей и пигментов.

Новые фосфонометилированные хитозаны могут также обладать биоцидным действием, обычно бактериостатическим, фунгистатическим или альгицидным действием.

Для лучшего понимания настоящего изобретения приводятся следующие примеры, в которых части и проценты даны по весу.

Приготовление новых фосфонометилированных хитозанов
Пример 1
В 60 л эмалированный котел при комнатной температуре загружают 2,163 ч. хитозана (хлопья), 2,23 ч. фосфорной кислоты, 6, 9 ч. воды и 7,0 ч. соляной кислоты (32%). Полученная бежевая хлопьевидная суспензия полностью готова к перемешиванию. Смесь нагревается до 80^oC и при этой температуре по каплям в течение 20 мин добавляется 4,27 ч. формальдегида. Смесь становится заметно более жидкой и коричневеет. Смесь оставляют для взаимодействия на 18 ч при установленной температуре. Через 2 ч она становится темно-коричневой, затем охлаждается до комнатной температуры, и pH доводится до 7,5 примерно 9 ч. 50% водного раствора гидроксида натрия. Полученный коричневый раствор заливается в контейнер и подвергается обратному осмосу. Оставшийся концентрат лиофильно высушивается, давая продукт, содержащий звенья формулы 101

Пример 2. Определение комплексообразующей емкости и диспергирующей способности
а) Определение комплексообразующей емкости для ионов Ca.

1 г вещества формулы (101) растворяется в 80 мл деионизированной воды, и pH раствора доводится 1N NaOH до 8. Затем добавляется 2 мл 10% раствора карбоната натрия в качестве осадителя, pH доводится NaOH до 12, и объем смеси доводится до 100 мл. Ортрод нефелометра погружается в раствор и калибруется на ступени 2 (интервал измерения 10-20000 NTU; NTU - нефелометрическая единица мутности). Титрование проводится при перемешивании 0,5 М ацетатом кальция с нарастанием на 0,1 мл в минуту до появления мутности. В процессе титрования изменения значения pH соответственно корректируются.

Комплексообразующая емкость для Ca рассчитывается по следующей формуле

Значение 168 мг/г, рассчитанное для соединения формулы (101), показывает, что новый фосфонометилированный хитозан является соединением с хорошей комплексообразующей емкостью.

б) Определение диспергирующей способности для CaCO₃
Процедура, описанная в п. а), повторяется, за исключением того, что вместо 2 мл 10% раствора карбоната натрия используется 10 мл 10% раствора карбоната натрия.

Диспергирующая способность по отношению к CaCO₃ рассчитывается в соответствии с формулой, приведенной в п.а).

Значение 50 мг/г, рассчитанное для соединения формулы (101), показывает, что новый фосфонометилированный хитозан является соединением с хорошей диспергирующей способностью по отношению к CaCO₃
Пример 3.

Использование в косметическом составе
Приготовление солнцезащитного крема: 7,5 ч.октилметоксициннамата, 5 ч. октилсалицилата, 5 ч. метилантранилата,2 ч. изоцетилового спирта, 2 ч. цетеарилового спирта,1,5 ч. глицерилстеарата, 1,0 ч. ПЭГ- 40 стеарата, 1,0 ч. метикона, 0,75 ч. цетилового спирта, 0,25 ч. токоферилацетата и 6 ч. оксида цинка смешиваются и смесь нагревается до 75 - 80^oC. Потом 0,5 ч. магний-алюминий силиката диспергируются имеющимися в распоряжении продажными шариками, вибрацией или молотковой дробилкой в 63,8 ч. воды.

Затем к этой дисперсии добавляется 0,5 ч. ксантеновой смолы, и смесь перемешивается до образования гомогенного раствора. Затем добавляются 0,2 ч. соединения формулы (101), и раствор нагревается до 75 - 80^oC. К этому раствору при перемешивании добавляются соединения, первоначально смешанные и нагретые до 75 - 80^oC. После растирания в течение 10-15 мин и охлаждения до 40^oC добавляется 1 ч. пропиленгликоля. Перемешивание продолжается, и смесь охлаждается до комнатной температуры.

Состав готов к использованию в качестве солнцезащитного крема.

Реферат

Изобретение касается фосфонометилированного хитозана, содержащего звенья формулы I

где R₁ - водород или радикал формулы Ia

где R₂ - радикал формулы Iа, X₁ и X₂ каждый независимо друг от друга водород, С₁-C₅ - алкил или ион щелочного металла или ион аммония и n= 50-4000. Соединения имеют многостороннее применение в качестве секвестрантов, комплексообразователей, а также в качестве увлажнителей в косметических составах. Описывается также способ получения вышеуказанных соединений и их применение. 4 с. и 2 з.п. ф-лы.

Формула