专利名称：纤维素共聚体和氧化方法
技术领域：
本发明提供纤维素酯共聚体、纤维素共聚体及纤维素共聚体和纤维素酯共聚体的氧化方法。
背景技术：
纤维素酯是熟知的化合物(〃 Cellulose Derivatives"(纤维素衍生物)，Ben P. Rouse, Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology,第 4 卷，1964,616-683)。 最常见的纤维素酯由脂族C2-C4取代基组成。此类纤维素酯的实例包括乙酸纤维素(CA)、 丙酸纤维素(CP)、丁酸纤维素(CB)、乙酸丙酸纤维素(CAP)和乙酸丁酸纤维素(CAB)。此类纤维素酯的用途实例可在Polym. Sci. 2001，26，1605-1688中找到。通常，通过先将纤维素转化为纤维素三酯，然后在酸性水介质中将纤维素三酯水解为需要的取代度(DS，取代基数目/葡糖酐单体)制备纤维素酯。经酸水溶液催化水解的三乙酸纤维素产生可由8种不同的单体组成的取决于最终DS的无规共聚物(Macromolecules 1991，24，3050)。已知通过水解纤维素三酯提供非-无规共聚物的方法。也已知直接酯化成非完全取代的纤维素酯的方法。根据确切的反应条件，可通过这种方法得到非-无规纤维素酯。近来，有报道试图制备区域选择性取代的纤维素衍生物。在本发明目的中，区域选择性取代表示专一性或优先放置或除去纤维素葡糖酐单体的C2、C3或C6羟基上的取代基。 控制放置取代基可导致具有特殊单体含量的纤维素均聚物或共聚物。即得到在葡糖酐单体内具有专一性取代方式和沿纤维素聚合物受控顺序的纤维素衍生物。导致形成区域选择性取代纤维素衍生物的现有方法依靠使用临时保护基团，或者需要使用纤维素溶剂以使保护基团安置在具有足够活性的均相反应混合物或碱化纤维素中。已知制备碳水化合物和多糖的某些甲酸酯的方法。由于据报道甲酸酯不稳定和对其它官能团的活性，分离的甲酸纤维素通常用作后续反应的不稳定中间体。因此，混合甲酸纤维素衍生物的形成几乎不受注意，很少有关于形成混合甲酸纤维素的报道。GB 568，439(1945)教授通过使纤维素与乙酸和甲酸混合酐在催化剂的存在下制备乙酸甲酸纤维素。已知仅几类羧化纤维素酯。该类纤维素酯衍生物的一个实例是在美国专利号 5，668，273 ；5, 792，856 ；和5，994，530中描述的羧甲基纤维素酯。这些纤维素衍生物是纤维素醚酯，其中插入的醚键使羧酸酯与纤维素链的葡糖酐单元连接。通过将羧甲基纤维素 (醚)酯化为完全取代的羧甲基纤维素酯，然后水解成需要的酯DS，形成这些衍生物。该类羧化的纤维素酯提供不可水解的羧酸酯键的优点。缺点是制备方法是在酯化前需要制备和分离羧甲基纤维素的两步法。另外，人们不能得到沿纤维素骨架一致均勻分布的羧甲基取代基。另一类羧化纤维素酯是其中羧酸酯官能团通过酯键与纤维素骨架连接的那些。该类的实例是在美国专利号3，489，743中描述的乙酸邻苯二甲酸纤维素等。一般而言，通过先制备中性的随机取代的纤维素酯形成这些纤维素酯衍生物，例如具有需要DS的CA。在第二步反应中，通过用酸酐例如邻苯二甲酸酐处理纤维素酯安装羧酸酯官能团。另一类羧化纤维素酯是其中由臭氧分解固态纤维素酯所得那些(Sand，I. D.， Polymer Material Science Engineering，1987，57-63 ；美国专利号 4，590，洸5)。臭氧分解纤维素酯提供不仅含羧酸酯而且含醛、酮和过氧化物的聚合物。该方法导致聚合物分子量明显减小和相对低水平氧化。另外，该方法在任何可被氧化的纤维素酯羟基中无专一性。氧化碳水化合物和多糖是化工业中非常重要的方法，已开发出用于该转化的多种有效的催化剂。某些最有用的催化剂属于称为硝酰基或硝基氧化物基团的一类化合物。通常，这些化合物是具有下示通用结构的仲胺硝基氧化物。
权利要求
1.一种纤维素酯共聚体，其中所述纤维素酯共聚体的每个葡糖酐单元的C2和C3位处于醇氧化态，且包含葡糖酐单元
2.—种纤维素酯共聚体，其中所述纤维素酯共聚体的每个葡糖酐单元的C2和C3位处于醇氧化态，且包含葡糖酐单元
3. —种纤维素酯共聚体，其中所述纤维素酯共聚体的每个葡糖酐单元的C2和C3位处于醇氧化态，且包含葡糖酐单元
4. 一种纤维素酯共聚体，其中所述纤维素酯共聚体的每个葡糖酐单元的C2和C3位处于醇氧化态，且包含葡糖酐单元
5.权利要求3或4的纤维素酯共聚体，其中羧基与甲酰基的比率分别为5 1-1 5。
6.一种纤维素酯共聚体，所述共聚体包含葡糖酐单元
7.权利要求6的纤维素酯共聚体，其中所述葡糖酐单元A和B占所述纤维素酯共聚体的总葡糖酐单元的大于70%。
8.权利要求6的纤维素酯共聚体，其中所述葡糖酐单元A和B占所述纤维素酯共聚体的纤维素部分的总葡糖酐单元的大于80%。
9.权利要求6的纤维素酯共聚体，其中所述葡糖酐单元A和B占所述纤维素酯共聚体的纤维素部分的总葡糖酐单元的大于90%。
10.权利要求6的纤维素酯共聚体，其中所述C2-C12酰基的取代度为1.7至约2. 3，和具有至少5，000g/mol的重均分子量。
11.权利要求6的纤维素酯共聚体，所述共聚体的聚合度为至少10。
12.权利要求6的纤维素酯共聚体，所述共聚体的聚合度为至少25。
13.一种纤维素酯共聚体，所述共聚体中甲酸酯取代度为每葡糖酐单元为0. 5-1. 3和 C2-C12酰基取代度为1.5-2.5。
14.权利要求13的纤维素酯共聚体，所述共聚体中甲酸酯取代度为每葡糖酐单元为 0. 7-1. 2和C2-C12酰基取代度为1. 8-2. 3。
15.权利要求13的纤维素酯共聚体，所述共聚体中甲酸酯取代度为每葡糖酐单元为 0. 9-1. 1和C2-C12酰基取代度为1. 9-2. 1。
16.权利要求13的纤维素酯共聚体，所述纤维素酯共聚体的至少70%总葡糖酐单元选自6-0-甲酸酯-2，3-0-C2-C12酰基取代的葡糖酐单元和2，3，6-0-C2-C12酰基取代的葡糖酐单元。
17.权利要求13的纤维素酯共聚体，所述纤维素酯共聚体的至少80%总葡糖酐单元选自6-0-甲酸酯-2，3-0-C2-C12酰基取代的葡糖酐单元和2，3，6-0-C2-C12酰基取代的葡糖酐单元。
18.权利要求13的纤维素酯共聚体，所述纤维素酯共聚体的至少90%总葡糖酐单元选自6-0-甲酸酯-2，3-0-C2-C12酰基取代的葡糖酐单元和2，3，6-0-C2-C12酰基取代的葡糖酐单元。
19.权利要求13的纤维素酯共聚体，所述共聚体具有至少5，000g/mol的重均分子量。
20.一种将纤维素聚合物的葡糖酐单元上C6羟基转化为甲酰基或羧基的方法，所述方法包括将氨基取代的环状硝酰基衍生物、初级氧化剂和终氧化剂加入PH小于4的纤维素混合物中，形成反应混合物，其中所述纤维素混合物包含C2-C12烷基酸、水和纤维素共聚体，该纤维素共聚体包含具有 C6羟基的葡糖酐单元；禾口经过足以完成使C6羟基转化为甲酰基或羧基的反应期，从而产生氧化纤维素共聚体。
21.权利要求20的方法，其中所述C2-C12烷基酸包括乙酸、丙酸、丁酸或其混合物。
22.权利要求20的方法，其中所述纤维素混合物的pH为1.5-3。
23.权利要求20的方法，其中所述氨基取代的环状硝酰基衍生物为4-氨基取代的2， 2，6，6-四甲基哌啶-1-烃氧基衍生物。
24.权利要求23的方法，其中所述氨基取代的环状硝酰基衍生物为4-氨基2，2，6， 6-四甲基哌啶-1-烃氧基。
25.权利要求23的方法，其中所述氨基取代的环状硝酰基衍生物为^(C1-C4酰胺基)-2，2，6，6-四甲基哌啶-1-烃氧基。
26.权利要求23的方法，其中所述氨基取代的环状硝酰基衍生物为4-乙酰氨基-2，2， 6，6-四甲基哌啶-1-烃氧基。
27.权利要求20的方法，其中在所述纤维素共聚体中，所述氨基取代的环状硝酰基衍生物的量为每摩尔葡糖酐单元单体约0. 0025至约0. 1摩尔当量。
28.权利要求20的方法，其中所述初级氧化剂包含Na、K、Mn、Mg、Fe或Cu的盐或其混合物。
29.权利要求20的方法，其中所述初级氧化剂包含KC1、KBr、NaCUNaBr,NaI、NaOCl、 NaOBr、过硫酸氢钾制剂、Mn (NO3) 2、Mn (OAc) 3、KMnO4、Mn2O3、MnO2、Mg (NO3) 2>FeCl3> Cu (NO3) 2 或其混合物。
30.权利要求20的方法，其中所述初级氧化剂为Mn(0Ac)3。
31.权利要求20的方法，其中所述初级氧化剂为Mn(OAc)3，和终氧化剂为过乙酸。
32.权利要求20的方法，其中所述初级氧化剂为ΚΜη04。
33.权利要求20的方法，其中在所述纤维素共聚体中，所述初级氧化剂的量为每摩尔葡糖酐单元单体约0. 0001至约0. 1摩尔当量。
34.权利要求20的方法，其中所述终氧化剂包含A、臭氧、NaOCl、NaOBr、H2O2或CH3CO3H。
35.权利要求20的方法，其中所述终氧化剂为CH3C03H。
36.权利要求20的方法，其中所述反应混合物的温度大于40°C且小于60°C。
37.权利要求20的方法，其中存在的水量占所述反应混合物总重量的1-60%重量。
38.权利要求20的方法，其中所述氧化纤维素共聚体具有大于10的酸值。
39.权利要求20的方法，其中所述氧化纤维素共聚体具有大于30的酸值。
40.权利要求20的方法，其中所述氧化纤维素共聚体的酸值为30-130。
41.权利要求20的方法，所述方法还包括分离氧化纤维素共聚体的步骤。
42.权利要求20的方法，所述方法还包括使氧化纤维素共聚体与C2-C12酰基酸酐或其混合物反应。
43.一种使纤维素酯共聚体的葡糖酐单元上C6羟基转化为甲酰基或羧基的方法，所述方法包括将氨基取代的环状硝酰基衍生物、初级氧化剂和终氧化剂加入PH小于4的纤维素酯混合物中，形成反应混合物，其中所述纤维素酯混合物包含C2-C12烷基酸、水和纤维素酯共聚体，该共聚体包含具有C6 羟基的葡糖酐单元；和经过足以完成使C6羟基转化为甲酰基或羧基的反应期，且产生氧化纤维素酯共聚体。
44.权利要求43的方法，其中所述纤维素酯共聚体具有每葡糖酐单元至少0.5 WC2-C12 酰基取代度。
45.权利要求43的方法，其中所述纤维素酯混合物的pH为1.5-3。
46.权利要求43的方法，其中所述氨基取代的环状硝酰基衍生物为4-氨基取代的2， 2，6，6-四甲基哌啶-1-烃氧基衍生物。
47.权利要求43的方法，其中所述氨基取代的环状硝酰基衍生物为4-氨基2，2，6， 6-四甲基哌啶-1-烃氧基。
48.权利要求43的方法，其中所述氨基取代的环状硝酰基衍生物为^(C1-C4酰胺基)-2，2，6，6-四甲基哌啶-1-烃氧基。
49.权利要求43的方法，其中所述氨基取代的环状硝酰基衍生物为4-乙酰氨基-2，2， 6，6-四甲基哌啶-1-烃氧基。
50.权利要求43的方法，其中在所述纤维素酯共聚体中，所述氨基取代的环状硝酰基衍生物的量为每摩尔葡糖酐单元单体约0. 0025至约0. 1摩尔当量。
51.权利要求43的方法，其中所述初级氧化剂包含Na、K、Mn、Mg、Fe或Cu的盐或其混合物。
52.权利要求43的方法，其中所述初级氧化剂包含KC1、KBr、NaCUNaBr,NaI、NaOCl、 NaOBr、过硫酸氢钾制剂、Mn (NO3) 2、Mn (OAc) 3、KMnO4、Mn2O3、MnO2、Mg (NO3) 2>FeCl3> Cu (NO3) 2 或其混合物。
53.权利要求43的方法，其中所述初级氧化剂为三乙酸锰。
54.权利要求53的方法，其中所述终氧化剂为过乙酸。
55.权利要求43的方法，其中所述初级氧化剂为ΚΜη04。
56.权利要求43的方法，其中在所述纤维素酯共聚体中，所述初级氧化剂的量为每摩尔葡糖酐单元单体约0. 0001至约0. 1摩尔当量。
57.权利要求43的方法，其中所述终氧化剂包含A、臭氧、NaOCl、NaOBr、H2O2或CH3CO3H。
58.权利要求43的方法，其中所述终氧化剂为CH3C03H。
59.权利要求43的方法，其中在所述纤维素酯共聚体中，所述终氧化剂的量为每摩尔葡糖酐单元单体约0. 1至约10摩尔当量。
60.权利要求43的方法，其中所述反应混合物的温度大于40°C且小于60°C。
61.权利要求43的方法，其中所述接触时间为提供聚合度大于10的氧化纤维素酯共聚体的操作持续时间。
62.权利要求43的方法，其中所述接触时间为提供聚合度大于10的氧化纤维素酯共聚体的操作持续时间。
63.权利要求43的方法，其中存在的水量占所述反应混合物总重量1-60%重量。
64.权利要求43的方法，其中所述氧化纤维素酯共聚体具有大于10的酸值。
65.权利要求43的方法，其中所述氧化纤维素酯共聚体具有大于30的酸值。
66.权利要求43的方法，所述方法还包括分离氧化纤维素酯共聚体的步骤。
67.一种制备稳定形式甲酸纤维素酯共聚体的方法，所述方法包括(1)在第一接触温度下，使甲酸、水和C2-C12酰基酸酐混合，形成混合酸酐混合物；(2)在第二接触温度下，使该混合酸酐混合物与纤维素化合物接触，形成反应混合物；(3)将酸催化剂加入该反应混合物；(4)经过甲酰化期； 其中所得甲酸纤维素酯共聚体具有每葡糖酐单元0. 5-1. 5的甲酸酯取代度。
68.权利要求67的方法，其中所得甲酸纤维素酯共聚体具有每葡糖酐单元0.7-1. 2的甲酸酯取代度。
69.权利要求67的方法，其中所得甲酸纤维素酯共聚体具有每葡糖酐单元0.9-1. 1的甲酸酯取代度。
70.权利要求67的方法，其中所述酸催化剂为硫酸。
71.权利要求67的方法，其中所述酸催化剂的加入量占纤维素化合物重量约0.25%至约15%重量。
72.权利要求67的方法，其中以纤维素化合物摩尔计，在步骤(1)中加入的甲酸量约4 至约15摩尔当量。
73.权利要求67的方法，其中所述第一接触温度范围为-10至15°C。
74.权利要求67的方法，其中所述第二接触温度范围为10-70°C。
75.权利要求67的方法，所述方法还包括分离所得甲酸纤维素酯共聚体的步骤。
76.一种制备稳定形式纤维素酯共聚体的方法，所述方法包括(1)在第一接触温度下，使甲酸、水和C2-C12酰基酸酐混合，形成混合酸酐混合物；(2)在第二接触温度下，使该混合酸酐混合物与纤维素化合物接触，形成反应混合物；(3)将酸催化剂加入该反应混合物中；(4)经过甲酰化期；(5)将C2-C12酰基酸酐加入所述反应混合物中；(6)将所述反应混合物加热至第三接触温度；(7)经过酰化期； 其中所得纤维素酯共聚体具有每葡糖酐单元约1. 5至约2. 5的C2-C12酰基取代度，和每葡糖酐单元约0. 5至约1. 5的甲酸酯取代度。
77.权利要求76的方法，其中所得纤维素酯共聚体具有每葡糖酐单元1.8-2. 3的C2-C12 酰基取代度，和每葡糖酐单元0. 7-1. 2的甲酸酯取代度。
78.权利要求76的方法，其中所得纤维素酯共聚体具有每葡糖酐单元1.9-2.IWC2-C12 酰基取代度，和每葡糖酐单元0. 9-1. 1的甲酸酯取代度。
79.权利要求76的方法，其中所述酸催化剂为硫酸。
80.权利要求76的方法，其中所述酸催化剂加入量占纤维素化合物重量的0.25%至约15%重量。
81.权利要求76的方法，其中以纤维素化合物摩尔计，在步骤(1)中加入的甲酸量为4 至13摩尔当量。
82.权利要求76的方法，其中所述第一接触温度范围为-10至15°C。
83.权利要求76的方法，其中所述第二接触温度范围为10-70°C。
84.权利要求76的方法，其中所述第三接触温度范围为约40至约60°C。
85.权利要求76的方法，其中所述C2-C12酰基酸酐包括乙酸酐、丙酸酐、丁酸酐或其混合物。
86.权利要求76的方法，所述方法还包括通过水解或醇解除去所述纤维素酯上取代的甲酸酯基的步骤。
87.权利要求76的方法，所述方法还包括分离所述纤维素酯共聚体的步骤。
88.权利要求76的方法，所述方法还包括步骤向所述反应混合物中加入氨基取代的环状硝酰基衍生物、初级氧化剂和终氧化剂，其中所述反应混合物的PH小于4，和经过足以实现使所述纤维素酯共聚体葡糖酐单元的C6羟基转化的反应期。
89.一种使伯醇转化为甲酰基、羧酸酯或其混合物的方法，所述方法包括将其中取代基能够氢键键合的4-取代的哌啶硝酰基衍生物、初级氧化剂和终氧化剂加入混合物，形成反应混合物，其中所述混合物的PH小于约4和包含含有伯醇官能团的化合物； 经过足以完成所述伯醇官能团转化的反应期。
90.权利要求89的方法，其中所述伯醇为选自以下的多糖上的基团具有α-1，4配糖键的淀粉酯和其它多糖酯、具有α-1，3配糖键的支链淀粉酯和其它多糖酯、具有β -1，4配糖键的纤维素酯和其它多糖酯，以及其它选自甲壳质、脱氨基葡糖、果聚糖、 glactomarmans、葡甘露聚糖、木葡聚糖和阿糖基木聚糖的β -葡聚糖酯。
91.权利要求89的方法，其中所述初级氧化剂为Mn(III)盐。
92.权利要求91的方法，其中所述Mn盐为三乙酸锰。
93.权利要求89的方法，其中所述初级氧化剂还包括Cu、Mg、Fe、Na、K的盐或其混合物。
94.权利要求89的方法，其中所述反应混合物还包含水。
95.权利要求89的方法，其中所述反应混合物还包含水和C2-C12烷基酸。
96.权利要求89的方法，其中所述氨基取代的环状硝酰基衍生物为4-氨基取代的2， 2，6，6-四甲基哌啶-1-烃氧基衍生物。
97.权利要求89的方法，其中所述氨基取代的环状硝酰基衍生物为4-氨基2，2，6， 6-四甲基哌啶-1-烃氧基。
98.权利要求89的方法，其中所述氨基取代的环状硝酰基衍生物为^(C1-C4酰氨基)-2，2，6，6-四甲基哌啶-1-烃氧基。
99.权利要求89的方法，其中所述氨基取代的环状硝酰基衍生物为4-乙酰氨基-2，2， 6，6-四甲基哌啶-1-烃氧基。
100.权利要求89的方法，其中所述氨基取代的环状硝酰基衍生物固定在惰性树脂上。
101.一种涂料组合物，所述组合物包含(i)基于所述组合物中(i)和(ii)总重量百分比计，约0. 至约50%重量的纤维素酯共聚体，其中所述纤维素酯共聚体每个葡糖酐单元上C2和C3位处于醇氧化态，并包含葡糖酐单元
102.权利要求101的组合物，其中所述除(i)外的树脂选自聚酯、聚酯-酰胺、纤维素酯、醇酸树脂、聚氨酯、环氧树脂、聚酰胺、丙烯酸类树脂、乙烯聚合物、聚异氰酸酯、蜜胺、硅氧烷树脂和硝化纤维素。
103.权利要求101的组合物，所述组合物还包括占所述组合物重量约0.至约15%重量的一种或多种选自以下的涂料添加剂流平剂、流变学和流动性控制剂；消光剂；颜料湿润剂和分散剂；表面活性剂；紫外线吸收剂；紫外线稳定剂；颜料；脱泡剂和消泡剂；抗沉降剂、防流挂剂和基础剂；防结皮剂；防浮色剂和防发花剂；杀真菌剂和防霉剂；缓蚀剂； 增稠剂；和聚结剂。
104. 一种水性涂料组合物，所述组合物包含(i)基于所述组合物中(i)和(ii)总重量百分比计，0. 至约50%重量的纤维素酯共聚体，其中所述纤维素酯共聚体每个葡糖酐单元的C2和C3位处于醇氧化态，并包含葡糖酐单元
105. 一种颜料分散体，所述分散体包含约40-90%重量的至少一种颜料和相应的约 10-60%重量纤维素酯共聚体，其中所述纤维素酯共聚体每个葡糖酐单元的C2和C3位处于醇氧化态，并包含葡糖酐单元
106. —种口服药用组合物，所述组合物包含其上涂覆这样的组合物或与这样的组合物混合的治疗药物该组合物包含纤维素酯共聚体，其中所述纤维素酯共聚体每个葡糖酐单元的C2和C3 位处于醇氧化态，并包含葡糖酐单元
107.权利要求106的药用组合物，其中所述组合物还包含选自以下的水溶性聚合物 羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、甲基纤维素、邻苯二甲酸乙酸纤维素、乙酸琥珀酸纤维素、乙酸苯三酸纤维素、邻苯二甲酸羟丙基甲基纤维素、乙酸纤维素、乙酸丙酸纤维素或乙酸丁酸纤维素。
108.权利要求106的药用组合物，所述组合物还包含至少一种增溶剂。
109.一种口服药用组合物在制备用于治疗有需要的哺乳动物的治疗药物中的用途，所述口服药用组合物包含其上涂覆这样的组合物或与这样的组合物混合的治疗药物该组合物包含纤维素酯共聚体，该纤维素酯共聚体每个葡糖酐单元的C2和C3位处于醇氧化态，并包含葡糖酐单元
110.权利要求109的用途，其中所述纤维素酯共聚体改变所述治疗药物的一般释放速率曲线。
111.权利要求109的用途，其中所述纤维素酯共聚体增加至少一种治疗药物的溶解性，因而增加口服生物利用度。
112.权利要求1-6中任一项的纤维素酯共聚体，所述共聚体用作释放速率调节剂。
113.权利要求1-6中任一项的纤维素酯共聚体，所述共聚体用作增溶剂。
全文摘要
本发明提供纤维素酯共聚体和氧化纤维素共聚体以及纤维素酯共聚体的方法。本发明还提供获得具有高酸值的羧化纤维素酯衍生物的路线，其中羧基通过碳-碳键直接与纤维素骨架连接。通过醛中间体官能化，还可获得相应的阳离子或两性离子型纤维素酯衍生物。本发明共聚体具有多种最终应用用途，例如在各种类型的涂料组合物中用作粘合剂树脂和用作药物释放剂。
文档编号A61K9/28GK102276732SQ201110218868
公开日2011年12月14日 申请日期2004年11月23日 优先权日2003年11月28日
发明者C·M·布查南, C·-M·郭, J·D·波西-道蒂, J·L·拉姆伯特, M·D·伍德, M·O·马尔科姆, M·S·林布拉德, N·L·布查南, S·N·卡蒂, T·L·沃特尔逊 申请人:伊士曼化工公司