專利名稱：羧基化離子液體方法制備的區(qū)域選擇性取代的纖維素酯以及由此制備的產(chǎn)物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般性涉及纖維素酯和/或離子液體。本發(fā)明的一個方面涉及在離子液體 中制備纖維素酯的方法。
背景技術(shù)：
纖維素是葡糖酐(anhydroglucose)的β _1，4_連接的聚合物。纖維素典型地是 不溶于水和幾乎所有普通有機溶劑的高分子量的、多分散聚合物。未改性的纖維素在木材 或棉產(chǎn)品中，例如在房屋建筑業(yè)或紡織品工業(yè)中的用途是眾所周知的。未改性的纖維素也 通常作為膜(例如玻璃紙)、作為纖維(例如粘膠人造絲)用于各種其它應(yīng)用，或作為粉末(例 如微晶纖維素)用于藥物應(yīng)用。改性纖維素，包括纖維素酯在內(nèi)，也用于各種各樣的工業(yè)應(yīng) 用。纖維素酯通?？梢酝ㄟ^首先將纖維素轉(zhuǎn)化為纖維素三酯，然后在酸性水介質(zhì)中將該纖 維素三酯水解為所需的取代度(DS)來制備，該取代度是每個葡糖酐單體的酯取代基的平均 數(shù)。含有單一類型的?；〈睦w維素三酯在這些條件下的水解能夠獲得無規(guī)共聚物， 該無規(guī)共聚物取決于最終的DS能夠由至多8種不同單體組成。離子液體(ILs)是基本上僅僅含有陰離子和陽離子的液體。室溫離子液體 (RTILs)是在標準溫度和壓力下為液態(tài)的離子液體。與ILs結(jié)合的陽離子在結(jié)構(gòu)上是多種 多樣的，但一般含有作為環(huán)結(jié)構(gòu)的一部分的一個或多個氮，并且能夠轉(zhuǎn)化為季銨。這些陽離 子的實例包括吡啶鍵、噠嗪鍵、嘧啶鍵、吡嗪鍵、咪卩生銪吡唑鍵、嚅唑鍵、三唑鍵、噻唑鍵、哌 啶鋪、吡咯燒鍵、喹啉鍵和異喹啉鍵。與ILs結(jié)合的陰離子也能夠在結(jié)構(gòu)上是多種多樣的多 種多樣的，并且可以對ILs在不同介質(zhì)中的溶解度具有重要影響。例如，含有疏水性陰離子 例如六氟磷酸根或三氟甲磺酰亞胺類的ILs在水中具有極低的溶解度，而含有親水性陰離 子如氯根或乙酸根的ILs在水中完全可混溶。離子液體的名稱一般可以縮寫。烷基陽離子通常通過烷基取代基和陽離子的字母 來命名，它們在一組括弧內(nèi)給出，隨后是陰離子的縮寫。雖然沒有特意地書寫，但應(yīng)該理解 的是，該陽離子具有正電荷，而該陰離子具有負電荷。例如，[BMLii] OAc表示1-丁基-3-甲 基咪唑鍵乙酸鹽，[AMLn] Cl表示氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑鍵鹽，而[EMIm] OF表示1-乙 基-3-甲基咪唑鍵甲酸鹽。離子液體可能是高成本的；因此，它們作為溶劑在許多方法中的應(yīng)用可能是不可行的。盡管這樣，用于重新形成和/或再循環(huán)離子液體的方法和裝置迄今是不夠的。此外， 許多制備離子液體的方法涉及利用鹵化物和/或硫中間體，或利用金屬氧化物催化劑。這 種方法可以產(chǎn)生具有高水平的殘留金屬、硫、和/或鹵化物的離子液體。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個實施方案中，提供了具有大于1的C6/C3相對取代度(RDS)比率或 大于1的C6/C2 RDS比率的區(qū)域選擇性取代的纖維素酯。在本發(fā)明的另一個實施方案中，提供了其中RDS為C6>C2>C3的區(qū)域選擇性取代的 纖維素酯。在本發(fā)明的另一個實施方案中，提供了制備區(qū)域選擇性取代的纖維素酯的方法。 該方法包括
(a)將纖維素溶解在羧基化離子液體中，從而形成纖維素溶液；
(b)讓該纖維素溶液與至少兩種?；瘎┙佑|，從而提供包括纖維素酯的酰化纖維素溶 液，其中該纖維素酯包括由羧基化離子液體給予的至少一個酰基；其中該?；瘎┓蛛A段接 連與該纖維素溶液接觸；
(c)讓該?；睦w維素溶液與非溶劑接觸，以使至少一部分纖維素酯沉淀，從而提供 包括沉淀的纖維素酯和羧基化離子液體的漿料；
(d)從該羧基化離子液體中分離至少一部分沉淀的纖維素酯，從而提供回收的纖維素 酯和分離的羧基化離子液體；以及
(e)任選地，將至少一部分的分離的羧基化離子液體再循環(huán)以用于溶解附加的纖維
ο在本發(fā)明的另一個實施方案中，提供了制備區(qū)域選擇性取代的纖維素酯的方法。 該方法包括
(a)將纖維素溶解在羧基化離子液體中，從而形成纖維素溶液；
(b)讓該纖維素溶液與至少兩種?；瘎┙佑|，從而提供包括纖維素酯的?；w維素溶 液，其中該纖維素酯包括由羧基化離子液體給予的至少一個酰基；其中該?；瘎┩瑫r添加 到纖維素溶液中；
(c)讓該?；睦w維素溶液與非溶劑接觸，以使至少一部分纖維素酯沉淀，和從而提 供包括沉淀纖維素酯和羧基化離子液體的漿料；
(d)從該羧基化離子液體中分離至少一部分沉淀的纖維素酯，從而提供回收的纖維素 酯和分離的羧基化離子液體；以及
(e)任選地，將至少一部分分離的羧基化離子液體再循環(huán)以用于溶解附加的纖維素。在本發(fā)明的另一個實施方案中，提供了照相軟片(photographic film)、保護膜或 補償膜。在本發(fā)明的又一個實施方案中，提供了補償膜(compensation film)，該補償膜包 括至少一種區(qū)域選擇性取代的纖維素酯，其中該補償膜具有從大約-400nm到大約+100 nm 的Rth范圍。在又一個實施方案中，提供了制品，該制品包括該區(qū)域選擇性取代的纖維素酯，這 種制品包括，但不限于，熱塑性模制品、涂層、個人護理產(chǎn)品和藥物遞送產(chǎn)品。


圖1是描述在離子液體中制備纖維素酯的方法中涉及的主要步驟的簡圖2是制備纖維素酯的方法的更詳細的圖，描述用于提高該方法的總體效力和/或效 率的多個附加/任選的步驟；
圖3是吸收率與時間的關(guān)系曲線(plot)，其顯示了 5 wt%纖維素在氯化1- 丁基-3-甲 基咪唑鍵中的溶解；
圖4是吸收率與時間的關(guān)系曲線，其顯示了溶于氯化1-丁基-3-甲基咪唑鍵的纖維素 用5摩爾當量的乙酸酐的乙?；?；
圖5是吸收率與時間的關(guān)系曲線，其顯示了 5 wt%纖維素在氯化1-丁基-3-甲基咪唑 鍵中的溶解；
圖6是吸收率與時間的關(guān)系曲線，其顯示了溶于氯化1-丁基-3-甲基咪唑鍵的纖維素 用3摩爾當量的乙酸酐在80°C下的乙酰化；
圖7是吸收率與時間的關(guān)系曲線，其顯示了溶于氯化1-丁基-3-甲基咪唑鐘的纖維素 用3摩爾當量的乙酸酐和0. 2摩爾當量的甲磺酸在80°C下的乙?；?br> 圖8是吸收率與時間的關(guān)系曲線，其顯示了 5 wt%纖維素在氯化1-丁基-3-甲基咪唑 鍵中的溶解；
圖9是吸收率與時間的關(guān)系曲線，其顯示了溶于氯化1-丁基-3-甲基咪勝鍵的纖維素 用3摩爾當量的乙酸酐和0. 2摩爾當量的甲磺酸在80°C下的乙?；?；
圖10是吸收率與時間的關(guān)系曲線，其顯示了 10 wt%纖維素在氯化1-丁基-3-甲基咪 唑鍵中的溶解
圖11是吸收率與時間的關(guān)系曲線，其顯示了溶于氯化1-丁基-3-甲基咪唑縫的纖維 素用3摩爾當量的乙酸酐和0. 2摩爾當量的甲磺酸在80°C下的乙?；?br> 圖12是吸收率與時間的關(guān)系曲線，其顯示了 15 wt%纖維素在氯化1-丁基-3-甲基咪 唑鍵中的溶解；
圖13是吸收率與時間的關(guān)系曲線，其顯示了溶于氯化1-丁基-3-甲基咪P生替的纖維 素用3摩爾當量的乙酸酐和0. 2摩爾當量的甲磺酸在100°C下的乙酰化；
圖14是吸收率與時間的關(guān)系曲線，其顯示了 15 wt%纖維素在氯化1-丁基-3-甲基咪 唑鍵中的溶解；
圖15為NMR譜，其顯示了通過直接乙?；苽涞囊宜崂w維素的質(zhì)子核磁共振譜； 圖16是通過紅外光譜法測定的wt%乙酸與時間的關(guān)系曲線； 圖17是吸收率與時間的關(guān)系取向，其顯示了纖維素溶解之前的水從1-丁基-3-甲基 咪唑鍵乙酸鹽中的去除；
圖18是吸收率與時間的關(guān)系曲線，其顯示了在室溫下10襯％纖維素在1-丁基-3-甲 基咪唑鍵乙酸鹽中的溶解；
圖19是吸收率與時間的關(guān)系曲線，其顯示了溶于1-丁基-3-甲基咪唑鍵乙酸鹽的纖 維素用5摩爾當量的乙酸酐和0. 1摩爾當量乙酸鋅的乙?；?；
6圖20是光譜分析，其顯示了 1-丁基-3-甲基咪唑鋪甲酸鹽和1-丁基-3-甲基咪唑鋪 乙酸鹽的紅外光譜，將0. 5摩爾當量的乙酸酐加入到1-丁基-3-甲基咪唑鍵甲酸鹽中之后 的紅外光譜，以及在將另外0. 5摩爾當量的乙酸酐加入到1-丁基-3-甲基咪卩生鍵甲酸鹽中 之后的紅外光譜；
圖21是在第一次和第二次添加0. 5摩爾當量的乙酸酐時的1-丁基-3-甲基咪卩生鋪甲 酸鹽和1-丁基-3-甲基咪唑鍵乙酸鹽的相對濃度與時間的關(guān)系曲線；
圖22為光譜分析，其顯示了 1- 丁基-3-甲基咪唑鍵甲酸鹽、1- 丁基-3-甲基咪唑 鍵甲酸鹽的紅外光譜，以及在2摩爾當量的甲醇的存在下將1當量的乙酸酐加入到1-丁 基-3-甲基咪唑鍵甲酸鹽之后的紅外光譜；
圖23是在添加2摩爾當量甲醇時和然后添加1當量的乙酸酐時的1-丁基-3-甲基咪 唑鋪甲酸鹽和1-丁基-3-甲基咪卩生鍵乙酸鹽的相對濃度與時間的關(guān)系曲線；
圖M是吸收率與時間的關(guān)系曲線，其顯示了在80°C下纖維素在1-丁基-3-甲基咪唑 鍵乙酸鹽中的溶解；
圖25是吸收率與時間的關(guān)系曲線，其顯示了溶于1-丁基-3-甲基咪唑鍵乙酸鹽中纖 維素的酯化；
圖26是光譜分析，其顯示了由溶于1-丁基-3-甲基咪唑鍵乙酸鹽的纖維素制備的乙 酸纖維素的環(huán)質(zhì)子共振(上譜)，以及由溶于氯化1- 丁基-3-甲基咪唑鐘的纖維素制備的 乙酸纖維素的環(huán)質(zhì)子共振(下譜)；和
圖27是光譜分析，其顯示由溶于1-丁基-3-甲基咪卩坐鍵乙酸鹽的纖維素制備的乙酸 纖維素在添加水之后(上譜)和添加水之前(下譜)的環(huán)質(zhì)子共振。圖 28 比較了溶于[BMIm]Cl、[BMIm]Cl + 5 wt% 乙酸以及[BMIm]Cl + 10 wt% 乙 酸的纖維素(5 wt%)溶液的粘度。圖四比較了沒有助溶劑和具有甲基乙基酮作為助溶劑的纖維素接觸混合物的溶 液的粘度。圖30示出了在溶于[BMIm]0Pr或者[BMIm]0Pr + 11.9 wt%丙酸的纖維素的酯化 (3. 7當量丙酸酐)過程中1212CHT1處的紅外譜帶的吸收率(丙烯酸酯和丙酸)與接觸時間 的關(guān)系曲線。圖31顯示了分批加入第一次)和Ac2O (第二次)的吸收率與時間的關(guān)系曲 線，說明了在實驗過程中的纖維素的酯化(1756，1233，1212 cnf1)、酸酐的消耗(1815 cm—1) 以及羧酸的共同產(chǎn)生(1706 cm—1)。圖32示出了在分批加入(第一次)和Ac2O (第二次)之后的接觸期間除去的 樣品的質(zhì)子核磁共振譜。圖33在分批加入(第一次)和Ac2O (第二次)之后[系列1]、在分批加入 Ac2O (第一次)和Pr2O (第二次)[系列2]，和在混合添加I^r2O和Ac2O [系列3]之后的樣 品的13C NMR譜中的羰基區(qū)域。圖34示出了通過分批加入(第一次)和Ac2O (第二次)[系列1]、通過分批加 Λ Ac2O (第一次)和Pr2O (第二次)[系列2]、以及通過混合添加Pr2O和Ac2O [系列3]所制備的乙酸丙酸纖維素的DS與玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)的關(guān)系曲線。圖35示出了通過分批加入I^r2O (第一次)和Ac2O (第二次)[系列1]、通過分批加 Λ Ac2O (第一次)和Pr2O (第二次)[系列2]以及通過混合添加Pr2O和Ac2O [系列3]所制 備的乙酸丙酸纖維素的丙酸DS(DS propionate)與玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)的關(guān)系曲線。
具體實施例方式圖1示出了制備纖維素酯的簡化系統(tǒng)。圖1的系統(tǒng)通常包括溶解區(qū)20，酯化區(qū)40， 纖維素酯回收/處理區(qū)50以及離子液體回收/處理區(qū)60。如圖1所示，纖維素和離子液體(“IL”)可以分別經(jīng)由管線62和64供應(yīng)至溶解 區(qū)20。在溶解區(qū)20中，該纖維素能夠被溶解，從而形成包括纖維素和離子液體的初始纖維 素溶液。該初始纖維素溶液然后能夠被輸送到酯化區(qū)40。在酯化區(qū)40中，包括該溶解的纖 維素的反應(yīng)介質(zhì)可以接受足以至少部分將該纖維素酯化的反應(yīng)條件，從而產(chǎn)生初始纖維素 酯。能夠?qū)Ⅴ；瘎┘尤氲锦セ瘏^(qū)40和/或溶解區(qū)20中，以有助于促進溶解的纖維素在酯 化區(qū)40中的酯化。如圖1所示，酯化介質(zhì)可以經(jīng)由管線80從酯化區(qū)40排出，此后輸送到纖維素酯回 收/處理區(qū)50，在那里，該初始纖維素酯能夠被回收和處理，從而產(chǎn)生最終纖維素酯，該最 終纖維素酯經(jīng)由管線90從回收/處理區(qū)50中排出。再循環(huán)料流經(jīng)由管線86由纖維素酯 回收/處理區(qū)50產(chǎn)生。該再循環(huán)料流可以包括源于最初引入到溶解區(qū)20中的衍生自離子 液體的改變后的離子液體(altered ionic liquid)。管線86中的再循環(huán)料流還可以包括 各種其它的化合物，包括在上游區(qū)20、40、50中發(fā)生的反應(yīng)的副產(chǎn)物或在上游區(qū)20、40、50 中使用的添加劑。管線86中的再循環(huán)料流能夠被引入到離子液體回收/處理區(qū)60中，在 那里，它能夠經(jīng)歷分離和/或重新形成(reformation)過程。再循環(huán)離子液體能夠由離子 液體回收/處理區(qū)60產(chǎn)生，并且能夠經(jīng)由管線70返回到溶解區(qū)20。緊接著在以下提供了 在圖1的纖維素酯制備系統(tǒng)中涉及的料流、反應(yīng)和步驟的附加細節(jié)。經(jīng)由管線62供應(yīng)給溶解區(qū)20的纖維素能夠是適用于制備纖維素酯的本領(lǐng)域中已 知的任何纖維素。在一個實施方案中，適用于本發(fā)明的纖維素能夠由木質(zhì)紙漿形式的軟或 硬木獲得，或者由一年生植物例如棉或玉米獲得。該纖維素可以是包括許多葡糖酐單體單 元的β_1，4-連接的聚合物。適用于本發(fā)明的纖維素通?？梢园ㄒ韵陆Y(jié)構(gòu)
權(quán)利要求
1.制備區(qū)域選擇性取代的纖維素酯的方法，所述方法包括(a)將纖維素溶解在羧基化離子液體中，從而形成纖維素溶液；(b)讓所述纖維素溶液與至少兩種?；瘎┙佑|，從而提供包括纖維素酯的?；睦w維 素溶液，其中所述纖維素酯包括由所述羧基化離子液體給予的至少一種?；?；其中所述酰 化劑分階段接連地與所述纖維素溶液接觸；(c)讓所述?；w維素溶液與非溶劑接觸，以使至少一部分的所述纖維素酯沉淀，從 而提供包括沉淀的纖維素酯和所述羧基化離子液體的漿料；(d)從所述羧基化離子液體中分離至少一部分的所述沉淀的纖維素酯，從而提供所述 區(qū)域選擇性取代的纖維素酯和分離的羧基化離子液體；以及(e)任選地，將至少一部分的所述分離的羧基化離子液體再循環(huán)，用于溶解附加的纖 會佳·ο
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在添加下一種?；瘎┲?，使約80md%的第一 ?；瘎┓磻?yīng)。
3.制備區(qū)域選擇性取代的纖維素酯的方法，所述方法包括(a)將纖維素溶解在羧基化的離子液體中，從而形成纖維素溶液；(b)讓所述纖維素溶液與至少兩種酰化劑接觸，從而提供包括纖維素酯的酰化的纖 維素溶液，其中所述纖維素酯包括由所述羧基化離子液體給予的至少一種?；黄渲兴??；瘎┩瑫r添加到所述纖維素溶液中；(c)讓所述?；w維素溶液與非溶劑接觸，以使至少一部分所述纖維素酯沉淀，從而 提供包括沉淀的纖維素酯和所述羧基化離子液體的漿料；(d)從所述羧基化離子液體中分離至少一部分的所述沉淀的纖維素酯，從而提供所述 區(qū)域選擇性取代的纖維素酯和分離的羧基化離子液體；以及(e)任選地，將至少一部分的所述分離的羧基化離子液體再循環(huán)，用于溶解附加的纖會佳·ο
4.膜，該膜包括至少一種具有C6>C2>C3的RDS比率的區(qū)域選擇性取代的纖維素酯。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的膜，其中所述區(qū)域選擇性取代的纖維素酯的C6/C3或C6/C2的 環(huán)RDS比率是至少1.05。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的膜，其中所述區(qū)域選擇性取代的纖維素酯的C6/C3或C6/C2的 環(huán)RDS比率乘以總DS的乘積[(C6/C3)*DS或(C6/C2)*DS]是至少2. 9。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的膜，其中所述區(qū)域選擇性取代的纖維素酯具有至少1.05的 C6/C3或C6ZC2的環(huán)RDS比率，且C6/C3或C6ZC2的環(huán)RDS比率乘以總DS的乘積是至少2. 9。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的膜，其中所述區(qū)域選擇性取代的纖維素酯具有至少1.3的 C6/C3或C6/C2的至少一個?；〈聂驶鵕DS比率。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的膜，其中所述區(qū)域選擇性取代的纖維素酯的C6/C3或C6/C2 的至少一個酰基取代基的羰基RDS比率乘以該?；〈腄S的乘積[(C6/C3)*DSgaJ^ (C6/C2)*DS酸基]是至少2. 3。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的膜，其中所述區(qū)域選擇性取代的纖維素酯的C6/C3或C6/C2 的羰基RDS比率乘以?；〈腄S的乘積是至少2. 5。
11.根據(jù)權(quán)利要求4所述的膜，其中所述區(qū)域選擇性取代的纖維素酯的C6/C3或C6/C2的至少一個?；〈聂驶鵕DS比率是至少1.3，且所述區(qū)域選擇性取代的纖維素酯的 C6/C3或C6/C2的羰基RDS比率乘以?；鵇S的乘積是至少2. 3。
12.根據(jù)權(quán)利要求4所述的膜，其中所述膜是照相軟片、保護膜或補償膜。
13.補償膜，其包括至少一種區(qū)域選擇性取代的纖維素酯，其中所述補償膜具有從 約-400 到約 +IOOnm 的 Rth。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的補償膜，其中所述區(qū)域選擇性取代的纖維素酯具有約1.5 到約2. 95的單個酰基取代基的總DS ；且其中所述補償膜具有約-400到約+IOOnm的Rth值。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的補償膜，其中，所述區(qū)域選擇性取代的纖維素酯選自乙酸 纖維素、丙酸纖維素和丁酸纖維素；其中所述區(qū)域選擇性取代的纖維素酯具有約1. 6到約 2. 9的總DS。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的補償膜，其中，所述補償膜具有約-380到約-110nm的Rth 值，且包括具有約1. 7到約2. 5的總DS的區(qū)域選擇性取代的丙酸纖維素。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的補償膜，其中，所述補償膜具有約-380到約-110nm的Rth 值，且包括具有約1. 7到約2. 5的總DS和至少1. 05的C6/C3或C6/C2的環(huán)RDS比率的區(qū)域 選擇性取代的丙酸纖維素。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的補償膜，其中，所述補償膜具有約-60到約+100nm的Rth 值，且包括具有約2. 6到約2. 9的總DS的區(qū)域選擇性取代的丙酸纖維素。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的補償膜，其中，所述補償膜具有約-60到約+100nm的Rth 值，且包括具有約2. 6到約2. 9的總DS和至少1. 05的C6/C3或C6/C2的環(huán)RDS比率的區(qū)域 選擇性取代的丙酸纖維素。
20.根據(jù)權(quán)利要求13該的補償膜，其中，所述補償膜具有約0到約+100nm的Rth值， 且包括具有約2. 75到約2. 9的總DS的區(qū)域選擇性取代的丙酸纖維素。
全文摘要
本發(fā)明涉及包括區(qū)域選擇性取代的纖維素酯的新型組合物。本發(fā)明的一個方面涉及從溶于離子液體的纖維素制備區(qū)域選擇性取代的纖維素酯的方法。本發(fā)明的另一個方面涉及區(qū)域選擇性取代的纖維素酯在諸如液晶顯示器的保護膜和補償膜之類的應(yīng)用中的用途。
文檔編號C08B3/28GK102124031SQ200980131585
公開日2011年7月13日 申請日期2009年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月13日
發(fā)明者C·M·布查南, J·L·郎貝爾, M·E·唐納森, M·G·戈爾布諾瓦, N·L·布查南, R·T·亨布雷, 王斌, 郭釗明 申請人:伊士曼化工公司