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Alkylglucoside - Tenside aus Zucker und Pflanzenöl


Mit hydrophilem Kopf und hydrophobem Kohlenwasserstoff-Rest vermitteln Tensidmoleküle zwischen Wasser und wasserunlöslichen Stoffen. Indem sie sich an Grenzflächen anlagern, die Wasser zu Luft oder zu Öl bildet, erniedrigen sie dessen Oberflächenspannung; als Komponente von Seifen und Waschmitteln stellen sie auf diese Weise den Kontakt zum verschmutzten Material her. In höherer Konzentration in Wasser gelöst, schließen diese Moleküle sich zu kugelförmigen Gebilden zusammen, sogenannten Mizellen; die nach innen gerichteten hydrophoben Anteile schließen dabei Schmutzpartikel ein und halten diese in Lösung.

Im Jahre 1990 wurden weltweit rund vier Millionen Tonnen Tenside verbraucht, davon mehr als die Hälfte in Wasch-, Reinigungs- und Körperpflegeprodukten. Das am längsten bekannte Tensid, die Seife, wurde Anfang unseres Jahrhunderts mit der Einführung maschineller Waschmethoden durch leistungsfähigere – beispielsweise Fettalkoholsulfate und Fettalkoholpolyglykolether – ergänzt und zum Teil auch ersetzt (Bild 2).

Nachwachsende Rohstoffe wie natürliche Fette und Öle dienen neben petrochemischen als Basis für den hydrophoben Kohlenwasserstoff-Schwanz. Ein technisch ausgereiftes Verfahren, ihn mit einem hydrophilen Kopf zu verknüpfen, ist die Verbindung mit Schwefeltrioxid zu Fettalkoholsulfat (FAS). Ein zweites ist die Reaktion mit Ethylenoxid; man gewinnt dabei Fettalkoholpolyethylenglykolether.

Durch die Verbindung der Fettalkohole aus Ölen mit der hydrophilen Glucose aus Stärke zu Alkylglucosiden gelang jetzt erstmals die großtechnische Herstellung eines Tensids ausschließlich auf Basis nachwachsender Rohstoffe (Bild 1). Die technischen Produkte werden als Alkylpolyglycoside (APG) bezeichnet.

Emil Fischer (1852 bis 1914, Nobelpreis für Chemie 1902) untersuchte bereits vor rund hundert Jahren die Synthese von Alkylglucosiden aus Alkoholen mit Glucose. In seinen Experimenten stellte Fischer zunächst Ethylglucosid aus Glucose und Ethanol in Gegenwart von Salzsäure her. Die kurze Alkylkette mit nur zwei Kohlenstoffatomen ist jedoch hydrophil, das Molekül war darum nicht als Tensid brauchbar. In einem mehrstufigen Prozeß synthetisierte er dann 1911 gemeinsam mit Burckhardt Helferich (1887 bis 1982) Alkylglucoside mit längeren Kohlenwasserstoffketten und tensidischen Eigenschaften. Dabei mußte die Glucose (nach dem 1901 von Wilhelm Koenigs und Eduard Knorr publizierten Verfahren) in eine reaktivere Form, die Acetobromglucose, umgewandelt werden. Dieser komplizierte Prozeß lieferte zwar im Labormaßstab relativ reine Produkte, durchläuft jedoch mehrere Zwischenstufen und erfordert einen hohen Reinigungsaufwand, so daß an eine großtechnische Umsetzung nicht zu denken war. Somit blieb die Tensidklasse der Alkylglucoside für geraume Zeit eine Rarität und auf spezielle technische Anwendungen beschränkt.

Erst vor wenigen Jahren erwachte das Interesse erneut – im Hinblick auf umweltverträgliche Wasch- und Reinigungsmittel sowie auf Kosmetika. Untersuchungen in unseren anwendungstechnischen Abteilungen ergaben, daß Alkylglucoside mit Kohlenwasserstoffketten von 8 und 10 Kohlenstoff-Atomen (Octyl- beziehungsweise Decylglucoside) sowie mit 12 und 14 Kohlenstoff-Atomen (Dodecyl- beziehungsweise Te-tradecylglucoside) einige der zur Zeit verwendeten Tenside ersetzen oder ergänzen können. In bestimmten Kombinationen mit anderen Tensiden wirkten sie synergistisch; beispielsweise konnte die Tensidmenge in einer Feinwaschmittel-Rezeptur ohne Leistungseinbußen verringert werden. In anderen Kombinationen ließ sich auch ein stabiler Schaum erzeugen, wie er für manche kosmetischen Produkte wichtig ist. Insgesamt erwiesen sich die Alkylglucoside als chemisch ausreichend stabil, so daß ein breiter Einsatz in den unterschiedlichsten Rezepturen – auch stark alkalischen wie bei Mitteln für die industrielle Flaschenreinigung – als möglich und vorteilhaft erschien.

Toxikologische und ökologische Laboruntersuchungen ergaben ebenfalls günstige Befunde. Alkylglucoside sind für Augen, Haut und Schleimhäute gut verträglich und reduzieren sogar die Reizwirkung von Tensidkombinationen. Überdies sind sie sowohl aerob als auch anaerob biologisch vollständig abbaubar.

Erst vor kurzer Zeit ist es gelungen, Synthesebedingungen zu entwickeln, die eine großtechnische Produktion qualitativ hochwertiger Alkylglucoside ermöglichen. Deswegen erscheint es uns gerechtfertigt, sie als neue Tensidklasse zu bezeichnen. Zwei Varianten der Fischer-Synthese kommen in Frage.

In dem einstufigen Prozeß wird Glucose direkt mit dem langkettigen Fettalkohol verknüpft. Dabei ist allerdings die Unlöslichkeit der Glucose in den unpolaren Fettalkoholen problematisch, und Wasseranteile im Glucose-Ausgangsmaterial können die Reaktion stören. Das zweistufige Verfahren führt darum über ein Zwischenprodukt: Der Traubenzucker wird zunächst mit dem kurzkettigen Alkohol Butanol zu Butylglucosid verbunden, das dann in einer Austauschreaktion mit einem (längerkettigen) Fettalkohol umgesetzt wird. Dieser Umweg erleichtert die Reaktion, denn Butanol ist polarer (hydrophiler), darum reagiert die Glucose damit besser. In diesem Falle stehen auch preiswerte Glucosequellen mit höheren Wasseranteilen wie Stärke und Glucosesirup zur Verfügung. Demgegenüber hat die Direktsynthese den Vorteil des einfacheren Aufbaus.

Beide Verfahren wurden bis zur Produktionsreife entwickelt. Es hängt wohl nur mehr von Standortfaktoren wie vorhandenen und kostengünstigen Produktionsmitteln ab, nach welchem man die Alkylglucoside im Einzelfall produziert.

Grundlegende Probleme beider Herstellungsverfahren und Lösungen lassen sich an der Direktsynthese verdeutlichen. Weil wir aus ökologischen und wirtschaftlichen Gründen auf Lösungsmittel bei der Reaktion verzichteten, suchten wir nach Reaktionsbedingungen, um die im Fettalkohol nicht lösliche Glucose umzusetzen. Als besonders vorteilhaft erwiesen sich eine feine, homogene Verteilung im Reaktionsgemisch, der Einsatz saurer Katalysatoren wie Sulfonsäuren und eine Reaktionstemperatur von 100 bis 120 Grad Celsius.

Der Reaktionsverlauf ist relativ komplex. Im ersten Schritt reagiert jeweils ein Molekül Glucose unter Wasserabspaltung mit einem Molekül Fettalkohol und bildet Alkylmonoglucosid. Dabei ist Vorsicht geboten: Verbleibt das entstandene Wasser zu lange im Reaktionsgemisch, bildet es mit einem Teil des Zuckers eine zweite flüssige Phase, die überwiegend aus Glucosesirup besteht und zu polymerer Glucose weiterreagiert. Durch eine Prozeßführung unter vermindertem Druck (Vakuum), konnten wir mit den gewählten Reaktionsbedingungen das Wasser optimal entfernen und so die Produktausbeute deutlich verbessern.

Ein Teil der Alkylmonoglucoside reagiert weiter zu Alkyldiglucosiden; im weiteren Verlauf entstehen Alkyloligo- und schließlich Alkylpolyglucoside. Das jeweilige Gemisch (kurz APG genannt) ist durch ein bestimmtes Verhältnis der Komponenten-Anteile und die durchschnittliche Zahl der Glucoseeinheiten pro Alkylkette charakterisiert. Je höher dieser mittlere Polymerisationgrad, desto besser ist die Löslichkeit des APGs; er läßt sich über die Reaktionsparameter einstellen.

Um maximale Ausbeute zu erreichen, versuchten wir zunächst, die Glucose vollständig umzusetzen. Es zeigte sich aber, daß Alkylglucosid sich nach zu langer Reaktionszeit unter Bildung von glucose-basierten Polymeren und weiteren Nebenprodukten langsam wieder abbaut. Das Ende der Reaktion wird demzufolge nicht durch den Umsatz der Glucose, sondern durch die maximal mögliche Konzentration von Alkylglucosid bestimmt.

Zur Beendigung der Synthese wird der saure Katalysator neutralisiert und die Reaktionstemperatur gesenkt. Stellt man das Reaktionsgemisch auf einen alkalischen pH-Wert ein, wirkt sich das positiv auf die Farbe des Endproduktes aus, weil es sich im sauren oder neutralen Milieu während der weiteren Aufarbeitung teilweise wieder zersetzen kann. Das Rohprodukt ist typischerweise braun gefärbt und riecht karamelartig, kann aber mittels Wasserstoffperoxid gebleicht werden; eine Bleiche im Alkalischen macht das Alkylglucosid für lange Zeit farbstabil, was für hochwertige Marktprodukte wichtig ist.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 6 / 1994, Seite 113
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
6 / 1994

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 6 / 1994

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