Polyelektrolyte in Alkohol-Wasser Mischungen: Von Gegenionensolvatation zu Handdesinfektionsmitteln

• Antragsteller: Professor Dr. Walter Richtering
• Fachliche Zuordnung: Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 466504295

Handdesinfektionsmittel sind ein wichtig zur Bekämpfung der Ausbreitung von Infektionskrankheiten. Sie bestehen typischerweise aus 80 v/v Alkohol und 20 v/v Wasser bei neutralem pH-Wert. Wasser-Alkohol-Gemische haben eine geringe Viskosität, was ihre Wirksamkeit einschränkt. Um dieses Problem zu überwinden, könnten Polymere als Geliermittel zugesetzt werden. Gängige Polymere können aber aufgrund ihrer schlechten Löslichkeit in alkoholischen Medien nicht als Verdickungsmittel verwendet werden. Wir schlagen eine einfache Methode zur Verbesserung der Löslichkeit von Polyelektrolyten in Alkohol-Wasser-Gemischen vor, indem wir hydrophobe Gegenionen verwenden. Polyelektrolyte sind bereits weit verbreitet als Geliermittel wasserbasierten Formulierungen von pharmazeutischen und Lebensmittelprodukten. Testexperimente zeigen, dass das Natriumsalz der Carboxymethylcellulose in praktisch allen nichtwässrigen Lösungsmitteln unlöslich ist, während sich sein Tetrabutyl-Ammoniumsalz in Alkoholen und Alkohol-Wasser-Gemischen sowie anderen organischen Medien gut löst. Der Ansatz kann im Prinzip für jedes ionische Polymer verwendet werden, einschließlich vieler gelbildender Biopolymere. Der Vorteil dieser Methode ist, dass sie keine Synthese neuer Polymere erfordert, sondern sich auf den Ionenaustausch stützt. Carboxymethylcellulose und Alginat sind bereits von der Federal Drug Agency (FDA) und der European Medicine Agency zugelassen, ebenso wie viele quaternäre Ammoniumsalze.Aus grundlegender Sicht sind Lösungen von Polyelektrolyten mit hydrophoben Gegenionen in Alkoholen (und anderen organischen Medien) interessant, weil ihre thermodynamischen Eigenschaften durch enthalpische Gegenion-Lösemittel-Wechselwirkungen dominiert werden, anstatt durch die Entropie der Gegenionen, wie es bei den meisten bisher untersuchten Systemen üblich ist. Aktuelle Computersimulationsstudien, insbesondere durch Douglas und Mitarbeiter, haben die wichtige Rolle der Gegenionensolvation gezeigt. Die Gegenionensolvatation hat daher in den letzten fünf Jahren viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen und man geht davon aus, dass sie ein entscheidender Faktor für das Verständnis der wichtigsten Konformations- und rheologischen Eigenschaften von Polyelektrolyten ist, die mit klassischen Theorien nicht erklärt werden können.Die wichtigsten Herausforderungen bestehen darin, den Einfluss der Gegenionenentropie, der Gegenionensolvatation und der Polymer-Lösungsmittel-Wechselwirkungen auf das Phasenverhalten, die Struktur und die Rheologie von Polyelektrolyten in Alkohol-Wasser-Gemischen zu verstehen. Während Projekt einerseits durch die potenzielle Anwendung von Polyelektrolyten in Handdesinfektionsmitteln motiviert ist, wird es andererseits zu einer wesentlichen Erweiterung unseres grundlegenden Verständnisses der Thermodynamik von Polyelektrolyten führen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen