N-Isopropylacrylamid

Strukturformel
Allgemeines
Name	N-Isopropylacrylamid
Andere Namen	N-(1-Methylethyl)-2-propenamid; N-Propan-2-ylprop-2-enamid; NIPAM; ISOPROPYLACRYLAMIDE (INCI)[1];
Summenformel	C6H11NO
Kurzbeschreibung	weißer[2] bis blassgelber[3] kristalliner Feststoff
Externe Identifikatoren/Datenbanken
EG-Nummer	218-638-5
ECHA-InfoCard	100.016.944
PubChem	16637
ChemSpider	15774
Wikidata	Q21012199
Eigenschaften
Molare Masse	113,16 g·mol−1
Aggregatzustand	fest
Schmelzpunkt	60–63 °C[2]; 66 °C[3];
Siedepunkt	89–92 °C bei 3 hPa[2]; 110 °C bei 2 kPa[3];
Dampfdruck	3 hPa bei 83 °C[2]
Löslichkeit	löslich in Wasser, Methanol, und Essigsäureisopropylester[4]
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung [2] Achtung
H- und P-Sätze	H: 302‐319
	P: 305+351+338 [2]
Toxikologische Daten	375 mg·kg−1 (LD50, Ratte, oral)[2]; 1580 mg·kg−1 (LDLo, Kaninchen, transdermal)[3];
	Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

N-Isopropylacrylamid ist ein N-substituiertes Acrylamid, dessen Stickstoffatom eine Isopropylgruppe trägt. Die Substanz hat als Monomer für Thermoresponsive Polymere bzw. temperatur- und pH-empfindliche Hydrogele bildendes Poly(N-Isopropylacrylamid) großes Interesse gefunden.[5]

Herstellung

Wegen der teuren Reaktanden eher für die Synthese im Labor geeignet ist die Reaktion von Acryloylchlorid mit überschüssigem Isopropylamin,

bei der Produktausbeuten von über 80 % erzielt werden.[6]

Auch die Reaktion von Acrylamid mit überschüssigem 2-Brompropan führt zu unbefriedigenden Ausbeuten an NIPAM von ca. 66 %.[7]

In einem Gemisch von konzentrierter Schwefelsäure mit Essigsäure reagiert Propen mit Acrylnitril bei 80 °C zu N-Isopropylacrylamid.[4]

In derselben Patentschrift[4] ist der übliche industrielle Herstellungsweg des N-Isopropylacrylamids in einer Ritter-Reaktion von Acrylnitril mit Isopropanol in Gegenwart von konzentrierter Schwefelsäure beschrieben.

In Abhängigkeit von Reaktionstemperatur und -dauer werden Ausbeuten von 90 % bis „nahezu quantitativ“ erreicht.

Eine Variante dieser Reaktion mit einem sauren Zeolith-Katalysator zur Erzeugung des Carbeniumions aus Isopropanol liefert NIPAM in 93-prozentiger Ausbeute.[8]

Zur Unterdrückung der Polymerisation in Lösung werden den Reaktionsgemischen häufig Inhibitoren, wie z. B. Phenothiazin oder 4-Methoxyphenol (MEHQ) zugegeben.

Eigenschaften

N-Isopropylacrylamid fällt bei der Synthese als weißer bis cremefarbener kristalliner Feststoff an, der bei der Lagerung bei höheren Temperaturen zur Polymerisation neigt und daher oft mit Polymerisationsinhibitoren versetzt wird.[3]

Anwendungen

Die Homopolymerisation von N-Isopropylacrylamid, z. B. mit AIBN als Radikalinitiator liefert das wasserlösliche Poly(N-Isopropylacrylamid), dessen solvatisierte lineare Polymerketten bei Temperaturerhöhung oberhalb der so genannten unteren kritischen Mischungstemperatur (englisch lower critical solution temperature, LCST) zu einem dichten Knäuel kollabieren.[9]

In Gegenwart des Vernetzers N,N′-Methylenbisacrylamid können durch radikalische Polymerisation von N-Isopropylacrylamid wasserquellbare und thermosensitive Smarte Hydrogele erzeugt werden, die oberhalb der so genannten Volumenübergangstemperatur (engl. volume phase transition temperature, VPTT) von 33 °C dramatisch schrumpfen.[5] Die LCST liegt von linearen Polymeren liegt nahe der VPTT von quervernetzten Hydrogelen, d. h. das Hydrogel verhält sich annähernd wie eine konzentrierte Polymerlösung.[10]

Durch Copolymerisation mit z. B Acrylsäure und Vernetzung sind sowohl thermo- als auch pH-sensitive Hydrogele zugänglich.

Anwendungen dieser smarten Hydrogele auf der Basis von N-Isopropylacrylamid-Copolymeren liegen u. a. in der gesteuerten Wirkstofffreisetzung (engl. controlled drug release).[11]

Einzelnachweise

Eintrag zu ISOPROPYLACRYLAMIDE in der CosIng-Datenbank der EU-Kommission, abgerufen am 17. September 2021.
Datenblatt N-Isopropylacrylamide bei Sigma-Aldrich, abgerufen am 25. November 2015 (PDF).
Eintrag zu N-Isopropylacrylamide (stabilized with MEHQ) bei TCI Europe, abgerufen am 25. November 2015.
Patent US2719176: Continuous method of making N-substituted amines. Angemeldet am 5. Februar 1953, veröffentlicht am 27. September 1955, Anmelder: Eastman Kodak Co., Erfinder: H.W. Coover, Jr., N.H. Shearer, Jr..
G. Panambur, I. Koltover, S. Batchelle, Designing temperature and pH sensitive NIPAM based polymers
Patent CN101239927: Angemeldet am 7. Februar 2007, veröffentlicht am 21. März 2012, Anmelder: 重庆融海超声医学工程研究中心有限公司, Erfinder: 叶方伟, 王智彪, 田耘博 (englischer Titel: Method for preparing monomer of temperature-sensitive polyisopropylacrylamide).
Patent US4835312: Production process of N-substituted amide compounds. Angemeldet am 2. Juli 1986, veröffentlicht am 30. Mai 1989, Anmelder: 501 Mitsui Chemicals, Inc., Erfinder: H. Itoh, T. Nakagawa, A. Nitta.
X. Chen, H. Matsuda, T. Okuhara: Efficient catalytic synthesis of N-isopropyl acrylamide from acrylonitrile and isopropanol. In: Chem. Lett. Band 8, 1999, S. 799–800, doi:10.1016/S0926-860X(00)00629-3.
Y. Okada, F. Tanaka: Cooperative Hydration, Chain Collapse, and Flat LCST Behavior in Aqueous Poly(N-isopropylacrylamide) Solutions. In: Macromolecules. Band 38, Nr. 10, 2005, S. 4465–4471, doi:10.1021/ma0502497.
M. Constantin, M. Cristea, P. Ascenzi, G. Fundueanu: Lower critical solution temperature versus volume phase transition temperature in thermoresponsive drug delivery systems. In: eXPRESS Polym. Lett. Band 5, Nr. 10, 2011, S. 839–848, doi:10.3144/expresspolymlett.2011.83.
F. Eeckman, A.J. Moes, K. Amighi: Poly(N-Isopropylacrylamide) copolymers for constant temperature controlled drug delivery. In: Int. J. Pharm. Band 273, Nr. 1–2, 2004, S. 109–119, doi:10.1016/ijpharm.2003.12.013.

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[CosIng-1] Eintrag zu ISOPROPYLACRYLAMIDE in der CosIng-Datenbank der EU-Kommission, abgerufen am 17. September 2021.

[Sigma-2] Datenblatt N-Isopropylacrylamide bei Sigma-Aldrich, abgerufen am 25. November 2015 (PDF).

[TCI-3] Eintrag zu N-Isopropylacrylamide (stabilized with MEHQ) bei TCI Europe, abgerufen am 25. November 2015.

[Coover-4] Patent US2719176: Continuous method of making N-substituted amines. Angemeldet am 5. Februar 1953, veröffentlicht am 27. September 1955, Anmelder: Eastman Kodak Co., Erfinder: H.W. Coover, Jr., N.H. Shearer, Jr..

[Panambur-5] G. Panambur, I. Koltover, S. Batchelle, Designing temperature and pH sensitive NIPAM based polymers

[6] Patent CN101239927: Angemeldet am 7. Februar 2007, veröffentlicht am 21. März 2012, Anmelder: 重庆融海超声医学工程研究中心有限公司, Erfinder: 叶方伟, 王智彪, 田耘博 (englischer Titel: Method for preparing monomer of temperature-sensitive polyisopropylacrylamide).

[7] Patent US4835312: Production process of N-substituted amide compounds. Angemeldet am 2. Juli 1986, veröffentlicht am 30. Mai 1989, Anmelder: 501 Mitsui Chemicals, Inc., Erfinder: H. Itoh, T. Nakagawa, A. Nitta.

[8] X. Chen, H. Matsuda, T. Okuhara: Efficient catalytic synthesis of N-isopropyl acrylamide from acrylonitrile and isopropanol. In: Chem. Lett. Band 8, 1999, S. 799–800, doi:10.1016/S0926-860X(00)00629-3.

[9] Y. Okada, F. Tanaka: Cooperative Hydration, Chain Collapse, and Flat LCST Behavior in Aqueous Poly(N-isopropylacrylamide) Solutions. In: Macromolecules. Band 38, Nr. 10, 2005, S. 4465–4471, doi:10.1021/ma0502497.

[10] M. Constantin, M. Cristea, P. Ascenzi, G. Fundueanu: Lower critical solution temperature versus volume phase transition temperature in thermoresponsive drug delivery systems. In: eXPRESS Polym. Lett. Band 5, Nr. 10, 2011, S. 839–848, doi:10.3144/expresspolymlett.2011.83.

[11] F. Eeckman, A.J. Moes, K. Amighi: Poly(N-Isopropylacrylamide) copolymers for constant temperature controlled drug delivery. In: Int. J. Pharm. Band 273, Nr. 1–2, 2004, S. 109–119, doi:10.1016/ijpharm.2003.12.013.