JP2000139488A - アクリル酸および/またはメタクリル酸またはアクリル酸エステルおよび/またはメタクリル酸エステルをエステル化またはエステル交換する方法およびこうして得られた生成物の使用 - Google Patents

アクリル酸および/またはメタクリル酸またはアクリル酸エステルおよび/またはメタクリル酸エステルをエステル化またはエステル交換する方法およびこうして得られた生成物の使用

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ヴァイテマイヤー クリスティアン
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ヒドロキシ官能性および/またはポリオキシ
アルキレン変性シロキサンを用いてアクリル酸および/
またはメタクリル酸またはアクリル酸エステルおよび/
またはメタクリル酸エステルをエステル化またはエステ
ル交換する方法を提供する。 【壊滅手段】 一般式I: 【化1】 のヒドロキシ官能性および/またはポリオキシアルキレ
ン変性シロキサンを使用し、エステル化またはエステル
交換に触媒作用する酵素の存在で反応を実施する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明の対象は、エステル化
またはエステル交換に触媒作用する酵素の存在でヒドロ
キシ官能性および/またはポリオキシアルキレン変性シ
ロキサン誘導体を用いてアクリル酸および/またはメタ
クリル酸またはアクリル酸エステルおよび/またはメタ
クリル酸エステルをエステル化またはエステル交換する
方法およびこれらの酸またはエステルの使用である。
【0002】
【従来の技術】ポリマー生成物を製造する原料の中でア
クリルモノマーの加工が最近急速な発達をとげた。アク
リルモノマーは繊維、分散液、塗料の原料、接着原料お
よび熱可塑性材料の製造の際に主に使用される。少量は
種々の化学合成の出発物質として用いられる。
【0003】従って相当するアクリレートおよび/また
はメタクリレートを製造する多数の方法が存在する。本
発明の意味でアクリルまたはメタクリルは一般式:
【0004】
【化2】
【0005】で表される基であり、式中のRはCH3
たはHである。
【0006】主に文献から公知のカルボン酸エステルの
製造方法に相当する(J.March、Advance
d Organic Chemistry Wiley
1992の論文)アクリレートおよび/またはメタク
リレートを製造する通常の方法のほかに、アクリル酸エ
ステルおよび/またはメタクリル酸エステルまたはアク
リル酸および/またはメタクリル酸を用いるヒドロキシ
官能性シロキサンおよび/またはポリオキシアルキレン
変性シロキサンの変性に関連して特別に記載される方法
が知られている。
【0007】この場合に通常の方法はヒドロキシ官能性
前駆物質から出発し、相当するアクリル酸および/また
はメタクリル酸またはアクリル酸エステルおよび/また
はメタクリル酸エステルから出発してエステル化法また
はエステル交換法によりアクリロイル基および/または
メタクリロイル基を導入する。通常の場合にはそのため
に触媒の存在は不可欠である。米国特許第477726
5号明細書においては、例えばこれらの反応のための触
媒としてチタン、ジルコン、鉄および亜鉛と1、3−ジ
カルボニル化合物のキレート錯体が記載される。例えば
米国特許第5091440号明細書におけるように相当
するエステル化反応に触媒作用する酸も頻繁に用いられ
る。
【0008】これらの方法は、通常の場合は80℃より
高い温度、しばしば100℃より高い温度で進行し、こ
の温度でアクリレートおよび/またはメタクリレートの
好ましくない重合を確実に抑えるために、ラジカル捕捉
剤(例えばメチルヒドロキノン)による反応混合物の付
加的な安定化が必要である。引き続き好ましくない後続
反応を避けるために、多くの使用分野のために触媒を除
去するかまたは少なくとも中和しなければならない。こ
れは、金属酸化物、金属水酸化物または相当する金属の
塩または触媒として使用される酸の塩を形成し、引き続
き一般に濾過することにより、費用のかかる処理工程を
必要とする。アクリロイルおよび/またはメタクリロイ
ル含有反応混合物のこの種の濾過は技術的および作業安
全技術的に費用がかかり、これによりしばしば長い時間
がかかる。高い反応温度に起因してこうして製造される
アクリロイルおよび/またはメタクリロイル官能性化合
物はしばしば強く着色される(黄色から褐色、黒にま
で)。これはしばしばこれらのアクリロイルおよび/ま
たはメタクリロイル化合物を使用される原料の着色に関
して高い要求を有する使用に直接使用することを妨げ
る。この場合に、例えば放射線硬化被覆、特にクリアー
ラッカー中の添加物としての使用が挙げられる。
【0009】アルコキシ−、ヒドロキシル−またはクロ
ロシロキサンとヒドロキシ官能性アクリレートおよび/
またはメタクリレートの直接反応はドイツ特許第274
7233号明細書に記載される。この場合も金属触媒、
120℃より高い温度、付加的な抑制剤が必要である。
従ってこの方法には高い色度指数、触媒残留含量および
好ましくないアクリレート基および/またはメタクリレ
ート基の重合に関する前記の欠点が内在する。
【0010】このほかに、例えば米国特許第42182
94号明細書、米国特許第4369300号明細書、米
国特許第4130708号明細書、米国特許第4369
300号明細書、欧州特許第0518020号明細書、
WO86/02652号明細書またはドイツ特許第30
44301号明細書に記載されるように、少なくとも二
官能性の結合単位に用いられる、ヒドロキシ官能性化合
物を、ヒドロキシ官能性アクリレート(例えばヒドロキ
シエチルアクリレート)と、ジイソシアネート(例えば
イソホロンジイソシアネート)と反応することにより少
なくとも2つのウレタン橋を形成して互いに結合する方
法が存在する。同様の方法で、なお分子中に1個のイソ
シアネート基を有し(例えばTMI、メタイソプレニル
−α、α−ジメチルベンジルイソシアネート、Cyan
amid社)、従ってアルコールと反応することができ
る市販のメタクリレートモノマーおよび/またはアクリ
レートモノマーが提供される。これらの毒性に問題のあ
る基礎成分から出発して2つの構造単位が互いに結合し
ているウレタン基が形成される。イソシアネート基とヒ
ドロキシ基の反応は一般に触媒(例えばスズ化合物また
はアミン)の添加により触媒活性化しなければならな
い。これらの触媒は引き続き最終生成物中に残留する。
例えばオキシラン誘導体によるほかの結合反応は、例え
ばドイツ特許第3932460号明細書、J.App
l.Polym.Sc.Vol.59 1937−194
4に記載される。
【0011】付加的な官能性基を、生じるアクリロイル
および/またはメタクロイル化合物に導入する(例えば
ウレタン、尿素、β−ヒドロキシエステル、エステル
等)これらの方法は、これらの付加的な構造単位が、例
えば副反応によりこれらの化合物の可能なほかの変性に
制限される影響を及ぼすという実際の欠点が備わってい
る。更に処理パラメーター、例えば粘度が不利な影響を
受けることがある。こうして製造されたオルガノ変性シ
ロキサンメタクリレートおよび/またはシロキサンアク
リレートの構造は部分的に影響を受け、好ましいかまた
は好ましくない界面活性特性が変動し、従って体系的な
開発作業が更に困難になる。
【0012】R.Tor.Enzyme Micro
Technol.1990、Vol.12 April、
299−304頁にはジ−またはトリアクリレートおよ
び−メタクリレートを形成せずにヒドロキシ−およびジ
ヒドロキシアルキルアクリレートおよび−メタクリレー
トを製造するためのアクリル−およびメタクリルモノマ
ーエステルの酵素触媒作用したエステル交換が記載され
る。特にアクリル酸およびメタクリル酸の2−ヒドロキ
シエチルエステル、2−ヒドロキシプロピルエステルお
よび1、2−ジヒドロキシプロピルエステルが研究され
る。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、アク
リル酸および/またはメタクリル酸またはアクリル酸エ
ステルおよび/またはメタクリル酸エステルをヒドロキ
シ官能性シロキサンおよび/またはポリオキシアルキレ
ン変性シロキサンを用いてエステル化またはエステル交
換する簡略化された方法を提供することである。このよ
うな製造方法は、特に反応生成物の明らかに明るい色を
可能にし、(非選択的触媒作用による)副生成物の形成
を回避し、生成物から酵素触媒の複雑でない除去を可能
にし、好ましくない、制御されないアクリレートおよび
/またはメタクリレート誘導体のラジカル重合を回避す
るべきである。
【0014】
【課題を解決するための手段】前記課題は、エステル化
またはエステル交換に触媒作用する酵素の存在で、一般
式(I):
【0015】
【化3】
【0016】[式中、R1および/またはR7はR2と同
じかまたは[R4−[R5−[R6−R8を表
し、R2はR3と同じかまたは異なり、1〜24個の炭素
原子を有する同じかまたは異なるアルキル基またはアル
キレン基を表すかまたは24個までの炭素原子を有する
場合により置換されたフェニル基を表し、Rは式O、
NH、NR2、Sの二価の基または式(OSi(CH3
2の基を表し、uは1〜200であり、R5は1〜2
4個の炭素原子を有する同じかまたは異なるアルキル基
またはアルキレン基を表すか、または C2n−f2 −R4−C2m−g2 を表し、この場合にfは0〜12であり、gは0〜12
であり、nは1〜18であり、mは1〜18であり、R
6はO−(C24−a2 O)(C2cO)
表し、この場合にaは0〜3であり、bは0〜100で
あり、cは2〜12であり、dは0〜100であり、
(b+d)の合計は1〜200であり、個々のポリオキ
シアルキレンセグメント(C24−a2 O) およ
び(C2cO) の順序は任意であってもよく、特
にランダムポリマーのようなブロックコポリマーおよび
その組み合わせを含むか、またはR6はO−C2h
−C2i−j9 を表し、この場合にeは0または
1であり、hは0〜24であり、iは0〜24であり、
jは1〜3であり、(w+e)の合計は0〜1であり、
式中のR9はその都度式Oの二価の基、ヒドロキシ基、
式C2hの基を表すか、または式C2k−l(O
H)の基を表し、この場合にkは0〜24であり、l
は1〜3であり、R8はyが1である場合は、水素基ま
たは一価の有機基を表し、この場合に分子1個当たり少
なくとも1個の水素基が存在していなければならず、ま
たはyが0である場合はR8はOH基または一価の有機
基を表し、この場合に分子1個当たり少なくとも1個の
OH基が存在し、vは0〜200であり、wは0または
1であり、xは0または1であり、yは0または1であ
り、zは0または200であり、(w+x+y)の合計
は1〜3であり、zが0である場合は、R1および/ま
たはR7は[R4−[R5−[R6−R8に等
しく、xが0である場合は、wは0である]で表される
ヒドロキシ官能性および/またはポリオキシアルキレン
変性シロキサン誘導体を用いてアクリル酸および/また
はメタクリル酸またはアクリル酸エステルおよび/また
はメタクリル酸エステルをエステル化またはエステル交
換する方法により解決される。
【0017】統計的な規則により実質的に調節された分
布を有する混合物の形の化合物が存在することは当業者
に知られている。従って特に指数b、d、u、vおよび
zの値は平均値である。
【0018】本発明により、酵素触媒作用されるアクリ
ル酸および/またはメタクリル酸またはアクリル酸エス
テルおよび/またはメタクリル酸エステルのエステル化
またはエステル交換により反応することができるシロキ
サン誘導体の例は以下のとおりである。
【0019】
【化4】
【0020】
【化5】
【0021】
【化6】
【0022】
【化7】
【0023】
【化8】
【0024】
【化9】
【0025】
【化10】
【0026】低い温度、有利には20〜100℃、特に
40〜70℃および穏和な条件での前記化合物を用いる
アクリル酸および/またはメタクリル酸またはアクリル
酸エステルおよび/またはメタクリル酸エステルの酵素
によるエステル化またはエステル交換は、生成物の明る
い色、他の場合には例えば化学触媒から生じることがあ
る副生成物の形成の回避、生成物からの酵素触媒の複雑
でない除去およびアクリロイルおよび/またはメタクリ
ロイル化合物の好ましくないおよび制御されないラジカ
ル重合の回避にもとづき有利である。
【0027】本発明により得られるアクリロイルおよび
/またはメタクリロイル官能性シロキサン誘導体は、最
初に存在するすべてのヒドロキシ基の5〜100%がア
クリル酸エステルおよび/またはメタクリル酸エステル
に変換されることにより優れている。
【0028】アクリル化および/またはメタクリル化
は、供与体分子としてアクリル酸および/またはメタク
リル酸のエステル、特にメチルメタクリレート、エチル
メタクリレートまたはブチルメタクリレートおよび/ま
たは−アクリレートを用いて高い収量で最もよく行われ
る。
【0029】触媒として有利に使用される酵素はヒドロ
ラーゼ、特にエステラーゼ、リパーゼおよびプロテアー
ゼである。酵素は純粋な形でまたは化学的にまたは物理
的に結合している担体に固定化された形で使用すること
ができる。酵素触媒の量は、使用される変性シロキサン
に対して、有利には0.1〜20重量%、特に1〜10
重量%である。反応時間は使用される量および酵素触媒
の活性に依存し、例えば48時間まで、有利には24時
間までである。
【0030】簡単な反応条件下で急速に高い反応程度に
達するために、反応混合物中にアクリル酸またはメタク
リル酸および/またはこれらの相当するエステル(供与
体として)を少なくとも10重量%の過剰で使用するこ
とが有利である。
【0031】製造装置は撹拌容器反応器または固定床反
応器により特徴づけられる。撹拌容器反応器はアクリル
酸および/またはメタクリル酸供与体から遊離するアル
カノールもしくはアクリル酸および/またはメタクリル
酸から遊離する水を蒸留する装置を備えていてもよい。
【0032】所望の変換率に達するまで反応を実施す
る。反応水または反応アルカノールの除去が短い反応時
間で反応平衡の変動により高い変換率を生じるので、反
応の実施と同時に蒸留することが有利である。
【0033】できるだけ高い変換率を達成するために、
反応水または反応アルカノールの除去が必要である。
【0034】反応終了後、酵素触媒を濾過またはデカン
トのような適当な手段により分離し、場合により何回も
使用することができる。
【0035】固定床反応器は固定化酵素を備えており、
その際反応混合物を触媒を充填したカラムを通過して供
給する。担体に固定された酵素を用いて反応を流動床中
で実施することも可能である。
【0036】反応混合物を連続的にカラムを通過して供
給することができ、その際流動速度により滞留時間およ
びこれにより所望の変換率を調節することができる。反
応混合物をカラムを通過して循環して供給することも可
能であり、その際真空下で反応水または反応アルカノー
ルを同時に蒸留することができる。
【0037】反応水または反応アルカノールを除去する
ほかの方法、例えば吸収または透析蒸発を使用してもよ
い。
【0038】
【実施例】例 1.式:HO−[(CH(CH3)CH2O)(C2
4O)3.84−(C36)−Si(CH32O−(Si
(CH32O)18−Si(CH32−(C36)−
[(OC243.8(OCH2CH(CH3))]4−OH で表されるポリオキシアルキレン変性シロキサン408
gを、ブチルアクリレート123gおよび酵素Novo
zym(R)435 10.8gと混合し、70℃に加
熱した。真空下(20〜40ミリバール)で遊離したブ
タノールを蒸留した。反応時間8時間後、触媒を濾過
し、残りのブチルアクリレートを100〜110℃で蒸
留した。ヒドロキシ基の65%がアクリル化した(ヒド
ロキシ価により決定)。
【0039】こうして製造した生成物は放射線硬化被覆
用の添加物としてその適用技術的特性において全体とし
て従来製造された製品と少なくとも同じ良好な特性を有
したが、明らかに減少した固有色の利点を有していた。
【0040】2.例1によるポリオキシアルキレン変性
シロキサン120gをブチルアクリレート180gと混
合し、70℃に加熱し、Novozym(R)435を
充填したカラムを、流動速度0.64g/分で通過し
た。4時間後、形成されるブタノールおよび過剰のブチ
ルアクリレートを全部の生成物から蒸留した。アクリル
化程度57%(ヒドロキシ価により決定)の生成物が得
られた。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジェフリー ヒルズ ドイツ連邦共和国 エッセン シュロスヴ ィーゼ 4 (72)発明者 ヴォルフガング ヨステン ドイツ連邦共和国 ケーニッヒスヴィンタ ー ザッセンベルガー シュトラーセ 60 (72)発明者 ディートマー シェーファー ドイツ連邦共和国 ハッティンゲン イム ポート 12 (72)発明者 シュテファン ジルバー ドイツ連邦共和国 クレーフェルト ヘル マン−シューマッハー−シュトラーセ 20 (72)発明者 クリスティアン ヴァイテマイヤー ドイツ連邦共和国 エッセン ズンダーン ホルツ 67

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 エステル化またはエステル交換に触媒作
    用する酵素の存在で、一般式(I): 【化1】 [式中、 R1および/またはR7はR2と同じかまたは[R4
    [R5−[R6−R8を表し、 R2はR3と同じかまたは異なり、1〜24個の炭素原子
    を有する同じかまたは異なるアルキル基またはアルキレ
    ン基を表すかまたは24個までの炭素原子を有する場合
    により置換されたフェニル基を表し、 Rは式O、NH、NR2、Sの二価の基または式(O
    Si(CH32の基を表し、uは1〜200であ
    り、 R5は1〜24個の炭素原子を有する同じかまたは異な
    るアルキル基またはアルキレン基を表すか、または C2n−f2 −R4−C2m−g2 を表し、この場合にfは0〜12であり、gは0〜12
    であり、nは1〜18であり、mは1〜18であり、 R6はO−(C24−a2 O)(C2cO)
    を表し、この場合にaは0〜3であり、bは0〜100
    であり、cは2〜12であり、dは0〜100であり、
    (b+d)の合計は1〜200であり、個々のポリオキ
    シアルキレンセグメント(C24−a2 O) およ
    び(C2cO) の順序は任意であってもよく、特
    にランダムポリマーのようなブロックコポリマーおよび
    その組み合わせを含むか、またはR6はO−C2h
    −C2i−j9 を表し、この場合にeは0または
    1であり、hは0〜24であり、iは0〜24であり、
    jは1〜3であり、(w+e)の合計は0〜1であり、
    式中のR9はその都度式Oの二価の基、ヒドロキシ基、
    式C2hの基を表すか、または式C2k−l(O
    H)の基を表し、この場合にkは0〜24であり、l
    は1〜3であり、 R8はyが1である場合は、水素基または一価の有機基
    を表し、この場合に分子1個当たり少なくとも1個の水
    素基が存在していなければならず、またはyが0である
    場合はR8はOH基または一価の有機基を表し、この場
    合に分子1個当たり少なくとも1個のOH基が存在し、
    vは0〜200であり、wは0または1であり、xは0
    または1であり、yは0または1であり、zは0または
    200であり、(w+x+y)の合計は1〜3であり、
    zが0である場合は、R1および/またはR7は[R4
    −[R5−[R6−R8に等しく、xが0であ
    る場合は、wは0である]で表されるヒドロキシ官能性
    および/またはポリオキシアルキレン変性シロキサン誘
    導体を用いてアクリル酸および/またはメタクリル酸ま
    たはアクリル酸エステルおよび/またはメタクリル酸エ
    ステルをエステル化またはエステル交換する方法。
  2. 【請求項2】 酵素として、この種のエステル化および
    エステル交換反応に触媒作用する、リパーゼ、エステラ
    ーゼまたはプロテアーゼから選択される、特に固定され
    た形のヒドロラーゼを使用する請求項1記載の方法。
  3. 【請求項3】 反応を、20〜100℃、特に40〜7
    0℃の範囲内の温度で実施する請求項1記載の方法。
  4. 【請求項4】 アクリル酸供与体および/またはメタク
    リル酸供与体として、アクリル酸および/またはメタク
    リル酸のメチルエステル、エチルエステル、プロピルエ
    ステルまたはブチルエステルを使用する請求項1記載の
    方法。
  5. 【請求項5】 ヒドロキシ基の5〜100%がアクリル
    化および/またはメタクリル化される請求項1記載の方
    法。
  6. 【請求項6】 主成分または副成分として請求項1から
    5までのいずれか1項記載の方法により得られたヒドロ
    キシ官能性および/またはポリオキシアルキレン変性シ
    ロキサン誘導体のアクリレートおよび/またはメタクリ
    レートの分散液を製造するおよび/または安定化するた
    めの使用。
  7. 【請求項7】 主成分または副成分として請求項1から
    5までのいずれか1項記載の方法により得られたヒドロ
    キシ官能性および/またはポリオキシアルキレン変性シ
    ロキサン誘導体のアクリレートおよび/またはメタクリ
    レートの放射線硬化被覆への使用。
  8. 【請求項8】 請求項7記載のヒドロキシ官能性および
    /またはポリオキシアルキレン変性シロキサン誘導体の
    アクリレートおよび/またはメタクリレートの透明なク
    リアーラッカーへの使用。
  9. 【請求項9】 主成分または副成分として請求項1から
    5までのいずれか1項記載の方法により得られたヒドロ
    キシ官能性および/またはポリオキシアルキレン変性シ
    ロキサン誘導体のアクリレートおよび/またはメタクリ
    レートのラジカル重合によりポリマーを製造するための
    使用。
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