JP2005509417A - ジアルデヒド多糖類の酸化法 - Google Patents

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Abstract

ジアルデヒドデンプン(DAS)のようなジアルデヒド炭水化物を、ラッカーゼ又は酸化できる他の酵素の存在下で酸素又は過酸化水素を用いて酸化することができる。酸化はTEMPOのようなジ−第3級ニトロキシルにより媒介される。生成物はアルデヒド基及びカルボキシル基の両方を含有し、湿潤紙力増強剤として優れた性質を有する。

Description

本発明は、アルデヒド基の一部をカルボキシル基に酸化することにより、アルデヒド−含有炭水化物の溶解度を向上させる方法に関する。
特許文献1は、触媒量の臭化物の存在下で過酸を用いる処理により、ジアルデヒドデンプン(DAS)をモノアルデヒド−モノカルボキシルデンプン(MACS)に酸化する方法を開示している。例えばアスパラギン酸のようなアミンとの反応により、生成物をさらに官能基化することができる。前駆体DASは、デンプンの過ヨウ素酸酸化により得られ得る。
モノアルデヒド−モノカルボキシル炭水化物は興味深い性質を有するが、過酸及び臭化物を用いる酸化は、高い経費の理由、プロセスから生ずる高い塩負荷量及び用いられる化学品の毒性の疑いのようないくつかの欠点を有する。
国際公開第00/26257号パンフレット
本発明に従い、DAS及び類似ジアルデヒド炭水化物を有効に且つハロゲンを使用せずに、アルデヒド基を部分的もしくは完全にカルボキシル基に転換し、かくして酸化された炭水化物の溶解度及び多用性を向上させ、且つより良い接近性の故にその反応性を向上させるようなやり方で酸化できることが見出された。酸化はヒドロキシルアミン又はニトロキシル化合物の存在下に、酸素もしくは過酸化水素の存在下で化学的再酸化剤(reoxidant)又はヒドロキシルアミン及びニトロキシルをニトロソニウムイオンに酸化できる酵素を用いて行なわれる。ニトロソニウムイオンはアルデヒド官能基をカルボキシル官能基に酸化する。添付の請求項の特徴的側面により、本発明の方法をさらに定義する。
酸化される炭水化物は1,2−ジヒドロキシエチレン基をその繰り返し単位中に含有するいずれかの炭水化物から誘導され得、その炭水化物は低いレベルの還元末端基を含有する。そのような炭水化物には非還元性二糖類、例えばスクロース及びトレハロースならびに1,2−、1,4−もしくは1,5−結合(ペントサン)又は1,2−、1,4−もしくは1,6−結合(ヘキソサン)であるオリゴ糖類及び多糖類が含まれる。オリゴ−及び多糖類はいずれの型のものであることもでき、例えばα−グルカン、例えばデンプン、デンプン成分(すなわちアミロース、アミロペクチン、デキストリン)、プルラン(α−1,4、α−1,4、α−1,6−グルカン)、β−グルカン、例えばセルロース(特に非−木材)、キチン、リケニンなど、フラノフルクタン、例えばイヌリン及びレバン、ガラクタン、アラビノガラクタン、ペントサン(キシラン、アラバン)、ガラクト(マンナン)(グア、イナゴマメゴム)、バクテリア性エキソ多糖類(bacterial exopolysaccharides)(EPS)などならびにそのような炭水化物の誘導体、例えば加水分解産物であることができる。これらのオリゴ−及び多糖類は、異なる単位自身がキサンタン及び藻類から誘導される炭水化物におけるウロン酸単位のように一次ヒドロキシル基を有し得なくても、ヘテロ糖類、すなわち異なる構造単位を有するものを含む。本発明に従って酸化されるべき炭水化物はグリコシド及び他の保護炭水化物を含む。特にグルカン型(デンプン及びセルロース)の多糖類(10より多い重合度)が好ましい炭水化物である。
出発材料としてデンプン、セルロース及び他の炭水化物の改質物も使用され得る。これらには部分的に加水分解された生成物ならびにヒドロキシアルキル、カルボキシアルキル及び類似の誘導体ならびにウロン酸類似物を含む物理的及び化学的改質物が含まれる。炭水化物は(メタ)過ヨウ素酸酸化(例えば国際公開第95/12619号パンフレットを参照されたい)により、あるいは他の適した方法、例えば酸化マンガンを用いる方法によりジアルデヒド誘導体に酸化される。酸化は完全である、すなわち酸化された炭水化物はジアルデヒドモノース単位のみから成ることができるか、あるいは酸化は部分的である、すなわち0.1〜0.99又は例えば0.2〜0.8の酸化の程度(ジアルデヒドモノース単位)までであることができる。
かくして得られるジアルデヒド炭水化物を、酸素もしくは過酸化水素の存在下でニトロキシル化合物及び化学的再酸化剤又は酸化酵素を用いることを含む、本発明の方法を用いて酸化する。
用いられるべきニトロキシル化合物は特にジ−第3級アルキルニトロキシル化合物(又は対応するそのヒドロキシルアミン)、例えば2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−N−オキシル(TEMPO)である。以下の記述において、簡単のためにTEMPOのみに言及するが、他の適したニトロキシル、すなわちα−水素原子がない有機ニトロキシル化合物、例えば2,2,5,5−テトラメチルピロリジン−N−オキシル(PROXYL)、4−ヒドロキシ−、4−アルコキシル−、4−アシルオキシ−及び4−アセトアミド−TEMPOならびにそれらの誘導体及び類似体ならびに国際公開第95/07303号パンフレットに記載されているものがTEMPOに取って代わることができることが理解されねばならない。ニトロキシルを、例えば4−ヒドロキシ−TEMPOのヒドロキシル基を適した担体にカップリングさせることにより、あるいはポリマー性ニトロキシルの形態で固定化することもできる。活性酸化種はニトロソニウムイオン(オキソ−アンモニウムイオン >N=O)であり、それは対応するヒドロキシルアミン(>N−OH)又はニトロキシルラジカル(>N−O・)の酸化によりその場で作られる。
ニトロキシル化合物は触媒量で、好ましくは炭水化物に基づいて0.1〜25重量%で、又は炭水化物に対して0.1〜25モル%で用いられる。所望ならニトロソニウムイオンの生成が第1段階であり、アルコール官能基の酸化が第2段階である2段階で反応を行なうことができる。
本発明に従って用いられるべき触媒はオキシドレダクターゼ又は適したレドックス系の存在下で酸化することができる他の酵素である。本発明の方法において用いられるべきオキシドレダクターゼ、すなわちさらなるレドックス系の存在なしで酸化することができる酵素にはペルオキシダーゼ及びオキシダーゼ、特にポリフェノールオキシダーゼ及びラッカーゼが含まれる。さらなるレドックス系、例えば金属錯体、例えばバナジン酸塩が存在する場合、ある種のヒドロラーゼ、例えばフィターゼ及びリパーゼを用いることができる。完全な酵素の代わりに、いわゆる「シンザイム」(“synzymes”)、すなわち酵素を模している遷移金属錯体を用いることができる。そのような錯体には例えば錯体化剤、特にポリアミン、例えば2,2’−ビピリジル、フェナントロリン、テトラメチル−エチレンジアミン、ペンタメチルジエチレントリアミン及びそれらの環状の相手、例えば1,4,7−トリメチル−1,4,7−トリアゾナンならびにヒスチジン及びそのオリゴマーを有するバナジウム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル又は銅が含まれる。金属に補助される酵素は、究極的電子受容体として過酸化水素、アルキル及びアリール(アルキル)ヒドロペルオキシド(例えばtert−ブチルヒドロペルオキシド)又は亜塩素酸塩を必要とする。
本発明に従って用いられ得るペルオキシダーゼ(EC 1.11.1.1−1.11.1.11)には、補因子−非依存性であるペルオキシダーゼ、特に古典的ペルオキシダーゼ(EC 1.11.1.7)が含まれる。ペルオキシダーゼは植物、バクテリア、フィラメント性及び他の菌・カビならびに酵母を含むいずれの源に由来することもできる。例はホースラディッシュペルオキシダーゼ、ダイズ皮ペルオキシダーゼ、ミエロペルオキシダーゼ、ラクトペルオキシダーゼ、ブロモペルオキシダーゼ、クロロペルオキシダーゼ、アルトロミセス(Arthromyces)及びコプリヌス(Coprinus)ペルオキシダーゼである。いくつかのペルオキシダーゼは商業的に入手可能である。ペルオキシダーゼは電子受容体として過酸化水素を必要とする。
ポリフェノールオキシダーゼ(EC 1.10.3.1)にはチロシナーゼ及びカテコールオキシダーゼ、例えばリグニンペルオキシダーゼが含まれる。菌・カビ、植物又は動物から適したポリフェノールオキシダーゼを得ることができる。ポリフェノールオキシダーゼは、電子受容体として酸素を必要とする。ラッカーゼ(EC 1.10.3.2)はポリフェノールオキシダーゼの下に分類されることもあるが、それらをp−ジフェノールオキシダーゼと呼ばれることもある別の群として分類することもできる。ラッカーゼは植物源又は微生物源、特に例えばトラメテス・ベルシコロル(Trametes versicolor)の種の菌・カビ源に由来することができる。組換えラッカーゼの使用は特に有利である。ラッカーゼも電子受容体として酸素を必要とする。
あるいはまた、ニトロキシル化合物を用いる酸化は、ヒドロキシルアミンをニトロキシル又はニトロソニウムイオンに再酸化できる既知の化学品であることができる。そのような既知の化学的再酸化剤には次亜臭素酸塩、次亜塩素酸塩又は次亜塩素酸塩/亜塩素酸塩混合物ならびに過酸、例えば過硫酸が含まれる。これらの再酸化剤を、さらなる酸化の所望の程度に対応する量で用いることができる。例えば100%ジアルデヒドデンプン又はジアルデヒドセルロースを、アルデヒド基の10%がカルボキシル基に酸化される程度にさらに酸化するべき場合、存在する単糖単位に対して0.1当量(又は例えば0.15当量までのわずかな過剰)の次亜塩素酸ナトリウム又は過硫酸を用いることができる。
本発明の方法は比較的穏やかな条件下で、例えば2〜10のpHにおいて且つ15〜60℃の温度で行なわれ得る(両方とも特定の酸化剤、例えば酵素又は金属錯体に依存する)。反応媒体は水性媒体又は例えばアルコール/水もしくはエーテル/水混合物の均一に混合された媒体あるいは不均一な媒体、例えば水と水−非混和性有機溶媒、例えば疎水性エーテル、炭化水素もしくはハロゲン化炭化水素の混合物であることができる。後者の場合、酵素及び/又はニトロキシル及び酸化剤は水相中に存在することができ、アルコール基質及びアルデヒドもしくはケトン生成物は有機相中に存在することができる。必要なら相間移動触媒を用いることができる。特にニトロキシルの酵素が固体担体上に固定化される場合、反応媒体は固体/液体混合物であることもできる。基質又は生成物が比較的敏感である場合又は他の試薬からの生成物の分離が困難を呈し得る場合、不均一な反応媒体が有利であり得る。
ジアルデヒドの酸化は反応:
R−CHO + >N=O + OH → −COOH + >N−OH
に従って、主に複数のアルデヒド基のカルボキシル基への酸化を生ずる。さらに−存在するなら−第1級ヒドロキシル基のいくつかの酸化が、反応:
R’−CHOH + >N=O + OH
R’−CHO + >N−OH + H
R’−CHO + >N=O + OH → R’−COOH + >N−OH
に従って起こり得る。そのような第1級ヒドロキシル官能基は、例えばグルカン−型(及びフルクタン、ガラクタン、マンナンなどの型)の炭水化物におけるC6位に存在するであろう。第1級ヒドロキシル基のアルデヒド及び部分的にカルボキシルへの酸化は、得られる炭水化物誘導体の多用性及び溶解度をさらに強化する。
特に有用な本発明に従う生成物は、生成物を水溶性とするのに十分なレベルのカルボキシル基と一緒に比較的高いアルデヒド含有率を有するものであり、高いアルデヒド含有率は生成物を湿潤紙力増強剤及びさらに化学的改質のできる薬剤として適したものとする。特にアルデヒド対カルボキシル比は1:1より高い。本発明は特に4:1〜49:1、特別に5:1〜24:1のアルデヒド対カルボキシル含有率を有する炭水化物に関し、ここでは酸化された炭水化物上のいずれかの位置におけるすべてのアルデヒド基(遊離もしくは結合)及びカルボキシル基(プロトン化又はイオン性)が含まれる。より低いアルデヒド対カルボキシル比を有する生成物も湿潤紙力増強剤として及び他の目的のために適している。本発明の生成物が繰り返しモノース単位当たりに少なくとも0.8個のアルデヒド基、より好ましくは1.2〜2.2個のアルデヒド基のアルデヒド含有率を有するのが好ましく、カルボキシル含有率は好ましくは0.1〜1.2、最も好ましくは0.2〜0.8である。
本発明の生成物、特に酸化されたDAS−型(MACS)生成物は、好ましくは少なくとも0.5g/lの水溶解度を有する(中性のpHにおいて20℃で測定)。あるいはまた、生成物の水溶解度は、ジアルデヒド炭水化物出発材料に対して少なくとも2倍、好ましくは少なくとも5倍に向上する。水溶解度は、例えばUV−VIS分光測定を用いる濁度測定により測定され得る。
本発明の生成物は湿潤紙力増強剤としてのみでなく、増粘剤、粘性化剤、エマルションのための安定剤などとしてならびに特にアルコール、アミン及びアルデヒド官能基とカップリングできる他の薬剤を用いるさらなる官能基化のための出発材料としても非常に適している。そのような薬剤には架橋剤(ジアミン、ジオールなど)が含まれ、炭水化物の架橋のため又は炭水化物をアミノ酸、タンパク質、活性基などにカップリングさせるためにそれらを用いることができる。
デンプン又はセルロースのような生体高分子を改質してさらなる改変を可能にするか(例えば編織布の染色、編織布繊維の強化及び抗−ピリング)又は粘度及び他の物理的もしくは化学的性質、例えば溶解度、乳化性、粘着性などを適合させるために、本発明の方法を有利に用いることもできる。改質された生体高分子を、例えば水に基づくコーティング調製物中の流動学変性剤として、例えば接着剤調製物中の可逆的架橋剤として、編織布用途における糊付け及び紡糸のための不可逆的ホットメルト用の添加剤として及び個人的保護用途における加湿物質として用いることができる。
本発明は、添付の請求項において定義される通り、上記のアルデヒド炭水化物と例えばアミンのカップリングにより、特に炭水化物のイミノもしくはアミノ誘導体を与える還元的アミノ化により得られる誘導体にも関する。また、さらなる改質のために、ヒドロキシ−官能基化化合物、例えばグリコール酸を用いてアルデヒド炭水化物をアセタール化することができる。
本発明の生成物及び本発明の方法を用いて得られる生成物を湿潤強度向上、増粘、粘性化及び/又はエマルション−安定化組成物のような組成物中に、場合により水及び/又は他の溶媒もしくは希釈剤、充填剤、防腐剤、さらなる活性成分などと一緒に導入することができる。本発明の生成物はそのような組成物中にいずれの量においても、例えば組成物の重量の0.01〜99重量%、特に0.5〜50重量%の範囲の量で含有されることができる。
実施例:一般
アルデヒド含有率はサブトラクティブ法(subtractive method)(亜塩素酸塩及び過酸化水素を用いるアルデヒドの酸化の前後にウロン酸含有率を決定する)により、あるいはオキシムを生成するヒドロキシルアミン塩酸塩の添加、及び放出される塩酸の逆滴定により又は13C NMRスペクトル分析(無水グルコース単位のC1に対するアルデヒドのC6シグナルの強度又はオキシム中のC6(C=N)の強度)により決定された。
ラッカーゼ/TEMPOを用いるモノアルデヒドモノカルボキシルデンプン(MACS)の製造
Ia.ジアルデヒドデンプン(DAS)の製造
122.5グラム(無水グルコースに基づいて0.76モル)のデンプン(乾燥物含有率に関して修正された重量)を500mlの脱イオン水中に懸濁させる。懸濁液をpH4.0とし、5℃に冷却する。過ヨウ素酸ナトリウム(179グラム、0.84モル;デンプンに対して10%モル過剰)を加え、懸濁液を5℃において暗所で40時間攪拌する。このやり方で得られるジアルデヒドデンプンを濾過により単離する。ヨウ化カリウム/酸との反応によりもうヨウ素酸塩が検出され得なくなるまで、粗生成物を水で広範囲に洗浄する。
Ib.モノアルデヒドモノカルボキシルデンプン(MACS)の製造
かくして製造されるDASを、ラッカーゼ/TEMPO又はPEMPOの誘導体、すなわち4−アセトアミド−TEMPOを用いてさらに酸化した。20グラムのDASを1リットルの50mM酢酸ナトリウム緩衝液pH5.15中にウルトラチュラックス(ultraturrax)により懸濁させた。全実験の間、pHスタットによりpHを制御した(0.5M NaOH)。溶液に酸素を吹き込んだ(aerated)。38℃で酸化を行なった。DASの懸濁液に4グラムの4−アセトアミド−TEMPO及び600Uのトラメテス・ベルシコロルラッカーゼVIIIb(Wacker Chemie)を加えた。ヒドロキシド消費により反応速度を監視した。反応時間の異なる3つの試料を採取し、ヒドロキシド消費、アルデヒド含有率及びカルボン酸含有率に基づいて酸化の程度を決定した(表1、上記の方法を参照されたい)。
Figure 2005509417
紙シートにおける湿潤強度の測定
1.精製
500〜530グラムのOestrand TCFパルプを12リットルに希釈し、Laboratory refiner R1L,Escher Wyssにより25 SRに精製する。精製されるとパルプは約40g/Lであり、従ってそれを3g/Lの濃度に希釈する。
2.動的シート成形機、Formette
0.4mのワイアを用い、我々はGrammageが30g/mであることを望む。パルプをビーター中に注ぎ、5分間の攪拌の間に湿潤紙力増強添加剤を加える。PAEを加える場合、5 分後にそれを加え、パルプを再び2分間攪拌する。ドラム速度 1400回転/分,脱水 30秒
3.プレス
シートを覆って吸収紙を置き、ワイアを取り去る。プレスの前にシートを覆って別の吸収紙を置き、シートが2つの吸収紙の間にあるようにする。シートを0.5バールで1回プレスする。シートを互いに比較できるように、同じ組成の2つのシートを作るが2つの異なる圧力、0.5バール及び5バールでプレスする。この方法で我々は同じ密度400g/cmにおいてそれらを比較することができる。
4.乾燥
シートを4つの片に切断し、固定された点を有する2つづつを140℃の温度で3分間乾燥する。
5.切断
乾燥及び湿潤強度の試験のために、シートを15−mmのストリップに切断する。厚さ及びGrammageの測定のために100*100mmも切り出す。
6.状態調節
湿潤強度を測定しようとするストリップを105℃の加熱室中に10分間置く。次いで湿潤及び乾燥強度のための両ストリップを23℃の温度、50%の湿度の気候室中に4時間置く。
7.Grammage及び厚さ
シートの100*100mmの片をGrammage及び厚さの測定に用いる。Grammageを4つの層につきレギュラーバランス(regular balance)上で測定し、平均を得る。厚さも4つの層につき且つ5つの異なる点につき測定し、良い平均を得る。
8.引張強さ測定
湿潤及び乾燥の両方の強度をInstron SCAN−P58:86において測定する。
5つの15−mmのストリップを測定して平均を得る。
湿潤強度を測定する場合、ストリップを水道水中に15秒間浸す。
それぞれの湿潤紙力増強添加剤としてPAE及びMAXIを有するシートの湿潤及び乾燥強度
実施例2に記載した通りに製造されるシートから湿潤及び乾燥強度を測定した。
結果を表2に示す。
Figure 2005509417

Claims (12)

  1. ニトロキシル化合物の存在下でジアルデヒド炭水化物を酸化することを特徴とするジアルデヒド炭水化物の酸化法。
  2. ニトロキシル化合物がジ−tert−ニトロキシル化合物、特に2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−1−オキシル(TEMPO)である請求項1に従う方法。
  3. 酸化しうる酵素及びニトロキシル化合物の存在下に、酸化剤として酸素又は過酸化水素を用いてジアルデヒド炭水化物を酸化する請求項1又は2に従う方法。
  4. 酵素がポリフェノールオキシダーゼ又は好ましくはラッカーゼであり、酸化剤が酸素である請求項3に従う方法。
  5. 酵素がペルオキシダーゼ、特にホースラディッシュ、ダイズ、リグニンペルオキシダーゼ又はミエロ−もしくはラクト−ペルオキシダーゼ又はハロ−ペルオキシダーゼであり、酸化剤が過酸化水素である請求項3に従う方法。
  6. 炭水化物がα−グルカン(デンプン型)又はβ−グルカン(セルロース型)あるいはそれらの誘導体である請求項1〜5のいずれか1つに従う方法。
  7. 請求項1〜6のいずれか1つに従う方法を用いて得られる酸化された炭水化物。
  8. 繰り返し単位中に1,2−ジヒドロキシエチレン基を含有する炭水化物から誘導され、1,2−ジヒドロキシエチレン基の少なくとも20%がジアルデヒド基に酸化されており、アルデヒド基の一部がカルボキシル基に酸化されている酸化された炭水化物であって、4:1〜49:1のアルデヒド基対カルボキシル基の比率を有することを特徴とする酸化された炭水化物。
  9. 5:1〜24:1のアルデヒド基対カルボキシル基の比率を有することを特徴とする請求項8に従う酸化された炭水化物。
  10. 繰り返し単位中に1,2−ジヒドロキシエチレン基を含有する炭水化物から誘導され、1,2−ジヒドロキシエチレン基の少なくとも20%がジアルデヒド基に酸化されており、アルデヒド基の一部がカルボキシル基に酸化されている酸化された炭水化物であって、アルデヒド基の少なくとも一部が式−CH=N−R又は−CH−NHRを有する基に転換されており、ここでRは水素、ヒドロキシル、アミノ又は基R、ORもしくはNHRであり、ここでRはC−C20アルキル、C−C20アシル、炭水化物残基あるいは炭水化物残基とカップリングしたか又はカップリングしうる基であることを特徴とする酸化された炭水化物。
  11. 繰り返し単位中に1,2−ジヒドロキシエチレン基を含有する炭水化物から誘導され、1,2−ジヒドロキシエチレン基の少なくとも20%がジアルデヒド基に酸化されており、アルデヒド基の一部がカルボキシル基に酸化されている酸化された炭水化物であって、アルデヒド基の少なくとも一部が式−CH(OR)−O−CH−COOR又は−CH(−O−CH−COORを有する基に転換されており、ここでRは水素、金属カチオン又は場合により置換されていることができるアンモニウム基であり、Rは水素又は炭水化物の脱水素されたヒドロキシル基の酸素原子への直接結合である酸化された炭水化物。
  12. 請求項7〜11のいずれか1つに従う酸化された炭水化物又は誘導体の有効量を含んでなる湿潤強度向上、増粘、粘性化及び/又はエマルション−安定化組成物。
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