JP2009191164A - ポリγ−グルタミン酸誘導体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ポリγ−グルタミン酸本来の生分解性や水溶性などの特性を保持するとともに感温性を有する、ポリγ−グルタミン酸誘導体およびその製造方法を提供する。
【解決手段】下式（１）で表される繰り返し単位を含むポリγ−グルタミン酸誘導体。

［式中、Ａは炭素数２から４のアルキル基、Ｂは−（ＣＨ_２）_２−Ｎ（ＣＨ_３）_２または−（ＣＨ_２）_３−Ｎ（ＣＨ_３）_２である。ｐ、ｑおよびｒは各繰り返し単位のモル比を表し、ｐ＋ｑ＋ｒ＝１である。］
【選択図】なし

Description

本発明は、ポリγ−グルタミン酸誘導体及びその製造方法に関する。

従来より浄水汚泥のリサイクルが切望されているが、解決すべき課題がいくつかあり、その一つが汚泥の脱水技術の向上である。リサイクルのためには無薬注による脱水が好ましいことから、長時間の脱水または天日干しにより含水率を調節するなど、非効率的な脱水を行わざるを得ないことが問題となっている。また、浄水汚泥は、従来の凝集剤を用いて脱水しても、十分に含水率を低下させるのは困難であり、高コストとなる。さらに、従来の凝集剤は環境に対して無害であるとは言えない。

汚泥の脱水を高効率かつ環境に対して無害にするために、生分解性と感温性を併せ持つ
生分解性高分子材料を用いることが望ましい。このことで、含水率を改善し、再資源化を促進することができる。高分子材料の感温特性を向上させるためには、構成するモノマー単位の純度を高める必要がある。これまでに、感温性を示す各種の生分解性高分子材料が報告されている（特許文献１〜３）。

特開２００３−３４２３６７号公報 特開２００２−８０５９３号公報 特開２００３−１４７１９８号公報

特許文献１には、ポリγ−グルタミン酸（γ−ＰＧＡ）の側鎖カルボキシル基を介する部分的に親水性基をグラフトおよび部分的に疎水性基を導入した親−疎水性修飾ポリγ−グルタミン酸が記載されている。また、特許文献２には、スルホアルキルアミノ基が導入されたγ−ポリグルタミン酸誘導体が記載されているが、特許文献２のポリマーは十分な感温特性を示さない。さらに、特許文献３には、ポリアスパラギン酸の側鎖をアミド化したものが記載されている。しかし、特許文献３のポリマーは、対応するポリコハク酸イミドとアルキルアミンの開環付加反応により合成され、反応が完全に進行しないためコハク酸イミド残基が残留しており感温特性は高くない。

ジカルボン酸とジアミンとのポリアミド合成について縮合剤を用いた高分子合成が盛んに研究され、様々な縮合剤が開発されている。これらの重合を通して、亜リン酸トリフェニル（ＴＰＰ）−ピリジン系などの縮合剤が開発されてきた（「有機合成協会誌」東著、第４７巻、９９５頁、１９８９年）。しかしながら、この縮合剤は芳香族アミンのアミド化において有効であるが、塩基性の高いアルキルアミンのアミド化反応においてはそれほど有効ではなく、ポリマー側鎖のカルボン酸とアルキルアミンのアミド化に応用するのは困難である。

また、特許文献１および２の方法では、の水溶性のカルボジイミドを用いたポリγ−グルタミン酸の水溶媒中でのアミド化について報告しているが、定量的にアミド化するほどアミド化率は高くない。

本発明は、かかる問題点を鑑みてなされたものであり、ポリγ−グルタミン酸本来の生分解性や水溶性などの特性を保持するとともに感温性を有する、ポリγ−グルタミン酸誘導体およびその製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、ポリγ−グルタミン酸のアミド化反応を、高効率かつ定量的に進捗させるポリγ−グルタミン酸誘導体の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討した結果、ポリγ−グルタミン酸本来の生分解性や水溶性などの特性を保持しつつ、感温特性を有する、新規のポリγ−グルタミン酸誘導体を見出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は以下よりなる。
１．下式（１）で表される繰り返し単位を含むポリγ−グルタミン酸誘導体。

［式（１）中、Ａは炭素数２から４のアルキル基であり、Ｂは−（ＣＨ_２）_２−Ｎ（ＣＨ_３）_２または−（ＣＨ_２）_３−Ｎ（ＣＨ_３）_２である。ｐ、ｑおよびｒは各繰り返し単位のモル比を表し、ｐ＋ｑ＋ｒ＝１である。］
２．式（１）中、Ａが−ＣＨ（ＣＨ_３）_２である前項１に記載のポリγ−グルタミン酸誘導体。
３．式（１）中、Ｂが−（ＣＨ_２）_３−Ｎ（ＣＨ_３）_２である前項１または２に記載のポリγ−グルタミン酸誘導体。
４．式（１）中、ｑ：ｒが９０：０〜６０：４０である前項１〜３のいずれか１項に記載のポリγ−グルタミン酸誘導体。
５．２０〜５０℃の水性媒体中で、親水性−疎水性の相転移を示す前項１〜４のいずれか１項に記載のポリγ−グルタミン酸誘導体。
６．以下の工程（i）および（ii）を含む、下式（１）で表される繰り返し単位を含むポリγ−グルタミン酸誘導体の製造方法。
（i）ポリγ−グルタミン酸（γ−ＰＧＡ）のメタノール溶液に、ポリγ−グルタミン酸と等モル量の第三アミンを添加して、ポリγ−グルタミン酸と第三アミンのポリマー塩を調製する工程
（ii）縮合剤の存在下、工程（i）で調製したポリマー塩を下式（２）で表されるアルキルアミンおよび下式（３）で表されるアルキルアミンでアミド化する工程

［式（１）中、Ａは炭素数２から４のアルキル基であり、Ｂは−（ＣＨ_２）_２−Ｎ（ＣＨ_３）_２または−（ＣＨ_２）_３−Ｎ（ＣＨ_３）_２である。ｐ、ｑおよびｒは各繰り返し単位のモル比を表し、ｐ＋ｑ＋ｒ＝１である。］

［式（２）中、Ａは炭素数２から４のアルキル基である。］

［式（３）中、Ｂは−（ＣＨ_２）_２−Ｎ（ＣＨ_３）_２または−（ＣＨ_２）_３−Ｎ（ＣＨ_３）_２である。］
７．式（１）中、ｑ：ｒが９０：１０〜６０：４０である前項６に記載の製造方法。
８．触媒が１，８−ジアザビシクロウン［５．４．０］−７−デセン（ＤＢＵ）である前項６または７に記載の製造方法。
９．縮合剤がトリフェニルホスフェート（ＴＰＰ）である前項６〜８のいずれか１項に記載の製造方法。
１０．工程（ii）において、式（２）で表されるアルキルアミンと式（３）で表されるアルキルアミンのモル比が９０：１０〜６０：４０である前項６〜９のいずれか１項に記載の製造方法。
１１．式（２）で表されるアルキルアミン化合物が、イソプロピルアミン（ＩＰＡ）である前項６〜１０のいずれか１項に記載の製造方法。
１２．式（３）で表されるアルキルアミン化合物が、Ｎ，Ｎ−ジメチル−１，３−プロパンジアミン（ＤＭＡＰＤＡ）である前項６〜１１のいずれか１項に記載の製造方法。
１３．前項１〜５のいずれか１項に記載のポリγ−グルタミン酸誘導体を含む凝集剤。

本発明のγ−グルタミン酸誘導体は、ポリγ−グルタミン酸本来の生分解性や水溶性などの特性を保持するとともに、優れた感温性を示す。また、本発明の方法によれば、従来の方法に比べて、高効率かつ定量的にポリγ−グルタミン酸のアミド化反応を進捗させるポリγ−グルタミン酸誘導体を製造することが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明するが、本発明は以下の形態に限定されるものではない。

本発明のポリγ−グルタミン酸誘導体は、下式（１）で表される繰り返し単位を含む。

式（１）中、Ａは炭素数２から４のアルキル基である。炭素数２から４のアルキル基としては、例えば、エチル基、ｎ−プロピル基、イソプロピル基、ｎ−ブチル基が挙げられ、中でも、イソプロピル基が好ましい。また、Bは−（ＣＨ_２）_２−Ｎ（ＣＨ_３）_２または−（ＣＨ_２）_３−Ｎ（ＣＨ_３）_２であり、−（ＣＨ_２）_３−Ｎ（ＣＨ_３）_２が好ましい。

式（１）において、ｐ、ｑおよびｒは各繰り返し単位のモル比を表し、ｐ＋ｑ＋ｒ＝１である。ポリγ−グルタミン酸のアミド化はほぼ定量的に進むので、ｐはほぼ０であることが好ましい。また、ｑ：ｒは９０：０〜６０：４０であることが好ましく、８０：２０〜７０：３０であることがより好ましい。ｑとｒの比率をこの範囲内とすることで、感温性と凝集性の両方を満足するからである。

本発明のポリγ−グルタミン酸誘導体の分子量は、感温性が発現すれば特に制限がないが、凝集性を効率よく発現するためにはより高分子量のものが望ましく、１，０００〜１0，０００，０００とすることが好ましく、１０，０００〜１，０００，０００とすることがより好ましい。分子量をこの範囲内とすることで、凝集性が最大となるからである。

本発明のポリγ−グルタミン酸誘導体は、２０〜５０℃の水性媒体中で、親水性−疎水性の相転移を示すことが好ましい。水性媒体としては、例えば、水、生理食塩水等の無機塩類を含有する水溶液、メタノール、エタノール、イソプロパノールおよびエチレングリコール等のアルコール類、Ｎ，Ｎ−ジメチルフォルムアミド、N−メチル−２−ピロリジノン（ＮＭＰ）などが挙げられる。ただし、所望の相転移が実質的に発現すればよく、水性媒体の種類は特に限定されない。また、水性媒体は１種類を単独で使用してもよく、複数種を混合して使用してもよい。

本発明のポリγ−グルタミン酸誘導体の親水性−疎水性の相転移点の測定方法は、例えば、次の通りである。まず、ポリγ−グルタミン酸誘導体を、水またはその他の溶媒を使用して溶解し、０．５〜１．０％水溶液を調製する。この溶液を恒温槽中で温度変化させ、親水性−疎水性の相転移を溶液の透化度の変化を測定することにより確認する。

本発明のポリγ−グルタミン酸誘導体の製造方法は、以下の工程（i）および（ii）を含む。
（i）ポリγ−グルタミン酸と第三アミンのポリマー塩を調製する工程
工程（i）は、ポリγ−グルタミン酸（γ−ＰＧＡ）のメタノール溶液に、ポリγ−グルタミン酸と等モル量の第三アミンを添加して、ポリγ−グルタミン酸と第三アミンのポリマー塩を調製し、その後メタノールを乾固し、乾燥した固体のポリマー塩を作成する工程である。当該ポリマー塩は、工程（ii）で用いる溶媒に不溶のポリマー塩であることが好ましい。

５０％メタノール水溶液中の、ポリγ−グルタミン酸の濃度は、５〜１０質量％とすることが好ましい。

工程（i）で用いる第三アミンとしては、例えば、１，８−ジアザビシクロウン［５．４．０］−７−デセン（ＤＢＵ）、１，５−ジアザビシクロウン［４．３．０］−７−ノネン［ＤＢＮ］が挙げられ、１，８−ジアザビシクロウン［５．４．０］−７−デセンが好ましい。

（ii）工程（i）で調製した乾燥固形体のポリマー塩を二種のアルキルアミンでアミド化する工程
工程（ii）は、縮合剤の存在下、工程（i）で調製したポリマー塩を下式（２）で表されるアルキルアミンおよび下式（３）で表されるアルキルアミンでアミド化する工程である。

式（２）中、Ａは炭素数２から４のアルキル基である。炭素数２から４のアルキル基としては、例えば、エチル基、ｎ−プロピル基、イソプロピル基およびｎ−ブチル基が挙げられ、中でも、イソプロピル基が好ましい。

式（２）で表されるアルキルアミンとしては、例えば、エチルアミン、ｎ−プロピルアミン、イソプロピルアミン（ＩＰＡ）およびｎ−ブチルアミン等が挙げられ、イソプロピルアミンが好ましい。

式（３）中、Ｂは−（ＣＨ_２）_２−Ｎ（ＣＨ_３）_２または−（ＣＨ_２）_３−Ｎ（ＣＨ_３）_２であり、−（ＣＨ_２）_３−Ｎ（ＣＨ_３）_２が好ましい。

式（３）で表されるアルキルアミンとしては、例えば、Ｎ，Ｎ−ジメチル−１，２−エチレンジアミンおよびＮ，Ｎ−ジメチル−１，３−プロパンジアミン（ＤＭＡＰＤＡ）が挙げられ、Ｎ，Ｎ−ジメチル−１，３−プロパンジアミンが好ましい。

工程（ii）において、工程（i）で調製したポリγ−グルタミン酸と第三アミンの乾燥固形体のポリマー塩１００重量部に対し、式（２）で表されるアルキルアミンを好ましくは５０〜８０重量部、より好ましくは６０〜７０重量部、式（３）で表されるアルキルアミンを好ましくは１０〜６０重量部、より好ましくは２０〜５０重量部反応させてアミド化することが好ましい。この範囲内とすることで、感温性と凝集性の両方を満足するからである。

また、式（２）で表されるアルキルアミンと式（３）で表されるアルキルアミンのモル比は、９０：１０〜６０：４０とすることが好ましく、８０：２０〜７０：３０とすることがより好ましい。当該モル比をこの範囲内とすることで、感温性と凝集性の両方を満足するからである。

工程（ii）で用いる縮合剤としては、例えば、トリフェニルホスフェート（ＴＰＰ）が挙げられる。縮合剤は、ポリマー塩１００重量部に対し、好ましくは２００〜５００重量部、より好ましくは３００〜４００重量部用いる。

工程（ii）で用いる溶媒としては、例えば、Ｎ−メチル−２−ピロリジノンおよびＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミドなどの非プロトン性極性溶媒が挙げられる。

以上に説明してきた本発明のポリγ−グルタミン酸誘導体は、具体的には、例えば、下記反応スキームに示すように、製造することができる。下記反応スキームでは、工程（i）の第三アミンとして、１，８−ジアザビシクロウン［５．４．０］−７−デセン（ＤＢＵ）を用い、工程（ii）の式（２）で表されるアルキルアミンとしてイソプロピルアミンを、式（３）で表されるアルキルアミンとしてＮ，Ｎ−ジメチル−１，３−プロパンジアミンを、縮合剤としてトリフェニルホスフェート（ＴＰＰ）を用いて製造する場合を示している。

本発明のポリγ−グルタミン酸誘導体は、汚泥処理用の凝集剤に用いることができる。本発明のポリγ−グルタミン酸誘導体を汚泥処理用の凝集剤に用いる場合、本発明のポリγ−グルタミン酸誘導体を固形物量に対して０．５〜１０質量％含有することが好ましい。

以下、実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明は下記実施例よって限定されるものではなく、種々変形が可能であることは言うまでもない。

表１に示す配合比のイソプロピルアミン（ＩＰＡ）とＮ，Ｎ−ジメチル−１，３−プロパンジアミン（ＤＭＡＰＤＡ）とを用いて、下記工程（i）及び工程（ii）を経てポリγ−グルタミン酸誘導体を調製した。

（i）ポリγ−グルタミン酸と第三アミンのポリマー塩を調製する工程
出発原料のポリγ−グルタミン酸（γ−ＰＧＡ）５．８９ｇ（４０ｍｍｏｌ）を三角フラスコに量り取り、水３０ｍｌおよびメタノール３０ｍｌの混合溶媒に溶かし、そこへ強塩基性の第三アミン化合物である１，８−ジアザビシクロウン[５．４．０]−７−デセン（ＤＢＵ）７．３０ｇ（４８ｍｍｏｌ）を加えてγ−ＰＧＡとＤＢＵとのポリマー塩を調製し、次いで、このポリマー塩を乾燥させて乾燥固形体とした。

（ii）工程（i）で調製したポリマー塩を二種のアルキルアミンでアミド化する工程
工程（i）で調製した乾燥固形体のポリマー塩１．４０ｇ（５ｍｍｏｌ）を三角フラスコに量り取り、溶媒のＮ−メチル−２−ピロリジノン（ＮＭＰ）２０ｍｌに、イソプロピルアミン（ＩＰＡ）とＮ，Ｎ−ジメチル−１，３−プロパンジアミン（ＤＭＡＰＤＡ）とが表１に示す配合比で混合した混合アルキルアミン２０ｍｍｏｌを加え、更に縮合剤である亜リン酸トリフェニル（ＴＰＰ）６．２１ｇ（２０ｍｍｏｌ）を加えた。これを１２０℃のオイルバス下で、２４時間撹拌して固−液系で反応させた。反応が進行するに従い、固体のポリマー塩が反応して消失した。反応後、ジエチルエーテルを加えてポリマーを沈殿させ、真空乾燥機で乾燥させて目的とするポリγ−グルタミン酸誘導体を得た。得られたポリγ−グルタミン酸誘導体の物性を以下の（１）〜（４）について評価した。

（１）ＩＲスペクトル
γ−ＰＧＡ、並びに配合４および７を約２０質量％の濃度でメタノールに溶解し、溶液をＫＲＳ５板の表面に塗布し、薄膜を作成した。該薄膜を保持したＫＲＳ５板を用い、赤外線回折装置（島津製作所製、ＩＲＰｒｅｓｔｉｇｅ−２１）による特定ＩＲスペクトル値を調べ、ＩＰＡおよびＤＭＡＰＤＡによるγ−ＰＧＡのアミド化反応性を評価した。その結果を図１に示す。

図１において、１７００〜１６００ｃｍ^−１付近のピークは主鎖のアミド結合と側鎖のカルボン酸誘導体のＣ＝Ｏ伸縮振動を示す。図１から分かるように、γ−ＰＧＡと配合４および７とを比較すると、γ−ＰＧＡには１７００〜１６００ｃｍ^−１付近に主鎖のアミド結合と側鎖のカルボン酸のＣ＝Ｏに基づく二本のピークがほぼ同じ強度で存在しているが、アミド化したポリマーには側鎖のカルボン酸のＣ＝Ｏの吸収が消失し、主鎖と側鎖のアミド結合のＣ＝Ｏのピークが強く現れた。このことから、配合４および７では、γ−ＰＧＡの側鎖のカルボキシル基がアミド基に変換されたと考えられる。

（２）水への溶解性
γ−ＰＧＡおよび配合１〜７について、室温にて各々０．０５ｇを１０ｍｌの水に溶解し、水への溶解性を評価した。その結果を表１に示す。表１から分かるように、γ−ＰＧＡは水に溶解したが、配合１は水には溶解しなかった。これは、配合１ではγ−ＰＧＡの側鎖へＩＰＡが１００％導入され、ポリマーの親水性が失われたためと考えられる。一方、配合２は一部水に溶解し、配合３〜７は水に溶解した。これは、配合２〜７ではγ−ＰＧＡの側鎖に親水性のＤＭＡＰＤＡを導入したためと考えられる。すなわち、γ−ＰＧＡの側鎖に親水性のＤＭＡＰＤＡを適度に導入することで、γ−ＰＧＡをアミド化しても水に溶解できることが分かった。また、これらの結果から、ＩＰＡとＤＭＡＰＤＡのモル比を、８０：２０〜７０：３０とすることにより、高い水への溶解性を示すことが分かった。

（３）ｐＨ
γ−ＰＧＡおよび配合１〜７について、０．５質量％の水溶液を調製して、室温にてｐＨを測定した。その結果を表１に示す。表１から分かるように、配合２〜７では、アミド化によりγ−ＰＧＡの側鎖にカチオン基が導入されたことが分かった。

（４）感温性
γ−ＰＧＡおよび配合１〜７について、各々０．１ｇを１０ｍｌの水に溶解し、室温から５０℃に水溶液の温度を変化させて、親水性−疎水性の相転移を観察した。その結果を表１に示す。表１において、○は感温性が確認されたことを示し、×は確認されなかったことを示す。表１から分かるように、配合２、５〜７では、親水性−疎水性の相転移は見られなかった。一方、配合３および４では、親水性−疎水性の相転移が観察された。

また、図２に配合４の相転移を観察した結果を示す。図２から分かるように、配合４の水溶液は２５℃では無色透明であるのに対し、５０℃では白い凝集体が確認された。これらのことから、ＩＰＡとＤＭＡＰＤＡのモル比を、８０：２０〜７０：３０とすることにより、より好ましい相転移性が得られることが分かった。

γ−ＰＧＡ、並びに配合４および７のＩＲスペクトルを示す。 配合４の親水性−疎水性の相転移を観察した結果を示す。

Claims (13)

1. 下式（１）で表される繰り返し単位を含むポリγ−グルタミン酸誘導体。
   

   

   ［式（１）中、Ａは炭素数２から４のアルキル基であり、Ｂは−（ＣＨ_２）_２−Ｎ（ＣＨ_３）_２または−（ＣＨ_２）_３−Ｎ（ＣＨ_３）_２である。ｐ、ｑおよびｒは各繰り返し単位のモル比を表し、ｐ＋ｑ＋ｒ＝１である。］
2. 式（１）中、Ａが−ＣＨ（ＣＨ_３）_２である請求項１に記載のポリγ−グルタミン酸誘導体。
3. 式（１）中、Ｂが−（ＣＨ_２）_３−Ｎ（ＣＨ_３）_２である請求項１または２に記載のポリγ−グルタミン酸誘導体。
4. 式（１）中、ｑ：ｒが９０：１０〜６０：４０である請求項１〜３のいずれか１項に記載のポリγ−グルタミン酸誘導体。
5. ２０〜５０℃の水性媒体中で、親水性−疎水性の相転移を示す請求項１〜４のいずれか１項に記載のポリγ−グルタミン酸誘導体。
6. 以下の工程（i）および（ii）を含む、下式（１）で表される繰り返し単位を含むポリγ−グルタミン酸誘導体の製造方法。
   （i）ポリγ−グルタミン酸（γ−ＰＧＡ）のメタノール溶液に、ポリγ−グルタミン酸と等モル量の第三アミンを添加して、ポリγ−グルタミン酸と第三アミンのポリマー塩を調製する工程
   （ii）縮合剤の存在下、工程（i）で調製したポリマー塩を下式（２）で表されるアルキルアミンおよび下式（３）で表されるアルキルアミンでアミド化する工程
   

   

   ［式（１）中、Ａは炭素数２から４のアルキル基であり、Ｂは−（ＣＨ_２）_２−Ｎ（ＣＨ_３）_２または−（ＣＨ_２）_３−Ｎ（ＣＨ_３）_２である。ｐ、ｑおよびｒは各繰り返し単位のモル比を表し、ｐ＋ｑ＋ｒ＝１である。］
   

   

   
   ［式（２）中、Ａは炭素数２から４のアルキル基である。］
   

   

   
   ［式（３）中、Ｂは−（ＣＨ_２）_２−Ｎ（ＣＨ_３）_２または−（ＣＨ_２）_３−Ｎ（ＣＨ_３）_２である。］
7. 式（１）中、ｑ：ｒが９０：１０〜６０：４０である請求項６に記載の製造方法。
8. 触媒が１，８−ジアザビシクロウン［５．４．０］−７−デセン（ＤＢＵ）である請求項６または７に記載の製造方法。
9. 縮合剤がトリフェニルホスフェート（ＴＰＰ）である請求項６〜８のいずれか１項に記載の製造方法。
10. 工程（ii）において、式（２）で表されるアルキルアミンと式（３）で表されるアルキルアミンのモル比が９０：１０〜６０：４０である請求項６〜９のいずれか１項に記載の製造方法。
11. 式（２）で表されるアルキルアミン化合物が、イソプロピルアミン（ＩＰＡ）である請求項６〜１０のいずれか１項に記載の製造方法。
12. 式（３）で表されるアルキルアミン化合物が、Ｎ，Ｎ−ジメチル−１，３−プロパンジアミン（ＤＭＡＰＤＡ）である請求項６〜１１のいずれか１項に記載の製造方法。
13. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のポリγ−グルタミン酸誘導体を含む凝集剤。

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