JP2010007009A - カルボキシメチルセルロースアシル化物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 アシル基置換度の高いカルボシキメチルセルロースアシル化物を簡易なプロセスにより高収率で得ることができる製造方法を提供する。
【解決手段】カルボキシメチルセルロースとエステル化合物とを反応させて得ることを特徴とするカルボキシメチルセルロースアシル化物の製造方法である。
【選択図】なし

Description

本発明はカルボキシアルキルセルロースアシル化物の製造方法に関する。より詳細には、カルボキシアルキルセルロースの高置換度のアシル化物が得られることを特徴とする製造方法に関する。

セルロースの代表的なエステル化方法としては、無水酢酸をエステル化剤とし、硫酸を触媒とする酢酸セルロースの製造方法が挙げられる。得られる酢酸セルロースは、高置換度であり、必要に応じて加水分解をさせることで任意の置換度に調整することが可能である（特許文献１）。
一方、セルロース誘導体であるカルボキシメチルセルロースナトリウムをアシル化する場合、アシル化剤である無水酢酸の反応効率が悪く、高置換度のカルボキシメチルセルロースアセテートを得ることは困難である。
そこで、高置換度のカルボキシメチルセルロースアシル化物を得る製造方法としては、反応効率の観点から、末端カルボン酸ナトリウムをカルボン酸型に置換してからアシル化反応を行う方法が挙げられる。すなわち、カルボキシアルキルセルロースナトリウムを硫酸や塩酸などの強酸を用いてナトリウム塩を酸型に置換してから、水洗浄を行った後、溶媒置換をした上で硫酸を触媒とし、酸無水物をアシル化剤としてアシル化する方法が広く用いられている（特許文献２）。
しかし、上記のカルボン酸型に置換する工程を経る製造方法では、多段階工程であり、工程時間が長く収率が低下するため、工業化には不向きであった。

また、別の製造方法としては、セルロースエステルをアルカリ条件下でカルボキシメチルエーテル化する方法が挙げられる。
しかし、上記のアルカリ条件下のカルボキシメチルセルロースアシル化物の製造方法では、エステル基の加水分解速度がカルボキシメチルエーテル化速度よりも速いため、高置換度のカルボキシメチルセルロースアシル化物を製造することは困難であった（非特許文献１）。
特開昭５６−５９８０１公報 国際公開ＵＳ４５２０１９２号パンフレット Ｈｏｌｚｆｏｒｓｃｈｕｎｇ、１９７３年、第２７巻、第２号、６８〜７０頁

本発明は、アシル基置換度の高いカルボシキメチルセルロースのアシル化物を簡易なプロセスにより高収率で得ることができる製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記問題を解決すべく鋭意検討した結果、カルボキシメチルセルロースの遊離酸またはそのナトリウム塩に高収率で直接アシル化反応させることを見出し、本発明に到達した。
すなわち、本発明は、カルボキシメチルセルロースのアシル化物の製造方法において、カルボキシメチルセルロースと下記一般式（１）で表されるエステル化合物とを反応させて得ることを特徴とするカルボキシメチルセルロースアシル化物の製造方法である。

［式（１）中、R¹は、置換基を有していてもよいアルキル基、アルケニル基、またはアリール基を表す。R²、R³、R⁴は、それぞれ独立に水素原子、置換基を有していてもよいアルキル基、アルケニル基、またはアリール基を表す。］

本発明のカルボキシメチルセルロースアシル化物の製造方法は、カルボキシメチルセルロースの遊離酸またはそのナトリウム塩を直接アシル化する簡易なプロセスにより高収率で得ることができ、かつ得られたカルボキシメチルセルロースアシル化物は高置換度である。

以下に、本発明の実施の形態を説明するが、本発明は、これらに限定されるものではない。
本発明のカルボキシメチルセルロースのアシル化物（B）の製造方法は、下記一般式（１）で表されるエステル化合物（C）とカルボキシメチルセルロースまたはそのアルカリ金属塩（Ａ）を反応させて得ることを特徴とする製造方法である。

［式（１）中、R¹は、置換基を有していてもよいアルキル基、アルケニル基、またはアリール基を表す。R²、R³、R⁴は、それぞれ独立に、水素原子、置換基を有していてもよいアルキル基、アルケニル基、またはアリール基を表す。］

本発明に使用されるカルボキシメチルセルロースまたはそのアルカリ金属塩（Ａ） （以下、「カルボキシメチルセルロースまたはそのアルカリ金属塩」を単に「カルボキシメチルセルロース」と略称することもある。）は、セルロースの水酸基にカルボキシメチル基が導入されたセルロース誘導体であり、市販品のみならず、公知の方法で作成し、それをそのまま本発明の製造方法で使用してもよい。なお、カルボキシメチル基の部分は、遊離酸であってもいいし、ナトリウム塩などのアルカリ金属塩であってもよい。
カルボキシメチルセルロースはセルロースを出発原料とし、この無水グルコースユニットあたり３個存在する水酸基を、アルカリ条件下でモノクロロ酢酸もしくはモノクロロ酢酸ナトリウムでエーテル化反応させることでカルボキシメチル基を導入して、まず末端カルボキシル基がナトリウム塩型であるカルボキシメチルセルロースナトリウムを得る。
通常、カルボキシメチル置換度は０．５〜２．４であり、それらの置換基のうち、末端がカルボン酸であるカルボキシルメチル基と、アルカリ金属塩型であるカルボキシメチル基とを混在していてもよい。

カルボキシメチルセルロースをアシル化するために本発明で用いられるエステル化合物（C）は、糖類の水酸基と反応し、糖類のアシル化物とビニルアルコールや２−プロペニルアルコールなどを生成する。
生成したビニルアルコールや２−プロペニルアルコールは、それぞれ速やかにアセトアルデヒドやアセトンに異性化し非平衡反応となるため、過剰のアシル化剤を使用する必要がなく有用である。

エステル化合物（Ｃ）としては、上記一般式（１）で表される化合物である。
式中（１）のR¹は、アルキル基、アルケニル基、またはアリール基であるが、好ましくは炭素数1〜４のアルキル基である。なお、その一部がフッ素原子、水酸基、シアノ基等の官能基で置換されていてもよい。

式中（１）のR²、R³、R⁴はそれぞれ独立に、水素原子、アルキル基、アルケニル基、またはアリール基である。なお、その一部がフッ素原子、水酸基、シアノ基等の官能基で置換されていてもよい。
好ましくは水素原子あるいはメチル基である。

膨潤剤（D）は、カルボキシメチルセルロースの水素結合を切断しカルボキシメチルセルロースを膨潤させる役割を果たす。
このような膨潤剤（Ｄ）としては、アミン（Ｄ１）、アミド（Ｄ２）、スルホキシド（Ｄ３）、ケトン（Ｄ４）、ポリオキシエチレングリコールもしくはその誘導体（Ｄ５）、およびカルボン酸（Ｄ６）等がその役割を果たす。また、後述の塩（Ｄ７）とこれらの膨潤剤を組み合わせたの混合溶剤もさらに膨潤させる役割を果たす。

アミン（Ｄ１）の具体例としては、第一級の脂肪族アミン類（Ｄ１１）［アンモニア、メチルアミン、エチルアミン、ｎ−プロピルアミン、イソプロピルアミン、ｎ−ブチルアミン、等］；第二級の脂肪族アミン類（Ｄ１２）［ジメチルアミン、ジエチルアミン、ジ−ｎ−プロピルアミン、等］；第三級の脂肪族アミン類（Ｄ１３）［トリメチルアミン、トリエチルアミン、等］等が例示される。

さらに、芳香族アミン類及び複素環アミン類の具体例としては、アニリン誘導体（Ｄ１４）（例えばアニリン、Ｎ，Ｎ−ジメチルアニリン等）、ピロリジン誘導体（Ｄ１５）（例えばピロリジン、Ｎ−メチルピロリジン、Ｎ−メチルピロリドン等）、ピリジン誘導体（Ｄ１６）（例えばピリジン、Ｎ，Ｎ−ジメチル−４−アミノピリジン等）、アミジン類（Ｄ１７）（例えばイミダゾール、１−エチルイミダゾール、１−エチル−２−メチルイミダゾール、ジアザビシクロウンデセン、ジアザビシクロノネン）等が例示される。

アミド（Ｄ２）の具体例としてはジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジエチルアセトアミド、メチルエチルプロピオアミド等が例示される。この中でジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミドが入手しやすいことから好ましい。

スルホキシド（Ｄ３）の具体例としてはジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド、ジｉ−プロピルスルホキシド、ジｎ−プロピルスルホキシド、メチルエチルスルホキシド、メチルｉ−プロピルスルホキシド等を例示できるが、この中でジメチルスルホキシドが入手しやすいことから好ましい。

ケトン（Ｄ４）の具体例としてはアセトン、２−ブタノン、３−メチル−２−ブタノン等が挙げられる。この中でアセトンが入手しやすいことから好ましい。

ポリオキシエチレングリコール及びその誘導体（Ｄ５）としては、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、ポリエチレングリコール、ポリエチレングリコールジメチルエーテル、ポリエチレングリコールモノメチルエーテルが挙げられる。

カルボン酸（Ｄ６）の具体例としては、炭素数１〜１８の非置換もしくは置換基を有するカルボン酸が挙げられる。この中で酢酸が入手しやすいことから好ましい。

塩（Ｄ７）の具体例としては、塩化リチウム、フッ化テトラブチルアンモニウム、フッ化テトラエチルアンモニウム等が挙げられる。これらは（Ｄ１）〜（Ｄ６）と組み合わせることにより、膨潤効果をさらに高める。

本発明で、好ましい膨潤剤（Ｄ）としては、ピリジン誘導体（Ｄ１６）、アミジン類（Ｄ１７）、アミド（Ｄ２）、スルホキシド（Ｄ３）、カルボン酸（Ｄ６）、および塩（Ｄ７）との混合溶媒、さらに好ましくは、１−エチルイミダゾール、１−エチル−２−メチルイミダゾール、Ｎ，Ｎ−ジメチル−４−アミノピリジン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルアセトアミドと塩化リチウムとの混合溶媒、ジメチルスルホキシド、ジメチルスルホキシドとフッ化テトラブチルアンモニウムとの混合溶媒、ジアザビシクロウンデセン、ジアザビシクロノネン、特に好ましくは、１−エチル−２−メチルイミダゾール、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジアザビシクロウンデセン、ジメチルアセトアミドと塩化リチウムとの混合溶媒である。

本発明のアシル化反応には触媒を使用しても良い。触媒としては、ルイス酸、酵素等が使用可能である。
ルイス酸としてはスカンジウムトリフラート、イッテルビウムトリフラート、ハフニウムトリフラート、三フッ化ホウ素、トリスペンタフルオロフェニルボラン等が挙げられ、酵素としてはリパーゼ等が挙げられる。

本発明のカルボキシメチルセルロースのアシル化物の製造方法における反応条件として、反応温度としては特に限定されることはないが、好ましくは３０℃〜１５０℃ 、更に好ましくは６０℃〜１１０℃の範囲である。前記範囲外でも製造できるが、前記下限値より低いと反応速度が低下し生産性が低下することがある。一方、前記上限値より高いと糖類が分解する恐れがある。

反応時間としては、特に限定されることはないが、通常、３時間〜６０時間程度であり、好ましくは５時間〜５０時間である。

本発明にて得られるかセルロースアシル化物は、通常、重量平均分子量が４００，０００以上である。従来のセルロースのアシル化物の製造方法では一般的に強酸を触媒として用いるため、セルロースの主鎖の切断が起こり、分子量が低下する。

本製造法においてセルロースの主鎖に、酢酸ビニルと同時もしくは前後して、紫外線吸収剤と光安定剤をエステル交換反応によって組み込むことにより高耐光性かつ高耐久性である酢酸セルロースを得ることができる。
紫外線吸収剤としては一般的に使用されるベンゾトリアゾール系、ベンゾフェノン系、トリアジン系；光安定剤としてはヒンダードアミンを使用することができる。この中でベンゾフェノン系光安定剤をセルロース主鎖に組み込むと黄変の度合いが少ないため好ましい。

さらに、ビニルエステル化合物（Ｃ）として、Ｒ¹としての炭素数３〜１８までのアルキル基をもつビニルエステル（Ｃ１）と、カルボキシメチルセルロースとを反応させることにより、アルキル基をもつカルボキシメチルセルロースアシル化物が得られる。

このようなアルキル基をもつビニルエステル（Ｃ１）としては、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、デカン酸ビニル、ラウリン酸ビニル、ステアリン酸ビニル等が挙げられる。

本発明のカルボキシメチルセルロースアシル化物のアシル基置換度とは、カルボキシメチルセルロースの構成単位である無水グルコースユニットに存在する水酸基をアシル化反応させることにより置換されたアシル基の個数の平均値である。

アシル基置換度は、従来の方法と同等またはそれ以上であり、好ましくは０．４〜２．９、さらに好ましくは０．５〜２．９である。
アシル基置換度は、¹Ｈ−ＮＭＲやけん化を行い測定することができる。

例えば、けん化法の場合、試料１ｇをフラスコに入れ、エタノール２ｍｌを加え、よく湿潤させた後、アセトンを５０ｍｌ加え、完全に溶解させる。次に撹拌しながら５０ｍｌの０．２ｍｏｌ／ｌ水酸化ナトリウム水溶液を加え、３０分撹拌し、３時間放置する。再び撹拌しながら５０ｍｌの０．２ｍｏｌ／ｌ塩酸溶液を加え、１５分以上放置する。次に、指示薬としてフェノールフタレイン溶液を加え、過剰な酸を０．２ｍｏｌ／ｌ水酸化ナトリウム水溶液で淡紅色を示すまで滴定することでアシル基置換度を算出する。

以下実施例により本発明をさらに説明するが本発明はこれに限定されるものではない。

実施例１
攪拌機、温度計を備えたオートクレーブに、カルボキシメチルセルロースナトリウムとして「ＣＭＣダイセル１３９０」（ダイセル化学工業（株）製、カルボキシメチル置換度＝０．８)２０重量部、酢酸ビニル３５重量部、ジメチルアセトアミド６０重量部、１−エチル−２−メチルイミダゾール２０重量部をフラスコに仕込み、９０℃で４８時間加熱還流することで、カルボキシメチルセルロースアセテート溶液を得た。

５０℃に温調した上記の粗カルボキシメチルセルロースアセテート溶液１３０重量部をイソプロパノール５００重量部中に投入し、目的物質であるカルボキシメチルセルロースアセテートを析出させた。
ホモミキサーで１０，０００ｒｐｍで３分間破砕させることで析出物をイソプロパノール中に破砕分散させた後、ヌッチェを用い、減圧濾過することでカルボキシメチルセルロースアセテートと有機溶媒とに分離した。
得られた固形物はさらにイソプロパノール２００重量部を加えて３０分間撹拌することで洗浄し、上記と同様の方法で固液分離操作を行った。イソプロパノール洗−脱イソプロパノールの操作をさらに３回繰り返し、７０℃で２４時間減圧乾燥して、カルボキシメチルセルロースアセテート２５．９重量部を得た。アシル基置換度は１．８であった。

実施例２
１−エチル−２−メチルイミダゾール２０重量部を塩化リチウム６重量部にかえること以外は、実施例１と同様にして、反応および精製を行い、カルボキシメチルセルロースアセテート２７．１重量部を得た。アシル基置換度は２．２であった。

実施例３
ジメチルアセトアミドをジメチルスルホキシドにかえ、１−エチル−２−メチルイミダゾールを使用しない以外は、実施例１と同様にして、反応および精製を行い、カルボキシメチルセルロースアセテート２５．４重量部を得た。アシル基置換度は１．８であった。

実施例４
１−エチル−２−メチルイミダゾールを使用しないこと以外は、実施例１と同様にして、反応および精製を行い、カルボキシメチルセルロースアセテート２５．４重量部を得た。アシル基置換度は１．８であった。

実施例５
酢酸ビニルをパルミチン酸ビニル８５重量部にかえること以外は、実施例１と同様にして、反応および精製を行い、カルボキシメチルセルロースパルミチレート６０．４重量部を得た。アシル基置換度は１．５であった。

実施例６
カルボキシメチルセルロース（カルボキシメチル置換度＝０．８）を、よりカルボキシメチル置換度の高いカルボキシメチルセルロース「アーネストガムＦＤＭ」（ダイセル化学工業（株）製、カルボキシメチル置換度＝２．４）にかえること以外は、実施例２と同様にして、反応および精製を行い、カルボキシメチルセルロースアセテート１９．８重量部を得た。アシル基置換度は、理論的には最大値０．６しかないのに対して０．５もあった。

比較例１
カルボキシメチルセルロース２０重量部に濃硫酸２部を含む８０部の氷酢酸を混合し、攪拌機付きの密閉容器中で、２０℃の温度で３時間攪拌した。その後、さらに無水酢酸を６０重量部添加し、攪拌混合した。内容物は反応により発熱したが、３０〜３５℃に調節し２時間攪拌し、カルボキシメチルセルロースアセテート１８．４重量部を得た。アシル基置換度は０．２しかなかった。

比較例２
カルボキシメチルセルロース１００重量部に、６３％硝酸水溶液１０部を含む４００部のアセトンを混合し、攪拌機付きの密閉容器中で、２０℃の温度にて、３時間攪拌した。その後、ヌッチェで濾過し、９２％アセトン水溶液で３回洗浄しカルボキシメチル基末端が遊離カルボン酸である酸型カルボキシメチルセルロース８０重量部を得た。
酸型カルボキシメチルセルロース８０重量部に対して、硫酸８部を含む３２０部の氷酢酸を混合し、攪拌機付きの密閉容器中で、２０℃の温度にて、３時間攪拌した。アシル化剤である無水酢酸を２４０重量部添加し、攪拌、混合した。内容物は反応により発熱したが、３０〜３５℃に調節し２時間攪拌した。このようにしてアセチル置換度２．１のカルボキシメチルセルロースアセテートを得た。アシル基置換度は２．１であった。

表１に得られたカルボキシメチルセルロースアシル化物の収率を示す。
カルボキシメチルセルロースアシル化物の収率は、過剰の仕込量のエステル化合物がカルボキシメチルセルロースと１００％反応した場合の重量に対する、得られたカルボキシメチルセルロースアシル化物の重量から算出した。
収率（％）＝ （Ｓ×１００）／Ｔ
但し、Ｓ：得られたカルボキシメチルセルロースアシル化物の重量
Ｔ：理論得量（過剰の仕込量のエステル化合物がカルボキシメチルセルロースと
１００％反応した場合に得られるはずの計算重量）

なお、表１中の略号は以下の化合物を表す。
ＣＭＣ：カルボキシメチルセルロースナトリウム（カルボキシメチル基置換度：０．８）
ＦＤＭ：カルボキシメチルセルロースナトリウム（カルボキシメチル基置換度：２．４）
ＤＭＳＯ：ジメチルスルホキシド
ＤＭＡｃ：ジメチルアセトアミド
ＥＭＩ：１−エチル−３−メチルイミダゾール
ＬｉＣｌ：塩化リチウム

表１で明らかなように、 実施例１〜６はいずれも、非常に高収率でカルボキシメチルセルロースアシル化物が得られる。
一方、アシル化剤である無水酢酸の反応効率が低い比較例１では、アシル基置換度が極度に低いカルボキシメチルセルロースアセテートしか得られない。また、カルボキシメチルセルロースのカルボキシル基をカルボン酸型に置換してから反応させた比較例２では、多段階工程を必要とするため、カルボキシメチルセルロースアセテートの収率が低い。

本発明のカルボキシメチルセルロースアシル化物は、塗料、医薬品コーティング剤、粘度調製剤、乳化安定剤、バインダーなどに利用できる。

Claims (5)

1. カルボキシメチルセルロース（Ａ）のアシル化物（Ｂ）の製造方法において、下記一般式（１）で表されるエステル化合物（Ｃ）とカルボキシメチルセルロース（Ａ）またはそのアルカリ金属塩（Ａ）を反応させて得ることを特徴とするカルボキシメチルセルロースアシル化物（Ｂ）の製造方法。
   

   

   ［式（１）中、R¹は、置換基を有していてもよいアルキル基、アルケニル基、またはアリール基を表す。R²、R³、R⁴は、それぞれ独立に水素原子、置換基を有していてもよいアルキル基、アルケニル基、またはアリール基を表す。］
2. 該カルボキシメチルセルロースまたはそのアルカリ金属塩（Ａ）を、膨潤剤（Ｄ）で膨潤させると同時に、または膨潤させた後に、該エステル化合物（Ｃ）と反応させる請求項１記載のカルボキシメチルセルロースアシル化物の製造方法。
3. 膨潤剤（Ｄ）が、アミン、アミド、スルホキシド、ケトン、ポリオキシエチレングリコールもしくはその誘導体およびカルボン酸からなる群から選択される１種以上である請求項１または２記載のカルボキシメチルセルロースアシル化物の製造方法。
4. 膨潤剤（Ｄ）が、ジメチルアセトアミドと塩化リチウムとの混合液である請求項１〜３いずれかに記載のカルボキシメチルセルロースアシル化物の製造方法。
5. 該カルボキシメチルセルロースアシル化物のアシル基置換度が０．４〜２．９であることを特徴とする請求項１〜４記載のカルボキシメチルセルロースアシル化物の製造方法。