JP2020019888A - Cellulose derivative, heavy metal removal material containing the same, and heavy metal removing method using the same - Google Patents

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晃司 中谷
井上 慶三
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慶三 井上
鈴木 雅彦
Masahiko Suzuki
雅彦 鈴木
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Abstract

To provide a cellulose derivative that has excellent adsorption of heavy metals and selectively adsorbs heavy metals.SOLUTION: The present invention provides a cellulose derivative having a repeating unit of formula (1), having a molecular weight distribution (Mw/Mn) of 1.2 or more and 4.0 or less, with R being hydrogen or a group represented by formula (a) (where Reach denote a single bond or a C1-10 alkylene group; Reach denote hydrogen or a C1-10 alkyl group; each Rmay be the same or different to denote a C1-10 alkyl group).SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、新規のセルロース誘導体、その製造方法、前記セルロース誘導体を含む重金属除去材、並びに前記セルロース誘導体を用いた重金属除去方法に関する。   The present invention relates to a novel cellulose derivative, a method for producing the same, a heavy metal removing material containing the cellulose derivative, and a heavy metal removing method using the cellulose derivative.

ヒ素、カドミウム、鉛等の重金属は、種々の分野において用いられており、例えば、ヒ素は、医薬品、殺虫剤、殺鼠剤、防腐剤、ハイテク産業材料等として用いられている。そのため、前記重金属は地層中や、海洋、河川、井戸水等へ溶け出す可能性があるが、微量でも環境汚染の原因となることが知られている。そこで、前記重金属で汚染された土壌や海水、工業廃液、鉱山排水等から前記重金属を効率的に回収し、除去する方法が望まれている。   Heavy metals such as arsenic, cadmium, and lead are used in various fields. For example, arsenic is used as pharmaceuticals, insecticides, rodenticides, preservatives, high-tech industrial materials, and the like. For this reason, the heavy metals may be dissolved in the stratum, the ocean, rivers, well water, and the like, but it is known that even a trace amount of them may cause environmental pollution. Therefore, a method of efficiently collecting and removing the heavy metal from soil, seawater, industrial wastewater, mine drainage, and the like contaminated with the heavy metal is desired.

特許文献1には、セルロース系基材表面にグラフト鎖を導入し、導入されたグラフト鎖にキレート形成基又はイオン交換基を結合させてなるセルロース系吸着材は、水になじみ易く、ホウ素、ゲルマニウム、ヒ素等の半金属又は重金属の吸着力に優れることが記載されている。そして、グラフト鎖の導入率によって、金属の吸着力を発揮するキレート形成基又はイオン交換基の結合量が左右され、グラフト鎖の導入率が低いと、前記金属の吸着に有効に作用するキレート形成基又はイオン交換基の結合量を十分に確保することができないことが記載されている。しかし、セルロース系基材は有機溶媒に対する溶解性が低いことから、効率よくグラフト鎖を導入することは非常に困難であり、放射線グラフト法等の高価な装置を用いる方法によってしか、グラフト鎖の導入率を向上することができず、コストが嵩むことが問題であった。   Patent Literature 1 discloses that a cellulose-based adsorbent obtained by introducing a graft chain on the surface of a cellulose-based substrate and binding a chelate-forming group or an ion-exchange group to the introduced graft chain is easily compatible with water, and contains boron and germanium. It is described that it has excellent adsorption power for semimetals or heavy metals such as arsenic. The amount of the chelate-forming group or the ion-exchange group that exerts the metal adsorbing power depends on the rate of graft chain introduction, and the lower the rate of graft chain introduction, the lower the rate of chelate formation that effectively acts on the metal adsorption. It is described that it is not possible to secure a sufficient amount of a group or an ion exchange group. However, since the cellulosic base material has low solubility in an organic solvent, it is very difficult to efficiently introduce the graft chain, and the introduction of the graft chain can be performed only by a method using an expensive apparatus such as a radiation graft method. However, there has been a problem that the rate cannot be improved and the cost increases.

特許文献2には、アシル化セルロースが有機溶媒に対する溶解性に優れ、ジチオカルバメート基を効率よく且つ安価に導入することができること、得られるジチオカルバメート基とアシル基とを備えたセルロース誘導体が、金属の吸着力に優れる金属除去材として有用であることが記載されている。   Patent Document 2 discloses that acylated cellulose has excellent solubility in an organic solvent, a dithiocarbamate group can be efficiently and inexpensively introduced, and a cellulose derivative having a dithiocarbamate group and an acyl group obtained is a metal derivative. It is described as being useful as a metal removing material having excellent adsorption power.

特開2009−13204号公報JP 2009-13204 A 特開2018−83882号公報JP, 2018-83882, A

アシル化セルロースは有機溶媒に対する溶解性には優れるため、ジチオカルバメート基を効率よく導入することができるものの、ジチオカルバメート基を含む基の置換度が制限されるため、重金属吸着量のさらなる改善には課題があった。
このように、重金属の吸着力に優れる金属除去材の開発が望まれている。
Acylated cellulose is excellent in solubility in organic solvents, so that dithiocarbamate groups can be efficiently introduced.However, since the degree of substitution of groups containing dithiocarbamate groups is limited, it is necessary to further improve the adsorption amount of heavy metals. There were challenges.
Thus, development of a metal removing material having excellent heavy metal adsorption power is desired.

従って、本発明の目的は、重金属の吸着力に優れる新規のセルロース誘導体、及びその製造方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、重金属の吸着力に優れる重金属除去材を提供することにある。
本発明の他の目的は、重金属を選択的に吸着し、回収する方法を提供することにある。
Therefore, an object of the present invention is to provide a novel cellulose derivative excellent in heavy metal adsorption power, and a method for producing the same.
Another object of the present invention is to provide a heavy metal removing material having excellent heavy metal adsorption power.
It is another object of the present invention to provide a method for selectively adsorbing and recovering heavy metals.

また、重金属で汚染された土壌や海水、工業廃液、鉱山排水等には、カルシウムなどの重金属以外の金属イオンが共存していることが多く、このような共存イオンの存在により、重金属の吸着量が低下することが懸念され、選択的に重金属を吸着できる重金属除去材が望まれている。   In addition, metal ions other than heavy metals, such as calcium, often coexist in soil, seawater, industrial effluent, mine drainage, etc., which are contaminated with heavy metals. Therefore, a heavy metal removing material capable of selectively adsorbing heavy metals is desired.

本発明者等は上記課題を解決するため鋭意検討した結果、セルロースにジチオカルバメート基を効率よく且つ安価に導入することができる方法を見出した。また、特定範囲の分子量分布を有するジチオカルバメート基を備えたセルロース誘導体は、重金属の吸着力に優れる重金属除去材として有用であることを見いだした。本発明はこれらの知見に基づいて完成させたものである。   The present inventors have conducted intensive studies in order to solve the above problems, and as a result, have found a method capable of efficiently and inexpensively introducing a dithiocarbamate group into cellulose. Further, they have found that a cellulose derivative having a dithiocarbamate group having a molecular weight distribution in a specific range is useful as a heavy metal removing material having excellent heavy metal adsorption. The present invention has been completed based on these findings.

すなわち、本発明は、下記式(1)で表される繰り返し単位を有し、分子量分布(Mw/Mn)が4.0以下1.2以上であるセルロース誘導体を提供する。

Figure 2020019888
[式中、Rは、同一又は異なって、水素原子、又は下記式(a)で表される基である。セルロース誘導体に含まれる全てのRのうち、少なくとも1つは下記式(a)で表される基である]
Figure 2020019888
(式中、R1は単結合又は炭素数1〜10のアルキレン基を示し、R2は水素原子又は炭素数1〜10のアルキル基を示す。R3は、同一又は異なって、炭素数1〜10のアルキル基を示す) That is, the present invention provides a cellulose derivative having a repeating unit represented by the following formula (1) and having a molecular weight distribution (Mw / Mn) of 4.0 or less and 1.2 or more.
Figure 2020019888
Wherein R is the same or different and is a hydrogen atom or a group represented by the following formula (a). At least one of all Rs contained in the cellulose derivative is a group represented by the following formula (a)]
Figure 2020019888
(Wherein, R 1 represents a single bond or an alkylene group having 1 to 10 carbon atoms, R 2 represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms. R 3 is the same or different and has 1 carbon atom Represents an alkyl group of 10 to 10)

本発明は、また、式(a)で表される基が、下記式(a-1)で表される基である、前記のセルロース誘導体を提供する。

Figure 2020019888
(式中、R3は、同一又は異なって、炭素数1〜10のアルキル基を示し、R4は同一又は異なって、水素原子又は炭素数1〜3のアルキル基を示す。nは1〜3の整数を示す) The present invention also provides the above cellulose derivative, wherein the group represented by the formula (a) is a group represented by the following formula (a-1).
Figure 2020019888
(Wherein, R 3 is the same or different and represents an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, and R 4 is the same or different and represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms. Indicates an integer of 3)

本発明は、また、式(a)で表される基の総平均置換度が0.1〜2.95である、前記のセルロース誘導体を提供する。   The present invention also provides the above cellulose derivative, wherein the total average degree of substitution of the group represented by the formula (a) is from 0.1 to 2.95.

本発明は、また、下記工程を経て、前記のセルロース誘導体を得る、セルロース誘導体の製造方法を提供する。
[1] セルロースのヒドロキシル基に、アミノ基が保護されたアミノ酸を反応させ、その後、アミノ基の保護基を外す
[2] 硫黄化合物の存在下、脱保護したアミノ基に第4級アンモニウム塩(N+(R34-;R3は、同一又は異なって炭素数1〜10のアルキル基を示し、X-はカウンターアニオンを示す)を反応させる
The present invention also provides a method for producing a cellulose derivative, wherein the cellulose derivative is obtained through the following steps.
[1] Cellulose hydroxyl group is reacted with an amino group-protected amino acid, and then the amino-protecting group is removed. [2] A quaternary ammonium salt is added to the deprotected amino group in the presence of a sulfur compound. N + (R 3 ) 4 X ; R 3 are the same or different and each represents an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, and X represents a counter anion.

本発明は、また、前記のセルロース誘導体を含む重金属吸着材を提供する。   The present invention also provides a heavy metal adsorbent containing the above-mentioned cellulose derivative.

本発明は、また、前記のセルロース誘導体を用いた重金属除去方法を提供する。   The present invention also provides a method for removing heavy metals using the above-mentioned cellulose derivative.

本発明のセルロース誘導体は、重金属(例えば、ヒ素、カドミウム、鉛等の重金属)の吸着量が高く、重金属を効率的に吸着し、回収することができる。また、本発明のセルロース誘導体は、耐薬品性、耐熱性、及び耐水性に優れる。そのため、本発明のセルロース誘導体は、重金属除去材として極めて有用であり、重金属で汚染された土壌や海水、その他、前記金属を含む工業廃水、鉱山廃水、温泉水等を浄化する用途に好適に使用することができる。   The cellulose derivative of the present invention has a high adsorption amount of heavy metals (for example, heavy metals such as arsenic, cadmium, and lead), and can adsorb and recover heavy metals efficiently. Further, the cellulose derivative of the present invention is excellent in chemical resistance, heat resistance, and water resistance. Therefore, the cellulose derivative of the present invention is extremely useful as a heavy metal removing material, and is suitably used for purifying soil and seawater contaminated with heavy metals, industrial wastewater containing the above metals, mine wastewater, hot spring water, and the like. can do.

[セルロース誘導体]
本発明のセルロース誘導体は、下記式(1)で表される繰り返し単位(グルコース単位)を有する。

Figure 2020019888
[式中、Rは、同一又は異なって、水素原子、又は下記式(a)で表される基である。前記式(1)で表される繰り返し単位を有するセルロース誘導体に含まれる全てのRのうち、少なくとも1つは下記式(a)で表される基である]
Figure 2020019888
(式中、R1は単結合又は炭素数1〜10のアルキレン基を示し、R2は水素原子又は炭素数1〜10のアルキル基を示す。R3は、同一又は異なって、炭素数1〜10のアルキル基を示す) [Cellulose derivative]
The cellulose derivative of the present invention has a repeating unit (glucose unit) represented by the following formula (1).
Figure 2020019888
Wherein R is the same or different and is a hydrogen atom or a group represented by the following formula (a). At least one of all Rs contained in the cellulose derivative having the repeating unit represented by the formula (1) is a group represented by the following formula (a)]
Figure 2020019888
(Wherein, R 1 represents a single bond or an alkylene group having 1 to 10 carbon atoms, R 2 represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms. R 3 is the same or different and has 1 carbon atom Represents an alkyl group of 10 to 10)

1における炭素数1〜10のアルキレン基としては、例えば、メチレン基、メチルメチレン基、ジメチルメチレン基、エチレン基、2−メチルエチレン基、1,2−ジメチルエチレン基、プロピレン基、トリメチレン基、2−メチル−トリメチレン基等の直鎖状又は分岐鎖状アルキレン基を挙げることができる。 Examples of the alkylene group having 1 to 10 carbon atoms for R 1 include a methylene group, a methylmethylene group, a dimethylmethylene group, an ethylene group, a 2-methylethylene group, a 1,2-dimethylethylene group, a propylene group, a trimethylene group, Examples thereof include a linear or branched alkylene group such as a 2-methyl-trimethylene group.

1としては、なかでも、セルロース主鎖骨格とジチオカルバメート基間の炭素鎖がより長いほうが金属吸着力が向上する傾向がある。 In particular, as R 1 , the longer the carbon chain between the cellulose main chain skeleton and the dithiocarbamate group, the more the metal adsorption power tends to be improved.

2、R3における炭素数1〜10のアルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、s−ブチル基、t−ブチル基、ペンチル基等の直鎖状又は分岐鎖状アルキル基を挙げることができる。 Examples of the alkyl group having 1 to 10 carbon atoms in R 2 and R 3 include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, an isopropyl group, a butyl group, an isobutyl group, an s-butyl group, a t-butyl group, a pentyl group, and the like. And a straight-chain or branched-chain alkyl group.

2としては、なかでも水素原子が好ましい。また、R3としては、なかでも炭素数1〜3のアルキル基が好ましい。 R 2 is preferably a hydrogen atom. R 3 is preferably an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms.

式(a)で表される基としては、なかでも下記式(a-1)で表される基(式中、nは1〜3の整数を示し、R4は、同一又は異なって、水素原子又は炭素数1〜3のアルキル基を示す。R3は前記に同じ)が好ましく、とりわけ好ましくは下記式(a-1)で表される基のうち、式中のnが2の基である。

Figure 2020019888
As the group represented by the formula (a), a group represented by the following formula (a-1) (in the formula, n represents an integer of 1 to 3, and R 4 is the same or different and represents hydrogen Represents an atom or an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms. R 3 is the same as defined above), and particularly preferably a group represented by the following formula (a-1) wherein n in the formula is 2 is there.
Figure 2020019888

式(a)で表される基として、より好ましくは下記式(a-1’)で表される基(式中、nは1〜3の整数を示し、R4は、同一又は異なって、水素原子又は炭素数1〜3のアルキル基を示す)であり、とりわけ好ましくは下記式(a-1’)で表される基のうち、式中のnが2の基である。

Figure 2020019888
The group represented by the formula (a) is more preferably a group represented by the following formula (a-1 ′) (in the formula, n represents an integer of 1 to 3, R 4 is the same or different, A hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms), and particularly preferably a group represented by the following formula (a-1 '), wherein n is 2 in the formula.
Figure 2020019888

式(a)で表される基として、特に好ましくは下記式(a-1-1)、又は(a-1-2)で表される基であり、とりわけ好ましくは下記式(a-1-2)で表される基である。尚、下記式中のR3は前記に同じ。

Figure 2020019888
The group represented by the formula (a) is particularly preferably a group represented by the following formula (a-1-1) or (a-1-2), and particularly preferably a group represented by the following formula (a-1- It is a group represented by 2). Note that R 3 in the following formula is the same as described above.
Figure 2020019888

式(a)で表される基として、最も好ましくは下記式(a-1’-1)、又は(a-1’-2)で表される基であり、とりわけ好ましくは下記式(a-1’-2)で表される基である。

Figure 2020019888
The group represented by the formula (a) is most preferably a group represented by the following formula (a-1′-1) or (a-1′-2), and particularly preferably a group represented by the following formula (a- It is a group represented by 1'-2).
Figure 2020019888

式(a)で表される基(好ましくは式(a-1)で表される基、より好ましくは式(a-1’)で表される基、更に好ましくは式(a-1-1)で表される基及び(a-1-2)で表される基、最も好ましくは式(a-1’-1)で表される基及び(a-1’-2)で表される基)の総平均置換度(セルロースを構成するグルコース単位の2,3および6位に置換する前記基の総平均置換度)としては、例えば0.1〜2.95、好ましくは0.2〜2.90、特に好ましくは0.3〜2.90である。セルロース誘導体が式(a)で表される基を上記範囲で含有すると、優れた金属吸着力を発揮することができる点で好ましい。   A group represented by the formula (a) (preferably a group represented by the formula (a-1), more preferably a group represented by the formula (a-1 ′), and still more preferably a group represented by the formula (a-1-1) ) And a group represented by (a-1-2), most preferably a group represented by the formula (a-1′-1) and a group represented by (a-1′-2) The total average degree of substitution of the group (group) is, for example, 0.1 to 2.95, and preferably 0.2 to 2.95. It is 2.90, particularly preferably 0.3 to 2.90. It is preferable that the cellulose derivative contains the group represented by the formula (a) in the above range, since excellent metal adsorption power can be exhibited.

本発明のセルロース誘導体の分子量分布(重量平均分子量Mwを数平均分子量Mnで除した分子量分布Mw/Mn)は、上述の通り、4.0以下1.2以上であり、3.5以下1.5以上が好ましく、3.0以下2.0以上がより好ましい。分子量分布が4.0を超えたり、1.2未満であると、分子量分布がブロードまたはシャープとなり、目標とする重金属の吸着力が出ない等の重金属吸着性に影響を及ぼす場合がある。例えば、本発明のセルロース誘導体の分子量分布が4.0以下1.2以上であることにより、重金属吸着力と吸着選択性(カルシウムなどの重金属以外の共存イオン共存下の重金属吸着性能)のバランスが非常に高いレベルで両立できる傾向がある。   As described above, the molecular weight distribution (the molecular weight distribution Mw / Mn obtained by dividing the weight average molecular weight Mw by the number average molecular weight Mn) of the cellulose derivative of the present invention is 4.0 or less, 1.2 or more, and 3.5 or less. It is preferably 5 or more, more preferably 3.0 or less and 2.0 or more. When the molecular weight distribution exceeds 4.0 or is less than 1.2, the molecular weight distribution becomes broad or sharp, which may affect the heavy metal adsorptivity such as a lack of a target heavy metal adsorption force. For example, when the molecular weight distribution of the cellulose derivative of the present invention is 4.0 or less and 1.2 or more, the balance between the heavy metal adsorption power and the adsorption selectivity (the heavy metal adsorption performance in the presence of coexisting ions other than heavy metals such as calcium). They tend to be compatible at a very high level.

本発明のセルロース誘導体の分子量分布(Mw/Mn)は、後述の[セルロース誘導体の製造方法]の中間体である、セルロースにおけるヒドロキシル基(OH基)の少なくとも1部が、−OOC−R1−NH2基で置換された化合物(1-3)の分子量分布(Mw/Mn)を測定することにより決定することができる。詳細は後述する。 The molecular weight distribution (Mw / Mn) of the cellulose derivative of the present invention is such that at least one part of a hydroxyl group (OH group) in cellulose, which is an intermediate of [Production method of cellulose derivative] described below, is -OOC-R 1-. It can be determined by measuring the molecular weight distribution (Mw / Mn) of the compound (1-3) substituted with an NH 2 group. Details will be described later.

本発明のセルロース誘導体は、優れた重金属(特に、As(III)、Cd(II)、Pb(II)等)吸着力を有する。重金属の吸着量は、例えば0.01mmol/g以上、好ましくは0.02mmol/g以上、特に好ましくは0.03mmol/g以上である。また、As(III)の吸着量は、例えば0.01mmol/g以上、好ましくは0.02mmol/g以上、特に好ましくは0.03mmol/g以上である。尚、As(III)の吸着量の上限は、例えば2.0mmol/g程度、好ましくは1.0mmol/g、特に好ましくは0.20mmol/gである。   The cellulose derivative of the present invention has excellent heavy metal (particularly, As (III), Cd (II), Pb (II), etc.) adsorption power. The amount of heavy metal adsorbed is, for example, 0.01 mmol / g or more, preferably 0.02 mmol / g or more, and particularly preferably 0.03 mmol / g or more. The adsorption amount of As (III) is, for example, 0.01 mmol / g or more, preferably 0.02 mmol / g or more, and particularly preferably 0.03 mmol / g or more. The upper limit of the adsorption amount of As (III) is, for example, about 2.0 mmol / g, preferably 1.0 mmol / g, and particularly preferably 0.20 mmol / g.

本発明のセルロース誘導体の形状としては、本発明の効果を損なわない限り特に制限されるものではなく、例えば、シート状、球状(真球状、略真球状、楕円球状など)、多面体状、棒状(円柱状、角柱状など)、りん片状、不定形状等が挙げられる。   The shape of the cellulose derivative of the present invention is not particularly limited as long as the effects of the present invention are not impaired, and examples thereof include a sheet shape, a spherical shape (a true spherical shape, a substantially true spherical shape, an oval spherical shape, etc.), a polyhedral shape, a rod shape ( Columnar, prismatic, etc.), scaly, irregular, and the like.

本発明のセルロース誘導体は、上記の通り優れた重金属吸着力を有する為、例えば、重金属吸着材として好適に使用することができる。   Since the cellulose derivative of the present invention has an excellent heavy metal adsorption power as described above, it can be suitably used, for example, as a heavy metal adsorbent.

本発明のセルロース誘導体を含む重金属吸着材(若しくは、本発明のセルロース誘導体からなる重金属吸着材)は、例えば、重金属(特に、As(III)、Cd(II)、Pb(II)等の重金属)で汚染された土壌や海水、その他、前記金属を含む工業廃水、鉱山廃水、温泉水等を浄化する用途に好適に使用することができる。   The heavy metal adsorbent containing the cellulose derivative of the present invention (or the heavy metal adsorbent composed of the cellulose derivative of the present invention) includes, for example, heavy metals (particularly, heavy metals such as As (III), Cd (II), and Pb (II)). It can be suitably used for purifying soil and seawater contaminated with, and other industrial wastewater, mine wastewater, and hot spring water containing the metal.

本発明の重金属除去方法、すなわち本発明のセルロース誘導体を重金属吸着材として用いて、重金属(特に、As(III)、Cd(II)、Pb(II)等の重金属)で汚染された土壌や海水、その他、前記重金属を含む工業廃水、鉱山廃水、温泉水等から金属を吸着・除去する方法としては特に制限されることがなく、例えば、本発明のセルロース誘導体をカラム等に充填し、そこに工業廃水等を流す方法や、工業廃水等の中に本発明のセルロース誘導体を加え、撹拌する方法等が挙げられる。特に本発明のセルロース誘導体が有機溶媒溶解性を示す場合は、均一系の重金属吸着材(すなわち、工業廃水等に溶解した状態で金属を吸着・除去する作用を発現するもの)として用いることもできる。   The method for removing heavy metals of the present invention, that is, soil or seawater contaminated with heavy metals (particularly heavy metals such as As (III), Cd (II) and Pb (II)) using the cellulose derivative of the present invention as a heavy metal adsorbent. The method for adsorbing and removing metals from industrial wastewater containing the heavy metals, mine wastewater, hot spring water and the like is not particularly limited.For example, a cellulose derivative of the present invention is filled in a column or the like, and the column is filled therein. Examples of the method include a method of flowing industrial wastewater and the like, and a method of adding the cellulose derivative of the present invention to industrial wastewater and stirring the mixture. In particular, when the cellulose derivative of the present invention exhibits solubility in an organic solvent, it can be used as a homogeneous heavy metal adsorbent (that is, a substance exhibiting an action of adsorbing and removing metals in a state of being dissolved in industrial wastewater or the like). .

本発明の重金属除去方法においては、セルロース誘導体のpHを例えば1〜9(なかでも1〜7)に調整することが、金属の吸着力をより一層向上することができ、効率よく金属を除去することができる点で好ましい。尚、セルロース誘導体のpH調整は、周知慣用のpH調整剤(硝酸等の酸や、水酸化ナトリウム等のアルカリ)を用いて行うことができる。   In the heavy metal removal method of the present invention, adjusting the pH of the cellulose derivative to, for example, 1 to 9 (especially 1 to 7) can further improve the metal adsorption power and efficiently remove the metal. It is preferable in that it can be performed. The pH of the cellulose derivative can be adjusted using a commonly used pH adjuster (acid such as nitric acid or alkali such as sodium hydroxide).

また、重金属を吸着したセルロース誘導体を焼成することにより容易に重金属を回収することができ、回収された重金属は再び有益資源として利用することができる。   Further, the heavy metal can be easily recovered by firing the cellulose derivative having the heavy metal adsorbed thereon, and the recovered heavy metal can be reused as a useful resource.

[セルロース誘導体の製造方法]
本発明のセルロース誘導体は、例えば、下記工程を経て製造することができる。
[1] セルロースのヒドロキシル基に、アミノ基が保護されたアミノ酸を反応させ、その後、アミノ基の保護基を外す
[2] 硫黄化合物の存在下、脱保護したアミノ基に第4級アンモニウム塩(N+(R34-;R3は、同一又は異なって炭素数1〜10のアルキル基を示し、X-はカウンターアニオンを示す)を反応させる
[Method for producing cellulose derivative]
The cellulose derivative of the present invention can be produced, for example, through the following steps.
[1] Cellulose hydroxyl group is reacted with an amino group-protected amino acid, and then the amino-protecting group is removed. [2] A quaternary ammonium salt is added to the deprotected amino group in the presence of a sulfur compound. N + (R 3 ) 4 X ; R 3 are the same or different and each represents an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, and X represents a counter anion.

[原料セルロース]
上記工程[1]で使用されるセルロースとしては、グルコースがβグルコシド結合を有している多糖類である。これらの多糖類としては、マンナンやキシランなどのヘミセルロース成分あるいは、グルコマンナンなどの複合糖を含むものであってもよい。また、グルコースからのみなるセルロースであってもよい。ヘミセルロース成分を含むセルロースとしては、木材リンターのパルプを挙げることができる。
例えば、木材パルプ(針葉樹パルプ、広葉樹パルプ)やコットンリンターパルプ由来のセルロース等を好適に用いることができる。これらは1種を単独で、又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
[Raw material cellulose]
The cellulose used in the above step [1] is a polysaccharide in which glucose has a β-glucoside bond. These polysaccharides may include hemicellulose components such as mannan and xylan or complex sugars such as glucomannan. Further, cellulose composed of glucose alone may be used. Examples of cellulose containing a hemicellulose component include pulp of wood linter.
For example, wood pulp (softwood pulp, hardwood pulp), cellulose derived from cotton linter pulp, and the like can be suitably used. These can be used alone or in combination of two or more.

本発明の特定の分子量分布を有するセルロース誘導体を得るためには、原料セルロースの分子量分布を選択することが重要である。本発明のセルロースを誘導体化することにより、分子量分布は小さい(狭い)方に遷移する。遷移の程度は、誘導体化の条件によりことなるものの、概ね原料セルロースの分子量分布と比例の関係にある。したがって、本発明の分子量分布が狭いセルロース誘導体を得るためには、所望する分子量分布に近いセルロースを選択することが重要である。
尚、本発明においては、出発原料のセルロースの分子量分布を規定するものではないが、出発原料のセルロースの分子量分布については、(Journal of the Society of Materials Science ,Japan),Vol62,No4,pp.235-242,Apr,2013 の記載にしたがって測定することで求められる。
一般にバイオセルロースなどは分子量分布が大きな傾向にあり、コットンセルロースではより小さくなる。木材パルプはそのパルプ処理に依存するが分子量分布が狭い(小さい)傾向にある。
尚、前記原料セルロースは、例えば解砕処理を施す等により、細かく粉砕した状態で使用することが好ましい。
In order to obtain the cellulose derivative having a specific molecular weight distribution of the present invention, it is important to select the molecular weight distribution of the raw material cellulose. By derivatizing the cellulose of the present invention, the molecular weight distribution transitions to a smaller (narrower) one. Although the degree of the transition varies depending on the derivatization conditions, it is generally in a proportional relationship with the molecular weight distribution of the raw material cellulose. Therefore, in order to obtain a cellulose derivative having a narrow molecular weight distribution according to the present invention, it is important to select cellulose having a desired molecular weight distribution.
In the present invention, the molecular weight distribution of the starting material cellulose is not specified. It is determined by measuring according to the description in 235-242, Apr, 2013.
Generally, biocellulose and the like tend to have a large molecular weight distribution, and cotton cellulose has a smaller molecular weight distribution. Wood pulp tends to have a narrow (small) molecular weight distribution depending on the pulp treatment.
The raw cellulose is preferably used in a finely pulverized state, for example, by subjecting it to a crushing treatment.

前記アミノ基が保護されたアミノ酸は、例えば、下記式(3)で表される。
HOOC−R1−NHY (3)
上記式(3)中のR1は、上記式(a)中のR1に対応する。Yはアミノ基を保護する保護基であり、例えば、t−ブトキシカルボニル基(Boc)、9−フルオレニルメチルオキシカルボニル基(Fmoc)等を挙げることができる。アミノ基の保護基としては、なかでも、Fmocが、温和な条件で脱保護できる点で好ましい。
The amino acid whose amino group is protected is represented, for example, by the following formula (3).
HOOC-R 1 -NHY (3)
R 1 in the formula (3) corresponds to R 1 in the formula (a). Y is a protecting group for protecting an amino group, and examples thereof include a t-butoxycarbonyl group (Boc) and a 9-fluorenylmethyloxycarbonyl group (Fmoc). As the amino-protecting group, Fmoc is particularly preferred because it can be deprotected under mild conditions.

アミノ基を保護する前のアミノ酸は、下記式(3’)で表される。
HOOC−R1−NH2 (3’)
上記式(3’)中のR1は、上記式(a)中のR1に対応する。アミノ基を保護する前のアミノ酸(=式(3’)で表される化合物)としては、例えば、L−アラニン、β−アラニン、4−アミノ酪酸、5−アミノペンタン酸、7−アミノヘプタン酸等を挙げることができる。
The amino acid before protecting the amino group is represented by the following formula (3 ′).
HOOC-R 1 -NH 2 (3 ′)
R 1 in the formula (3 ') in correspond to R 1 in the formula (a). Examples of the amino acid before protecting the amino group (= the compound represented by the formula (3 ′)) include, for example, L-alanine, β-alanine, 4-aminobutyric acid, 5-aminopentanoic acid, and 7-aminoheptanoic acid And the like.

前記セルロースとアミノ基が保護されたアミノ酸との反応は、触媒の存在下で行うことが好ましい。前記触媒としては、例えば、トリエチルアミン、ピリジン、N,N−ジメチル−4−アミノピリジン(DMAP)等を挙げることができる。これらは1種を単独で、又は2種以上を組み合わせて使用することができる。   The reaction between the cellulose and the amino acid whose amino group is protected is preferably performed in the presence of a catalyst. Examples of the catalyst include triethylamine, pyridine, N, N-dimethyl-4-aminopyridine (DMAP) and the like. These can be used alone or in combination of two or more.

前記触媒の使用量としては、アミノ基が保護されたアミノ酸1モルに対して、例えば0.01〜1.0モル程度である。   The amount of the catalyst to be used is, for example, about 0.01 to 1.0 mol per 1 mol of the amino acid in which the amino group is protected.

また、前記反応は、縮合剤の存在下で行うことが好ましい。前記縮合剤としては、例えば、1−(3−ジメチルアミノプロピル)−3−エチルカルボジイミド塩酸塩(EDC−HCl)、N,N’−ジシクロヘキシルカルボジイミド、N,N’−ジイソプロピルカルボジイミド等を挙げることができる。これらは1種を単独で、又は2種以上を組み合わせて使用することができる。   The reaction is preferably performed in the presence of a condensing agent. Examples of the condensing agent include 1- (3-dimethylaminopropyl) -3-ethylcarbodiimide hydrochloride (EDC-HCl), N, N′-dicyclohexylcarbodiimide, N, N′-diisopropylcarbodiimide and the like. it can. These can be used alone or in combination of two or more.

前記縮合剤の使用量としては、アミノ基が保護されたアミノ酸1モルに対して、例えば0.01〜1.0モル程度である。   The amount of the condensing agent to be used is, for example, about 0.01 to 1.0 mol per 1 mol of the amino acid in which the amino group is protected.

前記反応は、溶媒の存在下で行うことが好ましい。前記溶媒としては、例えば、ヘキサン、ヘプタン、オクタン等の脂肪族炭化水素;シクロヘキサン等の脂環式炭化水素;ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン等の芳香族炭化水素;クロロホルム、ジクロロメタン、1,2−ジクロロエタン等のハロゲン化炭化水素;ジエチルエーテル、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、ジオキサン等のエーテル;アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等のケトン;酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸イソプロピル、酢酸ブチル等のエステル;N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド等のアミド;アセトニトリル、プロピオニトリル、ベンゾニトリル等のニトリル;メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、ブタノール等のアルコール;ジメチルスルホキシド等が挙げられる。これらは1種を単独で、又は2種以上を組み合わせて使用することができる。   The reaction is preferably performed in the presence of a solvent. Examples of the solvent include aliphatic hydrocarbons such as hexane, heptane and octane; alicyclic hydrocarbons such as cyclohexane; aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene, xylene and ethylbenzene; chloroform, dichloromethane, 1,2- Halogenated hydrocarbons such as dichloroethane; ethers such as diethyl ether, dimethoxyethane, tetrahydrofuran and dioxane; ketones such as acetone, methyl ethyl ketone and methyl isobutyl ketone; esters such as methyl acetate, ethyl acetate, isopropyl acetate and butyl acetate; Amides such as dimethylformamide and N, N-dimethylacetamide; nitriles such as acetonitrile, propionitrile and benzonitrile; alcohols such as methanol, ethanol, isopropyl alcohol and butanol; Sulfoxide, and the like. These can be used alone or in combination of two or more.

特には、ジメチルアセトアミドと塩化リチウムの混合物を溶媒として使用するのが好ましい。但し、本反応は原料セルロースが溶解して均一は溶液にすることは必要ではなく、溶媒とセルロースが懸濁されたスラリーのままで進行させることができる。したがって、通常のセルロースの溶解に必要な程度の高価な塩化リチウムを多量に使用しなくてもよい。有機溶媒中における塩化リチウムの濃度は、セルロースを溶解させる限り特に限定されないが、例えば0.5〜30重量%程度である。   In particular, it is preferable to use a mixture of dimethylacetamide and lithium chloride as a solvent. However, this reaction does not require the raw material cellulose to be dissolved to form a uniform solution, and the reaction can proceed as a slurry in which the solvent and the cellulose are suspended. Therefore, it is not necessary to use a large amount of expensive lithium chloride necessary for dissolving ordinary cellulose. The concentration of lithium chloride in the organic solvent is not particularly limited as long as cellulose is dissolved, but is, for example, about 0.5 to 30% by weight.

前記溶媒の使用量としては、反応基質の総量の、例えば0.5〜30重量倍程度である。溶媒の使用量が上記範囲を上回ると反応成分の濃度が低くなり、反応速度が低下する傾向がある。   The amount of the solvent used is, for example, about 0.5 to 30 times the total amount of the reaction substrates. When the amount of the solvent used exceeds the above range, the concentration of the reaction component tends to decrease, and the reaction rate tends to decrease.

前記反応を経て、アシル化セルロース(1-1)から、アシル化セルロースにおけるヒドロキシル基(OH基)の少なくとも1部が、−OOC−R1−NHY基(Yはアミノ基の保護基であり、式(3)中のYに同じ)で置換された化合物(1-2)が得られる。 Through the above reaction, from the acylated cellulose (1-1), at least a part of the hydroxyl group (OH group) in the acylated cellulose is converted to an —OOC—R 1 —NHY group (Y is a protecting group for an amino group, Compound (1-2) substituted with the same as Y in formula (3) is obtained.

アミノ基の保護基を外す反応は、前記反応を経て得られた化合物(1-2)におけるアミノ基の保護基(Y)を外し、アシル化セルロースにおけるヒドロキシル基(OH基)の少なくとも1部が、−OOC−R1−NH2基で置換された化合物(1-3)を得る反応である。保護基を外す反応は、保護基の種類に応じて適宜選択することが好ましい。例えばYがFmocである場合は、ピリジン等の第2級アミンを反応させることにより保護基を速やかに外すことができる。また、YがBocである場合は、トリフルオロ酢酸等の強酸を反応させることにより保護基を速やかに外すことができる。 In the reaction for removing the amino-protecting group, the amino-protecting group (Y) in the compound (1-2) obtained through the reaction is removed, and at least a part of the hydroxyl group (OH group) in the acylated cellulose is removed. , -OOC-R 1 -NH 2 -substituted compound (1-3). The reaction for removing the protecting group is preferably appropriately selected according to the type of the protecting group. For example, when Y is Fmoc, the protecting group can be quickly removed by reacting a secondary amine such as pyridine. When Y is Boc, the protecting group can be promptly removed by reacting with a strong acid such as trifluoroacetic acid.

工程[2]は、脱保護したアミノ基、すなわち、工程[1]を経て得られた、化合物(1-3)における−OOC−R1−NH2基に、硫黄化合物の存在下、第4級アンモニウム塩(N+(R34-;R3は、同一又は異なって炭素数1〜10のアルキル基を示し、X-はカウンターアニオンを示す)を反応させて、本発明のセルロース誘導体を得る工程である。 In the step [2], the deprotected amino group, that is, the —OOC—R 1 —NH 2 group in the compound (1-3) obtained through the step [1] is added to the fourth group in the presence of a sulfur compound. grade ammonium (N + (R 3) 4 X -; R 3 are the same or different and each represents an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, X - represents a counter anion) were reacted to cellulose of the present invention This is a step of obtaining a derivative.

前記第4級アンモニウム塩におけるカウンターアニオン(X-)としては、例えば、OH-、Cl-、Br-、I-、F-、SO4 2-、BH4 -、BF4 -、PF6 -等が挙げられる。 Examples of the counter anion (X ) in the quaternary ammonium salt include OH , Cl , Br , I , F , SO 4 2− , BH 4 , BF 4 , PF 6 − and the like. Is mentioned.

前記第4級アンモニウム塩としては、例えば、水酸化テトラメチルアンモニウム、水酸化テトラエチルアンモニウム等が挙げられる。   Examples of the quaternary ammonium salt include tetramethylammonium hydroxide and tetraethylammonium hydroxide.

前記第4級アンモニウム塩の使用量は、前記化合物(1-3)100重量部に対して、例えば20〜500重量部程度である。   The amount of the quaternary ammonium salt to be used is, for example, about 20 to 500 parts by weight based on 100 parts by weight of the compound (1-3).

前記硫黄化合物としては、例えば、二硫化炭素を挙げることができる。硫黄化合物の使用量は、前記化合物(1-3)100重量部に対して、例えば100重量部以上である。   Examples of the sulfur compound include carbon disulfide. The amount of the sulfur compound to be used is, for example, 100 parts by weight or more based on 100 parts by weight of the compound (1-3).

工程[2]の反応は、溶媒の存在下で行うことが好ましい。前記溶媒としては、例えば、トルエン、キシレン、エチルベンゼン等の芳香族炭化水素;メタノール、エタノール、2−プロパノール、イソプロピルアルコール、ブタノール等のアルコール;N−メチルピロリドン、ジメチルスルホキシド、N,N−ジメチルホルムアミド等が挙げられる。これらは、1種を単独で、又は2種以上を組み合わせて使用することができる。溶媒の使用量は、反応基質の総量の、例えば0.5〜30重量倍程度である。   The reaction in step [2] is preferably performed in the presence of a solvent. Examples of the solvent include aromatic hydrocarbons such as toluene, xylene and ethylbenzene; alcohols such as methanol, ethanol, 2-propanol, isopropyl alcohol and butanol; N-methylpyrrolidone, dimethyl sulfoxide, N, N-dimethylformamide and the like. Is mentioned. These can be used alone or in combination of two or more. The amount of the solvent used is, for example, about 0.5 to 30 times the total amount of the reaction substrates.

工程[2]の反応温度は、例えば10〜100℃程度である。反応時間は、例えば1〜24時間程度である。反応終了後、得られた反応生成物は、例えば、濾過、濃縮、蒸留、抽出、晶析、吸着、再結晶、カラムクロマトグラフィー等の分離手段や、これらを組み合わせた分離手段により分離精製できる。   The reaction temperature in step [2] is, for example, about 10 to 100 ° C. The reaction time is, for example, about 1 to 24 hours. After completion of the reaction, the obtained reaction product can be separated and purified by a separation means such as filtration, concentration, distillation, extraction, crystallization, adsorption, recrystallization, column chromatography or a combination thereof.

本発明のセルロース誘導体の分子量分布(Mw/Mn)は、上記化合物(1-3)の分子量分布(Mw/Mn)を測定することにより決定することができる。本発明のセルロース誘導体はジチオカルバミン酸塩の形態であり、有機溶媒に溶けにくいため、直接分子量分布を測定することは困難である。しかし、上記工程[2]における化合物(1-3)から本発明のセルロース誘導体への変換は比較的緩和な条件で進行するため、セルロース鎖の切断など分子量分布に影響する反応はほとんど進行していないと考えられる。従って、本発明のセルロース誘導体を製造するための中間体である化合物(1-3)の段階で分子量分布を測定することにより、間接的に本発明のセルロース誘導体の分子量分布を決定することができる。   The molecular weight distribution (Mw / Mn) of the cellulose derivative of the present invention can be determined by measuring the molecular weight distribution (Mw / Mn) of the compound (1-3). Since the cellulose derivative of the present invention is in the form of a dithiocarbamate and is hardly soluble in an organic solvent, it is difficult to directly measure the molecular weight distribution. However, since the conversion of the compound (1-3) into the cellulose derivative of the present invention in the above step [2] proceeds under relatively mild conditions, almost all reactions that affect the molecular weight distribution, such as cleavage of cellulose chains, have progressed. It is thought that there is not. Therefore, the molecular weight distribution of the cellulose derivative of the present invention can be indirectly determined by measuring the molecular weight distribution at the stage of compound (1-3), which is an intermediate for producing the cellulose derivative of the present invention. .

あるいは、本発明のセルロース誘導体(最終生成物)しか入手できない場合には、ジチオカルバメートをアミノ基に変換して、中間体である化合物(1-3)に戻した後に、化合物(1-3)の分子量分布を測定することにより本発明のセルロース誘導体の分子量分布を決定することができる。
本発明のセルロース誘導体(最終生成物)を化合物(1-3)に戻す条件は、特に限定されないが、還元剤で処理する方法(例えば、Journal of environmental quality 1994 v.23 no.2 pp. 279-286に記載されている方法)等を使用することができる。
具体的は、本発明のセルロース誘導体(最終生成物)を塩酸等の酸で処理するか、水素化ホウ素ナトリウムなどの還元剤を使って還元条件に付すことで、ジチオカルバメート基の脱離が起り、化合物(1-3)へ再変換することができる。
Alternatively, when only the cellulose derivative (final product) of the present invention is available, dithiocarbamate is converted to an amino group, and the compound (1-3) is converted back to the intermediate compound (1-3). By measuring the molecular weight distribution of the cellulose derivative, the molecular weight distribution of the cellulose derivative of the present invention can be determined.
The conditions for returning the cellulose derivative (final product) of the present invention to the compound (1-3) are not particularly limited, but a method of treating with a reducing agent (for example, Journal of environmental quality 1994 v.23 no.2 pp.279) -286) can be used.
Specifically, elimination of the dithiocarbamate group occurs by treating the cellulose derivative (final product) of the present invention with an acid such as hydrochloric acid or subjecting the cellulose derivative to a reducing condition using a reducing agent such as sodium borohydride. Can be reconverted to compound (1-3).

化合物(1-3)の分子量分布(Mw/Mn)は、ゲル浸透クロマトグラフィー(Gel Permeation Chromatography:GCP)により測定することができる。
GCPにおいて、ゲルろ過カラムに屈折率および光散乱を検出する検出器を接続した高速液体クロマトグラフィーシステムを用いることができる。高速液体クロマトグラフィーシステムとしては、例えば、Shodex GPC SYSTEM−21Hを用いることができる。検出器としては、例えば、示差屈折率検出器(RI)を用いることができる。このようなGCPの測定条件は以下の通りである。
溶媒:ジクロロメタン
カラム:TSKgel GMHXL(7.8×300mm)二本
ガードカラム:TSKgel guardcolumn HXL−H
試料濃度:2000ppm
流量:0.8mL/min
試料注入量:100μL
標準試料:PMMA(分子量1850、7360、29960、79500、201800、509000、625500)
カラム温度:28℃
The molecular weight distribution (Mw / Mn) of the compound (1-3) can be measured by gel permeation chromatography (Gel Permeation Chromatography: GCP).
In GCP, a high performance liquid chromatography system in which a gel filtration column is connected to a detector for detecting refractive index and light scattering can be used. For example, Shodex GPC SYSTEM-21H can be used as the high performance liquid chromatography system. As the detector, for example, a differential refractive index detector (RI) can be used. The measurement conditions of such a GCP are as follows.
Solvent: dichloromethane Column: two TSKgel GMHXL (7.8 × 300 mm) Guard column: TSKgel guardcolumn HXL-H
Sample concentration: 2000 ppm
Flow rate: 0.8 mL / min
Sample injection volume: 100 μL
Standard sample: PMMA (molecular weight 1850, 7360, 29960, 79500, 201800, 509000, 625500)
Column temperature: 28 ° C

重量平均分子量(Mw)および数平均分子量(Mn)のいずれも上記と同じ測定条件で測定できる。測定結果により得られた重量平均分子量と数平均分子量より下式に従い、分子量分布を算出することができる。
分子量分布=Mw/Mn
Mw:重量平均分子量、Mn:数平均分子量
Both the weight average molecular weight (Mw) and the number average molecular weight (Mn) can be measured under the same measurement conditions as described above. The molecular weight distribution can be calculated from the weight average molecular weight and the number average molecular weight obtained from the measurement results according to the following formula.
Molecular weight distribution = Mw / Mn
Mw: weight average molecular weight, Mn: number average molecular weight

以下、実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

実施例1(セルロース誘導体(MI3001)の調製)
窒素雰囲気下、二口ナスフラスコにセルロース(和光純薬工業(株)社製、分子量分布(Mw/Mn)=2.2)(3.02g,18.74mmol)、及び塩化リチウムのN,N−ジメチルアセトアミド溶液(65.0mL)を入れた。この反応容器に、Boc−β−alanine(7.09g,37.48mmol)、及びDMAP(4.58g,37.48mmol)を加えた後、反応系を0℃に冷却した。さらにEDC−HCl(7.19g,37.48mmol)を添加した後、反応系を室温に戻し、一晩撹拌した。MeOH/H2O(70/30,v/v)混合溶媒中に再沈殿することにより析出した固体を遠心分離により回収した。60℃で昇温真空乾燥し、下記式(I)で表される化合物を白色固体として得た(8.01g,73.0%)。1H−NMRの結果から、Boc−β−alanineの置換度は、2.48と算出された。
1H-NMR(500MHz, DMSO-d6)δ 7.23-6.59 (NH), 5.56-3.35 (glucose ring, CH), 1.47-1.35 (Boc), 1.35-1.04 (CH3)
Example 1 (Preparation of cellulose derivative (MI3001))
Under a nitrogen atmosphere, cellulose (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., molecular weight distribution (Mw / Mn) = 2.2) (3.02 g, 18.74 mmol) and N, N -Dimethylacetamide solution (65.0 mL) was charged. After Boc-β-alanine (7.09 g, 37.48 mmol) and DMAP (4.58 g, 37.48 mmol) were added to the reaction vessel, the reaction system was cooled to 0 ° C. After further adding EDC-HCl (7.19 g, 37.48 mmol), the reaction system was returned to room temperature and stirred overnight. The solid precipitated by reprecipitation in a mixed solvent of MeOH / H 2 O (70/30, v / v) was collected by centrifugation. The mixture was heated at 60 ° C. and dried under vacuum to obtain a compound represented by the following formula (I) as a white solid (8.01 g, 73.0%). From the result of 1 H-NMR, the degree of substitution of Boc-β-alanine was calculated to be 2.48.
1 H-NMR (500MHz, DMSO-d 6 ) δ 7.23-6.59 (NH), 5.56-3.35 (glucose ring, CH), 1.47-1.35 (Boc), 1.35-1.04 (CH 3 )

Figure 2020019888
Figure 2020019888

窒素雰囲気下、二口ナスフラスコに上記式(I)で表される化合物(1.98g,3.38mmol)、ジクロロメタン(43.56mL)、トリフルオロ酢酸(1.67mL,21.82mmol)を加え、室温で一晩撹拌した。ゲル化した反応系の上澄み液を除去した後、ゲルをMeOHに溶解させ、飽和炭酸水素ナトリウム水溶液に再沈殿した。析出した固体を遠心分離により回収し、真空乾燥することにより、下記式(II)で表される化合物を白色固体として得た(1.11g,53.0%)。
1H-NMR(500MHz,DMSO-d6)δ 7.22-6.53 (NH2), 5.73-3.28 (glucose ring, CH),1.35-1.01 (CH3)
Under a nitrogen atmosphere, a compound represented by the above formula (I) (1.98 g, 3.38 mmol), dichloromethane (43.56 mL), and trifluoroacetic acid (1.67 mL, 21.82 mmol) were added to a two-necked eggplant flask. And stirred at room temperature overnight. After removing the supernatant of the gelled reaction system, the gel was dissolved in MeOH and reprecipitated in a saturated aqueous sodium hydrogen carbonate solution. The precipitated solid was collected by centrifugation and dried under vacuum to obtain a compound represented by the following formula (II) as a white solid (1.11 g, 53.0%).
1 H-NMR (500MHz, DMSO-d 6 ) δ 7.22-6.53 (NH 2 ), 5.73-3.28 (glucose ring, CH), 1.35-1.01 (CH 3 )

Figure 2020019888
Figure 2020019888

得られた上記式(II)で表される化合物について、以下の条件のGCPにより分子量分布(Mw/Mn)を測定したところ、2.1であった。
溶媒:ジクロロメタン
カラム:TSKgel GMHXL(7.8×300mm)二本
ガードカラム:TSKgel guardcolumn HXL−H
試料濃度:2000ppm
流量:0.8mL/min
試料注入量:100μL
標準試料:PMMA(分子量1850、7360、29960、79500、201800、509000、625500)
カラム温度:28℃
The molecular weight distribution (Mw / Mn) of the obtained compound represented by the above formula (II) was measured by GCP under the following conditions and found to be 2.1.
Solvent: dichloromethane Column: two TSKgel GMHXL (7.8 × 300 mm) Guard column: TSKgel guardcolumn HXL-H
Sample concentration: 2000 ppm
Flow rate: 0.8 mL / min
Sample injection volume: 100 μL
Standard sample: PMMA (molecular weight 1850, 7360, 29960, 79500, 201800, 509000, 625500)
Column temperature: 28 ° C

ジメチルスルホキシド(86.0mL)、CS2(15.58mL)、10%水酸化テトラメチルアンモニウム(1.95mL)の混合溶液に、乳鉢で細かく砕いた上記式(II)で表される化合物(0.46g,0.74mmol)を入れ、遮光下、室温で2時間撹拌した。反応の進行は、IR測定により1489cm-1のC=S吸収の出現により確認した。反応系中の固体をメタノールを加えて洗浄し、遠心分離により回収した。真空乾燥し、白色固体としてMI3001(0.36g,69.0%)を得た。元素分析(S)の結果より、MI3001のジチオカルバメート基(−CS2 -)の総平均置換度は2.48と算出された。また、上記式(II)で表される化合物(中間体)の分子量分布(2.1)をMI3001の分子量分布とした。 In a mixed solution of dimethyl sulfoxide (86.0 mL), CS 2 (15.58 mL), and 10% tetramethylammonium hydroxide (1.95 mL), the compound represented by the above formula (II) finely crushed with a mortar was used. .46 g, 0.74 mmol) and stirred at room temperature for 2 hours under light shielding. The progress of the reaction was confirmed by the appearance of C = S absorption at 1489 cm -1 by IR measurement. The solid in the reaction system was washed by adding methanol, and collected by centrifugation. Vacuum drying provided MI3001 (0.36 g, 69.0%) as a white solid. From the results of the elemental analysis (S), the total average degree of substitution of the dithiocarbamate group (—CS 2 ) of MI3001 was calculated to be 2.48. The molecular weight distribution (2.1) of the compound (intermediate) represented by the above formula (II) was defined as the molecular weight distribution of MI3001.

Figure 2020019888
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実施例2(セルロース誘導体(MI2001)の調製)
原料として、分子量分布2.5のセルロース(和光純薬工業(株)社製)を使用したこと以外は、実施例1と同様にして、MI2001を得た。MI2001のジチオカルバメート基(−CS2 -)の総平均置換度は2.51、中間体の分子量分布は2.4であった。
Example 2 (Preparation of cellulose derivative (MI2001))
MI2001 was obtained in the same manner as in Example 1, except that cellulose having a molecular weight distribution of 2.5 (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used as a raw material. The total average degree of substitution of the dithiocarbamate group (—CS 2 ) of MI2001 was 2.51, and the molecular weight distribution of the intermediate was 2.4.

比較例1
原料として、広葉樹クラフト法パルプ50wt%、とリンターパルプ50wt%を混合した原料セルロース(Mw/Mn=4.5)を使用したこと以外は実施例1と同様にして、ジチオカルバメート基(DTC基)を有するセルロース誘導体を得た。DTC基の総平均置換度は2.48、中間体の分子量分布は4.2であった。
Comparative Example 1
Dithiocarbamate group (DTC group) in the same manner as in Example 1 except that raw material cellulose (Mw / Mn = 4.5) obtained by mixing 50% by weight of hardwood kraft pulp and 50% by weight of linter pulp was used as a raw material. Was obtained. The total degree of substitution of the DTC group was 2.48, and the molecular weight distribution of the intermediate was 4.2.

比較例2
原料として、酢酸菌から生成されたバイオセルロース(Mw/Mn=5.7)を使用したこと以外は実施例1と同様にして、ジチオカルバメート基(DTC基)を有するセルロース誘導体を得た。DTC基の総平均置換度は2.51、中間体の分子量分布は5.1であった。
Comparative Example 2
A cellulose derivative having a dithiocarbamate group (DTC group) was obtained in the same manner as in Example 1, except that biocellulose (Mw / Mn = 5.7) produced from acetic acid bacteria was used as a raw material. The total average degree of substitution of the DTC group was 2.51, and the molecular weight distribution of the intermediate was 5.1.

[評価]
セルロース誘導体のヒ素吸着力を下記方法で評価した。
1.試料溶液、及び緩衝溶液の調製
三酸化二ヒ素(As(III))(特級;和光純薬工業(株)製)を0.01MのNaOH溶液に溶解して10μMのAs(III)を含む試料溶液を調製した。また緩衝溶液については、0.1M MES緩衝溶液を調製し、1Mの硝酸又は1MのNaOH溶液を少量加えてpH3に調整した。
[Evaluation]
The arsenic adsorption power of the cellulose derivative was evaluated by the following method.
1. Preparation of sample solution and buffer solution Sample containing 10 μM As (III) by dissolving arsenic trioxide (As (III)) (special grade; manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) in 0.01 M NaOH solution A solution was prepared. As for the buffer solution, a 0.1 M MES buffer solution was prepared and adjusted to pH 3 by adding a small amount of 1 M nitric acid or 1 M NaOH solution.

2.固相カラムの作成と固相抽出
実施例1、2及び比較例1、2で得られた各セルロース誘導体の約1gを乳鉢に移し、粒径が約2mm以下となるまで乳棒ですりつぶした。硬く、乳棒ですりつぶせないところはハサミで切断した。
粉砕された各セルロース誘導体を0.050gはかり取り、内径2mm,長さ3cmのテフロン(登録商標)チューブに充填し、両端にテフロン(登録商標)ウールを詰めて、固相カラムをそれぞれ作製した。
得られた各固相カラムに内径2mmのシリコンチューブを接続してチューブポンプ(ペリスタポンプ、アズワン(株)製)により上記で調製した10μMのAs(III)を含む試料溶液を送液した。始めに各固相カラムに0.1M MES緩衝溶液(pH=3)10mLを送液してカラム内のpHを調整後、10μM試料溶液5mLを流速5mL/minで通液し、ヒ素の固相抽出を行った。溶出液5mLに1MのHClを1mL加えて保存した。溶出液中の金属濃度をICP−OES(サーモフィッシャーサイエンティフィック(株)製、iCAP6300DUO)で定量し、固相による吸着量を求めた。結果を表1に示す。表1より、本発明規定範囲内の分子量分布を有する実施例1、2のセルロース誘導体は、優れた重金属吸着力を発揮できることがわかった。一方、本発明規定範囲を超える分子量分布を有する比較例1、2のセルロース誘導体の重金属吸着力は、本発明のセルロース誘導体よりも劣るものであった。
2. Preparation of Solid Phase Column and Solid Phase Extraction About 1 g of each cellulose derivative obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 was transferred to a mortar and ground with a pestle until the particle size became about 2 mm or less. Hard and pestle-free parts were cut with scissors.
0.050 g of each crushed cellulose derivative was weighed out, filled in a Teflon (registered trademark) tube having an inner diameter of 2 mm and a length of 3 cm, and filled with Teflon (registered trademark) wool at both ends to prepare solid phase columns.
A silicon tube having an inner diameter of 2 mm was connected to each of the obtained solid phase columns, and a sample solution containing 10 μM As (III) prepared as described above was sent using a tube pump (Peristalpump, manufactured by As One Corporation). First, 10 mL of a 0.1 M MES buffer solution (pH = 3) is sent to each solid phase column to adjust the pH in the column, and then 5 mL of a 10 μM sample solution is passed at a flow rate of 5 mL / min, and the arsenic solid phase is passed. An extraction was performed. 1 mL of 1 M HCl was added to 5 mL of the eluate and stored. The metal concentration in the eluate was quantified by ICP-OES (iCAP6300DUO, manufactured by Thermo Fisher Scientific KK), and the amount of adsorption by the solid phase was determined. Table 1 shows the results. From Table 1, it was found that the cellulose derivatives of Examples 1 and 2 having a molecular weight distribution within the specified range of the present invention can exhibit excellent heavy metal adsorption power. On the other hand, the heavy metal-adsorbing power of the cellulose derivatives of Comparative Examples 1 and 2 having a molecular weight distribution exceeding the specified range of the present invention was inferior to that of the cellulose derivatives of the present invention.

Figure 2020019888
Figure 2020019888

Claims (6)

下記式(1)で表される繰り返し単位を有し、分子量分布(Mw/Mn)が4.0以下1.2以上である、セルロース誘導体。
Figure 2020019888
[式中、Rは、同一又は異なって、水素原子、又は下記式(a)で表される基である。セルロース誘導体に含まれる全てのRのうち、少なくとも1つは下記式(a)で表される基である]
Figure 2020019888
(式中、R1は単結合又は炭素数1〜10のアルキレン基を示し、R2は水素原子又は炭素数1〜10のアルキル基を示す。R3は、同一又は異なって、炭素数1〜10のアルキル基を示す)
A cellulose derivative having a repeating unit represented by the following formula (1) and having a molecular weight distribution (Mw / Mn) of 4.0 or less and 1.2 or more.
Figure 2020019888
Wherein R is the same or different and is a hydrogen atom or a group represented by the following formula (a). At least one of all Rs contained in the cellulose derivative is a group represented by the following formula (a)]
Figure 2020019888
(Wherein, R 1 represents a single bond or an alkylene group having 1 to 10 carbon atoms, R 2 represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms. R 3 is the same or different and has 1 carbon atom Represents an alkyl group of 10 to 10)
式(a)で表される基が、下記式(a-1)で表される基である、請求項1に記載のセルロース誘導体。
Figure 2020019888
(式中、R3は、同一又は異なって、炭素数1〜10のアルキル基を示し、R4は同一又は異なって、水素原子又は炭素数1〜3のアルキル基を示す。nは1〜3の整数を示す)
The cellulose derivative according to claim 1, wherein the group represented by the formula (a) is a group represented by the following formula (a-1).
Figure 2020019888
(Wherein, R 3 is the same or different and represents an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, and R 4 is the same or different and represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms. Indicates an integer of 3)
式(a)で表される基の総平均置換度が0.1〜2.95である、請求項1又は2に記載のセルロース誘導体。   The cellulose derivative according to claim 1 or 2, wherein the total degree of substitution of the group represented by the formula (a) is from 0.1 to 2.95. 下記工程を経て、請求項1〜3の何れか1項に記載のセルロース誘導体を得る、セルロース誘導体の製造方法。
[1] セルロースのヒドロキシル基に、アミノ基が保護されたアミノ酸を反応させ、その後、アミノ基の保護基を外す
[2] 硫黄化合物の存在下、脱保護したアミノ基に第4級アンモニウム塩(N+(R34-;R3は、同一又は異なって炭素数1〜10のアルキル基を示し、X-はカウンターアニオンを示す)を反応させる
A method for producing a cellulose derivative, wherein the cellulose derivative according to any one of claims 1 to 3 is obtained through the following steps.
[1] Cellulose hydroxyl group is reacted with an amino group-protected amino acid, and then the amino-protecting group is removed. [2] A quaternary ammonium salt is added to the deprotected amino group in the presence of a sulfur compound. N + (R 3 ) 4 X ; R 3 are the same or different and each represents an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, and X represents a counter anion.
請求項1〜3の何れか1項に記載のセルロース誘導体を含む、重金属吸着材。   A heavy metal adsorbent comprising the cellulose derivative according to claim 1. 請求項1〜3の何れか1項に記載のセルロース誘導体を用いた重金属除去方法。   A method for removing heavy metals using the cellulose derivative according to claim 1.
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