JP3829185B2 - β−アミノ酸の合成方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高圧下でβ−ラクトンにアミノ基を導入する方法及びそれによってβ−アミノ酸を合成する方法に関するものであり、更に詳しくは、高圧水条件下でβ−ラクトンとアンモニア、アンモニウム塩化合物あるいはアミンを反応させることによるβ−ラクトンへのアミノ基導入方法、及び上記方法によってβ−ラクトンからβ−アミノ酸を合成する方法に関するものである。
本発明は、β−ラクトンとアンモニア、アンモニウム塩化合物あるいはアミンを反応基質として用い、合成過程に有機溶媒、触媒を関与させること無しに、連続的に、あるいはバッチ方式によって、高圧下でβ−アミノ酸を製造することを可能とするものであり、産業技術として好適、かつ有用な方法を提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、一般的に、アミノ酸は、発酵法、加水分解法、有機合成法等の多様な方法により製造されているが、それらの方法のうち、例えば、β−アラニンの合成については、下記の化学式によるβ−プロピオラクトンからのβ−アラニン合成法（Ｆｏｒｄ，Ｏｒｇ．Ｓｙｓ．Ｃｏｌｌ．Ｖｏｌ．３，３４（１９５５））が報告されている。この合成方法において、β−アラニン（β−ａｌａｎｉｎｅ）は、アセトニトリル溶媒中でβ−プロピオラクトン（β−ｐｒｏｐｉｏｌａｃｔｏｎｅ）にアンモニアを反応させることで合成されている。
【０００３】
【化１】

【０００４】
このように、従来の化学合成方法では、合成反応に使用した毒性の高い有機溶媒の処理や発生する副生成物の人体に対する有害性等に対する対策や、それらの使用にあたっての安全性等に対する配慮等が必要となっている。また、合成規模が大きくなればなるほど、それらのウエートが増してくる。従って、使用した有毒性の有機溶媒等の処理が必要とされている。そのため、有毒基質物質、有機溶媒、触媒等を使用しない全く新しい合成方法を開発できれば、上記諸問題の根本的な解決策となり得る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、高圧水条件下でのβ−ラクトン対するアミノ基導入方法について種々研究を進める過程で、高圧水条件下でβ−ラクトンとアンモニア、アンモニウム塩化合物あるいはアミンを反応させることによりβ−ラクトンにアミノ基あるいはアルキルアミノ基を導入することができ、これによって、β−ラクトンからβ−アミノ酸を合成できることを見出し、かかる知見に基づいて更に研究を重ねて、本発明を完成させるに至った。
【０００６】
即ち、本発明は、高圧水条件下でβ−ラクトンにアンモニア、アンモニウム塩化合物あるいはアミンを反応させてアミノ基あるいはアルキルアミノ基を導入する新規のアミノ基導入方法及びアルキルアミノ基導入方法を提供することを目的とするものである。
また、本発明は、上記アミノ基導入方法により、β−ラクトンにアンモニア、アンモニウム塩化合物あるいはアミンを反応させてβ−アミノ酸を合成する新規のβ−アミノ酸の製造方法を提供することを目的とするものである。
また、本発明は、上記アミノ基導入方法により、例えば、β−プロピオンラクトンとアンモニアあるいはアンモニウム塩化合物からβ−アラニン等を製造する新規なβ−アミノ酸合成方法を提供することを目的とするものである。
【０００７】
更に、本発明は、高圧水条件下で、β−ラクトンにアンモニア、アンモニウム塩化合物あるいはアミンを反応器に導入し、連続的にβ−アミノ酸を合成するβ−アミノ酸連続合成方法を提供することを目的とするものである。
そして、本発明は、上記アミノ基導入方法により、β−ラクトンにアンモニア、アンモニウム塩化合物あるいはアミンを反応させてβ−ラクトンからβ−アミノ酸を合成し、得られた反応溶液に対してイオン交換樹脂を用いてβ−アミノ酸を分離精製することを特徴とする高純度のβ−アミノ酸の製造方法を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）高圧水条件下でβ−ラクトンをアンモニアあるいはアンモニウム塩化合物と反応させて開環したβ−ラクトンにアミノ基を導入することを特徴とするアミノ基の導入方法。
（２）高圧水条件下でβ−ラクトンをアミンと反応させて開環したβ―ラクトンにアルキルアミノ基を導入することを特徴とするアルキルアミノ基の導入方法。
（３）１０ＭＰａ以上の圧力範囲である高圧水条件下で反応させて開環したβ−ラクトンにアミノ基又はアルキルアミノ基を導入することを特徴とする上記（１）又は（２）に記載のアミノ基又はアルキルアミノ基の導入方法。
（４）高圧水条件下でβ−ラクトンをアンモニアあるいはアンモニウム塩化合物と反応させてβ−アミノ酸を合成することを特徴とするβ−アミノ酸の合成方法。
（５）高圧水条件下でβ−ラクトンをアミンと反応させてβ−アミノ酸を合成することを特徴とするβ−アミノ酸の合成方法。
（６）１０ＭＰａ以上の圧力範囲である高圧水条件下でβ−ラクトンを反応させてβ−アミノ酸を合成することを特徴とする上記（４）又は（５）に記載のβ−アミノ酸の合成方法。
（７）β−ラクトンとしてβ−プロピオラクトンを用いることを特徴とする上記（４）から（６）のいずれかに記載のβ−アミノ酸の合成方法。
（８）β−ラクトンを高圧水条件下の反応器に連続的に導入して反応させることを特徴とする上記（４）から（７）のいずれかに記載のβ−アミノ酸の合成方法。
（９）β−ラクトンを高圧水条件下の流通式反応器に連続的に導入して０．００１秒から３０分で反応させることを特徴とする上記（４）から（８）のいずれかに記載のβ−アミノ酸の合成方法。
（１０）高圧水条件下でβ−ラクトンとアンモニア、アンモニウム塩化合物あるいはアミンを反応基質として用い、β−アミノ酸を製造する方法であって、β−ラクトンを１０ＭＰａ以上の圧力範囲である高圧水条件下の反応器に連続的に導入して反応させ、得られた反応液をカラム分離剤で分離精製し、濃縮後、乾燥してβ−アミノ酸を得ることを特徴とするβ−アミノ酸の製造方法。
（１１）カラム分離剤としてイオン交換樹脂を用いること特徴とする上記（１０）に記載のβ−アミノ酸の製造方法。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明の説明を容易にするために、以下、β−プロピオンラクトンとアンモニア水溶液を高圧下で反応させて、例えば、β−アミノ酸であるβ−アラニンを合成した場合を例にとって詳細に説明するが、本発明は、これらの例に限定されるものではない。
本発明者らが、種々の実験を経て開発した本発明の合成法の代表的な例として、例えば、β−プロピオンラクトンとアンモニア水溶液を高圧水条件下の反応器に導入して高速で通過させることにより、β−アラニンを合成する方法が例示される。本発明の合成方法で使用する原料試薬は、β−ラクトンとアンモニア、アンモニウム塩化合物あるいはアミンだけである。本発明では、高圧水を反応場あるいは反応溶媒として用いており、有害な有機溶媒あるいは触媒は使用しないし、また、特に使用する必要はない。
【００１０】
従って、本発明の方法を用いれば、廃溶媒や廃触媒といった類の処理を必要とする廃棄物はほとんど排出されない。また、未反応の、β−ラクトン及びアンモニア、アンモニウム塩化合物あるいはアミンや使用水は本発明の反応に再使用することが可能である。更に、本発明の方法は、有用なβ−アミノ酸等のアミノ酸化合物製品を連続的に高速で合成できることから、それらの製造方法の手段として最も好適な方法であると考えられる。なお、この反応はバッチ型反応器においても実施できる。
【００１１】
本発明のβ−アミノ酸の製造方法について、以下に詳しく説明する。
本発明では、例えば、高圧水条件下でβ−ラクトンとアンモニア、アンモニウム塩化合物あるいはアミンを反応させ、β−ラクトンにアミノ基あるいはアルキルアミノ基を導入することによりβ−アミノ酸を合成することができる。
本発明に用いられるβ−ラクトンは下記の一般式で示され、式中、Ｒ₁ 、Ｒ₂、Ｒ₃ 及びＲ₄ はアルキル基又は水素である。アルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基等の炭素数１〜２０のものはいずれも使用することができる。β−ラクトンを例示すれば、例えば、β−プロピルラクトンを挙げることができるが、本発明は、これに限定されるものではない。
【００１２】
【化２】

【００１３】
本発明の高圧水条件下で上記のβ−ラクトンとアンモニアを反応させた場合、得られるβ−アミノ酸は、下記の一般式で表され、式中、Ｒ₁ 、Ｒ₂ 、Ｒ₃ 及びＲ₄ はアルキル基又は水素である。アルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基等の炭素数１〜２０のものはいずれも使用することができる。β−アミノ酸を例示すれば、例えば、β−アラニンを挙げることができるが、本発明は、これに限定されるものではない。
【００１４】
【化３】

【００１５】
本発明の高圧水条件下では生成した上記のβ−アミノ酸は、更に脱水して環化反応を起こして、β−ラクタムが副生する場合がある。得られるβ−ラクタムは、下記の一般式で表され、式中、Ｒ₁ 、Ｒ₂ 、Ｒ₃ 及びＲ4 はアルキル基又は水素である。アルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基等の炭素数１〜２０のものはいずれも使用することができる。β−ラクタムを例示すれば、例えば、β−プロピオンラクタムを挙げることができるが、本発明は、これに限定されるものではない。
【００１６】
【化４】

【００１７】
本発明で用いられるアミンは、アンモニアの水素原子をアルキル基で置換した化合物であり、置換された水素原子の数が１個、２個及び３個の場合をそれぞれ一級アミン、二級アミン及び三級アミンと称しており、いずれも、本発明に有効に用いることができる。本発明で好適に用いられる一級アミンはＲＮＨ₂ で示すことができ、Ｒはアルキル基であり、アルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基等の炭素数１〜２０のものはいずれも使用することができる。
【００１８】
本発明の高圧水条件下で上記のβ−ラクトンと、例えば、Ｒ₅ ＮＨ₂ で示される一級アミンを反応させた場合、得られるβ−アミノ酸は、下記の一般式で表され、式中、Ｒ₁ 、Ｒ₂ 、Ｒ₃ 及びＲ₄ はアルキル基又は水素であり、及びＲ₅ はアルキル基である。アルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基等の炭素数１〜２０のものはいずれも使用することができる。β−アミノ酸を例示すれば、例えば、Ｎ−メチルβ−アラニン、Ｎ−エチルβ−アラニン等を挙げることができるが、本発明は、これらに限定されるものではない。
【００１９】
【化５】

【００２０】
本発明の高圧水条件下では生成した上記のβ−アミノ酸は、更に脱水して環化反応を起こして、β−ラクタムが副生する場合がある。得られるβ−ラクタムは、下記の一般式で表され、式中、Ｒ₁ 、Ｒ₂ 、Ｒ₃ 及びＲ₄ はアルキル基又は水素であり、及びＲ₅ はアルキル基である。アルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基等の炭素数１〜２０のものはいずれも使用することができる。
【００２１】
【化６】

【００２２】
本発明の方法において、高圧水は反応器の外からヒーターや溶融塩等を用いて温度を制御することが可能であり、あるいは反応器内で内熱方式で温度制御することも可能である。また、予め適切な温度設定した高圧水を製造しておき、外部から反応器内に注入して反応させることもできる。温度圧力条件の異なる２種類以上の高圧水を反応系に供給して反応条件を制御することも可能である。反応容器内での圧力は流通式であれば圧力調整弁で制御することができる。また、バッチ方式による反応圧力は、例えば、使用温度における自生圧力を計算することができる。更に、窒素ガスなどの他の気体を注入することによって圧力をコントロールすることもできる。一般的には、使用する圧力は使用温度における自生圧力以上であればよい。
【００２３】
基本的には、室温以上の温度及び１０ＭＰａ以上の圧力に設定された高圧水条件下であれば本発明は達成されるが、温度５０℃以上及び圧力１０ＭＰａ以上の高圧水条件下では、より好適に本発明を達成できる。更に、５０〜４５０℃の温度範囲及び１０〜５０ＭＰａの圧力範囲の高圧水条件を選択すれば最も好適に本発明は達成される。最適の温度条件は処理時間によっても変化するが、一般に、好適には５０℃から４５０℃の温度範囲を選択できる。また、処理量や反応装置によって適宜の温度及び圧力条件を採用すればよい。
反応装置としては、例えば、高圧反応装置が使用されるが、これに限らず、高圧水条件下の反応系を設定できる装置であれば、その種類は制限されない。ここで、好適な反応装置として、例えば、本発明で使用した流通式の高圧反応装置が例示される。市販のオートクレーブは好適に用いられる。
【００２４】
本発明の方法において、反応条件は、使用するβ−ラクトンの種類及び濃度、アンモニア、アンモニウム塩化合物やアミンの種類及び濃度、反応時間、高温高圧水条件によっても変化する。
本発明では、反応基質のβ−ラクトンとしては、例えば、β−プロピオンラクトンが例示される。本発明では、反応に用いるβ−ラクトンは１種類に限定されるものでなく、２種類以上の混合物を用いても反応は好適に進行する。
【００２５】
流通方式の装置を用いる場合は、例えば、キャリヤー水として用いる５〜３００℃の高い温度に設定した高圧水の流速及び反応基質であるβ−ラクトン、アンモニア、アンモニウム塩化合物やアミンの導入流速を制御することによって反応器に導入するβ−ラクトンの濃度をコントロールできる。β−ラクトンやアンモニア、アンモニウム塩化合物あるいはアミンの基質溶液を作製してキャリヤー水中で反応させるが、β−ラクトンとアンモニア、アンモニウム塩化合物あるいはアミンは同時に、あるいは別個にキャリヤー水中に導入して反応させることができる。β−ラクトンとアンモニア、アンモニウム塩化合物あるいはアミンは、予めキャリヤー水中に溶解して反応に供してもよい。
【００２６】
通常、反応器に導入するβ−ラクトンの基質濃度としては１ｍＭから２０Ｍの濃度範囲で選択できる。好適には５ｍＭから２０Ｍの間の適宜な濃度の値を選択でき、最も好適には１０ｍＭから１０Ｍの間の適宜な濃度の値が選択されるが、本発明は、これらの濃度の値に限定されるものではない。バッチ法の場合は、単に仕込みのβ−ラクトンの濃度を制御すればよい。反応器内のβ−ラクトンの濃度は、反応に関与する高圧水の密度によって変化する。本発明では、β−ラクトンの種類に応じて、反応系の温度、圧力、反応時間、反応基質の濃度とアンモニア、アンモニウム塩化合物あるいはアミンの濃度を調節することによって、β−ラクトンに対するアミノ基あるいはアルキルアミノ基の導入量、β−アミノ酸の生成種、生成量あるいは収率を操作することができる。
【００２７】
反応に用いるアンモニアとしては、通常、例えば、濃度２８％のアンモニア水ないし液化アンモニアが好適に用いられるが、気体状のアンモニアを高温高圧水に導入しても反応は進行する。アンモニウム塩化合物としては、例えば、酢酸アンモニウム、炭酸アンモニウム、ギ酸アンモニウム、塩化アンモニウム、硫酸アンモニウム等が好適に用いられる。
【００２８】
反応に用いるアミンとして、一級アミン、二級アミン、三級アミンあるいはアルキル第四級アンモニウム塩はいずれも本発明に用いることができる。アルキル基としては、炭素数１〜２０のものであれば好適に使用できる。これらのアミンとして、例えば、メチルアミン、ジメチルアミン、トリメチルアミン、メチル第四級アンモニウム塩、ジメチル第四級アンモニウム塩、トリメチル第四級アンモニウム塩、エチルアミン、ジエチルアミン、メチルエチルアミン、トリエチルアミン、プロピルアミン、ブチルアミンなどを例示することができるが、本発明は、これらに限定されるものではない。
【００２９】
アンモニア、アンモニウム塩化合物やアミンは、通常、反応基質であるβ−ラクトンと混合して反応器内に導入される場合が多い。その際、アンモニア、アンモニウム塩化合物やアミンは、通常、水溶液として用いられ、また、液化アンモニアを用いた場合も最終的には水溶液となり、反応濃度は、β−ラクトンの基質の１〜１０００倍の濃度範囲の適宜な値から選択できる。好適にはβ−ラクトンの基質の１〜１００倍の濃度範囲の適宜な値から選択できる。最も好適にはβ−ラクトンの基質の１〜５０倍の濃度範囲の適宜な値から選択できる。
【００３０】
例えば、アンモニア水溶液、アンモニウム塩化合物水溶液あるいはアミン水溶液の濃度は、１ｍＭから３０Ｍ、好適には５ｍＭから３０Ｍの値を選択できる。最も好適には１０ｍＭから２０Ｍの間の適宜な値を選択できるが、本発明は、これらの濃度の値に限定されるものではない。なお、β−ラクトンとアンモニア、アンモニウム塩化合物やアミンは同一の基質溶液として反応させてもよいが、別々に反応器に導入しても、また、キャリヤー水に直接混合して使用しても本発明の反応は進行する。また、アンモニアとアンモニウム塩あるいはアミンを適宜に混合して用いても本発明の反応は達成される。
【００３１】
本発明では、キャリヤー流体と基質流体の混合割合の設定が反応温度を決定するのに重要であり、更に通常は、キャリヤー流体と基質流体の送液速度をコントロールすることによって混合比を制御することができる。キャリヤー流体の流速を１とした場合、通常、基質流体の流速は０．００１〜１００の範囲の値を適宜選択できるが、好適には０．０１〜５０、より好適には０．０５〜５０及び最も好適には０．１〜５０の範囲の値を選択するのがよい。
【００３２】
同じ流速を用いても、反応容器の大きさ、断面積、長さ等によって使用する流量が変動するので、流速の代わりに線速度を用いることができる。本発明では、キャリヤー流体や基質流体の流量は、通常、１０^-4〜１０⁴ ｍ／ｓｅｃの線速度の流量を用いることができる。好適には１０^-3〜１０³ ｍ／ｓｅｃの線速度の流量を、より好適には１０^-3〜１０² ｍ／ｓｅｃの線速度の流量を、及び最も好適には１０^-2〜１０² ｍ／ｓｅｃの線速度の流量を用いるのが望ましい。また、キャリヤー流体と基質流体の混合比は線速度の比で表すこともできる。キャリヤー流体の線速度を１とした場合、通常、基質流体の線速度は０. ００１〜１００の範囲の値を適宜選択できるが、好適には０．０１〜５０、より好適には０．０５〜５０及び最も好適には０．１〜５０の範囲の値を選択するのがよい。
【００３３】
本発明の反応系は、室温以上の温度、及び１０ＭＰａ以上の圧力の高圧水中に上記反応基質のβ−ラクトンとアンモニア、アンモニウム塩化合物あるいはアミンを存在させればよく、その際、例えば、金属イオン、酸、あるいは塩基等のような水溶性の触媒、金属担持触媒、固体酸、固体塩基等の固体触媒あるいは酵素等は、特に添加する必要がなく、また、有機溶媒を使用する必要もない。
【００３４】
本発明は、基本的には、高圧水中に上記反応基質を存在させて、無触媒条件下で、あるいは有機溶媒を反応に関与させることなく、β−ラクトンとアンモニア、アンモニウム塩化合物あるいはアミンを反応させてβ−ラクトンにアミノ基あるいはアルキルアミノ基を導入すること、及びそれによりβ−アミノ酸を合成することを最大の特徴としているが、必要により、メタノール、エタノール、エチレングリコール等の有機溶媒、金属イオン、酸、あるいは塩基等のような水溶性の触媒、金属担持触媒、固体酸、固体塩基等の固体触媒あるいは酵素を添加して反応させても一向にさしつかえない。
【００３５】
本発明では、上記反応系により、例えば、反応時間０．００１秒から３０分程度の時間でβ−ラクトンにアミノ基あるいはアルキルアミノ基が導入され、それによってβ−アミノ酸が合成される。例えば、流通式反応装置を用いる場合、反応時間は、反応温度、反応圧力、高圧水の流速、反応基質の導入流速、反応器の大きさ、反応器の流通経路の長さ等を制御することによって反応時間をコントロールできる。好適には反応時間は０．０１秒から２０分の範囲の値を選択でき、最も好適には０．０１秒から１０分の範囲の値を選択できるが、本発明は、これらの値に限定されるものではない。
【００３６】
本発明者らは、後記する実施例に示されるように、高温高圧水条件下では、短時間（例えば、反応時間０．１秒前後）でβ−ラクトンへのアミノ基あるいはアルキルアミノ基の導入が可能であることを、高速液体クロマトグラフィー質量分析装置（ＬＣ−ＭＳ装置）やフリエー赤外分光光度計（ＦＴＩＲ装置）を用いて確認している。更に、ＬＣ−ＭＳ装置を用いることにより、β−ラクトンやβ−アミノ酸の種類を分離して同定でき、それらの含有量を正確に定量できる。また、連続的に得られるβ−アミノ酸をイオン交換樹脂等を用いて分離精製して、ＦＴＩＲ装置により赤外線吸収スペクトルを計測し、純度の高い特級試薬製品のそれと比較することにより、β−アミノ酸の種類や純度を正確に知ることができる。同様に、ＮＭＲ測定によってもβ−アミノ酸の種類や純度を確認できる。
例えば、流通式装置を用いて６６〜４００℃、圧力１５〜４０ＭＰａ及び反応時間０．０２〜０．３８秒の条件下で、３４〜４４７ｍＭ濃度のβ−プロピオンラクトンとアンモニア水から２．１〜１０．３ｍＭ濃度のβ−アラニンが合成できた。
【００３７】
本発明では、β−ラクトンとアンモニア、アンモニウム塩化合物あるいはアミンの反応によってβ−アミノ酸が主成分として生成するが、反応条件によってはβ−ラクタムが副生する場合がある。β−ラクタムは、一般的には、２００℃より低い温度の反応では副生しないか、あるいは微量から少量の場合が多く、２５０℃より高い温度では副生する量が増加する傾向が認められる。恐らく、β−アミノ酸の環化反応によってβ−ラクタムが生成すると考えられる。
【００３８】
本発明で生成したアミノ酸の反応収率は、温度、圧力等の反応条件、β−ラクトンの種類、β−ラクトンの濃度、アンモニア、アンモニウム化合物あるいはアミンの濃度、反応装置の形態、反応器の大きさ等によって変動する。例えば、流通式装置を用いたβ−アラニン合成の場合の反応収率は２．１％から６．０％であった。これらのβ−アラニンは、原料のβ−プロピオンラクトン等と混合して回収される。同様に、本発明によって種々のβ−ラクトンあるいはそれらの混合物から多種のβ−アミノ酸が原料基質とともに回収されるが、反応後、得られた反応液をイオン交換樹脂、例えば、陽イオン交換樹脂や陰イオン交換樹脂あるいはそれらの併用によってβ−アミノ酸と原料基質を分離精製でき、更に、β−アミノ酸同士の分離も可能であるので、β−アミノ酸は、その種類毎に精製濃縮できる。
【００３９】
また、同時に回収された原料基質は、再度原料として用いることができる。また、イオン交換樹脂の代わりに、アルミナ、逆相用シリカゲル、ゼオライト、セルロース、カーボン等の一般的な適宜のアミノ酸分離用資材を利用してβ−アミノ酸を分離精製することもできる。
従って、高圧水条件下で有機酸とアンモニア、アンモニウム塩化合物あるいはアミンを反応させてβ−アミノ酸を合成し、得られた反応溶液に対してイオン交換樹脂、アルミナ、逆相用シリカゲル、セルロース等のアミノ酸分離材を用いてアミノ酸を分離精製して、高純度のβ−アミノ酸を好適に製造できる。
【００４０】
【作用】
本発明では、高圧水条件下のキャリヤー水中に、反応基質として所定の濃度のβ−ラクトンとアンモニア、アンモニウム塩化合物あるいはアミンを存在させることにより、例えば、β−プロピオンラクトン及びアンモニアからβ−アラニンが合成される。この場合、アンモニアに代えて、例えば、メチルアミン、ジメチルアミン又はエチルアミンとβ−プロピオンラクトンをそれぞれ反応させることによりアルキルアミノ基がβ−プロピオンラクトンに導入され、Ｎ−メチルβ−アラニン、Ｎ−ジメチルβ−アラニン又はＮ−エチルβ−アラニンが合成される。
【００４１】
これらのことから、本発明は、上記反応系において、反応条件、反応基質のβ−ラクトンの種類、β−ラクトンの濃度及びアンモニア水溶液、アンモニウム塩化合物あるいはアミンの濃度を調節することにより、β−ラクトンにアミノ基あるいはアルキルアミノ基を導入すること、及びそれによりβ−アミノ酸を短時間で合成することを可能とし、新規のアミノ基の導入方法あるいはアルキルアミノ基の導入方法及びβ−アミノ酸の製造方法として有用である。
【００４２】
【実施例】
次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
実施例１
図１に示す連続式反応装置を用い、温度１５０℃、圧力３０ＭＰａ及び密度０．９３３ｇ／ｃｍ³ の高圧水条件下でβ−プロピオンラクトン（和光純薬社製特級試薬）とアンモニア水（和光純薬社製特級試薬）を反応させ、アミノ基の導入によるβ−アラニンの連続合成を試みた。
反応器材料は、合金Ｃ−２７６であり、反応器内径：０．６５ｍｍ及び反応器長さ：２５ｃｍであり、従って、反応器容積は０．０８３ｃｍ³ と算出された。各導入調製液は高圧送液ポンプで注入した。反応に使用した水は蒸留水を使用し、窒素ガスでバブリングして溶存酸素を追い出したキャリヤー水を７．７ｍｌ／ｍｉｎ（線速度：０．３９ｍ／ｓｅｃ）の流速で通水した。同様に処理した蒸留水を用い、０．５００Ｍのβ−プロピオンラクトン及び２．３１Ｍアンモニア水を含有した基質溶液を調製し、この基質溶液を５．５ｍｌ／ｍｉｎ（線速度：０．２８ｍ／ｓｅｃ）の流速で反応器に導入した。
【００４３】
高圧水の流速は１３．２ｍｌ／ｍｉｎ（線速度：０．６６ｍ／ｓｅｃ）であった。反応器に入る前の各基質濃度はβ−プロピオンラクトン：０．２０８Ｍ及びアンモニア水：０．９６３Ｍであった。反応時間は０．３５２秒であり、反応後の水溶液を高速液体クロマトグラフィー質量分析装置で調べた所、β−プロピオンラクトンにアミノ基が導入され、β−アラニンが生成していることを確認した。β−アラニンの含有濃度は６．６ｍＭであり、その反応収率は３．２％であった。また、副生成物として少量のβ−プロピオンラクタムが認められた。β−プロピオンラクタムの含有濃度は０．１ｍＭであり、その反応収率は０．０５％であった。
【００４４】
実施例２
実施例１と同様に反応させて、β−プロピオンラクトンとアンモニア水からβ−アラニンの連続合成を試みた。ただし、図２に示した連続反応装置を用い、別々に調製した１．００Ｍβ−プロピオンラクトンと５．３１Ｍアンモニア水溶液を異なった２つの送水ポンプで反応器に注入し、反応条件を一部下記の様に変更して実施した。
（反応条件）
反応温度：１００℃
反応圧力：３０ＭＰａ
高圧水密度：０．９７２ｇ／ｃｍ³
キャリヤー水流速：４ｍｌ／ｍｉｎ（線速度：０．２０ｍ／ｓｅｃ）
基質溶液（１．００Ｍβ−プロピオンラクトン水溶液）流速：４．４ｍｌ／ｍｉｎ（線速度：０．２２ｍ／ｓｅｃ）
基質溶液（５．３１Ｍアンモニア水溶液）流速：４．４ｍｌ／ｍｉｎ（線速度：０．２２ｍ／ｓｅｃ）
高圧水流速：１２．８ｍｌ／ｍｉｎ（線速度：０．６４ｍ／ｓｅｃ）
【００４５】
反応器に入る前の各基質濃度はβ−プロピオンラクトン：０．３４４Ｍ及びアンモニア水：１．８２５Ｍであった。反応時間は０．３７８秒であり、反応後の水溶液を高速液体クロマトグラフィー質量分析装置で調べた所、β−プロピオンラクトンにアミノ基が導入され、β−アラニンが生成していることを確認した。β−アラニンの含有濃度は９．３ｍＭであり、その反応収率は２．７％であった。また、副生成物として少量のβ−プロピオンラクタムが認められた。β−プロピオンラクタムの含有濃度は０．２ｍＭであり、その反応収率は０．０６％であった。
【００４６】
実施例３
実施例１と同様に反応させて、１．０８５Ｍのβ−プロピオンラクトンと５．００２Ｍのアンモニア水からβ−アラニンの連続合成を試みた。ただし、反応条件を下記の様に変更して実施した。
（反応条件）
反応温度：３００℃
反応圧力：３０ＭＰａ
高圧水密度：０．７５１ｇ／ｃｍ³
キャリヤー水流速：２０ｍｌ／ｍｉｎ（線速度：１．００ｍ／ｓｅｃ）
基質溶液流速：５ｍｌ／ｍｉｎ（線速度：０．２５ｍ／ｓｅｃ）
高圧水流速：２５ｍｌ／ｍｉｎ（線速度：１．２６ｍ／ｓｅｃ）
【００４７】
反応器に入る前の各基質濃度はβ−プロピオンラクトン：０．２１７Ｍ及びアンモニア水：１．００４Ｍであった。反応時間は０．１５秒であり、反応後の水溶液を高速液体クロマトグラフィー質量分析装置で調べた所、β−プロピオンラクトンだけが検出され、β−アラニンの生成していることを確認した。β−アラニンの含有濃度は８．６ｍＭであり、その反応収率は４．０％であった。また、副生成物として少量のβ−プロピオンラクタムが認められた。β−プロピオンラクタムの含有濃度は０．７ｍＭであり、その反応収率は０．３％であった。
【００４８】
比較例
実施例１と同様の反応装置を使用して、０．５Ｍのβ−プロピオンラクトンと２．３０６Ｍのアンモニア水からβ−アラニンの連続合成を試みた。ただし、キャリヤー水を用いないで、基質溶液だけを送液し、反応条件を下記の様に変更して実施した。
（反応条件）
反応温度：２５℃
反応圧力：０．１ＭＰａ
反応水溶液密度：１．０ｇ／ｃｍ³
基質溶液流速：１８．０ｍｌ／ｍｉｎ（線速度：０．９０ｍ／ｓｅｃ）
【００４９】
反応器に入る前の各基質濃度はβ−プロピオンラクトン：０．５Ｍ及びアンモニア水：２．３０６Ｍであった。反応時間は０．２７７秒であり、反応後の水溶液を高速液体クロマトグラフィー質量分析装置で調べた所、原料のβ−プロピオンラクトンだけが検出され、β−アラニンは全く得られなかった。
【００５０】
実施例４
実施例１と同様に反応させて、０．５Ｍβ−プロピオンラクトンと２．３０６Ｍアンモニア水からβ−アラニンの連続合成を試みた。ただし、反応条件を一部下記の様に変更して実施した。
（反応条件）
反応温度：６６℃
反応圧力：１５ＭＰａ
高圧水密度：０．９８７ｇ／ｃｍ³
キャリヤー水流速：３ｍｌ／ｍｉｎ（線速度：０．１５ｍ／ｓｅｃ）
基質溶液流速：１５ｍｌ／ｍｉｎ（線速度：０．７５ｍ／ｓｅｃ）
高圧水流速：１８ｍｌ／ｍｉｎ（線速度：０．９０ｍ／ｓｅｃ）
【００５１】
反応器に入る前の各基質濃度はβ−プロピオンラクトン：０．４１７Ｍ及びアンモニア水：１．９２２Ｍであった。反応時間は０．２７３秒であり、反応後の水溶液を高速体クロマトグラフィー質量分析装置で調べた所、β−プロピオンラクトンにアミノ基が導入され、β−アラニンが生成していることを確認した。β−アラニンの含有濃度は８．７ｍＭであり、その反応収率は２．１％であった。また、副生成物として少量のβ−プロピオンラクタムが認められた。β−プロピオンラクタムの含有濃度は０．２ｍＭであり、その反応収率は０．０５％であった。
【００５２】
実施例５
実施例４と全く同じ条件で２時間、連続してβ−プロピオンラクトンとアンモニア水を反応させた。得られた反応溶液を陽イオン交換樹脂（ダウケミカル社製５０Ｗ−Ｘ８）カラムに通して原料のβ−プロピオンラクトンと生成したβ−アラニンを分離し、β−アラニン含有溶液を濃縮精製後、エタノールにて析出させ、濾過、乾燥して、本発明製品１．３１ｇを得た。得られた本発明製品は、純白の粉末状をしており、ＦＴＩＲ吸収スペクトル結果及びＮＭＲ測定結果から不純物をほとんど含まない高純度のβ−アラニンであることを確認した。
【００５３】
実施例６
実施例１と同様に反応させて、０．７８９Ｍのβ−プロピオンラクトンと４．１９３Ｍのアンモニア水からβ−アラニンの連続合成を試みた。ただし、反応条件を一部下記の様に変更して実施した。
（反応条件）
反応温度：２５０℃
反応圧力：４０ＭＰａ
高圧水密度：０．８４ｇ／ｃｍ³
キャリヤー水流速：６．５ｍｌ／ｍｉｎ（線速度：０．３３ｍ／ｓｅｃ）
基質溶液流速：８．５ｍｌ／ｍｉｎ（線速度：０．４３ｍ／ｓｅｃ）
高圧水流速：１５．０ｍｌ／ｍｉｎ（線速度：０．７５ｍ／ｓｅｃ）
【００５４】
反応器に入る前の各基質濃度はβ−プロピオンラクトン：０．４４７Ｍ及びアンモニア水：２．３７６Ｍであった。反応時間は０．２７９秒であり、反応後の水溶液を高速液体クロマトグラフィー質量分析装置で調べた所、β−プロピオンラクトンにアミノ基が導入され、β−アラニンが生成していることを確認した。β−アラニンの含有濃度は１０．３ｍＭであり、その反応収率は２．３％であった。また、副生成物として少量のβ−プロピオンラクタムが認められた。β−プロピオンラクタムの含有濃度は０．９ｍＭであり、その反応収率は０．２％であった。
【００５５】
実施例７
実施例１と同様に反応させて、０．２２Ｍのβ−プロピオンラクトンと５．００２Ｍのアンモニア水からβ−アラニンの連続合成を試みた。ただし、反応条件を一部下記の様に変更して実施した。
（反応条件）
反応温度：３７４℃
反応圧力：３０ＭＰａ
高圧水密度：０．５５８ｇ／ｃｍ³
キャリヤー水流速：１０ｍｌ／ｍｉｎ（線速度：０．５０ｍ／ｓｅｃ）
基質溶液流速：５ｍｌ／ｍｉｎ（線速度：０．２５ｍ／ｓｅｃ）
高圧水流速：１５ｍｌ／ｍｉｎ（線速度：０．７５ｍ／ｓｅｃ）
【００５６】
反応器に入る前の各基質濃度はβ−プロピオンラクトン：０．０７３Ｍ及びアンモニア水：１．６６７Ｍであった。反応時間は０．１８５秒であり、反応後の水溶液を高速液体クロマトグラフィー質量分析装置で調べた所、β−プロピオンラクトンにアミノ基が導入され、β−アラニンが生成していることを確認した。β−アラニンの含有濃度は３．８ｍＭであり、その反応収率は５．２％であった。また、副生成物としてβ−プロピオンラクタムが認められた。β−プロピオンラクタムの含有濃度は１．５ｍＭであり、その反応収率は２．１％であった。
【００５７】
実施例８
実施例６と同様に反応させて、０．７８９Ｍのβ−プロピオンラクトンと４．１９３Ｍのアンモニア水からβ−アラニンの連続合成を試みた。ただし、反応条件を一部下記の様に変更して実施した。
（反応条件）
反応温度：３８３℃
反応圧力：１５ＭＰａ
高圧水密度０．０６８３ｇ／ｃｍ³
キャリヤー水流速：１４．４ｍｌ／ｍｉｎ（線速度：０．７２ｍ／ｓｅｃ）
基質溶液流速：０．７ｍｌ／ｍｉｎ（線速度：０．０４ｍ／ｓｅｃ）
高圧水流速：１５．１ｍｌ／ｍｉｎ（線速度：０．７６ｍ／ｓｅｃ）
【００５８】
反応器に入る前の各基質濃度はβ−プロピオンラクトン：０．０３４Ｍ及びアンモニア水：０．１８２Ｍであった。反応時間は０．０２３秒であり、反応後の水溶液を高速液体クロマトグラフィー質量分析装置で調べた所、β−プロピオンラクトンにアミノ基が導入され、β−アラニンが生成していることを確認した。β−アラニンの含有濃度は２．１ｍＭであり、その反応収率は６．０％であった。また、副生成物としてβ−プロピオンラクタムが認められた。β−プロピオンラクタムの含有濃度は０．７ｍＭであり、その反応収率は２．１％であった。
【００５９】
実施例９
実施例３と同様に反応させて、１．０８５Ｍのβ−プロピオンラクトンと５．００２Ｍのアンモニア水からβ−アラニンの連続合成を試みた。ただし、反応条件を一部下記の様に変更して実施した。
（反応条件）
反応温度：４００℃
反応圧力：３０ＭＰａ
高圧水密度：０．３５８ｇ／ｃｍ³
キャリヤー水流速：２０ｍｌ／ｍｉｎ（線速度：１．００ｍ／ｓｅｃ）
基質溶液流速：５ｍｌ／ｍｉｎ（線速度：０．２５ｍ／ｓｅｃ）
高圧水流速：２５ｍｌ／ｍｉｎ（線速度：１．２６ｍ／ｓｅｃ）
【００６０】
反応器に入る前の各基質濃度はβ−プロピオンラクトン：０．２１７Ｍ及びアンモニア水：１Ｍであった。反応時間は０．０７１秒であり、反応後の水溶液を高速液体クロマトグラフィー質量分析装置で調べた所、β−プロピオンラクトンにアミノ基が導入され、β−アラニンが生成していることを確認した。β−アラニンの含有濃度は６．５ｍＭであり、その反応収率は３．０％であった。また、副生成物としてβ−プロピオンラクタムが認められた。β−プロピオンラクタムの含有濃度は１．２ｍＭであり、その反応収率は０．６％であった。
【００６１】
実施例１０
実施例１と同様に反応させて、１．０８５Ｍのβ−プロピオンラクトンと６．１３９Ｍの塩化アンモニア水溶液からβ−アラニンの連続合成を試みた。ただし、反応条件を一部下記の様に変更して実施した。
（反応条件）
反応温度：３７４℃
反応圧力：３０ＭＰａ
高圧水密度：０．５５８ｇ／ｃｍ³
キャリヤー水流速：１０ｍｌ／ｍｉｎ（線速度：０．５０ｍ／ｓｅｃ）
基質溶液流速：５ｍｌ／ｍｉｎ（線速度：０．２５ｍ／ｓｅｃ）
高圧水流速：１５ｍｌ／ｍｉｎ（線速度：０．７５ｍ／ｓｅｃ）
【００６２】
反応器に入る前の各基質濃度はβ−プロピオンラクトン：０．３６２Ｍ及び塩化アンモニウム水溶液：１．６６７Ｍであった。反応時間は０．１８５秒であり、反応後の水溶液を高速液体クロマトグラフィー質量分析装置で調べた所、β−プロピオンラクトンにアミノ基が導入され、β−アラニンが生成していることを確認した。β−アラニンの含有濃度は１．２ｍＭであり、その反応収率は０．３３％であった。また、副生成物としてβ−プロピオンラクタムが認められた。β−プロピオンラクタムの含有濃度は０．２ｍＭであり、その反応収率は０．０６％であった。
【００６３】
実施例１１
実施例１と同様に反応させて、１．０８５Ｍのβ−プロピオンラクトンと４．１９８Ｍのメチルアミンを含有した基質溶液からＮ−メチルβ−アラニンの連続合成を試みた。ただし、反応条件を一部下記の様に変更して実施した。
（反応条件）
反応温度：３７４℃
反応圧力：３０ＭＰａ
高圧水密度：０．５５８ｇ／ｃｍ³
キャリヤー水流速：１０ｍｌ／ｍｉｎ（線速度：０．５０ｍ／ｓｅｃ）
基質溶液流速：５ｍｌ／ｍｉｎ（線速度：０．２５ｍ／ｓｅｃ）
高圧水流速：１５ｍｌ／ｍｉｎ（線速度：０．７５ｍ／ｓｅｃ）
【００６４】
反応器に入る前の各基質濃度はβ−プロピオンラクトン：０．３６２Ｍ及びメチルアミン：１．３９９Ｍであった。反応時間は０．１８５秒であり、反応後の水溶液を高速液体クロマトグラフィー質量分析装置で調べた所、β−プロピオンラクトンにメチルアミノ基が導入され、Ｎ−メチルβ−アラニンが生成していることを確認した。Ｎ−メチルβ−アラニンの含有濃度は０．４１ｍＭであり、その反応収率は０．１１％であった。また、副生成物としてβ−メチルプロピオンラクタムが認められた。β−メチルプロピオンラクタムの含有濃度は０．０６ｍＭであり、その反応収率は０．０２％であった。
【００６５】
実施例１２
実施例１と同様に反応させて、１．０８５Ｍのβ−プロピオンラクトンと５．０６１Ｍのエチルアミンを含有した基質溶液からＮ−エチルβ−アラニンの連続合成を試みた。ただし、反応条件を一部下記の様に変更して実施した。
（反応条件）
反応温度：３７４℃
反応圧力：３０ＭＰａ
高圧水密度：０．５５８ｇ／ｃｍ³
キャリヤー水流速：１０ｍｌ／ｍｉｎ（線速度：０．５０ｍ／ｓｅｃ）
基質溶液流速：５ｍｌ／ｍｉｎ（線速度：０．２５ｍ／ｓｅｃ）
高圧水流速：１５ｍｌ／ｍｉｎ（線速度：０．７５ｍ／ｓｅｃ）
【００６６】
反応器に入る前の各基質濃度はβ−プロピオンラクトン：０．３６２Ｍ及びエチルアミン水溶液：１．６８７Ｍであった。反応時間は０．１８５秒であり、反応後の水溶液を高速液体クロマトグラフィー質量分析装置で調べた所、β−プロピオンラクトンにエチルアミノ基が導入され、Ｎ−エチルβ−アラニンが生成していることを確認した。Ｎ−エチルβ−アラニンの含有濃度は０．２４ｍＭであり、その反応収率は０．０７％であった。また、副生成物としてβ−エチルプロピオンラクタムが認められた。β−メチルプロピオンラクタムの含有濃度は０．０６ｍＭであり、その反応収率は０．０２％であった。
【００６７】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明は、高圧水条件下でβ−ラクトンとアンモニア、アンモニウム塩化合物あるいはアミンを反応させることにより、β−ラクトンにアミノ基あるいはアルキルアミノ基を導入することを特徴とするアミノ基及びアルキルアミノ基の導入方法、高圧水条件下でβ−ラクトンとアンモニア、アンモニウム塩化合物あるいはアミンを反応させ、β−ラクトンからβ−アミノ酸を合成することを特徴とするβ−アミノ酸合成方法に係り、本発明により、１）高圧水条件下での新規のアミノ基あるいはアルキルアミノ基の導入方法を提供することができる、２）β−ラクトンとアンモニア、アンモニウム塩化合物あるいはアミンを高圧水条件下で反応させてβ−アミノ酸を合成することができる、３）上記アミノ基あるいはアルキルアミノ基の導入方法を流通式に適用して、β−ラクトンからβ−アミノ酸を連続的に高速で合成することができる、４）有機溶媒、触媒を一切使用しないβ−アミノ酸合成方法を提供することができる、５）高純度のβ−アミノ酸を製造することができる、６）環境に優しい化学物質生産システムとして有用である、という格別の効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に用いた送水ポンプ２台付属の流通式反応装置及び本発明のプロセスのフローを示す。
【図２】本発明に用いた送水ポンプ３台付属の流通式反応装置及び本発明のプロセスのフローを示す。

Claims (11)

1. 高圧水条件下でβ−ラクトンをアンモニアあるいはアンモニウム塩化合物と反応させて開環したβ−ラクトンにアミノ基を導入することを特徴とするアミノ基の導入方法。
2. 高圧水条件下でβ−ラクトンをアミンと反応させて開環したβ―ラクトンにアルキルアミノ基を導入することを特徴とするアルキルアミノ基の導入方法。
3. １０ＭＰａ以上の圧力範囲である高圧水条件下で反応させて開環したβ−ラクトンにアミノ基又はアルキルアミノ基を導入することを特徴とする請求項１又は２に記載のアミノ基又はアルキルアミノ基の導入方法。
4. 高圧水条件下でβ−ラクトンをアンモニアあるいはアンモニウム塩化合物と反応させてβ−アミノ酸を合成することを特徴とするβ−アミノ酸の合成方法。
5. 高圧水条件下でβ−ラクトンをアミンと反応させてβ−アミノ酸を合成することを特徴とするβ−アミノ酸の合成方法。
6. １０ＭＰａ以上の圧力範囲である高圧水条件下でβ−ラクトンを反応させてβ−アミノ酸を合成することを特徴とする請求項４又は５に記載のβ−アミノ酸の合成方法。
7. β−ラクトンとしてβ−プロピオラクトンを用いることを特徴とする請求項４から６のいずれかに記載のβ−アミノ酸の合成方法。
8. β−ラクトンを高圧水条件下の反応器に連続的に導入して反応させることを特徴とする請求項４から７のいずれかに記載のβ−アミノ酸の合成方法。
9. β−ラクトンを高圧水条件下の流通式反応器に連続的に導入して０．００１秒から３０分で反応させることを特徴とする請求項４から８のいずれかに記載のβ−アミノ酸の合成方法。
10. 高圧水条件下でβ−ラクトンとアンモニア、アンモニウム塩化合物あるいはアミンを反応基質として用い、β−アミノ酸を製造する方法であって、β−ラクトンを１０ＭＰａ以上の圧力範囲である高圧水条件下の反応器に連続的に導入して反応させ、得られた反応液をカラム分離剤で分離精製し、濃縮後、乾燥してβ−アミノ酸を得ることを特徴とするβ−アミノ酸の製造方法。
11. カラム分離剤としてイオン交換樹脂を用いること特徴とする請求項１０に記載のβ−アミノ酸の製造方法。

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