JP4441829B2

JP4441829B2 - キチン誘導体の製造法

Info

Publication number: JP4441829B2
Application number: JP08839799A
Authority: JP
Inventors: 雅義上面; 信夫坂入; 則雄西
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd; Showa Denko Materials Co Ltd
Current assignee: Showa Denko Materials Co Ltd
Priority date: 1999-03-30
Filing date: 1999-03-30
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2019-03-30
Also published as: JP2000281703A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、極性有機溶媒に可溶で、一級水酸基と二級水酸基の選択的な修飾も可能なため、各種誘導体合成の前駆体として有用なＮ−フタロイル化Ｎ−脱アセチル化キチン等のキチン誘導体及びその前駆体を、穏和な条件で効率よく製造できる方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
キチンはＮ−アセチル−Ｄ−グルコサミンがβ（１→４）グリコシド結合した直鎖状ムコ多糖である。このキチンと化学構造が類似している天然多糖にグルコースを構成単位とする直鎖状ホモポリマーであるセルロースがある。キチンは化学構造上はセルロースのグルコース残基のＣ−２位の水酸基がアセタミド基で置換されているだけで、結晶構造上もセルロースとの類似性が挙げられている。
【０００３】
しかし、キチンはＣ−２位のアセタミド基がＣ−３位の第２級水酸基と水素結合を形成し、さらにこの水素結合が他の残基のＣ−６位の第１級水酸基と水分子を介して水素結合しているため、結晶構造が非常に強固なものとなり、セルロースに比べて溶解性、反応性に乏しい。
【０００４】
キチンを濃アルカリ水溶液中加熱をすることで得られるＮ−脱アセチル化キチンはキトサンとも呼ばれ、酢酸水溶液などの希酸に溶解するが、一般的な有機溶媒には不溶である。Ｎ−脱アセチル化キチンをＮ−フタロイル化して得られるＮ−フタロイル化Ｎ−脱アセチル化キチンは、ジメチルホルムアミド、ジメチルサルホキシドの様な双極子モーメントが大きな溶剤に可溶となり、その後の化学修飾に有用な前駆体となることが、栗田らの報告（Kurita, K., et al., Macromol. Chem., 183, 1161 (1982)）等により知られている。
【０００５】
西村らはキトサンと無水フタル酸をジメチルホルムアミド中、１３０℃で反応させることによりＮ−フタロイル化キトサンを合成した（Nishimura, S.-I., et al., Macromol., 24, 4745(1991)）。しかしこの方法では反応の初期状態が不均一系であるため、糖水酸基のＯ−アシル化反応も進行する可能性がＲｏｕｌらにより指摘されている（Roul, D.K., et al., Macromol., 26, 5999 (1993)）。
【０００６】
一方、均一系で反応させるためにキトサンを酢酸−水−メタノール中室温で攪拌することで、アミノ基への選択的なアシル化反応が進行することが、平野らの報告（Hirano, S., et al., Carbohydr. Res., 92, 323 (1981)）により明らかにされている。しかし、この系内でのフタル酸残基の置換度はグルコサミン残基あたり０．５〜０．６に留まることが同論文で報告されている。
これらの報告のように、従来はＮ−脱アセチル化キチンを、副反応をおこさず、完全にＮ−フタロイル化することは困難であった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、Ｎ−脱アセチル化キチンのＮ−フタロイル化反応等を選択的に効率よく行える製造法を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
即ち本発明は、Ｎ−脱アセチル化キチンに、一般式（Ｉ）
【化４】

（式中、Ｘは、複数ある場合は各々独立に、水素原子を除く一価の基を示し、ｎは１〜１０の整数である）
で示される酸無水物を反応させて、前記Ｎ−脱アセチル化キチン中のアミノ基を一般式（II）
【化５】

（式中、Ｘは、複数ある場合は各々独立に、水素原子を除く一価の基を示し、ｎは１〜１０の整数である）
で示される基とするキチン誘導体の製造法において、前記反応を酸性条件で開始し、途中で塩基性条件に変えて反応を継続することを特徴とするキチン誘導体の製造法に関する。
【０００９】
また本発明は、前記酸性条件がpH５．５以下であり、前記塩基性条件がpH８．５以上であるキチン誘導体の製造法に関する。
また本発明は、反応溶媒として水及びアルコールの混合物を用いる前記キチン誘導体の製造法に関する。
【００１０】
また本発明は、前記の製造法により得られるキチン誘導体を加熱して閉環させ、一般式（II）で示される基を一般式（III）
【化６】

（式中、Ｘは、複数ある場合は各々独立に、水素原子を除く一価の基を示し、ｎは１〜１０の整数である）
で示される基とするキチン誘導体の製造法に関する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明において、Ｎ−脱アセチル化キチンとは、キチンのＮ−アセチルグルコサミン残基中のＮ−アセチル基を脱アセチル化させたもので、その脱アセチル化度はＮ−アセチルグルコサミン残基あたり０．５〜１．０のものであることが好ましい。なお、その中で、キチンの脱アセチル化度が高く、希酸溶液に可溶なＮ−脱アセチル化キチンは一般にキトサンといわれる。本発明のＮ−脱アセチル化キチンとはこのキトサンを含む。
【００１２】
本発明の製造法は、下記反応式において、（Ａ）で示される構造単位を有するＮ−脱アセチル化キチンのアミノ基と、前記一般式（Ｉ）で示される酸無水物（Ｂ）を反応させ、（Ｃ）で示されるキチン誘導体（以下、これらの化合物をＮ−（２−カルボキシ）ベンゾイル化Ｎ−脱アセチルキチン類と総称する）を製造する方法に関するものである。

【００１３】
【化７】

【００１４】
ここで、前記一般式（Ｉ）で示される酸無水物（Ｂ）とは、無水フタル酸又はその誘導体であり、無水フタル酸、テトラヒドロ無水フタル酸、ヘキサヒドロ無水フタル酸、または、それらの６員環を構成する炭素原子に結合する水素原子の１〜１０が、一価の基Ｘで置換されたものである。Ｘが複数存在する場合は、各々独立である。
【００１５】
Ｘで示される一価の基としては、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等のハロゲン原子、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基等のアルキル基、フェニル基等のアリール基、ベンジル基等のアラルキル基、ビニル基、アリル基等の重合性不飽和二重結合を有する炭化水素基などの炭素原子数１〜２０の炭化水素基、カルボキシル基、スルホ基（−ＳＯ₃Ｈ）、ホスホン基（−ＰＯ₃Ｈ₂）、ホスフィン基（−ＰＯ₂Ｈ₂）等の酸性を示す基、前記炭化水素基の一部の水素原子が前記酸性を示す基や前記ハロゲン原子で置換された基、アクリロキシアルキルオキシ基、メタクリロキシアルキルオキシ基等（アルキル基の炭素数１〜１０のものなど）の重合性不飽和二重結合を有する基などの有機基をあげることができる。
【００１６】
さらに、本発明の製造法は、前記製造法により得られるＮ−（２−カルボキシ）ベンゾイル化Ｎ−脱アセチルキチン類を加熱し、前記一般式（II）で示される基を閉環させて、前記一般式（III）で示される基とする下記（Ｄ）で示される構造単位を有するキチン誘導体（以下、これらの化合物をＮ−フタロイル化Ｎ−脱アセチルキチン類と総称する）を製造するものである。
【００１７】
【化８】

【００１８】
本発明の製造法において、反応は、反応系のpHが酸性条件下で開始する。
ここでいう反応系のpHとは、前記一般式（Ｉ）で示される酸無水物を添加する直前の、Ｎ−脱アセチル化キチンを溶解した溶液のpHをいう。酸性条件下としては、pHが５．５以下であることが好ましく、pHが１．０〜５．０であることがより好ましく、pHが２．０〜４．５であることがさらに好ましい。ここで反応開始時のpHが５．５を超えるとＮ−脱アセチル化キチンが溶液に溶解せず、系が不均一となりＮ−アシル化反応の進行が損なわれる傾向にある。
【００１９】
酸性条件にする方法に特に制限はないが、有機酸を添加することが好ましく、反応性及び安価で容易に入手できる材料として、酢酸、クエン酸、リンゴ酸等が好ましい。
【００２０】
本発明の製造法において、反応に用いる溶媒は、水及びアルコールの混合物であることが、脱アセチル化キチン及び加える酸無水物が溶解し、系が均一になるため好ましい。
ここでアルコールとしては、メタノール、エタノール、イソプロパノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ等が挙げられ、反応効率、安価であることなどからメタノールが特に好ましい。
【００２１】
水とアルコールの混合比は、その合計量に対して水を２０〜８０重量％とすることが好ましく、４０〜６０重量％とすることがより好ましい。水が２０重量％未満であると、脱アセチル化キチンが溶解しにくくなる傾向にあり、８０重量％を超えると、添加する酸無水物が溶解しにくくなる傾向にある。
【００２２】
本発明においては酸性条件で反応を開始した後、途中で塩基性条件に変更し、反応を継続する。前記塩基性条件としてはpHが８．５以上であることが好ましく、pHが９．０〜１２．０であることがより好ましく、pHが９．０〜１０．０であることがさらに好ましい。ここで、pHが８．５未満であるとＮ−脱アセチル化キチンのＮ−アシル化反応がほとんど進行せず、グルコサミン残基あたりのＮ−アシル化度が低下する（例えば０．７以下となる）傾向にある。
【００２３】
塩基性条件にする方法は特に制限されないが、塩基性成分として無機塩を添加することが好ましく、反応性及び安価で容易に入手できる点で、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等が好ましく、pHの特に好ましい範囲である９．０〜１０．０に制御するためには、炭酸ナトリウム、炭酸カリウムがさらに好ましい。
【００２４】
Ｎ−脱アセチル化キチンと一般式（Ｉ）で示される酸無水物との混合方法に特に制限はなく、Ｎ−脱アセチル化キチンを含む溶液に、酸無水物をそのまま添加するか、酸無水物をアルコール等に溶解した溶液を添加する方法があげられる。反応温度は２０〜８０℃が好ましく、２０〜６０℃がより好ましい。８０℃を超えると反応物に着色が生じたり、分子量が低下する傾向にある。２０℃未満では、反応が進行しにくくなる。また、反応時間は特に制限はないが、１２時間〜１２０時間が好ましい。
【００２５】
酸性条件を塩基性条件に変える好ましい時期は、脱アセチル化キチンの分子量と反応させる酸無水物の種類により異なり、酸性条件での反応が飽和した後に変えることが好ましい。反応の飽和は、反応液を一部取り、多量エタノール５％酢酸溶液中に滴下沈殿させた反応物をエタノールで洗浄、乾燥後、その酸価が変化しなくなることにより確認できる。
【００２６】
前記一般式（II）で示される基を前記一般式（III）で示される基にするための、加熱による脱水閉環の温度及び時間は、目的とするキチン誘導体の種類や分子量により異なるが、一般に、１５０〜３００℃が好ましく、１５０〜２８０℃がより好ましい。３００℃を超えると着色が強くなり場合により分解する傾向にある。１５０℃未満では、閉環反応が鈍化する傾向にある。
なお、反応の終了は、反応物の酸価が１以下になった時間などとして確認することができる。
【００２７】
【実施例】
次に、本発明を実施例および比較例により詳細に説明する。なお、以下において、「部」および「％」は、特に断りのない限り、全て重量基準である。
【００２８】
実施例
蒸留水１８０２．８部及び酢酸９０．０部を５リットルのセパラブルフラスコ中に仕込み、よく混合した（５％酢酸水溶液）。ついで、Ｎ−脱アセチル化キチン（甲陽ケミカル(株)製、商品名コーヨーキトサンＫ−５０、数平均分子量約５０，０００）５４．１部を添加し、室温で攪拌溶解した。
粘稠溶液が透明で濁りがないことを確認した後、温度を４０±３℃に昇温し、２時間攪拌した後、メタノール１８０２．８部を仕込みさらに１時間攪拌した（pH４．３）。
溶液中に無水フタル酸１５０．１部を加え反応を開始し、さらに１２時間攪拌した。その際沈殿が生じることがあったが、そのまま攪拌を継続して行った。
【００２９】
炭酸ナトリウムを蒸留水に溶解し、飽和炭酸ナトリウム水溶液を別途調整した。
反応液中に上記飽和炭酸ナトリウム水溶液をpH９．０になるよう加えた後、直ちに無水フタル酸を１００部加え、さらに４０℃で２４時間攪拌反応させた。溶液は均一な淡黄色透明粘稠液体であった。
【００３０】
この溶液を分子量１０，０００以下カットの透析チューブ中に入れ、蒸留水に対して外液をかえながら４８時間透析を行った。透析後内容物から沈殿物を濾別後、濾液を減圧濃縮した。
無水クエン酸１０部、蒸留水５０部、メタノール５０部を用い、１０％クエン酸−水−メタノール溶液を別途調整し、４℃で保存した。この冷却された１０％クエン酸−水−メタノール溶液を２０リットルのステンレス容器にとり、メカニカルスターラーにて攪拌している中に、濃縮したＮ−（２−カルボキシ）ベンゾイルＮ−脱アセチル化キチンナトリウム塩濃縮液を少しずつ滴下し、白色沈殿を得た。
【００３１】
白色沈殿を濾取しさらにメタノールで洗浄した後、真空オーブン中８０℃で１２時間乾燥させ、１２１．２部の白色粉末であるＮ−（２−カルボキシ）ベンゾイルＮ−脱アセチル化キチンを得ることができた（収率８３．３％）。
【００３２】
このＮ−（２−カルボキシ）ベンゾイルＮ−脱アセチル化キチンを１０部、１リットルのナス型フラスコにとり、真空下１６５℃で７時間加熱を行った。この加熱により白色粉末であるＮ−フタロイルＮ−脱アセチル化キチン９．５部を得ることができた（収率９９．１％）。
【００３３】
なお、同定は¹³Ｃ−ＮＭＲで行った。資料として、上記Ｎ−（２−カルボキシ）ベンゾイルＮ−脱アセチル化キチン及びＮ−フタロイルＮ−脱アセチル化キチンのＮＭＲチャートを図１に示した。¹³Ｃ−ＮＭＲの結果よりグルコサミン残基あたり置換度１．０の誘導体が得られたことが確認できた。
【００３４】
比較例
前記実施例において、途中で、pHを変えるための飽和炭酸ナトリウム水溶液を添加しなかったことを除いて、同様に行ったところ、得られた反応生成物は５％酢酸水溶液等の酸性水溶液、５％炭酸ナトリウム水溶液等の塩基性水溶液、ジメチルホルムアミド等の極性溶媒にも溶解しなかった。
【００３５】
Ｎ−アシル化反応を引き続き継続し、７２時間後に無水酢酸を６８．９部２時間かけて滴下し、Ｎ−アセチル化反応を行うことで、５％炭酸ナトリウム水溶液に可溶の生成物を合成した。
この反応生成物は図２にしめす¹Ｈ−ＮＭＲの結果より、Ｎ−（２−カルボキシ）ベンゾイル化度が約０．５、Ｎ−アセチル化度が約０．５の生成物であることが確認された。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の製造法によれば、Ｎ−脱アセチル化キチンのＮ−フタロイル化反応等を選択的に効率よく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製造法により得られたＮ−（２−カルボキシ）ベンゾイルＮ−脱アセチル化キチン（ａ）及びＮ−フタロイルＮ−脱アセチル化キチン（ｂ）の¹³Ｃ−ＮＭＲチャートである。
【図２】比較例２で得られた生成物の¹Ｈ−ＮＭＲチャートである。

Claims

Ｎ−脱アセチル化キチンに、一般式（Ｉ）

（式中、Ｘは、複数ある場合は各々独立に、水素原子を除く一価の基を示し、ｎは１〜１０の整数である）
で示される酸無水物を反応させて、前記Ｎ−脱アセチル化キチン中のアミノ基を一般式（II）

（式中、Ｘは、複数ある場合は各々独立に、水素原子を除く一価の基を示し、ｎは１〜１０の整数である）
で示される基とするキチン誘導体の製造法において、前記反応を酸性条件で開始し、途中で塩基性条件に変えて反応を継続することを特徴とするキチン誘導体の製造法。
酸性条件がpH５．５以下であり、塩基性条件がpH８．５以上である請求項１記載のキチン誘導体の製造法。
反応溶媒として、水及びアルコールの混合物を用いる請求項１又は２記載のキチン誘導体の製造法。
請求項１、２又は３記載の製造法により得られるキチン誘導体を加熱して閉環させ、一般式（II）で示される基を一般式（III）

（式中、Ｘは、複数ある場合は各々独立に、水素原子を除く一価の基を示し、ｎは１〜１０の整数である）
で示される基とするキチン誘導体の製造法。