JP5179595B2 - ラクチドの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は乳酸オリゴマーの熱分解によるラクチドの製造方法に関するものである。

ラクチドまたは３，６−ジメチル−１，４−ジオキサン−２，５−ジオンは乳酸の環状二量体である。ラクチドはポリ乳酸、再生可能資源から製造した生分解性ポリエステルを製造する多くの工業プロセスの中間体である。高分子量のポリ乳酸は食品包装や織物等の分野で多くの用途がある。

ラクチドを工業的に合成する方法の一つは重合／解重合の２段階法から成る。最初に乳酸を重合して低分子量の鎖（オリゴマー）を作り、次いで、この鎖を加熱して解重合し、ラクチドにし、それを蒸気相で回収する。

特許文献１（ドイツ国特許第２，３３１，９８６ Ａ号公報）には触媒およびリン化合物、例えば有機亜リン酸塩と、安定剤としての二亜リン酸塩またはホスホナイトの存在下で減圧下で対応するヒドロキシカルボン酸のオリゴマーを加熱して環状ラクトンを製造する方法が開示されている。この文献にはラセミ化率の低いラクチドを製造するために亜リン酸アニオンＰＯ₃ ^3-の金属塩を触媒として用いることは開示されていない。

乳酸オリゴマーの製造中にラクチドは生成する。特許文献２（国際特許第ＷＯ ９２／０５１６７号公報）にはオリゴマー中のラクチドの濃度が、生成した乳酸鎖の長さの関数であることが開示されている。この濃度は鎖の平均長が２単位であるときに最大である。この濃度は鎖の長さが長くなると低下する。従って、ラクチド生成およびその蒸留速度は乳酸オリゴマー鎖の長さに関係する。

ポリ乳酸の開環による合成法では極めて純粋なラクチドから始めなければならないが、その重要なパラメータの一つは遊離酸の含有率が低いことである。特許文献３（国際特許第ＷＯ２００５／０５６５０９号公報）には、重合の出発材料であるラクチドの残存酸度が低くなるほどポリ乳酸の分子量が増加するということが開示されている。

高分子量のポリマー（＞５０，０００ダルトン）を製造するためには、遊離酸を２０ｍｅｑ／ｋｇ以下、好ましくは５ｍｅｑ／ｋｇ以下にしなければならない。
解重合でラクチドが生成される乳酸オリゴマーの鎖の長さが長くなるとラクチドの残存酸度が減るということは知られている。従って、ラクチドの生成速度を上げるためには、エステル化触媒の存在下で平均長が５乳酸単位以上、好ましくは１０〜３０乳酸単位の鎖を用いることができる。触媒、例えば元素周期表の１２族（例えばＺｎ）、１３族（例えばＡｌ）および１４族（例えばＳｎ）の金属の酸化物、ハロゲン化合物および有機金属を使用することは周知であり、工業的に利用されている。

乳酸の熱分解や、着色した副生成物の生成を防止するために、一般に反応媒体中に酸化防止剤を添加することができる。この酸化防止剤の中ではUltranox 626、亜リン酸トリアルキル、亜リン酸アリール／アルキル混合物およびフェノール化合物が挙げられる。
ラクチドの環化および蒸留を行なう薄層法、すなわち液体の容量に対する蒸発表面積を最大にする反応器で、ラクチドを製造するのに一般に使用される触媒は錫または亜鉛、塩化錫または塩化亜鉛または錫または亜鉛の有機塩、１〜２０の炭素原子を含む有機酸の粉末である。これらは乳酸オリゴマーからのラクチドを製造するのに必ずしも満足のいくの触媒ではない。

すなわち、酸化物の形で用いられる二価の錫（Ｓｎ²⁺）では環化速度が遅く、急速に酸化してＳｎ⁴⁺になる。このＳｎ⁴⁺の反応性ははるかに低い。二価の錫を錫有機化合物、例えばオクタン酸錫の形で用いた場合には、オクタン酸錫が高温（＞２００℃）で急速に分解し、酸化してＳｎ⁴⁺となり、反応性を失う。この分解には乳酸のラセミ化と着色化合物の生成が伴う。さらに、有機部分、例えば２−エチルヘキサン酸が蒸気相に随伴することがあり、ラクチドを汚染する可能性がある。

ハロゲン化錫、例えばＳｎＣｌ₂もその触媒能力が低く、急速に酸化してＳｎ⁴⁺になる。さらに、ハロゲン化物アニオン、例えばＣｌ^-は高腐食性で、特殊な装置、例えば琺瑯反応器を必要とする。

ドイツ国特許第２，３３１，９８６ Ａ号公報 国際特許第ＷＯ ９２／０５１６７号公報 国際特許第ＷＯ２００５／０５６５０９号公報

上記の問題のない乳酸およびオリゴマーから始めるラクチドの生成速度を上げる触媒が要望されている。
本発明の目的は、反応速度が良い触媒の存在下で乳酸オリゴマーからラクチドを製造する方法を提供することにある。
本発明の別の目的は、高温（≧２４０℃）での酸化および分解に対して安定な触媒の存在下でラクチドを製造する方法を提供することにある。
本発明のさらに別の目的は、揮発性化合物、例えば２−エチルヘキサン酸を放出しない触媒を用いたラクチドの製造方法を提供することにある。
本発明のさらに別の目的は、ラセミ化率が４％以下、好ましくは１％以下であるラクチドの製造方法を提供することにある。
本発明のさらに別の目的は、着色を最小限にしてラクチドを得ることができる方法を提供することにある。
本発明のさらに別の目的は、分解反応で生じる不純物の存在を制限できる方法を提供することにある。

本発明は、下記（ａ）〜（ｃ）
（ａ）触媒の存在下で乳酸オリゴマーを１５０〜３００℃の温度、０．０１ＭＰａ以下の圧力下で加熱し、
（ｂ）（ａ）段階で得られたラクチドを蒸留し、
（ｃ）ラクチドを濃縮して回収する、
の段階を含む、乳酸オリゴマーからのラクチドを製造する方法において、
触媒が亜リン酸アニオンＰＯ₃ ^3-の金属塩であり、金属が錫、アルミニウム、亜鉛、チタンおよびジルコニウムから成る群の中から選択されることを特徴とする方法を提供する。

乳酸オリゴマーは一般式がＨＯ−［ＣＨＣＨ₃−ＣＯＯ］_nＨ（ここで、ｎは２〜３０である）であるオリゴマーにすることができる。ｎは１０〜３０であるのが好ましい。
乳酸オリゴマーは任意の適切な手段、例えば静的ミキサー／交換器を用いて触媒と混合する。
触媒は亜リン酸金属であるのが好ましく、金属は錫および亜鉛から成る群の中から選択される。「亜リン酸金属」とは亜リン酸アニオンＰＯ₃ ^3-の金属塩を意味する。触媒は金属が二価の錫である亜リン酸金属であるのが好ましい。亜リン酸二価の錫はＳｎＨＰＯ₃であるのがさらに好ましい。
触媒は０．１〜１０重量％、好ましくは０．１〜５重量％、さらに好ましくは０．１〜３重量％の濃度で使用できる。

反応はラクチドの製造に適した任意の型の反応器で実施できる。ラクチドは生成すると同時に蒸留できるので、蒸発反応器が好ましい。下記非特許文献１にはこの型の反応器の例が記載されている。
ペリーの化学技師の手引き（Perry's Chemical Engineers' Handbook）第７版、１１章、１０７〜１１８頁。

反応器としては強制循環蒸発器、短経路蒸発器、管型蒸発器、流下膜式蒸発器、薄膜蒸発器、フラッシュ蒸発器またはディスク蒸発器が挙げられる。

反応は１５０〜３００℃、好ましくは２３０〜２８０℃の温度、０．０１ＭＰａ（１００ｍｂａｒ）以下、好ましくは０．００５ＭＰａ（５０ｍｂａｒ）以下、さらに好ましくは０．００２ＭＰａ（２０ｍｂａｒ）以下の圧力で行う。
反応器内で得られたラクチドは蒸気の状態である。このラクチドを必要に応じて、１５０℃以上の温度および０．００５ＭＰａ（５０ｍｂａｒ）以下の圧力で蒸留できる。これを濃縮するとラクチド、メソラクチドおよび不純物、例えば乳酸または乳酸二量体、三量体、四量体および五量体を含む粗ラクチドが得られる。
次いで、粗ラクチドは当業者に周知な任意の技術、例えば溶融結晶化、蒸留または溶剤再結晶によって精製でき、開環によるポリラクチドの合成に十分な純度を有するラクチドを得ることができる。

１．乳酸のオリゴマー化
撹拌器を備えた５リットル容量のガラス反応器内で９０重量％の乳酸溶液のオリゴマー化を行った。水は１４５℃および０．０２ＭＰａ（２００ｍｂａｒ）で蒸留で除去した。蒸気相に随伴した乳酸の一部を回収するために反応器と凝縮器との間の還流を７０℃に設定した。
８時間反応させた後、０．００８ＭＰａ（８０ｍｂａｒ）の真空に設定し、エステル化反応を続けて、遊離酸度１０％、全酸度を１２２％にした。得られた乳酸オリゴマーの立体特異的純度は９８．５％である。

２．丸底フラスコ内のラクチドの環化
上記で得られたオリゴマーを丸底フラスコに導入し、２５０℃に加熱して撹拌を続けた。続いて、触媒として用いるGoldschmidtから商品名Tib Kat 50で市販の亜リン酸錫ＳｎＨＰＯ₃を丸底フラスコに導入した。触媒の濃度を変えて（１％、０．４９％、０．２４％および０．１２％）種々の試験を行った。比較例としては、乳酸オリゴマーからラクチドを製造するための触媒としてよく用いられるオクタン酸塩を用いた。
丸底フラスコの上部に２００℃の還流器と、７０℃に冷却した凝縮器と、凝縮物を回収する丸底フラスコとを設けた。組立体全体を０．００１〜０．００２ＭＰａ（１０〜２０ｍｂａｒ）の真空下に置いた。

反応を２５０℃で１０分間維持した。凝縮粗ラクチドおよびオリゴマー残留物を、カルボキシル化合物をシリル化した後にガスクロマトグラフィによって秤量、分析して各種成分の含有率を決定するか、あるいは、アセトニトリル溶液中に溶解したラクチドの０．１Ｍ水酸化テトラブチルアンモニウムを用いる滴定によって秤量、分析をして遊離酸および全酸度を求めた。試験の結果は［表１］および［表２］に示してある。

亜リン酸錫を用いた環化によってメソラクチドの含有率が低い粗ラクチドを得ることができる。亜リン酸錫を触媒として用いると、オクタン酸錫と比べて、乳酸オリゴマーのラセミ化率が低下する。出発オリゴマーの立体特異性が９８．５％の場合、粗ラクチド中でラセミ化の非存在下に観察できるメソラクチドの理論的最小値は３％である。ラセミ化率は下記式によって計算される：［（メソラクチドの％／２）−（１００−％で表したオリゴマーの立体特異的純度）］。
［表２］から、亜リン酸錫を用いて行う合成はラセミ化率が１％以下になり、オクタン酸錫の存在下で合成を行うときに観察されたラセミ化率（４．１％）とは対照的であることがわかる。
亜リン酸錫を用いて環化を行ったときは、粗ラクチドは２−エチルヘキサン酸を含まない。
粗ラクチドの着色度をＩＳＯ６２７１−１：２００４（Ｆ）規格に従って測定した。ハーゼン単位で表す。
亜リン酸錫で製造した粗ラクチドは白色（２０ハーゼン単位の着色）である。これと比べて、触媒としてオクタン酸錫を用いた粗ラクチドは黄色（１２０ハーゼン単位の着色）である。

３．触媒の熱に対する安定性
第１環化を上記のように行った。続いて、亜リン酸錫の第１回再循環中に、第１環化からの残留物に新規なオリゴマーを添加（新たに導入）して、第２環化を行った。
亜リン酸錫の第２回再循環中に、第２環化からの残留物に新規なオリゴマーを添加して、第３環化を行った。
結果を［表３］に示す。同じ出発触媒を用いて（前の環化からの残留物に新規なオリゴマーを添加）、複数の連続した環化を行った後も、環化の収率の低下はみられない。従って、亜リン酸錫はその触媒活性を保持していることがわかる。

４．薄膜反応器内のラクチドの環化
上記で得られたオリゴマー（１参照）を触媒と混合し、０．８ｋｇ／時で５０ｃｍ²の容量の撹拌ガラス薄膜反応器に供給した。滞留時間は１０分である。反応器のジャケットを２６０℃に加熱し、反応器を０．００１ＭＰａ（１０ｍｂａｒ）の真空下に置く。製造された粗生成物の蒸気を８０℃に凝縮して回収する。
［表４］から、触媒として亜リン酸錫を用いることによって、錫の濃度が同じ：＋／−０．８８％場合、オクタン酸錫で得られる収率と比べて高い収率が得られることがわかる。亜リン酸錫を用いた触媒で得られる粗ラクチドの品質はオクタン酸錫を用いた触媒で得られる品質よりはるかに良い。これは２−エチルヘキサン酸の蒸留がないことおよびラセミ化がないことによる。

Claims (9)

1. 下記（ａ）〜（ｃ）：
   （ａ）触媒の存在下で乳酸オリゴマーを１５０〜３００℃の温度、０．０１ＭＰａ以下の圧力下で加熱し、
   （ｂ）（ａ）段階で得られたラクチドを蒸留し、
   （ｃ）ラクチドを濃縮して回収する、
   の段階を含む、乳酸オリゴマーからのラクチドを製造する方法において、
   触媒が亜リン酸アニオンＰＯ₃ ^3-の金属塩であり、金属が錫、アルミニウム、亜鉛、チタンおよびジルコニウムから成る群の中から選択されることを特徴とする方法。
2. 触媒が亜リン酸アニオンＰＯ₃ ^3-の金属塩で、金属が二価錫である請求項１に記載の方法。
3. 触媒がＳｎＨＰＯ₃である請求項２に記載の方法。
4. 触媒が０．１〜１０重量％の濃度で存在する請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 濃度が０．１〜５重量％である請求項４に記載の方法。
6. 濃度が０．１〜３重量％である請求項５に記載の方法。
7. 乳酸オリゴマーが式：ＨＯ−［ＣＨＣＨ₃−ＣＯＯ］_nＨ（ここで、ｎは２〜３０である）で表される請求項１に記載の方法。
8. ｎが１０〜３０である請求項７に記載の方法。
9. （ａ）段階を０．００２ＭＰａ以下の圧力で行う請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。