JP5276342B2

JP5276342B2 - １，５−ジオキセパン−２−オンの製造方法

Info

Publication number: JP5276342B2
Application number: JP2008070088A
Authority: JP
Inventors: 松尾　　茂
Original assignee: Idemitsu Kosan Co Ltd
Current assignee: Idemitsu Kosan Co Ltd
Priority date: 2008-03-18
Filing date: 2008-03-18
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2028-03-18
Also published as: JP2009221176A

Description

本発明は、１，５−ジオキセパン−２−オンの製造方法に関する。

微生物により分解されるポリ乳酸は、トウモロコシなどの作物を原料としているため、カーボンニュートラルの概念により二酸化炭素を増やさない生分解性プラスチックとして注目されている。該ポリ乳酸は硬くて脆いため、そのままでは実用に耐えず、可塑剤を添加して可塑化させたり、乳酸を他の単量体と共重合させることにより、物性の改良が図られている。この様に、ポリ乳酸の脆さ等の改善及び生分解性の向上の手段として、例えば乳酸を１，５−ジオキセパン−２−オンと共重合させる方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
かかる１，５−ジオキセパン−２−オンの製造方法としては、次の３通りの方法が知られている。つまり、エチレングリコールとアクリル酸メチルを水酸化ナトリウムの存在下に反応させて３−（２−ヒドロキシエチル）プロピオン酸メチルを得、次いでテトライソプロポキシチタン触媒の存在下に環化反応させる方法（特許文献１参照）、アクリロニトリルとエチレングリコールを水酸化ナトリウムの存在下に反応させて３−（２−ヒドロキシエトキシ）プロピオニトリルを得、次いで塩酸の存在下に環化反応させて得られる環状イミノエーテルを加水分解する方法（特許文献２参照）、クロロメチルクロロホルメートとエチレンを塩化アルミニウムの存在下に反応させて１，５−ジクロロペンタン−３−オンを得、次いでリン酸及びリン酸ナトリウムの存在下に環化反応させて得られる４Ｈ−テトラヒドロピラン−４−オンを過酸で処理する方法（特許文献３及び非特許文献１参照）が知られている。

米国特許第４４７０４１６号明細書英国特許第１２７２７３３号明細書スウェーデン国特許第４６１７３１号明細書マクロモレキュールズ（Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ）、１９８９年、第２２巻、ｐ．３８４２

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、収率が２０％以下、特許文献２に記載の方法では、収率が５％程度であり、極めて生産性が悪く、工業化は非常に困難である。また、特許文献３及び非特許文献１に記載の方法では、４Ｈ−テトラヒドロピラン−４−オンを過酸で処理する最終工程の収率は７５％程度であり、良好な収率であるものの、４Ｈ−テトラヒドロピラン−４−オンの製造工程が煩雑であるために、全体的な収率は５０％以下に低下してしまうという問題があり、さらには最終工程の過酸は４Ｈ−テトラヒドロピラン−４−オンと当量使用しなければならず、工業的に実施する際には爆発の危険性が高いなどの問題もある。

本発明は、このような状況下になされたもので、製造工程が簡潔であり、且つ高収率で１，５−ジオキセパン−２−オンを製造する方法を提供することを目的とする。

本発明者等は上記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、塩基性触媒および不活性溶媒の存在下に一定濃度の２−ヒドロキシエチルアクリレートを環化反応させることによる１，５−ジオキセパン−２−オンの製造方法を提供することによりその目的を達成し得ることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、
［１］２−ヒドロキシエチルアクリレートを、塩基性触媒および不活性溶媒の存在下、２−ヒドロキシエチルアクリレートの濃度を３０質量％以下にして環化反応させることを特徴とする、１，５−ジオキセパン−２−オンの製造方法、
［２］塩基性触媒がアルカリ金属アルコキシドである、上記［１］に記載の１，５−ジオキセパン−２−オンの製造方法、
［３］アルカリ金属アルコキシドがナトリウムｔ−ブトキシドまたはカリウムｔ−ブトキシドである、上記［２］に記載の１，５−ジオキセパン−２−オンの製造方法、
［４］不活性溶媒が、ハロゲン化炭化水素、芳香族炭化水素、アミド、エーテル系炭化水素及び脂肪族炭化水素からなる群から選ばれる少なくとも１種である、上記［１］〜［３］のいずれか１つに記載の１，５−ジオキセパン−２−オンの製造方法、
を提供するものである。

本発明によれば、例えばポリ乳酸などの生分解性プラスチックの改質剤として、さらには手術用糸などの生体適合性が要求される材料の原料などとして有用な１，５−ジオキセパン−２−オンを、工業的に容易に入手可能な原料から簡便な製造工程にて高収率且つ安全に製造することができるため、安価に１，５−ジオキセパン−２−オンを得ることができる。

本発明の１，５−ジオキセパン−２−オンの製造方法は、２−ヒドロキシエチルアクリレートを、塩基性触媒および不活性溶媒の存在下、２−ヒドロキシエチルアクリレートの濃度を３０質量％以下にして環化反応させる方法である（以下の化学反応式参照）。

塩基性触媒としては、アルカリ金属アルコキシドが好ましい。かかるアルカリ金属アルコキシドのアルカリ金属としては、例えばナトリウム、カリウムなどが挙げられる。また、アルカリ金属アルコキシドのアルコキシドとしては、例えばメトキシド、エトキシド、ｎ−プロポキシド、イソプロポキシド、ｎ−ブトキシド、イソブトキシド、ｓ−ブトキシド、ｔ−ブトキシドなどの炭素数１〜５のアルコキシドが好ましく挙げられる。塩基性触媒としては、特に、ナトリウムｔ−ブトキシド、カリウムｔ−ブトキシドが好ましい。塩基性触媒は、１種を単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。塩基性触媒の使用量に特に制限はないが、反応速度の観点から、２−ヒドロキシエチルアクリレートに対して０．００５〜０．５倍モルであることが好ましく、０．０１〜０．３倍モルであることがより好ましい。

不活性溶媒とは、上記環化反応に悪影響を及ぼさない溶媒であり、水酸基、チオール基、カルボニル基、アミノ基、燐酸基、スルホン基を有していない溶媒を指す。このような不活性溶媒としては、例えば塩化メチレン、１，２−ジクロロエタン、クロロホルム、四塩化炭素などのハロゲン化炭化水素；ベンゼン、トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素；アセトニトリルなどのニトリル；ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチル−２−ピロリドンなどのアミド;ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、メチルエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジブチルエーテルなどのエーテル系炭化水素；ヘキサン、シクロヘキサンなどの脂肪族炭化水素などが挙げられる。これらは１種を単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。
不活性溶媒の使用量は、反応液中における２−ヒドロキシエチルアクリレートの濃度が３０質量％以下になるように調整する必要があり、好ましくは２０質量％以下、より好ましくは１０質量％以下、さらに好ましくは６質量％以下になるように調整する。反応液中における２−ヒドロキシエチルアクリレートの濃度が３０質量％を超えると、重合などの副反応が起こり、環化反応の妨げとなって、反応を進行させることが不可能となる。なお、容積効率の観点からは、反応液中における２−ヒドロキシエチルアクリレートの濃度が、好ましくは０．５質量％以上、より好ましくは１質量％以上、さらに好ましくは２質量％以上となるように調整することが好ましい。

反応温度は、通常、２０〜６０℃であることが好ましく、３０〜５０℃であることがより好ましい。また、常圧にて反応を行うことが簡便であり好ましい。
反応時間に特に制限はなく、反応液中における２−ヒドロキシエチルアクリレートの濃度などによっても異なってくるが、通常、１〜２０時間で充分であり、収率及び副反応抑制の観点からは、３〜１０時間であることが好ましい。
また、本発明は、空気雰囲気下で実施することもできるが、窒素、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気下に実施してもよい。

本発明における２−ヒドロキシエチルアクリレートの環化反応の実施方法に特に制限はなく、例えば２−ヒドロキシエチルアクリレート、塩基性触媒及び不活性溶媒を全て一度に反応器へ仕込み、好ましくは前記温度範囲にて反応させる方法や、塩基性触媒及び不活性溶媒を先に反応器へ仕込み、そこへ前記温度範囲にて２−ヒドロキシエチルアクリレートを滴下していき、滴下終了後、さらに攪拌を続けることにより反応を充分に進行させる方法などが挙げられる。なお、反応時間が短縮でき、収率が高くなる点で、前者の方法が好ましい。

以上のようにして得られた反応混合液に、例えばリン酸、酢酸、シュウ酸などの酸を添加することにより完全に反応を停止させ、反応混合液中に固体が析出する場合には適宜該固体をろ別し、ろ液から不活性溶媒を留去することにより、１，５−ジオキセパン−２−オンを得ることができる。こうして得られる１，５−ジオキセパン−２−オンは、カラムクロマトグラフィーや再結晶などの通常の有機化合物の分離・精製に用いられる方法により容易に純度を高めることができる。該再結晶の方法としては、例えばジエチルエーテル、アセトン、酢酸エチル等の溶剤に任意の量の１，５−ジオキセパン−２−オンを添加し、加熱して溶解させ、次いで室温に冷却することにより析出する白色固体をろ取する方法が好ましく挙げられる。但し、本発明による方法では、リン酸塩等を除去した溶液を濃縮するだけでも高純度の１，５−ジオキセパン−２−オンが得られるため、必ずしも精製操作を行なう必要はない。

なお、本発明で使用する２−ヒドロキシエチルアクリレートは、容易に入手可能なアクリル酸とエチレンオキシドを塩基性触媒、特にトリエチルアミン等の第三級アミンの存在下に５０〜８０℃で反応させることにより簡便に製造することができる。

次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例によって何ら限定されるものではない。

＜合成例１＞２−ヒドロキシエチルアクリレートの製造
アクリル酸１０８ｇ（１．５ｍｏｌ）、エチレンオキサイド８８ｇ（２ｍｏｌ）及びトリエチルアミン２ｇ（０．０１９ｍｏｌ）を内容積１Ｌのオートクレーブに入れ、７０℃で攪拌しながら１２時間加熱した。加熱終了後、室温に冷却し、得られた反応混合液を減圧蒸留（６４−７１℃／０．３ＫＰａ）することにより、２−ヒドロキシエチルアクリレート１６４ｇ（１．４１ｍｏｌ；収率９４％）を得た。

＜実施例１＞
攪拌装置、温度計及び還流冷却器を備えた内容積１Ｌのフラスコに、塩化メチレン６００ｍｌ、合成例１で得られた２−ヒドロキシエチルアクリレート３０ｇ（０．２５８ｍｏｌ；濃度＝３．６質量％）及びカリウムｔ−ブトキシド３．０ｇ（０．０２７ｍｏｌ）を仕込み、４５℃で５時間加熱攪拌した。反応終了後、リン酸３．０ｇ（０．０３１ｍｏｌ）を添加した。析出した固体をろ別し、ろ液から塩化メチレンを留去することにより、純度９６％の１，５−ジオキセパン−２−オンを得た。
該１，５−ジオキセパン−２−オンをジエチルエーテル５０ｍｌへ添加してから加熱し、固体が全て溶解した時点で室温に冷却することにより析出した白色固体をろ別し、純度９９％の１，５−ジオキセパン−２−オン２４．６ｇ（収率８２％、融点３５℃）を得た。得られた１，５−ジオキセパン−２−オンの¹Ｈ−ＮＭＲ測定結果を図１に示す。

＜実施例２＞
攪拌装置、温度計及び還流冷却器を備えた内容積１Ｌのフラスコに、塩化メチレン６００ｍｌ及びカリウムｔ−ブトキシド６．０ｇ（０．０５３ｍｏｌ）を仕込んだ。４２℃に加熱した後、攪拌しながら合成例１で得られた２−ヒドロキシエチルアクリレート８０ｇ（０．６８９ｍｏｌ；濃度＝９質量％）を８時間かけて滴下した。滴下終了後も同温度で５時間攪拌を継続した。室温まで冷却した後、リン酸６．０ｇ（０．０６１ｍｏｌ）を添加した。析出した固体をろ別し、ろ液から塩化メチレンを留去することにより、純度９７％の１，５−ジオキセパン−２−オンを得た。
該１，５−ジオキセパン−２−オンをジエチルエーテル１２０ｍｌへ添加してから加熱し、固体が全て溶解した時点で室温に冷却することにより析出した白色固体をろ別し、純度９９％の１，５−ジオキセパン−２−オン５８．４ｇ（収率７３％、融点３５℃）を得た。

＜比較例１＞
攪拌装置、温度計及び還流冷却器を備えた内容積２００ｍｌのフラスコに、塩化メチレン８０ｍｌ、合成例１で得られた２−ヒドロキシエチルアクリレート６０ｇ（０．５１７ｍｏｌ；濃度＝３４．８質量％）及びカリウムｔ−ブトキシド６．０ｇ（０．０５３ｍｏｌ）を仕込み、４５℃で加熱攪拌した。加熱してから９０分後、混合液が粘ちょうになり始め、およそ１２０分後には攪拌できなくなった。そのまま３時間加熱してからフラスコの内容物を取り出したところ、内容物全てが柔軟性の高い重合体となっていた。

実施例１及び２より、本発明の方法に従うことにより、公知の方法と比べ、１，５−ジオキセパン−２−オンを簡便に高純度・高収率で製造することができた。但し、比較例１より、反応混合液中における２−ヒドロキシエチルアクリレートの濃度が３０質量％を超えると、重合反応が進行してしまい、１，５−ジオキセパン−２−オンを製造できないことがわかった。

本発明により得られる１，５−ジオキセパン−２−オンは、例えばポリ乳酸などの生分解性プラスチックの改質剤として、さらには手術用糸などの生体適合性が要求される材料の原料などとして利用可能である。

１，５−ジオキセパン−２−オンの¹Ｈ−ＮＭＲ測定結果（４００ＭＨｚ、ＣＤＣｌ₃、ＴＭＳ）である。

Claims

２−ヒドロキシエチルアクリレートを、塩基性触媒および不活性溶媒の存在下、２−ヒドロキシエチルアクリレートの濃度を３０質量％以下にして環化反応させることを特徴とする、１，５−ジオキセパン−２−オンの製造方法。
塩基性触媒がアルカリ金属アルコキシドである、請求項１に記載の１，５−ジオキセパン−２−オンの製造方法。
アルカリ金属アルコキシドがナトリウムｔ−ブトキシドまたはカリウムｔ−ブトキシドである、請求項２に記載の１，５−ジオキセパン−２−オンの製造方法。
不活性溶媒が、ハロゲン化炭化水素、芳香族炭化水素、アミド、エーテル系炭化水素及び脂肪族炭化水素からなる群から選ばれる少なくとも１種である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の１，５−ジオキセパン−２−オンの製造方法。