JP5646460B2 - 有効な潤滑剤ベースストックとしてのヒマシ油脂肪酸系エストリドエステルおよびそれらの誘導体 - Google Patents

有効な潤滑剤ベースストックとしてのヒマシ油脂肪酸系エストリドエステルおよびそれらの誘導体 Download PDF

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Description

本発明は、有効な潤滑剤ベースストックとしてのヒマシ油脂肪酸系エストリドの直鎖およびイソアルキルエステルならびにそれらの誘導体の調製に関する。
植物油は、従来の鉱油系潤滑油および合成エステルの代替用のバイオ潤滑剤ベースストックを調製するための有力な候補であるとみなされている。植物油系潤滑剤は、その高められた生分解性、より低い毒性およびいくつかの他の特性を有するため、鉱油系潤滑剤の魅力的な代替物である。
エストリドは、一方の脂肪酸のカルボン酸官能基が他方の脂肪酸の不飽和部位または二重結合と反応してエステル結合を形成したときに生じる植物油に基づいたある種のエステルであり、該生成物は、エストリドとして広く知られている。エストリドの二次結合は、トリグリセリドより加水分解に対する耐性を示し、エストリドの固有の構造により、特定の用途に関して植物および鉱油の物性よりはるかに優れた物性を有する物質がもたらされる[Inform、15、515頁(2004)(非特許文献1)]。
潤滑剤ベースストックとして使用するための優れた特性を特徴とするオレイン酸およびC〜C14飽和脂肪酸由来のエストリドのエステルは、Industrial Crops and Products(2001)、13(1)、11〜20頁(非特許文献2)に記載されている。別の研究においては、飽和キャッピング(saturate−capped)オレイン酸エストリドを2−エチルヘキサノールでエステル化して対応するエステルが得られた[Industrial Crops and Products、18、183頁(2003)(非特許文献3)、米国特許、米国特許第6018063号(2002)(特許文献1)および米国特許第6316649号(2001)(特許文献2)]。これらのヤシオレイン酸(coco−oleic)エストリドエステルは優れた低温特性(−36℃)を示し、生分解性潤滑剤および機能液のベースストックとして現在の植物油系の市販の物質より適している。
別のタイプのエストリドでは、単独重合によりヒマシ油のヒドロキシ脂肪酸をエストリドに容易に変換することができる[J.Am. Oil Chem. Soc. 42、428頁(1965)(非特許文献4)。一方の脂肪酸のカルボン酸官能基が他方の脂肪酸の不飽和部位に結合してオリゴマーエステルを形成したときに生成する通常のエストリドとは異なり、ヒマシの脂肪酸は、エステル化が起こる部位を提供してエストリドを生成するヒドロキシ官能基を有する。
ヒマシ油は、潤滑剤を含めたいくつかの機能性化合物を調製するための魅力的な工業原料である[J.Am. Oil Chem. Soc. 51、65頁(1974)(非特許文献5)、[J.Am. Oil Chem. Soc. 48、758頁(1971)(非特許文献6)]。最大で85〜90%のリシノール酸(ヒドロキシル脂肪酸(12−ヒドロキシ9cis−オクタデセン酸))を含有するため、ヒマシ油は魅力的な潤滑剤ベースストックであると考えられる。
有機金属エステル交換触媒の存在下でヒドロキシ酸のエステルを第二アルコールと反応させることにより調製されるヒドロキシ酸の第二アルコールエステル、例えば、第二アルコールのリシノール酸エステルが米国特許、米国特許第6407272号(2002)(特許文献3)で報告されており、それらは潤滑剤として有用である。
レスケレラ(lesquerella)およびヒマシトリグリセリドとオレイン酸とのエストリドがJournal of the American Oil Chemists' Society、79、1227頁(2002)(非特許文献7)で報告されている。レスケレラおよびヒマシヒドロキシトリグリセリドの合成および物性がIndustrial Crops and Products、23、256頁(2006)(非特許文献8)で報告されている。レスケレラおよびヒマシ油は、スズ2−エチルヘキサノエート触媒(0.1重量%)の存在下で飽和脂肪酸(C〜C18)と反応させること、ならびにヒドロキシと対応する無水物との縮合を利用することまたは真空下200℃で加熱することにより、それらの対応するエストリドに変換された。
レスケレラおよびヒマシ脂肪酸と様々な種類の飽和、不飽和および分岐状の脂肪酸とのエストリドがIndustrial Corps and Products、23、54頁(2006)(非特許文献9)で報告されている。ヒマシおよびレスケレラエストリドエステルは、オレイン酸または分岐状の脂肪酸でキャッピングされたときに最良の低温特性を有していた。エストリドにおける飽和が大きくなるにつれて流動点および曇点も高くなった。
米国特許第6018063号(2002) 米国特許第6316649号(2001) 米国特許第6407272号(2002)
Inform、15、515頁(2004) Industrial Crops and Products(2001)、13(1)、11〜20頁 Industrial Crops and Products、18、183頁(2003) J.Am. Oil Chem. Soc. 42、428頁(1965) J.Am. Oil Chem. Soc. 51、65頁(1974) J.Am. Oil Chem. Soc. 48、758頁(1971) Journal of the American Oil Chemists' Society、79、1227頁(2002) Industrial Crops and Products、23、256頁(2006) Industrial Corps and Products、23、54頁(2006)
本発明の主要な目的は、ヒマシ油脂肪酸系エストリドおよびそれらの酢酸エステルを調製することである。
本発明の別の目的は、上記エストリドの直鎖およびイソアルキルエステルを調製することである。
本発明のさらなる目的は、流動点および引火点に実質的に影響を及ぼすことなく粘度を低減するように、該エストリドのアルキルおよびイソアルキルエステルをそれらの酢酸エステルに変換することである。
本発明のさらに別の目的は、粗エストリドにおいてエステルおよび酢酸エステル部分のいずれもが形成していることをH NMR試験により証明することである。
これらのエステルの物理化学的特性を示すことも本発明の目的である。
生分解性であり、必要とされる酸化安定性、低温および粘度特性を有するエストリドの一群を示すことも本発明のさらなる目的である。
本発明の他の目的および利点は以下の記述から容易に明らかとなろう。
本発明において、約95の酸価を有するヒマシ油脂肪酸エストリド由来の新規のエストリド化合物の一群について報告する。本発明において使用されるヒマシ油脂肪酸は、84%以上のリシノール酸を含有する。
したがって、本発明は、一般式1
Figure 0005646460
(式中、nの値は1であり、式中、nの平均値は、エストリド中のリシノール酸の2つの分子の平均に相当する95に等しいエストリドの酸価を有するものと対応し、
R1は、C1〜C8の分岐状または非分岐状の炭化水素であり、R部分は、水素、CHCOからなる群から選択される)
のエストリド化合物を提供する。
本発明の一実施形態において、R部分は、メチル、イソプロピル、ブチル、ヘキシル、2−エチルヘキシルからなる群から選択され、R部分は、水素、CHCOからなる群から選択される。
したがって本発明は、請求項1に記載の一般式1のエストリドを調製する以下を含む方法も提供する。
(i)ヒマシ油を鹸化してリシノール酸を得て、不活性雰囲気下で175〜190℃の範囲の温度で3〜5時間の範囲の間リシノール酸を加熱して式1(式中、nの平均値は1であり、RおよびRはHである)のエストリド化合物を得るステップと、
(ii)硫酸もしくはSnClから選択される触媒の存在下、還流温度または140〜160℃の範囲の温度で3〜8時間の範囲の間、ステップ(i)で得られたエストリド化合物1をメタノール、イソプロパノール、ブタノール、n−ヘキサノール、2−エチルヘキサノールなどの炭素C1〜C8のアルコールと反応させて対応するエストリドエステルを得るステップと、
(iii)ステップ(ii)で得られたエストリドエステルを無水酢酸およびピリジンと反応させて一般式1(式中、R部分は、メチル、イソプロピル、ブチル、ヘキシル、2−エチルヘキシルからなる群から選択され、R部分はCHCOである)のエストリドエステルのアセチル化合物を得るステップ。
本発明の一実施形態において、該化合物の酸価は0.5mg KOH/gである。
本発明の別の実施形態において、式1の化合物は、単独で、ならびに配合物および添加物と共に機能液のベースストックとして適している。
本発明の植物油系潤滑剤は、非ヒドロキシ飽和および不飽和脂肪酸の他に主要な成分として1つのヒドロキシル基および1つの不飽和部位を有する脂肪酸からなるトリグリセリドから調製され、最も好ましい原料はヒマシ油である。
約85〜90%のリシノール酸(12−ヒドロキシ−9−cis−オクタデセン酸)を含有するヒマシ油は、鹸化法によりその脂肪酸に変換する。得られたヒマシ油脂肪酸(AV195)は、減圧高温下でホモ重合して酸価約95のリシノール酸系のエストリドとする。このステップの間、酸価は195から95まで低下し、エストリドの形成を示す。
次のステップにおいて、該エストリドは、触媒の存在下で直鎖およびイソアルキルアルコールを使用して直鎖およびイソアルキルエステルに変換する。最後に、これらのエステルは、無水酢酸とピリジンとの混合物からなるアセチル化剤を使用することによりアセチル化する。
生じた生成物は、以下の構造のもの(式中、Rはアルキル鎖であり、RはHまたはアセチル基である)であった。
Figure 0005646460
式中、nの平均値=1(95の酸価に対応する)。
該生成物においてエステルおよび酢酸エステル部分のいずれもが形成していることがH NMRスペクトルの研究により証明された。全ての生成物のH NMRスペクトルにより、それぞれの粗エストリドにおいてアルキルエステルおよび酢酸エステル基が形成していることが明確に証明された。
全ての生成物を全酸価(TAN)、粘度、粘度指数、流動点、引火点、および銅板腐食に関して評価し、有効な潤滑剤ベースストックであることを見出した。
本発明の利点は、これらの生成物が、非食用であるヒマシ油のような再生可能な資源から合成されることである。合成された生成物は、高粘度指数、高引火点および低流動点の特性を示した。
単に説明の目的で示すものであり、本発明の範囲を制限することを意図しない以下の例により、本発明をさらに説明する。例と関連して、およびその実施形態を参照することにより本発明を説明しているが、多くの代替の変更形態および変法が当業者には明らかとなることは上記の記述により明白であり、したがって本発明において、添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲内にある限り、これらおよび全てのそのような代替物、変法および変更形態が包含されることを意図している。
例1
ヒマシ油脂肪酸のエストリドの調製:ヒマシ油(1000g)を三つ口丸底フラスコに入れ、80℃まで加熱した。水酸化ナトリウムの溶液(145g、水酸化ナトリウム/1200ml、水)を撹拌しながら該フラスコにゆっくり加えた。85℃で3時間撹拌し続けた。鹸化の完了後、十分な量の希塩酸水溶液(6N)を反応混合物に加えて、4未満のpHで脂肪酸石鹸を完全に分解した。15分間撹拌し続けた。反応混合物を室温まで冷却し、エーテルで抽出した。エーテル層を水で洗浄して塩酸を除去した。有機層を硫酸ナトリウムに通して懸濁水(suspended water)を除去した。エーテルを真空下で除去してヒマシ油脂肪酸を得、その収量は920gであった。リシノール酸(800g)を窒素下で撹拌しながら185℃まで加熱した。周期的に試料を抜き取って酸価をモニターしてエストリド形成の程度を判定した。95という所望の酸価、リシノール酸の2つのユニットを有するエストリドの理論酸価の達成後、反応を停止した。生成物の収量は720gであった。
例2
エストリドメチルエステルの調製:2%硫酸を含有するメタノール(4000ml)で酸価95のヒマシ油脂肪酸エストリド(400g)を還流した。エステル化の過程を薄層クロマトグラフィーによりモニターした。反応の完了後、その内容物を冷却し、酢酸エチルで抽出し、水で洗浄した。有機層を硫酸ナトリウムに通し、過剰なアルコールおよび酢酸エチルを減圧下で蒸留した。生成物の収量は401gであり、以下の特性を有していた。
酸価、mg KOH/g:0.26
40℃での粘度:32.97
100℃での粘度:6.20
粘度指数:162
流動点(℃):−33
引火点(℃):252
銅板腐食:1a
粗生成物H NMRスペクトル試験に付してエストリドメチルエステルの形成を証明した。
H NMR (CDCl,ppm):0.9[m,2x−CH]、1.2−1.6[m,22x−CH2−]、2.0[m,2x−C −CH=CH−]、2.1−2.4[m,2x−CO−CH−]、3.5−3.7[m,−C−OH,−O−CH]、4.8[m,−O−CH−]、5.2−5.6[m,2x−C=C−CH−]
例3
エストリドメチルエステルの酢酸エステルの調製:無水酢酸(110ml)とピリジン(330ml)との混合物からなるアセチル化剤を使用することによりエストリドメチルエステルをアセチル化した。アセチル化剤をエストリドメチルエステル(220g)に加え、アセチル化反応が完了するまで還流した。続いて、反応混合物を室温まで冷却し、エーテルで抽出し、十分な量の希塩酸で処理してピリジンを中和した。エーテル層を水で洗浄して酸を除去し、硫酸ナトリウムに通した。減圧下でエーテルを除去した。真空下で乾燥して、以下の特性を有する197gのアセチル化生成物を得た。
酸価、mg KOH/g:0.49
40℃での粘度:17.38
100℃での粘度:4.22
粘度指数:164
流動点(℃):−33
引火点(℃):252
銅板腐食:1a
粗生成物H NMRスペクトル試験に付してエストリドメチルエステルの酢酸エステルの形成を証明した。
H NMR(CDCl,ppm):0.9[m,2x−CH]、1.2−1.4[m,22x−CH2−]、1.9−2.0[m,2x−C −CH=CH,−CO−CH]2.2[m,2x−CO−CH−]、3.6[s−O−CH]、4.8[m,2x−O−CH−]、5.2−5.4[m,2x−C=C−CH−]
例4
エストリドイソプロピルエステルの調製:2%硫酸を含有するイソプロパノール(118ml)でヒマシ油脂肪酸エストリド(571g)を還流した。エステル化の過程を薄層クロマトグラフィーによりモニターした。反応の完了後、その内容物を冷却し、酢酸エチルで抽出し、水で洗浄した。有機層を硫酸ナトリウムに通し、過剰なアルコールおよび酢酸エチルを減圧下で蒸留した。生成物の収量は594gであり、以下の特性を有していた。
酸価、mg KOH/g:0.03
40℃での粘度:39.90
100℃での粘度:7.28
粘度指数:149
流動点(℃):−27
引火点(℃):252
銅板腐食:1a
粗生成物H NMRスペクトル試験に付してエストリドイソプロピルエステルの形成を証明した。
H NMR(CDCl,ppm):0.9[m,4x−CH]、1.2−1.6[m,22x−CH2−]、2.0[m,2x−C −CH=CH−]、2.2−2.4[m,2x−CO−CH−]、3.6[m,−C−OH]、4.8−5.0[m,2x−O−CH−]、5.3−5.5[m,2x C=C−CH−]
例5
エストリドイソプロピルエステルの酢酸エステルの調製:1:3v/v比の無水酢酸(100ml)とピリジン(300ml)との混合物からなるアセチル化剤を使用することによりエストリドイソプロピルエステルをアセチル化した。アセチル化剤をエストリドイソプロピルエステル(220g)に加え、アセチル化反応が完了するまで還流した。続いて、反応混合物を室温まで冷却し、エーテルで抽出し、十分な量の希塩酸で処理してピリジンを中和した。エーテル層を水で洗浄して酸を除去し、硫酸ナトリウムに通した。減圧下でエーテルを除去した。真空下で乾燥して、以下の特性を有する214gのアセチル化生成物を得た。
酸価、mg KOH/g:0.08
40℃での粘度:31.27
100℃での粘度:6.73
粘度指数:181
流動点(℃):−30
引火点(℃):252
銅板腐食:1a
粗生成物H NMRスペクトル試験に付してエストリドイソプロピルエステルの酢酸エステルの形成を証明した。
H NMR(CDCl,ppm):0.9[m,4x−CH]、1.2−1.6[m,22 x−CH−]、2.0[m,2x−C −CH=CH−,O−CO−CH]2.2−2.5[m,2x−CO−CH−]、4.8−5.0[m,2x−O−CH−]、5.3−5.5[m,2x−C=C−CH−]
例6
エストリドブチルエステルの調製:1%硫酸を含有するブタノール(100ml)でヒマシ油脂肪酸エストリド(62.5g)を還流した。反応の完了後、その内容物を冷却し、酢酸エチルで抽出し、水で洗浄した。有機層を硫酸ナトリウムに通し、過剰なアルコールおよび酢酸エチルを減圧下で蒸留した。生成物の収量は64.3gであり、以下の特性を有していた。
酸価、mg KOH/g:0.24
40℃での粘度:70.39
100℃での粘度:12.38
粘度指数:176
流動点(℃):−27
引火点(℃):252
銅板腐食:1a
粗生成物H NMRスペクトル試験に付してエストリドブチルエステルの形成を証明した
H NMR(CDCl,ppm):0.9[m,3x−CH]、1.2−1.6[m,24 x−CH−]、2.0[m,2x−C −CH=CH−]、2.2−2.3[m,2x−CO−CH−]、3.5[m,−C−OH]、4.0[t,−O−CH−]、4.8[m,O−CH−]、5.3−5.4[m,2x−C=C−CH−]
例7
エストリドブチルエステルの酢酸エステルの調製:1:3v/v比の無水酢酸(100ml)とピリジン(300ml)との混合物からなるアセチル化剤を使用することによりエストリドブチルエステルをアセチル化した。アセチル化剤をエストリドブチルエステル(220g)に加え、アセチル化反応が完了するまで還流した。続いて、反応混合物を室温まで冷却し、エーテルで抽出し、十分な量の希塩酸で処理してピリジンを中和した。エーテル層を水で洗浄して酸を除去し、硫酸ナトリウムに通した。減圧下でエーテルを除去した。真空下で乾燥して、以下の特性を有する204gのアセチル化生成物を得た。
酸価、mg KOH/g:0.1
40℃での粘度:25.40
100℃での粘度:6.30
粘度指数:216
銅板腐食:1a
粗生成物H NMRスペクトル試験に付してエストリドブチルエステルの酢酸エステルの形成を証明した。
H NMR(CDCl,ppm):0.9[m,3x−CH]、1.2−1.6[m,24 x−CH]、2.0[m,2x−C −CH=CH−,O−CO−CH]、2.2−2.3[m,2x−CO−CH−]、2.7[m,−C−OH]、4.0[t,−O−CH−]、4.0[m,2x−O−CH−]、5.3−5.4[m,2x−C=C−CH−]
例8
エストリドn−ヘキシルエステルの調製:0.1%SnClを含有するn−ヘキサノール(660ml)でヒマシ油脂肪酸エストリド(66g)を還流した。反応の完了後、その内容物を冷却し、酢酸エチルで抽出し、水で洗浄した。有機層を硫酸ナトリウムに通し、過剰なアルコールおよび酢酸エチルを減圧下で蒸留した。生成物の収量は69.2gであり、以下の特性を有していた。
酸価、mg KOH/g:0.074
40℃での粘度:56.3
100℃での粘度:10.13
粘度指数:169
流動点(℃):−24
引火点(℃):252
銅板腐食:1a
粗生成物H NMRスペクトル試験に付してエストリドn−ヘキシルエステルの形成を証明した。
H NMR(CDCl,ppm):0.9[m,3 x−CH]、1.2−1.6[m,26 x−CH]、2.0[m,2x−C −CH=CH−]、2.2−2.4[m,2x−CO−CH−]、3.5[m,C−OH]、4.0[t,O−CH−]、4.8[m,−O−CH−]、5.2−5.5[m,2x−C=C−CH−]
例9
エストリド2−エチルヘキシルエステルの調製:0.1%SnClを含有する2−エチルヘキサノール(374ml)でヒマシ油脂肪酸エストリド(700g)を還流した。反応の完了後、その内容物を冷却し、酢酸エチルで抽出し、水で洗浄した。有機層を硫酸ナトリウムに通し、過剰なアルコールおよび酢酸エチルを減圧下で蒸留した。生成物の収量は808gであり、以下の特性を有していた。
酸価、mg KOH/g:0.49
40℃での粘度:63.79
100℃での粘度:10.09
粘度指数:144
流動点(℃):−36
引火点(℃):252
銅板腐食:1a
粗生成物H NMRスペクトル試験に付してエストリド2−エチルヘキシルエステルの形成を証明した。
H NMR(CDCl,ppm):0.9[m,4 x−CH]、1.2−1.6[m,26 x−CH]、2.0[m,2x−C −CH=CH−]、2.2−2.3[m,2x−CO−CH−]、3.5[m,−CH−OH]、4.0[d,O−CH−]、4.8[m,−O−CH−]、5.2−5.5[m,2x C=C−CH−]
例10
エストリド2−エチルヘキシルエステルの酢酸エステルの調製:エストリド2−エチルヘキシルエステルを無水酢酸(153ml)とピリジン(459ml)との混合物からなるアセチル化剤を使用することによりアセチル化した。アセチル化剤をエストリド2−エチルヘキシル(373g)に加え、アセチル化反応が完了するまで還流した。続いて、反応混合物を室温まで冷却し、エーテルで抽出し、十分な量の希塩酸で処理してピリジンを中和した。エーテル層を水で洗浄して酸を除去し、硫酸ナトリウムに通した。減圧下でエーテルを除去した。真空下で乾燥して、以下の特性を有する348gのアセチル化生成物を得た。
酸価、mg KOH/g:0.20
40℃での粘度:42.7
100℃での粘度:8.35
粘度指数:175
流動点(℃):−39
引火点(℃):262
銅板腐食:1a
粗生成物H NMRスペクトル試験に付してエストリド2−エチルヘキシルエステルの酢酸エステルの形成を証明した。
H NMR(CDCl,ppm):0.9[m,4 x−CH]、1.2−1.6[m,26 x−CH2−]、1.9−2.0[m,2x−C −CH=CH−,O−CO−CH]、2.2−2.3[m,2x−CO−CH−]、3.9−4.0[d,O−CH−]、4.8[m,−O−CH−]、5.2−5.4[m,2x−C=C−CH−]
本発明の利点:
1.本発明のエストリド誘導体の利点は、それらの高粘度指数(VI)およびISO VG32の粘度等級であり、それ以上がより望ましい。
2.これらのエストリド誘導体は、粘度、VIを向上させるのに必要であり、調剤された潤滑剤においてポリマー系増粘剤または変性剤の存在が剪断安定性の問題を引き起こす可能性がある増粘剤を必要としない。
3.低温特性は、潤滑剤ポンパビリティー、濾過性、流動性、ならびにコールドクランキングおよびスタートアップにとって重要である。流動点は、低温挙動の最も一般的な指標である。植物油由来のベースストックは、通常、流動点降下剤を添加しないと高流動点を有する。本発明のエストリド誘導体は、より高粘度のトリオレエート、植物油またはポリオールエステルより優れた低温特性を有する。
4.全般的に、本発明のエストリド誘導体は、それらの酸化安定性および低温特性において他の植物油系潤滑剤に勝ると期待されている。

Claims (2)

  1. 一般式1のエストリドを調製する方法であって、
    一般式1
    Figure 0005646460
    (式中、nの平均値は1であり、R1は、C1〜C8の分岐状または非分岐状の炭化水素であり、メチル、イソプロピル、ブチル、ヘキシル、2−エチルヘキシルからなる群から選択され、R2部分は、CHCOである)
    (i)ヒマシ油を鹸化してリシノール酸を得、不活性雰囲気下で175〜190℃の範囲の温度で3〜5時間の範囲の間リシノール酸を加熱して酸価が95mg KOH/gである式1(式中、nの平均値は1であり、R1およびR2はHである)のエストリド化合物を得るステップと、
    (ii)硫酸もしくはSnClから選択される触媒の存在下、還流温度または140〜160℃の範囲の温度で3〜8時間の範囲の間、ステップ(i)で得られたエストリド化合物1をメタノール、イソプロパノール、ブタノール、n−ヘキサノール、2−エチルヘキサノールから選択される炭素C1〜C8のアルコールと反応させて対応するエストリドエステルを得るステップと、
    (iii)ステップ(ii)で得られたエストリドエステルを無水酢酸およびピリジンと反応させて一般式1(式中、nの平均値は1であり、R1部分はメチル、イソプロピル、ブチル、ヘキシル、2−エチルヘキシルからなる群から選択され、R2部分はCHCOである)のエストリドエステルのアセチル化合物を得るステップと
    を含む、上記方法。
  2. 請求項1に記載の方法で製造されたエステリドエステルのアセチル化合物を含む機能液のベースストック。
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