JP6100970B2 - 新規の重合触媒を使用するplaの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ラクチドと重合触媒としての金属配位化合物とを混合して反応混合物を得る工程、少なくとも150℃の温度で液相のラクチドを重合して液相のポリラクチドを形成する工程、およびポリラクチドを固化させる工程を含む、ポリラクチドの製造方法に関する。本発明はまた、ポリラクチドの製造における重合触媒としてのかかる金属配位化合物の使用に関する。本発明はさらに、高い熱安定性および低いラセミ化率を有するポリラクチドに関する。
現在、多大な注目が、ポリラクチド(ポリ乳酸とも呼ばれ、PLAと略称される)に向けられている。PLAは、脂肪族ポリエステルであり、再生可能な資源から本質的に製造され得る。そのような製造は、デンプン、糖またはその他の再生可能な有機基質の乳酸への発酵を含みうる。PLAは、乳酸(ラクテートモノマー)の直接の重縮合によって原則的に合成される得、これは、高分子量が容易に達せられないという弱点を有する。したがって、PLAは、乳酸の環状二量体であるラクチドの開環重合によって通常調製される。ラクチドは、乳酸のPLAオリゴマーへの重縮合、およびその後の適切な触媒の存在下でのいわゆる「バックバイティング」機構によるこれらのオリゴマーの解重合によって通常製造される。精製後、生成されたラクチドは、重合触媒の存在下、開環重合反応(ROP)によって、制御された分子量のPLAに転化され得る。後者の方法は、高分子量のPLAを製造するのに使用され得る。特に、オクタン酸第一スズまたはスズオクトエート(Sn(Oct))またはビス(2−エチルヘキサン酸)スズの化合物は、産業用の大容量条件下でのPLAの製造における重合触媒として周知である。
冒頭パラグラフに記載されている方法は、例えば、本出願人名義の国際公開第2009/121830−A1号パンフレットから、そのようなものとして公知であり、この文献において、周知のSnOctが重合触媒として使用されている。重合条件が適切に選択される場合には、高品質のPLAが公知の方法によって得られることができる。かかる条件下、ラクチドからPLAへの方法における触媒としてのSnオクトエートの使用は、比較的高い溶融安定性および低いラセミ化率を有するポリマー樹脂を結果する所望の速い重合速度をもたらす。
言及されたSnオクトエート触媒は、最適化された重合条件下でよく機能しうるが、異なるもしくは改善された特性または特徴を有するPLA等級の製造において可能性を広げるために、代替の触媒系に大きな興味が存在すると思われる。特に、ラクチドのPLAへの重合のための、Snのない触媒系に明確な興味が存在する。しかし、かかる代替の触媒は、公知のスズオクトエートを用いて達成される反応速度と同程度である反応動力学を付与し得るべきである。さらに、かかる代替の触媒系によって製造されたPLAの熱安定性も高くあるべきであり、好ましくは、スズオクトエートを用いて製造されたPLAによって達せられるより高くあるべきである。さらに、代替の触媒系は、ポリラクチド中のラクトイル部分のラセミ化を全くまたはほとんど誘起するべきでない。
液相のラクチドのPLAへの重合において適切に使用されることができる新規の触媒系を提供することが本発明の目的である。前記新規の触媒系は好ましくは、周知のSnオクトエート化合物が、上記液相での重合を実施する間に触媒として使用される方法と比較して良好なまたはさらに改善された重合特性を示すべきである。新規の触媒を用いて製造されたPLAは、好ましくは、高い熱安定性および低いラセミ化率を有するべきである。
本発明のこれらの目的およびありうる他の目的は、ラクチドと重合触媒としての金属配位化合物とを混合して反応混合物を得る工程、少なくとも150℃の温度で液相のラクチドを重合して液相のポリラクチドを形成する工程、およびポリラクチドを固化させる工程を含む、ポリラクチドの製造方法によって達成される。ここで、この方法は、上記重合触媒が金属−リガンド配位化合物を含み、親リガンドが式Iに対応し、金属がZrおよびHfの少なくとも1つであり、前記触媒に由来する金属の量が、1〜2000ppmの範囲であることを特徴とする。
Figure 0006100970

上記式中、Rは、H原子、1〜4の炭素原子を有する脂肪族基、ハロゲン原子またはニトロ基を表す。ZrおよびHfは共に、金属配位化合物中に金属イオンとして結合されている。なお、金属−リガンド配位化合物において、リガンドは、陰イオン性である(すなわち、負に帯電し、ヒドロキシル基のプロトンを欠く)。その理由から、上記式のリガンドは、親リガンドであるとして示される。
本発明は、特許請求の範囲に記載された種類の化合物が、液相のラクチドのPLAへの重合における触媒として適切に使用されることができるという驚くべき発見に基づいている。さらに、前記新規の重合触媒を用いて製造されたPLAの熱安定性は、公知のSnオクトエート化合物を用いて製造されたPLAによって得られた熱安定性と少なくとも同程度であると思われる。好適な重合条件が選択されるならば、新規の触媒系の重合動力学は、公知の製造方法によるPLAの製造において観察された動力学に匹敵する。重合方法の間になされたラセミ化の量は無視でき、そして少なくとも、公知の方法によって達せられるのと同じ低い量である。
リガンド中のアリール部分のR基は、好ましくは、H原子、または短いアルキル基からなることが留意される。後者の場合、エチル、n−プロピル、イソプロピル、またはtert−ブチル基が適切な候補である。同じまたは異なるベンジル基の様々なR基は、同一であってもまたは異なっていてもよい。言及された短いアルキル基は、置換基、例えばハロゲン原子等を含有していてもよい。この点で興味深いリガンドは、トリス(−3,5−ジ−tert−ブチル−2−ヒドロキシベンジル)アミンである。
米国特許出願公開第2005/0009687−A1号明細書は、塊状重合と溶液重合との両方におけるラクチドからのPLAの製造における重合触媒として使用される、同様のリガンドを有する一連のTi4+配位化合物を記載していることが留意される。しかし、塊状重合反応の収率は、本発明の方法と比較するとかなり低い。さらに、大量のTi触媒が、許容される重合動力学を得るために必要とされる。本発明の方法において、触媒の添加量は典型的には、この先行技術文献において開示されている触媒添加量の1/100である。
本発明による方法の興味深い実施形態は、脂肪族基がメチル基であることを特徴とする。最適な重合の特徴を有する触媒は、金属−リガンド配位化合物のリガンド中の全てのR基がメチル基である場合に得られうる。かかる場合において、1つの金属中心が、2つのリガンドで配位させられる。これは、いわゆる双性イオン構造の形成をもたらす。本発明の方法のこの実施形態のために使用されるリガンドはまた、トリス(−3,5−ジメチル−2−ヒドロキシベンジル)アミンとして記載されることができる。
理論に拘束されることなく、本発明者らは、特定の金属双性イオン構造が、新規の重合触媒の興味深い特性に貢献しうると考える。特に、1つの金属中心が2つのリガンドと錯体を形成している上記双性イオン構造は、それだけでは、重合を開始する基を含有しない。むしろ、上記錯体は、より高温でより高い活性種を形成することが期待され、それが実際の触媒中心を形成する。この種のリガンドを有する記載された種類の金属−リガンド配位化合物は、その単純で直接的な製造および貯蔵条件下での化合物安定性にかんがみて、特に興味深い。
本発明の方法の別の興味深い実施形態は、金属イオンがZrであることを特徴とする。実験データによると、反応動力学は、特許請求の範囲に記載された条件下で最適である。すなわち、かなり短い反応時間が、液相のラクチドのPLAへの重合の間に必要とされる。本発明の、ラクチドからPLAへの方法におけるこれらのリガンドを有するZr配位化合物の使用は、ほとんどもっぱらアイソタクティックPLA、すなわち、使用されたラクチドのジアステレオマーのホモポリマーをもたらすと思われる。言及されたZr配位化合物の1つの組成および構造は、「Isolation and characterisation of transition and main group metal complexes supported by hydrogen-bonded zwitterionic polyphenolic ligands」、Chem. Commun.、2003、1832〜1833に記載されていることが留意される。
ラクチドは、3つの異なる幾何構造で存在でき、これらの構造は、ジアステレオマーの関係を有することが留意される。これらの異なる構造は、R,R−ラクチド(すなわちD−ラクチド)、S,S−ラクチド(すなわちL−ラクチド)およびR,S−ラクチド(すなわちメソ−ラクチド)として識別されることができる。本発明の範囲内で、両方の純粋なラクチド(1種のジアステレオマーのみから構成されている)は、2種または全ての純粋なラクチドの混合物と同様に、上記製造方法において使用され得る。
上記混合物は、ラクチド以外の反応物質もまた含有しうることが強調される。混合物がまた、関連する環状エステル、例えばグリコリドを含有する場合、興味深いポリマーが作られ得る。別の有用な反応性モノマーは、カプロラクトンでありうる。ラクチドと一緒にこれらのまたは関連する反応物を使用する場合、医学分野における用途のために役立つコポリマーが製造され得る。しかし、モノマーの大部分がラクチドからなることが好ましく、最も好ましくは、ラクチドがモノマーの90%超を占める。
また興味深いのは、共開始剤が混合物に添加されることを特徴とする、本発明の方法の実施形態である。適切な共開始剤は、アルコール、特に第一級アルコール、例えば、ベンジルアルコール、1−ヘキサノール、2−エチルヘキサノールおよびドデカノール、および/またはアミン、特に第一級アミン、例えば、ヘキシルアミンおよびドデシルアミンである。共開始剤は、反応速度のさらなる上昇を引き起こし、製造されるPLAの意図された分子量を制御するのに使用され得る。当業者はまた、多官能性のアルコール、チオールおよびアミン、ならびに適切な末端基官能性を有するポリオールおよび他の巨大分子でさえも、共開始剤として使用されうることを認識するだろう。
本発明の方法の別の実施形態は、触媒に由来する金属の量が、1ppm〜2000ppmの範囲であることを特徴とする。金属のこの量は、従来の公知の元素分析技術によって評価されうる。この量が2000ppm超を選択される場合には、上記方法は、反応制御が不十分であり、暴走重合のリスクが許容されないほど高くなるという不都合を被る。さらに、変色およびラセミ化がより目立つことになる。触媒の量が1ppm未満を選択される場合には、PLAを製造するための反応時間が長くなりすぎる。反応混合物中の触媒の量が10ppm〜1000ppmの間で選択される場合には、両方の不都合の間の良き妥協点が見つけられる。
本発明による方法のさらなる実施形態は、液相の温度が、160℃〜220℃の範囲にあることを特徴とする。温度が160℃未満を選択される場合には、純粋なホモポリマー、例えばPDLA(もっぱらD−ラクトイル部分を含有する)およびPLLA(もっぱらL−部分を含有する)の連続的な溶融重合の遂行は、反応混合物における結晶化現象に起因して非常に困難になる。温度が220℃超を選択される場合には、望まれない分解反応および変色現象のリスクが現実になる。反応混合物中の温度が170℃〜210℃の範囲である場合には、両方の不都合にとっての良き妥協点が達成される。
本発明の方法のさらに別の実施形態は、上記液相が、形成されたポリラクチドを固化させる前に、脱揮工程に付されることを特徴とする。液相のポリマーに含有される、残っている未結合のラクチドは、かかる脱揮工程によって除去され得る。脱揮工程は、液相のポリマーにおける圧力の低下によって、好ましくは10mbar未満にすることによって行われ得る。さらに、液相のポリマーを通じて不活性ガスをパージすることが可能である。好ましくは、脱揮工程を適用する前に、末端封止剤が液相のポリマーに添加され得、不活性化剤の添加が、脱揮工程後であり得る。かかる末端封止剤はポリマーの解重合を防ぎ、特に、バックバイティング機構によるポリエステルのヒドロキシル末端基からの解重合を防ぐ。
また興味深いのは、ラクチドの少なくとも90%がポリラクチドに転化されたときに、触媒不活性化剤が液相に添加されることを特徴とする、本発明による方法の実施形態である。この手段は、反応生成物の解重合を防ぐ。遊離ラクチド(およびありうる他の反応物)と重合生成物との間の平衡条件が変化させられる場合、同じ触媒によるかかる解重合が起こりうる。これは、反応混合物の温度が低下させられる場合、または圧力が一定温度で低下させられる場合である。不活性化は、触媒不活性化剤の添加によって行われる。触媒としてSnオクトエートを使用する公知の方法では、過酸化物がこの目的のために使用される。文献から知られている他の適切な不活性化剤は、リン含有化合物およびホスファイト含有化合物である。
本発明はまた、液相のラクチドをポリラクチドへ転化するための重合触媒としての特定の金属配位化合物の使用に関する。この金属配位化合物は、構造IIによって表される。
Figure 0006100970
本発明はまた、Zr含有化合物を含有するポリラクチドに関し、ここで、上記化合物に由来するZr金属の量が1〜2000ppmの範囲である。このポリラクチドは、本発明によるその製造によって得られる所望の特性を示す。ポリラクチドマトリックス中のZrの量は、従来公知の元素分析技術を用いて決定される。
本発明はさらに、ある量のZr含有化合物を含有するポリラクチドに関するものであり、上記化合物に由来するZr金属の量が、およそ1〜2000ppmであり、その製造中のポリラクチド内のラクトイル単位のラセミ化率が2%未満である。低いラセミ化率というこの特徴は、本発明によるポリラクチドが、比較的高温での用途に特に有用であることを示す。
本発明のこれらのおよび他の局面は、後述の実施形態から明らかであり、後述の実施形態を参照して説明される。
リガンドであるトリス(−3,5−ジメチル−2−ヒドロキシベンジル)アミンの調製において使用される反応順序を示す図である。 本発明による新規の触媒系を使用するポリラクチドの製造の反応動力学を示す、いくつかの転化率の曲線を示す図である。 本発明による新規の触媒系を使用するポリラクチドの製造の反応動力学を示す、いくつかの追加の転化率の曲線を示す図である。 本発明によらない触媒系を使用するポリラクチドの製造の反応動力学を示す、転化率の曲線を示す図である。
分析の方法
絶対分子量は、光散乱検出器、粘度検出器および屈折率検出器を装備した三重検出システム(Viscotek GPC Max VE2001)を使用する、ヘキサフルオロイソプロパノール(HFiP)中でのゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)測定を使用して決定された。報告された相対分子量は、溶出剤としてのクロロホルムおよび光散乱検出器(LALLS)を使用し、狭分散のポリスチレン標準に対して測定された。
ポリマーの立体化学的純度は、イオン交換樹脂を使用する、R−およびS−メチルラクテートへの誘導体化(derivatization)の破壊的(destructive)方法によって決定された。R−ラクテートとS−ラクテートとの比は、その後、ガスクロマトグラフィーを使用して検出される。
残留ラクチドの量は、PLA画分の沈殿後に、HPLC法によって検出される。しかし、当業者にとって、多くの他の技術、例えば、FTIR、n−IRおよびH−NMRが、PLA中のラクチドの量を決定するのに使用されることができることは明らかである。
触媒の製造
リガンドは、図1に示された反応順序に従って製造される。この製造において、ヘキサメチレンテトラミン(0.94g、6.66mmol)が、2,4ジ置換フェノール(80mmol)とパラホルムアルデヒド(3.00g、100mmol)との混合物に添加される。次に、上記溶液は、48時間還流され、得られた白色粉末は、メタノールおよびエーテルから再結晶された。
本発明の方法において使用するためのHf−およびZr−配位化合物は、本質的に、論文「Isolation and characterisation of transition and main group metal complexes supported by hydrogen-bonded zwitterionic polyphenolic ligands」、Chem. Commun.、2003、1832〜1833の実験セクションに従って製造される。一般的に、金属イソプロポキシド、例えば、Zr(OiPr)4・HOiPr、をリガンドと等モル量で室温で2時間反応させ、生成物が、(再)結晶化後に得られる。例えばハフニウム化合物を生成するための、化合物の量の適合は、十分に当業者の日常の業務の範囲内である。熱トルエンからの再結晶後に得られたHf−およびZr−配位化合物が、重合実験において使用された。再結晶された化合物が優れた大気安定性を有することが実証された。
ポリラクチドの製造
実施例1
1Lのステンレス鋼バッチ式反応器中で、500gのL−ラクチド(PuraLact L(登録商標)、Purac)が窒素雰囲気下で溶融され、そして130℃まで加熱された。約10gのラクチド溶融物試料が、供給材料分析のために抜き出された。130℃に達した後に、0.15gのZr触媒錯体II(308ppm)が、粉末として反応器に移された。重合化させる溶融物は、180℃まで加熱させられ、重合が5時間進行し、一方で、試料が、設定された時間間隔後に取り出されて、動力学および分子量の進展を決定した。絶対Mが決定され、71%の転化率で94kg/molであった。PSに対するMは、256kg/molであった。ポリマーの光学純度は、99.4%Lであった。
実施例2
重合が、実施例1に記載された手順に従って実施されたが、使用されたZr触媒錯体IIの量は、0.33g(676ppm)であった。最終PLAの絶対Mが決定され、93%の転化率で167kg/molであった。PSに対するMは、358kg/molであった。ポリマーの光学純度は、99.2%Lであった。
実施例3
別の重合が、実施例1に記載された手順に従って実施されたが、使用されたZr触媒錯体IIの量は、0.66g(1345ppm)であった。最終PLAの絶対Mが測定され、96%の転化率で134kg/molであった。PSに対するMは、276kg/molであった。ポリマーの光学純度は、99.0%Lであった。
実施例4
1Lのステンレス鋼バッチ式反応器中で、500gのL−ラクチド(PuraLact L(登録商標)、Purac)が窒素雰囲気下で溶融され、そして130℃まで加熱された。約10gのラクチド溶融物試料が、供給材料分析のために抜き出された。130℃に達した後に、0.36gの1−ヘキサノール(0.07wt%)が共開始剤として加えられた。次に、0.22gのHf(tBuL)OiPr.HOiPr(450ppm)が、粉末として反応器に移された。重合化させる溶融物は、180℃まで加熱させられ、重合が4時間進行し、一方で、試料が、設定された時間間隔後に取り出されて、動力学および分子量の進展を決定した。最終PLAのMがポリスチレン標準に対して決定され、62%の転化率で64kg/molであった。ポリマーの光学純度は、99.2%Lであった。
実施例5
1Lのステンレス鋼バッチ式反応器中で、500gのL−ラクチド(PuraLact L(登録商標)、Purac)が窒素雰囲気下で溶融され、そして130℃まで加熱された。約10gのラクチド溶融物試料が、供給材料分析のために抜き出された。130℃に達した後に、0.37gの1−ヘキサノール(0.08wt%)が共開始剤として加えられた。次に、0.32gのZr触媒錯体II(640ppm)が、粉末として反応器に移された。重合化させる溶融物は、180℃まで加熱させられ、重合が5時間進行し、一方で、試料が、設定された時間間隔後に取り出されて、動力学および分子量の進展を決定した。最終PLAの絶対Mが決定され、95%の転化率で114kg/molであった。PSに対するMは、234kg/molであった。ポリマーの光学純度は、99.5%Lであった。
実施例6
重合が、実施例4に記載された手順に従って実施されたが、使用された共開始剤1−ヘキサノールの量は、0.72g(0.15wt%)であった。最終PLAの絶対Mが決定され、96%の転化率で88kg/molであった。PSに対するMは、182kg/molであった。ポリマーの光学純度は、99.6%Lであった。
実施例7
重合が、実施例4に記載された手順に従って実施されたが、使用された共開始剤1−ヘキサノールの量は、3.54g(0.73wt%)であった。最終PLAの絶対Mが決定され、96%の転化率で24kg/molであった。PSに対するMは、47kg/molであった。ポリマーの光学純度は、99.8%Lであった。
比較例1
1Lのステンレス鋼バッチ式反応器中で、500gのL−ラクチド(PuraLact L(登録商標)、Purac)が窒素雰囲気下で溶融され、そして130℃まで加熱された。約10gラクチド溶融物試料が、供給材料分析のために抜き出された。130℃に達した後に、0.4gの1−ヘキサノール(0.08wt%)が共開始剤として加えられた。次に、0.15gのスズオクトエート(Sn(C15)(300ppm)が、粉末として反応器に移された。重合化させる溶融物は、180℃まで加熱させられ、重合が3時間進行し、一方で、試料が、設定された時間間隔後に取り出されて、動力学および分子量の進展を決定した。ポリスチレンに対する最終PLAのMが決定され、96%の転化率で242kg/molであった。
図2は、本発明による実施例1〜4の新規の触媒系を使用するポリラクチド製造の反応動力学を示す、いくつかの典型的な曲線を示す。特に、この図は、180℃の反応温度での重合混合物中のラクチドの濃度c(重量パーセント)を時間(t)の関数として示し、全て、上述の一連の分析に基づいている。これらのデータから、触媒の投与量が、重合速度を決定すると結論付けられ得る。添加量が高いほど、重合が速く起こる。触媒の数百ppmの選択された範囲内で、高い転化率がほんの数時間で達成され得ることが明らかである。
図3は、本発明による実施例2、5、および7の新規の触媒系を使用するポリラクチド製造の反応動力学を示す、追加のいくつかの典型的な曲線を示す。特に、この図は、180℃の反応温度での重合混合物中のラクチドの濃度c(重量パーセント)を時間t(分)の関数として示し、全て、上述の一連の分析に基づいている。これらのデータから、共開始剤の使用が、重合速度をさらに上昇させると結論付けられ得る。共開始剤の添加量が高いほど、より高い重合速度が観察される。
表1から、共開始剤は、ポリラクチドの分子量を制御するために使用されうることがまた結論付けられ得る。ほとんどのポリマー用途へのアクセスを提供する分子量が達せられ得る。
Figure 0006100970
図4は、比較例1に従って、300ppmのスズオクトエートを触媒とする重合についての典型的な重合曲線を示す。図3および4を合わせると、本明細書に記載されている新規のZr触媒が、公知のSnオクトエート触媒の動力学と同程度である動力学を示すと結論付けられる。
本発明が、前述の説明において詳細にわたって例証され、記載された一方で、かかる記載は、説明のためまたは例示のためであり、制限的でないと考えられるべきである。本発明は、開示された実施形態および実験に限定されない。開示された実施形態に対する改変例は、開示および特許請求の範囲の研究から、本発明を行う当業者によって理解され、そして行われ得る。
特許請求の範囲における、用語「含む」は、その他の要素または工程を排除せず、不定冠詞「a」または「an」は、複数形を排除しない。ある手段が、互いに異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組合せが有利に使用され得ないことを示さない。

Claims (10)

  1. ラクチドと重合触媒としての金属配位化合物とを混合して反応混合物を得る工程、少なくとも150℃の温度で前記ラクチドを重合して液相のポリラクチドを形成する工程、および前記ポリラクチドを固化させる工程を含む、ポリラクチドの製造方法において、前記重合触媒が、金属−リガンド配位化合物を含み、親リガンドが式(I)
    Figure 0006100970

    (RはH原子、1〜4の炭素原子を有する脂肪族基、ハロゲン原子またはニトロ基を表す)に対応し、前記金属がZrおよびHfの少なくとも1つであり、前記触媒に由来する金属の量が、1〜2000ppmの範囲であることを特徴とする方法。
  2. 前記R基がメチル基であることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  3. 前記金属がZrであることを特徴とする、請求項1または2に記載の方法。
  4. 共開始剤が前記反応混合物に添加されることを特徴とする、請求項1、2または3のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記液相の温度が、160℃〜220℃の範囲であることを特徴とする、請求項1〜のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記液相が、前記形成されたポリラクチドを固化させる前に、脱揮工程に付されることを特徴とする、請求項1〜のいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記ラクチドの少なくとも90%がポリラクチドに転化されたときに、触媒不活性化剤が前記液相に添加されることを特徴とする、請求項1〜のいずれか一項に記載の方法。
  8. 構造(II)
    Figure 0006100970

    によって表される金属配位化合物を、液相のラクチドのポリラクチドへの重合において使用する方法。
  9. Zr含有化合物を含有するポリラクチドにおいて、前記化合物に由来するZr金属の量が1〜2000ppmであり、かつポリラクチドの製造中のポリラクチド内のラクトイル単位のラセミ化率が2%未満であることを特徴とする、前記ポリラクチド。
  10. 前記化合物に由来するZr金属の量が1〜1000ppmであることを特徴とする、請求項9に記載のポリラクチド。
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