JP6154163B2

JP6154163B2 - 水不溶性シクロデキストリンポリマーおよびその製造方法

Info

Publication number: JP6154163B2
Application number: JP2013054019A
Authority: JP
Inventors: 裕之甲野
Original assignee: Institute of National Colleges of Technologies Japan
Current assignee: Institute of National Colleges of Technologies Japan
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2013-03-15
Publication date: 2017-06-28
Anticipated expiration: 2033-03-15
Also published as: JP2014177602A

Description

本発明は水に対して不溶である水不溶性シクロデキストリンポリマーに関する。

シクロデキストリンは、６〜８個のグルコピラノースが環状結合した水溶性オリゴ糖である。シクロデキストリンは、分子内部に疎水性空間を有しており、当該疎水性空間内において有機化合物、無機化合物を包接することで、これら化合物を捕捉できる。
そして、このようなシクロデキストリンの性質を備え、且つ水に対して不溶である水不溶性シクロデキストリンポリマーが提案されている。

従来、当該水不溶性シクロデキストリンポリマーは、エピクロロヒドリン等の架橋剤をシクロデキストリンに作用させることにより製造することが提案されている（例えば特許文献８〜１１参照）。
また、水不溶性シクロデキストリンポリマーの用途として、水溶液に含まれるダイオキシン類、界面活性剤等の環境汚染物質の除去技術（特許文献１、特許文献２）、ヨウ素抽出技術（特許文献３）、クロロゲン酸、カフェイン分離技術（特許文献４、特許文献５）、血液中細菌毒素除去技術（特許文献６）、微生物固定化担体構築技術（特許文献７）等が提案されている。

特開２００７−１１１６３０号公報特開２００８−２４６２８７号公報特開２００８−０９３５４５号公報特開平０７−３２２８２３号公報特開２００４−０００２２９号公報国際公開第２００７／０１３１２２号特開２００１−１４９９７５号公報特開昭５８−１７１４０４号公報特開昭６０−２０９２４号公報特開２００６−１４３９５３号公報特開２００９−２４２５５６号公報

しかしながら、水不溶性シクロデキストリンポリマーについて、例えば選択肢を拡げるためなどの観点から、新規な水不溶性シクロデキストリンポリマーがさらに開発されることについての要求が存在する。
本発明はこのような事情に基づきなされたものであり、新規な水不溶性シクロデキストリンポリマーおよびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は上記課題に関して検討した結果、ポリカルボン酸無水物を架橋剤に使用し、架橋剤のシクロデキストリンに対するモル比および反応時間が所定の関係を満たして製造されることで水不溶性のシクロデキストリンポリマーを合成できること、および得られた水不溶性シクロデキストリンポリマーが水に溶存または分散等している有機化合物や無機化合物を捕捉できることを見出し、本発明を完成させた。

すなわち本発明の要旨は以下のとおりである。
（i）シクロデキストリンとポリカルボン酸無水物とを、塩基性溶媒中で、反応温度を１００℃以上、シクロデキストリンとポリカルボン酸無水物の比率をシクロデキストリン１モルに対しポリカルボン酸無水物を３モル以上として反応させることを含む水不溶性シクロデキストリンポリマーの製造方法。

（ii）前記ポリカルボン酸無水物が1,2,3,4-ブタンテトラカルボン酸無水物である（i）に記載の水不溶性シクロデキストリンポリマーの製造方法。

（iii）シクロデキストリンとポリカルボン酸無水物の比率が、シクロデキストリン１モルに対しポリカルボン酸無水物３．５モル以上である（i）または（ii）に記載の水不溶性シクロデキストリンポリマーの製造方法。

(iv) 反応温度が１３０℃以上である（i）から（iii）のいずれか１つに記載の水不溶性シクロデキストリンポリマーの製造方法。

（v）（i）から（iv）のいずれか１つに記載の方法により製造される水不溶性シクロデキストリンポリマー。

本発明によれば、新規な水不溶性シクロデキストリンポリマーおよびその製造方法を提供することができる。

本実施形態に係るシクロデキストリンとポリカルボン酸無水物との反応の概要を示す図である。シクロデキストリンとしてβ−シクロデキストリンを、ポリカルボン酸無水物として1,2,3,4-ブタンテトラカルボン酸無水物を用いた場合を例示している。実施例の水不溶性シクロデキストリンポリマーの、ビスフェノールＡ（ＢＰＡ）に対する吸着性を示すグラフである。実施例の水不溶性シクロデキストリンポリマーの、ビスフェノールＡ（ＢＰＡ）に対する吸着性を示すグラフである。

本実施形態の水不溶性シクロデキストリンポリマーについて詳細に説明する。なお、以下の説明において、シクロデキストリンポリマーについては、単にＣＤＰとも称す。

図１に例示するように、本実施形態の水不溶性ＣＤＰは、例えば、シクロデキストリンを、塩基性溶媒中でポリカルボン酸無水物と反応させることにより製造することができる。当該反応は架橋反応であり、シクロデキストリンを構成するグルコピラノースに含まれる水酸基等の官能基とカルボン酸無水物間でエステル化などの反応が進行することによりシクロデキストリン間で架橋が形成される。
なお、本明細書において水不溶性とは、10mgのＣＤＰを10mLの水(25℃)に添加したときに残渣が確認できることをいう。残渣が存在するか否かは、例えば、濾紙（pore size 0.20 μｍ）を用いて濾過を行い、当該濾紙を乾燥した後に残渣が計量できるか否かによって判定することができる。

本実施形態に係るシクロデキストリンは、α、βおよびγ−体のいずれでもよく、特に限定されない。また、本実施形態に係るシクロデキストリンは、α、βおよびγ−体のいずれか単独または２種以上の混合物であってもよい。また、メチル、エチル、ブチル、ヒドロキシエチル、ヒドロキシプロピル等のシクロデキストリンエーテル類、アセチル、サクシニル、リン酸、硫酸等のシクロデキストリンエステル類やアミノシクロデキストリンを用いることもできる。

本実施形態に係るポリカルボン酸無水物としては、例えばピロメリト酸二無水物、ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、3,3',4,4'-ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、3,4,9,10-ペリレンテトラカルボン酸二無水物、3,3',4,4'-ジフェニルスルホンテトラカルボン酸二無水物、3,3',4,4'-ビフェニルテトラカルボン酸ニ無水物、1,2,3,4-ブタンテトラカルボン酸無水物、1,2,3,4,-シクロペンタンテトラカルボン酸二無水物などを挙げることができる。このうち、生産性の観点から、1,2,3,4-ブタンテトラカルボン酸無水物を用いることが好ましい。

また、本実施形態に係る塩基性溶媒としては、例えば、ピリジン、トリエチルアミン、４−ジメチルアミノピリジン（ＤＭＡＰ）等の３級アミン類などを挙げることができる。

ここで、本実施形態に係る塩基性溶媒中におけるシクロデキストリンとポリカルボン酸無水物との反応においては、反応温度を１００℃以上、シクロデキストリンとポリカルボン酸無水物の比率をシクロデキストリン１モルに対しポリカルボン酸無水物を３モル以上として反応を行なう。
当該反応温度および比率の関係を満足することにより、水不溶性であるシクロデキストリンポリマーを得ることができる。なお、反応時間や反応に用いる塩基性溶媒の量などは特に限定されず、当業者が適宜設定することができる。
得られる水不溶性ＣＤＰの収率の観点から、反応温度は１３０℃以上（より好ましくは１５０℃以上）が好ましい。また、水不溶性ＣＤＰの収率の観点から、シクロデキストリンとポリカルボン酸無水物の比率は、シクロデキストリン１モルに対しポリカルボン酸無水物を３．５モル以上（より好ましくは４モル以上、さらにより好ましくは５モル以上）であることが好ましい。
より好ましい態様としては、水不溶性ＣＤＰの収率の観点から、反応温度が１３０℃以上（より好ましくは１５０℃以上）であるとともに、シクロデキストリンとポリカルボン酸無水物の比率がシクロデキストリン１モルに対しポリカルボン酸無水物を３．５モル以上（より好ましくは４モル以上、さらにより好ましくは５モル以上）であることが好ましい。
なお、特に限定されないが、反応温度が２６０℃以下であり、シクロデキストリン１モルに対しポリカルボン酸無水物が７モル以下であることが好ましい。

また、反応後の生成物の回収においては、生成物の精製処理を合わせて行なうことができるなどの理由から、例えば再結晶を行なうことが好ましい。再結晶を行なうときの溶媒は特に限定されず、当業者が適宜設定することができる。

本実施形態の水不溶性ＣＤＰは、その構成成分であるシクロデキストリンの内部に様々な有機化合物や無機化合物を包摂できる作用を有している。よって、本実施形態の水不溶性ＣＤＰによれば、水に溶存または分散等している有機化合物や無機化合物を捕捉できる。
したがって、本実施形態の水不溶性ＣＤＰは、例えば、水からの有機化合物や無機化合物の除去または分離処理に用いることができる。
具体的には、本実施形態の水不溶性ＣＤＰは、ビスフェノールＡ（ＢＰＡ）、ダイオキシン類、界面活性剤などの人体や環境への悪影響が懸念される物質の除去処理に用いることができる。
さらに、本実施形態の水不溶性ＣＤＰは、人体や環境への影響が少ないと考えられているポリカルボン酸無水物を用いて製造されているため、人体や使用される環境等への影響を抑えることができる。そのため、食品分野や医療分野における使用しやすさなども期待される。

以下に、本発明について実施例でもって更に詳しく説明するが、これらの実施例は本発明を制限するものではない。

（実施例および比較例のシクロデキストリンポリマーの製造）
β-シクロデキストリン（β-ＣＤ）と1,2,3,4-ブタンテトラカルボン酸無水物（ＢＴＣＡ）とを反応させ、実施例の水不溶性ＣＤＰおよび比較例のＣＤＰを得た。
具体的には、β-ＣＤ 2.27 g(2.00 mmol) とＢＴＣＡをピリジン20 ml中で24時間反応させた。β-ＣＤの添加量に対するＢＴＣＡの添加量（モル）、反応温度を表１に示す。
反応後、メタノールと酢酸エチルを用いて反応により合成されたＣＤＰを再結晶させた。続いて、再結晶させたＣＤＰをデシケーター中で減圧乾燥した。
得られたβ-ＣＤの添加量に対するＢＴＣＡの添加量（モル）、反応温度と、得られたシクロデキストリンポリマーが水不溶性か否かの関係を表１に示す。

なお、得られたＣＤＰの水に対する溶解性に関しては、以下のようにして確認した。
まず、各ＣＤＰ（10 mg）を蒸留水（10mL、25℃）に添加した後、濾紙（pore size 0.20 μｍ）を用いて濾過を行なった。当該濾紙を180℃で乾燥した後、MX-50 moisture analyzer (A&D Co. Ltd., Japan)を用いて残渣の計量を行い、水への溶解性を判定した。

（有害物質除去能に関する試験）
水不溶性ＣＤＰの形成
β-ＣＤ 2.27 g(2.00 mmol) とＢＴＣＡをピリジン20 ml中で24時間反応させ、実施例１および２の水不溶性ＣＤＰを得た。実施例１において、β-ＣＤとＢＴＣＡのモル比は１：３．５であり、また、反応温度は１５０℃とした。また、実施例２において、β-ＣＤとＢＴＣＡのモル比は１：７であり、また、反応温度は１５０℃とした。
反応後、メタノールと酢酸エチルを用いて反応により合成された実施例１および２の水不溶性ＣＤＰを再結晶させた。続いて、再結晶させた水不溶性ＣＤＰをデシケーター中で減圧乾燥した。
有害物質除去能に関する試験
50ｍＬ遠沈管に0.5 mM ＢＰＡ溶液 20 mLを加え，さらに20ｍｇの実施例１、２の水不溶性ＣＤＰを入れ、室温下(25℃）で振盪した。所定時間後、波長275 nmにおける試料溶液の上清の吸光度を測定し，あらかじめ作成した検量線からＢＰＡ濃度を求め実施例１、２の水不溶性ＣＤＰのＢＰＡ吸着率を、以下の式（１）をもとに算出した。

q_t = V(C₀ - C_t)/W （１）

式（１）中、q_t (mmol/g) はある時間における吸着量、VはＢＰＡ溶液量、C₀ はＢＰＡ初期濃度(mmol L^-1)、C_tはある時間tにおけるＢＰＡ濃度 (mmol/g)、Wは添加したＣＤＰ質量 (g)である。

結果を図２に示す。
図２から理解できるように、実施例１、２のＣＤＰのＢＰＡの吸着量は時間とともに増加し、20時間で平衡となった。
また、ＢＰＡ溶液の濃度のみを変えて、同じ試験を行なった。その結果、図３に示すように、ＢＰＡ濃度の上昇に従い吸着量は大きくなった。
当該試験結果とLangmuirの吸着等温式に基づき、実施例１、２のＣＤＰの最大吸着量は、それぞれ0.250 mmol g^-1、0.169 mmol g^-1と推定され、極めて高い値を示すと考えられる。

Claims

シクロデキストリンとポリカルボン酸無水物とを、塩基性溶媒中で、反応温度を１８０℃以上、シクロデキストリンとポリカルボン酸無水物の比率をシクロデキストリン１モルに対しポリカルボン酸無水物を４モル以上として反応させることを含む水不溶性シクロデキストリンポリマーの製造方法。
前記ポリカルボン酸無水物が1,2,3,4-ブタンテトラカルボン酸無水物である請求項１に記載の水不溶性シクロデキストリンポリマーの製造方法。