JP7366462B2 - ブロック共重合体の製造方法 - Google Patents

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Description

関連出願との相互引用
本出願は２０１９年９月１１日付韓国特許出願第１０－２０１９－０１１３１１２号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は本明細書の一部として含まれる。
本発明はポリラクチド－ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）ブロック共重合体を製造する方法に関し、より詳細には生合成したポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）を開始剤として使用してポリラクチド－ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）ブロック共重合体を製造する方法に関する。
ポリラクチド（あるいはポリ乳酸）樹脂はとうもろこしなどの植物から得られる植物由来の樹脂として、生分解性特性を有すると同時に引張強度および弾性率もまた優れた環境に優しい素材として注目をあびている。具体的には、従来使用されているポリスチレン（Ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ）樹脂、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）樹脂、ポリエチレン（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）などの石油系樹脂とは異なり、石油資源枯渇防止、炭酸ガス排出抑制などの効果があるので、石油系プラスチック製品の短所である環境汚染を減らすことができる。廃プラスチックなどによる環境汚染問題が社会問題として台頭していることから、食品包装材および容器、電子製品ケースなど一般プラスチック（石油系樹脂）が使用されていた製品分野まで適用範囲を拡大するための努力がなされている。
しかし、ポリラクチド樹脂は既存の石油系樹脂と比較して耐衝撃性および耐熱性が劣り適用範囲に制限がある。また、伸び率（Ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ ｔｏ ｂｒｅａｋ）特性が悪く割れやすい特性（Ｂｒｉｔｔｌｅｎｅｓｓ）を示すため、汎用樹脂としては限界があるのが実情である。
したがって、従来技術において生分解が可能でかつ伸び率特性が比較的優れるＰＢＳ（ｐｏｌｙ（ｂｕｔｙｌｅｎｅ ｓｕｃｃｉｎａｔｅ））およびＰＢＡＴ（ｐｏｌｙ（ｂｕｔｙｌｅｎｅ ａｄｉｐａｔｅ－ｃｏ－ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ））などの素材を、ポリラクチドと共にコンパウンディングまたはブロック共重合体形成させることによって物性を改善する研究が進められている。しかし、ＰＢＳおよびＰＢＡＴは引張強度が低く、前記コンパウンディングまたはブロック共重合体形成後の引張強度も低くなる問題がある。
また、生分解性高分子であるポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）は、機械的物性に優れており、かつガラス転移温度（Ｔｇ，Ｇｌａｓｓ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）が－２０℃程度で低いため伸び率が高く、ポリ乳酸と結合させると、優れた生分解性および機械的物性を維持できるという長所がある。しかし、化学的な合成方法によりポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）の分子量を増加させることには限界があった。
本発明の目的は、生合成により製造することによって分子量を容易に増加させたポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）を開始剤として用いて、優れた環境性および生分解性を維持しながらも、引張モジュラス、引張強度、伸び率および衝撃強度などの機械的特性に優れたポリラクチド－ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）ブロック共重合体を提供することにある。
本発明は多様な変更を加えることができ、様々な実施例を有することができる所、特定の実施例を図面に例示して詳細な説明に詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の実施形態に限定しようとするためでなく、本発明の思想および技術範囲に含まれるすべての変更、均等物ないし代替物を含むものとして理解しなければならない。本発明を説明するにあたり、関連する公知技術に対する具体的な説明が本発明の要旨を曖昧にすると判断する場合には、その詳細な説明を省略する。
本明細書では、生合成によって製造されたポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）開始剤の存在下で、ラクチド単量体を開環重合してポリラクチド－ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）ブロック共重合体を製造する段階を含む、ブロック共重合体の製造方法を提供する。好ましくは、本発明によるブロック共重合体の製造方法は、次の段階を含む：
（ａ）ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）開始剤を生合成する段階；および
（ｂ）段階（ａ）で製造されたポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）開始剤の存在下に、ラクチド単量体を開環重合してポリラクチド－ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）ブロック共重合体を製造する段階。
さらに、本発明によるブロック共重合体の製造方法は、段階（ａ）と（ｂ）との間に、段階（ａ）で生合成したポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）開始剤を、加水分解などによって処理して分子量を調節する段階をさらに含み得る。
本発明によれば、化学合成ではなく生合成によって製造されたポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）を必要に応じて適切に処理して多様な分子量を有するようにして開始剤として使用することによって、構造および分子量に応じて変わるポリラクチド－ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）ブロック共重合体の物性を用いて多様な分野に応用可能である。また、優れた環境性および生分解性を維持しながらも、引張モジュラス、引張強度、伸び率および衝撃強度などの機械的特性に優れたポリラクチド－ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）ブロック共重合体を提供することができる。
実施例１－４で製造したブロック共重合体のＮＭＲ分析結果を示すチャートである。
以下、本発明の具体的な実施形態によるブロック共重合体の製造方法についてより詳細に説明する。
本明細書全体で特に明記しない限り「含む」または「含有」とはある構成要素（または構成成分）を特に制限なく含むことをいい、他の構成要素（または構成成分）の付加を除くものと解釈されるべきではない。
また、本明細書全体で、「ラクチド単量体」は次の通り定義できる。通常ラクチドは、Ｌ－乳酸からなるＬ－ラクチド、Ｄ－乳酸からなるＤ－ラクチド、Ｌ－形態とＤ－形態がそれぞれ一つずつからなるｍｅｓｏ－ラクチドに区分される。また、Ｌ－ラクチドとＤ－ラクチドとが５０：５０の重量比で混ざっているものをＤ，Ｌ－ラクチドあるいはｒａｃ－ラクチドという。これらのラクチドのうち光学純度が高いＬ－ラクチドあるいはＤ－ラクチドのみを用いて重合を行うと、立体規則性が非常に高いＬ－あるいはＤ－ポリラクチド（ＰＬＬＡあるいはＰＤＬＡ）が得られることが知られており、このようなポリラクチドは、光学純度が低いポリラクチドに対して結晶化速度が速く、結晶化度もまた高いことが知られている。ただし、本明細書において「ラクチド単量体」は、各形態によるラクチドの特性差およびこれから形成されたポリラクチドの特性差に関係なくすべての形態のラクチドを含むものと定義される。
そして、本明細書全体において「ポリラクチド－ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）ブロック共重合体」は、ポリラクチド繰り返し単位およびポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）繰り返し単位を含むポリラクチド－ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）ブロック共重合体を称し、このような「ポリラクチド－ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）ブロック共重合体」は、上述したポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）開始剤の存在下で「ラクチド単量体」を開環重合させることによって前記ポリラクチド繰り返し単位およびポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）繰り返し単位を形成する段階を含む方法で製造することができ、このような開環重合および前記繰り返し単位の形成工程が完了した後の重合体を、前記「ポリラクチド－ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）ブロック共重合体」と称する。この時、「ラクチド単量体」の範疇にはすべての形態のラクチドが含まれることは、上述したとおりである。
そして、前記「ポリラクチド－ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）ブロック共重合体」と称される重合体の範疇には、前記開環重合および繰り返し単位の形成工程が完了した後のすべての状態の重合体、例えば、前記開環重合が完了した後の未精製または精製された状態の重合体、製品成形前の液相または固相の樹脂組成物に含まれた重合体、または製品成形が完了したプラスチックまたは織物などに含まれた重合体などがすべて含まれ得る。したがって、本明細書全体で、「ポリラクチド－ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）ブロック共重合体」の物性（重量平均分子量など）は、前記開環重合および繰り返し単位の形成工程が完了した後の任意の状態の重合体の物性と定義される。
一方、本発明者らは、生合成によってポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）を合成して使用する場合には、ポリラクチド－ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）ブロック共重合体の製造において開始剤として作用するポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）の分子量を増加させたり、あるいは加水分解により調節することなどにより多様に分子量を調節して、多様な物性を有するブロック共重合体を製造することができることを見出して本発明を完成した。
本発明の一実施形態によれば、本発明は生合成によって製造されたポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）開始剤の存在下で、ラクチド単量体を開環重合してポリラクチド－ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）ブロック共重合体を製造する段階を含む、ブロック共重合体の製造方法を提供することができる。
一般的に、ラクチド単量体の開環重合によるポリラクチド樹脂重合反応は、末端ヒドロキシ基を有する化合物によって開始され、前記末端ヒドロキシ基を有する化合物にラクチド単量体が連続的に開環および挿入（ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ）されて行われる。
したがって、前記ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）開始剤は、末端にヒドロキシ基および／またはアルコキシ基を含み、前記ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）開始剤の末端であるヒドロキシ基および／またはアルコキシ基をラクチド単量体の開環重合反応に添加すると、末端からラクチド単量体が挿入（ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ）され始めて結果的にポリラクチド－ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）ブロック共重合体が製造される。
したがって、前記ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）開始剤の存在下で、ラクチド単量体の開環重合反応を実施すると、ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）は重合開始剤としての役割もすると同時に、ブロック共重合体内に繰り返し単位として含まれ、最終的に製造されるブロック共重合体の柔軟性および衝撃強度などの機械的物性も改善することができる。具体的には、前記ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）は、最終的に製造されるブロック共重合体に含まれることによって、ブロック共重合体のガラス転移温度（Ｔｇ）を低下させて柔軟性を増加させることができる。
本発明は、このような開始剤として使用されるポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）が、生合成によって製造されたものであることを一つの特徴とする。
本発明で使用される用語の「生合成」は、化学合成でなく、生物体を用いて目的物質を合成および製造することを指し、前記生物体は、好ましくは微生物であり、このような微生物は、組換え微生物であり得る。
前記生合成では、ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）を合成することができる生合成法であれば制限なく使用でき、当業界にポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）の生合成法として知られている公知の方法を用いることもできる。例えば、ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）は、適切な基質を、ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）を合成可能な微生物によって適切な培地で発酵させることにより生産することができる。前記基質は、精製されたものおよび非精製のものを制限なく使用できる。微生物でポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）のようなポリヒドロキシアルカノエート（ＰＨＡ）を生産するためには、微生物の代謝産物をＰＨＡモノマーに変換する酵素と、ＰＨＡモノマーを用いてＰＨＡ高分子を合成するＰＨＡ合成酵素（ＰＨＡ ｓｙｎｔｈａｓｅ）とが必須である。ＰＨＡ合成酵素は、ヒドロキシアシルＣｏＡ（ｈｙｄｒｏｘｙａｃｙｌ－ＣｏＡ）を基質として使用してＰＨＡを合成する。ＰＨＡの基質であるヒドロキシアシル－ＣｏＡを提供できる酵素としては、ラルストニアユートロファ（Ｒａｌｓｔｏｎｉａ ｅｕｔｒｏｐｈａ）などから由来したα－ケトチオラーゼ（ＰｈａＡ）、アセトアセチル－ＣｏＡレダクターゼ（ａｃｅｔｏａｃｅｔｙｌ－ＣｏＡ ｒｅｄｕｃｔａｓｅ：ＰｈａＢ）、シュードモナス（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ）から由来した３－ヒドロキシデカノイル－ＡＣＰ：ＣｏＡトランスフェラーゼ（３－ｈｙｄｒｏｘｙｄｅｃａｎｏｙｌ－ＡＣＰ：ＣｏＡ ｔｒａｎｓｆｅｒａｓｅ：ＰｈａＧ）、エロモナスキャビエ（Ａｅｒｏｍｏｎａｓ ｃａｖｉａｅ）とシュードモナスアエルギノーザ（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ ａｅｒｕｇｉｎｏｓａ）から由来した（Ｒ）特異的エノイル－ＣｏＡヒドラターゼ［（Ｒ）－ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｅｎｏｙｌ－ＣｏＡ ｈｙｄｒａｔａｓｅ：ＰｈａＪ］、大腸菌とシュードモナスアエルギノーザ（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ ａｅｒｕｇｉｎｏｓａ）などから由来した３－ケトアシル－ＡＣＰレダクターゼ（３－ｋｅｔｏａｃｙｌ－ＡＣＰ ｒｅｄｕｃｔａｓｅ：ＦａｂＧ）などが知られている。このような微生物は、ヒドロキシアシル－ＣｏＡを提供できる酵素および／またはポリヒドロキシアルカノエート合成酵素遺伝子を含む微生物として、このような前記遺伝子を本来から有する微生物であるか、または、組換えによって前記遺伝子を形質転換によって収得した微生物であり得る。例えば、ＰＨＡ合成酵素遺伝子を本来から有する微生物細胞としては、多様な微生物が知られており（韓国登録特許第１０－２５０８３０号公報）、また、Ｅ．ｃｏｌｉのような微生物を形質転換させるても良い。組換えベクターに形質転換できる微生物には、原核細胞および真核細胞のいずれもが含まれることができ、ＤＮＡの導入効率が高く、導入されたＤＮＡの発現効率が高い宿主が通常使用される。具体例として、大腸菌（例えば、Ｅ．ｃｏｌｉ ＤＨ５ａ、Ｅ．ｃｏｉ ＪＭ１０１、Ｅ．ｃｏｌｉ Ｋ１２、Ｅ．ｃｏｌｉ Ｗ３１１０、Ｅ．ｃｏｌｉ Ｘ１７７６、Ｅ．ｃｏｌｉ ＢおよびＥ．ｃｏｌｉ ＸＬ１－Ｂｌｕｅ）を含むエシェリヒア属、シュードモナス属、バチルス属、ストレプトマイセス属、エルウィニア属、セラチア属、プロビデンシア属、コリネバクテリウム属、レプトスピラ属、サルモネラ属、ブレビバクテリア属、ヒポモナス属、クロモバクテリウム属、ノカルジア属、真菌または酵母のような周知の真核および原核宿主などを例示できるが、これに制限されるものではない。適当な宿主に形質転換されると、ベクターは宿主ゲノムと関係なく複製して機能をすることができるか、または一部の場合はゲノムそれ自体に統合され得る。
また、前記基質と共に、追加的にグルコース、フラクトース、スクロース、デキストロース、トリグリセリドまたは脂肪酸などが培地中にさらに含まれ得、培地は前記微生物の発酵のための炭素源のみ含まれる限り公知の培地を制限なく選択して使用することができ、このような例としてはＭＲ培地、Ｍ９培地またはＬＢ培地などが挙げられる。
ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）の生合成法の例として、韓国特許公開第１０－２０１９－００６０５８４号公報などがあるが、これに制限されるものではなく、いかなる経路でも、ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）を生合成できる方法により合成されたポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）を開始剤として使用することはすべて、本発明の範囲に含まれる。
このように生合成によってポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）を使用する場合には、化学合成とは異なり、多様な分子量を有するポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）が得られる。例えば、本発明では生合成によって高分子量のポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）を合成してマクロ開始剤（ｍａｃｒｏｉｎｉｔｉａｔｏｒ）として使用することもでき、加水分解により分子量が減少したポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）を使用することもできる。加水分解剤は、ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）の加水分解のために使用できる加水分解剤であれば制限なく使用できるが、例えば公知の酸または塩基加水分解剤、またはＰＨＡデポリメラーゼ（ＰＨＡ ｄｅｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ）またはこれらの組み合わせを使用することができる。一つの例示的な塩基性加水分解剤は、アルカリ金属水酸化物、例えば水酸化ナトリウム（例えば、水酸化ナトリウムの水溶液）であり、一つの例示的な酸性加水分解剤は、塩酸であり得る。また、加水分解剤は、昇温（例えば、室温より高い温度～沸騰点）した水単独であるか、または若干昇温（例えば、室温より高い温度～約８０℃）した状態での薄い酸であり得る。加水分解は、例えば、加水分解しようとするポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）をメタノールのような溶媒中に溶解した加水分解剤の溶液と混合した後、該当混合物を数時間（例えば、４～１２時間）の間常温～２００℃、好ましくは４０～１５０℃、さらに好ましくは８０～１２０℃、より好ましくは１００℃付近の温度で加熱する方法によって実施することもできるが、これに制限されるものではない。本発明の実施例では加水分解を１００℃で行った。
ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）開始剤の存在下で、ラクチド単量体を開環重合してポリラクチド－ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）ブロック共重合体を製造する時、前記ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）開始剤の投与含有量は、最終的に製造されるブロック共重合体内に含まれるポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）の繰り返し単位含有量および最小重合が開始されるのに必要な開始剤のヒドロキシ基および／またはアルコキシ基のモル比などを考慮して、適切な範囲で選択することができる。具体的には、最終的に製造されるブロック共重合体の柔軟性および機械的物性を最適化し、開環重合反応の開始剤としての役割を果たすための最小含有量を考慮して、前記ラクチド単量体１００重量部に対して前記ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）開始剤を、０．０１重量部以上、０．１重量部～１００重量部、０．５～９０重量部、０．７～８０重量部、または０．９～７０重量部の量で添加することができる。
前記ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）開始剤は、重合活性が低下せず、かつブロック共重合体が優れた物性を示すために、重量平均分子量が１，５００～２００，０００、２，０００～１５０，０００、４，０００～１２０，０００、５０００～９００，０００または７，０００～３０，０００であり得る。ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）は分子量が大きいほど結晶性が良くなり、製造されるブロック共重合体の物性も良くなるが、前記ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）開始剤の重量平均分子量が１，５００未満であればポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）の結晶性が低くなり、製造されるブロック共重合体の分子量も少なくなるので良い物性を示し難い。ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）開始剤の重量平均分子量が２００，０００超の場合は重合活性が低下してブロック共重合体が合成されずブレンドした形態を示し得る。本発明では、生合成によってポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）を合成し、必要に応じて加水分解などにより処理して容易に前記分子量範囲に調節することができる。
生合成によって製造されたポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）開始剤およびラクチド単量体を含む反応物を乾燥させ、その後乾燥されたポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）開始剤およびラクチド単量体を開環重合して、上述したブロック共重合体を製造することができる。
前記開環重合に使用する触媒としては、ラクチド単量体の開環重合反応によるポリラクチド樹脂の製造に一般的に使用されるすべての触媒を使用することができる。例えば、前記開環重合は有機金属複合体触媒および有機触媒からなる群より選ばれた一つ以上の触媒下で行われる。
前記有機金属複合体触媒は、一般的にラクチド単量体の開環重合反応によるポリラクチド樹脂の製造に通常使用されるものであればその構成に限定されることなく使用することができるが、例えば、前記有機金属複合体触媒は下記化学式１で表される触媒であり得る。
［化学式１］
ＭＡ１ ｐＡ２ ２－ｐ
前記化学式１において、ＭはＡｌ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｙ、Ｓｍ、Ｌｕ、ＴｉまたはＺｒであり、ｐは０～２の整数であり、Ａ１とＡ２はそれぞれ独立してアルコキシまたはカルボキシル基である。
より具体的に、前記ＭＡ１ ｐＡ２ ２－ｐはスズ（ＩＩ）２－エチルヘキサノエート（Ｓｎ（Ｏｃｔ）２；以下、Ｔｉｎ Ｏｃｔｏａｔｅともいう）であり得る。
一方、前記有機触媒は、一般的にラクチド単量体の開環重合反応によるポリラクチド樹脂の製造に通常使用されるものであれば、その構成の限定なく使用できる。例えば、前記有機触媒は下記１，５，７－トリアゾビシクロ－［４，４，０］デカ－５－エン（ＴＢＤ）、下記１，８－ジアザビシクロ［５．４．０］ウンデ－７－セン（ＤＢＵ）、下記７－メチル－１，５，７－トリアザビシクロ［４．４．０］デカ－５－エン（ＭＴＢＤ）、下記４－ジメチルアミノピリジン（ＤＭＡＰ）、下記４－（１－ピロリジニル）ピリジン（ＰＰＹ）、イミダゾール、トリアゾリウム、トチオウレア、三級アミンおよびクレアチニンからなる群より選ばれた一つ以上であり得る。
前記イミダゾールは下記化合物で構成される群より選ばれた一つ以上であり得る。
前記トリアゾリウムは下記化合物であり得る。
前記トチオウレアは下記化合物で構成される群より選ばれた一つ以上であり得る。
前記三級アミンは下記化合物で構成される群より選ばれた一つ以上であり得る。
上述した触媒の存在下でラクチド開環重合反応を行う場合、最終的に製造されるブロック共重合体の解重合または分解が抑制され得、より大きな分子量および優れた機械的物性を有するポリラクチド－ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）ブロック共重合体をより高い転換率で得ることができる。
前記一実施形態によるブロック共重合体の製造方法において、前記触媒の含有量は、前記ラクチド単量体１００モル％に対して０．０１～１０モル％、０．０５～８モル％、０．０７～５モル％、または０．０９～３モル％であり得る。前記ラクチド単量体１００モル％に対する前記触媒の含有量の含有量が０．０１モル％未満であれば重合活性が充分でなく、１０モル％超えると製造されたポリラクチド－ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）ブロック共重合体の残留触媒量が大きくなりトランスエステル化反応などの解重合による共重合体の分解または分子量減少などを招く。
前記開環重合は１５０～２００℃で５分～１０時間の間行われる。
また、前記開環重合反応は、実質的に溶媒を使用しないバルク重合で行うことができる。この時、実質的に溶媒を使用しないことには、触媒を溶解させるための少量の溶媒、例えば、使用ラクチド単量体１Ｋｇ当たり最大１ｍｌ未満の溶媒を使用する場合を包含し得る。前記開環重合をバルク重合で行うことにより、重合後の溶媒除去などの工程の省略が可能になり、このような溶媒除去工程での樹脂の分解または損失なども抑制できる。また、前記バルク重合によって前記ポリラクチド－ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）ブロック共重合体を高い転換率および収率で得ることができる。
前記一実施形態による製造方法によって製造されたポリラクチド－ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）ブロック共重合体は、重量平均分子量が１０，０００～４００，０００、１５，０００～３５０，０００、２０，０００～３００，０００、または２５，０００～２５０，０００であり得る。
前述したように、従来のポリラクチド－ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）ブロック共重合体を製造するにあたって、開始剤として生合成によって得たポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）を使用する場合には、多様な分子量を有するポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）を使用することができ、ポリラクチド－ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）ブロック共重合体の構造および分子量を調節することがが可能であり、構造および分子量によりポリラクチド－ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）ブロック共重合体の物性が変わるので、多様な分野に応用できる可能性があることを確認することができる。また、柔軟性に優れながらも、引張強度、伸び率などの優れた機械的物性が得られるので、従来のポリラクチド樹脂の脆性（ｂｒｉｔｔｌｅｎｅｓｓ）問題を解決し、その適用分野を拡大することができる。
発明を下記の実施例でより詳細に説明する。ただし、下記の実施例は本発明を例示するだけであり、本発明の内容は下記の実施例によって限定されない。
実施例１～４
（１）ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）オリゴマーの生合成
１）高分子量のポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）の生産
本発明による高分子量のポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）の生合成のために、まず発酵基質として３－ヒドロキシプロピオネートを含む発酵液を製造するために次の条件により発酵を行った。具体的には、発酵のための菌株としてＧＤＨおよびＡＬＤＨ酵素遺伝子を有するＥ．ｃｏｌｉ Ｗ３１１０を使用した。培地としてはＭ９を使用し、グリセロール７０ｇ／Ｌを基質として使用して発酵させて３－ヒドロキシプロピオネートを生産した。
その後前記で製造された３－ヒドロキシプロピオネートを基質としてＰ（３ＨＰ）を発酵生産した。発酵のために、具体的に５Ｌ発酵器（内部体積：３Ｌ）を使用し、発酵のための微生物としてはｐＢＬｕｅｓｃｒｉｐｔ ＩＩ ＫＳ＋ベクターにＲａｌｓｔｏｎｉａ ｅｕｔｒｏｐｈａ由来のポリヒドロキシアルカノエート合成酵素（ＰＨＡ ｓｙｎｔｈａｓｅ）のＲｅｃＣ遺伝子およびＣｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｐｒｏｐｉｏｎｉｃｕｍ由来のプロピオニルＣｏＡトランスフェラーゼ（ｐｒｏｐｉｏｎｙｌ－ＣｏＡ ｔｒａｎｓｆｅｒａｓｅ）の変異体５４０（ＣＰＰＣＴ＿５４０）遺伝子をクローニングした組換えベクターをＸＬ１－Ｂｌｕｅ大腸菌に形質転換して製造した組換え大腸菌を使用した。
前記ＣＰＰＣＴ＿５４０遺伝子は、１９４番目のアミノ酸であるＶａｌｉｎｅがＡｌａｎｉｎ （Ｖ１９４Ａ）として発現するように塩基配列が置換され、その他にアミノ酸変化させることのないＤＮＡ置換のみが行われたサイレント突然変異（ｓｉｌｅｎｔ ｍｕｔａｔｉｏｎ）（Ｔ６６９Ｃ、Ａ１１２５Ｇ、Ｔ１１５８Ｃ）が三ヵ所行われた、改良遺伝子である（ＷＯ０９／０２２７９７）。
培地としてはＭＲ（Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｒｉｅｓｅｎｂｅｒｇ）培地にグルコース２０ｇ／Ｌおよび基質として前記で製造された３ＨＰを含む発酵液を２．０ｇ／Ｌ投入した。これを３００ｒｐｍ、１ｖｖｍの条件でエアレーション（ａｅｒａｔｉｏｎ）して発酵させて最終的に高分子量のＰ（３ＨＰ）を生産した。
２）低分子量のポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）生産
低分子量のポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）を生産するために、韓国特許第１０－２０１７－００２８１８６号公報に開示された方法により（本文献は参考文献として本発明の範囲に含まれる）、プロピオニル－ＣｏＡトランスフェラーゼ遺伝子（ｐｃｔ）としてクロストリジウムプロピオニカム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｐｒｏｐｉｏｎｉｃｕｍ）由来のプロピオニル－ＣｏＡトランスフェラーゼ（ＣＰ－ＰＣＴ）の変異体、ＰＨＡ合成酵素遺伝子としてシュードモナス属ＭＢＥＬ ６－１９（ＫＣＴＣ １１０２７ＢＰ）由来のＰＨＡ合成酵素の変異体およびベクターとしてｐＢｌｕｅｓｃｒｉｐｔ ＩＩ （Ｓｔｒａｔａｇｅｎｅ Ｃｏ．，ＵＳＡ）を使用して、ｐＰｓ６１９Ｃ１３１０－ＣＰＰＣＴ５４０組換えベクターを製造して、これを用いてｐＰｓ６１９Ｃ１２４９．１８Ｈ－ＣＰＰＣＴ５４０ベクターを製造した後、これをｌｄｈＡがノックアウト（ｋｎｏｃｋ－ｏｕｔ）されたＥ．ｃｏｌｉ ＸＬ１－ＢｌｕｅΔｌｄｈＡに電気穿孔法（ｅｌｅｃｔｒｏｐｏｒａｔｉｏｎ）を用いて形質転換させて、組換えＥ．ｃｏｌｉ ＸＬ１－ＢｌｕｅΔｌｄｈＡを製作した。
前記製造された組換えＥ．ｃｏｌｉ ＸＬ１－ＢｌｕｅΔｌｄｈＡ、および発酵基質として前記高分子量のポリ（ヒドロキシプロピオネート）の製造で使用されたものと同様の方法で製造された３－ヒドロキシプロピオネートを含む発酵液を使用して、ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）を生産するためのフラスコ培養を行った。先に前培養（ｓｅｅｄ ｃｕｌｔｕｒｅ）のために、前記組換え大腸菌を、１００ｍｇ／Ｌアンピシリン（ａｍｐｉｃｉｌｌｉｎ）および２０ｍｇ／Ｌカナマイシンが含有されている３ｍＬのＬＢ培地［ＢａｃｔｏＴＭ Ｔｒｉｐｔｏｎｅ（ＢＤ） １０ｇ／Ｌ、ＢａｃｔｏＴＭ ｙｅａｓｔ ｅｘｔｒａｃｔ（ＢＤ） ５ｇ／Ｌ、ＮａＣＬ（ａｍｒｅｓｃｏ） １０ｇ／Ｌ］で１２時間培養した。本培養のために、この前培養液１ｍｌを、１ｇ／Ｌの３－ヒドロキシプロピオネートを含む発酵液、１００ｍｇ／Ｌのアンピシリン、２０ｍｇ／Ｌカナマイシン、１０ｍｇ／Ｌのチアミン（ｔｈｉａｍｉｎｅ）が追加で含有された１００ｍｌ ＭＲ培地（１Ｌ当たりＧｌｕｃｏｓｅ １０ｇ、ＫＨ２ＰＯ４ ６．６７ｇ、（ＮＨ４）２ＨＰＯ４ ４ｇ、ＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏ ０．８ｇ、ｃｉｔｒｉｃ ａｃｉｄ ０．８ｇ、およびｔｒａｃｅ ｍｅｔａｌ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ５ｍＬ；ここで、Ｔｒａｃｅ ｍｅｔａｌ ｓｏｌｕｔｉｏｎは１Ｌ当たり５Ｍ ＨＣｌ ５ｍＬ、ＦｅＳＯ４７Ｈ２Ｏ １０ｇ、ＣａＣｌ２ ２ｇ、ＺｎＳＯ４Ｈ２Ｏ ２．２ｇ、ＭｎＳＯ４・４Ｈ２Ｏ ０．５ｇ、ＣｕＳＯ４・５Ｈ２Ｏ １ｇ、（ＮＨ４）６Ｍｏ７Ｏ２・４Ｈ２Ｏ ０．１ｇ、およびＮａ２Ｂ４Ｏ２・１０Ｈ２Ｏ ０．０２ｇ）に接種して、３０℃で３日間２５０ｒｐｍで攪拌して培養した。
前記培養液を４℃、４０００ｒｐｍで１０分間遠心分離して菌体を回収して十分な量の蒸溜水で２回洗浄した後８０℃で１２時間乾燥して最終的に分子量１０，２００のＰ（３ＨＰ）を製造した。
３）多様な重量平均分子量を有するポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）オリゴマーの製造
前記１）で製造された２０，０００ｇ／ｍｏｌの重量平均分子量を有する高分子量のポリ（ヒドロキシプロピオネート）を蒸溜水に入れ、塩酸を用いてｐＨ２に合わせて酸触媒の条件下で加水分解を行った。加水分解を速かに行うために１００℃オーブンにて前記ポリ（ヒドロキシプロピオネート）サンプルをそれぞれ２４時間、および７２時間の間加水分解させて、重量平均分子量がそれぞれ２１００および２１８００（ｇ／ｍｏｌ）のポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）オリゴマーを収得した。
（２）ポリラクチド－ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）ブロック共重合体の製造
５００ｍＬの丸いフラスコにＬ－ラクチド１６ｇ、前記（１）で製造された多様な重量平均分子量を有するポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）オリゴマーおよびスズ（ＩＩ）２－エチルヘキサノエート０．０４ｇ（０．１ｍｏｌ％；Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ社）を下記表１に記載された含有量で投入して十分に真空をかけて常温で４時間の間真空乾燥した。
その後、１３０℃で予熱（ｐｒｅ－ｈｅａｔｉｎｇ）したオイルバスに前記フラスコを入れ、１８０℃に昇温した後２０分間開環重合反応させた。反応が終結した後、反応物をクロロホルムに溶解させた後、メタノールで抽出して、ブロック共重合体を回収した。
Figure 0007366462000006
比較例1および２
５００ｍＬの丸いフラスコにＬ－ラクチド、ドデカノールおよびスズ（ＩＩ）２－エチルヘキサノエートを下記表２に記載された含有量で投入して十分に真空をかけて常温で４時間の間真空乾燥した。
その後、１３０℃に予熱（ｐｒｅ－ｈｅａｔｉｎｇ）したオイルバスに前記フラスコを入れ、１８０℃に昇温した後２０分間開環重合反応させた。反応が終結した後、反応物をクロロホルムに溶解させた後、メタノールで抽出して、重合体を回収した。
Figure 0007366462000007
評価
１．ＮＭＲ（Ｎｕｃｌｅａｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）分析
ＮＭＲ分析は三重共鳴５ｍｍ探針（ｐｒｏｂｅ）を有するＶａｒｉａｎ Ｕｎｉｔｙ Ｉｎｏｖａ（５００ＭＨｚ）分光計を含むＮＭＲ分光計を使用して常温で行った。ＮＭＲ測定用溶媒（ＣＤＣｌ３）に分析対象物質として実施例１～４でそれぞれ製造されたブロック共重合体および重合体を約１０ｍｇ／ｍｌ程度の濃度に希薄して使用し、化学シフトはｐｐｍで表した。
図１は実施例１～４で製造されたブロック共重合体のＮＭＲ分析結果を示すチャートである。図１によれば、本発明による実施例１～４のブロック共重合体のＮＭＲ分析チャートでは、ポリラクチドピークとポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）ピークがいずれも観察された。
また、実施例１～４のＮＭＲ分析結果チャートからポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）ピークの積分比を計算し、これを表３に示した。
Figure 0007366462000008
図１によれば、「ＮＭＲ分析におけるポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）の含有量」は、「ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）を実際に投入した量」と近似しているので、実施例１～４のブロック共重合体の製造方法で使用されたポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）オリゴマーはほとんどの反応物として使用されたことが類推される。
２．ＧＰＣ（（Ｇｅｌ Ｐｅｒｍｅａｔｉｏｎ Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ）分析
実施例１～４のブロック共重合体および比較例１および２の重合体を、ゲル透過クロマトグラフィー（ＧＰＣ）（Ｗａｔｅｒｓ：Ｗａｔｅｒｓ７０７）にかけることにより、重量平均分子量（Ｍｗ）および数平均分子量（Ｍｎ）をそれぞれ求めた。測定するブロック共重合体／重合体を４０００ｐｐｍの濃度になるようにテトラヒドロフランに溶解させて、ＧＰＣに１００μｌを注入した。ＧＰＣの移動相にはテトラヒドロフランを使用し、１．０ｍＬ／分の流速で流入させ、分析は３５℃で行った。カラムはＷａｔｅｒｓ ＨＲ－０５、１、２、４Ｅ の４個を直列に連結した。検出器としてはＲＩ ａｎｄ ＰＡＤ Ｄｅｔｅｃｔｅｒを用いて３５℃で測定した。その結果を表４に示した。
Figure 0007366462000009
前記表４によれば、比較例１および２のようにドデカノールが開始剤として使用された場合、ドデカノールの含有量が増加するほど重合体の数平均分子量および重量平均分子量が減少することを確認した。同様に、実施例１～４で製造されたポリラクチド－ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）ブロック共重合体の場合、ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）のオリゴマーに比べて分子量が大きくなったことを確認できた。また、投入されたポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）の含有量が増加するほどブロック共重合体の数平均分子量および重量平均分子量が減少することにより、ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）が開始剤の役割をすることを確認することができた。

Claims (12)

  1. （ａ）ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）開始剤を生合成する段階；および
    （ｂ）段階（ａ）で製造されたポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）開始剤の存在下で、ラクチド単量体を開環重合させてポリラクチド－ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）ブロック共重合体を製造する段階
    を含み、
    段階（ｂ）を実施する前に、段階（ａ）で製造されたポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）開始剤を加水分解処理する段階をさらに含み、
    前記開環重合が、有機金属複合体触媒および有機触媒からなる群より選ばれる一つ以上の触媒の存在下で実施される、ブロック共重合体の製造方法。
  2. 段階（ａ）を、ヒドロキシアシル－ＣｏＡを生産する能力がある酵素および／またはＰＨＡ合成酵素を含む組換え微生物によって実施する、請求項１に記載のブロック共重合体の製造方法。
  3. 前記加水分解処理時に使用する加水分解剤は、酸加水分解剤、塩基加水分解剤、ＰＨＡデポリメラーゼ、またはこれらの組み合わせである、請求項１に記載のブロック共重合体の製造方法。
  4. 前記加水分解処理を、４～８０時間の間実施する、請求項１に記載のブロック共重合体の製造方法。
  5. 前記ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）開始剤は、重量平均分子量が１，５００～２００，０００である、請求項１に記載のブロック共重合体の製造方法。
  6. 前記ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）開始剤の含有量は、前記ラクチド単量体１００重量部に対して０．０１重量部以上である、請求項１に記載のブロック共重合体の製造方法。
  7. 前記有機金属複合体触媒は、下記化学式１で表される触媒である、請求項１に記載のブロック共重合体の製造方法：
    ［化学式１］
    ＭＡ１ ｐＡ２ ２－ｐ
    前記化学式１において、ＭはＡｌ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｙ、Ｓｍ、Ｌｕ、ＴｉまたはＺｒであり、ｐは０～２の整数であり、Ａ１およびＡ２はそれぞれ独立してアルコキシ基またはカルボキシル基である。
  8. 前記ＭＡ１ ｐＡ２ ２－ｐは、スズ（ＩＩ）２－エチルヘキサノエート（Ｓｎ（Ｏｃｔ）２）である、請求項７に記載のブロック共重合体の製造方法。
  9. 前記触媒の含有量は、前記ラクチド単量体１００モル％に対して０．０１～１０モル％である、請求項１に記載のブロック共重合体の製造方法。
  10. 前記開環重合を、１５０～２００℃で５分～１０時間の間実施する、請求項１に記載のブロック共重合体の製造方法。
  11. 前記開環重合を、バルク重合によって実施する、請求項１に記載のブロック共重合体の製造方法。
  12. 前記ポリラクチド－ポリ（３－ヒドロキシプロピオネート）ブロック共重合体は、重量平均分子量が１０，０００～４００，０００である、請求項１に記載のブロック共重合体の製造方法。
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Julien RAMIER et al.，Microwave-Assisted Synthesis and Characterization of Biodegradable Block Copolyesters Based on Poly(3-hydroxyalkanoate)s and Poly(D,L-lactide)，J. Polym. Sci. Part A: Polym. Chem.，2012年，vol.50，pp.1445-1455

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