(57)【要約】【課題】生産性が高く、環境負荷の少ない、反応時における副反応が少ないセルロース誘導体の製造方法の提供。【解決手段】セルロース、ヘミセルロース、リグニンのうち少なくとも一つ以上を含有する原料と、該原料１００部に対し５〜９０部の水、３〜４０部の塩基性化合物、２００〜３０００部のビニル基及びニトリル基含有化合物を、温度が０〜１００℃、時間が０．５〜２４時間で混合することを特徴とするシアノ基含有化合物の製造方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルロース、ヘミセルロース、リグニンのうち少なくとも一つ以上を含有する原料と、該原料１００部に対し５〜９０部の水、３〜４０部の塩基性化合物、２００〜３０００部のビニル基及びニトリル基含有化合物を、温度が０〜１００℃、時間が０．５〜２４時間で混合することを特徴とするシアノ基含有化合物の製造方法。
【請求項２】
前記ビニル基及びニトリル基含有化合物が（メタ）アクリロニトリルであることを特徴とする請求項１に記載のシアノ基含有化合物の製造方法。
【請求項３】
前記原料が非可食性の生物資源であることを特徴とする請求項１又は２に記載のシアノ基含有化合物の製造方法。
【請求項４】
前記原料の平均粒子径を０．０１〜３０００μｍとする工程を含む、請求項１〜３いずれかに記載のシアノ基含有化合物の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４いずれかに記載の製造方法でシアノ基含有化合物を得た後に、
該化合物を加水分解する工程、を有することを特徴とするカルボキシエチル基含有化合物の製造方法。
【請求項６】
セルロース又はヘミセルロース又はリグニンを主骨格とするシアノエチル基含有化合物において、
該シアノエチル基含有化合物のカルバモイルエチル基及びカルボキシエチル基の比率がシアノエチル基に対し１０％以下であることを特徴とする、シアノエチル基含有化合物。
【請求項７】
シアノエチル基、カルバモイルエチル基、カルボキシエチル基のうち少なくとも１つ以上の官能基を有するリグニン誘導体。
【請求項８】
セルロース、ヘミセルロース、リグニンのうち少なくとも一つ以上を含有する原料と、該原料１００部に対し１０〜２０００部の水、１００〜５００部の塩基性化合物、５０〜３００部のビニル基及びカルボキシル基含有化合物を、温度が０〜８０℃、時間が０．５〜２４時間で混合することを特徴とするカルボキシエチル基含有化合物の製造方法。
【請求項９】
前記ビニル基及びカルボキシル基含有化合物が（メタ）アクリル酸であることを特徴とする請求項８に記載のカルボキシエチル基含有化合物の製造方法。
【請求項１０】
前記原料が非可食性の生物資源あることを特徴とする請求項８又は９に記載のカルボキシエチル基含有化合物の製造方法。
【請求項１１】
前記原料の平均粒子径を０．０１〜３０００μｍとする工程を含む、請求項８〜１０いずれかに記載のカルボキシエチル基含有化合物の製造方法。
【請求項１２】
カルボキシエチルセルロースに対し、カルボキシエチルヘミセルロース又はカルボキシエチルリグニンを５％以上含むことを特徴とするカルボキシエチルセルロース含有組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セルロース、リグニン、ヘミセルロースなどのバイオマス（生物資源）を原料とした化合物、及び、その製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
セルロースは植物の構成成分の約５０％を占めており、地球上で最も多量に生産されている生物資源である。近年、石油のような化石資源の枯渇や、燃焼による二酸化炭素増加などの環境問題から、化石資源に変えて再生産可能で環境への負荷の少ない生物資源への変換が注目されている。
現在、生物資源である水酸基を置換したセルロース誘導体が、有機溶剤や、水に対して溶解性を示すため、成形性や取扱の容易さ等の観点から様々な分野で利用されている。セルロース誘導体の例として、シアノ基を有するアクリロニトリル、アミド基を有するアクリルアミドなどとセルロースの反応例が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１３５４９号公報
【特許文献２】特開昭６０−４４５０２号公報
【特許文献３】特開昭６１−２２８００１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、生物資源は、化石資源由来の原材料と比較すると生産性が低い点が課題である。その理由として、セルロースは結晶性であり反応性が低いことがあげられる。反応性の低さを補うために、混練機などが使用されているが、反応のスケールアップが困難である。
【０００５】
また通常、原材料として用いられる生物資源はセルロース単体であり、パルプなどの純度の高いものしか使用されていない。パルプは、セルロースの純度を上げるために、原材料である木材を溶解し、精製した後、セルロースからリグニンやヘミセルロースを分離する工程が必要である。近年、原材料として、草本系生物資源を利用するという検討も始まっているが、原材料の前処理工程、及び前記分離工程で、高温条件や多量の溶媒を用いることが必要であり、環境への負荷が大きい。
さらに、原材料としてセルロース単体を用いても、従来の製造方法では、副反応が起こり目的の官能基のみを導入することが困難である点や、セルロースの水酸基への官能基の導入率が低いため化石燃料由来の原材料を多量に使用し反応後の原材料は廃棄となる点、生産性が低い点、といった課題があった（例えば、特許文献１〜３）。
【０００６】
本発明の目的は、エーテル基含有セルロース誘導体の、生産性が高く、環境負荷の少ない、反応時における副反応が少ない製造方法を提供することを目的とする。また、セルロースを単離しない生物資源を原料としても、生物資源のエーテル基含有化合物を製造する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、上記の課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、セルロースに対して一定量の水、塩基性化合物、及び特定のビニル化合物を反応させることで、効率よく反応が進行することを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
また、前記反応を用いることで、リグニンやヘミセルロースを含有する生物資源中のセルロースをそのまま使用することも可能であることを見出した。原料としてセルロース、リグニン及びヘミセルロースを含有する生物資源をそのまま使用した場合、リグニンやヘミセルロースの誘導体も含有するため、セルロース単体とは異なる親水特性が得られることを見出した。
【０００９】
即ち、本発明は以下の通りである。
［１］
セルロース、ヘミセルロース、リグニンのうち少なくとも一つ以上を含有する原料と、該原料１００部に対し５〜９０部の水、３〜４０部の塩基性化合物、２００〜３０００部のビニル基及びニトリル基含有化合物を、温度が０〜１００℃、時間が０．５〜２４時間で混合することを特徴とするシアノ基含有化合物の製造方法。
［２］
前記ビニル基及びニトリル基含有化合物が（メタ）アクリロニトリルであることを特徴とする［１］に記載のシアノ基含有化合物の製造方法。
［３］
前記原料が非可食性の生物資源であることを特徴とする［１］又は［２］に記載のシアノ基含有化合物の製造方法。
［４］
前記原料の平均粒子径を０．０１〜３０００μｍとする工程を含む、［１］〜［３］いずれかに記載のシアノ基含有化合物の製造方法。
［５］
［１］〜［４］いずれかに記載の製造方法でシアノ基含有化合物を得た後に、
該化合物を加水分解する工程、を有することを特徴とするカルボキシエチル基含有化合物の製造方法。
［６］
セルロース又はヘミセルロース又はリグニンを主骨格とするシアノエチル基含有化合物において、
該シアノエチル基含有化合物のカルバモイルエチル基及びカルボキシエチル基の比率がシアノエチル基に対し１０％以下であることを特徴とする、シアノエチル基含有化合物。
［７］
シアノエチル基、カルバモイルエチル基、カルボキシエチル基のうち少なくとも１つ以上の官能基を有するリグニン誘導体。
［８］
セルロース、ヘミセルロース、リグニンのうち少なくとも一つ以上を含有する原料と、該原料１００部に対し１０〜２０００部の水、１００〜５００部の塩基性化合物、５０〜３００部のビニル基及びカルボキシル基含有化合物を、温度が０〜８０℃、時間が０．５〜２４時間で混合することを特徴とするカルボキシエチル基含有化合物の製造方法。
［９］
前記ビニル基及びカルボキシル基含有化合物が（メタ）アクリル酸であることを特徴とする［８］に記載のカルボキシエチル基含有化合物の製造方法。
［１０］
前記原料が非可食性の生物資源あることを特徴とする［８］又は［９］に記載のカルボキシエチル基含有化合物の製造方法。
［１１］
前記原料の平均粒子径を０．０１〜３０００μｍとする工程を含む、［８］〜［１０］いずれかに記載のカルボキシエチル基含有化合物の製造方法。
［１２］
カルボキシエチルセルロースに対し、カルボキシエチルヘミセルロース又はカルボキシエチルリグニンを５％以上含むことを特徴とするカルボキシエチルセルロース含有組成物。
【発明の効果】
【００１０】
エーテル基含有セルロース誘導体の、生産性が高く、環境負荷の少ない、反応時における副反応が少ない製造方法を提供する。また、セルロースを単離しない生物資源を原料としても、生物資源のエーテル基含有化合物を製造する方法を提供する。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための形態（以下、「本実施の形態」という。）について詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。
本発明は、セルロース、ヘミセルロース、リグニンのうち少なくとも一つ以上を含有する原料と、該原料１００部に対し５〜９０部の水、３〜４０部の塩基性化合物、２００〜３０００部のビニル基及びニトリル基含有化合物を、温度が０〜１００℃、時間が０．５〜２４時間で混合することを特徴とするシアノ基含有化合物の製造方法、である。
【００１２】
また本発明は、セルロース、ヘミセルロース、リグニンのうち少なくとも一つ以上を含有する原料と、該原料１００部に対し１０〜２０００部の水、１００〜５００部の塩基性化合物、５０〜３００部のビニル基及びカルボキシル基含有化合物を、温度が０〜８０℃、時間が０．５〜２４時間で混合することを特徴とするカルボキシエチル基含有化合物の製造方法、である。
【００１３】
＜原料＞
本発明の原料は、セルロース、リグニン、ヘミセルロースのうち少なくとも一つ以上を含有する。
本発明におけるセルロースとは、分子式（Ｃ6Ｈ10Ｏ5）nで表される炭水化物（多糖類）のことである。本発明におけるヘミセルロースとは、生物資源中のセルロース以外の細胞壁構成多糖類の総称である。前記ヘミセルロースの例としては、キシロースやマンノースがグリコシド結合で高分子化した構造多糖類などがあげられる。本発明におけるリグニンとは、木化した植物中に存在する高分子のフェノール性化合物のことをあらわす。原料はセルロースを単離する必要はなく、ヘミセルロースやリグニンとの混合物でもよい。
【００１４】
本発明におけるセルロースは一部が置換されていても構わない。同様に、一部の官能基が置換されたヘミセルロースやリグニンを原料として用いても構わない。
セルロースとしては、綿、木材、コットンリンター等の天然セルロースでもよいし、再生セルロースでもよいし、バクテリアセルロースなどでもよい。
【００１５】
本発明の原料のセルロースの重合度はどのようなものでも構わないが、２〜５０００であることが好ましく、５０〜４０００であることがより好ましく、１００〜３０００であることが更に好ましい。重合度が２以上の場合、分子量が好適な範囲となり生成物の特性が向上する。生成物の特性の例としては、後述するシアノ基含有化合物の有する高誘電率といった特性が挙げられる。重合度が５０００以下の場合、反応の制御が容易である。
【００１６】
本発明における生物資源とは、化石資源のような枯渇性資源ではなく、再生可能な生物由来の有機資源である。本発明の原料は、非可食性の生物資源を直接利用することもできる。非可食性の生物資源とは、稲ワラやとうもろこしの茎、とうもろこしの芯、バガスといった草本系生物資源、木材や間伐材などである。非可食性の生物資源は、主にセルロース、ヘミセルロース、リグニンで構成される。
【００１７】
通常、非可食性の生物資源を原料として利用する場合、セルロースとリグニンやヘミセルロースの分離工程が必要となるため生産性が低くなるという問題がある。本発明においてはリグニンやヘミセルロースを原料としても反応が進行するため、セルロースを分離せずに反応できることで生物資源を効率よく利用することができる。
【００１８】
原料におけるセルロースを主骨格とする化合物の割合は、生成物の特性が発揮される観点から、３０〜１００％が好ましく、５０〜９９％がより好ましい。セルロースを主骨格とする化合物とは、セルロース及びセルロースの官能基が置換された誘導体のことである。同様に、原料における、ヘミセルロースの割合は、０〜３０％が好ましい。原料におけるリグニンを主骨格とする化合物の割合は、０〜３０％が好ましい。
【００１９】
原料の形状は特には問わないが、反応の均一性を高める観点から、ロータリーカッター等による粉砕機で５０ｍｍ角より小さく裁断することが好ましい。本発明では、反応速度の観点から、原料を直径０．０１〜３０００μmにすることが好ましく、０．０３〜１０００μmにすることがより好ましく、０．０５〜１００μmにすることが更に好ましく、０．１〜５０μmにすることが最も好ましい。原料は、物理的な処理により、粒子状又は粉末状に破砕することが出来る。
【００２０】
＜塩基性化合物＞
本発明における塩基性化合物とは、塩基性を示す化合物であれば特に限定されない。
塩基性化合物の例としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム等のアルカリ金属の水酸化物、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム等のアルカリ土類金属の水酸化物、ナトリウムメトキシドやナトリウムｔｅｒｔ‐ブトキシド、カリウムｔｅｒｔ‐ブトキシド等のアルカリ金属のアルコキシドアミン化合物、トリエチルアミン等のアミン化合物、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムクロライド等のイオン性液体、等が挙げられる。なかでも、反応性の観点から、アルカリ金属の水酸化物が好ましく、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、水酸化カリウムがより好ましく、水酸化ナトリウムが最も好ましい。これら塩基性化合物は１種類のみを使用してもよいし、併用しても構わない。
【００２１】
＜ビニル基及びニトリル基含有化合物＞
本発明においてビニル基及びニトリル基含有化合物とは、一つの化合物中に官能基としてビニル基及びニトリル基を有する化合物のことを意味する。前記化合物は、反応性向上の観点から、ビニル基に電子吸引基が結合していることが好ましい。ここでいう反応とは、原料に含まれるセルロース、ヘミセルロース、リグニンの水酸基が、ビニル基に付加してエーテル化合物が生成する反応のことを意味する。
【００２２】
電子吸引基とは、例えば、カルボキシル基、スルホン酸基、エステル基、アミド基、シアノ基などがあげられる。このような電子吸引基をもつ前記化合物は、例えば、(メタ)アクリロニトリル、シアノエチルアクリレートやシアノメチルアクリレートなどのシアノアクリレート類、3-アミノクロトンニトリル、エトキシメチレンマロンニトリル、シクロヘキセン-1-カルボニトリル、シンナモニトリル、クロトンニトリル、ジアミノマレオニトリル、フマロニトリル等があげられる。
【００２３】
反応を制御する観点から、疎水性のビニル基及びニトリル基含有化合物を使用することが好ましい。本発明における疎水性のビニル基及びニトリル基含有化合物とは、水に対する溶解度が１０ｇ／１００ｍｌ以下である化合物のことを指す。前記化合物の例としては、（メタ）アクリロニトリル、シンナモニトリル、クロトンニトリル、ジアミノマレオニトリル、フマロニトリルが挙げられる。前記化合物のなかでも（メタ）アクリロニトリルは、融点が適した温度帯にあり反応に用いやすい点や、沸点が適した温度帯にあり蒸留による回収が容易である点で、好ましい。
【００２４】
（メタ）アクリロニトリルを用いた場合には、下記の製造方法により、疎水性のシアノ基含有化合物が得られるが、加水分解を行うことによって親水性のカルボキシエチル基含有化合物に変換することもできる。
（メタ）アクリロニトリルは、反応生成物中に残存してしまう不純物を低減させる観点から、不純物の少ないものを用いることが好ましい。また、（メタ）アクリロニトリルは、不純物を減らすために蒸留などの精製を行ってから使用することが好ましい。活性炭などを使用して重合禁止剤を取り除いてもよい。ビニル基及びニトリル基含有化合物の不純物量としては、１％以下が好ましい。
【００２５】
＜ビニル基及びカルボキシル基含有化合物＞
本発明においてビニル基及びカルボキシル基含有化合物とは、一つの化合物中に官能基としてカルボキシル基及びビニル基を有する化合物のことを意味する。特に限定されないが、ビニル基に電子吸引基が結合していると、反応性が高いことから好ましい。ここでいう反応とは、原料に含まれるセルロース、ヘミセルロース、リグニンの水酸基が、ビニル基に付加してエーテル化合物が生成する反応のことを意味する。
【００２６】
電子吸引基とは、例えば、カルボキシル基、スルホン酸基、エステル基、アミド基、シアノ基などがあげられる。このような化合物は、例えば、（メタ）アクリル酸、ビニルスルホン酸、（メタ）アクリル酸エステル、（メタ）アクリルアミド、(メタ)アクリロニトリル、シアノアクリレート類、メチレンマロン酸、メチレンマロン酸エステル類等があげられる。中でも一段階の反応で、純度の高いカルボキシエチル基含有化合物の得られる（メタ）アクリル酸を使用することが好ましい。(メタ)アクリル酸を反応させることで、シアノエチル基やカルバモイルエチル基を全く含まないカルボキシエチル基含有化合物を得ることができる。シアノエチル基やカルバモイルエチル基を加水分解する従来の方法では、加水分解率を高めるためには、強酸や強塩基を使用した厳しい条件が必要となり副反応が起きる場合もあるし、完全に加水分解を進行させることは困難である。カルボキシエチル基含有化合物は、例えば水処理剤、凝集剤、洗浄助剤として使用できる。また、吸水性樹脂の原材料として用いることが出来る。
【００２７】
（メタ）アクリル酸は、不純物の少ないものを用いることが好ましい。特に、３−ヒドロキシプロピオン酸等のビニル基を有さない化合物を有していると、これらの化合物は不活性であるため、反応生成物中に残存する場合がある。前期化合物は製品の物性に悪影響を与える場合があるし、前記化合物が分解すると反応性の高いアクリル酸を生じ、使用中に意図せぬ副反応を起こす場合がある。不純物を減らすための方法としては、蒸留などの精製を行うことが好ましい。活性炭などを使用して重合禁止剤を取り除いてもよい。
（メタ）アクリル酸と塩基性化合物は反応場で中和しても良い。また、あらかじめ中和反応を行った（メタ）アクリル酸塩を用いてもよい。
【００２８】
（メタ）アクリル酸を反応場で中和する場合は、（メタ）アクリル酸の周辺温度が高まることから、カルボキシエチル基含有化合物の生成反応が加速されるというメリットがある。
（メタ）アクリル酸をあらかじめ中和反応により（メタ）アクリル酸塩とする場合は、中和熱の制御を行いやすいというメリットがある。（メタ）アクリル酸は全量を中和してもよいし、一部のみでも構わない。
【００２９】
前記中和反応は、触媒として機能するように、塩基性化合物を過剰量加えておいてもよい。発熱によりアクリル酸が重合反応を起こす場合があるため、中和反応は局所的な発熱を抑制するために攪拌を行うことが好ましい。中和反応は、反応場全体の温度を５０℃以下、好ましくは３０℃以下に冷却しながら行うのが好ましい。重合反応を抑制するために重合禁止剤を添加してもよい。
【００３０】
アクリル酸塩は固体であり、固体のまま使用しても構わないが、使いやすさの観点から溶媒に溶解させて用いることが好ましい。アクリル酸を中和した際には水が生成するため水溶液として扱うことが好ましい。本発明の反応においては水が重要な役割をはたすことから、中和反応時は水を溶媒とすることが好ましい
【００３１】
＜シアノ基含有化合物の製造方法＞
本発明におけるシアノ基含有化合物は、塩基性化合物、水、原料、ビニル基及びニトリル基含有化合物の反応により製造される。
前記シアノ基含有化合物の製造方法は、加水分解などの副反応が抑制されるため、ビニル基及びニトリル基含有化合物を有効利用することができる。また、前記製造方法により得られるシアノ基含有化合物は、従来の方法で得られる該化合物とは異なる性質を示すことを見出した。
【００３２】
本発明は、セルロース、ヘミセルロース、リグニンのうち少なくとも一つ以上を含有する原料と、該原料１００部に対し５〜９０部の水、３〜４０部の塩基性化合物、２００〜３０００部のビニル基及びニトリル基含有化合物を、温度が０〜１００℃、時間が０．５〜２４時間で混合することを特徴とするシアノ基含有化合物の製造方法、である。
シアノ基含有化合物の製造方法として、原料にセルロース、ビニル基及びニトリル基含有化合物にアクリロニトリルを用いた製造方法を例にあげて説明する。
【００３３】
本発明における水の量は、セルロース１００部に対して５〜９０部であることが好ましく、１０〜７０部であることがより好ましく、１５〜５０部であることが更に好ましく、２０〜４０部であることが最も好ましい。水の量が９０以下の場合は、アクリロニトリルに対しての水の付加反応、シアノ基の加水分解反応などの副反応が抑制される。前記副反応で生じる官能基や化合物は、主反応を阻害するため、結果として生産性を低下させるため好ましくない。
【００３４】
アクリロニトリルはセルロース１００部に対して２００~３０００部使用することが好ましく、４００〜２０００部使用することがより好ましく、５００〜１０００部使用することが更に好ましく、６００〜８００部使用することが最も好ましい。反応基質を比較的大量に用いることで、セルロースに導入された官能基と反応基質が相互作用して、セルロースの結晶構造が崩れていくため、反応が速やかに進行する。このため、通常は長時間の反応時間を必要とするか、混練機等の特殊な装置を必要とするか、結晶構造を完全に崩すなどの長時間の前処理を必要とするセルロースの反応を、通常の反応釜で速やかに進行させることが可能となる。
【００３５】
水の量に対するアクリロニトリルの量は、水１００部に対して２００〜６００００部であることが好ましく、８００〜１００００部であることがより好ましく、１２００〜５０００0部であることが更に好ましく、１６００〜３０００であることが最も好ましい。アクリロニトリルと水の比率が上記範囲であると、系内の親水性と疎水性のバランスがとれており、セルロースの結晶構造に作用して効率的に反応する。水の量が多すぎる場合には、加水分解や、ビニル基への水の付加反応などの副反応が生じやすくなる場合があり、水の量が少なすぎると反応が遅くなる場合がある。
【００３６】
塩基性化合物の量は、セルロース１００部に対して、３〜４０部であることが好ましく、５〜３５部であることがより好ましく、７〜３０部であることが更に好ましく、１０〜２５部であることが最も好ましい。塩基性化合物の量が少なすぎる場合は反応が遅くなる場合があり、多すぎる場合には副反応が生じる場合がある。
【００３７】
塩基性化合物の量に対するアクリロニトリルの量は、塩基性化合物１００部に対して、５００〜１０００００部であることが好ましく、１５００〜５００００部であることがより好ましく、２０００〜３００００部であることが更に好ましく、２５００〜１５０００部であることが最も好ましい。塩基性化合物が少なすぎる場合には反応が遅くなる場合があり、多すぎる場合には副反応が生じる場合がある。
【００３８】
塩基性化合物としてアルカリ金属の水酸化物を使う場合には通常水溶液として使用される。本発明においては、上記記載の水を用いて水溶液とする。前記水溶液の濃度は０．１〜４０重量％濃度であることが好ましく、５〜３８％であることがより好ましく、１０〜３６％であることが更に好ましく、２０〜３４％であることが最も好ましい。濃度が低すぎる場合、反応が遅くなる場合があり、濃度が濃すぎる場合には、セルロースの解重合などの副反応が起きる場合がある。
【００３９】
塩基性化合物と原料は反応の際に混合してもよいし、予め塩基性化合物と水からなる水溶液に原料を浸漬させておいても構わない。予め、前記水溶液にセルロースを浸漬しておくと、反応効率が高まるため好ましい。浸漬温度は、０〜８０℃であることが好ましく、５〜６０℃であることがより好ましく、１０〜４０℃であることが更に好ましい。温度が低い場合には、反応促進の効果が得られにくく、温度が高すぎる場合には副反応が生じる場合がある。浸漬時間は５分〜４８時間であることが好ましく、１５分〜３６時間であることがより好ましい。短すぎると反応促進効果が低いし、長すぎても効果は変わらない。浸漬する際は、静置でもよいし、攪拌してもよいし、物理的な力をかけて促進させても構わない。
【００４０】
反応促進のために、原料に対し過剰量の水と過剰量の塩基性化合物に浸漬させた後に、塩基性化合物及び水の割合が上記範囲内となるように圧搾することも可能である。しかしながら、圧搾工程はプレスローラー等を使用した生産性が低い工程である。また、過剰量の塩基性化合物水溶液は、特定の不純物が蓄積されるという問題があり廃液となってしまう。本発明では、特定の条件とすることにより反応性を高めているため、このような処理を行う必要はない。
【００４１】
水１００部に対する塩基性化合物の比率は、５〜１００部であることが好ましく、１０〜８０部であることがより好ましく、１５〜６０部であることが更に好ましく、２０〜５０部であることが最も好ましい。塩基性化合物の比率が少ない場合には、反応が遅くなる場合があり、多すぎる場合には取扱い性が悪くなる場合がある。
【００４２】
反応温度は、０〜１００℃であることが好ましく、１０〜９０℃であることがより好ましく、２０〜８０℃であることが更に好ましい。温度が高すぎると副反応が生じる場合があるし、低すぎる場合には反応速度が遅くなる場合がある。溶媒の沸点により反応温度をコントロールすることは、反応を制御する上で好ましいといえる。溶媒の沸点をコントロールするために、加圧や減圧を行ってもよい。
【００４３】
反応時間は０．５〜２４時間であることが好ましく、１〜１５時間であることがより好ましく、２〜１０時間であることが最も好ましい。反応時間が短すぎると、導入率が低下する場合があり、反応時間が長すぎても効果は少ない。ここで、導入率とは、前記原料中の水酸基のなかで、反応により置換された水酸基の割合のことであり、本反応の場合はシアノアルキル化された水酸基の割合のことである。セルロースの導入率は置換度Ｄｓを用いて求めることが出来る。リグニン等の水酸基の割合は、例えば、ＪＩＳ  Ｋ  ００７０：１９９２で求めることが出来る。
【００４４】
反応には溶媒を用いてもよい。ここで、溶媒とは、前記原料又はビニル基及びニトリル基含有化合物又は生成物が溶解する媒体のことであり、水は含まない。溶媒はどのようなものを用いてもよいが、溶媒の回収を考慮すると沸点が100℃以下のものを用いることが好ましく、80℃以下のものがより好ましい。溶媒の例としては、アセトニトリル等のニトリル化合物、トルエン、キシレン等の芳香族化合物、クロロホルム等のハロゲン系化合物、N,N-ジメチルスルホキシドやジメチルスルホキシド等の極性非プロトン性化合物が挙げられる。ビニル基及びニトリル基含有化合物であるアクリロニトリルを溶媒として用いることも好ましい。
【００４５】
反応終了後のシアノ基含有化合物の回収方法は任意の方法を用いることができる。蒸留等によりシアノ基含有化合物以外の水や前記溶媒、ビニル基及びニトリル基含有化合物等を飛ばしてもよいし、シアノ基含有化合物の貧溶媒を使用して再沈殿させてもよい。沸点が低い前記溶媒を用いている場合、及び、アクリロニトリルを過剰量用いている場合については、これらを回収して再利用することが好ましく、回収方法としては蒸留により回収することが好ましい。前記製造方法では、副反応によるアクリロニトリルの消費が無いといった点から、反応後に残ったアクリロニトリルを再利用することが可能であり、環境への負荷が小さい。
【００４６】
回収後のシアノ基含有化合物は、洗浄を行ってもよい。洗浄は主に、残存している塩基性化合物や未反応のアクリロニトリルを取り除くことを目的とする。洗浄はどのような方法でも構わないが、シアノ基含有化合物の良溶媒と水の混合溶媒で洗い流したり、シアノ基含有化合物を溶媒に溶解させた後に水系溶媒中へ再沈殿を行ったりすることで洗浄することができる。また、イオン交換樹脂等を使用して精製することも可能である。
シアノ基含有化合物の製品形態としては、溶媒に溶解させた状態でも構わないし、乾燥させた状態でも構わない。
【００４７】
本発明の製造方法は、生産性に優れること、シアノエチル基が選択的に導入された誘導体が得られること、ビニル基及びニトリル基含有化合物の反応効率が高いという特徴を有し、誘導体に導入された該化合物以外は、回収し再利用することが可能である。
シアノ基含有化合物の製造方法の工程の前に、前処理を行うことが好ましい。前処理とは、反応に使用する原料の表面積を増やす工程である。前処理はどのような方法でも構わないが、物理的な処理を行うことが反応効率が向上する点で好ましい。また、同時にセルロースの結晶構造の一部を壊すことも好ましいといえる。しかしながら、本発明の反応は、セルロースの結晶構造を壊しながら進行するため、完全に結晶構造を壊す必要はない。
【００４８】
原料は、物理的な処理による前処理により、粒子状又は粉末状に破砕される。本発明では、原料を直径０．０１〜３０００μmにすることが反応性の観点から好ましく、０．０３〜１０００μmにすることがより好ましく、０．０５〜１００μmにすることが更に好ましく、０．１〜５０μmにすることが最も好ましい。
セルロースは前処理の後に水、塩基性化合物と混合しても構わないし、これらの化合物と混合しながら前処理を行ってもよい。物理的な処理の装置としては、例えばボールミル、振動ミル、遊星型ミル、ディスクミルなどを使用することができる。
【００４９】
本発明の製造方法は、ヘミセルロースやリグニンに対しても有効であり、ヘミセルロース又はリグニンを主骨格としたシアノ基含有化合物を得ることができる。原料に混合物を用いた場合は、それぞれを主骨格としたシアノ基含有化合物を得ることも可能である。
主骨格がヘミセルロース、リグニンおよびセルロースであるシアノエチル基含有化合物の混合物は、単体の場合とは異なる特性を示す。また、これらの化合物の混合物は、それぞれ分離することも可能である。混合物は原料の段階で分離を行うよりも、前記化合物とした方が物性の差が大きくなることから分離が容易に出来る。このため、セルロースを単離するために必要であった原料の結晶構造の破壊を要せず、簡便な製造方法を提供することが出来る。
【００５０】
＜シアノ基含有化合物＞
シアノ基含有化合物とは、ヘミセルロース又はセルロースやリグニンを主骨格とし、シアノ基を有する、上記製造方法で得られる化合物である。
例えば、アクリロニトリルを使用した場合には、シアノエチル基がセルロースに導入される。シアノエチルセルロースを、以下の化学式１で示す。
Ｃｅｌｌ−Ｏ−ＣＨ2−ＣＨ2−ＣＮ  （化学式１）
（Ｃｅｌｌ−Ｏはセルロースと、その水酸基由来の酸素原子を表す。）
【００５１】
シアノエチルセルロースは、疎水性のセルロース誘導体であり、高誘電率等の特徴を示す。シアノエチル基を加水分解すると、カルバモイルエチル基とカルボキシエチル基に変換される。カルバモイルエチル基とカルボキシエチル基の比率は、加水分解の条件によってコントロールすることができる。
シアノ基含有化合物は、誘電率が高い化合物である。シアノ基含有化合物はカルバモイルエチル基やカルボキシエチル基を含有していると誘電率が低下する。
カルバモイルエチル基を有するセルロースを以下の化学式２で示す。
Ｃｅｌｌ−Ｏ−ＣＨ2−ＣＨ2−ＣＯＮＨ2  （化学式２）
（Ｃｅｌｌ−Ｏはセルロースと、その水酸基由来の酸素原子を表す。）
【００５２】
シアノ基含有化合物は、加水分解することでカルボキシエチル基含有化合物へと変換することができる。加水分解の際、カルバモイルエチル基やカルボキシエチル基を含有していると、水がこれらの官能基に特異的に吸着されるため、全体に均一に加水分解反応を行うことが困難になる場合があり、ひいては、加水分解を完全に進行させることが困難になる場合がある。
【００５３】
よって、誘電率、及びカルボキシエチル基含有化合物の前駆体としての観点から、セルロース又はヘミセルロース又はリグニンを主骨格とするシアノエチル基含有化合物において、
前記シアノエチル基含有化合物のカルバモイルエチル基及びカルボキシエチル基の比率がシアノエチル基に対し１０％以下であること、が好ましい。シアノエチル基に対して、７％以下であることが好ましく、３％以下であることがより好ましく１％以下であることが最も好ましい。
【００５４】
リグニンの（メタ）アクリロニトリル付加体は、誘電率が高く特徴的な材料である。カルバモイルエチル基やカルボキシエチル基を含有していると誘電率が低下するため、これらの官能基の比率は、シアノエチル基に対して１０％以下であることが好ましく、７％以下であることがより好ましく、３％以下であることが更に好ましく１％以下であることが最も好ましい。また、リグニンにカルバモイルエチル基やカルボキシエチル基を導入した誘導体は、親水性と疎水性の両面の性能をもち、特殊な水処理剤等に好適に用いることができる。
【００５５】
本発明のシアノ基含有化合物は、ニトリル基含有化合物、ビニル化合物への水の付加物、塩類、有機系不純物などの不純物量が少ないほど好ましい。塩類としては、中和により生じる塩化ナトリウム、硫酸ナトリウム及び酢酸ナトリウムなどがあげられる。有機系不純物としては、反応のニトリル基含有化合物としてアクリロニトリルを用いた場合、２−シアノエタノール、２−シアノエチルエーテル等があげられる。
【００５６】
＜カルボキシエチル基含有化合物の製造方法＞
本発明は、下記の製造方法によりカルボキシエチル基含有化合物を得ることができる。
（１）前記シアノ基含有化合物を原料として製造したカルボキシエチル基含有化合物の製造方法。
（２）前記原料とビニル基及びカルボキシル基含有化合物を用いて製造したカルボキシエチル基含有化合物の製造方法。
【００５７】
（１）前記シアノ基含有化合物を原料として製造したカルボキシエチル基含有化合物の製造方法。
本発明は、前記記載の製造方法でシアノ基含有化合物を得た後に、
該化合物を加水分解する工程、を有することを特徴とするカルボキシエチル基含有化合物の製造方法、である。
即ち、前記シアノ基含有化合物を加水分解することによって、親水性の化合物であるカルボキシエチル基含有化合物に変換することができる。
【００５８】
以下、カルボキシエチル基含有化合物の製造方法として、原料にシアノエチルセルロースを用いた製造方法を例として説明する。
加水分解はどのような方法で行っても構わないが、セルロース主鎖の分解を防ぐために酸性ではなく、塩基性の条件で行うことが好ましい。また、生成する親水性官能基によって、反応場が膨潤・高粘度化することがあるため、水溶性の有機溶媒を混合して行うことが好ましい。また、反応性を上げるために物理的に混練しながら行うことも好ましい。物理的に混練する手法としては、押し出し機を使用する方法が挙げられる。
【００５９】
反応時の温度は−３０℃〜１００℃であることが好ましく、−２０℃〜８０℃であることがより好ましく、−１０℃〜６０℃であることが更に好ましく、０℃〜４０℃であることが最も好ましい。反応温度が低すぎると、反応速度が遅くなり生産性が低くなるし、シアノエチル基やカルバモイルエチル基の量が比較的多くなり、親水性が低下する場合がある。反応温度が高すぎる場合には、副反応が起きる場合がある。
【００６０】
塩基性化合物の濃度は０．１〜１８％に調整することが好ましく、１〜１６％にすることがより好ましく、５〜１５％であることが更に好ましい。塩基性化合物の濃度が高すぎると副反応が起きる場合があり、塩基性化合物濃度が低すぎると反応に時間がかかる場合がある。
本工程で使用する塩基性化合物は特に制限されない。シアノエチルセルロースの製造時に使用した塩基性化合物をそのまま使用することが好ましい。
【００６１】
加水分解における反応時間は、水添加後１〜３６時間であることが好ましい。反応時間が短すぎると加水分解反応が不十分である場合があり、長すぎても効果は変わらない。前記観点から、２〜２６時間であることが好ましく、４〜１６時間であることがより好ましい。
反応終了後のカルボキシエチルセルロースの回収は任意の方法を用いることができる。蒸留等によりカルボキエチル基含有化合物以外の水や前記溶媒、ビニル基及びカルボキシル基含有化合物等を飛ばしてもよいし、カルボキエチル基含有化合物の貧溶媒を使用して再沈殿させてもよい。
【００６２】
カルボキシルエチルセルロースは、加水分解後に酸でｐＨ３〜１０の範囲で中和されることにより、安定性（白色度の維持、溶解性及び溶液の透明性）が向上する。上記酸としては塩酸、硫酸、酢酸等を使用し得るが、経済的な理由から塩酸が好ましい。カルボキシルエチルセルロースは、ｐＨが３〜１０の範囲であると分解が起こりにくい。前記ｐＨは、より好ましくは４〜９．５、更に好ましくは５〜９である。増粘を防ぐために、アルコール等の有機溶媒を加えることも好ましい。
前記中和後、沈殿剤でカルボキシルエチルセルロースを沈殿させ、中和により生じた塩（中和剤である上記酸が塩酸の場合には塩化ナトリウム、酸が硫酸の場合には硫酸ナトリウム、酸が酢酸の場合には酢酸ナトリウム）から分離回収してもよい。
【００６３】
上記沈殿剤としてはメタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、イソプロピルアルコール、ブタノール、イソブタノール、ヘキサノール、イソヘキサノール、アセトン、メチルエチルケトン、クロロホルム、ヘキサン、酢酸エチル、ジエチルエーテル等の溶剤、又は前記それぞれの溶剤と水との混合溶液等を使用し得る。不純物の除去効率及び経済的観点からアセトン、メタノール、又はこれらそれぞれの溶剤と水との混合溶液が好ましい。水と上記溶剤との混合溶液を用いる場合は、アセトン、メタノール等の有機溶剤の含水率（混合溶液中の水の割合）が１０〜６０重量％であることが望ましい。含水率が６０重量％を超えると、カルボキシルエチルセルロースが含水アセトン若しくは含水メタノールに溶けてしまい、沈殿させることは困難となる場合がある。含水率が１０重量％を下回ると、沈殿させたカルボキシルエチルセルロースの表面が固化してしまい、洗浄が困難となる。沈殿材は含水率２０〜５０重量％の含水アセトン若しくは含水メタノールであることが好ましく、更に好ましくは２５〜４５重量％含水メタノール若しくは含水アセトンである。
【００６４】
加水分解後に洗浄をおこなってもよい。洗浄方法の例としては、水と有機溶剤との混合溶媒で洗浄する方法、再沈殿させる方法等が挙げられる。洗浄に使用する溶液としては、例えば、含水率５〜５０重量％のメタノール水溶液を使用することができる。メタノール水溶液の含水率が５重量％未満であると、カルボキシエチルセルロースの表面が固化してしまい、内部に不純物を取り込んでしまう場合がある。前記含水率が５０重量％を超えると、カルボキシエチルセルロースがメタノール水溶液に溶け込んでしまい、収率が低下する。メタノール水溶液の含水率は、より好ましくは１０〜４０重量％、更に好ましくは１５〜３０重量％である。
【００６５】
回収したカルボキシエチルセルロースが有機溶媒及び水等を含んでいる場合には、３０〜９０℃、１〜６０時間、真空下で加熱乾燥することが望ましい。３０℃未満であると、有機溶媒及び水を完全に除去することが困難であり、９０℃を超えると、乾燥中に変色する場合がある。乾燥時間は１時間より少ないと有機溶媒及び水を完全に除去するのが困難である傾向があり、６０時間を超えても、変化はなくエネルギーがかかるのみとなり不経済である傾向がある。そのため、より好ましくは乾燥温度４０〜８０℃、乾燥時間２〜５０時間であり、更に好ましくは乾燥温度５０〜７０℃、乾燥時間１０〜３６時間である
本発明の製造方法は、ヘミセルロースやリグニンに対しても有効であり、同様にヘミセルロース誘導体、リグニン誘導体を得ることができる。原料に混合物を用いた場合は、それぞれを主骨格としたカルボキシエチル基含有化合物を得ることも可能である。
【００６６】
主骨格がヘミセルロース、リグニンおよびセルロースであるカルボキシエチル基含有化合物の混合物は、単体の場合とは異なる特性を示す。また、これらの化合物の混合物は、それぞれ分離することも可能である。混合物は原料の段階で分離を行うよりも、前記化合物とした方が物性の差が大きくなることから分離が容易に出来る。このため、セルロースを単離するために必要であった原料の結晶構造の破壊を要せず、簡便な製造方法を提供することが出来る。
【００６７】
（２）前記原料とビニル基及びカルボキシル基含有化合物を用いて製造したカルボキシエチル基含有化合物の製造方法。
本発明は、
セルロース、ヘミセルロース、リグニンのうち少なくとも一つ以上を含有する原料と、該原料１００部に対し１０〜２０００部の水、１００〜５００部の塩基性化合物、５０〜３００部のビニル基及びカルボキシル基含有化合物を、温度が０〜８０℃、時間が０．５〜２４時間で混合することを特徴とするカルボキシエチル基含有化合物の製造方法、である。
【００６８】
本発明におけるカルボキシエチル基含有化合物の製造方法は、塩基性化合物、水、原料、ビニル基及びカルボキシル基含有化合物を混合して行われる。
従来、シアノ基を有するアクリロニトリル、アミド基を有するアクリルアミドなどとセルロースの反応例は知られている。しかし、酸基であるスルホン酸基やカルボキシル基を有するビニル化合物、電子吸引基として弱いエステル基やカルボキシル基を有するビニル化合物の反応例は知られていなかった。特に、カルボキシル基を有するアクリル酸のセルロースへの付加体であるカルボキシエチルセルロースを得るためには、アクリロニトリル、又は、アクリルアミドを付加させた後に加水分解を行うという二段階の反応によって合成されていた。これは、カルボキシル基の電子吸引性が不十分であること、カルボキシル基は触媒である塩基性化合物と中和してしまうために過剰量が必要となり、これによって副反応が生じてしまうと考えられていたことが原因と推定される。しかしながら本発明者らは、酸基を有するビニル化合物や、電子吸引性の弱い官能基の結合したビニル化合物を用いた場合でも反応が進行することを見出した。特に、酸基を有してかつ、電子吸引性の弱いカルボキシル基のみを有する、（メタ）アクリル酸を用いた場合においても、直接セルロースに付加させて一段階で誘導体を得られることを見出した。
【００６９】
以下、カルボキシエチル基含有化合物の製造方法として、原料にセルロース、ビニル基及びカルボキシル基含有化合物にアクリル酸、を用いた反応を例として説明する。
アクリル酸は塩基性化合物と中和反応を起こすため、塩基性化合物の量は少なくともアクリル酸の物質量よりも多く使用する必要がある。
本発明における水の量は、セルロース１００部に対して１０〜２０００部であることが好ましく、５０〜１５００部であることがより好ましく、１００〜１０００部であることが更に好ましく、２００〜５００部であることがもっとも好ましい。アクリル酸は水との親和性が高く、系内の親水度を所定の範囲に保っておくことで反応を速やかに反応させることができる。水の量が多すぎても少なすぎても反応が遅くなる場合がある。
【００７０】
セルロースに対するアクリル酸の量は、セルロース１００部に対して５０〜３００部であることが好ましく、６０〜２００部であることがより好ましく、７０〜１５０部であることが更に好ましく、８０〜１２０部であることが最も好ましい。アクリル酸の量が多すぎると、過剰なアクリル酸と中和する分だけ、塩基性化合物を大量に使用する必要があるため副反応が生じる場合があり、少なすぎると反応が遅い場合がある。
【００７１】
塩基性化合物としてアルカリ金属の水酸化物を使う場合には通常水溶液として使用される。本発明においては、上記記載の水を用いて水溶液とする。前記水溶液の濃度は０．１〜４０重量％濃度であることが好ましく、５〜３８％であることがより好ましく、１０〜３６％であることが更に好ましく、２０〜３４％であることが最も好ましい。濃度が低すぎる場合、反応が遅くなる場合があり、濃度が濃すぎる場合には、セルロースの解重合などの副反応が起きる場合がある。
【００７２】
塩基性化合物と原料は反応の際に混合してもよいし、予め塩基性化合物と水からなる水溶液に原料を浸漬させておいても構わない。予め、前記水溶液にセルロースを浸漬しておくと、反応効率が高まるため好ましい。浸漬温度は、０〜８０℃であることが好ましく、５〜６０℃であることがより好ましく、１０〜４０℃であることが更に好ましい。温度が低い場合には、反応促進の効果が得られにくく、温度が高すぎる場合には副反応が生じる場合がある。浸漬時間は５分〜４８時間であることが好ましく、１５分〜３６時間であることがより好ましい。短すぎると反応促進効果が低いし、長すぎても効果は変わらない。浸漬する際は、静置でもよいし、攪拌しても構わない。
【００７３】
セルロース１００部に対する塩基性化合物の量は、１００〜５００部であることが好ましく、１２０〜３５０部であることがより好ましく、１４０〜２００部であることが更に好ましい。塩基性化合物の量が少なすぎる場合には、反応が遅くなることがあり、塩基性化合物の量が多すぎる場合には副反応が生じる場合がある。
水１００部に対する塩基性化合物の比率は、５〜５０００部であることが好ましく、１０〜５００部であることがより好ましく、１５〜１００部であることが更に好ましく、２０〜５０部であることが最も好ましい。塩基性化合物の比率が少ない場合には、反応が遅くなる場合があり、多すぎる場合には取扱い性が悪くなる場合がある。
【００７４】
水１００部に対するアクリル酸の比率は、２．５〜３０００部であることが好ましく、１０〜３００部であることがより好ましく、１５〜１００部であることが更に好ましく、２０〜５０であることが最も好ましい。アクリル酸は水への溶解性が高く、水と一緒にセルロースの水素結合に作用するとともに、溶媒としての作用も有する。所定の範囲にコントロールすることで効率よく反応を進行させることができる。
本反応においては、アクリル酸、塩基性化合物、水の比率を上記範囲とすることがカルボキシルエチル基含有化合物の生成反応を進行させるうえで重要となる。
【００７５】
反応温度は、０〜８０℃であることが好ましく、１０〜７５℃であることがより好ましく、２０〜７０℃であることが更に好ましい。温度が高すぎると副反応が生じる場合があるし、低すぎる場合には反応速度が遅くなる場合がある。溶媒の沸点により反応温度をコントロールすることは、反応を制御する上で好ましいといえる。溶媒の沸点をコントロールするために、加圧や減圧を行ってもよい。
【００７６】
反応時間は０．５〜２４時間であることが好ましく、１〜１５時間であることがより好ましく、２〜１０時間であることが最も好ましい。反応時間が短すぎると、導入率が低下する場合があり、反応時間が長すぎても効果は少ない。ここで、導入率とは、前記原料中の水酸基のなかで、反応により置換された水酸基の割合のことであり、本反応の場合はカルボキシエチル化された水酸基の割合のことである。セルロースの導入率は置換度Ｄｓを用いて求めることが出来る。リグニン等の水酸基の割合は、例えば、ＪＩＳ  Ｋ  ００７０：１９９２で求めることが出来る。
【００７７】
通常、カルボキシエチルセルロースは水溶性を示すため、水溶媒で反応を行った場合には増粘性を示す。この場合、反応を均一に行うために強く撹拌を行うことが好ましい。増粘をさけるため、水と混和する貧溶媒を加えてスラリー状で反応させてもよいし、水と混和しない貧溶媒を加えて懸濁状態で反応させてもよい。
【００７８】
反応終了後の回収は任意の方法を用いることができる。蒸留等によりカルボキエチル基含有化合物以外の水や前記溶媒、ビニル基及びカルボキシル基含有化合物等を飛ばしてもよいし、カルボキエチル基含有化合物の貧溶媒を使用して再沈殿させてもよい。前記製造方法では、副反応によるアクリル酸の消費が無いといった点から、反応後に残ったアクリル酸を再利用することが可能であり、環境への負荷が小さい。
【００７９】
回収後のカルボキシエチルセルロースは、洗浄を行ってもよい。洗浄は主に、残存する塩基性化合物や未反応のアクリル酸を取り除くことを目的とする。洗浄はどのような方法でも構わないが、誘導体の貧溶媒と水の混合溶媒で洗い流したり、カルボキシエチルセルロースを水に溶解させた後に再沈殿を行ったりすることで洗浄することができる。また、イオン交換樹脂等を使用して精製することも可能である。
カルボキシエチル基含有化合物の製品形態は、水溶液の状態でも構わないし、乾燥させた状態でもよい。
【００８０】
本発明の製造方法は、ヘミセルロースやリグニンに対しても有効であり、同様にヘミセルロース誘導体、リグニン誘導体を得ることができる。原料に混合物を用いた場合は、それぞれを主骨格としたカルボキシエチル基含有化合物を得ることも可能である
カルボキシエチル基含有化合物の製造方法の工程の前に、前処理を行うことが好ましい。前処理とは、反応に使用する原料の表面積を増やす工程である。前処理はどのような方法でも構わないが、物理的な処理を行うことが好ましい。また、同時にセルロースの結晶構造の一部を壊すことも好ましい。本発明の反応は、セルロースの結晶構造を壊しながら進行するため、完全に結晶構造を壊す必要はない。セルロースは前処理の後に水、塩基性化合物と混合しても構わないし、これらの化合物と混合しながら前処理を行ってもよい。物理的な処理の装置としては、例えばボールミル、振動ミル、遊星型ミル、ディスクミルなどを使用することができる。
【００８１】
原料は、物理的な処理による前処理により、粒子状又は粉末状に破砕される。本発明では、原料を直径０．０１〜３０００μmにすることが反応速度の観点から好ましく、０．０３〜１０００μmにすることがより好ましく、０．０５〜１００μmにすることが更に好ましく、０．１〜５０μmにすることが最も好ましい。
【００８２】
主骨格がセルロース、リグニンおよびヘミセルロースであるカルボキシエチル基含有化合物の混合物は、単体の場合とは異なる特性を示す。また、これらの化合物の混合物は、それぞれ分離することも可能である。混合物は原料の段階で分離を行うよりも、前記化合物とした方が物性の差が大きくなることから分離が容易に出来る。このため、セルロースを単離するために必要であった原料の結晶構造の破壊を要せず、簡便な製造方法を提供することが出来る。
【００８３】
＜カルボキシエチル基含有化合物＞
カルボキシル基含有化合物とは、セルロース、ヘミセルロース、又はリグニンを主骨格とし、カルボキシル基を有する、上記製造方法で得られる化合物である。
カルボキシル基含有化合物の例としては、例えば、アクリル酸を使用した場合には、カルボキシエチル基がセルロースに導入される。カルボキシエチルセルロースを、以下の化学式３で示す。
Ｃｅｌｌ−Ｏ−ＣＨ2−ＣＨ2−ＣＯＯＸ  （化学式３）
（Ｃｅｌｌ−Ｏはセルロースと、その水酸基由来の酸素原子を表す。
ＸはＨ、又は金属塩、又はアンモニウム塩を表す。）
カルボキシエチルセルロースは、特異な親水特性を示すため原料としての利用に有望なセルロース誘導体といえる。
【００８４】
本発明のカルボキシルエチル基含有化合物は、ヘミセルロース、及び/又は、リグニンを主骨格とした化合物を含有することも好ましい。これらの化合物は、親水性挙動がカルボキシエチルセルロースとは異なるため、水処理剤や吸水性樹脂として使用した際に、異なる特性を示すため好ましい。ヘミセルロース、及び/又はリグニンを主骨格とする化合物は、セルロースと同じ官能基が導入されていることが好ましい。ヘミセルロース、及び/又はリグニンを主骨格とする化合物の量は、カルボキシエチルセルロースに対して１〜９９％であることが好ましく、５〜８０％であることがより好ましく１０〜７０％であることが更に好ましく、２０〜６０％であることが最も好ましい。これら誘導体の混合物を得るためには、セルロースと、ヘミセルロース、及び/又は、リグニンの混合物を原料として、カルボキシルエチル化合物を製造することが好ましい。
【００８５】
本発明カルボキシルエチル化合物は、界面活性剤、化粧品等の添加剤、洗浄剤、金属吸着剤、金属凝集剤、塩基性蛋白質等の各種カチオン性物質との相互作用を利用した吸着剤や凝集材、医薬品、食品、塗料及び動物用飼料の増粘剤、保形剤、乳化剤等の添加剤、壁材組成物及び建材組成物、掘削水、汚水等の粘度調整剤として利用することができる。
【実施例】
【００８６】
（１）誘導体の置換基の定性：フーリエ変換赤外分光測定（ＦＴ−ＩＲ）
十分に乾燥した試料を用いてＫＢｒ錠剤ペレットを作製し、透過法（分解能４ｃｍ-1；積算３２回）にてＦＴ−ＩＲスペクトルを得た。測定には日本分光（株）製フーリエ変換赤外分光光度計ＦＴ／ＩＲ６７０ｐｌｕｓを用いた。シアノ基、カルバモイルエチル基、カルボキシルエチル基の生成を確認した。
【００８７】
（２）導入率の算出：核磁気共鳴装置（ＮＭＲ）
作製した試料を重水（カルボキシエチルセルロースの場合）またはジメチルスルホキシド−ｄ6（シアノエチルセルロースの場合）に溶かし、ＮＭＲチューブに入れ、1Ｈ−ＮＭＲ測定を行った。測定条件はＳｃａｎｓ：６４、ｒｅｌａｘａｉｏｎ−ｄｅｌａｙ：５［ｓ］とした。測定には日本電子社製ＪＥＭ−ＥＣＡ４００を用いた。各シグナルの積分値から式（１）よりカルボキシエチル基の置換度ＤＳ1を、式（２）よりシアノエチル基の置換度ＤＳ2を、式（３）よりカルバモイルエチル基の置換度ＤＳ3を算出した。
【００８８】
【数１】
2014152261.tif 000002
【００８９】
ただし、Ｉ2.25-2.71、Ｉ2.31-2.40、Ｉ2.6-3.0、およびＩ2.80-4.35はそれぞれ２．２５−２．７１ｐｐｍ、２．３１−２．４０ｐｐｍ、２．６−３．０ｐｐｍ、および２．８０−４．３５ｐｐｍのシグナルの積分値を示す．
【００９０】
上記置換度ＤＳ1、ＤＳ2、ＤＳ3を用いて、下記式よりセルロースへの官能基の導入率を求めた。
カルボキシエチル基の導入率  ＝  ＤＳ1／３        （４）
シアノエチル基の導入率  ＝  ＤＳ2／３        （５）
カルバモイルエチル基の導入率  ＝  ＤＳ3／３        （６）
【実施例１】
【００９１】
木材由来の結晶性セルロース（Ｗ−１００Ｇ、日本製紙ケミカル株式会社）２１ｇと３０ｗｔ％水酸化ナトリウム水溶液１０ｇをボールミル専用容器（窒化ケイ素の容器）に入れ、フリッチュ製遊星型ボールミル装置にセットした。室温（２５℃）下でボールミル処理を行い、セルロース混合物を得た。処理条件は、“３００ｒｐｍ、１０分粉砕−１０分休止”の処理プログラムを繰り返すことにより、実質の粉砕処理時間を１時間（全行程のプログラムの合計は２時間）とした。
【００９２】
ボールミル処理によって得られたセルロース混合物３ｇ（質量比でセルロース：水酸化ナトリウム：水＝２１：３：７）とアクリロニトリル（和光純薬株式会社）１５ｇをナス型フラスコ（１００ｍｌ）に入れ、撹拌子を使用し室温（２５℃）下で４時間撹拌した。反応させた試料から、エバポレーター（東京理科器械製）を使用し、室温（２５℃）下で、８００Ｐａ、４５分間の条件で未反応のアクリロニトリルを回収した。残った固体試料を４０℃で１日間真空乾燥し、３．０６ｇのシアノエチルセルロースを回収した。シアノエチル基の導入率は０．３７であった。また、カルバモイルエチル基、カルボキシルエチル基は確認されなかった。
【００９３】
一連の操作中に水酸化ナトリウムが変化していないと考えると、このシアノエチルセルロースは、０．２９ｇの水酸化ナトリウムを含有しているはずであり、シアノエチルセルロース自体は２．７７ｇであるといえる。原料のセルロースは２．０３ｇ使用しており、増加分がすべてアクリロニトリルの付加分であると仮定すると、シアノエチル基の導入率が０．３７ということは妥当な結果といえる。
【００９４】
また、一連の操作で系外に回収された重量は、１４．９４ｇであり、これを1Ｈ−ＮＭＲにて分析したところ、アクリロニトリルと水の混合物であることが確認された。系内に加えられた水は０．６８ｇであるので、回収されたアクリロニトリルは１４．２６ｇである。反応した０．７４ｇとあわせると１５ｇであり、アクリロニトリルは副反応により消費されていないことが確認された。回収されたアクリロニトリルは蒸留精製等を行って再利用できることから、本製造方法においては、アクリロニトリルを、ほぼ完全に有効利用できる。
【実施例２】
【００９５】
木材由来の結晶セルロースのかわりに、竹粉末（直径０．３μｍ−１ｍｍ）を使用し、実施例１と同様の実験を行った。同様に反応が進行し、シアノエチル基が導入されていることを確認できた。
【実施例３】
【００９６】
１００ｍｌの丸底フラスコ中に木材由来の結晶性セルロース（Ｗ−１００Ｇ、日本製紙ケミカル株式会社）３ｇと３０ｗｔ％水酸化ナトリウム水溶液１６ｇを入れ、室温（２５℃）で２０分間、静置状態で浸漬させた。そこへ、アクリル酸（ナカライテスク株式会社製）５ｇを加えた。撹拌機（スリーワンモータ製  ＴＹＰＥ  ＨＥＩＤＯＮ  ３００Ｇ）に撹拌羽を付けたものを用いて、１５０ｒｐｍで攪拌した。フラスコをオイルバスにつけ、内温５０℃まで昇温し、４時間反応させた。
【００９７】
反応終了後、フラスコをオイルバスから外し室温まで冷却させた。そこにメタノール（ナカライテスク株式会社）１００ｍｌを入れ再沈殿させた。遠沈管（アズワン株式会社）に移しユニバーサル冷却遠心機（株式会社久保田製作所）で、１０℃、８０００ｒｐｍの条件で５分間遠心分離を行い、沈殿物を回収した。残存した液体を分析したところ、アクリル酸の副反応物は検出されなかった。
メタノールを蒸留分離することで、残存アクリル酸と塩基性化合物の水酸化ナトリウムは再利用可能であることが分かった。
【００９８】
回収した沈殿物にメタノールと水の混合溶媒（重量比でメタノール：水＝８：２）１００ｍｌを加えて洗浄を行った。ユニバーサル冷却遠心機にて、１０℃、８０００ｒｐｍの条件で５分間遠心分離を行い、固形試料を回収した。洗浄はｐＨ＝７〜８になるまで繰り返し行った。回収した固形試料を４０℃で２４時間、真空乾燥した。
【００９９】
真空乾燥した試料をフラスコにうつし、水２００ｍｌを加え、室温（２５℃）にて、１時間かけ撹拌しながら溶解した。溶液を遠沈管に移し、ユニバーサル冷却遠心機で、１０℃、８０００ｒｐｍの条件で５分間遠心分離を行った。上澄み部分のみを、アセトン（ナカライテスク株式会社）１リットルの中に加え再沈殿した。再沈殿物を、ユニバーサル冷却遠心機で、１０℃、８０００ｒｐｍの条件で５分間遠心分離を行うことにより回収した。回収物を４０℃で２４時間、真空乾燥させた。回収物はカルボキシル基の導入率が０．１２４のカルボキシエチルセルロースであり、アクリル酸がセルロースに付加していることが確認できた。
［比較例１］
【０１００】
アクリル酸の代わりにアクリロニトリルを用いて実施例３と同様の操作を行った。水が多いため、アクリロニトリルの付加とともに、シアノエチル基の加水分解反応が進行し、カルボキシエチル基と微量のカルバモイルエチル基を有する化合物が生成した。カルボキシエチル基の導入率は０．１２であった。また、反応時間を延ばしても、カルボキシエチル基の導入率はほとんど変化しなかった。また、再沈殿後の溶液中にはアクリルアミド、アクリル酸が検出された。また、シアノ基が加水分解されて生成したアンモニウムイオンが検出された。雑多な化合物の混合溶液となり、それぞれの回収、再利用は困難であった。
［比較例２］
【０１０１】
アクリロニトリルの量を３０ｇとする以外は比較例１と同様の操作を行った。比較例１と同様に、アクリロニトリルの付加とともに、シアノエチル基の加水分解反応が進行し、微量のシアノエチル基、微量のカルバモイルエチル基と、カルボキシエチル基が生成した。導入率はシアノエチル基が０．０４、カルバモイルエチル基はごく微量、カルボキシエチル基は０．２６であった。アクリロニトリルを大量に用いているが、セルロースが親水性となり、アクリロニトリルと反応効率が低下してしまい、導入率はあがりにくい。また、比較例１と同様にアクリロニトリルの一部が加水分解されていることが確認された。
［比較例３］
【０１０２】
木材由来の結晶性セルロース（Ｗ−１００Ｇ、日本製紙ケミカル株式会社）０．５ｇと１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムクロライド（Ｓｏｌｖｅｎｔ  Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ）（以下、イオン性液体とする）４．５ｇを２００ｍｌのセパラブルフラスコ（柴田科学株式会社）に入れ、８０℃でスターラーにて３０分撹拌しセルロースを溶解した。次にジメチルスルホキシド（関東化学株式会社）５ｍｌを加え１分間撹拌した。更に、水酸化ナトリウム（ナカライテスク株式会社）を砕いて粉末にしたもの２．４６ｇとアクリロニトリル（和光純薬株式会社）５ｇを加えた後、８０℃に昇温し２時間反応させた。室温まで冷却した後、メタノール（ナカライテスク株式会社）１００ｍｌを入れ沈殿させた。沈殿物を４０℃で１日間真空乾燥させた。水が存在しないため、アクリロニトリルとセルロースの反応は進行しなかった。