(57)【要約】      （修正有）【課題】再生可能資源由来のプラスチックの原料となりうる環状アセタールラクトンの製造方法の提供。【解決手段】下式スキームで表される３−ヒドロキシアルカン酸とビニルエーテル化合物から、環状アセタールラクトンの製造方法。好ましくは、３−ヒドロキシアルカン酸が３−ヒドロキシ酪酸であり、ビニルエーテル化合物が２−メトキシプロペンである、環状アセタールラクトンの製造方法。更に望ましくは担持型酸触媒を用いる、環状アセタールラクトンの製造方法。2018154555.tif 000008【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
３−ヒドロキシアルカン酸とビニルエーテル化合物から、環状アセタールラクトンの製造方法。
【請求項２】
３−ヒドロキシアルカン酸が３−ヒドロキシ酪酸であることを特徴とする請求項１記載の環状アセタールラクトンの製造方法。
【請求項３】
ビニルエーテル化合物が２−メトキシプロペンであることを特徴とする請求項１〜２記載の環状アセタールラクトンの製造方法。
【請求項４】
担持型酸触媒を用いることを特徴とする請求項１〜３記載の環状アセタールラクトンの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラスチック材料の原料として有用な環状アセタールラクトンの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
３−ヒドロキシアルカン酸は、微生物による発酵生産が可能なバイオマス原料である。この原料を基にして得られるプラスチック材料は、生分解性や生体親和性に優れていると推察されており、多くのバイオメディカル用途への利用展開が期待されている。
【０００３】
３−ヒドロキシアルカン酸を原料にしてプラスチック材料に展開するには、分子内に既存する水酸基とカルボキシル基が分子間で脱水縮合する方法が検討されているが、この方法ではプラスチック材料として十分な分子量には至らないことが知られている。そこで、高分子量のプラスチック材料を製造するために環状モノマーに変換し、それを開環重合する方法が一般的にとられている。３−ヒドロキシアルカン酸を原料にして環状モノマーに変換する方法の一つとして、環状アセタールラクトンへの変換が検討されてきた。環状アセタールラクトンは、その環状骨格構造内にエステル構造とアセタール構造の二つの構造を有しており、開環重合によって、比較的親水性が高いプラスチック材料が得られる。
【０００４】
環状アセタールラクトンの製造方法は、既に、下記の化１に示した反応式のように、３−ヒドロキシアルカン酸とケトン類あるいはアルデヒド類との反応によって合成する技術が開示されている（非特許文献１、非特許文献２、特許文献１）。この方法に依れば、アルデヒド類を原料、四塩化炭素やベンゼン、ジクロロメタンを溶媒に用いて反応を行うと、５０〜７０％の収率が得られるのに対し、ケトン類を原料にして行うと、収率は１０％以下に著しく低下することが記されている。  
【０００５】
【化１】
2018154555.tif 000002
【０００６】
ビニルエーテル類は、酸性触媒の存在下にアルコール類と反応して、アセタール構造を形成することが知られている（非特許文献３）。この方法は、アルコール基の保護反応として従来利用されてきた。しかし保護基は本来、安定化を目的とするため、重合性を担保できない。よって、本発明のように、開環重合反応に用いる環状アセタールラクトンモノマーの製造方法として利用した例は殆ど開示されていない。特に、バイオマス由来の原料である３−ヒドロキシアルカン酸に適用し、バイオマス由来のプラスチック材料に適用した例は無い。  
【０００７】
アセタールラクトンの製造方法に関する上記以外の従来技術としては、α位の炭素にアルコキシ基を有する環状ケトンを金属化合物およびアルデヒド化合物の存在下、酸素と反応させる方法が開示されているが、この方法は、アセタール構造が環状外の側鎖に位置しており、環状アセタールラクトンとはいえない（特許文献２）。また、オキシラン化合物、アルデヒド化合物および一酸化炭素を金属カルボニル触媒の存在下に反応させて環状アセタールラクトンを合成する方法が開示されている（特許文献３）。しかしながら、この方法は、極めて毒性の高い一酸化炭素や金属カルボニル化合物を使用するため、一般的に用いるには難しい方法である。  
【０００８】
したがって、３−ヒドロキシアルカン酸を原料にして高分子量のプラスチック材料を製造するために、より効率的な環状アセタールラクトンモノマーの合成方法の開発が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】テトラヘドロン（Ｔｅｔｒａｈｅｄｒｏｎ）、２９巻、１３１１−１３１６頁（１９７３）
【非特許文献２】アンゲバンデ  ヘミ−インターナショナル  エディション  イン  イングリッシュ（Ａｎｇｅｗａｎｄｔｅ  Ｃｈｅｍｉｅ−Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｅｄｉｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｅｎｇｌｉｓｈ）、２５巻、２号、頁１７８−１８０（１９８６）
【非特許文献３】シンセシス（Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ）、１９９５巻、１号、頁１−２７（１９９５）
【特許文献１】特開昭６２−２６３１７５号公報
【特許文献２】特開１９９５−１８８２０４号公報
【特許文献３】特開１９９７−０８７２７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
解決しようとする問題点は、再生可能資源由来のプラスチックの原料となりうる環状アセタールラクトンの製造における生成効率が不十分な点である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る製造方法は、３−ヒドロキシアルカン酸とビニルエーテル化合物から、環状アセタールラクトンを製造することを特徴とする。  
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る環状アセタールラクトンの製造方法は、３−ヒドロキシアルカン酸とビニルエーテル化合物から、脱アルコール反応によって、環状構造とするものである。本反応は、後述する実施例でも述べるように、酸触媒無しに無触媒条件でも進行することを発見した。さらに、酸触媒を添加することによって、この反応は速やかに、かつ定量的に進行することを見出した。加えて、担持型酸触媒を用いることによって、反応後、ろ過という簡単な操作により、酸触媒を分離し、生成した環状アセタールラクトンを安定に単離保存できることが分った。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、実施例１の反応の開始時間（Ｔ０）および２時間後（Ｔ２）のＧＣ分析結果
【図２】図２は、実施例１で合成した生成物の１Ｈ−ＮＭＲスペクトル
【図３】図３は、実施例１で合成した生成物のＨ−Ｈ  ＣＯＳＹ二次元NMRスペクトル
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施の形態について、以下に説明する。  
【００１５】
本発明において、３−ヒドロキシアルカン酸とは、化２に示した構造式を持つ化合物である。ここで、側鎖Ｒ１は、水素原子もしくは炭素数１〜１０の範囲のアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール器であり、複数の塩素、ケイ素、フッ素等の置換基を単数もしくは複数含有した基である。好ましくは、水素又は炭素槽１〜５のアルキル基、アルケニル基が溶剤への溶解性や後処理の容易さから好適である。さらに好ましくは、水素又は炭素槽１〜３のアルキル基が入手の容易さから好適である。好適に用いられる化合物名を具体的に挙げると、３−ヒドロキシプロピオン酸、３−ヒドロキシ酪酸、（Ｒ）−３−ヒドロキシ酪酸、(Ｓ)−３−ヒドロキシ酪酸、３−ヒドロキシ吉草酸、３−ヒドロキシイソ吉草酸、３−ヒドロキシカプロン酸である。この中で、とりわけ、（Ｒ）−３-ヒドロキシ酪酸は、生合成により製造することができるため、医療および薬品用途などに広く利用できる可能性があるため、特に好適である。
【００１６】
【化２】
2018154555.tif 000003
【００１７】
本発明において、ビニルエーテル化合物とは、化３に示した構造式を持つ化合物である。ここで、側鎖Ｒ２は、水素原子もしくは炭素数１〜５の範囲のアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール器であり、複数の塩素、ケイ素、フッ素、硫黄等の置換基を単数もしくは複数含有した基である。好ましくは、水素又は炭素槽１〜５のアルキル基、アルケニル基が溶剤への溶解性や後処理の容易さから好適である。さらに好ましくは、水素又は炭素槽１〜３のアルキル基が入手の容易さから好適である。側鎖Ｒ３は、炭素数１〜５の範囲のアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール器であり、複数の塩素、ケイ素、フッ素、硫黄等の置換基を単数もしくは複数含有した基である。好ましくは、炭素槽１〜５のアルキル基、アルケニル基が溶剤への溶解性や後処理の容易さから好適である。さらに好ましくは、炭素槽１〜３のアルキル基が入手の容易さから好適である。側鎖Ｒ４は、水素原子もしくは炭素数１〜５の範囲のアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール器であり、複数の塩素、ケイ素、フッ素等の置換基を単数もしくは複数含有した基である。好ましくは、水素又は炭素槽１〜５のアルキル基、アルケニル基が溶剤への溶解性や後処理の容易さから好適である。さらに好ましくは、水素又は炭素槽１〜３のアルキル基が入手の容易さから好適である。側鎖Ｒ２とＲ４は、共有結合によって連結し、５〜６員環の環状構造を有することも好適に用いられる。
好適に用いられる化合物名を具体的に挙げると、メチルエテニルエーテル、エチルエテニルエーテル、２−メトキシプロペン、２−メトキシブテン、２−メトキシペンテン、２−エトキシプロペン、２−プロポキシプロペン、１-メトキシシクロヘキセンなどである。とりわけ、２−メトキシプロペンは、反応の速さや取扱いの容易さから、特に好適である。
【００１８】
【化３】
2018154555.tif 000004
【００１９】
本発明において、環状アセタールラクトンとは、化４に示した構造式を持つ環状化合物である。ここで、側鎖Ｒ１、Ｒ２、Ｒ４は、上記において述べたとおりである。
【００２０】
【化４】
2018154555.tif 000005
【００２１】
本発明において、環状アセタールラクトンは、化５に示す反応式に従って、３−ヒドロキシアルカン酸とビニルエーテル化合物から合成される。アセタール化反応は水酸基の保護のために用いられる方法であり、カルボン酸エステル化反応は、フィッシャーエステル化合税反応として知られている。本発明においては、化学反応式２に示したように、このアセタール化反応とカルボン酸エステル化反応を同時にあるいは逐次的に一連の反応として進め、生成物として環状アセタールラクトンを製造する。
【００２２】
【化５】
2018154555.tif 000006
【００２３】
本発明において、アセタール化反応とカルボン酸エステル化反応ともに、反応を効率的に進めるために、酸触媒が好適に用いられる。酸触媒としては、従来公知の酸触媒が何ら制限なく使用可能である。好適に用いられる酸触媒としては、パラトルエンスルホン酸、メチルスルホン酸、硫酸、塩酸、リン酸、およびスルホン酸基を固体物質に担持させた担持型酸触媒などがある。ここで担持型酸触媒は、母体構造がマクロレティキュラー（ＭＲ）型のものやゲル型のものがあり、触媒機能を有する酸性基は水素イオン形に転換されている。ＭＲ型の代表的な酸触媒としてアンバーリストが好適に用いられる。アンバーリストは非極性溶媒系でも使用でき、さらに、反応終了後、濾過によって簡単に反応系と分離することができるため、最も好適に用いられる酸触媒である。
【００２４】
本発明の製造方法は、３−ヒドロキシアルカン酸とビニルエーテル化合物から脱アルコール反応によって環状アセタールラクトンを製造する方法である。３−ヒドロキシアルカン酸とビニルエーテル化合物は、その組成比として、等モル反応が最も好ましいが、反応後の後処理や生成物の精製プロセスを考慮すると、ビニルエーテル化合物を過剰量添加する方が好ましい場合が多い。したがって、３−ヒドロキシアルカン酸とビニルエーテル化合物の仕込み組成モル比は、一般的に、１：１〜１０、より好ましくは１：１．５〜５で好適に実施される。
【００２５】
本発明の製造方法においては、必ずしも溶剤を必要としないが、反応をより制御するために、溶剤を用いることも好適に実施される。好適に用いられる溶剤としては、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン系溶剤；塩化メチレン、クロロホルムなどのハロゲン系溶剤；酢酸エチルなどのエステル系溶剤；および石油エーテルなどが挙げられる。これらの溶剤は、その中に含有する水分が反応を阻害する場合があるため、脱水した後に使用することがより効果的である。
【００２６】
製造に際しての反応温度は、０〜１５０℃、好ましくは、２０〜１００℃で撹拌下に実施される。溶剤を用いる場合は、溶剤の還流温度で実施するのが、温度制御の点から好適である。本反応に際し、アルコールが副製し、これらのアルコール類の共存は反応を逆方向に向かわせる場合があるため、生成したアルコール類は、反応系から速やかに除去することが好ましい。このアルコールの速やかな除去のために、乾燥不活性ガスのパージや減圧条件下での実施はより好適な態様である。ここで、不活性ガスとしては、窒素ガスなどが最も効果的に用いられる。
【００２７】
以上説明した本実施の形態に係る環状アセタールラクトンの製造方法は、高純度を要求するプラスチック原料を製造する上で好適な方法である、この方法により製造されるプラスチック材料は、生分解性と環境安全性を兼ね備え、バイオメディカルや食品包装等の多様な用途に好適に用いることができる。
【実施例】
【００２８】
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、これらの実施例は何ら本発明の範囲を制限するものではない。  
【００２９】
（実施例１）  環状アセタールラクトン化合物：２，２，６‐トリメチル−１，３−ジオキサン−４−オンを化６に示す反応式に従って合成した。  
【００３０】
【化６】
2018154555.tif 000007
【００３１】
乾燥ジクロロメタン（５０ｍｌ）を2口フラスコに入れ、片方の口からキャピラリー管を通して窒素ガスを反応液内にパージした。二口フラスコ中のジクロロメタンを窒素パージ下に磁気撹拌しながら、結晶性３ＨＢ１．５ｇ（１４．４ｍｍｏｌ）を室温で約1時間をかけて溶解した。液体状の2-メトキシプロペン２．０７ &#8211; ４．１４ｍｌ（２１．６ &#8211; ４３．２ｍｍｏｌ）をシリンジを使って二口フラスコ中に添加した。触媒としてのアンバーリスト １５−Ｈを硫酸イオン（−ＨＳＯ4）として、０．２３ｍｍｏｌ等量を添加し、室温で2時間反応させた。窒素ガスパージを効率よくするために水流ポンプで減圧下に反応を行うことも好適である。反応の開始は、２−メトキシプロペンを添加し、次に触媒としてのアンバーリストを添加する直前を開始時間（Ｔ0）とした。反応液のサンプリングは、Ｔ0でまず行った。その後、1時間後（Ｔ１）、２時間後（Ｔ２）に行い、反応の進行具合をガスクロマトグラフィーを用いて確認した。反応2時間後、窒素パージを止め、反応液はろ紙を用いて濾過し、触媒としてのアンバーリスト１５−Ｈを反応液から取り除いた。溶液は、分液ロートに移し、これに飽和炭酸ナトリウム溶液（約１００ｍｌ）を加えて振とうして洗浄した。有機相（ジクロロメタン相）を分離し、無水硫酸マグネシウムと用いて乾燥した。乾燥した溶液は、ろ紙を用いて濾過し、固体の硫酸マグネシウムを濾取した。溶媒はロータリーエバポレーターを用いて、４０℃／３５５ｈＰａで少なくとも３０分、１９０ｈＰａで少なくとも１５分、さらに１００ｈＰａで少なくとも１５分間かけて除去した。結果として得られた溶液は、さらに真空デシケータ中、アスピレーターを用いて少なくとも１２時間乾燥させた。収量は、最終サンプルの重量から計算して求めた。その結果、収率は９８．８％であり、ほぼ定量的に生成物が得られた。また化学構造の確認は、核磁気共鳴スペクトロメーター（ＮＭＲ）、およびガスクロマトグラフ（ＧＣ）を用いて行った。
開始時間（Ｔ0）および２時間後（Ｔ２）のＧＣ分析結果を図１に示す。この図の結果から、反応原料を混合し、触媒を添加する前に既にある程度の反応が進行していることが確認された。触媒を添加して２時間後には原料の３ＨＢがほとんど確認されず、反応が定量的に進行していることが示唆された。
生成物の1Ｈ−ＮＭＲスペクトルを図２に、Ｈ−Ｈ  ＣＯＳＹ二次元ＮＭＲスペクトルを図３に示す。図２の結果から、それぞれの水素原子の化学シフトは以下の通りである。δ（ｐｐｍ）：１．３１（３Ｈ、＞ＣＨ−ＣＨ3）、１．５９（６Ｈ、−ＣＯＯ−Ｃ（ＣＨ3）2−Ｏ−）、２．３１と２．５８（２Ｈ、−Ｏ−Ｃ（＝Ｏ）−ＣＨ2−ＣＨ＜）、および４．２６（１Ｈ、＞ＣＨ−ＣＨ3）。
さらに、図３の結果から、隣り合った水素同士のクロスピークが明確に確認された。
以上の結果から、目的化合物である環状アセタールラクトン２，２，６‐トリメチル−１，３−ジオキサン−４−オンが生成したことを確認した。
【図１】
2018154555.tif 000009
【図２】
2018154555.tif 000010
【図３】
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