(57)【要約】  【目的】  無機物を原料とする効率的なアミノ酸類の合成方法の提供  【構成】  炭素原料としの黒鉛、水、窒素源および鉄族遷移金属及び／または鉄族遷移金属硫化物を接触状態で熱エネルギーまたは衝撃波エネルギーを付与してアミノ酸を製造する方法  【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素原料としての黒鉛、水、窒素源および鉄族遷移金属または／および鉄族遷移金属硫化物を接触状態で熱エネルギーまたは衝撃波エネルギーを付与してアミノ酸を製造する方法。
【請求項２】
炭素原料としての黒鉛と鉄族遷移金属または／および鉄族遷移金属硫化物の混合物に高温のアンモニアおよび水を供給して前記各成分を接触状態とし熱エネルギーを付与してアミノ酸を製造する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
アミノ酸がアラニン、アスパラギン、システイン、グルタミン、グリシン、イソロイシン、ロイシン、メチオニン、フェニルアラニン、プロリン、セリン、トレオニン、トリプトファン、チロシン、バリン、アスパラギン酸、グルタミン酸、アルギニン、ヒスチジンおよびリシンからなる群から選択される少なくとも１種からなる請求項２に記載のアミノ酸を製造する方法。
【請求項４】
炭素原料の黒鉛と鉄族遷移金属または／および鉄族遷移金属硫化物との混合物を、非酸化性の気体からなるキャリヤーガスにより供給されるアンモニアおよび水を２００℃以上１０００℃以下の温度で接触させる請求項２または３に記載のアミノ酸の製造方法。
【請求項５】
炭素原料の黒鉛、鉄族遷移金属または鉄族遷移金属硫化物、水および固体または液状窒素源との混合物を容器内に封入して前記容器に衝撃波を付与し衝撃波エネルギーを付与してアミノ酸を製造する請求項１に記載の方法。
【請求項６】
窒素源がＣｕ３Ｎまたは液体窒素である請求項５に記載のアミノ酸を製造する方法。
【請求項７】
アミノ酸がアラニン、アスパラギン、システイン、グルタミン、グリシン、イソロイシン、ロイシン、メチオニン、フェニルアラニン、プロリン、セリン、トレオニン、トリプトファン、チロシン、バリン、アスパラギン酸、グルタミン酸、アルギニン、ヒスチジンおよびリシンからなる群から選択される少なくとも１種からなる請求項５または６に記載のアミノ酸を製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、黒鉛を炭素源とし、更に、水及び窒素源を鉄族遷移金属および／または鉄族遷移金属硫化物を接触状態で存在させ熱エネルギーまたは衝撃波エネルギーを付与してアミノ酸類を合成する方法に関する。
本明細書においてで熱エネルギーとは、２００℃以上、好ましくは、５００℃以上１０００℃以下を意味する。
衝撃波エネルギーとは、反応容器に飛翔体（フライヤー）が衝突する場合に発生するエネルギーである。容器の構造とフライヤーの材質によって大きく異なる。実施例３および４のようにステンレス製反応容器（直径３０ｍｍ、長さ３０ｍｍ）にステンレス製フライヤー（直径３０ｍｍ、厚さ２ｍｍ）を衝突させる場合は、フライヤーの衝突速度は０．８ｋｍ／秒（衝撃圧力１６ＧＰａ）以上、好ましくは０．９ｋｍ／秒（衝撃圧力１９ＧＰａ）である。衝突速度を大きくすると反応はより進行するが、大きすぎると反応容器内の気化成分の膨張に容器強度が耐えられず、破壊・飛散して試料の回収が不能となる。実施例３および４の程度の試料を含む場合は、フライヤーの速度１．１ｋｍ／秒（圧力３〜２．４ＧＰａ）が限界である。
【背景技術】
【０００２】
従来アミノ酸は蛋白質を酵素または塩酸など適当な薬品で加水分解して容易に得られている。しかし、蛋白質は全て生物によって生産されるので、Ｌ体の光学活性アミノ酸しか得られない。医薬一般にはＬ体アミノ酸で充分であるが、試薬や特殊な用途にはＤ体のアミノ酸が必要とされる。個々のＤ体アミノ酸の製造には、同じアミノ酸のＬ体を酵素や複雑な方法でラセミ化（Ｌ体−Ｄ体混合物化）した後、Ｄ体だけを分離抽出するなどの方法がとられ、いわゆる蛋白質構成２０種アミノ酸のＤ体を容易に製造する方法は知られていない。
一方、生命の起源の研究など学術的には、Ｓ．Ｌ．Ｍｉｌｌｅｒ（１９５３年）（非特許文献１）により水素、メタン、アンモニア、および水の気体中の火花放電でアミノ酸が生成することが見出されて以来、気体の組成を変えたり火花放電に代る紫外線など他のエネルギー源を用いた多数の類似の研究がなされている。それら非生物的合成法によって生成されるアミノ酸が全てＤ体とＬ体が等比で混合したラセミ体であることは良く知られた事実である。しかし、これまでの研究で用いられた、炭酸ガスや一酸化炭素あるいはメタンを炭素源とする合成方法では、アミノ酸の収率は極端に低く、また他の多数の有機化合物と同時に生成するので、Ｄ体アミノ酸の工業的製造方法とは成り得ない。
【０００３】
【非特許文献１】S．L．Miller，Science 177(1953)528．
【非特許文献２】Shi Huaibin，Shao Chunlin，Yu Zengliang，Nucl．Instr．and  Meth．Phys．Res．B，VOL．183，ｐ369-373，2001．10．
【非特許文献３】Viva Origino  JN：X0862A；ISSN：0910-4003；CODEN：VIORE6 VOL．27 NO．１；PAGE．1；1999．03．
【０００４】
前記従来技術の関連技術として、前記非特許文献２では、アンモニア水中で、黒鉛棒を陽極、銀の糸を陰極として、Ａｒ雰囲気中で放電を行なうことにより、反応混合中に３種のアミノ酸が生成されたことがＨＰＬＣ及び薄層クロマトグラフ分析の分析で確認されたこと、この際、黒鉛陽極が唯一の炭素源であり、Ｎ、Ｈ、Ｏなどの元素は水溶液アンモニアによるので、Ｓｅｒ、Ｇｌｙ、Ａｌａなど１８種のアミノ酸が黒鉛と水溶液アンモニアの合成反応によって生成されたことを確認したこと、を報告している。また、前記非特許文献３には、カルボン酸やアミノ酸などの生命体の構築に不可欠な有機化合物の合成に重要な炭素源としてグラファイトを用い、これにアンモニアと水を用い、エネルギー源として紫外線を使用してカルボン酸やアミノ酸、Ｄ、Ｌ及びβ−アラニン、Ｎ−ｍ−グリシン及びグリシンなどの非生物的合成を報告している。
前記２つの非特許文献は炭素源として固体の黒鉛を使用している点では新規な試みではあるが、何れにおいても炭素源などに対するアミノ酸への変換率は明確にされていないし、確認したところあまり大きくないのが現状である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、基本的には黒鉛を炭素源とする新規なアミノ酸類を合成する方法を提供することである。特に原料炭素に対し高いアミノ酸変換効率、すなわち後述する高速液体クロマトグラフにおいて検出できる程度の生成量をもって合成できる方法を提供することである。
そこで、本発明者らは、前記変換効率を向上させる共存性分、反応エネルギーの供給方法及び反応原料の選択、及び供給方法を色々検討して、黒鉛を鉄族遷移金属または鉄族遷移金属硫化物と接触させ、水及びＮ供給原料を供給乃至共存させ、これに熱エネルギーまたは衝撃波エネルギーを付与すると、種々のアミノ酸のラセミ混合物を合成できることを見出すことができ、前記課題を解決することができた。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、基本的には、（１）炭素原料としての黒鉛、水、窒素源および鉄族遷移金属または鉄族遷移金属硫化物を接触状態で熱エネルギーまたは衝撃波エネルギーを付与してアミノ酸を製造する方法である。好ましくは、（２）炭素原料としの黒鉛と鉄族遷移金属または鉄族遷移金属硫化物の混合物に高温のアンモニアおよび水を供給して前記各成分を接触状態とし熱エネルギーを付与してアミノ酸を製造する前記（１）に記載の方法であり、より好ましくは、（３）アミノ酸がアラニン、アスパラギン、システイン、グルタミン、グリシン、イソロイシン、ロイシン、メチオニン、フェニルアラニン、プロリン、セリン、トレオニン、トリプトファン、チロシン、バリン、アスパラギン酸、グルタミン酸、アルギニン、ヒスチジンおよびリシンからなる群から選択される少なくとも１種からなる前記（２）に記載のアミノ酸を製造する方法であり、一層好ましくは、（４）炭素原料の黒鉛と鉄族遷移金属または鉄族遷移金属硫化物との混合物を、非酸化性の気体からなるキャリヤーガスにより供給されるアンモニアおよび水を２００℃以上１０００℃以下の温度で接触させる前記（２）または（３）に記載のアミノ酸の製造方法である。
【０００７】
また、好ましくは、（５）炭素原料の黒鉛、鉄族遷移金属または鉄族遷移金属硫化物、水および個体または液状窒素源との混合物を容器内に封入して接触状態とし前記容器に衝撃波を付与し衝撃波エネルギーを付与してアミノ酸を製造する前記（１）に記載の方法であり、より好ましくは、（６）窒素源がＣｕ３Ｎまたは液体窒素である前記（５）に記載のアミノ酸を製造する方法であり、より好ましくは、（７）アミノ酸がアラニン、アスパラギン、システイン、グルタミン、グリシン、イソロイシン、ロイシン、メチオニン、フェニルアラニン、プロリン、セリン、トレオニン、トリプトファン、チロシン、バリン、アスパラギン酸、グルタミン酸、アルギニン、ヒスチジンおよびリシンからなる群から選択される少なくとも１種からなる前記（５）または（６）に記載のアミノ酸を製造する方法である。
【発明の効果】
【０００８】
発明の効果として、アミノ酸を、炭素源として黒鉛を、またＮ源としてアンモニアを、そして酸素源として水を用い、必要に応じてＳ源としてＦｅＳを用いてＳ含有アミノ酸を合成することができる、特に前記炭素源を高変換率でアミノ酸に変換できることを、挙げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明をより詳細に説明する。
Ａ）炭素源としての黒鉛には、黒鉛、フラーレン、カーボンナノチューブおよび高度に縮環しＣ／Ｈが１０／１以上の芳香族有機炭素が含まれる。供給する炭素源の形状は、反応効率を上げるために粉末（粒度、１００メッシュ以下）であることが好ましい。
Ｂ）鉄族遷移金属としては、例えば還元特性を持つ金属鉄（和光純薬、アイロンスポンジ、９９．９％）粉末を用いた。また、鉄族遷移金属硫化物としては、例えば粉末状の鉄硫化物（ＣＥＲＡＣ社製、＜１００メッシュ９９．９％）を用いた。
Ｃ）図１は反応装置の一例である。窒素（Ｎ２）ガスをキャリヤーガスとし、これをフラスコＡ中のアンモニア水溶液、フラスコＢの水を通し、シリカウールに保持された黒鉛が入れられたシリカボートが配置された加熱炉Ｆに供給され、反応路からの取り出されたガスは冷却器Ｃを経由しフラスコＣに生成したアミノ酸類が捕集される。
Ｄ）衝撃波エネルギーを付与してアミノ酸を合成するには、黒鉛粉末、窒素源供給原料、例えば、Ｃｕ３Ｎ、液体アンモニアなど、水および金属鉄粉および／または硫化鉄粉末をステンレス容器に封入し、前記容器にフライヤー（参照文献：Sekine, T．、Shock wave chemical synthesis，European Journal of Solid State Inorganic Chemistry，34巻, 823-833, 1997）を０．８８ｋｍ／秒の速さで衝突させて反応を進行させる。
【実施例１】
【００１０】
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、これは本発明をより理解し易くすることを目的とするものであり、これにより本発明を限定的に解釈されないことは当然である。
分析機器；日立社製、ポストカラムＯＰＡ法、モデルＴＲ−２００４
実施例１の説明；
黒鉛粉末（Aldrich社製、粉末＜１００メッシュ、９９．９９％）５ｍｇと金属鉄粉末（和光純薬、アイロンスポンジ、９９．９％）３００ｍｇを図１のシリカボート上に載せる。両粉末は混合して直接シリカボート上に載せるも可であるが、同ボートにシリカウールを置き、その上に両粉末を振りかければ、反応はより促進される。図１の系に窒素ガスを約６００ｍＬ／分程度流し定常となった後、電気炉で加熱する。炉内温度は２００℃以上、５００〜１０００℃程度が望ましい。同温度に到達後、水およびアンモニア源を加熱し、キャリヤーガスの窒素ガスが水蒸気およびアンモニアガスを搬送するようにコック（１）〜（７）を操作する。黒鉛と反応して生成したアミノ酸と余剰の水蒸気は搬送ガスに運ばれて、図1の冷却管内で液化してアミノ酸水溶液となってフラスコCに捕集される。捕集されたアミノ酸水溶液を凍結乾燥または遠心乾燥（大和科学社製、DC−８００）し、固体成分を０．０２Ｎの塩酸で再び溶解して高速液体クロマトグラフ（日立社製、ポストカラムＯＰＡ法、モデルTR３−２００４）で分析した結果の一例を図２に示す。
【００１１】
図２から、炉内温度５００℃で合成された蛋白質構成アミノ酸１０種が検出されている。０．０２Ｎの塩酸を溶媒とする検出法であるのでアスパラギンおよびグルタミンは塩酸加水分解され、それぞれアスパラギン酸およびグルタミン酸と重複することを考慮すると、１２種が高速液体クロマトグラフで検出可能に合成されている、これ以外のアミノ酸も合成されている可能性は十分ある。本実施例で合成されていないアミノ酸、システインおよびメチオニンは硫黄を含むアミノ酸であって、本実施例では硫黄を原料として含んでいないので生成されない。プロリン、トリプトファンも分析精度を上げれば検出可能である。
【実施例２】
【００１２】
実施例１と同じ合成系で、黒鉛粉末（Aldrich社製、粉末＜100メッシュ、９９．９９％）５ｍｇと鉄硫化物粉末（CERAC社製、＜100メッシュ、９９．９％）３００ｍｇを図１のシリカボート上に載せる。両粉末は混合して直接シリカボート上に載せることも可能であるが、同ボートにシリカウールを置き、その上に両粉末を振りかければ、反応はより促進される。図１の系に窒素ガスを約６００ｍＬ／分程度流し定常となった後、電気炉で加熱する。炉内温度は２００℃以上、５００〜１０００℃程度とすることが反応速度の観点から望ましい。
より高温での反応も可であるが、高温ほど装置が大型化するので経済コストの観点から１０００℃程度が好ましい。同温度に到達後、水およびアンモニア源を加熱し、窒素ガスが水蒸気およびアンモニアガスを搬送するようにコックを操作する。黒鉛と反応して生成したアミノ酸と余剰の水蒸気は搬送ガスに運ばれて、図１の冷却管内で液化してアミノ酸水溶液となってフラスコに捕集される。
捕集されたアミノ酸水溶液を凍結乾燥（東京理化器機社製、CVE-3100）または遠心乾燥（大和科学社製、ＤＣ−８００）し、固体成分を０．０２Ｎの塩酸で再び溶解して高速液体クロマトグラフ（ＯＰＡポストカラム法）で分析すると、図２とほぼ同様の結果がえられる。
【実施例３】
【００１３】
衝撃波エネルギーを用いて合成する場合を説明する；
窒化銅（Ｃｕ３Ｎ）（高純度化学社製、粉末、＞９９％）８００ｍｇ  実施例１で用いたと同じ金属鉄粉末３００ｍｇ、水１３０ｍｇおよび実施例１と同じ黒鉛粉末８ｍｇをステンレス（ＳＡＳ＃３９４）容器（径３０ｍｍ長さ３０ｍｍ）の内部に封入し、同容器に厚さ２ｍｍのステンレス製フライヤー（ＳＡＳ＃３０４、参照文献Sekine，T．著、Shockwave chemical syntheis, Europian Jounal of solid State Inorganic Chemistry，34巻，823-833，1997）を約１ｋｍ／秒の速さで衝突させて衝撃波を発生させた。衝撃には一段式火薬銃を用いた。衝撃後、容器を取り出し、汚れた容器の外側を旋盤で２ｍｍ程度削ると共に過酸化水素水で有機物の汚染を除去し、液体窒素で容器全体を冷却した後、液体窒素温度に保持したまま径２ｍｍのドリルで窄孔して７０ｍＬの超純水に浸して、容器内部に生成した水溶性成分を溶脱させた。
水溶性成分を溶解した溶液にはアミノ酸が重合したペプチドおよびジケドピペラジンが含まれているので、同溶液を凍結乾燥または遠心乾燥して溶解成分を固体化し、６Ｎの濃い塩酸で加水分解した後、０．０２Ｎに調整して高速液体クロマトグラフ（ＯＰＡポストカラム法）で分析した。分析結果を図３に示す。実施例１とほぼ同様の１３種の蛋白質構成アミノ酸が検出された。分析結果では現れていないアスパラギン酸およびグルタミンも分析の精度を上げれば、実施例１と同様に合成されていることが確認できるものと考えられ、１５種の蛋白質構成アミノ酸の合成が可能である。
【実施例４】
【００１４】
実施例３と同じ窒化銅（Ｃｕ３Ｎ）８００ｍｇ、実施例１で使用のものと同じ金属鉄粉末１５０ｍｇ、実施例２で使用のものと同じ鉄硫化物（ＦｅＳ）１５０ｍｇ、水１３０ｍｇおよび黒鉛粉末８ｍｇをステンレス容器（径３０ｍｍ長さ３０ｍｍ）の内部に封入し、同容器に厚さ２ｍｍのフライヤーを約１ｋｍ／秒の速さで衝突させて衝撃波を発生させた。衝撃には一段式火薬銃を用いた。衝撃後、容器を取り出し、汚れた容器の外側を旋盤で２ｍｍ程度削ると共に過酸化水素水で有機物の汚染を除去し、液体窒素で容器全体を冷却した後、液体窒素温度に保持したまま径２ｍｍのドリルで窄孔して７０ｍＬの超純水に浸して、容器内部に生成した水溶性成分を溶脱させた。
水溶性成分を溶解した溶液にはアミノ酸が重合したペプチドおよびジケドピペラジンが含まれているので、同溶液を凍結乾燥または遠心乾燥して溶解成分を固体化し、６Ｎの濃い塩酸で加水分解した後、０．０２Ｎに調整して高速液体クロマトグラフ（ＯＰＡポストカラム法）で分析した。実施例３の図３とほぼ同様の結果が得られた。
更に、図４に示すように原料に鉄（実施例１で用いたものと同じ鉄粉）とＦｅＳ（実施例２で用いたものと同じ鉄硫化物粉末）をそれぞれ用いた合成の結果、ＦｅＳを用いた場合（ａ）は、メチオニンが得られていることが確認され、イオウを含むアミノ酸も合成できることが示された。（ｂ）は鉄分のみの場合を示す。
図４の結果は、図３の分離分析分離後にメチオニンの検出を目的とした高速液体クロマトグラフにより分析した結果を示す。システインおよびメチオニンをふくむ１５種の蛋白質構成アミノ酸が検出された。実施例４の前半においても鉄とＦｅＳを用いているが、Ｓを含むアミノ酸が合成されないのは、原料成分を用いた量が少なかったために、分析結果に表れなかったことにあるものと推測される。
【産業上の利用可能性】
【００１５】
本発明のアミノ酸類の合成法方法は、入手が容易な黒鉛を炭素源として、有用な種々のアミノ酸類を提供できるものであり、実用装置の設計も期待でき、産業上の利用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明のアミノ酸合成技術の一例を示す。実施例１および２を実施する装置
【図２】実施例１の合成方法により得られたアミノ酸の高速液体クロマトグラフによる分析結果
【図３】実施例３の合成方法により得られたアミノ酸の高速液体クロマトグラフによる分析結果
【図４】実施例４後半の合成方法によりイオウを含む蛋白質構成アミノ酸、メチオニンが合成されたことを示す高速液体クロマトグラフによる分析結果
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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