JP2004359660A

JP2004359660A - α−ヒドロキシカルボン酸エステルの製造方法

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Publication number: JP2004359660A
Application number: JP2003304548A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Sasaki; 義之佐々木; Kenichi Tominaga; 健一富永
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
Priority date: 2003-02-24
Filing date: 2003-08-28
Publication date: 2004-12-24
Anticipated expiration: 2023-08-28
Also published as: JP4355805B2

Abstract

【課題】自然界に多量に存在し、環境に優しい糖類、特にアルドース又はケトース、あるいはこれらを含有する有機性炭素資源（炭水化物など）から高収率でα−ヒドロキシカルボン酸エステルを製造する方法を提供すること。
【解決手段】金属ハロゲン化物触媒の存在下で糖類とアルコールを反応させ、金属ハロゲン化物がスズ、インジウム、銅、亜鉛いずれかのハロゲン化物又はこれらのハロゲン化物を２つ以上組み合わせたものであるα−ヒドロキシカルボン酸エステルの製造方法。
【効果】糖類から、医薬品、化粧品、香料、農薬などの各種製品の中間原料あるいはポリマー原料として極めて有用なα−ヒドロキシカルボン酸エステルを一段で簡便かつ安価に製造することが可能となり、例えば有機性廃棄物等の炭素資源を利用することが可能となる。
【選択図】なし

Description

本発明は、α−ヒドロキシカルボン酸エステルの製造方法に関し、更に詳しくは、金属ハロゲン化物の存在下で、糖類とアルコールを反応させることにより、α−ヒドロキシカルボン酸エステルを製造する方法に関する。

糖類を原料として生産される乳酸エステルなどのα−ヒドロキシカルボン酸エステルは、医薬品、化粧品、香料、農薬などの各種製品の中間原料あるいはポリマー原料として極めて有用である。
そのため、従来から、乳酸や乳酸エステル等を工業的に製造する方法がいくつか提案されている。

現在、工業的に実施されている糖類からの乳酸製造法は主として発酵によるものである（特許文献１参照）。
しかし、このような生体反応や酵素反応のような生物的な方法は反応速度が遅く、生成する乳酸の濃度が低いため、精製のためのエネルギー消費量が大きいという問題がある。

これに対し、化学的合成法は反応速度が大きく、一般に生成物の濃度が高いという利点がある。
このような化学的合成法による乳酸の製造方法としては、糖類を当量のアルカリで処理することにより、乳酸等を塩の形で製造する方法が知られている。

例えば、グルコースやグルコースのアルカリ溶液を蒸留することにより得られるグリセルアルデヒドを強アルカリで処理すれば、メチルグリオキサールあるいは乳酸やギ酸の塩等が得られることが知られている（非特許文献１、２参照）。

しかし、この方法により得られる乳酸塩から乳酸エステルを製造するためには、何らかの酸で処理する必要があり、そのためのコストと副生する塩の処理等が問題となる。
また、水溶液中で反応が行われるために、乳酸を分離するためのエネルギー消費が大きくなるという問題がある。

一方、チタニウムイソプロポキシド、塩化ジルコニウム、塩化クロム等の遷移金属化合物、あるいは遷移金属化合物を担持したイオン交換樹脂の存在下で、ジヒドロキシアセトン等のα−ヒドロキシカルボニル化合物とアルコールとを反応させることにより、α−ヒドロキシカルボン酸エステルを製造する方法が知られている（特許文献２、３参照）。
この方法によれば、ポリ乳酸製造における中間体である乳酸ブチルエステル等のα−ヒドロキシカルボン酸エステルを一段で合成することができる。

しかし、最も有利な原料であるジヒドロキシアセトンを用いても、短時間の反応では収率が低く、８０％以上の収率を得るためには１５時間以上の加熱が必要という問題がある。
このように、糖類からα−ヒドロキシカルボン酸エステルを安価且つ一段で合成することができる工業的に有利な合成方法が未だ確立していないのが現状である。

特開２００１−３５４６１６号公報欧州特許出願公開第０４６０８３１号明細書欧州特許出願公開第０５４１３３０号明細書化学大辞典第３巻Ｐ１１２Ｃａｒｂｏｈｙｄｒ．Ｒｅｓ．，２８０（１９９６），Ｐ４７

ところで、グルコースのような糖類の大部分は、アルドース又はケトース、もしくはその誘導体で占められており、人体や環境に対して優しい物質である。
また、反応条件下でアルドース又はケトースを形成するこれらの前駆体の一つである多糖類は自然界に多量に存在しこれも人体や環境に対して優しい物質である。

更に、他のアルドース又はケトースの前駆体である炭水化物、特に有機性廃棄物由来のものは、その再資源化を強く要請されているものである。
従って、これらを化学的な方法により直接α−ヒドロキシカルボン酸エステルに変換できれば、その工業的な意義は計り知れないものがある。

本発明は、かかる実状を背景に、上記の問題点を克服するためになされたものである。
すなわち、本発明の目的は、自然界に多量に存在し、環境に優しい糖類、特にアルドース又はケトース、あるいはその再資源化の要望されているこれらを含有する有機性炭素資源（炭水化物など）から高収率でα−ヒドロキシカルボン酸エステルを製造する方法を提供することである。

かくして、本発明者は、このような課題背景に対して鋭意研究を重ねた結果、金属ハロゲン化物触媒の存在下で、糖類、特にアルドース又はケトースをアルコールと反応させると、α−ヒドロキシカルボン酸エステルが生成することを見出し、この知見に基づいて本発明を完成させたものである。

即ち、本発明は、（１）、金属ハロゲン化物触媒の存在下で糖類とアルコールを反応させるα−ヒドロキシカルボン酸エステルの製造方法に存する。

また、（２）、金属ハロゲン化物が、スズ、インジウム、銅、亜鉛いずれかのハロゲン化物又はこれらのハロゲン化物を２つ以上組み合わせたものであるα−ヒドロキシカルボン酸エステルの製造方法に存する。

そしてまた、（３）、糖類が、単糖類であるα−ヒドロキシカルボン酸エステルの製造方法に存する。

そしてまた、（４）、単糖類が、三炭糖であるα−ヒドロキシカルボン酸エステルの製造方法に存する。

本発明はこの目的に沿ったものであれば、上記１〜４の中から選ばれた２つ以上を組み合わせた構成も当然採用可能である。

本発明によれば、自然界に多量に存在し、環境に優しく、また再資源化の要望されている、糖類好ましくはアルドース又はケトースから、医薬品、化粧品、香料、農薬などの各種製品の中間原料あるいはポリマー原料として極めて有用なα−ヒドロキシカルボン酸エステルを一段で簡便かつ安価に製造することが可能となる。

また、アルドース又はケトースの前駆体として、例えば有機性炭素資源を利用することが可能となるので、環境浄化、資源の有効利用及び省エネルギーの観点からみても極めて有効なα−ヒドロキシカルボン酸エステルの合成プロセスということができる。

以下、本発明のα−ヒドロキシカルボン酸エステルの製造方法について述べる。

（本発明の製造方法における反応について）
本発明のα−ヒドロキシカルボン酸エステルの製造方法は、金属ハロゲン化物触媒の存在下で、糖類、特にアルドースやケトース等の単糖類とアルコールを反応させることを特徴とする。
この一段の反応により、乳酸エステルなどのα−ヒドロキシカルボン酸エステルが得られるが、この合成反応は、通常、下記のように一般的に表される反応式によって示すことができる。

ここで、ｎは０以上の整数を、Ｒはアルキル基を表す。

因みに、上記の反応式中、本発明の目的物であるα−ヒドロキシカルボン酸エステルは、ＨＯＣＨ（ＣＨ_３）ＣＯ_２Ｒ（乳酸エステル）及びＨＯＣＨ_２ＣＯ_２Ｒ（グリコール酸エステル）である。

（金属ハロゲン化物触媒について）
本発明方法においては、金属ハロゲン化物触媒を用い、糖類好ましくはアルドース又はケトースを上記反応条件で反応させることにより、所望とするα−ヒドロキシカルボン酸エステルを得ることができる。

このような金属ハロゲン化物触媒としては、スズ、インジウム、銅、あるいは亜鉛のハロゲン化物又はこれらのハロゲン化物を２つ以上組み合わせたものが好ましく使用される。
具体的には、例えば、塩化スズ、臭化スズ、ヨウ化スズ、塩化インジウム、塩化銅、塩化亜鉛等の金属ハロゲン化物を挙げることができる。

金属ハロゲン化物触媒の使用量は、糖類あるいはその前駆体に対して１／１００００〜１／１、好ましくは１／１００〜１／１０である。
金属化合物の使用量が少な過ぎると反応が進行せず、逆に多過ぎると副反応のため、α−ヒドロキシカルボン酸エステル収率が低下するので好ましくない。

（糖類について）
本発明の原料として用いる糖類は特に限定されるものではないが、単糖類、少糖類、多糖類などが好ましく使用される。
単糖類としては、グリコールアルデヒド、グリセルアルデヒド、ジヒドロキシアセトン等のアルドース又はケトースが使用可能である。

具体的には、アルドースとしては、グルコース、マンノース、ガラクトース、タロース、グロースなどのヘキソース、キシロース、アラビノース、リボース、リキソースなどのペントース等を挙げることができる。
また、ケトースとしては、フルクトース、ソルボース、タガトースなどのヘキソース、リブロース、キシルロースなどのペントース等を挙げることができる。

少糖類としてはしょ糖（スクロース）、麦芽糖（マルトース）、乳糖（ラクトース）、セロビオースなどの二糖類、ラフィノース、バノース等の三糖類等を挙げることができる。
また、多糖類としてはでんぷん、セルロース、イヌリン、あるいはこれらを含有する有機性廃棄物等を挙げることができる。

本発明で好ましく使用される糖類は、単糖類であり、その中でもアルドースやケトースが好ましく、グリコールアルデヒド（二炭糖）、グリセルアルデヒド、ジヒドロキシアセトン（いずれも三炭糖。トリオースともいう）等のアルドース又はケトースがより好ましく使用される。
特に、三炭糖は、炭素数が乳酸（ＣＨ_３ＣＨＯＨＣＯＯＨ）と同じく３つであるため、乳酸エステルの製造には好ましく用いられる。

（アルコールについて）
また、原料であるアルコールは特に制約されないが、炭素数１〜８の脂肪族アルコールを用いることが好ましい。
このようなアルコールとしては、例えばメタノール、エタノール、プロパノールなどを挙げることができる。

糖類とアルコールの使用割合は特に制約されるものではないが、通常、１／１〜１／１００、好ましくは１／５〜１／５０である。
反応条件は、原料である糖類やアルコールの種類などによって異なるが、反応圧力は、１気圧以上、好ましくは２０〜６０気圧であり、また、反応温度は、室温〜２５０℃、好ましくは１５０〜２００℃である。

（製造方法の具体例について）
本発明方法によりα−ヒドロキシカルボン酸エステルを得るには、例えばオートクレーブ中に金属ハロゲン化物触媒、原料であるアルドース又はケトース、及びアルコールを仕込み、反応条件を例えば圧力１００気圧、温度１７０℃に設定し、原料を攪拌しながら所定時間反応させる。
そして、その後、得られる生成物から所望のα−ヒドロキシカルボン酸エステルを分離すればよい。

以上、本発明を説明してきたが、本発明は実施形態にのみ限定されるものではなく、その本質を逸脱しない範囲で、他の種々の更なる変形例が可能であることは言うまでもない。
例えば、上記の説明及び後述する実施例では、α−ヒドロキシカルボン酸エステルとして主に乳酸エステル（乳酸エチル）やグリコール酸エチルを製造する場合を例示した。
しかし、他の種類のα−ヒドロキシカルボン酸エステルの製造に対しても同様に説明でき、本発明によれば、製造条件等を調整することにより他の種類のα−ヒドロキシカルボン酸エステルを製造することも当然可能である。

また、糖類は種々のものを用いることが可能であり、目的とするα−ヒドロキシカルボン酸エステルにあわせて適宜選択されて用いられる。
更に、反応を効果的に進行させるために、金属ハロゲン化物触媒以外に他の添加剤を加えることが可能であることは言うまでもない。

以下、実施例により更に詳細に説明する。
尚、本発明は、これらの実施例に限定されるものでないことは言うまでもない。

［実施例１］
５０ｍＬ容のオートクレーブ中に、３８．６％の炭素分を含有する可溶性澱粉０．４７ｇ（炭素１５ｍｇ原子を含む）、エタノール８ｍＬ、及び塩化スズ０．５ｍｍｏｌを仕込み、オートクレーブの蓋を閉めた後、アルゴンガス（室温で６０気圧）加圧下、１７０℃で２時間反応を行った。
この反応で得られた生成物を、ガスクロマトグラフィーにより定量分析した。

その結果、α−ヒドロキシカルボン酸エステルとして、乳酸エチル（１．７２ｍｍｏｌ）及びグリコール酸エチル（０．１８ｍｍｏｌ）が生成した。
α−ヒドロキシカルボン酸エステル以外の生成物としては、高分子量化合物の他、エチラール（０．１２ｍｍｏｌ）、ジエチルアセタール（０．１３ｍｍｏｌ）、及びレブリン酸エチル（０．０７ｍｍｏｌ）等が生成していることが判った。
また、α−ヒドロキシカルボン酸エステルのトータル収率は炭素基準で３６％、スズ化合物基準で３７２％であった。

［実施例２］
５０ｍＬ容のオートクレーブ中に、グルコース０．４５ｇ（炭素１５ｍｇ原子を含む）、エタノール８ｍＬ、及び表１に記載の金属ハロゲン化物０．５ｍｍｏｌを仕込み、オートクレーブの蓋を閉めた後、アルゴンガス（室温で６０気圧）加圧下、１７０℃で２時間反応を行った。
この反応で得られた生成物を、ガスクロマトグラフィーにより定量分析した。

その結果、乳酸エチル及びグリコール酸エチルが表１に示す収率で生成することが判った。
なお、収率は炭素基準である。

［比較例１］
５０ｍＬ容のオートクレーブ中に、グルコース０．４５ｇ（炭素１５ｍｇ原子を含む）、エタノール８ｍＬ、及び表２に記載の金属化合物０．５ｍｍｏｌを仕込み、オートクレーブの蓋を閉めた後、アルゴンガス（室温で６０気圧）加圧下、１７０℃で２時間反応を行った。
この反応で得られた生成物を、ガスクロマトグラフィーにより定量分析した。

その結果、乳酸エチル及びグリコール酸エチルが表２に示す収率で生成することが判った。
表２に記載された金属化合物は、概して表１に記載された金属ハロゲン化物の場合と比較して、特に乳酸エチルでは収率が低かった。
前述した従来技術（欧州特許出願公開第０４６０８３１号明細書）で特記されている触媒の内、特に有効であったのはZrCl₄、CrCl₃・6H₂O、及びZrCl₂O・８H₂Oであるが、ZrCl₄及びCrCl₃・6H₂Oは毒性が高く、実用的ではないため、ここでは使用しなかった。また、ZrCl₂O・８H₂Oを触媒として用いた場合にも、乳酸エチルの収率は４％と低かった。
なお、収率は炭素基準である。

［実施例３］
５０ｍＬ容のオートクレーブ中に、炭素１５ｍｇ原子を含有する量の表３に記載のアルドース又はケトース、あるいはその前駆体、メタノール８ｍＬ、及び塩化スズ０．５ｍｍｏｌを仕込み、オートクレーブの蓋を閉めた後、アルゴンガス（室温で６０気圧）加圧下、１７０℃で２時間反応を行った。
この反応で得られた生成物を、ガスクロマトグラフィーにより定量分析した。

その結果、乳酸メチル及びグリコール酸メチルが表３に示す収率で生成することが判った。
なお、収率は炭素基準である。

Claims

金属ハロゲン化物触媒の存在下で糖類とアルコールを反応させることを特徴とするα−ヒドロキシカルボン酸エステルの製造方法。
金属ハロゲン化物が、スズ、インジウム、銅、亜鉛いずれかのハロゲン化物又はこれらのハロゲン化物を２つ以上組み合わせたものであることを特徴とする請求項１記載のα−ヒドロキシカルボン酸エステルの製造方法。
糖類が、単糖類であることを特徴とする請求項１又は２記載のα−ヒドロキシカルボン酸エステルの製造方法。
単糖類が、三炭糖であることを特徴とする請求項３記載のα−ヒドロキシカルボン酸エステルの製造方法。