半結晶性ポリラクチドの製造方法
【課題】ｍｅｓｏ−ＬＡとｒａｃ−ＬＡとが混合されたラクチドからでも半結晶性のポリラクチド（ＰＬＡ）を合成する方法を提供する。
【解決手段】Ｌ−ラクチドとＤ−ラクチドを選択的に重合することができる触媒を用いてラセミラクチドとメソラクチドの混合物を重合する際に、ラセミラクチドとメソラクチドの物性の差を利用してラセミラクチドとメソラクチドを別々に重合させることで、メソラクチドは非晶性のポリメソラクチドブロックを形成し、ラセミラクチドは半結晶性のポリラセミラクチドブロックを形成し、全体として半結晶性のポリラクチドを製造する。
【解決手段】Ｌ−ラクチドとＤ−ラクチドを選択的に重合することができる触媒を用いてラセミラクチドとメソラクチドの混合物を重合する際に、ラセミラクチドとメソラクチドの物性の差を利用してラセミラクチドとメソラクチドを別々に重合させることで、メソラクチドは非晶性のポリメソラクチドブロックを形成し、ラセミラクチドは半結晶性のポリラセミラクチドブロックを形成し、全体として半結晶性のポリラクチドを製造する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラクチド混合物からの重合反応により半結晶性ポリラクチドを製造する方法に関する。
【０００２】
ここで、ポリラクチドはポリ乳酸と同義である。以降ともにＰＬＡと略す。
【背景技術】
【０００３】
現在市販されているポリラクチドは、ポリ−Ｌ−ラクチド（以降ＰＬＬＡ）であり、農作物（澱粉）の発酵により得られる光学純度の高いＬ−乳酸から合成されている。Ｌ−乳酸からＰＬＬＡを合成するためには下記の化学式に示すように、まず、Ｌ−乳酸の環状二量体であるＬ−ラクチド（以降、ＬＬＡ）を合成してから、これを開環重合する方法が一般的である（特許文献１）。結晶性のＰＬＬＡを合成するためには、原料となるＬＬＡの光学純度が重要である。ＰＬＬＡはＰＬＬＡ分子同士が規則的に配列されることによって、結晶性を獲得している。ところが、ＬＬＡの光学異性体であるＤ−ラクチド（ＤＬＡ）が５〜１０％混入したＬＬＡから合成されるポリラクチド（ＰＬＡ）は、ＰＬＡ分子同士が規則的に配列することができないため、非晶性となることが知られている（非特許文献１）。
【０００４】
【化１】
【０００５】
一方で、ＬＬＡとＤＬＡの等量混合物、すなわち、ラセミラクチド（ｒａｃ−ＬＡ）から、立体選択性のサレン−アルミニウム触媒と共に重合することによって、半結晶性のＰＬＡを合成する方法が知られている。下記（Ｉ）式に立体選択性のサレン−アルミニウム触媒の一例を示す。Ｒはフェニル基やターシャルブチル基、ターシャルブチルジメチルシリル基のような嵩高い置換基である。
【０００６】
下記化学式（１）に触媒の立体選択メカニズムを示す。はじめにＬＬＡと結合した触媒は、以降、ＬＬＡを選択的に活性化させ開環重合させることでポリ−Ｌ−ラクチド（ＰＬＬＡ）が成長する。一方、はじめにＤＬＡと結合した触媒は、以降、ＤＬＡを選択的に活性化させ開環重合させることでポリ−Ｄ−ラクチド（ＰＤＬＡ）が成長する。このようにサレン−アルミニウム触媒は、ＬＬＡとＤＬＡを選択的に重合することができるので、得られたポリラセミラクチドは、ＰＬＬＡ−ブロックとＰＤＬＡ−ブロックから構成されている。この方法で得られるポリラセミラクチドは、ポリラセミラクチド分子同士が規則的に配置されたステレオコンプレックスを形成することによって半結晶性を獲得している（特許文献２）。
【０００７】
【化２】
【０００８】
【化３】
【０００９】
ところで、ラクチドの異性体は、ＬＬＡとＤＬＡの他に、メソラクチド（ｍｅｓｏ−ＬＡ）も存在する。上記のサレン−アルミニウム触媒は、ＬＬＡとＤＬＡを選択的に重合することはできるが、ＬＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡを、またはＤＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡを選択的に重合する機能は高くない。このため、化学式（Ｉ）に示されるようなサレン−アルミニウム触媒を使用してもｒａｃ−ＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡの混合物から得られるＰＬＡはＬＬＡとＤＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡがランダムに重合されたポリラクチドが得られる。このようなポリラクチドは、ポリラクチド分子同士が規則的に配置されず、ステレオコンプレックスを形成することができないため、半結晶性のＰＬＡを得ることはできなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第２７０３３１６号明細書
【特許文献２】特開２００３−６４１７４号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】島津評論、１９９９年、第５６巻、ｐ．１６３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ｍｅｓｏ−ＬＡとｒａｃ−ＬＡとが混合されたラクチドからでも半結晶性のポリラクチド（ＰＬＡ）を合成する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、ＬＬＡ、ＤＬＡ、ｍｅｓｏ−ＬＡの３種の異性体が混合したラクチドからでも半結晶性のポリラクチドを合成できる方法を見出した。
【００１４】
ＬＬＡとＤＬＡとの等モル混合物であるｒａｃ−ＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡとの混合物を嵩高いサレンアルミニウム触媒によって重合する際に、両者の物理化学的性質の差を利用して、初めの段階でｍｅｓｏ−ＬＡのみを優先して重合しポリ−ｍｅｓｏ−ＬＡ−ブロックを形成して、次の段階でｒａｃ−ＬＡを重合してポリ−ｒａｃ−ＬＡ−ブロックが形成する。
【００１５】
サレン−アルミニウム触媒は、ＬＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡを、またはＤＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡを選択する機能が高くないため、初めの段階でｍｅｓｏ−ＬＡを消費しておく。そして、サレン−アルミニウム触媒はＬＬＡとＤＬＡを選択的に重合することができるため、後半に形成されたＰＬＡブロックは、ＰＬＬＡ−ブロックとＰＤＬＡ−ブロックから構成されており、それらがステレオコンプレックスを形成することによって半結晶性を獲得している。前半に形成されたポリ−ｍｅｓｏ−ＬＡ−ブロックは非晶性であるが、後半に形成されたポリ−ｒａｃ−ＬＡ−ブロックは半結晶性であるために、全体として半結晶性のＰＬＡを得ることができる。
【００１６】
【化４】
【００１７】
ここで、以降の記載においても使用する上記の各用語の定義について説明すると：
ラクチドとは、２分子の乳酸において、互いのヒドロキシル基とカルボキシル基が脱水縮合してできた環状化合物を指す。各乳酸は１つの不斉炭素を持ち、Ｌ体とＤ体の２種の光学異性体が存在するため、ラクチドには、Ｌ−ラクチド、Ｄ−ラクチドおよびｍｅｓｏ−ラクチドの３種の光学異性体が存在する。
【００１８】
Ｌ−ラクチド（ＬＬＡ）とは、２分子のＬ−乳酸が脱水縮合してできた環状化合物である。
【００１９】
Ｄ−ラクチド（ＤＬＡ）とは、２分子のＤ−乳酸が脱水縮合してできた環状化合物である。
【００２０】
ｍｅｓｏ−ラクチド（ｍｅｓｏ−ＬＡ）とは、１分子のＬ−乳酸と１分子のＤ−乳酸が脱水縮合してできた環状化合物である。
【００２１】
ラセミラクチド（ｒａｃ−ＬＡ）とは、Ｌ−ラクチドとＤ−ラクチドが等モル混合した物質で、その融点はＬＬＡやＤＬＡより高く約１２７℃である。
【００２２】
ポリラクチド（ＰＬＡ）はポリ乳酸（ＰＬＡ）と同義である。また、ＬＬＡを重合して得られるポリマーをポリ−Ｌ−ラクチド（ＰＬＬＡ）、ＤＬＡを重合して得られるポリマーをポリ−Ｄ−ラクチド（ＰＤＬＡ）、ｍｅｓｏ−ＬＡを重合して得られるポリマーをポリ−ｍｅｓｏ−ラクチド、ｒａｃ−ＬＡを重合して得られるポリマーをポリ−ｒａｃ−ラクチドと表記する。
【００２３】
この発明において、半結晶性のＰＬＡとは、ＰＬＬＡ−ブロックとＰＤＬＡ−ブロックから成るマルチステレオコポリマーであり、各ブロックは８分子以上のＬ−乳酸またはＤ−乳酸が連続している。また、半結晶性のＰＬＡは５Ｊ／ｇ以上の融解熱と１４０℃以上の融点を有する。
【００２４】
本発明で使用する「立体選択的重合」とは、サレン−アルミニウム触媒がＬＬＡとＤＬＡを選択的に重合し、ＰＬＬＡ−ブロックとＰＤＬＡ−ブロックから成る半結晶性のマルチステレオコポリマーを重合することを指す。
【００２５】
上記のようにｍｅｓｏ−ＬＡとｒａｃ−ＬＡとの物理化学的性質の差を利用した半結晶性ポリ乳酸の製造方法は下記の２通りある。
【００２６】
（１）ｍｅｓｏ−ＬＡとｒａｃ−ＬＡの混合物に少量の溶媒を加えて溶解度の高いｍｅｓｏ−ＬＡを優先的に該溶媒中に溶解させることによって、該混合物中のｍｅｓｏ−ＬＡを先に重合させ、その後に、ｒａｃ−ＬＡを重合させる。
【００２７】
（２）ｍｅｓｏ−ＬＡとｒａｃ−Ｌａの混合物を融点が低いｍｅｓｏ−ＬＡが融解する温度に加熱して、該混合物中のｍｅｓｏ−ＬＡを先に重合させ、その後に、ｒａｃ−ＬＡが融解する温度に加熱してｒａｃ−ＬＡを重合させる。
【００２８】
上記の方法の重合反応において使用される触媒として、ｒａｃ−ＬＡを立体選択的に重合して、ＰＬＬＡブロックとＰＤＬＡブロックから構成されるステレオコンプレックス型のポリ−ｒａｃ−ＬＡを形成するような嵩高い置換基を有する触媒が用いられ、例えば、特開２００３−６４１７４号公報に記載されたようなサレン型金属を含有するものが挙げられるが、さらに下記に示す構造のサレン型金属を含有するものが挙げられる。
【００２９】
【化５】
【００３０】
（式中、Ｍは、Ａｌ、Ｆｅ、Ｖ、Ｔｉから選ばれる金属を示し、Ｒ１、Ｒ２は、同一または異なって、水素、または、フェニル基、ターシャルブチル基、トリメチルシリル基、ターシャルブチルジメチルシリル基のような嵩高い置換基を表す。
【００３１】
ｒａｃ−ＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡの混合物として、グリセリンを出発原料として、グリセリンの乳酸化とラクチド化を経て得られたものが挙げられる。近年、グリセリンを水酸化ナトリウムと共に３００℃の高温高圧水中で反応させることによって、ラセミ乳酸に転換できることが報告されている（WO2007/001043l）。グリセリンは、バイオディーゼル燃料を製造する際の副産物として多量に生産されている。バイオディーゼル燃料は、主に植物の油脂を原料として製造されており、近年、その生産量が増加している。グリセリンから合成したラセミ乳酸からはＬＬＡとＤＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡの混合物が３０：３０：４０〜３３：３３：３３程度の割合で合成される。したがって、本発明の方法を用いれば、グリセリンから合成したラクチド異性体の混合物から半結晶性のポリラクチドを合成することができる。
【００３２】
また、ｍｅｓｏ−ＬＡのエピメリゼーションによって生じたＬＬＡとＤＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡの混合物を本発明の方法の原料としてもよい。ｍｅｓｏ−ＬＡは塩基処理によってエピメリゼーションを起こし、ｍｅｓｏ−ＬＡ：ＬＬＡ：ＤＬＡの比率が約１：１：１になることが報告されている（Tetrahedron Letter 52(2011), 12027-1030）。したがって、上記塩基処理によってｍｅｓｏ−ＬＡからｍｅｓｏ−ＬＡとｒａｃ−ＬＡの混合物を生じさせれば、本発明の方法を用いてｍｅｓｏ−ＬＡから出発して半結晶性のポリラクチドを合成することができる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明の半結晶性ポリラクチド（ＰＬＡ）の製造方法によると、ラクチドモノマーがｒａｃ−ＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡの混合物であっても、半結晶性のＰＬＡを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】実施例１で得られたＰＬＡのＤＳＣ熱分析チャートである。
【図２】比較例１で得られたＰＬＡのＤＳＣ熱分解チャートである。
【図３】重合過程におけるラクチド残存率の経時変化を示すグラフである。
【図４】（ａ）は、比較例３で得られたＰＬＡのメチン基の１Ｈ−ＮＭＲスペクトルを示し、（ｂ）はそのデカップリング測定である。
【図５】（ａ）は、実施例６で得られたＰＬＡのメチン基の１Ｈ−ＮＭＲスペクトルを示し、（ｂ）はそのデカップリング測定である。
【図６】得られたＰＬＡの分子構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明の半結晶性ポリラクチドの製造方法について具体的に説明する。
【００３６】
（実施の形態１）
実施の形態１として、ｒａｃ−ＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡの溶解度の差を利用した方法について説明する。
【００３７】
ｒａｃ−ＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡとは物理化学的性質が異なるジアステレオマーの関係にあり、各種の溶媒に対する溶解度も互いに異なる。そこで、両者の溶媒に対する溶解度の差を利用して、先にｍｅｓｏ−ＬＡを、後でｒａｃ−ＬＡを重合することにより半結晶性のＰＬＡを得ることができた。
【００３８】
溶媒としては、溶解度の差を生じさせるものであればいかなるものも用いられ得るが、重合時の反応温度を考慮して、比較的沸点の高いもの、例えば、炭化水素類ではトルエン、オクタン、エーテル系ではジブチルエーテル、ケトン系ではメチルエチルケトン、シクロヘキサノンなどが挙げられる。
【００３９】
両ラクチドの溶解度の差に基づいて別々に重合を行うので、溶媒に対するラクチドの割合は高いことが好ましいが、高すぎると反応が進行しにくくなるので、例えば、好ましくは、２（ｍｍｏｌ／ｍＬ）超かつ５０（ｍｍｏｌ／ｍＬ）以下、より好ましくは、４（ｍｍｏｌ／ｍＬ）から２０（ｍｍｏｌ／ｍＬ）である。
【００４０】
重合反応に用いられる触媒としては、ＬＬＡとＤＬＡが選択的に重合されて、ＰＬＬＡ−ブロックとＰＤＬＡ−ブロックとを形成するような嵩高い置換基を有する触媒が用いられ、例えば、サレン型金属を含有するものが挙げられるが、さらに下記に示す構造のサレン型金属を含有するものが挙げられる。
【００４１】
【化６】
【００４２】
（式中、Ｍは、Ａｌ、Ｆｅ、Ｖ、Ｔｉから選ばれる金属を示し、Ｒ１、Ｒ２は、同一または異なって、水素、または、フェニル基、ターシャルブチル基、トリメチルシリル基、ターシャルブチルジメチルシリル基のような嵩高い置換基を表す。）
重合に要する時間は、０．５時間から６０時間であり、反応温度は、５０℃から１００℃である。
【００４３】
（実施例１）
トルエン溶媒に対するｒａｃ−ＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡの混合物の添加量を意図的に高くした条件下で、下記に示すサレン−アルミニウム触媒のもとで開環重合を行った。
【００４４】
【化７】
【００４５】
室温で窒素置換した試験管中の触媒−トルエン溶媒（触媒０．０１ｍｏｌ、トルエン０．１２５ｍＬ）に、ｒａｃ−ＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡの混合物−トルエン溶媒（ｒａｃ−ＬＡ ０．６７ｍｍｏｌ、ｍｅｓｏ−ＬＡ ０．３３ｍｍｏｌ、トルエン０．１２５ｍＬ）を加え、この混合液を７０℃まで加熱した。２１時間にわたって反応させた後、反応液を室温にまで冷却し、クロロホルム（１．７５ｍＬ）に溶かした。その後、クロロホルムを留去した後、冷メタノール（６０ｍＬ）中で再結晶法により精製し、ＰＬＡを得た。
【００４６】
このとき、トルエンに対するラクチドの添加量は、４ｍｍｏｌ（ラクチド）／ｍＬ（トルエン）であるが、一部のｒａｃ−ＬＡは溶解していないので、一般的な意味での「濃度」とは異なる。触媒に対するラクチドのモル比は１００ｍｏｌ／ｍｏｌであった。
【００４７】
（実施例２）
トルエンに対するラクチドの添加量を８ｍｍｏｌ／ｍＬに変更した他は実施例１と同様とした。
【００４８】
（実施例３）
触媒−トルエン溶液を触媒０．０２ｍｏｌ、トルエン０．１２５ｍＬとし、ラクチド−トルエン溶液をｒａｃ−ＬＡ １．３４ｍｍｏｌ、ｍｅｓｏ−ＬＡ ０．６６ｍｍｏｌ、トルエン０．１２５ｍＬに変更して、トルエンに対するラクチドの添加量を１６ｍｍｏｌ／ｍＬに変更した他は実施例１と同様とした。
【００４９】
（実施例４）
ｒａｃ−ＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡの比率を６０：４０に変更した他は実施例４と同様とした。ｒａｃ−ＬＡは１．２ｍｍｏｌ、ｍｅｓｏ−ＬＡは０．８ｍｍｏｌであった。
【００５０】
（参考例１）
ｒａｃ−ＬＡのみからなるラクチドを用い、これを、トルエンに対するラクチドの添加量が１ｍｍｏｌ／ｍＬになるようにトルエンに溶解させた。このとき触媒−トルエン溶液は、触媒０．０２ｍｏｌ、トルエン１．０ｍＬであり、ラクチド−トルエン溶液は、ｒａｃ−ＬＡ ２．０ｍｍｏｌ、トルエン１．０ｍＬとした。反応時間を２０時間とした。参考例１は、特開２００３−６４１７４号公報に記載された方法に合致した方法である。
【００５１】
（参考例２）
ｍｅｓｏ−ＬＡのみからなるラクチドを用いた他は参考例１と同様とした。このとき、触媒−トルエン溶液は、触媒０．０２ｍｏｌ、トルエン１．０ｍＬであり、ラクチド−トルエン溶液は、ｍｅｓｏ−ＬＡ ２．０ｍｍｏｌ、トルエン１．０ｍＬとした。反応時間を１０時間とした。
【００５２】
（比較例１）
トルエンに対するラクチドの添加量が１ｍｍｏｌ／ｍＬになるように、ｒａｃ−ＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡの混合物（ｒａｃ−ＬＡ：ｍｅｓｏ−ＬＡ＝６７：３３）をトルエンに溶解させた他は実施例１と同様とした。このとき、触媒−トルエン溶液は、触媒０．０２ｍｏｌ、トルエン１．０ｍＬであり、ラクチド−トルエン溶液は、ｒａｃ−ＬＡ １．３４ｍｍｏｌ、ｍｅｓｏ−ＬＡ ０．６６ｍｍｏｌ、トルエン１．０ｍＬであった。
【００５３】
（比較例２）
トルエンに対するラクチドの添加量が２ｍｍｏｌ／ｍＬになるように、ｒａｃ−ＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡの混合物（ｒａｃ−ＬＡ：ｍｅｓｏ−ＬＡ＝６７：３３）をトルエンに溶解させた他は実施例１と同様とした。このとき、触媒−トルエン溶液は、触媒０．０１ｍｏｌ、トルエン０．２５ｍＬであり、ラクチド−トルエン溶液は、ｒａｃ−ＬＡ ０．６７ｍｍｏｌ、ｍｅｓｏ−ＬＡ ０．３３ｍｍｏｌ、トルエン０．２５ｍＬであった。
【００５４】
（結果）
実施例１〜４、参考例１〜２および比較例１〜２の重合条件および結果を表１にまとめる。
【００５５】
【表１】
【００５６】
ｒａｃ−ＬＡのみについて行われた参考例１では、モノマー転化率は９３％であり数平均分子量は２１，９００に達している。また、参考例１で得られたＰＬＡは、ステレオコンプレックス型と呼ばれる結晶構造を形成するため、光学活性なＬ−乳酸から合成したＰＬＬＡの融点（１７５℃）よりも高い融点（２０７℃）を有している。
【００５７】
ｍｅｓｏ−ＬＡのみにより行われた参考例２では、得られたＰＬＡは、モノマー転化率が約９０％で数平均分子量が１２，９００に達しているが、融点と融解熱を示さない非晶性ポリマーである。
【００５８】
トルエンに対するラクチド量を意図的に高くしている実施例１〜４では、全て、半結晶性のＰＬＡが得られ、トルエンに対するラクチド量が大きくなるに従って、得られるＰＬＡの融点および溶解熱も大きくなり、ラクチド量が１６ｍｍｏｌ／ｍＬのとき（実施例３）、その融点は、ＰＬＬＡの融点よりも高い１９０℃に達した。
【００５９】
これに対して、トルエンに対するラクチド量が実施例１〜４よりも小さく、２ｍｍｏｌ／ｍＬ以下である比較例１と２では、融点と溶解熱を示さない非晶性のポリマーが得られた。（比較例２では、１．３８Ｊ／ｇの融解熱を示すが、５Ｊ／ｇより小さいので非晶性と見なす。）トルエンに対するラクチド量が小さく、ｒａｃ−ＬＡもｍｅｓｏ−ＬＡも共にトルエンに溶解するような条件では、触媒はＬＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡおよびＤＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡを選択する機能が高くないため、ＰＬＬＡブロックとＰＤＬＡブロックからなるステレオコンプレックスを形成することができず、半結晶性のポリラクチドを得ることができなかった。
【００６０】
このように、トルエンに対するラクチド量を意図的に高くすることで、ｒａｃ−ＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡの混合物からでも半結晶性のＰＬＡを合成することができた。
【００６１】
実施例４では、ｍｅｓｏ−ＬＡの割合を４０％まで高くしても半結晶性のＰＬＡを得ることができることが示された。
【００６２】
図１および２に、実施例２よび比較例１で得られた各ＰＬＡのＤＳＣ熱分析チャート（１０℃／分で２３０℃まで昇温し、急冷した後の２回目の昇温データ）を示す。
【００６３】
（得られたＰＬＡの分子構造の生成過程）
本発明の方法で得られたＰＬＡの分子構造とその生成過程について調べるため、実施例２の重合条件において、重合過程におけるｒａｃ−ＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡの残存率の経時変化や、生成過程のＰＬＡの１Ｈ−ＮＭＲスペクトルを観察した。
【００６４】
（比較例３）
反応時間を１時間とした他は重合条件を実施例２と同様とし、反応を行った後、反応液を室温にまで冷却し、得られたＰＬＡをクロロホルム（１．７５ｍＬ）中に溶かした。その後、クロロホルム留去後冷メタノール中（６０ｍＬ）で再結晶法により精製した。
【００６５】
（比較例４）
反応時間を２時間とした他は比較例３と同様にした。
【００６６】
（比較例５）
反応時間を４時間とした他は比較例３と同様とした。
【００６７】
（実施例５）
反応時間を１０時間とした他は比較例３と同様とした。
【００６８】
（得られたＰＬＡの分子構造）
比較例３〜５と実施例５において、重合過程におけるＰＬＡのモノマー転化率と経時変化を表２に示す。また、重合過程におけるｒａｃ−ＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡの残存率の経時変化を図３に示す。
【００６９】
【表２】
【００７０】
表２より、時間の経過とともにモノマー転化率と数平均分子量が増加しており、１０時間後にモノマー転化率は９５％に、数平均分子量は２１，４００に達した。また、４時間後までに得られたＰＬＡは融点と融解熱を示さない非晶性であるが、１０時間後に得られたＰＬＡは融点１８８℃、融解熱３９．３Ｊ／ｇを示す半結晶性であった。
【００７１】
図３にラクチド残存率の時間変化を示す。重合の初期段階ではｍｅｓｏ−ＬＡが優先的に消費されており、２時間後にはｒａｃ−ＬＡは６７％残留しているにも拘わらず、ｍｅｓｏ−ＬＡはほとんど消費された。一方、２時間後に６７％残留していたｒａｃ−ＬＡは、１０時間後にほとんどが消費された。
【００７２】
このように、トルエンに対するラクチドの量を意図的に高くすることによって、ｒａｃ−ＬＡはとｍｅｓｏ−ＬＡを別々に重合することができた。すなわち、重合の初期段階では溶解度の高いｍｅｓｏ−ＬＡを優先的に重合させ、後期段階では溶解度の低いｒａｃ−ＬＡを重合させることができた。
【００７３】
比較例３と実施例５で得られたＰＬＡの分子構造を調べるため、メチン基の１Ｈ−ＮＭＲスペクトルとメチン基の照射によるデカップリング測定によるメチン基の１Ｈ−ＮＭＲスペクトルを図４および５に示す。
【００７４】
図４（ａ）から、メチン基の１Ｈ−ＮＭＲスペクトルには複数のピークが存在しており、図４（ｂ）に示されるメチン基のデカップリング測定では、それぞれのピークから立体選択性が低くiiiピークはマイナーであることが分かる。
【００７５】
この結果から、重合の初期段階ではｍｅｓｏ−ＬＡの優先的重合により非晶性のポリ−ｍｅｓｏ−ＬＡブロックが合成されたことが分かる。
【００７６】
一方、図５（ａ）からメチン基の１Ｈ−ＮＭＲスペクトルでは、明確なカルテットが現れており、図５（ｂ）に示されるメチン基のデカップリング測定では、立体選択性が高いiiiピーク（５．１６５ｐｐｍ）がシャープにかつ大きくなっている。
【００７７】
この結果から、重合の後半ではｒａｃ−ＬＡの立体選択的重合により立体選択性の高いポリ−ｒａｃ−ＬＡブロックが合成されたことが分かる。
【００７８】
以上の結果より、図６に示すように、非晶性のポリ−ｍｅｓｏ−ＬＡ−ブロックと半結晶性のポリ−ｒａｃ−ＬＡブロックが形成されることで全体として半結晶性を獲得することに成功している。
【００７９】
（実施の形態２）
実施の形態２では、溶融状態のラクチドを開環重合させるバルク重合によって半結晶性ＰＬＡを合成する方法を示す。
【００８０】
従来の方法として、ｒａｃ−ＬＡのみを原料として立体選択性のある（すなわち、ＬＬＡとＤＬＡを選択することができる）サレン−アルミニウム触媒と共にバルク重合することによって、半結晶性のＰＬＡを合成する方法が報告されている（Polymer Journal, vol.36, No.3, pp.261-264(2004)）。ところが、ｍｅｓｏ−ＬＡが混入すると、サレン−アルミニウム触媒は、ＬＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡを、またはＤＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡを選択する性能が低いため、ＰＬＬＡ−ブロックおよびＰＤＬＡ−ブロックを形成することができず、半結晶性ＰＬＡを合成できなかった。
【００８１】
本実施の形態２では、ｒａｃ−ＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡの融解温度の相違に着目し、両者の差をうまく利用することでｒａｃ−ＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡを別々に重合し半結晶性のＰＬＡを得ることに成功した。
【００８２】
重合反応に用いられる触媒としては、ｒａｃ−ＬＡを立体選択的に重合して、ポリ−ＬＬＡ−ブロックとポリ−ＤＬＡから成るステレオコンプレックス型のＰＬＡを形成できるような嵩高い置換基を有する触媒が用いられ、例えば、サレン型金属を含有するもの、特定的には、下記に示す構造のサレン型金属を含有するものが挙げられる。
【００８３】
【化８】
【００８４】
（式中、Ｍは、Ａｌ、Ｆｅ、Ｖ、Ｔｉから選ばれる金属を示し、Ｒ１、Ｒ２は、同一または異なって、水素、または、フェニル基、ターシャルブチル基、トリメチルシリル基、ターシャルブチルジメチルシリル基のような嵩高い置換基を表す。）
１段目の加熱温度は５０℃以上１３０℃以下であり（ｍｅｓｏ−ＬＡは溶融するが、ｒａｃ−ＬＡは溶融しにくい温度範囲）、２段目の加熱温度は５５℃以上２５０℃以下であり、かつ１段目の温度より高い温度である。純粋なｒａｃ−ＬＡは１２５℃以上の温度で溶融するが、ｍｅｓｏ−ＬＡとの混合物はより低い温度で融解する。したがって、２段目の加熱温度をｒａｃ−ＬＡの融点より低い温度に設定することは有効である。ただし、２５０℃を超えると、ｒａｃ−ＬＡが熱分解する恐れがあるため好ましくない。各段階に要する重合時間は０．５から６０時間である。
【００８５】
（実施例６）
窒素置換した試験管中に、ｒａｃ−ＬＡ：ｍｅｓｏ−ＬＡ＝９０：１０の組成のラクチド８．０ｍｍｏｌと、ラクチドに対して１／３００ｍｏｌの量の、下記に示すサレン−アルミニウム触媒とを加え、また、溶媒を用いることなく加熱することにより反応を開始させ、溶融状態のラクチドを開環重合させることによりポリ乳酸を合成する。加熱は、２段階で行い、はじめ９０℃で１時間反応させ、その後、１３０℃で３時間反応させる。
【００８６】
反応終了後、反応物を室温まで冷却し、クロロホルムに溶かした。クロロホルム留去後、２０ｍＬの冷メタノール中で再結晶させて精製した。
【００８７】
【化９】
【００８８】
（参考例３）
ｒａｃ−ＬＡのみからなるラクチドでバルク重合を実施した。加熱は１３０℃で２時間にわたる１段階で行った。触媒は、実施例１と同一のサレン−アルミニウム触媒であり、触媒に対するラクチドのモル比は１０００ｍｏｌ／ｍｏｌであった。
【００８９】
（比較例６）
ラクチド混合物の比率をｒａｃ−ＬＡ：ｍｅｓｏ−ＬＡ＝８０：２０とし、これをバルク重合した。加熱は１３０℃で３時間にわたる１段階とした。触媒に対するラクチドのモル比は３００ｍｏｌ／ｍｏｌであった。
【００９０】
（比較例７）
ラクチド混合物の比率をｒａｃ−ＬＡ：ｍｅｓｏ−ＬＡ＝９０：１０とし、これをバルク重合した。加熱は１３０℃で３時間にわたる１段階とした。触媒に対するラクチドのモル比は３００ｍｏｌ／ｍｏｌであった。
【００９１】
（結果）
実施結果を表３にまとめる。
【００９２】
【表３】
【００９３】
従来の方法に合致する参考例３では、従来の報告（Polymer Journal, vol.36, No.3, pp.261-264(2004)）にあるように、ｒａｃ−ＬＡから半結晶性を有するＰＬＡを得ることができた。またこのＰＬＡはステレオコンプレックス型の結晶構造をとることで、ポリ−Ｌ−乳酸の融点（１７５℃）よりも高い融点（１８３℃）を獲得することが報告されている。
【００９４】
一方で、比較例６および７においては、ｍｅｓｏ−ＬＡを含有するラクチド混合物を１段階の加熱段階でいずれのラクチドも溶融した状態で重合したことによって、得られるＰＬＡは融点や融解熱を有さない非晶性となった。
【００９５】
これに対して実施例６では、半結晶性のＰＬＡを合成することができた。得られたＰＬＡの融点は１７４℃であり、一般的なＰＬＬＡの融点と同程度であった。モノマー転化率は９７％に達し、分子量は１４３，０００であった。
【００９６】
実施例７では、はじめの低温加熱によりｍｅｓｏ−ＬＡを優先的に融解・重合させることにより重合の前半でポリ−ｍｅｓｏ−ＬＡ−ブロックを形成させ、次に高温加熱によりｒａｃ−ＬＡを融解・重合させることで重合の後半でポリ−ｒａｃ−ＬＡ−ブロックを形成させることができ、溶媒を使用しないバルク重合でも、ｒａｃ−ＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡの混合物から半結晶性のＰＬＡを得ることに成功した。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラクチド混合物からの重合反応により半結晶性ポリラクチドを製造する方法に関する。
【０００２】
ここで、ポリラクチドはポリ乳酸と同義である。以降ともにＰＬＡと略す。
【背景技術】
【０００３】
現在市販されているポリラクチドは、ポリ−Ｌ−ラクチド（以降ＰＬＬＡ）であり、農作物（澱粉）の発酵により得られる光学純度の高いＬ−乳酸から合成されている。Ｌ−乳酸からＰＬＬＡを合成するためには下記の化学式に示すように、まず、Ｌ−乳酸の環状二量体であるＬ−ラクチド（以降、ＬＬＡ）を合成してから、これを開環重合する方法が一般的である（特許文献１）。結晶性のＰＬＬＡを合成するためには、原料となるＬＬＡの光学純度が重要である。ＰＬＬＡはＰＬＬＡ分子同士が規則的に配列されることによって、結晶性を獲得している。ところが、ＬＬＡの光学異性体であるＤ−ラクチド（ＤＬＡ）が５〜１０％混入したＬＬＡから合成されるポリラクチド（ＰＬＡ）は、ＰＬＡ分子同士が規則的に配列することができないため、非晶性となることが知られている（非特許文献１）。
【０００４】
【化１】
【０００５】
一方で、ＬＬＡとＤＬＡの等量混合物、すなわち、ラセミラクチド（ｒａｃ−ＬＡ）から、立体選択性のサレン−アルミニウム触媒と共に重合することによって、半結晶性のＰＬＡを合成する方法が知られている。下記（Ｉ）式に立体選択性のサレン−アルミニウム触媒の一例を示す。Ｒはフェニル基やターシャルブチル基、ターシャルブチルジメチルシリル基のような嵩高い置換基である。
【０００６】
下記化学式（１）に触媒の立体選択メカニズムを示す。はじめにＬＬＡと結合した触媒は、以降、ＬＬＡを選択的に活性化させ開環重合させることでポリ−Ｌ−ラクチド（ＰＬＬＡ）が成長する。一方、はじめにＤＬＡと結合した触媒は、以降、ＤＬＡを選択的に活性化させ開環重合させることでポリ−Ｄ−ラクチド（ＰＤＬＡ）が成長する。このようにサレン−アルミニウム触媒は、ＬＬＡとＤＬＡを選択的に重合することができるので、得られたポリラセミラクチドは、ＰＬＬＡ−ブロックとＰＤＬＡ−ブロックから構成されている。この方法で得られるポリラセミラクチドは、ポリラセミラクチド分子同士が規則的に配置されたステレオコンプレックスを形成することによって半結晶性を獲得している（特許文献２）。
【０００７】
【化２】
【０００８】
【化３】
【０００９】
ところで、ラクチドの異性体は、ＬＬＡとＤＬＡの他に、メソラクチド（ｍｅｓｏ−ＬＡ）も存在する。上記のサレン−アルミニウム触媒は、ＬＬＡとＤＬＡを選択的に重合することはできるが、ＬＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡを、またはＤＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡを選択的に重合する機能は高くない。このため、化学式（Ｉ）に示されるようなサレン−アルミニウム触媒を使用してもｒａｃ−ＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡの混合物から得られるＰＬＡはＬＬＡとＤＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡがランダムに重合されたポリラクチドが得られる。このようなポリラクチドは、ポリラクチド分子同士が規則的に配置されず、ステレオコンプレックスを形成することができないため、半結晶性のＰＬＡを得ることはできなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第２７０３３１６号明細書
【特許文献２】特開２００３−６４１７４号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】島津評論、１９９９年、第５６巻、ｐ．１６３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ｍｅｓｏ−ＬＡとｒａｃ−ＬＡとが混合されたラクチドからでも半結晶性のポリラクチド（ＰＬＡ）を合成する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、ＬＬＡ、ＤＬＡ、ｍｅｓｏ−ＬＡの３種の異性体が混合したラクチドからでも半結晶性のポリラクチドを合成できる方法を見出した。
【００１４】
ＬＬＡとＤＬＡとの等モル混合物であるｒａｃ−ＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡとの混合物を嵩高いサレンアルミニウム触媒によって重合する際に、両者の物理化学的性質の差を利用して、初めの段階でｍｅｓｏ−ＬＡのみを優先して重合しポリ−ｍｅｓｏ−ＬＡ−ブロックを形成して、次の段階でｒａｃ−ＬＡを重合してポリ−ｒａｃ−ＬＡ−ブロックが形成する。
【００１５】
サレン−アルミニウム触媒は、ＬＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡを、またはＤＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡを選択する機能が高くないため、初めの段階でｍｅｓｏ−ＬＡを消費しておく。そして、サレン−アルミニウム触媒はＬＬＡとＤＬＡを選択的に重合することができるため、後半に形成されたＰＬＡブロックは、ＰＬＬＡ−ブロックとＰＤＬＡ−ブロックから構成されており、それらがステレオコンプレックスを形成することによって半結晶性を獲得している。前半に形成されたポリ−ｍｅｓｏ−ＬＡ−ブロックは非晶性であるが、後半に形成されたポリ−ｒａｃ−ＬＡ−ブロックは半結晶性であるために、全体として半結晶性のＰＬＡを得ることができる。
【００１６】
【化４】
【００１７】
ここで、以降の記載においても使用する上記の各用語の定義について説明すると：
ラクチドとは、２分子の乳酸において、互いのヒドロキシル基とカルボキシル基が脱水縮合してできた環状化合物を指す。各乳酸は１つの不斉炭素を持ち、Ｌ体とＤ体の２種の光学異性体が存在するため、ラクチドには、Ｌ−ラクチド、Ｄ−ラクチドおよびｍｅｓｏ−ラクチドの３種の光学異性体が存在する。
【００１８】
Ｌ−ラクチド（ＬＬＡ）とは、２分子のＬ−乳酸が脱水縮合してできた環状化合物である。
【００１９】
Ｄ−ラクチド（ＤＬＡ）とは、２分子のＤ−乳酸が脱水縮合してできた環状化合物である。
【００２０】
ｍｅｓｏ−ラクチド（ｍｅｓｏ−ＬＡ）とは、１分子のＬ−乳酸と１分子のＤ−乳酸が脱水縮合してできた環状化合物である。
【００２１】
ラセミラクチド（ｒａｃ−ＬＡ）とは、Ｌ−ラクチドとＤ−ラクチドが等モル混合した物質で、その融点はＬＬＡやＤＬＡより高く約１２７℃である。
【００２２】
ポリラクチド（ＰＬＡ）はポリ乳酸（ＰＬＡ）と同義である。また、ＬＬＡを重合して得られるポリマーをポリ−Ｌ−ラクチド（ＰＬＬＡ）、ＤＬＡを重合して得られるポリマーをポリ−Ｄ−ラクチド（ＰＤＬＡ）、ｍｅｓｏ−ＬＡを重合して得られるポリマーをポリ−ｍｅｓｏ−ラクチド、ｒａｃ−ＬＡを重合して得られるポリマーをポリ−ｒａｃ−ラクチドと表記する。
【００２３】
この発明において、半結晶性のＰＬＡとは、ＰＬＬＡ−ブロックとＰＤＬＡ−ブロックから成るマルチステレオコポリマーであり、各ブロックは８分子以上のＬ−乳酸またはＤ−乳酸が連続している。また、半結晶性のＰＬＡは５Ｊ／ｇ以上の融解熱と１４０℃以上の融点を有する。
【００２４】
本発明で使用する「立体選択的重合」とは、サレン−アルミニウム触媒がＬＬＡとＤＬＡを選択的に重合し、ＰＬＬＡ−ブロックとＰＤＬＡ−ブロックから成る半結晶性のマルチステレオコポリマーを重合することを指す。
【００２５】
上記のようにｍｅｓｏ−ＬＡとｒａｃ−ＬＡとの物理化学的性質の差を利用した半結晶性ポリ乳酸の製造方法は下記の２通りある。
【００２６】
（１）ｍｅｓｏ−ＬＡとｒａｃ−ＬＡの混合物に少量の溶媒を加えて溶解度の高いｍｅｓｏ−ＬＡを優先的に該溶媒中に溶解させることによって、該混合物中のｍｅｓｏ−ＬＡを先に重合させ、その後に、ｒａｃ−ＬＡを重合させる。
【００２７】
（２）ｍｅｓｏ−ＬＡとｒａｃ−Ｌａの混合物を融点が低いｍｅｓｏ−ＬＡが融解する温度に加熱して、該混合物中のｍｅｓｏ−ＬＡを先に重合させ、その後に、ｒａｃ−ＬＡが融解する温度に加熱してｒａｃ−ＬＡを重合させる。
【００２８】
上記の方法の重合反応において使用される触媒として、ｒａｃ−ＬＡを立体選択的に重合して、ＰＬＬＡブロックとＰＤＬＡブロックから構成されるステレオコンプレックス型のポリ−ｒａｃ−ＬＡを形成するような嵩高い置換基を有する触媒が用いられ、例えば、特開２００３−６４１７４号公報に記載されたようなサレン型金属を含有するものが挙げられるが、さらに下記に示す構造のサレン型金属を含有するものが挙げられる。
【００２９】
【化５】
【００３０】
（式中、Ｍは、Ａｌ、Ｆｅ、Ｖ、Ｔｉから選ばれる金属を示し、Ｒ１、Ｒ２は、同一または異なって、水素、または、フェニル基、ターシャルブチル基、トリメチルシリル基、ターシャルブチルジメチルシリル基のような嵩高い置換基を表す。
【００３１】
ｒａｃ−ＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡの混合物として、グリセリンを出発原料として、グリセリンの乳酸化とラクチド化を経て得られたものが挙げられる。近年、グリセリンを水酸化ナトリウムと共に３００℃の高温高圧水中で反応させることによって、ラセミ乳酸に転換できることが報告されている（WO2007/001043l）。グリセリンは、バイオディーゼル燃料を製造する際の副産物として多量に生産されている。バイオディーゼル燃料は、主に植物の油脂を原料として製造されており、近年、その生産量が増加している。グリセリンから合成したラセミ乳酸からはＬＬＡとＤＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡの混合物が３０：３０：４０〜３３：３３：３３程度の割合で合成される。したがって、本発明の方法を用いれば、グリセリンから合成したラクチド異性体の混合物から半結晶性のポリラクチドを合成することができる。
【００３２】
また、ｍｅｓｏ−ＬＡのエピメリゼーションによって生じたＬＬＡとＤＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡの混合物を本発明の方法の原料としてもよい。ｍｅｓｏ−ＬＡは塩基処理によってエピメリゼーションを起こし、ｍｅｓｏ−ＬＡ：ＬＬＡ：ＤＬＡの比率が約１：１：１になることが報告されている（Tetrahedron Letter 52(2011), 12027-1030）。したがって、上記塩基処理によってｍｅｓｏ−ＬＡからｍｅｓｏ−ＬＡとｒａｃ−ＬＡの混合物を生じさせれば、本発明の方法を用いてｍｅｓｏ−ＬＡから出発して半結晶性のポリラクチドを合成することができる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明の半結晶性ポリラクチド（ＰＬＡ）の製造方法によると、ラクチドモノマーがｒａｃ−ＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡの混合物であっても、半結晶性のＰＬＡを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】実施例１で得られたＰＬＡのＤＳＣ熱分析チャートである。
【図２】比較例１で得られたＰＬＡのＤＳＣ熱分解チャートである。
【図３】重合過程におけるラクチド残存率の経時変化を示すグラフである。
【図４】（ａ）は、比較例３で得られたＰＬＡのメチン基の１Ｈ−ＮＭＲスペクトルを示し、（ｂ）はそのデカップリング測定である。
【図５】（ａ）は、実施例６で得られたＰＬＡのメチン基の１Ｈ−ＮＭＲスペクトルを示し、（ｂ）はそのデカップリング測定である。
【図６】得られたＰＬＡの分子構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明の半結晶性ポリラクチドの製造方法について具体的に説明する。
【００３６】
（実施の形態１）
実施の形態１として、ｒａｃ−ＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡの溶解度の差を利用した方法について説明する。
【００３７】
ｒａｃ−ＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡとは物理化学的性質が異なるジアステレオマーの関係にあり、各種の溶媒に対する溶解度も互いに異なる。そこで、両者の溶媒に対する溶解度の差を利用して、先にｍｅｓｏ−ＬＡを、後でｒａｃ−ＬＡを重合することにより半結晶性のＰＬＡを得ることができた。
【００３８】
溶媒としては、溶解度の差を生じさせるものであればいかなるものも用いられ得るが、重合時の反応温度を考慮して、比較的沸点の高いもの、例えば、炭化水素類ではトルエン、オクタン、エーテル系ではジブチルエーテル、ケトン系ではメチルエチルケトン、シクロヘキサノンなどが挙げられる。
【００３９】
両ラクチドの溶解度の差に基づいて別々に重合を行うので、溶媒に対するラクチドの割合は高いことが好ましいが、高すぎると反応が進行しにくくなるので、例えば、好ましくは、２（ｍｍｏｌ／ｍＬ）超かつ５０（ｍｍｏｌ／ｍＬ）以下、より好ましくは、４（ｍｍｏｌ／ｍＬ）から２０（ｍｍｏｌ／ｍＬ）である。
【００４０】
重合反応に用いられる触媒としては、ＬＬＡとＤＬＡが選択的に重合されて、ＰＬＬＡ−ブロックとＰＤＬＡ−ブロックとを形成するような嵩高い置換基を有する触媒が用いられ、例えば、サレン型金属を含有するものが挙げられるが、さらに下記に示す構造のサレン型金属を含有するものが挙げられる。
【００４１】
【化６】
【００４２】
（式中、Ｍは、Ａｌ、Ｆｅ、Ｖ、Ｔｉから選ばれる金属を示し、Ｒ１、Ｒ２は、同一または異なって、水素、または、フェニル基、ターシャルブチル基、トリメチルシリル基、ターシャルブチルジメチルシリル基のような嵩高い置換基を表す。）
重合に要する時間は、０．５時間から６０時間であり、反応温度は、５０℃から１００℃である。
【００４３】
（実施例１）
トルエン溶媒に対するｒａｃ−ＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡの混合物の添加量を意図的に高くした条件下で、下記に示すサレン−アルミニウム触媒のもとで開環重合を行った。
【００４４】
【化７】
【００４５】
室温で窒素置換した試験管中の触媒−トルエン溶媒（触媒０．０１ｍｏｌ、トルエン０．１２５ｍＬ）に、ｒａｃ−ＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡの混合物−トルエン溶媒（ｒａｃ−ＬＡ ０．６７ｍｍｏｌ、ｍｅｓｏ−ＬＡ ０．３３ｍｍｏｌ、トルエン０．１２５ｍＬ）を加え、この混合液を７０℃まで加熱した。２１時間にわたって反応させた後、反応液を室温にまで冷却し、クロロホルム（１．７５ｍＬ）に溶かした。その後、クロロホルムを留去した後、冷メタノール（６０ｍＬ）中で再結晶法により精製し、ＰＬＡを得た。
【００４６】
このとき、トルエンに対するラクチドの添加量は、４ｍｍｏｌ（ラクチド）／ｍＬ（トルエン）であるが、一部のｒａｃ−ＬＡは溶解していないので、一般的な意味での「濃度」とは異なる。触媒に対するラクチドのモル比は１００ｍｏｌ／ｍｏｌであった。
【００４７】
（実施例２）
トルエンに対するラクチドの添加量を８ｍｍｏｌ／ｍＬに変更した他は実施例１と同様とした。
【００４８】
（実施例３）
触媒−トルエン溶液を触媒０．０２ｍｏｌ、トルエン０．１２５ｍＬとし、ラクチド−トルエン溶液をｒａｃ−ＬＡ １．３４ｍｍｏｌ、ｍｅｓｏ−ＬＡ ０．６６ｍｍｏｌ、トルエン０．１２５ｍＬに変更して、トルエンに対するラクチドの添加量を１６ｍｍｏｌ／ｍＬに変更した他は実施例１と同様とした。
【００４９】
（実施例４）
ｒａｃ−ＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡの比率を６０：４０に変更した他は実施例４と同様とした。ｒａｃ−ＬＡは１．２ｍｍｏｌ、ｍｅｓｏ−ＬＡは０．８ｍｍｏｌであった。
【００５０】
（参考例１）
ｒａｃ−ＬＡのみからなるラクチドを用い、これを、トルエンに対するラクチドの添加量が１ｍｍｏｌ／ｍＬになるようにトルエンに溶解させた。このとき触媒−トルエン溶液は、触媒０．０２ｍｏｌ、トルエン１．０ｍＬであり、ラクチド−トルエン溶液は、ｒａｃ−ＬＡ ２．０ｍｍｏｌ、トルエン１．０ｍＬとした。反応時間を２０時間とした。参考例１は、特開２００３−６４１７４号公報に記載された方法に合致した方法である。
【００５１】
（参考例２）
ｍｅｓｏ−ＬＡのみからなるラクチドを用いた他は参考例１と同様とした。このとき、触媒−トルエン溶液は、触媒０．０２ｍｏｌ、トルエン１．０ｍＬであり、ラクチド−トルエン溶液は、ｍｅｓｏ−ＬＡ ２．０ｍｍｏｌ、トルエン１．０ｍＬとした。反応時間を１０時間とした。
【００５２】
（比較例１）
トルエンに対するラクチドの添加量が１ｍｍｏｌ／ｍＬになるように、ｒａｃ−ＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡの混合物（ｒａｃ−ＬＡ：ｍｅｓｏ−ＬＡ＝６７：３３）をトルエンに溶解させた他は実施例１と同様とした。このとき、触媒−トルエン溶液は、触媒０．０２ｍｏｌ、トルエン１．０ｍＬであり、ラクチド−トルエン溶液は、ｒａｃ−ＬＡ １．３４ｍｍｏｌ、ｍｅｓｏ−ＬＡ ０．６６ｍｍｏｌ、トルエン１．０ｍＬであった。
【００５３】
（比較例２）
トルエンに対するラクチドの添加量が２ｍｍｏｌ／ｍＬになるように、ｒａｃ−ＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡの混合物（ｒａｃ−ＬＡ：ｍｅｓｏ−ＬＡ＝６７：３３）をトルエンに溶解させた他は実施例１と同様とした。このとき、触媒−トルエン溶液は、触媒０．０１ｍｏｌ、トルエン０．２５ｍＬであり、ラクチド−トルエン溶液は、ｒａｃ−ＬＡ ０．６７ｍｍｏｌ、ｍｅｓｏ−ＬＡ ０．３３ｍｍｏｌ、トルエン０．２５ｍＬであった。
【００５４】
（結果）
実施例１〜４、参考例１〜２および比較例１〜２の重合条件および結果を表１にまとめる。
【００５５】
【表１】
【００５６】
ｒａｃ−ＬＡのみについて行われた参考例１では、モノマー転化率は９３％であり数平均分子量は２１，９００に達している。また、参考例１で得られたＰＬＡは、ステレオコンプレックス型と呼ばれる結晶構造を形成するため、光学活性なＬ−乳酸から合成したＰＬＬＡの融点（１７５℃）よりも高い融点（２０７℃）を有している。
【００５７】
ｍｅｓｏ−ＬＡのみにより行われた参考例２では、得られたＰＬＡは、モノマー転化率が約９０％で数平均分子量が１２，９００に達しているが、融点と融解熱を示さない非晶性ポリマーである。
【００５８】
トルエンに対するラクチド量を意図的に高くしている実施例１〜４では、全て、半結晶性のＰＬＡが得られ、トルエンに対するラクチド量が大きくなるに従って、得られるＰＬＡの融点および溶解熱も大きくなり、ラクチド量が１６ｍｍｏｌ／ｍＬのとき（実施例３）、その融点は、ＰＬＬＡの融点よりも高い１９０℃に達した。
【００５９】
これに対して、トルエンに対するラクチド量が実施例１〜４よりも小さく、２ｍｍｏｌ／ｍＬ以下である比較例１と２では、融点と溶解熱を示さない非晶性のポリマーが得られた。（比較例２では、１．３８Ｊ／ｇの融解熱を示すが、５Ｊ／ｇより小さいので非晶性と見なす。）トルエンに対するラクチド量が小さく、ｒａｃ−ＬＡもｍｅｓｏ−ＬＡも共にトルエンに溶解するような条件では、触媒はＬＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡおよびＤＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡを選択する機能が高くないため、ＰＬＬＡブロックとＰＤＬＡブロックからなるステレオコンプレックスを形成することができず、半結晶性のポリラクチドを得ることができなかった。
【００６０】
このように、トルエンに対するラクチド量を意図的に高くすることで、ｒａｃ−ＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡの混合物からでも半結晶性のＰＬＡを合成することができた。
【００６１】
実施例４では、ｍｅｓｏ−ＬＡの割合を４０％まで高くしても半結晶性のＰＬＡを得ることができることが示された。
【００６２】
図１および２に、実施例２よび比較例１で得られた各ＰＬＡのＤＳＣ熱分析チャート（１０℃／分で２３０℃まで昇温し、急冷した後の２回目の昇温データ）を示す。
【００６３】
（得られたＰＬＡの分子構造の生成過程）
本発明の方法で得られたＰＬＡの分子構造とその生成過程について調べるため、実施例２の重合条件において、重合過程におけるｒａｃ−ＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡの残存率の経時変化や、生成過程のＰＬＡの１Ｈ−ＮＭＲスペクトルを観察した。
【００６４】
（比較例３）
反応時間を１時間とした他は重合条件を実施例２と同様とし、反応を行った後、反応液を室温にまで冷却し、得られたＰＬＡをクロロホルム（１．７５ｍＬ）中に溶かした。その後、クロロホルム留去後冷メタノール中（６０ｍＬ）で再結晶法により精製した。
【００６５】
（比較例４）
反応時間を２時間とした他は比較例３と同様にした。
【００６６】
（比較例５）
反応時間を４時間とした他は比較例３と同様とした。
【００６７】
（実施例５）
反応時間を１０時間とした他は比較例３と同様とした。
【００６８】
（得られたＰＬＡの分子構造）
比較例３〜５と実施例５において、重合過程におけるＰＬＡのモノマー転化率と経時変化を表２に示す。また、重合過程におけるｒａｃ−ＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡの残存率の経時変化を図３に示す。
【００６９】
【表２】
【００７０】
表２より、時間の経過とともにモノマー転化率と数平均分子量が増加しており、１０時間後にモノマー転化率は９５％に、数平均分子量は２１，４００に達した。また、４時間後までに得られたＰＬＡは融点と融解熱を示さない非晶性であるが、１０時間後に得られたＰＬＡは融点１８８℃、融解熱３９．３Ｊ／ｇを示す半結晶性であった。
【００７１】
図３にラクチド残存率の時間変化を示す。重合の初期段階ではｍｅｓｏ−ＬＡが優先的に消費されており、２時間後にはｒａｃ−ＬＡは６７％残留しているにも拘わらず、ｍｅｓｏ−ＬＡはほとんど消費された。一方、２時間後に６７％残留していたｒａｃ−ＬＡは、１０時間後にほとんどが消費された。
【００７２】
このように、トルエンに対するラクチドの量を意図的に高くすることによって、ｒａｃ−ＬＡはとｍｅｓｏ−ＬＡを別々に重合することができた。すなわち、重合の初期段階では溶解度の高いｍｅｓｏ−ＬＡを優先的に重合させ、後期段階では溶解度の低いｒａｃ−ＬＡを重合させることができた。
【００７３】
比較例３と実施例５で得られたＰＬＡの分子構造を調べるため、メチン基の１Ｈ−ＮＭＲスペクトルとメチン基の照射によるデカップリング測定によるメチン基の１Ｈ−ＮＭＲスペクトルを図４および５に示す。
【００７４】
図４（ａ）から、メチン基の１Ｈ−ＮＭＲスペクトルには複数のピークが存在しており、図４（ｂ）に示されるメチン基のデカップリング測定では、それぞれのピークから立体選択性が低くiiiピークはマイナーであることが分かる。
【００７５】
この結果から、重合の初期段階ではｍｅｓｏ−ＬＡの優先的重合により非晶性のポリ−ｍｅｓｏ−ＬＡブロックが合成されたことが分かる。
【００７６】
一方、図５（ａ）からメチン基の１Ｈ−ＮＭＲスペクトルでは、明確なカルテットが現れており、図５（ｂ）に示されるメチン基のデカップリング測定では、立体選択性が高いiiiピーク（５．１６５ｐｐｍ）がシャープにかつ大きくなっている。
【００７７】
この結果から、重合の後半ではｒａｃ−ＬＡの立体選択的重合により立体選択性の高いポリ−ｒａｃ−ＬＡブロックが合成されたことが分かる。
【００７８】
以上の結果より、図６に示すように、非晶性のポリ−ｍｅｓｏ−ＬＡ−ブロックと半結晶性のポリ−ｒａｃ−ＬＡブロックが形成されることで全体として半結晶性を獲得することに成功している。
【００７９】
（実施の形態２）
実施の形態２では、溶融状態のラクチドを開環重合させるバルク重合によって半結晶性ＰＬＡを合成する方法を示す。
【００８０】
従来の方法として、ｒａｃ−ＬＡのみを原料として立体選択性のある（すなわち、ＬＬＡとＤＬＡを選択することができる）サレン−アルミニウム触媒と共にバルク重合することによって、半結晶性のＰＬＡを合成する方法が報告されている（Polymer Journal, vol.36, No.3, pp.261-264(2004)）。ところが、ｍｅｓｏ−ＬＡが混入すると、サレン−アルミニウム触媒は、ＬＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡを、またはＤＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡを選択する性能が低いため、ＰＬＬＡ−ブロックおよびＰＤＬＡ−ブロックを形成することができず、半結晶性ＰＬＡを合成できなかった。
【００８１】
本実施の形態２では、ｒａｃ−ＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡの融解温度の相違に着目し、両者の差をうまく利用することでｒａｃ−ＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡを別々に重合し半結晶性のＰＬＡを得ることに成功した。
【００８２】
重合反応に用いられる触媒としては、ｒａｃ−ＬＡを立体選択的に重合して、ポリ−ＬＬＡ−ブロックとポリ−ＤＬＡから成るステレオコンプレックス型のＰＬＡを形成できるような嵩高い置換基を有する触媒が用いられ、例えば、サレン型金属を含有するもの、特定的には、下記に示す構造のサレン型金属を含有するものが挙げられる。
【００８３】
【化８】
【００８４】
（式中、Ｍは、Ａｌ、Ｆｅ、Ｖ、Ｔｉから選ばれる金属を示し、Ｒ１、Ｒ２は、同一または異なって、水素、または、フェニル基、ターシャルブチル基、トリメチルシリル基、ターシャルブチルジメチルシリル基のような嵩高い置換基を表す。）
１段目の加熱温度は５０℃以上１３０℃以下であり（ｍｅｓｏ−ＬＡは溶融するが、ｒａｃ−ＬＡは溶融しにくい温度範囲）、２段目の加熱温度は５５℃以上２５０℃以下であり、かつ１段目の温度より高い温度である。純粋なｒａｃ−ＬＡは１２５℃以上の温度で溶融するが、ｍｅｓｏ−ＬＡとの混合物はより低い温度で融解する。したがって、２段目の加熱温度をｒａｃ−ＬＡの融点より低い温度に設定することは有効である。ただし、２５０℃を超えると、ｒａｃ−ＬＡが熱分解する恐れがあるため好ましくない。各段階に要する重合時間は０．５から６０時間である。
【００８５】
（実施例６）
窒素置換した試験管中に、ｒａｃ−ＬＡ：ｍｅｓｏ−ＬＡ＝９０：１０の組成のラクチド８．０ｍｍｏｌと、ラクチドに対して１／３００ｍｏｌの量の、下記に示すサレン−アルミニウム触媒とを加え、また、溶媒を用いることなく加熱することにより反応を開始させ、溶融状態のラクチドを開環重合させることによりポリ乳酸を合成する。加熱は、２段階で行い、はじめ９０℃で１時間反応させ、その後、１３０℃で３時間反応させる。
【００８６】
反応終了後、反応物を室温まで冷却し、クロロホルムに溶かした。クロロホルム留去後、２０ｍＬの冷メタノール中で再結晶させて精製した。
【００８７】
【化９】
【００８８】
（参考例３）
ｒａｃ−ＬＡのみからなるラクチドでバルク重合を実施した。加熱は１３０℃で２時間にわたる１段階で行った。触媒は、実施例１と同一のサレン−アルミニウム触媒であり、触媒に対するラクチドのモル比は１０００ｍｏｌ／ｍｏｌであった。
【００８９】
（比較例６）
ラクチド混合物の比率をｒａｃ−ＬＡ：ｍｅｓｏ−ＬＡ＝８０：２０とし、これをバルク重合した。加熱は１３０℃で３時間にわたる１段階とした。触媒に対するラクチドのモル比は３００ｍｏｌ／ｍｏｌであった。
【００９０】
（比較例７）
ラクチド混合物の比率をｒａｃ−ＬＡ：ｍｅｓｏ−ＬＡ＝９０：１０とし、これをバルク重合した。加熱は１３０℃で３時間にわたる１段階とした。触媒に対するラクチドのモル比は３００ｍｏｌ／ｍｏｌであった。
【００９１】
（結果）
実施結果を表３にまとめる。
【００９２】
【表３】
【００９３】
従来の方法に合致する参考例３では、従来の報告（Polymer Journal, vol.36, No.3, pp.261-264(2004)）にあるように、ｒａｃ−ＬＡから半結晶性を有するＰＬＡを得ることができた。またこのＰＬＡはステレオコンプレックス型の結晶構造をとることで、ポリ−Ｌ−乳酸の融点（１７５℃）よりも高い融点（１８３℃）を獲得することが報告されている。
【００９４】
一方で、比較例６および７においては、ｍｅｓｏ−ＬＡを含有するラクチド混合物を１段階の加熱段階でいずれのラクチドも溶融した状態で重合したことによって、得られるＰＬＡは融点や融解熱を有さない非晶性となった。
【００９５】
これに対して実施例６では、半結晶性のＰＬＡを合成することができた。得られたＰＬＡの融点は１７４℃であり、一般的なＰＬＬＡの融点と同程度であった。モノマー転化率は９７％に達し、分子量は１４３，０００であった。
【００９６】
実施例７では、はじめの低温加熱によりｍｅｓｏ−ＬＡを優先的に融解・重合させることにより重合の前半でポリ−ｍｅｓｏ−ＬＡ−ブロックを形成させ、次に高温加熱によりｒａｃ−ＬＡを融解・重合させることで重合の後半でポリ−ｒａｃ−ＬＡ−ブロックを形成させることができ、溶媒を使用しないバルク重合でも、ｒａｃ−ＬＡとｍｅｓｏ−ＬＡの混合物から半結晶性のＰＬＡを得ることに成功した。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ラセミラクチドとメソラクチドの混合物から半結晶性のポリラクチドを製造する方法であって、Ｌ−ラクチドとＤ−ラクチドを選択的に重合することができる触媒を用いてこれらの混合物を重合する際に、ラセミラクチドとメソラクチドの物性の差を利用してラセミラクチドとメソラクチドを別々に重合させることで、メソラクチドは非晶性のポリメソラクチドブロックを形成し、ラセミラクチドは半結晶性のポリラセミラクチドブロックを形成し、全体として半結晶性のポリラクチドを製造する方法。
【請求項２】
前記混合物に少量の溶媒を加えて溶解度の高いメソラクチドを優先的に該溶媒中に溶解させることによって、該混合物中のメソラクチドを重合させ、その後にラセミラクチドを重合させることで、メソラクチドとラセミラクチドを別々に重合させて半結晶性のポリラクチドを製造する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記混合物で、はじめの重合を融点の低いメソラクチドが融解する第一の温度域で行いメソラクチドを優先的に融解させメソラクチドが消費されるまで重合させて、次の重合で融点の高いラセミラクチドが融解する、第一の温度域より高い第二の温度域で残ったラセミラクチドを融解させて重合させることで、メソラクチドとラセミラクチドを別々に重合させて半結晶性のポリラクチドを製造する請求項１に記載の方法。
【請求項４】
第一の温度域は５０℃以上１３０℃以下であり、第二の温度域は５５℃以上２５０℃以下である請求項３に記載の方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の方法により製造された半結晶性のポリラクチド。
【請求項１】
ラセミラクチドとメソラクチドの混合物から半結晶性のポリラクチドを製造する方法であって、Ｌ−ラクチドとＤ−ラクチドを選択的に重合することができる触媒を用いてこれらの混合物を重合する際に、ラセミラクチドとメソラクチドの物性の差を利用してラセミラクチドとメソラクチドを別々に重合させることで、メソラクチドは非晶性のポリメソラクチドブロックを形成し、ラセミラクチドは半結晶性のポリラセミラクチドブロックを形成し、全体として半結晶性のポリラクチドを製造する方法。
【請求項２】
前記混合物に少量の溶媒を加えて溶解度の高いメソラクチドを優先的に該溶媒中に溶解させることによって、該混合物中のメソラクチドを重合させ、その後にラセミラクチドを重合させることで、メソラクチドとラセミラクチドを別々に重合させて半結晶性のポリラクチドを製造する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記混合物で、はじめの重合を融点の低いメソラクチドが融解する第一の温度域で行いメソラクチドを優先的に融解させメソラクチドが消費されるまで重合させて、次の重合で融点の高いラセミラクチドが融解する、第一の温度域より高い第二の温度域で残ったラセミラクチドを融解させて重合させることで、メソラクチドとラセミラクチドを別々に重合させて半結晶性のポリラクチドを製造する請求項１に記載の方法。
【請求項４】
第一の温度域は５０℃以上１３０℃以下であり、第二の温度域は５５℃以上２５０℃以下である請求項３に記載の方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の方法により製造された半結晶性のポリラクチド。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−６０５０２（Ｐ２０１３−６０５０２Ａ）
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９８７１２（Ｐ２０１１−１９８７１２）
【出願日】平成２３年９月１２日（２０１１．９．１２）
【出願人】（０００００５１１９）日立造船株式会社 (764)
【出願人】（０００２２２０３７）東北電力株式会社 (228)
【出願人】（５０４１３９６６２）国立大学法人名古屋大学 (996)
【出願人】（３９８０７４７５１）ネイチャーワークス・エル・エル・シー (8)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１２日（２０１１．９．１２）
【出願人】（０００００５１１９）日立造船株式会社 (764)
【出願人】（０００２２２０３７）東北電力株式会社 (228)
【出願人】（５０４１３９６６２）国立大学法人名古屋大学 (996)
【出願人】（３９８０７４７５１）ネイチャーワークス・エル・エル・シー (8)
【Ｆターム（参考）】
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