JP2008502728A - リジンからのカプロラクタムの合成 - Google Patents

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    • C07D201/02Preparation of lactams
    • C07D201/08Preparation of lactams from carboxylic acids or derivatives thereof, e.g. hydroxy carboxylic acids, lactones or nitriles

Abstract

様々な態様において、本発明はα‐アミノ‐ε‐カプロラクタムを合成する方法に関する。該方法では、アルコールを含んでなる溶媒中でL‐リジンの塩を加熱する。他の態様において、本発明はε‐カプロラクタムを合成する方法に関する。該方法では、アルコールを含んでなる溶媒中でL‐リジンの塩を加熱し、反応生成物を脱アミノ化する。様々な態様において、本発明はバイオマスをナイロン6へ変換する方法を含む。該方法では、アルコールを含んでなる溶媒中でL‐リジンの塩を加熱してα‐アミノ‐ε‐カプロラクタムを製造させ、脱アミノ化してε‐カプロラクタムを製造させ、ナイロン6に重合させるが、ここでL‐リジンはバイオマスから得たものである。他の態様において、本発明はナイロン6を製造する方法を含む。該方法では、ε‐カプロラクタムを合成し、次いで重合させるが、ここでε‐カプロラクタムはL‐リジンから得たものである。

Description

関連出願との相互参照
本出願は、参考のためここに組み込まれる、2004年6月10日付で出願されたUS仮出願No.60/578,620の利益を主張している。
発明の分野
本発明は、カプロラクタムを合成する、更に詳しくはL‐リジンからε‐カプロラクタムを合成する方法に関する。
背景
約25億トンのナイロン6が世界全体で毎年製造されている。ナイロン6の製造は、モノマーε‐カプロラクタムの開環重合により行なわれている。ε‐カプロラクタム製造用の出発化合物はシクロヘキサンまたはフェノールへ変換されるベンゼンであり、そのいずれの化合物もシクロヘキサノンを経てシクロヘキサノンオキシムへ変換され、次いでこの中間体は硫酸中で加熱される。この化学反応はベックマン転位として知られている。出発化学製品のベンゼンは石油化学製品の精製により製造されている。
要旨
本発明者らは、天然産物からε‐カプロラクタムの製造で、新たなアプローチを考案することに成功した。該アプローチは、ナイロン6の前駆体として必要なε‐カプロラクタムを製造する上で、新規プロセスでL‐リジンの使用に基づいている。
様々な態様において、本発明は、アルコールを含んでなる溶媒中でL‐リジンの塩を加熱することからなる、α‐アミノ‐ε‐カプロラクタムの合成方法を提供する。様々な態様において、該方法は、アルコールを含んでなる溶媒中でL‐リジンの塩を加熱し、反応生成物を脱アミノ化することからなる。様々な態様において、本発明はバイオマスをナイロン6へ変換する方法を含んでいる。このような方法は、アルコールを含んでなる溶媒中でL‐リジンを加熱してα‐アミノ‐ε‐カプロラクタムを製造させ、脱アミノ化してε‐カプロラクタムを製造させ、ナイロン6に重合させることからなり、ここでL‐リジンはバイオマスから得たものである。
詳細な説明
下記の定義および非制限的な指針は、ここで示された本発明の説明を見る上で考慮されねばならない。ここで用いられている大見出し(例えば“序文”および“要旨”)および小見出し(例えば“小項目”)は本発明の開示内に属する話題の一般的編成のためのみにあり、本発明またはその何らかの面の開示を制限するためではない。特に、“序文”で開示されている事項は本発明の範囲内に属する技術の各面を含むことがあり、先行技術の列挙でないこともある。“要旨”で開示された事項は、本発明の全範囲またはその何らかの態様の包括的または完全な開示ではない。
ここでの参考文献の引用は、それらの参考文献が先行技術に関するものであったり、またはここで開示された本発明の特許性と何らかの関連性を有することを認めるためではない。序文で引用された参考文献の内容の記述は、参考文献の著者による主張の一般的要旨を単に紹介しているにすぎず、このような参考文献の内容の正確さに関して認めるものではない。この明細書の説明セクションで引用されたすべての参考文献は、参考のためそれら全体でここに組み込まれる。
説明と具体例は、本発明の態様を示しているが、説明のみの目的のためであり、発明の範囲を制限するためではない。更に、記述された特徴を有する多様な態様の列挙は、追加の特徴を有する他の態様または記述された特徴を異なる組合せで取り込んだ他の態様を除外するものではない。
ここで用いられている“好ましい”および“好ましくは”という語句は、ある状況下においてある利益を供する発明の態様に関する。しかしながら、他の態様も同様のまたは他の状況下では好ましいことがある。更に、1以上の好ましい態様の列挙は他の態様が有用でないことを意味するものではなく、発明の範囲から他の態様を除外するためではない。
ここで用いられている“含む”という語句およびその類似語は非制限的なものであり、リストにおける各事項の列挙は本発明の物質、組成物、装置および方法で有用かもしれない他の類似事項を除外するためではない。
カプロラクタムは、合成繊維、特に剛毛ブラシ、テキスタイルスチフナー、フィルムコーティング、合成皮革、プラスチック、可塑剤、ビヒクル、ポリウレタン用の架橋剤でも用いられるナイロン6の製造、およびリジンの合成で主に用いられている。ε‐カプロラクタム製造の出発点は、石油の非再生可能源から精製されるベンゼンである。非再生可能石油源というその制限に加えて、ベンゼンへの暴露は、急性骨髄性白血病および非ホジキンリンパ腫と関連しているのであるが、化学工業で継続中の問題である。ベンゼンの人体健康リスクに対処する上で最も有効な方法は、その使用を止めることである。このように達成が難しい解決策には、ベンゼンに由来する化学製品で根本的に新しい合成法の労出を要する。無毒性グルコースのような糖は、これら合成の多くで新たな出発点となりうる。これら合成の多くで出発点としてベンゼンの代わりにグルコースを用いるためには、バイオ精製所が必要とされる。バイオ精製所とは、バイオマスから燃料、エネルギーおよび化学製品を製造するためにバイオマス変換プロセスおよび装置を統合した設備である。バイオ精製所という概念は、石油から多様な燃料および製品を製造する石油精製所と似ている。多様な製品を製造することにより、バイオ精製所はバイオマス成分と中間体との違いを利用して、バイオマス供給原料から派生する価値を最少の廃棄物および排出物で最大化することができる。グルコースのような糖へのバイオマスの変換は当業界で周知である(Advancing Sustainability Through Green Chemistry and Engineering,ACS Symposium Series,823,edited by Lanky,R.L.and Anastas,P.T.,American Chemical Society,Washington,DC,2002;Biomass for Energy,Industry and Environment,6th European Community Conference,edited by Grassi,G.,Collina,A.and Zibetta,H.,Elsevier Science Publishing Co.,Inc.,New York,1998;Biobased Indust
rial Products:Research and Commercialization Priorities,edited by Dale,B.E.,Natural Research Council,Washington,DC,1999;Emerging Technologies for Materials and Chemicals from Biomass,ASC Symposium 467,edited by Narayan,R.,Rowell,R.,Schultz,T.,American Chemical Society,Washington,DC,1991参照)。
1960年代初期、日本のバイオテクノロジー社は、糖から出発してリジンを製造する細菌発酵技術を発見した。L‐リジンは味の素、協和発酵、Sewon、Arthur Daniels Midland、Cheil Jedang、BASFおよびCargillのような会社を含めた多くの工業所から製造されており、入手できる。
α‐アミノ‐ε‐カプロラクタムの七員環を形成させるL‐リジンの環化が以前に試みられたが、レポートによれば低収率を示していた。このような試みとしては、近似超臨界水中の反応(2003年7月22日付で発行されたGotoらの日本特許No.2003206276参照)またはトルエン中で過剰のAlを用いる反応(Blade-Font,A.,Tetrahedron Lett.,1980,21,2443-2446;Pellegata,R.,Pinza,M.:Pifferi G.,Synthesis 1978,614-616参照)があった。
一面において、本発明は五〜八環員の環サイズを有するラクタムを形成させる環状アミド化反応で環化のための効率的経路を提供する。環状アミド化後、環状環における他の反応基は所望であれば除いてもよい。一面において、本発明は2〜6炭素を有するアルコール溶媒中で行なわれる効率的環状アミド化を提供する。本発明で有用なアミノ官能化カルボン酸としては、安定なラクタム、好ましくは五〜八環員を有するものを形成させる上で、環化しうるものを利用する。官能基が2〜6炭素アルコール溶媒で媒介されるアミド化反応を妨げないかぎり、アミノ官能化カルボン酸は他の官能基を含有してもよい。
本発明によると、α‐アミノ‐ε‐カプロラクタムへのL‐リジンの環化のための新規プロセスがここでは記載されている。加えて、本発明によると、ε‐カプロラクタムへのα‐アミノ‐ε‐カプロラクタムの脱アミノ化のためのプロセスがここでは記載されている。二塩酸L‐リジン、塩酸L‐リジン、リン酸L‐リジン、二リン酸L‐リジン、酢酸L‐リジンおよびL‐リジンに限定されないが、このようなL‐リジンの市販品が用いられ、L‐リジンが下記反応で適正な状態にあることから、どの所要ステップも当業者にはわかるであろう。加えて、リジンの市販品が用いられるが、L‐リジンをD‐リジンから分離するステップ、例えばキラル分離ステップも加えてよく、このような分離および精製技術も当業者にはわかるであろう。様々な態様において、環化反応は水酸化ナトリウム(NaOH)による塩酸リジンの中和後に開始された。この態様では、得られたNaClが溶液から析出し、環化反応が終了した後で濾過により除去される。様々な態様において、環化反応に際して生じた水はDean-Starkトラップを用いて除去してよい。当業界内で知られている他の方法、例えば蒸発、結晶化、蒸留または当業者に知られているいずれか他の適切な方法も、水を除去するために用いてよい。本発明の様々な態様において、水は共沸混合物として除去される。本発明の様々な態様において、中和されたL‐リジンはアルコール中で加熱される。本発明の様々な他の態様において、中和されたL‐リジンはアルコールおよび触媒の存在下で加熱される。本発明の一部の態様において、アルコールは約2〜約6の炭素を有している。
アルコール類の非制限例としては、1‐プロパノール、2‐プロパノール、1‐ブタノール、2‐ブタノール、イソブタノール、1,2‐プロパンジオール、1,3‐プロパンジオール、1,2‐ブタンジオール、1,4‐ブタンジオール、5炭素モノオール、ジオールおよびトリオールの全異性体、例えば限定されないが1‐ペンタノール、1,2‐ペンタンジオール、1,5‐ペンタンジオール、並びに6炭素モノオール、ジオールおよびトリオールの全異性体、例えば限定されないが1‐ヘキサノール、1,2‐へキサンジオール、1,6‐へキサンジオールがある。2〜6炭素アルコール類の他の非制限例としては、グリセロール、トリメチロールプロパン、ペンタエリトリトールなどがある。様々な態様において、アルコール類は単一のヒドロキシル基を有している。他の態様において、アルコール類は2つのヒドロキシル基を有している。一部の態様において、アルコール類は3つのヒドロキシル基を有している。グリコール類の非制限例としては、プロピレングリコール、ブチレングリコール、ネオペンタールグリコールなどがある。
本発明の一部の態様において、触媒は酸化アルミニウム(Al)である。本発明の様々な態様において、アルコール中における中和L‐リジンの加熱は還流により行なわれる。本発明の様々な態様において、触媒の存在下におけるアルコールおよび中和リジンの加熱は還流により行なわれる。様々な態様において、加熱は水とアルコールとの共沸除去を行なえるほど十分に高い温度である。様々な態様において、加熱はカプロラクタムを重合させる温度未満である。一部の態様において、加熱は約99℃〜約201℃の温度である。本発明の好ましい態様において、アルコールは1,2‐プロパンジオールである。1,2‐プロパンジオールの使用による高収率に加えて、この有機アルコールはバイオ精製所で容易に入手でき、なぜならそれはバイオマスから生じる副産物として容易に入手しうる乳酸の水素化により得られるからである。以下は反応(1)に基づく一部の非制限例である。
Figure 2008502728
例1
ヘキサノール(1.2L)中塩酸L‐リジン1(55g,300mmol)およびNaOH(12g,300mmol)の攪拌混合液を、HOを除去するためにDean-Starkトラップを用いて、加熱還流する。すべての出発物質が消費されるまで(1H NMRで調べられる)、懸濁液を8時間還流する。次いで、懸濁液を冷却および濾過して、副産物NaClを除去する。濾液を濃縮し、得られた粗製α‐アミノ‐ε‐カプロラクタム2を水に溶解させる。濃HClの添加でpH6に酸性化および部分的濃縮後に、結晶を室温で形成させ、収率75%で塩酸α‐アミノ‐ε‐カプロラクタム(37g)を得る。
例2
1,2‐プロパンジオール(1.2L)中塩酸L‐リジン1(55g,300mmol)およびNaOH(12g,300mmol)の攪拌混合液を加熱還流する。Dean-Starkトラップを用いて、最初の凝縮溶媒120mLを回収する。すべての出発物質が消費されるまで(1H NMRで調べられる)、反応溶液を更に2時間還流する。溶液を冷却し、真空下で濃縮する。エタノールを用いて、α‐アミノ‐ε‐カプロラクタム2を完全に溶解させる。副産物NaClを濾去する。濾液を濃縮し、得られた粗製α‐アミノ‐ε‐カプロラクタム2を水に溶解させる。濃HClの添加でpH6に酸性化、次いで部分的濃縮後に、結晶を室温で形成させ、収率74%で塩酸α‐アミノ‐ε‐カプロラクタム(36.5g)を得る。
例3
塩酸L‐リジン1 50mmolをNaOH50mmolで中和し、次いでエタノール200mLを加える。この混合液を200℃に8時間加熱する。この反応で製造されたα‐アミノ‐ε‐カプロラクタム2の収率は約47%である。
例4
塩酸L‐リジン1 30mmolをNaOH30mmolで中和し、次いで1‐ペンタノール120mLを加える。この混合液を137℃に加熱し、60時間還流する。この反応で製造されたα‐アミノ‐ε‐カプロラクタム2の収率は約93%である。
例5
塩酸L‐リジン1 30mmolをNaOH30mmolで中和し、次いで1‐ヘキサノール120mLを加える。この混合液を157℃に加熱し、8時間還流する。この反応で製造されたα‐アミノ‐ε‐カプロラクタム2の収率は約89%である。
例6
塩酸L‐リジン1 300mmolをNaOH300mmolで中和し、次いで1‐ヘキサノール1.2Lを加える。この混合液を150℃に加熱し、8時間還流する。この反応で製造されたα‐アミノ‐ε‐カプロラクタム2の収率は約91%である。
例7
塩酸L‐リジン1 300mmolをNaOH300mmolで中和し、次いで1,2‐プロパンジオール1.2Lを加える。この混合液を187℃に加熱し、反応液が最初に還流されて溶媒の約10%を除去した後で2時間還流する。この反応で製造されたα‐アミノ‐ε‐カプロラクタム2の収率は約96%である。
例8
塩酸L‐リジン1 30mmolをNaOH30mmolで中和し、次いでAl270mmolを加え、その後1‐ブタノール120mLを加える。この混合液を117℃に加熱し、6時間還流する。この反応で製造されたα‐アミノ‐ε‐カプロラクタム2の収率は約92%である。
例9
塩酸L‐リジン1 30mmolをNaOH30mmolで中和し、次いでAl270mmol、その後1‐ペンタノール120mLを加える。この混合液を137℃に加熱し、4時間還流する。この反応で製造されたα‐アミノ‐ε‐カプロラクタム2の収率は約96%である。
有機化合物を脱アミノ化する方法は当業界で周知である。脱アミノ化プロセスは反応条件および収率に応じて選択される。様々な態様において、脱アミノ化はアミノ官能化中間体をヒドロキシルアミン‐O‐スルホン酸およびKOH触媒と反応させることにより行なわれる。ヒドロキシルアミン‐O‐スルホン酸(NHOSOH)はビス(ヒドロキシルアンモニウムサルフェート)((NHOH)SO)と発煙硫酸(HSO‐SO)との反応により製造される(Matsuguma et al.,Inorg.Syn.,1957,5,122-125参照)。本本発明のある態様において、脱アミノ化反応は前記のような環化反応の終了後NaClの除去後に行なわれる。ヒドロキシルアミン‐O‐スルホン酸を用いる脱アミノ化反応は以前に記載されていたが、低収率でε‐カプロラクタムを製造していた(Doldouras,G.A.,Kollonitsch,J.,J.Am.Chem.Soc.,1978,100,341-342;Ramamurthy,T.V.,Ravi,S.,Viswanathan,K.V.J.Labelled Compd.Rad.,1987,25,809-815参照)。本発明によると、反応温度はヒドロキシルアミン‐O‐スルホン酸の添加に際して水の凝固点未満に下げられる。本発明の様々な態様で温度は約−5℃に下げられ、他の態様で温度は約−20℃に下げられる。様々な態様において、アミンは溶媒で洗い流される。溶媒は水または水と小さな有機アルコールとの混合液である。本発明の様々な態様において、溶媒は水である。以下は、例7で得られた生成物を用いて同様の収率をあげる、反応2に基づく非制限例である。
Figure 2008502728
例10
α‐アミノ‐ε‐カプロラクタム2(2.56g,20mmol)を水100mLに溶解し、溶液を−5℃に冷却する。KOH(4.48g,80mmol)、次いでNHOSOH(4.52g,40mmol)の添加後、反応溶液を−5℃で1時間攪拌する。次いで反応溶液を70〜75℃に加熱し、この温度で1時間攪拌する。溶液を再び−5℃に冷却し、次いでKOH(4.48g,80mmol)、その後でNHOSOH(4.52g,40mmol)を追加する。−5℃で1時間攪拌後、反応溶液を70〜75℃に加熱し、更に1時間攪拌する。濃縮後、粗生成物を昇華により精製して、無色結晶ε‐カプロラクタム3 1.70g(75%)を得る。
例11
前記のような環化反応(1)の終了後に、NaClを除去する。α‐アミノ‐ε‐カプロラクタム2 20mmolを反応器へ入れ、器の温度を水の凝固点より低い約−20℃に下げる。KOH800mmolを加え、次いでヒドロキシルアミン‐O‐スルホン酸400mmolを加える。水240mLおよびメタノール160mLからなる溶媒を用いて、アミンを洗い流す。次いで、生成物ε‐カプロラクタム3を昇華により精製したところ、収率はL‐リジン出発物質に対して約61%である。
例12
前記のような環化反応(1)の終了後に、NaClを除去する。α‐アミノ‐ε‐カプロラクタム2 20mmolを反応器へ入れ、器の温度を水の凝固点より低い約−20℃に下げる。KOH800mmolを加え、次いでヒドロキシルアミン‐O‐スルホン酸400mmolを加える。水20mLおよびメタノール80mLからなる溶媒を用いて、アミンを洗い流す。次いで、生成物ε‐カプロラクタム3を昇華により精製したところ、収率はL‐リジン出発物質に対して約62%である。
例13
前記のような環化反応(1)の終了後に、NaClを除去する。α‐アミノ‐ε‐カプロラクタム20mmolを反応器へ入れ、器の温度を水の凝固点より低い約−20℃に下げる。KOH800mmolを加え、次いでヒドロキシルアミン‐O‐スルホン酸400mmolを加える。水60mLおよびメタノール40mLからなる溶媒を用いて、アミンを洗い流す。次いで、生成物ε‐カプロラクタム3を昇華により精製したところ、収率はL‐リジン出発物質に対して約64%である。
例14
前記のような環化反応(1)の終了後に、NaClを除去する。α‐アミノ‐ε‐カプロラクタム2 20mmolを反応器へ入れ、器の温度を水の凝固点より低い約−20℃に下げる。KOH160mmolを加え、次いでヒドロキシルアミン‐O‐スルホン酸80mmolを加える。水60mLおよびメタノール40mLからなる溶媒を用いて、アミンを洗い流す。次いで、生成物ε‐カプロラクタム3を昇華により精製したところ、収率はL‐リジン出発物質に対して約65%である。
例15
前記のような環化反応(1)の終了後に、NaClを除去する。α‐アミノ‐ε‐カプロラクタム2 20mmolを反応器へ入れ、器の温度を水の凝固点より低い約−20℃に下げる。KOH160mmolを加え、次いでヒドロキシルアミン‐O‐スルホン酸80mmolを加える。水60mLおよびエタノール40mLからなる溶媒を用いて、アミンを洗い流す。次いで、生成物ε‐カプロラクタム3を昇華により精製したところ、収率はL‐リジン出発物質に対して約70%である。
例16
前記のような環化反応(1)の終了後に、NaClを除去する。α‐アミノ‐ε‐カプロラクタム2 20mmolを反応器へ入れ、器の温度を水の凝固点より低い約−5℃に下げる。KOH160mmolを加え、次いでヒドロキシルアミン‐O‐スルホン酸80mmolを加える。水100mLからなる溶媒を用いて、アミンを洗い流す。次いで、生成物ε‐カプロラクタム3を昇華により精製したところ、収率はL‐リジン出発物質に対して約75%である。
図1によると、本発明のプロセスはバイオマスがナイロン6へ変換されることを示したブロック図で説明されている。バイオマスは、先に記載されているように、微生物、植物または動物の成長により産生される物質であって、本システムへ供給される。バイオマスの例としては、農作物および副産物、例えばコーン、さや、茎、穀物、アルファルファ、クローバー、刈取草、野菜くず、わら、メイズ、穀粒、ブドウ、麻、サトウキビ、亜麻およびポテト;林業および紙製品と副産物、例えばおがくず紙、セルロース、木材パルプ、木材チップ、パルプスラッジおよび葉、および当業界で知られている他の適切な物質がある。本発明の様々な態様において、バイオマスは高セルロース含有物質である。本発明の他の態様において、バイオマスは高デンプン含有物質である。別の態様において、バイオマスは分別をうけて、ステップAで表わされているセルロース、ヘミセルロース、リグノセルロース、植物油および/またはデンプンのような成分を生じる。様々な態様において、“セルロースおよび/またはデンプン”と記されたボックスはデンプン、セルロース、ヘミセルロース、リグノセルロースまたはそれらの組合せなどを含むが、それらに限定されない。セルロース成分および/またはデンプンへのバイオマスのこのような分離または分別は当業界で周知である(2000年2月8日付で発行されたTorgetらのUS特許No.6,022,419;1991年9月10日付で発行されたChahalのUS特許No.5,047,332;2001年5月8日付で発行されたTorgetのUS特許No.6,228,177;2003年9月16日付で発行されたWingersonのUS特許No.6,620,292;およびB.Kamm and M.Kamm,Biorefinery-Systems,Chem.Biochem.Eng.Q.,18(1)1-6,2004参照)。本発明の様々な態様において、バイオマスがステップAを経ると、セルロース成分およびデンプン双方の組合せをもたらす。本発明の様々な態様において、バイオマスは分離されずに、むしろバイオマスは直接ステップBに移される。図1のステップBにおいて、セルロース成分、デンプンまたはそれらの組合せは加水分解でグルコースのような糖に変換される。様々な態様において、“糖”と記されたボッ
クスはグルコース、デキストロース、キシロース、スクロース、フルクトース、アラビノース、グリセロール、他の糖または当業者に知られているポリオール類またはそれらの組合せなどを含むが、それらに限定されない。本発明の様々な態様において、原料バイオマスは加水分解で糖に変換される。本発明の様々な態様において、加水分解は酸加水分解である。本発明の他の態様において、加水分解は酵素加水分解である。グルコースのような糖を製造しうる加水分解法は当業界で周知である(2004年2月17日付で発行されたSchmidtらのUS特許No.6,692,578;1999年2月9日付で発行されたLightnerのUS特許No.5,868,851;1997年5月13日付で発行されたBrinkのUS特許No.5,628,830;1988年6月21日付で発行されたArenaらのUS特許No.4,752,579;1988年11月29日付で発行されたBarkerらのUS特許No.4,787,939;1993年6月22日付で発行されたBrinkのUS特許No.5,221,357;および1986年10月7日付で発行されたWrightのUS特許No.4,615,742参照)。ヘミセルロースの解重合でD‐キシロースおよびL‐アラビノースを生じるが、これらは化学製品の微生物合成用の代替出発物質として役立つ。植物油はバイオマスの他の成分である。植物油のエステル交換では、バイオディーゼルとして用いられるエステル化脂肪酸、および微生物合成で出発物質として使用に適した他のポリオールであるグルセロールに至る。本発明の様々な態様において、ステップBはグルコースを含むまたは含まない他の糖を製造する。
1960年代初期以降、日本の会社はグルコースのような糖から製造されるL‐リジンの発酵を完成させてきた。人間および動物とは異なり、Corynebacterium glutamicum菌はリジンを合成することができる。古典的な菌株の最適化から、細菌は大量のリジンを合成できるようになった。Corynebacterium glutamicum菌がグルコース、サトウキビおよび/または糖蜜のような原料糖をリジンへ変換する発酵層で製造が行なわれる。このようなプロセスは当業界で周知である(1961年4月11日付で発行されたKinoshitaらのUS特許No.2,979,439;1972年8月29日付で発行されたKuriharaらのUS特許No.3,687,810;1972年12月26日付で発行されたShiioらのUS特許No.3,707,441;1975年3月18日付で発行されたKubotaらのUS特許No.3,871,960;1981年6月23日付で発行されたTosakaらのUS特許No.4,275,157;1986年7月22日付で発行されたKanekoのUS特許No.4,601,829;1986年11月18日付で発行されたNakanishiらのUS特許No.4,623,623;1983年10月25日付で発行されたShimazakiらのUS特許No.4,411,997;1990年9月4日付で発行されたKatsumataらのUS特許No.5,954,411;1997年7月22日付で発行されたIshiiらのUS特許No.5,650,304;1993年10月5日付で発行されたMurakamiらのUS特許No.5,250,423;1989年10月29日付で発行されたSanoらのUS特許No.4,861,722;およびManufacturing of Stabilised Brown Juice for L-lysine Production - from University Lab Scale over Pilot Scale to Industrial Production,M.H.Thomsen et al.,Chem.Biochem.Eng.Q.,18(1)37-46(2004)参照)。
10%塩酸でpHを約4.5〜約4.7に調整するL‐リジン溶液の処理により塩酸L‐リジンを製造する。次いで、それを脱色するために活性炭と共に約80℃で約40分間加熱し、次いで濾過する。透明な濾液を真空下約40℃で蒸発させ、冷却し、約4℃で約24〜約36時間放置する。沈殿した結晶一塩酸L‐リジンを濾過により分離し、エタノールから反復結晶化により精製する。
ステップDは、先に本発明で記載されているように、塩酸L‐リジンからα‐アミノ‐ε‐カプロラクタムへの環化である。この1〜9のような例と、当業者に明らかとなるような変更例は、ステップDに関する条件および反応である。様々な態様において、L‐リジンが塩酸L‐リジンに変換されることはない。このような態様で、中和ステップはステップDから省ける。ステップEは、ここで記載されているように、α‐アミノ‐ε‐カプロラクタムからε‐カプロラクタムへの脱アミノ化である。例10〜16および当業者に明らかとなるような変更例は、ステップEで用いられる反応である。
ε‐カプロラクタムからナイロン6への重合はステップFであり、この反応は1938年1月28日頃ドイツのIG FarbenのPaul Schlackにより発明された。該反応はモノマーε‐カプロラクタムからの開環重合であり、ε‐カプロラクタムを約0.3%〜約10%水の存在下で約250℃に加熱することにより行なわれる。1938年12月27日付で発行されたSchlackのUS特許No.2,142,007および1941年5月6日付で発行されたSchlackのUS特許No.2,241,321参照。ε‐カプロラクタムからナイロン6への重合は当業界で周知である。このような重合の非制限例は次の通りである:ナイロン6は、加熱垂直流動管のVKチューブ(単純な連続を意味するドイツ語表記“vereinfacht Kontinuierlich”の略記)の主な使用で、カプロラクタムの加水分解重合により製造される。水0.3〜5%含有の溶融カプロラクタム、鎖長調節剤および必要であれば艶消剤が上記から供給され、ポリマー溶融物が反応器の底に降下する。典型的には、VKチューブは反応器に沿い温度プロファイルを形成する3つの熱交換器を備えている。VKチューブは下部のプラグフローゾーンおよび上部の混合/蒸発ゾーンからなる。上部の機能は反応塊を加熱して、過剰水を蒸発させ、こうしてポリマー溶融物中の総水分を調整することである。吸熱カプロラクタム開環反応、次いで発熱重付加および重縮合が始まる。中央熱交換器では、温度が管断面にわたり調整および均等化される。中央熱交換器を通過した後、温度は反応の熱のせいで約270〜280℃に上昇する。熱交換器の底は温度を240〜250℃に下げ、こうして平衡状態でより高い重合度に到達させる。同時に、ナイロン6へのより高いカプロラクタム変換度が得られる。管断面で滞留時間を一定にする特別にデザインされたインサートが適用される。16〜20時間が管内の平均滞留時間である。2.4〜2.8の比溶液粘度が一段階プロセスで得られる(溶媒:96%硫酸、濃度:1g/100mL、温度:25℃)。最大能力は130トン/日である。2段階技術では、前重合器が加圧および高水分下で操作され、次いで最終VK重合器が大気圧または真空下で操作される。前重合器中各種条件下で開環するカプロラクタムの高い反応速度のおかげで少ない総滞留時間で済み、300トン/日におよぶ非常に高い処理率に適したプロセスにしている。
図1で記載されているようなプロセスの様々な態様では、ステップEの副産物であるアミンがリサイクルされ、発酵の栄養素として窒素がステップCで加えられるように、添加が行なわれてもよい。他の態様では、発酵の栄養素として窒素がステップBで加えられるように、ステップEの副産物であるアミンがリサイクルされてもよい。代わりの態様において、当業者はリジンの一リン酸塩または二リン酸塩を沈殿させてもよい。ステップEから(上記アンモニアのような)リン酸リジンの環化に際して生じるリン酸ナトリウム塩(一塩基性または二塩基性)も、発酵の栄養素としてリンがステップCで加えられるようにリサイクルしてよい。
本発明の様々な態様において、バイオマスの一部は乳酸へ変換され、次いでステップDで用いられる1,2‐プロパンジオールへ水素化される。バイオマスを取り出してそれを乳酸へ変換するプロセスは当業界で周知である(2002年7月11日付で発行されたZhangらのUS特許No.6,403,844;1990年10月16日付で発行されたHangのUS特許No.4,963,486;1993年1月5日付で発行されたKampenのUS特許No.5,177,009;2003年8月26日付で発行されたBlankらのUS特許No.6,610,530;1998年8月25日付で発行されたPacatagioらのUS特許No.5,798,237;1996年10月14日付で発行されたKummらのUS特許No.4,617,090;Zhang,Z.,Jackson,J.E.,Miller,D.J.,Appl.Catal.A-Gen.,2001,219,89-98;Zhang,Z.,Jackson,J.E.,Miller,Ind.Eng.Chem.Res.,2002,41,691-696参照)。
ここで記載されている例および他の態様は例示であり、本発明の装置、システム、組成物、物質および方法の全範囲を記載する上で限定するわけではない。具体的な態様、装置、システム、組成物、物質および方法に相当する変更、修正、バリエーションも、本発明の範囲内において、実質的に類似した結果で行なえる。このような変更、修正またはバリエーションが発明の精神および範囲からの逸脱とみなされることはない。ここで引用されたすべての特許、並びにここで記載されているすべての文献、論文、小冊子および製品情報が、参考のためそれら全体でここに組み込まれる。
本発明は、詳細な説明と添付図面から更に詳しく理解されるようになるであろう。これらの図面は、このような態様の説明目的で、本発明の一般的特徴を例示するためにあることに留意すべきである。これらの図面は所定態様の特徴を正確に反映していないこともあり、本発明の範囲内で具体的態様を必ずしも限定または制限するものではない。ここで:
バイオマスをナイロン6へ変換するプロセスのブロック図である。

Claims (93)

  1. アルコールを含んでなる溶媒中でL‐リジンの塩を加熱することからなる、α‐アミノ‐ε‐カプロラクタムの合成方法。
  2. 更にα‐アミノ‐ε‐カプロラクタムを精製する、請求項1に記載の方法。
  3. 更にα‐アミノ‐ε‐カプロラクタムを結晶化させる、請求項1に記載の方法。
  4. 更に触媒の存在下で加熱する、請求項1に記載の方法。
  5. 触媒がAlである、請求項4に記載の方法。
  6. アルコールが2〜6の炭素を有している、請求項1に記載の方法。
  7. アルコールがジオールを含んでなる、請求項6に記載の方法。
  8. アルコールがトリオールを含んでなる、請求項6に記載の方法。
  9. アルコールがグリコールを含んでなる、請求項6に記載の方法。
  10. アルコールがエタノール、1‐プロパノール、1‐ブタノール、1‐ペンタノール、1‐ヘキサノール、1,2‐プロパンジオールおよびそれらの混合物からなる群からである、請求項6に記載の方法。
  11. アルコールが1,2‐プロパンジオールである、請求項10に記載の方法。
  12. 加熱がカプロラクタムの重合の温度未満である、請求項1に記載の方法。
  13. 加熱で水の共沸除去を行なう、請求項1に記載の方法。
  14. 加熱が還流により行なわれる、請求項1に記載の方法。
  15. 加熱が約99℃〜約201℃である、請求項1に記載の方法。
  16. アルコールを含んでなる溶媒中でL‐リジンの塩を加熱し;および
    反応生成物を脱アミノ化する;
    ことからなる、ε‐カプロラクタムの合成方法。
  17. ε‐カプロラクタムの収率が約70%より大きい、請求項16に記載の方法。
  18. 脱アミノ化が水の凝固点未満の温度における、請求項16に記載の方法。
  19. 温度が約−5℃〜約−20℃である、請求項18に記載の方法。
  20. アミンが溶媒洗浄で除去される、請求項16に記載の方法。
  21. 溶媒が水およびアルコールの混合液である、請求項20に記載の方法。
  22. 溶媒が水である、請求項20に記載の方法。
  23. 更にε‐カプロラクタムを精製する、請求項16に記載の方法。
  24. 精製が昇華による、請求項23に記載の方法。
  25. 更に触媒の存在下で加熱する、請求項11に記載の方法。
  26. 触媒がAlである、請求項25に記載の方法。
  27. アルコールが2〜6の炭素を有している、請求項16に記載の方法。
  28. アルコールがエタノール、1‐プロパノール、1‐ブタノール、1‐ペンタノールおよび1‐ヘキサノールからなる群からである、請求項16に記載の方法。
  29. アルコールが1,2‐プロパンジオールである、請求項16に記載の方法。
  30. 加熱がカプロラクタムの重合の温度未満である、請求項16に記載の方法。
  31. 加熱で水の共沸除去を行なう、請求項16に記載の方法。
  32. 加熱が還流により行なわれる、請求項16に記載の方法。
  33. 加熱が約99℃〜約201℃である、請求項16に記載の方法。
  34. 脱アミノ化に水酸化カリウムおよびヒドロキシル‐O‐スルホン酸を用いる、請求項16に記載の方法。
  35. α‐アミノ‐ε‐カプロラクタムを製造するために、アルコールを含んでなる溶媒中でL‐リジンを加熱し;
    ε‐カプロラクタムを製造するために、α‐アミノ‐ε‐カプロラクタムを脱アミノ化し;および
    ε‐カプロラクタムをナイロン6に重合させる;
    ことからなり、ここでL‐リジンがバイオマスから得たものである、バイオマスをナイロン6へ変換する方法。
  36. 更にバイオマスから糖を産生する、請求項35に記載の方法。
  37. 更に糖をL‐リジンへ変換させる、請求項36に記載の方法。
  38. 糖をL‐リジンへ変換させるために更に発酵反応を用いる、請求項36に記載の方法。
  39. 更に脱アミノ化アミンを発酵反応へリサイクルする、請求項38に記載の方法。
  40. 更にバイオマスから乳酸を産生する、請求項35に記載の方法。
  41. 1,2‐プロパンジオールを製造するために更に乳酸を水素化する、請求項40に記載の方法。
  42. 更にアルコールとして1,2‐プロパンジオールを用いる、請求項41に記載の方法。
  43. 更に触媒の存在下で加熱する、請求項35に記載の方法。
  44. アルコールが2〜6の炭素を有している、請求項35に記載の方法。
  45. アルコールがジオールを含んでなる、請求項35に記載の方法。
  46. アルコールがトリオールを含んでなる、請求項35に記載の方法。
  47. アルコールがグリコールを含んでなる、請求項35に記載の方法。
  48. アルコールがエタノール、1‐プロパノール、1‐ブタノール、1‐ペンタノール、1‐ヘキサノール、1,2‐プロパンジオールおよびそれらの混合物からなる群からである、請求項35に記載の方法。
  49. アルコールが1,2‐プロパンジオールである、請求項48に記載の方法。
  50. 加熱がカプロラクタムの重合の温度未満である、請求項35に記載の方法。
  51. 加熱で水の共沸除去を行なう、請求項35に記載の方法。
  52. 加熱が還流により行なわれる、請求項35に記載の方法。
  53. 加熱が約99℃〜約201℃である、請求項35に記載の方法。
  54. ε‐カプロラクタムを合成し;
    ε‐カプロラクタムを重合させる;
    ことからなり、ここでε‐カプロラクタムがL‐リジンから得たものである、ナイロン6の製造方法。
  55. 糖をL‐リジンへ変換させるために更に発酵反応を用いる、請求項54に記載の方法。
  56. 更に脱アミノ化アミンを発酵反応へリサイクルする、請求項55に記載の方法。
  57. アルコールを含んでなる溶媒中でL‐リジンの塩を還流することからなる、α‐アミノ‐ε‐カプロラクタムの合成方法。
  58. アルコールが約2〜約6の炭素を含んでなる、請求項57に記載の方法。
  59. アルコールがエタノール、1‐プロパノール、1‐ブタノール、1‐ペンタノール、1‐ヘキサノール、1,2‐プロパンジオールおよびそれらの混合物からなる群からである、請求項57に記載の方法。
  60. アルコールを含んでなる溶媒中におけるL‐リジンの還流が、カプロラクタムの重合の温度未満である、請求項57に記載の方法。
  61. アルコールを含んでなる溶媒中におけるL‐リジンの還流で、水の共沸除去を行なう、請求項57に記載の方法。
  62. アルコールを含んでなる溶媒中におけるL‐リジンの還流が、約99℃〜約201℃である、請求項57に記載の方法。
  63. 反応生成物を製造するために、アルコールを含んでなる溶媒中でL‐リジンを加熱し;および
    ε‐カプロラクタムを製造するために、反応生成物を脱アミノ化する;
    ことからなる、ε‐カプロラクタムの合成方法。
  64. ε‐カプロラクタムの収率が約70%より大きい、請求項63に記載の方法。
  65. ε‐カプロラクタムを製造するための反応生成物の脱アミノ化が、水の凝固点未満の温度における、請求項63に記載の方法。
  66. 温度が約−5℃〜約−20℃である、請求項65に記載の方法。
  67. 更にε‐カプロラクタムを昇華により精製する、請求項63に記載の方法。
  68. 反応生成物を製造するために、アルコールを含んでなる溶媒中におけるL‐リジンの加熱が、触媒の存在下における、請求項63に記載の方法。
  69. 触媒がAlである、請求項68に記載の方法。
  70. アルコールが約2〜約6の炭素を含んでなる、請求項63に記載の方法。
  71. アルコールがエタノール、1‐プロパノール、1‐ブタノール、1‐ペンタノール、1‐ヘキサノール、1,2‐プロパンジオールおよびそれらの混合物からなる群からである、請求項63に記載の方法。
  72. 反応生成物を製造するために、アルコールを含んでなる溶媒中におけるL‐リジンの加熱が、カプロラクタムの重合の温度未満である、請求項63に記載の方法。
  73. 製造するためにアルコールを含んでなる溶媒中におけるL‐リジンの加熱で、水の共沸除去を行なう、請求項63に記載の方法。
  74. 反応生成物を製造するために、アルコールを含んでなる溶媒中におけるL‐リジンの加熱で、還流を用いる、請求項63に記載の方法。
  75. 反応生成物を製造するために、アルコールを含んでなる溶媒中におけるL‐リジンの加熱が、約99℃〜約201℃である、請求項63に記載の方法。
  76. ε‐カプロラクタムを製造するための反応生成物の脱アミノ化に、水酸化カリウムおよびヒドロキシル‐O‐スルホン酸を用いる、請求項63に記載の方法。
  77. バイオマスをL‐リジンへ変換し;
    α‐アミノ‐ε‐カプロラクタムを製造するために、アルコールを含んでなる溶媒中でL‐リジンを還流し;
    ε‐カプロラクタムを製造するために、α‐アミノ‐ε‐カプロラクタムを脱アミノ化し;および
    ε‐カプロラクタムをナイロン6に重合させる;
    ことからなる、バイオマスをナイロン6へ変換する方法。
  78. バイオマスをL‐リジンへ変換するために更に発酵反応を用いる、請求項77に記載の方法。
  79. 更に脱アミノ化アミンを発酵反応へリサイクルする、請求項78に記載の方法。
  80. 更にバイオマスから乳酸を産生する、請求項77に記載の方法。
  81. 1,2‐プロパンジオールを製造するために更に乳酸を水素化する、請求項80に記載の方法。
  82. 更にL‐リジンを還流するためのアルコールとして1,2‐プロパンジオールを用いる、請求項81に記載の方法。
  83. α‐アミノ‐ε‐カプロラクタムを製造するために、アルコールを含んでなる溶媒中におけるL‐リジンの還流に際して、更に触媒の存在下で還流する、請求項77に記載の方法。
  84. アルコールが約2〜約6の炭素を含んでなる、請求項77に記載の方法。
  85. アルコールがエタノール、1‐プロパノール、1‐ブタノール、1‐ペンタノール、1‐ヘキサノール、1,2‐プロパンジオールおよびそれらの混合物からなる群からである、請求項77に記載の方法。
  86. α‐アミノ‐ε‐カプロラクタムを製造するために、アルコールを含んでなる溶媒中におけるL‐リジンの還流が、カプロラクタムの重合の温度未満である、請求項77に記載の方法。
  87. α‐アミノ‐ε‐カプロラクタムを製造するために、アルコールを含んでなる溶媒中におけるL‐リジンの還流で、水の共沸除去を行なう、請求項77に記載の方法。
  88. α‐アミノ‐ε‐カプロラクタムを製造するために、アルコールを含んでなる溶媒中におけるL‐リジンの還流が、約99℃〜約201℃である、請求項77に記載の方法。
  89. L‐リジンからε‐カプロラクタムを合成し;および
    ε‐カプロラクタムをナイロン6に重合させる;
    ことからなる、ナイロン6の製造方法。
  90. バイオマスをL‐リジンへ変換させるために更に発酵反応を用いる、請求項89に記載の方法。
  91. 更に脱アミノ化アミンを発酵反応へリサイクルする、請求項90に記載の方法。
  92. 更にバイオマスから乳酸を産生する、請求項90に記載の方法。
  93. 1,2‐プロパンジオールを製造するために更に乳酸を水素化する、請求項92に記載の方法。
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