JP5229917B2 - 乳酸オリゴマーおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、乳酸から簡易に乳酸オリゴマーを製造する方法に関するものである。

健康寿命の延伸と生活の質の向上を目的として、厚生労働省は、今世紀の国民健康づくり運動「健康日本２１」を策定し、その実現を目指し、様々な対策を講じている。このため、安全で効果的な医薬品や各種医薬・治療材料、保健食品、サプリメント類の開発が進められており、中でも機能の設計が天然品に比べて容易でかつ高い性能を発揮させやすい合成高分子の活用が期待されている。
トウモロコシやサトウキビ等の様々な植物から得られる乳酸を原料として製造されるポリ乳酸の内、高分子量体（分子量数万〜１０万）は、バイオマスプラスチックとして、各種成型品の形で大量に利用されている。また、生体内分解吸収性があり、生体内で被酵素的に加水分解され、その分解物の乳酸はさらに組織内で代謝され二酸化炭素まで酸化されることから、この特性を活かして手術用の吸収性縫合糸や、ペレットあるいはマイクロカプセルとして制癌剤やホルモン等の除放性医薬品担体にも利用されている。

従来、このようなポリ乳酸（分子量数万〜約１０万）は、図５に示されるように、概ね以下の二つの方法で製造されている。
第一の方法はラクチド法と呼ばれ、乳酸を原料とし、スズ化合物などを触媒として、一旦、分子量２０００程度のオリゴマーを合成し、これを加熱・環化解重合して環状二量体（ラクチド）を合成し、これを分離・精製したのち、これをスズなどの触媒を用いて開環重合してポリ乳酸を合成するものである。
第二の方法は直接法と呼ばれ、同じく、乳酸を原料とし、スズ化合物などを触媒として、一旦、分子量２０００程度のオリゴマーを合成し、これをスズなどの触媒の存在下で加熱脱水して分子量数千の重合物を合成し、さらに数段階の加熱脱水反応を経てポリ乳酸を合成する。

しかし、これらの製造法は、共に、通常、１３〜２７００Ｐａの減圧下、１８０〜２７０℃の高温で１日〜１０数日間反応させ合成するのが一般的で、大量のエネルギーと時間を要する高コスト反応となっている［例えば、非特許文献１］。

また、合成されたポリ乳酸には、有害なスズ触媒や各種添加剤が残存するが、これらの異物を除去することは非常に困難である。さらに、高温・長時間反応により反応式から推測される線状体および環状体に加え、ヒドロキシル基およびカルボキシル基以外の末端基を有する線状体や分岐構造体など様々な異種構造物が含まれており、ポリマーとしての純度は高いとは言えない。
すなわち、ポリ乳酸をプラスチック材料として用いる場合、不純物として含まれる異種構造物は、他の縮合系高分子と同様に、機械的物性等を低下させるとして、市場で大きな問題となる。ポリ乳酸の製造においては、長時間・高温の熱履歴を受けることが異種構造物を増加させる要因になることが判っている［例えば、非特許文献２］。

更に、これらの製造法では、いずれも乳酸オリゴマーを経由するものであり、この乳酸オリゴマーの合成が鍵となっており、これをいかに効率的に進めるかがポリ乳酸のコスト低減に大きな影響を与える。

ところで、乳酸オリゴマーは、ポリ乳酸の中間体として利用される他、安全性が高く、脂質代謝やガン細胞のエネルギー代謝の根幹である嫌気性解糖系に影響を及ぼす作用が見いだされるなど、栄養関連疾患における体内変化を修復・正常化する作用のある画期的な機能性食品として実用化が始まっている［例えば、非特許文献３］。
この機能性食品用の乳酸オリゴマー（分子量２０００以下）は、体内に直接導入されることから、有毒なスズ化合物等の使用をできる限り控えなければならず、このため低分子量体にもかかわらず、その合成にはかなり手間がかかることになる。すなわち、現在、このオリゴマーは、乳酸を減圧下で約１日加熱し、これを乾燥して製品粉末を得ており、反応時間が長く、このため様々な異種構造体が副生し易いなど、製造上および特性上に問題を抱えている。
たとえば、このような乳酸オリゴマーを機能性食品として利用する場合、線状の縮合物と環状の縮合物では、生理活性が異なり、それぞれ別種の疾病改善・予防を想定した製品に利用されることが考えられるため、線状、環状の作り分け、もしくはどちらかを優位に多く含む生成物を得る手法の開発が望まれている。

また、中分子量の乳酸オリゴマー（分子量約５０００〜）は、除放性医薬品担体として実用化されている。薬物除放期間を制御するために、オリゴマーの分子量を変化させたり、グリコール酸など乳酸以外のヒドロキシカルボン酸と共重合させる等の工夫がなされている。
乳酸オリゴマーを除放性医薬品担体を始めとする医療用途に用いる場合においても、安全性の観点から、有害な金属触媒の不使用、副生不純物の極少化が課題となっている。

したがって、有害な触媒や溶媒、添加剤などを使用しない安全かつ効率的な乳酸オリゴマーの製造方法が見出されれば、ポリ乳酸の中間体としての需要にとどまらず、医薬・生体関連用材料としての利用分野も大きく進展・拡大するものと期待される。

本発明者らは、上述のポリ乳酸の直接合成法において、スズなどの金属触媒とマイクロ波を併用すると、これまでの単純加熱法に比べて１０倍以上加速し、分子量約２万のポリ乳酸がわずか約３０分で生成することを先に報告している［非特許文献４］。
このポリ乳酸の直接合成法は、クリーンで低コストであり、簡便でありながら短時間に高収率で目的生成物が得られる場合が多いことから、工業的にも有望視されている。
しかし、この方法は、高分子量のポリ乳酸の合成を目的としたものであって、低分子量の乳酸オリゴマーの効率的な製法に関するものではなく、またスズなどの金属触媒の使用を必須とし、このような触媒が存在しないとポリ乳酸が得られないとしており、有害な触媒や溶媒、添加剤などを使用せずに、安全かつ効率的に乳酸オリゴマーを合成する方法に関しては何ら教示するものではなかった。

また、家庭用電子レンジを用い、乳酸を重縮合反応させて乳酸オリゴマーを得る方法も提案されている［非特許文献２］が、この方法では、温度のコントロールが不能で、かつ常圧下で行うため、生成する乳酸オリゴマーの一次構造の制御は不可能で、当該方法により得られた乳酸オリゴマーは、線状構造体と環状構造体の混合物で、その上構造不明の成分も多く含み純度の低いものであった。

「ポリ乳酸」高分子刊行会 １９９７、ｐ１４ Ｍａｃｒｏｍｏｌ．Ｒａｐｉｄ Ｃｏｍｍｕｎ．２００１，２２，１０６３ 薬学雑誌、１２６（３）、ｐ２８−３２（２００６） Ｍａｃｒｏｍｏｌ．Ｒａｐｉｄ Ｃｏｍｍｕｎ．２００７，２８，４３７

本発明は、従来の技術における上記した実状に鑑みてなされたものであり、その目的は、高純度で衛生上安全な乳酸オリゴマーを低コストで短時間に得ることができる簡易な製造方法を提供することにある。

本発明者らは、前記した乳酸オリゴマーの製法に関する従来の問題点を解消すべく鋭意検討を重ねた結果、触媒および溶媒の非存下、特定な減圧条件下において、乳酸水溶液にマイクロ波を照射すると、従来の加熱方法に比較して重縮合反応が促進されると共に乳酸オリゴマーの純度も極めて高くなることを知見し、本発明を完成させるに至った。
すなわち、この出願によれば、以下の発明が提供される。
〈１〉乳酸水溶液をマイクロ波の照射下、重合触媒および有機溶剤の非在下で、重合温度１００〜２５０℃の重縮合反応に付して、平均分子量Ｍ _ｗ が４００〜５０００又は５０００〜２００００の乳酸オリゴマーを製造する方法において、該重縮合反応を、初期は常圧で行い、その後、段階的に減圧し、最終圧力を２０００Ｐａ以下とする減圧下で行うことを特徴とする乳酸オリゴマーの製造方法。
〈２〉乳酸オリゴマーに含まれる環状乳酸オリゴマーの含有量が乳酸オリゴマーの全量の０〜４重量％であることを特徴とする〈１〉に記載の乳酸オリゴマーの製造方法。
〈３〉乳酸オリゴマーに含まれる、ヒドロキシル基およびカルボキシル基以外の末端基を有する線状乳酸オリゴマーの含有量が乳酸オリゴマーの全量の０〜４重量％であることを特徴とする〈１〉又は〈２〉に記載の乳酸オリゴマーの製造方法。

本発明によれば、短時間に安全で簡易な方法により、環状オリゴマーの生成が抑制され、また異種構造物や分岐構造物を殆ど含有しない高純度の乳酸オリゴマーを製造することができる。

実施例１で得た乳酸オリゴマーのＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳの解析スペクトル 実施例２で得た乳酸オリゴマーのＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳの解析スペクトル 比較例１で得た乳酸オリゴマーのＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳの解析スペクトル 比較例２で得た乳酸オリゴマーのＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳの解析スペクトル ポリ乳酸の合成方法の説明図

本発明に係る、乳酸水溶液をマイクロ波の照射下で重縮合反応に付して乳酸オリゴマーを製造する方法は、該縮合反応を、重合触媒および溶媒の非存下で、減圧下で行うことを特徴としている。
本発明でいう、乳酸オリゴマーには、低分子量オリゴマーおよび中分子量オリゴマーが包含される。低分子量オリゴマーとしては、平均分子量Ｍ_ｗが４００〜５０００、殊に、４００〜２０００であるものが好ましい。中分子量オリゴマーとしては、平均分子量Ｍ_ｗが５０００〜２００００、殊に、５０００〜１００００であるものが好ましい。

原料として用いる乳酸水溶液は特に制約されず、Ｄ−乳酸、Ｌ−乳酸、ＤＬ−乳酸のいずれを用いてもよく、好ましくは一般に入手可能な水溶液状の乳酸を用いる。またこれらの乳酸は単独でも２種以上を混合して用いても良い。

本重縮合反応は、マイクロ波照射下で行われる。マイクロ波の出力に特に制限はないが、最大出力３００Ｗ〜１０ＫＷの装置を用いることが望ましい。この場合、マイクロ波を連続照射してもよいが、照射により反応系内は速やかに所望の温度に上昇するため、必ずしも連続してマイクロ波を照射せずに間欠的に照射することも可能である。また、最適な重合反応温度に達した後、一定の温度を保持できるようにマイクロ波出力を制御することが望ましい。

マイクロ波照射のマグネトロン周波数としては３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚ程度のものであれば使用可能であるが、入手容易性の観点からみて２，４５０ＭＨｚのものが好ましく使用される。

本重縮合反応の反応圧力は、反応初期は、モノマーないし数量体が蒸発することを防ぐために常圧としても差し支えないが、重合の進行とともに逆反応の影響が強くなり、ある段階からは重合度が上昇しにくくなることを防ぐために、初期重縮合反応の終了時点以降は減圧にすることが好ましい。そして、最終圧力は２０００Ｐａ以下に設定しておくことが望ましい。これは、触媒を用いずとも重縮合反応を進行させるには、より効率的な水の除去が必須であり、本発明で行う重合反応の温度条件範囲においては、上記に説明した圧力が最低限必要であるという理由による。

本発明で好ましく採用される態様は、初期重縮合反応は常圧で行い、その後、減圧下で反応を行うものである。ここで、初期重縮合反応とは、平均分子量M_wが４００程度に到達、即ち、５量体程度まで重合が進行した時点を意味する。
初期重縮合反応の終了は、常圧において、水の留出がほぼ終了した時点を基準として判定することができる。
初期重縮合反応の終了後、減圧にするが、急激な減圧は重合系内に残存するモノマーないし４量体程度の重合物の蒸発の原因となるので好ましくなく、段階的に圧力を下げることが好ましい。たとえば、減圧の開始から５分間かけ１００００Ｐａまで徐々に減圧し、次の５分間で４０００Ｐａとし、次の１０分間で１０００Ｐａとするなどのように徐々に減圧にしておくことが望ましい。本重縮合反応はこのような減圧により反応圧力を低下させて行うが、最終反応圧力は２０００Ｐａ、好ましくは１４００Ｐａ以下、更に１００Ｐａ以下とすることが最も好ましい。
本発明においては、このような特有な減圧条件を採用することにより、重合触媒や有機溶媒の非在下でも高純度の乳酸オリゴマーを収率良く合成することができる。

また、反応時間は、限定されないが、好ましくは５〜６０分の範囲である。より重合度を高めたい場合においては、圧力を下げ、反応時間を延長する、逆に、より重合度を下げたい場合においては、圧力を上げ、反応時間を短縮するというように、上記の条件の組み合わせにより、乳酸オリゴマーの品質を制御することが可能である。

重合温度は特に制限はないが、生成物の品質の制御・管理等の点からみて、１００〜２５０℃、好ましくは１４０〜２００℃に設定しておくことが望ましい。１００℃未満では重合反応が進行しない場合があり、他方２５０℃を越える場合には、目的生成物中に異種構造体が生成し、所望のものが得られない或いは着色の原因となるなどの好ましくない副反応が進行する。さらに、重合温度によって生成物の線状・環状構造の組成を変化させることが可能となる。また、従来環状物の生成が促進されやすかった温度においても、マイクロ波反応によれば、迅速、過度の熱履歴を受けないという特長を利用して、線状物を選択的に得ることも可能である。

上記の重合方法を採用することにより、低分子量オリゴマーにあっては、平均分子量Ｍ_ｗが４００〜５０００のもの、中分子量オリゴマーでは、平均分子量Ｍ_ｗが５０００〜２００００のものであって、環状乳酸オリゴマーの含有量が乳酸オリゴマーの全量の０〜４重量％であり、ヒドロキシル基およびカルボキシル基以外の末端基を有する線状乳酸オリゴマーの含有量が乳酸オリゴマーの全量の０〜４重量％であり、他の不純物を殆ど含有しない高純度の乳酸オリゴマーを高収率で得ることができる。

合成の操作は、限定されるわけではないが、以下に典型的な方法を示す。
反応原料の乳酸を重合反応器に供給する。撹拌は必ずしも必要ではないが、均一な生成物を得るため行ってもよい。反応は空気中で行ってもよいが、副生物の生成を防ぐために窒素などの不活性気体中に行ってもよい。反応が進行するに従って、脱離する水が留出するため、これを取り除くための排気装置を取り付ける。同時に窒素などの不活性気体を反応系内に送り、水の留出を促してもよい。

本発明では、マイクロ波加熱という簡易な方法を用いて、短時間で、ヒドロキシル基およびカルボキシル基末端のみを有する線状構造体からなる高純度の乳酸オリゴマーを容易に製造することができる。
特に、スズ化合物のような有害な金属触媒や、炭化水素類、ハロゲン化炭化水素類のような有機溶剤を用いることなく、高純度の乳酸オリゴマーを短時間で製造することができるので、添加物や有機溶剤残渣、並びに異種構造を含まない、高純度乳酸オリゴマーの工業的生産に最適な製法であるといえる。
そして、この高純度乳酸オリゴマーは、特に医薬品中間体や医薬・生体関連材料等に適した安全・高純度なポリ乳酸の中間体として、またそのままで安全な機能性食品等にも利用可能であり、これらの製品の安全度を向上させるとともに用途を拡大させるといった多くの利点を有するものである。

以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。

実施例１
メカニカル攪拌機を備えた容量３００ｍＬの耐熱ガラス製反応器に排気装置（油回転式ポンプ）を接続した。反応器に８６．４％のＬ−乳酸水溶液２５５．７ｇを入れ、窒素雰囲気下、周波数２４５０ＭＨｚ、最大出力１．５ｋＷのキャビティ型マイクロ波照射装置を用いて反応を行った。マイクロ波出力は設定温度に従い制御されるよう設定した。始め、常圧下、反応物を室温より毎分約２０℃の速さで昇温し、２００℃で１５分間撹拌した。その後約２０分かけて減圧し、最終的に１４００Ｐａとした。更に１０分間照射を続け、無色透明の高粘稠な生成物を得た。収率は７５％であった。
得られた乳酸オリゴマーの平均分子量をＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳを用いて解析した結果、Ｍ_ｗは１０７０、Ｍ_ｎは９６０であった。
この乳酸オリゴマーはクロロホルム、アセトニトリル等の溶媒に全て可溶であった。また、そのＧＰＣチャートはモノモーダル分布を呈しており、分岐などの不純物構造が含まれないことを示唆するものであった。
更に、この乳酸オリゴマーをＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳを用いて解析した結果を図１に示す。この図１の解析スペクトルから、この乳酸オリゴマーの基本単位はほぼ線状であり、線状構造／環状構造の構成比は９９．１／０．９（モル比、本例においては重量比と同等）であった。ヒドロキシル基およびカルボキシル基末端以外の線状構造物は検出されなかった。なお、留出成分中に回収された乳酸モノマーは６．１ｇであった。

実施例２
メカニカル攪拌機を備えた容量１００ｍＬの耐熱ガラス製反応器に排気装置（油回転式ポンプ）を接続した。反応器に８６．４％のＬ−乳酸水溶液３４．８ｇを入れ、窒素雰囲気下、周波数２４５０ＭＨｚ、最大出力３００Ｗのフォーカスドシングルモード型マイクロ波照射装置を用いて反応を行った。マイクロ波出力は設定温度となるよう手動で制御した。始め、常圧下、反応物を室温より約１５分間かけ徐々に昇温し、１８０℃で４５分間撹拌した。その後約２５分かけて減圧し、最終的に１５０Ｐａとした。このまま照射を続け、マイクロ波照射開始から７２０分で反応を終了し、無色透明の固体状生成物を得た。収率は９５％であった。
得られた乳酸オリゴマーの平均分子量をＧＰＣを用いて解析した結果、Ｍ_ｗは６８００、Ｍ_ｎは３５００であった。
この乳酸オリゴマーはクロロホルムに全て可溶であった。また、そのＧＰＣチャートはモノモーダル分布を呈しており、分岐などの不純物構造が含まれないことを示唆するものであった。
更に、この乳酸オリゴマーをＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳを用いて解析した結果を図２に示す。この図２の解析スペクトルから、この乳酸オリゴマーの基本単位は全て線状であった。ヒドロキシル基およびカルボキシル基末端以外の線状構造物は検出されなかった。

比較例１
Ｌ−乳酸水溶液５００ｍＬを窒素気流下、１４０℃／１０万〜４０００Ｐａの条件で段階的に２時間加熱し、さらに１４０℃／１３００Ｐａにて３時間加熱することにより無色透明の乳酸オリゴマーを約３５０ｇ得た（収率８５％）。
得られた乳酸オリゴマーの平均分子量をＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳを用いて解析した結果、Ｍ_ｗは１１１０、Ｍ_ｎは１０００であった。
この乳酸オリゴマーをＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳを用いて解析した結果を図３に示す。この図３の解析スペクトルから、この乳酸オリゴマーの基本単位はほぼ線状であり、線状構造／環状構造の構成比は９５．８／４．２（モル比、本例においては重量比と同等）であった。ヒドロキシル基およびカルボキシル基末端以外の線状構造物は検出されなかった。

比較例２
８６．４％のＬ−乳酸水溶液４．９５ｇを３０ｃｃの耐熱ガラス製ビーカーに入れ、電子レンジ（Ｎａｔｉｏｎａｌ ＮＥ−ＥＨ２）のターンテーブル中央に置き、５００Ｗの出力で３０分間加熱した。生成物は淡褐色透明固体、収率３９％であった。
得られた乳酸オリゴマーの平均分子量をＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳを用いて解析した結果、Ｍ_ｗは１５３０、Ｍ_ｎは１３４０であった。
ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳの結果を図４に示す。この図４の解析スペクトルから、このオリゴマーの基本単位は３種類存在し、
１．片側ヒドロキシル基、片側カルボキシル基末端を有する線状体（７３．０４％）
２．未同定の線状体（１５．５３％）
３．環状体（１１．４３％）
と帰属された（モル％、本例においては重量％と同等）。

Claims (3)

1. 乳酸水溶液をマイクロ波の照射下、重合触媒および有機溶剤の非在下で、重合温度１００〜２５０℃の重縮合反応に付して、平均分子量Ｍ _ｗ が４００〜５０００又は５０００〜２００００の乳酸オリゴマーを製造する方法において、該重縮合反応を、初期は常圧で行い、その後、段階的に減圧し、最終圧力を２０００Ｐａ以下とする減圧下で行うことを特徴とする乳酸オリゴマーの製造方法。
2. 乳酸オリゴマーに含まれる環状乳酸オリゴマーの含有量が乳酸オリゴマーの全量の０〜４重量％であることを特徴とする請求項１に記載の乳酸オリゴマーの製造方法。
3. 乳酸オリゴマーに含まれる、ヒドロキシル基およびカルボキシル基以外の末端基を有する線状乳酸オリゴマーの含有量が乳酸オリゴマーの全量の０〜４重量％であることを特徴とする請求項１又は２に記載の乳酸オリゴマーの製造方法。