JP6073044B2 - 天然脂肪酸の発酵で得られる不飽和二酸のメタセシスによる脂肪二酸の合成方法 - Google Patents

Description

本発明は、天然のモノ不飽和脂肪酸または脂肪酸エステルから出発する飽和または不飽和の短鎖の脂肪ジアシッド（二酸）またはジエステルのクロス-メタセシス（metathese croisee）による合成方法に関するものである。

最もよく知られた不飽和ジアシッドまたはジエステルは４〜６個の炭素原子を有する鎖から成るもの、例えばC4酸のマレイン酸、フマル酸、C5酸のシトラコン酸、メサコン酸、イタコン酸、C６酸の2-メチレングルタル酸およびムコン酸である。一方、長鎖ジアシッドで重要なのは一般に不飽和カルボン酸の縮合で得られるダイマーのみである。これらジアシッドの性質、合成法および用途は非特許文献1に記載されている。

飽和ジアシッドは種々の方法で工業的に得られるが、いくつかの欠点がある。その概要は上記非特許文献１の第523〜536頁に記載されている。これらの方法は植物脂肪酸の劣化方法、例えばオゾン分解または酸化反応によって区別できる。

オレイン酸、ペトロセリン酸およびエルカ酸のオゾン分解によって炭素原子数がそれぞれ９、６、１３から成るジアシッドが製造できる。上記の式はペトロセリン酸の反応プロセスを示す。

他の例はリシノール酸を180℃以上の温度で水酸化ナトリウムの作用で開裂する方法である。工業的に用いられているこの方法で炭素原子数が１０のジアシッドを得ることができる。同じ方法をレケロ（lesquerolic）酸に適用すると下記の式に示すような炭素原子数が１２のジアシッドが形成される。この方法は再生可能な出発材料を使用できるという利点があるが、基本的にあまり知られていないC10ジアシッドであるレケロ酸に限定される。従って、この方法もほとんど使用されていない。

また、モノカルボン酸をＮ₂Ｏ₄の作用で酸化分解する方法も挙げられる。ステアリン酸の酸化反応でセバシン酸とカプリル酸の混合物が得られ、パルミチン酸からはコルク酸を得ることができる。
また、さらに小さい分子からジアシッドを得るために、カルボニル化の変形方法を用いることもできる。

最後に、パラフィン系炭化水素や飽和または不飽和脂肪酸エステル基材のイースト、真菌またはバクテリアによる発酵して、基材の化合物を酸化させる方法を挙げることができる。この方法が非特許文献２や特許文献２〜８に記載されている。この方法は各種の長鎖ジアシッドを得ることができる。

化学産業、特にポリマー、例えばジアシッド／ジアミン型ポリアミドやテクニカルポリマーの生産分野では、飽和または不飽和ジアシッドの全ての範囲を利用できることが必要である。これらのジアシッドは簡単な化学反応によって同じ鎖長のジアミンに変換可能な出発材料から構成される。不飽和ジアシッドは高級ポリマーのモノマーとして使われる。

欧州特許第０，３４６，２４１号公報 フランス特許第FR2445 374号公報 米国特許第US 4474 882号明細書 米国特許第US 3 823 070号明細書 米国特許第US 3 912 586号明細書 米国特許第US 6 660 505号明細書 米国特許第US 6 569 670号明細書 米国特許第US 5 254 466号明細書

Ulimann's Encylopedia, Vol. A8, p 533-536 W. H. Eschenfeldt et al., "Transformation of Fatty Acids Catalyzed by Cytochrome P450 Monooxygenase Enzymes of Candida tropicalis

従って、天然起源の再生可能な材料を使用して、実質的ほぼ全ての範囲の飽和または不飽和なジアシッドを得ることができる型のプロセスを見出す必要がある。
本発明の目的は、天然起源の脂肪酸から出発して、下記一般式：
ＲＯＯＣ−（ＣＨ₂）_n−（ＣＨ＝ＣＨ）_a−（ＣＨ₂）_m−ＣＯＯＲ
の全ての範囲の飽和または不飽和のジアシッドまたはジエステルを製造する方法を提起することにある。

本明細書ではジアシッドとジエステルとを区別しないで「ジアシッド」という用語で表すことにする。すなわち、本発明方法では脂肪酸を酸の形でも、エステルの形でも処理できる。その一つの形から他方の形へはアルコーリシス、エステル化または加水分解によって簡単に変えることができる。

本発明の解決方法は、天然の長鎖のモノ不飽和脂肪酸から出発し、それを発酵によってジアシッドに酸化し、それをアクリル型化合物でクロス-メタセシスする。上記の天然の長鎖の脂肪酸は植物または動物資源から得られる酸を意味し、藻を含み、一般には植物、従って１分子当り少なくとも１０個、好ましくは少なくとも１４個の炭素原子を有する再生可能な植物界を含む。

そうした脂肪酸の例としては下記を挙げることができる：C10酸、オブツシル酸（シス-4-デセン酸）、カプロレン酸（シス−9-デセン酸）、C12酸、ラウロレン酸（シス-5-ドデセン酸）、リンデリン酸（シス-4-ドデセン酸）、C14酸、ミリストレイン酸（シス-9-テトラデセン酸）、フィセテリン酸（シス-5-テトラデセン酸）、ツズ酸（シス-4-テトラデセン酸）、C16酸、パルミトオレイン酸（シス-9-ヘキサデセン酸）、C18酸、オレイン酸（シス−９−オクタデセン酸）、エライジン酸（トランス−9−オクタデセン酸）、 バシン酸（シス-11-オクタデセン酸）、リシノレイン酸（12-ヒドロキシ-シス-9-オクタデセン酸）、 リシノール酸（12-ヒドロキシ-シス-9-オクタデセン酸）、C20酸、ガドレン酸（シス-9-エイコセン酸）、ゴンド酸（シス-11-エイコセン酸）、シス-5-エイコセン酸、レスケロリン酸（14-ヒドロキシ-シス-11-エイコセノ酸）、C22酸、セトレイン酸（シス-11-ドコセノ酸）、エルカ酸（シス-13-ドコセノ酸）。

これらの多様な酸は各種の植物、例えばヒマワリ、菜種、ヒマ、bladderpod、オリーブ、大豆、掌木、コエンドロ、オランダミツバ、イノンド、ニンジン、ウイキョウ、またはリメントアルバ（メドウフォーム）等の植物から抽出される植物油から得られる。

また、陸上または海中の動物界からも得られる。後者の場合には魚や藻や哺乳類の形で得られ、一般には魚、例えばタラや、海洋哺乳類、例えば鯨類またはドルフィン等の脂肪から得られる。

本発明は、短鎖の脂肪酸またはエステルの合成に関するものである。本発明で短鎖のジアシッドまたはジエステルとは主鎖中に６〜１６の互いに隣接する炭素原子を有する分子を意味し、それより高級な出発ジアシッドから合成され、出発不飽和脂肪酸またはエステルの主鎖の長さに対する主鎖の長さの比が0.35〜0.9、好ましくは0.4〜0.8、より好ましくは0.5〜0.7である分子を意味する。

本発明は、下記一般式：
ＣＨ₃−（ＣＨ₂）_p−ＣＨ＝ＣＨ−（ＣＨ₂）_q−ＣＯＯＲ
（ここで、ＲはＨまたは１〜４つの炭素原子を有するアルキル基を表し、ｐとｑは２〜１１の指数で、互いに同一でも異なっていてもよい）
の１分子当り少なくとも１０個の隣接炭素原子を有する天然の長鎖の不飽和脂肪酸またはエステルから出発して、
下記一般式：
ＲＯＯＣ−（ＣＨ₂）_n−（ＣＨ＝ＣＨ）ａ−（ＣＨ₂）_mＣＯＯＲ₁
（ここで、ｎとｍはそれぞれ整数を表し、互いに同一でも異なっていてもよく、両者の合計は６〜１５であり、ａは０または１に等しい指数を表し、ＲとＲ₁はＨまたは１〜４つの炭素原子を有するアルキル基を表す）
のジアシッドまたはジエステルを合成する方法であって、
第１段階で、微生物による発酵によって上記の天然の脂肪酸またはエステルを少なくとも一つのモノ不飽和ジカルボン酸またはジカルボキシレートへ酸化し、
第２段階で、第１段階の生成物を式：
Ｒ₂ＯＯＣ−（ＣＨ₂）ｘ−ＣＨ＝ＣＨ−Ｒ₃、
（ここで、Ｒ₂はＨまたは１〜４つの炭素原子を有するアルキル基、ｘは０、１または２であり、Ｒ₃はＨ、ＣＨ₃またはＣＯＯＲ₂で、最後の場合は環状分子を形成していてもよい）
の化合物でクロス−メタセシスして、下記式：
ＲＯＯＣ−（ＣＨ₂）_q−ＣＨ＝ＣＨ（ＣＨ₂）_x−ＣＯＯＲ₂
の不飽和化合物とし、
第３段階（任意段階）で、二重結合の水素化によって不飽和化合物を飽和化合物に変換する。

上記のクロス-メタセシスはアクリル酸を用いて実行される。その場合はＲ₂＝Ｈ、ｘ＝０、Ｒ₃＝Ｈである。ｘ＝１、Ｒ₂＝Ｈ、Ｒ₃＝ＣＨ₃の場合、化合物はＨＯＯＣ−ＣＨ₂−ＣＨ＝ＣＨ−ＣＨ₃で、例えばブタジエンのヒドロキシカルボニルル化で得られる。この場合、クロス-メタセシスで生じるプロピレンは反応媒体から除去する。

Ｒ₃がＣＯＯＲ₂の場合にはＲ₂ＯＯＣ−（ＣＨ₂）ｘ−ＣＨ＝ＣＨ−Ｒ₃はｘ＝０の対称分子であるのが好ましい。Ｒ₃がＣＨ₃の場合にはＲ₂ＯＯＣ−（ＣＨ２）ｘ−ＣＨ＝ＣＨ−Ｒ₃はクロス−メタセシスによって脂肪酸と反応し、この反応でジアシッドおよびより短い脂肪酸ができるが、プロピレンもできる。このプロピレンは形成中に反応媒体から除去され、所望生成物の方へ反応がシフトする。

Ｒ₂ＯＯＣ−（ＣＨ₂）ｘ−ＣＨ＝ＣＨ−ＣＯＯＲ₂が環状分子、例えば無水マレイン酸を形成する場合には、クロス-メタセシスで無水官能基を含む不飽和脂肪酸になる。それを加水分解するとジアシッドおよび脂肪酸が遊離される。

本発明方法では天然起源の脂肪酸またはエステルすなわちオイルまたは脂肪中に存在するものが使用される。このオイルまたは脂肪は類似式のエステルまたは酸の混合物中に入るエステルまたは酸から構成される。例えば、ヒマワリ油はオレイン酸に加えてリノール酸を含み、ひまし油はリシノール酸に加えてオレイン酸とリノール酸とを同時に含み、菜種油はオレイン酸の他にリノール酸、リノレン酸、ガドレイン酸を同時に含む。続くメタセシス反応段階で生成物の分離を行なうのであれば、ジ飽和酸またはポリ不飽和酸が存在しても反応の進行に大きな影響は与えない。

第１段階は微生物の存在下での発酵によって実行される。すなわち任意のバクテリア、真菌またはイーストを使用してフィードストックの脂肪酸またはエステルの酸化を行なうことができる。特に、この発酵はオキシゲナーゼ型の酸化酵素を含む微生物の存在下で実行できる。例えば、下記非特許文献３および特許文献９〜１５に記載されているチトクロームP450モノオキシゲナーゼ酵素を含むカンジダトロピカリス（Candida tropicalis）株の存在下で実行できる。
W. H. Eschenfeldt et al., "Transformation of Fatty Acids Catalyzed by Cytochrome P450 Monooxygenase Enzymes of Candida tropicalis"、Applied and Environmental Microbiology, Oct. 2003, pp 5992-5999 フランス特許第FR 2 445 374号公報 米国特許第US 4474 882号明細書 米国特許第US 3 823 070号明細書 米国特許第US 3 912 586号明細書 米国特許第US6660505号明細書 米国特許第US56569670号明細書 米国特許第US5254466号明細書

脂肪酸、脂肪酸エステルおよびトリグリセライドを無差別に発酵できる。すなわち、微生物はアルコールおよびグリセリンを代謝できる。

第２段階で行なうメタセシス反応は、比較的限定された工業用途ではあるが、古くから公知である。脂肪酸（エステル）の変換での使用に関しては下記文献を参照できる。
J.C. Mol, Catalytic metathesis of unsaturated fatty acid esters and oil"、Topics in Catalysis, Vol. 27, Nos. 1-4, February 2004 (Plenum Publishing Corporation)

メタセシス反応の触媒は多くの研究のテーマになっており、精密な触媒系が開発されている。例としては下記文献に記載のタングステン錯体が挙げられる。
Schrock et al., J. Am. Chem. Soc., 108 (1986), 2771 Basset et al., Angew. Chem., Ed. Engl., 31(1992), 628

近年では下記のルテニウム-ベンジリデン錯体であるGrubbsの触媒がある。
Grubbs et al., Angew. Chem., Ed. EngI., 34 (1995), 2039, and Organic Lett., 1 (1999), 953

これは均一触媒である。また、金属、例えばレニウム、モリブデンおよびタングステンベースにしたアルミナまたはシリカ上に担持させた不均一触媒も開発されている。さらに、固定触媒、すなわち主活性成分が均一触媒、特にルテニウム−カルベン錯体触媒で、それを不活性支持体上に固定した触媒を製造する方法の研究も行なわれている。この研究の目的は副反応、例えば存在する反応物間の「ホモ−メタセシス（homo metatheses）」に対する反応の選択性を増加させることにある。これは触媒の構造だけでなく反応媒体および添加剤の効果にも関係する。

本発明方法ではメタセシス活性および選択性のある全ての触媒を使用できるが、ルテニウムとレニウムとをベースにした触媒を使用するのが好ましい。

以下、第２段階の例を短鎖脂肪ジアシッドの合成で示す。説明を簡単にするために、以下では全ての機構を酸の形で説明するが、メタセシスをエステルを用いて行なうこともでき、その方が効果的なこともある。同様に、以下では反応を酸（またはエステル）のシス異性体で示すが、同じ機構をトランス異性体にも等しく適用できる。

オレインジアシッドとアクリル酸とを使用して第２段階の反応過程を行なう場合は以下のようになる：

アクリル酸を過剰に使用した場合には、さらに下記逐次反応が起こる：

α、ω-ウンデカン二酸は必要に応じて下記プロセスに従って水素化して飽和α、ω-2-ウンデセン二酸に変換できる。：

過剰なアクリル酸を用いてクロス-メタセシス反応をすることで９−デセン酸が形成され、それがアクリル酸とさらにクロス-メタセシスして下記式の化合物：HOOC-CH=CH-(CH₂)₇-COOHとエチレンとが作られるのが観測できる。このプロセスの重要な利点は簡単に除去可能なエチレン以外の副精製物ができない点にある。この反応の反応機構は下記のシェーマ１に示してある。

ある種の発酵条件下ではオレイン酸が９−オクタデセン二酸に酸化される。

２つの同じジアシッドを生産するためにこのジアシッドとアクリル酸と使用した第２段階の反応過程は下記の機構で記載できる：

過剰にアクリル酸を使用すると下記の逐次反応が起こる：

シェーマ１

マカダミヤオイルまたはシーバックソーンオイルは一定発酵条件ではこれらの油中に存在するパルミトオレイン酸から出発して部分的に酸化されてＣ１６ジアシッド、α、ω−７−ヘキサデセン二酸になる。

このジアシッドとアクリル酸とを用いて２つの異なるジアシッドを作る第２段階の反応過程は下記の機構で記載できる：

過剰なアクリル酸を使用すると下記の逐次反応が起こる：

シェーマ２

パルミトオレイン酸は発酵でα、ω-7-ヘキサデセン二酸に変換できる。

本発明方法の第２段階では下記プロセスに従って長さの異なる２つのα、ωジアシッドが得られる：

過剰なアクリル酸を使用すると下記の逐次反応が起こる：

これらの２つの酸は水素化されてそれぞれＣ１１形およびＣ９形のジアシッドにすることができる。

ペトロセレン（Petroselenic）酸は発酵でα、ω-6-オクタデセン二酸に変換される。本発明方法の第２段階では下記プロセスに従って長さの異なる２つのα、ω−ジアシッドが得られる：

過剰なアクリル酸を使用すると下記の逐次反応が起こる：

ガドレイン酸は発酵でα、ω-9-エイコセン二酸に変換される。本発明方法の第２段階では下記プロセスに従って長さの異なる２つのα、ω−ジアシッドが得られる：

過剰なアクリル酸を使用すると下記の逐次反応が起こる：

以下、本発明方法の実施例を示す。

実施例１
オレイン酸の発酵
この実施例ではソルビトール、微量元素、尿素およびオレイン酸を含む脱イオン水中でｐＨ＝７でオキシゲナーゼ酵素を含むイーストを培養する。混合物を120℃で15分間殺菌する。その後、イースト株を培地に接種する。培養中は３０℃に維持する。ｐＨを７〜７．５に維持するために水酸化ナトリウム溶液を連続的に加える。４８時間培養後、不飽和ジアシッドをジエチルエーテルで抽出して回収する。蒸留して溶剤を除去回収し、再結晶後に９-オクタデセン二酸に対応する融点が６９℃の結晶を回収した。

実施例２
エルカ酸の発酵
エルカ酸を用いて実施例１を繰り返した。9-ドコセン二酸が得られる。

実施例３
アクリル酸による9-オクタデセン二酸のクロス-メタセシス
この実施例は第２段階のアクリル酸によるクロス-メタセシスで実施例１で得られた９-オクタデセン二酸から出発してＣ１１ジアシッドを合成する例を示す。この反応には下記文献に記載のビスピリジン−ルテニウム型の複合触媒に類似したものを使用した
Chen-Xi Bai et al., Org. Biomol. Chem., (2005), 3, 41 39-4142

反応は９-オクタデセン二酸の２倍のモル濃度のアクリル酸を用いて、ＣＨ₂Ｃｌ₂中で、９-オクタデセン二酸に対して１モル％の濃度の上記触媒の存在下で、８０℃の温度で１２時間行なった。エステルまたは酸の形で得られた生成物は従来法に従って100％の収率で水素化できた。

実施例４
９-ドコセン二酸のクロス-メタセシス
実施例２のジアシッドの９-ドコセン二酸を用いて実施例３を繰り返した。２-ウンデセン二酸と２-ペンタデセン二酸を実質的に等モル収率で得た。

実施例５
アクリル酸メチルによる不飽和Ｃ１８ジエステルのクロス-メタセシス
窒素でパージした50mlのシュレンク管中に170mgのメチル９−オクタデセンジオエート（methyl 9-octadecenedioate）（0.5mmol）と、170mgのメチルアクリレート（2mmol）と、ベンゾフェノンナトリウム上で蒸留した10mlのトルエンとを入れた。100℃に加熱し、磁気撹拌下に注射器および押出し注射器を用いて0.3mg（0.5 x l0^-3mmol）のAldrichから入手可能な第二世代のHoveyda-Grubbs触媒の（1,3-ビス(2,4,6-トリメチルフェニル)-2-イミダゾリジニリデン)ジクロロ(O-イソプロポキシフェニルメチレン）ルテニウム）（2mlのトルエン溶液）を２時間かけて加える。添加終了後にさらに４時間反応を続ける。反応液をガスクロマトグラフィで分析する。不飽和ジエステルの変換率は９９％以上である。メチル２−ウンデセンジオエート（methyl 2-undecenedioate）の収率は９５％である。

Claims (7)

1. 下記一般式：
   ＣＨ₃−（ＣＨ₂）_p−ＣＨ＝ＣＨ−（ＣＨ₂）_q−ＣＯＯＲ
   （ここで、ＲはＨまたは１〜４つの炭素原子を有するアルキル基を表し、ｐとｑは２〜１１の指数で、互いに同一でも異なっていてもよい）
   の１分子当り少なくとも１０個の隣接炭素原子を有する天然の長鎖の不飽和脂肪酸またはエステルから出発して、
   下記一般式：
   ＲＯＯＣ−（ＣＨ₂）_n−（ＣＨ＝ＣＨ）_a−（ＣＨ₂）_m−ＣＯＯＲ₁
   （ここで、ｎとｍはそれぞれ整数を表し、互いに同一でも異なっていてもよく、両者の合計は６〜１５であり、ａは０または１に等しい指数を表し、ＲとＲ₁はＨまたは１〜４つの炭素原子を有するアルキル基を表す）
   のジアシッドまたはジエステルを合成する方法において、
   上記ジアシッドまたはジエステル：ＲＯＯＣ−（ＣＨ₂）_n−（ＣＨ＝ＣＨ）_a−（ＣＨ₂）_m−ＣＯＯＲ₁は互いに隣接する８〜１６つの炭素原子を有する主鎖を有し、上記出発材料の天然の長鎖のモノ不飽和脂肪酸またはエステル：ＣＨ₃−（ＣＨ₂）_p−ＣＨ＝ＣＨ−（ＣＨ₂）_q−ＣＯＯＲの主鎖の長さに対する上記ジアシッドまたはジエステルの主鎖の長さの比は０．３５〜０．９であり、
   第１段階でオキシゲナーゼ酵素を含む微生物による発酵によって上記の天然の脂肪酸またはエステルを少なくとも一つのモノ不飽和ジカルボン酸またはジカルボキシレートへ酸化し、
   第２段階で、第１段階の生成物を式：
   Ｒ₂ＯＯＣ−（ＣＨ₂）_x−ＣＨ＝ＣＨ−Ｒ₃、
   （ここで、Ｒ₂はＨまたは１〜４つの炭素原子を有するアルキル基、ｘは０、1または２であり、Ｒ₃はＨ、ＣＨ₃またはＣＯＯＲ₂であり）
   の化合物でクロス−メタセシスして、下記式：
   ＲＯＯＣ−（ＣＨ₂）_q−ＣＨ＝ＣＨ−（ＣＨ₂）_x−ＣＯＯＲ₂
   の不飽和化合物（ただし、ｑ＋ｘは４〜１２の整数である）とし、
   第３段階（任意段階）で、二重結合の水素化によって上記不飽和化合物を飽和化合物に変換する、
   ことを特徴とする方法。
2. 上記オキシゲナーゼ酵素を含む微生物がバクテリアまたは真菌である請求項１に記載の方法。
3. 第１段階の発酵をチトクロームP450モノオキシゲナーゼ酵素を含むカンジダトロピカリス（tropicalis）株の存在下で実行する請求項１または２に記載の方法。
4. 第２段階のメタセシスをアクリル酸を用いて実行する請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 第２段階の触媒がルテニウムまたはレニウムをベースにしたものである請求項４に記載の方法。
6. オレイン酸から出発して式：ＨＯＯＣ−ＣＨ＝ＣＨ−（ＣＨ₂）₇ＣＯＯＨの２−ウンデセンジオイック酸を合成する請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. エルカ酸から出発して２−ウンデセンジオイック酸および２−ペンタデセンジオイック酸を合成する請求項1〜５のいずれか一項に記載の方法。