JPS6344761B2

JPS6344761B2 -

Info

Publication number: JPS6344761B2
Application number: JP57161368A
Authority: JP
Inventors: Tooru Chiba; Koji Hatayama; Shigehiro Nagura; Juichi Nishama
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 1982-09-16
Filing date: 1982-09-16
Publication date: 1988-09-06
Also published as: JPS5949201A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明はヒドロキシアルキルアルキルセルロー
スの改良された製造方法に関するものである。ヒドロキシアルキルアルキルセルロースとして
は、一般にヒドロキシエチルメチルセルロース
（HEMC）、ヒドロキシエチルエチルセルロース
（HEEC）、ヒドロキシプロピルメチルセルロース
（HPMC）、ヒドロキシプロピルエチルセルロー
ス（HPEC）、ヒドロキシエチルヒドロキシプロ
ピルメチルセルロース（HEHPMC）、ヒドロキ
シエチルヒドロキシプロピルエチルセルロース
（HEHPEC）などが知られている。これらのヒドロキシアルキルアルキルセルロー
スは、通常、アルカリセルロースと、対応するア
ルキレンオキサイドおよびハロゲン化アルキルと
反応させることにより製造される。原料アルカリ
セルロースは一般にシート状パルプを水酸化アル
カリ水溶液に浸漬後圧搾する方法、あるいは粉末
状パルプに水酸化アルカリ水溶液をかくはん下に
噴霧する方法などにより調製され、このアルカリ
セルロース中の水酸化アルカリはアルキレンオキ
サイドの反応に対しては触媒として働き、ハロゲ
ン化アルキルとは当量で反応する。しかして、アルカリセルロースに対するアルキ
レンオキサイドおよびハロゲン化アルキルのエー
テル化効率は、アルカリセルロース中の水酸化ア
ルカリおよび水の量により影響を受け、水酸化ア
ルカリ／セルロースのモル比、水／セルロースの
モル比が増大するほど低くなることが知られてい
る。しかしながら、目標とするアルキル基置換度
を得るためには、ハロゲン化アルキルと水酸化ア
ルカリが当モル反応であるために、アルカリセル
ロースとして水酸化アルカリ／セルロースが相応
するモル比であることが必要である。この事実を知れば、アルキレンオキサイドおよ
びハロゲン化アルキルのエーテル化効率を向上さ
せるためには、水／セルロースのモル比の小さい
アルカリセルロースにアルキレンオキサイドおよ
びハロゲン化アルキルを反応させる方法が有利で
あると推定される。水の少ないアルカリセルロースの具体的な調製
方法としては、非常に高濃度の水酸化アルカリ
水溶液を使用する方法、水酸化アルカリ水溶液
と、実質上無水の固形状水酸化アルカリを併用す
る方法、調製したアルカリセルロースを脱水す
る方法、などが考えられる。しかしながら、お
よびの方法においては、調製されるアルカリセ
ルロースが不均質であり、その結果エーテル化反
応が均一に進行せず、得られる製品の物性に重大
な悪影響を及ぼす。なお、の方法においては、
アルカリセルロースの不均質を改善するために、
あらかじめ細かくしたセルロースを有機溶媒によ
り予備膨潤させる方法（特開昭56−145901）があ
るが、この方法においても不均質性はわずかに改
善されるのみであり、しかも有機溶媒としてアル
コール類を使用する場合には、ハロゲン化アルキ
ルが使用したアルコール類との副反応に消費され
るために、エーテル化反応に先だちアルコール類
を反応系から除去することが必要となり、有利な
方法ではない。の方法の場合にはアルカリセル
ロースの加熱・減圧などの処理が採られるが、こ
の場合にもアルカリセルロース中の水の減少にと
もない、エーテル化反応は不均一になる。以上のように、水／セルロースのモル比の小さ
いアルカリセルロース条件下での反応を、得られ
る製品の物性を損なうことなく、有利なエーテル
化効率で進めることは困難である。アルカリセルロースとアルキレンオキサイドお
よびハロゲン化アルキルとの反応方法としては、
(イ)目標とするヒドロキシアルキル基のMS置換度
（MS）およびアルキル基のDS置換度（DS）にそ
れぞれ対応する、所要量のアルキレンオキサイド
および所要量のハロゲン化アルキルの混合物をア
ルカリセルロースと反応させる方法、(ロ)大過剰の
ハロゲン化アルキルあるいはジメチルエーテルな
どの非反応性有機プロセス抑制剤の共存下で、所
要量のアルキレンオキサイドおよびハロゲン化ア
ルキルを反応させる方法、(ハ)所要量のハロゲン化
アルキルの一部をアルカリセルロースと反応させ
た後に、所要量のアルキレンオキサイドおよび残
りのハロゲン化アルキルを反応させる方法が知ら
れているが、本発明者らの検討結果によればアル
キレンオキサイドのエーテル化効率は、(イ)および
(ロ)の場合で差はなく、(ハ)の場合ではむしろ低率と
なることが判明した。すなわち、これらの反応方
法においては、アルキレンオキサイドのこれ以上
のエーテル化効率は得られない。本発明者らは、かかる技術的課題にかんがみ鋭
意研究の結果本発明を完成したもので、これはア
ルカリセルロースに、アルキレンオキサイドとハ
ロゲン化アルキルとを反応させてヒドロキシアル
キルセルロースを製造する方法において、水酸化
アルカリの含有量が無水グルコース単位に対する
水酸化アルカリのモル比で2.0以上であるアルカ
リセルロースに、セルロースに対するモル比で水
酸化アルカリの含有量の1/2以下に相当する量の
ハロゲン化アルキルと、反応に必要な量のアルキ
レンオキサイドとを添加して第一段の反応を行つ
た後、残りの量のハロゲン化アルキルを添加して
第二段の反応を行うことを特徴とする、無水グル
コース単位当りのアルキル基のDS置換度が1.3よ
り大であるヒドロキシアルキルアルキルセルロー
スの製造方法に関するものである。この発明の方法によれば従来のアルキレンオキ
サイドとハロゲン化アルキルとを全量同時にアル
カリセルロースに反応させるという同時１段エー
テル化反応と比べて、主原料であるアルカリセル
ロースについての水酸化アルカリ／セルロースの
モル比および水／セルロースのモル比を変えるこ
となく、アルキレンオキサイドのエーテル化効率
を大幅に向上させることができるという効果が与
えられる。また、本発明の方法によれば生成ヒドロキシア
ルキルアルキルセルロースを水溶液とした場合の
セルラーゼ等に対する粘度安定性が大幅に向上す
ることが確認された。以下本発明を詳細に説明する。本発明で使用されるアルカリセルロースは、パ
ルプを水酸化アルカリ水溶液に浸漬後圧搾したも
の、あるいは粉末状パルプに水酸化アルカリ水溶
液を混合したもののいずれでもよい。また水／セ
ルロースのモル比を小さい状態に調製されたアル
カリセルロースも使用できる。しかし、本発明に
おいて反応を２段に分割することによる生産性へ
のマイナス効果を補つて足る効果とするには、ア
ルキレンオキサイドのエーテル効率を混合添加に
よる反応でのそれに比べて1.1倍以上にすること
が要求され、それには出発原料のアルカリセルロ
ースとして水酸化アルカリの含有量が無水グルコ
ース単位に対する水酸化アルカリのモル比で2.0
以上のものを採用し、最終的に得られるヒドロキ
シアルキルセルロースをして無水グルコース単位
当りのアルキル基のDS置換度で1.3より大きいも
のにすることが必要となる。１段目のエーテル化反応に際して、アルキレン
オキサイド／セルロースのモル比は反応に必要な
当量以上の任意の範囲で使用できる。またこの１
段目の反応は温度30℃〜70℃、時間0.5〜５時間
で行うことが好ましい。30℃以下の温度ではアル
キレンオキサイドの反応速度がきわめて遅く、反
応終了に長時間を必要とするので合理的でない。
また70℃以上の温度ではアルキレンオキサイドの
反応速度がきわめて大きく、このため反応を均一
に進行させることが困難となり、また反応熱の除
去が困難となる。反応時間が、使用されるアルキ
レンオキサイドの量によるが、0.5時間以下では
アルキレンオキサイドの反応が終了しない場合が
あり、また５時間以上では工業的に合理的でな
い。１段目のアルキレンオキサイドの反応に際し
て、反応熱の除去のためにあるいはアルキレンオ
キサイドの爆発範囲を避けるために、非反応性有
機プロセス抑制剤を共存させることは可能であ
る。非反応性有機プロセス抑制剤は対セルロース
重量で20倍以下で使用することが好ましい。それ
以上に使用するとアルキレンオキサイドの反応速
度が低下し反応終了に長時間を要することになる
し、また工業的には生産性の低下を招くことにな
るので、過度に使用することは有利ではない。非
反応性有機プロセス抑制剤を使用した場合の反応
温度は使用しない場合と比較してより高温で反応
させることができる。なお、非反応性有機プロセ
ス抑制剤としてはジメチルエーテルあるいは低級
脂肪族アルコールなどが好適である。低級脂肪族
アルコールを使用した場合には２段目のハロゲン
化アルキルの反応に先だち、反応系より除去され
なければならない。なぜなら低級脂肪族アルコー
ルはハロゲン化アルキルと反応して副反応物を生
成し、ハロゲン化アルキルのエーテル化効率に悪
影響を及ぼすからである。以上１段目の反応についてハロゲン化アルキル
が共存しない場合を前提として説明したが、この
反応でハロゲン化アルキルを共存させてもよい。
しかしその場合のハロゲン化アルキルの量は反応
に消費される全ハロゲン化アルキル量の50％以下
に相当する量、すなわちアルカリセルロース中の
水酸化アルカリ／セルロースのモル比の1/2以下
（特に望ましくは1/3以下）に相当するハロゲン化
アルキル／セルロースのモル比での量とすること
が必要とされる。これはハロゲン化アルキルの共
存量が多くなりすぎるとアルキレンオキサイドの
エーテル化効率向上という本発明の目的が達成さ
れなくなることによるものである。なお、この１
段目のエーテル化反応においてハロゲン化アルキ
ルが共存すると、このハロゲン化アルキルが伝熱
媒体として働くので反応制御がより容易になると
いう効果がもたらされる。２段目のハロゲン化アルキルの反応は、１段目
の反応終了後に10℃〜80℃の内温条件下で、一括
あるいは１〜６時間で連続的にハロゲン化アルキ
ルを仕込むことにより行われる。ハロゲン化アル
キルの反応に際して、反応熱の除去のために、非
反応性有機プロセス抑制剤を共存させることは可
能であり、あるいはエーテル化剤であるハロゲン
化アルキルを大過剰に使用することも可能であ
る。非反応性有機プロセス抑制剤あるいは過剰の
ハロゲン化アルキルは対セルロース重量で20倍以
下で使用することが好ましい。それ以上に使用す
ることは生産性の低下を招くことになるので、過
度に使用することは有利でない。反応に使用されるアルキレンオキサイドおよび
ハロゲン化アルキルは、それぞれ１種類に限られ
ず、２種以上を併用してもよい。２段目の反応終了後、公知の方法で精製するこ
とにより、目的とするヒドロキシアルキルアルキ
ルセルロースが得られる。本発明の方法は以上述べた条件のもとに行われ
るのであるが、この方法によるアルキレンオキサ
イドのエーテル化効率の向上は、アルカリセルロ
ース中の水酸化アルカリ／セルロースのモル比が
大きい場合ほどすなわち反応されるハロゲン化ア
ルキルが多い場合ほど顕著であり、さらにまた、
アルカリセルロースとの反応性が小さいアルキレ
ンオキサイドの場合ほど、具体的に言えば、反応
性の大きいエチレンオキサイドの場合より、反応
性の小さいプロピレンオキサイドの場合の方が、
その効果は顕著である。添付図面に、ヒドロキシプロピルメチルセルロ
ースの場合におけるアルカリセルロース中の水酸
化アルカリ／セルロースのモル比の変化にともな
うアルキレンオキサイドのエーテル化効率の推移
を、プロピレンオキサイド／セルロースのモル比
が1.40の場合を例にとつて、本発明の２段反応に
よる場合と比較となる公知の同時１段反応による
場合について示した。ただし、この場合のアルカ
リセルロースの調製には50％水酸化ナトリウム水
溶液を使用した。曲線，、および〓 ……本発明の方法曲線， ……公知の同時一段反応図面から判るように、例えば水酸化ナトリウ
ム／セルロースのモル比が5.0の場合には、公知
の同時１段反応の場合でヒドロキシプロピル基
MS＝0.23、エーテル化効率16.0％であるのに対
し、本発明の方法による場合でMS＝0.33、エー
テル化効率23.5％となり、またヒドロキシプロピ
ル基MSを0.23とするためのプロピレンオキサイ
ド／セルロースのモル比は0.88でよく、そのとき
のエーテル化効率は26.0％となる。一般にセルロース誘導体は生物的分解作用を受
け、特に酵素セルラーゼ（すなわちβ―１，４―
グルカン４―グルカノヒドロラーゼ）により促進
され、非置換無水グルコース単位間のβ―１，４
結合が加水分解開裂する。水溶性セルロース誘導
体によつて増粘された水溶液が加水分解開裂を受
けると、その粘度は低下し、増粘剤としての価値
が損なわれる。この粘度低下の速度は、酵素濃度
およびセルロース誘導体中に存在する非置換無水
グルコース単位の数および分布に由来する。すな
わち非置換無水グルコース単位の含量が少ないほ
ど粘度安定性は高められるのである。本発明の方法で製造したヒドロキシアルキルア
ルキルセルロースは、前記したようにアルキレン
オキサイドのエーテル化効率が向上するという利
点だけでなく、さらに驚くべきことには、セルラ
ーゼなどの生物分解に対する抵抗性すなわち粘度
安定性が向上することが判明したのである。これ
はアルカリセルロース中の無水グルコースの活性
化された水酸基が多く存在する状態でアルキレン
オキサイドを反応させることにより、ヒドロキシ
アルキル基の置換が比較的均一に行われ、またヒ
ドロキシアルキル基の導入によつてセルロースの
構造がさらにくずされた状態で、ハロゲン化アル
キルを反応させることにより、アルキル基の導入
がより均一に行われるために、結果的に非置換無
水グルコース単位の含量が減少することによると
考えられる。つぎに具体的実施例をあげる。実施例１〔ヒドロキシプロピルメチルセルロー
ス（HPMC）の製造〕シート状セルロースを50％水酸化ナトリウム水
溶液に浸漬し、圧搾、切断してNaOH／セルロ
ース（モル比：MR）＝5.00，H₂O／セルロース
（MR）＝11.1のアルカリセルロースを得た。この
セルロース重量4.0Kg相当のアルカリセルロース
を内容積80の加圧反応器に仕込み、充分なN₂
置換の後、プロピレンオキサイド（P.O.）2.00Kg
〔P.O.／セルロース（MR）＝1.40〕を仕込んで、
反応温度30℃〜60℃にてかくはんしながら３時間
反応させた。その後、１旦25℃に冷却し、メチルクロライド
6.60Kg〔CH₃Cl／セルロース（MR）＝5.29〕を仕
込み、35℃〜80℃で５時間反応させた。熱水で洗
浄、精製した後、得られたヒドロキシプロピルメ
チルセルロースの置換度は、ヒドロキシプロピル
基MS＝0.33、メトキシ基DS＝2.00であり、エー
テル化効率はプロピレンオキサイド23.5％、メチ
ルクロライド40.0％であつた。なお、上記においてMRはモル比を示す。以下
同様。実施例２プロピレンオキサイドの仕込量を1.26Kg〔P.
O.／セルロース（MR）＝0.88〕として、他の操
作はすべて前例と同様に行つた。得られたヒドロ
キシプロピルメチルセルロースの置換度はヒドロ
キシプロピル基MS＝0.23、メトキシ基DS＝1.99
であり、エーテル化効率はプロピレンオキサイド
26.0％、メチルクロライド39.8％であつた。比較例１実施例１と同様のアルカリセルロースのセルロ
ース重量4.0Kg相当を内容積80の加圧反応器に
仕込み、充分なN₂置換の後、プロピレンオキサ
イド2.00Kg、メチルクロライド6.60Kgを仕込み、
30℃〜80℃で７時間反応させた。熱水で洗浄精製
した後得られたヒドロキシプロピルメチルセルロ
ースの置換度はヒドロキシプロピル基MS＝0.23、
メトキシ基DS＝1.99であり、エーテル化効率は
プロピレンオキサイド16.0％、メチルクロライド
39.8％であつた。この結果、実施例２のプロピレ
ンオキサイドのエーテル化効率は比較例１の値に
対して1.63倍となつた。実施例３〔HPMCの製造〕粉末状セルロース10.0Kgを内容積130の内部
かくはん式加圧反応器に仕込み、充分N₂置換の
後、かくはんしながら50％水酸化ナトリウム水溶
液12.5Kgを滴下し、NaOH／セルロース（MR）
＝2.00，H₂O／セルロース（MR）＝4.4のアルカ
リセルロースを調製した。次いでプロピレンオキ
サイド1.50Kg〔P.O.／セルロース（MR）＝0.42〕
を仕込み、30℃〜60℃で３時間反応させた。ついで、50℃〜80℃でメチルクロライド6.90Kg
〔CH₃Cl／セルロース（MR）＝2.15〕を４時間か
けて連続的に仕込み、メチルクロライド仕込み開
始より５時間で反応を終了した。熱水で洗浄精製
した後、得られたヒドロキシプロピルメチルセル
ロースの置換度はヒドロキシプロピル基MS＝
0.20、メトキシ基DS＝1.34であり、エーテル化効
率はプロピレンオキサイド48.3％、メチルクロラ
イド67.0％であつた。比較例２実施例３と同様条件でアルカリセルロースを調
製し、ついでプロピレンオキサイド1.50Kg、メチ
ルクロライド6.90Kgを仕込み30℃〜80℃で７時間
反応させた。得られたヒドロキシプロピルメチル
セルロースの置換度はヒドロキシプロピル基MS
＝0.18、メトキシ基DS＝1.33であり、エーテル化
効率はプロピレンオキサイド44.0％、メチルクロ
ライド66.5％であつた。この結果、実施例３のプ
ロピレンオキサイドのエーテル化効率は比較例２
の値に対して1.10倍となつた。実施例４〔HEMCの製造〕実施例１と同様の条件でアルカリセルロースを
仕込み、ジメチルエーテル（DME）8.00Kg
〔DME／セルロース（重量比：WR）＝2.00〕を仕
込み、エチレンオキサイド（E.O.）1.20Kg〔E.
O.／セルロース（MR）＝1.10〕を仕込み、30℃
〜70℃で３時間反応させた。ジメチルエーテルは
反応熱の除去とともに、エチレンオキサイドの爆
発範囲を避けるために使用された。ついで、一担40℃に冷却し、メチルクロライド
8.73Kg〔CH₃Cl／セルロース（MR）＝7.00〕を仕
込み、50℃〜80℃で５時間反応させた。得られた
ヒドロキシエチルメチルセルロースの置換度はヒ
ドロキシエチル基MS＝0.46、メトキシ基DS＝
2.02であり、エーテル化効率はエチレンオキサイ
ド42.0％、メチルクロライド40.4％であつた。比較例３実施例１と同様の条件でアルカリセルロースを
仕込み、メチルクロライド6.60Kg、エチレンオキ
サイド1.20Kgを仕込み、30℃〜80℃で６時間反応
させた。得られたヒドロキシエチルメチルセルロ
ースの置換度はヒドロキシエチル基MS＝0.39、
メトキシ基DS＝2.00であり、エーテル化効率は
エチレンオキサイド35.0％、メチルクロライド
40.0％であつた。粘度安定性実施例１、実施例２および比較例１で得たそれ
ぞれのヒドロキシプロピルメチルセルロース
（HPMC）について、下記の粘度安定性試験を行
つたところ、結果は第１表に示すとおりであつ
た。粘度安定性試験：サンプル（HPMC）の２％
水溶液に、溶液のPH7.5、温度20℃の状態
でセルラーゼ「A3」（天野製薬製）を対溶
液20ppm添加して20分後の粘度を測定し
（分解後粘度）、これをセルラーゼ「A3」
添加前の粘度（分解前粘度）と比較した。
ただし、粘度はいずれの場合もＢ型粘度計
により測定した。

【表】分解後粘度
(注) 粘度保持率：

Claims

【特許請求の範囲】１アルカリセルロースに、アルキレンオキサイ
ドとハロゲン化アルキルとを反応させてヒドロキ
シアルキルセルロースを製造する方法において、
水酸化アルカリの含有量が無水グルコース単位に
対する水酸化アルカリのモル比で2.0以上である
アルカリセルロースに、セルロースに対するモル
比で水酸化アルカリの含有量の1/2以下に相当す
る量のハロゲン化アルキルと、反応に必要な量の
アルキレンオキサイドとを添加して第一段の反応
を行つた後、残りの量のハロゲン化アルキルを添
加して第二段の反応を行うことを特徴とする、無
水グルコース単位当りのアルキル基のDS置換度
が1.3より大であるヒドロキシアルキルセルロー
スの製造方法。２第一段の反応が、ハロゲン化アルキルの不存
在下で行うことを特徴とする、特許請求の範囲第
１項記載の無水グルコース単位当りのアルキル基
のDS置換度が1.3より大であるヒドロキシアルキ
ルセルロースの製造方法。３アルキレンオキサイドが、プロピレンオキサ
イドおよびエチレンオキサイドのいずれか、また
は両方であることを特徴とする、特許請求の範囲
第１項記載の無水グルコース単位当りのアルキル
基のDS置換度が1.3より大であるヒドロキシアル
キルセルロースの製造方法。４ハロゲン化アルキルが、クロロメチルおよび
クロロエチルのいずれか、または両方であること
を特徴とする、特許請求の範囲第１項記載の無水
グルコース単位当りのアルキル基のDS置換度が
1.3より大であるヒドロキシアルキルセルロース
の製造方法。