JPS6344761B2 - - Google Patents
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- JPS6344761B2 JPS6344761B2 JP57161368A JP16136882A JPS6344761B2 JP S6344761 B2 JPS6344761 B2 JP S6344761B2 JP 57161368 A JP57161368 A JP 57161368A JP 16136882 A JP16136882 A JP 16136882A JP S6344761 B2 JPS6344761 B2 JP S6344761B2
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- Japan
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- cellulose
- reaction
- alkali
- alkyl
- alkylene oxide
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Description
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。
The present invention relates to an improved method for producing hydroxyalkylalkylcellulose. Hydroxyalkylalkylcelluloses are generally hydroxyethylmethylcellulose (HEMC), hydroxyethylethylcellulose (HEEC), hydroxypropylmethylcellulose (HPMC), hydroxypropylethylcellulose (HPEC), hydroxyethylhydroxypropylmethylcellulose (HEHPMC), hydroxyethylhydroxypropylethylcellulose (HEHPEC) etc. are known. These hydroxyalkylalkylcelluloses are usually produced by reacting alkali cellulose with the corresponding alkylene oxide and alkyl halide. Raw material alkali cellulose is generally prepared by immersing sheet pulp in an aqueous alkali hydroxide solution and then squeezing it, or by spraying an aqueous alkali hydroxide solution onto powdered pulp while stirring.The alkali hydroxide in this alkali cellulose is It acts as a catalyst for alkylene oxide reactions and reacts with alkyl halides in equivalent amounts. Therefore, the etherification efficiency of alkylene oxide and alkyl halide to alkali cellulose is affected by the amount of alkali hydroxide and water in the alkali cellulose, and the molar ratio of alkali hydroxide/cellulose and water/cellulose is It is known that the higher the value, the lower the value. However, in order to obtain the target degree of alkyl group substitution, the alkali hydroxide/cellulose must have a corresponding molar ratio as alkali cellulose because the alkyl halide and the alkali hydroxide are equimolar reactions. be. Knowing this fact, in order to improve the etherification efficiency of alkylene oxide and alkyl halide, it is presumed that the method of reacting alkylene oxide and alkyl halide with alkali cellulose having a small water/cellulose molar ratio is advantageous. be done. Specific methods for preparing alkali cellulose with a small amount of water include a method using a very highly concentrated aqueous alkali hydroxide solution, a method using a combination of an aqueous alkali hydroxide solution and a substantially anhydrous solid alkali hydroxide, and a method that uses a substantially anhydrous solid alkali hydroxide. Possible methods include dehydrating alkali cellulose. However, in the methods of and, the alkali cellulose prepared is heterogeneous, and as a result, the etherification reaction does not proceed uniformly, which has a serious adverse effect on the physical properties of the resulting product. In addition, in the method of
To improve the heterogeneity of alkali cellulose,
There is a method (Japanese Unexamined Patent Publication No. 145901/1983) in which pre-pulverized cellulose is preswollen with an organic solvent, but this method also only slightly improves heterogeneity, and furthermore, alcohols are used as the organic solvent. In this case, since the alkyl halide is consumed in a side reaction with the alcohol used, it is necessary to remove the alcohol from the reaction system prior to the etherification reaction, which is not an advantageous method. In the case of the above method, the alkali cellulose is treated by heating and reducing pressure, but in this case as well, the etherification reaction becomes non-uniform as the water in the alkali cellulose decreases. As described above, it is difficult to proceed with the reaction under alkaline cellulose conditions with a small water/cellulose molar ratio at an advantageous etherification efficiency without impairing the physical properties of the resulting product. The reaction method of alkali cellulose with alkylene oxide and alkyl halide is as follows:
(b) A mixture of the required amount of alkylene oxide and the required amount of alkyl halide corresponding to the target MS degree of substitution (MS) of the hydroxyalkyl group and DS degree of substitution (DS) of the alkyl group is reacted with alkali cellulose. (b) A method of reacting a required amount of alkylene oxide and an alkyl halide in the presence of a large excess of an alkyl halide or a non-reactive organic process inhibitor such as dimethyl ether; (c) A method of reacting a required amount of an alkylene oxide and an alkyl halide. A method is known in which a part of the alkyl is reacted with alkali cellulose, and then a required amount of alkylene oxide and the remaining alkyl halide are reacted. Efficiency is (a) and
It was found that there was no difference in case (b), and the rate was actually lower in case (c). That is, in these reaction methods, no higher etherification efficiency of alkylene oxide can be obtained. The present inventors completed the present invention as a result of intensive research in view of such technical problems, and this is a method for producing hydroxyalkylcellulose by reacting alkylene oxide and alkyl halide with alkali cellulose. In alkali cellulose, the content of alkali hydroxide is 2.0 or more in molar ratio of alkali hydroxide to anhydroglucose units, and an amount of alkyl halide corresponding to 1/2 or less of the content of alkali hydroxide in molar ratio to cellulose. and an amount of alkylene oxide necessary for the reaction to perform the first stage reaction, and then add the remaining amount of alkyl halide to conduct the second stage reaction. The present invention relates to a method for producing hydroxyalkylalkylcellulose in which the degree of DS substitution of alkyl groups per glucose unit is greater than 1.3. According to the method of this invention, compared to the conventional simultaneous one-stage etherification reaction in which the entire amount of alkylene oxide and alkyl halide is reacted with alkali cellulose at the same time, the mole of alkali hydroxide/cellulose for alkali cellulose, which is the main raw material, is The effect is that the etherification efficiency of alkylene oxide can be significantly improved without changing the water/cellulose molar ratio. Furthermore, it was confirmed that the method of the present invention significantly improves the viscosity stability against cellulases and the like when the produced hydroxyalkylalkylcellulose is made into an aqueous solution. The present invention will be explained in detail below. The alkali cellulose used in the present invention may be obtained by soaking pulp in an aqueous alkali hydroxide solution and then pressing it, or by mixing a powdered pulp with an aqueous alkali hydroxide solution. Alkaline cellulose prepared to have a small water/cellulose molar ratio can also be used. However, in order to have an effect sufficient to compensate for the negative effect on productivity caused by dividing the reaction into two stages in the present invention, the ether efficiency of alkylene oxide must be 1.1 times or more compared to that in the reaction by mixed addition. This requires that the content of alkali hydroxide in the starting material alkali cellulose be 2.0 in molar ratio of alkali hydroxide to anhydroglucose units.
By adopting the above method, it is necessary to make the hydroxyalkylcellulose finally obtained so that the degree of DS substitution of the alkyl group per anhydroglucose unit is greater than 1.3. In the first-stage etherification reaction, the alkylene oxide/cellulose molar ratio can be used within any range of equivalents or more required for the reaction. Also this one
The reaction in the second stage is preferably carried out at a temperature of 30°C to 70°C for a period of 0.5 to 5 hours. At temperatures below 30°C, the reaction rate of alkylene oxide is extremely slow and it takes a long time to complete the reaction, which is not reasonable.
Furthermore, at temperatures of 70° C. or higher, the reaction rate of alkylene oxide is extremely high, making it difficult to proceed with the reaction uniformly and making it difficult to remove the heat of reaction. The reaction time depends on the amount of alkylene oxide used, but if it is less than 0.5 hours, the reaction of alkylene oxide may not be completed, and if it is more than 5 hours, it is not industrially reasonable. During the first stage alkylene oxide reaction, it is possible to coexist a non-reactive organic process inhibitor in order to remove the reaction heat or to avoid the explosive range of the alkylene oxide. It is preferable to use the non-reactive organic process inhibitor in an amount of 20 times or less based on the weight of cellulose. If it is used in excess, the reaction rate of alkylene oxide will decrease and it will take a long time to complete the reaction, and it will also lead to a decrease in industrial productivity, so it is not advantageous to use it in excess. . When a non-reactive organic process inhibitor is used, the reaction temperature can be higher than when a non-reactive organic process inhibitor is used. Note that dimethyl ether or lower aliphatic alcohol is suitable as the non-reactive organic process inhibitor. When a lower aliphatic alcohol is used, it must be removed from the reaction system prior to the second-stage alkyl halide reaction. This is because lower aliphatic alcohols react with alkyl halides to produce side reaction products, which adversely affect the efficiency of etherification of alkyl halides. Although the first stage reaction has been described above on the assumption that no alkyl halide is present, an alkyl halide may be present in this reaction.
However, in that case, the amount of alkyl halide is an amount equivalent to 50% or less of the total amount of alkyl halide consumed in the reaction, that is, 1/2 or less of the molar ratio of alkali hydroxide/cellulose in the alkali cellulose (especially desirable). (1/3 or less) in an alkyl halide/cellulose molar ratio. This is because if the amount of coexisting alkyl halide becomes too large, the object of the present invention, which is to improve the efficiency of etherification of alkylene oxide, cannot be achieved. Furthermore, this 1
When an alkyl halide coexists in the etherification reaction in the second step, the alkyl halide acts as a heat transfer medium, resulting in the effect that reaction control becomes easier. The reaction of the alkyl halide in the second stage is carried out by charging the alkyl halide all at once or continuously over a period of 1 to 6 hours under internal temperature conditions of 10°C to 80°C after the completion of the first stage reaction. During the reaction of alkyl halides, it is possible to coexist a non-reactive organic process inhibitor to remove the reaction heat, or it is also possible to use a large excess of the alkyl halide as an etherification agent. be. The non-reactive organic process inhibitor or excess alkyl halide is preferably used in an amount of 20 times or less based on the weight of cellulose. It is not advantageous to use too much because using more than that will lead to a decrease in productivity. The alkylene oxide and alkyl halide used in the reaction are not limited to one type each, and two or more types may be used in combination. After the second stage reaction is completed, the desired hydroxyalkylalkylcellulose is obtained by purification using a known method. The method of the present invention is carried out under the conditions described above, and the improvement in the etherification efficiency of alkylene oxide by this method is improved as the molar ratio of alkali hydroxide/cellulose in the alkali cellulose increases. The more alkyl halides are present, the more noticeable it is, and furthermore,
In the case of alkylene oxide, which has a lower reactivity with alkali cellulose, specifically, in the case of propylene oxide, which has a lower reactivity, than in the case of ethylene oxide, which has a high reactivity,
The effect is remarkable. The attached drawing shows the change in etherification efficiency of alkylene oxide as the molar ratio of alkali hydroxide/cellulose in alkali cellulose changes in the case of hydroxypropyl methylcellulose, using the case where the molar ratio of propylene oxide/cellulose is 1.40 as an example. In particular, a case using a two-stage reaction according to the present invention and a case using a known simultaneous one-stage reaction for comparison are shown. However, in this case, a 50% aqueous sodium hydroxide solution was used to prepare the alkali cellulose. Curve, and 〓 ... Method of the present invention Curve, ... Known simultaneous one-step reaction As can be seen from the drawing, for example, when the molar ratio of sodium hydroxide/cellulose is 5.0, in the case of the known simultaneous one-step reaction hydroxypropyl group in
MS=0.23, etherification efficiency 16.0%, whereas in the case of the method of the present invention, MS=0.33, etherification efficiency 23.5%, and the mole of propylene oxide/cellulose to make the hydroxypropyl group MS 0.23. The ratio may be 0.88, and the etherification efficiency at that time will be 26.0%. In general, cellulose derivatives are subject to biological degradation, especially the enzyme cellulase (i.e. β-1,4-
glucan 4-glucanohydrolase) between the unsubstituted anhydroglucose units.
The bond is hydrolytically cleaved. When an aqueous solution thickened by a water-soluble cellulose derivative undergoes hydrolytic cleavage, its viscosity decreases and its value as a thickener is lost. The rate of this viscosity reduction is derived from the enzyme concentration and the number and distribution of unsubstituted anhydroglucose units present in the cellulose derivative. In other words, the lower the content of unsubstituted anhydroglucose units, the higher the viscosity stability. The hydroxyalkylalkylcellulose produced by the method of the present invention not only has the advantage of improved etherification efficiency of alkylene oxide as described above, but also surprisingly has resistance to biodegradation by cellulases, that is, stable viscosity. It was found that the performance improved. This is because by reacting alkylene oxide in the presence of many activated hydroxyl groups of anhydroglucose in alkali cellulose, substitution of hydroxyalkyl groups is performed relatively uniformly, and by introducing hydroxyalkyl groups. This is thought to be due to the fact that by reacting an alkyl halide while the structure of cellulose is further disrupted, the introduction of alkyl groups is performed more uniformly, resulting in a decrease in the content of unsubstituted anhydroglucose units. It will be done. Next, a specific example will be given. Example 1 [Manufacture of hydroxypropyl methyl cellulose (HPMC)] Sheet cellulose was immersed in a 50% aqueous sodium hydroxide solution, compressed and cut to obtain NaOH/cellulose (molar ratio: MR) = 5.00, H 2 O/cellulose ( An alkali cellulose with MR)=11.1 was obtained. This alkali cellulose equivalent to 4.0 kg of cellulose weight was charged into a pressurized reactor with an internal volume of 80 kg, and sufficient N 2
After substitution, propylene oxide (PO) 2.00Kg
Charge [PO/cellulose (MR) = 1.40],
The reaction was carried out for 3 hours while stirring at a reaction temperature of 30°C to 60°C. Then, once cooled to 25℃, methyl chloride
6.60Kg [CH 3 Cl/cellulose (MR) = 5.29] was charged and reacted at 35°C to 80°C for 5 hours. After washing and purifying with hot water, the degree of substitution of the obtained hydroxypropyl methylcellulose was hydroxypropyl group MS = 0.33, methoxy group DS = 2.00, and the etherification efficiency was 23.5% for propylene oxide and 40.0% for methyl chloride. Ta. Note that in the above, MR indicates a molar ratio. Same below. Example 2 The amount of propylene oxide charged was 1.26Kg [P.
O./Cellulose (MR) = 0.88], and all other operations were performed in the same manner as in the previous example. The degree of substitution of the obtained hydroxypropyl methylcellulose is hydroxypropyl group MS = 0.23, methoxy group DS = 1.99
and the etherification efficiency is propylene oxide
26.0% and methyl chloride 39.8%. Comparative Example 1 The same alkali cellulose as in Example 1, equivalent to cellulose weight 4.0 kg, was charged into a pressurized reactor with an internal volume of 80, and after sufficient N2 substitution, 2.00 kg of propylene oxide and 6.60 kg of methyl chloride were charged.
The reaction was carried out at 30°C to 80°C for 7 hours. The degree of substitution of hydroxypropyl methylcellulose obtained after washing and purification with hot water is hydroxypropyl group MS = 0.23,
Methoxy group DS = 1.99, etherification efficiency is 16.0% for propylene oxide, methyl chloride
It was 39.8%. As a result, the etherification efficiency of propylene oxide in Example 2 was 1.63 times that of Comparative Example 1. Example 3 [Manufacture of HPMC] 10.0 kg of powdered cellulose was charged into an internally stirred pressurized reactor with an internal volume of 130 mm, and after sufficient nitrogen substitution, 12.5 kg of a 50% aqueous sodium hydroxide solution was added dropwise while stirring. NaOH/cellulose (MR)
= 2.00 and H 2 O/cellulose (MR) = 4.4, an alkali cellulose was prepared. Next, propylene oxide 1.50Kg [PO/cellulose (MR) = 0.42]
was charged and reacted at 30°C to 60°C for 3 hours. Then, 6.90Kg of methyl chloride at 50℃~80℃
[CH 3 Cl/cellulose (MR) = 2.15] was continuously charged over 4 hours, and the reaction was completed 5 hours after the start of methyl chloride charging. After washing and purifying with hot water, the degree of substitution of the obtained hydroxypropyl methylcellulose is hydroxypropyl group MS =
0.20, methoxy group DS = 1.34, and the etherification efficiency was 48.3% for propylene oxide and 67.0% for methyl chloride. Comparative Example 2 Alkaline cellulose was prepared under the same conditions as in Example 3, and then 1.50 kg of propylene oxide and 6.90 kg of methyl chloride were charged and reacted at 30°C to 80°C for 7 hours. The degree of substitution of the obtained hydroxypropyl methyl cellulose is determined by the hydroxypropyl group MS
= 0.18, methoxy group DS = 1.33, and the etherification efficiency was 44.0% for propylene oxide and 66.5% for methyl chloride. As a result, the etherification efficiency of propylene oxide in Example 3 was lower than that in Comparative Example 3.
It was 1.10 times the value of . Example 4 [Manufacture of HEMC] Alkaline cellulose was prepared under the same conditions as in Example 1, and 8.00 kg of dimethyl ether (DME) was added.
[DME/cellulose (weight ratio: WR) = 2.00] was charged, and ethylene oxide (EO) 1.20Kg [E.
O./Cellulose (MR) = 1.10] and 30℃
The reaction was carried out at ~70°C for 3 hours. Dimethyl ether was used to remove the heat of reaction and to avoid the explosive range of ethylene oxide. Then, cool it to 40℃ and add methyl chloride.
8.73Kg [CH 3 Cl/cellulose (MR) = 7.00] was charged and reacted at 50°C to 80°C for 5 hours. The degree of substitution of the obtained hydroxyethyl methyl cellulose is hydroxyethyl group MS = 0.46, methoxy group DS =
2.02, and the etherification efficiency was 42.0% for ethylene oxide and 40.4% for methyl chloride. Comparative Example 3 Alkaline cellulose was charged under the same conditions as in Example 1, 6.60 kg of methyl chloride and 1.20 kg of ethylene oxide were charged, and the mixture was reacted at 30°C to 80°C for 6 hours. The degree of substitution of the obtained hydroxyethyl methyl cellulose is hydroxyethyl group MS = 0.39,
Methoxy group DS = 2.00, etherification efficiency is 35.0% for ethylene oxide, methyl chloride
It was 40.0%. Viscosity Stability The following viscosity stability test was conducted on each of the hydroxypropyl methylcelluloses (HPMC) obtained in Example 1, Example 2, and Comparative Example 1, and the results were as shown in Table 1. Viscosity stability test: 2% of sample (HPMC)
Cellulase "A3" (manufactured by Amano Pharmaceutical) was added to the aqueous solution at a pH of 7.5 and a temperature of 20°C at 20 ppm based on the solution, and the viscosity was measured after 20 minutes (viscosity after decomposition). ”
The viscosity before addition (viscosity before decomposition) was compared.
However, the viscosity was measured using a B-type viscometer in all cases.
【表】
分解後粘度
(注) 粘度保持率:[Table] Viscosity after decomposition
(Note) Viscosity retention rate:
Claims (1)
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。[Claims] 1. A method for producing hydroxyalkyl cellulose by reacting alkylene oxide and alkyl halide with alkali cellulose, comprising:
In alkali cellulose, the content of alkali hydroxide is 2.0 or more in molar ratio of alkali hydroxide to anhydroglucose units, and an amount of alkyl halide corresponding to 1/2 or less of the content of alkali hydroxide in molar ratio to cellulose. and an amount of alkylene oxide necessary for the reaction to perform the first stage reaction, and then add the remaining amount of alkyl halide to conduct the second stage reaction. A method for producing hydroxyalkylcellulose, wherein the degree of DS substitution of alkyl groups per glucose unit is greater than 1.3. 2. A hydroxyl compound having a DS degree of substitution of an alkyl group of more than 1.3 per anhydroglucose unit according to claim 1, wherein the first stage reaction is carried out in the absence of an alkyl halide. A method for producing alkyl cellulose. 3. The alkylene oxide is either propylene oxide or ethylene oxide, or both, and the degree of DS substitution of the alkyl group per anhydroglucose unit according to claim 1 is greater than 1.3. Method for producing hydroxyalkyl cellulose. 4. The degree of DS substitution of the alkyl group per anhydroglucose unit according to claim 1, characterized in that the halogenated alkyl is either chloromethyl or chloroethyl, or both.
1.3 A method for producing hydroxyalkylcellulose greater than 3.
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---|---|---|---|
JP16136882A JPS5949201A (en) | 1982-09-16 | 1982-09-16 | Preparation of hydroxyalkyl alkyl cellulose |
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JP16136882A JPS5949201A (en) | 1982-09-16 | 1982-09-16 | Preparation of hydroxyalkyl alkyl cellulose |
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JPS5949201A JPS5949201A (en) | 1984-03-21 |
JPS6344761B2 true JPS6344761B2 (en) | 1988-09-06 |
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US4228277A (en) * | 1979-02-12 | 1980-10-14 | Hercules Incorporated | Modified nonionic cellulose ethers |
-
1982
- 1982-09-16 JP JP16136882A patent/JPS5949201A/en active Granted
Also Published As
Publication number | Publication date |
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JPS5949201A (en) | 1984-03-21 |
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