JP2002187870A - クエン酸エステル類の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 クエン酸エステル化合物の、工業的に優れた
製造方法を提供する。 【解決手段】一般式（１）[式中Ｒ¹は水素原子等を示し
Ｒ²はアルカリ金属を示す]のクエン酸化合物と一般式
(２)ＸＣＨ₂ＣＯＯＲ³[Ｘはハロゲン原子を示しＲ ³はア
ルキル基を示す]のα-モノハロゲン化酢酸アルキル(一
般式(２)の化合物は単一の化合物であってもよくＲ³が
異なる基を有する混合物であってもよい)とを反応させ
て一般式(３)[式中３つのＲ³は同一又は異なってアルキ
ル基を示す]で表されるクエン酸エステル化合物を製造
する方法であって、一般式(１)のクエン酸化合物として
その水和物を用い、一般式(１)のクエン酸化合物と一般
式(２)のα-モノハロゲン化酢酸アルキルとの反応を、
第３級アミンの存在下で、水と共沸可能な溶媒の還流下
に行い、溶媒を還流する際に溶媒に含まれる水を分離し
て除去することを特徴とする方法。 【化１】 【化２】

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、クエン酸エステル
化合物の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】クエン酸エステル化合物は、酢酸セルロ
ースエステル、塩化ビニルをはじめとする各種熱可塑性
樹脂の可塑剤として有用である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】クエン酸エステル化合
物の、工業的に優れた製造方法を提供することを目的と
する。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明者は、熱可塑性樹
脂との相溶性に優れ、樹脂からのにじみ出し（ブリード
アウト）が少なく、成形加工時の揮発性が低く、これら
樹脂の可塑剤として有用である一般式(3)のクエン酸エ
ステル化合物の製造方法を鋭意検討した。エステル化合
物を製造する方法としては、例えば、英国特許公報９３
１，７８１号に、フタル酸ハーフエステルとα-ハロゲ
ン化酢酸アルキルエステルからフタリルグリコール酸エ
ステルを製造する方法が記載されている。該文献の第１
頁には、フタル酸無水物をハーフエステル化し、その後
中和すると水が生成し、反応系に水が存在したままフタ
ル酸ハーフエステルとα-ハロゲン化酢酸アルキルエス
テルとを反応させると水によりα-ハロゲン化酢酸アル
キルエステルが加水分解を起こし、目的化合物の収率が
低下すると記載されている。また、生成した水を反応系
から除去することは困難であると記載されている。従っ
て、α-ハロゲン化酢酸アルキルエステルを用いてエス
テル化合物を製造する方法において、反応系に水が存在
しないことが望ましいと考えられていた。原料として水
和物を用いた場合であっても系内に水が生成することに
なるので、水和物を原料として用いると、収率が低下し
たり、反応操作が煩雑になるなどの問題が生じるので、
好ましくなくないと思われた。しかしながら、クエン酸
化合物の水和物を原料として用いた場合であっても、第
３級アミンを反応触媒とし、水と共沸可能な溶媒の還流
下で、反応系から水を除去しながら反応を行うと、目的
化合物を高収率且つ高純度で得ることができることを見
出し、本発明を完成させるに至った。

【０００５】すなわち、本発明は下記の各項に示す発明
に係るものである。項１ 一般式（１）

【０００６】

【化３】

【０００７】［式中、Ｒ¹は水素原子又は炭素数１〜１
２の脂肪族アシル基を示し、Ｒ²はアルカリ金属を示
す。］で表されるクエン酸化合物と一般式（２） ＸＣＨ₂ＣＯＯＲ³ （２） ［式中、Ｘはハロゲン原子を示し、Ｒ³は炭素数１〜２
４のアルキル基を示す。］で表されるα−モノハロゲン
化酢酸アルキル（ただし、一般式（２）の化合物は、単
一の化合物であってもよく、Ｒ³が異なる基を有する混
合物であってもよい。）とを反応させて一般式（３）

【０００８】

【化４】

【０００９】［式中、Ｒ¹は前記と同じ。３つのＲ³は同
一又は異なって炭素数１〜２４のアルキル基を示す。］
で表されるクエン酸エステル化合物を製造する方法であ
って、一般式（１）で表されるクエン酸化合物としてそ
の水和物を用い、一般式（１）で表されるクエン酸化合
物と一般式（２）で表されるα−モノハロゲン化酢酸ア
ルキルとの反応を、第３級アミンの存在下で、水と共沸
可能な溶媒の還流下に行い、溶媒を還流する際に溶媒に
含まれる水を分離して除去することを特徴とする方法。
項２ Ｒ¹が水素原子または炭素数１〜５の脂肪族アシ
ル基であり、Ｒ³が炭素数１〜４のアルキル基である項
１に記載のクエン酸エステル化合物の製造方法。項３
Ｒ¹が水素原子であり、Ｒ³がメチル基またはエチル基で
ある項１に記載のクエン酸エステル化合物の製造方法。
項４ 反応温度を８０〜１４０℃とすることを特徴とす
る項１〜３のいずれかに記載のクエン酸エステル化合物
の製造方法。項５ 第３級アミンの全使用量の一部を反
応開始時に反応系に存在させ、残部を反応開始後に添加
することを特徴とする項１〜４のいずれかに記載のクエ
ン酸エステル化合物の製造方法。

【００１０】

【発明の実施の態様】以下、本発明の方法を具体的に説
明するが、本発明方法はこれに限定されるものではな
い。

【００１１】Ｒ¹は、水素原子又は脂肪族アシル基であ
る。脂肪族アシル基は、炭素数１〜１２であり、炭素数
１〜５であることが好ましい。具体的にはホルミル、ア
セチル、プロピオニル、ブチリル、イソブチリル、バレ
リル、イソバレリル、カプロイル、エナントイル、カプ
リロイル、ペラルゴイル、カプリノイル基等を例示する
ことができる。好ましくはホルミル、アセチル、プロピ
オニル、ブチリル、イソブチリルを例示することができ
る。Ｒ¹としては、水素原子又はアセチル基がより好ま
しく、水素原子が特に好ましい。

【００１２】Ｒ²は、アルカリ金属原子である。アルカ
リ金属としては、ナトリウム、カリウムが好ましい。

【００１３】Ｒ³は、直鎖状又は分岐を有するアルキル
基であり、炭素数１〜２４であり、特に炭素数１〜４の
アルキル基が好ましい。具体的にはメチル基、エチル
基、ｎ−プロピル基、イソプロピル基、ｎ−ブチル基、
イソブチル基、ｓｅｃ−ブチル基、ｔ−ブチル基が挙げ
られる。Ｒ³としては、メチル基又はエチル基がより好
ましい。

【００１４】Ｘは、ハロゲン原子を示し、塩素原子、臭
素原子、ヨウ素原子などが例示される。

【００１５】一般式(1)で表される化合物としては、ク
エン酸三ナトリウム、クエン酸三カリウムなどが挙げら
れる。本発明においては、一般式(1)の化合物として
は、その水和物を使用する。水和物としては、クエン酸
三カリウム一水和物、クエン酸三ナトリウム二水和物、
などが好ましく例示される。これらの中で、クエン酸三
ナトリウム二水和物は、特に安価に入手できる。

【００１６】一般式(2)で表されるα−モノハロゲン化
酢酸アルキルとしては、具体的には、モノクロル酢酸メ
チル、モノクロル酢酸エチル、モノクロル酢酸プロピ
ル、モノクロル酢酸ブチルが挙げられる。

【００１７】一般式(２)の化合物としては、Ｒ³が全て
同一の単一の化合物を原料として用いてもよく、異なる
Ｒ³を有する一般式(２)の化合物の２種又は３種の混合
物であってもよい。一般式(２)の化合物として単一の化
合物を用いると３つのＲ³が同一の一般式(３)の化合物
が得られ、一般式(２)の化合物として混合物を用いる
と、３つのＲ³がそれぞれ異なる、或いは２つのＲ³が同
一で残りの１つのＲ³と異なる一般式(3)の化合物が得ら
れる。混合物としては、例えば、モノクロル酢酸メチル
とモノクロル酢酸エチルの混合物（モル比で１：２程度
の混合物）、モノクロル酢酸メチル、モノクロル酢酸エ
チルとモノクロル酢酸プロピルの混合物（モル比で１：
１：１程度の混合物）等を用いることができる。

【００１８】一般式(2)のα−モノハロゲン化酢酸アル
キルの使用量は特に限定されるものではないが、通常、
一般式(1)のクエン酸化合物に対して当量以上用いるの
が好ましく、当量に対して過剰に用いるのはより好まし
い。該化合物１モルに対して３〜６モル程度用いるのが
好ましい。

【００１９】第３級アミンとしては、鎖状又は環状の脂
肪族第３級アミン、芳香族アミンを用いるのが好まし
い。具体的には、トリメチルアミン、トリエチルアミ
ン、トリｎ−プロピルアミン、トリイソプロピルアミ
ン、トリｎ−ブチルアミン、ジメチルシクロヘキシルア
ミン等の鎖状又は環状脂肪族第３級アミン；ピリジン、
ルチジン、エチルピリジン等の芳香族アミン等が挙げら
れる。これらの中でも、トリエチルアミンが好ましい。

【００２０】第３級アミンの使用量は、式(1)のクエン
酸化合物１モルに対し、通常、０．０１〜１．０モル程
度、好ましくは０．１〜０．５モル程度である。

【００２１】水と共沸可能な溶媒としては、ベンゼン
（共沸点：69.25℃）、トルエン（同85.0℃）、キシレ
ン(同92〜94.5℃)、クロルベンゼン（同90.2℃）、ジク
ロルベンゼン(同133℃)、エチルベンゼン(同92℃)、プ
ロピルベンゼン(同95℃)等の水と共沸可能な芳香族炭化
水素、ヘキサン（同61.6℃）、ヘプタン(同79.2℃)、デ
カン(同134℃)のような水と共沸可能な脂肪族炭化水
素、シクロヘキサン（同69.5℃）のような水と共沸可能
な脂環式炭化水素が挙げられる。これらの中でも、本発
明方法では、トルエンを用いることが好ましい。

【００２２】溶媒の使用量について特に制限はないが、
一般式(1)のクエン酸化合物が固体の場合は反応原料が
十分に撹拌できる程度の量が必要であるので、原料の種
類などに応じて適宜設定することができる。通常、一般
式(1)のクエン酸化合物１００重量部に対して、５〜５
０重量部程度であり、７〜３３重量部程度が容積効率に
優れているので好ましい。

【００２３】本発明の方法において、通常一般式(1)及
び一般式(2)で表される化合物は反応容器内に全量を予
め加えておく。第３級アミンは、全量を反応容器内に加
えておいてもよいが、その一部（例えば、全使用量の
０．１〜１０重量％程度）を他の原料とともに当初より
反応容器に加えておき、残量を反応時間に応じて、１〜
２０時間程度かけて反応系に添加することが望ましい。

【００２４】一般式（１）の化合物と一般式（２）の化
合物との反応は発熱反応であるため、反応開始直後には
受熱によりα−モノハロゲン化酢酸アルキルが分解しハ
ロゲン化水素が発生し、それにより収率及び純度の低下
を招くおそれがある。しかし、反応初期に第３級アミン
を原料と同時に仕込むことでこのハロゲン化水素のキャ
ッチ剤としての効果が得られ、収率及び純度の低下を招
くことなく反応を完結させることができる。反応初期に
発生するハロゲン化水素のキャッチ剤としての十分な量
の第３級アミンを仕込んでおけば、残りの第３級アミン
を反応の進捗に合わせて反応系に徐々に添加することに
より、スムーズに反応を完結させることができるので好
ましい。

【００２５】通常、クエン酸化合物としてその水和物を
用いると、結晶水が分離して反応系内に水が存在するこ
ととなる。結晶水が系内に滞留すると、α−モノハロゲ
ン化酢酸アルキルエステルが分解し、塩酸を副生して純
度低下乃至収率の低下をおこすので好ましくない。従っ
て、クエン酸化合物の水和物を予め脱水することが考え
られるが、脱水中に無水物の結晶が固まりとなって生成
するために作業が困難になるという問題がある。また、
固まりが生成しないようにするためには、長時間をかけ
て脱水する必要があるので、工業的に不利である。本発
明のように水と共沸可能な溶媒の還流下に反応を行え
ば、分離した結晶水が溶媒と共に共沸組成で蒸発するの
で、反応系外に水を除去することができる。水を含む溶
媒は、いったん反応系外へ留去し、水を溶媒から分離し
て除去した後、再び反応系内に戻せばよい。このよう
に、反応系内から水が除去すれば、クエン酸化合物の水
和物を原料として使用した場合であっても、収率の低下
や副反応物の生成によるコストアップや製品の純度が低
下するという問題が生じるおそれがなく、また、得られ
たクエン酸エステル化合物の物性が劣るという問題も生
じるおそれがない。還流の際に、水を含む溶媒から水を
分離して除去する方法は、特に限定されるものではな
く、常法に従って行えばよい。例えば、加熱によって水
と溶媒とが共沸し、共沸組成物として留出するので、こ
の留出物を系外に設けた回収装置に導き、該装置内で留
出物から水を分離し、溶媒は系内に戻すことにより水を
分離することができる。

【００２６】反応原料が固体と液体である場合は、反応
速度は撹拌律速になりやすいので、反応速度を上げるた
めには十分に撹拌するのが好ましく、溶媒の還流速度を
上げて分離した結晶水を系内に滞留させない程度とする
のが望ましい。

【００２７】反応は常圧又は減圧下で行うことができる
が、減圧下で行うことが好ましい。減圧の程度は、１
３．３〜１０１．３ｋＰａ程度が好ましく、４０〜８０
ｋＰａ程度がより好ましい。

【００２８】反応温度（反応系内の温度）は、用いる溶
媒の種類、圧力などに応じて適宜設定すればよく、８０
〜１４０℃程度とすることが好ましく、１００〜１３０
℃程度がより好ましい。１４０℃以下程度であると、副
反応による不純物が副生しにくいので好ましい。

【００２９】より具体的には、溶媒としてトルエンを用
いた場合は、反応温度を１００〜１３０℃程度とし、反
応系内の圧力が５３．３〜８０．０ＭＰａ程度となるよ
うに調整するのが好ましい。

【００３０】反応時間は、原料の種類や量に応じて適宜
設定することができるが、通常１〜３０時間程度、好ま
しくは１０〜２０時間程度である。

【００３１】反応生成物である一般式（３）の化合物
は、通常の分離、精製手段、例えば再結晶、溶媒抽出
法、カラムクロマトグラフィー法等を用いて、容易に単
離、精製することができる。一般式（１）の化合物とし
てはアルカリ金属塩を使用しており塩が副生するので、
反応終了後、水洗して除去するのが望ましい。また、ア
ミン塩が副生するので、反応終了後、希薄な酸で洗浄し
た後、アルカリによる中和、水洗を行うことが望まし
い。

【００３２】

【発明の効果】本発明の方法によれば、クエン酸化合物
の水和物を原料として使用した場合であっても、収率の
低下や副反応物の生成によるコストアップや製品の純度
の低下するという問題がなく、得られたクエン酸エステ
ル化合物の物性にも優れている。

【００３３】

【実施例】実施例１ 四つ口フラスコに撹拌機、温度計、追加ロート、水分け
装置を挟みコンデンサーを取り付け、クエン酸３ナトリ
ウム２水和物２９４．１ｇ（１．０モル）、モノクロル
酢酸エチル４０４．３ｇ（３．３モル）、トリエチルア
ミン０．３ｇ（０．００３モル）、トルエン７７．５ｇ
を仕込み、５３．３ｋＰａの真空状態で撹拌しながら１
１０℃まで加熱した。外部循環水回収装置をトルエンが
還流を始め、安定したところでトリエチルアミン１１．
８ｇ（０．１１７モル）を１０時間で追加した。反応開
始後１６時間でクエン酸ナトリウム２水和物の結晶水３
６．０ｇ（２．０モル）が回収されたため、１時間の熟
成を行った後反応を終了した。反応終了後、４０℃まで
冷却し、１％塩酸水溶液５６０ｇを添加し、副生した塩
化ナトリウム及びトリエチルアミンの４級アンモニウム
塩を除去した。次に油層に炭酸ナトリウム１４．２ｇ
（０．１３５モル）と水１８５ｇを添加し中和を行っ
た。更に、油層を１８５ｇの水で洗浄した後、１２０
℃、５．３３ｋＰａまでの条件で溶剤を回収し、引き続
き１時間の水蒸気蒸留を行い、目的化合物（４１２．４
ｇ、収率９１．５％）を得た。一般式(3)において、Ｒ¹
＝水素原子、Ｒ³＝エチル基である化合物が得られたこ
とを、NMR及びIRで確認した。ガスクロマトグラフィー
（ＧＣ）の面積百分率による純度は９２．１％であり、
酸価は０．１２６（ＫＯＨｍｇ／ｇ）であった。 実施例２〜４ 反応条件を表１記載の方法に変更した以外は、実施例１
と同様にして合成を行った。

【００３４】

【表１】

【００３５】比較例 １ 四つ口フラスコに撹拌機、温度計、追加ロート、コンデ
ンサーを取り付け、クエン酸３ナトリウム２水和物２９
４．１ｇ（１．０モル）、モノクロル酢酸エチル４０
４．３ｇ（３．３モル）、トリエチルアミン０．３ｇ
（０．００３モル）、トルエン７７．５ｇを仕込み、常
圧状態１０１．３ｋＰａで撹拌しながら１２０℃まで加
熱した。温度が安定したところでトリエチルアミン１
１．８ｇ（０．１１７モル）を１０時間で追加した。反
応開始後１６時間で反応を終了した。水分け装置を取り
付けなかったため、クエン酸ナトリウム２水和物の結晶
水の回収は行わなかった。反応終了後、４０℃まで冷却
し、１％塩酸水溶液５６０ｇを添加し、副生した塩化ナ
トリウム及びトリエチルアミンの４級アンモニウム塩を
除去した。次に油層に炭酸ナトリウム５０．６ｇ（０．
９５５モル）と水１８５ｇを添加し中和を行った。更
に、油層を１８５ｇの水で洗浄した後、１２０℃、５．
３３ｋＰａまでの条件で溶剤を回収し、引き続き１時間
の水蒸気蒸留を行い、目的化合物（２０８．７ｇ、収率
４６．４％）を得た。ガスクロマトグラフィー（ＧＣ）
の面積百分率による純度は７１．２％であり、酸価は
０．０９３（ＫＯＨｍｇ／ｇ）であった。

【００３６】結晶水が系内に存在したまま反応を行った
ため、収率・純度が低下した。

【００３７】比較例２（結晶水を予備脱水してからの合
成） 四つ口フラスコに撹拌機、温度計、水分け装置を挟みコ
ンデンサーを取り付け、クエン酸３ナトリウム２水和物
２９４．１ｇ、キシレン６００ｇを仕込み、常圧にて撹
拌しながら１４０℃まで加熱し脱水を行った。脱水中に
無水物の結晶が固まりとならないように脱水を行ったと
ころ、１５時間の脱水により水３１．２ｇ（１．７３モ
ル）を回収した。その後キシレンを常圧にて５１５ｇ留
去した。その後、モノクロル酢酸エチル４０４．３ｇ
（３．３モル）、トリエチルアミン０．３ｇ（０．００
３モル）、トルエン７７．５ｇを仕込み、５３．３ｋＰ
ａの真空状態で撹拌しながら１１０℃まで加熱した。キ
シレン・トルエン混合溶媒が還流を始め、安定したとこ
ろでトリエチルアミン１１．８ｇ（０．１１７モル）を
１０時間で追加した。反応開始後１６時間でクエン酸ナ
トリウム中の残りの結晶水４．８ｇ（０．２７モル）が
回収されたため、１時間の熟成を行った後反応を終了し
た。反応終了後、４０℃まで冷却し、１％塩酸水溶液５
６０ｇを添加し、副生した塩化ナトリウム及びトリエチ
ルアミンの４級アンモニウム塩を除去した。次に油層に
炭酸ナトリウム６．９ｇ（０．１３０モル）と水１８５
ｇを添加し中和を行った。更に、油層を１８５ｇの水で
洗浄した後、１２０℃、５．３３ｋＰａまでの条件で溶
剤を回収し、引き続き１時間の水蒸気蒸留を行い、目的
化合物（４０５．１ｇ、収率９０．０％）を得た。ガス
クロマトグラフィー（ＧＣ）の面積百分率による純度は
８６．０％であり、酸価は０．６３２（ＫＯＨｍｇ／
ｇ）であった。

【００３８】予め水和物の脱水を行う方法は、予備脱水
に１５時間という長時間を要するために、工業的製造方
法として適していない。

【００３９】

【表２】

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１で得られた化合物の¹³C-NMRのチャー
ト

【図２】実施例１で得られた化合物の¹H-NMRのチャート

【図３】実施例１で得られた化合物のIRのチャート

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一般式（１） 【化１】 ［式中、Ｒ¹は水素原子又は炭素数１〜１２の脂肪族ア
   シル基を示し、Ｒ²はアルカリ金属を示す。］で表され
   るクエン酸化合物と一般式（２） ＸＣＨ₂ＣＯＯＲ³ （２） ［式中、Ｘはハロゲン原子を示し、Ｒ³は炭素数１〜２
   ４のアルキル基を示す。］で表されるα−モノハロゲン
   化酢酸アルキル（ただし、一般式（２）の化合物は、単
   一の化合物であってもよく、Ｒ³が異なる基を有する混
   合物であってもよい。）とを反応させて一般式（３） 【化２】 ［式中、Ｒ¹は前記と同じ。３つのＲ³は同一又は異なっ
   て炭素数１〜２４のアルキル基を示す。］で表されるク
   エン酸エステル化合物を製造する方法であって、一般式
   （１）で表されるクエン酸化合物としてその水和物を用
   い、一般式（１）で表されるクエン酸化合物と一般式
   （２）で表されるα−モノハロゲン化酢酸アルキルとの
   反応を、第３級アミンの存在下で、水と共沸可能な溶媒
   の還流下に行い、溶媒を還流する際に溶媒に含まれる水
   を分離して除去することを特徴とする方法。
2. 【請求項２】 Ｒ¹が水素原子または炭素数１〜５の脂
   肪族アシル基であり、Ｒ³が炭素数１〜４のアルキル基
   である請求項１に記載のクエン酸エステル化合物の製造
   方法。
3. 【請求項３】 Ｒ¹が水素原子であり、Ｒ³がメチル基ま
   たはエチル基である請求項１に記載のクエン酸エステル
   化合物の製造方法。
4. 【請求項４】 反応温度を８０〜１４０℃とすることを
   特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のクエン酸エ
   ステル化合物の製造方法。
5. 【請求項５】 第３級アミンの全使用量の一部を反応開
   始時に反応系に存在させ、残部を反応開始後に添加する
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のクエ
   ン酸エステル化合物の製造方法。