本発明は、有機ハライド化合物の反応効率� ��極めて高く、選択的にセルロースエーテル� ��導体を製造する方法に関する。
 本発明者らは、反応原料として低結晶性の� ��末セルロースを用いることにより、有機ハ� ��イド化合物との反応を極めて効率的かつ選� ��的に進行できることを見出した。
 すなわち、本発明のセルロースエーテル誘� ��体の製造方法は、結晶化度が50%以下の低結� ��性の粉末セルロースを、塩基の存在下、有� ��ハライド化合物と反応させることを特徴と� ��る。有機ハライド化合物としては、エチレ� ��クロロヒドリン、モノハロ酢酸及びその塩� ��ら選ばれる1種以上の化合物が好ましく、こ の場合、カルボキシメチルセルロース及び/� �はヒドロキシエチルセルロースを得ること� �できる。
 すなわち、本発明の第1態様は、結晶化度が 50%以下の低結晶性の粉末セルロースを、塩基 の存在下、モノハロ酢酸又はその塩(以下、� �モノハロ酢酸等」ともいう)と反応させる、� ��ルボキシメチルセルロースの製造方法であ� ��。
 本発明の第2態様は、結晶化度が50%以下の低 結晶性の粉末セルロースを、塩基の存在下、 エチレンクロロヒドリンと反応させる、ヒド ロキシエチルセルロースの製造方法である。
 以下、本発明方法に用いられる各成分、反� ��条件等について説明する。

〔低結晶性の粉末セルロース〕
 セルロースには幾つかの結晶構造が知られ� ��おり、また一部に存在するアモルファス部� ��結晶部の全量に対する結晶部の割合から、� ��般に結晶化度が算出される。
 本発明においては、「結晶化度」とは、天� ��セルロースの結晶構造に由来するI型の結晶 化度を意味し、粉末X線結晶回折スペクトル� �による回折強度値からSegal法により算出した もので、下記式(1)により定義される。
 セルロースI型結晶化度(%)=〔(I _22.6 -I _18.5 )/I _22.6 〕×100 (1)
〔式中、I _22.6 は、X線回折における格子面(002面)(回折角2θ=2 2.6°)の回折強度、及びI _18.5 は、アモルファス部(回折角2θ=18.5°)の回折強 度を示す。〕
 また、「低結晶性」とは、セルロースの結� ��構造においてアモルファス部の割合が多い� ��態を示し、具体的には上記式(1)によるセル� ��ースI型結晶化度が好ましくは50%以下である ことを意味し、該結晶化度が0%の完全非晶化� ��場合を含む。
 通常の粉末セルロースは、少量のアモルフ� ��ス部を有し、それらの結晶化度は、上記式( 1)によれば概ね60~80%の範囲に含まれるいわゆ� ��結晶性セルロースである。この結晶性セル� ��ースは、一般的なセルロース誘導体合成に� ��ける反応性が極めて低いのに対し、本発明� ��用いられる低結晶性の粉末セルロースは、� ��学反応性が優れている。

 本発明に用いられる低結晶性の粉末セルロ� ��スの結晶化度は、化学反応性の観点から、� ��記式(1)による結晶化度が50%以下であり、好� ��しくは40%以下、より好ましくは30%以下であ� ��。該結晶化度が50%以下であれば、塩基によ� ��モノハロ酢酸等との反応が極めて良好に進� ��するため、セルロースエーテル化反応の選� ��率を向上させることができ、また、置換基� ��入部位の位置的な偏りを低減できる。この� ��点から、特に完全に非晶質化した、すなわ� ��前記式(1)による結晶化度がほぼ0%となる、� �わゆる非晶化セルロースを用いることが最� �好ましい。
 なお、前記式(1)で定義されたセルロースI型 結晶化度では計算上マイナスの値になる場合 があるが、マイナスの値の場合はセルロース I型結晶化度は0%とする。

 低結晶性の粉末セルロースの平均粒径は、� ��結晶性セルロースを工業原料として用いる� ��の化学反応性の観点、及び粉体として流動� ��の良い状態が保つ観点から、300μm以下が好� ��しく、150μm以下がより好ましく、100μm以下� ��より好ましく、50μm以下が更に好ましい。� �た、工業的な操作性の観点から、該平均粒� �は20μm以上が好ましく、25μm以上がより好ま� ��い。
 また、凝集等による微量な粗大粒子の混入� ��避けるため、反応には必要に応じて25~100μm� ��度の篩を用いた篩下品を用いるのが好まし� ��。
 低結晶性の粉末セルロースの重合度は、化� ��反応性の観点、及び原料パルプや工業的に� ��施する際の操作性の観点から、100~2000であ� �、より好ましくは100~1000である。

〔低結晶性の粉末セルロースの調製〕
 本発明に用いられる低結晶性の粉末セルロ� ��スは、汎用原料として得られるシート状や� ��ール状のセルロース純度の高いパルプから� ��製することができる。例えば、特開昭62-2368 01号公報、特開2003-64184号公報、特開2004-331918� ��公報等に記載の方法により調製することが� ��きる。
 また、低結晶性の粉末セルロースをより効� ��的に得る方法として、例えば、シート状パ� ��プを粗粉砕して得られる、好ましくは1~50mm� ��、より好ましくは1~30mm角のチップ状パルプ� ��、押出機で処理した後、更にボールミルで� ��理することにより調製する方法が挙げられ� ��。

 ここで、押出機としては単軸又は二軸の押� ��機を用いることができるが、強い圧縮せん� ��力を加える観点から、スクリューのいずれ� ��の部分に、いわゆるニーディングディスク� ��を備えるものがより好ましい。
 ニーディングディスク部とは、複数のニー� ��ィングディスクで構成され、これらを連続� ��て、一定の位相でずらしながら組み合わせ� ��ものである。例えば3~20個、好ましくは6~16� �のニーディングディスクを90°の位相で互い� ��いにずらしながら組み合わせたものが挙げ� ��れる。ニーディングディスク部は、スクリ� ��ーの回転にともなって、その狭い隙間にチ� ��プ状パルプ等を強制的に通過させることで� ��めて強いせん断力を付与しながら、連続的� ��処理することができる。押出機処理におけ� ��せん断速度としては、600~3000sec ^-1 が好ましく、6000~2000sec ^-1 がより好ましい。

 また、ボールミルとしては、公知の振動ボ� ��ルミル、媒体攪拌ミル、転動ボールミル、� ��星ボールミル等を用いることができる。媒� ��として用いるボールの材質に特に制限はな� ��、例えば、鉄、ステンレス、アルミナ、ジ� ��コニア等が挙げられる。ボールの外径は、� ��率的にセルロースの結晶化度を下げる観点� ��ら、好ましくは0.1~100mmである。また媒体と� ��ては、ボール以外にもロッド状のものやチ� ��ーブ状のものも用いることが可能である。
 ボールミルの処理時間としては、結晶化度� ��低下させる観点から、好ましくは5分~72時間 である。またボールミル処理の際には、発生 する熱による変性や劣化を最小限に抑えるた めにも、250℃以下、好ましくは5~200℃の範囲� ��処理を行うことが好ましく、さらには必要� ��応じて、窒素等の不活性ガス雰囲気下で行� ��ことができる。
 前述のような方法を用いれば、分子量の制� ��も可能であり、一般には入手困難な、重合� ��が高く、かつ低結晶性の粉末セルロースを� ��易に調製することが可能である。

〔カルボキシメチルセルロースの製造〕
 本発明の第1態様のカルボキシメチルセルロ ースの製造方法は、前記の低結晶性の粉末セ ルロースを、塩基の存在下、モノハロ酢酸又 はその塩と反応させる。
 用いられるモノハロ酢酸又はその塩として� ��、モノクロロ酢酸、モノブロモ酢酸、モノ� ��ロロ酢酸ナトリウム、モノクロロ酢酸カリ� ��ム等が挙げられるが、特にモノクロロ酢酸� ��トリウムが好ましい。
 また、用いられる塩基としては、特に制限� ��なく、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化� ��リウム、水酸化リチウム等のアルカリ金属� ��酸化物、水酸化マグネシウム、水酸化カル� ��ウム等のアルカリ土類金属水酸化物、トリ� ��チルアミン、トリエチルアミン、トリエチ� ��ンジアミン等の3級アミン類等が挙げられる 。これらの中では、アルカリ金属水酸化物が 好ましく、水酸化ナトリウム、水酸化カリウ ムがより好ましく、水酸化ナトリウムが更に 好ましい。
 上記のモノハロ酢酸等と塩基は、各々単独� ��又は2種以上を組み合わせて用いることがで きる。

 第1態様の発明では、セルロースの分散性、 並びに塩基及びモノハロ酢酸との混合性を改 善する目的で、有機溶媒の存在下で反応を行 うこともできる。
 用いられる有機溶媒としては、イソプロパ� ��ール、tert-ブタノール等の2級又は3級の低級 アルコール;1,4-ジオキサン、エチレングリコ� ��ルジメチルエーテル、ジエチレングリコー� ��ジメチルエーテル等のジグライム、トリグ� ��イム等のエーテル系溶剤;ジメチルスルホキ シド等の親水性極性溶剤が挙げられる。一方 、トルエン、ベンゼン、ヘキサンや他の炭化 水素油等の非水低極性又は非極性溶剤を用い ることもできる。
 上記の溶剤は、単独で又は2種以上を組み合 わせて用いることができる。

(塩基及びモノハロ酢酸等の添加)
 塩基の添加方法に特に制限はなく、例えば� ��(i)予め低結晶性の粉末セルロースとモノハ� ��酢酸等を混合した後、塩基水溶液として滴� ��する方法、又は(ii)予め低結晶性の粉末セル ロースと塩基を混合した後、モノハロ酢酸等 を添加する方法等が挙げられる。これらの中 では、反応温度の制御や塊状(ダマ)化を防止� ��る観点から、前記(i)の方法がより好ましい� ��
 添加する塩基の性状についても特に制限は� ��く、したがって塩基は無水状態や水溶液と� ��て混合・添加することが可能であるが、前� ��(i)の方法で添加する場合には、塩基を水溶� ��として添加することが好ましく、その濃度� ��特に限定されないが、20~50重量%の範囲が好� ��しい。
 モノハロ酢酸等の添加方法も特に制限はな� ��、例えば、(iii)低結晶性の粉末セルロース� �塩基を添加した後にモノハロ酢酸等を徐々� �滴下する方法や、(iv)低結晶性の粉末セルロ� ��スにモノハロ酢酸等を一括で添加し、その� ��に塩基を加えて反応させる方法等が挙げら� ��る。

(塩基及びモノハロ酢酸等の使用量)
 第1態様の発明においては、粉末セルロース とモノハロ酢酸又はその塩との反応効率が極 めて高く、反応がほぼ定量的に進行する。そ のため、塩基の使用量は、特にモノハロ酢酸 塩の使用量に対して、1~1.05モル倍用いるだけ で十分である。ただしモノハロ酢酸を用いる 場合には、更にカルボキシル基を完全に中和 できる量が必要となる。
 また、モノハロ酢酸又はその塩の使用量は� ��反応が極めて定量的に進行することから、� ��望の置換度(セルロース分子中のグルコース 単位当たりの導入モル量)に相当する量を用� �て、該置換度を適宜調整することができる� �得られるカルボキシメチルセルロース中の� �ルボキシメチル基は、セルロース分子中の� �ルコース単位におけるいかなる位置の水酸� �と結合していてもよい。

(反応条件)
 第1態様の発明における反応温度は、モノハ ロ酢酸等の沸点以下の温度が好ましく、具体 的には30~100℃が好ましく、40~80℃がより好ま� ��い。
 反応は、常圧下で行うことが好ましく、反� ��時の着色を避ける観点から、必要に応じて� ��素等の不活性ガス雰囲気下で行うのが好ま� ��い。
 第1態様の発明においては、低結晶性の粉末 セルロース、塩基及びモノハロ酢酸等を、流 動性のある粉末状態で反応させることが好ま しく、より具体的には、粉末セルロースと塩 基、又は粉末セルロースとモノハロ酢酸等を 、予めミキサー等の混合機や振とう機で均一 に混合した後に、モノハロ酢酸等又は塩基と 反応させることが好ましい。前記粉末状態で 反応を行えば、反応終了後の有機溶媒除去工 程の負担はが小さいか、又は不要であり、工 業的に簡便であり有利である。

 低結晶性の粉末セルロースとモノハロ酢酸� ��との反応においては、反応に用いる粉末セ� ��ロースや塩基水溶液等の原料由来の水分等� ��反応時の反応容器内(以下、「反応系中」と もいう)に存在する水分により、原料や生成� �が凝集する可能性がある。そこで、反応系� �に存在する水分量を粉末セルロースに対し� �、好ましくは100重量%以下、より好ましくは8 0重量%以下、更に好ましくは50重量%以下、特� ��好ましくは5~50重量%とする。反応系中に存� �する水分量が前記範囲内であれば、原料の� �末セルロースや生成物であるカルボキシメ� �ルセルロースが過度に凝集することがなく� �流動性のある粉末状態で反応させることが� �きる。
 粉末セルロースに対する水分量を前記の範� ��に保つためには、塩基水溶液の滴下及び反� ��とともに減圧条件下等で脱水することも好� ��しく、その際の圧力は6.6~101kPaが好ましく、 6.6~13.3kPaがより好ましい。
 有機溶媒の使用量としては、低結晶性の粉� ��セルロースに対して10重量倍以下にするの� �好ましく、流動性のある粉末状態で反応さ� �るという観点から、前記水分量と併せた量� �、粉末セルロースに対して100重量%以下、よ� ��好ましくは80重量%以下、特には50重量%以下� ��することが好ましい。

(反応装置)
 第1態様の発明で用いる反応装置としては特 に制限はないが、前記流動性のある粉末状態 で反応を行うには、低結晶性の粉末セルロー ス、塩基及びモノハロ酢酸等をできるだけ均 一に混合できるものが好ましい。例えば、特 開2002-114801号公報明細書段落〔0016〕で開示し ているような、樹脂等の混錬に用いられる、 いわゆるニーダー等の混合機が好ましい。
 ここで、ニーダー等の混合機としては、攪� ��が十分できるものであれば特に限定されな� ��が、例えば化学工学協会編「化学工学便覧� ��改訂五版(丸善株式会社発行)、917~919頁に記� ��されているように、単軸型ニーダーとして� ��リボンミキサー、コニーダー、ボテーター� ��スクリュー型ニーダー等が挙げられ、二軸� ��ニーダーとしては、双腕型ニーダー等が挙� ��られる。
 これらの混合機は、塩基水溶液の滴下や脱� ��ができるような部位を備えていることがよ� ��好ましい。

 本発明においては、モノハロ酢酸等のセル� ��ースに対する反応選択率が極めて高いこと� ��ら、モノハロ酢酸等に由来する副生成物が� ��めて少ないため、反応終了後の精製等の後� ��理も容易である。すなわち、本発明におい� ��は、反応終了後に、微量の未反応のモノハ� ��酢酸等や副生した中和塩を除去するために� ��必要に応じて、含水イソプロパノール、含� ��アセトン溶媒等で洗浄した後、乾燥する等� ��簡便な精製処理によって目的のカルボキシ� ��チルセルロースを得ることができる。
 また、反応終了後に中和塩除去等の精製処� ��を行わずに、必要に応じて触媒量の塩基等� ��添加した後、更なる誘導体化反応を行い、� ��々のセルロースエーテル誘導体を、粉末セ� ��ロースからワンポットで合成することもで� ��る。

〔ヒドロキシエチルセルロースの製造〕
 本発明の第2態様のヒドロキシエチルセルロ ースの製造方法は、前記の低結晶性の粉末セ ルロースを、塩基の存在下、エチレンクロロ ヒドリンと反応させる。
(エチレンクロロヒドリン)
 第2態様の発明においては、エチレンクロロ ヒドリンのセルロースへの反応効率が非常に 高いことから、エチレンクロロヒドリンの使 用量に応じて所望の置換度のヒドロキシエチ ルセルロースを得ることが可能である。例え ば、エチレンクロロヒドリンを、セルロース 分子中のグルコース単位当たり0.01~3モル倍に 相当する量を用いるのが好ましく、0.1~2.5モ� �倍に相当する量を用いるのがより好ましい� �その場合、ヒドロキシエチル基のセルロー� �中のグルコース単位当たりの置換度は、好� �しくは0.01~3となり、より好ましくは0.1~2.5と� ��る。
 エチレンクロロヒドリンを、セルロース分� ��中のグルコース単位当たり3モル倍を超えて 用いれば、セルロース上にポリオキシエチレ ン基を導入することも可能であるが、その場 合には、使用する塩基量やそれに伴う水の量 が増えるために、反応時に粉末状態を保てず に反応系がゲル化状態になるおそれがある。 したがって、高付加モル数のポリオキシエチ レン基を導入する場合には、初めにセルロー ス分子中のグルコース単位当たり3モル倍以� �のエチレンクロロヒドリンを付加させた後� �洗浄により生成した塩の除去及び脱水を行� �、再度塩基を加えてエチレンクロロヒドリ� �の付加を行うことが好ましい。

 エチレンクロロヒドリンの添加方法に特� ��制限はなく、例えば(a)低結晶性の粉末セル� ��ースに塩基を添加した後、エチレンクロロ� ��ドリンを徐々に滴下する方法や、(b)低結晶� ��の粉末セルロースにエチレンクロロヒドリ� ��を一括で添加し、その後に塩基を加えて反� ��させる方法等が挙げられる。いずれの方法� ��おいても、反応時の反応容器内(反応系中)� �低結晶性の粉末セルロースに対する水分量� �、好ましくは100重量%以下、より好ましくは8 0重量%以下、更に好ましくは50重量%以下、特� ��好ましくは5~50重量%である。反応系中に存� �する水分量が前記範囲内であれば、原料の� �末セルロースや生成物であるヒドロキシエ� �ルセルロースが過度に凝集することがなく� �流動性のある粉末状態で反応させることが� �きる。

(塩基)
 用いられる塩基は、カルボキシメチルセル� ��ースの製造で用いたものと同じである。こ� ��らの中では、アルカリ金属水酸化物が好ま� ��く、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムが� ��り好ましく、水酸化ナトリウムが更に好ま� ��い。これらの塩基は、1種又は2種以上を組� �合わせて用いることができる。
 塩基の添加方法としては、高濃度水溶液を� ��加するか、希薄溶液を添加した後に余分な� ��分量を除去してから反応させることが可能� ��あるが、いずれの場合にも、反応状態とし� ��はスラリー状や粘度の高い状態にならずに� ��動性のある粉末状態を保つことが好ましく� ��そのため希薄水溶液で添加する際の水分量� ��しても、低結晶性の粉末セルロースに対し� ��100重量%以下、好ましくは5~50重量%となるよ� ��に調整するのが望ましい。
 塩基の使用量としては、エチレンクロロヒ� ��リンの使用量に相当するモル量を用いる必� ��があり、セルロース分子中のグルコース単� ��当たりではエチレンクロロヒドリンの使用� ��と等しく0.01~3モル倍に相当する量を用いる� ��が好ましく、更には0.1~2.5モル倍に相当する 量を用いるのが好ましい。

(反応条件)
 第2態様の発明においては、低結晶性の粉末 セルロース、塩基及びエチレンクロロヒドリ ンを、流動性のある粉末状態に保ちながら行 うことが好ましい。例えば、粉末セルロース と塩基又はエチレンクロロヒドリンを予めミ キサー等の混合機や振とう機で必要に応じて 均一に混合させた後に、エチレンクロロヒド リン又は塩基を反応させることもできる。
 また、第2態様の発明においては、水以外の 有機溶媒を用いた分散状態で行うこともでき る。用いられる有機溶媒は、カルボキシメチ ルセルロースの製造で用いたものと同じであ る。
 これらの有機溶媒を使用する場合は、セル� ��ースを溶解させるほどの量を用いる必要は� ��いが、有機溶媒中でも凝集を起こさずに良� ��に分散できるだけの量を用いる必要がある� ��しかしながら多量に用いるとアルカリ等の� ��基が希釈されて反応速度が低下する可能性� ��ある。
 したがって、有機溶媒の使用量としては、� ��結晶性の粉末セルロースに対して10重量倍� �下にするのが好ましく、流動性のある粉末� �態で反応させるという観点から、水分量と� �せた量が、粉末セルロースに対して100重量%� ��下、より好ましくは80重量%以下、特には50� �量%以下とすることが好ましい。

 第2態様の発明における反応温度は、0~100℃� ��範囲が好ましいが、エチレンクロロヒドリ� ��の沸点以下の温度がより好ましく、具体的� ��は10~80℃の範囲がより好ましい。
 また、本発明における反応は、常圧下で行� ��ことが好ましいが、反応時の着色を避ける� ��点から、必要に応じて窒素等の不活性ガス� ��囲気下で行うのが好ましい。
 反応終了後は、微量の未反応エチレンクロ� ��ヒドリンや副生した中和塩を除去するため� ��、必要に応じて、含水イソプロパノール、� ��水アセトン溶媒等で洗浄等を行った後、乾� ��することにより、ヒドロキシエチルセルロ� ��スを得ることができる。また、例えば、反� ��終了後に洗浄による中和塩除去等の精製処� ��をせずに、必要に応じて塩基等を(触媒量)� �加した後、グリシジルトリメチルアンモニ� �ムクロリドを反応させてカチオン化ヒドロ� �シエチルセルロースを合成する等の、更な� �誘導体化が可能である。すなわち、ヒドロ� �シエチルセルロースを出発原料とする種々� �セルロースエーテル誘導体が、セルロース� �らワンポットで合成することが可能である� �

 第2態様の発明で用いる反応装置は、カルボ キシメチルセルロースの製造で用いたものと 同じである。
 本発明ではエチレンクロロヒドリンのセル� ��ースへの反応選択率が極めて高いことから� ��エチレンクロロヒドリンに由来する副生成� ��が極めて少なく、所望の置換度でヒドロキ� ��エチル化を行うことができ、反応終了後の� ��製も容易となる。精製は、カルボキシメチ� ��セルロースの製造で説明した方法と同様に� ��て行うことができる。
 第2態様の発明において、ヒドロキシエチル 基は、セルロース分子中のグルコース単位に おけるいかなる位置の水酸基に結合していて もよく、グルコース単位当たり所望の置換度 に調整することが可能である。