CN103183830B

CN103183830B - 亲水有机硅高聚物的制造方法

Info

Publication number: CN103183830B
Application number: CN201110461160.2A
Authority: CN
Inventors: 丁伟家; 李恒毅; 赖有进; 张汉宜
Original assignee: Pegavision Corp
Current assignee: Pegavision Corp
Priority date: 2011-12-29
Filing date: 2011-12-29
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2031-12-29
Also published as: CN103183830A

Abstract

本发明提供一种亲水有机硅高聚物的制造方法。藉由使用含铑催化剂，让聚硅氧烷的硅氢键与亲水化合物的C＝C双键进行硅氢化反应而可形成具有酰胺官能基或磷酸胆碱官能基的亲水侧链于聚硅氧烷中。进行封端反应后，形成亲水有机硅高聚物。

Description

亲水有机硅高聚物的制造方法

技术领域

本发明是涉及一种隐形眼镜的材料，特别是涉及一种用于隐形眼镜的亲水有机硅高聚物(hydrophilic silicone macromer)的制造方法。

背景技术

由于有机硅水胶(Silicone hydrogel)具有良好的透氧性，因此长期以来用以作为隐形眼镜的材料之一。有机硅水胶镜片的优点在于可输送足够的氧气量至角膜，因此适合长时间的配戴，且较不会发生由镜片引起的眼部并发症。

在有机硅水胶镜片的组成中，通常含有一种或两种以上的有机硅基单体(monomer)、高聚物(macromer)或预聚物(prepolymer)。上述单体的分子量低于500，且最多具有四个硅原子，例如甲基丙烯酸-三(三甲基硅氧)硅丙酯(3-(methacryloyloxypropyl)-tris(trimethylsiloxy)silane,TRIS)。上述高聚物的分子量高于500，且具有线性的多个硅氧单元和一个乙烯不饱和聚合官能基。上述预聚物具有线性的多个硅氧单元及两个乙烯不饱和聚合官能基。但因为有机硅属于高疏水性物质，因此如何提升有机硅水胶镜片的湿润性成为一项挑战。

目前已有下列几种方法可提高有机硅水胶镜片的湿润性，如使用等离子处理含硅的疏水镜片表面、在镜片材料中的配方加入诸如聚N-乙烯吡咯烷酮(polyvinylpyrrolidone)的亲水高分子，或使用具有聚氧乙烯(polyethylene oxide)侧链的硅基预聚物。此外，虽然亲水性的有机硅基单体、高聚物与预聚物的结构已被1981年公告的美国专利公告第4259467号(Keogh团队)所揭露，但目前却无有效制造上述高聚物的方法。

因此，需开发一种有效的亲水有机硅高聚物的制造方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种亲水有机硅高聚物的制造方法。

本发明提供的亲水有机硅高聚物的制造方法，其步骤包含如下：进行开环插入反应，让至少一环硅氧烷(cyclic siloxane)、至少一环氢硅氧烷(cyclichydrogen siloxane)进行开环反应，再插入具有末端反应性氢(reactive hydrogen)的直链聚硅氧烷之中，以形成具有硅氢键的末端反应性氢的聚硅氧烷。末端反应性氢来自于氢氧基或胺基。进行硅氢化反应(hydrosilation)，让聚硅氧烷的硅氢键与亲水化合物的C＝C双键进行加成反应，以形成具有亲水性侧链的末端反应性氢的聚硅氧烷中间体。硅氢化反应使用一含铑催化剂。亲水化合物具有酰胺官能基或磷酸胆碱官能基。进行封端反应，让聚硅氧烷中间体的末端反应性氢与烯类不饱和化合物(ethylenically unsaturated compound)的亲电子基反应，以形成亲水有机硅高聚物。

上述制造方法可有效地合成出亲水有机硅高聚物，而可应用在有机硅水胶的镜片上。

具体实施方式

为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对了本发明的实施态样与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。以下所揭露的各实施例，在有益的情形下可相互组合或取代，也可在一实施例中附加其它的实施例，而无须进一步的记载或说明。

本发明的一态样是在提供一种亲水有机硅高聚物的制造方法。此制造方法包含有开环插入反应、硅氢化反应以及封端反应。其反应流程如化学反应式(1)、(2)和(3)所示。

首先，进行开环插入反应，如化学反应式(1)所示。

让至少一环硅氧烷II(cyclic siloxane)与至少一环氢硅氧烷III(cyclichydrogen siloxane)进行开环反应且插入至直链聚硅氧烷I中。而可形成具有硅氢键的聚硅氧烷IV。上述反应可在室温下进行。环硅氧烷II与环氢硅氧烷III可藉由强酸来让硅氧键结断裂而开环，以形成直链硅氧重复单元。强酸例如可为三氟甲磺酸(triflic acid)或硫酸。然后，上述的直链硅氧重复单元可插入至直链聚硅氧烷I中，而形成分子量更大的聚硅氧烷IV。在上述化学反应式(1)中，藉由环氢硅氧烷III开环再插入至直链聚硅氧烷I中，可导入硅氢键结至聚硅氧烷IV中。硅氢键结可用以与具有C＝C双键的化合物进行硅氢化反应(hydrosilation)。此外，环硅氧烷II与环氢硅氧烷III可用以提高聚硅氧烷IV的分子量。

直链聚硅氧烷I的通式为T-R₂-[Si(R₁)₂O]_x-Si(R₁)₃。T可为胺基或氢氧基，其具有末端反应性氢。R₁可为C1-C12烷基。R₂为-(CH₂)_b-O-(CH₂)_c-或C3-C6烷撑基，且b为2-4，c为2-4。直链聚硅氧烷I例如可为丁基[(氢氧基乙氧基)丙基]聚二甲基硅氧烷(butyl[(hydroxyethoxy)propyl]polydimethylsiloxane)。

环硅氧烷II与环氢硅氧烷III的硅氧重复单元的数目可为3至5。例如可分别为具有四个硅氧重复单元的八甲基环四硅氧烷(1,1,3,3,5,5,7,7-octamethylcyclotetrasiloxane)与1,3,5,7-四甲基环四硅氧烷(1,3,5,7-tetramethyltetrasiloxane)。

形成的聚硅氧烷IV具有硅氢键，且其末端T具有反应性氢。反应性氢来自于胺基或氢氧基，用以与亲电子基进行反应。聚硅氧烷IV的另一末端Si(R₁)₃则可为不具反应活性的烷基。聚硅氧烷IV的硅氧重复单元包含有-[(R₁)₂SiO]-与-[(R₁)(H)SiO]-。-[(R₁)₂SiO]-与-[(R₁)(H)SiO]-的数目分别为4m+x与4n。这两种硅氧重复单元可为无规排列。

然后，进行硅氢化反应(hydrosilation)，如化学反应式(2)所示。

让聚硅氧烷IV的硅氢键与亲水化合物V的C＝C双键进行加成反应，以形成具有亲水性侧链的聚硅氧烷中间体VI。亲水化合物V可具有酰胺官能基或磷酸胆碱官能基。可于40至150℃的环境下进行反应。藉由硅氢化反应可将亲水侧链导入到聚硅氧烷中间体VI中，而可提高聚硅氧烷中间体VI的含水率。

硅氢化反应的催化剂可为含铑的络合物，例如可为三硫丁醚三氯化铑(tris(dibutylsulfide)rhodium trichloride)。一般而言，可使用诸如铑或铂等过渡金属络合物作为硅氢化反应的催化剂。由实验中发现，当使用含铑催化剂时，对于硅氢化反应的催化效果佳。而当使用含铂催化剂时，其催化效果不佳。推测因为亲水化合物中具有氮或磷，而使铂金属失去催化活性。

亲水化合物V的通式为CH₂＝C(R₃)W。R₃为氢或甲基。W具有酰胺官能基或磷酸胆碱官能基，例如可为式(1)、(2)或(3)所示的结构。

式(2)中的R₄为C1-C4烷基，R₅为C1-C4烷基

式(3)中的R₆为C1-C3烷基，且d为2-4，e为2-4。

上述式(1)、(2)中具有酰胺官能基的亲水化合物V例如可为N-乙烯吡咯烷酮(N-vinylpyrrolidone,NVP)、N-烯丙基吡咯烷酮(N-allylpyrrolidone)或N-乙烯N-甲基乙酰胺(N-vinyl-N-methylacetamide)。式(3)中具有磷的亲水化合物V例如可为2-甲基丙烯氧乙基磷酸胆碱(2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine,MPC)。

随后，进行封端反应(end-capping reaction)，如化学反应式(3)所示。

让聚硅氧烷中间体VI的末端反应性氢与烯类不饱和化合物(ethylenicallyunsaturated compound)VII或VIII的亲电子基反应，以形成亲水有机硅高聚物IX。

依照聚硅氧烷中间体VI的反应性氢来自于胺基或氢氧基与亲电子基的种类，而可形成不同的键结。当聚硅氧烷中间体VI的末端T为胺基时，与异氰基反应后可形成尿素键结(urea linkage)。或者，胺基与酸酐或酰氯反应后可形成酰胺键结(amide linkage)。当聚硅氧烷中间体VI的末端T为氢氧基时，与异氰基反应后可形成胺基甲酸键结(carbamate linkage)。或者，氢氧基与酸酐或酰氯反应后可形成酯键结(ester linkage)。

烯类不饱和化合物的通式为CH₂＝C(R₃)-Y-E(VII)或CH₂＝C(R₃)-CO-LG(VIII)。

当通式为CH₂＝C(R₃)-Y-E(VII)时，R₃为氢或甲基。E为亲电子基，例如异氰基。Y为-(CH₂)_f-或-COO(CH₂)_g-，且f为0至4，g为2至4。当此烯类不饱和化合物与胺基或氢氧基反应后，可形成CH₂＝C(R₃)-Y-L-。L为连接基团，如-NHCOO-或-NHCONH-。烯类不饱和化合物VII例如可为甲基丙烯酸异氰基乙酯(isocyanatoethyl methacrylate)。

当通式为CH₂＝C(R₃)-CO-LG(VIII)时，LG为氯基或酸酐基。当此烯类不饱和化合物与胺基或氢氧基反应后，可形成CH₂＝C(R₃)-Y-L-。在此，Y为-(CH₂)_f-，且f为0。换言之，上述通式CH₂＝C(R₃)-Y-L-即为CH₂＝C(R₃)-L-，且其L为-COO-或-CONH-。烯类不饱和化合物VIII例如可为甲基丙烯酰氯(methacryloyl chloride)或甲基丙烯酸酐(methacrylic anhydride)。

本发明中，所述亲水化合物与所述亲水有机硅高聚物的重量比为5：100至90：100。在一实施方式中，亲水化合物VII或VIII占亲水有机硅高聚物IX的重量百分比为约5至约90wt％。在一实施例中，亲水化合物VII占亲水有机硅高聚物IX的重量百分比为约22-35wt％。

合成的亲水有机硅高聚物IX的-[(R₁)₂SiO]-与-[(R₁)(H)SiO]-的数目分别为p与q。在一实施方式中，q/p的比值为约0.05至约0.9。在一实施方式中，高聚物IX的数均分子量可为约500至约6000，例如约1000至约6000。

本发明还提供一聚合组成物，包含前述的亲水有机硅高聚物。

本发明还提供一硅水胶镜片，包含前述的亲水有机硅高聚物。

上述亲水有机硅高聚物可应用于生医领域中，特别可用以作为有机硅水胶镜片中的主要成分，但不限于此。例如可将高聚物及其它材料组成的混合物置于塑料模具中，再以紫外光或热能固化之。然后进行后续如水合和杀菌等步骤，而可得到有机硅水胶镜片。

实施例

以下的实施例是用以详述本发明的特定态样，并使本发明所属技术领域中具有通常知识者得以实施本发明。以下的实施例不应用以限制本发明。

实施例1：制备含吡咯烷酮亲水侧链的高聚物1

开环插入反应

将29.6g(0.1mole)的八甲基环四硅氧烷(1,3,3,5,5,7,7-octamethylcyclotetrasiloxane)、24.0g(0.1mole)的1,3,5,7-四甲基-环四硅氧烷(1,3,5,7-tetramethyl-cyclotetrasiloxane)、93.5g(0.1mole)的丁基[(氢氧基乙氧基)丙基]聚二甲基硅氧烷(butyl[(hydroxyethoxy)propyl]polydimethylsiloxane)与1.2mg的三氟甲磺酸(trifluoromethanesulfonic acid)置入装有回流冷凝器和氮气层的1升的三颈圆底烧瓶内。八甲基环四硅氧烷：1,3,5,7-四甲基-环四硅氧烷：丁基[(氢氧基乙氧基)丙基]聚二甲基硅氧烷的摩尔比为1：1：1。让此混合物在25℃下搅拌24小时以形成溶液。

然后，进行数次萃取步骤而可得到具有硅氢键的末端反应性氢的聚硅氧烷。例如可先进行第一萃取步骤。在溶液中加入200ml的乙醚与350ml的水，再移除水相层。将有机层用水重复清洗两次，使之转变为中性。再将有机层中的乙醚抽除而形成粗产物。

进行第二萃取步骤。在上述粗产物中加入225ml的甲醇与75ml的水并搅拌30分钟，再移除水相层。以60ml的乙醚稀释有机层，并以40g的硫酸镁(magnesium sulfate)干燥之。再于低压下抽除乙醚，而可得到透明具有粘性的聚合物120g(产率81％)，其即为具有硅氢键的末端反应性氢的聚硅氧烷。此聚合物为一种无规共聚物(random copolymer)。

丁基[(氢氧基乙氧基)丙基]聚二甲基硅氧烷(butyl[(hydroxyethoxy)propyl]polydimethylsiloxane)的氢核磁共振光谱结果如下：0.0ppm(Si-CH₃,78H)、0.50ppm(Si-CH₂-,4H)、0.86ppm(末端CH₃,3H)、1.30ppm(Si-CH₂ CH ₂-,4H)、1.60ppm(CH₂,2H)、2.29ppm(OH,1H)、3.45ppm(O-CH₂,2H),3.56ppm(HO-CH₂-,2H)与3.73ppm(O-CH₂,2H)。上述结果表示此化合物平均具有12.8个双甲基硅氧烷重复单元。

聚合物的氢核磁共振光谱结果如下：:0.0ppm(Si-CH₃,123H)、0.50ppm(Si-CH₂-4H)、0.86ppm(末端CH₃,3H)、1.30ppm(Si-CH₂ CH ₂-,4H)、1.60ppm(CH₂,2H)、2.05ppm(OH,1H)、3.45ppm(O-CH₂,2H)、3.56ppm(HO-CH₂-,2H)、3.73ppm(O-CH₂,2H)与4.67ppm(Si-H,4.1)。上述结果表示此聚合物平均具有17.5个双甲基硅氧烷重复单元与4.1个氢甲基硅氧烷重复单元。换言之，氢甲基硅氧烷重复单元的数目占所有硅氧烷重复单元的数目约19％。

硅氢化反应

让35.0g(0.315mole)的N-乙烯吡咯烷酮(N-vinylpyrrolidone,NVP)与50ml的甲苯置入装有回流冷凝器和氮气层的250ml三颈圆底烧瓶内后，搅拌并加热至110℃。然后，将此溶液冷却至100℃。让0.30g的三硫丁醚三氯化铑(tris(dibutylsulfide)rhodium trichloride)与116.15g的上述聚合物加入至反应烧瓶中，持续加热且搅拌1小时。以红外线光谱确认混合物的Si-H吸收峰(2127cm^-1)已完全消失后，再于低压下移除甲苯。然后将其冷却至室温，而可得到亲水聚合物中间体，其即为具有亲水性侧链的聚硅氧烷中间体。

封端反应

让140.0g(0.073mole)的亲水聚合物中间体、16g(0.106mole)的甲基丙烯酸异氰基乙酯(isocyanatoethyl methacrylate)、50ml的干燥二氯甲烷(drydichloromethane)、16.5mg的甲基氢醌(methylhydroquinone)与0.495mg的二月桂酸二丁基锡(dibutyltin dilaurate,DBTDL)置入装有回流冷凝器和氮气层的250ml三颈圆底烧瓶内后，在室温下搅拌60小时。然后，加入5g甲醇，再继续搅拌2小时。在低压下移除二氯甲烷而可得到粗产物。然后进行萃取步骤。将粗产物中加入120ml的甲醇和70ml的水并搅拌30分钟，再移除水相层。将有机层用水重复清洗两次。以200ml的二氯甲烷来稀释有机层，并以50g的硫酸镁干燥之，然后再进行过滤。于过滤后的有机层中加入16.5mg的甲基氢醌。再于低压下移除二氯甲烷，可得到澄清具有粘性的131g的亲水聚合物(产率为80％)，其即为亲水有机硅高聚物。

此有机硅高聚物的氢核磁共振光谱结果如下：0.0ppm(Si-CH₃,112H)、0.53ppm(Si-CH₂-,4H)、0.88ppm(末端CH₃,3H)、1.15ppm(吡咯烷酮的H)、1.30ppm(Si-CH₂ CH ₂-,4H),1.60ppm(CH₂,2H)、1.94ppm(C＝C-CH₃,3H)、1.94-2.34ppm(吡咯烷酮中的OH的H),1H)、33-3.8ppm(O-CH₂-CH₂-O-,吡咯烷酮的H)、5.58ppm(C＝C-H,1H)与6.13ppm(C＝C-H,1H)。

实施例2：制作隐形眼镜镜片

将亲水有机硅高聚物：N-乙烯吡咯烷酮：甲基丙烯酸-2-羟基乙酯(2-hydroxyethyl methacrylate)：异冰片基丙烯酸甲酯(isobornyl methacrylate)：乙二醇二甲基丙烯酸酯(ethylene glycol dimethacrylate)：三烯丙基异氰酸酯(triallylisocyanurate)：叔戊醇(t-amyl alcohol)：偶氮双异丁睛(azo bis isobutylnitrile)以重量比65：30：5：5：0.2：0.3：10：1混合。然后，以0.5μm的滤器过滤混合物，将其填充至聚丙烯模具中。以55℃/1.5小时、70℃/0.5小时、90℃/0.5小时、110℃/0.5小时的条件来硬化亲水聚合物，再将其冷却至室温。接着，取下镜片，并以异丙醇萃取4小时。再将镜片浸泡于50/50异丙醇/水中30分钟，再浸泡于蒸馏水中30分钟。然后将镜片放入具有硼酸的缓冲生理食盐水溶液的玻璃瓶中，在121℃下高温灭菌30分钟。镜片的含水率(watercontent)为58.1％。

实施例3：制备含吡咯烷酮亲水侧链的高聚物2

实施例3的进行步骤与实施例1相同。差异在于各步骤中所用的成分间的比例以及产物的重量。各成分及产物的重量或体积列示如下。

开环插入反应

成分分别为88g的丁基[(氢氧基乙氧基)丙基]聚二甲基硅氧烷、47.36g(0.1mole)的八甲基环四硅氧烷、47.36g的1,3,5,7-四甲基-环四硅氧烷与3.35g的三氟甲磺酸。形成的聚合物为204.5g(产率95％)。八甲基环四硅氧烷：1,3,5,7-四甲基-环四硅氧烷：丁基[(氢氧基乙氧基)丙基]聚二甲基硅氧烷的摩尔比为1：1：2。

硅氢化反应

成分分别为76.28g的N-乙烯吡咯烷酮、109.6ml的甲苯、0.2193g的三硫丁醚三氯化铑与143g的上述聚合物。形成的亲水聚合物中间体为212g。

封端反应

成分分别为213g的亲水聚合物中间体、10.65g的甲基丙烯酸异氰基乙酯、0.0223g的甲基氢醌、0.3345g的二月桂酸二丁基锡与100ml的干燥二氯甲烷。形成的亲水聚合物为120g。

实施例4：制备含磷酸胆碱官能基侧链的高聚物

实施例4的进行步骤与实施例1相同。差异仅在于硅氢化反应中所使用的亲水化合物为0.315摩尔的2-甲基丙烯氧乙基磷酸胆碱。最后，可制得含磷酸胆碱官能基侧链的高聚物。

虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims

1.一种亲水有机硅高聚物的制造方法，包含：

进行一开环插入反应，让至少一环硅氧烷、至少一环氢硅氧烷进行一开环反应，再插入一直链聚硅氧烷之中，以形成具有硅氢键的一聚硅氧烷，其中该环硅氧烷的化学式为[(R₁)₂SiO]₃、[(R₁)₂SiO]₄或[(R₁)₂SiO]₅，该环氢硅氧烷的化学式为(R₁HSiO)₃、(R₁HSiO)₄或(R₁HSiO)₅，该直链聚硅氧烷的化学式为T-R₂-[Si(R₁)₂O]_x-Si(R₁)₃，T为胺基或氢氧基，R₁为C1-C12烷基，R₂为-(CH₂)_b-O-(CH₂)c-或C3-C6烷撑基，b为2-4，c为2-4；

进行一硅氢化反应，让该聚硅氧烷的硅氢键与一亲水化合物的C＝C双键进行加成反应，以形成具有亲水性侧链的一聚硅氧烷中间体，该硅氢化反应使用一含铑催化剂，其中该亲水化合物具有酰胺官能基或磷酸胆碱官能基，其中具有酰胺官能基的亲水化合物选自N-乙烯吡咯烷酮、N-烯丙基吡咯烷酮、N-乙烯N-甲基乙酰胺、以及上述的组合，具有磷酸胆碱官能基的亲水化合物为2-甲基丙烯氧乙基磷酸胆碱；以及

进行一封端反应，让该聚硅氧烷中间体的胺基或氢氧基的末端反应性氢与一烯类不饱和化合物的亲电子基反应，以形成该亲水有机硅高聚物。

2.如权利要求1所述的方法，其中进行硅氢化反应步骤为于40至150℃的环境下进行反应。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述含铑催化剂为三硫丁醚三氯化铑。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述亲水有机硅高聚物的分子量为1000至6000。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述亲水化合物与所述亲水有机硅高聚物的重量比为5：100至90：100。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述环硅氧烷为八甲基环四硅氧烷，所述环氢硅氧烷为1,3,5,7-四甲基环四硅氧烷。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述烯类不饱和化合物选自甲基丙烯酸异氰基乙酯、甲基丙烯酰氯、甲基丙烯酸酐、以及上述的组合。

8.一种亲水有机硅高聚物，是由权利要求1至7任一项所述的制造方法制造而得。

9.如权利要求8所述的高聚物，其中所述亲水有机硅高聚物具有式(4)的化学结构：

其中R₁为C1-C12烷基，

R₂为-(CH₂)_b-O-(CH₂)_c-或C3-C6烷撑基，b为2-4，c为2-4，

R₃为氢或甲基，

W为

R₄为C1-C4烷基，R₅为C1-C2烷基，R₆为C1-C3烷基，d为2-4，e为2-4，

L为-COO-、-CONH-、-NHCOO-或-NHCONH-，

Y为-(CH₂)_f-或-COO(CH₂)_g-，f为0至4，g为2-4。

10.如权利要求9所述的高聚物，其中q/p的比值为0.05至0.9。

11.一种聚合组成物，包含权利要求8的亲水有机硅高聚物。

12.一种硅水胶镜片，包含权利要求8的亲水有机硅高聚物。