【発明の詳細な説明】
カリクスアレーンコアから延びる多重ポリイソブチレン
アームを有するスター重合体及びその合成
この出願に開示された研究は、許可94−23202の下で国立科学財団に少
なくとも部分的に支援されたものである。
技術分野
本発明は、一般にスター重合体及び、さらに詳述すれば、「コア・ファースト
」法によるイソブチレンの如き単量体のカルボカチオン重合に係る。特に、本発
明は、カリクスアレーンコアから延びるポリイソブチレンの良好に限定されたア
ームを有する良好に限定されたスター重合体及びブロック共重合体の合成に係る
。この合成は、助開始剤として作用する特定のフリーデル−クラフツ酸と組合わ
されて、イソブチレンのリビング(カルボカチオン)重合を誘発する新規な多官
能性カリクスアレーン誘導体開始剤の使用によって達成される。得られるスター
重合体は、良好に限定されたアームと共に良好に、限定されたコアを有し、有利
なことには、直接的にテレケリック性である。
発明の背景
各種の多アームラジアル又はスター重合体の合成は、各種の産業分野で実用的
及び理論的な興味を集めつつある。このようなスター重合体は、中でも界面活性
剤、潤滑剤、レオロジー改良剤及び粘度改良剤又は制御剤として有用であると見
られている。実際、スター重合体は、現在、これらスター重合体のいくつかのも
のの可能性についてはなお評価及びテストされてはいるものの、多くの者に、最
良の粘度改良剤及びオイル添加剤と考えられている。
しかしながら、これまでのところ、3種の重要な技術又は方法が開示され及び
/又はスター重合体の合成に利用されたのみである。これら3種の技術は、代表
的には、(1)多官能性結合剤の使用(「コア・アンド・アーム・ファースト」
法としても知られている);(2)ジビニル単量体による連続共重合/結合(「
アーム・ファースト」法としても知られている);及び(3)多官能性開始剤の
使用(「コア・ファースト」)法としても知られている)によって相互に区別さ
れる。
多官能性結合剤を使用する方法に関しては、このような結合剤は、各種のアー
ム数を有するホモー、ブロック−及びヘテロ−アームスター重合体の調製におい
て、アニオン重合技術との組合わせとして有効であることが証明されている。ま
た、多官能性結合剤は、良好に限定されたテトラアームポリ(イソブチルビニル
エーテル)スター及び多アームポリイソブチレンスターを調製するために、カル
ボカチオン重合技術と組合わせて使用されている。後者の場合、ポリイソブチレ
ンスターは、アリル末端ポリイソブチレンのシロキサンコアによるヒドロシラン
化反応によって調製される。
ジビニル単量体による結合リビング重合体鎖もよく知られており、アニオン、
カチオン及び基移動重合技術による多アームスターの合成に使用されている。
しかしながら、多アームスター重合体の合成について多官能性開始剤の使用は
、ある種の点では完全には開発されていない。アニオン重合系に関しては、多官
能性開始剤の使用は、炭化水素溶媒中における開始剤の溶解度が比較的乏しいた
め、多少限定される。しかしながら、少なくとも2つ研究が、多官能性アニオン
開始剤として炭化水素膨潤ポリジビニルベンゼンを使用できることを示した。残
念なことには、これら研究のいずれにおいても、スター重合体の分散性はかなり
ブロードであった。さらに他の研究は、最近、ホモ−、ブロック−及び官能化ス
ター重合体を調製するために、炭化水素に可溶性のトリ官能性開始剤を使用して
いる。
多官能性開始剤の溶解性の問題は、カチオン重合についてはあまり苛酷なもの
ではないことが見出されており、ジ−、トリ−及びテトラ官能性開始剤が、ある
種の条件下及びある種の開始剤と共に良好に限定された2−、3−及び4アーム
スター重合体を調製するために使用されている。しかしながら、6アームポリス
チレン及び6アームポリ(オキサゾリン)の合成に関する2つのレポートを除き
、より高い官能度のスターの調製又は合成に関しての良好に限定された多官能性
開始剤の使用については、いずれにしても進歩はわずかである。
イソブチレンの如きカチオン重合可能な単量体と共に多官能性開始剤を使用す
ることによる多くの利点の中には、得られるスターが直接的にテレケリック性で
あることがある。「直接的にテレケリック性である」とは、得られるスター重合
体、たとえばポリイソブチレンが、重合反応の終了時、スター重合体の各アーム
の末端に自動的に官能基を有することを意味する。すなわち、スターの形成の間
、ポリイソブチレンアームの鎖末端官能性が保護される。対照的に、多のスター
重合体は、鎖末端官能性を提供するために付加的な工程を要求する。
多重ポリイソブチレン(PIB)アームでなるスター重合体は注目を集めつつ
ある。たとえば、Kennedyらの米国特許第5,395,885号は、カチオン「ア
ーム・ファースト」合成法を使用する多重PIBアーム及びポリジビニルベンゼ
ン(PDVB)コアを有するスター重合体の合成を開示する。ポリイソブチレン
の構造が容易に特定され、不飽和を含有しないため、これらのPIB系スターは
、たとえばモーターオイル添加剤及び粘度指数改良剤の如き各種の用途に有用で
あると考えられる。しかしながら、これらのものの可能性についてはなお評価及
びテスト中であり、たとえば酸化に対する感応性の如き特定の性質が特に重要で
あるようなモーターオイル添加剤に関連して、PDVBの如き良好に限定されて
いない架橋芳香族コアの使用のため、PIB−PDVBスターはその使用があま
り望まれないとの可能性が残る。ここで、「良好に限定されていない」とは、ス
ター重合体のコア、たとえばPDVBが、コア内に不飽和部位を有する制御され
ていない、架橋されたゲル様構造体であることを意味する。これに対して、「良
好に限定された」コアは、容易に特定される可溶性の分子(コアの前駆体である
)で形成される。その結果、得られる良好に限定されたコアを有するスター重合
体の構造が制御される。
また、得られた良好に限定されたコアを有するスター重合体が、良好に限定さ
れていないコアを使用するスター重合体よりも良好な機械的/化学的劣化に対す
る抵抗性を有することも可能である。すなわち、良好に限定されていないコア(
PDVB)内における不飽和部位(すなわち二重結合)の存在は、得られるスタ
ー重合体が、良好に限定されたコアを有するスター重合体よりも酸化反応に対し
てより敏感である可能性を提供する。このように、酸化に対する感応性が極めて
重要であるエンオイルにおいては、高温使用及びエンジンにおける苛酷なセン断
力下での使用の間に、良好に限定されていないコアが酸化劣化を受ける可能性が
存在する。
良好に限定されていないコアを有するPIBスターは、少なくとも1.4以上
の多分散度を有する。アームの数及びアームの子量の測定も、従来の分析技術を
使用する際には容易に実施されない。
本発明では、良好に限定されていないコアの問題の可能な解決策としてカリク
スアレーンに注目した。カリクスアレーンは、p−置換フェノール及びホルムア
ルデヒドの環状縮合生成物である。各種のカリクスアレーン及びカリクスアレー
ン誘導体の選択的合成については、Gutscheらによって各種の方法が開発されて
いる、これら方法の詳細な説明は、Gutscheらにより各種の文献に示されている
。これら文献としては、GutscheC.D.,Calixarens,The Royal Society of Chem
istry,Thomas Graham House,Cambridge,(1989);Gutsche C.D.ら,「カリクス
アレーン4.p−tert−ブチルフェノールについてのカリクスアレンの合成、特
定及び特性」,J.Am.Chem.Soc.103,3782(1981);及びGutsche C.D.及びL.G
.Lin,「カリクスアレーン12.官能化カリクスアレーンの合成」,Tetrahedr
on 42(6),1633(1986)が含まれ、これらの各記載を参考として引用する。これま
でのところ、Gutsche及び他の者により、カリクス[n]アレーン(n=4〜1
6)が生成されていることが知られている。
「コア・ファースト」法を使用する新規な熱可塑性エラストマー(TPE)の
製造も興味深い。PIB系トリブロックTPEは既に開示されているが、これら
カリクスアレーンコア/ブロックアームスター重合体の「コア・ファースト」合
成はこれまで知られていない。
発明の要約
従って、本発明の目的は、良好に限定されたカリクス[n]アレーン(n=4
〜16)コアに結合した良好に限定された複数個のポリイソブチレンアームを有
する物質の組成物を提供することにある。
本発明の他の目的は、組成物が直接的にテレケリック性である上記物質の組成
物を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、良好に限定されていないコアを有する組成物と比
較して、より限定されたアーム数、より限定されたアームの分子量、及びより狭
い多分散度を有する上述の物質の組成物を提供することにある。
本発明の他の目的は、カリクスアレーンコアから延びるポリイソブチレンブロ
ッ
クアームを含有してなる新規な熱可塑性エラストアーを提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、イソブチレンの如きカルボカチオン重合可能な単量
体の重合用開始剤を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、重合の結果として良好に限定されたカリクスアレ
ーンコアを形成するようなカキシアレーンの誘導体である上記開始剤を提供する
ことにある。
本発明のさらに他の目的は、イソブチレン又はスチレンの如き単量体のカルボ
カチオン重合法を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、多官能性開始剤を使用することによる上記単量体
重合法を提供することにある。
多アームスター重合体及びその合成に係る公知技術を越える利点と共に、上述
の目的の少なくとも1つ又はそれ以上(後述の記載から明らかになるであろう)
は、ここに記載の又は請求の範囲に記載の発明によって達成される。
一般に、本発明は、p−メトキシクミル化合物及びカリクス[n]アレーン(
n−4〜16)でなる群から選ばれるコア成分及び前記コア成分に結合したN個
のポリイソブチレンアームでなり、前記コア成分がp−メトキシクミル化合物で
ある場合、N=1であり、コア成分がカリクス[n]アレーンである場合、N=
nである物質の生成物(該組成物は直接的にテレケリック性である)を提供する
ことにある。
本発明の他の目的及び態様(ここで明白になるであろう)は、カチオン重合開
始剤としての使用に適する構造(ここで、Rは基−OCH3、−OH及び−Clから選ばれ、yは0〜1であり
、
y=0の場合、n=1であり、y=1の場合、n=4〜16である)を有する物
質の組成物によって達成される。
本発明のさらに他の目的及び態様(ここで明白になるであろう)は、
(ここで、y=0〜1、y=0の場合、n=1であり、y=1の場合、n=4〜
16である)のtert−メトキシ、tert−ヒドロキシ及びtert−Cl誘導体でなる
群から選ばれる物質でなるカチオン重合開始剤によって達成される。本発明のさ
らに他の目的及び態様(ここで明白になるであろう)は、p−メトキシクミル化
合物及び前記コア成分に結合する少なくとも1つのポリイソブチレンのセグメン
トを含有するN個のアームを含有してなり、ここでコア成分がp−メトキシクミ
ル化合物である場合、N=1であり、コア成分がカリクス[n]アレーンである
場合、N=nである物質の組成物によって達成される。該物質の組成物のアーム
は、ポリイソブチレン系ブロック共重合体を提供するため、さらに、ポリイソブ
チレンの末端に結合するイソブチレン以外の重合体のカチオン重合によって形成
された少なくとも1つのポリイソブチレンに不相応性のセグメントを含んでいて
もよい。
本発明は、さらに、単量体をカルボカチオン重合して重合体を形成させる方法
において、(1)
(ここで、y=0〜1、y=0の場合、n=1であり、y=1の場合、n=4〜
16である)のtert−メトキシ、tert−ヒドロキシ及びtert−Cl誘導体でなる
群から選ばれる開始剤(1)及び少なくとも1つのフリーデル−クラフツ酸(2
)を、少なくとも1の溶媒中、低温において、電子対ドナー及びプロトンスカベ
ンジャーの存在下で、少なくとも一部の単量体(3)と反応させることからなる
カルボカチオン重合法に係る。
本発明は、さらに、カリクスアレーンコアから延びる複数個のポリイソブチレ
ンアームを有するスター重合体の合成法において、カリクス[n]アレーン(こ
こで、n=4〜16である)のtert−メトキシ、tert−ヒドロキシ、及びtert−
Cl誘導体でなる群から選ばれる開始剤(1)及び少なくとも1つのフリーデル
−クラフツ酸(2)を、少なくとも1の溶媒中、低温において、電子対ドナー及
びプロトンスカベンジャーの存在下で、少なくとも一部のイソブチレンを反応さ
せることからなるスター重合体の合成法にも係る。
図面の簡単な説明
本発明の目的、技術、構造体及び特性の完全な理解のため、下記の好適な具体
例の説明及び添付図面を参照する。
図面において、図1は2−(p−メトキシフェニル)−2−メトキシプロパン
の代表的な1HNMR(CDCl3)スペクトルである。
図2は、5,11,17,23,29,35,41,47−(2−ヒドロキシブロピ
ル)−49,50,51,52,53,54,55,56−オクタメトキシカリクス[
8]アレーンの代表的な1HNMR(CDCl3)スペクトルである。
図3は、5,11,17,23,29,35,41,47−(2−ヒドロキシブロピ
ル)−49,50,51,52,53,54,55,56−オクタメトキシカリクス[
8]アレーンの代表的な13CNMR(CDCl3)スペクトルである。
図4は、5,11,17,23,29,35,41,47−(2−メトキシプロピル
)−49,50,51,52,53,54,55,56−オクタメトキシカリクス[8
]アレーンの代表的な1HNMR(CDCl3)スペクトルである。
図5は、5,11,17,23,29,35,41,47−(2−メトキシプロピル
)−49,50,51,52,53,54,55,56−オクタメトキシカリクス[8
]アレーンの代表的な13CNMR(CDCl3)スペクトルである。−OMe基に結
合したtert−Cに相当するピーク(δ=76.7ppm)はCDCl3ピーク上に
重なっている。
図6は、開始剤として2−(p−メトキシフェニル)−2−メトキシプロパン
及び助開始剤としてBCl3−TiCl4を使用するイソブチレンの増大単量体添
加(IMA)重合実験になって達成された結果からの−ln(1−Ieff j)−Ieff j
対jCjのグラフである。テストの条件は次のとおりである:[Io]=4.
97×10-3M、[BCl3]=3.97×10-2M、[TiCl4]=2.48×
10-2M、[DMA]=9.93×10-3M[DiBP]=1.03×10-2M、
総容量=29ml、△IB=1ml、△t=60分。
図7は、開始剤2−(p−メトキシフェニル)−2−メトキシプロパン及び助
開始剤BCl3によって調製されたイソブチレのオリゴマー(Mn=1600g
/モル)の代表的な1HNMR(CDCl3)スペクトルである。
図8は、5,11,17,23,29,35,41,47−(2−ヒドキシプロピル
)−49,50,51,52,53,54,55,56−オクタメトキシカリクス[8
]アレーン/BCl3−TiCl4開始剤系を使用することによって得られた分別
前の重合体の屈折率(RI)トレース、重合体のUVトレース(b)、及び分別
後のスターのRIのトレースのゲル浸透クロマトグラムである。
図9は、5,11,17,23,29,35,41,47−(2−メトキシプロピル
)−49,50,51,52,53,54,55,56−オクタメトキシカリクス[8
]アレーン/BCl3−TiCl4開始剤系を後述の実施例1に示す条件下で使用
することによって得られた重合体のRIトレース(a)、及びUVトレース(b
)
のゲル浸透クロマトグラムである。
図10は、5,11,17,23,29,35,41,47−(2−メトキシプロピ
ル)−49,50,51,52,53,54,55,56−オクタメトキシカリクス[
8]アレーン/BCl3−TiCl4開始剤系を後述の実施例4に示す条件下で使
用することによって得られた重合体のRIトレース(a)、及びUVトレース(
b)のゲル浸透クロマトグラムである。
図11は、5,11,17,23,29,35,41,47−(2−メトキシプロピ
ル)−49,50,51,52,53,54,55,56−オクタメトキシカリクス[
8]アレーン/BCl3−TiCl4開始剤系を後述の実施例5に示す条件下で使
用することによって得られた重合体のRIトレース(a)、及びUVトレース(
b)のゲル浸透クロマトグラムである。
図12は、分別後の実施例4から得られたスター重合体のレーザー光散乱(L
LS)(90°)トレース(a)及びRI(Optilab 903)トレースのゲル浸
透フロマトグラムである。
図13は、実施例4からのスター重合体のコア破壊前(a)及びコア破壊後(
b)におけるRIトレースのゲル浸透クロマトグラムである。
図14は、形成の間におけるブロックアーム(ポリスチレン−b−ポリイソブ
チレン)スターの分子量の経時変化のグラフである。
図15は、ホモーポリイソブチレンスター重合体(a)及びポリスチレン−ポ
リイソブチレンスターブロック共重合体(b)のRIトレースのゲル浸透クロマ
トグラムである。
図16は、代表的な8アーム(ポリスチレン−b−ポリイソブチレン)スター
ブロック共重合体の温度を関数として熱流量(mV)を示すDSCサーモグラム
である。
図17は、各種の8アーム(ポリスチレン−6−ポリイソブチレン)スター共
重合体の一連の応力ひずみ曲線である。
発明の実施のための好適な具体例
大略的には、本発明は、それぞれ、p−メトキシクミル化合物又はカリクスア
レーンでなる第1の成分(以下、「コア」と称する)、及びこれに結合したホモ
重合体及び共重合体(特にブロック共重合体等)(ここで、重合体又は共重合体の
少なくとも第1のセグメントは、たとえば、イソブチレン、スチレン及びその誘
導体(たとえば、p−ハロスチレン及びp−アルチルスチレン)の如きカチオン
重合可能な単量体でなる)群から選ばれる1以上の第2の成分(以下、「アーム
」と称する)でなる構造を有する一連の新規な物質の組成物の製造又は合成を指
向するものである。スターブロック共重合体を提供するために、第1セグメント
の単量体以外のカチオン重合可能な単量体から選ばれる(好ましくは芳香族)第
1セグメントと不相溶性の第2セグメントを、第1セグメントの重合に続いて添
加できる。コアがカリクスアレーンである場合、組成物は、ここから放射状に延
びる複数個の重合体アームを有することが予測される。ここで用語「スター重合
体」は、これらの多アームタイプの組成物を表示するために使用される。
これら物質の組成物の合成は、イソブチレンの如き単量体のリビング(カルボ
カチオン)重合を誘発するために、少なくとも1つのフリーデルークラフツ酸と
組合せて、モノ−又は多官能性開始剤が使用される「コア・ファースト」法の使
用によって達成された。換言すれば、少なくとも1の溶媒中、低温において、電
子対ドナー及びプロトンスカベンジャーの存在下、少なくとも一部のカルボカチ
オン重合可能な単量体(たとえばイソブチレン)と共に、p−メトキシクミル化
合物又はカリクスアレーンのtert−メトキシ、tert−ヒドロキシ、及びtert−C
l誘導体及び少なくとも1のフリーデル−クラフツ酸(たとえば、BCl3、T
iCl4及びこれらの混合物)を使用することにより、所望の重合体組成物が生
成されることが知見された。さらに、潜在的により重要なこととしては、得られ
る重合体組成物は直接的にテレケリック性であり、これは、重合体アームの鎖末
端が重合反応の終了時に官能化されたままであることを意味する。このように、
たとえばポリイソブチレン−ブロック−ポリスチレンの如き各種の共重合体及び
他の潜在的に有用な熱可塑性エラストマーを形成するために、たとえばスチレン
の如き他のカチオン重合可能な単量体をつづいて添加することもできる。
モノ官能性開始剤を使用する場合には、ただ1つのアームがコアから延びる。
本発明のコンセプトに従っての使用に適するモノ官能性開始剤は、
(ここで、y=0及びn=1である)のtert−メトキシ、tert−ヒドロキシ、及
びtert−Cl誘導体であることが予測されるであろう。すなわち、モノ官能性開
始剤は、構造
(ここで、Rは基−OCH3、−OH及び−Clから選ばれ、y=0及びn=1
である)を有する。n=1である場合、構造は環状ではないことが理解されるで
あろう。本発明における使用に適するこのようなモノ官能性開始剤の例としては
、2−(p−メトキシフェニル)−2−プロパノール及び2−(p−メトキシフ
ェニル)−2−メトキシプロパンがある(ただし、これらに限定されない)。
多官能性開始剤を使用する場合には、開始剤上の官能部位の数に等しい複数個
のアームがコアから延びる。このように、カリクスアレーン誘導体が開始剤とし
て使用される場合には、アームの数(N)は、各環状ユニットが1つの官能部位
を有するため、カリクスアレーン生成物中の環状ユニットの数[n]に左右され
る。生成物をカルクス[n]アレーン(ここでnは環状ユニットの数に等しい)
として表示することによって、カリクスアレーン上の環状ユニットの数、従って
官能部位の数を参照させることは当分野では一般的である。
本発明では、カリクス[n]アレーン(ここでn=4〜16)のtert−メトキ
シ、tert−ヒドロキシ及びtert−Cl誘導体を官能性開始剤として使用する。す
なわち、本発明のコンセプトに従う使用に適する多官能性開始剤は、
(ここで、n=4〜16)のtert−メトキシ、tert−ヒドロキシ及びtert−Cl
誘導体である。換言すれば、多官能性開始剤は、
構造
(ここで、Rは基−OCH3、−OH及び−Clから選ばれ、y=0及びn=4
〜16である)を有する。カリクス[n]アレーン(ここでn=6〜16である
)のtert−メトキシ、tert−ヒドロキシ、及びtert−Cl誘導体がより好ましく
、最も好ましい具体例では、カリクス[8]アレーン誘導体が使用される。これ
ら3種の誘導体の中でも、−80℃において重合系(CH3Cl/ヘキサン)中
に溶解性であるため、tert−メトキシ誘導体が好適に使用される。本発明におけ
る使用に適する好適な多官能性(オクタ官能性)開始剤の例としては、5,11,
17,23,29,35,41,47−オクタアセチル−49,50,51,52,53,
54,55,56−オクタメトキシカリクスアレーンのtert−メトキシ、tert−ヒ
ドロキシ及びtert−Cl誘導体、すなわち、5,11,17,23,29,35,41
,
47−(2−ヒドロキシプロピル)−49,50,51,52,53,54,55,5
6−オクタメトキシカリクス[8]アレーン及び5,11,17,23,29,35,
41,47−(2−メトキシプロピル)−49,50,51,52,53,54,55,
56−オクタメトキシカリクス[8]アレーンがある。
ここに開示した開始剤の評価に際し、モノ開始剤は本発明の多官能性開始剤の
類似体と認められる。誘導体開始剤の主成分、すなわちp−メトキシクミル化合
物及びカリクスアレーンは当分野で公知であるが、これら化合物のtert−メトキ
シ、tert−ヒドロキシ、及びtert−Cl誘導体は、少なくとも1のフリーデル−
クラフツ酸と組合されて、イソブチレン及びスチレンの如き単量体のリビング(
カルボカチオン)重合を誘発して、良好に限定されたカリクスアレーンコアから
延びる多重ポリイソブチレンアームを有するスター重合体の如き新規な重合体(
該重合体は、上述の如く直接的なテレケリック性である)を生成することに関し
て特異的に有効であることが見出された。
助開始剤に関して、重合法における助開始剤として少なくとも1のフリーデル
−クラフツ酸が使用され、本発明では、重合反応の実施に関して助開始剤として
公知の各種のフリーデル−クラフツ酸を使用できる。BCl3及びTiCl4の両
者は、特定の条件下で単独で使用される際に満足できるものと考えられているが
、BCl3及びTiCl4の存在下において重合は特に満足できるものであり、理
論組成に近い組成及び分子量を有する良好に限定されたスターが得られる。後に
検討するように、2段階法において初めにBCl3を、つづいてTiCl4を使用
することが特に好ましい。
好適な単量体については、各種のカルボカチオン重合可能な重合体を使用でき
る。このような単量体の例としては、たとえばp−クロロスチレンの如きスチレ
ン誘導体と共に、イソブチレン及びスチレンが含まれる。本発明について好適な
単量体はイソブチレンであり、多官能性カリクスアレーン開始剤及びフリーデル
−クラフツ酸助開始剤の存在下におけるカルボカチオン重合反応では、カリクス
アレーンコアから延びる多重ポリイソブチレンアームを形成する。しかしながら
、つづく他の単量体の添加は有用な重合体を提供する(たとえば、スチレンが好
適に重合されたイソブチレンの反応系に添加される場合には、ポリスチレン−ポ
リ
イソブチレンブロック共重合体が生成される)ことが認められるであろう。ブロ
ック共重合体を形成するために、第1の付加重合に使用された単量体と実質的に
不相容性の各種のカチオン重合可能な単量体が添加される。たとえば、スチレン
の誘導体も、このつづく添加用には特に好適である。このような誘導体としては
、たとえばp−クロロスチレン又は−フルオロスチレンの如きp−ハロスチレン
、たとえば、p−メチルスチレン,α−メチルスチレン及びインデンの如きアル
キルスチレンがある。他の潜在的に有用な単量体としては、β−ピネン及びノル
ボルネンがある。
さらに、合成では少なくとも1の溶媒が使用される。このような溶媒は、重合
体と共に、開始剤、フリーデル−クラフツ酸及び単量体を溶解させうるものでな
ければならない。しかしながら、溶媒は、重合体の形成の間にそれ自体が重合を
受けるものであってはならず、停止又は連鎖移動を生ずるものであってはならな
い。このように、THFの如きある種の溶媒は特異的に除外される。本発明にお
ける使用に適する溶媒の例としては、塩素化アルカン、CH2Cl2、ヘキサン、
二酸化炭素及びこれらの混合物があり(必ずしもこれらに限定されない)、特定
の条件下ではCH3Clが好適である。
さらに、重合反応は、電子対ドナー及びプロトンスカベンジャーの存在下で行
われる。使用に好適な各種の公知の電子対ドナー及びプロトンスカベンジャーが
上述の如き重合法の他の成分と共に使用される。好適な電子対ドナーの中でも、
特に、ジメチルアセトアミド(DMA)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、
ジメチルフタレート(DMP)、ピリジン及びその誘導体トリメチルアミン(T
EA)が使用に適し、DMAが最も好適である。プロトンスカベンジャーの例と
しては、ジ−tert−ブチルピリジン(DtBP)及びそのメチル誘導体があり、
DtBPが最も好適である。
好適な重合法では、重合反応は1つの反応器において2段階で行われる。第1
段階では、開始剤を第1の溶媒に溶解し、つづいて、重合反応に必要な単量体の
量の一部、及び第1のフリーデルークラフツ酸を低温において電子対ドナー及び
プロトンスカベンジャーの存在下で順次添加して重合反応を誘発させる。ついで
、第2段階において、追加量の溶媒又は第2の及び/又は追加溶媒、単量体の残
部、
追加の及び/又は第2のフリーデル−クラフツ酸を順次添加する。重合反応を停
止させるため、メタノールの如き反応停止剤を添加できる。この操作の詳細は、
Chen.C.J.Si,及びJ.Kennedy,「リビングカルボカチオン重合XLIX.ジ−ter
t−Clテレケリック性ポリイソブチレンへのイソブチレンの2段階リビング重
合反応」J.M.S,-Pure Appl.Chem,A29(8),669(1992)に開示されており、この
記載を参照する。
得られるスター重合体組成物は、多くの他のスター重合体とは異なり、良好に
限定されたアームと共に、良好に限定されたコアを有することが認められた。さ
らに、これらの得られた組成物の特性から、これらが、良好に限定されていない
コア成分を有する組成物と比較して、より限定されたアームの数、より限定され
たコアの分子量、より限定されたアームの分子量、及びより狭い多分散度を有す
ることが認められた。実際のところ、本発明の組成物は、1.4よりかなり低い
、代表的には約1.1〜約1.15の範囲のポリ分散度を有することが観察された
。
また、上述の如く、得られた重合体は直接的にテレケリック性であった。重合
反応の冷却に使用した停止剤がメタノールである場合には、得られる組成物の各
アームの末端はtert−Cl官能基を有することが予測される。このような場合、
該組成物は各種の公知の技術(たとえば、脱塩化水素又はtert−Cl基の置換)
に基づいてさらに容易に官能化される。
このように、本発明の好適な具体例では、イソブチレンのリビング(カルボカ
チオン)重合を誘発するために、助開始剤として少なくとも1のフリーデル−ク
ラフツ酸と組合わせて、多官能性開始剤としてカリクス[n]アレーン(n=4
〜16)のtert−メトキシ、tert−ヒドロキシ、及びtert−Cl誘導体を使用す
ることによって、良好に限定されたポリイソブチレンスター重合体の合成が達成
されることが認められるであろう。重合は、少なくとも1の溶媒中、低温におい
て、電子対ドナー及びプロトンスカベンジャーの存在下で行われる。本発明の実
施を示すため、上述の多官能性類似体から誘導された他のポリイソブチレン組成
物と共に、カリクス[8]アレーンコアから延びる8つのポリイソブチレン(P
IB)アームを含有してなるいくつかのスター重合体組成物を調製した。スター
重合体の合成を、混合BCl3/TiCl4助開始剤と組合わされてイソブチ
レンのリビング重合を誘発するオクタ官能性カリクスアレーン誘導体を使用して
実施した。開始剤は、5,11,17,23,29,35,41,47−オクタアセチ
ル−49,50,51,52,53,54,55,56−オクタメトキシカリクス[8
]アレーンのtert−ヒドロキシ及びtert−メトキシ誘導体である。tert−メトキ
シ誘導体5,11,17,23,29,35,41,47−(2−メトキンプロピル)
−49,50,51,52,53,54,55,56−オクタメトキシカリクス[8]
アレーンは可溶性であり、所望のアームの長さへのイソブチレンのリビング重合
を誘発する。
関与する構造体及びこの「コア・ファースト」合成法のキー段階をビジュアル
化することを助けるためにスキームを含めている。
オクタ官能性開始剤のモノ官能性類似体を使用する実験については、2−(p
−メトキシフェニル)−2−メトキシプロパンが好適な開始剤であることが認め
られた。
下記の実施例は、カリクスアレーン誘導体及びその類似体が良好に限定された
PIBの合成用のモノ−及び多官能性開始剤として使用されることを示するもの
であり、説明の目的でのみ例示されたものである。これら実施例は、本発明の範
囲を限定するものとして解釈されてはならず、本発明の範囲は請求の範囲によっ
て決定される。
実施例
本発明に従って調製される物質、多アームスター重合体及び線状(モノ官能性
)重合体組成物を、本質的に2つの工程、すなわち(1)開始剤の調製工程及び
(2)単量体の重合工程で合成した。得られた線状及びスター組成物のすべてを
、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)分析によって特定した。ゲル浸透クロ
マトグラフ装置はオンーラインRI、UV及びLLS検出器を具備するものであ
り、調製した線状及び8アーム重合体の分子量及び組成の測定するために使用し
た。
アームの数平均数及び重量平均数の測定のためにスター重合体のコアの破壊が
必要である場合には、スター重合体(たとえば、後述の実施例4からのMn(L
LS)=1.048±0.02×105g/モル)0.26gを、冷却器及びN2イ
ンレットを具備する2頸丸底フラスコ(250ml)においてCCl425m
l中に溶解した。撹拌しながら、トリフルオロ酢酸14ml及び30%H2O2水
溶液4mlの混合物を添加した。充填物を75〜80℃で還流した。2時間間隔
でサンプルを取出し、メタノールで停止させ、蒸発乾固させ、ヘキサンに再溶解
し、メタノールを使用して析出させ、真空乾燥させた。16時間後に取出したサ
ンプルについてのGPC分析によるシングルピークは、完全なコアの破壊を示し
た。Mn(LLS)=1.366±0.09×104g/モル。
同じ条件下において、線状PEP(Mn〜10,000g/モル、Mw/Mn
=1.2)及び5,11,17,23,29,35,41,47−オクタ−tert−ブチル
−49,50,51,52,53,54,55,56−オクタヒドロキシカリクス[8
]アレーンを使用してコントロールテストを行った。サンプルのGPC分析は、
カリクスアレーンが酸化を受けて低分子量生成物を形成したが、PIBは酸化さ
れなかったことを示した。
得られた組成物について1HNMR及び13CNMRスペクトルを利用しても特
定を行った。室温において標準5mm管を使用する分光計Vanan Gemini−200
によってスペクトを記録した。1HNMR及び13CNMR分光分析のためのサン
プル濃度は、好適な溶媒中において、それぞれ〜30mg及び〜50mgである
。1HNMR分光分析については64個のFIDを集め、13CNMR分光分析に
ついては4000個のFIDを集めた。オクタ官能性開始剤の融点を、N2雰囲
気中、Dupon社製の示差走査熱量計によって測定した。元素分析については、Gal
bnth Laboratories社(ノックスビル、テネシー州)が行った。
重合体の分子量を、5個一連のμ−Styragelカラム(100,500,103
,104,105)、RI検出器(示差屈折計Waters 410)、UV検出器(吸
収検出器440)、Nelson分析インターフェースをもつWISP7103を具備する
GPC(Waters Co.)によって測定した。狭い分子量のPIB標準を使用してカ
ラムを校正した。重合体約20mg及びイオウの結晶数個をTHF4ml中に溶
解し、0.2μm Acrodiscフィルター(膜タイプPIFE)を使用することによ
って溶液を濾過した。重合体溶液(100μl)を自動注入器を使用してカラム
に注入した。データ分析のため、Nelson分析ゲル浸透クロマトグラフィーソフト
ウエアー(バージョン4.0)を使用した。
スター重合体の分子量を、レーザー光散乱(LLS)検出器Oprilab 903(
Wyatt technology Corporation)を使用することによってdn/dc値を得た。
光散乱用のサンプルについては、特殊な物質の存在を回避するよう注意しながら
調製した。このようにして、予め0.025μmフィルターWhatman Anotop 25
によって濾過したTHF中に重合体を溶解し、溶液を0.2μm Acrodiscフィル
ター(膜タイプPIFE)を使用して濾過し、空気中、ダストフリーの条件下で
蒸発乾固させ、さらに、すべてのTHFが除去されるまで真空中で乾燥させた。
0.025μmフィルターWhatman Anotop 25を使用して予め濾過したTHF中
で既知濃度(たとえば、1.5×10-4g/μl)の重合体溶液を調製した。重
合体溶液(100μl)を自動注入器を使用してカラムに注入した。データ分析
のため、Astraソフトウェアー(バージョン4:Wyatt Technology Corporation
)を使用した。
好適なモノ官能性及びオクタ官能性開始剤の各々関して、本発明の実施のため
の好適な具体例を以下において検討する。
A モノ官能性開始剤の調製
モノ官能性開始剤のtert−ヒドロキシル誘導体2−(p−メトキシフェニル)
−2−プロパノールの調製のための好適な方法の実施に当たり、3頸フラスコ(
500ml)に機械式撹拌機、添加用ロート及び水冷却器を装着し、窒素によっ
て脱気した。臭化メチルマグネシイウム(3M)143g、138ml(0.4
1モル)を滴下し、つづいて蒸留THF50mlを添加した。ついで、p−メト
キシアセトフェノン31.1g(0.21モル)をTHF100mlに溶解し、
1時間でグリニャール試薬に滴下した。添加の速度を、溶媒の還流速度が高くな
った際には低下させた。室温において12時間撹拌した後、混合物を氷で冷却し
た水にゆっくりと添加した。ゼラチン状の沈殿物の大部分を溶解させるためにN
H4Cl水溶液(50%)を添加した。水相をジエチルエーテル50mlずつで
5回抽出し、エーテル抽出液をMgSO4で乾燥し、溶媒を真空下蒸発させた。
反応の結果、無色透明の液体が生成した(91%)。1HNMR分光分析におい
て、この液体は2−(p−メトキシフェニル)−2−プロパノールであることが
判明した。
2−(p−メトキシフェニル)−2−メトキシプロパン(モノ官能性開始剤の
tert−メトキシ誘導体)を調製するため、機械式撹拌機及び冷却器を具備する3
頚フラスコ(500ml)を窒素で脱気した。ついで、2−(p−メトキシフェ
ニル)−2−プロパノール31.2g(0.19モル)をTHF200mlに溶解
した。ナトリウムヒドリッド13.5g(0.56モル)を注意しながら添加した
。発泡が終わったところで、充填物にCH3I 160g(1.08モル)を滴下
した。室温で16時間撹拌した後、冷水を添加することによって反応を停止させ
、有機相をエーテル50mlずつで3回抽出し、エーテル抽出液をMgSO4で
乾燥し、溶媒を真空中で蒸発させた。粗生物2−(p−メトキシフェニル)−2
−メトキプロパンが得られた(95%)。15mmHg、145℃で真空蒸留し
たところ、本質的に純粋な2−(p−メトキシフェニル)−2−メトキシプロパ
ンが得られた(1HNMR分光分析によって測定)。
これら2つのモノ官能性開始剤の調製に関する反応スキームを下記に示す。
B オクタ官能性開始剤の調製
次に、オクタ官能性開始剤5,11,17,23,29,35,41,47−(2−
ヒドロキシプロピル)−49,50,51,52,53,54,55,56−オクタメ
トキシカリクス[8]アレーン及び5,11,17,23,29,35,41,47−
(2−メトキシプロピル)−49,50,51,52,53,54,55,56−オク
タメトキシカリクス[8]アレーンを調製するため、下記の合成ルートを使用し
た。 初めの4つの工程は、上述したようにGutscheらによって記載されている。第
1の工程は、KOHの存在下においてp−tert−ブチルフェノール及びp−ホル
ムアルデヒドを閉環縮合させて、オクタ官能性5,11,17,23,29,35,4
1,47−オクタ−tert−ブチル−49,50,51,52,53,54,55,56−
オクタヒドロキシカリクス[8]アレーンを得るものである。第2の工程は、ト
ルエン中、フェノールの存在下でAlCl3によってp−tert−ブチル基を脱ア
ルキル化して、49,50,51,52,53,54,55,56−オクタヒドロキシ
カリクス[8]アレーンを生成するものである。第3の工程は、49,50,51
,52,53,54,55,56−オクタメトキシカリクス[8]アレーン(つづく
フリーデル−クラフツアシル化により、5,11,17,23,29,35,41,4
7−オクタアシル−49,50,51,52,53,54,55,56−オクタメトキ
シカリクス[8]アレーンとなる)を提供するように−OH基をメチルエーテル
として保護するものである。
その後、撹拌機、冷却器及び添加ロートを具備する3頚フラスコ(1000m
l)を窒素で脱気し、臭化メチルマグネシウム339g(1.01ミリモル)を
滴下した。別の丸底フラスコにおいて、5,11,17,23,29,35,41,4
7−オクタオクチル−49,50,51,52,53,54,55,56−オクタメト
キシカリクス[8]アレーンを熱い(〜70℃)アニソール900ml中に溶解
し、冷却し、40℃において1時間でグリニャール試薬に滴下した。室温で30
分間撹拌した後、充填物を氷水中に添加した。ゼラチン状の沈殿物の大部分を溶
解させるためにNH4Cl水溶液(50%)を添加した。水相をアニソール50
mlずつ及び少量のエーテルで5回抽出した。有機相をMgSO4で乾燥し、過
剰量のヘキサンを使用して生成物を沈殿させた。固体を濾取しヘキサンで洗浄し
て微量のアニソールを除去し、真空乾燥させたところ、5,11,17,23,29
,35,41,47−(2−ヒドロキシプロピル)−49,50,51,52,53,5
4,55,56−オクタメトキシカリクス[8]アレーンが収率72%で得られた
。NMR分析によれば、生成物は実質的に純粋である。
元素分析(C88H112O16についての分子量の理論値:1433g/モル):
理論値:C 74.15%;H 7.86%
測定値:C 73.73%;H 8.36%
mp(DSC)=174℃
次に、撹拌機及び冷却器を具備する3頸フラスコ(250ml)において、5
,11,17,23,29,35,41,47−(2−ヒドロキシプロピル)−49,5
0,51,52,53,54,55,56−オクタメトキシカリクス[8]アレーン4
g(1.79ミリモル,22.3ミリモルOH)をTHF150mlに溶解させた
。ついで、注意しながらナトリウムヒドリッド1.62g(67.5ミリモル)を
添加した。発泡が終了したところで、充填物にCH3I 32.0g(225.7ミ
リモル)を滴下した。室温で16時間撹拌した後、冷水50mlを添加すること
によって反応を停止させた。有機相をエーテル50mlずつで5個抽出し、エー
テル抽出液をHgSO4で乾燥させ、溶媒を留去したところ、非常に淡い黄色の
固体が得られ、これをヘキサンで砕き、ヘキサンで洗浄して、純粋な5,11,1
7,23,29,35,41,47−(2−メトキシプロピル)−49,50,51,5
2,53,54,55,56−オクタメトキシカリクス[8]アレーンが収率75%
で得られた。すなわち、図2及び3にそれぞれ示した1HNMR及び13CNMR
スペクトル分析は、実質的に純粋な5,11,17,23,29,35,41,47−
(2−ヒドロキシプロピル)−49,50,51,52,53,54,55,56−オ
クタメトキシカリクス[8]アレーンの存在を示した。5,11,17,23,29
,35,41,47−(2−ヒドロキシプロピル)−49,50,51,52,53,5
4,55,56−オクタメトキシカリクス[8]アレーンの元素分析は、理論値(
7.86%)よりもわずかに高いH含量(8.36%)を示した。この誤差は、ヒ
ドロキシル基が水と水素結合を形成する傾向があることによるものであろう。濾
過物からの生成物の回収は、室温において蒸発させることによって
最大とすることができた。 元素分析(C96H128O16についての分子量の理論値:1536g/モル):
理論値:C 75.13%;H 8.36%
測定値:C 75.14%;H 8.64%
mp(DSC)=240℃
5,11,17,23,29,35,41,47−(2−ヒドロキシプロピル)−4
9,50,51,52,53,54,55,56−オクタメトキシカリクス[8]アレ
ーンのtert−OH誘導体の5,11,17,23,29,35,41,47−(2−メ
トキシプロピル)−49,50,51,52,53,54,55,56−オクタメトキ
シカリクス[8]アレーンのtert−エーテル誘導体への変換を、THF中、室温
においてCH3Iを使用して基本的条件下で実施した。1HNMR及び13CNMR
スペクトルをそれぞれ図5及び6に示した。元素分析は、5,11,17,23,2
9,35,41,47−(2−メトキシプロピル)−49,50,51,52,53,5
4,55,56−オクタメトキシカリクス[8]アレーン中における8個のtert−
エーテルの存在を示した。
C モノ官能性開始剤を使用する重合反応
溶媒としてCH3Cl−ヘキサン混合物(40:60)中、−80℃において
、助開始剤として混合フリーデルークラフツ酸(BCl3及びTiCl4)を使用
するイソブチレンのリビング(カルボカチオン)重合を開始させるため、5,1
1,17,23,29,35,41,47−(2−メトキシプロピル)−49,50,5
1,
52,53,54,55,56−オクタメトキシカリクス[8]アレーンのオクタ官
能性開始剤のモノ官能性モデルとして、新規なモノ官能性開始剤2−(p−メト
キシフェニル)−2−メトキシプロパンを使用した。上述の2段階法に若干の変
更を加えた。
詳述すれば、重合反応を、−80℃、乾燥窒素下において、ステンレス鋼製グ
ローボックス内の培養管(75ml)で実施した。充填物の容量は29mlであ
る。第1工程において、反応体の添加の順序は、CH3Cl(7〜8ml)、単
量体(必要量の33%)、開始剤2−(p−メトキシフェニル)−2−メトキシ
プロパン、ジメチルアセトアミド(DMA)、ジ−tert−ブチルピリジン(
DtBP),及びBCl3である。開始剤、DMA、DtBP及びBCl3の各ス
トック溶液をCH3Cl中で調製した。TiCl4を凍結させないように注意して
、残りの量の単量体を添加した。CH3Cl:ヘキサンの割合を40:60に維
持し、最終容量を29mlに維持するように添加を行った。「オール・モノマー
・イン(AMI)」技術を使用して平行して行っている操作を、予め冷却したメ
タノールによって異なる時間で停止させた。「増大単量体添加(IMA)技術に
っいても、検討を目的として実施した。溶媒を蒸発させ、重合体をヘキサンに再
溶解させた。ヘキサン相を5%HCl、水及びメタノールで洗浄し、重合体を真
空中、室温において乾燥させた。これら重合体は、一方の端に4−メトキシフェ
ニル基、他の端にtert−Cl基を有していた。
同様の重合法において、上記の如くして、重合反応を乾燥ボックス内の培養管
(75ml)内で−80℃において再度実施した。この場合には、開始剤2−(
p−メトキシフェニル)−2−メトキシプロパン0.17g(9.6×10-4モル
)をCH3Cl25mlに溶解し、ついで、イソブチレン(4ml)、DMA(
6.62×10-2M)、及びDtBP(3.41×10-2M)を順次添加し、BC
l31 14ml(0.53M)を添加することによって重合反応を開始させた。
3時間後、予め冷却したメタノールによって重合反応を停止させ、重合体を上述
の如く精製した。1HNMRをCDCl3中で記録し、図7に示した。これらのオ
リゴマーは、一方の端に4−メトキシフェニル基及び他の端にtert−Cl基を有
する。
重合反応が良好に理解されるように、以下にスキームを示す。
開始剤の形成(OMe→Cl交換)
イオンの発生
カチオン化
全体(成長反応を含む)
上に示すように、2段階法の第1段階では、CH3Cl中における少量の単量
体+BCl3の存在下で、開始剤の形成、イオンの発生、カチオン化及び非常に
ゆっくりとした成長反応が生ずる。低い変化率及び非常に低い平均分子量によっ
て示されるように、開始剤にはイソブチレンのわずかに数単位が付加するのみで
ある。しかしながら、第2段階では、TiCl4+所望量のヘキサン及び残りの
イソブチレンを添加することによって重合反応が続けられる。反応は変化レベル
にもたらされる。Mn(g/モル)対Wp(g)のグラフはゆっくりとした開始
を示す。すなわち、観察された分子量は初め理論値よりも高く、より高い変化率
では一点に集まる。ゆっくりとした開始は、共鳴安定化カーボネーションの形成
(カチオン化の速度を制限する)によるものと考えられる。
リング性を証明するため、増大単量体添加(IMA)法を使用して実験を行い
、リビングカルボカチオン重合におけるゆっくりとした開始について得られたデ
ー
タを等式に従ってプロットした。
(式中Jは単量体の増大数であり;Kc及びKpは、それぞれ、カチオン化及び
成長反応における速度定数であり;[△M]は単量体の増大の総量であり;[I
o]は、開始剤の濃度であり;Cjは見掛けの単量体の変化率であり;Ieff jは
増大量jにおける開始剤の効率である。)図6は−ln(1−Ieff j)−Ieff j
対jCjのグラフを示す。原点から始まるプロットの直線性はゆっくりとした開
始を伴うリビング重合反応であることを示す。第1級エーテル基が、重合及びワ
ークアップの間にそのまままで残るかどうかを測定するため、イソブチレンオリ
ゴマーを調製して分析を容易にした。図7は代表的な1HNMRスペクトルを示
す。1HNMR分析は、定量的な開始剤のとりこみ(δ=7.4〜6.8ppm)
及び重合体中のAr−OCH3存在(δ=3.8ppm)を示した。
D 多官能性開始剤を使用する重合
上述のものと同様の操作を、反応体の添加順序にわずかの変更を加えて実行し
た。詳述すれば、開始剤5,11,17,23,29,35,41,47−(2−ヒド
ロキシプロピル)−49,50,51,52,53,54,55,56−オクタメトキ
シカリクス[8]アレーン0.0516g(3.6×10-5モル)をCH3Cl8
mlに懸濁させ、ついで、DMA(1.98×10-2M)、及びDtBP(4.9
7×10-3M)を添加し、10分後、イソブチレン10分後1.5ml(必要量
の33%)を添加して重合を開始させた。2時間後、ヘキサン14ml、TiC
l4(4.97×10-2M)及び残りの量のイソブチレン(2.5ml)を添加し
た。1時間後、予め冷却したメタノールによって重合反応を停止させ、生成物を
上述の如く処理した。図8に示すように、GPC分析は2つの主生成物:スター
重合体〜70%及び副生成物〜30%の存在を示した。スター重合体を、溶媒と
してヘキサン及び沈殿剤としてアセトンを使用する分別によって混合物から単離
した。
5,11,17,23,29,35,41,47−(2−ヒドロキシプロピル)−4
9,50,51,52,53,54,55,56−オクタメトキシカリクス[8]ア
レーン/BCl3−TiCl4開始剤系の代わりに、5,11,17,23,29,3
5,41,47−(2−メトキシプロピル)−49,50,51,52,53,54,5
5,56−オクタメトキシカリクス[8]アレーン/BCl3−TiCl4開始剤
を使用する同様の重合において、開始剤5,11,17,23,29,35,41,4
7−(2−メトキシプロピル)−49,50,51,52,53,54,55,56−
オクタメトキシカリクス[8]アレーンの使用を除いて、再度2段階法を実施し
た。生成物にとって最適なものとするため、異なる重合反応条件を使用した。代
表的な実施例を示す。
実施例1
開始剤5,11,17,23,29,35,41,47−(2−メトキシプロピル)
−49,50,51,52,53,54,55,56−オクタメトキシカリクス[8]
アレーン8.41×10-2g(5.402×10-5モル)を培養管(75ml)に
入れた。第1段階において、充填物は、CH3Cl10ml、DMA(5.57×
10-2M)、DtBP(1.452×10-2M)、イソブチレン2mlを含有し
ており、80℃においてBCl3(4.45×10-1M)を添加することによって
重合を開始させた。60分後、ヘキサン15ml、TiCl4(6.97×10-2
M)及びイソブチレン4mlを添加した。45分後、予め冷却したメタノールを
使用して重合を停止させ、上述の如く生成物を精製した。変化率は〜100%で
あった。図9に示すように、GPCは、2つの主生成物、スター重合体〜74%
及び副生成物〜26%を示した。
実施例2
開始剤5,11,17,23,29,35,41,47−(2−メトキシプロピル)
−49,50,51,52,53,54,55,56−オクタメトキシカリクス[8]
アレーン8.45×10-2g(5.402×10-5モル)を培養管(75ml)に
入れた。第1段階において、充填物は、CH3Cl10ml、DMA(5.57×
10-2M)、DtBP(1.03×10-2M)、イソブチレン2mlを含有して
おり、BCl3(2.23×10-1M)を添加することによって重合を開始させた
。60分後、ヘキサン15ml、TiCl4(6.97×10-2M)及びイソブチ
レン4mlを添加した。45分後、予め冷却したメタノールを使用して重合を停
止
させ、上述の如く生成物を精製した。変化率は〜100%であった。GPCは、
2つの主生成物、スター重合体〜74%及び副生成物〜20%を示した。
実施例3
開始剤5,11,17,23,29,35,41,47−(2−メトキシプロピル)
−49,50,51,52,53,54,55,56−オクタメトキシカリクス[8]
アレーン5.53×10-2g(3.60×10-5モル)を培養管(75ml)に入
れた。第1段階において、充填物は、CH3Cl10ml、DMA(3.97×1
0-2M)、DtBP(1.03×10-2M)、イソブチレン1mlを含有してお
り、BCl3(4.97×10-2)を添加することによって重合を開始させた。6
0分後、ヘキサン15ml、TiCl4(4.97×10-2M)及びイソブチレン
2mlを添加した。50分後、予め冷却したメタノールを使用して重合を停止さ
せ、上述の如く生成物を精製した。変化率は〜100%であった。GPCは、2
つの主生成物、スター重合体〜85%及び副生成物〜15%を示した。
実施例4
開始剤5,11,17,23,29,35,41,47−(2−メトキシプロピル)
−49,50,51,52,53,54,55,56−オクタメトキシカリクス[8]
アレーン(4.81×10-5モル)を培養管(75ml)に入れた。第1段階に
おいて、充填物は、CH3Cl10ml、DMA(1.99×10-2M)、DtB
P(1.03×10-2M)、イソブチレン1mlを含有しており、BCl3(2.
60×10-2)を添加することによって重合を開始させた。60分後、ヘキサン
15ml、TiCl4(7.94×10-2M)及びイソブチレン3.4mlを添加
した。45分後、予め冷却したメタノールを使用して重合を停止させ、上述の如
く生成物を精製した。変化率は〜100%であった。図10に示すように、GP
Cは、2つの主生成物、スター重合体〜90%及び副生成物〜10%を示した。
溶媒としてヘキサン及び沈殿剤としてアセトンを使用する分別によって純粋なス
ター重合体を得た。
実施例5
開始剤5,11,17,23,29,35,41,47−(2−メトキシプロピル)
−49,50,51,52,53,54,55,56−オクタメトキシカリクス[8]
アレーン4.85×10-2g(3.15×10-5モル)を培養管(75ml)に入
れた。充填物は、CH3Cl10ml、ヘキサン15ml、DMA(1.99×1
0-2M)、DtBP(1.03×10-2M)、イソブチレン4.4mlを含有して
おり、BCl3(2.60×10-2M)及びTiCl4(7.94×10-2M)を同
時に添加することによって重合を開始させた。45分後、予め冷却したメタノー
ルを使用して重合を停止させ、上述の如く生成物を精製した。変化率は〜100
%であった。図11に示すように、GPCは、2つの主生成物、スター重合体〜
94%及び副生成物〜6%を示した。
3つの他の実施例では、5,11,17,23,29,35,41,47−(2−メ
トキシプロピル)−49,50,51,52,53,54,55,56−オクタメトキ
シカリクス[8]アレーン/TiCl4開始剤系を使用した。しかしながら、こ
れら実施例の内の2つについては、不溶性のゲルが変化率100%で形成され、
第3の実施例では、変化率85%でゲルの形成が観察された。下記に示すスキー
ムはゲルを形成する可能なルートである。詳しくは、反応性の−イソプロペニル
基(レイビルtert−塩素中間体のHClの放出によって生ずる)が成長カルボカ
チオンを分子間攻撃する。しかしながら、この開始剤系は異なる条件下において所望の結果を生ずるものと
考えられる。
また、上述の2段階法によってイソブチレンを重合させるために、オクタ官能
性開始剤5,11,17,23,29,35,41,47−(2−ヒドロキシプロピル
)−49,50,51,52,53,54,55,56−オクタメトキシカリクス[8
]アレーンによって初期の試みを行った。ただし、この誘導体は、−80℃にお
いて必ずしも充分にはCH3Clに溶解しない。5,11,17,23,29,35,
41,47−(2−ヒドロキシプロピル)−49,50,51,52,53,54,5
5,56−オクタメトキシカリクス[8]アレーンのBCl3による変換生成物、
tert−塩素誘導体(スキーム3参照)は、これらの条件下で充填物中に溶解性で
あろうと考えられる。このように、第1の単量体添加前に、5,11,17,23,
29,35,41,47−(2−ヒドロキシプロピル)−49,50,51,52,5
3,54,55,56−オクタメトキシカリクス[8]アレーンをCH3Cl中BC
l3と15分間接触させた。つづいて、ヘキサンTiCl4及び残りの単量体を添
加した。この技術により、変化率が100%に近いとの満足できる結果が認めら
れた。
図8に示すように、生成物のRI及びUV(GPC)のトレースは2つのピー
ク、すなわち1つはRI及びUVの両方に敏感な比較的高分子量(〜32ml)
におけるもの及びRIにのみ敏感な第2のピーク(〜37ml、〜30%、RI
による)を示した。これは、高分子量におけるピークは目的とする開始反応によ
って形成された生成物によるものであり、第2のピークが、連鎖移動、ハロメタ
ル化及び/又はプロトン性不純物によるものであることを意味する。両生成物は
、それぞれMw/Mn=1.14及び1.2の比較的狭い分子量分布を示し、制御
された重合反応であることを示す。溶媒としてヘキサン及び沈殿剤としてアセト
ンを使用する分別によって、混合物からスター重合体を単離した。重合体の分子
量については、これらの一次RI及びUV(GPC)分析について線状校正曲線
(スター重合体に関して正しい値を与えない)を使用したため報告していない。
これらの結果は、開始剤として5,11,17,23,29,35,41,47−(2
−メ
トキシプロピル)−49,50,51,52,53,54,55,56−オクタメトキ
シカリクス[8]アレーンのtert−エーテル誘導体(−80℃でCH3Clに完
全に溶解する)を使用して行った先の実施例のように有望ではなかったため、こ
れらの反応をさらに調査した。
下記のスキームは、反応が2段階で行われるものとして示す。第1段階は、開
始剤溶液へのBCl3、IBの一部(〜30%)及びCH3Cl中の他の添加剤の
添加によって行われ、90分間重合を行う。ついで、ヘキサン、TiCl4及び
残りのIBを添加して、時々撹拌しながら60分間重合反応を続けた。メタノー
ルによって反応を停止させたところ、第3級塩素末端基を有するPIBアームが
形成されていた。精製後、変化率はほぼ100%であった。図9は、生成物のG
PCのトレース、2つの狭い分散ピークを示す。線状副生成物の量は〜26%で
あった。 不要な線状の低分子量副生成物の形成を洞察するために、重合条件の詳細な調
査を行った。線状重合体の形成を導く可能な反応は、制御されないプロトン性不
純物(H2O)誘発重合反応、連鎖移動、及びハロメタル化である。初めの2つ
の可能性は、使用する条件、すなわちDtBPの存在及び充分に乾燥させた開始
剤の使用によってほぼ排除できる。驚くべきことには、同じ条件下、混合BCl3
/TiCl4を使用して開始剤の不存在下で行ったコントロール実験が1
00%の変化率及び狭い分散度の生成物を与えることが観察された。BCl3の
み又はTiCl4のみを使用する先の実験は、それそれ、微量の生成物又は10
%より小の変化率を示した。これらの観察は、ハロボレーションが主な副反応で
あることを示唆している。この結論は、分子量及び変化率に対するBCl3、単
量体、第1段階における反応時間、助開始前の添加の形態(同時に添加するか、
別々に添加するか)及びTiCl4の影響の完全な調査を促進させた。多くの場
合、BCl3及びTiCl4の両方の存在下及び開始剤の不存在下では、変化率は
〜100%であった。これらのコントロール実験から、TiCl4の変更は重合
反応速度の変更よりもむしろ影響は少ないが、BCl3、単量体、及び/又は第
1段階に於ける反応の時間の増大は組成物の分子量を低下させることが見出され
た。これらの結果に基づき、イソブチレンのハロボレーションによって形成され
る付加物が、おそらく副反応における開始種であろうと考えられる。TiCl4
が添加される際には、下記スキームに示されるように迅速な重合反応が行われる
。BCl3のみでは、反応は検討したBCl3濃度下におけるハロボレーション(
スキームの式2)に制限され、付加物の量はBCl3、単量体及び第1段階にお
ける反応時間に左右される。
ハロボレーションによるイソブチレンの重合はBCl3が非常に高濃度である
場合にのみ生ずることが知られている。BCl3のみでは、変化率及び分子量は
通常低い。これに対して、本発明については、予測できないことには、特に2つ
の段階で2つのフリーデル−クラフツハロゲン化物が使用される場合、中位のB
Cl3及びTiCl4濃度において高い変化率及び高い分子量が観察された。開始
剤の不存在下において高い分子量、狭い分布及び高い変化率でPIBを得るため
に、2段階において中位の濃度で2つの助開始剤を使用することは新規である
と考えられる。
この結果に基づいて、方法の第1段階において、5,11,17,23,29,3
5,41,47−(2−メトキシプロピル)−49,50,51,52,53,54,5
5,56−オクタメトキシカリクス[8]アレーンとの組合せで、異なるBCl3
、少ない単量体(25%)及び短い反応時間(30〜60分)で実験をさらに行
った。後述の表1から理解されるように、BCl3が減少するにつれて、低分子
量生成物の相対量が減少していることがわかる。さらに、わずかなBCl3(0.
026M)のみを使用する場合には、図10に示されるように、線状のUV不活
性重量体の量は〜10%に低下した。 さらに、スター重合体のRI及びUVのトレースは、共に、モノ分散生成物を
表示している。スター重合体の多分散度は狭い(Mw/Mn=1.12)。42
mlの溶出容量における小さいピークは、溶媒によって溶解されなかった未反応
の開始剤を示す。しかしながら、BCl3濃度<0.026Mでは、ゲルの形成が
観察された。また、図11に示されるように、助開始剤の同時添加はさらに線状
重合体の量を減少させるが、その分子量は、低い開始剤効率を示す先の実験にお
いて得られるものよりも大きいことが見出された。さらに、UVのトレースはい
くつかの高分子量スターの存在を示した(〜30ml)。このように、低濃度の
BCl3による2段階法は、助開始剤の1段階同時添加よりも好ましい。加えて
、2段階法を利用する際、第1段階におけるBCl3の存在下におけるゆっくり
とした成長反応は、ほぼすべての開始位置がいくつかのイソブチレン単位を付加
し、第2段階で迅速に成長することを可能にする。これは、ゆっくりとした開始
反応を「種形成技術」とみなすことができるため、そのマイナス点をカバーする
。これら重合体の分子量については、これら最適化の実験に関してRI及びUV
(GPC)分析線状校正プロット(スター重合体について正確な値を与えない)
を使用しているため報告していない。
これらの研究は、2段階法によって、最小の副生物を伴うモノ分散性スター重
合体が得られることを示す。スター重合体は、ヘキサン溶媒及び沈殿剤としてア
セトンを使用して混合物から分別される。このようにして得られたスター重合体
を光散乱による分子量の測定に使用した。図12は、関連するゲル浸透クロマト
グラムを示す。LLS(90°)のトレース及びRI(Optilab 903)のトレ
ースはモノ様式スター重合体を示す。LLSピークのより高い分子量へのわずか
なシフトは、高分子量スターによる比較的大きい散乱によるものである。スター
のdn/dcは0.118±8.4×10-4cm3/gであることが観察された。
数平均分子量(Mn)、重量平均分子量(Mw)及び多分散度(Mw/Mn)は
、それぞれ、1.048±0.02×105g/モル、1.159±0.02×105
モル/モル及び1.11であった。観察されたアーム当たりの分子量Mnobsd=
13000g/モルは理論値(Mntheor=1/500/モル/アーム;Mnthe or
:副生成物の補正後に算定)よりもわずかに大きい。これは、100
%より小の開始効率及び/又は光散乱によるMnの過大評価によるものと思われ
る。
得られたスターのアームの数を測定するため、NMRスペクトルを作成した。
元素分析は、5,11,17,23,29,35,41,47−(2−メトキシプロピ
ル)−49,50,51,52,53,54,55,56−オクタメトキシカリクス[
8]アレーンにおける開始のための8つの可能な部位の存在を示した。事実、8
っのtert−メトキシ基が8つのPIBアームを生ずるとの可能性を実証するため
、代表的な実験(実施例4)の分別後の生成物をコアの破壊(上記記載参照)に
供した。芳香族コアを有するスター重合体のアームの数を測定するため、上記方
法を実験室的研究で再度使用した。このコア破壊法によって、芳香族部分が選択
的に酸化によって分解され、一方、飽和脂肪族重合体アームは酸化に耐え、GP
Cによって定量される。コアは16時間後に分解されたことが見出された(GP
Cによるシングルピーク)。同じ条件下におけるコントロール実験は、カリクス
アレーンが酸化を受けて低分子量の生成物を形成する(GPCによる)が、線状
PIBは酸化されないことを示した。良好に理解されるようにスキームを示す。
(ここでXは未同定の基である。)
酸化されなかったアームの分子量をLLS(GPC)によって測定し、図13
に示す。変化されなかったアームのdn/dcは0.107cm3/gであった。
Mn,Mw及び分散度は、それぞれ1.366±0.09×104/モル,1.49
6±0.09×104/モル及びMw/Mn=1.23であった。コア破壊後のア
ームの分布はスターよりもわずかに広いが、これはゆっくりとした開始反応及び
/又は不完全なコアの酸化になるものであろう。アームの数平均数(Nn)及び
アームの重量平均数(Nw)は、それぞれ、Nn=1.048±0.02×105
/モル/1.366±0.09×104g/モル=7.7及びNw=1.159±0.
02×105g/モル/1.496±0.09×104g/モル=7.8であった。
アームの数は、倫理値(すなわち8.0)よりわずかに小さいが、これは不完全
な開始反応及び/又は不完全なコアの酸化によるものと考えられる。
これら実験のつづきとして、上記の如く調製されたポリイソブチレンスターに
芳香族単量体(スチレン)を付加することによって、各種の熱可塑性エラストマ
ーを調製した。すなわち、「コア・ファースト」法を利用して、カリクスアレー
ンコアから延びるポリ(スチレン−b−イソブチレン)(Pst−b−PIB)
を含有してなる熱可塑性エラストマー(TPE)を調製した。下記の実施例では
、各種の所望の分子量への重合を開始させるために、オクタ官能性カリクス[n
]アレーン(n=8)開始剤を使用し、つづいてスチレン単量体を添加して所望
のブロックアームスターを形成させた。より詳細には、リビングPIBセグメン
トがIMA技術によってコアから成長し、ポリスチレン(PSt)ブロックセグ
メントが、リビングPIB+アームへの連続する単量体の付加によって得られた
。下記のスキームは関与する工程及び構造体を示す。
スキーム1
これら実験の過程で、カリクス[8]アレーンコア及びPIBアームを包含して
なるスターの合成に関して特定されたものと同じ物質を使用した。カリクスアレ
ーン開始剤の合成及び特定については既に記載した。メチルシクロヘキサン(Ald
rich)をCaH2の存在下で一夜還流し、使用前に蒸留した。スチレン(Aldrich)
及びパラ−クロロスチレン(99%)(Lancaster)については、これらの単量
体を使用前に阻害剤除去カラムを通過させることによって精製した。
合成は上記のものと実質的に同じである。重合を、−80℃において、グロー
ボック内の撹拌反応器(300ml)で実施した。イソブチレンを増大単量体添
加(IMA)によって所定の分子量まで重合させ、変化率が少なくとも95%に
達した後にスチレンを添加し、所定の時間重合させて各種のポリスチレン(PS
t)組成を有するスターブロック共重合体を得た。サンプル(約0.5〜1ml
の範囲の量)を取出し、変化率及び分子量の増加を測定した。
実施例9
開始剤5,11,17,23,29,35,41,47−(2−メトキシプロピル)
−49,50,51,52,53,54,55,56−オクタメトキシカリクス[8]
アレーン4.9×10-2g(3.19×105モル)をCH3Cl(10ml)に溶
解し、ついで、イソブチレン(1ml)、DMA(0.05ml,5.76×10-4
モル)及びDtBP(0.07ml,3.0×10-4モル)を順次添加し、
−80℃においてBCl3(0.06ml,8.64×10-4モル)を添加するこ
とによって重合を開始させた。60分後、メチルクロロヘキサン15ml及びイ
ソブチレン3.2mlを添加し、TiCl4(0.25ml、2.304×10-3
モル)を添加することによって重合を続けた。全反応時間80分後、メチルシク
ロヘキサン(9ml)、CH3Cl(6ml)及びイソブチレン(4.2ml)の
混合物を添加し、つづいてTiCl4(0.15ml,1.38×10-3モル)を
添加した。110分後、メチルシクロヘキサン(21ml)及びCH3Cl(1
4ml)及びスチレン(6.34ml)の混合物を添加し、さらにTiCl4(0
.15ml,1.38×10-3モル)を導入した。140分後、予め冷却したメタ
ノールを使用して重合を停止させた。生成物を5%HCl、水及びメタノールで
洗浄し、揮発性物質を蒸発によって除去した。THF中に再溶解し、メタノール
から再析出し、室温において真空乾燥させることによって精製した。ゲル浸透ク
ロマトグラフィー(GPC)及び1HNMR分光分析は、スターブロック生成物
中におけるポリスチレン〜46%の存在を示した。
実施例10
開始剤5,11,17,23,29,35,41,47−(2−メトキシプロピル)
−49,50,51,52,53,54,55,56−オクタメトキシカリクス[8]
アレーン(4.9×10-2g,3.19×105モル)をCH3Cl(10ml)に
溶解し、ついで、イソブチレン(1ml)、DMA(0.05ml,5.76×1
0-4モル)及びDtBP(0.07ml,3.0×10-4モル)を順次添加し、−
80℃においてBCl3(0.06ml,8.64×10-4モル)を添加すること
によって重合を開始させた。60分後、メチルクロロヘキサン15ml及びイソ
ブチレン3.2mlを添加し、TiCl4(0.25ml,2.304×10-3モル
)を添加することによって重合を続けた。80分後及び全反応時間110分後、
メチルシクロヘキサン(9ml)、CH3Cl(6ml)及びイソブチレン(4.
2ml)の混合物を添加し、つづいてTiCl4(0.15mlm,1.38×1
0-3モル)を添加した。140分後、メチルシクロヘキサン(21ml)及びC
H3Cl(14ml)及びスチレン(6.34ml)の混合物を添加し、さらにT
iCl4(0.15ml,1.38×10-3モル)を導入した。155分後、予
め冷却したメタノールを使用して重合を停止させた。生成物を5%HCl、水及
びメタノールで洗浄し、揮発性物質を蒸発によって除去した。THF中に再溶解
し、メタノールから再析出し、室温において真空乾燥させることによって精製し
た。ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)及び1HNMR分光分析は、スター
ブロック生成物中におけるポリスチレン〜17%の存在を示した。
実施例11
開始剤5,11,17,23,29,35,41,47−(2−メトキシプロピル)
−49,50,51,52,53,54,55,56−オクタメトキシカリクス[8]
アレーン(4.9×10-2g,3.19×105モル)をCH3Cl(10ml)に
溶解し、ついで、イソブチレン(1ml)、DMA(0.05ml,5.76×1
0-4モル)及びDtBP(0.07ml,3.0×10-4モル)を順次添加し、−
80℃においてBCl3(0.06ml,8.64×10-4モル)を添加すること
によって重合を開始させた。60分後、メチルクロロヘキサン15ml及びイソ
ブチレン3.2mlを添加し、TiCl4(0.25ml,2.304×10-3モル
)を添加することによって重合を続けた。80分後及び全反応時間110分後、
メチルシクロヘキサン(9ml)、CH3Cl(6ml)及びイソブチレン(4.
2ml)の混合物を添加し、つづいてTiCl4(0.15ml,1.38×10- 3
モル)を添加した。140分後、メチルシクロヘキサン(21ml)及びCH3
Cl(14ml)及びスチレン(6.34m)の混合物を添加し、さらにTiC
l4(0.15ml,1.38×10-3モル)を導入した。170分後、予め冷却
したメタノールを使用して重合を停止させた。生成物を5%HCl、水及びメタ
ノールで洗浄し、揮発性物質を蒸発によって除去した。THF中に再溶解し、メ
タノールから再析出し、室温において真空乾燥させることによって精製した。ゲ
ル浸透クロマトグラフィー(GPC)及び1HNMR分光分析は、スターブロッ
ク生成物中におけるポリスチレン〜32%の存在を示した。
実施例12
開始剤5,11,17,23,29,35,41,47−(2−メトキシプロピル)
−49,50,51,52,53,54,55,56−オクタメトキシカリクス[8]
アレーン4.9×10-2g(3.19×105モル)をCH3Cl(10ml)に溶
解し、ついで、イソブチレン(1ml)、DMA(0.05ml,5.76×10-4
モル)及びDtBP(0.07ml,3.0×10-4モル)を順次添加し、−8
0℃においてBCl3(0.06ml,8.64×10-4モル)を添加することに
よって重合を開始させた。全反応時間80分、110分、及び140分後、メチ
ルシクロヘキサン(9ml)、CH3Cl(6ml)及びイソブチレン(4.2m
l)の混合物を添加し、つづいてTiCl4(0.15ml,1.38×10-3モ
ル)を添加した。210分後、予め冷却したメタノールを使用して重合を停止さ
せた。生成物を5%HCl、水及びメタノールで洗浄し、揮発性物質を蒸発によ
って除去した。THF中に再溶解し、メタノールから再析出し、室温において真
空乾燥させることによって精製した。ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)及
び1HNMR分光分析は、スターブロック生成物中におけるポリスチレン〜21
%の存在を示した。
1HNMR(CDCl3〜0.7ml中スターブロック〜10mg)を、室温に
おいて標準5mm管を使用する分光計Varian Gemini−200によって記録した
。1HNMR分光法について64個のFIDを集めた。分子量を、5個一連のμ
−Styragelカラム(100,500,103,104及び105)、RI検出器(
示差屈折計Waters410)、UV検出器(吸収検出器440)、及びレーザー光
散乱(LLS)検出器(Wyatt Technology)を具備するGPC(Waters Co.)に
よって測定した。カラムを、狭い分子量PIB標準を使用して校正した。重合体
約20mg及びイオウ(内部標準)の結晶数個をTHF4mlに溶解し、溶液を
0.2μm Acrodiscフィルター(膜タイプPTFE)を使用して濾過し、サンプ
ル100μmを自動注入器を使用して注入した。データ分析のため、Nelson分析
ゲル浸透クロマトグラフソフトエアー(バージョン4.0)を使用した。
dn/dc値をOptilab 903(Wyatt Technology)装置によって測定した。
予めフィルターWhatman Anotop 25によって濾過しておいたTHFに重合体を
溶解した。溶液を0.2μm Acrodiscフィルター(膜タイプPTFE)を使用し
て濾過し、空気中、ダストフリーの条件下で蒸発乾固させ、さらに真空乾燥させ
た。これらサンプルを、予め濾過したTHFを使用して既知濃度(たとえば5×
10-4g/μl)の重合体溶液を調製するために使用した。自動注入器を使用し
て重合体溶液(100μl)をカラムに注入した。データの分析には、Astraソ
フトウェアー(バージョン4.00;Wyatt Technology Corporation)を使用し
た。
スターブロック共重合体におけるポリイソブチレン(PIB)及びポリスチレ
ン(PSt)のガラス移転温度を測定するために、Perkin-Elmer示差走査熱量計
(DSC)モデルDSC7を使用した。
応力ひずみの測定については、マイクロダンベル形成型サンプル及びInstron
引張テスター(モデルNo.1130,クロスヘッド速度5cm/分)を使用し
、成型フィルム(厚さ〜1mm)について実施した。Mylarシートの間で162
℃、約100000pisで10分間サンプルをプレ成型し、ついで165℃、
20000pisで20分間再成型し、50℃にゆっくりと(〜1℃/分)で冷
却させた。選択したサンプルを、成型前に、ソックスレー抽出器を使用するME
Kによって溶媒抽出した。
開始剤5,11,17,23,29,35,41,47−(2−メトキシプロピル)
−49,50,51,52,53,54,55,56−オクタメトキシカリクス[8]
アレーンを使用する狭い分布のモノ様式、8アームスターPIBの調製に関する
2段階でのBCl3及びTiCl4の使用の利点については記載した。TiCl4
単独又はBCl3の存在下における高濃度TiCl4はマルチ様式スターを生成す
るため、充填物中におけるTiCl4含量は、全体濃度が実質的に変化しないよ
うに維持するように各単量体を添加するにつれて徐々に増大させる。スチレンの
存在下における最終TiCl4濃度は、分子量の制御及び線状(非アルキル化、
非分枝化)ポリスチレン(PSt)セグメントの調製にも重要である。低すぎる
TiCl4濃度の使用は低分子量のPStセグメントを生成し、一方、高すぎる
TiCl4濃度の使用は望ましくないアルキル化/分枝化を生ずる。アルキル化
を最少とし、正当な大きさの分子量をもつPStブロックを得るためには、中位
のTiCl4濃度(0.059M)及びスチレンの比較的低い濃度を利用する。ス
チレン濃度は一次実験によって測定されており、この実験では、目的の分子量に
対して2〜2.5倍過剰が満足できる結果を生ずることが示された。イソブチレ
ンの変化率が少なくとも95%に達したところでスチレンを添加する。分子量の
増大につづいて、リビング系からサンプルを取出し、GPCによて分析した。
図14は、代表的な実験の結果を示す。BCl3の存在下におけるイソブチレ
ンの重合(段階I)の図では、開始剤に数ユニットのイソブチレンが付加し、T
iCl4の添加後、予測どおり分子量が増大した(段階II)。スチレン単量体へ
のクロスオーバー後、スチレン重合の速度がイソブチレンの重合速度よりもかな
り速いため、分子量が急速に増大した。
図15はPIBスター及び相当するPIB−b−PStスターの代表的なGP
C(RI)のトレースである。2つのピークはモノ様式であり、それぞれ、狭い
分子量分布(Mw/Mn)1.18及び1.23を表す。〜34mlにおける小さ
いピーク(図2(a))は線状PIB副生成物によるものであり、その起源につ
いては既に説明した。〜33mlにおける小さいピーク(図2(b))は、スチ
レンに対するリビングPIB+のクロスオーバーによって形成された線状ジブロ
ック(PIB−b−PSt)(〜10%、モノ−PStをMEKによって抽出した
後のRIピーク面積による)及びホモ−PSt(3〜5%,抽出による)の混合
物である。より高濃度のTiCl4の存在下又はスチレン重合段階におけるより
長い反応時間の場合、GPC(RI)のトレースは、ほとんど成長PSt+によ
るPSt中のペンダント環のアルキル化による高分子量スターの形成を表すショ
ルダーを示す。高いTiCl4濃度であっても、広範なアルキル化のためゲルが
生成する。
PIBスター及びスター−ブロックの分子量をトリプル検出器GPCによって
測定した。スター−ブロックのRIのトレースがモノ様式であったとしても、L
LSによって測定された分子量は、アルキル化によって形成された少量の高い分
子量のスターが存在するため予測されたものよりも高い。このように、LLSデ
ータから算出されたスター−ブロック及びPStセグメントの分子量データを注
意しながら検討した。
少量のアルキル化生成物の存在(分子量を狂わせる)に鑑み、PSt含量及び
pstブロックの分子量の分析には1HNMR分光法も利用し、正確性を確保し
た。選択したサンプルの特性を表・に示す。GPC(LLS)によって測定した
PIBスターのMnは理論値よりもわずかに大きい。このMn及び1HNMR分
光法によって得られたスチレンのモルフラクションを、スター−ブロック共重合
体におけるPStセグメントのMn及びPSt含量の算出に使用した。このよう
にして算出されたMnは、DPC(LLS)によって得られた値よりもわずかに
高いが、信頼度は高い。イソブチレンの変化率を100%と仮定して、重合体の
重量(変化率)からPStのMn及び含量も算出した。PStセグメントの正確
な分子量はおそらくこれら2つの値の間にある。
PSt−b−PIB−b−PSt内において、PStセグメントの分子量が〜
5000g/モルに近づくにつれて、ミクロ相分離が始まることが知られている
。このような共重合体は、PIB及びpSt相に対応して2つの固有のガラス移
転温度(Tg)を示す。図16は代表的なスター−ブロックのDSCサーモグラ
ムを示すものであり、PIB及びpStセグメントに対応する2つのTg(それ
ぞれ、−76℃及び104℃)を示している。
TPEの重要な特徴の1つは大きい引張強さである。応力吸収メカニズムにお
けるPSt部分の役割はよく知られている。PSt−b−PBd/PIS−b−
pStに匹敵イソブチレン系サーモプラスチックのより小さい強さは、異なる破
断メカニズム、又はジブロックの汚染、又は広い相間の存在によるものと仮定さ
れていた。しかしながら、線状PSt−b−PIB−b−PStトリブロック共
重合体アイオノマーは、異なる破断メカニズム(すなわち、ゴム領域での破断)
の点を否定する対応の線状トリブロックよりも高い引張強さを示す。
従って、一連の選択した8アームスター−ブロックの応力ひずみプロフィール
を調査した。図17はそのグラフであり、表IIIはこれらテストの関連する結果
を示す。
すべてのサンプルが大きい強さ及び伸びを示した。初めに述べたように、これ
らすべてのサンプルは10〜15%の汚染物(ジブロック又はジブロック+ホモ
−pSt)を含有する。PSt〜32%(重量%)を有するブロックスター(1
1及び11’)は最も高い強さ〜26MPaを示した。サンプル11を成型前に
MEKによって抽出した。これは、わずかに高い伸びをした。ホモ−pStの存
在が特性にどのように影響を及ぼすかを知るために、バージンサンプルとしてブ
ロックスター11’をテストした。サンプル11’のモジュラスはサンプル11
よりもわずかに高い。これはホモ−PStの存在によるものであろう。これらス
ターブロックの強さは、これまでに報告されている最強のPSt−PIB−b−
PStトリブロックのもの(23〜24MPa)よりも優れている。伸びは、P
IB含量が増大する(サンプル12)際、強さがあまり低下することなく、わず
かに増大する。スチレン46%を有するスター−ブロック(サンプル9)は、そ
の高いpSt含量のため高強度プラスチック物質の様な挙動を示した。低pst
含量(17%)をもつブロックスター(サンプル10)は、おそらく不充分な相
分離のため、低い強さ及び高い伸びを示した。
このように、これら多アーム(PSt−b−PIB)−C8アームスターの応
力ひずみ特性は、他の特性と共に、初めのPSt−b−PIB−b−PSt及び
他のPIB系TPEのものよりも優れていることが明らかである。
上記記載より、本発明の方法は、イソブチレンの如きカチオン重合可能な単量
体のリビング重合を誘発するために、フリーデル−クラフツ酸と組合せて開始剤
として多官能性カリクスアレーン誘導体及びこれらのモノ官能性類似体を使用し
て、「コア・ファースト」法によって線状及びスター形ポリイソブチレン及びP
IB系ブロック共重合体を合成することにおいて高度に有効であることが明白で
ある。本発明では、特にカリクス[8]アレーンについて検討しているが、必ず
しもこれらに限定されない。また、得られる多アームポリイソブチレンスターが
アーム及びコアの両方において良好に限定されていること、及び良好に限定され
たアームを有するが、コアが良好には限定されていないスターと比べて、相対的
に、限定されたアーム数、限定されたアーム分子量及び狭い多分散度を有する
ことを示した。このような多アームスター重合体は、これらスター重合体が他の
物質の製造を含む各種の用途に容易に利用されるものであることが認められるが
、粘度改良剤及びモーターオイル添加剤等としての用途を有するものと認められ
る。
上述の記載に基づき、ここに記載した新規な線状及びスター重合体は上述の目
的を達成するものであることが明らかであろう。従って、いかなる変更も請求の
範囲に記載した発明の精神の範囲に属し、また、特定の部材要素の選択も、ここ
に記載の発明の精神を逸脱することなく決定されることが理解されなければなら
ない。特に、本発明に従って使用されるフリーデル−クラフツ酸は、必ずしもB
Cl3及び/又はTiCl4に限定されない。さらに、好適なイソブチレンの代わ
りに、各種のカルボカチオン重合可能な単量体を使用できる。さらに、5,11,
17,23,29,35,41,47−(2−メトキシプロピル)−49,50,51,
52,53,54,55,56−オクタメトキシカリクス[8]アレーンが好適では
あるが、カリクス[n]アレーン(ここでn=4〜6)のtert−メトキシ、tert
−ヒドロキシ、及びtert−Cl誘導体も好適な多官能性開始剤であろう。好適な
具体例の例において参照した他の部材も他のものに交替されうる。このように、
発明の範囲は、請求の範囲に記載された範囲に属するすべての変形及び変更を含
むものである。
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(81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE,
DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L
U,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF
,CG,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE,
SN,TD,TG),AP(GH,KE,LS,MW,S
D,SZ,UG,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG
,KZ,MD,RU,TJ,TM),AL,AM,AT
,AU,AZ,BB,BG,BR,BY,CA,CH,
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E,HU,IS,JP,KE,KG,KP,KR,KZ
,LK,LR,LS,LT,LU,LV,MD,MG,
MK,MN,MW,MX,NO,NZ,PL,PT,R
O,RU,SD,SE,SG,SI,SK,TJ,TM
,TR,TT,UA,UG,UZ,VN
(72)発明者 ジャイコブ サニー
アメリカ合衆国 オハイオ 44311 アク
ロン シェーマン ストリート 685
#5