JP2004078224A - 光学記録材料 - Google Patents

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Abstract

【課題】 光学記録材料の記憶容量を増大させ、表面上だけでなくむしろ深さ方向に情報を記録できる光学的記録材料を提供する。
【解決手段】 化学線に暴露された時に、暴露された領域内に光学的特性の変化を生じ、それによって情報を記録し取り出すための情報のパターンを提供する光学記録材料であって、
 a) 一電子酸化時に化学的変態を受け、それによって前記暴露領域内に光学的特性の変化を起こすことができる共有結合された反応体部分を有する重合体、および
 b) 前記反応体の初期一電子酸化を起こさせる、化学線を吸収することができる増感剤を含んで成る記録材料。
【選択図】   なし

Description

 本発明は、情報を記憶し取り出す能力をもつ光学記録要素に関する。
 現代の情報革命は、データ記憶システムにおいて常に増大する需要を招いてきた。適例として、CDおよびDVDディスクは、成功した大量データ記憶技術を表わしている。これらの技術の1つの主要な利点は、データの読取りまたは書込みが、ディスク上に光を照射することによって達成され、従って、媒体と光学ヘッドの間には物理的接点が全くないという点にある。しかしながら、これらのディスクの全記憶容量は、利用される光の波長により読取ることができる媒体の表面上の最小マークのサイズによって制限される。徐々により小さくなっていくマークを伴うデータ記憶システムを開発するために数多くの試みがなされてきた。しかしながら、必要とされる機器は、法外に高価で、データアクセス速度は、受入れ難いほど低くなる傾向にある。
 媒体の記憶容量を増加させる1つの方法は、表面上だけではなくむしろ深さ方向に情報を記録することである。3次元でマークを作成しかくしてきわめて高いデータ容量のシステムを提供する目的で、3次元で媒体を照明するためにホログラフィ、2光子光学素子およびそれに類する方法を使用することができるだろう。
 有機染料の漂白および光学反応(例えば光互変性)も同じく、書込み可能CD型媒体内の単一層内および深さ方向(重合体のバルク部品内に溶解されている)の両方に光学データを記録するための手段として使用することができた。しかしながら、これらのシステムにおいては、読取り可能なマークを生成するために大量のエネルギーが必要とされ、従ってかかる媒体の記録速度は緩慢である。同様に、数多くの光互変性システムは又、経時的に褪色してしまう。
 好適な重合体内での光により誘発された複屈折により、ホログラフィ記録も同様に達成されたが、このプロセスは、重合体内部の側鎖の光配向に依存している。ここでも又、大量の光学パワーが必要とされ、このプロセスは、効率が悪く低速である。さらに、記録された情報の忠実度は、光学的に誘発された配向が重合体内で経時的に緩むことから、時と共に劣化する場合がある。
 特開2000−086588号は、キラルノルボルナジエンおよびクアドリシクラン誘導体の相互変換に基づく円形二色性の変化を用いた記録媒体を開示している。しかしながら、この技術は、合成が困難な鏡像異性的に富化された化合物を必要とする。その上、この出願は、光誘発電子移動のための増感剤の使用を開示していない。
 米国特許第5,759,721号は、3次元で光学的に情報を記録するためにも使用可能である光重合技術を使用したホログラフィ記憶媒体を開示している。しかしながら、このプロセスでは、成分間に新しい化学結合を形成するプロセスの結果である材料の収縮が、通常光重合に随伴するという問題点がある。書込み中に寸法変化が発生した場合、達成可能な解像度がそれによって制限され、媒体のデータ容量を低減させる。さらに、光重合には一般に、低分子量の反応体の使用が必要であり、そのためこれらの材料で作られた媒体は望ましくないほどの柔軟性または粘着性をもつ傾向にある。さらに、光重合の最も一般的な方法である遊離ラジカル重合は、プロセス中に望ましくない不整合を発生させる大気酸素による干渉を受ける。
米国特許第5,759,721号明細書
特開2000−086588公報
 本発明の目的は、光学記録材料の記憶容量を増大させることにある。本発明のもう1つの目的は、表面上だけでなくむしろ深さ方向に情報を記録できる光学的記録材料を提供することにある。本発明のさらにもう1つの目的は、記録時に寸法を実質的に変更しない光学記録材料を提供することにある。
 これらのおよびその他の目的は、化学線に暴露された時に、暴露された領域内に光学的特性の変化を生じ、それによって情報を記録し取り出すための情報のパターンを提供する光学記録材料であって、
 a) 一電子酸化時に化学的変態を受け、それによって前記暴露領域内に光学的特性の変化を起こすことができる、側鎖としてかまたは重合体主鎖内のいずれかの、共有結合された反応体部分を有する重合体、および
 b) 前記反応体の初期一電子酸化を起こさせる、化学線を吸収することができる増感剤を含んで成る記録材料である本発明に従って達成される。
 本発明に従うと、先行技術に比べいくつかの利点を有する光学記録材料が得られる。
 1.本発明には、材料の光学特性の変化を作り出す固体重合体における光開始されるラジカルカチオン連鎖反応が関与する。しかしながら、本発明は、光重合ではなくむしろ光異性化に依存していることから、記録に随伴する寸法的変化は無視できるものである(分子間には新しい結合が全く形成されない)。
 2.本発明には、光の使用において効率の良い記録プロセスが関与している。プロセスには光開始型連鎖反応が関与することから、吸収された光子1個につき数多くの新しい分子が形成される(化学的増幅)。光学的特性の比較的大きい変化が、記録用ビームに対するわずかな暴露で得られる。
 3.本発明の材料は、フィルムおよびスラブの形に都合よく製造できる単純かつ安定した重合体である。
 4.本発明の材料の光学的変化は、大きく、永久的で、局在化されており、容易に検出でき、光学記憶媒体のためのベースを形成する。本発明は、ホログラフィおよび2光子光学素子といったような3次元光学データ記録システムに特に適している。
 5.遊離ラジカル重合とは異なり、本発明のラジカルカチオン再配置は、分子酸素に感応せず、当該技術分野において現在用いられている遊離ラジカル光重合について一般に見られる性能の不整合性を受けない。
 6.(固溶体を形成するべく重合体結合剤の中で単に反応体を溶解させることとは異なり)重合体に対する反応体部分の共有的結合は、結晶化といったような相分離に関連する問題も無く、はるかに高い有効濃度の反応体の取込みを可能にする。より高い濃度の反応体部分は、光学的特性の変化の望ましい増加を導き、それによって媒体の性能を改善する。さらに記録された情報の性能は、高分子量の構造の低い移動性に起因して改善される。
 本発明においては、前述の反応体部分に対して共有結合を形成することができることを条件として、あらゆる重合体を使用することができる。好適な重合体としては、ポリメタクリレート、ボリアクリレート、ポリスチレン、ポリエステル、ポリアミド、ポリウレタン、ポリカーボネート、ポリエーテル、セルロースエステルまたはポリビニルエステル誘導体などが含まれる。一般に、重合体は、増感剤が吸収するスペクトル領域内で光学的に透明であるのがよく、すなわち、励起波長で有意な吸収を有しない方がよく、又、反応体の化学的変態を妨害しないのがよい。重合体は直鎖であっても有枝鎖であってもよい。
 本発明の光学記録要素は、自立型スラブまたはディスクの形態となることができる。これは同様に、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフトエート、ポリカーボネート、ポリスチレン、酢酸セルロース、ガラス、石英、シリコンといった無機支持体などの支持体上にコーティングすることもできる。好ましい実施形態では、支持体は、ポリエステルまたはガラスである。本発明の光学記録要素は、同様に、可塑剤、防腐剤などといったような任意の成分を含有していてもよい。
 基板の表面は、支持体に対する記録層の接着性を改善するように処理され得る。例えば、光学記録材料を適用する前に表面をコロナ放電処理することができる。代替的には、支持体の表面に対し、ハロゲン化フェノールまたは部分的に加水分解された塩化ビニル−酢酸ビニル共重合体から形成された層といったようなアンダコーティングまたは下塗り層を塗布することができる。
 記録層の厚みは、1μm〜1cm、好ましくは20μm〜2000μmの範囲内となることができる。
 上述のように、本発明で使用される反応体部分は、一電子酸化時に化学的変態を受け、それによって光学記録材料の暴露領域内に光学的特性の変化をひき起こす能力をもつ。かかる化合物は、記録事象を定義づけする1つのプロセスである、究極的に1つの生成物種を形成するための光誘発されたラジカルカチオン再配置を受ける。生成物の形成に伴い、屈折率、螢光特性または吸収スペクトルといったような光学特性の随伴する変化が存在する。個々の反応体部分の間には新しい化学的結合は全く存在せず、従って、記録事象における媒体の寸法的変化は無視できる程度である。
 反応体部分は、通常比較的高い濃度で存在する。好ましい実施形態においては、反応体部分は、前記重合体の反復単位の10〜100%に共有結合される。増感剤は、該材料の0.001〜10質量%を構成し、残りは重合体と何らかの任意の添加剤である。
 反応体部分の化学的変態は、環化、付加環化および環開裂といったような反応を内含する異性化である。かかる変態の一般的な例は、1aと1bまたは2aと2bの間の相互転換である。
Figure 2004078224
 上下の式中で、RはH;1〜12個好ましくは1〜3個の炭素原子をもつ、メチル、エチル、イソプロピル、ブチルなどといった置換されたまたは未置換のアルキルまたはアルコキシ基;シアノまたはカルボキシレート基;フェニル、ナフチル、フェナントリル、アントリルなどといった、6〜18個の炭素原子をもつ置換されたまたは未置換のアリール基;フリル、チエニル、ピリジル、ベンゾフリル、ベンゾチエチルなどといったような置換されたまたは未置換の複素環式芳香族基となることができる。アリールまたはヘテロアリール基上の置換基としては、例えば、単数または複数のアルキル、アリール、アルコキシ、アリールオキシル、チオアルキル、チオアリール基などが含まれる。さらに、置換基Rの一部または全てを一緒に合わせてさらなる環系を形成することが可能である。
 1a/1bの例としては以下のものがある:
Figure 2004078224
 2a/2bの例としては、以下のものがある:
Figure 2004078224
Figure 2004078224
 上述のR基のうちの少なくとも1つは、結合基により重合体に共有結合される。
 反応体部分1aおよび2aを含有する重合体反復単位の特定的な例が、表1に示されている。
Figure 2004078224
Figure 2004078224
Figure 2004078224
Figure 2004078224
 好ましい実施形態においては、反応体部分は、その酸化電位がその生成物のものよりも低くなりかつ増感剤への電子移動の時に好適に高速異性化が起こりうるような形で選択される(以下参照)。以上で列挙した部分はこれらの特長を有するが、同じ特性を共有しかつ列挙したものと同等にまたはそれ以上に良好に機能することになるその他の(まだ同定されていない)部分も存在することができる。
 本発明で使用される増感剤は、反応体部分の化学的変態を開始させる。増感剤は、それが光を吸収した後ラジカルカチオンへと反応体を酸化させる能力をもたなくてはならない(すなわち、光誘発された電子移動)。本発明で使用することができる増感剤には2つの全く異なるクラスが存在する。
 1つの実施形態では、増感剤は化学線の吸収時に、反応体部分からの電子を受容することができる。かかる増感剤の例としては、表2および3に示されているものがある。
 本発明のもう1つの実施形態においては、増感剤は、前記化学線の吸収時にフラグメント化して反応体部分から電子を受容する能力をもつ酸化剤を提供する。かかる増感剤の例としては、表4に示されたものが含まれる。
 増感剤が光を吸収した後ラジカルカチオンへと反応体部分を酸化させることができるか否かを見極めるためには、反応エネルギー論を使用することができる。反応エネルギー論では、増感電子受容体(S)の励起エネルギー(ESO)および還元電位(Esred)、および電子供与体である反応体(R)の酸化電位(ER OX)という3つの制御パラメータが存在する。これらの反応がエネルギー的に実現可能なものとなるためには、励起された状態のエネルギーは、一次生成物つまりラジカルイオン対S-・+・の中に貯蔵されたエネルギーより高いかまたはそれよりわずかだけ低くあるべきである。
Figure 2004078224
 増感剤(電子受容体)の励起エネルギーは、反応が一重鎖励起状態から進む場合、Sの正規化された吸収および発光スペクトルの中間点から適切に決定される。しかしながら、反応が3重項を介して進む場合には、Sの3重項エネルギーは励起エネルギーとして使用されるべきである。
 ラジカルイオン対のエネルギー、EIPは式1から求められ、この式中、△はエネルギー増分であって、媒体の極性により左右され、きわめて極性の高い媒体中のほぼゼロから最低の極性をもつ媒体内での約0.3eVまでの範囲内である。酸化(ER OX)および還元(Esred)電位は、アセトニトリルまたは塩化メチレンといった極性溶媒での従来の電気化学測定から容易に得られる。
Figure 2004078224
 重合体媒体は、誘電定数のきわめて低いものとなる傾向にあり、その結果、ラジカルイオン対を強力に溶媒化することはない。かくして、式1の中のエネルギー増分Δは、ほぼ最大値付近すなわち0.2〜0.3eVの範囲内になるものと予想される。
 かくして、反応体の酸化電位と受容体の還元電位の間の差(ER OX−ER red)以上の励起エネルギーをもつ増感電子受容体は、反応を光開始させるためのエネルギー的必要条件つまり式2を満たすことになる。
Figure 2004078224
 式2を置き換えた形で供与体との関係における増感受容体のエネルギー必要条件を表現するとさらに好都合である。
Figure 2004078224
 式3に従うと、反応がエネルギー的に実現可能となるためには、増感剤の励起エネルギーとその還元電位の代数的和はほぼ反応体の酸化電位以上でなくてはならない。
 SCEに対する1.59Vの酸化電位をもつ反応体ヘキサメチルデュワーベンゼンの特定の例については、式3の必要条件を満たす数多くの増感受容体を使用することができる。表2に列挙されているのは、必要条件を満たす化合物のいくつか、すなわち、1.59eV以上のものである励起エネルギーと還元電位の和を有し、従って、ヘキサメチルデュワーベンゼン反応体部分で有用なものである化合物である。
Figure 2004078224
 一般に、上述のエネルギー上の必要条件が満たされることを条件として、数多くの異なる化合物からの誘導体を電子受容性体として使用することができる。これらの電位型増感剤としては、1−シアノナフタレン、1,4−ジシアノナフタレン、9,10−ジシアノアントラセン、2−t−ブチル−9,10−ジシアノアントラセン、2,6−ジ−t−ブチル−9,10−ジシアノアントラセン、2,9,10−トリシアノアントラセン、2,6,9,10−テトラシアノアントラセンといったシアノ芳香族;ジカルボキシル1,8−ナフチレン、テトラカルボキシル1,4,6,8−ナフチレン、ジカルボキシル3,4−ペリレンおよびテトラカルボキシル3,4,9,10−ペリレン無水物またはイミドといった芳香族無水物;キノリニウム、イソキノリニウム、フェナントリジニウム、アクリジニウム塩といった濃縮ピリジニウム塩;およびピリリウム塩が内含される。3重項励起状態が関与する有用な増感剤の中には、電子求引性置換基(例えばクロロおよびシアノ)を伴うベンゾ−、ナフト−、アントロ−キノンなどのキノンといったカルボニル化合物がある。ケトクマリン、特にビリジニウムといった強い電子求引体部分を伴うものも、増感剤として使用することができる。
 上述の増感剤の例は表3に示されている。これらの増感剤は任意には、可溶性、吸収スペクトル、還元電位などといったような特性を修正するために内含され得る、メチル、エチル、第3ブチル、フェニル、メトキシ、クロロなどといったような置換基を含むことができる。
Figure 2004078224
Figure 2004078224
Figure 2004078224
 2)ラジカルカチオンの光化学生成を介した増感
 この方法では、励起により、増感剤のフラグメント化および酸化ラジカルカチオンの形成が導かれる。このクラスの増感剤の例としては、式4のN−メトキシフェナントリジニウムがある。
Figure 2004078224
 以上の例では、増感剤は、化学線の吸収時に反応してフラグメントラジカルカチオンを生成し、次にフラグメントラジカルカチオンは反応体部分から電子を受容し、かくして中性フラグメントの酸化電位は、ほぼ反応体のもの以上となる。
Figure 2004078224
 本発明の重合体は、以下の3つの一般的方法のうちの1つによって調製可能である。1)例えばビニルまたはアクリルエステル基、ジカルボン酸基などといった重合反応を受ける能力をもつ単数または複数の部分を担持する反応体が合成される。重合体はこのとき、好適な開始剤または触媒の存在下で従来の重合反応によって形成される。相容性ある重合性官能基を担持する任意のコモノマーを反応の中に内含させることができ、これは、例えば可溶性またはガラス転移温度といったような結果として得られる重合体の物理的特性を修正する目的で選択される。2)前駆体重合体がまず最初に合成され、これは、例えばベンジルハロゲン化物および反応体上のカルボキシレート基といった反応体部分に対する共有結合をその後に形成する能力をもつ官能基を担持している。前述のもののように、前駆体重合体内には任意のコモノマーが含まれ得る。本発明の最終的重合体がこのとき、適切に機能化された反応体と前駆体重合体を反応させることによって合成される。3)異なる前駆体重合体がまず最初に合成され、これは、反応体部分へとその後変態させられる能力をもつ官能基を担持しており、例えば前駆体重合体上の炭素−炭素3重結合がデュワーベンゼン誘導体へと変換され得る。ここでも又、前駆体重合体内に任意のコモノマーを内含させることができる。
 以下の例は、本発明をさらに詳しく示すものである。
 ペンタメチルデュワーベンジルメタクリレート(モノマー1)の合成
 まず最初に、エチルペンタメチルデュワーベンゾエートを調製した。塩化アルミニウム34.2gと乾燥ジクロロメタン140mLを窒素下で撹拌し、混合物を水浴内で冷却し、次に乾燥ジクロロメタン70mL中に溶解させた2−ブチン26.3g(486ミリモル)で滴下により処理した。ブチン溶液の残留物を、さらに25mLのジクロロメタンで反応容器内へと洗い流し、結果として得た混合物を20分間撹拌した。反応混合物を窒素下で2重先端針を介して、同じく氷浴中で冷却された第2の反応容器内で70mLの乾燥ジクロロメタン中のエチル2−ブチノエート20.1g(179ミリモル)の溶液に添加した。結果として得た深赤褐色の透明溶液を0℃で15分間撹拌し、次にジメチルスルフォキシド(DMSO)70mLとジクロロメタン170mLをゆっくりと添加した。反応混合物を45分間攪拌させ、その後500mLの氷水の中に注ぎ込んだ。結果として得た混合物をペンタンで2回抽出し、一緒にした有機抽出物を水で3回と塩水で1回洗浄し、その後、硫酸ナトリウム上で乾燥させた。溶媒を真空下で除去して45.9gの薄明るい黄金オレンジ色の油を生成した。中間生成物を減圧下での蒸留により単離し、0.03〜0.05mmで63〜67℃の沸点をもつ画分を収集した。収量は28.5g(理論値の72%)であった。生成物をNMRで特徴づけした。1H NMR(CDCl3):δ1.20(s,3H)、1.25(s,3H)、1.30(t,3H)、1.60(s,3H)、1.65(s,3H)、2.05(s,3H)、4.20(q,4H)。
 次に、ペンタメチルデュワーベンジルアルコールを調製した。窒素下で0℃で乾燥エーテル500mL中に溶解したエチルペンタメチルデュワーベンゾエートのサンプル26.0g(118ミリモル)に対して、ヘキサン中の水素化ジイソブチルアルミニウムの1.0M溶液(250ミリモル)250mLを40分間にわたり添加した。反応混合物を0℃で1時間、その後室温で2時間攪拌した。混合物を氷浴水で冷却させ、低温メタノール11mL(8.7g、270ミリモル)をゆっくり添加することによって急冷させた。硫酸ナトリウムの飽和水溶液(200mL)とさらに100mLのエーテルを添加した。その後、顆粒状の沈殿物が形成されるまで、無水硫酸マグネシウムを添加した。混合物をろ過し、沈殿物を乾燥エーテルで洗浄した。一緒にしたエーテルろ液を濃縮して、ゆっくりと結晶化した明るい薄黄色の油を生成させた。ヘキサンからの再結晶化により、mp(融点)57〜58.5℃の白色結晶質固体として13.0g(理論上の62%)のペンタメチルデュワーベンジルアルコールを得た。中間生成物を、NMRで特徴づけした。1H NMR(CDCl3):δ1.1(br.s,1H)、1.14(s,3H)、1.18(s,3H)、1.61(s,3H)、1.64(s,3H)、1.70(s,3H)、4.15(dd,2H)。
 ペンタメチルデュワーベンジルアルコール5.80g(32.5ミリモル)、トリエチルアミン6.20mL(4.50g,44.5ミリモル)、N,N−ジメチルアミノピリジン0.210g(1.72ミリモル)および抑制剤(ビス−(3−tert−ブチル4−ヒドロキシ−5−メチルフェニル)スルフィド)約20mgのジクロロメタン110mL中の攪拌溶液を、塩化メタクリロイル3.30mL(3.50g,33.8ミリモル)で窒素下で処理した。添加が完了した後、反応混合物を2.5時間還流にて加熱し、次に室温まで冷却した。反応混合物を200mLのエーテルで希釈し、水で2回、飽和重炭酸ナトリウム水溶液で1回、1Mの水酸化ナトリウム水溶液で2回、さらに水で2回そして塩水で1回洗浄した。溶液を乾燥させ(Na2SO4)、真空下で溶媒を除去して明黄色の油を得た。生成物を、減圧下での蒸留(bp(沸点)63℃、0.05mmHg)により精製して7.05g(理論値の88%)のモノマー1を透明無色の油として得た。生成物をNMRで特徴づけした。1H NMR(CDCl3):δ1.15(s,3H)、1.18(s,3H)、1.60(s,3H)、1.61(s,3H)、1.75(s,3H)、2.00(s,3H)、4.66(br.s,2H)、5.60(s,1H)、6.15(s,1H)。
 エチレングリコールペンタメチルデュワーベンゾエートメタクリレート(モノマー2)の合成
 まず最初に、9H−フルオレン−9−メタノール2−ブチノエートを合成した。アルゴン下で0℃まで冷却された乾燥ジクロロメタン80mL中の2−ブチン酸(10.0g、0.12モル)、9−フルロレンメタノール(23.34g、0.12モル)および4−ジメチルピリジニウムp−トシレート5.25g(0.018モル)の攪拌された溶液に対して、5分間にわたり、ジクロロヘキシルカルボジイミド(27.0g、0.13モル)を少量ずつ添加した。混合物を一晩さらに静止した状態に放置し、これを室温で徐々に暖めた。反応混合物をろ過し、追加のジクロロメタン75mLで希釈させ、HCL水溶液、水、重炭酸ナトリウム水溶液および水で連続的に洗浄した。有機層を無水硫酸ナトリウム上で乾燥させ、ろ過し、溶媒を回転蒸発により除去した。結果として得た残留物をフラッシュカラムクロマトグラフィに付して22.0g(理論値の70%)の生成物を単離した。生成物をNMRで特徴づけした。1HNMR(CDCl3):δ7.8(d,2H)、7.65(d,2H)、7.45(t,2H)、7.35(t,2H)、4.4(d,2H)、4.25(t,1H)、2.05(s,3H)。
 次に、9H−フルオレン−9−メタノールペンタメチルデュワーベンゾエートを合成した。反応容器に塩化アルミニウム12.33g(92ミリモル)、アルゴン下の乾燥ジクロロメタン30mLを投入し、0℃まで冷却した。15分間にわたり、ジクロロメタン30mL中の2−ブチン10.00g(185ミリモル)溶液を滴下にて添加し、結果として得た混合物をさらに45分間攪拌した。塩化メチレン30mL中の9H−フルオレン−9−メタノール2−ブチノエート(12.12g、46ミリモル)溶液を10分間にわたり滴下にて添加し、結果として得た混合物をさらに10分間攪拌した。15分間にわたり反応混合物に対し、ジメチルスルフォキシド(DMSO)30mLおよびジクロロメタン30mLの溶液を滴下にて添加した。反応混合物を室温まで暖め、等体積のリグロインで希釈させ、水および塩水で連続して洗浄した。無水硫酸ナトリウム上で有機層を乾燥させ、ろ過し、溶媒を真空下で除去して黄色固体を沈積させた。この黄色固体をメタノールから2グループに分けて再結晶化させて、この中間生成物13.0gを無色の針状物(理論値の68.3%)として得た。
 次に、ペンタメチルデュワー安息香酸を合成した。乾燥塩化メチレン10mL中に9H−フルオレン−9−メタノール−ペンタメチルデュワーベンゾエート(2.00g、5.0ミリモル)を溶解させた。ピペリジン(1.82g、21ミリモル)を3分間、室温で反応を撹拌させながら3分間にわたり注射器を介して添加し、次に混合物を一晩室温で撹拌し続けた。混合物を10%のHCl水溶液で洗浄した。リグロイン(20mL)を添加し、重炭酸ナトリウム水溶液(6×30mL)とそれに続いて5%の水酸化カリウム水溶液(3×30mL)で有機層を洗浄した。全ての水性層を組合せ、10%のHCl水溶液でpH=1まで酸性化した。結果として得た白色沈殿物を収集し、脱イオン水で洗浄し、次に40℃で真空下で乾燥させた。この中間生成物は、763mgの白色粉末(73%の収量)として得られた。
 最後に、以下の通り、エチレングリコールペンタメチルデュワーベンゾエートメタクリレートを合成した。すなわち、アルゴン下で0℃まで冷却させた、ペンタメチルデュワー安息香酸(500mg、3.0ミリモル)、2−ヒドロキシエチルメタクリル酸(340mg、3.0ミリモル)、4−ジエチルアミノピリジニウム p−トルエンスルフォネート(150mg、1.0ミリモル)および3mLの乾燥ジクロロメタンの溶液に対して、5分間にわたり、ジクロロヘキシルカルボジイミド(0.62g、3.0ミリモル)を少量ずつ添加した。混合物を一晩さらに静止した状態に放置し、これを室温まで徐々に暖めた。反応混合物をろ過し、追加のジクロロメタン25mLで希釈させ、HCL水溶液、水、重炭酸ナトリウム水溶液および水で連続的に洗浄した。有機層を無水硫酸ナトリウム上で乾燥させ、ろ過し、溶媒を回転蒸発により除去した。結果として得た残留物をフラッシュカラムクロマトグラフィに付して420mg(理論上の50%)のモノマー2を単離した。生成物をNMRで特徴づけした。1H NMR(CDCl3):δ1.14(s,3H)、1.20(s,3H)、1.57(s,3H)、1.58(s,3H)、1.93(s,3H)、1.99(s,3H)、4.35(m,4H)、5.57(m,1H)、6.12(m,1H)。
 メタクリル酸メチルとの共重合体を含有する5%のデュワーベンゼンの合成(重合体1)
 クロロベンゼン50mL中に、モノマー1を1.14g(4.63ミリモル)、メタクリル酸メチルを8.87g(88.6ミリモル)およびアゾビスイソバレロニトリル(開始剤)を0.44g(2.29ミリモル)溶解させた溶液を、10分間窒素で散布することによって脱気し、次に24時間65〜70℃で加熱した。結果として得た重合体を余剰のメタノール中に沈殿させ、その後、ジクロロメタン中で溶解させ、余剰のメタノール中に再度沈殿させた。結果として得た重合体を収集し、真空下で乾燥させて、5.05gの重合体1を生成した。ポリスチレン標準およびテトラヒドロフラン溶媒を用いてサイズ排除クロマトグラフィ(SEC)により分子量分布を測定した。Mn=27,400;Mw=46,000。ガラス転移温度は、10℃/分の加熱速度で窒素雰囲気内で測定された示差走査熱量計(DSC)により120℃であることがわかった。
 メタクリル酸メチルとの共重合体を含有する10%のデュワーベンゼンの合成(重合体2)
 4.29g(17.4ミリモル)のモノマー1、15.7g(157ミリモル)のメタクリル酸メチル、0.85g(4.42ミリモル)のアゾビスイソバレロニトリルおよび100mLのクロロベンゼンを用いて、重合体1のための手順をくり返した。収量は11.6gであった。Mn=27、100;Mw=46、900。Tg=115℃。
 メタクリル酸メチルとの共重合体を含有する25%のデュワーベンゼンの合成(重合体3)
 2.25g(9.13ミリモル)のモノマー1、2.75g(27.5ミリモル)のメタクリル酸メチル、0.17g(0.88ミリモル)のアゾビスイソバレロニトリルおよび25mLのクロロベンゼンを用いて、重合体1のための手順をくり返した。収量は、1.64gであった。
 メタクリル酸メチルとの共重合体を含有する50%のデュワーベンゼンの合成(重合体4)
 3.00g(12.2ミリモル)のモノマー1、1.22g(12.2ミリモル)のメタクリル酸メチル、0.23g(1.2ミリモル)のアゾビスイソバレロニトリルおよび21mLのクロロベンゼンを用いて、重合体1のための手順をくり返した。
 単独重合体を含有するデュワーベンゼンの合成(重合体5)
 7.01g(28.5ミリモル)のモノマー1、0.28g(1.46ミリモル)のアゾビスイソバレロニトリル、および35mLのクロロベンゼンを用いて、重合体1のための手順をくり返した。収量は、4.86gであった。
 メタクリル酸n−ブチルとの共重合体を含有する10%のデュワーベンゼンの合成(重合体6)
 1.61g(6.5ミリモル)のモノマー1、8.39g(59ミリモル)のメタクリル酸n−ブチル、0.32g(1.3ミリモル)のアゾビスイソバレロニトリルおよび50mLのクロロベンゼンを用いて、重合体1のための手順をくり返した。収量は4.05gであった。
 メタクリル酸シクロヘキシルとの共重合体を含有する10%のデュワーベンゼンの合成(重合体7)
 0.99g(4.02ミリモル)のモノマー1、6.11g(36.3ミリモル)のメタクリル酸シクロヘキシル、0.38g(1.98ミリモル)のアゾビスイソバレロニトリルおよび35mLのクロロベンゼンを用いて、重合体1のための手順をくり返した。収量は6.22gであった。Mn=12,900;Mw=43,500。Tg=106℃。
 メタクリロニトリルとの共重合体を含有する10%のデュワーベンゼンの合成(重合体8)
 2.03g(8.2ミリモル)のモノマー1、4.97g(74.1ミリモル)のメタクリロニトリル、0.79g(4.11ミリモル)のアゾビスイソバレロニトリルおよび35mLのクロロベンゼンを用いて、重合体1のための手順をくり返した。収量は2.51gであった。Mn=2730;Mw=3710。Tg=86℃。
 メタクリル酸n−ヘキシルとの共重合体を含有する10%のデュワーベンゼンの合成(重合体9)
 0.98g(3.98ミリモル)のモノマー1、6.12g(35.9ミリモル)のメタクリル酸n−ヘキシル、0.38g(1.98ミリモル)のアゾビスイソバレロニリトルおよび35mLのクロロベンゼンを用いて、重合体1のための手順をくり返した。Mn=19,800;Mw=44,000。Tg=4℃。
 メタクリル酸2−フェノキシエチルとの共重合体を含有する10%のデュワーベンゼンの合成(重合体10)
 1.17g(4.75ミリモル)のモノマー1、8.84g(42.9ミリモル)のメタクリル酸2−フェノキシエチル、0.23g(1.20ミリモル)のアゾビスイソバレロニトリルおよび50mLのクロロベンゼンを用いて、重合体1のための手順をくり返した。収量は8.95gであった。
 メタクリル酸2−フェノキシエチルとの共重合体を含有する25%のデュワーベンゼンの合成(重合体11)
 2.25g(9.13ミリモル)のモノマー1、7.75g(37.6ミリモル)のメタクリル酸2−フェノキシエチル、0.23g(1.20ミリモル)のアゾビスイソバレロニトリルおよび50mLのクロロベンゼンを用いて、重合体1のための手順をくり返した。収量は8.76gであった。
 メタクリル酸エチルとの共重合体を含有する10%のデュワーベンゼンの合成(重合体12)
 1.96g(7.92ミリモル)のモノマー1、8.08g(70.8ミリモル)のメタクリル酸エチル、0.38g(1.98ミリモル)のアゾビスイソバレロニトリルおよび50mLのクロロベンゼンを用いて、重合体1のための手順をくり返した。収量は、0.3gであった。Mn=68,100;Mw=68,100。Tg=78℃。
 単独重合体を含有するデュワーベンゼンの合成(重合体13)
 0.63g(2.1ミリモル)のモノマー2、0.010g(0.040ミリモル)のアゾビスイソバレロニトリル、および4mLのクロロベンゼンを用いて、重合体1のための手順をくり返した。収量は、0.46gであった。
 メタクリル酸メチルとの共重合体を含有する10%のデュワーベンゼンの合成(重合体14)
 1.25g(4.1ミリモル)のモノマー2、3.74g(37.4ミリモル)のメタクリル酸メチル、0.05g(0.3ミリモル)のアゾビスイソバレロニトリルおよび60mLのクロロベンゼンを用いて、重合体1のための手順をくり返した。収量は、5.0gであった。
 クアドリシクランで置換されたポリスチレンの合成(重合体15)
 まず最初に、エチル2−フェニルノルボルナジエン−1−カルボキシレートを合成した。厚肉ガラス管に、エチルフェニルプロピオレート(5.0g、29ミリモル)、蒸留したばかりのシクロペンタジエン2.85g(43ミリモル)、キシレン5mL、および3,3′−ジ−t−ブチル−4,4′−ジヒドロキシ−6,6′−ジメチルジフェニルスルフィド20mgを投入し、アルゴン下で密封した。管を175℃で48時間加熱し、次に冷却した。生成物を減圧下で分別蒸留により単離して、bp(沸点)92〜107℃/0.05mmのエチル−2−フェニルノルボルナジエン−1−カルボキシレート3.1g(理論収率45%)を得た。この中間生成物をNMRおよび質量分析法によって特徴づけした。1HNMR(CDCl3)δ1.21(t,3H)、2.06(m,1H)、2.24(m,1H)、3.85(m,1H)、4.06(m,1H)、4.14(qt,2H)、6.92(m,1H)、6.98(m,1H)、7.25(m,3H)、7.52(m,2H)。電気スプレイ質量分析法は、m/e241+で分子イオンを示した。
 次に、2−フェニル−ノルボルナジエン−1−カルボン酸を合成した。50mLのメタノール中で3.8gの水酸化カリウムとエチル2−フェニル−ノルボルナジエン−1−カルボキシレート(5.0g)を組合わせた。この溶液を16時間、穏やかな環流下で攪拌した。次に回転蒸発により全てのメタノールを除去し、結果として得た残渣を75mLの水中で溶解させた。この溶液に対して、溶液のpHが酸性となるまで滴下により10%のHCl(水溶液)を添加した。結果として得た黄色固体をろ過により収集した。イソプロピルアルコール/水(40/60)からこの残渣を再結晶化させることで、2つのグループにわけて2.6gの無色針状物が得られた(理論値の60%)。この中間生成物をNMRおよび質量分析法により特徴づけした。1H NMR(CDCl3)δ7.54−7.50(m,2H)、7.39−7.32(m,3H);7.02−6.99(m、1H);6.93−6.90(m,1H);4.08(s,1H);3.87(s,1H);2.27(d,1H);2.08(d,1H)。
 ノルボルナジエンで置換された中間重合体を以下のように調製した。2−フェニルノルボルナジエン−1−カルボン酸(1.2g)をメタノール水酸化カリウムでフェノールフタレイン終点までメタノール中で滴定した。その後、回転蒸発を介してメタノールを除去し、次に残渣を、25mLのN,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、300mgの臭化テトラブチルアンモニウムおよび950mgのポリ(クロロメチルスチレン)と組合わせた。混合物を50℃で一晩撹拌し、次に、高速で攪拌されたメタノール500mL中に注ぎ込んだ。結果として得た白色沈殿物をろ過により収集し、40℃で真空オーブン内で乾燥させた。1H NMRによる重合体(1.6g、77%の収量)の分析は、〜90%の置換を示した。(CDCl3)δ7.4(br.s,2H);7.2−7.1(br.m,3H);7.0−6.6(br.s,4H);6.5−6.0(br.s,2H);5.0−4.6(br.s,2H);4.4−4.0(br.s,0.2H);4.05−3.9(br.m,1H);3.85−3.7(br.s,1H);2.1−1.0(br.m,5H)
 本発明の最後のクアドリシクラン置換重合体(重合体10)を次のように合成した。すなわち、上述のノルボルナジエン置換ポリスチレン(1.5g)を50mLのクロロホルム中に溶解させ、長いガラス管の中に注ぎ込み、20分間Arで散布した。次に管にキャップをとり付け、室温で18時間、Rayonet光化学反応装置の中で350nm球からの紫外線に暴露した。照射が完了した時に、重合体溶液を約10mLまで濃縮させ、高速攪拌されたメタノール200mL中にゆっくりと滴下した。結果として得たわずかに黄色をした沈殿物(1.0g、収量68%)をろ過により収集し、真空下で30℃で一晩乾燥させ1HNMRを介して分析した。(CDCl3)δ7.2−6.0(br.m,9H);5.0−4.6(br.m,2H);2.5−1.0(br.m,9H)
 デュワーベンゼンで置換されたポリスチレンの合成(重合体16)
 最初に1,3,4,5,6−ペンタメチル−デュワーベンゼン−2−カルボン酸を合成した。50mLのメタノール中で3.80gの水酸化カリウムをエチレン1,3,4,5,6−ペンタメチルデュワーベンゾエート(5.0g)を組合わせた。この溶液を16時間、穏やかな環流下で攪拌した。次に回転蒸発により全てのメタノールを除去し、結果として得た残渣を75mLの水中で溶解させた。この溶液に対して、溶液のpHが酸性となるまで滴下により10%のHCl(水溶液)を添加した。結果として得た白色沈殿物を真空ろ過により収集し、一晩真空乾燥器内で乾燥させて、3.70gの乾燥白色固体を生成した(収量85%)。生成物を1H NMRで分析した。(CDCl3)δ2.04(s,3H);1.62(m,3H);1.58(m,3H);1.24(s,3H);1.16(s,3H)
 本発明の最終的デュワーベンゼン置換された重合体を以下の通りに合成した。化合物1,3,4,5,6−ペンタメチルデュワーベンゼン−2−カルボン酸(1.2g)をメタノール水酸化カリウムでフェノールフタレイン終点までメタノール中で滴定した。その後、回転蒸発を介してメタノールを除去し、残渣を、25mLのN,N−ジメチルホルムアミド(DMF),300mgの臭化テトラブチルアンモニウムおよび950mgのポリ(クロロメチルスチレン)と組合わせた。溶液を50℃で一晩撹拌し、次に、高速で攪拌されたメタノール500mL中に注ぎ込んだ。結果として得た白色沈殿物をろ過により収集し、40℃で真空オーブン内で乾燥させた。1H NMRにより重合体(1.50g,78%)は、定量的に置換されたものとして特徴づけされた(CDCl3)δ7.2−6.8(br.s,2H);6.6−6.1(br.s,2H);5.1−4.8(br.s,2H);2.1−1.1(br.m,18H)。
 光学記録手順
 サンプル要素中にホログラフィ格子を書込むための干渉計および格子の角スペクトルを測定するための回転台およびプローブビームから成る実験用器具を使用した。干渉計のための光源は、406nmの波長の紫色クリプトンイオンレーザービームであった。このレーザービームは、50nmの焦点距離の石英ガラスレンズにより直径7.5mmのビーム内で視準される前に10×の顕微鏡対物レンズおよび5μmのピンホールで空間的にろ過した。このビームは、器具の光学軸を画定した。1070nmの同期をもつ位相マスクが、格子等式に従ってビームを分散した。ゼロ次ビームは、それがサンプル平面に到達できないように遮断された。
 入射平面を画定する1次回折ビームは、各々、光学軸に対し19.15°の角度で格子から離れて伝播した。光学軸に沿って測定された場合に位相マスクから約23cmのところに位置づけされた2枚の平面鏡が、一次回折ビームを、それが32.19°の角度で交差するフィルム平面まで導いた。サンプル平面は、光学軸に沿って測定された場合に位相マスクから50cmのところに位置づけされた。光学軸は、フィルム平面に対し垂直であり、干渉するビームが成す32.19°の角度を2等分した。干渉ビームにより形成されたフリンジパターンは633nmの周期の正弦波パターンであった。
 プローブビーム用光源は、6328Åの波長でヘリウム−ネオンレーザービームであった。プローブビームは、入射平面に対して鉛直に偏光された。このレーザービームは、5xの顕微鏡対物レンズにより直径3.0mmのビーム内で視準される前に、10×の顕微鏡対物レンズと25μmのピンホールで空間的にろ過された。プローブビームは、低雑音検知のためにロックイン増幅器を使用することができるように、チョッパホイールにより1400Hzで変調された。プローブビームは、光学軸に対し30.00°の角度を成してサンプル平面と交差した。この角度は、最大回折効率についてのブラッグの条件を満たしていた。サンプルは、ブラッグ角度からの角度的デチューニングの一関数としてホログラフィ格子の回折効率測定できるような形で、回転台上に取付けられた。
 サンプル要素の暴露特性の測定は、器具のアラインメント検査から始まった。顕微鏡スライドをサンプル平面内に設置し、その表面からの後方反射を用いて、サンプル平面が光学軸に対し垂直であったこと、プローブビームが30.00°で入射したこと、紫色ビームが32.19°の角度で交差していたことそして光学軸がビームが成る角度を2等分したことを確認した。このアラインメントがひとたび完了した時に、干渉する紫色ビームの各々の中のパワーが8mWとなるように、クリプトンイオンレーザーパワーを調整した。プローブビームのパワーは、回折効率測定を正規化できるように、ロックイン増幅器によりボルト単位で測定された。
 書込み手順は以下のとおりであった。すなわち、サンプルを所定の位置にクランプ留めする一方で、紫色ビームをシャッターで遮断した。アラインメント手順によりひき起こされた機械的および熱による混乱が減衰しうるように、器具を最低60秒間緩和させた。次に、コンピュータが回折されたプローブビームのパワーを記録する間、予め定められた時間サンプルを干渉紫色ビームに暴露させた。暴露の終りで、紫色ビームを遮断し、回折されたプローブビームのパワーをブラッグ角度からの角度的デチューニングの関数として測定した。これら2つのデータセットから、格子の角度スペクトル、回折効率対時間、および屈折率変調対時間の曲線を生成することができた。結果は以下に列挙されている。
 上述のとおりの記録用ビームに対する暴露は、屈折率変化パターンが作り出されたのに起因して材料中の回折格子を作り出す。下表に列挙する回折効率は、記録された屈折率変化パターンの測定であり、ゼロより大きいあらゆる数が望ましい。
 例1
 光学記録要素1
 4.0mLのジクロロメタン中の0.9gの重合体2、0.1gのフタル酸ジブチル(可塑剤)および0.003gの増感剤S−2の溶液を、125μmのドクターブレードを用いてポリ(エチレン テレフタレート)の支持体上に手作業でコーティングした。要素を、常時、UVおよび青色光から保護した。要素を室温で15分間乾燥させ、5×5cmの正方形にカットし、金属フレーム内に取付け、次に真空オーブン内で1時間40℃でさらに乾燥させた。上述の光学記録手順を用いてサンプルを暴露し、2%という回折効率を得た。
 上述の結果は、本発明の材料の中で屈折率変化パターンを記録することができるということを示している。
 光学記録要素2
 重合体6を使用しフタル酸ジブチルを削除するという点を除いて、光学記録要素1の手順に従った。4%という回折効率が得られた。
 上述の結果は、本発明の材料の中に、屈折率変化パターンを記録することができるということを示している。
 光学記録要素3
 重合体14を使用しフタル酸ジブチルを削除するという点を除いて、光学記録要素1の手順に従った。0.5%という回折効率が得られた。
 上述の結果は、本発明の材料の中に、屈折率変化パターンを記録することができるということを示している。
 光学記録要素4
 重合体15を使用しフタル酸ジブチルを削除するという点を除いて、光学記録要素1の手順に従った。0.07%という回折効率が得られた。
 上述の結果は、本発明の材料の中に、屈折率変化パターンを記録することができるということを示している。
 光学記録要素5
 重合体13を使用するという点を除いて、光学記録要素1の手順に従った。0.45%という回折効率が得られた。
 上述の結果は、本発明の材料の中に、屈折率変化パターンを記録することができるということを示している。

Claims (1)

  1.  化学線に暴露された時に、暴露された領域内に光学的特性の変化を生じ、それによって情報を記録し取り出すための情報のパターンを提供する光学記録材料であって、
     a) 一電子酸化時に化学的変態を受け、それによって前記暴露領域内に光学的特性の変化を起こすことができる共有結合された反応体部分を有する重合体、および
     b) 前記反応体の初期一電子酸化を起こさせる、化学線を吸収することができる増感剤を含んで成る記録材料。
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