JP2005002312A

JP2005002312A - 熱応答性高分子材料

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Publication number: JP2005002312A
Application number: JP2003297863A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Kishi; 良一岸; Toshiaki Miura; 俊明三浦
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2003-08-21
Filing date: 2003-08-21
Publication date: 2005-01-06
Anticipated expiration: 2020-11-01
Also published as: JP3855060B2

Abstract

【課題】相転移温度が低く、また透明状態となるｐＨ領域が比較的広く、しかも透明状態となるｐＨ域と白濁状態となるｐＨ域との境界が明確であり、鋭敏な、熱応答性及びｐＨ応答性を示す、高分子材料を提供する。
【解決手段】下記一般式（Ｉ）で表される繰り返し単位からなる共重合体の架橋体を含有してなる熱応答性高分子材料及び熱応答性高分子材料。
【化１】

（式中、Ｒは水素原子又はメチル基、ｎは１から４の整数であり、Ｑ１は、水素原子又は低級アルキル基を、Ｑ２は低級アルキル基を示す。ｘ及びｙは共重合体中の各構成成分のモル分率を示す。）
【選択図】なし

Description

本発明は側鎖にアミノ酸残基を有する重合体の架橋体を含有する熱応答性高分子材料及びｐＨ応答性高分子材料に関するものである。

従来、電解質ポリマーとして、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸などのアニオン性高分子電解質、ポリ（Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノプロピルアクリルアミド）、ポリ（Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノエチルアクリレート）などのカチオン性高分子電解質がよく知られている。

これらのポリマーは、ｐＨやイオン強度の変化によって電解質部位が解離−未解離変化を起こし、粘性や電気的性質などの様々な性質が変化する。
また、アクリル酸、メタクリル酸、Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノプロピルアクリルアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノエチルアクリレートなどのモノマーと、Ｎ−イソプロピルアクリルアミド、Ｎ−イソプロピルメタクリルアミドなどのＮ−置換アクリルアミド、Ｎ−置換メタクリルアミドなどのモノマーとの共重合体は、感熱応答性を示し、ある温度を境に、水に対する溶解度が変化し、その温度以下では溶解、その温度以上では不溶化し、またその溶解温度がｐＨやイオン強度により制御できることも報告されている。

さらに、これらの高分子電解質や重合体の架橋ゲル化物は、ｐＨや温度の変化によって可逆的にゲルの体積が変化することも知られている。
しかしながら、これらの重合体及びそのゲル化物は、酸性またはアルカリ性領域のある一定のｐＨで解離を起こすものの、酸性及びアルカリ性の両方の領域で解離はみられないといった欠点があった。

このような問題点を解決するために、本発明者らは、Ｌ−リジンなどのアミノ酸のα位のアミノ基とカルボキシル基が保護され、側鎖のアミノ基がアクリルアミド化されたアクリルアミド誘導体とＮ−イソプロピルアクリルアミドとの共重合体を提案した（特許３０４４２９９号）。

この共重合体は、脱保護基反応を行うことにより、Ｌ−リジン基などのアミノ酸基のα位のアミノ基とカルボキシル基がフリーとなり両性電解質の性質を示し、ある温度を境に、水に対する溶解度が変化し、その温度以下（相転移温度）では溶解し透明となり、相転移温度以上では不溶化し白濁となり、また、酸性及びアルカリ性の両域に亘ってこの相転移現象が発現するので、熱応答性高分子材料及びｐＨ応答性高分子材料として利用できるものである。

しかし、その後の本発明者等の検討によれば、この共重合体は、相転移温度が比較的高く、低温応答性に若干の問題があり、また酸性及びアルカリ性の両域に亘って相転移するものの、その透明状態となるｐＨ領域が比較的狭く、更には透明状態となるｐＨ域と白濁状態となるｐＨ域との境界が必ずしも明確ではなく、熱応答性及びｐＨ応答性の感度は必ずしも満足するものではなかった。

本発明はこのような事情の下になされたものであって、相転移温度が低く、また透明状態となるｐＨ領域が比較的広く、しかも透明状態となるｐＨ域と白濁状態となるｐＨ域との境界が明確であり、鋭敏な、熱応答性及びｐＨ応答性を示す、高分子材料を提供することを目的とする。

本発明者らは上記目的を達成するため鋭意研究を重ねた結果、アミノ酸の側鎖のアミノ基が保護され、α位のアミノ基がアクリルアミド化又はメタクリルアミド化された単量体を繰り返し単位として含む重合体の架橋体が、鋭敏な、熱応答性及びｐＨ応答性を示すことを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明によれば、
第一に、下記一般式（Ｉ）で表される繰り返し単位からなる共重合体の架橋体を含有する熱応答性高分子材料が提供される。

（式中、Ｒは水素原子又はメチル基、ｎは１から４の整数であり、Ｑ１は、水素原子又は低級アルキル基を、Ｑ２は低級アルキル基を示す。ｘ及びｙは共重合体中の各構成成分のモル分率を示す。）
第二に、上記一般式（Ｉ）で表される繰り返し単位からなる共重合体の架橋体を含有するｐＨ応答性高分子材料が提供される。

（１）前記一般式（I）で表される繰り返し単位からなる共重合体の水溶液は、転移温度以下では、水に溶解し透明となるが、転移温度以上では、相分離を起こし水に不溶化し、溶液は白濁するので、熱応答性高分子として利用することができる。さらに、この共重合体には、特定なアミノ酸基が含まれる為、ｐＨにより相分離挙動が変化し、その水溶液は、酸性及びアルカリ性の両域に亘るｐＨ４〜１０の範囲では相分離を起こさず透明性を保持し、ｐＨ４以下の酸性及びｐＨ１０以上のアルカリ性近傍で相分離を起こし白濁する特有な挙動を示す。また、この共重合体は、相転移温度が比較的低く、また酸性及びアルカリ性の両域に亘って相転移しその透明ｐＨ領域が比較的広く、更には透明状態となるｐＨ域と白濁状態となるｐＨ域の境界が明確であるため、鋭敏な、熱応答性及びｐＨ応答性を示す。そして、本発明の一般式（I）で表される繰り返し単位からなる共重合体の架橋体（ゲル化物）には、特有なアミノ酸基が含まれる為、ｐＨにより相転移挙動が変化し、ｐＨ４〜１０付近では収縮した状態であるが、それ以上、それ以下のｐＨではゲルは急激に大きく膨潤する。
（２）従って、本発明の架橋体は、温度、ｐＨなどを認識する、熱応答性高分子材料及びｐＨ応答性高分子材料として有効であり、センサーやアクチュエータ、あるいはカラム充てん剤を始めとする分離材料としても用いることができる。

本発明で架橋化される共重合体は、下記一般式（I）で表される繰り返し単位からなる。

一般式（Ｉ）において、Ｒは水素、メチル基であり、ｎは１から４の整数である。Ｑ１、Ｑ２は、水素原子又はｎ−プロピル基、イソプロピル基、ｎ−ブチル基、ｓｅｃ−ブチル基、ｔｅｒｔ−ブチル基などの低級アルキル基を示す。この中でもＱ１が水素原子、Ｑ２が低級アルキル基の組み合わせ、及びＱ１がエチル基、Ｑ２がエチル基の組み合わせのものが好ましい。ｘ及びｙは共重合体中の各構成成分のモル分率を示し、一般にｘは０．５〜０．９５、好ましくは０．８〜０．９５であり、ｙは０．０５〜０．５、好ましくは０．０５〜０．２である。
この共重合体の分子量は一般に１０，０００〜２，０００，０００、好ましくは２０，０００〜１，０００，０００である。

また、かかる共重合体は、一般式（II）で示される単量体と一般式（III）で示されるＮ−置換アクリルアミドまたはＮ−置換メタクリルアミド単量体を重合させ、ついで保護基Ｚを脱保護することにより製造することができる。
この合成反応はスキーム１で表される。
一般式（II）において、Ｒは水素、メチル基であり、ｎは１から４の整数であり、Ｚはアミノ基の保護基を示す。この場合、アミノ基の保護基Ｚとしては、従来公知の保護基の全てが包含され、例えば、ベンジルオキシカルボニル、ｍ−クロロベンジルオキシカルボニル、ｐ−ニトロベンジルオキシカルボニル、ｔ−ブトキシカルボニルなどが挙げられる。このなかでも、ベンジルオキシカルボニル、ｍ−クロロベンジルオキシカルボニルなどの保護基が好ましく使用される。また、一般式（III）において、Ｒは水素、メチル基であり、Ｑ１、Ｑ２は、前記と同じ基を示す。
なお、一般式（II）で表される単量体は、新規物質であり、例えば、側鎖アミノ基が保護されたアミノ酸と水酸化ナトリウムなどのアルカリ塩とを反応させて、そのアミノ酸塩をまず合成し、ついでこのものとアクリル酸クロライドなどのアクリル酸誘導体とを溶媒中で反応させ、α位のアミノ基とアミド結合させることにより製造される。

前記共重合体は、γ線架橋、化学架橋、架橋性モノマーとの共重合などの架橋方法により架橋体（ゲル化物）とすることができる。
以下、その架橋方法を詳述する。

（１）γ線架橋
本発明の共重合体、殊に構造式中のＲが水素原子の場合、これれの重合体を水に溶解しγ線を照射するとゲル化物が得られる。この場合、水溶液濃度は、１０〜２０ｗｔ．％程度、γ線照射量は、７０〜１５０ｋＧｙ程度が好ましい。

（２）架橋性モノマーとの共重合
本発明の共重合体は、上で述べたように、放射線架橋や化学架橋によりゲル化物を与えるが、均質なゲル化物を得るためには、重合、共重合の際、少量のジビニル化合物を添加し、ゲル化物を合成後、保護基を除去する製造法が好ましい。

また、上記一般式（II）で表される単量体と一般式（III）で表されるＮ−置換アクリルアミドまたはＮ−置換メタクリルアミドなどのアクリル酸系単量体と、さらにＮ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−（１，２−ジヒドロキシエチレン）−ビスアクリルアミド等のジビニル化合物をジメチルスルホキシドなどの有機溶媒に溶解し、共重合させると保護基Ｚを有するゲル化物が得られる。
この場合、上記一般式（II）で表される単量体と一般式（III）で表されるＮ−置換アクリルアミドまたはＮ−置換メタクリルアミド等のアクリル系単量体との合計の濃度は、１０〜２０ｗｔ．％、架橋剤濃度は単量体の総量に対し、０．５〜３ｍｏｌ％が好ましい。
得られた保護基Ｚを有するゲル化物を酢酸等の溶媒中で膨潤させた後、脱保護基剤、例えば２５％臭化水素／酢酸溶液を加え、保護基（Ｚ）を除去すると、一般式（Ｉ）で表される繰り返し単位を有する共重合体が架橋された架橋体（ゲル化物）が得られる。

また、前記共重合体の水溶液は、転移温度以下では、水に溶解し透明となるが、転移温度以上では、相分離を起こし水に不溶化し、溶液は白濁するので、熱応答性高分子として利用することができる。
さらに、この共重合体には、特定なアミノ酸基が含まれる為、ｐＨにより相分離挙動が変化し、その水溶液は、酸性及びアルカリ性の両域に亘るｐＨ４〜１０の範囲では相分離を起こさず透明性を保持し、ｐＨ４以下の酸性及びｐＨ１０以上のアルカリ性近傍で相分離を起こし白濁する特有な挙動を示す。また、この共重合体は、相転移温度が比較的低く、また酸性及びアルカリ性の両域に亘って相転移しその透明ｐＨ領域が比較的広く、更には透明状態となるｐＨ域と白濁状態となるｐＨ域の境界が明確であるため、鋭敏な、熱応答性及びｐＨ応答性を示す。

さらに、本発明の、共重合体の架橋体（ゲル化物）には、特有なアミノ酸基が含まれる為、ｐＨにより相転移挙動が変化し、ｐＨ４〜１０付近では収縮した状態であるが、それ以上、それ以下のｐＨではゲルは急激に大きく膨潤する。

従って、このような共重合体及びそれらの架橋体（ゲル化物）は、温度、ｐＨなどを認識するセンサーやアクチュエータ、あるいはカラム充てん剤を始めとする分離材料としても用いることができる。

次に本発明を参考例及び実施例に基づきさらに詳細に説明する。
参考例１
［リジン残基を含むアクリルアミド系モノマー（化合物（４）の合成］
下記のスキーム２に従い、化合物（４）を合成した。

化合物（１）（３．０ｇ，１０．７ｍｍｏｌ）を０．１Ｎ−水酸化ナトリウム水溶液（１０８ｍｌ, １０．８ｍｍｏｌ）に溶解し、化合物（２）の水溶液を得た。ジオキサン５３．５ｍｌ、１Ｎ−水酸化ナトリウム水溶液（１０．７ｍｌ，１０．７ｍｍｏｌ）を加え、激しく攪拌した。この溶液をＡ液とした。塩化アクリロイル（化合物（３））（１．２１ｇ，１３．４ｍｍｏｌ）をジオキサン１２ｍｌに溶解しＢ液を調製した。１Ｎ−水酸化ナトリウム水溶液（１２．３ｍｌ，１２．３ｍｍｏｌ）を調整し、これをＣ液とした。氷浴下、Ｂ液及びＣ液を４回に分け、１０分毎、Ａ液に加え，７時間攪拌した。反応終了後、１Ｎ−塩酸水溶液を用い、反応液をｐＨ５に調整した。ジオキサンを減圧留去し、生成物を塩化メチレンに溶解した。水１００ｍｌによって有機相の洗浄を行った。無水硫酸マグネシウムを加えて脱水を行い、減圧濃縮し、ヘキサン−クロロホルム混合液中（１８０ｍｌ：２０ｍｌ（＝９：１））で結晶を析出させた。低温で静置した後、デカンテーションし、減圧乾燥させ白色の化合物（４）を得た。
収量：１．８ｇ，収率：５０．３％
１Ｈ−ＮＭＲ（ＤＭＳＯ，室温 ,δ）：１．２−１．８（ｍ，（ＣＨ_２）_４，８Ｈ），４．２−４．３（ｍ，ＣＨ，１Ｈ），５．０（ｓ，） 5.0 ( s, ＣＨ_２，１Ｈ）, ５．６（ｄ, ＣＨ_２＝ＣＨ，１Ｈ），６．０−６．４（ｍ，ＣＨ_２＝ＣＨ，２Ｈ），７．３−７．４（ｍ，ｂｅｎｚｅｎｅ，５Ｈ）、元素分析：計算値（％）：Ｃ，６１．１；Ｈ，６．６３；Ｎ，８．３８、実測値（％）：Ｃ，６０．２；Ｈ，６．７４；Ｎ，８．１４

参考例２（スキーム３）
［重合体（６）の合成］
下記スキーム３にしたがって、重合体（６）（ｍ＝１，５００）を合成した。

１）リジン残基を含むアクリルアミド系モノマー（化合物（４））の重合
化合物（４）（４．７ｇ，１４ｍｍｏｌ）をジメチルスルホキシド２０ｍｌに溶解した。重合開始剤としてα,α'−アゾビスイソブチロニトリル（２３．３ｍｇ，０．１４ｍｍｏｌ）を加え窒素雰囲気下６０℃、２４時間反応させた。室温に戻した後、水で沈殿させ、凍結乾燥を行い、白色の重合体（５）を得た。
収量：４．１１ｇ，収率：８７．４％

２）保護基の除去による重合体（６）（ｍ＝１，５００）の合成
重合体（５）（２．５ｇ）を２５ｍｌの酢酸に溶解し、２５％臭化水素／酢酸溶液（２５ｍｌ）を加えた。室温で３時間撹拌した後、減圧濃縮した。生成物を水に溶解し透析を行った。凍結乾燥により、白色綿状の重合体（６）（ｍ＝１，５００）を得た。
収量：１．２０ｇ，収率：８０．７％

参考例３（スキーム４）
［共重合体（９）の合成（化合物（７）と化合物（４）との共重合体；ｘ＝０．９、ｙ＝０．１）
下記スキーム４に従って共重合体（９）を合成した。

１）リジン残基を含むアクリルアミド系モノマー（化合物（４））とＮ−イソプロピルアクリルアミド（化合物（７））の共重合
化合物（７）（１．４５ｇ，１２．８ｍｍｏｌ）と化合物（４）（０．４７ｇ，１．４２ｍｍｏｌ）（モル比；化合物（７）：化合物（４）＝９：１）をジメチルスルホキシド２０ｍｌに溶解した。重合開始剤としてα,α'−アゾビスイソブチロニトリル（２３．３ｍｇ，０．１４ｍｍｏｌ）を加え窒素雰囲気下６０℃、２４時間反応させた。室温に戻した後、水で沈殿させ、凍結乾燥を行い、白色の重合体（８）を得た。
収量：１．７１ｇ，収率：８９．２％

２）保護基の除去による共重合体（９）の合成
重合体（８）（０．８ｇ）を２５％臭化水素／酢酸溶液（２５．６ｍｌ）に溶解し、室温にて３時間放置した後、減圧濃縮した。生成物を水に溶解し透析を行った。凍結乾燥により、白色綿状の共重合体（９）（ｘ＝０．９、ｙ＝０．１；分子量３５０，０００）を得た。
収量：０．６４ｇ，収率：８５．２％
参考例５

塩化ナトリウムでイオン強度を０．０１に調整した塩酸及び水酸化ナトリウム水溶液を溶媒として用い、参考例１で得た共重合体（９）の相分離挙動を５００ｎｍの光の透過率で検討した。測定結果を図１に示す。ｐＨ４〜１０では、４８〜５０℃付近で相分離を起こし、溶液が白濁するため、透過率が減少した。
ｐＨが３．５、及び１０．６では相分離温度が上昇し、ｐＨ２及びｐＨ１２では、相分離は観察されず、溶液は透明のままであった。５００ｎｍの光の透過率が５０％となった点を相分離温度と定義し、共重合体（９）のｐＨ応答性を検討した結果を図２に示す。
なお、比較のため特許３０４４２９９号の実施例１で合成された、下記一般式（IV）で表される繰り返し単位を有する共重合体（Ａ）の相転移温度とｐＨとの関係を同様に測定したものを図示した。

図２から分かるように、本発明で用いる共重合体（９）の水溶液は、ｐＨ４〜１０では、転移温度は、４８〜５０℃のほぼ一定の値を示し、それ以下、それ以上のｐＨでは、アミノ基またはカルボキシル基が解離し、親水性が増すため、転移温度は急激に増加している。
これに対して、重合体（Ａ）の水溶液はｐＨ４〜８で、転移温度は、５４〜５７℃のほぼ一定の値を示し、それ以下、それ以上のｐＨでは、アミノ基またはカルボキシル基が解離し、親水性が増すため、転移温度は急激したが、共重合体（９）のような急激な転移温度変化の立ち上がりは、認められなかった。
従って、本発明の共重合体（９）は、特許第３０４４２９９号記載の共重合体（Ａ）のものよりも鋭敏なｐＨ応答性は示すことが分かった。
実施例１

［共重合体の架橋体（ゲル化物）（１１）（共重合体（９）のゲル化物）の合成］
１）リジン残基を含むアクリルアミド系モノマー（化合物（４））とＮ−イソプロピルアクリルアミド（化合物７）の共重合体ゲル化物（１０）の合成
ＮＩＰＡＡｍ（化合物（７））（０．７３ｇ，６．４２ｍｍｏｌ）と化合物（４）（０．２４ｇ，０．７１ｍｍｏｌ）（ＮＩＰＡＡｍ：化合物（４）＝９：１）をジメチルスルホキシド６．２ｍｌに溶解した。重合開始剤としてα,α’−アゾビスイソブチロニトリル（１１．８ｍｇ，０．０７ｍｍｏｌ）架橋剤としてＮ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミド（１１．０ｍｇ，０．０７ｍｍｏｌ）を加え窒素置換を行い、ガラス管の中で６０ ℃、２４時間反応させた。室温に戻した後、ゲルを水で繰り返し洗浄し、共重合体ゲル化物（１０）を得た。

２）保護基の除去による本発明の共重合体の架橋体（ゲル化物）（１１）の合成
洗浄した共重合体ゲル化物（１０）を酢酸１００ｍｌに浸漬し、２５％臭化水素／酢酸溶液３０ｍｌを加え、室温で５時間放置した。反応終了後、ゲルを水で繰り返し洗浄し、共重合体ゲル化物（１１）を得た。
実施例２

塩化ナトリウムでイオン強度を０．０１に調整した塩酸及び水酸化ナトリウム水溶液を溶媒として用い、実施例３で得た共重合体の架橋体（ゲル化物）（１１）の室温での膨潤度変化を検討した。測定結果を図３に示す。膨潤度ｄ／ｄｏは、それぞれのｐＨで、２５℃でのゲルの直径ｄと、ゲルを合成したガラス管の内径ｄｏから求めた。なお、比較のために特許３０４４２９９号の実施例１で合成された、上記一般式で表される繰り返し単位を有する共重合体（Ａ）のゲル化物についても同様な測定を行い、その結果を図３に併記した。
図３から、本発明の共重合体の架橋体（ゲル化物）（１１）は、ｐＨ４〜９では、ほぼ一定の膨潤度を示し、それ以下、それ以上のｐＨでは、アミノ基またはカルボキシル基が解離し、親水性が増すためゲルの膨潤度は急激に増加している。
これに対して、重合体（Ａ）の架橋体は、ｐＨ４〜８の領域で収縮状態となったが、ｐＨ６付近で極小値をとり、それ以下、それ以上のｐＨでは、膨潤度は若干増加した。ｐＨ４以下、ｐＨ９以上では、アミノ基またはカルボキシル基が解離し、親水性が増すためゲルの膨潤度増加率が大きくなったが、共重合体の架橋体（１１）に比べ、増加の割合は低かった。
従って、本発明の共重合体（１１）の架橋体は、特許第３０４４２９９号記載の共重合体（Ａ）のものよりも鋭敏なｐＨ応答性は示すことが分かった。

次に各ｐＨ溶液中での温度変化に伴う共重合体の架橋体（ゲル化物）（１１）の体積変化について検討した。結果を図４に示した。ｐＨ２，６，１２の溶液中で、温度の上昇に伴い、ゲルは連続的に収縮することがわかった。したがって、共重合体ゲル（１１）は、ｐＨ変化のみならず温度変化でも体積変化することがわかった。

参考例１の共重合体水溶液の透過率のｐＨ依存性を示すグラフ。参考例１の共重合体水溶液の相転移温度とｐＨの関係を示すグラフ。本発明に係る共重合体ゲル化物の膨潤度とｐＨの関係を示すグラフ。本発明に係る共重合体の架橋体（ゲル化物）の各ｐＨでの温度変化に伴う膨潤度変化を示すグラフ。

Claims

下記一般式（Ｉ）で表される繰り返し単位からなる共重合体の架橋体を含有してなる熱応答性高分子材料。

（式中、Ｒは水素原子又はメチル基、ｎは１から４の整数であり、Ｑ１は、水素原子又は低級アルキル基を、Ｑ２は低級アルキル基を示す。ｘ及びｙは共重合体中の各構成成分のモル分率を示す。）
前記一般式（Ｉ）で表される繰り返し単位からなる共重合体の架橋体を含有してなるｐＨ応答性高分子材料。