JP2006131758A - キラルポリマーの製造方法及びこれにより得られたキラルポリマー - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 キラル触媒を用いることなく、キラルネマティック液晶相を溶媒として使用し、この液晶相が維持される温度下で、0価のパラジウム触媒を使用して、アキラルモノマーの重縮合を行って、例えば嵩高い置換基を有し且つチオフェン、フェニルなどを構造単位とするキラルポリマーを得る。
【選択図】 図1
Description
これらの方法では、目的とするポリマーを得るために、テトラヒドロフラン、ベンゼン又はエーテルなどの等方性有機溶液中で合成反応を行う。また、安定性の高い光学物性を有する螺旋状ポリアセチレンは、キラルネマティック液晶(LC)の表面上で合成することができることも報告されている(例えば非特許文献9乃至11)。
また、ネマティック液晶に、キラルドーパントとモノマーと支持電解質を添加して、電圧を印加することによって、光学活性共役系高分子を得る方法も提案されている(特許文献1)。
Chem. Rev., 1994, Vol.94, pp.349-372 Adv. Mater., 1997, Vol.9, pp.493-496 J. Mol. Structure 2000, Vol.521, pp.0285-301 J. Poly. Sci. Part A: Poly. Chem. Ed., 2001, Vol.39, pp.71-77 Synth. Met., 2001, Vol.119, pp.165-166 Macromolecules, 2002, Vol.35, pp.6439-6445 Macromolecules, 2001, Vol.34, pp.7249-7256 Chem. Lett., 1996, pp.955-956 Science, 1998, Vol.282, pp.1683-1686 Curr Appl. Phys., 2001, Vol.1, pp.88-89 Polym. Adv. Tech., 2000, Vol.11, pp.826-829
従って、本発明の目的は、キラルなモノマーやキラル触媒を用いることなく、安定なキラルポリマーを簡便に得ることができる製造方法を提供することである。
本発明者らは、反応場として液晶を使用し、この液晶が破壊されない条件下で重合を行うことによって化学反応的にアキラルモノマーからキラルモノマーを簡便に合成することを見出し、本発明を完成させた。即ち、本発明では、キラルネマティック液晶を異方性反応場として用いることによって反応場中にのみキラルが存在(キラル反応場)し、キラル触媒及びキラルモノマーを使用することなく、キラルなポリマーが得られる。ここで得られたポリマーは、不斉中心のない軸性キラルポリマーである。キラルな置換基をもたないポリマー、特に嵩高い置換基を有する本キラルポリマーのキラリティは、重合の間にキラルなネマティック液晶(N*−LC)反応場によって生成された配座不斉から得られると考えられる。
ポリマーは、Pd(0)触媒を用いたスティール重縮合反応によって、片ねじの螺旋センスを有するN*−LCの螺旋の連続体に成長する。モノマーはN*−LC層間に挿入されてもよいし(モデル1)、又は、反応がいろいろな方向に向けられる上下層のLCベクトルと共に進行する反応溶媒としてN*−LCによってLC層内で同化されてもよい(モデル2)。両モデルとも螺旋層構造内でポリマーの成長が促進される。即ち、この重合系では、キラルな分子がモノマーと化学的に反応しなかったこと、及び、反応溶媒としてのN*−LCが反応場としてのみ機能したことに特徴がある。一般にキラルポリマーの合成にはキラル置換基の導入又はキラル触媒の使用が要求されるが、本方法によれば、これらのいずれを用いることなく、不斉N*−LC反応場でのアキラルモノマーの反応によって安定なキラルなポリマーを得ることができる。
また、ある程度フレキシブルな主鎖に液晶形成基(メソゲン)を導入した側鎖型の液晶であっても、主鎖にメソゲンがある主鎖型の液晶であってもよいが、一環型、二環型又は三環型でキラリティーを持ち、サーモトロピック液晶性を示す直鎖状の化合物であることが好ましい。例えば、2つのベンゼン環をトランス−スチルベンやアゾベンゼンなどの二重結合を含む連結基や、ビフェニル又はシクロヘキサンなどの連結基でつないだものを挙げることができる。また本キラルネマティック液晶を構成する構造単位としては、例えば、ピロール、チオフェン、イソチアナフラン、3,4−エチレンジオキシチオフェン(EDOT)、アニリン、フラン、ビチオフェン、ターチオフェン、ベンゼン又はこれらの誘導体を挙げることができる。なお、汎用のポリマーとブレンドすることもできる。
また、本キラルネマティック液晶の分子量は、後述するモノマーの液晶への溶解性の観点からなるべく低いものが好ましく、例えばゲルパーミエーションクロマトグラフィによる測定で2000〜10万の重量平均分子量とすることができる。
ここで液晶相が維持される温度とは、選択されたN*−LCの液晶相が維持される温度範囲をいい、当業者であれば、使用するN*−LCの種類及び構造に基づいてそれぞれ決定でき、モノマーと触媒を加えてN*−LCが生じる温度範囲で重合反応を行い、かつこの温度範囲内で反応を終了させることができる。この液晶相が維持される温度は、通常、60℃〜95℃であり、好ましくは88〜95℃の温度である。60℃よりも低い温度では、スティール反応やスズキカップリング反応などの各種反応を充分に進行させることが難しい場合があり、95℃を超えると液晶相を維持しにくくなるため、好ましくない。液晶相が維持される温度範囲は、一般的に熱分析によって得ることができ、示差走査熱量計(DSC)を用いて決定される。従って、この液晶相が維持される温度範囲内で重縮合反応が行われる。
またアキラルモノマーの重合は、如何なる種類の重合であってもよく、付加重合、重縮合、重付加重合を挙げることができ、そのいずれに該当するかは、用いるモノマーの種類によって決定される。
A.ネマティック液晶の合成
69mLのTHF中、4−ヒドロキシ−4−シアノビフェニル(10.7g、55mmol)、DEAD(ジエチルアゾジカルボキシレート)(24.1g、55.3mmol;40%トルエン溶液中)の溶液に対して、均等管滴下漏斗を用いて非常にゆっくりと、30mLのTHF中の(S)−(+)−2−オクタノール(6.5g、50.2mmol)及びTPP(トリフェニルホスフィン)(14.4g、55.1mmol)溶液を添加した。得られた反応混合物を、アルゴン雰囲気下で更に24時間撹拌し、薄層クロマトグラフィー(TLC)において反応の完了が示された。オレンジ色の反応混合物をそれから、蒸発させて溶媒を除去した。TLCにおいて反応の完結が示された。固体を水でよく洗い、エーテルで抽出した。次に有機層を蒸発させて溶媒を除去した。カラムクロマトグラフィー(シリカゲル、n−ヘキサン/CH2Cl2=1)を行って、pre(R)−1の無色の液体10.8g(35.1mmol)を得た。収率は70.0%であった。
pre(S)−1の合成は、60mLのTHF中、4−ヒドロキシシアノビフェニル(10.7g、55mmol)、DEAD(24.1g、55.3mmol;40%トルエン溶液中)及び、(R)−(−)−2−オクタノール(6.5g、50.2mmol)、TPP(14.4g、55.1mmol)を用いた以外は、pre(R)−1と同様にして行った。収量は、8.9g(28.9mmol)で58%であった。
エタノール(120mL)中、pre(R)−1(10.8g、35.1mmol)溶液を、アルゴン雰囲気下で、水(80mL)中の水酸化カリウム(49.4g、0.81mol)の溶液に添加した。1週間後に、反応混合物を蒸発させて溶媒を除去し、濾過して白色粉末を得た。粗製生成物を大量のn−ヘキサンで洗い、真空乾燥して、(R)−2の白色固体を得た(9.2g、28.2mmol)。収率は80%であった。
(S)−2は、pre(S)−1(10.8g、35.1mmol)、水酸化カリウム(49.4g、0.81mol)、エタノール(120mL)、及び水(80mL)を用いた以外は、(3)と同様にして調製した。収量は、8.9g(24.3mmol)であり、収率は70%であった。
Anal. Calcd for C21H26O3: C,77.27; H,8.03。 Found: C,77.25; H,8.08。 IR(KBr,cm-1): 2924(CH2), 2668,2540,1678(C=O), 1601(C=C), 1282(C−O−C), 838(CH)。 1H NMR(CDCl3,600MHz,TMS,ppm):d=0.88(t,J=6.96Hz,3H,CH3), 1.27−1.35(m,6H;CH2×3), 1.46(m,2H;CH2CH3), 1.60(m,3H;C*HCH3O), 1.77(m,2H;CH2CH2C*HCH3O), 4.41(sextet,J=6,12Hz,1H;C*HCH3O), 6.98(d,J=8.76Hz,2H;Ph), 7.57(d,J=8.76Hz,2H;Ph), 7.66(d,J=8.46Hz,2H;Ph), 8.15(d,J=8.40Hz,2H;Ph)。 13C NMR(CDCl3,150MHz,TMS,ppm):d=14.1(CH3), 19.7(C*HCH3O), 22.6,25.5,29.3,31.8,36.5,74.0(C*HCH3O), 116.0,126.5,127.2,128.4,130.7,131.9,145.3,158.9,171.2(COOH)。 液晶度: K160(152) Sx166(159) SmC*176(173) N*195(192) I,in(C, K:結晶, Sx:不明スメティック相, SmC*: キラルスメティック C, N*:キラルネマティック, I:等方性, カッコ内は冷却工程].
65mLのCH2Cl2中、(R)−2(9.2g、28.2mmol)、N,N’−ジシクロヘキシルカルボジイミド(DCC)(5.8g、28.2mmol)及び4−メチルアミノピリジン(DMAP)(3.5g、28.2mmol)及びp−エトキシフェノール(3.8g、28.2mmol)の溶液を、24時間室温で撹拌した。溶媒を除去した後、粗生成物をカラムクロマトグラフィー(シリカゲル、CH2Cl2)によって生成し、エタノールによる再結晶化によって、白色物9.6g(21.5mmol)を得た。収率は76%であった。
(S)−2(7.9g、24.3mmol)、p−エトキシフェノール(3.6g、26.7mmol)、DCC(5.5g、26.7mmol)、DMAP(3.3g、26.8mmol)、CH2Cl2(70mL)を用いた以外は、(R)−1と同様にして、(S)−1を合成した。収量は、8.g(19.5mmol)であり、収率は80%であった。
(1) 5,5’−ビス(トリメチルスタニル)−2,2’−ビチオフェン[2]の合成
THF(100mL)中、2,2’−ビチオフェン(6.7g、40mmol)の溶液を、アルゴン下でドライアイス/エタノールを用いて冷却した。67mLのn−BuLi溶液(n−ヘキサン中1.5M、100mmol)を、アルゴン雰囲気下で均圧管月滴下漏斗によって添加した。100mLのトリメチルスズクロリド(THF中1.0M、100mmol)を滴下漏斗で非常にゆっくりと添加した。溶液の色が紫に変わり、最終的には青茶になった。それから、混合物を室温にして更に5時間撹拌し、大量の水を添加することによって反応を停止させた。粗生成物をエーテルで抽出し、分液漏斗を用いて水で洗浄した。有機層をMgSO4により乾燥させた。溶媒を蒸発させた後、カラムクロマトグラフィー(n−ヘキサン/エチルアセテート=10)によって精製し、メタノールから再結晶化して、4.6gの緑針状物を得た(収率:23%)。
20mLのTHF中、2.5−ジブロモ安息香酸(3.9g、14mmol)及びDEAD(6g、トルエン中40wt%、14mmol)の溶液を、THF(15mL)中、(S)−(+)−2−ノナノール(2g、14mmol)及びTPP(3.6g、14mmol)の撹拌混合液に滴下しながら添加した。得られた反応混合物を更に24時間アルゴン雰囲気下で撹拌し、反応完了をTLCが示した。オレンジ色の反応混合物を蒸発させて溶媒を除去した。固体を水ですっかり洗い、エーテルで抽出した。それから有機層を蒸発させて溶媒を除去した。カラムクロマトグラフィー(シリカゲル、CH2Cl2)で精製することによって、(R)−3の無色の液体3.2gを得た(収率:57.0%)。
20mLのTHF中、2,5−ジブロモ安息香酸(3.9g、14mmol)及びDEAD(6.0g、トルエン中40%、14mmol)及び(R)−(−)−2−ノナノール(2g、14mmol)及びTPP(3.6g、14mmol)を用いた以外は、(R)−3の合成と同様にして、(S)−3を合成した。収量は3.9gであり、収率は70%であった。
20mLのTHF中、2.5−ジブロモ安息香酸(10g、36mmol)及びDEAD(15.7g、トルエン中40wt%、36mmol)の溶液を、THF(20mL)中の1−ドデカノール(6.6g、36mmol)及びTPP(9,4g、36mmol)の撹拌混合液に滴下しながら添加した。得られた反応混合物を更に24時間アルゴン雰囲気下で撹拌し、反応完了をTLCが示した。オレンジ色の反応混合物を蒸発させて溶媒を除去した。固形物を水ですっかり洗い、エーテルで抽出した。それから有機層を蒸発させて溶媒を除去した。カラムクロマトグラフィー(シリカゲル、CH2Cl2)で精製することによって、白色の結晶7.4gを得た(収率:47.0%)。
重合
本実施例においては、二つのタイプのキラルポリマー、即ち、キラル置換基を有するポリマー(比較例)と、反応溶媒としてN*−LC中で調製されたキラル置換基をもたないポリマー(本発明に係る実施例)を合成した。これらのポリマーに対する合成経路を以下に示す。
キラル置換基を有するポリマーの合成は以下のように行った。
キラルな化合物(R)−3又は(S)−3を、触媒としてテトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0)、Pd(PPh3)4の存在中、アルゴン雰囲気下で、THF中の二置換ビチオフェン誘導体としての化合物[2]と反応させた。24時間の反応後、反応混合物をメタノール、次にアセトンで洗浄して、キラルなポリマーを得た。
詳細には、次の通りに行った。2mLのTHF中で、(R)−3(0.36g、0.8mmol)、Pd(PPh3)4(9.2g、0.008mmol)を60℃で1時間撹拌した。THF(1mL)中の化合物[4]の溶液(0.4g、0.8mmol)を撹拌している混合物に添加して、24時間反応させた。溶液を大量のメタノールに注ぎ込み、赤い粉末の乾燥ポリマーを得た。
IR (KBr,cm-1): 2925,2853(CH2,CH3), 1717(C=O), 1248(C−O−C), 795(CH)。 1H NMR(CDCl3,600MHz,TMS,ppm):d=0.77(3H;CH2CH3), 1.0−1.8(m,15H;CH2,CH3), 4.99(1H;C*HCH3), 6.90(1H;Th), 7.05(1H;Th), 7.09(1H,Th), 7.23(1H;Th), 7.41(1H;Ph), 7.56(1H,Ph), 7.83(1H,Ph).
IR(KBr,cm-1): 2925,2854(CH2,CH3), 1717(C=O), 1249(C−O−C), 795(CH)。 1H NMR(CDCl3,600MHz,TMS,ppm):d=0.77(3H;CH2CH3), 1.0−1.8(m,15H;CH2,CH3,), 4.99(1H;C*HCH3), 6.90(1H;Th), 7.05(1H;Th), 7.09(1H;Th), 7.24(1H;Th), 7.41(1H;Ph), 7.58(1H;Ph), 7.83(1H;Ph).
キラル置換基をもたないポリマーの合成は、以下のようにして行った。
共役系芳香族を得るためのC−C結合構築のために、Pd(0)触媒を用いて、スティール重縮合反応によって臭素原子とトリメチルチン基との間で重合を行った。
1グラムの1((R)−1又は(S)−1)を、アルゴン流下でゆっくりと撹拌(80rpm)しながら、小型のシュランケフラスコに入れた。これは、N*−LC相を示すために正確に93℃に維持されていた。N*−LC溶液の虹色を確認した。それから、Pd(PPh3)4(3mg、0.0026モル)を、N*−LCに非常にゆっくりと添加した。次に、化合物[2](85mg、0.2mmol)をN*−LC溶媒に添加した。30分後に、この混合物に、キラリティをもたない化合物[4](85mg、0.2ミリモル)を添加した。N*−LC溶液は虹色を示し、次第に蛍光を示し始めた。反応混合物を更に、24時間ゆっくり(80rpm)と更に撹拌した。
その後、80rpmで30分攪拌した後、化合物[2](0.1g及び0.2ミリモル)を添加して重縮合を開始した。キラルネマティック液晶度を維持するために80rpmの攪拌を続けた。反応の最中の反応温度はきっかり93℃に保った。キラルネマティック液晶度は、反応中の混合物の選択的な反射によって確認された。N*−LC相の転移温度は、モノマー、触媒、得られたポリマーなどの不純物の導入によって降下する場合もあるが、この混合物が93℃でN*−LC相を保持することが確認された。24時間後、反応フラスコ内のN*−LCの目に見える選択的な反射が、再び確認された。これは、そのN*−LC相を保持する混合物の証拠である。シュランケフラスコのN*−LCの混合物も、N*−LC溶媒中の蛍光ポリマーの生成によって蛍光化した。
分子量は、測定中の溶媒としてTHFを用いて、Shocex A−80Mカラム及びJASCO HPLC 870−UV検出器を用いたゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により測定した。なお、装置調整には、標準ポリスチレンを用いた。
IR(KBr,cm-1): 2921, 2852 (CH2,CH3), 1714(C=O), 1251(C−O−C), 793(CH). 1H NMR(CDCl3,600MHz,TMS,ppm): d=0.87 (3H;CH2CH3), 1.0−1.8(m,15H;CH2,CH3), 4.22,(1H;C*HCH3), 6.98(1H;Th), 7.13(1H;Th), 7.18(1H;Th), 7.32(1H;Th), 7.52(1H;Ph), 7.70(1H;Ph), 7.94(1H;Ph).
IR(KBr,cm-1): 2923,2853(CH2), 1717(C=O), 1251(C−O−C), 793(CH), 1H NMR(CDCl3,600MHz,TMS,ppm):d=0.87(3H;CH2CH3), 1.0−1,8(m;15H,CH2,CH3), 4.22(1H;C*HCH3), 6.98(1H;Th), 7.13(1H;Th), 7.18(1H;Th), 7.32(1H;Th), 7.52(1H;Ph), 7.70(1H;Ph), 7.94(1H;Ph).
また、加熱及び冷却過程におけるN*−LC溶液の重合前後のDSCを図2に示す。図2に示されるように、N*−LC混合物の転移温度は、わずかに低温側にシフトしたが、N*−LC相は、重合温度の範囲内に維持されていた。
本ポリマーの化学構造は、H1−NMRによって確認した。ポリマーは、ヘッド−ヘッド(HH)又はヘッド−テール(HT)レジオレギュラリティ(位置規則性)を形成した。構造変化の影響がポリマーの光学特性に影響すると推測したが、本発明のポリマーのレジオレグラリティの調整は、本重合方法によってきわめて困難であった。本発明のポリマーは、ランダムHH及びHTレギュラリティを形成することができる。
ポリマーの特性
図3及び図4には、ポリマーの紫外/可視(UV/Vis)吸収スペクトルと、クロロホルム溶液中での円偏光二色性スペクトル(CD)が示されている。
図3に示されるように(R)−poly−1及び(S)−poly−1は、418nmのλmaxとポリマーの主鎖の共役系二重結合に対応する領域でのCDを示す。(R)−poly−1及び(S)−poly−1は、負のコットン効果によって鏡像CDを表示する。光学活性置換基を有するポリマーは、安定な光学活性を有する。これらの結果は、置換基の静的配座キラリティがポリマーの主鎖に対する動的配座キラリティとして軸性キラリティを引き出すことを示唆する。
これに対して、図4に示されるように本発明によるN*−LC反応場で調製された(R)−poly−2と(S)−poly−2は、800nmまでの長尾を有する紫外/可視吸収スペクトルにおいて436nmのλmaxを有する。クロロホルム溶液中で、380nmと538nmを極値にもつ436nmの吸収帯に関連する分裂型CDを示した。
1、CD(CD(CHCl3):λmax(Δε)=308(−0.49))のみで観測さ
れるため、この重合における溶媒として用いられたキラルな化合物によるものではない。N*−LC反応場で合成されたポリマーは、光学活性置換基をもたないポリマーに対してさえも、等方性クロロホルム溶液中で光学活性構造を有する。この結果は、ポリマー主鎖のキラル構造が、恐らく、軸性キラリティによって安定であることを示唆している。重合の際に展開されたこの構造は、溶液への溶解、洗浄後でさえも保護された。これは、ベンゼン環の2位に結合するエステル基の立体障害によるものであり、これがポリマーの立体配座を安定化させる。
(R)−と(S)−poly−1は、クロロホルム溶液中で500nmの円偏光ルミネセンス(CPL)を示し、それぞれ、励起波長380nmで+8.6×10-4と−1.1×10-3のgem値を有する(データ提示なし)。発光の円偏光度は、gem=2(IL−IR)/(IL+IR)によって定義付けられる。ポリマーは約530nmの光ルミネセンスと、(R)−poly−1が540nm中心、(S)−poly−1が547nm中心のCPFと、を表示する。
等方性溶液における高温処理は、高温でのポリマーの隣接単位間での部分的なラセミ化によるCD強度の変化をもたらした。ポリマーのコットン効果は、150℃1時間の加熱処理によって失われた。(R)−及び(S)−poly−2は、クロロホルム溶液におけるものと比較して、非常に強いCDシグナルを示したことは注目に値する。これは、クメン中でのポリマー凝集現象によるものと思われる。溶媒効果は、しばしば溶媒の誘電効果に帰因する。(R)−及び(S)−poly−2は、CDにおけるソルバトクロミズムを示す。
Claims (4)
- キラル触媒及びキラルモノマーを用いることなく、液晶相が維持される温度でキラルネマティック液晶を溶媒として用いてアキラルモノマーを重合し、キラルポリマーを得ることを特徴とするキラルポリマーの製造方法。
- パラジウム触媒又はニッケル触媒を使用することを特徴とする請求項1記載のキラルポリマーの製造方法。
- 前記アキラルモノマーが、嵩高い置換基を有するアキラルモノマーであることを特徴とする請求項1又は2記載のキラルポリマーの製造方法。
- 請求項1記載の製造方法により得られたキラルポリマー。
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