JP2008260869A - 新規な含フッ素エーテル系化合物 - Google Patents
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Abstract
Description
含フッ素ポリマーの最も一般的な合成法として、含フッ素モノマーのラジカル重合による方法が知られている。しかしながら、一般に入手できる含フッ素モノマー種は必ずしも十分とは言えず、またこれらの反応性は、一部の含フッ素モノマーを除いて、一般には低い。すなわち、含フッ素モノマーのラジカル重合法においては、合成できるポリマーの構造が大きく限定されるという問題がある。
この問題を解決する手段として、様々な方法によって合成される多様なポリマーに対して、フッ素ガスを作用させることにより含フッ素ポリマーを得る方法が知られている。例えば、特許文献1や特許文献2等において、固体のポリマーとフッ素ガスを直接接触させてフッ素化する方法が記載されているが、これらの場合、ポリマー表面のフッ素化が優先し、ポリマー全体の均一なフッ素化ができないという問題がある。また、特許文献3には、ポリマーを液相中でフッ素化する例が記載されているが、用いている原料はいずれも分子量2,000程度の炭化水素系ポリエーテルであり、より高分子量のポリマーに適用した例は記載されていない。これはおそらく、高分子量ポリマーの場合、フッ素化溶媒に対する溶解性が低く、十分に反応が進行しないためと考えられる。この問題解決の例として、特許文献4には、側鎖を介してポリマーにフッ素成分を導入してフッ素化溶媒へのポリマーの溶解性を向上させることにより、比較的高い分子量のポリマーのフッ素化を実現した例が知られているが、得られるポリマーのフッ素含率は必ずしも満足できるものではない。
以上のように、多様な構造を有し、かつ高いフッ素含率を有する含フッ素化合物の簡便な合成法は従来知られていなかった。
(1)一般式(I)で表される繰り返し単位を含むポリマーをフッ素化することによって得られる前記ポリマーに対応する、フッ素含量を高めた含フッ素エーテル系化合物。
(2)一般式(I)で表される繰り返し単位が下記一般式(II)で表わされる繰り返し単位であることを特徴とする(1)項に記載の含フッ素エーテル系化合物。
(3)一般式(II)で表される繰り返し単位が下記一般式(III)で表わされる繰り返し単位であることを特徴とする(2)項に記載の含フッ素エーテル系化合物。
(4)一般式(I)で表わされる繰り返し単位を有するポリマーを溶液とし、前記のフッ素化をフッ素ガスを用いて行うことによって得られる(1)〜(3)のいずれか1項に記載の含フッ素エーテル系化合物。
(5)下記一般式(IV)で表されるエーテル系ペルフルオロ化合物。
Rh1として好ましいアルキレン基としては、炭素数1〜30の置換または無置換のアルキレン基であり、直鎖状、分岐状、環状のいずれであってもよく、また、鎖中にエーテル結合を有していてもよい。好ましい炭素数としては1〜20であり、より好ましくは2〜10である。
好ましい置換基としては、ハロゲン原子であり、より好ましくはフッ素原子である。
アルキレン基および/またはアリーレン基を連結する別の2価の連結基としては、例えば、アルキレン基、アリーレン基、−O−、−S−、−CO−、−SO−、−SO2−、単なる結合手などを挙げることができる。
Rf2で表されるペルフルオロアルキレン基は、好ましくは炭素数1〜30のペルフルオロアルキレン基であり、直鎖状、分岐状、環状のいずれであってもよく、また、鎖中にエーテル結合を有していてもよい。さらに好ましい炭素数としては1〜20であり、より好ましくは2〜10である。
Rf3およびRf4で示されるペルフルオロアルキル基は、好ましくは炭素数1〜30のペルフルオロアルキル基であり、直鎖状、分岐状、環状のいずれであってもよく、また、鎖中にエーテル結合を有していてもよい。さらに好ましい炭素数としては1〜20であり、より好ましくは2〜10である。
Rf3およびRf4で示されるペルフルオロアルコキシ基は、好ましくは炭素数1〜30のペルフルオロアルコキシ基であり、直鎖状、分岐状、環状のいずれであってもよく、また、鎖中にエーテル結合を有していてもよい。さらに好ましい炭素数としては1〜20であり、より好ましくは2〜10である。
本発明において、フッ素化前の上記の一般式(I)又は(II)で表わされる繰り返し単位を有する含フッ素エーテル系化合物は文献未載の新規物質である。
以下に一般式(I)および(II)で表される化合物の具体的な例を挙げるが、本発明はこれらに限定されるわけではない。式中、Rh1の部分は、例えば上記で述べた具体例との任意の組み合わせを考えることができる。
本発明は上記のポリマーのみならず、モノマー分子にも応用することができる。すなわち一般式(V)で表される化合物をフッ素化することにより一般式(IV)で表されるペルフルオロ化合物を得ることができる。
以下に一般式(IV)で表される化合物の具体的な例を挙げるが、本発明はこれらに限定されるわけではない。
これらの希釈溶媒は原料含フッ素ポリマーに対して重量で0.1〜100倍用いるのが好ましく、より好ましくは0.5〜10倍であり、特に好ましくは1〜5倍である。
このような溶媒の例としては、ペルフルオロアルカン化合物[FC−72(商品名、住友スリーエム社製)等]、ペルフルオロエーテル化合物[FC−75,FC−77(共に商品名、住友スリーエム社製)等]、ペルフルオロポリエーテル化合物[商品名:クライトックス(KrytoxR、DuPont社商標)、フォブリン(FomblinR、AUSIMONT社商標)、ガルデン(GaldenR、AUSIMONT社商標)、デムナム{ダイキン工業(株)}等]、クロロフルオロカーボン類(CFC−11,CFC−113等)、クロロフルオロポリエーテル化合物、ペルフルオロトリアルキルアミン化合物、不活性流体(商品名:フロリナート、FluorinertR、3M社商標)等が挙げられる。
フッ素化溶媒は添加する原料含フッ素ポリマーに対して重量で50〜1000倍用いるのが好ましく、より好ましくは100〜500倍である。
フッ素で飽和した溶媒中に原料含フッ素ポリマーと希釈フッ素ガスを同時に供給していく際、フッ素ガスの量は原料フッ素ポリマーおよび希釈溶媒をペルフルオロ化するために必要な理論量に対してモル比で、0.5〜10倍用いるのが好ましく、より好ましくは1〜3倍であり、さらに好ましくは1〜2倍である。
原料含フッ素ポリマーを供給後、フッ素化が十分に進行していない場合には、上記で述べた含フッ素希釈溶媒のような化合物をフッ素ガスとともに供給するか、または、フッ素ガスを供給しながら反応系に紫外線を照射することにより、ポリマーのフッ素化を促進できることがある。
反応系中にフッ化水素補捉剤を共存させる場合、フッ化水素補捉剤は発生するフッ素の理論量の1〜10倍用いるのが好ましく、より好ましくは2〜5倍である。
以下のスキームにしたがってペルフルオロジエン(iii)および含フッ素ジオール(iv−1)を合成した。
ヒドロキシアセトン(7.4g)およびピリジン(8.1ml)の酢酸エチル(100ml)溶液に室温(25℃)にてウンデカフルオロ(2−メチル−3−オキサヘキサン酸)フルオリド(10g)を滴下した。室温にて2時間攪拌後、反応液を希塩酸水に注加した。分液後、有機層を水および飽和食塩水で洗浄し、硫酸マグネシウムで乾燥した。濃縮残留物をカラムクロマトグラフィー(展開溶媒:酢酸エチル/ヘキサン)にて精製することにより化合物B(10.2g,88%)を得た。
1H NMR(CDCl3) δ 2.22(s,3H),4.85(d,J=16.2Hz,1H),4.96(d,J=16.2Hz,1H)
19F NMR(CDCl3) δ -80.3(1F),-81.8(3F),-82.5(3F),-86.7(1F),-130.2(2F),-132.8(1F)
化合物B(9.9g)、ペンタエリスリトール(1.74g)、p−トルエンスルホン酸一水和物(0.25g)およびトルエン(50ml)を脱水しながら4時間還流した。反応液を炭酸水素ナトリウム水溶液、水および飽和食塩水で洗浄後、硫酸ナトリウムで乾燥した。濃縮残留物をカラムクロマトグラフィー(展開溶媒:酢酸エチル/ヘキサン)にて精製することにより化合物C(5.9g,53%)を得た。
1H NMR(CDCl3) δ 1.41(s,3H),3.64〜3.85(m,4H),4.31(d,J=11.1Hz,1H),4.48(d,J=11.1Hz,1H)
19F NMR(CDCl3) δ -80.2(1F),-81.7(3F),-82.5(3F),-86.8(1F),-130.1(2F),-132.3(1F)
原料供給口、フッ素供給口、へリウムガス供給口およびドライアイスで冷却した還流装置を経由してフッ素トラップに接続されている排気口を備えた300mlテフロン(登録商標)製容器に、FC−72 180mlおよびフッ化ナトリウム10gを入れて、攪拌しながら内温20℃にてヘリウムガスを流速50ml/minで30分間吹き込んだ。引き続き20%F2/N2ガスを100ml/minで30分間吹き込んだ後、フッ素流量はそのままで、化合物C(4.25g)のFC−72(13.5ml)溶を6.2ml/hの速度で添加し、さらに同速度でヘキサフルオロベンゼン(1g)のFC−72(5ml)溶液を添加した。その後、20%F2/N2ガスを100ml/minで30分間吹き込み、さらにヘリウムガスを200ml/minで30分間吹き込み、不溶物を濾別した。FC−72を常圧にて濃縮後、さらに減圧にて濃縮することにより、化合物D(5.1g,粗収率88%)をほぼ単一生成物として得た。
19F NMR(CDCl3) δ -60.6〜-64.4(m,8F),-76.7(s,6F),-79.8〜-80.0(m,1F),-80.3〜-80.6(m,1F),82.0(m,6F),82.1(s,6F),-83.4〜-83.8(m,4F),-86.7(bs,1F),-86.9(bs,1F),-130.2(s,4F),-132.0(s,1F),-132.1(s,1F)
フッ化ナトリウム(10g)のメタノール(200ml)分散液に上記で得られた粗化合物D(5.1g)を滴下し、室温にて3時間攪拌した。不溶物をろ過により除去した後、濾液を約30mlになるまで濃縮し、酢酸エチル/炭酸水素ナトリウム溶液で抽出した。有機層を水および飽和食塩水で洗浄し、硫酸マグネシウムで乾燥した。濃縮残留物をカラムクロマトグラフィー(展開溶媒:酢酸エチル/ヘキサン)にて精製することにより化合物E(1.8g,78%)を得た。
1H NMR(CDCl3) δ 3.99(s,3H)
19F NMR(CDCl3) δ -62.5〜-63.8(m,4F),-69.9〜-71.3(m,4F),-81.2(s,3F),-81.4(s,3F)
化合物E(0.28g)のジエチルエーテル(10ml)溶液にリチウムアルミニウムヒドリド(0.038g)を5℃にて添加した。室温にて4時間攪拌後、反応液に希塩酸水をゆっくり加えた。酢酸エチルで抽出後、有機層を水および飽和食塩水で洗浄し、硫酸マグネシウムで乾燥した。濃縮残留物をカラムクロマトグラフィー(展開溶媒:酢酸エチル/ヘキサン)にて精製することにより化合物(iv−1)(0.2g,80%)を得た。
1H NMR(CDCl3) δ 2.20(bs,1H),4.21(bs,2H),
19F NMR(CDCl3) δ -56.2〜-58.6(m,4F),-66.0〜-67.3(m,4F),-80.9〜81.0(m,6F)
化合物E(16.2g)のメタノール(200ml)/水(40ml)溶液に室温にて8N水酸化カリウム水溶液を10ml滴下した。反応液を室温にて2時間攪拌した後、減圧にて溶媒を留去した。濃縮残渣に水30mlを加え、さらに濃塩酸水をpH試験紙で酸性を示すまで滴下した。析出した白色結晶をろ過後、水(30ml)に分散し、1N水酸化カリウム水溶液を滴下し、pH=8に調整した。反応液を減圧にて濃縮し、残渣を100℃にて真空ポンプで十分に乾燥することにより化合物F(16.5g,93%)を得た。得られた化合物Fを減圧下(4mmHg)280℃にて熱分解し、揮発成分を−78℃のトラップで捕集した。同様の操作を繰り返し、得られた液体を合わせて減圧蒸留することにより化合物(iii)の粗体(20g)を得た。粗体のガスクロ純度は95%であり、残りの5%はモノエン(vi)であった。ペルフルオロジエン(iii)の粗体(15g)の無水ジエチルエーテル(150ml)溶液に、窒素雰囲気下、5℃にてリチウムビス(トリメチルシリル)アミドの1.6M THF溶液(3ml)を滴下した。室温にて16時間攪拌後、希塩酸水を注加して反応を停止した。有機層を食塩水で3回洗浄後、40〜80℃にて溶媒を留去した。さらに温度を上げて常圧にて蒸留精製することにより、ガスクロ純度99%以上のペルフルオロジエン(iii)(9.6g)を得た。
19F NMR(CDCl3) δ -70.7(s,8F),-111.2(s,4F)、b.p.55℃(20mmHg)、b.p.=148℃
ペルフルオロジエン(iii)の粗体(1.12g)、含フッ素ジオール(iv−1)(1.34g)、テトラブチルアンモニウムブロミド(0.18g)、アセトニトリル(1ml)、ベンゾトリフルオリド(10ml)および水酸化カリウム(0.32g)の水(10ml)溶液を50℃にて41時間攪拌した。室温まで冷却後、分液した。有機層を水洗後、硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧にて濃縮した。濃縮残渣(2.1g)をアセトン(2ml)に溶解し、メタノール(300ml)で再沈、乾燥することにより0.5gの白色結晶を得た。得られた結晶を重クロロホルムに溶解し、1H−NMRおよび19F−NMRを測定した結果、下記繰り返し単位を有するポリマー(iii−1)であることおよび、脱HFによる不飽和結合は存在しないことを確認した。
Mw=11,000(ポリスチレン換算)
1H NMR(CDCl3) δ 4.90(bs,4H),6.44(bs,2H)
19F NMR(CDCl3) δ -57.5〜-73.5(m,16F),-81.7(s,6F),-88.7〜-89.3(s,4F)
ペルフルオロジエン(iii)(8.08g)、2,2,3,3−テトラフルオロブタンジオール(iv−2)(3.31g)、炭酸カリウム(6.05g)およびアセトニトリル(100ml)を室温にて64時間攪拌した。反応液を酢酸エチル(300ml)/水(300ml)に注加し、分液した。有機層を食塩水で3回洗浄後、硫酸マグネシウムで乾燥した。溶媒を減圧にて留去することにより、アモルファス状のポリマー(11.4g)を得た。このポリマーをアセトン(40ml)に溶かし、クロロホルム(2000ml)で再沈、乾燥することにより7.85gのアモルファス状ポリマーを得た。得られた結晶を重クロロホルムに溶解し、1H−NMRおよび19F−NMRを測定した結果、下記繰り返し単位を有するポリマー(iii−2)であることおよび、脱HFによる不飽和結合は存在しないことを確認した。
Mn=33,000(ポリスチレン換算),Mw/Mn=2.2
1H NMR(CDCl3) δ 4.73(t,J=13.8Hz,4H),6.41(s,2H)
19F NMR(CDCl3) δ -67.8〜-73.4(m,8F),-87.7〜-89.3(m,4F),-122.7(t,J=13.8Hz,4F)
ペルフルオロジエン(iii)の粗体(4.0g)、トリフルオロエタノール(2.1g)、炭酸カリウム(3.1g)およびアセトニトリルを室温で4時間攪拌した。反応液を酢酸エチル(150ml)/水(150ml)に注加し、分液した。有機層を食塩水で2回洗浄後、硫酸マグネシウムで乾燥し、溶媒を減圧にて留去した。モノエン(vi)に由来する副生成物をカラムクロマトグラフィー(展開溶媒:酢酸エチル/ヘキサン=1/9)で除くことにより、下式(V−1)で表される含フッ素化合物(5.3g)を得た。
1H NMR(CDCl3) δ 4.32(q,J=7.8Hz,4H),5.60(s,2H)
19F NMR(CDCl3) δ -68.1〜-73.0(m,8F),-74.4(t,J=7.8Hz,6F),-88.1(s,4F)
含フッ素化合物(V−1)のフッ素化によるペルフルオロ化合物(IV−1)の合成
原料供給口、フッ素供給口、へリウムガス供給口およびドライアイスで冷却した還流装置を経由してフッ素トラップに接続されている排気口を備えた300mlテフロン(登録商標)製容器に、FC−72 180mlおよびフッ化ナトリウム2.5gを入れて、攪拌しながら内温0℃にてヘリウムガスを流速50ml/minで30分間吹き込んだ。引き続き20%F2/N2ガスを100ml/minで30分間吹き込んだ後、フッ素流量はそのままで、含フッ素化合物(V−1)(3.0g)のFC−72(5ml)溶液を10ml/hの速度で添加し、さらに、ヘキサフルオロベンゼン(2.1g)のFC−72(8ml)溶液を4.5ml/hの速度で添加した。その後、20%F2/N2ガスを100ml/minで30分間吹き込み、さらにヘリウムガスを200ml/minで1時間吹き込み、不溶物を濾別した。FC−72を常圧にて留去した。ヘキサフルオロベンゼンを内部標準に用いNMRを測定したところ、ペルフルオロ化合物(IV−1)が定量的に生成していることを確認した。また、残留物を減圧蒸留により精製することにより、ペルフルオロ化合物(IV−1)2.6gを得た。ペルフルオロ化合物(IV−1)の屈折率をアッベ屈折計により測定したところ1.30であり、原料(V−1)の値(1.36)と比べて低下した。
19F NMR(CDCl3) δ -57.8〜-73.0(m,8F),-86.5(s,6F),-87.2(t,J=14.1Hz,2F),-88.1(m,4F),-88.4(m,4F)、b.p.=55℃(5mmHg)
含フッ素ポリマー(iii−1)のフッ素化
原料供給口、フッ素供給口、へリウムガス供給口およびドライアイスで冷却した還流装置を経由してフッ素トラップに接続されている排気口を備えた300mlテフロン(登録商標)製容器に、FC−72 180mlおよびフッ化ナトリウム9.3gを入れて、攪拌しながら内温0℃にてヘリウムガスを流速50ml/minで30分間吹き込んだ。引き続き20%F2/N2ガスを100ml/minで30分間吹き込んだ後、フッ素流量はそのままで、含フッ素ポリマー(iii−1)(0.5g)のヘキサフルオロベンゼン(2.5g)/トリデカフルオロヘプタン酸メチルエステル(2.5g)溶液を2.9ml/hの速度で添加し、さらに、0.9ml/hの速度でヘキサフルオロベンゼン(1.6g)を添加した。その後、20%F2/N2ガスを100ml/minで30分間吹き込み、さらにヘリウムガスを200ml/minで1時間吹き込み、不溶物を濾別した。減圧にて揮発成分を除去、乾燥することにより、アモルファス状ポリマー(0.4g)を得た。ヘキサフルオロベンゼン/クロロホルム系でこのポリマーのNMR測定を行ったところ、原料のプロトンはすべて消失しており、下記繰り返し構造を有するポリマーであることが示唆された。得られたポリマーの10%質量減少温度(昇温速度10℃/min)を熱分析装置により測定したところ450℃であり、原料ポリマー(iii−1)の値(380℃)と比べて熱安定性が向上した。
含フッ素ポリマー(iii−2)のフッ素化
原料供給口、フッ素供給口、へリウムガス供給口およびドライアイスで冷却した還流装置を経由してフッ素トラップに接続されている排気口を備えた300mlテフロン(登録商標)製容器に、FC−72 180mlおよびフッ化ナトリウム9.3gを入れて、攪拌しながら内温0℃にてヘリウムガスを流速50ml/minで30分間吹き込んだ。引き続き20%F2/N2ガスを100ml/minで30分間吹き込んだ後、フッ素流量はそのままで、含フッ素ポリマー(iii−2)(1g)のヘキサフルオロベンゼン(2.5g)/トリデカフルオロヘプタン酸メチルエステル(2.5g)溶液を2.8ml/hの速度で添加し、さらに、0.9ml/hの速度でヘキサフルオロベンゼン(1.6g)を添加した。その後、20%F2/N2ガスを100ml/minで30分間吹き込み、さらにヘリウムガスを200ml/minで1時間吹き込み、不溶物を濾別した。減圧にて揮発成分を除去、乾燥することにより、粘稠なオイル(0.65g)を得た。原料の含フッ素ポリマー(iii−2)はアセトンやTHFに比較的よく溶けたのに対し、得られたオイルはこれらの溶媒には不溶であった。
ヘキサフルオロベンゼン/クロロホルム系でこのオイルのNMR測定を行ったところ、原料のプロトンはすべて消失しており、下記繰り返し構造を有するポリマーであることが示唆された。得られたポリマーの屈折率をアッベ屈折計により測定したところ1.34であり、原料ポリマー(iii−2)の値(1.36)と比べて低下した。
19F NMR(CDCl3) δ -59.0〜-74.2(m,8F),-84.5(m,4F),-88.2(m,2F),-89.3(m,4F),-127.1(m,4F)
Claims (5)
- 一般式(I)で表わされる繰り返し単位を有するポリマーを溶液とし、前記のフッ素化をフッ素ガスを用いて行うことによって得られる請求項1〜3のいずれか1項に記載の含フッ素エーテル系化合物。
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