JP2010503693A - ナノ粒子の表面修飾のための方法 - Google Patents

Abstract

本開示は、表面修飾ナノ粒子を製造するための方法を開示している。ナノ粒子の表面はワンポット合成においてアミノオルガノシラン及びアルキル化剤により修飾されて、アルキルアミン表面修飾ナノ粒子を提供する。

Description

本開示はナノ粒子の表面を修飾するための方法に関する。

ナノテクノロジーとは、ナノメートルスケールでの物質の制御を通して新規な分子組織及び現象を理解するために、材料、装置、及びシステムを創製し利用することである。ナノスケールでの物質の制御は、今日多くの科学及び技術分野において重要な役割を果たしている。

無機及び有機ナノ粒子の修飾は、多数の用途における有用性を高める。ナノ粒子の平均直径はより大きな表面積及び機能性をもたらす。

ナノ粒子の表面修飾のために、合成手段を使用することができる。粒子の表面は、処理及び移送の要件を容易にするために表面酸化又は意図的な修飾に起因して存在する官能性を有してもよい。更に、保護された又は未保護の新たな官能性を提供するために、ナノ粒子を溶媒中に分散させ、その後選択された試薬と反応させてもよい。複合材料及びポリマー用途のために粒子を修飾するための多段階法は、米国特許第６，９８６，９４３号（クック（Cook）ら）に記載されている。

ナノ粒子の表面を修飾するために、例えば、表面修飾剤をナノ粒子に添加し（例えば、粉末、又はコロイド分散体の形態で）、その表面修飾剤をナノ粒子と反応させることを包含する、種々の方法が利用可能である。表面修飾無機粒子、例えばジルコニアナノ粒子は、粒子の表面に吸着された有機酸、例えばオレイン酸及びアクリル酸を含む。表面修飾シリカナノ粒子は、シラン修飾剤で修飾されてもよい。他の表面修飾プロセスは、例えば、米国特許第６，５８６，４８３号（コルブ（Kolb）ら）、米国特許第２，８０１，１８５号（イラー（Iler））、及び米国特許第４，５２２，９５８号（ダス（Das）ら）に記載されており、これらは本明細書に参照により組み込まれる。

多段階ナノ粒子修飾は、将来の用途に対して材料の効率及び適応性を減少させる可能性がある。表面修飾のための試薬は、空気の影響を受け易く、又は加水分解に対して不安定である場合がある。また、粒子の再分散において困難が生じ、結果として粒子表面に可変の被覆をもたらす場合がある。多段階反応の生成物は単離が困難である場合があり、その後の更なる工程における再分散が収率を低下させる。修飾されたナノ粒子の溶媒非相溶性及びミセル化（micellularization）が、追加の反応、一貫した表面修飾、及びかかる材料の有用性を更に制限する可能性がある。

ナノ粒子の合成的修飾は、物理特性の制限につながる可能性がある。修飾された粒子を乾燥し、精製し、及び単離するための試みは、溶媒中での分散性が劣る凝集した又は集積した材料をもたらす可能性がある。表面修飾時の材料の集積により、再分散が困難であり結果として沈殿及び不均一な表面官能化をもたらすナノ粒子が生ずる場合がある。

本開示は、表面修飾ナノ粒子を製造する方法に関する。ナノ粒子構成成分と、少なくとも１つのアミノオルガノシランと、少なくとも１つのアルキル化剤と、溶媒と、を含む反応混合物が準備される。前記混合物は次に攪拌され、十分に加熱されてアルキルアミン表面修飾ナノ粒子を形成する。

本開示の別の態様では、表面修飾ナノ粒子は四級アミン基を更に含む。ナノ粒子の一段階修飾は、ナノ粒子表面上の単一層被覆中にアルキルアミン及び四級アミン基を提供する。

本開示の他の態様では、ナノ粒子の表面修飾は、多段階合成に見られる追加の分離工程及び単離工程を伴わずに単一容器中で又はワンポット合成において行われる。ナノ粒子のアミノシラン官能化、及び末端アミノシラン基のアルキル化は、十分な加熱及び攪拌で起こる。

本開示の他の態様では、表面修飾ナノ粒子は、溶媒又は溶媒類の組み合わせにおいて凝集体を本質的に含まない。更に、表面修飾ナノ粒子は乾燥され、その後溶媒中に再分散されることができ、この際ナノ粒子は凝集体を本質的に含まない。

アルキルアミン官能性を有するナノ粒子の表面修飾のためのワンポット合成は、効率的な処理及び適応性を提供する。更に、この方法は、四級アミン表面修飾ナノ粒子の形成をもたらす。この手法は、ワンポット合成において２つの反応を起こさせる：１）アミノシラン表面修飾剤によるシリカナノ粒子の表面修飾、及び２）ワンポット合成において起こる、末端アミン基のアルキル化及び四級化。水性溶媒及び混合溶媒を含む溶媒（類）中で行われるこの方法は、ツーポット合成に関して起こり得る溶解性及び反応性の課題を克服する。ワンポット合成は、出発アミノオルガノシランに応じて、粒子表面上に存在する一級、二級、三級、及び四級アミン基の統計的分布を有する、ナノ粒子のより均一な表面修飾を提供する。本方法は、処理工程の削減をもたらす。精製工程及び乾燥工程からのナノ粒子の凝集体もまた、溶媒非相溶性とともに、減少され得る。四級アミン基の形成は、加水分解の影響を受け易い四級アミン塩の処理を単独で減らす。

本開示の前述の概要は、本開示の各開示実施形態又はすべての実施を説明しようとするものではない。次の図及び発明を実施するための形態は、説明に役立つ実施形態をより具体的に例示する。

以下の定義された用語に関して、別の定義が特許請求の範囲又は本明細書の他の箇所において示されない限り、これらの定義が適用されるものとする。

用語「アルキルアミン」は、アンモニアの１つ、２つ、又は３つの水素原子が有機ラジカルで置換された、アンモニア（ＮＨ_３）の類縁体と定義される。一般式は、（１）一級アミン、−Ｎ（Ｒ^１Ｒ^２）、式中、Ｒ^１及びＲ^２はともにＨであり、（２）二級アミン、−Ｎ（Ｒ^１Ｒ^３）、式中、Ｒ^１はＨであり、Ｒ^３はアルキル基であり、（３）三級アミン、−Ｎ（Ｒ^３）_２、式中、Ｒ^３はアルキル基である。アルキル基の結合は、単にアミン基のＮ（窒素）に結合し得る１つの基の代表例である。

用語「四級アミン」は、−Ｎ（Ｒ^３）_３ ^＋Ｚ⁻と定義され、式中、Ｎはカチオン性であり、Ｚはカチオン性Ｎに対するアニオン又は対イオンを表し、各Ｒ^３はアルキル基である。アルキル基の結合は、単にアミン基のＮに結合し得る１つの基の代表例である。アミン基は、イオン種を形成するように官能化される。

用語「ナノ粒子」は、本明細書で使用するとき、（個々の文脈が特に他のものを暗示しているのでなければ）、一般には粒子、粒子の群、粒子状の分子（すなわち、小さな個々の分子群又は緩く結合した分子群）、並びに具体的な幾何学形状が潜在的に変化するが、ナノスケール（すなわち、約１００ナノメートル未満）で測定され得る有効、若しくは平均的な、直径を有する粒子状分子の群を指す。

用語「ワンポット合成」は、化学反応の効率を改善し、それによって反応物質又は反応物質類をただ１つの反応器中で連続する化学反応に供する方法である。この戦略は、中間化学化合物の長時間に渡る分離プロセス及び精製を回避し、時間及び資源の両方を節約するとともに化学収率を増大させる。

用語「粒子直径」及び「粒子サイズ」は、粒子の最大断面寸法と定義される。粒子が集積体の形態で存在する場合、用語「粒子直径」及び「粒子サイズ」は、集積体の最大断面寸法を指す。

用語「表面修飾ナノ粒子」は、粒子の表面に結合された表面基を含む粒子と定義される。表面基は、ナノ粒子の表面上に、単一層、望ましくは連続した単一層を形成するのに十分なように粒子の性質を変更する。

端点による数値範囲の列挙には、その範囲内に包括される全ての数が包含される（例えば、１〜５には、１、１．５、２、２．７５、３、３．８０、４、及び５が包含される）。

本明細書及び添付の特許請求の範囲に含まれるとき、単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、その内容について別段の明確な指示がない限り、複数の指示対象を包含する。したがって、例えば「化合物」（“a compound”）を含有する組成物の言及は、２つ以上の化合物の混合物を含む。本明細書及び添付の特許請求の範囲において使用されるとき、用語「又は」は、その内容について別段の明確な指示がない限り、一般的に「及び／又は」を包含する意味で用いられる。

特に指示がない限り、明細書及び特許請求の範囲に使用されている成分の量、性質の測定値等を表す全ての数は、全ての例において、用語「約」により修飾されていることを理解されたい。したがって、特に指示がない限り、先行の本明細書及び添付の特許請求の範囲に記載の数値的パラメータは、本開示の教示を利用して当業者により得ることが求められる所望の性質に応じて変化し得る近似値である。最低でも、特許請求の範囲への同等物の原則の適用を限定する試みとしてではなく、少なくとも各数値的パラメータは、報告された有効数字の数を考慮して、通常の四捨五入の適用によって解釈されなければならない。本開示の広範囲を示す数値的範囲及びパラメータは、近似値であるが、具体例に記載のそれらの数値は可能な限り正確に報告する。しかし、いずれの数値もそれらの試験測定値それぞれにおいて見られる標準偏差から必然的に生じる誤差を本来含む。

本開示の方法は、ワンポット合成における表面修飾ナノ粒子の製造を記載する。本方法は、２つの反応を単一分散液中で行って、溶媒非相溶性及び一貫性のないナノ粒子官能化を低減する手段をも提供する。更に、本方法は、中間体の別個の容器への追加の移動を伴わずに複数の化学反応に供されるべき混合物の反応体を提供し、処理工程の数を更に減少させる。単純な分離及び精製プロセスの結果として効率が向上されて、時間及び資源の両方を節約するとともに化学収率を増大させる。

混合物が、ナノ粒子構成成分と、少なくとも１つのアミノオルガノシランと、少なくとも１つのアルキル化剤と、溶媒と、を含む、本開示の方法が更に記載される。混合物は、アルキルアミン表面修飾ナノ粒子を形成するのに十分なだけ加熱しながら攪拌される。表面修飾ナノ粒子は、一級、二級、三級、及び四級アミン基を更に含む。本方法で製造された表面修飾ナノ粒子は、集積体を本質的に含まない。更に、表面修飾ナノ粒子は、乾燥され、溶媒中に容易に分散され、集積体を本質的に含まないことが可能である。

反応混合物のナノ粒子は無機である。好適な無機ナノ粒子としては、シリカ、並びにジルコニア、チタニア、セリア、アルミナ、酸化鉄、バナジア、酸化アンチモン、酸化スズ、アルミナ／シリカ、酸化鉄／チタニア、チタニア／酸化亜鉛、ジルコニア／シリカ、リン酸カルシウム、酸化ニッケル、酸化亜鉛、カルシウムヒドロキシルアパタイト、及びこれらの組み合わせを含む金属酸化物ナノ粒子が挙げられる。本発明の１つの態様では、ナノ粒子は１００ｎｍ未満、好ましくは約５０ｎｍ以下、より好ましくは約３ｎｍ〜約５０ｎｍ、更により好ましくは約３ｎｍ〜約２０ｎｍ、最も好ましくは約５ｎｍ〜約１０ｎｍの平均粒子直径を有することが好ましい。ナノ粒子が集積している場合、集積粒子の最大断面寸法は、いずれかのこれらの好ましい範囲内である。

金属酸化物コロイド分散体としてはコロイダル酸化ジルコニウムが挙げられ、この好適な例は米国特許第５，０３７，５７９号（マチェット（Matchett））に記載されている。更に、コロイダル酸化チタンの例はＰＣＴ国際公開特許 ００／０６４９５（アーニー（Arney）ら）に見出され得る。無機コロイド分散体はナイアコール・ナノテクノロジーズ（Nyacol NanoTechnologies）（マサチューセッツ州、アンドーバー（Andover））から入手可能である。

代表的な実施形態では、未修飾シリカ粒子を本開示のナノ粒子構成成分として使用してもよい。ナノ粒子は、製品名ナルコ（NALCO）２３２６、２３２７、１１３０、２３５９（ナルコ・ケミカル・カンパニー（Nalco Chemical Company）；イリノイ州、ネイパービル（Naperville））で入手可能なコロイド分散体の形態であってもよい。

別の態様では、ナノ粒子は実質的に個別であり、非会合（すなわち非集積）であり、非可逆的に会合することなく分散されている。用語「〜と会合する（associate with）」又は「〜と会合している（associating with）」は、例えば、共有結合、水素結合、静電引力、ロンドン力、及び疎水性相互作用を包含する。

本開示のナノ粒子構成成分は、本明細書に記載された方法によって表面修飾される。ナノ粒子構成成分の表面は、１つ以上のアミン表面修飾基で修飾されてよい。表面修飾ナノ粒子は、粒子の表面に結合した表面基を含む粒子である。表面基は、電気的、化学的、及び／又は物理的特性を含むがこれらに限定されない、粒子の疎水性又は親水性の性質を改質する。いくつかの実施形態において、表面基は、ナノ粒子をより疎水性にしてもよい。いくつかの実施形態において、表面基は、ナノ粒子をより親水性にしてもよい。表面基は、統計的に平均化された無秩序に表面修飾された粒子を提供するように選択してもよい。いくつかの実施形態において、表面基は、粒子の表面上に、単一層好ましくは連続した単一層を形成するのに十分な量で存在する。

ナノ粒子が溶媒中で処理されるいくつかの状況において、アミン表面修飾基は粒子を処理用の溶媒と相溶化してもよい。ナノ粒子が溶媒中で処理されない状況において、表面修飾基又は部分は、ナノ粒子の非可逆的凝集体を防ぐことが可能であり得る。

本開示の代表的な実施形態では、親水性及び分散性を保持するように、ナノ粒子の利用可能な表面官能基（例えばＳｉ−ＯＨ基）の８０％未満が親水性表面修飾剤で修飾される。

本開示の式（Ｉ）に示したようなアミノオルガノシランは、表面修飾剤と呼ばれる。表面修飾剤は、少なくとも２つの反応性官能基を有する。反応性官能基の１つはナノ粒子の表面に共有結合することができ、第２の官能基はアルキル化されてアルキルアミン基を形成することができる。例えば、ナノ粒子がシリカである場合、ナノ粒子のＳｉ−ＯＨ基はアミノオルガノシランのＸ基と反応性である。

一実施形態では、例えば、少なくとも１つのＸ基がナノ粒子表面と反応することができる。別の態様では、Ｘ基の数は１〜３の範囲であり、ナノ粒子表面上で追加のＸ基の更なる反応が起こり得る。

本開示の１つの態様では、表面修飾のために少なくとも１つのアミノオルガノシラン、及び１を超えるアミノオルガノシランを使用してよく、又はそれらの組み合わせを使用してもよい。

ナノ粒子は、アミノオルガノシランで表面修飾される。アミノオルガノシランは式（Ｉ）のものである。アミノオルガノシランは、モノアミン、ジアミン、及びトリアミン官能基を含んでよく、この際アミノ基は鎖中にあっても末端基であってもよい。アミノオルガノシランは式（Ｉ）のものであり、式中、Ｒ^６及びＲ^７はそれぞれ独立して、水素、直鎖又は分枝鎖有機基、約１〜約１６個の炭素原子（平均で）を有するアルキル基、フェニル、チオフェニル、ナフチル、ビフェニル、ピリジル、ピリミジニル、ピラジル、ピリダジニル、フリル、チエニル、ピリル、キノリニル、ビピリジル等からなる群から選択されるもののようなアリール、トリルのようなアルカリール、あるいはベンジルのようなアラルキル基であり、Ｒ^６及びＲ^７にはピリジン又はピロール部分に代表されるような環が結合していてもよく、Ｒ^４は、１〜１６個の炭素原子（平均で）を有するアルキル、アリール、シクロアルキル、アルキルエーテル、アルキレン（任意で、例えば式（Ｉａ）の鎖中又はペンダント中に、１つ以上の鎖状Ｎ（アミン）基を含む）、及びこれらの組み合わせを含む直鎖又は分枝鎖有機基から選択される二価の種であり、

Ｒ^５は、約１〜約１６個の炭素原子（平均で）を有するアルキル、アリール、及びこれらの組み合わせを含む群から独立に選択され、Ｘはハライド、アルコキシ、アシルオキシ、ヒドロキシル、及びこれらの組み合わせであり、ｚは１〜３の整数である。更に、アルキル基は直鎖又は分枝鎖であることができ、アルキル及びアリール基は、アミノオルガノシランの官能性を妨げない非妨害性の置換基によって置換されることができる。反応混合物は少なくとも１つのアミノオルガノシランを含むが、１を超えるアミノオルガノシラン、又はその組み合わせを含んでもよい。

アミノオルガノシランは、無機ナノ粒子上の利用可能な官能基（例えば、シリカナノ粒子上の利用可能なヒドロキシル官能基の数）の１〜１００％と反応するのに十分な量で使用される。官能基の数は、全ての利用可能な反応部位が表面修飾剤で官能化されるように、所定量のナノ粒子を過剰量の表面修飾剤と反応させて実験的に決定される。次に、その結果から、より低い官能化率が計算され得る。代表的な実施形態では、アミノオルガノシランとナノ粒子との重量比は、１．５：１００〜１５：１００の範囲である。

アミノオルガノシランは更に、アミノアルキルシラン、アミノアリールシラン、アミノアルコキシシラン、アミノシクロアルキルシラン、及びこれらの組み合わせの群から選択される。アミノオルガノシランは、ナノ粒子上の表面上の官能基の少なくとも３０％を官能化するように反応混合物中に存在する。アミノオルガノシランの例としては、３−アミノプロピルトリエトキシシラン、３−アミノプロピルトリメトキシシラン、４−アミノブチルトリエトキシシラン、ｍ−アミノフェニルトリメトキシシラン、ｐ−アミノフェニルトリメトキシシラン、アミノフェニルトリメトキシシラン、３−アミノプロピルトリス（メトキシエトキシエトキシ）シラン、２−（４−ピリジルエチル）トリエトキシシラン、２−（トリメトキシシリルエチル）ピリジン、Ｎ−（３−トリメトキシシリルプロピル）ピロール、３−（ｍ−アミノフェノキシ）プロピルトリメトキシシラン、アミノプロピルシラントリオール、３−アミノプロピルメチルジエトキシシラン、３−アミノプロピルジイソプロピルエトキシシラン、３−アミノプロピルジメチルエトキシシラン、Ｎ−（２−アミノエチル）−３−アミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−（６−アミノヘキシル）アミノメチルトリメトキシシラン、Ｎ−（６−アミノヘキシル）アミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−（２−アミノエチル）−１１−アミノウンデシルトリメトキシシラン、（アミノエチルアミノメチル）フェネチルトリメトキシシラン、Ｎ−３−［（アミノ（ポリプロピレンオキシ）］アミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−（２−アミノエチル）−３−アミノプロピルシラントリオール、Ｎ−（２−アミノエチル）−３−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、Ｎ−（２−アミノエチル）−３−アミノイソブチルメチルジメトキシシラン、（アミノエチルアミノ）３−イソブチルジメチルメトキシシラン、（３−トリメトキシシリルプロピル）ジエチレントリアミン、ｎ−ブチルアミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−エチルアミノイソブチルトリメトキシシラン（N-ethylaminoisoburyltrimethoxysilane）、Ｎ−メチルアミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−フェニルアミノプロピルトリメトキシシラン、３−（Ｎ−アリルアミノ）プロピルトリメトキシシラン、Ｎ−シクロヘキシルアミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−フェニルアミノメチルトリエトキシシラン、Ｎ−メチルアミノプロピルメチルジメトキシシラン、ビス（２−ヒドロキシエチル）−３−アミノプロピルトリエトキシシラン、ジエチルアミノメチルトリエトキシシラン、（Ｎ，Ｎ−ジエチル−３−アミノプロピル）トリメトキシシラン、３−（Ｎ−Ｎ−ジメチルアミノプロピル）トリメトキシシラン、及びこれらの組み合わせが挙げられる。

代表的な実施形態では、ナノ粒子の表面を修飾するために３−（Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノプロピル）トリメトキシシランを使用してよい。

アルキル化剤は、ナノ粒子と連結されたアミノオルガノシランのアミノ基と求核置換反応により反応して、アルキルアミン及び四級アンモニウム塩を形成する。アルキル化剤は式（ＩＩ）のものであり、

式中、Ｙは水素、フッ素、ヒドロキシル、アリル、ビニルエーテル、若しくはこれらの組み合わせ、又はアミノ基のアルキル化を妨害しない他の基であってよく、Ｒ^８は脂肪族基（Ｃ_１〜Ｃ_２４）、脂環式基、ベンジル基、アルキレン（１つ以上の鎖状Ｎ（鎖中又はペンダント中のアミン基）を含むための）、又はこれらの組み合わせから選択される二価の種であり、Ｚはハライド、トシレート、サルフェート、官能化スルホネート（例えば２−アクリルアミド−２−メチル−１−プロパンスルホン酸）、ホスフェート、ヒドロキシル基、又はこれらの組み合わせである。アミノオルガノシランの求核性Ｎは、Ｙ−Ｒ^８−Ｚの求電子的Ｃを攻撃してＺを置換する。ＮとＹ−Ｒ^８の求電子的Ｃとの間に新たな結合が形成され、こうして四級アミン基のアルキル化種が形成される。このアルキル化反応の脱離基であるＺ基は、式（ＩＩＩ）に示されているような四級アンモニウム塩のアニオン種を形成する。

より小さなアルキルハライドによるアミノ基のアルキル化は、一般に一級アミンから四級アミンへと進行する。アルキル化時のアミノ基の求核性を減少させ得るアミノ基上の立体的な込み合いにより、選択的アルキル化が達成され得る。反応するアミンが三級ならば、四級アンモニウムカチオンが生じ得る。種々のＹ−Ｒ^８基並びに多くのハライド及び擬ハライドアニオンを用いるこの手段により、四級アンモニウム塩を調製することができる。

代表的な実施形態では、アミノオルガノシランをアルキル化するために、アルキルヨウ化物及びアルキル臭化物を使用してもよい。

更なる実施形態では、アルキル化剤はアルキルハライド、例えば臭化ブチル又は塩化ラウリルである。

アミン基は、ナノ粒子の表面上にアルキルアミン及び四級アミン官能化の連続した単一層の、又は単一層に満たない被覆を形成する、一級、二級、三級、及び四級アミン基の分布を含むように更にアルキル化することができる。

式（ＩＩＩ）の四級アミンはイオン種であり、式中、Ｚ⁻は四級アンモニウム基のカチオン、Ｎ^＋に対するアニオン性の対イオンである。四級アンモニウム基は、基Ｘにおいてナノ粒子、

に共有結合しており、式中、ｚは１〜３である。反応混合物は少なくとも１つのアルキル化剤を含有するが、１を超えるアルキル化剤又はその組み合わせを含んでもよい。

シランに結合されたＸ基は、他のシランと更に反応してシロキサンを形成し、及び／又は同一の又は別のナノ粒子上の他の官能基と反応してもよいということが理解される。例えば、式（ＩＩＩａ及びＩＩＩｂ）は、結合を示すＸ基の２つの妥当な反応を例示している。Ｘ基との他の反応も検討されてよい。

代表的な実施形態では、本開示のアミノオルガノシラン官能化ナノ粒子は、アルキル化剤と更に反応される。ワンポット合成では、アルキル化剤は、ナノ粒子に連結したオルガノシランのアミノ基と反応する。

代表的な実施形態では、アルキルハライドがアミンと反応してアルキル置換アミンを形成し、その後ナノ粒子の表面修飾が起こる。

代表的な実施形態では、アルキル化剤とアミノオルガノシランのモル比は５：１〜１：１５の範囲である。混合物中のアルキル化剤の量は、アミノオルガノシランのアミノ基を四級化するのに、又はアミノ基の少なくとも一部をアルキル化するのに十分である。

アルキルアミン及び四級アミン基を含む表面修飾ナノ粒子は好ましくは、溶媒又は溶媒の組み合わせ内に分散された個別の非会合の（非集積の）ナノ粒子であり、ナノ粒子は互いに非可逆的に会合しない。表面修飾ナノ粒子は、粒子が粒子凝集体又は集積体を含まないように溶媒（類）内に分散される。

本開示の方法は、アミン基の単一層を含む表面修飾ナノ粒子を更に記載している。ナノ粒子構成成分は、単一層被覆から単一層に満たない被覆への表面修飾又は官能化を有してよい。表面修飾のアミン基は、一級、二級、三級、及び四級アミン基の分布を含んでよい。代表的な実施形態では、四級アミンと三級アミン基の比率は、ナノ粒子の表面上において１：１００〜１００：１の範囲である。

代表的な実施形態では、ナノ粒子の表面官能化がアルキルアミン表面修飾基の連続した単一層である本開示の方法が更に記載され得る。

本開示の反応混合物は、ナノ粒子構成成分を分散させるための溶媒又は溶媒類を含有する。表面修飾ナノ粒子を作製するのに有用な溶媒としては、水；エタノール、プロパノール、メタノール、２−ブトキシエタノール、１−メトキシ−２−プロパノール、及びこれらの組み合わせから選択されるアルコール；メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、アセトン、及びこれらの組み合わせから選択されるケトン；エチレングリコール、プロピレングリコールから選択されるグリコール；ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、テトラヒドロフラン、１，４−ジオキサン、アセトニトリル、並びにそれらの組み合わせが挙げられる。ワンポット合成においては、未修飾ナノ粒子及び表面修飾ナノ粒子を分散させるために、極性溶媒が使用される。ナノ粒子の表面修飾の際のワンポット合成における溶媒は、粒子を分散させる。ナノ粒子のアルキルアミン及び／又は四級アミン表面基は、溶解性又は混和性のような相溶性をもたらす。

本開示の別の実施形態では、乾燥された表面修飾ナノ粒子は、溶媒（類）中に容易に分散可能であり、粒子の凝集体及び集積体を含まない。乾燥された表面修飾ナノ粒子に溶媒を添加すると、再分散されて透明な混合物がもたらされる。溶媒内に分散された個々の粒子が、顕微鏡により実証される。

ナノ粒子に共有結合したアルキルアミンのような親水性表面基は、溶媒又は溶媒の組み合わせにおいて再分散可能である。本開示の表面修飾ナノ粒子の溶媒中の分散体は、固形物が１０〜５０重量％の範囲である。別の態様では、ナノ粒子の分散体は、固形物が１５〜４０重量％の範囲である。更なる態様では、ナノ粒子の分散体は、固形物が１５〜２５重量％の範囲である。

分散性の低下した状態で溶媒中に再分散されたナノ粒子は、濁った（hazy）又は曇った（cloudy）溶液を生ずる。加えて、より低い分散性で溶媒中に分散されたナノ粒子ほど高い溶液粘度を生ずる可能性がある。溶媒中に分散された表面修飾粒子の相溶性（例えば、混和性）は、全てが包含されるわけではないが、ナノ粒子上の表面修飾の量、ナノ粒子上の官能基の溶媒との適合性、粒子上の基の立体的込み合い、イオンの相互作用、及びナノ粒子の大きさのような因子に影響され得る。

本開示の別の実施形態では、ナノ粒子はアルキルアミンで表面修飾され、更に四級アミン基を含む。ワンポット反応において、ナノ粒子の表面をアミノオルガノシランにより官能化し、アミノ基をアルキル化して四級アミン基を生成することは、溶媒中での分散性の向上に寄与することができる。多段階手法におけるナノ粒子とは別個に合成される、ナノ粒子表面の四級アミノシランによる官能化は、溶媒中での分散性の低さの一因となる。多段階手法によるナノ粒子の分散性の低下は、粒子の官能化の低さ、官能基の立体的込み合い、シランからナノ粒子への官能基の利用可能性、及び分散されたナノ粒子を伴う四級アミノシランの溶媒中での溶解性に起因し得る。これらの因子又は因子の組み合わせは、全てが包含されるわけではないが、分散性の低さに起因する場合がある。

表面修飾ナノ粒子は、ナノ粒子の溶媒中への分散性を助ける表面アミン基を有する。アルキルアミン及び四級アミン表面基は、集積体を生じずに分散されることができるナノ粒子を提供するのに十分なだけ、表面上に存在する。表面基は、ナノ粒子の表面上に単一層、好ましくは連続した単一層を形成するのに十分な量で存在するのが好ましい。

一実施形態では、アルキルアミン及び四級アミンは、例えば、−Ｎ（Ｒ^６）_２（一級）；−Ｎ（Ｒ^６Ｒ^７）（二級）；−Ｎ（Ｒ^７）_２（三級）；及び−Ｎ（（Ｒ^７）_２ＹＲ^８））^＋Ｚ⁻（四級）である式により表され、式中、Ｒ^６及びＲ^７はそれぞれ独立して、水素、直鎖又は分枝鎖有機基、約１〜約１６個の炭素原子（平均で）を有するアルキル基、フェニル、チオフェニル、ナフチル、ビフェニル、ピリジル、ピリミジニル、ピラジル、ピリダジニル、フリル、チエニル、ピリル、キノリニル、ビピリジル等からなる群から選択されるもののようなアリール、トリルなどのアルカリール、又はベンジルなどのアラルキル基であり、Ｒ^６及びＲ^７には、ピリジン又はピロール部分によって代表されるような環が結合していてもよく、Ｒ^８は脂肪族（Ｃ_１〜Ｃ_２４）基、脂環式基、ベンジル基、アルキレン（１つ以上の鎖状Ｎ（鎖中又はペンダント中のアミン基）を含むための）、又はこれらの組み合わせから選択される二価の種であり、Ｙは水素、フッ素、ヒドロキシル、アリル、ビニルエーテル、及びこれらの組み合わせであることができ、Ｚはアミンのアルキル化反応からのイオン種である。アミン表面基は、ナノ粒子の表面上のアミン基官能性の分布を示す。

代表的な実施形態では、表面修飾ナノ粒子を作製するための溶媒として、アルコール、水、及びそれらの組み合わせが使用される。

代表的な実施形態では、混合物は攪拌され、混合及び１．５〜２８時間の範囲での混合物のナノ粒子との反応を確実にするのに十分な温度で加熱される。未修飾ナノ粒子構成成分は水中に分散される。アミノオルガノシラン及びアルキル化剤が溶媒とともに加えられ、反応混合物を構成する。ナノ粒子構成成分を表面修飾した後、表面修飾ナノ粒子をアミン基組成に関して分析する。

反応混合物の攪拌は、振盪、かき混ぜ（stirring）、振動、超音波、及びこれらの組み合わせによって達成することができる。

ナノ粒子の表面を修飾する温度は、ワンポット合成（ワンポット反応）が起こるのに十分な温度である。１つの態様では、反応温度は８０℃〜１１０℃の範囲である。

本開示の代表的な実施形態では、表面修飾ナノ粒子は、溶媒、水、及び未反応構成成分を除去するために８０℃〜１６０℃で２〜２４時間乾燥されてよい。本開示のナノ粒子を更に精製するために溶媒洗浄を行ってもよい。

反応混合物の加熱及び表面修飾ナノ粒子の乾燥は、熱的に、マイクロ波により、電気的に、及びこれらの組み合わせにより達成することができる。

本開示の目的及び利点を以下の実施例で更に例示する。これらの実施例において列挙される特定の材料及びその量、並びに他の条件及び詳細は、本開示を過度に制限しないように使用されるべきである。

溶媒及び試薬は全て、特に断りのない限り、シグマ−アルドリッチ・ケミカル・カンパニー（Sigma-Aldrich Chemical Company）（ウィスコンシン州、ミルウォーキー（Milwaukee））から入手した。ナルコ（Nalco）２３２６コロイダルシリカは、ナルコ・ケミカル・カンパニー（Nalco Chemical Company）（米国、イリノイ州、ベッドフォードパーク（Bedford Park））から入手した。すべてのパーセント及び量は、特に指定のない限り、重量による。

４００ＭＨｚバリアンノバ（Varian NOVA）固相分光計（米国、カリフォルニア州、パロアルト（Palo Alto））を用いて核磁気共鳴分光分析を行った。試料を５ｍｍローターに詰めた。５ｍｍＭＡＳ ＮＭＲプローブを用いて^１５Ｎ及び^１３Ｃ ＣＰ／ＭＡＳを収集した。^１５Ｎスペクトルを、^１５Ｎ標識グリシンの２次標準物質を介して液体アンモニアと比較した。５５ｐｐｍにおける四級のピークと４５ｐｐｍにおける三級のピークを用いて四級化度を決定した。

Ｎ−トリメトキシシリルプロピル−Ｎ，Ｎ−ジメチルブチルアンモニウムブロミドの調製：Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノプロピルトリメトキシシラン（１０ｇ；ゲレスト社（Gelest, Inc.）（米国、ペンシルバニア州、モリスビル（Morrisville）））、及びジエチルエーテル（５０ｇ；マリンクロット・ベーカー（Mallinckrodt Baker）（米国、ニュージャージー州、フィリプスバーグ（Phillipsburg）））中の臭化ブチル（９．８９ｇ）を好適な容器中にいれ、電磁攪拌棒を用いて室温にて４８時間攪拌した。ロータリーエバポレーターを用いてジエチルエーテルを除去し、１６．２５ｇの生成物を単離した。^１５Ｎ ＮＭＲ分光法による生成物の分析により、アミンの四級化が１００％であることが示された。

比較例１
ナルコ（Nalco）２３２６コロイダルシリカ（１００ｇ）、Ｎ−トリメトキシシリルプロピル−Ｎ，Ｎ−ジメチルブチルアンモニウムブロミド（５．８８ｇ）、及び１−メトキシ−２−プロパノール（１１７．５ｇ；アルファ・エイサー（Alfa Aesar）（米国、マサチューセッツ州、ワードヒル（Ward Hill）））の混合物を、磁性攪拌器を備えた三口丸底フラスコ中で８０℃にて１時間混合した。次いで生成物を１３０℃のオーブン内で乾燥することによって単離した（１５．０３ｇ）。表面修飾ナノ粒子の溶解性は、水中２重量％未満の透明な溶液を生じた。２重量％を超える表面修飾ナノ粒子では、溶液は、粒子状物質が沈殿して濁っていた。２重量％を超える表面修飾ナノ粒子では、２重量％未満の表面修飾ナノ粒子を有する透明な溶液と比較して、溶液粘度が著しく増加した。

（実施例１）
ナルコ（Nalco）２３２６コロイダルシリカ（１００ｇ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノプロピルトリメトキシシラン（５．８８ｇ）、及び１−メトキシ−２−プロパノール（１１７．５ｇ）の混合物を、磁性攪拌器を備えた三口丸底フラスコ中で８０℃にて１時間混合した。１−メトキシ−２−プロパノール（２０ｇ）中塩化ラウリル（５．８ｇ）を混合物に加え、８０℃の温度で更に１８時間攪拌した。表面修飾ナノ粒子を１３０℃のオーブン内で乾燥することによって単離した（１５．０３ｇ）。表面修飾ナノ粒子は、水中で２０重量％よりも大きく可溶性であり、溶液粘度の増加を伴わずに透明な溶液が生じた。アミンの四級化は、^１５Ｎ ＮＭＲ分光分析に基づいて２０％よりも大きかった。

（実施例２）
ナルコ（Nalco）２３２６コロイダルシリカ（１００ｇ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノプロピルトリメトキシシラン（５．８８ｇ）、及び１−メトキシ−２−プロパノール（１１７．５ｇ）の混合物を、磁性攪拌器を用いて三口丸底フラスコ中で８０℃にて１時間混合した。１−メトキシ−２−プロパノール（２０ｇ）中臭化ブチル（３．８８ｇ）を混合物に加え、反応温度を８０℃に維持しながら更に１８時間攪拌を続けた。表面修飾ナノ粒子を１３０℃のオーブン内で乾燥することによって単離した（２２．３ｇ）。表面修飾ナノ粒子は、水中で２０重量％よりも大きく可溶性であり、溶液粘度の増加を伴わずに透明な溶液を生じた。表面修飾ナノ粒子は、水中で２０重量％よりも大きく可溶性であり、溶液粘度の増加を伴わずに溶液を生じた。アミンの四級化は、^１５Ｎ ＮＭＲ分光分析に基づいて２０％よりも大きかった。

Claims (20)

1. ａ）ナノ粒子構成成分と、少なくとも１つのアミノオルガノシランと、少なくとも１つのアルキル化剤と、溶媒と、を含む混合物を準備する工程と、
   ｂ）前記混合物をアルキルアミン表面修飾ナノ粒子を形成するのに十分なだけ加熱しながら攪拌する工程と、を含む、表面修飾ナノ粒子を製造するための方法。
2. 四級アミン表面修飾ナノ粒子を更に含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記表面修飾ナノ粒子を乾燥する工程を更に含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記表面修飾ナノ粒子が凝集体を本質的に含まない、請求項１に記載の方法。
5. 前記ナノ粒子表面が、一級アミン基、二級アミン基、三級アミン基、及び四級アミン基の単一層を含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記ナノ粒子構成成分が、シリカ、チタニア、アルミナ、酸化ニッケル、ジルコニア、バナジア、セリア、酸化鉄、酸化アンチモン、酸化スズ、酸化亜鉛、アルミナ／シリカ、酸化鉄／チタニア、チタニア／酸化亜鉛、ジルコニア／シリカ、リン酸カルシウム、カルシウムヒドロキシアパタイト、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
7. 前記アミノオルガノシランが、アミノアルキルシラン、アミノアリールシラン、アミノアルコキシシラン、アミノシクロアルキルシラン、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
8. 前記アミノオルガノシランが次式のものであり、
   

   

   式中、Ｒ^６及びＲ^７はそれぞれ独立して、水素、直鎖又は分枝鎖有機基であり、Ｒ^４は直鎖又は分枝鎖有機基から選択される二価の種であり、Ｒ^５はアルキル、アリール、及びこれらの組み合わせを含む群から独立に選択され、Ｘはハライド、アルコキシ、アシルオキシ、ヒドロキシル、及びこれらの組み合わせであり、ｚは１〜３の整数である、請求項７に記載の方法。
9. 前記アミノオルガノシランが、３−（Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノプロピル）トリメトキシシランである、請求項７に記載の方法。
10. 前記アミノオルガノシランが、３−（Ｎ，Ｎ−ジエチルアミノプロピル）トリメトキシシランである、請求項７に記載の方法。
11. 前記アルキル化剤が次式を有し、
    

    

    式中、Ｙは水素、フッ素、ヒドロキシル、アリル、ビニルエーテル、又はこれらの組み合わせであり、Ｒ^８は脂肪族基、脂環式基、ベンジル基、又はこれらの組み合わせから選択される二価の種であり、Ｚはハライド、トシレート、サルフェート、官能化スルホネート、ホスフェート、ヒドロキシル、又はこれらの組み合わせである、請求項１に記載の方法。
12. 前記アルキル化剤が、Ｃ_１〜Ｃ_２４ハライドを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記溶媒が、水、エタノール、プロパノール、メタノール、及び１−メトキシ−２−プロパノール、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、エチレングリコール、プロピレングリコール、２−ブトキシエタノール、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、テトラヒドロフラン、１，４−ジオキサン、アセトニトリル、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
14. 前記表面修飾ナノ粒子の分散体が、１０〜５０重量％の範囲である、請求項１に記載の方法。
15. 前記アルキル化剤とアミノオルガノシランとのモル比が、５：１〜１：１５の範囲である、請求項１に記載の方法。
16. 前記表面修飾ナノ粒子が、単一層被覆から単一層未満の被覆を有する、請求項１に記載の方法。
17. 前記アミノオルガノシランの量が、前記ナノ粒子の表面上の官能基の８０％未満を官能化するのに十分な量で存在する、請求項１に記載の方法。
18. 前記アルキル化剤の量が、前記アミノオルガノシランのアミノ基を四級化するのに十分である、請求項１に記載の方法。
19. 前記アルキル化剤の量が、前記アミノオルガノシランのアミノ基の少なくとも一部をアルキル化するのに十分である、請求項１に記載の方法。
20. 前記表面修飾ナノ粒子が、−Ｎ（Ｒ^６）_２基と、−Ｎ（Ｒ^６Ｒ^７）基と、−Ｎ（Ｒ^７）_２基と、−Ｎ（（Ｒ^７）_２ＹＲ_８））^＋Ｚ⁻基と、の混合物を含み、次式
    

    

    （式中、Ｒ^６及びＲ^７はそれぞれ独立して、水素、直鎖又は分枝鎖有機基、及びこれらの組み合わせであり、Ｒ^４は直鎖又は分枝鎖有機基及びこれらの組み合わせから選択される二価の種であり、Ｒ^５は、アルキル、アリール、及びこれらの組み合わせを含む基から独立に選択され、Ｘはハライド、アルコキシ、アシルオキシ、ヒドロキシル、及びこれらの組み合わせであり、Ｒ^８は脂肪族、脂環式、ベンジル、アルキレン、及びこれらの組み合わせから選択される二価の種であり、Ｙは水素、フッ素、ヒドロキシル、アリル、ビニルエーテル、及びこれらの組み合わせであり、Ｚはハライド、トシレート、サルフェート、官能化スルホネート、ホスフェート、ヒドロキシル、及びこれらの組み合わせであり、ｚは１〜３の整数である）で表わされ、前記ナノ粒子の表面上にそれらの混合物を含む、請求項１に記載の方法。