JP2016060724A - 環状カルボジイミド組成物の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
しかしながら、通常のカルボジイミド化合物は線状であるため、ポリエステルなどの加水分解防止剤として溶融添加した際に、揮発性のイソシアネート化合物が副生して、悪臭を発し、作業環境を悪化させる問題があった。また、塗料や接着剤の架橋剤として使用する場合に、高温で加熱すると熱分解し、カルボジイミド化合物が分子切断するため、十分な架橋性能が発現しない等の課題があった。
かかる課題に対しては、特定の環状カルボジイミド化合物が提案されている(特許文献1〜2)。環状カルボジイミド化合物を使用することで、遊離イソシアネート化合物が生成せず、また、十分な架橋性能が得られることが期待できる。しかし、こうした効果に優れる環状カルボジイミド化合物の一部は、溶剤への溶解性に乏しく、用途が限定されるという課題があった。
この課題に対して、環状カルボジイミド化合物の骨格に置換基を導入する方法が提案されているが(特許文献3)、合成の観点から置換基の種類は限定されるため、汎用的な手法としては不十分である。また、それ以外の方法は十分な検討がなされていない。このように、環状カルボジイミドの特性を保持し、種々の用途に使用するため、溶解性を向上させることが期待されている。
1. (a)下記式(i)で表される環状カルボジイミド化合物(A成分)と、カルボジイミド基と反応性を有する化合物(B成分)とを反応させる工程を含む環状カルボジイミド組成物の製造方法。
3. 環状カルボジイミド化合物(A成分)のカルボジイミド基1モルに対して、カルボジイミド基と反応性を有する化合物(B成分)を、その反応性基が0.01〜0.9モルとなる量、反応させる上記1または2に記載の製造方法。
4. カルボジイミド基と反応性を有する化合物(B成分)の分子量が1,000以下である上記1〜3のいずれか一項に記載の製造方法。
5. 溶媒中で反応させる上記1〜4のいずれか一項に記載の製造方法。
6. (b)反応後、析出または乾固して環状カルボジイミド組成物を回収する工程を含む上記1〜5のいずれか一項に記載の製造方法。
7. 得られた環状カルボジイミド組成物の溶剤に対する溶解性が、環状カルボジイミド化合物(A成分)の溶剤に対する溶解性の1.5倍以上である上記1〜6のいずれか一項に記載の製造方法。
<環状カルボジイミド化合物(A成分)>
環状カルボジイミド化合物(A成分)は下記式(i)で表される。
置換基の炭素数1〜6のアルキル基として、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基などが挙げられる。
環状カルボジイミド化合物の分子量は、好ましくは100〜1,000である。100より低いと、環状カルボジイミド化合物について構造の安定性や揮発性が問題となる場合がある。また1,000より高いと、環状カルボジイミドの製造上、希釈系での合成が必要となったり、収率が低下したりするため、コスト面で問題となる場合がある。かかる観点より、より好ましくは100〜750であり、さらに好ましくは250〜750である。
かかる環状カルボジイミド化合物(A成分)としては、下記化合物を挙げることができる。
本発明において、カルボジイミド基と反応性を有する化合物(B成分)とは、環状カルボジイミド化合物(A成分)のカルボジイミド基と単独あるいは触媒などと組み合せることで反応可能な官能基を有する化合物である。
B成分としては、カルボジイミド基と反応性を有する、一般に公知な化合物であれば使用することができる。例えば、カルボン酸、アルコールおよびアミンからなる群より選ばれる少なくとも一種が挙げられる。
カルボン酸としては、脂肪族カルボン酸、芳香族カルボン酸、複素環式カルボン酸、ヒドロキシカルボン酸などが使用できる。脂肪族カルボン酸の具体例としては、酢酸、プロピオン酸、ブタン酸、イソブタン酸、酪酸、イソ酪酸、ヘキサン酸、オクチル酸、シクロヘキサンカルボン酸などの一塩基酸類、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、フマル酸、グルタル酸、アジピン酸、シクロヘキサンジカルボン酸などの二塩基酸類、クエン酸、ヒドロキシクエン酸、イソクエン酸などの三塩基酸類が挙げられる。芳香族カルボン酸の具体例としては、安息香酸、p−ヒドロキシ安息香酸、p−ベンゾイル安息香酸、ナフタレンカルボン酸などの一塩基酸類、テレフタル酸、イソフタル酸、オルトフタル酸、ナフタレンジカルボン酸、p,p’−ビフェニルカルボン酸、o,o’−ビフェニルカルボン酸、4,4’−イミノジ安息香酸などの二塩基酸類、トリメリット酸などの三塩基酸類が挙げられる。複素環式カルボン酸の具体例としては、2−ピリジンカルボン酸、3−ピリジンカルボン酸、2,5−ピリジンジカルボン酸、2−チオフェンカルボン酸、3−インドールカルボン酸、5−カルボキシインドール、2−カルボキシピラジン、5−カルボキシピリミジンなどが挙げられる。ヒドロキシカルボン酸の具体例としては、グリコール酸、ヒドロキシプロピオン酸、ヒドロキシ酪酸、ヒドロキシ吉草酸、ヒドロキシカプロン酸、ヒドロキシ安息香酸、p−ヒドロキシ安息香酸、6−ヒドロキシ−2−ナフトエ酸およびこれらのエステル形成性誘導体などが挙げられる。
アミン化合物としては、1級アミン、2級アミン、ジアミン類をはじめとするポリアミン類が挙げられる。
環状カルボジイミド組成物は、環状カルボジイミド化合物(A成分)と、カルボジイミド基と反応性を有する化合物(B成分)とを反応させ製造する。反応は、溶融混練または溶媒中で混合して行うことができる。反応のコントロールや汎用性から、溶媒中で反応させることが好ましい。
環状カルボジイミド化合物(A成分)のカルボジイミド基1モルに対して、カルボジイミド基と反応性を有する化合物(B成分)を、その反応性基が0.01〜0.9モルとなる量、反応させることが好ましい。
環状カルボジイミド組成物は、環状カルボジイミド化合物(A成分)の溶剤への溶解性や各種モノマーおよびポリマーとの相溶性を向上することを目的としていることから、環状カルボジイミド化合物(A成分)のカルボジイミド基は極力残存させることが好ましい。溶解しても、カルボジイミド基が残っていなければ、環状カルボジイミド化合物としての性能を発揮しないためである。そのため、B成分の反応性基は0.9モル以下である。一方で、B成分の反応性基が0.01モルよりも少ないと、溶解性や相溶性の改善効果が発現しない場合がある。かかる観点より、カルボジイミド基と反応性を有する化合物(B成分)の含有量は、環状カルボジイミド化合物(A成分)のカルボジイミド基に対してB成分の反応性基が0.03〜0.75モルとなる量が好ましく、0.05〜0.6モルとなる量がより好ましい。
溶媒として、例えば、炭化水素系溶媒、ケトン系溶媒、エステル系溶媒、エーテル系溶媒、ハロゲン系溶媒、アミド系溶媒、アルコール系溶媒、グリコール系溶剤、ジメチルスルホキシド等を用いることができる。特に、環状カルボジイミド化合物(A成分)との相性の観点から、炭化水素系溶媒、ケトン系溶媒、ハロゲン系溶媒、アミド系溶媒、ジメチルスルホキシド等が好適に使用できる。例えば、トルエン、キシレン、テトラヒドロフラン、2−ブタノン、クロロホルム、クロロベンゼン、N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシドなどが例示される。これらの溶媒は単一であるいは所望により混合溶媒として使用することができる。
溶媒量は、環状カルボジイミド化合物(A成分)、カルボジイミド基と反応性を有する化合物(B成分)、使用する溶媒によって適宜設定すればよいが、A成分とB成分の合計重量に対して、溶媒の重量が1.5倍〜50倍の範囲が好適に使用できる。1.5倍よりも少ないと、A成分やB成分が十分に溶解せず、反応が遅くなる場合がある。また50倍よりも多いと、希釈系となるため、A成分やB成分の接触頻度が低下することにより、反応が遅くなる場合がある。かかる観点から、反応濃度は、A成分とB成分の合計重量に対して、溶媒の重量が2〜30倍が好ましく、3〜20倍がより好ましい。
反応の経過は、各種分析装置で確認可能である。例えば、NMR、IR、HPLC、TLCなどで確認することができる。本発明において、B成分の一部またはすべての反応性基は、A成分のカルボジイミド基と反応していることが重要であるため、反応の終点は、これらの確認を行い、適時設定することが好ましい。また、B成分のすべての反応性基が、A成分のカルボジイミド基と反応した時点を終点とすることが好ましい。
反応後の組成物の回収は、析出または乾固により行うことができる。析出する場合、再結晶や再沈の方法をとることができる。
再結晶は、溶液の冷却やエバポレータを使用した濃縮によって、環状カルボジイミド組成物を析出させることができる。また再沈は、溶液中に貧溶媒を加えるか、もしくは貧溶媒に溶液を加えることによって、環状カルボジイミド組成物 を析出させることができる。これらの方法を組合せて使用してもよい。再沈に使用する貧溶媒としては、脂肪族炭化水素系溶媒、エーテル系溶媒、アルコール系溶媒等が挙げられる。各溶媒としては、上述した溶媒の例示が同様に挙げられる。
乾固して回収する場合は、エバポレータやその他蒸留装置を用いて、使用した溶媒を除去すればよい。この場合、B成分のすべての反応性基が、A成分のカルボジイミド基と反応した状態であることが好ましい。さらに、必要に応じて、溶媒を除去した後に残る乾固物は、貧溶媒や良溶媒との混合溶液を用いて洗浄することができる。貧溶媒は上述したものと同様である。良溶媒としては、上述した再結晶などに使用する溶媒を同様に用いることができる。
得られた環状カルボジイミド組成物は、溶剤への溶解性や各種モノマーおよびポリマーとの相溶性が改善されていることを特徴とする。得られた環状カルボジイミド組成物は、溶剤に対する溶解性が、環状カルボジイミド化合物(A成分)の溶剤に対する溶解性の1.5倍以上であることが好ましい。
ここで溶剤とは、一般に公知なものであれば何でもよく、カルボジイミド基に対して不活性の溶剤が好適に使用される。また、溶剤としては、例えば、炭化水素系溶媒、ケトン系溶媒、エステル系溶媒、エーテル系溶媒、ハロゲン系溶媒、アミド系溶媒、アルコール系溶媒、グリコール系溶剤、ジメチルスルホキシド等を用いることができる。
溶解性(倍)=〔環状カルボジイミド組成物の溶解量(モル)〕/〔環状カルボジイミド化合物(A成分)の溶解量(モル)〕 (1)
環状カルボジイミド組成物は、環状カルボジイミド化合物(A成分)としての規則性が崩れることで、固体化合物であれば、A成分と比較して融点が低下する場合がある。そのため、環状カルボジイミド組成物 は低融点のポリマーなどに対して好適に使用することができる。
(1)環状カルボジイミド化合物、環状カルボジイミド組成物 のNMRによる同定:
合成した環状カルボジイミド化合物、反応後に回収した環状カルボジイミド組成物は、それぞれ1H−NMR、13C−NMRによって確認した。NMRは日本電子(株)製JNR−EX270を使用した。溶媒は重クロロホルムを用いた。
(2)環状カルボジイミド化合物、環状カルボジイミド組成物 のカルボジイミド骨格のIRによる同定:
合成した環状カルボジイミド化合物、反応後に回収した環状カルボジイミド組成物のカルボジイミド骨格の有無は、FT−IRによりカルボジイミドに特徴的な2100〜2200cm−1の確認を行った。FT−IRはサーモニコレー製Magna−750を使用した。
(3)溶解性の評価:
環状カルボジイミド組成物の溶解性は、25℃の溶剤100mlに対して、試料が何g溶解するかを測定し、環状カルボジイミド組成物と環状カルボジイミド化合物(A成分)の測定値から、下記式(1)を用いて求めた。
溶解性(倍)=〔環状カルボジイミド組成物の溶解量(モル)〕/〔環状カルボジイミド化合物(A成分)の溶解量(モル)〕 (1)
以下、本実施例で使用する化合物を説明する。
(製造例1)環状カルボジイミド化合物(A)の合成
環状カルボジイミド化合物(A成分)として、以下のMw=516の環状カルボジイミド化合物(A)を製造した。
次に中間生成物AN(0.1モル)と5%パラジウムカーボン(Pd/C)(2g)、エタノール/ジクロロメタン(70/30)400mlを、攪拌装置を設置した反応装置に仕込み、水素置換を5回行い、25℃で水素を常に供給した状態で反応させ、水素の減少がなくなったら反応を終了した。Pd/Cを回収し、混合溶媒を除去すると中間生成物AA(アミン体)が得られた。
次に、攪拌装置および滴下ロートを設置した反応装置に、N2雰囲気下、ジ−tert−ブチルジカーボネート(0.11モル)とN,N−ジメチル−4−アミノピリジン(0.055モル)、ジクロロメタン150mlを仕込み攪拌させる。そこに、25℃で中間生成物AT(0.025モル)を溶かしたジクロロメタン100mlをゆっくりと滴下させた。滴下後、12時間反応させる。その後、ジクロロメタンを除去し得られた固形物を、精製することで、環状カルボジイミド化合物(A)を得た。環状カルボジイミド化合物(A)の構造はNMR、IRにより確認した。
カルボジイミド基と反応性を有する化合物(B成分)として、以下の化合物を使用した。
B1:酢酸(和光純薬工業(株)製)
B2:p−ヒドロキシ安息香酸(和光純薬工業(株)製)
攪拌装置、加熱装置、還流装置、滴下ロートを設置した反応装置に、N2雰囲気下、環状カルボジイミド化合物(A)0.02モルとトルエン120mlを加え、120℃に加熱し、30分撹拌した。そこに、酢酸(B1)0.01モルをゆっくりと滴下し、滴下終了後、120℃で3時間反応させた。
その後、エバポレータを使用して、反応液からトルエンを除去した。得られた固形物をヘキサン100mlで洗浄し、ろ過回収後に乾燥することで、環状カルボジイミド組成物(CC1)を得た。
NMR、IRにより、環状カルボジイミド組成物(CC1)は、酢酸(B1)がカルボジイミド基と反応していること、カルボジイミド基が残存していることを確認した。得られた環状カルボジイミド組成物(CC1)について、クロロホルム、トルエン、テトラヒドロフランにおける溶解性を評価した。それぞれの結果を表1に示した。
環状カルボジイミド化合物(A)0.02モルと酢酸(B1)0.01モルとを25℃で直接混ぜ合わせ、混合物(DC1)を得た。混合物(DC1)は酢酸(B1)がカルボジイミド基と反応しておらず、カルボジイミド基は残存していることを確認した。得られた混合物(DC1)について、クロロホルム、トルエン、テトラヒドロフランにおける溶解性を評価した。それぞれの結果を表1に示した。
攪拌装置、加熱装置、還流装置、滴下ロートを設置した反応装置に、N2雰囲気下、環状カルボジイミド化合物(A)0.02モルとトルエン120mlを加え、120℃に加熱し、30分撹拌した。そこに、酢酸(B1)0.02モルをゆっくりと滴下し、滴下終了後、120℃で3時間反応させた。
その後、エバポレータを使用して、反応液からトルエンを除去した。得られた固形物をヘキサン100mlで洗浄し、ろ過回収後に乾燥することで、環状カルボジイミド組成物(CC2)を得た。
NMR、IRにより、環状カルボジイミド組成物(CC2)は、酢酸(B1)がカルボジイミド基と反応していること、カルボジイミド基が残存していることを確認した。得られた環状カルボジイミド組成物(CC2)について、クロロホルム、テトラヒドロフランにおける溶解性を評価した。それぞれの結果を表1に示した。
攪拌装置、加熱装置、還流装置、滴下ロートを設置した反応装置に、N2雰囲気下、環状カルボジイミド化合物(A)0.02モルとトルエン120mlを加え、120℃に加熱し、30分撹拌した。そこに、p−ヒドロキシ安息香酸(B2)0.01モルをゆっくりと滴下し、滴下終了後、120℃で3時間反応させた。
その後、エバポレータを使用して、反応液からトルエンを除去した。得られた固形物をヘキサン100mlで洗浄し、ろ過回収後に乾燥することで、環状カルボジイミド組成物(CC3)を得た。
NMR、IRにより、環状カルボジイミド組成物(CC3)は、p−ヒドロキシ安息香酸(B2)がカルボジイミド基と反応していること、カルボジイミド基が残存していることを確認した。得られた環状カルボジイミド組成物(CC3)について、クロロホルム、トルエン、テトラヒドロフランにおける溶解性を評価した。それぞれの結果を表1に示した。
攪拌装置、加熱装置、還流装置、滴下ロートを設置した反応装置に、N2雰囲気下、環状カルボジイミド化合物(A)0.02モルと2−ブタノンを加え、90℃に加熱し、30分撹拌した。そこに、p−ヒドロキシ安息香酸(B2)0.01モルをゆっくりと滴下し、滴下終了後、90℃で12時間反応させた。
その後、エバポレータを使用して、反応液から2−ブタノンを除去した。得られた固形物をヘキサン100mlで洗浄し、ろ過回収後に乾燥することで、環状カルボジイミド組成物(CC4)を得た。
NMR、IRにより、環状カルボジイミド組成物(CC4)は、p−ヒドロキシ安息香酸(B2)がカルボジイミド基と反応していること、カルボジイミド基が残存していることを確認した。得られた環状カルボジイミド組成物(CC4)について、2−ブタノンにおける溶解性を評価した。それぞれの結果を表1に示した。
環状カルボジイミド化合物(A)0.02モルとp−ヒドロキシ安息香酸(B2)0.01モルとを25℃で直接混ぜ合わせ、混合物(DC2)を得た。DC2はp−ヒドロキシ安息香酸(B2)がカルボジイミド基と反応しておらず、カルボジイミド基は残存していることを確認した。得られた混合物(DC2)について、クロロホルム、トルエン、テトラヒドロフランにおける溶解性を評価した。それぞれの結果を表1に示した。
Claims (7)
- カルボジイミド基と反応性を有する化合物(B成分)が、カルボン酸、アルコールおよびアミンからなる群より選ばれる少なくとも一種である請求項1に記載の製造方法。
- 環状カルボジイミド化合物(A成分)のカルボジイミド基1モルに対して、カルボジイミド基と反応性を有する化合物(B成分)を、その反応性基が0.01〜0.9モルとなる量、反応させる請求項1または2に記載の製造方法。
- カルボジイミド基と反応性を有する化合物(B成分)の分子量が1,000以下である請求項1〜3のいずれか一項に記載の製造方法。
- 溶媒中で反応させる請求項1〜4のいずれか一項に記載の製造方法。
- (b)反応後、析出または乾固して環状カルボジイミド組成物を回収する工程を含む請求項1〜5のいずれか一項に記載の製造方法。
- 得られた環状カルボジイミド組成物の溶剤に対する溶解性が、環状カルボジイミド化合物(A成分)の溶剤に対する溶解性の1.5倍以上である請求項1〜6のいずれか一項に記載の製造方法。
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