JP2016500373A - (パー)フルオロポリエーテルアルコールのアルコキシ化方法 - Google Patents

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Abstract

PFPEアルコールアルコキシ誘導体の簡便な製造方法を提供する。本方法は、ホウ素系触媒及びヨウ素源の使用を想定しており、PFPEアルコキシドを別個に用意し、同じPFPEアルコールのホウ酸トリエステルと接触させ、最後にヨウ素源の存在下でアルコキシ化を行うことを特徴とする。本方法によれば、工業スケールに好都合な条件で、少なくとも2のアルコキシ化度を高収率で得ることが可能である。

Description

本出願は、2012年12月11日に出願された欧州特許出願第12196554.5号に基づく優先権を主張し、この出願の全内容は、すべての目的のために参照により本明細書に組み込まれる。
本発明はアルコキシ化方法に関し、特には規定のアルコキシ化度を有する(パー)フルオロポリエーテルアルコキシ誘導体を製造するためのアルコキシ化方法に関する。
低アルコキシ化度(典型的には2〜10の範囲)であるフッ化アルコールアルコキシ誘導体、及び特には(パー)フルオロポリエーテル(PFPE)アルコールエトキシ誘導体は、更なる官能性誘導体及び混合コポリマー合成のための有用な基礎的要素である。実際、ポリマー末端に短いポリエチレンオキシ鎖が存在すると、水素化された試剤との相溶性が向上する。これは水素化された部位を有するコポリマーの合成において特に望ましい。水素化化合物との相溶性があることは、PFPEアルコールが水素化物成分と混合される組成物の製造においても有利な場合がある。
しかし、エトキシ化度が1〜約2であるPFPEアルコールエトキシ誘導体は、触媒量の対応するPFPEアルコキシドの存在下でPFPEアルコールをエチレンオキシドと反応させることによって合成することができるものの、エトキシ化度が2以上であるエトキシ誘導体を合成することができない。
この欠点を克服するために、代替方法の開発が試みられてきた。
多くの先行技術文献に、フッ化アルコールのエトキシ誘導体製造においてホウ素系触媒を使用することが開示されている。
例えば、1977年8月30日にFedorov V.A.らに付与された、発明者証SU570590は、触媒としての三フッ化ホウ素エーテラートの存在下、式H(CFCHOH(nは4〜12である)のフッ化アルコールをアルキレンオキシドと反応させることによる非イオン性表面剤の合成に関する。
米国特許第4490561号明細書(CONOCO INC[US])25.12.1984には、特定の群から選択される触媒(特には請求項1参照)の存在下、フッ化アルコールをアルコキシ化剤と接触させることを含む、フッ化アルコールのアルコキシ化方法が開示されている。この群としては、特にはBF/M(R)触媒(式中、Mはガリウム、インジウム、タリウム、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウム、及びチタンから選択される金属であり、qはMの価数と同じであり、Rは水素、フッ素、アルキル基、又はアルコキシ基である)が挙げられる。特に、このエトキシ化方法を行うことができるフッ化アルコールは以下の式:
(CHOH (5)
SONR2−1−OH (6)
CH=CH(CHOH (7)
CONR2−1−OH (8)
(式中、Rは直鎖又は分岐のパーフルオロアルキル基を表し、Rは2〜30個の炭素原子を有するアルキレン基であり、Rは独立に水素、ハロゲン、又は1〜30個の炭素原子を有するアルキル基である)
を満たすものである(特に第2カラム41〜63行目参照)。
国際公開第95/35272A号パンフレット(DU PONT[US])28.12.1995には、下記式:
F(CF−(CH−(OCHCH−OH
(式中、F(CFは直鎖のパーフルオロアルキル基であり、mは2〜約20の整数であり、nは1〜3の整数であり、pは1〜約40の整数である)
のフルオロアルコキシレートの混合物の調製方法であって、水素化ホウ素アルカリ金属と少なくとも1種のヨウ素源(単体ヨウ素、アルカリ金属ヨウ化物、及びアルカリ土類金属ヨウ化物から選択される)との混合物から本質的になる触媒の存在下、下記式:
F(CF−(CH−OH
(式中、m及びnは上で定義したとおりである)
のパーフルオロアルカノールを、エチレンオキシドと反応させることを含む方法が開示されている。
国際公開第96/28407号パンフレット(DU PONT[US])19.09.1996(米国特許第5608116号明細書に対応)は、水素化ホウ素アルカリ金属及び少なくとも1種のヨウ素源の存在下、フッ化アルコールを、2〜10個の炭素原子を有するアルキレンエポキシドと反応させることによる、特にはエチレンオキシドと反応させることによる、フルオロアルキルエトキシ化アルコールの合成方法に関する。特には、フッ化アルコールは下記式:
−Q−OH
(式中、Rは4〜20個の炭素原子を有する直鎖又は分岐のパーフルオロアルキル基、又はこれらの基の混合物であり、
Qは−(CH−、−SONR−、又は−C(O)−NR−であり、各RとRは独立に水素、又は1〜6個の炭素原子を有するアルキル基であり、各RとRは独立に1〜6個の炭素原子を有する直鎖又は分岐の二価アルキレン基であり、nは1〜6の整数である)
を満たす。
米国特許第8039677B号明細書(DU PONT[US])04.11.2010は、液体の表面挙動を変えるために使用されるフルオロアルコキシレートに関する。特に、この文献には、8個未満の炭素原子を有するパーフルオロアルキル基を含むフッ化アルキルアルコキシレートが開示されており、これは、(1)少なくとも1種の水素化ホウ素アルカリ金属と(2)少なくとも1種の四級塩とを含む触媒系の存在下、下記式のアルコール:
−(CHCF(CH−XH (4)
(式中、
は1〜6個の炭素原子の直鎖又は分岐のパーフルオロアルキル基であり、
nは1〜4の整数であり、
XはOであり、
mは1〜6の整数である)
を、アルキレンエポキシドなどの1種以上のアルコキシ化剤と反応させることを含む方法によって合成される。任意選択的には、触媒系にヨウ素源を存在させることもできる。実施例で報告されている結果(特には表1及び表3参照のこと)には、具体的には6から7のアルコキシ化度を有するフルオロアルコキシレートが開示されている。
国際公開第2010/127221A号パンフレット(DU PONT[US])04.11.2010では、特に、米国特許第8039677号明細書に記載の方法であってアルコキシ化剤が2〜10個の炭素原子を有するアルキレンオキシドである方法の開示及び特許請求が行われている。
国際公開第2009/073641号パンフレット(CHEMGUARD LTD)06.11.2009は、塩基の存在下、少なくとも1つのホウ素−酸素結合を有するあるいは与えるホウ素化合物及びヨウ素源をフルオロアルコール及びアルキレンオキシドと混ぜ、反応物を反応させてアルコキシ化フルオロアルコールである反応生成物を得ることを含む、アルコキシ化フルオロアルコールの製造方法に関する。
フルオロアルコールにはエトキシ化が行われることから、この文献では下記式:
F(CF−OH又はF(CF−A−OH
(式中、
mは通常2〜20、より好ましくは4〜14の範囲であり、
Aは式−(CH−、−SONR、又は式−C(O)NR−の基とすることができ、nは1〜6であり、R及びRはそれぞれ独立に水素、ハロゲン、及びC〜C30のアルキル基から選択され、R及びRはそれぞれ独立にC〜C30のアルキレン基から選択される)
の一官能性パーフルオロ化アルキルアルコールに関してのみ具体的に記載されている。
ホウ素化合物、ヨウ素源、アルキレンオキシド、及び塩基としては、具体的にはそれぞれホウ酸あるいはホウ酸アルキル、ヨウ化カリウム、エチレンオキシド、及びKOHが述べられている。
この文献では一官能性及び二官能性PFPEアルコールのアルコキシ化について記載も示唆もなされていない。更に、この文献は、フルオロアルコールに最初に塩基をすなわちNaOHを添加し、その次にヨウ素源及びホウ素化合物を添加し、最後にアルコキシ化剤を添加し、200℃に到しうる温度までこの混合物を加熱してエトキシ化反応を進行させることによって、アルコキシ化反応を行うことを教示している(9ページから10ページにかけての段落及び実施例1〜3を参照)。中でも実施例1及び3によれば、塩基とホウ酸あるいはホウ酸アルキルとの化学量論比が1:1より低く、温度が最大155℃までしか上昇しない。しかし、出願人がこの教示に従ってPFPEアルコール(特には−CF−CHOH末端基を有するPFPEアルコール)のエトキシ化を試みたところ、後述の比較例4における実験項に示されているように、期待される結果は得られなかった。
国際公開第2010/127230A号パンフレット(DU PONT)11.04.2010には、式RO(QO)H(式中、mは1〜20である)のアルコキシ化アルコールアルコキシレートの合成方法であって、1種以上の式ROHのアルコールを1種以上の式Q(O)
(式中、
− Qは式C2y+1の直鎖アルキレン基であり、yは2〜10の整数であり、
− Rは任意選択的に置換されていてもよい、1〜30個の炭素原子を有する直鎖、分岐、環状、又は芳香族のヒドロカルビル基である)
の1,2−アルキレンエポキシドと接触させることを含む方法が開示されている。
強塩基の使用を回避することを目的としたこの方法では、触媒に対するアルコールのモル比が約200〜15で触媒を使用することが想定されており、触媒はMB(OR(X)4−x又はB(OR/MX(式中、MはNa、K、Li、R、又はRであり、R、R、R、及びRは独立にヒドロカルビル基であり、XはBr、F、又はIであり、xは1〜3である)である。この方法は、約60〜約200℃の温度で、大気圧〜約1,035KPaの圧力で行われる。
この文献には、この方法が触媒の存在下でフッ化アルコールをアルキレンオキシドと接触させることを含むことが教示されており、また、「アルコールと触媒はアルキレンオキシドに同時に添加してもよいし、いずれの順序で添加してもよい」、「触媒は添加してもよいしニートのアルコール(反応溶媒としても機能する)中で発生させてもよい」と述べられている(5ページ28〜32行目参照)。
この先行技術文献では一官能性又は二官能性のPFPEアルコールのアルコキシ化に関して具体的に開示も示唆もなされていない。出願人が、この中に含まれる教示に従って、特にはフッ化アルコールのアルコキシドを用いない実施例34及び35に従って少なくとも2のエトキシ化度を有するエトキシ化誘導体を得るためにこのようなアルコール(特には−CF−CHOH末端基を有するPFPEアルコール)のエトキシ化を試みたところ、後述の比較例5における実験項に示されているように、期待される結果は得られなかった。
国際公開第2012/139070号パンフレット(E.I.DU PONT DE NEMOURS AND COMPANY)は、下記式:
−O−(CF(CH−O−(QO)−H (1)
(Rは任意選択的に1〜3個のエーテル酸素原子が挿入されていてもよい1〜6個の炭素原子を有する直鎖又は分岐のパーフルオロアルキルであり、
xは1〜6の整数であり、
yは1〜6の整数であり、
Qは式C2mの直鎖の1,2−アルキレン基であり、ここで、mは2〜10の整数であり、
zは1〜30の整数である)
のフルオロアルコキシレートに関する。
この文献は、(a)少なくとも1種のホウ素含有化合物と(b)ヨウ素源又は臭素源とを含む触媒系の存在下で式(1)の化合物を合成することを教示している。より詳しくは、パーフルオロプロピルビニルエーテルアルコール(PPVEアルコール)と、ホウ素含有化合物(水素化ホウ素ナトリウム)と、ヨウ素化合物(ヨウ化ナトリウム)との混合物を調製し、次いでこの混合物をエチレンオキシドと処理することで様々な結合を有するエトキシレートを得ることが実施例1で教示されている。実施例2では、HOCHCHCFCFOCFCFCFと、6%モルの対応する三ホウ酸エステルと、6%モルのヨウ化テトラブチルアンモニウムとを反応器に入れ、次いでエチレンオキシドと処理することでエトキシ化度8の化合物を得ることが教示されている。−CF−CHOH部を有するフッ化アルコール末端をアルコキシ化することと、フッ化アルコールのアルコキシドをこの方法で使用することについては特に記載されていない。
そのため、アルコキシ化度が少なくとも2であるPFPEアルコールのアルコキシ誘導体の簡便な工業的製造方法を提供することが求められている。
上記要求は、最初に触媒量の対応するアルコキシドを含有するPFPEアルコールの混合物を調製し、次いでこの混合物を、触媒量の同じPFPEアルコールのホウ酸トリエステルと接触させることによってホウ素系触媒種が調製される方法によって満たされることが見出された。
より詳しくは、本発明の方法は、
1)PFPEアルコールと、触媒量の対応するアルコキシド(以降「PFPE−alk」という)とを含有する混合物[M1]を別途用意する工程と、
2)混合物[M1]を、同じPFPEアルコールのホウ酸トリエステル(以降「PFPE−triBor」という)と、モル比PFPE−alk:PFPE−triBorが少なくとも1であるような量で接触させて混合物[M2]を得る工程と、
3)混合物[M2]を触媒量のヨウ素源と接触させて混合物[M3]を得る工程と、
4)混合物[M3]をアルコキシ化剤で処理してPFPEアルコールのアルコキシ誘導体を含有する混合物[M4]を得る工程と、
を含む。
実際、以降の説明からより明らかになるように、PFPE−alkをPFPE−triBorと別に用意することで、エトキシ化度が少なくとも2、好ましくは3〜10(以降の説明においては範囲端は含まれることが意図されている)、より好ましくは4〜6であるPFPEアルコールのエトキシ誘導体を、良好な収率で、工業スケールで特に好適な条件(反応時間、温度、及び圧力)で、得ることが可能であることが確認された。
本明細書の目的のため、用語「(パー)フルオロポリエーテル(PFPE)アルコール」は、少なくとも2つの鎖末端(鎖末端の一方又は両方に少なくとも1つのヒドロキシル基を有する)を有する、部分的に又は完全にフッ素化された、直鎖又は分岐のポリオキシアルキレン鎖(鎖R)を含むポリマーを意味することが意図される。第1の実施形態によれば、PFPEアルコールは2つの鎖末端を有し、そのうちの1つの鎖末端に1つのヒドロキシル基を有するR鎖を含み(以降「一官能性PFPEアルコール」という)、第2の実施形態によれば、PFPEアルコールは2つの鎖末端を有し、各鎖末端に1つのヒドロキシル基を有するR鎖を含む(以降「二官能性PFPEアルコール又はPFPEジオール」という)。
本発明のアルコキシ化方法を受けることができるPFPEアルコールは、特には下記式(I):
A−O−R−(CF−CFZ−CHOH (I)
(式中、
− Rは数平均分子量Mが100〜8,000、好ましくは300〜6,000、より好ましくは800〜3,000の(パー)フルオロポリオキシアルキレン鎖であり、(CFYO)(ここで、YはF又はCF);(CFCFO);(CFCFCFO)、(CFCF(CF)O)、及び(CF(CF)CFO)を含む(CO);及び(CFCFCFCFO)の群から選択される互いに同じでも異なっていてもよい繰り返し単位を含み、
− Zはフッ素又はCFであり、
− xは0又は1であり(ただし、xが1の場合はZはFである)、
− Aは(CF−CFZ−CHOHであるか、1つのフッ素原子が1つの塩素原子又は1つの水素原子で置換されていてもよい直鎖又は分岐のC〜Cパーフルオロアルキル基から選択され、塩素が非官能性基A又はB中に存在する場合、これは末端基総量基準で2%未満のモル量である)
によって表すことができる。
式(I)の化合物の好ましい例は、鎖Rが以下の分類から選択されるものである:
(a)−(CFO)(CFCFO)(CFCFCFO)(CFCFCFCFO)
(式中、m、n、p、qは0、又は、鎖Rが上記数平均分子量の要件を満たすように選択される整数であり、mが0でない場合、m/n比は好ましくは0.1〜20であり、(m+n)が0でない場合、(p+q)/(m+n)は好ましくは0〜0.2であり、両端は含まれる)
(b)−(CFCF(CF)O)(CFCFO)(CFO)(CF(CF)O)
(式中、a、b、c、dは0、又は、鎖Rが上記数平均分子量の要件を満たすように選択される整数であり、bが0でない場合、a/bは好ましくは0.1〜10であり、(a+b)が0でない場合、(c+d)/(a+b)は好ましくは0.01〜0.5、より好ましくは0.01〜0.2である)
(c)−(CFCF(CF)O)(CFO)(CF(CF)O)
(式中、e、f、gは0、又は、鎖Rが上記数平均分子量の要件を満たすように選択される整数であり、eが0でない場合、(f+g)/eは好ましくは0.01〜0.5、より好ましくは0.01〜0.2である)。
好ましい式(I)のPFPEアルコールは、例えば米国特許第6509509号明細書(AUSIMONT SPA)05.07.2001、米国特許第6573411号明細書(AUSIMONT SPA)21.11.2002、国際公開第2008/122639号パンフレット(SOLVAY SOLEXIS SPA)16.10.2008に開示されているような、当該技術分野で公知の複数の方法に従って、対応するPFPEカルボン酸あるいはエステルをNaBHなどの還元剤を用いて化学還元することによって、又は接触水素化を行うことによって、製造することができる。PFPEカルボン酸あるいはPFPEエステルの前駆体は、米国特許第3847978号明細書(MONTEDISON SPA)12.11.1974、米国特許第3766251号明細書(MONTEDISON SPA)16.10.1973、米国特許第3715378号明細書(MONTEDISON SPA)06.02.1973、米国特許第3665041号明細書(MONTEDISON SPA)23.05.1972、米国特許第4647413号明細書(MINNESOTA MINING & MFG)03.03.1987、欧州特許第151877A号明細書(MINNESOTA MINING & MFG)21.08.1985、米国特許第3442942号明細書(MONTEDISON SPA)06.05.1969、米国特許第577291号明細書(AUSIMONT SPA)07.07.1998、米国特許第5258110号明細書(AUSIMONT SRL)02.11.1993、又は米国特許第7132574B号明細書(SOLVAY SOLEXIS SPA)07.11.2006中で教示されているように、例えばフルオロオレフィンのオキシ重合によって、又はHFPO(ヘキサフルオロプロピレンオキシド)の開環重合によって、などの様々な方法に従って製造することができる。
本発明の好ましい実施形態によれば、式(I)のPFPEアルコールはPFPEジオール、すなわちAが−(CF−CFZ−CHOH(x及びZは上で定義したとおりである)である式(I)のアルコールである。
本発明の更に好ましい実施形態によれば、PFPEアルコール(I)中の鎖Rは分類(a)に属する鎖であり、より好ましくは、PFPEアルコールはPFPEジオール、すなわちAが(CF−CFZ−CHOH(x及びZは上で定義したとおりである)である式(I)のアルコールであり、より好ましくはAが−CFCHOHである式(I)のアルコールである。
本発明の方法の工程1)では、混合物[M1]は、典型的には式(I)のPFPEアルコールに塩基を添加し、塩基をPFPEアルコールと反応させ、PFPEアルコールに溶解した状態の、触媒量の対応するPFPE−alkを生成させることによって調製される。塩基は、金属水素化物、又はNaOH、KOH、Ca(OH)、及びMg(OH)などの金属水酸化物から選択することができ、本発明の好ましい実施形態によれば、塩基はKOHである。典型的には、塩基は、PFPEアルコール基準で1〜15%の、好ましくは2〜12%のPFPE−alkが得られる量使用される。したがって、本発明の目的のため、「触媒量のPFPE−alk」という表現は、PFPEアルコール基準で1〜15%モル、より好ましくは2〜12%モルの範囲のモル量を意味することが意図される。金属水酸化物が塩基として使用される場合、反応は典型的には加熱によって促進され、反応の進行は反応混合物から蒸発する水の量を測定することによって確認することができる。金属水素化物が塩基として使用される場合、反応の進行は反応混合物から気体として抜ける水素の量を測定することによって確認することができる。
本発明の方法の工程2)は、2つの異なる方法で行うことができる。下の実施例1で詳細に説明されている第1の好ましい実施形態では、PFPE−triBorとPFPEアルコールとを含有する混合物(以降混合物[Mest]という)が調製され、その後混合物[M1]と接触させられる。典型的には、[Mest]はホウ酸あるいはホウ酸エステル(モノ−、ジ−、トリ−アルキルエステルを含む)を添加し、試薬を反応が完結するまで、すなわちPFPEアルコールとの混合物中にPFPE−triBorが得られるまで反応させることによって調製される。典型的には、エステル化反応は減圧下、加熱して行われ、完結は反応混合物から蒸発した水(ホウ酸が用いられた場合)又はアルコール(ホウ酸のアルキルエステルが用いられた場合)の量を測定することによって確認される。下の実施例2で説明されている第2の好ましい実施形態では、PFPE−triBorはin situで調製される。すなわち上で定義したようなホウ酸トリアルキルエステルを混合物[M1]に添加することによって調製される。この場合においても反応は典型的には減圧下、加熱して行われ、反応の完結は同じ方法で確認される。
本発明の方法では、PFPE−alkとPFPE−triBorとの間のモル比は少なくとも1であり、好ましい実施形態によれば、PFPE−alkはPFPE−triBorに対して過剰量使用される。すなわちモル比は1より大きく、更に好ましくはモル比は少なくとも2である。実際、少なくとも2のモル比が採用された場合に反応がより早く進行し、より高い変換率が得られることが確認された。
本発明の方法の工程3)は、典型的には触媒量のヨウ素源を反応混合物[M2]に添加することによって行われる。ヨウ素源は、1種以上のヨウ化アルカリ金属又はヨウ化アルカリ土類金属(NaI、KI、CaIなど)、ヨウ化アンモニウム(NHIなど)、単体ヨウ素、及びこれらの組み合わせから選択することができる。好ましい実施形態によれば、ヨウ素源はKIである。触媒量のヨウ素源は、典型的にはフルオロアルコール基準で0.01〜5%の範囲に相当する量である。
本発明の方法の工程4)は、目標とするアルコキシ化度にするために、典型的にはフルオロアルコールに対して化学量論量のアルコキシ化剤を混合物[M3]に添加することによって行われる。本発明の方法で使用されるアルコキシ化剤は、典型的には下記式(II):
Figure 2016500373
(式中、R〜Rは互いに同じ又は異なり、水素、直鎖又は分岐のC〜Cアルキルから選択される)
を満たす。式(II)の化合物の好ましい例はエチレンオキシド及びプロピレンオキシドであり、より好ましい実施形態によれば、アルコキシ化剤はエチレンオキシドである。
アルコキシ化反応は、典型的には混合物[M3]に一定分量のアルコキシ化剤を1回以上添加し、アルコキシ化剤の消費及びアルコキシ化PFPEアルコールの生成をモニタリングすることによって行われる。アルコキシ化剤としてエチレンオキシドが用いられる場合、反応は反応容器中のエチレンオキシドの圧力を測定することによってモニタリングされる。典型的には、反応は通常90〜190℃の範囲の温度で加熱して行われる。アルコキシ化剤としてエチレンオキシドが用いられる場合、反応は通常110〜160℃の範囲の温度で行われる。
反応が完結した後、得られたエトキシ化PFPEアルコールは、抽出や蒸留を含む従来の技術によって混合物[M4]から単離することができる。通常は、混合物[M4]は室温まで冷却された後、フッ化溶媒で希釈され、その後無機塩基(典型的には炭酸塩)の水溶液で処理され、有機相が分離されて蒸留が行われる。フッ化溶媒の例としては、例えばGalden(登録商標)PFPE、Novec(登録商標)HFEなどのハイドロフルオロエーテル(HFE)、Vertel(登録商標)又はFluorinert(登録商標)などのハイドロフルオロカーボン(HFC)、及びヘキサフルオロベンゼンや1,3−ヘキサフルオロキシレンなどのフルオロ芳香族溶媒が挙げられる。典型的には、フッ化溶媒は1,3−ヘキサフルオロキシレンである。
本発明の方法によって、工業スケールに好都合な条件で、PFPEアルコールのアルコキシ誘導体を高収率(95%超の変換率)で得ることが可能であり、特には、少なくとも2の、典型的には3〜10のエトキシ化度を有するPFPEアルコールアルコキシ誘導体を得ることが可能である。
本発明を、以下で報告されている実験項及び非限定的な実施例でより詳細に説明する。
参照により本明細書に援用されるあらゆる特許、特許出願、および刊行物が、用語を不明確にし得る程度まで本出願の記載と矛盾する場合には、本発明の記載が優先するものとする。
材料及び方法
Solvay Specialty Polymersから市販されているFomblin(登録商標)Z−DOL PFPEを使用した。残りの試薬及び溶媒はSigma−Aldrichから購入し、そのまま使用した。
H−NMR及び13H−NMRスペクトルは、Hに関しては499.86MHzで、19Fに関しては470.30MHzで稼働するAgilent System 500で記録した。
誘導結合プラズマ(ICP)分析は、Perkin Elmer ICP−OES分光計、モデルOptima 4300 DVを用いて行った。
実施例
実施例1−平均エトキシ化度が4.4のエトキシ化PFPEジオールの合成
混合物[Mest](Fomblin(登録商標)Z−DOL PFPEとホウ酸とのトリエステル)の調製
式:
HOCHCFO(CFCFO)(CFO)CFCHOH
(m/n=1.2、平均分子量M=1,700、当量Ew=865)のPFPEジオール(以降Fomblin(登録商標)Z−DOL PFPEという)1.50kgを、メカニカルスターラーと機械式真空ポンプとポンプ手前のコールドトラップとを備えた2Lの反応器に入れた。1当量のホウ酸(10.7g、173mmol)を添加し、得られた混合物を撹拌し、オイルバスを用いて80℃で加熱し、その後反応器を減圧にし、約10mbarの圧力に保持した。混合物中の全ての固体が消失し、透明溶液が得られた(約1時間)。コールドトラップ中に集められた水の量は、対応するトリエステルを生成するためのホウ酸とFomblin(登録商標)Z−DOL PFPEとの反応で見込まれる量と一致した(約9グラム)。
混合物は、19F−NMRによって分析した。−81.3ppm及び−83.3ppm(ref.CFCl)にある既知のOCF CHOH基のシグナルの他に、−80.6ppm及び−82.6ppmにホウ酸エステル−OCF CHO−B=基に対応する新しいシグナルが出現した。ホウ素に結合したアルコール基とフリーのアルコール基との比率は、Fomblin(登録商標)Z−DOL PFPEを用いたホウ酸の対応するトリエステルへの定量的変換で見込まれるとおり、30:70であった。
調製2−混合物[M1]の調製(Fomblin(登録商標)Z−DOL PFPEカリウム塩)
別の5Lの反応器の中に、調製1)で使用したのと同じFomblin(登録商標)Z−DOL PFPE3.50kgを入れ、30%のKOH水溶液75.5g(404mmol)を添加した。撹拌した混合物を、減圧下(50mbar〜10mbar)、水の脱離が完結してFomblin(登録商標)Z−DOL PFPEのカリウム塩を含む透明溶液が得られるまで80℃で加熱した。
溶液を室温まで冷却し、撹拌しながら調製1)からのホウ酸エステル1.5kgを添加することによって透明溶液を得た。
混合物[M3]の調製
調製2で得た溶液(5.0kg)を10Lの反応器に入れ、20gの乾燥ヨウ化カリウムを添加した。得られた混合物を撹拌しながら80℃で加熱し、窒素流でストリッピングを行うことによって微量存在する水を除去した。温度を110℃まで上げ、反応器の中を脱気した。
エトキシ化反応(混合物[M4]の調製)
エチレンオキシド(EO)を、圧力が3.5atmになるまで反応器に供給した。EOの消費は圧力の低下から容易に確認することができた。圧力を3〜3.5atmの間に維持するために、EOを連続的に供給した。
約1.5時間後、約380gのEOが供給され、その後すぐに消費速度が低下し始めた。その後、2.5時間かけて温度を徐々に140℃まで上げた。この温度ではEO消費が速いことが確認され、追加的に740gのEOを約1.5時間で供給した。EOの供給が停止され、反応器内の圧力は45分以内に3.5atmから1atmまで低下した。反応混合物を冷却し、窒素でストリッピングすることによって溶解している残留EOを除去し、約6,100gの生成物を回収した。
エトキシ化PFPEジオールの精製及び分析
調製3で得た生成物100gを50mlの1,3−ヘキサフルオロキシレン(HFX)で希釈し、50mlの20%炭酸カリウム水溶液を添加し、得られた混合物を50℃で1時間激しく撹拌した。下の有機層を分離し、50mlの水と10gのイソブタノールとからなる混合物が入った分液漏斗に注ぎ、激しく振り混ぜた。相が分離した後、下の有機層を集め、蒸留して溶媒(HFX、イソブタノール)を除去した。淡黄色透明液体97gからなる残留物に対してNMR分析を行った。
H−NMR(A113/CDOD溶液中)分析及び19F−NMR分析によって、平均エトキシ化度pが4.4であり、非エトキシ化Fomblin(登録商標)Z−DOL PFPEヒドロキシル基の含量が0.3%に近い以下の構造:
HO(CHCHO)CHCFO(CFCFO)(CFO)CFCH(OCHCHOH
が確認された(変換率99%超)。H−NMRによって得られたエトキシ化度の値は13C−NMR分光法によって裏付けられた。誘導結合プラズマ(ICP)分析からは、ホウ素含量がごく少量であることが明らかになった(5ppm)。
実施例2−平均エトキシ化度が5のエトキシ化PFPEジオールの合成
調製1−混合物[M1]の調製
実施例1で定義した6.40kgのFomblin(登録商標)Z−DOL PFPEを10Lの反応器に入れ、82.9gの30%KOH水溶液を添加した(KOH440mmol)。混合物を撹拌し、減圧(50mbarから10mbarまで)下、水の脱離が完結するまで80℃で加熱した。
調製2−混合物[M2]の調製
反応器を60℃まで冷却し、次いで25gのホウ酸トリメチル(240mmol)を添加し、得られた混合物をわずかに窒素過圧(0.2bar)の状態で30分撹拌し、その後、減圧にしてメタノールの除去が終わるまで温度を再び80℃に上げた。
調製3−混合物[M3]の調製
その後、250gの原料ジアルコールとのスラリー中に分散されている25gのKIを混合物に添加し、反応器を窒素流で15分間ストリッピングした。
エトキシ化反応(混合物[M4]の調製)
混合物[M3]の温度を110℃まで上げ、反応器の中を脱気した。EOを圧力が3.4atmになるまで供給した(約270g)。EOの消費は圧力の低下から容易に確認することができた。圧力を3〜3.5atmの間に維持するために、自動圧力制御を用いてEOを連続的に供給した。
約1.5時間後、約550gのEOが反応器に供給され、その後消費速度は低下した。更に1時間経過してもEOの更なる供給は確認されなかった。
その後、温度を約30分かけて140℃に上げると、EOの消費が再び確認された。消費速度は次第に早くなり、約2時間後には、全部で1.690gのEO(38.4mol)が反応器に供給された。供給が停止され、反応器内部の圧力は45分以内に3.5atmから1atmまで下がった。反応混合物を冷却し、窒素でストリッピングすることによって溶解している残留EOを除去し、約8,300gの生成物を反応器から取り出した。
エトキシ化PFPEジオールの精製及び分析
この材料の一定分量を実施例1と同じ手順に従って精製及び分析した。
H−NMR(A113/CDOD溶液中)分析及び19F−NMR分析によって、平均エトキシ化度p=5.0であり、非エトキシ化Fomblin(登録商標)Z−DOL PFPEヒドロキシル基の含量が1.0%に近い以下の構造:
HO(CHCHO)CHCFO(CFCFO)(CFO)CFCH(OCHCHOH
が確認された(変換率99%)。
実施例3−平均エトキシ化度が4.5のエトキシ化PFPEジオールの合成
調製1−混合物[Mest]の調製
実施例1と同じ手順に従って、Mn=1,530、Ew=845である5.0kgのFomblin(登録商標)Z−DOL PFPEを18.3gのホウ酸(296mmol)と反応させて、Fomblin(登録商標)Z−DOL PFPEとホウ酸との対応するトリエステルのFomblin(登録商標)Z−DOL PFPE溶液を得た。
調製2−混合物[M1]の調製
別の反応器の中で、同じFomblin(登録商標)Z−DOL PFPE2,500gを、55.2gの30%KOH水溶液(KOH296mmol)で処理して対応するFomblin(登録商標)Z−DOL PFPE カリウムアルコキシドのFomblin(登録商標)Z−DOL PFPE溶液を得た。
調製3−混合物[M2]の調製
[Mest]と[M1]とを混合して、Fomblin(登録商標)Z−DOL PFPEのホウ酸とのトリエステルと、Fomblin(登録商標)Z−DOL PFPEのカリウムアルコキシドとを1:1の比率で含む混合物[M2]7.5kgを得た。
混合物[M3]の調製
調製3で得た混合物[M2]を、その後10Lに入れ、35gの乾燥ヨウ化カリウムを添加した。混合物を撹拌しながら80℃に加熱し、窒素流でストリッピングを行うことによって微量存在する水を除去し、その後温度を110℃に上げて反応器の中を脱気した。
エトキシ化反応(混合物[M4]の調製)
EOを、圧力が3.5atmになるまで反応器に供給した。2時間後、圧力の低下は確認されなかった。温度を徐々に125℃まで上げた。この温度では非常にゆっくりな圧力の低下が認められたが、4時間後には約100gのEOしか消費されていなかった。反応器をEOの供給なしで終夜125℃のままおいた。翌朝圧力は1atm未満であった。約450gのEOを供給して圧力を3.5atmに戻した。この間、前日に確認されたのと同様なゆっくりとした圧力の低下が認められた。1時間後、温度を140℃に上げた。1.5時間後、EO消費速度は次第に早くなり、次の2時間で追加的に960gのEOを供給した。EOの供給が停止され、反応器内部の圧力は1時間以内に3.5atmから1atmまで低下した。反応混合物を冷却し、窒素でストリッピングすることによって残留溶解EOを除去し、反応器から約9.0kgの生成物を回収した。
エトキシ化PFPEジオールの精製及び分析
生成物の一定分量を実施例1と同じ手順で精製及び分析した。
H−NMR(A113/CDOD溶液中)分析及び19F−NMR分析によって、平均エトキシ化度p=4.5であり、非エトキシ化Fomblin(登録商標)Z−DOL PFPEヒドロキシル基の含量が約4.4%である以下の構造:
HO(CHCHO)CHCFO(CFCFO)(CFO)CFCH(OCHCHOH
が確認された(変換率95%)。H−NMRによって得られたエトキシ化度の値は13C−NMR分光法によって裏付けられた。誘導結合プラズマ(ICP)分析からは、ホウ素含量がごく少量であることが明らかになった(9ppm)。
実施例4(比較例)−等量に満たないFomblin(登録商標)Z−DOL PFPEアルコキシドを用いたFomblin(登録商標)Z−DOL PFPEのエトキシ化
実施例1と同じ手順に従って、Mn=1,410、Ew=777であるFomblin(登録商標)Z−DOL PFPE2.0kgを20.0gのホウ酸(320mmol)と反応させ、対応するホウ酸トリエステルのFomblin(登録商標)Z−DOL PFPE溶液を得た。
別の反応器で、1500gの同じFomblin(登録商標)Z−DOL PFPEを30%のKOH溶液48.5g(KOH260mmol)で処理して対応するアルコキシドのFomblin(登録商標)Z−DOL PFPE溶液を得た。2つの溶液を混合して、Fomblin(登録商標)Z−DOL PFPE中にホウ酸トリエステルと等量に満たないアルコキシド(トリエステルに対して)とが含まれている溶液3.5kgを得た。
この溶液を10Lのエトキシ化反応器に入れ、15gの乾燥ヨウ化カリウムを添加した。混合物を撹拌しながら80℃で加熱し、窒素流でストリッピングを行うことによって微量存在する水を除去した。
温度を110℃まで上げ、反応器の中を脱気した。EOを圧力が3.5atmになるまで反応器中へ供給した。2時間後、圧力の低下は確認されなかった。温度を140℃まで徐々に上げていったが、反応は確認されなかった。1時間後、温度を更に150℃に上げたが(圧力を6atm未満に維持するためにEOの一部を排気した)、ここでも圧力の低下は確認されなかった。同じ手順で温度を160℃まで上げ、次いで175℃まで上げたが、2時間後に圧力の低下が確認されなかったため、実験を中断した。
したがって、この実施例はPFPEホウ酸トリエステル対して、等量に満たないPFPEアルコキシドを使用してエトキシ化を行う場合、エトキシ化反応が進行しないことを示している。
実施例5(比較例)−Fomblin(登録商標)Z−DOL PFPEのアルコキシドを用いないFomblin(登録商標)Z−DOL PFPEのエトキシ化
実施例1と同じ手順に従って、Mn=1,530、Ew=845であるZDOL5,100gを37.1gのホウ酸(600mmol)と反応させ、対応するホウ酸トリエステルのFomblin(登録商標)Z−DOL PFPE溶液を得た。
その後、この溶液を10Lのエトキシ化反応器に入れ、20gの乾燥ヨウ化カリウムを添加した。混合物を撹拌しながら80℃で加熱し、窒素流でストリッピングを行うことによって微量存在する水を除去した。温度を110℃に上げ、反応器の中を脱気した。EOを圧力が3.5atmになるまで反応器中へ供給した。圧力の低下は確認されなかった。温度を徐々に140℃まで上げたが、反応は確認されなかった。1時間後、温度を更に150℃に上げたが(圧力を6atm未満に維持するためにEOの一部を排気した)、ここでも圧力の低下は確認されなかった。同じ手順で温度を160℃まで上げ、次いで170℃まで上げ、最終的には180℃まで上げたが、最も高い温度においても反応が確認されなかったため、実験を中断した。
最初の反応混合物に実施例1で得られたポリエトキシ化PFPE(エトキシ化度p=4.4)250gを添加した以外は全く同じ条件で再び実験を行った。上と同じエトキシ化の手順を用いたが、180℃まで反応が確認されなかったため、実験を中断した。
したがって、この実施例は、触媒量のPFPEアルコキシドを使用しないでエトキシ化を行う場合、エトキシ化反応が起こらないことを示している。

Claims (15)

  1. (パー)フルオロポリエーテル(PFPE)アルコールアルコキシ誘導体の合成方法であって、
    1)PFPEアルコールと、触媒量の対応するアルコキシドとを含む混合物[M1]を別途用意することと、
    2)混合物[M1]を、同じPFPEアルコールのホウ酸トリエステルと、前記PFPEアルコキシドと前記ホウ酸トリエステルとの間のモル比が少なくとも1であるような量で接触させて混合物[M2]を得ることと、
    3)混合物[M2]を触媒量のヨウ素源と接触させて混合物[M3]を得ることと、
    4)混合物[M3]をアルコキシ化剤で処理してPFPEアルコールのアルコキシ誘導体を含有する混合物[M4]を得ることと
    を含む、方法。
  2. 前記PFPEアルコールが、部分的に又は完全にフッ素化された、少なくとも2つの鎖末端を有する直鎖又は分岐のポリオキシアルキレン鎖(鎖R)を含み、一方又は両方の鎖末端は少なくとも1つのヒドロキシル基を有する、請求項1に記載の方法。
  3. 前記PFPEアルコールが2つの鎖末端を有するR鎖を含み、一方の鎖末端が1つのヒドロキシル基を有する、請求項2に記載の方法。
  4. 前記PFPEアルコールが2つの鎖末端を有するR鎖を含み、両方の鎖末端が1つずつヒドロキシル基を有する、請求項2に記載の方法。
  5. 前記PFPEアルコールが、下記式1:
    A−O−R−(CF−CFZ−CHOH (I)
    (式中、
    − Rは数平均分子量Mが100〜8,000の(パー)フルオロポリオキシアルキレン鎖であり、以下:(CFYO)(ここで、YはF又はCF);(CFCFO);(CFCFCFO)、(CFCF(CF)O)、及びCF(CF)CFO)を含む(CO);及び(CFCFCFCFO)の群から選択される互いに同じでも異なっていてもよい繰り返し単位を含み、
    − Zはフッ素又はCFであり、
    − xは0又は1であり(ただし、xが1の場合はZはFである)、
    − Aは−(CF−CFZ−CHOHであるか、1つのフッ素原子が1つの塩素原子又は1つの水素原子で置換されていてもよい直鎖又は分岐のC〜Cパーフルオロアルキル基から選択され、
    塩素が非官能性基A又はB中に存在する場合、これは末端基総量基準で2%未満のモル量である)
    を満たす、請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。
  6. 鎖Rが、以下の分類:
    (a)−(CFO)(CFCFO)(CFCFCFO)(CFCFCFCFO)
    (式中、m、n、p、qは0、又は、鎖Rが上記数平均分子量の要件を満たすように選択される整数であり、mが0でない場合、m/n比は好ましくは0.1〜20であり、(m+n)が0でない場合、(p+q)/(m+n)は好ましくは0〜0.2であり、両端は含まれる)
    (b)−(CFCF(CF)O)(CFCFO)(CFO)(CF(CF)O)
    (式中、a、b、c、dは0、又は、鎖Rが上記数平均分子量の要件を満たすように選択される整数であり、bが0でない場合、a/bは好ましくは0.1〜10であり、(a+b)が0でない場合、(c+d)/(a+b)は好ましくは0.01〜0.5、より好ましくは0.01〜0.2である)
    (c)−(CFCF(CF)O)(CFO)(CF(CF)O)
    (式中、e、f、gは0、又は、鎖Rが上記数平均分子量の要件を満たすように選択される整数であり、eが0でない場合、(f+g)/eは好ましくは0.01〜0.5、より好ましくは0.01〜0.2である)
    から選択される、請求項5に記載の方法。
  7. 前記PFPEアルコキシドと前記ホウ酸トリエステルとの間のモル比が1よりも大きい、請求項1〜6のいずれか1項に記載の方法。
  8. 前記PFPEアルコキシドと前記ホウ酸トリエステルとの間のモル比が少なくとも2である、請求項7に記載の方法。
  9. 前記PFPEアルコールのホウ酸との前記トリエステルが、混合物[M1]とは別に用意され、その後混合物[M1]と接触させられる、請求項1〜8のいずれか1項に記載の方法。
  10. 前記PFPEアルコールのホウ酸との前記トリエステルが、[M1]にホウ酸アルキルエステルを添加することによってin situで合成される、請求項1〜8のいずれか1項に記載の方法。
  11. 前記ヨウ素源がヨウ素である、請求項1〜9のいずれか1項に記載の方法。
  12. 前記アルコキシ化剤がエチレンオキシド又はプロピレンオキシドである、請求項1〜11のいずれか1項に記載の方法。
  13. 前記アルコキシ化剤がエチレンオキシドである、請求項1に記載の方法。
  14. 前記アルコキシ化アルコールが少なくとも2のアルコキシ化度を有する、請求項1〜13のいずれか1項に記載の方法。
  15. 前記アルコキシ化度が2〜10の範囲である、請求項14に記載の方法。
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