JP2020522594A - 1,3−ジエンとオレフィンとからなる官能性コポリマー - Google Patents
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Abstract
Description
ポリマーの鎖の1つの末端にアルコキシシリルまたはシラノール官能基をもたらす修飾は、アニオン重合によって合成されるポリマーについて、広く記載されている。アニオン重合によって生成したポリマー鎖の末端の修飾は、ポリマー鎖のリビングな性質に基づき、リビングな性質は、重合反応中に移動反応および停止反応がないことを表す。リビング重合は、開始剤1モル当たり、または金属1つ当たりに1つのポリマー鎖が生成するという事実によっても特徴づけられる。不均一チーグラー−ナッタ触媒系を用いた触媒的重合によって合成されるポリマーについての、アルコキシシランまたはシラノール官能基によるポリマーの鎖末端の修飾は、なおのこと記載されない。例として、ネオジムカルボキシレートを含む触媒系を用いた配位触媒によって調製される、高含有率のcis−1,4−結合を有するポリブタジエンの官能化を記載している、国際公開第2001034658号の文献を挙げることができる。しかし、これらの合成経路は、エチレン単位が豊富なジエンエラストマーをもたらさない。
エチレン/1,3−ブタジエンコポリマーは、ミクロ構造のため、アニオン重合によって、またはチーグラーナッタ重合によって合成されたポリジエンエラストマーまたは1,3−ジエン/スチレンコポリマーとは、異なる特性を有する。しかし、エチレン単位が豊富なこれらのジエンコポリマーのいくつかは剛直であり、特定の用途、例えばタイヤには高すぎる場合があることが判明している剛直性を、ゴム組成物に付与する。したがって、より低い剛直性もゴム組成物に付与する新たなコポリマーを生成することに、関心が持たれている。
本発明の別の主題は、本発明によるコポリマーを合成するための方法であって、
a) オルガノマグネシウム化合物と式(I−1)または(I−2)の部分を含むメタロセンとを含む触媒系の存在下、1,3−ジエンおよびオレフィンを含有するモノマー混合物を共重合させるステップ、
P(Cp1)(Cp2)Met (I−1)
(Cp1)(Cp2)Met (I−2)
(Metは第4族金属原子または希土類金属原子であり、
Pは2つの基、Cp1とCp2とを架橋し、かつ少なくとも1個のケイ素または炭素原子を含む基であり、
Cp1およびCp2は、同一でありまたは異なり、シクロペンタジエニル基、インデニル基、およびフルオレニル基からなる群から選択され、該基は置換されていても非置換であってもよい)
b) 官能化剤、式(II)の化合物を、ステップa)で得られたコポリマーと反応させるステップ、
Si(Fc1)4-g(Rc2)g (II)
(記号Fc1は同一でありまたは異なり、アルコキシ基またはハロゲンを表し、
記号Rc2は同一でありまたは異なり、水素原子、炭化水素鎖、または化学官能基Fc2によって置換されている炭化水素鎖を表し、
gは0〜2の範囲の整数である)
c) 必要な場合、加水分解反応させるステップ
を含む、方法である。
「aからbの間」という表現によって表記される値同士の間隔はいずれも、「a」を超え、かつ「b」より小さい値の範囲を表し(すなわち、境界値aおよびbは除外される)、一方、「a〜b」という表現によって表記される値同士の間隔はいずれも、「a」から「b」までにわたる値の範囲を意味する(すなわち、厳密な境界値aおよびbを含む)。
本明細書で言及される化合物は、化石またはバイオベースの起源であってもよい。後者の場合、これらは、部分的にまたは完全に、バイオマスから生じたものでもよく、またはバイオマスから生じる再生可能な出発材料から得られるものでもよい。モノマーが、特に関係している。
慣習的に、1,3−ジエンモノマー単位は、1,3−ジエンを、1,4または2,1挿入でコポリマー鎖に挿入することによって生じる単位を指す。1,3−ジエンは、1つまたは複数の1,3−ジエンを意味するものと理解されたい。複数の1,3−ジエンの場合、1,3−ジエンモノマー単位は、1,3−ジエンのそれぞれを挿入することによって生じるモノマー単位を指す。
慣習的に、オレフィンモノマー単位は、オレフィンを、1型(primary)(1,2)または2型(secondary)(2,1)挿入でコポリマー鎖に挿入することによって生じる単位を指す。複数のオレフィンの場合、オレフィンモノマー単位は、オレフィンのそれぞれを挿入することによって生じるモノマー単位を指す。オレフィンは好ましくは、エチレン、またはα−モノオレフィンとエチレンとの混合物である。α−モノオレフィンは、1つまたは複数のα−モノオレフィンを意味するものと理解されたい。
α−モノオレフィンとしては、脂肪族または芳香族α−モノオレフィンが好適である。脂肪族α−モノオレフィンが、好ましくは、プロペン、1−ブテン、1−ヘキセン、1−オクテン、1−ヘキサデセン、またはこれらの混合物のように、3〜18個の炭素原子を有する。芳香族α−モノオレフィンが、好ましくは、スチレン、パラ、メタもしくはオルト位が1つもしくは複数のアルキル基で置換されているスチレンなどの、置換されているもしくは非置換のフェニル基、またはこれらの混合物によって、二重結合のα位が置換されているモノオレフィンである。
本発明の別の実施形態によれば、1,3−ジエンモノマー単位が、コポリマーのモノマー単位の35mol%未満を占める。
本発明の特定の一実施形態によれば、エチレン単位が、コポリマーのモノマー単位の50mol%超、優先的には65mol%超を占める。
本発明の優先的な一実施形態によれば、1,3−ジエンモノマー単位は、1,3−ジエンモノマーをコポリマー鎖にtrans−1,4挿入することから生じる部分の80mol%超を含有する。言い換えれば、この優先的な実施形態によれば、trans−1,4配置における1,3−ジエンモノマー単位が、1,3−ジエンモノマー単位の80mol%超を占める。
本発明の有利な一実施形態によれば、本発明によるコポリマーが、1,3−ブタジエンとエチレンとのコポリマー、または1,3−ブタジエンとエチレンとα−モノオレフィンとのターポリマーである。
本発明によるコポリマーは、鎖末端の1つに、アルコキシシラン官能基またはシラノール官能基を有するという、別の本質的な特色も有する。本出願において、末端の一方が有するアルコキシシランまたはシラノール官能基は、本出願において、官能性基F1の名称で呼ばれる。
本発明の一実施形態によれば、官能性基F1は、共有結合によってコポリマーの末端単位に直接付着しており、これは、官能基のケイ素原子が共有結合的に、コポリマーの末端単位の炭素原子に、直接結合していることを意味する。末端単位は、共重合によってコポリマー鎖に挿入された最後の単位を意味し、この単位には末端から2番目の単位が先行し、末端から2番目の単位自身には3番目の単位が先行するものとして理解されたい。
Si(OR1)3-f(R2)f (II−a)
記号R1は同一でありまたは異なり、アルキルを表し、
記号R2は同一でありまたは異なり、水素原子、炭化水素鎖、または化学官能基F2によって置換されている炭化水素鎖を表し、
fは0〜2の範囲の整数である。
式(II−a)において、記号R1が、優先的には最大6個の炭素原子を有するアルキル、より優先的にはメチルまたはエチル、さらにより優先的にはメチルである。3−fが1を超える場合、記号R1は有利には同一であり、特にメチルまたはエチルであり、より詳細にはメチルである。
Si(OH)(R2)2 (II−b)
記号R2は同一でありまたは異なり、水素原子、炭化水素鎖、または化学官能基F2によって置換されている炭化水素鎖を表す。
式(II−a)および(II−b)において記号R2によって表される炭化水素鎖の中でも、アルキル、特に1〜6個の炭素原子を有するもの、特にメチルまたはエチル、好ましくはメチルを挙げることができる。
式(II−a)および(II−b)において記号R2によって表される化学官能基F2によって置換されている炭化水素鎖の中でも、アルカンジイル鎖、特に最大6個の炭素原子を含むもの、非常に詳細には1,3−プロパンジイル基を挙げることができるが、アルカンジイル鎖は置換基、化学官能基F2を有し、言い換えれば、アルカンジイル鎖の一方の原子価は官能基F2のため、他方の原子価はシラノールまたはアルコキシシラン官能基のケイ素原子のためである。
式(II−a)および(II−b)において、記号R2は同一でありまたは異なり、好ましくは最大6個の炭素原子を有するアルキル、または最大6個の炭素原子を有し、化学官能基F2によって置換されているアルカンジイル鎖を表す。
官能性基F1としては、アルコキシまたはシラノール型であっても、上に言及した、シリル基によって保護された形態におけるアミンまたはチオール官能基を含む官能性基、特にトリメチルシリルまたはtert−ブチルジメチルシリル基も挙げることができる。
本発明の実施形態のいずれか1つによれば、コポリマーが好ましくは、例えばタイヤ用ゴム組成物中のエラストマーとしてのコポリマーの使用に特に有利な最小値である、少なくとも5000g/molの、より優先的には少なくとも60000g/molの数平均モル質量(Mn)を有する。一般に、その数平均モル質量は1500000g/molを超えず、この値を超えると、コポリマーの粘性のため、コポリマーの使用が困難になりうる。コポリマーが、好ましくは、1.10と3.00の間のMw/Mn(Mwは質量平均モル質量)に等しい、分散度Dを有する。Mn、Mw、およびDの値は、セクションII.1に記載する方法に従って測定する。
この方法は、以下のステップ(a)および(b)、ならびに必要であればステップ(c):
a) オルガノマグネシウム化合物と式(I−1)または(I−2)の部分を含むメタロセンとを含む触媒系の存在下、1,3−ジエンおよびオレフィンを含有するモノマー混合物を共重合させるステップ、
P(Cp1)(Cp2)Met (I−1)
(Cp1)(Cp2)Met (I−2)
(Metは第4族金属原子または希土類金属原子であり、
Pは2つの基、Cp1とCp2とを架橋し、かつケイ素または炭素原子を含む基であり、
Cp1およびCp2は、同一でありまたは異なり、シクロペンタジエニル基、インデニル基、およびフルオレニル基からなる群から選択され、該基は置換されていても非置換であってもよい)
b) 官能化剤を、ステップa)で得られたコポリマーと反応させるステップ、
c) 必要な場合、加水分解反応させるステップ
を含むという本質的な特色を有する。
ステップa)は、1,3−ジエンおよびオレフィンのモノマー混合物の共重合である。共重合は、それぞれ触媒および共触媒として用いられる、メタロセンとオルガノマグネシウム化合物とから構成される触媒系を用いて、出願、欧州特許出願公開第1092731号、国際公開第2004035639号、および同第2007054224号に従って実施することができる。
当業者はまた、重合条件および反応物質(触媒系の構成成分、モノマー)のそれぞれの濃度を、重合および各種化学反応を実施するために用いる装置(器具、反応器)に応じて適合させる。当業者に公知のように、共重合、ならびにモノマーの、触媒系の、および重合溶媒の取り扱いは、無水条件下および不活性雰囲気下で行われる。重合溶媒は、典型的には、脂肪族または芳香族炭化水素溶媒である。
置換シクロペンタジエニル、インデニル、およびフルオレニル基としては、1〜6個の炭素原子を有するアルキル基によって、または6〜12個の炭素原子を有するアリール基によって、置換されているものを挙げることができる。後者は市販されており、または容易に合成することができるため、基の選択は、置換シクロペンタジエン、フルオレン、およびインデンである、対応する分子の入手性によっても誘導される。
下の図に表すように、本出願では、シクロペンタジエニル基の場合、2(または5)位は、PがP1であろうとP2であろうと、架橋Pが付着している炭素原子に隣接する炭素原子の位置を指す。
下の図に表すように、インデニル基の場合、2位は、PがP1であろうとP2であろうと、架橋Pが付着している炭素原子に隣接する炭素原子の位置を指す。
置換フルオレニル基としては、より詳細には、2,7−ジ(tert−ブチル)フルオレニル、および3,6−ジ(tert−ブチル)フルオレニル基を挙げることができる。2、3、6および7位はそれぞれ、下の図に表すような環の炭素原子の位置を指し、9位は架橋Pが付着している炭素原子に対応する。
記号Metは、好ましくは、希土類金属原子を表す。希土類元素は金属であり、元素スカンジウム、イットリウム、およびランタニドを指し、原子番号は57〜71の範囲であることを思い出されたい。
式(I−1)において、Met原子は、架橋P1によって互いに連結された、2つのCp1およびCp2基からなるリガンド分子に連結される。好ましくは、架橋の用語で表記される記号P1は式MR3R4に対応し、Mはケイ素または炭素原子、好ましくはケイ素原子を表し、R3およびR4は同一でありまたは異なり、1〜20個の炭素原子を含むアルキル基を表す。より優先的には、架橋P1は式SiR3R4のものであり、R3およびR4は以前に定義した通りである。さらにより優先的には、P1は式SiMe2に対応する。
{P(Cp1)(Cp2)Met−G}b (I−1a)
(Cp1)(Cp2)MetG (I−2a)
(式中、
Metは希土類金属原子を表し、
記号G記号は、塩素、フッ素、臭素、およびヨウ素からなる群から選択されるハロゲンX、またはボロヒドリド部分BH4を含む基を指し、
Cp1、Cp2、およびPは、優先的な変形によるものを含めて、以前に定義した通りであり、
bは1または2に等しい)
有利には、式(I−1a)または(I−2a)において、Cp1は置換されているまたは非置換のシクロペンタジエニル基を表し、Cp2は置換されているまたは非置換のフルオレニル基を表し、好ましくはCp1は非置換のシクロペンタジエニル基を表し、Cp2は非置換のフルオレニル基を表す。
メタロセンは、結晶性もしくは非結晶性粉末の形態、または単結晶の形態でありうる。メタロセンはモノマーまたはダイマーの形態でありえ、これらの形態は、例えば国際公開第2007054223号および同第2007054224号に記載されるように、メタロセンの調製の方法に依存する。メタロセンは、従来、欧州特許第1092731号、国際公開第2007054223号、および同第2007054224号の文献に記載されているものと類似の方法によって、特に、不活性および無水条件下、例えばジエチルエーテルもしくはテトラヒドロフランなどのエーテル、または当業者に公知の他の任意の溶媒などの好適な溶媒中、リガンドのアルカリ金属の塩と、希土類金属ハライドもしくはボロヒドリド、または第4族金属の塩などの希土類金属塩との反応によって、調製されうる。反応後、濾過または第2の溶媒からの沈殿などの、当業者に公知の技法によって、メタロセンを反応副生成物から分離する。最後に、メタロセンを乾燥させ、固体の形態に単離する。
記載した実施形態のいずれか1つによれば、メタロセンが好ましくは、ランタニドボロヒドリドメタロセン、またはランタニドハライドメタロセン、特にランタニドクロリドメタロセンである。
(BH4)(1+c)-Lc−Nx (III)
(式中、
Lは、リチウム、ナトリウム、およびカリウムからなる群から選択されるアルカリ金属を表し、
Nはエーテルの分子を表し、
xは、整数であってもなくてもよく、0以上であり、
cは整数であり、0以上である)
アルカリ金属と錯形成する能力を有する任意のエーテル、特にジエチルエーテルおよびテトラヒドロフランが、エーテルとして好適である。
[Me2Si(C5H4)(C13H8)NdCl] (III−3a)
[Me2Si(C5H4)(C13H8)Nd(BH4)2Li(THF)] (III−3b)
[Me2Si(C5H4)(C13H8)Nd(BH4)(THF)] (III−3c)
Si(Fc1)4-g(Rc2)g (II)
記号Fc1は同一でありまたは異なり、アルコキシ基またはハロゲン原子を表し、
記号Rc2は同一でありまたは異なり、水素原子、炭化水素鎖、または化学官能基Fc2によって置換されている炭化水素鎖を表し、gが0〜2の範囲の整数である。
記号Fc1がアルコキシ基を表す場合、アルコキシ基は、好ましくはメトキシまたはエトキシである。Fc1記号がハロゲン原子を表す場合、ハロゲン原子は、好ましくは塩素である。
本発明の優先的な一実施形態によれば、記号Fc1の少なくとも1つが、アルコキシ基、特にメトキシまたはエトキシを表す。有利には、このとき官能化剤が式(II−1)のものであり、
MeOSi(Fc1)3-g(Rc2)g (II−1)
記号Fc1およびRc2ならびにgは、式(II)において定義される通りである。
本発明のより優先的な一実施形態によれば、記号Fc1の少なくとも2つが、アルコキシ基、特にメトキシまたはエトキシを表す。有利には、このとき官能化剤が式(II−2)のものであり、
(MeO)2Si(Fc1)2-g(Rc2)g (II−2)
記号Fc1およびRc2ならびにgは、式(II)において定義される通りである。
(MeO)3Si(Fc1)1-g(Rc2)g (II−3)
記号Fc1およびRc2は、式(II)において定義される通りであり、gが0〜1の範囲の整数である。
さらにより有利な一実施形態によれば、官能化剤は式(II−4)のものである。
(MeO)3SiRc2 (II−4)
Rc2は式(II)において定義される通りである。
式(II)、(II−1)、(II−2)、(II−3)、および(II−4)において記号Rc2によって表される炭化水素鎖の中でも、アルキル、好ましくは最大6個の炭素原子を有するアルキル、より優先的にはメチルまたはエチル、さらに良好にはメチルを挙げることができる。
式(II)、(II−1)、(II−2)、(II−3)、および(II−4)において記号Rc2によって表される、化学官能基Fc2によって置換されている炭化水素鎖の中でも、アルカンジイル鎖、好ましくは最大6個の炭素原子を含むもの、より優先的には1,3−プロパンジイル基を挙げることができるが、アルカンジイル基は置換基、化学官能基Fc2を有し、言い換えれば、アルカンジイル鎖の一方の原子価は官能基Fc2のため、他方の原子価はメトキシシラン官能基のケイ素原子のためである。
官能化剤としては、化合物ジメトキシジメチルシラン、ジエトキシジメチルシラン、ジメトキシジエチルシラン、ジエトキシジエチルシラン、(N,N−ジメチル−3−アミノプロピル)メチルジメトキシシラン、(N,N−ジメチル−3−アミノプロピル)メチルジエトキシシラン、(N,N−ジメチル−3−アミノプロピル)エチルジメトキシシラン、(N,N−ジメチル−3−アミノプロピル)エチルジエトキシシラン、3−メトキシ−3,8,8,9,9−ペンタメチル−2−オキサ−7−チア−3,8−ジシラデカン、トリメトキシメチルシラン、トリエトキシメチルシラン、トリメトキシエチルシラン、トリエトキシエチルシラン、(N,N−ジメチルアミノプロピル)トリメトキシシラン、(N,N−ジメチルアミノプロピル)トリエトキシシラン、(N−(3−トリメトキシシリル)プロピル)−N−(トリメチルシリル)シランアミン、(N−(3−トリエトキシシリル)プロピル)−N−(トリメチルシリル)シランアミンおよび3,3−ジメトキシ−8,8,9,9−テトラメチル−2−オキサ−7−チア−3,8−ジシラデカン、好ましくはジメトキシジメチルシラン、ジメトキシジエチルシラン、(N,N−ジメチル−3−アミノプロピル)メチルジメトキシシラン、(N,N−ジメチル−3−アミノプロピル)エチルジメトキシシラン、3−メトキシ−3,8,8,9,9−ペンタメチル−2−オキサ−7−チア−3,8−ジシラデカントリメトキシメチルシラン、トリメトキシエチルシラン、(N,N−ジメチルアミノプロピル)トリメトキシシラン、(N−(3−トリメトキシシリル)プロピル)−N−(トリメチルシリル)シランアミンおよび3,3−ジメトキシ−8,8,9,9−テトラメチル−2−オキサ−7−チア−3,8−ジシラデカン、より優先的には、トリメトキシメチルシラン、トリメトキシエチルシラン、(N,N−ジメチルアミノプロピル)トリメトキシシラン、(N−(3−トリメトキシシリル)プロピル)−N−(トリメチルシリル)シランアミン、および3,3−ジメトキシ−8,8,9,9−テトラメチル−2−オキサ−7−チア−3,8−ジシラデカンを挙げることができる。
官能化剤は、官能化反応をさせるのに十分な時間、重合媒体と接触させる。この接触時間は、反応媒体の濃度の関数、および反応媒体の温度の関数として、当業者によって適切に選択される。典型的には、官能化反応は、撹拌下、17℃〜80℃の範囲の温度において、0.01〜24時間実施される。
官能化剤が式(II)、(II−1)、(II−2)、(II−3)、または(II−4)のものである場合、gが0以外である場合、およびRc2が官能基Fc2によって置換され、保護された形態の炭化水素鎖を表す場合も、コポリマーの鎖の末端における官能基を脱保護するため、ステップb)の後に加水分解反応を行ってもよい。加水分解反応、官能基を脱保護するステップは、一般に、脱保護する官能基の化学的性質に応じて、酸性または塩基性媒体中で実施される。例えば、アミンまたはチオール官能基を保護するシリル基、特にトリメチルシリルまたはtert−ブチルジメチルシリル基は、当業者に公知の方法において、酸性または塩基性媒体中で加水分解されうる。脱保護条件の選択は、脱保護する基質の化学的構造を考慮して、当業者によって適切になされる。
ステップc)は、官能性基をシラノール官能基に変換することを所望するか否か、または保護された官能基を脱保護することを所望するか否かに応じた、任意選択のステップである。優先的には、ステップc)は、ステップb)の終わりにコポリマーを反応媒体から分離する前に、またはこの分離ステップと同時に、実施される。
前述の本発明および他の特徴のより良好な理解は、例示として限定することなく与えられる、以下の本発明の複数の例示的な実施形態の記載に接することによって得られるであろう。
II.1−特性評価法
サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)
a)測定の原理
サイズ排除クロマトグラフィー、すなわちSECは、多孔質ゲルを充填したカラムを通じて、サイズに応じて溶液中の巨大分子を分離することができる。巨大分子は、水力学的体積に応じて分離され、最も嵩高いものが最初に溶出する。
3種の検出器(3D)、屈折計、粘度計、および90°光散乱検出器と合わせて、SECにより、ポリマーの絶対モル質量分布を知ることができる。各種数平均(Mn)および質量平均(Mw)絶対モル質量、ならびに分散度(D=Mw/Mn)も、算出することができる。
分析前のポリマーサンプルの特定の処理はない。該サンプルを、テトラヒドロフラン(+1体積%のジイソプロピルアミン+1体積%のトリエチルアミン)に、約1g/lの濃度において、単純に溶解させる。次いで溶液を、0.45μmの多孔性を有するフィルタを通して濾過してから、注入する。
用いた装置は、WatersのAllianceクロマトグラフである。溶出溶媒はテトラヒドロフラン(+1体積%のジイソプロピルアミン+1体積%のトリエチルアミン)であり、流速は0.5ml/分であり、システム温度は35℃である。4つのPolymer Laboratoriesカラムのセットを直列に使用し、2つは「Mixed A LS」の商品名であり、2つは「Mixed B LS」の商品名である。
注入したポリマーサンプルの溶液の体積は、100μlである。使用した検出システムはViscotekのTDA 302であり、示差屈折計、示差粘度計、および90°光散乱検出器から構成される。これら3種の検出器について、波長は670nmである。平均モル質量の算出のため、ポリマー溶液の屈折率増分dn/dCの値を積分するが、この値は、35℃および670nmにおける、テトラヒドロフラン+1体積%のジイソプロピルアミン+1体積%のトリエチルアミンにおいてあらかじめ定義した。データを評価するためのソフトウェアは、ViscotekのOmnisecシステムである。
エチレンと1,3−ブタジエンとのコポリマーのすべての官能化生成物を、1H、13C、29Si NMR分光測定によって特性評価する。NMRスペクトルは、5mm BBI Z−grad「広帯域」クライオプローブを備えた、Bruker Avance III 500MHz分光光度計に記録する。定量的1H NMR実験は、単純30°パルスシーケンスを用い、各取得の間の繰返し時間は5秒である。64〜256回の積算を実施する。定量的13C NMR実験は、プロトンデカップリングと共に30°シングルパルスシーケンスを用い、各取得の間のプロトン繰返し時間は10秒である。1024〜10240回の積算を実施する。コポリマーのミクロ構造の決定は、Llauro et al., Macromolecules 2001, 34, 6304-6311による記事により、文献中に定義される。スチレン部分を有するターポリマーの特定の場合、この方法を下に記載するように補足した。
1H NMRスペクトルによって、スチレン、1,3−ブタジエン、およびエチレン単位を定量することができる。
編集2D 1H/13C 1J HSQC NMR相関スペクトルによって、炭素原子およびプロトンシグナルの化学シフトによって、部分の性質を検証することができる。3J HMBC 1H/13C長距離相関スペクトルによって、スチレン、1,3−ブタジエン、およびエチレン単位の間の共有結合の存在を検証することができる。定量に用いたプロトンの帰属を表1に示す。
原材料
表2においてそれぞれメタロセン1および2と称する、メタロセン[{Me2SiFlu2Nd(μ−BH4)2Li(THF)}2]および[{Me2SiCpFluNd(μ−BH4)2Li(THF)}2](CpおよびFluはそれぞれ、C5H4およびC8H13を指す)を除いて、すべての反応物質は商業的に得ており、メタロセンは、国際公開第2007054224号および同第2007054223号の文献に記載される手順に従って調製されうる。
BioSolveからのメチルシクロヘキサン溶媒を乾燥させ、不活性雰囲気下で用いるmBraunからの溶媒精製装置中、アルミナカラムで精製する。メタノール(99%、クラス3、グレードII)はLaurylasからのものであり、C6D6(99.6原子%D)はAldrichからのものであり、低温で保管する。すべての反応は不活性雰囲気下で実施する。
エチレンと1,3−ブタジエンとのコポリマー、またはエチレンと1,3−ブタジエンとスチレンとのターポリマーのすべての重合および官能化反応は、ステンレス鋼撹拌ブレードを備えた使い捨て500mlガラスタンク(Schottフラスコ)を有する反応器中で実施する。温度は、ポリカーボネートジャケットに連結された、サーモスタット制御の油浴によって確実に制御する。この反応器は、取り扱い操作に必要なすべての入り口または出口を有する。
可変量のメタロセンを、グローブボックス中の第1のSteinieボトルに導入する(表2)。第2のSteinieボトル中の、300mlのメチルシクロヘキサンにあらかじめ溶解させたブチルオクチルマグネシウムを、メタロセンを含有する第1のSteinieボトルに、表2に示す割合で導入する。周囲温度における10分間の接触後、触媒溶液を得る。次いで、触媒溶液を重合反応器に導入する。
次いで、メタロセン1、[{Me2SiFlu2Nd(μ−BH4)2Li(THF)}2]の場合、反応器の温度を80℃に上昇させる。この温度に達したら、エチレン(Eth)と1,3−ブタジエン(But)とのガス状混合物(80/20mol%)を反応器に注入することによって、反応を開始させる。重合反応は、8barで行う例6の場合を除いて、4barの圧力で行う。
次いで、メタロセン2、[{Me2SiCpFluNd(μ−BH4)2Li(THF)}2]の場合、反応器の温度を50℃に上昇させる。この温度に達したら、エチレンと1,3−ブタジエンとのガス状混合物を、表2に規定する割合で反応器に注入することによって、反応を開始させる。重合反応は、4barの圧力で行う。
このメタロセンによる、エチレンと1,3−ブタジエンとスチレンとのターポリマーの合成中、スチレンは、触媒溶液の導入の直後に、重合反応器に注入する。
所望のモノマー変換を達成したら、反応機の内容物を脱気し、次いで、不活性雰囲気下、過剰圧力によって、官能化剤を導入する。表2に示す時間および温度で、反応媒体を撹拌する。反応後、媒体を脱気し、次いでメタノール中で沈殿させる。ポリマーをトルエン中に再溶解させ、次いでグラフト化していない「シラン」分子を除去するため、メタノール中に沈殿させ、これによって、官能性基含有率の定量および各種シグナルの積分のための、スペクトルのシグナルの質を改善することができる。ポリマーを老化防止剤によって処理し、次いで、減圧下、60℃で乾燥させて恒量とする。次いでこれを、SEC(THF)、1H、13C、29Si NMRによって分析する。
X1:(N,N−ジメチル−3−アミノプロピル)メチルジメトキシシラン A1
X2:(N,N−ジメチルアミノプロピル)トリメトキシシラン A2
である。
官能化反応の実験条件を、表2に記載する。
結果を表3に示す。
用いた官能化剤およびメタロセンとは独立に、コポリマーは鎖末端に、アルコキシシランまたはシラノール官能化を有する。官能化剤A1およびA2を用いた場合、メタロセン1によって、鎖の3分の1が、または半分さえ官能化されうる。エチレンとブタジエンとの共重合にメタロセン2を使用した場合、官能化剤A1およびA2によって、官能性基の含有率は90%超に達しうる。エチレンとブタジエンとスチレンとのターポリマー化において、この同じメタロセンによって、鎖のおよそ半分が官能化剤A1で官能化されうる。特にA1またはA2などの官能化剤の使用による、合成の方法によっても、アミン官能基も有するポリマーの合成が可能となる。
ターポリマーを含むコポリマーの合成のために実施される重合を特徴づける連鎖反応にも関わらず、官能化が達成されるため、官能化の程度において、官能化の結果は注目に値する。
本発明によるコポリマーを含有するゴム組成物について、より低いヒステリシス、およびまたより低い剛性に注目されたい。
Claims (36)
- 1,3−ジエンと、α−モノオレフィン、エチレン、およびこれらの混合物からなる群から選択されるオレフィンとのコポリマーであって、鎖末端の1つにアルコキシシリルまたはシラノール官能基、官能性基F1を有し、ただし1,3−ジエンとビニル芳香族モノマーとのコポリマーとは異なることを条件とする、コポリマー。
- 官能性基F1が式(II−a)または式(II−b)のものである、請求項1に記載のコポリマー。
Si(OR1)3-f(R2)f (II−a)
Si(OH)(R2)2 (II−b)
(式中、
記号R1は同一でありまたは異なり、アルキルを表し、
記号R2は同一でありまたは異なり、水素原子、炭化水素鎖、または化学官能基F2によって置換されている炭化水素鎖を表し、
fは0〜2の範囲の整数である) - 記号R1が、最大6個の炭素原子を有するアルキルを表す、請求項2に記載のコポリマー。
- 記号R2が、最大6個の炭素原子を有するアルキル、または最大6個の炭素原子を有し、化学官能基F2によって置換されているアルカンジイル鎖を表す、請求項2および3のいずれか1項に記載のコポリマー。
- 記号R1およびR2によって表されるアルキルが、メチルまたはエチル、より優先的にはメチルである、請求項2から4までのいずれか1項に記載のコポリマー。
- 化学官能基F2が、第一級、第二級もしくは第三級アミン官能基またはチオール官能基であり、前記第一級もしくは第二級アミンまたはチオール官能基が、保護基によって保護されている、または保護されていない、請求項2から5までのいずれか1項に記載のコポリマー。
- 保護基がトリメチルシリルまたはtert−ブチルジメチルシリルである、請求項6に記載のコポリマー。
- 官能性基F1が、ジメトキシメチルシリル、ジメトキシエチルシリル、ジエトキシメチシリル、ジエトキシエチシリル、3−(N,N−ジメチルアミノ)プロピルジメトキシシリル、3−(N,N−ジメチルアミノ)プロピルジエトキシシリル、3−アミノプロピルジメトキシシリル、3−アミノプロピルジエトキシシリル、3−チオプロピルジメトキシシリル、3−チオプロピルジエトキシシリル、メトキシジメチルシリル、メトキシジエチルシリル、エトキシジメチシリル、エトキシジエチシリル、3−(N,N−ジメチルアミノ)プロピルメトキシメチルシリル、3−(N,N−ジメチルアミノ)プロピルメトキシエチルシリル、3−(N,N−ジメチルアミノ)プロピルエトキシメチルシリル、3−(N,N−ジメチルアミノ)プロピルエトキシエチルシリル、3−アミノプロピルメトキシメチルシリル、3−アミノプロピルメトキシエチルシリル、3−アミノプロピルエトキシメチルシリル、3−アミノプロピルエトキシエチルシリル、3−チオプロピルメトキシメチルシリル、3−チオプロピルエトキシメチルシリル、3−チオプロピルメトキシエチルシリル、3−チオプロピルエトキシエチルシリル、または3−アミノプロピルジメトキシシリル、3−アミノプロピルジエトキシシリル、3−チオプロピルジメトキシシリル、3−チオプロピルジエトキシシリル、3−アミノプロピルメトキシメチルシリル、3−アミノプロピルメトキシエチルシリル、3−アミノプロピルエトキシメチルシリル、3−アミノプロピルエトキシエチルシリル、3−チオプロピルメトキシメチルシリル、3−チオプロピルエトキシメチルシリル、3−チオプロピルメトキシエチルシリル、3−チオプロピルエトキシエチルシリルのアミンもしくはチオール官能基を保護された形態である、請求項1から7までのいずれか1項に記載のコポリマー。
- 官能性基F1がジメチルシラノール、ジエチルシラノール、3−(N,N−ジメチルアミノ)プロピルメチルシラノール、3−(N,N−ジメチルアミノ)プロピルエチルシラノール、3−アミノプロピルメチルシラノール、3−アミノプロピルエチルシラノール、3−チオプロピルエチルシラノール、3−チオプロピルメチルシラノール、または3−アミノプロピルメチルシラノール、3−アミノプロピルエチルシラノール、3−チオプロピルエチルシラノール、3−チオプロピルメチルシラノールのアミンもしくはチオール官能基を保護された形態である、請求項1から7までのいずれか1項に記載のコポリマー。
- 官能性基F1が式(II−a)のものであり、fが1に等しい、請求項2から8までのいずれか1項に記載のコポリマー。
- 1,3−ジエンが、1,3−ブタジエン、イソプレン、またはこれらの混合物、好ましくは1,3−ブタジエンである、請求項1から10までのいずれか1項に記載のコポリマー。
- オレフィンが、エチレン、またはエチレンとα−モノオレフィンとの混合物である、請求項1から11までのいずれか1項に記載のコポリマー。
- 1,3−ジエン単位が、コポリマーのモノマー単位の少なくとも35mol%、優先的には60mol%超を占める、請求項1から12までのいずれか1項に記載のコポリマー。
- 1,3−ジエン単位が、コポリマーのモノマー単位の35mol%未満を占める、請求項1から12までのいずれか1項に記載のコポリマー。
- エチレン単位が、コポリマーのモノマー単位の50mol%超、優先的には65mol%超を占める、請求項1から14までのいずれか1項に記載のコポリマー。
- 1,3−ジエン単位が、1,3−ジエンをコポリマー鎖にtrans−1,4挿入することから生じる部分の80mol%超を含有する、請求項1から15までのいずれか1項に記載のコポリマー。
- 1,3−ブタジエンとエチレンとのコポリマー、または1,3−ブタジエンとエチレンとα−モノオレフィンとのターポリマーである、請求項1から16までのいずれか1項に記載のコポリマー。
- α−モノオレフィンが、プロペン、1−ブテン、1−ヘキセン、1−オクテン、1−ヘキサデセン、またはこれらの混合物などの、3〜18個の炭素原子を有する脂肪族α−モノオレフィンである、請求項17に記載のコポリマー。
- α−モノオレフィンが、スチレン、パラ、メタもしくはオルト位が1つもしくは複数のアルキル基によって置換されているスチレン、またはこれらの混合物である、請求項17に記載のコポリマー。
- 官能性基F1が、コポリマーの末端単位に、共有結合によって直接付着している、請求項1から19までのいずれか1項に記載のコポリマー。
- 請求項1から20までのいずれか1項に記載のコポリマーを調製するための方法であって、
a) オルガノマグネシウム化合物と式(I−1)または(I−2)の部分を含むメタロセン触媒とを含む触媒系の存在下、1,3−ジエンおよびオレフィンを含有するモノマー混合物を共重合させるステップ、
P(Cp1)(Cp2)Met (I−1)
(Cp1)(Cp2)Met (I−2)
(Metは第4族金属原子または希土類金属原子であり、
Pは2つの基、Cp1とCp2とを架橋し、かつ少なくとも1個のケイ素または炭素原子を含む基であり、
Cp1およびCp2は、同一でありまたは異なり、シクロペンタジエニル基、インデニル基、およびフルオレニル基からなる群から選択され、前記基は置換されていても非置換であってもよい)
b) 官能化剤、式(II)の化合物を、ステップa)で得られたコポリマーと反応させるステップ、
Si(Fc1)4-g (Rc2)g (II)
(記号Fc1は同一でありまたは異なり、アルコキシ基またはハロゲンを表し、
記号Rc2は同一でありまたは異なり、水素原子、炭化水素鎖、または化学官能基Fc2によって置換されている炭化水素鎖を表し、
gは0〜2の範囲の整数である)
c) 必要な場合、加水分解反応させるステップ
を含む、方法。 - メタロセンが式(I−1a)または式(I−2b)のものである、請求項21に記載の方法。
{P(Cp1)(Cp2)Met−G}b (I−1a)
(Cp1)(Cp2)MetG (I−2a)
(式中、
Cp1、Cp2、およびPは請求項21に定義する通りであり、
Metは希土類金属原子を表し、
記号Gは、塩素、フッ素、臭素、およびヨウ素からなる群から選択されるハロゲンX、またはボロヒドリド部分BH4を含む基を指し、
bは1または2に等しい) - 記号Gが塩素または式(III)の基を指す、請求項22に記載の方法。
(BH4)(1+c)-Lc−Nx (III)
(式中、
Lは、リチウム、ナトリウム、およびカリウムからなる群から選択されるアルカリ金属を表し、
Nはエーテルの分子を表し、
xは、整数であってもなくてもよく、0以上であり、
cは整数であり、0以上である) - 記号Metがネオジム原子を表す、請求項21から23までのいずれか1項に記載の方法。
- PがSiMe2基を指す、請求項21から24までのいずれか1項に記載の方法。
- Cp1が置換されているまたは非置換のシクロペンタジエニル基を表し、Cp2が置換されているまたは非置換のフルオレニル基を表し、好ましくはCp1が非置換のシクロペンタジエニル基を表し、Cp2が非置換のフルオレニル基を表す、請求項21から25までのいずれか1項に記載の方法。
- メタロセン触媒が式(III−3a)、(III−3b)、または(III−3c)のものである、請求項21から26までのいずれか1項に記載の方法。
[Me2Si(C5H4)(C13H8)NdCl] (III−3a)
[Me2Si(C5H4)(C13H8)Nd(BH4)2Li(THF)] (III−3b)
[Me2Si(C5H4)(C13H8)Nd(BH4)(THF)] (III−3c) - オルガノマグネシウム化合物が、ジアルキルマグネシウム化合物、またはアルキルマグネシウムハライド、優先的にはブチルオクチルマグネシウム、またはブチルマグネシウムクロリド、より優先的にはブチルオクチルマグネシウムである、請求項21から27までのいずれか1項に記載の方法。
- 記号Fc1の少なくとも1つがアルコキシ基を表す、請求項21から28までのいずれか1項に記載の方法。
- 記号Fc1の少なくとも2つがアルコキシ基を表す、請求項21から29までのいずれか1項に記載の方法。
- 記号Fc1の少なくとも3つがアルコキシ基を表す、請求項21から30までのいずれか1項に記載の方法。
- アルコキシ基がメトキシまたはエトキシ、好ましくはメトキシである、請求項21から31までのいずれか1項に記載の方法。
- 記号Rc2が、最大6個の炭素原子を有するアルキル、好ましくはメチルもしくはエチル、または最大6個の炭素原子を有し、化学官能基Fc2によって置換されているアルカンジイル鎖を表す、請求項21から32までのいずれか1項に記載の方法。
- 化学官能基Fc2が、保護基によって保護された第一級アミン官能基、保護基によって保護された第二級アミン官能基、第三級アミン官能基、または保護基によって保護されたチオール官能基である、請求項21から33までのいずれか1項に記載の方法。
- 保護基がトリメチルシリル、またはtert−ブチルジメチルシリルである、請求項34に記載の方法。
- 官能化剤が、ジメトキシジメチルシラン、ジエトキシジメチルシラン、ジメトキシジエチルシラン、ジエトキシジエチルシラン、(N,N−ジメチル−3−アミノプロピル)メチルジメトキシシラン、(N,N−ジメチル−3−アミノプロピル)メチルジエトキシシラン、(N,N−ジメチル−3−アミノプロピル)エチル−ジメトキシシラン、(N,N−ジメチル−3−アミノプロピル)エチルジエトキシシラン、3−メトキシ−3,8,8,9,9−ペンタメチル−2−オキサ−7−チア−3,8−ジシラデカン、トリメトキシメチルシラン、トリエトキシメチルシラン、トリメトキシエチルシラン、トリエトキシエチルシラン、(N,N−ジメチルアミノプロピル)トリメトキシシラン、(N,N−ジメチルアミノプロピル)トリエトキシシラン、(N−(3−トリメトキシシリル)プロピル)−N−(トリメチルシリル)シランアミン、(N−(3−トリエトキシシリル)プロピル)−N−(トリメチルシリル)シランアミン、または3,3−ジメトキシ−8,8,9,9−テトラメチル−2−オキサ−7−チア−3,8−ジシラデカン、好ましくはジメトキシジメチルシラン、ジメトキシジエチルシラン、(N,N−ジメチル−3−アミノプロピル)メチルジメトキシシラン、(N,N−ジメチル−3−アミノプロピル)エチルジメトキシシラン、3−メトキシ−3,8,8,9,9−ペンタメチル−2−オキサ−7−チア−3,8−ジシラデカントリメトキシメチルシラン、トリメトキシエチルシラン、(N,N−ジメチルアミノプロピル)トリメトキシシラン、(N−(3−トリメトキシシリル)プロピル)−N−(トリメチルシリル)シランアミン、または3,3−ジメトキシ−8,8,9,9−テトラメチル−2−オキサ−7−チア−3,8−ジシラデカン、より優先的にはトリメトキシメチルシラン、トリメトキシエチルシラン、(N,N−ジメチルアミノプロピル)トリメトキシシラン、(N−(3−トリメトキシシリル)プロピル)−N−(トリメチルシリル)シランアミン、または3,3−ジメトキシ−8,8,9,9−テトラメチル−2−オキサ−7−チア−3,8−ジシラデカンである、請求項21から35までのいずれか1項に記載の方法。
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