JP4199955B2 - 有機金属化合物の濃度を測定するためのセンサー及び有機金属化合物の濃度の測定方法 - Google Patents
有機金属化合物の濃度を測定するためのセンサー及び有機金属化合物の濃度の測定方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は有機金属化合物の測定に有用なセンサー、及び、特に、有機リチウム化合物によって開始されるアニオン重合、又は、化学量論的に臨界的である有機金属化合物を使用する他の反応における、かかる反応性の種のオン-ライン分光的監視(spectroscopic monitorization)に関する。
【０００２】
【従来の技術】
有機リチウム化合物を測定する種々の方法は公知文献に記載されている。
比色指示薬(colorimetric indicator)としてジフェニル酢酸を使用することはKofron及びBaclawskiにより開示されている[Kofron,W.G.；Baclawski,L.M.；
J.Org.Chem.1976,42,1879]。
【０００３】
ジフェニル酢酸に代わるものとして、類似の指示薬が提案されている。4-ビフェニリルメタノール及び4-ビフェニリル酢酸[Juarisiti,E；Martinez-Richa,A；Gracia Rivera,A；Cruz-Sanchez,J.S.；J.Org.Chem.1983,48,2603]及び1-ピレン酢酸[Kiljumen,H；Hase,T.A.；J.Org.Chem.1991,56,6950]が有機リチウム化合物を適定するための指示薬分子として使用されており、着色最終ジアニオンにおける電荷の変化の非局在化がより広範囲であるため、当量点(equivalence point)のより明確な、目視し得る検知を行い得る。
【０００４】
同様に、Winkle等は、有機リチウム試薬の適定のための指示薬として2,5-ジメトキシベンジルアルコールを使用して、肉眼で検知し得る着色ジアニオン種を形成させている[Winkle,M.R.；Lansinger,J.M.；Donald,R.C.：J.Chem.Soc.Chem.Commun.1980,87]。
【０００５】
より最近、種々の比色指示薬の二重脱プロトン(double deprotonation)に基づくアルキル-及びアリールリチウム化合物の測定のための新規な定量法が報告されている。この方法は、Suffertによって提案されている方法であり、指示薬染料としてN-ピバロイル-o-トルイジン及び/又はN-ピバロイル-o-ベンジルアニリンが提案されている[Suffert,J.；J.Org.Chem.1989,54,509]。
【０００６】
有機リチウム化合物と反応した際に二重脱プロトンを受ける他の群の指示薬としてはベンゼンスルホニル及びトシルヒドラゾン誘導体が挙げれる[Miranda,R.；Hernandez,A；Angeles,E.；Cabrera,A.；Salmon,M.；Joseph-Nathan,P.；
Analyst,1990,115,1483)。
【０００７】
比色滴定(colorimetric titration)により有機リチウム化合物を測定することの可能な他の方法は、トリフェニルメタン[Eppley,R.L；Dioxon,J.A.；
J.Organomet.Chem.1967,8,176]、N-ベンジリデン-ベンジルアミン[Duhamel,L；Plaqevant,J.C.；J.Org.Chem.1981,44,24304]又は、N-フェニル-1-ナフチルアミン[Bergbreiter,D.E.；Pendegrass, E.；J.Org.Chem.1981,46,219]の単独脱プロトンに基づくものであり、これらの化合物は有機リチウム化合物と反応した後、sec-ブチルアルコール又は安息香酸溶液を用いて逆滴定できる対応する着色アニオンを生じる。
【０００８】
更に、アルキル オルガノリチウム及びオルガノマグネシウム化合物が種々のルイス塩基(これらは、全て、拡大した(extended)π又は芳香族構造を有する)と着色錯体を形成するという事実により、かかる有機金属化合物の定量のための、より広く使用される光学的方法の一つが提供される。この方法で得られる電荷移動錯体(charge-transfer complex)は電磁スペクトルの可視領域で強い吸収を示す。この目的に使用される最も一般的な多環式芳香族塩基は1,10-フェナントロリン及び2,2-ビキノリンである[Watson,S.C.；Eastham,J.F.；J.Organomet.Chem.1967, 9,165]。
【０００９】
一方、有機リチウム化合物によって開始される工業的アニオン重合は、多数の用途のための極めて多種の化学的構造をデザインすることが可能であるため、巨大分子を合成するためのより有用な方法であるが、プロセスを厳格に制御することが要求される。1,3-共役ジエン及び/又はモノアルケニル芳香族炭化水素のリビングアニオン重合(living anionic polymerization)により、分子量分布、微細構造、立体化学的特性、枝分かれ及び連鎖機能(chain functionalization)のごときその組成及び構造パラメーターが高度に制御された高分子化合物を合成することが可能である。重合体の分子量は高分子特性に影響する最も重要な変数の一つである。リビングアニオン重合においては、分子量は反応の化学量論的性質及び転化率によって決定される。この溶液重合は開始剤の効果的な濃度又は生長連鎖の数を変化させ得る反応媒体中の不純物に対して極めて鋭敏である。このことが、かかる重合法において制御されるべき主要なパラメーターの一つが、いわゆる反応限界値(reaction threshold)、即ち、開始工程が有効になる前に開始剤と反応することができる不純物、即ち、“毒物”(“poison”)によって消費された開始剤の量であるという理由である。
【００１０】
従って、従来の技術においては、今日まで、反応性の種の分光的監視によって有機リチウム化合物を定量するのに有用なセンサーに基づく方法であって、有機リチウム化合物によって開始されるアニオン重合又は有機金属化合物を使用する他の反応に特に適用される方法は提案されていない。
【００１１】
【発明が解決しようとしている課題及び課題を解決する手段】
ファイバー−オプテイックセンサー(fiber-optic sensor)は、光学繊維を利用し、試薬相(reagent phase)の光学的特性の変化を使用して、“その場で”、連続的にかつその時点で、化学種(chemical species)の物理的パラメーターを測定するか又は化学種の濃度及び/又は活性を定量することのできる装置である。この検出相(sensing phase)は、光学的性質が化学的刺激と接触した際に変化する感受性端子(sensitive terminal)(光学的指示薬(optical indicator)を有する光学繊維であることができる)内に装入される。
【００１２】
これらの光学センサーにより、有機金属化合物を定量すること及び1,3-共役ジエン及び/又はモノアルケニル芳香族炭化水素のアニオン重合又は有機金属化合物を使用する他の反応において使用される開始剤を破壊する全ての不純物の中和点を監視することができる。この方法は、サンプルを取出し、分析することに基づく、幾つかの固有の制限（遅速性、非連続性、操作性等）を有する従来の方法と異なり、反応限界値の測定を連続的に、“その場で”そしてその時点で(realtime)行うことからなる。
【００１３】
有機金属化合物を測定するためのセンサーを設計するのに種々の組合せの指示薬と支持体を使用し得ることが認められた。
【００１４】
感受性ターミナルは、反応性相(reactive phase)又は感受性層(sensitive
layer)を含有するという理由で、いわゆる化学的センサーを構成する際の最も重要な要素である。この反応性相は光学繊維の末端に設置されるか又は繊維コアのクラッド中又は目に見えない(evanescent)波形帯域中に、繊維クラッドの一部と置換して装入される。センサー感度及び/又は選択性の改善は、被検体相から反応性相を分離するための膜又は透過性重合体を指示薬の支持体として使用して反応性相を画定することにより、又は、被検体の接近性(accessibility)を改善する長鎖重合体に指示薬染料を共有結合させることにより達成し得る。
【００１５】
従って、本発明の目的は、有機金属化合物、特に金属が元素の周期律表の１、２及び13族の金属である有機金属化合物の定量的及び/又は定性的測定、好ましくは有機リチウム化合物の測定に有用な光学的センサーを提供することである。
【００１６】
本発明の他の目的は、1,3-共役ジエン及び/又はモノアルケニル芳香族炭化水素のアニオン重合又は化学量論的に臨界的である有機金属化合物を使用する他の反応における反応限界値、即ち、開始工程が有効になる前に開始剤と反応することのできる不純物又は“毒物”によって消費される開始剤の量を測定するのに有用な光学的センサーを提供することである。
【００１７】
本発明による有機金属化合物の定量的及び/又は定性的測定を行うためのセンサーは、下記の要素、即ち、
a）分析すべきサンプルに不溶性の無機、有機又は重合体状支持体；
b）有機金属化合物と可逆的に反応する指示薬(indicator)であって、その反応生成物が150-15000nm、好ましくは200-800nmの特徴的な吸収、反射又は発光
(emission)バンドを与える、かつ、上記支持体に物理的に捕捉、吸着、吸収、溶解されるか又は上記支持体に静電的に又は共有結合により化学的に結合される指示薬；
c）官能化された(functionalized)支持体の吸着、反射又は発光を特徴的波長(characteristic wavelength)において測定しかつこれを溶液中に存在する有機金属化合物の濃度に変換する光学的センサー；
からなる。
【００１８】
吸着、反射又は発光が有機金属化合物の存在下で変化する光学的指示薬は、好ましくは複素環芳香族化合物（例えば、1,10-フェナントロリン、5-アミノ-1,10-フェナントロリン、5-ニトロ-1,10-フェナントロリン、4,7-ジメチル1,10-フェナントロリン、4,7-ジフェニル-1,10-フェナントロリン、5-ヒドロキシ-1,10-フェナントロリン、ナトリウム 1,10-フェナントロリン-4,7-ジ(フェニルスルホネート)、5-パーフルオロオクタンアミド-1,10-フェナントロリン、4-ビニル-7-メチル-1,10-フェナントロリン、N-(2-メチル)-2,2-ジメチルプロパンアミド、N-[2-(4-ヒドロキシベンジル)フェニル]-2,2-ジメチルプロパンアミド、N-(2-ベンジルフェニル)-パーフルオロオクタンアミド、N-[4-(2-(2,2-ジメチルプロパノイルアミン)ベンジル)フェニル]-パーフルオロオクタンアミド)、又は、トリアリールメタン誘導体(例えば、4,4’-(ジフルオロフェニル)フェニルメタン又はトリフェニルメタン)に属するものである。
【００１９】
指示薬の支持体は化学的組成が非常に異なるものであり得るが、好ましくは、その無機性(例えば、シリカゲル、多孔性ガラス粉末、多孔性ガラス層、ポリ(ジメチルシロキサン)、珪質キセロゲル)、又は、有機性(例えば、ポリ(テトラフルオロエチレン)、ポリ塩化ビニル、ナフィヨン(Nafion；登録商標)膜、スチレン-ジビニルベンゼン共重合体)によって分類される。
【００２０】
本明細書で開示されているセンサーの指示薬は、被検体と反応性相との相互反応の形式に従って、錯体の形成(例えば、5-ヒドロキシ-1,10-フェナントロリン/シリカゲル、ナトリウム 1,10-フェナントロリン-4,7-ジ(フェニルスルホネート)/多孔質ガラス、1,10-フェナントロリン/珪素質ゾル-ゲル材料、1,10-フェナントロリン/Nafion(登録商標)及びビニル-フェナントロリン/スチレン-ジビニルベンゼンの組合せを使用した錯体)、又は、酸-塩基反応(例えば、N-[2-(4-ヒドロキシベンジル)フェニル]-2,2-ジメチルプロパンアミド/シリカゲル、N-(2-ベンジルフェニル)-パーフルオロオクタンアミド/ポリテトラフルオロエチレン、5-パーフルオロオクタンアミド-1,10-フェナントロリン/Nafion(登録商標)及びトリフェニルメタン/アンバーライト)によって分類し得る。
【００２１】
本発明によるセンサーは、ある範囲の温度で安定であり、これは支持体/指示薬系の特徴である。センサーが反応温度で安定でない場合には、重合又は有機反応を生起させる反応器又は反応媒体との循環が常に行われているサーモスタットループ中にセンサーを置くことができる。
【００２２】
分析されるべきサンプルは測定されるべき有機金属化合物を適当な溶剤中に溶解させた溶液からなる。
【００２３】
本発明のセンサーは、例えば工業的及び実験室的化学合成において、有機金属化合物、特に、金属が元素の周期律表の１、２又は13族の金属である有機金属化合物の定性的及び/又は定量的測定を行うのに使用し得る。特定の態様において、本発明のセンサーは、アニオン重合又は有機媒体中でオルガノリチウム化合物を使用する他の化学反応においてオルガノリチウム開始剤を破壊する全ての不純物の中和点(neutralization point)を測定するのに有用である。
【００２４】
本発明の他の目的は、光学的センサーの使用して、オルガノリチウム化合物を測定するのに有用な方法、特に、オルガノリチウム化合物によって開始される
1,3-共役ジエン及び/又はモノアルケニル芳香族炭化水素のアニオン重合又は化学量論的に臨界的である有機金属化合物を使用する他の反応における反応限界値を測定するのに有用な方法を提供することである。
【００２５】
この方法は、本発明によるセンサーと分析すべきサンプルとを、指示薬が有機金属化合物と可逆的に反応して150nm〜15000nmの範囲の特徴的な吸収、反射及び発光バンドを有する反応生成物を生成させる条件下で接触させ、ついで官能化された支持体の吸収、反射及び発光を特徴的な波長で測定しついでその結果を溶液中に存在する有機金属化合物の濃度に変換することからなる。
【００２６】
特定の態様においては、有機金属化合物の濃度を測定する方法は、本発明によるセンサーをオン-ラインで使用することを特徴としており、この場合、センサーは反応器との循環が常に行われているサーモスタット回路内に設置され、測定は反応媒体中で直接、行われる。
【００２７】
この方法は、オルガノリチウム化合物によって開始される1,3-共役ジエン及び/又はモノアルケニル芳香族炭化水素のアニオン重合において有機金属開始剤を破壊する不純物の全ての中和点を測定するのに適用し得る。この方法は、工業的及び実験室的化学合成において有機金属化合物を測定するのにも適用し得る。
【００２８】
【実施例】
実験方法
本明細書に記載されている試験は、全て、窒素についての状態調節系、ベント及びサーモスタットを備えた、容量が１リットル又は20リットルの重合反応容器で実施した。操作は連続的に又は半連続的に実施することができるが、この実験では、バッチ操作、即ち、非連続的に行った。原料は公知文献に記載されている方法（例えば蒸留、乾燥等）を使用して精製した。
【００２９】
実施例１
この実施例では本発明のファイバー−オプテイックセンサーを使用して行ったn-ブチルリチウムの測定を例示する。
【００３０】
ファイバー−オプテイックセンサーは下記の要素からなる：
・指示薬：N-[2-(4-ヒドロキシベンジル)フェニル]-2,2-ジメチルプロパンアミド(HBPD)
この指示薬染料の調製は、最初、FuhrerとGschwendによって記載された芳香族アミン-o-官能化の一般的方法[Fuherer、W；Gschwend、H.W.；J.Org.Chem.1979,44,1133；Gschwend、H.W.；Rodoriguez,H.R,；Org.React.1979,vol.26]に従って調製した；次に、ニトロ化合物をNasielski-Hinkens等によって記載された方法
[Nasielski-Hinkens,R.；Benedeck-Vamos,M.；Maetens,D.；J.Heterocycle.Chem.1980,17,873]に従って還元した；最後に、亜硝酸ナトリウムと硫酸を使用してジアゾニウム塩を製造しついで硫酸の水溶液で中和してフェノールを得た。
【００３１】
・支持体：シリカゲル
・固定方法：共有結合。シリカゲルを官能化するために行った方法はアミン-Si又はアミン-Sn基によるマトリックス表面の化学的変性に基づいている[Yam,C.M.；Kakkar,A.K.；J.Chem.Soc., Chem.Communn.1995,907] [Fessenden,R.；
Fessenden,J.S.；Chem.Rev.1961,61,361] [Jones, K.；Lappert, M.F.；
“Organotin Compounds”、Vol.2,Ed. A.K.Sawyer, Marcell Dekker,Inc.,NewYork,1977；p150]。これらの基は種々の発色団(chromophore)を、例えばアニオン重合においては、安定なエーテル結合を有する支持体に結合させる。
【００３２】
・測定原理：反射
ファイバー−オプテイックの端部に設置することにより感受性端子を作成した後に、それをサンプル溶液又は反応媒体中に導入した。この方法は、n-ブチルリチウムの種々のアリコート(即ち、シクロヘキサン溶液中の1.6Ｍ)を、測定するためのサンプルと共に、密閉されたかつ窒素で不活性化された反応容器に、ファイバー−オプテイックに連結された分光光度計によって監視して、発色団種が検出されるまで添加することからなる。
【００３３】
図１には、シリカゲル上に固定されたHBPDのクベルカ-ムンク(Kubelka-Munk)反射官能(reflectance function) F(R)の変化が、添加されたn-ブチルリチウムの最終濃度の関数として示されている。
【００３４】
図１に示されるごとく、n-ブチルリチウムを添加しない場合には、反射は観察されない(−０Ｍ n-BuLi、参照ベースライン)。ついで、n-ブチルリチウムを分解する物質種が反応媒体中に存在する場合、添加されたn-ブチルリチウムの濃度が 1.58 x 10-2Ｍになるまではスペクトル中に反射が出現せず(−1.58e-2M
n-BuLi）、370nmで最大F(R)が出現する。この最大値は固定された指示薬(HBPD)と活性なn-ブチルリチウムとの完全な反応に伴なうものであり、毒物の全てが化学量論的に中和された後にも残留する。
【００３５】
この値は制御出発点(control starting point)であることができ、この時点から、添加されたn-ブチルリチウムの全てがアニオン重合又はこの種の化合物を使用する他の反応の活性な開始剤として作用するであろう。
【００３６】
図１は、更に、既知の量のn-ブタノール(……5.3e-2Ｍ n-BuOH、図１)を添加した後には、錯体が分解され、当初のベースラインの反射が回復しそして感受性端子を再び使用し得ることも示している。
【００３７】
上記した方法に従って、既知の量(“Ａ”モル)のアルコール(例えば、n-ブタノール)を光学的センサーが設置されている不活性化溶剤中にプロトンドナーとして導入することにより、未知のn-ブチルリチウム溶液の濃度の測定を達成し得る。この場合、未知のn-ブチルリチウム溶液を、370nmでの反射の確立された基準値が達成されるまで添加する。n-ブチルリチウムの添加量(“Ｃ”mlの n-ブチルリチウム溶液)は、モルで表された、既知のn-ブチルアルコールの量と等価である。従って、n-ブチルリチウムの濃度(モル/l)は下記のごとく算定される：
n-ブチルリチウム溶液の濃度(モル/l)＝(A x 64000)/C
【００３８】
実施例２
この実施例では本発明のファイバー−オプテイックセンサーを使用して行ったn-ブチルリチウムの測定を例示する。
【００３９】
ファイバー−オプテイックセンサーは下記の要素からなる：
・指示薬：トリフェニルメタン(TPM)
・支持体：高度に架橋させたスチレン-ジビニルベンゼン共重合体[アンバーライト(登録商標) XAD-2]
・固定方法：共有結合。スチレン-ジビニルベンゼン共重合体を官能化するための方法は、ニトロベンゼン中で、AlCl3錯体を使用しかつ塩化ジフェニルメチルを使用して行われるフリーデル-クラフトアルキル化に基づいている[Neckers,D.C.；Kooistra,D.A.；Green,G.W.；J.Am.Chem.Soc.1972,94,9284；Obrecht,D.；Villalgordo,J.M.；”Solid-Supported Combinatorial and Parallel Synthesis of Small Molecular Weight Compounds Libraries“ in “TetrahedronOrganic Chemistry Series” Vol.17, Pergamon Press, Oxford,1998；Cap.1,pp.28-45；Cohen,B.J.；Kraus,M.A.；Patchornik,A.；J.Am.Chem.Soc.1981,103, 7620；Cohen,B.J.；Kraus,M.A.；Patchornik,A.；J.Am.Chem.Soc.1977,99,4165]。
【００４０】
・測定原理：反射
ファイバー−オプテイックの端部に設置することにより感受性端子を作成した後に、それをサンプル溶液又は反応媒体中に導入した。この方法は、n-ブチルリチウムの種々のアリコート(例えば、シクロヘキサン溶液中の1.6Ｍ)を、測定するためのサンプルと共に、密閉されたかつ窒素で不活性化された反応容器に、ファイバー−オプテイックに連結された分光光度計によって監視して、発色団種が検出されるまで添加することからなる。
【００４１】
図２には、前記アリコートの添加方法を行いついでn-ブチルリチウムの添加を行った後の、アンバーライト(登録商標) XAD-2に共有結合されたトリフェエニルメタンの25℃での応答が示されている。
【００４２】
図２に示されるごとく、n-ブチルリチウムを添加しない場合には、反射は観察されない(−０Ｍ n-BuLi、参照ベースライン)。ついで、n-ブチルリチウムを分解する物質種が反応媒体中に存在する場合、添加されたn-ブチルリチウムの濃度が 2.75 x 10-2Ｍになるまでは、スペクトル中に反射が出現せず(−2.75e-2M
n-BuLi）、トリフェニルメタンの脱プロトンに伴なう、活性なn-ブチルリチウムと感受性端子との反応により形成される発色団の特性スペクトルを示している。450nmで観察される反射値は、指示薬と活性n-ブチルリチウムとの完全な反応を示す制御基準として採用され、不純物、即ち、“毒物”の十分な中和が行われた後には一定である。
【００４３】
この値は制御出発点(control starting point)であることができ、この時点から、添加されたn-ブチルリチウムの全てがアニオン重合又はこの種の化合物を使用する他の反応の活性な開始剤として作用するであろう。
【００４４】
図２は、更に、既知の量のn-プロパノール(……5.3e-2Ｍ n-PrOH、図２)を添加した後には、錯体が分解され、当初のベースラインの反射が回復されそして感受性端子を再び使用し得ることも示している。
【００４５】
上記した方法に従って、既知の量(“Ａ”モル)のアルコール(例えば、n-プロピルアルコール)を光学的センサーが設置されている不活性化溶剤中にプロトンドナーとして導入することにより、未知のn-ブチルリチウム溶液の濃度の測定を達成し得る。この場合、未知のn-ブチルリチウム溶液を、450nmでの反射の確立された基準値が達成されるまで添加する。n-ブチルリチウムの添加量(“Ｃ”mlの n-ブチルリチウム溶液)は、モルで表された既知のn-プロピルアルコールの量と等価である。従って、n-ブチルリチウムの濃度(モル/l)は下記のごとく算定される：
n-ブチルリチウム溶液の濃度(モル/l)＝(A x 64000)/C
【００４６】
実施例３
この実施例では、単量体と開始剤を反応容器に添加する前に、本発明のファイバー−オプテイックセンサーを使用して、反応限界値を予め測定したスチレンの単独重合を例示する。
【００４７】
ファイバー−オプテイックセンサーは下記の要素からなる：
・指示薬：1,10-フェナントロリン-4,7-ジ(フェニルスルホネート)(S2D)
・支持体：表面にγ-アミノプロピル基を含有する、異なる孔径を有する市販の多孔質ガラス(PG)
・固定方法：共有結合[Xavier,M.P.；Gracia-Fresnadillo,D.；Moreno-Bondi,M.C.；Orellana,G.；Anal.Chem.1998,70,5184；Basile,L.A.；Barton,J.K,；J.Am.Chem.Soc.1987,109,7458；Howells,R.D.；McCown,D.J.；Chem.Rev.1977,77,69；Efferberger,K.；Huthnacher,K.；Angew.Chem.Int.Ed.Engl.1974,13,409]。指示薬の結合には、(i) スルホニルブロマイドの形成及び(ii) 無水物とトリフルオロメタンスルホン酸銀の混合物の形成が要求される。第２工程では、多孔質ガラス中に存在するアミノ基と無水物との反応によりスルホンアミドを生成させる。
【００４８】
・測定原理：反射
ファイバー−オプテイックの端部に設置することにより感受性端子を作成した後、それを反応媒体中に導入した。第１工程においては、800mlのシクロヘキサンを反応容器(容量１リットル)に添加し、ついで、撹拌下、40℃に温度調節した。目的温度に到達した後、シクロヘキサンの反射率スペクトルを参照として作成した。ついで、n-ブチルリチウムのシクロヘキサン溶液(３重量％)の種々のアリコートを添加し、同時に、指示薬(光学的センサー)とn-ブチルリチウムによって形成された種々の着色種の反射率スペクトルを収集して、反応限界値を測定した。
【００４９】
反応限界値を測定した後、スチレンのシクロヘキサン溶液を添加しついでスチレンの重合を開始させるのに必要な化学量論量のn-ブチルリチウムを添加して、目的分子量を得た。反応を断熱的に進行させ、温度が僅かに上昇した。スチレンが存在しないことを確認したしたとき、リビング重合体鎖をアルコールのごときプロトンドナーで停止させた。
【００５０】
図３には、限界値の測定中及びn-ブチルリチウムによって開始された、シクロヘキサン中でのスチレンの重合（[スチレン]０＝0.65M）の第１段階中の、S2D/PGに基づく感受性端子の反射率の変化が示されている。R600nmでの最初の減少(％)(他の波長、即ち、R700nm及びR450nmも使用し得る)は、反応容器中に存在する全ての不純物の中和に伴なうものである(この場合、図３、実験記録の約７分)。感受性端子の基本的反射率(basal reflectance)における第２段階(この場合、図３、実験記録の約15分)は、単量体と、目的の分子量に到達するのに必要な量の、重合を開始させるn-ブチルリチウムの添加に伴なうものである。
【００５１】
ピーク分子量と分子量分布をポリスチレン標準の検量線に基づくゲル透過クロマトグラフィーにより測定して、1.07の多分散度Mw/Mn、48000のピーク分子量
(目標は50000）が得られ、この光学的センサーを使用して反応限界値を測定した場合、分子量は良好に適合することが示された。
【００５２】
実施例４
この実施例は、本発明に従って単量体の存在下でファイバー−オプテイックセンサーを使用した場合の、予め反応限界値の測定を行った、中間(medium)分子量のスチレンの単独重合及び反復研究を例示する。
【００５３】
活性ファイバー−オプテイックセンサーは下記の要素からなる：
・指示薬：1,10-フェナントロリン(PHEN)
・支持体：可塑化ポリ(塩化ビニル)膜(PVC)
・固定方法：埋封(物理的に捕捉)。可塑化ポリ(塩化ビニル)膜[Seilek,K.；
”Ion-Selective Optode Members”；Fluka Chemie A.G., Buchus Suiza,
(Fluka Pub.No.58166)]は、リガンド及びn-ブチルリチウム滴定剤として1,10-フェナントロリン、可塑剤[Eugster,K.；Rosatzin,T.；Rusterholz,B.；Aebersold,B.；Pedrazza,V.；Ruegg,D.；Schmid,A.；Spichiger,U.；Simion,W.；Anal.Chem.Acta.1994,289,１；Okada,T.；Sugiura,H.；Hiratani,K；Analyst,1995,120,2381] としてセバシン酸 ビス(2-エチルヘキシル) (DOS)及びアニオン添加剤(anionic additive)[(テトラキス(4-クロロフェニル)ホウ酸カリウム(KTCPB))を含有している。全ての薬剤をテトラヒドロフランに十分に溶解させ、ペトリプレート中に載せた。溶剤を室温で除去した後、100μmの厚さの膜が得られる。
【００５４】
・測定原理：吸収
【００５５】
感受性端子は、上記方法で得られた膜センサーをファイバー-オプテイックの端部に設置することにより作成した。
【００５６】
実験は熱交換機を有する外部循環ループ(回路)を備えた20リットル反応容器内で行った。感受性端子を外部ループ内に設置して、限界値の測定を最適測定温度で行った。これによって、反応容器を60℃(重合温度)に保持し、外部ループ内のセンサーを30℃に保持した。
【００５７】
最初の工程において、9.5リットルのシクロヘキサンと5.1リットルのスチレンのシクロヘキサン溶液(25重量％)を反応容器に添加し、ついで混合物を攪拌下、60℃に温度調節し、その間、外部ループ温度を30℃に保持した。この温度に到達した後、シクロヘキサンとスチレンの吸収スペクトルを参照として記録した。その後、n-ブチルリチウムのシクロヘキサン溶液(３重量％)の種々のアリコートを添加し、同時に、350nmでの吸収データーを連続的に収集して、反応限界値を測定した(他の波長、例えば400nm、470nm及び520nmにおいても同様の結果が得られた)(図４参照)。
【００５８】
上記で示した任意の波長での吸収のデーターにおける明確なスロープの変化によって示される反応限界値を測定した後（この場合、実験記録の約７分；図４参照）、n-ブチルリチウムのシクロヘキサン溶液(３重量％)を添加することにより化学量論量のスチレンの重合を開始させて5、0000g/モルの目標分子量を得た。ついで、反応を断熱的に継続させ、その際、温度が僅かに上昇した。スチレンが存在しないことを確認した後、リビング重合体鎖をアルコールのごときプロトンドナーで停止させたが、その結果、吸収値は、反応種の消失及び感受性端子中で形成された電荷移動錯体によって著しく減少した
(図４参照、この場合、実験記録の約55分)。
【００５９】
ついで、ピーク分子量と分子量分布をポリスチレン標準の検量線に基づくガス透過クロマトグラフィーにより測定した。
【００６０】
同一のセンサーを使用して、これらの実験を10回反復し、この場合、n-ブチルリチウムの毒物としてのアルコールの種々のアリコートを各反応において添加すると、目標分子量についての35％の相対的標準偏差値を生じた。それにも拘わらず、上記した限界値測定法を適用したが、得られる分子量は良好な反復性を示した。分子量分布は、全ての場合、単一モード的（ユニモーダル；unimodal）であり、得られた重合体の分子量の変動率(variability)(相対的標準偏差)は、反応限界値の制御を行わない場合のスチレン重合についての35％という高い値と対照的に、７％以下であった。
【００６１】
実施例５
この実施例は、本発明に従って単量体の存在下でファイバー−オプテイックセンサーを使用した場合の、予め反応限界値の測定を行った、高分子量のスチレンの単独重合及び反復研究を例示する。
【００６２】
ファイバー−オプテイックセンサーは下記の要素からなる：
・指示薬：1,10-フェナントロリン(PHEN)
・支持体：ポリ塩化ビニル膜(PVC)
・固定方法：埋封(物理的に捕捉)
感受性端子は膜センサーを、実施例４で述べた方法に従って得られたファイバー−オプテイックの端部に設置することにより作成した。実験は熱交換機を有する外部循環ループを備えた20リットル反応容器内で行った。感受性端子を外部ループ内に設置して、限界値の測定を最適測定温度で行った。これによって、反応容器を60℃(重合温度)に保持し、外部ループ内のセンサーを30℃に保持した。
【００６３】
最初の工程において、9.6リットルのシクロヘキサンと5.1リットルのスチレンのシクロヘキサン溶液(25重量％)を反応容器に添加し、ついで混合物を攪拌下、60℃に温度調節し、その間、外部ループ温度を30℃に保持した。この温度に到達した後、シクロヘキサンとスチレンの吸収スペクトルを参照として記録した。その後、n-ブチルリチウムのシクロヘキサン溶液(３重量％)の種々のアリコートを添加し、同時に、350nmでの吸収データーを連続的に収集して、反応限界値を測定した（他の波長、例えば、400nm、470nm及び520nmにおいても同様の結果が得られた）(図５参照)。
【００６４】
上記で示した波長のいずれかでの吸収のデーターにおける明確なスロープの変化によって示される反応限界値を測定した後（この場合、実験記録の約８分；図５参照）、n-ブチルリチウムのシクロヘキサン溶液(３重量％)を添加することにより化学量論量のスチレンの重合を開始させて、140000g/モルの目標分子量を得た。ついで、反応を断熱的に継続させ、その際、温度が僅かに上昇した。スチレンが存在しないことを確認した後、リビング重合体鎖をアルコールのごときプロトンドナーで停止させたが、その結果、吸収値は、反応種の消失及び感受性端子中で形成された電荷移動錯体によって、著しく減少した(図５参照、この場合、実験記録の約40分)。
【００６５】
ついで、ピーク分子量と分子量分布をポリスチレン標準の検量線に基づくガス透過クロマトグラフィーにより測定した。
【００６６】
同一のセンサーを使用して、これらの実験を10回反復し、この場合、n-ブチルリチウムの毒物としてのアルコールの種々のアリコートを各反応において添加すると、目標分子量についての120％の相対的標準偏差値を生じた。それにも拘わらず、上記した限界値測定法を適用したが、得られる分子量は良好な反復性を示した。分子量分布は、全ての場合、単一モード（ユニモーダル）であり、得られた重合体の分子量の変動率(相対的標準偏差)は、反応限界値の対照を使用しない場合のスチレン重合についての120％という高い値と対照的に、７％以下であった。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、シリカゲル上に固定されたHBPDのクベルカ-ムンク反射官能F(R)の変化と、添加されたn-ブチルリチウムの最終濃度の関係を示す。
【図２】図２は、n-ブチルリチウムの添加を行った後の、アンバーライト(登録商標) XAD-2に共有結合されたトリフェエニルメタンの25℃での応答を示す。
【図３】図３は、シクロヘキサン中でのスチレンの重合（[スチレン]０＝0.65M）の第１段階中の、S2D/PGに基づく感受性端子の反射率の変化を示す。
【図４】図４は、スチレンの単独重合の際の、n-ブチルリチウムの添加後の、350nmでの吸収データーを示す。
【図５】図５は、スチレンの単独重合の際の、n-ブチルリチウムの添加後の、350nmでの吸収データーを示す。
【発明の属する技術分野】
本発明は有機金属化合物の測定に有用なセンサー、及び、特に、有機リチウム化合物によって開始されるアニオン重合、又は、化学量論的に臨界的である有機金属化合物を使用する他の反応における、かかる反応性の種のオン-ライン分光的監視(spectroscopic monitorization)に関する。
【０００２】
【従来の技術】
有機リチウム化合物を測定する種々の方法は公知文献に記載されている。
比色指示薬(colorimetric indicator)としてジフェニル酢酸を使用することはKofron及びBaclawskiにより開示されている[Kofron,W.G.；Baclawski,L.M.；
J.Org.Chem.1976,42,1879]。
【０００３】
ジフェニル酢酸に代わるものとして、類似の指示薬が提案されている。4-ビフェニリルメタノール及び4-ビフェニリル酢酸[Juarisiti,E；Martinez-Richa,A；Gracia Rivera,A；Cruz-Sanchez,J.S.；J.Org.Chem.1983,48,2603]及び1-ピレン酢酸[Kiljumen,H；Hase,T.A.；J.Org.Chem.1991,56,6950]が有機リチウム化合物を適定するための指示薬分子として使用されており、着色最終ジアニオンにおける電荷の変化の非局在化がより広範囲であるため、当量点(equivalence point)のより明確な、目視し得る検知を行い得る。
【０００４】
同様に、Winkle等は、有機リチウム試薬の適定のための指示薬として2,5-ジメトキシベンジルアルコールを使用して、肉眼で検知し得る着色ジアニオン種を形成させている[Winkle,M.R.；Lansinger,J.M.；Donald,R.C.：J.Chem.Soc.Chem.Commun.1980,87]。
【０００５】
より最近、種々の比色指示薬の二重脱プロトン(double deprotonation)に基づくアルキル-及びアリールリチウム化合物の測定のための新規な定量法が報告されている。この方法は、Suffertによって提案されている方法であり、指示薬染料としてN-ピバロイル-o-トルイジン及び/又はN-ピバロイル-o-ベンジルアニリンが提案されている[Suffert,J.；J.Org.Chem.1989,54,509]。
【０００６】
有機リチウム化合物と反応した際に二重脱プロトンを受ける他の群の指示薬としてはベンゼンスルホニル及びトシルヒドラゾン誘導体が挙げれる[Miranda,R.；Hernandez,A；Angeles,E.；Cabrera,A.；Salmon,M.；Joseph-Nathan,P.；
Analyst,1990,115,1483)。
【０００７】
比色滴定(colorimetric titration)により有機リチウム化合物を測定することの可能な他の方法は、トリフェニルメタン[Eppley,R.L；Dioxon,J.A.；
J.Organomet.Chem.1967,8,176]、N-ベンジリデン-ベンジルアミン[Duhamel,L；Plaqevant,J.C.；J.Org.Chem.1981,44,24304]又は、N-フェニル-1-ナフチルアミン[Bergbreiter,D.E.；Pendegrass, E.；J.Org.Chem.1981,46,219]の単独脱プロトンに基づくものであり、これらの化合物は有機リチウム化合物と反応した後、sec-ブチルアルコール又は安息香酸溶液を用いて逆滴定できる対応する着色アニオンを生じる。
【０００８】
更に、アルキル オルガノリチウム及びオルガノマグネシウム化合物が種々のルイス塩基(これらは、全て、拡大した(extended)π又は芳香族構造を有する)と着色錯体を形成するという事実により、かかる有機金属化合物の定量のための、より広く使用される光学的方法の一つが提供される。この方法で得られる電荷移動錯体(charge-transfer complex)は電磁スペクトルの可視領域で強い吸収を示す。この目的に使用される最も一般的な多環式芳香族塩基は1,10-フェナントロリン及び2,2-ビキノリンである[Watson,S.C.；Eastham,J.F.；J.Organomet.Chem.1967, 9,165]。
【０００９】
一方、有機リチウム化合物によって開始される工業的アニオン重合は、多数の用途のための極めて多種の化学的構造をデザインすることが可能であるため、巨大分子を合成するためのより有用な方法であるが、プロセスを厳格に制御することが要求される。1,3-共役ジエン及び/又はモノアルケニル芳香族炭化水素のリビングアニオン重合(living anionic polymerization)により、分子量分布、微細構造、立体化学的特性、枝分かれ及び連鎖機能(chain functionalization)のごときその組成及び構造パラメーターが高度に制御された高分子化合物を合成することが可能である。重合体の分子量は高分子特性に影響する最も重要な変数の一つである。リビングアニオン重合においては、分子量は反応の化学量論的性質及び転化率によって決定される。この溶液重合は開始剤の効果的な濃度又は生長連鎖の数を変化させ得る反応媒体中の不純物に対して極めて鋭敏である。このことが、かかる重合法において制御されるべき主要なパラメーターの一つが、いわゆる反応限界値(reaction threshold)、即ち、開始工程が有効になる前に開始剤と反応することができる不純物、即ち、“毒物”(“poison”)によって消費された開始剤の量であるという理由である。
【００１０】
従って、従来の技術においては、今日まで、反応性の種の分光的監視によって有機リチウム化合物を定量するのに有用なセンサーに基づく方法であって、有機リチウム化合物によって開始されるアニオン重合又は有機金属化合物を使用する他の反応に特に適用される方法は提案されていない。
【００１１】
【発明が解決しようとしている課題及び課題を解決する手段】
ファイバー−オプテイックセンサー(fiber-optic sensor)は、光学繊維を利用し、試薬相(reagent phase)の光学的特性の変化を使用して、“その場で”、連続的にかつその時点で、化学種(chemical species)の物理的パラメーターを測定するか又は化学種の濃度及び/又は活性を定量することのできる装置である。この検出相(sensing phase)は、光学的性質が化学的刺激と接触した際に変化する感受性端子(sensitive terminal)(光学的指示薬(optical indicator)を有する光学繊維であることができる)内に装入される。
【００１２】
これらの光学センサーにより、有機金属化合物を定量すること及び1,3-共役ジエン及び/又はモノアルケニル芳香族炭化水素のアニオン重合又は有機金属化合物を使用する他の反応において使用される開始剤を破壊する全ての不純物の中和点を監視することができる。この方法は、サンプルを取出し、分析することに基づく、幾つかの固有の制限（遅速性、非連続性、操作性等）を有する従来の方法と異なり、反応限界値の測定を連続的に、“その場で”そしてその時点で(realtime)行うことからなる。
【００１３】
有機金属化合物を測定するためのセンサーを設計するのに種々の組合せの指示薬と支持体を使用し得ることが認められた。
【００１４】
感受性ターミナルは、反応性相(reactive phase)又は感受性層(sensitive
layer)を含有するという理由で、いわゆる化学的センサーを構成する際の最も重要な要素である。この反応性相は光学繊維の末端に設置されるか又は繊維コアのクラッド中又は目に見えない(evanescent)波形帯域中に、繊維クラッドの一部と置換して装入される。センサー感度及び/又は選択性の改善は、被検体相から反応性相を分離するための膜又は透過性重合体を指示薬の支持体として使用して反応性相を画定することにより、又は、被検体の接近性(accessibility)を改善する長鎖重合体に指示薬染料を共有結合させることにより達成し得る。
【００１５】
従って、本発明の目的は、有機金属化合物、特に金属が元素の周期律表の１、２及び13族の金属である有機金属化合物の定量的及び/又は定性的測定、好ましくは有機リチウム化合物の測定に有用な光学的センサーを提供することである。
【００１６】
本発明の他の目的は、1,3-共役ジエン及び/又はモノアルケニル芳香族炭化水素のアニオン重合又は化学量論的に臨界的である有機金属化合物を使用する他の反応における反応限界値、即ち、開始工程が有効になる前に開始剤と反応することのできる不純物又は“毒物”によって消費される開始剤の量を測定するのに有用な光学的センサーを提供することである。
【００１７】
本発明による有機金属化合物の定量的及び/又は定性的測定を行うためのセンサーは、下記の要素、即ち、
a）分析すべきサンプルに不溶性の無機、有機又は重合体状支持体；
b）有機金属化合物と可逆的に反応する指示薬(indicator)であって、その反応生成物が150-15000nm、好ましくは200-800nmの特徴的な吸収、反射又は発光
(emission)バンドを与える、かつ、上記支持体に物理的に捕捉、吸着、吸収、溶解されるか又は上記支持体に静電的に又は共有結合により化学的に結合される指示薬；
c）官能化された(functionalized)支持体の吸着、反射又は発光を特徴的波長(characteristic wavelength)において測定しかつこれを溶液中に存在する有機金属化合物の濃度に変換する光学的センサー；
からなる。
【００１８】
吸着、反射又は発光が有機金属化合物の存在下で変化する光学的指示薬は、好ましくは複素環芳香族化合物（例えば、1,10-フェナントロリン、5-アミノ-1,10-フェナントロリン、5-ニトロ-1,10-フェナントロリン、4,7-ジメチル1,10-フェナントロリン、4,7-ジフェニル-1,10-フェナントロリン、5-ヒドロキシ-1,10-フェナントロリン、ナトリウム 1,10-フェナントロリン-4,7-ジ(フェニルスルホネート)、5-パーフルオロオクタンアミド-1,10-フェナントロリン、4-ビニル-7-メチル-1,10-フェナントロリン、N-(2-メチル)-2,2-ジメチルプロパンアミド、N-[2-(4-ヒドロキシベンジル)フェニル]-2,2-ジメチルプロパンアミド、N-(2-ベンジルフェニル)-パーフルオロオクタンアミド、N-[4-(2-(2,2-ジメチルプロパノイルアミン)ベンジル)フェニル]-パーフルオロオクタンアミド)、又は、トリアリールメタン誘導体(例えば、4,4’-(ジフルオロフェニル)フェニルメタン又はトリフェニルメタン)に属するものである。
【００１９】
指示薬の支持体は化学的組成が非常に異なるものであり得るが、好ましくは、その無機性(例えば、シリカゲル、多孔性ガラス粉末、多孔性ガラス層、ポリ(ジメチルシロキサン)、珪質キセロゲル)、又は、有機性(例えば、ポリ(テトラフルオロエチレン)、ポリ塩化ビニル、ナフィヨン(Nafion；登録商標)膜、スチレン-ジビニルベンゼン共重合体)によって分類される。
【００２０】
【００２１】
本発明によるセンサーは、ある範囲の温度で安定であり、これは支持体/指示薬系の特徴である。センサーが反応温度で安定でない場合には、重合又は有機反応を生起させる反応器又は反応媒体との循環が常に行われているサーモスタットループ中にセンサーを置くことができる。
【００２２】
分析されるべきサンプルは測定されるべき有機金属化合物を適当な溶剤中に溶解させた溶液からなる。
【００２３】
本発明のセンサーは、例えば工業的及び実験室的化学合成において、有機金属化合物、特に、金属が元素の周期律表の１、２又は13族の金属である有機金属化合物の定性的及び/又は定量的測定を行うのに使用し得る。特定の態様において、本発明のセンサーは、アニオン重合又は有機媒体中でオルガノリチウム化合物を使用する他の化学反応においてオルガノリチウム開始剤を破壊する全ての不純物の中和点(neutralization point)を測定するのに有用である。
【００２４】
本発明の他の目的は、光学的センサーの使用して、オルガノリチウム化合物を測定するのに有用な方法、特に、オルガノリチウム化合物によって開始される
1,3-共役ジエン及び/又はモノアルケニル芳香族炭化水素のアニオン重合又は化学量論的に臨界的である有機金属化合物を使用する他の反応における反応限界値を測定するのに有用な方法を提供することである。
【００２５】
この方法は、本発明によるセンサーと分析すべきサンプルとを、指示薬が有機金属化合物と可逆的に反応して150nm〜15000nmの範囲の特徴的な吸収、反射及び発光バンドを有する反応生成物を生成させる条件下で接触させ、ついで官能化された支持体の吸収、反射及び発光を特徴的な波長で測定しついでその結果を溶液中に存在する有機金属化合物の濃度に変換することからなる。
【００２６】
特定の態様においては、有機金属化合物の濃度を測定する方法は、本発明によるセンサーをオン-ラインで使用することを特徴としており、この場合、センサーは反応器との循環が常に行われているサーモスタット回路内に設置され、測定は反応媒体中で直接、行われる。
【００２７】
この方法は、オルガノリチウム化合物によって開始される1,3-共役ジエン及び/又はモノアルケニル芳香族炭化水素のアニオン重合において有機金属開始剤を破壊する不純物の全ての中和点を測定するのに適用し得る。この方法は、工業的及び実験室的化学合成において有機金属化合物を測定するのにも適用し得る。
【００２８】
【実施例】
実験方法
本明細書に記載されている試験は、全て、窒素についての状態調節系、ベント及びサーモスタットを備えた、容量が１リットル又は20リットルの重合反応容器で実施した。操作は連続的に又は半連続的に実施することができるが、この実験では、バッチ操作、即ち、非連続的に行った。原料は公知文献に記載されている方法（例えば蒸留、乾燥等）を使用して精製した。
【００２９】
実施例１
この実施例では本発明のファイバー−オプテイックセンサーを使用して行ったn-ブチルリチウムの測定を例示する。
【００３０】
ファイバー−オプテイックセンサーは下記の要素からなる：
・指示薬：N-[2-(4-ヒドロキシベンジル)フェニル]-2,2-ジメチルプロパンアミド(HBPD)
この指示薬染料の調製は、最初、FuhrerとGschwendによって記載された芳香族アミン-o-官能化の一般的方法[Fuherer、W；Gschwend、H.W.；J.Org.Chem.1979,44,1133；Gschwend、H.W.；Rodoriguez,H.R,；Org.React.1979,vol.26]に従って調製した；次に、ニトロ化合物をNasielski-Hinkens等によって記載された方法
[Nasielski-Hinkens,R.；Benedeck-Vamos,M.；Maetens,D.；J.Heterocycle.Chem.1980,17,873]に従って還元した；最後に、亜硝酸ナトリウムと硫酸を使用してジアゾニウム塩を製造しついで硫酸の水溶液で中和してフェノールを得た。
【００３１】
・支持体：シリカゲル
・固定方法：共有結合。シリカゲルを官能化するために行った方法はアミン-Si又はアミン-Sn基によるマトリックス表面の化学的変性に基づいている[Yam,C.M.；Kakkar,A.K.；J.Chem.Soc., Chem.Communn.1995,907] [Fessenden,R.；
Fessenden,J.S.；Chem.Rev.1961,61,361] [Jones, K.；Lappert, M.F.；
“Organotin Compounds”、Vol.2,Ed. A.K.Sawyer, Marcell Dekker,Inc.,NewYork,1977；p150]。これらの基は種々の発色団(chromophore)を、例えばアニオン重合においては、安定なエーテル結合を有する支持体に結合させる。
【００３２】
・測定原理：反射
ファイバー−オプテイックの端部に設置することにより感受性端子を作成した後に、それをサンプル溶液又は反応媒体中に導入した。この方法は、n-ブチルリチウムの種々のアリコート(即ち、シクロヘキサン溶液中の1.6Ｍ)を、測定するためのサンプルと共に、密閉されたかつ窒素で不活性化された反応容器に、ファイバー−オプテイックに連結された分光光度計によって監視して、発色団種が検出されるまで添加することからなる。
【００３３】
図１には、シリカゲル上に固定されたHBPDのクベルカ-ムンク(Kubelka-Munk)反射官能(reflectance function) F(R)の変化が、添加されたn-ブチルリチウムの最終濃度の関数として示されている。
【００３４】
図１に示されるごとく、n-ブチルリチウムを添加しない場合には、反射は観察されない(−０Ｍ n-BuLi、参照ベースライン)。ついで、n-ブチルリチウムを分解する物質種が反応媒体中に存在する場合、添加されたn-ブチルリチウムの濃度が 1.58 x 10-2Ｍになるまではスペクトル中に反射が出現せず(−1.58e-2M
n-BuLi）、370nmで最大F(R)が出現する。この最大値は固定された指示薬(HBPD)と活性なn-ブチルリチウムとの完全な反応に伴なうものであり、毒物の全てが化学量論的に中和された後にも残留する。
【００３５】
この値は制御出発点(control starting point)であることができ、この時点から、添加されたn-ブチルリチウムの全てがアニオン重合又はこの種の化合物を使用する他の反応の活性な開始剤として作用するであろう。
【００３６】
図１は、更に、既知の量のn-ブタノール(……5.3e-2Ｍ n-BuOH、図１)を添加した後には、錯体が分解され、当初のベースラインの反射が回復しそして感受性端子を再び使用し得ることも示している。
【００３７】
上記した方法に従って、既知の量(“Ａ”モル)のアルコール(例えば、n-ブタノール)を光学的センサーが設置されている不活性化溶剤中にプロトンドナーとして導入することにより、未知のn-ブチルリチウム溶液の濃度の測定を達成し得る。この場合、未知のn-ブチルリチウム溶液を、370nmでの反射の確立された基準値が達成されるまで添加する。n-ブチルリチウムの添加量(“Ｃ”mlの n-ブチルリチウム溶液)は、モルで表された、既知のn-ブチルアルコールの量と等価である。従って、n-ブチルリチウムの濃度(モル/l)は下記のごとく算定される：
n-ブチルリチウム溶液の濃度(モル/l)＝(A x 64000)/C
【００３８】
実施例２
この実施例では本発明のファイバー−オプテイックセンサーを使用して行ったn-ブチルリチウムの測定を例示する。
【００３９】
ファイバー−オプテイックセンサーは下記の要素からなる：
・指示薬：トリフェニルメタン(TPM)
・支持体：高度に架橋させたスチレン-ジビニルベンゼン共重合体[アンバーライト(登録商標) XAD-2]
・固定方法：共有結合。スチレン-ジビニルベンゼン共重合体を官能化するための方法は、ニトロベンゼン中で、AlCl3錯体を使用しかつ塩化ジフェニルメチルを使用して行われるフリーデル-クラフトアルキル化に基づいている[Neckers,D.C.；Kooistra,D.A.；Green,G.W.；J.Am.Chem.Soc.1972,94,9284；Obrecht,D.；Villalgordo,J.M.；”Solid-Supported Combinatorial and Parallel Synthesis of Small Molecular Weight Compounds Libraries“ in “TetrahedronOrganic Chemistry Series” Vol.17, Pergamon Press, Oxford,1998；Cap.1,pp.28-45；Cohen,B.J.；Kraus,M.A.；Patchornik,A.；J.Am.Chem.Soc.1981,103, 7620；Cohen,B.J.；Kraus,M.A.；Patchornik,A.；J.Am.Chem.Soc.1977,99,4165]。
【００４０】
・測定原理：反射
ファイバー−オプテイックの端部に設置することにより感受性端子を作成した後に、それをサンプル溶液又は反応媒体中に導入した。この方法は、n-ブチルリチウムの種々のアリコート(例えば、シクロヘキサン溶液中の1.6Ｍ)を、測定するためのサンプルと共に、密閉されたかつ窒素で不活性化された反応容器に、ファイバー−オプテイックに連結された分光光度計によって監視して、発色団種が検出されるまで添加することからなる。
【００４１】
図２には、前記アリコートの添加方法を行いついでn-ブチルリチウムの添加を行った後の、アンバーライト(登録商標) XAD-2に共有結合されたトリフェエニルメタンの25℃での応答が示されている。
【００４２】
図２に示されるごとく、n-ブチルリチウムを添加しない場合には、反射は観察されない(−０Ｍ n-BuLi、参照ベースライン)。ついで、n-ブチルリチウムを分解する物質種が反応媒体中に存在する場合、添加されたn-ブチルリチウムの濃度が 2.75 x 10-2Ｍになるまでは、スペクトル中に反射が出現せず(−2.75e-2M
n-BuLi）、トリフェニルメタンの脱プロトンに伴なう、活性なn-ブチルリチウムと感受性端子との反応により形成される発色団の特性スペクトルを示している。450nmで観察される反射値は、指示薬と活性n-ブチルリチウムとの完全な反応を示す制御基準として採用され、不純物、即ち、“毒物”の十分な中和が行われた後には一定である。
【００４３】
この値は制御出発点(control starting point)であることができ、この時点から、添加されたn-ブチルリチウムの全てがアニオン重合又はこの種の化合物を使用する他の反応の活性な開始剤として作用するであろう。
【００４４】
図２は、更に、既知の量のn-プロパノール(……5.3e-2Ｍ n-PrOH、図２)を添加した後には、錯体が分解され、当初のベースラインの反射が回復されそして感受性端子を再び使用し得ることも示している。
【００４５】
上記した方法に従って、既知の量(“Ａ”モル)のアルコール(例えば、n-プロピルアルコール)を光学的センサーが設置されている不活性化溶剤中にプロトンドナーとして導入することにより、未知のn-ブチルリチウム溶液の濃度の測定を達成し得る。この場合、未知のn-ブチルリチウム溶液を、450nmでの反射の確立された基準値が達成されるまで添加する。n-ブチルリチウムの添加量(“Ｃ”mlの n-ブチルリチウム溶液)は、モルで表された既知のn-プロピルアルコールの量と等価である。従って、n-ブチルリチウムの濃度(モル/l)は下記のごとく算定される：
n-ブチルリチウム溶液の濃度(モル/l)＝(A x 64000)/C
【００４６】
実施例３
この実施例では、単量体と開始剤を反応容器に添加する前に、本発明のファイバー−オプテイックセンサーを使用して、反応限界値を予め測定したスチレンの単独重合を例示する。
【００４７】
ファイバー−オプテイックセンサーは下記の要素からなる：
・指示薬：1,10-フェナントロリン-4,7-ジ(フェニルスルホネート)(S2D)
・支持体：表面にγ-アミノプロピル基を含有する、異なる孔径を有する市販の多孔質ガラス(PG)
・固定方法：共有結合[Xavier,M.P.；Gracia-Fresnadillo,D.；Moreno-Bondi,M.C.；Orellana,G.；Anal.Chem.1998,70,5184；Basile,L.A.；Barton,J.K,；J.Am.Chem.Soc.1987,109,7458；Howells,R.D.；McCown,D.J.；Chem.Rev.1977,77,69；Efferberger,K.；Huthnacher,K.；Angew.Chem.Int.Ed.Engl.1974,13,409]。指示薬の結合には、(i) スルホニルブロマイドの形成及び(ii) 無水物とトリフルオロメタンスルホン酸銀の混合物の形成が要求される。第２工程では、多孔質ガラス中に存在するアミノ基と無水物との反応によりスルホンアミドを生成させる。
【００４８】
・測定原理：反射
ファイバー−オプテイックの端部に設置することにより感受性端子を作成した後、それを反応媒体中に導入した。第１工程においては、800mlのシクロヘキサンを反応容器(容量１リットル)に添加し、ついで、撹拌下、40℃に温度調節した。目的温度に到達した後、シクロヘキサンの反射率スペクトルを参照として作成した。ついで、n-ブチルリチウムのシクロヘキサン溶液(３重量％)の種々のアリコートを添加し、同時に、指示薬(光学的センサー)とn-ブチルリチウムによって形成された種々の着色種の反射率スペクトルを収集して、反応限界値を測定した。
【００４９】
反応限界値を測定した後、スチレンのシクロヘキサン溶液を添加しついでスチレンの重合を開始させるのに必要な化学量論量のn-ブチルリチウムを添加して、目的分子量を得た。反応を断熱的に進行させ、温度が僅かに上昇した。スチレンが存在しないことを確認したしたとき、リビング重合体鎖をアルコールのごときプロトンドナーで停止させた。
【００５０】
図３には、限界値の測定中及びn-ブチルリチウムによって開始された、シクロヘキサン中でのスチレンの重合（[スチレン]０＝0.65M）の第１段階中の、S2D/PGに基づく感受性端子の反射率の変化が示されている。R600nmでの最初の減少(％)(他の波長、即ち、R700nm及びR450nmも使用し得る)は、反応容器中に存在する全ての不純物の中和に伴なうものである(この場合、図３、実験記録の約７分)。感受性端子の基本的反射率(basal reflectance)における第２段階(この場合、図３、実験記録の約15分)は、単量体と、目的の分子量に到達するのに必要な量の、重合を開始させるn-ブチルリチウムの添加に伴なうものである。
【００５１】
ピーク分子量と分子量分布をポリスチレン標準の検量線に基づくゲル透過クロマトグラフィーにより測定して、1.07の多分散度Mw/Mn、48000のピーク分子量
(目標は50000）が得られ、この光学的センサーを使用して反応限界値を測定した場合、分子量は良好に適合することが示された。
【００５２】
実施例４
この実施例は、本発明に従って単量体の存在下でファイバー−オプテイックセンサーを使用した場合の、予め反応限界値の測定を行った、中間(medium)分子量のスチレンの単独重合及び反復研究を例示する。
【００５３】
活性ファイバー−オプテイックセンサーは下記の要素からなる：
・指示薬：1,10-フェナントロリン(PHEN)
・支持体：可塑化ポリ(塩化ビニル)膜(PVC)
・固定方法：埋封(物理的に捕捉)。可塑化ポリ(塩化ビニル)膜[Seilek,K.；
”Ion-Selective Optode Members”；Fluka Chemie A.G., Buchus Suiza,
(Fluka Pub.No.58166)]は、リガンド及びn-ブチルリチウム滴定剤として1,10-フェナントロリン、可塑剤[Eugster,K.；Rosatzin,T.；Rusterholz,B.；Aebersold,B.；Pedrazza,V.；Ruegg,D.；Schmid,A.；Spichiger,U.；Simion,W.；Anal.Chem.Acta.1994,289,１；Okada,T.；Sugiura,H.；Hiratani,K；Analyst,1995,120,2381] としてセバシン酸 ビス(2-エチルヘキシル) (DOS)及びアニオン添加剤(anionic additive)[(テトラキス(4-クロロフェニル)ホウ酸カリウム(KTCPB))を含有している。全ての薬剤をテトラヒドロフランに十分に溶解させ、ペトリプレート中に載せた。溶剤を室温で除去した後、100μmの厚さの膜が得られる。
【００５４】
・測定原理：吸収
【００５５】
感受性端子は、上記方法で得られた膜センサーをファイバー-オプテイックの端部に設置することにより作成した。
【００５６】
実験は熱交換機を有する外部循環ループ(回路)を備えた20リットル反応容器内で行った。感受性端子を外部ループ内に設置して、限界値の測定を最適測定温度で行った。これによって、反応容器を60℃(重合温度)に保持し、外部ループ内のセンサーを30℃に保持した。
【００５７】
最初の工程において、9.5リットルのシクロヘキサンと5.1リットルのスチレンのシクロヘキサン溶液(25重量％)を反応容器に添加し、ついで混合物を攪拌下、60℃に温度調節し、その間、外部ループ温度を30℃に保持した。この温度に到達した後、シクロヘキサンとスチレンの吸収スペクトルを参照として記録した。その後、n-ブチルリチウムのシクロヘキサン溶液(３重量％)の種々のアリコートを添加し、同時に、350nmでの吸収データーを連続的に収集して、反応限界値を測定した(他の波長、例えば400nm、470nm及び520nmにおいても同様の結果が得られた)(図４参照)。
【００５８】
上記で示した任意の波長での吸収のデーターにおける明確なスロープの変化によって示される反応限界値を測定した後（この場合、実験記録の約７分；図４参照）、n-ブチルリチウムのシクロヘキサン溶液(３重量％)を添加することにより化学量論量のスチレンの重合を開始させて5、0000g/モルの目標分子量を得た。ついで、反応を断熱的に継続させ、その際、温度が僅かに上昇した。スチレンが存在しないことを確認した後、リビング重合体鎖をアルコールのごときプロトンドナーで停止させたが、その結果、吸収値は、反応種の消失及び感受性端子中で形成された電荷移動錯体によって著しく減少した
(図４参照、この場合、実験記録の約55分)。
【００５９】
ついで、ピーク分子量と分子量分布をポリスチレン標準の検量線に基づくガス透過クロマトグラフィーにより測定した。
【００６０】
同一のセンサーを使用して、これらの実験を10回反復し、この場合、n-ブチルリチウムの毒物としてのアルコールの種々のアリコートを各反応において添加すると、目標分子量についての35％の相対的標準偏差値を生じた。それにも拘わらず、上記した限界値測定法を適用したが、得られる分子量は良好な反復性を示した。分子量分布は、全ての場合、単一モード的（ユニモーダル；unimodal）であり、得られた重合体の分子量の変動率(variability)(相対的標準偏差)は、反応限界値の制御を行わない場合のスチレン重合についての35％という高い値と対照的に、７％以下であった。
【００６１】
実施例５
この実施例は、本発明に従って単量体の存在下でファイバー−オプテイックセンサーを使用した場合の、予め反応限界値の測定を行った、高分子量のスチレンの単独重合及び反復研究を例示する。
【００６２】
ファイバー−オプテイックセンサーは下記の要素からなる：
・指示薬：1,10-フェナントロリン(PHEN)
・支持体：ポリ塩化ビニル膜(PVC)
・固定方法：埋封(物理的に捕捉)
感受性端子は膜センサーを、実施例４で述べた方法に従って得られたファイバー−オプテイックの端部に設置することにより作成した。実験は熱交換機を有する外部循環ループを備えた20リットル反応容器内で行った。感受性端子を外部ループ内に設置して、限界値の測定を最適測定温度で行った。これによって、反応容器を60℃(重合温度)に保持し、外部ループ内のセンサーを30℃に保持した。
【００６３】
最初の工程において、9.6リットルのシクロヘキサンと5.1リットルのスチレンのシクロヘキサン溶液(25重量％)を反応容器に添加し、ついで混合物を攪拌下、60℃に温度調節し、その間、外部ループ温度を30℃に保持した。この温度に到達した後、シクロヘキサンとスチレンの吸収スペクトルを参照として記録した。その後、n-ブチルリチウムのシクロヘキサン溶液(３重量％)の種々のアリコートを添加し、同時に、350nmでの吸収データーを連続的に収集して、反応限界値を測定した（他の波長、例えば、400nm、470nm及び520nmにおいても同様の結果が得られた）(図５参照)。
【００６４】
上記で示した波長のいずれかでの吸収のデーターにおける明確なスロープの変化によって示される反応限界値を測定した後（この場合、実験記録の約８分；図５参照）、n-ブチルリチウムのシクロヘキサン溶液(３重量％)を添加することにより化学量論量のスチレンの重合を開始させて、140000g/モルの目標分子量を得た。ついで、反応を断熱的に継続させ、その際、温度が僅かに上昇した。スチレンが存在しないことを確認した後、リビング重合体鎖をアルコールのごときプロトンドナーで停止させたが、その結果、吸収値は、反応種の消失及び感受性端子中で形成された電荷移動錯体によって、著しく減少した(図５参照、この場合、実験記録の約40分)。
【００６５】
ついで、ピーク分子量と分子量分布をポリスチレン標準の検量線に基づくガス透過クロマトグラフィーにより測定した。
【００６６】
同一のセンサーを使用して、これらの実験を10回反復し、この場合、n-ブチルリチウムの毒物としてのアルコールの種々のアリコートを各反応において添加すると、目標分子量についての120％の相対的標準偏差値を生じた。それにも拘わらず、上記した限界値測定法を適用したが、得られる分子量は良好な反復性を示した。分子量分布は、全ての場合、単一モード（ユニモーダル）であり、得られた重合体の分子量の変動率(相対的標準偏差)は、反応限界値の対照を使用しない場合のスチレン重合についての120％という高い値と対照的に、７％以下であった。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、シリカゲル上に固定されたHBPDのクベルカ-ムンク反射官能F(R)の変化と、添加されたn-ブチルリチウムの最終濃度の関係を示す。
【図２】図２は、n-ブチルリチウムの添加を行った後の、アンバーライト(登録商標) XAD-2に共有結合されたトリフェエニルメタンの25℃での応答を示す。
【図３】図３は、シクロヘキサン中でのスチレンの重合（[スチレン]０＝0.65M）の第１段階中の、S2D/PGに基づく感受性端子の反射率の変化を示す。
【図４】図４は、スチレンの単独重合の際の、n-ブチルリチウムの添加後の、350nmでの吸収データーを示す。
【図５】図５は、スチレンの単独重合の際の、n-ブチルリチウムの添加後の、350nmでの吸収データーを示す。
Claims (11)
- a）分析すべきサンプルに不溶性の無機、有機又は重合体状支持体；
b）1,10-フェナントロリン、1,10-フェナントロリン-4,7-ジ(フェニルスルホネート)、N-[2-(4-ヒドロキシベンジル)フェニル]-2,2-ジメチルプロパンアミド及びトリフェニルメタンからなる群から選ばれた指示薬であって、有機金属化合物と可逆的に反応し、その反応生成物が150-15000nmの特徴的な吸収、反射又は発光バンドを与え、そして、上記支持体に物理的に捕捉、吸着、吸収又は溶解されるか又は上記支持体に静電的に結合されるか又は共有結合により化学的に結合される指示薬；及び
c）官能化された支持体の吸着、反射又は発光を特徴的波長において測定しかつこれを溶液中に存在する有機金属化合物の濃度に変換する光学的センサー；
からなるセンサーであって、上記有機金属化合物の金属は元素の周期律表の１族の金属であることを特徴とする、有機金属化合物の定量的及び/又は定性的測定を行うためのセンサー。 - 支持体は、シリカゲル、多孔性ガラス粉末、多孔性ガラス層、ポリジメチルシロキサン、珪質キセロゲル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ塩化ビニル、ナフィヨン(登録商標)膜及びスチレン-ジビニルベンゼン共重合体からなる群から選ばれる、請求項１に記載のセンサー。
- 有機金属化合物の金属はリチウムである、請求項１に記載のセンサー。
- 指示薬の特性バンドは200〜800nmの範囲にある、請求項１〜３のいずれかに記載のセンサー。
- 指示薬は1,10-フェナントロリン又はその誘導体であり、支持体はポリ塩化ビニル(PVC)であり、そして、指示薬は物理的捕捉により支持体上に固定されている、請求項１に記載のセンサー。
- 有機金属化合物によって開始されるアニオン重合又は任意の、他の化学反応の開始工程の前に不純物によって消費される開始剤の量を知るために使用される、請求項１に記載のセンサー。
- (i) 測定されるべき有機金属化合物を含有する有機媒体を、
a）分析すべきサンプルに不溶性の無機、有機又は重合体状支持体；
b）1,10-フェナントロリン、1,10-フェナントロリン-4,7-ジ(フェニルスルホネート)、N-[2-(4-ヒドロキシベンジル)フェニル]-2,2-ジメチルプロパンアミド及びトリフェニルメタンからなる群から選ばれた指示薬であって、有機金属化合物と可逆的に反応し、その反応生成物が150-15000nmの特徴的な吸収、反射又は発光バンドを与え、そして、上記支持体に物理的に捕捉されるか又は化学的に結合される指示薬；及び
c）光学的センサー；
からなる上記有機金属化合物の定量的及び/又は定性的測定を行うためのセンサーと接触させ、
(ii) 官能化された支持体の吸着、反射又は発光を特徴的波長において測定しかつ前記有機金属化合物を含有する有機媒体中に存在する有機金属化合物の濃度に変換することからなる、請求項１〜６のいずれかに記載のセンサーを反応媒体中で直接使用することを特徴とする、有機金属化合物の濃度の測定方法。 - センサーを、反応容器との循環を常に行うサーモスタットを備えた密閉回路中に設置する、請求項７に記載の方法。
- 測定を前記有機媒体中で、直接、行う、請求項７に記載の方法。
- 有機金属化合物によって開始されるアニオン重合の開始工程の前に不純物によって消費される開始剤の量を知るための、請求項７に記載の方法。
- 工業的及び実験室的化学合成において有機金属化合物を測定するための、請求項７に記載の方法。
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