JP4467262B2 - 架橋体及びその製造方法、並びにそのリサイクル方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、架橋体及びその製造方法、並びに該架橋体のリサイクル方法に関し、特にロタキサン構造による機械的結合で架橋された架橋体に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より、図1に示すように軸1が輪2に貫通し、軸1の両端に輪2が抜けないようにエンドキャップ3が結合した構造を有する化合物が知られており、該化合物をロタキサンと呼んでいる。ここで、軸1と輪2とは、機械的結合によって繋がっていると表現されている。上記輪2は軸1上で、回転や並進運動を自由に行うことができるため、例えば、外部刺激により輪2の位置を制御して、分子スイッチ等への応用が研究されている。
【0003】
上記ロタキサンの合成方法としては、軸と輪のサイズの相補性を利用し、熱的押し込みによりロタキサン結合を生成させるスリップ法が知られている。また、図2に示すように、軸1と輪2のホストゲスト相互作用によって、擬ロタキサン4を生成させ、その後、エンドキャップ3を軸1の両端に結合する方法が知られている。この方法では、ロタキサンの収率は、擬ロタキサン4における軸1と輪2との錯形成率及び擬ロタキサン4とエンドキャップ3との結合反応における速度論的プロセスに支配される。
【0004】
これに対し、発明者らは、チオール・ジスルフィド交換反応という平衡反応を利用した熱力学的支配に基づくロタキサン合成法を開発した。該合成法においては、図3に示すように、軸1としてジスルフィド結合を有する二官能性のアンモニウム塩を用い、これにチオール類を加えることで、ジスルフィド結合がチオール類との交換反応によって可逆的に開裂する。軸1の開裂の際に、クラウンエーテル等よりなる輪2がアンモニウム塩と錯形成し、[2]ロタキサン5や[3]ロタキサン6が生成する。この合成法においては、反応過程の総てが平衡反応からなるため、ロタキサンの生成が熱力学的に支配され、その結果、生成物の収率が相対的な安定性に依存し、[2]ロタキサンや[3]ロタキサンを選択的に高い収率で合成することができる。
【0005】
一方、図4に示すようなロタキサン構造を分子内に複数有する高分子、所謂ポリロタキサンが研究されており、新素材や機能性材料への利用が研究されている。図4中、(A)は両末端にエンドキャップ3を有する主鎖ポリマーを軸1とし、該軸1に複数の輪2が通った構造のポリロタキサンで、(B)はエンドキャップ3を有する鎖状分子を軸1とし、輪2が共有結合により複数結合されてなるポリマーの輪2に前記軸1が通った構造のポリロタキサンで、(C)は一方の末端にエンドキャップ3を有する軸1が主鎖ポリマーに複数結合しており、該軸1に輪2が通った構造のポリロタキサンである。しかしながら、ポリマーをロタキサン構造により架橋した架橋体については、未だ充分に検討されていなかった。
【0006】
ところで、従来より、多官能ポリオールとジイソシアネートからなるポリウレタンや、2官能性ポリオールとジイソシアネートとジアミンとからなるポリウレタンが知られているが、前者は化学結合で架橋しているため高物性だが脱架橋が難しいためリサイクルし難く、後者は水素結合で架橋しているため脱架橋が容易だが低物性であるという問題を有していた。このように、従来の架橋体は、高物性と脱架橋の容易性とを兼ね備えてはいなかった(非特許文献1参照)。
【0007】
【非特許文献1】
山下晋三,小松公栄ほか著,「エラストマー」,共立出版,平成元年2月20日,p.61−77
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の目的は、ポリマーをロタキサン構造により架橋してなり、物性が高く、脱架橋が容易な新規架橋体を提供することにある。また、本発明の他の目的は、かかる架橋体の製造方法及び該架橋体のリサイクル方法を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的を達成するために、ポリマーがロタキサン構造による機械的結合で架橋された架橋体を新規に合成し、該架橋体が種々の優れた物性を有することを見出し、本発明を完成させるに至った。
【0010】
即ち、本発明の架橋体は、複数のポリマーが、輪と軸とからなるロタキサン構造による機械的結合で架橋されてなり、
前記ポリマーがロタキサン構造における輪に相当する下記式(I):
【化3】
で表されるクラウンエーテル単位とウレタン結合とを複数有するポリクラウンエーテルであって、
前記ポリクラウンエーテルが、ジスルフィド結合を有する二官能性のアンモニウム塩で機械的結合を形成してなることを特徴とする。
【0012】
また、前記ジスルフィド結合を有する二官能性のアンモニウム塩としては、下記式(II):
(R1−N+H2−R2−S−S−R2−N+H2−R1)・2X- ・・・ (II)
(式中、R1は前記ポリクラウンエーテルのクラウンエーテル単位の孔サイズよりも嵩高い基であり、R2は二価の炭化水素基でへテロ原子を含んでもよく、X-は一価の陰イオンである)で表される化合物が挙げられる。
【0015】
また、本発明の架橋体の製造方法は、下記式(I):
【化4】
で表されるクラウンエーテル単位とウレタン結合とを複数有するポリクラウンエーテルと、ジスルフィド結合を有する二官能性のアンモニウム塩とを、チオール類の存在下で、ロタキサン構造による機械的結合で架橋することを特徴とする。ここで、前記ジスルフィド結合を有する二官能性のアンモニウム塩としては、下記式(II):
(R1−N+H2−R2−S−S−R2−N+H2−R1)・2X- ・・・ (II)
(式中、R1、R2及びX-は上記と同義である)で表される化合物が好ましい。
【0020】
本発明の架橋体のリサイクル方法は、ジスルフィド結合を有する架橋体をチオール類の存在下で脱架橋することを特徴とする。ここで、前記チオール類としては、下記式(IV):
(R1−N+H2−R2−SH)・X- ・・・ (IV)
(式中、R1、R2及びX-は、上記と同義である)で表される化合物が好ましい。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を詳細に説明する。本発明の架橋体は、複数のポリマーが、輪と軸とからなるロタキサン構造による機械的結合で架橋されてなる。ここで、本発明の架橋体においては、ポリマーがロタキサン構造における輪に相当する。ロタキサン構造による機械的結合は、分子間力(ファンデルワールス力)のような弱い結合ではないため、本発明の架橋体は物性が高い。
【0022】
本発明の架橋体において、ポリマーは、上記式(I)で表されるクラウンエーテル単位を有するポリクラウンエーテルである。該ポリマーの繰り返し単位は、クラウンエーテルに由来する大環状構造を含む繰り返し単位である。該大環状構造は、24員環であり、24-クラウン-8(孔サイズ:4.0Å)である。
【0023】
上記ポリクラウンエーテルとしては、下記式(V)、式(VI)、式(VII)又は式(VIII):
【化5】
【化6】
【化7】
(式中、nは1〜100000の整数で、xは5〜95の整数で、yは95〜5の整数である)
【化8】
で表される繰り返し単位よりなるポリマーが挙げられる。
【0024】
上記ポリクラウンエーテルは、クラウンエーテル単位を有するモノマーから、通常の高分子合成技術で合成することができる。例えば、上記式(V)のポリクラウンエーテルは、ジベンゾ-24-クラウンエーテル-8のアルコール誘導体とジイソシアナートとをN,N-ジメチルアセトアミド(DMAc)中で重付加させることで製造でき、クラウンエーテルのアルコール誘導体とジイソシアナートとはウレタン結合で繋がっている。なお、式(V)のポリクラウンエーテルは、キャストにより丈夫な透明フィルムを与える。下記に反応式を示す。
【化9】
【0025】
ロタキサン構造における軸に相当する分子は、分子中央部の径がポリマー中の大環状構造の空洞部の径よりも小さく、分子末端にポリマー中の大環状構造の空洞部よりも嵩が大きい基を有する化合物であって、具体的には、ジスルフィド結合を有する二官能性のアンモニウム塩であり、下記式(II):
(R1−N+H2−R2−S−S−R2−N+H2−R1)・2X- ・・・ (II)
(式中、R1は前記ポリクラウンエーテルのクラウンエーテル単位の孔サイズよりも嵩高い基であり、R2は二価の炭化水素基でへテロ原子を含んでもよく、X-は一価の陰イオンである)で表されるジスルフィド結合を有する二官能性のアンモニウム塩が好ましい。
【0026】
上記二官能性のアンモニウム塩は、分子中央部の外径が輪であるポリクラウンエーテルのクラウンエーテル環の内径より小さく、クラウンエーテル環の内径(孔サイズ)よりも嵩高い基が末端に結合した構造を有する。また、該アンモニウム塩は、4級アンモニウム性のN原子を分子中に2つ有し、ポリクラウンエーテルのクラウンエーテル環を構成する酸素原子と静電気的に相互作用することができ、錯形成率が高い。
【0027】
式(II)中、R1はそれぞれ独立して前記ポリクラウンエーテルのクラウンエーテル単位の孔サイズよりも嵩高い基であり、R2はそれぞれ独立して二価の炭化水素基であり、X-は一価の陰イオンである。
【0028】
式(II)のR1としては、環状構造を有する基が好ましく、環状構造は、置換基を有してもよい単環、縮合多環などがあり、芳香族系、脂環族系いずれであってもよい。また、環原子には炭素原子の他にヘテロ原子を含んでいてもよい。ほかに、架橋環、スピロ環なども挙げられる。単環であっても、たとえばt-ブチル基などのような嵩高い置換基を1個以上有すればその目的を達成できる。R1として、具体的には、3,5-ジ-t-ブチルベンジル基、3,5-ジメチルベンジル基、3,5-ジニトロベンジル基、4-t-ブチルベンジル基等が挙げられる。
【0029】
式(II)のR2としては、エチレン基、トリメチレン基、ヘキサメチレン基、ドデカメチレン基、p-キシリレン基等のアルキレン基が挙げられる。
【0030】
式(II)のX-としては、PF6 -、CF3SO3 -、BF4 -、CF3CO2 -等が挙げられる。
【0031】
式(II)のアンモニウム塩としては、R1が3,5-ジ-t-ブチルベンジル基で、R2がエチレン基で、X-がPF6 -である化合物、即ち、下記式(IX):
【化10】
で表される化合物が好ましい。
【0032】
ここで、本発明の架橋体は、ポリクラウンエーテルと、ジスルフィド結合を有する二官能性のアンモニウム塩とをチオール類の存在下、チオール・ジスルフィド交換反応により架橋して得ることができる。また、該架橋体は、チオール類を触媒として、元のポリクラウンエーテルと、ジスルフィド結合を有する二官能性のアンモニウム塩とにリサイクルすることができる。ここで、架橋体は、ポリクラウンエーテルがロタキサン構造による機械的結合により架橋されてなり、見かけ上化学結合の形成を伴わずに生成するため、主鎖のポリクラウンエーテルに傷がつくことがない。
【0033】
図5を参照して具体的に説明すると、ポリクラウンエーテル7とジスルフィド結合8を有する二官能性のアンモニウム塩9とがチオール類10の存在下で架橋して、本発明の架橋体11が生成する。また、生成した架橋体11は、チオール類10の存在下で脱架橋してポリクラウンエーテル7とアンモニウム塩9とに戻ることができる。ここで、チオール・ジスルフィド交換反応は平衡反応であるため、反応条件や使用するチオール類の種類を適宜選択することで、架橋と脱架橋を行うことが可能である。
【0034】
上記チオール類としては、特に限定されるものではないが、メチルメルカプタン、エチルメルカプタン、アリルメルカプタン、メルカプトエタノール、チオジグリコール、システイン、ジチオスレイトール、ベンジルメルカプタン、ベンゼンチオール等の他、下記式(IV):
(R1−N+H2−R2−SH)・X- ・・・ (IV)
(式中、R1、R2及びX-は、上記と同義である)で表される化合物が挙げられる。ここで、式(IV)の化合物は、使用する二官能性のアンモニウム塩の還元型チオール類である。これらの中でも、架橋体をリサイクルする観点からは、上記式(IV)の化合物が好ましく、この場合、使用した二官能性のアンモニウム塩を高い収率で回収することができる。
【0040】
本発明の架橋体は、膨潤性が高い。従って、各種溶媒の吸収剤として使用できる。また、従来の高分子材料の代替としても利用できる。更に、リサイクル性に優れ、環境への負荷が小さい。
【0041】
本発明の架橋体の製造方法としては、(i)大環状構造を複数有するポリマーと、ジスルフィド結合を有する二官能性のアンモニウム塩とを、チオール類の存在下で、ロタキサン構造による機械的結合で架橋する方法が挙げられる。
【0042】
上記(i)の方法は、チオール・ジスルフィド交換反応を利用した方法であり、該方法においては、チオール類の存在下で、ジスルフィド結合を有する二官能性のアンモニウム塩のジスルフィド結合が開裂し、その際にアンモニウム塩がポリマーの大環状構造部分に挿入される。ここで、ポリマーの大環状部分がクラウンエーテルからなる場合、4級アンモニウム性のN原子とクラウンエーテル環の酸素原子が静電気的に相互作用するため、ロタキサン構造を生成しやすい。
【0043】
上記大環状構造を複数有するポリマーは、上記式(I)で表されるクラウンエーテル単位を有するポリクラウンエーテルである。なお、ポリクラウンエーテルについては、前述の通りである。また、ジスルフィド結合を有する二官能性のアンモニウム塩及びチオール類についても、前述の通りである。
【0050】
本発明の架橋体は、チオール類の存在下で脱架橋することでリサイクルできる。上述のようにチオール・ジスルフィド交換反応は平衡反応であるため、反応系の条件を適宜選択することで、架橋と脱架橋の選択性を操作することができる。
【0051】
脱架橋に使用するチオール類としては、前述のチオール類を使用することができるが、ジスルフィド結合を有する二官能性のアンモニウム塩の還元型チオール類が好ましく、この場合、使用した二官能性のアンモニウム塩を高い収率で回収することができる。具体的には、下記式(II):
(R1−N+H2−R2−S−S−R2−N+H2−R1)・2X- ・・・ (II)
(式中、R1、R2及びX-は、上記と同義である)で表される二官能性のアンモニウム塩を使用した場合は、下記式(IV):
(R1−N+H2−R2−SH)・X- ・・・ (IV)
(式中、R1、R2及びX-は、上記と同義である)で表されるチオール類を使用するのが好ましい。
【0052】
【実施例】
以下に、実施例を挙げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明は下記の実施例に何ら限定されるものではない。
【0053】
(ポリクラウンエーテル合成例1)
ジベンゾ-24-クラウンエーテル-8のアルコール誘導体 1.48Mと4,4'-ジフェニルメタンジイソシアナート(MDI) 1.41Mとを、N,N-ジメチルアセトアミド(DMAc)中、室温で10時間重付加させて上記式(V)で表されるポリクラウンエーテルを合成した。得られたポリクラウンエーテルは、示差走査熱量計で測定したガラス転移点(Tg)が81℃で、熱重量測定計で測定した10%重量減少温度(Td10)が254℃で、GPCで測定したポリスチレン換算の数平均分子量(Mn)が5100で、分子量分布(Mw/Mn)が7.1であった。反応式を下記に示す。
【化11】
【0054】
(ポリクラウンエーテル合成例2)
通常の方法で上記式(VI)で表されるポリクラウンエーテルを合成した。得られたポリクラウンエーテルは、Tgが18℃で、Td10が310℃で、数平均分子量(Mn)が2200で、分子量分布(Mw/Mn)が1.5であった。
【0055】
(ポリクラウンエーテル合成例3)
通常の方法で上記式(VII)で表されるポリクラウンエーテルを合成した。得られたポリクラウンエーテルは、Tgが15℃で、Td10が324℃で、数平均分子量(Mn)が125000で、分子量分布(Mw/Mn)が80であった。
【0056】
(実施例1)
上記のようにして得た式(V)のポリクラウンエーテルと、上記式(IX)の二官能性アンモニウム塩とをクロロホルム・アセトニトリル混合液に溶解させ、ベンゼンチオール(PhSH)を加えて、50℃で静置した。ここで、式(V)のポリクラウンエーテルの濃度はそのクラウンユニットの濃度として0.25M、式(IX)の二官能性アンモニウム塩の濃度は0.060M、ベンゼンチオールの濃度は0.012Mである。その結果、混合溶液の粘度が徐々に増加していくのが観察され、20時間後にゲルの沈澱が起こった。該ゲルをクロロホルムとメタノールで洗浄したところ、架橋型ポリロタキサン(架橋体)を定量的に得た。得られたゲルは、無色で弾力性を有し、乾燥時は非常に硬くなった。得られた架橋型ポリロタキサンは、ガラス転移点(Tg)が60.4℃で、10%重量減少温度(Td10)が203℃であった。反応式を下記に示す。
【化12】
【0057】
また、コントロール実験として、式(IX)のアンモニウム塩又はベンゼンチオールを加えずに同様の実験を行ったところ、ゲルが生成しなかったことから、上記のゲルの生成は、ロタキサンの機械的結合によるものであることが分かった。
【0058】
次に、上記架橋体の生成過程(ゲル化)を1H-NMRで追跡した。上記の式(V)のポリクラウンエーテル、式(IX)のアンモニウム塩及びベンゼンチオールをNMR測定用チューブに仕込み、経時的に1H-NMR測定を行った。ベンゼンチオールの添加前、添加直後、添加10時間後、添加24時間後の1H-NMRスペクトルを図6に示す。1.3ppm前後に現れる式(IX)のアンモニウム塩のt-Bu基の水素に対応するピークが、ベンゼンチオールの添加によって分裂し、時間の経過と共に分裂が大きくなる。また、4.2ppm前後に現れる式(IX)のアンモニウム塩のベンジル位の水素に対応するピークが時間の経過と共に低磁場側にシフトすることが確認できる。
【0059】
ここで、ロタキサン構造に由来するピークの確認は、図7に示す[2]ロタキサン、[3]ロタキサン、並びに式(IX)のアンモニウム塩及びDB24C8(クラウンエーテル)の混合物の1H-NMRスペクトルから確認した。
【0060】
次に、ベンゼンチオールの添加量を変えて架橋反応を行い、生成した架橋体の膨潤度及びガラス転移点を測定した。結果を表1に示す。なお、ガラス転移点は示差走査熱量計(DSC)で測定し、膨潤度は、ゲルを室温でクロロホルム中に30時間浸漬して、下記の式から求めた。
膨潤度(%)=(膨潤後ゲル体積−乾燥時ゲル体積)/乾燥時ゲルの体積×100
【0061】
【表1】
【0062】
実施例2〜4から、軸となるアンモニウム塩のクラウンユニットに対する仕込み比を低下させることで、膨潤度が増加すると共にガラス転移点が低下することが分かる。このことから、本発明の架橋体は、ポリクラウンエーテルとアンモニウム塩とのモル比を変えることで、架橋率をコントロールできることが分かる。また、実施例5のように、実施例3と同じ仕込み比で濃度を低下させることで、膨潤度が増加すると共にガラス転移点が低下した。このことから、濃度によっても、架橋率をコントロールできることが分かる。
【0063】
次に、架橋ポリマーの膨潤度に与える溶媒の影響を試験した。該試験には実施例4で得た架橋ポリマーを使用し、溶媒のみ変更して同様の方法で膨潤度を測定した。結果を表2に示す。
【0064】
【表2】
【0065】
表2から、ジメチルホルムアミド(DMF)やジメチルスルホキシド(DMSO)等の主鎖ポリマーへの溶解性が高い溶媒により膨潤度を上げることができるのが分かる。
【0066】
(実施例10)
式(VI)のポリクラウンエーテルを用いて実施例1と同様にして、該ポリマーを架橋した。その結果、式(VI)のポリクラウンエーテルから得られた架橋型ポリロタキサンは、ガラス転移点(Tg)が9.2℃で、10%重量減少温度(Td10)が189℃であった。
【0067】
(実施例11)
式(VII)のポリクラウンエーテルを用いて実施例1と同様にして、該ポリマーを架橋した。その結果、式(VII)のポリクラウンエーテルから得られた架橋型ポリロタキサンは、ガラス転移点(Tg)が87℃で、10%重量減少温度(Td10)が234℃であった。
【0078】
(リサイクル例1)
式(V)のポリクラウンエーテルと、該ポリクラウンエーテルのクラウンユニットに対し40mol%の上記式(IX)の二官能性アンモニウム塩とをクロロホルム/アセトニトリル混合液(混合比4/1)に溶解させ、式(IX)のアンモニウム塩の30mol%の下記式(XXVII):
【化13】
で表されるチオールを加えて、室温で静置した。その結果、架橋反応が進行して、ゲルが生成した。
【0079】
得られたゲルはDMF中60℃で3日間加熱しても膨潤しただけであったが、上記式(XXVII)のチオールを触媒量含むDMF中では70分で均一になり、ロタキサン構造による架橋が外れたことを示した。この溶液をメタノールに再沈澱すると、ポリクラウンエーテルが定量的に回収された。また、メタノール溶液を水に再沈澱することにより、ジスルフィド結合を有する二官能性のアンモニウム塩と、チオールとの混合物を92%の収率で回収した。この結果から、上記架橋体は、元のポリクラウンエーテルと二官能性のアンモニウム塩とチオールとにリサイクルすることが可能であるのが確認された。反応プロセスを下記に示す。
【化14】
【0080】
【発明の効果】
本発明によれば、複数のポリマーが、輪と軸とからなるロタキサン構造による機械的結合で架橋された新規架橋体及びその製造方法を提供することができる。また、該架橋体のリサイクル方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 ロタキサンの概念図である。
【図2】 エンドキャップ法によるロタキサン合成の概念図である。
【図3】 チオール・ジスルフィド交換反応を利用したロタキサン合成の概念図である。
【図4】 ポリロタキサンの概念図である。
【図5】 本発明の架橋体の概念図である。
【図6】 式(V)のポリクラウンエーテル及び式(IX)のアンモニウム塩の混合物にベンゼンチオールを添加した後の1H-NMRスペクトルの経時変化を示す。
【図7】 [2]ロタキサン、[3]ロタキサン、並びに式(IX)のアンモニウム塩及びDB24C8(クラウンエーテル)の混合物の1H-NMRスペクトルを示す。
【符号の説明】
1 軸
2 輪
3 エンドキャップ
4 擬ロタキサン
5 [2]ロタキサン
6 [3]ロタキサン
7 ポリクラウンエーテル
8 ジスルフィド結合
9 ジスルフィド結合を有する二官能性のアンモニウム塩
10 チオール類
11 架橋体
Claims (6)
- 前記ジスルフィド結合を有する二官能性のアンモニウム塩が下記式(II):
(R1−N+H2−R2−S−S−R2−N+H2−R1)・2X- ・・・ (II)
(式中、R1は前記ポリクラウンエーテルのクラウンエーテル単位の孔サイズよりも嵩高い基であり、R2は二価の炭化水素基でへテロ原子を含んでもよく、X-は一価の陰イオンである)で表されることを特徴とする請求項1に記載の架橋体。 - 前記ジスルフィド結合を有する二官能性のアンモニウム塩が下記式(II):
(R1−N+H2−R2−S−S−R2−N+H2−R1)・2X- ・・・ (II)
(式中、R1、R2及びX-は上記と同義である)で表されることを特徴とする請求項3に記載の架橋体の製造方法。 - 請求項1又は2に記載の架橋体をチオール類の存在下で脱架橋することを特徴とする架橋体のリサイクル方法。
- 前記チオール類が下記式(IV):
(R1−N+H2−R2−SH)・X- ・・・ (IV)
(式中、R1、R2及びX-は、上記と同義である)で表されることを特徴とする請求項5に記載の架橋体のリサイクル方法。
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