JP4975904B2 - β亜燐酸ニトロキシドから得られるアルコキシアミン - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はラジカル重合開始剤として使用可能な、β亜燐酸ニトロキシドから得られる置換基を3つ有するα,β,β−ヒドロキシルアミン(以下、β亜燐酸ニトロキシドまたはアルコキシアミンという)に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
(2,2,6,6,−テトラメチルピペリジニル)-N−オキシド(TEMPO)から得られるようなアルコキシアミンを高分子の製造で用いる方法は多くの刊行物に記載されている。
Hawker C.J.達(高分子、1996年、第29巻、5245−5254頁)には、(2,2,6,6,−テトラメチル−1−ピペリジニルオキシ)メチルベンゼンのようなTEMPOから得られるアルコキシアミンをスチレンのラジカル重合開始剤として重合制御に使用し、多分散指数の低い厳密に定義されたポリマーを得る方法が開示されている。さらに、AIBNまたはベンゾイルペルオキシド等の従来の開始剤をTEMPOの存在下で使用した時に得られる速度とほぼ同じ重合速度であることも確認している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、β亜燐酸ニトロキシドから得られるアルコキシアミンをラジカル重合可能な少なくとも一種のモノマーの(共)重合開始剤として使用することによって多分散性を正確に制御でき、しかも、(共)重合速度を速くすることができることを見出した。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明の対象は、下記化学式(I)の化合物にある:
【化17】
【0005】
〔ここで、
R1およびR2は水素原子、炭素数1〜10の直鎖または分岐鎖のアルキル基、アリール基または炭素数が10以下のアラルキル基を表し、互いに同一でも異なっていてもよく、あるいは、R1とR2とが互いに結合してR1およびR2を含む炭素原子の環を形成し、この環はR1およびR2の炭素原子を含めて炭素数が3〜8であり、
R3は直鎖または分岐鎖の飽和または不飽和の炭素数が1〜30の炭化水素基を表し、少なくとも1つの環を含むことができ、
R4およびR5は炭素数1〜20の直鎖または分岐鎖のアルキル基、シクロアルキル基、アリール基、アルコキシ基、アリールオキシル基、アラルキルオキシル基、ペルフルオロアルキル基、アラルキル基またはチオアルキル基を表し、互いに同一でも異なっていてもよく、あるいはR4とR5とが互いに結合して燐原子を含む環を形成し、この複素環は炭素数が2〜6で、1つ以上の酸素または硫黄原子をさらに含むことができ、
ZはCF 3 (CF 2 ) 5 −、(CH 3 ) 2 C(CN)−または下記化学式の基である:
【0006】
【化18】
【0007】
(ここで、R6、R7およびR8は水素原子、シアノ基またはシクロアルキル基、−(CH2)n−C(O)OR9基(ここで、R9は炭素数1〜6の直鎖または分岐鎖のアルキル基を表し、n=0〜6)を表し、互いに同一でも異なっていてもよい)〕
【0008】
化学式(I)の化合物の中で、特に好ましいものはR1=H、R2=R3=(CH3)3C−、R4=R5=CH3CH2O−、Z=(CH3)2C(CN)−(R6=R7=CH3−、R8=NC−)、CH3OC(O)C(CH3)2−(R6=R7=CH3−、R8=−(CH2)nC(O)OR9(ここでn=0、R9=−CH3);CH3OC(O)CH(CH3)−(R6=H、R7=CH3−、R8=−(CH2)nC(O)OR9(ここでn=0およびR9=−CH3);C6F13−である化合物である。
【0009】
化学式(I)のアルコキシアミンは文献に記載の方法で製造できる。最も一般的な方法は炭素を含むラジカルとニトロキシドラジカルとのカップリングを含む。この炭素を含むラジカルZ・は文献に記載の種々の方法、例えばアゾ化合物の分解、適当な基材からの水素原子の除去、オレフィンへのラジカルの付加で発生させることができる。このラジカルZ・は有機金属化合物、例えばHawker C.J.達の高分子、1996年、第29巻、5245−5254頁に記載の有機マグネシウム成分Z−MgXから発生させるか、Doctra Greszta達の高分子、1996年、第29巻、7661−7670頁に記載のATRA(原子移動ラジカル付加)反応でCuCl/ビピリジン等の有機金属系の存在下でのハロ誘導体Z−Xから発生させることもできる。
【0010】
これらの方法の中で、化学式(I)の化合物の製造に用いるのに好ましい方法はATRA反応を含む方法である。この方法は、CuBr/ビピリジン等の有機金属触媒系の存在下および溶媒媒体中で原子または原子団を別の分子に移動させることにある。
一般に用いられる操作ではCuBr/ビピリジン等の有機金属錯体を有機溶媒、好ましくはベンゼンまたはトルエン等の芳香族溶媒に溶解し、次いでこの溶液に化合物ZXとβ亜燐酸ニトロキシドとを導入する。次いで、反応混合物を20〜70℃の温度で少なくとも48時間またはそれ以上攪拌する。次いで、沈殿物を濾過し、エーテル等の溶媒で洗浄した後、5重量%のCuSO4水溶液、次いで水で洗浄する。
MgSO4で乾燥させた後、溶媒を減圧蒸発させる。
【0011】
本発明の化学式(I)のアルコキシアミンおよびZのR 6 、R 7 およびR 8 が炭素数1〜10の直鎖または分岐鎖のアルキル基、フェニル基またはベンジル基を表し、互いに同一でも異なっていてもよい化学式(I)のアルコキシアミンはラジカル重合可能な炭素−炭素二重結合を有する任意のモノマーを(共)重合するのに用いることができる。化学式(I)の中で好まし化合物はR 1 =H、R 2 =R 3 =(CH 3 ) 3 C−、R 4 =R 5 =CH 3 CH 2 O−で、ZがC 6 H 5 CH 2 −、(CH 3 ) 2 C(CN)−、CH 3 OC(O)C(CH 3 ) 2 −、CH 3 OC(O)CH(CH3)−、C 6 F 13 −、C 6 H 5 CH(CH 3 )−、C 6 H 5 C(CH 3 ) 2 −、C 6 H 12 −およびCH 3 (CH 2 ) 5 −の中の1つの基に対応する化合物である。(共)重合はモノマーを考慮に入れて当業者に公知の通常の条件下で行う。モノマーは芳香族ビニルモノマー(スチレンまたは置換スチレン)、ジエン、アクリルモノマー、例えばメチルアクリレートまたはブチルアクリレートまたはメタクリルモノマーにすることができる。塩化ビニル、二フッ化ビニリデンまたはアクリロニトリル等のモノマーにすることもできる。
アルコキシアミン(1)は用いるモノマーの0.005〜5重量%の比率で(共)重合媒体に導入でするのが有利である。
【0012】
【実施例】
以下の実施例では下記化学式のβ亜燐酸ニトロキシドをDEPNで表す:
【化19】
【0013】
この化合物は国際特許WO96/24620号に記載の手順に従ってジエチル2,2−ジメチル−1−(1,1−ジメチルエチルアミノ)プロピルホスホネートをメタクロロ過安息香酸を用いて酸化することで得られる。得られた化合物は元素分析および1H、13C、31Pおよび19F NMRで特徴付けた。
NMRスペクトルはBruker AC100で得た(1H、100MHz;31P,40.53MHz;19F,94.22MHz;13C、25.18MHz)。
化学シフトδはプロトンおよび炭素の場合はテトラメチルシラン(内部基準)に対して、燐の場合は85%H3PO4(外部基準)に対して、フッ素の場合はトリフルオロ酢酸に対してのppmで示す。
【0014】
実施例1
N‐ tert- ブチル−N−1−ジエチルホスホノ−2,2−ジメチルプロピル−O−1−フェニルエチルヒドロキシルアミン(1)の合成:
【0015】
【化20】
【0016】
アルゴンでパージされた100ml容のシュレンク(Schenk)管に0.57gのCuBr4(4mmol)と、1.25gの2,2−ビピリジン(8mmol)とを導入する。0.74gの(1−ブロモ−エチル)ベンゼン(4mmol)と、0.68gの86%DEPN(2mmol)を9mlの無水トルエンに溶解したものとを添加する。この混合物を室温で48時間攪拌下で反応させる。反応混合物をシーライト(celite)に通して濾過する。濾液を5%硫酸銅水溶液、次いで水で洗浄する。有機相を硫酸マグネシウム上で乾燥させ、次いで溶媒を蒸発させる。シリカカラムクロマトグラフィーで生成物を精製する(溶離剤として6/4ペンタン/エーテルを用いる)。2つのジアステレオ異性体の形で0.75gの化合物(1)(収率=95%)が得られる。ジアステレオ異性体の比は64/36(23.14および24.36ppm(I/II=64/36)でのシグナルを積分して粗混合物の31Pスペクトルで求めた)。
分析結果は下記の通り:
【0017】
【化21】
【0018】
【化22】
【0019】
実施例2
N‐ tert- ブチル−N−1−ジエチルホスホノ−2,2−ジメチルプロピル−O−ベンジル−ヒドロキシルアミン(2)の合成:
【0020】
【化23】
【0021】
実施例1と同じ操作を行う。用いた化合物は臭化ベンジル(1.03g、6mmol)、CuBr(0.86g、6mmol)、2,2−ビピリジン(1.87g,12mmol)、72%DEPN(1.23g,3mmol)、ベンゼン(16ml)である。シリカカラムクロマトグラフィー(7/3ペンタン/酢酸エチル溶離剤)で生成物を精製する。融点が68〜70℃の白色固体の形で0.46gの化合物(2)(収率=40%)が得られる。
分析結果は下記の通り:
【0022】
【化24】
【0023】
実施例3
N‐ tert- ブチル−N−1−ジエチルホスホノ−2,2−ジメチルプロピル−O−1−シアノ−1−メチルエチルヒドロキシルアミン(3)の合成:
【0024】
【化25】
【0025】
実施例1と同じ操作を行う。用い例えば化合物は2−ブロモ−2−メチルプロピオニトリル(0.89g、6mmol)、CuBr(0.86g、6mmol)、2,2−ビピリジン(1.87g,12mmol)、72%DEPN(1.23g,3mmol)、ベンゼン(16ml)である。シリカカラムクロマトグラフィー(5/5ペンタン/酢酸エチル溶離剤)で生成物を精製する。0.77gの化合物(3)(収率=73%)が得られる。
2−ブロモ−2−メチルプロピオニトリルはイソブチロニトリルをN−ブロモコハク酸イミドで臭素化し、CCl4を還流して調製する。
分析結果は下記の通り:
【0026】
【化26】
【0027】
実施例4
N‐ tert- ブチル−N−1−ジエチルホスホノ−2,2−ジメチルプロピル−O−1−メトキシカルボニルメチルエチルヒドロキシルアミン(4)の合成:
【0028】
【化27】
【0029】
実施例1と同じ操作を行う。用いた化合物はメチル2−ブロモプロピオネート(1g、6mmol)、CuBr(0.86g、6mmol)、2,2−ビピリジン(1.87g,12mmol)、86%DEPN(1.08g,3mmol)、ベンゼン(16ml)である。シリカカラムクロマトグラフィー(5/5ペンタン/酢酸エチル溶離剤)で生成物を精製する。1.07gの化合物(4)が56/44の比の2つのジアステレオ異性体の形で得られる(収率=93%)。
56/44の比のジアステレオ異性体の比は23.55および22.96ppm(I/II=56/44)でのシグナルを積分して粗混合物の31Pスペクトルで求めた。
分析結果は下記の通り:
【0030】
【化28】
【0031】
【化29】
【0032】
実施例5
N‐ tert- ブチル−N−1−ジエチルホスホノ−2,2−ジメチルプロピル−O−1−メチル−1−メトキシカルボニルエチルヒドロキシルアミン(5)の合成:
【0033】
【化30】
【0034】
実施例1と同じ操作を行う。用いた化合物はメチル2−ブロモ−2−メチルプロピオネート(1.09g、6mmol)、CuBr(0.86g、6mmol)、2,2−ビピリジン(1.87g,12mmol)、86%DEPN(1.08g,3mmol)、ベンゼン(16ml)である。シリカカラムクロマトグラフィー(5/5ペンタン/酢酸エチル溶離剤)で生成物を精製する。0.47gの化合物(5)(収率=43%)が得られる。
2−ブロモ−2−メチルプロピオネートはメタノールを2−ブロモ−2−メチルプロピオニル臭化物と反応させて調製する。
【0035】
【化31】
【0036】
実施例6
N‐ tert- ブチル−N−1−ジエチルホスホノ−2,2−ジメチルプロピル−O−1−ペルフルオロへキシルヒドロキシルアミン(6)の合成:
【0037】
【化32】
【0038】
実施例1と同じ操作を行うが、反応を60℃で行う。用いた化合物はペルフルオロへキシル沃化物(1.34g、3mmol)、CuBr(0.43g、3mmol)、2,2−ビピリジン(0.94g,6mmol)、72%DEPN(0.61g,1.5mmol)、ベンゼン(10ml)である。シリカカラムクロマトグラフィー(7/3ペンタン/酢酸エチル溶離剤)で生成物を精製する。0.50gの化合物(6)が得られる。
分析結果は下記の通り:
【0039】
【化33】
【0040】
実施例7
N‐ tert- ブチル−N−1−ジエチルホスホノ−2,2−ジエチルプロピル−O−1−へキシルヒドロキシルアミン(7)の合成:
【0041】
【化34】
【0042】
アルゴンでパージされた100ml容のSchenk管に1.03gの94%DEPN(3.3mmol)と、ナトリウム/ベンゾフェノンを用いて予備蒸留したTHF30mlとを導入する。この溶液を−90℃まで冷却し、0.6mlの2.5Mヘキシルリチウムヘキサン(1.5mmol)溶液を隔壁を介するシリンジによって一滴ずつ添加する。反応混合物を緩やかに室温に戻し、次いで飽和NH4Cl溶液で加水分解する。この水相をエーテルを用いて3回抽出する。抽出された有機相を合わせて硫酸マグネシウムで乾燥させ、次いで溶媒を蒸発させる。シリカカラムクロマトグラフィーで75/25ペンタン/酢酸エチル溶離剤を用いて生成物を精製する。0.36gの化合物(7)(収率=59%)が得られる。
【0043】
【化35】
【0044】
実施例8
N‐ tert- ブチル−N−1−ジエチルホスホノ−2,2−ジメチルプロピル−O−シクロへキシルヒドロキシルアミン(8)の合成:
【0045】
【化36】
【0046】
実施例7と同じ操作を行う。用いた化合物は94%DEPN(1.03g,3.3mmol)、シクロヘキシルマグネシウム臭化物(0.75mlの2Mエーテル溶液、1.5mmol)、THF(30ml)である。シリカカラムクロマトグラフィー(75/25ペンタン/エーテル溶離剤)で生成物を精製する。0.42gの化合物(8)(収率=75%)が白色固体の形で得られる。
【0047】
【化37】
【0048】
実施例9
実施例1で作ったN‐ tert- ブチル−N−1−ジエチルホスホノ−2,2−ジメチルプロピル−O−1−フェニルエチルヒドロキシルアミン(1)のスチレン重合開始剤として使用:
反応成分:
スチレンは減圧下で予め蒸留する。
重合:
ガス入口を備えた三つ口フラスコにスチレン(4.93gすなわち0.047mol)と化合物(1)(0.0952gすなわち2,38×10-4mmol)とを導入する。次いで、混合物をアルゴンをバブリングして20分間脱気した後、サーモスタットで維持される油浴中で123℃に加熱する。反応全体を通して、媒体は不活性雰囲気下で磁気棒で攪拌する。脱気されたシリンジを用いて一定間隔でサンプルを取る。
【0049】
分析:
数平均分子量(Mn)および多分散指数(Ip)は立体除外クロマトグラフィー(SEC)で測定した。
クロマトグラムはSP8810ポンプ、Shodex RE−61RI示差屈折計と2つのPigel混合Dカラム(溶離剤:THF、30℃)を備えたSpectra physics を用いて記録した。較正は標準ポリスチレンのサンプルを用いて行った。
変換率はサンプルの乾燥固形分を測定して求めた。
全変換率での理論量は常にMnth=19800g/molである。
結果は〔表1〕に示す。
【0050】
【表1】
【0051】
これらの結果から下記の2つの反応速度曲線が得られる。
図1はln[M]0/[M]tを時間の関数で表し、図2はMnを変換率の関数で表している。
各点が正確に直線上に整合し、多分散指数(Ip)は低い。この特徴はラジカル重合が良く制御されていることを表している。
【図面の簡単な説明】
【図1】 ln[M]0/[M]tを時間の関数で表したグラフ。
【図2】 Mnを変換率の関数で表したグラフ。
Claims (11)
- 上記モノマーがスチレン、メチルアクリレートまたはブチルアクリレートである請求項5〜10のいずれか一項に記載の使用。
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