JP5268644B2 - ハイパーブランチポリマー及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、新規なハイパーブランチポリマー及びその製造方法に関する。本発明のハイパーブランチポリマーは、特に屈折率制御性に優れ、また光学的、熱的に安定であるという特徴を有し、光学材料、塗料、インキ、接着剤、樹脂フィラー、各種成形材料、ナノメートルサイズの多孔形成剤、化学的機械的研磨剤、機能物質の担持材料、ナノカプセル、フォトニック結晶、レジスト材料、電子材料、情報記録材料、印刷材料、電池材料、医用材料、磁性材料等として好適に利用される。
ハイパーブランチポリマーは、デンドリマーと共にデンドリティック(樹枝状)ポリマーとして分類されている。従来の高分子は一般的に紐状の形状であるのに対し、これらのデンドリティックポリマーは積極的に枝分かれを導入している点でその特異な構造を有している。従って、ナノメートルオーダーのサイズ、多くの官能基を保持することができる表面、線状ポリマーに比べて低粘度化できる、分子間の絡み合いが少なく微粒子的挙動を示す、非晶性になり溶媒溶解性を制御できる、など様々な特性を有しているのでこれらの特性を利用した応用が期待されている。
特に末端基数の多さはデンドリティックポリマーの最も顕著な特徴であり、分子量が増加すれば枝分かれの数も増えるので、末端基の絶対数は高分子量のデンドリティックポリマーほど多くなる。このような末端基数の多いデンドリティックポリマーは、末端基の種類によって分子間相互作用が大きく左右され、ガラス転移温度や溶解性、薄膜形成性などが大きく変化するので、一般の線状高分子にはない特徴を有する。また、末端基に反応性官能基を付与した場合には、非常に高密度に反応性官能基を有することになるため、例えば、機能物質の高感度補足剤、高感度な多官能架橋剤、金属や金属酸化物の分散剤又はコーティング剤としての応用が期待される。
ハイパーブランチポリマーのデンドリマーに対する利点は、その合成の簡便さが挙げられ、特に工業的生産においては有利である。一般にデンドリマーが保護−脱保護を繰り返し合成されるのに対し、ハイパーブランチポリマーは1分子中に二種類の置換基を合計3個以上もつ、いわゆるABX型モノマーの1段階重合により合成される。
光重合開始能を持ちかつビニル基を有する化合物のリビングラジカル重合によって、ハイパーブランチポリマーを合成する方法が知られている。例えば、ジチオカルバメート基を有するスチレン化合物の光重合によるハイパーブランチポリマーの合成法(非特許文献1、2、3参照)や、ジチオカルバメート基を有するアクリル化合物の光重合によるジチオカルバメート基を有するハイパーブランチポリマーの合成法(非特許文献4、5、6参照)が知られている。しかしながら、これらのハイパーブランチポリマーを光学的に応用する場合、ハイパーブランチポリマーの屈折率を精密に制御する技術が必要になるため、ハイパーブランチ構造を維持しながら屈折率が精密に制御されたハイパーブランチポリマーが望まれていた。また、これらのハイパーブランチポリマーは光重合開始能を有するジチオカルバメート基を分子内に有しているので、光に対してはリビング状態のままであり、熱安定性も高くない。よって、光学的、熱的に安定なジチオカルバメート基を有しないハイパーブランチポリマーが望まれていた。
Koji Ishizu,Akihide Mori,Macromol.Rapid Commun. 21,665−668(2000) Koji Ishizu,Akihide Mori,Polymer International 50,906−910(2001) Koji Ishizu,Yoshihiro Ohta,Susumu Kawauchi,Macromolecules Vol.35,No.9,3781−3784(2002) Koji Ishizu,Takeshi Shibuya,Akihide Mori,Polymer International 51,424−428(2002) Koji Ishizu,Takeshi Shibuya,Susumu Kawauchi,Macromolecules Vol.36,No.10,3505−3510(2002) Koji Ishizu,Takeshi Shibuya,Jaebum Park,Satoshi Uchida,Polymer International 53,259−265(2004)
本発明の目的は、ハイパーブランチ構造を維持しながら屈折率が精密に制御された新規なハイパーブランチポリマー及びその製造方法を提供することである。さらに、本発明の目的は、屈折率が精密に制御されるとともに、光学的、熱的にも安定な新規なハイパーブランチポリマー及びその製造方法を提供することである。
本発明は、第1観点として、
式(1):
Figure 0005268644
[式中、
1は水素原子又はメチル基を表し、
1は式(2)又は式(3):
Figure 0005268644
(式中、A2はエーテル結合又はエステル結合を含んでいてもよい炭素原子数1ないし30の直鎖状、枝分かれ状又は環状のアルキレン基を表し、X1、X2、X3及びX4は、それぞれ、水素原子、炭素原子数1ないし20のアルキル基、炭素原子数1ないし20のアルコキシ基、ハロゲン基、ニトロ基、ヒドロキシル基、アミノ基、カルボキシル基又はシアノ基を表す。)を表す。]で表される重合開始点部位に
式(4):
Figure 0005268644
(式中、R1及びA1は前記式(1)における定義と同意義である。)
で表される枝分かれ繰り返し単位が連結した
式(5):
Figure 0005268644
(式中、R1及びA1は前記式(1)における定義と同意義であり、nは枝分かれ繰り返し単位構造の数であって2ないし100,000の整数を表す。)で表されるハイパーブランチポリマーであって、式(5)中の枝分かれ繰り返し単位構造において、A1が式(2)を表す式(4)で表される枝分かれ繰り返し単位とA1が式(3)を表す式(4)で表される枝分かれ繰り返し単位とが連結した構造(ただし、A1が式(2)を表す式(4)中のR1とA1が式(3)を表す式(4)中のR1は、同一であっても異なっていてもよい。)を有するハイパーブランチポリマー。
第2観点として、
前記式(1)で表される重合開始点部位において、A1が式(6)又は式(7):
Figure 0005268644
Figure 0005268644
(式中、mは2ないし10の整数を表す。)を表し、かつ、前記式(5)中の枝分かれ繰り返し単位構造において、A1が式(6)を表す前記式(4)で表される枝分かれ繰り返し単位とA1が式(7)を表す前記式(4)で表される枝分かれ繰り返し単位とが連結した構造を有する第1観点に記載のハイパーブランチポリマー。
第3観点として、
前記式(5)で表されるハイパーブランチポリマー中に含まれる前記式(4)で表される枝分かれ繰り返し単位の総合計量のうち、A1が式(2)を表す式(4)で表される枝分かれ繰り返し単位の総量が1ないし99モル%であり、A1が式(3)を表す式(4)で表される枝分かれ繰り返し単位の総量が99ないし1モル%である第1観点に記載のハイパーブランチポリマー。
第4観点として、
前記式(1)で表される重合開始点部位が式(8)又は式(9):
Figure 0005268644
で表され、かつ前記式(4)で表される枝分かれ繰り返し単位が式(10)又は式(11):
Figure 0005268644
Figure 0005268644
で表されるハイパーブランチポリマーであって、前記式(5)中の枝分かれ繰り返し単位構造において、式(10)で表される枝分かれ繰り返し単位と式(11)で表される枝分かれ繰り返し単位とが連結した構造を有する第1観点に記載のハイパーブランチポリマー。
第5観点として、
分子末端がジチオカルバメート基又は水素原子である第1観点ないし第4観点のうちいずれかに記載のハイパーブランチポリマー。
第6観点として、
ゲル浸透クロマトグラフィーによるポリスチレン換算で測定される重量平均分子量が500ないし5,000,000である、第1観点ないし第5観点のうちいずれかに記載のハイパーブランチポリマー。
第7観点として、
式(12):
Figure 0005268644
(式中、R1及びA1は前記式(1)における定義と同意義であり、R2及びR3は、それぞれ、炭素原子数1ないし5のアルキル基、炭素原子数1ないし5のヒドロキシアルキル基又は炭素原子数7ないし12のアリールアルキル基を表すか、又はR2とR3は互いに結合し、それらと結合する窒素原子と共に環を形成していてもよい。)で表されるジチオカルバメート化合物を、前記A1が式(2)を表す式(12)で表されるジチオカルバメート化合物と前記A1が式(3)を表す式(12)で表されるジチオカルバメート化合物の共存下で、リビングラジカル重合する工程を含む第1観点に記載のハイパーブランチポリマーの製造方法。
第8観点として、
第7観点に記載のA1が式(2)を表す式(12)で表されるジチオカルバメート化合物と第7観点に記載のA1が式(3)を表す式(12)で表されるジチオカルバメート化合物とを共存下で、リビングラジカル重合することから得られる分子末端がジチオカルバメート基である第1観点に記載のハイパーブランチポリマーの製造方法。
第9観点として、
前記A1が式(2)を表す式(12)で表されるジチオカルバメート化合物がN,N−ジエチルジチオカルバミルメチルスチレンであり、前記A1が式(3)を表す式(12)で表されるジチオカルバメート化合物がN,N−ジエチルジチオカルバミルエチルメタクリレートである第7観点又は第8観点に記載のハイパーブランチポリマーの製造方法。
第10観点として、
前記リビングラジカル重合が、前記式(12)で表されるジチオカルバメート化合物を含有する有機溶剤溶液中で、光照射することによって行われる、第7観点ないし第9観点のうちいずれかに記載のハイパーブランチポリマー製造方法。
第11観点として、
第7観点に記載のA1が式(2)を表す式(12)で表されるジチオカルバメート化合物と第7観点に記載のA1が式(3)を表す式(12)で表されるジチオカルバメート化合物とを共存下でリビングラジカル重合する工程と、該重合によって得られるハイパーブランチポリマーの分子末端のジチオカルバメート基を還元する工程を含む、分子末端が水素原子である第1観点に記載のハイパーブランチポリマーの製造方法。
第12観点として、
前記A1が式(2)を表す式(12)で表されるジチオカルバメート化合物がN,N−ジエチルジチオカルバミルメチルスチレンであり、前記A1が式(3)を表す式(12)で表されるジチオカルバメート化合物がN,N−ジエチルジチオカルバミルエチルメタクリレートである第11観点に記載のハイパーブランチポリマーの製造方法。
第13観点として、
前記還元が、水素化トリブチルスズの存在下で、光照射することによって行なわれる、第11観点又は第12観点に記載のハイパーブランチポリマーの製造方法。
第14観点として、
前記還元が、ジチオカルバメート基を分子末端に有するハイパーブランチポリマーを含有する有機溶剤溶液中で、水素化トリブチルスズの存在下で、光照射することによって行なわれる、第11観点又は第12観点に記載のハイパーブランチポリマーの製造方法。
本発明のハイパーブランチポリマーは、異なったモノマー種からなるが、ハイパーブランチ構造を維持し、かつモノマー種の割合に応じて屈折率が精密に制御される。さらに、屈折率が精密に制御されるとともに、光学的、熱的にも安定なハイパーブランチポリマーを得ることができる。また本発明の製造方法により、これらの特性を有したハイパーブランチポリマーを簡便に、効率よく得ることができる。
本発明のハイパーブランチポリマーは、式(1)で表される重合開始点部位に、式(4)で表される枝分かれ繰り返し単位が連結した式(5)で表される構造を有し、かつ式(5)中の枝分かれ繰り返し単位構造において、A1が式(2)を表す式(4)で表される枝分かれ繰り返し単位とA1が式(3)を表す式(4)で表される枝分かれ繰り返し単位とが連結した構造を有するハイパーブランチポリマーである。式(1)、(4)及び(5)中のR1は水素原子又はメチル基を表す。ただし、A1が式(2)を表す式(4)中のR1とA1が式(3)を表す式(4)中のR1とは同一であっても異なっていてもよい。
また、式(5)中のnは、枝分かれ繰り返し単位構造の数であって2ないし100,000の整数を表す。
さらに、本発明では、分子末端にジチオカルバメート基又は水素原子を有するハイパーブランチポリマーをも含む。
式(2)及び式(3)中、A2はエーテル結合又はエステル結合を含んでいてもよい炭素原子数1ないし30の直鎖状、枝分かれ状又は環状のアルキレン基を表し、X1、X2、X3及びX4は、それぞれ、水素原子、炭素原子数1ないし20のアルキル基、炭素原子数1ないし20のアルコキシ基、ハロゲン基、ニトロ基、ヒドロキシル基、アミノ基、カルボキシル基又はシアノ基を表す。
アルキレン基の具体例としては、メチレン基、エチレン基、ノルマルプロピレン基、ノルマルブチレン基、ノルマルヘキシレン基等の直鎖状アルキレン基、イソプロピレン基、イソブチレン基、2−メチルプロピレン基等の枝分かれ状アルキレン基が挙げられる。また環状アルキレン基としては、炭素原子数3ないし30の単環式、多環式、架橋環式の環状構造の脂環式脂肪族基が挙げられる。具体的には、炭素原子数4以上のモノシクロ、ビシクロ、トリシクロ、テトラシクロ、ペンタシクロ構造等を有する基を挙げることができる。例えば、下記に脂環式脂肪族基のうち、脂環式部分の構造例(a)ないし(s)を示す。

Figure 0005268644
1、X2、X3及びX4の炭素原子数1ないし20のアルキル基としては、メチル基、エチル基、イソプロピル基、シクロヘキシル基、ノルマルペンチル基等が挙げられる。炭素原子数1ないし20のアルコキシ基としては、メトキシ基、エトキシ基、イソプロポキシ基、シクロヘキシルオキシ基、ノルマルペンチルオキシ基等が挙げられる。また、ハロゲン基としてはフルオロ基、クロロ基、ブロモ基、ヨード基が挙げられる。これらのなかでX1、X2、X3及びX4としては、水素原子又は炭素原子数1ないし20のアルキル基が好ましい。
また、式(1)中のA1は、式(6)又は式(7)で表される構造であることが好ましい。
式(7)中、mは2ないし10の整数を表し、mとしては2又は3が好ましく、かつ、式(5)中の枝分かれ繰り返し単位構造においては、A1が式(6)を表す式(4)で表される枝分かれ繰り返し単位とA1が式(7)を表す式(4)で表される枝分かれ繰り返し単位とがランダムに連結した構造が好ましい。
次に、本発明のハイパーブランチポリマーの構造を説明する。
本発明の式(5)で表される枝分かれ繰り返し単位構造を有するハイパーブランチポリマーは、式(1)で表されるビニル基を有する重合開始点部位に式(4)で表される枝分かれ繰り返し単位が連結した構造をとる。
その分子末端がジチオカルバメート基となっている例では、枝分かれ繰り返し単位構造の数nが2の場合には、その構造として、式(13)及び式(14):
Figure 0005268644
(式中、R1、A1は前記式(1)における定義と同意義であり、Dはジチオカルバメート基を表す。)が考えられる。
そして、枝分かれ繰り返し単位構造において、A1の少なくとも一つは式(2)の構造又は式(3)の構造を有し、すべてが式(2)又は式(3)の構造を有するものではない。したがって、式(2)で表される構造をX、式(3)で表される構造をZと簡略すると、具体的には、下記の構造式が考えられる。
Figure 0005268644
Figure 0005268644
枝分かれ繰り返し単位構造の数nが3の場合には、式(13)及び式(14)の末端のジチオカルバメート基の一つが前記式(4)となり、その構造としては式(15)ないし式(19)が考えられる。
Figure 0005268644
(式中R1、A1は前記式(1)における定義と同意義であり、Dはジチオカルバメート基を表す。)
そして、式(2)で表される構造をX、式(3)で表される構造をZと簡略すると、先に表したnが2の構造式と同様に、式(15)ないし式(19)に対応する多数の構造式が考えられる。例えば、式(15)の配列の結合様式としては、具体的には下記の構造式が考えられる。
Figure 0005268644
Figure 0005268644
Figure 0005268644
Figure 0005268644
上記で表した構造式と同様に、式(16)ないし式(19)の配列の結合様式においても、種々の構造式が考えられる。
枝分かれ繰り返し単位構造の数nが4やそれ以上の場合には、さらに、多数の構造が考えられる。
式(5)で表されるハイパーブランチポリマーの枝分かれ繰り返し単位構造は、A1が式(2)を表す式(4)で表される枝分かれ繰り返し単位とA1が式(3)を表す式(4)で表される枝分かれ繰り返し単位とが共存したものである。
そして、式(5)で表されるハイパーブランチポリマーは、それぞれの枝分かれ繰り返し単位構造が規則的に3点で結合して枝分かれした構造になる場合と、2点で結合し、枝分かれせずに線状の構造になる場合のいずれをも包含する。
本発明のハイパーブランチポリマーは、式(5)で表されるハイパーブランチポリマー中に含まれる式(4)で表される枝分かれ繰り返し単位の総合計量のうち、A1が式(2)を表す式(4)で表される枝分かれ繰り返し単位の総量が1ないし99モル%であり、A1が式(3)を表す式(4)で表される枝分かれ繰り返し単位の総量が99ないし1モル%である。好ましくは、A1が式(2)を表す式(4)で表される枝分かれ繰り返し単位の総量は5ないし95モル%であり、A1が式(3)を表す式(4)で表される枝分かれ繰り返し単位の総量は95ないし5モル%である。より好ましくは、A1が式(2)を表す式(4)で表される枝分かれ繰り返し単位の総量は10ないし90モル%であり、A1が式(3)を表す式(4)で表される枝分かれ繰り返し単位の総量は90ないし10モル%である。
そして、A1が式(2)を表す式(4)で表される枝分かれ繰り返し単位とA1が式(3)を表す式(4)で表される枝分かれ繰り返し単位とのコポリマーの配列様式は、ランダムコポリマー、交互コポリマー及びブロックコポリマーのいずれであってもよい。
本発明のハイパーブランチポリマーは、ゲル浸透クロマトグラフィーによるポリスチレン換算で測定される重量平均分子量Mwが500ないし5,000,000であり、好ましくは1,000ないし1,000,000であり、より好ましくは2,000ないし500,000であり、最も好ましくは3,000ないし100,000である。また、本発明のハイパーブランチポリマーの分散度Mw(重量平均分子量)/Mn(数平均分子量)は、1.0ないし10.0であり、好ましくは1.1ないし9.0であり、より好ましくは1.2ないし8.0である。
次に本発明の式(5)で表される枝分かれ繰り返し単位構造を有するハイパーブランチポリマーの製造方法を説明する。
本発明の式(5)で表される構造を有するハイパーブランチポリマーは、式(12)で表されるジチオカルバメート化合物を、A1が式(2)を表す式(12)で表されるジチオカルバメート化合物とA1が式(3)を表す式(12)で表されるジチオカルバメート化合物の共存下で、リビングラジカル重合する工程を含む方法よって製造することができる。
また、該製造方法によって、分子末端がジチオカルバメート基であるハイパーブランチポリマーをも製造することができる。さらに、該方法により得られたハイパーブランチポリマーの分子末端のジチオカルバメート基を還元することによって、分子末端を水素原子とするハイパーブランチポリマーを製造することもできる。
式(12)中、R1及びA1は式(1)における定義と同意義である。R2及びR3は、それぞれ、炭素原子数1ないし5のアルキル基、炭素原子数1ないし5のヒドロキシアルキル基又は炭素原子数7ないし12のアリールアルキル基を表す。また、R2とR3は互いに結合し、それらと結合する窒素原子と共に環を形成していてもよい。
炭素原子数1ないし5のアルキル基としては、メチル基、エチル基、イソプロピル基、t−ブチル基、シクロペンチル基、ノルマルペンチル基等が挙げられる。炭素原子数1ないし5のヒドロキシアルキル基としては、ヒドロキシメチル基、ヒドロキシエチル基、ヒドロキシプロピル基等が挙げられる。炭素原子数7ないし12のアリールアルキル基としては、ベンジル基、フェネチル基等が挙げられる。
2とR3が互いに結合し、それらと結合する窒素原子と共に形成する環としては四ないし八員環が挙げられる。そして、環としてメチレン基を四ないし六個含む環が挙げられる。また、酸素原子又は硫黄原子と、四ないし六個のメチレン基を含む環も挙げられる。R2とR3が互いに結合し、それらと結合する窒素原子と共に形成する環の具体例としては、ピペリジン環、ピロリジン環、モルホリン環、チオモルホリン環、ホモピペリジン環等が挙げられる。
式(12)で表されるジチオカルバメート化合物は、下記の式(20)で表される化合物と式(21)で表される化合物との求核置換反応により容易に得ることができる。
Figure 0005268644
式(20)中、Yは脱離基を表す。脱離基としてはフルオロ基、クロロ基、ブロモ基、ヨード基、メシル基、トシル基等が挙げられる。式(21)中、Mはリチウム、ナトリウム又はカリウムを表す。
本求核置換反応は、通常上記二種類の化合物を両方溶解できる有機溶媒中で行なうことが好ましい。反応後、水/非水系有機溶剤による分液処理や、再結晶処理によって式(12)で表されるジチオカルバメート化合物を高純度で得ることができる。また、式(12)で表されるジチオカルバメート化合物は、Macromol.Rapid Commun. 21,665−668(2000)又はPolymer International 51,424−428(2002)に記載の方法を参照して製造することもできる。
式(12)で表されるジチオカルバメート化合物の具体例は、A1が式(2)を表すジチオカルバメート化合物としてN,N−ジエチルジチオカルバミルメチルスチレン等が挙げられ、A1が式(3)を表すジチオカルバメート化合物としてN,N−ジエチルジチオカルバミルエチルメタクリレート等が挙げられる。
そして、式(12)で表されるジチオカルバメート化合物を、A1が式(2)を表すジチオカルバメート化合物とA1が式(3)を表すジチオカルバメート化合物の共存下でリビングラジカル重合する工程を含む方法によって、式(5)で表される枝分かれ繰り返し単位構造を有するハイパーブランチポリマーを得ることができる。また同重合方法によってジチオカルバメート基を分子末端に有するハイパーブランチポリマーを得ることができる。リビングラジカル重合は、塊状重合、溶液重合、懸濁重合、乳化重合等の公知の重合形式により行なうことができるが、有機溶剤溶液中での溶液重合が好ましい。
溶液重合の場合は、式(12)で表されるジチオカルバメート化合物として、A1が式(2)を表すジチオカルバメート化合物とA1が式(3)を表すジチオカルバメート化合物とを用い、溶解可能な有機溶剤溶液中で、任意の濃度で重合反応を行なうことによってなされる。例えば、A1が式(2)を表すジチオカルバメート化合物に対して、A1が式(3)を表すジチオカルバメート化合物の割合は0.01ないし99モル当量、好ましくは0.05ないし19モル当量、より好ましくは0.1ないし9モル当量である。
また、溶液重合の場合、溶液中において式(12)で表されるジチオカルバメート化合物として用いられるA1が式(2)を表すジチオカルバメート化合物とA1が式(3)を表すジチオカルバメート化合物との合計量は、総質量(A1が式(2)を表すジチオカルバメート化合物と、A1が式(3)を表すジチオカルバメート化合物と、有機溶剤との合計質量)に対して、1ないし80質量%であり、好ましくは2ないし70質量%であり、より好ましくは5ないし60質量%である。有機溶剤としては、式(12)で表されるジチオカルバメート化合物として用いられるA1が式(2)を表すジチオカルバメート化合物とA1が式(3)を表すジチオカルバメート化合物とを溶解可能な有機溶剤であれば特に制限はなく、例えば、ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン等の芳香族炭化水素類、テトラヒドロフラン、ジエチルエーテル等のエーテル系化合物、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン系化合物、ノルマルヘプタン、ノルマルヘキサン、シクロヘキサン等の脂肪族炭化水素類等が挙げられる。これらの有機溶剤は一種を用いてもよいし、二種以上を混合して用いてもよい。
1が式(2)を表す式(12)で表されるジチオカルバメート化合物とA1が式(3)を表す式(12)で表されるジチオカルバメート化合物との共存下におけるリビングラジカル重合は、有機溶剤溶液中、加熱又は紫外線等の光照射によって行なうことができるが、紫外線等の光照射によって行なうことが好ましい。光照射は、低圧水銀ランプ、高圧水銀ランプ、超高圧水銀ランプ、キセノンランプ等の紫外線照射ランプを使用して、反応系の内部又は外部から照射することによって行なうことができる。リビングラジカル重合においては、重合開始前には反応系内の酸素を十分に除去する必要があり、窒素、アルゴンなどの不活性気体で系内を置換するとよい。重合時間としては、0.1ないし100時間であり、好ましくは1ないし50時間であり、より好ましくは3ないし30時間である。通常、重合時間の経過と共にモノマー(A1が式(2)を表す式(12)で表されるジチオカルバメート化合物とA1が式(3)を表す式(12)で表されるジチオカルバメート化合物)の転化率は増加する。重合温度は特に制限されないが、0ないし200℃であり、好ましくは10ないし150℃であり、より好ましくは20ないし100℃である。
1が式(2)を表す式(12)で表されるジチオカルバメート化合物とA1が式(3)を表す式(12)で表されるジチオカルバメート化合物との共存下におけるリビングラジカル重合時には、分子量や分子量分布を調整するために、メルカプタン類、サルファイド類等の連鎖移動剤や、二硫化テトラエチルチウラムなどのスルフィド化合物を使用することができる。さらに、所望により、ヒンダードフェノール類などの酸化防止剤、ベンゾトリアゾール類などの紫外線吸収剤、4−tert−ブチルカテコール、ハイドロキノン、ニトロフェノール、ニトロクレゾール、ピクリン酸、フェノチアジン、ジチオベンゾイルジスルフィド等の重合禁止剤も使用できる。
さらに、リビングラジカル重合時には、枝分かれ度や重合度を調整するために、ジチオカルバメート基を有していない公知のビニルモノマー又は不飽和二重結合を有する化合物を添加することもできる。これらは、式(12)で表されるジチオカルバメート化合物として用いられる、A1が式(2)を表すジチオカルバメート化合物とA1が式(3)を表すジチオカルバメート化合物の総量に対して50モル%未満の割合で使用することができる。これらの具体例としては、スチレン類、ビニルビフェニル類、ビニルナフタレン類、ビニルアントラセン類、アクリル酸エステル類、メタクリル酸エステル類、アクリルアミド類、メタクリルアミド類、ビニルピロリドン類、アクリロニトリル類、マレイン酸類、マレイミド類、ジビニル化合物類及びトリビニル化合物類が挙げられる。
次に、分子末端に水素原子を有するハイパーブランチポリマーについて詳述する。
上述のようにして得られるジチオカルバメート基を分子末端に有するハイパーブランチポリマーを還元すること、すなわち、分子末端のジチオカルバメート基を水素原子に変換することによって本発明の式(5)で表される枝分かれ繰り返し単位構造において、A1が式(2)を表す式(4)で表される枝分かれ繰り返し単位とA1が式(3)を表す式(4)で表される枝分かれ繰り返し単位とが連結した構造を有し、分子末端に水素原子を有する下記の式(22)
Figure 0005268644
(式中、R1、A1は前記式(1)における定義と同意義である。)で表されるハイパーブランチポリマーを得ることができる。
還元の方法は、ジチオカルバメート基を水素原子に変換することができる方法であれば、特に制限はない。
水素、ヨウ化水素、硫化水素、水素化アルミニウムリチウム、水素化ホウ素ナトリウム、水素化トリブチルスズ、トリス(トリメチルシリル)シラン、チオグリコール酸等の公知の還元剤を用いて還元反応を行なうことができる。還元剤の使用量は、ハイパーブランチポリマー内のジチオカルバメート基の数に対して1ないし20倍モル当量、好ましくは1.5ないし10倍モル当量、より好ましくは1.8ないし5倍モル当量であればよい。還元反応の条件としては、反応時間0.01ないし100時間、反応温度0ないし200℃から、適宜選択される。好ましくは反応時間は0.1ないし10時間であり、反応温度は20ないし100℃である。
還元は水又は有機溶剤中で行なうことが好ましい。使用する溶剤としては、前記のジチオカルバメート基を有するハイパーブランチポリマーと還元剤を溶解可能なものが好ましい。またジチオカルバメート基を有するハイパーブランチポリマーを製造する際に使用する溶剤と同じであると、反応操作も簡便になり好ましい。
還元の方法としては、有機溶剤溶液中、水素化トリブチルスズ等のラジカル反応条件での還元に使用される化合物を還元剤として使用し、光照射することによって行なう還元反応が好ましい。
有機溶剤としては、ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン等の芳香族炭化水素類、テトラヒドロフラン、ジエチルエーテル等のエーテル系化合物、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン系化合物、ノルマルヘプタン、ノルマルヘキサン、シクロヘキサン等の脂肪族炭化水素類等が使用できる。これらの溶剤は一種を用いてもよいし、二種以上を混合して用いてもよい。
光照射は、低圧水銀ランプ、高圧水銀ランプ、超高圧水銀ランプ、キセノンランプ等の紫外線照射ランプを使用して、反応系の内部又は外部から照射することによって行なうことができる。この還元反応では、ハイパーブランチポリマー内のジチオカルバメート基の数に対して水素化トリブチルスズ等の還元剤を1ないし10倍モル当量、好ましくは1.5ないし5倍モル当量、より好ましくは1.8ないし4倍モル当量使用することができる。
また、ジチオカルバメート基を分子末端に有するハイパーブランチポリマーの質量に対して、0.2ないし1000倍質量、好ましくは1ないし500倍質量、より好ましくは5ないし100倍質量、最も好ましくは10ないし50倍質量の有機溶剤を使用することが好ましい。
また、この還元反応では反応開始前には反応系内の酸素を十分に除去する必要があり、窒素、アルゴンなどの不活性気体で系内を置換するとよい。反応条件としては、反応時間0.01ないし100時間、反応温度0ないし200℃から、適宜選択される。好ましくは、反応時間は0.1ないし2時間であり、反応温度は20ないし60℃である。
上述のような還元によって得られた本発明のハイパーブランチポリマーは、反応溶液中から溶剤留去又は固液分離により溶剤と分離することができる。また、反応溶液を貧溶剤中へ加えることにより本発明のハイパーブランチポリマーを沈殿させ、粉末として回収することもできる。
なお、本発明の分子末端が水素原子を含有するハイパーブランチポリマーは、分子末端の一部がジチオカルバメート基として残存していてもよい。
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、これによって本発明が限定されるものではない。
以下の実施例において、試料の物性測定は、下記の装置を使用して下記の測定条件で行った。
(1)液体クロマトグラフィー
装置:Agilent製 1100Series
カラム:Inertsil ODS−2
カラム温度:40℃
溶媒:アセトニトリル/水=60/40(体積比)
検出器:RI
(2)融点測定
装置:(株)リガク製 DSC8230
昇温速度:2℃/分
窒素量:60mL/分
(3)分子量測定(ポリスチレン換算):ゲル浸透クロマトグラフィー
装置:昭和電工株式会社製 Shodex GPC−101
カラム:Shodex GPC KF−805L+GPC KF−804L
カラム温度:40℃
溶媒:テトラヒドロフラン
検出器:RI
(4)元素分析(炭素、水素、窒素)
装置:パーキンエルマー製 PE2400II
燃焼管温度:975℃
(5)元素分析(硫黄)
前処理装置:株式会社ダイアンインスツルメンツ製 自動試料燃焼装置 AQF−100型
燃焼管温度:1000℃
分析装置:日本ダイオネクス株式会社製 ICS−1500
カラム:Dionex AS12A
溶離液:Na2CO3 2.7mM−NaHCO3 0.3mM
(6)熱質量分析
装置:セイコー電子工業(株)製 TG/DTA320
昇温速度:10℃/分
空気量:300mL/分
(7)FT−IR
装置:ニコレー・ジャパン株式会社製 NEXUS670
(8)1H−NMRスペクトル
装置:日本電子データム(株)製 JNM−LA400
溶媒:CDCl3
内部標準:テトラメチルシラン
(9)屈折率測定
ハイパーブランチポリマーの屈折率は、乾式密度計から求められる密度値とN−メチルピロリジノン溶液状態で屈折計から求められる屈折率値をもとに、下記の数式(1)に代入して算出した。
密度計
装置:(株)島津製作所製 アキュピック1330
測定温度:25℃
屈折計
装置:京都電子工業株式会社製 RA-520N
測定方法:Na−D線の光屈折臨界角検出方式
測定温度:25℃
数式(1):
Figure 0005268644
(但し、式中の各記号は、n=溶液の屈折率、nH=ハイパーブランチポリマーの屈折率、nS=溶媒の屈折率、ρ=溶液の密度、ρH=ハイパーブランチポリマーの密度、ρS=溶媒の密度、xH=溶液中におけるハイパーブランチポリマーの質量比、xS=溶液中における溶媒の質量比を表す。)
参考例1
<N,N−ジエチルジチオカルバミルメチルスチレンの合成>
2Lの反応フラスコに、クロロメチルスチレン[セイミケミカル(株)製、CMS−14(商品名)]120g、N,N−ジエチルジチオカルバミド酸ナトリウム3水和物[関東化学(株)製]181g、アセトン1400gを仕込み、撹拌下、温度40℃で1時間反応させた。反応後、析出した塩化ナトリウムを濾過して除き、その後、エバポレーターで反応溶液からアセトンを留去させ、反応粗粉末を得た。この反応粗粉末をトルエンに再溶解させ、トルエン/水系で分液後、零下20℃の冷凍庫内でトルエン相から目的物を再結晶させた。再結晶物を濾過、真空乾燥して、白色粉末の目的物206g(収率97%)を得た。液体クロマトグラフィーによる純度(相対面積百分率)は100%であった。また、DSC測定で融点は56℃であった。
参考例2
<ジチオカルバメート基を分子末端に有するスチレン系ハイパーブランチポリマーの合成>
300mLの反応フラスコに、N,N−ジエチルジチオカルバミルメチルスチレン108g、トルエン72gを仕込み、撹拌して淡黄色透明溶液を調製した後、反応系内を窒素置換した。この溶液の真ん中から100Wの高圧水銀灯[セン特殊光源(株)製、HL−100]を点灯させ、内部照射による光重合反応を、撹拌下、室温30±5℃で12時間行なった。次に、この反応溶液をメタノール3000gに添加してポリマーを高粘度な塊状状態で再沈した後、上澄み液をデカンテーションで除いた。さらに、このポリマーをテトラヒドロフラン300gに再溶解した後、この溶液をメタノール3000gに添加してポリマーをスラリー状態で再沈した。このスラリーを濾過し、真空乾燥して、白色粉末の目的物48gを得た。ゲル浸透クロマトグラフィーによるポリスチレン換算で測定される重量平均分子量Mwは20,900、分散度Mw/Mnは4.9であった。元素分析は、炭素64.6質量%、水素7.4質量%、窒素5.0質量%、硫黄25.3質量%であった。また、熱質量分析より、5%質量減少温度は248℃であった。
参考例3
<N,N−ジエチルジチオカルバミルエチルメタクリレートの合成>
2Lの反応フラスコに、クロロエチルメタクリレート[ランカスター社製]100g、N,N−ジエチルジチオカルバミド酸ナトリウム3水和物[関東化学(株)製]178g、アセトン1100gを仕込み、撹拌下、温度40℃で14時間反応させた。反応後、析出した塩化ナトリウムを濾過して除き、その後エバポレーターで反応溶液からアセトンを留去させ、反応粗粉末を得た。この反応粗粉末を1,2−ジクロロエタンに再溶解させ、1,2−ジクロロエタン/水系で分液後、1,2−ジクロロエタン相から1,2−ジクロロエタンを留去させて黄色液体の目的物171g(収率97%)を得た。液体クロマトグラフィーによる純度(相対面積百分率)は96%であった。
参考例4
<ジチオカルバメート基を分子末端に有するアクリル系ハイパーブランチポリマーの合成>
300mLの反応フラスコに、N,N−ジエチルジチオカルバミルエチルメタクリレート90g、トルエン90gを仕込み、撹拌して淡黄色透明溶液を調製した後、反応系内を窒素置換した。この溶液の真ん中から100Wの高圧水銀灯[セン特殊光源(株)製、HL−100]を点灯させ、内部照射による光重合反応を、撹拌下、室温で5時間行った。次にこの反応溶液をメタノール3000gに添加してポリマーを高粘度な塊状状態で再沈した後、上澄み液をデカンテーションで除いた。さらに、このポリマーをテトラヒドロフラン400gに再溶解した後、この溶液をメタノール5000gに添加してポリマーをスラリー状態で再沈した。このスラリーを濾過し、真空乾燥して、白色粉末の目的物44gを得た。ゲル浸透クロマトグラフィーによるポリスチレン換算で測定される重量平均分子量Mwは43,200、分散度Mw/Mnは2.9であった。元素分析は、炭素50.8質量%、水素7.6質量%、窒素5.1質量%、硫黄25.6質量%であった。また、熱質量分析より5%質量減少温度は186℃であった。
実施例1
<ジチオカルバメート基を分子末端に有するスチレン/アクリル系ハイパーブランチコポリマーの合成>
50mL反応器に、N,N−ジエチルジチオカルバミルメチルスチレン2.5g[9.4mmol]、N,N−ジエチルジチオカルバミルエチルメタクリレート7.5g[28.6mmol]、テトラヒドロフラン10gを仕込み、撹拌して淡黄色透明溶液を調製した後、反応系内を窒素置換した。この反応器から7cmの距離から100Wの高圧水銀灯[セン特殊光源(株)製、HL−100]を点灯させ、外部照射による光重合反応を、撹拌下、室温(温度30±5℃)で7時間行なった。次にこの反応溶液をメタノール400gに添加してポリマーを高粘度な塊状状態で再沈した後、上澄み液をデカンテーションで除いた。さらに、このポリマーをテトラヒドロフラン20gに再溶解した後、この溶液をメタノール400gに添加してポリマーをスラリー状態で再沈した。このスラリーを濾過し、真空乾燥して、白色粉末の目的物3.9gを得た。ゲル浸透クロマトグラフィーによるポリスチレン換算で測定される重量平均分子量Mwは85,800、分散度Mw/Mnは7.8であった。元素分析は、炭素55.2質量%、水素6.9質量%、窒素5.2質量%、硫黄23.5質量%であった。また、熱質量分析より、5%質量減少温度は194℃であった。得られたコポリマーのメチルスチレン単位とエチルメタクリレート単位の含有割合は各モノマーの減少量を液体クロマトグラフィーで定量した結果からメチルスチレン単位/エチルメタクリレート単位=26/74(モル比)であった。また、ポリマーのIR測定の測定結果を図1に示した。
実施例2及び実施例3
表1に示す仕込み比(モル比)で、N,N−ジエチルジチオカルバミルメチルスチレンとN,N−ジエチルジチオカルバミルエチルメタクリレートとを仕込み、実施例1と同様にハイパーブランチコポリマーを調整した。得られたコポリマーの重量平均分子量、分散値及び組成比を実施例1と併せて表2に示した。また、実施例1ないし実施例3で製造したハイパーブランチポリマーの屈折率値と参考例2および参考例4で製造したハイパーブランチポリマーの屈折率値も、併せて表3に示した。また、これらのIR測定の測定結果も図2及び図3に示した。
Figure 0005268644
Figure 0005268644
Figure 0005268644
実施例4
<ジチオカルバメート基を分子末端に有するスチレン/アクリル系ハイパーブランチコポリマーの分子末端の水素原子への還元>
50mL反応器に、実施例1で得たジチオカルバメート基を分子末端に有するハイパーブランチポリマー2g、水素化トリブチルスズ[アルドリッチ社製]4g、テトラヒドロフラン18gを仕込み、撹拌して無色透明溶液を調製した後、反応系内を窒素置換した。この反応器から7cmの距離から100Wの高圧水銀灯[セン特殊光源(株)製、HL−100]を点灯させ、外部照射による反応を、撹拌下、室温で1時間行なった。次にこの反応溶媒を減圧留去し、クロロホルム5gで希釈した。この希釈液を分取用ゲル浸透クロマトグラフィー[装置:日本分析工業製LC−908、カラム:JAIGEL−1H,2H(20mm×60mm)、溶媒:クロロホルム、温度:25℃、検出器:RI]に注入し、ハイパーブランチポリマー成分を分取した。得られた溶液の溶媒を減圧留去し、真空乾燥して、白色粉末のジチオカルバメート基が水素に置換されたハイパーブランチポリマー0.2gを得た。ゲル浸透クロマトグラフィーによるポリスチレン換算で測定される重量平均分子量Mwは92,900、分散度Mw/Mnは5.5であった。元素分析は、炭素70.6質量%、水素8.2質量%、窒素0.5質量%未満、硫黄0.5質量%未満であった。また、熱質量分析より、5%質量減少温度は304℃であった。2.2ppmにメチルスチレンに由来するピークと4.0ppmにエチルメタクリレートに由来するピークの存在を示す1H−NMRスペクトルの測定結果を図4に示した。
なお、表4に実施例1ないし実施例4で製造したハイパーブランチポリマー並びに参考例2および参考例4で製造したハイパーブランチポリマーの5%質量減少温度をも併せて示した
Figure 0005268644
表3に示した実施例1ないし実施例3並びに参考例2および参考例4との屈折率対比から明らかなように、実施例1ないし実施例3で製造されるコポリマーのハイパーブランチポリマーは、参考例2および参考例4で製造されるホモポリマーのハイパーブランチポリマーの間の屈折率値を有し、ハイパーブランチポリマーの構造を維持したまま屈折率を精密に調整することができる。
また、表4に示した実施例1と実施例4との熱質量分析による5%質量減少対比からも明らかなように、分子末端をジチオカルバメート基から水素原子に還元したハイパーブランチポリマーは、5%質量減少温度が高く熱的に安定であった。
本発明のハイパーブランチポリマーは所望の屈折率を調整することが可能であり、熱的に安定であるため、光学材料、塗料材料、接着剤材料、樹脂フィラー、各種成形材料、ナノメートルサイズの多孔形成剤、レジスト材料、電子材料、印刷材料、電池材料、医用材料等として利用することができる。
図1は実施例1で得たハイパーブランチポリマーのIRスペクトルである。 図2は実施例2で得たハイパーブランチポリマーのIRスペクトルである。 図3は実施例3で得たハイパーブランチポリマーのIRスペクトルである。 図4は実施例4で得たハイパーブランチポリマーの1H−NMRスペクトルである。

Claims (14)

  1. 式(1):
    Figure 0005268644
    [式中、
    1は水素原子又はメチル基を表し、
    1は式(2)又は式(3):
    Figure 0005268644
    (式中、A2はエーテル結合又はエステル結合を含んでいてもよい炭素原子数1ないし30の直鎖状、枝分かれ状又は環状のアルキレン基を表し、X1、X2、X3及びX4は、それぞれ、水素原子、炭素原子数1ないし20のアルキル基、炭素原子数1ないし20のアルコキシ基、ハロゲン基、ニトロ基、ヒドロキシル基、アミノ基、カルボキシル基又はシアノ基を表す。)を表す。]で表される重合開始点部位に
    式(4):
    Figure 0005268644
    (式中、R1及びA1は前記式(1)における定義と同意義である。)
    で表される枝分かれ繰り返し単位が連結した
    式(5):
    Figure 0005268644
    (式中、R1及びA1は前記式(1)における定義と同意義であり、nは枝分かれ繰り返し単位構造の数であって2ないし100,000の整数を表す。)で表されるハイパーブランチポリマーであって、式(5)中の枝分かれ繰り返し単位構造において、A1が式(2)を表す式(4)で表される枝分かれ繰り返し単位とA1が式(3)を表す式(4)で表される枝分かれ繰り返し単位とが連結した構造(ただし、A1が式(2)を表す式(4)中のR1とA1が式(3)を表す式(4)中のR1は、同一であっても異なっていてもよい。)を有するハイパーブランチポリマー。
  2. 前記式(1)で表される重合開始点部位において、A1が式(6)又は式(7):
    Figure 0005268644
    Figure 0005268644
    (式中、mは2ないし10の整数を表す。)を表し、かつ、前記式(5)中の枝分かれ繰り返し単位構造において、A1が式(6)を表す前記式(4)で表される枝分かれ繰り返し単位とA1が式(7)を表す前記式(4)で表される枝分かれ繰り返し単位とが連結した構造を有する請求項1に記載のハイパーブランチポリマー。
  3. 前記式(5)で表されるハイパーブランチポリマー中に含まれる前記式(4)で表される枝分かれ繰り返し単位の総合計量のうち、A1が式(2)を表す式(4)で表される枝分かれ繰り返し単位の総量が1ないし99モル%であり、A1が式(3)を表す式(4)で表される枝分かれ繰り返し単位の総量が99ないし1モル%である請求項1に記載のハイパーブランチポリマー。
  4. 前記式(1)で表される重合開始点部位が式(8)又は式(9):
    Figure 0005268644
    で表され、かつ前記式(4)で表される枝分かれ繰り返し単位が式(10)又は式(11):
    Figure 0005268644
    Figure 0005268644
    で表されるハイパーブランチポリマーであって、前記式(5)中の枝分かれ繰り返し単位構造において、式(10)で表される枝分かれ繰り返し単位と式(11)で表される枝分かれ繰り返し単位とが連結した構造を有する請求項1に記載のハイパーブランチポリマー。
  5. 分子末端がジチオカルバメート基又は水素原子である請求項1ないし請求項4のうちいずれか1項に記載のハイパーブランチポリマー。
  6. ゲル浸透クロマトグラフィーによるポリスチレン換算で測定される重量平均分子量が500ないし5,000,000である、請求項1ないし請求項5のうちいずれか1項に記載のハイパーブランチポリマー。
  7. 式(12):
    Figure 0005268644
    (式中、R1及びA1は前記式(1)における定義と同意義であり、R2及びR3は、それぞれ、炭素原子数1ないし5のアルキル基、炭素原子数1ないし5のヒドロキシアルキル基又は炭素原子数7ないし12のアリールアルキル基を表すか、又はR2とR3は互いに結合し、それらと結合する窒素原子と共に環を形成していてもよい。)で表されるジチオカルバメート化合物を前記A1が式(2)を表す式(12)で表されるジチオカルバメート化合物と前記A1が式(3)を表す式(12)で表されるジチオカルバメート化合物の共存下で、リビングラジカル重合する工程を含む請求項1に記載のハイパーブランチポリマーの製造方法。
  8. 請求項7に記載のA1が式(2)を表す式(12)で表されるジチオカルバメート化合物と請求項7に記載のA1が式(3)を表す式(12)で表されるジチオカルバメート化合物とを共存下で、リビングラジカル重合することから得られる分子末端がジチオカルバメート基である請求項1に記載のハイパーブランチポリマーの製造方法。
  9. 前記A1が式(2)を表す式(12)で表されるジチオカルバメート化合物がN,N−ジエチルジチオカルバミルメチルスチレンであり、前記A1が式(3)を表す式(12)で表されるジチオカルバメート化合物がN,N−ジエチルジチオカルバミルエチルメタクリレートである請求項7又は請求項8に記載のハイパーブランチポリマーの製造方法。
  10. 前記リビングラジカル重合が、前記式(12)で表されるジチオカルバメート化合物を含有する有機溶剤溶液中で、光照射することによって行われる、請求項7ないし請求項9のうちいずれか1項に記載のハイパーブランチポリマー製造方法。
  11. 請求項7に記載のA1が式(2)を表す式(12)で表されるジチオカルバメート化合物と請求項7に記載のA1が式(3)を表す式(12)で表されるジチオカルバメート化合物とを共存下でリビングラジカル重合する工程と、該重合によって得られるハイパーブランチポリマーの分子末端のジチオカルバメート基を還元する工程を含む、分子末端が水素原子である請求項1に記載のハイパーブランチポリマーの製造方法。
  12. 前記A1が式(2)を表す式(12)で表されるジチオカルバメート化合物がN,N−ジエチルジチオカルバミルメチルスチレンであり、前記A1が式(3)を表す式(12)で表されるジチオカルバメート化合物がN,N−ジエチルジチオカルバミルエチルメタクリレートである請求項11に記載のハイパーブランチポリマーの製造方法。
  13. 前記還元が、水素化トリブチルスズの存在下で、光照射することによって行なわれる、請求項11又は請求項12に記載のハイパーブランチポリマーの製造方法。
  14. 前記還元が、ジチオカルバメート基を分子末端に有するハイパーブランチポリマーを含有する有機溶剤溶液中で、水素化トリブチルスズの存在下で、光照射することによって行なわれる、請求項11又は請求項12に記載のハイパーブランチポリマーの製造方法。
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