JP5534244B2 - ハイパーブランチポリマーの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ハイパーブランチポリマーの製造方法に関し、詳述すると、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、スチリル基(ビニルフェニル基)及び/又はアクリル基等の重合性不飽和結合を有するモノマーとを、好ましくはジスルフィド化合物の存在下で加熱することにより重合して得られるハイパーブランチポリマーの製造方法に関する。
また、本発明は、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、スチリル基(ビニルフェニル基)及び/又はアクリル基等の重合性不飽和結合を有するモノマーとを、好ましくはジスルフィド化合物の存在下で加熱することにより重合させる重合方法、及びそれにより得られる生成物に関する。
前記ハイパーブランチポリマーは、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、光学材料、電子材料、情報記録材料、印刷材料、電池材料、医用材料、磁性材料など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。従来の高分子が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ため、特異な構造を有する点、ナノメートルオーダーのサイズである点、多くの官能基を保持する表面を形成することができる点、線状ポリマーに比べて低粘度化できる点、分子間の絡み合いが少なく微粒子的挙動を示す点、非晶性になり溶媒溶解性を制御できる点などにおいて様々な特性を利用した応用が期待されている。
ハイパーブランチポリマーの製造方法としては、光重合開始能を持つジチオカルバメート基を有し、かつスチリル基(ビニルフェニル基)及び/又はアクリル基を有する化合物の光重合によ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)、ジチオカルバメート基を有するスチレン化合物と無水マレイン酸共存下で光重合することによる、主鎖内に酸無水物が導入された分子末端に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7参照)、ジチオカルバメート基を有するポリマーから光重合を用いて、アクリル基を有するモノマーをグラフト重合させる合成法(非特許文献8参照)が知られている。
このような光重合によるハイパーブランチポリマーの製造方法では、高圧水銀灯のような光源を用いるため、高価な専用の反応設備が必要となる。
また、こうした光重合では、高圧水銀灯付近にゲル化物が大量に発生するという問題が生じる。この為、転化率50%程度しか重合させることができず、多量のモノマーが残存する為に繰り返し再沈殿精製を行う必要が生じ、ハイパーブランチポリマーは40%程度しか取り出すことができない。また、ゲル化物の除去という煩雑な操作も必要となる。
さらに、反応のスケールアップにおいて、光反応の条件設定の難しさから、同一分子量、同一分岐度のポリマーを製造することが困難であるという問題も有している。
このように、光重合によるハイパーブランチポリマーの製造方法は、工業的に実施困難であり、優れた工業的製造方法が望まれていた。
ところで、ジチオカルバメート基を有する化合物及びAIBN(アゾビスイソブチロニトリル)のようなフリーラジカル源の存在下、スチリル基(ビニルフェニル基)及び/又はアクリル基を有するモノマー類を加熱することにより重合させる方法(特許文献1、2、3、4参照)が知られている。
この方法では、スチリル基(ビニルフェニル基)、アクリル基の二重結合部位で重合が進行し、直鎖状のポリマーが得られている。
また、分子内にジチオカルバメート基とスチリル基(ビニルフェニル基)が共存する化合物である4−ビニルベンジル N,N−ジエチルジチオカルバメートを、上記と同様AIBNの存在下、加熱することにより重合させた例(非特許文献9参照)が知られている。
この方法では、スチリル基(ビニルフェニル基)の二重結合部位で重合が進行し、直鎖状のポリマーが得られている。
さらに、4−ビニルベンジル N,N−ジエチルジチオカルバメートを、AIBNの非存在下、30℃で加熱させた例(非特許文献9参照)もあるが反応はほとんど全く進行していない(収率0.8%)。
このように、分子内に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、スチリル基(ビニルフェニル基)及び/又はアクリル基等の重合性不飽和結合を含有する化合物を加熱することによりグラフト重合させてハイパーブランチポリマーを得た報告例はない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、経済性及び操作性に優れ、高分子鎖に種々の官能基を有する新規なハイパーブランチポリマーを、高収率で安定的に製造できるハイパーブランチポリマーの製造方法を提供することを目的とする。
本発明者は、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、分子内に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、スチリル基(ビニルフェニル基)及び/又はアクリル基等の重合性不飽和結合を含有する化合物を加熱することにより、高分子鎖に種々の官能基を有する新規なハイパーブランチポリマーが高収率で得られることを見出し、本発明を完成した。
さらに、前記分子内に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、前記重合性不飽和結合を含有する化合物と、ジスルフィド化合物とを加熱し、重合させることにより、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同士のカップリングを抑制したハイパーブランチポリマーを得ることができる事を見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、第1観点として、式(2)で表される構造を少なくとも1つ有する式(1)で表されるハイパーブランチポリマーと、式(3)で表される不飽和二重結合を有する化合物とを、50乃至250℃で加熱することにより重合させることを特徴とする、式(4)で表されるハイパーブランチポリマーの製造方法。
Figure 0005534244
(式中、R1及びR4は水素原子又はメチル基を表す。R2及びR3は、それぞれ独立して、炭素原子数1乃至5のアルキル基、炭素原子数1乃至5のヒドロキシアルキル基又は炭素原子数7乃至12のアリールアルキル基を表し、また、R2とR3は互いに結合し、窒素原子と共に環を形成していてもよい。A1は式(5)又は式(6)で表される基を表す。A3は置換されていてもよいフェニル基、置換されていてもよいナフチル基、置換されていてもよい5乃至6員環のヘテロ芳香環、置換されていてもよい5乃至6員環の脂環式アミノ基又は式(7)で表される基を表す。A4は水素原子を表し、また、A3とA4が一緒になって環状酸無水物または環状イミドを形成してもよい。k、m及びnは、それぞれ独立して、繰り返し単位構造の数であって2乃至1,000,000の整数を表す。
Figure 0005534244
(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乃至30の直鎖状、分岐状又は環状のアルキレン基を表す。X1、X2、X3及びX4は、それぞれ独立して、水素原子、炭素原子数1乃至20のアルキル基、炭素原子数1乃至20のアルコキシ基、ハロゲン原子、ニトロ基、ヒドロキシ基、アミノ基、カルボキシル基又はシアノ基を表す。R5は水素原子、炭素原子数1乃至20のアルキル基、炭素原子数1乃至20のハロアルキル基、炭素原子数1乃至20のヒドロキシアルキル基又は炭素原子数1乃至20のエポキシアルキル基を表す。))
第2観点として、前記A1が式(8)で表される基を表す、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。
Figure 0005534244
第3観点として、前記重合の系に、さらに式(9)で表されるジスルフィド化合物を添加することを特徴とする、ハイパーブランチポリマーの製造方法。
Figure 0005534244
(式中、R6及びR7は、それぞれ独立して、炭素原子数1乃至5のアルキル基、炭素原子数1乃至5のヒドロキシアルキル基又は炭素原子数7乃至12のアリールアルキル基を表し、また、R6とR7は互いに結合し、窒素原子と共に環を形成していてもよい。)
第4観点として、第1観点に記載の式(2)で表される構造を少なくとも1つ有する第1観点に記載の式(1)で表されるハイパーブランチポリマーと、第1観点に記載の式(3)で表される不飽和二重結合を有する化合物とを、ラジカル開始剤の非存在下、50乃至250℃で加熱することにより重合させることを特徴とする重合方法。
第5観点として、前記重合の系に、さらに第3観点に記載の式(9)で表されるジスルフィド化合物を添加することを特徴とする、第4観点に記載の重合方法。
第6観点として、第4観点又は第5観点に記載の重合方法に従い得られる生成物。
本発明のハイパーブランチポリマーの製造方法によれば、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、スチリル基(ビニルフェニル基)及び/又はアクリル基等の重合性不飽和結合を含有する化合物とを加熱することにより、高収率で安定的にハイパーブランチポリマーを得ることができる。従って従来ハイパーブランチの製造方法として用いられた光重合で必要となる光源(高圧水銀灯)が不要となり、経済的に有利である。
また、光重合による製造方法において問題となったゲル化物が発生しない為、重合転化率も90%程度まで向上させることができ、得量も光重合の約2倍となる。さらにゲル化物の除去も不要となるため、工程の簡略化を図ることができる。
さらに本発明のハイパーブランチポリマーの製造方法では、重合速度が光重合の場合の約2倍となるため、得量が光反応の約2倍であることを考慮すると、生産効率を約4倍にも向上させることができる。
また、本発明のハイパーブランチポリマーの製造方法では、光重合による製造方法と異なり、スケールアップしても品質に影響がなく同様のハイパーブランチポリマーを製造できることから、大量生産に向いている。
また、本発明のハイパーブランチポリマーは、高分子鎖にヒドロキシ基、エポキシ基、ピリジル基又はカルボキシル基等の種々の官能基を有するため、架橋剤などの混合割合によって架橋度などの特性を制御でき、反応性の自由度に優れている。また、本発明の製造方法により、末端変成することなく高分子鎖に種々の官能基を有する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。
以上のような特徴を有する本発明のハイパーブランチポリマーの製造方法は、実用的、工業的製法として極めて有用な方法である。
さらに、本発明のハイパーブランチポリマーの製造方法によれば、前記重合の系に、さらに前記式(9)で表されるジスルフィド化合物を添加することができる。
該ジスルフィド化合物を用いると、ハイパーブランチポリマーの分子量及び分岐度を制御することが可能となり、光重合で得られるハイパーブランチポリマーの分子量及び分岐度と同様のものにすることが可能である。
一般に、該ジスルフィド化合物は、生成するポリマーの分子量を低下させる作用を有することが知られているが、本発明のハイパーブランチポリマーの製造法においては、ハイパーブランチポリマー同士のカップリングを抑制する効果も有している。
以下、本発明についてさらに詳しく説明する。なお、本明細書中において、「n−」はノルマルを、「t−」はターシャリーを、「o−」はオルトを、「p−」はパラを意味する。
本発明に係るハイパーブランチポリマーの製造方法は、分子内に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、スチリル基(ビニルフェニル基)及び/又はアクリル基等の不飽和二重結合を有する化合物を含有する化合物とを、加熱することによりグラフト重合させてハイパーブランチポリマーを得る製造方法である。
分子内に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しては、特に限定されないが、好ましくは、前記式(2)で表される構造を少なくとも1つ有する、前記式(1)で表され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が用いられる。
式(1)中、R1は水素原子又はメチル基を表し、R2及びR3は、それぞれ独立して、炭素原子数1乃至5のアルキル基、炭素原子数1乃至5のヒドロキシアルキル基又は炭素原子数7乃至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、窒素原子と共に環を形成していてもよい。
炭素原子数1乃至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、シクロペンチル基及びn−ペンチル基等が挙げられる。炭素原子数1乃至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及びヒドロキシプロピル基等が挙げられる。炭素原子数7乃至12のアリールアルキル基としては、ベンジル基及びフェネチル基等が挙げられる。
2とR3が互いに結合し窒素原子と共に形成する環としては、4乃至8員環が挙げられる。そして、環としてメチレン基を4乃至6個含む環が挙げられる。また、環としては酸素原子又は硫黄原子と、4乃至6個のメチレン基を含む環が挙げられる。R2とR3が互いに結合し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、チオモルホリン環及びホモピペリジン環等が挙げられる。
また、式(1)中、A1は前記式(5)又は前記式(6)で表される構造を表す。
式(5)及び式(6)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乃至30の直鎖状、分岐状又は環状のアルキレン基を表し、X1、X2、X3及びX4は、それぞれ独立して、水素原子、炭素原子数1乃至20のアルキル基、炭素原子数1乃至20のアルコキシ基、ハロゲン原子、ニトロ基、ヒドロキシ基、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A2の具体例としては、メチレン、エチレン、n−プロピレン、n−ブチレン、n−ヘキシレン等の直鎖状アルキレン、イソプロピレン、イソブチレン、2−メチルプロピレン等の分岐状アルキレンが挙げられる。
また環状アルキレンとしては、炭素原子数3乃至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)乃至(s)を示す。
Figure 0005534244
炭素原子数1乃至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、n−ペンチル基及びシクロヘキシル基等が挙げられる。
炭素原子数1乃至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、n−ペンチルオキシ基及びシクロヘキシルオキシ基等が挙げられる。
ハロゲン原子としてはフッ素原子、塩素原子、臭素原子及びヨウ素原子である。
1、X2、X3及びX4としては、水素原子又は炭素原子数1乃至20のアルキル基が好ましい。
また、式(1)で表される化合物におけるA1としては、前記式(8)で表される構造であることが好ましい。
また、式(1)中、nは繰り返し単位構造の数であって、2乃至1,000,000の整数を表す。
式(1)で表されるハイパーブランチポリマーとしては、その繰り返し単位構造が単一である場合と二種以上である場合とが考えられるが、その何れであってもよい。そして、例えば、繰り返し単位構造が二種、すなわちコポリマーである場合、当該コポリマーは、ランダムコポリマー、交互コポリマー、ブロックコポリマー、グラフトコポリマーの何れであってもよい。
式(1)で表される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乃至5,000,000であり、又は1,000乃至1,000,000であり、又は2,000乃至500,000であり、又は3,000乃至100,000である。また、分散度(Mw(重量平均分子量)/Mn(数平均分子量))としては1.0乃至11.0であり、又は1.0乃至7.0であり、又は1.1乃至6.0であり、又は1.2乃至5.0である。
スチリル基(ビニルフェニル基)及び/又はアクリル基等の重合性不飽和結合を含有する化合物としては、特に限定されないが、好ましくは、前記式(3)で表される重合性不飽和結合を含有する化合物が用いられる。
式(3)中、R4は水素原子又はメチル基を表し、A3は置換されていてもよいフェニル基、置換されていてもよいナフチル基、置換されていてもよい5乃至6員環のヘテロ芳香環、置換されていてもよい5乃至6員環の脂環式アミノ基または前記式(7)で表される基を表し、A4は水素原子を表し、また、A3とA4が一緒になって環状酸無水物または環状イミドを形成してもよい。
5乃至6員環のヘテロ芳香環としては、ピロール環、ピラゾール環、イミダゾール環、トリアゾール環、テトラゾール環、ピリジン環、ピリダジン環、ピリミジン環、ピラジン環、トリアジン環、フラン環、チオフェン環、オキサゾール環及びチアゾール環等が挙げられる。
5乃至6員環の脂環式アミノ基としては、ピロリジン−1−イル基、ピラゾリジン−1−イル基、イミダゾリジン−1−イル基、ピペリジン−1−イル基、モルホリノ基、チオモルホリノ基及び2−オキソピロリジン−1−イル基等が挙げられる。
置換されていてもよいフェニル基、置換されていてもよいナフチル基、置換されていてもよい5乃至6員環のヘテロ芳香環及び置換されていてもよい5乃至6員環の脂環式アミノ基の置換基としては、それぞれ独立して、水素原子、炭素原子数1乃至20のアルキル基、炭素原子数1乃至20のアルコキシ基、炭素原子数1乃至20のハロアルキル基、炭素原子数1乃至20のヒドロキシアルキル基、炭素原子数1乃至20のアルコキシアルキル基、ハロゲン原子、ニトロ基、ヒドロキシ基、アミノ基、アセトキシ基、カルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基、及びシアノ基等が挙げられる。
あるいは該置換基として、ペリレン、ピレン、アントラセン、ナフタレン、クマリン、オキサジン、ローダミン、フルオレセイン、ベンゾフラザン、キナクドリン、スチルベン、ルミノール、フェノチアジン、キノリン、チアゾール等の骨格や、ジシアノビニル基、トリシアノビニル基、ペルフルオロアルキル基等の電子吸引性基、或いはチオエーテル等の電子供与性基が結合した骨格を含む置換基を挙げることができる。具体的には、p−ターフェニル、p−クォーターフェニル、ローダミン101、スルフォローダミン101、カルボスチリル124、Cresyl Violet、3,3’−ジエチルオキサジカルボシアニン(DODC)、クマリン102、クマリン120、クマリン151、クマリン152、クマリン2、クマリン314、クマリン314T、クマリン339、クマリン30、クマリン307、クマリン343、クマリン6、HIDC、DTPC、DOTC、HITC、DTTC、フルオレセイン、2,7−ジクロロフルオレセイン、Nile Blue A、ローダミン6G、ローダミン19、ローダミンB、スルフォローダミンB、オキサジン4、4−(ジシアノメチレン)−2−メチル−6−(p−(ジメチルアミノ)スチリル)−4H−ピラン(DCM)、パラニトロアニリン(p−NA)、4−ジメチルアミノ−4’−ニトロスチルベン(DANS)、2−メチル−4−ニトロアニリン(MMA)、2−メトキシ−5−ニトロフェノール(MNP)、4−[N−エチル−N−(ヒドロキシエチル)]アミノ−4’−ニトロアゾベンゼン(DR1)、4−(N,N−ビス(ヒドロキシエチル))アミノ−4’−ニトロアゾベンゼン(DR19)、4−[(4−アミノフェニル)アゾ]ニトロベンゼン(DO3)、3−メチル−4−ニトロピリジン−N−オキシド(POM)、2−シクロオクチルアミノ−5−ニトロピリジン(COANP)、4’−ニトロベンジリデン−3−アセチルアミノ−4−メトキシアニリン(MNBA)、3,5−ジメチル−1−(4−ニトロフェニル)ピラゾール(DMNP)、4−(イソポロパキシカルボニル)アミノニトロベンゼン(PCNB)、N−メトキシメチル−4−ニトロアニリン(MMNA)の他、2−(3−シアノ−4−(4−((4−(エチル(2−ヒドロキシエチル)アミノ)フェニル)ジアゼニル)スチリル)−5,5−ジメチルフラン−2(5H)−イリデン)マロノニトリル(AzTCF−OH)、2−(3−シアノ−4−(4−((4−(ビス(2−t−ブチルカルボニルオキシエチル)アミノ)フェニル)ジアゼニル)スチリル)−5,5−ジメチルフラン−2(5H)−イリデン)マロノニトリル(AzTCF)等の骨格を含む置換基が挙げられる。
式(7)中、R5は水素原子、炭素原子数1乃至20のアルキル基、炭素原子数1乃至20のハロアルキル基、炭素原子数1乃至20のヒドロキシアルキル基又は炭素原子数1乃至20のエポキシアルキル基を表す。
前記置換されていてもよいフェニル基、置換されていてもよいナフチル基、置換されていてもよい5乃至6員環のヘテロ芳香環及び置換されていてもよい5乃至6員環の脂環式アミノ基の置換基における炭素原子数1乃至20のアルキル基、又は、前記R5における炭素原子数1乃至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、t−ブチル基、シクロペンチル基、n−ペンチル基、ベンジル基、フェネチル基及びカルバゾリルメチル基及トリメトキシシリルエチル基等が挙げられる。炭素原子数1乃至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、n−ペンチルオキシ基及びシクロヘキシルオキシ基等が挙げられる。炭素原子数1乃至20のハロアルキル基としては、フルオロメチル基、フルオロエチル基、フルオロプロピル基、フルオロブチル基、クロロメチル基、クロロエチル基、クロロプロピル基、クロロブチル基、ブロモメチル基、ブロモエチル基、ブロモプロピル基、ブロモブチル基、ヨードメチル基、ヨードエチル基、ヨードプロピル基及びヨードブチル基等が挙げられる。炭素原子数1乃至20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及びヒドロキシプロピル基等が挙げられる。炭素原子数1乃至20のアルコキシアルキル基としては、メトキシメチル基、メトキシエチル基、メトキシエトキシメチル基及びメトキシエトキシエトキシメチル基等が挙げられる。ハロゲン原子としてはフッ素原子、塩素原子、臭素原子及びヨウ素原子である。炭素原子数1乃至20のエポキシアルキル基としては、グリシジル基、グリシジルメチル基、2−グリシジルエチル基、3−グリシジルプロピル基、4−グリシジルブチル基、3,4−エポキシブチル基、4,5−エポキシペンチル基、5,6−エポキシヘキシル基等の直鎖状のエポキシ基を含むアルキル基、β−メチルグリシジル基、β−エチルグリシジル基、β−プロピルグリシジル基、2−グリシジルプロピル基、2−グリシジルブチル基、3−グリシジルブチル基、2−メチル−3−グリシジルプロピル基、3−メチル−2−グリシジルプロピル基、3−メチル−3,4−エポキシブチル基、3−エチル−3,4−エポキシブチル基、4−メチル−4,5−エポキシペンチル基、5−メチル−5,6−エポキシヘキシル基等の枝分かれ状のエポキシ基を含むアルキル基等が挙げられる。
また、A3とA4が一緒になって形成してもよい環状酸無水物または環状イミドとしては、無水マレイン酸及びマレイミド等が挙げられる。
式(3)で表される不飽和結合を有する化合物の具体例としては、スチレン、メチルスチレン、エチルスチレン、アミノメチルスチレン、アミノエチルスチレン、カルバゾリルメチルスチレン、メトキシスチレン、エトキシスチレン、フルオロメチルスチレン、フルオロエチルスチレン、クロロメチルスチレン、クロロエチルスチレン、ブロモメチルスチレン、ブロモエチルスチレン、ヨードメチルスチレン、ヨードエチルスチレン、ヒドロキシメチルスチレン、ヒドロキシエチルスチレン、メトキシエトキシエトキシメチルスチレン、トリメトキシ(ビニルフェネチル)シラン、フルオロスチレン、クロロスチレン、ブロモスチレン、ヨードスチレン、ニトロスチレン、ヒドロキシスチレン、アミノスチレン、アセトキシスチレン、ビニル安息香酸、ビニルベンゼンスルホン酸、ビニルベンゼンホスホン酸、スチレンリン酸、シアノスチレン、ビニルナフタレン、ビニルイミダゾール、ビニルピリジン、N−ビニルピロリドン、(メタ)アクリル酸、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸クロロエチル、(メタ)アクリル酸2,2,2−トリフルオロエチル、(メタ)アクリル酸ヒドロキシメチル、(メタ)アクリル酸2−ヒドロキシエチル、(メタ)アクリル酸3−ヒドロキシプロピル、(メタ)アクリル酸4−ヒドロキシブチル、(メタ)アクリル酸2−ヒドロキシプロピル、(メタ)アクリル酸グリシジル、(メタ)アクリル酸β−メチルグリシジル、(メタ)アクリル酸β−エチルグリシジル、(メタ)アクリル酸β−プロピルグリシジル、(メタ)アクリル酸3,4−エポキシブチル、(メタ)アクリル酸3−メチル−3,4−エポキシブチル、(メタ)アクリル酸3−エチル−3,4−エポキシブチル、(メタ)アクリル酸4−メチル−4,5−エポキシペンチル及び(メタ)アクリル酸5−メチル−5,6−エポキシヘキシル等が挙げられる。なお、本発明では(メタ)アクリレート化合物とは、アクリレート化合物とメタクリレート化合物の両方をいう。例えば(メタ)アクリル酸は、アクリル酸とメタクリル酸をいう。
また、本発明のハイパーブランチポリマーの製造方法では、前記重合の系に、さらに前記式(9)で表されるジスルフィド化合物を添加することができる。
式(9)中、R6及びR7は、それぞれ独立して、炭素原子数1乃至5のアルキル基、炭素原子数1乃至5のヒドロキシアルキル基又は炭素原子数7乃至12のアリールアルキル基を表す。また、R6とR7は互いに結合し、窒素原子と共に環を形成していてもよい。
炭素原子数1乃至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、シクロペンチル基及びn−ペンチル基等が挙げられる。炭素原子数1乃至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及びヒドロキシプロピル基等が挙げられる。炭素原子数7乃至12のアリールアルキル基としては、ベンジル基及びフェネチル基等が挙げられる。
6とR7が互いに結合し窒素原子と共に形成する環としては、4乃至8員環が挙げられる。そして、環としてメチレン基を4乃至6個含む環が挙げられる。また、環としては酸素原子又は硫黄原子と、4乃至6個のメチレン基を含む環が挙げられる。R6とR7が互いに結合し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、チオモルホリン環及びホモピペリジン環等が挙げられる。
式(9)で表される化合物の具体例としては、テトラメチルチウラムジスルフィド、テトラエチルチウラムジスルフィド、テトラブチルチウラムジスルフィド、ジペンタメチレンチウラムジスルフィド等が挙げられる。
本発明の製造方法によれば、分子内に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コアとして、重合性不飽和二重結合を有する化合物が直鎖状にグラフト重合した、コア−シェル型ハイパーブランチポリマーが得られる。例えば、前記式(1)で表されるハイパーブランチポリマーと、前記式(3)で表される不飽和二重結合を有する化合物とを重合した場合には、前記式(4)で表されるハイパーブランチポリマーが得られる。そして、前記重合の系において、さらに前記式(9)で表されるジスルフィド化合物を添加した場合には、前記式(4)で表されるハイパーブランチポリマーのジチオカルバメート基の一部又は全部が、前記ジスルフィド化合物由来のジチオカルバメート基に置換されたハイパーブランチポリマーが得られる。
式(4)中、k及びmは繰り返し単位構造の数であって、2乃至1,000,000の整数を表す。
本発明のハイパーブランチポリマーの製造法の反応条件を説明する。
本発明のハイパーブランチポリマーの製造法は、塊状重合、溶液重合、懸濁重合、乳化重合などの公知の重合形式により行なうことができる。なかでも溶液重合が好ましい。
本発明のハイパーブランチポリマーの製造法では、反応条件によって、分子量が異なったハイパーブランチポリマーが得られる。
以下、溶液重合における反応条件を説明する。
式(1)で表されるハイパーブランチポリマーと、式(3)で表される不飽和二重結合を有する化合物のモル比は導入したいグラフト鎖の量に応じて適宜選択されるが、例えば、重合性不飽和結合のモル数/式(1)で表されるハイパーブランチポリマーのジチオカルバメート基のモル数の比(モル比)が1/100乃至10,000/1であり、又は1/1乃至10,000/1である。
反応溶媒としては、反応に悪影響を及ぼさないものであれば、従来、有機合成で使用されている各種溶媒を用いることができ、式(1)で表されるハイパーブランチポリマー、及び式(3)で表される不飽和二重結合を有する化合物、さらに式(9)で表されるジスルフィド化合物をいずれも溶解可能な溶媒であれば特に制限はない。
具体例としては、非プロトン性極性有機溶媒類(N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、N,N−ジメチルアセトアミド、テトラメチルウレア、スルホラン、N−メチル−2−ピロリドン、1,3ジメチルイミダゾリジノン等)、エーテル類(ジイソプロピルエーテル、t−ブチルメチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジオキサン等)、脂肪族炭化水素類(ヘキサン、シクロヘキサン、n−オクタン、n−デカン、デカリン、石油エーテル等)、芳香族炭化水素類(ベンゼン、クロロベンゼン、o−ジクロロベンゼン、ニトロベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン、テトラリン等)、ハロゲン化炭化水素類(クロロホルム、ジクロロメタン、1,2−ジクロロエタン、四塩化炭素等)、ケトン類(アセトン、メチルエチルケトン、メチルブチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン等)、アルコキシアルカン類(1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、ジグライム等)、などが挙げられ、これらは単独で用いてもよく、2種以上混合して用いてもよい。
これらの溶媒の中でも、原料となる基質及び添加物の溶解性、安全性、コスト、及び単離精製の容易性などを考慮すると、芳香族炭化水素類、非プロトン性極性有機溶媒類、ケトン類、アルコキシアルカン類が好適である。
具体的には、キシレン、シクロヘキサノン、N−メチル−2−ピロリドンが挙げられる。
式(1)で表されるハイパーブランチポリマー、式(3)で表される不飽和二重結合を有する化合物及び重合溶媒の合計質量に対する、式(1)で表されるハイパーブランチポリマー及び式(3)で表される不飽和二重結合を有する化合物の合計質量濃度(以下、重合濃度ともいう)は任意であるが、例えば1乃至99質量%であり、または10乃至95質量%であり、または30乃至90質量%である。
重合温度は、通常、50乃至250℃であるが、80乃至200℃が好ましく、100乃至150℃がより好ましい。
重合時間としては、例えば0.1乃至100時間であり、又は0.5乃至30時間であり、又は1乃至15時間である。通常、重合時間の経過と共に式(3)で表される化合物のグラフト化への転化率は増加する。
なお、重合は、通常、窒素、アルゴン等の不活性ガスの雰囲気下、常圧又は加圧下において行うことができる。
このようにして得られるハイパーブランチポリマーの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(相対分子量ともいう)は、例えば、20,000乃至200,000であり、又は20,000乃至150,000である。
得られるハイパーブランチポリマーは、反応溶液中から溶媒留去又は固液分離により溶媒と分離することができる。また、反応溶液を貧溶媒中へ加えることにより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。
前記式(9)で表されるジスルフィド化合物の、前記式(1)で表されるハイパーブランチポリマーの質量に対する添加量は、任意であるが、例えば0.1乃至20質量%であり、又は1乃至10質量%、又は1乃至3質量%である。
また、本発明は、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、スチリル基(ビニルフェニル基)及び/又はアクリル基等の重合性不飽和二重結合を有する化合物とを加熱することにより重合させる重合方法も提供する。
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としては、特に限定されないが、好ましくは、前記式(1)で表されるジチオカルバメート化合物が用いられる。
不飽和二重結合を有する化合物としては、特に限定されないが、好ましくは、前記式(3)で表される不飽和二重結合を有する化合物が用いられる。
また、本発明の重合方法は、前記重合の系に、さらに前記式(9)で表されるジスルフィド化合物を添加することもできる。
本発明の重合方法の反応条件については、前記ハイパーブランチポリマーの製造方法の反応条件と同一である。
以下、本発明について実施例を挙げて詳述するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
以下の実施例において、試料の物性測定には下記の装置を使用した。
[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:UV−254nm、RI
[ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)]
装置:東ソー(株)製、HLC−8220GPC
カラム:Shodex KF−804L+KF−803L
カラム温度:40℃
溶媒:テトラヒドロフラン
検出器:UV−254nm、RI
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S−DCの合成>
2Lの反応フラスコに、クロロメチルスチレン[AGCセイミケミカル(株)製、CMS−14(商品名)、以下CMSと略する]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及びアセトン1,400gを仕込み、撹拌下、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、−20℃の冷凍庫内でトルエン層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(面積百分率値)は100%であった。融点56℃。
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(HPS)の合成>
100mLの反応フラスコに、参考例1で合成したS−DC6.0g、二硫化テトラエチルチウラム[和光純薬工業(株)製、以下DCDCと略する]0.06g(S−DCの質量に対して1質量%)、及びキシレン4gを仕込み、撹拌して完全に溶解した。撹拌しながら系内の空気を窒素で置換した。反応フラスコをオイルバスに入れ、フラスコ内の温度が140℃になるまで加熱し、140±5℃に達した時点を重合開始時点とした。3時間後、反応フラスコをオイルバスから出し、室温まで冷却した後、キシレン20gを加えた。この反応液を300gのメタノールを用いて再沈精製を実施し、減圧濾過を行い、白色固体を得た。得られた固体をキシレン20gに再溶解し、メタノール600gを用いて再沈精製を行い、減圧濾過、真空乾燥して目的の白色粉末を3.6g得た。ゲル浸透クロマトグラフィー(以下GPCと略する)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21,000、分散度Mw/Mnは2.4であった。
実施例1<HPSとCMSを用いたハイパーブランチポリマー(HPS−PCMS)の合成>
200mLの反応フラスコに、参考例2で合成したHPS2.67g、CMS15.26g、DCDC0.027g、及びキシレン12.0gを仕込み、撹拌して完全に溶解した。撹拌しながら系内の空気を窒素で置換した。反応フラスコをオイルバスに入れ、フラスコ内の温度が120℃になるまで加熱し、120±5℃に達した時点を重合開始時点とした。7時間後、反応フラスコをオイルバスから出し、室温まで冷却した後、キシレン10gを加えた。この反応液を500mLのメタノールを用いて再沈精製を実施し、減圧濾過を行い、白色固体を得た。得られた固体をテトラヒドロフラン(以下THFと略する)10gに再溶解し、メタノール500mLを用いて再沈精製を行い、減圧濾過、真空乾燥して目的の白色粉末(HPS−PCMS)を得た。GPC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(相対分子量Mwともいう)は33,000、分散度Mw/Mnは3.1であった。
実施例2〜3<CMS仕込みモル比効果>
実施例1において、CMSの仕込み量を表1に示す量に変更した以外は同様の操作を行い、目的のHPS−PCMSを得た。得られたHPS−PCMSの重量平均分子量Mw及び分散度Mw/Mnを表1に示す。
Figure 0005534244
実施例4〜8<重合濃度効果>
100mLの反応フラスコに、参考例2で合成したHPS1.34g、CMS7.63g、DCDC0.013g、及び表2に示す量のキシレンを仕込んだ以外は実施例1と同様の操作を行い、目的のHPS−PCMSを得た。表中の「重合濃度」は、(HPS質量+CMS質量)÷(HPS質量+CMS質量+キシレン質量)×100)にて算出した。得られたHPS−PCMSの重量平均分子量Mw及び分散度Mw/Mnを表2に示す。
Figure 0005534244
実施例9〜12<重合温度効果>
実施例1において、重合温度を120℃から表3に示す温度に変更した以外は同様の操作を行い、目的のHPS−PCMSを得た。得られたHPS−PCMSの重量平均分子量Mw及び分散度Mw/Mnを表3に示す。
Figure 0005534244
実施例13〜14<重合溶媒効果>
実施例1において、溶媒をキシレンから表4に示す溶媒に変更した以外は同様の操作を行い、目的のHPS−PCMSを得た。得られたHPS−PCMSの重量平均分子量Mw及び分散度Mw/Mnを表4に示す。
Figure 0005534244
実施例15<HPSとメタクリル酸メチルを用いたハイパーブランチポリマーHPS−PMMAの合成>
100mLの反応フラスコに、参考例2で合成したHPS2.65g、メタクリル酸メチル(以下MMAと略する)1.0g、DCDC0.27g、及びキシレン3.6gを仕込み、撹拌して完全に溶解した(MMAのモル数/HPSのジチオカルバメート基のモル数=1)。撹拌しながら系内の空気を窒素で置換した。反応フラスコをオイルバスに入れ、フラスコ内の温度が120℃になるまで加熱し、120±5℃に達した時点を重合開始時点とした。7時間後、反応フラスコをオイルバスから出し、室温まで冷却した後、キシレン10gを加えた。この反応液を500mLのメタノールを用いて再沈精製を実施し、減圧濾過を行い、白色固体を得た。得られた固体をTHF10gに再溶解し、メタノール500mLを用いて再沈精製を行い、減圧濾過、真空乾燥して目的の白色粉末(HPS−PMMA)を得た。GPC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19,000、分散度Mw/Mnは3.1であった。
実施例16<MMA仕込みモル比効果>
実施例15において、MMAの仕込み量を10.1gに変更した以外は同様の操作を行い、目的のHPS−PMMAを得た(MMAのモル数/HPSのジチオカルバメート基のモル数=10)。GPC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25,000、分散度Mw/Mnは3.9であった。
実施例17<重合温度効果>
実施例15において、重合温度を100℃に変更した以外は同様の操作を行い、目的のHPS−PMMAを得た。GPC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18,000、分散度Mw/Mnは3.3であった。
実施例18<MMA仕込みモル比/重合温度効果>
実施例15において、MMAの仕込み量を10.1gに、重合温度を100℃に変更した以外は同様の操作を行い、目的のHPS−PMMAを得た(MMAのモル数/HPSのジチオカルバメート基のモル数=10)。GPC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42,000、分散度Mw/Mnは4.5であった。
実施例19<HPSとメタクリル酸グリシジルを用いたハイパーブランチポリマー(HPS−PGMA)の合成>
100mLの反応フラスコに、参考例2で合成したHPS0.80g、メタクリル酸グリシジル[東京化成工業(株)製、以下GMAと略する]8.53g、DCDC0.89g、及びトルエン37.7gを仕込み、撹拌して完全に溶解した(GMAのモル数/HPSのジチオカルバメート基のモル数=20)。撹拌しながら系内の空気を窒素で置換した。反応フラスコをオイルバスに入れ、フラスコ内の温度が100℃になるまで加熱し、100±5℃に達した時点を重合開始時点とした。7時間後、反応フラスコをオイルバスから出し、室温まで冷却した。この反応液をジイソプロピルエーテル300mL(以下IPEと略す)に加えることで目的物を再沈殿させた後、減圧濾過を行い、白色固体を得た。得られた固体をTHF20gに再溶解させ、IPE500mLを用いて再度再沈精製を行い、減圧濾過、真空乾燥して目的の白色粉末(HPS−PGMA)を得た。
得られたHPS−PGMAの、GPC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84,000、分散度:Mw/Mnは10.5であった。
特表2002−508409号公報 特表2002−500251号公報 特表2004−509181号公報 特開平5−188658号公報
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,PolymerInternational 53,259−265(2004) Koji Ishizu,Akihide Mori,Takeshi Shibuya,Polymer Vol.42,7911−7914(2001) Koji Ishizu,Koichiro Ochi,Taiichi Furukawa,Journal of Applied Polymer Science,vol.100,3340−3345(2006) Takayuki Otsu,Keiji Yamashita,Kazuichi Tsuda,Macromolecules Vol.19,No.2,287−290(1986)

Claims (6)

  1. 式(2)で表される構造を少なくとも1つ有する式(1)で表されるハイパーブランチポリマーと、式(3)で表される不飽和二重結合を有する化合物とを、50乃至250℃で加熱することにより重合させることを特徴とする、式(4)で表されるハイパーブランチポリマーの製造方法。
    Figure 0005534244
    (式中、R1及びR4は水素原子又はメチル基を表す。R2及びR3は、それぞれ独立して、炭素原子数1乃至5のアルキル基、炭素原子数1乃至5のヒドロキシアルキル基又は炭素原子数7乃至12のアリールアルキル基を表し、また、R2とR3は互いに結合し、窒素原子と共に環を形成していてもよい。A1は式(5)又は式(6)で表される基を表す。A3は置換されていてもよいフェニル基、置換されていてもよいナフチル基、置換されていてもよい5乃至6員環のヘテロ芳香環、置換されていてもよい5乃至6員環の脂環式アミノ基又は式(7)で表される基を表す。A4は水素原子を表し、また、A3とA4が一緒になって環状酸無水物または環状イミドを形成してもよい。k、m及びnは、それぞれ独立して、繰り返し単位構造の数であって2乃至1,000,000の整数を表す。
    Figure 0005534244
    (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乃至30の直鎖状、分岐状又は環状のアルキレン基を表す。X1、X2、X3及びX4は、それぞれ独立して、水素原子、炭素原子数1乃至20のアルキル基、炭素原子数1乃至20のアルコキシ基、ハロゲン原子、ニトロ基、ヒドロキシ基、アミノ基、カルボキシル基又はシアノ基を表す。R5は水素原子、炭素原子数1乃至20のアルキル基、炭素原子数1乃至20のハロアルキル基、炭素原子数1乃至20のヒドロキシアルキル基又は炭素原子数1乃至20のエポキシアルキル基を表す。))
  2. 前記A1が式(8)で表される基を表す、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。
    Figure 0005534244
  3. 前記重合の系に、さらに式(9)で表されるジスルフィド化合物を添加することを特徴とする、ハイパーブランチポリマーの製造方法。
    Figure 0005534244
    (式中、R6及びR7は、それぞれ独立して、炭素原子数1乃至5のアルキル基、炭素原子数1乃至5のヒドロキシアルキル基又は炭素原子数7乃至12のアリールアルキル基を表し、また、R6とR7は互いに結合し、窒素原子と共に環を形成していてもよい。)
  4. 請求項1に記載の式(2)で表される構造を少なくとも1つ有する請求項1に記載の式(1)で表されるハイパーブランチポリマーと、請求項1に記載の式(3)で表される不飽和二重結合を有する化合物とを、ラジカル開始剤の非存在下、50乃至250℃で加熱することにより重合させることを特徴とする重合方法。
  5. 前記重合の系に、さらに請求項3に記載の式(9)で表されるジスルフィド化合物を添加することを特徴とする、請求項4に記載の重合方法。
  6. 請求項4又は請求項5に記載の重合方法に従い得られる生成物。
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