JP6110870B2 - 官能化金属含有粒子およびその製造方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

本出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれている、２０１１年１１月２３日に出願された「官能化シリカ粒子およびその製造方法」という名称の米国仮特許出願第６１／５６３，２４２号の有益性を主張するものである。

本発明は、官能化シリカ粒子などの官能化金属含有粒子、および当該粒子の製造方法に関する。

官能化ヒドロゲルポリマーまたは粒子などの官能化材料は、対象の表面または基体の特性を改質するための多種多様な用途に採用され得る。例えば、表面を改質して、特定の材料が表面に結合または接着することを防止することができ、または表面を外的刺激に応答して変化するように改質することができる。

表面または基体を改質するための材料としてポリエチレングリコールで官能化されたシリカヒドロゲル粒子が提供されている。現在では、ヒドロゲルシリカは、（１）シラン化反応、例えばＰＥＧウレタンに対するアルコキシシランのイソシアネートまたはエーテル反応；および（２）アミノコーティング（例えばビストリメトキシシリルプロピルアミン）の後に、メトキシＰＥＧカルボン酸のＮ−スクシンイミジルエステルを使用してアミド形成することによって調製されたシリカＰＥＧ部分へのグラフトによって調製される。しかし、従来の方法によって形成された官能化シリカは、オルト−クロロフェノール中５％の塩化ナトリウムなどの塩の存在下を含む水性または有機媒体中で良好な安定性を示さない。また、これらの方法の効率が低く、粒子が凝集する傾向にあり、または粒子が乾燥状態で粘着し、もしくはスラリー形態で凝集する。

本発明は、官能化金属含有粒子を形成するための方法を提供する。例えば、特定のタンパク質および生物のタンパク質結合の防止を容易にするものなどの、様々な用途で採用することができる様々な化学反応で粒子を官能化することができる。本方法は、安定しているシリカなどの官能化メタロキサン粒子を形成するための手段を提供する。該方法は、制御された所望の粒径分布の官能化シリカを提供することを可能にし得る。該方法は、比較的狭い粒径分布を有する粒子をも提供する。

一態様において、本発明は、所望の部分を担持する反応性前駆体材料であって、粒子の表面に結合した所望の部分を担持する官能化金属含有粒子を提供するためにその前駆体を使用することができる反応性前駆体材料を提供する。該前駆体は、（ａ）金属に結合した脱離基を含む金属成分と、（ｂ）金属原子に結合した有機官能性部分とを含み得る。一実施形態において、該前駆体は、イソシアネート化アルコキシシランに結合した所望の部分を有するウレタンまたは尿素材料である。一実施形態において、該前駆体材料は、ポリエチレングリコール部分を担持するウレタンまたは尿素材料である。

別の態様において、本発明は、官能化金属含有粒子を形成する方法を提供する。一実施形態において、本発明は、シリカを形成するための方法であって、イソシアネート化アルコキシシランおよびヒドロキシル末端またはアミン末端部分から誘導された前駆体材料を用意すること、および該前駆体材料と、複数の表面シラノールを有するシリカ粒子とを反応させて官能化シリカ粒子を得ることを含む方法を提供する。

別の態様において、本発明は、官能化シリカを形成する方法であって、イソシアネート化アルコキシシランおよび所望のヒドロキシル末端またはアミン末端部分から誘導された前駆体材料を用意すること、および該前駆体材料を水溶液中で反応させて、シリカ粒子の表面またはその付近に該所望の部分を有するシリカ粒子を形成することを含む方法を提供する。

一態様において、本発明は、有機官能基がグラフトされた金属含有粒子を製造するための方法であって、（ａ）水と、金属源と、第１の触媒と、第１の界面活性剤と、第１のアルコールとの混合物を含む第１の相を形成すること；（ｂ）水と、第２のアルコールと、第２の界面活性剤とを含む第２の相に該第１の相を添加してブレンドを形成すること；（ｃ）該ブレンドを相エンハンサで処理すること；および（ｄ）（ｃ）によるブレンドを第２の触媒で処理して、１つまたは複数の表面ヒドロキシル基を含む金属含有粒子を形成し；反応性前駆体を該粒子にグラフトすることによって金属含有粒子を形成することを含む方法を提供する。

一実施形態において、該金属含有粒子を形成する工程（ｄ）は、該粒子を乾燥し、該粒子を仮焼し、または該粒子を乾燥および仮焼して、粒子上の表面ヒドロキシルの濃度を低減させることをさらに含む。一実施形態において、該粒子は、０．１重量％から１５重量％の残留水分を有する。

一実施形態において、該反応性前駆体を該粒子にグラフトすることは、（ｅ）該反応性前駆体材料を、該粒子と、無水非プロトン性溶媒と、非イオン性界面活性剤とを含む系に添加すること；および（ｆ）（ｅ）の生成溶液に塩基触媒を添加することを含む。

一実施形態において、該無水非プロトン性溶媒は、５〜２０個の炭素原子を有するアルカン；５〜２０個の炭素原子を有するアルケン；芳香族化合物；テトラヒドロフラン；ピロリドン；置換ピロリドン；ジエチルエーテル；クロロホルム；四塩化炭素；アセトン；アセトニトリル；ジメチルスルホキシド；フルフラール；またはそれらの２種以上の組合せから選択される。

一実施形態において、工程（ｅ）における系の非イオン性界面活性剤は、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、エチレンオキシドおよびプロピレンオキシドのブロックコポリマー、ポリエチレンポリプロピレングリコール中の環式のフェノール系置換芳香族化合物および置換フェノール類、アルキルポリエーテル、ポリオール、およびそれらの２種以上の組合せを含む。

一実施形態において、（ｆ）の塩基触媒は、水酸化アンモニウム、第四級水酸化アンモニウム、ヒドロキシルアミン、水酸化テトラメチルアンモニウム、ヒドロキシルアミンの誘導体、アミノピリジン、またはそれらの２種以上の組合せから選択される。

一実施形態において、（ｅ）と（ｆ）の生成混合物を約３０ＲＰＭから約４００ＲＰＭの速度で撹拌しながら反応させる。

一実施形態において、該官能性粒子は、約０．５ミクロンから約３００ミクロンの平均粒径を有する。

一実施形態において、該官能性粒子は、約２０ｍ²／グラムから約１２００ｍ²／グラムの表面積を有する。

別の態様において、本発明は、官能化金属含有粒子を形成するための方法であって、（ａ）水と、界面活性剤と、非極性分散剤とを含む第１の溶液を用意すること；（ｂ）金属原子と、該金属原子に結合した脱離基と、該金属原子に結合した有機官能性部分とを含む反応性前駆体を該第１の部分に添加して、混合物を形成すること；および（ｃ）触媒を（ｂ）の混合物に添加し、還流下で加熱しながら反応させて、官能化金属含有粒子を形成することを含む方法を提供する。

一実施形態において、該非イオン性界面活性剤は、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、エチレンオキシドおよびプロピレンオキシドのブロックコポリマー、ポリエチレンポリプロピレングリコール中の環式のフェノール系置換芳香族化合物および置換フェノール類、アルキルポリエーテル、ポリオール、およびそれらの２種以上の組合せを含む。

一実施形態において、該非極性分散剤は、脂環式化合物、５〜２０個の炭素原子を含むアルカン、５〜２０個の炭素原子を含むアルケン、芳香族化合物、置換芳香族化合物、８〜１２個の炭素原子を含むアルコール、またはそれらの２種以上の組合せを含む。

一実施形態において、該触媒は、ヒドロキシルアミンの誘導体、水酸化テトラメチルアンモニウム、アミノピリジン、またはそれらの２種以上の組合せから選択される。

一実施形態において、該反応の温度は、約３０℃から約１００℃、さらには約５０℃から約９０℃である。

一実施形態において、（ｃ）の反応は、約３０ＲＰＭから約２００ＲＰＭの速度で撹拌しながら実施される。

一実施形態において、該反応性前駆体は、金属原子と、該金属に結合した脱離基と、該金属原子に結合した有機官能性部分とを含む金属成分を含む。一実施形態において、該反応性前駆体は、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｙ、Ｂ、Ｃｅ、Ｖ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｇｅ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｖ、希土類金属、またはそれらの２種以上の組合せから選択される金属を含む。該脱離基は、アルコキシ基、ハロゲン、またはそれらの組合せを含み得る。

一実施形態において、該有機官能性部分は、グリコール、アルキレングリコール、アクリル、アミド、第四級アンモニウム化合物、ホスフェート、ホスホネート、スルホネート、またはそれらの２種以上の組合せを含む。

一実施形態において、該官能性粒子は、約０．５ミクロンから約１００ミクロンの平均粒径を有する。

一実施形態において、該官能性粒子は、約２０ｍ²／グラムから約５００ｍ²／グラムの表面積を有する。

一実施形態において、該粒子は、約１０オングストロームから約２０００オングストロームの平均孔径を有する。

一実施形態において、該粒子は、約０．２５ミクロン以上のマクロ細孔を含む。

有意な量のシラノールが存在するシリカなどのウレタン前駆体材料のＦＴＩＲスペクトルである。 前駆体ＰＥＧメチルエーテルイソシアナトプロピルトリエトキシシラン（ＰＥＧＭＥ−ＩＰＴＥＳ）と比較した、本発明の実施形態により形成されたシリカ粒子のＦＴＩＲスペクトルである。 本発明の実施形態により形成されたシリカ粒子の光学画像である。 本発明の実施形態により形成されたシリカ粒子のＳＥＭ画像である。 本発明の実施形態により、ウレタン前駆体材料をシリカ粒子にグラフトすることによって形成された官能化シリカ粒子のＦＴＩＲスペクトルである。 本発明の実施形態による前駆体材料からの直接的な粒子合成によって形成された官能化シリカ粒子のＦＴＩＲスペクトルである。 本発明の実施形態による直接的な合成方法によって形成された官能化シリカ粒子を示す光学画像である。

発明の詳細な説明

本発明は、所望の部分を含む反応性前駆体材料から官能化金属含有粒子を形成するための方法を提供する。一実施形態において、該前駆体材料を使用して、既に形成されたシリカ粒子の表面を官能化することができる。別の実施形態において、該前駆体材料そのものを使用して、官能化シリカ粒子を直接形成することができる。

反応性前駆体
反応性前駆体材料は、（ａ）金属に結合した脱離基を含む金属成分と、（ｂ）金属原子に結合した有機官能性部分とを含み得る。反応性前駆体材料は、本明細書において、官能性有機金属材料とも呼ばれ得る。一実施形態において、官能性有機金属材料の金属原子は、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｙ、Ｂ、Ｃｅ、Ｖ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｇｅ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｖ、希土類金属、またはそれらの２種以上の組合せから選択される。

脱離基は、任意の好適な易動性脱離基であり得る。一実施形態において、脱離基は、アルコキシ基、ハロゲン、アリールオキシ基、アシルオキシ基、アルコキシカルボニルオキシ基、アルキルチオ基等、またはそれらの２種以上の組合せから選択される。一実施形態において、脱離基は、メトキシ、塩素、フッ素、またはそれらの２種以上の組合せである。

脱離基は、金属原子に結合していると記載しているが、「金属原子に結合した」という表現は、脱離基が金属原子に直接結合していること、または金属原子に直接結合した結合基を介して間接的に金属原子に結合していることを指すことが理解されるであろう。好適な結合基の例としては、アルキルまたはアリール基が挙げられるが、それらに限定されない。

有機官能性部分は、特定の目的または意図する用途に応じて所望により選択され得る。一実施形態において、有機官能性部分は、グリコール、アルキレングリコール、アクリル、アミド、第四級アンモニウム化合物、ホスフェート、ホスホネート、スルホネート、アミノ、メルカプト、アルキル、アルキン、アルケン、アゾ、共役アルケン、環式化合物、アルコール、またはそれらの２種以上の組合せから選択される。一実施形態において、前駆体材料の有機官能性部分は、ポリアルキレングリコール部分を含み、ポリアルキレングリコールアルキルエーテルまたはアミン末端ポリアルキレングリコールアルキルエーテルから誘導される。ポリアルキレングリコールアルキルエーテルは、式（１）：
の化合物であってもよく、アミン末端ポリアルキレングリコールアルキルエーテルは、式（２）：
の化合物であってもよい（式中、Ｒ⁴およびＲ⁵は、それぞれ２から１０個の炭素原子を有する直鎖状または（イソプロピルのような）分枝状のアルキルであり、Ｒ⁶は、１から１０個の炭素原子を有するアルキルであり、Ｒは、Ｒ⁴またはＲ⁵の一方であり、ｘおよびｙは、ポリアルキレングリコールまたはアミン末端ポリアルキレングリコールの分子量が少なくとも１００から７０００Ｄａになる値である）。一実施形態において、ポリアルキレングリコールアルキルエーテルまたはアミン末端ポリアルキレングリコールアルキルエーテルは、分子量が約３５０から約３，０００Ｄａである。

前駆体を形成するのに使用できる好適なポリアルキレングリコールアルキルエーテルの非限定的な例としては、ポリエチレングリコールモノメチルエーテル、ポリエチレングリコールモノエチルエーテル、ポリエチレングリコールモノイソプロピルエーテル、ポリエチレングリコールモノブチルエーテル、ポリエチレングリコールモノオクチルエーテル、ポリエチレングリコールモノデシルエーテル、ポリエチレングリコールモノヘキサデシルエーテル、ポリエチレングリコールモノオクタデシルエーテル、ポリプロピレングリコールモノメチルエーテル、ポリプロピレングリコールモノエチルエーテル、ポリプロピレングリコールモノイソプロピルエーテル、ポリプロピレングリコールモノブチルエーテル、ポリプロピレングリコールモノオクチルエーテル、ポリプロピレングリコールモノデシルエーテル、ポリプロピレングリコールモノヘキサデシルエーテルおよびポリプロピレングリコールモノオクタデシルエーテル等が挙げられる。

官能性有機金属材料を形成するための他の好適な官能性部分としては、アミドおよび第四級アンモニウム化合物等が挙げられるが、それらに限定されない。一実施形態において、官能性部分は、アルキルアクリルアミド、アルキルメタクリルアミド、またはそれらの２種以上の組合せを含む。アルキル（メタ）アクリルアミド材料は、アルキル、ならびにアルキル部分に２から１５個の炭素原子、好ましくはアルキル部分に４〜１２個または６〜１０個の炭素原子を有するカルボニルアルキル（メタ）アクリルアミドを含んでいてもよい。例示的なモノマーとしては、第三級ブチルアクリルアミド、Ｎ−第三級オクチルアクリルアミド、イソプロピルアクリルアミドおよびＮ−（１，１−ジメチル−３−オキソブチル）アクリルアミド等が挙げられる。

別の実施形態において、官能性部分は、第四級アンモニウム化合物から選択される。好適な第四級アンモニウム化合物およびフェノール系抗菌剤の非限定的な例としては、塩化ベンズアルコニウムおよび／または置換塩化ベンズアルコニウム、ジ（Ｃ６〜Ｃ１４）アルキル二短鎖（Ｃ１〜４アルキルおよび／またはヒドロキシアルキル）第四級アンモニウム塩、塩化Ｎ−（３−クロロアリル）ヘキサミニウム、塩化ベンゼトニウム、塩化メチルベンゼトニウムおよび塩化セチルピリジニウムが挙げられる。他の好適な第四級化合物としては、塩化アルキルジメチルベンジルアンモニウム、塩化ジアルキルメチルベンジルアンモニウム、およびそれらの２種以上の混合物が挙げられる。好適な第四級アミン含有シランの例は、Ｇｅｌｅｓｔ社の塩化オクタデシルジメチル（３−トリメトキシシリルプロピル）アンモニウムである。

一実施形態において、反応性前駆体材料は、（ａ）イソシアネート化アルコキシシラン、および（ｂ）イソシアネート化アルコキシシランのイソシアネート基と反応するための末端または反応性ヒドロキシルまたはアミン基を有する所望の部分の材料から誘導されたウレタンまたは尿素を含む。一実施形態において、前駆体材料は、（ａ）イソシアネート化アルコキシシランおよび（ｂ）ヒドロキシル末端またはアミン末端エーテルから誘導されたウレタンまたは尿素結合を含む材料である。一実施形態において、ヒドロキシル末端またはアミン末端エーテルは、ポリアルキレングリコール部分で官能化されたシリカ粒子を提供するためのポリアルキレングリコールアルキルエーテルまたはアミン末端ポリアルキレングリコールアルキルエーテルである。

前駆体材料は、式（３）：
（式中、Ｒ¹、Ｒ²およびＲ³は、１から１０個の炭素原子を有するアルコキシル基であり、Ａは、１から１２個の炭素原子を有する直鎖状もしくは分枝状のアルキレンから選択される二価の基、フェニレンもしくはハロゲンで置換されたフェニレン、または１から４個の炭素原子を有するアルキルもしくはアルコキシルである）のイソシアネート化アルコキシシランから誘導され得る。Ｒ¹、Ｒ²およびＲ³は、同一であっても、互いに異なっていてもよい。一実施形態において、Ｒ¹〜Ｒ³は、それぞれエトキシ基であり、Ａは、イソシアネート化アルコキシシランが３−（トリエトキシシラン）プロピルイソシアネートであるプロピルである。

一実施形態において、イソシアネート化アルコキシシランと、ポリアルキレングリコールアルキルエーテルまたはアミン末端ポリアルキレングリコールアルキルエーテルとを反応させることによって前駆体を形成することができる。金属触媒および適宜の溶媒の存在下で反応を実施することができる。一実施形態において、前駆体は、イソシアネート化アルコキシシランと、ポリアルキレングリコールアルキルエーテルまたはアミン末端ポリアルキレングリコールアルキルエーテルとを、ジブチル錫触媒およびテトラヒドロフランの存在下にて還流下で２日間にわたって反応させることによって形成される。反応終了後に、前駆体生成物から溶媒（例えばテトラヒドロフラン）が除去される。

特定の理論に束縛されることなく、前駆体材料は、前駆体がヒドロキシルまたはアミン末端材料から誘導されるかに応じて、式（４）および／または（５）：
または：
（式中、Ｒ¹〜Ｒ⁶、Ｒ、ｘおよびｙは、上記の任意の成分または値であってもよい）を有していてもよい。

式（３）〜（５）の官能性有機金属材料は、金属原子としてＳｉを含有する前駆体の観点で記載されているが、それらの材料は、それに限定されず、Ｓｉ原子は、任意の他の好適な金属原子に置き換えられ得ることが理解されるであろう。

前駆体材料を使用して、例えば、シリカの表面にＰＥＧ部分を有するＰＥＧ化シリカなどの官能化金属含有粒子（シリカを含むが、それに限定されない）を得ることができる。官能化金属含有粒子は、（１）前駆体材料と金属含有粒子とを反応させること、または（２）反応性前駆体材料から金属含有粒子を直接形成することによって形成され得る。

金属含有粒子への前駆体のグラフト
一実施形態において、官能化金属含有粒子は、前駆体材料と金属含有粒子とを反応させて、粒子の表面に結合または配置された所望の部分、例えばＰＥＧ部分を有する金属含有粒子を得ることによって提供される。グラフト反応を酸または塩基の存在下で実質的に非水性溶液中にて実施することができる。

金属含有粒子は、前駆体材料と反応するのに十分に大きな濃度の表面ヒドロキシル基を有し、所望の官能化度を有する金属含有粒子を与えるように提供され得る。例えば、複数の表面シラノールを有するシリカ粒子を採用することができる。

反応性前駆体を金属含有粒子にグラフトすることは、（ａ）反応性前駆体材料を、該金属含有粒子と、無水非プロトン性溶媒と、非イオン性界面活性剤とを含む系に添加すること；および（ｂ）（ａ）の反応混合物に塩基触媒を添加することを含み得る。

非プロトン性溶媒は、５〜２０個の炭素原子を有するアルカン；５〜２０個の炭素原子を有するアルケン；芳香族化合物；テトラヒドロフラン；ピロリドン；置換ピロリドン；ジエチルエーテル；クロロホルム；四塩化炭素；アセトン；アセトニトリル；ジメチルスルホキシド；フルフラール；またはそれらの２種以上の組合せから選択され得る。

非イオン性界面活性剤は、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、エチレンオキシドおよびプロピレンオキシドのブロックコポリマー、ポリエチレンポリプロピレングリコール中の環式のフェノール系置換芳香族化合物および置換フェノール類、アルキルポリエーテル、ポリオール、およびそれらの２種以上の組合せから選択され得る。

グラフト反応のための塩基触媒は、水酸化アンモニウム、第四級水酸化アンモニウム、ヒドロキシルアミン、水酸化テトラメチルアンモニウム、ヒドロキシルアミンの誘導体、アミノピリジン、またはそれらの２種以上の組合せから選択され得る。

グラフト法を約０℃から約１００℃；約３０℃から約９０℃；さらには約６０℃から約８５℃の温度で実施することができる。一実施形態において、グラフト法は、約８０℃の温度で実施される。グラフト法を約３０ＲＰＭから約２００ＲＰＭの速度で撹拌しながら実施することもできる。

それぞれその全体が参照により本明細書に組み込まれている、２０１０年２月２日に出願された米国特許出願第１２／７０１，８６２号および２０１１年７月２９日に出願された同第６１／５１３，２７８号に記載されているものなどの合成経路を使用して、十分に大きな濃度の表面ヒドロキシル基を有する金属含有粒子を形成することができ、その方法は、本明細書において、「二相合成」または「二相法」と呼ばれ得る。

一実施形態において、金属含有粒子は、（ａ）水と、金属源と、第１の触媒と、第１の界面活性剤と、第１のアルコールとの混合物を含む第１の相を形成すること；（ｂ）水と、第２のアルコールと、第２の界面活性剤とを含む第２の相に該第１の相を添加してブレンドを形成すること；（ｃ）該ブレンドを相エンハンサで処理すること；および（ｄ）（ｃ）によるブレンドを第２の触媒で処理して、１つまたは複数の表面ヒドロキシル基を含む金属含有粒子を形成し；反応性前駆体を該粒子にグラフトすることによって形成され得る。

粒子は、第１の相で金属オキソオリゴマー前駆体を形成し、第２の相により金属酸化物粒子を形成することを含む二工程法で形成され得る。金属オキソオリゴマーを形成することは、水と、第１のアルコールと、第１の触媒とを含む溶液に金属源を添加することを含む。反応は断熱条件下で実施され、最大発熱量に到達させられる。金属源は、制御された速度で添加され、反応は、金属源の添加が完了した後に３０℃に平衡化される。第１の界面活性剤がこの溶液に添加され、平衡化される。一実施形態において、第１の界面活性剤は共界面活性剤系であってもよい。系が平衡になると、この第１の相は金属オキソオリゴマーを含む。

一実施形態において、第１の相は、最初に水、第１の界面活性剤、第１の触媒、および第１のアルコールを加水分解物反応器に充填することによって形成されてもよい。金属源を制御または測定しながら加水分解物反応器に添加することができる。金属源は、加水分解物反応器内で反応して、金属酸化物オリゴマーを形成する。金属源を、加水分解物反応器に添加して、系の温度上昇を制御してもよい。例えば、一実施形態において、断熱温度上昇が約１０℃から約１００℃の温度範囲になるように、好ましくは温度上昇が約７２℃までになるようにシリカ源が加水分解物反応器に添加される。シリカ源は、加水分解物反応器内で反応して、メトキシシランが採用される場合はメトキシシランのオリゴマーを形成することができる。一実施形態において、シリカ源を添加する速度は、２３００ｇｍのバッチサイズに対して約５〜１５ｇｍ／分であり得る。一実施形態において、金属源は、約２０から約１２０分の時間にわたって第１の相に添加されてもよい。一実施形態において、金属源は、金属アルコキシドを含み、第１の相における金属アルコキシド源に対する水のモル比は、約０．５から約４．０である。

金属源の添加後に第１の界面活性剤を加水分解物反応器に添加できることが理解されるであろう。例えば共界面活性剤などの第１の界面活性剤を制御または測定しながら添加するか、またはすべての金属源が加水分解物反応器に添加された後に添加することができる。粒子反応器における界面活性剤のように、共界面活性剤は、相平衡によって規定されるミセル構造内での金属酸化物ポリマーの形成を容易にする。

次いで、金属オキソオリゴマーを含む第１の相が、水と、第２の界面活性剤と、第２のアルコールとを含む反応器に添加される。次いで、相エンハンサが系に添加されてもよい。一実施形態において、相エンハンサは、加水分解物反応器の内容物を粒子反応器に添加し、次いで相エンハンサを粒子反応器に添加して、内容物を平衡化させることによって、第１の相の後に系に添加される。一実施形態において、相エンハンサは、加水分解物からの材料すべてが粒子反応器に供給され、ミセル内で平衡化された直後に添加される。触媒を粒子反応器に添加する前に相エンハンサを添加すると、大粒子形成の安定性が高まり、一貫的な粒子成長の発生が可能になり、懸濁液のゲル化が防止される。

混合は、初期ミセル径の大きさ、ならびに粒子成長および最終粒径に影響を与える。乱流混合は、より小さい粒子、およびほぼ均一な粒径分布を生じる傾向がある。より小さな乱流を伴うより緩慢な混合は、（１）広い粒径分布を生じ、（２）さらなる粒子成長を達成する前に金属酸化物粒子を粒子反応器の底部に早発的に沈降させて、不必要な充填固体粒子を形成する傾向がある。したがって、ミセルからクラスターが成長して最終的な安定粒径および分布になるに従って、大粒子を効果的に懸濁させるために好適な混合条件が望まれる。この好適な混合条件は、さらに、撹拌機の種類および先端速度インペラ速度によって規定され得る。先端速度インペラ速度は、約０．２から０．８フィート毎秒であってもよい。一実施形態において、第１の相は、約３０分から約１５０分の時間にわたって第２の相に添加されてもよい。

第１の相を第２の相に添加した後に、懸濁液またはエマルジョンの存在によって示される二相系が形成される。第２の界面活性剤は、ミセルを相平衡によって規定される大きさに形成する上で助けとなる。粒子反応器は、ミセルからの粒子成長を可能にする二相系を含む。第１の相の温度は、約３０℃から約８０℃であってもよく、第２の相の温度は、約３０℃から約１００℃であってもよい。初期エマルジョンの温度は、粒子反応器内で形成される二相系をさらに増強するために、約３０〜８０℃であり得る。一実施形態において、該温度は、非イオン性界面活性剤ＰＥＧの曇り点である約５０〜６０℃である。

上述したように、相エンハンサは、（加水分解物反応器からの）第１の相が粒子反応器に添加された後に系に添加されてもよい。該方法は、相エンハンサの添加後に、第２の触媒を粒子反応器に測定またはプログラム制御しながら添加することを含む。第２の触媒は、混合物中の金属酸化物オリゴマーが、水素結合による粒子接着に至る望ましくないゲル化懸濁液または粒子を形成するのでなく、所望の金属酸化物粒子を形成するように、測定またはプログラム制御しながら粒子反応器に添加される。したがって、第２の触媒を測定しながら添加することは、非イオン性界面活性剤の層を部分的に開放して、粒子が、粒子成長の様式として他の粒子と相互作用し、金属酸化物結合を形成することを可能にする上で助けとなる。

塩基触媒は、所望の平均シリカ粒径が得られるまで混合物に添加される。一般に、シリカ粒径は、粒子反応器に添加される触媒の量とともに臨界ｐＨまで増大する。シリカ粒径は、例えばＨｏｒｉｂａ ＬＡ９５０システムなどの測定システムを使用して粒子直径として測定される。触媒の初期添加中は、懸濁液のｐＨが約１．３であってもよい。添加される塩基触媒の量にもよるが、混合物のｐＨは、加水分解物に使用されるアルコキシシランおよび酸触媒の量に応じて約５のｐＨまで増加してもよい。望ましくは、混合物のｐＨは、第２の触媒で処理する前は約３．５以下であり、第２の触媒による処理工程中は約６以下である。シリカ粒子が所望の粒径まで成長すると、触媒は、それ以上添加されず、シリカ粒子は、粒子反応器の温度で熟成される。

金属源は、例えば、金属アルコキシド、加水分解性有機金属化合物、オキソ金属オリゴマー、またはそれらの２種以上の混合物を含んでいてもよい。勿論、最終生成物として所望される金属酸化物は、金属源の個性を決定づけることになる。一実施形態において、金属源は、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｙ、Ｂ、Ｃｅ、Ｖ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｇｅ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｖ、希土類金属、またはそれらの２種以上の組合せから選択される金属を含む。合成シリカが所望の生成物である一実施形態において、金属源は、ケイ素アルコキシド、またはアルコキシドの少なくとも１つが２つの加水分解性基を含むアルコキシドの混合物である。シリカ源の例としては、オルトケイ酸テトラメチル（ＴＭＯＳ）、オルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）、オルトケイ酸テトラプロピル（ＴＰＯＳ）、テトラメトキシシラン、テトラブトキシシラン、メチルトリメトキシシラン（ＭＴＭＳ）、メチルトリエトキシシラン（ＭＴＥＳ）、フェニルトリメトキシシラン、イソブチルトリメトキシシラン、ならびにケイ酸メチルなどのポリメトキシシロキサンの四量体を含めて、ミセル形成しやすいのであればより高次のテトラアルコキシシラン、アルコキシシランから誘導されたシロキサンオリゴマー、およびポリメトキシシロキサンなどの前重合アルコキシシランが挙げられるが、それらに限定されない。一実施形態において、第１の相は、少なくともシロキサン七量体、環式シロキサンまたはそれらの混合物を提供するために、アルコキシシランから誘導されたシロキサンオリゴマーに対する水の選択されたモル比を有する。アルコキシシランなどの高純度シリカ源を、ケイ素金属とメタノールとの銅などの金属触媒の存在下での反応により形成されたもの、ならびに参照により本明細書に組み込まれているＥ．Ｇ．Ｒｏｃｈｏｗ、「ケイ素およびメタノールからのケイ酸メチル（Ｍｅｔｈｙｌ Ｓｉｌｉｃａｔｅ ｆｒｏｍ Ｓｉｌｉｃｏｎ ａｎｄ Ｍｅｔｈａｎｏｌ）」、ＪＩ．Ａｍｅｒ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．７０、２１７０〜２１７１頁（１９４８年）、米国特許第４，７２７，１７３号、同第４，９９９，４４６号および同第５，０８４，５９０号に例示されているものなどの粗原料から得ることができる。アルコキシシランの精製を、参照により組み込まれている米国特許第５，９０２，８９３号に記載の蒸留によって実施することができる。

他の金属酸化物粒子を製造するための他の金属源の例としては、イソプロポキシドなどの金属化合物、アセテート、アセチルアセトネート、オキシレート、ブトキシド、メトキシド、エトキシド、クロロメトキシ、クロロエトキシ、メチル、エチル等が挙げられる。

第１の触媒は、酸触媒または塩基触媒を含み得る。一実施形態において、第１の触媒は酸型触媒である。好適な酸触媒の例としては、塩酸、硝酸、硫酸、リン酸、フッ素酸、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、ブタン酸、ペンタン酸、ヘキサン酸、モノクロロ酢酸、ジクロロ酢酸、トリクロロ酢酸、トリフルオロ酢酸、シュウ酸、マロン酸、スルホン酸、フタル酸、フマル酸、クエン酸、マレイン酸、メチルマロン酸、アジピン酸、ｐ−トルエンスルホン酸、またはそれらの２種以上の組合せが挙げられるが、それらに限定されない。一実施形態において、第１の触媒は、水酸化アンモニウム、第四級水酸化アンモニウム、ヒドロキシルアミン、ヒドロキシルアミンの誘導体、アミノピリジン、またはそれらの２種以上の組合せから選択される塩基触媒を含む。一実施形態において、塩基触媒は、約０．０１重量％から約１０重量％の濃度を有する。

第１のアルコールは、第一級アルコール、第二級アルコール、またはそれらの２種以上の組合せから選択され得る。一実施形態において、第一級アルコールは、１から１０個の炭素を有するアルコールである。好適なアルコールとしては、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール、ノナノール、デカノール、またはそれらの２種以上の組合せが挙げられるが、それらに限定されない。

一実施形態において、第１の界面活性剤は共界面活性剤系であり得る。共界面活性剤は、溶液を、例えば低分子量ポリメトキシシロキサンなどの金属酸化物オリゴマーを含むミセルに輸送する上で助けとなることができる。一実施形態において、共界面活性剤系は、非極性化合物と、わずかに極性の化合物との混合物を含む。非極性化合物は、シクロペンタン、シクロヘキサン、シクロオクタン、およびさらにはメチルシクロヘキサン、ｐ−アルキルシクロヘキサン等のその誘導体を含む環式炭化水素、ならびに炭素数が５から１２の直鎖状または分枝状脂肪族炭化水素、イソペンタン、イソヘキサンおよびイソオクタン等のそのアルキル誘導体を含む炭化水素、または２種以上の非極性化合物の組合せであり得る。共界面活性剤系のわずかに極性の化合物は、わずかに極性のアルコールであり得る。特に好適なわずかに極性のアルコールは、例えば、第三級アルコール、環式アルコール、またはそれらの２種以上の組合せから選択され得る。好適な第三級アルコールとしては、例えば、第三級ブチルアルコール、２−メチル−２−ブタノールもしくは第三級アミルアルコール、または２−メチル ２−ペンタノールおよび２−メチル ２−ヘキサノール等のそれらの誘導体が挙げられる。好適な環式アルコールの非限定的な例としては、シクロペンタノール、シクロヘキサノール、シクロオクタノール、および４−メチルシクロヘキサノールなどのそれらのアルキル誘導体等が挙げられる。

共界面活性剤に好適な界面活性剤のさらなる例としては、例えば、アルコール系溶媒およびケトン系溶媒が挙げられる。好適なアルコール系溶媒の例としては、例えば、第三級アミルアルコール、メチルアルコール、エチルアルコール、ｎ−プロパノール、ｉ−プロパノール、ｎ−ブタノール、ｉ−ブタノール、ｓｅｃ−ブタノール、ｔ−ブタノール、４−メチル ２−ペンタノール、シクロヘキサノール、メチルシクロヘキサノールおよび／またはグリセロールが挙げられる。好適なケトン系溶媒の例としては、アセトン、メチルエチルケトン、メチル−ｎ−プロピルケトン、メチル−ｎ−ブチルケトン、メチル−ｉ−ブチルケトン、ジエチルケトン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノンまたはアセチルアセトンが挙げられる。

一実施形態において、第２の界面活性剤は非イオン性界面活性剤である。エトキシレート、ポリエトキシレート、ポリプロポキシレート、フェノレートまたはポリオール等に基づくものを含むが、それらに限定されない非イオン性界面活性剤の分子量は、約４００から約１００，０００であってもよい。好適な非イオン性界面活性剤の例としては、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、フェノレート、ポリオール、ステアリン酸ポリオキシエチレン、ポリオキシエチレンソルビタンモノオレエート、ポリオキシエチレンラウリルエーテル、ノニルフェノキシポリ（エチレンオキシ）エタノール、ノニルフェニオキシポリ（エチレンオキシ）エタノール、およびそれらの２種以上の組合せが挙げられるが、それらに限定されない。

第２のアルコールは、第一級アルコール、第二級アルコール、またはそれらの２種以上の組合せから選択され得る。好適な第一級アルコールとしては、第１のアルコールに関して既に記載したものなどの、１から１０個の炭素原子を有する第一級アルコールが挙げられる。第２のアルコールは、第１のアルコールと同一であっても、互いに異なっていてもよい。

出願人は、相エンハンサの好適な材料が、粒子形成の安定性を高め、懸濁液のゲル化を防止するのに好適な材料を含むことを見いだした。相エンハンサの好適な材料としては、例えば、わずかに極性のアルコールが挙げられる。一実施形態において、わずかに極性のアルコールとしては、炭素数が３を超えるアルコールより極性の低いアルコールが挙げられる。第２の相エンハンサとして使用される例示的なわずかに極性のアルコールとしては、低炭素アルコールが挙げられる。相エンハンサは、例えば、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール等の４から１０個の炭素を有する第一級アルコールを含み得る。相エンハンサは、また、イソブタノール、イソペンタノール等を含むが、それらに限定されない、４から１０個の炭素原子を有するアルコールのアルキル誘導体から選択され得る。第二級アルコールも、相エンハンサとしての使用に好適なものであってよい。

第２の触媒は、酸または塩基から選択され得る。例示的な実施形態において、第２の触媒は塩基である。好適な塩基触媒材料としては、例えば、有機塩基などの非アルカリ金属塩基、求核置換を促進する非金属塩基、またはそれらの２種以上の組合せが挙げられる。好適な非アルカリ金属塩基の例としては、水酸化アンモニウム、ならびに炭酸アンモニウムまたは重炭酸アンモニウムの水溶液が挙げられる。好適な有機塩基の例としては、水酸化テトラメチルアンモニウムなどの第四級アルキルアンモニウム水酸化物が挙げられる。求核置換を促進する好適な非金属塩基の例としては、ヒドロキシルアミン、ならびにＮ，Ｎ−ジメチルヒドロキシルアミン、Ｎ，Ｎ−ジエチルヒドキシルアミンおよび４−ジメチルアミノピリジンなどの有機ヒドロキシルアミンが挙げられる。

粒子形成に続いて、最も沸点の高い化合物を超える高温蒸発、または低温および負圧ストリッピングなどによって、粒子を処理して系から有機材料のバルクを除去することができる。さらには、次いで粒子を処理して、残留有機物を含む不必要な材料を反応物質および無機炭化水素から除去することができる。特定の理論に束縛されることなく、残留有機物は、粒子内に結合しているか、または閉じ込められており、乾燥量基準で約５％までの炭素量であり得る有機物であると考えられる。場合により、有機材料を除去するのに十分な時間にわたって約３０℃から約１００℃で金属酸化物粒子（例えばシリカ）を加熱することによって有機物のストリッピングを実施してもよい。有機物のストリッピングは、水を系に添加し、約３０℃から約１００℃での粒子の加熱を継続して残留有機物を除去することをさらに含んでいてもよい。

また、粒子を非プロトン性溶媒で処理して、有機物を除去するとともに、無機炭化水素含有量をほぼ無視できる値まで低減させることができる。次いで、残留有機物および無機炭素の除去を支援するために、シリカ粒子を非プロトン性溶媒で処理する。一実施形態において、非プロトン性溶媒による処理は、非プロトン性溶媒による粒子の洗浄を含む。非プロトン性溶媒をデカントすることができ、デカントされた溶液は、非プロトン性溶媒および有機材料を含む。粒子は、所望の有機物量および無機炭化水素量が達成されるまで、１回、２回または３回以上洗浄されてもよい。

別の実施形態において、非プロトン性溶媒による処理は、上述のような非プロトン性溶媒による洗浄を含むが、水による粒子の洗浄をさらに含む。これらの工程は、残留有機炭素を効果的に除去するために要望に応じて繰り返されてもよい。

さらに別の実施形態において、非プロトン性溶媒による処理は、非プロトン性溶媒／水ストリッピング工程を含む。非プロトン性溶媒／水ストリッピング工程は、非プロトン性溶媒および水を金属酸化物粒子の懸濁液に添加することを含む。次いで、懸濁液を加熱して、蒸発により非プロトン性溶媒および水とともに有機材料を除去する。有機材料および無機炭化水素の所望の量が達成されるまでこれらの工程を繰り返すことができる。加熱は、例えば、約７５℃から約１００℃の温度で実施されてもよい。複数の非プロトン性溶媒／水ストリッピング工程が採用される場合は、それぞれの工程の温度は、同一であっても互いに異なっていてもよい。一実施形態において、非プロトン性溶媒／水ストリッピング操作における加熱工程の温度は、各々の連続的な処理とともに高められる。一実施形態において、非プロトン性溶媒／水ストリッピング処理が完了した後に、１回または複数回の熱水洗浄が採用されてもよい。有機物を系から完全に除去するためには、さらなる水洗浄が有用であり得る。

上記二相法によって形成された粒子は、不連続の球形粒子、または多孔度および孔径分布が制御された凝集粒子であってもよく、有意な表面シラノール濃度を発揮することができる。本方法によれば、二相法によって形成された粒子に、粒子上の表面ヒドロキシル部位の数にさらに影響を及ぼし得る仮焼または焼締などの追加的な熱処理工程を施すことができる。これにより、表面ヒドロキシル基の濃度を制御または調整することにより、グラフト部位の数、および官能化粒子における官能基の濃度を制御する方式が可能になる。表面ヒドロキシル部位は、上記の方法で官能化前駆体材料と金属含有粒子とを反応させることなどによって金属含有粒子に官能基をグラフトするための反応性部位を金属含有粒子に提供する。

官能化金属含有粒子の直接的な形成
別の実施形態において、反応性前駆体材料を使用して、所望の官能基を含む表面を有する金属含有粒子を直接形成することができる。例えば、前駆体材料を、両親媒性界面活性剤を含む溶液中にて加熱しながら還流下で反応させて、表面に所望の官能基を有するほぼ球形のヒドロゲル粒子を提供することができる。一実施形態において、官能化金属粒子を形成するための方法は、（ａ）水と、界面活性剤と、分散剤とを含む第１の溶液を用意すること；（ｂ）金属原子と、該金属原子に結合した脱離基と、該金属原子に結合した有機官能性部分とを含む反応性前駆体を該第１の部分に添加して、混合物を形成すること；および（ｃ）触媒を（ｂ）の混合物に添加し、還流下で加熱しながら反応させて、官能化金属含有粒子を形成することを含む。反応を約３０℃から約１００℃；約５０℃から約９０℃；さらには約６０℃から約８０℃の温度で実施してもよい。加熱を還流下で実施することができる。

界面活性剤は、疎水性基および親水性基の両方を含む両親媒性界面活性剤であり得る。前駆体材料からの官能化シリカ粒子の直接的な合成に使用できる界面活性剤の例としては、非イオン性、陰イオン性および陽イオン性界面活性剤が挙げられる。本発明における使用に好適な非イオン性界面活性剤としては、アルキルエトキシレート、ポリオキシエチレンソルビタン脂肪エステル、ブロックコポリマー、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリグリコールエーテルおよびアルキルグリコシドが挙げられる。水性溶媒および非水性溶媒への溶解性を示す界面活性剤の代表例は、モノステアリン酸ポリオキシエチレン、ポリオキシエチレンソルビタンモノパルミテートを含むが、それらに限定されないポリオキシエチレン脂肪酸エステル；９５０の分子量を有し、３モルから８５モルのエチレンオキシドを含むポリオキシプロピレングリコール、１２００の分子量を有し、７から４０モルのエチレングリコールを含むポリオキシプロピレングリコール、１７５０のモル重量を有し、５モルから１６０モルのエチレンオキシドを含むポリオキシプロピレングリコール、２０５０の分子量を有し、１０モルから１１０モルのエチレンオキシドを含むポリオキシプロピレングリコール、２２５０の分子量を有し、５モルから２００モルのエチレンオキシドを含むポリオキシプロピレングリコール、２７５０の分子量を有し、１５モルから２５０モルのエチレンオキシドを含むポリオキシプロピレングリコール、および３２５０の分子量を有し、８モルから３００モルのエチレングリコールを含むポリオキシプロピレングリコールを含むが、それらに限定されないポリオキシプロピレングリコールである。

アルキルエトキシレートの例は、ポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテル、例えば、いずれも米国のＤｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社により販売されているＴｒｉｔｏｎ（登録商標）Ｘ−１００およびＴｒｉｔｏｎ（登録商標）Ｘ−１１４である。Ｔｒｉｔｏｎ（登録商標）Ｘ−１００およびＴｒｉｔｏｎ（登録商標）Ｘ−１１４は、曇り点がそれぞれ２２℃および６５℃の疎水性オクチルフェニルヘッドおよび親水性ポリオキシエチレンテールを有する。親水性部分の長さを大きくすることによって類似体に対する曇り点を高めることができるのに対して、疎水性部分の長さを大きくすることによって曇り点を下げることができる。Ｔｒｉｔｏｎ（登録商標）Ｘ−１００は、さらに、１３．５のＨＬＢ値によって特徴づけられる。ポリオキシエチレンソルビタン脂肪エステルの例は、いずれも英国のＩＣＩ社により販売されているポリオキシエチレン（２０）−ソルビタンモノラウレート、例えばＴｗｅｅｎ（登録商標）８０およびポリオキシエチレン−（２０）−ソルビタンモノオレエート、例えばＴｗｅｅｎ（登録商標）２０である。ブロックコポリマーの例は、ポリプロピレングリコールとポリエチレングリコールとの組合せ、例えばドイツのＢＡＳＦ社により販売されているＰｌｕｒｏｎｉｃ（登録商標）である。ポリオキシエチレンアルキルエーテルの好適な例は、Ｃ１２Ｅ５、Ｃ１２Ｅ８およびＢｒｉｊである。ポリグリコールエーテルの好適な例は、Ｔｅｒｇｉｔｏｌである。

界面活性剤は、イオン性界面活性剤または非イオン性活性剤であり得る。一実施形態において、界面活性剤は、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、エチレンオキシドおよびプロピレンオキシドのブロックコポリマー、ポリエチレンポリプロピレングリコール中の環式のフェノール系置換芳香族化合物および置換フェノール類、アルキルポリエーテル、ポリオール、およびそれらの２種以上の組合せから選択される非イオン性界面活性剤である。

分散剤は、脂環式化合物、５〜２０個の炭素原子を含むアルカン、５〜２０個の炭素原子を含むアルケン、芳香族化合物、置換芳香族化合物、８〜１２個の炭素原子を含むアルコールなどの弱極性材料、またはそれらの２種以上の組合せを含むが、それらに限定されない非極性材料から選択され得る。

直接合成法のための触媒は、ヒドロキシルアミンの誘導体、水酸化テトラメチルアンモニウム、アミノピリジン、またはそれらの２種以上の組合せから選択され得る。

官能化粒子は、約０．５ミクロンから約３００ミクロン；約１ミクロンから約２００ミクロン；さらには約１０ミクロンから約１００ミクロンの平均粒径を有し得る。一実施形態において、粒子は、約０．５ミクロンから約１００ミクロンの平均粒径を有する。ここで、本明細書の他の箇所および請求項において、数値を組み合わせて、新しくかつ未開示の範囲を形成することができる。

官能化粒子は、約２０ｍ²／グラムから約１２００ｍ²／グラム；約５０ｍ²／グラムから約１０００ｍ²／グラム；さらには約１００ｍ²／グラムから約５００ｍ²／グラムの表面積を有し得る。一実施形態において、官能化粒子は、約２０ｍ²／グラムから約５００ｍ²／グラムの表面積を有する。ここで、本明細書の他の箇所および請求項において、数値を組み合わせて、新しくかつ未開示の範囲を形成することができる。

本明細書に記載の方法のいずれかによって形成された官能化粒子は、約１０オングストロームから約２０００オングストローム；約５０オングストロームから約１５００オングストローム；約１００オングストロームから約１０００オングストローム；さらには約２５０オングストロームから約７５０オングストロームの平均孔径を有し得る。また、粒子は、約０．２５ミクロン以上；さらには０．５ミクロン以上のマクロ細孔を含み得る。

本発明の態様は、以下の実施例を参照するとさらに理解されるであろう。それらの実施例は、本発明の態様または実施形態を例示することを意図するものであり、本発明を限定することを意図するものではない。

ウレタン結合前駆体材料の調製
ポリエチレングリコールメチルエーテルの３−（トリエトキシシリル）プロピルウレタンを、以下のように調製する。３５０グラムの３５０ＭＷのＰＥＧメチルエーテルを、約１７９６グラムのＴＨＦを含む反応器に投入する。撹拌機を１５０ＲＰＭに設定する。６６．９５グラムのジブチル錫ジラウレート触媒を添加する。２７２グラムのＡ３５（Ｍｏｍｅｎｔｉｖｅ、イソシアナトプロピルトリメトキシシラン）を反応器に添加する。７５℃にて全還流下で少なくとも２４時間にわたって反応を実施する。反応終了時に、通常の煮沸温度にてＴＨＦを加熱ストリッピングすることによって除去する。

図２は、ＰＥＧＭＥをウレタン前駆体材料と比較したＡＴＲ−ＦＴＩＲスペクトルである。図２に示されるように、ウレタン前駆体材料は、ウレタン結合を示す１７１８ｃｍ^-1付近にバンドを有する。

表面シラノールを有するシリカ粒子の調製
ほぼ球形の粒子の調製に際して、オルトケイ酸テトラメチルを、ブタノールまたはペンタノールなどの任意の高級アルコール等、ならびにＨＣｌまたは他の無機酸などの酸触媒、および酢酸およびアスパラギン酸などの他の好適な有機酸を含む溶液に制御しながら添加する。反応を断熱条件にて実施し、最大発熱量に到達させる。ＴＭＯＳの添加が完了した後に、反応を３０℃に平衡化させる。第三級アミルアルコールおよびシクロヘキサンなどの共界面活性剤を添加し、２０分程度平衡化させる。平衡化すると、次いで前駆体を、主として水、ブタノールなどのいくらかのアルコールおよびポリエチレングリコールなどの非イオン性界面活性剤を含む反応器に添加する。粒子の大きさを、混合によって、またはポリエチレングリコールの量、および分子量によって制御することができる。さらには、前駆体の添加が完了した後に、もう少しブタノールを添加して粒子に安定性を付与する。撹拌速度を変化させることによっても粒径を制御する。

粒子を製造するための前駆体材料を１２７グラムのブタノール、４５．２３グラムの水および１．６０６グラムの濃ＨＣｌから調製する。これにＴＭＯＳを３．５８グラム／分で添加する。全ＴＭＯＳ投入量は３９０．３グラムである。得られた反応混合物を３０℃に平衡化させる。平衡化後、１８８．３グラムの第三級アミルアルコール（２−メチル ２−ブタノール）および１０７．６グラムのシクロヘキサンを前駆体反応器に添加する。

８７３グラムの水、１９５グラムの８％（ｗ／ｗ）のＰＥＧ１５００（ＭＷ）および９８グラムのブタノールを含む別の反応器にて粒子を生成する。先の調製による前駆体をこれ（粒子反応器）に１１．６２グラム／分の速度で添加する。粒子反応器温度を５２℃に維持する。前駆体添加の終了時に、３１３．６グラムのブタノールを添加し、得られた混合物を５２℃に平衡化させる。

０．５％の水酸化アンモニウムをプログラム制御しながら添加することによって粒子形成を増強させる。以下の表は、図３（光学顕微鏡）および図４（ＳＥＭ画像）に示された粒径分布を与えるプログラム制御された塩基添加を示す。

次いで、シリカスラリーから有機物を除去し、アセトンで洗浄し、次いで、ロータリーエバポレーターを使用して水を除去する。図１は、上記合成によって調製された典型的な材料のＡＴＲ ＦＴＩＲ（ＨＧＳ Ｅ１２２１１１）を示し、それは、９５２ｃｍ^-1における伸縮によって有意なシラノールを示している（主に表面対仮焼された比較用シリカ材料）。図３および４は、本実施例で得られた粒子のそれぞれ光学的画像およびＳＥＭ画像である。

シリカ粒子へのＰＥＧＭＥ−ＩＰＴＥＳのグラフト
シリカ粒子に以下のようにＰＥＧＭＥ−ＩＰＴＥＳ前駆体をグラフトすることによってＰＥＧ化シリカを形成する。５０グラムのＰＥＧＭＥ−ＩＰＴＥＳ前駆体を５０グラムのシリカ粒子、０．５グラムのＰｌｕｒｏｎｉｃおよび５０グラムのシクロヘキサンの溶液に添加する。混合物を８０℃にて撹拌しながら４００ｒｐｍで反応させる。１．５％のＮＨ₄ＯＨ溶液を含む塩基溶液を添加して、混合物のｐＨを制御する。図５は、ＰＥＧグラフト材料のＡＴＲ−ＦＴＩＲである。本実施例において、残留シラノールは、まだ大きく、それは、ＰＥＧウレタン前駆体の濃度を増加させて、シリカの表面をさらに被覆または官能化できることを示している。

ＰＥＧＭＥ−ＩＰＴＥＳからのＰＥＧ化シリカの直接的形成
８０℃の１３２３．３グラムの水を含む反応器に、１９８．８ｇのシクロヘキサン、１ｇのＰｌｕｒｏｎｉｃ２０００（ＭＷ）、１９８．５グラムのイソシアナトプロピルトリエトキシシラン−ＰＥＧメチルエーテル３５０（ＭＷ）を１１．９４グラム／分の速度で添加する。反応混合物を２００ＲＰＭにて全還流下で２時間混合する。粒子形成のために、１．５％の濃度の水酸化アンモニウムなどの塩基を、６．５のｐＨが達成されるまで４グラム／分で添加する。ＡＴＲ−ＦＴＩＲスペクトルを図６に示す。バンドは、ＰＥＧＭＥヒドロゲルシリカを示す。図７は、直接的な合成方法によって形成された粒子を示す光学顕微鏡である。

本発明の実施形態を以上に記載したが、本明細書を読解すれば、他者でも明らかに修正および変更を思いつくであろう。本発明およびいずれの請求項も、請求項またはその同等物の範囲内にある限りあらゆる修正および変更を含むことを意図している。

Claims (12)

1. 官能化金属含有粒子を形成するための方法であって、
   （ａ）水と、界面活性剤と、非極性分散剤とを含む第１の溶液を用意すること；
   （ｂ）金属原子と、該金属原子に結合した脱離基と、該金属原子に結合した有機官能性部分とを含む反応性前駆体を該第１の部分に添加して、混合物を形成すること；および
   （ｃ）触媒を（ｂ）の混合物に添加し、還流下で加熱しながら反応させて、官能化金属含有粒子を形成することを含む方法。
2. 該反応性前駆体は、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｙ、Ｂ、Ｃｅ、Ｖ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｇｅ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｖ、希土類金属、またはそれらの２種以上の組合せから選択される金属を含む請求項１に記載の方法。
3. 該脱離基は、アルコキシ基、ハロゲン、またはそれらの組合せを含む請求項１または２に記載の方法。
4. 該有機官能性部分は、グリコール、アルキレングリコール、アクリル、アミド、第四級アンモニウム化合物、ホスフェート、ホスホネート、スルホネート、またはそれらの２種以上の組合せを含む請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 該有機官能性部分は、ウレタン結合ポリアルキレングリコール、尿素結合ポリアルキレングリコール、またはそれらの２種以上の組合せである請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 溶液（ａ）の界面活性剤は、イオン性または非イオン性界面活性剤であり、該非イオン性界面活性剤は、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、エチレンオキシドおよびプロピレンオキシドのブロックコポリマー、ポリエチレンポリプロピレングリコール中の環式のフェノール系置換芳香族化合物および置換フェノール類、アルキルポリエーテル、ポリオール、およびそれらの２種以上の組合せから選択される、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 該非極性分散剤は、脂環式化合物、５〜２０個の炭素原子を含むアルカン、５〜２０個の炭素原子を含むアルケン、芳香族化合物、置換芳香族化合物、８〜１２個の炭素原子を含むアルコール、またはそれらの２種以上の組合せを含む請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 該触媒は、ヒドロキシルアミンの誘導体、水酸化テトラメチルアンモニウム、アミノピリジン、またはそれらの２種以上の組合せから選択される請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 該反応の温度は、３０℃から１００℃であり、好ましくは５０℃から９０℃である請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. （ｃ）の反応は、３０ＲＰＭから２５０ＲＰＭの速度で撹拌しながら実施される請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 該官能性粒子は、０．５ミクロンから１００ミクロンの平均粒径を有する請求項１に記載の方法。
12. 該官能性粒子は、２０ｍ²／グラムから５００ｍ²／グラムの表面積を有する請求項１に記載の方法。