JP6199308B2 - グラフト共重合体の製造方法、性質、及び用途 - Google Patents
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Description
本開示は、2011年12月14日に出願された米国特許仮出願第61/570,572号に対する利益を主張するものであり、その内容はすべて本明細書に参照により組み込まれる。
a)以下の式で表されるマクロ単量体を用意することと、
X−[C(A)2C(B)(B’)]n−Q[CY=C(Z)(Z’)]、または
[C(A)2=C(B)]n−Q[C(Y)(Y’)−C(Z)(Z’)]−X’
(式中、AはHまたはFのいずれかであり、B及びB’はH、F、またはClのいずれかであって、必ずしも同じではなく、X及びX’はBr、Cl、またはIであり(かつ、必ずしも同じではない)、Y及びY’はF、Br、Cl、またはIであり(かつ、必ずしも同じではない)、Z及びZ’はF、Br、Cl、またはIであり(かつ、必ずしも同じではない)、Qは酸素(O)または硫黄(S)のいずれか、または、Qはなくてもよく、nは少なくとも1である)
b)遊離ラジカル開始剤の存在下、該X−[C(A)2C(B)(B’)]n−Q[CY=C(Z)(Z’)]分子、または[C(A)2=C(B)]n−Q[C(Y)(Y’)−C(Z)(Z’)]−X’分子をCTFE単量体と反応させて、CTFE単量体を、1つ以上のX’−[C(A)2C(B)(B’)]n−ペンダント単量体成分または−[C(Y)(Y’)−C(Z)(Z’)]−X’ペンダント単量体成分が付加されたポリ−CTFEグラフト共重合体の主鎖成分に変換することと、
を含む。
X’−[C(A)2C(B)(B’)]n−CY=C(Z)(Z’)分子(AはHまたはFのいずれかであり、B及びB’はH、F、またはClのいずれかであって、必ずしも同じではなく、X及びX’はBr、Cl、またはIであり(かつ、必ずしも同じではない)、YはF、Br、Cl、またはIであり、Z及びZ’はF、Br、Cl、またはIであり(かつ、必ずしも同じではない)、nは少なくとも1である)を製造する方法であって、該方法は、
a)遊離ラジカル開始剤の存在下、C(A)2C(B)(B’)タキソゲンとX−C(Y)(Y’)=C(Z)(Z’)−X’テロゲン(Y’はF、Br、Cl、またはI)とを反応させて、下記式で表される二ハロゲン化テロマーを作製することと、
X’−[C(A)2C(B)(B’)]n−C(Y)(Y’)=C(Z)(Z’)−W
b)該二ハロゲン化テロマーを脱ハロゲン化して単量体X’X’−[C(A)2C(B)(B’)]n−CY=C(Z)(Z’)を作製することと、を含む。
X−[C(A)2C(B)(B’)]n−[C(Y)(Y’)C(Z)(Z’)]−X’
式中、nは少なくとも1、好ましくは1から約20、より好ましくは1から約15、さらにより好ましくは1から約10、最も好ましくは1から約5である。X及びX’が同じではない場合、二ハロゲン化テロマーは複ハロゲン化(inter-halogenated)されているとみなされる。いくつかの例では、特にnが2以上の場合、上記試薬として1種またはそれ以上の遊離ラジカル開始剤の存在下で、タキソゲンをC2テロゲンとラジカルテロマー化することにより、テロマーが合成される。
ICl+F2C=CFCl→ClCF2CFClI
IBr+F2C=CFCl→BrCF2CFClI
X−C(Y)(Y’)C(Z)(Z’)−X’テロゲンはまた、例えばF2C=CFBrをBr2、ICl、IBrとそれぞれ反応させて、BrCF2CFBr2、ClCF2CFBrI、BrCF2CFBrIを調製することにより合成することができる。あるいは、C2テロゲンは、例えばF2C=CFHをBr2、ICl、IBrとそれぞれ反応させて、BrCF2CFHBr、ClCF2CFHI、BrCF2CFHIを調製することにより合成されてもよい。これらテロゲンは、そのX及びX’分子を基準に「二ハロゲン化された」テロゲンと呼んでもよい。本明細書を通して定義したように、用語「二ハロゲン化された」は、テロゲンが複ハロゲン化されている、すなわちハロゲン末端基が例えばBrとI、BrとCl、またはClとIのように同じではない分子を含む。
X−[C(A)2C(B)(B’)]n−[C(Y)(Y’)C(Z)(Z’)]−X’
式中、AはHまたはFのいずれかであり、B及びB’はH、F、またはClのいずれかであって、必ずしも同じではなく、X及びX’はBr、Cl、またはIであり(かつ、必ずしも同じではない)、Y及びY’はF、Br、Cl、またはIであり(かつ、必ずしも同じではない)、Z及びZ’はF、Br、Cl、またはIである(かつ、必ずしも同じではない)。遊離ラジカルテロマー化は、nが2以上であることが望ましい場合に採用することができるが、nが1に等しい場合にも用いることができる。
Br−[−CTFE−]n−(CTFE)−Br
式中、nは少なくとも1であり、好ましくは3〜20、より好ましくは3〜15、さらにより好ましくは3〜10、最も好ましくは3〜5である。
Br−[−VDF−]n−(CTFE)−Br
式中、nは少なくとも1、好ましくは3〜20、より好ましくは3〜15、さらにより好ましくは3〜10、最も好ましくは3〜5である。
Br−[−エチレン−]1−(CTFE)−Br
なお、nが1に等しいので、遊離ラジカルテロマー化はこの反応のための合成手段として用いられているのではなく、むしろBz2O2は好ましくは試薬として用いられる。
X−[C(A)2C(B)(B’)]n−CY=C(Z)(Z’)、例えば
X−[C(A)2C(B)(B’)]n−CF=CF2(CTFEをテロゲンとして用いる)、
または
[C(A)2=C(B)]n−[C(Y)(Y’)−C(Z)(Z’)]−X’、例えば
[C(A)2=C(B)]n−(CTFE)−W(CTFEをテロゲンとして用いる)
上記のように、nは、好ましくは1〜20、より好ましくは1〜15、さらにより好ましくは1〜10、最も好ましくは1〜5である。最も好ましくは、X及び/またはX’はBrである。nの値は、タキソゲン及びテロゲンの初期モル比と、遊離ラジカルテロマー化を合成手段として用いるかどうかにより制御される。しかしながら、n値が大きくなるにつれて、マクロ単量体の共重合は困難になる。なぜなら、nが大きくなるにつれて単量体粘度も増加するからである。したがって、この場合は、n値は低い範囲であるのが最も好ましい。他のテロマー末端を用いる場合、大きいn値が望ましいことがある。
好ましい態様では、このPCTFEグラフト共重合体は、次の式:
他の好ましい態様では、このPCTFEグラフト共重合体は、次の式:
さらに他の好ましい態様では、このPCTFEグラフト共重合体は、次の式:
このPCTFEグラフト共重合体(例えば、上記のPCTFE−g−PCTFE、PCTFE−g−PVDFまたはPCTFE−g−BCTFBグラフト共重合体)は、PCTFE主鎖の長さが1つ以上の4−炭素分子鎖単位(C4)、典型的には少なくとも2つの4−炭素分子鎖単位(C8)または3つの4−炭素分子鎖単位(C12)を含み、主鎖は、PCTFE主鎖成分に付加された少なくとも1つのペンダント基、好ましくは約2〜約20個のペンダント基を有する。このグラフト共重合体の構造及び性質は、グラフト共重合体の形成に用いるテロマーにより直接制御される。また、この構造及び性質はテロマーの変性によって操作することができる。また、グラフト共重合体の分子量は、反応が終わるまで単量体を連続的に加えて、連続的な反応を維持することによって、当業者が決めたように増加させることができる。さらに単量体を反応が終わるまで連続的に加える場合、消費速度に等しい速度で加えて容器の圧力を一定に保つことが好ましい。所望であれば、反応が継続している間、開始剤を徐々に増やしながら容器に添加して重合を持続させることができる。PCTFEグラフト共重合体は、ろ過及び乾燥、あるいは沈殿など、当該分野の慣用の技術により反応容器から回収することができる。他の有益な回収方法としては、テロマーの場合と同様、溶媒を蒸発または冷凍乾燥する方法、炭酸アンモニウムなどの凝集剤・凝固剤で溶媒/反応生成物の混合物から固体を析出させる方法、液−液抽出してろ過または遠心分離を行う方法などが挙げられる。
1.Br−CF2CFCl−Br(Br−CTFE−Br)
Br−CF2CFCl−Br(Br−CTFE−Br)を文献に報告されているように合成した。J Guiot et al., "Synthesis and Copolymerization of Fluorinated Monomers Bearing a Reactive Lateral Group. XX. Copolymerization of Vinylidene Fluoride with 4-Bromo-1,1,2-trifluorobut-1-ene(反応性側鎖を有するフッ素系モノマーの合成と共重合XX。フッ化ビニリデンと4−ブロモ−1,1,2−トリフルオロブタ−1−エンの共重合)" 43 J. POLYMER SCI. PT. A: POLYMER CHEM. 917-35 (2005)を参照されたい。
注入口バルブ、排出口バルブ、圧力計、及び破裂板を備えた600mlのオートクレーブ中で、CTFEと、テロゲンとしてのBr−CTFE−Brとをラジカルテロマー化した。オートクレーブは脱気し、20バールの窒素で加圧して漏れを調べた。そして、0.004ミリバールの真空で30分運転した。真空下、不揮発性反応物である、テロゲンBr−CF2−CFCl−Br(194.9g,0.72モル)、C4H5F5(250mL)及び開始剤の過ピバル酸tert−ブチル(99.7g、0.43モル、CTFEに対して50%)をオートクレーブに移送した。オートクレーブのバルブを閉じて、アセトン/液体窒素の混合物中で氷らせた。次いで、CTFE(100g、0.86モル、Br−CF2−CFCl−Brに対して1.2当量)の必要量を二度計量して混合物に導入した。オートクレーブを放置して室温まで温め、40℃、50℃、60℃、及び70℃で2分の平衡を含む加熱プロファイルを実行することにより74℃まで徐々に加熱した。18〜30℃(最大圧力、P=11バールまで)の発熱量を観察し、その後、圧力を3バールまで下げた。16時間反応させた後、オートクレーブを氷槽に約60分(P=0〜1バール)入れて、未反応のCTFE(35g)を徐々に放出した(CTFE転換率>60%)。オートクレーブを開けた後、合計の生成物の混合物を蒸留し、112gを得た。CTFEテロマーを含有する留分の合計は、混合物(一付加物及び二付加物)が36.6g、二付加物が32.0g、及びn>2が43.0gであった。この試料を19F−NMR分光分析法により分析した。
図1は、Br−CF2−CFCl−(CF2−CFCl)n−Br(nは6以上)の19F−NMRスペクトルを示している。
3.85g(58.9mmol、3.0当量/テロマー)の微細な粉末Znと、50mLのTHFとを三口の丸底ガラスフラスコに入れた。フラスコは、循環型水槽で25℃に保持した濃縮器、磁性撹拌棒、滴下ロートを備え、アルゴン気流で置換したものである。激しい撹拌下、亜鉛を数滴の臭素(Br2)で活性化した。次いで、この不均一な混合物に、対応するBr−CTFE−CTFE−Brテロマー(10.0g、19.6mmol)を滴下した。8〜10℃での発熱を観察した。滴下が完了した後、混合物を70℃で24時間、反応させた。過剰な亜鉛をフラッシュクロマトグラフィーにより取り除き、反応混合物をジクロロメタン、続いて水で抽出することにより亜鉛塩(ZnX2、ここでX=Cl、Br)を取り除いた。溶媒を蒸発させ、減圧下で蒸留した後、無色の液体を3.54g得た(収率=46%)(CF2=CF−CF2CFClBr、C4BrCTFE)。
図2は、CF2=CF−(CF2−CFCl)n−Br(nは6以上)の19F−NMRスペクトルを示している。
19F−NMR(図3,CDCl3,20℃)δppm:−62.5(m,CF2−CFCl−Br,1F),−105〜−115(m,−CF2−CFCl−,2F),−125〜−132(m,−CF2−CFCl−,2F)
5.テロマーBr−[−VDF−]n−(CTFE)−Br(n=1、2)の合成
3当量のBr−CTFE−Br(最後のテロマー化反応から回収した100%Br−CTFE−Br)の存在下で、フッ化ビニリデン(VDF)のテロマー化を過ピバル酸tert−ブチル(TBPPi)により開始した。テロマー化はC4F5H5中で17gのVDFを用いて行った。これにより、高いVDF転換率(>99%)が得られた。反応、続く溶媒の除去後、粗生成物の1H−NMRスペクトルは、VDFのメチレン単位の特徴であるピークの存在を示した。19F−NMRスペクトルは、生成物がBr−CTFE−VDF−BrとBr−CTFE(VDF)2−Brの混合物であることを示した。様々な液体テロマー(n=1、2)を蒸留により単離して、2つの目的の留分を単離した。1つはBr−CTFE−(VDF)−Brのみであり、もう1つはBr−CTFE−(VDF)2−Brと、少量の高分子量Br−CTFE−(VDF)n−Br(n>2)を含んでいた。生成物Br−CTFE−(VDF)−BrとBr−CTFE−(VDF)2−Brを単離して、テロマーの構造を19F−NMR分光分析法で調べた(図4)。分留は合計でVDFテロマー=51gを含み、反応の収率は57%であった。
1.5当量のZnの存在下、0℃のTHFの存在下、Br−CTFE−(VDF)n−Br(n=1)を含む留分の脱ハロゲン化反応を4回行った。脱ハロゲン化の前後の19F−NMRスペクトルを比較すると、−98ppm、−118ppm、及び−173ppmを中心にCF2=CF−末端基の三つの非等価のフッ素原子に対して帰属される二重線の二重線(の二重線)によって、C4単量体が合成されたことが裏付けられた。これは、−60ppmと−65ppmの間にあったBrCF2のピークが消えたことに付随するものである。生成物C4Brの構造は1H−NMR、19F−NMR(図5)及び13C−NMR分光分析法によって確認された。テロマーの脱ハロゲン化の最適条件は以下の通りである。(a)0℃でBr−CTFE−(VDF)−Brを滴下する、(b)溶媒:THF(転換率100%、収率34〜38%、(c)1.5当量のZn、(d)真空蒸留のみによる精製。
次いで、CTFEとC4Br単量体(5〜10%のTHFを含む)との共重合を過ピバル酸tert−ブチル(TBPPi)により開始し、CF2Br側基を含むPCTFE(白色粉末)を得た。5モル%及び15モル%のC4Brを供給すると、得られた共重合体は部分的にDMF(PCTFEはまったく不溶である)に溶解するが、クロロホルムには溶解しなかった。これに対し、30モル%のC4Brを供給すると、得られた共重合体は、クロロホルムとDMFに溶解した。得られた重合体の19F−NMRスペクトルから、CF2BrとCFにそれぞれに帰属される−45ppm、−182ppmの信号、及び遊離C4Br(−98ppm、−118ppm、及び−173ppmのピーク)(図6)が存在しないことから、CTFEユニットが存在し、C4Br単量体が組み込まれたことが示された。得られた重合体はまた、赤外線分光法、熱重量分析、及びサイズ排除クロマトグラフィーによって特徴づけられた。単峰性分布により、共重合体が形成されたことと、PCTFEと共重合体との混合ではないことが裏付けられた。
以下のようにしてBCTFBを得た。ラジカル開始剤として過ピバル酸tert−ブチル(TBPPi、3モル%)と2,5−ビス(tert−ブチルペルオキシ)−2,5−ジメチルヘキサン(Trigonox101、4.5モル%)の混合物を用いて、エチレンと二臭化CTFEとを1,1,1,3,3−ペンタフルオロブタン中で120℃、4時間反応させた。得られた構造は、真空蒸留後、Br−CF2−CFCl−CH2−CH2−Brであった。これを、還流メチルアルコール中、KOHで15時間、脱塩化水素化してBr−CF2−CFCl−CH=CH2(BCTFB)を形成した。次いで、100mLのオートクレーブ中、74℃で、CTFE(供給の96モル%)とBCTFBのラジカル共重合を、TBPPi(両単量体に対して2モル%)により開始した。得られた重合体の19F−NMRスペクトルを図7に示す。
[1]PCTFE(ポリ三フッ化塩化エチレン)−g−ポリ(M)グラフト共重合体の製造方法であって、
a)以下の式で表される分子を用意すること、
X−[C(A)2C(B)(B’)]n−Q[CY=C(Z)(Z’)]、または
[C(A)2=C(B)]n−Q[C(Y)(Y’)−C(Z)(Z’)]−X’
(式中、AはHまたはFのいずれかであり、B及びB’はH、F、またはClのいずれかであって、必ずしも同じではく、X及びX’はBr、Cl、またはIであり(かつ、必ずしも同じではない)、Y及びY’はF、Br、Cl、またはIであり(かつ、必ずしも同じではない)、Z及びZ’はF、Br、Cl、またはIであり(かつ、必ずしも同じではない)、Qは酸素(O)または硫黄(S)のいずれか、あるいはQはなくてもよく、nは少なくとも1である)、及び
b)遊離ラジカル開始剤の存在下、X−[C(A)2C(B)(B’)]n−Q[CY=C(Z)(Z’)]分子、または、[C(A)2=C(B)]n−Q[C(Y)(Y’)−C(Z)(Z’)]−X’分子をCTFE単量体と反応させて、CTFE単量体を、1つ以上のX’−[C(A)2C(B)(B’)]n−ペンダント単量体成分または−[C(Y)(Y’)−C(Z)(Z’)]−X’ペンダント単量体成分が付加されたポリ−CTFEグラフト共重合体の主鎖成分に変換すること、を含む製造方法。
[2]X’−[C(A)2C(B)(B’)]n−ペンダント単量体成分または−[C(Y)(Y’)−C(Z)(Z’)]−X’ペンダント単量体成分を架橋剤と反応させて、ペンダント単量体成分を重合することをさらに含む、[1]に記載の方法。
[3]架橋剤が、イソシアヌル酸トリアリル、過酸化物またはその組み合わせを含む、[2]に記載の方法。
[4]nが1〜10である、[1]に記載の方法。
[5]XまたはX’がBrである、[1]に記載の方法。
[6]遊離ラジカル開始剤が、過ピバル酸tert−ブチル、2,5−ジメチル−2,5−ジ(tert−ブチルペルオキシ)ヘキサン、または過酸化ジ−tert−ブチルを含む、[1]に記載の方法。
[7]PCTFE主鎖成分と、該PCTFE主鎖成分に付加された複数のペンダント基とを有する、PCTFE−g−ポリ(M)グラフト共重合体。
[8]ペンダント基が、ポリ三フッ化塩化エチレン(PCTFE)を含む、[7]に記載のPCTFE−g−ポリ(M)グラフト共重合体。
[9]ペンダント基がポリフッ化ビニリデン(PVDF)である、[7]に記載のPCTFE−g−ポリ(M)グラフト共重合体。
[10]ペンダント基が4−ブロモ−3−クロロ−3,4,4−トリフルオロ−1−ブテン(BCTFB)である、[7]に記載のPCTFE−g−ポリ(M)グラフト共重合体。
Claims (2)
- 遊離ラジカル開始剤の存在下、三フッ化塩化エチレンと、CF2=CF−CF2CFClBr及びF2C=CFCH2CF2Brから選択される化合物と、を反応させることを含む、共重合体の製造方法。
- 式(a)の構造と、式(b)及び式(c)から選択される構造と、を繰り返し単位として含む、共重合体。
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