JP6923168B2 - 不溶性顔料化合物の定性分析方法 - Google Patents

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Description

本願は、2017年8月17日付の大韓民国特許出願第10−2017−0104324号に基づいた優先権の利益を主張し、当該大韓民国特許出願の文献に開示されたあらゆる内容は、本明細書の一部として含まれる。
本発明は、不溶性顔料化合物の定性分析方法に係り、より詳細には、不溶性顔料化合物の定性分析のための前処理方法に関する。
顔料は、LCD(liquid crystal display)のカラーフィルター(color filter)(R、G、B)フォトレジスト(photoresist)に使われるか、カラーリングペイント(coloring paint)、インク、プラスチック、織物、化粧品など多くの産業領域で用いられている。このような多様な産業領域に使われるほど顔料に対する定量分析及び定性分析が要求されている。未知顔料の定性分析のために、MS(mass spectrometry)、NMR(nuclear magnetic resonance)、EDS(energy dispersive x−ray spectroscopy)、XRF(X−ray fluorescence)など多様な分析方法を利用できる。しかし、顔料は、有機溶媒に対する溶解度が低く、金属を含む場合が多くて、構造分析時に、分析法選定に制約条件が多い。
有機溶媒に対する溶解度が低い顔料の場合、LC/MS及びNMRで構造を分析することが難しく、常磁性金属(paramagnetic metal)を含む顔料の場合には、NMRで構造を分析することが難しい。
現在、使っている顔料分析法は、MALDI−TOF MS(matrix−assisted laser desorption ionization mass spectrometry)またはDART−MS(direct analysis in real time mass spectrometry)を用いて分子量を確認し、Py−GC/MS(pylorysis−GC/MS)で顔料構造を確認して、関連した技術文献の調査を通じて顔料構造を推定する方法である。しかし、文献を通じて顔料構造を推定することができないか、Py−GC/MSで顔料構造が確認されない場合には、顔料構造の推定が難しくて、分子量情報のみ得る場合が多い。したがって、LC/MSまたはNMR分析が可能になるように、顔料を前処理する方法の開発が要求されている実情である。
本発明は、不溶性顔料化合物の構造分析のための前処理方法を提供することを目的とする。
前記目的を果たすために、本発明は、不溶性顔料化合物の溶解度を向上させるための超音波処理(ultrasonication)を利用した分解(degradation)、またはレーザを利用した顔料分子のフラグメント化(fragmentation)による前処理段階を含む不溶性顔料化合物の定性分析方法を提供する。
具体的に、本発明は、一実施態様において、(1)不溶性顔料化合物の分子量を、MSを使用して確認する段階;及び(2)前記顔料化合物を溶媒に溶解させた後、超音波処理で分解させて得られた部分構造化合物をLC/MS及びNMRで分析する段階;を含むか、または、(1)不溶性顔料化合物に対してMALDI−TOF MSでペアレントマス(parent mass)を選別する段階;及び(2)前記ペアレントマスのピークに該当する化合物に対してのみレーザを印加して、前記化合物をフラグメント化した後、各フラグメントイオンをMSで検出する段階;を含む不溶性顔料化合物の定性分析方法を提供する。
一実施態様によれば、前記超音波処理は、40kHzの超音波を1〜24時間、例えば、12時間印加するものである。
一実施態様によれば、前記レーザ照射は、ブルカー(Bruker)社のUltraflexモデルのNレーザを使用する場合、20Hzのスピードでレーザ減衰器68%を保持した状態で20%のレーザ強度で照射されて、600shotsを累積するものである。
一実施態様によれば、前記不溶性顔料化合物は、ビスオキソジヒドロインドリレンベンゾジフラノン(bisoxodihydroindolylenebenzodifuranone)系誘導体であり得る。
一実施態様によれば、前記溶媒は、THF、CHClなどであり得る。
本発明は、不溶性顔料化合物の超音波処理による分解でLC/MSとNMRとを通じて、またはレーザを利用したフラグメント化後、そのm/zを検出することにより、不溶性顔料化合物の部分構造を予測することができる。
固体状態のB582(BASF社のブラック(black)顔料)試料をMALDI−TOF MSで分析した分子量の結果を示した図面である。 THFに溶解されたB582のHR LC/MS分析結果を示した図面である。 THFに溶解されたB582のH NMR分析結果を示した図面である。 THFに溶解されたB582のgCOSY NMR分析結果を示した図面である。 THFに溶解されたB582のgHMBC NMR分析結果を示した図面である。 固体状態のB582の13C MAS SSNMRスペクトルを示した図面である。 顔料Red264のMALDI−TOF MSで選別されたペアレントマスを示した図面である。 顔料Red264のMALDI−TOF/TOF MS/MSスペクトルを示した図面である。 顔料Red264のPy−GC/MSを利用した構造分析結果を示した図面である。 顔料Red264のPy−GC/MSを利用した構造分析結果を示した図面である。
本発明は、多様な変換を加え、さまざまな実施例を有することができるので、特定実施例を図面に例示し、詳細な説明で詳細に説明する。しかし、これは、本発明を特定の実施形態に対して限定しようとするものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる、あらゆる変換、均等物または代替物を含むものと理解しなければならない。本発明を説明するに当って、関連した公知技術についての具体的な説明が、本発明の要旨を不明にする恐れがあると判断される場合、その詳細な説明を省略する。
従来、顔料の構造分析時に、顔料の有機溶媒に対する低い溶解性によって、LC/MS適用及びNMRを利用した構造分析方法に難点があり、特に、常磁性金属を含む顔料の場合、NMR分析が非常に困難な問題があった。現在、使われる顔料分析法は、MALDI−TOF MSまたはDART−MSを利用した分子量の確認及びPy−GC/MSを利用した構造の確認であるが、Py−GC/MSで検出されない場合には、構造推定が難しい。
本発明は、前記問題点を解決するために、不溶性顔料の前処理法を開発することにより、LC/MSまたはNMR分析が可能な顔料構造の分析方法を提示しようとする。
本発明による不溶性顔料化合物の構造分析方法は、不溶性顔料化合物の溶解度を向上させるための超音波処理を利用した分解、またはレーザを利用した顔料分子のフラグメント化による前処理段階を含む。
より具体的に、本発明による不溶性顔料化合物の定性分析方法は、(1)不溶性顔料化合物の分子量を、MSを使用して確認する段階;及び(2)前記顔料化合物を溶媒に溶解させた後、超音波処理で分解させて得られた部分構造化合物をLC/MS及びNMRで分析する段階;を含むか、または、(1)不溶性顔料化合物に対してMALDI−TOF MSでペアレントマスを選別する段階;及び(2)前記ペアレントマスのピークに該当する化合物に対してのみレーザを印加して、前記化合物をフラグメント化した後、各フラグメントイオンをMSで検出する段階;を含む。
一実施態様によれば、前記超音波処理は、Branson社の5810モデルを使用して40kHzの超音波を12時間印加するものであるが、顔料の特性及び構造によって適切に変更されうる。
一実施態様によれば、前記ペアレントマスのピークに該当する化合物に対する選択的なレーザ照射は、ブルカー社のUltrafleXetremeを使用する場合、スマートビームレーザパラメータセッティングを3_mediumとして、1000Hzのスピードで50%のレーザ強度で照射されて、2500shotsを累積するものである。
すなわち、超音波を用いて顔料分子を分解するか、レーザを使用して顔料分子をフラグメント化して、分けられた顔料分子の構造を多様な方法で分析することにより、顔料分子の部分構造を予測することが可能であり、このような部分構造の予測を通じて元の顔料分子の構造を予測することができる。
一実施態様によれば、前記不溶性顔料化合物は、ジケトピロロピロール(diketopyrrolopyrrole)系であり得る。
一実施態様によれば、前記溶媒は、THF、CHClなどであり得る。
前記MALDI−TOF MSは、小さなエネルギーにも分解されやすい高分子物質をそのまま脱着させるために、低分子量(100〜300Da)の有機または無機マトリックス(matrix)及び陽イオン化媒体を混合して均一な結晶を作った後、〜337nmの強いパルスのNレーザを照射して、TOF−MSで精密に質量分析を行う方法であって、前記方法を通じて300Da以上の高分子物質の分子量の測定が可能であり、感度が高くて、ペプトモルレベルの試料分析が可能であり、イオン化時に、分析しようとする化合物が割れる現象を大きく減らすことができて、元の顔料分子を割れることなしに測定するのにより適する。
ペアレントマスのピークに該当する化合物に対する選択的なレーザ照射において、ピークの分解能は、通常の±2Da〜±8Daの範囲であり得る。
以下、当業者が容易に実施できるように、本発明の実施例について詳しく説明する。しかし、本発明は、さまざまな異なる形態として具現可能であり、ここで説明する実施例に限定されるものではない。
実施例1:超音波処理を利用した顔料の構造分析
1.顔料試料:BASF社のブラック顔料であるB582(WO2010/081756)粉末
2.分析方法
2.1.使用機器:LTQ Orbitrap Elite MS及びMALDI−TOF MS
2.2.LC/MS条件
有機溶媒:THF
イオン化法:APCI positive
HPLC条件
カラム:Capcellpak C18(4.6mm IDx50mm Lx3μm)
A:ACN/TFA 100/0.1 B:HO/TFA 100/0.01
Figure 0006923168
−流速:1mL/分
−カラム温度:40℃
2.3.MALDI−TOF MS条件
B582試料1mg及びマトリックス(DCTB)9mgを乳鉢に入れ、磨いてプレートに固体状態でつけて分析サンプルを製造した(Solvent free法)。
Method:RP_12kDa(Reflector、positive)
3.分析結果
B582試料を固体状態のそのままMALD−TOF MSで分析した分子量の結果を図1に示した。前記MALD−TOF MS測定結果、分子量448の単一物質が検出され、THFに溶ける成分をLC/MSで分析した結果、分子量319の物質が検出された。前記分子量319の物質は、ブラック顔料試料で分けられた化合物と推定され、分子量448の物質及び分子量319の物質の推定構造は、次の通りである:
[顔料推定構造]
Figure 0006923168
[有機溶媒に溶かした試料からさらに検出された構造]
Figure 0006923168
前記B582試料を5mg/mLの濃度でTHFに溶解させた後、試料溶液を超音波処理した。
超音波条件
Branson社の5810モデルを使用して、常温で40kHzの超音波を12時間印加した。
THFに少量溶解された状態のB582試料の分子組成の分析結果を図2(HR LC/MS)、図3(H NMR)、図4(gCOSY NMR)及び図5(gHMBC NMR)に示した。
前記溶液試料をHR LC/MS(図2)及びNMRで分析した結果(図3、図4及び図5)、前記MS分析結果による推定構造を裏付け、THFに溶けた成分には、MS分析で確認された分子量319の物質の構造が存在すると推定することができた。分子量319の物質は、主要構造ではなく、前記構造の以外に、その他の構造が存在するが、正確な構造は確認しなかった。
図6は、顔料自体(固体状態)の13C MAS SSNMRスペクトルを示したものである。13C MAS SSNMR測定結果、MSで提案した構造の以外に、脂肪族構造は存在せず、脂肪族環(aromatic ring)と二重結合、カルボニル炭素が存在することを確認した。
実施例2:レーザを利用した顔料の構造分析
1.顔料試料
Red264[3,6−ジ([1,1'−ビフェニル]−4−イル)−2,5−ジヒドロピロロ[3,4−c]ピロール−1,4−ジオン]であって、主に携帯電話の外装材用顔料として使われ、構造は、次の通りである:
[顔料Red264の代表構造]
Figure 0006923168
本実施例では、MALDI−TOF/TOF MS(Bruker、UltrafleXtreme)を用いてRed264の構造を分析した。
2.分析サンプルの準備
Red264試料2mgをMALDIターゲットプレート(target plate)上にヘラ(spatula)でつけて載せた。ターゲットプレート上に載せた前記試料上にNガスを流して塊固体を除去した。
3.分析条件
3.1.MALDI−TOF/TOF MS分析条件
3.1.1.FlexControl methodとしてLIFT.lftを使用した
MS及びLIFT条件
Reflectron Positive Mode
Ion Source 1:7.50kV
Ion Source 2:6.75kV
Lens:3.50kV
Reflector:29.50kV
Reflector 2:14.00kV
Pulsed Ion extraction:80ns
LIFT 1:19.00kV
LIFT 2:3.40kV
レーザ及びペアレントマス条件
レーザ強度:レーザ50%(1000Hz)、2500shots
Smartbeam parameter set:3_medium
CID OFF mode
ペアレントマス:m/z 441
4.分析操作
前記分析条件で機器を稼動して、機器作動SOP[SOP−0494−0k(Bruker MALDI−TOF/TOF(UltrafleXtreme)の標準作動手続書)とSOP−0496−0k(Bruker MALDI−TOF/TOF(UltrafleXtreme)を活用したMS/MS標準作動手続書)]との手順に従って試料サンプルを分析した。
図7は、Red264のMALDI−TOF MSによるペアレントマスの分析結果である。m/z 441でペアレントマスが得られた。
図8は、Red264のMALDI−TOF/TOF MS測定結果に対するMS/MSスペクトルである。前記MS/MSスペクトルからm/z 424、412、286、232、205及び180を確認することができた。m/z 424、412、286、232、205及び180は、それぞれ下記のフラグメントに対するピークを示すと予測することができる。
[レーザフラグメント化された構造]
Figure 0006923168
比較例1:Py−GC/MSを利用した顔料Red264の構造分析
Py−GC/MSを用いてRed264の構造を分析した。分析結果を下記の表及び図9A及び図9Bに示した。
Py−GC/MSを利用した構造分析では、バインダー用分散剤などから由来した作用基が共に検出されて、正確な顔料構造の推定に困難がある。
Figure 0006923168
以上、本発明の内容の特定の部分を図面及び多様な実施態様を通じて詳しく記述したところ、当業者において、このような具体的な記述は、単に望ましい実施態様であり、これにより、本発明の範囲が制限されるものではないという点は明白である。したがって、本発明の実質的な範囲は、下記の特許請求の範囲とそれらの等価物とによって定義される。

Claims (5)

  1. (1)不溶性顔料化合物の分子量を、MSを使用して確認する段階と、
    (2)前記不溶性顔料化合物を溶媒に溶解させた後、超音波処理で分解させて得られた部分構造化合物をLC/MS及びNMRで分析する段階と、を含不溶性顔料化合物の定性分析方法。
  2. (1)不溶性顔料化合物に対してMALDI−TOF MSでペアレントマスを選別する段階と、
    (2)前記ペアレントマスのピークに該当する化合物のイオンに対してのみレーザを照射して、前記化合物をフラグメント化した後、各フラグメントイオンをMSで検出する段階と、を含む不溶性顔料化合物の定性分析方法。
  3. 前記不溶性顔料化合物が、ビスオキソジヒドロインドリレンベンゾジフラノン系誘導体またはジケトピロロピロール系である請求項1または2に記載の不溶性顔料化合物の定性分析方法。
  4. 前記溶媒が、THFまたはCHClである請求項1または請求項1を引用する請求項3に記載の不溶性顔料化合物の定性分析方法。
  5. 前記超音波処理は、40kHzの超音波を1〜24時間印加する請求項1、請求項1を引用する請求項3および請求項4のいずれか一項に記載の不溶性顔料化合物の定性分析方法。
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