JP7139329B2 - ポリシロキサン（メタ）アクリレートの製造のための非毒性触媒 - Google Patents
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Description
本発明は、ポリシロキサンの（メタ）アクリレートエステルの製造方法に関する。
ヒドロキシ官能化ポリシロキサンのエステル交換反応のための触媒の使用は、例えばＵＳ４，９４０，７６６で知られている。しかしながら、この参考文献は、毒性スズ化合物を触媒として使用し、本明細書に記載の方法を示唆していない。
本発明によって解決される問題は、ポリシロキサンの（メタ）アクリレートエステルの製造方法を改良する必要性である。
本発明は、ポリシロキサンの（メタ）アクリレートエステルの製造方法を提供し、前記製造方法が、ジルコニウムアセチルアセトナート又はアセチルアセトナトハフニウムの存在下で、
（ｉ）各々が炭素原子に結合する少なくとも２つのヒドロキシル基を有するポリシロキサンと、（ｉｉ）Ｃ１－Ｃ４アルキル（メタ）アクリレートとを接触させることを含む。
（ｉ）各々が炭素原子に結合する少なくとも２つのヒドロキシル基を有するポリシロキサンと、（ｉｉ）Ｃ１－Ｃ４アルキル（メタ）アクリレートとを接触させることを含む。
詳細な説明
特に指定されない限り、パーセントは重量パーセント（ｗｔ％）であり、温度の単位は℃である。特に指定されない限り、操作は室温で行われた。「（メタ）アクリル」という用語は、メタクリル又はアクリルのことを意味し、「（メタ）アクリレート」という用語は、メタクリレート又はアクリレートのことを意味する。アルキル基は、直鎖又は分岐鎖であってもよい飽和ヒドロカルビル基である。
特に指定されない限り、パーセントは重量パーセント（ｗｔ％）であり、温度の単位は℃である。特に指定されない限り、操作は室温で行われた。「（メタ）アクリル」という用語は、メタクリル又はアクリルのことを意味し、「（メタ）アクリレート」という用語は、メタクリレート又はアクリレートのことを意味する。アルキル基は、直鎖又は分岐鎖であってもよい飽和ヒドロカルビル基である。
本明細書で使用されるように、特に指示しない限り、「分子量」又はＭｎという語句は、ＮＭＲ分析によって測定された数平均分子量を指す。分子量は、本明細書においてｇ／ｍｏｌの単位で報告される。
ポリシロキサンのヒドロキシル基は、異なる炭素原子、好ましくはポリシロキサンの各末端に位置した末端炭素原子、又はポリマー鎖のペンダント基のいずれかに結合される。好ましくは、ポリシロキサンは、Ｃ１－Ｃ１２アルキル、フェニル又はそれらの組み合わせであってもよい置換基を有するシロキサン単位を含む。他の官能基、例えばアルケニル、ジアルキルアミノアルキル及びグリシドキシアルキルは、シロキサン単位に存在してもよい。好ましくは、フェニル、Ｃ１－Ｃ１２アルキル置換基又はそれらの組み合わせ（好ましくはフェニル又はＣ１－Ｃ４アルキル）を有するシロキサン単位は、少なくとも５０ｗｔ％、好ましくは少なくとも７５ｗｔ％、好ましくは少なくとも８５ｗｔ％のポリシロキサンを含む。好ましくは、シロキサンは、２～１０個のヒドロキシル基、好ましくは２～５個のヒドロキシル基、好ましくは２～３個のヒドロキシル基を有する。本発明の好ましい実施形態において、シロキサンは、ペンダントヒドロキシル官能基のみを有する。別の好ましい実施形態において、シロキサンは、末端ヒドロキシ官能基のみを有する。好ましくは、ポリシロキサンは式（Ｉ）を有する。
式中、ＲはＣ１－Ｃ１２アルキル又はフェニルであり、Ｙは、Ｃ１－Ｃ１８アルキレンリンカー又は式－（ＣＨ２）ｏ（ＯＣＨ２ＣＨＲ１
）
ｐ
－の基であり、Ｒ１は、水素、メチル又はエチルであり、ｏは１～６であり、ｐは１～３０であり、ｊは３～２００であり、ｋは０又は２～１０であり、Ｚはヒドロキシル又は水素である。本発明の好ましい実施形態において、Ｚがヒドロキシルである場合、ｋは０であり、すなわち、末端ヒドロキシル官能基のみが存在する。別の好ましい実施形態において、Ｚが水素である場合、ｋは少なくとも２であり、すなわち、ペンダントヒドロキシル官能基のみが存在する。
シロキサンの「Ｒ」基は、場合によって、異なるシロキサン単位で異なってもよく、すなわち、シロキサンは、コポリマーであってもよく、「Ｙ」基も異なってもよい。好ましくは、Ｒは、現れる箇所を問わず、常に同じアルキル基、好ましくはＣ１－Ｃ４アルキル又はフェニル、好ましくはメチル又はフェニル、好ましくはメチルを表す。好ましくは、Ｙは、現れる箇所を問わず、常に同じである。
好ましくは、Ｒ１はメチル又は水素であり、好ましくは水素である。Ｒ１は、特定の置換基において、例えば、混合エチレンオキシド／プロピレンオキシド鎖のうちの、２つ以上の基を表してもよい。１つの好ましい実施形態において、Ｚは、ヒドロキシルであり、ｋは０である。好ましくは、ｊは少なくとも５であり、好ましくは少なくとも６であり、好ましくは少なくとも７であり、好ましくは１００以下であり、好ましくは７０以下であり、好ましくは５０以下であり、好ましくは４０以下であり、好ましくは３０以下である。好ましくは、ｏは少なくとも２であり、好ましくは５以下である。好ましくは、ｐは少なくとも２であり、好ましくは少なくとも３であり、好ましくは少なくとも４であり、好ましくは少なくとも５であり、好ましくは２０以下であり、好ましくは１５以下である。パラメータｋ、ｊ、ｏ及びｐは数平均である。好ましい実施形態において、ｋは少なくとも２であり、好ましくは少なくとも３であり、好ましくは６以下であり、好ましくは５以下である。
Ｃ１－Ｃ１８アルキレンリンカーは、２つの水素原子を除去することによってアルカンから誘導された二官能基のラジカルである。該基は、２つの結合点を有し、式（Ｉ）の左辺において、Ｙは、１つがヒドロキシル基にあり、１つがケイ素原子にある。好ましくは、Ｙは、Ｃ１－Ｃ１２アルキレンリンカーであり、好ましくはＣ１－Ｃ８であり、好ましくはＣ２－Ｃ８であり、好ましくはＣ１－Ｃ６であり、好ましくはＣ２－Ｃ６である。好ましくは、Ｙは線形であり、すなわち、式－（ＣＨ２）ｎ－を有し、ここでｎは１～１８であり、好ましくは少なくとも２であり、好ましくは１２以下であり、好ましくは８以下であり、好ましくは６以下であり、好ましくは５以下である。好ましくは、Ｙは、ポリシロキサンに現れる箇所を問わず、常に同じ基を表す。好ましくは、Ｚはヒドロキシルである。
好ましくは、Ｃ１－Ｃ４アルキル（メタ）アクリレートは、メチルメタクリレート、メチルアクリレート、エチルメタクリレート、エチルアクリレート、ブチルメタクリレート又はブチルアクリレートであり、好ましくはメチルメタクリレート、メチルアクリレート、エチルメタクリレート又はエチルアクリレートであり、好ましくはメチルメタクリレートである。
好ましくは、触媒は、ジルコニウムアセチルアセトネート（Ｚｒ（ａｃａｃ）４）である。
好ましくは、触媒の量は、ポリシロキサンでのヒドロキシル当量のモルパーセントのように、０．１～５％であり、好ましくは少なくとも０．２％であり、好ましくは０．３％であり、好ましくは少なくとも０．３５％であり、好ましくは３％以下であり、好ましくは１％以下であり、好ましくは０．７％以下であり、好ましくは０．６％以下である。
好ましくは、反応温度は２０～１４０℃であり、好ましくは少なくとも４０℃であり、好ましくは少なくとも６０℃であり、好ましくは少なくとも７０℃であり、好ましくは１２０℃以下であり、好ましくは９０℃以下である。反応時間は、ポリシロキサンの構造及び温度に依存するが、当業者によって決定されてもよい。通常、反応時間は１～１２時間である。好ましくは、エステル交換反応に由来するＣ１－Ｃ４アルコールは、反応過程で蒸留によって除去される。好ましくは、反応容器内の圧力は１～２００ｍｍＨｇ（０．１～２７ｋＰａ）である。
好ましい実施形態において、ポリシロキサンの（メタ）アクリル酸エステルは以下の構造を有する。
構造中、Ｒ、Ｙ及びｊは上記の通りであり、（該構造における）Ｒ１はメチル又は水素であり、好ましくは、Ｒ１はメチルである。
好ましくは、ポリシロキサンの数平均分子量（Ｍｎ）は３００～２００００であり、好ましくは少なくとも４００であり、好ましくは少なくとも５００であり、好ましくは１５０００以下であり、好ましくは１００００以下であり、好ましくは７，０００以下であり、好ましくは５０００以下であり、好ましくは３０００以下であり、好ましくは２０００以下である。
実施例１
撹拌機、温度計、１０段のオルダーショーカラムが装着された１０００ｍｌの４ツ口フラスコに、ＰＤＭＳ－ビス（プロピルアルコール）（２０８．６ｇ、０．１８ｍｏｌ）、メチルメタクリレート（９０．５ｇ、０．９ｍｏｌ）、ジルコニウムアセチルアセトネート（４．４ｇ、０．０１ｍｏｌ）及び４－ヒドロキシテンポ（３４ｍｇ）を添加した。溶液を真空（５５０ｍｍＨｇ）で１１５℃に加熱し、５／１の還流／蒸留分割比で５７℃の蒸気温度で留出物を回収し、かつ分画物中で２．５時間かけて留出物を回収し、正確に秤量し、定量的１Ｈ－ＮＭＲにより分析した。ＮＭＲデータにより回収されたメタノールの量を推定し、除去されたＭｅＯＨにより転化率を計算した。転化率＞９０％であると判断され、オルダーショーカラムを蒸留ヘッドで交換し、低下した圧力で過剰のＭＭＡを除去した。得られたモノマー溶液は、２３０ｇ（転化率＞９２％）であった。
撹拌機、温度計、１０段のオルダーショーカラムが装着された１０００ｍｌの４ツ口フラスコに、ＰＤＭＳ－ビス（プロピルアルコール）（２０８．６ｇ、０．１８ｍｏｌ）、メチルメタクリレート（９０．５ｇ、０．９ｍｏｌ）、ジルコニウムアセチルアセトネート（４．４ｇ、０．０１ｍｏｌ）及び４－ヒドロキシテンポ（３４ｍｇ）を添加した。溶液を真空（５５０ｍｍＨｇ）で１１５℃に加熱し、５／１の還流／蒸留分割比で５７℃の蒸気温度で留出物を回収し、かつ分画物中で２．５時間かけて留出物を回収し、正確に秤量し、定量的１Ｈ－ＮＭＲにより分析した。ＮＭＲデータにより回収されたメタノールの量を推定し、除去されたＭｅＯＨにより転化率を計算した。転化率＞９０％であると判断され、オルダーショーカラムを蒸留ヘッドで交換し、低下した圧力で過剰のＭＭＡを除去した。得られたモノマー溶液は、２３０ｇ（転化率＞９２％）であった。
比較例
撹拌機、温度計、１０段のオルダーショーカラムが装着された１０００ｍｌの４ツ口フラスコに、ＰＤＭＳ－ビス（プロピルアルコール）（４２４ｇ、０．３７ｍｏｌ）、メチルメタクリレート（１８５．２ｇ、１．８５ｍｏｌ）及び４－ヒドロキシテンポ（３４ｍｇ）を添加した。得られた溶液を１０２℃で真空（５５０ｍｍＨｇ）で脱水して、約３０ｇの留出物を回収した。ポット溶液にジブチルすずオキシド（１．２ｇ、０．０１ｍｏｌ）を添加した。溶液を真空（５５０ｍｍＨｇ）で１１５℃に加熱し、５／１の還流／蒸留分割比で５７℃の蒸気温度で留出物を回収し、かつ分画物中で５時間かけて留出物を回収し、正確に秤量し、定量的１Ｈ－ＮＭＲにより分析した。ＮＭＲデータにより回収されたメタノールの量を推定し、除去されたＭｅＯＨにより転化率を計算した。転化率＞８８％であると判断され、オルダーショーカラムを蒸留ヘッドで交換し、低下した圧力で過剰のＭＭＡを除去した。得られたモノマー溶液は、４５０ｇ（転化率９１％）であった。
撹拌機、温度計、１０段のオルダーショーカラムが装着された１０００ｍｌの４ツ口フラスコに、ＰＤＭＳ－ビス（プロピルアルコール）（４２４ｇ、０．３７ｍｏｌ）、メチルメタクリレート（１８５．２ｇ、１．８５ｍｏｌ）及び４－ヒドロキシテンポ（３４ｍｇ）を添加した。得られた溶液を１０２℃で真空（５５０ｍｍＨｇ）で脱水して、約３０ｇの留出物を回収した。ポット溶液にジブチルすずオキシド（１．２ｇ、０．０１ｍｏｌ）を添加した。溶液を真空（５５０ｍｍＨｇ）で１１５℃に加熱し、５／１の還流／蒸留分割比で５７℃の蒸気温度で留出物を回収し、かつ分画物中で５時間かけて留出物を回収し、正確に秤量し、定量的１Ｈ－ＮＭＲにより分析した。ＮＭＲデータにより回収されたメタノールの量を推定し、除去されたＭｅＯＨにより転化率を計算した。転化率＞８８％であると判断され、オルダーショーカラムを蒸留ヘッドで交換し、低下した圧力で過剰のＭＭＡを除去した。得られたモノマー溶液は、４５０ｇ（転化率９１％）であった。
実施例２
温度監視熱電対、１０段のトレイオルダーショーカラム／自動蒸留ヘッド、及びガス導入管が装着された１Ｌの５ツ口フラスコに、ＭＥＨＱ（０．５４ｇ、２０００ｐｐｍ）及び４－ＨＴ（０．２０ｇ、７５０ｐｐｍ）抑制剤と共に、約９５．０ｇ（０．９４９ｍｏｌ）のメチルメタクリレート、１９０．５ｇ（０．２２５ｍｏｌのＯＨ）の（カルビノール官能性）メチルシロキサン－ジメチルシロキサンコポリマー（－（ＣＨ２）３Ｏ（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）４－８Ｈを含む約２～５個のペンダント基を有し、かつ約４０００のＭｎを有する）を添加した。次に、混合物を８％のＯ２／Ｎ２パージで５００ｍｍＨｇの圧力で加熱した。フラスコの内容物の温度が１００℃になったときに、溶液の内容物は沸騰し始め、蒸気温度は８８～８９℃に上昇した。その後１時間にわたって、５：１の還流比で１０ｍＬの留出物を除去した。
温度監視熱電対、１０段のトレイオルダーショーカラム／自動蒸留ヘッド、及びガス導入管が装着された１Ｌの５ツ口フラスコに、ＭＥＨＱ（０．５４ｇ、２０００ｐｐｍ）及び４－ＨＴ（０．２０ｇ、７５０ｐｐｍ）抑制剤と共に、約９５．０ｇ（０．９４９ｍｏｌ）のメチルメタクリレート、１９０．５ｇ（０．２２５ｍｏｌのＯＨ）の（カルビノール官能性）メチルシロキサン－ジメチルシロキサンコポリマー（－（ＣＨ２）３Ｏ（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）４－８Ｈを含む約２～５個のペンダント基を有し、かつ約４０００のＭｎを有する）を添加した。次に、混合物を８％のＯ２／Ｎ２パージで５００ｍｍＨｇの圧力で加熱した。フラスコの内容物の温度が１００℃になったときに、溶液の内容物は沸騰し始め、蒸気温度は８８～８９℃に上昇した。その後１時間にわたって、５：１の還流比で１０ｍＬの留出物を除去した。
室温に冷却してから、１．０ｇのＺｒ（ａｃａｃ）４（０．００２ｍｏｌ）の第１の仕込み物をフラスコに添加した。次に、フラスコの内容物を８％のＯ２／Ｎ２パージで５００ｍｍＨｇで加熱した。１時間後、ＭＭＡ－メタノール共沸混合物の形成の形跡は観察されなかった。次に、フラスコを室温に冷却して、４．０ｇのＺｒ（ａｃａｃ）４（０．００８ｍｏｌ）の第２の仕込み物をフラスコの内容物に添加した。低下した圧力で再加熱した。３０分以内に、ＭＭＡ－ＭｅＯＨ共沸混合物の形成が観察された（ポット温度は１１２℃であり、初期蒸気温度は６２℃であった）。蒸気温度が定温の５７℃に下がるまでフラスコの内容物を３０分還流した。この時点で、共沸混合物を１０：１の還流比で留去した。３０分後、約１５ｍＬの留出物を得た。蒸気温度が８９℃に上昇したとき、追加の５ｍＬの留出物を回収した。留出物を秤量して、ＮＭＲ分光法により分析した。留出物内のメタノールの量に基づいて、転化率は８６．０％であると判断した。
さらなる揮発性物質を除去することができなくなるまで（＜２％の残留ＭＭＡ）、低下した圧力で単蒸留することにより生成物から過剰のＭＭＡを除去した。最終生成物は、適度な粘度の１９９．１ｇの透明な赤橙色の液体であった。生成物のＮＭＲ分析から、約８５％のヒドロキシル基がメタクリレート部分に転化されたことが明らかになった。
実施例３
温度監視熱電対、１０段のトレイオルダーショーカラム／自動蒸留ヘッド、及びガス導入管が装着された１Ｌの５ツ口フラスコに、ＭＥＨＱ（０．２５ｇ、８００ｐｐｍ）及び４－ＨＴ（０．１ｇ、３００ｐｐｍ）の抑制剤と共に、約１３６．１ｇ（１．３６ｍｏｌ）のメタクリル酸メチル及び１９６ｇ（０．１１５ｍｏｌのＯＨ）のジメチル（プロピル（ポリエチレンオキシド）ヒドロキシル）シロキシ－末端化９ジメチルシロキサン（－（ＣＨ２）３Ｏ（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）１０－２０Ｈを含む末端基のみを有し、かつ約２０００～３０００のＭｎを有する）を添加した。次に、混合物を８％のＯ２／Ｎ２パージで５００ｍｍＨｇの圧力で加熱した。フラスコの内容物の温度が１００℃になったとき、溶液の内容物は沸騰し始め、蒸気温度は８８～８９℃に上昇した。その後１時間にわたって、５：１の還流比で約３５ｍＬの留出物を除去した。
温度監視熱電対、１０段のトレイオルダーショーカラム／自動蒸留ヘッド、及びガス導入管が装着された１Ｌの５ツ口フラスコに、ＭＥＨＱ（０．２５ｇ、８００ｐｐｍ）及び４－ＨＴ（０．１ｇ、３００ｐｐｍ）の抑制剤と共に、約１３６．１ｇ（１．３６ｍｏｌ）のメタクリル酸メチル及び１９６ｇ（０．１１５ｍｏｌのＯＨ）のジメチル（プロピル（ポリエチレンオキシド）ヒドロキシル）シロキシ－末端化９ジメチルシロキサン（－（ＣＨ２）３Ｏ（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）１０－２０Ｈを含む末端基のみを有し、かつ約２０００～３０００のＭｎを有する）を添加した。次に、混合物を８％のＯ２／Ｎ２パージで５００ｍｍＨｇの圧力で加熱した。フラスコの内容物の温度が１００℃になったとき、溶液の内容物は沸騰し始め、蒸気温度は８８～８９℃に上昇した。その後１時間にわたって、５：１の還流比で約３５ｍＬの留出物を除去した。
室温に冷却してから、２．２ｇ（０．００４５ｍｏｌ）のＺｒ（ａｃａｃ）４の第１の仕込み物をフラスコに添加した。次に、フラスコの内容物を８％のＯ２／Ｎ２パージで５００ｍｍＨｇで加熱した。３０分以内に、ＭＭＡ－ＭｅＯＨ共沸混合物の形成が観察された（ポット温度は１０５℃であり、初期蒸気温度は５７℃であった）。蒸気温度が５６℃になるまで内容物を３０分還流した。この時点で、共沸混合物を１０：１の還流比で蒸留により除去した。３０分後、約１０ｍＬの留出物を得た。蒸気温度が８９℃に上昇したとき、追加の５ｍＬの留出物を回収した。留出物を秤量して、ＮＭＲ分光法により分析した。留出物中のメタノールの量に基づいて、転化率は９７．９％であると判断した。
ＮＭＲ分析が１％未満の残留ＭＭＡを示すまで、低下した圧力で単蒸留することにより過剰なＭＭＡを生成物から除去した。最終生成物は、２００．１ｇの適度な粘度の透明なオレンジ－黄色の液体であった。生成物のＮＭＲ分析は、ヒドロキシル基のメタクリレート部分に対するエステル化は＞９８％であるということを示した。
Claims (6)
- ジルコニウムアセチルアセトナートの存在下で、
（ｉ）式（Ｉ）を有するポリシロキサンと、
（ｉｉ）Ｃ１－Ｃ４アルキル（メタ）アクリレートとを接触させることを含む、
ポリシロキサンの（メタ）アクリレートエステルの製造方法。 - 前記ポリシロキサンが、フェニル置換基、Ｃ１－Ｃ１２アルキル置換基、又は、それらの組み合わせを有するシロキサン単位を含む、請求項１に記載の方法。
- フェニル、Ｃ１－Ｃ１２アルキル置換基、又はそれらの組み合わせを有するシロキサン単位が、ポリシロキサンの少なくとも５０ｗｔ％を構成し、ポリシロキサンが、２個のヒドロキシル基を有する、請求項２に記載の方法。
- ｊが５～７０である、請求項１に記載の方法。
- Ｒがフェニル又はＣ１－Ｃ４アルキルであり、ＹがＣ２－Ｃ８アルキレンリンカーである、請求項４に記載の方法。
- Ｒがメチルであり、ｊが５～４０である、請求項５に記載の方法。
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