PT653429E

PT653429E - Novos silanos e sua utilizacao para silanacao de materiais dielectricos

Info

Publication number: PT653429E
Application number: PT94117244T
Authority: PT
Inventors: Richard Barner; Josef Hubscher; Jurg Hurst; Daniel Schlatter; Walter Huber
Original assignee: Hoffmann La Roche
Priority date: 1993-11-12
Filing date: 1994-11-02
Publication date: 2001-10-31
Also published as: DE59409784D1; JP3730273B2; EP0653429A1; ATE202110T1; CA2133946C; EP0653429B1; JPH07188259A; DK0653429T3; ES2157943T3; GR3036524T3; CA2133946A1

Description

Descrição “‘Novos silanos e sua utilização para a silanação de materiais dieléctricos” A presente invenção refere-se a novos silanos assim como à sua utilização para a silanação de materiais dieléctncos e para a ancoragem de compostos biologicamente activos. Materiais dieléctricos dotados com camadas de silano são utilizados como fases sólidas na analítica (Methods in Enzymology 44 (1976), 134). Preferivelmente, os novos silanos são utilizados para o revestimento de transdutores do sinal, por exemplo, de um guia de onda óptica na técnica sensonal.

Biossensores ópticos consistem por exemplo num elemento que reconhece e num transdutor de smal óptico (Trends in Biotechnol. 2 (1984), 59); (Opt. Lett. 9 (1984) 137); (Sensors and Actuators A, 25 (1990) 185); (Sensors and Actuators B, 6 (1992) 122); (Proc. Biosensors 92, resumos extensos, p. 339 e 347). A função do elemento de reconhecimento consiste na ligação selectiva ou na modificação do analito. Atinge-se este objectivo por imobilização de moléculas de reconhecimento biológicas (por exemplo, anticorpos, antigenes, ligandos, ssDNA) sobre a superfície de transdutor do sinal. Para este fim, em geral dota-se o transdutor do smal, por exemplo a superfície de um guia de ondas dieléctrico) com uma camada de suporte orgânico em que as moléculas de reconhecimento são ligadas covalentemente. EP-A-0 261 642, por exemplo, descreve a utilização de silanos para a constituição de uma camada orgânica fixada quimicamente. De maneira especialmente apropriada, a este respeito, as camadas de suporte orgânicas apresentam uma ordenação compacta das moléculas como se descreve no pedido de patente europeia EP-A-596421. Estas moléculas de reconhecimento podem ser utilizadas não só na 2

sua forma naturalmente existente e isolável como também numa forma química ou biotecnologicamente preparável.

Os biossensores deste tipo podem ser utilizados para determinação de concentrações analíticas, por exemplo, no diagnóstico humano e veterinário, em análises do meio ambiente e na análise de produtos alimentares ou dentro da investigação bioquímica para a quantificação de acções de permute mtermoleculares de substâncias biologicamente activas (por exemplo, acção de permuta anti-corpo--antigene, acção de permuta de receptor-ligando, acção de permuta DNA-proteína, etc.).

Para a constituição da camada de suporte orgânica, tratasse por exemplo a superfície dos guias de ondas com silanos da fórmula geral I

(R,R2R3)Si-Y-X I -Sí(R'R2R3) representa um grupo de acoplamento para a camada de guia de ondas. R R R significam alquilo, alcoxi ou halogéneo em que pelo menos um dos grupos é halogéneo ou alcoxi. -Y é um grupo distanciador e, como tal, é por exemplo uma cadeia alquileno, uma cadeia fluoroalquileno ou uma cadeia oligo-oxialquileno. -X é um grupo quimicarmente reactivo por meio do qual se ligam moléculas biologicamente reconhecedoras à camada de suporte orgânica. São grupos reactivos conhecidos por exemplo halogenetos de ácido carboxilico (-COHal), olefinas (-CH=CH2), mtnlos (-CN), tiocianatos (-SCN), tioacetatos (-SCOCH3).

Os guias de ondas dieléctncos revestidos com os silanos descritos são instáveis em relação à hidrólise se o grupo reactivo X for por exemplo um halogeneto de ácido carboxilico. Se o grupo reactivo X for por exemplo uma olefina, a olefina para a subsequente imobilização de moléculas a reconhecer biologicamente deve ser modificada e activada numa operação posterior. Este tratamento posterior origina então camadas de suporte orgânicas estáveis à hidrólise com grupos reactivos. Estes grupos reactivos formados posteriormente são por exemplo epóxidos, ácidos carboxílicos activados com N-hidroxissuccimmida, tióis e semelhantes. E em geral muito dispendioso produzir grupos reactivos deste tipo quantitativamente numa superfície. A invenção tem portanto como objectivo proporcionar silanos de base que podem ser ligados a materiais dieléctricos, em que os silanos já dispõem de grupos reactivos X estáveis à hidrólise, que permitem a imobilização de uma molécula orgânica ou de uma molécula de reconhecimento biológico directamente sem posterior operação de activação sobre as superfícies.

O objectivo é atingido por meio dos silanos da fórmula geral I (R'R2R3)Si-Y-X I na qual R’R"R3 significam halogéneo e na qual Y significa uma cadeia de alquileno -[CH2(CH2)n-CH2-] ou uma cadeia de fluoralquileno [-CH2-(CF2)n-CH2-], [-CH2-(CF2)n-CF2-] com n = 1-20 ou uma cadeia de ohgo-oxialquileno -[(CH2)n-0-(CH2)n"]m- com n’, n” = 2-6 e m = 2-6, em que os silanos se caracterizam pelo facto de o grupo X significar um epóxido ou um anidndo de um ácido dicarboxílico com 4-5 átomos de C. O grupo Sí(R'R2R3) representa um grupo de acoplamento para a camada de guiamento de ondas. O termo halogéneo, no quadro da presente invenção, significa cloro ou bromo. Prefere-se cloro. Pela utilização de triclorossilanos como camadas veiculares orgânicas sobre guiadores de ondas dieléctricos é possível produzir 4

superfícies sensoras muito estáveis, compactas e ordenadas, com boas propriedades ópticas. O termo alquilo, no quadro da presente invenção, significa uma cadeia de alquilo de cadeia linear ou ramificada com 1-6 átomos de C como por exemplo metilo, etilo, n-propilo, isopropilo, butilo, terc-butilo, pentilo, hexilo e semelhantes. O termo alcoxi, no quadro da presente invenção, significa um grupo em que o radical alquilo tem as significações mencionadas antes. O termo arilo significa um radical fenilo ou naítilo não substituído ou substituído ou semelhantes. Um substituinte apropriado é por exemplo um grupo alquilo. O grupo X é um grupo reactivo estável em relação à hidrólise, que é utilizado depois da aplicação do silano sobre a superfície para a ancoragem de moléculas orgânicas adicionais ou para a ancoragem de biomoléculas.

Os novos silanos de acordo com a presente invenção têm as seguintes vantagens:

Os grupos reactivos X dos silanos são estáveis à hidrólise mas são suficientemente reactivos de modo que a imobilização de uma molécula orgânica ou biológica a reconhecer pode realizar-se directamente sem posterior fase de activaçào da camada de silano.

Os silanos são apropriados para o revestimento directo de materiais dielectricos em guias de ondas dieléctricos que preferivelmente consistem em Zr02, HfO2, Ta205, Si02, A12Oj ou Ti02.

Os silanos podem ser aplicados sobre a superfície de materiais dieléctricos não só como solução mas também a partir da fase gasosa. 5

A estabilidade à hidrólise dos grupos reactivos exige uma estabilidade na armazenagem melhorada das camadas de silano e permite a sua utilização directamente em meio aquoso.

Os silanos de cadeia curta com por exemplo uma cadeia de alquileno [-CH2-(CH2)n-CH2-] com n = 1-3 são igualmente apropriados para a silanação embora sejam orientados para a constituição,de camadas compactas como por exemplo se consomem nas utilizações biossensoriais, que renunciam aos análogos de cadeia comprida.

Um outro objectivo da presente invenção é proporcionar guias de ondas dieléctricos dotados com camadas de suporte orgânicas orientadas, compactas.

O objectivo é atingido por um guia de ondas dieléctrico que é ligado a uma camada de suporte orgânica sobre as suas superfícies, caractenzado pelo facto de a camada de suporte orgânica ser constituída com silanos de acordo com a reivindicação 1 e de unidades inferiores da fórmula geral II

Si-Y-X

II

na qual Y significa uma cadeia de alquileno [-CH2-(CH2)n-CH2-] ou uma cadeia de fluoralquileno [-CH2-(CF2)n-CH2-], [-CH2-(CF2)n-CF2-] com n = 6-20 ou uma cadeia de oligo-oxialquileno -[(CH2)n-0-(CH2)n-]m- com n’, n” = 2-6 e m = 2-6 e em que o grupo X significa um epóxido ou um anidrido de um ácido dicarboxilico com 4-5 átomos de C.

As camadas de silano podem consistir em cadeias de alquileno não substituído, cadeias de fluoralquileno ou cadeias de oligo-oxialquileno ou de uma 6

combinação de cadeias de alquileno e cadeias de fluoralquileno ou de uma combinação de cadeias de alquileno e cadeias de oligo-oxialquileno.

Por causa do grupo distanciador Y de cadeia comprida, na silanação formam--se monocamadas autoordenadas que são compactas, que têm um elevado grau de ordenação relativamente aos grupos X e não influenciam as propriedades ópticas do guia de ondas.

Um outro objecto da invenção refere-se à utilização dos novos silanos da fórmula 1 de acordo com a presente invenção para recobrir materiais dieléctricos especialmente de condutores de ondas dieléctricos que preferivelmente consistem em Zr02, Hf02, Ta205 ou Ti02. Eventualmente, sobre os condutores de onda individuais pode-se em primeiro aplicar uma camada fina (d < 20 nm) de um material silanável (Si02, A1203, etc ). Esta camada inorgânica adicional é utilizada para o acoplamento de outras moléculas orgânicas ou para o acoplamento de moléculas biologicamente activas.

Depois do revestimento de condutores de ondas dieléctricos com os novos silanos de acordo com a presente invenção, podem acoplar-se outras moléculas ao grupo reactivo X, como se descreve no pedido de patente europeia EP-A-596421, de modo que se forma uma camada que consiste em subunidades da fórmula geral lia \ sí-y-z

Ea

na qual o átomo de Si está ligado directamente à fase sólida por exemplo do guia de ondas dielétnco.

Nela, os grupos Z significam: 7 7

- grupos hidroxilo, carboxilo, amino, metilo, alquilo, fluoralquilo - derivados de moléculas de cadeia curta hidrófilas como álcoois oligovinílicos, ácidos oligoacrílicos, oligoetilenoglicóis - derivados de monossacándos ou oligossacándos com 1-7 unidades de açúcar - derivados de carboxiglicósidos derivados de aminoglicósidos como fradiomicina, canamicina, estreptomicina, xilostasina, butirosma, quitosano - denvados de grupos que formam hidrogel, de origem natural ou sintética, como dextrano, agarose, ácido algímco, amido, celulose e derivados de polissacáridos deste tipo ou polímeros hidrófilos sintéticos como álcoois polivimlicos, ácidos poliacrílicos, polietilenoglicóis e derivados dos polímeros deste tipo

- uma molécula para reconhecimento por exemplo anticorpos, antigenes, ligandos, ssDNA - um grupo da significação acima mencionada de Z a que está ligada uma molécula de reconhecimento.

Os seguintes exemplos descrevem vias para a preparação dos novos compostos e sua utilização. I. Preparação de triclorossilanos que, como grupo reactivo, possuem um epóxido.

Exemplo 1:

Preparação de 7,8-epoxi-octil-tnclorossilano 8

Agitaram-se 0,05-0,2 g de H2PtCl6 em 20 ml de tetra-hidrofurano isento de água. A solução amarela adicionaram-se 5 ml (7 g) de triclorossilano. À suspensão cor de laranja assim obtida adicionaram-se cuidadosamente gota-a-gota 5 g de 1,7--octadienomonóxido. Então agitou-se à temperatura ambiente durante 5 horas e em seguida agitou-se a 50°C durante cerca de 15 horas. Concentrou-se a massa reaccional em vácuo produzido por trompa de água e destilou-se a 180°C. Obtiveram-se 7,1 g de um óleo incolor. Caracterizou-se o composto por análise elementar. A análise elementar mostrou os seguintes valores:

Calculada C=36,72 H=5,78 C1=40,Ó5

Determinada C=36,12 H=6,28 0=40,19

Exemplo 2:

Preparação de 9,10-epoxi-decil-triclorossilano

Agitaram-se 0,05-0,2 g de El2PtCl<, em 20 ml de tetra-hidrofurano isento de água. A solução amarela adicionaram-se 5 ml (7 g) de triclorossilano. A suspensão cor de laranja assim obtida adicionaram-se cuidadosamente gota-a-gota 6 g de 9,10--epoxideceno (decadienomonóxido). Em seguida, agitou-se à temperatura ambiente durante 5 horas e em seguida agitou-se a 50°C durante cerca de 15 horas. Concentrou-se a massa reaccional em vácuo produzido por trompa de água e destilou-se a 200°C. Obtiveram-se 8 g de um óleo incolor. Caracterizou-se o composto por análise elementar. A análise elementar mostrou os seguintes valores: Calculada C=41,46 H=6,61 Cl=36,71

Determinada C=41,92 H=6,86 Cl=36,17

Exemplo 3:

Preparação de 13,14-epoxi-tetradecil-triclorossilano 9

Agitaram-se 0,05-0,2 g de H2PtCl6 em 20 ml de tetra-hidrofurano isento de água. A solução amarela adicionaram-se 5 ml (7 g) de tnclorossilano. A suspensão cor de laranja assim obtida adicionaram-se cuidadosamente gota-a-gota 8 g de 13,14-epoxitetradeceno. Em seguida, agitou-se à temperatura ambiente durante 5 horas e em seguida agitou-se a 50°C durante cerca de 15 horas. Concentrou-se a massa reaccional em vácuo produzido por trompa de água e destilou-se a 230°C. Obtiveram-se 10 g de um óleo incolor. Caractenzou-se o composto por análise elementar. A análise elementar mostrou os seguintes valores:

Calculada C=48,63 H=7,87 Cl=30,76

Determinada C=48,01 H=7,45 Cl=31,19 II. Preparação de tnclorossilanos que, como grupo reactivo, possuem um anidrido de ácido Exemplo 4:

Preparação de amdrido 2-(l l-tnclorossililo-undecil)-succínico Agitou-se 0,01 g de H2PtCl6 em 20 ml de tetra-hidrofurano isento de água. A solução amarela adicionou-se 0,3 ml (0,35 g) de tnclorossilano. A suspensão cor de laranja assim obtida adicionaram-se cuidadosamente gota-a-gota 0,3 g de anidrido 2--(lO-undecenil)-succínico. Em seguida agitou-se à temperatura ambiente durante 5 horas e em seguida agitou-se a 50°C durante cerca de 15 horas. Concentrou-se a massa reaccional em vácuo produzido por trompa de água e destilou-se a 230°C. Obtiveram-se cerca de 0,4 g de um óleo incolor. Caracterizou-se o composto por análise elementar. A análise elementar mostrou os seguintes valores:

Calculada C =46,46 H=6,50 Cl=27,43

Determinada C=47,01 H-6,92

Cl=26,83 10 ~7<r f III. Preparação dos compostos de partida

Exemplo 5

Preparação de amdrido 2-(10-undecenil)-succínico (reaccçâo de Gngnard) A -78°C adicionaram-se 0,1 mol de halogeneto de 10-undeceml-magnésio a uma suspensão de 30 g de amdrido maleico e 10 g de iodeto de cobre-I em 100 ml de tetra-hidrofurano isento de água. Aqueceu-se a mistura reaccional até à temperatura ambiente e em seguida agitou-se durante cerca de 15 horas. Concentrou-se a massa reaccional, tomou-se o resíduo com 100 ml de éter dietilico que contém 2% de água e agitou-se durante mais 5 horas. Filtrou-se a suspensão assim obtida e lavou-se o resíduo com éter isento de água. Concentrou-se o filtrado e destilou-se a 230°C em tubo esférico sob o vácuo de trompa de água. Obtiveram-se 9,2 g de anidrido 2-(10-undeceml)-succímco. Caracterizou-se o composto por análise elementar. A análise elementar mostrou os seguintes valores:

Calculada C=71,39 H=9,59

Determinada C=71,12 H=9,64

Exemplo 6

Preparação de amdrido 2-(10-undeceml)-succmico a partir de ácido 2-(10--undeceml)-succímco

Agitaram-se a 100°C 2,7 g de ácido 2-(10-undecenil)-succimco com 10 ml de amdrido acético e, em seguida, concentrou-se e destilou-se a 230°C em vácuo produzido por trompa de água. Obtiveram-se 2,5 g de anidrido 2-(10-undecenil)--succínico.

Exemplo 7 11

Preparação de ácido 2-(10-undecenil)-succímco a partir de 2-(10-undecenil)--succinato de metilo ou de 2-(10-undecenil)-succinato de etilo. A temperatura ambiente agitaram-se 2,8 g de 2-(10-undecenil)-succinato de metilo ou 3,0 g de 2-(10-undecenil)-succinato de etilo com ácido sulfúrico concentrado à temperatura ambiente durante 1 hora. Depois da extracção com cloreto de metilo, obtiveram-se 2,4 g de anidrido 2-(10-undecenil)-succímco.

Exemplo 8

Preparação de 2-(10-undeceml)-succmato de metilo

No seio de tetra-hidrofurano isento de água, transformaram-se 1,76 g de succmato de metilo no enolato com 6 mmol de diísopropilamida de Li (LDA) e fez--se reagir com iodeto de undecemlo. Misturou-se a massa reaccional com 1 ml de metanol e em seguida com 10 ml de água e extraiu-se 3 vezes com 20 ml de éter dietilico. Secaram-se as fases orgânicas, concentraram-se e destilaram-se em tubo esférico a 200°C em vácuo produzido por trompa de água. Obtiveram-se 534 mg de um óleo mcolor. Caracterizou-se o composto por análise elementar. A análise elementar mostrou os seguintes valores:

Calculada C=68,42 H=10,13

Determinada C=68,61 H=9,92

Exemplo 9

Preparação de iodeto de 10-undecenil

Fez-se reagir sob refluxo durante cerca de 15 horas 0,27 mol de tosilato de 10-undecilo com 250 g de iodeto de sódio e 4,4 g de iodeto de tetrabutilamónio como catalisador de transferência de fases. Extraiu-se a massa reaccional 3 vezes com 400 ml de hexano. Reuniram-se as fases orgânicas, descorou-se com bissulfíto 12 12

de sódio e secou-se com sulfato de sódio. Em seguida, concentrou-se á secura e destilou-se em vácuo. Obtiveram-se 72,3 g de óleo mcolor com ponto de ebulição (0,3 mbar) igual a 100°C. Caracterizou-se o composto por análise elementar. A análise elementar mostrou os seguintes valores:

Calculada C=47,15 H=7,55 1=45,29

Determinada C=47,42 H=7,72 1=45,01 IV. Aplicação de monocamadas orgânicas compactadas estanques sobre superfícies de Ti02, por exemplo, sobre a camada guia de ondas de um transdutor de smal óptico a partir da fase gasosa.

Exemplo 10

Formação de uma monocamada orgânica sobre superfícies de TiO- por tratamento com

Cl3Si-(CH2)i2-CH-CH2 por um processo CVD (Deposição Química de Vapor)

Para a aplicação dos silanos da fórmula I a partir da fase gasosa preparou-se um vaso reaccional que pode trabalhar com uma pressão de 10° mbar e em que a amostra a recobrir pode ser aquecida a temperaturas compreendidas entre 30-100°C. Este vaso reaccional foi ligado com um recipiente ladrão que pode ser submetido a vácuo e aquecido no qual se pode colocar o composto utilizado para o revestimento (à escolha, o aparelho pode também ser dotado com vários vasos de armazenagem deste tipo).

Para o revestimento, colocou-se o transdutor de sinais óptico no vaso reaccional. Depois de se introduzir o silano 13

(Cl3Si-( CH2) 12-CH-CH2) \ / no vaso de armazenagem, colocaram-se 0 vaso de armazenagem e a câmara de reacção a uma pressão de trabalho de 10° mbar. Aqueceu-se a amostra a recobrir a I00°C. Depois de se aquecer a 50°C o silano contido no vaso de armazenagem, tratou-se a superfície durante 1 hora com o reagente a partir da fase gasosa. Em seguida, interrompeu-se a passagem do reagente e tratou-se a amostra em vácuo a 150°C durante 15 minutos. (A detecção de uma monocamada orgânica sobre a superfície realiza-se por meio de XPS-(espectroscopia de raio X fotoelectrómca) e medições do ângulo de contacto).

Podem-se aplicar todos os silanos da fórmula geral I sobre a superfície de acordo com um processo análoga a partir da fase gasosa. V. Aplicação de monocamadas orgânicas empacotadas de maneira estanque sobre superfícies de T1O2, por exemplo sobre a camada condutora de guiamento de um transdutor de sinal óptico com uma solução de (Cl3Si-(CH2)i2-CH-CH2) \ t 0

Num vaso de reacção sob atmosfera de gás inerte coloca-se uma solução a 0,5% (v/v) de (Cl3Si-(CH2)i2-CH-CH2)

\ I

O 14 em CC14.

Conserva-se a superfície a revestir em contacto com esta solução durante 25 minutos sob atmosfera de gás inerte. Depois deste tratamento, lavou-se a superfície com CC14, etanol e água.

Todos os silanos da fórmula geral I se podem aplicar sobre a superfície a partir da fase gasosa de acordo com um processo análogo.

Lisboa, 2 de Agosto de 2001

Claims

Reivindicações 1. Silanos da fórmula geral I (R'R2R3)Sí-Y-X I na qual R^R3 significam halogéneo e na qual Y significa uma cadeia de alquileno [-CH2-(CH2)n-CH2-] ou uma cadeia de fluoralquileno [-CH2-(CF2)n-CH2-], [-CH2-(CF2)n-CF2-] com n = 1-20 ou uma cadeia de oligo-oxialquileno -[(CH2)n--0-(CH2)n-]m- com n’, n” = 2-6 e m = 2-6 em que os silanos se caracterizam pelo facto de o grupo X significar um epóxido ou um anidrido de um ácido dicarboxílico com 4-5 átomos de C.
2. Silanos de acordo com a reivindicação 1, caracterizados pelo facto de Y significar uma cadeia de alquileno [-CH2-(CH2)n-CH2-], com n=6-20.
3. Silanos de acordo com a reivindicação 1, caracterizados pelo facto de o grupo X ser um epóxido.
4. Silanos de acordo com a reivindicação 1, caracterizados pelo facto de o grupo X significar um anidrido de um ácido dicarboxílico com 4-5 átomos de C.
5. Transdutor óptico de sinais, que consiste num guia de ondas dieléctrico em cuja superfície está ligada uma camada veicular orgânica, caractenzado pelo facto de a camada veicular orgânica ser formada com silanos de acordo com a reivindicação 1 e consistir em subumdades da fórmula geral II q \ --Si-Y-X π z / na qual Y significa uma cadeia de alquileno [-CH2-(CH2)n-CH2-] ou uma cadeia de fluoroalquileno [-CH2-(CF2)n-CH2-], [-CH2-(CF2)n-CF2-] com n = 6-20 ou 2 uma cadeia de oligo-oxialquileno -[(CH2)n--0-(CH2)n-]m- com n\ n” = 2-6 e m = 2-6 e em que o grupo X significa um epóxído ou um anidndo de um ácido dicarboxílico com 4-5 átomos de C
6. Transdutor óptico de sinais de acordo com a reivindicação 5, caractenzado pelo facto de a superfície do detector de sinais ser recoberta com uma combinação de cadeias de alquileno e cadeias de fluoralquileno ou uma combinação de cadeias de alquileno e cadeias de oligo-oxialquileno.
7. Transdutor óptico de sinais de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo facto de o guia dieléctrico de ondas consistir em Zr02, Hf02, Ta205 ou Ti02.
8. Transdutor óptico de sinais de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo facto de, sobre o guia de ondas dieléctrico, ser colocada uma camada fina (d < 20 nm) de um material silanizável como Si02 ou A1203.
9. Utilização dos silanos de acordo com a reivindicação 1 para o revestimentos de materiais dieléctricos.
10. Utilização de camadas orgânicas de suporte sobre materiais dieléctricos de acordo com uma das reivindicações 5-8 para a imobilização de moléculas orgânicas ou de moléculas que se reconhecem biologicamente.