説明

ポリ(トリメチレングリコールカーボネートトリメチレングリコールエーテル)ジオールの組成物およびその製造方法

本発明は、非置換またはR置換ポリ(トリメチレングリコールカーボネートトリメチレングリコールエーテル)ジオールの組成物およびその製造方法に関する。本方法は、酸性イオン交換樹脂を用い、溶剤を含む。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ポリ(トリメチレングリコールカーボネートトリメチレングリコールエーテル)ジオールの新規な組成物およびその製造方法に関する。本方法は、酸性イオン交換樹脂を触媒として用い、溶剤を含む。
【背景技術】
【0002】
ジヒドロキシ末端材料を製造することが必要とされている。本明細書に記載した材料、ポリ(トリメチレングリコールカーボネートトリメチレングリコールエーテル)ジオールは、これらに限られるものではないが、生体材料、工業用ポリマー、パーソナルケア材料、コーティング、潤滑剤およびポリカーボネート/ポリウレタン(TPU)を含む数多くの用途に用いることができる。
【0003】
Arigaらによる非特許文献1およびKricheldorfらによる非特許文献2に記載されているとおり、TMCのカチオン重合では、開始剤は、ポリマー端部に組み込まれる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0004】
【非特許文献1】Macromolecules 1997,30,737−744
【非特許文献2】J.Macromol.Sci.−Chem A26(4),631−644(1989)
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明の一態様は、
【化1】

の構造であって、
式中、zは約1〜10、特に1〜7、さらに1〜5の整数であり、nは約2〜100、特に2〜50の整数であり、各R置換基は、独立に、H、C〜C20アルキル、C〜C20環状アルキル、C〜C25アリール、C〜C20アルカリールおよびC〜C20アリールアルキルからなる群から選択され、各R置換基は、近接するR置換基と共に環状構造基を任意で形成することができる、ポリ(トリメチレングリコールカーボネートトリメチレングリコールエーテル)ジオールオリゴマーである。典型的に、かかる環状構造基は、C〜C環状基、例えば、シクロプロパン、シクロブタン、シクロペンタン、シクロヘキサン、シクロヘプタンおよびシクロオクタンである。
【0006】
本発明の他の態様は、
【化2】

の構造のポリ(トリメチレングリコールカーボネートトリメチレングリコールエーテル)ジオールオリゴマーを製造する方法であって、
式中、zは約1〜10、特に1〜7、さらに1〜5の整数であり、
nは約2〜100、特に2〜50の整数であり、各Rは、独立に、H、C〜C20アルキル、C〜C20環状アルキル、C〜C25アリール、C〜C20アルカリールおよびC〜C20アリールアルキルからなる群から選択され、各R置換基は、近接するR置換基と共に環状構造基を任意で形成することができ、
トリメチレンカーボネートまたはR置換トリメチレンカーボネートを、酸性イオン交換樹脂触媒と、溶剤の存在下で、摂氏約30〜250度の温度で接触させて、ポリ(トリメチレングリコールカーボネートトリメチレングリコールエーテル)ジオールオリゴマー組成物を形成することを含む、方法である。
【発明を実施するための形態】
【0007】
本発明は、トリメチレンカーボネート(TMC、1,3−ジオキサン−2−オン)または置換トリメチレンカーボネートから、高温(通常、摂氏30〜250度)重合で、溶剤の存在下で、酸性イオン交換樹脂を触媒として用いて、ポリ(トリメチレングリコールカーボネートトリメチレングリコールエーテル)ジオールを製造する方法に関する。反応は、下式により表わすことができる。
【化3】

【0008】
上記の構造において、各Rは、独立に、H、C〜C20アルキル、特に、C〜Cアルキル、C〜C20環状アルキル、特に、C〜C環状アルキル、C〜C25アリール、特に、C〜C11アリール、C〜C20アルカリール、特に、C〜C11アルカリールおよびC〜C20アリールアルキル、特に、C〜C11アリールアルキルからなる群から選択され、各R置換基は、近接するR置換基と共に環状構造基を任意で形成することができる。典型的に、かかる環状基は、C〜C環状構造基、例えば、シクロプロパン、シクロブタン、シクロペンタン、シクロヘキサン、シクロヘプタンおよびシクロオクタンである。
【0009】
上記の構造において、nは、約2〜100、さらに約2〜50の整数であり、zは約1〜約10、特に約1〜7、さらに約1〜5の整数である。
【0010】
上記の構造においてRがHであるとき、トリメチレンカーボネート(TMC)は、例えば、1,3−プロパンジオールから、またはポリ(トリメチレンカーボネート)から誘導することができる。
【0011】
トリメチレンカーボネートは、当業者に公知の様々な化学的または生化学的方法のいずれかにより調製される。TMCを調製する化学的な方法としては、これらに限られるものではないが、a)1,3−プロパンジオールとジエチルカーボネートの、亜鉛粉末、酸化亜鉛、錫粉末、ハロゲン化錫または有機錫の存在下での高温での反応、b)1,3−プロパンジオールおよびホスゲンまたはビス−クロロギ酸の反応による、後に、熱および、任意で、触媒を用いて解重合されるポリカーボネート中間体の生成、c)拭取り式膜蒸発器における真空下でのポリ(トリメチレンカーボネート)の解重合、d)1,3−プロパンジオールとウレアの、金属酸化物の存在下での反応、e)トリエチルアミンのTHF中1,3−プロパンジオールおよびエチルギ酸クロロの溶液への滴下による付加およびf)1,3−プロパンジオールとホスゲンまたはジエチルカーボネートの反応が挙げられる。TMC調製の生化学的方法としては、これらに限られるものではないが、a)ジエチルカーボネートまたはジメチルカーボネートと、1,3−プロパンジオールとの有機溶媒中でのリパーゼ触媒縮合、およびb)TMCを生成するポリ(トリメチレンカーボネート)のリパーゼ触媒解重合が挙げられる。1,3−プロパンジオールおよび/またはトリメチレンカーボネート(TMC)は、新たな原料から生化学的に得ることができる(「生物学的に誘導された」1,3−プロパンジオール)。
【0012】
好ましくは、反応物質として、または反応物質の成分として用いる1,3−プロパンジオールの純度は、ガスクロマトグラフィー分析により求めると、約99重量%を超える、より好ましくは、約99.9重量%を超えるであろう。
【0013】
精製1,3−プロパンジオールは以下の特徴を有するのが好ましい。
(1)紫外線吸収が、220nmで約0.200未満、250nmで約0.075nm未満、275nmで約0.075未満、および/または
(2)CIELAB「b」明度が、約0.15未満(ASTM D6290)、270nmでの吸光度が約0.075未満、および/または
(3)過酸化物組成物が、約10ppm未満、および/または
(4)合計有機不純物(1,3−プロパンジオール以外の有機化合物)の濃度が、ガスクロマトグラフィーにより測定すると、約400ppm未満、より好ましくは、約300ppm未満、さらにより好ましくは、約150ppm未満である。
【0014】
ポリ(トリメチレングリコールカーボネートトリメチレングリコールエーテル)ジオールオリゴマーは、公知の方法を用いて分離することができる。
【0015】
本明細書に開示された方法では、酸性イオン交換樹脂を触媒として用いる。これらの材料は、数多くの供給源から入手可能であり、通常、反応物質に添加されて反応混合物を形成する。以下の実施例に示すとおり、都合よく、少量のこれらの触媒で、約25時間以内に高変換率が得られる。
【0016】
本実施形態で用いる酸性イオン交換樹脂としては、スルホン化テトラフルオロエチレンコポリマー、例えば、NAFION(登録商標)NR50(テトラフルオロエチレン/パーフルオロ(4−メチル−3,6−ジオキサ−7−オクテン−1−スルホン酸)コポリマー、DuPont(Wilmington,DE)より入手可能なイオノマーおよびAcros Organics N.V.(Fair Lawn,NJ)より入手可能なDOWEX(登録商標)50WX8−200(ジビニルベンゼンで架橋されたポリ(スチレンスルホン酸)からなるイオン交換樹脂)が例示される。
【0017】
本明細書に開示した方法では、1つ以上の溶剤を用いる。通常、反応物質および/または触媒と実質的に非反応性であれば(すなわち、溶剤が、反応物質と反応して、望ましくない材料を形成しない)、任意の溶剤を用いることができる。本明細書に記載した方法に有用な溶剤としては、これらに限られるものではないが、トルエンおよびヘキサンが例示される。以下の実施例に示すとおり、少量の溶剤で、通常、高変換速度が得られる。
【0018】
本明細書に記載した方法は、高温、通常、摂氏約30〜250度、特に、摂氏約50〜150度でなされる。反応物質を併せて添加したら、任意の便利な方法により混合してよい。本方法は、バッチ、半バッチまたは連続モードで行うことができ、通常、不活性雰囲気中でなされる(すなわち、窒素下)。
【0019】
反応物質を、1つ以上の溶剤の存在下で、触媒と接触させたら、反応を所望の時間続ける。通常、少なくとも6パーセントのTMCを重合すると、約3〜6時間後、所望のポリ(トリメチレングリコールカーボネートトリメチレングリコールエーテル)ジオールが得られ、約75パーセントを超える変換率が、約25時間以内に達成される。以下の実施例に示すとおり、溶剤および触媒ならびにその量の適切な選択により、100パーセントの変換率が容易に達成される。
【0020】
さらに、所望の重合度mは、溶剤および触媒ならびにその量を選択することにより達成することができる。以下の実施例に示すとおり、トルエンおよびNAFION(登録商標)NR50を用いると、約0.5を超えるmのジオールオリゴマーが得られる。本実施形態において、nは約2〜100、より具体的には約2〜50の整数、zは約1〜約20、より具体的には約1〜10の整数である。
【0021】
得られる新規なポリ(トリメチレングリコールカーボネートトリメチレングリコールエーテル)ジオールは、濃縮後ろ過を含む、ろ過等の任意の便利な方法により、未反応の出発材料および触媒から分離され得る。
【0022】
本明細書に開示した方法によって、選択した溶剤および/または触媒、ならびに用いるこれらの材料の量に基づいて、重合度を選択することができる。本方法から得られる材料の特性を、粘度をはじめとして変えることができるため、これは有利である。生成された新規なジオール(ここで、「オリゴマー」という用語は、nが20以下の材料のことを指すが)は、生体材料、工業用ポリマー、パーソナルケア材料、コーティング、潤滑剤およびポリカーボネート/ポリウレタン(TPU)をはじめとする製品に広く用いることができる。
【実施例】
【0023】
以下の実施例で行われる方法は、下式で表わすことができる。
【化4】

【0024】
上記の構造において、各Rは、独立に、H、C〜C20アルキル、特に、C〜Cアルキル、C〜C20環状アルキル、特に、C〜C環状アルキル、C〜C25アリール、特に、C〜C11アリール、C〜C20アルカリール、特に、C〜C11アルカリール、C〜C20アリールアルキル、特に、C〜C11アリールアルキルからなる群から選択され、各R置換基は、近接するR置換基と共に環状構造基を任意で形成することができる。典型的に、かかる環状構造基は、C〜C環状構造基、例えば、シクロプロパン、シクロブタン、シクロペンタン、シクロヘキサン、シクロヘプタンおよびシクロオクタンである。
【0025】
上記の構造において、nは、約2〜100、特に、約2〜50の整数であり、zは約1〜約10、特に約1〜7、さらに約1〜5の整数である。
【0026】
実施例1〜3
これらの実施例は、触媒として用いた様々な量のNafion(登録商標)NR50イオン交換樹脂のポリ(トリメチレングリコールカーボネートトリメチレングリコールエーテル)ジオールの製造に対する影響を示すものである。トルエンを溶剤として用い、反応を摂氏100度で行った。
【0027】
トリメチレンカーボネート(10.00g、0.098モル)およびトルエン(25mL)を、攪拌器、還流冷却器を備えた3つの丸底フラスコに窒素下で入れた。1番目のフラスコに、0.5gのNafion(登録商標)NR50を添加し、2番目のフラスコに、1.0gのNafion(登録商標)NR50を添加し、3番目のフラスコに、2.00gのNafion(登録商標)NR50を添加した。フラスコを、摂氏100度に維持した油浴に入れ、攪拌した。約6時間および約22時間後に一定分量を採って、減圧で濃縮し、プロトンNMRにより分析した。以下の表に結果の一覧を示す。
【0028】
【表1】

【0029】
室温まで冷やすと、2相となった。相を分離し、減圧で濃縮した。上相は、少量の材料しか含んでおらず、実施例1については0.57g、実施例2については0.62g、実施例3については0.58gであった。無色透明のポリマーの大半は下相に含まれていた。
【0030】
下相のNMR分析は以下のとおりであった。
【0031】
【表2】

【0032】
触媒レベルの減少によって、得られるポリマーの分子量が増え、エーテル結合の数が増えた。
【0033】
実施例4〜6
これらの実施例は、様々な量のNafion(登録商標)NR50樹脂触媒のポリ(トリメチレングリコールカーボネートトリメチレングリコールエーテル)ジオールの製造に対する影響を示すものである。トルエンを溶剤として用い、反応を摂氏50度で行った。
【0034】
トリメチレンカーボネート(10.00g、0.098モル)およびトルエン(25mL)を、攪拌器、還流冷却器を備えた3つの丸底フラスコに窒素下で入れた。1番目のフラスコに、0.5gのNafion(登録商標)NR50を添加し、2番目のフラスコに、1.0gのNafion(登録商標)NR50を添加し、3番目のフラスコに、2.00gのNafion(登録商標)NR50を添加した。フラスコを、摂氏50度に維持した油浴に入れ、攪拌した。約3.5時間および約22時間後に一定分量を採って、減圧で濃縮し、プロトンNMRにより分析した。以下の表に結果の一覧を示す。
【0035】
【表3】

【0036】
室温まで冷やすと、2相となった。相を分離し、減圧で濃縮した。上相は、少量の材料しか含んでいなかった。下相をプロトンNMRにより分析した。以下の表に結果の一覧を示す。
【0037】
【表4】

【0038】
実施例7〜8
これらの実施例は、様々な濃度のトルエンのポリ(トリメチレングリコールカーボネートトリメチレングリコールエーテル)ジオールの製造に対する影響を示すものである。
【0039】
トリメチレンカーボネート(10.00g、0.098モル)およびNafion(登録商標)NR50(2.0g)を、攪拌器、還流冷却器を備えた2つのオーブン乾燥したフラスコに窒素下で入れた。トルエン(50および100mL)を、別個に各フラスコに添加した。フラスコを、摂氏約100度に維持した油浴に入れ、攪拌した。約6時間および約22時間後に一定分量を採って、減圧で濃縮し、プロトンNMRにより分析した。以下の表に結果の一覧を示す。
【0040】
【表5】

【0041】
下相のNMR分析は以下の結果となった。
【0042】
【表6】

【0043】
実施例9〜11
これらの実施例は、様々な量のNafion(登録商標)NR50触媒のポリ(トリメチレングリコールカーボネートトリメチレングリコールエーテル)ジオールの製造に対する影響を示すものである。ヘキサンを溶剤として用い、反応を摂氏65度で行った。
【0044】
トリメチレンカーボネート(10.00g、0.098モル)およびヘキサン(25mL)を、攪拌器、還流冷却器を備えた3つの丸底フラスコに窒素下で入れた。1番目のフラスコに、0.5gのNafionを添加し、2番目のフラスコに、1.0gのNafionを添加し、3番目のフラスコに、2.00gのNafionを添加した。フラスコを、摂氏65度に維持した油浴に入れ、攪拌した。約6時間および約21時間後に一定分量を採って、減圧で濃縮し、プロトンNMRにより分析した。以下の表に結果の一覧を示す。
【0045】
【表7】

【0046】
室温まで冷やすと、2相となった。相を分離し、減圧で濃縮した。上相は、少量の材料しか含んでいなかった。無色透明のポリマーの大半は下相に含まれていた。下相を減圧で濃縮し、プロトンNMRにより分析した。以下の表に結果の一覧を示す。
【0047】
【表8】

【0048】
実施例12:大規模反応
トリメチレンカーボネート(110.00g、1.078モル)、トルエン(275.0mL)およびNafion(登録商標)NR50(22.0g)を、還流冷却器を備えた、オーブン乾燥した丸底フラスコに、窒素下で入れた。反応混合物を、摂氏100度に維持した油浴に入れた。約22時間後、反応物を室温まで冷却したところ、2相となった。上相トルエンの上澄みを移し、得られた材料を、Nafion(登録商標)からろ過した。Nafion(登録商標)を塩化メチレンで洗った。ろ液と塩化メチレン洗浄物を併せて混合し、減圧で濃縮し、真空下、摂氏約70度で乾燥した。得られた無色透明な材料の計算分子量は約2194、mは約2.075であった。
【0049】
TA Instruments Q2000 DSCで、10℃/分の加熱速度およびNパージを用いて、DSCを実施した。用いたプロフィールは、摂氏−90〜100度の加熱、冷却および再加熱であった。TA Instruments Q5000 TGAで、摂氏10度/分の加熱速度およびNパージを用いて、TGAを実施した。
【0050】
この材料のDSC分析によれば、Tgは摂氏−33度であった(第2の加熱)。また、この材料のウィックボールド・トーチ燃焼によるフッ素分析によれば12ppmであった。1分当たり摂氏10度の加熱速度での熱分析TGAによれば、以下の表に示すとおり、材料が極めて熱安定であることが示された。
【0051】
【表9】

【0052】
実施例13
塩化トリメチレン(136.0g)を含有し、トルエン1リットルまで希釈された原液を調製した。これは、1.33M溶液であった。
【0053】
実施例14A
Nafion(登録商標)触媒サイクル:ナンバー1
上記の原液(実施例13、75mL)を、シリンジを介して、Nafion(登録商標)NR50(2.0g)を含む、攪拌器、還流冷却器を備えた、オーブン乾燥した100mLの丸底フラスコに、窒素下で添加した。反応混合物を、摂氏100度に維持した油浴に入れた。経時的に一定分量を採り、減圧で濃縮し、NMRにより分析した。反応完了後、反応混合物をろ過し、回収したNafion(登録商標)触媒を塩化メチレン(2×約50mL)で洗った。
【0054】
実施例14B
Nafion(登録商標)触媒サイクル:ナンバー2
回収した触媒を、攪拌器を備えた、オーブン乾燥した100mLのRBフラスコに、窒素下で入れた。この材料に、上記の原液(75mL)を、シリンジを介して、添加した。反応混合物を摂氏100度に維持した油浴に入れた。経時的に一定分量を採り、減圧で濃縮し、NMRにより分析した。反応完了後、反応混合物をろ過し、回収したNafion(登録商標)触媒を塩化メチレン(2×約50mL)で洗った。
【0055】
実施例14C〜L
Nafion(登録商標)触媒サイクル:ナンバー3〜12
ナンバー2の上記の手順の後、サイクルを連続数続け、プロトンNMRにより材料を分析した。以下の表にその結果の一覧を示す。
【0056】
【表10】


【特許請求の範囲】
【請求項1】
構造
【化1】

(式中、zは約1〜10の整数であり、nは約2〜100の整数であり、そして各R置換基は、独立に、H、C〜C20アルキル、C〜C20環状アルキル、C〜C25アリール、C〜C20アルカリールおよびC〜C20アリールアルキルからなる群から選択され、そしてここで各R置換基は、隣接するR置換基と共に環状構造基を任意で形成することができる)
のポリ(トリメチレングリコールカーボネートトリメチレングリコールエーテル)ジオールオリゴマー。
【請求項2】
各R置換基がHである請求項1に記載のポリ(トリメチレングリコールカーボネートトリメチレングリコールエーテル)ジオールオリゴマー。
【請求項3】
zが約1〜7であり、nが約2〜50である請求項1に記載のポリ(トリメチレングリコールカーボネートトリメチレングリコールエーテル)ジオールオリゴマー。
【請求項4】
構造
【化2】

(式中、zは約1〜10の整数であり、nは約2〜100の整数であり、そして各R置換基は、独立に、H、C〜C20アルキル、C〜C20環状アルキル、C〜C25アリール、C〜C20アルカリールおよびC〜C20アリールアルキルからなる群から選択され、そしてここで各R置換基は、隣接するR置換基と共に環状構造基を任意で形成することができる)
のポリ(トリメチレングリコールカーボネートトリメチレングリコールエーテル)ジオールオリゴマーを製造する方法であって、
溶剤の存在下、トリメチレンカーボネートまたはR置換トリメチレンカーボネートを、酸性イオン交換樹脂触媒と、摂氏約30〜250度の温度で接触させて、ポリ(トリメチレングリコールカーボネートトリメチレングリコールエーテル)ジオールオリゴマー組成物を含む混合物を形成させることを含む、上記方法。
【請求項5】
溶剤が、トリメチレンカーボネートおよび溶剤と実質的に非反応性である請求項4に記載の方法。
【請求項6】
非反応性の溶剤が、トルエンまたはヘキサンである請求項5に記載の方法。
【請求項7】
酸性イオン交換樹脂触媒が、ジビニルベンゼンで架橋されたポリ(スチレンスルホン酸)を含むイオン交換樹脂である請求項4に記載の方法。
【請求項7】
酸性イオン交換樹脂触媒が、テトラフルオロエチレン/パーフルオロ(4−メチル−3,6−ジオキサ−7−オクテン−1−スルホン酸)コポリマーからなる群から選択される請求項4に記載の方法。
【請求項8】
固体酸触媒が、テトラフルオロエチレン/パーフルオロ(4−メチル−3,6−ジオキサ−7−オクテン−1−スルホン酸)コポリマーである請求項4に記載の方法。
【請求項9】
ポリ(トリメチレングリコールカーボネートトリメチレングリコールエーテル)ジオールオリゴマー組成物を単離することをさらに含む請求項4に記載の方法。
【請求項10】
請求項4に記載の方法により製造されるポリ(トリメチレングリコールカーボネートトリメチレングリコールエーテル)ジオールオリゴマー。

【公表番号】特表2011−505469(P2011−505469A)
【公表日】平成23年2月24日(2011.2.24)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−536132(P2010−536132)
【出願日】平成20年11月25日(2008.11.25)
【国際出願番号】PCT/US2008/084704
【国際公開番号】WO2009/070591
【国際公開日】平成21年6月4日(2009.6.4)
【出願人】(390023674)イー・アイ・デュポン・ドウ・ヌムール・アンド・カンパニー (2,692)
【氏名又は名称原語表記】E.I.DU PONT DE NEMOURS AND COMPANY
【Fターム(参考)】