(57)【要約】ポリマー化、グラフト化、アロイ化を包含するマイクロエレクトロニクス、生物用及び医療用への応用での使用に適する、高収率で、低樹脂含量で、溶媒不用で痕跡金属のない、モノマーを製造するための、フォスファゼン超強塩基を使用する、ポリヘドラルオリゴメリックシルセスキオキサンの合成プロセス。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶媒とフォスファゼン超強塩基との存在下、式ＲＳｉＸ３を有するシランカップリング剤を反応させる段階を含む、官能化ＰＯＳＳモノマーの調製方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法であって、超強塩基は、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３及びＰ４型フォスファゼンからなる群より選択される方法。
【請求項３】
請求項１記載の方法であって、異なるシランカップリング剤の混合物を反応させることにより、官能化ＰＯＳＳモノマーを調製する方法。
【請求項４】
請求項１記載の方法であって、異なる超強塩基の混合物が、均一系触媒或いは共試薬（coreagent）として使用される方法。
【請求項５】
請求項１記載の方法であって、異なる溶媒の混合物が使用される方法。
【請求項６】
請求項１記載の方法であって、不均一系触媒或いは共試薬（coreagent）として、超強塩基を使用して、官能化ＰＯＳＳモノマーを与える連続的プロセスが使用される方法。
【請求項７】
溶媒とフォスファゼン超強塩基との存在下、ＲＳｉＸ３、Ｒ１Ｒ２ＳｉＸ２、及びＲ１Ｒ２Ｒ３ＳｉＸからなる群より選択される式を有するシランカップリング剤により、ＰＯＳＳシラノールをシレート化する段階を含む、官能化ＰＯＳＳモノマーの調製方法。
【請求項８】
請求項７記載の方法であって、超強塩基は、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３及びＰ４型フォスファゼンからなる群より選択される方法。
【請求項９】
請求項７記載の方法であって、異なるＰＯＳＳシラノールとシランカップリング剤の混合物がシレート化される方法。
【請求項１０】
請求項７記載の方法であって、異なる超強塩基の混合物が、均一系触媒或いは共試薬（coreagent）として使用される方法。
【請求項１１】
請求項７記載の方法であって、異なる溶媒の混合物が使用される方法。
【請求項１２】
請求項７記載の方法であって、超強塩基を均一系触媒或いは共試薬（coreagent）として使用して、連続的シレート化（silation）プロセスが使用される方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の開示】
【０００１】
関連出願及び特許の相互参照
本出願は、２００５年３月７日に出願された米国仮特許出願連番60/659,722の優先権を主張するものである。
【０００２】
発明の分野
本発明は、一般的に、ポリマー及び生物学的製剤に組み入れられる、官能化ＰＯＳＳモノマーの特性を向上させるプロセスに関する。
【０００３】
発明の背景
ナノ構造化学物質としては、低価格ポリヘドラルオリゴメリックシルセスキオキサン（ＰＯＳＳ）及びポリヘドラルオリゴメリックシリケート（ＰＯＳ）系のものが、最も良い例である。ＰＯＳＳシステムは、内部の籠様の枠組みが、主として無機珪素-酸素結合で構成されているハイブリッド（即ち、有機-無機）組成物を含む。ナノ構造の外部は、反応性及び非反応性有機官能基（Ｒ）両方により覆われ、ナノ構造と、有機モノマー及びポリマーとの適合性及び適応性を保証している。ナノ構造化学物質のこれら及び他の性質と特徴は、米国特許第5412053号及び米国特許第5484867号で詳細に考察されているが、ここでは、特に、両者の全体を参照により組み入れることとする。
【０００４】
現在実施されている工学は、官能化ＰＯＳＳ分子を高い収率で製造しはするが、ある種のマイクロエレクトロニクス、医療及び生物学的用途は、より高い純度或いは化学的官能性を必要としており、そのようなものは、先行技術を使用しても、容易に、或いは経済的には製造されない。先行技術による方法は、ＰＯＳＳ籠の構築とその機能付与に、水酸化物塩基、陰イオン塩及びプロトン酸触媒の使用を包含している。（米国特許出願09/631892号、米国特許出願10/186318号及び米国特許第6770724号、米国特許第6660823号、米国特許第6596821号、米国特許第3390163号参照。）これらのアプローチは、一般的には有効であることが知られているが、プロトン酸及び水酸化物塩基は、両方共に、樹脂を含むオリゴマー化ＰＯＳＳ籠へのＰＯＳＳの個々の籠の自己縮合を触媒することがあるという点で制限されている。（図１）そのような樹脂は、それらの構造が分子的に不正確であるために、マイクロエレクトロニクス、医療及び生物学的用途には望ましくない。更に、ＰＯＳＳ分子の分散度とそれのポリマーとの適合性は、熱力学的には、混合の自由エネルギーの式（ΔＧ＝ΔＨ−ＴΔＳ）に支配されている。Ｒ基の性質とポリマー及び表面と反応し或いは相互作用するＰＯＳＳ籠上の反応性基の能力は、有益なエンタルピー項（ΔＨ）に大いに貢献し、他方、ＰＯＳＳに対するエントロピー項（ΔＳ）は、籠サイズがモノスコピックであり、対応するオリゴマー分布が１．０であるときは、非常に有益である。
【０００５】
したがって、先行技術についてＰＯＳＳ籠の構築方法を改善し、官能化モノマーを改善することに強いニーズが存在する。プロセス収率が改善され、より高い純度で、分子的に正確なＰＯＳＳシステムが説明される。
【０００６】
発明の概要
本発明は、ポリマー化、グラフト化、アロイ化用の使用に適するモノマー生成物を、迅速で、高収率で、低樹脂含量で、溶媒不用で製造する、ポリヘドラルオリゴメリックシルセスキオキサンのための改善された合成プロセスを提供する。合成プロセスは、［(Ｒ１ＳｉＯ１．５)７(ＨＯＳｉＯ１．５)１］Σ８、［(Ｒ１ＳｉＯ１．５)６(Ｒ１ＨＯＳｉＯ１)２］Σ８、［(Ｒ１ＳｉＯ１．５)２(Ｒ１ＨＯＳｉＯ１)４］Σ６、［(Ｒ１ＳｉＯ１．５)４(Ｒ１ＨＯＳｉＯ１)３］Σ７型式のシラノールにより官能化されたＰＯＳＳ籠を生成するために、式Ｒ１ＳｉＸ３のシランカップリング剤との反応に、フォスファゼン超強塩基を使用する。、合成プロセスは、また、［(Ｒ２ＳｉＯ１．５)６］Σ６、［(Ｒ２ＳｉＯ１．５)８］Σ８、［(Ｒ２ＳｉＯ１．５)１０］Σ１０、［(Ｒ２ＳｉＯ１．５)１２］Σ１２型式のＲ２基で官能化された多官能性のＰＯＳＳ籠で、より大きなサイズの籠を生成するために、Ｒ２ＳｉＸ３型のシランカップリング剤との反応でのフォスファゼン超強塩基の反応を包含することができる。、
代わりに、フォスファゼン超強塩基は、式Ｒ２Ｒ３Ｒ４ＳｉＸ、Ｒ２Ｒ３ＳｉＸ２、或いはＲ２ＳｉＸ３のシランカップリング剤の存在下、式［(Ｒ１ＳｉＯ１．５)７(ＨＯＳｉＯ１．５)１］Σ８、［(Ｒ１ＳｉＯ１．５)６(Ｒ１ＨＯＳｉＯ１)２］Σ８、［(Ｒ１ＳｉＯ１．５)４(Ｒ１ＨＯＳｉＯ１)３］Σ７のＰＯＳＳシラノールと、溶媒と超強塩基の存在下、十分な時間、反応されることができ、そこで、ＨＸの脱離が起こり、式［（Ｒ１ＳｉＯ１．５)８(Ｒ２Ｒ３Ｒ４ＳｉＯ１)］Σ９、［（(Ｒ１ＳｉＯ１．５)８)２(Ｒ２Ｒ３ＳｉＯ２)］Σ１７、［（(Ｒ１ＳｉＯ１．５)８)３(Ｒ２ＳｉＯ３)］Σ２５、［（Ｒ１ＳｉＯ１．５)６(（Ｒ１ＳｉＯ１)２（Ｒ２Ｒ３Ｒ４ＳｉＯ) ２］Σ１０、［（Ｒ１ＳｉＯ１．５)６（Ｒ１ＳｉＯ１)２（Ｒ２Ｒ３ＳｉＯ ２)］Σ９、［（Ｒ１ＳｉＯ１．５)６（Ｒ１ＨＯＳｉＯ１)１（Ｒ２Ｒ３ＳｉＯ )］Σ８、［（Ｒ１ＳｉＯ１．５)６（Ｒ１（Ｒ２Ｒ３Ｒ４ＳｉＯ)ＳｉＯ１)（Ｒ２Ｒ３ＳｉＯ )］Σ９、［（Ｒ１ＳｉＯ１．５)４（Ｒ１（Ｒ２Ｒ３Ｒ４ＳｉＯ)ＳｉＯ１)３］Σ１０、［(Ｒ１ＳｉＯ１．５)７(Ｒ２ＳｉＯ１．５) １］Σ８の単官能性のＰＯＳＳモノマーを夫々与える。結果得られるモノマーは、基本的に不純物がなく、組成、Ｒ基、ナノ構造サイズ及びトポロジーの選択により制御可能な特性を有する。高純度ナノ構造ＰＯＳＳモノマーは、改善されたろ過能力、減少された汚染性及び粘度、より確実なポリマー化、より低いコスト及び汚染系での廃棄物減少を示すことから望ましいものである。
【０００７】
好ましいプロセスは、溶媒と超強塩基の存在下、式［(Ｒ１ＳｉＯ１．５)７(ＨＯＳｉＯ１．５)１］Σ８、［(Ｒ１ＳｉＯ１．５)６(Ｒ１ＨＯＳｉＯ１)２］Σ８、［(Ｒ１ＳｉＯ１．５)４(Ｒ１ＨＯＳｉＯ１)３］Σ７のＰＯＳＳシラノールと、式Ｒ２Ｒ３Ｒ４ＳｉＸ、Ｒ２Ｒ３ＳｉＸ２、Ｒ２ＳｉＸ３のシランカップリング剤との反応を包含する。
【０００８】
ナノ構造表現式の定義
本発明の化学組成物を理解する目的で、ポリヘドラルオリゴメリックシルセスキオキサン（ＰＯＳＳ）及びポリヘドラルオリゴメリックシリケート（ＰＯＳ）ナノ構造の表現式に対して、以下の定義がなされる。
【０００９】
ポリシルセスキオキサンは、∞が、モル重合度を表し、Ｒは、有機置換基（Ｈ、シロキシ、環状或いは直鎖脂肪族或いは芳香族基であり、追加的に、アルコール、エステル、アミン、ケトン、オレフィン、エーテル或いはハライドの如き反応性官能基を含んでもよく、フッ素化基を含んでもよい。）である式［(ＲＳｉＯ１．５)］∞により表現される物質である。ポリシルセスキオキサンは、ホモレプティックか、ヘテロレプティックであり得る。ホモレプティック系は、唯一つのタイプのＲ基を含み、他方ヘテロレプティック系は、一を超えるのタイプのＲ基を含む。
【００１０】
ＰＯＳＳ及びＰＯＳナノ構造組成は、以下の式により表現される。
【００１１】
ホモレプティック組成に対しては、［(ＲＳｉＯ１．５)ｎ］Σ＃
ヘテロレプティック組成に対しては、［(ＲＳｉＯ１．５)ｎ(Ｒ´ＳｉＯ１．５)ｍ］Σ＃（ここで、ＲとＲ´は、異なる。）
官能化ヘテロレプティック組成に対しては、［(ＲＳｉＯ１．５)ｎ(ＲＸＳｉＯ１．０)ｍ］Σ＃（ここで、Ｒ基は、同じであるか、同じでなくても良い。）
上記すべてにおいて、Ｒは、上記で定義したものと同じであり、Ｘは、限定するものではないが、ＯＨ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、アルコキシド（ＯＲ）、ホルメート（ＯＣＨ）、アセテート（ＯＣＯＲ）、酸（ＯＣＯＨ）、エステル（ＯＣＯＲ）、パーオキサイド（ＯＯＲ）、アミン（ＮＲ２）、イソシアネート（ＮＣＯ）及びＲを包含する。記号ｍ及びｎは、組成物の化学量論に関連する。記号Σは、組成物がナノ構造を形成することを示し、記号＃は、ナノ構造内に含まれる珪素原子の数をいう。＃の値は、通常はｍとｎの和であり、ｎは、典型的には１〜２４の範囲であり、ｍは、典型的には１〜１２の範囲である。Σ＃は、化学量論を決定する乗数と混同されるべきではなく、単に、システムの全体のナノ構造特性（籠サイズとして知られる）を説明するものであることが留意されるべきである。
【００１２】
発明の詳細な説明
本発明は、従来記載されていたものよりも、より高い純度で、より低いコストの製品を生み出すＰＯＳＳナノ構造化学物質の改善された合成方法を教示する。
【００１３】
本発明の鍵となる特徴は、ＰＯＳＳ籠構築を触媒する、フォスファゼン超強塩基の使用である。ある範囲のフォスファゼンが適用可能であり、分子量及び組成の異なるポリフォスファゼンを包含する。フォスファゼンオリゴマー及び分子が、優先的に使用され、特に、Ｐ１タイプ  Ｐ（ＮｔＢｕ）（ＮＨ２）３、Ｐ２タイプ  （Ｈ２Ｎ）３Ｐ＝Ｎ-Ｐ（ＮＨ２）４、Ｐ３タイプ  （Ｈ２Ｎ）３Ｐ＝Ｎ-Ｐ（ＮＨ２）-Ｎ＝Ｐ（ＮＨ２）３、Ｐ４タイプ  （Ｈ２Ｎ）３Ｐ＝Ｎ-Ｐ（ＮＨ２）３＝Ｎ-Ｐ（ＮＨ２）３-Ｎ＝Ｐ（ＮＨ２）３が使用される。フォスファゼン超強塩基の塩基度は、燐原子の数の増加と共に増加し、これは、この試薬の使用のための有用な手段を提供する。トリシラノールに対する超塩基の好ましい濃度は、２モル％であるが、有益な範囲は、０．１〜１０モル％を包含する。
【００１４】
全プロセスに適用可能な一般的プロセス変数
化学的プロセスで典型的なように、純度、選択性、速度、プロセスメカニズムを制御するために使用される多くの変数がある。プロセスに影響を与える変数は、ナノ構造化学物質のサイズ、多分散度及び組成、分離及び単離方法、触媒或いは助触媒、溶媒及び助溶媒の使用を包含する。追加的に、合成メカニズム、速度、生成物分布を制御する動力学的及び熱力学的手段もまた、生成物の品質及び経済性に影響し得るトレ−ドツールであることが知られている。
【００１５】
例１
［(イソブチルＳｉＯ１．５)７(メタクリルプロピルＳｉＯ１．０)１］Σ８の合成
［(イソブチルＳｉＯ１．５)４(イソブチル（ＯＨ）ＳｉＯ１．０)３］Σ７(６８８ｇ、０．８７モル)がＴＨＦに溶解され、次いでメタクリルプロピルトリメトキシシラン（２０４ｇ、０．８７モル）が加えられ、溶液は５℃に冷却された。フォスファゼン超強塩基（ＦＷ２３４．３２、１５．７２ミリモル）が、その後添加され、混合物は、室温で３日間撹拌された。溶液は、その後酢酸（１．５ｇ）でクエンチ（quench）された。それから、１ｌのメタノールが添加され、混合物は撹拌され、ろ過された。固形物は乾燥されると、純粋な白色製品となり、収率は７５％であった。
【００１６】
例２
［(ＥｔＳｉＯ１．５)７(グリシダルＳｉＯ１．０)１］Σ８の合成
［(ＥｔＳｉＯ１．５)４(Ｅｔ（ＯＨ）ＳｉＯ１．０)３］Σ７(５０ｇ、８４ミリモル)がメタノールに溶解され、次いで３-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン（１９．８６ｇ、８４ミリモル）が加えられ、溶液は５℃に冷却された。フォスファゼン超強塩基（ＦＷ２３４．３２、１５．７２ミリモル）が、その後添加され、混合物は、５℃で３日間撹拌された。溶液は、その後酢酸（８７ｍｇ）でクエンチされ、ろ過され、そして、揮発物が除去され、乾燥され、固形状とされた。固形物は、メタノール（１４００ｍｌ）で洗浄され、そして乾燥されると、純粋な白色製品４１５ｇとなり、収率は８７％であった。
【００１７】
例３
［(ＥｔＳｉＯ１．５)７(エチルノルボルネンＳｉＯ１．０)１］Σ８の合成
［(ＥｔＳｉＯ１．５)４(Ｅｔ（ＯＨ）ＳｉＯ１．０)３］Σ７(１２ｇ、２０ミリモル)がメタノールに溶解され、次いでエクソ-ノルボルネニルエチルトリメトキシシラン（４．８４ｇ、２０ミリモル）が加えられ、溶液は５℃に冷却された。フォスファゼン超強塩基が、その後添加され、混合物は、５℃で２日間撹拌された。溶液は、その後酢酸（８７ｍｇ）でクエンチされ、ろ過され、そして揮発物が除去され、追加的なメタノールで洗浄され、そして乾燥されると、純粋な白色製品となった。
【００１８】
例４
［(シクロヘキシルＳｉＯ１．５)７(アミノエチルアミノプロピルＳｉＯ１．０)１］Σ８の合成
［(シクロヘキシルＳｉＯ１．５)４(シクロヘキシル（ＯＨ）ＳｉＯ１．０)３］Σ７(１０ｇ、１０．３ミリモル)がＴＨＦに溶解され、次いで３-（Ｎ-アミノエチル）アミノプロピルトリメトキシシラン（２．３２ｇ、１０．２７ミリモル）が加えられ、その後フォスファゼン超強塩基（ＦＷ２３４．３２、１５．７２ミリモル）が添加され、そして、混合物は、室温で撹拌された。溶液は、その後酢酸でクエンチされ、メタノールが添加された。揮発物が除去され、乾燥されると、純粋な白色固形物となり、収率は６２％であった。
【００１９】
例５
［(フェニルＳｉＯ１．５)７(アミノプロピルＳｉＯ１．０)１］Σ８の合成
［(フェニルＳｉＯ１．５)４(フェニル（ＯＨ）ＳｉＯ１．０)３］Σ７(５．９ｇ、６．３モル)がトルエンに溶解され、次いで３-アミノプロピルトリメトキシシラン（２．０ｇ、１１ミリモル）が加えられ、それから、室温で１２時間撹拌された。アセトニトリルが添加され、溶液はろ過され、そして、生成物が乾燥されると、純粋な白色固形物となり、収率は４０％であった。
【００２０】
一定の代表的具体例と詳細な説明が、本発明を説明するために示されてきたが、請求項で規定された発明の範囲を変更せずに、ここに開示された方法及び装置に種々な改変がなされ得ることは、当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】先行技術と改善されたシレート化プロセスとの比較を示す。
【図２】種々の好ましいフォスファゼン超強塩基を示す。
【図３】例５で合成された化合物の構造を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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