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JP4843955B2 - 光塩基発生剤 - Google Patents

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Description

本発明は、光学素子接着剤、光学素子用コーティング剤、レジスト材料、プリズム、光ファイバー、情報記録基盤、フィルター、プラスチックレンズ等の光学材料を製造するのに有用な光塩基発生剤及び該光塩基発生剤を含有する硬化性組成物に関するものである。
プラスチック材料は軽量かつ靭性に富み、また染色が容易であることから、各種光学材料に近年多用されている。光学材料の多くに要求される性能の一つとして、高屈折率があげられる。高屈折率な光学材料については、屈折率1.7以上の光学材料を可能とするエピスルフィド化合物が多数見いだされている(特許文献1,2,3参照。)。これら化合物を使用した材料の硬化方法のほとんどは熱硬化であるため用途に大きな制約があり、光硬化ができる材料が強く望まれていた。
エピスルフィド化合物の光硬化に関しては、特許文献4,5,6,7、8に記載がある。これらの文献においては開始剤としてラジカル発生剤、酸発生剤、塩基発生剤等が開示されているが、エピスルフィド化合物の重合に対しては塩基触媒が最も活性が高いことから、塩基発生剤の使用が最も望ましいと考えられている。しかしながら、光塩基発生剤に関する研究の歴史は浅く、実用に耐えうる活性を示す塩基発生剤はこれまで見出されていない。光塩基発生剤に関する研究については、非特許文献1,2に記載がある。
これまでに開発された光塩基発生剤の主な問題点は以下の2つである。
(1) エピスルフィド化合物は300nm付近までの光を吸収するが、光塩基発生剤の光吸収領域もこれとほぼ重なっており、光分解による塩基の発生効率が低い。
(2) 光分解により発生する塩基の塩基性が弱く、エピスルフィド化合物の重合硬化が遅い。
特開平9−71580号公報 特開平9−110979号公報 特開平9−255781号公報 WO 01/57113号公報 特開平2002−047346号公報 特開平2002−105110号公報 US2003/0022956号公報 特開平2003−026806号公報 化学工業、50巻、p592−600(1999) J.Polym.Sci.PartA, vol39, p1329-1341(2001)
本発明は、高活性を示す光塩基発生剤を提供し、更に紫外線照射により容易に硬化するエピスルフィドを含有する硬化性組成物、ならびに紫外線照射により得られる硬化物を提供することにある。
本発明者らは上記問題を解決すべく検討を行った結果、下記一般式(1)で表される化合物は、比較的長波長の紫外線(300nm以上、好ましくは300〜330nm)を吸収することにより分解し効率よく強塩基を発生することを見出し、更に分子内に少なくとも2つ以上のチイラン環を有するエピスルフィド化合物と一般式(1)で表される光塩基発生剤を含む組成物が紫外線照射により容易に硬化し、目的の硬化物が得られることを見出した。
Figure 0004843955
ここで、Arはフェニル、ビフェニル、ナフチル,4−(フェニルチオ)フェニル基であって、これらの基は非置換であるか、またはC1〜C18アルキル、C3〜C18アルケニル、C3〜C18アルキニル、C1〜C18ハロアルキル、NO2、OH、CN、OR、SR、C(O)R、C(O)ORもしくはハロゲンによりモノ置換またはポリ置換されており(式中R、R、R、Rは水素またはC1〜C18アルキルである)、Rは水素又はC1〜C18アルキル基であり、−Aは下記構造式から選ばれるアンモニウムイオンであり(式中、Lは1または0、RはC1〜C5アルキルである)、
Figure 0004843955

はボレートアニオン、N,N-ジメチルジチオカルバメートアニオン、N,N-ジメチルカルバメートアニオン、チオシアネートアニオンまたはシアネートアニ
本発明によれば、高活性を示す塩基発生剤を提供できると共に、紫外線照射により容易に効果するエピスルフィドを含有する硬化性組成物を、並びに紫外線照射により得られる硬化物を提供することが出来る。
本発明の光塩基発生剤は、下記一般式(1):
Figure 0004843955
で表され、比較的長波長の紫外線(300nm以上)を吸収することにより分解し、下記式で表される強塩基A:
Figure 0004843955
すなわち、1,8−ジアザビシクロ[5,4,0]−7−ウンデセン誘導体、1,5−ジアザビシクロ[4,3,0]−5−ノネン、トリエチレンジアミン、ヘキサメチレンテトラミンあるいはトリス(ジエチルアミノ)ホスフィンを発生するため、エピスルフィド化合物の重合に対する活性が極めて高い。
一般式(1)において、Arはフェニル、ビフェニル、ナフチル,4−(フェニルチオ)フェニル基であって、これらの基は非置換であるか、またはC1〜C18アルキル、C3〜C18アルケニル、C3〜C18アルキニル、C1〜C18ハロアルキル、NO2、OH、CN、OR、SR、C(O)R、C(O)ORもしくはハロゲンによりモノ置換またはポリ置換されているが(式中R、R、R、Rは水素またはC1〜C18アルキルである)、Arは置換または無置換のフェニルであることが好ましく、無置換のフェニルであることが最も好ましい。
Rは、水素又はC1〜C18アルキル、好ましくは水素又はC1〜C3アルキルであり、最も好ましくは水素である。
−Aは下記構造式から選ばれるアンモニウムイオンであるが、
Figure 0004843955

(式中、Lは1または0、RはC1〜C5アルキルである)
下記構造式であることが好ましい。
Figure 0004843955


(式中、Lは1または0、RはC1〜C5アルキルであり、特にLが0であることが好ましい。)
また、XはA+の対アニオンを示し、ボレートアニオン、N,N-ジメチルジチオカルバメートアニオン、N,N-ジメチルカルバメートアニオン、チオシアネートアニオンまたはシアネートアニオンであるが、ボレートアニオンであることが好ましい。ボレートアニオンの具体例としては以下の化合物を挙げることができる。テトラフェニルボレート、メチルトリフェニルボレート、エチルトリフェニルボレート、プロピルトリフェニルボレート、ブチルトリフェニルボレート、ペンチルトリフェニルボレート、ヘキシルトリブチルボレート。
本発明の光塩基発生剤は公知の方法(J.Polym.Sci.PartA, vol39, p1329-1341(2001)等)により容易に合成できる。合成ルートの1例を下図に示した。
Figure 0004843955

式中、Ar、R、-A+、A、X-は前記と同様であり、Mはアルカリ金属を表す。
本発明の硬化性樹脂組成物は、式(1)の光塩基発生剤と、エピスルフィド化合物を含有する。本発明で使用するエピスルフィド化合物は、分子内に少なくとも2つ以上のチイラン環を有するものであればよいが、より高い屈折率の光学材料が得られるので、一般式(2)で表されるエピスルフィド化合物が好ましい。
Figure 0004843955
式(2)において、R、Rはそれぞれ独立に、水素原子又はC1〜C10の一価の炭化水素基、好ましくは水素原子、又はC1〜C3の1価の炭化水素基であり、最も好ましくは水素原子であり、R、Rはそれぞれ独立にC1〜C10の2価の炭化水素基、好ましくはメチレン、エチレン、プロピレンである。nは0〜4の整数、mは0〜6の整数である。
式(2)のエピスルフィド化合物の具体例としては、ビス(2,3−エピチオプロピル)スルフィド、ビス(2,3−エピチオプロピルチオ)エタン、ビス(2,3−エピチオプロピルチオ)プロパン、ビス(2,3−エピチオプロピルチオ)ブタン、ビス(5,6−エピチオ−3−チオヘキサン)スルフィド、ビス(2,3−エピチオプロピル)ジスルフィド、ビス(3,4−エピチオブチル)ジスルフィド、ビス(4,5−エピチオペンチル)ジスルフィド、ビス(5,6−エピチオヘキシル)ジスルフィドが挙げられるが、ビス(2,3−エピチオプロピル)スルフィド(n=0、R=R=水素原子、R=R=メチレン)、ビス(2,3−エピチオプロピル)ジスルフィド(n=1、m=0、R=R=水素原子、R=R=メチレン)、が特に好ましい。
光塩基発生剤の使用量は、エピスルフィド化合物100重量部に対して、0.001〜50重量部であり、好ましくは0.005〜30重量部であり、より好ましくは0.01〜20重量部である。
本発明のエピスルフィド化合物に増感剤を添加し使用することができる。増感剤の添加により低エネルギー量の紫外線照射で硬化が可能となる。具体例としては、ベンゾフェノン、アセトフェノン、チオキサントン、アントラセン、ペリレン、フェノチアジンが挙げられる。増感剤は紫外線に感応して重合硬化作用を促進するものであれば、これら列記化合物に限定されるものではない。増感剤を使用する場合の添加量は、エピスルフィド化合物100重量部に対して、0.001〜50重量部であり、好ましくは0.005〜30重量部であり、より好ましくは0.01〜20重量部である。
一般式で(1)で表される光塩基発生剤の中にはエピスルフィド化合物への溶解度が低いものがある。この場合、光塩基発生剤を溶解できる溶媒を併用できる。併用する溶媒には特に制限はないが、光塩基発生剤の溶解力が高い、重合反応を阻害しないものが好ましい。具体例としては、γ−ブチロラクトンのようなラクトン類、テトラヒドロフラン、ジエチルエーテルのようなエーテル類、N,N-ジメチルホルムアミドのようなアミド類、トルエンのような芳香族炭化水素、ヘキサンのような脂肪族炭化水素、アセトンやメチルエチルケトンのようなケトン類、酢酸エチルのようなエステル類、イソプロピルアルコールのようなアルコール類、ジクロロメタンのようなハロゲン化アルキル類を挙げることができる。溶媒を使用する場合の使用量は、エピスルフィド化合物100重量部に対して、0.1〜100重量部が好ましく、1〜30重量部が更に好ましく、1〜20重量部が最も好ましい。
この他、耐候性、耐酸化性、強度、表面硬度、密着性、屈折率、染色性等の各種性能改良を目的として、メルカプタン類、エポキシ化合物類、イソ(チオ)シアネート類、フェノール類、アミン類、硫黄原子を有する無機化合物、セレン原子を有する無機化合物等を添加することができる。この場合は、必要に応じて公知の重合硬化触媒を別途加えることが出来る。
また、光の透過や反応を妨げない範囲で、粉末状、粒子状、繊維状のフィラーを加えることができる。具体的には、シリカ、アルミナ、チタニア、ジルコニア、炭酸カルシウム等の無機化合物、銅、銀、金等の金属粒子等が挙げられる。
本発明の硬化性組成物は、光塩基発生剤、エピスルフィド化合物、および任意成分を公知の手段、条件で物理的に混合することにより製造される。
本発明の硬化性組成物は、例えば照度1〜100mW/cm、温度0〜100℃、約1秒〜約1日、好ましくは約10秒〜1時間の条件で紫外線照射することにより硬化される。
使用する紫外線源は、紫外線を発生させる装置であれば特に制限はない。具体的には、高圧水銀ランプ、超高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、ハイパワーメタルハライドランプを挙げることができる。
式(1)の光塩基発生剤を含んでいるので、本発明の硬化性組成物の硬化は非常に早く進行し、例えば、下記実施例5に記載したように、硬化率が、従来の光塩基発生剤を使用した場合の2倍以上に達する。
紫外線照射による硬化反応は酸素により阻害を受けやすい。従って、紫外線照射時の雰囲気としては酸素濃度3%以下が好ましく、0.5%以下が更に好ましく、0.3%以下が最も好ましい。
硬化性組成物に紫外線を照射後、更に加熱処理を行うことにより、硬化を更に促進することができる。紫外線照射後の硬化度により、加熱温度並びに時間を適宜選択できるが、加熱温度は室温〜200℃、加熱時間は1分〜3日が好ましい。
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
実施例1
1−(4’−フェニルチオ)フェナシル−(1−アゾニア−4−アザビシクロ[2.2.2]オクタン)テトラフェニルボレート(I)の合成
Figure 0004843955
(1)1−(4’−フェニルチオ)フェナシル−(1−アゾニア−4−アザビシクロ[2.2.2]オクタン)ブロマイドの合成
100mlナス型フラスコに2−ブロモ−4’−フェニルチオアセトフェノン1.41g(0.0046mol)、アセトン20mlを入れ、その後攪拌を行い均一溶液とした。1,4−ジアザビシクロ[2.2.2]オクタン0.52g(0.0046mol)を溶かしたアセトン溶液20mlを室温でフラスコに入れ、引き続き1時間攪拌を続けた。その後、析出した固体をろ別し、10mlのアセトンで2回洗浄後乾燥させ、白色固体を1.60g(0.0038mol、収率83%)得た。H−NMRによる分析の結果、白色固体は目的物である1−(4’−フェニルチオ)フェナシル−(1−アゾニア−4−アザビシクロ[2.2.2]オクタン)ブロマイドであることを確認した。
(2)1−(4’−フェニルチオ)フェナシル−(1−アゾニア−4−アザビシクロ[2.2.2]オクタン)テトラフェニルボレートの合成
100mlナス型フラスコに、得られた1−(4’−フェニルチオ)フェナシル−(1−アゾニア−4−アザビシクロ[2.2.2]オクタン)ブロマイド1.00g(0.0024mol)およびエタノール20mlを入れ攪拌を行った。これにナトリウムテトラフェニルボレート0.86g(0.0025mol)を溶かしたエタノール溶液20mlを室温で加え、引き続き1時間攪拌を行った。その後、フラスコ内の固体をろ別し乾燥させ、白色固体を1.34g(0.0020mol、収率85%)得た。H−NMRによる分析の結果、白色固体は目的物である1−(4’−フェニルチオ)フェナシル−(1−アゾニア−4−アザビシクロ[2.2.2]オクタン) テトラフェニルボレートであることを確認した。
H−NMR(δ,ppm)
7.77―6.84(m,29H,ArH),4.61(s,2H,COCH),
3.46(m,6H,CH)、3.11(m,6H,CH
実施例2
1−(4‘−フェニルチオ)フェナシル−(5−アゾニア−1−アザビシクロ[4.3.0]−5−ノネン)テトラフェニルボレート(II)の合成
Figure 0004843955
100mlナス型フラスコに、2−ブロモ−4’−フェニルチオアセトフェノン1.74g(0.0057mol)、ジエチルエーテル30mlを入れ、その後攪拌を行い均一溶液とした。1、5−ジアザビシクロ[4.3.0]−5−ノネン0.50g(0.0040mol)を溶かしたジエチルエーテル30mlを氷浴下でフラスコに入れ、引き続き30分間攪拌を続けた。その後、析出した固体をろ別し、30mlのジエチルエーテルで2回洗浄した。
得られた橙色固体を100mlナス型フラスコに移し、エタノール30mlを入れ攪拌を行った。これにナトリウムテトラフェニルボレート0.97g(0.0028mol)を溶かしたエタノール溶液30mlを氷浴下で加え、引き続き30分間攪拌を行った。その後、フラスコ内の固体をろ別し乾燥させ、白色固体を1.67g(0.0025mol、収率88%)を得た。H−NMRによる分析の結果、白色固体は目的物であることを確認した。
H−NMR(δ、ppm)、CDCN
7.82−6.84(m,29H,ArH),4.84(s,2H,COCH),3.70−3.68(m,2H、CH),3.38(t,2H、CH),3.32(t,2H、CH),2.71(t,2H,CH),2.15−2.13(m,4H、CH
実施例3
1−(4‘−フェニルチオ)フェナシル−(8−アゾニア−1−アザビシクロ[5.4.0]−7−ウンデセン)テトラフェニルボレート(III)の合成
Figure 0004843955

実施例2で用いた1、5−ジアザビシクロ[4.3.0]−5−ノネンを1、8−ジアザビシクロ[5.4.0]−7−ウンデセンに替えた以外は実施例2と同様の操作を行い、目的化合物を得た。
H−NMR(δ、ppm)、CDCN
7.83−6.83(m,29H,ArH),5.02(s,2H,COCH),3.62(t,2H,CH),3.51(t,2H,CH),3.34(t,2H,CH),2.55(m,2H,CH),2.16−2.12(m,2H,CH),1.71(m,4H,CH),1.58(m,2H,CH
参考実験1
1−フェナシル−(1−アゾニア−4−アザビシクロ[2.2.2]オクタン)テトラフェニルボレート(IV)の合成
Figure 0004843955
実施例1(1)で用いた2−ブロモ−4’−フェニルチオアセトフェノンを2-ブロモアセトフェノンに替えた以外は実施例1と同様の操作を行い、目的化合物を得た。化合物の確認はH−NMRにより行った。
参考実験2
1−ナフトイルメチル−(1−アゾニア−4−アザビシクロ[2.2.2]オクタン) テトラフェニルボレート(V)の合成
Figure 0004843955
実施例1(1)で用いた2−ブロモ−4’−フェニルチオアセトフェノンを2−ブロモアセチルナフタレンに替えた以外は実施例1と同様の操作を行い、目的化合物を得た。化合物の確認はH−NMRにより行った。
実施例4
光塩基発生剤のモル光吸係数の測定
実施例1〜3および参考実験1、2で合成した光塩基発生剤のモル光吸光係数ε(254nm、313nm)を以下の手順により調べた。結果を表1に示した。化合物I〜IIIは313nmの光を効率よく吸収できることが分かった。
測定手順
光塩基発生剤0.01gを10mlのメスフラスコに量りとり、標線までアセトニトリルを加え溶解させた。この溶液をメスピペットにより1ml量りとり、10mlのメスフラスコを用いアセトニトリルで10倍に希釈し、更にこの操作を繰り返すことにより、原液の100倍希釈溶液を作製した。
この溶液を石英セル(光路長=1cm)に入れ、分光光度計(島津社製UV−2500PC)により200〜400nmの吸収スペクトルを測定した。スペクトルにより得られた吸光度を用い、下式よりモル吸光係数を算出した。
モル吸光係数(ε)=吸光度×分子量/濃度(g/L)
Figure 0004843955
実施例5
エピスルフィド化合物の光硬化試験
ビス(2,3−エピチオプロピル)スルフィド100重量部、光塩基発生剤2重量部、γ−ブチロラクトン6重量部およびシリコーンオイルKF-351(信越化学社製)0.2重量部を混合し均一溶液とした後、この溶液をガラス基板上にバーコーター(No.9)を用い塗膜した。
石英製の窓がついた箱にこのガラス基板を設置し、箱に窒素ガスを流した。箱の中の酸素濃度が0.2%以下になったのを確認後、メタルハライドランプ(30mw/cm2)を用い紫外線を1分間照射した。その後直ちに、ガラス基板をテトラヒドロフラン(THF)に浸漬し、30分後THFから取り出し乾燥した。下式より不溶化率を求め、硬化速度の評価とした。結果を表2に示した。

ガラス基板に残存した樹脂の重量
不溶化率(%)= ――――――――――――――――― ×100
ガラス基板に塗布した溶液の重量

化合物Iを用いた場合、エピスルフィド化合物の硬化が非常に速く進行することが分かった。
Figure 0004843955

Claims (17)

  1. 下記一般式(1)で表される光塩基発生剤。
    Figure 0004843955
    ここで、Arはフェニル、ビフェニル、ナフチル,4−(フェニルチオ)フェニル基であって、これらの基は非置換であるか、またはC1〜C18アルキル、C3〜C18アルケニル、C3〜C18アルキニル、C1〜C18ハロアルキル、NO2、OH、CN、OR、SR、C(O)R、C(O)ORもしくはハロゲンによりモノ置換またはポリ置換されており(式中R、R、R、Rは水素またはC1〜C18アルキルである)、Rは水素又はC1〜C18アルキルであり、−Aは下記構造式から選ばれるアンモニウムイオンであり(式中、Lは1または0、RはC1〜C5アルキルである)、
    Figure 0004843955
    はボレートアニオン、N,N-ジメチルジチオカルバメートアニオン、N,N-ジメチルカルバメートアニオン、チオシアネートアニオンまたはシアネートアニオンである。
  2. 一般式(1)において、Arがフェニルである請求項1記載の光塩基発生剤。
  3. 一般式(1)において、―Aが下記構造式から選ばれるアンモニウムイオンである請求項1又は2記載の光塩基発生剤。
    Figure 0004843955
    (式中、Lは1または0、RはC1〜C5アルキルである。)
  4. 一般式(1)において、Xがボレートアニオンである請求項1〜3の何れかに記載の光塩基発生剤。
  5. 少なくとも1種の、分子内に少なくとも2つ以上のチイラン環を有するエピスルフィド化合物と、少なくとも1種の、一般式(1):
    Figure 0004843955
    (Arはフェニル、ビフェニル、ナフチル,4−(フェニルチオ)フェニル基であって、これらの基は非置換であるか、またはC1〜C18アルキル、C3〜C18アルケニル、C3〜C18アルキニル、C1〜C18ハロアルキル、NO2、OH、CN、OR、SR、C(O)R、C(O)ORもしくはハロゲンによりモノ置換またはポリ置換されており(式中R、R、R、Rは水素またはC1〜C18アルキルである)、Rは水素又はC1〜C18アルキルであり、−Aは下記構造式から選ばれるアンモニウムイオンであり(式中、Lは1または0、RはC1〜C5アルキルである)、
    Figure 0004843955
    はボレートアニオン、N,N-ジメチルジチオカルバメートアニオン、N,N-ジメチルカルバメートアニオン、チオシアネートアニオンまたはシアネートアニオンである。)
    で表される光塩基発生剤を含むことを特徴とする硬化性組成物。
  6. 一般式(1)において、Arがフェニルである請求項5記載の硬化性組成物。
  7. 一般式(1)において、―Aが下記構造式から選ばれるアンモニウムイオンである請求項5又は6記載の硬化性組成物
    Figure 0004843955
    (式中、Lは1または0、RはC1〜C5アルキルである。)
  8. 一般式(1)において、Xがボレートアニオンである請求項5〜7の何れかに記載の硬化性組成物。
  9. 前記エピスルフィド化合物が、下記一般式(2)で表される請求項5〜8の何れかに記載の硬化性組成物。
    Figure 0004843955
    (式(2)において、R6、R7はそれぞれ独立に、水素原子又はC1〜C10の一価の炭化水素基であり、R8、R9はそれぞれ独立にC1〜C10の2価の炭化水素基である。nは0〜4の整数、mは0〜6の整数である。)
  10. 一般式(2)のエピスルフィド化合物が、ビス(2,3−エピチオプロピル)スルフィド又はビス(2,3−エピチオプロピル)ジスルフィドである請求項9記載の硬化性組成物。
  11. 更に、増感剤を含むことを特徴とする請求項5〜10の何れかに記載の硬化性組成物。
  12. 一般式(1)の光塩基発生剤を溶解できる溶媒を含む事を特徴とする請求項5〜11の何れかに記載の硬化性組成物。
  13. 請求項5〜12の何れかに記載の硬化性組成物を、紫外線の照射により硬化させることを特徴とするエピスルフィド化合物の硬化方法。
  14. 前記硬化性組成物に紫外線を照射した後、加熱して硬化させることを特徴とする請求項13記載の硬化方法。
  15. 前記紫外線照射を酸素濃度が3%以下である雰囲気中で行うことを特徴とする請求項13または14記載の硬化方法。
  16. 前記酸素濃度が0.3%以下であることを特徴とする請求項15記載の硬化方法。
  17. 前記硬化を、少なくとも一種の、下記式で表される強塩基の存在下で行うことを特徴とする請求項13〜16の何れかに記載の硬化方法。
    Figure 0004843955
    (式中、Lは1または0、RはC1〜C5アルキルである)
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