JP4043350B2 - 分子鎖末端に官能基を有する高分子化合物を用いて安定化させたナノサイズの金属またはその無機化合物の粒子およびそれらの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、リビングアニオン重合法によって製造された半テレケリック（α−一官能性）高分子化合物またはテレケリック（α，ω−二官能性）高分子化合物を用いて安定化させた、金属またはその無機化合物のナノサイズ粒子、およびそれらの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
既存のナノサイズの金属粒子は、電解質またはドデシルチオールのような乳化剤を用いて製造されており、これらを利用したナノサイズの遷移金属粒子の一般的な製造方法および条件などは、非特許文献１に詳細に説明されている。また、機能性高分子およびテレケリック高分子の製造法および用途は、非特許文献２に詳細に記述されている。
【０００３】
ナノサイズの金属およびその無機化合物の粒子の製造方法は、多様である。製造方法は、ゾル−ゲル法と気相状態合成法に大別されるが、その方法に応じて、粒子のサイズ、形態および安定性などが決定される。特に、ゾル−ゲル法は、液状から直接ナノ粒子を製造することができるが、製造された粒子の安定性の悪いいことが、最大の問題点として指摘されている。その一般的な解決策は、非特許文献３によく説明されている。特に、ゾル−ゲルにおいては、粒子のサイズおよび安定性を調節するために、乳化剤を用いたミセル、または官能基を有する高分子化合物を利用した方法が、非特許文献４および５に詳細に説明されている。しかしながら、これら方法は、利用される物質が限定されているために、製造可能な金属ナノ粒子の種類に限界がある。
【０００４】
【非特許文献１】
T.Tanori, M.P.Pileni; Langmuir, 第13巻、639〜646頁、1997年発行
【非特許文献２】
E.J.Goethal（編）; Telechelic Polymers: Synthesis and Applications; CRC Press, 1989年発行
【非特許文献３】
R.W.Siegel, E.Hu, M.C.Roco； Nanostructured Science and Technology; A Worldwide Study; 第2章; Loyola College, 1999年発行
【非特許文献４】
S.Forster, T.Plantenberg；Angewandte Chemie Int. Ed. 2002年、41巻、688-714頁
【非特許文献５】
R.F.Ziolo, E.P.Giannelis, B.A.Weinstein, M.P.O'Horoら；Science 1992年、257巻、219-223頁
【非特許文献６】
R.P.Quirk； Comprehensive Polymer Science; Pergamon Press, 1992年、Supplement 1、第5章、83〜106頁
【非特許文献７】
R.P.Quirk, T. Yoo, Y. Lee, J. Kim, B. Lee； Advances in Polymer Science 2000年、153巻、68〜162頁
【非特許文献８】
H.L.Hsieh, R.P.Quirk； Anionic Polymerization: Principles and Practical Applications; 第11章；Marcel Dekker, 1996年発行；
【非特許文献９】
R.P. Quirk, J. Kim; Macromolecules、25巻、4515頁(1991）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の目的は、空気中でも安定であるナノサイズの金属またはその無機化合物の粒子を含む系、ならびにそれらの製造方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記の目的を達成するために研究を重ねた結果、リビングアニオン重合法により製造される、分子鎖末端に官能基を有する高分子化合物を用いて、ナノサイズの金属およびその無機化合物の粒子を安定化させ得ることを見出して、本発明を完成するに至った。
【０００７】
本発明は、リビングアニオン重合法によって製造された半テレケリックまたはテレケリック高分子化合物を用いて、高分子化合物のマトリックス内に安定化させたナノサイズの金属およびその無機化合物の粒子、ならびにそれらの製造方法に関する。
【０００８】
より具体的には、本発明は、下記式（１）〜（５）からなる群より選択される、分子鎖末端に官能基を有する、分子量が１，０００〜１００，０００の高分子化合物マトリックス内に存在する、空気中で安定なナノサイズの金属またはその無機化合物の粒子に関する。
【０００９】
【化９】
【００１０】
【化１０】
【００１１】
〔式中、
Ｒ1およびＲ2は、それぞれ独立して、水素（Ｈ）、メチル基（−ＣＨ3）またはｔ−ブチル基（−Ｃ（ＣＨ3）3）を示し；
Ｘ1およびＹ1は、それぞれ独立してカルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、ヒドロキシル基（−ＯＨ）、スルホ基（−ＳＯ3Ｈ）、無水フタル酸残基（−Ｃ6Ｈ3Ｃ2Ｏ3）またはチオール基（−ＳＨ）を示し；
ｎは、１０〜５，０００の整数である〕
【００１２】
【化１１】
【００１３】
【化１２】
【００１４】
〔式中、
Ｒ3およびＲ4は、それぞれ独立して、水素（Ｈ）またはメチル基（−ＣＨ3）を示し；
Ｘ2およびＸ3は、それぞれ独立して、ヒドロキシル基（−ＯＨ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、スルホ基（−ＳＯ3Ｈ）、チオール基（−ＳＨ）、第一級アミノ基（−ＮＨ2）、第三級アミノ基（−Ｎ（Ｒ）2、ここでＲは、メチルまたはエチルである）、または無水フタル酸残基（−Ｃ6Ｈ3Ｃ2Ｏ3）を示し；
ｍは、２０〜１０，０００の整数である〕
【００１５】
【化１３】
【００１６】
〔式中、
Ｘ4は、ヒドロキシル基（−ＯＨ）、第一級アミノ基（−ＮＨ2）、または第三級アミノ基（−Ｎ（Ｒ）2であり、ここでＲは、メチルまたはエチルである）を示し；
Ｙ2は、ヒドロキシル基（−ＯＨ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、スルホ基（−ＳＯ3Ｈ）、チオール基（−ＳＨ）、第一級アミノ基（−ＮＨ2）、第三級アミノ基（−Ｎ（Ｒ）2、ここでＲは、メチルまたはエチルである）、または無水フタル酸残基（−Ｃ6Ｈ3Ｃ2Ｏ3）を示し；
Ａ1は、スチレン系単量体に由来する反覆単位であり；Ｂ1は、（メタ）アクリル系単量体、ビニルピリジンまたはジエン系単量体に由来する反覆単位であり；
ｐおよびｑは、それぞれ独立して１０〜５，０００の整数である〕
【００１７】
また、本発明は、前記式（１）〜（５）で示される、分子鎖末端に官能基を有する、分子量が１，０００〜１００，０００の高分子化合物を提供する段階、前記高分子化合物を溶媒に溶解させる段階、生成溶液に高分子化合物：金属塩のモル比が１０００／１〜１／１になるように金属塩またはその水和物の溶液を添加する段階、および混合溶液に還元剤を添加する段階を含む、高分子マトリックス内に形成されたナノサイズの金属またはその無機化合物の粒子の製造方法に関する。
【００１８】
本発明は、また下記式（６）で示される、分子量が１，０００〜１００，０００の、両末端に官能基を有するテレケリック高分子（α，ω−二官能性高分子）化合物のマトリックス内に形成された、ナノサイズの金属粒子またはその無機化合物の粒子を含む、空気中で安定な系を提供する。
【００１９】
【化１４】
【００２０】
〔式中、
Ａ2は、スチレン系単量体、（メタ）アクリル系単量体、ビニルピリジンまたはジエン系単量体に由来する反覆単位を意味し；
ｎは、１０〜５，０００の整数であり；
Ｘ5は、ヒドロキシル基（−ＯＨ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、第一級アミノ基（−ＮＨ2）、第三級アミノ基（−Ｎ（Ｒ）2、ここでＲは、メチルまたはエチルである）、スルホ基（−ＳＯ3Ｈ）、チオール基（−ＳＨ）、または無水フタル酸残基（−Ｃ6Ｈ3Ｃ2Ｏ3）を示す〕
【００２１】
更に、本発明は、前記式（６）で示される、分子量が１，０００〜１００，０００の両末端に官能基を有するテレケリック高分子化合物を提供する段階、前記高分子化合物を溶媒に溶解させる段階、生成溶液に高分子化合物：金属塩のモル比が１０００／１〜１／１になるように金属塩溶液を添加する段階、および混合溶液に還元剤を添加する段階を含む、高分子マトリックス内に形成されたナノサイズの金属またはその無機化合物の粒子の製造方法を提供する。
【００２２】
また、本発明は、前記式（１）〜（５）からなる群より選択される、分子鎖末端に官能基を有する、分子量が１，０００〜１００，０００の高分子化合物のマトリックス内に空気中で安定な系として存在する、ナノサイズの金属またはその無機化合物の粒子と、構成セグメントによるドメイン状相分離が起きる下記式（７）または（８）のブロック共重合体とを混合することにより、ナノ粒子が、該ブロック共重合体の、粒子との親和性がより大きい相に、球状、円筒状、板状などの形状に配列されて集合したナノ構造体を提供する。
【００２３】
【化１５】
【００２４】
〔式中、
Ａ3は、スチレン系単量体に由来する反覆単位を意味し；Ｂ2は、（メタ）アクリル系単量体、ビニルピリジンまたはジエン系単量体に由来する反覆単位を意味し；
ｍおよびｎは、それぞれ独立して１０〜５，０００の整数であり；
Ｘ6は、水素（Ｈ）、ヒドロキシル基（−ＯＨ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、第一級アミノ基（−ＮＨ2）または第三級アミノ基（−Ｎ（Ｒ）2、ここでＲは、メチルまたはエチル基）を示し；
Ｙ3は、ヒドロキシル基（−ＯＨ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、スルホ基（−ＳＯ3Ｈ）、チオール基（−ＳＨ）、第一級アミノ基（−ＮＨ2）、第三級アミノ基（−Ｎ（Ｒ）2、ここでＲは、メチルまたはエチルである）、または無水フタル酸残基（−Ｃ6Ｈ3Ｃ2Ｏ3）を示す〕
【００２５】
【化１６】
【００２６】
〔式中、
Ａ4、Ｂ3およびＣは、それぞれ独立して、スチレン系単量体、ジエン系単量体、（メタ）アクリル系単量体またはビニルピリジン単量体に由来する単量体を意味し、ただし、Ａ4、Ｂ3およびＣのうち少なくとも一つは他と異なり、好ましくは三者は互に相異し；
ｋ、ｍおよびｎは、それぞれ独立して１０〜５，０００の整数であり；
Ｘ7、Ｘ8およびＹ4は、それぞれ独立して、水素（Ｈ）、ヒドロキシル基（−ＯＨ）、第一級アミノ基（−ＮＨ2）または第三級アミノ基（−Ｎ（Ｒ）2、ここでＲは、メチルまたはエチルである）を示し；
Ｙ5は、ヒドロキシル基（−ＯＨ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、スルホ基（−ＳＯ3Ｈ）、チオール基（−ＳＨ）、第一級アミノ基（−ＮＨ2）、第三級アミノ基（−Ｎ（Ｒ）2、ここでＲは、メチルまたはエチルである）または無水フタル酸残基（−Ｃ6Ｈ3Ｃ2Ｏ3）を意味する。
【００２７】
更に、本発明は、前記式（６）で示される、分子量が１，０００〜１００，０００の、両末端に官能基を有するテレケリック高分子（α，ω−二官能性高分子）化合物のマトリックス内に空気中で安定な系として形成された、ナノサイズの金属またはその無機化合物の粒子と、前記相分離が起きる式（７）または（８）のブロック共重合体の混合により、ナノ粒子が集合したナノ構造体を提供する。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明のナノサイズの金属またはその無機化合物の粒子は、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔのような金属；ＣｄＳ、ＰｂＳのような金属硫化物；ＴｉＯ2、γ−Ｆｅ2Ｏ3のような金属酸化物ならびにＰｔ（II）化合物、Ｐｄ（II）化合物の粒子を含み、これらに制限されない。
【００２９】
アニオンリビング重合法により製造される高分子化合物は、分子量の調節が容易であるのみならず、分子鎖末端に定量的に官能基を導入することが可能であるため、本発明は、多様な形態の高分子化合物またはブロック共重合体を使用して、ナノサイズの遷移金属のような金属や、その無機化合物の粒子サイズおよび形態を、自由に選択することができる。
【００３０】
また、本発明は、高分子化合物に定量的に官能基を導入することが可能であるため、必要に応じて官能基の種類を多様化できるという長所を有する。官能基としては、ヒドロキシル基（−ＯＨ）、スルホ基（−ＳＯ3Ｈ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、チオール基（−ＳＨ）、第一級アミノ基（−ＮＨ2）、第三級アミノ基（−Ｎ（Ｒ）2、ここでＲは、−ＣＨ3または−Ｃ2Ｈ5である）および無水フタル酸残基などが挙げられる。これらの合成法は、非特許文献６および７に記載されている。
【００３１】
より具体的には、本発明の特徴は、パラジウム（Ｐｄ）、銅（Ｃｕ）、カドミウム（Ｃｄ）、白金（Ｐｔ）、鉛（Ｐｂ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、鉄（Ｆｅ）などのように、触媒として使用されたり、半導体材料およびテータ貯蔵用物質として使用され得る遷移金属のような金属や、これらの無機化合物、例えば、硫化物または酸化物などのナノサイズ化を容易に達成できることである。このような金属またはその無機化合物の粒子のサイズは、通常１〜５００nmであり、好ましくは１〜５０nmである。
【００３２】
本発明の他の特徴は、分子鎖末端に官能基を有する、半テレケリックまたはテレケリック高分子化合物によって安定化させた、ナノサイズの金属またはその無機化合物の粒子を、自己集合が可能な多様なブロック共重合体化と混和して、容易にナノ構造化させることができ、微細素子（microdevice）の製造が容易に達成されるということである。
【００３３】
テレケリックまたは半テレケリックな高分子化合物により安定化されたナノ粒子は、自己集合が可能な高分子化合物との混合により、ナノ構造化が容易であるため、本発明により製造されるナノサイズの金属およびその無機化合物は、高分子マトリックス内に三次元的に集合（self-assembly）できる。そのため、実際の使用の際には、高分子マトリックスを焼いて樹脂を除去することにより、ナノパターン状に配列された粒子を回収することが可能である。
【００３４】
本発明において、分子鎖末端に官能性を有する高分子化合物の合成に使用可能な単量体としては、スチレン系、ビニルピリジン、ジエン系および（メタ）アクリル系などの単量体が例示され、その化学式は、一般に以下のとおりである。本発明は、これらに限定されるものではない。
スチレン系単量体：
【００３５】
【化１７】
【００３６】
ジエン系単量体：
ＣＨ2＝ＣＲ3−ＣＨ＝ＣＨ2
（メタ）アクリル系単量体：
【００３７】
【化１８】
【００３８】
〔式中、
Ｒ1、Ｒ3およびＲ4は、それぞれ独立して、水素（Ｈ）またはメチル基（ＣＨ3）であり；
Ｒ2は、水素（Ｈ）；メチル（ＣＨ3）、ｔ−ブチル（Ｃ（ＣＨ3）3）のようなアルキル基；トリメチルシロキシ（−ＯＳｉ（ＣＨ3）3）、ジメチル（ｔ−ブチル）シロキシ（−ＯＳｉ（ＣＨ3）2（ｔ−Ｂｕ））のような、トリアルキルシリル基で保護されたヒドロキシル基；またはビス（トリメチル）シリルアミノ（−Ｎ（Ｓｉ（ＣＨ3）3）2）のような、トリアルキルシリル基で保護されたアミノ基であってもよく；
Ｒ5は、水素、メチル基（ＣＨ3）またはヒドロキシエチル基（ＣＨ2ＣＨ2ＯＨ）であってもよく；
Ｘ′は、Ｈ、−Ｎ（ＣＨ3）2、−Ｎ（Ｓｉ（ＣＨ3）3）2、−ＯＳｉ（ＣＨ3）3または−ＯＳｉ（ｔ−Ｂｕ（ＣＨ3）2）であってもよい〕
【００３９】
（メタ）アクリル系単量体のうち、リビング重合により、分子量を調節したリビングポリマーが容易に得られ、これよりテレケリックまたは半テレケリック高分子化合物が得られることから、メチルメタクリラートが特に好ましい。
【００４０】
重合開始剤としては、アルキルリチウム、例えばｎ−ブチルリチウム、ｓ−ブチルリチウムおよびｔ−ブチルリチウム；リチウムナフタレニド；ジイソプロピルアミノリチウム；ならびにこれらのリチウムをナトリウム、カリウム、セシウム、ルビジウムのようなアルカリ金属で置換された、アルキルアルカリ金属化合物、アルカリ金属ナフタレニド、アルキルアルコキシドアルカリ金属化合物などが例示される。溶媒としては、パラフィン系溶媒、例えばペンタン、ヘキサンまたはヘプタン；非極性脂環式溶媒、例えばシクロヘキサン；非極性芳香族溶媒、例えばベンゼンまたはトルエン；極性溶媒、例えばテトラヒドロフラン；および極性溶媒と非極性溶媒、例えばパラフィン系溶媒との混合溶液（非極性／極性＝９０／１０〜９７／３、体積比）が例示される。これらを用いたリビング重合は、非特許文献８に詳細に説明されている。リビング重合によって得られる重合体は、開始剤の種類に応じて、例えば開始剤がアルキルリチウムの場合は片末端、リチウムナフタレニドの場合は両末端にリチウムイオンが存在する。
【００４１】
本発明で使用される分子鎖末端に官能基を有する高分子の一般的な分子形態は、下記構造式のとおりである。
【００４２】
【化１９】
【００４３】
〔式中、ＸおよびＹは、たがいに同一または異なっていてもよく、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、ヒドロキシル基（−ＯＨ）、スルホ基（−ＳＯ3Ｈ）、第一級アミノ基（−ＮＨ2）、第三級アミノ基（−Ｎ（Ｒ）2、ここでＲは、−ＣＨ3、−Ｃ2Ｈ5）またはチオール基（−ＳＨ）を示す〕
【００４４】
機能性高分子（半テレケリック、テレケリック高分子）化合物は、前記の開始剤または触媒を用いて製造されたリビングポリマーを、二酸化炭素（ＣＯ2）、エチレンオキシド；スルトン、例えば、１，３−プロパンスルトンもしくは１，４−ブタンスルトン；アルキレンスルフィド、例えばエチレンスルフィドもしくはプロピレンスルフィド；またはトリメリト酸無水物モノクロリドなどと、高真空下で反応させて製造される。このような方法により、片末端にリチウムが存在する重合体から半テレケリック高分子化合物、両末端にリチウムが存在する重合体からテレケリック高分子化合物が得られる。なお、保護された官能基を有する単量体（スチレン誘導体またはジフェニルエチレン誘導体）を使用することができ、その一般式は、下記のとおりである。
【００４５】
【化２０】
【００４６】
〔式中、
Ｒ6は、水素またはメチル基であり；
Ｘ″は、オキサゾリニル；ジメチルアミノ；トリメチルシロキシ、ジメチル（ｔ−ブチル）シロキシのようなトリアルキルシロキシ基；またはビス（トリメチルシリル）アミノのようなビス（トリアルキルシリル）アミノ基である〕
【００４７】
例えば、高真空下でｓ−ブチルリチウム（１．０×１０− 4モル）を開始剤として、テトラヒドロフラン（１００ml）中で、保護された反応性基を有するスチレンを、−７８℃で６時間重合して製造されたリビングポリマーに、あらかじめ精製した１，１−ジフェニルエチレン（１．２×１０− 4モル）を４時間反応させ、次いで１，３−プロパンスルトン（２．０×１０− 4モル）を常温で２４時間反応させれば、分子鎖末端にスルホ基を有する半テレケリック高分子化合物を、定量的に製造できる。この時、製造された高分子化合物の分子量は、リビングポリマーの合成に用いる単量体の量によって調節が可能である。得られた高分子化合物の収率は、1ＨＮＭＲスペルトルで分析することができる。このことは、非特許文献９に詳細に紹介されている。
【００４８】
本発明に用いられる半テレケリックおよびテレケリック高分子化合物は、ポリスチレンおよびその誘導体；ポリブタジエン、ポリイソプレンのようなジエン系高分子化合物；ポリメチルメタクリラートのような（メタ）アクリル系単量体；、ポリ（４−ビニルピリジン）またはポリ（２−ビニルピリジン）のようなポリビニルピリジン；ならびにスチレン−メチルメタクリラート共重合体、スチレン−ブタジエン−メチルメタクリラート共重合体、スチレン−ビニルピリジン共重合体のような、これらを構成する単量体の共重合体を包含する。適切な分子量は、５００〜２００，０００、好ましくは１，０００〜５０，０００であり、これらを使用する際の溶液中の濃度は、０．０１〜５．０ｇ／１０mlが好ましい。
【００４９】
本発明でナノサイズの金属およびその無機化合物の製造に使用される遷移金属塩の濃度は、通常０．０１〜１０ｇ／１０mlである。塩としては、酢酸塩のようなカルボン酸塩が例示され、その水和物を用いてもよい。反応温度は、通常−７８℃〜＋７０℃であり、１０〜５０℃が好ましい。還元剤としては、ＮａＢＨ4、Ｈ2ＳまたはＮａ2Ｓなどが用いられる。また、特殊な場合、水素ガスを導入して、還元を行うこともできる。
【００５０】
【実施例】
以下、本発明を実施例によってより詳細に説明する。本発明は、下記の実施例によって限定されるものではない。
【００５１】
＜実施例１＞
高真空下で、容量１，０００mlの丸底パイレックスフラスコに、ベンゼン５００mlを蒸留しつつ仕込み、精製スチレン２０mlを加え、ブチルリチウム開始剤（９．０７×１０− 3モル）を用い、真空下、２５℃で２４時間反応させて、分子量２，０００g/molのリビングポリスチリルリチウム（poly(styryl)lithium、α−リチオポリ（スチレン））を製造した。これに、真空下で精製エチレンオキシドをポリスチリルリチウムに対して１０倍のモル比で添加して、分子鎖末端に９９モル％以上のヒドロキシル基を有する機能性ポリマーを合成した。
【００５２】
同様な方法で製造したリビングポリスチリルリチウムに、５倍モル比のテトラヒドロフランを反応器内に分別蒸留しつつ供給した後、１，１−ジフェニルエチレンをポリスチリルリチウムに対して２倍のモル比で添加して、５時間反応させた後、二酸化炭素ガス（９９．９９％）を注入し、分子鎖末端に９９モル％以上のカルボキシル基を有する末端官能基を有するポリマーを合成した。
【００５３】
二酸化炭素の代わりに１，３−プロパンスルトンを上記リビングポリマーに対して３倍のモル比で添加して、末端にスルホ基を有するポリマーを製造した。また、ポリスチリルリチウムに対して３倍のモル比のプロピレンスルフィドを添加して、末端にチオール基を有する機能性ポリマーを合成した。
【００５４】
上記のように製造したポリスチリルリチウム５ｇを、１，０００mlビーカー中で、テトラヒドロフラン１００mlに溶解し、塩酸／テトラヒドロフラン（１規定溶液）を加え、撹拌しながら２４時間反応させて、リチウムイオンをヒドロキシル基に置換した。
【００５５】
上記のようにして製造したヒドロキシル化したポリマーに、高真空下で３倍モル数の精製トリメリト酸無水物モノクロリドを付加した後、３０℃で２４時間反応させ、分子鎖末端に無水フタル酸残基官能性を有する機能性ポリスチレンを合成した。
【００５６】
このようにして合成された、各種の官能基を有する機能性ポリマーの分子量は、ゲル浸透クロマトグラフィによって測定した結果、５００〜１００，０００g/molであり、官能基化率は、1ＨＮＭＲで測定した結果、９９モル％以上であった。
【００５７】
＜実施例２＞
実施例１と同様な方法で、電子転移アニオン触媒であるリチウムナフタレニド（１．０×１０− 2モル）を用いて、ベンゼン／テトラヒドロフラン（体積比９５／５）の混合溶媒１００ml中で、スチレン単量体１０ｇを２５℃で２４時間重合させて、分子量が２，０００のリビングポリスチレンを合成し、これに４．０×１０− 2モルのエチレンオキシドを付加した後、２４時間反応させて、分子鎖両末端にヒドロキシル基を有するテレケリックポリマーとして、α，ω−ジリチオポリ（スチレン）からのジヒドロキシル化物を合成した。
【００５８】
また、前記実施例１と同様な方法で、カルボキシル基、スルホ基またはチオール基を有するテレケリックポリスチレンをそれぞれ合成した。すなわち、スチレンの量とリチウムナフタレニドのモル比を調節して、分子量が５００〜１００，０００になるように重合を行い、これらの官能基化を、実施例１と同様な方法で実施した。更に、合成したリビングポリマーを、実施例１と同様な方法で、その末端リチウムをヒドロキシル基に置換した。これらの官能基化率は、９８モル％以上であった。
【００５９】
＜実施例３＞
前記実施例１と同様な方法で、ポリブタジエニルリチウムを合成し、これより、末端にヒドロキシル基、カルボキシル基、スルホ基またはチオール基を有するポリマーをそれぞれ合成した。すなわち、実施例２と同様な方法により、まずリチウムナフタレニドに対する４倍のモル比で、スチレンを容量１，０００mlの反応器中で反応させた。４時間後にブタジエンを注入して、分子鎖の両末端にリビング活性体を有するジエン系リビングポリマーを合成した。この時、分子量が１，０００〜２００，０００g/molになるように、単量体の量を調節して重合を行った。得られたリビングポリマーより、実施例２と同様な方法で、テレケリックポリマーを合成した。ポリジエン系テレケリック官能基化率は、９８モル％以上であった。
【００６０】
＜実施例４＞
実施例１と同様な方法で製造したリビングポリスチリルリチウムのベンゼン溶液に、ジフェニルエチレン誘導体である４，４′−ビス〔（ジメチル）アミノ〕フェニルエチレン、４，４′−ビス〔ジ〔（トリメチルシリル）〕アミノ〕フェニルエチレン、１−〔４−ビス（トリメチルシリル）アミノ〕フェニル−１−フェニルエチレン、１−（４−ジメチルアミノ）フェニル−１−フェニルエチレン、４，４′−ビス〔（ｔ−ブチル）（ジメチル）シロキシ〕フェニルエチレン、１−〔（ｔ−ブチル）（ジメチル）シロキシ〕フェニル−１−フェニルエチレンを、それぞれリビングポリマーに対して２倍モル比のテトラヒドロフラン溶媒に溶解し、リビングポリマー溶液に真空下で添加して、末端官能基化を実施した。常温で２４時間撹拌しながら反応を進めた。
【００６１】
空気を除去したメタノールを添加して反応を停止させた後、再び過剰量の濃硫酸（２規定溶液）／テトラヒドロフラン溶液に加えてシリル基を除去し、官能基を活性水素化し、すなわちヒドロキシル基またはアミノ基に転換させた。この時、ポリマーの分子量が１，０００〜２００，０００になるように調節した。官能基化率は、９９．５モル％以上であった。
【００６２】
＜実施例５＞
実施例２と同様な方法で製造したリビングポリマー溶液に、実施例４と同様な方法で、実施例４と同様のジフェニルエチレン誘導体を付加させて、テレケリックポリマーを製造した。同様な方法でヒドロキシル化またはアミノ化させた後、ポリマーの分子量は１，０００〜２００，０００であった。官能基化率は、モル比濃度基準として９９モル％以上であった。
【００６３】
＜実施例６＞
ブチルリチウム開始剤を利用したリビング重合法を用いて、逐次的に単量体を付加する方法により、ポリ（スチレン−メチルメタクリラート）ブロック共重合体、ポリ（スチレン−ブタジエン−メチルメタクリラート）ブロック共重合体、ポリ（スチレン−４−ビニルピリジン）ブロック共重合体およびポリ（スチレン−２−ビニルピリジン）ブロック共重合体を製造した。各ブロックの構成成分比を、ジブロック共重合体の場合、７５：２５、５０：５０または２５：７５；三元共重合体の場合、７５：５０：２５になるように調節し、総分子量を、２０，０００〜５００，０００g/molになるように調節した。
【００６４】
＜実施例７＞
実施例６のようにしてブロック共重合体を製造する際に、実施例４で用いたジフェニルエチレン誘導体を、二回目および三回目の単量体の投入前に投入し、それぞれの単量体を連続的に投入してブロック共重合体鎖の中間に、保護された官能基を有するブロック共重合体を製造し、空気を除去したメタノールを添加して反応を停止させた後、過剰量の濃硫酸（２規定溶液）／テトラヒドロフラン溶液に加えてシリル基を除去することにより、保護された官能基を活性水素化させた。なお、製造したポリマー化合物の総分子量が２０，０００〜５００，０００g/molになるように、重合を実施した。
【００６５】
＜実施例８＞
実施例１で製造した、分子量が２，０００g/molの、分子鎖末端にヒドロキシル基を有するポリマー、カルボキシル基を有するポリマー、スルホ基を有するポリマー、およびチオール基を有するポリマー各０．１ｇを、それぞれ容量５０mlのバイアル内のトルエン／メタノール（体積比８０／２０）の混合溶液１０ml中に加え、常温で溶解した後、アルゴンで空気を置換した。一方、酢酸カドミウム二水和物１ｇを、５０ml用バイアル内のトルエン／メタノール（体積比８０／２０）の混合溶液１０ml中に加えて、常温で溶解した後、アルゴンで空気を置換した。カドミウム塩溶液１．７mlを、それぞれのバイアル内のポリマー溶液に加え、２時間撹拌しながら混合した。
【００６６】
１気圧の硫化水素約４０mlを、注射器を用いてそれぞれのバイアル内の溶液に注入し、撹拌しながら４時間反応させた。この時、各バイアル内の溶液の色合いは淡黄色から橙色に変わった。反応物を過剰量のメタノール中で沈殿させて、褐色およびオレンジ色の粉末を得た。それぞれの粉末中の硫化カドミウム粒子のサイズは、電子顕微鏡により測定した結果、５〜３０nmであった。このように製造したＣｄＳナノ粒子を含むポリマーは、空気中で３ヵ月以上その形体を維持し、ベンゼン、トルエンまたはテトラヒドロフランに容易に溶解した。
【００６７】
＜実施例９＞
実施例２で製造した、分子量が２，５００g/molであって、ヒドロキシル基を有するポリマー、カルボキシル基を有するポリマー、スルホ基を有するポリマー、およびチオール基を有するポリマー各０．１ｇを、実施例８と同様な方法でそれぞれ５０ml用バイアル内のトルエン／メタノール（体積比８０／２０）の混合溶液１０mlに加えて、常温で溶解した後、アルゴン気体で空気を置換した。一方、酢酸カドミウム二水和物１ｇを、５０ml用バイアル内のトルエン／メタノール（体積比８０／２０）の混合溶液１０ml中に加え、常温で溶解した後、アルゴンで空気を除去した。酢酸カドミウム溶液１．７mlを、バイアル内のそれぞれのポリマー溶液に入れ、２時間撹拌しながら混合した。
【００６８】
次いで、１気圧の硫化水素約４０mlを、注射器を用いて、それぞれのバイアル内の溶液に注入し、撹拌しながら４時間反応させた。反応につれて、各バイアル内の溶液の色合いは、淡黄色から橙色に変わった。反応物を過剰量のメタノール中で沈殿させて、褐色またはオレンジ色の粉末を得た。各粉末内の硫化カドミウム（ＣｄＳ）粒子のサイズは、５〜３０nmであった。
【００６９】
図１は、前記ＣｄＳ粒子を含有する、分子鎖末端にヒドロキシル基を有するテレケリックポリマーの電子顕微鏡写真であり、図２は、前記ＣｄＳ粒子を含有する、分子鎖末端にスルホ基を有するテレケリックポリマーの電子顕微鏡写真である。
【００７０】
＜実施例１０＞
実施例３で合成した、分子量が２，８００g/molの官能性ポリブタジエン０．１ｇを用いて、実施例８と同様な方法で処理した結果、３〜２０nmサイズの分布を有するＣｄＳナノ粒子が生成した。
【００７１】
＜実施例１１＞
実施例４で合成した、分子量が３，５００のテレケリックポリマー０．１ｇを用いて、実施例９と同様な条件下で処理した結果、５〜３０nmのサイズを有するＣｄＳのナノ粒子が生成した。
【００７２】
＜実施例１２＞
実施例４で合成した、分子量が２，８００の、分子鎖末端に官能基を有するポリマー０．１ｇを用いて、実施例９と同様な反応条件下で処理した結果、１０〜３５nmサイズのＣｄＳナノ粒子の製造が可能であった。
【００７３】
＜実施例１３＞
実施例１と実施例２で合成した、末端に官能基を有するそれぞれのポリマー０．１ｇずつを、実施例９のようにバイアル内の１０mlメタノール／トルエン溶液に溶解し、また酢酸鉛三水和物１．０ｇをメタノール／トルエン溶液１０mlに溶解して、実施例９と同様な方法でＰｂＳナノ粒子を製造した。溶液の色合いは、オレンジ色を示した。各混合物中の粒子のサイズは、５〜２５nmであった。
【００７４】
＜実施例１４＞
実施例２で合成した、スルホ基を分子鎖の両末端に有する、分子量が２，２００のテレケリックポリマー０．１ｇを、メタノール／蒸溜水（体積比２０／８０）溶液２０mlに溶解した後、ＦｅＣｌ2・４Ｈ2Ｏ ２ｇを加えて、アルゴンガスでバイアル中の空気を置換した後、撹拌しながら１２．５規定の水酸化ナトリウム溶液５mlを添加した。この時、バイアル内の混合物は、淡緑色を呈した。バイアルを約６０℃に加熱し、撹拌しながら過酸化水素２〜１０mlを添加し、約５時間反応させた。反応物を過剰量のｎ−ペンタン中に沈殿させて、γ−Ｆｅ2Ｏ3を含むポリマー粉末を得た。このようにして生成されたポリマー内のγ−Ｆｅ2Ｏ3の粒子サイズは、５〜１５nmであった。
【００７５】
＜実施例１５＞
実施例２で合成した、分子量が２，５００g/molであって、ヒドロキシル基、カルボキシル基またはスルホ基を有するそれぞれのテレケリックポリマー２５ｇ（０．０１モル）ずつを、５００mlパイレックスフラスコ内の蒸溜水／テトラヒドロフラン（７０／３０、体積比）の混合溶液１００mlにそれぞれ溶解し、テトラクロロ白金（II）酸カリウム（Ｋ2ＰｔＣｌ4、９８％）０．００４３ｇ（１．０×１０− 5モル）を溶液中添加し、アルゴン気流下で約３０分間撹拌した。更に、水素（純度９９％、２０ml/min）を５分間注入した後、反応器をゴム隔膜（septa）で封じて２４時間静置した。反応生成物をペンタン中で沈殿させて、黄色粉末を得た。このようにして、高分子マトリックス中に分数した、約５〜３０nmサイズの、テレケリックポリマーの官能基に応じてＰｔ（II）酸化物などの粒子が得られた。
【００７６】
＜実施例１６＞
実施例１５と同様な方法で、Ｋ2ＰｔＣｌ4の代わりにテトラクロロパラジウム（II）酸カリウム（Ｋ2ＰｄＣｌ4、９８％）０．００３３ｇ（１．０×１０− 5モル）を添加し、実施例１５と同様な方法で反応させた。このようにして製造したＰｄ（II）の粒子のサイズは、５〜３０nmであった。
【００７７】
＜実施例１７＞
実施例４で合成した、末端に官能基としてヒドロキシル基、第一級アミノ基または第三級アミノ基を有するポリマー（分子量；２，５００）それぞれ５０ｇを、蒸溜水／テトラヒドロフラン（体積比５０／５０）２５０mlに溶解し、Ｋ2ＰｔＣｌ4水溶液２mMを添加し、還元剤としてＮａＢＨ4（０．０４mM）を添加して、常温で６時間反応させた。このようにして製造した白金ナノ粒子のサイズは、３〜２０nmであった。
【００７８】
＜実施例１８＞
実施例４で合成した第三級アミノ基を有するポリマー２０mgを、５００ml丸底パイレックス反応器内の蒸溜水／トルエン（体積比５０／５０）２５０mlに溶解した。次いで、３０mMテトラクロロ金（III）酸（ＨＡｕＣｌ4）溶液３mlを付加し、撹拌しながら還元剤として０．４MのＮａＢＨ4水溶液２．５mlを反応器に注入し、常温で撹拌しながら２４時間反応させた。反応が終った後、水溶液部分を除去し、過剰量の蒸溜水でトルエン溶液部分を数回洗浄した。このようにして製造したトルエン溶液は、濃赤色を帯びた。これらを過剰量のメタノールに沈殿させて、赤色粉末を得た。粉末内の金ナノ粒子のサイズは、２〜３０nmであった。
【００７９】
＜実施例１９＞
塩化パラジウム（II）（ＰｄＣｌ2）１２mg（０．０６６mM）を、エタノール／蒸溜水混合溶液２５／２５（ml／ml）に溶解して溶液を得た。実施例４で製造した分子量が２，４００の、分子鎖末端にヒドロキシル基を有するテレケリックポリマー１２ｇ（５mM）を、エタノール／トルエン混合溶液５０／５０ml（体積／体積）に溶解させた溶液に、前記塩化パラジウム溶液を加えて、撹拌しながら０．４MのＮａＢＨ4水溶液１０mlを注入し、常温で２４時間反応させた。黒褐色のトルエン層を蒸溜水で洗浄し、これを更に過剰量のメタノールを加えて沈殿させ、褐色粉末を得た。高分子マトリックスに分散したパラジウム（II）の、電子顕微鏡により測定されたサイズは、３５〜１５０nmであった。
【００８０】
＜実施例２０＞
蒸溜水３０mlを撹拌しながら、テトライソプロポキシチタニウム１６．２ml（０．０５モル）を添加し、１時間反応させて、白色の沈殿物を生成させた。これを過剰量の蒸溜水で洗浄して、１，０００ml高圧反応器（Buchi社）に仕込み、０．０６モルの水酸化テトラメチルアンモニウムを添加した。その結果、白色のスラリーが生成した。次いで、この溶液のpHが８になるように、アルカリ水溶液を加えた。更に、反応器の温度を１３０℃程度に維持しながら３〜６時間撹拌して、非常に弱い青色の溶液を生成するが、この溶液のpHは１３程度であった。このスラリーに、実施例２で製造したスルホ基またはカルボキシル基を有するポリマーを、それぞれ０．１〜１．０重量t%になるように加えた。このようにして製造したＴｉＯ2粒子のサイズは、ポリマー濃度に応じて２〜４５nmを示した。
【００８１】
＜実施例２１＞
実施例６で合成したポリスチレン−ポリメチルメタクリラートブロック共重合体（分子量：ポリスチレン部分５０，０００；ポリメチルメタクリラート部分２０，０００）１０ｇを、トルエン１００mlに溶解し、更に実施例９で製造したナノ粒子粉末０．０１ｇを添加して、２時間撹拌した。この溶液をガラス板に流延してフィルムを得た。電子顕微鏡を用いてフィルム上の粒子サイズを観察した結果、ＣｄＳナノ粒子は、ポリスチレン−ポリメチルメタクリラート界面上によく分布していた。
【００８２】
＜実施例２２＞
実施例６で合成したポリスチレン−ポリ（４−ビニルピリジン）ブロック共重合体（分子量：ポリスチレン部分１０，０００；Ｐ（４−ビニルピリジン部分２，５００）１０ｇをジメチルスルホキシド５０mlに溶解し、実施例１４で製造したγ−Ｆｅ2Ｏ3ナノ粒子粉末０．０１ｇを加えて４時間撹拌した。更に、この溶液をガラス板上に流延してフィルムを製造し、電子顕微鏡により観察した結果、二酸化鉄ナノ粒子は、ブロック共重合体の界面によく分布していた。
【００８３】
＜実施例２３＞
実施例６で合成したポリスチレン−ポリ（４−ビニルピリジン）ブロック共重合体（分子量：ポリスチレン部分１０，０００；ポリ（４−ビニルピリジン部分）部分２，５００）１０ｇを、ジメチルスルホキシド５０mlに溶解し、実施例１８で製造した金ナノ粒子粉末０．０１ｇを加えて、実施例２１と同様な方法でフィルムを製造して形態を分析した結果、ブロック共重合体の界面に金ナノ粒子が分布していた。
【００８４】
＜実施例２４＞
実施例７で合成した、分子鎖の中間に第三級アミノ基、末端にヒドロキシル基を有する分子量３０，０００のポリスチレン−ポリメチルメタクリラートブロック共重合体（分子量：ポリスチレン部分２０，０００；ポリメチルメタクリラート部分１０，０００）１０ｇを、蒸溜水／テトラヒドロフラン（体積比２０／８０）の混合溶液１００mlに溶解して、ブロック共重合体の溶液を得た。一方、１ｇの酢酸カドミウム二水和物（（ＣＨ3ＣＯ2）2Ｃｄ・２Ｈ2Ｏ）から、実施例８と同様の半テレケリックポリマーを用いる方法で反応させた結果、ＣｄＳナノ粒子を黄色粉末として得た。これを、上記のブロック共重合体に添加し、実施例２１と同様にしてフィルムを得た。これを電子顕微鏡により観察した結果、２〜２５nmサイズのＣｄＳナノ粒子が、ブロック共重合体のドメイン界面に配列されて存在するナノ構造体を形成していた。
【００８５】
【発明の効果】
本発明によって、安定性に優れ、単に特にブロック共重合体と混合することにより、ナノ構造化が容易に達成できるナノサイズ粒子の金属およびその無機化合物のを提供することができる。また、本発明によって、従来のナノ粒子の用途の限界が克服でき、ナノ粒子の安定化およびサイズ調節のために用いられる高分子化合物の濃度のみならず、分子量の調節が可能である。また、半テレケリック高分子化合物を使用して製造されたナノ粒子を含む系においては、該高分子化合物が、ベンゼン、トルエン、テトラヒドロフランなどのような多様な有機溶媒に溶解し、テレケリック高分子を用いて製造されたナノ粒子を含む高分子化合物は、溶媒に溶解しないが、安定なナノ粒子の形態を３ヵ月以上維持する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例９で製造した、分子鎖末端にヒドロキシル基を有し、ＣｄＳ粒子を含有するテレケリック高分子系の電子顕微鏡写真である。
【図２】実施例９で製造した、分子鎖末端にスルホ基を有し、ＣｄＳ粒子を含有するテレケリック高分子系の電子顕微鏡写真である。
【発明が属する技術分野】
本発明は、リビングアニオン重合法によって製造された半テレケリック（α−一官能性）高分子化合物またはテレケリック（α，ω−二官能性）高分子化合物を用いて安定化させた、金属またはその無機化合物のナノサイズ粒子、およびそれらの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
既存のナノサイズの金属粒子は、電解質またはドデシルチオールのような乳化剤を用いて製造されており、これらを利用したナノサイズの遷移金属粒子の一般的な製造方法および条件などは、非特許文献１に詳細に説明されている。また、機能性高分子およびテレケリック高分子の製造法および用途は、非特許文献２に詳細に記述されている。
【０００３】
ナノサイズの金属およびその無機化合物の粒子の製造方法は、多様である。製造方法は、ゾル−ゲル法と気相状態合成法に大別されるが、その方法に応じて、粒子のサイズ、形態および安定性などが決定される。特に、ゾル−ゲル法は、液状から直接ナノ粒子を製造することができるが、製造された粒子の安定性の悪いいことが、最大の問題点として指摘されている。その一般的な解決策は、非特許文献３によく説明されている。特に、ゾル−ゲルにおいては、粒子のサイズおよび安定性を調節するために、乳化剤を用いたミセル、または官能基を有する高分子化合物を利用した方法が、非特許文献４および５に詳細に説明されている。しかしながら、これら方法は、利用される物質が限定されているために、製造可能な金属ナノ粒子の種類に限界がある。
【０００４】
【非特許文献１】
T.Tanori, M.P.Pileni; Langmuir, 第13巻、639〜646頁、1997年発行
【非特許文献２】
E.J.Goethal（編）; Telechelic Polymers: Synthesis and Applications; CRC Press, 1989年発行
【非特許文献３】
R.W.Siegel, E.Hu, M.C.Roco； Nanostructured Science and Technology; A Worldwide Study; 第2章; Loyola College, 1999年発行
【非特許文献４】
S.Forster, T.Plantenberg；Angewandte Chemie Int. Ed. 2002年、41巻、688-714頁
【非特許文献５】
R.F.Ziolo, E.P.Giannelis, B.A.Weinstein, M.P.O'Horoら；Science 1992年、257巻、219-223頁
【非特許文献６】
R.P.Quirk； Comprehensive Polymer Science; Pergamon Press, 1992年、Supplement 1、第5章、83〜106頁
【非特許文献７】
R.P.Quirk, T. Yoo, Y. Lee, J. Kim, B. Lee； Advances in Polymer Science 2000年、153巻、68〜162頁
【非特許文献８】
H.L.Hsieh, R.P.Quirk； Anionic Polymerization: Principles and Practical Applications; 第11章；Marcel Dekker, 1996年発行；
【非特許文献９】
R.P. Quirk, J. Kim; Macromolecules、25巻、4515頁(1991）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の目的は、空気中でも安定であるナノサイズの金属またはその無機化合物の粒子を含む系、ならびにそれらの製造方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記の目的を達成するために研究を重ねた結果、リビングアニオン重合法により製造される、分子鎖末端に官能基を有する高分子化合物を用いて、ナノサイズの金属およびその無機化合物の粒子を安定化させ得ることを見出して、本発明を完成するに至った。
【０００７】
本発明は、リビングアニオン重合法によって製造された半テレケリックまたはテレケリック高分子化合物を用いて、高分子化合物のマトリックス内に安定化させたナノサイズの金属およびその無機化合物の粒子、ならびにそれらの製造方法に関する。
【０００８】
より具体的には、本発明は、下記式（１）〜（５）からなる群より選択される、分子鎖末端に官能基を有する、分子量が１，０００〜１００，０００の高分子化合物マトリックス内に存在する、空気中で安定なナノサイズの金属またはその無機化合物の粒子に関する。
【０００９】
【化９】
【化１０】
〔式中、
Ｒ1およびＲ2は、それぞれ独立して、水素（Ｈ）、メチル基（−ＣＨ3）またはｔ−ブチル基（−Ｃ（ＣＨ3）3）を示し；
Ｘ1およびＹ1は、それぞれ独立してカルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、ヒドロキシル基（−ＯＨ）、スルホ基（−ＳＯ3Ｈ）、無水フタル酸残基（−Ｃ6Ｈ3Ｃ2Ｏ3）またはチオール基（−ＳＨ）を示し；
ｎは、１０〜５，０００の整数である〕
【００１２】
【化１１】
【化１２】
〔式中、
Ｒ3およびＲ4は、それぞれ独立して、水素（Ｈ）またはメチル基（−ＣＨ3）を示し；
Ｘ2およびＸ3は、それぞれ独立して、ヒドロキシル基（−ＯＨ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、スルホ基（−ＳＯ3Ｈ）、チオール基（−ＳＨ）、第一級アミノ基（−ＮＨ2）、第三級アミノ基（−Ｎ（Ｒ）2、ここでＲは、メチルまたはエチルである）、または無水フタル酸残基（−Ｃ6Ｈ3Ｃ2Ｏ3）を示し；
ｍは、２０〜１０，０００の整数である〕
【００１５】
【化１３】
〔式中、
Ｘ4は、ヒドロキシル基（−ＯＨ）、第一級アミノ基（−ＮＨ2）、または第三級アミノ基（−Ｎ（Ｒ）2であり、ここでＲは、メチルまたはエチルである）を示し；
Ｙ2は、ヒドロキシル基（−ＯＨ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、スルホ基（−ＳＯ3Ｈ）、チオール基（−ＳＨ）、第一級アミノ基（−ＮＨ2）、第三級アミノ基（−Ｎ（Ｒ）2、ここでＲは、メチルまたはエチルである）、または無水フタル酸残基（−Ｃ6Ｈ3Ｃ2Ｏ3）を示し；
Ａ1は、スチレン系単量体に由来する反覆単位であり；Ｂ1は、（メタ）アクリル系単量体、ビニルピリジンまたはジエン系単量体に由来する反覆単位であり；
ｐおよびｑは、それぞれ独立して１０〜５，０００の整数である〕
【００１７】
また、本発明は、前記式（１）〜（５）で示される、分子鎖末端に官能基を有する、分子量が１，０００〜１００，０００の高分子化合物を提供する段階、前記高分子化合物を溶媒に溶解させる段階、生成溶液に高分子化合物：金属塩のモル比が１０００／１〜１／１になるように金属塩またはその水和物の溶液を添加する段階、および混合溶液に還元剤を添加する段階を含む、高分子マトリックス内に形成されたナノサイズの金属またはその無機化合物の粒子の製造方法に関する。
【００１８】
本発明は、また下記式（６）で示される、分子量が１，０００〜１００，０００の、両末端に官能基を有するテレケリック高分子（α，ω−二官能性高分子）化合物のマトリックス内に形成された、ナノサイズの金属粒子またはその無機化合物の粒子を含む、空気中で安定な系を提供する。
【００１９】
【化１４】
〔式中、
Ａ2は、スチレン系単量体、（メタ）アクリル系単量体、ビニルピリジンまたはジエン系単量体に由来する反覆単位を意味し；
ｎは、１０〜５，０００の整数であり；
Ｘ5は、ヒドロキシル基（−ＯＨ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、第一級アミノ基（−ＮＨ2）、第三級アミノ基（−Ｎ（Ｒ）2、ここでＲは、メチルまたはエチルである）、スルホ基（−ＳＯ3Ｈ）、チオール基（−ＳＨ）、または無水フタル酸残基（−Ｃ6Ｈ3Ｃ2Ｏ3）を示す〕
【００２１】
更に、本発明は、前記式（６）で示される、分子量が１，０００〜１００，０００の両末端に官能基を有するテレケリック高分子化合物を提供する段階、前記高分子化合物を溶媒に溶解させる段階、生成溶液に高分子化合物：金属塩のモル比が１０００／１〜１／１になるように金属塩溶液を添加する段階、および混合溶液に還元剤を添加する段階を含む、高分子マトリックス内に形成されたナノサイズの金属またはその無機化合物の粒子の製造方法を提供する。
【００２２】
また、本発明は、前記式（１）〜（５）からなる群より選択される、分子鎖末端に官能基を有する、分子量が１，０００〜１００，０００の高分子化合物のマトリックス内に空気中で安定な系として存在する、ナノサイズの金属またはその無機化合物の粒子と、構成セグメントによるドメイン状相分離が起きる下記式（７）または（８）のブロック共重合体とを混合することにより、ナノ粒子が、該ブロック共重合体の、粒子との親和性がより大きい相に、球状、円筒状、板状などの形状に配列されて集合したナノ構造体を提供する。
【００２３】
【化１５】
〔式中、
Ａ3は、スチレン系単量体に由来する反覆単位を意味し；Ｂ2は、（メタ）アクリル系単量体、ビニルピリジンまたはジエン系単量体に由来する反覆単位を意味し；
ｍおよびｎは、それぞれ独立して１０〜５，０００の整数であり；
Ｘ6は、水素（Ｈ）、ヒドロキシル基（−ＯＨ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、第一級アミノ基（−ＮＨ2）または第三級アミノ基（−Ｎ（Ｒ）2、ここでＲは、メチルまたはエチル基）を示し；
Ｙ3は、ヒドロキシル基（−ＯＨ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、スルホ基（−ＳＯ3Ｈ）、チオール基（−ＳＨ）、第一級アミノ基（−ＮＨ2）、第三級アミノ基（−Ｎ（Ｒ）2、ここでＲは、メチルまたはエチルである）、または無水フタル酸残基（−Ｃ6Ｈ3Ｃ2Ｏ3）を示す〕
【００２５】
【化１６】
〔式中、
Ａ4、Ｂ3およびＣは、それぞれ独立して、スチレン系単量体、ジエン系単量体、（メタ）アクリル系単量体またはビニルピリジン単量体に由来する単量体を意味し、ただし、Ａ4、Ｂ3およびＣのうち少なくとも一つは他と異なり、好ましくは三者は互に相異し；
ｋ、ｍおよびｎは、それぞれ独立して１０〜５，０００の整数であり；
Ｘ7、Ｘ8およびＹ4は、それぞれ独立して、水素（Ｈ）、ヒドロキシル基（−ＯＨ）、第一級アミノ基（−ＮＨ2）または第三級アミノ基（−Ｎ（Ｒ）2、ここでＲは、メチルまたはエチルである）を示し；
Ｙ5は、ヒドロキシル基（−ＯＨ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、スルホ基（−ＳＯ3Ｈ）、チオール基（−ＳＨ）、第一級アミノ基（−ＮＨ2）、第三級アミノ基（−Ｎ（Ｒ）2、ここでＲは、メチルまたはエチルである）または無水フタル酸残基（−Ｃ6Ｈ3Ｃ2Ｏ3）を意味する。
【００２７】
更に、本発明は、前記式（６）で示される、分子量が１，０００〜１００，０００の、両末端に官能基を有するテレケリック高分子（α，ω−二官能性高分子）化合物のマトリックス内に空気中で安定な系として形成された、ナノサイズの金属またはその無機化合物の粒子と、前記相分離が起きる式（７）または（８）のブロック共重合体の混合により、ナノ粒子が集合したナノ構造体を提供する。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明のナノサイズの金属またはその無機化合物の粒子は、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔのような金属；ＣｄＳ、ＰｂＳのような金属硫化物；ＴｉＯ2、γ−Ｆｅ2Ｏ3のような金属酸化物ならびにＰｔ（II）化合物、Ｐｄ（II）化合物の粒子を含み、これらに制限されない。
【００２９】
アニオンリビング重合法により製造される高分子化合物は、分子量の調節が容易であるのみならず、分子鎖末端に定量的に官能基を導入することが可能であるため、本発明は、多様な形態の高分子化合物またはブロック共重合体を使用して、ナノサイズの遷移金属のような金属や、その無機化合物の粒子サイズおよび形態を、自由に選択することができる。
【００３０】
また、本発明は、高分子化合物に定量的に官能基を導入することが可能であるため、必要に応じて官能基の種類を多様化できるという長所を有する。官能基としては、ヒドロキシル基（−ＯＨ）、スルホ基（−ＳＯ3Ｈ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、チオール基（−ＳＨ）、第一級アミノ基（−ＮＨ2）、第三級アミノ基（−Ｎ（Ｒ）2、ここでＲは、−ＣＨ3または−Ｃ2Ｈ5である）および無水フタル酸残基などが挙げられる。これらの合成法は、非特許文献６および７に記載されている。
【００３１】
より具体的には、本発明の特徴は、パラジウム（Ｐｄ）、銅（Ｃｕ）、カドミウム（Ｃｄ）、白金（Ｐｔ）、鉛（Ｐｂ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、鉄（Ｆｅ）などのように、触媒として使用されたり、半導体材料およびテータ貯蔵用物質として使用され得る遷移金属のような金属や、これらの無機化合物、例えば、硫化物または酸化物などのナノサイズ化を容易に達成できることである。このような金属またはその無機化合物の粒子のサイズは、通常１〜５００nmであり、好ましくは１〜５０nmである。
【００３２】
本発明の他の特徴は、分子鎖末端に官能基を有する、半テレケリックまたはテレケリック高分子化合物によって安定化させた、ナノサイズの金属またはその無機化合物の粒子を、自己集合が可能な多様なブロック共重合体化と混和して、容易にナノ構造化させることができ、微細素子（microdevice）の製造が容易に達成されるということである。
【００３３】
テレケリックまたは半テレケリックな高分子化合物により安定化されたナノ粒子は、自己集合が可能な高分子化合物との混合により、ナノ構造化が容易であるため、本発明により製造されるナノサイズの金属およびその無機化合物は、高分子マトリックス内に三次元的に集合（self-assembly）できる。そのため、実際の使用の際には、高分子マトリックスを焼いて樹脂を除去することにより、ナノパターン状に配列された粒子を回収することが可能である。
【００３４】
本発明において、分子鎖末端に官能性を有する高分子化合物の合成に使用可能な単量体としては、スチレン系、ビニルピリジン、ジエン系および（メタ）アクリル系などの単量体が例示され、その化学式は、一般に以下のとおりである。本発明は、これらに限定されるものではない。
スチレン系単量体：
【００３５】
【化１７】
ジエン系単量体：
ＣＨ2＝ＣＲ3−ＣＨ＝ＣＨ2
（メタ）アクリル系単量体：
【００３７】
【化１８】
〔式中、
Ｒ1、Ｒ3およびＲ4は、それぞれ独立して、水素（Ｈ）またはメチル基（ＣＨ3）であり；
Ｒ2は、水素（Ｈ）；メチル（ＣＨ3）、ｔ−ブチル（Ｃ（ＣＨ3）3）のようなアルキル基；トリメチルシロキシ（−ＯＳｉ（ＣＨ3）3）、ジメチル（ｔ−ブチル）シロキシ（−ＯＳｉ（ＣＨ3）2（ｔ−Ｂｕ））のような、トリアルキルシリル基で保護されたヒドロキシル基；またはビス（トリメチル）シリルアミノ（−Ｎ（Ｓｉ（ＣＨ3）3）2）のような、トリアルキルシリル基で保護されたアミノ基であってもよく；
Ｒ5は、水素、メチル基（ＣＨ3）またはヒドロキシエチル基（ＣＨ2ＣＨ2ＯＨ）であってもよく；
Ｘ′は、Ｈ、−Ｎ（ＣＨ3）2、−Ｎ（Ｓｉ（ＣＨ3）3）2、−ＯＳｉ（ＣＨ3）3または−ＯＳｉ（ｔ−Ｂｕ（ＣＨ3）2）であってもよい〕
【００３９】
（メタ）アクリル系単量体のうち、リビング重合により、分子量を調節したリビングポリマーが容易に得られ、これよりテレケリックまたは半テレケリック高分子化合物が得られることから、メチルメタクリラートが特に好ましい。
【００４０】
重合開始剤としては、アルキルリチウム、例えばｎ−ブチルリチウム、ｓ−ブチルリチウムおよびｔ−ブチルリチウム；リチウムナフタレニド；ジイソプロピルアミノリチウム；ならびにこれらのリチウムをナトリウム、カリウム、セシウム、ルビジウムのようなアルカリ金属で置換された、アルキルアルカリ金属化合物、アルカリ金属ナフタレニド、アルキルアルコキシドアルカリ金属化合物などが例示される。溶媒としては、パラフィン系溶媒、例えばペンタン、ヘキサンまたはヘプタン；非極性脂環式溶媒、例えばシクロヘキサン；非極性芳香族溶媒、例えばベンゼンまたはトルエン；極性溶媒、例えばテトラヒドロフラン；および極性溶媒と非極性溶媒、例えばパラフィン系溶媒との混合溶液（非極性／極性＝９０／１０〜９７／３、体積比）が例示される。これらを用いたリビング重合は、非特許文献８に詳細に説明されている。リビング重合によって得られる重合体は、開始剤の種類に応じて、例えば開始剤がアルキルリチウムの場合は片末端、リチウムナフタレニドの場合は両末端にリチウムイオンが存在する。
【００４１】
本発明で使用される分子鎖末端に官能基を有する高分子の一般的な分子形態は、下記構造式のとおりである。
【００４２】
【化１９】
〔式中、ＸおよびＹは、たがいに同一または異なっていてもよく、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、ヒドロキシル基（−ＯＨ）、スルホ基（−ＳＯ3Ｈ）、第一級アミノ基（−ＮＨ2）、第三級アミノ基（−Ｎ（Ｒ）2、ここでＲは、−ＣＨ3、−Ｃ2Ｈ5）またはチオール基（−ＳＨ）を示す〕
【００４４】
機能性高分子（半テレケリック、テレケリック高分子）化合物は、前記の開始剤または触媒を用いて製造されたリビングポリマーを、二酸化炭素（ＣＯ2）、エチレンオキシド；スルトン、例えば、１，３−プロパンスルトンもしくは１，４−ブタンスルトン；アルキレンスルフィド、例えばエチレンスルフィドもしくはプロピレンスルフィド；またはトリメリト酸無水物モノクロリドなどと、高真空下で反応させて製造される。このような方法により、片末端にリチウムが存在する重合体から半テレケリック高分子化合物、両末端にリチウムが存在する重合体からテレケリック高分子化合物が得られる。なお、保護された官能基を有する単量体（スチレン誘導体またはジフェニルエチレン誘導体）を使用することができ、その一般式は、下記のとおりである。
【００４５】
【化２０】
〔式中、
Ｒ6は、水素またはメチル基であり；
Ｘ″は、オキサゾリニル；ジメチルアミノ；トリメチルシロキシ、ジメチル（ｔ−ブチル）シロキシのようなトリアルキルシロキシ基；またはビス（トリメチルシリル）アミノのようなビス（トリアルキルシリル）アミノ基である〕
【００４７】
例えば、高真空下でｓ−ブチルリチウム（１．０×１０− 4モル）を開始剤として、テトラヒドロフラン（１００ml）中で、保護された反応性基を有するスチレンを、−７８℃で６時間重合して製造されたリビングポリマーに、あらかじめ精製した１，１−ジフェニルエチレン（１．２×１０− 4モル）を４時間反応させ、次いで１，３−プロパンスルトン（２．０×１０− 4モル）を常温で２４時間反応させれば、分子鎖末端にスルホ基を有する半テレケリック高分子化合物を、定量的に製造できる。この時、製造された高分子化合物の分子量は、リビングポリマーの合成に用いる単量体の量によって調節が可能である。得られた高分子化合物の収率は、1ＨＮＭＲスペルトルで分析することができる。このことは、非特許文献９に詳細に紹介されている。
【００４８】
本発明に用いられる半テレケリックおよびテレケリック高分子化合物は、ポリスチレンおよびその誘導体；ポリブタジエン、ポリイソプレンのようなジエン系高分子化合物；ポリメチルメタクリラートのような（メタ）アクリル系単量体；、ポリ（４−ビニルピリジン）またはポリ（２−ビニルピリジン）のようなポリビニルピリジン；ならびにスチレン−メチルメタクリラート共重合体、スチレン−ブタジエン−メチルメタクリラート共重合体、スチレン−ビニルピリジン共重合体のような、これらを構成する単量体の共重合体を包含する。適切な分子量は、５００〜２００，０００、好ましくは１，０００〜５０，０００であり、これらを使用する際の溶液中の濃度は、０．０１〜５．０ｇ／１０mlが好ましい。
【００４９】
本発明でナノサイズの金属およびその無機化合物の製造に使用される遷移金属塩の濃度は、通常０．０１〜１０ｇ／１０mlである。塩としては、酢酸塩のようなカルボン酸塩が例示され、その水和物を用いてもよい。反応温度は、通常−７８℃〜＋７０℃であり、１０〜５０℃が好ましい。還元剤としては、ＮａＢＨ4、Ｈ2ＳまたはＮａ2Ｓなどが用いられる。また、特殊な場合、水素ガスを導入して、還元を行うこともできる。
【００５０】
【実施例】
以下、本発明を実施例によってより詳細に説明する。本発明は、下記の実施例によって限定されるものではない。
【００５１】
＜実施例１＞
高真空下で、容量１，０００mlの丸底パイレックスフラスコに、ベンゼン５００mlを蒸留しつつ仕込み、精製スチレン２０mlを加え、ブチルリチウム開始剤（９．０７×１０− 3モル）を用い、真空下、２５℃で２４時間反応させて、分子量２，０００g/molのリビングポリスチリルリチウム（poly(styryl)lithium、α−リチオポリ（スチレン））を製造した。これに、真空下で精製エチレンオキシドをポリスチリルリチウムに対して１０倍のモル比で添加して、分子鎖末端に９９モル％以上のヒドロキシル基を有する機能性ポリマーを合成した。
【００５２】
同様な方法で製造したリビングポリスチリルリチウムに、５倍モル比のテトラヒドロフランを反応器内に分別蒸留しつつ供給した後、１，１−ジフェニルエチレンをポリスチリルリチウムに対して２倍のモル比で添加して、５時間反応させた後、二酸化炭素ガス（９９．９９％）を注入し、分子鎖末端に９９モル％以上のカルボキシル基を有する末端官能基を有するポリマーを合成した。
【００５３】
二酸化炭素の代わりに１，３−プロパンスルトンを上記リビングポリマーに対して３倍のモル比で添加して、末端にスルホ基を有するポリマーを製造した。また、ポリスチリルリチウムに対して３倍のモル比のプロピレンスルフィドを添加して、末端にチオール基を有する機能性ポリマーを合成した。
【００５４】
上記のように製造したポリスチリルリチウム５ｇを、１，０００mlビーカー中で、テトラヒドロフラン１００mlに溶解し、塩酸／テトラヒドロフラン（１規定溶液）を加え、撹拌しながら２４時間反応させて、リチウムイオンをヒドロキシル基に置換した。
【００５５】
上記のようにして製造したヒドロキシル化したポリマーに、高真空下で３倍モル数の精製トリメリト酸無水物モノクロリドを付加した後、３０℃で２４時間反応させ、分子鎖末端に無水フタル酸残基官能性を有する機能性ポリスチレンを合成した。
【００５６】
このようにして合成された、各種の官能基を有する機能性ポリマーの分子量は、ゲル浸透クロマトグラフィによって測定した結果、５００〜１００，０００g/molであり、官能基化率は、1ＨＮＭＲで測定した結果、９９モル％以上であった。
【００５７】
＜実施例２＞
実施例１と同様な方法で、電子転移アニオン触媒であるリチウムナフタレニド（１．０×１０− 2モル）を用いて、ベンゼン／テトラヒドロフラン（体積比９５／５）の混合溶媒１００ml中で、スチレン単量体１０ｇを２５℃で２４時間重合させて、分子量が２，０００のリビングポリスチレンを合成し、これに４．０×１０− 2モルのエチレンオキシドを付加した後、２４時間反応させて、分子鎖両末端にヒドロキシル基を有するテレケリックポリマーとして、α，ω−ジリチオポリ（スチレン）からのジヒドロキシル化物を合成した。
【００５８】
また、前記実施例１と同様な方法で、カルボキシル基、スルホ基またはチオール基を有するテレケリックポリスチレンをそれぞれ合成した。すなわち、スチレンの量とリチウムナフタレニドのモル比を調節して、分子量が５００〜１００，０００になるように重合を行い、これらの官能基化を、実施例１と同様な方法で実施した。更に、合成したリビングポリマーを、実施例１と同様な方法で、その末端リチウムをヒドロキシル基に置換した。これらの官能基化率は、９８モル％以上であった。
【００５９】
＜実施例３＞
前記実施例１と同様な方法で、ポリブタジエニルリチウムを合成し、これより、末端にヒドロキシル基、カルボキシル基、スルホ基またはチオール基を有するポリマーをそれぞれ合成した。すなわち、実施例２と同様な方法により、まずリチウムナフタレニドに対する４倍のモル比で、スチレンを容量１，０００mlの反応器中で反応させた。４時間後にブタジエンを注入して、分子鎖の両末端にリビング活性体を有するジエン系リビングポリマーを合成した。この時、分子量が１，０００〜２００，０００g/molになるように、単量体の量を調節して重合を行った。得られたリビングポリマーより、実施例２と同様な方法で、テレケリックポリマーを合成した。ポリジエン系テレケリック官能基化率は、９８モル％以上であった。
【００６０】
＜実施例４＞
実施例１と同様な方法で製造したリビングポリスチリルリチウムのベンゼン溶液に、ジフェニルエチレン誘導体である４，４′−ビス〔（ジメチル）アミノ〕フェニルエチレン、４，４′−ビス〔ジ〔（トリメチルシリル）〕アミノ〕フェニルエチレン、１−〔４−ビス（トリメチルシリル）アミノ〕フェニル−１−フェニルエチレン、１−（４−ジメチルアミノ）フェニル−１−フェニルエチレン、４，４′−ビス〔（ｔ−ブチル）（ジメチル）シロキシ〕フェニルエチレン、１−〔（ｔ−ブチル）（ジメチル）シロキシ〕フェニル−１−フェニルエチレンを、それぞれリビングポリマーに対して２倍モル比のテトラヒドロフラン溶媒に溶解し、リビングポリマー溶液に真空下で添加して、末端官能基化を実施した。常温で２４時間撹拌しながら反応を進めた。
【００６１】
空気を除去したメタノールを添加して反応を停止させた後、再び過剰量の濃硫酸（２規定溶液）／テトラヒドロフラン溶液に加えてシリル基を除去し、官能基を活性水素化し、すなわちヒドロキシル基またはアミノ基に転換させた。この時、ポリマーの分子量が１，０００〜２００，０００になるように調節した。官能基化率は、９９．５モル％以上であった。
【００６２】
＜実施例５＞
実施例２と同様な方法で製造したリビングポリマー溶液に、実施例４と同様な方法で、実施例４と同様のジフェニルエチレン誘導体を付加させて、テレケリックポリマーを製造した。同様な方法でヒドロキシル化またはアミノ化させた後、ポリマーの分子量は１，０００〜２００，０００であった。官能基化率は、モル比濃度基準として９９モル％以上であった。
【００６３】
＜実施例６＞
ブチルリチウム開始剤を利用したリビング重合法を用いて、逐次的に単量体を付加する方法により、ポリ（スチレン−メチルメタクリラート）ブロック共重合体、ポリ（スチレン−ブタジエン−メチルメタクリラート）ブロック共重合体、ポリ（スチレン−４−ビニルピリジン）ブロック共重合体およびポリ（スチレン−２−ビニルピリジン）ブロック共重合体を製造した。各ブロックの構成成分比を、ジブロック共重合体の場合、７５：２５、５０：５０または２５：７５；三元共重合体の場合、７５：５０：２５になるように調節し、総分子量を、２０，０００〜５００，０００g/molになるように調節した。
【００６４】
＜実施例７＞
実施例６のようにしてブロック共重合体を製造する際に、実施例４で用いたジフェニルエチレン誘導体を、二回目および三回目の単量体の投入前に投入し、それぞれの単量体を連続的に投入してブロック共重合体鎖の中間に、保護された官能基を有するブロック共重合体を製造し、空気を除去したメタノールを添加して反応を停止させた後、過剰量の濃硫酸（２規定溶液）／テトラヒドロフラン溶液に加えてシリル基を除去することにより、保護された官能基を活性水素化させた。なお、製造したポリマー化合物の総分子量が２０，０００〜５００，０００g/molになるように、重合を実施した。
【００６５】
＜実施例８＞
実施例１で製造した、分子量が２，０００g/molの、分子鎖末端にヒドロキシル基を有するポリマー、カルボキシル基を有するポリマー、スルホ基を有するポリマー、およびチオール基を有するポリマー各０．１ｇを、それぞれ容量５０mlのバイアル内のトルエン／メタノール（体積比８０／２０）の混合溶液１０ml中に加え、常温で溶解した後、アルゴンで空気を置換した。一方、酢酸カドミウム二水和物１ｇを、５０ml用バイアル内のトルエン／メタノール（体積比８０／２０）の混合溶液１０ml中に加えて、常温で溶解した後、アルゴンで空気を置換した。カドミウム塩溶液１．７mlを、それぞれのバイアル内のポリマー溶液に加え、２時間撹拌しながら混合した。
【００６６】
１気圧の硫化水素約４０mlを、注射器を用いてそれぞれのバイアル内の溶液に注入し、撹拌しながら４時間反応させた。この時、各バイアル内の溶液の色合いは淡黄色から橙色に変わった。反応物を過剰量のメタノール中で沈殿させて、褐色およびオレンジ色の粉末を得た。それぞれの粉末中の硫化カドミウム粒子のサイズは、電子顕微鏡により測定した結果、５〜３０nmであった。このように製造したＣｄＳナノ粒子を含むポリマーは、空気中で３ヵ月以上その形体を維持し、ベンゼン、トルエンまたはテトラヒドロフランに容易に溶解した。
【００６７】
＜実施例９＞
実施例２で製造した、分子量が２，５００g/molであって、ヒドロキシル基を有するポリマー、カルボキシル基を有するポリマー、スルホ基を有するポリマー、およびチオール基を有するポリマー各０．１ｇを、実施例８と同様な方法でそれぞれ５０ml用バイアル内のトルエン／メタノール（体積比８０／２０）の混合溶液１０mlに加えて、常温で溶解した後、アルゴン気体で空気を置換した。一方、酢酸カドミウム二水和物１ｇを、５０ml用バイアル内のトルエン／メタノール（体積比８０／２０）の混合溶液１０ml中に加え、常温で溶解した後、アルゴンで空気を除去した。酢酸カドミウム溶液１．７mlを、バイアル内のそれぞれのポリマー溶液に入れ、２時間撹拌しながら混合した。
【００６８】
次いで、１気圧の硫化水素約４０mlを、注射器を用いて、それぞれのバイアル内の溶液に注入し、撹拌しながら４時間反応させた。反応につれて、各バイアル内の溶液の色合いは、淡黄色から橙色に変わった。反応物を過剰量のメタノール中で沈殿させて、褐色またはオレンジ色の粉末を得た。各粉末内の硫化カドミウム（ＣｄＳ）粒子のサイズは、５〜３０nmであった。
【００６９】
図１は、前記ＣｄＳ粒子を含有する、分子鎖末端にヒドロキシル基を有するテレケリックポリマーの電子顕微鏡写真であり、図２は、前記ＣｄＳ粒子を含有する、分子鎖末端にスルホ基を有するテレケリックポリマーの電子顕微鏡写真である。
【００７０】
＜実施例１０＞
実施例３で合成した、分子量が２，８００g/molの官能性ポリブタジエン０．１ｇを用いて、実施例８と同様な方法で処理した結果、３〜２０nmサイズの分布を有するＣｄＳナノ粒子が生成した。
【００７１】
＜実施例１１＞
実施例４で合成した、分子量が３，５００のテレケリックポリマー０．１ｇを用いて、実施例９と同様な条件下で処理した結果、５〜３０nmのサイズを有するＣｄＳのナノ粒子が生成した。
【００７２】
＜実施例１２＞
実施例４で合成した、分子量が２，８００の、分子鎖末端に官能基を有するポリマー０．１ｇを用いて、実施例９と同様な反応条件下で処理した結果、１０〜３５nmサイズのＣｄＳナノ粒子の製造が可能であった。
【００７３】
＜実施例１３＞
実施例１と実施例２で合成した、末端に官能基を有するそれぞれのポリマー０．１ｇずつを、実施例９のようにバイアル内の１０mlメタノール／トルエン溶液に溶解し、また酢酸鉛三水和物１．０ｇをメタノール／トルエン溶液１０mlに溶解して、実施例９と同様な方法でＰｂＳナノ粒子を製造した。溶液の色合いは、オレンジ色を示した。各混合物中の粒子のサイズは、５〜２５nmであった。
【００７４】
＜実施例１４＞
実施例２で合成した、スルホ基を分子鎖の両末端に有する、分子量が２，２００のテレケリックポリマー０．１ｇを、メタノール／蒸溜水（体積比２０／８０）溶液２０mlに溶解した後、ＦｅＣｌ2・４Ｈ2Ｏ ２ｇを加えて、アルゴンガスでバイアル中の空気を置換した後、撹拌しながら１２．５規定の水酸化ナトリウム溶液５mlを添加した。この時、バイアル内の混合物は、淡緑色を呈した。バイアルを約６０℃に加熱し、撹拌しながら過酸化水素２〜１０mlを添加し、約５時間反応させた。反応物を過剰量のｎ−ペンタン中に沈殿させて、γ−Ｆｅ2Ｏ3を含むポリマー粉末を得た。このようにして生成されたポリマー内のγ−Ｆｅ2Ｏ3の粒子サイズは、５〜１５nmであった。
【００７５】
＜実施例１５＞
実施例２で合成した、分子量が２，５００g/molであって、ヒドロキシル基、カルボキシル基またはスルホ基を有するそれぞれのテレケリックポリマー２５ｇ（０．０１モル）ずつを、５００mlパイレックスフラスコ内の蒸溜水／テトラヒドロフラン（７０／３０、体積比）の混合溶液１００mlにそれぞれ溶解し、テトラクロロ白金（II）酸カリウム（Ｋ2ＰｔＣｌ4、９８％）０．００４３ｇ（１．０×１０− 5モル）を溶液中添加し、アルゴン気流下で約３０分間撹拌した。更に、水素（純度９９％、２０ml/min）を５分間注入した後、反応器をゴム隔膜（septa）で封じて２４時間静置した。反応生成物をペンタン中で沈殿させて、黄色粉末を得た。このようにして、高分子マトリックス中に分数した、約５〜３０nmサイズの、テレケリックポリマーの官能基に応じてＰｔ（II）酸化物などの粒子が得られた。
【００７６】
＜実施例１６＞
実施例１５と同様な方法で、Ｋ2ＰｔＣｌ4の代わりにテトラクロロパラジウム（II）酸カリウム（Ｋ2ＰｄＣｌ4、９８％）０．００３３ｇ（１．０×１０− 5モル）を添加し、実施例１５と同様な方法で反応させた。このようにして製造したＰｄ（II）の粒子のサイズは、５〜３０nmであった。
【００７７】
＜実施例１７＞
実施例４で合成した、末端に官能基としてヒドロキシル基、第一級アミノ基または第三級アミノ基を有するポリマー（分子量；２，５００）それぞれ５０ｇを、蒸溜水／テトラヒドロフラン（体積比５０／５０）２５０mlに溶解し、Ｋ2ＰｔＣｌ4水溶液２mMを添加し、還元剤としてＮａＢＨ4（０．０４mM）を添加して、常温で６時間反応させた。このようにして製造した白金ナノ粒子のサイズは、３〜２０nmであった。
【００７８】
＜実施例１８＞
実施例４で合成した第三級アミノ基を有するポリマー２０mgを、５００ml丸底パイレックス反応器内の蒸溜水／トルエン（体積比５０／５０）２５０mlに溶解した。次いで、３０mMテトラクロロ金（III）酸（ＨＡｕＣｌ4）溶液３mlを付加し、撹拌しながら還元剤として０．４MのＮａＢＨ4水溶液２．５mlを反応器に注入し、常温で撹拌しながら２４時間反応させた。反応が終った後、水溶液部分を除去し、過剰量の蒸溜水でトルエン溶液部分を数回洗浄した。このようにして製造したトルエン溶液は、濃赤色を帯びた。これらを過剰量のメタノールに沈殿させて、赤色粉末を得た。粉末内の金ナノ粒子のサイズは、２〜３０nmであった。
【００７９】
＜実施例１９＞
塩化パラジウム（II）（ＰｄＣｌ2）１２mg（０．０６６mM）を、エタノール／蒸溜水混合溶液２５／２５（ml／ml）に溶解して溶液を得た。実施例４で製造した分子量が２，４００の、分子鎖末端にヒドロキシル基を有するテレケリックポリマー１２ｇ（５mM）を、エタノール／トルエン混合溶液５０／５０ml（体積／体積）に溶解させた溶液に、前記塩化パラジウム溶液を加えて、撹拌しながら０．４MのＮａＢＨ4水溶液１０mlを注入し、常温で２４時間反応させた。黒褐色のトルエン層を蒸溜水で洗浄し、これを更に過剰量のメタノールを加えて沈殿させ、褐色粉末を得た。高分子マトリックスに分散したパラジウム（II）の、電子顕微鏡により測定されたサイズは、３５〜１５０nmであった。
【００８０】
＜実施例２０＞
蒸溜水３０mlを撹拌しながら、テトライソプロポキシチタニウム１６．２ml（０．０５モル）を添加し、１時間反応させて、白色の沈殿物を生成させた。これを過剰量の蒸溜水で洗浄して、１，０００ml高圧反応器（Buchi社）に仕込み、０．０６モルの水酸化テトラメチルアンモニウムを添加した。その結果、白色のスラリーが生成した。次いで、この溶液のpHが８になるように、アルカリ水溶液を加えた。更に、反応器の温度を１３０℃程度に維持しながら３〜６時間撹拌して、非常に弱い青色の溶液を生成するが、この溶液のpHは１３程度であった。このスラリーに、実施例２で製造したスルホ基またはカルボキシル基を有するポリマーを、それぞれ０．１〜１．０重量t%になるように加えた。このようにして製造したＴｉＯ2粒子のサイズは、ポリマー濃度に応じて２〜４５nmを示した。
【００８１】
＜実施例２１＞
実施例６で合成したポリスチレン−ポリメチルメタクリラートブロック共重合体（分子量：ポリスチレン部分５０，０００；ポリメチルメタクリラート部分２０，０００）１０ｇを、トルエン１００mlに溶解し、更に実施例９で製造したナノ粒子粉末０．０１ｇを添加して、２時間撹拌した。この溶液をガラス板に流延してフィルムを得た。電子顕微鏡を用いてフィルム上の粒子サイズを観察した結果、ＣｄＳナノ粒子は、ポリスチレン−ポリメチルメタクリラート界面上によく分布していた。
【００８２】
＜実施例２２＞
実施例６で合成したポリスチレン−ポリ（４−ビニルピリジン）ブロック共重合体（分子量：ポリスチレン部分１０，０００；Ｐ（４−ビニルピリジン部分２，５００）１０ｇをジメチルスルホキシド５０mlに溶解し、実施例１４で製造したγ−Ｆｅ2Ｏ3ナノ粒子粉末０．０１ｇを加えて４時間撹拌した。更に、この溶液をガラス板上に流延してフィルムを製造し、電子顕微鏡により観察した結果、二酸化鉄ナノ粒子は、ブロック共重合体の界面によく分布していた。
【００８３】
＜実施例２３＞
実施例６で合成したポリスチレン−ポリ（４−ビニルピリジン）ブロック共重合体（分子量：ポリスチレン部分１０，０００；ポリ（４−ビニルピリジン部分）部分２，５００）１０ｇを、ジメチルスルホキシド５０mlに溶解し、実施例１８で製造した金ナノ粒子粉末０．０１ｇを加えて、実施例２１と同様な方法でフィルムを製造して形態を分析した結果、ブロック共重合体の界面に金ナノ粒子が分布していた。
【００８４】
＜実施例２４＞
実施例７で合成した、分子鎖の中間に第三級アミノ基、末端にヒドロキシル基を有する分子量３０，０００のポリスチレン−ポリメチルメタクリラートブロック共重合体（分子量：ポリスチレン部分２０，０００；ポリメチルメタクリラート部分１０，０００）１０ｇを、蒸溜水／テトラヒドロフラン（体積比２０／８０）の混合溶液１００mlに溶解して、ブロック共重合体の溶液を得た。一方、１ｇの酢酸カドミウム二水和物（（ＣＨ3ＣＯ2）2Ｃｄ・２Ｈ2Ｏ）から、実施例８と同様の半テレケリックポリマーを用いる方法で反応させた結果、ＣｄＳナノ粒子を黄色粉末として得た。これを、上記のブロック共重合体に添加し、実施例２１と同様にしてフィルムを得た。これを電子顕微鏡により観察した結果、２〜２５nmサイズのＣｄＳナノ粒子が、ブロック共重合体のドメイン界面に配列されて存在するナノ構造体を形成していた。
【００８５】
【発明の効果】
本発明によって、安定性に優れ、単に特にブロック共重合体と混合することにより、ナノ構造化が容易に達成できるナノサイズ粒子の金属およびその無機化合物のを提供することができる。また、本発明によって、従来のナノ粒子の用途の限界が克服でき、ナノ粒子の安定化およびサイズ調節のために用いられる高分子化合物の濃度のみならず、分子量の調節が可能である。また、半テレケリック高分子化合物を使用して製造されたナノ粒子を含む系においては、該高分子化合物が、ベンゼン、トルエン、テトラヒドロフランなどのような多様な有機溶媒に溶解し、テレケリック高分子を用いて製造されたナノ粒子を含む高分子化合物は、溶媒に溶解しないが、安定なナノ粒子の形態を３ヵ月以上維持する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例９で製造した、分子鎖末端にヒドロキシル基を有し、ＣｄＳ粒子を含有するテレケリック高分子系の電子顕微鏡写真である。
【図２】実施例９で製造した、分子鎖末端にスルホ基を有し、ＣｄＳ粒子を含有するテレケリック高分子系の電子顕微鏡写真である。
Claims (14)
- 分子鎖末端に官能基を有する下記式（１）〜（５）からなる群より選択される、分子量が１，０００〜１００，０００の高分子化合物のマトリックス内に、ナノサイズの金属またはその無機化合物の粒子が存在するナノ構造体であって、
金属またはその無機化合物が、パラジウム（Ｐｄ）、銅（Ｃｕ）、カドミウム（Ｃｄ）、白金（Ｐｔ）、鉛（Ｐｂ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）ならびにこれらの硫化物および酸化物からなる群から選択される、ナノ構造体。
Ｒ1およびＲ2は、それぞれ独立して、水素（Ｈ）、メチル基（−ＣＨ3）またはｔ−ブチル基（−Ｃ（ＣＨ3）3）を示し；
Ｘ1およびＹ1は、それぞれ独立して、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、ヒドロキシル基（−ＯＨ）、スルホ基（−ＳＯ3Ｈ）、無水フタル酸残基（−Ｃ6Ｈ3Ｃ2Ｏ3）またはチオール基（−ＳＨ）を示し；
ｎは、１０〜５，０００の整数である〕
Ｒ3およびＲ4は、それぞれ独立して、水素（Ｈ）またはメチル基（−ＣＨ3）を示し；
Ｘ2およびＸ3は、それぞれ独立して、ヒドロキシル基（−ＯＨ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、スルホ基（−ＳＯ3Ｈ）、チオール基（−ＳＨ）、または無水フタル酸残基（−Ｃ6Ｈ3Ｃ2Ｏ3）を示し；
ｍは、２０〜１０，０００の整数である〕
Ｘ4は、ヒドロキシル基（−ＯＨ）を示し；
Ｙ2は、ヒドロキシル基（−ＯＨ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、スルホ基（−ＳＯ3Ｈ）、チオール基（−ＳＨ）、または無水フタル酸残基（−Ｃ6Ｈ3Ｃ2Ｏ3）を示し；
Ａ1は、スチレン系単量体に由来する反覆単位であり；Ｂ1は、（メタ）アクリル系単量体、またはジエン系単量体に由来する反覆単位であり；
ｐおよびｑは、それぞれ独立して１０〜５，０００の整数である〕 - 金属またはその無機化合物の粒子のサイズが、１〜５００nmである、請求項１に記載のナノ構造体。
- 金属またはその無機化合物の粒子が、Ａｕ、Ａｇ、ＰｔＯ、ＰｔＳ、ＰｄＯ、ＰｄＳ、ＣｄＳ、ＴｉＯ2およびγ−Ｆｅ2Ｏ3からなる群より選択された粒子である、請求項１又は２に記載のナノ構造体。
- 高分子マトリックス内にナノサイズの金属またはその無機化合物の粒子が存在するナノ構造体の製造方法であって、
金属またはその無機化合物が、パラジウム（Ｐｄ）、銅（Ｃｕ）、カドミウム（Ｃｄ）、白金（Ｐｔ）、鉛（Ｐｂ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）ならびにこれらの硫化物および酸化物からなる群から選択されるものであり、
分子鎖末端に官能基を有する請求項１に記載の式（１）〜（５）で示される、分子量が１，０００〜１００，０００の高分子化合物を提供する段階、
前記高分子化合物を溶媒に溶解させる段階；
生成溶液に高分子化合物：金属塩のモル比が１０００／１〜１／１になるように、金属塩またはその水和物の溶液を添加する段階であって、前記金属塩の金属が、パラジウム（Ｐｄ）、銅（Ｃｕ）、カドミウム（Ｃｄ）、白金（Ｐｔ）、鉛（Ｐｂ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、鉄（Ｆｅ）およびチタン（Ｔｉ）からなる群から選択されるものである段階；および
混合溶液に還元剤を添加する段階
を含む、ナノ構造体の製造方法。 - 金属またはその無機化合物の粒子のサイズが、１〜５００nmである、請求項４に記載のナノ構造体の製造方法。
- 溶媒が、非極性溶媒もしくは極性溶媒、またはそれらの混合溶媒である、請求項４又は５に記載のナノ構造体の製造方法。
- 還元剤が、Ｈ2Ｓ、Ｈ2Ｏ2またはＮａＢＨ4である、請求項４〜６のいずれか１項に記載のナノ構造体の製造方法。
- 分子鎖末端に官能基を有する下記式（６）で示される、分子量が１，０００〜１００，０００の、テレケリック高分子化合物マトリックス内に、ナノサイズの金属またはその無機化合物の粒子が存在するナノ構造体であって、
金属またはその無機化合物が、パラジウム（Ｐｄ）、銅（Ｃｕ）、カドミウム（Ｃｄ）、白金（Ｐｔ）、鉛（Ｐｂ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）ならびにこれらの硫化物および酸化物からなる群から選択される、ナノ構造体。
Ａ2は、スチレン系単量体、（メタ）アクリル系単量体に由来する反覆単位を意味し；
ｎは、１０〜５，０００の整数であり；
Ｘ5は、ヒドロキシル基（−ＯＨ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、スルホ基（−ＳＯ3Ｈ）、チオール基（−ＳＨ）、または無水フタル酸残基（−Ｃ6Ｈ3Ｃ2Ｏ3）を示す〕 - 金属またはその無機化合物の粒子のサイズが１〜５００nmである、請求項８に記載のナノ構造体。
- 金属またはその無機化合物の粒子が、Ａｕ、Ａｇ、ＰｔＯ、ＰｔＳ、ＰｄＯ、ＰｄＳ、化合物、ＣｄＳ、ＴｉＯ2およびγ−Ｆｅ2Ｏ3からなる群より選択された粒子である、請求項８又は９に記載のナノ構造体。
- 高分子マトリックス内にナノサイズの金属またはその無機化合物の粒子が存在するナノ構造体の製造方法であって、
金属またはその無機化合物が、パラジウム（Ｐｄ）、銅（Ｃｕ）、カドミウム（Ｃｄ）、白金（Ｐｔ）、鉛（Ｐｂ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）ならびにこれらの硫化物および酸化物からなる群から選択されるものであり、
分子鎖末端に官能基を有する請求項８に記載の式（６）で示される、分子量が１，０００〜１００，０００のテレケリック高分子化合物を提供する段階；
前記高分子化合物を溶媒に溶解させる段階；
生成溶液に高分子化合物：金属塩のモル比が１０００／１〜１／１になるように、金属塩またはその水和物の溶液を添加する段階であって、前記金属塩の金属が、パラジウム（Ｐｄ）、銅（Ｃｕ）、カドミウム（Ｃｄ）、白金（Ｐｔ）、鉛（Ｐｂ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、鉄（Ｆｅ）およびチタン（Ｔｉ）からなる群から選択されるものである段階；および
混合溶液に還元剤を添加する段階
を含む、ナノ構造体の製造方法。 - 金属またはその無機化合物の粒子のサイズが、１〜５００nmである、請求項１１に記載のナノ構造体の製造方法。
- 溶媒が、非極性溶媒もしくは極性溶媒、またはそれらの混合溶媒である、請求項１１又は１２に記載のナノ構造体の製造方法。
- 還元剤が、Ｈ2Ｓ、Ｈ2Ｏ2またはＮａＢＨ4である、請求項１１〜１３のいずれか１項に記載のナノ構造体の製造方法。
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