[发明专利]多面体低聚倍半硅氧烷单体组装的方法

说明书

相关申请和专利的交叉引用

本申请要求于2005年3月7日提交的美国临时专利申请No.60/659,722的优先权。

发明领域

一般地，本发明涉及用于提高引入到聚合产品和生物制品中的官能化多面体低聚倍半硅氧烷单体性能的方法。

发明背景

纳米结构化学制品的最佳例子是那些基于低成本的多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)和多面体低聚硅酸盐(POS)的物质。多面体低聚倍半硅氧烷体系含有杂化(即有机-无机)组合物，其中的内部笼状框架主要由无机硅-氧键组成。该纳米结构的外部覆盖有两个反应活性和无反应活性有机官能团(R)，它确保纳米结构和有机单体以及聚合物之间的相容性和可修整性。在美国专利No.5,412,053和美国专利No.5,484,867中详述了纳米结构化学制品的这些和其它性能特征，其全部内容在此引入作为参考。

当前的工程实践能高产率地生产官能化多面体低聚倍半硅氧烷分子，但某些微电子、医用和生物应用需要更高的纯度或者那些不能使用现有技术轻易地或经济地生产的化学官能度。现有技术方法包括在多面体低聚倍半硅氧烷笼组装过程及其官能化过程中使用氢氧化物碱、阴离子盐和质子酸催化剂(参见US专利申请No.09/631,892和10 186,318，以及US专利No.6,770,724、6,660,823、6,596,821和3,390,163)。虽然公知这些途径一般是有效的，但它们受限于质子酸和氢氧化物碱两者都可以催化多面体低聚倍半硅氧烷单笼进入含有树脂的低聚多面体低聚倍半硅氧烷笼的自缩合作用(图1)。因为它们的结构是分子不精确的，此类树脂在微电子学、生物或医用上是不理想的。此外，多面体低聚倍半硅氧烷分子的分散体和它们与聚合物之间的相容性在热力学上取决于混合自由能方程式(ΔG＝ΔH-TΔS)。当笼大小是单像(monoscopic)且相应的低聚物分布是1.0时，R基团的属性和多面体低聚倍半硅氧烷笼上反应活性基团与聚合物及表面反应或相互作用的能力会大大地助于有利的焓项(ΔH)，同时多面体低聚倍半硅氧烷的熵项(ΔS)是高度有利的。

因此需要在现有技术之上对多面体低聚倍半硅氧烷笼组装和官能化单体的方法进行改进。本发明描述了一种生产更高纯度和分子精确的多面体低聚倍半硅氧烷体系的改进方法。

发明概要

本发明提供了一种改进的多面体低聚倍半硅氧烷的合成方法，它能高产率地快速生产低树脂含量和无溶剂的，在聚合、接枝和合金化方面都适用的单体产品。该合成方法使用了与通式为R¹SiX₃的硅烷偶联剂反应的磷腈超碱，形成被硅烷醇官能化的多面体低聚倍半硅氧烷笼，其中硅烷醇的通式为[(R¹SiO_1.5)₇(HOSiO_1.5)₁]_∑8、[(R¹SiO_1.5)₆(R¹HOSiO₁)₂]_∑8、[(R¹SiO_1.5)₂(R¹HOSiO₁)₄]_∑6、[(R¹SiO_1.5)₄(R¹HOSiO₁)₃]_∑7。该合成方法还可以包括磷腈超碱与通式为R²SiX₃的硅烷偶联剂的反应，形成被R²基团官能化的多官能团多面体低聚倍半硅氧烷笼和更大尺寸的笼，R²基团的通式为[(R²SiO_1.5)₆]_∑6、[(R²SiO_1.5)₈]_∑8、[(R²SiO_1.5)₁₀]_∑10、[(R²SiO_1.5)₁₂]_∑12。