专利名称：颗粒材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及颗粒聚合物及由其制得的颗粒玻璃，涉及它们作为储存器或胶囊剂的应用，涉及储存器和胶囊剂组合物以及含有该组合物的材料，尤其涉及这样的材料，其中基础聚合物通过使用不饱和杂环单体与单不饱和的四元或五元的二羟基、二或三氧单体，即，方酸或克酮酸或其活性衍生物的结合物制备。
背景技术：
在许多技术领域，颗粒基质材料被用作储存器，以将具有所需特性的各种化合物，例如，着色剂、诊断剂、催化剂、培养基等装入胶囊。
这样的典型颗粒基质材料包括多孔的、实心的和中空的有机(例如聚合的)和无机(例如含硅的)的颗粒。
对于这些颗粒基质材料而言，要想获得颗粒大小、颗粒大小分布、多孔性、负载特性、释放特性、溶剂穿透能力等方面所需的特性通常是复杂或昂贵的。特别是对于中空的颗粒基质而言。因此，一直存在对具有所需特性的新材料作为基质的需求。
人们已研究了由不饱和杂环单体与方酸或克酮酸共聚得到的一类聚合物的光电子特性。参见Ajayaghosh在Chem.Soc.Rev.32181-191发表的综述文章，该文章的内容通过引用并入本申请。但是，由于这样的聚合物在溶液聚合时形成不可溶的物质，它们没有被建议用作基质材料，并且甚至由于它们的“难处理的性质”，许多聚合物被视为无用的(参见Ajayaghosh(如前所述)第186页左栏)。
发明内容
但是，我们发现这样的难处理的材料具有使它们特别适于用作颗粒基质的特性，尤其是它们吸收所需化合物的性能、被涂敷无机玻璃层的性能、在加热时以受控制的方式收缩的性能、在聚合物核心的热变性(thermal degeneration)时产生中空的可渗透的玻璃球的性能等。
因此，本发明的一方面提供颗粒聚合物材料用作活性剂的载体的应用，特征在于所述的聚合物材料是通过不饱和杂环单体与方酸或克酮酸或其衍生物的共聚而产生的聚合物。
本发明的另一方面提供中空颗粒玻璃用作活性试剂的载体的应用，特征在于所述的中空颗粒玻璃是由涂敷了玻璃的聚合物热解得到的，所述的聚合物是通过不饱和的杂环单体与方酸或克酮酸或其衍生物共聚得到的。
用于本发明的颗粒聚合物材料优选地通过单体在溶剂中的溶液聚合制备得到，生长的聚合物在所述溶剂中变成不可溶的，即，使得在聚合混合物中形成不可溶的聚合物颗粒。所使用的溶剂可以是任何合适的有机溶剂，优选醇类，例如C1-14醇，例如，1-丁醇、1-己醇、1-癸醇、十四醇和十六醇，优选C2-8醇，更优选1-丁醇。
所述的杂环单体可以包括单个杂环(优选吡咯环)或两个或多个杂环，所述两个或多个杂环经稠环、键或非稠环或任选含有环结构的链连接。参与聚合反应的所述杂环优选是含有氮原子的五元环，所述五元环在与该氮原子相邻的位置上(或在与该氮原子相邻的两个位置上，如果在聚合反应中仅一个杂环是活性的)未被取代，或者在该位置上被亚甲基取代。合适的结构类型的例子示于Ajayaghosh的文章(如前所述)。尤其优选的杂环基团是2，5-未取代的吡咯或5，5’-未取代的-2，2’-双吡咯。在这样的化合物中，如果需要的话，1、3和4位可以被取代，例如，任选地被烷基、芳烷基或芳基等取代。这样的基团的典型的任选取代可以是被羟基、硫醇、氨基、氧代、氧杂、羧基等基团和其取代变型(例如，烷氧基、烷氨基、羧烷基、烷基、芳基或烷芳基取代)取代。对于2，2’-双吡咯而言，吡咯基团的连接可以例如经键、链(例如，亚甲基或聚亚甲基链或取代的链，如9-乙基二价碳基)、饱和的或不饱和的环(例如，呋喃、噻吩、苯、二苯基、嘧啶、蒽或均二苯乙烯基环)或由环打断的链(例如，乙烯基-苯基-乙烯基)连接。理想地，选择单体使得在聚合物产物中的骨架上，双键处于交替位置，即，使得沿该聚合物的离域电子系统是可能的。
因此，在特别优选的具体实施方式
中，所述聚合物具有下述结构
其中，每个R可以相同或不同，为氢或任选的取代的烷基；X是键或桥基；y是零或正整数(例如，1、2、3或4)；z是正整数，其值决定该聚合物的分子量。
正如所易于理解的，当y＞1时，该杂环单体本身就可以是预制备的聚合物或低聚物。
在杂环单体内，环上的氮优选为未取代的，或被烷基取代，尤其是被甲基取代。
在所使用的单体中，除非另有说明，任何烷基或亚烷基部分优选含有达到6个碳原子；任何环优选为含有0、1或2个杂原子的5、6或7元环，所述杂原子尤其是O、N或S原子；以及任何稠环系统优选含有2或3个环。
以这种方法形成的聚合物小球通常是以0.1至5μm(定义为最大直径，至少90体积％等于或不大于该最大直径——这能通过使用Coulter粒度检测仪测定)的粒度基本上单分散的。通过加热至低于开始发生热解的温度，例如加热至400-500℃，尤其是430-450℃，所述粒度可以被基本均一地减小。
所述“活性试剂”(或其前体)可以从溶液，例如在水性或有机溶剂中被吸收进这样的颗粒内。在这方面所使用的所述活性试剂或前体可以是任何能在最终产物中体现所需特性的有机或无机化合物或化合物的混合物。因此，例如它可以是有机或无机染料或染料前体(在此处使用这一术语以包括可见光吸收剂以及荧光和磷光性材料)、有机、无机或有机金属催化剂或催化剂前体、生物材料(例如细菌或病毒)、放射化学品，诊断试剂(例如顺磁性或超磁性材料、X-射线不透明材料、碳氟化合物等)、结合剂(例如抗体或抗体片段)，等等。如果需要，所述颗粒可以被用于负载化合物的混合物(例如至少两种化合物)而不是单一的“活性”化合物。当这样做时，所述颗粒可以被依次浸入或同时浸入到将被引入该颗粒中的化合物的溶液。如果需要，所述活性剂可以是所述反应的试剂，并且实际上不同的颗粒批次可以负载不同的试剂，然后混合，使得当反应物被释放出来时发生反应。但是，通常当聚合物基质将被热解时，负载在颗粒上的材料为金属或仿金属(pseudometal)化合物(例如无机化合物)，或者在涂覆了玻璃的聚合物颗粒热分解后，所述材料被负载。
在本发明的一个特别优选的具体实施方式
中，未被涂覆的聚合物颗粒负载有溶解形式的金属化合物，例如溶解的氧化物、氯化物、硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐、醋酸盐等，或者负载有机金属化合物，例如烷基金属或金属烷氧化合物。采用这种方式似乎实质上任何元素都可以负载在所述颗粒上。
如果需要生产涂覆了玻璃的或中空的玻璃颗粒，那么所述聚合物颗粒可以与陶瓷前体例如金属或仿金属烷氧化物接触。由于烷氧化物的分解，加热这样处理后的聚合物颗粒产生玻璃(例如陶瓷)壳。加热至聚合物热解的温度将产生含有预负载了活性剂(如果有)的中空玻璃颗粒。通常这样的热解发生在高于600℃的温度下，例如650-700℃。通过上下文可以认识到所述“玻璃”不必是石英玻璃而可以是任何金属或仿金属陶瓷，例如氧化锆、氧化钛、氧化铪等。由于氧化锆等可以起到催化功能，所述玻璃壳本身可以是或含有所述的“活性剂”。
我们惊讶地发现这样的玻璃壳不象已知的中空石英微球壳，它具有令人惊讶的有利的可渗透性。这将允许活性剂或前体被负载在玻璃壳形成后的颗粒内，并且允许活性剂从该壳体中沥出或液体(例如水)浸入到壳体内。因此，这样的玻璃壳颗粒尤其适于用作活性剂的储存器，例如用于体内或体外延时释放。因此，这样负载的中空玻璃壳的特别优选的应用是用于延时释放磷光材料进入涂层或表面材料。
因此，本发明的又一方面提供包括含有活性剂的基质颗粒的颗粒组合物，所述基质颗粒是任选涂覆了玻璃形成涂层的、由不饱和杂环单体与方酸或克酮酸或其衍生物共聚产生的聚合物的颗粒，或者是涂覆了玻璃形成涂层并进行热解的、由不饱和杂环单体与方酸或克酮酸或其衍生物共聚产生的聚合物的颗粒，所述组合物任选还含有载体，并且任选还含有基质(matrix)形成材料。
所述组合物中的载体通常可以是液体，例如水或有机溶剂。
所述组合物中的基质形成材料通常可以是涂料、清漆、瓷漆(lacquer)、水泥或混凝土基，即一种能变硬以产生在其内嵌入了颗粒的固体或薄膜的材料。
本发明的另一方面提供本发明的颗粒组合物作为吸收剂、催化剂、染料、缓释剂、造影剂、色谱媒介或化学反应的反应剂的应用。
如果需要，玻璃形成剂可以在还原介质(例如氢气气氛)中被加热，以产生金属或仿金属壳而不是玻璃壳。所得到的颗粒和它们的应用也构成了本发明的一部分。
当所述聚合物浸渍一种金属化合物时，它能被热解，以产生该金属的化合物的中空颗粒。所得到的颗粒及其应用也构成本发明的一部分。这些可以包括如下所述的中空氧化钛、氧化硅或铁的氧化物的壳，它们可以原样使用，或者可以负载其它活性剂。
现在将结合下述的非限制性实施例进一步说明本发明。
具体实施例方式 实施例1 聚(1-甲基吡咯-2-基方酸)的制备 通过将等摩尔量的吡咯衍生物和方酸在烷醇(或含有烷醇的溶剂混合物)中回流来制备聚(吡咯-2-基方酸)。基于使用1-甲基吡咯的典型制备工序如下所示将等摩尔量的1-甲基吡咯和方酸在1-丁醇中回流16小时。在冷却之后，将粗产物过滤和干燥。通过在索格利特萃取器中用乙酸乙酯反复洗涤产物16小时来除去可溶性小分子量材料。
所使用的吡咯衍生物是吡咯，1-甲基-吡咯，2，6-双(1-甲基吡咯-2-基)-吡啶，a，b-双(1-甲基吡咯-2-基)蒽，2，2’-双(1-甲基吡咯)和1-乙酰氧基乙基-吡咯。
图1示出了聚(1-甲基吡咯-2-基-方酸)的扫描电镜图。
实施例2 用聚(1-甲基吡咯-2-基-方酸)吸收金属离子 聚(吡咯-2-基方酸)在浸泡于含溶解的元素盐的酸性水溶液中时可以吸收元素离子。表1列举了被聚(1-甲基吡咯-2-基-方酸)吸收的金属离子。表1包括了元素盐和用于溶解该盐的酸。
将1g的聚(1-甲基吡咯-2-基-方酸)加入到含有1g溶解元素化合物或元素化合物的混合物的30cm3浓酸或含水酸溶液中。将该混合物搅拌5分钟，然后超声处理3秒，随后进一步搅拌25分钟。然后通过过滤从该混合物中分离出聚(1-甲基吡咯-2-基-方酸)。
表1 ucc＝含有...的未知化合物 还可以引入镓、硒和汞。
聚(吡咯-2-基方酸)还可以通过在含有溶解元素氢氧化物的碱性水溶液中浸泡而吸收元素离子。
将1g的聚(吡咯-2-基方酸)加入到通过溶解无机碱至不同浓度(0-2M)而呈碱性的30cm3水溶液中。将该混合物搅拌5分钟，然后超声处理3秒，随后进一步搅拌25分钟。然后通过过滤从该混合物中分离出聚(吡咯-2-基方酸)。
实施例3 聚(吡咯-2-基方酸)在制备无机材料中的应用 将1g的聚(1-甲基吡咯-2-基-方酸)加入到含有1g溶解元素化合物或元素化合物的混合物的30cm3浓酸或含水酸溶液中。将该混合物搅拌5分钟，然后超声处理3秒，随后进一步搅拌25分钟。然后通过过滤从该混合物中除去聚(1-甲基吡咯-2-基-方酸)。通过在烘箱内将该含元素的聚-1-甲基吡咯-2-基方酸)从室温加热到660℃来产生无机材料。
图2是通过该方法制备的氧化铁(Fe2O3)的扫描电镜图。
实施例4 聚(吡咯-2-基方酸)作为制备中空氧化硅壳的模板材料的应用 将1g的聚(1-甲基吡咯-2-基方酸)加入到含有9∶1四乙氧基硅烷∶乙醇的30cm3溶液中。将该混合物搅拌5分钟，然后超声处理3秒，随后进一步搅拌25分钟。然后通过过滤从该混合物中除去硅化(silicated)聚(1-甲基吡咯-2-基方酸)，再烘箱(60℃)干燥。将1g的硅化聚(1-甲基吡咯-2-基方酸)加入到30cm3浓酸溶液中。将该混合物搅拌5分钟，然后超声处理3秒，随后进一步搅拌25分钟。然后通过过滤从该混合物中分离出硅化聚(1-甲基吡咯-2-基方酸)。通过在烘箱内将该硅化聚-1-甲基吡咯-2-基方酸)从室温加热到660℃来形成中空氧化硅壳。
图3示出了中空氧化硅壳的扫描电镜图，而图4示出了相同壳的透射式电镜图。
实施例5 聚(吡咯-2-基方酸)作为制备中空二氧化钛壳的模板材料的应用 将1g的聚(1-甲基吡咯-2-基方酸)加入到30cm3四乙醇钛中。将该混合物搅拌5分钟，然后超声处理3秒，随后进一步搅拌25分钟。然后通过过滤从该混合物中分离出钛化(titaniated)聚(1-甲基吡咯-2-基方酸)，再烘箱(60℃)干燥。将1g的钛化聚(1-甲基吡咯-2-基方酸)加入到30cm3浓酸溶液中。将该混合物搅拌5分钟，然后超声处理3秒，随后进一步搅拌25分钟。然后通过过滤从该混合物中分离出钛化聚(1-甲基吡咯-2-基方酸)。通过在烘箱内将该钛化聚-1-甲基吡咯-2-基方酸)从室温加热到660℃来形成中空二氧化钛壳。
图5示出了中空二氧化钛壳的扫描电镜图。
实施例6 中空壳作为分子例如有机化合物和/或生物物质的储存容器的应用 将一定量的中空壳在含有溶解量的有机化合物的有机溶剂的溶液中浸泡。通过过滤从该混合物中分离出填充的壳，用少量的纯有机溶剂洗涤。
图6示出了通过上述方法用不同的着色有机染料填充中空壳的结果。在该情况下使用的有机溶剂是氯仿。
使用甲醇以及二氯甲烷/甲醇和氯仿/甲醇溶剂混合物将双氯芬酸钠盐引入到这些壳内。
实施例7 中空壳作为水溶性化合物的储存容器的应用 将一定量的中空壳在含有溶解量的水溶性化合物的饱和水溶液中浸泡。将该混合物加热到60℃和冷却到室温达4次，之后通过过滤从该混合物中分离出填充的壳，再用少量的水洗涤。
使用该工序，用三氯化三(亚乙基-1，2-二胺)钴(III)填充这些壳。
实施例8 含无机化合物的氧化硅壳的制备 将1g的聚(1-甲基吡咯-2-基方酸)加入到含有9∶1四乙氧基硅烷乙醇的30cm3溶液中。将该混合物搅拌5分钟，然后超声处理3秒，随后进一步搅拌25分钟。然后通过过滤从该混合物中分离出硅化聚(1-甲基吡咯-2-基方酸)，再烘箱(60℃)干燥。将1g的硅化聚(1-甲基吡咯-2-基方酸)加入到含有1g溶解元素化合物或元素化合物的混合物的30cm3浓酸或含水酸溶液中。将该混合物搅拌5分钟，然后超声处理3秒，随后进一步搅拌25分钟。然后通过过滤从该混合物中分离出硅化的、含元素的聚(1-甲基吡咯-2-基方酸)。通过在烘箱内将该硅化的、含元素的聚-1-甲基吡咯-2-基方酸)从室温加热到660℃来形成含有元素无机化合物的中空氧化硅壳。
实施例9 含无机化合物的二氧化钛壳的制备 将1g的聚(1-甲基吡咯-2-基方酸)加入到30cm3四乙醇钛中。将该混合物搅拌5分钟，然后超声处理3秒，随后进一步搅拌25分钟。然后通过过滤从该混合物中分离出钛化聚(1-甲基吡咯-2-基方酸)，再烘箱(60℃)干燥。将1g的钛化聚(1-甲基吡咯-2-基方酸)加入到含有1g溶解元素化合物或元素化合物的混合物的30cm3浓酸或含水酸溶液中。将该混合物搅拌5分钟，然后超声处理3秒，随后进一步搅拌25分钟。然后通过过滤从该混合物中分离出钛化和含元素的聚(1-甲基吡咯-2-基方酸)。通过在烘箱内将该钛化和含元素的聚-1-甲基吡咯-2-基方酸)从室温加热到660℃来形成含元素无机化合物的中空二氧化钛壳。
表1列举了使用在表1中列举的初始元素化合物和酸由以上工序获得的元素无机化合物。
权利要求
1.颗粒聚合物材料作为活性剂的载体的应用，其特征在于所述聚合物材料是由不饱和杂环单体与方酸或克酮酸或其衍生物的共聚所制备的聚合物。
2.根据权利要求1所述的应用，其中所述共聚在这样的溶剂中进行随着所述聚合物的生长，所述聚合物在所述溶剂中变得不溶。
3.根据权利要求1或2所述的应用，其中所述杂环单体包括2，5-未取代的吡咯或5，5’-未取代-2，2’-双吡咯。
4.根据前述权利要求的任一项所述的应用，其中所述聚合物具有以下结构
其中，每个R可以相同或不同，为氢或任选的取代的烷基；X是键或桥基；y是零或正整数；z是正整数，其值决定该聚合物的分子量。
5.根据前述权利要求的任一项所述的应用，其中所述颗粒聚合物负载有溶解形式的金属化合物或有机金属化合物。
6.中空颗粒玻璃作为活性剂的载体的应用，其特征在于所述中空颗粒玻璃通过如前述权利要求的任一项所定义的方法制备的涂覆了玻璃的聚合物的热解来形成。
7.包括含活性剂的基质颗粒的颗粒组合物，所述基质颗粒是通过如前述权利要求的任一项所定义的方法所制备的聚合物的颗粒，任选涂有玻璃形成涂层，或者是涂有玻璃形成涂层并且热解的由前述权利要求任一项所定义的方法制备的聚合物的颗粒，所述组合物任选进一步含有载体和任选进一步含有基质形成材料。
8.根据权利要求7所述的组合物，其中所述载体是水或有机溶剂。
9.根据权利要求7或8所述的组合物，其中所述基质形成材料是涂料、清漆、瓷漆、水泥或混凝土基。
10.根据权利要求7-9的任一项所述的颗粒组合物作为吸收剂、催化剂、染料、缓释剂、造影剂、色谱介质或化学反应试剂的应用。
全文摘要
本发明提供颗粒聚合物材料作为活性剂的载体的应用，其特征在于所述聚合物材料是由不饱和杂环单体与方酸或克酮酸或其衍生物共聚所制备的聚合物。
文档编号C03C11/00GK1954011SQ200580014000
公开日2007年4月25日 申请日期2005年5月5日 优先权日2004年5月5日
发明者埃里克·丹尼尔·林奇 申请人:考文垂大学