JP4935079B2 - Polymer composition containing oxocarbons and use thereof - Google Patents
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Description
本発明は、オキソカーボン類を含有する高分子組成物及びその用途に関する。 The present invention relates to a polymer composition containing oxocarbons and use thereof.
スクアリン酸(四角酸)に代表されるオキソカーボン類は、オキソカーボン基から水素が解離した構造が共鳴により安定化されるため酸性度が高いことが知られている(非特許文献1)(非特許文献2)。
一方、スルホン酸基を有する高分子化合物は、高分子電解質型燃料電池等の高分子電解質として有用であることが知られている。例えばナフィオン(デュポン社の登録商標)をはじめとするフッ素系高分子、ポリエーテルケトン類にスルホン酸基を導入した高分子(特許文献1)、ポリエーテルスルホン類にスルホン酸基を導入した高分子(非特許文献3)、ポリイミド類にスルホン酸基を導入した高分子(特許文献2)、ポリフェニレン類にスルホン酸基を導入した高分子(特許文献3)、ポリホスファゼン類にスルホン酸基を導入した高分子(非特許文献4)等が高分子電解質型燃料電池等の高分子電解質として提案されている。
Oxocarbons represented by squaric acid (square acid) are known to have high acidity because the structure in which hydrogen is dissociated from an oxocarbon group is stabilized by resonance (Non-patent Document 1) (Non-Patent Document 1) Patent Document 2).
On the other hand, polymer compounds having a sulfonic acid group are known to be useful as polymer electrolytes for polymer electrolyte fuel cells and the like. For example, fluorinated polymers such as Nafion (registered trademark of DuPont), polymers obtained by introducing sulfonic acid groups into polyether ketones (Patent Document 1), polymers obtained by introducing sulfonic acid groups into polyether sulfones (Non-patent Document 3), Polymers with sulfonic acid groups introduced into polyimides (Patent Document 2), Polymers with sulfonic acid groups introduced into polyphenylenes (Patent Document 3), and sulfonic acid groups introduced into polyphosphazenes The polymer (Non-patent Document 4) has been proposed as a polymer electrolyte for a polymer electrolyte fuel cell or the like.
しかしながら、オキソカーボン類を含有する高分子組成物は、知られていない。
本発明者等は、種々検討を重ねた結果、オキソカーボン類と高分子化合物とを含有する高分子組成物が、水素ガスなどの気体燃料やメタノールやジメチルエーテルなどの液体燃料を用いる固体高分子型燃料電池のプロトン伝導膜用材料すなわち高分子電解質として有用であることを見出すとともに、スルホン酸基を有する高分子化合物に匹敵するプロトン伝導性を有し、しかもスルホン酸基を有する高分子化合物に比し、化学的安定性、耐水性にも優れ、高いプロトン伝導性を維持し得ることを見出し、本発明を完成した。
本発明の目的は、固体高分子型燃料電池のプロトン伝導膜用材料すなわち高分子電解質として有用な新規な組成物を提供することにあり、プロトン伝導膜としたときに、化学的安定性、耐水性に優れ、優れたプロトン伝導性を有するプロトン伝導膜を与える組成物を提供することにある。
However, a polymer composition containing oxocarbons is not known.
As a result of various studies, the present inventors have found that a polymer composition containing oxocarbons and a polymer compound is a solid polymer type using a gaseous fuel such as hydrogen gas or a liquid fuel such as methanol or dimethyl ether. It is found to be useful as a material for a proton conductive membrane of a fuel cell, that is, a polymer electrolyte, and has proton conductivity comparable to that of a polymer compound having a sulfonic acid group, and compared with a polymer compound having a sulfonic acid group. In addition, the inventors have found that the chemical stability and water resistance are excellent and that high proton conductivity can be maintained, and the present invention has been completed.
An object of the present invention is to provide a novel composition useful as a material for a proton conducting membrane of a solid polymer fuel cell, that is, a polymer electrolyte. When a proton conducting membrane is used, the chemical stability, water resistance An object of the present invention is to provide a composition that provides a proton conducting membrane having excellent properties and excellent proton conductivity.
すなわち本発明は、〔1〕オキソカーボン類と高分子化合物とを含有することを特徴とする高分子組成物に係るものである。
さらに、本発明は、〔2〕オキソカーボン類が、下式(1)で示される〔1〕に記載の高分子組成物、
(式中、X1、X2はそれぞれ独立に−O−、−S−又は−NR’−を表し、Zは−CO−、−C(S)−、−C(NR’’)−、置換基を有していても良い炭素数1〜6のアルキレン基又は置換基を有していても良い炭素数6〜10のアリーレン基を表す。nは、繰り返しの数を表わし、0〜10の整数を表わす。Zが複数ある場合は、それぞれのZは、互いに同じであっても良く、異なっていても良い。Rは、−OH、−SH、−NHR’’’、置換基を有していても良い炭素数1〜18のアルキル基、置換基を有していても良い炭素数6〜18のアリール基又は置換基を有していても良い炭素数7〜16のアラルキル基を表す。R’、R’’、R’’’は、それぞれ独立に水素原子、置換基を有していてもよい炭素数1〜6のアルキル基又は置換基を有していてもよい炭素数6〜10のアリール基を表す。Bは、水素原子または1価の金属原子を表す。)
〔3〕Zが、−CO−、−C(S)−又は−C(NH)−のいずれかであることを特徴とする〔2〕記載の高分子組成物、
〔4〕X1とX2が−O−、Zが−CO−、nが0〜2の整数であることを特徴とする〔2〕〜〔3〕のいずれかに記載の高分子組成物、
〔5〕高分子化合物が、ポリビニルピロリドン類、ポリ(メタ)アクリル酸類、ポリ(メタ)アクリル酸エステル類、ポリ(メタ)アクリロニトリル類、ポリスチレン類、ポリビニルピリジン類、ポリエチレン類、ポリプロピレン類、ポリブテン類、ポリビニリデンフルオリド類、ポリテトラフルオロエチレン類、ポリ塩化ビニル類、ポリオキシアルキレン類、ポリシロキサン類、ポリエステル類、ポリイミド類、ポリアミド類、ポリベンズオキサゾール類、ポリベンズイミダゾール類、ポリアリーレンエーテル類、ポリアリーレン類、ポリアリーレンスルフィド類、ポリエーテルケトン類、ポリエーテルスルホン類、ポリホスファゼン類からなる群より選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする〔1〕〜〔4〕のいずれかに記載の高分子組成物、
〔6〕[オキソカーボン類の物質量(mmol)]/[高分子化合物の重量(g)+オキソカーボン類の重量(g)]が0.05〜8mmol/gであることを特徴とする〔1〕〜〔5〕のいずれかに記載の高分子組成物、
〔7〕前記の〔1〕〜〔6〕のいずれかに記載の高分子組成物を有効成分とする高分子電解質、
〔8〕前記の〔7〕記載の高分子電解質を有することを特徴とする高分子電解質膜、
〔9〕前記の〔7〕に記載の高分子電解質または〔8〕に記載の高分子電解質膜の少なくとも一つを有することを特徴とする電池、
〔10〕前記の〔7〕に記載の高分子電解質または〔8〕に記載の高分子電解質膜の少なくとも一つを用いることを特徴とする燃料電池、
〔11〕前記の一般式(1)で示される化合物であって、Rがハロゲノ置換アリール基であることを特徴とするオキソカーボン化合物、
〔12〕ハロゲノ置換アリール基が下式(2a)〜(2c)からなる群より選ばれる基であることを特徴とする〔11〕記載のオキソカーボン化合物、
(式中、pは1〜5の整数を表す。qは0〜3の整数、rは0〜4の整数を表し、かつ(q+r)の値が1〜7である。sは0〜4の整数、tは0〜5の整数を表し、かつ(s+t)の値が1〜9である。Y1〜Y5はそれぞれ独立にハロゲノ基を表し、Y1〜Y5がそれぞれ複数あるときにはこれらは同じであっても良いし異なっていても良い。)
〔13〕ハロゲノ基がフルオロ基であることを特徴とする〔12〕に記載のオキソカーボン化合物、
〔14〕ハロゲノ置換アリール基が前記の(2a)であることを特徴とする〔11〕〜〔13〕のいずれかに記載のオキソカーボン化合物、
〔15〕下式(3)で表されるオキソカーボン化合物、
〔16〕下式(4)で表されるオキソカーボン化合物
に係るものである。
That is, the present invention relates to a polymer composition comprising [1] oxocarbons and a polymer compound.
Further, the present invention provides the polymer composition according to [1], wherein [2] oxocarbons are represented by the following formula (1):
Wherein X 1 and X 2 each independently represent —O—, —S— or —NR′—, Z represents —CO—, —C (S) —, —C (NR ″) —, Represents an optionally substituted alkylene group having 1 to 6 carbon atoms or an optionally substituted arylene group having 6 to 10 carbon atoms, n represents the number of repetitions, and 0 to 10 In the case where there are a plurality of Z, each Z may be the same as or different from each other.R is —OH, —SH, —NHR ′ ″, and has a substituent. An optionally substituted alkyl group having 1 to 18 carbon atoms, an optionally substituted aryl group having 6 to 18 carbon atoms, or an optionally substituted aralkyl group having 7 to 16 carbon atoms. R ′, R ″, and R ′ ″ each independently have a hydrogen atom, an optionally substituted alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, or a substituent. .B to an aryl group which may having 6 to 10 carbon atoms optionally represents a hydrogen atom or a monovalent metal atom.)
[3] The polymer composition according to [2], wherein Z is any one of —CO—, —C (S) —, and —C (NH) —.
[4] The polymer composition according to any one of [2] to [3], wherein X 1 and X 2 are —O—, Z is —CO—, and n is an integer of 0 to 2. ,
[5] The polymer compound is polyvinyl pyrrolidone, poly (meth) acrylic acid, poly (meth) acrylic acid ester, poly (meth) acrylonitrile, polystyrene, polyvinyl pyridines, polyethylene, polypropylene, polybutenes , Polyvinylidene fluorides, polytetrafluoroethylenes, polyvinyl chlorides, polyoxyalkylenes, polysiloxanes, polyesters, polyimides, polyamides, polybenzoxazoles, polybenzimidazoles, polyarylene ethers Any one of [1] to [4], characterized in that it is at least one selected from the group consisting of polyarylenes, polyarylene sulfides, polyether ketones, polyether sulfones, and polyphosphazenes Listed high Child composition,
[6] A feature of [amount of substance of oxocarbons (mmol)] / [weight of polymer compound (g) + weight of oxocarbons (g)] is 0.05 to 8 mmol / g [ 1] to [5], the polymer composition according to any one of
[7] A polymer electrolyte comprising the polymer composition according to any one of [1] to [6] as an active ingredient,
[8] A polymer electrolyte membrane comprising the polymer electrolyte according to [7] above,
[9] A battery comprising at least one of the polymer electrolyte according to [7] or the polymer electrolyte membrane according to [8],
[10] A fuel cell using at least one of the polymer electrolyte according to [7] or the polymer electrolyte membrane according to [8],
[11] An oxocarbon compound represented by the above general formula (1), wherein R is a halogeno-substituted aryl group,
[12] The oxocarbon compound according to [11], wherein the halogeno-substituted aryl group is a group selected from the group consisting of the following formulas (2a) to (2c):
(In the formula, p represents an integer of 1 to 5. q represents an integer of 0 to 3, r represents an integer of 0 to 4, and (q + r) has a value of 1 to 7. s represents 0 to 4). , T represents an integer of 0 to 5 and (s + t) has a value of 1 to 9. Y 1 to Y 5 each independently represents a halogeno group, and when there are a plurality of Y 1 to Y 5 These may be the same or different.)
[13] The oxocarbon compound according to [12], wherein the halogeno group is a fluoro group,
[14] The oxocarbon compound according to any one of [11] to [13], wherein the halogeno-substituted aryl group is the above (2a),
[15] An oxocarbon compound represented by the following formula (3):
[16] Oxocarbon compound represented by the following formula (4)
It is related to.
本発明のオキソカーボン類を含有する高分子組成物は、水素ガスなどの気体燃料やメタノールやジメチルエーテルなどの液体燃料を用いる固体高分子型燃料電池のプロトン伝導膜用材料すなわち高分子電解質として有用である。殊にスルホン酸基を有する高分子化合物に匹敵するプロトン伝導性を有するのみならずスルホン酸基を有する高分子化合物に比し、化学的安定性、耐水性等にも優れ、長時間に亘り高いプロトン伝導性を維持し得るので、本発明の高分子組成物は実用面でも有利となる。 The polymer composition containing oxocarbons of the present invention is useful as a material for a proton conductive membrane of a polymer electrolyte fuel cell using a gaseous fuel such as hydrogen gas or a liquid fuel such as methanol or dimethyl ether, that is, a polymer electrolyte. is there. In particular, it not only has proton conductivity comparable to a polymer compound having a sulfonic acid group, but also has excellent chemical stability, water resistance, etc. compared to a polymer compound having a sulfonic acid group, and is high over a long period of time. Since proton conductivity can be maintained, the polymer composition of the present invention is advantageous in practical use.
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の高分子組成物は、オキソカーボン類と高分子化合物を含有することを特徴とする。組成物の形態としては特に制限はないが分子レベルで相溶していても良いし、非相溶の状態でも良い。分子レベルで相溶している形態が得られるプロトン伝導膜のプロトン伝導度が高いために好ましい。
本発明の高分子電解質膜は、前記の高分子組成物を有効成分とする膜であり、具体的には、高分子組成物から製膜したものでもよく、多孔質基材、織布、不織布に前記の高分子組成物を含浸したものでもよい。
高分子電解質が膜の状態にあるときに、膜の表面にオキソカーボン類が塗布された状態でも良い。
ここで、オキソカーボン類としては、その代表例として、下式(1)で示される化合物が挙げられる。
(式中、X1、X2はそれぞれ独立に−O−、−S−又は−NR’−を表し、Zは−CO−、−C(S)−、−C(NR’’)−、置換基を有していても良い炭素数1〜6のアルキレン基又は置換基を有していても良い炭素数6〜10のアリーレン基を表す。nは、繰り返しの数を表わし、0〜10の整数を表わす。Zが複数ある場合は、それぞれのZは、互いに同じであっても良く、異なっていても良い。Rは、−OH、−SH、−NHR’’’、置換基を有していても良い炭素数1〜18のアルキル基、置換基を有していても良い炭素数6〜18のアリール基又は置換基を有していても良い炭素数7〜16のアラルキル基を表す。R’、R’’、R’’’は、それぞれ独立に水素原子、置換基を有していてもよい炭素数1〜6のアルキル基又は置換基を有していてもよい炭素数6〜10のアリール基を表す。Bは、水素原子または1価の金属原子を表す。)
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The polymer composition of the present invention is characterized by containing oxocarbons and a polymer compound. The form of the composition is not particularly limited, but may be compatible at the molecular level or in an incompatible state. It is preferable because the proton conductivity of the proton conducting membrane that can obtain a compatible form at the molecular level is high.
The polymer electrolyte membrane of the present invention is a membrane comprising the above-described polymer composition as an active ingredient, and specifically, a membrane formed from the polymer composition may be used as a porous base material, woven fabric, non-woven fabric. The above-mentioned polymer composition may be impregnated.
When the polymer electrolyte is in the form of a film, the surface of the film may be coated with oxocarbons.
Here, typical examples of the oxocarbons include compounds represented by the following formula (1).
Wherein X 1 and X 2 each independently represent —O—, —S— or —NR′—, Z represents —CO—, —C (S) —, —C (NR ″) —, Represents an optionally substituted alkylene group having 1 to 6 carbon atoms or an optionally substituted arylene group having 6 to 10 carbon atoms, n represents the number of repetitions, and 0 to 10 In the case where there are a plurality of Z, each Z may be the same as or different from each other.R is —OH, —SH, —NHR ′ ″, and has a substituent. An optionally substituted alkyl group having 1 to 18 carbon atoms, an optionally substituted aryl group having 6 to 18 carbon atoms, or an optionally substituted aralkyl group having 7 to 16 carbon atoms. R ′, R ″, and R ′ ″ each independently have a hydrogen atom, an optionally substituted alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, or a substituent. .B to an aryl group which may having 6 to 10 carbon atoms optionally represents a hydrogen atom or a monovalent metal atom.)
式(1)で表わされるオキソカーボン類において、Bが水素原子である場合、すなわち遊離酸の形である場合は、下記式
で表わされる平衡反応をとりうる。この平衡反応の極限構造は下記式
のように表わされ、プロトンが解離した時のカチオンが分子内に広く非局在化するために安定な構造である。そのために式(1)で表される化合物は酸性度が高い化合物になるものと考えられる。
In the oxocarbons represented by the formula (1), when B is a hydrogen atom, that is, in the form of a free acid, the following formula
The equilibrium reaction represented by can be taken. The ultimate structure of this equilibrium reaction is
This is a stable structure because the cations when protons dissociate are widely delocalized in the molecule. Therefore, it is considered that the compound represented by the formula (1) becomes a compound having a high acidity.
式(1)で示されるオキソカーボン類において、X1、X2はそれぞれ独立に−O−、−S−又は−NR’−を表す。R’は、水素原子;メチル基、トリフルオロメチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基等で代表される置換基を有していてもよい炭素数1〜6のアルキル基又はフェニル基、ペンタフルオロフェニル基、ナフチル基等で代表される置換基を有していてもよい炭素数6〜10のアリール基を表す。R’として好ましくは水素原子である。X1、X2として好ましくは−O−、−S−であり、特に好ましくは−O−である。
またZは−CO−、−C(S)−、−C(NR’’)−、置換基を有していてもよい炭素数1〜6のアルキレン基又は置換基を有していてもよい炭素数6〜10のアリーレン基を表す。R’’は、水素原子;メチル基、トリフルオロメチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基等で代表される置換基を有していてもよい炭素数1〜6のアルキル基又はフェニル基、ペンタフルオロフェニル基、ナフチル基等で代表される置換基を有していてもよい炭素数6〜10のアリール基を表す。R”として好ましくは水素原子である。
ここで、炭素数1〜6のアルキレン基としては、例えばメチレン基、エチレン基、プロピレン基、i−プロピレン基、ブチレン基、ペンチレン基等が挙げられる。また炭素数6〜10のアリーレン基としては、例えばフェニレン基、ナフチレン基等が挙げられる。置換基を有する場合の置換基としては、例えば、フルオロ基、クロロ基、ブロモ基などのハロゲノ基が挙げられ、なかでもフルオロ基が好ましく用いられる。
Zは、好ましくは−CO−、−C(S)−、−C(NR’’)−、メチレン、ジフルオロメチレン、フェニレン、テトラフルオロフェニレン等であり、より好ましくは−CO−、−C(S)−等であり、特に好ましくは−CO−等である。
nはZの繰り返しの数を表わし、n=0〜10の数を表わす。nが0の場合は、単結合を意味する。n個あるZは互いに同じであっても良いし、異なっていても良い。nは、好ましくは0〜4であり、より好ましくは0〜2であり、特に好ましくは1である。
In the oxocarbons represented by the formula (1), X 1 and X 2 each independently represent —O—, —S— or —NR′—. R ′ is a hydrogen atom; an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms which may have a substituent represented by a methyl group, a trifluoromethyl group, an ethyl group, a propyl group, an isopropyl group, an n-butyl group, or the like. Alternatively, it represents an aryl group having 6 to 10 carbon atoms which may have a substituent represented by a phenyl group, a pentafluorophenyl group, a naphthyl group, or the like. R ′ is preferably a hydrogen atom. X 1 and X 2 are preferably —O— or —S—, and particularly preferably —O—.
Z may have -CO-, -C (S)-, -C (NR '')-, an optionally substituted alkylene group having 1 to 6 carbon atoms or a substituent. An arylene group having 6 to 10 carbon atoms is represented. R ″ is a hydrogen atom; an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms which may have a substituent represented by a methyl group, a trifluoromethyl group, an ethyl group, a propyl group, an isopropyl group, an n-butyl group, or the like. Represents an aryl group having 6 to 10 carbon atoms which may have a substituent represented by a group or a phenyl group, a pentafluorophenyl group, a naphthyl group or the like. R ″ is preferably a hydrogen atom.
Here, as a C1-C6 alkylene group, a methylene group, ethylene group, a propylene group, i-propylene group, a butylene group, a pentylene group etc. are mentioned, for example. Examples of the arylene group having 6 to 10 carbon atoms include a phenylene group and a naphthylene group. In the case of having a substituent, examples of the substituent include halogeno groups such as a fluoro group, a chloro group, and a bromo group, and among them, a fluoro group is preferably used.
Z is preferably —CO—, —C (S) —, —C (NR ″) —, methylene, difluoromethylene, phenylene, tetrafluorophenylene, etc., more preferably —CO—, —C (S )-And the like, particularly preferably -CO- and the like.
n represents the number of repetitions of Z, and represents a number of n = 0 to 10. When n is 0, it means a single bond. The n Zs may be the same or different. n is preferably 0 to 4, more preferably 0 to 2, and particularly preferably 1.
Rは−OH、−SH、−NHR’’’、置換基を有していても良い炭素数1〜18のアルキル基、置換基を有していても良い炭素数6〜18のアリール基又は置換基を有していても良い炭素数7〜16のアラルキル基を表す。R’’’は、水素原子;メチル基、トリフルオロメチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基等で代表される置換基を有していてもよい炭素数1〜6のアルキル基又はフェニル基、ペンタフルオロフェニル基、ナフチル基等で代表される置換基を有していてもよい炭素数6〜10のアリール基を表す。R’’’として好ましくは水素原子である。
ここで、炭素数1〜18のアルキル基としては、例えばメチル基、エチル基、プロピル基、i−プロピル基、n−ブチル基、sec−ブチル基、イソブチル基、t−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基、トリデシル基、テトラデシル基、ペンタデシル基、ヘキサデシル基、ヘプタデシル基、オクタデシル基等が挙げられる。
炭素数1〜18のアルキル基が置換基を有する場合の置換基としては、例えばフルオロ基、クロロ基、ブロモ基等のハロゲノ基;ニトロ基;シアノ基;メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基等の炭素数1〜5のアルコキシ基;トリフルオロメチル基、ペンタフルオロメチル基等の炭素数1〜5のフルオロアルキル基等が挙げられる。
R is —OH, —SH, —NHR ′ ″, an optionally substituted alkyl group having 1 to 18 carbon atoms, an optionally substituted aryl group having 6 to 18 carbon atoms, or An aralkyl group having 7 to 16 carbon atoms which may have a substituent is represented. R ′ ″ represents a hydrogen atom; optionally having a substituent represented by a methyl group, a trifluoromethyl group, an ethyl group, a propyl group, an isopropyl group, an n-butyl group, etc. It represents an aryl group having 6 to 10 carbon atoms which may have a substituent represented by an alkyl group, a phenyl group, a pentafluorophenyl group, a naphthyl group or the like. R ′ ″ is preferably a hydrogen atom.
Here, examples of the alkyl group having 1 to 18 carbon atoms include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, an i-propyl group, an n-butyl group, a sec-butyl group, an isobutyl group, a t-butyl group, a pentyl group, Examples include hexyl group, heptyl group, octyl group, nonyl group, decyl group, undecyl group, dodecyl group, tridecyl group, tetradecyl group, pentadecyl group, hexadecyl group, heptadecyl group, octadecyl group and the like.
Examples of the substituent when the alkyl group having 1 to 18 carbon atoms has a substituent include halogeno groups such as a fluoro group, a chloro group, and a bromo group; a nitro group; a cyano group; a methoxy group, an ethoxy group, and a propoxy group. C1-C5 alkoxy groups; C1-C5 fluoroalkyl groups, such as a trifluoromethyl group and a pentafluoromethyl group, etc. are mentioned.
また炭素数6〜18のアリール基としては、例えばフェニル基、ナフチル基、アントラニル基、等が挙げられる。炭素数6〜18のアリール基が置換基を有する場合の置換基としては、例えばフルオロ基、クロロ基、ブロモ基等のハロゲノ基、ニトロ基、シアノ基、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基等の炭素数1〜5のアルコキシ基、トリフルオロメチル基、ペンタフルオロメチル基等の炭素数1〜5のフルオロアルキル基、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基等の炭素数1〜5のアルキルなどが挙げられる。
ハロゲノ基を置換基として有している炭素数6〜18のアリール基の一例としては、例えば、下記一般式(2a)〜(2d)
が挙げられる。
式中、Y1〜Y5はそれぞれ独立にハロゲノ基を表す。pは1〜5の整数を表す。qは0〜3の整数、rは0〜4の整数を表し、かつ(q+r)の値が1〜7である。sは0〜4の整数、tは0〜5の整数を表し、かつ(s+t)の値が1〜9である。Y1〜Y5がそれぞれ複数あるときにはこれらは同じであっても良いし異なっていても良い。
ハロゲノ基として好ましくはフルオロ基、クロロ基であり、特に好ましくはフルオロ基である。(2a)〜(2d)の中で特に好ましくは(2a)である。
炭素数7〜16のアラルキル基としては、例えばベンジル基、フェニルエチル基、フェニルプロピル基、ナフチルメチル基、ナフチルエチル基等が挙げられる。炭素数7〜16のアラルキル基が置換基を有する場合の置換基としては、例えばフルオロ基、クロロ基、ブロモ基等のハロゲノ基、ニトロ基、シアノ基、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基等の炭素数1〜5のアルコキシ基、トリフルオロメチル基、ペンタフルオロメチル基等の炭素数1〜5のフルオロアルキル基、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基等の炭素数1〜5のアルキル基などが挙げられる。
Rは、−OH、−SH、メチル基、エチル基、トリフルオロメチル基、フェニル基、ナフチル基、ペンタフルオロフェニル基、ベンジル基等であることが好ましく、より好ましくは−OH、フェニル基、ペンタフルオロフェニル基等である。
Moreover, as a C6-C18 aryl group, a phenyl group, a naphthyl group, an anthranyl group etc. are mentioned, for example. Examples of the substituent when the aryl group having 6 to 18 carbon atoms has a substituent include a halogeno group such as a fluoro group, a chloro group, and a bromo group, a nitro group, a cyano group, a methoxy group, an ethoxy group, and a propoxy group. C1-C5 fluoroalkyl group such as C1-C5 alkoxy group, trifluoromethyl group, pentafluoromethyl group, etc., C1-C5 alkyl such as methyl group, ethyl group, propyl group, butyl group Etc.
As an example of a C6-C18 aryl group which has a halogeno group as a substituent, for example, the following general formulas (2a) to (2d)
Is mentioned.
Wherein, Y 1 to Y 5 each independently represent a halogeno group. p represents an integer of 1 to 5. q represents an integer of 0 to 3, r represents an integer of 0 to 4, and (q + r) has a value of 1 to 7. s represents an integer of 0 to 4, t represents an integer of 0 to 5, and (s + t) has a value of 1 to 9. When there are a plurality of Y 1 to Y 5 , these may be the same or different.
The halogeno group is preferably a fluoro group or a chloro group, and particularly preferably a fluoro group. Among (2a) to (2d), (2a) is particularly preferable.
Examples of the aralkyl group having 7 to 16 carbon atoms include benzyl group, phenylethyl group, phenylpropyl group, naphthylmethyl group, naphthylethyl group and the like. Examples of the substituent when the aralkyl group having 7 to 16 carbon atoms has a substituent include a halogeno group such as a fluoro group, a chloro group, and a bromo group, a nitro group, a cyano group, a methoxy group, an ethoxy group, and a propoxy group. C1-C5 fluoroalkyl group such as C1-C5 alkoxy group, trifluoromethyl group, pentafluoromethyl group, etc., C1-C5 alkyl such as methyl group, ethyl group, propyl group, butyl group Group and the like.
R is preferably —OH, —SH, methyl group, ethyl group, trifluoromethyl group, phenyl group, naphthyl group, pentafluorophenyl group, benzyl group, and more preferably —OH, phenyl group, penta A fluorophenyl group and the like;
Bは水素原子または1価の金属原子を表す。1価の金属原子としては、リチウム原子、ナトリウム原子、カリウム原子、セシウム原子、銀原子等が挙げられる。Bとして、好ましくは水素原子、リチウム原子、ナトリウム原子、カリウム原子、セシウム原子であり、さらに好ましくはリチウム原子、ナトリウム原子、カリウム原子であり、さらにより好ましくは水素原子、リチウム原子である。
本発明の組成物をリチウム二次電池用電解質として用いる場合には、Bとしてリチウムが用いられる。
本発明の組成物を固体高分子型燃料電池に用いる場合は、実質的に全ての官能基が遊離酸の形である場合、すなわちBが水素原子である場合が好ましい。
B represents a hydrogen atom or a monovalent metal atom. Examples of the monovalent metal atom include a lithium atom, a sodium atom, a potassium atom, a cesium atom, and a silver atom. B is preferably a hydrogen atom, a lithium atom, a sodium atom, a potassium atom or a cesium atom, more preferably a lithium atom, a sodium atom or a potassium atom, still more preferably a hydrogen atom or a lithium atom.
When the composition of the present invention is used as an electrolyte for a lithium secondary battery, lithium is used as B.
When the composition of the present invention is used in a polymer electrolyte fuel cell, it is preferable that substantially all functional groups are in the form of a free acid, that is, B is a hydrogen atom.
本発明における式(1)で示されるオキソカーボン類の具体例としては、例えば下記の化合物が挙げられる。ここで、Bが水素原子の場合を例示する。
Specific examples of the oxocarbons represented by the formula (1) in the present invention include the following compounds. Here, the case where B is a hydrogen atom is illustrated.
本発明においては、上記のようなオキソカーボン類が用いられる。 これらの中では、(a1)〜(a66)が好ましい。より好ましくは(a2)、(a5)(a8)、(a11)、(a14)、(a17)、(a20)、(a23)、(a26)、(a29)、(a32)、(a35)、(a38)、(a41)、(a44)、(a47)、(a50)、(a53)、(a56)、(a59)、(a62)、(a65)であり、より一層好ましくは(a2)、(a5)、(a17)、(a26)、(a29)、(a41)、(a44)、(a50)、(a53)、(a59)、(a62)、(a65)であり、特に好ましくは(a2)、(a41)、(a50)、(a53)である。 In the present invention, the above oxocarbons are used. Among these, (a1) to (a66) are preferable. More preferably (a2), (a5) (a8), (a11), (a14), (a17), (a20), (a23), (a26), (a29), (a32), (a35), (A38), (a41), (a44), (a47), (a50), (a53), (a56), (a59), (a62), (a65), and more preferably (a2), (A5), (a17), (a26), (a29), (a41), (a44), (a50), (a53), (a59), (a62), (a65), particularly preferably ( a2), (a41), (a50), and (a53).
オキソカーボン類は、例えば下記の方法に準拠して製造し得る。また試薬メーカーから入手しても良い。
(I)リチウム試薬を用いて、オキソカーボン類(1)におけるRがアルキルまたはアリールである化合物を製造する方法(Journal of Organic Chemistry,53,2482、2477(1988))。
(II)グリニヤ試薬を用いて、オキソカーボン類(1)におけるRがアルキルまたはアリールである化合物を製造する方法(Heterocycles,27(5),1191(1988))。
(III)スズ試薬を用いて、オキソカーボン類(1)におけるRがアルキルまたはアリールである化合物を製造する方法(Journal of Organic Chemistry,55,5359(1990)、Tetrahydron Letters,31(30),4293(1990))。
(IV)Friedel Crafts反応を用いて合成する方法(Synthesis,46頁(1974))。
これらの方法に準拠することにより様々な誘導体を合成することができる。(I)〜(IV)の方法でエステル体を得た場合には、エステル体を酸・アルカリなどで加水分解することで一般式(1)におけるBが水素原子であるオキソカーボン類を得ることができる。一般式(1)におけるBがアルカリ金属の場合には、Bが水素原子であるオキソカーボン類を、アルカリ金属水酸化物を含む溶液等で中和することで得ることができる。式(1)は、遊離酸の形で表記しているが、式(1)で表記された水素原子が一価の金属イオンに置換された場合には、式(1)で表記された遊離酸のオキソカーボン類を、アルカリ金属水酸化物を含む溶液等で中和することで得ることができる。
Oxocarbons can be produced, for example, according to the following method. Moreover, you may obtain from a reagent maker.
(I) A method for producing a compound in which R in the oxocarbons (1) is alkyl or aryl using a lithium reagent (Journal of Organic Chemistry, 53 , 2482, 2477 (1988)).
(II) A method for producing a compound in which R in the oxocarbons (1) is alkyl or aryl using a Grignard reagent (Heterocycles, 27 (5), 1191 (1988)).
(III) A method for producing a compound in which R in the oxocarbons (1) is alkyl or aryl using a tin reagent (Journal of Organic Chemistry, 55 , 5359 (1990), Tetrahydron Letters, 31 (30), 4293 (1990)).
(IV) A method of synthesis using Friedel Crafts reaction (Synthesis, page 46 (1974)).
Various derivatives can be synthesized by complying with these methods. When an ester is obtained by the methods (I) to (IV), an oxocarbon in which B in the general formula (1) is a hydrogen atom is obtained by hydrolyzing the ester with an acid or alkali. Can do. When B in the general formula (1) is an alkali metal, it can be obtained by neutralizing oxocarbons in which B is a hydrogen atom with a solution containing an alkali metal hydroxide. Formula (1) is shown in the form of a free acid, but when the hydrogen atom shown in Formula (1) is replaced with a monovalent metal ion, the free shown in Formula (1) It can be obtained by neutralizing acid oxocarbons with a solution containing an alkali metal hydroxide.
本発明の高分子組成物は、上記のようなオキソカーボン類と、高分子化合物とを含有することを特徴とするものである。
ここで、高分子化合物としては、例えばポリビニルピロリドン類、ポリ(メタ)アクリル酸類、ポリ(メタ)アクリル酸エステル類、ポリ(メタ)アクリロニトリル類、ポリスチレン類、ポリビニルピリジン類、ポリエチレン類、ポリプロピレン類、ポリブテン類、ポリビニリデンフルオリド類、ポリテトラフルオロエチレン類、ポリ塩化ビニル類などに代表されるビニル重合体、ポリオキシアルキレン類、ポリシロキサン類、ポリエステル類、ポリイミド類、ポリアミド類、ポリベンズオキサゾール類、ポリベンズイミダゾール類、ポリアリーレンエーテル類、ポリアリーレン類、ポリアリーレンスルフィド類、ポリエーテルケトン類、ポリエーテルスルホン類、ポリホスファゼン類等およびこれらの共重合体並びにこれらの混合物等が挙げられる。
なかでも好ましくはポリビニルピロリドン類、ポリ(メタ)アクリル酸エステル類、ポリ(メタ)アクリロニトリル類、ポリスチレン類、ポリビニルピリジン類、ポリビニリデンフルオリド類、ポリテトラフルオロエチレン類、ポリエステル類、ポリイミド類、ポリベンズオキサゾール類、ポリベンズイミダゾール類、ポリアリーレンエーテル類、ポリアリーレン類、ポリエーテルケトン類、ポリエーテルスルホン類およびこれらの共重合体並びにこれらの混合物等であり、より好ましくはポリビニルピロリドン類、ポリスチレン類、ポリビニルピリジン類、ポリベンズイミダゾール類、ポリエーテルスルホン類およびこれらの共重合体並びにこれらの混合物等である。
また上記高分子の分子量は、数平均で通常1000以上であり、膜形状で使用する場合には、膜としての形状を保つという観点から5000以上が好ましい。また数平均分子量は通常は2000000程度以下であり、膜形状で使用する場合には、膜への成形性の観点から、1000000程度以下であることが好ましい。
The polymer composition of the present invention comprises the above oxocarbons and a polymer compound.
Here, as the polymer compound, for example, polyvinylpyrrolidones, poly (meth) acrylic acids, poly (meth) acrylic esters, poly (meth) acrylonitriles, polystyrenes, polyvinylpyridines, polyethylenes, polypropylenes, Vinyl polymers represented by polybutenes, polyvinylidene fluorides, polytetrafluoroethylenes, polyvinyl chlorides, polyoxyalkylenes, polysiloxanes, polyesters, polyimides, polyamides, polybenzoxazoles Polybenzimidazoles, polyarylene ethers, polyarylenes, polyarylene sulfides, polyether ketones, polyether sulfones, polyphosphazenes, etc., copolymers thereof and mixtures thereof. It is.
Of these, polyvinylpyrrolidones, poly (meth) acrylic esters, poly (meth) acrylonitriles, polystyrenes, polyvinylpyridines, polyvinylidene fluorides, polytetrafluoroethylenes, polyesters, polyimides, poly Benzoxazoles, polybenzimidazoles, polyarylene ethers, polyarylenes, polyether ketones, polyether sulfones and copolymers thereof, and mixtures thereof, more preferably polyvinylpyrrolidones, polystyrenes , Polyvinyl pyridines, polybenzimidazoles, polyether sulfones and copolymers thereof, and mixtures thereof.
The molecular weight of the polymer is usually 1000 or more in terms of number average, and when used in a film shape, 5000 or more is preferable from the viewpoint of maintaining the shape as a film. The number average molecular weight is usually about 2 million or less, and when used in a film shape, it is preferably about 1000000 or less from the viewpoint of moldability to a film.
上記のような高分子化合物と前記のようなオキソカーボン類とを含有する本発明の組成物は、[オキソカーボン類の物質量(mmol)]/[高分子化合物の重量(g)+オキソカーボン類の重量(g)]、すなわち組成物中のオキソカーボン類の当量が好ましくは0.05〜8mmol/gであり、さらに好ましくは0.1〜7mmol/gであり、特に好ましくは0.3〜6mmol/gであり、最も好ましくは0.5〜5mmol/gである。
ここで、組成物中のオキソカーボン類の当量が、0.05mmol/g以上であるとイオン伝導性がより向上する傾向にあるため好ましく、8mmol/g以下であると耐水性の面でより好ましい傾向にある。
オキソカーボン類は、通常、組成物中のオキソカーボン類の当量が上記の範囲となるように使用される。本発明の組成物中のオキソカーボン類の定量は、NMR法を用いて求める。
The composition of the present invention containing the polymer compound as described above and the oxocarbons as described above is [substance amount of oxocarbons (mmol)] / [weight of polymer compound (g) + oxocarbon. Weight (g)], that is, the equivalent amount of oxocarbons in the composition is preferably 0.05 to 8 mmol / g, more preferably 0.1 to 7 mmol / g, and particularly preferably 0.3. -6 mmol / g, most preferably 0.5-5 mmol / g.
Here, the equivalent of oxocarbons in the composition is preferably 0.05 mmol / g or more because ion conductivity tends to be further improved, and 8 mmol / g or less is more preferable in terms of water resistance. There is a tendency.
The oxocarbons are usually used so that the equivalent amount of the oxocarbons in the composition falls within the above range. The quantification of oxocarbons in the composition of the present invention is determined using NMR method.
本発明の高分子組成物は、高分子化合物とオキソカーボン類とを含有することを特徴とするものであり、その製造方法は特に限定はないが、例えば高分子化合物とオキソカーボン類を溶媒に溶解、分散または懸濁させて混合し、その後に溶媒を除去して得る方法、オキソカーボン類の存在下で高分子を合成して得る方法等が挙げられる。
ここで、前者の方法における溶媒としては、例えば、水、アルコール系溶媒、ケトン系溶媒、エーテル系溶媒、ハロゲン系溶媒、スルホキシド系溶媒、スルホン系溶媒、アミド系溶媒、脂肪族炭化水素溶媒、芳香族炭化水素溶媒、およびこれらの混合溶媒などの中から適宜選択される。
アルコール系溶媒としてはメタノール、エタノール、イソプロパノール、ブタノールなどが、ケトン系溶媒としてはアセトン、メチルイソブチルケトン、メチルエチルケトン、ベンゾフェノンなどが挙げられる。エーテル系溶媒としてはジエチルエーテル、ジブチルエーテル、ジフェニルエーテル、テトラヒドロフラン(以下THFと略記する)、ジオキサン、ジオキソラン、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテルなどが挙げられる。
The polymer composition of the present invention is characterized by containing a polymer compound and oxocarbons, and its production method is not particularly limited. For example, the polymer compound and oxocarbons are used as a solvent. Examples thereof include a method obtained by dissolving, dispersing or suspending and mixing and then removing the solvent, and a method obtained by synthesizing a polymer in the presence of oxocarbons.
Here, as the solvent in the former method, for example, water, alcohol solvent, ketone solvent, ether solvent, halogen solvent, sulfoxide solvent, sulfone solvent, amide solvent, aliphatic hydrocarbon solvent, aromatic solvent It selects suitably from a group hydrocarbon solvent, these mixed solvents, etc.
Examples of alcohol solvents include methanol, ethanol, isopropanol, butanol, and examples of ketone solvents include acetone, methyl isobutyl ketone, methyl ethyl ketone, and benzophenone. Examples of ether solvents include diethyl ether, dibutyl ether, diphenyl ether, tetrahydrofuran (hereinafter abbreviated as THF), dioxane, dioxolane, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monomethyl ether, propylene glycol monoethyl ether, and the like. It is done.
ハロゲン系溶媒としてはクロロホルム、ジクロロメタン、1,2−ジクロロエタン、1,1,2,2−テトラクロロエタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼンなどが、スルホキシド系溶媒としてはジメチルスルホキシド(以下、DMSOと略記する)が挙げられる。スルホン系溶媒としてはジフェニルスルホン、スルホラン等が、アミド系溶媒としてはN,N−ジメチルアセトアミド(以下DMAcと略記する)、N−メチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド(以下DMFと略記する)、N−メチルホルムアミド、ホルムアミド、N−メチルピロリドン(以下NMPと略記する)などが挙げられる。脂肪族炭化水素溶媒としてはペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタンなどが、芳香族炭化水素溶媒としてはベンゼン、トルエン、キシレンなどが挙げられる。
なかでも水、アルコール系溶媒、エーテル系溶媒、ハロゲン系溶媒、アミド系溶媒およびこれらの混合溶媒等から選ぶことが好ましい。水、メタノール、THF、ジクロロメタン、DMAcおよびこれらの混合溶媒等から選ぶことがさらに好ましい。
Examples of the halogen-based solvent include chloroform, dichloromethane, 1,2-dichloroethane, 1,1,2,2-tetrachloroethane, chlorobenzene, and dichlorobenzene. Examples of the sulfoxide-based solvent include dimethyl sulfoxide (hereinafter abbreviated as DMSO). It is done. Examples of the sulfone solvent include diphenyl sulfone and sulfolane, and examples of the amide solvent include N, N-dimethylacetamide (hereinafter abbreviated as DMAc), N-methylacetamide, N, N-dimethylformamide (hereinafter abbreviated as DMF), N-methylformamide, formamide, N-methylpyrrolidone (hereinafter abbreviated as NMP) and the like. Examples of the aliphatic hydrocarbon solvent include pentane, hexane, heptane, and octane, and examples of the aromatic hydrocarbon solvent include benzene, toluene, xylene, and the like.
Among these, it is preferable to select from water, alcohol solvents, ether solvents, halogen solvents, amide solvents, and mixed solvents thereof. More preferably, it is selected from water, methanol, THF, dichloromethane, DMAc, and mixed solvents thereof.
溶媒を除去する方法としては、混合した溶液、分散液または懸濁液の溶媒を蒸発させて留去する方法等が挙げられるが、後述の溶媒キャスト法を用いることにより膜状に成型することも可能である。 Examples of the method for removing the solvent include a method of evaporating and evaporating the solvent of the mixed solution, dispersion or suspension, and the like, but it may be formed into a film by using the solvent casting method described later. Is possible.
またオキソカーボン類の存在下で高分子を合成して高分子組成物を得る方法としては、オキソカーボン類の存在下に、公知の重合方法、例えば、ラジカル重合、カチオン重合、アニオン重合、Zieglar-Natta触媒を用いたイオン重合、開環重合、脱離重合、重付加、重縮合、付加縮合などを用いて高分子を合成する(「高分子合成の実験法」(株)化学同人125〜357頁(1972))と同時に高分子組成物を得る方法等が挙げられる。なお、重合反応中でオキソカーボン類が重合を阻害するような副反応を起こしうる場合、例えば水酸基を有するオキソカーボン類の存在下、アニオン重合を行う場合には、この基を例えばアルコキシ基、シロキシ基、エステル基などで保護するという公知の保護方法を用いて、水酸基を保護して用いることができる。この場合は重合後に公知の方法により保護基を除去することにより目的物が得られる。 Further, as a method for obtaining a polymer composition by synthesizing a polymer in the presence of oxocarbons, known polymerization methods such as radical polymerization, cationic polymerization, anionic polymerization, Zieglar- Polymers are synthesized using ion polymerization, ring-opening polymerization, elimination polymerization, polyaddition, polycondensation, addition condensation, etc. using Natta catalyst ("Experimental Methods for Polymer Synthesis", Chemical Dojin 125-357) Page (1972)) and a method for obtaining a polymer composition. In the polymerization reaction, when the oxocarbons can cause a side reaction that inhibits the polymerization, for example, when anionic polymerization is carried out in the presence of oxocarbons having a hydroxyl group, this group can be converted to, for example, an alkoxy group or a siloxy group. The hydroxyl group can be protected and used by a known protection method of protecting with a group, an ester group or the like. In this case, the desired product can be obtained by removing the protective group by a known method after polymerization.
次に、本発明の高分子組成物を燃料電池等の電気化学デバイスの隔膜として使用する場合について説明する。
この場合、本発明の高分子組成物は、通常フィルムの形態で使用されるが、フィルムへ転化する方法に特に制限はなく、例えば溶液状態より製膜する方法(溶媒キャスト法)が好ましく使用される。
具体的には、高分子組成物を適当な溶媒に溶解し、その溶液をガラス板上に塗布し、溶媒を除去することにより製膜される。製膜に用いる溶媒は、高分子組成物を溶解可能であり、その後に除去し得るものであるならば特に制限はなく、DMF、DMAc、NMP、DMSO等の非プロトン性極性溶媒、あるいはジクロロメタン、クロロホルム、1,2−ジクロロエタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン等の塩素系溶媒、メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール類、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等のアルキレングリコールモノアルキルエーテル、THF、1,3−ジオキソラン、1,4−ジオキサン、1,3−ジオキサン、テトラヒドロピラン、ジブチルエーテル、tert−ブチルメチルエーテル、ジフェニルエーテル、クラウンエーテル類等のエーテル系溶媒が好適に用いられる。これらは単独で用いることもできるが、必要に応じて2種以上の溶媒を混合して用いることもできる。
中でもDMSO、DMF、DMAc、NMP、THF、1,3−ジオキソラン等が高分子組成物の溶解性が高く好ましい。
Next, the case where the polymer composition of the present invention is used as a diaphragm of an electrochemical device such as a fuel cell will be described.
In this case, the polymer composition of the present invention is usually used in the form of a film, but there is no particular limitation on the method of converting into a film, and for example, a method of forming a film from a solution state (solvent casting method) is preferably used. The
Specifically, the polymer composition is dissolved in an appropriate solvent, the solution is applied onto a glass plate, and the solvent is removed to form a film. The solvent used for film formation is not particularly limited as long as it can dissolve the polymer composition and can be removed thereafter, and is an aprotic polar solvent such as DMF, DMAc, NMP, DMSO, or dichloromethane, Chlorinated solvents such as chloroform, 1,2-dichloroethane, chlorobenzene, dichlorobenzene, alcohols such as methanol, ethanol, propanol, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monomethyl ether, propylene glycol monoethyl ether, etc. Alkylene glycol monoalkyl ether, THF, 1,3-dioxolane, 1,4-dioxane, 1,3-dioxane, tetrahydropyran, dibutyl ether, tert-butyl methyl ether, di Phenyl ether, ether solvents such as crown ethers are preferably used. These can be used singly, but two or more solvents can be mixed and used as necessary.
Among these, DMSO, DMF, DMAc, NMP, THF, 1,3-dioxolane and the like are preferable because of high solubility of the polymer composition.
フィルムの厚みは、特に制限はないが10〜300μmが好ましく、20〜100μmが特に好ましい。10μmより薄いフィルムでは実用的な強度が十分でない場合があり、300μmより厚いフィルムでは膜抵抗が大きくなり電気化学デバイスの特性が低下する傾向にある。膜厚は溶液の濃度および基板上への塗布厚により制御できる。 Although there is no restriction | limiting in particular in the thickness of a film, 10-300 micrometers is preferable and 20-100 micrometers is especially preferable. When the film is thinner than 10 μm, the practical strength may not be sufficient, and when the film is thicker than 300 μm, the film resistance tends to increase and the characteristics of the electrochemical device tend to deteriorate. The film thickness can be controlled by the concentration of the solution and the coating thickness on the substrate.
またフィルムの各種物性改良を目的として、通常の高分子化合物に使用される可塑剤、安定剤、離型剤等を本発明の高分子組成物に含有させることができる。また、同一溶剤に混合共キャストするなどの方法により、他のポリマーを本発明の高分子組成物と複合アロイ化することも可能である。
燃料電池用途では他に水管理を容易にするために、無機あるいは有機の微粒子を保水剤として添加することも知られている。これらの公知の方法はいずれも本発明の目的に反しない限り使用できる。
また、フィルムの機械的強度の向上などを目的として、電子線・放射線などを照射して架橋することもできる(例えば、特開平11−111310号公報)。さらには、多孔性のフィルムやシートに含浸複合化したり(特開平6−29032号公報)、ファイバーやパルプを混合してフィルムを補強する方法などが知られており、これらの公知の方法はいずれも本発明の目的に反しない限り使用できる。
For the purpose of improving various physical properties of the film, the polymer composition of the present invention may contain plasticizers, stabilizers, mold release agents and the like used in ordinary polymer compounds. Also, other polymers can be combined with the polymer composition of the present invention by a method such as co-casting in the same solvent.
In fuel cell applications, it is also known to add inorganic or organic fine particles as a water retention agent in order to facilitate water management. Any of these known methods can be used as long as they are not contrary to the object of the present invention.
Further, for the purpose of improving the mechanical strength of the film, it can also be crosslinked by irradiating with an electron beam, radiation or the like (for example, JP-A-11-111310). Furthermore, a porous film or sheet is impregnated and composited (Japanese Patent Laid-Open No. 6-29032), or a method of reinforcing a film by mixing fibers or pulp is known. Can be used as long as the object of the present invention is not violated.
本発明の電池は、前記の本発明の高分子電解質または高分子電解質膜の少なくとも一つを有することを特徴とする。ここで、電池としては燃料電池、リチウムイオン二次電池等が挙げられ、特に好ましくは燃料電池であり、燃料電池の中でも固体高分子型燃料電池がもっとも好ましい。
次に本発明の燃料電池について説明する。
本発明の燃料電池は、前記の本発明の高分子電解質または高分子電解質膜の少なくとも一つを有することを特徴とする。
本発明の燃料電池は、フィルムの両面に、触媒および集電体としての導電性物質を接合することにより製造することができる。
該触媒としては、水素または酸素との酸化還元反応を活性化できるものであれば特に制限はなく、公知のものを用いることができるが、白金の微粒子を用いることが好ましい。白金の微粒子はしばしば活性炭や黒鉛などの粒子状または繊維状のカーボンに担持されて用いられ、好ましく用いられる。
集電体としての導電性物質に関しても公知の材料を用いることができるが、多孔質性のカーボン織布、カーボン不織布またはカーボンペーパーが、原料ガスを触媒へ効率的に輸送するために好ましい。
多孔質性のカーボン不織布またはカーボンペーパーに白金微粒子または白金微粒子を担持したカーボンを接合させる方法、およびそれを高分子電解質フィルムと接合させる方法については、例えば、J.Electrochem.Soc.:Electrochemical Science and Technology,1988,135(9),2209に記載されている方法等の公知の方法を用いることができる。
また、本発明の高分子組成物は、固体高分子形燃料電池の触媒層を構成する触媒組成物の一成分であるプロトン伝導材料としても使用可能である。
このようにして製造された本発明の燃料電池は、燃料として水素ガス、改質水素ガス、メタノール、ジメチルエーテル等を用いる各種の形式で使用可能である。
The battery of the present invention has at least one of the polymer electrolyte or the polymer electrolyte membrane of the present invention. Here, examples of the battery include a fuel cell, a lithium ion secondary battery, and the like, and a fuel cell is particularly preferable. Among the fuel cells, a polymer electrolyte fuel cell is most preferable.
Next, the fuel cell of the present invention will be described.
The fuel cell of the present invention has at least one of the polymer electrolyte or the polymer electrolyte membrane of the present invention.
The fuel cell of the present invention can be produced by bonding a catalyst and a conductive material as a current collector to both surfaces of a film.
The catalyst is not particularly limited as long as it can activate the oxidation-reduction reaction with hydrogen or oxygen, and a known catalyst can be used, but platinum fine particles are preferably used. The fine particles of platinum are often used by being supported on particulate or fibrous carbon such as activated carbon or graphite.
A known material can be used for the conductive material as the current collector, but porous carbon woven fabric, carbon non-woven fabric, or carbon paper is preferable in order to efficiently transport the raw material gas to the catalyst.
For a method of bonding platinum fine particles or carbon carrying platinum fine particles to a porous carbon nonwoven fabric or carbon paper, and a method of bonding it to a polymer electrolyte film, see, for example, J. Org. Electrochem. Soc. : Known methods such as those described in Electrochemical Science and Technology, 1988, 135 (9), 2209 can be used.
The polymer composition of the present invention can also be used as a proton conductive material that is a component of the catalyst composition constituting the catalyst layer of the polymer electrolyte fuel cell.
The fuel cell of the present invention thus produced can be used in various forms using hydrogen gas, reformed hydrogen gas, methanol, dimethyl ether, etc. as fuel.
次に、本発明のオキソカーボン化合物について説明する。
本発明のオキソカーボン化合物は、前記の一般式(1)で示される化合物であって、Rがハロゲノ置換アリール基であることを特徴とするオキソカーボン化合物である。
前述のとおり、該オキソカーボン化合物と高分子化合物とを含有する高分子組成物は、プロトン伝導性に優れるので、燃料電池の電解質膜等に好適に用いることができる。
本発明のオキソカーボン化合物として、該ハロゲノ置換アリール基が下式(2a)〜(2c)からなる群より選ばれる基である化合物が挙げられる。
(式中、pは1〜5の整数を表す。qは0〜3の整数、rは0〜4の整数を表し、かつ(q+r)の値が1〜7である。sは0〜4の整数、tは0〜5の整数を表し、かつ(s+t)の値が1〜9である。Y1〜Y5はそれぞれ独立にハロゲノ基を表し、Y1〜Y5がそれぞれ複数あるときにはこれらは同じであっても良いし異なっていても良い。)
該ハロゲノ置換アリール基において、該ハロゲノ基がフルオロ基であることが好ましい。このような化合物として、具体的には既述の(a49)〜(a54)、(a58)〜(a66)、(b49)〜(b54)、(b58)〜(b66)、(c49)〜(c54)、(c58)〜(c66)が挙げられる。
Next, the oxocarbon compound of the present invention will be described.
The oxocarbon compound of the present invention is a compound represented by the above general formula (1), wherein R is a halogeno-substituted aryl group.
As described above, since the polymer composition containing the oxocarbon compound and the polymer compound is excellent in proton conductivity, it can be suitably used for an electrolyte membrane of a fuel cell.
Examples of the oxocarbon compound of the present invention include compounds in which the halogeno-substituted aryl group is a group selected from the group consisting of the following formulas (2a) to (2c).
(In the formula, p represents an integer of 1 to 5. q represents an integer of 0 to 3, r represents an integer of 0 to 4, and (q + r) has a value of 1 to 7. s represents 0 to 4). , T represents an integer of 0 to 5 and (s + t) has a value of 1 to 9. Y 1 to Y 5 each independently represents a halogeno group, and when there are a plurality of Y 1 to Y 5 These may be the same or different.)
In the halogeno-substituted aryl group, the halogeno group is preferably a fluoro group. Specific examples of such compounds include (a49) to (a54), (a58) to (a66), (b49) to (b54), (b58) to (b66), and (c49) to (c49) described above. c54) and (c58) to (c66).
本発明のオキソカーボン化合物として、プロトン伝導性が高いので、ハロゲノ置換アリール基が前記の(2a)であることが好ましい。なかでも、既述の(a49)〜(a54)、(b49)〜(b54)、(c49)〜(c54)が好ましい。これらの中でもさらに好ましくは(a49)〜(a54)であり、特に好ましくは(a50)、(a53)である。 Since the oxocarbon compound of the present invention has high proton conductivity, the halogeno-substituted aryl group is preferably (2a). Among these, (a49) to (a54), (b49) to (b54), and (c49) to (c54) described above are preferable. Among these, (a49) to (a54) are more preferable, and (a50) and (a53) are particularly preferable.
本発明のオキソカーボン化合物として、具体的な構造式としては、(a50)で表される化合物のうちフッ素がオキソカーボン基のパラ位に置換した下式(3)で表されるオキソカーボン化合物が挙げられる。
また、本発明のオキソカーボン化合物として、もう一つの具体的な構造式としては(a53)で表される下式(4)で表されるオキソカーボン化合物が挙げられる。
Rがハロゲノ置換アリール基であるオキソカーボン化合物としては上記のようなものが挙げられるが、これらはプロトン酸としての性質を有する遊離酸の形で用いてもよいし、遊離酸が一価の金属原子で置換され、中和された形でもよい。1価の金属原子としては、リチウム原子、ナトリウム原子、カリウム原子、セシウム原子、銀原子等が挙げられる。Bとして、好ましくは水素原子、リチウム原子、ナトリウム原子、カリウム原子、セシウム原子であり、さらに好ましくはリチウム原子、ナトリウム原子、カリウム原子であり、さらにより好ましくは水素原子、リチウム原子であり、特に好ましくは水素原子である。
本発明の化合物をリチウム二次電池用電解質として用いる場合には、Bとしてリチウムが用いられる。本発明の化合物を固体高分子型燃料電池に用いる場合は、実質的に全ての官能基が遊離酸の形である場合が好ましい。
上記において、本発明の実施の形態について説明を行なったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。
As a specific structural formula of the oxocarbon compound of the present invention, an oxocarbon compound represented by the following formula (3) in which fluorine is substituted at the para position of the oxocarbon group among the compounds represented by (a50): Can be mentioned.
Moreover, as an oxocarbon compound of the present invention, another specific structural formula includes an oxocarbon compound represented by the following formula (4) represented by (a53).
Examples of the oxocarbon compound in which R is a halogeno-substituted aryl group include those described above. These may be used in the form of a free acid having properties as a protonic acid, or the free acid is a monovalent metal. It may be substituted with atoms and neutralized. Examples of the monovalent metal atom include a lithium atom, a sodium atom, a potassium atom, a cesium atom, and a silver atom. B is preferably a hydrogen atom, lithium atom, sodium atom, potassium atom or cesium atom, more preferably a lithium atom, sodium atom or potassium atom, still more preferably a hydrogen atom or lithium atom, particularly preferably. Is a hydrogen atom.
When the compound of the present invention is used as an electrolyte for a lithium secondary battery, lithium is used as B. When the compound of the present invention is used in a polymer electrolyte fuel cell, it is preferable that substantially all functional groups are in the form of free acid.
While the embodiments of the present invention have been described above, the embodiments of the present invention disclosed above are merely examples, and the scope of the present invention is not limited to these embodiments. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, and further includes meanings equivalent to the description of the claims and all modifications within the scope.
以下に実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの例により何ら限定されるものではない。
プロトン伝導度(σ)は、以下のようにして測定した。
幅1.0cmの短冊状膜試料の表面に白金板(幅:5.0mm)を間隔が1.0cmになるように押しあて、恒温恒湿槽中に試料を保持し、白金板間の106〜10-1Hzにおける交流インピーダンスを測定し、下記式より求めた。
σ(S/cm)=1/(R×d)
(ただし、コール・コールプロット上において、複素インピーダンスの虚数成分が0の時、複素インピーダンスの実数成分をR(Ω)とする。dは膜厚(cm)を表す。)
EXAMPLES The present invention will be described in detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
Proton conductivity (σ) was measured as follows.
A platinum plate (width: 5.0 mm) is pressed against the surface of a strip-shaped film sample having a width of 1.0 cm so that the interval is 1.0 cm, and the sample is held in a constant temperature and humidity chamber. The AC impedance at 6 to 10 −1 Hz was measured and obtained from the following formula.
σ (S / cm) = 1 / (R × d)
(However, on the Cole-Cole plot, when the imaginary component of the complex impedance is 0, the real component of the complex impedance is R (Ω). D represents the film thickness (cm).)
(実施例1)
50mlフラスコにポリ(N−ビニルピロリドン)(アルドリッチ社製、以下PVPと略記する)0.50gに3,4−ジヒドロキシ−3−シクロブテン−1,2−ジオン(A)0.20g(1.75mmol、東京化成社製)、イオン交換水5.0mlを入れて、室温で30分攪拌して均一溶液とした。この溶液をシャーレに広げて80℃で水を留去し、厚さ85μmの膜(a)を得た。(a)の[オキソカーボン類の物質量(mmol)]/[高分子化合物の重量(g)+オキソカーボン類の重量(g)]は2.51(mmol/g)であった。(a)のプロトン伝導度を表1に示す。
Example 1
Poly (N-vinylpyrrolidone) (manufactured by Aldrich, hereinafter abbreviated as PVP) 0.50 g in a 50 ml flask was added 0.20 g (1.75 mmol) of 3,4-dihydroxy-3-cyclobutene-1,2-dione (A). , Manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) and 5.0 ml of ion exchange water were added and stirred at room temperature for 30 minutes to obtain a uniform solution. This solution was spread on a petri dish and water was distilled off at 80 ° C. to obtain a film (a) having a thickness of 85 μm. [Amount of substance of oxocarbons (mmol)] / [weight of polymer compound (g) + weight of oxocarbons (g)] of (a) was 2.51 (mmol / g). Table 1 shows the proton conductivity of (a).
(参考例1)
3−Hydroxy−4−phenylcyclobut−3−ene−1,2−dione(I)の合成
Journal of Organic Chemistry,1988,53(11),2482に記載されている方法に準拠し、3−(1−Methylethoxy)−4−Phenylcyclobut−3−ene−1,2−dioneを製造した。次いでこのものを0.63g、THF12ml、12規定の塩酸36mlを100mlフラスコに入れて100℃で5h攪拌した。その後、室温まで放冷し、クロロホルムで水層を洗浄した後、水層を濃縮し、3−Hydroxy−4−phenylcyclobut−3−ene−1,2−dione(I)を0.24g得た。構造は1H NMRおよび13C NMRで確認した。
(Reference Example 1)
Synthesis of 3-Hydroxy-4-phenylcyclobut-3-ene-1,2-dione (I) According to the method described in Journal of Organic Chemistry, 1988, 53 (11), 2482, 3- (1- (Methylethoxy) -4-phenylcyclobut-3-ene-1,2-dione was prepared. Next, 0.63 g of this, 12 ml of THF, and 36 ml of 12 N hydrochloric acid were placed in a 100 ml flask and stirred at 100 ° C. for 5 hours. Then, after cooling to room temperature and washing the aqueous layer with chloroform, the aqueous layer was concentrated to obtain 0.24 g of 3-Hydroxy-4-phenylcyclobut-3-ene-1,2-dione (I). The structure was confirmed by 1 H NMR and 13 C NMR.
(実施例2)
50mlフラスコにポリエーテルスルホン(スミカエクセル5003P、住友化学製、以下PESと略記する)0.38gと上記(I)0.15g(0.86mmol)を入れ、DMAc3mlを加えて溶解し、均一溶液とした。この溶液をガラス板上に流延塗布して80℃オーブンで乾燥し、厚さ180μmの均一の膜(b)を得た。(b)の[オキソカーボン類の物質量(mmol)]/[高分子化合物の重量(g)+オキソカーボン類の重量(g)]は1.63(mmol/g)であった。(b)のプロトン伝導度の測定結果を表2に示す。
(Example 2)
In a 50 ml flask, 0.38 g of polyethersulfone (Sumika Excel 5003P, manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd., hereinafter abbreviated as PES) and 0.15 g (0.86 mmol) of the above (I) were added and dissolved by adding 3 ml of DMAc. did. This solution was cast on a glass plate and dried in an oven at 80 ° C. to obtain a uniform film (b) having a thickness of 180 μm. [Substance amount of oxocarbons (mmol)] / [weight of polymer compound (g) + weight of oxocarbons (g)] of (b) was 1.63 (mmol / g). The measurement results of the proton conductivity of (b) are shown in Table 2.
(実施例3)
実施例2において、PES0.28gと上記(I)0.22g(1.26mmol)を用いた以外は同様にして厚さ140μmの均一の膜(c)を得た。(c)の[オキソカーボン類の物質量(mmol)]/[高分子化合物の重量(g)+オキソカーボン類の重量(g)]は2.53(mmol/g)であった。(c)のプロトン伝導度の測定結果を表2に示す。
(Example 3)
A uniform film (c) having a thickness of 140 μm was obtained in the same manner as in Example 2, except that 0.28 g of PES and 0.22 g (1.26 mmol) of (I) were used. The [substance amount of oxocarbons (mmol)] / [weight of polymer compound (g) + weight of oxocarbons (g)] of (c) was 2.53 (mmol / g). The measurement results of proton conductivity of (c) are shown in Table 2.
(実施例4)
実施例2において,PESの代わりにポリスルホン(Aldrich社製)を0.28g用いた他は同様にして厚さ175μmの均一の膜(d)を得た。(d)の[オキソカーボン類の物質量(mmol)]/[高分子化合物の重量(g)+オキソカーボン類の重量(g)]は2.00(mmol/g)であった。(d)のプロトン伝導度の測定結果を表2に示す。
Example 4
In Example 2, a uniform film (d) having a thickness of 175 μm was obtained in the same manner except that 0.28 g of polysulfone (manufactured by Aldrich) was used instead of PES. The [substance amount of oxocarbons (mmol)] / [weight of polymer compound (g) + weight of oxocarbons (g)] of (d) was 2.00 (mmol / g). Table 2 shows the measurement results of proton conductivity of (d).
(比較例1)
特開平10−21943号公報の実施例1に記載の方法に従い、4,4’−ジヒドロキシジフェニルスルホン、4,4’−ジヒドロキシビフェニル、4,4’−ジクロロジフェニルスルホンを重縮合し、次いで得られた重縮合体をスルホン化することにより高分子電解質1を得た。高分子中のスルホン酸基の当量は1.1mmol/gであった。
次いで、高分子電解質1をDMAcに溶解して均一溶液とした後、シャーレに広げて80℃でDMAcを留去し、厚さ35μmの膜(e)を得た。(e)のプロトン伝導度を表1、表2に示す。
(Comparative Example 1)
According to the method described in Example 1 of JP-A-10-21944, 4,4′-dihydroxydiphenylsulfone, 4,4′-dihydroxybiphenyl, and 4,4′-dichlorodiphenylsulfone are polycondensed and then obtained. The polycondensate was sulfonated to obtain polymer electrolyte 1. The equivalent of the sulfonic acid group in the polymer was 1.1 mmol / g.
Next, the polymer electrolyte 1 was dissolved in DMAc to make a uniform solution, spread on a petri dish, and DMAc was distilled off at 80 ° C. to obtain a film (e) having a thickness of 35 μm. Tables 1 and 2 show the proton conductivity of (e).
(実施例5)
4−(4−fluorophenyl)−3−Hydroxy−cyclobut−3−ene−1,2−dione(IV)および組成物の製造
Journal of Organic Chemistry,1990,55,5359に記載されている方法に準拠して4−(1−Methylethoxy)−3−(tri−n−butylstannyl)cyclobut−3−ene−1,2−dione(II)を製造した。
次に、不活性ガス置換したフラスコに、ヨウ化銅(I)92.0mg(0.49mmol)、パラフルオロヨードベンゼン1.17g(5.24mmol)、[(C6H5)3P]2Pd(CH2C6H5)Cl 0.22g(0.29mmol)を加え、DMF6.0mlに溶解させた後、上で合成した(II)2.00g(4.8mmol)を滴下した。4時間攪拌後、反応液をジエチルエーテル50mlで希釈し、飽和塩化アンモニウム水溶液50mlで1回、10wt%フッ化カリウム水溶液50mlで3回洗浄した。エーテル及びDMFを留去し、得られた粗生成物を、シリカゲルを充填剤とし、ヘキサン:エーテル=3:1(vol/vol)を展開溶媒としたカラムクロマトグラフィーで精製し、0.55gの4−(4−fluorophenyl)−3−(1−Methylethoxy)−cyclobut−3−ene−1,2−dione(III)を得た。
次に、(III)0.37g(1.58mmol)をTHF0.1mlに溶解し、12規定の塩酸7.0mlを加えて3時間攪拌した。その後、反応液に水10mlを加えて希釈し、CH2Cl210mlで1回洗浄した。水層の水を留去して4−(4−fluorophenyl)−3−Hydroxy−cyclobut−3−ene−1,2−dione(IV)0.179gを得た。構造は1H NMR(D2O中溶媒、7.21ppm(2H)、7.96ppm(2H))、19F NMR(D2O中溶媒、−109.0ppm)で確認した。純度をHPLCで確認したところ99%以上(ピークの面積比)であった。
次に、内容積20mlの容器にポリ(N−ビニルピロリドン)(アルドリッチ社製、以下PVPと略記する)41.0mg、上で合成した( IV)17.7mg(0.0921mmol)、イオン交換水3.0mlを入れて、室温で30分攪拌して均一溶液とした。この溶液をシャーレに広げて80℃で水を留去し、厚さ145μmの膜(f)を得た。(f)の[オキソカーボン類の物質量(mmol)]/[高分子化合物の重量(g)+オキソカーボン類の重量(g)]は1.57(mmol/g)であった。(f)のプロトン伝導度を表1に示す。
(Example 5)
Preparation of 4- (4-fluorophenyl) -3-Hydroxy-cyclobut-3-ene-1,2-dione (IV) and compositions According to the method described in Journal of Organic Chemistry, 1990, 55, 5359 4- (1-Methylethoxy) -3- (tri-n-butylstannyl) cyclobut-3-ene-1,2-dione (II) was produced.
Next, 92.0 mg (0.49 mmol) of copper (I) iodide, 1.17 g (5.24 mmol) of parafluoroiodobenzene, [(C 6 H 5 ) 3 P] 2 were placed in a flask purged with an inert gas. After adding 0.22 g (0.29 mmol) of Pd (CH 2 C 6 H 5 ) Cl and dissolving it in 6.0 ml of DMF, 2.00 g (4.8 mmol) of (II) synthesized above was added dropwise. After stirring for 4 hours, the reaction solution was diluted with 50 ml of diethyl ether and washed once with 50 ml of saturated aqueous ammonium chloride solution and 3 times with 50 ml of 10 wt% potassium fluoride aqueous solution. Ether and DMF were distilled off, and the resulting crude product was purified by column chromatography using silica gel as a filler and hexane: ether = 3: 1 (vol / vol) as a developing solvent. 4- (4-Fluorophenyl) -3- (1-methylethyoxy) -cyclobut-3-ene-1,2-dione (III) was obtained.
Next, 0.37 g (1.58 mmol) of (III) was dissolved in 0.1 ml of THF, 7.0 ml of 12N hydrochloric acid was added, and the mixture was stirred for 3 hours. Thereafter, the reaction solution was diluted by adding 10 ml of water, and washed once with 10 ml of CH 2 Cl 2 . Water in the aqueous layer was distilled off to obtain 0.179 g of 4- (4-fluorophenyl) -3-Hydroxy-cyclobut-3-ene-1,2-dione (IV). The structure was confirmed by 1 H NMR (solvent in D 2 O, 7.21 ppm (2H), 7.96 ppm (2H)), 19 F NMR (solvent in D 2 O, -109.0 ppm). When the purity was confirmed by HPLC, it was 99% or more (peak area ratio).
Next, 41.0 mg of poly (N-vinylpyrrolidone) (manufactured by Aldrich, hereinafter abbreviated as PVP), 17.7 mg (0.0921 mmol) synthesized above (IV), ion-exchanged water, in a container having an internal volume of 20 ml 3.0 ml was added and stirred at room temperature for 30 minutes to obtain a uniform solution. This solution was spread on a petri dish and water was distilled off at 80 ° C. to obtain a film (f) having a thickness of 145 μm. The [substance amount of oxocarbons (mmol)] / [weight of polymer compound (g) + weight of oxocarbons (g)] of (f) was 1.57 (mmol / g). The proton conductivity of (f) is shown in Table 1.
(実施例6)
3−Hydroxy−4−(2,3,4,5,6−pentafluorophenyl)−cyclobut−3−ene−1,2−dione(VI)および組成物の製造
不活性ガス置換したフラスコに、ヨウ化銅(I)18.0mg(0.095mmol)、ペンタフルオロヨードベンゼン0.30g(1.00mmol)、[(C6H5)3P]2Pd(CH2C6H5)Cl 43.0mg(0.057mmol)を加え、DMF1.0mlに溶解させた後、(II)0.40g(0.93mmol)を滴下した。4時間攪拌後、反応液をジエチルエーテル50mlで希釈し、飽和塩化アンモニウム水溶液50mlで1回、10wt%フッ化カリウム水溶液50mlで3回洗浄した。エーテル及びDMFを留去し、得られた粗生成物を、シリカゲルを充填剤とし、ヘキサン:エーテル=3:1(vol/vol)を展開溶媒としたカラムクロマトグラフィーで精製し、0.053gの4−(2,3,4,5,6−pentafluorophenyl)−3−(1−Methylethoxy)−cyclobut−3−ene−1,2−dione(V)を製造した。
次に、(V)0.053g(0.173mmol)をTHF0.1mlに溶解し、12規定の塩酸1.5mlを加えて3時間攪拌した。その後、反応液に水10mlを加えて希釈し、CH2Cl210mlで1回洗浄した。水層の水を留去して3−Hydroxy−4−(2,3,4,5,6−pentafluorophenyl)−cyclobut−3−ene−1,2−dione(VI)23mgを得た。構造は19F NMR(D2O溶媒、KF基準(−125.3ppm)、ケミカルシフト値:−138.3ppm、−156.2ppm、−165.7ppm)で確認した。1H NMRではピークが観測されなかった。純度をHPLCで確認したところ99%以上(ピーク面積比)であった。
次に、内容積20mlの容器にポリ(N−ビニルピロリドン)(アルドリッチ社製、以下PVPと略記する)32.5mg、上で合成した(VI)23.0mg(0.0871mmol)、イオン交換水3.0mlを入れて、室温で30分攪拌して均一溶液とした。この溶液をシャーレに広げて80℃で水を留去し、厚さ158μmの膜(g)を得た。(g)の[オキソカーボン類の物質量(mmol)]/[高分子化合物の重量(g)+オキソカーボン類の重量(g)]は1.57(mmol/g)であった。(g)のプロトン伝導度を表1に示す。
(Example 6)
Preparation of 3-Hydroxy-4- (2,3,4,5,6-pentafluorophenyl) -cyclobut-3-ene-1,2-dione (VI) and composition Into a flask purged with inert gas, copper iodide was added. (I) 18.0 mg (0.095 mmol), pentafluoroiodobenzene 0.30 g (1.00 mmol), [(C 6 H 5 ) 3 P] 2 Pd (CH 2 C 6 H 5 ) Cl 43.0 mg ( 0.057 mmol) was added and dissolved in 1.0 ml of DMF, and then 0.40 g (0.93 mmol) of (II) was added dropwise. After stirring for 4 hours, the reaction solution was diluted with 50 ml of diethyl ether and washed once with 50 ml of saturated aqueous ammonium chloride solution and 3 times with 50 ml of 10 wt% potassium fluoride aqueous solution. Ether and DMF were distilled off, and the resulting crude product was purified by column chromatography using silica gel as a filler and hexane: ether = 3: 1 (vol / vol) as a developing solvent. 4- (2,3,4,5,6-pentafluorophenyl) -3- (1-methylethyoxy) -cyclobut-3-ene-1,2-dione (V) was produced.
Next, 0.053 g (0.173 mmol) of (V) was dissolved in 0.1 ml of THF, 1.5 ml of 12N hydrochloric acid was added, and the mixture was stirred for 3 hours. Thereafter, the reaction solution was diluted by adding 10 ml of water, and washed once with 10 ml of CH 2 Cl 2 . Water in the aqueous layer was distilled off to obtain 23 mg of 3-Hydroxy-4- (2,3,4,5,6-pentafluorophenyl) -cyclo-3-ene-1,2-dione (VI). The structure was confirmed by 19 F NMR (D 2 O solvent, KF standard (−125.3 ppm), chemical shift values: −138.3 ppm, −156.2 ppm, −165.7 ppm). No peak was observed in 1 H NMR. When the purity was confirmed by HPLC, it was 99% or more (peak area ratio).
Next, 32.5 mg of poly (N-vinylpyrrolidone) (manufactured by Aldrich, hereinafter abbreviated as PVP), 23.0 mg (0.0871 mmol) synthesized above (VI), ion-exchanged water, in a container having an internal volume of 20 ml 3.0 ml was added and stirred at room temperature for 30 minutes to obtain a uniform solution. The solution was spread on a petri dish and water was distilled off at 80 ° C. to obtain a film (g) having a thickness of 158 μm. [Substance amount of oxocarbons (mmol)] / [weight of polymer compound (g) + weight of oxocarbons (g)] of (g) was 1.57 (mmol / g). The proton conductivity of (g) is shown in Table 1.
(実施例7)
式(1)におけるX1、X2、Z、n、Rが表3に示す化合物BとポリベンズイミダゾールとNMPとをフラスコにいれて攪拌し均一溶液とする。この溶液をシャーレに展開し、溶媒を揮発させて乾燥し組成物の膜(h)を得る。この際に、化合物Bとポリベンズイミダゾールとを、(h)の[オキソカーボン類の物質量(mmol)]/[高分子電解質の重量(g)+オキソカーボン類の重量(g)]が0.05〜8mmol/gの範囲になるように選択すると、スルホン酸基を有する高分子化合物に匹敵するプロトン伝導度を有し、しかもスルホン酸基を有する高分子化合物に比し,化学的安定性、耐水性にも優れる膜が好ましく得られる。
(Example 7)
In formula (1), X 1 , X 2 , Z, n, and R are the compounds B, polybenzimidazole, and NMP shown in Table 3, and are stirred to obtain a homogeneous solution. This solution is spread on a petri dish, and the solvent is volatilized and dried to obtain a film (h) of the composition. At this time, the compound B and the polybenzimidazole were mixed such that [the amount of oxocarbons (mmol)] / [weight of polymer electrolyte (g) + weight of oxocarbons (g)] in (h) was 0. When selected to be in the range of 0.05 to 8 mmol / g, it has a proton conductivity comparable to a polymer compound having a sulfonic acid group, and has chemical stability compared to a polymer compound having a sulfonic acid group. A film having excellent water resistance is preferably obtained.
(実施例8)
式(1)におけるX1、X2、Z、n、Rが表3に示す化合物CとポリベンズイミダゾールとNMPとをフラスコにいれて攪拌し均一溶液とする。この溶液をシャーレに展開し、溶媒を揮発させて乾燥し組成物の膜(i)を得る。この際に、化合物Cとポリベンズイミダゾールとを、(i)の[オキソカーボン類の物質量(mmol)]/[高分子電解質の重量(g)+オキソカーボン類の重量(g)]が0.05〜8mmol/gの範囲になるように選択すると、スルホン酸基を有する高分子化合物に匹敵するプロトン伝導度を有し、しかもスルホン酸基を有する高分子化合物に比し,化学的安定性、耐水性にも優れる膜が好ましく得られる。
(Example 8)
In Formula (1), X 1 , X 2 , Z, n, and R are the compounds C, polybenzimidazole, and NMP shown in Table 3 and placed in a flask to obtain a homogeneous solution. This solution is spread on a petri dish, and the solvent is volatilized and dried to obtain a film (i) of the composition. At this time, the compound C and the polybenzimidazole were mixed so that the [substance amount of oxocarbons (mmol)] / [weight of polymer electrolyte (g) + weight of oxocarbons (g)] of (i) was 0. When selected to be in the range of 0.05 to 8 mmol / g, it has a proton conductivity comparable to a polymer compound having a sulfonic acid group, and has chemical stability compared to a polymer compound having a sulfonic acid group. A film having excellent water resistance is preferably obtained.
(実施例9)
式(1)におけるX1、X2、Z、n、Rが表3に示す化合物DとPVPと水とをフラスコにいれて攪拌し均一溶液とする。この溶液をシャーレに展開し、溶媒を揮発させて乾燥し組成物の膜(j)を得る。この際に、化合物DとPVPとを、(j)の[オキソカーボン類の物質量(mmol)]/[高分子電解質の重量(g)+オキソカーボン類の重量(g)]が0.05〜8mmol/gの範囲になるように選択すると、スルホン酸基を有する高分子化合物に匹敵するプロトン伝導度を有し、しかもスルホン酸基を有する高分子化合物に比し,化学的安定性、耐水性にも優れる膜が好ましく得られる。
Example 9
In Formula (1), X 1 , X 2 , Z, n, and R are the compounds D, PVP, and water shown in Table 3 and placed in a flask and stirred to obtain a uniform solution. This solution is spread on a petri dish, and the solvent is volatilized and dried to obtain a film (j) of the composition. At this time, the compound D and the PVP were mixed such that (j) [amount of oxocarbons (mmol)] / [weight of polymer electrolyte (g) + weight of oxocarbons (g)] was 0.05. When selected to be in the range of ˜8 mmol / g, it has proton conductivity comparable to a polymer compound having a sulfonic acid group, and has chemical stability and water resistance as compared with a polymer compound having a sulfonic acid group. A film having excellent properties is preferably obtained.
(実施例10)
式(1)におけるX1、X2、Z、n、Rが表3に示す化合物EとPVPと水とをフラスコにいれて攪拌し均一溶液とする。この溶液をシャーレに展開し、溶媒を揮発させて乾燥し組成物の膜(k)を得る。この際に、化合物EとPVPとを、(k)の[オキソカーボン類の物質量(mmol)]/[高分子電解質の重量(g)+オキソカーボン類の重量(g)]が0.05〜8mmol/gの範囲になるように選択すると、スルホン酸基を有する高分子化合物に匹敵するプロトン伝導度を有し、しかもスルホン酸基を有する高分子化合物に比し,化学的安定性、耐水性にも優れる膜が好ましく得られる。
(Example 10)
In Formula (1), X 1 , X 2 , Z, n, and R are the compounds E, PVP, and water shown in Table 3 and placed in a flask and stirred to obtain a uniform solution. This solution is developed in a petri dish, and the solvent is volatilized and dried to obtain a film (k) of the composition. At this time, the compound E and PVP were mixed such that (substance of oxocarbons (mmol)) / [weight of polymer electrolyte (g) + weight of oxocarbons (g)] of (k) was 0.05. When selected to be in the range of ˜8 mmol / g, it has proton conductivity comparable to a polymer compound having a sulfonic acid group, and has chemical stability and water resistance as compared with a polymer compound having a sulfonic acid group. A film having excellent properties is preferably obtained.
(実施例11)
式(1)におけるX1、X2、Z、n、Rが表3に示す化合物FとPESと、塩化メチレン:メタノール=9:1(vol/vol)混合液を、フラスコにいれて攪拌し均一溶液とする。この溶液をシャーレに展開し、溶媒を揮発させて乾燥し組成物の膜(l)を得る。この際に、化合物FとPESとを、(l)の[オキソカーボン類の物質量(mmol)]/[高分子電解質の重量(g)+オキソカーボン類の重量(g)]が0.05〜8mmol/gの範囲になるように選択すると、スルホン酸基を有する高分子化合物に匹敵するプロトン伝導度を有し、しかもスルホン酸基を有する高分子化合物に比し,化学的安定性、耐水性にも優れる膜が好ましく得られる。
(Example 11)
In Formula (1), X 1 , X 2 , Z, n, and R are compounds F and PES shown in Table 3, and a mixed solution of methylene chloride: methanol = 9: 1 (vol / vol), and stirred. Make a homogeneous solution. This solution is spread on a petri dish, and the solvent is volatilized and dried to obtain a film (1) of the composition. At this time, the compound F and the PES were mixed such that (l) [amount of oxocarbons (mmol)] / [weight of polymer electrolyte (g) + weight of oxocarbons (g)] of 0.05. When selected to be in the range of ˜8 mmol / g, it has proton conductivity comparable to a polymer compound having a sulfonic acid group, and has chemical stability and water resistance as compared with a polymer compound having a sulfonic acid group. A film having excellent properties is preferably obtained.
(実施例12)
式(1)におけるX1、X2、Z、n、Rが表3に示す化合物GとPESと、塩化メチレン:メタノール=9:1(vol/vol)混合液を、フラスコにいれて攪拌し均一溶液とする。この溶液をシャーレに展開し、溶媒を揮発させて乾燥し組成物の膜(m)を得る。この際に、化合物GとPESとを、(m)の[オキソカーボン類の物質量(mmol)]/[高分子電解質の重量(g)+オキソカーボン類の重量(g)]が0.05〜8mmol/gの範囲になるように選択すると、スルホン酸基を有する高分子化合物に匹敵するプロトン伝導度を有し、しかもスルホン酸基を有する高分子化合物に比し,化学的安定性、耐水性にも優れる膜が好ましく得られる。
(Example 12)
In Formula (1), X 1 , X 2 , Z, n and R are a mixture of Compound G and PES shown in Table 3 and methylene chloride: methanol = 9: 1 (vol / vol) in a flask and stirred. Make a homogeneous solution. This solution is spread on a petri dish, and the solvent is volatilized and dried to obtain a film (m) of the composition. At this time, the compound G and the PES were mixed such that (m) [amount of oxocarbons (mmol)] / [weight of polymer electrolyte (g) + weight of oxocarbons (g)] of 0.05. When selected to be in the range of ˜8 mmol / g, it has proton conductivity comparable to a polymer compound having a sulfonic acid group, and has chemical stability and water resistance as compared with a polymer compound having a sulfonic acid group. A film having excellent properties is preferably obtained.
(実施例13)
式(1)におけるX1、X2、Z、n、Rが表3に示す化合物HとPESと、塩化メチレン:メタノール=9:1(vol/vol)混合液を、フラスコにいれて攪拌し均一溶液とする。この溶液をシャーレに展開し、溶媒を揮発させて乾燥し組成物の膜(n)を得る。この際に、化合物HとPESとを、(n)の[オキソカーボン類の物質量(mmol)]/[高分子電解質の重量(g)+オキソカーボン類の重量(g)]が0.05〜8mmol/gの範囲になるように選択すると、スルホン酸基を有する高分子化合物に匹敵するプロトン伝導度を有し、しかもスルホン酸基を有する高分子化合物に比し,化学的安定性、耐水性にも優れる膜が好ましく得られる。
(Example 13)
In Formula (1), X 1 , X 2 , Z, n, and R are compounds H and PES shown in Table 3, and a mixed solution of methylene chloride: methanol = 9: 1 (vol / vol) is stirred in a flask. Make a homogeneous solution. This solution is spread on a petri dish, and the solvent is volatilized and dried to obtain a film (n) of the composition. At this time, the compound H and the PES were mixed so that (n) [amount of oxocarbons (mmol)] / [weight of polymer electrolyte (g) + weight of oxocarbons (g)] was 0.05. When selected to be in the range of ˜8 mmol / g, it has proton conductivity comparable to a polymer compound having a sulfonic acid group, and has chemical stability and water resistance as compared with a polymer compound having a sulfonic acid group. A film having excellent properties is preferably obtained.
Claims (7)
(式中、X 1 、X 2 は−O−を表し、Zは−CO−を表す。nは、繰り返しの数を表わし、0〜10の整数を表わす。Zが複数ある場合は、それぞれのZは、互いに同じであっても良く、異なっていても良い。Rは、−OH、−SH、−NHR’’’、置換基を有していても良い炭素数1〜18のアルキル基、置換基を有していても良い炭素数6〜18のアリール基又は置換基を有していても良い炭素数7〜16のアラルキル基を表す。R’、R’’、R’’’は、それぞれ独立に水素原子、置換基を有していてもよい炭素数1〜6のアルキル基又は置換基を有していてもよい炭素数6〜10のアリール基を表す。Bは、水素原子または1価の金属原子を表す。) It is a polymer composition containing an oxocarbon represented by the following formula (1) and a polymer compound , [amount of oxocarbons (mmol)] / [weight of polymer compound (g) + oxocarbon The polymer composition is characterized in that the weight (g) of the product is 0.05 to 8 mmol / g .
(In the formula, X 1 and X 2 represent —O— and Z represents —CO—. N represents the number of repetitions and represents an integer of 0 to 10. When there are a plurality of Z, Z may be the same as or different from each other, R is —OH, —SH, —NHR ′ ″, an optionally substituted alkyl group having 1 to 18 carbon atoms, An aryl group having 6 to 18 carbon atoms which may have a substituent or an aralkyl group having 7 to 16 carbon atoms which may have a substituent, R ′, R ″ and R ′ ″ are , Each independently represents a hydrogen atom, an optionally substituted alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, or an optionally substituted aryl group having 6 to 10 carbon atoms, and B represents a hydrogen atom. Or represents a monovalent metal atom.)
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