JP3879541B2 - Method for producing sulfonic acid group-containing polymer - Google Patents

Description

式（Ａ）中、Ｒ〜Ｒ'は互いに同一でも異なっていてもよく、フッ素原子を除くハロゲン原子または−ＯＳＯ₂Ｚ（ここで、Ｚはアルキル基、フッ素置換アルキル基またはアリール基を示す。）で表される基を示す。
Ｚが示すアルキル基としてはメチル基、エチル基などが挙げられ、フッ素置換アルキル基としてはトリフルオロメチル基などが挙げられ、アリール基としてはフェニル基、ｐ−トリル基などが挙げられる。
Ｒ¹〜Ｒ⁸は互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル基、フッ素置換アルキル基、アリル基およびアリール基からなる群より選ばれた少なくとも１種の原子または基を示す。
アルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、アミル基、ヘキシル基などが挙げられ、メチル基、エチル基などが好ましい。
フッ素置換アルキル基としては、トリフルオロメチル基、パーフルオロエチル基、パーフルオロプロピル基、パーフルオロブチル基、パーフルオロペンチル基、パーフルオロヘキシル基などが挙げられ、トリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基などが好ましい。
アリル基としては、プロペニル基などが挙げられ、
アリール基としては、フェニル基、ペンタフルオロフェニル基などが挙げられる。
Ｘは２価の電子吸引性基を示し、電子吸引性基としては、例えば−ＣＯ−、−ＣＯＮＨ−、−（ＣＦ₂）_p−（ここで、ｐは１〜１０の整数である）、−Ｃ（ＣＦ₃）₂−、−ＣＯＯ−、−ＳＯ−、−ＳＯ₂−などが挙げられる。
なお、電子吸引性基とは、ハメット（Hammett）置換基常数がフェニル基のｍ位の場合、０．０６以上、ｐ位の場合、０．０１以上の値となる基をいう。
Ｙは２価の電子供与性基を示し、電子供与性基としては、例えば−Ｏ−、−Ｓ−、−ＣＨ＝ＣＨ−、−Ｃ≡Ｃ−および下記式
【化２】

で表される基などが挙げられる。
【０００７】
ｎは０または正の整数であり、上限は通常１００、好ましくは８０である。
上記一般式（Ａ）で表されるモノマーとして具体的には、例えば４,４'−ジクロロベンゾフェノン、４,４'−ジクロロベンズアニリド、ビス（クロロフェニル）ジフルオロメタン、２,２−ビス（４−クロロフェニル）ヘキサフルオロプロパン、４−クロロ安息香酸−４−クロロフェニル、ビス（４−クロロフェニル）スルホキシド、ビス（４−クロロフェニル）スルホン、これらの化合物において塩素原子が臭素原子またはヨウ素原子に置き換わった化合物、さらにこれらの化合物において４位に置換したハロゲン原子が３位に置換した化合物などが挙げられる。
また上記一般式（Ａ）で表されるモノマーとして具体的には、例えば４,４'−ビス（４−クロロベンゾイル）ジフェニルエーテル、４,４'−ビス（４−クロロベンゾイルアミノ）ジフェニルエーテル、４,４'−ビス（４−クロロフェニルスルホニル）ジフェニルエーテル、４,４'−ビス（４−クロロフェニル）ジフェニルエーテルジカルボキシレート、４,４'−ビス〔（４−クロロフェニル）−１,１,１,３,３,３−ヘキサフルオロプロピル〕ジフェニルエーテル、４,４'−ビス〔（４−クロロフェニル）−１,１,１,３,３,３−ヘキサフルオロプロピル〕ジフェニルエーテル、４,４'−ビス〔（４−クロロフェニル）テトラフルオロエチル〕ジフェニルエーテル、これらの化合物において塩素原子が臭素原子またはヨウ素原子に置き換わった化合物、さらにこれらの化合物において４位に置換したハロゲン原子が３位に置換した化合物、さらにこれらの化合物においてジフェニルエーテルの４位に置換した基の少なくとも１つが３位に置換した化合物などが挙げられる。
【０００８】
さらに上記一般式（Ａ）で表されるモノマーとしては、２,２−ビス［４−｛４−（４−クロロベンゾイル）フェノキシ｝フェニル］−１,１,１,３,３,３−ヘキサフルオロプロパン、ビス［４−｛４−（４−クロロベンゾイル）フェノキシ｝フェニル］スルホン、および下記式で表される化合物が挙げられる。
【化３】

【０００９】
上記一般式（Ａ）で表されるモノマーは、例えば以下に示す方法で合成することができる。
まず電子吸引性基で連結されたビスフェノールを対応するビスフェノールのアルカリ金属塩とするために、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、Ｎ,Ｎ-ジメチルアセトアミド、スルホラン、ジフェニルスルホン、ジメチルスルホキサイドなどの誘電率の高い極性溶媒中でリチウム、ナトリウム、カリウムなどのアルカリ金属、水素化アルカリ金属、水酸化アルカリ金属、アルカリ金属炭酸塩などを加える。通常、アルカリ金属はフェノールの水酸基に対し、過剰気味で反応させ、通常、１．１〜２倍当量を使用する。好ましくは、１．２〜１．５倍当量の使用である。この際、ベンゼン、トルエン、キシレン、ヘキサン、シクロヘキサン、オクタン、クロロベンゼン、ジオキサン、テトラヒドロフラン、アニソール、フェネトールなどの水と共沸する溶媒を共存させて、電子吸引性基で活性化されたフッ素、塩素等のハロゲン原子で置換された芳香族ジハライド化合物、例えば、４,４'−ジフルオロベンゾフェノン、４,４'−ジクロロベンゾフェノン、４,４'−クロロフルオロベンゾフェノン、ビス（４−クロロフェニル）スルホン、ビス（４−フルオロフェニル）スルホン、４−フルオロフェニル−４'−クロロフェニルスルホン、ビス（３−ニトロ−４−クロロフェニル）スルホン、２,６−ジクロロベンゾニトリル、２,６−ジフルオロベンゾニトリル、ヘキサフルオロベンゼン、デカフルオロビフェニル、２,５−ジフルオロベンゾフェノン、１,３−ビス（４−クロロベンゾイル）ベンゼンなどを反応させる。反応性から言えば、フッ素化合物が好ましいが、次の芳香族カップリング反応を考慮した場合、末端が塩素原子となるように芳香族求核置換反応を組み立てる必要がある。活性芳香族ジハライドはビスフェノールに対し、２〜４倍モル、好ましくは２．２〜２．８倍モルの使用である。芳香族求核置換反応の前に予め、ビスフェノールのアルカリ金属塩としていてもよい。反応温度は６０℃〜３００℃で、好ましくは８０℃〜２５０℃の範囲である。反応時間は１５分〜１００時間、好ましくは１時間〜２４時間の範囲である。最も好ましい方法としては、下記式
【化４】

（式中、Ｙは一般式（Ａ）に関して定義した通りである。）
で示される活性芳香族ジハライドとして反応性の異なるハロゲン原子を一個づつ有するクロロフルオロ体を用いることであり、フッ素原子が優先してフェノキシドと求核置換反応が起きるので、目的の活性化された末端クロロ体を得るのに好都合である。
【００１０】
または特開平２−１５９号公報に記載のように求核置換反応と親電子置換反応を組み合わせ、目的の電子吸引性基、電子供与性基からなる屈曲性化合物の合成方法がある。
具体的には電子吸引性基で活性化された芳香族ビスハライド、例えば、ビス（４−クロロフェニル）スルホンをフェノールとで求核置換反応させてビスフェノキシ置換体とする。次いで、この置換体を例えば、４−クロロ安息香酸クロリドとのフリーデルクラフト反応から目的の化合物を得る。ここで用いる電子吸引性基で活性化された芳香族ビスハライドは上記で例示した化合物が適用できる。フェノール化合物は置換されていてもよいが、耐熱性や屈曲性の観点から、無置換化合物が好ましい。なお、フェノールの置換反応にはアルカリ金属塩とするのが、好ましく、使用可能なアルカリ金属化合物は上記に例示した化合物を使用できる。使用量はフェノール１モルに対し、１．２〜２倍モルである。反応に際し、上述した極性溶媒や水との共沸溶媒を用いることができる。ビスフェノキシ化合物を塩化アルミニウム、３フッ化ホウ素、塩化亜鉛などのルイス酸のフリーデルクラフト反応の活性化剤存在下に、アシル化剤として、クロロ安息香酸クロライドを反応させる。クロロ安息香酸クロライドはビスフェノキシ化合物に対し、２〜４倍モル、好ましくは２．２〜３倍モルの使用である。フリーデルクラフト活性化剤は、アシル化剤のクロロ安息香酸などの活性ハライド化合物１モルに対し、１．１〜２倍当量使用する。反応時間は１５分〜１０時間の範囲で、反応温度は−２０℃から８０℃の範囲である。使用溶媒は、フリーデルクラフト反応に不活性な、クロロベンゼンやニトロベンゼンなどを用いることができる。
【００１１】
また、一般式(Ａ)において、ｎが２以上であるモノマー(Ａ)は、例えば、一般式（Ａ）において電子供与性基Ｂであるエーテル性酸素の供給源となるビスフェノールと、電子吸引性基Ａである、＞Ｃ＝Ｏ、−ＳＯ₂−、および／または＞Ｃ（ＣＦ₃）₂とを組み合わした、具体的には2,2-ビス(4-ヒドロキシフェニル)-1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロプロパン、2,2-ビス(4-ヒドロキシフェニル)ケトン、2,2-ビス(4-ヒドロキシフェニル)スルホンなどのビスフェノールのアルカリ金属塩と過剰の4,4-ジクロロベンゾフェノン、ビス(4-クロロフェニル)スルホンなどの活性芳香族ハロゲン化合物との置換反応をＮ-メチル-2-ピロリドン、Ｎ,Ｎ-ジメチルアセトアミド、スルホランなどの極性溶媒存在下で前記単量体の合成手法に順次重合して得られる。
このようなモノマー(Ａ)の例示としては、下記式で表される化合物などを挙げることができる。
【００１２】
【化５】

【００１３】
【化６】

【００１４】
【化７】

上記において、ｎは２以上、好ましくは２〜１００である。
【００１５】
次に一般式（Ｂ−１）〜（Ｂ−４）で表されるモノマーについて説明する。
（Ｂ−１）
【化８】

式中、ＲおよびＲ'は互いに同一でも異なっていてもよく、上記一般式（Ａ）中のＲおよびＲ'と同様の基を示す。
Ｒ⁹〜Ｒ¹⁵は互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子およびアルキル基からなる群より選ばれた少なくとも１種の原子または基を示す。
Ｒ⁹〜Ｒ¹⁵が示すアルキル基としては、上記一般式（Ａ）中のＲ¹〜Ｒ⁸が示すアルキル基と同様のものが挙げられる。
ｍは０、１または２を示す。
Ｘは上記一般式（Ａ）でＸとして示したものと同様の群から選ばれた２価の電子吸引性基を示す。
Ｙは上記一般式（Ａ）でＹとして示したものと同様の群から選ばれた２価の電子供与性基を示す。
Ｗはフェニル基、ナフチル基および下記式（Ｃ−１）〜（Ｃ−３）で表される基からなる群より選ばれる少なくとも１種の基を示す。
【００１６】
上から（Ｃ−１）、（Ｃ−２）、（Ｃ−３）
【化９】

式中、Ａは電子供与性基または単結合を示す。電子供与性基としては、上記一般式（Ａ）でＹとして示したものと同様の群から選ばれた２価の電子供与性基が挙げられる。
Ｒ¹⁶およびＲ¹⁷は水素原子、アルキル基およびアリール基からなる群より選ばれる原子または基を示す。Ｒ¹⁶およびＲ¹⁷が示す、アルキル基およびアリール基としては、上記一般式（Ａ）中のＲ¹〜Ｒ⁸が示すアルキル基およびアリール基と同様のものが挙げられる。
Ｒ¹⁸〜Ｒ²⁶は互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子およびアルキル基からなる群より選ばれる少なくとも１種の原子または基を示す。
ｑは０または１を示す。
上記一般式（Ｂ−１）で表されるモノマーとしては、下記式で表される化合物が挙げられる。
【化１０】

より具体的には、一般式（Ｂ−１）で表される化合物としては、下記式で表される化合物が挙げられる。
【００１７】
【化１１】

【００１８】
【化１２】

【００１９】
また、上記のような化合物において、塩素原子を臭素原子またはヨウ素原子に置き換えた化合物も例示することができる。
【００２０】
上から（Ｂ−２）、（Ｂ−３）、（Ｂ−４）
【化１３】

【００２１】
式（Ｂ−２）〜（Ｂ−４）中、ＲおよびＲ'は互いに同一でも異なっていてもよく、上記一般式（Ａ）中のＲおよびＲ'と同様の基を示す。
Ｒ²⁷〜Ｒ³⁴は互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル基、フッ素置換アルキル基、アリール基または下記一般式（Ｄ）で表される基を示す。
【００２２】
（Ｄ）
【化１４】

式（Ｄ）中、Ｒ³⁵〜Ｒ⁴³は互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、フッ素置換アルキル基を示す。
Ｒ²⁷〜Ｒ³⁴、Ｒ³⁵〜Ｒ⁴³が示すアルキル基、フッ素置換アルキル基としては、Ｒ¹〜Ｒ⁸が示すアルキル基、フッ素置換アルキル基と同様の基が挙げられる。またＲ²⁷〜Ｒ³⁴が示すアリール基としては、Ｒ¹〜Ｒ⁸が示すアリール基と同様の基が挙げられる。
Ｘは上記一般式（Ａ）でＸとして示したものと同様の群から選ばれた２価の電子吸引性基を示す。
Ｙは上記一般式（Ａ）でＹとして示したものと同様の群から選ばれた２価の電子供与性基を示す。
【００２３】
上記一般式（Ｂ−２）で表されるモノマーとして具体的には、例えばｐ−ジクロロベンゼン、ｐ−ジメチルスルフォニロキシベンゼン、２,５−ジクロロトルエン、２,５−ジメチルスルフォニロキシベンゼン、２,５−ジクロロ−ｐ−キシレン、２,５−ジクロロベンゾトリフルオライド、１,４−ジクロロ−２,３,５,６−テトラフルオロベンゼン、およびこれらの化合物において塩素原子を臭素原子またはヨウ素原子に置き換えた化合物などが挙げられる。
上記一般式（Ｂ−３）で表されるモノマーとして具体的には、例えば４,４'−ジメチルスルフォニロキシビフェニル、４,４'−ジメチルスルフォニロキシ−３,３'−ジプロペニルビフェニル、４,４'−ジブロモビフェニル、４,４'−ジヨードビフェニル、４,４'−ジメチルスルフォニロキシ−３,３'−ジメチルビフェニル、４,４'−ジメチルスルフォニロキシ−３,３'−ジフルオロビフェニル、４,４'−ジメチルスルフォニロキシ−３,３'５,５'−テトラフルオロビフェニル、４,４'−ジブロモオクタフルオロビフェニル、４,４'−ジメチルスルフォニロキシオクタフルオロビフェニルなどが挙げられる。
上記一般式（Ｂ−４）で表されるモノマーとして具体的には、例えばｍ−ジクロロベンゼン、ｍ−ジメチルスルフォニロキシベンゼン、２,４−ジクロロトルエン、３,５−ジクロロトルエン、２,６−ジクロロトルエン、３,５−ジメチルスルフォニロキシトルエン、２,６−ジメチルスルフォニロキシトルエン、２,４−ジクロロベンゾトリフルオライド、３,５−ジクロロベンゾトリフルオライド、１,３−ジブロモ−２,４,５,６−テトラフルオロベンゼン、およびこれらの化合物において塩素原子を臭素原子またはヨウ素原子に置き換えた化合物などが挙げられる。
また、分子量調節剤としては４−クロロベンゾフェノンのような片末端ハロゲン化合物（フッ素を除く）を用いて、所定の分子量に調整できる。
【００２４】
ポリアリーレン系重合体は上記モノマーを触媒の存在下に反応させるが、使用される触媒は、遷移金属化合物を含む触媒系であり、この触媒系としては、▲１▼遷移金属塩および配位子となる化合物（以下、「配位子成分」という。）、または配位子が配位された遷移金属錯体（銅塩を含む）、ならびに▲２▼還元剤を必須成分とし、さらに、重合速度を上げるために、「塩」を添加してもよい。
ここで、遷移金属塩としては、塩化ニッケル、臭化ニッケル、ヨウ化ニッケル、ニッケルアセチルアセトナートなどのニッケル化合物；塩化パラジウム、臭化パラジウム、ヨウ化パラジウムなどのパラジウム化合物；塩化鉄、臭化鉄、ヨウ化鉄などの鉄化合物；塩化コバルト、臭化コバルト、ヨウ化コバルトなどのコバルト化合物などが挙げられる。これらのうち特に、塩化ニッケル、臭化ニッケルなどが好ましい。
また、配位子成分としては、トリフェニルホスフィン、２,２'−ビピリジン、１,５−シクロオクタジエン、１,３−ビス（ジフェニルホスフィノ）プロパンなどが挙げられる。これらのうち、トリフェニルホスフィン、２,２'−ビピリジンが好ましい。上記配位子成分である化合物は、１種単独で、あるいは２種以上を併用することができる。
【００２５】
さらに、配位子が配位された遷移金属錯体としては、例えば、塩化ニッケルビス（トリフェニルホスフィン）、臭化ニッケルビス（トリフェニルホスフィン）、ヨウ化ニッケルビス（トリフェニルホスフィン）、硝酸ニッケルビス（トリフェニルホスフィン）、塩化ニッケル（２,２'−ビピリジン）、臭化ニッケル（２,２'−ビピリジン）、ヨウ化ニッケル（２,２'−ビピリジン）、硝酸ニッケル（２,２'−ビピリジン）、ビス（１,５−シクロオクタジエン）ニッケル、テトラキス（トリフェニルホスフィン）ニッケル、テトラキス（トリフェニルホスファイト）ニッケル、テトラキス（トリフェニルホスフィン）パラジウムなどが挙げられる。これらのうち、塩化ニッケルビス（トリフェニルホスフィン）、塩化ニッケル（２,２'−ビピリジン）が好ましい。
上記触媒系に使用することができる還元剤としては、例えば、鉄、亜鉛、マンガン、アルミニウム、マグネシウム、ナトリウム、カルシウムなどが挙げられる。これらのうち、亜鉛、マグネシウム、マンガンが好ましい。これらの還元剤は、有機酸などの酸に接触させることにより、より活性化して用いることができる。
【００２６】
また、上記触媒系において使用することのできる「塩」としては、フッ化ナトリウム、塩化ナトリウム、臭化ナトリウム、ヨウ化ナトリウム、硫酸ナトリウムなどのナトリウム化合物、フッ化カリウム、塩化カリウム、臭化カリウム、ヨウ化カリウム、硫酸カリウムなどのカリウム化合物；フッ化テトラエチルアンモニウム、塩化テトラエチルアンモニウム、臭化テトラエチルアンモニウム、ヨウ化テトラエチルアンモニウム、硫酸テトラエチルアンモニウムなどのアンモニウム化合物などが挙げられる。これらのうち、臭化ナトリウム、ヨウ化ナトリウム、臭化カリウム、臭化テトラエチルアンモニウム、ヨウ化テトラエチルアンモニウムが好ましい。
【００２７】
各成分の使用割合は、遷移金属塩または遷移金属錯体が、上記モノマーの総計１モルに対し、通常、０．０００１〜１０モル、好ましくは０．０１〜０．５モルである。０．０００１モル未満では、重合反応が十分に進行しないことがあり、一方、１０モルを超えると、分子量が低下することがある。
触媒系において、遷移金属塩および配位子成分を用いる場合、この配位子成分の使用割合は、遷移金属塩１モルに対し、通常、０．１〜１００モル、好ましくは１〜１０モルである。０．１モル未満では、触媒活性が不十分となることがあり、一方、１００モルを超えると、分子量が低下することがある。
また、還元剤の使用割合は、上記モノマーの総計１モルに対し、通常、０．１〜１００モル、好ましくは１〜１０モルである。０．１モル未満では、重合が十分進行しないことがあり、１００モルを超えると、得られる重合体の精製が困難になることがある。
さらに、「塩」を使用する場合、その使用割合は、上記モノマーの総計１モルに対し、通常、０．００１〜１００モル、好ましくは０．０１〜１モルである。０．００１モル未満では、重合速度を上げる効果が不十分であることがあり、、１００モルを超えると、得られる重合体の精製が困難となることがある。
使用することのできる重合溶媒としては、例えばテトラヒドロフラン、シクロヘキサノン、ジメチルスルホキシド、Ｎ,Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ,Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、γ−ブチロラクトンなどが挙げられる。これらのうち、テトラヒドロフラン、Ｎ,Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ,Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチル−２−ピロリドンが好ましい。これらの重合溶媒は、十分に乾燥してから用いることが好ましい。
重合溶媒中における上記モノマーの総計の濃度は、通常、１〜９０重量％、好ましくは５〜４０重量％である。
また、重合する際の重合温度は、通常、０〜２００℃、好ましくは５０〜１２０℃である。また、重合時間は、通常、０．５〜１００時間、好ましくは１〜４０時間である。
このようにして上記一般式（Ａ）で表されるモノマー（Ａ）と、上記一般式（Ｂ−１）〜（Ｂ−４）で表されるモノマーから選ばれる少なくとも１種のモノマー（Ｂ）を重合させることにより、ポリアリーレンを含む重合溶液が得られる。
【００２８】
次に、本発明においては、スルホン酸基を有しない上記共重合体を硫酸を用いてスルホン酸基を導入する。
【００２９】
すなわち、このスルホン化の反応条件としては、上記スルホン酸基を有しない共重合体を、無溶剤下あるいは溶剤存在下で、上記スルホン化剤と反応させる。本発明においては重合体をスルホン化する際に、濃度９５．５〜９７．４重量％の硫酸を使用する場合には、重合体１ｇに対して硫酸を１０ｍＬ以上、好ましくは１０〜５０ｍＬ使用し、２０℃以上、好ましくは２５〜３０℃で１０〜３０時間反応を行う。
硫酸量が１０ｍＬ未満では、反応溶液の粘度が高すぎるため攪拌が出来なくなる。
本発明の反応液とは、前記重合体と硫酸からなるものであるが、この反応液の温度が２０℃未満ではスルホン化速度が遅すぎるため、目的のスルホン化等量のポリマーを得ることが困難である。
また、重合体をスルホン化する際に、濃度９７．５重量％以上の硫酸を使用する場合には、重合体１ｇに対して３ｍｌ以上、好ましくは３〜５０ｍＬ使用し、反応液の温度２５℃以下、好ましくは５〜１５℃で１０〜３０時間反応を行う。
硫酸量が３ｍｌ未満では溶液粘度が高すぎるため攪拌が困難であり、反応温度が２５℃を超えるとスルホン化速度が速すぎるため、スルホン化が進みすぎ目的のスルホン化等量のポリマーを得ることが困難である。
本発明において、スルホン化の際に有機溶剤を併用して使用しないことが好ましいが、必要に応じて有機溶剤を使用することも可能である。その場合、使用できる溶剤としては、例えばｎ−ヘキサンなどの炭化水素溶剤、テトラヒドロフラン、ジオキサンなどのエーテル系溶剤、Ｎ、Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ、Ｎ−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシドのような非プロトン系極性溶剤のほか、テトラクロロエタン、ジクロロエタン、クロロホルム、塩化メチレンなどのハロゲン化炭化水素などが挙げられる。
【００３０】
このようにして得られる、スルホン化重合体の、スルホン酸基量は、０．５〜３ミリグラム当量／ｇ、好ましくは０．８〜２．８ミリグラム当量／ｇである。０．５ミリグラム当量／ｇ未満では、プロトン伝導性が上がらず、一方３ミリグラム当量／ｇを超えると、親水性が向上し、水溶性重合体となってしまうか、また水溶性に至らずとも耐久性が低下する。
上記のスルホン酸基量は、モノマー（Ａ）とモノマー（Ｂ）の使用割合、さらにモノマー（Ａ）の種類、組合せを変えることにより、容易に調整することができる。
【００３１】
また、このようにして得られる本発明のスルホン酸基含有共重合体のスルホン化前の前駆体の重合体の分子量は、ポリスチレン換算重量平均分子量で、１万〜５０万、好ましくは２万〜４０万、更に好ましくは５万〜３０万である。１万未満では、成形フィルムにクラックが発生するなど、塗膜性が不十分であり、また強度的性質にも問題がある。一方、５０万を超えると、スルホン化反応時の粘度が高くなり、取扱いが困難であり、スルホン化重合体の加工性が不良になるなどの問題がある。
【００３２】
本発明のスルホン酸基含有共重合体の分子量は、ポリスチレン換算重量平均分子量で、２万〜１００万、好ましくは５万〜８０万、更に好ましくは１０万〜６０万である。
【００３３】
以下、本発明を実施例により、さらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に制限されるものではない。
【実施例】
測定方法
スルホン酸等量
得られたスルホン酸基含有重合体の水洗水が中性になるまで洗浄し、フリーの残存している酸を除いて充分に水洗し、乾燥後、所定量を秤量し、THF/水の混合溶剤に溶解し、フェノールフタレインを指示薬とし、ＮａＯＨの標準液を用いて滴定を行い、中和点から、スルホン酸等量を求めた。
分子量の測定
スルホン化前の前駆体重合体の重量平均分子量は、溶剤としてテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）を用い、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー（ＧＰＣ）によって、ポリスチレン換算の分子量を求めた。
スルホン化物の分子量は、溶剤として臭化リチウムと燐酸を添加したＮ−メチルー２−ピロリドン（ＮＭＰ）を溶離液として用い、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー（ＧＰＣ）によって、ポリスチレン換算の分子量を求めた。
熱水耐性の評価
スルホン化物からＮＭＰを溶剤として用いて、約５０μｍ厚のキャストフィルムを作製し、２４時間１２０℃の熱水中に浸した後の重量保持率で評価した。
【００３４】
［参考例 ポリアリーレンの合成］
（オリゴマーの調製）
撹拌機、温度計、冷却管、Dean-Stark管、窒素導入の三方コックをとりつけた１Ｌの三つ口のフラスコに、2.2−ビス(4-ヒドロキシフェニル)-1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロプロパン(ビスフェノールＡＦ)67.3ｇ（0.20モル）、4,4'-ジクロロベンゾフェノン(4,4'-ＤＣＢＰ)60.3ｇ（0.24モル）、炭酸カリウム71.9ｇ（0.52モル）、Ｎ,Ｎ-ジメチルアセトアミド(ＤＭＡｃ)300ｍＬ、トルエン150ｍＬをとり、オイルバス中、窒素雰囲気下で加熱し撹拌下130℃で反応させた。反応により生成する水をトルエンと共沸させ、Dean-Stark管で系外に除去しながら反応させると、約３時間で水の生成がほとんど認められなくなった。反応温度を130℃から徐々に150℃まで上げた。その後、反応温度を徐々に150℃まで上げながら大部分のトルエンを除去し、150℃で10時間反応を続けた後、4,4'-ＤＣＢＰ10.0ｇ（0.040モル）を加え、さらに５時間反応した。得られた反応液を放冷後、副生した無機化合物の沈殿物を濾過除去し、濾液を４Ｌのメタノール中に投入した。沈殿した生成物を濾別、回収し乾燥後、テトラヒドロフラン300ｍＬに溶解した。これをメタノール４Ｌに再沈殿し、目的の化合物95ｇ（収率85％）を得た。
得られた重合体のＧＰＣ（ＴＨＦ溶媒）で求めたポリスチレン換算の数平均分子量は4,200、重量平均分子量は8,300であった。また、得られた重合体はＴＨＦ、ＮＭＰ、ＤＭＡｃ、スルホランなどに可溶で、Ｔｇは110℃、熱分解温度は498℃であった。
得られた重合体は式（Ｉ）：
【化１５】

で表される構造を有することが推定され、該構造と上記の数平均分子量とから、ｎの平均値は7.8と求められた。
【００３５】
（ポリアリーレン系共重合体の合成）
上記で得られた式（Ｉ）のオリゴマー２８．４ｇ（２．８７ｍｍｏｌ）、２，５−ジクロロ−４’−（４−フェノキシ）フェノキシベンゾフェノン（ＤＣＰＰＢ）２９．２ｇ（６７．１ｍｍｏｌ）、ビス（トリフェニルホスフィン）ニッケルジクロリド１．３７ｇ（２．１ｍｍｏｌ）、よう化ナトリウム１．３６ｇ（９．０７ｍｍｏｌ）、トリフェニルホスフィン７．３４ｇ（２８．０ｍｍｏｌ）、亜鉛末１１．０ｇ（１６８ｍｍｏｌ）をフラスコにとり、乾燥窒素置換した。N-メチル−２−ピロリドン１３０ｍｌを加え、８０℃に加熱し、４時間攪拌し、重合をおこなった。重合溶液をＴＨＦで希釈し、塩酸/メタノールで凝固回収し、メタノール洗滌を繰り返し、ＴＨＦで溶解、メタノールへ再沈殿による精製し、濾集した重合体を真空乾燥し目的の共重合体５０．７ｇ（９６％）を得た。 ＧＰＣ（ＴＨＦ）で求めたポリスチレン換算の数平均分子量は４００００、重量平均分子量は１４５０００であった。
【００３６】
実施例１
上記で得た共重合体２５ｇを攪拌装置、温度計を取り付けた１０００ｍｌのセパラブルフラスコに入れ、濃度９６．４％硫酸７５０ｍｌを加え、内温を２５℃に保ちながら窒素気流下で２４時間攪拌した。反応時間６時間の時点で反応溶液の粘度を測定（２５℃）したところ４００mPa・sであり、充分攪拌が可能であった。得られた溶液を大量のイオン交換水の中に注ぎ入れ、重合体を沈殿させた。洗浄水のｐＨが５になるまで重合体の洗浄を繰り返した。乾燥して、２９ｇ（９６％）のスルホン酸基含有重合体を得た。スルホン酸基含有重合体のGPC(NMP)で求めたポリスチレン換算の数平均分子量は６７，０００、重量平均分子量は２７７，０００であった。本スルホン酸基含有重合体のスルホン酸等量は２．１mg等量／ｇであった。
このスルホン酸基含有重合体の熱水耐性試験後の重量保持率は９９％であった。
【００３７】
実施例２
参考例で合成した共重合体５０ｇを攪拌装置、温度計を取り付けた１０００ｍｌのセパラブルフラスコに入れ、濃度９８．５％硫酸６５０ｍｌを加え、内温を１５℃に保ちながら窒素気流下で２４時間攪拌した。反応時間６時間の時点で反応溶液の粘度を測定（１５℃）したところ５０００mPa・sであり、充分攪拌が可能であった。得られた溶液を大量のイオン交換水の中に注ぎ入れ、重合体を沈殿させた。洗浄水のｐＨが５になるまで重合体の洗浄を繰り返した。乾燥して、５９ｇ（９７％）のスルホン酸基含有重合体を得た。スルホン酸基含有重合体のGPC(NMP)で求めたポリスチレン換算の数平均分子量は６８，０００、重量平均分子量は２７９，０００であった。本スルホン酸基含有重合体のスルホン酸等量は２．１mg等量／ｇであった。
このスルホン酸基含有重合体の熱水耐性試験後の重量保持率は９９％と良好であった。
【００３８】
比較例１
参考例で合成した共重合体５０ｇを攪拌装置、温度計を取り付けた１０００ｍｌのセパラブルフラスコに入れ、濃度９８．５％硫酸６５０ｍｌを加え、内温を３０℃に保ちながら窒素気流下で２４時間攪拌した。反応時間６時間の時点で反応溶液の粘度を測定（１５℃）したところ１０００mPa・sであった。得られた溶液を大量のイオン交換水の中に注ぎ入れ、重合体を沈殿させた。洗浄水のｐＨが５になるまで重合体の洗浄を繰り返した。乾燥して、５９ｇ（９７％）のスルホン酸基含有重合体を得た。スルホン酸基含有重合体のGPC(NMP)で求めたポリスチレン換算の数平均分子量は６８，０００、重量平均分子量は２７９，０００であった。本スルホン酸基含有重合体のスルホン酸等量は２．８mg等量／ｇと高く、熱水耐性試験後の重量保持率は５５％であり、サンプル取り出し時にフィルムにクラックが発生した。
【００３９】
比較例２
参考例で合成した共重合体５０ｇを攪拌装置、温度計を取り付けた１０００ｍｌのセパラブルフラスコに入れ、濃度９６．４％硫酸４００ｍｌを加え、内温を２５℃に保ちながら窒素気流下で２４時間攪拌した。反応時間中、反応溶液の粘度が非常に高く、攪拌が困難であった。反応時間６時間の時点で反応溶液の粘度を測定（２５℃）したところ５０００００mPa・s以上であった。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によると、スルホン化反応時の溶液粘度を適正な範囲にコントロールが可能で、スルホン酸基の導入量を容易にコントロールできる製造方法を提供することにある。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a sulfonic acid group-containing polymer that can be used for electrolytes for primary batteries, electrolytes for secondary batteries, solid polymer electrolytes for fuel cells, display elements, various sensors, signal transmission media, solid capacitors, ion exchange membranes, and the like. Relates to the manufacturing method.
[0002]
[Prior art]
Examples of the method for producing a sulfonic acid group-containing polymer include Polymer Preprints, Japan, vol. 42, No. 3, p. 730 (1993); Polymer Preprints, Japan, vol. 42, No. 3, p. 736 ( 1994); Polymer Preprints, Japan, vol.42, No.7, p.2490 (1993), etc., a polymer having no sulfonic acid group is converted to sulfuric anhydride, fuming sulfuric acid, chlorosulfone, and the like. Sulfonation using a sulfonating agent such as acid, sulfuric acid, sodium hydrogen sulfite and the like is known. In particular, a sulfonation method using sulfuric acid is generally used as a simple sulfonation method. However, when this method is used, depending on the reaction conditions, there are problems such as the solution viscosity of the reaction solution being abnormally high, difficult to stir and handle, and difficult to control the amount of sulfonic acid groups introduced. It was. When the introduction amount of the sulfonic acid group is too high, the proton conductivity is improved, but the mechanical strength of the resulting sulfonic acid group-containing polymer is remarkably impaired, and the material becomes inferior in toughness. .
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made against the background of conventional technical problems. The solution viscosity during the sulfonation reaction can be controlled within an appropriate range, and the amount of sulfonic acid groups introduced can be easily controlled. It is providing the manufacturing method of a polymer.
[0004]
When sulfonating port Riariren polymer, a sulfuric acid concentration of 95.5 to 97.4 wt%, using more than 10ml respect polymer 1g, the reaction solution comprising the polyarylene polymer with sulfuric acid is to provide a manufacturing how the sulfonic acid group-containing polymer, characterized by a 20 ° C. or higher.
[0005]
As a polyarylene polymer in the present invention, a monomer (A) represented by the following general formula (A) and at least one monomer selected from the following general formulas (B-1) to (B-4) ( A polymer obtained by reacting with B) is used.
[0006]
(A)
[Chemical 1]

In formula (A), R to R ′ may be the same as or different from each other, and are a halogen atom excluding a fluorine atom or —OSO ₂ Z (where Z represents an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group or an aryl group). ) Is represented.
Examples of the alkyl group represented by Z include a methyl group and an ethyl group, examples of the fluorine-substituted alkyl group include a trifluoromethyl group, and examples of the aryl group include a phenyl group and a p-tolyl group.
R ^{1 to} R ⁸ may be the same as or different from each other, and represent at least one atom or group selected from the group consisting of a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group, an allyl group, and an aryl group. .
Examples of the alkyl group include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, an amyl group, and a hexyl group, and a methyl group and an ethyl group are preferable.
Examples of the fluorine-substituted alkyl group include trifluoromethyl group, perfluoroethyl group, perfluoropropyl group, perfluorobutyl group, perfluoropentyl group, perfluorohexyl group, trifluoromethyl group, pentafluoroethyl group, and the like. Etc. are preferable.
Examples of allyl groups include propenyl groups,
Examples of the aryl group include a phenyl group and a pentafluorophenyl group.
X is a divalent electron-withdrawing group, the electron withdrawing group, e.g. -CO -, - CONH -, - (CF 2) p - ( wherein, p is an integer of 1 to 10), —C (CF ₃ ) ₂ —, —COO—, —SO—, —SO ₂ — and the like can be mentioned.
The electron-withdrawing group means a group having a Hammett substituent constant of 0.06 or more when the phenyl group is in the m-position and 0.01 or more when the p-position is p-position.
Y represents a divalent electron-donating group. Examples of the electron-donating group include —O—, —S—, —CH═CH—, —C≡C—, and the following formula:

Group represented by these.
[0007]
n is 0 or a positive integer, and the upper limit is usually 100, preferably 80.
Specific examples of the monomer represented by the general formula (A) include 4,4′-dichlorobenzophenone, 4,4′-dichlorobenzanilide, bis (chlorophenyl) difluoromethane, and 2,2-bis (4- Chlorophenyl) hexafluoropropane, 4-chlorobenzoic acid-4-chlorophenyl, bis (4-chlorophenyl) sulfoxide, bis (4-chlorophenyl) sulfone, compounds in which the chlorine atom is replaced by a bromine atom or an iodine atom, and Examples of these compounds include compounds in which a halogen atom substituted at the 4-position is substituted at the 3-position.
Specific examples of the monomer represented by the general formula (A) include 4,4′-bis (4-chlorobenzoyl) diphenyl ether, 4,4′-bis (4-chlorobenzoylamino) diphenyl ether, 4, 4′-bis (4-chlorophenylsulfonyl) diphenyl ether, 4,4′-bis (4-chlorophenyl) diphenyl ether dicarboxylate, 4,4′-bis [(4-chlorophenyl) -1,1,1,3,3 , 3-hexafluoropropyl] diphenyl ether, 4,4′-bis [(4-chlorophenyl) -1,1,1,3,3,3-hexafluoropropyl] diphenyl ether, 4,4′-bis [(4- Chlorophenyl) tetrafluoroethyl] diphenyl ether, compounds in which the chlorine atom is replaced by a bromine atom or an iodine atom in these compounds, Compounds halogen atom substituted at the 4-position is substituted at the 3-position in these compounds to al, and the like further at least one compound substituted in the 3-position of the group obtained by substituting at the 4-position of diphenyl ether in these compounds.
[0008]
Further, the monomer represented by the general formula (A) is 2,2-bis [4- {4- (4-chlorobenzoyl) phenoxy} phenyl] -1,1,1,3,3,3-hexa. Examples thereof include fluoropropane, bis [4- {4- (4-chlorobenzoyl) phenoxy} phenyl] sulfone, and compounds represented by the following formulae.
[Chemical 3]

[0009]
The monomer represented by the general formula (A) can be synthesized, for example, by the method shown below.
First, in order to convert the bisphenol linked by an electron-withdrawing group to the corresponding alkali metal salt of bisphenol, dielectrics such as N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, sulfolane, diphenylsulfone, dimethylsulfoxide, etc. Add an alkali metal such as lithium, sodium or potassium, an alkali metal hydride, an alkali metal hydroxide, an alkali metal carbonate or the like in a polar solvent having a high rate. Usually, the alkali metal is reacted in excess with respect to the hydroxyl group of phenol, and usually 1.1 to 2 times equivalent is used. Preferably, 1.2 to 1.5 times equivalent is used. In this case, fluorine, chlorine, etc. activated with an electron-withdrawing group in the presence of azeotropic solvent such as benzene, toluene, xylene, hexane, cyclohexane, octane, chlorobenzene, dioxane, tetrahydrofuran, anisole, phenetole, etc. Aromatic halogen-substituted aromatic dihalide compounds such as 4,4′-difluorobenzophenone, 4,4′-dichlorobenzophenone, 4,4′-chlorofluorobenzophenone, bis (4-chlorophenyl) sulfone, bis (4 -Fluorophenyl) sulfone, 4-fluorophenyl-4'-chlorophenylsulfone, bis (3-nitro-4-chlorophenyl) sulfone, 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,6-difluorobenzonitrile, hexafluorobenzene, deca Fluorobiphenyl, , 5-difluorobenzophenone, 1,3-bis (4-chlorobenzoyl) reacting benzene. In terms of reactivity, a fluorine compound is preferable, but in consideration of the following aromatic coupling reaction, it is necessary to assemble an aromatic nucleophilic substitution reaction so that the terminal is a chlorine atom. The active aromatic dihalide is used in an amount of 2 to 4 times mol, preferably 2.2 to 2.8 times mol, of bisphenol. Prior to the aromatic nucleophilic substitution reaction, an alkali metal salt of bisphenol may be used. The reaction temperature is 60 ° C to 300 ° C, preferably 80 ° C to 250 ° C. The reaction time ranges from 15 minutes to 100 hours, preferably from 1 hour to 24 hours. As the most preferred method, the following formula:

(Wherein Y is as defined for general formula (A).)
As the active aromatic dihalide, a chlorofluoro product having one halogen atom having a different reactivity is used, and a nucleophilic substitution reaction with phenoxide takes place preferentially with a fluorine atom. Convenient for obtaining the chloro form.
[0010]
Alternatively, as described in JP-A-2-159, there is a method for synthesizing a flexible compound comprising a target electron-withdrawing group and electron-donating group by combining a nucleophilic substitution reaction and an electrophilic substitution reaction.
Specifically, an aromatic bishalide activated with an electron-withdrawing group, for example, bis (4-chlorophenyl) sulfone is subjected to a nucleophilic substitution reaction with phenol to obtain a bisphenoxy-substituted product. Then, the desired compound is obtained from the Friedel-Craft reaction of this substituent with, for example, 4-chlorobenzoic acid chloride. As the aromatic bishalide activated with the electron-withdrawing group used here, the compounds exemplified above can be applied. The phenol compound may be substituted, but an unsubstituted compound is preferable from the viewpoint of heat resistance and flexibility. In addition, it is preferable to use an alkali metal salt for the phenol substitution reaction, and as the usable alkali metal compound, the compounds exemplified above can be used. The amount used is 1.2 to 2 moles per mole of phenol. In the reaction, the polar solvent described above or an azeotropic solvent with water can be used. The bisphenoxy compound is reacted with chlorobenzoic acid chloride as an acylating agent in the presence of an activator for the Friedel-Crafts reaction of Lewis acids such as aluminum chloride, boron trifluoride, and zinc chloride. Chlorobenzoic acid chloride is used in an amount of 2 to 4 times mol, preferably 2.2 to 3 times mol, of the bisphenoxy compound. The Friedel-Craft activator is used in an amount of 1.1 to 2 times the amount of an active halide compound such as chlorobenzoic acid as an acylating agent. The reaction time ranges from 15 minutes to 10 hours, and the reaction temperature ranges from -20 ° C to 80 ° C. As the solvent used, chlorobenzene, nitrobenzene and the like which are inert to Friedel-Crafts reaction can be used.
[0011]
In addition, in the general formula (A), the monomer (A) in which n is 2 or more includes, for example, bisphenol serving as a source of etheric oxygen that is the electron donating group B in the general formula (A), and electron withdrawing property. In combination with the radical A,> C═O, —SO ₂ —, and / or> C (CF ₃ ) ₂ , specifically 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,1, Alkaline metal salts of bisphenols such as 1,3,3,3-hexafluoropropane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) ketone, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) sulfone and excess 4,4 The above-mentioned monomer is substituted in the presence of a polar solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide or sulfolane with a substitution reaction with an active aromatic halogen compound such as 2-dichlorobenzophenone or bis (4-chlorophenyl) sulfone. It is obtained by sequentially polymerizing in the synthesis method.
Examples of such a monomer (A) include compounds represented by the following formulas.
[0012]
[Chemical formula 5]

[0013]
[Chemical 6]

[0014]
[Chemical 7]

In the above, n is 2 or more, preferably 2 to 100.
[0015]
Next, the monomers represented by the general formulas (B-1) to (B-4) will be described.
(B-1)
[Chemical 8]

In the formula, R and R ′ may be the same as or different from each other, and represent the same groups as R and R ′ in the general formula (A).
R ^{9 to} R ¹⁵ may be the same as or different from each other, and represent at least one atom or group selected from the group consisting of a hydrogen atom, a fluorine atom, and an alkyl group.
Examples of the alkyl group represented by R ^{9 to} R ¹⁵ include the same alkyl groups as those represented by R ^{1 to} R ⁸ in the general formula (A).
m represents 0, 1 or 2;
X represents a divalent electron-withdrawing group selected from the same group as that represented by X in the general formula (A).
Y represents a divalent electron-donating group selected from the same group as that shown as Y in the general formula (A).
W represents at least one group selected from the group consisting of a phenyl group, a naphthyl group, and groups represented by the following formulas (C-1) to (C-3).
[0016]
From the top (C-1), (C-2), (C-3)
[Chemical 9]

In the formula, A represents an electron donating group or a single bond. Examples of the electron donating group include divalent electron donating groups selected from the same group as those represented by Y in the general formula (A).
R ¹⁶ and R ¹⁷ represent an atom or group selected from the group consisting of a hydrogen atom, an alkyl group and an aryl group. Examples of the alkyl group and aryl group represented by R ¹⁶ and R ¹⁷ include the same alkyl groups and aryl groups represented by R ^{1 to} R ⁸ in the general formula (A).
R ^{18 to} R ²⁶ may be the same as or different from each other, and represent at least one atom or group selected from the group consisting of a hydrogen atom, a fluorine atom, and an alkyl group.
q represents 0 or 1;
Examples of the monomer represented by the general formula (B-1) include compounds represented by the following formula.
[Chemical Formula 10]

More specifically, examples of the compound represented by the general formula (B-1) include compounds represented by the following formula.
[0017]
Embedded image

[0018]
Embedded image

[0019]
Moreover, the compound which replaced the chlorine atom by the bromine atom or the iodine atom in the above compounds can also be illustrated.
[0020]
From the top (B-2), (B-3), (B-4)
Embedded image

[0021]
In formulas (B-2) to (B-4), R and R ′ may be the same as or different from each other, and represent the same groups as R and R ′ in general formula (A).
R ^{27 to} R ³⁴ may be the same as or different from each other, and each represents a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group, an aryl group, or a group represented by the following general formula (D).
[0022]
(D)
Embedded image

In formula (D), R ^{35 to} R ⁴³ may be the same as or different from each other, and each represents a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, or a fluorine-substituted alkyl group.
Examples of the alkyl group and fluorine-substituted alkyl group represented by R ^{27 to} R ³⁴ and R ^{35 to} R ⁴³ include the same groups as the alkyl group and fluorine-substituted alkyl group represented by R ^{1 to} R ⁸ . Examples of the aryl group represented by R ^{27 to} R ³⁴ include the same groups as the aryl groups represented by R ^{1 to} R ⁸ .
X represents a divalent electron-withdrawing group selected from the same group as that represented by X in the general formula (A).
Y represents a divalent electron-donating group selected from the same group as that shown as Y in the general formula (A).
[0023]
Specific examples of the monomer represented by the general formula (B-2) include p-dichlorobenzene, p-dimethylsulfonyloxybenzene, 2,5-dichlorotoluene, 2,5-dimethylsulfonyloxybenzene, 2,5-dichloro-p-xylene, 2,5-dichlorobenzotrifluoride, 1,4-dichloro-2,3,5,6-tetrafluorobenzene, and in these compounds, a chlorine atom is a bromine atom or an iodine atom And the like.
Specific examples of the monomer represented by the general formula (B-3) include, for example, 4,4′-dimethylsulfonyloxybiphenyl, 4,4′-dimethylsulfonyloxy-3,3′-dipropenylbiphenyl, 4,4′-dibromobiphenyl, 4,4′-diiodobiphenyl, 4,4′-dimethylsulfonyloxy-3,3′-dimethylbiphenyl, 4,4′-dimethylsulfonyloxy-3,3′- Difluorobiphenyl, 4,4′-dimethylsulfonyloxy-3,3′5,5′-tetrafluorobiphenyl, 4,4′-dibromooctafluorobiphenyl, 4,4′-dimethylsulfonyloxyoctafluorobiphenyl, etc. Can be mentioned.
Specific examples of the monomer represented by the general formula (B-4) include m-dichlorobenzene, m-dimethylsulfonyloxybenzene, 2,4-dichlorotoluene, 3,5-dichlorotoluene, and 2,6. -Dichlorotoluene, 3,5-dimethylsulfonyloxytoluene, 2,6-dimethylsulfonyloxytoluene, 2,4-dichlorobenzotrifluoride, 3,5-dichlorobenzotrifluoride, 1,3-dibromo-2, Examples include 4,5,6-tetrafluorobenzene, and compounds in which the chlorine atom is replaced with a bromine atom or an iodine atom in these compounds.
The molecular weight regulator can be adjusted to a predetermined molecular weight using a one-terminal halogen compound (excluding fluorine) such as 4-chlorobenzophenone.
[0024]
The polyarylene polymer reacts the above monomer in the presence of a catalyst, and the catalyst used is a catalyst system containing a transition metal compound. As this catalyst system, (1) a transition metal salt and a ligand are used. A compound (hereinafter referred to as “ligand component”) or a transition metal complex coordinated with a ligand (including a copper salt) and (2) a reducing agent as essential components, In order to increase the “salt”, “salt” may be added.
Here, as the transition metal salt, nickel compounds such as nickel chloride, nickel bromide, nickel iodide and nickel acetylacetonate; palladium compounds such as palladium chloride, palladium bromide and palladium iodide; iron chloride and iron bromide And iron compounds such as iron iodide; cobalt compounds such as cobalt chloride, cobalt bromide, and cobalt iodide. Of these, nickel chloride, nickel bromide and the like are particularly preferable.
Examples of the ligand component include triphenylphosphine, 2,2′-bipyridine, 1,5-cyclooctadiene, 1,3-bis (diphenylphosphino) propane, and the like. Of these, triphenylphosphine and 2,2′-bipyridine are preferred. The compound which is the said ligand component can be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types.
[0025]
Furthermore, as the transition metal complex in which the ligand is coordinated, for example, nickel chloride bis (triphenylphosphine), nickel bromide bis (triphenylphosphine), nickel iodide bis (triphenylphosphine), nickel nitrate bis (Triphenylphosphine), nickel chloride (2,2'-bipyridine), nickel bromide (2,2'-bipyridine), nickel iodide (2,2'-bipyridine), nickel nitrate (2,2'-bipyridine) ), Bis (1,5-cyclooctadiene) nickel, tetrakis (triphenylphosphine) nickel, tetrakis (triphenylphosphite) nickel, tetrakis (triphenylphosphine) palladium and the like. Of these, nickel chloride bis (triphenylphosphine) and nickel chloride (2,2′-bipyridine) are preferred.
Examples of the reducing agent that can be used in the catalyst system include iron, zinc, manganese, aluminum, magnesium, sodium, calcium, and the like. Of these, zinc, magnesium and manganese are preferred. These reducing agents can be used after being more activated by bringing them into contact with an acid such as an organic acid.
[0026]
Examples of the “salt” that can be used in the above catalyst system include sodium compounds such as sodium fluoride, sodium chloride, sodium bromide, sodium iodide, sodium sulfate, potassium fluoride, potassium chloride, potassium bromide, Examples include potassium compounds such as potassium iodide and potassium sulfate; ammonium compounds such as tetraethylammonium fluoride, tetraethylammonium chloride, tetraethylammonium bromide, tetraethylammonium iodide, and tetraethylammonium sulfate. Of these, sodium bromide, sodium iodide, potassium bromide, tetraethylammonium bromide, and tetraethylammonium iodide are preferred.
[0027]
The proportion of each component used is usually 0.0001 to 10 mol, preferably 0.01 to 0.5 mol, per 1 mol of the total amount of the above monomers of the transition metal salt or transition metal complex. When the amount is less than 0.0001 mol, the polymerization reaction may not proceed sufficiently. On the other hand, when the amount exceeds 10 mol, the molecular weight may decrease.
When a transition metal salt and a ligand component are used in the catalyst system, the ratio of the ligand component used is usually 0.1 to 100 mol, preferably 1 to 10 mol, per 1 mol of the transition metal salt. is there. If the amount is less than 0.1 mol, the catalytic activity may be insufficient. On the other hand, if the amount exceeds 100 mol, the molecular weight may decrease.
Moreover, the usage-amount of a reducing agent is 0.1-100 mol normally with respect to the total of 1 mol of the said monomer, Preferably it is 1-10 mol. If the amount is less than 0.1 mol, polymerization may not proceed sufficiently. If the amount exceeds 100 mol, purification of the resulting polymer may be difficult.
Furthermore, when using "salt", the usage-ratio is 0.001-100 mol normally with respect to the total of 1 mol of the said monomer, Preferably it is 0.01-1 mol. If it is less than 0.001 mol, the effect of increasing the polymerization rate may be insufficient, and if it exceeds 100 mol, purification of the resulting polymer may be difficult.
Examples of the polymerization solvent that can be used include tetrahydrofuran, cyclohexanone, dimethyl sulfoxide, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, and γ-butyrolactone. Of these, tetrahydrofuran, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, and N-methyl-2-pyrrolidone are preferable. These polymerization solvents are preferably used after sufficiently dried.
The total concentration of the monomers in the polymerization solvent is usually 1 to 90% by weight, preferably 5 to 40% by weight.
Moreover, the superposition | polymerization temperature at the time of superposing | polymerizing is 0-200 degreeC normally, Preferably it is 50-120 degreeC. The polymerization time is usually 0.5 to 100 hours, preferably 1 to 40 hours.
Thus, the monomer (A) represented by the general formula (A) and at least one monomer (B) selected from the monomers represented by the general formulas (B-1) to (B-4) Is polymerized to obtain a polymerization solution containing polyarylene.
[0028]
Next, in the present invention, a sulfonic acid group is introduced into the copolymer having no sulfonic acid group using sulfuric acid.
[0029]
That is, as the reaction conditions for the sulfonation, the copolymer having no sulfonic acid group is reacted with the sulfonating agent in the absence of a solvent or in the presence of a solvent. In the present invention, when sulfuric acid having a concentration of 95.5 to 97.4% by weight is used for sulfonating a polymer, 10 mL or more, preferably 10 to 50 mL of sulfuric acid is used per 1 g of the polymer. The reaction is carried out at 20 ° C. or higher, preferably 25 to 30 ° C. for 10 to 30 hours.
If the amount of sulfuric acid is less than 10 mL, the viscosity of the reaction solution is too high and stirring cannot be performed.
The reaction liquid of the present invention is composed of the polymer and sulfuric acid. When the temperature of the reaction liquid is less than 20 ° C., the sulfonation rate is too slow, so that the desired sulfonation equivalent amount of polymer can be obtained. Have difficulty.
When sulfonating the polymer, if sulfuric acid having a concentration of 97.5% by weight or more is used, 3 ml or more, preferably 3 to 50 mL, is used with respect to 1 g of the polymer, and the reaction solution temperature is 25 ° C. Hereinafter, the reaction is preferably performed at 5 to 15 ° C. for 10 to 30 hours.
If the amount of sulfuric acid is less than 3 ml, the solution viscosity is too high and stirring is difficult, and if the reaction temperature exceeds 25 ° C., the sulfonation rate is too high, so that the sulfonation proceeds too much to obtain the desired sulfonation equivalent amount of polymer. Is difficult.
In the present invention, it is preferable not to use an organic solvent in combination during sulfonation, but it is also possible to use an organic solvent if necessary. In this case, examples of usable solvents include hydrocarbon solvents such as n-hexane, ether solvents such as tetrahydrofuran and dioxane, aprotic systems such as N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, and dimethyl sulfoxide. In addition to polar solvents, halogenated hydrocarbons such as tetrachloroethane, dichloroethane, chloroform, and methylene chloride are listed.
[0030]
The sulfonated polymer thus obtained has a sulfonic acid group amount of 0.5 to 3 milligram equivalent / g, preferably 0.8 to 2.8 milligram equivalent / g. When the amount is less than 0.5 milligram equivalent / g, proton conductivity does not increase. On the other hand, when the amount exceeds 3 milligram equivalent / g, hydrophilicity is improved, and a water-soluble polymer is obtained. Durability decreases.
The amount of the sulfonic acid group can be easily adjusted by changing the use ratio of the monomer (A) and the monomer (B), and the type and combination of the monomer (A).
[0031]
Further, the molecular weight of the precursor polymer before sulfonation of the sulfonic acid group-containing copolymer of the present invention obtained in this way is a polystyrene-converted weight average molecular weight of 10,000 to 500,000, preferably 20,000 to 400,000, more preferably 50,000 to 300,000. If it is less than 10,000, the coating film properties are insufficient, such as cracks occurring in the molded film, and there are also problems with the strength properties. On the other hand, when it exceeds 500,000, there is a problem that the viscosity at the time of sulfonation reaction becomes high, handling is difficult, and the processability of the sulfonated polymer becomes poor.
[0032]
The molecular weight of the sulfonic acid group-containing copolymer of the present invention is 20,000 to 1,000,000, preferably 50,000 to 800,000, and more preferably 100,000 to 600,000 in terms of polystyrene-converted weight average molecular weight.
[0033]
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
【Example】
Measuring method
Equivalent amount of sulfonic acid Rinse the resulting sulfonic acid group-containing polymer with water until the water is neutral, thoroughly wash with the exception of free remaining acid, and after drying, give a predetermined amount. Weighed, dissolved in a mixed solvent of THF / water, titrated with a standard solution of NaOH using phenolphthalein as an indicator, and an equivalent amount of sulfonic acid was determined from the neutralization point.
Measurement of molecular weight The molecular weight in terms of polystyrene was determined by gel permeation chromatography (GPC) using tetrahydrofuran (THF) as a solvent for the weight average molecular weight of the precursor polymer before sulfonation.
The molecular weight of the sulfonated product was determined by gel permeation chromatography (GPC) using N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) added with lithium bromide and phosphoric acid as a solvent as an eluent.
Evaluation of hot water resistance Cast films having a thickness of about 50 µm were prepared from the sulfonated product using NMP as a solvent, and evaluated by weight retention after being immersed in hot water at 120 ° C for 24 hours.
[0034]
[Reference Example Synthesis of polyarylene]
(Preparation of oligomer)
To a 1 L three-necked flask equipped with a stirrer, thermometer, cooling tube, Dean-Stark tube, and three-way cock for introducing nitrogen, add 2.2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,1,1,3,3 , 3-hexafluoropropane (bisphenol AF) 67.3 g (0.20 mol), 4,4′-dichlorobenzophenone (4,4′-DCBP) 60.3 g (0.24 mol), potassium carbonate 71.9 g (0.52 mol), N, N-dimethylacetamide (DMAc) (300 mL) and toluene (150 mL) were taken, heated in an oil bath in a nitrogen atmosphere, and reacted at 130 ° C. with stirring. When water produced by the reaction was azeotroped with toluene and reacted while being removed from the system with a Dean-Stark tube, almost no water was produced in about 3 hours. The reaction temperature was gradually increased from 130 ° C to 150 ° C. After that, most of the toluene was removed while gradually raising the reaction temperature to 150 ° C., and the reaction was continued at 150 ° C. for 10 hours. Then, 10.0 g (0.040 mol) of 4,4′-DCBP was added, and the reaction was continued for another 5 hours. did. The resulting reaction solution was allowed to cool, and then the by-product inorganic compound precipitate was removed by filtration, and the filtrate was put into 4 L of methanol. The precipitated product was separated by filtration, collected, dried, and dissolved in 300 mL of tetrahydrofuran. This was reprecipitated in 4 L of methanol to obtain 95 g (yield 85%) of the target compound.
The number average molecular weight in terms of polystyrene determined by GPC (THF solvent) of the obtained polymer was 4,200, and the weight average molecular weight was 8,300. Further, the obtained polymer was soluble in THF, NMP, DMAc, sulfolane and the like, Tg was 110 ° C., and thermal decomposition temperature was 498 ° C.
The resulting polymer has the formula (I):
Embedded image

From the structure and the above number average molecular weight, the average value of n was determined to be 7.8.
[0035]
(Synthesis of polyarylene copolymer)
28.4 g (2.87 mmol) of the oligomer of formula (I) obtained above, 29.2 g (67.1 mmol) of 2,5-dichloro-4 ′-(4-phenoxy) phenoxybenzophenone (DCPPB), bis ( Triphenylphosphine) nickel dichloride 1.37 g (2.1 mmol), sodium iodide 1.36 g (9.07 mmol), triphenylphosphine 7.34 g (28.0 mmol), zinc powder 11.0 g (168 mmol) were placed in a flask. Replaced with dry nitrogen. 130 ml of N-methyl-2-pyrrolidone was added, heated to 80 ° C., and stirred for 4 hours to carry out polymerization. The polymerization solution was diluted with THF, coagulated and recovered with hydrochloric acid / methanol, repeatedly washed with methanol, dissolved in THF, purified by reprecipitation into methanol, and the collected polymer was vacuum-dried to obtain 50.7 g of the desired copolymer. (96%) was obtained. The number average molecular weight in terms of polystyrene determined by GPC (THF) was 40000, and the weight average molecular weight was 145000.
[0036]
Example 1
25 g of the copolymer obtained above was put into a 1000 ml separable flask equipped with a stirrer and a thermometer, 750 ml of sulfuric acid with a concentration of 96.4% was added, and the mixture was stirred for 24 hours under a nitrogen stream while keeping the internal temperature at 25 ° C. did. When the viscosity of the reaction solution was measured (25 ° C.) at a reaction time of 6 hours, it was 400 mPa · s, and sufficient stirring was possible. The obtained solution was poured into a large amount of ion exchange water to precipitate a polymer. The washing of the polymer was repeated until the washing water had a pH of 5. By drying, 29 g (96%) of a sulfonic acid group-containing polymer was obtained. The number average molecular weight in terms of polystyrene determined by GPC (NMP) of the sulfonic acid group-containing polymer was 67,000, and the weight average molecular weight was 277,000. The sulfonic acid equivalent of this sulfonic acid group-containing polymer was 2.1 mg equivalent / g.
The weight retention after the hydrothermal resistance test of this sulfonic acid group-containing polymer was 99%.
[0037]
Example 2
50 g of the copolymer synthesized in the Reference Example was placed in a 1000 ml separable flask equipped with a stirrer and a thermometer, 650 ml of sulfuric acid having a concentration of 98.5% was added, and the internal temperature was kept at 15 ° C. for 24 hours under a nitrogen stream. Stir. When the viscosity of the reaction solution was measured (15 ° C.) at a reaction time of 6 hours, it was 5000 mPa · s, and sufficient stirring was possible. The obtained solution was poured into a large amount of ion exchange water to precipitate a polymer. The washing of the polymer was repeated until the washing water had a pH of 5. By drying, 59 g (97%) of a sulfonic acid group-containing polymer was obtained. The number average molecular weight in terms of polystyrene determined by GPC (NMP) of the sulfonic acid group-containing polymer was 68,000, and the weight average molecular weight was 279,000. The sulfonic acid equivalent of this sulfonic acid group-containing polymer was 2.1 mg equivalent / g.
The weight retention after the hot water resistance test of this sulfonic acid group-containing polymer was as good as 99%.
[0038]
Comparative Example 1
50 g of the copolymer synthesized in the reference example was placed in a 1000 ml separable flask equipped with a stirrer and a thermometer, 650 ml of sulfuric acid having a concentration of 98.5% was added, and the internal temperature was kept at 30 ° C. for 24 hours under a nitrogen stream. Stir. When the viscosity of the reaction solution was measured (15 ° C.) at the reaction time of 6 hours, it was 1000 mPa · s. The obtained solution was poured into a large amount of ion exchange water to precipitate a polymer. The washing of the polymer was repeated until the washing water had a pH of 5. By drying, 59 g (97%) of a sulfonic acid group-containing polymer was obtained. The number average molecular weight in terms of polystyrene determined by GPC (NMP) of the sulfonic acid group-containing polymer was 68,000, and the weight average molecular weight was 279,000. The sulfonic acid equivalent of this sulfonic acid group-containing polymer was as high as 2.8 mg equivalent / g, the weight retention after the hot water resistance test was 55%, and a crack occurred in the film when the sample was taken out.
[0039]
Comparative Example 2
50 g of the copolymer synthesized in the reference example was placed in a 1000 ml separable flask equipped with a stirrer and a thermometer, 400 ml of sulfuric acid having a concentration of 96.4% was added, and the internal temperature was kept at 25 ° C. for 24 hours under a nitrogen stream. Stir. During the reaction time, the viscosity of the reaction solution was very high and stirring was difficult. When the viscosity of the reaction solution was measured (25 ° C.) at a reaction time of 6 hours, it was 500,000 mPa · s or more.
[0040]
【The invention's effect】
An object of the present invention is to provide a production method in which the solution viscosity during the sulfonation reaction can be controlled within an appropriate range, and the amount of sulfonic acid groups introduced can be easily controlled.

Claims (2)

    When sulfonating a polyarylene polymer, 10 ml or more of sulfuric acid having a concentration of 95.5 to 97.4% by weight is used with respect to 1 g of the polymer, and a reaction solution composed of the polyarylene polymer and sulfuric acid is used. A method for producing a sulfonic acid group-containing polymer, characterized by being 20 ° C or higher. Method for producing a sulfonic acid group-containing polymer of claim 1, wherein the weight average molecular weight of sulphonated be polymer is a polyarylene polymer of 500,000 or less.