JP4131216B2 - Polyarylene, production method thereof, solid polymer electrolyte and proton conducting membrane - Google Patents
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Description
本発明は、スルホン酸基を有するポリアリーレンおよびその製造方法、ならびに高分子固体電解質およびプロトン伝導膜に関する。 The present invention relates to a polyarylene having a sulfonic acid group, a method for producing the same, a polymer solid electrolyte, and a proton conductive membrane.
電解質は、通常、(水)溶液で用いられることが多い。しかし近年、これを固体系に置き換えていく傾向が高まっている。その第1の理由としては、例えば、上記の電気・電子材料に応用する場合のプロセッシングの容易さであり、第2の理由としては、軽薄短小・省力化への移行である。従来、プロトン伝導性材料としては、無機物からなるもの、有機物からなるものの両方が知られている。無機物の例としては、例えば水和化合物であるリン酸ウラニルが挙げられるが、これら無機化合物は界面での接触が十分でなく、伝導層を基板あるいは電極上に形成するには問題が多い。 The electrolyte is usually used in a (water) solution. However, in recent years, there is an increasing tendency to replace this with a solid system. The first reason is, for example, the ease of processing when applied to the above-mentioned electric / electronic materials, and the second reason is the shift to light, thin, small and labor saving. Conventionally, both proton-conducting materials made of inorganic substances and organic substances are known. Examples of inorganic substances include uranyl phosphate, which is a hydrated compound, but these inorganic compounds do not have sufficient contact at the interface, and there are many problems in forming a conductive layer on a substrate or electrode.
一方、有機化合物の例としては、いわゆる陽イオン交換樹脂に属するポリマー、例えばポリスチレンスルホン酸などのビニル系ポリマーのスルホン化物、ナフィオン(デュポン社製)を代表とするパーフルオロアルキルスルホン酸ポリマー、パーフルオロアルキルカルボン酸ポリマーや、ポリベンズイミダゾールやポリエーテルエーテルケトンなどの耐熱性高分子にスルホン酸基やリン酸基を導入したポリマー(例えば、非特許文献1〜3参照)などの有機系ポリマーが挙げられる。
On the other hand, examples of organic compounds include polymers belonging to so-called cation exchange resins, for example, sulfonated vinyl polymers such as polystyrene sulfonic acid, perfluoroalkyl sulfonic acid polymers represented by Nafion (manufactured by DuPont), perfluoro Organic polymers such as alkylcarboxylic acid polymers and polymers in which sulfonic acid groups or phosphoric acid groups are introduced into heat-resistant polymers such as polybenzimidazole and polyetheretherketone (for example, see Non-Patent
これら有機系ポリマーは、通常、フィルム状で用いられるが、溶媒に可溶性であること、または熱可塑性であることを利用し、電極上に伝導膜を接合加工できる。しかしながら、これら有機系ポリマーの多くは、プロトン伝導性がまだ十分でないことに加え、耐久性や高温(100℃以上)でプロトン伝導性が低下してしまうこと、また、力学的性質、特に弾性率が大きく低下することや、湿度条件下での依存性が大きいこと、あるいは電極との密着性が十分満足いくものとはいえなかったり、含水ポリマー構造に起因する稼動中の過度の膨潤による強度の低下や形状の崩壊に至るという問題がある。したがってこれらの有機系ポリマーは、上記の電気・電子材料などに応用するには種々問題がある。 These organic polymers are usually used in the form of a film, but a conductive film can be bonded on the electrode by utilizing the solubility in a solvent or thermoplasticity. However, in many of these organic polymers, proton conductivity is not yet sufficient, proton conductivity decreases at durability and high temperature (100 ° C or higher), and mechanical properties, particularly elastic modulus. Is greatly reduced, is highly dependent on humidity conditions, or is not sufficiently satisfactory in adhesion to the electrode, or the strength due to excessive swelling during operation due to the water-containing polymer structure. There is a problem that it leads to a drop and collapse of the shape. Therefore, these organic polymers have various problems when applied to the above electric / electronic materials.
さらに、特許文献1では、スルホン化された剛直ポリフェニレンからなる固体高分子電解質が提案されている。このポリマーはフェニレン連鎖からなる芳香族化合物を重合して得られるポリマー(特許文献1の明細書カラム9記載の構造)を主成分とし、これをスルホン化剤と反応させてスルホン酸基を導入している。しかしながら、スルホン酸基の導入量の増加によって、プロトン伝導度も向上するものの、同時に得られるスルホン化ポリマーの機械的性質、例えば破断伸び、耐折曲げ性等の靭性や耐熱水性は著しく損なわれる。
本発明は上記のような従来技術における問題点を解決するものであって、脂肪族スルホン酸基を有することにより、広範囲の温度・湿度領域にわたって高いプロトン伝導性を有するとともに、耐熱水性および化学的安定性に優れたプロトン伝導膜が得られるポリアリーレン系の共重合体およびその製造方法、ならびにこの共重合体からなるプロトン伝導膜を提供する。
The present invention solves the problems in the prior art as described above. By having an aliphatic sulfonic acid group, it has high proton conductivity over a wide range of temperature and humidity, as well as hot water resistance and chemical properties. Provided are a polyarylene-based copolymer capable of obtaining a proton conductive membrane excellent in stability, a method for producing the same, and a proton conductive membrane comprising the copolymer.
本発明のポリアリーレンは、下記一般式(1)で表される構成単位を含む。 The polyarylene of the present invention includes a structural unit represented by the following general formula (1).
〔式中、X,Yは2価の有機基または直接結合を示し、Zは酸素原子または硫黄原子を示し、Rは水素原子、フッ素原子、アルキル基、およびフッ素置換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し、aは1〜20の整数、nは1〜5の整数、pは0〜10の整数を示す。〕
ここで、上記ポリアリーレンにおいて、上記一般式(1)で表される構成単位0.5〜100モル%と、下記一般式(2)で表される構成単位0〜99.5モル%とを含むことができる。
[Wherein X and Y represent a divalent organic group or a direct bond, Z represents an oxygen atom or a sulfur atom, and R represents a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, or a fluorine-substituted alkyl group. And a represents an integer of 1 to 20, n represents an integer of 1 to 5, and p represents an integer of 0 to 10. ]
Here, in the polyarylene, 0.5 to 100 mol% of the structural unit represented by the general formula (1) and 0 to 99.5 mol% of the structural unit represented by the following general formula (2) Can be included.
〔式中、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る少なくとも1種の原子または基を示し、Wは2価の電子吸引性基を示し、Tは2価の有機基を示し、mは0または正の整数を示す。〕
本発明のポリアリーレンの製造方法は、下記一般式(3)で表される構造単位を含む化合物(A)と、下記一般式(4)で表される化合物(B)または下記一般式(5)で表される化合物(C)とを反応させることを含む。
[Wherein, R 1 to R 8 may be the same as or different from each other, and are at least one atom 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; Represents a group, W represents a divalent electron-withdrawing group, T represents a divalent organic group, and m represents 0 or a positive integer. ]
The method for producing polyarylene of the present invention includes a compound (A) containing a structural unit represented by the following general formula (3), a compound (B) represented by the following general formula (4), or the following general formula (5). And the compound (C) represented by formula (I).
〔式中、X,Y,Z,n,pは上記一般式(1)における定義の通りであり、Mは水素原子またはアルカリ金属原子を示す。〕 [Wherein, X, Y, Z, n, and p are as defined in the general formula (1), and M represents a hydrogen atom or an alkali metal atom. ]
〔式中、R,aは上記一般式(1)における定義の通りである。〕 [Wherein, R and a are as defined in the general formula (1). ]
〔式中、R,aは上記一般式(1)における定義の通りであり、Mは上記一般式(3)における定義の通りであり、Lは塩素原子、臭素原子、およびヨウ素原子のいずれかを示す。〕
ここで、上記ポリアリーレンの製造方法において、上記化合物(A)は、上記一般式(2)で表される構造単位をさらに含むことができる。
[Wherein, R and a are as defined in the general formula (1), M is as defined in the general formula (3), and L is any one of a chlorine atom, a bromine atom and an iodine atom. Indicates. ]
Here, in the method for producing polyarylene, the compound (A) may further include a structural unit represented by the general formula (2).
本発明の高分子固体電解質は上記ポリアリーレンを含む。また、本発明のプロトン伝導膜は上記ポリアリーレンを含む。 The solid polymer electrolyte of the present invention contains the polyarylene. The proton conducting membrane of the present invention contains the polyarylene.
本発明のポリアリーレンによれば、脂肪族スルホン酸基を有することにより、広範囲の温度・湿度領域にわたって高いプロトン伝導性を有するとともに、耐熱水性および化学的安定性に優れたプロトン伝導膜が得られるポリアリーレン系の共重合体およびその製造方法、ならびにこの共重合体からなるプロトン伝導膜を提供することができる。 According to the polyarylene of the present invention, by having an aliphatic sulfonic acid group, it is possible to obtain a proton conductive membrane having high proton conductivity over a wide range of temperature and humidity, and excellent in hot water resistance and chemical stability. A polyarylene-based copolymer, a method for producing the same, and a proton conductive membrane made of the copolymer can be provided.
また、本発明によれば、多量のスルホン化剤を使用することなくスルホン酸基を導入することができる。さらに、本発明のポリアリーレンを回収する際の処理の負荷が小さい。さらに、本発明によれば、スルホン酸基の導入位置および導入量を制御することが容易である。よって、本発明のポリアリーレンは、固体電解質または伝導膜として、プロトン伝導性が良好に調整されている。 Further, according to the present invention, a sulfonic acid group can be introduced without using a large amount of a sulfonating agent. Furthermore, the processing load when collecting the polyarylene of the present invention is small. Furthermore, according to the present invention, it is easy to control the introduction position and introduction amount of the sulfonic acid group. Therefore, the proton conductivity of the polyarylene of the present invention is well adjusted as a solid electrolyte or a conductive membrane.
したがって、本発明の高分子固体電解質によれば、例えば燃料電池用の高分子固体電解質として利用可能である。また、本発明のプロトン伝導膜は、一次電池用電解質、二次電池用電解質、燃料電池用高分子固体電解質、表示素子、各種センサ、信号伝達媒体、固体コンデンサ、イオン交換膜などの伝導膜として利用可能であり、この工業的意義は極めて大である。 Therefore, the polymer solid electrolyte of the present invention can be used as, for example, a polymer solid electrolyte for a fuel cell. The proton conductive membrane of the present invention is used as a conductive membrane for primary battery electrolytes, secondary battery electrolytes, polymer solid electrolytes for fuel cells, display elements, various sensors, signal transmission media, solid capacitors, ion exchange membranes, and the like. The industrial significance is extremely large.
[発明の具体的説明]
以下、本発明のポリアリーレンおよびその製造方法について、具体的に説明する。
[Detailed Description of the Invention]
Hereinafter, the polyarylene of the present invention and the production method thereof will be specifically described.
(ポリアリーレン)
本発明のポリアリーレンは、下記一般式(1)で表される構造単位を含む。
(Polyarylene)
The polyarylene of the present invention includes a structural unit represented by the following general formula (1).
式中、X,Yは直接結合、または、例えば、−CO−、−CONH−、−(CF2)q−(ここで、qは1〜10の整数である)、−C(CF3)2−、−COO−、−SO−、−SO2−などの電子吸引性基、−O−、−S−、−CH=CH−、−C=C−および下記式 Wherein, X, Y is a direct bond, or, for example, -CO -, - CONH -, - (CF 2) q - ( wherein, q is an integer of 1 to 10), - C (CF 3) 2- , —COO—, —SO—, —SO 2 — and other electron withdrawing groups, —O—, —S—, —CH═CH—, —C═C— and the following formulae
で表される基などの電子供与性基などが挙げられる。 And an electron donating group such as a group represented by
Xとしては、本発明のポリアリーレンの製造時の重合活性が高いという点から、電子吸引性基が好ましく、特に−CO−、−SO2−が好ましい。一方、Yは、電子吸引性であってもなくてもよい。 X is preferably an electron-withdrawing group, particularly preferably —CO— or —SO 2 — because the polymerization activity during production of the polyarylene of the present invention is high. On the other hand, Y may or may not be electron withdrawing.
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。 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.
Zは酸素原子または硫黄原子を示す。 Z represents an oxygen atom or a sulfur atom.
Rは水素原子、フッ素原子、アルキル基、およびフッ素置換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。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。 R represents at least one atom or group selected from the group consisting of a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, and a fluorine-substituted alkyl 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.
aは1〜20の整数、nは1〜5の整数、pは0〜10の整数を示す。 a represents an integer of 1 to 20, n represents an integer of 1 to 5, and p represents an integer of 0 to 10.
本発明のポリアリーレンはさらに、上記一般式(1)で表される構成単位0.5〜100モル%と、下記一般式(2)で表される構成単位0〜99.5モル%とを含むことができる。 The polyarylene of the present invention further comprises 0.5 to 100 mol% of the structural unit represented by the general formula (1) and 0 to 99.5 mol% of the structural unit represented by the following general formula (2). Can be included.
上記一般式(2)中、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る少なくとも1種の原子または基を示す。ここで、アルキル基およびフッ素置換アルキル基としては、上記一般式(1)においてRに用いるアルキル基およびフッ素置換アルキル基として例示したものを用いることができる。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。 In the general formula (2), R 1 to R 8 may be the same as or different from each other, and at least 1 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. Indicates an atom or group of species. Here, as the alkyl group and the fluorine-substituted alkyl group, those exemplified as the alkyl group and fluorine-substituted alkyl group used for R in the general formula (1) can be used. Examples of the allyl group include a propenyl group, and examples of the aryl group include a phenyl group and a pentafluorophenyl group.
W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)q−(ここで、qは1〜10の整数である)、−C(CF3)2−、−COO−、−SO−、−SO2−などが挙げられる。 W is a divalent electron-withdrawing group, the electron withdrawing group, e.g. -CO -, - CONH -, - (CF 2) q - ( wherein, q is an integer of 1 to 10), —C (CF 3 ) 2 —, —COO—, —SO—, —SO 2 — and the like can be mentioned.
Tは電子吸引性基であっても電子供与性基であってもよい。電子吸引性基としては、前述のWとして例示した基を用いることができる。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 T may be an electron-withdrawing group or an electron-donating group. As the electron-withdrawing group, the groups exemplified as the aforementioned W can be used. Examples of the electron donating group include —O—, —S—, —CH═CH—, —C═C—, and the following formulae.
で表される基などが挙げられる。 Group represented by these.
m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。 m is 0 or a positive integer, and the upper limit is usually 100, preferably 80.
本発明のポリアリーレンの分子量は、ゲルパーミエションクロマトグラフィ(GPC)によるポリスチレン換算重量平均分子量で、1万〜100万、好ましくは2万〜80万であり、GPCによるポリスチレン換算数平均分子量で、0.5〜20万、好ましくは1〜16万である。1万未満では、成型フィルムにクラックが発生するなど、塗膜性が不充分であり、また強度的性質も問題がある。一方、100万を超えると、溶解性が不十分となり、また溶液粘度が高く、加工性が不良になるなどの問題がある。 The molecular weight of the polyarylene of the present invention is 10,000 to 1,000,000, preferably 20,000 to 800,000 in terms of polystyrene by gel permeation chromatography (GPC), and preferably in terms of polystyrene by GPC. 0.5 to 200,000, preferably 1 to 160,000. If it is less than 10,000, the coating film properties are insufficient, such as cracking in the molded film, and the strength properties are also problematic. On the other hand, when it exceeds 1,000,000, there are problems such as insufficient solubility, high solution viscosity, and poor workability.
本発明のポリアリーレン中のスルホン酸基量は0.5〜3meq/g、好ましくは0.8〜2.8meq/gである。0.5meq/g未満ではプロトン伝導性が上がらないことがあり、一方、3meq/gを超えると親水性が向上して、水溶性ポリマー、もしくは、水溶性でなくとも熱水に可溶となってしまうか、また水溶性に至らずとも耐久性が低下することがある。 The amount of sulfonic acid group in the polyarylene of the present invention is 0.5 to 3 meq / g, preferably 0.8 to 2.8 meq / g. If it is less than 0.5 meq / g, proton conductivity may not be improved. On the other hand, if it exceeds 3 meq / g, the hydrophilicity is improved and it becomes soluble in hot water even if it is not water-soluble polymer or water-soluble. In addition, durability may be reduced even if water solubility is not reached.
本発明のポリアリーレンの構造は、例えば、赤外線吸収スペクトルによって、1,030〜1,045cm−1、1,160〜1,190cm−1のS=O吸収、1,130〜1,250cm−1のC−O−C吸収、1,640〜1,660cm−1のC=O吸収などにより確認でき、これらの組成比は、スルホン酸の中和滴定や元素分析などにより知ることができる。また、核磁気共鳴スペクトル(1H−NMR)により、6.8〜8.0ppmの芳香族プロトンのピークから、その構造を確認することができる。 Structure of the polyarylene of the invention, for example, by an infrared absorption spectrum, 1,030~1,045cm -1, S = O absorption at 1,160~1,190cm -1, 1,130~1,250cm -1 C—O—C absorption, 1,640 to 1,660 cm −1 C═O absorption, and the like, and the composition ratio thereof can be known by neutralization titration of sulfonic acid or elemental analysis. Moreover, the structure can be confirmed from the peak of aromatic protons at 6.8 to 8.0 ppm by nuclear magnetic resonance spectrum ( 1 H-NMR).
(ポリアリーレンの製造方法)
本発明のポリアリーレンは、化合物(A)と、化合物(B)または化合物(C)とを反応させることにより製造される。以下、本発明のポリアリーレンを製造するために用いられる化合物(A)、化合物(B)および化合物(C)について、順に説明する。
(Polyarylene production method)
The polyarylene of the present invention is produced by reacting the compound (A) with the compound (B) or the compound (C). Hereinafter, the compound (A), the compound (B) and the compound (C) used for producing the polyarylene of the present invention will be described in order.
{化合物(A)}
化合物(A)は、下記一般式(3)で表される構造単位を有する。
{Compound (A)}
The compound (A) has a structural unit represented by the following general formula (3).
上記一般式(3)中、X,Y,Z,n,pは上記一般式(1)における定義の通りであり、Mは水素原子またはアルカリ金属原子を示す。 In the general formula (3), X, Y, Z, n, and p are as defined in the general formula (1), and M represents a hydrogen atom or an alkali metal atom.
Mが示すアルカリ金属原子としては、ナトリウム、カリウム、リチウムなどが挙げられる。 Examples of the alkali metal atom represented by M include sodium, potassium, lithium and the like.
また、化合物(A)はさらに、上記一般式(2)で表される構造単位を含むことができる。より具体的には、化合物(A)は、下記一般式(6)で表される少なくとも1種の化合物(A1)をモノマーとして単独で重合するか、あるいは下記一般式(6)で表される少なくとも1種の化合物(A1)と、他の芳香族化合物(好ましくは下記一般式(7)で表される少なくとも1種の化合物(A2))とをそれぞれモノマーとして共重合することにより得ることができる。具体的には、後述する式(10)に示すように、化合物(A1)中のR9(下記一般式(6)参照)が炭化水素基である場合、化合物(A1)(または、化合物(A1)および化合物(A2)その他の芳香族化合物)を重合させて化合物(A’)を得た後、R9で示される炭化水素基を除去することにより、化合物(A)を得ることができる。 Further, the compound (A) can further contain a structural unit represented by the general formula (2). More specifically, the compound (A) is polymerized alone using at least one compound (A 1 ) represented by the following general formula (6) as a monomer, or represented by the following general formula (6). By copolymerizing at least one compound (A 1 ) and another aromatic compound (preferably at least one compound (A 2 ) represented by the following general formula (7)) as monomers, respectively. Obtainable. Specifically, as shown in equation (10) described later, when R 9 in the compound (A 1) in (see below general formula (6)) is a hydrocarbon group, the compound (A 1) (or, After compound (A 1 ) and compound (A 2 ) and other aromatic compounds are polymerized to obtain compound (A ′), the hydrocarbon group represented by R 9 is removed to obtain compound (A). Obtainable.
上記一般式(6)中、X,Y,Z,n,pは上記一般式(1)における定義の通りであり、AおよびA’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(塩素、臭素、ヨウ素)または−OSO2Q(ここで、Q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。 In the general formula (6), X, Y, Z, n, and p are as defined in the general formula (1), and A and A ′ may be the same as or different from each other, and are halogen atoms other than fluorine atoms. atom (chlorine, bromine, iodine) or -OSO 2 Q (here, Q is an alkyl group, fluorine-substituted alkyl group or an aryl group.) shows a group represented by.
Q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。 Examples of the alkyl group represented by Q 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.
R9は水素原子、または炭素原子数1〜20の炭化水素基を示す。炭化水素基としては、具体的には、メチル基、エチル基、n-プロピル基、iso-プロピル基、tert-ブチル基、iso-ブチル基、n-ブチル基、sec-ブチル基、ネオペンチル基、シクロペンチル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基、シクロペンチルメチル基、シクロヘキシルメチル基、アダマンチル基、アダマンチルメチル基、2−エチルヘキシル基、ビシクロ[2.2.1]ヘプチル基、ビシクロ[2.2.1]ヘプチルメチル基、テトラヒドロフルフリル基、2−メチルブチル基、3,3−ジメチル−2,4−ジオキソランメチル基などの直鎖状炭化水素基、分岐状炭化水素基、脂環式炭化水素基、5員の複素環を有する炭化水素基などが挙げられる。また、炭化水素基は酸素原子や窒素原子、硫黄原子を含んでいてもよい。酸素原子を含む炭化水素基としては、例えば、テトラヒドロ−2−ピラニル基、メトキシメチル基、エトキシエチル基、プロポキシメチル基が例示できる。これらのうち、テトラヒドロ−2−ピラニル基、メトキシメチル基が好ましい。 R 9 represents a hydrogen atom or a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms. Specific examples of the hydrocarbon group include methyl, ethyl, n-propyl, iso-propyl, tert-butyl, iso-butyl, n-butyl, sec-butyl, neopentyl, Cyclopentyl group, hexyl group, cyclohexyl group, cyclopentylmethyl group, cyclohexylmethyl group, adamantyl group, adamantylmethyl group, 2-ethylhexyl group, bicyclo [2.2.1] heptyl group, bicyclo [2.2.1] heptylmethyl Group, tetrahydrofurfuryl group, 2-methylbutyl group, 3,3-dimethyl-2,4-dioxolane methyl group and other linear hydrocarbon groups, branched hydrocarbon groups, alicyclic hydrocarbon groups, 5-membered Examples thereof include a hydrocarbon group having a heterocyclic ring. The hydrocarbon group may contain an oxygen atom, a nitrogen atom, or a sulfur atom. Examples of the hydrocarbon group containing an oxygen atom include a tetrahydro-2-pyranyl group, a methoxymethyl group, an ethoxyethyl group, and a propoxymethyl group. Of these, a tetrahydro-2-pyranyl group and a methoxymethyl group are preferred.
また、上記一般式(7)中、R1〜R8,W,T,mは上記一般式(2)における定義の通りであり、BおよびB'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−OSO2Q(ここで、Q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。Qとしては、上記一般式(6)で例示した基が挙げられる。 In the general formula (7), R 1 to R 8 , W, T, and m are as defined in the general formula (2), and B and B ′ may be the same or different from each other. A halogen atom excluding an atom or a group represented by —OSO 2 Q (where Q represents an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group or an aryl group). Examples of Q include the groups exemplified in the general formula (6).
次に、化合物(A1)および化合物(A2)についてそれぞれ説明する。 Next, the compound (A 1 ) and the compound (A 2 ) will be described respectively.
《化合物(A1)》
化合物(A1)は、例えば以下のような方法で合成することができる。なお、ここでは、出発物質(化合物(I))として芳香族酸ハロゲン化合物を用い、この芳香族酸ハロゲン化合物にアニソールを反応させて得られた化合物(A1')がヒドロキシル基を含み、このヒドロキシル基の保護基がテトラヒドロ−2−ピラニル基である場合を示したが、化合物(A1')、反応物質および前記保護基はこれらに限定されるわけではない。例えば、アニソールのかわりに、芳香族酸ハロゲン化合物に他の反応物質(例えば、1,4−ジメトキシベンゼン、1,3−ジメトキシベンゼン、1,2−ジメトキシベンゼン、1,2,3−トリメトキシベンゼンやメチルチオベンゼン)を反応させることができる。
"Compound (A 1)"
Compound (A 1 ) can be synthesized, for example, by the following method. In this case, an aromatic acid halogen compound is used as a starting material (compound (I)), and the compound (A 1 ′) obtained by reacting the aromatic acid halogen compound with anisole contains a hydroxyl group. Although the case where the protecting group of the hydroxyl group is a tetrahydro-2-pyranyl group has been shown, the compound (A 1 ′), the reactant, and the protecting group are not limited thereto. For example, instead of anisole, an aromatic acid halogen compound and other reactants (for example, 1,4-dimethoxybenzene, 1,3-dimethoxybenzene, 1,2-dimethoxybenzene, 1,2,3-trimethoxybenzene) Or methylthiobenzene) can be reacted.
(i)フリーデル−クラフツアシル化 (Friedel-Crafts acylation)
例えば、アニソールのジクロロメタン溶液に、氷浴下(−10℃)で塩化アルミニウムを加えた後、化合物(I)を滴下して、室温で1〜12時間攪拌させる。次いで、濃塩酸を含む氷水に反応液を注ぎ、分離した有機層を10%水酸化ナトリウム水溶液で抽出した後、水層を塩酸で中和することにより析出した固体を有機溶媒(例えば酢酸エチル)で抽出した後、この抽出液を濃縮後、必要に応じて再結晶することにより、アシル基およびヒドロキシル基を含む化合物(A1')が得られる。なお、上記工程において、アニソールのかわりにメチルチオベンゼンを用いる場合、化合物(A1')はチオ−ル基を有する。
(I) Friedel-Crafts acylation
For example, after adding aluminum chloride to a dichloromethane solution of anisole in an ice bath (−10 ° C.), the compound (I) is dropped and stirred at room temperature for 1 to 12 hours. Next, the reaction solution is poured into ice water containing concentrated hydrochloric acid, and the separated organic layer is extracted with a 10% aqueous sodium hydroxide solution. The aqueous layer is neutralized with hydrochloric acid, and the precipitated solid is converted into an organic solvent (for example, ethyl acetate). Then, the extract is concentrated and then recrystallized as necessary to obtain a compound (A 1 ′) containing an acyl group and a hydroxyl group. In the above process, when using a methylthio benzene in place of anisole, Compound (A 1 ') thio - having Le group.
化合物(A1')において、芳香環上のヒドロキシル基(またはチオール基)の置換位置および置換数を調整することにより、最終的に得られる本発明のポリアリーレンにおいて、スルホン酸基の導入位置および導入量を制御することができる。すなわち、本工程(フリーデル−クラフツアシル化反応)において、所定位置がOR基またはSR基(例えば、R=水素原子、またはメチル基、エチル基、t−ブチル基のアルキル基等)で置換されたベンゼンを用いることにより、最終的に得られる本発明のポリアリーレンにおけるスルホン酸基の導入位置および導入量を制御することができる。 In the polyarylene of the present invention finally obtained by adjusting the substitution position and the number of substitutions of the hydroxyl group (or thiol group) on the aromatic ring in the compound (A 1 ′), the introduction position of the sulfonic acid group and The amount introduced can be controlled. That is, in this step (Friedel-Crafts acylation reaction), a predetermined position is substituted with an OR group or an SR group (for example, R = hydrogen atom, methyl group, ethyl group, t-butyl group alkyl group, etc.). By using benzene, the introduction position and introduction amount of the sulfonic acid group in the finally obtained polyarylene of the present invention can be controlled.
(ii)保護基の導入
例えば、化合物(A1')と、1〜20倍モル量の2H−ジヒドロピランとを、酸触媒(例えば陽イオン交換樹脂)の存在下でトルエンに溶解させて、室温で1〜24時間攪拌させる。次いで、酸触媒を除去した後、トルエン溶液を濃縮後、必要に応じて再結晶することにより、保護基としてテトラヒドロ−2−ピラニル基が導入された化合物(A1)が得られる。なお、上記工程において、アニソールのかわりにメチルチオベンゼンを用いる場合、テトラヒドロ−2−ピラニル基はチオ−ルの保護基として機能する。
(Ii) Introduction of protecting group For example, the compound (A 1 ') and 1 to 20-fold molar amount of 2H-dihydropyran are dissolved in toluene in the presence of an acid catalyst (for example, a cation exchange resin). Allow to stir at room temperature for 1-24 hours. Next, after removing the acid catalyst, the toluene solution is concentrated, and then recrystallized as necessary to obtain a compound (A 1 ) having a tetrahydro-2-pyranyl group introduced as a protecting group. In the above step, when methylthiobenzene is used instead of anisole, the tetrahydro-2-pyranyl group functions as a thiol protecting group.
上記一般式(6)で表される化合物(A1)としては、例えば、以下のような化合物が挙げられる。 Examples of the compound (A 1 ) represented by the general formula (6) include the following compounds.
上記一般式(6)で表される化合物(A1)として、例えば、上記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、上記化合物において−CO−が−SO2−に置き換わった化合物、上記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り、かつ−CO−が−SO2−に置き換わった化合物なども挙げられる。 Examples of the compound (A 1 ) represented by the general formula (6) include a compound in which a chlorine atom is replaced with a bromine atom or an iodine atom in the above compound, and a compound in which —CO— is replaced with —SO 2 — in the above compound. And compounds in which the chlorine atom is replaced by a bromine atom or an iodine atom and -CO- is replaced by -SO 2 -in the above compound.
《化合物(A2)》
上記一般式(7)で表される化合物(A2)としては、具体的には、m=0の場合、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の少なくとも1つ以上が3位に置換した化合物などが挙げられる。
"Compound (A 2)"
The compound represented by the above general formula (7) as (A 2) is specifically the case of m = 0, for example, 4,4'-dichlorobenzophenone, 4,4'-dichloro-benzanilide, bis (chlorophenyl ) Difluoromethane, 2,2-bis (4-chlorophenyl) hexafluoropropane, 4-chlorobenzoic acid-4-chlorophenyl, bis (4-chlorophenyl) sulfoxide, bis (4-chlorophenyl) sulfone, chlorine atoms in these compounds In which at least one of the halogen atoms substituted at the 4-position in these compounds is substituted at the 3-position, and the like.
またm=1の場合、上記一般式(7)で表される具体的な化合物(A2)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。 When m = 1, the specific compound (A 2 ) represented by the general formula (7) includes, for example, 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, in these compounds the chlorine atom is placed on the bromine or iodine atom Compounds obtained by substitution, compounds in which the halogen atom substituted in the 4-position in these compounds is substituted in the 3-position, compounds in which at least one of the groups substituted in the 4-position of diphenyl ether in these compounds is substituted in the 3-position, etc. It is done.
さらに上記一般式(7)で表される化合物(A2)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。 Further, the compound (A 2 ) represented by the general formula (7) is 2,2-bis [4- {4- (4-chlorobenzoyl) phenoxy} phenyl] -1,1,1,3,3. , 3-hexafluoropropane, bis [4- {4- (4-chlorobenzoyl) phenoxy} phenyl] sulfone, and a compound represented by the following formula.
上記一般式(7)で表される化合物(A2)は、例えば以下に示す方法で合成することができる。 The compound (A 2 ) represented by the general formula (7) can be synthesized, for example, by the method shown below.
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。 First, N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, sulfolane, diphenylsulfone, dimethylsulfoxide, etc., in order to convert the bisphenol linked with an electron-withdrawing group to the corresponding alkali metal salt of bisphenol In a polar solvent having a high dielectric constant, an alkali metal such as lithium, sodium or potassium, an alkali metal hydride, an alkali metal hydroxide, an alkali metal carbonate or the like is added.
通常、アルカリ金属はフェノールのヒドロキシル基に対して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。 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 dihalide compounds substituted by halogen atoms of, for example, 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 to 300 ° C, preferably 80 to 250 ° C. The reaction time ranges from 15 minutes to 100 hours, preferably from 1 hour to 24 hours. The most preferable method is to use a chlorofluoro compound having one halogen atom having a different reactivity as the active aromatic dihalide represented by the following formula, and a nucleophilic substitution reaction with phenoxide occurs preferentially by the fluorine atom. It is convenient to obtain the desired activated terminal chloro form.
(式中、Wは上記一般式(2)における定義の通りである。)
または、特開平2−159号公報に記載されているように、求核置換反応と親電子置換反応とを組み合わせて、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を合成する方法を用いることにより、化合物(A2)を得ることができる。
(Wherein, W is as defined in the general formula (2).)
Alternatively, as described in JP-A-2-159, a flexible compound composed of a target electron-withdrawing group and electron-donating group is synthesized by combining a nucleophilic substitution reaction and an electrophilic substitution reaction. By using the method, compound (A 2 ) can be obtained.
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、この置換体を用いて、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ツ反応を行なうことにより、目的の化合物を得ることができる。ここで使用される電子吸引性基で活性化された芳香族ビスハライドとしては、上記の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としては、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に対して、塩化アルミニウム、三フッ化ホウ素、塩化亜鉛などのルイス酸のフリーデルクラフツ反応の活性化剤存在下で、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倍モル使用することができる。フリーデルクラフツ活性化剤は、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−20〜80℃の範囲である。使用溶媒は、フリーデルクラフツ反応に不活性な溶媒(例えば、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。 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. Subsequently, the compound of interest can be obtained, for example, by performing a Friedel-Crafts reaction with 4-chlorobenzoic acid chloride using this substituted product. 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 substitution reaction of phenol, 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 can be used in an amount of 2 to 4 times mol, preferably 2.2 to 3 times mol, of the bisphenoxy compound. The Friedel-Crafts 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 is in the range of 15 minutes to 10 hours, and the reaction temperature is in the range of -20 to 80 ° C. As the solvent used, a solvent inert to the Friedel-Crafts reaction (for example, chlorobenzene, nitrobenzene, etc.) can be used.
また、一般式(7)で示される化合物(A2)として、mが2以上である重合体は、例えば、一般式(7)において電子供与性基T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Wである、>C=O、−SO2−、および/または>C(CF3)2とを組み合わせた化合物、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。 In general formula (7) compound represented by the (A 2), m is larger than 2, polymers, for example, a source of ethereal oxygen as an electron-donating group T in the general formula (7) A compound in which bisphenol is combined with> C═O, —SO 2 —, and / or> C (CF 3 ) 2 that are electron-withdrawing groups W, specifically 2,2-bis (4-hydroxy) Alkali metals of bisphenol such as phenyl) -1,1,1,3,3,3-hexafluoropropane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) ketone, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) sulfone A substitution reaction of a salt with an excess of an active aromatic halogen compound such as 4,4-dichlorobenzophenone or bis (4-chlorophenyl) sulfone is carried out using N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, sulfora Obtained by sequentially polymerizing the synthesis method of the monomer in the presence a polar solvent such as.
このような化合物の例示としては、下記式で表される化合物などを挙げることができる。 Examples of such compounds include compounds represented by the following formulas.
上記化合物において、lは2以上、好ましくは2〜100である。 In the above compound, l is 2 or more, preferably 2 to 100.
《触媒その他》
化合物(A1)をモノマーとして重合する場合、あるいは化合物(A1)および化合物(A2)をそれぞれモノマーとして重合する場合に使用される触媒は、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、(i)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(ii)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。
《Catalyst and others》
The catalyst used when polymerizing the compound (A 1 ) as a monomer, or when polymerizing the compound (A 1 ) and the compound (A 2 ) as a monomer, respectively, is a catalyst system containing a transition metal compound. As the system, (i) a transition metal salt and a compound to be a ligand (hereinafter referred to as “ligand component”), or a transition metal complex in which a ligand is coordinated (including a copper salt), and (Ii) A reducing agent is an essential component, and a “salt” may be added to increase the polymerization rate.
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。 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.
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。 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.
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。 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.
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。 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.
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。 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.
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。 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.
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。 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. When the amount is less than 0.1 mol, the catalytic activity may be insufficient. On the other hand, when the amount exceeds 100 mol, the molecular weight may decrease.
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。 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.
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。 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.
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、スルホラン、γ−ブチロラクタム、ジメチルイミダゾリジノン、テトラメチル尿素などが挙げられる。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。 Examples of polymerization solvents that can be used include tetrahydrofuran, cyclohexanone, dimethyl sulfoxide, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, γ-butyrolactone, sulfolane, γ-butyrolactam, Examples thereof include dimethylimidazolidinone and tetramethylurea. 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.
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。 The total concentration of the monomers in the polymerization solvent is usually 1 to 90% by weight, preferably 5 to 40% by weight.
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。 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.
上記化合物(A1)と上記化合物(A2)とを反応させて上記化合物(A)を得る際の反応式の一例を下記式(10)に示す。なお、下記式において、x,yは正の整数である。下記式(10)に示すように、化合物(A1)と化合物(A2)とがまず反応することにより、化合物(A’)が生成する。次いで、この化合物(A’)中のR9が除去されて、化合物(A)が生成する。 One example of a reaction formula for obtaining the compound (A) by reacting the compound (A 1 ) with the compound (A 2 ) is shown in the following formula (10). In the following formula, x and y are positive integers. As shown in the following formula (10), the compound (A 1 ) and the compound (A 2 ) first react to produce the compound (A ′). Subsequently, R 9 in this compound (A ′) is removed to produce compound (A).
具体的には、上記一般式(6)で表される少なくとも1種の化合物(A1)0.5〜100モル%(好ましくは10〜99.999モル%)と、他の芳香族モノマー、好ましくは上記一般式(7)で表される少なくとも1種の化合物(A2)0〜99.5モル%(好ましくは0.001〜90モル%)とを触媒の存在下に反応させて、化合物(A)を得るのが好ましい。 Specifically, at least one compound (A 1 ) represented by the general formula (6) 0.5 to 100 mol% (preferably 10 to 99.999 mol%), other aromatic monomers, Preferably, at least one compound (A 2 ) represented by the general formula (7) is reacted with 0 to 99.5 mol% (preferably 0.001 to 90 mol%) in the presence of a catalyst, It is preferable to obtain compound (A).
{化合物(B)}
化合物(B)は、下記一般式(4)で表される構造単位を有する。
{Compound (B)}
The compound (B) has a structural unit represented by the following general formula (4).
上記一般式(4)において、R,aは上記一般式(1)における定義の通りである。 In the general formula (4), R and a are as defined in the general formula (1).
化合物(B)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。 Examples of the compound (B) include compounds represented by the following formula.
本発明のポリアリーレンを製造するにあたり、化合物(B)の炭素数すなわち上記一般式(4)中の「a」の数を調整することにより、最終的に得られる本発明のポリアリーレンにおいて、スルホン酸基の導入位置および導入量を調整することができる。 In producing the polyarylene of the present invention, by adjusting the number of carbon atoms of the compound (B), that is, the number of “a” in the above general formula (4), The introduction position and introduction amount of the acid group can be adjusted.
{化合物(A)と化合物(B)との合成例}
上記一般式(3)で表される構造単位を含む化合物(A)と、上記一般式(4)で表される化合物(B)とを反応させることにより、スルホン酸基を有する本発明のポリアリーレンが得られる。
{Synthesis Example of Compound (A) and Compound (B)}
By reacting the compound (A) containing the structural unit represented by the general formula (3) with the compound (B) represented by the general formula (4), the polysiloxane of the present invention having a sulfonic acid group is reacted. Arylene is obtained.
次に、化合物(A)と化合物(B)との合成例について示す。化合物(A)と化合物(B)との反応は、例えば下記式(11)に示すように、塩基性条件下で化合物(A)および化合物(B)を溶媒に溶解させて行なうことができる。 Next, synthesis examples of the compound (A) and the compound (B) are shown. The reaction of the compound (A) and the compound (B) can be carried out by dissolving the compound (A) and the compound (B) in a solvent under basic conditions as shown in the following formula (11), for example.
例えば、化合物(A)中においてMが水素原子である場合(一般式(3)参照)、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アルカリ金属、水素化アルカリ金属、またはアルカリ金属炭酸塩などを必要に応じて加えることにより、化合物(A)をアルカリ金属塩とすることができる。 For example, when M is a hydrogen atom in the compound (A) (see general formula (3)), N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, sulfolane, diphenylsulfone, dimethylsulfoxide, etc. The compound (A) can be converted to an alkali metal salt by adding an alkali metal, an alkali metal hydride, an alkali metal carbonate, or the like as required in a polar solvent having a high dielectric constant.
アルカリ金属としては、リチウム、ナトリウム、カリウムなどが例示でき、水素化アルカリ金属、水酸化アルカリ金属、およびアルカリ金属炭酸塩としてはそれぞれ、上記アルカリ金属の水素化物、水酸化物、炭酸塩が例示できる。 Examples of the alkali metal include lithium, sodium, and potassium, and examples of the alkali metal hydride, alkali metal hydroxide, and alkali metal carbonate include the alkali metal hydride, hydroxide, and carbonate, respectively. .
通常、アルカリ金属は化合物(A)中のスルホン酸基に対して過剰気味で反応させ、通常、スルホン酸基の1.1〜4倍当量を使用する。好ましくは、1.2〜3倍当量の使用である。 Usually, the alkali metal is reacted in excess with respect to the sulfonic acid group in the compound (A), and usually 1.1 to 4 times the equivalent amount of the sulfonic acid group is used. Preferably, 1.2 to 3 times equivalent is used.
化合物(A)と化合物(B)との反応においては、塩基性条件下、化合物(A)中においてZで示される酸素原子または硫黄原子によって、化合物(B)の酸素原子に隣接する炭素原子に対して求核置換反応が生じ、化合物(B)が開環する。上記反応の一具体例を下記式(12)に示す。なお、ここでは、化合物(A)および化合物(B)ならびに用いたアルカリ試薬はこれらに限定されるわけではない。 In the reaction between the compound (A) and the compound (B), under basic conditions, the oxygen atom or sulfur atom represented by Z in the compound (A) is changed to a carbon atom adjacent to the oxygen atom of the compound (B). On the other hand, a nucleophilic substitution reaction occurs, and the compound (B) opens. A specific example of the above reaction is shown in the following formula (12). Here, the compound (A) and the compound (B) and the alkaline reagent used are not limited to these.
{化合物(C)}
化合物(C)は、下記一般式(5)で表される構造単位を有する。
{Compound (C)}
The compound (C) has a structural unit represented by the following general formula (5).
上記一般式(5)において、R,aは上記一般式(1)における定義の通りであり、Lは塩素原子、臭素原子、およびヨウ素原子のいずれかを示す。 In the general formula (5), R and a are as defined in the general formula (1), and L represents any one of a chlorine atom, a bromine atom, and an iodine atom.
化合物(C)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。なお、下記化合物において、NaのかわりにKまたはLiまたはHであってもよい。またClのかわりにBrまたはIであってもよい。 Examples of the compound (C) include compounds represented by the following formulas. In the following compounds, K, Li or H may be used instead of Na. Further, Br or I may be used instead of Cl.
本発明のポリアリーレンを製造するにあたり、化合物(C)の炭素数すなわち上記一般式(5)中の「a」の数を調整することにより、最終的に得られる本発明のポリアリーレンにおいて、スルホン酸基の導入位置および導入量を調整することができる。 In producing the polyarylene of the present invention, by adjusting the number of carbon atoms of the compound (C), that is, the number of “a” in the general formula (5), The introduction position and introduction amount of the acid group can be adjusted.
{化合物(A)と化合物(C)との合成例}
上記一般式(3)で表される構造単位を含む化合物(A)と、上記一般式(5)で表される化合物(C)とを反応させることにより、スルホン酸基を有する本発明のポリアリーレンが得られる。
{Synthesis Example of Compound (A) and Compound (C)}
By reacting the compound (A) containing the structural unit represented by the general formula (3) with the compound (C) represented by the general formula (5), the polysiloxane of the present invention having a sulfonic acid group is reacted. Arylene is obtained.
次に、化合物(A)と化合物(C)との合成例について示す。化合物(A)と化合物(C)との反応は、例えば下記式(13)に示すように、塩基性条件下で化合物(A)および化合物(C)を溶媒に溶解させて行なうことができる。 Next, synthesis examples of the compound (A) and the compound (C) are shown. The reaction between the compound (A) and the compound (C) can be carried out by dissolving the compound (A) and the compound (C) in a solvent under basic conditions, for example, as shown in the following formula (13).
化合物(A)と化合物(C)との反応においては、例えば、前述の化合物(A)と化合物(B)との反応において例示した極性溶媒およびアルカリ試薬を用いることができる。 In the reaction between the compound (A) and the compound (C), for example, the polar solvent and the alkali reagent exemplified in the reaction between the compound (A) and the compound (B) described above can be used.
化合物(A)と化合物(C)との反応においては、塩基性条件下、化合物(A)中においてZで示される酸素原子または硫黄原子によって、化合物(B)の酸素原子に隣接する炭素原子に対して求核置換反応が生じる。上記反応の一具体例を下記式(14)に示す。なお、ここでは、化合物(A)および化合物(C)ならびに用いたアルカリ試薬はこれらに限定されるわけではない。 In the reaction between the compound (A) and the compound (C), under basic conditions, the oxygen atom or sulfur atom represented by Z in the compound (A) is changed to a carbon atom adjacent to the oxygen atom of the compound (B). In contrast, a nucleophilic substitution reaction occurs. A specific example of the above reaction is shown in the following formula (14). Here, the compound (A) and the compound (C) and the alkaline reagent used are not limited to these.
(高分子固体電解質およびプロトン伝導膜)
本発明の高分子固体電解質およびプロトン伝導膜は、スルホン酸基を有する本発明のポリアリーレンからなる。本発明のポリアリーレンからプロトン伝導膜を調製する際には、上記本発明のポリアリーレン以外に、硫酸、リン酸などの無機酸、カルボン酸を含む有機酸、適量の水などを併用してもよい。
(Polymer solid electrolyte and proton conducting membrane)
The solid polymer electrolyte and proton conductive membrane of the present invention are composed of the polyarylene of the present invention having a sulfonic acid group. When preparing a proton conductive membrane from the polyarylene of the present invention, in addition to the polyarylene of the present invention, an inorganic acid such as sulfuric acid and phosphoric acid, an organic acid containing a carboxylic acid, an appropriate amount of water, etc. may be used in combination. Good.
本発明のプロトン伝導膜においては、上記本発明のポリアリーレンを溶剤に溶解して溶液とした後、キャスティングにより基体上に流延してフィルム状に成形する方法(キャスティング法)などを用いてフィルム状に成形することにより製造することができる。ここで、上記基体としては、通常の溶液キャスティング法に用いられる基体であれば特に限定されず、例えばプラスチック製、金属製などの基体が用いられ、好ましくは、例えばポリエチレンテレフタレート(PET)フィルムなどの熱可塑性樹脂からなる基体が用いられる。 In the proton conducting membrane of the present invention, the polyarylene of the present invention is dissolved in a solvent to form a solution, and then cast on a substrate by casting to form a film (casting method). It can manufacture by shape | molding in a shape. Here, the substrate is not particularly limited as long as it is a substrate used in an ordinary solution casting method. For example, a substrate made of plastic, metal, or the like is used. Preferably, for example, a polyethylene terephthalate (PET) film or the like is used. A substrate made of a thermoplastic resin is used.
本発明のポリアリーレンを溶解する溶媒としては、例えばN−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド、縺|ブチロラクトン、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチル尿素、ジメチルイミダゾリジノンなどの非プロトン系極性溶剤が挙げられ、特に溶解性、溶液粘度の面から、N−メチル−2−ピロリドン(以下「NMP」ともいう。)が好ましい。非プロトン系極性溶剤は、1種単独であるいは2種以上を併用することができる。 Examples of the solvent for dissolving the polyarylene of the present invention include N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylformamide, 縺 | butyrolactone, N, N-dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, dimethylurea, dimethylimidazolidinone and the like. Among these, N-methyl-2-pyrrolidone (hereinafter also referred to as “NMP”) is preferable from the viewpoint of solubility and solution viscosity. The aprotic polar solvent can be used alone or in combination of two or more.
また、本発明のポリアリーレンを溶解させる溶媒として、上記非プロトン系極性溶剤とアルコールとの混合物も用いることができる。アルコールとしては、例えばメタノール、エタノール、プロピルアルコール、iso−プロピルアルコール、sec−ブチルアルコール、tert−ブチルアルコールなどが挙げられ、特にメタノールが幅広い組成範囲で溶液粘度を下げる効果があり好ましい。アルコールは、1種単独であるいは2種以上を併用することができる。 In addition, as a solvent for dissolving the polyarylene of the present invention, a mixture of the above aprotic polar solvent and alcohol can also be used. Examples of the alcohol include methanol, ethanol, propyl alcohol, iso-propyl alcohol, sec-butyl alcohol, tert-butyl alcohol and the like, and methanol is particularly preferable because it has an effect of lowering the solution viscosity in a wide composition range. Alcohol can be used alone or in combination of two or more.
溶媒として非プロトン系極性溶剤とアルコールとの混合物を用いる場合には、非プロトン系極性溶剤が95〜25重量%、好ましくは90〜25重量%、アルコールが5〜75重量%、好ましくは10〜75重量%(ただし、合計は100重量%)からなる。アルコールの量が上記範囲内にあると、溶液粘度を下げる効果に優れる。 When a mixture of an aprotic polar solvent and an alcohol is used as the solvent, the aprotic polar solvent is 95 to 25% by weight, preferably 90 to 25% by weight, and the alcohol is 5 to 75% by weight, preferably 10 to 10%. 75% by weight (however, the total is 100% by weight). When the amount of alcohol is within the above range, the effect of lowering the solution viscosity is excellent.
本発明のポリアリーレンを溶解させた溶液のポリマー濃度は、ポリアリーレンの分子量にもよるが、通常、5〜40重量%、好ましくは7〜25重量%である。5重量%未満では、厚膜化し難く、また、ピンホールが生成しやすい。一方、40重量%を超えると、溶液粘度が高すぎてフィルム化し難く、また、表面平滑性に欠けることがある。 The polymer concentration of the solution in which the polyarylene of the present invention is dissolved is usually 5 to 40% by weight, preferably 7 to 25% by weight, although it depends on the molecular weight of the polyarylene. If it is less than 5% by weight, it is difficult to form a thick film, and pinholes are easily generated. On the other hand, if it exceeds 40% by weight, the solution viscosity is so high that it is difficult to form a film, and surface smoothness may be lacking.
なお、溶液粘度は、本発明のポリアリーレンの分子量や、ポリマー濃度にもよるが、通常、2,000〜100,000mPa・s、好ましくは3,000〜50,000mPa・sである。2,000mPa・s未満では、成膜中の溶液の滞留性が悪く、基体から流れてしまうことがある。一方、100,000mPa・sを超えると、粘度が高過ぎて、ダイからの押し出しができず、流延法によるフィルム化が困難となることがある。 The solution viscosity is usually 2,000 to 100,000 mPa · s, preferably 3,000 to 50,000 mPa · s, although it depends on the molecular weight of the polyarylene of the present invention and the polymer concentration. If it is less than 2,000 mPa · s, the retention of the solution during film formation is poor, and it may flow from the substrate. On the other hand, if it exceeds 100,000 mPa · s, the viscosity is too high to be extruded from the die and it may be difficult to form a film by the casting method.
上記のようにして成膜した後、得られた未乾燥フィルムを水に浸漬することにより、未乾燥フィルム中の有機溶剤を水と置換することができ、得られるプロトン伝導膜の残留溶媒量を低減することができる。 After film formation as described above, by immersing the obtained undried film in water, the organic solvent in the undried film can be replaced with water, and the residual solvent amount of the resulting proton conducting membrane can be reduced. Can be reduced.
なお、成膜後、未乾燥フィルムを水に浸漬する前に、未乾燥フィルムを予備乾燥してもよい。予備乾燥は、未乾燥フィルムを通常50〜150℃の温度で、0.1〜10時間保持することにより行われる。 In addition, after film formation, before immersing an undried film in water, you may predry an undried film. The preliminary drying is performed by holding the undried film at a temperature of usually 50 to 150 ° C. for 0.1 to 10 hours.
未乾燥フィルムを水に浸漬する際は、枚葉を水に浸漬するバッチ方式であっても良いし、通常得られる基板フィルム(例えば、PET)上に成膜された状態の積層フィルムのまま、または基板から分離した膜を水に浸漬させて、巻き取っていく連続方法でも適用できる。 When immersing an undried film in water, it may be a batch system in which a single wafer is immersed in water, or a laminated film in a state of being formed on a substrate film (for example, PET) that is usually obtained, Alternatively, a continuous method in which a film separated from a substrate is dipped in water and wound is also applicable.
バッチ方式の場合は、処理されたフィルムの表面の皺形成が抑制される点で、処理フィルムを枠にはめるなどの方式が好都合である。 In the case of the batch method, a method of placing the treated film in a frame is advantageous in that wrinkle formation on the surface of the treated film is suppressed.
未乾燥フィルムを水に浸漬する際には、未乾燥フィルム1重量部に対し、水が10重量部以上、好ましくは30重量部以上の接触比となるようにすることがよい。得られるプロトン伝導膜の残存溶媒量をできるだけ少なくするためには、できるだけ大きな接触比を維持するのがよい。また、浸漬に使用する水を交換したり、オーバーフローさせたりして、常に水中の有機溶媒濃度を一定濃度以下に維持しておくことも、得られるプロトン伝導膜の残存溶媒量の低減に有効である。プロトン伝導膜中に残存する有機溶媒量の面内分布を小さく抑えるためには、水中の有機溶媒濃度を撹拌等によって均質化させることは効果がある。 When the undried film is immersed in water, the contact ratio of water is 10 parts by weight or more, preferably 30 parts by weight or more with respect to 1 part by weight of the undried film. In order to minimize the amount of residual solvent in the resulting proton conducting membrane, it is preferable to maintain a contact ratio as large as possible. It is also effective to reduce the amount of residual solvent in the resulting proton conducting membrane by changing the water used for immersion or allowing it to overflow so that the organic solvent concentration in the water is always kept below a certain level. is there. In order to suppress the in-plane distribution of the amount of the organic solvent remaining in the proton conducting membrane, it is effective to homogenize the concentration of the organic solvent in water by stirring or the like.
未乾燥フィルムを水に浸漬する際の水の温度は、好ましくは5〜80℃の範囲である。高温ほど、有機溶媒と水との置換速度は速くなるが、フィルムの吸水量も大きくなるので、乾燥後に得られるプロトン伝導膜の表面状態が荒れる懸念がある。通常、置換速度と取り扱いやすさから10〜60℃の温度範囲が好都合である。 The temperature of water when the undried film is immersed in water is preferably in the range of 5 to 80 ° C. The higher the temperature, the faster the replacement rate of the organic solvent and water, but the greater the amount of water absorbed by the film, so there is a concern that the surface state of the proton conducting membrane obtained after drying will be rough. Usually, a temperature range of 10 to 60 ° C. is convenient because of the replacement speed and ease of handling.
浸漬時間は、初期の残存溶媒量や接触比、処理温度にもよるが、通常10分〜240時間の範囲である。好ましくは30分〜100時間の範囲である。 The immersion time is usually in the range of 10 minutes to 240 hours, although depending on the initial residual solvent amount, contact ratio, and treatment temperature. Preferably, it is in the range of 30 minutes to 100 hours.
上記のように未乾燥フィルムを水に浸漬した後乾燥すると、残存溶媒量が低減されたプロトン伝導膜が得られるが、このようにして得られるプロトン伝導膜の残存溶媒量は通常5重量%以下である。 When the undried film is immersed in water and dried as described above, a proton conductive membrane with a reduced amount of residual solvent is obtained. The residual amount of the proton conductive membrane thus obtained is usually 5% by weight or less. It is.
また、浸漬条件によっては、得られるプロトン伝導膜の残存溶媒量を1重量%以下とすることができる。このような条件としては、例えば未乾燥フィルムと水との接触比を、未乾燥フィルム1重量部に対し、水が50重量部以上、浸漬する際の水の温度を10〜60℃、浸漬時間を10分〜10時間とする方法がある。 Further, depending on the immersion conditions, the amount of residual solvent in the obtained proton conducting membrane can be set to 1% by weight or less. As such conditions, for example, the contact ratio between the undried film and water is 50 parts by weight or more with respect to 1 part by weight of the undried film. There is a method of setting 10 minutes to 10 hours.
上記のように未乾燥フィルムを水に浸漬した後、フィルムを30〜100℃、好ましくは50〜80℃で、10〜180分間、好ましくは15〜60分乾燥し、次いで、50〜150℃で、好ましくは500mmHg〜0.1mmHgの減圧下、0.5〜24時間真空乾燥することにより、本発明のプロトン伝導膜を得ることができる。 After immersing the undried film in water as described above, the film is dried at 30-100 ° C, preferably 50-80 ° C, for 10-180 minutes, preferably 15-60 minutes, and then at 50-150 ° C. The proton conducting membrane of the present invention can be obtained by vacuum drying under reduced pressure of 500 mmHg to 0.1 mmHg for 0.5 to 24 hours.
上記製造方法により得られた本発明のプロトン伝導膜は、その乾燥膜厚が通常10〜100・香A好ましくは20〜80・高ナある。 The proton conductive membrane of the present invention obtained by the above production method has a dry film thickness of usually 10 to 100 · fragrance A, preferably 20 to 80 · high.
本発明のプロトン伝導膜は老化防止剤、好ましくは分子量500以上のヒンダードフェノール系化合物を含有してもよく、老化防止剤を含有することでプロトン伝導膜としての耐久性をより向上させることができる。 The proton conductive membrane of the present invention may contain an anti-aging agent, preferably a hindered phenol compound having a molecular weight of 500 or more. By containing an anti-aging agent, the durability of the proton conductive membrane can be further improved. it can.
本発明で使用することのできる分子量500以上のヒンダードフェノール系化合物としては、トリエチレングリコール−ビス[3−(3−t−ブチル−5−メチル−4−ヒドロキシフェニル)プロオネート](商品名:IRGANOX 245)、1,6−ヘキサンジオール−ビス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート](商品名:IRGANOX 259)、2,4−ビス−(n−オクチルチオ)−6−(4−ヒドロキシ−3,5−ジ−t−ブチルアニリノ)−3,5−トリアジン(商品名:IRGANOX 565)、ペンタエリスリチルーテトラキス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート](商品名:IRGANOX 1010)、2,2−チオ−ジエチレンビス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート](商品名:IRGANOX 1035)、オクタデシル−3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート)(商品名:IRGANOX 1076)、N,N−ヘキサメチレンビス(3,5−ジ−t−ブチルー4−ヒドロキシ−ヒドロシンナマミド)(IRGAONOX 1098)、1,3,5−トリメチル−2,4,6−トリス(3,5−ジ−t−ブチル−4ッヒドロキシベンジル)ベンゼン(商品名:IRGANOX 1330)、トリス−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシベンジル)−イソシアヌレイト(商品名:IRGANOX 3114)、3,9−ビス[2−〔3−(3−t−ブチル−4−ヒドロキシ−5−メチルフェニル)プロピオニルオキシ〕−1,1−ジメチルエチル]−2,4,8,10−テトラオキサスピロ[5.5]ウンデカン(商品名:Sumilizer GA-80)などを挙げることができる。 As a hindered phenol compound having a molecular weight of 500 or more that can be used in the present invention, triethylene glycol-bis [3- (3-t-butyl-5-methyl-4-hydroxyphenyl) proonate] (trade name: IRGANOX 245) 1,6-hexanediol-bis [3- (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate] (trade name: IRGANOX 259), 2,4-bis- (n- Octylthio) -6- (4-hydroxy-3,5-di-t-butylanilino) -3,5-triazine (trade name: IRGANOX 565), pentaerythrityl-tetrakis [3- (3,5-di-t -Butyl-4-hydroxyphenyl) propionate] (trade name: IRGANOX 1010), 2,2-thio-diethylenebis [3- (3,5-di-t-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate ] (Trade name: IRGANOX 1035), octadecyl-3- (3,5-di-t-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate) (trade name: IRGANOX 1076), N, N-hexamethylene bis (3.5 -Di-t-butyl-4-hydroxy-hydrocinnamamide) (IRGAONOX 1098) 1,3,5-trimethyl-2,4,6-tris (3,5-di-t-butyl-4-hydroxybenzyl) ) Benzene (trade name: IRGANOX 1330), tris- (3,5-di-t-butyl-4-hydroxybenzyl) -isocyanurate (trade name: IRGANOX 3114), 3,9-bis [2- [3 -(3-t-butyl-4-hydroxy-5-methylphenyl) propionyloxy] -1,1-dimethylethyl] -2,4,8,10-tetraoxaspiro [5.5] undecane (trade name: Sumilizer GA-80).
本発明において、ポリアリーレン100重量部に対して分子量500以上のヒンダードフェノール系化合物は0.01〜10重量部の量で使用することが好ましい。 In the present invention, the hindered phenol compound having a molecular weight of 500 or more with respect to 100 parts by weight of polyarylene is preferably used in an amount of 0.01 to 10 parts by weight.
本発明のプロトン伝導膜は、例えば一次電池用電解質、二次電池用電解質、燃料電池用高分子固体電解質、表示素子、各種センサ、信号伝達媒体、固体コンデンサ、イオン交換膜などに利用可能なプロトン伝導性の伝導膜に利用可能である。 The proton conductive membrane of the present invention is a proton that can be used for, for example, an electrolyte for a primary battery, an electrolyte for a secondary battery, a polymer solid electrolyte for a fuel cell, a display element, various sensors, a signal transmission medium, a solid capacitor, an ion exchange membrane, and the like. It can be used for a conductive film.
[実施例]
以下、実施例に基づいて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。実施例中の各種の測定項目は下記のようにして求めた。なお、本実施例において、各種測定に用いられるポリマーフィルム(膜試料)は膜厚40μmのフィルムである。このフィルムは、各実施例で得られたスルホン酸基を有するポリアリーレンをN−メチルピロリドンに18%の濃度で溶解させた後、キャスティング法によって製造された。
[Example]
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further more concretely based on an Example, this invention is not limited to these Examples. Various measurement items in the examples were determined as follows. In this example, the polymer film (film sample) used for various measurements is a film having a thickness of 40 μm. This film was produced by dissolving the polyarylene having a sulfonic acid group obtained in each example in N-methylpyrrolidone at a concentration of 18%, and then by a casting method.
(スルホン酸基の当量)
得られたポリアリーレンの水洗水が中性になるまで蒸留水で洗浄し、フリーの残存している酸を除いて充分に水洗した後、乾燥させた。この後、所定量を秤量し、THF/水の混合溶剤に溶解させ、フェノールフタレインを指示薬としてNaOHの標準液を用いて滴定を行い、中和点からスルホン酸基の当量(イオン交換容量)(meq/g)を求めた。
(Equivalent of sulfonic acid group)
The obtained polyarylene was washed with distilled water until it was neutralized, sufficiently washed with water except for the remaining free acid, and then dried. Thereafter, a predetermined amount is weighed and dissolved in a THF / water mixed solvent, titrated with a standard solution of NaOH using phenolphthalein as an indicator, and an equivalent amount of sulfonic acid groups (ion exchange capacity) from the neutralization point. (Meq / g) was determined.
(プロトン伝導度)
交流抵抗は、前記膜試料を5mm幅の短冊状とし、この膜試料の表面に白金線(φ=0.5mm)を押し当て、恒温恒湿装置中にこの膜試料を保持して、白金線間の交流インピーダンス測定から求めた。85℃、相対湿度90%の環境下で交流10kHzにおけるインピーダンスを測定した。抵抗測定装置として、(株)NF回路設計ブロック製のケミカルインピーダンス測定システムを用い、恒温恒湿装置には、(株)ヤマト科学製のJW241を使用した。白金線は5mm間隔に5本押し当てて、線間距離を5〜20mmに変化させて、交流抵抗を測定した。線間距離と抵抗の勾配から膜の比抵抗を算出し、比抵抗の逆数から交流インピーダンスを算出し、このインピーダンスから、プロトン伝導度を求めた。
(Proton conductivity)
For AC resistance, the membrane sample is formed into a strip shape having a width of 5 mm, a platinum wire (φ = 0.5 mm) is pressed against the surface of the membrane sample, the membrane sample is held in a constant temperature and humidity apparatus, and a platinum wire It was calculated from the AC impedance measurement. The impedance at an AC of 10 kHz was measured in an environment of 85 ° C. and a relative humidity of 90%. A chemical impedance measurement system manufactured by NF Circuit Design Block Co., Ltd. was used as the resistance measurement device, and JW241 manufactured by Yamato Scientific Co., Ltd. was used as the constant temperature and humidity device. Five platinum wires were pressed at intervals of 5 mm, the distance between the wires was changed to 5 to 20 mm, and the AC resistance was measured. The specific resistance of the membrane was calculated from the line-to-line distance and the resistance gradient, the AC impedance was calculated from the reciprocal of the specific resistance, and the proton conductivity was determined from this impedance.
比抵抗R[Ω・cm]=0.5[cm]×膜厚[cm]×抵抗線間勾配[Ω/cm]
(熱的性質)
熱分解開始温度;
TGA(チッ素雰囲気下、20℃/分の昇温速度)から、スルホン化ポリアリーレンの分解が開始した温度を、熱分解開始温度(℃)とした。
Specific resistance R [Ω · cm] = 0.5 [cm] × film thickness [cm] × resistance line gradient [Ω / cm]
(Thermal properties)
Thermal decomposition start temperature;
The temperature at which decomposition of the sulfonated polyarylene started from TGA (temperature increase rate of 20 ° C./min under a nitrogen atmosphere) was defined as the thermal decomposition start temperature (° C.).
耐熱水性;
厚さ40μmの膜試料(スルホン化ポリマーフィルム)を95℃の熱水に48時間浸漬し、浸漬前の該フィルムの重量に対する浸漬後の該フィルムの重量の割合を、重量保持率(%)とした。
Hot water resistance;
A membrane sample (sulfonated polymer film) having a thickness of 40 μm was immersed in hot water at 95 ° C. for 48 hours, and the ratio of the weight of the film after immersion to the weight of the film before immersion was expressed as weight retention (%). did.
(フェントン試薬耐性)
過酸化水素水を純水で濃度3%に希釈し、ここに硫酸鉄を鉄イオン(Fe2+)濃度が20ppmとなるように溶解させた。この溶液に一定の大きさの膜試料(スルホン化ポリマーフィルム)を浸漬し、45℃で20時間静置した。浸漬前の該フィルムの重量に対する浸漬後の該フィルムの重量の割合を、重量保持率(%)とした。
(Fenton reagent resistance)
Hydrogen peroxide water was diluted with pure water to a concentration of 3%, and iron sulfate was dissolved therein so that the iron ion (Fe 2+ ) concentration was 20 ppm. A fixed-size membrane sample (sulfonated polymer film) was immersed in this solution and allowed to stand at 45 ° C. for 20 hours. The ratio of the weight of the film after immersion to the weight of the film before immersion was defined as the weight retention rate (%).
(分子量測定)
本実施例のポリアリーレンの重量平均分子量および数平均分子量は、溶剤としてテトラヒドロフラン(THF)を用い、GPCによって測定されたポリスチレン換算の分子量である。
(Molecular weight measurement)
The weight average molecular weight and number average molecular weight of the polyarylene of the present example are molecular weights in terms of polystyrene measured by GPC using tetrahydrofuran (THF) as a solvent.
(I)ベンゾフェノン誘導体(化合物(A1’−1))の合成
(i)2,5−ジクロロ−4’−ヒドロキシベンゾフェノンの合成
アニソール64.9g(600mmol)、ジクロロメタン480mLを、攪拌装置、窒素導入管、滴下ロートを取り付けた2Lの3口フラスコに入れ、氷浴で10℃に冷却後、塩化アルミニウム80g(600mmol)を加えた。次に、2,5−ジクロロ安息香酸クロリド125.7g(600mmol)を、滴下ロートからゆっくり滴下した。滴下終了後、塩化アルミニウム80g(600mmol)を追加した。この後室温に戻して、12時間攪拌を続けた。
(I) Synthesis of benzophenone derivative (compound (A 1 '-1)) (i) Synthesis of 2,5-dichloro-4'-hydroxybenzophenone 64.9 g (600 mmol) of anisole and 480 mL of dichloromethane were added to a stirring apparatus and nitrogen was introduced. The flask was placed in a 2 L 3-neck flask equipped with a dropping funnel and cooled to 10 ° C. in an ice bath, and then 80 g (600 mmol) of aluminum chloride was added. Next, 125.7 g (600 mmol) of 2,5-dichlorobenzoyl chloride was slowly dropped from the dropping funnel. After completion of dropping, 80 g (600 mmol) of aluminum chloride was added. Thereafter, the temperature was returned to room temperature and stirring was continued for 12 hours.
その後、濃塩酸300mLを含む2Lの氷水に反応液を注ぎ、分離した有機層を10%水酸化ナトリウム水溶液で抽出した。一方、水層を塩酸で中和して、析出した固体を酢酸エチル2Lで抽出した。溶媒を留去し、得られた固体を酢酸エチル:n−ヘキサンで再結晶し、136.3g(収率85%)の2,5−ジクロロ−4’−ヒドロキシベンゾフェノン(化合物(A1’−1))を得た。この化合物(A1’−1)の1H−NMRスペクトルを図1に示す。 Thereafter, the reaction solution was poured into 2 L of ice water containing 300 mL of concentrated hydrochloric acid, and the separated organic layer was extracted with a 10% aqueous sodium hydroxide solution. On the other hand, the aqueous layer was neutralized with hydrochloric acid, and the precipitated solid was extracted with 2 L of ethyl acetate. The solvent was evaporated, and the obtained solid with ethyl acetate: recrystallized from n- hexane, 136.3 g (85% yield) of 2,5-dichloro-4'-hydroxybenzophenone (Compound (A 1 '- 1)) was obtained. The 1 H-NMR spectrum of this compound (A 1 '-1) in FIG.
(ii)2,5−ジクロロ−4’−(テトラヒドロ−2−ピラニルオキシ)ベンゾフェノン(化合物(A1−1))の合成
化合物(A1’−1)である2,5−ジクロロ−4’−ヒドロキシベンゾフェノン26.7g(100mmol)、2H−ジヒドロピラン100g(1200mmol)、トルエン100mLをフラスコに入れ、これを攪拌しながら、陽イオン交換樹脂(アンバーリスト15)1.5gを加え、室温で5時間攪拌を続けた後、ろ過により陽イオン交換樹脂を除去した。次いで、得られたろ液を水酸化ナトリウム水溶液および食塩水で洗浄し、硫酸マグネシウムで乾燥させた後、溶媒を留去した。得られた固形物をトルエンで再結晶し、16.4g(収率47%)の2,5−ジクロロ−4’−(テトラヒドロ−2−ピラニルオキシ)ベンゾフェノン(化合物(A1−1))を得た。この化合物(A1−1)の1H−NMRスペクトルを図2に示す。また、実施例1における上記工程(i)および(ii)を下記の式(15)に示す。
(Ii) Synthesis of 2,5-dichloro-4 ′-(tetrahydro-2-pyranyloxy) benzophenone (compound (A 1 -1)) 2,5-dichloro-4′- which is compound (A 1 -1) Hydroxybenzophenone 26.7 g (100 mmol), 2H-dihydropyran 100 g (1200 mmol) and toluene 100 mL were placed in a flask, and 1.5 g of cation exchange resin (Amberlyst 15) was added to the flask while stirring. After continuing the stirring, the cation exchange resin was removed by filtration. Subsequently, the obtained filtrate was washed with an aqueous sodium hydroxide solution and brine, dried over magnesium sulfate, and then the solvent was distilled off. The obtained solid was recrystallized from toluene to obtain 16.4 g (yield 47%) of 2,5-dichloro-4 ′-(tetrahydro-2-pyranyloxy) benzophenone (compound (A 1 -1)). It was. The 1 H-NMR spectrum of this compound (A 1 -1) in FIG. Moreover, the said process (i) and (ii) in Example 1 is shown in following formula (15).
(II)化合物(A−1)の合成
化合物(A1−1)である2,5−ジクロロ−4’−(テトラヒドロ−2−ピラニルオキシ)ベンゾフェノン15.6g(44.4mmol)、化合物(A2)である4,4’−ジクロロベンゾフェノン・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重縮合物(数平均分子量11,200)6.55g(0.585mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド0.883g(1.35mmol)、ヨウ化ナトリウム0.877g(5.85mmol)、トリフェニルホスフィン4.72g(18mmol)、亜鉛7.06g(108mmol)を、攪拌羽根、温度計、窒素導入管をとりつけた500mLフラスコにとり、真空乾燥した。乾燥窒素でフラスコ内を置換した後、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)52mLを加え、重合を開始した。重合中は反応液の温度が70〜90℃の範囲になるように制御した。3時間後、DMAc200mLを加えて希釈し、不溶部をろ過して、重合体溶液のろ液を得た。
(II) Synthesis of Compound (A-1) 15.6 g (44.4 mmol) of 2,5-dichloro-4 ′-(tetrahydro-2-pyranyloxy) benzophenone which is Compound (A 1 -1), Compound (A 2) 4,4′-dichlorobenzophenone · 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,1,1,3,3,3-hexafluoropropane polycondensate (number average molecular weight 11,200) 6 .55 g (0.585 mmol), bis (triphenylphosphine) nickel dichloride 0.883 g (1.35 mmol), sodium iodide 0.877 g (5.85 mmol), triphenylphosphine 4.72 g (18 mmol), zinc 7. 06 g (108 mmol) was taken in a 500 mL flask equipped with a stirring blade, a thermometer, and a nitrogen introducing tube, and dried in a vacuum. After replacing the inside of the flask with dry nitrogen, 52 mL of N, N-dimethylacetamide (DMAc) was added to initiate polymerization. During the polymerization, the temperature of the reaction solution was controlled to be in the range of 70 to 90 ° C. Three hours later, DMAc (200 mL) was added for dilution, and the insoluble portion was filtered to obtain a polymer solution filtrate.
この重合体溶液のろ液のうち微量を採取して、メタノールに注いで重合体を沈殿させ、ろ過により沈殿物を分別した後、この沈殿物を乾燥させて得られた固体の1H―NMRスペクトルを図3に示す。図3に示す1H―NMRスペクトルから、この固体はテトラヒドロ−2−ピラニル基を有することが確認でき、その構造は化合物(A’−1)であると推測された。また、この固体についてGPCで求めた数平均分子量は28,000、重量平均分子量は103,000であった。 A very small amount of the filtrate of the polymer solution is collected, poured into methanol, the polymer is precipitated, the precipitate is separated by filtration, and the precipitate is dried, and the solid 1 H-NMR obtained is dried. The spectrum is shown in FIG. From the 1 H-NMR spectrum shown in FIG. 3, it was confirmed that this solid had a tetrahydro-2-pyranyl group, and the structure thereof was presumed to be the compound (A′-1). Moreover, the number average molecular weight calculated | required by GPC about this solid was 28,000, and the weight average molecular weight was 103,000.
一方、残りの重合体溶液のろ液を、濃塩酸10vol%を含むメタノール1.5Lに注ぎ、重合体を沈殿させた。次に、ろ過により沈殿物を分別した後、得られた固体を乾燥させて、ヒドロキシル基を有する重合体(化合物(A−1))14.3gを得た。この化合物(A−1)の1H―NMRスペクトルを図4に示す。図4に示すスペクトルから、この重合体はヒドロキシル基を有することが確認できた。なお、実施例1における上記工程(II)を下記の式(16)に示す。式(16)において、d,e,fは正の整数である。 On the other hand, the remaining polymer solution filtrate was poured into 1.5 L of methanol containing 10 vol% concentrated hydrochloric acid to precipitate the polymer. Next, after separating the precipitate by filtration, the obtained solid was dried to obtain 14.3 g of a polymer (compound (A-1)) having a hydroxyl group. The 1 H-NMR spectrum of this compound (A-1) is shown in FIG. From the spectrum shown in FIG. 4, it was confirmed that this polymer had a hydroxyl group. In addition, the said process (II) in Example 1 is shown to following formula (16). In Expression (16), d, e, and f are positive integers.
(III)スルホン酸基を有するポリアリーレン(1)の合成
化合物(A−1)15.2gをN,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)250mLに添加し、100℃に加熱しながら攪拌し溶解させた。次に、水素化リチウム1.06g(133mmol)を加え、2時間攪拌した。続いて、プロパンスルトン(B−1)16.2g(133mmol)を加え、8時間反応させた。次いで、前記反応液の不溶部をろ過した後、1N塩酸に注ぎ、重合体を沈殿させた。沈殿させた重合体を1N塩酸で洗浄した後、蒸留水でpHが中性になるまで洗浄した。この重合体を75℃で乾燥させて、粉末状のスルホン酸基を有するポリアリーレン(化合物(1))19.2gを得た。この化合物(1)の1H―NMRスペクトルを図5に示す。また、実施例1における上記工程(III)を下記の式(17)に示す。式(17)において、d,e,fは正の整数である。
(III) Synthesis of polyarylene (1) having a sulfonic acid group 15.2 g of the compound (A-1) was added to 250 mL of N, N-dimethylacetamide (DMAc), and dissolved by stirring while heating to 100 ° C. . Next, 1.06 g (133 mmol) of lithium hydride was added and stirred for 2 hours. Subsequently, 16.2 g (133 mmol) of propane sultone (B-1) was added and reacted for 8 hours. Next, the insoluble part of the reaction solution was filtered, and then poured into 1N hydrochloric acid to precipitate the polymer. The precipitated polymer was washed with 1N hydrochloric acid and then washed with distilled water until the pH became neutral. This polymer was dried at 75 ° C. to obtain 19.2 g of a polyarylene (compound (1)) having a powdered sulfonic acid group. The 1 H-NMR spectrum of this compound (1) is shown in FIG. Moreover, the said process (III) in Example 1 is shown in following formula (17). In Expression (17), d, e, and f are positive integers.
実施例1の(III)において、プロパンスルトン(B−1)16.2g(133mmol)のかわりに、ブタンスルトン(B−2)18.1g(133mmol)を使用したほかは、実施例1と同様に反応を行ない、粉末状のスルホン酸基を有するポリアリーレン(化合物(2))20.8gを得た。また、実施例2における上記工程(III)を下記の式(18)に示す。式(18)において、d,e,fは正の整数である。 Example 1 (III) was the same as Example 1 except that 18.1 g (133 mmol) of butane sultone (B-2) was used instead of 16.2 g (133 mmol) of propane sultone (B-1). The reaction was performed to obtain 20.8 g of a polyarylene (compound (2)) having a powdered sulfonic acid group. Moreover, the said process (III) in Example 2 is shown to following formula (18). In Expression (18), d, e, and f are positive integers.
(I)ベンゾフェノン誘導体(化合物(A1’−2))の合成
(i)2,5−ジクロロ−2’,4’−ジヒドロキシベンゾフェノンの合成
1,3−ジメトキシベンゼン33.2g(240mmol)、ジクロロメタン300mLを、攪拌装置、窒素導入管、滴下ロートを取り付けた2Lの3口フラスコに入れ、氷浴で10℃に冷却後、塩化アルミニウム32g(240mmol)を加えた。次に、2,5−ジクロロ安息香酸クロリド50.3g(240mmol)を、滴下ロートからゆっくり滴下した。滴下終了後、塩化アルミニウム32g(240mmol)を追加した。この後室温に戻して、12時間攪拌を続けた。
(I) Synthesis of benzophenone derivative (compound (A 1 '-2)) (i) Synthesis of 2,5-dichloro-2', 4'-
その後、濃塩酸150mLを含む1Lの氷水に反応液を注ぎ、分離した有機層を10%水酸化ナトリウム水溶液で抽出した。一方、水層を塩酸で中和して、析出した固体を酢酸エチル1Lで抽出した。溶媒を留去し、得られた固体を酢酸エチル:n−ヘキサンで再結晶し、57g(収率76%)の2,5−ジクロロ−2’,4’−ジヒドロキシベンゾフェノン(化合物A1’−2)を得た。 Thereafter, the reaction solution was poured into 1 L of ice water containing 150 mL of concentrated hydrochloric acid, and the separated organic layer was extracted with a 10% aqueous sodium hydroxide solution. On the other hand, the aqueous layer was neutralized with hydrochloric acid, and the precipitated solid was extracted with 1 L of ethyl acetate. The solvent was evaporated, and the obtained solid with ethyl acetate: recrystallized from n- hexane, 57 g (76% yield) of 2,5-dichloro-2 ', 4'-dihydroxybenzophenone (Compound A 1' - 2) was obtained.
(ii)2,5−ジクロロ−2’,4’−ジ(テトラヒドロ−2−ピラニルオキシ)ベンゾフェノン(化合物(A1−2))の合成
化合物(A1’−2)である2,5−ジクロロ−2’,4’−ジヒドロキシベンゾフェノン28.3g(100mmol)、2H−ジヒドロピラン200g(2400mmol)、トルエン100mLをフラスコに入れ、これを攪拌しながら、陽イオン交換樹脂(アンバーリスト15)3.0gを加え、室温で5時間攪拌を続けた後、ろ過により陽イオン交換樹脂を除去した。次いで、得られたろ液を水酸化ナトリウム水溶液および食塩水で洗浄し、硫酸マグネシウムで乾燥させた後、溶媒を留去した。得られた固形物をトルエンで再結晶し、21.2g(収率47%)の2,5−ジクロロ−2’,4’−ジ(テトラヒドロ−2−ピラニルオキシ)ベンゾフェノン(化合物(A1−2))を得た。また、実施例3における上記工程(i)および(ii)を下記の式(19)に示す。
(Ii) Synthesis of 2,5-dichloro-2 ′, 4′-di (tetrahydro-2-pyranyloxy) benzophenone (compound (A 1 -2)) 2,5-dichloro which is the compound (A 1 ′ -2) -2 ′, 4′-dihydroxybenzophenone 28.3 g (100 mmol), 2H-dihydropyran 200 g (2400 mmol) and toluene 100 mL were placed in a flask, and while stirring, 3.0 g of cation exchange resin (Amberlyst 15) And the stirring was continued at room temperature for 5 hours, and then the cation exchange resin was removed by filtration. Subsequently, the obtained filtrate was washed with an aqueous sodium hydroxide solution and brine, dried over magnesium sulfate, and then the solvent was distilled off. The resulting solid was recrystallized from toluene, 21.2 g (47% yield) of 2,5-dichloro-2 ', 4'-di (tetrahydro-2-pyranyloxy) benzophenone (Compound (A 1 -2 )). Moreover, the said process (i) and (ii) in Example 3 is shown to following formula (19).
(II)ポリアリーレン(化合物(A−2))の合成
化合物(A1−2)である2,5−ジクロロ−2’,4’−ジ(テトラヒドロ−2−ピラニルオキシ)ベンゾフェノン19.45g(43.1mmol)、化合物(A2−2)である4,4’−ジクロロベンゾフェノン・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重縮合物(数平均分子量11,200)20.12g(1.80mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド0.883g(1.35mmol)、ヨウ化ナトリウム0.877g(5.85mmol)、トリフェニルホスフィン4.72g(18mmol)、亜鉛7.06g(108mmol)を、攪拌羽根、温度計、窒素導入管をとりつけた500mLフラスコにとり、真空乾燥した。乾燥窒素でフラスコ内を置換した後、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)87mLを加え、重合を開始した。重合中は反応液の温度が70〜90℃の範囲になるように制御した。3時間後、DMAc200mLを加えて希釈し、不溶部をろ過して、重合体溶液のろ液を得た。この重合体溶液のろ液は化合物(A’−2)を含み、また、この化合物(A’−2)はテトラヒドロ−2−ピラニル基を有すると推測される。次に、この重合体溶液のろ液を、濃塩酸10vol%を含むメタノール1.5Lに注いで、重合体を沈殿させた。次に、ろ過により沈殿物を分別した後、得られた固体を乾燥させて、ヒドロキシル基を有する重合体(化合物(A−2))28.5gを得た。実施例3における上記工程(II)を下記の式(20)に示す。式(20)において、d,e,fは正の整数である。
(II) polyarylene (Compound (A-2)) A solution of compound (A 1 -2) 2,5-dichloro-2 ', 4'-di (tetrahydro-2-pyranyloxy) benzophenone 19.45 g (43 .1 mmol), 4,4′-dichlorobenzophenone · 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,1,1,3,3,3-hexafluoropropane polycondensation which is the compound (A 2 -2) Product (number average molecular weight 11,200) 20.12 g (1.80 mmol), bis (triphenylphosphine) nickel dichloride 0.883 g (1.35 mmol), sodium iodide 0.877 g (5.85 mmol), triphenylphosphine 4.72 g (18 mmol), 7.06 g (108 mmol) of zinc, 500 mL with a stirring blade, a thermometer, and a nitrogen introduction tube It took to the flask and vacuum-dried. After replacing the inside of the flask with dry nitrogen, 87 mL of N, N-dimethylacetamide (DMAc) was added to initiate polymerization. During the polymerization, the temperature of the reaction solution was controlled to be in the range of 70 to 90 ° C. Three hours later, DMAc (200 mL) was added for dilution, and the insoluble portion was filtered to obtain a polymer solution filtrate. The filtrate of this polymer solution contains a compound (A′-2), and this compound (A′-2) is presumed to have a tetrahydro-2-pyranyl group. Next, the filtrate of this polymer solution was poured into 1.5 L of methanol containing 10 vol% of concentrated hydrochloric acid to precipitate the polymer. Next, after separating the precipitate by filtration, the obtained solid was dried to obtain 28.5 g of a polymer (compound (A-2)) having a hydroxyl group. The above step (II) in Example 3 is shown in the following formula (20). In Expression (20), d, e, and f are positive integers.
(III)スルホン酸基を有するポリアリーレン(3)の合成
化合物(A−2)29.1gをN,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)
500mLに添加し、100℃に加熱しながら攪拌し溶解させた。次に、水素化リチウム
2.06g(258mmol)を加え、2時間攪拌した。続いて、プロパンスルトン(B−1)31.6g(258mmol)を加え、8時間反応させた。次いで、前記反応液の不溶部をろ過した後、1N塩酸に注ぎ、重合体を沈殿させた。沈殿させた重合体を1N塩酸で洗浄した後、蒸留水でpHが中性になるまで洗浄した。この重合体を75℃で乾燥させて、粉末状のスルホン酸基を有するポリアリーレン(化合物(3))38.2gを得た。また、実施例3における上記工程(III)を下記の式(21)に示す。式(21)において、d,e,fは正の整数である。
(III) Synthesis of polyarylene (3) having a sulfonic acid group 29.1 g of compound (A-2) was converted to N, N-dimethylacetamide (DMAc).
The solution was added to 500 mL and dissolved by stirring while heating to 100 ° C. Next, 2.06 g (258 mmol) of lithium hydride was added and stirred for 2 hours. Subsequently, 31.6 g (258 mmol) of propane sultone (B-1) was added and reacted for 8 hours. Next, the insoluble part of the reaction solution was filtered, and then poured into 1N hydrochloric acid to precipitate the polymer. The precipitated polymer was washed with 1N hydrochloric acid and then washed with distilled water until the pH became neutral. This polymer was dried at 75 ° C. to obtain 38.2 g of a polyarylene (compound (3)) having a powdered sulfonic acid group. Moreover, the said process (III) in Example 3 is shown to following formula (21). In the formula (21), d, e, and f are positive integers.
(I)ベンゾフェノン誘導体(化合物(A1’−3))の合成
(i)2,5−ジクロロ−4’−ヒドロチオベンゾフェノンの合成
メチルチオベンゼン74.5g(600mmol)、ジクロロメタン480mLを、攪拌装置、窒素導入管、滴下ロートを取り付けた2Lの3口フラスコに入れ、氷浴で10℃に冷却後、塩化アルミニウム80g(600mmol)を加えた。次に、2,5−ジクロロ安息香酸クロリド125.7g(600mmol)を、滴下ロートからゆっくり滴下した。滴下終了後、塩化アルミニウム80g(600mmol)を追加した。この後室温に戻して、12時間攪拌を続けた。
(I) Synthesis of benzophenone derivative (compound (A 1 '-3)) (i) Synthesis of 2,5-dichloro-4'-hydrothiobenzophenone 74.5 g (600 mmol) of methylthiobenzene and 480 mL of dichloromethane were added to a stirrer, The flask was placed in a 2 L three-necked flask equipped with a nitrogen inlet tube and a dropping funnel, cooled to 10 ° C. with an ice bath, and then 80 g (600 mmol) of aluminum chloride was added. Next, 125.7 g (600 mmol) of 2,5-dichlorobenzoyl chloride was slowly dropped from the dropping funnel. After completion of dropping, 80 g (600 mmol) of aluminum chloride was added. Thereafter, the temperature was returned to room temperature and stirring was continued for 12 hours.
その後、濃塩酸300mLを含む2Lの氷水に反応液を注ぎ、分離した有機層を10%水酸化ナトリウム水溶液で抽出した。一方、水層を塩酸で中和して、析出した固体を酢酸エチル2Lで抽出した。溶媒を留去し、得られた固体を酢酸エチル:n―ヘキサンで再結晶し、150g(収率88%)の2,5−ジクロロ−4’− ヒドロチオベンゾフェノン(化合物(A1’−3))を得た。
Thereafter, the reaction solution was poured into 2 L of ice water containing 300 mL of concentrated hydrochloric acid, and the separated organic layer was extracted with a 10% aqueous sodium hydroxide solution. On the other hand, the aqueous layer was neutralized with hydrochloric acid, and the precipitated solid was extracted with 2 L of ethyl acetate. The solvent was evaporated, and the obtained solid with ethyl acetate: n-was recrystallized from hexane, 150
(ii)2,5−ジクロロ−4’−(テトラヒドロ−2−ピラニルチオ)ベンゾフェノン(化合物(A1−3))の合成
化合物(A1’−3)である2,5−ジクロロ−4’−ヒドロチオベンゾフェノン28.3g(100mmol)、2H−ジヒドロピラン100g(1200mmol)、トルエン100mLをフラスコに入れ、これを攪拌しながら、陽イオン交換樹脂(アンバーリスト15)1.5gを加え、室温で5時間攪拌を続けた後、ろ過により陽イオン交換樹脂を除去した。次いで、得られたろ液を水酸化ナトリウム水溶液および食塩水で洗浄し、硫酸マグネシウムで乾燥させた後、溶媒を留去した。得られた固形物をトルエンで再結晶し、19.5g(収率53%)の2,5−ジクロロ−4’−(テトラヒドロ−2−ピラニルチオ)ベンゾフェノン(化合物(A1−3))を得た。また、実施例4における上記工程(i)および(ii)を下記の式(22)に示す。
(Ii) 2,5-dichloro-4 - a '(tetrahydro-2-Piraniruchio) benzophenone (Compound (A 1 -3)) Compound of (A 1' -3) 2,5-dichloro-4'- 28.3 g (100 mmol) of hydrothiobenzophenone, 100 g (1200 mmol) of 2H-dihydropyran and 100 mL of toluene were placed in a flask, and 1.5 g of cation exchange resin (Amberlyst 15) was added to the flask while stirring. After stirring for an hour, the cation exchange resin was removed by filtration. Subsequently, the obtained filtrate was washed with an aqueous sodium hydroxide solution and brine, dried over magnesium sulfate, and then the solvent was distilled off. The obtained solid was recrystallized from toluene to obtain 19.5 g (yield 53%) of 2,5-dichloro-4 ′-(tetrahydro-2-pyranylthio) benzophenone (compound (A 1 -3)). It was. Moreover, the said process (i) and (ii) in Example 4 is shown to following formula (22).
(II)ポリアリーレン(化合物(A−3))の合成
化合物(A1−3)である2,5−ジクロロ−4’−(テトラヒドロ−2−ピラニルチオ)ベンゾフェノン16.3g(44.4mmol)、化合物(A2−3)である4,4’−ジクロロベンゾフェノン・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重縮合物(数平均分子量11,200)6.55g(0.585mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド0.883g(1.35mmol)、ヨウ化ナトリウム0.877g(5.85mmol)、トリフェニルホスフィン4.72g(18mmol)、亜鉛7.06g(108mmol)を、攪拌羽根、温度計、窒素導入管をとりつけた500mLフラスコにとり、真空乾燥した。乾燥窒素でフラスコ内を置換したあと、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)52mLを加え、重合を開始した。重合中は反応液の温度が70〜90℃の範囲になるように制御した。3時間後、DMAc200mLを加えて希釈し、不溶部をろ過して、重合体溶液のろ液を得た。この重合体溶液のろ液は化合物(A’−3)を含み、また、この化合物(A’−3)はテトラヒドロ−2−ピラニル基を有すると推測される。この重合体溶液のろ液を、濃塩酸10vol%を含むメタノール1.5Lに注ぎ、重合体を沈殿させた。次に、ろ過により沈殿物を分別した後、得られた固体を乾燥させて、チオール基を有する重合体(化合物(A−3))15.2gを得た。実施例4における上記工程(II)を下記の式(23)に示す。式(23)において、d,e,fは正の整数である。
(II) Synthesis of polyarylene (compound (A-3)) 16.3 g (44.4 mmol) of 2,5-dichloro-4 ′-(tetrahydro-2-pyranylthio) benzophenone which is compound (A 1 -3), compound (a 2 -3) is 4,4'-dichlorobenzophenone-2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,1,1,3,3,3-hexafluoropropane polycondensate (number average Molecular weight 11,200) 6.55 g (0.585 mmol), bis (triphenylphosphine) nickel dichloride 0.883 g (1.35 mmol), sodium iodide 0.877 g (5.85 mmol), triphenylphosphine 4.72 g ( 18 mmol) and 7.06 g (108 mmol) of zinc in a 500 mL flask equipped with a stirring blade, a thermometer, and a nitrogen introduction tube. Ri, and dried under vacuum. After replacing the inside of the flask with dry nitrogen, 52 mL of N, N-dimethylacetamide (DMAc) was added to initiate polymerization. During the polymerization, the temperature of the reaction solution was controlled to be in the range of 70 to 90 ° C. Three hours later, DMAc (200 mL) was added for dilution, and the insoluble portion was filtered to obtain a polymer solution filtrate. The filtrate of this polymer solution contains a compound (A′-3), and this compound (A′-3) is presumed to have a tetrahydro-2-pyranyl group. The filtrate of this polymer solution was poured into 1.5 L of methanol containing 10 vol% concentrated hydrochloric acid to precipitate the polymer. Next, after separating the precipitate by filtration, the obtained solid was dried to obtain 15.2 g of a polymer (compound (A-3)) having a thiol group. The above step (II) in Example 4 is represented by the following formula (23). In Expression (23), d, e, and f are positive integers.
(III)スルホン酸基を有するポリアリーレン(4)の合成
化合物(A−3)15.2gをN,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)
250mLに添加し、100℃に加熱しながら攪拌し溶解させた。次に、水素化リチウム
1.06g(133mmol)を加え、2時間攪拌した。続いて、プロパンスルトン(B−1)16.2g(133mmol)を加え、8時間反応させた。次いで、前記反応液の不溶部をろ過した後、1N塩酸に注ぎ、重合体を沈殿させた。沈殿させた重合体を1N塩酸で洗浄した後、蒸留水でpHが中性になるまで洗浄した。この重合体を75℃で乾燥させて、粉末状のスルホン酸基を有するポリアリーレン(化合物(4))19.9gを得た。また、実施例4における上記工程(III)を下記の式(24)に示す。式(24)において、d,e,fは正の整数である。
(III) Synthesis of polyarylene (4) having a sulfonic acid group 15.2 g of compound (A-3) was converted to N, N-dimethylacetamide (DMAc).
The solution was added to 250 mL and stirred and dissolved while heating to 100 ° C. Next, 1.06 g (133 mmol) of lithium hydride was added and stirred for 2 hours. Subsequently, 16.2 g (133 mmol) of propane sultone (B-1) was added and reacted for 8 hours. Next, the insoluble part of the reaction solution was filtered, and then poured into 1N hydrochloric acid to precipitate the polymer. The precipitated polymer was washed with 1N hydrochloric acid and then washed with distilled water until the pH became neutral. This polymer was dried at 75 ° C. to obtain 19.9 g of a polyarylene (compound (4)) having a powdered sulfonic acid group. Moreover, the said process (III) in Example 4 is shown to following formula (24). In Expression (24), d, e, and f are positive integers.
上記実施例1〜4でそれぞれ得られた本発明のポリアリーレンの特性を表1に示す。 Table 1 shows the characteristics of the polyarylenes of the present invention obtained in Examples 1 to 4, respectively.
Claims (6)
で表される基または直接結合を示し、Zは酸素原子または硫黄原子を示し、Rは水素原子、フッ素原子、アルキル基、およびフッ素置換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し、aは1〜20の整数、nは1〜5の整数、pは0〜10の整数を示す。〕 A polyarylene containing a structural unit represented by the following general formula (1).
In represented by a group or a direct bond, Z is an oxygen atom or a sulfur atom, R represents a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, and at least one atom or group chosen from the group consisting of fluorine-substituted alkyl group A is an integer of 1 to 20, n is an integer of 1 to 5, and p is an integer of 0 to 10. ]
上記一般式(1)で表される構成単位0.5〜100モル%と、下記一般式(2)で表される構成単位0〜99.5モル%とを含む、ポリアリーレン。
で表される基を示し、mは0または正の整数を示す。〕 In claim 1,
The polyarylene containing 0.5-100 mol% of structural units represented by the general formula (1) and 0-99.5 mol% of structural units represented by the following general formula (2).
And m represents 0 or a positive integer. ]
上記化合物(A)は、上記一般式(2)で表される構造単位をさらに含む、ポリアリーレンの製造方法。 In claim 3,
The said compound (A) is a manufacturing method of polyarylene further including the structural unit represented by the said General formula (2).
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