JP5625317B2 - Novel aromatic compounds and polyarylene copolymers having aromatic rings containing sulfonic acid groups in the side chains - Google Patents
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Description
本発明は、新規な芳香族化合物およびポリアリーレン系共重合体およびこれを用いたプロトン伝導膜に関し、さらに詳細には、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、各種センサー、信号伝達媒体、固体コンデンサー、イオン交換膜などに利用可能なプロトン伝導膜に有用である、側鎖にスルホン化された芳香環を有する構造を含むポリアリーレン系共重合体および該共重合体に使用される新規芳香族化合物に関する。 The present invention relates to a novel aromatic compound and polyarylene-based copolymer and a proton conductive membrane using the same, and more specifically, an electrolyte for a primary battery, an electrolyte for a secondary battery, a solid polymer electrolyte for a fuel cell, A polyarylene copolymer containing a structure having an aromatic ring sulfonated in a side chain, which is useful for a proton conductive membrane usable for a display element, various sensors, a signal transmission medium, a solid capacitor, an ion exchange membrane, and the like, and The present invention relates to a novel aromatic compound used for the copolymer.
燃料電池は、高い発電効率を有し、排出物も少ない、環境への負担の低い発電システムである。近年の地球環境保護、化石燃料依存からの脱却への関心の高まりにつれて、脚光を浴びている。燃料電池は、小型の分散型発電施設、自動車や船舶等の移動体の駆動源としての発電装置、また、リチウムイオン電池等の二次電池に替わる携帯電話やモバイルパソコン等への搭載が期待されている。 A fuel cell is a power generation system with high power generation efficiency, low emissions, and low environmental burden. In recent years, with the growing interest in protecting the global environment and escaping from fossil fuel dependence, it is in the spotlight. Fuel cells are expected to be installed in small distributed power generation facilities, power generation devices as driving sources for moving bodies such as automobiles and ships, and mobile phones and mobile personal computers that replace secondary batteries such as lithium ion batteries. ing.
高分子電解質型燃料電池は、プロトン伝導性の固体高分子電解質膜の両面に一対の電極を設け、純水素あるいは改質水素ガスを燃料として一方の電極(燃料極)へ供給し、酸素ガスあるいは空気を酸化剤として異なる電極(空気極)へ供給し、起電力を得るものである。また、水電解は、固体高分子電解質膜を用いて、水を電気分解することにより燃料電池反応の逆反応が起こり水素と酸素を製造するものである。 A polymer electrolyte fuel cell is provided with a pair of electrodes on both sides of a proton-conducting solid polymer electrolyte membrane, and supplies pure hydrogen or reformed hydrogen gas as fuel to one electrode (fuel electrode). Air is supplied as an oxidizing agent to different electrodes (air electrodes) to obtain an electromotive force. In water electrolysis, water is electrolyzed using a solid polymer electrolyte membrane to produce a reverse reaction of the fuel cell reaction to produce hydrogen and oxygen.
しかしながら、実際の燃料電池や水電解ではこれらの主反応の他に、副反応が起こる。その代表的なものが過酸化水素(H2O2)の生成であり、この過酸化水素に起因するラジカル種が固体高分子電解質膜を劣化させる原因となっている。 However, in actual fuel cells and water electrolysis, side reactions occur in addition to these main reactions. A typical example is the generation of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), and the radical species resulting from the hydrogen peroxide cause the solid polymer electrolyte membrane to deteriorate.
従来、固体高分子電解質膜としては、Nafion(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成工業(株)製)、フレミオン(登録商標、旭硝子(株)製)の商品名で市販されているパーフルオロスルホン酸系膜が、その化学安定性に優れている点から用いられてきた。 Conventionally, solid polymer electrolyte membranes are commercially available under the trade names Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Kogyo Co., Ltd.), and Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.). Perfluorosulfonic acid membranes that have been used have been used because of their excellent chemical stability.
しかしながら、Nafionのようなパーフルオロスルホン酸系膜は、製造が困難であるため、非常に高価であるという問題があり、燃料電池車や家庭用燃料電池発電システム等の民生用途への普及の大きな障害となっている。また、分子内に大量のフッ素原子を有しているため、使用後の廃棄処理についても、環境への大きな負荷という問題を抱えている。 However, since perfluorosulfonic acid membranes such as Nafion are difficult to manufacture, there is a problem that they are very expensive, and are widely used in consumer applications such as fuel cell vehicles and household fuel cell power generation systems. It is an obstacle. In addition, since it has a large amount of fluorine atoms in the molecule, the disposal treatment after use also has a problem of a heavy load on the environment.
また、燃料電池はより高温で、かつ電極間のプロトン伝導膜の膜厚が薄いほど、膜抵抗が小さく、発電出力を高めることができる。しかし、これらのパーフルオロ酸系膜は、熱変形温度が80〜100℃程度であるため、高温時のクリープ耐性が非常に乏しく、それゆえ燃料電池にこれらの膜を用いた際の発電温度を80℃以下に保たなければならず、発電出力に制限があるといった問題がある。また、長期に使用する際の膜厚の安定性にも乏しく、電極間の短絡(ショート)を防ぐために、ある程度の膜厚(50μm以上)が必要で、薄膜化したパーフルオロ酸系膜を用いることは困難であると考えられている。 In addition, the higher the temperature of the fuel cell and the thinner the proton conductive membrane between the electrodes, the smaller the membrane resistance and the higher the power generation output. However, since these perfluoro acid-based membranes have a thermal deformation temperature of about 80 to 100 ° C., the creep resistance at a high temperature is very poor. Therefore, the power generation temperature when using these membranes in a fuel cell is low. There is a problem that power generation output is limited because it must be kept at 80 ° C. or lower. In addition, the film thickness is poor when used for a long period of time, and in order to prevent a short circuit between the electrodes, a certain degree of film thickness (50 μm or more) is required, and a thin perfluoro acid-based film is used. It is considered difficult.
こういったパーフルオロスルホン酸系膜の問題を解決するために、フッ素原子を含まず、より安価で、エンジニアプラスチックにも用いられるような耐熱性主鎖骨格を有する固体高分子電解質膜が、現在、数多く研究されている。ポリアリーレン系、ポリエーテルエーテルケトン系、ポリエーテルスルホン系、ポリフェニレンスルフィド系、ポリイミド系、ポリベンザゾール系の主鎖芳香環をスルホン化したポリマーが提案されている(非特許文献1〜3)。 In order to solve such problems of perfluorosulfonic acid membranes, solid polymer electrolyte membranes that do not contain fluorine atoms, are cheaper, and have a heat-resistant main chain skeleton that is also used for engineer plastics are currently available. Many studies have been conducted. Polymers in which a main chain aromatic ring of polyarylene, polyether ether ketone, polyether sulfone, polyphenylene sulfide, polyimide, or polybenzazole is sulfonated have been proposed (Non-Patent Documents 1 to 3).
本発明の目的は、従来検討されてきたフッ素系電解質膜ならびに芳香族系電解質膜の問題点を解決し、ドライな環境下での架橋耐性および熱水条件下での膨潤を改良し、且つプロトン伝導性に優れるポリアリーレン系共重合体および高分子電解質を提供することにある。 The object of the present invention is to solve the problems of the fluorine-based electrolyte membrane and the aromatic-based electrolyte membrane that have been studied conventionally, to improve the cross-linking resistance in a dry environment and the swelling under hydrothermal conditions, and An object of the present invention is to provide a polyarylene copolymer and a polymer electrolyte excellent in conductivity.
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、主鎖に窒素を含む複素環を有する高分子電解質が、本発明の目的を満たす新規な材料であることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。
As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have found that a polymer electrolyte having a heterocyclic ring containing nitrogen in the main chain is a novel material that satisfies the object of the present invention, The present invention has been completed.
That is, the gist of the present invention is as follows.
[1]下記一般式(I)で示されるプロトン伝導性基を有する構造単位を含有し、かつ、下記一般式(II)で示される窒素を含む複素環構造を有する構造単位を主鎖に含有してなることを特徴とするポリアリーレン系共重合体。 [1] Containing a structural unit having a proton conductive group represented by the following general formula (I) and having a heterocyclic structure containing nitrogen represented by the following general formula (II) in the main chain A polyarylene copolymer characterized by comprising:
[2]前記ポリアリーレン系共重合体が、下記一般式(III)で表される芳香族構造を有する構造単位を含むことを特徴とする[1]に記載のポリアリーレン系共重合体。
[2] The polyarylene copolymer according to [1], wherein the polyarylene copolymer includes a structural unit having an aromatic structure represented by the following general formula (III).
[3]前記式(II)においてAr31が、ピロール、2H−ピロール、イミダゾール、ピラゾール、イソチアゾール、イソオキサゾール、ピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、インドリジン、イソインドール、3H−インドール、インドール、1H−インダゾール、プリン、4H−キノリジン、キノリン、イソキノリン、フタラジン、ナフチリジン、キノキサリン、キナゾリン、シンノリン、プテリジン、カルバゾール、カルボリン、フェナントリジン、アクリジン、ペリミジン、フェナントロリン、フェナジン、フェノチアジン、フラザン、フェノキサジン、ピロリジン、ピロリン、イミダゾリン、イミダゾリジン、ピラゾリジン、ピラゾリン、ピペリジン、ピペラジン、インドリン、イソインドリン、キヌクリジン、オキサゾール、ベンゾオキサゾール、1,3,5−トリアジン、ブリン、テトラゾール、テトラジン、トリアゾール、フェナルサジン、ベンゾイミダゾール、ベンゾトリアゾール、チアゾール、ベンゾチアゾール、ベンゾチアジアゾールからなる群より選ばれる少なくとも1種に由来する構造か、
又は、下記式で表される構造からなる群より選ばれる少なくとも1種の構造を含むことを特徴とする[1]に記載のポリアリーレン系共重合体。
[3] In the formula (II), Ar 31 is pyrrole, 2H-pyrrole, imidazole, pyrazole, isothiazole, isoxazole, pyridine, pyrazine, pyrimidine, pyridazine, indolizine, isoindole, 3H-indole, indole, 1H -Indazole, purine, 4H-quinolidine, quinoline, isoquinoline, phthalazine, naphthyridine, quinoxaline, quinazoline, cinnoline, pteridine, carbazole, carboline, phenanthridine, acridine, perimidine, phenanthroline, phenazine, phenothiazine, furazane, phenoxazine, pyrrolidine, Pyrroline, imidazoline, imidazolidine, pyrazolidine, pyrazoline, piperidine, piperazine, indoline, isoindoline, quinuclidine, oxazol , Benzoxazole, 1,3,5-triazine, Brin, tetrazole, tetrazine, triazole, phenarsazine, benzimidazole, benzotriazole, thiazole, benzothiazole, or structure derived from at least one selected from the group consisting of benzothiadiazole,
Or the polyarylene-type copolymer as described in [1] characterized by including the at least 1 sort (s) of structure chosen from the group which consists of a structure represented by a following formula.
[4][1]から[3]のいずれかに記載のポリアリーレン系共重合体からなる高分子電解質。
[5]イオン交換容量が、0.5〜3.5meq/gであることを特徴とする[1]から[3]のいずれかに記載のポリアリーレン系共重合体からなる高分子電解質。
[4] A polymer electrolyte comprising the polyarylene copolymer according to any one of [1] to [3].
[5] The polymer electrolyte comprising the polyarylene copolymer according to any one of [1] to [3], wherein the ion exchange capacity is 0.5 to 3.5 meq / g.
本発明によれば、安価で、環境への負荷が少なく、プロトン伝導性、寸法安定性、機械的特性、および加工性(プロトン伝導膜・ガス拡散層と電極層の接合性)に優れ、化学劣化に対する耐久性も改良され、しかも主鎖に窒素を含む複素環が導入されているので、スルホン酸基を有する構造単位とともに有するとプロトン伝導度を低下させることなく、熱水中での膨潤を抑制し、耐熱性を向上させることができ、架橋耐性が高く、発電性能と発電耐久性にも優れたポリアリーレン系共重合体および高分子電解質を提供することができる。 According to the present invention, it is inexpensive, has a low environmental impact, has excellent proton conductivity, dimensional stability, mechanical properties, and processability (bondability of proton conductive membrane / gas diffusion layer and electrode layer), chemical Durability against deterioration has also been improved, and since a heterocyclic ring containing nitrogen is introduced in the main chain, if it is included with a structural unit having a sulfonic acid group, it can be swollen in hot water without reducing proton conductivity. Thus, it is possible to provide a polyarylene copolymer and a polymer electrolyte that can be suppressed, improve heat resistance, have high crosslinking resistance, and have excellent power generation performance and power generation durability.
以下、本発明について詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail.
<ポリアリーレン系共重合体>
本発明のポリアリーレン系共重合体は、スルホン酸基を有する構造単位と含窒素複素環構造を有する構造単位とを有する。
さらに、本発明のポリアリーレン系共重合体は、芳香族構造を有する構造単位を有することが好ましい。
このような構造を有するポリアリーレン系共重合体は、主鎖に含窒素複素環を含む。該含窒素複素環基は、プロトン伝導性を損なわず、これらの効果を発現できる適度な強さの塩基性基である。かかる複素環の窒素原子は、塩基性を有するため、スルホン酸基との間でイオン的な相互作用を形成する。これによって、スルホン酸基の安定性を高め、高温条件下でのスルホン酸基の脱離が抑制される。また、同様に高温条件下でスルホン酸基に由来するポリマー分子間の架橋反応をも抑制することができる。また、主鎖に窒素を含む複素環が導入されているので、イオン伝導性基を有する構造単位とともに有するとプロトン伝導度を低下させることなく、熱水中での膨潤を抑制し、耐熱性を向上させることができ、架橋耐性に優れたものとなる。
このため、かかるポリアリーレン系共重合体を含む電極電解質は、広範囲な温度、湿度、特に高温下でも発電可能になり、発電出力を向上することができる。また、高温下で使用しても、スルホン酸基等のイオン伝導性基が高い安定性を有することから、電池寿命を大幅に向上させた燃料電池を得ることができる。
ここで、架橋耐性とは、側鎖末端のスルホン基が劣化し、側鎖が架橋することに耐え得る性質のことをいう。
< Polyarylene copolymer>
The polyarylene copolymer of the present invention has a structural unit having a sulfonic acid group and a structural unit having a nitrogen-containing heterocyclic structure.
Furthermore, the polyarylene copolymer of the present invention preferably has a structural unit having an aromatic structure.
The polyarylene copolymer having such a structure contains a nitrogen-containing heterocycle in the main chain. The nitrogen-containing heterocyclic group is a basic group having an appropriate strength capable of exhibiting these effects without impairing proton conductivity. Since the nitrogen atom of such a heterocyclic ring has basicity, it forms an ionic interaction with the sulfonic acid group. This enhances the stability of the sulfonic acid group and suppresses the elimination of the sulfonic acid group under high temperature conditions. Similarly, the cross-linking reaction between polymer molecules derived from sulfonic acid groups can be suppressed under high temperature conditions. In addition, since a heterocyclic ring containing nitrogen is introduced in the main chain, when it is included with a structural unit having an ion conductive group, swelling in hot water is suppressed without lowering proton conductivity, and heat resistance is improved. It can be improved and has excellent cross-linking resistance.
For this reason, the electrode electrolyte containing such a polyarylene-based copolymer can generate power even in a wide range of temperatures and humidity, particularly at high temperatures, and can improve power generation output. In addition, even when used at high temperatures, since the ion conductive group such as a sulfonic acid group has high stability, a fuel cell with greatly improved battery life can be obtained.
Here, the term “cross-linking resistance” refers to a property that can withstand the deterioration of the sulfo group at the end of the side chain and the cross-linking of the side chain.
[プロトン伝導性基を有する構造単位]
プロトン伝導性基を有する構造単位は下記式(1)で表される。プロトン伝導性基を有する構造単位としては、スルホン酸基を有する構造単位が好ましい。
[Structural unit having proton conductive group]
The structural unit having a proton conductive group is represented by the following formula (1). The structural unit having a proton conductive group is preferably a structural unit having a sulfonic acid group.
Yは、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−,−COO−、−(CF2)u−(uは1〜10の整数である)、−C(CF3)2−、または直接結合を示す。
Zは、−O−、−S−、直接結合、−CO−、−SO2−、−SO−、−(CH2)l−(lは1〜10の整数である)、または−C(CH3)2−を示す。
R11は、直接結合、−O(CH2)p−、−O(CF2)p−、−(CH2)p−または−(CF2)p−を示す(pは、1〜12の整数を示す)。
R12、R13は、それぞれ独立に、水素原子、アルカリ金属原子または脂肪族炭化水素基、脂環基、酸素を含む複素環基を示す。ただし、上記式中に含まれる全てのR12およびR13のうち少なくとも1個は水素原子である。
x1は、0〜4の整数。x2は、1〜5の整数。aは、0〜1の整数。bは、0〜3の整数を示す。
前記式(1)で表されるプロトン伝導性基を有する構造単位としては、下記式(1’'')で表される構造単位が好ましい。
Y represents —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) u — (u is an integer of 1 to 10), —C (CF 3 ) 2. -Or indicates direct binding.
Z is —O—, —S—, a direct bond, —CO—, —SO 2 —, —SO—, — (CH 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10), or —C ( CH 3 ) 2 —.
R 11 represents a direct bond, —O (CH 2 ) p —, —O (CF 2 ) p —, — (CH 2 ) p — or — (CF 2 ) p — (p is 1 to 12) Indicates an integer).
R 12 and R 13 each independently represent a hydrogen atom, an alkali metal atom, an aliphatic hydrocarbon group, an alicyclic group, or a heterocyclic group containing oxygen. However, at least one of all R 12 and R 13 included in the above formula is a hydrogen atom.
x 1 is 0-4 integer. x 2 is an integer of 1 to 5. a is an integer of 0 to 1. b shows the integer of 0-3.
As the structural unit having a proton conductive group represented by the formula (1), a structural unit represented by the following formula (1 ′ ″) is preferable.
ここで、上記mとしては、0または1が好ましく、nとしては、0または1が好ましく、kとしては、1であることが好ましい。
スルホン酸基を有する構造単位の具体的構造としては、下記を挙げることができる。
Here, m is preferably 0 or 1, n is preferably 0 or 1, and k is preferably 1.
Specific examples of the structural unit having a sulfonic acid group include the following.
本発明のポリアリーレン系共重合体がこのようなスルホン酸基を有する構造単位を、窒素を含む複素環構造を有する構造単位とともに有することで、良好なプロトン伝導度が得られるという作用効果を奏することができる。 The polyarylene copolymer of the present invention has such an effect that a good proton conductivity is obtained by having such a structural unit having a sulfonic acid group together with a structural unit having a heterocyclic structure containing nitrogen. be able to.
[窒素を含む複素環構造を有する構造単位]
窒素を含む複素環構造を有する構造単位は下記一般式(2)で表される。
[Structural units having a heterocyclic structure containing nitrogen]
The structural unit having a heterocyclic structure containing nitrogen is represented by the following general formula (2).
Ar31は、窒素を含む複素環を示し、具体的には、ピロール、2H−ピロール、イミダゾール、ピラゾール、イソチアゾール、イソオキサゾール、ピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、インドリジン、イソインドール、3H−インドール、インドール、1H−インダゾール、プリン、4H−キノリジン、キノリン、イソキノリン、フタラジン、ナフチリジン、キノキサリン、キナゾリン、シンノリン、プテリジン、カルバゾール、カルボリン、フェナントリジン、アクリジン、ペリミジン、フェナントロリン、フェナジン、フェノチアジン、フラザン、フェノキサジン、ピロリジン、ピロリン、イミダゾリン、イミダゾリジン、ピラゾリジン、ピラゾリン、ピペリジン、ピペラジン、インドリン、イソインドリン、キヌクリジン、オキサゾール、ベンゾオキサゾール、1,3,5−トリアジン、ブリン、テトラゾール、テトラジン、トリアゾール、フェナルサジン、ベンゾイミダゾール、ベンゾトリアゾール、チアゾール、ベンゾチアゾール、ベンゾチアジアゾールからなる群より選ばれる少なくとも1種に由来する構造か、
下記式で表される構造からなる群より選ばれる少なくとも1種の構造を含む。
Ar 31 represents a nitrogen-containing heterocyclic ring, specifically, pyrrole, 2H-pyrrole, imidazole, pyrazole, isothiazole, isoxazole, pyridine, pyrazine, pyrimidine, pyridazine, indolizine, isoindole, 3H-indole. , Indole, 1H-indazole, purine, 4H-quinolidine, quinoline, isoquinoline, phthalazine, naphthyridine, quinoxaline, quinazoline, cinnoline, pteridine, carbazole, carboline, phenanthridine, acridine, perimidine, phenanthroline, phenazine, phenothiazine, furazane, phenoxy Sazine, pyrrolidine, pyrroline, imidazoline, imidazolidine, pyrazolidine, pyrazoline, piperidine, piperazine, indoline, isoindoline, quinuclidine, Is it a structure derived from at least one selected from the group consisting of xazole, benzoxazole, 1,3,5-triazine, bryne, tetrazole, tetrazine, triazole, phenalsazine, benzimidazole, benzotriazole, thiazole, benzothiazole, benzothiadiazole? ,
It contains at least one structure selected from the group consisting of structures represented by the following formulae.
この内、ピロール、ピリジン、ピリミジン、キノリン、イソキノリン、キノキサリン、フタラジン、ナフチリジン、フェナントロリン、フェナジン、ベンゾイミダゾール、ベンゾトリアゾール、チアゾール、ベンゾチアジアゾール、および、下記式で表される構造が特に好ましい。 Among these, pyrrole, pyridine, pyrimidine, quinoline, isoquinoline, quinoxaline, phthalazine, naphthyridine, phenanthroline, phenazine, benzimidazole, benzotriazole, thiazole, benzothiadiazole, and structures represented by the following formulas are particularly preferable.
本発明で用いられるポリアリーレン系共重合体が上記のような窒素を有する複素環構造を有する構造単位をその主鎖にイオン伝導性基(スルホン酸基)を有する構造単位とともに有すると、プロトン伝導度を低下させることなく、熱水中での膨潤を抑制し、耐熱性を向上させることができるという作用効果を奏するため好ましい。 When the polyarylene copolymer used in the present invention has a structural unit having a heterocyclic structure having nitrogen as described above together with a structural unit having an ion conductive group (sulfonic acid group) in the main chain, proton conduction It is preferable because the effect of suppressing the swelling in hot water and improving the heat resistance can be achieved without reducing the degree.
[芳香族構造を有する構造単位]
さらに、本発明で使用されるポリアリーレン系共重合体は、芳香族構造を有する構造単位を有していてもよい。
かかる重合体が、このような芳香族構造を有する構造単位を含有していると、本発明で使用されるポリアリーレン系共重合体の疎水性が著しく向上する。このため、従来と同様のプロトン伝導性を具備しながら、熱水中での膨潤を抑制し、耐熱性を付与することができるため好ましい。
芳香族構造を有する構造単位は、下記式(3)で表される。
[Structural unit having aromatic structure]
Furthermore, the polyarylene-based copolymer used in the present invention may have a structural unit having an aromatic structure.
When such a polymer contains a structural unit having such an aromatic structure, the hydrophobicity of the polyarylene copolymer used in the present invention is remarkably improved. For this reason, since it can suppress the swelling in hot water and provide heat resistance, providing the proton conductivity similar to the past, it is preferable.
The structural unit having an aromatic structure is represented by the following formula (3).
ただし、Ar21、Ar22、Ar23、Ar24は、その水素原子の一部またはすべてが、フッ素原子、ニトロ基、ニトリル基、または、水素原子の一部またはすべてがハロゲン化置換されていてもよいアルキル基、アリル基若しくはアリール基からなる群より選ばれる少なくとも1種の原子または基で置換されていてもよい。
A、Dは、それぞれ独立に、直接結合または、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2)l−(lは1〜10の整数である)、−(CH2)l−(lは1〜10の整数である)、−CR’2−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基およびハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−またはS−を示し、
Bは酸素原子または硫黄原子であり
s、tは、それぞれ独立に、0〜4の整数を示し、rは、0または1以上の整数を示す。
構造単位の端部における単線のうち、一方に置換基が表示されていないものは隣り合う構造単位との接続を意味する。
ここで、s、tは、それぞれ独立に、0〜2の整数であることが好ましい。
However, Ar 21 , Ar 22 , Ar 23 , and Ar 24 are such that some or all of the hydrogen atoms are fluorine-substituted, nitro, nitrile, or some or all of the hydrogen atoms are halogenated. It may be substituted with at least one atom or group selected from the group consisting of an alkyl group, an allyl group or an aryl group.
A and D are each independently a direct bond or —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10; A), — (CH 2 ) 1 — (wherein 1 is an integer of 1 to 10), —CR ′ 2 — (R ′ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group and a halogenated hydrocarbon group. ), Cyclohexylidene group, fluorenylidene group, -O- or S-
B is an oxygen atom or a sulfur atom. S and t each independently represent an integer of 0 to 4, and r represents 0 or an integer of 1 or more.
Among the single lines at the end of the structural unit, those not having a substituent displayed on one side mean connection with the adjacent structural unit.
Here, it is preferable that s and t are each independently an integer of 0 to 2.
芳香族構造を有する構造単位の具体的構造としては、下記を挙げることができる。 Specific examples of the structural unit having an aromatic structure include the following.
[ポリアリーレン系共重合体]
本発明のポリアリーレン系共重合体は、下記一般式(4)で表される。
なお、本発明における主鎖とは、繰り返し単位が重合によって接続される長鎖部分であり、側鎖とは主鎖から分岐して構成される部分である。
[Polyarylene copolymer]
The polyarylene copolymer of the present invention is represented by the following general formula (4).
The main chain in the present invention is a long chain portion in which repeating units are connected by polymerization, and the side chain is a portion that is branched from the main chain.
本発明で用いられるポリアリーレン系共重合体1モルが有する式(1)で表される構造単位のモル数を(x)、式(2)で表される構造単位のモル数を(y)、式(3)で表される構造単位のモル数を(z)とするとき、(x)/{(x)+(y)+(z)}×100の値は、好ましくは0.05〜99.95であり、さらに好ましくは0.5〜99.9であり、特に好ましくは1〜90である。 The number of moles of the structural unit represented by the formula (1) possessed by 1 mole of the polyarylene copolymer used in the present invention is (x), and the number of moles of the structural unit represented by the formula (2) is (y). When the number of moles of the structural unit represented by formula (3) is (z), the value of (x) / {(x) + (y) + (z)} × 100 is preferably 0.05. It is -99.95, More preferably, it is 0.5-99.9, Most preferably, it is 1-90.
また、(y)/{(x)+(y)+(z)}×100の値は、好ましくは0.05〜99.95であり、さらに好ましくは0.1〜99であり、特に好ましくは0.5〜90である。 The value of (y) / {(x) + (y) + (z)} × 100 is preferably 0.05 to 99.95, more preferably 0.1 to 99, and particularly preferably. Is 0.5-90.
本発明のポリアリーレン共重合体中に式(2)で表される構造単位のモル数を(y)がこのような量で含まれると、該ポリアリーレン系共重合体から得られる高分子電解質は、熱水条件下における膨潤抑制、面積変化抑制に優れ、高温条件下における架橋耐性に優れるため好ましい。 When the polyarylene copolymer of the present invention contains (y) in such an amount as the number of moles of the structural unit represented by the formula (2), the polymer electrolyte obtained from the polyarylene copolymer Is preferable because it is excellent in suppressing swelling and area change under hot water conditions and excellent in cross-linking resistance under high temperature conditions.
また、式(2)で表される構造単位と式(1)で表される構造単位の比率(y)/(x)は、0.01〜20、好ましくは0.1〜15、より好ましくは0.5〜10であることが好ましい。式(2)で表される構造単位と式(1)で表される構造単位の比率が上記範囲にあると、共重合体は、プロトン伝導度を低下させることなく、熱水中での膨潤を抑制し、耐熱性を向上させることができるため好ましい。 Moreover, the ratio (y) / (x) of the structural unit represented by the formula (2) and the structural unit represented by the formula (1) is 0.01 to 20, preferably 0.1 to 15, more preferably. Is preferably 0.5 to 10. When the ratio of the structural unit represented by the formula (2) and the structural unit represented by the formula (1) is in the above range, the copolymer swells in hot water without decreasing the proton conductivity. Can be suppressed, and heat resistance can be improved.
また、(z)/{(x)+(y)+(z)}×100の値は、好ましくは0〜99.5であり、さらに好ましくは0.01〜99であり、特に好ましくは0.1〜98である。 Further, the value of (z) / {(x) + (y) + (z)} × 100 is preferably 0 to 99.5, more preferably 0.01 to 99, and particularly preferably 0. .1 to 98.
ポリアリーレン系共重合体の分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(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、さらに好ましくは5万〜30万である。
ポリアリーレン系共重合体のイオン交換容量は0.5〜3.5meq/g、好ましくは0.5〜3.0meq/g、さらに好ましくは0.8〜2.8meq/gであることが望ましい。イオン交換容量が、0.5meq/g以上であれば、プロトン伝導度が高く、かつ発電性能の高い高分子電解質を得ることができるため好ましい。一方、3.5meq/g以下であれば、充分に高い耐水性を具備できるため好ましい。
The molecular weight of the polyarylene-based copolymer is 10,000 to 1,000,000, preferably 20,000 to 800,000, and more preferably 50,000 to 300,000 in terms of polystyrene-equivalent weight average molecular weight by gel permeation chromatography (GPC). .
The ion exchange capacity of the polyarylene copolymer is 0.5 to 3.5 meq / g, preferably 0.5 to 3.0 meq / g, more preferably 0.8 to 2.8 meq / g. . An ion exchange capacity of 0.5 meq / g or more is preferable because a polymer electrolyte having high proton conductivity and high power generation performance can be obtained. On the other hand, if it is 3.5 meq / g or less, it is preferable because sufficiently high water resistance can be provided.
上記のイオン交換容量は、各構造単位の種類、使用割合、組み合わせを変えることにより、調整することができる。したがって、重合時に構造単位を誘導する前駆体(モノマー・オリゴマー)の仕込み量比、種類を変えれば調整することができる。 The above ion exchange capacity can be adjusted by changing the type, usage ratio, and combination of each structural unit. Therefore, it can be adjusted by changing the charge amount ratio and type of the precursor (monomer / oligomer) that induces the structural unit during polymerization.
該してスルホン酸基を含む構造単位が共重合体中に多くなると、イオン交換容量が増えプロトン伝導性が高くなるが、耐水性が低下する傾向にあり、一方、これらの構造単位が少なくなると、イオン交換容量が小さくなり、耐水性が高まるが、プロトン伝導性が低下する傾向にある。 When the number of structural units containing sulfonic acid groups increases in the copolymer, the ion exchange capacity increases and proton conductivity increases, but the water resistance tends to decrease, whereas when these structural units decrease. The ion exchange capacity becomes small and the water resistance increases, but the proton conductivity tends to decrease.
[ポリマーの合成方法]
本発明のポリアリーレン系共重合体は、例えば下記に示すA1法、B1法、C1法の3通りの方法を用いて製造することができる。
[Polymer synthesis method]
The polyarylene copolymer of the present invention can be produced using, for example, the following three methods: A1, Method B1, and C1.
(A1法)例えば、特開2004−137444号公報に記載の方法と同様の方法で、スルホン酸基を有する構造単位となるスルホン酸エステルと、窒素を含む複素環構造を有する構造単位となるモノマー、必要により、芳香族構造を有する構造単位となるモノマー、またはオリゴマーとを共重合させ、スルホン酸エステル基を有するポリアリーレン系共重合体を製造し、このスルホン酸エステル基を脱エステル化して、スルホン酸基に変換することにより合成することができる。 (Method A1) For example, in the same manner as described in JP-A-2004-137444, a sulfonate ester serving as a structural unit having a sulfonic acid group and a monomer serving as a structural unit having a heterocyclic structure containing nitrogen If necessary, a monomer or oligomer that becomes a structural unit having an aromatic structure is copolymerized to produce a polyarylene-based copolymer having a sulfonate group, and this sulfonate group is deesterified, It can be synthesized by converting to a sulfonic acid group.
(1)スルホン酸基を有する構造単位となるスルホン酸エステル
スルホン酸基を有する構造単位は、原料として例えば、下記式(1')で表されるスルホン酸エステル類を重合使用することにより製造することができる。
(1) Sulfonic acid ester to be a structural unit having a sulfonic acid group A structural unit having a sulfonic acid group is produced by polymerizing and using a sulfonic acid ester represented by the following formula (1 ′) as a raw material. be able to.
上記式(1')中、Ar11、Ar12、Ar13は、各々独立に、フッ素原子で置換されていてもよい、ベンゼン環、縮合芳香環、含窒素複素環からなる群より選ばれる少なくとも1種の構造を示す。
Xは、塩素、臭素、ヨウ素、メタンスルホニル基、トリフルオロメタンスルホニル基、ベンゼンスルホニル基、トルエンスルホニル基からなる群より選ばれる少なくとも1種の構造を示す。
In the above formula (1 ′), Ar 11 , Ar 12 , and Ar 13 are each independently at least selected from the group consisting of a benzene ring, a condensed aromatic ring, and a nitrogen-containing heterocyclic ring that may be substituted with a fluorine atom. One type of structure is shown.
X represents at least one structure selected from the group consisting of chlorine, bromine, iodine, methanesulfonyl group, trifluoromethanesulfonyl group, benzenesulfonyl group, and toluenesulfonyl group.
Yは、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2)u−(uは1〜10の整数である)、−C(CF3)2−、直接結合からなる群より選ばれる少なくとも1種の構造を示す。 Y represents —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) u — (u is an integer of 1 to 10), —C (CF 3 ) 2. -Represents at least one structure selected from the group consisting of direct bonds.
Zは、−O−、−S−、直接結合、−CO−、−SO2−、−SO−、−(CH2)l−(lは1〜10の整数である)、−C(CH3)2−からなる群より選ばれる少なくとも1種の構造を示す。 Z is —O—, —S—, direct bond, —CO—, —SO 2 —, —SO—, — (CH 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10), —C (CH 3 ) At least one structure selected from the group consisting of 2- .
R11は、直接結合、−O(CH2)p−、−O(CF2)p−、−(CH2)p−、−(CF2)p−からなる群より選ばれる少なくとも1種の構造を示す(pは、1〜12の整数を示す)。 R 11 is at least one selected from the group consisting of a direct bond, —O (CH 2 ) p —, —O (CF 2 ) p —, — (CH 2 ) p —, and — (CF 2 ) p —. The structure is shown (p represents an integer of 1 to 12).
R12、R13は、それぞれ独立に、水素原子、アルカリ金属原子、脂肪族炭化水素基、脂環基、酸素を含む複素環基からなる群より選ばれる少なくとも1種の構造を示す。ただし、上記式中に含まれる全てのR12およびR13のうち少なくとも1個は水素原子である。
x1は、0〜4の整数。x2は、1〜5の整数。yは、0〜1の整数。zは、0〜3の整数を示す。
上記式(1’)で表されるモノマーは、好ましくは下記式(1”)で表される構造を有する。
R 12 and R 13 each independently represents at least one structure selected from the group consisting of a hydrogen atom, an alkali metal atom, an aliphatic hydrocarbon group, an alicyclic group, and a heterocyclic group containing oxygen. However, at least one of all R 12 and R 13 included in the above formula is a hydrogen atom.
x 1 is 0-4 integer. x 2 is an integer of 1 to 5. y is an integer of 0-1. z shows the integer of 0-3.
The monomer represented by the above formula (1 ′) preferably has a structure represented by the following formula (1 ″).
Yは−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2)l−(lは1〜10の整数である)、−C(CF3)2−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、Zは直接結合または、−(CH2)l−(lは1〜10の整数である)、−C(CH3)2−、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、Arは−SO3Hまたは−O(CH2)pSO3Hまたは−O(CF2)pSO3Hで表される置換基を有する芳香族基を示す。pは1〜12の整数を示し、mは0〜10の整数を示し、nは0〜10の整数を示し、kは1〜4の整数を示す。]
上記式中のスルホン酸は、スルホン酸エステルとなっていてもよい。エステルは、アルキルエステル、アリールエステル、シクロアルキル(これらはフッ素置換されていても良い)などが挙げられる。
Y represents —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10), —C (CF 3 ) 2 —. At least one structure selected from the group consisting of: Z is a direct bond, or — (CH 2 ) 1 — (wherein 1 is an integer of 1 to 10), —C (CH 3 ) 2 —, — 1 represents at least one structure selected from the group consisting of O— and —S—, and Ar represents —SO 3 H or —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p SO 3 H. The aromatic group which has a substituent represented is shown. p shows the integer of 1-12, m shows the integer of 0-10, n shows the integer of 0-10, k shows the integer of 1-4. ]
The sulfonic acid in the above formula may be a sulfonic acid ester. Examples of the ester include alkyl esters, aryl esters, cycloalkyl (which may be fluorine-substituted), and the like.
Y、Z、m、n、kの好ましい組み合わせとして、
(1)m=1、n=0であり、Y=−CO−、Z=−O−である構造、
(2)m=1、n=1、k=1であり、Y=−CO−、Z=−O−である構造、
(3)m=0、n=1、k=1であり、Y=−CO−、Z=−O−である構造、
(4)m=0、n=1、k=1であり、Y=−CO−、Zが直接結合である構造、
(5)m=0、n=0、であり、Y=−CO−である構造、
(6)m=0、n=0、であり、Yが直接結合である構造、
などを挙げることが出来る。
As a preferable combination of Y, Z, m, n, and k,
(1) A structure in which m = 1, n = 0, Y = —CO—, and Z = —O—.
(2) A structure in which m = 1, n = 1, k = 1, Y = —CO—, and Z = —O—.
(3) A structure in which m = 0, n = 1, k = 1, Y = —CO—, and Z = —O—.
(4) A structure in which m = 0, n = 1, k = 1, Y = —CO—, and Z is a direct bond,
(5) A structure in which m = 0, n = 0, and Y = —CO—.
(6) A structure in which m = 0, n = 0, and Y is a direct bond,
And so on.
一般式(1”)で表される化合物の具体的な例としては、下記一般式で表される化合物、特開2004−137444号公報、特開2004−345997号公報、特開2004−346163号公報に記載されているスルホン酸エステル類を挙げることができる。 Specific examples of the compound represented by the general formula (1 ″) include compounds represented by the following general formula, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2004-137444, 2004-345997, and 2004-346163. Mention may be made of the sulfonic acid esters described in the publication.
また、上記化合物において塩素原子が臭素原子に置き換わった化合物、−CO−が−SO2−に置き換わった化合物なども挙げられる。また、塩素原子や臭素原子の結合位置の異なる異性体も挙げることができる。 The compound chlorine atom is replaced with a bromine atom in the compound, -CO- is -SO 2 - can also be mentioned such compounds replaced. In addition, isomers having different bonding positions of chlorine atoms and bromine atoms can also be mentioned.
(2)含窒素複素環構造を有する構造単位となる含窒素複素環化合物
含窒素複素環構造を有する構造単位を有するポリアリーレン系共重合体を製造するために、例えば、下記一般式(2’)で表される化合物を調製して、これを用いることができる。
(2) Nitrogen-containing heterocyclic compound to be a structural unit having a nitrogen-containing heterocyclic structure In order to produce a polyarylene-based copolymer having a structural unit having a nitrogen-containing heterocyclic structure, for example, the following general formula (2 ′ ) Can be prepared and used.
Xはフッ素を除くハロゲン原子(塩素、臭素、ヨウ素)、−OSO2Rb(ここで、Rb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)から選ばれる原子または基を示す。このうち、塩素、臭素が好ましい。 X represents an atom or group selected from halogen atoms excluding fluorine (chlorine, bromine, iodine) and —OSO 2 Rb (where Rb represents an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group or an aryl group). Of these, chlorine and bromine are preferred.
上記式(2’)で表されるモノマーの具体的な例としては、下記が挙げられる。
また、上記化合物において塩素原子が臭素原子に置き換わった化合物、臭素原子が塩素原子に置き換わった化合物なども挙げられる。また、塩素原子や臭素原子の結合位置の異なる異性体も挙げることができる。 Moreover, the compound in which the chlorine atom replaced the bromine atom in the said compound, the compound in which the bromine atom was replaced by the chlorine atom, etc. are mentioned. In addition, isomers having different bonding positions of chlorine atoms and bromine atoms can also be mentioned.
(3)芳香族構造を有する構造単位となる芳香族構造を有する化合物
芳香族構造を有する構造単位は、例えば、下記一般式(3’)で表されるオリゴマーを調製して、これを重合することにより得られる。
(3) Compound having an aromatic structure to be a structural unit having an aromatic structure The structural unit having an aromatic structure is prepared, for example, by preparing an oligomer represented by the following general formula (3 ′) and polymerizing the oligomer. Can be obtained.
(式(3’)中、Ar21、Ar22、Ar23、Ar24は、ベンゼン環、縮合芳香環、含窒素複素環からなる群より選ばれる少なくとも1種の構造を示す。ただし、Ar21、Ar22、Ar23、Ar24は、それぞれの水素原子が、フッ素原子、アルキル基、一部またはすべてがフッ素置換されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基、ニトリル基で置換されていてもよい。 (In the formula (3 ′), Ar 21 , Ar 22 , Ar 23 , and Ar 24 represent at least one structure selected from the group consisting of a benzene ring, a condensed aromatic ring, and a nitrogen-containing heterocyclic ring, provided that Ar 21 , Ar 22 , Ar 23 , and Ar 24 , each hydrogen atom is substituted with a fluorine atom, an alkyl group, a halogenated alkyl group, an allyl group, an aryl group, a nitro group, or a nitrile group that is partially or completely substituted with fluorine May be.
Xは、塩素、臭素、ヨウ素、メタンスルホニル基、トリフルオロメタンスルホニル基、ベンゼンスルホニル基、トルエンスルホニル基からなる群より選ばれる少なくとも1種の構造を示す。 X represents at least one structure selected from the group consisting of chlorine, bromine, iodine, methanesulfonyl group, trifluoromethanesulfonyl group, benzenesulfonyl group, and toluenesulfonyl group.
A、Dは独立に直接結合または、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2)l−(lは1〜10の整数である)、−(CH2)l−(lは1〜10の整数である)、−CR'2−(R'は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基およびハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−、−S−からなる群より選ばれる少なくとも1種の構造を示し、
Bは独立に酸素原子または硫黄原子であり、s、tは、0〜4の整数を示し、rは、0または1以上の整数を示す。)
A and D are independently a direct bond, or —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10), — (CH 2 ) 1 — (wherein 1 is an integer of 1 to 10), —CR ′ 2 — (R ′ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group and a halogenated hydrocarbon group), cyclohexane At least one structure selected from the group consisting of a silidene group, a fluorenylidene group, -O-, and -S-;
B is an oxygen atom or a sulfur atom independently, s, t show the integer of 0-4, r shows 0 or an integer greater than or equal to 1. )
また、芳香族構造を有する構造単位は、ポリアリーレン系共重合体の重合原料として、例えば、下記一般式(3”)で表されるオリゴマーを使用することにより得られる。 Moreover, the structural unit which has an aromatic structure is obtained by using the oligomer represented, for example by the following general formula (3 '') as a polymerization raw material of a polyarylene-type copolymer.
A、Dは独立に直接結合または、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2)l−(lは1〜10の整数である)、−(CH2)l−(lは1〜10の整数である)、−CR’2−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基およびハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、
Bは独立に酸素原子または硫黄原子であり、
R1〜R16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、一部またはすべてがハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基、ニトリ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。
s、tは0〜4の整数を示し、rは0または1以上の整数を示す。]
上記式(3”)で表されるオリゴマーの具体的な例としては、下記が挙げられる。
A and D are independently a direct bond, or —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10), — (CH 2 ) 1 — (wherein 1 is an integer of 1 to 10), —CR ′ 2 — (R ′ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group and a halogenated hydrocarbon group), cyclohexane At least one structure selected from the group consisting of a silidene group, a fluorenylidene group, -O-, and -S-;
B is independently an oxygen atom or a sulfur atom,
R 1 to R 16 may be the same as or different from each other, and are a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a halogenated alkyl group in which a part or all of them are halogenated, an allyl group, an aryl group, a nitro group, a nitrile group. At least one atom or group selected from the group consisting of
s and t represent an integer of 0 to 4, and r represents 0 or an integer of 1 or more. ]
Specific examples of the oligomer represented by the above formula (3 ″) include the following.
また、上記化合物において塩素原子が臭素原子に置き換わった化合物なども挙げられる。また、塩素原子や臭素原子の結合位置の異なる異性体も挙げることができる。 Moreover, the compound etc. which the chlorine atom replaced the bromine atom in the said compound are mentioned. In addition, isomers having different bonding positions of chlorine atoms and bromine atoms can also be mentioned.
上記式(3”)で表されるオリゴマーは、例えば、以下のモノマーを共重合することにより製造することができる。式(3”)でr=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、2,2−ビス(4−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)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン、4−クロロ安息香酸−4−クロロフェニルエステル、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、2,6−ジクロロベンゾニトリルが挙げられる。 The oligomer represented by the above formula (3 ″) can be produced, for example, by copolymerizing the following monomers. When r = 0 in the formula (3 ″), for example, 4,4′-dichlorobenzophenone. 4,4′-dichlorobenzanilide, 2,2-bis (4-chlorophenyl) difluoromethane, 2,2-bis (4-chlorophenyl) -1,1,1,3,3,3-hexafluoropropane, Examples include 4-chlorobenzoic acid-4-chlorophenyl ester, bis (4-chlorophenyl) sulfoxide, bis (4-chlorophenyl) sulfone, and 2,6-dichlorobenzonitrile.
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などが挙げられる。r=1の場合、例えば特開2003−113136に記載の化合物を挙げることができる。 In these compounds, a compound in which a chlorine atom is replaced with a bromine atom or an iodine atom is exemplified. In the case of r = 1, for example, compounds described in JP-A No. 2003-113136 can be exemplified.
r≧2の場合、例えば特開2004−137444号公報、特開2004−244517号公報、特願2003−143914号(特開2004−346164号公報)、特願2003−348523号(特開2005−112985号公報)、特願2003−348524号、特願2004−211739号(特開2006−28414号公報)、特願2004−211740号(特開2006−28415号公報)に記載の化合物を挙げることができる。 In the case of r ≧ 2, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-137444, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-244517, Japanese Patent Application No. 2003-143914 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-346164), Japanese Patent Application No. 2003-348523 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-348523). No. 112985), Japanese Patent Application No. 2003-348524, Japanese Patent Application No. 2004-211739 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-28414), Japanese Patent Application No. 2004- 211740 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-28415), and the like. Can do.
(4)ポリアリーレン系共重合体の重合
目的のポリアリーレン系共重合体を得るためは、まず、上記一般式(1)または(1''')で表される構造単位となりうる一般式(1’)または(1")で表されるモノマーと、上記一般式(2)で表される構造単位となりうる一般式(2’)で表されるモノマーと、必要により、上記一般式(3)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマー、すなわち一般式(3’)または(3")とを共重合させ、前駆体のポリアリーレンを得る。この共重合は、触媒の存在下に行われるが、この際使用される触媒は、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、遷移金属塩以外の塩を添加してもよい。
(4) Polymerization of polyarylene-based copolymer In order to obtain the desired polyarylene-based copolymer, first, a general formula (1) or a general formula (1 ′ ″) that can be a structural unit represented by the general formula (1 ′ ″) 1 ′) or (1 ″), a monomer represented by general formula (2 ′) that can be a structural unit represented by general formula (2), and, if necessary, general formula (3) ) Is copolymerized with a monomer or oligomer that can be a structural unit represented by formula (3 ′) or (3 ″) to obtain a precursor polyarylene. This copolymerization is carried out in the presence of a catalyst, and the catalyst used in this case is a catalyst system containing a transition metal compound. This catalyst system is (1) a transition metal salt and a ligand. 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, and further increase the polymerization rate. Therefore, salts other than transition metal salts may be added.
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、トリ(2ーメチル)フェニルホスフィン、トリ(3ーメチル)フェニルホスフィン、トリ(4ーメチル)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が、トリフェニルホスフィン、トリ(2ーメチル)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。 Here, transition metal salts include nickel compounds such as nickel chloride, nickel bromide, nickel iodide, nickel acetylacetonate, palladium compounds such as palladium chloride, palladium bromide, palladium iodide, iron chloride, iron bromide And iron compounds such as iron iodide and cobalt compounds such as cobalt chloride, cobalt bromide and cobalt iodide. Of these, nickel chloride, nickel bromide and the like are particularly preferable. The ligand component includes triphenylphosphine, tri (2-methyl) phenylphosphine, tri (3-methyl) phenylphosphine, tri (4-methyl) phenylphosphine, 2,2′-bipyridine, 1,5-cycloocta Examples include diene and 1,3-bis (diphenylphosphino) propane, but triphenylphosphine, tri (2-methyl) phenylphosphine, and 2,2′-bipyridine are preferable. The said ligand component can be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types.
さらに、あらかじめ配位子が配位された遷移金属(塩)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)、塩化ニッケルビス(トリ(2ーメチル)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が、塩化ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)、塩化ニッケルビス(トリ(2ーメチル)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 (salt) in which the ligand is coordinated in advance, for example, nickel chloride bis (triphenylphosphine), nickel chloride bis (tri (2-methyl) phenylphosphine), nickel bromide bis (triphenyl) Phosphine), 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 Nickel chloride bis ( Triphenylphosphine), nickel chloride bis (tri (2-methyl) phenylphosphine), and nickel chloride (2,2′bipyridine) are preferred.
本発明の触媒系において使用することができる上記還元剤としては、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、カルシウムなどを挙げることできるが、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 of the present invention include iron, zinc, manganese, aluminum, magnesium, sodium, calcium, and the like, and zinc, magnesium, and manganese are preferable. 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、本発明の触媒系において使用することのできる遷移金属塩以外の塩としては、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が、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 salts other than transition metal salts that can be used in the catalyst system of the present invention include sodium compounds such as sodium fluoride, sodium chloride, sodium bromide, sodium iodide, sodium sulfate, potassium fluoride, and potassium chloride. Potassium compounds such as potassium bromide, potassium iodide, and potassium sulfate, and ammonium compounds such as tetraethylammonium fluoride, tetraethylammonium chloride, tetraethylammonium bromide, tetraethylammonium iodide, and tetraethylammonium sulfate. Sodium, sodium iodide, potassium bromide, tetraethylammonium bromide and tetraethylammonium iodide are preferred.
触媒系における各成分の使用割合は、遷移金属塩または配位子が配位された遷移金属(塩)が、上記一般式(1’)または(1")で表される化合物と、一般式(2’)で表される化合物と、一般式(3’)または(3")で表される化合物の総計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、重合反応が充分に進行せず、一方、10モルを超えると、分子量が低下するという問題が生ずる恐れがある。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、触媒活性が不充分となり、一方、100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 in the catalyst system is such that the transition metal salt or transition metal (salt) coordinated with a ligand is represented by the above general formula (1 ′) or (1 ″) and the general formula Usually, 0.0001 to 10 moles, preferably 0.01 to 0 moles per 1 mole in total of the compound represented by (2 ′) and the compound represented by the general formula (3 ′) or (3 ″). .5 moles. When the amount is less than 0.0001 mol, the polymerization reaction does not proceed sufficiently. On the other hand, when the amount exceeds 10 mol, there is a possibility that the molecular weight decreases. 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 becomes insufficient. On the other hand, if the amount exceeds 100 mol, the molecular weight may decrease.
また、触媒系における還元剤の使用割合は、上記一般式(1’)または(1")で表される化合物と、一般式(2’)で表される化合物と、一般式(3’)または(3")で表される化合物の総計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、重合が充分進行せず、一方、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。 The ratio of the reducing agent used in the catalyst system is the compound represented by the general formula (1 ′) or (1 ″), the compound represented by the general formula (2 ′), and the general formula (3 ′). Or it is 0.1-100 mol normally with respect to 1 mol of total of the compound represented by (3 "), Preferably it is 1-10 mol. If the amount is less than 0.1 mol, the polymerization does not proceed sufficiently. On the other hand, if the amount exceeds 100 mol, purification of the resulting polymer may be difficult.
さらに、触媒系に遷移金属塩以外の塩を使用する場合、その使用割合は、上記一般式(1)または(1''')で表される構造単位となりうる一般式(1’)または(1")で表されるモノマーと、上記一般式(2)で表される構造単位となりうる一般式(2’)で表されるモノマーと、上記一般式(3)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマー、すなわち一般式(3’)または(3")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充分となることがあり、一方、100モルを超えると、得られる重合体の精製が困難となる恐れがある。 Further, when a salt other than the transition metal salt is used in the catalyst system, the proportion of use is the general formula (1 ′) or (1) which can be a structural unit represented by the above general formula (1) or (1 ′ ″). 1 ″), a monomer represented by the general formula (2 ′) that can be a structural unit represented by the general formula (2), and a structural unit represented by the general formula (3). The amount of the monomer or oligomer is generally 0.001 to 100 mol, preferably 0.01 to 1 mol, based on 1 mol in total of the general formula (3 ′) or (3 ″). If it is less than 0.001 mol, the effect of increasing the polymerization rate may be insufficient. On the other hand, if it exceeds 100 mol, purification of the resulting polymer may be difficult.
本発明で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、1−メチル−2−ピロリドン、γ−ブチロラクトン、γ−ブチロラクタムなどが挙げられ、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、1−メチル−2−ピロリドンが好ましい。これらの重合溶媒は、充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一般式(1)または(1''')で表される構造単位となりうる一般式(1’)または(1")で表されるモノマーと、上記一般式(2)で表される構造単位となりうる一般式(2’)で表されるモノマーと、上記一般式(3)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマー、すなわち一般式(3’)または(3")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。 Examples of the polymerization solvent that can be used in the present invention include tetrahydrofuran, cyclohexanone, dimethyl sulfoxide, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, 1-methyl-2-pyrrolidone, γ-butyrolactone, γ- Examples include butyrolactam, and tetrahydrofuran, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, and 1-methyl-2-pyrrolidone are preferable. These polymerization solvents are preferably used after sufficiently dried. A monomer represented by the general formula (1 ′) or (1 ″) which can be a structural unit represented by the general formula (1) or (1 ′ ″) in the polymerization solvent, and the general formula (2) A monomer represented by the general formula (2 ′) that can be represented by the structural unit, and a monomer or oligomer that can be the structural unit represented by the general formula (3), that is, the general formula (3 ′) or (3 ″). ) Is generally 1 to 90% by weight, preferably 5 to 40% by weight.
また、本発明の重合体を重合する際の重合温度は、通常、0〜200℃、好ましくは50〜80℃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 polymerization temperature at the time of superposing | polymerizing the polymer of this invention is 0-200 degreeC normally, Preferably it is 50-80 degreeC. The polymerization time is usually 0.5 to 100 hours, preferably 1 to 40 hours.
以上の(A1法)は、加水分解によりスルホン酸エステル基をスルホン酸基(−SO3H)に転換する方法である。
具体的には、
(1)少量の塩酸を含む過剰量の水またはアルコールに、上記ポリアリーレンを投入し、5分間以上撹拌する方法
(2)トリフルオロ酢酸中で上記ポリアリーレンを80〜120℃程度の温度で5〜10時間程度反応させる方法
The above (Method A1) is a method of converting a sulfonic acid ester group to a sulfonic acid group (—SO 3 H) by hydrolysis.
In particular,
(1) A method in which the polyarylene is added to an excess amount of water or alcohol containing a small amount of hydrochloric acid and stirred for 5 minutes or longer. (2) The polyarylene is heated at a temperature of about 80 to 120 ° C. in trifluoroacetic acid. Method of reacting for about 10 hours
(3)ポリアリーレン中のスルホン酸エステル基(−SO3R)、1モルに対して1〜9倍モルのリチウムブロマイドを含む溶液、例えばN−メチルピロリドンなどの溶液中で上記ポリアリーレンを80〜150℃程度の温度で3〜10時間程度反応させた後、塩酸を添加する方法
などを挙げることができる。
(3) A sulfonate group (—SO 3 R) in the polyarylene, and the polyarylene in the solution containing 1 to 9 times moles of lithium bromide with respect to 1 mole, for example, N-methylpyrrolidone. Examples include a method of adding hydrochloric acid after reacting at a temperature of about 150 ° C. for about 3 to 10 hours.
(B1法)例えば、特開2001−342241号公報に記載の方法で、上記一般式(1’)または(1")で表される骨格を有しスルホン酸基、スルホン酸エステル基を有しないモノマーと、上記一般式(2)で表される構造単位となりうる一般式(2’)で表されるモノマーと、必要により、上記一般式(3)で表される構造単位となりうる一般式(3') または(3")で表されるモノマー、またはオリゴマーとを共重合させ、この重合体を、スルホン化剤を用いて、スルホン化する(A2法)ことにより合成することもできる。 (Method B1) For example, in the method described in JP-A-2001-342241, it has a skeleton represented by the above general formula (1 ′) or (1 ″) and does not have a sulfonic acid group or a sulfonic acid ester group. A monomer, a monomer represented by the general formula (2 ′) which can be a structural unit represented by the general formula (2), and a general formula (which can be a structural unit represented by the general formula (3) if necessary It can also be synthesized by copolymerizing the monomer or oligomer represented by 3 ′) or (3 ″) and sulfonating the polymer with a sulfonating agent (Method A2).
(C1法)一般式(1’)において、Arが−O(CH2)pSO3Hまたは−O(CF2)pSO3Hで表される置換基を有する芳香族基である場合には、例えば、特願2003−295974号(特開2005−60625号公報)に記載の方法で、上記一般式(1)で表される構造単位となりうる前駆体のモノマーと、上記一般式(2)で表される構造単位となりうる一般式(2’)で表されるモノマーと、必要により、上記一般式(3)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマーとを共重合させ、次にアルキルスルホン酸またはフッ素置換されたアルキルスルホン酸を導入する方法で合成することもできる。 (Method C1) In the general formula (1 ′), when Ar is an aromatic group having a substituent represented by —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p SO 3 H Is, for example, a precursor monomer that can be a structural unit represented by the general formula (1) by the method described in Japanese Patent Application No. 2003-295974 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-60625), and the general formula (2 The monomer represented by the general formula (2 ′) that can be a structural unit represented by the formula (2) and the monomer or oligomer that can be a structural unit represented by the general formula (3) if necessary, It can also be synthesized by a method of introducing alkylsulfonic acid or fluorine-substituted alkylsulfonic acid into
直接スルホン化する場合、(B1法)は、
発煙硫酸、クロルスルホン酸、硫酸、亜硫酸水素ナトリウムなどの公知のスルホン化剤を用いて、公知の条件でスルホン化することができる〔PolymerPreprints,Japan,Vol.42,No.3,p.730(1993);PolymerPreprints,Japan,Vol.42,No.3,p.736(1994);PolymerPreprints,Japan,Vol.42,No.7,p.2490〜2492(1993)〕。すなわち、このスルホン化の反応条件としては、スルホン酸基、スルホン酸エステル基を有しない前駆体のポリアリーレンを、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。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、ジメチルアセトアミド、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。反応温度は特に制限はないが、通常、−50〜200℃、好ましくは−10〜100℃である。また、反応時間は、通常、0.5〜1,000時間、好ましくは1〜200時間である。
In the case of direct sulfonation (Method B1),
Sulfonation can be carried out under known conditions using known sulfonating agents such as fuming sulfuric acid, chlorosulfonic acid, sulfuric acid, sodium hydrogen sulfite [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. 2490-2492 (1993)]. That is, as the reaction conditions for the sulfonation, a precursor polyarylene having no sulfonic acid group or sulfonic acid ester group is reacted with the sulfonating agent in the absence of a solvent or in the presence of a solvent. Examples of the solvent include hydrocarbon solvents such as n-hexane, ether solvents such as tetrahydrofuran and dioxane, aprotic polar solvents such as dimethylacetamide, dimethylformamide, and dimethylsulfoxide, tetrachloroethane, dichloroethane, chloroform, and chloride. And halogenated hydrocarbons such as methylene. The reaction temperature is not particularly limited, but is usually −50 to 200 ° C., preferably −10 to 100 ° C. Moreover, reaction time is 0.5 to 1,000 hours normally, Preferably it is 1 to 200 hours.
(C1法)では、上記一般式(1')または(1")で表される骨格を有しスルホン酸基、スルホン酸エステル基を有しないモノマーでありかつ末端にOH基、SHを有するもの(下記式(3'a)、(3'b)、(3'-1))と、上記一般式(2)で表される構造単位となりうる一般式(2’)で表されるモノマーと、必要により上記一般式(3)で表される構造単位となりうる一般式(3') または(3")で表されるモノマー、またはオリゴマーとを共重合さたのち、−OH基あるいは−SH基を、−OM基あるいは−SM基(Mは、水素原子あるいはアルカリ金属原子を示す)に置換し、下記一般式(5)又は(6)で表される化合物をアルカリ条件下で反応させることによってスルホン化することが出来る。 (Method C1) is a monomer having a skeleton represented by the general formula (1 ′) or (1 ″) and having no sulfonic acid group or sulfonic acid ester group and having an OH group or SH at the terminal (The following formulas (3′a), (3′b), (3′-1)) and a monomer represented by the general formula (2 ′) that can be a structural unit represented by the above general formula (2) If necessary, after copolymerization with a monomer or oligomer represented by the general formula (3 ′) or (3 ″) that can be a structural unit represented by the general formula (3), an —OH group or —SH Substituting a group with -OM group or -SM group (M represents a hydrogen atom or an alkali metal atom), and reacting a compound represented by the following general formula (5) or (6) under alkaline conditions Can be sulfonated.
式(3'a)、(3'b)中、X、Y、Z、Ar11、Ar12、Ar13は、それぞれ上記一般式(1')のX、Y、Z、Ar11、Ar12、Ar13と同義であり、aは0〜1の整数、bは0〜3の整数を示す。式(3'-1)中、X、Y、Z、m、n、kは、それぞれ上記一般式(1")のX、Y、Z、m、n、kと同義であり、X'はOHまたはSH基を示し、Ar"はOHまたはSH基を有する芳香族基を示す。 Formula (3'a), (3'b) in, X, Y, Z, Ar 11, Ar 12, Ar 13 is, X in each of the above general formula (1 '), Y, Z , Ar 11, Ar 12 And Ar 13 , a is an integer of 0 to 1, and b is an integer of 0 to 3. In the formula (3′-1), X, Y, Z, m, n, and k are respectively synonymous with X, Y, Z, m, n, and k in the general formula (1 ″), and X ′ is OH or SH group is represented, and Ar ″ represents an aromatic group having an OH or SH group.
式(5)および(6)中、R40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、gは1〜20の整数を示す。 In the formulas (5) and (6), R 40 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, and g is an integer of 1 to 20 Indicates.
式(6)中、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し、Mは水素原子あるいはアルカリ金属原子を示す。 In formula (6), L represents any of a chlorine atom, a bromine atom, and an iodine atom, and M represents a hydrogen atom or an alkali metal atom.
[電解質膜の製造方法]
本発明のスルホン酸含有ポリアリーレン系共重合体は、上記共重合体からなり、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、各種センサー、信号伝達媒体、固体コンデンサー、イオン交換膜などに用いる場合には、膜状態、溶液状態、粉体状態で用いることが考えられるが、このうち膜状態、溶液状態が好ましい(以下、膜状態のことを高分子電解質膜と呼ぶ)。
[Method of manufacturing electrolyte membrane]
The sulfonic acid-containing polyarylene copolymer of the present invention comprises the above-mentioned copolymer, and is 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, When used for solid capacitors, ion exchange membranes, etc., it may be used in a membrane state, a solution state, or a powder state. Among these, a membrane state and a solution state are preferable (hereinafter, the membrane state is referred to as a polymer electrolyte). Called membrane).
本発明の高分子電解質膜は、上記スルホン酸含有ポリアリーレン系共重合体を有機溶剤中で混合させ、それを基体上に流延してフィルム状に成形するキャスティング法など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、たと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、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。 The polymer electrolyte membrane of the present invention can be produced by a casting method or the like in which the sulfonic acid-containing polyarylene copolymer is mixed in an organic solvent and cast on a substrate to form a film. . Here, the substrate is not particularly limited as long as it is a substrate used in a normal solution casting method. For example, a substrate made of plastic, metal, or the like is used, and preferably a heat treatment such as a polyethylene terephthalate (PET) film. A substrate made of a plastic resin is used.
上記スルホン酸含有ポリアリーレン系共重合体を混合させる溶媒としては、共重合体を溶解する溶媒や膨潤させる溶媒であれば良く、たとえば、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド、γ−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、アセトニトリルなどの非プロトン系極性溶剤や、ジクロロメタン、クロロホルム、1,2−ジクロロエタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン等の塩素系溶剤、メタノール、エタノール、プロパノール、iso−プロピルアルコール、sec−ブチルアルコール、tert−ブチルアルコール等のアルコール類、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等のアルキレングリコールモノアルキルエーテル類、アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、γ−ブチルラクトン等のケトン類、テトラヒドロフラン、1,3−ジオキサン等のエーテル類などの溶剤が挙げられる。これらの溶剤は、1種単独で、または2種以上を組み合わせて用いることができる。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。 The solvent for mixing the sulfonic acid-containing polyarylene copolymer may be any solvent that dissolves the copolymer or a solvent that swells, such as N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylformamide, Aprotic polar solvents such as γ-butyrolactone, N, N-dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, dimethylurea, dimethylimidazolidinone and acetonitrile, and chlorine-based solvents such as dichloromethane, chloroform, 1,2-dichloroethane, chlorobenzene and dichlorobenzene Solvents, methanol, ethanol, propanol, iso-propyl alcohol, sec-butyl alcohol, tert-butyl alcohol and other alcohols, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, propylene Alkylene glycol monoalkyl ethers such as glycol monoethyl ether, acetone, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, ketones such as γ- butyrolactone, tetrahydrofuran, solvents such as ethers 1,3-dioxane and the like. These solvents can be used alone or in combination of two or more. In particular, N-methyl-2-pyrrolidone (hereinafter also referred to as “NMP”) is preferable in terms of solubility and solution viscosity.
また、上記溶媒として、非プロトン系極性溶剤と他の溶剤との混合物を用いる場合、該混合物の組成は、非プロトン系極性溶剤が95〜25重量%、好ましくは90〜25重量%、他の溶剤が5〜75重量%、好ましくは10〜75重量%(但し、合計は100重量%)である。他の溶剤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。この場合の非プロトン系極性溶剤と他の溶剤との組み合わせとしては、非プロトン系極性溶剤としてNMP、他の溶剤として幅広い組成範囲で溶液粘度を下げる効果があるメタノールが好ましい。 When a mixture of an aprotic polar solvent and another solvent is used as the solvent, the composition of the mixture is 95 to 25% by weight of the aprotic polar solvent, preferably 90 to 25% by weight, The solvent is 5 to 75% by weight, preferably 10 to 75% by weight (however, the total is 100% by weight). When the amount of the other solvent is within the above range, the effect of lowering the solution viscosity is excellent. In this case, the combination of the aprotic polar solvent and the other solvent is preferably NMP as the aprotic polar solvent and methanol having an effect of lowering the solution viscosity in a wide composition range as the other solvent.
上記共重合体と添加剤を溶解させた溶液のポリマー濃度は、上記スルホン酸含有ポリアリーレン系共重合体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 copolymer and the additive are dissolved depends on the molecular weight of the sulfonic acid-containing polyarylene copolymer, but is usually 5 to 40% by weight, preferably 7 to 25% by weight. is there. 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、上記スルホン酸含有ポリアリーレン系共重合体の分子量や、ポリマー濃度や、添加剤の濃度にもよるが、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, although it depends on the molecular weight, polymer concentration, and additive concentration of the sulfonic acid-containing polyarylene copolymer. ˜50,000 mPa · s. 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と、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、得られる高分子電解質膜の残留溶媒量を低減することができる。 After film formation as described above, when the obtained undried film is immersed in water, the organic solvent in the undried film can be replaced with water, and the amount of residual solvent in the resulting polymer electrolyte membrane is reduced. can do.
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.
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膜が得られるが、このようにして得られる膜の残存溶媒量は、通常5重量%以下である。また、浸漬条件によっては、得られる膜の残存溶媒量を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、たとえば、未乾燥フィルム1重量部に対する水の使用量が50重量部以上であり、浸漬する際の水の温度が10〜60℃、浸漬時間が10分〜10時間である。 When the undried film is immersed in water and dried as described above, a film with a reduced amount of residual solvent is obtained. The residual solvent amount of the film thus obtained is usually 5% by weight or less. Further, depending on the dipping conditions, the amount of residual solvent in the obtained film can be set to 1% by weight or less. As such conditions, for example, the amount of water used relative to 1 part by weight of the undried film is 50 parts by weight or more, the temperature of the water when immersed is 10 to 60 ° C., and the immersion time is 10 minutes to 10 hours. is there.
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、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、膜を得ることができる。
本発明の方法により得られる高分子電解質膜は、その乾燥膜厚が、通常10〜100μm、好ましくは20〜80μmである。
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 film can be obtained by vacuum drying under reduced pressure of 500 mmHg to 0.1 mmHg for 0.5 to 24 hours.
The polymer electrolyte membrane obtained by the method of the present invention has a dry film thickness of usually 10 to 100 μm, preferably 20 to 80 μm.
また、上記スルホン酸エステル基あるいはスルホン酸のアルカリ金属塩を有するポリアリーレン系共重合体を上述したような方法でフィルム状に成形した後、加水分解や酸処理等の適切な後処理することにより本発明に係る高分子電解質膜を製造することもできる。具体的には、あるいはスルホン酸のアルカリ金属塩を有するポリアリーレン系共重合体を上述したような方法でフィルム状に成形した後、その膜を加水分解あるいは酸処理することによりスルホン酸基含有ポリアリーレン共重合体からなる高分子電解質膜を製造することができる。 In addition, by forming the polyarylene copolymer having the sulfonic acid ester group or the alkali metal salt of sulfonic acid into a film by the above-described method, and then performing an appropriate post-treatment such as hydrolysis or acid treatment. The polymer electrolyte membrane according to the present invention can also be produced. Specifically, a polyarylene copolymer having an alkali metal salt of a sulfonic acid is formed into a film by the method described above, and then the membrane is hydrolyzed or acid-treated to thereby obtain a sulfonic acid group-containing polymer. A polymer electrolyte membrane made of an arylene copolymer can be produced.
また、高分子電解質膜を製造する際に、上記スルホン酸基含有ポリアリーレン共重合体以外に、硫酸、リン酸などの無機酸、リン酸ガラス、タングステン酸、リン酸塩水和物、β−アルミナプロトン置換体、プロトン導入酸化物等の無機プロトン伝導体粒子、カルボン酸を含む有機酸、スルホン酸を含む有機酸、ホスホン酸を含む有機酸、適量の水などを併用しても良い。
[実施例]
In addition, when producing a polymer electrolyte membrane, in addition to the sulfonic acid group-containing polyarylene copolymer, inorganic acids such as sulfuric acid and phosphoric acid, phosphoric acid glass, tungstic acid, phosphate hydrate, β-alumina Inorganic proton conductor particles such as proton-substituted products and proton-introduced oxides, organic acids containing carboxylic acids, organic acids containing sulfonic acids, organic acids containing phosphonic acids, and appropriate amounts of water may be used in combination.
[Example]
以下、実施例を挙げ本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。また、実施例において、「%」とは特に断りのない限り「重量%」を意味する。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples. In Examples, “%” means “% by weight” unless otherwise specified.
[評価用電解質膜の調製]
各実施例・比較例で得られた共重合体をN−メチルピロリドン/メタノール溶液に溶解させた後、アプリケーターを用いてPET基板上にキャスティングし、オーブンを用いて60℃×30分、80℃×40分、120℃×60分乾燥させた。乾燥した膜を脱イオン水に浸漬した。浸漬後、50℃で45分乾燥させることにより評価用の膜を得た。
[Preparation of electrolyte membrane for evaluation]
After the copolymer obtained in each Example / Comparative Example was dissolved in an N-methylpyrrolidone / methanol solution, it was cast on a PET substrate using an applicator, and 60 ° C. × 30 minutes, 80 ° C. using an oven. × 40 minutes, 120 ° C. × 60 minutes. The dried membrane was immersed in deionized water. After immersion, a film for evaluation was obtained by drying at 50 ° C. for 45 minutes.
[分子量]
各実施例・比較例で得られた共重合体をN−メチルピロリドン緩衝溶液(以下、NMP緩衝溶液という。)に溶解し、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数平均分子量(Mn)および重量平均分子量(Mw)を求めた。NMP緩衝溶液は、NMP(3L)/リン酸(3.3mL)/臭化リチウム(7.83g)の比率で調整した。
[Molecular weight]
The copolymer obtained in each Example / Comparative Example was dissolved in an N-methylpyrrolidone buffer solution (hereinafter referred to as NMP buffer solution), and subjected to gel permeation chromatography (GPC) to obtain a polystyrene-equivalent number average molecular weight ( Mn) and weight average molecular weight (Mw) were determined. The NMP buffer solution was adjusted at a ratio of NMP (3 L) / phosphoric acid (3.3 mL) / lithium bromide (7.83 g).
[スルホン酸基の当量]
得られたスルホン化ポリマーの水洗水が中性になるまで蒸留水で洗浄して、フリーの残存している酸を除去した後、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の標準液にて滴定し、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 resulting sulfonated polymer was washed with distilled water until the washing water became neutral to remove free remaining acid, and then dried. Thereafter, a predetermined amount is weighed, dissolved in a mixed solvent of THF / water, titrated with a standard solution of NaOH using phenolphthalein as an indicator, and the equivalent of sulfonic acid groups (ion exchange capacity) from the neutral point. (Meq / g) was determined.
[熱水試験]
フィルムを2.0cm×3.0cmにカットし秤量して、試験用のテストピースとした。24℃、相対湿度(RH)50%条件下にて状態調整した後、このフィルムを、ポリカーボネート製の250ml瓶に入れ、そこに約100mlの蒸留水を加え、プレッシャークッカー試験機(HIRAYAMA MFS CORP製、 PC−242HS)を用いて、120℃で24時間加温した。試験終了後、各フィルムを熱水中から取り出し、軽く表面の水をキムワイプで拭き取り、含水時の重量を秤量し、含水率を求めた。また、そのフィルムの寸法を測定し、膨潤率を求めた。さらに、この膜を24℃、RH50%条件下で状態調整し、水を留去して、熱水試験後の重量を秤量し、重量残存率を求めた。
[Hot water test]
The film was cut into 2.0 cm × 3.0 cm and weighed to obtain a test piece for testing. After conditioning under conditions of 24 ° C. and 50% relative humidity (RH), this film is put into a polycarbonate 250 ml bottle, about 100 ml of distilled water is added thereto, and a pressure cooker tester (manufactured by HIRAYAMA MFS CORP) is used. And PC-242HS) for 24 hours at 120 ° C. After completion of the test, each film was taken out from the hot water, the surface water was gently wiped off with a Kimwipe, and the water content was weighed to determine the water content. Moreover, the dimension of the film was measured and the swelling rate was calculated | required. Furthermore, this membrane was conditioned at 24 ° C. and RH 50%, water was distilled off, the weight after the hot water test was weighed, and the weight residual ratio was determined.
[プロトン伝導度の測定]
交流抵抗は、5mm幅の短冊状の試料膜の表面に、白金線(f=0.5mm)を押し当て、恒温恒湿装置中に試料を保持し、白金線間の交流インピーダンス測定から求めた。すなわち、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、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、比抵抗の逆数からプロトン伝導度を算出した。
比抵抗R(Ω・cm)=0.5(cm)×膜厚(cm)×抵抗線間勾配(Ω/cm)
[Measurement of proton conductivity]
The AC resistance was obtained by pressing a platinum wire (f = 0.5 mm) on the surface of a strip-shaped sample film having a width of 5 mm, holding the sample in a constant temperature and humidity device, and measuring AC impedance between the platinum wires. . That is, the impedance at AC 10 kHz was measured in an environment of 85 ° C. and relative humidity 90%. A chemical impedance measurement system manufactured by NF Circuit Design Block Co., Ltd. was used as the resistance measuring 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, and the proton conductivity was calculated from the reciprocal of the specific resistance.
Specific resistance R (Ω · cm) = 0.5 (cm) × film thickness (cm) × resistance-to-resistance gradient (Ω / cm)
[耐熱試験]
2cm×3cmにカットしたフィルムを、ベンコットに挟み、カラス製の試料管に入れ、コンパクト精密恒温槽(AWC−2)で、空気条件下で160℃×24時間加熱した。加熱したフィルムを、NMP緩衝溶媒に0.2wt%の濃度で溶解させ、GPC(NMP緩衝溶媒)(東ソー(株)HCL−8220製)で分子量およびエリア面積(A24)を求めた。加熱前のフィルムも同条件で測定を行い分子量およびエリア面積(A0)を求め、分子量の変化、および下記式にて不溶分率を求めた。不溶率が大きくなると、フィルムの架橋耐性が劣ることになる。
不溶率(%)=(A24−A0)/(A0)
NMP緩衝溶液は、NMP(3L)/リン酸(3.3mL)/臭化リチウム(7.83g)の比率で調整した。
[Heat resistance test]
A film cut to 2 cm × 3 cm was sandwiched between bencots, placed in a crow sample tube, and heated in a compact precision thermostat (AWC-2) at 160 ° C. for 24 hours under air conditions. The heated film was dissolved in NMP buffer solvent at a concentration of 0.2 wt%, and the molecular weight and area area (A24) were determined by GPC (NMP buffer solvent) (manufactured by Tosoh Corporation HCL-8220). The film before heating was also measured under the same conditions to obtain the molecular weight and area area (A0), and the change in molecular weight and the insoluble fraction were obtained from the following formula. When the insolubility rate increases, the cross-linking resistance of the film is inferior.
Insoluble rate (%) = (A24−A0) / (A0)
The NMP buffer solution was adjusted at a ratio of NMP (3 L) / phosphoric acid (3.3 mL) / lithium bromide (7.83 g).
<含窒素複素環>
含窒素複素環として、2,5−ジクロロピリジン(東京化成製)、2,5−ジブロモピリミジン(非特許文献1)、5,5’−ジブロモ−2,2’−ビピリジン(非特許文献2)、5,8−ジブロモキノリン(非特許文献3)、2,6−ジクロロキノリン(非特許文献4)、2,6−ジクロロ−1,5−ナフチリジン、2,2’−ジクロロー6,6’−ビキノリン(非特許文献5)、5,8−キノキサリン、2,6−キノキサリン(非特許文献6)を例として用いた。
<Nitrogen-containing heterocycle>
As nitrogen-containing heterocycles, 2,5-dichloropyridine (manufactured by Tokyo Chemical Industry), 2,5-dibromopyrimidine (non-patent document 1), 5,5′-dibromo-2,2′-bipyridine (non-patent document 2) 5,8-dibromoquinoline (Non-patent document 3), 2,6-dichloroquinoline (Non-patent document 4), 2,6-dichloro-1,5-naphthyridine, 2,2′-dichloro-6,6′- Biquinoline (Non-patent document 5), 5,8-quinoxaline, and 2,6-quinoxaline (Non-patent document 6) were used as examples.
非特許文献1 Chem.Lett.,583−586(1992).
非特許文献2 Chem.Lett.,223(1990).
非特許文献3 Macromolecules, 24、5883−5885(1991).
非特許文献4 Macromolecules, 27、756−761(1994).
非特許文献5 Macromolecules, 28、4260−4267(1995).
非特許文献6 J.Am.Chem.Soc., 118、3930−3937(1996).
Non-Patent Document 1 Chem. Lett. , 583-586 (1992).
Non-Patent Document 2 Chem. Lett. , 223 (1990).
Non-Patent Document 3 Macromolecules, 24, 5883-5858 (1991).
Non-Patent Document 4 Macromolecules, 27, 756-761 (1994).
Non-Patent Document 5 Macromolecules, 28, 4260-4267 (1995).
Non-Patent Document 6 Am. Chem. Soc. , 118, 3930-3937 (1996).
<スルホン酸基を有する構造単位の合成>
攪拌機、冷却管を備えた3Lの三口フラスコに、クロロスルホン酸(233.0g、2mol)を加え、続いて2,5−ジクロロベンゾフェノン(100.4g、400mmol)を加え、100℃のオイルバスで8時間反応させた。所定時間後、反応液を砕氷(1000g)にゆっくりと注ぎ、酢酸エチルで抽出した。有機層を食塩水で洗浄、硫酸マグネシウムで乾燥後、酢酸エチルを留去し、淡黄色の粗結晶(3−(2,5−ジクロロベンゾイル)ベンゼンスルホン酸クロリド)を得た。粗結晶は精製することなく、そのまま次工程に用いた。
<Synthesis of a structural unit having a sulfonic acid group>
Chlorosulfonic acid (233.0 g, 2 mol) was added to a 3 L three-necked flask equipped with a stirrer and a condenser, followed by 2,5-dichlorobenzophenone (100.4 g, 400 mmol), and an oil bath at 100 ° C. The reaction was allowed for 8 hours. After a predetermined time, the reaction solution was slowly poured onto crushed ice (1000 g) and extracted with ethyl acetate. The organic layer was washed with brine and dried over magnesium sulfate, and then ethyl acetate was distilled off to obtain pale yellow crude crystals (3- (2,5-dichlorobenzoyl) benzenesulfonic acid chloride). The crude crystals were used in the next step without purification.
2,2−ジメチル−1−プロパノール(ネオペンチルアルコール)(38.8g、440mmol)をピリジン300mlに加え、約10℃に冷却した。ここに上記で得られた粗結晶を約30分かけて徐々に加えた。全量添加後、さらに30分撹拌し反応させた。反応後、反応液を塩酸水1000ml中に注ぎ、析出した固体を回収した。得られた固体を酢酸エチルに溶解させ、炭酸水素ナトリウム水溶液、食塩水で洗浄後、硫酸マグネシウムで乾燥後、酢酸エチルを留去し、粗結晶を得た。これをメタノールで再結晶し、目的物である3−(2,5−ジクロロベンゾイル)ベンゼンスルホン酸ネオペンチル(30−1)の白色結晶を得た。 2,2-Dimethyl-1-propanol (neopentyl alcohol) (38.8 g, 440 mmol) was added to 300 ml of pyridine and cooled to about 10 ° C. The crude crystals obtained above were gradually added thereto over about 30 minutes. After the total amount was added, the reaction was further stirred for 30 minutes. After the reaction, the reaction solution was poured into 1000 ml of aqueous hydrochloric acid, and the precipitated solid was collected. The obtained solid was dissolved in ethyl acetate, washed with aqueous sodium hydrogen carbonate solution and brine, dried over magnesium sulfate, and then ethyl acetate was distilled off to obtain crude crystals. This was recrystallized with methanol to obtain white crystals of neopentyl 3- (2,5-dichlorobenzoyl) benzenesulfonate (30-1), which was the target product.
<芳香族構造を有する構造単位の合成>
攪拌機、温度計、Dean−stark管、窒素導入管、冷却管をとりつけた1Lの三口フラスコに、2,6−ジクロロベンゾニトリル154.8g(0.9mol)、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269.0g(0.8mol)、炭酸カリウム143.7g(1.04mol)をはかりとった。窒素置換後、スルホラン1020mL、トルエン510mLを加えて攪拌した。オイルバスで反応液を150℃で加熱還流させた。反応によって生成する水はDean−stark管にトラップした。3時間後、水の生成がほとんど認められなくなったところで、トルエンをDean−stark管から系外に除去した。徐々に反応温度を200℃に上げ、3時間攪拌を続けた後、2,6−ジクロロベンゾニトリル51.6g(0.3mol)を加え、さらに5時間反応させた。
<Synthesis of a structural unit having an aromatic structure>
To a 1 L three-necked flask equipped with a stirrer, thermometer, Dean-stark tube, nitrogen inlet tube, and condenser tube, 154.8 g (0.9 mol) of 2,6-dichlorobenzonitrile and 2,2-bis (4-hydroxy) were added. (Phenyl) -1,1,1,3,3,3-hexafluoropropane (269.0 g, 0.8 mol) and potassium carbonate (143.7 g, 1.04 mol) were weighed. After substitution with nitrogen, 1020 mL of sulfolane and 510 mL of toluene were added and stirred. The reaction solution was heated to reflux at 150 ° C. in an oil bath. Water produced by the reaction was trapped in a Dean-stark tube. After 3 hours, when almost no water was observed, toluene was removed from the Dean-stark tube out of the system. The reaction temperature was gradually raised to 200 ° C. and stirring was continued for 3 hours. Then, 51.6 g (0.3 mol) of 2,6-dichlorobenzonitrile was added, and the reaction was further continued for 5 hours.
反応液を放冷後、トルエン250mLを加えて希釈した。反応液に不溶の無機塩を濾過し、濾液をメタノール8Lに注いで生成物を沈殿させた。沈殿した生成物を濾過、乾燥後、テトラヒドロフラン500mLに溶解し、これをメタノール5Lに注いで再沈殿させた。沈殿した白色粉末を濾過、乾燥し、目的物258gを得た。GPCで測定したMnは8,200であった。得られた化合物は式(30−2)で表されるオリゴマーであることを確認した。 The reaction solution was allowed to cool and then diluted by adding 250 mL of toluene. Inorganic salts insoluble in the reaction solution were filtered, and the filtrate was poured into 8 L of methanol to precipitate the product. The precipitated product was filtered and dried, then dissolved in 500 mL of tetrahydrofuran, and poured into 5 L of methanol for reprecipitation. The precipitated white powder was filtered and dried to obtain 258 g of the desired product. Mn measured by GPC was 8,200. It was confirmed that the obtained compound was an oligomer represented by the formula (30-2).
[実施例1]
上記(30−1)で表される化合物19.06g(47.5mmol)と、2,5−ジクロロピリジン0.25g(1.7mmol)と、上記(30−2)で表される化合物6.40g(0.8mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド1.31g(2.0mmol)、トリフェニルホスフィン3.93g(15mmol)、ヨウ化ナトリウム0.22g(1.5mmol)、亜鉛7.84g(120mmol)の混合物中に乾燥したジメチルアセトアミド(DMAc)85mLを窒素下で加えた。
[Example 1]
19.06 g (47.5 mmol) of the compound represented by the above (30-1), 0.25 g (1.7 mmol) of 2,5-dichloropyridine, and the compound represented by the above (30-2). 40 g (0.8 mmol), bis (triphenylphosphine) nickel dichloride 1.31 g (2.0 mmol), triphenylphosphine 3.93 g (15 mmol), sodium iodide 0.22 g (1.5 mmol), zinc 7.84 g 85 mL of dry dimethylacetamide (DMAc) in a mixture of (120 mmol) was added under nitrogen.
反応系を撹拌下に加熱し(最終的には79℃まで加温)、3時間反応させた。反応途中で系中の粘度上昇が観察された。重合反応溶液をDMAc 193mLで希釈し、30分撹拌し、セライトを濾過助剤に用い、濾過した。
濾液に臭化リチウム13.27g(153mmol)を加え、内温120℃で7時間、窒素雰囲気下で反応させた。反応後、室温まで冷却し、水1.5Lに注ぎ、凝固した。凝固物をアセトンに浸漬し、濾過し洗浄した。洗浄物を1N硫酸370gで攪拌しながら洗浄を行った。濾過後、生成物は洗浄液のpHが5以上となるまで、イオン交換水で洗浄した。得られたポリマーの分子量をGPCで測定した結果、イオン交換容量を表1に示す。得られたポリマーは、下記一般式(30−3)であった。
The reaction system was heated with stirring (finally heated to 79 ° C.) and reacted for 3 hours. An increase in viscosity in the system was observed during the reaction. The polymerization reaction solution was diluted with 193 mL of DMAc, stirred for 30 minutes, and filtered using Celite as a filter aid.
Lithium bromide (13.27 g, 153 mmol) was added to the filtrate and reacted at an internal temperature of 120 ° C. for 7 hours under a nitrogen atmosphere. After the reaction, the mixture was cooled to room temperature, poured into 1.5 L of water and solidified. The coagulum was immersed in acetone, filtered and washed. The washed product was washed while being stirred with 370 g of 1N sulfuric acid. After filtration, the product was washed with ion exchanged water until the pH of the washing solution became 5 or higher. As a result of measuring the molecular weight of the obtained polymer by GPC, the ion exchange capacity is shown in Table 1. The obtained polymer was the following general formula (30-3).
[実施例2〜9]
表1に示すような含窒素複素環を用いて、仕込比を表1に示すような割合で用いた以外は、実施例1と同様にしてポリマーを得た。得られたポリマーの分子量をGPCで測定した結果、イオン交換容量を表1に示す。
[Examples 2 to 9]
A polymer was obtained in the same manner as in Example 1 except that a nitrogen-containing heterocycle as shown in Table 1 was used and the charge ratio was used at a ratio as shown in Table 1. As a result of measuring the molecular weight of the obtained polymer by GPC, the ion exchange capacity is shown in Table 1.
[比較例1]
<ポリマーの合成>
上記(30−1)で表される化合物19.66g(49.0mmol)と、上記(30−2)で表される化合物8.20g(1.0mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド1.31g(2.0mmol)、トリフェニルホスフィン3.93g(15mmol)、ヨウ化ナトリウム0.22g(1.5mmol)、亜鉛7.84g(120mmol)の混合物中に乾燥したDMAc92mLを窒素下で加えた。
[Comparative Example 1]
<Polymer synthesis>
19.66 g (49.0 mmol) of the compound represented by the above (30-1), 8.20 g (1.0 mmol) of the compound represented by the above (30-2), bis (triphenylphosphine) nickel dichloride 1 In a mixture of .31 g (2.0 mmol), triphenylphosphine 3.93 g (15 mmol), sodium iodide 0.22 g (1.5 mmol), zinc 7.84 g (120 mmol), 92 mL of dried DMAc was added under nitrogen. .
反応系を撹拌下に加熱し(最終的には79℃まで加温)、3時間反応させた。反応途中で系中の粘度上昇が観察された。重合反応溶液をDMAc193mLで希釈し、30分撹拌し、セライトを濾過助剤に用い、濾過した。
濾液に臭化リチウム12.77g(147mmol)を加え、内温120℃で7時間、窒素雰囲気下で反応させた。反応後、室温まで冷却し、水1.5Lに注ぎ、凝固した。凝固物をアセトンに浸漬し、濾過し洗浄した。洗浄物を1N硫酸370gで攪拌しながら洗浄を行った。濾過後、生成物は洗浄液のpHが5以上となるまで、イオン交換水で洗浄した。得られたポリマーの分子量をGPCで測定した結果、イオン交換容量を表1に示す。得られたポリマーは、下記一般式(30−4)であった。
The reaction system was heated with stirring (finally heated to 79 ° C.) and reacted for 3 hours. An increase in viscosity in the system was observed during the reaction. The polymerization reaction solution was diluted with 193 mL of DMAc, stirred for 30 minutes, and filtered using Celite as a filter aid.
To the filtrate, 12.77 g (147 mmol) of lithium bromide was added and reacted at an internal temperature of 120 ° C. for 7 hours under a nitrogen atmosphere. After the reaction, the mixture was cooled to room temperature, poured into 1.5 L of water and solidified. The coagulum was immersed in acetone, filtered and washed. The washed product was washed while being stirred with 370 g of 1N sulfuric acid. After filtration, the product was washed with ion exchanged water until the pH of the washing solution became 5 or higher. As a result of measuring the molecular weight of the obtained polymer by GPC, the ion exchange capacity is shown in Table 1. The obtained polymer was the following general formula (30-4).
[比較例2]
上記(30−1)で表される化合物19.26g(48.0mmol)と、(30−5)で表される化合物0.35g(1.1mol)、上記(30−2)で表される化合物7.38g(0.9mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド1.31g(2.0mmol)、トリフェニルホスフィン3.93g(15mmol)、ヨウ化ナトリウム0.22g(1.5mmol)、亜鉛7.84g(120mmol)の混合物中に乾燥したDMAc89mLを窒素下で加えた。
[Comparative Example 2]
19.26 g (48.0 mmol) of the compound represented by (30-1) above, 0.35 g (1.1 mol) of the compound represented by (30-5), represented by (30-2) above Compound 7.38 g (0.9 mmol), bis (triphenylphosphine) nickel dichloride 1.31 g (2.0 mmol), triphenylphosphine 3.93 g (15 mmol), sodium iodide 0.22 g (1.5 mmol), zinc 89 mL of dry DMAc in 7.84 g (120 mmol) of the mixture was added under nitrogen.
反応系を撹拌下に加熱し(最終的には79℃まで加温)、3時間反応させた。反応途中で系中の粘度上昇が観察された。重合反応溶液をDMAc 193mLで希釈し、30分撹拌し、セライトを濾過助剤に用い、濾過した。
濾液に臭化リチウム13.08g(150.6mmol)を加え、内温120℃で7時間、窒素雰囲気下で反応させた。反応後、室温まで冷却し、水1.5Lに注ぎ、凝固した。凝固物をアセトンに浸漬し、濾過し洗浄した。洗浄物を1N硫酸370gで攪拌しながら洗浄を行った。濾過後、生成物は洗浄液のpHが5以上となるまで、イオン交換水で洗浄した。得られたポリマーの分子量をGPCで測定した結果、イオン交換容量を表1に示す。得られたポリマーは、下記一般式(30−6)であった。
The reaction system was heated with stirring (finally heated to 79 ° C.) and reacted for 3 hours. An increase in viscosity in the system was observed during the reaction. The polymerization reaction solution was diluted with 193 mL of DMAc, stirred for 30 minutes, and filtered using Celite as a filter aid.
Lithium bromide (13.08 g, 150.6 mmol) was added to the filtrate and reacted at an internal temperature of 120 ° C. for 7 hours under a nitrogen atmosphere. After the reaction, the mixture was cooled to room temperature, poured into 1.5 L of water and solidified. The coagulum was immersed in acetone, filtered and washed. The washed product was washed while being stirred with 370 g of 1N sulfuric acid. After filtration, the product was washed with ion exchanged water until the pH of the washing solution became 5 or higher. As a result of measuring the molecular weight of the obtained polymer by GPC, the ion exchange capacity is shown in Table 1. The obtained polymer was the following general formula (30-6).
ポリアリーレン系共重合体の主鎖に窒素を含む複素環を導入することにより、プロトン伝導度は同等で比較例1に対して熱水試験における含水率、面積変化を抑制することが可能である。また、耐熱試験における架橋耐性は窒素を含む複素環を導入する方が高い。 By introducing a heterocyclic ring containing nitrogen into the main chain of the polyarylene copolymer, the proton conductivity is equivalent, and it is possible to suppress the moisture content and area change in the hydrothermal test relative to Comparative Example 1. . In addition, crosslinking resistance in the heat test is higher when a nitrogen-containing heterocycle is introduced.
実施例1〜9と比較例2とを対比すると、ポリアリーレン系共重合体の側鎖に窒素を含む複素環を導入する場合に比べ、主鎖に窒素を含む複素環を導入する方が熱水試験における含水率、面積変化を抑制することが可能となる。 When comparing Examples 1 to 9 and Comparative Example 2, it is more heat-resistant to introduce a nitrogen-containing heterocycle into the main chain than to introduce a nitrogen-containing heterocycle into the side chain of the polyarylene copolymer. It becomes possible to suppress the moisture content and area change in the water test.
Claims (4)
Ar31は、ピロール、2H−ピロール、イミダゾール、ピラゾール、イソチアゾール、イソオキサゾール、ピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、インドリジン、イソインドール、3H−インドール、インドール、1H−インダゾール、プリン、4H−キノリジン、キノリン、イソキノリン、フタラジン、ナフチリジン、キノキサリン、キナゾリン、シンノリン、プテリジン、カルバゾール、カルボリン、フェナントリジン、アクリジン、ペリミジン、フェナントロリン、フェナジン、フェノチアジン、フラザン、フェノキサジン、ピロリジン、ピロリン、イミダゾリン、イミダゾリジン、ピラゾリジン、ピラゾリン、ピペリジン、ピペラジン、インドリン、イソインドリン、キヌクリジン、オキサゾール、1,3,5−トリアジン、ブリン、テトラゾール、テトラジン、トリアゾール、フェナルサジン、ベンゾトリアゾール、チアゾール、ベンゾチアジアゾール
からなる群より選ばれる少なくとも1種に由来する構造か、
又は、下記式で表される構造からなる群より選ばれる少なくとも1種の構造を含む構造を示す。
Ar 31 is pyrrole, 2H-pyrrole, imidazole, pyrazole, isothiazole, isoxazole, pyridine, pyrazine, pyrimidine, pyridazine, indolizine, isoindole, 3H-indole, indole, 1H-indazole, purine, 4H-quinolidine, Quinoline, isoquinoline, phthalazine, naphthyridine, quinoxaline, quinazoline, cinnoline, pteridine, carbazole, carboline, phenanthridine, acridine, perimidine, phenanthroline, phenazine, phenothiazine, furan, phenoxazine, pyrrolidine, pyrroline, imidazoline, imidazolidine, pyrazolidine Pyrazoline, piperidine, piperazine, indoline, isoindoline, quinuclidine, oxazole, 1,3,5-triazine Brin, tetrazole, tetrazine, triazole, phenarsazine, benzotriazole, thiazole, or structure derived from at least one selected from the group consisting of benzothiadiazole,
Or the structure containing at least 1 sort (s) of structure chosen from the group which consists of a structure represented by a following formula is shown.
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