CN104650095A - 一种四氟硼酸螺环季铵盐的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超级电容器电解质的制备领域，特别是涉及一种四氟硼酸螺环季铵盐的制备方法及其用途。本发明提供一种四氟硼酸螺环季铵盐的制备方法，包括如下步骤：1）将碱、氟硼酸盐、二卤代烷、环胺置于反应溶剂中，于50～90℃下反应，反应完成后降温并过滤，滤液脱除溶剂；2）向步骤1所得产物中加入重结晶溶剂和金属离子除去剂进行重结晶，即得四氟硼酸螺环季铵盐产品。本发明采用一锅法反应，不需分离中间体，操作简单；且采用非水体系，三废少，所有溶剂能方便回收套用，经济实惠；后处理时采用冠醚来除去体系中相应的金属离子，可提高四氟硼酸螺环季铵盐的品质和性能。

Description

一种四氟硼酸螺环季铵盐的制备方法

技术领域

本发明涉及超级电容器电解质的制备领域，特别是涉及一种四氟硼酸螺环季铵盐的制备方法及其用途。

背景技术

超级电容器由于功率特性好、循环寿命长和环境污染小等特点，近年来受到人们的广泛关注。超级电容器的重要组成部分——电解液，是影响电容器性能的关键因素之一。根据所用电解液的不同，超级电容器可以分为水系电解液超级电容器和非水系电解液超级电容器两种。水系电解液的超级电容器能量密度低，而非水电解液的超级电容器却有较高的能量密度。但是非水电解液的性能由于受电解质分解电压的限制，目前国内超级电容器厂家的实际生产的工作电压低于3.0V。另一方面，使用周期中包裹在电容器中的电解液，本身要具有良好的稳定性，当电容器处于开路状态时，电解液溶液不能发生任何反应；同时也需要考虑电解液应具有足够高的分解电压，并且在电容器的工作窗口范围内不发生分解反应。因而选择新型电解质盐，开发出化学稳定性好、电化学窗口宽的新型电解液对提高超级电容器的工作电压具有重要的意义。

目前超级电容器采用的非水电解液主要是季铵盐有机溶液，四氟硼酸螺环季铵盐是一种新型电解质盐。将四氟硼酸螺环季铵盐溶于乙腈溶剂所得的电解液，是生产大容量超级电容器较为理想的电解液。通过电化学测试，超级电容器电化学窗口可以达到4.0V，电容器的单正极比电容可达到465.74F/cm²，并且具有良好的电容特性、可逆性及循环特性。

超级电容器是近年来迅速发展的一种新型电化学贮能器件，与传统的蓄电池相比，它具有更宽的使用温度范围、更快的充放电能力、更高的贮能密度、更久的循环寿命和更小的环境污染等优点。目前主要应用领域包括电动车动力电源或辅助电源、太阳能发电和风力发电的储能系统等。

采用有机电解液体系的超级电容器所使用的电解质必须具有在溶剂中溶解度大、电导率高、耐电性好等特点。四氟硼酸季铵盐是目前应用较多的超级电容器电解质，前期应用较多的为四乙基四氟硼酸铵(TEA)，近来应用较好的为一种新型的功能更强大的四氟硼酸螺环季铵盐，其中的双环丁铵四氟硼酸盐(SBP)，与TEA相比，其在溶剂中的溶解度更好，是TEA的2倍，能溶于直链的碳酸酯溶剂；耐电压性也更好，可高达3.0V以上；低粘度、内阻低，可大电流充放电；其制备的锂电电解液被成功应用于大型高电容量的超级电容器和消费电子如智能手机电池，使电池更薄。

近年来报道四氟硼酸螺环季铵盐的制备方法主要有以下专利。

专利JP2009023964A报道是先用环胺与1-F-ω-卤代烷烃发生取代反应，生成三级胺中间体，再与BF₃或BF₃的水溶液、有机溶液反应得到目标产物，但这一方法存在原料较贵、设备防腐要求高、工艺步骤多等不足。

专利JP2007106750A、JP2009179586A提供的制备方法是用螺环季铵盐相应的卤代盐与氟硼酸水溶液反应，但这一方法的不足在于，产品在水溶液中有非常好的溶解度，要将产品从水溶液中分离出来非常麻烦且效率低下。

专利US2007049750采用两步反应，使用环胺与烷基化试剂在溶剂中并在碱的存在下季胺化，然后添加四氟硼酸金属盐(四氟硼酸钾)，直接形成非水电解质溶液，或过滤后得到纯化的电解质。此法对比起前述专利有明显的进步，废水少，反应简单，但未报道提纯方法，即使过滤得到的电解质也为混合物，含金属离子和未反应完全的原辅料，将会大大影响电解质的性能。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种四氟硼酸螺环季铵盐的制备方法及其用途，用于解决现有技术中的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种四氟硼酸螺环季铵盐的制备方法，包括如下步骤：

1)将碱、氟硼酸盐、二卤代烷、环胺置于反应溶剂中，于50～90℃下反应，反应完成后降温并过滤，滤液脱除溶剂；

2)向步骤1所得产物中加入重结晶溶剂和金属离子除去剂进行重结晶，即得四氟硼酸螺环季铵盐产品。

优选的，所述步骤1中，碱为无机碱。

更优选的，所述碱为碳酸锂、碳酸钠、碳酸钾、氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或多种的组合。

优选的，所述步骤1中，环胺与碱的摩尔比为1:0.9～1:2，更优选为1:1～1:1.1。

优选的，所述步骤1中，氟硼酸盐为氟硼酸锂、氟硼酸钠、氟硼酸铵或氟硼酸钾中的一种或多种的组合。

优选的，所述步骤1中，环胺与氟硼酸盐的摩尔比为1:0.9～1:2，更优选1:1～1:1.1。

优选的，二卤代烷的结构式为：

其中R为CH₂，X’、X”各自独立地选自F、Cl、Br、I；

环胺的结构式为：

四氟硼酸螺环季铵盐的结构式为：

更优选的，所述二卤代烷的结构式中，n’为2～8的整数，所述环胺的结构式中，n”为4～10的整数，所述四氟硼酸螺环季铵盐的结构式中，m和n各自独立地选自4～10的整数。

四氟硼酸螺环季铵盐的结构式中m和n的取值分别与二卤代烷和环胺的结构式中n的取值相对应，具体来说，m＝n’+2、n＝n”；或者n＝n’+2、m＝n”。

在本发明一实施例中，四氟硼酸螺环季铵盐为四氟硼酸螺环-1,1-二吡咯烷鎓盐。

优选的，所述步骤1中，环胺与二卤代烷的摩尔比为1:0.9～1:2，更优选为1:1～1:1.1。

优选的，所述反应溶剂优选为有机溶剂。

优选的，所述环胺和反应溶剂的摩尔比为1:4～1:10，优选为1:5～1:6。

优选的，所述步骤1中，反应体系的反应温度为于50～90℃下反应，更优选为60～70℃下反应，反应完成后降温至室温并过滤。

优选的，所述步骤2中，重结晶溶剂选自甲醇、乙醇、异丙醇中的一种或多种的组合。

优选的，所述步骤2中，金属离子除去剂选自12-冠-4、15-冠-5、18-冠-6、二环己烷并-18-冠-6中的一种或多种的组合。

本发明第二方面提供所述四氟硼酸螺环季铵盐的制备方法在四氟硼酸螺环季铵盐制备领域的用途。

本发明与现有的方法相比，其主要优点在于：本发明采用一锅法反应，不需分离中间体，操作简单；且采用非水体系，三废少，所有溶剂能方便回收套用，经济实惠；后处理时采用冠醚来除去体系中相应的金属离子，可提高四氟硼酸螺环季铵盐的品质和性能。可见，本发明提供了一种能得到高品质高纯度产品且经济实惠的制备方法。

具体实施方式

本发明发明人以环胺和二卤代烷、氟硼酸盐为原料，在碱的作用下采用一锅法制备获得高品质高纯度的四氟硼酸螺环季铵盐产品，从而提供了一种简单高效的方法来制备高品质四氟硼酸螺环季铵盐，在此基础上完成了本发明。

本发明提供一种四氟硼酸螺环季铵盐的制备方法，包括如下步骤：

1)将碱、氟硼酸盐、二卤代烷、环胺置于反应溶剂中，于50～90℃下反应，反应完成后降温并过滤，滤液脱除溶剂；

本发明所提供的四氟硼酸螺环季铵盐的制备方法中，碱优选为无机碱，进一步优选为碳酸锂、碳酸钠、碳酸钾、氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或多种的组合。环胺与碱的摩尔比优选为1:0.9～1:2，更优选为1:1～1:1.1。

本发明所提供的四氟硼酸螺环季铵盐的制备方法中，氟硼酸盐优选为氟硼酸锂、氟硼酸钠、氟硼酸铵或氟硼酸钾中的一种或多种的组合。环胺与氟硼酸盐的摩尔比优选为1:0.9～1:2，更优选为1:1～1:1.1。

本发明所提供的四氟硼酸螺环季铵盐的制备方法中，二卤代烷的结构为：

其中R为CH₂，X’、X”各自独立地选自F、Cl、Br、I；n’优选为2～8的整数。环胺与二卤代烷的摩尔比优选为1:0.9～1:2，更优选为1:1～1:1.1。

本发明所提供的四氟硼酸螺环季铵盐的制备方法中，环胺的结构为：

其中n”优选为4～10的整数。

本发明所提供的四氟硼酸螺环季铵盐的制备方法中，反应溶剂优选为有机溶剂，具体可使用的有机溶剂包括但不限于乙腈、丙腈、丁腈、异丁腈、丁二腈、戊二腈、苯乙腈、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯中的一种或多种的组合。反应溶剂的用量并没有特殊限制，只要不对本发明的发明目的产生限制即可，优选的，环胺和反应溶剂的摩尔比为1:4～1:10，更优选为1:5～1:6。

所述步骤1中，反应体系的反应温度优选为于50～90℃下反应，更优选为60～70℃下反应，反应时进行搅拌，本领域技术人员可选择适当的搅拌条件。本领域技术人员可根据反应体系中原料的消耗情况控制反应时间，优选的反应时间为40～60小时。反应完成后优选地降温至室温并过滤，滤液脱除溶剂的方式并没有特殊限制，只要不对本发明的发明目的产生限制即可，优选为减压脱溶。

2)向步骤1所得产物中加入重结晶溶剂和金属离子除去剂进行重结晶，即得四氟硼酸螺环季铵盐产品。

本发明所提供的四氟硼酸螺环季铵盐的制备方法中，对于重结晶溶剂的选择没有特殊限制，只要不对本发明的发明目的产生限制即可。优选的，所述重结晶溶剂选自甲醇、乙醇、异丙醇中的一种或多种的组合，更优选为乙醇。本领域技术人员可根据实际情况，调整重结晶溶剂的用量，优选的重结晶溶剂用量为环胺重量的4～8倍。

本发明所提供的四氟硼酸螺环季铵盐的制备方法中，可选用本领域各种金属离子除去剂，只要不对本发明的发明目的产生限制即可。优选的，所述金属离子除去剂包括但不限于12-冠-4、15-冠-5、18-冠-6、二环己烷并-18-冠-6中的一种或多种的组合。本领域技术人员可根据实际情况，调整金属离子除去剂的用量，优选的金属离子除去剂的用量为环胺重量的0.5％～5％。

本发明所提供的四氟硼酸螺环季铵盐的制备方法中，四氟硼酸螺环季铵盐的结构式为：

m和n各自独立地选自4到10的整数，四氟硼酸螺环季铵盐的结构式中m和n的取值分别与二卤代烷和环胺的结构式中n的取值相对应。具体来说，m＝n’+2、n＝n”；或者n＝n’+2、m＝n”。

在本发明实施例中，m＝n＝4，n’＝2，n”＝4，即四氟硼酸螺环季铵盐为四氟硼酸螺环-1,1-二吡咯烷鎓盐。

本发明进一步提供所述四氟硼酸螺环季铵盐的制备方法在四氟硼酸螺环季铵盐制备领域的用途。

本发明所提供的四氟硼酸螺环季铵盐的制备方法采用一锅法的方式，无需中间体分离，经过简单经济的后处理，即可提纯得到高品质高纯度的四氟硼酸螺环季铵盐产品。该方法反应步骤简单、成本合理，适合大规模产业化。

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

须知，下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置；所有压力值和范围都是指绝对压力。

此外应理解，本发明中提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还可以存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤，除非另有说明；还应理解，本发明中提到的一个或多个设备/装置之间的组合连接关系并不排斥在所述组合设备/装置前后还可以存在其他设备/装置或在这些明确提到的两个设备/装置之间还可以插入其他设备/装置，除非另有说明。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例1：(四氟硼酸螺环-1,1-二吡咯烷鎓盐)

2000mL反应釜中，搅拌下依次加入500g乙腈，193.5g(1.4mol)碳酸钾，146.8g(1.4mol)氟硼酸铵,177.8g(1.4mol)1，4-二氯丁烷，100g(1.4mol)四氢吡咯。加热至60～70℃保温反应50小时。降温至室温，抽滤，滤饼用50g乙腈漂洗，合并滤液，得到产品的乙腈溶液。滤液减压浓缩，加入600g乙醇，1.0g 18-冠-6进行重结晶，过滤，真空干燥后得产品229g。熔点：189.2～189.7。¹H NMR(300MHz,D₂O):δ＝2.08～2.09(m,8H),3.38～3.43(m,8H)。¹³C NMR(75MHz,D₂O):δ＝21.67(CH₂),62.78(CH₂)。¹⁹F NMR(376MHz,CDCl₃):δ＝-151.95。

实施例2：(四氟硼酸螺环-1,1-二吡咯烷鎓盐)

2000mL反应釜中，搅拌下依次加入500g乙腈，193.5g(1.4mol)碳酸钾，146.8g(1.4mol)氟硼酸铵,177.8g(1.4mol)1，4-二氯丁烷，100g(1.4mol)四氢吡咯。加热至60～70℃保温反应50小时。降温至室温，抽滤，滤饼用50g乙腈漂洗，合并滤液，得到产品的乙腈溶液。滤液减压浓缩，加入600g乙醇进行重结晶，过滤，真空干燥后得产品230g。

实施例3：(四氟硼酸螺环-1,1-二吡咯烷鎓盐)

2000mL反应釜中，搅拌下依次加入500g乙腈，193.5g(1.4mol)碳酸钾，176.3g(1.4mol)氟硼酸钾,177.8g(1.4mol)1，4-二氯丁烷，100g(1.4mol)四氢吡咯。加热至60～70℃保温反应50小时。降温至室温，抽滤，滤饼用50g乙腈漂洗，合并滤液，得到产品的乙腈溶液。滤液减压浓缩，加入600g乙醇，1.0g 18-冠-6进行重结晶，过滤，真空干燥后得产品227g。

实施例4～10:

实施例4-10的制备工艺与实施例1相似，但各反应物料有差别，具体如表1所示。

表1

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种四氟硼酸螺环季铵盐的制备方法，包括如下步骤：

1)将碱、氟硼酸盐、二卤代烷、环胺置于反应溶剂中，于50～90℃下反应，反应完成后降温并过滤，滤液脱除溶剂；

2)向步骤1所得产物中加入重结晶溶剂和金属离子除去剂进行重结晶，即得四氟硼酸螺环季铵盐产品。

2.如权利要求1所述的一种四氟硼酸螺环季铵盐的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，碱为无机碱。

3.如权利要求1所述的一种四氟硼酸螺环季铵盐的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，环胺与碱的摩尔比为1:0.9～1:2，所述碱为碳酸锂、碳酸钠、碳酸钾、氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或多种的组合。

4.如权利要求1所述的一种四氟硼酸螺环季铵盐的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，环胺与氟硼酸盐的摩尔比为1:0.9～1:2，氟硼酸盐为氟硼酸锂、氟硼酸钠、氟硼酸铵或氟硼酸钾中的一种或多种的组合。

5.如权利要求1所述的一种四氟硼酸螺环季铵盐的制备方法，其特征在于，二卤代烷的结构式为：

其中R为CH₂，X’、X”各自独立地选自F、Cl、Br、I；

环胺的结构式为：

四氟硼酸螺环季铵盐的结构式为：

6.如权利要求5所述的一种四氟硼酸螺环季铵盐的制备方法，其特征在于，所述二卤代烷的结构式中，n’为2～8的整数，所述环胺的结构式中，n”为4～10的整数，所述四氟硼酸螺环季铵盐的结构式中，m和n各自独立地选自4～10的整数。

7.如权利要求1所述的一种四氟硼酸螺环季铵盐的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，环胺与二卤代烷的摩尔比为1:0.9～1:2。

8.如权利要求1所述的一种四氟硼酸螺环季铵盐的制备方法，其特征在于，所述反应溶剂为有机溶剂。

9.如权利要求1所述的一种四氟硼酸螺环季铵盐的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，反应体系的反应温度为于60～70℃下反应，反应完成后降温至室温并过滤。

10.如权利要求1所述的一种四氟硼酸螺环季铵盐的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，重结晶溶剂选自甲醇、乙醇、异丙醇中的一种或多种的组合。

11.如权利要求1所述的一种四氟硼酸螺环季铵盐的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，金属离子除去剂选自12-冠-4、15-冠-5、18-冠-6、二环己烷并-18-冠-6中的一种或多种的组合。