CN107793442B - 一种四氟硼酸季铵盐的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种四氟硼酸季铵盐的制备方法,其制备步骤包括:(1)胺与硼酸烷基酯在有机溶剂中季铵化反应生成硼酸类季铵盐;(2)硼酸类季铵盐与氢氟酸反应,得四氟硼酸季铵盐。该法使用硼酸烷基酯作为烷基化试剂,没有使用氯代烷,或溴代烷,因此无氯离子、溴离子残留,并且使用廉价的氢氟酸代替四氟硼酸来生成四氟硼酸盐,降低了生产成本。

Description

一种四氟硼酸季铵盐的制备方法
技术领域
本发明涉及一种四氟硼酸季铵盐的制备方法,特别是作为超级电容器电解质的四氟硼酸季铵盐的制备方法。
背景技术
超级电容器,又叫做双层电容器(Ectrochemical Double-Layer Capacitors,EDLCs),比传统静电电容器有更高的能量密度,比二次电池有更大的功率密度,是介于普通电池与传统静电电容器之间的新型能量储存器件。由于超级电容器具有功率密度高,循环寿命长,充放电时间短和使用温度范围宽等优点,具有广阔的应用前景,成为了研究的热点。
电解质是超级电容器的重要组成部分,对超级电容器的性能有很大的影响。季铵盐,特别是甲基三乙基四氟硼酸铵、N,N-二甲基吡咯四氟硼酸铵、1,3-二甲基咪唑四氟硼酸铵,在极性有机溶剂中有良好的溶解性,具有较高的电导率;几乎没有蒸汽压,可以消除因挥发对环境产生的污染;工作温度范围宽、防爆性能和阻燃性能较好,具有较高的安全性能等优点,广泛用作超级电容器电解质。
用作超级电容器电解质的四氟硼酸类季铵盐,如甲基三乙基四氟硼酸铵、N,N-二甲基吡咯四氟硼酸铵、1,3-二甲基咪唑四氟硼酸铵,其制备方法有以下三种:(1)方法一,是先将卤代季铵盐转化成季铵碱,再与相应的酸中和反应,得到目标产品。专利CN 104892433A公布了一种甲基三乙基四氟硼酸铵的制备方法,是先制备甲基三乙基氯化铵,再与氢氧化钠或氢氧化钾反应转化成甲基三乙基氢氧化物,再与四氟硼酸反应,得到甲基三乙基四氟硼酸铵。该合成方法有卤化物参与,卤素离子不易去除干净,会影响超级电容器的电化学性能。为了尽量脱除卤素离子,专利JP 2011192963 A利用氧化银与甲基三乙基氯化铵在水溶液中反应,制备甲基三乙基氢氧化物,再与四氟硼酸反应,得到甲基三乙基四氟硼酸铵。虽然此方法可以几乎完全去除卤素离子,但成本太高。(2)方法二,以硫酸烷基酯为烷基化试剂与胺反应制备硫酸类季铵盐,再与相应的酸反应,得到目标产品。专利CN 101328128 A公布了将二乙胺或三乙胺与硫酸二甲酯季铵化反应,生成硫酸类季铵盐,再与四氟硼酸反应得到相应的产品。该方法虽然合成工艺简单,收率高,并且没有卤素离子的引入,但硫酸烷基酯毒性大,对环境污染严重,所以限制了其使用。(3)方法三,以碳酸烷基酯为烷基化试剂与胺反应制备碳酸类季铵盐,再与相应的酸反应,得到目标产品。专利CN 102584602 A公布了将正三丙胺或哌嗪与碳酸二甲酯季铵化反应,生成碳酸类季铵盐,再与四氟硼酸反应得到相应的产品。该方法虽然没有卤素离子的引入,但是碳酸烷基酯的活性低,反应需要在耐压釜中进行,工艺条件复杂,增加了生产成本。
发明内容
本发明的目的在于克服上述四氟硼酸类季铵盐制备方法的不足,提供一种四氟硼酸季铵盐的制备方法。
本发明目的的实现,步骤如下:
(1)胺与硼酸烷基酯在有机溶剂中季铵化反应生成硼酸类季铵盐;
(2)硼酸类季铵盐与氢氟酸反应,得四氟硼酸季铵盐。
所述步骤(1)中,胺为以下结构的一种,代表性分子结构如下:
其中:R1代表氢或C1~C4烷基;R2、R3代表C1~C4烷基。
所诉步骤(1)中,硼酸烷基酯为硼酸三甲酯、硼酸三乙酯中的一种。
所诉步骤(1)中,有机溶剂为硼酸烷基酯对应的醇、四氢呋喃中的一种。
所诉步骤(1)中,胺与硼酸烷基酯的摩尔比为1:1~3:1,反应温度为60℃~200℃,反应时间为4h~18h。
所诉步骤(2)中,硼酸类季铵盐与氢氟酸的摩尔比为1:4~1:5,反应温度为10℃~90℃,反应时间为1h~6h。
有益效果:本发明的优点在于使用硼酸烷基酯作为烷基化试剂,没有使用氯代烷,或溴代烷,因此无氯离子、溴离子残留,因此无氯离子、溴离子残留;并且使用廉价的氢氟酸代替四氟硼酸来生成四氟硼酸盐,降低了生产成本。
具体实施方法
以下结合具体实施例对本申请进行示例性说明和进一步理解,但实施例仅作为例子给出,不视为本发明的全部技术方案,不是对本发明总的技术方案的限定。凡具有相同或相似技术特征,简单改变或替换的,均属本发明保护范围。
实施例1
将硼酸三甲酯(10.39g,0.1mol),三乙胺(15.15g,0.15mol),20mL甲醇,加入到高压反应釜中,搅拌,135℃左右反应9h。反应结束后,旋蒸脱溶剂,得甲基三乙基硼酸类季铵盐。
将40%的氢氟酸水溶液(22.51g,0.45mol),滴加到甲基三乙基硼酸类季铵盐溶液中,40℃左右反应4h,旋蒸脱溶剂,得粗产品。用乙醇重结晶,得到甲基三乙基四氟硼酸铵13.90g。
1H-NMR(D2O)δ,ppm:1.29~1.33(t,9H,N-CH2-CH3),2.93~3.01(s,3H,N-CH3),3..30~3.34(q,6H,N-CH2)。
13C-NMR(D2O):
高分辨质谱:M+=116.144,M-=87.004。
经离子色谱检测,结果如下:
实施例2
将硼酸三甲酯(10.39g,0.1mol),N-甲基吡咯烷(12.77g,0.15mol),20mL甲醇,加入到高压反应釜中,搅拌,130℃左右反应9h。反应结束后,旋蒸脱溶剂,得N,N-二甲基吡咯硼酸类季铵盐。
将40%的氢氟酸水溶液(22.51g,0.45mol),滴加到N,N-二甲基吡咯硼酸类季铵盐溶液中,40℃左右反应4h,旋蒸脱溶剂,得粗产品。用乙醇重结晶,得到N,N-二甲基吡咯四氟硼酸铵15.75g。
1H-NMR(D2O)δ,ppm:2.21~2.35(t,4H,CH2),3.08~3.15(s,6H,N-CH3),3.56~3.64(q,4H,N-CH2)。
13C-NMR(D2O):
高分辨质谱:M+=100.113,M-=87.004。
经离子色谱检测,结果如下:
实施例3
将硼酸三甲酯(10.39g,0.1mol),1-甲基咪唑(12.32g,0.15mol),20mL甲醇,加入到高压反应釜中,搅拌,125℃左右反应7h。反应结束后,旋蒸脱溶剂,得1,3-二甲基咪唑硼酸类季铵盐。
将40%的氢氟酸水溶液(22.51g,0.45mol),滴加到1,3-二甲基咪唑硼酸类季铵盐溶液中,40℃左右反应4h,旋蒸脱溶剂,得粗产品。用乙醇重结晶,得到1,3-二甲基咪唑四氟硼酸铵14.36g。
1H-NMR(D2O)δ,ppm:3.79~3.86(s,6H,CH3),7.43~7.52(s,2H,CH),8.70~8.83(s,1H,CH)。
13C-NMR(D2O):
高分辨质谱:M+=97.135,M-=87.004。经离子色谱检测,结果如下:

Claims (6)

1.一种四氟硼酸季铵盐的制备方法,其特征在于该方法步骤如下:
(1)胺与硼酸烷基酯在有机溶剂中季铵化反应生成硼酸类季铵盐;
(2)硼酸类季铵盐与氢氟酸反应,得四氟硼酸季铵盐。
2.根据权利要求1所述的一种四氟硼酸季铵盐的制备方法,其特征在于,所诉步骤(1)中胺为以下结构的一种,代表性分子结构如下:
其中:R1代表氢或C1~C4烷基;R2、R3代表C1~C4烷基。
3.根据权利要求1所述的一种四氟硼酸季铵盐的制备方法,其特征在于,所诉步骤(1)中硼酸烷基酯为硼酸三甲酯、硼酸三乙酯中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种四氟硼酸季铵盐的制备方法,其特征在于,所诉步骤(1)中有机溶剂为硼酸烷基酯对应的醇、四氢呋喃中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种四氟硼酸季铵盐的制备方法,其特征在于,所诉步骤(1)中胺与硼酸烷基酯的摩尔比为1:1~3:1,反应温度为60℃~200℃,反应时间为4h~18h。
6.根据权利要求1所述的一种四氟硼酸季铵盐的制备方法,其特征在于,所诉步骤(2)中硼酸类季铵盐与氢氟酸的摩尔比为1:4~1:5,反应温度为10℃~90℃,反应时间为1h~6h。
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