JP2000128521A - 多孔質層状珪酸及びその製造方法 - Google Patents

多孔質層状珪酸及びその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 アルコールに対する吸着能を有する多孔質層
状珪酸及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 層状珪酸の層間に、直鎖部分の炭素数が
6から20のアルキル基1個と1ないし2個の水酸基を
有するシリル基が結合又は配位している多孔質層状珪
酸。さらにこの製造方法として、層状珪酸の層状中に一
般式RSiX3−aで表されるシラン化合物を結合
又は配位させ、次いで水又は水・有機溶剤混合液中で、
アルキルシランの残存X基をシラノール化させることに
よる多孔質層状珪酸の製造方法も記述する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、多孔質層状珪酸及
びその製造方法に関するものである。更に詳しくは本発
明は、層状珪酸の層間に、直鎖部分の炭素数が6から2
0のアルキル基1個と1ないし2個の水酸基を有するシ
リル基が結合又は配位してなり、アルコールを選択的に
吸着する多孔質層状珪酸及びその製造方法に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】層状結晶(ホスト)の層間に原子、分
子、イオン(ゲスト)を挿入(インターカレーション:
intercalation)して層間化合物とすることは、従来よ
り良く知られている。ホストとゲストの種類の組み合わ
せの多様なことから、層間化合物には極めて多種類の物
質が知られている。層状結晶としては、珪酸塩もその一
つであり、モンモリロナイトやカオリナイトのような層
状粘土鉱物、マガディアイトやケニヤアイトのような構
造にAlを含まない層状珪酸又は層状珪酸塩などが知ら
れている。
【0003】これらの層状化合物は、ゲスト種のインタ
カーレションによって物性の変化、制御が期待でき、新
しい機能発現の可能性を有しており、注目を集めてい
る。特に、層状珪酸あるいは層状珪酸塩は、その構造に
Alが含まれずSiOのユニットだけで構成されてお
り、また層表面にシラノール基(≡Si−O−H)が存
在する。これらの点から層状粘土鉱物とは異なり、本発
明者らは以前より注目をしてきた。
【0004】本発明者らは以前より、層表面のシラノー
ル基に着目し、有機誘導体型層間化合物を合成してき
た。シラノール基の活性水素をトリメチルシリル基で修
飾することであり、反応式は以下のようである。
【0005】
【化2】≡Si−O−H+ClSi(CH →≡
Si−O−Si(CH+HCl
【0006】また、その他のシリル化剤をインタカレー
トするために、アルキルアンモニウム型の層状珪酸有機
層間化合物を合成し、これをアルキルトリメチルクロロ
シランやアルキルジメチルジクロロシランでシリル化す
る方法を提案している (Reactivity of Solids, 5, 167
(1988)。また、一方、従来アルコールの分離方法とし
ては、様々研究されているが、主に結晶性アルミノシリ
ケートを用いるもので、例えば炭素数8ケからなる芳香
族異性体を分離する方法(特開昭52−87123号公
報)、パラクレゾールを分離する方法(特開昭51−1
08025号公報)、アルコールの吸着分離法(特開昭
58−216132号公報)、選択吸着による多価アル
コールの分離(特開昭60−87234号公報)などが
提案されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、上記問
題に鑑み、選択的なアルコール吸着能を有する新規層状
珪酸を開発してきたところ、層状珪酸塩よりアルキルオ
ニウム型の層状珪酸有機層間化合物を合成し、これをア
ルキルトリクロロシラン等の2ないし3官能性アルキル
シランでシリル化し、次いで水又は水−有機溶剤混合液
でシラノール化することにより得られる多孔質層状珪酸
がアルコールを選択的に吸着することを見出し、発明を
完成させた。
【0008】
【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、その
第1は、層状珪酸の層間に、直鎖部分の炭素数が6から
20のアルキル基1個と1ないし2個の水酸基を有する
シリル基が結合又は配位していることを特徴とする多孔
質層状珪酸を提供するものである。また本発明の第2
は、層状珪酸塩に第4級アルキルアンモニウム塩、アル
キルアミン又はアルキルホスホニウム塩をイオン交換に
より導入する第一工程、 次いで一般式(2): R SiX3−a (R は炭素数6〜20個のアルキル基、Xはハロゲン
又は炭素数2以下のアルコキシ基、Yは炭素数1から8
のアルキル基を示し、aは0または1)で表される2な
いし3官能性のアルキルシラン含有溶液中で、第4級ア
ルキルアンモニウム塩、アルキルアミン又はアルキルホ
スホニウム塩と交換反応させて層状珪酸の層状中にシラ
ン化合物を結合又は配位させる第二工程、次いで水又は
水・有機溶剤混合液中で、2ないし3官能性アルキルシ
ランの残存X基(Xは前記と同義を示す)をシラノール
化させる第三工程を行い、多孔質層状珪酸を得ることを
特徴とする多孔質層状珪酸の製造方法を提供するもので
ある。
【0009】
【発明の実施の形態】本発明の多孔質層状珪酸は、新規
化合物である。係る多孔質層状珪酸は、層状珪酸塩の層
間に、直鎖部分の炭素数が6から20のアルキル基1個
と1ないし2個の水酸基を有するシリル基が結合又は配
位しているものである。係る直鎖部分の炭素数が6から
20のアルキル基1個と1ないし2個の水酸基を有する
シリル基は、下記一般式(1):
【0010】
【化3】
【0011】(式中、Rは炭素数6〜20のアルキル
基、Xは水酸基、Xは水酸基又はハロゲン又は炭素
数2以下のアルコキシ基又は炭素数1から8のアルキル
基から選ばれる1種以上である)で表される有機基であ
る。Rは、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、ドデシ
ル基、テトラデシル基、ヘキサデシル基、オクタデシル
基などの直鎖状のアルキル基が好ましく、Xは水酸基
又はハロゲンが好ましい。
【0012】多孔質層状珪酸の原体となる層状珪酸塩
は、カネマイト(NaHSi・3HO)、KH
Si、マカタイト(NaSi・xH
O)、マガディアイト(NaSi1429・xH
O)、ケニヤアイト(KSi 41・xH
O)であるが、好ましくはマガディアイトである。
【0013】図1に本発明の多孔質層状珪酸の形態の模
式図を示す。
【0014】本発明の多孔質層状珪酸の有機修飾量であ
るシリル化量は、直鎖部分の炭素数が6から20のアル
キル基1個と1ないし2個の水酸基を有するシラン化合
物を層状珪酸の化学式量当たり1〜2個である。ここで
言う層状珪酸の化学式量とは、前記珪酸塩の組成式から
イオン交換カチオンを除いたもので、例えばカネマイト
であれば組成式がNaHSi・3HOであるか
ら、化学式量はSi・3HOで定義され、同様
にして、マガディアイトではSi1429・xH
であり、ケニヤアイトではSi2041・xHOで
ある。
【0015】前記の多孔質層状珪酸は、例えば上記の構
造モデル図(1)の単位層の複数個の積み重ねで構成さ
れるものである。上記、多孔質層状珪酸は、アルコール
に対して吸着能を有している。吸着するアルコールは、
例えばn−ブタノール、n−プロパノール、n−ヘキサ
ノール、n−オクタノール、n−デカノール、n−ドデ
カノール、2−メチルプロパノール等のアルコールであ
る。この機序を示すモデル図を図2に示す。これは例え
ばn−オクタンなどの炭化水素中に含まれるアルコール
を吸着分離することなどに利用することができる。
【0016】図2において、1は層状珪酸、2は修飾し
たシリル基、3は吸着されたn−アルコールである。図
2から判るように、層状珪酸とアルコールのOH基が向
い合ってシリル基とアルコールのアルキル基が配列する
ため強い吸着が起こるものと推定される。
【0017】すなわち、本発明の多孔質層状珪酸を用い
ると2−メチルプロパノールと1−メチルプロパノー
ル、n−ブタノールとt−ブタノールなどの異性体を容
易に分離することが可能となる。アルコールの吸着は、
XRD、29Si−NMR,IR、CHN元素分析で確
認することができる。本発明の多孔質層状珪酸の製造方
法は、層状珪酸塩に第4級アルキルアンモニウム塩、ア
ルキルアミン、又はアルキルホスホニウム塩をイオン交
換により導入する第一工程、 次いで一般式(2): R SiX3−a (R は炭素数6〜20個のアルキル基、Xはハロゲン
又は炭素数2以下のアルコキシ基、Yは炭素数1から8
のアルキル基を示し、aは0または1)で表され2ない
し3官能性のアルキルシラン含有溶液中で第4級アルキ
ルアンモニウム塩又はアルキルアミン、アルキルホスホ
ニウム塩と交換反応させて層状珪酸の層状中にシラン化
合物を結合又は配位させる第二工程、次いで水又は水・
有機溶剤混合液中で、2ないし3官能性アルキルシラン
の残存X基(Xは前記と同義を示す)をシラノール化さ
せる第三工程を行い、多孔質層状珪酸を得ることを特徴
とするものである。
【0018】第一工程で使用する第4級アルキルアンモ
ニウム塩は、一般式(3):[RN][X]
(式中、Rは直鎖アルキル基、Xはハロゲンを示す。)
で表される第4級テトラアルキルアンモニウム塩であ
る。アルキルアミンは一般式(4):[RNH
[X] (式中、Rは直鎖アルキル基、Xはハロゲ
ンを示す。)で表されるアルキルアミン塩である。アル
キルホスホニウムは、一般式(5):[RP]
[X] (式中、Rは直鎖アルキル基、Xはハロゲ
ンを示す。)で表されるアルキルホスホニウム塩であ
る。前記一般式における直鎖アルキル基は、炭素数8〜
17が好ましい。本発明の目的には一般式(6):[R
(CHN][X](式中、Rは炭素数8〜1
7のアルキル基、XはCl、Brを示す。)で示される
第4級アルキルトリメチルアンモニウムハライドが好適
に用いられる。
【0019】第一工程においては、層状珪酸塩のイオン
交換可能なカチオンの大半を第4級アルキルアンモニウ
ム塩、又はアルキルアミン、又はアルキルホスホニウム
塩とイオン交換させればよい。その方法は、層状珪酸塩
粉末の水性懸濁液を調製しておき、第4級アルキルアン
モニウム塩、アルキルアミン、又はアルキルホスホニウ
ム塩の水またはアルコール溶液等に分散させてイオン交
換反応を行うものである。反応温度は、室温から50℃
で0.1〜24時間撹拌した後、ろ過や沈降分離などの
方法で分離し、必要に応じて洗浄と乾燥を行う。
【0020】第二工程は、第一工程で得られた有機層状
珪酸化合物に一般式(2)R SiX(R は炭素数6
〜20個のアルキル基、Xはハロゲン又は炭素数2以下
のアルコキシ基又は炭素数1から8のアルキル基を示
す)で表される2ないし3官能性アルキルシラン溶液を
加えて第4級アルキルアンモニウムイオン、アルキルア
ミン、又はアルキルホスホニウムイオンと置換反応させ
て層状珪酸の層状中にシラン化合物を結合又は配位させ
る反応である。
【0021】一般式(2)の化合物 R SiX3−a
は、例えばヘキシルトリクロロシラン、オクチル
トリクロロシラン、デシルトリクロロシラン、ヘキシル
ジクロロメチルシラン、ヘキシルジクロロメトキシシラ
ンなどが挙げられる。反応方法は、第一工程で得られた
有機層状珪酸化合物の粉末又は水性懸濁体にオクチルト
リクロロシラン等の2ないし3官能性アルキルシランの
有機溶媒溶液を添加する。使用する有機溶媒は、2ない
し3官能性アルキルシランが溶解すれば何れでもよい
が、例えばトルエン、ベンゼン、キシレン、アルコール
類等である。反応温度は特に限定はなく溶剤の沸点以下
でよく、窒素などの不活性雰囲気下がよいが、大気中で
もよい。反応時間は温度により異なるが0.1〜72時
間である。反応終了後、ろ過や沈降分離などの方法で分
離し、必要に応じて洗浄と乾燥を行う。
【0022】第三工程は、第二工程で得られた粉末又は
水性懸濁体に水又は水と有機溶媒混合液を加えて反応さ
せ、結合又は配位させた2ないし3官能性アルキルシラ
ンの残存X基(Xは前記と同義を示す)をシラノール化
させるものである。水又は水・有機溶剤混合液中で室温
で1時間〜6日間撹拌させて、2ないし3官能性アルキ
ルシランの残存X基をシラノール化することができる。
反応終了後、多孔質層状珪酸を分離し、常法により乾燥
して本発明の多孔質層状珪酸を得る。
【0023】
【実施例】以下、本発明を実施例によって更に説明する
が、これらに限定されるものではない。 実施例1 マガディアイト(NaSi1429・xHO)の
合成 J Ceramic Society of Japan, Vol.100, No.3, 326-331
(1992) に記載の方法でマガディアイトを合成した。す
なわち、SiOが30%のコロイダルシリカ(日本化
学工業株製品シリカドール30)200gと試薬級Na
OH9.2g、水193gをオートクレーブに仕込み、
150℃で48時間の水熱合成を行い、固形物を濾過水
洗し、40℃で乾燥し、マガディアイト(NaSi
1429・xHO) を得た。
【0024】第一工程:合成したマガディアイト10g
を0.2Nのドデシルトリメチルアンモニウムクロライ
ド(C1225(CHNCl、以下DTMA−
Clと記す)水溶液1000mlに分散させ、室温で2
4時間撹拌して、NaとDTMAをイオン交換させた。
分散液より固体をろ過分離し水洗し乾燥した。得られた
粉末はXRDによりd001がイオン交換前の1.5n
mから2.8nmに拡大しており、また化学分析より
(DTMA)1.8・ Si1429・xHOであ
る有機層状珪酸化合物が得られたことを確認した。
【0025】第二工程:得られた有機層状珪酸化合物を
0.2Nのオクチルトリクロロシラン(C 17Si
Cl)トルエン溶液1000mlに分散させ、沸点の
温度で48時間還流加熱してシリル化反応を行った。反
応終了後、分散液より固体をろ過分離しアセトンで洗浄
した。
【0026】第三工程:第二工程で得られた2ないし3
官能性アルキルシランを層状中に結合又は配位させた化
合物を、水/アセトン(1:1)混合液1000mlに
分散させ室温で24時間反応させて2ないし3官能性ア
ルキルシランの残存Cl基をOH基に置換させた。反応
終了後、分散液より固体をろ過分離し水洗し乾燥して、
本発明の多孔質層状珪酸粉末を得た。この粉末はXRD
によりd001が2.2nmであり、元素分析によりN
元素は存在しないことから、DTMAは3官能性アルキ
ルシランに置換され、C元素量及びIRスペクトルの3
690cm−1付近にOH基の吸収があることより、(C
17SiO(2−n)/2(OH)1.8・S
1429・xHO (nは1〜2)である多孔質
層状珪酸化合物が得られたことを確認した。この多孔質
層状珪酸化合物は、n−オクタノールに浸漬するとオク
タノールを強く吸着し、XRDで確認されるd001
3.2nmに広がった。しかしながら、この多孔質層状
珪酸化合物をn−オクタンに浸漬するとd001に変化
がなく、強い吸着はなかった。
【0027】実施例2 J Ceramic Society of Japan, Vol.100, No.3, 326-331
(1992) に記載の方法でケニヤアイトを合成した。すな
わち、SiOが30%のコロイダルシリカ(日本化学
工業株製品シリカドール30)200gと試薬のKOH
15.1g、水193gをオートクレーブに仕込み、1
85℃で16時間の水熱合成を行い、固形物を濾過水洗
し、40℃で乾燥し、K−ケニヤアイト(KSi20
41・xHO)を得た。この粉末10gを0.2N
のDTMA−Cl水溶液1000mlに分散させ、室温
で24時間撹拌して、KとDTMAをイオン交換させ
た。分散液より固体をろ過分離し水洗し乾燥した。得ら
れた粉末はXRDによりd 01がイオン交換前の2.
0nmから3.5nmに拡大しており、また化学分析よ
り(DTMA)1.7・Si2041・xHOであ
る有機層状珪酸化合物が得られたことを確認した。
【0028】次いで、有機層状珪酸化合物を0.2Nの
デシルトリメトキシシラン(C1021Si(OCH
)エタノール溶液1000mlに分散させ、35
%塩酸を滴下してpHを3.0とし、40℃で48時間
撹拌を行い、シリル化反応を行った。反応終了後、分散
液より固体をろ過分離し水/アセトン(1:1)混合液
で洗浄した。この粉末はXRDによりd001が3.0
nmであり、元素分析によりN元素は存在しないことか
ら、DTMAは3官能性アルキルシランに置換され、C
元素量及びIRスペクトルの3690cm−1付近にOH
基の吸収があることより、(C1021SiO
(2−n)/2(OH)1.4・Si2041
xH O (nは1〜2)である多孔質層状珪酸化合物
が得られたことを確認した。
【0029】実施例3 カリフォルニア産天然マガディアイトを用いた他は、実
施例1と同様に行った結果、本発明の多孔質層状珪酸粉
末を得た。この粉末はXRDによりd001が2.2n
mであり、元素分析によりN元素は存在しないことか
ら、DTMAは3官能性アルキルシランに置換され、C
元素量及びIRスペクトルの3690cm 付近にOH
基の吸収があることより、(C17SiO
(2−n)/2(OH)1.8・Si1429
xHO (nは1〜2)である多孔質層状珪酸化合物
が得られたことを確認した。この多孔質層状珪酸化合物
はn−オクタノールに浸漬するとd001が3.2nm
に広がりオクタノールを強く吸着したが、n−オクタン
に浸漬するとd00 に変化がなく強い吸着はなかっ
た。
【0030】比較例1.実施例1の0.2Nのオクチル
トリクロロシラン(C17SiCl)トルエン溶
液1000mlを0.2Nのオクチルジメチルクロロシ
ラン(C Si(CHCl)トルエン溶液
1000mlに代えた以外は実施例1と全く同じ方法で
多孔質層状珪酸化合物を作成した。この粉末はXRDに
よりd 01が2.3nmであり、元素分析によりN元
素は存在しないことから、DTMAは1官能性アルキル
シランに置換され、C元素量及びIRスペクトルの36
90cm−1付近にOH基の吸収がないことより、(C
17(CHSi) 1.9・Si1429・x
O であるOH基を有しない多孔質層状珪酸化合物
が得られたことを確認した。この多孔質層状珪酸化合物
はn−オクタノールに浸漬するとd001が2.3nm
のまま変化がなく強い吸着はなかった。
【0031】
【発明の効果】本発明は上記のように構成したので、層
状珪酸の層間に、直鎖部分の炭素数が6から20のアル
キル基1個と1ないし2個の水酸基を有するシリル基が
結合又は配位してなり、アルコールに対する吸着能を有
する多孔質層状珪酸及びその製造方法を提供することが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の多孔質層状珪酸の化学構造を模式的に
示す図である。
【図2】本発明の多孔質層状珪酸にアルコールが吸着さ
れる状態を模式的に示す図である。
【符号の説明】
1 層状珪酸 2 シラノール基 3 アルコール
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮部 慎介 東京都江東区亀戸9丁目11番1号 日本化 学工業株式会社研究開発本部内 Fターム(参考) 4G066 AA22B AA30B AB09D AB18D AB19D AD20B BA31 BA38 CA56 DA09 4G073 BA02 BA05 BA63 BB48 BB57 BB58 BB63 BD11 CA06 FC17 FC19 FD08 UA06

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 層状珪酸の層間に、直鎖部分の炭素数が
    6から20のアルキル基1個と1ないし2個の水酸基を
    有するシリル基が結合又は配位していることを特徴とす
    る多孔質層状珪酸。
  2. 【請求項2】 直鎖部分の炭素数が6から20のアルキ
    ル基1個と1ないし2個の水酸基を有するシリル基は、
    下記一般式(1): 【化1】 (式中、Rは炭素数6〜20のアルキル基、Xは水酸
    基、Xは水酸基又はハロゲン又は炭素数2以下のアル
    コキシ基又は炭素数1から8のアルキル基から選ばれる
    1種以上である)で表されるシリル基である請求項1記
    載の多孔質層状珪酸。
  3. 【請求項3】 層状珪酸は、カネマイト、KHSi
    、マカタイト、マガディアイト、ケニヤアイト由来の
    ものである請求項1又は2記載の多孔質層状珪酸。
  4. 【請求項4】 直鎖部分の炭素数が6から20のアルキ
    ル基1個と1ないし2個の水酸基を有するシリル基を層
    状珪酸の化学式量当たり1〜2個結合又は配位している
    ことを特徴としている請求項1ないし3のいずれか1項
    に記載の多孔質層状珪酸。
  5. 【請求項5】 アルコールに対する選択的吸着能を有す
    る請求項1ないし4のいずれか1項に記載の多孔質層状
    珪酸。
  6. 【請求項6】 層状珪酸塩に第4級アルキルアンモニウ
    ム塩、アルキルアミン又はアルキルホスホニウム塩をイ
    オン交換により導入する第一工程、 次いで一般式(2): R SiX3−a (R は炭素数6〜20個のアルキル基、Xはハロゲン
    又は炭素数2以下のアルコキシ基、Yは炭素数1から8
    のアルキル基を示し、aは0または1)で表される2な
    いし3官能性のアルキルシラン含有溶液中で、第4級ア
    ルキルアンモニウム塩、アルキルアミン又はアルキルホ
    スホニウム塩と交換反応させて層状珪酸の層状中にシラ
    ン化合物を結合又は配位させる第二工程、 次いで水又は水・有機溶剤混合液中で、2ないし3官能
    性アルキルシランの残存X基(Xは前記と同義を示す)
    をシラノール化させる第三工程を行い、多孔質層状珪酸
    を得ることを特徴とする多孔質層状珪酸の製造方法。
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