JP2003238665A - ポリフェニレンスルホン酸類の製造方法 - Google Patents
ポリフェニレンスルホン酸類の製造方法Info
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Abstract
挙にポリフェニレンスルホン酸類を製造する方法を提供
する。 【解決手段】 ゼロ価遷移金属錯体の共存下に、下式
(1) (式中、Xは塩素、臭素、沃素原子を、Mはアルカリ金
属又は4級アンモニウムを表す。)で示されるジハロゲ
ノベンゼンスルホン酸類を重合させる又は式(1)で示
されるジハロゲノベンゼンスルホン酸類と下式(2) (式中、Yは塩素、臭素、沃素原子を表す。)で示され
るジハロゲノベンゼン類とを共重合させることを特徴と
する遊離酸の形が下式(3) (式中、q、rは繰返し単位の数を表し、qとrの和
は、10〜100000の範囲、qに対するrの比は0〜100の
範囲である。)で示されるポリフェニレンスルホン酸類
の製造方法。
Description
ルホン酸類の製造方法に関し、詳しくは、ジハロゲノベ
ンゼンスルホン酸類を重合又は共重合させることによる
ポリフェニレンスルホン酸類の製造方法に関するもので
ある。
ニレンスルホン酸類は、固体高分子形燃料電池用の高分
子電解質等として有用であり、その製造方法としては、
先ずスルホン酸基を有さないモノマーを用いてポリマー
を製造し、次いでこれをスルホン化することにより製造
することも知られている。例えばスルホン化ポリ
((4'−フェノキシベンゾイル)−1,4−フェニレ
ン)は、ポリ((4'−フェノキシベンゾイル)−1,
4−フェニレン)を製造し、ついでこれをスルホン化す
ることにより製造する方法が知られている(米国特許第
5403675号)。またパラフェニレンとメタフェニレンの
ランダム共重合体のスルホン化物は、該共重合体を製造
し、次いでこれをスルホン化することにより製造するこ
とが知られている(Polymer Preprints, Japan, V
ol.50, No.4,(2001))。しかしながら、スルホン
酸基を有するモノマーを用いて、一挙にポリフェニレン
スルホン酸類を製造する方法については全く知られてい
ない。
酸基を有するモノマーを用いて、一挙にポリフェニレン
スルホン酸類を製造すべく鋭意検討を重ねた結果、ジハ
ロゲノベンゼンスルホン酸類という特定のモノマーが、
ゼロ価遷移金属錯体の共存下に重合し得、一挙にポリフ
ェニレンスルホン酸類を与えることを見出すとともにさ
らに種々の検討を加え、本発明を完成した。
の共存下に、下式(1)
はアルカリ金属又は4級アンモニウムを表す。mは1又
は2を、nは4−mを表す。R1は、水素原子または重
合反応に関与しない置換基を表し、R1が複数ある場合
は、互いに異なっていても良い。)で示されるジハロゲ
ノベンゼンスルホン酸類を重合させる又は式(1)で示
されるジハロゲノベンゼンスルホン酸類と下式(2)
す。R2は、水素原子または重合反応に関与しない置換
基を表し、R2が複数ある場合は、互いに異なっていて
も良い。)で示されるジハロゲノベンゼン類とを共重合
させることを特徴とする遊離酸の形が下式(3)
q、rは繰返し単位の数を表し、qとrの和は、10〜10
0000の範囲、qに対するrの比は0〜100の範囲であ
り、q個ある繰返し単位、r個ある繰返し単位はそれぞ
れ同じであっても異なっても良い。)で示されるポリフ
ェニレンスルホン酸類の工業的にすぐれた製造方法を提
供するものである。
本発明は、 ゼロ価遷移金属錯体の共存下に、前記式
(1)で示されるジハロゲノベンゼンスルホン酸類を重
合せしめることを特徴とするものである。ジハロゲノベ
ンゼンスルホン酸類(1)におけるXは、塩素、臭素、
沃素原子を表すが、臭素原子であることが好ましい。ま
た、Mはアルカリ金属又は4級アンモニウムを表す。こ
こで、アルカリ金属としては、例えばリチウム、ナトリ
ウム、カリウム等が挙げられる。また4級アンモニウム
としては、通常、窒素原子に炭素数1から12程度のアル
キル基が4個結合したものが使用される。これらのアル
キル基は異なっていても良く、また直鎖状、分岐状、環
状いずれであっても良い。4級アンモニウムの好ましい
例としては、例えばテトラメチルアンモニウム、テトラ
エチルアンモニウム、テトラプロピルアンモニウム、テ
トラブチルアンモニウムが挙げられる。有機溶媒への溶
解性を考慮すると、アルカリ金属よりは4級アンモニウ
ムの方が好ましく、後者の中ではテトラブチルアンモニ
ウムが好ましい。
は1が好ましい。またR1は、水素原子または重合反応
に関与しない置換基を表し、R1が複数ある場合は、互
いに異なっていても良い。R1の具体例としては、例え
ばメチル、エチル、n−プロピル、イソプロピル、イソ
アミル、2−メチルヘキシル、2,6−ジメチルオクチ
ル、n−デシル、n−ドデシルなど炭素数1〜12の直
鎖、環状または分岐状のアルキル基、メトキシ、エトキ
シ、n−プロピルオキシ、イソプロピルオキシ、イソア
ミルオキシ、2−メチルヘキシルオキシ、2,6−ジメ
チルオクチルオキシ、n−デシルオキシ、n−ドデシル
オキシなどの炭素数1〜12の直鎖、環状または分岐状
のアルコキシ基、水酸基、メトキシカルボニル、エトキ
シカルボニル、イソプロポキシカルボニル、アミノカル
ボニル、N,N−ジメチルアミノカルボニルなどのカル
ボン酸誘導体の基、フッソ原子などが挙げられる。なか
でもアルキル基、アルコキシ基、フッソ原子等が好まし
く、炭素数の多いアルキル基やアルコキシ基はポリフェ
ニレンスルホン酸類の溶解性向上に効果を有する。挙げ
られる。
代表例としては、例えば2,4−ジクロロベンゼンスル
ホン酸、2,5−ジクロロベンゼンスルホン酸、2,4
−ジブロモベンゼンスルホン酸、2,5−ジブロモベン
ゼンスルホン酸、2,4−ジヨードベンゼンスルホン
酸、2,5−ジヨードベンゼンスルホン酸、2,4−ジ
クロロベンゼン−1,5−ジスルホン酸、2,5−ジク
ロロベンゼン−1,4−ジスルホン酸、2,4−ジブロ
モベンゼン−1,5−ジスルホン酸、2,5−ジブロモ
ベンゼン−1,4−ジスルホン酸、2,4−ジクロロ−
5−メチルベンゼンスルホン酸、2,5−ジクロロ−4
−メチルベンゼンスルホン酸、2,4−ジブロモ−5−
メチルベンゼンスルホン酸、2,5−ジブロモ−4−メ
チルベンゼンスルホン酸、2,4−ジクロロ−5−メト
キシベンゼンスルホン酸、2,5−ジクロロ−4−メト
キシベンゼンスルホン酸、2,4−ジブロモ−5−メト
キシベンゼンスルホン酸、2,5−ジブロモ−4−メト
キシベンゼンスルホン酸等のアルカリ金属塩また4級ア
ンモニウム塩が挙げられる。
スルホン酸類(1)と共重合させる場合は、ジハロゲノ
ベンゼン類(2)が用いられる。ジハロゲノベンゼン類
(2)におけるYは、塩素、臭素、沃素原子を表すが、
臭素原子であることが好ましい。またpは、1〜4をあ
らわす。R2は、水素原子または重合反応に関与しない
置換基を表し、R2が複数ある場合は、互いに異なって
いても良い。R2の具体例としては、例えばメチル、エ
チル、n−プロピル、イソプロピル、イソアミル、2−
メチルヘキシル、2,6−ジメチルオクチル、n−デシ
ル、n−ドデシルなど炭素数1〜12の直鎖、環状また
は分岐状のアルキル基、メトキシ、エトキシ、n−プロ
ピルオキシ、イソプロピルオキシ、イソアミルオキシ、
2−メチルヘキシルオキシ、2,6−ジメチルオクチル
オキシ、n−デシルオキシ、n−ドデシルオキシなどの
炭素数1〜12の直鎖、環状または分岐状のアルコキシ
基、水酸基、メトキシカルボニル、エトキシカルボニ
ル、イソプロポキシカルボニル、アミノカルボニル、
N,N−ジメチルアミノカルボニルなどのカルボン酸誘
導体の基、フッソ原子などが挙げられる。なかでもアル
キル基、アルコキシ基、フッソ原子等が好ましく、炭素
数の多いアルキル基やアルコキシ基はポリフェニレンス
ルホン酸類の溶解性向上に効果を有する。
ては、例えば2,4−ジクロロトルエン、2,5−ジク
ロロトルエン、2,4−ジブロモトルエン、2,5−ジ
ブロモトルエン、2,4−ジクロロアニソール、2,5
−ジクロロアニソール、2,4−ジブロモアニソール、
2,5−ジブロモアニソール、2,4−ジクロロ−1−
イソアミルオキシベンゼン、2,5−ジクロロ−1−イ
ソアミルオキシベンゼン、2,4−ジブロモ−1−イソ
アミルオキシベンゼン、2,5−ジブロモ−1−イソア
ミルオキシベンゼン、2,4−ジクロロ−1−(2,6
−ジメチルオクチルオキシ)ベンゼン、2,5−ジクロ
ロ−1−(2,6−ジメチルオクチルオキシ)ベンゼ
ン、2,4−ジブロモ−1−(2,6−ジメチルオクチ
ルオキシ)ベンゼン、2,5−ジブロモ−1−(2,6
−ジメチルオクチルオキシ)ベンゼン、2,5−ジクロ
ロ−4−イソアミルオキシアニソール、2,5−ジブロ
モ−4−イソアミルオキシアニソール、2−フルオロ−
1,4−ジクロロベンゼン、2−フルオロ−1,4−ジ
ブロモベンゼン、2,5−ジフルオロ−1,4−ジクロ
ロベンゼン、2,5−ジフルオロ−1,4−ジブロモベ
ンゼン、2,3,5,6−テトラフルオロ−1,4−ジ
クロロベンゼン、2,3,5,6−テトラフルオロ−
1,4−ジブロモベンゼン等が挙げられる。
に、上記のようなジハロゲノベンゼンスルホン酸類
(1)を重合又はジハロゲノベンゼンスルホン酸類
(1)とジハロゲノベンゼン類(2)とを共重合させる
ものであるが、かかるゼロ価遷移金属錯体としては、例
えばゼロ価ニッケル錯体、ゼロ価パラジウム錯体等が挙
げられる。なかでもゼロ価ニッケル錯体が好ましく使用
される。ゼロ価パラジウム錯体としては、例えばパラジ
ウム(0)テトラキス(トリフェニルホスフィン)等が
あげられる。またゼロ価ニッケル錯体としては、例えば
ニッケル(0)ビス(シクロオクタジエン)、ニッケル(0)
(エチレン)ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケル
(0)テトラキス(トリフェニルホスフィン)等が挙げ
られる。なかでもニッケル(0)ビス(シクロオクタジエ
ン)が好ましく使用され、この場合、さらに中性配位子
を共存させることが好ましく、かかる配位子としては、
例えば2,2’-ビピリジル、1,10−フェナントロ
リン、メチレンビスオキサゾリン、N,N’−テトラメ
チルエチレンジアミン等の含窒素配位子、トリフェニル
ホスフィン、トリトリルホスフィン、トリブチルホスフ
ィン、トリフェノキシホスフィン等の第三ホスフィン配
位子などが挙げられる。なかでも含窒素配位子が、好ま
しく、2,2’-ビピリジルが特に好ましい。ゼロ価遷
移金属錯体は、用いるモノマーに対して通常0.1〜5
モル倍程度、好ましくは、1〜3モル程度使用される。
また配位子を使用する場合は、遷移金属に対して、通常
0.2〜2モル倍程度、好ましくは1〜1.5倍程度使
用される。
(1)とジハロゲノベンゼン類(2)共重合体を製造す
る場合は、そのモル比については特に限定はないが、両
者の合計を1とした場合に、ジハロゲノベンゼンスルホ
ン酸類(1)は、通常0.01〜0.99であり、好ま
しくは0.1〜0.7、より好ましくは0.1〜0.5
である。この比を調節することによりポリマーの諸物
性、例えばイオン交換当量等を調整することができる。
溶媒としては、例えばベンゼン、トルエン、キシレン、
ナフタレンなどの芳香族系溶媒、ジイソプロピルエーテ
ル、テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、ジフェ
ニルエーテルなどのエーテル系溶媒、N,N−ジメチル
ホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミドなどのア
ミド系溶媒等が挙げられる。これらは2種以上用いるこ
ともできる。なかでもトルエン、テトラヒドロフラン、
N,N−ジメチルホルムアミド、これら2種以上の混合
物が好ましく使用される。溶媒は、モノマーに対して、
通常20〜200重量倍程度使用される。
り、好ましくは、20〜100℃程度である。また重合
時間は、通常0.5〜24時間の範囲である。
ン酸類が生成するが、反応混合物からの取り出しは、通
常の方法を適用し得る。例えば、貧溶媒を加えるなどし
てポリマーを析出させ、濾別などにより目的物を取り出
すことができる。また必要に応じて、更に水洗や、良溶
媒と貧溶媒を用いての再沈殿などの通常の精製方法によ
り精製することもできる。ポリフェニレンスルホン酸の
カチオン交換も通常の方法を用いることが出来る。 ま
た、重合度、ポリマーの構造の解析等は、GPC測定、
NMR測定などの通常の手段で行うことができる。本発
明のポリフェニレンスルホン酸類は、1種のモノマーか
ら得られるホモポリマーであっても、2種のモノマーを
同時に反応させることにより得られるランダム共重合体
であっても、2種のモノマーを段階的に反応させて得ら
れる交互共重合体であっても、ブロック共重合体であっ
ても良い。これらの重合度は、特に制限は無いが、通常
10から104程度、分子量にして通常103から106
程度のものが好ましい。
を用いた燃料電池について説明する。ポリフェニレンス
ルホン酸類は、通常、膜の状態で使用される。かかる電
解質膜の製膜方法は、特に制限はないが、溶液状態より
製膜する方法(溶液キャスト法)が好ましく使用され
る。この際用いられる溶媒としては、ポリフェニレンス
ルホン酸類の溶解が可能であり、その後に除去し得るも
のであるならば特に制限はなく、例えばN,N−ジメチ
ルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−
メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド等の非
プロトン性極性溶媒、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媒、メタノール、エタノール、プロ
パノール等のアルコール系溶媒、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メチルエーテル、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、水などが挙げられる。
必要に応じて2種以上の溶媒を用いることもできる。膜
の厚みは、特に制限はないが、10〜200μm程度が
好ましい。膜厚はポリフェニレンスルホン酸類の溶液濃
度あるいは基板上への塗布厚により制御できる。
からなる電解質膜の両面に、触媒および集電体としての
導電性物質を接合することにより、燃料電池を製造する
ことができる。ここで、触媒としては、水素または酸素
との酸化還元反応を活性化できるものであれば特に制限
はなく、公知のものを用いることができるが、白金の微
粒子を用いることが好ましい。白金の微粒子は活性炭や
黒鉛などの粒子状または繊維状のカーボンに担持されて
用いることが好ましい。また集電体としての導電性物質
に関しても、公知の材料を用いることができるが、多孔
質性のカーボン不織布またはカーボンペーパーが、好ま
しく、これらを用いることにより、原料ガスを触媒へ効
率的に輸送し得る。多孔質性のカーボン不織布またはカ
ーボンペーパーに白金微粒子または白金微粒子を担持し
たカーボンを接合させる方法、およびそれを高分子電解
質フィルムと接合させる方法については、例えば、J.
Electrochem. Soc.: Electrochemical Science and
Technology, 1988, 135(9), 2209 に記載されてい
る方法等の公知の方法を用いることができる。
るが、本発明はこれらの例により何ら限定されるもので
はない。
−ジクロロベンゼンスルホン酸カリウム1.33g(5.0mmo
l)、2,2‘−ビピリジル1.84g(11.8mmol)を入れて攪
拌し、続いて、ニッケル(0)ビス(シクロオクタジエン)
3.20g(11.8mmol)を加え、60℃で3時間攪拌した。放
冷後、反応液を大量のメタノールに注ぐことによりポリ
マーを析出させ、濾別し、粗ポリマーを得た。得られた
粗ポリマーを水に溶解し、不溶分を濾別し、濾液を濃縮
した後、メタノール再沈殿を行い、濾過、減圧乾燥し
て、目的とするポリフェニレンスルホン酸類0.56gを得
た。
−ジクロロベンゼンスルホン酸テトラブチルアンモニウ
ム塩3.6g(7.8mmol)、2,2‘−ビピリジル2.9g(18.3mm
ol)を入れて攪拌し、続いて、ニッケル(0)ビス(シクロ
オクタジエン)5.0g(18.2mmol)を加え、60℃で3時間
攪拌した。放冷後、反応液を濾別し、粗ポリマーを得
た。得られた粗ポリマーをメタノールに溶解させ、不溶
分を濾別し、濾液を濃縮した後、アセトン再沈殿を行
い、濾過、減圧乾燥して、目的とするポリフェニレンス
ルホン酸類0.81gを得た。
−ジクロロベンゼンスルホン酸テトラブチルアンモニウ
ム塩1.2g(2.6mmol)、2,5−ジブロモ−4−イソアミ
ルオキシアニソール1.8g(5.2mmol)、2,2‘−ビピリ
ジル2.9g(18.3mmol)を入れて攪拌し、続いて、ニッケル
(0)ビス(シクロオクタジエン)5.0g(18.2mmol)を加え、
60℃で3時間攪拌した。放冷後、反応溶液を大量のメ
タノールに注ぐことでポリマーを析出させ濾別し、粗ポ
リマーを得た。得られた粗ポリマーをクロロホルムに溶
解させ不溶分を濾別し、濾液を酸洗浄、クロロホルム層
を濃縮した後、メタノール再沈殿を行い、濾過、減圧乾
燥して、目的とするポリフェニレンスルホン酸類0.71g
を得た。
ルホン酸類という特定のモノマーを用いて、これをゼロ
価遷移金属錯体の共存下に重合することにより、一挙
に、しかも容易にポリフェニレンスルホン酸類を製造し
得る。また得られたポリフェニレンスルホン酸類からな
る電解質膜は、固体高分子形燃料電池等の隔膜として高
い性能を示す。
Claims (7)
- 【請求項1】ゼロ価遷移金属錯体の共存下に、下式
(1) (式中、Xは塩素、臭素、沃素原子を、Mはアルカリ金
属又は4級アンモニウムを表す。mは1又は2を、nは
4−mを表す。R1は、水素原子または重合反応に関与
しない置換基を表し、R1が複数ある場合は、互いに異
なっていても良い。)で示されるジハロゲノベンゼンス
ルホン酸類を重合させる又は式(1)で示されるジハロ
ゲノベンゼンスルホン酸類と下式(2) (式中、Yは塩素、臭素、沃素原子を、pは1〜4を表
す。R2は、水素原子または重合反応に関与しない置換
基を表し、R2が複数ある場合は、互いに異なっていて
も良い。)で示されるジハロゲノベンゼン類とを共重合
させることを特徴とする遊離酸の形が下式(3) (式中、R1、R2、m、n、pは前記の意味を表す。
q、rは繰返し単位の数を表し、qとrの和は、10〜10
0000の範囲、qに対するrの比は0〜100の範囲であ
り、q個ある繰返し単位、r個ある繰返し単位はそれぞ
れ同じであっても異なっても良い。)で示されるポリフ
ェニレンスルホン酸類の製造方法。 - 【請求項2】ゼロ価遷移金属錯体が、ゼロ価ニッケル錯
体、ゼロ価パラジウム錯体から選ばれる少なくとも1種
であることを特徴とする請求項1記載の製造方法。 - 【請求項3】ゼロ価ニッケル錯体が、ニッケル(0)ビス
(シクロオクタジエン)であることを特徴とする請求項2
記載の製造方法。 - 【請求項4】さらに配位子として、2,2‘−ビピリジ
ルを共存させる請求項1〜3いずれかに記載の製造方
法。 - 【請求項5】請求項1〜4いずれかの方法によって得ら
れる前記式(3)で示されるポリフェニレンスルホン酸
類。 - 【請求項6】請求項5記載のポリフェニレンスルホン酸
類からなる電解質膜。 - 【請求項7】請求項6の電解質膜を用いてなる燃料電
池。
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