JP2003525957A5 - - Google Patents
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Description
【書類名】 明細書
【発明の名称】 ペンダント型のフッ素置換イオン基を有する芳香族重合体
【特許請求の範囲】
【請求項1】 式I(a)またはI(b)
【化1】
[式中、
Rfは、結合であるか、或は無置換または1つ以上のエーテル酸素および1つ以上の水素原子で置換されている炭素原子数が1から5のフルオロアルキレン基であり、Yは、NまたはOであり、Rf’は、無置換または1つ以上のエーテル酸素および1つ以上の水素原子で置換されている炭素原子数が1または2のフルオロアルキル基であり、n=0または1であるが、但しY=Oの時にはn=0でY=Nの時にはn=1であることを条件とし、そしてZは、水素またはリチウムである]
で表されるペンダント型基を含んで成るアイオノマー。
【請求項2】 式(II)
【化2】
[式中、
m=1または2であり、そしてm=1の時、Rは、−CH=CH 2 またはブロモもしくはヨードであり、そしてm=2の時、Rは、同一であるか異なり、−CH=CH 2 、−CO 2 R’(ここで、R’は、炭素数が1−10のアルキル基である)またはブロモもしくはヨードを表し、Rfは、結合であるか、或は無置換または1つ以上のエーテル酸素および1つ以上の水素原子で置換されている炭素原子数が1から5のフルオロアルキレン基であり、Yは、NまたはOであり、Rf’は、無置換または1つ以上のエーテル酸素および1つ以上の水素原子で置換されている炭素原子数が1または2のフルオロアルキル基であり、n=0または1であるが、但しY=Oの時にはn=0でY=Nの時にはn=1であることを条件とし、そしてZは、水素またはリチウムである]
で表される化合物。
【請求項3】 式(III)で表される置換フェノールのアルカリ金属塩と1,2−ジブロモテトラフルオロエタンを反応させて式(IV)
【化3】
[式中、
mは、0、1または2であり、Rは、ブロモ、ヨード、CO2R’またはNO2であり、R’は、炭素原子数が1から10のアルキル基であり、そしてMは、アルカリ金属である]で表される化合物を生じさせ、この式(IV)で表される化合物を亜ジチオン酸のアルカリ金属塩であるスルフィン化反応体と反応させて構造(V)
【化4】
で表されるアルカリ金属のスルフィン酸塩を生じさせ、この構造(V)で表されるアルカリ金属のスルフィン酸塩を元素状の塩素または臭素と反応させて構造(VI)
【化5】
[ここで、X=ClまたはBr]
で表される相当するスルホニルクロライドもしくはブロマイドを生じさせることを含んで成る方法。
【請求項4】 請求項1記載のアイオノマーとそれと組み合わされた、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、こはく酸ジメチルおよびそれらの混合物からなる群から選択される液体を含んで成るイオン伝導性組成物。
【請求項5】 請求項2記載の式(II)で表される化合物とエチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、こはく酸ジメチルおよびそれらの混合物からなる群から選択される液体を含んで成るイオン伝導性組成物。
【請求項6】 イオン交換膜であって、式
【化6】
[式中、
Rfは、結合であるか、或は無置換または1つ以上のエーテル酸素および1つ以上の水素原子で置換されている炭素原子数が1から5のフルオロアルキレン基であり、Yは、NまたはOであり、Rf’は、無置換または1つ以上のエーテル酸素および1つ以上の水素原子で置換されている炭素原子数が1または2のフルオロアルキル基であり、n=0または1であるが、但しY=Oの時にはn=0でY=Nの時にはn=1であることを条件とし、そしてZは、水素またはリチウムである]
で表されるペンダント型基を含むアイオノマーを含んで成るイオン交換膜。
【請求項7】 陰極と陽極とセパレーターを含んで成っていてそれらの中の少なくとも1つが式
【化7】
[式中、
Rfは、結合であるか、或いは無置換または1つ以上のエーテル酸素および1つ以上の水素原子で置換されている炭素原子数が1から5のフルオロアルキレン基であり、Yは、NまたはOであり、Rf’は、無置換または1つ以上のエーテル酸素および1つ以上の水素原子で置換されている炭素原子数が1または2のフルオロアルキル基であり、n=0または1であるが、但しY=Oの時にはn=0でY=Nの時にはn=1であることを条件とし、そしてZは、水素またはリチウムである]
で表されるペンダント型基を含むアイオノマーを含んで成る電気化学セル。
【請求項8】 電気化学セルであって、請求項2記載の式(II)で表される化合物とエチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、こはく酸ジメチルおよびそれらの混合物からなる群から選択される液体を含んで成る伝導性組成物と陰極と陽極とセパレーターを含んで成る電気化学セル。
【請求項9】 電極であって、式
【化8】
[式中、
Rfは、結合であるか、或は無置換または1つ以上のエーテル酸素および1つ以上の水素原子で置換されている炭素原子数が1から5のフルオロアルキレン基であり、Yは、NまたはOであり、Rf’は、無置換または1つ以上のエーテル酸素および1つ以上の水素原子で置換されている炭素原子数が1または2のフルオロアルキル基であり、n=0または1であるが、但しY=Oの時にはn=0でY=Nの時にはn=1であることを条件とし、そしてZは、水素またはリチウムである]
で表されるペンダント型基を含むアイオノマーと、電気活性材料であって、炭素、リチウムインターカレート炭素、リチウム金属の窒化物、リチウム金属、リチウム合金、リチウム化遷移金属酸化物および硫化物およびそれらの混合物からなる群から選択されるものを含んで成る電極。
【請求項10】 フィルム、シートおよびゲルから成る群から選択される形態の請求項4または5記載のイオン伝導性組成物。
【請求項11】 電気絶縁性であり、多孔性ポリプロピレンまたは微孔性PTFEからなる重合体フィルムもしくはシートも更に含んで成り、それの微孔の中に前記ゲルが吸収されている請求項10記載のイオン伝導性組成物。
【請求項12】 Rがパラ位に位置する請求項2記載の化合物。
【請求項13】 RfがCF2でありそしてRf’がCF3またはC2F5である請求項1記載のアイオノマー。
【請求項14】 その主鎖が架橋している請求項1記載のアイオノマー。
【請求項15】 ZがLi+である請求項1記載のアイオノマー。
【請求項16】 YがNである請求項1記載のアイオノマー。
【請求項17】 YがOである請求項1記載のアイオノマー。
【請求項18】 RfがCF2でありそしてRf’がCF3またはC2F5である請求項2記載の化合物。
【請求項19】 ZがLi+である請求項2記載の化合物。
【請求項20】 YがNである請求項2記載の化合物。
【請求項21】 YがOである請求項2記載の化合物。
【請求項22】 Rが−CH=CH2でありそしてm=1である請求項2記載の化合物。
【請求項23】 Rが−CO2R’(ここで、R’は、炭素数が1−10のアルキル基である)でありそしてm=2である請求項2記載の化合物。
【発明の詳細な説明】
【0001】
(発明の分野)
本発明は、フルオロエーテル置換芳香環を含有する化合物を包含する新規な種類の不飽和化合物、それから生じさせたアイオノマー(ionomers)を包含する重合体、およびそれらの製造方法を提供するものである。本発明の組成物は電気化学用途で用いるに適する。
【0002】
(発明の背景)
芳香族でないペンダント型の(non−aromatic pendant)フルオロアルキルスルホン酸およびそれと一価金属の塩を含有する重合体はデュポン社(E.I.du Pont de Nemours and Company)(Wilmington DE)から入手可能なNafion(商標)パーフルオロアイオノマーとして商業的に入手可能である。芳香族でないペンダント型のフルオロスルホニルイミドおよびフルオロスルホニルメチドおよびそれらと一価金属の塩を含有する重合体はDesMarteau(米国特許第5,463,005号)に開示されており、この特許の場合、それらは完全フッ素置換バックボーン(backbone)に結合している。
【0003】
Narang他(米国特許第5,633,098号)は、イオン種が結合しているフッ素置換ポリ(アルキレンオキサイド)側鎖を有するポリシロキサン類およびポリアクリレート類を開示している。1つの態様における側鎖は構造−(CH2)x1(OCH2CH2)y1(OCF2CF2)z1SO2R3
[ここで、R3は、OM,N(M)SO2CF3またはC(M)(SO2CF3)2であり、そしてMは、アルカリ金属である]で表される。
【0004】
Armand他(米国特許第5,627,292号)は、式AXFCSO2Z[式中、
AはR3またはR3OCF2−であり、XはF、Cl、Hまたはパーフルオロアルキル基であり、Zはイオン基でありそしてR3は完全にはフッ素置換されていない(nonperfluorinated)重合性基である]で表されるモノマーを開示している。ペンダント型の−CH2OCF2CF2SO2F基を含有する重合体がHamelおよびGard,J.Fluorine Chem.,68巻、253−259頁(1994)に開示されている。Benrabah他、J.Power Sources,54巻、456−460頁(1995)に、モノマーであるR1R2NC(O)CF(CF3)SO3Li[ここで、R1とR2がアリルであるか或はR1がアリルでR2がメチルである]から作られたイオン伝導性重合体が開示されている。
【0005】
この上に示した文献には、熱に安定でかつ化学的に安定なエーテル結合を通して芳香環に直接結合しているフッ素置換イオン基を含有する化合物は開示されていない。
【0006】
フェノール塩をBrCF2CF2Brと反応させてArOCF2CF2Brを生じさせることをClement他(米国特許第5,037,919号)が開示している。フルオロアルキルブロマイドおよびヨージドを亜二チオン酸ナトリウムまたは他のスルフィン化反応体(sulfinating reagents)と反応させてフルオロアルキルスルフィン酸塩を生じさせることがChemical Abstracts 105:208423jに開示されている。フルオロアルキルスルフィン酸塩からフルオロアルキルスルホニルクロライドおよびフルオライドへの変換がHuおよびDesMarteau,Inorg.Chem.33巻の5007から5010頁(1993)に開示されている。また、フルオロアルキルスルホン酸塩およびスルホニルイミドを相当するフルオロアルキルスルホニルハライドから合成することも、例えばWaddell他(米国特許第5,514,493号)およびDesMarteau(米国特許第5,463,005号)に開示されているように公知である。
【0007】
フッ素置換ビニルエーテルとフェノール系化合物が塩基の存在下で反応することは、例えばFussおよびHintzer,Ger. Offen DE 3 828 063(1990)そしてMeazza他、ヨーロッパ特許特許出願EP 0 293 943(1988)、そしてFeiringおよびWonchoba (J.Org.Chem.57巻、7015−7017頁)に開示されているように公知である。Feiringの米国特許第5,198,570号(1993)に、構造Ar(OCF2CFHOR1CO2R2)p
[ここで、Arは、芳香環を1つ以上含む有機基であり、各R1は、パーフルオロアルキル、またはエーテル、チオエーテル、クロロ、水素、アルキルもしくはフェニルで置換されているパーフルオロアルキルであり、そしてpは、1から5である]で表されるアリールオキシフルオロエーテルエステルの合成が開示されており、そこでは、それの調製を、フェノール系化合物と構造CF2=CFOR1CO2R2で表されるフッ素含有オレフィンの反応を塩基の存在下で起こさせることで行っている。
【0008】
Inukai他(JP 3−230169)は、式
【0009】
【化9】
【0010】
[式中、
Rfは、炭素数が3−12のパーフルオロアルケニルである]
で表されるモノマー単位とコモノマー(スチレンおよびエチレンを包含)単位を有するホモポリマーおよびコポリマーを開示している。このような重合体はビニルフェノール単位を有する重合体にパーフルオロオレフィンオリゴマーとの反応を塩基性触媒存在下の非水性溶媒中で受けさせると生じると述べられている。
【0011】
(発明の要約)
本発明は、式IaまたはIb:
【0012】
【化10】
【0013】
[式中、
Rfは、結合であるか、或は場合により1つ以上のエーテル酸素および1つ以上の水素原子で置換されていてもよい炭素原子数が1から約10のフルオロアルキレン基であり、Yは、N、O、Cであり、Rf'は、場合により1つ以上のエーテル酸素および1つ以上の水素原子で置換されていてもよい炭素原子数が1から約10のフルオロアルキル基であり、n=0、1または2であるが、但しY=Oの時にはn=0でY=Nの時にはn=1でY=Cの時にはn=2であることを条件とし、そしてZは、水素または一価金属である]
で表される基を含有するペンダント型基を含んで成る重合体を提供する。
【0014】
更に、式(II)
【0015】
【化11】
【0016】
[式中、
m=0、1または2であり、そしてm=1の時、Rは、重合性基またはブロモもしくはヨードであり、そしてm=2の時、Rは、場合により同じであってもよく、重合性基またはブロモもしくはヨード基を表し、Rfは、結合であるか、或は場合により1つ以上のエーテル酸素および1つ以上の水素原子で置換されていてもよい炭素原子数が1から約10の
フルオロアルキレン基であり、Yは、N、O、Cであり、Rf'は、場合により1つ以上のエーテル酸素および1つ以上の水素原子で置換されていてもよい炭素原子数が1から約10のフルオロアルキル基であり、n=0、1または2であるが、但しY=Oの時にはn=0でY=Nの時にはn=1でY=Cの時にはn=2であることを条件とし、そしてZは、水素または一価金属である]
で表される化合物も提供する。Rは好適にはパラ位に位置する重合性基、パラ位に位置するブロモ基またはパラ位に位置するヨード基である。
【0017】
更に、式(III)で表される置換フェノールのアルカリ金属塩と1,2−ジブロモテトラフルオロエチレンを反応させて式(IV)
【0018】
【化12】
【0019】
[式中、
mは、0、1または2であり、Rは、ブロモ、ヨード、CO2R'またはNO2であり、R'は、炭素原子数が1から10のアルキル基であり、そしてMは、アルカリ金属である]
で表される化合物を生じさせ、この式(IV)で表される化合物をスルフィン化反応体と反応させて構造(V)
【0020】
【化13】
【0021】
で表されるアルカリ金属のスルフィン酸塩を生じさせ、この構造(V)で表されるアルカリ金属のスルフィン酸塩を元素状の塩素または臭素と反応させて構造(VI)
【0022】
【化14】
【0023】
[ここで、X=ClまたはBr]
で表される相当するスルホニルクロライドもしくはブロマイドを生じさせることを含んで成る方法も提供する。
【0024】
更に、本発明のアイオノマーとそれの中に吸収されている液体を含んで成るイオン伝導性組成物も提供する。
【0025】
更に、前記式(II)で表される化合物と液体を含んで成るイオン伝導性組成物も提供する。
【0026】
更に、式I(a)およびI(b):
【0027】
【化15】
【0028】
[式中、
Rfは、結合であるか、或は場合により1つ以上のエーテル酸素および1つ以上の水素原子で置換されていてもよい炭素原子数が1から約10のフルオロアルキレン基であり、Yは、N、OまたはCであり、Rf'は、場合により1つ以上のエーテル酸素および1つ以上の水素原子で置換されていてもよい炭素原子数が1から約10のフルオロアルキル基であり、n=0、1または2であるが、但しY=Oの時にはn=0でY=Nの時にはn=1でY=Cの時にはn=2であることを条件とし、そしてZは、水素または一価金属である]で表される基を含有するペンダント型基を含むアイオノマーを含んで成るイオン交換膜も提供する。
【0029】
更に、陰極と陽極とセパレーター(separator)を含んで成っていてそれらの中の少なくとも1つが式I(a)および/またはI(b)で表される基を含有するペンダント型基を含むアイオノマーを含んで成る電気化学セル(electrochemical cells)も提供する。
【0030】
更に、前記式(II)で表される化合物と液体を含んで成る伝導性組成物と陰極と陽極とセパレーターを含んで成る電気化学セルも提供する。
【0031】
更に、式I(a)および/またはI(b)で表される基を含有するペンダント型基を含むアイオノマーと電気活性(electroactive)材料を含んで成る電極も提供する。
【0032】
(発明の詳細な記述)
本発明のアイオノマーは多数種の有機溶媒中で高い溶解度を示すことから、これから薄膜および他の成形品を加工するのは容易である。フッ素含有量が比較的低いことから低コストの出発材料を用いることができかつ非常に還元性の環境、例えば高電圧電池、例えばリチウム電池などに見られる環境下で示す安定性が向上している。従来技術に教示されている部分フッ素置換アイオノマーとは対照的に、本発明のアイオノマーに含まれるアイオノマー基(ionomeric group)は、強酸性もしくはアルカリ性条件に高い安定性を示すアリールフルオロアルキルエーテル結合を通して、重合体のバックボーンに結合している。
【0033】
本発明の好適なモノマーは、スチレンを基にしていることから、幅広く多様な特性を持たせたアイオノマー類を合成しようとする時に特に多様性を示す材料である、と言うのは、スチレン系モノマー(styrenic monomers)はホモ重合し得るか或は幅広く多様なコモノマーと一緒に共重合する能力を有しかつフリーラジカル重合、カチオン重合、アニオン重合および配位重合方法で重合し得ることが知られているからである。このように、本分野の技術者は、所望の重合体特性組み合わせを得る目的で数多くのコモノマーおよび重合体構造(ブロックおよびグラフト共重合体を包含)を選択することができるであろう。
【0034】
本発明は、式I(a)およびI(b):
【0035】
【化16】
【0036】
[式中、
Rfは、結合であるか、或は場合により1つ以上のエーテル酸素および1つ以上の水素原子で置換されていてもよい炭素原子数が1から約10のフルオロアルキレン基であり、Yは、N、O、Cであり、Rf'は、場合により1つ以上のエーテル酸素および1つ以上の水素原子で置換されていてもよい炭素原子数が1から約10のフルオロアルキル基であり、n=0、1または2であるが、但しY=Oの時にはn=0でY=Nの時にはn=1でY=Cの時にはn=2であることを条件とし、そしてZは、水素または一価金属である]
で表される基を含有するペンダント型基を含んで成る重合体を提供する。
【0037】
Rfは、好適には、結合、CFHOCF2CF(CF3)OCF2またはCFHOCF2であり、最も好適にはRfは結合である。Yは好適にはNまたはOである、即ちn=0または1であり、そしてZは、好適には、リチウムカチオンである。YがNまたはCの時、Rf'は好適にはCF3またはC2F5、最も好適にはCF3である。本重合体は、好適には、前記式(I)で表される基を含んで成るペンダント型基を有するポリエステルまたはポリオレフィン、最も好適にはポリエチレンである。
【0038】
本発明の重合体を、好適には、式
【0039】
【化17】
【0040】
[式中、
m=0、1または2であり、そしてm=1の時、Rは、重合性基またはブロモもしくはヨードであり、そしてm=2の時、Rは、場合により同じであってもよく、重合性基を表し、Rfは、結合であるか、或は場合により1つ以上のエーテル酸素および1つ以上の水素原子で置換されていてもよい炭素原子数が1から約10のフルオロアルキレン基であり、Yは、N、O、Cであり、Rf'は、場合により1つ以上のエーテル酸素および1つ以上の水素原子で置換されていてもよい炭素原子数が1から約10のフルオロアルキル基であり、n=0、1または2であるが、但しY=Oの時にはn=0でY=Nの時にはn=1でY=Cの時にはn=2であることを条件とし、そしてZは、水素または一価金属である]で表されるモノマーの重合で生じさせる。Rは好適にはパラ位に位置する重合性基、パラ位に位置するブロモ基またはパラ位に位置するヨード基である。Rfは、好適には、結合、CFHOCF2CF(CF3)OCF2またはCFHOCF2であり、最も好適にはRfは結合である。Yは好適にはNまたはOである、即ちn=0または1であり、そしてZは、好適には、リチウムカチオンである。YがNの時、Rf'は好適にはCF3またはC2F5、最も好適にはCF3である。(R)mは、好適には、m=1の時には4−CH=CH2であり、或はm=2の時には3,5−ジ−CO2CH3である。最も好適にはRが4−CH=CH2でm=1である。
【0041】
Rfが結合である最も好適な態様の本発明のモノマーを、好適には、本発明の方法、即ち式(III)で表される置換フェノールのアルカリ金属塩と1,2−ジブロモテトラフルオロエチレンを反応させて式(IV)
【0042】
【化18】
【0043】
[(III)中、mは、0、1または2であり、そして(R)は、重合性基またはそれの前駆体、好適にはブロモ、ヨード、ジエステルまたはジニトロ化合物であり、そしてm=2の時、R基は場合により同じであってもよい]
で表される化合物を生じさせ、そしてこの式(IV)で表される化合物をスルフィン化反応体、例えば亜二チオン酸ナトリウムなどと反応させて式(V)
【0044】
【化19】
【0045】
で表されるアルカリ金属のスルフィン酸塩を生じさせる、ことを含んで成る方法を用いて生じさせる。
【0046】
本発明の1つの態様では、前記式(V)で表される化合物を元素状の塩素または臭素と反応させて式
【0047】
【化20】
【0048】
[式中、Xは臭素または塩素、好適には塩素である]
で表される相当するスルホニルクロライドもしくはブロマイドに変化させる。次に、前記式(VI)で表される化合物に加水分解を塩基性条件下で受けさせることで、式(VII)
【0049】
【化21】
【0050】
[式中、M+はアルカリ金属である]
で表されるアルカリ金属、好適にはリチウムのスルホン酸塩を生じさせてもよい。m=2の式(VII)で表される化合物は、エステル基、好適には−COOCH3を3,5位に有していて、本技術分野で公知な如き縮合重合反応で重合または共重合してポリエステルを生じ得る。前記ブロモおよびヨード置換基は好適にはパラ位に位置する。m=1の時、前記ブロモもしくはヨード置換基を、R.F.Heck,Acc.Chem.Res.,12巻、146−51頁(1979)に教示されている方法に従って、重合性アルケニル基、好適にはビニル基に変化させることができ、その後、その結果として生じたスチレン系モノマーを本技術分野で公知の手段を用いてホモ重合または共重合させると、本発明のアイオノマーが生じる。
【0051】
臭素置換もしくはヨウ素置換を受けさせておいたモノマーにフッ素置換を受けさせて相当するフッ化スルホニルを生じさせた後、これに加水分解を受けさせることも可能であるが、このような追加的段階は必ずしも必要ではない。
【0052】
本発明の方法の好適な態様では、式(VI)で表されるスルホニルクロライドもしくはブロマイドをイオン性フッ化物、好適にはアルカリ金属のフッ化物に接触させて式(VIII)で表される化合物を生じさせる。次に、以下に示すように、この式(VIII)で表される化合物とパーフルオロアルキルスルホンアミドを塩基性条件、好適にはアルカリ金属含有塩基下で反応させて式(IX)で表されるスルホニルイミド化合物を生じさせる:
【0053】
【化22】
【0054】
m=2の式(IX)で表される化合物の場合には、前記式(VII)で表される化合物の場合と全く同様に、エステル基、好適には−COOCH3を3,5位の所に位置させて、本技術分野で公知な如き縮合重合反応で重合もしくは共重合させてポリエステルを生じさせることができる。m=1の時、R.F.Heck,Acc.Chem.Res.,の12巻、146−51頁(1979)に教示されている方法に従って、好適にはパラ形態のブロモもしくはヨード置換基を重合性アルケニル基、好適にはビニル基に変化させてもよく、次に、その結果として生じたスチレン系モノマーをホモ重合もしくは共重合させると、本発明のアイオノマーが生じる。
【0055】
この上に示した方法は、モノマーおよび関連した重合体、そして最終的には本発明の実施で用いるに好適なアイオノマー、即ちRfが結合であるアイオノマーを生じさせることに向けたものである。
【0056】
Rfが結合でない本発明の他のモノマーおよび重合体の製造は他の方法を用い
て実施可能である。例えば、フェノールと式(X)で表されるフッ素置換オレフィンを触媒量の塩基の存在下で下記の式:
【0057】
【化23】
【0058】
に従って反応させてもよい。式(X)で表される化合物において、Rf"は、場合により1つ以上のエーテル酸素で置換されていてもよい炭素原子数が1から10のフルオロアルキレン基であり、Mはアルカリ金属であり、そして(R)m、Y、Rf'およびnは、この上に記述した通りである。この方法では、RfがCHFORf"、即ちRfが水素を少なくとも1つ含む構造(II)で表される化合物が生じる。
【0059】
別の方法では、フェノール系化合物とヨード置換フルオロアルキルアシルクロライドを反応させて式(XI)で表されるエステルを生じさせる。結果として生じたエステルを四フッ化硫黄と反応させて式(XII)で表されるエーテルを生じさせる。フルオロアルキルヨージドとスルフィン化反応体、例えば亜二チオン酸ナトリウムなどを反応させると式(XIII)で表されるスルフィン酸塩が生じ、これを本明細書の上に開示した方法で式(II)で表される化合物に変化させることができた。
【0060】
【化24】
【0061】
式(XII)中のRfは、場合により1つ以上のエーテル酸素で置換されていてもよい炭素原子数が1から約10のパーフルオロフルオロアルキレン基である。
【0062】
本発明の式(II)で表される化合物中のR基1種または2種以上は、本発明のモノマーに重合性を与えるか、或は重合性を与える基の前駆体である。この目的は、本発明の1種のアイオノマーまたは別の種類のアイオノマーが達成されるように本明細書の上に記述した必要な全ての反応を起こさせる前か或は起こさせた後に本発明の1種または別の種類のモノマーをホモ重合または共重合させることで式(I)で表されるアイオノマーを生じさせることにある。
【0063】
まず最初にRの選択は所望の最終生成物に関係するばかりでなくまたそのように選択したRの安定性によって出発材料と最終アイオノマーの間に介在する反応にも関係する。エステル基は、例えば置換フェノール(III)とジブロモテトラフルオロエチレンの反応に続いてその生成物(IV)から金属のスルフィン酸塩(V)を生じさせるスルフィン化に対しては安定である。しかしながら、ビニル基はそのような反応に安定でない。このように、ポリビニルアイオノマーが所望の最終生成物であるならば、Rがビニル基にとって便利な前駆体、例えば臭素またはヨウ素[これは、構造(VIIまたはIX)を生じさせた後、前掲書中のHeck反応でビニル基に変換可能である]である構造(III)を用いて出発するのが望ましい。別の例において、ポリアミドの合成では、R=3,5−ジニトロの構造(II)に還元を受けさせてR=3,5−ジアミノにしてもよく、そしてポリオキサゾリンの合成の場合には、R=4−シアノをR=4−(2−オキサゾリン)に変化させてもよい。
【0064】
R=3−もしくは4−エテニルの構造(II)で表される化合物、即ち置換スチレンモノマーが特に好適である。3−もしくは4−ヒドロキシスチレンは公知化合物であり、これを化合物(X)と一緒に反応させて所望の誘導体を生じさせることができる。しかしながら、3−および4−ヒドロキシスチレンは高価で容易には入手できず、中間体IV、V、VIおよびVIIIを用いた方法では、オレフィン基がその段階を妨害する可能性がある。従って、前記反応をより容易に入手可能な3もしくは4−ブロモもしくはヨードフェノールを用いて実施した後にブロモもしくはヨード基をエチレンおよびパラジウム触媒を用いた反応でCH=CH2に変化させるのが好適であり得る。
【0065】
よく知られている多様な技術(これは単量体化合物の正確な構造および最終生成物で望まれる特性に依存する)を用いて、モノマー(II)から式(I)で表される基を含む重合体を生じさせる。このように、Rが−CH=CH2のモノマー(II)が特に好適である、と言うのは、そのようなスチレン系化合物はフリーラジカル重合技術、アニオン重合技術、カチオン重合技術または配位重合技術で容易にホモ重合し得るからである。そのようなスチレン系誘導体をまた他のモノマーと一緒に共重合させて構造(I)で表される単位が重合体中の繰り返し単位の約1%から約99%を構成する共重合体を生じさせることも可能である。他のモノマーの例にはスチレン、置換スチレン、アクリロニトリル、メタアクリル酸アルキルおよびアリール、アクリル酸アルキルおよびアリール、アクリルアミド、イソプレン、クロロプレン、ブタジエン、酢酸ビニル、N−ビニルピロリジノンおよびそのようなコモノマーの混合物が含まれる。よく知られている重合技術を用いてランダムおよびブロック両方のコ(ター)ポリマーを生じさせることができる。場合により、本発明のアイオノマーを本分野の技術者に公知の技術で架橋させることも可能である。
【0066】
架橋は、有利には、結果として得た重合体の成形品、例えばフィルムなどをいろいろな溶媒に入れて膨潤させる(溶解させないで)ことを通して実施可能である。架橋した材料を生じさせる時、Rが−CH=CH2のモノマー(II)を例えば二官能もしくは三官能モノマー、例えばポリ(エチレングリコール)のジアクリレートまたはトリメチロールプロパンのトリアクリレートなど、開始剤および場合により他のコモノマーと一緒に混合してもよい。溶媒、例えばDMFなどを添加して均一な混合物を生じさせてもよく、その混合物を流し込んで加熱することで重合を起こさせて、架橋した重合体フィルムを生じさせることができる。また、Rが−CH=CH2のモノマー(II)を不飽和基を含む重合体およびラジカル開始剤と一緒に混合することを通して、架橋したフィルムを得ることも可能である。このような材料を溶融物または溶媒、例えばDMFなどにブレンドし、成形を行ってフィルムまたは他の成形品を生じさせた後、加熱を行うことで架橋を起こさせることができる。不飽和基を持つ代表的な重合体は、Zeon Chemicals Incorporated,Hattiesburg,MSから入手可能なHydrin T、即ちエチレンオキサイドとエピクロロヒドリンとアリルグリシジルエーテルのターポリマーである。
【0067】
R基が2つのメチルエステル単位であるモノマー(II)は、ジオールと一緒に縮合重合を起こして、構造(I)で表される単位を含有するポリエステルを生じる。適切なジオール類にはエチレングリコール、1,3−プロパンジオール、1,4−ブタンジオール、ポリエチレングリコール、ポリ(テトラメチレンエーテル)グリコール、ヒドロキノンおよび置換ヒドロキノンが含まれる。ジオール類の混合物を用いることも可能である。加うるに、他のジエステルモノマー、例えばテレフタル酸ジメチルなどを前記ジエステルモノマー(II)と一緒に用いて共重合体を生じさせることも可能である。モノマーを適切に選択することを通して構造(I)で表される単位を含有する幅広く多様な縮合重合体を生じさせることができることは明らかであり、そのような縮合重合体にはポリエステル、ポリアミドおよびポリカーボネートが含まれる。
【0068】
本発明のアイオノマーから生じさせる製品の形状にも比率にも全く制限はないが、電気化学セル、好適にはリチウムイオン電池に含めるセパレーターとしての薄膜または膜が特に有用である。ある場合には、スクリュー押出し加工機(screw extruder)とフラットダイス(flat die)を用いてフィルムを押出し加工することも可能
であり得る。別法として、フィルムを溶融プレス加工(melt pressed)することも可能である。追加的態様では、本重合体の溶液または分散液を基質の上に流し込んで凝固させることを通して、フィルムの流し込み成形を行うことも可能である。ある特別な方法が別の方法よりも好適であると言ったことはなく、具体的な方法は個々の実施者の必要に応じて選択されることになるであろう。
【0069】
前記セパレーター材料の特性を向上させる目的でこれに添加剤を含めることも可能であり、かつまた、本明細書に示すアイオノマーを多孔質基質に加えることを通してセパレーターを生じさせることも可能である。
【0070】
本発明のアイオノマーが乾燥している時に室温で示すイオン伝導率は約10-7−10-6S/cmである。しかしながら、本発明の実施で本発明のアイオノマーの中に吸収させた時にそれの伝導率を数桁の大きさで向上させる液体が多数種存在することを見い出した。このように、本発明の最も有用な態様を達成しようとする時には液体が本発明のアイオノマーの中に吸収されている伝導性組成物を生じさせるのが望ましいことを見い出した。
【0071】
用いる液体は用途に左右されるであろう。本発明の実施で液体を本アイオノマーに含有させた時の伝導率は、一般的な意味で、その用いる液体の吸収重量%が高くなるにつれて、誘電率が高くなるにつれてかつルイス酸塩基性が高くなるにつれて上昇することを確認したが、その用いる液体の粘度が高くなるにつれてかつ分子の大きさが大きくなるにつれて伝導率が低下することを観察した。従って、所定の膜が示す伝導率は、誘電率が低く、塩基性が高く、粘度が低くかつ分子の大きさが小さい溶媒を用いた時の方が、誘電率が非常に高く、塩基性が低く、粘度が高くかつ分子の大きさが大きい溶媒を用いた時よりも優れる可能性がある。勿論、他の考慮も同様に役割を果す。例えば、本アイオノマーがそのような液体中で示す溶解度が過度に高いことは望ましくない、即ちそのように液体は意図した用途で電気化学的に安定でない可能性がある。
【0072】
特に好適な1つの態様は、本リチウムアイオノマーをリチウムバッテリーで用いるに有用な非プロトン性溶媒、好適には有機カーボネートまたはジエステル(それらの混合物を包含)と組み合わせることを包含する。このような液体は、最も好適には、エチレンカーボネートとこはく酸ジメチルの混合物である。
【0073】
本発明に関する使用は、とりわけ、燃料電池、センサー、電気化学蓄電器、一次および再充電可能電池としての使用、そして他の電気化学装置用途である。
【0074】
更に、式(II)で表される塩が入っている溶液を生じさせると本発明の実施で用いるに有用な伝導性組成物が生じることを見い出した。Rfは好適には結合、CFHOCF2CF(CF3)OCF2またはCFHOCF2であり、Rfは最も好適には結合である。Yは好適にはNまたはO、即ちn=0または1であり、そしてZは好適にはリチウムカチオンである。YがNの時、Rf'は好適にはCF3またはC2F5、最も好適にはCF3である。
【0075】
本明細書に示す伝導性溶液を生じさせる時に用いるに適した溶媒には、水、アルコールおよび非プロトン性有機液体が含まれる。このような溶媒は好適には有機カーボネートであり、エチレンカーボネートとジメチルカーボネート、即ちEC/DMCの混合物が最も好適である。
【0076】
本発明の好適な電極は、粒子形態の1種以上の電極活性材料(electrode active materials)と本発明のアイオノマーと少なくとも1種の電子伝導性添加剤と少なくとも1種の有機カーボネートの混合物を含んで成る。有用な陽極活性材料の例には、これらに限定するものでないが、炭素[グラファイト系、コークスタイプ、メソカーボン(mesocarbons)、ポリアセン(polyacenes)など]、リチウムインターカレート炭素、リチウム金属の窒化物、例えばLi2.6Co0.4N、酸化錫を基とするガラス、リチウム金属およびリチウム合金、例えばリチウムとアルミニウム、錫、マグネシウム、ケイ素、錫、マンガン、鉄および亜鉛などの合金が含まれる。炭素を用いたリチウムインターカレート陽極が好適である。有用な陰極活性材料には、これらに限定するものでないが、遷移金属の酸化物および硫化物、リチウム化(lithiated)遷移金属酸化物および硫化物、および有機硫黄化合物が含まれる。その例は酸化コバルト、酸化マンガン、酸化モリブデン、酸化バナジウム、そしてチタン、モリブデンおよびニオブの硫化物、リチウム化酸化物、例えばスピネルリチウムマンガン酸化物Li1+xMn2-xO4、クロムがドーパントとして添加されている(doped)スピネルリチウムマンガン酸化物LixCryMnzO4,LiCoO2,LiNiO2,LiNixCo1-xO2
[ここで、xは0<x<1、好適な範囲は0.5<x<0.95である]、LiCoVO4、およびそれらの混合物である。LiNixCo1-xO2が好適である。非常に好適な電子伝導性助剤(aid)はカーボンブラック、好適にはMMM S.A.Carbon(ブリュッセル、ベルギー)から入手可能なSuper Pカーボンブラックであり、これの濃度を1−10%の範囲にする。完成電極中の本リチウムアイオノマーの体積分率が好適には4から40%の範囲になるようにする。
【0077】
便利には、重合体成分の全部を共通の溶媒に溶解させてカーボンブラックの粒子および電極活性粒子と一緒に混合することを通して、本発明の好適な電極を生じさせてもよい。陰極に好適な電極活性材料は、0<x<1のLiNixCo1-xO2である一方、陽極に好適な電極活性材料はグラファイト化(graphitized)メソカーボン微細球である。例えば、本発明のアイオノマーをアセトンとジメチルホルムアミドの混合物に溶解させた後、電極活性材料の粒子およびカーボンブラックを添加し、次にフィルムを基質に付着させて乾燥させることを通して、本発明の好適なリチウム電池電極を加工することができる。その結果として生じる好適な電極は、電極活性材料と伝導性カーボンブラックと本発明のアイオノマーを含んで成るが、好適には、電極活性材料に対するアイオノマーの重量比が0.05から0.8の範囲で電極活性材料に対するカーボンブラックの重量比が0.01から0.2の範囲になるようにする。最も好適には、電極活性材料に対するアイオノマーの重量比が0.1から0.25の範囲で電極活性材料に対するカーボンブラックの重量比が0.02から0.1の範囲になるようにする。次に、本技術分野でよく知られている技術を用いて、前記電極を溶液から適切な支持体、例えばガラス板または集電器(current collector)の金属箔の上に流し込んでフィルムを生じさせてもよい。次に、そのようにして生じさせた電極フィルムを、本明細書の以下に記述する如き積層で多層電気化学セル構造物の中に組み込んでもよい。本分野の技術者に公知の方法を用いて他の態様を成すことも可能である。例えば、米国特許第5,658,683号(Sony Corp.1997年8月19日)および米国特許第4,668,595号(Asahi、1987年5月26日)(両方とも引用することによって本明細書に組み入れられる)に記述されているリチウム−イオンセル加工手順を参照のこと。
【0078】
本発明の電極組成物に含める成分の結合を向上させるか或はそれから加工する製品の構造的一体性を向上させる如き目的で用いるに有用な如きアジュバント(adjuvants)を本発明の電極組成物に組み込むのが望ましい可能性がある。高分子量結合剤(polymeric binder)を2−5重量%添加することでそのような向上を達成することができる。特に好適な1種の追加的材料はポリフッ化ビニリデンであり、これの組み込みは、簡単に、それの粒子を本明細書の上に記述したように電極を生じさせる時に用いた溶液と同じ溶液の中に分散させることを通して実施可能である。
【0079】
代替方法では、最初に、電極活性材料と任意のカーボンブラックと他のアジュバントが入っている分散液を基質の上に流し込んだ後、本発明のアイオノマーを有機カーボネートの溶液の状態で添加する。
【0080】
本発明の電池の好適な態様では、陽極と陰極と本発明のセパレーター組成物を一緒にフィルムの形態で積層させることで電気化学セルを1つ以上生じさせ、それらの全部を厳格に乾燥させた後、有機カーボネートおよびそれの混合物から成る群から選択される液体(エチレンカーボネートとジメチルカーボネートの混合物が最も好適である)を添加することを通して、電池を生じさせる。
【0081】
本発明のアイオノマーが相対的に高い溶解性を示すと、電池に含める成分の加工を行っている間の処理が容易であると言った利点が得られはするが、所望電池製品の最終組み立て中に問題が生じる可能性がある。有機カーボネートは本アイオノマー重合体(ionomeric polymer)を膨潤させるばかりでなくまた本重合体をそれの組成に応じて溶かす可能性があり、それを決定する主な要因は結晶度であり、この結晶度は逆に本重合体中のイオン性コモノマーの濃度に関係する。難問は、本重合体の溶解を最小限にしながら本アイオノマーを溶媒で膨潤させることにある。
【0082】
このように、溶媒で膨潤させた膜の物性を向上させるのが望ましい可能性がある。そのような機械的特性の向上で利用可能な手段には下記が含まれる:1)本技術分野で公知の手段を用いて溶媒にあまり敏感でない非イオン性コモノマーを本重合体に組み込むこと、2)公知手段を用いて溶媒にあまり敏感でない非イオン性重合体との重合体ブレンド物を生じさせること、3)公知手段を用いて本発明のアイオノマーを不活性な充填材とブレンドすること、4)イオン共重合体をいろいろな組成でブレンドすること、そして5)架橋させること。
【0083】
好適な方法は、本アイオノマーを不活性な充填材とブレンドした後にセパレーター膜またはフィルムを生じさせる方法である。適切な不活性充填材にはSiO2、Al2O3、TiO2またはCaF2が含まれ、SiO2が好適である。高い表面積を有していて直径が1.0ミクロン未満の小さい粒子、例えばCab−o−sil(商標)TS−530シリカの商標の下で入手可能な好適な等級のSiO2が望ましい。充填材の充填率を50重量%以下にするのが好ましい。
【0084】
別のアプローチは、本アイオノマーを好適な溶媒である有機カーボネートに溶解させた後、結果として生じた溶液またはゲルを不活性な多孔質支持体である重合体、例えばHoechst−Celaneseから入手可能なCelgard(商標)多孔質ポリプロピレン、またはW.L.Gore Associates(Newark、DE)から入手可能なGore−Tex微孔性PTFEの孔の中に入り込ませることを含んで成る。
【0085】
本発明の代替態様では、本明細書の以下に記述する態様で用いるように、式(II)で表される非重合体(non−polymeric)塩を本発明のアイオノマーに加えてか或はそれの代わりに用いることも可能である。
【0086】
本発明を以下に示す具体的な態様で詳細に説明する。
【0087】
(実施例)
本発明の目的で、本明細書で用いる用語「伝導率」は、具体的には、Y.Sone他による表題が"Proton Conductivity of Nafion(R) 117
As Measured by a Four−Electrode AC Impendance Method"の論文[J.Electrochem.Soc.、143、1254(1996)]に記述されているいわゆる4点探針(four−point
probe)技術を用いて測定した時のイオン伝導率を指す。その方法は、記述されているように、水性電解質膜用である。本明細書で非水性溶媒に関して報告する測定値を得る目的で、前記方法に、その記述されている装置をいくらか起こる水への接触が最小限になるように乾燥窒素でパージ洗浄しておいた密封グローブボックス内に入れると言った修飾を受けさせた。前記方法に、また、その公開された方法で用いられた点探針ではなく試験片の幅全体に渡って動く平行な線形探針を用いると言った修飾を受けさせた。
【0088】
1.0cmx1.5cmのフィルムを吸い取り紙で拭いて乾燥させ(blotted dry)た後、伝導率セル(conductivity cell)の中に位置させた。10Hzから100,000Hzの範囲に渡ってセルのインピーダンスを測定し、そして高周波数範囲(通常は500−5000Hz)において位相角がゼロの時の値がサンプル本体の抵抗値(bulk sample resistance)(オームで表す)であるとした。次に、セル定数(cell constant)およびフィルム厚を用いて、その生抵抗値を伝導率(S/cmで表す)に変換した。
【0089】
溶媒吸収率を式
吸収%=(Ww−Wd)/Wd
から決定し、ここで、Wdは、溶媒に接触する前の膜の重量であり、そしてWwは、溶媒に接触した後の膜の重量(最初に膜を溶媒から取り出しそして次にそれをペーパータオルで拭くことで乾燥させて表面の余分な溶媒を除去した後に測定)であった。
【0090】
特に明記しない限り、全ての化学品を受け取ったまま用いた。
【0091】
BrukerのAVANCEDRX 400スペクトロメーターを用いて19F NMRスペクトルを記録した。BrukerのAVANCEDRX 500スペクトロメーターを用いて1H NMRスペクトルを記録した。
【0092】
実施例1
2−(4−ブロモフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホニルクロライドの合成
4−ブロモフェノール(Aldrich Chemicals、348.4g、2.01モル)をメタノール中1.033Nの水酸化カリウム(1.95L)に溶解させた。この溶液をロータリーエバポレーターで蒸発乾固させ、結果として得た固体を0.1mm下140℃で乾燥させた。この固体を窒素下で600mLのDMSOと混合した。1,2−ジブロモテトラフルオロエタン(571.6g、2.2モル)を30−40℃で滴下した。その結果として生じた混合物を60℃に6時間加熱した。これを室温に冷却した後、氷水で3Lになるように希釈した。有機層を分離した後、水溶液を2X75mLの塩化メチレンで抽出した。この塩化メチレン抽出液をロータリーエバポレーターで濃縮した後、その残渣を元々の有機層と一緒にした。この材料を2X400mLの水で洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥させた後、濾過した。その濾液の蒸留を行うことで、沸点が0.6mm下57℃の1−ブロモ−2−(4−ブロモフェノキシ)テトラフルオロエタンを641.2g(92%)得た。同様な調製で生じさせた前記生成物は下記を示した:1H NMR(δ,CDCl3)7.1(d,2H),7.5(d,2H);19F NMR(δ,CDCl3)−68.6(2F),−86.6(2F)。C8H4F4OBr2に関して計算した計算値(Anal.Calcd.for):C,27.30;H,1.15;Br,45.41;F,21.59。測定値:C,27.27;H,1.16;Br,44.85;F,20.87。
【0093】
蒸留および脱酸素を受けさせておいた水が1.026Lで重炭酸ナトリウムが186.5gでジメチルホルムアミドが500mLで亜二チオン酸ナトリウムが357.6gの混合物を窒素下で撹拌しながら、これに、この上で得た生成物の一部[366.5g(1.
04モル)]を加えた。この混合物を65℃に加熱すると、結果として、迅速な気体発生が生じた。気体発生が約1時間後に静まった後、その混合物を70−75℃に3時間加熱した。これを氷水浴内で約10℃になるまで冷却した後、酢酸エチルを1L加えた。この混合物を濾過した後、固体を酢酸エチルで洗浄した。その濾液を一緒にすると水層と有機層に分離し、この有機層を4X50mLの飽和塩化ナトリウム水溶液で洗浄した。この有機層をロータリーエバポレーターで体積が初期の約1/4になるまで濃縮した後、濾過した。固体を酢酸エチルで洗浄した。その有機溶液を一緒にしてロータリーエバポレーターで濃縮乾固させることで、白色固体状の2−(4−ブロモフェノキシ)テトラフルオロエタンスルフィン酸ナトリウムを362.6g(97%)得た。1H NMR(δ,CD3OD)7.2(d,2H),7.6(d,2H);19F NMR(δ,CD3OD)−132.8(2F),−81.9(2F)。
【0094】
脱酸素を受けさせた水が600mLで1,1,2−トリクロロトリフルオロエタンが300mLの混合物をドライアイスコンデンサが備わっている丸底フラスコに入れて、これに、この上で得た生成物を溶解させて5−15℃に冷却した。この混合物の中に塩素ガス(134g)を約1時間に渡って吹き込んだ。結果として生じた黄色の混合物を外部冷却なしに1時間撹拌した。これを20℃に温めた後、1,1,2−トリクロロトリフルオロエタンを更に200mL加えた。有機層を分離した後、水溶液を100mLの1,1,2−トリクロロトリフルオロエタンで抽出した。有機溶液を一緒にして無水硫酸マグネシウムで乾燥させた後、ロータリーエバポレーターを用いて濃縮を行った。その残渣の蒸留を短いVigreuxカラムを用いて行うことで、沸点が0.3mm下71℃の2−(4−ブロモフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホニルクロライドを361.1g(97%)得た。1H NMR(δ,CDCl3)7.1(d,2H),7.6(d,2H);19F NMR(δ,CDCl3)−79.0(2F),−107.9(2F)。同様な調製で生じさせたサンプルに元素分析を受けさせた。C8H4F4BrClSO3に関して計算した計算値:C,25.86;H,1.08;F,20.46;S,8.63。測定値:C,26.07;H,1.17;F,18.74;S,8.59。
【0095】
実施例2
2−(4−ブロモフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムの合成
脱酸素を受けさせておいた600mLの蒸留水に水酸化リチウム一水化物(57.3g、1.365モル)を溶解させた。THF(150mL)を加えた後、その溶液を35℃に加熱した。熱源を取り除いた後、237g(0.64モル)の2−(4−ブロモフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホニルクロライドを発熱で溶液が約55℃に維持されるような速度で45分かけて滴下した。この滴下が終了した後、その溶液を55℃に更に1.5時間保持した。この溶液を室温に冷却した。濃塩酸を約3mL加えることで前記溶液のpHを7に調節した後、この水溶液をロータリーエバポレーターで蒸発乾固させた。固体をエーテルと一緒にしてスラリー状にした後、濾過した。そのエーテル溶液を3倍体積のヘキサンで処理すると、結果として、白色固体が沈澱してきた。この固体を濾別してヘキサンで洗浄した。その濾液を蒸発させた後、その残渣に、再び、エーテル溶液にヘキサンを添加することによる沈澱を受けさせた。その沈澱物を一緒にしてアクリロニトリルに入れ、これを冷蔵庫に入れて冷却することで再び結晶化させることに加えて、その濾液の濃縮を数回行うことで、追加的画分を集めた。この再結晶化を受けさせた生成物を一緒にしてエーテルに溶解させ、濾過した後、ロータリーエバポレーターを用いて濃縮を行った。生成物を0.1mm下100℃で乾燥させることで、表題の化合物を白色固体として173.9g(76%)得た。1H NMR(δ,CD3OD)7.2(d,2H),7.6(d,2H);19F NMR(δ,CD3OD)−116.9(2F),−81.6(2F)。同様な調製で生じさせたサンプルに元素分析を受けさせた。C8H4F4BrLiSO3に関して計算した計算値:C,26.76;H,1.12;F,17.83;S,8.93。測定値:C,26.57;H,1.26;F,18.94;S,8.77。
【0096】
実施例3
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムの合成
1Lのオートクレーブに2−(4−ブロモフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムを69g(0.19モル)、アセトニトリルを200mL、Pd(OAc)2を0.88g、トリ−o−トリルホスフィンを2.48gおよびトリエチルアミンを200ml仕込んだ。このオートクレーブを密封し、冷却し、真空排気を行った後、エチレンを110psiになるまで仕込んだ。この混合物を撹拌しながら85℃に24時間加熱し、必要に応じてエチレンを排出または加えることで気体の圧力を120−125psiに保持した。この混合物を室温に冷却した後、排気を行って大気圧にした。アセトニトリルとエーテルの混合物を用いて前記オートクレーブの内容部を濯ぐことでそれを回収した。この混合物を150mLの水に入れて激しく撹拌しながら8.9gの水酸化リチウム一水化物で処理した後、セライトに通して濾過した。このセライトをアセトニトリルとエーテルで洗浄した。その濾液を一緒にして5mm下75−80℃で蒸発乾固させた。その残渣を0.5Lのエーテルで抽出した後、濾過した。その濾液を0.5Lのヘキサンで希釈し、その結果として生じた沈澱物を集め、エーテルとヘキサンの混合物を用いて沈澱を2回起こさせた後、その沈澱物を0.05mm下65℃で乾燥させることで、生成物を20.6g得た。上述したエーテルとヘキサンの濾液を濃縮しそしてその残渣の再沈を行うことで生成物を追加的に12.8g得、その結果として表題生成物の全体収量は33.4g(58%)であった。1H NMR(δ,CD3CN)5.27(d,1H),5.80(d,1H),6.78(dd,1H),7.27(d,2H),7.51(d,2H);19F NMR(δ,CD3CN)−116.6(2F),−80.8(2F)。C10H7F4LiO4Sに関して計算した計算値:C,39.23;H,2.30;F,24.82;Li,2.27;S,10.47。測定値:C,38.18;H,2.78;F,22.23;Li,2.10;S,9.55。
【0097】
実施例4
2−(4−ブロモフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホニルフルロライドの合成
オーブンで乾燥させたフッ化カリウムが105g(1.8モル)でアセトニトリルが500mLの混合物を窒素下室温で撹拌しながら、これに、2−(4−ブロモフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホニルクロライド(130g、0.35モル)を滴下した。室温で24時間後、フッ素NMRスペクトルは、前記スルホニルクロライドの約80%がフッ化物に変化したことを示していた。この混合物を30−35℃に温めた後、室温で3日間撹拌した。これを濾過した後、固体をアセトニトリルで濯いだ。その濾液を一緒にしてロータリーエバポレーターを用いた濃縮を150mm下40℃で行った後、その残渣の蒸留をKugelrohrを用いて5mm下80−85℃で行ってドライアイス冷却受け槽に入れた。この液状留出液の蒸留を12"のVigreuxカラムを用いて行うことで、表題の生成物を沸点が4.5mm下81−82℃の無色液体として111.5g(90%)得た。1H NMR(δ,CDCl3)7.1(d,2H),7.5(d,2H);19F NMR(δ,CDCl3)−81.7(2F),−111.5(2F)。C8H4F5BrSO3に関して計算した計算値:C,27.06;H,1.14;F,26.75;S,9.03;Br,22.5。測定値:C,27.13;H,1.05;F,26.88;S,8.94;Br,22.35。
【0098】
実施例5
リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−ブロモフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンアミドの合成
新しく昇華させたトリフルオロメタンスルホンアミド(15.51g、0.104モル)を、水素化リチウムアルミニウムを用いて新しく蒸留した240mLのトリエチルアミンに加えた。この混合物を40℃に温めることで固体を溶解させた後、室温に冷却した。
2−(4−ブロモフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホニルフルロライド(35.7g、0.101モル)を加えた後、その溶液を70−75℃に18時間加熱した。この溶液のF NMRスペクトルはフッ化スルホニルが痕跡量で存在することを示しており、そのことから、前記混合物を更に1gのトリフルオロメタンスルホンアミドで処理して70−75℃に16時間加熱した。その結果として生じた赤色混合物の濃縮をロータリーエバポレーターを用いて行った。その残渣を塩化メチレンに溶解させ、水で3回洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥させた後、濃縮をロータリーエバポレーターを用いて行うことで、赤色油状物を46.24g得、これは表題生成物のトリエチルアンモニア塩であった。1H NMR(δ,CDCl3)1.32(t,9H),3.20(q,6H),7.13(d,2H),7.5(m,3H(芳香+NH));19F NMR(δ,CDCl3)−79.38(3F),−81.0(2F),−116.9(2F)。この塩を100mLのメタノールに窒素下で溶解させた後、これに0.9908Mの水酸化リチウム水溶液を79.95mL用いた処理を受けさせた。この溶液を15分間撹拌した後、真空下65−75℃で蒸発乾固させた。この固体をメタノールに溶解させ、濃縮を真空下で行った後、0.1mm下で乾燥させた。その結果として得た固体を175mLのエーテルに溶解させた後、ヘキサンを赤色油状物が沈降して上方に無色の層が残るようになるまでゆっくり加えた。この上方の層をデカンテーションで取り出して、蒸発させることで、表題の粗塩を30.9g得た。この塩にエーテルとヘキサンの混合物を用いた再結晶化を2回受けさせることで、表題の生成物を白色粉末として29.7g(60%)得た。1H NMR(δ,CD3OD)7.20(d,2H),7.60(d,2H);19F NMR(δ,CD3OD)−79.02(3F),−80.21(2F),−115.5(2F)。C9H4BrF7LiNO5S2に関して計算した計算値:C,22.06;H,0.82;N,2.86;F,27.14;S,13.08;Br,16.30;Li,1.42。測定値:C,22.16;H,0.83;N,2.85;F,25.66;S,12.57;Br,16.14;Li,1.34。
【0099】
実施例6
リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンアミドの合成
1Lの圧力容器に窒素下でリチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−ブロモフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンアミドを73.5g(0.15モル)、アセトニトリルを300mL、Pd(OAc)2を1.15g、トリ−o−トリルホスフィンを3.09gおよびトリエチルアミンを120mL仕込んだ。このオートクレーブを密封し、冷却し、真空排気を行った後、エチレンを100psiになるまで仕込んだ。この混合物を撹拌しながら85℃に14時間加熱し、必要に応じてエチレンを排出または加えることで気体の圧力を125psiに保持した。この混合物を室温に冷却した後、排気を行って大気圧にした。アセトニトリルと水の混合物を用いて前記オートクレーブの内容物を濯ぐことでそれを回収した。この混合物を激しく撹拌しながら6.3gの水酸化リチウム一水化物および100mLの水で処理した。エーテル(300mL)を加えた後、その混合物をセライトに通して濾過した。その濾液に4−t−ブチルカテコールを痕跡量で加えた後、濃縮を行うと固体が生じた。その残渣をエーテルに溶解させた。少量の水層を分離した後、エーテル層を無水硫酸ナトリウムで乾燥させた。この溶液を濾過した後、ロータリーエバポレーターを用いて濃縮を行うと、油状物が生じた。塩化メチレン(50mL)を加えた後、その混合物を濾過した。ヘキサンを曇点になるまで加えた後、その混合物を濾過した。その濾液を真空下で濃縮すると、結果として、油状物が分離した。その油状物をヘキサンと一緒にすり潰すことで結晶を生じさせた。この結晶を集めて乾燥させることで、表題の生成物を53.1g(81%)得た。重合が起こらないように4−t−ブチルカテコールを痕跡量で加えた。1H NMR(δ,アセトン−d6)5.25(d,1H),5.80(d,1H),6.80(dd,1H),7.30(d,2H),7.55(d,2H);19F NMR(δ,アセトン−d6)−78.78(3F),−79.7
7(2F),−115.52(2F)。C11H7F7NO5S2Li・2.4H2Oに関して計算した計算値:C,27.49;H,2.48;N,2.91;F,27.67;Li,1.44;S,13.34。測定値:C,27.48;H,2.24;N,3.03;F,28.55;Li,1.47;S,15.26。
【0100】
実施例7
リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドの合成およびホモ重合
400mLの圧力容器を窒素で清掃した後、これにリチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−ブロモフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドを32.8g(0.067モル)、アセトニトリルを200mL、トリエチルアミンを80mL、酢酸パラジウムを0.47gおよびトリ−o−トリルホスフィンを1.32g仕込んだ。この容器を密封し、冷却し、真空排気を行った後、エチレンを100psiになるまで仕込んだ。この容器を85℃に加熱して、エチレンガスを用いて内圧を120psiに22時間保持した。この容器を室温に冷却した後、排気を行った。この容器の内容物をエーテルと水の混合物で濯いだ後、水に入れて2.82gの水酸化リチウムで処理した。この混合物をセライトに通して濾過した後、その濾液の濃縮を真空下で行った。その残渣をエーテルに溶解させ、濾過した後、濃縮を真空下で行うと、ペーストが35.9g生じた。この材料をエーテルに溶解させてヘキサンで処理すると、暗色油状物が沈降した。その溶液をデカンテーションで除去した後、前記油状物を再びエーテルで抽出してヘキサンで処理することで固体を沈澱させ、この固体を廃棄した。前記エーテル/ヘキサン溶液を一緒にして濃縮を行った後、その残渣の再結晶化をエーテルとヘキサンを用いて行うことで、3回の収穫で白色固体を17.6g得た。1H NMR(δ,CD3CN)5.3(d,1H),5.8(d,1H),6.78(q,1H),7.25(d,2H),7.50(d,2H);19F NMR(δ,CD3CN)−78.9(3F),−79.6(2F),−115.5(2F)。プロトンNMRスペクトルおよびフッ素NMRスペクトルの両方ともピークがより低く、このことは、出発材料が少量存在していることを示唆していた。さらなる精製を行う試みで、前記生成物を空気中でエーテルに溶解させた後、ヘキサンを添加すると、ゴム状固体が沈澱した。溶解度特性が異なりかつプロトンNMRスペクトルでオレフィン共鳴が消失していることから、前記生成物が重合したことを確認した。この固体を50mLの脱イオン水に溶解させた後、MWが3500のカットオフ透析管(cutoff dialysis tube)を用いて、その溶液に2X2Lの脱イオン水を用いた透析を数日間受けさせた。前記管に入っている溶液を濃縮した後、0.1mmの圧力下100℃で乾燥させることで、オフホワイト(off−white)の固体状重合体を10.9g得た。1H NMR(δ,CD3OD)1.50(幅広,3H),6.5および6.9(幅広,5H);19F NMR(δ,CD3OD)−78.81(3F),−79.47(2F),−114.8(2F)。C11H7F7S2O5NLi・2H2Oに関して計算した計算値:C,27.92;H,2.34;N,2.96;F,28.10,Li,1.47;S,13.55。測定値:C,27.98;H,2.37;N,2.97;F,26.65;Li,1.40;S,13.84。
【0101】
実施例8
4−CN−Ph−OCF 2 CFHOCF 2 CF(CF 3 )OCF 2 CF 2 SO 3 Liの合成
4−シアノフェノール(7.15g、0.06モル)が80mLのDMFに入っている溶液を室温で0.24g(0.003モル)のリチウム第三ブトキサイドで処理した。撹拌を5分間行った後、固体状のCF2=CFOCF2CF(CF3)OCF2CF2SO3Li(28.4g、0.063モル)を一度に加えた結果、発熱が起こって36℃になった。その結果として生じた溶液を室温で24時間撹拌した。濃塩酸(3mL)を加えた後、その混合物をロータリーエバポレーターで濃縮すると、固体が生じ、これを0.05mm下140−145℃で乾燥させることで、白色固体を35.2g得た。1H NMR(δ,アセトン−d6)6.95(d,1H),7.5(d,2H),7.9(d,2H);19F
NMR(δ,アセトン−d6)−78から−80(5F,CF3およびCF2),−81から−89(4F,CF2's),−117.3(2F,CF2SO3),−144.2(1F,第三F),−145.0(1F,ddt,CHF)。
【0102】
実施例9
【0103】
【化25】
【0104】
ジメチル−5−ヒドロキシイソフタレート(28.76g、0.121モル)をアルゴン下で200mLの無水DMFに溶解させた。リチウム第三ブトキサイド(0.749g)を加えて、その混合物を40℃に温めた後、室温に冷却した。固体状のCF2=CFOCF2CF(CF3)OCF2CF2SO3Li(51.3g、0.114モル)を加えた後、その溶液を40℃に温めた。若干の発熱を観察した。この溶液を40℃で2時間撹拌した後、室温で3日間撹拌した。塩酸(1.0Mを9.5mL)を加えた後、その溶液をロータリーエバポレーターで濃縮した。その残渣を0.05mm下145−150℃のKugelrohrで乾燥させた。この乾燥させた固体を500mLのエーテルに溶解させた。ヘキサンをゴム状沈澱物が生じるまで滴下した。この混合物を濾過した後、その濾液を濃縮して0.1mm下100℃で乾燥させることで、白色の固体を74.0g得た。C17H10F13O10SLiに関して計算した計算値:C,30.92;H,1.53;F,37.41;S,4.86;Li,1.05。測定値:C,30.77;H,1.77;F,38.89;S,4.69;Li,0.99。
【0105】
実施例10
5−(1,1,2,2−テトラフルオロ−2−ブロモエトキシ)イソフタル酸ジメチルの合成
200.97g(0.956モル)の5−ヒドロキシイソフタル酸ジメチルを400mLの乾燥メタノールに入れて0−5℃に冷却しておいた懸濁液に、500mLの乾燥メタノールに95%のカリウムメトキサイドを70.5g(0.956モル)入れた溶液を加えた。この混合物を室温に温めた後、デカンテーションで少量の白色固体を除去した。そのメタノール溶液をロータリーエバポレーターで濃縮した後、固体を0.1mm下150℃で乾燥させることで226.4g得た。この塩を600mlの乾燥DMSOに溶解させて65℃に加熱した。1,2−ジブロモテトラフルオロエタン(259.8g、1モル)を滴下すると、結果として発熱が起こって80℃になった。滴下終了後、その混合物を75−85℃に4時間保持した。これを室温に冷却した後、氷水で2Lになるまで希釈した。この水溶液から粘性ゴム状物をデカンテーションで除去した後、それを200mLの塩化メチレンで抽出した。この塩化メチレン抽出液を濃縮した後、その残渣を前記粘性ゴム状物と一緒にして、水で洗浄した。有機材料を塩化メチレンで取り上げ、無水硫酸ナトリウムで乾燥させた後、ロータリーエバポレーターを用いて濃縮を行った。この残渣の蒸留をKugelrohr装置を用いて0.2mm下140℃で行うことで、純度がglpcで93%の材料を257.6g得た。シリカゲルを用いたクロマトグラフィーでヘキサンに続いてヘキサン中1→4%の酢酸エチルを用いて溶出させることにより、最初の画分に入っている所望生成物を得た。これらの画分を一緒にしてロータリーエバポレーターで濃
縮した後、その残渣の蒸留をKugelrohrを用いて0.1mm下125℃で行うことで、表題の生成物を239.6g(62%)得た。1H NMR(δ,CDCl3)3.98(s,6H),8.05(m,2H),8.60(m,1H);19F NMR(δ,CDCl3)−68.7(2F),−86.4(2F)。C12H9F4BrO5に関して計算した計算値:C,37.04;H,2.33;F,19.53;Br,20.54。測定値:C,36.95;H,2.08;F,19.34;Br,20.57。
【0106】
実施例11
3,5−ジ(CO 2 CH 3 )−Ph−OCF 2 CF 2 SO 2 Clの合成
5Lの丸底フラスコに重炭酸ナトリウムを109.2g、脱イオン水を600mL、亜二チオン酸ナトリウムを226.4gおよびDMFを300mL仕込んだ。この混合物を65℃に加熱した後、5−(1,1,2,2−テトラフルオロ−2−ブロモエトキシ)イソフタル酸ジメチル(316.2g、0.81モル)を15分かけて加えた。添加終了後、その混合物を80−85℃に4時間温めた後、50℃に一晩保持した。この混合物を室温に冷却した後、濾過した。固体を酢酸エチルで洗浄し、その酢酸エチルを濾液に加えた。下方の水層を2X100mLの塩化メチレンそして2X100mLの酢酸エチルで抽出した。全ての有機層を一緒にして3X50mLの食塩水で洗浄し、無水硫酸ナトリウムで乾燥させた後、ロータリーエバポレーターを用いて濃縮を行った。その残渣を0.1mm下120℃で乾燥させることで黄色−オレンジ色の固体を得、これをさらなる精製なしに次の段階で用いた。1H NMR(δ,DMSO−d6)3.95(s,6H),7.97(m,2H),8.40(m,1H);19F NMR(δ,CDCl3)−80.9(2F),131.3(2F)。前記固体を1Lの脱イオン水に溶解させた後、CFC−113を300mL加えた。そのフラスコにドライアイスコンデンサを取り付けた。この混合物の中に塩素ガスをこれが過剰量で存在するようになるまで吹き込んだ。CFC−113に完全には溶解しないことで沈澱物が生じたことから、塩化メチレンを500mL加えた。余分な塩素を排出させてスクラバーに送り込み、有機層を分離した後、水層を3X250mLの塩化メチレンで抽出した。これらの有機層を一緒にして100mLの食塩水で洗浄し、無水硫酸ナトリウムで乾燥させ、ロータリーエバポレーターを用いて濃縮した後、蒸留をKugelrohrを用いて0.2mm下150℃で行うことで、かすかに黄色の固体を277.3g得た。この材料の再結晶化をCFC−113を用いて行うことで、白色固体を3回の収穫で257.4g(78%)得た。1H NMR(δ,CDCl3)3.95(s,6H),8.10(m,2H),8.70(m,1H);19F NMR(δ,CDCl3)−79.0(2F),−108.0(2F)。C12H9ClF4O7Sに関して計算した計算値:C,35.26;H,2.22;Cl,8.67;F,18.59;S,7.84。測定値:Cl,35.39;H,2.05;Cl,8.95;F,18.29;S,7.66。
【0107】
実施例12
3,5−ジ(CO 2 CH 3 )−Ph−OCF 2 CF 2 SO 3 Clの合成
262g(0.64モル)の3,5−ジ(CO2CH3)−Ph−OCF2CF2SO2Clが1Lの無水メタノールに入っている懸濁液に無水炭酸リチウムを52.1g(0.71モル)加えた。この混合物を40℃に加熱した後、室温で96時間撹拌した。この溶液を濾過した後、ロータリーエバポレーターで濃縮した。この固体の再結晶化を6Lのアセトニトリルを用いて行うことで、2つの収穫物を集めた。その固体を一緒にして0.1mm下180℃で乾燥させることで生成物を179.1g(71%)得た。1H NMR(δ,DMSO−d6)3.95(s,6H),7.95(m,2H),8.40(m,1H);19F NMR(δ,CDCl3)−80.9(2F),116.5(2F)。C12H9F4SO8Liに関して計算した計算値:C,36.38;H,2.29;F,19.18;S,8.24;Li,1.75。測定値:C,36.29;H,2.47;F,19.08;S,8.24;Li,1.69。
【0108】
実施例13
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムのホモ重合
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウム(12.24g、0.04モル)を75mLの脱イオン水に溶解させた。この塩にいくらか複合している痕跡量の残存有機溶媒を除去する目的で、前記溶液を真空下で濃縮することで水を約60mL除去した。その残渣に脱イオン水(40mL)を加えた後、この溶液に凍結と真空排気と解凍のサイクルを2回受けさせることで酸素を除去した。過硫酸アンモニウム(0.018g、0.00008モル)を加えた後、この溶液に再び凍結と真空排気と解凍のサイクルを受けさせることで酸素を除去した。次に、この溶液をアルゴン下で61−63℃のオイルバスに26時間入れることで加熱した。この溶液を室温に冷却した後、MWが3500のカットオフ透析管に移して、これに1リットルの脱イオン水を3回仕込むことによる透析を数日間に渡って受けさせた。前記透析管に入っている水溶液をロータリーエバポレーターで濃縮した後、その残渣を0.1mm下100℃で乾燥させることで、かすかに黄色の固体状重合体を9.33g(76%)得た。1H NMR(δ,D2O)1.50(bs,3H),6.5および7.0(bs,5H);19F NMR(δ,D2O)−82.02(2F),−117.58(2F)。LiClが0.25%入っている水中の光散乱で決定した測定Mwは156,000であった。C10H7O4F4SLi・1.67H2Oに関して計算した計算値:C,35.73;H,3.08;F,22.61;Li,2.06;S,9.54。測定値:C,35.72;H,3.17;F,19.43;Li,2.27;S,10.03。水を用いて流し込み成形した後に空気で乾燥させた重合体のフィルムは明るい黄褐色の自己支持型フィルムであったが、いくらか脆かった。
【0109】
実施例14
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムとスチレンの共重合
ポリマー管(polymer tube)に2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムを4.59g(0.015モル)、DMFを8.0mL、新しく精製したスチレンを8.84g(0.085モル)およびベンゾイルパーオキサイドを0.05g仕込んだ。この溶液に凍結と真空排気とアルゴンを用いたパージ洗浄と解凍を数回受けさせた後、アルゴン雰囲気下、60℃のオイルバス内で66時間加熱した。室温に冷却した後、固体状塊を50mLのDMFに溶解させた後、過剰量のエーテルに入れることで沈澱を起こさせた。このエーテルをデカンテーションで除去した後、ゴム状の残渣をヘキサンで洗浄して0.5mm下100℃で乾燥させることで、白色の共重合体を11.8g(88%)得た。THFにDMFが2%入っている混合物を用いて流し込み成形することで無色透明のフィルムを生じさせることができた。1H NMR(δ,DMS−D7)1.65および2.0(幅広),6.8および7.2(幅広);19F NMR(δ,DMF−d7)−80.9(2F),−116.4(2F);13C NMR(δ,DMF−d7)118.3および114.09(CF2's)。147.77(Oに隣接した芳香族C)、146.05(CH2に隣接した芳香族C)、122.09(Oに対してオルソに位置する芳香族C)、128.7−128.2(残りの芳香族C)、40.97(CH)および42−48(CH2)。FおよびH減結合13Cスペクトルに含まれる適切な共鳴を積分することで計算して、前記重合体はスチレンを88%と官能化(functionalized)スチレンを12%含有する。DSCの第二加熱で示されたTgは135.8℃であった。測定値:C,71.52;H,5.81;F,8.76;Li,0.72;S,3.55。
【0110】
実施例15
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムとスチレンとアクリロニトリルのターポリメリゼーション
スチレンとアクリロニトリルを塩基性アルミナが入っている短いカラムに通した後、使用直前に、水素化カルシウムを用いて蒸留を行った。ポリマー管に2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムを3.06g(0.011モル)およびDMFを8mL仕込んだ。この溶液を室温で真空下に1時間置くことで揮発性不純物を除去した。次に、スチレンを5.41g(0.052モル)、アクリロニトリルを2.01g(0.038モル)およびベンゾイルパーオキサイドを0.048g加えた。この溶液に凍結と真空排気とアルゴンを用いたパージ洗浄と解凍を数回受けさせた後、アルゴン雰囲気下、60℃のオイルバス内で22時間加熱した。室温に冷却した後、固体状塊をDMFに溶解させ、濾過した後、過剰量のエーテルにゆっくりと注ぎ込んだ。粘性のある沈澱物を真空下95℃で乾燥させることで白色重合体を10.7g得た。1H NMR(d.THF−d8)1.70−2.2(幅広),6.8および7.05(幅広)および2.0(幅広);19F NMR(d,THF−d8)−81.5(2F),−117.2(2F);IR2237cm-1(CN);13C NMR(d,DMF−d7)118.3および114.09(CF2's)。122.08(アクリロニトリルのOとCNに対してオルソ位に位置する芳香族炭素)、147.77(Oに隣接した芳香族炭素)、146.0から140(第四級炭素)、128.4から127.1(残りの芳香族炭素)、38.83(スチレンの脂肪族CH)、28.5から26.6(アクリロニトリルの脂肪族CH)、および43から40(CH2)。炭素NMRスペクトルの積分で計算して、前記重合体はスチレンを52.2モル%とアクリロニトリルを38.8モル%と2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムを9.0%含有する。測定値:C,69.03;H,6.00;N,6.37;F,6.59;S,2.95;Li,0.52。
【0111】
実施例16
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムとスチレンとアクリル酸ブチルのターポリメリゼーション
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムを3.06g(0.01モル)とスチレンを6.55g(0.063モル)とアクリル酸ブチルを3.46g(0.027モル)用いて実施例15の手順に従った。DMFに溶解している粗生成物をブレンダーに入っている過剰量の氷水に加えることで沈澱を起こさせた。乾燥を50℃の真空オーブン内で行うことで重合体を7.10g得た。1H NMR(d,DMF−d7)1.05(幅広),1.3−2.6(幅広),3.8(幅広),6.95および7.40(幅広);19F NMR(d,DMF−d7)−81.0(2F),−116.6(2F);13C NMR(d,DMF−d7)118.4および114.1(CF2's)。122.2(Oに対してオルソ位に位置する芳香族炭素)、148.5(Oに隣接した芳香族炭素)、143.0から146.9(第四級炭素)、125.0から130.0(残りの芳香族炭素)、38.85(スチレンの脂肪族CH)、42から48(スチレンのCH2)、175.9(エステルのカルボニル)、64.06(OCH2)、14.06(CH3)、19.75および13.03(エステルの残りのCH2)。炭素NMRスペクトルの積分で計算して、前記重合体はスチレンを66.4モル%とアクリル酸ブチルを26.5モル%と2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムを7.1%含有する。
【0112】
実施例17
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムとスチレンとメタアクリル酸メチルの共重合
メタアクリル酸メチルを塩基性アルミナが入っている短いカラムに通した後、蒸留を真空下で行ってドライアイス冷却受け槽に入れた。ポリマー管に2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムを3.06g(0.01モル)、新しく精製したメタアクリル酸メチルを9.0g(0.09モル)および開始剤である2,4−ジメチル−2,2'−アゾビス(ペンタンニトリル)[Vazo(商標)52]を0.0
5g仕込んだ。この溶液に凍結と真空排気とアルゴンを用いたパージ洗浄と解凍を数回受けさせた。前記ポリマー管を密封して50℃のオイルバス内で22時間加熱した。室温に冷却した後、固体状塊を250mLのアセトンに温めながら溶解させて、濾過した。アセトンを蒸発させた後、固体状の重合体を0.05mm下100℃で乾燥させることで生成物を11.6g得た。1H NMR(δ,アセトン−d6)0.6−3.0(m),3.65(s),6.8−7.5(m)適切なピークを積分した結果、前記重合体はメタアクリル酸メチルを88モル%と2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムを12モル%含有していた。19F NMR(δ,アセトン−d6)−80.9(2F),−116.6(2F)。測定値:C,54.39;H,6.77;F,4.86;Li,0.50;S,2.62。
この重合体のアセトン溶液から透明で軟質のフィルムを流し込み成形することができた。
【0113】
実施例18
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムとアクリロニトリルの共重合
アクリロニトリルを塩基性アルミナが入っている短いカラムに通した後、使用直前に、真空蒸留を行った。50mLのポリマー管に2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムを3.06g(0.01モル)、DMFを10mL、アクリロニトリルを4.77g(0.09モル)および開始剤である2,4−ジメチル−2,2'−アゾビス(ペンタンニトリル)[Vazo(商標)52]を0.050g仕込んだ。この容器の内容物に凍結/真空排気/解凍サイクルを4回受けさせることで酸素を除去した後、この容器を密封した。その内容物を50℃のオイルバス内で22時間加熱すると、結果として白色の塊が生じた。この固体を50mLのDMFに溶解させ、濾過した後、大過剰量のエーテルに入れることで沈澱を起こさせた。乾燥を0.05mm下100℃で行うことで白色重合体を7.59g(97%)単離した。1H NMR(δ,DMF−d7)2.30(b),3.32(b),7.3−7.5(b)に加えて、DMFが少量存在することを示す吸収。芳香族のピークの積分値を脂肪族のピークの積分値に対比させることで計算して、前記重合体は2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムを12モル%とアクリロニトリルを88モル%含有する。測定値:C,54.72;H,4.51;N,15.55;F,8.36;Li,0.81;S,4.04。
【0114】
実施例19
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムとα−メチレン−γ−ブチロラクトンの共重合
ポリマー管に2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムを1.53g(0.005モル)、α−メチレン−γ−ブチロラクトンを4.4g(0.045モル)およびVazo(商標)52を0.025g仕込んだ。撹拌を行うと前記塩はほぼ完全に溶解した。DMF(100uL)を加えると完全に均一な溶液が生じた。この容器の内容物に凍結/真空排気/解凍サイクルを5回受けさせることで酸素を除去した後、この溶液をアルゴン下50℃に22時間加熱することで、黄色の固体状塊を得た。この材料を30mLのDMFに温めながら溶解させ、濾過した後、過剰量のエーテルに入れることで沈澱を起こさせた。乾燥を0.1mm下109℃で行うことで白色重合体を5.24g(88%)得た。1H NMR(δ,DMF−d7)2.25(b),2.5(b),7.3−7.5(b)。ピークの積分で計算して、前記重合体の組成は11モル%が2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムである。19F NMR(δ,DMF−d7)−80.61(2F),−116.31(2F),DSC:Tg=220℃。測定値:C,53.40;H,5.53;F,6.11;Li,0.54;S,2.75。
【0115】
実施例21
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムとアクリル酸ブチルの共重合
グローブボックス内で、2.10g(0.0069モル)の2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムと8.0g(0.062モル)のアクリル酸ブチルをシュレンク管(撹拌子が入っている)に入れて一緒にした。DMFを約10mL加えた後、Vazo(商標)52を48mg(1.93x10-4モル)加えて撹拌することで溶解させた。フラスコをアルゴン下に置いて40℃に24時間加熱した。その結果として生じた重合体はDMFに溶解しており、これをヘキサン(3x)に入れると重合体が油状物として沈降した。次に、この重合体をアセトンに溶解させた後、水(2x)に入れることで沈澱を起こさせた。結果として得た重合体を真空下75℃で乾燥させることで生成物を1.6g(16%)得た。19F NMR(d−アセトン):−82.4(2F),−118.0(2F)ppm。TGA(N2,10℃/分)250℃で分解が始まる。分子量[SEC、Zytel 101標準、溶媒HFIP+0.01Mのナトリウムトリフレート(triflate)]:Mn=186,800;Mw=324,700;Mw/Mn=1.74;Mn=182,500;Mw=316,800;Mw/Mn=1.74。
【0116】
実施例22
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムとアクリル酸エチルヘキシルの共重合
グローブボックス内で、シュレンク管(撹拌子が入っている)にDMFを20mL入れて、これに1.56g(0.0051モル)の2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムを溶解させた後、アクリル酸エチルヘキシルを8.44g(0.046モル)加え、続いてVazo(商標)52を48mg(1.93x10-4モル)加えた。撹拌を行って開始剤を溶解させた。フラスコをアルゴン下に置いて40℃に24時間加熱した。追加的にTHFを用いて、結果として生じた重合体を溶解させた後、水に入れることで沈澱を起こさせ、続いてTHFに溶解させてヘキサン(3x)に入れることで油状物として沈降させた。この重合体を真空下65℃で乾燥させることで生成物を3.2g(32%)得た。この重合体をテフロン(Teflon)(商標)プレスシートの間に挟んで予備加熱を150℃で2分間行い、2000ポンド/平方インチで圧縮した後、加圧下で冷却することを通して、フィルムを溶融プレス加工する(melt pressed)ことができた。この重合体は水分を空気から迅速に吸い取ってゴム状になる。また、0.5gの重合体を15mLのTHFに溶解させそしてその溶液を直径が5.5cmのテフロン(商標)製ペトリ皿の中に流し込むことを通して、フィルムの溶液流し込み成形(solution cast)を行うことも可能であった。19F NMR(d−アセトン)δ:−84.4(2F),−120.0(2F)ppm。1H NMR(d−THF)δ:7.1(b),3.95(b),3.8(b),2.9,2.3(b),1.8−2(b),1.5−1.7(b),1.4,1.2(b),0.9ppm。芳香族スチレンのシグナルとアクリル酸エチルヘキシルが有するメチルのシグナルの比率により、2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムが約10モル%組み込まれたことが示された。13C NMR(d−THF)δ:172.4,127.4,120.3,40.1,37.4,28.9,27.5,22.7,12.1,8.2ppm。TGA(N2,10℃/分):250℃で分解が始まる。DSC(N2,−100から200℃,10℃/分):Tmは検出されなかった。測定値:%C65.62,65.51;%H9.48,9.69;%F3.82;%Li0.34;%S1.86。分子量[SEC、Zytel 101標準、溶媒HFIP+0.01MのNaトリフレート):Mn=161,500,Mw=315,000,Mw/Mn=1.95;Mn=140,300,Mw=318,100,Mw/Mn=2.27。
【0117】
実施例24
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムとアクリル酸
ブチルの共重合
グローブボックス内で、2.10g(0.0069モル)の2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムと7.9g(0.062モル)のアクリル酸ブチルをシュレンク管(撹拌子が入っている)に入れて一緒にした後、Vazo(商標)52を45mg(1.81x10-4モル)加えて撹拌することで溶解させた。前記フラスコをアルゴン下に置いて40℃に24時間そして45℃に24時間加熱した。その結果として生じた重合体をTHFに溶解させて水(2x)そしてヘキサン(3x)に入れると重合体が油状物として沈降した。この重合体を真空下で乾燥させることで重合体を0.2g(2%収率)得た。13C NMR(d−THF)δ:175.1,67.5,64.9,42.6,31.8,25.8,20.2,14.3ppm。TGA(N2,10℃/分):250℃で分解が始まる。
【0118】
実施例25
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムとアクリル酸ブチルの共重合
グローブボックス内で、3.74g(0.0122モル)の2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムと6.26g(0.489モル)のアクリル酸ブチルをシュレンク管(撹拌子が入っている)に入れて一緒にした後、Vazo(商標)52を45mg(1.81x10-4モル)加えて撹拌することで溶解させた。前記フラスコをアルゴン下に置いて45℃に24時間加熱した。その結果として生じた重合体をアセトン/THFに溶解させて水い入れることで沈澱を起こさせた。次に、この重合体をアセトン/THFに溶解させてヘキサン(2x)に入れることで沈澱を起こさせた。この重合体を乾燥させることで4.8g(48%)得た。0.5gの重合体をTHFに溶解させそしてその溶液を直径が5.5cmのテフロン(商標)製ペトリ皿の中に流し込むことを通して、フィルムの流し込み成形を行うことが出来た。19F NMR(d−アセトン)δ:−82.4(2F),−118.1(2F)ppm。13C NMR(d−アセトン)δ:175.5,130.3,123.1,65.3,42.8,36.6(b),31.9,20.3,14.5ppm。1H NMR(d−アセトン)δ:7.1(b),4.1,3.9(b),3.2,3.1,2.4,1.9−1.2,0.9ppm。測定値:%C54.34,54.29;%H6.95,6.91;%F9.46,9.31;%Li0.71,0.80;%S4.40,4.47 TGA(N2,10℃/分)。275℃で分解が始まる。DSC(N2−100から225℃,10℃/分):Tmは検出されなかった。分子量[SEC、Zytel 101標準、HFIP+0.01MのNaトリフレート):Mn=432,000,Mw=1,271,000,Mw/Mn=2.94,Mn=980,700,Mw=1,415,000,Mw/Mn=1.44。
【0119】
実施例26
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムとアクリル酸メチルの共重合
グローブボックス内で、2.8g(0.0091モル)の2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムと7.2g(0.0827モル)のアクリル酸メチルをシュレンクフラスコ(撹拌子が入っている)に入れて一緒にした後、Vazo(商標)52を35mg(1.41x10-4モル)加えて撹拌することで溶解させた。前記フラスコをアルゴン下に置いて35℃に48時間に続いて65℃に24時間加熱した。重合相が分離した。この重合体の一部は他の部分に比べて溶解し難く、不溶物がいくらか存在していた。結果として得た重合体をDMF/アセトンに溶解させてヘキサン(2x)に入れることで沈澱を起こさせた。次に、この重合体をDMFに溶解させた後、透析管(MWCO=3500)に入れて、水を用いた透析を10日間行った後、重合体を集め、それをDMFに溶解させて水の中に入れることで沈澱を起こさせた。この重合体を真空下で乾燥させることで生成物を3.14g(31.4%)得た。19F NMR(d−DMF)δ:−81.9(2F),−117.6(2F)ppm。
【0120】
実施例27
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムとアクリル酸メチルの共重合
グローブボックス内で、2.8g(0.0091モル)の2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムと7.2g(0.0827モル)のアクリル酸メチルと20mLのDMFをシュレンク管(撹拌子が入っている)に入れて一緒にした後、Vazo(商標)52を35mg(1.41x10-4モル)加えた。前記フラスコの内容物を撹拌することで溶解させた。前記フラスコをアルゴン下に置いて35℃に48時間加熱した。結果として得た重合体をDMF/アセトンに溶解させて水(3x)に入れることで沈澱を起こさせた。次に、この重合体をアセトンに溶解させてヘキサンに入れることで沈澱を起こさせた。この最終的な重合体を真空下70℃で乾燥させることで生成物を4.85g(48.5%)得た。0.54gの重合体をアセトンに溶解させそしてその溶液を直径が5.5cmのテフロン(商標)製ペトリ皿の中に流し込むことを通して、フィルムの流し込み成形を行った。19F NMR(d−アセトン)δ:−82.4(2F),−118.1(2F)ppm。13C NMR(d−アセトン)δ:174.9,129.2,12.1,51.2,41.3,35.1(b)ppm。1H NMR(d−アセトン)δ:7.2(b),3.6,2.9,2.8,2.1,3.5,2.4(b),1.9(b),1.7(b),1.7−1.5(b)ppm。プロトンNMRは、芳香族のシグナルとアクリル酸メチルが有するメチル基のシグナルの積分を基にして、アイオノマー基が4モルパーセントであることを示していた。分子量(SEC、Zytel 101標準、HFIP+0.01MのNaトリフレート):Mn=77,200,Mw=216,100,Mw/Mn=2.8;Mn=56,500,Mw=203,600,Mw/Mn=3.6。測定値:%C53.16,53.13,52.78;%H6.77,6.79;%F3.24,3.07,4.81;%Li0.28,0.47,0.38;%S1.91,1.98,2.39。元素分析は、2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムが5−6モルパーセント存在することを示していた。
【0121】
実施例29
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムとポリ(エチレングリコール)エチルエーテルメタアクリレートとポリ(エチレングリコール)ジアクリレートの共重合および架橋
ポリ(エチレングリコール)のエチルエーテルのメタアクリレートと2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムから作られた架橋フィルムを下記の様式で生じさせた。ポリ(エチレングリコール)のエチルエーテルのメタアクリレート(8.79g、3.6x10-2モル)と前記スルホン酸塩モノマー(1.21g、4.0x10-3モル)を前以て混合しておいた。
フィルムA:小びんに前記モノマー混合物を3.33gの分量で入れると共にポリ(エチレングリコール)のジアクリレートを0.038g(6.6x10-5モル)およびVazo(商標)52を16mg(6.45x10-5モル)入れて撹拌することで溶解させた。この混合物を窒素雰囲気下で流し込み成形用の小さいテフロン(商標)製皿の中に注ぎ込んでホットプレート上で35−40℃に5時間加熱した。
フィルムB:小びんに前記モノマー混合物を3.33gの分量で入れると共にポリ(エチレングリコール)のジアクリレートを0.076g(1.32x10-4モル)およびVazo(商標)52を16mg(6.45x10-5モル)入れて撹拌することで溶解させた。この混合物を窒素雰囲気下で流し込み成形用の小さいテフロン(商標)製皿の中に注ぎ込んでホットプレート上で35−40℃に5時間加熱した。
フィルムC:小びんに前記モノマー混合物を3.15gの分量で入れると共にポリ(エチレングリコール)のジアクリレートを0.15g(2.61x10-4モル)およびVazo(商標)52を16mg(6.45x10-5モル)入れて撹拌することで溶解させた。この混合物を窒素雰囲気下で流し込み成形用の小さいテフロン(商標)製皿の中に注ぎ込んでホットプレート上で35−40℃に5時間加熱した。
【0122】
前記フィルムを室温に一晩放置した後、37℃に6時間加熱した。このフィルムを加熱するとゲル化がいくらか起こることが観察された。このフィルムは不溶かつ柔らかで柔軟性があった。このフィルムを真空下75℃で乾燥させた。板上に流し込み成形した薄フィルムの小部分を抽出する目的でアセトンを用い、これを13C NMRに送り込んだところ、モノマーのシグナルは全く示されなかった。より厚いフィルムを前記流し込み用皿から取り出してそれを抽出する目的でアセトンを用いた結果、モノマーがいくらか残存することが示された。TGA(N2、10℃/分):分解開始点:225℃(A、B)および200℃(C)。DSC(N2、−100から200℃、10℃/分):Tmは検出されなかった。測定値:フィルムA:%C56.49;%H8.17;%F2.87;%S0.74;灰分1.74;%Li0.22。フィルムB:%C56.45;%H8.16;%F2.33;%S0.50;灰分1.83;%Li0.23。フィルムC:%56.79;%H8.24;%F2.44;%S0.57;灰分1.83;%Li0.23。
【0123】
実施例30
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムとアクリル酸ブチルとメタアクリル酸カルボナトグリシダルの共重合および架橋
グローブボックス内で、メタアクリル酸カルボナトグリシダル(1.23g、0.0066モル)とアクリル酸ブチル(6.76g、0.0528モル)と2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウム(2.02g、0.0066モル)を小びんに入れて一緒にした。Vazo(商標)52(40mg、1.61x10-4モル)を加えて撹拌することで溶解させた。この溶液をピペットで2個の小さいテフロン(商標)製ペトリ皿にこの底をちょうど覆うように入れた。残りの溶液をピペットでテフロン(商標)被覆ガラス片の上に正方形になるように置いた。前記溶液をグローブボックスに入れてスライドヒーター(slide heater)で35℃に2時間温め、室温に一晩放置し、35℃に8時間加熱し、一晩かけて室温に冷却した後、42℃に8時間加熱した。この吸湿性のフィルムは乾燥時は脆いが、湿っている時は取り扱い可能である。19F NMR(d−アセトン)δ:−82.7(2F),−118.5(2F)ppm。TGA(N2,10℃/分):200℃で分解が始まる。DSC(N2,−100から175℃,10℃/分):Tmは検出されなかった。測定値:%C50.64,50.49,50.66;%H5.62,5.58,5.61;%F9.84,9.43,9.24;%Li0.38,0.90,0.84;%S4.38,3.83,4.09;%N,0.22,0.18。
【0124】
実施例31
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムとポリ(エチレングリコール)エチルエーテルメタアクリレートの共重合および架橋
グローブボックス内で、8.79g(0.0357モル)のポリ(エチレングリコール)エチルエーテルメタアクリレートと1.21g(0.00395モル)の2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムと45mg(1.81x10-4モル)のVazo(商標)52を一緒にした。この溶液をピペットで2個の小さいテフロン(商標)製ペトリ皿にこの底をちょうど覆うように入れ、その残りをピペットでテフロン(商標)被覆ガラス片の上に正方形になるように置いた。このフィルムをスライドウォーマー(slide wamer)で35℃に4時間温め、室温に一晩放置した後、35℃に8時間温めた。重合後にフィルム相が分離を起こして、粒状物が入っているガラスのように見える軟質フィルムが生じた。両方の相ともTHFに不溶であった。TGA(N2、10℃/分):225℃で分解が始まる。DSC(N2、−100から175℃、10℃/分):Tmは検出されなかった。測定値:%C56.58,56.33;%H8.34
,8.33;%F2.78,2.63;%S1.27,1.30;%Li0.23,0.23。元素分析により、モノマー1が約8モルパーセント組み込まれたことが示された。
【0125】
実施例32
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムとポリ(エチレングリコール)エチルエーテルメタアクリレートの共重合および架橋
グローブボックス内で、ポリ(エチレングリコール)のエチルエーテルのメタアクリレート(7.63g、0.031モル)と2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウム(2.37g、0.0077モル)と45mg(1.81x10-4モル)のVazo(商標)52を小びんに入れて一緒にした。この溶液をピペットで2個の小さいテフロン(商標)製ペトリ皿にこの底をちょうど覆うように入れ、その残りをピペットでテフロン(商標)被覆ガラス片の上に正方形になるように置いた。このフィルムをスライドウォーマーで35℃に4時間温め、室温に一晩放置した後、35℃に8時間温めた。重合後にフィルム相が分離を起こした。この軟質フィルムは粒状物が入っているガラスのように見えた。両方の相ともTHFに不溶であった。TGA(N2、10℃/分):225℃で分解が始まる。DSC(N2、−100から200℃、10℃/分):Tmは検出されなかった。測定値:%C53.85,53.92;%H7.55,7.51;%F5.00,5.20;%S2.36,2.21;%Li0.47,0.46。
【0126】
実施例34
リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドとメタアクリル酸メチルの共重合
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムの代わりにリチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドを4.36g用いて実施例17の手順に従うことで重合体を12.4g得た。1H NMR(δ,アセトン−D6)0.6−3.1(m),3.65(s),6.9−7.7(m)。適切なピークを積分した結果、前記重合体はメタアクリル酸メチルを88モル%と前記スルホンイミドモノマーを12モル%含有する。19F NMR(δ,アセトン−d6)−78.8(s,3F),−79.7(m,2F),−115.5(s,2F)。測定値:C,49.77;H,6.06,N,1.03;F9.93;S,5.08;Li,0.50。
【0127】
実施例35
リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドとスチレンの共重合
リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドを4.37g(0.01モル)、スチレンを9.36g(0.09モル)、DMFを8.0mLおよびベンゾイルパーオキサイドを0.048g用いて実施例14の手順に従った。重合を96時間実施した。固体状塊を追加的DMFに溶解させて濾過した。これを1Lの氷水に入れることで重合体を沈澱させ、濾過した後、0.05mm下96℃で乾燥させることで8.38g得た。測定値:C,70.31;H,6.07,N,1.75;F8.69;S,4.63;Li,0.44。
【0128】
実施例36
リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドとアクリル酸メチルの共重合
ここでは、アクリル酸メチルを重合させて粘性のある材料を生じさせた後にアイオノマーモノマー(ionomeric monomer)を添加することを通して、よりブロッキー(blockier)な重合体を製造する試みを行った。グローブボックス内で、7.2g(0.0827モル)のアクリル酸メチルを10mLのDMFに溶解させた後、Vazo(商標)52開始剤を35mg(1.41x10-4モル)加えた。フラスコを35℃に加熱した。1時間後に溶液の粘度が非常に高くなった時点でDMFを追加的に10mL加えると共に2.8g(0.0064モル)のリチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドを10mLのDMFに入れて加えた。加熱を再び開始して35℃に48時間、45℃に24時間そして65℃に24時間置いた。結果として生じた重合体をDMF/アセトンに溶解させてヘキサン(2x)に入れることで沈澱を起こさせた。次に、この重合体をDMFに溶解させて水(2x)に入れることで沈澱を起こさせた。この重合体を真空下75℃で乾燥させることで材料を5.6g(56%)得た。0.5gの前記重合体をDMFに溶解させそしてその溶液を5.5cmのテフロン(商標)製ペトリ皿の中に流し込むことでフィルムを得ることが出来た。19F NMR(d−DMF)δ:−79.8(3F),−80.7(2F),−116.5(2F)ppm。13C NMR(CDCl3)δ:174.8(C=O),51.7(OCH3),41.2(CH2 CH),35.3(CH2CH)。13C NMRで検出されたのはアクリル酸メチルのシグナルのみであった:1H NMR(CDCl3)δ:7.3,3.6,2.9,2.8,2.3,1.9,1.7,1.5(b)ppm。OCH3(MA)のピークの積分値に対する芳香族ピークの積分値の比率は、アイオノマー基が0.6モルパーセントであることを示していた。TGA(N2、10℃/分):300℃で分解が始まる。DSC(N2、−100から200℃、10℃/分):Tmは検出されなかった。Tg=12℃(第一加熱)、17℃(第二加熱)。測定値:%C54.24,54.35;%H6.89,6.62;%N<0.1,<0.1;%F1.02,1.27;%Li0.042,0.058;%S0.84,0.83。分子量[SEC、Zytel 101標準、HFIP+0.01Mのナトリウムトリフレート):Mn=124,100;Mw=370,300;Mw/Mn=2.98;Mn=134,400;Mw=380,300;Mw/Mn=2.83。
【0129】
実施例37
リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドとアクリル酸ブチルの共重合
グローブボックス内で、2.75g(0.0063モル)のリチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドと7.25g(0.057モル)のアクリル酸ブチルをシュレンク管(撹拌子が入っている)に入れて一緒にした後、Vazo(商標)52を45mg(1.81x10-4モル)加えて撹拌することで溶解させた。フラスコをアルゴン下に置いて40℃に24時間に続いて45℃に24時間加熱した。結果として生じた重合体をTHFに溶解させて水(2x)に入れることで沈澱を起こさせた。次に、この重合体を溶解させてヘキサン(2x)に入れることで沈澱を起こさせた。この重合体を真空下で乾燥させることで重合体を2.4g(24%)得た。0.5gの重合体を1:1のTHF/アセトンに溶解させそしてその溶液を直径が5.5cmのテフロン(商標)製ペトリ皿の中に流し込むことでフィルムの流し込み成形を行った。ゲル化した材料が溶解しないまま少量存在していた。19F NMR(d−THF)δ:−80.4(2F),−81.4(2F),−117.2(2F)ppm。13C NMR(d−THF)δ:175.1,130.1,122.7,64.9,42.6,36.1,31.8,20.2,14.3ppm。1H NMR(d−THF)δ:7.1(b),4.0,3.1,2.0−3.0(b),1.1−1.8(b),0.8ppm。アクリル酸ブチルが有するメチルのピークに対する芳香族ピークの比率は、アイオノマーモノマーが約15モルパーセント組み込まれたことを示している。TGA(N2、10℃/分):275℃で分解が始まる。DSC(N2、−100から250℃、10℃/分):Tmは検出されなかった。測定値:%C52.49,52.24;%H6.90,6.84;%N1.19,1.19;%F10.02,9.83;%S4.82,4.93;%Li0.48,0.51。元素分析はイオン性モノマーが12モルパーセント組み込まれたことを示していた。分子量[SEC、Zytel 101標準、HFIP+0.01MのNaトリフレート):Mn=250,200,Mw=1,024,000,Mw/Mn=4.09;Mn=203,700,Mw=893,100,Mw/Mn=4.38。
【0130】
実施例38
リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドとポリ(エチレングリコール)エチルエーテルメタアクリレートの共重合および架橋
グローブボックス内で、1.64g(0.00376モル)のリチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドと8.36g(0.02296モル)のPEEGMAを5mLのDMFと一緒に小びんに入れて一緒にした。Vazo(商標)52(48mg、6.45x10-5モル)を加えて溶解するまで撹拌した。この溶液の一部を用いて5.5cmのテフロン(商標)製ペトリ皿の底を覆った。この皿をグローブボックス内でスライドヒーター上で39℃に6時間温め、室温に一晩放置した後、40℃に8時間加熱した。フィルムは柔らかで柔軟性があった。TGA(N2、10℃/分):225℃で分解が始まる。DSC(N2、10℃/分):Tmは検出されなかった。測定値:%C54.39;%H7.57;%N0.57;%F3.87;%S1.22;%Li0.21;灰分1.64。元素分析は、イオン性モノマーが約9モルパーセント組み込まれたことを示していた。
【0131】
実施例39
リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドとポリ(エチレングリコール)エチルエーテルメタアクリレートとポリ(エチレングリコール)ジアクリレートの共重合および架橋
グローブボックス内で、8.36g(0.03396モル)のポリ(エチレングリコール)エチルエーテルメタアクリレートと1.64g(0.00376モル)のリチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドと5mLのDMFを小びんに入れて一緒にして撹拌することで混合した。架橋剤をいろいろな量で用いた3種類のフィルムを以下に記述する如く生じさせた。
フィルム1:小びんに前記モノマー混合物を4.33g(モノマーが3.33gでDMFが1g)入れると共にジアクリレートを0.036g(6.26x10-5モル)入れた。Vazo(商標)52(16mg、6.45x10-5モル)を入れて撹拌することで溶解させた。ピペットを用いてテフロン(商標)被覆ガラス片上にフィルムを生じさせてスライドヒーターで39℃に温めた。
フィルム2:小びんに前記モノマー混合物を4.33g(モノマーが3.33gでDMFが1g)入れると共にジアクリレートを0.071g(1.24x10-4モル)およびVazo(商標)52(16mg、6.45x10-5モル)を入れて撹拌することで混合した。ピペットを用いてテフロン(商標)被覆ガラス片上にフィルムを生じさせてスライドヒーターで39℃に温めた。
フィルム3:小びんに前記モノマー/DMF混合物を約3.8g、ジアクリレートを0.14g(2.44x10-4モル)およびVazo(商標)52(16mg、6.45x10-5モル)を入れて撹拌することで混合した。フィルムをこの上に示した如く流し込み成形してスライドヒーターで39℃に温めた。
【0132】
前記フィルムを39℃に6時間加熱し、一晩かけて室温に冷却した後、40℃に8時間加熱した。軟質フィルムが生じた。TGA(N2、10℃/分):前記フィルム3枚とも200℃で分解が始まる。DSC(N2、−100から200℃、10℃/分):Tmは検出されなかった。測定値;フィルム1:%C54.29;%H7.72;%N0.55;%F4.02;%S1.29;フィルム2:%C54.20;%H7.68;%N0.57;%F4.40;%S1.29;フィルム3:%C54.46;%H7.75;%N0.57;%
F3.84;%S1.06。元素分析は、モノマー2が約9モルパーセント組み込まれたことを示していた。
【0133】
実施例40
リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドとポリ(エチレングリコール)エチルエーテルメタアクリレートとポリ(エチレングリコール)ジアクリレートの共重合および架橋
フィルムA:グローブボックス内で、PEGEEMA(2.75g、1.12x10-2モル)とジアクリレート(0.036g、6.26x10-5モル)とリチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミド(0.55g、1.26x10-3モル)とVazo(商標)52(16mg、6.45x10-5モル)を一緒にした。これを小さいテフロン(商標)製ペトリ皿に入れてスライドウォーマーで40℃に6時間温めることでフィルムの流し込み成形を行った。フィルムB:グローブボックス内で、PEGEEMA(2.76g、1.12x10-2モル)とジアクリレート(0.018g、3.13x10-5モル)とリチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミド(0.55g、1.26x10-3モル)とVazo(商標)52(16mg、6.45x10-5モル)を一緒にした。これを小さいテフロン(商標)製ペトリ皿に入れてスライドウォーマーで40℃に6時間温めることでフィルムの流し込み成形を行った。フィルムC:グローブボックス内で、PEGEEMA(2.77g、1.13x10-2モル)とジアクリレート(0.009g、1.57x10-5モル)とリチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミド(0.55g、1.26x10-3モル)とVazo(商標)52(16mg、6.45x10-5モル)を一緒にした。これを小さいテフロン(商標)製ペトリ皿に入れてスライドウォーマーで40℃に6時間温めることでフィルムの流し込み成形を行った。フィルムD:PEGEEMA(2.72g、1.10x10-2モル)とジアクリレート(0.071g、1.24x10-4モル)とリチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミド(0.54g、1.23x10-3モル)とVazo(商標)52(16mg、6.45x10-5モル)を一緒にした。これを小さいテフロン(商標)製ペトリ皿に入れてスライドウォーマーで40℃に6時間温め、室温に一晩放置した後、50℃に8時間加熱することで、フィルムの流し込み成形を行った。
【0134】
前記フィルムを真空下85℃で乾燥させた。TGA(N2、10℃/分):分解開始点:250℃(A、B、D)および230℃(C)。DSC(N2、−100から200℃、10℃/分):Tmは検出されなかった。測定値:フィルムA:%C53.99;%H7.97;%N0.58;%F4.70;%S2.33;%Li0.22;フィルムB:%C54.11;%H8.20;%N0.58;%F4.67;%S2.82;%Li0.21;フィルムC:%C54.42;%H8.29,%N0.54,%F4.53,%S2.59,%Li0.22,フィルムD:%C54.17,%H7.96,%N0.55;%F4.3;,%S2.36;%Li0.19。抽出を受けさせた後に乾燥させたフィルムの元素分析値は、未抽出フィルムの分析値および計算した値[リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドが10モルパーセント組み込まれる]に近かった。
【0135】
実施例41
リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドとアクリル酸メチルとジアリルジグリコールカーボネートの共重合および架橋
各フィルムに関して下記を実施した。小びんに1mLのDMFと撹拌子を入れると共に前記アクリレートとリチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドとカーボネートモノマーを入れた。開始剤を添加して撹拌することで溶解させた。この溶液をピペットでテフロン(商標)製ペトリ皿に入れかつテフロン(商標)被覆ガラス片の上に正方形になるように置いた。これらのフィルムをスライドウォーマーで40℃に数時間加熱し、室温に一晩放置した後、45℃に8時間加熱した。
各フィルムのモノマー量および開始剤量を以下に示す。
フィルムA:アクリル酸メチル(3.13g、0.036モル)、リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミド(1.76g、0.00403モル)、ジアリルジグリコールカーボネート(0.111g、4.05x10-4モル)、Vazo(商標)52(15mg、6.04x10-5モル)。
フィルムB:アクリル酸メチル(3.17g、0.036モル)、リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミド(1.78g、0.00407モル)、ジアリルジグリコールカーボネート(0.0557g、2.03x10-4モル)、Vazo(商標)52(15mg、6.04x10-5モル)。
フィルムC:アクリル酸メチル(3.18g、0.0365モル)、リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミド(1.78g、0.00407モル)、ジアリルジグリコールカーボネート(0.028g、1.02x10-4モル)、Vazo(商標)52(15mg、6.04x10-5モル)。
フィルムD:アクリル酸メチル(3.20g、0.0368モル)、リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミド(1.76g、0.0041モル)、ジアリルジグリコールカーボネート(0.014g、5.11x10-4モル)、Vazo(商標)52(15mg、6.04x10-5モル)。
【0136】
前記フィルムを真空下85℃で乾燥させた。TGA(N2、10℃/分):全てのフィルムで分解が140℃で始まる。DSC(N2、−100から180℃、10℃/分):Tmは検出されなかった。測定値:フィルムA:%C33.88,33.80;%H3.31,3.24;%N5.35,5.36;%F22.50,22.36;%S11.20,10.89;%Li1.09,1.10;フィルムB:%C34.12,34.31;%H3.43,3.31;%N5.67,5.78;%F22.04,22.33;%S11.03,10.97;%Li1.13,1.15;フィルムC:%C33.21,33.28;%H3.20,3.18;%N5.75,5.78;%F23.44,23.10;%S10.97,10.99;%Li1.14,1.18;フィルムD:%C33.72,33.79;%H3.22,3.25;%N5.56,5.55;%F23.36,23.23;%S12.76,12.52;%Li1.18,1.14。
【0137】
実施例42
リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドとアクリル酸メチルとジアリルジグリコールカーボネートの共重合および架橋
フィルムを下記の様式で生じさせた。小びんに1mLのDMFと撹拌子を入れると共にアクリル酸メチルとリチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドとカーボネートモノマーを入れた。開始剤を添加して撹拌することで溶解させた。この溶液をピペットでテフロン(商標)製ペトリ皿に入れかつテフロン(商標)被覆ガラス片の上に正方形になるように置いた。これらのフィルムをスライドウォーマーで40℃に6時間加熱し、室温に一晩放置した後、45℃に8時間加熱した。
モノマー量および開始剤量を以下に示す。
フィルムA:アクリル酸メチル(3.13g、0.036モル)、リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミド(1.76g、0.00403モル)、ジアリルジグリコールカーボネート(0.111g、4.05x10-4モル)、Vazo(商標)52(15mg、6.04x10-5モル)。
フィルムB:アクリル酸メチル(3.17g、0.036モル)、リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミド(1.78g、0.00407モル)、ジアリルジグリコールカーボネート(0.0557g、2.03x10-4モル)、Vazo(商標)52(15mg、6.04x10-5モル)。
フィルムC:アクリル酸メチル(3.18g、0.0365モル)、リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミド(1.78g、0.00407モル)、ジアリルジグリコールカーボネート(0.028g、1.02x10-4モル)、Vazo(商標)52(15mg、6.04x10-5モル)。
フィルムD:アクリル酸メチル(3.20g、0.0368モル)、リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミド(1.76g、0.0041モル)、ジアリルジグリコールカーボネート(0.014g、5.11x10-5モル)、Vazo(商標)52(15mg、6.04x10-5モル)。
【0138】
フィルムを真空下で乾燥させた。TGA(N2、10℃/分):全てのフィル
ムで分解が150℃で始まる。DSC(N2、−100から100℃、10℃/
分):Tmは検出されなかった。
【0139】
実施例44
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸(ar−ビニルベンジル)トリメチルアンモニウムの合成
10mLの脱イオン水に2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウム(3.06g、0.01モル)を溶解させた。これに、2.12g(0.01モル)の(ar−ビニルベンジル)トリメチルアンモニウムクロライド(Aldrich、メタ異性体とパラ異性体の混合物)が10mLの脱イオン水に入っている溶液を加えた。即座に油状のゴム状物が沈澱したが、これはさらなる撹拌で結晶性固体に変わった。この固体を集め、20mLの水で洗浄した後、真空下40℃で乾燥させることで、表題の塩を4.52g(95%)得、これはTHF、DMFおよびメタノールに可溶であった。1H NMR(δ,CD3OD)3.08(s,9H),4.50(s,2H),5,25(d,1H),5.35(d,1H),5.5(d,1H),5.88(d,1H),6.60−6.80(2dd,2H),7.23(d,2H),7.55(m,6H);19F NMR(δ,CD3OD)−81.07(2F),−116.66(2F)。C22H25F4NO4Sに関して計算した計算値:C,55.57;H,5.30;N,2.95;S,6.74;F,15.98。測定値:C,54.27;H,5.09;N,2.83;S,7.19;F,15.79。
【0140】
実施例45
(ar−ビニルベンジル)トリメチルアンモニウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドの合成
20mLの脱イオン水にリチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミド(8.75g、0.02モル)を溶解させた後、氷水浴内で冷却した。これに、4.24g(0.02モル)の(ar−ビニルベンジル)トリメチルアンモニウムクロライド(Aldrich、メタ異性体とパラ異性体の混合物)が20mLの脱イオン水に入っている溶液を加えた。即座に透明なゴム状物が沈澱した。水溶液をデカンテーションで除去した後、前記ゴム状物を水で洗浄した。乾燥を真空下30℃で行った時、過激な発泡を伴った。この生成物を50mLのメタノールに溶解させ、濾過して300mLの丸底フラスコに入れた後、ロータリーエバポレーターで濃縮することで透明なシロップを得、これを0.05mm下30℃で16時間乾燥させた。この生成物の重量は11.5g(95%)であった。1H NMR(δ,CD3OD)3.1(s,9H),4.47(s,2H),5.25(d,1H),5.35(d,1H),5.76(d,1H),5.87(d,1H),6.68−6.81(2dd,2H),7.20および7.50(AB 四重線,4H),7.42−7.50(m,4H);19F NMR(δ,CD3OD)−78.9(3F),−79.77(2F),−115.27(2F)。
【0141】
実施例46
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムと2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸(ar−ビニルベンジル)トリメチルアンモニウムとメタアクリル酸メチルの共重合
ポリマー管に2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムを3.06g(0.01モル)、実施例44で得た生成物を2.38g(0.005モル)およびDMFを20mL仕込んだ。この溶液をポンプ真空下に痕跡量のメタノールが前記塩から取り除かれるように溶媒が約1mL蒸発するまで置いた。メタアクリル酸メチル(8.5g、0.085モル)およびVazo(商標)52を0.05g加えた後、その溶液に凍結と真空排気と解凍のサイクルを3回受けさせた。次に、これを50℃のオイルバス内で24時間加熱した。この溶液を冷却し、80mLのDMFで希釈した後、水の中に注ぎ込んだ。それによってゲルが生じ、これの濾過を行うのは不可能であった。溶媒を最大ポンプ真空下49℃で除去することで残渣を16.5g得た。この材料を2X100mLの水で洗浄(各場合とも数時間撹拌)した。この水不溶材料を高真空下48℃で乾燥させることで重合体を9.92g得た。この材料はメタノール、アセトン、DMFおよびDMSOに可溶であり、DMFを用いて脆い透明なフィルムを流し込み成形することができた。この重合体がDMF中で示す13C NMRスペクトルの17ppmの所のピーク(MMAのメチル)、118.4+122.3ppmの所のピーク(CF2)および68.8ppmの所のピーク(CH2N)の積分値から計算して、これはMMA単位を81モル%、OCF2CF2SO3−単位を14モル%およびCH2NMe3単位を5モル%含有していた。測定値:C,52.98;H,6.26;F,7.56;Li,0.45;S,3.66。
【0142】
実施例47
リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドと(ar−ビニルベンジル)トリメチルアンモニウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドとメタアクリル酸メチルの共重合体
50mLのポリマー管を氷水で冷却しながら、これに2.19g(0.005モル)のリチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドおよび10mLの氷水を仕込んだ。前記塩が溶解した後、1.06g(0.005モル)の(ar−ビニルベンジル)トリメチルアンモニウムクロライドが10mLの氷水に入っている溶液を加えると、結果として即座に粘性のあるゴム状物が沈澱した。水をデカンテーションで除去した後、スパチュラを用いて前記ゴム状物を10mLの氷水と一緒に撹拌した。このゴム状物を真空ポンプで短期間乾燥させた後、20mLのDMFに溶解させた。リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2
−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミド(4.37g、0.01モル)を加えた後、メタアクリル酸メチルを8.5gおよびVazo(商標)52を0.05g加えた。この溶液に凍結/ポンプ/解凍サイクルを4回受けさせることで酸素を除去した後、50℃のオイルバス内で22時間加熱した。追加的にDMFを20mL加えた後、この混合物を温めると透明な溶液が生じた。このDMF溶液を過剰量のエーテルに加えることで重合体を沈澱させた。この沈澱物をブレンダーに入れてエーテルで洗浄した後、0.1mm下100℃で乾燥させることで白色固体を14.86g得た。NMRが前記固体にはまだDMFが含まれていることを示していたことから、それをアセトンに溶解させてエーテルの中に入れることで再び沈澱させた後、乾燥させることで、白色固体を12.45g(78%)得た。1H NMR(δ,アセトン−d6)0.6−3.8(多重線),4.60(bs),7.2−7.5(b)。脂肪族とベンジルと芳香族のピークを積分することで計算して、前記重合体はリチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミド(9.8モル%)と(ar−ビニルベンジル)トリメチルアンモニウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミド(4.6モル%)とMMA(85.5モル%)含有する。19F NMR(δ,アセトン−d6)−78.69(3F),−79.47(2F),−115.30(2F)。測定値:C,48.79;H,5.52;N,2.06;F,12.22,Li,0.40;S6.30。アセトンを用いて透明で堅いフィルムを流し込み成形した。
【0143】
実施例48
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムとHydrin(商標)Tエラストマーの共硬化
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムが2.5gとHydrin(商標)Tが5.0gとDMFが50mLの混合物をガラスジャーに入れてローラー上で溶液が均一になるまで混合した。ベンゾイルパーオキサイド(0.3g)を加えた後、混合を2時間継続した。この溶液の一部(15mL)を3個の流し込み成形用鋳型[テフロン(商標)、2 7/16インチ平方]の各々に注ぎ込んだ。前記鋳型を窒素パージ下の真空オーブンに入れて室温に一晩置いた後、若干の窒素パージを伴わせた真空下で70℃に48時間加熱した。その結果として生じたフィルムは前記鋳型から容易に剥がれ、これは若干黄色で高度に柔軟で粘り強くかつ目に見えるほどの相分離を伴わなかった。1枚のフィルムを重量測定して室温のTHFに24時間浸漬した。このフィルムは大きさが数倍になるまで膨潤することを観察したがそれの形状を保持していた。これをTHFから取り出してペーパータオルで軽くたたくことで乾燥させた後、重量を測定した。元々の重量(1.95g)が7.77gにまで上昇した(膨潤%=298)。このフィルムを乾燥させると、それの元々の大きさに戻った。前記THF溶液をロータリーエバポレーターで濃縮することで抽出物(extractables)を0.17g(8.7%)得た。測定値:C,43.46;H,5.64;F,7.05;S,2.69;Li,0.62。このS%分析から、当量重量(equivalent weight)は1190であると計算した。
【0144】
実施例49
リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドとHydrin(商標)Tエラストマーの共硬化
前記スルホン酸リチウムの代わりに前記スルホンイミド塩を2.5g用いて実施例48の手順に従った。1枚のフィルムの重量は1.80gであった。このフィルムをTHFに24時間浸漬した後の重量は12.01gであった(膨潤%=567)。THF溶液を濃縮することで0.57g(29%の抽出物)を得た。測定値:C,40.40;H,5.66:F,5.77;Li,0.27;S,3.24。このS%分析値から当量重量は988であると計算した。
【0145】
実施例50
3,5−ジ(CO 2 CH 3 )−Ph−OCF 2 CF 2 SO 3 Liとテレフタル酸ビス(ヒドロキシエチル)の重合
機械的撹拌機と蒸留ヘッドが備わっている500mLの丸底フラスコに3,5−ジ(CO2CH3)−Ph−OCF2CF2SO3Liを28.5g(0.0712モル)およびエチレングリコールを20g仕込んだ。このフラスコを錫/ビスマス合金浴の中に浸漬して200℃に予熱した後、その内容物を均一な溶液が生じるまで撹拌した。この撹拌を止めてテレフタル酸ビス(ヒドロキシエチル)を54.8g(0.216モル)およびチタン(IV)イソプロポキサイドを0.02g加えた。前記装置に真空排気と窒素充填(1気圧にする)を交互に数回受けさせることによるフラッシュ洗浄を受けさせた。撹拌機の速度を50rpmに設定して前記浴の温度を1時間かけて240℃にまで高めると、結果として、緩やかな蒸留が生じた。前記浴の温度を徐々に高くして250℃にしながら前記装置の圧力を3.75時間かけて160ミリトールにまで下げることで留出液を継続して集めた。この時間の間に撹拌のトルクが24から180にまで高くなった。この混合物を室温に冷却した後、固体を82.1gおよび留出液を19.2g単離した。前記固体をγ−ブチロラクトンに溶解させて、その溶液を濾過した後、過剰量のエーテルに加えると、ゴム状物が沈澱した。このゴム状物を0.05mmの圧力下135℃で乾燥させた。これを約1Lのアセトンに溶解させた後、この溶液を500mLに濃縮し、それを小分割して過剰量のエーテルに加えた。
沈澱して来た重合体を0.05mm下室温で乾燥させることで生成物を63.8g得た。固有粘度(1:1 CH2Cl2:CF3COOH)=0.334;Tg(DSC)=84℃
プロトンNMR(アセトン−d6)はδ 8.5および8.0の所にピークを示し、これらは、スルホン酸塩置換芳香族基に由来する1つのプロトンとスルホン酸塩置換基に由来する2つのプロトンに加えてテレフタル酸エステル単位に由来する4つのプロトンに割り当てられる。これらの基の積分値の比率は1:3であると計算し、これは出発材料の比率に優れた一致を示す。フッ素(アセトン−d6)はδ−81.2およびδ−116.7の所に等しい面積のピークを示す。
【0146】
実施例51
テレフタル酸ビス(ヒドロキシエチル)と
【0147】
【化26】
【0148】
実施例9で得たスルホン酸リチウムモノマーを33.0g(0.05モル)、テレフタル酸ビス(ヒドロキシエチル)を20.3g(0.08モル)、エチレングリコールを30.0gおよびチタン(IV)イソプロポキサイドを0.02g用いて実施例50の手順に従った。撹拌機のモーターの最終トルクは150であった。重合体を51.5gおよび留出液を27.5g単離した。重合体をアセトンに溶解させた。この溶液を濾過した後、その濾液を過剰量のエーテルにゆっくり加えた。その結果として生じた繊維質の重合体を集めて乾燥させることでオフホワイトの発泡体を31.8g得た。プロトンNMRは実施例50に記述したそれに類似していたが、適切なピークを積分した結果、テレフタル酸エステル単位とスルホン酸塩置換単位の比率は1.7:1であることが示された。F NMR(δ,アセトン−d6)−78.5から-79.7(m,5F,CF3+CF2),−81.7から−86.7(m,4F,2CF2),−117.2(s,2F,1CF2),−144
.1から−145.1(m,2F,CF+CFH)。
【0149】
実施例52
実施例14で溶液流し込み成形したアイオノマーフィルムを再循環窒素オーブン(Electric Hotpack Company,Inc.,Model 633,Philadelphia,PA)に入れて110℃で48時間乾燥させた。
【0150】
この乾燥させたフィルムをそれがまだ温かい間に密封容器に入れてグローブボックスに移し、これに乾燥窒素で正圧をかけた後、前記密封容器から膜を取り出して室温にした。次に、この膜を大きさが1.0cmx1.5cmの数枚の断片に切断した。
【0151】
この冷却した1.0cmx1.5cmのフィルム試験片の上表面にエチレンカーボネート(EC,98%,Aldrich Chemical Co.,Inc.,Milwaukee,WI)とジメチルカーボネート(DMC,99%,Alfa Aesar,Ward Hill,MA)が1:1(体積)の混合物をピペットで前記フィルムサンプルの重量の133%に相当する量で置いた。30分後にイオン伝導率を測定した。
【0152】
前記溶媒で処理したフィルムを吸い取り紙で拭いて乾燥させた後、伝導率セルの中に位置させた。10Hzから100,000Hzの範囲に渡ってセルのインピーダンスを測定し、そして高周波数範囲(通常は500−5000Hz)において位相角がゼロの時の値がサンプル本体の抵抗値(オームで表す)であるとした。次に、セル定数および液体膨潤フィルム厚を用いて、その生抵抗値を伝導率(S/cmで表す)に変換した。23℃で測定したイオン伝導率は1.03x10-4S/cmであった。
【0153】
実施例53
グローブボックスの中に本明細書の実施例3の乾燥させたリチウム塩を数グラム入れて、前記グローブボックスに乾燥窒素で正圧をかけた。前記塩を実施例52のEC/DMC混合物と一緒にして0.5Mの溶液を生じさせた。この溶液を23℃で測定した時の液体伝導率は1.72x10-3S/cmであった。
【0154】
実施例54
グローブボックスの中に本明細書の実施例7の乾燥させたリチウム塩を数グラム入れて、前記グローブボックスに乾燥窒素で正圧をかけた。前記塩を実施例52のEC/DMC混合物と一緒にして1.0Mの溶液を生じさせた。この溶液を50%希釈して0.5Mの溶液を生じさせ、この溶液を23℃で測定した時の液体伝導率は4.30x10-3S/cmであった。
【0155】
実施例55
実施例16のアイオノマーフィルムを再循環窒素オーブン(Electric Hotpack Company,Inc.,Model 633,Philadelphia,PA)に入れて100℃で48時間乾燥させた。
【0156】
冷却した1.0cmx1.5cmの膜サンプルを脱イオン水に数時間浸漬した。この試験片に試験をグローブボックスの外側で受けさせる以外は実施例52と同様にしてイオン伝導率を23℃で測定して1.588x10-3S/cmであることを確認した。
【0157】
実施例56
実施例49のアイオノマーフィルム(E93722−105−5A)を再循環窒素オーブン(Electric Hotpack Company,Inc.,Model 633,Philadelphia,PA)に入れて真空下75℃で48時間乾燥させた後
、窒素パージ洗浄しておいた真空雰囲気(Vacuum Atmospheres)のドライボックスに移した。
【0158】
冷却した1.0cmx1.5cmの膜サンプルを過剰量のプロピレンカーボネート(Selectipur、EM Industries)に5分間浸漬した。この時間が経過した後、前記膜サンプルの表面をペーパータオルで拭いて乾燥させた後、それの重量上昇とイオン伝導率を測定した。プロピレンカーボネートによる重量上昇は乾燥サンプルの554重量%に等しかった。この溶媒で膨潤させたフィルムは自立型で取り扱いが容易であった。イオン伝導率を実施例52と同様にして23℃で測定して2.59x10-4S/cmであることを確認した。
【0159】
実施例57
実施例30のアイオノマーフィルム(E92207−78)をそこに記述されている如く得た後、窒素パージ洗浄しておいた真空雰囲気のドライボックスに直接移した。
【0160】
冷却した1.0cmx1.5cmの膜サンプルを過剰量のプロピレンカーボネート(Selectipur、EM Industries)に10分間浸漬した。この時間が経過した後、前記膜サンプルの表面をペーパータオルで拭いて乾燥させた後、それの重量上昇とイオン伝導率を測定した。プロピレンカーボネートによる重量上昇は乾燥サンプルの366重量%に等しかった。この溶媒で膨潤させたフィルムは自立型で取り扱いが容易であった。イオン伝導率を実施例52と同様にして23℃で測定して4.12x10-4S/cmであることを確認した。
【0161】
実施例58および59
65gのMCMB 25−28グラファイト[大阪瓦斯株式会社(Osaka Gas Co.,Ltd)、大阪]、10gのKynar Flex(商標)2801ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(Elf Atochem、フィラデルフィア、PA)、3.5gのSuper Pカーボンブラック(MMM S.A.Carbon、ブリュッセル、ベルギー)、21.5gのフタル酸ジブチル可塑剤および150gのアセトン(流し込み成形用溶媒として)を混合することでスラリーを生じさせた。次に、ゲート(gate)高が約0.500mmのドクターブレードを用いて前記スラリーを流し込み成形して厚みが0.111−0.126mmのグラファイト電極フィルムを生じさせた。
【0162】
前記電極フィルムの片を厚みが約0.127mmの真鍮箔の間に位置させることで層状構造物を生じさせた[前記電極に余分な圧力がかからないようにする目的で厚みが0.095mmのシム(shims)を用いてこれを前記箔の間に位置させて]。前記電極フィルムをより良好に統合させる目的で、前記層状構造物を、115℃の温度および20psigの圧力に設定したWestern Magnum XRL 120 Laminatorに通した。前記電極を統合させた後、それを前記真鍮箔の間から取り出して厚みを測定した結果、0.108mmであった。
【0163】
次に、ジエチルエーテルを用いて、前記統合させた電極フィルムからフタル酸ジブチルを抽出した後、この抽出を受けさせた電極フィルムから直径が約15.9mmの円形片を2枚切り取り、この円形片をアンテチャンバ(antechamber)内で乾燥させた後、アルゴン雰囲気下のグローブボックスの中に入れた。
【0164】
アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、容積が10mlのフラスコにエチレンカーボネートとジメチルカーボネートが1:1(重量)の混合物を入れると共に実施例3の様式で生じさせたC2H3C6H4OCF2CF2SO3Liを0.725g入れ、EC/DMC
[1:1(重量)]を加えた後、このようにして生じさせた混合物を室温で約20分間撹拌することで電解液を生じさせたが、ここでは、この撹拌時間を10分にした。この電解液の伝導率を本明細書の上に記述した方法を用いて室温で測定した結果、1.131mS/cmであった。
【0165】
グローブボックス内で、前記乾燥させたグラファイト電極フィルムの直径が15.9mmの試験片2枚および厚みが24ミクロメートルで直径が15.9mmのCelgard(商標)3501微孔性ポリプロピレン片2枚を各々個別の小びんに入れた前記電解液に密封した状態で20分間浸漬した。
【0166】
各場合とも、前記浸漬したグラファイト電極を正電極として用い、前記浸漬したCelgard(商標)フィルムをセパレーターとして用いかつ厚みが0.333mmで15.9mmの直径を有する円形のLi金属箔を負電極として用いてサイズが2325の電気化学コインセル(coin cells)を2つ生じさせた。
【0167】
各コインセルを密封しそして0.5mAの一定電流を用いて電圧が0.01Vになるまで放電させ、この時点で、電圧を、電流が0.05mA未満にまで降下するまで一定に保持した。次に、各セルを0.5mAの一定電流で1.1Vになるまで充電した後、電圧を、充電電流が0.05mA未満に降下するまで1.1Vに一定に保持した。
【0168】
前記2つのコインセルが充電および放電時に示した正電極容量(positive electrode capacities)を表1に示す。
【0169】
表1:正電極容量
実施例58 実施例59
正電極の重量(g) 0.0290 0.0289
電解液の重量(g) 0.0406 0.0582
放電(グラファイト1g当たりのmAh) 306 238
充電(グラファイト1g当たりのmAh) 272 204
実施例60および61
ここに示す以外は実施例58および59の手順を繰り返した。電極フィルム試験片およびセパレーターの直径を12.7mmにし、正電極フィルムの厚みを0.095mmにした。C2H3C6H4OCF2CF2SO3Liを0.660g用いる以外は実施例58および59と同様にして電解液を生じさせた。本明細書の上に記述した方法を用いて前記電解液の伝導率をアルゴン下室温で測定した結果、1.249mS/cmであった。
【0170】
2つのコインセルが充電および放電時に示した正電極容量を表2に示す。
【0171】
表2:正電極容量
実施例60 実施例61
正電極の重量(g) 0.0167 0.0166
電解液の重量(g) 0.0341 0.0331
放電(グラファイト1g当たりのmAh) 306 331
充電(グラファイト1g当たりのmAh) 273 294
【発明の名称】 ペンダント型のフッ素置換イオン基を有する芳香族重合体
【特許請求の範囲】
【請求項1】 式I(a)またはI(b)
【化1】
[式中、
Rfは、結合であるか、或は無置換または1つ以上のエーテル酸素および1つ以上の水素原子で置換されている炭素原子数が1から5のフルオロアルキレン基であり、Yは、NまたはOであり、Rf’は、無置換または1つ以上のエーテル酸素および1つ以上の水素原子で置換されている炭素原子数が1または2のフルオロアルキル基であり、n=0または1であるが、但しY=Oの時にはn=0でY=Nの時にはn=1であることを条件とし、そしてZは、水素またはリチウムである]
で表されるペンダント型基を含んで成るアイオノマー。
【請求項2】 式(II)
【化2】
[式中、
m=1または2であり、そしてm=1の時、Rは、−CH=CH 2 またはブロモもしくはヨードであり、そしてm=2の時、Rは、同一であるか異なり、−CH=CH 2 、−CO 2 R’(ここで、R’は、炭素数が1−10のアルキル基である)またはブロモもしくはヨードを表し、Rfは、結合であるか、或は無置換または1つ以上のエーテル酸素および1つ以上の水素原子で置換されている炭素原子数が1から5のフルオロアルキレン基であり、Yは、NまたはOであり、Rf’は、無置換または1つ以上のエーテル酸素および1つ以上の水素原子で置換されている炭素原子数が1または2のフルオロアルキル基であり、n=0または1であるが、但しY=Oの時にはn=0でY=Nの時にはn=1であることを条件とし、そしてZは、水素またはリチウムである]
で表される化合物。
【請求項3】 式(III)で表される置換フェノールのアルカリ金属塩と1,2−ジブロモテトラフルオロエタンを反応させて式(IV)
【化3】
[式中、
mは、0、1または2であり、Rは、ブロモ、ヨード、CO2R’またはNO2であり、R’は、炭素原子数が1から10のアルキル基であり、そしてMは、アルカリ金属である]で表される化合物を生じさせ、この式(IV)で表される化合物を亜ジチオン酸のアルカリ金属塩であるスルフィン化反応体と反応させて構造(V)
【化4】
で表されるアルカリ金属のスルフィン酸塩を生じさせ、この構造(V)で表されるアルカリ金属のスルフィン酸塩を元素状の塩素または臭素と反応させて構造(VI)
【化5】
[ここで、X=ClまたはBr]
で表される相当するスルホニルクロライドもしくはブロマイドを生じさせることを含んで成る方法。
【請求項4】 請求項1記載のアイオノマーとそれと組み合わされた、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、こはく酸ジメチルおよびそれらの混合物からなる群から選択される液体を含んで成るイオン伝導性組成物。
【請求項5】 請求項2記載の式(II)で表される化合物とエチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、こはく酸ジメチルおよびそれらの混合物からなる群から選択される液体を含んで成るイオン伝導性組成物。
【請求項6】 イオン交換膜であって、式
【化6】
[式中、
Rfは、結合であるか、或は無置換または1つ以上のエーテル酸素および1つ以上の水素原子で置換されている炭素原子数が1から5のフルオロアルキレン基であり、Yは、NまたはOであり、Rf’は、無置換または1つ以上のエーテル酸素および1つ以上の水素原子で置換されている炭素原子数が1または2のフルオロアルキル基であり、n=0または1であるが、但しY=Oの時にはn=0でY=Nの時にはn=1であることを条件とし、そしてZは、水素またはリチウムである]
で表されるペンダント型基を含むアイオノマーを含んで成るイオン交換膜。
【請求項7】 陰極と陽極とセパレーターを含んで成っていてそれらの中の少なくとも1つが式
【化7】
[式中、
Rfは、結合であるか、或いは無置換または1つ以上のエーテル酸素および1つ以上の水素原子で置換されている炭素原子数が1から5のフルオロアルキレン基であり、Yは、NまたはOであり、Rf’は、無置換または1つ以上のエーテル酸素および1つ以上の水素原子で置換されている炭素原子数が1または2のフルオロアルキル基であり、n=0または1であるが、但しY=Oの時にはn=0でY=Nの時にはn=1であることを条件とし、そしてZは、水素またはリチウムである]
で表されるペンダント型基を含むアイオノマーを含んで成る電気化学セル。
【請求項8】 電気化学セルであって、請求項2記載の式(II)で表される化合物とエチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、こはく酸ジメチルおよびそれらの混合物からなる群から選択される液体を含んで成る伝導性組成物と陰極と陽極とセパレーターを含んで成る電気化学セル。
【請求項9】 電極であって、式
【化8】
[式中、
Rfは、結合であるか、或は無置換または1つ以上のエーテル酸素および1つ以上の水素原子で置換されている炭素原子数が1から5のフルオロアルキレン基であり、Yは、NまたはOであり、Rf’は、無置換または1つ以上のエーテル酸素および1つ以上の水素原子で置換されている炭素原子数が1または2のフルオロアルキル基であり、n=0または1であるが、但しY=Oの時にはn=0でY=Nの時にはn=1であることを条件とし、そしてZは、水素またはリチウムである]
で表されるペンダント型基を含むアイオノマーと、電気活性材料であって、炭素、リチウムインターカレート炭素、リチウム金属の窒化物、リチウム金属、リチウム合金、リチウム化遷移金属酸化物および硫化物およびそれらの混合物からなる群から選択されるものを含んで成る電極。
【請求項10】 フィルム、シートおよびゲルから成る群から選択される形態の請求項4または5記載のイオン伝導性組成物。
【請求項11】 電気絶縁性であり、多孔性ポリプロピレンまたは微孔性PTFEからなる重合体フィルムもしくはシートも更に含んで成り、それの微孔の中に前記ゲルが吸収されている請求項10記載のイオン伝導性組成物。
【請求項12】 Rがパラ位に位置する請求項2記載の化合物。
【請求項13】 RfがCF2でありそしてRf’がCF3またはC2F5である請求項1記載のアイオノマー。
【請求項14】 その主鎖が架橋している請求項1記載のアイオノマー。
【請求項15】 ZがLi+である請求項1記載のアイオノマー。
【請求項16】 YがNである請求項1記載のアイオノマー。
【請求項17】 YがOである請求項1記載のアイオノマー。
【請求項18】 RfがCF2でありそしてRf’がCF3またはC2F5である請求項2記載の化合物。
【請求項19】 ZがLi+である請求項2記載の化合物。
【請求項20】 YがNである請求項2記載の化合物。
【請求項21】 YがOである請求項2記載の化合物。
【請求項22】 Rが−CH=CH2でありそしてm=1である請求項2記載の化合物。
【請求項23】 Rが−CO2R’(ここで、R’は、炭素数が1−10のアルキル基である)でありそしてm=2である請求項2記載の化合物。
【発明の詳細な説明】
【0001】
(発明の分野)
本発明は、フルオロエーテル置換芳香環を含有する化合物を包含する新規な種類の不飽和化合物、それから生じさせたアイオノマー(ionomers)を包含する重合体、およびそれらの製造方法を提供するものである。本発明の組成物は電気化学用途で用いるに適する。
【0002】
(発明の背景)
芳香族でないペンダント型の(non−aromatic pendant)フルオロアルキルスルホン酸およびそれと一価金属の塩を含有する重合体はデュポン社(E.I.du Pont de Nemours and Company)(Wilmington DE)から入手可能なNafion(商標)パーフルオロアイオノマーとして商業的に入手可能である。芳香族でないペンダント型のフルオロスルホニルイミドおよびフルオロスルホニルメチドおよびそれらと一価金属の塩を含有する重合体はDesMarteau(米国特許第5,463,005号)に開示されており、この特許の場合、それらは完全フッ素置換バックボーン(backbone)に結合している。
【0003】
Narang他(米国特許第5,633,098号)は、イオン種が結合しているフッ素置換ポリ(アルキレンオキサイド)側鎖を有するポリシロキサン類およびポリアクリレート類を開示している。1つの態様における側鎖は構造−(CH2)x1(OCH2CH2)y1(OCF2CF2)z1SO2R3
[ここで、R3は、OM,N(M)SO2CF3またはC(M)(SO2CF3)2であり、そしてMは、アルカリ金属である]で表される。
【0004】
Armand他(米国特許第5,627,292号)は、式AXFCSO2Z[式中、
AはR3またはR3OCF2−であり、XはF、Cl、Hまたはパーフルオロアルキル基であり、Zはイオン基でありそしてR3は完全にはフッ素置換されていない(nonperfluorinated)重合性基である]で表されるモノマーを開示している。ペンダント型の−CH2OCF2CF2SO2F基を含有する重合体がHamelおよびGard,J.Fluorine Chem.,68巻、253−259頁(1994)に開示されている。Benrabah他、J.Power Sources,54巻、456−460頁(1995)に、モノマーであるR1R2NC(O)CF(CF3)SO3Li[ここで、R1とR2がアリルであるか或はR1がアリルでR2がメチルである]から作られたイオン伝導性重合体が開示されている。
【0005】
この上に示した文献には、熱に安定でかつ化学的に安定なエーテル結合を通して芳香環に直接結合しているフッ素置換イオン基を含有する化合物は開示されていない。
【0006】
フェノール塩をBrCF2CF2Brと反応させてArOCF2CF2Brを生じさせることをClement他(米国特許第5,037,919号)が開示している。フルオロアルキルブロマイドおよびヨージドを亜二チオン酸ナトリウムまたは他のスルフィン化反応体(sulfinating reagents)と反応させてフルオロアルキルスルフィン酸塩を生じさせることがChemical Abstracts 105:208423jに開示されている。フルオロアルキルスルフィン酸塩からフルオロアルキルスルホニルクロライドおよびフルオライドへの変換がHuおよびDesMarteau,Inorg.Chem.33巻の5007から5010頁(1993)に開示されている。また、フルオロアルキルスルホン酸塩およびスルホニルイミドを相当するフルオロアルキルスルホニルハライドから合成することも、例えばWaddell他(米国特許第5,514,493号)およびDesMarteau(米国特許第5,463,005号)に開示されているように公知である。
【0007】
フッ素置換ビニルエーテルとフェノール系化合物が塩基の存在下で反応することは、例えばFussおよびHintzer,Ger. Offen DE 3 828 063(1990)そしてMeazza他、ヨーロッパ特許特許出願EP 0 293 943(1988)、そしてFeiringおよびWonchoba (J.Org.Chem.57巻、7015−7017頁)に開示されているように公知である。Feiringの米国特許第5,198,570号(1993)に、構造Ar(OCF2CFHOR1CO2R2)p
[ここで、Arは、芳香環を1つ以上含む有機基であり、各R1は、パーフルオロアルキル、またはエーテル、チオエーテル、クロロ、水素、アルキルもしくはフェニルで置換されているパーフルオロアルキルであり、そしてpは、1から5である]で表されるアリールオキシフルオロエーテルエステルの合成が開示されており、そこでは、それの調製を、フェノール系化合物と構造CF2=CFOR1CO2R2で表されるフッ素含有オレフィンの反応を塩基の存在下で起こさせることで行っている。
【0008】
Inukai他(JP 3−230169)は、式
【0009】
【化9】
【0010】
[式中、
Rfは、炭素数が3−12のパーフルオロアルケニルである]
で表されるモノマー単位とコモノマー(スチレンおよびエチレンを包含)単位を有するホモポリマーおよびコポリマーを開示している。このような重合体はビニルフェノール単位を有する重合体にパーフルオロオレフィンオリゴマーとの反応を塩基性触媒存在下の非水性溶媒中で受けさせると生じると述べられている。
【0011】
(発明の要約)
本発明は、式IaまたはIb:
【0012】
【化10】
【0013】
[式中、
Rfは、結合であるか、或は場合により1つ以上のエーテル酸素および1つ以上の水素原子で置換されていてもよい炭素原子数が1から約10のフルオロアルキレン基であり、Yは、N、O、Cであり、Rf'は、場合により1つ以上のエーテル酸素および1つ以上の水素原子で置換されていてもよい炭素原子数が1から約10のフルオロアルキル基であり、n=0、1または2であるが、但しY=Oの時にはn=0でY=Nの時にはn=1でY=Cの時にはn=2であることを条件とし、そしてZは、水素または一価金属である]
で表される基を含有するペンダント型基を含んで成る重合体を提供する。
【0014】
更に、式(II)
【0015】
【化11】
【0016】
[式中、
m=0、1または2であり、そしてm=1の時、Rは、重合性基またはブロモもしくはヨードであり、そしてm=2の時、Rは、場合により同じであってもよく、重合性基またはブロモもしくはヨード基を表し、Rfは、結合であるか、或は場合により1つ以上のエーテル酸素および1つ以上の水素原子で置換されていてもよい炭素原子数が1から約10の
フルオロアルキレン基であり、Yは、N、O、Cであり、Rf'は、場合により1つ以上のエーテル酸素および1つ以上の水素原子で置換されていてもよい炭素原子数が1から約10のフルオロアルキル基であり、n=0、1または2であるが、但しY=Oの時にはn=0でY=Nの時にはn=1でY=Cの時にはn=2であることを条件とし、そしてZは、水素または一価金属である]
で表される化合物も提供する。Rは好適にはパラ位に位置する重合性基、パラ位に位置するブロモ基またはパラ位に位置するヨード基である。
【0017】
更に、式(III)で表される置換フェノールのアルカリ金属塩と1,2−ジブロモテトラフルオロエチレンを反応させて式(IV)
【0018】
【化12】
【0019】
[式中、
mは、0、1または2であり、Rは、ブロモ、ヨード、CO2R'またはNO2であり、R'は、炭素原子数が1から10のアルキル基であり、そしてMは、アルカリ金属である]
で表される化合物を生じさせ、この式(IV)で表される化合物をスルフィン化反応体と反応させて構造(V)
【0020】
【化13】
【0021】
で表されるアルカリ金属のスルフィン酸塩を生じさせ、この構造(V)で表されるアルカリ金属のスルフィン酸塩を元素状の塩素または臭素と反応させて構造(VI)
【0022】
【化14】
【0023】
[ここで、X=ClまたはBr]
で表される相当するスルホニルクロライドもしくはブロマイドを生じさせることを含んで成る方法も提供する。
【0024】
更に、本発明のアイオノマーとそれの中に吸収されている液体を含んで成るイオン伝導性組成物も提供する。
【0025】
更に、前記式(II)で表される化合物と液体を含んで成るイオン伝導性組成物も提供する。
【0026】
更に、式I(a)およびI(b):
【0027】
【化15】
【0028】
[式中、
Rfは、結合であるか、或は場合により1つ以上のエーテル酸素および1つ以上の水素原子で置換されていてもよい炭素原子数が1から約10のフルオロアルキレン基であり、Yは、N、OまたはCであり、Rf'は、場合により1つ以上のエーテル酸素および1つ以上の水素原子で置換されていてもよい炭素原子数が1から約10のフルオロアルキル基であり、n=0、1または2であるが、但しY=Oの時にはn=0でY=Nの時にはn=1でY=Cの時にはn=2であることを条件とし、そしてZは、水素または一価金属である]で表される基を含有するペンダント型基を含むアイオノマーを含んで成るイオン交換膜も提供する。
【0029】
更に、陰極と陽極とセパレーター(separator)を含んで成っていてそれらの中の少なくとも1つが式I(a)および/またはI(b)で表される基を含有するペンダント型基を含むアイオノマーを含んで成る電気化学セル(electrochemical cells)も提供する。
【0030】
更に、前記式(II)で表される化合物と液体を含んで成る伝導性組成物と陰極と陽極とセパレーターを含んで成る電気化学セルも提供する。
【0031】
更に、式I(a)および/またはI(b)で表される基を含有するペンダント型基を含むアイオノマーと電気活性(electroactive)材料を含んで成る電極も提供する。
【0032】
(発明の詳細な記述)
本発明のアイオノマーは多数種の有機溶媒中で高い溶解度を示すことから、これから薄膜および他の成形品を加工するのは容易である。フッ素含有量が比較的低いことから低コストの出発材料を用いることができかつ非常に還元性の環境、例えば高電圧電池、例えばリチウム電池などに見られる環境下で示す安定性が向上している。従来技術に教示されている部分フッ素置換アイオノマーとは対照的に、本発明のアイオノマーに含まれるアイオノマー基(ionomeric group)は、強酸性もしくはアルカリ性条件に高い安定性を示すアリールフルオロアルキルエーテル結合を通して、重合体のバックボーンに結合している。
【0033】
本発明の好適なモノマーは、スチレンを基にしていることから、幅広く多様な特性を持たせたアイオノマー類を合成しようとする時に特に多様性を示す材料である、と言うのは、スチレン系モノマー(styrenic monomers)はホモ重合し得るか或は幅広く多様なコモノマーと一緒に共重合する能力を有しかつフリーラジカル重合、カチオン重合、アニオン重合および配位重合方法で重合し得ることが知られているからである。このように、本分野の技術者は、所望の重合体特性組み合わせを得る目的で数多くのコモノマーおよび重合体構造(ブロックおよびグラフト共重合体を包含)を選択することができるであろう。
【0034】
本発明は、式I(a)およびI(b):
【0035】
【化16】
【0036】
[式中、
Rfは、結合であるか、或は場合により1つ以上のエーテル酸素および1つ以上の水素原子で置換されていてもよい炭素原子数が1から約10のフルオロアルキレン基であり、Yは、N、O、Cであり、Rf'は、場合により1つ以上のエーテル酸素および1つ以上の水素原子で置換されていてもよい炭素原子数が1から約10のフルオロアルキル基であり、n=0、1または2であるが、但しY=Oの時にはn=0でY=Nの時にはn=1でY=Cの時にはn=2であることを条件とし、そしてZは、水素または一価金属である]
で表される基を含有するペンダント型基を含んで成る重合体を提供する。
【0037】
Rfは、好適には、結合、CFHOCF2CF(CF3)OCF2またはCFHOCF2であり、最も好適にはRfは結合である。Yは好適にはNまたはOである、即ちn=0または1であり、そしてZは、好適には、リチウムカチオンである。YがNまたはCの時、Rf'は好適にはCF3またはC2F5、最も好適にはCF3である。本重合体は、好適には、前記式(I)で表される基を含んで成るペンダント型基を有するポリエステルまたはポリオレフィン、最も好適にはポリエチレンである。
【0038】
本発明の重合体を、好適には、式
【0039】
【化17】
【0040】
[式中、
m=0、1または2であり、そしてm=1の時、Rは、重合性基またはブロモもしくはヨードであり、そしてm=2の時、Rは、場合により同じであってもよく、重合性基を表し、Rfは、結合であるか、或は場合により1つ以上のエーテル酸素および1つ以上の水素原子で置換されていてもよい炭素原子数が1から約10のフルオロアルキレン基であり、Yは、N、O、Cであり、Rf'は、場合により1つ以上のエーテル酸素および1つ以上の水素原子で置換されていてもよい炭素原子数が1から約10のフルオロアルキル基であり、n=0、1または2であるが、但しY=Oの時にはn=0でY=Nの時にはn=1でY=Cの時にはn=2であることを条件とし、そしてZは、水素または一価金属である]で表されるモノマーの重合で生じさせる。Rは好適にはパラ位に位置する重合性基、パラ位に位置するブロモ基またはパラ位に位置するヨード基である。Rfは、好適には、結合、CFHOCF2CF(CF3)OCF2またはCFHOCF2であり、最も好適にはRfは結合である。Yは好適にはNまたはOである、即ちn=0または1であり、そしてZは、好適には、リチウムカチオンである。YがNの時、Rf'は好適にはCF3またはC2F5、最も好適にはCF3である。(R)mは、好適には、m=1の時には4−CH=CH2であり、或はm=2の時には3,5−ジ−CO2CH3である。最も好適にはRが4−CH=CH2でm=1である。
【0041】
Rfが結合である最も好適な態様の本発明のモノマーを、好適には、本発明の方法、即ち式(III)で表される置換フェノールのアルカリ金属塩と1,2−ジブロモテトラフルオロエチレンを反応させて式(IV)
【0042】
【化18】
【0043】
[(III)中、mは、0、1または2であり、そして(R)は、重合性基またはそれの前駆体、好適にはブロモ、ヨード、ジエステルまたはジニトロ化合物であり、そしてm=2の時、R基は場合により同じであってもよい]
で表される化合物を生じさせ、そしてこの式(IV)で表される化合物をスルフィン化反応体、例えば亜二チオン酸ナトリウムなどと反応させて式(V)
【0044】
【化19】
【0045】
で表されるアルカリ金属のスルフィン酸塩を生じさせる、ことを含んで成る方法を用いて生じさせる。
【0046】
本発明の1つの態様では、前記式(V)で表される化合物を元素状の塩素または臭素と反応させて式
【0047】
【化20】
【0048】
[式中、Xは臭素または塩素、好適には塩素である]
で表される相当するスルホニルクロライドもしくはブロマイドに変化させる。次に、前記式(VI)で表される化合物に加水分解を塩基性条件下で受けさせることで、式(VII)
【0049】
【化21】
【0050】
[式中、M+はアルカリ金属である]
で表されるアルカリ金属、好適にはリチウムのスルホン酸塩を生じさせてもよい。m=2の式(VII)で表される化合物は、エステル基、好適には−COOCH3を3,5位に有していて、本技術分野で公知な如き縮合重合反応で重合または共重合してポリエステルを生じ得る。前記ブロモおよびヨード置換基は好適にはパラ位に位置する。m=1の時、前記ブロモもしくはヨード置換基を、R.F.Heck,Acc.Chem.Res.,12巻、146−51頁(1979)に教示されている方法に従って、重合性アルケニル基、好適にはビニル基に変化させることができ、その後、その結果として生じたスチレン系モノマーを本技術分野で公知の手段を用いてホモ重合または共重合させると、本発明のアイオノマーが生じる。
【0051】
臭素置換もしくはヨウ素置換を受けさせておいたモノマーにフッ素置換を受けさせて相当するフッ化スルホニルを生じさせた後、これに加水分解を受けさせることも可能であるが、このような追加的段階は必ずしも必要ではない。
【0052】
本発明の方法の好適な態様では、式(VI)で表されるスルホニルクロライドもしくはブロマイドをイオン性フッ化物、好適にはアルカリ金属のフッ化物に接触させて式(VIII)で表される化合物を生じさせる。次に、以下に示すように、この式(VIII)で表される化合物とパーフルオロアルキルスルホンアミドを塩基性条件、好適にはアルカリ金属含有塩基下で反応させて式(IX)で表されるスルホニルイミド化合物を生じさせる:
【0053】
【化22】
【0054】
m=2の式(IX)で表される化合物の場合には、前記式(VII)で表される化合物の場合と全く同様に、エステル基、好適には−COOCH3を3,5位の所に位置させて、本技術分野で公知な如き縮合重合反応で重合もしくは共重合させてポリエステルを生じさせることができる。m=1の時、R.F.Heck,Acc.Chem.Res.,の12巻、146−51頁(1979)に教示されている方法に従って、好適にはパラ形態のブロモもしくはヨード置換基を重合性アルケニル基、好適にはビニル基に変化させてもよく、次に、その結果として生じたスチレン系モノマーをホモ重合もしくは共重合させると、本発明のアイオノマーが生じる。
【0055】
この上に示した方法は、モノマーおよび関連した重合体、そして最終的には本発明の実施で用いるに好適なアイオノマー、即ちRfが結合であるアイオノマーを生じさせることに向けたものである。
【0056】
Rfが結合でない本発明の他のモノマーおよび重合体の製造は他の方法を用い
て実施可能である。例えば、フェノールと式(X)で表されるフッ素置換オレフィンを触媒量の塩基の存在下で下記の式:
【0057】
【化23】
【0058】
に従って反応させてもよい。式(X)で表される化合物において、Rf"は、場合により1つ以上のエーテル酸素で置換されていてもよい炭素原子数が1から10のフルオロアルキレン基であり、Mはアルカリ金属であり、そして(R)m、Y、Rf'およびnは、この上に記述した通りである。この方法では、RfがCHFORf"、即ちRfが水素を少なくとも1つ含む構造(II)で表される化合物が生じる。
【0059】
別の方法では、フェノール系化合物とヨード置換フルオロアルキルアシルクロライドを反応させて式(XI)で表されるエステルを生じさせる。結果として生じたエステルを四フッ化硫黄と反応させて式(XII)で表されるエーテルを生じさせる。フルオロアルキルヨージドとスルフィン化反応体、例えば亜二チオン酸ナトリウムなどを反応させると式(XIII)で表されるスルフィン酸塩が生じ、これを本明細書の上に開示した方法で式(II)で表される化合物に変化させることができた。
【0060】
【化24】
【0061】
式(XII)中のRfは、場合により1つ以上のエーテル酸素で置換されていてもよい炭素原子数が1から約10のパーフルオロフルオロアルキレン基である。
【0062】
本発明の式(II)で表される化合物中のR基1種または2種以上は、本発明のモノマーに重合性を与えるか、或は重合性を与える基の前駆体である。この目的は、本発明の1種のアイオノマーまたは別の種類のアイオノマーが達成されるように本明細書の上に記述した必要な全ての反応を起こさせる前か或は起こさせた後に本発明の1種または別の種類のモノマーをホモ重合または共重合させることで式(I)で表されるアイオノマーを生じさせることにある。
【0063】
まず最初にRの選択は所望の最終生成物に関係するばかりでなくまたそのように選択したRの安定性によって出発材料と最終アイオノマーの間に介在する反応にも関係する。エステル基は、例えば置換フェノール(III)とジブロモテトラフルオロエチレンの反応に続いてその生成物(IV)から金属のスルフィン酸塩(V)を生じさせるスルフィン化に対しては安定である。しかしながら、ビニル基はそのような反応に安定でない。このように、ポリビニルアイオノマーが所望の最終生成物であるならば、Rがビニル基にとって便利な前駆体、例えば臭素またはヨウ素[これは、構造(VIIまたはIX)を生じさせた後、前掲書中のHeck反応でビニル基に変換可能である]である構造(III)を用いて出発するのが望ましい。別の例において、ポリアミドの合成では、R=3,5−ジニトロの構造(II)に還元を受けさせてR=3,5−ジアミノにしてもよく、そしてポリオキサゾリンの合成の場合には、R=4−シアノをR=4−(2−オキサゾリン)に変化させてもよい。
【0064】
R=3−もしくは4−エテニルの構造(II)で表される化合物、即ち置換スチレンモノマーが特に好適である。3−もしくは4−ヒドロキシスチレンは公知化合物であり、これを化合物(X)と一緒に反応させて所望の誘導体を生じさせることができる。しかしながら、3−および4−ヒドロキシスチレンは高価で容易には入手できず、中間体IV、V、VIおよびVIIIを用いた方法では、オレフィン基がその段階を妨害する可能性がある。従って、前記反応をより容易に入手可能な3もしくは4−ブロモもしくはヨードフェノールを用いて実施した後にブロモもしくはヨード基をエチレンおよびパラジウム触媒を用いた反応でCH=CH2に変化させるのが好適であり得る。
【0065】
よく知られている多様な技術(これは単量体化合物の正確な構造および最終生成物で望まれる特性に依存する)を用いて、モノマー(II)から式(I)で表される基を含む重合体を生じさせる。このように、Rが−CH=CH2のモノマー(II)が特に好適である、と言うのは、そのようなスチレン系化合物はフリーラジカル重合技術、アニオン重合技術、カチオン重合技術または配位重合技術で容易にホモ重合し得るからである。そのようなスチレン系誘導体をまた他のモノマーと一緒に共重合させて構造(I)で表される単位が重合体中の繰り返し単位の約1%から約99%を構成する共重合体を生じさせることも可能である。他のモノマーの例にはスチレン、置換スチレン、アクリロニトリル、メタアクリル酸アルキルおよびアリール、アクリル酸アルキルおよびアリール、アクリルアミド、イソプレン、クロロプレン、ブタジエン、酢酸ビニル、N−ビニルピロリジノンおよびそのようなコモノマーの混合物が含まれる。よく知られている重合技術を用いてランダムおよびブロック両方のコ(ター)ポリマーを生じさせることができる。場合により、本発明のアイオノマーを本分野の技術者に公知の技術で架橋させることも可能である。
【0066】
架橋は、有利には、結果として得た重合体の成形品、例えばフィルムなどをいろいろな溶媒に入れて膨潤させる(溶解させないで)ことを通して実施可能である。架橋した材料を生じさせる時、Rが−CH=CH2のモノマー(II)を例えば二官能もしくは三官能モノマー、例えばポリ(エチレングリコール)のジアクリレートまたはトリメチロールプロパンのトリアクリレートなど、開始剤および場合により他のコモノマーと一緒に混合してもよい。溶媒、例えばDMFなどを添加して均一な混合物を生じさせてもよく、その混合物を流し込んで加熱することで重合を起こさせて、架橋した重合体フィルムを生じさせることができる。また、Rが−CH=CH2のモノマー(II)を不飽和基を含む重合体およびラジカル開始剤と一緒に混合することを通して、架橋したフィルムを得ることも可能である。このような材料を溶融物または溶媒、例えばDMFなどにブレンドし、成形を行ってフィルムまたは他の成形品を生じさせた後、加熱を行うことで架橋を起こさせることができる。不飽和基を持つ代表的な重合体は、Zeon Chemicals Incorporated,Hattiesburg,MSから入手可能なHydrin T、即ちエチレンオキサイドとエピクロロヒドリンとアリルグリシジルエーテルのターポリマーである。
【0067】
R基が2つのメチルエステル単位であるモノマー(II)は、ジオールと一緒に縮合重合を起こして、構造(I)で表される単位を含有するポリエステルを生じる。適切なジオール類にはエチレングリコール、1,3−プロパンジオール、1,4−ブタンジオール、ポリエチレングリコール、ポリ(テトラメチレンエーテル)グリコール、ヒドロキノンおよび置換ヒドロキノンが含まれる。ジオール類の混合物を用いることも可能である。加うるに、他のジエステルモノマー、例えばテレフタル酸ジメチルなどを前記ジエステルモノマー(II)と一緒に用いて共重合体を生じさせることも可能である。モノマーを適切に選択することを通して構造(I)で表される単位を含有する幅広く多様な縮合重合体を生じさせることができることは明らかであり、そのような縮合重合体にはポリエステル、ポリアミドおよびポリカーボネートが含まれる。
【0068】
本発明のアイオノマーから生じさせる製品の形状にも比率にも全く制限はないが、電気化学セル、好適にはリチウムイオン電池に含めるセパレーターとしての薄膜または膜が特に有用である。ある場合には、スクリュー押出し加工機(screw extruder)とフラットダイス(flat die)を用いてフィルムを押出し加工することも可能
であり得る。別法として、フィルムを溶融プレス加工(melt pressed)することも可能である。追加的態様では、本重合体の溶液または分散液を基質の上に流し込んで凝固させることを通して、フィルムの流し込み成形を行うことも可能である。ある特別な方法が別の方法よりも好適であると言ったことはなく、具体的な方法は個々の実施者の必要に応じて選択されることになるであろう。
【0069】
前記セパレーター材料の特性を向上させる目的でこれに添加剤を含めることも可能であり、かつまた、本明細書に示すアイオノマーを多孔質基質に加えることを通してセパレーターを生じさせることも可能である。
【0070】
本発明のアイオノマーが乾燥している時に室温で示すイオン伝導率は約10-7−10-6S/cmである。しかしながら、本発明の実施で本発明のアイオノマーの中に吸収させた時にそれの伝導率を数桁の大きさで向上させる液体が多数種存在することを見い出した。このように、本発明の最も有用な態様を達成しようとする時には液体が本発明のアイオノマーの中に吸収されている伝導性組成物を生じさせるのが望ましいことを見い出した。
【0071】
用いる液体は用途に左右されるであろう。本発明の実施で液体を本アイオノマーに含有させた時の伝導率は、一般的な意味で、その用いる液体の吸収重量%が高くなるにつれて、誘電率が高くなるにつれてかつルイス酸塩基性が高くなるにつれて上昇することを確認したが、その用いる液体の粘度が高くなるにつれてかつ分子の大きさが大きくなるにつれて伝導率が低下することを観察した。従って、所定の膜が示す伝導率は、誘電率が低く、塩基性が高く、粘度が低くかつ分子の大きさが小さい溶媒を用いた時の方が、誘電率が非常に高く、塩基性が低く、粘度が高くかつ分子の大きさが大きい溶媒を用いた時よりも優れる可能性がある。勿論、他の考慮も同様に役割を果す。例えば、本アイオノマーがそのような液体中で示す溶解度が過度に高いことは望ましくない、即ちそのように液体は意図した用途で電気化学的に安定でない可能性がある。
【0072】
特に好適な1つの態様は、本リチウムアイオノマーをリチウムバッテリーで用いるに有用な非プロトン性溶媒、好適には有機カーボネートまたはジエステル(それらの混合物を包含)と組み合わせることを包含する。このような液体は、最も好適には、エチレンカーボネートとこはく酸ジメチルの混合物である。
【0073】
本発明に関する使用は、とりわけ、燃料電池、センサー、電気化学蓄電器、一次および再充電可能電池としての使用、そして他の電気化学装置用途である。
【0074】
更に、式(II)で表される塩が入っている溶液を生じさせると本発明の実施で用いるに有用な伝導性組成物が生じることを見い出した。Rfは好適には結合、CFHOCF2CF(CF3)OCF2またはCFHOCF2であり、Rfは最も好適には結合である。Yは好適にはNまたはO、即ちn=0または1であり、そしてZは好適にはリチウムカチオンである。YがNの時、Rf'は好適にはCF3またはC2F5、最も好適にはCF3である。
【0075】
本明細書に示す伝導性溶液を生じさせる時に用いるに適した溶媒には、水、アルコールおよび非プロトン性有機液体が含まれる。このような溶媒は好適には有機カーボネートであり、エチレンカーボネートとジメチルカーボネート、即ちEC/DMCの混合物が最も好適である。
【0076】
本発明の好適な電極は、粒子形態の1種以上の電極活性材料(electrode active materials)と本発明のアイオノマーと少なくとも1種の電子伝導性添加剤と少なくとも1種の有機カーボネートの混合物を含んで成る。有用な陽極活性材料の例には、これらに限定するものでないが、炭素[グラファイト系、コークスタイプ、メソカーボン(mesocarbons)、ポリアセン(polyacenes)など]、リチウムインターカレート炭素、リチウム金属の窒化物、例えばLi2.6Co0.4N、酸化錫を基とするガラス、リチウム金属およびリチウム合金、例えばリチウムとアルミニウム、錫、マグネシウム、ケイ素、錫、マンガン、鉄および亜鉛などの合金が含まれる。炭素を用いたリチウムインターカレート陽極が好適である。有用な陰極活性材料には、これらに限定するものでないが、遷移金属の酸化物および硫化物、リチウム化(lithiated)遷移金属酸化物および硫化物、および有機硫黄化合物が含まれる。その例は酸化コバルト、酸化マンガン、酸化モリブデン、酸化バナジウム、そしてチタン、モリブデンおよびニオブの硫化物、リチウム化酸化物、例えばスピネルリチウムマンガン酸化物Li1+xMn2-xO4、クロムがドーパントとして添加されている(doped)スピネルリチウムマンガン酸化物LixCryMnzO4,LiCoO2,LiNiO2,LiNixCo1-xO2
[ここで、xは0<x<1、好適な範囲は0.5<x<0.95である]、LiCoVO4、およびそれらの混合物である。LiNixCo1-xO2が好適である。非常に好適な電子伝導性助剤(aid)はカーボンブラック、好適にはMMM S.A.Carbon(ブリュッセル、ベルギー)から入手可能なSuper Pカーボンブラックであり、これの濃度を1−10%の範囲にする。完成電極中の本リチウムアイオノマーの体積分率が好適には4から40%の範囲になるようにする。
【0077】
便利には、重合体成分の全部を共通の溶媒に溶解させてカーボンブラックの粒子および電極活性粒子と一緒に混合することを通して、本発明の好適な電極を生じさせてもよい。陰極に好適な電極活性材料は、0<x<1のLiNixCo1-xO2である一方、陽極に好適な電極活性材料はグラファイト化(graphitized)メソカーボン微細球である。例えば、本発明のアイオノマーをアセトンとジメチルホルムアミドの混合物に溶解させた後、電極活性材料の粒子およびカーボンブラックを添加し、次にフィルムを基質に付着させて乾燥させることを通して、本発明の好適なリチウム電池電極を加工することができる。その結果として生じる好適な電極は、電極活性材料と伝導性カーボンブラックと本発明のアイオノマーを含んで成るが、好適には、電極活性材料に対するアイオノマーの重量比が0.05から0.8の範囲で電極活性材料に対するカーボンブラックの重量比が0.01から0.2の範囲になるようにする。最も好適には、電極活性材料に対するアイオノマーの重量比が0.1から0.25の範囲で電極活性材料に対するカーボンブラックの重量比が0.02から0.1の範囲になるようにする。次に、本技術分野でよく知られている技術を用いて、前記電極を溶液から適切な支持体、例えばガラス板または集電器(current collector)の金属箔の上に流し込んでフィルムを生じさせてもよい。次に、そのようにして生じさせた電極フィルムを、本明細書の以下に記述する如き積層で多層電気化学セル構造物の中に組み込んでもよい。本分野の技術者に公知の方法を用いて他の態様を成すことも可能である。例えば、米国特許第5,658,683号(Sony Corp.1997年8月19日)および米国特許第4,668,595号(Asahi、1987年5月26日)(両方とも引用することによって本明細書に組み入れられる)に記述されているリチウム−イオンセル加工手順を参照のこと。
【0078】
本発明の電極組成物に含める成分の結合を向上させるか或はそれから加工する製品の構造的一体性を向上させる如き目的で用いるに有用な如きアジュバント(adjuvants)を本発明の電極組成物に組み込むのが望ましい可能性がある。高分子量結合剤(polymeric binder)を2−5重量%添加することでそのような向上を達成することができる。特に好適な1種の追加的材料はポリフッ化ビニリデンであり、これの組み込みは、簡単に、それの粒子を本明細書の上に記述したように電極を生じさせる時に用いた溶液と同じ溶液の中に分散させることを通して実施可能である。
【0079】
代替方法では、最初に、電極活性材料と任意のカーボンブラックと他のアジュバントが入っている分散液を基質の上に流し込んだ後、本発明のアイオノマーを有機カーボネートの溶液の状態で添加する。
【0080】
本発明の電池の好適な態様では、陽極と陰極と本発明のセパレーター組成物を一緒にフィルムの形態で積層させることで電気化学セルを1つ以上生じさせ、それらの全部を厳格に乾燥させた後、有機カーボネートおよびそれの混合物から成る群から選択される液体(エチレンカーボネートとジメチルカーボネートの混合物が最も好適である)を添加することを通して、電池を生じさせる。
【0081】
本発明のアイオノマーが相対的に高い溶解性を示すと、電池に含める成分の加工を行っている間の処理が容易であると言った利点が得られはするが、所望電池製品の最終組み立て中に問題が生じる可能性がある。有機カーボネートは本アイオノマー重合体(ionomeric polymer)を膨潤させるばかりでなくまた本重合体をそれの組成に応じて溶かす可能性があり、それを決定する主な要因は結晶度であり、この結晶度は逆に本重合体中のイオン性コモノマーの濃度に関係する。難問は、本重合体の溶解を最小限にしながら本アイオノマーを溶媒で膨潤させることにある。
【0082】
このように、溶媒で膨潤させた膜の物性を向上させるのが望ましい可能性がある。そのような機械的特性の向上で利用可能な手段には下記が含まれる:1)本技術分野で公知の手段を用いて溶媒にあまり敏感でない非イオン性コモノマーを本重合体に組み込むこと、2)公知手段を用いて溶媒にあまり敏感でない非イオン性重合体との重合体ブレンド物を生じさせること、3)公知手段を用いて本発明のアイオノマーを不活性な充填材とブレンドすること、4)イオン共重合体をいろいろな組成でブレンドすること、そして5)架橋させること。
【0083】
好適な方法は、本アイオノマーを不活性な充填材とブレンドした後にセパレーター膜またはフィルムを生じさせる方法である。適切な不活性充填材にはSiO2、Al2O3、TiO2またはCaF2が含まれ、SiO2が好適である。高い表面積を有していて直径が1.0ミクロン未満の小さい粒子、例えばCab−o−sil(商標)TS−530シリカの商標の下で入手可能な好適な等級のSiO2が望ましい。充填材の充填率を50重量%以下にするのが好ましい。
【0084】
別のアプローチは、本アイオノマーを好適な溶媒である有機カーボネートに溶解させた後、結果として生じた溶液またはゲルを不活性な多孔質支持体である重合体、例えばHoechst−Celaneseから入手可能なCelgard(商標)多孔質ポリプロピレン、またはW.L.Gore Associates(Newark、DE)から入手可能なGore−Tex微孔性PTFEの孔の中に入り込ませることを含んで成る。
【0085】
本発明の代替態様では、本明細書の以下に記述する態様で用いるように、式(II)で表される非重合体(non−polymeric)塩を本発明のアイオノマーに加えてか或はそれの代わりに用いることも可能である。
【0086】
本発明を以下に示す具体的な態様で詳細に説明する。
【0087】
(実施例)
本発明の目的で、本明細書で用いる用語「伝導率」は、具体的には、Y.Sone他による表題が"Proton Conductivity of Nafion(R) 117
As Measured by a Four−Electrode AC Impendance Method"の論文[J.Electrochem.Soc.、143、1254(1996)]に記述されているいわゆる4点探針(four−point
probe)技術を用いて測定した時のイオン伝導率を指す。その方法は、記述されているように、水性電解質膜用である。本明細書で非水性溶媒に関して報告する測定値を得る目的で、前記方法に、その記述されている装置をいくらか起こる水への接触が最小限になるように乾燥窒素でパージ洗浄しておいた密封グローブボックス内に入れると言った修飾を受けさせた。前記方法に、また、その公開された方法で用いられた点探針ではなく試験片の幅全体に渡って動く平行な線形探針を用いると言った修飾を受けさせた。
【0088】
1.0cmx1.5cmのフィルムを吸い取り紙で拭いて乾燥させ(blotted dry)た後、伝導率セル(conductivity cell)の中に位置させた。10Hzから100,000Hzの範囲に渡ってセルのインピーダンスを測定し、そして高周波数範囲(通常は500−5000Hz)において位相角がゼロの時の値がサンプル本体の抵抗値(bulk sample resistance)(オームで表す)であるとした。次に、セル定数(cell constant)およびフィルム厚を用いて、その生抵抗値を伝導率(S/cmで表す)に変換した。
【0089】
溶媒吸収率を式
吸収%=(Ww−Wd)/Wd
から決定し、ここで、Wdは、溶媒に接触する前の膜の重量であり、そしてWwは、溶媒に接触した後の膜の重量(最初に膜を溶媒から取り出しそして次にそれをペーパータオルで拭くことで乾燥させて表面の余分な溶媒を除去した後に測定)であった。
【0090】
特に明記しない限り、全ての化学品を受け取ったまま用いた。
【0091】
BrukerのAVANCEDRX 400スペクトロメーターを用いて19F NMRスペクトルを記録した。BrukerのAVANCEDRX 500スペクトロメーターを用いて1H NMRスペクトルを記録した。
【0092】
実施例1
2−(4−ブロモフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホニルクロライドの合成
4−ブロモフェノール(Aldrich Chemicals、348.4g、2.01モル)をメタノール中1.033Nの水酸化カリウム(1.95L)に溶解させた。この溶液をロータリーエバポレーターで蒸発乾固させ、結果として得た固体を0.1mm下140℃で乾燥させた。この固体を窒素下で600mLのDMSOと混合した。1,2−ジブロモテトラフルオロエタン(571.6g、2.2モル)を30−40℃で滴下した。その結果として生じた混合物を60℃に6時間加熱した。これを室温に冷却した後、氷水で3Lになるように希釈した。有機層を分離した後、水溶液を2X75mLの塩化メチレンで抽出した。この塩化メチレン抽出液をロータリーエバポレーターで濃縮した後、その残渣を元々の有機層と一緒にした。この材料を2X400mLの水で洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥させた後、濾過した。その濾液の蒸留を行うことで、沸点が0.6mm下57℃の1−ブロモ−2−(4−ブロモフェノキシ)テトラフルオロエタンを641.2g(92%)得た。同様な調製で生じさせた前記生成物は下記を示した:1H NMR(δ,CDCl3)7.1(d,2H),7.5(d,2H);19F NMR(δ,CDCl3)−68.6(2F),−86.6(2F)。C8H4F4OBr2に関して計算した計算値(Anal.Calcd.for):C,27.30;H,1.15;Br,45.41;F,21.59。測定値:C,27.27;H,1.16;Br,44.85;F,20.87。
【0093】
蒸留および脱酸素を受けさせておいた水が1.026Lで重炭酸ナトリウムが186.5gでジメチルホルムアミドが500mLで亜二チオン酸ナトリウムが357.6gの混合物を窒素下で撹拌しながら、これに、この上で得た生成物の一部[366.5g(1.
04モル)]を加えた。この混合物を65℃に加熱すると、結果として、迅速な気体発生が生じた。気体発生が約1時間後に静まった後、その混合物を70−75℃に3時間加熱した。これを氷水浴内で約10℃になるまで冷却した後、酢酸エチルを1L加えた。この混合物を濾過した後、固体を酢酸エチルで洗浄した。その濾液を一緒にすると水層と有機層に分離し、この有機層を4X50mLの飽和塩化ナトリウム水溶液で洗浄した。この有機層をロータリーエバポレーターで体積が初期の約1/4になるまで濃縮した後、濾過した。固体を酢酸エチルで洗浄した。その有機溶液を一緒にしてロータリーエバポレーターで濃縮乾固させることで、白色固体状の2−(4−ブロモフェノキシ)テトラフルオロエタンスルフィン酸ナトリウムを362.6g(97%)得た。1H NMR(δ,CD3OD)7.2(d,2H),7.6(d,2H);19F NMR(δ,CD3OD)−132.8(2F),−81.9(2F)。
【0094】
脱酸素を受けさせた水が600mLで1,1,2−トリクロロトリフルオロエタンが300mLの混合物をドライアイスコンデンサが備わっている丸底フラスコに入れて、これに、この上で得た生成物を溶解させて5−15℃に冷却した。この混合物の中に塩素ガス(134g)を約1時間に渡って吹き込んだ。結果として生じた黄色の混合物を外部冷却なしに1時間撹拌した。これを20℃に温めた後、1,1,2−トリクロロトリフルオロエタンを更に200mL加えた。有機層を分離した後、水溶液を100mLの1,1,2−トリクロロトリフルオロエタンで抽出した。有機溶液を一緒にして無水硫酸マグネシウムで乾燥させた後、ロータリーエバポレーターを用いて濃縮を行った。その残渣の蒸留を短いVigreuxカラムを用いて行うことで、沸点が0.3mm下71℃の2−(4−ブロモフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホニルクロライドを361.1g(97%)得た。1H NMR(δ,CDCl3)7.1(d,2H),7.6(d,2H);19F NMR(δ,CDCl3)−79.0(2F),−107.9(2F)。同様な調製で生じさせたサンプルに元素分析を受けさせた。C8H4F4BrClSO3に関して計算した計算値:C,25.86;H,1.08;F,20.46;S,8.63。測定値:C,26.07;H,1.17;F,18.74;S,8.59。
【0095】
実施例2
2−(4−ブロモフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムの合成
脱酸素を受けさせておいた600mLの蒸留水に水酸化リチウム一水化物(57.3g、1.365モル)を溶解させた。THF(150mL)を加えた後、その溶液を35℃に加熱した。熱源を取り除いた後、237g(0.64モル)の2−(4−ブロモフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホニルクロライドを発熱で溶液が約55℃に維持されるような速度で45分かけて滴下した。この滴下が終了した後、その溶液を55℃に更に1.5時間保持した。この溶液を室温に冷却した。濃塩酸を約3mL加えることで前記溶液のpHを7に調節した後、この水溶液をロータリーエバポレーターで蒸発乾固させた。固体をエーテルと一緒にしてスラリー状にした後、濾過した。そのエーテル溶液を3倍体積のヘキサンで処理すると、結果として、白色固体が沈澱してきた。この固体を濾別してヘキサンで洗浄した。その濾液を蒸発させた後、その残渣に、再び、エーテル溶液にヘキサンを添加することによる沈澱を受けさせた。その沈澱物を一緒にしてアクリロニトリルに入れ、これを冷蔵庫に入れて冷却することで再び結晶化させることに加えて、その濾液の濃縮を数回行うことで、追加的画分を集めた。この再結晶化を受けさせた生成物を一緒にしてエーテルに溶解させ、濾過した後、ロータリーエバポレーターを用いて濃縮を行った。生成物を0.1mm下100℃で乾燥させることで、表題の化合物を白色固体として173.9g(76%)得た。1H NMR(δ,CD3OD)7.2(d,2H),7.6(d,2H);19F NMR(δ,CD3OD)−116.9(2F),−81.6(2F)。同様な調製で生じさせたサンプルに元素分析を受けさせた。C8H4F4BrLiSO3に関して計算した計算値:C,26.76;H,1.12;F,17.83;S,8.93。測定値:C,26.57;H,1.26;F,18.94;S,8.77。
【0096】
実施例3
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムの合成
1Lのオートクレーブに2−(4−ブロモフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムを69g(0.19モル)、アセトニトリルを200mL、Pd(OAc)2を0.88g、トリ−o−トリルホスフィンを2.48gおよびトリエチルアミンを200ml仕込んだ。このオートクレーブを密封し、冷却し、真空排気を行った後、エチレンを110psiになるまで仕込んだ。この混合物を撹拌しながら85℃に24時間加熱し、必要に応じてエチレンを排出または加えることで気体の圧力を120−125psiに保持した。この混合物を室温に冷却した後、排気を行って大気圧にした。アセトニトリルとエーテルの混合物を用いて前記オートクレーブの内容部を濯ぐことでそれを回収した。この混合物を150mLの水に入れて激しく撹拌しながら8.9gの水酸化リチウム一水化物で処理した後、セライトに通して濾過した。このセライトをアセトニトリルとエーテルで洗浄した。その濾液を一緒にして5mm下75−80℃で蒸発乾固させた。その残渣を0.5Lのエーテルで抽出した後、濾過した。その濾液を0.5Lのヘキサンで希釈し、その結果として生じた沈澱物を集め、エーテルとヘキサンの混合物を用いて沈澱を2回起こさせた後、その沈澱物を0.05mm下65℃で乾燥させることで、生成物を20.6g得た。上述したエーテルとヘキサンの濾液を濃縮しそしてその残渣の再沈を行うことで生成物を追加的に12.8g得、その結果として表題生成物の全体収量は33.4g(58%)であった。1H NMR(δ,CD3CN)5.27(d,1H),5.80(d,1H),6.78(dd,1H),7.27(d,2H),7.51(d,2H);19F NMR(δ,CD3CN)−116.6(2F),−80.8(2F)。C10H7F4LiO4Sに関して計算した計算値:C,39.23;H,2.30;F,24.82;Li,2.27;S,10.47。測定値:C,38.18;H,2.78;F,22.23;Li,2.10;S,9.55。
【0097】
実施例4
2−(4−ブロモフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホニルフルロライドの合成
オーブンで乾燥させたフッ化カリウムが105g(1.8モル)でアセトニトリルが500mLの混合物を窒素下室温で撹拌しながら、これに、2−(4−ブロモフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホニルクロライド(130g、0.35モル)を滴下した。室温で24時間後、フッ素NMRスペクトルは、前記スルホニルクロライドの約80%がフッ化物に変化したことを示していた。この混合物を30−35℃に温めた後、室温で3日間撹拌した。これを濾過した後、固体をアセトニトリルで濯いだ。その濾液を一緒にしてロータリーエバポレーターを用いた濃縮を150mm下40℃で行った後、その残渣の蒸留をKugelrohrを用いて5mm下80−85℃で行ってドライアイス冷却受け槽に入れた。この液状留出液の蒸留を12"のVigreuxカラムを用いて行うことで、表題の生成物を沸点が4.5mm下81−82℃の無色液体として111.5g(90%)得た。1H NMR(δ,CDCl3)7.1(d,2H),7.5(d,2H);19F NMR(δ,CDCl3)−81.7(2F),−111.5(2F)。C8H4F5BrSO3に関して計算した計算値:C,27.06;H,1.14;F,26.75;S,9.03;Br,22.5。測定値:C,27.13;H,1.05;F,26.88;S,8.94;Br,22.35。
【0098】
実施例5
リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−ブロモフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンアミドの合成
新しく昇華させたトリフルオロメタンスルホンアミド(15.51g、0.104モル)を、水素化リチウムアルミニウムを用いて新しく蒸留した240mLのトリエチルアミンに加えた。この混合物を40℃に温めることで固体を溶解させた後、室温に冷却した。
2−(4−ブロモフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホニルフルロライド(35.7g、0.101モル)を加えた後、その溶液を70−75℃に18時間加熱した。この溶液のF NMRスペクトルはフッ化スルホニルが痕跡量で存在することを示しており、そのことから、前記混合物を更に1gのトリフルオロメタンスルホンアミドで処理して70−75℃に16時間加熱した。その結果として生じた赤色混合物の濃縮をロータリーエバポレーターを用いて行った。その残渣を塩化メチレンに溶解させ、水で3回洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥させた後、濃縮をロータリーエバポレーターを用いて行うことで、赤色油状物を46.24g得、これは表題生成物のトリエチルアンモニア塩であった。1H NMR(δ,CDCl3)1.32(t,9H),3.20(q,6H),7.13(d,2H),7.5(m,3H(芳香+NH));19F NMR(δ,CDCl3)−79.38(3F),−81.0(2F),−116.9(2F)。この塩を100mLのメタノールに窒素下で溶解させた後、これに0.9908Mの水酸化リチウム水溶液を79.95mL用いた処理を受けさせた。この溶液を15分間撹拌した後、真空下65−75℃で蒸発乾固させた。この固体をメタノールに溶解させ、濃縮を真空下で行った後、0.1mm下で乾燥させた。その結果として得た固体を175mLのエーテルに溶解させた後、ヘキサンを赤色油状物が沈降して上方に無色の層が残るようになるまでゆっくり加えた。この上方の層をデカンテーションで取り出して、蒸発させることで、表題の粗塩を30.9g得た。この塩にエーテルとヘキサンの混合物を用いた再結晶化を2回受けさせることで、表題の生成物を白色粉末として29.7g(60%)得た。1H NMR(δ,CD3OD)7.20(d,2H),7.60(d,2H);19F NMR(δ,CD3OD)−79.02(3F),−80.21(2F),−115.5(2F)。C9H4BrF7LiNO5S2に関して計算した計算値:C,22.06;H,0.82;N,2.86;F,27.14;S,13.08;Br,16.30;Li,1.42。測定値:C,22.16;H,0.83;N,2.85;F,25.66;S,12.57;Br,16.14;Li,1.34。
【0099】
実施例6
リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンアミドの合成
1Lの圧力容器に窒素下でリチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−ブロモフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンアミドを73.5g(0.15モル)、アセトニトリルを300mL、Pd(OAc)2を1.15g、トリ−o−トリルホスフィンを3.09gおよびトリエチルアミンを120mL仕込んだ。このオートクレーブを密封し、冷却し、真空排気を行った後、エチレンを100psiになるまで仕込んだ。この混合物を撹拌しながら85℃に14時間加熱し、必要に応じてエチレンを排出または加えることで気体の圧力を125psiに保持した。この混合物を室温に冷却した後、排気を行って大気圧にした。アセトニトリルと水の混合物を用いて前記オートクレーブの内容物を濯ぐことでそれを回収した。この混合物を激しく撹拌しながら6.3gの水酸化リチウム一水化物および100mLの水で処理した。エーテル(300mL)を加えた後、その混合物をセライトに通して濾過した。その濾液に4−t−ブチルカテコールを痕跡量で加えた後、濃縮を行うと固体が生じた。その残渣をエーテルに溶解させた。少量の水層を分離した後、エーテル層を無水硫酸ナトリウムで乾燥させた。この溶液を濾過した後、ロータリーエバポレーターを用いて濃縮を行うと、油状物が生じた。塩化メチレン(50mL)を加えた後、その混合物を濾過した。ヘキサンを曇点になるまで加えた後、その混合物を濾過した。その濾液を真空下で濃縮すると、結果として、油状物が分離した。その油状物をヘキサンと一緒にすり潰すことで結晶を生じさせた。この結晶を集めて乾燥させることで、表題の生成物を53.1g(81%)得た。重合が起こらないように4−t−ブチルカテコールを痕跡量で加えた。1H NMR(δ,アセトン−d6)5.25(d,1H),5.80(d,1H),6.80(dd,1H),7.30(d,2H),7.55(d,2H);19F NMR(δ,アセトン−d6)−78.78(3F),−79.7
7(2F),−115.52(2F)。C11H7F7NO5S2Li・2.4H2Oに関して計算した計算値:C,27.49;H,2.48;N,2.91;F,27.67;Li,1.44;S,13.34。測定値:C,27.48;H,2.24;N,3.03;F,28.55;Li,1.47;S,15.26。
【0100】
実施例7
リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドの合成およびホモ重合
400mLの圧力容器を窒素で清掃した後、これにリチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−ブロモフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドを32.8g(0.067モル)、アセトニトリルを200mL、トリエチルアミンを80mL、酢酸パラジウムを0.47gおよびトリ−o−トリルホスフィンを1.32g仕込んだ。この容器を密封し、冷却し、真空排気を行った後、エチレンを100psiになるまで仕込んだ。この容器を85℃に加熱して、エチレンガスを用いて内圧を120psiに22時間保持した。この容器を室温に冷却した後、排気を行った。この容器の内容物をエーテルと水の混合物で濯いだ後、水に入れて2.82gの水酸化リチウムで処理した。この混合物をセライトに通して濾過した後、その濾液の濃縮を真空下で行った。その残渣をエーテルに溶解させ、濾過した後、濃縮を真空下で行うと、ペーストが35.9g生じた。この材料をエーテルに溶解させてヘキサンで処理すると、暗色油状物が沈降した。その溶液をデカンテーションで除去した後、前記油状物を再びエーテルで抽出してヘキサンで処理することで固体を沈澱させ、この固体を廃棄した。前記エーテル/ヘキサン溶液を一緒にして濃縮を行った後、その残渣の再結晶化をエーテルとヘキサンを用いて行うことで、3回の収穫で白色固体を17.6g得た。1H NMR(δ,CD3CN)5.3(d,1H),5.8(d,1H),6.78(q,1H),7.25(d,2H),7.50(d,2H);19F NMR(δ,CD3CN)−78.9(3F),−79.6(2F),−115.5(2F)。プロトンNMRスペクトルおよびフッ素NMRスペクトルの両方ともピークがより低く、このことは、出発材料が少量存在していることを示唆していた。さらなる精製を行う試みで、前記生成物を空気中でエーテルに溶解させた後、ヘキサンを添加すると、ゴム状固体が沈澱した。溶解度特性が異なりかつプロトンNMRスペクトルでオレフィン共鳴が消失していることから、前記生成物が重合したことを確認した。この固体を50mLの脱イオン水に溶解させた後、MWが3500のカットオフ透析管(cutoff dialysis tube)を用いて、その溶液に2X2Lの脱イオン水を用いた透析を数日間受けさせた。前記管に入っている溶液を濃縮した後、0.1mmの圧力下100℃で乾燥させることで、オフホワイト(off−white)の固体状重合体を10.9g得た。1H NMR(δ,CD3OD)1.50(幅広,3H),6.5および6.9(幅広,5H);19F NMR(δ,CD3OD)−78.81(3F),−79.47(2F),−114.8(2F)。C11H7F7S2O5NLi・2H2Oに関して計算した計算値:C,27.92;H,2.34;N,2.96;F,28.10,Li,1.47;S,13.55。測定値:C,27.98;H,2.37;N,2.97;F,26.65;Li,1.40;S,13.84。
【0101】
実施例8
4−CN−Ph−OCF 2 CFHOCF 2 CF(CF 3 )OCF 2 CF 2 SO 3 Liの合成
4−シアノフェノール(7.15g、0.06モル)が80mLのDMFに入っている溶液を室温で0.24g(0.003モル)のリチウム第三ブトキサイドで処理した。撹拌を5分間行った後、固体状のCF2=CFOCF2CF(CF3)OCF2CF2SO3Li(28.4g、0.063モル)を一度に加えた結果、発熱が起こって36℃になった。その結果として生じた溶液を室温で24時間撹拌した。濃塩酸(3mL)を加えた後、その混合物をロータリーエバポレーターで濃縮すると、固体が生じ、これを0.05mm下140−145℃で乾燥させることで、白色固体を35.2g得た。1H NMR(δ,アセトン−d6)6.95(d,1H),7.5(d,2H),7.9(d,2H);19F
NMR(δ,アセトン−d6)−78から−80(5F,CF3およびCF2),−81から−89(4F,CF2's),−117.3(2F,CF2SO3),−144.2(1F,第三F),−145.0(1F,ddt,CHF)。
【0102】
実施例9
【0103】
【化25】
【0104】
ジメチル−5−ヒドロキシイソフタレート(28.76g、0.121モル)をアルゴン下で200mLの無水DMFに溶解させた。リチウム第三ブトキサイド(0.749g)を加えて、その混合物を40℃に温めた後、室温に冷却した。固体状のCF2=CFOCF2CF(CF3)OCF2CF2SO3Li(51.3g、0.114モル)を加えた後、その溶液を40℃に温めた。若干の発熱を観察した。この溶液を40℃で2時間撹拌した後、室温で3日間撹拌した。塩酸(1.0Mを9.5mL)を加えた後、その溶液をロータリーエバポレーターで濃縮した。その残渣を0.05mm下145−150℃のKugelrohrで乾燥させた。この乾燥させた固体を500mLのエーテルに溶解させた。ヘキサンをゴム状沈澱物が生じるまで滴下した。この混合物を濾過した後、その濾液を濃縮して0.1mm下100℃で乾燥させることで、白色の固体を74.0g得た。C17H10F13O10SLiに関して計算した計算値:C,30.92;H,1.53;F,37.41;S,4.86;Li,1.05。測定値:C,30.77;H,1.77;F,38.89;S,4.69;Li,0.99。
【0105】
実施例10
5−(1,1,2,2−テトラフルオロ−2−ブロモエトキシ)イソフタル酸ジメチルの合成
200.97g(0.956モル)の5−ヒドロキシイソフタル酸ジメチルを400mLの乾燥メタノールに入れて0−5℃に冷却しておいた懸濁液に、500mLの乾燥メタノールに95%のカリウムメトキサイドを70.5g(0.956モル)入れた溶液を加えた。この混合物を室温に温めた後、デカンテーションで少量の白色固体を除去した。そのメタノール溶液をロータリーエバポレーターで濃縮した後、固体を0.1mm下150℃で乾燥させることで226.4g得た。この塩を600mlの乾燥DMSOに溶解させて65℃に加熱した。1,2−ジブロモテトラフルオロエタン(259.8g、1モル)を滴下すると、結果として発熱が起こって80℃になった。滴下終了後、その混合物を75−85℃に4時間保持した。これを室温に冷却した後、氷水で2Lになるまで希釈した。この水溶液から粘性ゴム状物をデカンテーションで除去した後、それを200mLの塩化メチレンで抽出した。この塩化メチレン抽出液を濃縮した後、その残渣を前記粘性ゴム状物と一緒にして、水で洗浄した。有機材料を塩化メチレンで取り上げ、無水硫酸ナトリウムで乾燥させた後、ロータリーエバポレーターを用いて濃縮を行った。この残渣の蒸留をKugelrohr装置を用いて0.2mm下140℃で行うことで、純度がglpcで93%の材料を257.6g得た。シリカゲルを用いたクロマトグラフィーでヘキサンに続いてヘキサン中1→4%の酢酸エチルを用いて溶出させることにより、最初の画分に入っている所望生成物を得た。これらの画分を一緒にしてロータリーエバポレーターで濃
縮した後、その残渣の蒸留をKugelrohrを用いて0.1mm下125℃で行うことで、表題の生成物を239.6g(62%)得た。1H NMR(δ,CDCl3)3.98(s,6H),8.05(m,2H),8.60(m,1H);19F NMR(δ,CDCl3)−68.7(2F),−86.4(2F)。C12H9F4BrO5に関して計算した計算値:C,37.04;H,2.33;F,19.53;Br,20.54。測定値:C,36.95;H,2.08;F,19.34;Br,20.57。
【0106】
実施例11
3,5−ジ(CO 2 CH 3 )−Ph−OCF 2 CF 2 SO 2 Clの合成
5Lの丸底フラスコに重炭酸ナトリウムを109.2g、脱イオン水を600mL、亜二チオン酸ナトリウムを226.4gおよびDMFを300mL仕込んだ。この混合物を65℃に加熱した後、5−(1,1,2,2−テトラフルオロ−2−ブロモエトキシ)イソフタル酸ジメチル(316.2g、0.81モル)を15分かけて加えた。添加終了後、その混合物を80−85℃に4時間温めた後、50℃に一晩保持した。この混合物を室温に冷却した後、濾過した。固体を酢酸エチルで洗浄し、その酢酸エチルを濾液に加えた。下方の水層を2X100mLの塩化メチレンそして2X100mLの酢酸エチルで抽出した。全ての有機層を一緒にして3X50mLの食塩水で洗浄し、無水硫酸ナトリウムで乾燥させた後、ロータリーエバポレーターを用いて濃縮を行った。その残渣を0.1mm下120℃で乾燥させることで黄色−オレンジ色の固体を得、これをさらなる精製なしに次の段階で用いた。1H NMR(δ,DMSO−d6)3.95(s,6H),7.97(m,2H),8.40(m,1H);19F NMR(δ,CDCl3)−80.9(2F),131.3(2F)。前記固体を1Lの脱イオン水に溶解させた後、CFC−113を300mL加えた。そのフラスコにドライアイスコンデンサを取り付けた。この混合物の中に塩素ガスをこれが過剰量で存在するようになるまで吹き込んだ。CFC−113に完全には溶解しないことで沈澱物が生じたことから、塩化メチレンを500mL加えた。余分な塩素を排出させてスクラバーに送り込み、有機層を分離した後、水層を3X250mLの塩化メチレンで抽出した。これらの有機層を一緒にして100mLの食塩水で洗浄し、無水硫酸ナトリウムで乾燥させ、ロータリーエバポレーターを用いて濃縮した後、蒸留をKugelrohrを用いて0.2mm下150℃で行うことで、かすかに黄色の固体を277.3g得た。この材料の再結晶化をCFC−113を用いて行うことで、白色固体を3回の収穫で257.4g(78%)得た。1H NMR(δ,CDCl3)3.95(s,6H),8.10(m,2H),8.70(m,1H);19F NMR(δ,CDCl3)−79.0(2F),−108.0(2F)。C12H9ClF4O7Sに関して計算した計算値:C,35.26;H,2.22;Cl,8.67;F,18.59;S,7.84。測定値:Cl,35.39;H,2.05;Cl,8.95;F,18.29;S,7.66。
【0107】
実施例12
3,5−ジ(CO 2 CH 3 )−Ph−OCF 2 CF 2 SO 3 Clの合成
262g(0.64モル)の3,5−ジ(CO2CH3)−Ph−OCF2CF2SO2Clが1Lの無水メタノールに入っている懸濁液に無水炭酸リチウムを52.1g(0.71モル)加えた。この混合物を40℃に加熱した後、室温で96時間撹拌した。この溶液を濾過した後、ロータリーエバポレーターで濃縮した。この固体の再結晶化を6Lのアセトニトリルを用いて行うことで、2つの収穫物を集めた。その固体を一緒にして0.1mm下180℃で乾燥させることで生成物を179.1g(71%)得た。1H NMR(δ,DMSO−d6)3.95(s,6H),7.95(m,2H),8.40(m,1H);19F NMR(δ,CDCl3)−80.9(2F),116.5(2F)。C12H9F4SO8Liに関して計算した計算値:C,36.38;H,2.29;F,19.18;S,8.24;Li,1.75。測定値:C,36.29;H,2.47;F,19.08;S,8.24;Li,1.69。
【0108】
実施例13
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムのホモ重合
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウム(12.24g、0.04モル)を75mLの脱イオン水に溶解させた。この塩にいくらか複合している痕跡量の残存有機溶媒を除去する目的で、前記溶液を真空下で濃縮することで水を約60mL除去した。その残渣に脱イオン水(40mL)を加えた後、この溶液に凍結と真空排気と解凍のサイクルを2回受けさせることで酸素を除去した。過硫酸アンモニウム(0.018g、0.00008モル)を加えた後、この溶液に再び凍結と真空排気と解凍のサイクルを受けさせることで酸素を除去した。次に、この溶液をアルゴン下で61−63℃のオイルバスに26時間入れることで加熱した。この溶液を室温に冷却した後、MWが3500のカットオフ透析管に移して、これに1リットルの脱イオン水を3回仕込むことによる透析を数日間に渡って受けさせた。前記透析管に入っている水溶液をロータリーエバポレーターで濃縮した後、その残渣を0.1mm下100℃で乾燥させることで、かすかに黄色の固体状重合体を9.33g(76%)得た。1H NMR(δ,D2O)1.50(bs,3H),6.5および7.0(bs,5H);19F NMR(δ,D2O)−82.02(2F),−117.58(2F)。LiClが0.25%入っている水中の光散乱で決定した測定Mwは156,000であった。C10H7O4F4SLi・1.67H2Oに関して計算した計算値:C,35.73;H,3.08;F,22.61;Li,2.06;S,9.54。測定値:C,35.72;H,3.17;F,19.43;Li,2.27;S,10.03。水を用いて流し込み成形した後に空気で乾燥させた重合体のフィルムは明るい黄褐色の自己支持型フィルムであったが、いくらか脆かった。
【0109】
実施例14
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムとスチレンの共重合
ポリマー管(polymer tube)に2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムを4.59g(0.015モル)、DMFを8.0mL、新しく精製したスチレンを8.84g(0.085モル)およびベンゾイルパーオキサイドを0.05g仕込んだ。この溶液に凍結と真空排気とアルゴンを用いたパージ洗浄と解凍を数回受けさせた後、アルゴン雰囲気下、60℃のオイルバス内で66時間加熱した。室温に冷却した後、固体状塊を50mLのDMFに溶解させた後、過剰量のエーテルに入れることで沈澱を起こさせた。このエーテルをデカンテーションで除去した後、ゴム状の残渣をヘキサンで洗浄して0.5mm下100℃で乾燥させることで、白色の共重合体を11.8g(88%)得た。THFにDMFが2%入っている混合物を用いて流し込み成形することで無色透明のフィルムを生じさせることができた。1H NMR(δ,DMS−D7)1.65および2.0(幅広),6.8および7.2(幅広);19F NMR(δ,DMF−d7)−80.9(2F),−116.4(2F);13C NMR(δ,DMF−d7)118.3および114.09(CF2's)。147.77(Oに隣接した芳香族C)、146.05(CH2に隣接した芳香族C)、122.09(Oに対してオルソに位置する芳香族C)、128.7−128.2(残りの芳香族C)、40.97(CH)および42−48(CH2)。FおよびH減結合13Cスペクトルに含まれる適切な共鳴を積分することで計算して、前記重合体はスチレンを88%と官能化(functionalized)スチレンを12%含有する。DSCの第二加熱で示されたTgは135.8℃であった。測定値:C,71.52;H,5.81;F,8.76;Li,0.72;S,3.55。
【0110】
実施例15
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムとスチレンとアクリロニトリルのターポリメリゼーション
スチレンとアクリロニトリルを塩基性アルミナが入っている短いカラムに通した後、使用直前に、水素化カルシウムを用いて蒸留を行った。ポリマー管に2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムを3.06g(0.011モル)およびDMFを8mL仕込んだ。この溶液を室温で真空下に1時間置くことで揮発性不純物を除去した。次に、スチレンを5.41g(0.052モル)、アクリロニトリルを2.01g(0.038モル)およびベンゾイルパーオキサイドを0.048g加えた。この溶液に凍結と真空排気とアルゴンを用いたパージ洗浄と解凍を数回受けさせた後、アルゴン雰囲気下、60℃のオイルバス内で22時間加熱した。室温に冷却した後、固体状塊をDMFに溶解させ、濾過した後、過剰量のエーテルにゆっくりと注ぎ込んだ。粘性のある沈澱物を真空下95℃で乾燥させることで白色重合体を10.7g得た。1H NMR(d.THF−d8)1.70−2.2(幅広),6.8および7.05(幅広)および2.0(幅広);19F NMR(d,THF−d8)−81.5(2F),−117.2(2F);IR2237cm-1(CN);13C NMR(d,DMF−d7)118.3および114.09(CF2's)。122.08(アクリロニトリルのOとCNに対してオルソ位に位置する芳香族炭素)、147.77(Oに隣接した芳香族炭素)、146.0から140(第四級炭素)、128.4から127.1(残りの芳香族炭素)、38.83(スチレンの脂肪族CH)、28.5から26.6(アクリロニトリルの脂肪族CH)、および43から40(CH2)。炭素NMRスペクトルの積分で計算して、前記重合体はスチレンを52.2モル%とアクリロニトリルを38.8モル%と2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムを9.0%含有する。測定値:C,69.03;H,6.00;N,6.37;F,6.59;S,2.95;Li,0.52。
【0111】
実施例16
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムとスチレンとアクリル酸ブチルのターポリメリゼーション
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムを3.06g(0.01モル)とスチレンを6.55g(0.063モル)とアクリル酸ブチルを3.46g(0.027モル)用いて実施例15の手順に従った。DMFに溶解している粗生成物をブレンダーに入っている過剰量の氷水に加えることで沈澱を起こさせた。乾燥を50℃の真空オーブン内で行うことで重合体を7.10g得た。1H NMR(d,DMF−d7)1.05(幅広),1.3−2.6(幅広),3.8(幅広),6.95および7.40(幅広);19F NMR(d,DMF−d7)−81.0(2F),−116.6(2F);13C NMR(d,DMF−d7)118.4および114.1(CF2's)。122.2(Oに対してオルソ位に位置する芳香族炭素)、148.5(Oに隣接した芳香族炭素)、143.0から146.9(第四級炭素)、125.0から130.0(残りの芳香族炭素)、38.85(スチレンの脂肪族CH)、42から48(スチレンのCH2)、175.9(エステルのカルボニル)、64.06(OCH2)、14.06(CH3)、19.75および13.03(エステルの残りのCH2)。炭素NMRスペクトルの積分で計算して、前記重合体はスチレンを66.4モル%とアクリル酸ブチルを26.5モル%と2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムを7.1%含有する。
【0112】
実施例17
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムとスチレンとメタアクリル酸メチルの共重合
メタアクリル酸メチルを塩基性アルミナが入っている短いカラムに通した後、蒸留を真空下で行ってドライアイス冷却受け槽に入れた。ポリマー管に2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムを3.06g(0.01モル)、新しく精製したメタアクリル酸メチルを9.0g(0.09モル)および開始剤である2,4−ジメチル−2,2'−アゾビス(ペンタンニトリル)[Vazo(商標)52]を0.0
5g仕込んだ。この溶液に凍結と真空排気とアルゴンを用いたパージ洗浄と解凍を数回受けさせた。前記ポリマー管を密封して50℃のオイルバス内で22時間加熱した。室温に冷却した後、固体状塊を250mLのアセトンに温めながら溶解させて、濾過した。アセトンを蒸発させた後、固体状の重合体を0.05mm下100℃で乾燥させることで生成物を11.6g得た。1H NMR(δ,アセトン−d6)0.6−3.0(m),3.65(s),6.8−7.5(m)適切なピークを積分した結果、前記重合体はメタアクリル酸メチルを88モル%と2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムを12モル%含有していた。19F NMR(δ,アセトン−d6)−80.9(2F),−116.6(2F)。測定値:C,54.39;H,6.77;F,4.86;Li,0.50;S,2.62。
この重合体のアセトン溶液から透明で軟質のフィルムを流し込み成形することができた。
【0113】
実施例18
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムとアクリロニトリルの共重合
アクリロニトリルを塩基性アルミナが入っている短いカラムに通した後、使用直前に、真空蒸留を行った。50mLのポリマー管に2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムを3.06g(0.01モル)、DMFを10mL、アクリロニトリルを4.77g(0.09モル)および開始剤である2,4−ジメチル−2,2'−アゾビス(ペンタンニトリル)[Vazo(商標)52]を0.050g仕込んだ。この容器の内容物に凍結/真空排気/解凍サイクルを4回受けさせることで酸素を除去した後、この容器を密封した。その内容物を50℃のオイルバス内で22時間加熱すると、結果として白色の塊が生じた。この固体を50mLのDMFに溶解させ、濾過した後、大過剰量のエーテルに入れることで沈澱を起こさせた。乾燥を0.05mm下100℃で行うことで白色重合体を7.59g(97%)単離した。1H NMR(δ,DMF−d7)2.30(b),3.32(b),7.3−7.5(b)に加えて、DMFが少量存在することを示す吸収。芳香族のピークの積分値を脂肪族のピークの積分値に対比させることで計算して、前記重合体は2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムを12モル%とアクリロニトリルを88モル%含有する。測定値:C,54.72;H,4.51;N,15.55;F,8.36;Li,0.81;S,4.04。
【0114】
実施例19
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムとα−メチレン−γ−ブチロラクトンの共重合
ポリマー管に2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムを1.53g(0.005モル)、α−メチレン−γ−ブチロラクトンを4.4g(0.045モル)およびVazo(商標)52を0.025g仕込んだ。撹拌を行うと前記塩はほぼ完全に溶解した。DMF(100uL)を加えると完全に均一な溶液が生じた。この容器の内容物に凍結/真空排気/解凍サイクルを5回受けさせることで酸素を除去した後、この溶液をアルゴン下50℃に22時間加熱することで、黄色の固体状塊を得た。この材料を30mLのDMFに温めながら溶解させ、濾過した後、過剰量のエーテルに入れることで沈澱を起こさせた。乾燥を0.1mm下109℃で行うことで白色重合体を5.24g(88%)得た。1H NMR(δ,DMF−d7)2.25(b),2.5(b),7.3−7.5(b)。ピークの積分で計算して、前記重合体の組成は11モル%が2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムである。19F NMR(δ,DMF−d7)−80.61(2F),−116.31(2F),DSC:Tg=220℃。測定値:C,53.40;H,5.53;F,6.11;Li,0.54;S,2.75。
【0115】
実施例21
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムとアクリル酸ブチルの共重合
グローブボックス内で、2.10g(0.0069モル)の2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムと8.0g(0.062モル)のアクリル酸ブチルをシュレンク管(撹拌子が入っている)に入れて一緒にした。DMFを約10mL加えた後、Vazo(商標)52を48mg(1.93x10-4モル)加えて撹拌することで溶解させた。フラスコをアルゴン下に置いて40℃に24時間加熱した。その結果として生じた重合体はDMFに溶解しており、これをヘキサン(3x)に入れると重合体が油状物として沈降した。次に、この重合体をアセトンに溶解させた後、水(2x)に入れることで沈澱を起こさせた。結果として得た重合体を真空下75℃で乾燥させることで生成物を1.6g(16%)得た。19F NMR(d−アセトン):−82.4(2F),−118.0(2F)ppm。TGA(N2,10℃/分)250℃で分解が始まる。分子量[SEC、Zytel 101標準、溶媒HFIP+0.01Mのナトリウムトリフレート(triflate)]:Mn=186,800;Mw=324,700;Mw/Mn=1.74;Mn=182,500;Mw=316,800;Mw/Mn=1.74。
【0116】
実施例22
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムとアクリル酸エチルヘキシルの共重合
グローブボックス内で、シュレンク管(撹拌子が入っている)にDMFを20mL入れて、これに1.56g(0.0051モル)の2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムを溶解させた後、アクリル酸エチルヘキシルを8.44g(0.046モル)加え、続いてVazo(商標)52を48mg(1.93x10-4モル)加えた。撹拌を行って開始剤を溶解させた。フラスコをアルゴン下に置いて40℃に24時間加熱した。追加的にTHFを用いて、結果として生じた重合体を溶解させた後、水に入れることで沈澱を起こさせ、続いてTHFに溶解させてヘキサン(3x)に入れることで油状物として沈降させた。この重合体を真空下65℃で乾燥させることで生成物を3.2g(32%)得た。この重合体をテフロン(Teflon)(商標)プレスシートの間に挟んで予備加熱を150℃で2分間行い、2000ポンド/平方インチで圧縮した後、加圧下で冷却することを通して、フィルムを溶融プレス加工する(melt pressed)ことができた。この重合体は水分を空気から迅速に吸い取ってゴム状になる。また、0.5gの重合体を15mLのTHFに溶解させそしてその溶液を直径が5.5cmのテフロン(商標)製ペトリ皿の中に流し込むことを通して、フィルムの溶液流し込み成形(solution cast)を行うことも可能であった。19F NMR(d−アセトン)δ:−84.4(2F),−120.0(2F)ppm。1H NMR(d−THF)δ:7.1(b),3.95(b),3.8(b),2.9,2.3(b),1.8−2(b),1.5−1.7(b),1.4,1.2(b),0.9ppm。芳香族スチレンのシグナルとアクリル酸エチルヘキシルが有するメチルのシグナルの比率により、2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムが約10モル%組み込まれたことが示された。13C NMR(d−THF)δ:172.4,127.4,120.3,40.1,37.4,28.9,27.5,22.7,12.1,8.2ppm。TGA(N2,10℃/分):250℃で分解が始まる。DSC(N2,−100から200℃,10℃/分):Tmは検出されなかった。測定値:%C65.62,65.51;%H9.48,9.69;%F3.82;%Li0.34;%S1.86。分子量[SEC、Zytel 101標準、溶媒HFIP+0.01MのNaトリフレート):Mn=161,500,Mw=315,000,Mw/Mn=1.95;Mn=140,300,Mw=318,100,Mw/Mn=2.27。
【0117】
実施例24
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムとアクリル酸
ブチルの共重合
グローブボックス内で、2.10g(0.0069モル)の2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムと7.9g(0.062モル)のアクリル酸ブチルをシュレンク管(撹拌子が入っている)に入れて一緒にした後、Vazo(商標)52を45mg(1.81x10-4モル)加えて撹拌することで溶解させた。前記フラスコをアルゴン下に置いて40℃に24時間そして45℃に24時間加熱した。その結果として生じた重合体をTHFに溶解させて水(2x)そしてヘキサン(3x)に入れると重合体が油状物として沈降した。この重合体を真空下で乾燥させることで重合体を0.2g(2%収率)得た。13C NMR(d−THF)δ:175.1,67.5,64.9,42.6,31.8,25.8,20.2,14.3ppm。TGA(N2,10℃/分):250℃で分解が始まる。
【0118】
実施例25
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムとアクリル酸ブチルの共重合
グローブボックス内で、3.74g(0.0122モル)の2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムと6.26g(0.489モル)のアクリル酸ブチルをシュレンク管(撹拌子が入っている)に入れて一緒にした後、Vazo(商標)52を45mg(1.81x10-4モル)加えて撹拌することで溶解させた。前記フラスコをアルゴン下に置いて45℃に24時間加熱した。その結果として生じた重合体をアセトン/THFに溶解させて水い入れることで沈澱を起こさせた。次に、この重合体をアセトン/THFに溶解させてヘキサン(2x)に入れることで沈澱を起こさせた。この重合体を乾燥させることで4.8g(48%)得た。0.5gの重合体をTHFに溶解させそしてその溶液を直径が5.5cmのテフロン(商標)製ペトリ皿の中に流し込むことを通して、フィルムの流し込み成形を行うことが出来た。19F NMR(d−アセトン)δ:−82.4(2F),−118.1(2F)ppm。13C NMR(d−アセトン)δ:175.5,130.3,123.1,65.3,42.8,36.6(b),31.9,20.3,14.5ppm。1H NMR(d−アセトン)δ:7.1(b),4.1,3.9(b),3.2,3.1,2.4,1.9−1.2,0.9ppm。測定値:%C54.34,54.29;%H6.95,6.91;%F9.46,9.31;%Li0.71,0.80;%S4.40,4.47 TGA(N2,10℃/分)。275℃で分解が始まる。DSC(N2−100から225℃,10℃/分):Tmは検出されなかった。分子量[SEC、Zytel 101標準、HFIP+0.01MのNaトリフレート):Mn=432,000,Mw=1,271,000,Mw/Mn=2.94,Mn=980,700,Mw=1,415,000,Mw/Mn=1.44。
【0119】
実施例26
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムとアクリル酸メチルの共重合
グローブボックス内で、2.8g(0.0091モル)の2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムと7.2g(0.0827モル)のアクリル酸メチルをシュレンクフラスコ(撹拌子が入っている)に入れて一緒にした後、Vazo(商標)52を35mg(1.41x10-4モル)加えて撹拌することで溶解させた。前記フラスコをアルゴン下に置いて35℃に48時間に続いて65℃に24時間加熱した。重合相が分離した。この重合体の一部は他の部分に比べて溶解し難く、不溶物がいくらか存在していた。結果として得た重合体をDMF/アセトンに溶解させてヘキサン(2x)に入れることで沈澱を起こさせた。次に、この重合体をDMFに溶解させた後、透析管(MWCO=3500)に入れて、水を用いた透析を10日間行った後、重合体を集め、それをDMFに溶解させて水の中に入れることで沈澱を起こさせた。この重合体を真空下で乾燥させることで生成物を3.14g(31.4%)得た。19F NMR(d−DMF)δ:−81.9(2F),−117.6(2F)ppm。
【0120】
実施例27
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムとアクリル酸メチルの共重合
グローブボックス内で、2.8g(0.0091モル)の2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムと7.2g(0.0827モル)のアクリル酸メチルと20mLのDMFをシュレンク管(撹拌子が入っている)に入れて一緒にした後、Vazo(商標)52を35mg(1.41x10-4モル)加えた。前記フラスコの内容物を撹拌することで溶解させた。前記フラスコをアルゴン下に置いて35℃に48時間加熱した。結果として得た重合体をDMF/アセトンに溶解させて水(3x)に入れることで沈澱を起こさせた。次に、この重合体をアセトンに溶解させてヘキサンに入れることで沈澱を起こさせた。この最終的な重合体を真空下70℃で乾燥させることで生成物を4.85g(48.5%)得た。0.54gの重合体をアセトンに溶解させそしてその溶液を直径が5.5cmのテフロン(商標)製ペトリ皿の中に流し込むことを通して、フィルムの流し込み成形を行った。19F NMR(d−アセトン)δ:−82.4(2F),−118.1(2F)ppm。13C NMR(d−アセトン)δ:174.9,129.2,12.1,51.2,41.3,35.1(b)ppm。1H NMR(d−アセトン)δ:7.2(b),3.6,2.9,2.8,2.1,3.5,2.4(b),1.9(b),1.7(b),1.7−1.5(b)ppm。プロトンNMRは、芳香族のシグナルとアクリル酸メチルが有するメチル基のシグナルの積分を基にして、アイオノマー基が4モルパーセントであることを示していた。分子量(SEC、Zytel 101標準、HFIP+0.01MのNaトリフレート):Mn=77,200,Mw=216,100,Mw/Mn=2.8;Mn=56,500,Mw=203,600,Mw/Mn=3.6。測定値:%C53.16,53.13,52.78;%H6.77,6.79;%F3.24,3.07,4.81;%Li0.28,0.47,0.38;%S1.91,1.98,2.39。元素分析は、2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムが5−6モルパーセント存在することを示していた。
【0121】
実施例29
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムとポリ(エチレングリコール)エチルエーテルメタアクリレートとポリ(エチレングリコール)ジアクリレートの共重合および架橋
ポリ(エチレングリコール)のエチルエーテルのメタアクリレートと2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムから作られた架橋フィルムを下記の様式で生じさせた。ポリ(エチレングリコール)のエチルエーテルのメタアクリレート(8.79g、3.6x10-2モル)と前記スルホン酸塩モノマー(1.21g、4.0x10-3モル)を前以て混合しておいた。
フィルムA:小びんに前記モノマー混合物を3.33gの分量で入れると共にポリ(エチレングリコール)のジアクリレートを0.038g(6.6x10-5モル)およびVazo(商標)52を16mg(6.45x10-5モル)入れて撹拌することで溶解させた。この混合物を窒素雰囲気下で流し込み成形用の小さいテフロン(商標)製皿の中に注ぎ込んでホットプレート上で35−40℃に5時間加熱した。
フィルムB:小びんに前記モノマー混合物を3.33gの分量で入れると共にポリ(エチレングリコール)のジアクリレートを0.076g(1.32x10-4モル)およびVazo(商標)52を16mg(6.45x10-5モル)入れて撹拌することで溶解させた。この混合物を窒素雰囲気下で流し込み成形用の小さいテフロン(商標)製皿の中に注ぎ込んでホットプレート上で35−40℃に5時間加熱した。
フィルムC:小びんに前記モノマー混合物を3.15gの分量で入れると共にポリ(エチレングリコール)のジアクリレートを0.15g(2.61x10-4モル)およびVazo(商標)52を16mg(6.45x10-5モル)入れて撹拌することで溶解させた。この混合物を窒素雰囲気下で流し込み成形用の小さいテフロン(商標)製皿の中に注ぎ込んでホットプレート上で35−40℃に5時間加熱した。
【0122】
前記フィルムを室温に一晩放置した後、37℃に6時間加熱した。このフィルムを加熱するとゲル化がいくらか起こることが観察された。このフィルムは不溶かつ柔らかで柔軟性があった。このフィルムを真空下75℃で乾燥させた。板上に流し込み成形した薄フィルムの小部分を抽出する目的でアセトンを用い、これを13C NMRに送り込んだところ、モノマーのシグナルは全く示されなかった。より厚いフィルムを前記流し込み用皿から取り出してそれを抽出する目的でアセトンを用いた結果、モノマーがいくらか残存することが示された。TGA(N2、10℃/分):分解開始点:225℃(A、B)および200℃(C)。DSC(N2、−100から200℃、10℃/分):Tmは検出されなかった。測定値:フィルムA:%C56.49;%H8.17;%F2.87;%S0.74;灰分1.74;%Li0.22。フィルムB:%C56.45;%H8.16;%F2.33;%S0.50;灰分1.83;%Li0.23。フィルムC:%56.79;%H8.24;%F2.44;%S0.57;灰分1.83;%Li0.23。
【0123】
実施例30
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムとアクリル酸ブチルとメタアクリル酸カルボナトグリシダルの共重合および架橋
グローブボックス内で、メタアクリル酸カルボナトグリシダル(1.23g、0.0066モル)とアクリル酸ブチル(6.76g、0.0528モル)と2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウム(2.02g、0.0066モル)を小びんに入れて一緒にした。Vazo(商標)52(40mg、1.61x10-4モル)を加えて撹拌することで溶解させた。この溶液をピペットで2個の小さいテフロン(商標)製ペトリ皿にこの底をちょうど覆うように入れた。残りの溶液をピペットでテフロン(商標)被覆ガラス片の上に正方形になるように置いた。前記溶液をグローブボックスに入れてスライドヒーター(slide heater)で35℃に2時間温め、室温に一晩放置し、35℃に8時間加熱し、一晩かけて室温に冷却した後、42℃に8時間加熱した。この吸湿性のフィルムは乾燥時は脆いが、湿っている時は取り扱い可能である。19F NMR(d−アセトン)δ:−82.7(2F),−118.5(2F)ppm。TGA(N2,10℃/分):200℃で分解が始まる。DSC(N2,−100から175℃,10℃/分):Tmは検出されなかった。測定値:%C50.64,50.49,50.66;%H5.62,5.58,5.61;%F9.84,9.43,9.24;%Li0.38,0.90,0.84;%S4.38,3.83,4.09;%N,0.22,0.18。
【0124】
実施例31
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムとポリ(エチレングリコール)エチルエーテルメタアクリレートの共重合および架橋
グローブボックス内で、8.79g(0.0357モル)のポリ(エチレングリコール)エチルエーテルメタアクリレートと1.21g(0.00395モル)の2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムと45mg(1.81x10-4モル)のVazo(商標)52を一緒にした。この溶液をピペットで2個の小さいテフロン(商標)製ペトリ皿にこの底をちょうど覆うように入れ、その残りをピペットでテフロン(商標)被覆ガラス片の上に正方形になるように置いた。このフィルムをスライドウォーマー(slide wamer)で35℃に4時間温め、室温に一晩放置した後、35℃に8時間温めた。重合後にフィルム相が分離を起こして、粒状物が入っているガラスのように見える軟質フィルムが生じた。両方の相ともTHFに不溶であった。TGA(N2、10℃/分):225℃で分解が始まる。DSC(N2、−100から175℃、10℃/分):Tmは検出されなかった。測定値:%C56.58,56.33;%H8.34
,8.33;%F2.78,2.63;%S1.27,1.30;%Li0.23,0.23。元素分析により、モノマー1が約8モルパーセント組み込まれたことが示された。
【0125】
実施例32
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムとポリ(エチレングリコール)エチルエーテルメタアクリレートの共重合および架橋
グローブボックス内で、ポリ(エチレングリコール)のエチルエーテルのメタアクリレート(7.63g、0.031モル)と2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウム(2.37g、0.0077モル)と45mg(1.81x10-4モル)のVazo(商標)52を小びんに入れて一緒にした。この溶液をピペットで2個の小さいテフロン(商標)製ペトリ皿にこの底をちょうど覆うように入れ、その残りをピペットでテフロン(商標)被覆ガラス片の上に正方形になるように置いた。このフィルムをスライドウォーマーで35℃に4時間温め、室温に一晩放置した後、35℃に8時間温めた。重合後にフィルム相が分離を起こした。この軟質フィルムは粒状物が入っているガラスのように見えた。両方の相ともTHFに不溶であった。TGA(N2、10℃/分):225℃で分解が始まる。DSC(N2、−100から200℃、10℃/分):Tmは検出されなかった。測定値:%C53.85,53.92;%H7.55,7.51;%F5.00,5.20;%S2.36,2.21;%Li0.47,0.46。
【0126】
実施例34
リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドとメタアクリル酸メチルの共重合
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムの代わりにリチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドを4.36g用いて実施例17の手順に従うことで重合体を12.4g得た。1H NMR(δ,アセトン−D6)0.6−3.1(m),3.65(s),6.9−7.7(m)。適切なピークを積分した結果、前記重合体はメタアクリル酸メチルを88モル%と前記スルホンイミドモノマーを12モル%含有する。19F NMR(δ,アセトン−d6)−78.8(s,3F),−79.7(m,2F),−115.5(s,2F)。測定値:C,49.77;H,6.06,N,1.03;F9.93;S,5.08;Li,0.50。
【0127】
実施例35
リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドとスチレンの共重合
リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドを4.37g(0.01モル)、スチレンを9.36g(0.09モル)、DMFを8.0mLおよびベンゾイルパーオキサイドを0.048g用いて実施例14の手順に従った。重合を96時間実施した。固体状塊を追加的DMFに溶解させて濾過した。これを1Lの氷水に入れることで重合体を沈澱させ、濾過した後、0.05mm下96℃で乾燥させることで8.38g得た。測定値:C,70.31;H,6.07,N,1.75;F8.69;S,4.63;Li,0.44。
【0128】
実施例36
リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドとアクリル酸メチルの共重合
ここでは、アクリル酸メチルを重合させて粘性のある材料を生じさせた後にアイオノマーモノマー(ionomeric monomer)を添加することを通して、よりブロッキー(blockier)な重合体を製造する試みを行った。グローブボックス内で、7.2g(0.0827モル)のアクリル酸メチルを10mLのDMFに溶解させた後、Vazo(商標)52開始剤を35mg(1.41x10-4モル)加えた。フラスコを35℃に加熱した。1時間後に溶液の粘度が非常に高くなった時点でDMFを追加的に10mL加えると共に2.8g(0.0064モル)のリチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドを10mLのDMFに入れて加えた。加熱を再び開始して35℃に48時間、45℃に24時間そして65℃に24時間置いた。結果として生じた重合体をDMF/アセトンに溶解させてヘキサン(2x)に入れることで沈澱を起こさせた。次に、この重合体をDMFに溶解させて水(2x)に入れることで沈澱を起こさせた。この重合体を真空下75℃で乾燥させることで材料を5.6g(56%)得た。0.5gの前記重合体をDMFに溶解させそしてその溶液を5.5cmのテフロン(商標)製ペトリ皿の中に流し込むことでフィルムを得ることが出来た。19F NMR(d−DMF)δ:−79.8(3F),−80.7(2F),−116.5(2F)ppm。13C NMR(CDCl3)δ:174.8(C=O),51.7(OCH3),41.2(CH2 CH),35.3(CH2CH)。13C NMRで検出されたのはアクリル酸メチルのシグナルのみであった:1H NMR(CDCl3)δ:7.3,3.6,2.9,2.8,2.3,1.9,1.7,1.5(b)ppm。OCH3(MA)のピークの積分値に対する芳香族ピークの積分値の比率は、アイオノマー基が0.6モルパーセントであることを示していた。TGA(N2、10℃/分):300℃で分解が始まる。DSC(N2、−100から200℃、10℃/分):Tmは検出されなかった。Tg=12℃(第一加熱)、17℃(第二加熱)。測定値:%C54.24,54.35;%H6.89,6.62;%N<0.1,<0.1;%F1.02,1.27;%Li0.042,0.058;%S0.84,0.83。分子量[SEC、Zytel 101標準、HFIP+0.01Mのナトリウムトリフレート):Mn=124,100;Mw=370,300;Mw/Mn=2.98;Mn=134,400;Mw=380,300;Mw/Mn=2.83。
【0129】
実施例37
リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドとアクリル酸ブチルの共重合
グローブボックス内で、2.75g(0.0063モル)のリチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドと7.25g(0.057モル)のアクリル酸ブチルをシュレンク管(撹拌子が入っている)に入れて一緒にした後、Vazo(商標)52を45mg(1.81x10-4モル)加えて撹拌することで溶解させた。フラスコをアルゴン下に置いて40℃に24時間に続いて45℃に24時間加熱した。結果として生じた重合体をTHFに溶解させて水(2x)に入れることで沈澱を起こさせた。次に、この重合体を溶解させてヘキサン(2x)に入れることで沈澱を起こさせた。この重合体を真空下で乾燥させることで重合体を2.4g(24%)得た。0.5gの重合体を1:1のTHF/アセトンに溶解させそしてその溶液を直径が5.5cmのテフロン(商標)製ペトリ皿の中に流し込むことでフィルムの流し込み成形を行った。ゲル化した材料が溶解しないまま少量存在していた。19F NMR(d−THF)δ:−80.4(2F),−81.4(2F),−117.2(2F)ppm。13C NMR(d−THF)δ:175.1,130.1,122.7,64.9,42.6,36.1,31.8,20.2,14.3ppm。1H NMR(d−THF)δ:7.1(b),4.0,3.1,2.0−3.0(b),1.1−1.8(b),0.8ppm。アクリル酸ブチルが有するメチルのピークに対する芳香族ピークの比率は、アイオノマーモノマーが約15モルパーセント組み込まれたことを示している。TGA(N2、10℃/分):275℃で分解が始まる。DSC(N2、−100から250℃、10℃/分):Tmは検出されなかった。測定値:%C52.49,52.24;%H6.90,6.84;%N1.19,1.19;%F10.02,9.83;%S4.82,4.93;%Li0.48,0.51。元素分析はイオン性モノマーが12モルパーセント組み込まれたことを示していた。分子量[SEC、Zytel 101標準、HFIP+0.01MのNaトリフレート):Mn=250,200,Mw=1,024,000,Mw/Mn=4.09;Mn=203,700,Mw=893,100,Mw/Mn=4.38。
【0130】
実施例38
リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドとポリ(エチレングリコール)エチルエーテルメタアクリレートの共重合および架橋
グローブボックス内で、1.64g(0.00376モル)のリチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドと8.36g(0.02296モル)のPEEGMAを5mLのDMFと一緒に小びんに入れて一緒にした。Vazo(商標)52(48mg、6.45x10-5モル)を加えて溶解するまで撹拌した。この溶液の一部を用いて5.5cmのテフロン(商標)製ペトリ皿の底を覆った。この皿をグローブボックス内でスライドヒーター上で39℃に6時間温め、室温に一晩放置した後、40℃に8時間加熱した。フィルムは柔らかで柔軟性があった。TGA(N2、10℃/分):225℃で分解が始まる。DSC(N2、10℃/分):Tmは検出されなかった。測定値:%C54.39;%H7.57;%N0.57;%F3.87;%S1.22;%Li0.21;灰分1.64。元素分析は、イオン性モノマーが約9モルパーセント組み込まれたことを示していた。
【0131】
実施例39
リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドとポリ(エチレングリコール)エチルエーテルメタアクリレートとポリ(エチレングリコール)ジアクリレートの共重合および架橋
グローブボックス内で、8.36g(0.03396モル)のポリ(エチレングリコール)エチルエーテルメタアクリレートと1.64g(0.00376モル)のリチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドと5mLのDMFを小びんに入れて一緒にして撹拌することで混合した。架橋剤をいろいろな量で用いた3種類のフィルムを以下に記述する如く生じさせた。
フィルム1:小びんに前記モノマー混合物を4.33g(モノマーが3.33gでDMFが1g)入れると共にジアクリレートを0.036g(6.26x10-5モル)入れた。Vazo(商標)52(16mg、6.45x10-5モル)を入れて撹拌することで溶解させた。ピペットを用いてテフロン(商標)被覆ガラス片上にフィルムを生じさせてスライドヒーターで39℃に温めた。
フィルム2:小びんに前記モノマー混合物を4.33g(モノマーが3.33gでDMFが1g)入れると共にジアクリレートを0.071g(1.24x10-4モル)およびVazo(商標)52(16mg、6.45x10-5モル)を入れて撹拌することで混合した。ピペットを用いてテフロン(商標)被覆ガラス片上にフィルムを生じさせてスライドヒーターで39℃に温めた。
フィルム3:小びんに前記モノマー/DMF混合物を約3.8g、ジアクリレートを0.14g(2.44x10-4モル)およびVazo(商標)52(16mg、6.45x10-5モル)を入れて撹拌することで混合した。フィルムをこの上に示した如く流し込み成形してスライドヒーターで39℃に温めた。
【0132】
前記フィルムを39℃に6時間加熱し、一晩かけて室温に冷却した後、40℃に8時間加熱した。軟質フィルムが生じた。TGA(N2、10℃/分):前記フィルム3枚とも200℃で分解が始まる。DSC(N2、−100から200℃、10℃/分):Tmは検出されなかった。測定値;フィルム1:%C54.29;%H7.72;%N0.55;%F4.02;%S1.29;フィルム2:%C54.20;%H7.68;%N0.57;%F4.40;%S1.29;フィルム3:%C54.46;%H7.75;%N0.57;%
F3.84;%S1.06。元素分析は、モノマー2が約9モルパーセント組み込まれたことを示していた。
【0133】
実施例40
リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドとポリ(エチレングリコール)エチルエーテルメタアクリレートとポリ(エチレングリコール)ジアクリレートの共重合および架橋
フィルムA:グローブボックス内で、PEGEEMA(2.75g、1.12x10-2モル)とジアクリレート(0.036g、6.26x10-5モル)とリチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミド(0.55g、1.26x10-3モル)とVazo(商標)52(16mg、6.45x10-5モル)を一緒にした。これを小さいテフロン(商標)製ペトリ皿に入れてスライドウォーマーで40℃に6時間温めることでフィルムの流し込み成形を行った。フィルムB:グローブボックス内で、PEGEEMA(2.76g、1.12x10-2モル)とジアクリレート(0.018g、3.13x10-5モル)とリチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミド(0.55g、1.26x10-3モル)とVazo(商標)52(16mg、6.45x10-5モル)を一緒にした。これを小さいテフロン(商標)製ペトリ皿に入れてスライドウォーマーで40℃に6時間温めることでフィルムの流し込み成形を行った。フィルムC:グローブボックス内で、PEGEEMA(2.77g、1.13x10-2モル)とジアクリレート(0.009g、1.57x10-5モル)とリチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミド(0.55g、1.26x10-3モル)とVazo(商標)52(16mg、6.45x10-5モル)を一緒にした。これを小さいテフロン(商標)製ペトリ皿に入れてスライドウォーマーで40℃に6時間温めることでフィルムの流し込み成形を行った。フィルムD:PEGEEMA(2.72g、1.10x10-2モル)とジアクリレート(0.071g、1.24x10-4モル)とリチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミド(0.54g、1.23x10-3モル)とVazo(商標)52(16mg、6.45x10-5モル)を一緒にした。これを小さいテフロン(商標)製ペトリ皿に入れてスライドウォーマーで40℃に6時間温め、室温に一晩放置した後、50℃に8時間加熱することで、フィルムの流し込み成形を行った。
【0134】
前記フィルムを真空下85℃で乾燥させた。TGA(N2、10℃/分):分解開始点:250℃(A、B、D)および230℃(C)。DSC(N2、−100から200℃、10℃/分):Tmは検出されなかった。測定値:フィルムA:%C53.99;%H7.97;%N0.58;%F4.70;%S2.33;%Li0.22;フィルムB:%C54.11;%H8.20;%N0.58;%F4.67;%S2.82;%Li0.21;フィルムC:%C54.42;%H8.29,%N0.54,%F4.53,%S2.59,%Li0.22,フィルムD:%C54.17,%H7.96,%N0.55;%F4.3;,%S2.36;%Li0.19。抽出を受けさせた後に乾燥させたフィルムの元素分析値は、未抽出フィルムの分析値および計算した値[リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドが10モルパーセント組み込まれる]に近かった。
【0135】
実施例41
リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドとアクリル酸メチルとジアリルジグリコールカーボネートの共重合および架橋
各フィルムに関して下記を実施した。小びんに1mLのDMFと撹拌子を入れると共に前記アクリレートとリチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドとカーボネートモノマーを入れた。開始剤を添加して撹拌することで溶解させた。この溶液をピペットでテフロン(商標)製ペトリ皿に入れかつテフロン(商標)被覆ガラス片の上に正方形になるように置いた。これらのフィルムをスライドウォーマーで40℃に数時間加熱し、室温に一晩放置した後、45℃に8時間加熱した。
各フィルムのモノマー量および開始剤量を以下に示す。
フィルムA:アクリル酸メチル(3.13g、0.036モル)、リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミド(1.76g、0.00403モル)、ジアリルジグリコールカーボネート(0.111g、4.05x10-4モル)、Vazo(商標)52(15mg、6.04x10-5モル)。
フィルムB:アクリル酸メチル(3.17g、0.036モル)、リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミド(1.78g、0.00407モル)、ジアリルジグリコールカーボネート(0.0557g、2.03x10-4モル)、Vazo(商標)52(15mg、6.04x10-5モル)。
フィルムC:アクリル酸メチル(3.18g、0.0365モル)、リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミド(1.78g、0.00407モル)、ジアリルジグリコールカーボネート(0.028g、1.02x10-4モル)、Vazo(商標)52(15mg、6.04x10-5モル)。
フィルムD:アクリル酸メチル(3.20g、0.0368モル)、リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミド(1.76g、0.0041モル)、ジアリルジグリコールカーボネート(0.014g、5.11x10-4モル)、Vazo(商標)52(15mg、6.04x10-5モル)。
【0136】
前記フィルムを真空下85℃で乾燥させた。TGA(N2、10℃/分):全てのフィルムで分解が140℃で始まる。DSC(N2、−100から180℃、10℃/分):Tmは検出されなかった。測定値:フィルムA:%C33.88,33.80;%H3.31,3.24;%N5.35,5.36;%F22.50,22.36;%S11.20,10.89;%Li1.09,1.10;フィルムB:%C34.12,34.31;%H3.43,3.31;%N5.67,5.78;%F22.04,22.33;%S11.03,10.97;%Li1.13,1.15;フィルムC:%C33.21,33.28;%H3.20,3.18;%N5.75,5.78;%F23.44,23.10;%S10.97,10.99;%Li1.14,1.18;フィルムD:%C33.72,33.79;%H3.22,3.25;%N5.56,5.55;%F23.36,23.23;%S12.76,12.52;%Li1.18,1.14。
【0137】
実施例42
リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドとアクリル酸メチルとジアリルジグリコールカーボネートの共重合および架橋
フィルムを下記の様式で生じさせた。小びんに1mLのDMFと撹拌子を入れると共にアクリル酸メチルとリチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドとカーボネートモノマーを入れた。開始剤を添加して撹拌することで溶解させた。この溶液をピペットでテフロン(商標)製ペトリ皿に入れかつテフロン(商標)被覆ガラス片の上に正方形になるように置いた。これらのフィルムをスライドウォーマーで40℃に6時間加熱し、室温に一晩放置した後、45℃に8時間加熱した。
モノマー量および開始剤量を以下に示す。
フィルムA:アクリル酸メチル(3.13g、0.036モル)、リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミド(1.76g、0.00403モル)、ジアリルジグリコールカーボネート(0.111g、4.05x10-4モル)、Vazo(商標)52(15mg、6.04x10-5モル)。
フィルムB:アクリル酸メチル(3.17g、0.036モル)、リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミド(1.78g、0.00407モル)、ジアリルジグリコールカーボネート(0.0557g、2.03x10-4モル)、Vazo(商標)52(15mg、6.04x10-5モル)。
フィルムC:アクリル酸メチル(3.18g、0.0365モル)、リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミド(1.78g、0.00407モル)、ジアリルジグリコールカーボネート(0.028g、1.02x10-4モル)、Vazo(商標)52(15mg、6.04x10-5モル)。
フィルムD:アクリル酸メチル(3.20g、0.0368モル)、リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミド(1.76g、0.0041モル)、ジアリルジグリコールカーボネート(0.014g、5.11x10-5モル)、Vazo(商標)52(15mg、6.04x10-5モル)。
【0138】
フィルムを真空下で乾燥させた。TGA(N2、10℃/分):全てのフィル
ムで分解が150℃で始まる。DSC(N2、−100から100℃、10℃/
分):Tmは検出されなかった。
【0139】
実施例44
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸(ar−ビニルベンジル)トリメチルアンモニウムの合成
10mLの脱イオン水に2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウム(3.06g、0.01モル)を溶解させた。これに、2.12g(0.01モル)の(ar−ビニルベンジル)トリメチルアンモニウムクロライド(Aldrich、メタ異性体とパラ異性体の混合物)が10mLの脱イオン水に入っている溶液を加えた。即座に油状のゴム状物が沈澱したが、これはさらなる撹拌で結晶性固体に変わった。この固体を集め、20mLの水で洗浄した後、真空下40℃で乾燥させることで、表題の塩を4.52g(95%)得、これはTHF、DMFおよびメタノールに可溶であった。1H NMR(δ,CD3OD)3.08(s,9H),4.50(s,2H),5,25(d,1H),5.35(d,1H),5.5(d,1H),5.88(d,1H),6.60−6.80(2dd,2H),7.23(d,2H),7.55(m,6H);19F NMR(δ,CD3OD)−81.07(2F),−116.66(2F)。C22H25F4NO4Sに関して計算した計算値:C,55.57;H,5.30;N,2.95;S,6.74;F,15.98。測定値:C,54.27;H,5.09;N,2.83;S,7.19;F,15.79。
【0140】
実施例45
(ar−ビニルベンジル)トリメチルアンモニウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドの合成
20mLの脱イオン水にリチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミド(8.75g、0.02モル)を溶解させた後、氷水浴内で冷却した。これに、4.24g(0.02モル)の(ar−ビニルベンジル)トリメチルアンモニウムクロライド(Aldrich、メタ異性体とパラ異性体の混合物)が20mLの脱イオン水に入っている溶液を加えた。即座に透明なゴム状物が沈澱した。水溶液をデカンテーションで除去した後、前記ゴム状物を水で洗浄した。乾燥を真空下30℃で行った時、過激な発泡を伴った。この生成物を50mLのメタノールに溶解させ、濾過して300mLの丸底フラスコに入れた後、ロータリーエバポレーターで濃縮することで透明なシロップを得、これを0.05mm下30℃で16時間乾燥させた。この生成物の重量は11.5g(95%)であった。1H NMR(δ,CD3OD)3.1(s,9H),4.47(s,2H),5.25(d,1H),5.35(d,1H),5.76(d,1H),5.87(d,1H),6.68−6.81(2dd,2H),7.20および7.50(AB 四重線,4H),7.42−7.50(m,4H);19F NMR(δ,CD3OD)−78.9(3F),−79.77(2F),−115.27(2F)。
【0141】
実施例46
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムと2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸(ar−ビニルベンジル)トリメチルアンモニウムとメタアクリル酸メチルの共重合
ポリマー管に2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムを3.06g(0.01モル)、実施例44で得た生成物を2.38g(0.005モル)およびDMFを20mL仕込んだ。この溶液をポンプ真空下に痕跡量のメタノールが前記塩から取り除かれるように溶媒が約1mL蒸発するまで置いた。メタアクリル酸メチル(8.5g、0.085モル)およびVazo(商標)52を0.05g加えた後、その溶液に凍結と真空排気と解凍のサイクルを3回受けさせた。次に、これを50℃のオイルバス内で24時間加熱した。この溶液を冷却し、80mLのDMFで希釈した後、水の中に注ぎ込んだ。それによってゲルが生じ、これの濾過を行うのは不可能であった。溶媒を最大ポンプ真空下49℃で除去することで残渣を16.5g得た。この材料を2X100mLの水で洗浄(各場合とも数時間撹拌)した。この水不溶材料を高真空下48℃で乾燥させることで重合体を9.92g得た。この材料はメタノール、アセトン、DMFおよびDMSOに可溶であり、DMFを用いて脆い透明なフィルムを流し込み成形することができた。この重合体がDMF中で示す13C NMRスペクトルの17ppmの所のピーク(MMAのメチル)、118.4+122.3ppmの所のピーク(CF2)および68.8ppmの所のピーク(CH2N)の積分値から計算して、これはMMA単位を81モル%、OCF2CF2SO3−単位を14モル%およびCH2NMe3単位を5モル%含有していた。測定値:C,52.98;H,6.26;F,7.56;Li,0.45;S,3.66。
【0142】
実施例47
リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドと(ar−ビニルベンジル)トリメチルアンモニウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドとメタアクリル酸メチルの共重合体
50mLのポリマー管を氷水で冷却しながら、これに2.19g(0.005モル)のリチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドおよび10mLの氷水を仕込んだ。前記塩が溶解した後、1.06g(0.005モル)の(ar−ビニルベンジル)トリメチルアンモニウムクロライドが10mLの氷水に入っている溶液を加えると、結果として即座に粘性のあるゴム状物が沈澱した。水をデカンテーションで除去した後、スパチュラを用いて前記ゴム状物を10mLの氷水と一緒に撹拌した。このゴム状物を真空ポンプで短期間乾燥させた後、20mLのDMFに溶解させた。リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2
−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミド(4.37g、0.01モル)を加えた後、メタアクリル酸メチルを8.5gおよびVazo(商標)52を0.05g加えた。この溶液に凍結/ポンプ/解凍サイクルを4回受けさせることで酸素を除去した後、50℃のオイルバス内で22時間加熱した。追加的にDMFを20mL加えた後、この混合物を温めると透明な溶液が生じた。このDMF溶液を過剰量のエーテルに加えることで重合体を沈澱させた。この沈澱物をブレンダーに入れてエーテルで洗浄した後、0.1mm下100℃で乾燥させることで白色固体を14.86g得た。NMRが前記固体にはまだDMFが含まれていることを示していたことから、それをアセトンに溶解させてエーテルの中に入れることで再び沈澱させた後、乾燥させることで、白色固体を12.45g(78%)得た。1H NMR(δ,アセトン−d6)0.6−3.8(多重線),4.60(bs),7.2−7.5(b)。脂肪族とベンジルと芳香族のピークを積分することで計算して、前記重合体はリチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミド(9.8モル%)と(ar−ビニルベンジル)トリメチルアンモニウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミド(4.6モル%)とMMA(85.5モル%)含有する。19F NMR(δ,アセトン−d6)−78.69(3F),−79.47(2F),−115.30(2F)。測定値:C,48.79;H,5.52;N,2.06;F,12.22,Li,0.40;S6.30。アセトンを用いて透明で堅いフィルムを流し込み成形した。
【0143】
実施例48
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムとHydrin(商標)Tエラストマーの共硬化
2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホン酸リチウムが2.5gとHydrin(商標)Tが5.0gとDMFが50mLの混合物をガラスジャーに入れてローラー上で溶液が均一になるまで混合した。ベンゾイルパーオキサイド(0.3g)を加えた後、混合を2時間継続した。この溶液の一部(15mL)を3個の流し込み成形用鋳型[テフロン(商標)、2 7/16インチ平方]の各々に注ぎ込んだ。前記鋳型を窒素パージ下の真空オーブンに入れて室温に一晩置いた後、若干の窒素パージを伴わせた真空下で70℃に48時間加熱した。その結果として生じたフィルムは前記鋳型から容易に剥がれ、これは若干黄色で高度に柔軟で粘り強くかつ目に見えるほどの相分離を伴わなかった。1枚のフィルムを重量測定して室温のTHFに24時間浸漬した。このフィルムは大きさが数倍になるまで膨潤することを観察したがそれの形状を保持していた。これをTHFから取り出してペーパータオルで軽くたたくことで乾燥させた後、重量を測定した。元々の重量(1.95g)が7.77gにまで上昇した(膨潤%=298)。このフィルムを乾燥させると、それの元々の大きさに戻った。前記THF溶液をロータリーエバポレーターで濃縮することで抽出物(extractables)を0.17g(8.7%)得た。測定値:C,43.46;H,5.64;F,7.05;S,2.69;Li,0.62。このS%分析から、当量重量(equivalent weight)は1190であると計算した。
【0144】
実施例49
リチウムN−(トリフルオロメタンスルホニル)−2−(4−エテニルフェノキシ)テトラフルオロエタンスルホンイミドとHydrin(商標)Tエラストマーの共硬化
前記スルホン酸リチウムの代わりに前記スルホンイミド塩を2.5g用いて実施例48の手順に従った。1枚のフィルムの重量は1.80gであった。このフィルムをTHFに24時間浸漬した後の重量は12.01gであった(膨潤%=567)。THF溶液を濃縮することで0.57g(29%の抽出物)を得た。測定値:C,40.40;H,5.66:F,5.77;Li,0.27;S,3.24。このS%分析値から当量重量は988であると計算した。
【0145】
実施例50
3,5−ジ(CO 2 CH 3 )−Ph−OCF 2 CF 2 SO 3 Liとテレフタル酸ビス(ヒドロキシエチル)の重合
機械的撹拌機と蒸留ヘッドが備わっている500mLの丸底フラスコに3,5−ジ(CO2CH3)−Ph−OCF2CF2SO3Liを28.5g(0.0712モル)およびエチレングリコールを20g仕込んだ。このフラスコを錫/ビスマス合金浴の中に浸漬して200℃に予熱した後、その内容物を均一な溶液が生じるまで撹拌した。この撹拌を止めてテレフタル酸ビス(ヒドロキシエチル)を54.8g(0.216モル)およびチタン(IV)イソプロポキサイドを0.02g加えた。前記装置に真空排気と窒素充填(1気圧にする)を交互に数回受けさせることによるフラッシュ洗浄を受けさせた。撹拌機の速度を50rpmに設定して前記浴の温度を1時間かけて240℃にまで高めると、結果として、緩やかな蒸留が生じた。前記浴の温度を徐々に高くして250℃にしながら前記装置の圧力を3.75時間かけて160ミリトールにまで下げることで留出液を継続して集めた。この時間の間に撹拌のトルクが24から180にまで高くなった。この混合物を室温に冷却した後、固体を82.1gおよび留出液を19.2g単離した。前記固体をγ−ブチロラクトンに溶解させて、その溶液を濾過した後、過剰量のエーテルに加えると、ゴム状物が沈澱した。このゴム状物を0.05mmの圧力下135℃で乾燥させた。これを約1Lのアセトンに溶解させた後、この溶液を500mLに濃縮し、それを小分割して過剰量のエーテルに加えた。
沈澱して来た重合体を0.05mm下室温で乾燥させることで生成物を63.8g得た。固有粘度(1:1 CH2Cl2:CF3COOH)=0.334;Tg(DSC)=84℃
プロトンNMR(アセトン−d6)はδ 8.5および8.0の所にピークを示し、これらは、スルホン酸塩置換芳香族基に由来する1つのプロトンとスルホン酸塩置換基に由来する2つのプロトンに加えてテレフタル酸エステル単位に由来する4つのプロトンに割り当てられる。これらの基の積分値の比率は1:3であると計算し、これは出発材料の比率に優れた一致を示す。フッ素(アセトン−d6)はδ−81.2およびδ−116.7の所に等しい面積のピークを示す。
【0146】
実施例51
テレフタル酸ビス(ヒドロキシエチル)と
【0147】
【化26】
【0148】
実施例9で得たスルホン酸リチウムモノマーを33.0g(0.05モル)、テレフタル酸ビス(ヒドロキシエチル)を20.3g(0.08モル)、エチレングリコールを30.0gおよびチタン(IV)イソプロポキサイドを0.02g用いて実施例50の手順に従った。撹拌機のモーターの最終トルクは150であった。重合体を51.5gおよび留出液を27.5g単離した。重合体をアセトンに溶解させた。この溶液を濾過した後、その濾液を過剰量のエーテルにゆっくり加えた。その結果として生じた繊維質の重合体を集めて乾燥させることでオフホワイトの発泡体を31.8g得た。プロトンNMRは実施例50に記述したそれに類似していたが、適切なピークを積分した結果、テレフタル酸エステル単位とスルホン酸塩置換単位の比率は1.7:1であることが示された。F NMR(δ,アセトン−d6)−78.5から-79.7(m,5F,CF3+CF2),−81.7から−86.7(m,4F,2CF2),−117.2(s,2F,1CF2),−144
.1から−145.1(m,2F,CF+CFH)。
【0149】
実施例52
実施例14で溶液流し込み成形したアイオノマーフィルムを再循環窒素オーブン(Electric Hotpack Company,Inc.,Model 633,Philadelphia,PA)に入れて110℃で48時間乾燥させた。
【0150】
この乾燥させたフィルムをそれがまだ温かい間に密封容器に入れてグローブボックスに移し、これに乾燥窒素で正圧をかけた後、前記密封容器から膜を取り出して室温にした。次に、この膜を大きさが1.0cmx1.5cmの数枚の断片に切断した。
【0151】
この冷却した1.0cmx1.5cmのフィルム試験片の上表面にエチレンカーボネート(EC,98%,Aldrich Chemical Co.,Inc.,Milwaukee,WI)とジメチルカーボネート(DMC,99%,Alfa Aesar,Ward Hill,MA)が1:1(体積)の混合物をピペットで前記フィルムサンプルの重量の133%に相当する量で置いた。30分後にイオン伝導率を測定した。
【0152】
前記溶媒で処理したフィルムを吸い取り紙で拭いて乾燥させた後、伝導率セルの中に位置させた。10Hzから100,000Hzの範囲に渡ってセルのインピーダンスを測定し、そして高周波数範囲(通常は500−5000Hz)において位相角がゼロの時の値がサンプル本体の抵抗値(オームで表す)であるとした。次に、セル定数および液体膨潤フィルム厚を用いて、その生抵抗値を伝導率(S/cmで表す)に変換した。23℃で測定したイオン伝導率は1.03x10-4S/cmであった。
【0153】
実施例53
グローブボックスの中に本明細書の実施例3の乾燥させたリチウム塩を数グラム入れて、前記グローブボックスに乾燥窒素で正圧をかけた。前記塩を実施例52のEC/DMC混合物と一緒にして0.5Mの溶液を生じさせた。この溶液を23℃で測定した時の液体伝導率は1.72x10-3S/cmであった。
【0154】
実施例54
グローブボックスの中に本明細書の実施例7の乾燥させたリチウム塩を数グラム入れて、前記グローブボックスに乾燥窒素で正圧をかけた。前記塩を実施例52のEC/DMC混合物と一緒にして1.0Mの溶液を生じさせた。この溶液を50%希釈して0.5Mの溶液を生じさせ、この溶液を23℃で測定した時の液体伝導率は4.30x10-3S/cmであった。
【0155】
実施例55
実施例16のアイオノマーフィルムを再循環窒素オーブン(Electric Hotpack Company,Inc.,Model 633,Philadelphia,PA)に入れて100℃で48時間乾燥させた。
【0156】
冷却した1.0cmx1.5cmの膜サンプルを脱イオン水に数時間浸漬した。この試験片に試験をグローブボックスの外側で受けさせる以外は実施例52と同様にしてイオン伝導率を23℃で測定して1.588x10-3S/cmであることを確認した。
【0157】
実施例56
実施例49のアイオノマーフィルム(E93722−105−5A)を再循環窒素オーブン(Electric Hotpack Company,Inc.,Model 633,Philadelphia,PA)に入れて真空下75℃で48時間乾燥させた後
、窒素パージ洗浄しておいた真空雰囲気(Vacuum Atmospheres)のドライボックスに移した。
【0158】
冷却した1.0cmx1.5cmの膜サンプルを過剰量のプロピレンカーボネート(Selectipur、EM Industries)に5分間浸漬した。この時間が経過した後、前記膜サンプルの表面をペーパータオルで拭いて乾燥させた後、それの重量上昇とイオン伝導率を測定した。プロピレンカーボネートによる重量上昇は乾燥サンプルの554重量%に等しかった。この溶媒で膨潤させたフィルムは自立型で取り扱いが容易であった。イオン伝導率を実施例52と同様にして23℃で測定して2.59x10-4S/cmであることを確認した。
【0159】
実施例57
実施例30のアイオノマーフィルム(E92207−78)をそこに記述されている如く得た後、窒素パージ洗浄しておいた真空雰囲気のドライボックスに直接移した。
【0160】
冷却した1.0cmx1.5cmの膜サンプルを過剰量のプロピレンカーボネート(Selectipur、EM Industries)に10分間浸漬した。この時間が経過した後、前記膜サンプルの表面をペーパータオルで拭いて乾燥させた後、それの重量上昇とイオン伝導率を測定した。プロピレンカーボネートによる重量上昇は乾燥サンプルの366重量%に等しかった。この溶媒で膨潤させたフィルムは自立型で取り扱いが容易であった。イオン伝導率を実施例52と同様にして23℃で測定して4.12x10-4S/cmであることを確認した。
【0161】
実施例58および59
65gのMCMB 25−28グラファイト[大阪瓦斯株式会社(Osaka Gas Co.,Ltd)、大阪]、10gのKynar Flex(商標)2801ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(Elf Atochem、フィラデルフィア、PA)、3.5gのSuper Pカーボンブラック(MMM S.A.Carbon、ブリュッセル、ベルギー)、21.5gのフタル酸ジブチル可塑剤および150gのアセトン(流し込み成形用溶媒として)を混合することでスラリーを生じさせた。次に、ゲート(gate)高が約0.500mmのドクターブレードを用いて前記スラリーを流し込み成形して厚みが0.111−0.126mmのグラファイト電極フィルムを生じさせた。
【0162】
前記電極フィルムの片を厚みが約0.127mmの真鍮箔の間に位置させることで層状構造物を生じさせた[前記電極に余分な圧力がかからないようにする目的で厚みが0.095mmのシム(shims)を用いてこれを前記箔の間に位置させて]。前記電極フィルムをより良好に統合させる目的で、前記層状構造物を、115℃の温度および20psigの圧力に設定したWestern Magnum XRL 120 Laminatorに通した。前記電極を統合させた後、それを前記真鍮箔の間から取り出して厚みを測定した結果、0.108mmであった。
【0163】
次に、ジエチルエーテルを用いて、前記統合させた電極フィルムからフタル酸ジブチルを抽出した後、この抽出を受けさせた電極フィルムから直径が約15.9mmの円形片を2枚切り取り、この円形片をアンテチャンバ(antechamber)内で乾燥させた後、アルゴン雰囲気下のグローブボックスの中に入れた。
【0164】
アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、容積が10mlのフラスコにエチレンカーボネートとジメチルカーボネートが1:1(重量)の混合物を入れると共に実施例3の様式で生じさせたC2H3C6H4OCF2CF2SO3Liを0.725g入れ、EC/DMC
[1:1(重量)]を加えた後、このようにして生じさせた混合物を室温で約20分間撹拌することで電解液を生じさせたが、ここでは、この撹拌時間を10分にした。この電解液の伝導率を本明細書の上に記述した方法を用いて室温で測定した結果、1.131mS/cmであった。
【0165】
グローブボックス内で、前記乾燥させたグラファイト電極フィルムの直径が15.9mmの試験片2枚および厚みが24ミクロメートルで直径が15.9mmのCelgard(商標)3501微孔性ポリプロピレン片2枚を各々個別の小びんに入れた前記電解液に密封した状態で20分間浸漬した。
【0166】
各場合とも、前記浸漬したグラファイト電極を正電極として用い、前記浸漬したCelgard(商標)フィルムをセパレーターとして用いかつ厚みが0.333mmで15.9mmの直径を有する円形のLi金属箔を負電極として用いてサイズが2325の電気化学コインセル(coin cells)を2つ生じさせた。
【0167】
各コインセルを密封しそして0.5mAの一定電流を用いて電圧が0.01Vになるまで放電させ、この時点で、電圧を、電流が0.05mA未満にまで降下するまで一定に保持した。次に、各セルを0.5mAの一定電流で1.1Vになるまで充電した後、電圧を、充電電流が0.05mA未満に降下するまで1.1Vに一定に保持した。
【0168】
前記2つのコインセルが充電および放電時に示した正電極容量(positive electrode capacities)を表1に示す。
【0169】
表1:正電極容量
実施例58 実施例59
正電極の重量(g) 0.0290 0.0289
電解液の重量(g) 0.0406 0.0582
放電(グラファイト1g当たりのmAh) 306 238
充電(グラファイト1g当たりのmAh) 272 204
実施例60および61
ここに示す以外は実施例58および59の手順を繰り返した。電極フィルム試験片およびセパレーターの直径を12.7mmにし、正電極フィルムの厚みを0.095mmにした。C2H3C6H4OCF2CF2SO3Liを0.660g用いる以外は実施例58および59と同様にして電解液を生じさせた。本明細書の上に記述した方法を用いて前記電解液の伝導率をアルゴン下室温で測定した結果、1.249mS/cmであった。
【0170】
2つのコインセルが充電および放電時に示した正電極容量を表2に示す。
【0171】
表2:正電極容量
実施例60 実施例61
正電極の重量(g) 0.0167 0.0166
電解液の重量(g) 0.0341 0.0331
放電(グラファイト1g当たりのmAh) 306 331
充電(グラファイト1g当たりのmAh) 273 294
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