JP2004018449A - スルホン酸基含有芳香族化合物及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池、食塩電解、イオン交換膜などに用いられる各種機能性高分子化合物の原料として有用な新規なスルホン酸基含有芳香族化合物及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】一般式（Ｉ）で表されるスルホン酸基含有芳香族化合物。
（式中、Ｒ１はエーテル結合を有していてもよいアルキレン基を表し、Ａは水酸基またはハロゲン原子を表し、Ｂは単結合、アルキレン基、カルボニル基、酸素原子、硫黄原子、スルホン基から選ばれる基を表し、Ｍは水素原子またはアルカリ金属を表し、ｎは１ないし２の整数を表し、Ｒ１−ＳＯ３Ｍで表わされる基の二つの芳香環における置換位置、置換数は同一でも異なっていてもよい。）
【選択図】 なし
【解決手段】一般式（Ｉ）で表されるスルホン酸基含有芳香族化合物。
（式中、Ｒ１はエーテル結合を有していてもよいアルキレン基を表し、Ａは水酸基またはハロゲン原子を表し、Ｂは単結合、アルキレン基、カルボニル基、酸素原子、硫黄原子、スルホン基から選ばれる基を表し、Ｍは水素原子またはアルカリ金属を表し、ｎは１ないし２の整数を表し、Ｒ１−ＳＯ３Ｍで表わされる基の二つの芳香環における置換位置、置換数は同一でも異なっていてもよい。）
【選択図】 なし
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池、食塩電解、イオン交換膜などに用いられる各種機能性高分子の原料として有用なスルホン酸基を有する芳香族炭化水素化合物に関する。特に、耐酸化性に優れた耐熱性高分子の原料として有用なスルホン酸基含有芳香族化合物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池、イオン交換や食塩電解等に用いられる固体高分子電解質膜の材料として、高いプロトン伝導性を有するパーフルオロスルホン酸樹脂が使用されている。パーフルオロスルホン酸樹脂は安定なＣ−Ｆ結合を有しているため、樹脂の熱的及び化学的安定性が高く、燃料電池、イオン交換や食塩電解といった耐熱性、耐腐食性が要求される電解質膜用途へ使用されている。
【０００３】
代表的な固体高分子電解質膜として、ナフィオン（デュポン社）、アシプレックス（旭化成工業株式会社）、フレミオン（旭硝子株式会社）などのパーフルオロスルホン酸樹脂がよく知られている。
【０００４】
しかし、フッ素系樹脂は製造が困難であり、非常に高価であるという欠点がある。このため、自動車や携帯電子機器など、低公害型動力源としての固体高分子型燃料電池の応用が困難であった。
【０００５】
また、安価な固体高分子電解質膜として、スルホン化ポリエーテルエーテルケトンやスルホン化ポリエーテルスルホン等の芳香族炭化水素系電解質膜が提案されている。
【０００６】
しかし、これらは芳香環に直接スルホン酸基が導入されているため、高温下ではスルホン酸基が脱離してプロトン伝導性が低下するという問題があり、高温下でもスルホン酸基の脱離が起こらず、フッ素系電解質膜と同等のプロトン伝導度を有する芳香族炭化水素系樹脂及び該樹脂の原料モノマーの創出が求められていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、燃料電池、イオン交換や食塩電解用の固体電解質膜などの機能性高分子の原料として有用な新規なスルホン酸基含有芳香族化合物及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記のような課題を解決するため鋭意検討を行った結果、スルホン酸基の代わりにスルホアルキル基を芳香環に導入することにより、芳香環からのスルホン酸基の脱離を抑制できる新規スルホン酸基含有芳香族化合物を見出し本発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明は、一般式（Ｉ）で表されることを特徴とするスルホン酸基含有芳香族化合物である。
【００１０】
【化５】
【００１１】
（式中、Ｒ１はエーテル結合を有していてもよいアルキレン基を表し、Ａは水酸基またはハロゲン原子を表し、Ｂは単結合、アルキレン基、カルボニル基、酸素原子、硫黄原子、スルホン基から選ばれる基を表し、Ｍは水素原子またはアルカリ金属を表し、ｎは１ないし２の整数を表し、Ｒ１−ＳＯ３Ｍで表わされる基の二つの芳香環における置換位置、置換数は同一でも異なっていてもよい。）
【００１２】
また、本発明は、一般式（ＩＩＩ）で表される芳香族炭化水素化合物と一般式（ＩＶ）で表されるアルデヒド類とアルカリ金属亜硫酸塩を、塩基触媒の存在下、反応させることを特徴とする前記一般式（Ｉ）で表されるスルホン酸基含有芳香族化合物の製造方法である。
【００１３】
【化６】
【００１４】
（式中、Ａは水酸基またはハロゲン原子を表し、Ｂは単結合、アルキレン基、カルボニル基、酸素原子、硫黄原子、スルホン基から選ばれる基を表す。）
【００１５】
【化７】
【００１６】
（式中、Ｒ２は水素原子またはアルキル基を表す。）
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のスルホン酸基含有芳香族化合物及びその製造方法について具体的に説明する。
［スルホン酸基含有芳香族化合物］
本発明のスルホン酸基含有芳香族化合物は、下記一般式（Ｉ）で表されることを特徴とする。
【００１８】
【化８】
【００１９】
（式中、Ｒ１はエーテル結合を有していてもよいアルキレン基を表し、Ａは水酸基またはハロゲン原子を表し、Ｂは単結合、アルキレン基、カルボニル基、酸素原子、硫黄原子、スルホン基から選ばれる基を表し、Ｍは水素原子またはアルカリ金属を表し、ｎは１ないし２の整数を表し、Ｒ１−ＳＯ３Ｍで表わされる基の二つの芳香環における置換位置、置換数は同一でも異なっていてもよい。）
【００２０】
Ｒ１のエーテル結合を有していてもよいアルキレン基としては、直鎖又は分岐状のものが挙げられ、炭素数１〜１２のアルキレン基または炭素数２〜１２のオキシアルキレン基であり、その代表例としては、
−ＣＨ２−、−（ＣＨ２）２−、−（ＣＨ２）３−、−（ＣＨ２）４−、
−（ＣＨ２）５−、−ＣＨ（ＣＨ３）−、−（ＣＨ２）２Ｏ−、−（ＣＨ２）３Ｏ−、− ＣＨ２ＣＨ（ＣＨ３）Ｏ−、− ＣＨ（ＣＨ３）ＣＨ２Ｏ−、
−ＣＨ２ＣＨ２ＯＣＨ２ＣＨ２Ｏ−、−（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）２ＣＨ２ＣＨ２Ｏ−、
−（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）３ＣＨ２ＣＨ２Ｏ−、
−ＣＨ２ＣＨ（ＣＨ３）ＯＣＨ２ＣＨ（ＣＨ３）Ｏ−、
−（ＣＨ２ＣＨ（ＣＨ３）Ｏ）２ＣＨ２ＣＨ（ＣＨ３）Ｏ−、
−（ＣＨ２ＣＨ（ＣＨ３）Ｏ）３ＣＨ２ＣＨ（ＣＨ３）Ｏ−が挙げられる。
【００２１】
オキシアルキレン基の場合は、オキシアルキレン基中の炭素原子が芳香環と結合し、酸素原子がスルホン酸基の硫黄原子と結合する。
Ｒ１としては、−ＣＨ２−が好ましい。
Ａは水酸基またはハロゲン原子を表し、この中では水酸基が好ましい。
【００２２】
Ｂは単結合、アルキレン基、カルボニル基、酸素原子、硫黄原子、スルホン基から選ばれる基を表す。
【００２３】
Ｂのアルキレン基としては、炭素数１〜１２のアルキレン基が挙げられ、その代表例としては、−ＣＨ２−、−ＣＨ（ＣＨ３）−、−ＣＨ（ＣＨ２ＣＨ３）−、
−ＣＨ（ＣＨ（ＣＨ３）２）−、−ＣＨ（（ＣＨ２）２ＣＨ３）−、
−ＣＨ（（ＣＨ２）３ＣＨ３）−、−ＣＨ（（ＣＨ２）４ＣＨ３）−、
−ＣＨ（（ＣＨ２）５ＣＨ３）−、−ＣＨ（（ＣＨ２）６ＣＨ３）−、
−ＣＨ（（ＣＨ２）７ＣＨ３）−、−ＣＨ（（ＣＨ２）８ＣＨ３）−、
−Ｃ（ＣＨ３）２−、−Ｃ（ＣＨ２ＣＨ３）２−、−Ｃ（ＣＦ３）２−、
−Ｃ（ＣＨ３）（ＣＨ２ＣＨ３）−、−Ｃ（ＣＨ３）（（ＣＨ２）２ＣＨ３）−、
−Ｃ（ＣＨ３）（ＣＨ（ＣＨ３）２）−、−Ｃ（ＣＨ３）（（ＣＨ２）３ＣＨ３）−、
−Ｃ（ＣＨ３）（（ＣＨ２）４ＣＨ３）−、−Ｃ（ＣＨ３）（（ＣＨ２）５ＣＨ３）−、
−Ｃ（ＣＨ３）（（ＣＨ２）６ＣＨ３）−、−Ｃ（ＣＨ３）（（ＣＨ２）７ＣＨ３）−、
−Ｃ（ＣＨ３）（（ＣＨ２）８ＣＨ３）−、などが挙げられる。
この中では、単結合、−Ｃ（ＣＨ３）２−が好ましい。
【００２４】
Ｍは水素原子またはアルカリ金属を表す。アルカリ金属の中では、特にナトリウムが好ましい。また、Ｍとしては、アルカリ土類金属であってもよく、この場合のアルカリ土類金属としては、マグネシウム、カルシウム等が挙げられる。Ｍがアルカリ土類金属である場合には、アルカリ土類金属とスルホン酸基のモル比は、１対２であるスルホン酸基含有芳香族化合物が好ましい。
【００２５】
本発明における一般式（Ｉ）で示されるスルホン酸基含有芳香族化合物の具体例として、下記の化合物（ａ）〜（ｇ）を挙げることができる。
【００２６】
【化９】
【００２７】
［スルホン酸基含有芳香族化合物の製造方法］
本発明のスルホン酸基含有芳香族化合物は、以下に述べる方法によって製造することができる。
一般式（ＩＩＩ）で表される芳香族炭化水素化合物と一般式（ＩＶ）で表されるアルデヒド及びアルカリ金属亜硫酸塩を塩基触媒の存在下に反応させて、目的のスルホン酸基含有芳香族化合物を製造する。その反応式は、以下のとおりである。
【００２８】
【化１０】
【００２９】
一般式（ＩＩＩ）で表される芳香族炭化水素化合物の代表例としては、例えば、４，４’−ビフェノール、２，２−ビス（４−ヒドロキシフェニル）プロパン、４，４’−ジヒドロキシベンゾフェノン、４，４’−メチレンビスフェノール、４，４’−オキシビスフェノール、４，４’−スルホニルジフェノールなどが挙げられる。
これらの中では、４，４’−ビフェノール、２，２−ビス（４−ヒドロキシフェニル）プロパンが好ましい。
【００３０】
一般式（ＩＶ）で表されるアルデヒドの代表例としては、例えば、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、プロピオンアルデヒドなどが挙げられる。これらの中では、ホルムアルデヒドが好ましい。
【００３１】
アルカリ金属亜硫酸塩としては例えば、亜硫酸リチウム、亜硫酸ナトリウム、亜硫酸カリウム、亜硫酸ルビジウム、亜硫酸セシウム等があげられ、これらの中では、亜硫酸ナトリウムが好ましい。アルカリ金属亜硫酸塩は無水物であってもよいし、水和物であってもよい。
【００３２】
本発明の方法において、一般式（ＩＩＩ）で表される芳香族炭化水素化合物、一般式（ＩＶ）で表されるアルデヒド、アルカリ金属亜硫酸塩の使用量の割合は、一般式（ＩＩＩ）で表される芳香族炭化水素化合物を１として、それぞれ１：４：４ないし１：１２：１２のモル比の範囲になるよう設定される。
【００３３】
ここで、アルデヒド（ＩＶ）及びアルカリ金属亜硫酸塩の使用量は、芳香族炭化水素化合物（ＩＩＩ）に対して、前記範囲内になるように、それぞれ独立に設定することができる。
【００３４】
反応温度は０〜２００℃、好ましくは９０〜１２０℃であり、反応圧力は常圧〜１０気圧、好ましくは常圧である。
反応時間は、３ 〜３０時間、好ましくは８〜２０時間である。
【００３５】
反応溶媒としては、反応基質や反応試剤、または生成物と反応しない溶媒であれば特に制限は無いが、水、ハロゲン化炭化水素系、芳香族炭化水素系、エーテル系、ニトリル系、ケトン系、エステル系などの溶媒から、原料の溶解度や反応条件に応じて適宜選択して用いることができ、例えば、水、ジクロロメタン、クロロホルム、１，２−ジクロロエタン、ベンゼン、トルエン、キシレン、酢酸エチル、ジエチルエーテル、ジブチルエーテル、テトラヒドロフラン、１，４−ジオキサン、アセトン、ジメチルホルムアミド、アセトニトリルなどを例示することができる。これらの溶媒は単独または２種以上を混合して用いられる。
この中では、水が好ましい。
【００３６】
溶媒の使用量は特に制限はないが、容積効率の観点から芳香族炭化水素化合物に対し、５０質量倍以下が好ましい。
【００３７】
本反応に用いる塩基触媒としては、反応を阻害しないものならば特に限定はないが、リチウム、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属の水酸化物、水素化物、炭酸塩、炭酸水素塩；マグネシウム、カルシウム等のアルカリ土類金属の水酸化物、水素化物、炭酸塩、炭酸水素塩；リチウム、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウム等のアルカリ金属またはアルカリ土類金属そのもの；ナトリウムメチラート、ナトリウムエチラート、ｔ−ブトキシカリウム等のアルカリ金属アルコキシラート；酢酸ナトリウム、リン酸一水素ナトリウム、リン酸一水素カリウム等のアルカリ金属弱酸塩；ピリジン、４−ジメチルアミノピリジン、トリエチルアミン等の有機塩基；アンバーリスト−２１（登録商標）、アンバーリスト−９３（登録商標）等の弱塩基性イオン交換樹脂等が挙げられる。
【００３８】
これらの塩基は単独で用いても２種類以上を混合して用いても良い。これらの中では炭酸ナトリウムが特に好ましい。
塩基触媒の使用量は、芳香族炭化水素化合物に対して、通常０．１〜２０モル倍であり、好ましくは０．３〜１．０モル倍の範囲である。
【００３９】
また、塩基触媒がイオン交換樹脂である場合の使用量は、芳香族炭化水素化合物に対して、通常０．０１〜２０質量倍であり、好ましくは０．０３〜１．０質量倍の範囲である。
【００４０】
本発明のスルホン酸基含有芳香族化合物は、スルホン酸基と芳香環の間に連結基を有しているので、高温下でのスルホン酸基の脱離が抑えられ、高耐熱性、高プロトン伝導性電解質膜として有用な芳香族系高分子化合物の原料として用いることができる。
特に、燃料電池、イオン交換や食塩電解用の固体高分子電解質膜として有用である。
【００４１】
【実施例】
以下に、実施例を挙げ、本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの記載によって何ら限定されるものではない。
【００４２】
（分析方法）
プロトン−ＮＭＲスペクトルは、核磁気共鳴装置ＧＳＸ２７０（日本電子（株）製）を用いて、溶媒Ｄ２Ｏ、分解能２７０ＭＨｚの条件で測定した。
【００４３】
質量分析は質量測定装置ＳＸ−１０２Ａ（日本電子（株）製）を用いて、ＦＡＢ−ＭＳ（ｎｅｇａ．）測定した。
【００４４】
（実施例１）３，３’，５，５’−テトラキス（スルホメチル）‐４，４’−ヒ゛フェノールのナトリウム塩の合成
シ゛ムロート冷却管、１００ｍｌ滴下ロートを備えた５００ｍｌ３つ口フラスコに４，４’−ヒ゛フェノール（１０ｇ、０．０５モル）、亜硫酸ナトリウム（３２．０ｇ、０．２５モル）、炭酸ナトリウム（３．２ｇ、０．０３モル）、水２００ｍｌを加え、３７％ホルムアルテ゛ヒト゛水溶液（１１．２ｇ、３２．３ｍｌ、０．４モル）を加熱還流下、１５分で滴下した。その後、加熱還流下１８時間反応を行った。室温まで冷却後、１０％塩酸を溶液がｐＨ７になるまで加えた。析出した固体をろ別し、固体を水、エタノールを用いて洗浄した。３，３’，５，５’−テトラキス（スルホメチル）‐４，４’−ヒ゛フェノールのナトリウム塩を２６．０ｇ（収率７４．４％）で得た。
分析結果：
１Ｈ−ＮＭＲ（Ｄ２Ｏ）：δ（ｐｐｍ）７．５３（ｓ、１Ｈ）、４．２９（ｓ、２Ｈ）
ＦＡＢ−ＭＳ（ｎｅｇａ．） ｍ／ｚ：６４９
【００４５】
（実施例２）２，２−ヒ゛ス（３，５−ヒ゛ス（スルホメチル）‐４−ヒト゛ロキシフェニル）フ゜ロハ゜ンのナトリウム塩の合成シ゛ムロート冷却管、１００ｍｌ滴下ロートを備えた５００ｍｌ３つ口フラスコに２，２−ヒ゛ス（４−ヒト゛ロキシフェニル）フ゜ロハ゜ン（１０ｇ、０．０４モル）、亜硫酸ナトリウム（４８．３ｇ、０．３５モル）、炭酸ナトリウム（２．８ｇ、０．０３モル）、水２００ｍｌを加え、３７％ホルムアルテ゛ヒト゛水溶液（１０．５ｇ、２８．４ｍｌ、０．３５モル）を加熱還流下、１５分で滴下した。その後、加熱還流下１２時間反応を行った。室温まで冷却後、１０％塩酸を溶液がｐＨ７になるまで加えた。析出した固体をろ別し、固体を水、エタノールを用いて洗浄した。２，２−ヒ゛ス（３，５−ヒ゛ス（スルホメチル）‐４−ヒト゛ロキシフェニル）フ゜ロハ゜ンのナトリウム塩を１５．１ｇ（収率５４．６％）で得た。
分析結果：
１Ｈ−ＮＭＲ（Ｄ２Ｏ）：δ（ｐｐｍ）７．１０（ｓ、２Ｈ）、４．０９（ｓ、４Ｈ）、１．５２（ｓ、３Ｈ）
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、固体電解質膜等の原料として有用な新規な構造のスルホン酸基含有芳香族化合物及びその製造方法を提供することができる。この化合物は芳香族炭化水素化合物と極性基であるスルホン酸基の間に連結基を有し、用途や性能によって種々選択することができる。
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池、食塩電解、イオン交換膜などに用いられる各種機能性高分子の原料として有用なスルホン酸基を有する芳香族炭化水素化合物に関する。特に、耐酸化性に優れた耐熱性高分子の原料として有用なスルホン酸基含有芳香族化合物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池、イオン交換や食塩電解等に用いられる固体高分子電解質膜の材料として、高いプロトン伝導性を有するパーフルオロスルホン酸樹脂が使用されている。パーフルオロスルホン酸樹脂は安定なＣ−Ｆ結合を有しているため、樹脂の熱的及び化学的安定性が高く、燃料電池、イオン交換や食塩電解といった耐熱性、耐腐食性が要求される電解質膜用途へ使用されている。
【０００３】
代表的な固体高分子電解質膜として、ナフィオン（デュポン社）、アシプレックス（旭化成工業株式会社）、フレミオン（旭硝子株式会社）などのパーフルオロスルホン酸樹脂がよく知られている。
【０００４】
しかし、フッ素系樹脂は製造が困難であり、非常に高価であるという欠点がある。このため、自動車や携帯電子機器など、低公害型動力源としての固体高分子型燃料電池の応用が困難であった。
【０００５】
また、安価な固体高分子電解質膜として、スルホン化ポリエーテルエーテルケトンやスルホン化ポリエーテルスルホン等の芳香族炭化水素系電解質膜が提案されている。
【０００６】
しかし、これらは芳香環に直接スルホン酸基が導入されているため、高温下ではスルホン酸基が脱離してプロトン伝導性が低下するという問題があり、高温下でもスルホン酸基の脱離が起こらず、フッ素系電解質膜と同等のプロトン伝導度を有する芳香族炭化水素系樹脂及び該樹脂の原料モノマーの創出が求められていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、燃料電池、イオン交換や食塩電解用の固体電解質膜などの機能性高分子の原料として有用な新規なスルホン酸基含有芳香族化合物及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記のような課題を解決するため鋭意検討を行った結果、スルホン酸基の代わりにスルホアルキル基を芳香環に導入することにより、芳香環からのスルホン酸基の脱離を抑制できる新規スルホン酸基含有芳香族化合物を見出し本発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明は、一般式（Ｉ）で表されることを特徴とするスルホン酸基含有芳香族化合物である。
【００１０】
【化５】
（式中、Ｒ１はエーテル結合を有していてもよいアルキレン基を表し、Ａは水酸基またはハロゲン原子を表し、Ｂは単結合、アルキレン基、カルボニル基、酸素原子、硫黄原子、スルホン基から選ばれる基を表し、Ｍは水素原子またはアルカリ金属を表し、ｎは１ないし２の整数を表し、Ｒ１−ＳＯ３Ｍで表わされる基の二つの芳香環における置換位置、置換数は同一でも異なっていてもよい。）
【００１２】
また、本発明は、一般式（ＩＩＩ）で表される芳香族炭化水素化合物と一般式（ＩＶ）で表されるアルデヒド類とアルカリ金属亜硫酸塩を、塩基触媒の存在下、反応させることを特徴とする前記一般式（Ｉ）で表されるスルホン酸基含有芳香族化合物の製造方法である。
【００１３】
【化６】
（式中、Ａは水酸基またはハロゲン原子を表し、Ｂは単結合、アルキレン基、カルボニル基、酸素原子、硫黄原子、スルホン基から選ばれる基を表す。）
【００１５】
【化７】
（式中、Ｒ２は水素原子またはアルキル基を表す。）
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のスルホン酸基含有芳香族化合物及びその製造方法について具体的に説明する。
［スルホン酸基含有芳香族化合物］
本発明のスルホン酸基含有芳香族化合物は、下記一般式（Ｉ）で表されることを特徴とする。
【００１８】
【化８】
（式中、Ｒ１はエーテル結合を有していてもよいアルキレン基を表し、Ａは水酸基またはハロゲン原子を表し、Ｂは単結合、アルキレン基、カルボニル基、酸素原子、硫黄原子、スルホン基から選ばれる基を表し、Ｍは水素原子またはアルカリ金属を表し、ｎは１ないし２の整数を表し、Ｒ１−ＳＯ３Ｍで表わされる基の二つの芳香環における置換位置、置換数は同一でも異なっていてもよい。）
【００２０】
Ｒ１のエーテル結合を有していてもよいアルキレン基としては、直鎖又は分岐状のものが挙げられ、炭素数１〜１２のアルキレン基または炭素数２〜１２のオキシアルキレン基であり、その代表例としては、
−ＣＨ２−、−（ＣＨ２）２−、−（ＣＨ２）３−、−（ＣＨ２）４−、
−（ＣＨ２）５−、−ＣＨ（ＣＨ３）−、−（ＣＨ２）２Ｏ−、−（ＣＨ２）３Ｏ−、− ＣＨ２ＣＨ（ＣＨ３）Ｏ−、− ＣＨ（ＣＨ３）ＣＨ２Ｏ−、
−ＣＨ２ＣＨ２ＯＣＨ２ＣＨ２Ｏ−、−（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）２ＣＨ２ＣＨ２Ｏ−、
−（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）３ＣＨ２ＣＨ２Ｏ−、
−ＣＨ２ＣＨ（ＣＨ３）ＯＣＨ２ＣＨ（ＣＨ３）Ｏ−、
−（ＣＨ２ＣＨ（ＣＨ３）Ｏ）２ＣＨ２ＣＨ（ＣＨ３）Ｏ−、
−（ＣＨ２ＣＨ（ＣＨ３）Ｏ）３ＣＨ２ＣＨ（ＣＨ３）Ｏ−が挙げられる。
【００２１】
オキシアルキレン基の場合は、オキシアルキレン基中の炭素原子が芳香環と結合し、酸素原子がスルホン酸基の硫黄原子と結合する。
Ｒ１としては、−ＣＨ２−が好ましい。
Ａは水酸基またはハロゲン原子を表し、この中では水酸基が好ましい。
【００２２】
Ｂは単結合、アルキレン基、カルボニル基、酸素原子、硫黄原子、スルホン基から選ばれる基を表す。
【００２３】
Ｂのアルキレン基としては、炭素数１〜１２のアルキレン基が挙げられ、その代表例としては、−ＣＨ２−、−ＣＨ（ＣＨ３）−、−ＣＨ（ＣＨ２ＣＨ３）−、
−ＣＨ（ＣＨ（ＣＨ３）２）−、−ＣＨ（（ＣＨ２）２ＣＨ３）−、
−ＣＨ（（ＣＨ２）３ＣＨ３）−、−ＣＨ（（ＣＨ２）４ＣＨ３）−、
−ＣＨ（（ＣＨ２）５ＣＨ３）−、−ＣＨ（（ＣＨ２）６ＣＨ３）−、
−ＣＨ（（ＣＨ２）７ＣＨ３）−、−ＣＨ（（ＣＨ２）８ＣＨ３）−、
−Ｃ（ＣＨ３）２−、−Ｃ（ＣＨ２ＣＨ３）２−、−Ｃ（ＣＦ３）２−、
−Ｃ（ＣＨ３）（ＣＨ２ＣＨ３）−、−Ｃ（ＣＨ３）（（ＣＨ２）２ＣＨ３）−、
−Ｃ（ＣＨ３）（ＣＨ（ＣＨ３）２）−、−Ｃ（ＣＨ３）（（ＣＨ２）３ＣＨ３）−、
−Ｃ（ＣＨ３）（（ＣＨ２）４ＣＨ３）−、−Ｃ（ＣＨ３）（（ＣＨ２）５ＣＨ３）−、
−Ｃ（ＣＨ３）（（ＣＨ２）６ＣＨ３）−、−Ｃ（ＣＨ３）（（ＣＨ２）７ＣＨ３）−、
−Ｃ（ＣＨ３）（（ＣＨ２）８ＣＨ３）−、などが挙げられる。
この中では、単結合、−Ｃ（ＣＨ３）２−が好ましい。
【００２４】
Ｍは水素原子またはアルカリ金属を表す。アルカリ金属の中では、特にナトリウムが好ましい。また、Ｍとしては、アルカリ土類金属であってもよく、この場合のアルカリ土類金属としては、マグネシウム、カルシウム等が挙げられる。Ｍがアルカリ土類金属である場合には、アルカリ土類金属とスルホン酸基のモル比は、１対２であるスルホン酸基含有芳香族化合物が好ましい。
【００２５】
本発明における一般式（Ｉ）で示されるスルホン酸基含有芳香族化合物の具体例として、下記の化合物（ａ）〜（ｇ）を挙げることができる。
【００２６】
【化９】
［スルホン酸基含有芳香族化合物の製造方法］
本発明のスルホン酸基含有芳香族化合物は、以下に述べる方法によって製造することができる。
一般式（ＩＩＩ）で表される芳香族炭化水素化合物と一般式（ＩＶ）で表されるアルデヒド及びアルカリ金属亜硫酸塩を塩基触媒の存在下に反応させて、目的のスルホン酸基含有芳香族化合物を製造する。その反応式は、以下のとおりである。
【００２８】
【化１０】
一般式（ＩＩＩ）で表される芳香族炭化水素化合物の代表例としては、例えば、４，４’−ビフェノール、２，２−ビス（４−ヒドロキシフェニル）プロパン、４，４’−ジヒドロキシベンゾフェノン、４，４’−メチレンビスフェノール、４，４’−オキシビスフェノール、４，４’−スルホニルジフェノールなどが挙げられる。
これらの中では、４，４’−ビフェノール、２，２−ビス（４−ヒドロキシフェニル）プロパンが好ましい。
【００３０】
一般式（ＩＶ）で表されるアルデヒドの代表例としては、例えば、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、プロピオンアルデヒドなどが挙げられる。これらの中では、ホルムアルデヒドが好ましい。
【００３１】
アルカリ金属亜硫酸塩としては例えば、亜硫酸リチウム、亜硫酸ナトリウム、亜硫酸カリウム、亜硫酸ルビジウム、亜硫酸セシウム等があげられ、これらの中では、亜硫酸ナトリウムが好ましい。アルカリ金属亜硫酸塩は無水物であってもよいし、水和物であってもよい。
【００３２】
本発明の方法において、一般式（ＩＩＩ）で表される芳香族炭化水素化合物、一般式（ＩＶ）で表されるアルデヒド、アルカリ金属亜硫酸塩の使用量の割合は、一般式（ＩＩＩ）で表される芳香族炭化水素化合物を１として、それぞれ１：４：４ないし１：１２：１２のモル比の範囲になるよう設定される。
【００３３】
ここで、アルデヒド（ＩＶ）及びアルカリ金属亜硫酸塩の使用量は、芳香族炭化水素化合物（ＩＩＩ）に対して、前記範囲内になるように、それぞれ独立に設定することができる。
【００３４】
反応温度は０〜２００℃、好ましくは９０〜１２０℃であり、反応圧力は常圧〜１０気圧、好ましくは常圧である。
反応時間は、３ 〜３０時間、好ましくは８〜２０時間である。
【００３５】
反応溶媒としては、反応基質や反応試剤、または生成物と反応しない溶媒であれば特に制限は無いが、水、ハロゲン化炭化水素系、芳香族炭化水素系、エーテル系、ニトリル系、ケトン系、エステル系などの溶媒から、原料の溶解度や反応条件に応じて適宜選択して用いることができ、例えば、水、ジクロロメタン、クロロホルム、１，２−ジクロロエタン、ベンゼン、トルエン、キシレン、酢酸エチル、ジエチルエーテル、ジブチルエーテル、テトラヒドロフラン、１，４−ジオキサン、アセトン、ジメチルホルムアミド、アセトニトリルなどを例示することができる。これらの溶媒は単独または２種以上を混合して用いられる。
この中では、水が好ましい。
【００３６】
溶媒の使用量は特に制限はないが、容積効率の観点から芳香族炭化水素化合物に対し、５０質量倍以下が好ましい。
【００３７】
本反応に用いる塩基触媒としては、反応を阻害しないものならば特に限定はないが、リチウム、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属の水酸化物、水素化物、炭酸塩、炭酸水素塩；マグネシウム、カルシウム等のアルカリ土類金属の水酸化物、水素化物、炭酸塩、炭酸水素塩；リチウム、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウム等のアルカリ金属またはアルカリ土類金属そのもの；ナトリウムメチラート、ナトリウムエチラート、ｔ−ブトキシカリウム等のアルカリ金属アルコキシラート；酢酸ナトリウム、リン酸一水素ナトリウム、リン酸一水素カリウム等のアルカリ金属弱酸塩；ピリジン、４−ジメチルアミノピリジン、トリエチルアミン等の有機塩基；アンバーリスト−２１（登録商標）、アンバーリスト−９３（登録商標）等の弱塩基性イオン交換樹脂等が挙げられる。
【００３８】
これらの塩基は単独で用いても２種類以上を混合して用いても良い。これらの中では炭酸ナトリウムが特に好ましい。
塩基触媒の使用量は、芳香族炭化水素化合物に対して、通常０．１〜２０モル倍であり、好ましくは０．３〜１．０モル倍の範囲である。
【００３９】
また、塩基触媒がイオン交換樹脂である場合の使用量は、芳香族炭化水素化合物に対して、通常０．０１〜２０質量倍であり、好ましくは０．０３〜１．０質量倍の範囲である。
【００４０】
本発明のスルホン酸基含有芳香族化合物は、スルホン酸基と芳香環の間に連結基を有しているので、高温下でのスルホン酸基の脱離が抑えられ、高耐熱性、高プロトン伝導性電解質膜として有用な芳香族系高分子化合物の原料として用いることができる。
特に、燃料電池、イオン交換や食塩電解用の固体高分子電解質膜として有用である。
【００４１】
【実施例】
以下に、実施例を挙げ、本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの記載によって何ら限定されるものではない。
【００４２】
（分析方法）
プロトン−ＮＭＲスペクトルは、核磁気共鳴装置ＧＳＸ２７０（日本電子（株）製）を用いて、溶媒Ｄ２Ｏ、分解能２７０ＭＨｚの条件で測定した。
【００４３】
質量分析は質量測定装置ＳＸ−１０２Ａ（日本電子（株）製）を用いて、ＦＡＢ−ＭＳ（ｎｅｇａ．）測定した。
【００４４】
（実施例１）３，３’，５，５’−テトラキス（スルホメチル）‐４，４’−ヒ゛フェノールのナトリウム塩の合成
シ゛ムロート冷却管、１００ｍｌ滴下ロートを備えた５００ｍｌ３つ口フラスコに４，４’−ヒ゛フェノール（１０ｇ、０．０５モル）、亜硫酸ナトリウム（３２．０ｇ、０．２５モル）、炭酸ナトリウム（３．２ｇ、０．０３モル）、水２００ｍｌを加え、３７％ホルムアルテ゛ヒト゛水溶液（１１．２ｇ、３２．３ｍｌ、０．４モル）を加熱還流下、１５分で滴下した。その後、加熱還流下１８時間反応を行った。室温まで冷却後、１０％塩酸を溶液がｐＨ７になるまで加えた。析出した固体をろ別し、固体を水、エタノールを用いて洗浄した。３，３’，５，５’−テトラキス（スルホメチル）‐４，４’−ヒ゛フェノールのナトリウム塩を２６．０ｇ（収率７４．４％）で得た。
分析結果：
１Ｈ−ＮＭＲ（Ｄ２Ｏ）：δ（ｐｐｍ）７．５３（ｓ、１Ｈ）、４．２９（ｓ、２Ｈ）
ＦＡＢ−ＭＳ（ｎｅｇａ．） ｍ／ｚ：６４９
【００４５】
（実施例２）２，２−ヒ゛ス（３，５−ヒ゛ス（スルホメチル）‐４−ヒト゛ロキシフェニル）フ゜ロハ゜ンのナトリウム塩の合成シ゛ムロート冷却管、１００ｍｌ滴下ロートを備えた５００ｍｌ３つ口フラスコに２，２−ヒ゛ス（４−ヒト゛ロキシフェニル）フ゜ロハ゜ン（１０ｇ、０．０４モル）、亜硫酸ナトリウム（４８．３ｇ、０．３５モル）、炭酸ナトリウム（２．８ｇ、０．０３モル）、水２００ｍｌを加え、３７％ホルムアルテ゛ヒト゛水溶液（１０．５ｇ、２８．４ｍｌ、０．３５モル）を加熱還流下、１５分で滴下した。その後、加熱還流下１２時間反応を行った。室温まで冷却後、１０％塩酸を溶液がｐＨ７になるまで加えた。析出した固体をろ別し、固体を水、エタノールを用いて洗浄した。２，２−ヒ゛ス（３，５−ヒ゛ス（スルホメチル）‐４−ヒト゛ロキシフェニル）フ゜ロハ゜ンのナトリウム塩を１５．１ｇ（収率５４．６％）で得た。
分析結果：
１Ｈ−ＮＭＲ（Ｄ２Ｏ）：δ（ｐｐｍ）７．１０（ｓ、２Ｈ）、４．０９（ｓ、４Ｈ）、１．５２（ｓ、３Ｈ）
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、固体電解質膜等の原料として有用な新規な構造のスルホン酸基含有芳香族化合物及びその製造方法を提供することができる。この化合物は芳香族炭化水素化合物と極性基であるスルホン酸基の間に連結基を有し、用途や性能によって種々選択することができる。
Claims (5)
- 一般式（Ｉ）で表されることを特徴とするスルホン酸基含有芳香族化合物。
- 一般式（Ｉ）中、Ａで表される基が水酸基である請求項１記載の化合物。
- 一般式（Ｉ）中、Ｒ１がメチレン基である請求項１または２記載のスルホン酸基含有芳香族化合物。
- 一般式（ＩＩ）で表されることを特徴とする請求項３記載のスルホン酸基含有芳香族化合物。
- 一般式（ＩＩＩ）で表される芳香族化合物と一般式（ＩＶ）で表されるアルデヒド類を、塩基触媒の存在下、アルカリ金属亜硫酸塩と反応させることを特徴とする請求項１記載のスルホン酸基含有芳香族化合物の製造方法。
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| JP2002174779A JP2004018449A (ja) | 2002-06-14 | 2002-06-14 | スルホン酸基含有芳香族化合物及びその製造方法 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105646296A (zh) * | 2014-12-01 | 2016-06-08 | 东丽先端材料研究开发（中国）有限公司 | 一种含磺酸基的二酚化合物及其制备方法 |
| JP2016138080A (ja) * | 2015-01-29 | 2016-08-04 | Tdk株式会社 | イオン導電性固体電解質 |
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- 2002-06-14 JP JP2002174779A patent/JP2004018449A/ja active Pending
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