JP2007204440A - Method for producing solid acid, and solid acid - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a safe method for producing a solid acid, having a high ion-exchanging volume, catalytic performance and proton conductivity and excellent in heat resistance without using a special device, and also a proton conductive membrane, a solid acid catalyst, an ion-exchanging membrane, a membrane electrode assembly and fuel cells by using the same. <P>SOLUTION: This method for producing the solid acid is provided by heat-treating an aromatic compound having amino group and an aromatic compound having other than the amino group under a normal pressure in the presence of a polycondensation catalyst, and then sulfonating the obtained polycondensate with sulfonating agent. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体酸の製造方法および固体酸に関するものであり、更に詳しくは、プロトン伝導膜、固体酸触媒、イオン交換膜、イオン交換容量、触媒性能、プロトン伝導性が高く耐熱性に優れた固体酸の製造方法および本発明の製造方法により製造された固体酸に関するものである。
The present invention relates to a method for producing a solid acid and a solid acid. More specifically, the present invention relates to a proton conductive membrane, a solid acid catalyst, an ion exchange membrane, an ion exchange capacity, catalytic performance, high proton conductivity and excellent heat resistance. The present invention relates to a method for producing a solid acid and a solid acid produced by the production method of the present invention.

固体酸触媒は、分離・回収に中和や塩の除去といったプロセスが不要であり、不必要な副産物を生産することなく省エネルギーで目的物を作ることができるため、従来から積極的にその研究が進められてきた(例えば、非特許文献1参照)。
その結果、ゼオライト、シリカ−アルミナ、含水ニオブなどの固体酸触媒が化学工業で大きな成果を挙げ、社会に大きな恩恵をもたらしている。また、前述したNafionも親水性を有する非常に強い固体酸であり、液体酸を上回る酸強度をもつ超強酸として働くことが既に知られている。しかし、Nafionは熱に弱く、また、工業的に利用するには高価すぎるという問題点がある。
このように、性能およびコストなどの面から固体酸触媒が液体の酸触媒より有利な工業的プロセスの設計は難しく、現在のところほとんどの化学産業は液体の酸触媒に依存していると言える。このような現状において液体の酸を凌ぐ固体酸触媒の出現が望まれる。
Solid acid catalysts do not require processes such as neutralization or salt removal for separation / recovery, and can produce target products with energy savings without producing unnecessary by-products. (For example, refer nonpatent literature 1).
As a result, solid acid catalysts such as zeolite, silica-alumina, and hydrous niobium have achieved great results in the chemical industry, bringing great benefits to society. In addition, Nafion described above is a very strong solid acid having hydrophilicity, and it is already known that it works as a super strong acid having an acid strength exceeding that of a liquid acid. However, Nafion is susceptible to heat and is too expensive for industrial use.
Thus, it is difficult to design an industrial process in which a solid acid catalyst is more advantageous than a liquid acid catalyst in terms of performance and cost, and it can be said that most chemical industries currently depend on a liquid acid catalyst. Under such circumstances, the appearance of a solid acid catalyst that surpasses liquid acid is desired.

また商業化されているイオン交換樹脂も耐熱性が低く耐熱性の高い材料が求められている。   Commercially available ion exchange resins are also required to have low heat resistance and high heat resistance materials.

このような中、特許文献1における固体酸は多環式芳香族炭化水素を濃硫酸中あるいは発煙硫酸中で加熱処理することにより縮合およびスルホン化を同時に行い、極性溶媒に不要な固体酸を得ている。
しかし、この方法の反応の実際は、多環式芳香族炭化水素を濃硫酸あるいは発煙硫酸中で加熱処理すると先ずスルホン酸化が生じる。このスルホン酸化により生成されるスルホン酸誘導体は化学反応的に安定であるため、これ以上の縮合反応は生じ難くなる。例えば、ナフタレンを出発多環式芳香族炭化水素とした場合、濃硫酸や発煙硫酸中加熱処理すると、1,3,6−ナフタレントリスルホン酸や1,3,5,7−ナフタレンテトラスルホン酸が必然的に生成される。これらのナフタレンスルホン酸誘導体は化学反応的に安定であるために、これ以上重縮合反応は生じ難い。一般的に、200℃を超えると熱濃硫酸や熱発煙硫酸中の硫酸は水と三酸化硫黄に分解し始めるため酸化力が非常に強い、このために有機物を酸化するために結合を破壊分解するので、目的とする固体酸は得難い。過剰の濃硫酸あるいは発煙硫酸を250℃で減圧蒸留や常圧下、300℃で蒸留を行い取り除いているが、先の理由で酸化分解されるために固体酸は得難い。また、減圧蒸留などの反応溶液の濃縮に伴って、発泡膨張のために作業上非常に危険である。しかし、目的である極性溶媒に不溶の固体酸を得るためには多環式芳香族炭化水素を縮合する必要があるが、濃硫酸あるいは発煙硫酸中加熱処理は、必ずしも効率のよい縮合反応ではない。また、この固体酸は、スルホン酸基の導入がしにくいという問題があった。元素分析により、炭素原子に対する硫黄原子の割合が15モル%未満と低く、さらに硫黄原子を多く含んだ高性能かつ分子設計の自由度が高い、作業上安全で、収率や再現性の高く、容易に製造できる材料の提供が求められていた。
Under such circumstances, the solid acid in Patent Document 1 is obtained by subjecting polycyclic aromatic hydrocarbons to heat treatment in concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid to simultaneously perform condensation and sulfonation to obtain an unnecessary solid acid as a polar solvent. ing.
However, in actuality, the reaction of this method first involves sulfonation when polycyclic aromatic hydrocarbons are heated in concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid. Since the sulfonic acid derivative produced by this sulfonation is chemically reactive, no further condensation reaction occurs. For example, when naphthalene is used as a starting polycyclic aromatic hydrocarbon, heat treatment in concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid results in 1,3,6-naphthalene trisulfonic acid or 1,3,5,7-naphthalene tetrasulfonic acid. Inevitably generated. Since these naphthalenesulfonic acid derivatives are chemically reactive, no further polycondensation reaction occurs. Generally, when the temperature exceeds 200 ° C, sulfuric acid in hot concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid starts to decompose into water and sulfur trioxide, so the oxidizing power is very strong. For this reason, the bond is broken and decomposed to oxidize organic matter. Therefore, it is difficult to obtain the target solid acid. Excess concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid is removed by distillation under reduced pressure at 250 ° C. or under atmospheric pressure at 300 ° C. However, it is difficult to obtain a solid acid because it is oxidized and decomposed for the above reasons. In addition, with the concentration of the reaction solution such as vacuum distillation, it is very dangerous for work due to foam expansion. However, polycyclic aromatic hydrocarbons need to be condensed in order to obtain a solid acid insoluble in the target polar solvent, but heat treatment in concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid is not necessarily an efficient condensation reaction. . Further, this solid acid has a problem that it is difficult to introduce a sulfonic acid group. By elemental analysis, the ratio of sulfur atoms to carbon atoms is as low as less than 15 mol%, high performance with a lot of sulfur atoms, and high degree of freedom in molecular design, safety in work, high yield and reproducibility, There has been a need to provide materials that can be easily manufactured.

Ishihara,K;Hasegawa,A;Yamamoto,H;Angew.Chem.Int.Ed.2001,4077.Ishihara, K; Hasegawa, A; Yamamoto, H; Angew. Chem. Int. Ed. 2001, 4077. 特開2004−238311号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2004-238111

本発明の課題は、プロトン伝導性が高く、耐熱性に優れ、且つイオン交換容量、触媒性能などにも優れた固体酸を作業安全性、収率、分子設計の自由度が高く、再現性がよく、且つ容易に製造できる方法を提出することである。
The problem of the present invention is that a solid acid having high proton conductivity, excellent heat resistance, and excellent ion exchange capacity, catalyst performance, etc. has high work safety, yield, freedom of molecular design, and reproducibility. It is to submit a method that is good and easy to manufacture.

本発明は、上記課題を解決すべく鋭意研究を進めた結果、アミノ基を有する芳香族化合物とアミノ基以外を有する芳香族化合物を、常圧下で重縮合化剤の存在下で加熱処理し、得られた重縮合化合物を、スルホン酸化剤でスルホン酸化することにより、作業安全性が高く、再現性よく、収率が高く、分子設計の自由度の高い、且つ低コストで容易に製造できることを見出し、またそのような方法で製造された固体酸は低価格で、高性能を有することを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of diligent research to solve the above-mentioned problems, the present invention heat-treats an aromatic compound having an amino group and an aromatic compound having other than an amino group in the presence of a polycondensation agent under normal pressure, By sulfonating the obtained polycondensation compound with a sulfonating agent, it is possible to manufacture easily at low cost with high work safety, good reproducibility, high yield, high degree of freedom in molecular design. The present inventors have found that the solid acid produced by such a method has low cost and high performance, and have completed the present invention.

すなわち、本発明は、アミノ基を有する芳香族化合物とアミノ基以外を有する芳香族化合物とを、常圧下で重縮合化剤の存在下で加熱処理し、得られた重縮合化合物を、スルホン酸化剤でスルホン酸化することを特徴とする固体酸の製造方法に関する。   That is, the present invention is a method in which an aromatic compound having an amino group and an aromatic compound having other than an amino group are heat-treated in the presence of a polycondensation agent at normal pressure, and the resulting polycondensation compound is sulfonated. The present invention relates to a method for producing a solid acid characterized by sulfonating with an agent.

また、本発明は、加熱処理温度が、50〜220℃である上記固体酸の製造方法に関する。   Moreover, this invention relates to the manufacturing method of the said solid acid whose heat processing temperature is 50-220 degreeC.

また、本発明は、アミノ基以外を有する芳香族化合物が、常圧下で50℃〜220℃で液体状態であることを特徴とする上記固体酸の製造方法に関する。   The present invention also relates to the above-mentioned method for producing a solid acid, wherein the aromatic compound having other than an amino group is in a liquid state at 50 ° C. to 220 ° C. under normal pressure.

また、本発明は、上記製造方法で製造されてなることを特徴とする固体酸に関する。   Moreover, this invention relates to the solid acid characterized by being manufactured with the said manufacturing method.

また、本発明は、元素分析で炭素に対する硫黄のモル量が、15モル%以上100モル%以下であることを特徴とする上記固体酸に関する。   The present invention also relates to the above solid acid, wherein the molar amount of sulfur relative to carbon is 15 mol% or more and 100 mol% or less in elemental analysis.

また、本発明は、固体酸の酸価が、1〜20meq/gであることを特徴とする上記固体酸に関する。
Moreover, this invention relates to the said solid acid characterized by the acid value of a solid acid being 1-20 meq / g.

本発明の固体酸の製造方法は、アミノ基を有する芳香族化合物とアミノ基以外を有する芳香族化合物を、常圧下で重縮合化剤の存在下で加熱処理し、得られた重縮合化合物をスルホン酸化剤でスルホン酸化することを特徴とするものである。このとき、常圧下で加熱処理することにより、反応系内で重縮合化剤から発生する重縮合反応に必要な有効成分、例えばハロゲン化水素などを保持することができるので、芳香族化合物の環化縮合反応を促進することができる。得られた重縮合化合物をスルホン酸化剤で反応することにより、導入するスルホン酸化量を容易設計しやすい。さらに、前記アミノ基を有する芳香族化合物由来の窒素原子が固体酸構造中に任意に存在し、前記窒素原子とスルホン酸基が複雑に相互作用と、複素環や4級アミンを形成されると考えられる。このために、プロトン伝導性が高く、且つイオン交換容量、触媒性能などにも優れるものと考えられる。しかも、作業安全性や収率、分子設計の自由度の高く、再現性よく、且つ容易に固体酸を製造できるという顕著な効果を奏する。   In the method for producing a solid acid of the present invention, an aromatic compound having an amino group and an aromatic compound having other than an amino group are heat-treated in the presence of a polycondensation agent under normal pressure, and the resulting polycondensation compound is treated with It is characterized by sulfonating with a sulfonating agent. At this time, the heat treatment under normal pressure can retain active components necessary for the polycondensation reaction generated from the polycondensation agent in the reaction system, such as hydrogen halide. The polycondensation reaction can be promoted. By reacting the obtained polycondensation compound with a sulfonating agent, the amount of sulfonation to be introduced can be easily designed. Furthermore, when the nitrogen atom derived from the aromatic compound having the amino group is present arbitrarily in the solid acid structure, the nitrogen atom and the sulfonic acid group are complexly interacted with each other to form a heterocyclic ring or a quaternary amine. Conceivable. For this reason, it is considered that the proton conductivity is high and the ion exchange capacity and the catalyst performance are excellent. In addition, there is a remarkable effect that the solid acid can be easily produced with high work safety, yield, freedom of molecular design, good reproducibility, and reproducibility.

また、さらなる本発明は、上記固体酸の製造方法において、加熱処理温度が、50℃〜220℃であることを特徴とするものであり、高性能の固体酸を確実に作業安全性や収量、再現性、分子設計の自由性が高く低コストで容易に製造できるという、さらなる顕著な効果を奏する。   Further, the present invention is characterized in that, in the above-described solid acid production method, the heat treatment temperature is 50 ° C. to 220 ° C. There is a further remarkable effect that the reproducibility and the freedom of molecular design are high and it can be easily produced at low cost.

また、さらなる本発明は、上記固体酸の製造方法において、アミノ基以外を有する芳香族化合物が、常圧下で50℃〜220℃で液体状態であることを特徴するものであり、液体状態であることで重縮合化剤との接触がより向上されるので、環化縮合反応がより容易に促進し、得られた重縮合化合物をスルホン酸化剤でスルホン酸化することにより、プロトン伝導性が高く、耐熱性が優れ、且つイオン交換容量、触媒性能などにも優れ、しかも、作業上安全性や収率、分子設計の自由度が高い、再現性よく、且つ容易に製造できるという、更なる顕著な効果を奏する。
Further, the present invention is characterized in that, in the above-mentioned method for producing a solid acid, the aromatic compound having other than an amino group is in a liquid state at 50 ° C. to 220 ° C. under normal pressure, and is in a liquid state. Since the contact with the polycondensation agent is further improved, the cyclization condensation reaction is facilitated more easily, and the resulting polycondensation compound is sulfonated with a sulfonated agent, resulting in high proton conductivity, Further outstanding heat resistance, ion exchange capacity, catalyst performance, etc., high safety in operation, yield, high degree of freedom in molecular design, reproducibility and easy production There is an effect.

以下、本発明を更に詳しく説明する。
本発明は、アミノ基を有する芳香族化合物とアミノ基以外を有する芳香族化合物とを、常圧下で重縮合化剤の存在下で加熱処理し、得られた重縮合化合物を、スルホン酸化剤でスルホン酸化することで得られる固体酸の製造方法に関するものである。好ましくは、加熱処理温度が50℃〜220℃である。より好ましくは加熱処理温度が90℃〜150℃である。
また、前記アミノ基以外を有する芳香族化合物は、好ましくは常圧下で50℃〜220℃で液体状態であり、常圧下で重縮合化剤の存在下で加熱処理し、得られた重縮合化合物を、スルホン酸化剤でスルホン酸化して高性能の固体酸を、作業安全性や収率、再現性、分子設計の自由度が高く、且つ低コストで容易に製造できる。
更により好ましくは、芳香族化合物が常圧下で90℃〜150℃で液体状態であり、常圧下で重縮合化剤の存在下で90℃〜150℃で加熱処理し、得られた重縮合化合物を、スルホン酸化剤でスルホン酸化し、より高性能の固体酸を作業安全性、収率が高く、分子設計の自由度の高い、且つ低コストで容易に製造できる。
ここでいう液体状態とは、反応温度が融点以上沸点以下であるか、反応温度において他の液状物質に溶解して液体である部分が存在する状態、例えば、熱処理温度100℃において、ナフタレン(融点80.2℃、沸点218℃)中にコロネン(融点438〜440℃)が存在するような状態のことをいう。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
In the present invention, an aromatic compound having an amino group and an aromatic compound having other than an amino group are heat-treated in the presence of a polycondensation agent under normal pressure, and the resulting polycondensation compound is converted with a sulfonated agent. The present invention relates to a method for producing a solid acid obtained by sulfonating. Preferably, the heat treatment temperature is 50 ° C to 220 ° C. More preferably, the heat treatment temperature is 90 ° C to 150 ° C.
In addition, the aromatic compound having other than the amino group is preferably in a liquid state at 50 ° C. to 220 ° C. under normal pressure, and heat-treated in the presence of a polycondensation agent under normal pressure, and obtained polycondensation compound Can be easily produced at low cost with high work safety, yield, reproducibility, and freedom of molecular design.
More preferably, the aromatic compound is in a liquid state at 90 ° C. to 150 ° C. under normal pressure, and is heat-treated at 90 ° C. to 150 ° C. in the presence of a polycondensation agent under normal pressure. Is sulfonated with a sulfonating agent, and a higher performance solid acid can be easily produced at a low cost with a high work safety, a high yield, a high degree of freedom in molecular design.
The liquid state here means a state in which the reaction temperature is not lower than the melting point and not higher than the boiling point, or in a state where there is a liquid part dissolved in another liquid substance at the reaction temperature, for example, at a heat treatment temperature of 100 ° C. 80.2 ° C., boiling point 218 ° C.) means that coronene (melting point: 438 to 440 ° C.) exists.

本発明で用いるアミノ基を有する芳香族化合物としては、未置換または置換アミノ基を有する芳香環が1以上含まれる化合物であればいずれも使用できる。これらの内の2種以上複数種組み合わせて使用できる。
前記置換アミノ基とは、ジメチルアミン基、ジエチルアミン基、ジプロピルアミン基、ジブチルアミン基などのジアルキル基アミン基、ジフェニルアミン基、ジナフチルアミン基、ジアントラニル基などのジアリールアミノ基など、ジュロリジン基などが挙げられる。
例えば、N,N,N’,N’-テトラメチル-1,4-フェニレンジアミン、N,N,N’,N’-テトラメチルベンジジン、N,N,N’,N’-テトラエチル-1,4-フェニレンジアミン、N,N,N’,N’-テトラエチルベンジジン、などのN,N,N’,N’−テトラアルキルポリフェニルジアミン誘導体、N,N,N’,N’-テトラフェニルベンジジンなどのN,N,N’,N’-テトラアリールホ゜リフェニルジアミン誘導体、2,3,6,7-テトラヒドロ-1H,5Hヘ゛ンソ゛[ij]キノリジン、ジュロリジン基を有するポリフェニル誘導体やアリーレン、アミノナフタレン、N,N−ジメチルアミノナフタレン、N,N−ジエチルアミノナフタレン、N,N,N’,N’−テトラエチル−1,8−ナフタレンジアミンなど、アミン基またはジアルキルアミノ基を1個以上有する2個以上芳香核の縮合した多環式芳香族炭化水素が挙げられるこれらに限定されるものではない。
As the aromatic compound having an amino group used in the present invention, any compound containing one or more aromatic rings having an unsubstituted or substituted amino group can be used. Two or more of these can be used in combination.
Examples of the substituted amino group include dialkylamine groups such as dimethylamine group, diethylamine group, dipropylamine group, and dibutylamine group; diarylamino groups such as diphenylamine group, dinaphthylamine group, and dianthranyl group; and julolidine groups. Can be mentioned.
For example, N, N, N ′, N′-tetramethyl-1,4-phenylenediamine, N, N, N ′, N′-tetramethylbenzidine, N, N, N ′, N′-tetraethyl-1, N, N, N ', N'-tetraalkylpolyphenyldiamine derivatives such as 4-phenylenediamine, N, N, N', N'-tetraethylbenzidine, N, N, N ', N'-tetraphenylbenzidine N, N, N ', N'-tetraarylpolyphenyldiamine derivatives such as 2,3,6,7-tetrahydro-1H, 5H benzo [ij] quinolidine, polyphenyl derivatives having a julolidine group, arylene, aminonaphthalene N, N-dimethylaminonaphthalene, N, N-diethylaminonaphthalene, N, N, N ′, N′-tetraethyl-1,8-naphthalenediamine, etc., two or more having one or more amine groups or dialkylamino groups Non-limiting examples include polycyclic aromatic hydrocarbons having condensed aromatic nuclei.

本発明で用いるアミノ基以外を有する芳香族化合物としては、芳香環が1以上含まれる化合物であり、アミノ基以外を有するものであればいずれも使用できる。これらの内の単独または2種以上複数種組み合わせて使用することもできる。   The aromatic compound having an amino group other than the amino group used in the present invention is a compound containing one or more aromatic rings, and any compound having an amino group other than the amino group can be used. Among these, it can also be used individually or in combination of 2 or more types.

その中でも、常圧下で50℃〜220℃で液体状態であるアミノ基以外を有する芳香族化合物を原料に使用した場合、よりプロトン性伝導性が高く耐熱性に優れ、且つイオン交換容量、触媒性能などにも優れ、作業安全性、収率、分子設計の自由度が高く、再現性よく、且つ容易に製造できることが多いので好ましく使用できる。   Among them, when an aromatic compound having an amino group other than an amino group that is in a liquid state at 50 ° C. to 220 ° C. under normal pressure is used as a raw material, it has higher protonic conductivity and excellent heat resistance, and has an ion exchange capacity and catalytic performance. It can be preferably used because it has excellent operational safety, yield, freedom of molecular design, reproducibility, and easy production.

本発明で用いるアミノ基以外を有する芳香族化合物としては、具体的には、例えば、ベンゼンあるいは置換基含有ベンゼンが挙げられる。前記置換基としては、ハロゲン基、フェニル基、アルコキシル基、水酸基、N−オキシド基、フェニルオキシド基、ヒドラジル基、フェルダジル基、ニトロ基、ニトロソ基、水酸基、燐酸基、ジスルフィド基、メルカプタン基、アミド基、イミド基、イソシアネート基、ビニル基、(メタ)アクロリル基、シアノ基、カルボン酸、アルデヒド基、炭化水素基が挙げられる。炭化水素基は鎖状であっても、環状であってもよく、環状炭化水素は脂肪族系でも芳香族系でもよく、さらには単環であっても、多環であってもよい。また炭化水素基は置換基を含んでいてもよい。   Specific examples of the aromatic compound having other than the amino group used in the present invention include benzene and substituent-containing benzene. Examples of the substituent include a halogen group, a phenyl group, an alkoxyl group, a hydroxyl group, an N-oxide group, a phenyl oxide group, a hydrazyl group, a ferdazyl group, a nitro group, a nitroso group, a hydroxyl group, a phosphoric acid group, a disulfide group, a mercaptan group, and an amide. Group, imide group, isocyanate group, vinyl group, (meth) acrylyl group, cyano group, carboxylic acid, aldehyde group, and hydrocarbon group. The hydrocarbon group may be linear or cyclic, and the cyclic hydrocarbon may be aliphatic or aromatic, and may be monocyclic or polycyclic. The hydrocarbon group may contain a substituent.

本発明で用いるアミノ基以外を有する芳香族化合物として、例えば、ナフタレン、ピレン、ベンゾ(α)ピレン、ベンゾアントラセン、アントラセン、フェナントレン、コロネン、ケクレンなどの少なくとも2以上の芳香環が縮合している多環式芳香族炭化水素あるいは置換基含有多環式芳香族炭化水素が挙げられる。
前記置換基としては前述の置換基が挙げられる。
As the aromatic compound having an amino group other than the amino group used in the present invention, for example, there are many condensed aromatic rings such as naphthalene, pyrene, benzo (α) pyrene, benzoanthracene, anthracene, phenanthrene, coronene, and keklene. Examples thereof include cyclic aromatic hydrocarbons and substituent-containing polycyclic aromatic hydrocarbons.
Examples of the substituent include the above-described substituents.

本発明で用いるアミノ基以外を有する芳香族化合物として、例えば、ビフェニル、ターフェニル、クァテルフェニル、キンクフェニル、セクシフェニル、セプチフェニル、オクチフェニル、ノビフェニル、デシフェニル、ヘキサフェニルベンゼンなどの芳香環が2個以上集合しているポリフェニル、置換基含有ポリフェニルが挙げられる。
前記置換基としては前述の置換基が挙げられる。
Examples of the aromatic compound having an amino group other than the amino group used in the present invention include 2 aromatic rings such as biphenyl, terphenyl, quaterphenyl, kinkphenyl, sexualphenyl, septiphenyl, octiphenyl, nobiphenyl, deciphenyl, and hexaphenylbenzene. Examples thereof include polyphenyls that are aggregated at least, and polyphenyls having substituents.
Examples of the substituent include the above-described substituents.

また、本発明で用いるアミノ基以外を有する芳香族化合物として、前記ベンゼン、置換基含有ベンゼン、多環式芳香族炭化水素、置換基含有多環式芳香族炭化水素、ポリフェニル、置換基含有ポリフェニルが、アミド結合、エステル結合、エーテル結合、スルホン結合、イミド結合、ウレタン基、尿素結合、ケトン結合、炭素−炭素2重結合、炭素−炭素3重結合などで結合された芳香環が1個以上含まれる芳香環含有化合物あるいは、これらの結合の1種以上複数種組み合わせてなる芳香環含有有機化合物が挙げられる。
例えば、ポリ芳香族スルホン類、ポリスチレン類、ポリフェノール類、ポリイミド類、ポリアルキッド類、ポリアミド酸、ポリメラミン類、ベンゾグアナミン類、ポリベンゾグアナミン類、ポリビスマレイミド−トリアジン類、ポリアリル類、ポリエポキシ類、ポリアミド類、ポリアミドイミド類、ポリアリレート類、ポリアリルスルホン類、ポリベンゾイミダゾール類、ポリカーボネート類、ポリエーテルエーテルケトン類、ポリエーテルイミド類、ポリエーテルケトン類、ポリエーテルニトリル類、ポリエーテルスルホン類、ポリチオエーテルスルホン類、ポリエチレンテレフタレート類、ポリアミノビスマレイミド類、ポリケトン類、ポリフェニルエーテル類、ポリフェニルスルフィド類、SAN樹脂類、ポリウレタン類、ポリキシレン類などの合成ポリマー類などを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
より好ましくは、常圧下で50℃〜220℃で液体状態であるアミノ基以外を有する芳香族化合物としては、ベンゼン、安息香酸、トルエン、キシレン、ナフタレン、1−ナフタレンカルボン酸、2−ナフタレンカルボン酸、1−ナフトール、2−ナフトール、ビフェニル、ピレン、アントラセン、ベンゾアントラセンなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
本発明の加熱処理温度範囲としては、重縮合反応が生じる温度であればよく、50℃〜220℃が好ましく、90℃〜150℃がさらに好ましい。
Further, as the aromatic compound having an amino group other than the amino group used in the present invention, the above benzene, substituent-containing benzene, polycyclic aromatic hydrocarbon, substituent-containing polycyclic aromatic hydrocarbon, polyphenyl, substituent-containing poly One aromatic ring in which phenyl is bonded by an amide bond, ester bond, ether bond, sulfone bond, imide bond, urethane group, urea bond, ketone bond, carbon-carbon double bond, carbon-carbon triple bond, etc. Examples include the aromatic ring-containing compounds contained above, or aromatic ring-containing organic compounds formed by combining one or more of these bonds.
For example, polyaromatic sulfones, polystyrenes, polyphenols, polyimides, polyalkyds, polyamic acids, polymelamines, benzoguanamines, polybenzoguanamines, polybismaleimide-triazines, polyallyls, polyepoxies, polyamides , Polyamideimides, polyarylates, polyallyl sulfones, polybenzimidazoles, polycarbonates, polyether ether ketones, polyether imides, polyether ketones, polyether nitriles, polyether sulfones, poly Thioether sulfones, polyethylene terephthalates, polyamino bismaleimides, polyketones, polyphenyl ethers, polyphenyl sulfides, SAN resins, polyurethanes, polyxylates And the like can be mentioned synthetic polymers such as kind, but is not limited thereto.
More preferably, the aromatic compound having an amino group other than an amino group that is in a liquid state at 50 ° C. to 220 ° C. under normal pressure includes benzene, benzoic acid, toluene, xylene, naphthalene, 1-naphthalene carboxylic acid, and 2-naphthalene carboxylic acid. , 1-naphthol, 2-naphthol, biphenyl, pyrene, anthracene, benzoanthracene, and the like, but are not limited thereto.
The heat treatment temperature range of the present invention may be any temperature at which a polycondensation reaction occurs, and is preferably 50 ° C to 220 ° C, more preferably 90 ° C to 150 ° C.

本発明におけるアミノ基を有する芳香族化合物の添加量としては、アミノ基以外を有する芳香族化合物100重量部に対して、1〜90重量%である。より好ましくは10重量%から50重量%である。
1重量%未満であると窒素原子とスルホン酸基との相互作用が得られにくく、90重量%を超えると重縮合反応が促進されにくいためである。
The addition amount of the aromatic compound having an amino group in the present invention is 1 to 90% by weight with respect to 100 parts by weight of the aromatic compound having other than the amino group. More preferably, it is 10 to 50% by weight.
If the amount is less than 1% by weight, the interaction between the nitrogen atom and the sulfonic acid group is difficult to obtain, and if it exceeds 90% by weight, the polycondensation reaction is hardly promoted.

固体酸の一般的な合成方法は、最初に濃硫酸や発煙硫酸中加熱処理しスルホン酸化を行い、縮合させる。
この方法の問題点は、多環式芳香族炭化水素を濃硫酸あるいは発煙硫酸中で加熱処理すると先ずスルホン酸化が生じる。このスルホン酸化により生成されるスルホン酸誘導体は化学反応的に安定であるため、これ以上の縮合反応は生じ難くなる。
一般的に、200℃を超えると熱濃硫酸や熱発煙硫酸中の硫酸は水と三酸化硫黄に分解し始めるため酸化力が非常に強い、このために有機物を酸化するために結合を破壊分解する。過剰の濃硫酸あるいは発煙硫酸を250℃で減圧蒸留や常圧下、300℃で蒸留を行い取り除くので、先の理由で固体酸は得難い。また、減圧蒸留では濃縮に伴い、発泡膨張のために作業上非常に危険である。しかし、目的である極性溶媒に不溶の固体酸を得るためには多環式芳香族炭化水素を縮合する必要があるが、濃硫酸あるいは発煙硫酸中加熱処理は、必ずしも効率のよい縮合反応ではない。また、この合成方法ではスルホン酸基の導入がしにくく、任意にスルホン酸の導入などが困難で、収率や再現性、分子設計の自由度が低いなどという問題があった。
A general method for synthesizing a solid acid is a heat treatment in concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid, followed by sulfonation and condensation.
The problem with this method is that sulfonation occurs first when polycyclic aromatic hydrocarbons are heat-treated in concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid. Since the sulfonic acid derivative produced by this sulfonation is chemically reactive, no further condensation reaction occurs.
Generally, when the temperature exceeds 200 ° C, sulfuric acid in hot concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid starts to decompose into water and sulfur trioxide, so the oxidizing power is very strong. For this reason, the bond is broken and decomposed to oxidize organic matter. To do. Excess concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid is removed by distillation under reduced pressure at 250 ° C. or at 300 ° C. under normal pressure, so that it is difficult to obtain a solid acid for the above reasons. Also, vacuum distillation is very dangerous for work due to foam expansion due to concentration. However, polycyclic aromatic hydrocarbons need to be condensed in order to obtain a solid acid insoluble in the target polar solvent, but heat treatment in concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid is not necessarily an efficient condensation reaction. . In addition, this synthesis method has a problem that it is difficult to introduce a sulfonic acid group, and it is difficult to arbitrarily introduce a sulfonic acid, and the yield, reproducibility, and freedom of molecular design are low.

本発明において、第一にアミノ基を有する芳香族化合物とアミノ基以外を有する芳香族化合物とが重縮合化剤中で常圧下で加熱処理し、重縮合化合物を得る。
この重縮合化合物は、IRやNMR、GPCなどで容易に構造や分子量を確認できるので分子設計が行い易い。
第二に、得られた重縮合化合物をスルホン酸化剤でスルホン酸化する。このスルホン酸化反応では、前記重縮合化合物の構造を壊すことなく行われるので構造や分子量が容易に推測できることや任意にスルホン酸基の導入が容易なので酸価が任意に制御可能であり、分子設計の自由度が高い固体酸の製造方法である。
本発明において、アミノ基を有する芳香族化合物とアミノ基以外を有する芳香族化合物と重縮合化剤とが入っている反応容器中、常圧下で加熱処理し、得られた重縮合化合物を、スルホン酸化剤でスルホン酸化すること、アミノ基を有する芳香族化合物とアミノ基以外を有する芳香族化合物と重縮合化剤が入っている反応容器の常圧下、加熱処理前の操作は、窒素などの不活性ガスを反応容器内を置換し、反応容器内の溶存酸素を除去し加熱処理で生成してくる固体酸の酸化防止と重縮合反応を促進させ易いために効果的であると推測されるためである。また、アミノ基を有する芳香族化合物とアミノ基以外を有する芳香族化合物と重縮合化剤とが入っている反応容器の常圧下、加熱処理中の操作は、不活性ガス置換を停止して反応が行われる。不活性ガスの置換停止は、加熱処理前あるいは加熱処理中のいずれから行ってもよい。これは、常圧下加熱処理することにより、反応系内で重縮合化剤から発生する重縮合反応に必要な有効成分、例えばハロゲン化水素などを保持することができるので、アミノ基を有する芳香族化合物とアミノ基以外を有する芳香族化合物の重縮合反応を促進できるためである。
本反応の温度は、重縮合反応が生じる温度であればよく、好ましくは50℃〜220℃であり、90℃〜150℃がさらに好ましい。
In the present invention, first, an aromatic compound having an amino group and an aromatic compound having other than an amino group are heat-treated in a polycondensation agent under normal pressure to obtain a polycondensation compound.
Since this polycondensation compound can be easily confirmed in structure and molecular weight by IR, NMR, GPC, etc., molecular design is easy.
Second, the resulting polycondensation compound is sulfonated with a sulfonated agent. This sulfonation reaction is carried out without destroying the structure of the polycondensation compound, so that the structure and molecular weight can be easily estimated and the introduction of a sulfonic acid group is easy, so the acid value can be controlled arbitrarily, and the molecular design This is a method for producing a solid acid having a high degree of freedom.
In the present invention, in a reaction vessel containing an aromatic compound having an amino group, an aromatic compound having other than an amino group, and a polycondensation agent, the polycondensation compound thus obtained is heated under normal pressure. Sulfonation with an oxidizing agent, operation before heating under normal pressure in a reaction vessel containing an aromatic compound having an amino group, an aromatic compound having a non-amino group, and a polycondensation agent are not allowed to occur. It is presumed that this is effective because the active gas is replaced in the reaction vessel, dissolved oxygen in the reaction vessel is removed, and the solid acid produced by heat treatment is easily prevented from oxidation and the polycondensation reaction is facilitated. It is. In addition, under normal pressure in a reaction vessel containing an aromatic compound having an amino group, an aromatic compound having a non-amino group, and a polycondensation agent, the operation during the heat treatment is performed by stopping the inert gas replacement. Is done. The replacement of the inert gas may be stopped before the heat treatment or during the heat treatment. This is because an aromatic component having an amino group can be retained by carrying out heat treatment under normal pressure, so that active components necessary for the polycondensation reaction generated from the polycondensation agent in the reaction system, such as hydrogen halide, can be retained. This is because the polycondensation reaction between the compound and an aromatic compound having other than an amino group can be promoted.
The temperature of this reaction should just be the temperature which a polycondensation reaction produces, Preferably it is 50 to 220 degreeC, and 90 to 150 degreeC is more preferable.

また、アミノ基以外を有する芳香族化合物が常圧下で50℃〜220℃で液体状態であると、重縮合化剤への接触がより向上されるので、重縮合反応が促進させ易いために効果的であると推測されるためである。
本発明で用いる重縮合化剤としては、AlCl、FeCl、SbCl,BF,ZnCl,TiCl,HF,HPO,P、ポリリン酸などルイス酸触媒、塩化第二鉄、フェリシアン化カリウム、二酸化マンガン、過酸化水素、過硫酸、ヨウ素、酸化セレン、有機過酸など諸種の酸化剤、Scholl反応に使用される縮合剤、固体酸や一般的な脱水素触媒などを挙げることができるが、これらに限定するもではない。
これらの添加方法は、一度に添加してもよく、別々に添加してもよい。
また、重縮合を促進させるために、ルイス酸触媒と酸化剤とを組み合わせてもよい。
また、重縮合を促進させるために、重縮合化剤の溶融温度を下げる塩化カリウム、塩化ナトリウム、ヨウ化カリウム、臭化ナトリウム、ヨウ化ナトリウム、臭化カリウム、などのアルカリ金属塩などを組み合わせることも効果的である。
In addition, when the aromatic compound having other than an amino group is in a liquid state at 50 ° C. to 220 ° C. under normal pressure, the contact with the polycondensation agent is further improved. This is because it is presumed to be the target.
Examples of the polycondensation agent used in the present invention include AlCl 3 , FeCl 3 , SbCl 5 , BF 3 , ZnCl 2 , TiCl 4 , HF, H 3 PO 4 , P 2 O 5 , Lewis acid catalyst such as polyphosphoric acid, chloride chloride Various ferritic, potassium ferricyanide, manganese dioxide, hydrogen peroxide, persulfuric acid, iodine, selenium oxide, organic peracids, various oxidizing agents, condensing agents used in Scholl reaction, solid acids and general dehydrogenation catalysts It can be mentioned, but is not limited to these.
These addition methods may be added at once, or may be added separately.
In order to promote polycondensation, a Lewis acid catalyst and an oxidizing agent may be combined.
In order to promote polycondensation, a combination of alkali metal salts such as potassium chloride, sodium chloride, potassium iodide, sodium bromide, sodium iodide, potassium bromide, etc. that lowers the melting temperature of the polycondensation agent is combined. Is also effective.

本発明の重縮合化剤の添加量としては、重縮合反応が生じる量であればよいが、より好ましくは、芳香族化合物100重量部に対して50〜2000重量部である。好ましくは、100〜500重量部である。
本発明におけるルイス酸触媒と酸化剤の組み合わせによる比率は、ルイス酸触媒100重量部に対して酸化剤0.01から100重量部である。
本発明におけるハロゲン化アルカリ金属の添加量としては、ルイス酸触媒100重量部に対して、ハロゲン化金属1〜100重量部である。より好ましくは、5〜60重量部である。
The addition amount of the polycondensation agent of the present invention may be an amount that causes a polycondensation reaction, but is more preferably 50 to 2000 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the aromatic compound. Preferably, it is 100-500 weight part.
In the present invention, the ratio by the combination of the Lewis acid catalyst and the oxidizing agent is 0.01 to 100 parts by weight of the oxidizing agent with respect to 100 parts by weight of the Lewis acid catalyst.
The addition amount of the alkali metal halide in the present invention is 1 to 100 parts by weight of the metal halide with respect to 100 parts by weight of the Lewis acid catalyst. More preferably, it is 5 to 60 parts by weight.

また、本重縮合反応は、溶媒の非存在下においても行い得るが、溶媒の存在下でも行うことができる。
この溶媒としては、ニトロメタン、ニトロプロパン、ニトロベンゼン、二硫化炭素など、一般的にFriedel−Crafts反応やカチオン重合などに使用される溶媒が使用できる。
本重縮合反応で得られる重縮合化合物は、過剰のルイス酸を取り除く方法としては酸性水溶液、例えば希塩酸、希硫酸などで加水分解を行うことで得られる。
加水分解は、酸性水溶液へ本重縮合反応溶液を添加する方法や反応容器中の重縮合反応溶液へ酸性水溶液を添加する方法などにより行える。加水分解後、濾過による取り出し方法、重縮合反応物を溶解する溶媒を添加し溶液として取り出し、この溶液から溶媒を取り除き得る方法や再沈殿方法で得る方法などにより得られる。
The polycondensation reaction can be performed in the absence of a solvent, but can also be performed in the presence of a solvent.
As this solvent, a solvent generally used for Friedel-Crafts reaction or cationic polymerization, such as nitromethane, nitropropane, nitrobenzene and carbon disulfide, can be used.
The polycondensation compound obtained by this polycondensation reaction can be obtained by hydrolysis with an acidic aqueous solution such as dilute hydrochloric acid or dilute sulfuric acid as a method for removing excess Lewis acid.
Hydrolysis can be performed by a method of adding the polycondensation reaction solution to an acidic aqueous solution, a method of adding an acidic aqueous solution to the polycondensation reaction solution in a reaction vessel, or the like. After hydrolysis, it can be obtained by a method of taking out by filtration, a method of adding a solvent that dissolves the polycondensation reaction product and taking out it as a solution, removing the solvent from this solution, a method of obtaining by a reprecipitation method, and the like.

本発明は、アミノ基を有する芳香族化合物とアミノ基以外を有する芳香族化合物が、常圧下で重縮合化剤の存在下で加熱処理し重縮合、すなわち、2個またそれ以上の芳香環が、新たに2個またはそれ以上の原子を共有した形で一体となった縮合環を生成する。縮合の進んだ複雑に重縮合した窒素原子含有多環式芳香族炭化水素のアモルファス体が生成される。一般に、縮合した芳香環の数が増えるにつれてその性質は黒鉛に近くなり、この縮合の進んだ複雑に重縮合した窒素原子含有多環式芳香族炭化水素は、IRやNMR、GPCなどで構造や分子量などで分子設計された窒素原子含有多環式芳香族炭化水素をスルホン酸化剤でスルホン酸化することで、酸化による結合の破壊分解させずに先の性質を保持し、スルホン酸基を任意に導入でき、また、固体酸構造中に窒素原子を任意に組み込むことができるという知見を応用した製造方法である。

本発明者らは、常圧下で重縮合化剤の存在下、50℃〜220℃で加熱処理し、得られた重縮合化合物をスルホン酸化剤でスルホン酸化を行えば、炭素化が進み、大きく発達した疎水性の複素環含有多環式芳香族炭化水素が作られ、これをスルホン酸化剤でスルホン酸化することで、水に不溶の固体酸になることを予想して常圧下で加熱処理を行った結果、目的を達成できた。
本発明で用いるスルホン酸化剤としては、三酸化硫黄、濃硫酸、発煙硫酸、クロロ硫酸、アミド硫酸などが挙げられるがこれらに限定されるものではない。
本発明のスルホン酸化剤の添加量としては、スルホン酸化剤の種類やスルホン酸化導入量により添加量は変わるが、重縮合化合物にスルホン酸化が生じる量であればよく、好ましくは、有機化合物100重量部に対して0.1〜2000重量部である。
このときの反応温度としては、スルホン酸化剤の種類やスルホン基導入量などにより反応温度は適宜変わるが、好ましくは、−20℃〜250℃である。
本スルホン酸化反応は、溶媒の非存在下においても行い得るが、溶媒の存在下でも行うことができる。この溶媒としては、例えば、ペンタン、ヘキサン、ベンゼン、トルエン、キシレン、などの炭化水素溶媒;ジクロロメタン、クロロホルム、四塩化炭素、ジクロロエタン、テトラクロロエタン、トリクロロフルオロメタン、1、1、2ートリクロロー1、2、2ートリフルオロエタン、などのハロゲン化炭化水素溶媒;ニトロメタン、ニトロエタン、ニトロプロパン、ニトロベンゼン、などの含窒素溶媒、などが挙げられる。このほか一般にフリーデル−クラフツ反応やカチオン重合などに使用される溶媒も適宜に選択して好適に使用できる。なお、これらの溶媒は、1種単独で用いても2種以上混合して用いてもよい。
本重縮合反応系を構成するに当たって、アミノ基を有する芳香族化合物とアミノ基以外を有する芳香族化合物と重縮合化剤などの配合の順序、方法については特に制限はなく、それぞれを同時にあるいは種々の順序、様式で段階的に配合することも可能である。
また、本スルホン酸化反応系を構成するに当たって、重縮合化合物とスルホン酸化剤などの配合の順序、方法については特に制限はなく、それぞれを同時にあるいは種々の順序、様式で段階的に配合することも可能である。
本発明のスルホン酸化剤でスルホン酸化して得られる固体酸は、反応溶液をイオン交換水で希釈し、デカンテーションあるいは一般濾過、精密濾過、限外濾過、逆浸透濾過などによって、上澄み液また濾液が中和になるまで洗浄を行う。

乾燥方法としては、自然乾燥や熱風乾燥、外部加熱乾燥、スプレードライ、マイクロ波や赤外線、遠赤外線を使用した乾燥、凍結乾燥などで行うことができる。

本発明の固体酸は、アミノ基を有する芳香族化合物由来の窒素原子が固体酸構造中に任意に存在し、前記窒素原子とスルホン酸基が複雑に相互作用すると推測される。このために、高い活性が得られる上、プロトン伝導性が高く、耐熱性に優れ、且つ高いイオン交換容量、高触媒性能などを発現する。
本発明の固体酸は、元素分析で炭素に対する硫黄のモル量が15モル%以上100モル%以下であることが好ましい。15モル%未満であるとスルホン酸化率が低く、強酸が得られがたく、イオン交換量、触媒性能、プロトン伝導性が低くなることがある。
本発明の固体酸は、酸価が1〜20meq/gであることが好ましい。酸価が1meq/g未満で低いと活性作用が低く固体酸の機能が低くなり易く、20meq/gを超えて高すぎると極性溶媒に溶解して固体酸としての機能が損なわれ易い。
In the present invention, an aromatic compound having an amino group and an aromatic compound having other than an amino group are subjected to heat condensation in the presence of a polycondensation agent under normal pressure, that is, two or more aromatic rings are formed. A new condensed ring is formed in which two or more atoms are shared. A polycondensed polycyclic aromatic hydrocarbon amorphous body, which has undergone condensation and is complexly polycondensed, is produced. In general, as the number of condensed aromatic rings increases, the property becomes closer to that of graphite, and this polycondensed nitrogen atom-containing polycyclic aromatic hydrocarbon which has undergone condensation has a structure or structure determined by IR, NMR, GPC, etc. Sulfonating a nitrogen atom-containing polycyclic aromatic hydrocarbon with a molecular design such as molecular weight with a sulfonating agent retains the previous properties without breaking the bond due to oxidation, and allows the sulfonic acid group to be arbitrarily It is a production method applying the knowledge that nitrogen atoms can be arbitrarily incorporated into solid acid structures.

When the present inventors heat-treat at 50 ° C. to 220 ° C. in the presence of a polycondensation agent under normal pressure, and sulfonated the resulting polycondensation compound with a sulfonated agent, carbonization proceeds greatly. A developed hydrophobic heterocycle-containing polycyclic aromatic hydrocarbon is produced, and it is sulfonated with a sulfonating agent to produce a solid acid insoluble in water. As a result, the objective was achieved.
Examples of the sulfonating agent used in the present invention include, but are not limited to, sulfur trioxide, concentrated sulfuric acid, fuming sulfuric acid, chlorosulfuric acid, amidosulfuric acid and the like.
The addition amount of the sulfonating agent of the present invention varies depending on the kind of sulfonating agent and the amount of introduction of sulfonation, but any amount that causes sulfonation to the polycondensation compound may be used, and preferably 100 wt. 0.1 to 2000 parts by weight with respect to parts.
The reaction temperature at this time is suitably -20 ° C to 250 ° C, although the reaction temperature varies appropriately depending on the type of the sulfonating agent and the amount of sulfone group introduced.
The sulfonation reaction can be performed in the absence of a solvent, but can also be performed in the presence of a solvent. Examples of the solvent include hydrocarbon solvents such as pentane, hexane, benzene, toluene and xylene; dichloromethane, chloroform, carbon tetrachloride, dichloroethane, tetrachloroethane, trichlorofluoromethane, 1,1,2-trichloro-1,2, Halogenated hydrocarbon solvents such as 2-trifluoroethane; nitrogen-containing solvents such as nitromethane, nitroethane, nitropropane, and nitrobenzene. In addition, a solvent generally used for Friedel-Crafts reaction, cationic polymerization and the like can be appropriately selected and used suitably. These solvents may be used alone or in combination of two or more.
In configuring this polycondensation reaction system, there are no particular restrictions on the order and method of blending an aromatic compound having an amino group, an aromatic compound having other than an amino group, and a polycondensation agent, and each of them can be used simultaneously or in various ways. It is also possible to blend stepwise in the order and manner.
In addition, there are no particular restrictions on the order and method of blending the polycondensation compound and the sulphonating agent, etc. in configuring this sulphonation reaction system, and they may be blended simultaneously or stepwise in various orders and manners. Is possible.
The solid acid obtained by sulfonating with the sulfonating agent of the present invention is obtained by diluting the reaction solution with ion-exchanged water, and decanting or performing general filtration, microfiltration, ultrafiltration, reverse osmosis filtration, etc. Wash until is neutralized.

As a drying method, natural drying, hot air drying, external heating drying, spray drying, drying using microwaves, infrared rays, far infrared rays, freeze drying, or the like can be performed.

In the solid acid of the present invention, a nitrogen atom derived from an aromatic compound having an amino group is arbitrarily present in the solid acid structure, and it is assumed that the nitrogen atom and the sulfonic acid group interact in a complicated manner. Therefore, high activity is obtained, proton conductivity is high, heat resistance is high, and high ion exchange capacity, high catalyst performance, and the like are exhibited.
In the solid acid of the present invention, the molar amount of sulfur with respect to carbon is preferably 15 mol% or more and 100 mol% or less in elemental analysis. If it is less than 15 mol%, the sulfonation rate is low, it is difficult to obtain a strong acid, and the ion exchange amount, catalyst performance, and proton conductivity may be lowered.
The solid acid of the present invention preferably has an acid value of 1 to 20 meq / g. If the acid value is less than 1 meq / g, the activity is low and the function of the solid acid tends to be low, and if it exceeds 20 meq / g, the function as the solid acid tends to be impaired by dissolving in a polar solvent.

本発明の固体酸は、プロトン伝導膜、固体酸触媒、イオン交換膜に使用できる。   The solid acid of the present invention can be used for proton conducting membranes, solid acid catalysts, and ion exchange membranes.

本発明で言うプロトン伝導膜とは、プロトンを伝導する能力を持つ膜のことを言う。本発明の固体酸を単独で膜化させたり、バインダー樹脂などを使用したりすることで膜化して使用される。   The proton conducting membrane referred to in the present invention means a membrane having the ability to conduct protons. The solid acid of the present invention is used as a film by forming it alone or by using a binder resin or the like.

本発明の固体酸は強酸基が多く、高い酸触媒機能をもつことができるため、固体酸触媒としても良好に使用できる。単独で使用しても良いが、バインダー樹脂やアルミナなどに担持することでも使用できる。   Since the solid acid of the present invention has many strong acid groups and can have a high acid catalyst function, it can be used well as a solid acid catalyst. Although it may be used alone, it can also be used by supporting it on a binder resin or alumina.

本発明で言うイオン交換膜とは、イオンを選択的に透過する膜のことを言う。本発明の固体酸を単独で使用したり、バインダー樹脂やアルミナやシリカなどに担時することにより使用される。   The ion exchange membrane referred to in the present invention refers to a membrane that selectively transmits ions. It is used by using the solid acid of the present invention alone or carrying it on a binder resin, alumina, silica or the like.

以下、実施例および比較例により本発明を具体的に説明するが、この例示により本発明が限定的に解釈されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example demonstrate this invention concretely, this invention is not interpreted limitedly by this illustration.

(実施例1)
4つ口フラスコ300mlに、窒素60ml/min流しながら、無水塩化アルミニウム50重量部と塩化ナトリウム10重量部とナフタレン20重量部とN,N,N’,N’-テトラメチルベンジジン(化合物1)10重量部を仕込み、30分間緩やかに撹拌した。加熱を開始と同時に窒素を止め、90℃まで加熱し、90℃で30分間保持してから、次いで100℃まで加熱した。100℃〜105℃で4時間反応した。室温まで冷却し、過剰の塩化アルミニウムを失活させるために、希塩酸150mlを加えた。
上澄み液を捨て、トルエン200mlを添加して析出物を溶解した。得られた溶液を濾紙で濾過し、ヘプタン1000mlへ徐々に添加した。得られた沈殿物をろ過し、得た沈殿物を80℃で一晩乾燥し、重縮合反応化合物を27.7gを得た。
4つ口フラスコ300mlに、重縮合反応化合物27.7重量部と97%硫酸277mlを仕込み、窒素を80ml/min流しながら、180℃まで加熱し、5時間反応させた。この溶液をイオン交換水554mlに撹拌しながら注ぎ込み、1時間そのまま撹拌した。これを、吸引ろ過し、さらにイオン交換水300mlで洗浄した。再度、析出物をイオン交換水300mlに分散し、1時間撹拌を行い、吸引ろ過し、イオン交換水で濾液が中性になるまで洗浄した後、80℃で一晩乾燥し、固体酸1を28.1重量部を得た。
(実施例2)
4つ口フラスコ300mlに、窒素60ml/min流しながら、無水塩化アルミニウム50gとナフタレン20gと2,3,6,7-テトラヒドロ-1H,5Hヘ゛ンソ゛[ij]キノリジン(化合物2)2重量部を仕込み、30分間緩やかに撹拌した。加熱を開始と同時に窒素を止め、90℃まで加熱し、90℃で30分間保持してから、次いで100℃まで加熱した。100℃〜105℃で4時間反応した。室温まで冷却し、過剰の塩化アルミニウムを失活させるために、希塩酸を加えた。
これを、濾過して、沈殿物を得た。これを80℃で一晩乾燥し、重縮合反応化合物を20重量部を得た。
4つ口フラスコ300mlに、重縮合反応化合物20重量部と97%硫酸200mlを仕込み、窒素を80ml/min流しながら、180℃まで加熱し、5時間反応させた。この溶液をイオン交換水300mlに撹拌しながら注ぎ込み、1時間そのまま撹拌した。これを、吸引ろ過し、イオン交換水300mlで洗浄した。再度、析出物をイオン交換水300mlに分散し、1時間撹拌を行い、吸引ろ過し、イオン交換水で濾液が中性になるまで洗浄した後、80℃で一晩乾燥し、固体酸2を18.1重量部を得た。
(実施例3)
4つ口フラスコ300mlに、窒素60ml/min流しながら、無水塩化アルミニウム50重量部と塩化ナトリウム10重量部とナフタレン20重量部とN,N,N’,N’-テトラフェニルベンジジン(化合物3)4重量部を仕込み、30分間緩やかに撹拌した。加熱を開始と同時に窒素を止め、110℃まで加熱し、110℃〜115℃で4時間反応した。室温まで冷却し、過剰の塩化アルミニウムを失活させるために、希塩酸を加えた。
これを、濾過して、沈殿物を得た。これを80℃で一晩乾燥し、重縮合反応化合物を21gを得た。
4つ口フラスコ300mlに、重縮合反応化合物 21gと97%硫酸210mlを仕込み、窒素を80ml/min流しながら、180℃まで加熱し、5時間反応させた。この溶液をイオン交換水200mlに撹拌しながら注ぎ込み、1時間そのまま撹拌した。これを、吸引ろ過し、イオン交換水300mlで洗浄した。再度、析出物をイオン交換水300mlに分散し、1時間撹拌を行い、吸引ろ過し、イオン交換水で濾液が中性になるまで洗浄した後、80℃で一晩乾燥し、固体酸3を19.9重量部を得た。
Example 1
While flowing 60 ml / min of nitrogen into a 300 ml four-necked flask, 50 parts by weight of anhydrous aluminum chloride, 10 parts by weight of sodium chloride, 20 parts by weight of naphthalene and N, N, N ′, N′-tetramethylbenzidine (Compound 1) 10 A part by weight was charged and gently stirred for 30 minutes. Nitrogen was turned off as soon as heating was started, heated to 90 ° C., held at 90 ° C. for 30 minutes, and then heated to 100 ° C. The reaction was carried out at 100 ° C. to 105 ° C. for 4 hours. In order to cool to room temperature and deactivate excess aluminum chloride, 150 ml of dilute hydrochloric acid was added.
The supernatant was discarded and 200 ml of toluene was added to dissolve the precipitate. The resulting solution was filtered through filter paper and gradually added to 1000 ml of heptane. The obtained precipitate was filtered, and the obtained precipitate was dried at 80 ° C. overnight to obtain 27.7 g of a polycondensation reaction compound.
300 ml of a four-necked flask was charged with 27.7 parts by weight of a polycondensation reaction compound and 277 ml of 97% sulfuric acid, heated to 180 ° C. while allowing nitrogen to flow at 80 ml / min, and reacted for 5 hours. This solution was poured into 554 ml of ion-exchanged water with stirring and stirred for 1 hour. This was subjected to suction filtration and further washed with 300 ml of ion-exchanged water. Again, the precipitate was dispersed in 300 ml of ion-exchanged water, stirred for 1 hour, suction filtered, washed with ion-exchanged water until the filtrate became neutral, and then dried at 80 ° C. overnight to obtain solid acid 1. 28.1 parts by weight were obtained.
(Example 2)
Into a four-necked flask (300 ml), 50 g of anhydrous aluminum chloride, 20 g of naphthalene, and 2 parts by weight of 2,3,6,7-tetrahydro-1H, 5H benzo [ij] quinolidine (compound 2) were charged while flowing nitrogen at 60 ml / min. Gently stirred for 30 minutes. Nitrogen was turned off as soon as heating was started, heated to 90 ° C., held at 90 ° C. for 30 minutes, and then heated to 100 ° C. The reaction was carried out at 100 ° C. to 105 ° C. for 4 hours. Dilute hydrochloric acid was added to cool to room temperature and deactivate excess aluminum chloride.
This was filtered to obtain a precipitate. This was dried at 80 ° C. overnight to obtain 20 parts by weight of a polycondensation reaction compound.
A 300 ml four-necked flask was charged with 20 parts by weight of a polycondensation reaction compound and 200 ml of 97% sulfuric acid, heated to 180 ° C. with nitrogen flowing at 80 ml / min, and reacted for 5 hours. This solution was poured into 300 ml of ion-exchanged water with stirring, and stirred for 1 hour. This was suction filtered and washed with 300 ml of ion-exchanged water. The precipitate was again dispersed in 300 ml of ion-exchanged water, stirred for 1 hour, filtered by suction, washed with ion-exchanged water until the filtrate became neutral, and then dried at 80 ° C. overnight. 18.1 parts by weight were obtained.
(Example 3)
While flowing 60 ml / min of nitrogen into a 300 ml four-necked flask, 50 parts by weight of anhydrous aluminum chloride, 10 parts by weight of sodium chloride, 20 parts by weight of naphthalene and N, N, N ′, N′-tetraphenylbenzidine (Compound 3) 4 A part by weight was charged and gently stirred for 30 minutes. Nitrogen was stopped at the same time as heating was started, and the mixture was heated to 110 ° C and reacted at 110 ° C to 115 ° C for 4 hours. Dilute hydrochloric acid was added to cool to room temperature and deactivate excess aluminum chloride.
This was filtered to obtain a precipitate. This was dried at 80 ° C. overnight to obtain 21 g of a polycondensation reaction compound.
A 300 ml four-necked flask was charged with 21 g of a polycondensation reaction compound and 210 ml of 97% sulfuric acid, heated to 180 ° C. with nitrogen flowing at 80 ml / min, and reacted for 5 hours. This solution was poured into 200 ml of ion-exchanged water with stirring and stirred for 1 hour. This was suction filtered and washed with 300 ml of ion-exchanged water. The precipitate was again dispersed in 300 ml of ion-exchanged water, stirred for 1 hour, suction filtered, washed with ion-exchanged water until the filtrate became neutral, and then dried overnight at 80 ° C. 19.9 parts by weight were obtained.

(比較例1)
20gのナフタレンを200mlの濃硫酸(97質量%)に加えて200℃で15時間加熱しスルホン酸化した。次に、過剰の濃硫酸を250℃での減圧蒸留によって除去し、黒色の固体粉末を得た。これに600mlのイオン交換水を加えて、1時間撹拌を行い、一晩静置後、デカンテーションし、沈殿物に新たにイオン交換水600mlを加え、1時間撹拌したのち、一晩静置し、これを吸引ろ過し、イオン交換水で濾液が中性になるまで洗浄し、比較の固体酸4 9.2gを得た。

(収量の比較)
次に、実施例1〜3および比較例1での仕込み原料量に対する実施例1〜3で得られた固体酸1〜3および比較例1で得られた固体酸4の収量を表1に示す。
その結果、従来法に比べて、いずれの実施例1〜3においても約1.8倍〜2.0倍の収量を得ることができた。これにより、より効率よく固体酸を得ることができることがわかった。


[固体酸の収率(%)の計算式]

収率(%)=得られた固体酸収量(g)/仕込み総原料量(g)×100


Figure 2007204440


次に、実施例1〜3で得られた固体酸1〜3および比較例1で得られた固体酸4の酸価の測定を下記の方法で行った。 (Comparative Example 1)
20 g of naphthalene was added to 200 ml of concentrated sulfuric acid (97% by mass) and heated at 200 ° C. for 15 hours for sulfonation. Next, excess concentrated sulfuric acid was removed by distillation under reduced pressure at 250 ° C. to obtain a black solid powder. Add 600 ml of ion-exchanged water, stir for 1 hour, let stand overnight, then decant, add 600 ml of ion-exchanged water to the precipitate, stir for 1 hour, and let stand overnight. This was subjected to suction filtration and washed with ion-exchanged water until the filtrate became neutral to obtain 9.2 g of a comparative solid acid 4.

(Yield comparison)
Next, Table 1 shows the yields of the solid acids 1 to 3 obtained in Examples 1 to 3 and the solid acid 4 obtained in Comparative Example 1 with respect to the charged raw material amounts in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1. .
As a result, the yield of about 1.8 to 2.0 times could be obtained in any of Examples 1 to 3 as compared with the conventional method. Thereby, it turned out that a solid acid can be obtained more efficiently.


[Calculation formula for solid acid yield (%)]

Yield (%) = Yield of solid acid obtained (g) / Total amount of raw materials charged (g) × 100


Figure 2007204440


Next, the acid values of the solid acids 1 to 3 obtained in Examples 1 to 3 and the solid acid 4 obtained in Comparative Example 1 were measured by the following method.

(酸価の測定法)
上記黒色粉末(実施例1〜3で得られた固体酸1〜3および比較例1で得られた固体酸4)を純水で洗浄した。次に、48時間2規定の硝酸ナトリウム水溶液中で黒色粉末と反応させ、黒色粉末をフィルターで濾過した。この黒色粉末を取り除いた酸性溶液に水酸化ナトリウム溶液を滴下し、窒素気流中で中和点を計測した。その滴下した量により酸価を算出した。従来、黒色粉末に直接、水酸化ナトリウムを滴下することで中和点を求めていたが、この方法を使用するとより的確に酸価を計測できて良い。その結果を表2に示す。
その結果、従来法に比べ、いずれの実施例1〜3においても約4.3〜約4.8倍の酸価を得ることができた。これにより、より多くの酸基が導入されていることが判った。
(Measurement method of acid value)
The black powders (solid acids 1 to 3 obtained in Examples 1 to 3 and solid acid 4 obtained in Comparative Example 1) were washed with pure water. Next, it was reacted with black powder in a 2N aqueous sodium nitrate solution for 48 hours, and the black powder was filtered with a filter. A sodium hydroxide solution was dropped into the acidic solution from which the black powder was removed, and the neutralization point was measured in a nitrogen stream. The acid value was calculated from the amount dropped. Conventionally, the neutralization point has been obtained by dropping sodium hydroxide directly on the black powder, but the acid value may be measured more accurately by using this method. The results are shown in Table 2.
As a result, an acid value of about 4.3 to about 4.8 times that of any of Examples 1 to 3 was obtained as compared with the conventional method. As a result, it was found that more acid groups were introduced.


Figure 2007204440
Figure 2007204440

次に、実施例1〜4で得られた固体酸1〜4および比較例1で得られた固体酸の硫黄含有量(モル%)の測定を下記の方法で行った。   Next, the measurement of the sulfur content (mol%) of the solid acids 1 to 4 obtained in Examples 1 to 4 and the solid acid obtained in Comparative Example 1 was performed by the following method.

(元素分析)
実施例1〜3で得られた固体酸1〜3および比較例1で得られた固体酸4(いずれも黒色粉末)を酸素気流下で燃焼させ、CHSN−932(米国LECO社製)を用いて炭素1モルに対する硫黄含有量(モル%)を測定した。その結果を表3に示す。
(Elemental analysis)
The solid acids 1 to 3 obtained in Examples 1 to 3 and the solid acid 4 (both black powder) obtained in Comparative Example 1 were burned under an oxygen stream, and CHSN-932 (manufactured by LECO, USA) was used. Then, the sulfur content (mol%) relative to 1 mol of carbon was measured. The results are shown in Table 3.

硫黄の含有率が従来に比べ、いずれの実施例1〜3においても1.7倍以上高く、従来に比べスルホン酸基が導入されていることが判った。   The sulfur content was 1.7 or more times higher in any of Examples 1 to 3 than in the past, and it was found that sulfonic acid groups were introduced as compared with the prior art.

Figure 2007204440
Figure 2007204440


次に、実施例1〜3で得られた固体酸1〜3および比較例1で得られた固体酸4の固体酸触媒性能の評価を下記の方法で行った。
Next, the solid acid catalyst performance of the solid acids 1 to 3 obtained in Examples 1 to 3 and the solid acid 4 obtained in Comparative Example 1 was evaluated by the following method.

(固体酸触媒性能評価法)
実施例1〜3で得られた固体酸1〜3および比較例1で得られた固体酸4の各々0.2gを触媒としてアルゴン雰囲気下の酢酸0.1molとエチルアルコール1molの混合溶液に添加し、70℃で6時間攪拌し、反応中に酸触媒反応によって生成する酢酸エチルの1時間後の生成量(mol)をガスクロマトグラフで調べた。その結果を表5に示す。
(Solid acid catalyst performance evaluation method)
0.2 g of each of solid acids 1 to 3 obtained in Examples 1 to 3 and solid acid 4 obtained in Comparative Example 1 was added as a catalyst to a mixed solution of 0.1 mol of acetic acid and 1 mol of ethyl alcohol under an argon atmosphere. Then, the mixture was stirred at 70 ° C. for 6 hours, and the amount (mol) of ethyl acetate produced by the acid-catalyzed reaction during the reaction after 1 hour was examined by gas chromatography. The results are shown in Table 5.


Figure 2007204440
Figure 2007204440

実施例1〜3で得られた固体酸1〜3のようにアミノ基を有する芳香族化合物とアミノ基以外を有する芳香族化合物を常圧下重縮合化剤で加熱処理して得た重縮合化合物を、スルホン酸化剤でスルホン化して合成することで、仕込み原料に対する高い収量および高い酸価(4.2meq/g〜4.8meq/g)、硫黄含有量(19モル%)の高い固体酸を提供できる。これは比較例1に比べ収率では約1.8倍〜2.0倍であり、効率が高く、酸価では約4倍、硫黄含有率では約1.7倍であり、このことはイオン交換能力が高いことを示している。   A polycondensation compound obtained by heat-treating an aromatic compound having an amino group and an aromatic compound having other than an amino group with a polycondensation agent under normal pressure, such as the solid acids 1 to 3 obtained in Examples 1 to 3 Is synthesized by sulfonating with a sulfonating agent to produce a solid acid having a high yield, a high acid value (4.2 meq / g to 4.8 meq / g) and a high sulfur content (19 mol%) based on the raw materials. Can be provided. Compared with Comparative Example 1, the yield is about 1.8 to 2.0 times higher, the efficiency is higher, the acid value is about 4 times, and the sulfur content is about 1.7 times. The exchange capacity is high.

さらに、実施例1〜3で得られた固体酸1〜3の固体酸触媒性能を調査したところ、従来に比べ最大1.7倍の触媒性能を示し、高い性能の固体酸触媒を提供できることが判った。   Furthermore, when the solid acid catalyst performance of the solid acids 1 to 3 obtained in Examples 1 to 3 was investigated, the catalyst performance was 1.7 times maximum compared to the conventional one, and a high performance solid acid catalyst could be provided. understood.

このように常圧下重縮合化剤で加熱処理し、得られた重縮合化合物をスルホン酸化剤でスルホン酸化して合成することで、従来の濃硫酸あるいは発煙硫酸中で加熱処理する方法に比べ、作業上の安全性や収量、再現性が高く、高い触媒性能、プロトン伝導性、イオン交換容量をもつ固体酸を提供することができる。   In this way, heat treatment with a polycondensation agent under normal pressure, and by synthesizing the resulting polycondensation compound by sulfonation with a sulfonating agent, compared to conventional heat treatment in concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid, It is possible to provide a solid acid having high operational safety, yield and reproducibility, high catalyst performance, proton conductivity and ion exchange capacity.

本発明の固体酸の製造方法は、アミノ基を有する芳香族化合物とアミノ基以外を有する芳香族化合物を、常圧下で重縮合化剤の存在下で加熱処理し、スルホン酸化剤でスルホン酸化することを特徴とするものであり、プロトン伝導性が高く、耐熱性に優れ、且つ高イオン交換容量、高触媒性能など、また、作業上の安全性や収率、分子設計の自由度が高く、再現性よく、且つ容易に製造できるという顕著な効果を奏するので、産業上の利用価値が高い。
In the method for producing a solid acid of the present invention, an aromatic compound having an amino group and an aromatic compound having a non-amino group are heat-treated in the presence of a polycondensation agent under normal pressure, and sulfonated with a sulfonated agent. Is characterized by high proton conductivity, excellent heat resistance, high ion exchange capacity, high catalyst performance, etc. Since it has a remarkable effect that it can be easily manufactured with good reproducibility, the industrial utility value is high.

Claims (6)

アミノ基を有する芳香族化合物と前記アミノ基以外を有する芳香族化合物とを、常圧下で重縮合化剤の存在下で加熱処理し、得られた重縮合化合物を、スルホン酸化剤でスルホン酸化することを特徴とする固体酸の製造方法。   An aromatic compound having an amino group and an aromatic compound having other than the amino group are heat-treated in the presence of a polycondensation agent under normal pressure, and the resulting polycondensation compound is sulfonated with a sulfonated agent. A method for producing a solid acid. 加熱処理温度が、50〜220℃である請求項1記載の固体酸の製造方法。   The method for producing a solid acid according to claim 1, wherein the heat treatment temperature is 50 to 220 ° C. アミノ基以外を有する芳香族化合物が、常圧下で50℃〜220℃で液体状態であることを特徴とする請求項1または2記載の固体酸の製造方法。   The method for producing a solid acid according to claim 1 or 2, wherein the aromatic compound having other than an amino group is in a liquid state at 50 ° C to 220 ° C under normal pressure. 請求項1から3いずれかに記載の製造方法で製造されてなることを特徴とする固体酸。   A solid acid produced by the production method according to claim 1. 元素分析で炭素に対する硫黄のモル量が、15モル%以上100モル%以下であることを特徴とする請求項4記載の固体酸。   The solid acid according to claim 4, wherein the molar amount of sulfur with respect to carbon is 15 mol% or more and 100 mol% or less by elemental analysis. 固体酸の酸価が、1〜20meq/gであることを特徴とする請求項4または5記載の固体酸。
































6. The solid acid according to claim 4, wherein the acid value of the solid acid is 1 to 20 meq / g.
































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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2015039686A (en) * 2013-08-23 2015-03-02 内山 俊一 Hydrogen activating catalyst

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