JP2008047867A - 第四級アンモニウム塩の製造方法 - Google Patents

第四級アンモニウム塩の製造方法 Download PDF

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仲天 鄭
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Abstract

【課題】本発明は、収率が高く、反応の操作が簡単であり、原料を容易に得ることができるアルミニウム電解コンデンサ又はスーパーキャパシター用第四級アンモニウム塩の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明は、炭酸モノアルキルエステルの第四級アンモニウム塩と、テトラフルオロ硼酸などのフッ素錯酸アンモニウム塩とを適当な溶剤の中で反応させて得るが、製造の過程中、ハロゲン元素が導入されなく、また、H2Oを加入しなくても良い。
【選択図】なし

Description

本発明は、第四級塩の製造方法に係り、特に、アルミニウム電解コンデンサ、スーパーキャパシター用第四級アンモニウム塩の製造方法に関する。
従来、テトラフルオロアルミニウム酸、テトラフルオロ硼酸、ヘキサフルオロリン酸の第四級塩は、アルミニウム電解コンデンサ及びスーパーキャパシターによく使用され、これらコンデンサの電解液の電解質として導電率が高いため、これで製造した部品も良好な性能を有する。
特開平5−286981号公報(森田化学)に開示されたように、氷水浴中で(C25)4NBrを無水フッ化水素酸と反応させて(C25)4NF・nHFを製造し、また、170℃でHFを蒸発して(C25)4NF・2HFを得て、メタノール溶液(BF3含量51%)と反応させ、次に150℃まで加熱してメタノールと残りHFを除去させ、更にメタノールで再結晶することにより製造される。
また、特開平11−310555号公報(三井化学)に開示されたように、氷水浴中で炭酸モノアルキルエステルトリエチル-メチルアンモニウムを無水HFと反応させて(C25)4NF・nHFを製造し、以下操作は前記特開平5−286981号公報と同じである。
特開平11−310555号公報(三井化学)においては、25℃で炭酸モノアルキルエステルトリエチル−メチルアンモニウムを42%テトラフルオロ硼酸の水溶液と反応させ、また60℃、70mmHgで濃縮させて80%トリエチル−メチルテトラフルオロ硼酸アンモニウムを製造し、次にイソプロピルアルコールを入れてトリエチル−メチルテトラフルオロ硼酸アンモニウムを析出して、真空中で乾燥することにより製造される。
また、特開2000−16995号公報(三菱化学)の製造方法も前記特開平11−310555号公報と大体同じである。
また、特開2001−348388号公報に開示されたように、塩素化テトラエチルアンモニウム(又は臭素化テトラエチルアンモニウム)を30%HBF4メタノール溶液と反応させ、次に0℃まで冷却させてテトラフルオロ硼酸を析出して、結晶を105℃で乾燥することにより製造される。
前記特開平5−286981号公報及び前記特開2001−348388号公報は、いずれも塩素化(又は臭素化)第四級アンモニウム塩を原料としたが、アルミニウム電解コンデンサ、スーパーキャパシター用の電解質に対してはCl-又はBr-を全部1ppm以下に制御しなければならなく、このような製造方法の要求を満たすためにはかなり複雑な操作が掛かる。そして、前記特開平5−286981号公報におけるBF3メタノール溶液及び特開2001−348388号公報におけるHBF4メタノール溶液に対しては全部無水が要求されるため、原料の入手が難しくなる。
また、前記特開平11−310555号公報等においても、必ず無水HFと反応させなければならないので、設備要求が高く操作が複雑になり、更に、無水HFは強い腐食性及び毒性を有している。
また、前記特開平11−310555号公報においては、必ず42%HBF4水溶液を使用しなければならないので、多量の水分が加えられて、H2Oの除去工程が非常に煩わしくなる。
特開平5−286981号公報 特開平11−310555号公報 特開2000−16995号公報 特開2001−348388号公報
以上問題点に鑑みて、本発明の目的はアルミニウム電解コンデンサ、スーパーキャパシター用第四級アンモニウム塩の製造方法を提供することであり、炭酸モノアルキルエステル類第四級アンモニウム塩、テトラフルオロ硼酸などのフッ素錯酸アンモニウム塩を極性溶剤の中で反応させるし、また、無水HFが要らなくなり、H2OとCl-、Br-を引き込まなくても良くなる。
なお、フッ素錯酸アンモニウム塩とは、フッ素と酸が複合反応(complex reaction)して形成されたフッ素錯酸基の陰イオンとアンモニウム塩の陽イオンとが結合して形成された物質をいう。
本発明を実現するために、第四級アンモニウム塩と溶剤を配合させて、濃度20〜40%の溶液を調製し、該溶液の中にアンモニウム塩を入れて24〜48時間回流させ、次に溶剤を除去して製品を得るが、ここで、前記第四級アンモニウム塩と前記アンモニウム塩のモル比は1:1である。
また、前記第四級アンモニウム塩は炭酸モノアルキルエステル類第四級アンモニウム塩を含み、前記アンモニウム塩はフッ素錯酸アンモニウム塩を含む。
また、前記第四級アンモニウム塩の陰イオン即ち炭酸モノアルキルエステルの陰イオンは、一般式:
Figure 2008047867
で表され、式中、R1は炭素数≦5のアルキル基を示し、好ましくはメチル基を示す。
また、前記第四級アンモニウム塩の陽イオンは、一般式:
Figure 2008047867
で表され、式中、R2は炭素数≦5の炭化水素基、R3、R4、R5は炭素数1〜20の炭化水素基を示し、これらR2、R3、R4、R5のいずれか両者が互いに連結されて環状を形成しても良い。
また、前記第四級アンモニウム塩の陽イオンはイミダゾールオニウム塩の陽イオンを更に含み、これが一般式:
Figure 2008047867
で表され、式中、R6、R8は炭素数≦5の炭化水素基、R7、R9、R10はH原子又は炭素数≦5の炭化水素基を示し、これらR6、R7、R8、R9、R10のいずれか両者が互いに連結されて環状を形成しても良い。
また、前記第四級アンモニウム塩の陽イオンは、第四級イミダゾリンオニウム又は第四級ピリミジンオニウム又は第四級アミジンオニウムの陽イオンを更に含み、これが一般式:
Figure 2008047867
で表され、式中、R11、R12、R14、R15は炭素数≦5の炭化水素基、R13はH原子又は炭素数≦5の炭化水素基を示し、これらR11、R12、R13、R14、R15のいずれか両者が互いに連結されて環状を形成しても良い。
また、前記第四級アンモニウム塩の陽イオンは第四級ピリジル又は第四級ピロールの塩の陽イオンを更に含み、この中で、前記第四級ピリジル塩が、一般式:
Figure 2008047867
で表され、式中、R16は炭素数1〜5の炭化水素基を示し、ピリジル環に炭化水素基又はアルコキシ基又はエーテル基又はケトン基の置換基が含まれても良く、R16がメチル基を示すことが好ましく、
前記第四級ピロール塩が、一般式:
Figure 2008047867
で表され、式中、R17は炭素数1〜5の炭化水素基を示し、ピロール環に炭化水素基又はアルコキシ基又はエーテル基又はケトン基の基群が含まれても良く、好ましくはR17がメチル基を示す。
また、前記第四級アンモニウム塩の陽イオンは第四級ホスホニウム塩の陽イオンを更に含み、これが一般式:
Figure 2008047867
で表され、式中、R18は炭素数≦5の炭化水素基、R19、R20、R21は炭素数1〜20の炭化水素基を示し、これらR18、R19、R20、R21のいずれか両者が互いに連結されて環状を形成しても良い。
そして、前記アンモニウム塩の陰イオンは、テトラフルオロ硼酸の陰イオン、又はヘキサフルオロリン酸の陰イオン、又はテトラフルオロアルミニウム酸の陰イオン、又はヘキサフルオロヒ酸の陰イオン、又はヘキサフルオロアンチモン酸の陰イオンを含む。
また、前記アンモニウム塩の陽イオンは以下陽イオンの一種を含み、これが一般式:
Figure 2008047867
で表され、式中、R22、R23、R24はH原子又は炭素数1〜3の炭化水素基を示し、これらR22、R23、R24のいずれか両者が互いに連結されても良い。
なお、前記溶剤は、アルコール系、又はニトリル系、又はアミド系、又はラクトン系、又は無機酸エステル系、又はアミン系、又はスルホン系、又はエーテル系、又はホスホアミド系を含み、好ましくはメタノール、又はエタノール、又はアセトニトリル、又はN,N−ジメチルホルムアミドを含む。
また、本発明に関する方法は、炭酸モノアルキルエステル類第四級アンモニウム塩とテトラフルオロ硼酸アンモニウム又はヘキサフルオロリン酸アンモニウムとを、メタノール又はエタノール又はアセトニトリル又はN,N−ジメチルホルムアミドの溶液の中で反応させるステップも含めている。
従来の技術と比べ、本発明は、両種の塩(AとB)に対して複分解反応を行うことにより製造して得られるが、塩Aが炭酸モノアルキルエステル類第四級アンモニウム塩であり、塩Bがテトラフルオロ硼酸(又はヘキサフルオロリン酸)等であるフッ素錯酸アンモニウム塩を極性溶剤の中で反応させ、また、無水HFが要らなく、H2OとCl-、Br-を引き込まないことができる。本発明の方法によると、操作が簡単で、原料の入手が容易になり、製品中のH2OとCl-、Br-に対する制御が易くなる。
以下実施例に基づいて、本発明をより詳細に説明する。
本発明の実施形態は、両種の塩(AとB)を用いて複分解反応を行うことにより得られ、即ち、塩Aが炭酸モノアルキルエステル類第四級アンモニウム塩であり、塩Bがテトラフルオロ硼酸等のフッ素錯酸アンモニウム塩であるが、これらを極性溶剤中で反応させる。
本発明の実施形態に用いられる塩Aの陰イオン、即ち炭酸モノアルキルエステルの陰イオンを一般式:
Figure 2008047867
で表し、式中、R1は炭素数≦5のアルキル基であるが、メチル基であることが好ましい。
また、本発明の実施形態に用いられる塩Aの陽イオンを以下一般式:
Figure 2008047867
で表し、式中、R2は炭素数≦5の炭化水素基であり、R3、R4、R5は炭素数1〜20の炭化水素基であって、これらR2、R3、R4、R5のいずれか両者が互いに連結されて環状を形成することもできる。
塩Aの陽イオンとして、例えば、テトラメチルアンモニウム基、トリメチル‐エチルアンモニウム基、ジメチルジエチルアンモニウム基、トリエチル‐メチルアンモニウム基、トリプロピル‐メチルアンモニウム基、トリブチル‐メチルアンモニウム基、トリオクチル‐メチルアンモニウム基、テトラエチルアンモニウム基、トリメチル‐プロピルアンモニウム基、トリメチルフェニルアンモニウム基などが挙げられる。
そして、本発明の実施形態に用いられる塩Aの陽イオンが、第四級イミダゾールオニウムの陽イオンであることができて、これを一般式:
Figure 2008047867
で表し、式中、R6、R8は炭素数≦5の炭化水素基であり、R7、R9、R10はH原子又は炭素数≦5の炭化水素基であって、これらR6、R7、R8、R9、R10のいずれか両者が互いに連結されて環状を形成することもできる。
この種類の陽イオンとして、例えば、1,2,3‐トリメチルイミダゾールオニウム、1,2,3,4‐テトラメチルイミダゾールオニウム、1,3‐ジメチル‐2‐エチルイミダゾールオニウム、1‐メチル‐2,3‐ジエチルイミダゾールオニウム、1,2,3‐トリメチル‐4‐エチルイミダゾールオニウム等が挙げられ、勿論、当類オニウム塩のイオンはこれらに限らず、またいろいろ種類を挙げることができる。
また、本発明の実施形態に用いられる塩Aの陽イオンが、第四級イミダゾリンオニウム、又は第四級ピリミジンオニウム、又は第四級アミジンオニウムの陽イオンであることができて、これを一般式:
Figure 2008047867
で表し、式中、R11、R12、R14、R15は炭素数≦5の炭化水素基であり、R13はH原子又は炭素数≦5の炭化水素基であって、これらR11、R12、R13、R14、R15のいずれか両者が互いに連結されて環状を形成することもできる。
この種類の陽イオとして、例えば、1,2,3,4‐テトラメチルイミダゾリンオニウム、2,3‐ジメチル‐1‐ジエチルイミダゾリンオニウム、1,2,3,4‐テトラメチルピリミジンオニウム、1,3‐ジエチルイミダゾールオニウム等が挙げられ、勿論、当類化合物として、またいろいろを挙げることができる。
そして、本発明の実施形態に用いられる塩Aの陽イオンが、第四級ピリジル又は第四級ピロールの塩の陽イオンであることができて、該第四級ピリジル塩を一般式:
Figure 2008047867
で表し、式中、R16は炭素数1〜5の炭化水素基であり、ピリジル環に炭化水素基又はアルコキシ基又はエーテル基又はケトン基の置換基を含むことができるし、R16がメチル基であることが好ましい。
また、該第四級ピロール塩を一般式:
Figure 2008047867
で表し、式中、R17は炭素数1〜5の炭化水素基であり、ピロール環に炭化水素基又はアルコキシ基又はエーテル基又はケトン基の基群を含むことができるし、R17がメチル基であることが好ましい。
そして、本発明の実施形態に用いられる塩Aの陽イオンが、第四級ホスホニウム塩の陽イオンであることができて、これを一般式:
Figure 2008047867
で表し、式中、R18は炭素数≦5の炭化水素基であり、R19、R20、R21は炭素数1〜20の炭化水素基であって、これらR18、R19、R20、R21のいずれか両者が互いに連結されて環状を形成することもできる。
この種類の陽イオとして、例えば、トリフェニル‐メチルホスホニウム、トリブチル‐メチルホスホニウム、トリフェニル‐エチルホスホニウム、トリブチル‐エチルホスホニウム等が挙げられる。
なお、本発明の実施形態に用いられる塩Bの陰イオンが、テトラフルオロ硼酸の陰イオン、ヘキサフルオロリン酸の陰イオン、テトラフルオロアルミニウム酸の陰イオンであっても良く、又はヘキサフルオロヒ酸の陰イオン、ヘキサフルオロアンチモン酸の陰イオンであっても良い。
また、該塩Bの陽イオンが以下陽イオンの一種であって、これを一般式:
Figure 2008047867
で表し、式中、R22、R23、R24はH原子又は炭素数1〜3の炭化水素基であり、これらR22、R23、R24のいずれか両者が互いに連結されて環状を形成することもできる。
この種類の塩Bの陽イオンとして、例えば、NH4+、CH3NH3+、(CH32NH2+、(CH33NH+、C25NH3+、(C252NH2+などが挙げられ、この中でNH4+であることが好ましい。
なお、本発明の実施形態において、塩Aと塩Bの反応に用いられる溶剤は、H2O又は非水極性溶剤であり、非水極性溶剤としては、例えば、アルコール系、ニトリル系、アミド系、ラクトン系、無機酸エステル系、アミン系、スルホン系、エーテル系、ホスホアミド系などが挙げられ、メタノール、エタノール、アセトニトリル、N,N−ジメチルホルムアミド等の低沸点の溶剤が好ましい。
そして、本発明の実施形態に用いられる塩Aは、炭酸エステルと対応する化合物を反応させて得られるが、これに関する周知の特許文献によれば、塩Aを容易に得る。
本発明の実施形態においては、前記溶剤で塩Aを20〜40%の溶液に配合させて、塩Bを加えて24〜48時間回流(沸騰)させ、次に前記溶剤を除去して製品を得る。
ここで、塩Aと塩Bのモル比を1:1にさせる。
(実施例1)
炭酸モノエチルエステル‐メチルトリエチルアンモニウム40%メタノール溶液を300g(0.63mol)取って、1000ml量の三口フラスコの中に入れて、テトラフルオロ硼酸アンモニウムを66g(0.63mol)加え、次にこれを24時間回流させて、溶剤を除去すると、115gの製品即ちメチルトリエチルテトラフルオロ硼酸アンモニウムが得られ、収率が90%になる。
(実施例2)
炭酸モノエチルエステル‐メチルトリエチルアンモニウム40%メタノール溶液を300g(0.63mol)取って、1000ml量の三口フラスコの中に入れて、ヘキサフルオロリン酸アンモニウムを103g(0.63mol)加え、次にこれを24時間回流させて、溶剤を除去すると、141gの製品即ちメチルトリエチルヘキサフルオロリン酸アンモニウムが得られ、収率が86%になる。
(実施例3)
炭酸モノエチルエステル1,2,3‐トリメチルイミダソールオニウム塩40%メタノール溶液を300g(0.65mol)取って、1000ml量の三口フラスコの中に入れて、テトラフルオロ硼酸アンモニウムを68g(0.65mol)加え、次にこれを24時間回流させて、溶剤を除去すると、113gの製品即ちテトラフルオロ硼酸‐1,2,3‐トリメチルイミダソールオニウム塩が得られ、収率が88%になる。

Claims (10)

  1. アルミニウム電解コンデンサまたはスーパーキャパシター用第四級アンモニウム塩の製造方法であって、
    a.第四級アンモニウム塩と溶剤を配合させて、濃度20〜40%の溶液を調製するステップと、
    b.該溶液の中にアンモニウム塩を入れて24〜48時間回流させ、次に溶剤を除去して製品を得るステップとを含み、
    ここで、前記第四級アンモニウム塩と前記アンモニウム塩のモル比が1:1である、
    ことを特徴とする第四級アンモニウム塩の製造方法。
  2. 前記第四級アンモニウム塩が炭酸モノアルキルエステル類第四級アンモニウム塩を含み、前記アンモニウム塩がフッ素錯酸アンモニウム塩を含む、ことを特徴とする請求項1記載の第四級アンモニウム塩の製造方法。
  3. 前記第四級アンモニウム塩の陰イオン、即ち炭酸モノアルキルエステルの陰イオンが、一般式:
    Figure 2008047867
    (式中、R1は炭素数≦5のアルキル基を示し、好ましくはメチル基を示す)で表され、
    前記第四級アンモニウム塩の陽イオンが、一般式:
    Figure 2008047867
    (式中、R2は炭素数≦5の炭化水素基、R3、R4、R5は炭素数1〜20の炭化水素基を示し、これらR2、R3、R4、R5のいずれか両者が互いに連結されて環状を形成しても良い)で表される、ことを特徴とする請求項1又は2記載の第四級アンモニウム塩の製造方法。
  4. 前記第四級アンモニウム塩の陽イオンが、イミダゾールオニウム塩の陽イオンを更に含み、これが一般式:
    Figure 2008047867
    (式中、R6、R8は炭素数≦5の炭化水素基、R7、R9、R10はH原子又は炭素数≦5の炭化水素基を示し、これらR6、R7、R8、R9、R10のいずれか両者が互いに連結されて環状を形成しても良い)で表される、ことを特徴とする請求項3記載の第四級アンモニウム塩の製造方法。
  5. 前記第四級アンモニウム塩の陽イオンが、第四級イミダゾリンオニウム、又は第四級ピリミジンオニウム、又は第四級アミジンオニウムの陽イオンを更に含み、これが一般式:
    Figure 2008047867
    (式中、R11、R12、R14、R15は炭素数≦5の炭化水素基、R13はH原子又は炭素数≦5の炭化水素基を示し、これらR11、R12、R13、R14、R15のいずれか両者が互いに連結されて環状を形成しても良い)で表される、ことを特徴とする請求項3記載の第四級アンモニウム塩の製造方法。
  6. 前記第四級アンモニウム塩の陽イオンが、第四級ピリジル又は第四級ピロールの塩の陽イオンを更に含み、この中で、
    前記第四級ピリジル塩が、一般式:
    Figure 2008047867
    (式中、R16は炭素数1〜5の炭化水素基を示し、ピリジル環に炭化水素基又はアルコキシ基又はエーテル基又はケトン基の置換基が含まれても良く、R16がメチル基を示すことが好ましい)で表され、
    前記第四級ピロール塩が、一般式:
    Figure 2008047867
    (式中、R17は炭素数1〜5の炭化水素基を示し、ピロール環に炭化水素基又はアルコキシ基又はエーテル基又はケトン基の基群が含まれても良く、好ましくはR17がメチル基を示す)で表される、ことを特徴とする請求項3記載の第四級アンモニウム塩の製造方法。
  7. 前記第四級アンモニウム塩の陽イオンが、第四級ホスホニウム塩の陽イオンを更に含み、これが一般式:
    Figure 2008047867
    (式中、R18は炭素数≦5の炭化水素基、R19、R20、R21は炭素数1〜20の炭化水素基を示し、これらR18、R19、R20、R21のいずれか両者が互いに連結されて環状を形成しても良い)で表される、ことを特徴とする請求項3記載の第四級アンモニウム塩の製造方法。
  8. 前記アンモニウム塩の陰イオンが、テトラフルオロ硼酸の陰イオン、又はヘキサフルオロリン酸の陰イオン、又はテトラフルオロアルミニウム酸の陰イオン、又はヘキサフルオロヒ酸の陰イオン、又はヘキサフルオロアンチモン酸の陰イオンを含み、
    前記アンモニウム塩の陽イオンが以下陽イオンの一種を含み、これが一般式:
    Figure 2008047867
    (式中、R22、R23、R24はH原子又は炭素数1〜3の炭化水素基を示し、これらR22、R23、R24のいずれか両者が互いに連結されても良い)で表される、ことを特徴とする請求項1又は2記載の第四級アンモニウム塩の製造方法。
  9. 前記溶剤がアルコール系、又はニトリル系、又はアミド系、又はラクトン系、又は無機酸エステル系、又はアミン系、又はスルホン系、又はエーテル系、又はホスホアミド系を含み、好ましくはメタノール、又はエタノール、又はアセトニトリル、又はN,N−ジメチルホルムアミドを含む、ことを特徴とする請求項1記載の第四級アンモニウム塩の製造方法。
  10. 該方法が、炭酸モノアルキルエステル類第四級アンモニウム塩とテトラフルオロ硼酸アンモニウム又はヘキサフルオロリン酸アンモニウムとを、メタノール又はエタノール又はアセトニトリル又はN,N−ジメチルホルムアミドの溶液の中で反応させるステップを含む、ことを特徴とする請求項1又は2記載の第四級アンモニウム塩の製造方法。
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