JP2008214538A - Cyclic guanidine-based proton exchanger - Google Patents

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敦志 川田
Aya Tashiro
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a material for an electrochemical device which exhibits proton conductivity even in unmoistened conditions, for example, a proton exchanger suitable for a solid electrolyte of a fuel cell, an electrolyte in the field of batteries and the like. <P>SOLUTION: Provided is a proton exchanger containing a salt prepared from a cyclic guanidine compound represented by formula (1) and a Broensted acid. In the formula, R<SP>1</SP>, R<SP>2</SP>and R<SP>3</SP>indicate each independently an alkyl, aryl, alkenyl, hydroxyalkyl, alkoxyalkyl, acyloxyalkyl, acyl group or hydrogen and n indicates an integer of ≥1 and ≤6. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、無加湿条件においても機能する新規なプロトン交換体に関するものであり、詳しくは、電池や電解質などの電気化学デバイスに用いることができるプロトン交換体に関する。   The present invention relates to a novel proton exchanger that functions even under non-humidified conditions, and more particularly to a proton exchanger that can be used in electrochemical devices such as batteries and electrolytes.

従来の高分子固体電解質型燃料電池の電解質膜にはパーフルオロカーボンスルホン酸膜などが用いられている(特許文献1)。パーフルオロカーボンスルホン酸膜は、膜内に含まれる水がプロトン伝導パスとなるため、乾燥状態では使用することができないという欠点がある(非特許文献1)。乾燥状態でのプロトン伝導性を向上させるために、シリカ分散パーフルオロスルホン酸膜(特許文献2)、無機−有機複合膜(特許文献3)、リン酸ドープグラフト膜(特許文献4)等の様々な試みがなされている。しかしながら、これらの方法のいずれにおいてもプロトン伝導性を示すためには膜中の水が必須であり、無加湿条件でのプロトン伝導という問題に対する本質的な解決策とはなっていなかった。   A perfluorocarbon sulfonic acid membrane or the like is used as an electrolyte membrane of a conventional polymer solid electrolyte fuel cell (Patent Document 1). The perfluorocarbon sulfonic acid membrane has a drawback that it cannot be used in a dry state because water contained in the membrane becomes a proton conduction path (Non-patent Document 1). In order to improve proton conductivity in a dry state, various materials such as a silica-dispersed perfluorosulfonic acid membrane (Patent Literature 2), an inorganic-organic composite membrane (Patent Literature 3), a phosphoric acid doped graft membrane (Patent Literature 4), etc. Attempts have been made. However, in any of these methods, water in the membrane is essential to show proton conductivity, and it has not been an essential solution to the problem of proton conduction under non-humidified conditions.

そこで、水を必要としないプロトン伝導体の開発が求められており、その例としてイオン液体の利用が提案されている。イオン液体はアニオンとカチオンの組合せからなる100℃以下の融点を有する化合物の総称であり、目的に応じたイオンの組合せにより必要な特性を発現させることが可能なことが提唱されている(非特許文献1)。その用途として反応溶媒、電池電解液、潤滑剤、熱媒等への利用が提案されている(非特許文献2)。   Therefore, development of a proton conductor that does not require water has been demanded, and the use of an ionic liquid has been proposed as an example. An ionic liquid is a general term for compounds having a melting point of 100 ° C. or less composed of a combination of an anion and a cation, and it is proposed that necessary characteristics can be expressed by a combination of ions according to the purpose (non-patent). Reference 1). As its use, utilization to a reaction solvent, a battery electrolyte, a lubricant, a heat medium, etc. has been proposed (Non-Patent Document 2).

燃料電池を主たる用途とするプロトン交換体についてもいくつかの提案がなされている。例えば、4級アンモニウム塩や4級ピリジニウム塩、4級イミダゾリウム塩の如き含窒素4級塩からなる非プロトン性イオン液体とイオン交換基を有する高分子材料を用いることによるプロトン交換膜(特許文献5〜7)、イミダゾール化合物からなるプロトン性イオン液体を用いることによるプロトン交換液及び膜(特許文献8)等が挙げられる。しかしながら、これらの例で示されている無加湿条件での伝導度は高くても10-4〜10-3S/cm程度であり、無加湿プロトン交換体としての利用には改善が必要であった。高い伝導性を有するものとして、フッ化水素化合物をアニオンとするイミダゾールイオン液体を用いることによるプロトン交換液及び膜が提案されているが、この材料を利用しようとした場合、フッ化水素の取扱が問題となることが想定される。 Several proposals have also been made for proton exchangers mainly used for fuel cells. For example, a proton exchange membrane using an aprotic ionic liquid composed of a nitrogen-containing quaternary salt such as a quaternary ammonium salt, quaternary pyridinium salt, or quaternary imidazolium salt and a polymer material having an ion exchange group (Patent Literature) 5-7), a proton exchange solution by using a protic ionic liquid composed of an imidazole compound, a membrane (Patent Document 8), and the like. However, the conductivity under non-humidified conditions shown in these examples is about 10 −4 to 10 −3 S / cm at the highest, and improvement is necessary for use as a non-humidified proton exchanger. It was. Proton exchange liquids and membranes using imidazole ionic liquids with hydrogen fluoride compounds as anions have been proposed as having high conductivity, but when using this material, handling of hydrogen fluoride is difficult. It is assumed to be a problem.

これらのイオン液体は、前述したように目的に応じたイオンの組合せにより必要な特性の発現を行うことが可能と提唱されているにもかかわらず、大半の開発において4級イミダゾリウムや脂環式4級アンモニウム、4級アルキルアンモニウム等を用いているのが現状であり、新規骨格によるブレークスルーが必要とされていた。   Although these ionic liquids have been proposed to exhibit the necessary characteristics by combining ions according to the purpose as described above, in most developments, quaternary imidazolium and alicyclic compounds are proposed. At present, quaternary ammonium, quaternary alkylammonium and the like are used, and a breakthrough with a new skeleton has been required.

そこで、本発明者らは、イオン伝導材料を目的とする新規骨格探索を進めた結果、環状グアニジン化合物が有する化学構造上の特異性、すなわち、1)電子の非局在化構造、2)窒素原子等に代表されるプロトン補足を可能とする原子が骨格中に多く含まれていることに着眼した。しかしながら、これまでのグアニジン化合物の用途は、医薬品原料や染料・塗料・写真薬原料、高分子材料への添加剤原料等であった。グアニジン化合物の電気化学特性に関する報告としては、4級グアニジン化合物についての報告として、ヘキサアルキルグアニジンをカチオンとする報告(非特許文献3)があるが、この報告では色素増感太陽電池に関する内容に限定されており、プロトン伝導体としての利用は困難であった。プロトン伝導体として利用可能なプロトン性グアニジン化合物の報告としては、テトラメチルグアニジンとブレンステッド酸の塩(特許文献9、非特許文献4)の例があるが、この報告では、非環状グアニジン化合物に限定されており、環状グアニジン化合物の効果については不明であった。   Thus, as a result of the search for a new skeleton for the purpose of ion-conducting materials, the present inventors have found that the specificity of the cyclic guanidine compound on the chemical structure, that is, 1) electron delocalized structure, 2) nitrogen We focused on the fact that the skeleton contains many atoms that allow proton capture such as atoms. However, the applications of guanidine compounds so far have been raw materials for pharmaceuticals, dyes, paints, photographic agents, raw materials for additives to polymer materials, and the like. As a report on the electrochemical characteristics of the guanidine compound, there is a report on the quaternary guanidine compound in which hexaalkylguanidine is used as a cation (Non-patent Document 3). However, this report is limited to the contents related to the dye-sensitized solar cell. It has been difficult to use as a proton conductor. Examples of reports of protic guanidine compounds that can be used as proton conductors include salts of tetramethylguanidine and Bronsted acid (Patent Document 9, Non-Patent Document 4). The effect of the cyclic guanidine compound was not clear.

特開平7-90111号公報JP-A-7-90111 特開平6-111827号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 6-11827 特開2000-90946号公報JP 2000-90946 A 特開2001-213987号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2001-213987 特開2003-257484号公報JP 2003-257484 A 特開2004-31307号公報JP 2004-31307 A 特開2004-311212号公報JP 2004-311212 A WO2003-083981号公報WO2003-083981 Publication 特開2004-253357号公報JP 2004-253357 A Chem. & Eng. News,2000年5月15日号Chem. & Eng. News, May 15, 2000 issue イオン性液体の機能創生と応用,(株)エヌ・ティー・エス 2004年Functional creation and application of ionic liquids, NTS Corporation 2004 Synthetic Communication,Vol.34,pp3083-3089(2004)Synthetic Communication, Vol.34, pp3083-3089 (2004) Appl.Phys.A, 79, 73-77(2004)Appl.Phys.A, 79, 73-77 (2004)

本発明は、無加湿条件でプロトン伝導能を有する環状グアニジンプロトン性イオン液体を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a cyclic guanidine protonic ionic liquid having proton conductivity under non-humidified conditions.

そこで、本発明者らはこのような問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、環状グアニジン誘導体と酸から得られる塩が高いプロトン伝導性を有することを見出し、本発明に到達した。   Thus, as a result of intensive studies to solve such problems, the present inventors have found that a salt obtained from a cyclic guanidine derivative and an acid has high proton conductivity, and have reached the present invention.

本発明は、下記式(1)で表される環状グアニジン化合物とブレンステッド酸から得られる塩を含有することを特徴とするプロトン交換体である。

Figure 2008214538
(式中、R1、R2及びR3は、独立にアルキル基、アリール基、アルケニル基、ヒドロキシアルキル基、アルコキシアルキル基、アシルオキシアルキル基、アシル基又は水素を示す。nは1以上、6以下の整数を示す。) The present invention is a proton exchanger characterized by containing a salt obtained from a cyclic guanidine compound represented by the following formula (1) and a Bronsted acid.
Figure 2008214538
(Wherein R 1 , R 2 and R 3 independently represent an alkyl group, an aryl group, an alkenyl group, a hydroxyalkyl group, an alkoxyalkyl group, an acyloxyalkyl group, an acyl group or hydrogen. N is 1 or more, 6 The following integers are shown.)

また、本発明は、プロトン交換体を膜状に成形してなることを特徴とするプロトン交換膜である。更に、本発明は、プロトン交換膜からなる固体高分子電解膜を有することを特徴とする燃料電池である。更に、本発明はプロトン交換体を有することを特徴とする電気化学セル用電解質である。   Moreover, the present invention is a proton exchange membrane obtained by forming a proton exchanger into a membrane shape. Furthermore, the present invention is a fuel cell comprising a solid polymer electrolyte membrane made of a proton exchange membrane. Furthermore, the present invention is an electrolyte for an electrochemical cell characterized by having a proton exchanger.

本発明の好ましい態様は次のとおりである。
1) プロトン交換体が、式(1)で表される環状グアニジン化合物とブレンステッド酸を等当量で反応させて得られる塩からなること。
2) プロトン交換体が、高分子化合物からなるゲル化材料中に、環状グアニジン化合物とブレンステッド酸から得られる塩が保持されていること。
Preferred embodiments of the present invention are as follows.
1) The proton exchanger is made of a salt obtained by reacting the cyclic guanidine compound represented by the formula (1) with a Brönsted acid in an equivalent amount.
2) A salt obtained from a cyclic guanidine compound and a Bronsted acid is retained in a gelled material composed of a polymer compound as a proton exchanger.

以下、本発明を更に詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

本発明で使用する環状グアニジン化合物は前記式(1)で示される。式中、R1、R2及びR3は、独立にアルキル基、アリール基、アルケニル基、ヒドロキシアルキル基、アルコキシアルキル基、アシルオキシアルキル基、アシル基又は水素を示す。アルキル基としては、C1〜C12のアルキル基が好ましく挙げられる。アリール基としては、6員環の芳香族炭化水素基が好ましく挙げられる。アルケニル基としてはC2〜C6のアルケニル基が好ましく、例えばビニル基やアリル基が例示できる。ヒドロキシアルキル基としては、C1〜C6を有するヒドロキシアルキル基が好ましく、例えば、ヒドロキシエチル基、ヒドロキシプロピル基、ヒドロキシブチル基、ヒドロキシペンチル基、ヒドロキシヘキシル基等が例示できる。アルコキシアルキル基としては、低級アルコキシアルキル基が好ましく、例えば、メトキシメチル基、メトキシエチル基、メトキシプロピル基、メトキシブチル基、エトキシエチル基、エトキシプロピル基、エトキシブチル基、プロピルオキシエチル基、イソピロピルオキシエチル基、イソプロピルオキシプロピル基、ブトキシエチル基、ブトキシプロピル基、ブトキシブチル基等を例示できる。アシルオキシアルキル基としては、ホルミルオキシアルキル基、アセチルオキシアルキル基、プロピオニルオキシアルキル基、ブチリルオキシアルキル基、イソブチリルオキシアルキル基、バレリルオキシアルキル基、イソバレリルオキシアルキル基、ピバロイルオキシアルキル基、アクリロイルオキシアルキル基、メタクリロイルオキシアルキル基、ベンゾイルオキシアルキル基等を例示できる。アシル基としては、ホルミル基、アセチル基、プロピオニル基、ブチリル基、イソブチリル基、バレリル基、イソバレリル基、ピバロイル基、アクリロイル基、メタクリロイル基、ベンゾイル基等を例示できる。nは1以上、6以下の整数を示し、好ましくは2〜4の整数を示す。 The cyclic guanidine compound used in the present invention is represented by the formula (1). In the formula, R 1 , R 2 and R 3 independently represent an alkyl group, aryl group, alkenyl group, hydroxyalkyl group, alkoxyalkyl group, acyloxyalkyl group, acyl group or hydrogen. Preferred examples of the alkyl group include C1-C12 alkyl groups. Preferred examples of the aryl group include 6-membered aromatic hydrocarbon groups. The alkenyl group is preferably a C2 to C6 alkenyl group, and examples thereof include a vinyl group and an allyl group. As the hydroxyalkyl group, a hydroxyalkyl group having C1 to C6 is preferable, and examples thereof include a hydroxyethyl group, a hydroxypropyl group, a hydroxybutyl group, a hydroxypentyl group, and a hydroxyhexyl group. The alkoxyalkyl group is preferably a lower alkoxyalkyl group, for example, methoxymethyl group, methoxyethyl group, methoxypropyl group, methoxybutyl group, ethoxyethyl group, ethoxypropyl group, ethoxybutyl group, propyloxyethyl group, isopropyl Examples include a pyroxyethyl group, isopropyloxypropyl group, butoxyethyl group, butoxypropyl group, butoxybutyl group. Acyloxyalkyl groups include formyloxyalkyl group, acetyloxyalkyl group, propionyloxyalkyl group, butyryloxyalkyl group, isobutyryloxyalkyl group, valeryloxyalkyl group, isovaleryloxyalkyl group, pivaloyl Examples thereof include an oxyalkyl group, an acryloyloxyalkyl group, a methacryloyloxyalkyl group, and a benzoyloxyalkyl group. Examples of the acyl group include formyl group, acetyl group, propionyl group, butyryl group, isobutyryl group, valeryl group, isovaleryl group, pivaloyl group, acryloyl group, methacryloyl group, and benzoyl group. n represents an integer of 1 or more and 6 or less, preferably an integer of 2 to 4.

本発明のプロトン交換体は、前記式(1)に示される環状グアニジン化合物とブレンステッド酸を作用させることによって得られる塩(以下、G-B塩と略称する場合がある)を含有する。   The proton exchanger of the present invention contains a salt obtained by reacting a cyclic guanidine compound represented by the above formula (1) with a Bronsted acid (hereinafter sometimes abbreviated as G-B salt).

ブレンステッド酸としては、有機ブレンステッド酸、無機ブレンステッド酸のいずれも用いることができる。無機ブレンステッド酸としては、硫酸、リン酸、ホウ酸、ヘテロポリ酸が挙げられる。有機ブレンステッド酸としては、酢酸、蟻酸、トリフルオロ酢酸等のカルボン酸類、メタンスルホン酸、エタンスルホン酸、オクタンスルホン酸等のアルキルスルホン酸類、トリフルオロメタンスルホン酸、パーフルオロブタンスルホン酸、パーフルオロオクタンスルホン酸等の含フッ素スルホン酸類、ビス(トリフルオロメタンスルホン酸)イミド等の含フッ素アルキルスルホン酸イミド類(以下、イミド酸類ともいう)が挙げられる。好ましくは、アルキルスルホン酸類、含フッ素アルキルスルホン酸類、アルキルカルボン酸(RCOOH)又はイミド酸類である。ここで、これらアルキルの炭素数は1〜6であることが好ましい。   As the Bronsted acid, either an organic Bronsted acid or an inorganic Bronsted acid can be used. Examples of the inorganic Bronsted acid include sulfuric acid, phosphoric acid, boric acid, and heteropolyacid. Organic Bronsted acids include carboxylic acids such as acetic acid, formic acid, and trifluoroacetic acid, alkyl sulfonic acids such as methanesulfonic acid, ethanesulfonic acid, and octanesulfonic acid, trifluoromethanesulfonic acid, perfluorobutanesulfonic acid, and perfluorooctane. Examples thereof include fluorine-containing sulfonic acids such as sulfonic acid and fluorine-containing alkylsulfonic acid imides such as bis (trifluoromethanesulfonic acid) imide (hereinafter also referred to as imide acids). Alkyl sulfonic acids, fluorine-containing alkyl sulfonic acids, alkyl carboxylic acids (RCOOH) or imide acids are preferred. Here, the alkyl preferably has 1 to 6 carbon atoms.

式(1)で示される環状グアニジン化合物は塩基として作用し、ブレンステッド酸との中和反応によってG-B塩が得られる。その具体的方法は、一般的に知られている酸塩基の中和反応方法を用いることができる。式(1)で示される環状グアニジン化合物1モルは1当量の塩基と計算されるので、1:1で中和させるためには、1当量のブレンステッド酸が必要とされる。しかし、いずれかを過剰に使用することもできる。この場合の好ましい範囲は、環状グアニジン化合物1モルに対し、ブレンステッド酸0.5〜2当量である。環状グアニジン化合物1モルに対し、ブレンステッド酸1当量を使用して得た塩はG-B塩濃度が高いためプロトン交換体の性能が優れる。   The cyclic guanidine compound represented by the formula (1) acts as a base, and a GB salt is obtained by a neutralization reaction with a Bronsted acid. As a specific method thereof, a generally known acid-base neutralization reaction method can be used. Since 1 mol of the cyclic guanidine compound represented by the formula (1) is calculated as 1 equivalent of a base, 1 equivalent of Bronsted acid is required to neutralize 1: 1. However, either can be used in excess. In this case, a preferable range is 0.5 to 2 equivalents of Bronsted acid with respect to 1 mol of the cyclic guanidine compound. A salt obtained by using 1 equivalent of Bronsted acid with respect to 1 mol of the cyclic guanidine compound has a high G-B salt concentration, so that the performance of the proton exchanger is excellent.

中和反応方法としては、式(1)で示される環状グアニジン化合物とブレンステッド酸を溶媒に溶解又は混合することにより反応させて得られる。例えば、環状グアニジン化合物としてN-(1,3-ジメチル-2-イミダゾリジニリデン)-1-プロパンアミンを、ブレンステッド酸としてビス(トリフルオロメタンスルホン酸)イミドを、それぞれ等モル量使用し、メタノール中で作用させることにより、式(2)で示されるN-(1,3-ジメチル-2-イミダゾリジニリデン)-1-プロパンアミンのビス(トリフルオロメタンスルホン酸)イミド塩を得ることができる。

Figure 2008214538
The neutralization reaction method is obtained by reacting the cyclic guanidine compound represented by the formula (1) and Bronsted acid by dissolving or mixing them in a solvent. For example, N- (1,3-dimethyl-2-imidazolidinylidene) -1-propanamine as the cyclic guanidine compound and bis (trifluoromethanesulfonic acid) imide as the Bronsted acid are used in equimolar amounts, respectively. By acting in the reaction, a bis (trifluoromethanesulfonic acid) imide salt of N- (1,3-dimethyl-2-imidazolidinylidene) -1-propanamine represented by the formula (2) can be obtained.
Figure 2008214538

G-B塩はそれ自身単独であってもプロトン交換能を有するので、本発明のプロトン交換体として使用することができる。また、プロトン交換体の有効成分として使用することもできる。   Since the G-B salt itself has proton exchange ability, it can be used as a proton exchanger of the present invention. Moreover, it can also be used as an active ingredient of a proton exchanger.

プロトン交換体は、液状又は固体状で使用される。液状で使用する場合、G-B塩が使用温度において液体となる場合は、そのまま使用してもよく、他の成分を配合して使用してもよい。G-B塩が固体となる場合は、これを適切な溶媒に溶解して使用することができる。使用可能な溶媒としては、G-B塩の使用温度以上の沸点を有する溶媒であり、G-B塩が溶解しプロトン伝導性を阻害しないものであれば、特に限定されず、例えば、水、メタノールに代表されるアルコール類、トルエンに代表される芳香族炭化水素類、ヘキサン等に代表される脂肪族炭化水素類、ジメチルフォルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルイミダゾリジノン、N-メチルピロリドン、ジメチルスルホキシド等に代表される非プロトン性極性溶媒等が例示できる。   The proton exchanger is used in liquid or solid form. When used in a liquid state, when the G-B salt becomes a liquid at the use temperature, it may be used as it is or may be used by mixing other components. When the G-B salt becomes a solid, it can be used by dissolving in a suitable solvent. The solvent that can be used is a solvent having a boiling point equal to or higher than the use temperature of the GB salt, and is not particularly limited as long as the GB salt dissolves and does not inhibit proton conductivity. Alcohols, aromatic hydrocarbons represented by toluene, aliphatic hydrocarbons represented by hexane, dimethylformamide, dimethylacetamide, dimethylimidazolidinone, N-methylpyrrolidone, dimethylsulfoxide, etc. And aprotic polar solvents.

プロトン交換体を固体状で使用する場合、G-B塩が使用温度において固体となるときは、そのまま使用してもよい。例えば、無溶媒で固体電解質として使用することもできる。   When the proton exchanger is used in a solid state, when the G-B salt becomes a solid at the use temperature, it may be used as it is. For example, it can be used as a solid electrolyte without a solvent.

高分子化合物からなるゲル化材料とG-B塩を複合化して本発明のプロトン交換体とすることもできる。この場合は、高分子ゲル電解質として使用することもできる。その製造法としては、以下に例示する高分子化合物とG-B塩を直接加え加熱溶解して冷却するか、又は適当な有機溶媒中で両者を混合し成形した後、減圧乾燥などの方法で溶媒を留去して得られる。高分子化合物としては、G-B塩を固体化し得るものであれば、限定されないが、ポリ塩化ビニル、ポリアクリロニトリル、ポリメタクリル酸メチル、ポリフッ化ビニリデン等のポリビニル高分子化合物、ポリオキシメチレン、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド等のポリエーテル高分子化合物、ナイロン6、ナイロン66等のポリアミド化合物、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル化合物及びポリカーボネート化合物が挙げられる。更に、これらの重合性前駆体、例えばアクリレートなどの重合性化合物の架橋により、複合化することも可能である。また、G-B塩含有溶液中でモノマーを重合させて高分子化合物複合体を得ることも可能である。   A proton exchanger of the present invention can also be obtained by combining a gelling material comprising a polymer compound and a G-B salt. In this case, it can also be used as a polymer gel electrolyte. As the production method, the polymer compound and GB salt exemplified below are directly added, dissolved by heating, cooled, or mixed and molded in a suitable organic solvent, and then the solvent is removed by a method such as drying under reduced pressure. Obtained by distillation. The polymer compound is not limited as long as it can solidify GB salt, but polyvinyl polymer compounds such as polyvinyl chloride, polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, polyvinylidene fluoride, polyoxymethylene, polyethylene oxide, Examples thereof include polyether polymer compounds such as polypropylene oxide, polyamide compounds such as nylon 6 and nylon 66, polyester compounds such as polyethylene terephthalate, and polycarbonate compounds. Furthermore, it is also possible to make a composite by crosslinking these polymerizable precursors, for example, a polymerizable compound such as acrylate. It is also possible to obtain a polymer compound complex by polymerizing monomers in a G-B salt-containing solution.

式(1)で表される環状グアニジン化合物は公知の方法で容易に製造することができる。例えば、Inorg. Chem. 2005, 44, p1704-1712に示される以下の反応式により得ることができる。

Figure 2008214538
すなわち、環状尿素化合物に対して塩化ホスホリル等の塩素化剤を作用させた後に、1級脂肪族アミンを作用させて所望の環状グアニジン化合物を方法である。 The cyclic guanidine compound represented by the formula (1) can be easily produced by a known method. For example, it can be obtained by the following reaction formula shown in Inorg. Chem. 2005, 44, p1704-1712.
Figure 2008214538
That is, a desired cyclic guanidine compound is produced by allowing a primary aliphatic amine to act after a chlorinating agent such as phosphoryl chloride is allowed to act on the cyclic urea compound.

式(1)で表される環状グアニジン化合物の好ましい具体例を以下に示すが、これらに限定するものではない。化学式の下に記載した番号は化学式番号である。     Although the preferable specific example of the cyclic guanidine compound represented by Formula (1) is shown below, it is not limited to these. The number described below the chemical formula is the chemical formula number.

Figure 2008214538
Figure 2008214538

Figure 2008214538
Figure 2008214538

本発明のプロトン交換体は、高分子化合物からなるゲル化材料中に、G-B塩が保持されているものであることができ、これを膜状に成形することによりプロトン交換膜とすることができる。プロトン交換膜は、固体高分子電解質膜を有する燃料電池の固体高分子電解質膜材料として適する。   The proton exchanger of the present invention can be one in which a GB salt is held in a gelled material made of a polymer compound, and can be made into a proton exchange membrane by forming this into a membrane. . The proton exchange membrane is suitable as a solid polymer electrolyte membrane material for a fuel cell having a solid polymer electrolyte membrane.

本発明のプロトン交換体は、プロトン伝導体として機能を有する。本発明のプロトン交換体の用途としては、上記燃料電池用材料用途の他、イオン交換膜用途、医薬用途(生体膜等の形でNaイオンをプロトンに交換するなど)がある。   The proton exchanger of the present invention has a function as a proton conductor. Applications of the proton exchanger of the present invention include, in addition to the fuel cell material applications described above, ion exchange membrane applications, and pharmaceutical applications (such as exchanging Na ions for protons in the form of biological membranes).

本発明のプロトン交換体は、これまで困難であった無加湿条件でのプロトン伝導性を活かした電気化学デバイスの材料、例えば、燃料電池の固体電解質や電池分野での電解質等に適する。   The proton exchanger of the present invention is suitable for materials for electrochemical devices that take advantage of proton conductivity under unhumidified conditions, which has been difficult until now, such as solid electrolytes for fuel cells and electrolytes in the battery field.

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。
実施例でのプロトン伝導度の測定は、交流インピーダンス法により行った。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
The proton conductivity in the examples was measured by the AC impedance method.

実施例1
トルエン(5 ml)、ジメチルイミダゾリジノン(50 mmol)、塩化ホスホリル(15 mmol, 0.3 eq)を窒素雰囲気下、室温にて溶解した後、65℃で撹拌した。20時間後、0℃に冷却しジクロロメタン(15 ml)を加え、n-プロピルアミンを加え、55℃で加熱攪拌した。4時間後冷却し、水酸化ナトリウム水溶液を加え、ジクロロメタンで抽出した。ジクロロメタン層を濃縮し、残渣をアルミナカラムにより精製することによりN-(1,3-ジメチル-2-イミダゾリジニリデン)-1-プロパンアミンを黄色油状物として得た。
1H-NMR (CDCl3)測定結果を図1に示す。1H-NMR (CDCl3);3.55(s, 4H), 3.34(t, 2H, J=7.56Hz),3.10(s, 6H),1.71(dt, 6H, J=7.56, 7.56Hz), 0.89(t, 3H, J=7.56Hz)
Example 1
Toluene (5 ml), dimethylimidazolidinone (50 mmol) and phosphoryl chloride (15 mmol, 0.3 eq) were dissolved at room temperature in a nitrogen atmosphere, and then stirred at 65 ° C. After 20 hours, the mixture was cooled to 0 ° C., dichloromethane (15 ml) was added, n-propylamine was added, and the mixture was heated and stirred at 55 ° C. After 4 hours, the mixture was cooled, an aqueous sodium hydroxide solution was added, and the mixture was extracted with dichloromethane. The dichloromethane layer was concentrated, and the residue was purified by an alumina column to give N- (1,3-dimethyl-2-imidazolidinylidene) -1-propanamine as a yellow oil.
The results of 1H-NMR (CDCl3) measurement are shown in FIG. 1H-NMR (CDCl3); 3.55 (s, 4H), 3.34 (t, 2H, J = 7.56Hz), 3.10 (s, 6H), 1.71 (dt, 6H, J = 7.56, 7.56Hz), 0.89 (t , 3H, J = 7.56Hz)

得られたN-(1,3-ジメチル-2-イミダゾリジニリデン)-1-プロパンアミン(10mmol)をビス(トリフルオロメタンスルホン酸)イミド(10mmol)のメタノール溶液に加え、室温で撹拌した。30分後、溶媒留去することによりN-(1,3-ジメチル-2-イミダゾリジニリデン)-1-プロパンアミンのビス(トリフルオロメタンスルホン酸)イミド塩を油状物として得た。この塩のプロトン伝導度を交流インピーダンス法により行った結果を表1に示す。   The obtained N- (1,3-dimethyl-2-imidazolidinylidene) -1-propanamine (10 mmol) was added to a methanol solution of bis (trifluoromethanesulfonic acid) imide (10 mmol) and stirred at room temperature. After 30 minutes, the solvent was distilled off to obtain bis (trifluoromethanesulfonic acid) imide salt of N- (1,3-dimethyl-2-imidazolidinylidene) -1-propanamine as an oil. Table 1 shows the results of the proton conductivity of this salt obtained by the AC impedance method.

Figure 2008214538
Figure 2008214538

実施例2
実施例1において、n−プロピルアミンの代わりにn−ブチルアミンを用いたほかは実施例1と同様の操作を行い、対応する環状グアニジン化合物を得て、これとビス(トリフルオロメタンスルホン酸)イミドを反応させてビス(トリフルオロメタンスルホン酸)イミド塩を油状物として得た。この塩のプロトン伝導度を交流インピーダンス法により行った結果を表2に示す。環状グアニジン化合物の1H-NMR (CDCl3)測定結果を図2に示す。
Example 2
In Example 1, except that n-butylamine was used in place of n-propylamine, the same operation as in Example 1 was performed to obtain a corresponding cyclic guanidine compound, which was combined with bis (trifluoromethanesulfonic acid) imide. The reaction gave bis (trifluoromethanesulfonic acid) imide salt as an oil. Table 2 shows the results of the proton conductivity of this salt obtained by the AC impedance method. FIG. 2 shows the 1H-NMR (CDCl3) measurement results of the cyclic guanidine compound.

Figure 2008214538
Figure 2008214538

実施例3
実施例1において、n−プロピルアミンの代わりにn−ドデシルアミンを用いたほかは実施例1と同様の操作を行い、対応する環状グアニジン化合物を得て、これとビス(トリフルオロメタンスルホン酸)イミドを反応させてビス(トリフルオロメタンスルホン酸)イミド塩を油状物として得た。この塩のプロトン伝導度を交流インピーダンス法により行った結果を表3に示す。環状グアニジン化合物の1H-NMR (CDCl3)測定結果を図3に示す。
Example 3
In Example 1, except that n-dodecylamine was used in place of n-propylamine, the same operation as in Example 1 was performed to obtain a corresponding cyclic guanidine compound, which was combined with bis (trifluoromethanesulfonic acid) imide. To give a bis (trifluoromethanesulfonic acid) imide salt as an oil. Table 3 shows the results of the proton conductivity of this salt obtained by the AC impedance method. FIG. 3 shows the 1H-NMR (CDCl3) measurement results of the cyclic guanidine compound.

Figure 2008214538
Figure 2008214538

実施例4
実施例1において、n−プロピルアミンの代わりにエタノールアミンを用いたほかは実施例1と同様の操作を行い、対応する環状グアニジン化合物を得て、これとビス(トリフルオロメタンスルホン酸)イミドを反応させてビス(トリフルオロメタンスルホン酸)イミド塩を油状物として得た。この塩のプロトン伝導度を交流インピーダンス法により行った結果を表3に示す。環状グアニジン化合物の1H-NMR (CDCl3)測定結果を図4に示す。
Example 4
In Example 1, except that ethanolamine was used instead of n-propylamine, the same operation as in Example 1 was performed to obtain a corresponding cyclic guanidine compound, which was reacted with bis (trifluoromethanesulfonic acid) imide. To give bis (trifluoromethanesulfonic acid) imide salt as an oil. Table 3 shows the results of the proton conductivity of this salt obtained by the AC impedance method. FIG. 4 shows the 1H-NMR (CDCl3) measurement results of the cyclic guanidine compound.

Figure 2008214538
Figure 2008214538

実施例5
図5に示すように、両端に白金電極1及び2を配し、白金電極1側にガスバブリング管3を配したU字ガラス製セルに、実施例1で得られたN-(1,3-ジメチル-2-イミダゾリジニリデン)-1-プロパンアミンのビス(トリフルオロメタンスルホン酸)イミド塩を加えた。電極1が正極、電極2が負極となるように直流電源を接続し、ガスバブリング管3から窒素ガス又は水素を流通させて、通電試験を行った。通電試験結果を図6に示す。
Example 5
As shown in FIG. 5, the N- (1,3) obtained in Example 1 was placed in a U-shaped glass cell in which platinum electrodes 1 and 2 were disposed at both ends and a gas bubbling tube 3 was disposed on the platinum electrode 1 side. The bis (trifluoromethanesulfonic acid) imide salt of -dimethyl-2-imidazolidinylidene) -1-propanamine was added. A direct current power source was connected so that the electrode 1 was a positive electrode and the electrode 2 was a negative electrode, and nitrogen gas or hydrogen was circulated from the gas bubbling tube 3 to conduct an energization test. The results of the current test are shown in FIG.

ガスバブリング管3を経由して窒素を流通させた場合、図6に示すようにほとんど電流は流れなかったが、水素を流通させた場合には電圧に応じて電流が流れた。すなわち、水素流通下では電極1において生成するプロトンが、電極2において水素となると考えられる。このことから、本発明のプロトン伝導体としてのG-B塩が、プロトン伝導体として機能していることが確認された。   When nitrogen was circulated through the gas bubbling pipe 3, almost no current flowed as shown in FIG. 6, but when hydrogen was circulated, current flowed according to the voltage. That is, it is considered that the proton generated at the electrode 1 becomes hydrogen at the electrode 2 under the flow of hydrogen. From this, it was confirmed that the GB salt as a proton conductor of the present invention functions as a proton conductor.

実施例1で得た環状グアニジン化合物のNMRチャートNMR chart of the cyclic guanidine compound obtained in Example 1 実施例2で得た環状グアニジン化合物のNMRチャートNMR chart of the cyclic guanidine compound obtained in Example 2 実施例3で得た環状グアニジン化合物のNMRチャートNMR chart of the cyclic guanidine compound obtained in Example 3 実施例4で得た環状グアニジン化合物のNMRチャートNMR chart of the cyclic guanidine compound obtained in Example 4 プロトン伝導体としての性能を評価するための装置の模式図Schematic diagram of an apparatus for evaluating the performance as a proton conductor 水素又は窒素ガスを流通させたときの電圧と電流の関係を示す図Diagram showing the relationship between voltage and current when hydrogen or nitrogen gas is passed

符号の説明Explanation of symbols

1:白金電極、2:白金電極、3:ガスバブリング管   1: platinum electrode, 2: platinum electrode, 3: gas bubbling tube

Claims (6)

下記式(1)
Figure 2008214538
(式中、R1、R2及びR3は、独立にアルキル基、アリール基、アルケニル基、ヒドロキシアルキル基、アルコキシアルキル基、アシルオキシアルキル基、アシル基又は水素を示す。nは1以上、6以下の整数を示す。)で表される環状グアニジン化合物とブレンステッド酸から得られる塩を含有することを特徴とするプロトン交換体。
Following formula (1)
Figure 2008214538
(Wherein R 1 , R 2 and R 3 independently represent an alkyl group, an aryl group, an alkenyl group, a hydroxyalkyl group, an alkoxyalkyl group, an acyloxyalkyl group, an acyl group or hydrogen. N is 1 or more, 6 A proton exchanger comprising a salt obtained from a cyclic guanidine compound represented by the following formula: and a Bronsted acid.
式(1)で表される環状グアニジン化合物とブレンステッド酸を等当量で反応させて得られる塩からなる請求項1記載のプロトン交換体。   2. The proton exchanger according to claim 1, comprising a salt obtained by reacting the cyclic guanidine compound represented by the formula (1) with a Bronsted acid in an equivalent amount. 高分子化合物からなるゲル化材料中に、環状グアニジン化合物とブレンステッド酸から得られる塩が保持されていることを特徴とする請求項1に記載のプロトン交換体。   The proton exchanger according to claim 1, wherein a salt obtained from a cyclic guanidine compound and a Bronsted acid is held in a gelling material comprising a polymer compound. 請求項3記載のプロトン交換体を膜状に成形してなることを特徴とするプロトン交換膜。   A proton exchange membrane obtained by forming the proton exchanger according to claim 3 into a membrane shape. 請求項4記載のプロトン交換膜からなる固体高分子電解質膜を有することを特徴とする燃料電池。   A fuel cell comprising a solid polymer electrolyte membrane comprising the proton exchange membrane according to claim 4. 請求項1記載のプロトン交換体を有することを特徴とする電気化学セル用電解質。   An electrolyte for an electrochemical cell comprising the proton exchanger according to claim 1.
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